هنگامی که با مدارهایی سروکار دارید که دارای ولتاژ ثابت هستند، ابزاری که می تواند برای اندازه گیری یک عدد واحد برای ولتاژ مورد استفاده قرار گیرد، مولتی متر است. هنگامی که شروع به ساخت مدارهای پیچیده تر می کنید، نیاز به ابزارهای دقیق تری همچون اسیلوسکوپ پیدا می کنید. اسیلوسکوپ ها انواع مختلفی دارند؛ در این مطلب به بررسی اسیلوسکوپ دو کاناله و کاربردهای آن می پردازیم.

تاریخچه اسیلوسکوپ دو کاناله

کشف لوله های پرتو کاتدی (CRT) در قرن نوزدهم اتفاق افتاد. در آن دوره، هدف اصلی CRT ها عمدتاً توضیح و بررسی نظریه الکترون بود و این مفهوم به پرتوهای کاتدی معروف بود؛ در سال 1897 دانشمندی به نام کارل فردیناند براون اسیلوسکوپ CRT را کشف کرد. در حالی که اختراع اسیلوسکوپ دو گانه در سال 1930 توسط سازمان بریتانیایی A.C. Cossor صورت گرفت. اسیلوسکوپ امروزی نتیجه یک نسل از پیشرفت هایی است که در CRT ها، اسیلوسکوپ، نوع آنالوگ اسیلوسکوپ ها و الکترونیک دیجیتال رخ داده است. این مطلب عمدتاً به توضیح مفهوم اسیلوسکوپ دو کاناله، اصل کار آن، بلوک دیاگرام و کاربرد های آن می‌پردازد.

اسیلوسکوپ دو کاناله یا Dual-trace Oscilloscope چیست؟

یک اسیلوسکوپ، ابزاری است که در آن تغییرات مقدار الکتریکی در نوسان به طور موقت به صورت موج مرئی روی صفحه نمایش ظاهر می شود و به شما اجازه می دهد نحوه تغییر ولتاژ را در طول زمان مشاهده کنید. قبل از اینکه مستقیماً تعریف اسیلوسکوپ دو کاناله را ارائه کنیم، اجازه دهید سناریویی را در نظر بگیریم که در آن باید دو نوع مختلف از سیگنال را به طور متناظر ارزیابی کنیم که برای این منظور، ممکن است به دو اسیلوسکوپ جداگانه نیاز داشته باشیم. اما راه اندازی ژنراتورهای جابجایی از اسیلوسکوپ در یک دوره زمانی مشابه تا حدودی پیچیده است. با اجرای اسیلوسکوپ دو کاناله می توان این عارضه را کاهش داد.

این اسیلوسکوپ نوعی وسیله است که تنها از یک موج الکترونی استفاده می کند و دو تریس(Trace) ایجاد می کند و پرتو الکترونی از هر دو منبع جداگانه انحراف را تجربه می کند. تولید هر تریسی رویکردهای جداگانه خود را دارد که در آن این آثار خرد می شوند. این دو روش به عنوان دو روش متفاوت اسیلوسکوپ دو کاناله در نظر گرفته می شوند.

نحوه عملکرد و بلوک دیاگرام اسیلوسکوپ دو کاناله

تصویر زیر، بلوک دیگرام اسیلوسکوپ دو کاناله است.

