Oscilloscope Piyadanai Pachanapan

Oscilloscope

เนื้อหา ส่วนประกอบของ Oscilloscope การทำงานของ Oscilloscope - ขนาดของรูปคลื่น - คาบ / ความถี่ของรูปคลื่น - เฟสของรูปคลื่น และ ระหว่าง 2 รูปคลื่น

ลักษณะการใช้งาน Oscilloscope ใช้ในงานด้านไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ การสื่อสารโทรคมนาคม ใช้วัดและวิเคราะห์รูปคลื่น รวมทั้งปรากฏการณ์อื่นๆ ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ สัญญาณที่ปรากฏ จะมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ซึ่งจะแสดงผลเป็นรูปคลื่นของปริมาณนั้นๆ เทียบกับเวลา

ลักษณะสัญญาณที่ได้จาก Oscilloscope

ส่วนประกอบของ Oscilloscope หลอดภาพรังสีแคโทด (Cathode Ray Tube) 2. วงจรขยายการเบี่ยงตามเบนแนวตั้ง (Vertical Deflection Amplifier) 3. วงจรขยายการเบี่ยงตามเบนแนวนอน (Horizontal Deflection Amplifier) 4. ภาคกำเนิดสัญญาณสวีพหรือฐานเวลา (Sweep of Time Base Generator)

ส่วนประกอบของ Oscilloscope (2) 5. วงจรทริกเกอร์ (Trigger Circuit) 6. แหล่งจ่ายไฟฟ้า (Power Supply)

โครงสร้างของ Oscilloscope

Block Diagram

หลอดภาพรังสีแคโทด (Cathode Ray Tube, CRT) ส่วนแสดงผลของสัญญาณออกเป็นรูปคลื่นต่างๆ แบ่งออกเป็น 2 ภาค คือ - ภาคไทรโอด (Triode Section) - ภาคปรับโฟกัส (Focusing Section) เรียกทั้ง 2 ภาค รวมกันว่า “ ปืนอิเล็กตรอน (Electron Gun) ” สร้างลำอิเล็กตรอนปล่อยให้ไปกระทบสารเรืองแสงที่เคลือบผิวด้านในจอภาพ  เกิดเป็นลำแสงขึ้น

ภาพรวมของหลอด CRT Electron gun

ภาคไทรโอด (Triode Section) เป็นหลอดสูญญากาศ (Vacuum Tube) ชนิดไทรโอด มีโครงสร้าง 3 ส่วน คือ - แคโทด (Cathode) ทำจาก Ni ถูกป้อนด้วยแรงดัน จะเกิดความร้อน และปล่อยอิเล็กตรอนออกมา - กริดควบคุม (Control Grid) ทำจาก Ni เป็นทรงกระบอก มีรูเล็กตรงกลาง ไว้คอยควบคุมจำนวนอิเล็กตรอนที่แคโทดปล่อยมา - เพลต หรือ แอโนด (Plate or Anode) ทำหน้าที่เร่งความเร็วอิเล็กตรอน Pre-accelerating Anode (A1) Focusing Anode (A2) Accelerating Anode (A3)

ส่วนประกอบภาคไทรโอด (Triode Section)

ส่วนประกอบภาคไทรโอด (Triode Section)

ภาคปรับโฟกัส (Focusing Section) เรียกรวมกันว่า “เลนส์อิเล็กตรอน (Electron Lens)” ทำหน้าที่เร่ง (Accelerating) และปรับโฟกัส (Focusing) ประกอบด้วย 3 ส่วน ดังนี้ - Pre-accelerating Anode, A1 เร่งความเร็วอิเล็กตรอน เข้า A2 - Focus Anode, A2 ปรับโฟกัสเพื่อให้ลำอิเล็กตรอนเล็กที่สุด - Accelerating Anode, A3 ทำหน้าที่เร่งความเร็วอิเล็กตรอนอีกครั้ง เพื่อส่งอิเล็กตรอนไปภาคเบี่ยงเบน (Deflection Section) ปรับโฟกัสด้วยเลนส์อิเล็กตรอนที่สร้างมาจากสนามไฟฟ้า ระหว่าง A1, A2, A3

ส่วนประกอบภาคปรับโฟกัส (Focusing Section)

การปรับโฟกัสในเลนส์อิเล็กตรอน

ภาคการเบี่ยงเบน (Deflection Section) มีหน้าที่ทำให้ลำอิเล็กตรอนเบี่ยงเบนไปยังสุดที่ต้องการบนจอภาพ ใช้หลักการเบี่ยงเบนทางไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Deflection) ภาคการเบี่ยงเบนมี 2 ส่วนคือ เบี่ยงเบนตามแนวตั้ง (Vertical Deflection) ทำให้ลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในแนวตั้ง (แกนขนาด) 2. เบี่ยงเบนตามแนวนอน (Horizontal Deflection) ทำให้ลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในแนวนอน (แกนเวลา)

