การเลือกใช้งานออสซิสโลสโคป

Oscilloscope

       ออสซิลโลสโคปเป็นเครื่องมือวัดทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญชนิดหนี่ง ที่ใช้ในการวัดแสดงรูปคลื่นสัญญาณต่างๆ ออกมาเป็นภาพ เช่น การวัดแอมป์พลิจูดของกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า, การวัดความถี่ของสัญญาณ, การวัดเฟสของสัญญาณ, การวัดสัญญาณความกว้างของสัญญาณพัลส์ เป็นต้น

Figure 1 ดิจิตอลออสซิโลสโคป

Figure 2 อนาล็อกออสซิโลสโคป

ที่มา : http://www.robotshop.com/en/elenco-analog-oscilloscope-s-1360.html

เนื่องจากออสซิลโลสโคปในท้องตลาดนั้นมีมากมายหลายรุ่นให้เลือกในราคาและคุณสมบัติที่แตกต่างกันไป แต่การจะเลือกอย่างไรให้เหมาะสมคุ้มค่าราคานั้นเป็นเรื่องที่ยุ่งยากอยู่พอสมควร เราจึงมีหลักที่จะช่วยในการพิจารณาและตัดสินใจในการเลือกใช้งานออสซิลโลสโคปดังนี้

  1. สิ่งที่สำคัญที่สุดเป็นอันดับแรกที่เราใช้การการพิจารณาและตัดสินใจเลือกซื้อออสซิลโลสโคปตัวใดตัวหนึ่งนั้นคือ การพิจารณางานที่เราจะนำออสซิลโลสโคปตัวนั้นไปใช้งาน เช่น
  • สถานที่ที่จะติดตั้ง เช่น โต๊ะทำงาน , ห้องทดลอง , โรงงาน , ใช้ในงาน Automotive
  • จำนวนสัญญาณที่ต้องการทำการวัดในเวลาพร้อมๆกัน
  • แอมป์พลิจูดสูงสุดและต่ำสุดของสัญญาณที่ต้องการวัด
  • ความถี่สูงสุดของสัญญาณที่ต้องการวัด
  1. อนาล็อกออสซิโลสโคปและดิจิตอลออสซิโลสโคป

ส่วนใหญ่ผู้ใช้หลาย ๆ ท่านจะคุ้นเคยกับการใช้อนาล็อกออสซิโลสโคป แต่ทุกวันนี้อนาล็อกออสซิโลสโคปนั้นเหลือผู้ผลิตเพียงไม่กี่เจ้าเท่านั้น นี่จึงเป็นข้อจำกัดหนึ่งของการเลือกใช้อนาล็อกออสซิโลสโคป หรือการตัดสินใจเลือกซื้อออสซิโลสโคปมือสอง ซึ่งอาจดูราคาย่อมเยาว์ แต่ผู้ใช้ก็จำเป็นต้องพิจารณาองค์ประกอบอื่นๆที่อาจเป็นค่าใช้จ่ายที่ตามมา เช่น ออสซิโลสโคปรุ่นนั้นมีอะไหล่สำรองหรือไม่ ราคาค่าบริการซ่อมต่าง ๆ และถ้าหากอะไหล่และราคาค่าซ่อมแซมมีราคาสูง ออสซิโลสโคปมือสองก็คงไม่ใช่ทางเลือกที่ดีนัก โดยในหัวข้อนี้ เราจะเน้นไปที่ดิจิตอลออสซิลโลสโคป ซึ่งออสซิโลสโคปชนิดนี้เป็นที่นิยมค่อนข้างมาก

Digital Storage Oscilloscopes (DSO) หรือ ดิจิตอลออสซิลโลสโคปแบบเก็บภาพ   ออสซิโลสโคปชนิดนี้จะใช้เทคนิคดิจิตอล และแตกต่างจากกออสซิลโลสโคปแบบเก็บภาพอนาล็อก โดยดิจิตอลออสซิโลสโคปนั้นจะรับอินพุตเข้ามาในรูปแบบของสัญญาณอนาล็อก จากนั้นจะนำสัญญาณไปเข้าสู่การแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) แล้วได้สัญญาณเอาท์พุตเป็นดิจิตอลนำไปเก็บไว้ที่หน่วยความจำ จากนั้นจึงนำข้อมูลที่เก็บไว้ในหน่วยความจำมาพล็อตเป็นรูปสัญญาณบนจอภาพ

