Historia del osciloscopio

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 moderno es una consecuencia del desarrollo de múltiples generaciones del oscilógrafo, los tubos de rayos catódicos, los osciloscopios analógicos y la electrónica digital.

Oscilogramas dibujados a mano

El método más antiguo 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 giratorio 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 al registrar los grados de rotación y la fuerza del medidor en cada posición.

Este proceso fue automatizado parcialmente por primera vez por Jules François Joubert [ fr ] con su método paso a paso de medición de forma de onda. Este consistía en un conmutador especial de un solo contacto unido al eje de un rotor giratorio. El punto de contacto podría moverse alrededor del rotor siguiendo una escala indicadora de grados precisa y la salida aparece en un galvanómetro, para ser graficada a mano por el técnico. Este proceso solo podía 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.

Oscilógrafo automático de papel

Los primeros oscilógrafos automatizados usaban un galvanómetro para mover un bolígrafo a través de un rollo o tambor de papel, capturando patrones de onda en un rollo en movimiento continuo. 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 mediante la combinación de 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 forma de onda. Cargaba automáticamente un condensador de cada 100 ondas y descargaba la energía almacenada a través de un galvanómetro registrador, y cada carga sucesiva del condensador se tomaba de un punto un poco más lejos a lo largo de la onda. (Tales medidas de forma de onda aún se promediaban durante muchos cientos de ciclos de onda, pero eran más precisas que los oscilogramas dibujados a mano).

Oscilógrafo fotográfico

Para permitir la medición directa de las formas de onda, era necesario que el dispositivo de registro utilizara un sistema de medición de muy baja masa que pudiera moverse con suficiente velocidad para igualar el movimiento de las ondas reales que se estaban 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 coincidir con la forma de onda.

Para realizar una medición de forma de onda, se dejaría caer una diapositiva fotográfica más allá de una ventana donde emerge el haz de luz, o se desplazaría un rollo continuo de película cinematográfica a través de la apertura para registrar la forma de onda a lo largo del tiempo. Aunque las mediciones fueron mucho más precisas que las de los registradores de papel incorporados, todavía había espacio para mejorar debido a que se tenían que revelar las imágenes expuestas antes de poder examinarlas.

Espejo basculante

En la década de 1920, un pequeño espejo basculante unido a un diafragma en el vértice de una bocina proporcionó 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.

Incluso antes, el audio aplicado a un diafragma en la alimentación de gas a una llama hizo variar la altura de la llama, y ​​un polígono de espejo giratorio permitió vislumbrar las formas de onda.

Los oscilógrafos de papel móvil que utilizan papel sensible a los rayos UV y galvanómetros de espejo avanzados proporcionaron registros multicanal a mediados del siglo XX. La respuesta de frecuencia estaba en al menos el rango de audio bajo.

Invención CRT

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 de la física en 1897, aplicando una señal oscilante a placas deflectoras cargadas eléctricamente en un CRT recubierto de fósforo. Los tubos de 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 desviación vertical aplicada a las placas internas, la cara del tubo se observó a través de un espejo giratorio para proporcionar una base de tiempo horizontal. En 1899, Jonathan Zenneck equipó el tubo de rayos catódicos con placas formadoras de haz y utilizó un campo magnético para barrer la traza.

Los primeros tubos de rayos catódicos se habían aplicado experimentalmente a mediciones de laboratorio ya en 1919, pero sufrían de poca estabilidad del vacío y de los emisores catódicos. La aplicación de un emisor termoiónico permitió que el voltaje 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.

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 entorno de laboratorio.

El primer osciloscopio de doble haz fue desarrollado a fines de la década de 1930 por la empresa británica ACCossor (más tarde adquirida por Raytheon). El CRT no era un verdadero tipo de doble haz, sino que usaba un haz dividido hecho colocando una tercera placa entre las placas de desviación vertical. Fue ampliamente utilizado durante la Segunda Guerra Mundial para el desarrollo y mantenimiento de equipos de radar. Aunque extremadamente útil para examinar el rendimiento de los circuitos de pulsos, no estaba calibrado, por lo que no podía usarse como dispositivo de medición. Sin embargo, fue útil para producir curvas de respuesta de circuitos de FI y, en consecuencia, una gran ayuda para su alineación precisa.

