La historia del osciloscopio se remonta a los primeros registros de formas de onda con un galvanómetro acoplado a un sistema de dibujo mecánico en la segunda década del siglo XIX. El osciloscopio digital de hoy en día es una consecuencia del desarrollo de múltiples generaciones del oscilógrafo , los tubos de rayos catódicos , los osciloscopios analógicos y la electrónica digital .
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/f/f6/Oscillograph_Joubert%27s_Step-by-Step_Method.png/220px-Oscillograph_Joubert%27s_Step-by-Step_Method.png)
Oscilogramas dibujados a mano
El primer método para crear una imagen de una forma de onda fue a través de un proceso laborioso y minucioso de medir el voltaje o la corriente de un rotor en rotación en puntos específicos alrededor del eje del rotor y anotar las medidas tomadas con un galvanómetro . Al avanzar lentamente alrededor del rotor, se puede dibujar una onda estacionaria general en papel cuadriculado registrando los grados de rotación y la fuerza del medidor en cada posición.
Este proceso fue parcialmente automatizado por primera vez por Jules François Joubert conmutador especial de contacto único unido al eje de un rotor giratorio. El punto de contacto podría moverse alrededor del rotor siguiendo una escala indicadora de grado precisa y la salida que aparece en un galvanómetro, para ser graficada a mano por el técnico. [2] Este proceso solo pudo producir una aproximación de forma de onda muy aproximada, ya que se formó durante un período de varios miles de ciclos de onda, pero fue el primer paso en la ciencia de la formación de imágenes de forma de onda.
con su método paso a paso de medición de la forma de onda. Este consistía en unOscilógrafo automático dibujado en papel
Los primeros oscilógrafos automatizados usaban un galvanómetro para mover un bolígrafo a través de un rollo o tambor de papel, capturando patrones de ondas en un rollo que se movía continuamente. Debido a la velocidad de frecuencia relativamente alta de las formas de onda en comparación con el tiempo de reacción lento de los componentes mecánicos, la imagen de la forma de onda no se dibujó directamente, sino que se construyó durante un período de tiempo combinando pequeñas piezas de muchas formas de onda diferentes, para crear un forma promediada.
El dispositivo conocido como Hospitalier Ondograph se basó en este método de medición de la forma de onda. Cargó automáticamente un capacitor de cada onda 100 y descargó la energía almacenada a través de un galvanómetro de registro, y cada carga sucesiva del capacitor se tomó de un punto un poco más lejos a lo largo de la onda. [5] (Tales medidas de forma de onda todavía se promediaron durante muchos cientos de ciclos de onda, pero eran más precisas que los oscilogramas dibujados a mano).
Oscilógrafo fotográfico
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/0/07/Oscillograph_recorded_on_film.png/220px-Oscillograph_recorded_on_film.png)
Con el fin de permitir la medición directa de formas de onda, era necesario que el dispositivo de grabación utilizara un sistema de medición de masa muy baja que se pueda mover con suficiente velocidad para coincidir con el movimiento de las ondas reales que se están midiendo. Esto se hizo con el desarrollo del oscilógrafo de bobina móvil de William Duddell, que en los tiempos modernos también se conoce como galvanómetro de espejo . Esto redujo el dispositivo de medición a un pequeño espejo que podía moverse a altas velocidades para adaptarse a la forma de onda.
Para realizar una medición de forma de onda, se dejaría caer una diapositiva fotográfica más allá de una ventana por donde emerge el haz de luz, o se desplazaría un rollo continuo de película cinematográfica a través de la abertura para registrar la forma de onda a lo largo del tiempo. Aunque las mediciones eran mucho más precisas que las de los registradores de papel construidos, todavía había margen de mejora debido a tener que revelar las imágenes expuestas antes de que pudieran examinarse.
Espejo basculante
En la década de 1920, un pequeño espejo inclinable unido a un diafragma en el vértice de una bocina proporcionaba una buena respuesta hasta unos pocos kHz, quizás incluso 10 kHz. Un polígono de espejo giratorio proporcionó una base de tiempo, no sincronizada, y un haz de luz colimado de una lámpara de arco proyectó la forma de onda en la pared del laboratorio o en una pantalla. [10]
Incluso antes, el audio aplicado a un diafragma en la alimentación de gas a una llama hacía que la altura de la llama variara, y un polígono de espejo giratorio dio una visión temprana de las formas de onda. [11]
Los oscilógrafos de papel móvil que utilizan papel sensible a los rayos ultravioleta y galvanómetros de espejo avanzados proporcionaron grabaciones multicanal a mediados del siglo XX. La respuesta de frecuencia estaba al menos en el rango de audio bajo.
