تحقیق اسیلوسکوپ

مقدمه

اسیلوسکوپ در حقیقت رسامهای بسیار سریع هستند که سیگنال ورودی را در برابر زمان یا در برابر سیگنال دیگر نمایش می‌‌دهند. قلم این رسام یک لکه نورانی است که در اثر برخورد یک باریکه الکترون به پرده‌ای فلوئورسان بوجود می‌آید.

به علت لختی بسیار کم باریکه الکترون می‌‌توان این باریکه را برای دنبال کردن تغییرات لحظه‌ای (ولتاژهایی که بسیار سریع تغییر می‌کنند، یا فرکانس‌های بسیار بالا) بکار برد. اسیلوسکوپ بر اساس ولتاژ کار می‌‌کند. البته به کمک مبدلها (ترانزیستورها) می‌‌توان جریان الکتریکی و کمیتهای دیگر فیزیکی و مکانیکی را به ولتاژ تبدیل کرد.

قسمتهای مختلف اسیلوسکوپ

لامپ پرتو کاتدی

اسیلوسکوپ از یک لامپ پرتو کاتدی که قلب دستگاه است و تعدادی مدار برای کار کردن لامپ پرتو کاتدی تشکیل شده است. قسمتهای مختلف لامپ پرتو کاتدی عبارتند از:

تفنگ الکترونی :

تفنگ الکترونی باریکه متمرکزی از الکترونها را بوجود می‌‌آورد که شتاب زیادی کسب کرده‌اند. این باریکه الکترون با انرژی کافی به صفحه فلوئورسان برخورد می‌کند و بر روی آن یک لکه نورانی تولید می‌‌کند. تفنگ الکترونی از رشته گرمکن ، کاتد ، شبکه آند پیش شتاب دهنده ، آند کانونی کننده و آند شتاب دهنده تشکیل شده است.

الکترونها از کاتدی که بطور غیر مستقیم گرم می‌شود، گسیل می‌‌شوند. این الکترونها از روزنه کوچکی در شبکه کنترل می‌‌گردند. شبکه کنترل معمولا یک استوانه هم محور با لامپ است و دارای سوراخی است که در مرکز آن قرار دارد. الکترونهای گسیل شده از کاتد که از روزنه می‌‌گذرند (به دلیل پتانسیل مثبت زیادی که به آندهای پیش شتاب دهنده و شتاب دهنده اعمال می‌‌شود)، شتاب می‌‌گیرند. باریکه الکترونی را آند کانونی کننده ، کانونی می‌‌کند.

صفحات انحراف دهنده :

 صفحات انحراف دهنده شامل دو دسته صفحه است. صفحات انحراف قائم که بطور افقی نسب می‌شوند و یک میدان الکتریکی در صفحه قائم ایجاد می‌‌کنند و صفحات y نامیده می‌‌شوند. صفحات انحراف افقی بطور قائم نصب می‌شوند و انحراف افقی ایجاد می‌‌کنند و صفحات x نامیده می‌‌شوند. فاصله صفحات به اندازه کافی زیاد است که باریکه بتواند بدون برخورد با آنها عبور کند.

صفحه فلوئورسان :

جنس این پرده که در داخل لامپ پرتو کاتدی قرار دارد، از جنس فسفر است. این ماده دارای این خاصیت است که انرژی جنبشی الکترونهای برخورد کننده را جذب می‌‌کند و آنها را به صورت یک لکه نورانی ظاهر می‌سازد. قسمتهای دیگر لامپ پرتو کاتدی شامل پوشش شیشه‌ای ، پایه که از طریق آن اتصالات برقرار می‌‌شود، است.

مولد مبنای زمان

اسیلوسکوپها بیشتر برای اندازه گیری و نمایش کمیات وابسته به زمان بکار می‌‌روند. برای این کار لازم است که لکه نورانی لامپ روی پرده با سرعت ثابت از چپ به راست حرکت کند. بدین منظور یک ولتاژ مثبت به صفحات انحراف افقی اعمال می‌‌شود. مداری که این ولتاژ مثبت را تولید می‌‌کند، مولد مبنای زمان یا مولد رویش نامیده می‌‌شود.

