ออสซิลโลสโคป

ออสซิลโลสโคปหรือเรียกสั้นๆ ว่า "สโคป" (Scope) มีชื่อเต็มมาจาก แคโทดเรย

ออสซิลโลสโคป (Cathode ray oscilloscope ; CRO ) หมายถึงออสซิลโลสโคปใช ้หลอดรังสีแคโทด สโคปเป็นเครื่องมือวัดทาง อิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญอีกชนิดหนี่งที่ใช้ในการวัดแสดงรูปคลื่นสัญญาณต่างๆ ออกมาเป็นภาพ ปรากฎบนจอหลอดภาพให้เห็นได้ เช่น การวัดสัญญาณกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า(ที่เป็นไฟ AC หรือ DC) การวัดความถี่ของ สัญญาณ การวัดเฟสของสัญญาณ และรวมถึงการวัดสัญญาณพัลส์การอ่านค่าแอมพลิจูดของสัญญาณจะเป็น พีค-ทู-พีค หรือค่าพีคและค่าเวลาเป็นวินาที

หลักการทำงานของออสซิลโลสโคป

        ออสซิสโลสโคปจะใช้หลักการบังคับการบ่ายเบนของลำอิเล็กตรอนภายในหลอดภาพรังสีแคโทด (Cathode ray tube ; CRT)

ด้วยระบบการบ่ายเบนทางไฟฟ้าสถิต (Electrostatic deflection)

หน้าที่หลักของออสซิลโลสโคป คือ

1. รับสัญญาณ

2. แสดงภาพของสัญญาณที่รับ

3. วิเคราะห์สัญญาณ

ประโยชน์ของการนำออสซิสโลสโคปไปใช้งาน

1. ใช้วัดแรงดันไฟฟ้าตรง (DC) วัดแรงดันไฟฟ้าสลับ (AC) และกระแสไฟฟ้าของสัญญาณ

2. ใช้วัดค่าเวลา คาบเวลา และความถี่ของสัญญาณ

3. ใช้วัดผลต่างทางเฟสของสัญญาณ และเปรียบเทียบสัญญาณ 2 สัญญาณ

4. ใช้วัดตรวจสอบวงจรอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับความถี่และรูปคลื่นสัญญาณที่ถูกต้อง เช่น การปรับจูนเครื่องรับ-ส่งวิทยุ เครื่องรับโทรทัศน์ วิดีโอ เครื่องเสียง เป็นต้น

5. ใช้ตรวจเช็คคุณสมบัติของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ว่าดีหรือเสียได้โดยดูจากภาพที่ปรากฎบนจอ

6. นำไปใช้ประกอบร่วมกับอุปกรณ์อื่นเพื่อให้สามาถใช้งานด้านอื่นได้กว้างขวาง

บล็อดไดอะแกรมของออสซิลโลสโคป

แผนภาพบล็อกของออสซิลโลสโคป (Oscilloscope block diagram) ทั่วไป (แบบ 1 ลำแสง) มีส่วนประกอบดังนี้

ส่วนประกอบแผนภาพของบล็อกของออสซิสโลสโคป คือ

1. Cathode ray tube, or CRT

2. Vecital amplifier

3. Delay line

4. Time base generator

5. Horizontal amplifier

6. Trigger circuit

7. Power supply

อธิบายแผนภาพบล็อก

1. หลอดรังสีแคโทดหรือเรียกสั้นๆ ว่า "CRT" ถือว่าเป็นหัวใจของออสซิลโลสโคป ด้านในหลอดภาพฉาบด้วยสารเรืองแสง เมื่ออิเล็กตรอนวิ่งกระทบจุดใดจุดนั้นจะเรืองแสงขึ้นจึงเกิดเป็นภาพให้เห็น

2. ภาคขยายสัญญาณทางแนวตั้ง (Vertical amplifier) ทำหน้าที่ขยายสัญญาณทางแนวตั้งให้มีความแรงขึ้นที่ส่งมาจากภาคลดทอนแรงดัน (Volt/DIV) ทางแนวตั้ง

3. ภาคหน่วงสัญญาณ (Delay line) จะทำหน้าที่หน่วงสัญญาณอินพุตทางแนวตั้ง (Vertical input) ก่อนที่จะป้อนเข้าแผ่นเพลตบ่ายเบนทางแนวตั้ง (Vertical deflection plate) ใช้เวลาการหน่วงประมาณ 0.25 ms

