ออสซิลโลสโคปเป็นเครื่องมือวัดทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญชนิดหนี่ง ที่ใช้ในการวัดแสดงรูปคลื่นสัญญาณต่างๆ ออกมาเป็นภาพ เช่น การวัดแอมป์พลิจูดของกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า, การวัดความถี่ของสัญญาณ, การวัดเฟสของสัญญาณ, การวัดสัญญาณความกว้างของสัญญาณพัลส์ เป็นต้น
ดิจิตอลออสซิโลสโคป
อนาล็อกออสซิโลสโคป
ที่มา : //www.robotshop.com/en/elenco-analog-oscilloscope-s-1360.html
เนื่องจากออสซิลโลสโคปในท้องตลาดนั้นมีมากมายหลายรุ่นให้เลือกในราคาและคุณสมบัติที่แตกต่างกันไป แต่การจะเลือกอย่างไรให้เหมาะสมคุ้มค่าราคานั้นเป็นเรื่องที่ยุ่งยากอยู่พอสมควร เราจึงมีหลักที่จะช่วยในการพิจารณาและตัดสินใจในการเลือกใช้งานออสซิลโลสโคปดังนี้
ขอบเขตของงาน:
สิ่งที่สำคัญที่สุดเป็นอันดับแรกที่เราใช้การการพิจารณาและตัดสินใจเลือกซื้อออสซิลโลสโคปตัวใดตัวหนึ่งนั้นคือ การพิจารณางานที่เราจะนำออสซิลโลสโคปตัวนั้นไปใช้งาน เช่น
- สถานที่ที่จะติดตั้ง เช่น โต๊ะทำงาน, ห้องทดลอง, โรงงาน, ใช้ในงาน Automotive
- จำนวนสัญญาณที่ต้องการทำการวัดในเวลาพร้อมๆกัน
- แอมป์พลิจูดสูงสุดและต่ำสุดของสัญญาณที่ต้องการวัด
- ความถี่สูงสุดของสัญญาณที่ต้องการวัด
อนาล็อกออสซิโลสโคปและดิจิตอลออสซิโลสโคป:
ส่วนใหญ่ผู้ใช้หลายๆ ท่านจะคุ้นเคยกับการใช้อนาล็อกออสซิโลสโคป แต่ทุกวันนี้อนาล็อกออสซิโลสโคปนั้นเหลือผู้ผลิตเพียงไม่กี่เจ้าเท่านั้น จึงเป็นข้อจำกัดหนึ่งของการเลือกใช้อนาล็อกออสซิโลสโคป หรือการตัดสินใจเลือกซื้อออสซิโลสโคปมือสอง ซึ่งอาจดูราคาย่อมเยาว์ แต่ผู้ใช้ก็จำเป็นต้องพิจารณาองค์ประกอบอื่นๆที่อาจเป็นค่าใช้จ่ายที่ตามมา เช่น ออสซิโลสโคปรุ่นนั้นมีอะไหล่สำรองหรือไม่ ราคาค่าบริการซ่อมต่างๆ และถ้าหากอะไหล่และราคาค่าซ่อมแซมมีราคาสูง ออสซิโลสโคปมือสองก็คงไม่ใช่ทางเลือกที่ดีนัก โดยในหัวข้อนี้ เราจะเน้นไปที่ดิจิตอลออสซิลโลสโคป ซึ่งออสซิโลสโคปชนิดนี้เป็นที่นิยมค่อนข้างมาก
Digital Storage Oscilloscopes (DSO) หรือดิจิตอลออสซิลโลสโคปแบบเก็บภาพ ออสซิโลสโคปชนิดนี้จะใช้เทคนิคดิจิตอล และแตกต่างจากกออสซิลโลสโคปแบบเก็บภาพอนาล็อก โดยดิจิตอลออสซิโลสโคปนั้นจะรับอินพุตเข้ามาในรูปแบบของสัญญาณอนาล็อก จากนั้นจะนำสัญญาณไปเข้าสู่การแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) แล้วได้สัญญาณเอาท์พุตเป็นดิจิตอลนำไปเก็บไว้ที่หน่วยความจำ จากนั้นจึงนำข้อมูลที่เก็บไว้ในหน่วยความจำมาพล็อตเป็นรูปสัญญาณบนจอภาพ
กระบวนภายใน DSO
ที่มา : //bethesignal.com/wp/wp-content/uploads/2014/01/PPT-331_Every_Mad_Scientist_needs_a_Scope.pdf
