了解示波器的历史和由来_中国教育装备采购网
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    中国教育装备采购网 2017/10/19 13:05:12 围观399次 我要分享

      中国为什么没有高端示波器?

      有些事情并不能持续的深入研究,唯有市场的持续需求不断刺激技术进步,就像战争那样,技术才可能有巨大的飞跃。另外,一些其他技术的进步,比如电子计算机,也与仪器的发展相辅而成,这也带来了思维的全面改观。

      示波器作为电测行业最基本的综合性仪器,设计和制造他所涉及的领域也十分广泛,从半导体到特种材料,从机加工到电子设计无所不涉及。这就需要强大完善的工业体系作为支撑。但是苏联早期无不具有这一切?为什么苏联没有做起来呢?其实认为市场也是很关键的,仅依靠国家力量,可能能在短时间内集中攻关力量解决一个难题,随后投入其他难题的处理中。有些事情并不能持续的深入研究,唯有市场的持续需求不断刺激技术进步,就像战争那样,技术才可能有巨大的飞跃。另外,一些其他技术的进步,比如电子计算机,也与仪器的发展相辅而成,这也带来了思维的全面改观。

      涉及到示波器相关的具体技术,从60年代以前,一般来说我国和外国的差距不是特别的大,因为大家都用电子管,这个东西无非对工业机械设备有一定的要求,主要是冲压和焊接等等,另外电子管特殊的阴极涂层材料也对性能影响至关重要,不过这一切都不是遥不可及的。此外这个时期的示波器带宽通常还没有超过40MHz,确实难度不是特别大,这个阶段我们和技术储备方面没有太大差距,主要是因为需求也不是太多,导致产品无论从工艺还是结构,都有些落后。

      示波器的局部,可以看到底板上还印有很多文字提示,比较精细。

      顺便说一说这个时代的制造工艺,因为电子管本身体积较大,而且多半随着高压大电流,所用的器件体积也很大,无论国内还是国外都是这样安装元器件的,也就是元件安装在支架上,然后用线相互连接。这种方式国内俗称搭棚焊接。

      进入60年代中期,一些半导体器件开始逐渐取代电子管的地位,此时示波器的带宽开始达到100MHz。在这个时期电子计算机的应用也开始逐渐推广开,这导致对示波器有更多的需求。此时(大约1965年),HP公司也发布HP-IB总线,后来这种技术在70年代标准化成为IEEE488也就是GPIB。通过这种控制总线,计算机可以控制电子仪器工作,采集仪器的数据并且进行分析。这使得我们对数据的使用和理解上升到一个新的高度,同时催生了自动化测量系统的概念,他带来了更高的效率和更好的精确性。而此时国内仍未太多进步。高带宽示波管对加工技术和设计提出了十分高的要求,电子计算机更是全国都没有多少。

      由于晶体管缩小了体积和功耗,印刷电路板技术开始推广,通过PCB板,电子元件可以被快速有序的安装,同时减小了寄生参数。于是电路板的制造工业技术也同步跟进发展。

      这段视频是1969年泰克拍摄的有关PCB板从设计到生产的全过程,可以看看当时是如何做的。可以提示一下,上方图片优雅的曲线完全都是人工绘制出来的。

      图片来自一位老前辈DIY,不过当时国内的PCB基本上也就是这样。看起来粗糙的多。主要方法是给每个元件的安装点打孔并打铆钉,然后焊接在铆钉上,反面相互连接起来。这样的工艺效率低,安装密度也低。这些辅助工业也严重影响仪器的集成度提高。

      进入70年代,我们的浩劫仍在继续。而美国佬的微波半导体技术突飞猛进,微电子集成电路技术更是日新月异,这个时段常规示波器带宽到达350MHz,特种示波器可达1GHz。同时半导体技术的更进一步发展使得示波器完全可程控化,也可以进行数字化采集。比如同年代的模拟示波器已经具有微处理器了,可以在荧光屏上直观的读出测量参数,又可以将参数和波形传递给计算机。直到几十年后国产的模拟示波器才开始具有这种能力。而此时我们半导体工业止步不前,还只能生产普通逻辑门电路。当然8086一类的CPU也仿制出来过,不过想想也是,1没人会用,2成本高得吓人,3利用这些东西去做测量仪器,极大的增加仪器成本和复杂程度,却没有足够的计算机与之相配套。此时的测量需求主要依靠进口满足(中美关系还凑合)。在此时代,由于仪器以及军方需求,美国佬开始制作4层电路板,并且使用了早期的计算机进行EDA辅助电路设计。