4. เครื่องกำเนิดฐานเวลา (Time base generator) หรือตัวกำเนิดการกวาด (Sweep generator) ทำหน้าที่ควบคุมรูปคลื่นฟันเลื่อย (Sawtooth waveform) ให้มีความถูกต้อง (โดยปรับปุ่ม Time/DIV) ก่อนป้อนให้กับภาคขยายสัญญาณทางแนวนอน (Horizontal amplifier)

5. ภาคขยายสัญญาณทางแนวนอนทำหน้าที่ขยายสัญญาณรูปฟันเลื่อยให้มีความแรงพอก่อนป้อนเข้าแผ่นเพลตบ่ายเบนทางแนวนอน ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าสถิตควบคุมลำอิเล็กตรอนให้บ่ายเบนซ้ายขวาทางแนวนอนได้

6. ภาควงจรชุดชนวน (Trigger circuit) หรือวงจรซิงค์ (Synce circuit) ทำหน้าที่ควบคุมให้สัญญาณแนวนอนทำงานพร้อมกับสัญญาณแนวตั้ง ทำให้ภาพบนจอหยุดนิ่ง โดยรับสัญญาณมาจากภาคขยายแนวตั้งมาทำเป็นสัญญาณพัลส์ไปควบคุมรูปคลื่นฟันเลื่อยของภาคกำเนิดฐานเวลาให้มีความถี่ที่ถูกต้อง

7. ภาคจ่ายไฟ (Power supply) แรงดันไฟต่ำ (Low voltage; LV) จะจ่ายไฟให้กับทุกวงจร ยกเว้น แรงดันไฟสูง (High voltage ; HV) จ่ายให้กับหลอด CRT

หลักการเกิดภาพบนจอออสซิสโลสโคป-

การเกิดรูปสัญญาณที่จอออสซิลโลสโคป (หลอด CRT) อาศัยหลักการทำงานของ 2 ภาคใหญ่ๆ คือ

1. การบ่ายเบนสัญญาณทางแนวตั้ง (Vertical deflection)

2. การบ่ายเบนสัญญาณทางแนวนอน (Horizontal deflection)

การป้อนสัญญาณเข้าที่ชุดแผ่นเพลตบ่ายเบนทั้งแนวตั้งและแนวนอนโดยตรงจะต้องมีค่าแรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก เพื่อให้ลำอิเล็กตรอนเกิดบ่ายเบนไปถึงหน้าจอที่ฉาบด้วยสารเรืองแสง ดังนั้นถ้ากรณีที่สัญญาณเข้าเป็นแรงดันไฟฟ้าค่าต่ำๆ ก่อนเข้าแผ่นเพลตบ่ายเบนทั้ง 2 ชุด โดยการขยายสัญญาณดังกล่าวเสียก่อน เรียกว่าวงจรขยายสัญญาณทางแนวตั้งและวงจรขยายสัญญาณทางแนวนอนจะเห็นการแสกน (Scan) ของรูปคลื่นไซน์ที่ป้อนเข้าทางแนวตั้งและรูปคลื่นฟันเลื่อยเข้าทางแนวนอน ภาพที่จะปรากฎจะเป็นการเริ่มต้นสแกนของจุดลำแสงอิเล็กตรอนที่จอหลอดภาพวิ่งจากซ้ายไปขวา เริ่มจากตำแหน่งศูนย์เหมือนกันจนกระทั่งถึงจุดสูงสุด (เลข 8) ของสัญญาณคลื่นไซน์และฟันเลื่อย จากนั้นจุดลำแสงอิเล็กตรอนบนจอหลอด CRT จะวิ่งกลับจากตำแหน่งสูงสุด (ขวาสุด) มายังซ้ายสุดด้วยความเร็วที่สูงมากเราจึงเห็นรูปสัญญาณคลื่นไซน์ปรากฎหน้าจอ

หลอดรังสีแคโทด

หลอดรังสีแคโทด (Cathode ray tube ; CRT) หรือ CRT เป็นอุปกรณ์ที่ใช้แสดงค่ารูปร่างของสัญญาณที่วัดได้บนหน้าจอ หลอด CRT มีโครงสร้างภายใน (ดังรูป)

ส่วนประกอบภายในหลอด CRT แบ่งได้เป็น 4 ส่วน คือ

1. ชุดปืนอิเล็กตรอน (Electron gun assembly)

2. ชุดแผ่นเพลตบ่ายเบน (Deflection plate assembly)

3. จอภาพเรืองแสง (Fluorescent screen)

