La historia del osciloscopio fue fundamental para la ciencia porque un osciloscopio es un dispositivo para ver oscilaciones de formas de onda, como voltaje o corriente eléctrica, para medir la frecuencia y otras características de la onda. Esto fue importante en el desarrollo de la teoría electromagnética. Los primeros registros de formas de onda se realizaron con un galvanómetro acoplado a un sistema de dibujo mecánico que data de la segunda década del siglo XIX. El osciloscopio digital moderno es consecuencia de múltiples generaciones de desarrollo del oscilógrafo , los tubos de rayos catódicos , los osciloscopios analógicos y la electrónica digital .
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 giratorio en puntos específicos alrededor del eje del rotor y anotar las mediciones tomadas con un galvanómetro . Avanzando 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 automatizado parcialmente por primera vez por Jules François Joubert con su método paso a paso de medición de la forma de onda. Consistía en un conmutador especial de un solo contacto fijado 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 podría aparecer en un galvanómetro, que el técnico podría graficar manualmente. [2] Este proceso sólo pudo producir una aproximación muy aproximada de la forma de onda, ya que se formó durante un período de varios miles de ciclos de onda, pero fue el primer paso en la ciencia de la obtención de imágenes de formas de onda.
Los primeros oscilógrafos automatizados utilizaban un galvanómetro para mover un bolígrafo a través de un rollo o tambor de papel, capturando patrones de ondas en un rollo en continuo movimiento. Debido a la velocidad de frecuencia relativamente alta de las formas de onda en comparación con el lento tiempo de reacción 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 una forma promedio.
El dispositivo conocido como Hospitalier Ondograph se basó en este método de medición de la forma de onda. Cargó automáticamente un condensador de cada centésima onda y descargó la energía almacenada a través de un galvanómetro registrador, tomando cada carga sucesiva del condensador desde un punto un poco más alejado a lo largo de la onda. [5] (Estas mediciones de formas de onda todavía se promediaban a lo largo de muchos cientos de ciclos de onda, pero eran más precisas que los oscilogramas dibujados a mano).
Para permitir la medición directa de formas de onda, era necesario que el dispositivo de grabación 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 igualar la forma de onda.
Para realizar una medición de la forma de onda, se dejaría caer una diapositiva fotográfica más allá de una ventana por donde emerge el haz de luz, o se pasaría 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, todavía había margen de mejora debido a la necesidad de revelar las imágenes expuestas antes de poder examinarlas.
En la década de 1920, un pequeño espejo inclinable unido a un diafragma en el vértice de una bocina proporcionaba una buena respuesta de hasta unos pocos kHz, tal vez 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 variar la altura de la llama, y un polígono de espejo giratorio permitía vislumbrar las formas de onda. [11]
Los oscilógrafos de papel en movimiento que utilizaban papel sensible a los rayos UV 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.
Los tubos de rayos catódicos (CRT) se desarrollaron a finales del siglo XIX. En aquella época, 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 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 sólo una desviación 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 utilizó 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 mala estabilidad del vacío y de los emisores catódicos. La aplicación de un emisor termoiónico permitió reducir el voltaje de funcionamiento 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 en 1931 un tubo de rayos catódicos de alto vacío permanentemente sellado con un emisor termoiónico. 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 (posteriormente adquirida por Raytheon ). El CRT no era un verdadero tipo de doble haz, sino que utilizaba un haz dividido colocando una tercera placa entre las placas de desviación verticales. Fue ampliamente utilizado durante la Segunda Guerra Mundial para el desarrollo y mantenimiento de equipos de radar . Aunque era extremadamente útil para examinar el rendimiento de circuitos de impulsos, no estaba calibrado, por lo que no podía utilizarse como dispositivo de medición. Sin embargo, fue útil para producir curvas de respuesta de circuitos IF y, en consecuencia, una gran ayuda para su alineación precisa.
Laboratorios Allen B. Du Mont. Fabricaron 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. [15]
Los CRT de larga persistencia, a veces utilizados en osciloscopios para mostrar señales que cambian lentamente o eventos de un solo disparo, usaban un fósforo como el P7, que constaba de una doble capa. La capa interna emitía una fluorescencia azul brillante debido al haz de electrones, y su luz excitaba una capa "externa" fosforescente, directamente visible dentro de la envoltura (bombilla). Este último almacenó la luz y la liberó con un brillo amarillento que decaía 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.
La tecnología para el barrido horizontal, esa parte del osciloscopio que crea el eje de tiempo horizontal, ha cambiado.
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 fabricaría cargando un condensador 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 un cierto nivel, 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 dientes de sierra tuviera un período ligeramente más largo que un múltiplo de la señal del eje vertical. Por ejemplo, al observar una onda sinusoidal de 1 kHz (período de 1 ms), el operador podría ajustar la frecuencia horizontal a un poco más de 5 ms. Cuando la señal de entrada estaba ausente, el barrido se ejecutaría libremente a esa frecuencia.
