История осциллографа

Иллюстрация пошагового метода Жубера для построения графиков сигналов вручную.

История осциллографа имела фундаментальное значение для науки, поскольку осциллограф — это устройство для просмотра колебаний формы электрического напряжения или тока с целью измерения частоты и других характеристик волны. Это имело важное значение для развития теории электромагнетизма. Первые записи сигналов были сделаны с помощью гальванометра, соединенного с механической системой рисования, датируемой вторым десятилетием XIX века. Современный цифровой осциллограф является результатом развития нескольких поколений осциллографов , электронно -лучевых трубок , аналоговых осциллографов и цифровой электроники .

Рисованные осциллограммы

Самый ранний метод создания изображения формы волны заключался в трудоемком и кропотливом процессе измерения напряжения или тока вращающегося ротора в определенных точках вокруг оси ротора и записи измерений, выполненных с помощью гальванометра . Медленно продвигаясь вокруг ротора, можно нарисовать на миллиметровой бумаге общую стоячую волну, записывая степени вращения и силу измерителя в каждом положении.

Этот процесс был впервые частично автоматизирован Жюлем Франсуа Жубером с его пошаговым методом измерения формы волны. Он представлял собой специальный одноконтактный коммутатор , прикрепленный к валу вращающегося ротора. Точка контакта могла перемещаться вокруг ротора в соответствии с точной шкалой градусного индикатора и выходным сигналом, появляющимся на гальванометре, который техник должен был вручную отобразить. Этот процесс мог дать только очень грубое приближение формы сигнала, поскольку он формировался в течение нескольких тысяч волновых циклов, но это был первый шаг в науке построения изображений сигналов.

Автоматический осциллограф, нарисованный на бумаге

Схематический и перспективный вид ондографа Hospitalier, в котором ручка на бумажном барабане записывала изображение формы волны, формируемое с течением времени, с использованием механизма привода синхронного двигателя и гальванометра с постоянными магнитами.

Первые автоматизированные осциллографы использовали гальванометр для перемещения ручки по свитку или барабану с бумагой, фиксируя волновые узоры на постоянно движущемся свитке. Из-за относительно высокой скорости сигналов по сравнению с медленным временем реакции механических компонентов, изображение сигнала не рисовалось напрямую, а вместо этого создавалось в течение определенного периода времени путем объединения небольших частей множества различных сигналов для создания усредненная форма.

Устройство, известное как «госпитальер-ондограф», было основано на этом методе измерения формы волны. Он автоматически заряжал конденсатор от каждой сотой волны и разряжал накопленную энергию через записывающий гальванометр, при этом каждый последующий заряд конденсатора снимался из точки, расположенной немного дальше по волне. (Такие измерения формы сигнала по-прежнему усреднялись по многим сотням волновых циклов, но были более точными, чем осциллограммы, нарисованные от руки.)

Фотографический осциллограф

Осциллограф Дадделла с подвижной катушкой, зеркалом и двумя опорными подвижными катушками с каждой стороны от него

Вращающийся затвор и подвижное зеркало в сборе для размещения меток временного индекса рядом с шаблоном сигнала.

Камера с движущейся пленкой для записи формы сигнала

Видеозапись искрения на контактах переключателя при отключении высоковольтной цепи

Чтобы обеспечить прямое измерение форм сигналов, в записывающем устройстве было необходимо использовать измерительную систему с очень малой массой, которая могла двигаться с достаточной скоростью, чтобы соответствовать движению реальных измеряемых волн. Это было сделано с разработкой с подвижной катушкой осциллографа Уильямом Дадделлом , который в наше время также называют зеркальным гальванометром . Это превратило измерительное устройство в небольшое зеркало, которое могло двигаться с высокой скоростью, чтобы соответствовать форме сигнала.

Чтобы выполнить измерение формы сигнала, фотографический слайд нужно пропустить мимо окна, из которого выходит световой луч, или непрерывный рулон кинопленки будет прокручиваться через апертуру, чтобы записать форму сигнала с течением времени. Хотя измерения были гораздо более точными, чем при использовании встроенных бумажных самописцев, все еще оставались возможности для улучшения, поскольку приходилось проявлять экспонированные изображения перед их исследованием.

Наклонное зеркало

В 1920-х годах крошечное наклонное зеркало, прикрепленное к диафрагме на вершине рупора, обеспечивало хороший отклик до нескольких кГц, а возможно, даже до 10 кГц. Несинхронизированная временная развертка обеспечивалась вращающимся зеркальным многоугольником, а коллимированный луч света дуговой лампы проецировал форму волны на стену лаборатории или экран.

Еще раньше звук, подаваемый на диафрагму при подаче газа в пламя, заставлял изменять высоту пламени, а вращающийся зеркальный многоугольник давал раннее представление о формах сигналов.