بلوک دیگرام اسیلوسکوپ دوکاناله

در اسیلوسکوپ دو کاناله، دو سیگنال ورودی عمودی مختلف به طور هم زمان نمایش داده می شوند. اسیلوسکوپ پرتو کاتدی با دو نوع مشابه آمپلی فایر عمودی که دارای یک سوئیچ الکترونیکی، یک CRT تک پرتو، و یک ژنراتور پایه زمانی هستند، ارائه می شود. خروجی ارائه شده از آمپلی فایرهای عمودی از طریق یک کلید مدیریت شده به سوئیچ الکترونیکی تغذیه می شود. هدف اصلی این اسیلوسکوپ تولید یک پرتو الکترونی است در حالی که دو تریس نمایش داده می شود. بنابراین، یک پرتو الکترونی برای تولید تریس های دوکاناله به منظور نمایش سیگنال‌های مختلف در یک دوره زمانی استفاده می‌شود. این دستگاه از دو کانال ورودی مختلف تشکیل شده است که نام آنها کانال های A و B هستند. هر دو کانال دارای مراحل پیش تقویت کننده و تضعیف کننده خود هستند. با توجه به ساخت این دستگاه، دامنه هر ورودی را می توان به طور جداگانه کنترل کرد.

پس از فرآیند تقویت آمپلی فایر، دو کانال به کلید الکترونیکی تغذیه می شوند. سوئیچ الکترونیکی از طریق یک خط تاخیر، کانال را به آمپلی فایر عمودی متصل می کند. سوئیچ S2 که یک کلید انتخاب کننده تریگر است به مدار اجازه می دهد تا توسط کانال A/کانال B/سیگنال/فرکانس خط از منبع خارجی راه اندازی شود. ورودی آمپلی فایر افقی از کانال B یا از ژنراتور پایه زمانی از طریق کلیدهای “S3” و “S1” بر اساس نوع حالت عملکرد خواهد بود.

تقویت کننده افقی ورودی فقط در حالت کار X-Y، از کانال B دریافت می شود؛ در بقیه موارد، از طریق ژنراتور پایه زمانی دریافت می شود. در حالت عملکرد X-Y، کانال B ورودی آمپلی فایر افقی خواهد بود و ژنراتور پایه زمانی قطع می شود. و کانال A با رسم کانال A در محور Y و کانال B در محور X به عنوان ورودی عمودی عمل می کند.

به طور کلی، اسیلوسکوپ دو کاناله در دو حالت متناوب (alternate) و قطعه قطعه شده (chopped) عمل می کند. حال اجازه دهید دو حالت کار اسیلوسکوپ دو کاناله را در نظر بگیریم.

حالت کار متناوب (alternate)

اصل کار اسیلوسکوپ دو کاناله در حالت Alternate

در این حالت عملکرد، کانال های A و B با استفاده از کلید الکترونیکی متصل می شوند. در اینجا، کانال ها به طور متناوب به آمپلی فایر عمودی به روش سیکل متوالی با ژنراتور پایه زمانی متصل می شوند. نرخ سوئیچینگ لوله اشعه کاتدی با استفاده از نرخ جابجایی ژنراتور پایه زمانی مدیریت می شود. بنابراین، به همین دلیل، CRO سیگنال های عمودی را از دو کانال یکی پس از دیگری نمایش می دهد. هر یک از این آمپلی فایر های عمودی، دینام ورودی استاندارد و کنترل کننده های موقعیت خود را دارند تا به درستی سطح دامنه هر سیگنال را تغییر دهند.

این حالت عملکرد alternate به ویژه برای سیگنال دهی با فرکانس بالا استفاده می شود و سطح پایه زمانی با سرعت بالا تنظیم می شود به طوری که ردیابی از هر دو کانال به عنوان ردیابی پیوسته به جای ردیابی متناوب یا alternate مشاهده می شود.

حالت کار قطعه قطعه شده (chopped)

اصل کار اسیلوسکوپ دو کاناله در حالت قطعه قطعه شده (Chopped)

در این حالت، سوئیچ الکترونیکی در زمان رفت و برگشت، چندین بار بین دو کانال تغییر می کند. در اینجا، موقعیت سوئیچ الکترونیکی با استفاده از یک اسیلاتور آزاد تنظیم می شود. هنگامی که سوئیچ با سرعت بالا کار می کند، زمان نمایش کانال بسیار کم است. سرعت قطع یا تعویض سوئیچ در این حالت نزدیک به 0.01 میلی ثانیه یا 100 کیلوهرتز است. این حالت عملکرد عمدتاً برای مشاهده همزمان سیگنال‌های فرکانس حداقلی مفید است، به این معنی که محدوده فرکانس کمتر از محدوده فرکانس chopped است. از آنجایی که هر برنامه کاربردی در هر صنعتی الزامات خاص خود را دارد، رعایت مشخصات و انتخاب کردن قطعه مورد نظر بسیار مهم است.

