راسمات الذبذبات ، الجزء الأول

مقدمة للأداة التعليمية المعقدة ذات الاستخدامات المتنوعة.

في هذا الجزء الأول من سلسلة مكونة من جزأين ، سننظر في مرسمة الذبذبات كأداة تعليمية. إنها بوابة رائعة إلى عالم الإلكترونيات ، ويبدو أنه لا توجد نهاية للطبقات المتعددة لتفاعل الجسيمات الأولية التي يمكن أن تكشفها.

عندما يأخذ المرء راسم الذبذبات الجديد من الصندوق ، قد يكون رد الفعل الأول ، "ما الذي كنت أفكر فيه؟ كيف دخلت نفسي في هذا من قبل؟ الكثير من المفاتيح والأزرار ، وقوائم غامضة لا نهاية لها! " لكن لا تقلق. يوضح دليل التشغيل ، المطبوع أو عبر الإنترنت ، قدرًا كبيرًا ، وتختفي فجوات المعلومات المتبقية واحدة تلو الأخرى كأول ابتدائية ثم يتم إجراء تمارين أكثر تعقيدًا على التوالي.

أهداف التعلم

بعد قراءة هذا المقال ، يجب أن تكون قد تعرفت على:
♦ تاريخ الذبذبات
المكونات الرئيسية لعرض راسم الذبذبات
الغرض من المحورين X و Y.
ابتكارات مهمة في تطوير راسم الذبذبات
مساوئ التحويل التلفزيوني وراسم الذبذبات الحاسوبي

يتكون راسم الذبذبات الرقمي الحديث من مجسات ؛ القنوات التناظرية (عادة اثنان أو أربعة) ؛ التحويل التناظري إلى الرقمي ؛ المعالجة والذاكرة وأخيراً ، شاشة عرض (الآن في الغالب على شاشة مسطحة). عادة ، هناك محورين ، X و Y ، يتقاطعان في وسط الشاشة. تتحرك بقعة من الضوء عموديًا وأفقيًا عبر الشاشة لتشكيل التتبع ، وهو تمثيل رسومي للجهد المطبق عند مدخل الجهاز.

في أكثر تطبيقاته شيوعًا ، يتم تكوين راسم الذبذبات بحيث يمثل الموقع المتعلق بالمحور Y الجهد ، ويمثل الموقع المتعلق بالمحور X الوقت. عبور المحاور بزوايا قائمة لها خطوط (تُعرف باسم "الأقسام") تجعل من الممكن قياس مستوى الجهد للإشارة في فترات زمنية محددة. قد يكون التتبع الذي تم تشكيله متحركًا أو ثابتًا ، ولكن في كلتا الحالتين ، فإنه ينقل قدرًا هائلاً من المعلومات حول الإشارة التي يتم التحقيق فيها.

تاريخنا

لفهم كيفية عمل الذبذبات ، من المفيد إلقاء نظرة على تاريخه ، لا سيما فيما يتعلق بمعلمين أساسيين: التشغيل ونطاق التخزين الرقمي. تضمنت راسمات الذبذبات الأولى التقاط أشكال الموجة عن طريق قياس الفولتية عند نقاط مختلفة على طول محيط الدوار الدوار. تم عمل تسجيل دائم على شكل صورة رسومية باليد رسم الصورة على الورق. وغني عن القول ، أن استجابة التردد كانت محدودة بسبب سرعة وتحمل الفنان (الفنانين).

كانت ابتكارات راسم الذبذبات اللاحقة تدريجية. تضمن أول اختراق رئيسي استخدام مقياس الجلفانومتر ، والذي يحرك قلمًا عبر شريط من الورق ملفوف حول أسطوانة. تم تدويرها بمعدل ثابت يحركه الساعة ، مما وفر قاعدة زمنية. تضمنت الطرق اللاحقة المماثلة أيضًا الأجزاء المتحركة ، ولأن هذه الآلات كانت ميكانيكية (على عكس الإلكترونية) ، فقد وضع القصور الذاتي للراحة حدًا شديدًا لاستجابة التردد.

