Во время Второй мировой войны молодой выпускник инженерного факультета Массачусетского технологического института Эндрю Кей работал в компании Bill Jack Scientific Instrument Company, производя оборудование для воздушной разведки. Работая в Bill Jack, Кей наблюдал за тем, как относительно неподготовленные техники и производственные работники пытались проводить точные измерения напряжения, используя изобретение XIX века, называемое мостом Кельвина (более формально, мостом Кельвина-Варли). В умелых руках мост Кельвина может давать очень точные измерения (с гораздо лучшим разрешением, чем у обычного аналогового вольтметра), но требует тщательной ручной настройки точности, калиброванных потенциометров для обнуления стрелки аналогового измерителя. Это точная, медленная и подверженная ошибкам операция.
Мост Кельвина, так же известный в некоторых странах под названием Мост Томпсона является измерительным инструментом, изобретённым британским учёным Уильямом Томсоном (он же барон Кельвин). Мост Кельвина применяется для измерения неизвестных электрических сопротивлений величиной менее 1 Ома. Принцип его действия похож на работу мост Уитстона, отличие только в использовании дополнительного сопротивления. Применение этого дополнительного низкоомного сопротивления, совместно с внутренней структурой моста позволяет существенно снизить ошибки измерения, вносимые падением напряжения в сильноточном (низкоомном) плече моста.
Кроме того, небрежный, неуклюжий или сонный оператор может случайно подать на измерительный прибор слишком большой ток и повредить его, сдвинув стрелку прибора до упора в одну или другую сторону. В результате стрелка прибора деформируется, ударяясь о механические упоры. Достаточно сильный ток также может вывести из строя чувствительную катушку прибора.
Случайное повреждение измерительных приборов во время Второй мировой войны было особенно опасным, поскольку они были дорогими и редкими — Манхэттенский проект поглотил почти все из них в рамках усилий по созданию атомной бомбы .
К началу 1950-х годов Bill Jack Scientific Instrument Company была переполнена военными контрактами времен холодной войны, поэтому она сосредоточилась на производстве, а не на разработке. Кей больше интересовался инженерией и разработкой продукции. Ему стало скучно, он ушел из компаниии основал собственную инженерную компанию под названием Non-Linear Systems в Дель-Маре, Калифорния. Кей решил разработать вольтметр, способный производить точные измерения напряжения с высоким разрешением гораздо быстрее, чем мост Кельвина. Он также хотел создать прибор, требующий гораздо меньше навыков для работы и гораздо более прочный. Кей разработал первый такой прибор в 1952 году, в том же году, когда основал компанию Non-Linear Systems (NLS).
Первый цифровой вольтметр.
Прототип цифрового вольтметра был готов уже в 1952 году, а в апреле 1953-го первый экземпляр продан Военно-морской электронной лаборатория (ныне Военно-морской центр океанографических систем) за 2300 долларов. Первый вольтметр NLS имеет много общих черт с современными цифровыми вольтметрами. Он представлял собой 4-разрядный прибор с разрешением 0,01% и заявленной точностью 0,1%, имел автоматический выбор полярности, автоматический выбор диапазона и максимальное показание 999,9 В.
Основой прибора служил механизированный вариант делителя Кельвина-Варлея. 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.
Делитель Кельвина-Варлея является прецизионной схемой, используемой в качестве лабораторного оборудования. Обычный обычный делитель напряжения (так называемый делитель Кельвина) использует набор последовательно соединённых резисторов. Основным недостатком этой схемы является то, что для получения разрешения 1/1000 потребуется использовать 1000 высокоточных резисторов. В делителе Кельвина-Варлея применён остроумный способ итерации. В типичной схеме такого делителя каждая ступень обеспечивает разрешение, равное декаде и требует всего 11 высокоточных резисторов. Три последовательно соединённые ступени позволяют получить любой коэффициент деления от 0 до 1 с шагом 0,001.
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.
В первом цифровом вольтметре NLS использовались дорогие высокоскоростные механические реле для выбора узлов в резисторном делителе. Такой подход имитировал и действовал как дискретная версия прецизионного калиброванного потенциометра моста Кельвина. Реле не были самым дешевым методом переключения между узлами резисторного делителя, но они имели низкое сопротивление, быстро переключались и были надежны (выдерживая миллионы циклов). Подход Кея к проектированию первого цифрового вольтметра гарантировал его работоспособность, и работоспособность на высоком уровне.
Цифровой дисплей
В первом цифровом вольтметре NLS также использовался новый тип цифрового дисплея, основанный на стопках гравированных пластин из оргстеклас подсветкой по краям. Каждая стопка (представляющая одну цифру) состояла из 11 пластин, расположенных так, что они отдалялись от зрителя. На десяти из стопок пластин глубоко выгравирована цифра (от 0 до 9). На одиннадцатой пластине выгравирована десятичная точка. Небольшая лампа накаливания, расположенная вдоль края каждой пластины, освещает соответствующую пластину с края. Если лампа зажжена, ее свет распространяется вниз по пластине, которая действует как световод. В конце концов, свет попадает на выгравированный на пластине символ. Глубокая канавка гравировки прерывает свет, когда он проходит вниз по пластине, и рассеивает его к передней части прибора, где оператор видит, как выгравированная цифра загорается.
