Historie osciloskopu - Oscilloscope history

The hlavní část tohoto článku možná bude třeba přepsat. Použijte průvodce rozvržením elektrody zajistit, aby tato část dodržovala normy Wikipedie a obsahovala všechny důležité podrobnosti. (Listopad 2015) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

The historie osciloskopu sahá až k prvním záznamům průběhů pomocí a galvanometr ve druhém desetiletí 19. století spojený s mechanickým tažným systémem. Moderní digitální doba osciloskop je důsledkem několika generací vývoje oscilograf, katodové trubice, analogové osciloskopy a digitální elektronika.

Ručně tažené oscilogramy

Ilustrace Joubertovy postupné metody ručního vykreslování měření křivek.^[1]

Nejstarší metoda vytváření obrazu křivky byla namáhavým a pečlivým procesem měření napětí nebo proudu rotujícího rotoru v konkrétních bodech kolem osy rotoru a všímání si měření provedených pomocí galvanometr. Pomalým postupováním kolem rotoru lze nakreslit obecnou stojatou vlnu na grafický papír zaznamenáním stupňů rotace a síly měřiče v každé poloze.

Tento proces byl nejprve částečně automatizován uživatelem Jules François Joubert [fr ] s jeho krok za krokem metoda měření tvaru vlny. Jednalo se o speciální jednokontakt komutátor připojený k hřídeli dopřádacího rotoru. Kontaktní bod by se mohl pohybovat kolem rotoru podle přesné stupnice ukazatele stupně a výstupu, který se objeví na galvanometru, aby jej technik mohl ručně grafovat.^[2] Tento proces dokázal vyprodukovat pouze velmi hrubou aproximaci křivky, protože se formoval po dobu několika tisíc vlnových cyklů, ale byl to první krok ve vědě o zobrazování křivek.

Automatický oscilograf tažený papírem

Schematický a perspektivní pohled na Hospitalier Ondograph, který pomocí pera na papírovém bubnu zaznamenal obraz průběhu vytvořený v průběhu času pomocí synchronní motor hnací mechanismus a permanentní magnet galvanometr.[3][4]

První automatizované oscilografy používaly galvanometr k pohybu pera přes svitek nebo buben papíru a snímaly vlnové vzory na nepřetržitě se pohybující svitek. Vzhledem k relativně vysokofrekvenční rychlosti křivek ve srovnání s pomalou reakční dobou mechanických součástí nebyl obraz křivky nakreslen přímo, ale byl vytvořen po určitou dobu kombinací malých kousků mnoha různých křivek, aby se vytvořil průměrný tvar.

Zařízení známé jako Hospitalier Ondograph bylo založeno na této metodě měření tvaru vlny. Automaticky nabila kondenzátor z každé 100. vlny a vybitou akumulovanou energii vybrala záznamovým galvanometrem, přičemž každý následný náboj kondenzátoru byl odebrán z bodu o kousek dále podél vlny.^[5] (Taková měření ve tvaru vlny byla stále průměrována po mnoho stovek vlnových cyklů, ale byla přesnější než ruční oscilogramy.)

Fotografický oscilograf

Vlevo nahoře: Duddell oscilograf s pohyblivou cívkou se zrcadlem a dvěma podpůrnými pohyblivými cívkami na každé její straně, zavěšený v olejové lázni. Velké cívky na obou stranách jsou upevněny na místě a poskytují magnetické pole pro pohybující se cívku. (Permanentní magnety byly v té době poměrně slabé.) Nahoře uprostřed: Rotující závěrka a pohyblivá sestava zrcadla pro umístění značek časového indexu vedle vzoru vln. Vpravo nahoře: Kamera s pohyblivým filmem pro záznam průběhu. Dole: Záznam filmu jiskření přes kontakty spínače, protože je odpojen obvod vysokého napětí.[6][7][8][9]

Aby bylo možné přímé měření tvarů vln, bylo nutné, aby záznamové zařízení používalo systém měření s velmi nízkou hmotností, který se může pohybovat dostatečnou rychlostí, aby odpovídal pohybu skutečných měřených vln. To bylo provedeno s vývojem oscilograf s pohyblivou cívkou podle William Duddell který je v moderní době označován také jako a zrcadlový galvanometr. To snížilo měřicí zařízení na malé zrcadlo, které se mohlo pohybovat vysokou rychlostí tak, aby odpovídalo tvaru vlny.