اختراقات

المعدات الهجينة ، حيث أدى الضوء المنعكس من مرآة مرتجفة إلى إنشاء صور موجية على ورق فوتوغرافي ، واستجابة تردد راسم الذبذبات المرتفعة حتى 10 كيلو هرتز بحلول عشرينيات القرن الماضي. في وقت لاحق من ذلك القرن ، حدث ابتكاران جوهريان أتاحا استخدام راسمات الذبذبات عالميًا اليوم.

كان أولها هو التحفيز ، والذي قدمه هوارد فولوم وجاك موردوك ، مؤسسا شركة تكترونكس. في عام 1946 ، قاموا بإخراج راسم الذبذبات المشغّل طراز Tektronix 511 ، والذي سهّل عرضًا مستقرًا ومتماسكًا لشكل موجة متكرر. سمحت هذه الوسيلة للصور الموجية المتعددة بالتزامن على شاشة راسم الذبذبات ، لتحل محل ضبابية الضوء التي لا معنى لها الناتجة عن عدم التزامن. لم يكن إدخال مسح التردد غير المتغير مطلوبًا لاستقرار الصورة.

حدث التطور المهم الآخر قبل الثمانينيات ، عندما قدم والتر ليكروي ، مؤسس شركة LeCroy Corp ، راسم الذبذبات للتخزين الرقمي. يسمح المحول التناظري إلى الرقمي جنبًا إلى جنب مع رقائق الذاكرة لمراسم الذبذبات المعاصرة بتسجيل وتخزين تمثيل رقمي لأي نوع من أشكال الموجات الكهربائية. سهّل هذا التطور عرض الشاشة المسطحة. جنبًا إلى جنب مع التشغيل الفعال ، أنشأت الرقمنة منصة عمل مفيدة للغاية للمهندسين والفنيين والطلاب لتصور الظواهر الإلكترونية المتنوعة وحل العديد من المشكلات التي تنشأ في البحث والتطوير والصيانة.

الأنواع

إن مصطلح "فني الإلكترونيات" مصطلح واسع النطاق، وقد يشمل المهندس الكهربائي الذي يتصور ويصمم وقد يُطلب منه تصحيح أخطاء ابتكارات جديدة. ثم هناك "المتخصص في الإصلاح"، الذي يشمل وصف وظيفته تشخيص وإصلاح الأنظمة والمعدات الكهربائية المعطلة. وقد تتراوح هذه المهمة من البسيطة للغاية (مثل إعادة ضبط قاطع الدائرة المعطل أو استبدال سلك الطاقة البالي) إلى الصعبة للغاية (مثل استكشاف أخطاء وحدة التحكم في حركة المصعد التي تنقطع على فترات غير منتظمة دون سبب واضح). وهناك فئة أخرى وهي المخترع المستقل الجاد أو الهواة المنزليين. ويتراوح هؤلاء الأشخاص من المبتكرين اللامعين الذين يكونون أحيانًا في طليعة بعض التقنيات الجديدة تمامًا إلى المهووسين الوهميين الذين يكسرون أكثر مما يصلحون.

يمكن لأي من هؤلاء الأفراد الاستفادة بشكل كبير من خلال استخدام راسم الذبذبات المتقدم. ومع ذلك ، فإن الحقيقة المحزنة هي أن أداة من الطراز الأول تكلف أكثر بكثير مما يستطيع الكثير منا تحمله. (أغلى أجيلينت سعرها حوالي 500,000 دولار أمريكي.) ولكن الخبر السار هو أن راسمات الذبذبات متوسطة المدى أقل تكلفة بكثير. يقدم العديد من البائعين تمويلًا مصممًا لجذب المشترين. ليس من الصعب تخيل أن قوة الكسب المعززة للفرد سترافق وتبرير الإنفاق. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فهناك خيارات أخرى منخفضة التكلفة ، وسننظر فيها واحدة تلو الأخرى ، بدءًا من الأرخص.

TV

يمكن تحويل التلفاز القديم بالأبيض والأسود إلى راسم ذبذبات قابل للتطبيق. يبلغ سعر المواد حوالي 1 دولار أمريكي ، بافتراض أنه يمكن الحصول على تلفزيون مناسب بدون تكلفة وأن مجسات اللحام والتدفق والأسلاك والحلقات وفولتميتر متوفرة بالفعل.