      比如...不比真的不知道差距有多大

      80年代是PC和小霸王腾飞的时代。在此时代得益于众多行业对超大规模电路的需求,示波器也跟着沾光,进入了数字时代。由于雷达等特殊需求,砷化镓半导体技术快速成长,同时应用在网络分析仪,频谱分析仪等射频测量仪器内。这些其他领域的技术铺垫为高性能数字示波器铺平了道路。而国内由于相关产业稀缺,在此时出现了极大的技术断层,并且直到今天也未能追上。如果有兴趣的话可以看看80年代的美国各种小霸王,有用各种各样的CPU的,比如Z80,MC6800,MC68000,6502等等。不得不说市场起了巨大作用,由于制造这些消费电子产品,对于电测仪器自然也有巨大的需求了。在这个时期,元器件密度极大的提高,也促进了SMD表面贴装技术的成熟,这代表着电路的集成度,稳定性,生产速度的大幅度提高。

      90年代初,随着计算机以及各种网络系统的日益复杂,对于测量仪器也提出了更高的要求。这时以HP54600系列和泰克TDS500系列为主要代表的高性能数字示波器登场。经过长期的技术积累,此时的数字示波器融合了先进的半导体技术,比如微计算机,DSP,CPLD,以及专门设计的ASIC和代表核心技术的ADC,触发控制器等等。在软件方面也是各种先进测量算法的集合。可以说无论从哪一方面,在那个年代我们的差距不是一点半点。毕竟造个286的零件都不能完全国产化,何谈更先进的示波器呢?

      所以说题主的问题在我看来其实很宽泛,他涉及到多个领域。虽说可能从一台仪器仪器本身来看,就主要被限制在几个关键的器件上.但是想要做出这些东西绝非组织几次全国性技术攻关就能得来相应的成果,他是长期积累和进步的产物,也是智慧的结晶.同时也是顺应时代发展和市场需求的必然结果。

      以下,通过简单看看示波器的发展史来更深入的理解技术积累的概念.也顺便看看前辈们的脑洞

      古时候(90年代以前)。HP尚未被拆分,所以他也生产电测仪器,而且是靠着仪器发家的。拆分以后电测与生化测量叫做agilent (现电测再次拆分叫keysight)。半导体技术叫avago.同样泰克公司曾经旗下有MAXTEK公司,来设计和制造本公司仪器所需的特殊定制件。

      01:史前时代

      电子示波器的起点并不容易查证,所以史前时代由示波器的操作特性来划分。如今我们最常使用的可能是边沿触发模式,甚至通常认为这就是示波器的一部分基本功能。实际上在TEK 511之前,示波器并不具备触发能力。此时的示波器为了稳定显示波形,采用了一种叫做同步扫描的技术。示波器以固定的频率进行自由扫描,从而显示波形。为了使波形稳定,他也具有简单的比较器控制,来确定何时开始扫描。不过由于扫描时间的不定性,示波管的时间轴也不稳定。这种示波器不能进行精确的时间测量,也不能观察非周期性信号。

      1947年,泰克发布了他的第一个产品:511型示波器。

      与他的前辈最大的不同之处在于,他首次拥有了精确的触发系统,其实就是我们今日所能见到的每一台示波器都具有的边沿电平触发。当输入波形满足触发比较器设定的极性与门限时,示波器开始按照时基旋钮所设定的时间完成一次扫描。这样可以通过调节触发电平来确定每次扫描在波形上的起点,同时每一次扫描的时间又是已知的,通过数屏幕上的格子就可以对被测信号进行准确的时域分析。这是一个巨大的飞跃,其中简单的原理已然成为今日每一台示波器所必需的功能,不得不说他是现代示波器的起点。

