اسیلوسکوپ

نوسان‌نما یا اسیلوسکوپ دستگاهی الکترونیکی است که امکان مشاهده ولتاژ را فراهم می‌کند. غالبا مقدار ولتاژ به صورت نموداری دوبعدی نمایش داده می‌شود که محور افقی، زمان و محور عمودی آن ولتاژ است. از نوسان‌نما عموما برای نمایش دقیق موج استفاده می‌شود. علاوه بر دامنه، معمولا نوسان‌نماها قادر به اندازه‌گیری و نمایش دیگر پارامترها مانند عرض پالس، دوره تناوب و زمان بین دو حادثه (مانند وقوع دو پیک) هستند.
عموما دستگاه‌های اندازه‌گیری براساس اعمال نیروی مکانیکی(کوپل مکانیکی) یا حرارت که موجب انحراف عقربه می‌شوند کار می‌کنند ولی با توجه به وجود اینرسی و اصطکاک معمولا این ابزارها نمی‌توانند تغییرات سریع را نمایش دهند. با اختراع لامپ اشعه کاتد و با توجه به وزن بسیار کم بازوی الکترونی(پرتوی کاتدی) امکان نشان دادن یک متغیر به صورت خطی با زمان فراهم شد و اسیلوسکوپ اولین وسیله‌ای بود که از این امکان بهره‌مند شد.
معرفی اسیلوسکوپ
اسیلوسکوپ وسیله اندازه‌گیری است، که کار آن نمایش ولتاژ بر حسب زمان است. این دستگاه بیشتر توسط دانشجویان رشته برق الکترونیک و مخابرات مورد استفاده قرار می‌گیرد یا توسط افرادی که به نوعی با برق سروکار دارند. اسیلوسکوپ‌ها قابلیت این را دارند که دو یا چند شکل موج ولتاژ در واحد زمان را به‌طور هم‌زمان روی صفحه اسیلوسکوپ نمایش دهند. همچنین این قابلیت را دارند که یک شکل موج ولتاژ را برحسب دیگری نمایش دهند. به این مد لیساژور یا X-Y می‌گویند.
نمایش تصویر روی اسیلوسکوپ
این کار به وسیله مدار X-Y انجام می‌گیرد بدین ترتیب که موج‌های ایجاد شده توسط میکروکنترلر پس از اعمال به یک DAC به کانال‌های X و Y اسیلوسکوپ داده می‌شود.
اصول عملکرد اسیلوسکوپ
اسیلوسکوپ در حقیقت رسامهای بسیار سریع هستند که سیگنال ورودی را در برابر زمان یا در برابر سیگنال دیگر نمایش می‌دهند. قلم این رسام یک لکه نورانی است که در اثر برخورد یک باریکه الکترون به پرده‌ای فلوئورسان بوجود می‌آید.
به علت لختی بسیار کم باریکه الکترون، می‌توان این باریکه را برای دنبال کردن تغییرات لحظه‌ای (ولتاژهایی که بسیار سریع تغییر می‌کنند، یا فرکانسهای بسیار بالا) بکار برد. اسیلوسکوپ بر اساس ولتاژ کار می‌کند. البته به کمک مبدلها (ترانزیستورها) می‌توان جریان الکتریکی و کمیتهای دیگر فیزیکی و مکانیکی را به ولتاژ تبدیل کرد.
اجزای اسیلوسکوپ
یک اسیلوسکوپ آنالوگ مدل ۴۷۵A قابل حمل، یک دستگاه بسیار رایج در اواخر دهه ۱۹۷۰ (سال ۱۹۷۰ تا ۱۹۷۹)
200px
لامپ پرتو کاتدی
اسیلوسکوپ از یک لامپ پرتو کاتدی که قلب دستگاه است و تعدادی مدار برای کار کردن لامپ پرتو کاتدی تشکیل شده‌است. قسمت‌های مختلف لامپ پرتو کاتدی عبارتند از:
تفنگ الکترونی
تفنگ الکترونی باریکه متمرکزی ازالکترونهارا بوجود می‌آورد که شتاب زیادی کسب کرده‌اند. این باریکه الکترون با انرژی کافی به صفحه فلوئورسان برخورد می‌کند و بر روی آن یک لکه نورانی تولید می‌کند. تفنگ الکترونی از رشته گرمکن، کاتد، شبکه آند پیش شتاب دهنده، آند کانونی‌کننده و آند شتاب دهنده تشکیل شده‌است.
الکترونها از کاتدی که بطور غیر مستقیم گرم می‌شود، گسیل می‌شوند. این الکترونها از روزنه کوچکی در شبکه کنترل می‌گردند. شبکه کنترل معمولا یک استوانه هم محور با لامپ است و دارای سوراخی است که در مرکز آن قرار دارد. الکترونهای گسیل شده از کاتد که از روزنه می‌گذرند (به دلیل پتانسیل مثبت زیادی که به آندهای پیش شتاب دهنده و شتاب دهنده اعمال می‌شود)، شتاب می‌گیرند. باریکه الکترونی را آند کانونی‌کننده، کانونی می‌کند.
