Юбилей цифровых вольтметров
Пн дек 27, 2021 22:58:34
К 70-летию со дня рождения цифровых вольтметров
Не секрет, что цифровые вольтметры, являясь основой целого ряда более сложных электроизмерительных приборов, настолько тесно интегрировались в современную технику, что даже на секунду невозможно представить жизнь без этих весёлых перемигивающихся чисел. Однако так было не всегда…
Давайте достанем нашу карманную машину времени и пространства, перенесёмся в 1949 год и заглянем в Солана Бич – крошечный прибрежный городок в округе Сан-Диего штата Калифорния, США.
Буквально через год эта мрачная, усеянная бетонными опорами пустошь превратится в производственные и административные здания Bill Jack Scientific Instrument Co., а жизнь в самом городке заиграет новыми красками. В разгар «холодной войны» компания была хорошо обеспечена заказами и дала городу свыше 600 рабочих мест, а разнообразие продукции просто поражало воображение: электродвигатели, тахометры, полицейские шлемы, видеокамеры для исследования кернового материала буровых скважин, аппаратура воздушной разведки, узлы ракет-носителей «Атлас» и пр. и пр.
Конечно же достигнутые успехи не пришли сами по себе. Не последнюю роль в коммерческом успехе компании сыграли её «отцы-основатели»: президент Уильям Джек (Bill Jack, 1888 г.р.) и технический директор Эндрю Кей (Andrew Kay, 1919 г.р.).
Уильям Джек относился к той, довольно редкой категории руководителей «старой закалки», которые не только умели грамотно выстроить цепочку бизнес-процессов на предприятии, но и воспринимали своих сотрудников как партнёров, стараясь (большей частью в ущерб личным интересам) обеспечивать максимально комфортные условия для работы и для жизни.
Эндрю Кей сегодня больше известен, как основатель крупнейшей компьютерной компании Kaypro и создатель одноимённой серии самых популярных домашних и персональных компьютеров 1980-х. Начав работать в оборонной промышленности сразу после окончания Массачусетского технологического института в 1940 г., Эндрю проявил себя не только как грамотный и талантливый инженер, но и как творческая личность. Ему было интересно создавать что-то новое, полезное, в то время, как работа в серийном производстве компании его наставника – Уильяма Джека, тяготила своим унылым однообразием.
В 1952 году наступил переломный момент и Эндрю Кей попрощался с Bill Jack Scientific Instrument. На этот крайний шаг его подвигло желание реализовать собственную идею – идею о создании измерительных приборов совершенно нового типа.
Дело всё в том, что в 40-х годах многие компании, даже те, которые работали над гособоронзаказами, не имели достаточных ресурсов, чтобы набирать сотрудников высокой квалификации на ответственные участки. Зачастую на линиях настройки изделий можно было видеть, как уставшие, полусонные работники всматриваются слезящимися от напряжения глазами в зеркальные шкалы стрелочных гальванометров и по очереди вращают многочисленные ручки потенциометров, пытаясь уравновесить мостовой омметр, компенсационный вольтметр и т.п. Одно неверное движение, одна ошибка при выборе диапазона… щелчок, и стрелка гальванометра, подобно молнии ударив в ограничитель, безвольно возвращается к нулевой отметке. Прецизионный прибор неисправен. Когда подоспеет ему замена – неизвестно, ведь все ресурсы инструментальных компаний, производящих лучшую измерительную технику, брошены на «проект Манхэттен».
Можно только догадываться, сколько раз Эндрю Кей сталкивался с подобными ситуациями ещё будучи простым инженером. Так что же он задумал и над чем трудился в одиночку, не покладая рук, расположившись в арендованной комнате пляжного мотеля Del Mar на 17-й улице? Ответ очень прост – он создавал первый в мире цифровой вольтметр. Прецизионный автоматический вольтметр с прямым отсчётом, который бы сам определял полярность, диапазон измерения, и не заставлял пользователя постоянно крутить ручки и хвататься за логарифмическую линейку, вычисляя показания. Так в 1952 году тихо и незаметно был сделан первый шаг, «ведущий электронную промышленность к цифровой революции» (цитата из журнала Electronics Design).
Для запуска в производство цифровых вольтметров Эндрю Кей организовал собственную компанию, которую назвал Non-Linear Systems (NLS). Поначалу это была фирма по типу «один работник и одна комната». Но уже через 10 лет выпуск достиг небывалых масштабов, а номенклатура вольтметров достигла 16 единиц. При этом первоначальная цена наиболее востребованной модели NLS481 снизилась с 2300$ (~20000$ в современных ценах) до 1355$.
Прототип цифрового вольтметра был готов уже в 1952 году, а в апреле 1953-го первый экземпляр продан лаборатории военно-морской электроники в Калифорнии за сумму в 2300$. Основой прибора служил механизированный вариант делителя Кельвина-Варлея (эти делители компания Leeds & Northrup начала выпускать аж с 1875 года). На вход делителя подавалось напряжение с 90-вольтовой батареи химических элементов, а устройство сравнения с вибропреобразователем и фазочувствительным детектором выдавало сигнал управления быстродействующими реле и изменяло состояние делителя так, чтобы в конечном итоге его выходное напряжение максимально приблизилось к неизвестному напряжению на входе вольтметра.
Поначалу в устройстве сравнения применялись тиратроны, но из-за плохой воспроизводимости результатов позднее перешли на стандартный ламповый триод того времени, 201A. Это определило входное сопротивление вольтметра 10 МОм, которое в дальнейшем стало своеобразным эталоном для цифровых вольтметров. Однако наиболее слабым местом являлись конечно же узлы коммутации делителя опорного напряжения, пределов измерения и полярности входного сигнала. К электромагнитным реле, являющимся основными компонентами этих узлов, предъявлялись очень жёсткие и противоречивые требования: низкое сопротивление замкнутых контактов, способность коммутации сигналов с напряжением до 1000 В, малое время переключения, высокий ресурс срабатываний.
Разумеется попытки создать автоматический вольтметр с тем или иным видом цифрового отсчёта предпринимались и раньше. К примеру, Джозеф Шоу из Цинциннати (штат Огайо), врач по профессии, в 1950 году получил патент на изобретённый им электроизмерительный прибор, в структуре которого имелись и шаговые искатели с резистивным делителем, и устройство сравнения с опорным напряжением, но отсутствовало самое важное – блок цифровой индикации. Именно по этой причине Д. Шоу проиграл в патентных спорах с NLS, которые затеял в 1969 году.
Что же такого исключительного было в устройстве индикации, созданном NLS? Секрет успеха был очень прост: расположенные вряд крупные яркие цифры с плавающим десятичным разделителем позволяли практически в любых условиях однозначно и безошибочно считывать показания вольтметра, не производя при этом ровно никаких вычислений.
Конструктивное исполнение узла была достаточно сложным, но в то же время эффективным. Каждое знакоместо индикатора представляло собой сложенную стопкой пачку тонких прямоугольных пластин оргстекла, на которых выгравированы цифры, знаки, десятичная точка и пр. В зависимости от выводимого на индикатор числа с помощью контактов реле или (позднее) шагового искателя подавалось питание на миниатюрные лампы накаливания, подсвечивающие боковые грани соответствующих пластин.
Поскольку число ламп в узле индикации велико, а долговечность их в импульсном режиме работы весьма ограничена, особые меры предпринимались для повышения оперативности замены перегоревших ламп, в том числе, использование пружинных беспаечных контактов. Но в целом же необходимость ремонта индикаторов – небольшая плата за тот комфорт и высокую производительность, которые обеспечивали новые цифровые вольтметры.
Впрочем, одна ложка дёгтя в таких вольтметрах всё же имелась: они громко и неприятно шумели, а точнее, стрекотали. Стоит лишь один раз услышать этот звук, и забыть его уже невозможно
Не смотря на то, что появившиеся вскоре газоразрядные индикаторы были надежнее, проще в подключении и дешевле, NLS продолжала использовать дисплей с боковой подсветкой вплоть до конца 1960-х годов. А всё потому, что некоторым пользователям не нравилось неоново-красное свечение.