Таким образом, каждый блок индикатора цифр имеет 11 лампочек , поэтому 4-разрядный цифровой вольтметр NLS имел 44 лампы накаливания, плюс еще две для знаков плюс и минус. Следовательно, перегорание ламп было серьезной причиной поломки, и цифровой вольтметр NLS был разработан таким образом, чтобы замена ламп была простой. (В каталоге приборов NLS 1962 года подчеркивается преимущество: 20-секунд на замену лампочек в вольтметрах компании.)
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.
Компания NLS описала этот новый тип дисплея как «линейный, но не в плоскости»(in-line, but not in-plane ).Он отличался от других ранних цифровых дисплеев, обычно используемых на частотомерах, например, тех, которые в то время производила компания HP. Частотомеры использовали столбчатый, термометрический или пинбольный дисплей. Как и многоярусные цифровые дисплеи, термометрические дисплеи также использовали десять ламп накаливания. Однако эти лампы были расположены вертикально в столбик на лицевой стороне прибора.
Каждая лампочка на дисплее располагалась за небольшим пластиковым кругом с нарисованной на нем цифрой. В столбце одновременно горела только одна лампочка, которая подсвечивала одну из цифр в столбце. Чтобы прочитать показания на таком дисплее, оператор просматривал каждый столбец слева направо и отмечал подсвеченные цифры. Взгляд оператора должен был перемещаться вверх и вниз по столбцу по мере того, как он считывал показания. Это не очень практично, но это было все, что было доступно в то время.
На дисплее NLS также отображались цифры, расположенные друг за другом, но в направлении от оператора, а не вверх и вниз. По мере подсветки различных цифр в стопке они кажутся приближающимися или удаляющимися от оператора, поскольку пластинки имеет некоторую глубину. В цифровых вольтметрах NLS использовался этот дисплей до конца 1960-х годов, когда компания перешла на газоразрядные индикаторы Nixie, как и ее конкуренты.
Конкуренты.
Первый конкурент NLS среди цифровых вольтметров, компания Electro Instruments (EI), была основана в 1954 году Джонатаном Эдвардсом, который был сотрудником Кея в NLS. Эдвардс объединился с торговым представителем NLS по имени Уолтер Ист, чтобы основать EI. У Кея, Эдвардса и Иста была богатая совместная история. Все они окончили Массачусетский технологический институт, все они работали в компании Bill Jack Scientific Instrument, и Кей ранее нанимал Эдвардса и Иста в NLS. Хотя район Сан-Диего не является Силиконовой долиной, уход Эдвардса и Иста из NLS для основания собственной компании демонстрирует, что дух высокотехнологичного предпринимательства был явно так же силен к югу от Лос-Анджелеса, как и к югу от Сан-Франциско.
Компания Electro Instruments (EI) выпустила цифровой вольтметр на основе более дешевого телефонного шагового реле или переключателя, таким образом, используя выбор Кея в пользу более дорогих механических реле в NLS. Эти шаговые переключатели были относительно дешевы, поскольку их производили десятками миллионов для недавно автоматизированных центральных телефонных отделений Bell System. Однако шаговые переключатели работают медленнее, чем реле. Они также более шумные и быстрее изнашиваются. Использование шаговых переключателей позволило EI создать более дешевый цифровой вольтметр за счет скорости измерения, рабочего шума и надежности продукта. Подобные компромиссы ежедневно совершаются в XXI веке (50 лет спустя) современными командами разработчиков.
Цифровой вольтметр компании EI оказал маркетинговое давление на NLS, которая в ответ выпустила собственные модели вольтметров на основе шаговых переключателей. Однако, чтобы снизить уровень шума при работе и повысить надежность, NLS упаковала свои шаговые переключатели в вольтметре в герметичные банки с маслом. Масло смазывало переключатели (что увеличило срок их службы со 100 миллионов циклов до боле чем 400 миллионов циклов) и несколько снижало уровень шума. В конечном итоге NLS также выпустила линейку высококачественных приборов на основе очень дорогих ртутных реле, каждое из которых могло работать более миллиарда циклов.
Следующей компанией, вышедшей на рынок цифровых вольтметров, стала Cubic, основанная Уолтером Забле в 1951 году для производства калориметров, измеряющих выходную мощность магнетронных трубок (используемых в радарах). Забле начал Cubic в магазине в Сан-Диего. Cubic выпустила свой первый цифровой вольтметр в 1957 году, поскольку Забле считал, что любая уважающая себя компания по производству измерительных приборов должна заниматься цифровыми вольтметрами. Однако бизнес по производству цифровых вольтметров оказался убыточным для Cubic, и компания вышла из него в 1960 году.
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.
Затем появился поставщик цифровых вольтметров Cohu, который представил цифровой вольтметр с шаговым переключателем в 1958 году. Инженеры Cohu решили преодолеть низкую скорость шагового переключателя, просто перегрузив электромеханический переключатель до 60 шагов в секунду, что в три раза превышало номинальную скорость компонента в 20 шагов в секунду. Это была катастрофическая ошибка со стороны инженеров-конструкторов Cohu, и сильно изношенные шаговые двигатели в цифровых вольтметрах Cohu быстро вышли из строя. Cohu снизила частоту переключения до 20 шагов в секунду и восстановила надежность своих цифровых вольтметров, но потеряла конкурентное преимущество более быстрого и дешевого прибора. 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.
Компания Cohu, расположенная сейчас в северном пригороде Сан-Диего, по-прежнему занимается различными видами электронной промышленности, но больше не производит цифровые вольтметры.
По материалам:
1.https://www.radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=180400
3.http://www.hp9825.com/html/dvms.html