Si la señal de entrada estuviera presente, la visualización resultante no sería estable en la frecuencia libre del barrido horizontal porque no era un submúltiplo de la señal de entrada (eje vertical). Para solucionar este problema, el generador de barrido se sincronizaría añadiendo 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 lo sincronizaría con la señal de entrada. El operador podría ajustar el nivel de sincronización; para algunos diseños, el operador puede elegir la polaridad. [16] El generador de barrido apagaría (lo que se conoce como supresión) el haz durante el retroceso. [17]
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 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 en CA.
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 del CRT cortado, hasta que un pulso de accionamiento de un dispositivo externo abrió el CRT e inició un trazo horizontal de velocidad constante; la velocidad calibrada permitió medir intervalos de tiempo. Cuando se completó el barrido, el circuito de barrido blanqueó el CRT (apagó el haz), se reinició y esperó el siguiente pulso de accionamiento. 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 vio por primera vez esta tecnología en uso en Alemania. El barrido activado tiene un circuito que desarrolla el pulso del barrido impulsado a partir de la señal de entrada.
La activación permite la visualización estacionaria de una forma de onda repetida, ya que se dibujan múltiples repeticiones de la forma de onda exactamente sobre el mismo trazo en la pantalla de fósforo. Un barrido activado mantiene la calibración de la velocidad del 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. [18] Además, la activación puede ocurrir en 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 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 del disparador. Cuando la señal vertical cruza el nivel de disparo establecido y en la dirección deseada, el circuito de disparo desbloquea el CRT e inicia un barrido lineal preciso. Después de completar 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 trazado horizontal era muy lenta o había un gran retraso entre barridos, para proporcionar una imagen de pantalla persistente. Los osciloscopios sin barrido activado también podrían equiparse con barrido activado 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 del disparo es una característica de la mayoría de los osciloscopios modernos que se puede utilizar para definir un período determinado 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 otro modo, provocarían otro disparo. [ cita necesaria ]
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). [ cita necesaria ] Los desarrollos posteriores de Tektronix incluyeron el desarrollo de osciloscopios de trazas múltiples para comparar señales ya sea por multiplexación en el 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. Utilizando placas de microcanales , 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 llegó 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 condensadores de la línea de retardo, un interruptor de láminas humedecido con mercurio lleno de gas a alta presión creó 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 condensador hacía que su parte local de la forma de onda cambiara. Ajustar el condensador hizo que su golpe desapareciera. Al final, el resultado fue una parte superior plana.
Las etapas de salida de tubos de vacío de los primeros osciloscopios de banda ancha utilizaban tubos transmisores de radio, pero consumían mucha energía. Picofaradios de capacitancia a tierra con ancho de banda limitado. Un diseño mejor, llamado amplificador distribuido , usaba múltiples válvulas, pero sus entradas (rejillas de control) estaban conectadas a lo largo de una línea de retardo LC roscada, por lo que las capacitancias de entrada de las válvulas se convirtieron en parte de la línea de retardo. Además, sus salidas (placas/ánodos) estaban igualmente conectadas a otra línea de retardo derivada, cuya salida alimentaba las placas de desviación. Este amplificador era a menudo push-pull, por lo que había cuatro líneas de retardo, dos para entrada (cuadrícula) y dos para salida (placa).
El primer osciloscopio de almacenamiento digital (DSO) fue construido por Nicolet Test Instrument de Madison, Wisconsin. [ cita necesaria ] Utilizaba un convertidor analógico a digital de baja velocidad (1 MHz, 12 bits) utilizado principalmente para análisis médicos y de vibración. [ cita necesaria ] 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 necesaria ]
A partir de la década de 1980, los osciloscopios digitales se hicieron frecuentes. Los osciloscopios de almacenamiento digital utilizan un rápido convertidor 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 la activación, 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 a la resolución de problemas de fallas electrónicas . En 2006, la mayoría de los osciloscopios nuevos (aparte de los educativos y algunos nichos de mercado) son digitales.
Los osciloscopios digitales dependen del uso eficaz de la memoria instalada y de las funciones de activación: si no hay suficiente memoria, el usuario se perderá los eventos que desea examinar; Si el osciloscopio tiene mucha memoria pero no se activa como se desea, el usuario tendrá dificultades para encontrar el evento.
Los DSO también llevaron a la creación de osciloscopios digitales portátiles, útiles para muchas aplicaciones de pruebas y servicios de campo. Un osciloscopio portátil suele ser un osciloscopio en tiempo real y utiliza una pantalla de cristal líquido monocromática o en color para su visualización.
Debido al aumento de 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 PC independiente en combinación con un osciloscopio externo. Con los osciloscopios externos, se capturará una señal en un hardware externo (que incluye un convertidor analógico a digital y una memoria) y se transmitirá a la computadora, donde se procesará y mostrará.
Sincronización ... + interna, - interna, 60 cps y externa. La limitación de sincronización proporciona Operación semiautomática con control de nivel. Bloquea los fundamentos de la forma de onda hasta 5 mc. Se sincronizará en amplitudes de pantalla tan bajas como 0,1 [pulgadas].El amplificador de sincronización KG-635 utilizó un amplificador diferencial 12AT7 (V5). (id p. 15.) El control de nivel de sincronización polarizaría el amplificador hacia el corte, de modo 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. (identificación pág. 18.)