Chcete-li provést měření křivky, fotografický skluz by spadl za okno, kde se vynořuje světelný paprsek, nebo by se skrz otvor procházel nepřetržitý filmový film, který by průběh času zaznamenal. Přestože měření byla mnohem přesnější než vestavěné papírové zapisovače, stále ještě bylo co zlepšovat kvůli nutnosti vyvinout exponované snímky před jejich zkoumáním.

Malé naklápěcí zrcadlo

Ve dvacátých letech minulého století poskytovalo malé sklopné zrcadlo připevněné k membráně na vrcholu rohu dobrou odezvu až do několika kHz, možná dokonce 10 kHz. Nesynchronizovanou časovou základnu poskytl rotující zrcadlový polygon a kolimovaný paprsek světla z obloukové lampy promítl tvar vlny na stěnu laboratoře nebo na obrazovku.

Ještě dříve, zvuk aplikovaný na membránu na přívodu plynu do plamene způsobil, že se výška plamene lišila, a polygon s rotujícím zrcadlem poskytl časný pohled na průběhy vln.

Pohyblivé papírové oscilografy používající papír citlivý na UV záření a pokročilé zrcadlové galvanometry poskytovaly v polovině 20. století vícekanálové záznamy. Frekvenční odezva byla alespoň do nízkého rozsahu zvuku.

CRT vynález

Interiér a katodová trubice pro použití v osciloskopu. 1. Vychylovací napěťová elektroda; 2. Elektronová zbraň; 3. Paprsek elektronů; 4. Zaostřovací cívka; 5. Vnitřní strana obrazovky potažená fosforem

Katodové trubice (CRT) byly vyvinuty na konci 19. století. V té době byly trubice určeny především k demonstraci a zkoumání fyziky elektrony (pak známý jako katodové paprsky ). Karl Ferdinand Braun vynalezl osciloskop CRT jako kuriozitu fyziky v roce 1897 aplikací oscilačního signálu na elektricky nabité deflektorové desky v fosfor potažené CRT. Braunovy trubice byly laboratorní přístroje používající emitor se studenou katodou a velmi vysoké napětí (řádově 20 000 až 30 000 voltů). S pouze svislým průhybem aplikovaným na vnitřní desky byla tvář trubice pozorována prostřednictvím rotujícího zrcadla, aby poskytla vodorovnou časovou základnu.^[10] V roce 1899 Jonathan Zenneck vybavil katodovou trubici deskami vytvářejícími paprsek a pro zametení stopy použil magnetické pole.^[11]

Brzy katodové trubice byly experimentálně aplikovány na laboratorní měření již v roce 1919 ^[12]ale trpěl špatnou stabilitou vakua a katodových zářičů. Aplikace a termionický emitor umožnil pokles provozního napětí na několik stovek voltů. Western Electric představil komerční trubici tohoto typu, která spoléhala na malé množství plynu uvnitř trubice, aby pomohla při zaostřování elektronového paprsku.^[12]

V. K. Zworykin popsal v roce 1931 trvale utěsněnou vysokovakuovou katodovou trubici s termionickým emitorem. Tato stabilní a reprodukovatelná složka umožňovala Obecné rádio vyrobit osciloskop, který byl použitelný mimo laboratorní prostředí.^[11]

První duální paprskový osciloskop byl vyvinut na konci 30. let britskou společností A.C.Cosor (později získaný Raytheon ). CRT nebyl skutečný typ s dvojitým paprskem, ale používal dělený paprsek vyrobený umístěním třetí desky mezi vertikální vychylovací desky. Během druhé světové války byl široce používán pro vývoj a servis radar zařízení. Ačkoli to bylo velmi užitečné pro zkoumání výkonu pulzních obvodů, nebylo to kalibrováno, takže nemohlo být použito jako měřicí zařízení. Bylo to však užitečné při vytváření křivek odezvy obvodů IF a v důsledku toho velkou pomoc při jejich přesném zarovnání.

Allen B. Du Mont Labs. vyrobil kamery s pohyblivým filmem, kde časovou základnu poskytoval nepřetržitý pohyb filmu. Horizontální průhyb byl pravděpodobně deaktivován, ačkoli velmi pomalý pohyb by rozšířil opotřebení fosforu. CRT s fosforem P11 byly buď standardní, nebo dostupné.

