История осциллографа

Раздел лида статьи , возможно, необходимо переписать . Пожалуйста, помогите улучшить лид и прочитайте руководство по макету лида . ( Ноябрь 2015 ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

История осциллографа была фундаментальной для науки, поскольку осциллограф — это устройство для просмотра колебаний формы волны, как электрического напряжения или тока, для измерения частоты и других характеристик волны. Это было важно для развития электромагнитной теории. Первые записи форм волны были сделаны с помощью гальванометра, соединенного с механической системой рисования, датируемой вторым десятилетием 19-го века. Современный цифровой осциллограф является следствием нескольких поколений развития осциллографа , электронно -лучевых трубок , аналоговых осциллографов и цифровой электроники .

Самый ранний метод создания изображения формы волны состоял в трудоемком и кропотливом процессе измерения напряжения или тока вращающегося ротора в определенных точках вокруг оси ротора и записи измерений, сделанных с помощью гальванометра . Медленно продвигаясь вокруг ротора, можно нарисовать общую стоячую волну на графической бумаге, записав градусы вращения и силу измерителя в каждой точке.

Этот процесс был впервые частично автоматизирован Жюлем Франсуа Жубером  [fr] с его пошаговым методом измерения формы волны. Он состоял из специального одноконтактного коммутатора, прикрепленного к валу вращающегося ротора. Контактная точка могла перемещаться вокруг ротора, следуя точной шкале индикатора градуса, а выходной сигнал появлялся на гальванометре, который вручную строил график техник. ^[2] Этот процесс мог дать только очень грубое приближение формы волны, поскольку он формировался в течение периода в несколько тысяч волновых циклов, но это был первый шаг в науке визуализации формы волны.

Первые автоматизированные осциллографы использовали гальванометр для перемещения ручки по рулону или барабану бумаги, фиксируя волновые паттерны на непрерывно движущемся рулоне. Из-за относительно высокой частоты волновых форм по сравнению с медленным временем реакции механических компонентов, изображение волновой формы не рисовалось напрямую, а вместо этого создавалось в течение определенного периода времени путем объединения небольших фрагментов множества различных волновых форм для создания усредненной формы.

Устройство, известное как Hospitalier Ondograph, было основано на этом методе измерения формы волны. Оно автоматически заряжало конденсатор от каждой сотой волны и разряжало накопленную энергию через записывающий гальванометр, причем каждый последующий заряд конденсатора брался из точки, расположенной немного дальше вдоль волны. ^[5] (Такие измерения формы волны все еще усреднялись по многим сотням волновых циклов, но были точнее, чем нарисованные вручную осциллограммы.)

Для того чтобы обеспечить прямое измерение волновых форм, регистрирующее устройство должно было использовать очень легкую измерительную систему, которая могла бы двигаться с достаточной скоростью, чтобы соответствовать движению фактических измеряемых волн. Это сводило измерительное устройство к небольшому зеркалу, которое могло бы двигаться с высокой скоростью, чтобы соответствовать волновой форме.

Термин «осциллограф» был придуман Андре Блонделем в 1893 году для обозначения его прибора, основанного на ранее известном зеркальном гальванометре , но адаптированного для регистрации высокочастотных колебаний. ^[9] Уильям Дадделл также разработал аналогичный прибор несколько лет спустя.

Для измерения формы волны фотографический слайд опускался мимо окна, из которого выходил луч света, или непрерывный рулон кинопленки прокручивался через апертуру для записи формы волны с течением времени. Хотя измерения были намного точнее, чем у бумажных самописцев, все еще оставалось место для улучшения из-за необходимости проявлять экспонированные изображения перед тем, как их можно было изучить.

Термин «осциллограф» был придуман в 1907 году. ^[11]

В 1920-х годах крошечное наклонное зеркало, прикрепленное к диафрагме на вершине рупора, обеспечивало хороший отклик до нескольких кГц, возможно, даже 10 кГц. Временная база, несинхронизированная, обеспечивалась вращающимся зеркальным полигоном, а коллимированный луч света от дуговой лампы проецировал форму волны на стену лаборатории или экран. ^[12]

Еще раньше звук, подаваемый на диафрагму при подаче газа в пламя, заставлял высоту пламени изменяться, а вращающийся зеркальный полигон давал раннее представление о формах волн. ^[13]

Осциллографы с движущейся бумагой, использующие УФ-чувствительную бумагу и усовершенствованные зеркальные гальванометры, обеспечивали многоканальную запись в середине 20-го века. Частотная характеристика была как минимум в нижнем звуковом диапазоне.