مدارهای اصلی اسیلوسکوپ

سیستم انحراف قائم

چون سیگنالها برای ایجاد انحراف قابل اندازه گیری بر روی صفحه لامپ به اندازه کافی قوی نیستند، لذا معمولا تقویت قائم لازم است. هنگام اندازه گیری سیگنالهای با ولتاژ بالا باید آنها را تضعیف کرد تا در محدوده تقویت کننده‌های قائم قرار گیرند. خروجی تقویت کننده قائم ، از طریق انتخاب همزمانی در وضعیت داخلی، به تقویت کننده همزمان نیز اعمال می‌‌شود.

سیستم انحراف افقی

صفحات انحراف افقی را ولتاژ رویش که مولد مبنای زمان تولید می‌‌کند، تغذیه می‌کند. این سیگنال از طریق یک تقویت کننده اعمال می‌‌شود، ولی اگر دامنه سیگنالها به اندازه کافی باشد، می‌‌توان آن را مستقیما اعمال کرد. هنگامی ‌که به سیستم انحراف افقی ، سیگنال خارجی اعمال می‌‌شود، باز هم از طرق تقویت کننده افقی و کلید انتخاب رویش در وضعیت خارجی اعمال خواهد شد. اگر کلید انتخاب رویش در وضعیت داخلی باشد، تقویت کننده افقی ، سیگنال ورودی خود را از مولد رویش دندانه‌داری که با تقویت کننده همزمان راه اندازی می‌‌شود، می‌‌گیرد.

همزمانی

هر نوع رویشی که بکار می‌‌رود، باید با سیگنال مورد بررسی همزمان باشد. تا یک تصویر بی حرکت بوجود آید. برای این کار باید فرکانس سیگنال مبنای زمان مقسوم علیه‌ای از فرکانس سیگنال مورد بررسی باشد.

مواد محو کننده

در طی زمان رویش ، ولتاژ دندانه‌دار رویش اعمال شده به صفحات x ، لکه نورانی را بر یک خط افقی از چپ به راست روی صفحه لامپ حرکت می‌دهد. اگر سرعت حرکت کم باشد، یک لکه دیده می‌‌شود و اگر سرعت زیاد باشد، لکه به صورت یک خط دیده می‌‌شود. در سرعتهای خیلی زیاد ، ضخامت خط کم شده و تار به نظر می‌‌رسد و یا حتی دیده نمی‌‌شود.

کنترل وضعیت

وسیله‌ای برای کنترل حرکت مسیر باریکه بر روی صفحه لازم است. با این کار شکل موج ظاهر شده بر روی صفحه را می‌‌توان بالا یا پائین یا به چپ یا راست حرکت داد. این کار را می‌‌توان با اعمال یک ولتاژ کوچک سیستم داخلی (که مستقل است) به صفحات انحراف دهنده انجام داد. این ولتاژ را می‌‌توان با یک پتانسیومتر تغییر داد.

کنترل کانونی بودن

الکترود کانونی کننده مثل یک عدسی با فاصله کانونی تغییر می‌‌کند. این تغییر با تغییر پتانسیل آند کانونی کننده صورت می‌‌گیرد.

کنترل شدت

شدت باریکه با پتانسیومتر کنترل کننده شدت که پتانسیل شبکه را نسبت به کاتد تغییر می‌‌دهد، تنظیم می‌‌شود.

مدار کالیبره سازی

در اسیلوسکوپهای آزمایشگاهی معمولا یک ولتاژ پایدار داخلی تولید می‌‌شود که دامنه مشخصی دارد. این ولتاژ که برای کالیبره سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد، معمولا یک موج مربعی است

تنظیمات پایه

اگرچه کلیدهای کنترلی اسکوپ های مختلف کمی با هم فرق می کنه ولی در مجموع در اسکوپ های آنالوگ یک سری کلید های اساسی وجود داره که اگرچه در ظاهر تفاوت هایی وجود داره ولی در نهایت وظیفه ی اونا در مدل های مختلف یکیه و در شکل زیر یکی از ساده ترین مدل ها رو می بینید. این شکل به چهار قسمت مختلف تقسیم شده که سه قسمت مهم اون نامگذاری شده که در زیر توضیح اون ها رو می بینید

انتخاب و ضعیت عمودی (کلید Vertical MODE در مرز مشترک قسمت 2 و 3)

بسته به این که بخواهیم از کدوم یک از ورودی های اسکوپ استفاده کنیم می تونیم کلید MODE رو تنظیم کنیم که به ترتیب از بالا به پایین اسکوپ، روی صفحه نمایش، کانال یک، کانال دو، دو موج راهمزمان و در وضعیت ADD، جمع ریاضی دو موج را نشان خواهد داد.