Invención CRT
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/98/CRT_oscilloscope.png/220px-CRT_oscilloscope.png)
Los tubos de rayos catódicos (CRT) se desarrollaron a finales del siglo XIX. En ese momento, los tubos estaban destinados principalmente a demostrar y explorar la física de los electrones (entonces conocidos como rayos catódicos ). Karl Ferdinand Braun inventó el osciloscopio CRT como una curiosidad física en 1897, aplicando una señal oscilante a placas deflectoras cargadas eléctricamente en un CRT recubierto de fósforo . Los tubos Braun eran aparatos de laboratorio que utilizaban un emisor de cátodo frío y voltajes muy altos (del orden de 20.000 a 30.000 voltios). Con solo la deflexión vertical aplicada a las placas internas, se observó la cara del tubo a través de un espejo giratorio para proporcionar una base de tiempo horizontal. [12] En 1899, Jonathan Zenneck equipó el tubo de rayos catódicos con placas formadoras de haces y usó un campo magnético para barrer la traza. [13]
Los primeros tubos de rayos catódicos se habían aplicado experimentalmente a mediciones de laboratorio ya en 1919 [14], pero adolecían de una escasa estabilidad del vacío y de los emisores catódicos. La aplicación de un emisor termoiónico permitió que la tensión de funcionamiento se redujera a unos pocos cientos de voltios. Western Electric introdujo un tubo comercial de este tipo, que dependía de una pequeña cantidad de gas dentro del tubo para ayudar a enfocar el haz de electrones. [14]
VK Zworykin describió un tubo de rayos catódicos de alto vacío sellado permanentemente con un emisor termoiónico en 1931. Este componente estable y reproducible permitió a General Radio fabricar un osciloscopio que se podía utilizar fuera de un laboratorio. [13]
El primer osciloscopio de doble haz fue desarrollado a finales de la década de 1930 por la empresa británica ACCossor (más tarde adquirida por Raytheon ). El CRT no era un verdadero tipo de doble viga, sino que utilizaba una viga dividida hecha colocando una tercera placa entre las placas de deflexión vertical. Fue ampliamente utilizado durante la Segunda Guerra Mundial para el desarrollo y mantenimiento de equipos de radar . Aunque es extremadamente útil para examinar el rendimiento de los circuitos de impulsos, no estaba calibrado, por lo que no se podía utilizar como dispositivo de medición. Sin embargo, fue útil para producir curvas de respuesta de circuitos de FI y, en consecuencia, fue de gran ayuda para su alineación precisa.
Allen B. Du Mont Labs. hizo cámaras de película en movimiento, en las que el movimiento continuo de la película proporcionaba la base de tiempo. La deflexión horizontal probablemente se desactivó, aunque un barrido muy lento habría extendido el desgaste del fósforo. Los TRC con fósforo P11 eran estándar o estaban disponibles. [15]
Los CRT de larga persistencia, que a veces se utilizan en osciloscopios para mostrar señales que cambian lentamente o eventos de un solo disparo, utilizan un fósforo como P7, que comprende una doble capa. La capa interior emitió una fluorescencia azul brillante por el haz de electrones, y su luz excitó una capa "exterior" fosforescente, directamente visible dentro de la envoltura (bombilla). Este último almacenó la luz y la liberó con un brillo amarillento con brillo decadente durante decenas de segundos. Este tipo de fósforo también se utilizó en pantallas PPI CRT analógicas de radar, que son una decoración gráfica (barra de luz radial giratoria) en algunas escenas de informes meteorológicos de televisión.
Circuito de barrido
La tecnología para el barrido horizontal, esa parte del osciloscopio que crea el eje de tiempo horizontal, ha cambiado.
Barrido sincronizado
Los primeros osciloscopios utilizaban un generador de forma de onda de diente de sierra sincronizado para proporcionar el eje del tiempo. El diente de sierra se haría cargando un condensador con una corriente relativamente constante; eso crearía un voltaje creciente. El voltaje ascendente se enviaría a las placas de deflexión horizontales para crear el barrido. La tensión ascendente también se enviaría a un comparador; cuando el capacitor alcanzara un cierto nivel, el capacitor se descargaría, la traza volvería a la izquierda y el capacitor (y el barrido) iniciarían otra travesía. El operador ajustaría la corriente de carga para que el generador de dientes de sierra tuviera un período un poco más largo que un múltiplo de la señal del eje vertical. Por ejemplo, cuando mira una onda sinusoidal de 1 kHz (período de 1 ms), el operador puede ajustar la frecuencia horizontal a un poco más de 5 ms. Cuando la señal de entrada estaba ausente, el barrido se ejecutaba libremente a esa frecuencia.
