سوالی که بین مهندسان مطرح است اینه که اسیلوسکوپ آنالوگ بخرم یا اسیلوسکوپ دیجیتال؟

یکی از دغدغه های بزرگ مهندسان امروزی انتخاب اسیلوسکوپ آنالوگ یا دیجیتالی است. من دکتر حسین عظمتی فارغ التحصیل دانشگاه شهید بهشتی تهران قصد دارم در این مقاله عملکرد اسیلوسکوپ دیجیتال و آنالوگ را مشخص کنم و کاربردهای این دو دستگاه را با هم مقایسه کنم.

اسیلوسکوپ یک وسیله اندازه گیری است که کارش نمایش دامنه سیگنال‌ها (ولتاژ) بر حسب زمان است. این دستگاه به‌طور گسترده‌ای توسط مهندسان برق، پژوهشگران و تعمیرکاران در کارگاه‌ها و آزمایشگاه‌ها استفاده می‌شود.

اسیلوسکوپ می‌تواند بسته به قابلیت‌هایش، دو (یا چند) شکل موج را بر حسب زمان روی صفحه اسیلوسکوپ نمایش دهد. از سوی دیگر، اسیلوسکوپ‌هایی که دست کم دو کانال دارند (چه آنالوگ و چه دیجیتال)، می‌توانند سیگنال اِعمال‌شده به یک کانال را بر حسب سیگنال اعمال‌شده به کانال دیگر نمایش دهند. در واقع با این کار، زمان در نمایش دو سیگنال حذف می‌شود. به نتیجه این کار، منحنی‌های لیساژو (Lissajous patterns) می‌گویند.

اسیلوسکوپ آنالوگ:

دستگاه اندازه گیری که در سال 1896 جهت ترسیم نمودارهای ولتاژ و زمان اختراع شد یکی از ساده ترین و در عوض دقیق ترین اسیلوسکوپ هایی بود که در آن زمان به آن اشعه کاتدی و یا لامپی هم گفته می شد. این دستگاه دارای یک و یا دو کانال بود و از آن جهت نمایش سیگنال ها استفاده می شد.

این اسیلوسکوپ از مدارات آنالوگ یا همان ترانزیستوری ساخته شده و اصول عملکرد این آن  به صورت  جاروکشی سیگنال می باشد. یعنی می تواند در بازه فرکانسی کم تا فرکانس های بالا را جارو بکشد و هر آنچه در ورودی می بیند بدون کم و کاستی بر روی لامپ CRT یا اشعه کاتدی نشان دهد.

 همانطور که می دانید لامپ کاتدی برای درایو شدن نیاز به ترانس های ولتاژ دارد تا بتواند فیدمان های داخل لامپ را تحریک کند. از آنجایی که ساختار این اسیلوسکوپ بسیار پیچیده است و هر بخشی طراحی آنالوگ خود را دارد به همین دلیل دقت بالایی در نمایش سیگنال های ورودی دارد.

همانطور که در شکال فوق ملاحضه می کنید سیگنال بعد از ورود به مجموعه ابتدا با یک اتنیتور (تضعیف کننده) ولتاژش کنترل می شود و سپس در یک بلوک تقویت کننده قرار می گیرد و بعد یک سیگنال به بخش تریگر و یک سیگنال به سمت CRT جهت تشکیل شکل موج بر روی لامپ می رود. بخش تریگر هم پس از ساخت یک سیگنال مشابه جهت Trigg کردن سیگنال آن را به بخش تقویت کننده افقی ارسال می کند. در این قسمت سیگنال ساخته شده افقی به فیدمان CRT ارسال می شود تا بتواند با سیگنال مکمل یعنی VER شکل موج را نمایش دهند.

کاربر با تنظیم سلکتور Volt/Div می تواند مقدار خانه های عمودی را تنظیم کند یعنی به طور مثال اگر Volt/Div عدد 2 رانمایش دهد یعنی هر خانه عمودی 2 ولت است. و همچنین با تنظیم سلکتور Time/Div  یعنی هر خانه افقی همان عددی است که سلکتور Time نمایش می دهد.

فرمول اصلی محاسبه فرکانس در اسیلوسکوپ های آنالوگ بدین شکل است.

F=1/t

یعنی فرکانس برابر معکوس زمان است. (برای محاسبه زمان هم تعداد خانه های افقی یک پریود را در عدد نمایش time/div منطبق با تبدیل واحد ضرب می کنیم.)

اسیلوسکوپ های آنالوگ در فرکانس های 20, 30, 34, 40, 50, 60, 100, 200, 300, 500, … مگاهرتز ساخته و به بازار ارائه شده اند.

از معایب اسیلوسکوپ های آنالوگ

• حجم بالای دستگاه به دلیل حضور لامپ تصویر
• عدم محاسبه عددی مقادیر ولتاژ و مقادیر فرکانس و زمان
• تنظیم اسکیل ولتاژ و زمان به صورت دستی
• قیمت بالاتر نسبت به دیجیتال

از مزایای اسیلوسکوپ آنالوگ

• نمایش دقیق سیگنال و نویز سوار شده بر سیگنال در هر فرکانسی
• اندازه گیری کوچک ترین سیگنال های ورودی
• نمایش سیگنال آنلاین و واقعی
• طول عمر بسیار زیاد
• تعمیرات و کالیبراسیون راحت

اسیلوسکوپ های دیجیتالی (میکرو پرسسوری)

امروزه با پیشرفت تکنولوژی در صنعت الکترونیک و حضور آی سی های قابل برنامه ریزی، طراحی ها بسیار ساده و کارآمد شده به طوری که با یک ای سی میکروکنترلر می توانند یک اسیلوسکوپ با توانایی بالا طراحی و به بازار تجاری عرضه کنند.

