一种示波器水平同步单元的实现方法

董祺圣

摘要：对于模拟示波器的设计要求，除了需其有良好的线性锯齿扫描线和良好的垂直还原度，扫描信号和被测信号间的频率同步也至关重要。被测信号的周期为Tx，则锯齿波所产生的信号周期T需要满足为Tx的整数倍关系。当满足锯齿信号周期为被测信号周期的整数倍时，屏幕能稳定的显示信号波形，反之，波形会有轻微抖动，严重时肉眼根本无法完成观测。本文提供了一种水平系统和垂直系统同步的解决方案。

关键词：示波器;同步;方案

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）31-0282-02

1水平系统同步单元

1.1内外触发方式选择电路

本示波器通过面板开关进行触发方式的选择，当至“EXT”表示用外部的触发信号，“INT”表示内触发方式，如图1触发方式选择和差分电路。

当7K2打至外部触发时，高电平加至二极管2D4和2D5阴极，使它们处于截止。内部触发信号无法通过2D4和2D5进入下一级电路。另外一对二极管2D2和2D3阴极为负电压，处于导通状态，为外部触发信号提供了通路。外部触发信号由面板接口7J2送人信号，同时7J2既是外部触发信号的输入端也是外部水平扫描信号的输人端。外部触发信号送入由结型场效应管2Q1和三极管2Q2组成的源极跟随器进行缓冲隔离，其中调节电位器2W1可改变J67的源极电位和2Q2的基极电压，起到调整静态工作点的作用。由于2Q2的输出通路有两路：集电极输出x SIG;发射极电压取出外触发同步信号，因此调节2W2可改变2Q2的发射极电流，还将影响x SIG的信号增益，x SIG至此输入水平扫描单元。外触发信号经电压跟随取出至2Q5和2Q6组成的差分放大电路进行电压放大。

打至内部触发时，高电平加至二极管2D2和2D3阴极，使其处于截止，外触发信号通路短路。内部触发信号通路导通，内部触发信号从接口1X4输入，此信号来源于垂直放大系统中，是经放大的被测信号。通过2Q3组成的射极跟随器送入差分电路2Q5基极，此级基极电压由電阻2R8和2R9分压形成约为0.82V，发射极电流为82uA。

二极管2D3和2D5的作用：此两二极管随内外触发方式的不同，处于轮流导通状态，2R6和2R13分别为2Q5提供基极工作电压，如若将2D3和2D5短路，则9V经2R6和2R13向其基极供电，由于2R6和2R13为并联，所以将拉低2Q5基极电压。

2Q4组成的开关电路，当水平扫描速率开关位于xY时，设计要求水平扫描电路停振荡。同时，2Q4基极由2R15被接地，其处于导通状态，+9V加至2D2阴极，使其截止，外部触发和扫描信号通路断路。

1.2同步差分放大电路

2Q5和2Q6组成差分放大电路，其VBQ=-3.2V，IEQ=2.7mA，rbe=1.3KΩ。电阻2R19起到稳定静态工作点的作用，对差模信号可等效为短路。

该差分电路采用单端输入、单端输出，则电压放大倍数有：

调节面板“level”旋钮可实现调节该级输出信号的直流分量。当触发信号幅度过小时，则无法达到后级电路的触发阈值，增加该级的直流分量，使输出信号的峰值高于斯密特电路的Vta。当触发信号幅度很大，微弱的干扰会造成水平扫描的误触发，降低触发信号的直流电平至合适位置，可实现波形显示的稳定。