از آنجایی که در کارکرد اسیلوسکوپ، سوئیچ الکترونیکی نقش مهمی دارد، بنابراین هنگام خرید سوئیچ حتما دقت کنید که مدلی که انتخاب کرده اید، متناسب با عملکرد اسیلوسکوپ دو کاناله مورد نظرتان باشد.

مشخصات فنی اسیلوسکوپ دو کاناله

  • میزان دقت انحراف: ± 5%
  • فرکانس خرد کننده(chopper): تقریبا 120 کیلوهرتز
  • ولتاژ شتاب کامل: 2 کیلو ولت
  • سطح دمای کارکرد: 5+ تا 40 درجه سانتی گراد

پارامترهای عملکرد اسیلوسکوپ دو کاناله

پهنای باند

این پارامتر تعیین کننده سطح فرکانس دستگاهی که دقیقاً اندازه گیری می کند، است. هنگامی که فرکانس سیگنال افزایش می یابد، توانایی اسیلوسکوپ برای پاسخ گویی کاهش می یابد. با دانستن سطح پهنای باند، فرکانسی که در آن مقدار سطح نمایش داده شده با توجه به سیگنال سینوسی ورودی به 70.7 درصد کاهش می یابد، مشخص می شود. این نقطه به عنوان نقطه “-3dB” نامیده می شود.

دقت بهره (Gain)

سطح دقت سیستم عمودی را که سیگنال را ضعیف یا تشدید می کند، تعیین می کند. به طور کلی از این پارامتر برای دانستن درصد خطا استفاده می شود.

حساسیت عمودی

بیان می کند که سیگنال ضعیف به چه میزانی تحت تقویت قرار می گیرد که در میلی ولت در ثانیه اندازه گیری می شود. حداقل سطح ولتاژی که یک نوع اسیلوسکوپ عمومی می تواند تشخیص دهد، 2 میلی ولت در هر ناحیه از تقسیم نمایش عمودی است.

زمان صعود یا خیز

زمان صعود یا Rise time روش دیگری برای تعریف سطح فرکانس ارزشمند دستگاه است. در حین اندازه گیری مراحل و پالس ها، این پارامتر به عنوان اهمیت عملکرد کامل عمل می کند.

وضوح ADC (عمودی)

این پارامتر وقتی در بیت اندازه گیری می شود، نشان می دهد که با چه دقتی توانایی تبدیل مقادیر ولتاژ ورودی به مقادیر دیجیتال را دارد. روش های مورد استفاده برای محاسبه، کارایی تفکیک پذیری را افزایش می دهد.

کاربرد های اسیلوسکوپ دو کاناله

از جمله کاربرد های اصلی اسیلوسکوپ دو کاناله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • برای مشاهده اشتباهاتی که در سیستم های الکترو اپتیکی ایجاد می شود.
  • تجزیه و تحلیل واکنش های یک دیود بهمنی، ایندیوم گالیوم آرسنید (InGaAs) و فتودیود های سیلیکونی
  • در ژنراتورهای تابع استفاده می شود.
  • یک رویداد ایجاد شده را به صورت جداگانه یا مطابق با خود محرک نظارت می­ کند.
  • ارزیابی عملکرد سیستم
  • برای تجسم سطوح شدت سیگنال منبع استفاده می شود.

یکی از پروژه های بسیار کاربردی در زمینه الکترونیک، ساخت اسیلوسکوپ با آردوینو است.