512

معرفی ساختار و عملکرد اسیلوسکوپ های آنالوگ

معرفی ساختار و عملکرد اسیلوسکوپ های آنالوگ

اسیلوسکوپ یک دستگاه اندازه گیری است که از آن برای مشاهده ی شکل موج ها و اندازه‌گیری ولتاژ،زمان تناوب،اختلاف فاز و همچنین مشخصه های ولت آمپر عناصر نیمه هادی مانند دیود ها،ترانزیستورها و. . . استفاده می گردد.
اسیلوسکوپ یک ولتمتر بسیار دقیق است که می‌تواند ولتاژهایی تا حدود یک هزارم ولت متناوب را در فرکانس های خیلی بالا (حتی چند صد مگا هرتز) اندازه‌گیری نماید،حال آنکه ولتمترهای ساخته شده‌ی امروزی قادر به اندازه گیری ولتاژ های کم در این فرکانس نیستند.
اندازه گیری و مشاهده‌ی شکل موج‌ها در اسیلوسکوپ از ولتاژ با فر کانس صفر (DC) شروع و به فرکانس مشخصی (به خاطر محدودیت پهنای باند تقویت کننده‌ها) ختم می گردد که معمولاً اسیلوسکوپ را با این فرکانس مشخص می نماید.مثلاً اسیلوسکوپ 20مگاهرتز، یعنی اسیلوسکوپی که می تواند ولتاژ های DC تا MHZ 20 را نمایش می‌دهد.
ساختمان اسیلوسکوپ از دو قسمت اصلی تشکیل شده است:
الف: لامپ اشعه ی کاتدیک (CRT)
ب: مدارهای آماده سازی لامپ و سیگنال
لامپ اشعه ی کاتدیک:
لامپ اشعه‌ی کاتدیک امروزه قسمت اصلی مانیتور های کامپیوتر،تلویزیون،دستگاههای کنترل کننده‌ی ضربان قلب در پزشکی و. . . را تشکیل می دهد.در حقیقت با اعمال هر سیگنال الکتریکی به دستگاه های نام برده آن سیگنال روی صفحه‌ی حساس لامپ اشعه‌ی کاتدیک نقش می بندد.اساس کار لامپ اشعه ی کاتدیک‌،بمباران یک صفحه حساس با یک دسته اشعه ی الکترونی می باشد.بر اثر بمباران صفحه‌ی حساس،آن قسمت از صفحه که بمباران شده است از خود نور ساطع می کند.منظور از اشعه‌ی الکترونی تعداد زیادی الکترون می‌باشد که به صورت یک اشعه‌ی فوق‌العاده باریک در آمده و با سرعت بسیار زیاد (چند هزار کیلومتر در ثانیه) در حرکت است.
مقدار نور ایجاد شده روی صفحه‌ی حساس به دو عامل،سرعت الکترونها و تعداد الکترونها بستگی دارد،به عبارتی هر قدر تعداد الکترونهای اشعه‌ی الکترونی و سرعت الکترون ها زیادتر باشد نور ایجاد شده بیشتر خواهد بود.در عمل برای کنترل مقدار نور ایجاد شده تعداد الکترون های اشعه را تغییر می دهند،زیرا این عمل به سهولت امکانپذیر است.
صفحه‌ی حساس که شکل موج روی آن نقش می بندد،از یک شیشه‌ی معمولی که پشت آن از مواد فسفرسانس (ترکیب روی و فسفر) پوشیده شده است.رنگ نور ایجاد شده به درصد ترکیب روی و فسفر بستگی دارد.
تولید اشعه الکترونی بوسیله گرم کردن یک استوانه فلزی که قسمت جلوی آن از مواد اکسیدی (معمولا 50% اکسید باریم و 50% اکسید استرانسیوم) پوشانده است صورت می‌گیرد.نحوه کار بدین صورت است که ابتدا فیلامان داخل استوانه را با عبور جریان الکتریکی از آن گرم می کنند.گرمای فیلامان منجر به گرم شدن استوانه شده در نتیجه مواد اکسیدی گرم می شوند و بر اثر این گرما از خود الکترون ساطع می کنند.در جلوی این استوانه یک شبکه که دارای روزنه بسیارکوچکی است (حدود کسری از میلیمتر) قرار گرفته است.این کار مقدمه تولید اشعه به صورت باریک می باشد.شبکه جلوی این استوانه ،شبکه کنترل و استوانه ای که مواد اکسیدی،صفحه جلوی آنرا پوشانده است کاتد نام دارد.
اگر بین شبکه کنترل و کاتد،یک منبع ولتاژ با پلاریته ی شبکه منفی تر از کاتد قرار دهیم ولتاژ منفی شبکه باعث دفع الکترونها شده در نتیجه الکترونهای کمتری از روزنه خارج میگردند هر قدر ولتاژ بیشتر باشد تعداد الکترونهای خارج شده کمتر می شود.
مقدار نور ایجاد شده به دو عامل سرعت و تعداد الکترونها بستگی دارد.در عمل برای تنظیم مقدار نور از تغییر تعداد الکترون ها استفاده می کنند،لذا برای کنترل مقدار نور ایجاد شده در روی صفحه حساس (شدت نور) می توان بین شبکه کنترل و کاتد یک پتانسیل قرار داد و آنرا کنترل نمود.به همین منظور در روی صفحه ی جلوی اسیلوسکوپ ولومی تعبیه شده که با تغییر آن در حقیقت پتانسیل بین شبکه کنترل و کاتد تغییر نموده و در نتیجه شدت نور روی صفحه حساس تغییر می کند.این ولوم با کلمه (INTEN) روی اسیلوسکوپ مشخص می شود.
بعد از تولید اشعه اولیه باید این اشعه را روی صفحه حساس متمرکز کرد و به آنچنان شتابی داد که سرعت لازم را جهت برخورد با مواد فسفرسانس و ایجاد نور در روی آن به دست آورد.برای این کار از سه استوانه ی فلزی که به ولتاژ زیاد وصل شده اند استفاده می شود. این مجموعه،ضمن اینکه به الکترونها)اشعه) سرعت لازم را می دهد،در عین حال اشعه را روی صفحه حساس متمرکز می کند،به این جهت به این مجموعه ،عدسی الکترونی اطلاق می گردد.
