مبانی اسیلوسکوپ: شکل موج ، نمودار و خواندن اندازه گیری

تقریباً همه محصولات مصرفی امروزه دارای مدارهای الکترونیکی هستند. این که آیا یک محصول ساده یا پیچیده است ، اگر شامل اجزای الکترونیکی باشد ، فرآیند طراحی ، تأیید و اشکال زدایی نیاز به یک اسیلوسکوپ برای تجزیه و تحلیل سیگنال های الکتریکی بی شماری دارد که باعث زنده ماندن محصول می شود.

درک اصول اسیلوسکوپ تقریباً برای همه طراحی محصول بسیار مهم است.

به هر حال یک اسیلوسکوپ دقیقاً چیست؟کاملاً ساده ، یک اسیلوسکوپ یک ابزار تشخیصی است که نمودار یک سیگنال الکتریکی را ترسیم می کند. این نمودار ساده می تواند چیزهای زیادی در مورد یک سیگنال به شما بگوید ، مانند:

• مقادیر زمان و ولتاژ یک سیگنال.
• فرکانس یک سیگنال نوسان.
• "قطعات متحرک" یک مدار که توسط سیگنال نشان داده شده است.
• فرکانس که بخش خاصی از سیگنال نسبت به سایر بخش ها رخ می دهد.
• این که آیا یک مؤلفه نقص در حال تحریف سیگنال است یا خیر.
• چه مقدار سیگنال جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) است.
• چه مقدار از سیگنال نویز است و آیا سر و صدا با زمان تغییر می کند.

نمودار اسیلوسکوپ

در ابتدایی ترین سطح ، نمودار اسیلوسکوپ از یک سیگنال الکتریکی نشان می دهد که چگونه سیگنال با گذشت زمان تغییر می کند (شکل 2):

شدت یا روشنایی صفحه نمایش گاهی اوقات محور z نامیده می شود. در اسیلوسکوپ های فسفر دیجیتال (DPO) ، محور z را می توان با درجه بندی رنگ صفحه نمایش نشان داد (شکل 3).

اهمیت یکپارچگی سیگنال

یک مزیت اصلی اسیلوسکوپ توانایی آن در بازسازی دقیق یک سیگنال است. هرچه بازسازی سیگنال بهتر شود ، یکپارچگی سیگنال بالاتر است. در اینجا یک راه برای فکر کردن به یکپارچگی سیگنال وجود دارد. یک اسیلوسکوپ مشابه با دوربین است که تصاویر سیگنال را ضبط می کند که شما سپس مشاهده و تفسیر می کنید. چندین موضوع کلیدی در قلب یکپارچگی سیگنال نهفته است:

• وقتی عکس می گیرید ، آیا این یک نمایش دقیق از آنچه واقعاً اتفاق افتاده است؟
• آیا تصویر واضح است یا فازی؟
• چند عکس دقیق می توانید در هر ثانیه بگیرید؟

سیستم های مختلف و قابلیت های عملکرد یک اسیلوسکوپ به توانایی آن در ارائه بالاترین یکپارچگی سیگنال ممکن کمک می کند. پروب ها همچنین بر تمامیت سیگنال یک سیستم اندازه گیری تأثیر می گذارد.

این آغازگر به شما کمک می کند تا همه این عناصر را درک کنید تا بتوانید اسیلوسکوپ مناسب را برای برنامه خود انتخاب و استفاده کنید. قبل از شروع ارزیابی اسیلوسکوپ ها ، باید اصول اولیه شکل های موج و اندازه گیری شکل موج را درک کنید.

این اطلاعات در این فصل پوشش داده شده است. این پایه و اساس قرار دادن اسیلوسکوپ برای کار برای شما است.

درک شکل های موج و اندازه گیری شکل موج

اصطلاح عمومی برای الگویی که با گذشت زمان تکرار می شود موج است. امواج صوتی ، امواج مغزی ، امواج اقیانوس و امواج ولتاژ همه الگوهای تکراری هستند. یک اسیلوسکوپ امواج ولتاژ را اندازه گیری می کند. شکل موج نمایانگر گرافیکی از یک موج است.