Бумеранг
Начало бизнеса Non-Linear Systems можно сравнить с запущенным бумерангом: кто-то успел увернуться, а кто-то нет. Сильнее всего бумеранг ударил по компании John Fluke Mfg. В 1955 году она вышла на рынок с программой выпуска нового класса прецизионных измерительных приборов – дифференциальных вольтметров, и возлагала на них большие надежды. (Функция дифференциального вольтметра – измерение разности между неизвестным входным напряжением и известным калиброванным напряжением, которое задаётся с помощью прецизионного многодекадного делителя самим пользователем.)
На деле оказалось, что, не смотря на более высокую точность, дифференциальные вольтметры катастрофически неудобны в работе с нестационарными сигналами и совершенно неприменимы для оперативных измерений, в отличие от вольтметров цифровых. Таким образом это направление стало для John Fluke Mfg. подобно камню на шее, и вскоре менеджмент компании принял решение сначала ограничить номенклатуру дифференциальных вольтметров, а потом и вовсе свернуть программу, бросив все силы на развитие цифрового направления. Бумеранг развернулся и направился в обратную сторону, чтобы к началу 1980-х нанести компании Non-Linear Systems ответный удар, от которого она так и не сможет оправиться.
Враг внутри
NLS недолго оставалась монополистом в области цифровизации электрических измерений. Почуяв сладкий запах прибыли в бой ринулись многочисленные конкуренты, причём не только акулы инструментального бизнеса, но и доморощенные фирмы с парой сотрудников в штате. Именно одна из таких, свежесозданных компаний первой ударила NLS буквально исподтишка.
Кто бы мог подумать, но уже в 1954 году, т.е. через 2 года после основания NLS, инженер Джонатан Эдвардс и торговый представитель Уолтер Ист (оба – коллеги Эндрю Кея по работе в Bill Jack Scientific Instrument) покинули компанию и дали старт первому конкуренту – Electro Instruments (EI).
Неудивительно, что изделия Electro Instruments были чрезвычайно похожи на вольтметры NLS. Однако EI не ограничилась простым копированием и стала первой компанией, применившей шаговые искатели вместо высокоскоростных электромагнитных реле.
Но вот, как по мановению волшебной палочки в модели NLS481 тоже появились шаговые искатели. Дальше – больше. Чтобы повысить ресурс со 100 до 400 млн переключений, а также снизить электрический и акустический шумы, Electro Instruments применила маслонаполненные герметичные шаговые искатели. NLS тоже не желала отставать и в ответ создала новую модель вольтметра с быстрыми ртутными герконами, имеющими ресурс до 1 млрд срабатываний. Битва продолжалась…
Electro Instruments развивалась небывалыми темпами. Лишь за первый год работы продажи вольтметров достигли отметки 300 тыс. долларов, а в последующие два увеличились ещё на порядок. К 1960 году оба партнёра-основателя компании обладали состоянием по 10 млн долларов каждый, не считая два роскошных автомобиля. Вскоре EI стала поглощать другие компании и встала на путь становления транснациональной корпорации, не ограничивающейся производством только лишь инструментов.
Неизвестно, чем бы это всё закончилось, пока не вмешался ещё более крупный игрок. Honeywell выкупила бизнес Electro Instruments в 1966 году и задушила его менее, чем через год. Уолтер Ист переквалифицировался в инвестора, а Джонатан Эдвардс не прожил после этой трагедии и 5 лет, скончавшись в возрасте 49-ти.
В очередь, пожалуйста!
Следующей компанией, попытавшейся присоединившейся к бизнесу по производству цифровых вольтметров, стала Cubic Corporation. Её основал Уолтер Зейбл (Walter Zable) в 1951 году, т.е. всего лишь за год до NLS. Зейбл сам придумал название «Cubic», т.к. считал, что оно отражает как инженерные решения, так и точность. Первым продуктом компании стал калориметрический измеритель выходной мощности магнетронов.
В 1957 году Cubic Corporation вышла на рынок вольтметров с твёрдой уверенностью, что как инструментальная компания она просто обязана быть в этом бизнесе. Однако, разработав целую линейку цифровых измерительных приборов, усилителей, конвертеров и т.п., в том числе для жёстких условий эксплуатации, Cubic так и не смогла найти свою нишу. В начале 1960-х инструментальное направление было свёрнуто, а сам факт его существования стёрт из официальной истории компании (кстати, существующей до сих пор).
Представленный на фотографии ниже вольтметр V-45 является одним из самых низкобюджетных среди всей продуктовой линейки Cubic. Прибор построен по типовой схеме с механизированным 4-х декадным делителем Кельвина-Варлея на шаговых искателях и обеспечивает измерение постоянного напряжения в 3-х диапазонах с верхними пределами 11, 110 и 1100 В и допускаемой погрешностью не более 0,01%+1 е.м.р. В конструкции вольтметра применены 26 полупроводниковых триодов и источник опорного напряжения 11 В на базе прецизионных стабилитронов.
К 1958 году подоспела представить свой первый цифровой вольтметр ещё одна инструментальная компания – Cohu. Для того, чтобы обойти конкурентов, инженеры Cohu использовали не совсем честный приём: взяли за основу испытанное годами решение Non-Linear Systems с телефонными шаговыми искателями, но повысили скорость их переключения с 20 до 60 шагов в секунду. Результат «разгона» был впечатляющим, ведь скорость измерения сигналов повысилась в 2-3 раза, а главное, всё это без каких-либо дополнительных затрат!
Однако беда пришла оттуда, откуда её именно и ожидали. Искатели, работая на нештатных режимах, быстро изнашивались и приводили к частым отказам вольтметров. В конце концов от «разгона» было принято решение отказаться. Максимальную частоту переключения вновь вернули к 20 Гц, но при этом потерялось одно из двух конкурентных преимуществ изделий.
Кстати, вторым преимуществом был исключительной красоты проекционный дисплей фирмы Industrial Electronic Engineers. Так же, как и в изобретении Эндрю Кея, секции дисплея подсвечивались миниатюрными лампами накаливания, но лампы светили не в торцы плексигласовых пластинок, а сквозь шаблоны цифр и знаков. Изображение чисел формировалось на матовом экране, и получалось при этом ярким, крупным и легко читаемым. Как говорится, лучше один раз увидеть:
Не смотря на свою неудачу Cohu стала прорабатывать альтернативные варианты выхода на рынок вольтметров. В том числе с такими изделиями, в которых полностью отсутствовала электромеханическая часть, а все переключения выполнялись с помощью полупроводниковых диодов, электронных ламп и ламп тлеющего разряда. Но момент был упущен и вскоре это направление было оставлено в угоду основному бизнесу компании – системам видеонаблюдения. Как сказал бывший генеральный директор Cohu Джеймс Барнс: «Здесь стало слишком тесно.»
В тесноте, да не в обиде
Одним из самых жёстких конкурентов в этой многолюдной области стала Dana Laboratories – один из последних стартапов в южной Калифорнии. Основными учредителями были Джек Бишоп, председатель и президент, и Марк Хоулетт, вице-президент по маркетингу. В прошлом они оба работали в компании Beckman Instruments и покинули её в 1959 году, занявшись поисками новой точки приложения своих сил. Осенью 1961 года при первоначальном финансировании от DuPont Бишоп и Хоулетт реализовали идею, выдвинутую двумя бывшими инженерами Beckman, Норманом Уокером и Ноэлем Бреймером, желающими основать собственную компанию по производству цифровых вольтметров. Четверо мужчин завершили сделку в небольшом ресторане в прибрежном городке на полпути между Сан-Диего и Лос-Анджелесом – Дана-Пойнт, от которого Dana Labs и получила свое название.
Компания стартовала со значительным конкурентным преимуществом. Уокер, который стал вице-президентом по проектированию (а ранее был директором по инжинирингу в Electro Instruments), изобрел и запатентовал метод, обеспечивающий практически нулевой температурный дрейф смещения нуля полупроводникового инструментального усилителя. Таким образом отпала необходимость в использовании капризных электромеханических вибропреобразователей в составе усилителей постоянного тока вольтметров.
