示波器(Oscilloscope)是電子工程師和電子愛好者工具箱中用途最大的一個工具。通過它可以將電壓信號變成一個隨著時間變化的波形，從而通過觀察可以獲得信號頻率、幅值以及噪聲等相關(guān)信息。
現(xiàn)代示波器
幾乎所有的應(yīng)用電子、電氣實驗室或者工作臺都會有示波器，很多人認為示波器的存在是理所當(dāng)然的。但是示波器的誕生卻是非常有趣，并匯集了很多偶然的發(fā)現(xiàn)和不常見的觀察現(xiàn)象的。
相比于聲音，光信號來講，電磁信號無法直接被人感知，如何將這些信號進行描述和檢測，是人們進一步探究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)。那么它經(jīng)歷了哪些過程呢？
希望下一次，當(dāng)你再一次看到清晰平滑的正弦波形顯示在示波器的屏幕上，你能夠為示波器的發(fā)展史感到贊嘆。
人類早期對于電和磁的感知是通過琥珀、磁石對于小的絕緣物品或者鐵器的吸引來感知的。當(dāng)時認為電和磁是兩種不關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象。
（左）磁石吸鐵；（右）帶有靜電的塑料湯勺吸引粉末
這種方法只能定性的測量電磁信號是否存在，無法精細得到信號的定量的關(guān)系。
意大利物理學(xué)家和生理學(xué)家伽爾伐尼(Galvani)在1771年在解刨青蛙的時候，發(fā)現(xiàn)他的助手使用金屬的手術(shù)刀觸碰青蛙大腿坐骨神經(jīng)時，青蛙的腿會發(fā)生抽搐，從而揭示了電刺激會引起生物組織運動。
^Galvani的青蛙腿實驗示意圖^
他的發(fā)現(xiàn)在20年后，1791年引起意大利物理學(xué)家伏特（Alessandro Volta）的興趣，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)使用兩個不同金屬觸碰青蛙腿也會引起電流現(xiàn)象，并進一步使用其它電解液替代青蛙腿并組成化學(xué)電池。
Galvani的青蛙腿驗電方法非常靈敏，以至于在1820年機械驗電器發(fā)明之后它仍然被使用。只是它的制作和維護比較麻煩，同時它只能指示是否有電流，無法表明電流的方向。
手工繪制電流信號波形**（Oscillograms）**機電裝置的檢流器用于顯示電流信息比青蛙腿更加精確和方便，同時利用帶有反光鏡的檢流計可以達到非常高的靈敏度。
通過觀察檢流計偏轉(zhuǎn)角度，然后可以手工繪制出通過電流的信號波形。不過這個過程非常繁瑣好耗時。
^（左）機械檢流計；（右）帶有反光鏡的檢流計^
法國科學(xué)家Jules Francois Joubert發(fā)明了一個機械裝置，可以替代手工繪制電流波形，它可以自動將檢流器的偏轉(zhuǎn)角度繪制出信號的波形來。
^1917年 Joubert發(fā)明的自動波形繪制裝置^
自動波形繪制儀**（Electromechanical Oscillographs）**第一個真正的全自動電流信號繪制裝置是由法國工程師 Hospitalier在1902年發(fā)明的，被稱為Hospitalier波形記錄器（Ondograph）。該裝置通過驅(qū)動一個鉛筆在滾筒表面的紙上繪制信號波形。
^Hospitalier 波形記錄器^
Hospitalier的波形記錄器與前面Joubert的機械裝置原理相似。它是通過一個不斷重復(fù)的測量過程繪制出電流的波形的。首先它通過電容器將電流存儲起來，然后將電容對檢流器進行放電，通過電流器轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角度控制繪圖鉛筆的位置，最后逐點描繪出電流波形。
Hospitalier繪圖器由于是通過機械傳動繪圖，所以無法對變化速度快的電流信號進行實時測量，只能測量一些低頻信號。
鏡片反射光束顯示波形**（Photographic and Mirror Waveforms）**為了突破機械波形繪制器的對信號頻率限制，在1900初，英國工程師William Duddell 使用一個懸浮在油中的鏡片反射光線來顯示電流波形。
