آشنایی با اسیلوسکوپ و کاربرد آن

آشنایی با اسیلوسکوپ و کاربرد آن

اسلاید 1: به نام خدافصل چهارمآشنایی با اسیلوسکوپ و کاربرد آن

اسلاید 2: مقدمهدر این فصل با یکی دیگر از وسایل اندازه گیری به نام اسیلوسکوپ آشنا می شویم. از این وسیله برای اندازه گیری ولتاژ و اختلاف فاز دو موج و همچنین بررسی شکل موج استفاده می شود.

اسلاید 3: ساختمان و طرز کار و کاربرد اسیلوسکوپ همانطور که قبلا“ گفته شد از اسیلوسکوپ برای دیدن شکل موج و اندازه گیری ولتاژ ، اختلاف فاز ،اندازه گیری فرکانس و زمان تناوب ، رسم منحنی مشخصه ولت آمپر دیود و ترانزیستور استفاده می شود.نکته: از اسیلوسکوپ برای اندازه گیری ولتاژهای کم و فرکانس در حدود چند صد مگا هرتز استفاده می شود.نکته: با اسیلوسکوپ ولتاژ با فرکانس صفر تا چند صد مگا هرتز را می تواند تحلیل کرد.ساختمان اسیلوسکوپ ساختمان اسیلوسکوپ از دو قسمت اصلی درست شده که عبارتند از1- لامپ اشعه کاتدی(CRT)2- مدارهای آماده سازی لامپ و سیگنال

اسلاید 4: لامپ اشعه کاتدیلامپ اشعه کاتدی امروزه قسمت اصلی تلویزیون و مانیتور و دستگاههای ضربان قلب مس باشد. با اعمال سیگنال به اسیلوسکوپ سیگنال روی صفحه لامپ اشعه کاتدی تشکیل می شود.اساس کار لامپ اشعه کاتدی ، بمباران یک صفحه حساس با یک دسته اشعه الکترونی می باشد. صفحه حساس در اثر برخورد الکترون از خود نور ساطح می کند.منظور از اشعه الکترونی ، تعداد زیاد الکترون می باشد که به صورت یک اشعه باریک و با سرعت خیلی زیاد در حال حرکت می باشد.

اسلاید 5: مقدار نور ساطح شده از صفحه به سرعت الکترون ها و تعداد الکترون ها بستگی دارد. هر چه این دو عامل بیشتر باشد ، میزان نور نیز بیشتر می باشد. در عمل از کنترل تعداد الکترون ها برای تغییر میزان روشنایی صفحه صفحه استفاده می شود.صفحه حساس از یک شیشه معمولی که پشت آن از مواد فسفرسانس پوشیده شده تشکیل شده است.ترکیب فسفر و روی را فسفرسانس گویند.

اسلاید 6: رنگ نور ایجاد شده به درصد فسفر و روی بستگی دارد. تولید اشعه الکترونی به وسیله گرم کردن یک استوانه که قسمت جلوی آن از مواد اکسیدی به نام اکسید باریم و اکسید استرانسیوم پوشیده شده انجام می گیرد.میزان این دو اکسید برابر می باشند. نحوه کار به این صورت می باشد که با عبور جریان از یک فیلامان ، فیلامان گرم شده و این گرما باعث گرم شدن استوانه شده در نتیجه مواد اکسیدی گرم شده و الکترون از خود ساطح می کنند. در جلوی استوانه یک روزنه کوچک وجود دارد که باریک کردن اشعه الکترونی را انجام می دهد.شبکه جلوی استوانه را شبکه کنترل گویند. استوانه ای که مواد اکسیدی جلوی آن قرار دارند کاتد گویند.

اسلاید 7: استوانه و شبکه کنترل و فیلامان را استوانه وهنلت گویند.

اسلاید 8: میزان روشنایی در روی صفحه به تعداد الکترون ها و سرعت آنها بستگی دارد. بهتر است که با تغییر تعداد الکترون ها روشنایی صفحه را کنترل کنیم. اگر بین استوانه و شبکه کنترل یک منبع ولتاژ منفی قرار گیرد با تغییر این ولتاژ تعداد عبور الکترون ها را کنترل می شود. به همین منظور در جلوی اسیلوسکوپ یک ولوم ( پتانسیومتر ) وجود دارد که به آن intensity گویند.