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) были разработаны в конце 19 века. В то время трубки были предназначены в первую очередь для демонстрации и исследования физики электронов (тогда известных как катодные лучи ). Карл Фердинанд Браун изобрел ЭЛТ-осциллограф как физическую диковинку в 1897 году, прикладывая колебательный сигнал к электрически заряженным дефлекторным пластинам в покрытой фосфором ЭЛТ. Трубки Брауна были лабораторными приборами, использующими излучатель с холодным катодом и очень высокие напряжения (порядка 20 000–30 000 вольт). При применении только вертикального отклонения к внутренним пластинам лицевая сторона трубки наблюдалась через вращающееся зеркало для обеспечения горизонтальной временной развертки. ^[14] В 1899 году Джонатан Ценнек оснастил электронно-лучевую трубку пластинами для формирования луча и использовал магнитное поле для развертки следа. ^[15]

Ранние электронно-лучевые трубки применялись экспериментально в лабораторных измерениях еще в 1919 году ^[16], но страдали от плохой стабильности вакуума и катодных эмиттеров. Применение термоионного эмиттера позволило снизить рабочее напряжение до нескольких сотен вольт. Western Electric представила коммерческую трубку этого типа, которая полагалась на небольшое количество газа внутри трубки, чтобы помочь в фокусировке электронного пучка. ^[16]

В 1931 году В.К. Зворыкин описал герметичную высоковакуумную электронно-лучевую трубку с термоионным излучателем. Этот стабильный и воспроизводимый компонент позволил General Radio изготовить осциллограф, который можно было использовать вне лабораторных условий. ^[15]

Первый двухлучевой осциллограф был разработан в конце 1930-х годов британской компанией ACCossor (позже приобретенной Raytheon ). ЭЛТ не был настоящим двухлучевым типом, а использовал разделенный луч, полученный путем размещения третьей пластины между вертикальными отклоняющими пластинами. Он широко использовался во время Второй мировой войны для разработки и обслуживания радиолокационного оборудования. Хотя он был чрезвычайно полезен для проверки производительности импульсных схем, он не был откалиброван, поэтому не мог использоваться в качестве измерительного прибора. Однако он был полезен для получения кривых отклика схем ПЧ и, следовательно, оказал большую помощь в их точной настройке.

Allen B. Du Mont Labs. производила камеры с движущейся пленкой, в которых непрерывное движение пленки обеспечивало временную базу. Горизонтальное отклонение, вероятно, было отключено, хотя очень медленная развертка могла бы распространить износ фосфора. ЭЛТ с фосфором P11 были либо стандартными, либо доступными. ^[17]

Долговременные ЭЛТ, иногда используемые в осциллографах для отображения медленно меняющихся сигналов или однократных событий, использовали фосфор, такой как P7, который состоял из двойного слоя. Внутренний слой флуоресцировал ярко-синим цветом от электронного луча, и его свет возбуждал фосфоресцирующий «внешний» слой, непосредственно видимый внутри оболочки (колбы). Последний сохранял свет и высвобождал его желтоватым свечением с затухающей яркостью в течение десятков секунд. Этот тип фосфора также использовался в радиолокационных аналоговых ЭЛТ-дисплеях PPI, которые являются графическим украшением (вращающаяся радиальная световая полоса) в некоторых сценах телевизионных прогнозов погоды.

Технология горизонтальной развертки — той части осциллографа, которая создает горизонтальную ось времени, — изменилась.

Ранние осциллографы использовали синхронизированный генератор пилообразной формы сигнала для обеспечения оси времени. Пилообразная форма создавалась путем зарядки конденсатора относительно постоянным током; это создавало растущее напряжение. Растущее напряжение подавалось на горизонтальные отклоняющие пластины для создания развертки. Растущее напряжение также подавалось на компаратор; когда конденсатор достигал определенного уровня, конденсатор разряжался, след возвращался влево, а конденсатор (и развертка) начинали новый ход. Оператор регулировал ток зарядки так, чтобы генератор пилообразной формы имел немного более длинный период, чем кратный сигнал вертикальной оси. Например, при просмотре синусоиды 1 кГц (период 1 мс) оператор мог настроить горизонтальную частоту немного больше 5 мс. Когда входной сигнал отсутствовал, развертка свободно выполнялась на этой частоте.

