معرفی ساختار و عملکرد اسیلوسکوپ های آنالوگ

معرفی ساختار و عملکرد اسیلوسکوپ های آنالوگ

اسيلوسكوپ يك دستگاه اندازه گيري است كه از آن براي مشاهده ي شكل موج ها و اندازه‌گيري ولتاژ،زمان تناوب،اختلاف فاز و همچنين مشخصه هاي ولت آمپر عناصر نيمه هادي مانند ديود ها،ترانزيستورها و. . . استفاده مي گردد.
اسيلوسكوپ يك ولتمتر بسيار دقيق است كه مي‌تواند ولتاژهایي تا حدود يك هزارم ولت متناوب را در فركانس هاي خيلي بالا (حتي چند صد مگا هرتز) اندازه‌گيري نمايد،حال آنكه ولتمترهاي ساخته شده‌ي امروزي قادر به اندازه گيري ولتاژ هاي كم در اين فركانس نيستند.
اندازه گيري و مشاهده‌ي شكل موج‌ها در اسيلوسكوپ از ولتاژ با فر كانس صفر (DC) شروع و به فركانس مشخصي (به خاطر محدوديت پهناي باند تقويت كننده‌ها) ختم مي گردد كه معمولاً اسيلوسكوپ را با اين فركانس مشخص مي نمايد.مثلاً اسيلوسكوپ 20مگاهرتز، يعني اسيلوسكوپي كه مي تواند ولتاژ هاي DC تا MHZ 20 را نمايش مي‌دهد.
ساختمان اسيلوسكوپ از دو قسمت اصلي تشكيل شده است:
الف: لامپ اشعه ي كاتديك (CRT)
ب: مدارهاي آماده سازي لامپ و سيگنال
لامپ اشعه ي كاتديك:
لامپ اشعه‌ي كاتديك امروزه قسمت اصلي مانيتور هاي كامپيوتر،تلويزيون،دستگاههاي كنترل كننده‌ي ضربان قلب در پزشكي و. . . را تشكيل مي دهد.در حقيقت با اعمال هر سيگنال الكتريكي به دستگاه هاي نام برده آن سيگنال روي صفحه‌ي حساس لامپ اشعه‌ي كاتديك نقش مي بندد.اساس كار لامپ اشعه ي كاتديك‌،بمباران يك صفحه حساس با يك دسته اشعه ي الكتروني مي باشد.بر اثر بمباران صفحه‌ي حساس،آن قسمت از صفحه كه بمباران شده است از خود نور ساطع مي كند.منظور از اشعه‌ي الكتروني تعداد زيادي الكترون مي‌باشد كه به صورت يك اشعه‌ي فوق‌العاده باريك در آمده و با سرعت بسيار زياد (چند هزار كيلومتر در ثانيه) در حركت است.
مقدار نور ايجاد شده روي صفحه‌ي حساس به دو عامل،سرعت الكترونها و تعداد الكترونها بستگي دارد،به عبارتي هر قدر تعداد الكترونهاي اشعه‌ي الكتروني و سرعت الكترون ها زيادتر باشد نور ايجاد شده بيشتر خواهد بود.در عمل براي كنترل مقدار نور ايجاد شده تعداد الكترون هاي اشعه را تغيير مي دهند،زيرا اين عمل به سهولت امكانپذير است.
صفحه‌ي حساس كه شكل موج روي آن نقش مي بندد،از يك شيشه‌ي معمولي كه پشت آن از مواد فسفرسانس (تركيب روي و فسفر) پوشيده شده است.رنگ نور ايجاد شده به درصد تركيب روي و فسفر بستگي دارد.
توليد اشعه الكتروني بوسيله گرم كردن يك استوانه فلزي كه قسمت جلوي آن از مواد اكسيدي (معمولا 50% اكسيد باريم و 50% اكسيد استرانسيوم) پوشانده است صورت مي‌گيرد.نحوه كار بدين صورت است كه ابتدا فيلامان داخل استوانه را با عبور جريان الكتريكي از آن گرم مي كنند.گرماي فيلامان منجر به گرم شدن استوانه شده در نتيجه مواد اكسيدي گرم مي شوند و بر اثر اين گرما از خود الكترون ساطع مي كنند.در جلوي اين استوانه يك شبكه كه داراي روزنه بسياركوچكي است (حدود كسري از ميليمتر) قرار گرفته است.اين كار مقدمه توليد اشعه به صورت باريك مي باشد.شبكه جلوي اين استوانه ،شبكه كنترل و استوانه اي كه مواد اكسيدي،صفحه جلوي آنرا پوشانده است كاتد نام دارد.
اگر بين شبكه كنترل و كاتد،يك منبع ولتاژ با پلاريته ي شبكه منفي تر از كاتد قرار دهيم ولتاژ منفي شبكه باعث دفع الكترونها شده در نتيجه الكترونهاي كمتري از روزنه خارج ميگردند هر قدر ولتاژ بيشتر باشد تعداد الكترونهاي خارج شده كمتر مي شود.
مقدار نور ايجاد شده به دو عامل سرعت و تعداد الكترونها بستگي دارد.در عمل براي تنظيم مقدار نور از تغيير تعداد الكترون ها استفاده مي كنند،لذا براي كنترل مقدار نور ايجاد شده در روي صفحه حساس (شدت نور) مي توان بين شبكه كنترل و كاتد يك پتانسيل قرار داد و آنرا كنترل نمود.به همين منظور در روي صفحه ي جلوي اسيلوسكوپ ولومي تعبيه شده كه با تغيير آن در حقيقت پتانسيل بين شبكه كنترل و كاتد تغيير نموده و در نتيجه شدت نور روي صفحه حساس تغيير مي كند.اين ولوم با كلمه (INTEN) روي اسيلوسكوپ مشخص مي شود.
بعد از توليد اشعه اوليه بايد اين اشعه را روي صفحه حساس متمركز كرد و به آنچنان شتابي داد كه سرعت لازم را جهت برخورد با مواد فسفرسانس و ايجاد نور در روي آن به دست آورد.براي اين كار از سه استوانه ي فلزي كه به ولتاژ زياد وصل شده اند استفاده مي شود. اين مجموعه،ضمن اينكه به الكترونها)اشعه) سرعت لازم را مي دهد،در عين حال اشعه را روي صفحه حساس متمركز مي كند،به اين جهت به اين مجموعه ،عدسي الكتروني اطلاق مي گردد.