اسلاید 9: بعد از تولید اشعه باید آن را متمرکز کرد و باید به آن شتاب کافی داد تا دارای انرژی کافی برای روشنایی داشته باشد. برای این کار از آندهای شتاب دهنده استفاده می شود. آند شتاب دهنده اولیه و آند متمرکز کننده(آند فوکوس کننده) و آند شتاب دهنده را عدسی الکترونی گویند.

اسلاید 10: عدسی الکترونی و استوانه وهنلت را روی هم تفنگ الکترونی گویند(electron gun).بنابراین وظیفه تفنگ الکترونی تولید اشعه الکترونی و قابلیت تنظیم فوکوس کننده گی و همچنین تنظیم روشنایی می باشد

اسلاید 11: باید به این نکته دقت داشته باشیم وقتی اشعه به صفحه حساس برخود می کند یک نقطه روشن ایجاد می کند.همچنین وقتی اشعه به صفحه برخورد کرد سریع روشن نمی شود بلکه در حدود چند میکرو ثانیه یا چند نانو ثانیه طول می کشد تا صفحه روشن شود. به همین ترتیب وقتی اشعه قطع شود در حدود چند میکرو ثانیه یا چند نانو ثانیه طول می کشد تا صفحه خاموش شود.این مدت زمان بستگی به نوع فسفر سانس آن دارد.

اسلاید 12: شکل موج ایجاد شده بر روی صفحه اسیلوسکوپ از برخورد اشعه الکترونی به صفحه نمایش و حرکت اشعه در جهات مختلف می باشد. سوالی که مطرح می شود این است چرا شکل موج ایجاد شده پیوسته می باشد؟وقتی که اشعه از یک نقطه به نقطه دیگر حرکت می کند اثر آن تا مدتی در چشم انسان باقی می ماند. ثانیا“ این عمل باید در زمان های مساوی باید تکرار شود. از این روست که اسیلوسکوپ برای نمایش شکل موج های متناوب به کار می رود. هر نقطه صفحه اسیلوسکوپ دارای دو مختص عمودی و افقی می باشد. با توجه به اینکه هر شکل موج دارای دو بعد می باشد لذا پس هر نقطه شکل موج دارای دو مولفه افقی و عمودی می باشد. برای انحراف اشعه در راستای افقی و عمودی پس از تفنگ الکترونی دو صفحه انحراف عمودی و افقی قرار دارد. این صفحات به ولتاژ وصل می باشند.

اسلاید 13: برای ایجاد حساسیت بیشتر صفحات انحراف عمودی قبل از صفحات انحراف افقی قرار می گیرد.بعد از صفحات انحراف دهنده عمودی و افقی یک سری باند های شتاب دهنده قرار دارد. این باند ها به الکترون ها شتاب بیشتر داده و در ضمن الکترون های آزاد شده از صفحه فسفرسانس را جمع آوری می کند.

اسلاید 14: همانطور که قبلا“ گفته شده هر نقطه صفحه حساس دارای دو بعد اافقی و عمودی می باشد. اگر به صفحات انحراف عمودی و افقی ولتاژی وصل نشده باشد. مرکز صفحه روشن خواهد بود. در شکل های زیر صفحات انحراف افقی و عمودی دارای ولتاژ (0,0) و (3,-4) می باشند.الفبج

اسلاید 15: اگر یک شکل موج خطی به صورت زیر به صفحه انحراف افقی وصل شود و به صفحه انحراف عمودی ولتاژ صفر وصل شود. داریم.(-E,0)(-E1,0)(0,0)

اسلاید 16:

اسلاید 17: اگر این شکل موج خطی متناوب باشد و دارای فرکانس بیش از 40 هرتز باشد. شکل دیده شده بر روی صفحه اسیلوسکوپ یک خط پیوسته افقی می باشد. اگر به صفحه افقی ولتاژ وصل نباشد و به صفحه عمودی یک شکل موج سینوسی وصل شود شکل دیده شده در صفحه اسیلوسکوپ چگونه شکلی است؟(0,0)(0,V)(0,0)(0,0)(0,-V)

اسلاید 18:

اسلاید 19: نکته: در عمل برای دیدن یک شکل موج به صفحه انحراف افقی یک شکل موج خطی (RAMP) اعمال کرده و شکل موج را به صفحات انحراف عمودی وصل می کنیم.