สาเหตุที่ทำให้ดิจิตอลออสซิลโลสโคปได้รับความนิยมมากขึ้นในปัจจุบัน เราจะแสดงข้อเปรียบเทียบระหว่างอนาล็อกออสซิลโลสโคปและดิจิตอลออสซิลโลสโคป (DSO) คร่าว ๆ ดังนี้
- ดิจิตอลสโคปมีขนาดเล็กและสามารถพกพาหรือเคลื่อนย้ายได้สะดวกเนื่องจากมีน้ำหนักเบา
- มีขนาดแบนด์วิดท์ที่สูงกว่า
- หน้าจอแสดงภาพสัญญาณเป็นจอสีปรับแต่งการแสดงผลได้หลากหลาย
- Interface ของดิจิตอลสโคปถูกออกแบบมาให้ง่ายต่อผู้ใช้
- สะดวกต่อการอ่านค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ที่ได้จากการวัดสัญญาณ
- สามารถบันทึกข้อมูลจากการวัดลงบนอุปกรณ์เก็บข้อมูลอย่าง USB flash drive ได้
จากข้อเปรียบเทียบจะเห็นได้ว่าดิจิตอลออสซิลโลสโคป (DSO) นั้นมีการใช้งานที่สะดวกและครบวงจรมากกว่า
Bandwidth:
แบนด์วิดท์เป็นตัวบอกคุณสมบัติในการตอบสนองความถี่ของออสซิลโลสโคปเครื่องนั้นๆ โดยที่สัญญาณถูกอินพุตเข้ามานั้นจะถูกลดทอนลงไป “-3dB” หรือประมาณ 30% ณ ความถี่ที่เท่ากับค่าแบนวิดท์ ถ้าจะมองให้เห็นภาพง่าย ๆ คือ หากเราต้องการวัดสัญญาณ sine wave ขนาดแอมป์พลิจูด 1 Vpp (โวลต์พีค-ทู-พีค) ความถี่ 100 MHz โดยใช้เครื่องออสซิโลสโคปที่มีขนาดแบนด์วิดท์ 100MHz ค่าแอมป์พลิจูดที่เราวัดออกมาได้จะเหลือ 0.7 Vpp หมายความว่า คลื่นสัญญาณความถี่ 100MHz ที่เราอินพุตเข้าไปขนาดแอมป์พลิจูดจะถูกลดทอนลงไป 30% ถ้าคลื่นสัญญาณมีความถี่สูงกว่า 100 MHz ขนาดแอมป์พลิจูดก็จะถูกลดทอนมากขึ้น แต่ถ้ามีความถี่ต่ำลงกว่า 100 MHz ขนาดแอมป์พลิจูดก็จะถูกลดทอนน้อยลง เพราะฉะนั้นหากเราต้องการวัดสัญญาณความถี่สูงสุดขนาดเท่าใด เราควรเลือกออสซิลโลสโคปที่มีแบนด์วิดท์ ให้สูงกว่าค่าความถี่สูงสุดที่ต้องการวัด ประมาณ 3 – 5 เท่า เช่น หากต้องการวัดสัญญาณความถี่ 100MHz ผู้ใช้ควรเลือกออสซิลโลสโคปที่มีแบนด์วิดท์ 300MHz หากเป็นไปได้ผู้ใช้ควรเลือกเป็นออสซิลโลสโคปที่มีแบนด์วิดท์ 500MHz จะทำให้ได้รูปคลื่นสัญญาณที่มีองค์ประกอบความถี่ครบถ้วนมากกว่า
การตอบสนองความถี่ของออสซิลโลสโคป
ในกรณีที่ผู้ใช้ต้องการวัดสัญญาณพัลส์ (pulse) ผู้ใช้ต้องเข้าใจก่อนว่าในหนึ่งลูกคลื่นของสัญญาณพัลส์นั้นประกอบไปด้วยหลากหลายลูกคลื่นสัญญาณรวมกัน สัญญาณพัลส์ถูกสร้าง (built) จากสัญญาณความถี่ฮาร์โมนิคของความถี่คลื่นหลักหลายสัญญาณมาบวกกัน (adding)
สัญญาณพัลส์
ที่มา : //en.wikipedia.org/wiki/Power_inverter#/media/File:Squarewave01CJC.png
