示波器的前世今生
各位看官新年好，2018年首發不聊人生不聊娃，聊聊工作。最近我做了幾場研討會，其中有談到示波器的歷史故事，在此通過公眾平台與大家分享。
不管是不是理科生，示波器的名號您多多少少聽過，今天我們就來揭開它前世今生的傳奇。
您可能在一些旅遊景點見過這樣的東西：一個臉盆大小的銅器，兩邊有提手。如果在盆里裝水，快速用力摩擦提手，水面就會起有規律的波紋。
再擼快一點的話，水花就會飛濺。
最高手速的時候，盆中間會形成噴泉，叫人稱奇。
您可能已經知道它是什麼了，沒錯它就是——魚洗。這種器物在先秦時期已被普遍使用，而能噴水的銅質魚洗大約出現在唐代。用手快速有節奏地摩擦盆邊兩耳，盆會像受擊撞一樣振動起來，盆內水波蕩漾。摩擦得法，可噴出水柱。
當兩手搓雙耳時，產生兩個振源，振波在水中傳播，互相干涉，使能量疊加起來，產生水點跳躍的效果。
這和今天的主題「示波器」有什麼關係呢？其實魚洗就是把快速摩擦產生的振動用水花的跳動顯示出來了，所以，廣義地說，它就是世界上最古老的示波器。
從這個視角出發，能被叫做示波器的簡直比比皆是。海中的波浪、飄揚的國旗和搖擺的麥穗，都以某種形式顯示了波動。
不過我們今天真正要說的還是狹義的「電示波器」。它的故事要從19世紀末開始說起。
我們知道今天的地球村有一個基建狂魔，到處造鐵路修基站，那就是我們中國。可早在100多年前，當時的我們還在閉關鎖國，村裡的基建狂魔是英國和法國。它們一手拿著第三世界掠奪來的錢，一手拿著第二次鴉片戰爭從中國搶的錢，滿世界的修鐵路，拉電線。
在這種市場環境之下，電氣技術也跟著大踏步發展，電線越來越多，故障在所難免。於是一個問題浮出水面，怎麼樣排查這些故障呢？最好的辦法就是看看電流是怎麼樣變化的，是不是忽大忽小了？是不是頻率不對了？
1893年，法國科學家Andre Blondel 正在一所工學院任職，為了解決問題，他搗鼓出來一套「電磁示波器」，就是下圖的樣子：
我們中學都學過安培定律，變化的電流激發變化的磁場，右手螺旋定則這個名字還有印象不。所以把變化電流輸入到這台機器里，變化的磁場就帶動左上角那根杆子左右擺動，杆子前端連著一根「筆」，這根筆就可以在捲紙上畫線，再讓捲紙勻速轉動，一張電流變化曲線圖就出爐了。
這就是世界上第一台真正的電學示波器，因此Blondel也被稱為示波器之父。
但是這個鐵疙瘩有個致命的弱點，畫圖太慢。您想，那麼粗一根鐵杆它能抖的很快嘛？就算它可以抖得很快，筆尖和紙張之間摩擦力那麼大，也沒法快速移動。所以在當時的條件下，最快只能做到每秒鐘動100下，也就是最快繪製100Hz頻率的信號，就這已經驚世駭俗了。
但是基建狂魔的步子越邁越大，技術發展越來越快，這麼慢的示波器，不能忍！英國人說，你們法國搞科研不行，還得我們大英帝國來。於是到了1894年，英國人真的來了，William Duddell 對Blondel的示波器做了重大改進，頻率一下子翻了個數量級。如下圖：
基本原理不變，只不過把機械畫圖的杆子換成了一面小鏡子。這個小鏡子從外面看不到，是綁在一根磁鐵上，懸浮在線圈的磁場裡面的。電流變化的時候小鏡子跟著磁鐵不斷轉動。這時候用一束光打到小鏡子上，發射出來的角度也會不斷變化。再把反射光引到一張膠片上，勻速移動膠片，就畫出波形圖來了。
這種示波器被整整一代人使用，在20年的時間裡不斷改進工藝，最高頻率能做到10KHz。
說到William Duddell，這也是一位閃耀的明星。他4歲就會自己改裝玩具，年紀輕輕就進入了英國皇家學會。除了改進示波器，他還改寫了音樂史。如果沒有他，搖滾樂也許就不會存在，因為他發明了「電聲樂器」。
我們來聽聽兩首歌，第一首使用木吉他伴奏的，聲音清澈悠揚，十分自然。
第二首的前奏是電吉他演奏，聲音雄厚，音色豐富，極富感染力。
電聲樂器是搖滾音樂的基礎，而它的原理就是通過不同按鍵控制電聲器發出不同音調的聲音。Duddell 的這一發明純屬機緣巧合，當時倫敦街頭的電瓦斯燈很多，它們會發出撕撕撕的怪聲，為了解決這個問題Duddell 大費周章，最後問題沒解決倒發現了個很有意思的現象，就是給燈加不同頻率的電流，就能發出不同音調的聲音，於是4歲就會改裝玩具的Duddell又把電瓦斯燈改造了一通，加了可變調諧器和鍵盤，於是一台初級的電子琴橫空出世。
可惜天妒英才，Duddell 45歲就去世了。Duddell本人謝幕了，漸漸被人遺忘，他所改進的示波器也被放進了博物館，因為CRT來了。
CRT就是——陰極射線管，先來看一張圖：
有沒有久違的親切感，它就是中學物理必考題：已知電子流的初速度和磁場大小，求偏轉位移。通過水平和垂直兩個磁場，就能控制電子流打到二維平面上的任意一個點。在末端的平面塗上熒光材料，一個陰極射線管就做成了。
這種管子，是在1897年被德國科學家Karl Braun發明出來的，Braun也因此獲得了1909年的諾貝爾物理學獎。除了被用作示波器它還支撐了電視機這個龐大的產業。