اسلاید 20:

اسلاید 21: اگر بخواهیم بر روی اسیلوسکوپ یک سیکل کامل شکل موج اعمالی دیده شود، باید زمان تناوب شکل موج RAMP و زمان تناوب شکل موج اعمالی با هم برابر باشند. اگر زمان تناوب شکل موج RAMP از زمان تناوب شکل موج اعمالی بیشتر باشد، چند سیکل از شکل موج اعمالی دیده می شود و اگر زمان تناوب موج RAMP از زمان تناوب موج اعمالی کمتر باشد قسمتی از شکل موج اعمالی دیده می شود.

اسلاید 22:

اسلاید 23:

اسلاید 24: نکته : زمانی شکل موج اعمالی بر روی صفحه اسیلوسکوپ ثابت دیده می شود که موج RAMP و موج اعمالی هم زمان باشند. این عمل در زمانی اتفاق می افتد که قسمت تریگر (TRIGGAR) فعال شود. عمل تریگر توسط دکمه های LEVEL و SOURCE TRIGGAR) انجام می شود.آشنایی با کلیدهای منابع TRIGGER ولوم LEVEL با تغییر این ولوم می توان لحظه شروع موج را از سمت چپ تغییر داد.ولوم SLOPE+/- اگر این کلید را از حالت مثبت به حالت منفی تغییر دهیم شیب سیگنال ظاهر شده در روی اسیلوسکوپ عکس می شود و بر عکس. این کلید همراه با ولوم LEVEL به کار می رود.کلید SOURCE TRIGاین کلید دو حالت دارد که عبارتند از1- EXT.TRIG 2- LINE.TRIG

اسلاید 25: EXT.TRIG با استفاده از این حالت همزمانی را می توان توسط یک منبع خارجی انجام داد.LINE.TRIG با استفاده از این حالت همزمانی توسط برق شهر انجام می گیرد.AUTO/NORM در مدارهای اسیلوسکوپ قسمتی وجود دارد که وجود یا عدم وجود سیگنال را تشخیص می دهد. اگر در حالت AUTO باشد همواره یک سیگنال بر روی صفحه تشکیل می شود. اگر در حالت NORM قرار گیرد ، زمانی سیگنال روی صفحه تشکیل می شود که اولا“ سیگنال به ورودی اسیلوسکوپ وصل باشد ثانیا“ موج جاروب سنکرون باشد.

اسلاید 26: مدارهای آماده سازی سیگنالهمانطور که قبلا“ که گفته شده ساختمان اسیلوسکوپ از لامپ اشعه کاتدی(CRT) و مدارهای آماده سازی لامپ و سیگنال تشکیل شده در این جا مدارهای آماده سازی سیگنال بررسی می شود.ساختمان پراب (PROBE )برای اعمال سیگنال به اسیلوسکوپ از پراپ استفاده می شود. پراب مانند کابل کواکسیال می باشد تا مقدار نویز کم باشد.

اسلاید 27: به قسمتی از پراپ که به اسیلوسکوپ وصل می شود BNC گویند.کلیدهای انتخاب ورودیبعد از ترمینال ورودی اسیلوسکوپ یک کلید سه حالت وجود دارد که دارای سه حالت GND و AC و DC می باشد.حالت GND : در این حالت صفر اسیلوسکوپ را تنظیم می شود.(ورودی اسیلوسکوپ به زمین وصل می شوند) حالت AC: در این حالت فقط سیگنال AC روی صفحه اسیلوسکوپ دیده می شود و از سیگنال DC جلوگیری می کند.حالت DC: در این حالت علاوه بر سیگنال AC سیگنال DC نیز روی صفحه اسیلوسکوپ دیده می شود.