Фактически, Dana Labs начала свой бизнес с производства транзисторных инструментальных усилителей постоянного тока с малым дрейфом, и лишь потом добавила в ассортимент продукции цифровые вольтметры. Последние позиционировались как полностью твердотельные и выгодно отличались тем, что в них полностью отсутствовали не только вибропреобразователи, но и шаговые искатели. Биполярные транзисторы заменили практически все электромеханические приборы, разве что кроме реле переключения диапазонов. Помимо этого была существенно увеличена помехоустойчивость вольтметров за счёт гальванической изоляции входных цепей.
У первых вольтметров Dana была еще одна необычная особенность – дисплей. В нём использовались газоразрядные лампы с неоновым наполнением под названием Nixies. На первый взгляд выгода от подобного решения была сомнительна. Каждая лампа стоила около 10$, для питания требовала источник постоянного напряжения до 170 В, которое к тому же требовалось чем-то коммутировать и согласовывать уровни с дешифратором. Но сейчас, по прошествии многих десятилетий мы видим, что инженеры Dana Labs своим выбором буквально предвосхитили целую эпоху в приборостроении.
Конечно не одними лишь техническими нововведения продукция Dana Labs стала популярной и востребованной на рынке измерительной техники. Был еще один фактор, который привел к успеху компанию, и его звали Джим Хелфрич. В 1964 году Dana Labs пригласила его для увеличения продаж в Европе и в октябре того же года Хелфрич основал подразделения корпорации Dana в Германии, Франции и Англии, что сделало Dana одним из крупнейших поставщиков цифровых измерительных приборов в Европе.
Вольтметр vs карман
Активное развитие микроэлектроники в 1970-х годах принесло свои плоды в области средств измерений. Британская компания Sinclair Radionics представила портативный цифровой многофункциональный вольтметр (мультиметр) PDM35, свободно помещающийся в нагрудном кармане. Мультиметр питался от одной 9-вольтовой батарейки и использовал новый тип индикатора на базе светодиодов. Для экономии заряда батареи светодиоды работали с пониженной яркостью, но из-за этого показания прибора было трудно различимы в светлое время суток и при искусственном освещении. Кроме того, при токе потребления мультиметра 35 мА заряда батареи хватало от силы на 10 часов. Как результат – инструмент на рынке не выжил.
Более яркий след в истории портативных вольтметров смогла оставить уже известная нам Dana Labs, предложив в начале 1970-х годов свой первый и на редкость успешный портативный цифровой мультиметр – Danameter. Озаботившись энергопотреблением прибора инженеры Dana применили в узле индикации более экономичный жидкокристаллический дисплей на 3,5 (точнее, 3 и 1/2) десятичных разряда. Вошедшее в обиход дробное значение разрядности показаний, используемое производителями цифровых приборов, означало, что старшее знакоместо может индицировать только цифру 1, в то время, как остальные знакоместа не имели такого ограничения.
Хотя продажи у Dana Labs шли хорошо, новый и очень опасный конкурент, Hewlett-Packard, начал создавать волну на все более переполненном рынке цифровых вольтметров. К 1979 году соучредитель Джек Бишоп почувствовал, что у компании больше нет ничего, что могло бы конкурировать с HP в долгосрочной перспективе. Он продал Dana Labs британскому концерну Racal, и в 1981 году Racal-Dana ушла из бизнеса цифровых вольтметров.
Атака титанов
Hewlett-Packard начала свое наступление на рынок цифровых вольтметров в 1958 году с модели 405AR для монтажа в приборную стойку. Продаваемый за 825 долларов, прибор обеспечивал автоматическую индикацию полярности входного сигнала и выбор предела измерения постоянного напряжения от 1 мВ до 999 В с возможностью передачи результатов на внешний регистратор.
Алгоритм преобразования входного сигнала был основан на однотактном интегрировании. В момент начала преобразования источник калиброванного опорного тока начинал заряжать интегратор, формируя тем самым линейно нарастающее напряжение на его выходе. Одновременно с этим запускался счётчик тактовых импульсов. Входной сигнал вольтметра сравнивался с линейно нарастающим и при достижении их равенства счёт прекращался. Состояние счётчика, пропорциональное входному напряжению, выводилось на газоразрядные индикаторы вольтметра.
Исчезающий мультиметр
Бизнес цифровых вольтметров HP рос стремительными темпами и в 1974 году публике была представлена новая, ещё более впечатляющая модель HP 970A с ещё более масштабной рекламной кампанией. Об этом событии говорили все, кто хоть как-то интересовался цифровыми вольтметрами. Рекламные фотографии HP 970A разместились на 92 обложках отраслевой прессы по всему миру. В целом, благодаря его уникальному дизайну HP 970A получил больше освещения в прессе, чем любой другой вольтметр в истории. Итак, прошу любить и жаловать… вольтметр в формате пробника!
Портативный цифровой вольтметр свободно размещался в ладони и позволял работать им, как обычным пробником, только чуть больших размеров и несомненно большей функциональности. Ещё одна особенность, которая обращала на себя внимание чаще, чем любая другая, – это переключатель, позволяющий пользователю перевернуть показания на 3-1/2-разрядном светодиодном дисплее в случае, если прибор находится «вверх ногами».
К сожалению, искусственно созданный ажиотаж вокруг HP 970A ещё не означал, что ему уготовано светлое будущее. Во-первых, многие инженеры по привычке воспринимали 970A как настольный прибор и не спешили отключать его питание в перерывах между измерениями. При этом яркие светодиодные индикаторы довольно быстро (менее, чем за 2,5 часа) и всегда внезапно разряжали встроенный никель-кадмиевый аккумулятор, о периодической зарядке которого чаще всего забывали.
Во-вторых, популярность вольтметра стала причиной скорого и неожиданного снижения его продаж. Промышленные компании не хотели покупать 970-е, потому что они исчезали с рабочих мест совершенно таинственным и невероятным образом. Для решения этой проблемы HP предлагала фиксируемый зажим, но это лишило инструмент привлекательности.
Недостаточно длинный хобот
Примерно в те же годы компания Keithley Instruments, ведущий производитель электрометров и других чрезвычайно чувствительных измерителей, представила мультиметр модели 167. Как и HP 970A, это был 3-1/2-разрядный прибор со светодиодным дисплеем в формате пробника. Однако в отличие от модели HP, в нём не было встроенного аккумулятора. Вместо этого прибор питался от достаточно энергоёмких элементов размера D, размещённых в корпусе основного настольного блока, к которому выносной пробник был привязан похожим на хобот 14-жильным кабелем.
Особенностью прибора являлось то, что пробник мог вставляться в специальное углубление на передней панели основного блока, при этом входные сигналы подавались через два обычных гнезда под измерительные кабели. Таким образом модель 167 трансформировалась в настольный прибор с небольшим светодиодным дисплеем… очень небольшим светодиодным дисплеем.
Цифры высотой около 3 мм вполне подходили для пробника, который обычно используется не дальше, чем на расстоянии вытянутой руки. Но многие люди находили их слишком маленькими для настольной конфигурации. Помимо этого не прибавлял удобства и «хобот», длина которого составляла всего лишь около 60 см. Джон Йегер, первый сотрудник Keithley с 1950 года, вспоминает досадный инцидент с руководителем телефонной компании, проявившем интерес к закупке большой партии моделей 167, но отказавшимся от заключения контракта, поскольку длина кабеля к выносному пробнику мультиметра оказалась недостаточна для проведения оператором измерений в любом месте релейной стойки.
Fluke наносит ответный удар
Неумолимое снижение спроса на рынке аналоговых дифференциальных вольтметров, где долгое время доминирующее положение занимала компания Fluke, не могло её не беспокоить. И вот, в 1969 году, в то время, когда у многих возникало ощущение, что миру не нужен еще один цифровой мультиметр, Fluke представила свою новейшую разработку – 5-1/2-разрядную модель 8300 с дисплеем на газоразрядных индикаторных лампах и конструктивным исполнением под стандартную приборную стойку. Однако самое главное преимущество было в цене. Мультиметр Fluke стоил всего 2000 долларов, в то время, как такой же разрядности изделия главного конкурента – Dana Labs – продавались по цене от 4000 до 5000 долларов.
