اسیلوسکوپ دیجیتالی با امکان ذخیره‌سازی سیگنال (که مختصراً به آن DSO می گویند) اسیلوسکوپی است که سیگنال ورودی را به‌جای استفاده از تکنیک‌های آنالوگ به صورت دیجیتال ذخیره و تجزیه و تحلیل می‌کند. این در حال حاضر رایج ترین نوع اسیلوسکوپ است که در بازار و عرصه مهندسی الکترونیک وجود دارد. ویژگی های مهم این اسیلوسکوپ دیجیتال در Trigger کردن ذخیره سازی سیگنال و نمایش و اندازه گیری پیشرفته آن است.
اساس کار اسیلوسکوپ دیجیتالی به این شکل است که از یک سیگنال آنالوگ ورودی نمونه برداری می شود و سپس به یک رکورد دیجیتالی از دامنه سیگنال در واحد زمان تبدیل می شود. فرکانس نمونه برداری نباید کمتر از نرخ نایکویست باشد. سپس این مقادیر دیجیتال به سیگنال آنالوگ برای نمایش در یک لوله پرتوی کاتدی (CRT) تبدیل می‌شوند و یا به صورت کارکتر بر روی LCD پلات می شود. قیمت یک اسیلوسکوپ دیجیتالی حافظه دار به طور چشمگیری متفاوت است. قیمت این اسیلوسکوپ ها از 300 دلار آمریکا یا حتی کمتر شروع می شوند و مدل های با کارایی بالا ده ها هزار دلار به فروش می رسند. اسیلوسکوپ دیجیتال فرکانس ها را می‌تواند به‌طور نامحدود ذخیره کند یا در برخی از آپشن های ذخیره‌سازی اطلاعات خارجی ذخیره کند و مجدداً بارگذاری کند. برای مثال، اسیلوسکوپ دیجیتال این امکان را فرآهم می سازد تا یک سیگنال به دست آمده از یک سیستم تحت آزمایش را با یک سیگنال استاندارد به دست آمده از یک سیستم خوب شناخته شده مقایسه کند. اسیلوسکوپ های دیجیتال معمولاً شکل موج ها را تجزیه و تحلیل می کنند و مقادیر عددی پارامترها را در حوزه ولتاژ، زمان و ... ارائه می دهند. این مقادیر معمولاً شامل میانگین ها، حداکثر و حداقل، مقدار میانگین (RMS) و فرکانس ها هستند. فرکانس نمایش داده شده را می توان پس از نمایش تغییر داد. می توان بخشی از نمایشگر را بزرگنمایی کرد تا جزئیات دقیق بیشتر نمایان شود، یا می توان یک مقیاس طولانی را در یک نمایشگر برای شناسایی مناطق مورد بررسی مشخص کرد. بسیاری از اسیلوسکوپ ها به کاربر اجازه می دهد تا یک فرکانس ذخیره شده را حاشیه نویسی کند. بسیاری از اسیلوسکوپ های دیجیتال از نمایشگرهای صفحه تخت مشابه نمایشگرهایی که برای کامپیوترها و نمایشگرهای تلویزیون ساخته می شوند، استفاده می کنند. اسیلوسکوپ های ذخیره سازی دیجیتال ممکن است شامل رابط هایی مانند پورت چاپگر ، پورت سریال RS-232، گذرگاه IEEE-488، پورت USB یا اترنت باشند که امکان کنترل از راه دور یا خودکار و انتقال شکل موج های گرفته شده به نمایشگر یا ذخیره سازی خارجی را فراهم می کند.
نمونه برداری اسیلوسکوپ چیست؟
هنگامی که یک اسیلوسکوپ از سیگنال ورودی نمونه برداری می کند، نمونه ها در فواصل زمانی ثابت گرفته می شوند. در این فواصل، اندازه سیگنال ورودی به عدد تبدیل می شود. دقت این عدد به وضوح اسیلوسکوپ بستگی دارد. هرچه رزولوشن بالاتر باشد، مراحل ولتاژی که در آن محدوده ورودی دستگاه تقسیم می شود، کوچکتر است. اعداد به دست آمده را می توان برای اهداف مختلف استفاده کرد، به عنوان مثال. برای ایجاد یک نمودار
موج سینوسی در تصویر بالا در موقعیت های نقطه نمونه برداری شده است. با اتصال نمونه های مجاور می توان سیگنال اصلی را از نمونه ها بازسازی کرد. نتیجه را می توانید در تصویر بعدی مشاهده کنید.
فرکانس نمونه برداری
سرعت نمونه برداری توسط اسیلوسکوپ را فرکانس نمونه، تعداد نمونه در ثانیه می نامند. فرکانس نمونه بالاتر مربوط به فاصله کوتاه‌تر بین نمونه‌ها است. همانطور که در تصویر زیر مشخص است، با فرکانس نمونه بالاتر، سیگنال اصلی را می توان بسیار بهتر از نمونه های اندازه گیری شده بازسازی کرد.
فرکانس نمونه باید بالاتر از 2 برابر بالاترین فرکانس در سیگنال ورودی باشد. به این فرکانس Nyquist می گویند. از لحاظ تئوری امکان بازسازی سیگنال ورودی با بیش از 2 نمونه در هر دوره وجود دارد. در عمل، حداقل 10 تا 20 نمونه در هر دوره توصیه می شود تا بتوان سیگنال را به طور کامل در اسیلوسکوپ بررسی کرد. هنگامی که فرکانس نمونه به اندازه کافی بالا نباشد، aliasing رخ می دهد.