صفحات انحراف دهنده
صفحات انحراف دهنده شامل دو دسته صفحه‌است. صفحات انحراف قائم که بطور افقی نصب می‌شوند و یک میدان الکتریکی در صفحه قائم ایجاد می‌کنند و صفحات y نامیده می‌شوند. صفحات انحراف افقی بطور قائم نصب می‌شوند و انحراف افقی ایجاد می‌کنند و صفحات x نامیده می‌شوند. فاصله صفحات به اندازه کافی زیاد است که باریکه بتواند بدون برخورد با آن‌ها عبور کند.
صفحه فلوئورسان
جنس این پرده که در داخل لامپ پرتو کاتدی قرار دارد، از جنس فسفر است. این ماده دارای این خاصیت است که انرژی جنبشی الکترونهای برخوردکننده را جذب می‌کند و آن‌ها را به صورت یک لکه نورانی ظاهر می‌سازد. قسمت‌های دیگر لامپ پرتو کاتدی شامل پوشش شیشه‌ای، پایه که از طریق آن اتصالات برقرار می‌شود، است.
مولد مبنای زمان
اسیلوسکوپها بیشتر برای اندازه‌گیری و نمایش کمیات وابسته به زمان بکار می‌روند. برای این کار لازم است که لکه نورانی لامپ روی پرده با سرعت ثابت از چپ به راست حرکت کند. بدین منظور یک ولتاژ مثبت به صفحات انحراف افقی اعمال می‌شود. مداری که این ولتاژ مثبت را تولید می‌کند، مولد مبنای زمان یا مولد رویش نامیده می‌شود.
200px
مدارهای اصلی اسیلوسکوپ
سیستم انحراف قائم
چون سیگنالها برای ایجاد انحراف قابل اندازه‌گیری بر روی صفحه لامپ به اندازه کافی قوی نیستند، لذا معمولا تقویت قائم لازم است. هنگام اندازه‌گیری سیگنالهای با ولتاژ بالا باید آن‌ها را تضعیف کرد تا در محدوده تقویت‌کننده‌های قائم قرار گیرند. خروجی تقویت‌کننده قائم، از طریق انتخاب همزمانی در وضعیت داخلی، به تقویت‌کننده هم‌زمان نیز اعمال می‌شود.
سیستم انحراف افقی
صفحات انحراف افقی را ولتاژ رویش که مولد مبنای زمان تولید می‌کند، تغذیه می‌کند. این سیگنال از طریق یک تقویت‌کننده اعمال می‌شود، ولی اگر دامنه سیگنالها به اندازه کافی باشد، می‌توان آن را مستقیما اعمال کرد. هنگامی که به سیستم انحراف افقی، سیگنال خارجی اعمال می‌شود، باز هم از طرق تقویت‌کننده افقی و کلید انتخاب رویش در وضعیت خارجی اعمال خواهد شد. اگر کلید انتخاب رویش در وضعیت داخلی باشد، تقویت‌کننده افقی، سیگنال ورودی خود را از مولد رویش دندانه‌داری که با تقویت‌کننده هم‌زمان راه اندازی می‌شود، می‌گیرد.
همزمانی
هر نوع رویشی که بکار می‌رود، باید با سیگنال مورد بررسی هم‌زمان باشد. تا یک تصویر بی‌حرکت بوجود آید. برای این کار باید فرکانس سیگنال مبنای زمان مقسوم علیه‌ای از فرکانس سیگنال مورد بررسی باشد.
مواد محوکننده
در طی زمان رویش، ولتاژ دندانه‌دار رویش اعمال شده به صفحات x، لکه نورانی را بر یک خط افقی از چپ به راست روی صفحه لامپ حرکت می‌دهد. اگر سرعت حرکت کم باشد، یک لکه دیده می‌شود و اگر سرعت زیاد باشد، لکه به صورت یک خط دیده می‌شود. در سرعتهای خیلی زیاد، ضخامت خط کم شده و تار به نظر می‌رسد یا حتی دیده نمی‌شود.
کنترل وضعیت
این شکل لوله پرتوهای کاتدی داخلی را برای استفاده در یک اسیلوسکوپ نشان می‌دهد. اعداد در شکل: ۱. الکترود ولتاژ انحراف ۲. تفنگ الکترونی ۳. شعاع الکترون ۴. سیم پیچ تمرکز ۵. سطح داخلی فسفرپوش شده صفحه نمایش
وسیله‌ای برای کنترل حرکت مسیر باریکه بر روی صفحه لازم است. با این کار شکل موج ظاهر شده بر روی صفحه را می‌توان بالا یا پائین یا به چپ یا راست حرکت داد. این کار را می‌توان با اعمال یک ولتاژ کوچک سیستم داخلی (که مستقل است) به صفحات انحراف دهنده انجام داد. این ولتاژ را می‌توان با یک پتانسیومتر تغییر داد.
کنترل کانونی بودن
الکترود کانونی‌کننده مثل یک عدسی با فاصله کانونی تغییر می‌کند. این تغییر با تغییر پتانسیل آند کانونی‌کننده صورت می‌گیرد.
کنترل شدت
شدت باریکه با پتانسیومتر کنترل‌کننده شدت که پتانسیل شبکه را نسبت به کاتد تغییر می‌دهد، تنظیم می‌شود.
مدار کالیبره سازی
در اسیلوسکوپهای آزمایشگاهی معمولا یک ولتاژ پایدار داخلی تولید می‌شود که دامنه مشخصی دارد. این ولتاژ که برای کالیبره سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد، معمولا یک موج مربعی است.