مجموعه ی عدسی الکترونی و استوانه ی وهلنت را تفنگ الکترونی می نامند.بنابراین وظیفه ی تفنگ الکترونی ایجاد یک اشعه ی الکترونی با قابلیت تنظیم نقطه ی کانونی (فوکوس ) روی صفحه ی حساس,و همچنین تنظیم شدت نور می باشد.
تا زمانی که اشعه بر روی مواد فسفر سانس می تابد در آن نقطه نور وجود خواهد داشت و زمانی که اشعه قطع می شود (یا به نقطه ی دیگری می تابد) نور نقطه ی قبلی محو می شود (یا به نقطه ی جدید منتقل می شود) به عبارت دیگر در هر لحظه,اشعه به هر نقطه ای بتابد،فقط در آن نقطه نور ایجاد می شود.پس بر روی صفحه ی حساس,فقط یک نقطه ی نورانی ظاهر خواهد شد.در اینجا باید به یک نکته اشاره کرد و آن اینکه به محض بر خورد اشعه به مواد فسفرسانس,نور ایجاد نمی شود بلکه در حدود چند نانو یا میکرو طول می کشد و از طرفی بعد از قطع اشعه,نقطه ی نورانی محو نمی گردد بلکه مدت زمان کوتاهی طول می کشد این مدت بستگی به نوع فسفر سانس به کار رفته در لامپ دارد.
شکل موجی که روی صفحه ی حساس نقش می بندد ناشی از برخورد اشعه ی الکترونی به صفحه ی حساس و حرکت آن در جهات مختلف (متناسب با نوع سیگنال ) می باشد.
هر نقطه از صفحه ی حساس اسیلوسکوپ,دارای دو مختص (افقی و عمودی) است و با توجه به اینکه کلیه‌ی موج ها به صورت دو بعدی نشان داده می‌شوند پس هر نقطه از شکل موج را میتوان به دو مؤلفه ی فوق تجزیه کرد بنابراین هر نقطه از شکل موج در اثر حرکت اشعه در مختصاتی که دارای دو جهت افقی و عمودی است قرار می گیرد.
برای حرکت اشعه در جهت عمودی ,بعد از تفنگ الکترونی دو صفحه قرار می‌دهند.هنگامی که اشعه از میان دو صفحه عبور می کند اگر هر یک از صفحات نسبت به دیگری مثبت تر گردد,اشعه در جهت آن صفحه منحرف می شود,این صفحات را صفحات انحراف عمودی می نامند.بعد از این صفحات,دو صفحه ی دیگر در جهت افقی قرار می دهند که به صفحات انحراف افقی موسوم اند.
برای بالا بردن حساسیت،صفحات انحراف عمودی لامپ اشعه ی کاتدیک را قبل از صفحات انحراف افقی آن قرارمی دهند.بعد از صفحات انحراف عمودی و افقی،یک سری باندهای شتاب دهنده در لامپ قرار دارد.این باندها معمولا بصورت اندودی از گرافیت بوده و به ولتاژ زیاد وصل می شوند.نقش این باندها،دادن سرعت بیشتر به الکترونها و جمع آوری الکترونهای آزادشده ی مواد فسفرسانسی در اثر بمباران اشعه می باشد.
شکل موج نقش بسته بر روی صفحه حساس لامپ اشعه کاتدیک،در واقع حرکت نقطه به نقطه اشعه الکترونی بر روی آن است. همچنین گفته شد که هر نقطه از شکل موج روی صفحه،به دو مؤلفه ی افقی و عمودی قابل تجزیه است (در حقیقت طول و عرض یک نقطه روی صفحه در مختصات دکارتی ) به عبارت دیگر با دو حرکت،در جهت افقی و عمودی،اشعه را به هر نقطه از صفحه می توان منتقل کرد.اگر به دو صفحه انحراف افقی و عمودی ولتاژ صفر ولت را وصل کنیم،اشعه درست به مرکز صفحه حساس تابیده و نقطه نورانی در مرکز صفحه قرار خواهد گرفت.و اگر به صفحات به عنوان مثال به انحراف عمودی 4- ولت و به صفحات انحراف افقی 3+ وصل کنیم اشعه در نقطه ای به مختصات 4- و 3 ظاهر خواهد شد.
وقتی یک ولتاژ AC سوار بر یک ولتاژ DC است ماکزیمم پیک CH1 و CH2باید کمتر از مثبت یا منفی 400V باشد ولی برای ولتاژ AC خالص ماکزیمم ولتاژ پیک تا پیک باید کمتر از 800V باشد.
معرفی برخی از کلیدهای اسیلوسکوپ:
POWER: این کلید مهمترین قسمت دستگاه می باشد که برای روشن و خاموش کردن اسکوپ به کار می رود. زمانیکه کلیدpower فشار داده شده است , LED سمت چپ این کلید نیز روشن خواهد شد.
CALL: این ترمینال کالیبراسیون ولتاژ از2Vp-p  و1 KHZمثبت میدان موج را تحویل می دهد. مقاومت خروجی این ترمینال 2K اهم است .
INTEN: روشنایی محل یا نقطه را کنترل می کند.
FOUCUS: برای تنظیم کردن تندی و تیزی تصویر به کار می رود.
VOLTS\DIV: وسیله ای برای انتخاب حساسیت محورعمودی (X)از 1mv تا 5v در 12 رنج مختلف
VERT MODE
CH 1: اگر کلید در این حالت باشد فقط سیگنال اعمالی به کانال 1 روی صفحه ی حساس ظاهر می گردد و کانال 2 قطع خواهد بود.
CH 2: در صورت قرار داشتن کلید در این حالت فقط سیگنال اعمال شده به کانال 2 روی صفحه ی حساس ظاهر می شود.
DUAL: هر دو سیگنال اعمالی به کانال 1 و 2 را به طور همزمان نشان می دهد.
ADD: با قرار دادن کلید در این حالت , دو سیگنال کانال 1 و 2 که روی صفحه ی حساس نقش بسته اند با یکدیگر جمع لحظه ای می شوند.