توجه1: بعضی از اسکوپ ها بجای کلید DUAL دو کلید دیگر به نام های ALT و CHOP دارند که هر دوی اون ها هم دو موج رو همزمان نمایش می دن اما تفاوت ALT و CHOP در اینه که ALT یک دوره تناوب از یک موج رو به طور کامل و بسیار سریع نمایش میده و بعد موج کانال دیگه رو. اما این تغییر انقدر سریع انجام میشه که ما اون رو حس نمی کنیم. اما وضعیت CHOP به صورت انتخابی بریده هایی از یک موج و بریده هایی ازیک موج دیگه رو هم زمان نشون میده که ممکنه شکل موج در فرکانس های پایین با نقطه هایی خالی نشون داده بشه.

توجه2:(MODE X-Y) در بعضی از اسکوپ ها دکمه ی تغییر وضعیت به X-Y در کنار همین دکمه های Vertical mode قرار داره و در بعضی در قسمت تریگر و برخی در قسمت های دیگه مثلا کلید MODE (نه Vertical MODE مثل چیزی که در بالا توضیح داده شد). اما چیزی که مهمه اینه که این وضعیت برای حذف بین دو کانال استفاده میشه و درواقع اونچه بر روی اسکوپ نشون داده میشه، مشخصه ی انتقالی بین دو نقطه است که محور عمودی معرف تغییرات کانال A و محور افقی نمایش تغییرات کانال B است.

.کنترل زمان

همون طور که در شکل قسمت 1 می بینید صفحه نمایش (CRT) اسکوپ با واحدهایی مدرج شده که در مورد زمان برای پیدا کردن فرکانس موج استفاده می شه به این شکل که فرض کنیم یک موج به ورودی اسکوپ وارد شده(منبع اش می تونه مثلا یک سیگنال ژنراتور یا یک ترانس باشه که توضیح داده خواهد شد) و ما می خواهیم فرکانس اش رو پیدا کنیم. اول باید سوییچ Sweep time/Div رو به صورتی تنظیم کنیم که یک موج ثابت با حداقل یک دوره ی تناوب بر روی صفحه مشخص بشه، بعد از اون عددی رو که سوییچ روی اونه در واحد اون قسمت ضرب کنیم و به این ترتیب دوره ی تناوب یا پریود موج به دست می یاد که با معکوس کردن اون می تونیم فرکانس اش رو به دست بیاریم. مثلا فرض کنیم در مورد موج بالا اگه سوییچ time/div(بخونید تایم دیویژن) روی عدد 5 در قسمت ms باشه، نشون می ده که هر واحد افقی ما 5 میلی ثانیه رو نشون می ده و از اون جایی که موج ما در یک دوره ی تناوب در امتداد 4 خونه قرار گرفته، پس 4 تا 5 میلی ثانیه که 20 میلی ثانیه(یا 0.02 ثانیه) است دوره ی تناوب این موجه و در نتیجه فرکانس اون 0.02/1 یا پنجاه هرتزه که مثلا می تونه خروجی یه ترانس از برق شهری باشه.

کنترل ولتاژ یا دامنه

کنترل دامنه یا روش خوندن دامنه ی موج دقیقا مثل روش خوندن زمانه با این تفاوت که باید واحد های عمودی در Volt/Div (بخونید ولت دیویژن) ضرب بشه. مثلا در مورد موج بالا اگه بخواهیم ولتاژ P-P (پیک تو پیک یا از قله تا قله) رو اندازه بگیریم. با فرض اینکه Volt/Div بر روی عدد 1 باشه از قله تا قله ی موج ما 4 خونه رو اشغال کرده که ضربدر عدد یک، 4 ولت رو نشون میده. و این تنظیمات برای هر کانال ورودی باید به طور جداگانه انجام بشه و موج هر کانال باید بر اساس مقیاس خودش خونده بشه.