オシロスコープの歴史

オシロスコープの歴史は 科学にとって基礎的なものでした。なぜならオシロスコープは、周波数やその他の波の特性を測定するために、電圧や電流などの波形振動を表示する装置だからです。これは電磁気学の理論を発展させる上で重要でした。波形の最初の記録は、 19 世紀 10 年代に機械描画システムと結合した検流計によって行われました。現代のデジタルオシロスコープは、オシログラフ、ブラウン管、アナログ オシロスコープ、デジタル エレクトロニクスの複数世代にわたる開発の結果です。

波形の画像を作成する最も初期の方法は、回転するローターの軸の周りの特定のポイントで電圧または電流を測定し、ガルバノメーターで測定値を記録するという、面倒で骨の折れるプロセスでした。ローターの周りをゆっくりと進み、各位置での回転角度とメーターの強度を記録することで、一般的な定在波をグラフ用紙に描くことができます。

このプロセスは、ジュール・フランソワ・ジュベール [fr]が段階的に波形を測定する方法によって初めて部分的に自動化されました。これは、回転するローターのシャフトに取り付けられた特殊な単接点整流子で構成されていました。接触点は、正確な度数表示スケールに従ってローターの周りを移動でき、出力は検流計に表示され、技術者が手でグラフ化しました^[2] 。このプロセスは、数千の波周期にわたって形成されるため、非常に大まかな波形近似値しか生成できませんでしたが、波形イメージングの科学における第一歩でした。

最初の自動オシログラフは、ガルバノメータを使用してペンを巻物または紙のドラム上で動かし、連続的に移動する巻物に波形パターンを記録しました。機械部品の反応時間が遅いのに比べて波形の周波数速度が比較的高かったため、波形画像は直接描画されず、代わりに一定期間にわたってさまざまな波形の小さな断片を組み合わせて構築され、平均形状が作成されました。

ホスピタリエ・オンドグラフとして知られる装置は、この波形測定法に基づいていました。この装置は、100番目の波ごとにコンデンサを自動的に充電し、波に沿って少しずつ離れた地点からコンデンサに充電を行い、記録用ガルバノメータを通じて蓄積されたエネルギーを放電しました。^[5] (このような波形測定は、依然として数百の波周期にわたって平均化されていましたが、手書きのオシログラムよりも正確でした。)

波形を直接測定できるようにするには、記録装置が、測定する実際の波の動きに合わせて十分な速度で移動できる非常に低質量の測定システムを使用する必要がありました。これにより、測定装置は、波形に合わせて高速で移動できる小さな鏡だけになりました。

「オシログラフ」という用語は、 1893年にアンドレ・ブロンデルによって造られ、以前から知られていたミラーガルバノメーターをベースに高周波振動を記録できるように改良した彼の機器を指して使われました。^[9] ウィリアム・ダデルも数年後に同様の機器を開発しました。

波形測定を行うには、光線が出る窓に写真スライドを落としたり、連続した映画フィルムを開口部に巻きつけて波形を経時的に記録したりします。測定は紙製の記録装置よりもはるかに正確でしたが、検査する前に露光した画像を現像する必要があったため、まだ改善の余地がありました。

「オシロスコープ」という用語は1907年に造られた。^[11]

1920年代には、ホーンの頂点のダイヤフラムに取り付けられた小さな傾斜ミラーが、数kHz、おそらく10kHzまで良好な応答を提供しました。非同期の時間基準は回転ミラーポリゴンによって提供され、アークランプからの平行光線が波形を研究室の壁やスクリーンに投影しました。^[12]

さらに以前には、炎にガスを供給するダイヤフラムに音を当てると炎の高さが変化し、回転する鏡面ポリゴンによって波形が垣間見えたこともある。^[13]

20 世紀半ばには、紫外線に敏感な紙と先進的なミラーガルバノメータを使用したムービングペーパーオシログラフによって、マルチチャンネル録音が可能になりました。周波数応答は、少なくとも低音域まで達しました。