تغییر فرکانس نمونه یک سیگنال در نرم افزار اسیلوسکوپ چند کانالی را می توان به روش های مختلفی انجام داد.
Aliasing
همانطور که قبلا گفته شد، هنگام نمونه برداری از یک سیگنال، تنها فرکانس های کمتر از نصف فرکانس نمونه برداری را می توان بازسازی کرد. در این مورد فرکانس نمونه برداری 1000 هرتز است، بنابراین ما فقط می توانیم سیگنال هایی را با فرکانس بین 0 تا 500 هرتز مشاهده کنیم. این بدان معناست که از فرکانس‌های حاصل در جدول، ما فقط می‌توانیم سیگنال 250 هرتز را در داده‌های نمونه‌گیری مشاهده کنیم. این سیگنال را Aliasign سیگنال اصلی می نامند.
هنگام نمونه برداری از سیگنال آنالوگ با فرکانس نمونه برداری مشخص، سیگنال هایی با فرکانس هایی برابر با مجموع و اختلاف فرکانس سیگنال و مضرب فرکانس نمونه گیری در خروجی ظاهر می شوند. به عنوان مثال، وقتی فرکانس نمونه برداری 1000 هرتز و فرکانس سیگنال 1250 هرتز است، فرکانس های سیگنال زیر در داده های خروجی وجود خواهد داشت:
در این تصویر، سیگنال ورودی سبز رنگ (بالا) یک سیگنال مثلثی با فرکانس 1.25 کیلوهرتز است. سیگنال با فرکانس 1 کیلوهرتز نمونه برداری می شود. فاصله نمونه برداری مربوطه 1/( 1000 هرتز ) = 1 میلی ثانیه است. موقعیت هایی که سیگنال در آن نمونه برداری می شود با نقاط آبی نشان داده می شود. سیگنال نقطه قرمز (پایین) نتیجه بازسازی است. زمان پریود این سیگنال مثلثی به نظر می رسد 4 میلی ثانیه است که مربوط به فرکانس ظاهری (نام مستعار) 250 هرتز (1.25 کیلوهرتز - 1 کیلوهرتز) است. در عمل، برای جلوگیری از همخوانی، همیشه اندازه گیری را در بالاترین فرکانس نمونه برداری شروع کنید و در صورت نیاز فرکانس نمونه برداری را کاهش دهید. از کلیدهای تابع F3 (پایین تر) و F4 (بالاتر) برای تغییر فرکانس نمونه برداری به روشی سریع و آسان استفاده کنید. تصویر بعدی مثالی از این که aliasing می تواند شبیه باشد را نشان می دهد.
در این تصویر، یک سیگنال موج سینوسی با فرکانس 257 کیلوهرتز در فرکانس 50 کیلوهرتز نمونه برداری شده است. حداقل فرکانس نمونه برداری برای بازسازی صحیح 514 کیلوهرتز است. برای تجزیه و تحلیل مناسب، فرکانس نمونه برداری باید تقریباً 5 مگاهرتز باشد.
طول رکورد
با یک فرکانس نمونه برداری معین، تعداد نمونه های گرفته شده مدت زمان اندازه گیری را تعیین می کند. این تعداد نمونه طول رکورد نامیده می شود. افزایش طول رکورد، کل زمان اندازه گیری را افزایش می دهد. نتیجه این است که مقدار بیشتری از سیگنال اندازه گیری شده قابل مشاهده است. در تصاویر زیر، سه اندازه گیری نمایش داده شده است، یکی با طول رکورد 12 نمونه، یکی با 24 نمونه و دیگری با 36 نمونه.
کل مدت زمان اندازه گیری را می توان به راحتی با استفاده از فرکانس نمونه برداری و طول رکورد محاسبه کرد:
Time Base
ترکیب فرکانس نمونه برداری و طول رکورد، مبنای زمانی یک اسیلوسکوپ را تشکیل می دهد. برای تنظیم صحیح پایه زمانی، کل مدت زمان اندازه گیری و وضوح زمانی مورد نیاز باید در نظر گرفته شود. راه های مختلفی برای یافتن تنظیم پایه زمانی مورد نیاز وجود دارد. با مدت زمان اندازه گیری و فرکانس نمونه برداری مورد نیاز، می توان تعداد نمونه مورد نیاز را تعیین کرد:
Resolution
هنگام دیجیتالی کردن نمونه ها، ولتاژ در هر زمان نمونه به یک عدد تبدیل می شود. این کار با مقایسه ولتاژ با تعدادی از سطوح انجام می شود. عدد حاصل تعداد بالاترین سطحی است که هنوز کمتر از ولتاژ است. تعداد سطوح با وضوح تعیین می شود. هرچه رزولوشن بالاتر باشد، سطوح بیشتری در دسترس است و سیگنال ورودی دقیق تر می تواند بازسازی شود. در تصویر زیر، همان سیگنال دیجیتالی شده است، با استفاده از سه مقدار مختلف سطح: 16، 32 و 64.
وضوح پیشرفته
یک سیگنال دارای یک یا چند رزولوشن است که در آن وضوح در مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) بستگی دارد. وضوح های بالاتر معمولاً حداکثر نرخ نمونه برداری کمتری دارند. علاوه بر این، سیگنال ها می توانند یک یا چند وضوح بهبود یافته داشته باشند. اینها وضوح هایی هستند که در ADC وجود ندارند، اما با استفاده از تکنیک های نمونه برداری بیش از حد در سیگنال ایجاد می شوند. در نتیجه روش نمونه برداری بیش از حد، حداکثر نرخ نمونه برداری در وضوح افزایش یافته کمتر است.
نحوه کار با اسیلوسکوپ دیجیتال