قبل البدء ، تذكر أن أجهزة التلفزيون تحتوي على جهد كهربائي عالٍ خطير يتم الاحتفاظ به في المكثفات الإلكتروليتية المرتبطة بمصادر الطاقة الخاصة بها. (هناك حاجة إلى مستويات عالية من الجهد لدائرة الانحراف القادرة على تحريك حزمة الإلكترونات بعيدًا عن مركز الشاشة.) علاوة على ذلك ، يمكن لأنبوب أشعة الكاثود (CRT) نفسه تخزين الطاقة الكهربائية. ثم ، هناك أيضًا شيء مثل السعة الموزعة في جميع أنحاء المجموعة. يجب إزالة الهيكل من الخزانة وتفريغ هذه الفولتية الخطرة إلى الأرض المحتملة قبل البدء في العمل على الجهاز. إذا لم تكن متأكدًا من الإجراء على الإطلاق ، فاتصل بأخصائي للمساعدة في هذه المرحلة من المشروع. وتذكر أنه إذا تمت إعادة تنشيط المجموعة ، فسيتعين تكرار عملية التفريغ.

يحيط ملفان نحاسيان كبيران بنير أنبوب أشعة الكاثود. إنها تجعل الانحراف الرأسي والأفقي لحزمة الإلكترون ممكنًا. (في راسم الذبذبات ، تكون صفائح انحراف ، لكن المبدأ هو نفسه). تتبع أسلاك أحد هذه الملفات إلى حيث تنتهي عند لوحة الدائرة وفصلها. أعد التلفزيون إلى علبته وشغله. إذا كان هناك خط أفقي ، فقد تم فصل الأسلاك من ملف الانحراف العمودي ، وإذا كان هناك خط عمودي ، فقد تم فصل الأسلاك من الملف الأفقي. إذا لزم الأمر ، قم بفك الملف العمودي من لوحة الدائرة وجعل الأسلاك طويلة بما يكفي لتمريرها من خلال ثقب حلقي في خزانة التلفزيون. سيتم توصيل هذه الأسلاك بمصدر الطاقة الخارجي المراد قياسه. بعد ذلك ، افصل أسلاك الملف الأفقية عن لوحة الدائرة وانقلها إلى نهايات ملف الانحراف الرأسي.

لا يتطلب الأمر أي شيء آخر لصنع منظار ذبذبات منزلي الصنع. ومن المؤسف أن هذا المنظار محدود للغاية مقارنة بالأجهزة التي يقدمها البائعون. ولأنه لا يمكنه عرض سوى موجات التيار المستمر أو موجات التيار المتردد ذات التردد المنخفض، فإن قيمته تقتصر على مشروع تعليمي.

الكمبيوتر الشخصي

نوع آخر من راسم الذبذبات هو أداة تتصل بجهاز كمبيوتر شخصي (PC) ، وتستفيد من معالجة البيانات وقدرتها على التصوير لعرض الجهد من مصدر طاقة خارجي أو دائرة قيد الاختبار. يتكون راسم الذبذبات المعتمد على الكمبيوتر الشخصي (PCO) من لوحة اقتناء إشارة متخصصة. يأخذ أشكالًا مختلفة ، عادةً ما يكون USB خارجيًا أو جهاز منفذ متوازي. نوع آخر من PCO يتكون من بطاقة مثبتة في الكمبيوتر. بالنسبة للأجهزة ، توجد واجهة كهربائية توفر عزلًا وعناصر تحكم تلقائية في الكسب ، وبعض المحولات التناظرية إلى الرقمية وذاكرة المخزن المؤقت ، أو معالج إشارة رقمي داخلي. يتم توفير واجهات العرض والتحكم بواسطة الكمبيوتر ، ولهذا السبب تكون تكلفة PCO أقل بكثير من تكلفة راسم الذبذبات واسع النطاق.