مجموعه ي عدسي الكتروني و استوانه ي وهلنت را تفنگ الكتروني مي نامند.بنابراين وظيفه ي تفنگ الكتروني ايجاد يك اشعه ي الكتروني با قابليت تنظيم نقطه ي كانوني (فوكوس ) روي صفحه ي حساس,و همچنين تنظيم شدت نور مي باشد.
تا زماني كه اشعه بر روي مواد فسفر سانس مي تابد در آن نقطه نور وجود خواهد داشت و زماني كه اشعه قطع مي شود (يا به نقطه ي ديگري مي تابد) نور نقطه ي قبلي محو مي شود (يا به نقطه ي جديد منتقل مي شود) به عبارت ديگر در هر لحظه,اشعه به هر نقطه اي بتابد،فقط در آن نقطه نور ايجاد مي شود.پس بر روي صفحه ي حساس,فقط يك نقطه ي نوراني ظاهر خواهد شد.در اينجا بايد به يك نكته اشاره كرد و آن اينكه به محض بر خورد اشعه به مواد فسفرسانس,نور ايجاد نمي شود بلكه در حدود چند نانو يا ميكرو طول مي كشد و از طرفي بعد از قطع اشعه,نقطه ي نوراني محو نمي گردد بلكه مدت زمان كوتاهي طول مي كشد اين مدت بستگي به نوع فسفر سانس به كار رفته در لامپ دارد.
شكل موجي كه روي صفحه ي حساس نقش مي بندد ناشي از برخورد اشعه ي الكتروني به صفحه ي حساس و حركت آن در جهات مختلف (متناسب با نوع سيگنال ) مي باشد.
هر نقطه از صفحه ي حساس اسيلوسكوپ,داراي دو مختص (افقي و عمودي) است و با توجه به اينكه كليه‌ي موج ها به صورت دو بعدي نشان داده مي‌شوند پس هر نقطه از شكل موج را ميتوان به دو مؤلفه ي فوق تجزيه كرد بنابراين هر نقطه از شكل موج در اثر حركت اشعه در مختصاتي كه داراي دو جهت افقي و عمودي است قرار مي گيرد.
براي حركت اشعه در جهت عمودي ,بعد از تفنگ الكتروني دو صفحه قرار مي‌دهند.هنگامي كه اشعه از ميان دو صفحه عبور مي كند اگر هر يك از صفحات نسبت به ديگري مثبت تر گردد,اشعه در جهت آن صفحه منحرف مي شود,اين صفحات را صفحات انحراف عمودي مي نامند.بعد از اين صفحات,دو صفحه ي ديگر در جهت افقي قرار مي دهند كه به صفحات انحراف افقي موسوم اند.
براي بالا بردن حساسيت،صفحات انحراف عمودي لامپ اشعه ي كاتديك را قبل از صفحات انحراف افقي آن قرارمي دهند.بعد از صفحات انحراف عمودي و افقي،يك سري باندهاي شتاب دهنده در لامپ قرار دارد.اين باندها معمولا بصورت اندودي از گرافيت بوده و به ولتاژ زياد وصل مي شوند.نقش اين باندها،دادن سرعت بيشتر به الكترونها و جمع آوري الكترونهاي آزادشده ي مواد فسفرسانسي در اثر بمباران اشعه مي باشد.
شكل موج نقش بسته بر روي صفحه حساس لامپ اشعه كاتديك،در واقع حركت نقطه به نقطه اشعه الكتروني بر روي آن است. همچنين گفته شد كه هر نقطه از شكل موج روي صفحه،به دو مؤلفه ي افقي و عمودي قابل تجزيه است (در حقيقت طول و عرض يك نقطه روي صفحه در مختصات دكارتي ) به عبارت ديگر با دو حركت،در جهت افقي و عمودي،اشعه را به هر نقطه از صفحه مي توان منتقل كرد.اگر به دو صفحه انحراف افقي و عمودي ولتاژ صفر ولت را وصل كنيم،اشعه درست به مركز صفحه حساس تابيده و نقطه نوراني در مركز صفحه قرار خواهد گرفت.و اگر به صفحات به عنوان مثال به انحراف عمودي 4- ولت و به صفحات انحراف افقي 3+ وصل كنيم اشعه در نقطه اي به مختصات 4- و 3 ظاهر خواهد شد.
وقتي يك ولتاژ AC سوار بر يك ولتاژ DC است ماكزيمم پيك CH1 و CH2بايد كمتر از مثبت يا منفي 400V باشد ولي براي ولتاژ AC خالص ماكزيمم ولتاژ پيك تا پيك بايد كمتر از 800V باشد.
معرفي برخي از كليدهاي اسيلوسكوپ:
POWER: اين كليد مهمترين قسمت دستگاه مي باشد كه براي روشن و خاموش كردن اسكوپ به كار مي رود. زمانيكه كليدpower فشار داده شده است , LED سمت چپ اين كليد نيز روشن خواهد شد.
CALL: اين ترمينال كاليبراسيون ولتاژ از2Vp-p  و1 KHZمثبت ميدان موج را تحويل مي دهد. مقاومت خروجي اين ترمينال 2K اهم است .
INTEN: روشنايي محل يا نقطه را كنترل مي كند.
FOUCUS: براي تنظيم كردن تندي و تيزي تصوير به كار مي رود.
VOLTS\DIV: وسيله اي براي انتخاب حساسيت محورعمودي (X)از 1mv تا 5v در 12 رنج مختلف
VERT MODE
CH 1: اگر كليد در اين حالت باشد فقط سيگنال اعمالي به كانال 1 روي صفحه ي حساس ظاهر مي گردد و كانال 2 قطع خواهد بود.
CH 2: در صورت قرار داشتن كليد در اين حالت فقط سيگنال اعمال شده به كانال 2 روي صفحه ي حساس ظاهر مي شود.
DUAL: هر دو سيگنال اعمالي به كانال 1 و 2 را به طور همزمان نشان مي دهد.
ADD: با قرار دادن كليد در اين حالت , دو سيگنال كانال 1 و 2 كه روي صفحه ي حساس نقش بسته اند با يكديگر جمع لحظه اي مي شوند.