Long-persistence CRT, někdy používané v osciloskopech pro zobrazování pomalu se měnících signálů nebo jednorázových událostí, používaly fosfor, jako je P7, který obsahoval dvojitou vrstvu. Vnitřní vrstva fluoreskovala z elektronového paprsku jasně modře a její světlo budilo fosforeskující „vnější“ vrstvu přímo viditelnou uvnitř obálky (baňky). Ten uložil světlo a po desítky sekund ho uvolnil nažloutlým světlem s klesajícím jasem. Tento typ fosforu byl také použit v radarových analogových PPI CRT displejích, které jsou grafickou výzdobou (rotující radiální světelná lišta) v některých televizních scénách o počasí.

Zametací obvod

Technologie pro horizontální rozmítání, ta část osciloskopu, která vytváří horizontální časovou osu, se změnila.

Synchronizované zametání

Osciloskop se synchronizovaným pohybem. „HOR. SELECTOR“ nastavuje horizontální frekvenční rozsah (kondenzátor); "FREQ. VERNIER" upravuje frekvenci volného chodu; „SYNC. AMPLITUDE“ nastavuje zisk komparátoru.

Časné osciloskopy používaly k zajištění časové osy synchronizovaný generátor křivek pilovitých zubů. Pila by se vyráběla nabíjením kondenzátoru relativně konstantním proudem; tím by vzrostlo napětí. Stoupající napětí by bylo přiváděno k horizontálním vychylovacím deskám, aby se vytvořil pohyb. Stoupající napětí by se také dodávalo do komparátoru; když kondenzátor dosáhl určité úrovně, kondenzátor by byl vybitý, stopa by se vrátila doleva a kondenzátor (a zametání) by zahájily další traverz. Operátor upraví nabíjecí proud tak, aby generátor pilového zubu měl o něco delší dobu než násobek signálu svislé osy. Například při pohledu na sinusovou vlnu 1 kHz (období 1 ms) může operátor upravit horizontální frekvenci o něco více než 5 ms. Když nebyl přítomen vstupní signál, zametání by běželo volně na této frekvenci.

Pokud by byl přítomen vstupní signál, výsledný displej by nebyl stabilní na volnoběžné frekvenci horizontálního tažení, protože to nebyl dílčí násobek vstupního (svislé osy) signálu. Abychom to napravili, generátor rozmítání by byl synchronizován přidáním škálované verze vstupu signálu do komparátoru generátoru rozmítání. Přidaný signál by způsobil, že se komparátor vypne o něco dříve, a tak jej synchronizuje se vstupním signálem. Operátor mohl upravit úroveň synchronizace; u některých návrhů mohl operátor zvolit polaritu.^[13] Generátor zametání by vypnul (známý jako zatemnění) paprsek během zpětného sledování.^[14]

Výsledná rychlost horizontálního rozmítání byla nekalibrována, protože rychlost zametání byla upravena změnou sklonu generátoru pilového zubu. Čas na rozdělení na displeji závisel na volnoběžné frekvenci a horizontálním ovládání zisku.

Synchronizovaný zametací osciloskop nemohl zobrazit neperiodický signál, protože nemohl synchronizovat generátor rozmítání s tímto signálem. Horizontální obvody byly často spojeny střídavým proudem

Spuštěné zametání

Během druhé světové války mělo několik osciloskopů používaných pro vývoj radaru (a několik laboratorních osciloskopů) takzvané řízené zametání. Tyto zametací obvody zůstaly nečinné, s přerušeným paprskem CRT, dokud impuls pohonu z externího zařízení neomezil CRT a nezačal vodorovnou stopu s konstantní rychlostí; kalibrovaná rychlost povolená měření časových intervalů. Když bylo zametání dokončeno, zametací obvod zaslepil CRT (vypnul paprsek), resetoval se a čekal na další budicí puls. Dumont 248, komerčně dostupný osciloskop vyrobený v roce 1945, měl tuto vlastnost.

Osciloskopy se staly mnohem užitečnějším nástrojem v roce 1946 Howard Vollum a Melvin Jack Murdock představil Tektronix Model 511 spuštěno-zamést osciloskop. Howard Vollum poprvé viděl tuto technologii používanou v Německu. Spuštěné rozmítání má obvod, který ze vstupního signálu vyvíjí budicí impuls řízeného rozmítání.