Как это часто бывает, модель 8300 появилась на свет не одна, а в паре с компаньоном в виде 4-1/2-разрядного малогабаритного мультиметра Fluke 8100 с возможностью автономной работы от батарей и ценой 695 долларов.
Стремясь охватить разные сегменты рынка, Fluke выпустила цифровой мультиметр с ценой всего 300 долларов, но вскоре столкнулась с проблемами, которые в своё время погубили первопроходцев в области предельного удешевления измерительных приборов.
Например, в середине 1960-х годов United Systems представила низкобюджетный цифровой вольтметр Digitec 201 по цене около 300 долларов. В этом приборе использовался трехразрядный электромеханический дисплей, который выглядел как автомобильный одометр. Конструкция и принцип действия вольтметра были чрезвычайно просты, если не сказать примитивны: серводвигатель вращал потенциометр и связанный с ним барабанный дисплей до тех пор, пока входной сигнал вольтметра не сбалансирован с эталонным.
Впрочем, на этом все преимущества заканчивались. Немногочисленные пользователи отмечали, что прибор был мучительно медленным и в некоторых случаях вполне можно было успеть выпить чашку кофе, пока на дисплее устанавливались показания. Низкая цена не спасла это вольтметр от скорого забвения. Как не спасла изделие ещё одного претендента на рекордное удешевление – компании ElectroLogic, производящей оборудование для разведки и разработки нефтяных месторождений.
Как и его конкурент Digitec 201, вольтметр ElectroLogic так же имел механическую развёртку с вращающимся диском и потенциометром на одном валу, приводящимся в движение электродвигателем. Вал вращался постоянно и на подвижном контакте потенциометра формировалось пилообразное опорное напряжение. В момент его совпадения с напряжением входного сигнала кратковременно вспыхивала лампа стробоскопа, подсвечивая на диске трехзначное число. Это число, представляющее собой результат измерения входного сигнала, в теории должно было наблюдаться неподвижным через смотровое окно. На практике же добиться этого было весьма затруднительно.
Конечно список примеров можно было бы продолжить, однако тенденция и так видна невооружённым глазом: предельная экономия в технических решениях не делает приборы более привлекательными для потенциальных покупателей. Точно так же, как не делает их привлекательными и для многих производителей. Последнюю проблему хорошо описывает цитата президента компании ElectroLogic Винсента ван Праага (Vincent van Praag): «Как найти торговых представителей, которые возьмут на себя бремя продажи 300-долларовых цифровых вольтметров за обычную 20-процентную комиссию, когда большинство таких приборов продаются за 2000 долларов? Ответ – никак.»
Эпилог
С момента своего создания цифровые вольтметры (а в последствии и мультиметры) стали медленно и неумолимо завоёвывать рынок электроизмерительных приборов. И хотя история, как известно, не терпит сослагательного наклонения, думаю не ошибусь, если скажу, что не сделай Эндрю Кей в 1952 году свой первый шаг в направлении коммерциализации приборов с цифровым отсчётом, рано или поздно это сделал бы кто-то другой.
В первые два десятилетия «цифровизация» электроизмерений стала стимулирующим фактором для модернизации и активного роста многих смежных областей. К числу основных результатов и достижений «цифровизации» можно отнести следующие:
1. Изменение «баланса сил» в методологии измерений за счёт роста технико-экономических и метрологических показателей приборов с прямым цифровым отсчётом и снижения доли приборов, реализующих дифференциальные, мостовые и компенсационные методы.
2. Совершенствование элементной базы, в том числе переход от химических к твёрдотельным (полупроводниковым) источникам опорного напряжения, миниатюризация и улучшение характеристик прецизионных резисторов и делителей напряжения, создание операционных усилителей с малым смещением нуля и пр.
3. Разработка новых алгоритмов аналого-цифрового преобразования и повышение их характеристик. Первые поколения цифровых вольтметров 50–70-х годов с АЦП следящего типа, последовательных приближений и развёртывающего преобразования не обладали необходимой гибкостью настроек разрешения и производительности. Кроме того, они не обеспечивали подавление помехи с частотой сети, что вынуждало разработчиков использовать в составе вольтметров громоздкие аналоговые фильтры [3]. Ситуация в корне поменялась с приходом алгоритмов двухтактного, многотактного и непрерывного интегрирования.
4. Формирование общих требований к функциональной структуре и конструктивному исполнению прецизионных цифровых вольтметров (мультиметров). Десятилетиями накапливаемые успешные практики проектирования, находящие своё отражение в технических описаниях приборов, научно-технических публикациях и рекламных материалах фирм-производителей измерительной техники, позволяют выбрать наиболее удачные конструктивные и схемотехнические решения. К таковым, например, относят разделение узлов вольтметра на гальванически изолированные, находящиеся в клетке Фарадея, и неизолированные, т.е. имеющие связь с землёй.
5. Трансформация метрологических характеристик приборов. Вытеснение аналоговых средств отсчёта показаний их цифровыми эквивалентами привело к необходимости определять и нормировать дополнительные метрологические параметры. Впервые использованные термины разрядности вольтметра (количества полных и дробных десятичных разрядов числа, представляющего собой результат измерения), а так же длины шкалы (диапазона показаний в единицах младшего разряда) поначалу использовались лишь в маркетинговых исследованиях и рекламных кампаниях, однако со временем прочно вошли в инженерный лексикон.
6. Создание цифровых мультиметров с экстремальными метрологическими характеристиками. Сюда относят т.н. широкодиапазонные (англ. long scale) мультиметры с наивысшими показателями стабильности, линейности и др. Разработка такого рода приборов – это настолько трудоёмкий и наукоёмкий процесс, что во всём мире едва ли наберётся десяток компаний, успешно его завершивших.
Но об этом в следующий раз…
Всех радиокотов с наступающим Новым годом и 70-летним юбилеем цифровых вольтметров!
Дополнительная литература
1. George Rotsky, “Gauging the impact of DVMs” // Elecronic Engineering Times, 1997 (https://web.archive.org/web/20001004201 ... uging.html)
2. The First Digital Voltmeters and the Birth of Test Automation (http://www.hp9825.com/html/dvms.html)
3. Stern H. Digital Voltmeter Techniques. A Survey of Current Practice // Wireless World, Nov. 1967, pp. 518-524 (https://worldradiohistory.com/UK/Wirele ... 967-11.pdf)
Не секрет, что цифровые вольтметры, являясь основой целого ряда более сложных электроизмерительных приборов, настолько тесно интегрировались в современную технику, что даже на секунду невозможно представить жизнь без этих весёлых перемигивающихся чисел. Однако так было не всегда…
Давайте достанем нашу карманную машину времени и пространства, перенесёмся в 1949 год и заглянем в Солана Бич – крошечный прибрежный городок в округе Сан-Диего штата Калифорния, США.
Solana Beach – Forty Years of Progress, 1922-1962, The San Diego Citizen, April 1962
Буквально через год эта мрачная, усеянная бетонными опорами пустошь превратится в производственные и административные здания Bill Jack Scientific Instrument Co., а жизнь в самом городке заиграет новыми красками. В разгар «холодной войны» компания была хорошо обеспечена заказами и дала городу свыше 600 рабочих мест, а разнообразие продукции просто поражало воображение: электродвигатели, тахометры, полицейские шлемы, видеокамеры для исследования кернового материала буровых скважин, аппаратура воздушной разведки, узлы ракет-носителей «Атлас» и пр. и пр.
Конечно же достигнутые успехи не пришли сами по себе. Не последнюю роль в коммерческом успехе компании сыграли её «отцы-основатели»: президент Уильям Джек (Bill Jack, 1888 г.р.) и технический директор Эндрю Кей (Andrew Kay, 1919 г.р.).
Уильям Джек относился к той, довольно редкой категории руководителей «старой закалки», которые не только умели грамотно выстроить цепочку бизнес-процессов на предприятии, но и воспринимали своих сотрудников как партнёров, стараясь (большей частью в ущерб личным интересам) обеспечивать максимально комфортные условия для работы и для жизни.