اسلاید 28: مدارهای تضعیف کنندهصفحات انحراف عمودی برای ایجاد انحراف در اشعه نیاز به ولتاژ زیاد دارند. (حدودا“ 20 ولت برای یک سانتی متر ). سیگنال عمودی یا سیگنال اعمالی گاهی در حد میلی ولت می باشد و گاهی ممکن است چند ده ولت باشد. لذا زمانی که سیگنال ضعیف باشد باید تقویت شود و زمانی که سیگنال دارای ولتاژ زیاد می باشد باید تضعیف شود. در نتیجه نیاز به یک تقویت کننده ای داریم که تشخیص دهد که دامنه سیگنال قوی یا ضعیف است. ساخت چنین تقویت کننده ای مشکل است. پس ابتدا سیگنال با دامنه زیاد یا کم را به سیگنال با دامنه 5 میلی ولت تبدیل می کنیم. اگر دامنه سیگنال کمتر از 5 میلی ولت باشد مستقیما“ به ورودی تقویت کننده اولیه وصل می شود. اگر دامنه سیگنال ورودی زیادتر از 5 میلی ولت باشد ابتدا آن را تضغیف کرده و سپس به تقویت کننده اولیه وصل می کنیم.

اسلاید 29:

اسلاید 30: عمل تضعیف توسط کلید Volt/Div انجام می شود.ضرایب Volt/Div بیان کننده مقدار ولتاژ برای انحراف اشعه به اندازه یک خانه می باشد. معمولا“ در کنار ولوم Volt/Div یک ولوم دیگر به نام Volt Variable وجود دارد که دامنه سیگنال را تضعیف کند. اگر این ولوم CAL باشد دامنه سیگنال تغییر نمی کند. کاربرد این ولوم زمانی مفید است که هدف اندازه گیری دامنه نیست بلکه دیدن شکل موج می باشد.نکته: مقدار تضعیف توسط Volt Variable 5/2 می باشد.

اسلاید 31: اسیلوسکوپ دو کانالهاسیلوسکوپ دو کاناله اسیلوسکوپی است که به طور همزمان دو شکل موج را نشان می دهد.برای ایجاد دو شکل موج نیاز به دو لامپ اشعه کاتدی داریم .اسیلوسکوپ های قدیمی دو کاناله به این صورت ساخته می شدند و به آنها DUAL BEAM گویند. در اسیلوسکوپ های دو کاناله جدید و فعلی یک لامپ اشعه کاتدی وجود دارد و توسط یک لامپ اشعه کاتدی دو شکل موج ساخته می شود. به این اسیلوسکوپ ها DUAL TRACE گویند.

اسلاید 32: در اسیلوسکوپ های دو کاناله با یک لامپ CRT ولوم های فوکوس و شدت نور و Time/Div هر دو کانال یکی می باشد ولی قسمت کنترل و تقویت کننده اولیه عمودی هر دو کانال متفاوت می باشد.برای نمایش شکل موج ها در دو کانال از دو روش ALT و CHOP استفاده می شود.اگر فرکانس شکل موج ها از 1KHZ بیشتر باشد از روش ALT استفاده می شود. در این روش ابتدا در یک تناوب موج کانال 1 و سپس در تناوب دیگر موج کانال 2 نشان داده می شود و این عمل تکرار می شود. با توجه به این که فرکانس زیاد می باشد لذا چشم انسان به طور همزمان دو شکل موج را به طور همزمان می بیند.در این روش در واقع در هر لحظه فقط یک شکل موج روی صفحه اسیلوسکوپ دیده می شود.نکته اگر فرکانس کمتر از 1KHZ باشد و از روش ALT استفاده شود شکل موج ها چشمک می زنند.

اسلاید 33: روش CHOP برای فرکانس های کمتر از 1KHZ به کار برده می شود. در این روش یک نقطه از سیگنال کانال 1 و سپس یک نقطه از سیگنال کانال 2 نشان داده می شود و این عمل تکرار می شود. این نقاط خیلی کوچک می باشند.روی اکثر اسیلوسکوپ ها کلید های ALTو CHOP وجود دارد. در اسیلوسکوپ های دو کاناله در حالت X-Y یک کانال محور عمودی و یک کانال محور افقی را بر عهده دارند.