1.3斯密特触发电路

在原理图中，2Q5往后的电路为斯密特触发电路，如图2。其触发电平根据面板的档位开关处于“正触发”或“负触发”而定。具体原理限于篇幅，不详细论述。

1.4同步触发控制电路

同步触发控制电路主要由两个74LS74的D触发器组成。

D触发器的特征方程为：Qn+1=D。

同步触发控制电路设计：

同步触发控制电路见图3。图中3U1-1为D触发器，它输出端Q用于控制三极管3Q1开关状态（锯齿波产生的开关管）。3U1-1的1脚RD端连接斯密特触发器输出，3U1-1的2脚与水平同步单元的输出信号TSIG相连，3脚D输入端接+5V高电平，4脚SD端受面板触发方式开关和由3u1-2组成的触发负脉冲产生电路控制。

当触发方式处于“AUTO”档，并无输入信号，水平扫描单元处于自激振荡状态。设3U1-1的Q端初态为“0”，3Q1处于截止，锯齿电压线性上升，通过隔离缓冲至斯密特触发器，充电电压低于Vm=2V时，斯密特触发器输出为高电平，3Ul-1的1脚同样为高电平。因处于AUTO档，3U2-1的2脚经上拉电阻3R4接+5V，处于高电平，3U2-1输出则为低电平，3Ul-1被强制置位Q=0，电容持续充电。当斯密特触发器判定电压为高电平时，3u1-1的1脚为变为低电平Q=1，3Q1导通电容迅速放电至低电平，斯密特电路输出状态在此翻转为高电平，3Q1再次截止，完成一个周期充放电。

当处于自激振荡时，锯齿波产生的周期T仅与水平扫描速率档位有关。

同步控制设计，当触发方式处于“NORM”档时，3U2-1的2脚接地，则与非门3U2-1关闭输出高电平，3U1-1置位端失效，置位端的失效使得3Q1无法维持截止状态，所以在“NORM”档时，无自激振荡锯齿波产生、屏幕无扫描线显示。当有被测信号输入示波器时，通过水平同步单元整形被测信号，在TSIG端可得触发的矩形波。3U1-1在矩形波上升沿触发，由于数据输入D端为高电平，所以Q=0，并在触发信号消失后，因D触发器的锁存功能，Q仍为低电平，从而使3Q1保持截止，进而保证电容的持续充电，当电压Uc上升为Vm，3U1-1复位端产生有效低电平，实现3U1-1复位及电容迅速放电，完成一次触发扫描。若在锯齿信号完成一次触发扫描期间，有多个触发CP输入，由于锯齿信号未充电至斯密特触发电路的门限电压，同时输出Q端维持为低电平，仍维持充电状态，所以不会造成多次无效触发。可见，在此触发方式下，锯齿信号的产生依赖于被测信号的存在，并且锯齿信号的起点与被测信号的某点同步。

当触发方式处于“AUTO”档时，在无被测信号时能产生水平扫描信号，在有被测信号输入时，此模式同样能实现触发同步控制，但与NORM模式下略有不同。3U1-2的D触发器构成的负脉冲产生电路，主要由它实现同步触发控制。3U1-2的10脚为置位端接+5V高电平，12脚为数据输入端同样接高电平，11脚时钟输入接TSIG，8脚为Q输出端，通过3R3和3C5接地。Q输出端常态为高电平，使与非门3U2-1开门，它能够接收到斯密特触发器的电平信号，从而实现3Ul-1的强制置位，最终形成自激振荡。当有TSIG触发信号输作用于3u1-2的时钟输入，使D触发器Q端跳变为低电平，3C5通过电阻3R3向Q进行放电，经过放电时间t后，3C5的电压低于0.8V，小于74LS74的VIL，使此D触发器强制清零，Q又跳变为高电平。

当被测信号频率很低时，3C5通过3R3放电时电压uc：

uc=Vcc*e-t/τV

因此，t=RC*In（Vec/uc）=3.66mS，当被测信号频率较高时，由于此宽度的负脉冲使3U2-1关闭，3U1-1置位作用失效，则无法实现自激振荡，同步触发依靠3U1-1的3脚TSIG信号作用。当被测信号频率很低时，与非门3U2-1无法有效关闭，扫描电路处于自激振荡状态。