Если бы присутствовал входной сигнал, результирующее отображение не было бы стабильным на частоте свободного хода горизонтальной развертки, поскольку она не была бы кратной входного сигнала (вертикальной оси). Чтобы исправить это, генератор развертки синхронизировался бы путем добавления масштабированной версии входного сигнала к компаратору генератора развертки. Добавленный сигнал заставил бы компаратор сработать немного раньше и, таким образом, синхронизировать его с входным сигналом. Оператор мог бы отрегулировать уровень синхронизации; для некоторых конструкций оператор мог бы выбрать полярность. ^[18] Генератор развертки отключал бы (известно как гашение) луч во время обратного хода. ^[19]

Полученная горизонтальная скорость развертки не была откалибрована, поскольку скорость развертки регулировалась путем изменения наклона генератора пилообразного сигнала. Время на деление на дисплее зависело от частоты свободного хода развертки и регулировки горизонтального усиления.

Синхронизированный осциллограф развертки не мог отображать непериодический сигнал, поскольку он не мог синхронизировать генератор развертки с этим сигналом. Горизонтальные схемы часто были связаны по переменному току

Во время Второй мировой войны несколько осциллографов, используемых для разработки радаров (и несколько лабораторных осциллографов), имели так называемые управляемые развертки. Эти схемы развертки оставались бездействующими, с отрезанным лучом ЭЛТ, пока импульс управления от внешнего устройства не отключал ЭЛТ и не запускал горизонтальную трассировку с постоянной скоростью; калиброванная скорость позволяла измерять временные интервалы. Когда развертка была завершена, схема развертки гасила ЭЛТ (отключала луч), сбрасывалась и ждала следующего управляющего импульса. Dumont 248, коммерчески доступный осциллограф, произведенный в 1945 году, имел эту функцию.

Осциллографы стали гораздо более полезным инструментом в 1946 году, когда Говард Воллум и Мелвин Джек Мердок представили осциллограф Tektronix Model 511 с запускаемой разверткой . Говард Воллум впервые увидел эту технологию в Германии. Запускаемая развертка имеет схему, которая вырабатывает управляющий импульс управляемой развертки из входного сигнала.

Триггерный запуск позволяет стационарно отображать повторяющуюся форму волны, поскольку множественные повторения формы волны рисуются по точно такому же следу на фосфорном экране. Триггерная развертка поддерживает калибровку скорости развертки, что позволяет измерять такие свойства формы волны, как частота, фаза, время нарастания и другие, которые в противном случае были бы невозможны. ^[20] Кроме того, триггерный запуск может происходить с различными интервалами, поэтому нет необходимости, чтобы входной сигнал был периодическим.

Осциллографы с запускаемой разверткой сравнивают сигнал вертикального отклонения (или скорость изменения сигнала) с регулируемым порогом, называемым уровнем запуска. Кроме того, схемы запуска также распознают направление наклона вертикального сигнала, когда он пересекает порог — является ли вертикальный сигнал положительным или отрицательным при пересечении. Это называется полярностью запуска. Когда вертикальный сигнал пересекает установленный уровень запуска и в желаемом направлении, схема запуска отключает гашение ЭЛТ и начинает точную линейную развертку. После завершения горизонтальной развертки следующая развертка произойдет, когда сигнал снова пересечет порог запуска.

Вариации осциллографов с запускаемой разверткой включают модели, предлагаемые с ЭЛТ, использующими фосфоры с длительным послесвечением , такие как тип P7. Эти осциллографы использовались для приложений, где горизонтальная скорость трассировки была очень медленной или между развертками была большая задержка, чтобы обеспечить постоянное изображение на экране. Осциллографы без запускаемой развертки также могли быть модернизированы с запускаемой разверткой, используя твердотельную схему, разработанную Гарри Гарландом и Роджером Меленом в 1971 году. ^[21]

Поскольку осциллографы со временем стали более мощными, улучшенные параметры запуска позволяют захватывать и отображать более сложные формы сигналов. Например, задержка запуска — это функция большинства современных осциллографов, которая может использоваться для определения определенного периода после запуска, в течение которого осциллограф не будет запускаться снова. Это упрощает установление стабильного вида формы сигнала с несколькими фронтами, которые в противном случае вызвали бы другой запуск. ^{[ необходима цитата ]}

Воллум и Мердок основали Tektronix , первого производителя калиброванных осциллографов (которые включали сетку на экране и создавали графики с калиброванными шкалами на осях экрана). ^{[ требуется ссылка ]} Более поздние разработки Tektronix включали разработку многоканальных осциллографов для сравнения сигналов либо с помощью временного мультиплексирования (через прерывание или чередование трасс), либо с помощью наличия нескольких электронных пушек в трубке. В 1963 году Tektronix представила бистабильную запоминающую трубку с прямым обзором (DVBST) , которая позволяла наблюдать отдельные формы импульсов, а не (как ранее) только повторяющиеся формы волн. Используя микроканальные пластины , разновидность вторично-эмиссионного электронного умножителя внутри ЭЛТ и за лицевой панелью, самые передовые аналоговые осциллографы (например, мэйнфрейм Tek 7104) могли отображать видимый след (или позволять фотографировать) одиночного события даже при работе на чрезвычайно высоких скоростях развертки. Этот осциллограф достигал 1 ГГц.