كما هو متوقع ، هناك بعض العيوب المهمة في السير في طريق PCO ، على الرغم من الوظائف المدهشة لبعض الأدوات الأفضل. العيب الرئيسي هو أن الكمبيوتر هو مصدر لمصدر الطاقة والضوضاء الكهرومغناطيسية. إذا كان PCO يسعى لفحص الإشارات منخفضة المستوى ، فقد يكون الحصول على دقة جيدة مشكلة ، ويتطلب تدريعًا واسع النطاق. هناك صعوبة أخرى تتمثل في أن معدلات النقل إلى الكمبيوتر ستكون محدودة بالتأكيد بسبب الحلقة الأضعف في السلسلة ، وهو عنق الزجاجة المتأصل في وسائط الكابلات. بالإضافة إلى ذلك ، سيتطلب الكمبيوتر برنامج تمكين راسم الذبذبات ، والذي قد يكون أو لا يكون متوافقًا مع نظام التشغيل. بالطبع ، لا تتمتع أجهزة الكمبيوتر المتوافقة عادةً بمتوسط ​​عمر متوقع كبير لأجهزة الذبذبات المخصصة عالية الجودة. بشكل عام ، يعد PCO ذو قيمة كأداة تعليمية للهواة والطلاب. إنه مفيد لبعض قياسات التردد المنخفض ، لكن السرعة والدقة غير متوفرة. بالنسبة للبحث الجاد وصيانة المرافق ، فإن PCO هي فكرة لم تأت بعد (وربما لن تأتي أبدًا).

مستعمل

خيار آخر منخفض التكلفة هو شراء راسم الذبذبات المستعمل. تكمن المشكلة هنا في أنه حتى لو بدا أن مرسمة الذبذبات تعمل ، فقد يُلاحظ لاحقًا أن بعض الميزات لا تعمل بكامل طاقتها. إذا كان بإمكانك العثور على أجزاء ولديك الخبرة لإصلاحها ، فلا بأس بذلك ، ولكن عند الحاجة إلى إعادة معايرة المصنع ، فقد لا تكون متوفرة. لا ينصح بهذا الخيار.

جديد

أخيرًا ، إذا لم تكن التكلفة عقبة ، ففكر في شراء جديد. هناك العديد من الشركات المصنعة ، بعضها يلبي احتياجات السوق المنخفضة الجودة ، في حين أن البعض الآخر كان ولا يزال يستثمر حاليًا في البحث والتطوير ، ويسعى إلى توفير أعلى مستوى من الجودة والوظائف. اللاعبون الكبار هم Tektronix و LeCroy و Agilent (تم تحويلهم مؤخرًا إلى Keysight Technologies ولكن مع الحفاظ على نفس خط الإنتاج بشكل أساسي). يقدم هؤلاء البائعون راسمات الذبذبات عالية الجودة والمتقدمة للغاية والمتينة والتي يجب أن تكون ذات قيمة لسنوات قادمة.

 الميزات والوظائف

يستطيع راسم الذبذبات المختلط المجال (MDO) عرض الإشارات الكهربائية في أكثر من مجال واحد. المجال المرتبط بالوظيفة ، كما يدرك طلاب التفاضل والتكامل جيدًا ، هو مجموعة المدخلات المسموح بها لهذه الوظيفة. يتكون عرض الذبذبات من خط أفقي ، المحور X ، حيث توجد المدخلات. في وسط الشاشة ، يتقاطع المحور Y ، الذي توجد على طوله النواتج ، مع المحور X.

السيناريو الأكثر شيوعًا هو رؤية وحدات الوقت المشار إليها في المحور X ، حيث يتم تمثيل المتغيرات المستقلة. السعة (الفولتية) تشير إلى المحور ص. السعات المختلفة تشتمل على المتغيرات التابعة. يتم تحديد العلاقات بين النقاط على المحور X والنقاط على المحور Y بواسطة الوظيفة.