پدیده های فیزیکی مانند ارتعاشات ، دما یا پدیده های الکتریکی مانند جریان یا قدرت می توانند توسط یک سنسور به ولتاژ تبدیل شوند. یک چرخه موج بخشی از موج است که تکرار می شود. شکل موج ولتاژ زمان را در محور افقی و ولتاژ در محور عمودی نشان می دهد.

شکل های شکل موج چیزهای زیادی در مورد یک سیگنال نشان می دهد. هر زمان که شاهد تغییر در ارتفاع شکل موج هستید ، می دانید که ولتاژ تغییر کرده است. هر زمان که یک خط افقی مسطح وجود داشته باشد ، می دانید که برای آن مدت زمان تغییری وجود ندارد.

خطوط مستقیم و مورب به معنای تغییر خطی است. افزایش یا سقوط ولتاژ با سرعت ثابت. زاویه های تیز روی شکل موج نشان دهنده تغییر ناگهانی است. شکل 4 شکل موج های مشترک را نشان می دهد.

شکل 5 منابع شکل موج های مشترک ، مانند رسانه های برقی ، رایانه ها ، اتومبیل ها و تلویزیون را نشان می دهد.

انواع موج

شما می توانید بیشتر امواج را در این نوع طبقه بندی کنید:

• امواج سینوسی
• امواج مربع و مستطیل.
• امواج اره و مثلث.
• شکل و پالس شکل.
• سیگنال های دوره ای و غیر دوره ای.
• سیگنال های همزمان و ناهمزمان.
• امواج پیچیده

بعد به هر یک از این نوع امواج نگاه خواهیم کرد.

امواج

موج سینوسی به دلایل مختلف شکل موج اساسی است. این خصوصیات ریاضی هماهنگ است "€ همان شکل سینوسی است که ممکن است در کلاس مثلثاتی مطالعه کرده باشید.

ولتاژ در یک پریز دیواری به عنوان یک موج سینوسی متفاوت است. سیگنال های تست تولید شده توسط مدار نوسان ساز یک ژنراتور سیگنال اغلب امواج سینوسی هستند.

اکثر منابع قدرت AC امواج سینوسی تولید می کنند (AC جریان متناوب را نشان می دهد ، اگرچه ولتاژ متناوب نیز هست ؛ DC مخفف جریان مستقیم است ، این به معنای جریان و ولتاژ پایدار است ، مانند یک باتری.) موج سینوسی مرطوب شده ممکن است یک مورد خاص باشد. در مدار که نوسان می کند ، ببینید ، اما با گذشت زمان باد می شود.

امواج مربع و مستطیل

موج مربع یکی دیگر از شکل های موج مشترک است. در اصل ، یک موج مربع ولتاژ است که در فواصل منظم روشن و خاموش می شود (یا زیاد و پایین می رود). این یک موج استاندارد برای آزمایش آمپلی فایرها است. تقویت کننده های خوب دامنه یک موج مربع را با حداقل تحریف افزایش می دهند.

مدار تلویزیون ، رادیو و رایانه اغلب از امواج مربع برای سیگنال های زمان بندی استفاده می کنند. موج مستطیل مانند موج مربع است به جز این که فواصل زمانی زیاد و پایین از طول مساوی نیستند. این امر به ویژه هنگام تجزیه و تحلیل مدار دیجیتال از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

امواج اره و مثلث

امواج اره و مثلث ناشی از مدارها است که برای کنترل ولتاژ به صورت خطی طراحی شده اند ، مانند جابجایی افقی یک اسیلوسکوپ آنالوگ یا اسکن شطرنجی یک تلویزیون.

انتقال بین ولتاژ این امواج با سرعت ثابت تغییر می کند. این انتقال ها رمپ نامیده می شوند.

شکل و پالس اشکال

سیگنالهایی مانند مراحل و پالس هایی که به ندرت رخ می دهند ، یا به صورت غیر دوره ای ، سیگنال های تک شات یا گذرا نامیده می شوند.