В ламповых осциллографах производства Tektronix линия задержки вертикального усилителя представляла собой длинную рамку, Г-образной формы из соображений экономии места, которая несла несколько десятков дискретных индукторов и соответствующее количество регулируемых («подстроечных») цилиндрических конденсаторов с низкой емкостью. Эти осциллографы имели подключаемые вертикальные входные каналы. Для регулировки конденсаторов линии задержки герконовый переключатель с ртутной смазкой, заполненный газом высокого давления, создавал чрезвычайно быстрорастущие импульсы, которые шли непосредственно на более поздние каскады вертикального усилителя. При быстрой развертке любая неверная настройка создавала провал или всплеск, а прикосновение к конденсатору приводило к изменению его локальной части формы сигнала. Регулировка конденсатора приводила к исчезновению его всплеска. В конечном итоге получалась плоская вершина.

Выходные каскады вакуумных ламп в ранних широкополосных осциллографах использовали радиопередающие лампы, но они потребляли много энергии. Пикофарады емкости на землю ограничивали полосу пропускания. Более совершенная конструкция, называемая распределенным усилителем , использовала несколько ламп, но их входы (управляющие сетки) были подключены вдоль линии задержки LC с ответвлениями, поэтому входные емкости ламп стали частью линии задержки. Кроме того, их выходы (пластины/аноды) были также подключены к другой линии задержки с ответвлениями, ее выход подавался на отклоняющие пластины. Этот усилитель часто был двухтактным, поэтому было четыре линии задержки, две для входа (сетка) и две для выхода (пластина).

Первый цифровой запоминающий осциллограф (DSO) был создан компанией Nicolet Test Instrument из Мэдисона, штат Висконсин. ^{[ необходима цитата ]} Он использовал низкоскоростной аналого-цифровой преобразователь (1 МГц, 12 бит), используемый в основном для анализа вибрации и медицинского анализа. ^{[ необходима цитата ]} Первый высокоскоростной DSO (100 МГц, 8 бит) был разработан Уолтером ЛеКроем, основавшим корпорацию LeCroy в Нью-Йорке, США, после производства высокоскоростных дигитайзеров для исследовательского центра CERN в Швейцарии. LeCroy (с 2012 года Teledyne LeCroy) остается одним из трех крупнейших производителей осциллографов в мире. ^{[ необходима цитата ]}

Начиная с 1980-х годов цифровые осциллографы стали преобладать. Цифровые запоминающие осциллографы используют быстрый аналого-цифровой преобразователь и чипы памяти для записи и отображения цифрового представления формы сигнала, что обеспечивает гораздо большую гибкость для запуска, анализа и отображения, чем это возможно с классическим аналоговым осциллографом. В отличие от своего аналогового предшественника, цифровой запоминающий осциллограф может показывать события до запуска, открывая новое измерение для записи редких или прерывистых событий и устранения неисправностей электронных сбоев . По состоянию на 2006 год большинство новых осциллографов (за исключением образовательных и нескольких нишевых рынков) являются цифровыми.

Цифровые прицелы полагаются на эффективное использование установленной памяти и функций запуска: если памяти недостаточно, пользователь пропустит события, которые он хочет изучить; если прицел имеет большой объем памяти, но не запускает его должным образом, пользователю будет трудно найти событие.

DSO также привели к созданию ручных цифровых осциллографов, полезных для многих приложений тестирования и полевого обслуживания. Ручной осциллограф обычно является осциллографом реального времени, использующим монохромный или цветной жидкокристаллический дисплей для отображения.

В связи с ростом распространенности ПК все более распространенными становятся осциллографы на базе ПК. Платформа ПК может быть частью автономного осциллографа или как автономный ПК в сочетании с внешним осциллографом. С внешними осциллографами сигнал будет захватываться на внешнем оборудовании (которое включает в себя аналого -цифровой преобразователь и память) и передаваться на компьютер, где он обрабатывается и отображается.