ブラウン管（CRT）は19世紀後半に開発された。当時、この管は主に電子（当時は陰極線と呼ばれていた）の物理現象を実証し、研究するために作られた。カール・フェルディナント・ブラウンは1897年に物理学上の興味からCRTオシロスコープを発明した。これは蛍光体でコーティングされたCRT内の帯電偏向板に振動信号を加えることで実現した。ブラウン管は冷陰極エミッターと非常に高い電圧（20,000～30,000ボルト程度）を使った実験装置だった。内部板に垂直偏向のみを加え、回転鏡を通して管の表面を観察して水平時間軸を得た。^[14 ] 1899年、ジョナサン・ゼンネックはビーム形成板をブラウン管に取り付け、磁場を使ってトレースを掃引した。^[15]

初期のブラウン管は1919年には実験室での測定に実験的に使用されていましたが^[16] 、真空とブラウン管のエミッターの安定性が悪かったのです。熱電子放出エミッターの使用により、動作電圧を数百ボルトまで下げることができました。ウェスタンエレクトリック社は、このタイプの商用ブラウン管を導入しました。このブラウン管は、管内の少量のガスを利用して電子ビームを集束させるものでした^{[16] 。}

VK・ツヴォルキンは1931年に、熱電子放出源を備えた永久密封型の高真空ブラウン管を開発した。この安定した再現性の高い部品により、ゼネラル・ラジオ社は実験室以外でも使用できるオシロスコープを製造することができた。^[15]

最初のデュアルビーム オシロスコープは、1930 年代後半にイギリスのACCossor社(後にRaytheon 社に買収) によって開発されました。CRT は真のダブルビーム タイプではなく、垂直偏向プレートの間に 3 枚目のプレートを配置して分割ビームを使用しました。第二次世界大戦中、レーダー装置の開発と保守に広く使用されました。パルス回路の性能を調べるのに非常に役立ちましたが、校正されていなかったため測定装置として使用できませんでした。ただし、IF 回路の応答曲線を作成するのに役立ち、その結果、回路の正確な調整に大いに役立ちました。

アレン・B・デュモン研究所は、連続的なフィルムの動きが時間基準となるムービングフィルムカメラを製造した。水平偏向はおそらく無効であったが、非常にゆっくりとしたスイープは蛍光体の摩耗を広げたと思われる。P11蛍光体を使用したCRTは標準または入手可能であった。^[17]

長時間持続型 CRT は、オシロスコープでゆっくりと変化する信号や単発イベントを表示するために時々使用されますが、二重層からなる P7 などの蛍光体を使用します。内層は電子ビームから明るい青色の蛍光を発し、その光はエンベロープ (電球) の内側で直接見える蛍光性の「外層」を励起します。後者は光を蓄え、数十秒かけて明るさが減衰する黄色がかった輝きで光を放出します。このタイプの蛍光体は、レーダー アナログ PPI CRT ディスプレイにも使用されました。これは、テレビの天気予報シーンの一部でグラフィック装飾 (回転する放射状のライト バー) として使用されます。

オシロスコープの水平時間軸を作成する部分である水平スイープの技術が変更されました。

初期のオシロスコープは、同期された鋸歯状波形発生器を使用して時間軸を提供していました。鋸歯状波は、比較的一定の電流でコンデンサを充電することによって生成され、上昇する電圧を生成します。上昇する電圧は水平偏向プレートに供給され、スイープを生成します。上昇する電圧はコンパレータにも供給され、コンデンサが特定のレベルに達すると、コンデンサは放電され、トレースは左に戻り、コンデンサ (およびスイープ) は別のトラバースを開始します。オペレータは、鋸歯状波発生器の周期が垂直軸信号の倍数よりもわずかに長くなるように充電電流を調整します。たとえば、1 kHz の正弦波 (1 ms 周期) を確認する場合、オペレータは水平周波数を 5 ms より少し長く調整する場合があります。入力信号がない場合、スイープはその周波数で自由に実行されます。

入力信号が存在する場合、水平スイープのフリーランニング周波数は入力（垂直軸）信号の約数ではないため、結果の表示は安定しません。これを修正するには、スイープジェネレーターのコンパレーターに入力信号のスケールバージョンを追加して、スイープジェネレーターを同期させます。追加された信号により、コンパレーターが少し早くトリップし、入力信号と同期します。オペレーターは同期レベルを調整できます。一部の設計では、オペレーターが極性を選択できます。^[18] スイープジェネレーターは、リトレース中にビームをオフにします（ブランキングと呼ばれます）。^[19]