Эндрю Кей сегодня больше известен, как основатель крупнейшей компьютерной компании Kaypro и создатель одноимённой серии самых популярных домашних и персональных компьютеров 1980-х. Начав работать в оборонной промышленности сразу после окончания Массачусетского технологического института в 1940 г., Эндрю проявил себя не только как грамотный и талантливый инженер, но и как творческая личность. Ему было интересно создавать что-то новое, полезное, в то время, как работа в серийном производстве компании его наставника – Уильяма Джека, тяготила своим унылым однообразием.
https://www.nytimes.com/2014/09/06/business/andrew-kay-pioneer-in-computing-dies-at-95.html
В 1952 году наступил переломный момент и Эндрю Кей попрощался с Bill Jack Scientific Instrument. На этот крайний шаг его подвигло желание реализовать собственную идею – идею о создании измерительных приборов совершенно нового типа.
Дело всё в том, что в 40-х годах многие компании, даже те, которые работали над гособоронзаказами, не имели достаточных ресурсов, чтобы набирать сотрудников высокой квалификации на ответственные участки. Зачастую на линиях настройки изделий можно было видеть, как уставшие, полусонные работники всматриваются слезящимися от напряжения глазами в зеркальные шкалы стрелочных гальванометров и по очереди вращают многочисленные ручки потенциометров, пытаясь уравновесить мостовой омметр, компенсационный вольтметр и т.п. Одно неверное движение, одна ошибка при выборе диапазона… щелчок, и стрелка гальванометра, подобно молнии ударив в ограничитель, безвольно возвращается к нулевой отметке. Прецизионный прибор неисправен. Когда подоспеет ему замена – неизвестно, ведь все ресурсы инструментальных компаний, производящих лучшую измерительную технику, брошены на «проект Манхэттен».
Можно только догадываться, сколько раз Эндрю Кей сталкивался с подобными ситуациями ещё будучи простым инженером. Так что же он задумал и над чем трудился в одиночку, не покладая рук, расположившись в арендованной комнате пляжного мотеля Del Mar на 17-й улице? Ответ очень прост – он создавал первый в мире цифровой вольтметр. Прецизионный автоматический вольтметр с прямым отсчётом, который бы сам определял полярность, диапазон измерения, и не заставлял пользователя постоянно крутить ручки и хвататься за логарифмическую линейку, вычисляя показания. Так в 1952 году тихо и незаметно был сделан первый шаг, «ведущий электронную промышленность к цифровой революции» (цитата из журнала Electronics Design).
Для запуска в производство цифровых вольтметров Эндрю Кей организовал собственную компанию, которую назвал Non-Linear Systems (NLS). Поначалу это была фирма по типу «один работник и одна комната». Но уже через 10 лет выпуск достиг небывалых масштабов, а номенклатура вольтметров достигла 16 единиц. При этом первоначальная цена наиболее востребованной модели NLS481 снизилась с 2300$ (~20000$ в современных ценах) до 1355$.
Electronics, August 4, 1961, pp 16–17
Прототип цифрового вольтметра был готов уже в 1952 году, а в апреле 1953-го первый экземпляр продан лаборатории военно-морской электроники в Калифорнии за сумму в 2300$. Основой прибора служил механизированный вариант делителя Кельвина-Варлея (эти делители компания Leeds & Northrup начала выпускать аж с 1875 года). На вход делителя подавалось напряжение с 90-вольтовой батареи химических элементов, а устройство сравнения с вибропреобразователем и фазочувствительным детектором выдавало сигнал управления быстродействующими реле и изменяло состояние делителя так, чтобы в конечном итоге его выходное напряжение максимально приблизилось к неизвестному напряжению на входе вольтметра.
Первый цифровой вольтметр NLS и краткое описание принципа работы аналогичных приборов
Поначалу в устройстве сравнения применялись тиратроны, но из-за плохой воспроизводимости результатов позднее перешли на стандартный ламповый триод того времени, 201A. Это определило входное сопротивление вольтметра 10 МОм, которое в дальнейшем стало своеобразным эталоном для цифровых вольтметров. Однако наиболее слабым местом являлись конечно же узлы коммутации делителя опорного напряжения, пределов измерения и полярности входного сигнала. К электромагнитным реле, являющимся основными компонентами этих узлов, предъявлялись очень жёсткие и противоречивые требования: низкое сопротивление замкнутых контактов, способность коммутации сигналов с напряжением до 1000 В, малое время переключения, высокий ресурс срабатываний.
Разумеется попытки создать автоматический вольтметр с тем или иным видом цифрового отсчёта предпринимались и раньше. К примеру, Джозеф Шоу из Цинциннати (штат Огайо), врач по профессии, в 1950 году получил патент на изобретённый им электроизмерительный прибор, в структуре которого имелись и шаговые искатели с резистивным делителем, и устройство сравнения с опорным напряжением, но отсутствовало самое важное – блок цифровой индикации. Именно по этой причине Д. Шоу проиграл в патентных спорах с NLS, которые затеял в 1969 году.
Что же такого исключительного было в устройстве индикации, созданном NLS? Секрет успеха был очень прост: расположенные вряд крупные яркие цифры с плавающим десятичным разделителем позволяли практически в любых условиях однозначно и безошибочно считывать показания вольтметра, не производя при этом ровно никаких вычислений.
Конструктивное исполнение узла была достаточно сложным, но в то же время эффективным. Каждое знакоместо индикатора представляло собой сложенную стопкой пачку тонких прямоугольных пластин оргстекла, на которых выгравированы цифры, знаки, десятичная точка и пр. В зависимости от выводимого на индикатор числа с помощью контактов реле или (позднее) шагового искателя подавалось питание на миниатюрные лампы накаливания, подсвечивающие боковые грани соответствующих пластин.
Поскольку число ламп в узле индикации велико, а долговечность их в импульсном режиме работы весьма ограничена, особые меры предпринимались для повышения оперативности замены перегоревших ламп, в том числе, использование пружинных беспаечных контактов. Но в целом же необходимость ремонта индикаторов – небольшая плата за тот комфорт и высокую производительность, которые обеспечивали новые цифровые вольтметры.
Впрочем, одна ложка дёгтя в таких вольтметрах всё же имелась: они громко и неприятно шумели, а точнее, стрекотали. Стоит лишь один раз услышать этот звук, и забыть его уже невозможно
Не смотря на то, что появившиеся вскоре газоразрядные индикаторы были надежнее, проще в подключении и дешевле, NLS продолжала использовать дисплей с боковой подсветкой вплоть до конца 1960-х годов. А всё потому, что некоторым пользователям не нравилось неоново-красное свечение.
Бумеранг
Начало бизнеса Non-Linear Systems можно сравнить с запущенным бумерангом: кто-то успел увернуться, а кто-то нет. Сильнее всего бумеранг ударил по компании John Fluke Mfg. В 1955 году она вышла на рынок с программой выпуска нового класса прецизионных измерительных приборов – дифференциальных вольтметров, и возлагала на них большие надежды. (Функция дифференциального вольтметра – измерение разности между неизвестным входным напряжением и известным калиброванным напряжением, которое задаётся с помощью прецизионного многодекадного делителя самим пользователем.)
На деле оказалось, что, не смотря на более высокую точность, дифференциальные вольтметры катастрофически неудобны в работе с нестационарными сигналами и совершенно неприменимы для оперативных измерений, в отличие от вольтметров цифровых. Таким образом это направление стало для John Fluke Mfg. подобно камню на шее, и вскоре менеджмент компании принял решение сначала ограничить номенклатуру дифференциальных вольтметров, а потом и вовсе свернуть программу, бросив все силы на развитие цифрового направления. Бумеранг развернулся и направился в обратную сторону, чтобы к началу 1980-х нанести компании Non-Linear Systems ответный удар, от которого она так и не сможет оправиться.
Дифференциальный вольтметр Fluke Model 800
Враг внутри
NLS недолго оставалась монополистом в области цифровизации электрических измерений. Почуяв сладкий запах прибыли в бой ринулись многочисленные конкуренты, причём не только акулы инструментального бизнеса, но и доморощенные фирмы с парой сотрудников в штате. Именно одна из таких, свежесозданных компаний первой ударила NLS буквально исподтишка.
