Oscyloskop to przyrząd pomiarowy, którego początki sięgają końca XIX wieku. Trudno jednoznacznie określić datę powstania pierwszego egzemplarza, bowiem bezpośrednim jego pierwowzorem był tylko elektromechaniczny oscylograf. Bez wątpienia jednak prekursorami techniki oscyloskopowej byli trzej młodzi elektronicy Jack Murdock, Miles Tippery i Howard Vollum, późniejsi założyciele firmy Tekrad, przekształconej w 1946 roku w istniejącego do dzisiaj Tektronixa.
Prawdopodobnie panowie Murdock, Tippery i Vollum konstruując pierwszy oscyloskop nie zastanawiali się nad tym, jak potoczą się losy ich przyrządu. Podobnie zresztą, jak nawet w najśmielszych, futurystycznych wizjach nie mógł przewidzieć ścieżki rozwoju swojego wyrobu – telefonu, Graham Bell, a i bracia Wrights zapewne nie przypuszczali, że jeden samolot będzie kiedyś przewoził ponad pół tysiąca osób na pokładzie. Dzisiaj, z perspektywy lat możemy powiedzieć, że każdy z tych wynalazków przeszedł iście kosmiczną drogę.
Trochę historii
Kosmiczną w przenośni, ale i w dosłownym znaczeniu, jako że to badania kosmosu i atomistyka w dużym stopniu stymulowały rozwój wszelkiej techniki, w tym pomiarowej.
Pierwszy model „Tektronixa” – 501 nie został nigdy wdrożony do produkcji, głównie z powodu nadmiernych rozmiarów i wagi, ale przyczynił się do zebrania sporej dawki doświadczeń. Pierwszym seryjnie produkowanym oscyloskopem była „511-ka”. Jej parametry w porównaniu z dzisiejszymi rodzinami DPO czy MSO mogą wywoływać jedynie uśmieszek politowania. Z drugiej strony, w porównaniu z innymi, nawet później produkowanymi oscyloskopami różnych marek, parametry „511”mogły budzić uznanie (rys. 1). Czułość odchylania pionowego wynosiła 0,27 V/cm, a pasmo przenoszenia było równe aż 10 MHz. Wadą był jednak brak sprzężenia stałoprądowego, wyeliminowano ją dopiero w kolejnych modelach. 511-ka miała ekran o średnicy 5 cali (stąd cyfra 5 w nazwie), ważyła 65 funty (32 kg) i kosztowała 795 dolarów.
Wymagania stawiane oscyloskopom szybko rosły. Szczególnie trudno było zapewnić dobre parametry zarówno w zakresie małych częstotliwości (migotanie obrazu), jak i dużych (ograniczone pasmo wzmacniaczy, trudność w realizacji skompensowanych dzielników napięciowych itp.). Wkrótce pojawiły się analogowe linie opóźniające pozwalające oglądać historię zdarzeń przed momentem wyzwolenia. Dzięki luminoforom z wydłużoną poświatą można było obserwować m.in. przebiegi wolnozmienne, lampy takie dawały również namiastkę możliwości oglądania krótkich impulsów pojawiających się w przypadkowych momentach. Taki obraz znikał jednak po pewnym czasie, więc jedynym sposobem w miarę wygodnej obserwacji impulsów przypadkowych było wykonanie fotografii z użyciem specjalnej przystawki synchronizującej migawkę aparatu z układem wyzwalania oscyloskopu. Pomijamy przy tym cały trud związany z obróbką fotochemiczną materiałów. Pełny komfort pracy pojawił się dopiero po skonstruowaniu tzw. lampy pamiętającej, czyli ok. roku 1964. W dalszej kolejności zwiększano liczbę kanałów pomiarowych, wprowadzono synchronizację sygnałem telewizyjnym, wprowadzono wymienne wkładki pomiarowe, a przede wszystkim poszerzano pasmo częstotliwości.
