ออสซิลโลสโคป(Oscilloscopes)

ออสซิลโลสโคปเป็นเครื่องมือวัดซึ่งจะทำให้เราเห็นรูปร่างของสัญญาณไฟฟ้าโดยแสดงเป็นกราฟของแรงดันบนแกนเวลาที่จอภาพ

สัญลักษณ์ของออสซิลโลสโคปที่ใช้ในวงจร

Oscilloscope, photograph ? Rapid Electronics

หลอดรังสีแคโทดออสซิลโลสโคป (CRO)

เหมือนกับเป็นโวลท์มิเตอร์ที่มีฟังชั่นพิเศษแสดงค่าแรงดันที่เปลี่ยนไปตามเวลา และด้วยช่องตารางขนาด 1 ซม.ทำเราให้สามารถวัด ค่าแรงดันกับเวลาจากจอได้ รูปกราฟนี้ปกติเราเรียกว่ารอยเส้น(trace)ถูกเขียนโดยลำอิเล็กตรอนที่ยิงมากระทบหน้าจอซึ่งฉาบด้วยฟอสเฟอร์
ทำให้เกิดการเปล่งแสง ปกติจะเป็นสีเขียวหรือน้ำเงิน ทำนองเดียวกันกับการเกิดภาพของจอโทรทัศน์
ออสซิลโลสโคปที่ใช้หลอดสูญญากาศ(CRO)จะมีปืนอิเล็กตรอน(electron gun)ซึ่งประกอบด้วย แคโทด (ขั้วลบ) ที่ปลายข้างหนึ่ง เพื่อยิง อิเล็กตรอนและ แอโนด(ขั้วบวก)ที่ปลายอีกข้าง เพื่อเร่งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนให้รวดเร็วไปยังจอ นอกจากนี้หลอดยังมีขั้วสำหรับ ทำหน้าที่เบี่ยงเบนลำอิเล็กตรอน ให้ไปทางซ้าย-ขวา บน-ล่าง ด้วยเหตุที่แคโทดเป็นตัวยิงอิเล็กตรอนเราจึงเรียกอิเล็กตรอนนี้ว่ารังสีแคโทด
(cathode ray)และออสซลโลสโคปที่ใช้หลอดชนิดนี้จึงเรียกว่ารังสีแคโทดออสซิลโลสโคป(Cathode Ray Oscilloscope)หรือ CRO
ปัจจุบัน CRO ไม่นิยมใช้กันแล้ว และหลอด CRT ก็เลิกผลิต จอ LCD กลับมาแทนที่สำหรับดิจิตอลออสซิลโลสโคปรุ่นใหม่ๆ


ดิจิตอลออสซิลโลสโคป

ออสซิลโลสโคปแบบรอยเส้นคู่(dual trace)หรือ2ช่องสามารถแสดงกราฟสัญญาณสองรอย
บนจอ ทำให้สะดวกในการใช้งาน เช่น การวัดเปรียบเทียบสัญญาณเข้าและออกของเครื่อง ขยายได้ง่ายเป็นต้น แต่ราคาเครื่องก็แพงตามไปด้วย อย่างไรก็ตามปัจจุบันดิจิตอลออสซิล
โลสโคป มีให้เลือกมากกว่า 2 ช่อง สามารถแสดงกราฟได้หลากสี มีฟังชั่นการใช้งานมากมาย
ขนาดก็บาง น้ำหนักเบา กินไฟน้อย แต่ราคายังคงแพงอยู่

ข้อควรระวัง

การเคลื่อนย้ายหรือถือหิ้วออสซิลโลสโคป(CRO)ต้องทำอย่างระมัดระวังอย่าให้กระทบกระแทกหลอดจอที่เปราะบาง(ราคาแพงด้วย)

ออสซิลโลสโคปใช้แรงดันสูงเพื่อสร้างลำอีเล็กตรอนและอาจยังคงมีค้างอยู่หลังจากปิดสวิทช์ ดังนั้นเพื่อความปลอดภัยจึงไม่ควรเปิดฝาเครื่องดูภายในโดยไม่จำเป็น