Spouštění umožňuje stacionární zobrazení opakujícího se tvaru vlny, protože více opakování tvaru vlny je vykresleno přes přesně stejnou stopu na fosforové obrazovce. Spuštěné rozmítání udržuje kalibraci rychlosti rozmítání, což umožňuje měřit vlastnosti tvaru vlny, jako je frekvence, fáze, doba náběhu a další, které by jinak nebyly možné.^[15] Ke spouštění může navíc docházet v různých intervalech, takže není třeba, aby byl vstupní signál periodický.

Ovládací prvky spouštění na osciloskopu Tektronix 465

Osciloskopy se spouštěným pohybem porovnávají vertikální vychylovací signál (nebo rychlost změny signálu) s nastavitelnou prahovou hodnotou, která se označuje jako spouštěcí úroveň. Spouštěcí obvody také rozpoznají směr sklonu vertikálního signálu, když překročí prahovou hodnotu - ať už je vertikální signál při přechodu kladný nebo záporný. Tomu se říká polarita spouště. Když vertikální signál překročí nastavenou spouštěcí úroveň a v požadovaném směru, spouštěcí obvod odblokuje CRT a zahájí přesné lineární tažení. Po dokončení horizontálního rozmítání dojde k dalšímu zametání, když signál opět překročí prahovou hodnotu.

Variace osciloskopů se spuštěným zametáním zahrnují modely nabízené s CRT používajícími dlouhou životnost fosfory, jako je typ P7. Tyto osciloskopy byly použity pro aplikace, kde byla horizontální rychlost sledování velmi pomalá, nebo došlo k dlouhému zpoždění mezi zatáčkami, aby byl zajištěn trvalý obraz obrazovky. Osciloskopy bez aktivovaného tažení mohou být také dodatečně vybaveny aktivovaným tažením pomocí polovodičového obvodu vyvinutého Harry Garland a Roger Melen v roce 1971.^[16]

Protože se osciloskopy postupem času staly výkonnějšími, vylepšené možnosti spouštění umožňují snímání a zobrazování složitějších průběhů. Například, podržet spoušť je vlastnost většiny moderních osciloskopů, kterou lze použít k definování určité doby po spuštění, během níž se osciloskop znovu nespustí. To usnadňuje vytvoření stabilního pohledu na tvar vlny s více hranami, které by jinak způsobily další spouštění.

Tektronix

Typ 465 Tektronix osciloskop, populární analogový osciloskop během 80. let

Vollum a Murdock pokračovali v hledání Tektronix, prvního výrobce kalibrovaných osciloskopů (který zahrnoval a mřížka na obrazovce a vytvořené grafy s kalibrovanými stupnicemi na obrazovce sekery obrazovky).^{[Citace je zapotřebí ]} Pozdější vývoj provedený společností Tektronix zahrnoval vývoj vícestopých osciloskopů pro porovnání signálů buď podle časumultiplexování (prostřednictvím sekání nebo střídání trasování) nebo přítomností více elektronová děla v tubě. V roce 1963 představila společnost Tektronix Bistabilní skladovací trubice s přímým výhledem (DVBST), což umožnilo pozorovat spíše jednotlivé pulzní tvary vln než (jak dříve) pouze opakující se tvary vln. Použitím mikrokanálové desky, řada multiplikátorů elektronů se sekundárními emisemi uvnitř CRT a za čelní deskou, nejpokročilejší analogové osciloskopy (například mainframe Tek 7104) mohly zobrazit viditelnou stopu (nebo umožnit fotografování) jednorázové události, i když běží extrémně vysokou rychlostí zametání. Tento osciloskop šel na 1 GHz.

U vakuových trubicových osciloskopů vyrobených společností Tektronix byl zpožďovacím vedením vertikálního zesilovače dlouhý rám ve tvaru L z prostorových důvodů, který nesl několik desítek diskrétních induktorů a odpovídající počet válcových kondenzátorů nastavitelných (trimmerem) s nízkou kapacitou. Tyto osciloskopy měly zásuvné vertikální vstupní kanály. Pro nastavení kondenzátorů zpožďovacího vedení vytvořil vysokotlaký plynový rtutem smáčený jazýčkový spínač extrémně rychle rostoucí impulsy, které šly přímo do pozdějších fází vertikálního zesilovače. Díky rychlému zametání každé nesprávné nastavení způsobilo pokles nebo bouli a dotek kondenzátoru způsobil jeho místní část změny tvaru vlny. Nastavením kondenzátoru zmizel jeho hrbolek. Nakonec vznikl plochý vrchol.

