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回顾示波器的发展史:高集成度与模块化、自动化、数据分析

专家
2020-04-23 08:40:47    评分

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

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漂亮的面板,有一部分按钮的背光还是钨丝灯泡。

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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。

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拆掉后边的螺丝,拔出外壳。密密麻麻的全是板子

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示波管上的产品检验签名。

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TEK当时所定制的奇特的集成电路。

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有一大堆...  输入通道部分,也十分的复杂。

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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~

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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。

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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。

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两台安装了专用照相机的示波器,看起来有点诡异

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C-53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。

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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****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。

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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。

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我的1741A示波器

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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。

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数分钟后,波形开始模糊,最终变成一屏绿光。

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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。

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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。

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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)。

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7912AD数字化仪

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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****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。

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7912数字化仪使用的SC108扫描变换管。

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这个玩意长的可以称之为刷屏神器了~

这相当于一个模拟FIFO。解决了当时的技术难题,这种管子一直被泰克公司应用到80年代末期,用来生产SCD5000系列数字化仪。

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SCD5000数字化仪,这次他有了一个可以选装的液晶屏,用来查看记录下来的波形。

后来与SCD5000同样的技术在01年左右由日本岩崎公司推出TS-80000系列示波器,不过摄像管换成了CCD,LeCroy LA354还是什么玩意也是这样的,其实是岩崎贴牌的。而此时泰克的数字示波器早已跨过10Gsa采样率的大关,并且达到20Gsa(TDS7404/7254)。

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TS-80000系列的宣传说明,简略的展示了一下扫描变换管的结构。其实就是CCD拍示波管,只不过示波管靶面很小,更容易做到高带宽。

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TS-80000与他的屏幕截图。这台液晶示波器用这样机智的办法实现了模拟示波器的效果,又能存储和测量。

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LA354,其实也是日本人代工的。

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除了数字化仪,70-80年代也有一些结构正统的数字示波器。其中数字示波器的先驱据说是英国的Nicolet公司,他们制造了第一台数字示波器,使用磁带存储数据。不过这些信息并不十分明确,我也没找到第一台数字示波器的图片。上边这个数字示波器是Nicolet在80年代初期的产物。很时髦的用了一个8寸软驱来存储波形。





关键词: 示波器     模块化     自动化    

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