一種示波器水平同步單元的實現方法

董祺圣

摘要：對于模擬示波器的設計要求，除了需其有良好的線性鋸齒掃描線和良好的垂直還原度，掃描信號和被測信號間的頻率同步也至關重要。被測信號的周期為Tx，則鋸齒波所產生的信號周期T需要滿足為Tx的整數倍關系。當滿足鋸齒信號周期為被測信號周期的整數倍時，屏幕能穩定的顯示信號波形，反之，波形會有輕微抖動，嚴重時肉眼根本無法完成觀測。本文提供了一種水平系統和垂直系統同步的解決方案。

關鍵詞：示波器;同步;方案

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）31-0282-02

1水平系統同步單元

1.1內外觸發方式選擇電路

本示波器通過面板開關進行觸發方式的選擇，當至“EXT”表示用外部的觸發信號，“INT”表示內觸發方式，如圖1觸發方式選擇和差分電路。

當7K2打至外部觸發時，高電平加至二極管2D4和2D5陰極，使它們處于截止。內部觸發信號無法通過2D4和2D5進入下一級電路。另外一對二極管2D2和2D3陰極為負電壓，處于導通狀態，為外部觸發信號提供了通路。外部觸發信號由面板接口7J2送人信號，同時7J2既是外部觸發信號的輸入端也是外部水平掃描信號的輸人端。外部觸發信號送入由結型場效應管2Q1和三極管2Q2組成的源極跟隨器進行緩沖隔離，其中調節電位器2W1可改變J67的源極電位和2Q2的基極電壓，起到調整靜態工作點的作用。由于2Q2的輸出通路有兩路：集電極輸出x SIG;發射極電壓取出外觸發同步信號，因此調節2W2可改變2Q2的發射極電流，還將影響x SIG的信號增益，x SIG至此輸入水平掃描單元。外觸發信號經電壓跟隨取出至2Q5和2Q6組成的差分放大電路進行電壓放大。

打至內部觸發時，高電平加至二極管2D2和2D3陰極，使其處于截止，外觸發信號通路短路。內部觸發信號通路導通，內部觸發信號從接口1X4輸入，此信號來源于垂直放大系統中，是經放大的被測信號。通過2Q3組成的射極跟隨器送入差分電路2Q5基極，此級基極電壓由電阻2R8和2R9分壓形成約為0.82V，發射極電流為82uA。

二極管2D3和2D5的作用：此兩二極管隨內外觸發方式的不同，處于輪流導通狀態，2R6和2R13分別為2Q5提供基極工作電壓，如若將2D3和2D5短路，則9V經2R6和2R13向其基極供電，由于2R6和2R13為并聯，所以將拉低2Q5基極電壓。

2Q4組成的開關電路，當水平掃描速率開關位于xY時，設計要求水平掃描電路停振蕩。同時，2Q4基極由2R15被接地，其處于導通狀態，+9V加至2D2陰極，使其截止，外部觸發和掃描信號通路斷路。

1.2同步差分放大電路

2Q5和2Q6組成差分放大電路，其VBQ=-3.2V，IEQ=2.7mA，rbe=1.3KΩ。電阻2R19起到穩定靜態工作點的作用，對差模信號可等效為短路。

該差分電路采用單端輸入、單端輸出，則電壓放大倍數有：

調節面板“level”旋鈕可實現調節該級輸出信號的直流分量。當觸發信號幅度過小時，則無法達到后級電路的觸發閾值，增加該級的直流分量，使輸出信號的峰值高于斯密特電路的Vta。當觸發信號幅度很大，微弱的干擾會造成水平掃描的誤觸發，降低觸發信號的直流電平至合適位置，可實現波形顯示的穩定。