スイープ レートは鋸歯状波発生器の傾斜を変更することで調整されたため、結果として得られる水平スイープ速度は未調整でした。ディスプレイ上の 1 目盛りあたりの時間は、スイープのフリーランニング周波数と水平ゲイン コントロールによって決まります。

同期スイープオシロスコープは、スイープジェネレータをその信号に同期させることができないため、非周期的な信号を表示できませんでした。水平回路はAC結合されることが多いです。

第二次世界大戦中、レーダー開発に使用されたオシロスコープ (および実験室用オシロスコープ) のいくつかには、いわゆる駆動スイープが搭載されていました。これらのスイープ回路は、外部デバイスからの駆動パルスによって CRT が消去され、一定速度の水平トレースが開始されるまで、CRT ビームが遮断された状態で休止状態のままでした。調整された速度により、時間間隔を測定できました。スイープが完了すると、スイープ回路は CRT を消去し (ビームをオフに)、自身をリセットして、次の駆動パルスを待ちます。1945 年に製造された市販のオシロスコープ、Dumont 248 には、この機能が搭載されていました。

1946 年にハワード ヴォルムとメルビン ジャック マードックがTektronix モデル 511トリガー スイープオシロスコープを発表して以来、オシロスコープははるかに便利なツールになりました。ハワード ヴォルムは、この技術がドイツで使用されているのを初めて見ました。トリガー スイープには、入力信号から駆動スイープの駆動パルスを生成する回路があります。

トリガーを使用すると、波形の複数の繰り返しが蛍光体スクリーン上のまったく同じトレース上に描画されるため、繰り返し波形を静止状態で表示できます。トリガースイープはスイープ速度のキャリブレーションを維持し、周波数、位相、立ち上がり時間などの波形の特性を測定することを可能にします。これは、トリガースイープでは不可能です。^[20]さらに、トリガーはさまざまな間隔で発生する可能性があるため、入力信号が周期的である必要はありません。

トリガースイープオシロスコープは、垂直偏向信号 (または信号の変化率) をトリガーレベルと呼ばれる調整可能なしきい値と比較します。また、トリガー回路は、しきい値を横切るときの垂直信号の傾斜方向 (交差時に垂直信号が正方向か負方向か) も認識します。これをトリガー極性と呼びます。垂直信号が設定されたトリガーレベルを横切り、目的の方向に進むと、トリガー回路は CRT をアンブランクし、正確な線形スイープを開始します。水平スイープの完了後、信号が再びしきい値トリガーを横切ると、次のスイープが行われます。

トリガースイープオシロスコープのバリエーションには、タイプP7などの長時間持続蛍光体を使用したCRTを搭載したモデルがあります。これらのオシロスコープは、水平トレース速度が非常に遅い場合や、スイープ間の遅延が長い場合に、画面イメージを持続させるために使用されました。トリガースイープのないオシロスコープも、1971年にハリー・ガーランドとロジャー・メレンによって開発されたソリッドステート回路を使用して、トリガースイープを後付けで装備することができました。 ^[21]

オシロスコープは時とともに高性能になり、強化されたトリガー オプションにより、より複雑な波形をキャプチャして表示できるようになりました。たとえば、トリガー ホールドオフは、ほとんどの最新オシロスコープに搭載されている機能で、トリガー後の一定期間を定義して、その間はオシロスコープが再度トリガーしないようにすることができます。これにより、別のトリガーを引き起こす複数のエッジを持つ波形を安定して表示することが容易になります。^{[引用が必要]}

ヴォルムとマードックはその後、校正済みオシロスコープ（画面上に目盛りが表示され、画面の軸上に校正済みスケールのプロットが表示される）の最初の製造業者であるテクトロニクスを設立した。 ^{[出典が必要]}テクトロニクスはその後、時間多重化（チョッピングまたはトレースの交互表示による）または管内の複数の電子銃の存在によって信号を比較するマルチトレースオシロスコープの開発を行った。1963年、テクトロニクスはダイレクトビュー双安定ストレージ管（DVBST）を発表し、これにより（以前のように）繰り返し波形だけでなく単一パルス波形を観測できるようになった。最先端のアナログ オシロスコープ (Tek 7104 メインフレームなど) は、CRT 内部とフェースプレートの裏側にあるさまざまな二次放出電子増倍管であるマイクロ チャネル プレートを使用することで、非常に高速なスイープ速度で実行しているときでも、単発イベントの目に見えるトレースを表示 (または写真撮影) できます。このオシロスコープは 1 GHz まで対応しました。