เช่น สัญญาณพัลส์ขนาด 10MHz ถูกสร้างขึ้นจากการบวก (adding) สัญญาณฮาร์โมนิคคี่ (odd harmonic) คือ ความถี่ 10MHz + 30MHz + 50MHz + 70MHz + ….. ดังนั้นแบนด์วิดท์ที่ผู้ใช้ควรเลือกใช้นั้นควรเผื่อไว้ประมาณ 10 เท่าของความถี่สูงสุดของสัญญาณพัลส์ที่ต้องการวัดเพื่อให้ได้รูปคลื่นสัญญาณพัลส์ที่สมบูรณ์ เช่น ถ้าต้องการวัดสัญญาณพัลส์ความถี่ 100MHz ควรเลือกใช้ออสซิลโลสโคปที่มีแบนด์วิดท์ 1GHz
แต่ในการเลือกใช้งานดิจิตอลออสซิลโสโคป การพิจารณาคุณสมบัติด้านแบนด์วิดท์ อย่างเดียวคงไม่เพียงพอที่จะสามารถบอกได้ว่าออสซิลโลสโคปที่เราจะเลือกใช้นั้นมีประสิทธิภาพเพียงพอต่อการใช้งานของเรา เราจะมาพิจารณาคุณสมบัติด้านอื่นกันในหัวข้อต่อไป
Sample rate:
ในการใช้งานดิจิตอลออสซิลโลสโคป อัตราการสุ่มตัวอย่าง (sample rate) และหน่วยความจำ (memory depth) เป็นเรื่องที่สำคัญมาก ในที่นี้เราจะพูดถึงเรื่องของอัตราการสุ่มตัวอย่างกันก่อน
Sampling rate คืออัตราการสุ่มสัญญาต่อวินาทีของ Analog to Digital Converter (ADC) ซึ่งทำหน้าที่ในการแปลงสัญญาณ analog ให้เป็นข้อมูล digital โดยปกติแล้วเราจะบอกค่า sample rate สูงสุดที่ออสซิลโลสโคปสามารถทำได้ ซึ่งทั่วไปมีหน่วยเป็น Mega Samples per second (MS/s) หรือ Giga Samples per second (GS/s) โดยที่ sample rate สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทด้วยกันคือ
Real-time sample rate คือ การอินพุตสัญญาณที่ต้องการวัดเข้ามา จากนั้นทำการ sampling สัญญาณแล้วนำไปแสดงผลเป็นรูปสัญญาณในเกือบทันที
การสุ่มสัญญาณ
ที่มา : //digital.music.cornell.edu/cemc/content/sampling-rate-0
Equivalent-time sample rate คือ การอินพุตสัญญาณที่ต้องการวัดเข้ามา จากนั้นทำการ sampling สัญญาณซ้ำ ๆ หลายรอบ (repetitive sampling) แล้วจึงนำจุดที่ได้จากการ sampling มารวมกันก่อนแสดงผลเป็นรูปสัญญาณ การ sampling แบบนี้จะทำให้ได้ความถี่ในการ sampling ที่สูงกว่าแบบ real-time แต่มีข้อจำกัดคือสัญญาณที่ถูก sampling จะต้องมีความเสถียรและมีรูปแบบที่เป็นคาบซ้ำๆ กัน นอกจากนั้นการ sampling วิธีการนี้ยังใช้เวลาค่อนข้างนานกว่าการ sampling แบบ real-time
การสุ่มสัญญาณแบบ Equivalent-time
เราจะทำการยกตัวอย่างเพื่อให้เห็นความสำคัญของ sample rate ง่าย ๆ ดังนี้
เรามีสัญญาณพัลส์ขนาด 20MHz และทำการสุ่มสัญญาณด้วย sample rate 50 MS/s ซึ่งหมายความว่า ใน 1 วินาที จะมีจุด sampling ทั้งหมด 50,000,000 จุด จากสัญญาณพัลส์ 20 MHz ซึ่งมีคาบเวลาเป็น 50 ns หากพิจารณาในคาบเวลาที่มีความยาว 200 ns หรือสัญญาณพัลส์ทั้งหมด 4 ลูก จะมีจุด sampling ทั้งหมด 10 จุด ดังรูป
สุ่มสัญญาณด้วย sample rate 50MS/s
ที่มา : //www.picotech.com/library/application-note/oscilloscope-tutorial