การปรับแต่ง ออสซิโลสโคป

ออสซิลโลสโคปเป็นเครื่องมือที่ค่อนข้างซับซ้อนใช้ยากมีปุ่มปรับมากและต้องมีการปรับตั้งก่อนใช้งาน รอยเส้นจะหายไปจากจอง่ายหากปรับไม่ถูกต้อง ปุ่มปรับต่างๆของออสซิลโลสโคปตลอด
จนชื่อเรียกจะคล้ายกันทุกยี่ห้อ คำแนะนำการใช้ต่อไปนี้อาจต้องปรับเปลี่ยนบ้างเพื่อให้เหมาะ้ที่จะใช้กับออสซิลโลสโคปที่ท่านมีใช้อยู่

นี่คือสิ่งที่เราจะเห็นหลังจากปรับตั้งแล้ว
โดยยังไม่ต่อสัญญาณเข้า

เปิดสวิทช์ออสซิลโลสโคปเพื่ออุ่นเครื่อง (ใช้เวลา 1-2 นาที)
ยังไม่ต้องต่อสายสัญญาณเข้าตอนนี้
ตั้ง AC/GND/DC สวิทช์ (ที่ Y อินพุท) ไปที่ตำแหน่ง DC
ตั้ง SWP/X-Y สวิทช์ไปที่ SWP (กวาด)
ตั้ง Trigger Level ไปที่ AUTO
ตั้ง Trigger Source ไปที่ INT (ภายใน, อินพุท Y)
ตั้ง Y AMPLIFIER ไปที่ 5V/cm (ค่าปานกลาง)
ตั้ง TIMEBASE ไปที่ 10ms/cm (เวลาปานกลาง)
ปรับหมุนปุ่ม VARIABLE ควบคุมฐานเวลาไปที่ 1 หรือ CAL.
ปรับ Y SHIFT (ขึ้น/ลง) และ X SHIFT (ซ้าย/ขวา)ให้ปรากฎรอยเส้นที่กลางจอเหมือนรูปขวามือ
ปรัย INTENSITY (ความสว่าง) และ FOCUS ให้เส้นสว่างและคม
ตอนนี้ออสซิลโลสโคปพร้อมที่จะใช้งาน!
การต่อสายสัญญาณเข้าจะอธิบายถึงในตอนต่อไป

การต่อออสซิลโลสโคป

โครงสร้างของสายโคแอกเซี่ยล

สายออสซิลโลสโคปและชุดโปรบคิท

สายต่อสัญญาณเข้าอินพุท Y ของออสซิลโลสโคปจะต้องเป็นสายโค-แอกเซี่ยล ดังรูปแสดงโครงสร้างของสาย สายเส้นกลางเป็นตัวนำสัญญาณ และสกรีนต่อลงดิน (0V) เพื่อชีลด์สัญญาณจากสิ่งรบกวนทางไฟฟ้า (ที่เรียกว่านอยส์)
ขั้วต่ออินพุท Y ของออสซิลโลสโคปโดยทั่วไปเป็นซ็อคเกทแบบ BNC สามารถต่อสายเข้าโดยการเสียบแล้วก็หมุน ตอนถอดออกก็หมุนกลับแล้วก็ดึง ออสซิลโลสโคปตามโรงเรียนมักใช้สายต่ออินพุทเป็นสายดำ-แดง ใช้กับซ็อคเกท 4mm ธรรมดา ไม่มีสกรีน ซึ่งสายปลั๊ก4mm ธรรมดาก็สามารถใช้ได้ หากจำเป็น
แต่สำหรับมืออาชีพจะใช้สายและโปรบคิทที่ออกแบบมาพิเศษเฉพาะซึ่งเป็นผลดีเมื่อวัดสัญญาณความถี่สูงและทดสอบกับวงจรที่มีความต้านทานสูง แต่ก็ไม่จำเป็นสำหรับงานธรรมดาในย่านความถี่เสียง(สูงถึง 20kHz).
การต่อออสซิลโลสโคปก็เหมือนกับการต่อ โวลท์มิเตอร์ แต่ต้องพึงระวังว่าสายสกรีน (สีดำ) ของสายอินพุทได้ถูกต่อกับสายดินหลักที่ตัว ออสซิลโลสโคป นั่นหมายถึงว่าสายนี้จะต้องต่อลงดินหรือ 0V บนวงจรที่ทดสอบด้วย