4. ตัวหลอดแก้วและขั้วหลอด (Glass envelope and base of the tube)

1. ชุดปืนอิเล็กตรอน ในส่วนนี้จะทำหน้าที่คล้ายกับหลอดไทรโอด (Triode) คือ แคโทดจะเป็นตัวยิงอิเล็กตรอนไปยังจอภาพ และกริดเป็นตัวควบคุมการจ่ายอิเล็กตรอน และมีแอโนดเป็นตัวรับอิเล็กตรอนจะสามารถวิ่งผ่านรูเล็กๆ นี้ได้ มีลักษณะเป็นลำอิเล็กตรอน ขนาดของลำอิเล็กตรอนสามารถปรับหรือควบคุมได้โดยใช้ปุ่มปรับความเข้ม การปรับปรุงดังกล่าวเป็นการปรับแรงดันไฟลบที่กริด ถ้ากริดเป็นไฟลบมากลำอิเล็กตรอนก็จะลดลงทำให้ความเข้มที่จอภาพลดลงและถ้ากริดเป็นไฟลบน้อย ลำอิเล็กตรอนจะมาก ความเข้มที่จอภาพก็มากตาม

เมื่ออิเล็กตรอนผ่านกริดควบคุมจะถูกเร่งความเร็วโดยขั้วแอโนดเร่งความเร็ว (Accelerating anode) 2 แผ่นที่มีศักย์ไฟฟ้าบวกค่าสูงป้อนให้ ระหว่างแอโนดทั้งสองจะมีแอโนดโฟกัส (Focusing anode) คั่นอยู่ซี่งจะทำหน้าที่ช่วยปรับให้อิเล็กตรอนเป็นลำขนาดเล็กและคมชัดขึ้น ลำอิเล็กตรอนที่ถูกปรับโฟกัสและถูกเร่งความเร็วแล้วจะเคลื่อนที่ผ่านเพลตบ่ายเบนแนวตั้งและแนวนอนพุ่งไปกระทบจอเรืองแสงต่อไป

2. ชุดแผ่นเพลตบ่ายเบน (Deflection plate assembly) ประกอบด้วยแผ่นเพลตโลหะ 2 แผ่น วางคู่ขนานกันทั้งทางแนวตั้งและแนวนอน โดยมีแรงดันไฟฟ้าป้อนให้กับแผ่นโลหะทั้งสอง เป็นผลทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่มีค่าสม่ำเสมอเกิดขึ้นระหว่างแผ่นโลหะนี้ เมื่อลำอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งความเร็วผ่านเข้ามายังแผ่นบ่ายเบนเป็นผลทำให้ได้รับอิทธิพลจากสนามไฟฟ้าภายในดังกล่าวจะเกิดแรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอน

3. จอภาพเรืองแสง (Fluorescent screen) คือจอด้านหน้าสุดของหลอด CRT ที่ฉาบด้วยสารเรืองแสงจำพวกฟอสเฟอร์ (Phospher) ซึ่งเป็นสารทำให้เกิดแสงสว่างบนจอภาพ โดยจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานแสงเพมื่อถูกวิ่งชนด้วยลำอิเล็กตรอนที่มีความแรงและกำลังสูง

คุณสมบัติของสารในการปล่อยแสง เมื่อได้รับการกระตุ้น (ชน) โดยลำอิเล็กตรอนเรียกว่า "ฟลูออเรสเซนต์" ความสามารถของสารในการปล่อยแสงออกมาอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าจะหมดลำอิเล็กตรอนแล้วก็ตามเราเรียกว่า "ฟอสเฟอเรสเซนซ์" (Phospherescence) และช่วงระยะเวลาที่เกิดการเรืองแสงต่อเนื่องเรียกว่า "ความคงสว่าง" (Persistence) ของสารเรืองแสง

4. ตัวหลอดแก้วและขั้วหลอด (Glass envelope and bade of the tube)

- ประเภทของหลอด CRT

ถ้าแบ่งตามจำนวนของลำแสงอิเล็กตรอนภายในหลอดจะแบ่งออกเป็น

1.1 ลำแสงเดียว (Single-beam)

2.2 ลำแสงคู่ (Dual-beam)

3.3 หลายลำแสง (Multi-beam)

สายโพรบกับออสซิลโลสโคป

โพรบ (Probe)

การวัดสัญญาณอินพุตของสโคปนั้นจำเป็นต้องผ่านทางสายเคเบิลแกนร่วม (Coaxial cable) ซึ่งสายเคเบิลนี้เราเรียกว่า "สายโพรบ"