В середине 20 века осциллографы с движущейся бумагой, использующие бумагу, чувствительную к УФ-излучению, и современные зеркальные гальванометры обеспечивали многоканальную запись. Частотная характеристика находилась как минимум в низком звуковом диапазоне.

изобретение ЭЛТ

Внутренняя часть электронно-лучевой трубки для использования в осциллографе. 1. Электрод отклоняющего напряжения; 2. Электронная пушка; 3. Электронный луч; 4. Фокусирующая катушка; 5. Внутренняя сторона экрана с фосфорным покрытием.

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) были разработаны в конце 19 века. В то время трубки предназначались в первую очередь для демонстрации и исследования физики электронов (тогда известных как катодные лучи ). Карл Фердинанд Браун изобрел ЭЛТ-осциллограф в качестве диковинки физики в 1897 году, подав колебательный сигнал на электрически заряженные дефлекторные пластины в ЭЛТ с люминофорным покрытием. Трубки Брауна представляли собой лабораторный прибор, в котором использовался эмиттер с холодным катодом и очень высокое напряжение (порядка 20 000–30 000 вольт). Когда к внутренним пластинам применялось только вертикальное отклонение, поверхность трубки наблюдалась через вращающееся зеркало, чтобы обеспечить горизонтальную временную основу. В 1899 году Джонатан Ценнек снабдил электронно-лучевую трубку пластинами, формирующими луч, и использовал магнитное поле для сглаживания следа.

Первые электронно-лучевые трубки экспериментально применялись для лабораторных измерений еще в 1919 году. но страдал от плохой стабильности вакуума и катодных эмиттеров. Применение термоэмиттера позволило снизить рабочее напряжение до нескольких сотен вольт. Western Electric представила коммерческую лампу этого типа, в которой небольшое количество газа внутри трубки помогало фокусировать электронный луч.

В 1931 году В. К. Зворыкин описал постоянно герметичную электронно-лучевую трубку с высоким вакуумом и термоэлектронным эмиттером. Этот стабильный и воспроизводимый компонент позволил компании General Radio изготовить осциллограф, который можно было использовать вне лабораторных условий.

Первый двухлучевой осциллограф был разработан в конце 1930-х годов британской компанией ACCossor (позже приобретенной Raytheon ). ЭЛТ не была настоящим двухлучевым типом, а использовала разделенную балку, полученную путем размещения третьей пластины между пластинами вертикального отклонения. Широко использовался во время Второй мировой войны для разработки и обслуживания радиолокационной техники. Хотя он был чрезвычайно полезен для проверки работы импульсных цепей, он не был откалиброван, поэтому его нельзя было использовать в качестве измерительного устройства. Однако он оказался полезен при построении кривых отклика цепей ПЧ и, следовательно, оказал большую помощь в их точном выравнивании.

Лаборатории Аллена Б. Дю Мона. создали фотоаппараты с движущейся пленкой, в которых непрерывное движение пленки обеспечивало временную основу. Горизонтальное отклонение, вероятно, было отключено, хотя очень медленная развертка привела бы к распространению износа люминофора. ЭЛТ с люминофором P11 были либо стандартными, либо доступными.

В ЭЛТ с длительным послесвечением, которые иногда используются в осциллографах для отображения медленно меняющихся сигналов или однократных событий, использовался люминофор, такой как P7, который имел двойной слой. Внутренний слой светился ярко-синим светом от электронного луча, и его свет возбуждал фосфоресцирующий «внешний» слой, видимый непосредственно внутри оболочки (лампочки). Последний сохранял свет и излучал его желтоватым свечением, яркость которого затухала в течение десятков секунд. Этот тип люминофора также использовался в аналоговых ЭЛТ-дисплеях PPI, которые представляют собой графическое украшение (вращающаяся радиальная световая полоса) в некоторых сценах телевизионных сводок погоды.

Схема развертки

Осциллограф с синхронизированной разверткой. «HOR.SELECTOR» устанавливает диапазон строчных частот (конденсатор); «FREQ.VERNIER» регулирует частоту свободного хода; «SYNC.AMPLITUDE» устанавливает усиление компаратора

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

Синхронизированная развертка

Ранние осциллографы использовали синхронизированный генератор пилообразных сигналов для обеспечения оси времени. Пилообразность можно получить путем зарядки конденсатора относительно постоянным током; это создаст повышение напряжения. Растущее напряжение будет подаваться на пластины горизонтального отклонения для создания развертки. Возрастающее напряжение также будет подаваться на компаратор; когда конденсатор достигнет определенного уровня, конденсатор разряжается, трасса возвращается влево, и конденсатор (и развертка) начинают новый ход. Оператор регулировал зарядный ток так, чтобы пилообразный генератор имел период немного больший, чем кратный сигналу вертикальной оси. Например, при просмотре синусоиды частотой 1 кГц (период 1 мс) оператор может настроить частоту строчной развертки чуть больше 5 мс. Когда входной сигнал отсутствовал, развертка могла свободно работать на этой частоте.

