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信息。
現代示波器
幾乎所有的應用電子、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現和不常見的觀察現象的。
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象的基礎。那么它經歷了哪些過程呢？
希望下一次，當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。當時認為電和磁是兩種不關聯的物理現象。
（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系。
意大利物理學家和生理學家伽爾伐尼(Galvani)在1771年在解刨青蛙的時候，發現他的助手使用金屬的手術刀觸碰青蛙大腿坐骨神經時，青蛙的腿會發生抽搐，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^
他的發現在20年后，1791年引起意大利物理學家伏特（Alessandro Volta）的興趣，并在此基礎上發現使用兩個不同金屬觸碰青蛙腿也會引起電流現象，并進一步使用其它電解液替代青蛙腿并組成化學電池。
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^
法國科學家Jules Francois Joubert發明了一個機械裝置，可以替代手工繪制電流波形，它可以自動將檢流器的偏轉角度繪制出信號的波形來。
^1917年 Joubert發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年發明的，被稱為Hospitalier波形記錄器（Ondograph）。該裝置通過驅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，通過電流器轉子的偏轉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。當線圈通有電流，鏡片會根據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明和隨后的商業化應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，德國物理學家Karl Ferdinand Braun就已經發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。
使用充電電極產生的電場可以驅動運動電子束的偏移，并在表面涂有發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基于上述原理開發了商用示波器設備，這也是后來的Reytheon公司。
^A.C.Cossor 1035 MKIII CRT 示波器，1950年^
在第二次世界大戰器件，CRT示波器被廣泛使用，其中發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明的，而是為了顯示電子系統的特性。所示它們使用起來并不是特別的方便。
頻率觸發器和時間觸發在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，配備了頻率觸發的掃描示波器。
1946年，二戰結束后， Tekronix公司成立。公司發起人之一的Howard Vollum發明了以第一個時間觸發掃描示波器， 511型示波器。這臺重達65磅（29.5公斤）家伙，耗電180W，當時售價795美元，相當于2019年的10000美元。它通過校準可以對信號進行數值測量，頻帶寬度為10Hz到10MHz。
Tektronix 511型示波器
Tekronix公司現在仍舊是示波器市場的主要產品提供商，當年1947年成立的時候只有員工12人。
從晶體管示波器到數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工程師發明了數字示波器。Lecroy公司在1971年發布的WD2000型是一臺全數字示波器。它能存儲20個采用數據，采用時間為1ns。
現代示波器當今示波器的發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、體積和功耗的降低等方面比起早期的產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、數字萬用表、頻譜分析儀、邏輯分析儀、通信協議分析儀以及信號函數發生器等。
此外，還有一些其它的示波器輔助功能設備，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展歷程。探究電信號是這個發展的原始動力，盡管開始的對電的測量時簡陋的。示波器的發明也是集成了很多領域的進展，像對電的深入的物理知識了解，電磁關系的揭示，各種自動測量手段的發明以及最終的陰極射線管（CRT）發明等等。
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/