Si la señal de entrada estuviera presente, la pantalla resultante no sería estable en la frecuencia de funcionamiento libre del barrido horizontal porque no era un submúltiplo de la señal de entrada (eje vertical). Para solucionar eso, el generador de barrido se sincronizaría agregando una versión escalada de la señal de entrada al comparador del generador de barrido. La señal agregada haría que el comparador se disparara un poco antes y así sincronizarlo con la señal de entrada. El operador puede ajustar el nivel de sincronización; para algunos diseños, el operador puede elegir la polaridad. [16] El generador de barrido apagaría (conocido como supresión) el rayo durante el retroceso. [17]
La velocidad de barrido horizontal resultante no se calibró porque la velocidad de barrido se ajustó cambiando la pendiente del generador de dientes de sierra. El tiempo por división en la pantalla dependía de la frecuencia de funcionamiento libre del barrido y del control de ganancia horizontal.
Un osciloscopio de barrido sincronizado no podía mostrar una señal no periódica porque no podía sincronizar el generador de barrido con esa señal. Los circuitos horizontales solían estar acoplados a CA
Barrido activado
Durante la Segunda Guerra Mundial, algunos osciloscopios utilizados para el desarrollo de radares (y algunos osciloscopios de laboratorio) tenían los llamados barridos impulsados. Estos circuitos de barrido permanecieron inactivos, con el rayo del CRT cortado, hasta que un pulso de activación de un dispositivo externo abrió el CRT y comenzó una traza horizontal de velocidad constante; la velocidad calibrada permitió la medición de intervalos de tiempo. Cuando se completó el barrido, el circuito de barrido puso en blanco el CRT (apagó el haz), se reinició y esperó el siguiente pulso de control. El Dumont 248, un osciloscopio disponible comercialmente producido en 1945, tenía esta característica.
Los osciloscopios se convirtieron en una herramienta mucho más útil en 1946 cuando Howard Vollum y Melvin Jack Murdock introdujeron el osciloscopio de barrido disparado Tektronix Modelo 511 . Howard Vollum había visto por primera vez esta tecnología en uso en Alemania. El barrido disparado tiene un circuito que desarrolla el pulso de excitación del barrido conducido a partir de la señal de entrada.
El disparo permite la visualización estacionaria de una forma de onda repetida, ya que múltiples repeticiones de la forma de onda se dibujan exactamente sobre la misma traza en la pantalla de fósforo. Un barrido activado mantiene la calibración de la velocidad de barrido, lo que hace posible medir propiedades de la forma de onda como frecuencia, fase, tiempo de subida y otras, que de otro modo no serían posibles. [18] Además, la activación puede ocurrir a intervalos variables, por lo que no es necesario que la señal de entrada sea periódica.
Los osciloscopios de barrido disparado comparan la señal de deflexión vertical (o la tasa de cambio de la señal) con un umbral ajustable, denominado nivel de disparo. Además, los circuitos de disparo también reconocen la dirección de la pendiente de la señal vertical cuando cruza el umbral, ya sea que la señal vertical sea positiva o negativa en el cruce. A esto se le llama polaridad del disparador. Cuando la señal vertical cruza el nivel de disparo establecido y en la dirección deseada, el circuito de disparo abre el CRT y comienza un barrido lineal preciso. Una vez completado el barrido horizontal, el siguiente barrido se producirá cuando la señal vuelva a cruzar el umbral de activación.