1.3斯密特觸發電路

在原理圖中，2Q5往后的電路為斯密特觸發電路，如圖2。其觸發電平根據面板的檔位開關處于“正觸發”或“負觸發”而定。具體原理限于篇幅，不詳細論述。

1.4同步觸發控制電路

同步觸發控制電路主要由兩個74LS74的D觸發器組成。

D觸發器的特征方程為：Qn+1=D。

同步觸發控制電路設計：

同步觸發控制電路見圖3。圖中3U1-1為D觸發器，它輸出端Q用于控制三極管3Q1開關狀態（鋸齒波產生的開關管）。3U1-1的1腳RD端連接斯密特觸發器輸出，3U1-1的2腳與水平同步單元的輸出信號TSIG相連，3腳D輸入端接+5V高電平，4腳SD端受面板觸發方式開關和由3u1-2組成的觸發負脈沖產生電路控制。

當觸發方式處于“AUTO”檔，并無輸入信號，水平掃描單元處于自激振蕩狀態。設3U1-1的Q端初態為“0”，3Q1處于截止，鋸齒電壓線性上升，通過隔離緩沖至斯密特觸發器，充電電壓低于Vm=2V時，斯密特觸發器輸出為高電平，3Ul-1的1腳同樣為高電平。因處于AUTO檔，3U2-1的2腳經上拉電阻3R4接+5V，處于高電平，3U2-1輸出則為低電平，3Ul-1被強制置位Q=0，電容持續充電。當斯密特觸發器判定電壓為高電平時，3u1-1的1腳為變為低電平Q=1，3Q1導通電容迅速放電至低電平，斯密特電路輸出狀態在此翻轉為高電平，3Q1再次截止，完成一個周期充放電。

當處于自激振蕩時，鋸齒波產生的周期T僅與水平掃描速率檔位有關。

同步控制設計，當觸發方式處于“NORM”檔時，3U2-1的2腳接地，則與非門3U2-1關閉輸出高電平，3U1-1置位端失效，置位端的失效使得3Q1無法維持截止狀態，所以在“NORM”檔時，無自激振蕩鋸齒波產生、屏幕無掃描線顯示。當有被測信號輸入示波器時，通過水平同步單元整形被測信號，在TSIG端可得觸發的矩形波。3U1-1在矩形波上升沿觸發，由于數據輸入D端為高電平，所以Q=0，并在觸發信號消失后，因D觸發器的鎖存功能，Q仍為低電平，從而使3Q1保持截止，進而保證電容的持續充電，當電壓Uc上升為Vm，3U1-1復位端產生有效低電平，實現3U1-1復位及電容迅速放電，完成一次觸發掃描。若在鋸齒信號完成一次觸發掃描期間，有多個觸發CP輸入，由于鋸齒信號未充電至斯密特觸發電路的門限電壓，同時輸出Q端維持為低電平，仍維持充電狀態，所以不會造成多次無效觸發。可見，在此觸發方式下，鋸齒信號的產生依賴于被測信號的存在，并且鋸齒信號的起點與被測信號的某點同步。

當觸發方式處于“AUTO”檔時，在無被測信號時能產生水平掃描信號，在有被測信號輸入時，此模式同樣能實現觸發同步控制，但與NORM模式下略有不同。3U1-2的D觸發器構成的負脈沖產生電路，主要由它實現同步觸發控制。3U1-2的10腳為置位端接+5V高電平，12腳為數據輸入端同樣接高電平，11腳時鐘輸入接TSIG，8腳為Q輸出端，通過3R3和3C5接地。Q輸出端常態為高電平，使與非門3U2-1開門，它能夠接收到斯密特觸發器的電平信號，從而實現3Ul-1的強制置位，最終形成自激振蕩。當有TSIG觸發信號輸作用于3u1-2的時鐘輸入，使D觸發器Q端跳變為低電平，3C5通過電阻3R3向Q進行放電，經過放電時間t后，3C5的電壓低于0.8V，小于74LS74的VIL，使此D觸發器強制清零，Q又跳變為高電平。

當被測信號頻率很低時，3C5通過3R3放電時電壓uc：

uc=Vcc*e-t/τV

因此，t=RC*In（Vec/uc）=3.66mS，當被測信號頻率較高時，由于此寬度的負脈沖使3U2-1關閉，3U1-1置位作用失效，則無法實現自激振蕩，同步觸發依靠3U1-1的3腳TSIG信號作用。當被測信號頻率很低時，與非門3U2-1無法有效關閉，掃描電路處于自激振蕩狀態。