Figure 3 กระบวนภายใน DSO

ที่มา : http://bethesignal.com/wp/wp-content/uploads/2014/01/PPT-331_Every_Mad_Scientist_needs_a_Scope.pdf

สาเหตุที่ทำให้ดิจิตอลออสซิลโลสโคปได้รับความนิยมมากขึ้นในปัจจุบัน เราจะแสดงข้อเปรียบเทียบระหว่างอนาล็อกออสซิลโลสโคปและดิจิตอลออสซิลโลสโคป (DSO) คร่าว ๆ ดังนี้

  • ดิจิตอลสโคปมีขนาดเล็กและสามารถพกพาหรือเคลื่อนย้ายได้สะดวก เนื่องจากมีน้ำหนักเบา
  • มีขนาดแบนด์วิดท์ที่สูงกว่า
  • หน้าจอแสดงภาพสัญญาณเป็นจอสีปรับแต่งการแสดงผลได้หลากหลาย
  • Interface ของดิจิตอลสโคปถูกออกแบบมาให้ง่ายต่อผู้ใช้
  • สะดวกต่อการอ่านค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ที่ได้จากการวัดสัญญาณ
  • เราสามารถบันทึกข้อมูลจากการวัดลงบนอุปกรณ์เก็บข้อมูลอย่าง USB flash drive ได้

จากข้อเปรียบเทียบจะเห็นได้ว่าดิจิตอลออสซิลโลสโคป (DSO) นั้นมีการใช้งานที่สะดวกและครบวงจรมากกว่า

  1. 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

Figure 4 การตอบสนองความถี่ของออสซิลโลสโคป

ในกรณีที่ผู้ใช้ต้องการวัดสัญญาณพัลส์ (pulse) ผู้ใช้ต้องเข้าใจก่อนว่าในหนึ่งลูกคลื่นของสัญญาณพัลส์นั้นประกอบไปด้วยหลากหลายลูกคลื่นสัญญาณรวมกัน สัญญาณพัลส์ถูกสร้าง (built) จากสัญญาณความถี่ฮาร์โมนิคของความถี่คลื่นหลักหลายสัญญาณมาบวกกัน (adding)

Figure 5 สัญญาณพัลส์

ที่มา : https://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

  1. Sample rate

ในการใช้งานดิจิตอลออสซิลโลสโคป อัตราการสุ่มตัวอย่าง (sample rate) และหน่วยความจำ (memory depth) เป็นเรื่องที่สำคัญมาก ในที่นี้เราจะพูดถึงเรื่องของอัตราการสุ่มตัวอย่างกันก่อน

Sampling rate คืออัตราการสุ่มสัญญาต่อวินาทีของ Analog to Digital Converter (ADC) ซึ่งทำหน้าที่ในการแปลงสัญญาณ analog ให้เป็นข้อมูล digital โดยปกติแล้วเราจะบอกคา sample rate สูงสุดที่ออสซิลโลสโคปสามารถทำได้ ซึ่งทั่วไปมีหนวยเปน 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

Figure 6 การสุ่มสัญญาณ

ที่มา : http://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

Figure 7 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

Figure 8 สุ่มสัญญาณด้วย sample rate 50MS/s

ที่มา : https://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

Figure 9 สุ่มสัญญาณด้วย sample rate 1GS/s

ที่มา : https://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

  1. Memory depth

ในดิจิตอลออสซิลโลสโคป Memory depth เป็นสิ่งสำคัญที่ไม่ควรมองข้าม memory depth หรือ buffer memory เป็นหน่วยความจำที่ใช้ในการเก็บข้อมูลจากการ sampling สัญญาณของออสซิลโลสโคป โดยความสัมพันธ์ระหว่าง memory depth และ sampling rate แสดงดังสมการ