Las variaciones en los osciloscopios de barrido disparado incluyen modelos que se ofrecen con CRT que utilizan fósforos de larga persistencia , como el tipo P7. Estos osciloscopios se utilizaron para aplicaciones en las que la velocidad de la traza horizontal era muy lenta, o había una gran demora entre barridos, para proporcionar una imagen de pantalla persistente. Los osciloscopios sin barrido disparado también podrían equiparse con barrido disparado utilizando un circuito de estado sólido desarrollado por Harry Garland y Roger Melen en 1971. [19]
A medida que los osciloscopios se han vuelto más potentes con el tiempo, las opciones de disparo mejoradas permiten capturar y mostrar formas de onda más complejas. Por ejemplo, la retención de disparo es una característica de la mayoría de los osciloscopios modernos que se puede utilizar para definir un cierto período después de un disparo durante el cual el osciloscopio no volverá a dispararse. Esto hace que sea más fácil establecer una vista estable de una forma de onda con múltiples bordes que de otro modo causarían otro disparo. [ cita requerida ]
Tektronix
Vollum y Murdock fundaron Tektronix , el primer fabricante de osciloscopios calibrados (que incluía una retícula en la pantalla y producía gráficos con escalas calibradas en los ejes de la pantalla). [ cita requerida ] Los desarrollos posteriores de Tektronix incluyeron el desarrollo de osciloscopios de trazas múltiples para comparar señales, ya sea por multiplexación de tiempo (mediante corte o alternancia de trazas) o por la presencia de múltiples cañones de electrones en el tubo. En 1963, Tektronix introdujo el tubo de almacenamiento biestable de visión directa (DVBST) , que permitía observar formas de onda de pulso único en lugar de (como antes) solo formas de onda repetidas. Usando placas de microcanal , una variedad de multiplicadores de electrones de emisión secundaria dentro del CRT y detrás de la placa frontal, los osciloscopios analógicos más avanzados (por ejemplo, el mainframe Tek 7104) podrían mostrar un rastro visible (o permitir la fotografía) de un solo -Shot event incluso cuando se ejecuta a velocidades de barrido extremadamente rápidas. Este osciloscopio pasó a 1 GHz.
En los osciloscopios de tubo de vacío fabricados por Tektronix, la línea de retardo del amplificador vertical era un marco largo, en forma de L por razones de espacio, que llevaba varias docenas de inductores discretos y un número correspondiente de condensadores cilíndricos ajustables de baja capacitancia ("trimmer"). Estos osciloscopios tenían canales de entrada verticales enchufables. Para ajustar los condensadores de la línea de retardo, un interruptor de láminas humedecido con mercurio lleno de gas a alta presión creaba pulsos de aumento extremadamente rápido que iban directamente a las etapas posteriores del amplificador vertical. Con un barrido rápido, cualquier desajuste creaba una caída o golpe, y tocar un capacitor hacía que su parte local de la forma de onda cambiara. Ajustar el condensador hizo desaparecer su golpe. Finalmente, resultó una parte superior plana.
Las etapas de salida de los tubos de vacío en los primeros osciloscopios de banda ancha usaban tubos de transmisión de radio, pero consumían mucha energía. Picofaradios de capacitancia a tierra de ancho de banda limitado. Un mejor diseño, llamado amplificador distribuido , usaba múltiples tubos, pero sus entradas (rejillas de control) estaban conectadas a lo largo de una línea de retardo LC con derivación, por lo que las capacitancias de entrada de los tubos se convirtieron en parte de la línea de retardo. Asimismo, sus salidas (placas / ánodos) estaban igualmente conectadas a otra línea de retardo con derivación, su salida alimentaba las placas deflectoras. Este amplificador solía ser push-pull, por lo que había cuatro líneas de retardo, dos para entrada (cuadrícula) y dos para salida (placa).
Osciloscopios digitales
El primer osciloscopio de almacenamiento digital (DSO) fue construido por Nicolet Test Instrument de Madison, Wisconsin. [ cita requerida ] Se utilizó un convertidor analógico-digital de baja velocidad (1 MHz, 12 bits) utilizado principalmente para análisis médicos y de vibración. [ cita requerida ] El primer DSO de alta velocidad (100 MHz, 8 bits) fue desarrollado por Walter LeCroy , quien fundó LeCroy Corporation de Nueva York, EE.UU., después de producir digitalizadores de alta velocidad para el centro de investigación CERN en Suiza. LeCroy (desde 2012 Teledyne LeCroy) sigue siendo uno de los tres mayores fabricantes de osciloscopios del mundo. [ cita requerida ]
A partir de la década de 1980, prevalecieron los osciloscopios digitales . Los osciloscopios de almacenamiento digital utilizan un convertidor de analógico a digital rápido y chips de memoria para grabar y mostrar una representación digital de una forma de onda, lo que proporciona mucha más flexibilidad para el disparo, el análisis y la visualización de lo que es posible con un osciloscopio analógico clásico. A diferencia de su predecesor analógico, el osciloscopio de almacenamiento digital puede mostrar eventos previos al disparo, abriendo otra dimensión al registro de eventos raros o intermitentes y la resolución de problemas de fallas electrónicas . A partir de 2006, la mayoría de los osciloscopios nuevos (además de los de educación y algunos nichos de mercado) son digitales.
