示波器的前世今生

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示波器(Oscilloscope)是电子工程师和电子爱好者工具箱中用途最大的一个工具。通过它可以将电压信号变成一个随着时间变化的波形,从而通过观察可以获得信号频率、幅值以及噪声等相关信息。

射频, RF, 示波器

现代示波器

几乎所有的应用电子、电气实验室或者工作台都会有示波器,很多人认为示波器的存在是理所当然的。但是示波器的诞生却是非常有趣,并汇集了很多偶然的发现和不常见的观察现象的。

相比于声音,光信号来讲,电磁信号无法直接被人感知,如何将这些信号进行描述和检测,是人们进一步探究电磁现象的基础。那么它经历了哪些过程呢?希望下一次,当你再一次看到清晰平滑的正弦波形显示在示波器的屏幕上,你能够为示波器的发展史感到赞叹。

琥珀和磁石

人类早期对于电和磁的感知是通过琥珀、磁石对于小的绝缘物品或者铁器的吸引来感知的。当时认为电和磁是两种不关联的物理现象。

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(左)磁石吸铁;(右)带有静电的塑料汤勺吸引粉末

这种方法只能定性的测量电磁信号是否存在,无法精细得到信号的定量的关系。

青蛙腿验电器(Frog Galvanoscope)

意大利物理学家和生理学家伽尔伐尼(Galvani)在1771年在解刨青蛙的时候,发现他的助手使用金属的手术刀触碰青蛙大腿坐骨神经时,青蛙的腿会发生抽搐,从而揭示了电刺激会引起生物组织运动。

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Galvani的青蛙腿实验示意图

他的发现在20年后,1791年引起意大利物理学家伏特(Alessandro Volta)的兴趣,并在此基础上发现使用两个不同金属触碰青蛙腿也会引起电流现象,并进一步使用其它电解液替代青蛙腿并组成化学电池。

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Galvani的青蛙腿验电方法非常灵敏,以至于在1820年机械验电器发明之后它仍然被使用。只是它的制作和维护比较麻烦,同时它只能指示是否有电流,无法表明电流的方向。

手工绘制电流信号波形

(Oscillograms)

机电装置的检流器用于显示电流信息比青蛙腿更加精确和方便,同时利用带有反光镜的检流计可以达到非常高的灵敏度。

通过观察检流计偏转角度,然后可以手工绘制出通过电流的信号波形。不过这个过程非常繁琐好耗时。

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(左)机械检流计;(右)带有反光镜的检流计

法国科学家Jules Francois  Joubert发明了一个机械装置,可以替代手工绘制电流波形,它可以自动将检流器的偏转角度绘制出信号的波形来。

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1917年 Joubert发明的自动波形绘制装置

自动波形绘制仪

(Electromechanical Oscillographs)

第一个真正的全自动电流信号绘制装置是由法国工程师 Hospitalier在1902年发明的,被称为Hospitalier波形记录器(Ondograph)。该装置通过驱动一个铅笔在滚筒表面的纸上绘制信号波形。

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Hospitalier 波形记录器

Hospitalier的波形记录器与前面Joubert的机械装置原理相似。它是通过一个不断重复的测量过程绘制出电流的波形的。首先它通过电容器将电流存储起来,然后将电容对检流器进行放电,通过电流器转子的偏转角度控制绘图铅笔的位置,最后逐点描绘出电流波形。

Hospitalier绘图器由于是通过机械传动绘图,所以无法对变化速度快的电流信号进行实时测量,只能测量一些低频信号。

镜片反射光束显示波形

(Photographic and Mirror Waveforms)

为了突破机械波形绘制器的对信号频率限制,在1900初,英国工程师William Duddell 使用一个悬浮在油中的镜片反射光线来显示电流波形。

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该镜片上布置有线圈,连同反射镜片一同放置在磁场中。当线圈通有电流,镜片会根据电流的方向和大小偏向某一边,通过反射光束,可以将偏角进行放大,从而大大提高检测电流的灵敏度。

基于阴极射线管的示波器

阴极射线管的发明和随后的商业化应用促使了早期第一个示波器的诞生。实际上。早在19世纪末期,德国物理学家Karl  Ferdinand  Braun就已经发明了实验室中使用的阴极射线管示波器,并研究了电子的行为。

使用充电电极产生的电场可以驱动运动电子束的偏移,并在表面涂有发光磷化物平面上形成可见波形轨迹。

1932年,英国电子公司 A.C. Cossor基于上述原理开发了商用示波器设备,这也是后来的Reytheon公司。

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A.C.Cossor 1035 MKIII CRT 示波器,1950年在第二次世界大战器件,CRT示波器被广泛使用,其中发光磷化物也有了不同的种类,显示的光线强度和余辉长度各不相同。像有的发光衰减慢的磷化物适合显示低频信号。

这些OCR示波器早期并不是为了精确测量发明的,而是为了显示电子系统的特性。所示它们使用起来并不是特别的方便。

频率触发器和时间触发

在20世纪30年代,DuMont公司对示波器进行了显著的改进,1939推出了DuMont 164型示波器,配备了频率触发的扫描示波器。

1946年,二战结束后, Tekronix公司成立。公司发起人之一的Howard Vollum发明了以第一个时间触发扫描示波器, 511型示波器。这台重达65磅(29.5公斤)家伙,耗电180W,当时售价795美元,相当于2019年的10000美元。它通过校准可以对信号进行数值测量,频带宽度为10Hz到10MHz。

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Tektronix 511型示波器

Tekronix公司现在仍旧是示波器市场的主要产品提供商,当年1947年成立的时候只有员工12人。

从晶体管示波器到数字示波器

早期的示波器体宽重沉,功耗巨大的原因来自于它的核心电路是基于电子管电路的。

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HP 1980A

 

后来的HP公司和LeCroy公司相继提供了改进后的产品。1969年,HP公司的HP1980A型示波器问世,是一台全晶体管的示波器,频带宽度为500kHz。

后来Tekronix公司的Hiro Moriyasu工程师发明了数字示波器。Lecroy公司在1971年发布的WD2000型是一台全数字示波器。它能存储20个采用数据,采用时间为1ns。

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现代示波器

 

当今示波器的发展速度几乎令人难以跟随。 从上个世纪三十年代到八十年代,示波器在测量精度,速度,便携性和价格方面都有了很大的改进。

在示波器的测量带宽、通道数、体积和功耗的降低等方面比起早期的产品都有了巨大的改进。另外从功能方面也极大丰富了。比如Tekronix的MDO300型示波器,就是一个六合一功能的测量工具,它包括示波器、数字万用表、频谱分析仪、逻辑分析仪、通信协议分析仪以及信号函数发生器等。

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此外,还有一些其它的示波器辅助功能设备,比如Pokit表,配合手机便可以提供示波器的功能。

测量和理解电子信号有着一个漫长的发展历程。探究电信号是这个发展的原始动力,尽管开始的对电的测量时简陋的。示波器的发明也是集成了很多领域的进展,像对电的深入的物理知识了解,电磁关系的揭示,各种自动测量手段的发明以及最终的阴极射线管(CRT)发明等等。

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