รูปคลื่นของสัญญาณเอซี เมื่อ
ปรับตั้งปุ่มควบคุมต่างๆถูกต้อง

การทำให้ได้รอยเส้น(trace)ที่สะอาดและเสถียร

เมื่อต่อออสซิลโลสโคปกับวงจรเพื่อทดสอบวัดเราจำเป็นที่จะต้องปรับปุ่มควบคุมต่างๆเพื่อให้ได้รอยเส้นที่สะอาดและเสถียรบนจอ ดังนี้

ปรับปุ่ม Y แอมปลิไฟเออร์ (VOLTS/CM) กำหนดความสูงของรอยเส้น เลือกตั้งให้รอยเส้นมีความสูงอย่างน้อยครึ่งหนึ่งของจอ แต่ต้องไม่เลย หรือหายไปจากจอ
ปรับปุ่มฐานเวลา (TIME/CM) กำหนดอัตราการกวาดของจุดบนจอ เลือกตั้งให้รอยเส้นแสดงอย่างน้อย 1 รอบของสัญญาณบนจอ
โปรดสังเกตว่า อินพุท DC คงที่จะได้รอยเส้นทางแนวนอนซึ่งการปรับตั้งฐานเวลาไม่มีความสำคัญ
ปุ่มควบคุมทริกเกอร์ (TRIGGER) ปกติให้ตั้งไว้ที่ตำแหน่ง AUTO

หากใช้ออสซิลโลสโคปเป็นครั้งแรก จะเป็นการดีที่สุดที่เริ่มต้นกับการวัดสัญญาณง่ายๆเช่นไฟเอซีจากเพาเวอร์แพคตั้งไว้สักประมาณ 4V

การวัดแรงดันและคาบเวลา

รอยเส้นบนจอออสซิลโลสโคปคือกราฟของแรงดันตามเวลา รูปร่างของกราฟเป็นไปตามลักษณะของสัญญาณที่อินพุท
นอกจากนี้คุณสมบัติที่แสดงบนกราฟจะมีความถี่ ซึ่งคือจำนวนรอบต่อวินาที
แผนภาพแสดงคลื่นซายน์ซึ่งคุณสมบัติเหล่าินี้นำไปใช้กับสัญญาณอื่นๆที่มีรูปร่างคงที่

ขนาด(Amplitude) คือแรงดันสูงสุดของสัญญาณมีหน่วยวัดเป็น โวลท์(volts, V)
แรงดันยอด(Peak voltage) คืออีกชื่อหนึ่งของขนาด
แรงดันยอดถึงยอด(Peak-peak voltage) คือสองเท่าของแรงดันยอด(ขนาด) เวลาอ่านรอยเส้นบนออสซิลโลสโคปวัดค่าเป็นแรงดันยอดถึงยอด
คาบเวลา(Time period) คือเวลาที่สัญญาณครบหนึ่งรอบสมบูรณ์
มีหน่วยวัดเป็นวินาที(s), แต่ช่วงเวลาค่อนข้างจะสั้น จึงมักใช้เป็น มิลลิเซคันด์ (ms) และไมโครเซคันด์ (µs) 1ms = 0.001s และ 1µs = 0.000001s.
ความถี่(Frequency) คือจำนวนรอบต่อวินาที
มีหน่วยวัดเป็นเฮิร์ท(Hz), แต่ความถี่ค่อนข้างจะสูง จึงมักใช้เป็น กิโลเฮิร์ท (kHz) และ เมกะเฮิร์ท (MHz) 1kHz = 1000Hz และ 1MHz = 1000000Hz.