Кто бы мог подумать, но уже в 1954 году, т.е. через 2 года после основания NLS, инженер Джонатан Эдвардс и торговый представитель Уолтер Ист (оба – коллеги Эндрю Кея по работе в Bill Jack Scientific Instrument) покинули компанию и дали старт первому конкуренту – Electro Instruments (EI).
Неудивительно, что изделия Electro Instruments были чрезвычайно похожи на вольтметры NLS. Однако EI не ограничилась простым копированием и стала первой компанией, применившей шаговые искатели вместо высокоскоростных электромагнитных реле.
Но вот, как по мановению волшебной палочки в модели NLS481 тоже появились шаговые искатели. Дальше – больше. Чтобы повысить ресурс со 100 до 400 млн переключений, а также снизить электрический и акустический шумы, Electro Instruments применила маслонаполненные герметичные шаговые искатели. NLS тоже не желала отставать и в ответ создала новую модель вольтметра с быстрыми ртутными герконами, имеющими ресурс до 1 млрд срабатываний. Битва продолжалась…
Electro Instruments развивалась небывалыми темпами. Лишь за первый год работы продажи вольтметров достигли отметки 300 тыс. долларов, а в последующие два увеличились ещё на порядок. К 1960 году оба партнёра-основателя компании обладали состоянием по 10 млн долларов каждый, не считая два роскошных автомобиля. Вскоре EI стала поглощать другие компании и встала на путь становления транснациональной корпорации, не ограничивающейся производством только лишь инструментов.
Неизвестно, чем бы это всё закончилось, пока не вмешался ещё более крупный игрок. Honeywell выкупила бизнес Electro Instruments в 1966 году и задушила его менее, чем через год. Уолтер Ист переквалифицировался в инвестора, а Джонатан Эдвардс не прожил после этой трагедии и 5 лет, скончавшись в возрасте 49-ти.
В очередь, пожалуйста!
Следующей компанией, попытавшейся присоединившейся к бизнесу по производству цифровых вольтметров, стала Cubic Corporation. Её основал Уолтер Зейбл (Walter Zable) в 1951 году, т.е. всего лишь за год до NLS. Зейбл сам придумал название «Cubic», т.к. считал, что оно отражает как инженерные решения, так и точность. Первым продуктом компании стал калориметрический измеритель выходной мощности магнетронов.
В 1957 году Cubic Corporation вышла на рынок вольтметров с твёрдой уверенностью, что как инструментальная компания она просто обязана быть в этом бизнесе. Однако, разработав целую линейку цифровых измерительных приборов, усилителей, конвертеров и т.п., в том числе для жёстких условий эксплуатации, Cubic так и не смогла найти свою нишу. В начале 1960-х инструментальное направление было свёрнуто, а сам факт его существования стёрт из официальной истории компании (кстати, существующей до сих пор).
Electronics Magazine, 1963-04
Представленный на фотографии ниже вольтметр V-45 является одним из самых низкобюджетных среди всей продуктовой линейки Cubic. Прибор построен по типовой схеме с механизированным 4-х декадным делителем Кельвина-Варлея на шаговых искателях и обеспечивает измерение постоянного напряжения в 3-х диапазонах с верхними пределами 11, 110 и 1100 В и допускаемой погрешностью не более 0,01%+1 е.м.р. В конструкции вольтметра применены 26 полупроводниковых триодов и источник опорного напряжения 11 В на базе прецизионных стабилитронов.
Цифровой вольтметр Cubic V-45
https://www.sr-ix.com/Archive/instruments/Cubic-V45/
К 1958 году подоспела представить свой первый цифровой вольтметр ещё одна инструментальная компания – Cohu. Для того, чтобы обойти конкурентов, инженеры Cohu использовали не совсем честный приём: взяли за основу испытанное годами решение Non-Linear Systems с телефонными шаговыми искателями, но повысили скорость их переключения с 20 до 60 шагов в секунду. Результат «разгона» был впечатляющим, ведь скорость измерения сигналов повысилась в 2-3 раза, а главное, всё это без каких-либо дополнительных затрат!
Однако беда пришла оттуда, откуда её именно и ожидали. Искатели, работая на нештатных режимах, быстро изнашивались и приводили к частым отказам вольтметров. В конце концов от «разгона» было принято решение отказаться. Максимальную частоту переключения вновь вернули к 20 Гц, но при этом потерялось одно из двух конкурентных преимуществ изделий.
Кстати, вторым преимуществом был исключительной красоты проекционный дисплей фирмы Industrial Electronic Engineers. Так же, как и в изобретении Эндрю Кея, секции дисплея подсвечивались миниатюрными лампами накаливания, но лампы светили не в торцы плексигласовых пластинок, а сквозь шаблоны цифр и знаков. Изображение чисел формировалось на матовом экране, и получалось при этом ярким, крупным и легко читаемым. Как говорится, лучше один раз увидеть:
Не смотря на свою неудачу Cohu стала прорабатывать альтернативные варианты выхода на рынок вольтметров. В том числе с такими изделиями, в которых полностью отсутствовала электромеханическая часть, а все переключения выполнялись с помощью полупроводниковых диодов, электронных ламп и ламп тлеющего разряда. Но момент был упущен и вскоре это направление было оставлено в угоду основному бизнесу компании – системам видеонаблюдения. Как сказал бывший генеральный директор Cohu Джеймс Барнс: «Здесь стало слишком тесно.»
В тесноте, да не в обиде
Одним из самых жёстких конкурентов в этой многолюдной области стала Dana Laboratories – один из последних стартапов в южной Калифорнии. Основными учредителями были Джек Бишоп, председатель и президент, и Марк Хоулетт, вице-президент по маркетингу. В прошлом они оба работали в компании Beckman Instruments и покинули её в 1959 году, занявшись поисками новой точки приложения своих сил. Осенью 1961 года при первоначальном финансировании от DuPont Бишоп и Хоулетт реализовали идею, выдвинутую двумя бывшими инженерами Beckman, Норманом Уокером и Ноэлем Бреймером, желающими основать собственную компанию по производству цифровых вольтметров. Четверо мужчин завершили сделку в небольшом ресторане в прибрежном городке на полпути между Сан-Диего и Лос-Анджелесом – Дана-Пойнт, от которого Dana Labs и получила свое название.
Компания стартовала со значительным конкурентным преимуществом. Уокер, который стал вице-президентом по проектированию (а ранее был директором по инжинирингу в Electro Instruments), изобрел и запатентовал метод, обеспечивающий практически нулевой температурный дрейф смещения нуля полупроводникового инструментального усилителя. Таким образом отпала необходимость в использовании капризных электромеханических вибропреобразователей в составе усилителей постоянного тока вольтметров.
Фактически, Dana Labs начала свой бизнес с производства транзисторных инструментальных усилителей постоянного тока с малым дрейфом, и лишь потом добавила в ассортимент продукции цифровые вольтметры. Последние позиционировались как полностью твердотельные и выгодно отличались тем, что в них полностью отсутствовали не только вибропреобразователи, но и шаговые искатели. Биполярные транзисторы заменили практически все электромеханические приборы, разве что кроме реле переключения диапазонов. Помимо этого была существенно увеличена помехоустойчивость вольтметров за счёт гальванической изоляции входных цепей.
Цифровой вольтметр Dana 3800A
У первых вольтметров Dana была еще одна необычная особенность – дисплей. В нём использовались газоразрядные лампы с неоновым наполнением под названием Nixies. На первый взгляд выгода от подобного решения была сомнительна. Каждая лампа стоила около 10$, для питания требовала источник постоянного напряжения до 170 В, которое к тому же требовалось чем-то коммутировать и согласовывать уровни с дешифратором. Но сейчас, по прошествии многих десятилетий мы видим, что инженеры Dana Labs своим выбором буквально предвосхитили целую эпоху в приборостроении.