テクトロニクス社製の真空管オシロスコープでは、垂直増幅器の遅延線は、スペース上の理由から L 字型の長いフレームで、数十個の個別インダクタと、それに対応する数の低容量の調整可能な (「トリマー」) 円筒形コンデンサを搭載していました。これらのオシロスコープには、プラグイン垂直入力チャネルがありました。遅延線コンデンサを調整するために、高圧ガス充填水銀湿潤リード スイッチが、垂直増幅器の後段に直接送られる、非常に高速に上昇するパルスを作成しました。高速スイープでは、調整ミスによってディップまたはバンプが生成され、コンデンサに触れると波形のローカル部分が変化しました。コンデンサを調整すると、バンプが消えました。最終的に、フラット トップになりました。

初期の広帯域オシロスコープの真空管出力段では無線送信管が使用されていましたが、消費電力が大きかったです。接地に対するピコファラッドの静電容量が帯域幅を制限していました。分散増幅器と呼ばれるより優れた設計では、複数の真空管が使用されていましたが、それらの入力 (制御グリッド) はタップ付き LC 遅延線に沿って接続されていたため、真空管の入力静電容量が遅延線の一部となっていました。また、それらの出力 (プレート/アノード) も同様に別のタップ付き遅延線に接続され、その出力が偏向プレートに供給されていました。この増幅器はプッシュプルであることが多く、遅延線は 4 本あり、2 本は入力 (グリッド)、2 本は出力 (プレート) でした。

最初のデジタルストレージオシロスコープ(DSO) は、ウィスコンシン州マディソンの Nicolet Test Instrument 社によって製造されました。^{[引用が必要]}この製品は、主に振動と医療分析に使用される低速アナログ/デジタルコンバータ (1 MHz、12 ビット) を採用していました。^{[引用が必要]} 最初の高速 DSO (100 MHz、8 ビット) は、スイスのCERN研究センター向けに高速デジタイザーを製造した後、米国ニューヨークのLeCroy Corporation を設立した Walter LeCroy によって開発されました。LeCroy (2012 年以降は Teledyne LeCroy) は、現在でも世界最大のオシロスコープ製造業者 3 社の 1 つです。^{[引用が必要]}

1980 年代から、デジタルオシロスコープが普及しました。デジタル ストレージ オシロスコープは、高速アナログ/デジタル コンバータとメモリ チップを使用して波形をデジタル形式で記録および表示します。これにより、従来のアナログ オシロスコープよりもはるかに柔軟なトリガー、分析、表示が可能になります。アナログ オシロスコープとは異なり、デジタル ストレージ オシロスコープはプリトリガー イベントを表示できるため、まれなイベントや断続的なイベントの記録や電子グリッチのトラブルシューティングに新たな次元が開かれます。2006 年現在、ほとんどの新しいオシロスコープ (教育用および一部のニッチ市場を除く) はデジタルです。

デジタル スコープは、インストールされているメモリとトリガー機能を効果的に使用する必要があります。メモリが不十分だと、ユーザーは調べたいイベントを見逃してしまいます。スコープのメモリが大きくても、期待どおりにトリガーされない場合は、ユーザーがイベントを見つけるのが難しくなります。

DSO は、多くのテストおよびフィールド サービス アプリケーションに役立つハンドヘルド デジタル オシロスコープの開発にもつながりました。ハンドヘルド オシロスコープは通常、モノクロまたはカラーの液晶ディスプレイを使用したリアルタイム オシロスコープです。

PC の普及により、PC ベースのオシロスコープが一般的になりつつあります。PC プラットフォームは、スタンドアロン オシロスコープの一部となることも、外部オシロスコープと組み合わせたスタンドアロン PC となることもできます。外部オシロスコープでは、信号は外部ハードウェア (アナログ/デジタル コンバータとメモリを含む) でキャプチャされ、コンピューターに送信され、そこで処理されて表示されます。