ความถี่ = 1 และ คาบเวลา = 1

คาบเวลา ความถี่

รูปคลื่นสัญญาณเอซี
Y แอมปลิไฟเออร์: 2V/cm
ฐานเวลา: 5ms/cm
ตัวอย่างการวัด:แรงดันยอดถึงยอด = 8.4V
ขนาดแรงดัน = 4.2V
คาบเวลา = 20ms
ความถี่ = 50Hz

แรงดัน

แรงดันแสดงทางแนวตั้ง แกน-y และมาตราส่วนถูกกำหนดโดยปุ่มควบคุม Y แอมปลิไฟเออร์ (VOLTS/CM) ปกติวัดเป็นแรงดันยอดถึงยอดเพราะว่าสามารถ
อ่านได้ถูกต้องแม้ว่าไม่ทราบตำแหน่งของ 0V ส่วนขนาด(amplitude) ของแรงดันเท่ากับครึ่งหนึ่งของแรงดันยอดถึงยอด
หากต้องการอ่านขนาดแรงดันโดยตรงเราจะต้องตรวจสอบหาตำแหน่ง 0V (ปกติจะอยู่ที่ครึ่งบนจอ): เลื่อนสวิทช์ AC/GND/DC ไปที่ตำแหน่ง GND (0V) และปรับปุ่ม Y-SHIFT (ขึ้น/ลง)เลื่อนตำแหน่ง
รอยเส้นหากจำเป็น , จากนั้นปรับสวิทช์กลับไปที่ DC จะมองเห็นสัญญาณอีกครั้ง
แรงดัน = ระยะทางเป็น cm × แรงดัน/cm
ตัวอย่าง: แรงดันยอดถึงยอด = 4.2cm × 2V/cm = 8.4V
ขนาด (แรงดันยอด) = ½ × แรงดันยอดถึงยอด = 4.2V

คาบเวลา

เวลาแสดงทาง แนวนอน แกน-x และมาตราส่วนถูกกำหนดโดยปุ่มควบคุมฐานเวลา (TIME/CM) คาบเวลา (หรือเรียกทับศัพท์ว่าพีเรียด)คือเวลา ในหนึ่งรอบของสัญญาณ ส่วนความถี่คือจำนวนรอบต่อหนึ่งวินาที ความถี่ = 1/ช่วงเวลา
ต้องแน่ใจว่าปรับปุ่มฐานเวลาไปที่ 1 หรือ CAL (แคลลิเบรท) ก่อนที่จะอ่านค่าเวลา
เวลา = ระยะทางเป็น cm × เวลา/cm
ตัวอย่าง: ช่วงเวลา = 4.0cm × 5ms/cm = 20ms
และ ความถี่ = ¹/_{ช่วงเวลา} = ¹/_20ms = 50Hz

ฐานเวลาช้า,ไม่มีอินพุท
จะมองเห็นเป็นจุดเคลื่นที่

ฐานเวลาเร็ว, ไม่มีอินพุท
จุดจะเคลื่อนที่เร็วจนมอง
เห็นเป็นเส้น

ฐานเวลา (เวลา/cm) และปุ่มควบคุมทริกเกอร์

ลำอิเล็กตรอนของออสซิลโลสโคปจะกวาดหน้าจอจากซ้ายไปขวาด้วยความเร็วที่ถูกตั้งโดยปุ่มฐานเวลา(TIMEBASE) การปรับแต่ละครั้งตามป้ายที่แสดงด้วย
เวลา จุดจะเลื่อนไป 1 ซม. มีผลต่อมาตราส่วนตามแกน-x ปุ่มควบคุมฐานเวลามักติดป้ายกำกับว่า TIME/CM
หากตั้งฐานเวลาช้า (เช่น 50ms/cm) เราจะมองเห็นจุดเคลื่อนที่ข้ามจอ แต่ถ้าตั้งฐานเวลาเร็ว (เช่น 1ms/cm) จุดจะเคลื่อนที่เร็วจึงปรากฎเห็นเป็นเส้น
ปุ่มปรับฐานเวลา VARIABLE สำหรับปรับความเร็วละเอียด แต่จะต้องตั้งไว้ที่ตำแหน่ง 1 หรือ CAL (แคลลิเบรท) หากเราต้องการอ่านค่าเวลาจากรอยเส้น บนจอที่ถูกต้อง
ปุ่มควบคุมทริกเกอร์(TRIGGER)ปรับช่วยรักษาความแน่นอนของรอยเส้นบนจอ หากปรับไม่ถูกจะเห็นรอยเส้นขยับเลื่อนไปด้านข้าง เกิดรอยเส้นลวกๆสบสนบนจอ
หรือไม่ก็หายไปเลย ทริกเกอร์คงรักษาความแน่นอนของรอยเส้น ตั้งแต่จุดเริ่มกวาดข้ามจอจนสัญญาณอินพุทกลับมาถึงจุดเดิมทุกรอบเวลา
สำหรับการใช้งานอย่างตรงไปตรงมา ดีที่สุดคือตั้งระดับทริกเกอร์ไว้ที่ AUTO แต่หากเห็นว่ารอยเส้นไม่ค่อยจะนิ่ง ขยับด้านข้างอยู่เรื่อยก็ค่อยๆปรับปุ่มทริกเกอร์ ช่วยได้