看官們注意到沒有，CRT的發明時間也就比電磁機械示波器晚了4年，但是它真正替代前者是幾十年以後的事了，這是因為CRT要真正能用，沒那麼簡單。最初，這種管子只能接入幾千伏的高壓電，小打小鬧的低電壓壓根激發不了。並且它的工藝很不成熟，一根管子做出來用不了幾天就報廢了，一般人誰用得起？
不過人間正道是滄桑，CRT最終還是熬出來了，到1932年，英國的A.C.Cossor公司終於做出了穩定的商用CRT示波器，它就像幾十年後蘋果的Machintosh電腦那樣，引爆了一個時代。
當然，當時的CRT示波器還是有很多毛病，比如波形顯示不穩定，只要水平方向掃描的頻率不是垂直信號頻率的整數倍，顯示出來的就是多種相位波形的疊加圖形。
如果只是人眼看個大概還行，要想精確的測量必須把波形穩定的顯示出來。
為了解決這個問題，後來人研究出了一個比較電路，把輸入信號的相位作為參考，去修正掃描電壓的幅度，從而控制掃描的起始位置。也就是說每一次掃描不一定是從屏幕的最左邊開始的，而可能是中間某個點。因為熒光屏有駐留效應，這一次掃描的時候上一次掃描的光斑還沒消失呢，所以快速刷新的時候，總能把一整個屏幕的波形畫滿。這種方法顯示出來的波形已經穩定多了，可惜精度不高，仍有瑕疵。
小結一下，不管示波器還是電聲樂器還是陰極射線管，不論契機是什麼，英國人法國人德國人他們最終鑽研出了改變世界的發明，而1897年我們在幹嘛？如果看一下《走向共和》就知道，慈禧母子正在為了修頤和園的款子鬧得不可開交呢，最後拗不過老太太，挪用了北洋水師的軍費給填了頤和園的窟窿。間接導致甲午海戰兵敗，為日本之後侵華買下伏筆。
好在，這才100多年，中國又成為了世界第二、基建狂魔，不過當年歐洲人的那一點科學的精神，我們學到了多少呢？
上文已經說到了，1932年CRT示波器最大的問題就是波形不能穩定顯示，即使加了同步時基修正也做不到完美，直到1946年HowardVollum 和 JackMurdock 將觸發技術引入示波器。
所謂的觸發技術就是掃描型號不是隨時都有，而是必須等到某個觸發條件滿足之後。而這個觸發條件往往就是信號的過零點，以此為基準，每一次波形的過零點刷新屏幕，這樣就能夠得到穩定顯示的圖形了。
這兩個人藉此創辦了大名鼎鼎的Tektronix公司，剛好利用了二戰之後的經濟復甦，一度獨領風騷40年。因此，Tektronix 是我們公認的現代模擬示波器的發明者。然而Tektronix的模擬示波器還有幾個嚴重的問題：
第一，只能看到觸發條件滿足以後的波形，比如一個脈衝信號，以它的上升沿作為觸發條件，那麼需要等到信號攀升到上升沿的一半時屏幕才開始刷新，這樣前半段的信號就看不到了。
第二，不能方便的保存信號，電流的變化直接反應在了屏幕上，沒法記錄在紙上或者膠片上。即使拍照片也不會很清晰。
第三、不能自動測量，和上面一樣，信號直接就顯示出來了，中間沒有經過任何運算環節，只能靠人眼去數格子讀數，一個字：累。
第四、刷新速率有瓶頸，因為熒光屏幕的餘暉會持續一段時間，因此屏幕的刷新速度就受到了很大的限制。
受限於CRT本身的工作原理，這些在短期內無法改變，直到1985年，LeCroy公司發明了數字示波器。
我們來回顧一下，在數字示波器發明之前，即1893年-1985年近百年時間，示波器的發展歷程。
1893年 Andre Blondel 發明了電磁機械示波器
1894年 William Duddell 利用偏轉鏡改進了機械示波器
1897年 Karl Braun發明CRT示波器
1920年 偏轉鏡示波器被改進，能夠觀察10KHz信號
1932年 英國Cossor公司推出第一款商用CRT示波器
1946年 Tektronix 公司推出基於同步觸發的穩定CRT示波器
這其間，多少英雄前赴後繼，浩浩湯湯，問蒼茫大地誰主沉浮，俱往矣。一個時代的終結是因為新的時代已經開始。
1985年，那是一個春天，有一位老人在紐約的大樓里焊了一根線。示波器的歷史再次被改寫，電測行業煥發出前所未有的青春活力。他就是Walter LeCroy，他創辦的LeCroy公司發明了數字示波器，也發明了我們今天的數字化世界。
數字示波器不是直接把物理信號顯示出來，而是先做一個「模數轉換」，把信號變成數字化的序列，然後經過運算和測量，再顯示出來。數字示波器至少有以下優點：
1. 觸發點可選取在存儲波形的任意位置
2. 可隨心所欲的對信號進行運算和測量
3. 方便記錄和保存波形
其中最重要的一條就是可以隨心所欲對信號進行運算、測量和記錄。因此才有了我們今天的串列信號分析、協議分析，這個方面也是LeCroy公司的強項。
展望未來，本工個人理解，示波器有三個大的發展方向：
再大膽想像一下，在更遠的未來，大數據、深度學習和增強現實這些技術也有可能被應用到示波器裡面來改善開發效率，提升使用體驗。
以上就是本工所知的示波器簡史，如有疏漏或者錯誤，歡迎指正。
祝大家在新的一年裡，工作順利！
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