該鏡片上布置有線圈，連同反射鏡片一同放置在磁場中。當(dāng)線圈通有電流，鏡片會根據(jù)電流的方向和大小偏向某一邊，通過反射光束，可以將偏角進行放大，從而大大提高檢測電流的靈敏度。
基于陰極射線管的示波器陰極射線管的發(fā)明和隨后的商業(yè)化應(yīng)用促使了早期第一個示波器的誕生。實際上。早在19世紀末期，德國物理學(xué)家Karl Ferdinand Braun就已經(jīng)發(fā)明了實驗室中使用的陰極射線管示波器，并研究了電子的行為。
使用充電電極產(chǎn)生的電場可以驅(qū)動運動電子束的偏移，并在表面涂有發(fā)光磷化物平面上形成可見波形軌跡。
1932年，英國電子公司 A.C. Cossor基于上述原理開發(fā)了商用示波器設(shè)備，這也是后來的Reytheon公司。
^A.C.Cossor 1035 MKIII CRT 示波器，1950年^
在第二次世界大戰(zhàn)器件，CRT示波器被廣泛使用，其中發(fā)光磷化物也有了不同的種類，顯示的光線強度和余輝長度各不相同。像有的發(fā)光衰減慢的磷化物適合顯示低頻信號。
這些OCR示波器早期并不是為了精確測量發(fā)明的，而是為了顯示電子系統(tǒng)的特性。所示它們使用起來并不是特別的方便。
頻率觸發(fā)器和時間觸發(fā)在20世紀30年代，DuMont公司對示波器進行了顯著的改進，1939推出了DuMont 164型示波器，配備了頻率觸發(fā)的掃描示波器。
1946年，二戰(zhàn)結(jié)束后， Tekronix公司成立。公司發(fā)起人之一的Howard Vollum發(fā)明了以第一個時間觸發(fā)掃描示波器， 511型示波器。這臺重達65磅（29.5公斤）家伙，耗電180W，當(dāng)時售價795美元，相當(dāng)于2019年的10000美元。它通過校準可以對信號進行數(shù)值測量，頻帶寬度為10Hz到10MHz。
Tektronix 511型示波器
Tekronix公司現(xiàn)在仍舊是示波器市場的主要產(chǎn)品提供商，當(dāng)年1947年成立的時候只有員工12人。
從晶體管示波器到數(shù)字示波器早期的示波器體寬重沉，功耗巨大的原因來自于它的核心電路是基于電子管電路的。
^HP 1980A^
后來的HP公司和LeCroy公司相繼提供了改進后的產(chǎn)品。1969年，HP公司的HP1980A型示波器問世，是一臺全晶體管的示波器，頻帶寬度為500kHz。
后來Tekronix公司的Hiro Moriyasu工程師發(fā)明了數(shù)字示波器。Lecroy公司在1971年發(fā)布的WD2000型是一臺全數(shù)字示波器。它能存儲20個采用數(shù)據(jù)，采用時間為1ns。
現(xiàn)代示波器當(dāng)今示波器的發(fā)展速度幾乎令人難以跟隨。 從上個世紀三十年代到八十年代，示波器在測量精度，速度，便攜性和價格方面都有了很大的改進。
在示波器的測量帶寬、通道數(shù)、體積和功耗的降低等方面比起早期的產(chǎn)品都有了巨大的改進。另外從功能方面也極大豐富了。比如Tekronix的MDO300型示波器，就是一個六合一功能的測量工具，它包括示波器、數(shù)字萬用表、頻譜分析儀、邏輯分析儀、通信協(xié)議分析儀以及信號函數(shù)發(fā)生器等。
此外，還有一些其它的示波器輔助功能設(shè)備，比如Pokit表，配合手機便可以提供示波器的功能。
測量和理解電子信號有著一個漫長的發(fā)展歷程。探究電信號是這個發(fā)展的原始動力，盡管開始的對電的測量時簡陋的。示波器的發(fā)明也是集成了很多領(lǐng)域的進展，像對電的深入的物理知識了解，電磁關(guān)系的揭示，各種自動測量手段的發(fā)明以及最終的陰極射線管（CRT）發(fā)明等等。
參考文獻：The Early History of the Oscilloscope: Amber and Frog Legs：https://www.allaboutcircuits.com/news/early-history-of-the-oscilloscope-amber-and-frog-legs/