Конечно не одними лишь техническими нововведения продукция Dana Labs стала популярной и востребованной на рынке измерительной техники. Был еще один фактор, который привел к успеху компанию, и его звали Джим Хелфрич. В 1964 году Dana Labs пригласила его для увеличения продаж в Европе и в октябре того же года Хелфрич основал подразделения корпорации Dana в Германии, Франции и Англии, что сделало Dana одним из крупнейших поставщиков цифровых измерительных приборов в Европе.
Вольтметр vs карман
Активное развитие микроэлектроники в 1970-х годах принесло свои плоды в области средств измерений. Британская компания Sinclair Radionics представила портативный цифровой многофункциональный вольтметр (мультиметр) PDM35, свободно помещающийся в нагрудном кармане. Мультиметр питался от одной 9-вольтовой батарейки и использовал новый тип индикатора на базе светодиодов. Для экономии заряда батареи светодиоды работали с пониженной яркостью, но из-за этого показания прибора было трудно различимы в светлое время суток и при искусственном освещении. Кроме того, при токе потребления мультиметра 35 мА заряда батареи хватало от силы на 10 часов. Как результат – инструмент на рынке не выжил.
Мультиметр Sinclair PDM35 (Portable Digital Multimeter 3.5 digits), 1977 год
http://zonadepruebas.org/clive-sinclair ... 39642.html
http://kuzyatech.com/sinclair-pdm35-multimeter-teardown
Более яркий след в истории портативных вольтметров смогла оставить уже известная нам Dana Labs, предложив в начале 1970-х годов свой первый и на редкость успешный портативный цифровой мультиметр – Danameter. Озаботившись энергопотреблением прибора инженеры Dana применили в узле индикации более экономичный жидкокристаллический дисплей на 3,5 (точнее, 3 и 1/2) десятичных разряда. Вошедшее в обиход дробное значение разрядности показаний, используемое производителями цифровых приборов, означало, что старшее знакоместо может индицировать только цифру 1, в то время, как остальные знакоместа не имели такого ограничения.
Портативный мультиметр Dana Danameter
Хотя продажи у Dana Labs шли хорошо, новый и очень опасный конкурент, Hewlett-Packard, начал создавать волну на все более переполненном рынке цифровых вольтметров. К 1979 году соучредитель Джек Бишоп почувствовал, что у компании больше нет ничего, что могло бы конкурировать с HP в долгосрочной перспективе. Он продал Dana Labs британскому концерну Racal, и в 1981 году Racal-Dana ушла из бизнеса цифровых вольтметров.
Атака титанов
Hewlett-Packard начала свое наступление на рынок цифровых вольтметров в 1958 году с модели 405AR для монтажа в приборную стойку. Продаваемый за 825 долларов, прибор обеспечивал автоматическую индикацию полярности входного сигнала и выбор предела измерения постоянного напряжения от 1 мВ до 999 В с возможностью передачи результатов на внешний регистратор.
Вольтметр Hewlett-Packard 405AR, 1958 г.
Алгоритм преобразования входного сигнала был основан на однотактном интегрировании. В момент начала преобразования источник калиброванного опорного тока начинал заряжать интегратор, формируя тем самым линейно нарастающее напряжение на его выходе. Одновременно с этим запускался счётчик тактовых импульсов. Входной сигнал вольтметра сравнивался с линейно нарастающим и при достижении их равенства счёт прекращался. Состояние счётчика, пропорциональное входному напряжению, выводилось на газоразрядные индикаторы вольтметра.
Исчезающий мультиметр
Бизнес цифровых вольтметров HP рос стремительными темпами и в 1974 году публике была представлена новая, ещё более впечатляющая модель HP 970A с ещё более масштабной рекламной кампанией. Об этом событии говорили все, кто хоть как-то интересовался цифровыми вольтметрами. Рекламные фотографии HP 970A разместились на 92 обложках отраслевой прессы по всему миру. В целом, благодаря его уникальному дизайну HP 970A получил больше освещения в прессе, чем любой другой вольтметр в истории. Итак, прошу любить и жаловать… вольтметр в формате пробника!
HP 970A – вольтметр в формате пробника
Портативный цифровой вольтметр свободно размещался в ладони и позволял работать им, как обычным пробником, только чуть больших размеров и несомненно большей функциональности. Ещё одна особенность, которая обращала на себя внимание чаще, чем любая другая, – это переключатель, позволяющий пользователю перевернуть показания на 3-1/2-разрядном светодиодном дисплее в случае, если прибор находится «вверх ногами».
К сожалению, искусственно созданный ажиотаж вокруг HP 970A ещё не означал, что ему уготовано светлое будущее. Во-первых, многие инженеры по привычке воспринимали 970A как настольный прибор и не спешили отключать его питание в перерывах между измерениями. При этом яркие светодиодные индикаторы довольно быстро (менее, чем за 2,5 часа) и всегда внезапно разряжали встроенный никель-кадмиевый аккумулятор, о периодической зарядке которого чаще всего забывали.
Во-вторых, популярность вольтметра стала причиной скорого и неожиданного снижения его продаж. Промышленные компании не хотели покупать 970-е, потому что они исчезали с рабочих мест совершенно таинственным и невероятным образом. Для решения этой проблемы HP предлагала фиксируемый зажим, но это лишило инструмент привлекательности.
Недостаточно длинный хобот
Примерно в те же годы компания Keithley Instruments, ведущий производитель электрометров и других чрезвычайно чувствительных измерителей, представила мультиметр модели 167. Как и HP 970A, это был 3-1/2-разрядный прибор со светодиодным дисплеем в формате пробника. Однако в отличие от модели HP, в нём не было встроенного аккумулятора. Вместо этого прибор питался от достаточно энергоёмких элементов размера D, размещённых в корпусе основного настольного блока, к которому выносной пробник был привязан похожим на хобот 14-жильным кабелем.
Мультиметр Keithley Auto-probe 167
Особенностью прибора являлось то, что пробник мог вставляться в специальное углубление на передней панели основного блока, при этом входные сигналы подавались через два обычных гнезда под измерительные кабели. Таким образом модель 167 трансформировалась в настольный прибор с небольшим светодиодным дисплеем… очень небольшим светодиодным дисплеем.
Цифры высотой около 3 мм вполне подходили для пробника, который обычно используется не дальше, чем на расстоянии вытянутой руки. Но многие люди находили их слишком маленькими для настольной конфигурации. Помимо этого не прибавлял удобства и «хобот», длина которого составляла всего лишь около 60 см. Джон Йегер, первый сотрудник Keithley с 1950 года, вспоминает досадный инцидент с руководителем телефонной компании, проявившем интерес к закупке большой партии моделей 167, но отказавшимся от заключения контракта, поскольку длина кабеля к выносному пробнику мультиметра оказалась недостаточна для проведения оператором измерений в любом месте релейной стойки.
Fluke наносит ответный удар
Неумолимое снижение спроса на рынке аналоговых дифференциальных вольтметров, где долгое время доминирующее положение занимала компания Fluke, не могло её не беспокоить. И вот, в 1969 году, в то время, когда у многих возникало ощущение, что миру не нужен еще один цифровой мультиметр, Fluke представила свою новейшую разработку – 5-1/2-разрядную модель 8300 с дисплеем на газоразрядных индикаторных лампах и конструктивным исполнением под стандартную приборную стойку. Однако самое главное преимущество было в цене. Мультиметр Fluke стоил всего 2000 долларов, в то время, как такой же разрядности изделия главного конкурента – Dana Labs – продавались по цене от 4000 до 5000 долларов.
Как это часто бывает, модель 8300 появилась на свет не одна, а в паре с компаньоном в виде 4-1/2-разрядного малогабаритного мультиметра Fluke 8100 с возможностью автономной работы от батарей и ценой 695 долларов.
Fluke 8300A и 8100A
Стремясь охватить разные сегменты рынка, Fluke выпустила цифровой мультиметр с ценой всего 300 долларов, но вскоре столкнулась с проблемами, которые в своё время погубили первопроходцев в области предельного удешевления измерительных приборов.
Например, в середине 1960-х годов United Systems представила низкобюджетный цифровой вольтметр Digitec 201 по цене около 300 долларов. В этом приборе использовался трехразрядный электромеханический дисплей, который выглядел как автомобильный одометр. Конструкция и принцип действия вольтметра были чрезвычайно просты, если не сказать примитивны: серводвигатель вращал потенциометр и связанный с ним барабанный дисплей до тех пор, пока входной сигнал вольтметра не сбалансирован с эталонным.