Laboratorios Allen B. Du Mont. hizo cámaras de película en movimiento, en las que el movimiento continuo de la película proporcionaba la base de tiempo. La desviación horizontal probablemente estaba desactivada, aunque un barrido muy lento habría extendido el desgaste del fósforo. Los CRT con fósforo P11 eran estándar o estaban disponibles.

Los CRT de larga persistencia, que a veces se usan en osciloscopios para mostrar señales que cambian lentamente o eventos de un solo disparo, usaban un fósforo como P7, que constaba de una doble capa. La capa interna emitió una fluorescencia azul brillante por el haz de electrones, y su luz excitó una capa "externa" fosforescente, directamente visible dentro de la envoltura (bombilla). Este último almacenó la luz y la liberó con un brillo amarillento con un brillo decreciente durante decenas de segundos. Este tipo de fósforo también se usó 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 usaban un generador de forma de onda de diente de sierra sincronizado para proporcionar el eje de tiempo. El diente de sierra se haría cargando un capacitor con una corriente relativamente constante; eso crearía un voltaje creciente. El voltaje creciente se alimentaría a las placas de desviación horizontales para crear el barrido. El voltaje creciente también se alimentaría a un comparador; cuando el capacitor alcanzara cierto nivel, el capacitor se descargaría, la traza regresaría a la izquierda y el capacitor (y el barrido) comenzarían otra travesía. El operador ajustaría la corriente de carga para que el generador de diente de sierra tuviera un período ligeramente más largo que un múltiplo de la señal del eje vertical. Por ejemplo, al mirar una onda sinusoidal de 1 kHz (período de 1 ms), el operador puede ajustar la frecuencia horizontal a un poco más de 5 ms.

Si la señal de entrada estuviera presente, la visualización 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 arreglar eso, el generador de barrido se sincronizaría agregando una versión escalada de la señal de entrada al comparador del generador de barrido. La señal añadida haría que el comparador se disparara un poco antes y así sincronizarlo con la señal de entrada. El operador podría ajustar el nivel de sincronización; para algunos diseños, el operador puede elegir la polaridad. El generador de barrido apagaría (lo que se conoce como supresión) el haz durante el retroceso.

La velocidad de barrido horizontal resultante no estaba calibrada 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 de un 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 a menudo estaban acoplados a CA

Barrido desencadenado

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 haz de CRT cortado, hasta que un pulso de activación de un dispositivo externo desconectó el CRT e inició un trazo horizontal de velocidad constante; la velocidad calibrada permitía la medición de intervalos de tiempo. Cuando se completó el barrido, el circuito de barrido anuló el CRT (apagó el haz), se reinició y esperó el siguiente pulso de activación. El Dumont 248, un osciloscopio comercialmente disponible producido en 1945, tenía esta función.

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 desencadenado tiene un circuito que desarrolla el impulso de activación del barrido impulsado a partir de la señal de entrada.

La activación permite la visualización estacionaria de una forma de onda repetitiva, ya que se dibujan múltiples repeticiones de la forma de onda exactamente sobre la misma traza en la pantalla de fósforo. Un barrido disparado mantiene la calibración de la velocidad de barrido, lo que permite medir propiedades de la forma de onda, como la frecuencia, la fase, el tiempo de subida y otras, que de otro modo no serían posibles. 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 desviación vertical (o la tasa de cambio de la señal) con un umbral ajustable, denominado nivel de disparo. Además, los circuitos de activación 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. Esto se llama polaridad de disparo. Cuando la señal vertical cruza el nivel de activación establecido y en la dirección deseada, el circuito de activación desbloquea el CRT e inicia un barrido lineal preciso. Después de completar el barrido horizontal, el próximo barrido ocurrirá cuando la señal cruce nuevamente el umbral de activación.