ซึ่งเราจะเห็นได้ว่ารูปสัญญาณที่ได้จากการ sampling มา แทบไม่เหลือความเป็นสัญญาณพัลส์อยู่เลย เนื่องจากมีอัตราการ sampling ที่ต่ำเกินไป หากเราเพิ่มอัตราการ sampling ให้สูงขึ้นเป็น 1 GS/s หรือก็คือใน 1 วินาที จะมีจุด sampling ทั้งหมด 1,000,000,000 จุด พิจารณาในคาบเวลาที่มีความยาว 200 ns แบบเดียวกัน จะพบว่ามีจุด sampling ทั้งหมด 200 จุด และทำให้ได้รูปสัญญาณที่มีลักษณะเป็นพัลส์ดังรูป
สุ่มสัญญาณด้วย sample rate 1GS/s
ที่มา : //www.picotech.com/library/application-note/oscilloscope-tutorial
ในการสุ่มสัญญาณเพื่อแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอล ผู้ใช้ควรเลือกความถี่ที่ใช้ในการสุ่มสัญญาณ (sampling frequency) ให้สูงกว่าความถี่สูงสุดของสัญญาณอินพุตที่ทำการสุ่มสัญญาณอย่างน้อย 2 เท่า เราเรียกความถี่นี้ว่า Nyquist frequency เพราะเมื่อเราทำการแปลงสัญญาณดิจิตอลกลับไปเป็นสัญญาณอนาล็อกจะทำให้ไม่เกิดการผิดเพี้ยนของรูปสัญญาณ เช่น สัญญาณอินพุตมีความถี่สูงสุด 50 MHz ผู้ใช้ควรเลือกความถี่ที่ใช้ในการสุ่มสัญญาณ 100 MS/s หรือสูงกว่า เป็นต้น
Memory depth:
ในดิจิตอลออสซิลโลสโคป Memory depth เป็นสิ่งสำคัญที่ไม่ควรมองข้าม memory depth หรือ buffer memory เป็นหน่วยความจำที่ใช้ในการเก็บข้อมูลจากการ sampling สัญญาณของออสซิลโลสโคป โดยความสัมพันธ์ระหว่าง memory depth และ sampling rate แสดงดังสมการ
sampling rate = (memory depth)/ช่วงเวลาทั้งหมดที่ปรากฏบนจอภาพ
ตัวอย่างเช่น รูปสัญญาณความยาว 200 µs ที่ปรากฏบนหน้าจอ ใช้หน่วยความจำ (memory depth หรือ buffer memory) ขนาด 1k เมื่อเรานำค่าแทนในสมการข้างบน
sampling rate = 1k/(200 µs)
= 5 MS/s
หมายความว่า ในกรณีที่ใช้หน่วยความจำขนาด 1k ใน 1 วินาที จะมีจุด sampling 5,000,000 จุด แต่ทั้งหน้าจอของเราในขณะนี้แสดงรูปสัญญาณในช่วงเวลาเพียง 200 µs ทำให้มีจุด sampling เพียง 1,000 จุด รูปสัญญาณจึงเป็นดังภาพ
ใช้หน่วยความจำขนาด 1k (200 µs)
ที่มา : //www.picotech.com/library/application-note/oscilloscope-tutorial
เมื่อเราทำการซูมภาพเข้ามาดูที่ช่วงเวลาเพียงแค่ 4 µs ซึ่งมีจุด sampling ทั้งหมด 20 จุด เราจะเห็นว่าลักษณะของรูปสัญญาณที่ sampling ออกมานั้นไม่ได้เป็นรูปคลื่นที่สมบูรณ์ดังรูป
ใช้หน่วยความจำขนาด 1k (4 µs)
ที่มา : //www.picotech.com/library/application-note/oscilloscope-tutorial
แต่หากเราทำการเพิ่มขนาดของหน่วยความจำจาก 1k เป็น 128k โดยให้แสดงรูปสัญญาณบนจอภาพในช่วงเวลา 200 µs และซูมไปที่ช่วงเวลา 4 µs เช่นเดิม จะทำให้เราได้จุด sampling ทั้งหมด 2,560 จุด ซึ่งเราก็จะได้รูปคลื่นที่สมบูรณ์ขึ้นดังรูป