      01:固态化,小型化

      在射频半导体技术突飞猛进的60年代,像HP和TEK这样的公司都迫切需要高性能的固态放大器以及各种电子管的替代器件,由于通用器件公司不能提供这些部件,他们分别建立自己的研发部门满足内需。由于军方也有巨大的需求量所以最重要的资金自然不是问题。以示波器来说,要把带宽做高,需要亮度更高,聚焦更精确,摆率更快的示波管,同样也需要高速的前置放大器/Y轴放大器。从60年代开始,除了示波管以外的其他电子管,都将被晶体管和集成电路取代。

      1959年末期开始面世的泰克555型示波器,带宽30MHz,使用完全的电子管结构制作,功耗和体积巨大,小推车底部一层是他的电源箱.....显然这样的示波器显得太过巨大,以至于离开他的小车简直无法使用。

      60年代初,随着晶体管的量产难题被逐渐解决,开始了仪器固态化的进程,此时泰克推出321型示波器。他几乎全部使用晶体管制作,早期型号内尚有一部分电子管工作在高压区域,后期型号通过新型的晶体管进一步取代了他们。这个阶段的示波器缩小,重量减轻。终于可以从推车上拿下来,放在桌面上,或者轻松的移动到一些特殊的测量现场。

      巨量的市场需求刺激他们自己开发所需的一切配件,并且带动了一些其他工业项目,比如玻璃的精密加工设备,金属的冲压设备。60年代末期美国佬已经可以制造精密的内刻线示波管。即示波管屏幕上的格子是刻在示波管内部的玻璃面上的。这样读数误差更小。而同年代国产示波器全部都是刻在压克力片上然后放在荧光屏前边,从不同角度看就有不同的误差。再加上没有实际的需求,一直到80年代后期可能才生产了小部分内刻线示波管,主要用于超声波探伤仪。

      我手头的两个示波管,分别来自TEK 212和2430示波器,两个管子大约都是70-80年代的产品,有细致的内刻线,有光照的时候能十分清晰的显现出来(在示波器上有钨丝灯泡背光)。

      一台非常小的TEK 212手持模拟示波器,大约是80年代初期的产物,主要供应军方需求。带宽0.5MHz。

      示波管内精密又漂亮的加速电极,这些电极使得电子束带有相当高的能量,借此示波器可以在高扫速下仍然具有足够的亮度进行观察。

      好了,说的有点远。回来继续

      02:高集成度与模块化、自动化、数据分析

      到底何时集成电路进入示波器,这点我确实翻了很多资料也难以确定。

      不过我司曾经有一台老前辈留下来的泰克485,他是1972年面世的,公司这一台是1978年左右生产的,他带宽350MHz,在当时属于国产货望尘莫及的境界。并且内部十分的复杂,制造工艺相当精良。遗憾的时候有一天我在摆弄他的时候,突然就黑屏了,风扇也不再转动。怀疑是开关电源出了问题(没错,1972年的时候已经用上了开关电源)。然后现场拆解准备检修,拆开发现这也太复杂了。整个机子里里外外都被PCB板包裹,电源在中心...于是草草拍了些照片给装回去了。送回仓库睡觉。好了不再废话了,上图:

      还能开机时候的遗照

      漂亮的面板,有一部分按钮的背光还是钨丝灯泡。

      机子后部的端口,可以看出来这个时期就已经有有源探头了:他有两个有源探头供电接口。

      拆掉后边的螺丝,拔出外壳。密密麻麻的全是板子

      示波管上的产品检验签名。

      TEK当时所定制的奇特的集成电路。

      有一大堆...

      输入通道部分,也十分的复杂。

      我闲暇之余收来的个别集成电路,中间那颗外形奇特的就是TEK自己的定制产品。这些东西对于我们当时的技术人员来说就是看天书一般,难以猜透他的具体用途。集成电路以及微处理器的进一步出现给示波器的自动化开了条好路,作为老大的泰克自然不会放过这次狠狠开脑洞的机会~

      1970年代中期,各方面条件具备,时机成熟.泰克推出了7000系列模块化示波器.再一个主机显示单元内安装各种模块来定义仪器的各种功能

      而且它具有各种各样的模块...

      具体可以看这里,是在是太多了。比如示波器所需的水平与垂直模块,频域与时域相交叉的TDR模块,射频所需要的频率计,频谱分析仪模块。当时数字电路验证所需的逻辑分析仪模块....