 CHOP: اگر کلید در این حالت باشد, سیگنال کانال 1 و2 به طور همزمان به صورت شکل موج های قطعه قطعه شده یا Choping روی صفحه ی حساس ظاهر می شود .
ALT: اگر این کلید فشار داده شده باشد سیگنال کانال 1 و 2 به طور همزمان به روش تناوبی یا Alternation روی صفحه ی حساس ظاهر می شود.
GND_AC_DC: کلیدی برای انتخاب نوع ارتباط میان سیگنال ورودی و تقویت کننده ی عمودی
AC: اگر کلید انتخاب روی حالت ac قرار گیرد فقط سیگنال های متناوب وارد مدار اسکوپ می شود و از ورود ولتاژ DC به اسکوپ جلوگیری به عمل می آید.
DC: اگر کلید انثخاب روی حالت DC قرار گیرد سیگنال .رودی هر چه باشد (اعم از DC یا ACیا ترکیبی از این دو ) به مدارهای ورودی اسکوپ رسیده و سپس روی صفحه ی حساس ظاهر می شود.
GND: اگر کلید روی GND قرار گیرد ورودی اسکوپ به زمین وصل شده و ارتباط الکتریکی میان پروپ و اسکوپ قطع می شود این حالت برای تنظیم صفر اسکوپ کاربرد دارد.
COUPLING: معمولا در حالت AC قرار می گیرد که منبع موج تریگر بدون DC باشد زیرا ممکن است موج هیچ وقت به سطح مبنا نرسد.
AC حذف DC
DC حذف AC
HF REJ: باعث حذف فرکانس های بالا می شود چون ممکن است نویز موجود در روی ورودی مانع از انجام صحیح تریگر شود.
TV: مدارات تریگر متصل شده است به مدار جدا کننده ی sync ,تلویزیون و جاروب تریگر همزمان می شود با سیگنال TV_V و TV_Hبا سرعت انتخاب شده با کلید TIME/DIV
LEVEL: برای تنظیم نقطه ی شروع شکل موج
Toward(+) &Toward(-): برای ثابت نگه داشتن شکل موج در صفحه ی نمایش
LOCK: تنظیم اتوماتیک مقدار Level و قفل کردن مقدارLevel
HOLDOFF: اگر ثابت نگه داشتن شکل موج با Level ممکن نباشد می توان این کار را با Holdoff انجام داد.