اسیلوسکوپ های دیجیتالی تقریباً در سه دهه اخیر به وجود آمدند و معایب و محاسن خاص خود را دارند اما به طور کلی ساختار آنها به این شکل است.

این اسیلوسکوپ ها هم مانند اسیلوسکوپ های آنالوگ دارای بخش Vertical  و Horizontal هستند اما نوع عملکرد و طراحی بسیار متفاوتی دارند. همانطور که در شکل بالا ملاحضه می کنید سیگنال پس از ورودی در بخش تصعیف کننده، کنترل ولتاژ می شود سپس در بخش تقویت کننده عمودی، تقدیت شده و در بخش A/D یعنی مبدل آنالوگ به دیجیتال به صفر و یک تبدیل می شوند. (نکته این است که معمولاً اسیلوسکوپ های دیجیتالی تجاری بازار 8 بیتی هستند، اگر چنانچه بیت A/D بالاتر باشد یعنی 12 یا 16 مقدار رزولیشن ورتیکال بالاتر می رود و سیگنال را دقیقتر می توان مشاهده کرد.)

بلوک دیگری در اسیلوسکوپ های دیجیتال وجود دارد به نام بلوک نمونه برداری که در اسیلوسکوپ های امروزی معمولاً 1 گیگ سمپل در ثانیه است این بدان معناست که اسیلوسکوپ دیجیتالی می تواند در هر ثانیه ا میلیارد نقطه به صورت نمونه بردارد و در کنار هم بچیند تا شکل موج تشکیل شود. (نکته این است که هر چقدر نرخ نمونه برداری بالاتر رود رزولیشن شکل موج بالاتر رفته و دقت اندازه گیری بالا می رود.)

اما این مهم حائذ اهمیت است که نمایشگر LCD برای چاپ و نمایش شکل موج نیز کمی تاخیر زمانی دارد که اصتلاحاً می گویند که اسیلوسکوپ دیجیتال آنلاین نیست و شکل موج را بدون حضور نویزهای سوار بر موج نمایش می دهد. این اسیلوسکوپ های دیجیتال تجاری در بازار شکل موج ها را روتوش شده نمایش می دهند. اما امکاناتی در اختیار کاربر قرار می دهند که کاربر به سمت استفاده از آنها برود و کلاً بازار تجاری اسیلوسکوپ آنالوگ را منسوخ نموده است.

همانطور که می دانید در ساخت و عرضه اسیلوسکوپ برند های مختلفی با هم در رقابت هستند. کیفیت قطعات سخت افزاری می تواند تعین کننده قیمت و نوع اسیلوسکوپ باشد. به طور مثال شرکت سازنده ایی که از A/D یا MICRO شرکت TEXAS Instruments استفاده می کند با شرکتی که از A/D های معمول و ارزان استفاده می کند متفاوت هستند.

از طرف دیگر در اسیلوسکوپ آنالوگ دیگر نیازی به تنظیم سلکتور VOLT/DIV یا TIME/DIV نمی باشد شما به فشردن یک دکمه به اسم AUTOتمام تنظیمات را به صورت اتوماتیک برایتان انجام می دهد.

پس در نظر داشته باشید برای خرید اسیلوسکوپ دیجیتالی هر چقدر نرخ نمونه برداری و بیت دیجیتال A/D بالاتر باشد اسیلوسکوپ دقیق تر و مرغوب تر خواهد بود.

حال پس از این توضیحات به معایب و محاسن اسیلوسکوپ های دیجیتالی می پردازیم.

معایب اسیلوسکوپ دیجیتالی

• تاخیر در قرائت شکل موج
• عدم نمایش شکل موج واقعی به همراه فاز نویز سیگنال
• طول عمر کمتر نسبت به آنالوگ
• هزینه بالای تعمیرات
• عدم نمایش درست لبه بالا رونده و لبه پایین رونده در اسیلوسکوپ های دیجیتالی 8 بیتی

مزایای اسیلوسکوپ دیجیتال

• حجم کم اسیلوسکوپ
• هزینه مرقون به صرفه در خرید آن
• محاسبه عددی خودکار مقادیر ولتاژ، زمان و فرکانس
• تعداد کانال های ورودی بالا
• فانکشن FFT و قابلیت اعمال عملیات ریاضی بر روی سیگنال های ورودی
• کالیبره اتوماتیک
• قابلیت ذخیره سازی شکل موج بر روی فلش، کامپیوتر و ...

پس پاسخ به این سوال که اسیلوسکوپ آنالوگ بخرم یا دیجیتال این است:

شما بر اساس نیاز کارتون یکی از این دو دستگاه را باید انتخاب کنید، اگر به دنبال دقت در قرائت سیگنال و نمایش نویز هستید حتماً آنالوک خریداری کنید و اگر دقت برایتان زیاد اهمیتی ندارد و فقط می خواهید مقادیر را به صورت عددی اندازه گیری کنید و شکل موج ببینید دیجیتال مناسب کار شما است.

با تقدیم احترام