      当然,无论他如何魔改,他还是模拟示波器。模拟示波器有诸多不便,比如带宽较低,无法存储等,在高速数字模拟转换器尚不发达的70年代,高能物理实验以及微波和雷达系统的测量迫切需要高带宽,能存储的模拟示波器。于是产生了一些真正的黑科技产物(绝对不同于某米宣传的那些)。先说带宽,常规的模拟示波器,就是说用人眼看屏幕的那种,最高纪录保持者是日本岩崎公司的产品(应该也是80年代末)(型号我实在是没记住),他带宽高达470MHz!而80年代泰克的产品实际上只能到达400MHz(2467B型)。由于普通台式示波器的示波管显示面积较大,电子束行程较长,Y轴驱动能力不可能无限制的加大,因而限制了示波器的总体带宽,所以有些示波管的带宽可以达到600MHz,但是驱动电路很难做到这样的水平。

      再说存储,各位都知道:模拟示波器如果使用单次触发,波形从荧光屏上一扫而过,经过几个ms的余辉以后就永远的消逝了。于是技术出现了两种方向,一种是示波器照相机。这种专用的相机安装在示波器屏幕上并保持快门一直打开,示波器触发结束以后再关闭快门完成一次曝光。这是一种机灵的做法,但是每次想看到记录下的波形都需要冲洗胶片。

      两台安装了专用照相机的示波器,看起来有点诡异

      相机侧面的一些调整选项,比如对焦,光圈,快门速度,走片速度等。

      TEK在1973年的一本小册子,讲示波器相机的应用。

      出于示波器相机繁琐的使用方式,所以还具另一种技术,也就是记忆示波管。这种示波管在荧光屏后方安装了特殊的存储栅极,同时示波管内有专用的读出电子枪。在主电子枪完成一次扫描后,栅极上留下电子空隙。然后读出电子枪打开,向存储栅极均匀的发射电子幕,一部分被存储栅极阻挡,另一部分透过栅极照射到荧光屏上,存储的波形被复现出来。

      存储示波管的结构简图,可以看出来他多了两个FLOOD GUNS以及一组置于荧光屏后边的栅极。不过这种示波管只能存储几分钟,随后就因为电子泄露而模糊掉。后期代表型号有HP公司的1741A型。这种特殊的电子管也被用于雷达显示屏和早期计算机的RAM存储器。这种示波管对机械结构要求更加精密一些,带宽不高的管子我们国内也能成功生产。

      我的1741A示波器

      此时示波器并没连接探头,屏幕上正显示着刚存储下的波形。

      数分钟后,波形开始模糊,最终变成一屏绿光。

      1741A的示波管,这个角度可以看到具有白色陶瓷后盖的读出电子枪。

      这展示了在存储模式下的低速扫描过程,首先全屏幕绿光,这是进行了示波管"擦除",随后一次接一次的扫描,首次扫描结束后波形仍然没有消失。

      我国1973年生产的SC-7存储管,他将荧光粉换成了电子靶,用于记录和读出数据。

      到了70年代中期,电子计算机也小型化,他们被更多的应用在测量的控制与分析领域。这就需要电子仪器可以记录他的测量结果并且数字化。对于示波器这似乎是个难题,因为当时并不能生产出高带宽高采样的ADC。此时美国佬又动起了歪脑筋,这次,泰克公司研发出了7912型(大约1973年)数字化仪(Digitizer)。

      这类设备的广告小册子,着重宣传了他与计算机的连接能力。

      他仍然使用模拟示波管,带宽高达1GHz,如果等效到数字示波器的采样率,则大约是2Gsa。同时能够提供大约12bit动态范围的数字化波形输出。他是怎么做到的呢?泰克使用了扫描变换管技术(Scan conversation tube).这是一种颇为奇妙的示波管,他有两头,一头是示波管,负责波形扫描,另一边是摄像管,用于图像记录(CCD尚未大批量应用之前的产物)。两个管子的中央是记录靶。示波管发射扫描电子束到记录靶,然后由摄像管和低速AD转换器输出,完成对于高速信号的记录。

    点击进入北京美华仪科技有限公司展台查看更多 来源:中国教育装备采购网 作者:北京美华仪科技有限公司 责任编辑:李瑶瑶 我要投稿
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