ตัวอย่างเช่น รูปสัญญาณความยาว 200 µs ที่ปรากฏบนหน้าจอ ใช้หน่วยความจำ (memory depth หรือ buffer memory) ขนาด 1k เมื่อเรานำค่าแทนในสมการข้างบน

        หมายความว่า ในกรณีที่ใช้หน่วยความจำขนาด 1k ใน 1 วินาที จะมีจุด sampling 5,000,000 จุด แต่ทั้งหน้าจอของเราในขณะนี้แสดงรูปสัญญาณในช่วงเวลาเพียง 200µs ทำให้มีจุด sampling เพียง 1,000 จุด รูปสัญญาณจึงเป็นดังภาพ

Figure 4 ใช้หน่วยความจำขนาด 1k (200 µs)

ที่มา : https://www.picotech.com/library/application-note/oscilloscope-tutorial

เมื่อเราทำการซูมภาพเข้ามาดูที่ช่วงเวลาเพียงแค่ 4 µs ซึ่งมีจุด sampling ทั้งหมด 20 จุด เราจะเห็นว่าลักษณะของรูปสัญญาณที่ sampling ออกมานั้นไม่ได้เป็นรูปคลื่นที่สมบูรณ์ดังรูป

Figure 5 ใช้หน่วยความจำขนาด 1k (4 µs)

ที่มา : https://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

Figure 6 ใช้หน่วยความจำขนาด 128k (4 µs)

ที่มา : https://www.picotech.com/library/application-note/oscilloscope-tutorial

จากตัวอย่างข้างต้นที่ยกมานั้น เราจะเห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่าง sampling rate และ memory depth และความสำคัญของพารามิเตอร์เหล่านี้ หากสโคปของเรามี maximumsampling rate ที่สูง แต่กลับใช้หน่วยความจำขนาดเล็ก ก็จะทำให้ได้รูปสัญญาณที่มีจุด sampling น้อยกว่าการใช้หน่วยความจำขนาดใหญ่ โดยพิจารณาที่ช่วงเวลาเท่ากัน

การเลือกใช้ออสซิโลสโคปนั้น ผู้ใช้ควรเลือกออสซิโลสโคปให้เหมาะสมกับงานที่จะนำไปใช้ ควรพิจารณาอย่างรอบคอบว่าขอบเขตงานและสถานที่ติดตั้งเป็นเช่นไร สัญญาณที่ใช้วัดนั้นเป็นสัญญาณแบบไหน แหล่งกำเนิดสัญญาณคืออะไร แบนด์วิทด์เป็นสิ่งสำคัญที่ผู้ใช้ต้องพิจารณา ผู้ใช้ควรเลือกใช้ออสซิโลสโคปที่มีแบนด์วิทด์สูงกว่าความถี่สูงสุดของสัญญาณที่ต้องการวัดอย่างน้อย 3-5 เท่า หากเป็นสัญญาณพัลส์ควรเลือกแบนด์วิทด์สูงกว่าความถี่สูงสุดของสัญญาณที่ต้องการวัด 10 เท่า ถ้าผู้ใช้เลือกซื้อดิจิตอลออสซิโลสโคป ควรพิจารณาในเรื่องของ sample rate และ memory depth ประกอบด้วย โดย sample rate ควรเลือกให้สูงกว่าความถี่สูงสุดของสัญญาณที่เราทำการสุ่มสัญญาณอย่างน้อย 2 เท่า เพราะถ้าเลือก sample rate ที่ต่ำกว่านี้จะทำให้รูปสัญญาณที่ถูกกู้คืนผิดเพี้ยน ในส่วนของ memory depth หรือหน่วยความจำ หากสโคปของเรามี maximumsampling rate ที่สูง แต่กลับใช้หน่วยความจำขนาดเล็ก ก็จะทำให้ได้รูปสัญญาณที่มีจุด sampling น้อยกว่าการใช้หน่วยความจำขนาดใหญ่ ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ถูกกู้คืนก็จะไม่สูงเท่าการใช้หน่วยความจำขนาดใหญ่ แต่อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญเหนือสิ่งอื่นใดคือ ‘fit for purpose’ เลือกให้ตรงกับงานที่ต้องการใช้