Rozwój oscyloskopów przebiegał obranymi kierunkami, aż do pojawienia się pierwszych przyrządów cyfrowych. Od tego momentu możemy mówić o prawdziwej rewolucji w technice pomiarów. Jak grzyby po deszczu wyrastały kolejne odmiany oscyloskopów cyfrowych: DSO ( Digital Storage Oscilloscope ), DPO ( Digital Phosphor Oscilloscope ), MSO ( Mixed Signal Oscilloscope ), MDO ( Mixed Domain Oscilloscope ). Większą część bloków funkcjonalnych wykorzystywanych w oscyloskopach analogowych trzeba było przekonstruować, część z nich w ogóle przestała istnieć. Klasyczną lampę obrazową zamieniono na duży, kolorowy wyświetlacz LCD z matrycą TFT. Zmieniła się zatem zasada tworzenia oscylogramów. Nie zmieniły się natomiast niektóre przyzwyczajenia użytkowników, nabyte jeszcze w starych czasach przyrządów analogowych.
DPO, czyli luminofor cyfrowy
Przyzwyczajenia użytkowników wywodzące się z czasów klasycznych lamp obrazowych były tak silne, że po początkowym zachwycie nową, cyfrową technologią, coraz częściej zastanawiano się, jak na wyświetlaczu LCD zaimplementować pewne unikatowe cechy lampy z luminoforem. Zasada jej działania polega na tym, że odpowiednio przyspieszone, ukierunkowane i zogniskowane w wąską wiązkę elektrony uderzając w wewnętrzną ściankę ekranu powodują selektywne zaświecenie luminoforu w miejscu zderzenia. Jasność świecenia jest proporcjonalna do energii elektronów, a czas takiego rozbłysku jest zależny od parametrów luminoforu. Szybkość przemiatania wiązki jest na tyle duża, że w niektóre fragmenty ekranu elektrony mogą uderzać kilka razy, zanim luminofor w tych miejscach jeszcze całkowicie nie wygaśnie. W efekcie użytkownik obserwuje oscylogram, którego poszczególne punkty są tworzone z różną jasnością. Tam, gdzie elektrony wielokrotnie trafiają w to samo miejsce, wykres jest jaśniejszy. Tymczasem w pierwszych oscyloskopach cyfrowych z wyświetlaczami LCD (DSO – ( Digital Sampling Oscilloscope ) obraz był tworzony wyłącznie na zasadzie zapalania lub gaszenia punktu. Trudność z tworzeniem oscylogramów w oscyloskopach cyfrowych, ale na podobieństwo oscyloskopów analogowych, nie ogranicza się jednak wyłącznie do wyświetlacza umożliwiającego zapalanie punktów z różną jasnością. Problem jest o wiele bardziej złożony. Oscyloskop taki musi charakteryzować się sporą mocą obliczeniową, wykonuje bowiem jednocześnie bardzo dużo operacji związanych m.in. z przechwytywaniem sygnałów, zapisywaniem ich w buforze, wyświetlaniem, a także złożoną analizą matematyczną. Wszystko odbywa się w czasie rzeczywistym.
Oscyloskopy spełniające powyższe warunki powstały w pracowniach Tektronixa. Nowej rodzinie przyrządów nadano nazwę DPO – Digital Phosphor Oscilloscope , co sugeruje użytkownikom podobieństwo pracy takich oscyloskopów do ich analogowych pierwowzorów. Mówi się, że są to przyrządy tworzące wykresy trójwymiarowe. Mamy więc poziomą oś czasu i pionową oś napięcia. Trzecia oś jest związana z dystrybucją amplitudy sygnału w czasie, i jest to oś wirtualna – ekran wyświetlacza jest przecież płaski. Dane zmieniające się wzdłuż tej osi są reprezentowane jako modulacja jasności punktów tworzących wykres. Przedstawiony na rys. 2 oscylogram został utworzony z wyraźnie widocznym zróżnicowaniem jasności poszczególnych jego fragmentów. Przypomina on do złudzenia oscylogramy obserwowane w klasycznych oscyloskopach z lampą obrazową, mimo że pochodzi z cyfrowego oscyloskopu DPO. Istnieje też druga metoda tworzenia oscylogramów, polegająca na modyfikacji koloru punktów, zamiast ich jasności. Efekt wizualny nie przypomina jednak wtedy klasycznej lampy analogowej.
Rys. 2. Typowy dla oscyloskopu DPO oscylogram przypominający przebieg uzyskiwany w lampie obrazowej