 CHOP: اگر كليد در اين حالت باشد, سيگنال كانال 1 و2 به طور همزمان به صورت شكل موج هاي قطعه قطعه شده يا Choping روي صفحه ي حساس ظاهر مي شود .
ALT: اگر اين كليد فشار داده شده باشد سيگنال كانال 1 و 2 به طور همزمان به روش تناوبي يا Alternation روي صفحه ي حساس ظاهر مي شود.
GND_AC_DC: کليدي براي انتخاب نوع ارتباط ميان سيگنال ورودي و تقويت كننده ي عمودي
AC: اگر كليد انتخاب روي حالت ac قرار گيرد فقط سيگنال هاي متناوب وارد مدار اسكوپ مي شود و از ورود ولتاژ DC به اسكوپ جلوگيري به عمل مي آيد.
DC: اگر كليد انثخاب روي حالت DC قرار گيرد سيگنال .رودي هر چه باشد (اعم از DC يا ACيا تركيبي از اين دو ) به مدارهاي ورودي اسكوپ رسيده و سپس روي صفحه ي حساس ظاهر مي شود.
GND: اگر كليد روي GND قرار گيرد ورودي اسكوپ به زمين وصل شده و ارتباط الكتريكي ميان پروپ و اسكوپ قطع مي شود اين حالت براي تنظيم صفر اسكوپ كاربرد دارد.
COUPLING: معمولا در حالت AC قرار مي گيرد كه منبع موج تريگر بدون DC باشد زيرا ممكن است موج هيچ وقت به سطح مبنا نرسد.
AC حذف DC
DC حذف AC
HF REJ: باعث حذف فركانس هاي بالا مي شود چون ممكن است نويز موجود در روي ورودي مانع از انجام صحيح تريگر شود.
TV: مدارات تريگر متصل شده است به مدار جدا كننده ي sync ,تلويزيون و جاروب تريگر همزمان مي شود با سيگنال TV_V و TV_Hبا سرعت انتخاب شده با كليد TIME/DIV
LEVEL: براي تنظيم نقطه ي شروع شكل موج
Toward(+) &Toward(-): براي ثابت نگه داشتن شكل موج در صفحه ي نمايش
LOCK: تنظيم اتوماتيك مقدار Level و قفل كردن مقدارLevel
HOLDOFF: اگر ثابت نگه داشتن شكل موج با Level ممكن نباشد مي توان اين كار را با Holdoff انجام داد.