اسلاید 34: در روی اسیلوسکوپ های دو کاناله کلید هایی وجود دارند که برای نمایش یک کانال یا دو کانال به کار برده می شوند.1- CH1: اگر کلید در این حالت باشد فقط سیگنال کانال 1 را نشان می دهد.2- CH2 : اگر کلید در این حالت باشد فقط سیگنال کانال 2 را نشان می دهد.3- ALT : اگر کلید در این حالت باشد سیگنال های کانال 1 و کانال 2 را به طور همزمان نشان می دهد.4- CHOP: اگر کلید در این حالت باشد سیگنال های کانال 1 و کانال 2 را به طور همزمان نشان می دهد.5- DUAL: در بعضی از اسیلوسکوپ ها به جای کلید های ALT و CHOP کلید DUAL وجود دارد و برای نمایش دو کانال به طور همزمان به کار می رود.6- ADD: اگر کلید در این حالت باشد سیگنال های کانال 1و کانال 2 را جمع می کند.7- DIFF : اگر کلید در این حالت باشد سیگنال های کانال 1و کانال 2 را از هم کم می کند.8- CH2INV : اگر کلید در این حالت باشد در سیگنال کانال 2 180 درجه اختلاف فاز ایجاد می کند.

اسلاید 35: کاربردهای اسیلوسکوپهمانطور که قبلا“ گفته شده از اسیلوسکوپ برای اندازه گیری ولتاژ- زمان تناوب- اختلاف فاز –بررسی شکل موج- اندازه گیری فرکانس- رسم منحنی ولت- آمپر دیود استفاده می شود. در اینجا کاربردهای مهم را بررسی می کنیم.1- اندازه گیری دامنه ولتاژ2- اندازه گیری زمان تناوب3- اندازه گیری اختلاف فازاندازه گیری دامنه ولتاژصفحه اسیلوسکوپ در جهت افقی به 10 قسمت و در جهت عمودی به 8 سمت تقسیم می شوند و هر قسمت به 5 قسمت مساوی تقسیم می شود. هر قسمت 10 میلی متر یا 9 میلی متر می باشد. برای اندازه گیری ولتاژ ولوم Volt Variable باید در جهت عقربه ساعت تا آخر باشد. با استفاده از کلید AC-DC-GND ابتدا صفر اسیلوسکوپ را تنظیم می کنیم.

اسلاید 36: مثال: مقدار ولتاژ پیک و ولتاژ پیک تو پیک را بدست آورید.تعداد خانه عمودی ضرب در عدد تقسیمات ولتاز= مقدار ولتاژ

اسلاید 37: برای اندازه گیری ولتاژی که ACو DC دارد. ابتدا صفر اسیلوسکوپ را تنظیم کرده و سپس توسط کلید AC مقدار ولتاژ AC را اندازه گرفته و سپس کلید را در حالت DC قرار داده و سپس مقدار DC را اندازه می گیریم.

اسلاید 38:

اسلاید 39:

اسلاید 40: اندازه گیری زمان تناوب و فرکانسابتدا ولوم Time Variable در جهت عقربه ساعت تا آخر باشد. ولوم Time/Div یا تقسیمات زمانی بیانگر هر خانه برحسب زمان در جهت افقی می باشد. برای اندازه گیری زمان تناوب تعداد خانه های افقی یک سیکل کامل را در عدد Time/Div ضرب می کنیم و اگر زمان تناوب را عکس کنیم فرکانس بدست می آید.

اسلاید 41: اندازه گیری اختلاف فازهر سیکل 360 درجه می باشد. برای اندازه گیری اختلاف فاز ابتدا یکی از شکل موج ها را به عنوان مبنا انتخاب کرده. تعداد خانه های یک سیکل کامل را بدست آورده و سپس 360 درجه را بر تعداد خانه ها تقسیم کرده و تعداد خانه های اختلاف دو سیگنال را در این عدد ضرب می کنیم.