في بعض الأحيان ، لا يمثل المجال (المحور X) الوقت. بدلاً من ذلك ، يمكن تعريفه من حيث التردد (مع استمرار قيم Y في السعة). يؤدي هذا إلى إنشاء رسم بياني مختلف للإشارة الكهربائية نفسها. من الممكن الترجمة بين المجالين ، والإجراء الخاص بإنجاز ذلك يُعرف باسم تحويل فورييه ، الذي وصفه جوزيف فورييه عام 1822. كان البروتوكول في ذلك الوقت قابلاً للتطبيق على الظواهر غير الكهربائية ، مثل حركة الأمواج في جسم مائي والميكانيكا الصوتية. في عصرنا ، التركيز الرئيسي على الكهرباء.

إن الرياضيات الخاصة بإنجاز تحويل فورييه معقدة للغاية ، ولكن في منتصف الستينيات ، ظهرت خوارزمية تعرف باسم تحويل فورييه السريع (FFT) التي تسرع العملية بشكل كبير. يسمح لنا هذا الإجراء بإنجاز نفس الترجمات ذهابًا وإيابًا بين المجالين بحسابات أقل إرهاقًا. لحسن الحظ ، يمكن استدعاء FFT في لحظة بالضغط على سلسلة بسيطة من الأزرار على MDO ، ويمكن رؤية إشارة كهربائية على الفور في أي من المجالات. هذه الوظيفة مفيدة للغاية في الحصول على نظرة ثاقبة للأعمال الداخلية للعديد من أنواع المعدات الإلكترونية لأغراض الصيانة ، وكذلك البحث والتطوير.

أساس

قبل تشغيل أو توصيل راسم الذبذبات من نوع مقاعد البدلاء بإشارة ، نحتاج إلى الخوض في بعض التفاصيل حول مفهوم تأريض كل من الجهاز والدائرة قيد التحقيق. إذا لم يتم فهم ذلك تمامًا ، فهناك احتمال قوي بأن يقوم المستخدم في النهاية بإجراء ربط غير صحيح وإتلاف أو تدمير مرسمة الذبذبات و / أو العمل الذي يتم قياسه.

أولاً والأهم من ذلك ، يجب تأريض راسم الذبذبات (ما لم يكن نوعًا محمولًا يعمل بالبطارية ومعزولًا عن الأرض) بشكل صحيح كلما تم تشغيله. يتم تحقيق هذا الاتصال الأرضي عن طريق توصيله بمقبس قياسي ثلاثي الشوكات يحتوي على أرضية للمعدات. هذا يفترض ، بالطبع ، أن موصل تأريض المعدات سليم ومتصل بشكل صحيح في الخدمة الكهربائية وأن النظام العام لديه اتصال منخفض المقاومة بالأرض. يعد محلل الدائرة أداة جيدة للتحقق من أن الأسلاك مستقطبة بشكل صحيح (وفي الواقع مؤرضة) (الشكل 2).

الغرض من توصيل تأريض الجهاز هو التأكد من أن هيكل راسم الذبذبات ، مثله مثل أي أداة أو جهاز ، لا يظل نشطًا بسبب عطل أرضي ، مما يؤدي إلى خطر الصدمة. ثانيًا ، يجب أن تكون المعدات الكهربائية التي يتم اختبارها إما معزولة تمامًا عن الأرض ، أو إذا تم تشغيلها بواسطة طاقة التيار المتردد المشتقة من المنفعة ، فيجب أن يتم تشغيلها (مثل راسم الذبذبات) بواسطة موصلين ، أحدهما في الأرض المحتملة. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فليس من الآمن توصيل راسم الذبذبات بالعمل.

علاوة على ذلك ، يجب توصيل السلك المرجعي الأرضي الذي يعد جزءًا من المسبار بنقطة في الدائرة قيد الاختبار والتي تكون على الأرض المحتملة ، مما يترك طرف المجس متاحًا لنقاط الاتصال داخل الدائرة. من الضروري أن تكون أرضية إشارة الدائرة قيد الاختبار وأرض معدات راسم الذبذبات المشتقة من أداة التيار المتردد قريبة جدًا من نفس الإمكانات. إذا لم يتم استيفاء هذه الشروط (على سبيل المثال ، تكافؤ كل من الأسباب والتوصيل الصحيح للمرجع الأرضي لمسبار الذبذبات) ، فسيكون هناك تيار عطل ثقيل من شأنه ، على الأقل ، حرق الرصاص المرجعي الأرضي للمسبار ، وربما أو إتلاف راسم الذبذبات و / أو الجهاز قيد الاختبار. سيحدث هذا على الفور عندما يتصل الرصاص المرجعي الأرضي بنقطة في الدائرة ليست محتملة على الأرض. في الواقع ، سيحدث ذلك حتى قبل أن يتصل طرف المجس بالجهاز.