ส่วนเบี่ยงเบนใน Oscilloscope

การเบี่ยงเบนจากไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Deflection)

ลักษณะการเบี่ยงเบนของลำอิเล็กตรอนจากภาคการเบี่ยงเบน

ลักษณะการเบี่ยงเบนของลำอิเล็กตรอนจากภาคการเบี่ยงเบน

ส่วนควบคุมสัญญาณทางแนวตั้ง (Vertical Control) ประกอบด้วยวงจรที่สำคัญ 2 วงจร คือ - วงจรลดทอนสัญญาณ (Vertical Attenuator) ลดขนาดสัญญาณ input ที่เข้ามา - วงจรขยายทางแนวตั้ง (Vertical Amplifier) ขยายสัญญาณให้เหมาะสมกับการแสดงผล ซึ่งจะป้อนต่อไปยังแผ่นเบี่ยงเบนทางแนวตั้ง เพื่อสร้างสนามไฟฟ้าไปเบี่ยงเบนลำอิเล็กตรอน

ส่วนควบคุมสัญญาณทางแนวนอน (Horizontal Control) ประกอบด้วยวงจรที่สำคัญ คือ - วงจรกำเนิดความถี่การกวาด (Sweep or Time Base Generator)  ผลิตสัญญาณรูปฟันเลื่อย (Sawtooth) สัญญาณฟันเลื่อยจะถูกป้อนไปยังแผ่นเบี่ยงเบนทางแนวนอน  ทำให้ลำอิเล็กตรอนเบี่ยงเบนหรือกวาดในแนวนอน

ส่วนควบคุมสัญญาณทางแนวนอน (Horizontal Control) ถ้าความถี่ของสัญญาณรูปฟันเลื่อยไม่สัมพันธ์กับสัญญาณที่ถูกป้อนเข้ามาจาก input จะทำให้ได้รูปคลื่นของสัญญาณไม่นิ่ง ถ้าต้องการรูปคลื่นที่นิ่ง จะต้องปรับความถี่การกวาดให้ตรงกับสัญญาณ  “วิธีการเข้าจังหวะ (Synchronization)”

การควบคุมสัญญาณ แนวตั้ง และ แนวนอน

ภาพที่ปรากฏขึ้นบนจอ  ผลรวมของสัญญาณในแนวนอนและแนวตั้ง

รูปคลื่นที่แสดงบนจอภาพ

รูปคลื่นตัวอย่าง

การปรับ Time Base เพื่อการเข้ากันของสัญญาณ input กับ สัญญาณฟันเลื่อย

จอภาพ (Screen) เคลือบผิวด้านในด้วยสายฟอสฟอร์ (Phosphor) ความเข้มของแสงที่ปล่อยออกมาจากจอภาพ เรียกว่า “ลูมิแนนซ์ (Luminance)”

ความเข้มแสงที่ปล่อยออกมาจากจอภาพ ขึ้นอยู่กับ จำนวน e- ที่พุ่งชนจอต่อวินาที 2. พลังงานจลน์ของ e- ที่พุ่งชนจอ 3. เวลาที่ลำ e- ชนส่วนจอที่กำหนด (ขึ้นกับความเร็วการ sweep) 4. ขึ้นอยู่กับคุณสัมบัติทางฟิสิกส์ของสารฟอสฟอร์ ** ข้อควรระวัง อย่าปรับความเข้มมาก เพราะจะทำให้จอไหม้ และทำลายสารเคลือบ ทำให้แสงที่เปล่งออกมาลดลงมาก

การปรับความเข้มของลำอิเล็กตรอน ปุ่มปรับความเข้มแสง (Intensity Control) ควบคุมค่าศักย์ไฟฟ้าลบของกริดควบคุมภาคไทรโอด 2. ปุ่มปรับโฟกัส (Focus Control) ต่อกับ Focus Anode, A2 จะปรับลำ e- ให้เล็กที่สุดเพื่อความคมชัด 3. ปุ่มปรับการพร่ามัว (Astigmatism Control) แก้ปัญหาการพร่ามัวที่ขอบจอ (เนื่องจากระยะทางเปลี่ยนไปจากเดิม)  เกิดความคมชัดเฉลี่ยทั่วทั้งจอภาพ