پروب :

براي اعمال سيگنال الكتريكي به اسيلوسكوپ از پروپ استفاده مي شود.سيم رابط پروپ معمولا از كابل كواكسيال مي باشد تا ميران نويز به حداقل برسد.نوك پروپ به صورت گيره اي فنري است كه مي توان آن را به يك نقطه از مدار وصل كرد.اگر پوشش پلاستيكي نوك پروپ را برداريم ,نوك آن به صورت سوزني بوده كه در بعضي مواقع از آن استفاده مي شود . انتهاي فلزي سيم رابط كه به ورودي اسيلوسكوپ وصل مي شودBNC نام دارد( BNC,سه حرف اول نام مخترع آلماني اين قطعه است) BNC داراي يك شيار مورب است كه وقتي آن را به ورودي اسكوپ وصل كنيم و 90 درجه بچرخانيم اين قطعه كاملا به اسيلوسكوپ وصل مي شود.كمي بالاتر از BNC يك خازن اصلاح كننده يشكل موج نيز وجود دارد.براي تنظيم پروپ,يك شكل موج مربعي توسط آن به اسيلوسكوپ اعمال مي كنند.(اين موج مربعي معمولا در اسكوپ توليد شده و از طريق پانل اسكوپ در اختيار ما قرار مي گيرد).
همچنين روي پروپ كليد 10× و 1× قرار دارد كه در حالت 1× سيگنال از طريق پروپ ,بدون تضعيف به اسيلوسكوپ اعمال مي گردد .

 مهندس حسین عظمتی

 

-->