אוסצילוסקופ

אוֹסְצִילוֹסְקוֹפּ (באנגלית: Oscilloscope, נהגה "אוֹסִילוֹסְקוֹפּ", לעיתים מכונה בקיצור סְקוֹפּ; שם עברי: מַשְׁקֵף תְּנוּדוֹת) הוא מכשיר מדידה שמטרתו להציג בצורה ויזואלית נוחה אותות מתח חשמלי (בציר האנכי) כפונקציה של הזמן (בציר האופקי), או כפונקציה של מתח חשמלי אחר (בציר האופקי).

אוסצילוסקופ בפעולה

תיאור

שרטוט סכמתי של חזית אוסצילוסקופ מודרני

אוסצילוסקופ טיפוסי הוא מכשיר בצורת תיבה ובחזיתו צג קטן, מחברים חשמליים וכפתורי בקרה רבים, וחיבור לרשת החשמל מאחור. כדי לשפר את דיוק המדידה מצוירת על המסך רשת עדינה המחלקת אותו לריבועים קטנים, בדרך כלל בצלע שאורכה כסנטימטר. כל צלע כזו נקראת חלוקה. את האות הנמדד מחברים לאחד ממחברי הקלט (המכונים כניסות). כל כניסה היא בדרך כלל מחבר קואקסיאלי מסוג BNC, שכבל קואקסיאלי מחבר אותה לנקודה בה נמדד המתח. חלק מהאוסצילוסקופים נמכרים עם התקני מדידה מיוחדים (probes) שכוללים לעיתים הגבר פנימי, ואלה מחוברים לסקופ בכבל מיוחד.

במצב הפעולה הרגיל חוזר האוסצילוסקופ ומציג צורת גל בצג, משמאל לימין. אחד הכפתורים, בסיס הזמן (timebase/horizontal) מגדיר את המהירות שבה מוצג האות, ביחידות של שניות (או מילישניות, מיקרושניות, ננושניות וכו') לכל חלוקה אופקית. כשהמתח הנמדד הוא אפס הוא מוצג על הציר האופקי. כשהוא חיובי הוא מוצג מעליו, וכדומה. כפתור אחר שולט על הציר האנכי, וקובע את הרגישות שבה מוצג האות, ביחידות של וולט (או מיליוולט) לכל חלוקה אנכית. העקומה המוצגת מראה את השתנות המתח כפונקציה של הזמן שמתעדכנת ללא הפסקה. כיוון שהתצוגה מכוילת בשני הצירים, אפשר למדוד קצב של תופעות או הפרעות באות הנמדד, ולאמוד בדיוק טוב את גודל שינויי המתח.

כשהאות הנמדד משתנה באופן מחזורי ניתן לראות אותו בצורה יציבה למדי על ידי בחירת חלוקת זמן שמתאימה לתדירות האות. לדוגמה, אם מודדים סינוס בתדירות 50 הרץ, כלומר זמן מחזור של 20 מילישניות, ניתן לשנות את חלוקת הזמן כך שהזמן הכולל שבו האות יוצג הוא 20 מילישניות. במצב זה אמור להיות מוצג מחזור יחיד של האות באופן יציב. חוסר יציבות של הסקופ או של מקור האות גורם במקרים רבים לאות המוצג לרטט על המסך והדבר מקשה על המדידה.

כדי להתגבר על בעיות אלה נמצאת ברוב הסקופים כניסת סינכרון המכונה טריגר (trigger). במצב טריגר אין הסקופ חוזר ומצייר את צורת האות ללא הפסקה, אלא לאחר הצגה יחידה הוא ממתין לאירוע מסוים לפני שהוא חוזר ומציג את האות שוב. האירוע הפשוט והנפוץ ביותר הוא השוואה של המתח בכניסת הטריגר למתח סף מסוים, והמתנה עד שהמתח חוצה סף זה (עולה מעליו או יורד מתחתיו). הסינכרון מאפשר להציג את המתח הנמדד בצורה יציבה, אם הוא מחזורי, או להציג כראוי אותות מיוחדים שאינם מחזוריים, כגון פולס יחיד.

שימושים נפוצים

אחד השימושים הנפוצים באוסצילוסקופ הוא כציוד בדיקה לאיתור תקלות בציוד אלקטרוני. בניגוד לוולטמטר האוסצילוסקופ יכול להציג באופן גרפי את השתנות האות, והדבר מאפשר להבין את מקור התקלה בהסתמך על התנהגות המתח כפונקציה של הזמן. בבדיקה של ציוד אלקטרוני על ידי סקופ ניתן לראות את צורת המתח בנקודות שונות במעגל. אם על רכיב מסוים האות חסר, או שצורתו אינה תקינה, עוברים ובודקים את צורת האות בדרגות מוקדמות יותר, עד שנמצא המקור לתקלה.

שימוש אחר הוא בפעילות של פיתוח מעגלים. במקרים רבים מעגלים שתכנונם הושלם ומיוצרים בפעם הראשונה אינם פועלים לפי הדרישה, אם בגלל בעיות בייצור המעגל, הרכבת הרכיבים עליו, או בגלל טעויות תכנון. הסקופ מאפשר בדיקה של התנהגות האותות בכל נקודה במעגל והשוואתם לאות שאמור היה להיות באותה נקודה. כאשר יש הבדל נדרש תיקון המעגל, באמצעים שונים.

שימוש פחות מוכר, אך נפוץ, הוא במחקר ביולוגי, במיוחד בתחום של אלקטרופיזיולוגיה שבו נמדדים ערכי מתח וזרם מתבחינים ביולוגיים. משקף התנודות (אוסצילוסקופ) משמש כתצוגה של אותות חשמליים הנרשמים בעזרת אלקטרודה המחוברת לסדרת מגברים אלקטרוניים. במחקר המודרני חלק מתפקודי האוסצילוסקופ מוחלף על ידי תוכנות מחשב.

אופן הפעולה

אוסצילוסקופ שק"ק

האוסצילוסקופ הפשוט והוותיק ביותר שנבנה מבוסס על שפופרת קרן קתודית (שק"ק), בסיס זמן, מגבר אופקי ומגבר אנכי, וספק כוח. סקופ כזה מכונה היום "סקופ אנלוגי" כדי להבחין בינו ובין "סקופים דיגיטליים" שנעשו נפוצים מאז שנות ה-90.