ปุ่มปรับโฟกัส ปุ่มปรับความเข้มแสง

Graticule ตาข่ายของเส้นที่พิมพ์ขึ้น เพื่อใช้วัดขนาดของสัญญาณ ปกติมี 2 แบบ ดังนี้ แบบที่อยู่ภายนอก เป็นแผ่นพลาสติกหรือกระจกวางอยู่ด้านหน้าของหลอด 2. แบบที่อยู่ด้านใน ไม่มีปัญหาเรื่องพาราแลกซ์ แต่ราคาสูงและไม่สามารถเปลี่ยน Graticule ได้

Graticule ทั่วไป จำนวนช่อง แนวตั้ง : แนวนอน 8 : 10

ลักษณะการเกิดภาพบนจอ การเบี่ยงเบนแนวตั้ง (y) จะขึ้นอยู่กับความไวแนวตั้ง (Vertical Sensitivity, SV) ที่เลือกไว้ SV คือ ขนาดแรงดันที่ต้องการเพื่อให้เกิดการเบี่ยงเบนของจุด 1 ช่อง (V/Div)

ลักษณะการเกิดภาพบนจอ (2) การเบี่ยงเบนแนวนอน (x) จะขึ้นอยู่กับความไวแนวตั้ง (Horizontal Sensitivity, SH) ที่เลือกไว้ SH คือ ขนาดเวลาที่ต้องการเพื่อให้เกิดการเบี่ยงเบนของจุด 1 ช่อง (T/Div)

โพรบ (Probe) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้นำสัญญาณจากภายนอกเข้าสู่ออสซิลโลสโคป สามารถใช้สัญญาณความถี่สูงและป้องกันสัญญาณรบกวนจากสิ่งแวดล้อมได้ ทำหน้าที่เป็นตัวลดทอนสัญญาณ โดยทั่วไปมี 2 ระดับ - x1 คือ ไม่มีการลดทอนสัญญาณ - x10 คือ มีการลดทอนสัญญาณลง 10 เท่า

ส่วนประกอบของโพรบ สายโพรบ Coaxial Cable

การต่อโพรบเข้ากับ Oscilloscope

การปรับแต่งโพรบให้พร้อมใช้งาน นำโพรบไปต่อกับสัญญาณแหล่งจ่ายที่ทราบลักษณะ, ขนาด และความถี่ สังเกตสัญญาณที่ปรากฏที่ Oscilloscope ว่าเพี้ยนหรือไม่ ถ้าเพี้ยน  ปรับความจุของตัวเก็บประจุ C จนได้รูปคลื่นที่ถูกต้อง ถูกต้อง เพี้ยน เพี้ยน

Dual Channel Oscilloscope Oscilloscope ที่มี 2 ขั้วอินพุต (Channel A กับ Channel B) ใช้วัดสัญญาณ 2 รูปคลื่น เพื่อเปรียบเทียบ ขนาด ความถี่ และเฟส ในเวลาเดียวกัน มีเพลตแนวนอนชุดเดียวกัน

เพลตแนวตั้งแยกกัน เพลตแนวตั้งชุดเดียวกัน

การทำงานของ Oscilloscope แบบสลับโหมด (Alternate Mode) เหมาะกับสัญญาณความถี่สูง

การทำงานของ Oscilloscope แบบช็อปโหมด (Chop Mode) เหมาะกับสัญญาณความถี่ต่ำ

การใช้งาน Oscilloscope

ปุ่มต่างๆที่ใช้สำหรับใช้งานของ Oscilloscope http://www.doctronics.co.uk/scope.htm

ตัวอย่างการปรับสัญญาณใน Oscilloscope (1) http://www.schulphysik.de/ntnujava/oscilloscope/oscilloscope.html

ตัวอย่างการปรับสัญญาณใน Oscilloscope (2) http://www.virtual-oscilloscope.com/simulation.html#

ข้อควรระวังในการใช้งาน Oscilloscope !!! หลีกเลี่ยงการใช้งานในที่ถูกแสงแดดโดยตรง มีอุณหภูมิและความชื้นสูง รวมทั้งบริเวณที่มีฝุ่นละอองมาก หรือ มีการสั่นสะเทือน 2. หลีกเลี่ยงการใช้งานบริเวณที่มีเครื่องใช้ไฟฟ้า หรือ แหล่งจ่ายไฟขนาดใหญ่ เพราะอาจโดนสนามแม่เหล็กรบกวนได้ 3. ควรวางเครื่องในที่มีการระบายความร้อนได้ดี 4. สัญญาณ input ต้องมีขนาดไม่เกินพิกัดของเครื่อง (300-400 Vpeak) 5. ไม่ควรเพิ่มความเข้มของเส้นให้มากเกิน จะทำให้สารที่เคลือบผิวจอเสื่อม