Výstupní stupně vakuové trubice v časných širokopásmových osciloskopech používaly rádiové vysílací trubice, ale spotřebovávaly hodně energie. Pikofarády kapacity na zemi s omezenou šířkou pásma. Lepší design, nazvaný a distribuovaný zesilovač, používaly více elektronek, ale jejich vstupy (řídicí mřížky) byly připojeny podél odbočené L-C zpožďovací linky, takže vstupní kapacity trubek se staly součástí zpožďovací linky. Jejich výstupy (desky / anody) byly rovněž připojeny k další odbočce zpožděné linky, jejíž výstup napájel vychylovací desky. Tento zesilovač byl často push-pull, takže existovaly čtyři zpožďovací linky, dvě pro vstup (mřížka) a dvě pro výstup (deska).

Digitální osciloskopy

První digitální paměťový osciloskop (DSO) byl postaven Nicolet Test Instrument of Madison, Wisconsin.^{[Citace je zapotřebí ]} Používal nízkorychlostní analogově-digitální převodník (1 MHz, 12 bitů) používaný primárně pro vibrace a lékařskou analýzu.^{[Citace je zapotřebí ]} První vysokorychlostní DSO (100 MHz, 8 bitů) byl vyvinut společností Walter LeCroy, který založil LeCroy Corporation z New Yorku v USA poté, co pro výzkumné centrum vyrobili vysokorychlostní digitizéry CERN ve Švýcarsku. LeCroy (od roku 2012 Teledyne LeCroy) zůstává jedním ze tří největších výrobců osciloskopů na světě.^{[Citace je zapotřebí ]}

Od 80. let digitální osciloskopy začaly převládat. Digitální paměťové osciloskopy využívají rychle analogově-digitální převodník a paměťové čipy pro záznam a zobrazení digitální reprezentace tvaru vlny, což poskytuje mnohem větší flexibilitu pro spouštění, analýzu a zobrazení, než je možné u klasického analogového osciloskopu. Na rozdíl od svého analogového předchůdce může digitální paměťový osciloskop zobrazovat události před spuštěním, což otevírá další dimenzi pro záznam vzácných nebo přerušovaných událostí a řešení problémů elektronických závady. Od roku 2006 je většina nových osciloskopů (kromě vzdělávání a několika specializovaných trhů) digitální.

Digitální rozsahy se spoléhají na efektivní využití nainstalované paměti a spouštěcích funkcí: nedostatek paměti a uživateli budou chybět události, které chce zkoumat; pokud má obor velkou paměť, ale nespouští se podle potřeby, bude mít uživatel potíže s hledáním události.

Provozovatelé distribučních soustav také vedli k vytvoření ručních digitálních osciloskopů (na obrázku), které jsou užitečné pro mnoho aplikací testovacích a terénních služeb. Ruční osciloskop je obvykle osciloskop v reálném čase, který používá černobílý nebo barevný displej z tekutých krystalů pro jeho zobrazení.

Vzhledem k nárůstu prevalence PC se osciloskopy založené na PC stávají běžnějšími. Platforma PC může být součástí samostatného osciloskopu nebo jako samostatný počítač PC v kombinaci s externím osciloskopem. U externích osciloskopů bude signál zachycen na externím hardwaru (který obsahuje analogově-digitální převodník a paměť) a přeneseny do počítače, kde jsou zpracovány a zobrazeny.

Reference

• Abramson, Albert (1995), Zworykin, průkopník televize, University of Illinois Press, ISBN  0-252-02104-5
• Burns, R. W. (1998), Televize: mezinárodní historie formativních let, IET, ISBN  0-85296-914-7
• Hawkins, Nehemiah (1917), „Kapitola 63: Měření tvaru vlny“, Elektrický průvodce Hawkins, 6 (2. vyd.), Theo. Audel a spol.
• Kularatna, Nihal (2003), „Kapitola 5: Základy osciloskopů“, Digitální a analogové přístroje - testování a měření, Institution of Engineering and Technology, ISBN  978-0-85296-999-1
• Spitzer, Frank; Howarth, Barry (1972), Principy moderního přístrojového vybavení, New York: Holt, Rinehart a Winston, ISBN  0-03-080208-3