هناك بعض الاستثناءات من بروتوكول التأريض أعلاه. يمكن عزل الذبذبات عن الأرض عن طريق نشر قابس الأرض من سلك الطاقة. في حين أن هذه الوسيلة قد تعمل على منع المشاكل المذكورة أعلاه ، إلا أنها تتعارض مع القانون الوطني للكهرباء وتشكل لامبالاة فادحة بحياة الإنسان ، لأنها تعطل الوظائف الوقائية لتأريض المعدات. إنه يمهد الطريق لكارثة على الطريق.

كما ذكرنا سابقًا ، فإن الخطر قيد المناقشة لا يمثل مشكلة عندما يكون العمل معزولًا تمامًا عن الأرض. مثال واضح على ذلك هو شكل الموجة (خط أفقي مستقيم) لبطارية 9 فولت. نظرًا لعدم وجود أي من الجانبين في إمكانات الأرض ، فمن الآمن توصيل الرصاص المرجعي الأرضي للمسبار بالقطب الموجب أو السالب.

قد يتم توصيل راسم الذبذبات المحمول باليد الذي يعمل بالبطارية (الشكل 3) بأسلاك من نقطة إلى نقطة داخل معدات كهربائية مؤرضة. نظرًا لأن كلا جانبي الجهاز معزولان عن الأرض ، فلن يكون هناك خطأ أرضي خطير ، بغض النظر عن الطريقة التي يتم بها توصيل المجسات.

باستخدام راسم الذبذبات الأرضية من نوع مقاعد البدلاء والحاجة إلى إجراء قياس من نقطة إلى نقطة على المعدات المؤرضة (مثل قياس جهد ناقل التيار المستمر لمحرك التردد المتغير) ، يجوز استخدام مسبار تفاضلي (الشكل 4) . تجمع المسابير التفاضلية بين وظائف مجسين في واحد. تقيس المسابير ذات النهايات المفردة الجهد بالإشارة إلى نقطة أرضية. في المقابل ، تقيس المسابير التفاضلية الفرق في الجهد بين نقطتي اختبار. لا توجد مشكلة وميض القوس الخطير الناتج عن توصيل المسبار الأرضي بجهد إشارة يطفو فيما يتعلق بالمستوى الأرضي. الخصائص المهمة التي يجب البحث عنها هي النطاق الترددي العالي والنطاق الديناميكي الكبير والإزاحة والضوضاء المنخفضة.

خاتمة

لقد فحصت هذه المقالة بعض المعلومات الأساسية حول راسمات الذبذبات ، خاصة أنها تطورت خلال القرن الماضي. في المقالة التالية والختامية من هذه السلسلة ، سيتم إجراء بعض التمارين التي توضح استخدام الذبذبات ، مع الإشارة إلى Tektronix MDO3104. ستوضح بعض عمليات التوصيل البسيطة كيف يمكن استخدام مرسمة الذبذبات لتصوير أشكال الموجات وتوضيح مختلف الظواهر الإلكترونية غير المرئية للمقياس المتعدد.

أسئلة تعزيز التعلم

استخدم أسئلة تعزيز التعلم أدناه للدراسة لامتحان تقييم التعليم المستمر المتاح عبر الإنترنت على www.elevatorbooks.com أو على p. 139 من هذا العدد.
ما هو الخطر الرئيسي في إزالة التلفزيون من الخزانة الخاصة به؟
♦ ما هي مساهمة تكترونكس العظيمة في تطوير راسم الذبذبات؟
♦ ما هي المساهمة العظيمة لـ LeCroy في تطوير مرسمة الذبذبات؟
♦ ما هو PCO وما هي بعض عيوبه؟
♦ ما هو MDO؟