โพรบเป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับตรวจวัดสัญญาณ ถือว่าเป็นอุปกรณ์ส่วนหน้าในการวัดสัญญาณที่ต้องการตรวจสอบ โดยไม่ให้เกิดการรบกวนของสัญญาณขณะใช้งาน แล้วส่งผ่านสัญญาณให้อินพุตทางแนวตั้ง

ส่วนประกอบของโพรบมี 2 อย่างคือ สายนำสัญญาณและกราวนด์ ทั้ง 2 อย่างนี้ประกอบกันโดยมีการแบ่งเป็นชั้นๆ กราวนด์จะถูกถักเป็นเปียพันรอบสายสัญญาณที่มีฉนวนหุ้มทั้งหมดอีกครั้ง สัญญาณจะผ่านตัวนำที่อยู่ตรงกลางและกราวนด์ที่อยู่รอบนอกจะเป็นตัวป้องกันสัญญาณที่ไม่ต้องการผ่านเข้าไปได้

โพรบมีอยู่หลายแบบขึ้นอยู่กับการนำไปใช้งาน เช่น โพรบแบบพาสซีฟ (Passive probe) โพรบแบบแอกทีฟ (Active prove) โพรบวัดกระแสไฟฟ้า (Current-probe) และโพรบวัดแรงดันไฟสูง (High voltage probe) เป็นต้น

โพรบที่นิยมใช้มากที่สุดจะเป็นโพรบแบบพาสซีฟ โดยเป็นแบบไม่มีการลดทอนสัญญาณ (Probe x 1) หรือ 1 : 1 และแบบลดทอนสัญญาณลง 10 เท่า (Probe x 10) หรือ10 : 1

สายโพรบนี้จะมีค่าความจุไฟฟ้า (Capacitance ; Ccc) ต่อคร่อมอยู่เพื่อป้องกันสัญญาณความถี่สูงที่จะเข้าไปปรากฎบนจอภาพ ส่วนด้านอินพุตของสโคปจะมีค่าความต้านทาน (Ri) ต่อขนานอยู่กับค่าความจุไฟฟ้า (Ci)

บล็อคไดอแกรมของสายโพรบ

  หมายเลขและหน้าที่

ปุ่มปรับและฟังก์ชันสวิตซ์ของสโคป

การนำออสซิลโลสโคปไปใช้งาน

- การเตรียมออสซิลโลสโคปก่อนไปใช้งาน

ก่อนนำสโคปไปใช้วัดรูปคลื่นสัญญาณ ควรรู้ถึงหน้าที่ของปุ่มปรับและฟังก์ชันสวิตซ์ต่างๆ ว่าทำอย่างไรเสียก่อน การเตรียมสโคปให้พร้อมใช้งานทำได้โดยการปรับปุ่มและฟังก์ชันสวิตซ์ให้อยู่ในตำแหน่งตามตาราง

ขั้นตอนการใช้สโคป

1. ก่อนเปิดสวิตซ์ POWER (ON) ต้องแน่ใจว่าแรงเคลื่อนของระบบจ่ายไฟอยู่ตำแหน่งไฟ AC 220-240 V

2. เปิดสวิตซ์ POWER (ON) หลอดไฟ LED LAMP 19 ติดสว่าง

3. ปรับปุ่ม Position ทั้งสองให้ได้เส้นแสงสัญญาณปรากฎที่ตำแหน่งกลางจอ CRT

4. ปรับปุ่ม INTEN และ FOCUS ให้ได้ภาพสัญญาณที่มีความคมและชัดเจน

5. นำสายโพรบต่อเข้ากับ Input 15 โพรบอยู่ตำแหน่ง Probe x 1

6. ทำการเซตสโคป 1 Vp - p สายบวกของโพรบจับอยู่ที่ CALIB 1 Vp - p 5 สายกราวนด์อยู่ที่ 6 VOLT/DIV อยู่ที่ 1V/DIV และ TIME/DIV อยู่ที่ 1 ms

7. ปรับปุ่ม LEVEL 9 ให้ได้ภาพบนจอหยุดนิ่ง

8. เลือกปุ่ม AC-DC 14 ตามสัญญาณไฟสลับหรือไฟตรงที่เข้ามาทางอินพุต ปุ่ม GND จะเด้งขึ้นเอง ถ้าเปรียบเทียบจุดของศูนย์ "0" ก็กดปุ่ม GND ใหม่อีกครั้ง