ปุ่มควบคุม Y แอมปลิไฟเออร์ (โวลท์/cm)

DCเปลี่ยนแปลง (ทางบวก)

รอยเส้นจะเคลื่อนที่สูงและต่ำตามแรงดันที่ Y อินพุทและการปรับตั้งปุ่มควบคุม Y แอมปลิไฟเออร์ ปุ่มควบคุมนี้ตั้งค่าแรงดันแทนโดยแต่ละเซนติเมตรบนจอ การตั้งมีผลต่อมาตราส่วนบนแกน-y แรงดันบวกทำให้รอยเส้นเลื่อนขึ้นส่วนแรงดันลบทำให้มันเลื่อนลง
ปุ่มควบคุมY แอมปลิไฟเออร์จะมีป้ายกำกับว่า Y-GAIN หรือ VOLTS/CM.
แรงดันอินพุทเลื่อนจุดขึ้นและลง ในขณะเดียวกันก็กวาดข้ามจอ นั่นหมายถึงรอยเส้นบนจอคือกราฟของแรงดัน (แกน-y) ตาม เวลา (แกน-x)ของสัญญาณอินพุท

สวิทช์ AC/GND/DC

สวิทช์ไปที่ GND ทำให้สามารถตรวจ
สอบตำแหน่ง 0Vได้รวดเร็ว
(ปกติจะอยู่ที่ครึ่งทางขึ้น)

การปรับตั้งปรกติของสวิทช์นี้อยู่ที่ตำแหน่ง DC สำหรับทุกสัญญาณรวมทั้งสัญญาณ AC
สวิทช์ตำแหน่ง GND (ดิน) เท่ากับต่ออินพุท Y เข้ากับ 0V และทำให้เราตรวจสอบตำแหน่ง 0V บนจอได้รวดเร็ว(ปกติจะอยู่ที่ครึ่งทางขึ้น) ในกรณีนี้ไม่จำเป็นต้อง ถอดสายสัญญาณอินพุทออก เพราะว่ามัันมีการตัดต่อภายในแล้ว
สวิทช์ไปที่ตำแหน่ง AC จะมีการต่อตัวเก็บประจุอนุกรมกับอินพุทเพื่อบล็อคสัญญาณ DC ใดๆไม่ให้ผ่านเข้ายกเว้นสัญญาณ AC การใช้วิธีนี้เพื่อดูสัญญาณค่าคงที่ ที่มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย เช่นพริ้ว(ripple)ที่เอาท์พุทของแหล่งจ่ายไฟดีซี การปรับลด VOLTS/CM เพื่อดูรายละเอียดของพริ้ว ปกติจะทำให้ รอยเส้นหายไป จากจอ การตั้งที่ AC จะเคลื่อนส่วนสัญญาณคงที่ (DC)ออกไป ทำให้เราสามารถมองเห็นส่วนที่เปลี่ยนแปลง (AC)ได้ และ ตอนนี้เราก็สามารถ ลดVOLTS/CM. เพื่อให้เห็น ชัดยิ่งขึ้น ดังแสดงในแผนภาพด้านล่าง:

แสดงสัญญาณพริ้ว(ripple)โดย AC สวิทช์

สวิทช์อยู่ทีตำแหน่ง่DCปกติ ส่วนพริ้วยากที่จะมองเห็น แต่ หากลดVOLTS/CMเพื่อขยาย รอยเส้นจะหายไปจากจอ	สวิทช์เลื่อนไปที่ตำแหน่ง AC ส่วนที่คงที่(DC) จะถูกเคลื่อนออก คงเหลือแต่ส่วนพริ้ว(AC)	ลดVOLTS/CM เพื่อขยายพริ้ว ตอนนี้พริ้วสามารถมองเห็นได้ชัด