Если бы входной сигнал присутствовал, результирующее изображение не было бы стабильным на свободной частоте горизонтальной развертки, поскольку оно не было дробным части входного сигнала (вертикальной оси). Чтобы исправить это, генератор развертки будет синхронизирован путем добавления масштабированной версии входного сигнала в компаратор генератора развертки. Добавленный сигнал приведет к тому, что компаратор отключится немного раньше и, таким образом, синхронизирует его с входным сигналом. Оператор мог регулировать уровень синхронизации; для некоторых конструкций оператор может выбирать полярность. Генератор развертки отключал (так называемый гашение) луч во время обратного хода.

Полученная в результате скорость горизонтальной развертки не была откалибрована, поскольку скорость развертки регулировалась путем изменения наклона пилообразного генератора. Время на деление на дисплее зависело от свободной частоты развертки и регулировки усиления по горизонтали.

Осциллограф с синхронизированной разверткой не мог отображать непериодический сигнал, поскольку он не мог синхронизировать генератор развертки с этим сигналом. Горизонтальные цепи часто были связаны по переменному току.

Триггерная развертка

Управление разверткой по триггеру на осциллографе Tektronix 465

Во время Второй мировой войны несколько осциллографов, использовавшихся для разработки радаров (и несколько лабораторных осциллографов), имели так называемую управляемую развертку. Эти схемы развертки оставались бездействующими, а луч ЭЛТ отключался до тех пор, пока импульс возбуждения от внешнего устройства не отключил ЭЛТ и не начал горизонтальную трассировку с постоянной скоростью; калиброванная скорость позволяла измерять временные интервалы. Когда развертка была завершена, схема развертки заглушила ЭЛТ (выключила луч), перезагрузилась и стала ждать следующего возбуждающего импульса. Данной функцией обладал коммерчески доступный осциллограф Dumont 248, выпущенный в 1945 году.

Осциллографы стали гораздо более полезным инструментом в 1946 году, когда Говард Воллум и Мелвин Джек Мердок представили осциллограф Tektronix Model 511 с триггерной разверткой . Говард Воллум впервые увидел применение этой технологии в Германии. Запускаемая развертка имеет схему, которая формирует импульс возбуждения управляемой развертки из входного сигнала.

Запуск позволяет стационарно отображать повторяющуюся форму сигнала, поскольку несколько повторений формы сигнала рисуются на одной и той же трассе на люминесцентном экране. Запускаемая развертка поддерживает калибровку скорости развертки, позволяя измерять такие свойства сигнала, как частота, фаза, время нарастания и другие, которые в противном случае были бы невозможны. Более того, запуск может происходить с разными интервалами, поэтому нет требования, чтобы входной сигнал был периодическим.

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

Вариации осциллографов с триггерной разверткой включают модели, предлагаемые с ЭЛТ, использующими люминофоры с длительным послесвечением , такие как тип P7. Эти осциллографы использовались в приложениях, где скорость горизонтальной трассировки была очень низкой или между развертками была большая задержка, чтобы обеспечить постоянное изображение на экране. Осциллографы без запуска развертки также можно было модернизировать с запуском развертки с использованием полупроводниковой схемы, разработанной Гарри Гарландом и Роджером Меленом в 1971 году.

Поскольку осциллографы со временем стали более мощными, расширенные возможности запуска позволяют захватывать и отображать более сложные сигналы. Например, задержка запуска — это функция большинства современных осциллографов, которую можно использовать для определения определенного периода после запуска, в течение которого осциллограф не будет запускаться снова. Это упрощает получение стабильного изображения сигнала с множеством фронтов, которые в противном случае могли бы вызвать еще один триггер.

Тектроникс

Type 465 Осциллограф Tektronix , популярный аналоговый осциллограф 1980-х годов.

Дополнительная информация: Аналоговые осциллографы Tektronix.

Воллум и Мердок основали Tektronix , первого производителя калиброванных осциллографов (которые включали сетку на экране и создавали графики с калиброванными шкалами по осям экрана). Более поздние разработки Tektronix включали разработку осциллографов с несколькими трассами для сравнения сигналов либо путем временного мультиплексирования (посредством прерывания или чередования трасс), либо за счет присутствия нескольких электронных пушек в трубке. В 1963 году Tektronix представила бистабильную накопительную лампу прямого обзора (DVBST) , которая позволяла наблюдать одиночные импульсные сигналы, а не (как раньше) только повторяющиеся формы сигналов. Используя микроканальные пластины , различные умножители вторичной эмиссии электронов внутри ЭЛТ и за лицевой панелью, самые совершенные аналоговые осциллографы (например, основной блок Tek 7104) могут отображать видимый след (или позволять фотографировать) одиночный сигнал. -выстрел даже при движении на чрезвычайно высоких скоростях. Этот осциллограф перешёл на частоту 1 ГГц.