Электромеханический цифровой вольтметр Digitec 201
Впрочем, на этом все преимущества заканчивались. Немногочисленные пользователи отмечали, что прибор был мучительно медленным и в некоторых случаях вполне можно было успеть выпить чашку кофе, пока на дисплее устанавливались показания. Низкая цена не спасла это вольтметр от скорого забвения. Как не спасла изделие ещё одного претендента на рекордное удешевление – компании ElectroLogic, производящей оборудование для разведки и разработки нефтяных месторождений.
Как и его конкурент Digitec 201, вольтметр ElectroLogic так же имел механическую развёртку с вращающимся диском и потенциометром на одном валу, приводящимся в движение электродвигателем. Вал вращался постоянно и на подвижном контакте потенциометра формировалось пилообразное опорное напряжение. В момент его совпадения с напряжением входного сигнала кратковременно вспыхивала лампа стробоскопа, подсвечивая на диске трехзначное число. Это число, представляющее собой результат измерения входного сигнала, в теории должно было наблюдаться неподвижным через смотровое окно. На практике же добиться этого было весьма затруднительно.
Устройство стробоскопического вольтметра ElectroLogic
Конечно список примеров можно было бы продолжить, однако тенденция и так видна невооружённым глазом: предельная экономия в технических решениях не делает приборы более привлекательными для потенциальных покупателей. Точно так же, как не делает их привлекательными и для многих производителей. Последнюю проблему хорошо описывает цитата президента компании ElectroLogic Винсента ван Праага (Vincent van Praag): «Как найти торговых представителей, которые возьмут на себя бремя продажи 300-долларовых цифровых вольтметров за обычную 20-процентную комиссию, когда большинство таких приборов продаются за 2000 долларов? Ответ – никак.»
Эпилог
С момента своего создания цифровые вольтметры (а в последствии и мультиметры) стали медленно и неумолимо завоёвывать рынок электроизмерительных приборов. И хотя история, как известно, не терпит сослагательного наклонения, думаю не ошибусь, если скажу, что не сделай Эндрю Кей в 1952 году свой первый шаг в направлении коммерциализации приборов с цифровым отсчётом, рано или поздно это сделал бы кто-то другой.
В первые два десятилетия «цифровизация» электроизмерений стала стимулирующим фактором для модернизации и активного роста многих смежных областей. К числу основных результатов и достижений «цифровизации» можно отнести следующие:
1. Изменение «баланса сил» в методологии измерений за счёт роста технико-экономических и метрологических показателей приборов с прямым цифровым отсчётом и снижения доли приборов, реализующих дифференциальные, мостовые и компенсационные методы.
2. Совершенствование элементной базы, в том числе переход от химических к твёрдотельным (полупроводниковым) источникам опорного напряжения, миниатюризация и улучшение характеристик прецизионных резисторов и делителей напряжения, создание операционных усилителей с малым смещением нуля и пр.
3. Разработка новых алгоритмов аналого-цифрового преобразования и повышение их характеристик. Первые поколения цифровых вольтметров 50–70-х годов с АЦП следящего типа, последовательных приближений и развёртывающего преобразования не обладали необходимой гибкостью настроек разрешения и производительности. Кроме того, они не обеспечивали подавление помехи с частотой сети, что вынуждало разработчиков использовать в составе вольтметров громоздкие аналоговые фильтры [3]. Ситуация в корне поменялась с приходом алгоритмов двухтактного, многотактного и непрерывного интегрирования.
4. Формирование общих требований к функциональной структуре и конструктивному исполнению прецизионных цифровых вольтметров (мультиметров). Десятилетиями накапливаемые успешные практики проектирования, находящие своё отражение в технических описаниях приборов, научно-технических публикациях и рекламных материалах фирм-производителей измерительной техники, позволяют выбрать наиболее удачные конструктивные и схемотехнические решения. К таковым, например, относят разделение узлов вольтметра на гальванически изолированные, находящиеся в клетке Фарадея, и неизолированные, т.е. имеющие связь с землёй.
5. Трансформация метрологических характеристик приборов. Вытеснение аналоговых средств отсчёта показаний их цифровыми эквивалентами привело к необходимости определять и нормировать дополнительные метрологические параметры. Впервые использованные термины разрядности вольтметра (количества полных и дробных десятичных разрядов числа, представляющего собой результат измерения), а так же длины шкалы (диапазона показаний в единицах младшего разряда) поначалу использовались лишь в маркетинговых исследованиях и рекламных кампаниях, однако со временем прочно вошли в инженерный лексикон.
6. Создание цифровых мультиметров с экстремальными метрологическими характеристиками. Сюда относят т.н. широкодиапазонные (англ. long scale) мультиметры с наивысшими показателями стабильности, линейности и др. Разработка такого рода приборов – это настолько трудоёмкий и наукоёмкий процесс, что во всём мире едва ли наберётся десяток компаний, успешно его завершивших.
Но об этом в следующий раз…
Всех радиокотов с наступающим Новым годом и 70-летним юбилеем цифровых вольтметров!
Дополнительная литература
1. George Rotsky, “Gauging the impact of DVMs” // Elecronic Engineering Times, 1997 (https://web.archive.org/web/20001004201 ... uging.html)
2. The First Digital Voltmeters and the Birth of Test Automation (http://www.hp9825.com/html/dvms.html)
3. Stern H. Digital Voltmeter Techniques. A Survey of Current Practice // Wireless World, Nov. 1967, pp. 518-524 (https://worldradiohistory.com/UK/Wirele ... 967-11.pdf)
Последний раз редактировалось Mickle Вт дек 28, 2021 08:55:18, всего редактировалось 1 раз.
Re: Юбилей цифровых вольтметров
Пн дек 27, 2021 23:34:23
Спасибо, Михаил, очень интересное погружение в историю.
Re: Юбилей цифровых вольтметров
Пн дек 27, 2021 23:38:15
Отлично!
Спасибо!
Спасибо!
Re: Юбилей цифровых вольтметров
Вт дек 28, 2021 00:07:43
Очень интересно было почитать! Спасибо за экскурс в историю!
Re: Юбилей цифровых вольтметров
Вт дек 28, 2021 08:58:51
Спасибо!
Re: Юбилей цифровых вольтметров
Вт дек 28, 2021 09:52:58
Большое спасибо Автору! Очень интересная и познавательная информация. С удовольствием посмотрел и послушал! видео работы первых приборов.
Хочется отметить, что быстрый прогресс, стал возможен исключительно за счёт свободной конкуренции между более чем десятка компаний.
В том числе с увеличением удобства использования (эргономики). В плановой экономике такое было невозможно. Сейчас снова строят госкорпорации..
Хочется отметить, что быстрый прогресс, стал возможен исключительно за счёт свободной конкуренции между более чем десятка компаний.
В том числе с увеличением удобства использования (эргономики). В плановой экономике такое было невозможно. Сейчас снова строят госкорпорации..
Re: Юбилей цифровых вольтметров
Вт дек 28, 2021 20:22:58
Огромное спасибо! Очень познавательно.
Re: Юбилей цифровых вольтметров
Пт дек 31, 2021 18:36:32
Интересно, спасибо. А в СССР когда и кто сделал первый ЦВ ?
Re: Юбилей цифровых вольтметров
Сб янв 01, 2022 00:07:58
Shiric писал(а):А в СССР когда и кто сделал первый ЦВ ?
Если говорить о серийных изделиях, то спустя 10 лет после американцев:
ВЦ-1 (ВНИИМ, Ленинград), Щ1311 (з-д Вибратор), В7-8, ВК2-6, ВКЦ7-5 (ВОЦ-1) - все начала 60-х гг.
- Вложения
-
- ВКЦ7-5 (ВОЦ-1).pdf
- (1.89 MiB) Скачиваний: 257
-
- ВК2-6.pdf
- (301 KiB) Скачиваний: 232
-
- В7-8.pdf
- (236.52 KiB) Скачиваний: 253