یک مرحله نشانگر تغییر ناگهانی ولتاژ است ، شبیه به تغییر ولتاژ که می بینید سوئیچ برق را روشن می کنید.

پالس نشانگر تغییرات ناگهانی در ولتاژ ، مشابه تغییرات ولتاژ است که می بینید اگر یک سوئیچ برق را روشن کنید و دوباره خاموش شوید. یک پالس ممکن است یک بیت اطلاعاتی را که از طریق مدار رایانه ای سفر می کند نشان دهد یا ممکن است یک درخشش یا نقص در یک مدار باشد.

مجموعه ای از پالس هایی که با هم سفر می کنند ، قطار نبض ایجاد می کند. اجزای دیجیتالی در رایانه با استفاده از پالس با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. این پالس ها ممکن است به صورت یک جریان داده سریال باشند یا ممکن است چندین خط سیگنال برای نشان دادن یک مقدار در یک اتوبوس داده موازی استفاده شود. پالس ها همچنین در تجهیزات اشعه ایکس ، رادار و ارتباطی متداول هستند.

سیگنال های دوره ای و غیر دوره ای

سیگنال های تکراری به عنوان سیگنال های دوره ای گفته می شود ، در حالی که سیگنال هایی که به طور مداوم تغییر می کنند به عنوان سیگنال های غیر دوره ای شناخته می شوند. یک تصویر هنوز شبیه به یک سیگنال دوره ای است ، در حالی که یک فیلم مشابه سیگنال غیر دوره ای است.

سیگنال های همزمان و ناهمزمان

هنگامی که یک رابطه زمان بندی بین دو سیگنال وجود دارد ، از آن سیگنال ها به عنوان همزمان یاد می شود. سیگنال های ساعت ، داده و آدرس در داخل یک کامپیوتر نمونه هایی از سیگنال های همزمان هستند.

سیگنال های ناهمزمان سیگنالهایی هستند که بین آنها هیچ رابطه زمان وجود ندارد. از آنجا که هیچ ارتباطی بین عمل لمس کردن یک کلید در صفحه کلید رایانه و ساعت داخل رایانه وجود ندارد ، این سیگنال ها ناهمزمان محسوب می شوند.

امواج پیچیده

برخی از شکل های موج ویژگی های سین ها ، مربع ها ، مراحل و پالس ها را برای تولید شکل موج پیچیده ترکیب می کنند. اطلاعات سیگنال ممکن است به شکل دامنه ، فاز و/یا فرکانس تعبیه شود.

به عنوان مثال ، اگرچه سیگنال در شکل 6 یک سیگنال ویدیویی کامپوزیت معمولی است ، اما از بسیاری از چرخه های موج های با فرکانس بالاتر تعبیه شده در یک پاکت با فرکانس پایین تشکیل شده است.

در این مثال ، درک سطح نسبی و روابط زمان بندی مراحل مهم است. برای مشاهده این سیگنال ، به یک اسیلوسکوپ نیاز دارید که پاکت با فرکانس پایین را ضبط می کند و در امواج با فرکانس بالاتر با روشی با شدت با شدت مخلوط می شود تا بتوانید ترکیب کلی آنها را به عنوان تصویری مشاهده کنید که می توانید بصری را تفسیر کنید.

اسیلوسکوپ های فسفر دیجیتال (DPO) برای مشاهده امواج پیچیده مناسب هستند ، مانند سیگنال های ویدیویی نشان داده شده در شکل 6در حال انجام.

برخی از اسیلوسکوپ ها می توانند انواع خاصی از شکل های موج پیچیده را به روش های خاص به نمایش بگذارند. به عنوان مثال ، داده های ارتباط از راه دور ممکن است به عنوان یک الگوی چشم یا نمودار صورت فلکی نمایش داده شود:

ارتباطات از راه دور سیگنال های دیجیتالی را می توان در یک اسیلوسکوپ به عنوان نوع خاصی از شکل موج که به عنوان یک الگوی چشم گفته می شود ، نمایش داده شود. این نام از شباهت شکل موج به یک سری چشم ها گرفته شده است (شکل 7).