В ламповых осциллографах производства Tektronix линия задержки вертикального усилителя представляла собой длинную рамку, L-образную из соображений экономии места, на которой было размещено несколько десятков дискретных индукторов и соответствующее количество регулируемых («подстроечных») цилиндрических конденсаторов малой емкости. Эти осциллографы имели подключаемые вертикальные входные каналы. Для настройки конденсаторов линии задержки газонаполненный ртутным герконом высокого давления создавал импульсы с чрезвычайно быстрым нарастанием, которые поступали непосредственно на более поздние каскады вертикального усилителя. При быстрой развертке любая неправильная настройка приводила к провалу или скачку, а прикосновение к конденсатору приводило к изменению его локальной части формы сигнала. После регулировки конденсатора его неровности исчезли. В итоге получилась плоская вершина.

В выходных каскадах на электронных лампах первых широкополосных осциллографов использовались радиопередающие лампы, но они потребляли много энергии. Пикофарады емкости относительно земли ограничивают полосу пропускания. В лучшей конструкции, называемой распределенным усилителем , использовалось несколько ламп, но их входы (управляющие сетки) были соединены по отводной LC-линии задержки, поэтому входные емкости ламп становились частью линии задержки. Кроме того, их выходы (пластины/аноды) также были подключены к другой ответвленной линии задержки, ее выход питал отклоняющие пластины. Этот усилитель часто был двухтактным, поэтому имелось четыре линии задержки: две для входа (сетка) и две для выхода (пластина).

Цифровые осциллографы

Дополнительная информация: Типы осциллографов § Цифровые осциллографы.

Первый цифровой запоминающий осциллограф (DSO) был создан компанией Nicolet Test Instrument из Мэдисона, штат Висконсин. В нем использовался низкоскоростной аналого-цифровой преобразователь (1 МГц, 12 бит), используемый в основном для вибрационного и медицинского анализа. Первый высокоскоростной DSO (100 МГц, 8 бит) был разработан Уолтером Лекроем , который основал корпорацию LeCroy в Нью-Йорке, США, после производства высокоскоростных дигитайзеров для исследовательского центра ЦЕРН в Швейцарии. LeCroy (с 2012 года Teledyne LeCroy) остаётся одним из трёх крупнейших производителей осциллографов в мире.

Начиная с 1980-х годов цифровые стали широко распространены осциллографы. Цифровые запоминающие осциллографы используют быстрый аналого-цифровой преобразователь и микросхемы памяти для записи и отображения цифрового представления сигнала, что обеспечивает гораздо большую гибкость запуска, анализа и отображения, чем это возможно с помощью классического аналогового осциллографа. В отличие от своего аналогового предшественника, цифровой запоминающий осциллограф может отображать события, предшествующие запуску, открывая новые возможности для регистрации редких или периодических событий и устранения в электронике неполадок . По состоянию на 2006 год большинство новых осциллографов (за исключением образовательных и некоторых нишевых рынков) являются цифровыми.

Цифровые прицелы полагаются на эффективное использование встроенной памяти и триггерных функций: недостаточно памяти, и пользователь пропустит события, которые хочет изучить; если область имеет большой объем памяти, но не срабатывает должным образом, пользователю будет сложно найти событие.

DSO также привели к созданию портативных цифровых осциллографов, полезных для многих приложений тестирования и полевого обслуживания. Ручной осциллограф обычно представляет собой осциллограф реального времени, в котором используется монохромный или цветной жидкокристаллический дисплей для отображения .

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

Ссылки

• Абрамсон, Альберт (1995), Зворыкин, пионер телевидения , University of Illinois Press, ISBN  0-252-02104-5
• Бернс, RW (1998), Телевидение: международная история лет становления , IET, ISBN  0-85296-914-7
• Хокинс, Неемия (1917), «Глава 63: Измерение формы волны», Руководство по электротехнике Хокинса , том. 6 (2-е изд.), Тео. Одель и Ко.
• Куларатна, Нихал (2003), «Глава 5: Основы осциллографов», Цифровые и аналоговые приборы – испытания и измерения , Инженерно-технологический институт, ISBN  978-0-85296-999-1
• Спитцер, Фрэнк; Ховарт, Барри (1972), Принципы современных инструментов , Нью-Йорк: Холт, Райнхарт и Уинстон, ISBN  0-03-080208-3