Los osciloscopios digitales se basan en el uso eficaz de la memoria instalada y las funciones de activación: no hay suficiente memoria y el usuario se perderá los eventos que desea examinar; si el osciloscopio tiene una gran memoria pero no se dispara como se desea, el usuario tendrá dificultades para encontrar el evento.
Los DSO también llevaron a la creación de osciloscopios digitales portátiles (en la imagen), útiles para muchas aplicaciones de prueba y servicio de campo. Un osciloscopio de mano suele ser un osciloscopio en tiempo real, que utiliza una pantalla de cristal líquido monocromática o en color para su visualización.
Debido al aumento en la prevalencia de las PC, los osciloscopios basados en PC se han vuelto más comunes. La plataforma de PC puede ser parte de un osciloscopio independiente o como una PC independiente en combinación con un osciloscopio externo. Con los osciloscopios externos, se capturará una señal en un hardware externo (que incluye un convertidor de analógico a digital y una memoria) y se transmitirá a la computadora, donde se procesa y muestra.
Notas
- ↑ Hawkins (1917 , p. 1844) Fig. 2589
- ^ Hawkins (1917 , págs. 1841-1846)
- ↑ Hawkins (1917 , p. 1850), figura 2597.
- ↑ Hawkins (1917 , p. 1851), figura 2598
- ^ Hawkins (1917 , págs. 1849-1851)
- ↑ Hawkins (1917 , p. 1858), figura 2607
- ↑ Hawkins (1917 , p. 1855), figura 2620
- ↑ Hawkins (1917 , p. 1866), Figs. 2621–2623
- ↑ Hawkins (1917 , p. 1867), figura 2625
- ^ La ciencia de los sonidos musicales, de Dayton Clarence Miller, publicado alrededor de 1924
- ^ ¿Posiblemente a finales de 1800? Física de Ganot, ¿un texto de física del siglo XIX muy popular? IIrc, Miller también describió esto.
- ^ Abramson (1995 , p. 13)
- ↑ a b Kularatna, Nihal (2003). "Capítulo 5: Fundamentos de los osciloscopios" . Instrumentación digital y analógica: ensayo y medida . Institución de Ingeniería y Tecnología. pag. 165. ISBN 978-0-85296-999-1. Consultado el 19 de enero de 2011 .
- ↑ a b Burns (1998 , págs. 346–347)
- ^ Catálogo de osciloscopios, Allen B. DuMont Labs, posiblemente 1949
- ^ Manual del operador: Modelo KG-635 DC a 5.2 MC Osciloscopio de banda ancha de 5 " , Maywood, IL: Knight Electronics Corporation, 1965, p. 3,
Sincronización ... + interno, - interno, 60 cps y externo. La limitación de sincronización proporciona semi -operación automática con control de nivel. Se bloquea desde los fundamentos de la forma de onda hasta 5 mc. Se sincronizará en amplitudes de pantalla tan bajas como 0,1 [pulgada]
El amplificador de sincronización KG-635 utilizó un amplificador diferencial 12AT7 (V5). (id p. 15.) El control de nivel de sincronización desviaría el amplificador hacia el corte, por lo que la acción solo ocurriría cerca del final del barrido; la salida de sincronización fue un pulso negativo al generador de barrido; un limitador de pulso de diodo sujetó el pulso de sincronización. (id p. 18.) - ^ KG-635 p. 18 que dice, "El blanco de retroceso se obtiene de la placa de V-6A y se aplica al cátodo del CRT".
- ^ Spitzer y Howarth 1972 , p. 122
- ^ Garland, Harry; Melen, Roger (1971). "Agregue barrido disparado a su osciloscopio". Electrónica popular . 35 (1): 61–66.
Referencias
- Abramson, Albert (1995), Zworykin, pionero de la televisión , University of Illinois Press, ISBN 0-252-02104-5
- Burns, RW (1998), Televisión: una historia internacional de los años de formación , IET, ISBN 0-85296-914-7
- Hawkins, Nehemiah (1917), "Capítulo 63: Medición de la forma de onda", Guía eléctrica de Hawkins , 6 (2ª ed.), Theo. Audel y Co.
- Kularatna, Nihal (2003), "Capítulo 5: Fundamentos de los osciloscopios", Instrumentación digital y analógica - Pruebas y medición , Institución de ingeniería y tecnología, ISBN 978-0-85296-999-1
- Spitzer, Frank; Howarth, Barry (1972), Principios de la instrumentación moderna , Nueva York: Holt, Rinehart y Winston, ISBN 0-03-080208-3