Las variaciones en los osciloscopios de barrido activado incluyen modelos ofrecidos con CRT que utilizan fósforos de larga persistencia, como el tipo P7. Estos osciloscopios se usaban para aplicaciones en las que la velocidad de la traza horizontal era muy lenta o había un largo retraso entre los barridos para proporcionar una imagen de pantalla persistente. Los osciloscopios sin barrido activado también se pueden adaptar con barrido activado utilizando un circuito de estado sólido desarrollado por Harry Garland y Roger Melen en 1971.

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 disparar. Esto hace que sea más fácil establecer una vista estable de una forma de onda con múltiples bordes que, de lo contrario, provocarían otro disparo.

Tektronix

Vollum y Murdock fundaron Tektronix, el primer fabricante de osciloscopios calibrados (que incluían una retícula en la pantalla y producían gráficos con escalas calibradas en los ejes de la pantalla).Los desarrollos posteriores de Tektronix incluyeron el desarrollo de osciloscopios de trazas múltiples para comparar señales mediante multiplexación en el tiempo (mediante corte o alternancia de trazas) o mediante la presencia de múltiples cañones de electrones en el tubo. En 1963, Tektronix introdujo el tubo de almacenamiento biestable de visualización directa (DVBST), que permitía observar formas de onda de un solo pulso 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 -evento de disparo incluso cuando se ejecuta a velocidades de barrido extremadamente rápidas. Este osciloscopio fue 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 ("recortadores") de baja capacitancia. Estos osciloscopios tenían canales de entrada verticales enchufables. Para ajustar los capacitores de la línea de retardo, un interruptor de lengüeta humedecido con mercurio lleno de gas a alta presión creaba pulsos de aumento extremadamente rápido que iban directamente a las últimas etapas del amplificador vertical. Con un barrido rápido, cualquier desajuste creaba una caída o un bache, y tocar un capacitor hacía que su parte local de la forma de onda cambiara. Ajustar el capacitor hizo que su protuberancia desapareciera. Eventualmente, resultó una parte superior plana.

Las etapas de salida de tubos de vacío en los primeros osciloscopios de banda ancha usaban tubos transmisores de radio, pero consumían mucha energía. Picofaradios de capacitancia a tierra ancho de banda limitado. Un mejor diseño, llamado amplificador distribuido, usaba múltiples válvulas, pero sus entradas (rejillas de control) estaban conectadas a lo largo de una línea de retardo LC con derivaciones, por lo que las capacitancias de entrada de las válvulas se convirtieron en parte de la línea de retardo. Además, sus salidas (placas/ánodos) también estaban conectadas a otra línea de retardo con tomas, cuya salida alimentaba las placas deflectoras. Este amplificador a menudo era 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. Utilizaba un convertidor de analógico a digital de baja velocidad (1 MHz, 12 bits) utilizado principalmente para análisis médico y de vibraciones. El primer DSO de alta velocidad (100 MHz, 8 bits) fue desarrollado por Walter LeCroy, quien fundó LeCroy Corporation de Nueva York, EE. UU., luego 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.

A partir de la década de 1980, los osciloscopios digitales se hicieron predominantes. Los osciloscopios de almacenamiento digital utilizan un convertidor rápido de analógico a digital y chips de memoria para registrar y mostrar una representación digital de una forma de onda, lo que brinda 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 para el registro de eventos raros o intermitentes y la resolución de problemas de fallas electrónicas. A partir de 2006, la mayoría de los osciloscopios nuevos (aparte de la 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: si no hay suficiente memoria, el usuario se perderá los eventos que desea examinar; si el osciloscopio tiene una memoria grande pero no se dispara como se desea, el usuario tendrá dificultades para encontrar el evento.

Los DSO también condujeron a la creación de osciloscopios digitales portátiles, 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, una señal se capturará en un hardware externo (que incluye un convertidor de analógico a digital y una memoria) y se transmitirá a la computadora, donde se procesará y mostrará.