پروب :

برای اعمال سیگنال الکتریکی به اسیلوسکوپ از پروپ استفاده می شود.سیم رابط پروپ معمولا از کابل کواکسیال می باشد تا میران نویز به حداقل برسد.نوک پروپ به صورت گیره ای فنری است که می توان آن را به یک نقطه از مدار وصل کرد.اگر پوشش پلاستیکی نوک پروپ را برداریم ,نوک آن به صورت سوزنی بوده که در بعضی مواقع از آن استفاده می شود . انتهای فلزی سیم رابط که به ورودی اسیلوسکوپ وصل می شودBNC نام دارد( BNC,سه حرف اول نام مخترع آلمانی این قطعه است) BNC دارای یک شیار مورب است که وقتی آن را به ورودی اسکوپ وصل کنیم و 90 درجه بچرخانیم این قطعه کاملا به اسیلوسکوپ وصل می شود.کمی بالاتر از BNC یک خازن اصلاح کننده یشکل موج نیز وجود دارد.برای تنظیم پروپ,یک شکل موج مربعی توسط آن به اسیلوسکوپ اعمال می کنند.(این موج مربعی معمولا در اسکوپ تولید شده و از طریق پانل اسکوپ در اختیار ما قرار می گیرد).
همچنین روی پروپ کلید 10× و 1× قرار دارد که در حالت 1× سیگنال از طریق پروپ ,بدون تضعیف به اسیلوسکوپ اعمال می گردد .

 مهندس حسین عظمتی

 

مطالب مرتبط : 

تکترونیکس

گودویل

ریگول

اجیلنت