الگوهای چشم زمانی تولید می شود که داده های دیجیتالی از یک گیرنده نمونه برداری شده و روی ورودی عمودی اعمال می شود ، در حالی که از نرخ داده برای ایجاد رفت و آمد افقی استفاده می شود. الگوی چشم یک بیت یا واحد فاصله داده ها را با تمام انتقال لبه های ممکن نشان می دهد و حالت هایی که در یک نمای جامع قرار دارند.

نمودار صورت فلکی نمایانگر یک سیگنال است که توسط یک طرح مدولاسیون دیجیتال مانند مدولاسیون دامنه چهارگوش یا کلید تغییر فاز تعدیل می شود.

اندازه گیری شکل موج

بسیاری از اصطلاحات برای توصیف انواع اندازه گیری هایی که با یک اسیلوسکوپ انجام می دهید استفاده می شود. بعد به برخی از رایج ترین اندازه گیری ها و اصطلاحات خواهیم پرداخت.

بسامد و دوره

اگر سیگنال تکرار شود ، فرکانس دارد. فرکانس در هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود و تعداد دفعاتی است که سیگنال در یک ثانیه تکرار می شود. این همچنین به چرخه در ثانیه گفته می شود.

یک سیگنال تکراری نیز دارای یک دوره است که مقدار زمانی است که سیگنال را برای تکمیل یک چرخه می گیرد.

دوره و فرکانس متقابل یکدیگر هستند ، به طوری که:

ولتاژ

ولتاژ مقدار پتانسیل الکتریکی یا استحکام سیگنال بین دو نقطه در یک مدار است. معمولاً یکی از این نقاط زمین یا صفر ولت است ، اما همیشه نیست. ممکن است بخواهید ولتاژ را از حداکثر قله تا حداقل اوج یک شکل موج ، که به آن ولتاژ اوج به اوج گفته می شود ، اندازه گیری کنید.

دامنه

دامنه مقدار ولتاژ بین دو نقطه در یک مدار است. دامنه معمولاً به حداکثر ولتاژ سیگنال اندازه گیری شده از زمین یا صفر ولت اشاره دارد. شکل موج نشان داده شده در شکل 9 دارای دامنه 1 ولت و ولتاژ اوج به اوج 2 ولت است.

فاز

فاز به بهترین وجه با نگاه کردن به موج سینوسی توضیح داده می شود. سطح ولتاژ امواج سینوسی بر اساس حرکت دایره ای است. با توجه به اینکه یک دایره دارای 360 درجه است ، یک چرخه از موج سینوسی 360 درجه دارد ، همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است.

با استفاده از درجه ها ، می توانید به زاویه فاز موج سینوسی مراجعه کنید وقتی می خواهید توصیف کنید که چه میزان از دوره سپری شده است.

تغییر فاز تفاوت زمان بندی بین دو سیگنال مشابه مشابه را توصیف می کند. شکل موج در شکل 10 با عنوان "جریان" گفته می شود 90 درجه از فاز با شکل موج با عنوان "ولتاژ" ، از آنجا که امواج در چرخه های خود دقیقاً 1/4 از یک چرخه از هم به نقاط مشابه می رسند (360 درجه/4= 90 درجه). تغییر فاز در الکترونیک رایج است.

اندازه گیری شکل موج با اسیلوسکوپ های دیجیتال

اسیلوسکوپ های دیجیتال عملکردهایی دارند که اندازه گیری شکل موج را آسان می کند. آنها دارای دکمه های صفحه جلو و منوهای مبتنی بر صفحه نمایش هستند که از آنها می توانید اندازه گیری های کاملاً اتم را انتخاب کنید. اینها شامل دامنه ، دوره ، زمان افزایش/سقوط و موارد دیگر است.

بسیاری از اسیلوسکوپ های دیجیتال همچنین محاسبات میانگین و RMS ، چرخه وظیفه و سایر عملیات ریاضی را ارائه می دهند. اندازه گیری های خودکار به عنوان خواندن الفبای روی صفحه ظاهر می شود. به طور معمول این قرائت ها دقیق تر از آنچه ممکن است برای به دست آوردن با تفسیر مستقیم graticule باشد.