การใช้งาน Oscilloscope ในการวัดปริมาณไฟฟ้าต่างๆ

ปริมาณไฟฟ้าที่วัดด้วย Oscillscope มักใช้ Oscilloscope วัดปริมาณทางไฟฟ้า ดังต่อไปนี้ - ขนาดของรูปคลื่น (ขนาดแรงดัน) - คาบ / ความถี่ของรูปคลื่น - เฟสของรูปคลื่น และ ระหว่าง 2 รูปคลื่น

การวัดแรงดัน (แกนตั้ง) วัดค่ายอดแรงดันจากยอดถึงยอด (Peak to Peak Value, Vp-p) ขนาด Vp-p หาได้จาก Vp-p = จำนวนช่อง x ความไวตามแนวตั้ง x การลดทอนของ Probe = (Div) x (V/Div) x (Probe Attenuation) สำหรับคลื่นรูป Sine

ตัวอย่างการวัดขนาดแรงดัน วัดโดยใช้โพรบ x10 ความไว 0.01 V/Div Vp-p = จำนวนช่อง x ความไวตามแนวตั้ง x การลดทอนของ Probe = (4.8 ช่อง) x (0.01 V/ช่อง) x (10) = 0.48 V

การวัดความถี่ (แกนนอน) หาโดยการวัดเวลาครบ 1 รอบ (1 คาบ) และนำมาคำนวณกลับเป็นค่าความถี่ เมื่อ f คือ ความถี่ (Hz) T คือ คาบ (วินาที)

ตัวอย่างการวัดความถี่ วัดโดยใช้โพรบ x10 ความไว จะได้

การวัดเฟส การหาความสัมพันธ์ของเฟสระหว่าง 2 สัญญาณ หาความต่างเฟสได้จากเวลาที่หน่วงไป (Td) ระหว่าง 2 รูปคลื่น สามารถหาความต่างเฟส (o)ได้จาก เมื่อ Td คือ เวลาที่หน่วงไประหว่าง 2 รูปคลื่น T คือ เวลาที่ 1 คาบ (วินาที)

ตัวอย่างการวัดเพื่อหาความต่างเฟส T = (4.2 Div) x (1 mS/Div) = 4.2 x 10-3 วินาที Td = (2.2 Div) x (1x10-6 S/Div) = 220 x 10-6 วินาที

รูปลิสซาจูส์ (Lissajous Figure) ได้จากการปรับโหมดเป็น X-Y เป็นรูปสัญญาณที่ได้จากการตัดวงจรฐานเวลา (Time Base) ออก ให้สัญญาณ input 2 สัญญาณ เป็นสัญญาณแกนนอน (X) และสัญญาณแกนตั้ง (Y) รูปคลื่นจะขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ของ input ทั้ง 2 สัญญาณ สามารถใช้วิเคราะห์ ความถี่ และ มุมเฟส ของสัญญาณได้

ตัวอย่าง รูปลิสซาจูส์

การวัดมุมต่างเฟสด้วยรูปลิสซาจูส์ (X-Y Mode) จากรูปลิสซาจูส์ที่ได้ สามารถหามุมต่างเฟส จาก เมื่อ คือ มุมต่างเฟสของรูปคลื่นทั้ง 2 A คือ ระยะของรูปลิสซาจูส์ตัดกับแกนตั้ง (Y) B คือ ระยะเบี่ยงเบนสูงสุดของรูปลิสซาจูส์ตามแกนตั้ง (Y)

ตัวอย่าง การหามุมต่างเฟส ด้วยรูปลิสซาจูส์

การวัดความถี่ด้วยรูปลิสซาจูส์ (X-Y Mode) เปรียบเทียบกันระหว่างสัญญาณความถี่ที่ทราบค่า กับ สัญญาณความถี่ที่ต้องการทราบค่า สัญญาณความถี่ที่ทราบค่า มาจากเครื่องกำเนิดสัญญาณ (Signal Generator) ป้อนสัญญาณความถี่ที่ทราบค่าเข้าแนวนอน (Horizontal Input, fh) ป้อนสัญญาณความถี่ที่ต้องการทราบค่าเข้าแนวตั้ง (Vertical Input, fv) ปรับเป็นโหมด X-Y

คำนวณหาความถี่จากอัตราส่วน คือ เมื่อ fv คือ สัญญาณที่ไม่ทราบความถี่ fh คือ สัญญาณที่ทราบความถี่ nh คือ จำนวนวง(loop)รูปลิสซาจูส์ที่สัมผัสเส้นแนวนอน nv คือ จำนวนวงรูปลิสซาจูส์ที่สัมผัสเส้นแนวตั้ง

การวัดความถี่ด้วยรูปลิสซาจูส์

End of Unit