一種示波器水平同步單元的實(shí)現(xiàn)方法

董祺圣

摘要：對于模擬示波器的設(shè)計(jì)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(hào)和被測信號(hào)間的頻率同步也至關(guān)重要。被測信號(hào)的周期為Tx，則鋸齒波所產(chǎn)生的信號(hào)周期T需要滿足為Tx的整數(shù)倍關(guān)系。當(dāng)滿足鋸齒信號(hào)周期為被測信號(hào)周期的整數(shù)倍時(shí)，屏幕能穩(wěn)定的顯示信號(hào)波形，反之，波形會(huì)有輕微抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)肉眼根本無法完成觀測。本文提供了一種水平系統(tǒng)和垂直系統(tǒng)同步的解決方案。

關(guān)鍵詞：示波器;同步;方案

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）31-0282-02

1水平系統(tǒng)同步單元

1.1內(nèi)外觸發(fā)方式選擇電路

本示波器通過面板開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)方式的選擇，當(dāng)至“EXT”表示用外部的觸發(fā)信號(hào)，“INT”表示內(nèi)觸發(fā)方式，如圖1觸發(fā)方式選擇和差分電路。

當(dāng)7K2打至外部觸發(fā)時(shí)，高電平加至二極管2D4和2D5陰極，使它們處于截止。內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)無法通過2D4和2D5進(jìn)入下一級(jí)電路。另外一對二極管2D2和2D3陰極為負(fù)電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，為外部觸發(fā)信號(hào)提供了通路。外部觸發(fā)信號(hào)由面板接口7J2送人信號(hào)，同時(shí)7J2既是外部觸發(fā)信號(hào)的輸入端也是外部水平掃描信號(hào)的輸人端。外部觸發(fā)信號(hào)送入由結(jié)型場效應(yīng)管2Q1和三極管2Q2組成的源極跟隨器進(jìn)行緩沖隔離，其中調(diào)節(jié)電位器2W1可改變J67的源極電位和2Q2的基極電壓，起到調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的作用。由于2Q2的輸出通路有兩路：集電極輸出x SIG;發(fā)射極電壓取出外觸發(fā)同步信號(hào)，因此調(diào)節(jié)2W2可改變2Q2的發(fā)射極電流，還將影響x SIG的信號(hào)增益，x SIG至此輸入水平掃描單元。外觸發(fā)信號(hào)經(jīng)電壓跟隨取出至2Q5和2Q6組成的差分放大電路進(jìn)行電壓放大。

打至內(nèi)部觸發(fā)時(shí)，高電平加至二極管2D2和2D3陰極，使其處于截止，外觸發(fā)信號(hào)通路短路。內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)通路導(dǎo)通，內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)從接口1X4輸入，此信號(hào)來源于垂直放大系統(tǒng)中，是經(jīng)放大的被測信號(hào)。通過2Q3組成的射極跟隨器送入差分電路2Q5基極，此級(jí)基極電壓由電阻2R8和2R9分壓形成約為0.82V，發(fā)射極電流為82uA。

二極管2D3和2D5的作用：此兩二極管隨內(nèi)外觸發(fā)方式的不同，處于輪流導(dǎo)通狀態(tài)，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(jīng)2R6和2R13向其基極供電，由于2R6和2R13為并聯(lián)，所以將拉低2Q5基極電壓。

2Q4組成的開關(guān)電路，當(dāng)水平掃描速率開關(guān)位于xY時(shí)，設(shè)計(jì)要求水平掃描電路停振蕩。同時(shí)，2Q4基極由2R15被接地，其處于導(dǎo)通狀態(tài)，+9V加至2D2陰極，使其截止，外部觸發(fā)和掃描信號(hào)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(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用，對差模信號(hào)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(shù)有：

調(diào)節(jié)面板“l(fā)evel”旋鈕可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)該級(jí)輸出信號(hào)的直流分量。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)幅度過小時(shí)，則無法達(dá)到后級(jí)電路的觸發(fā)閾值，增加該級(jí)的直流分量，使輸出信號(hào)的峰值高于斯密特電路的Vta。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)幅度很大，微弱的干擾會(huì)造成水平掃描的誤觸發(fā)，降低觸發(fā)信號(hào)的直流電平至合適位置，可實(shí)現(xiàn)波形顯示的穩(wěn)定。

1.3斯密特觸發(fā)電路

在原理圖中，2Q5往后的電路為斯密特觸發(fā)電路，如圖2。其觸發(fā)電平根據(jù)面板的檔位開關(guān)處于“正觸發(fā)”或“負(fù)觸發(fā)”而定。具體原理限于篇幅，不詳細(xì)論述。

1.4同步觸發(fā)控制電路

同步觸發(fā)控制電路主要由兩個(gè)74LS74的D觸發(fā)器組成。

D觸發(fā)器的特征方程為：Qn+1=D。

同步觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì)：

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

當(dāng)觸發(fā)方式處于“AUTO”檔，并無輸入信號(hào)，水平掃描單元處于自激振蕩狀態(tài)。設(shè)3U1-1的Q端初態(tài)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(fā)器，充電電壓低于Vm=2V時(shí)，斯密特觸發(fā)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(jīng)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(qiáng)制置位Q=0，電容持續(xù)充電。當(dāng)斯密特觸發(fā)器判定電壓為高電平時(shí)，3u1-1的1腳為變?yōu)榈碗娖絈=1，3Q1導(dǎo)通電容迅速放電至低電平，斯密特電路輸出狀態(tài)在此翻轉(zhuǎn)為高電平，3Q1再次截止，完成一個(gè)周期充放電。

當(dāng)處于自激振蕩時(shí)，鋸齒波產(chǎn)生的周期T僅與水平掃描速率檔位有關(guān)。

同步控制設(shè)計(jì)，當(dāng)觸發(fā)方式處于“NORM”檔時(shí)，3U2-1的2腳接地，則與非門3U2-1關(guān)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?fàn)顟B(tài)，所以在“NORM”檔時(shí)，無自激振蕩鋸齒波產(chǎn)生、屏幕無掃描線顯示。當(dāng)有被測信號(hào)輸入示波器時(shí)，通過水平同步單元整形被測信號(hào)，在TSIG端可得觸發(fā)的矩形波。3U1-1在矩形波上升沿觸發(fā)，由于數(shù)據(jù)輸入D端為高電平，所以Q=0，并在觸發(fā)信號(hào)消失后，因D觸發(fā)器的鎖存功能，Q仍為低電平，從而使3Q1保持截止，進(jìn)而保證電容的持續(xù)充電，當(dāng)電壓Uc上升為Vm，3U1-1復(fù)位端產(chǎn)生有效低電平，實(shí)現(xiàn)3U1-1復(fù)位及電容迅速放電，完成一次觸發(fā)掃描。若在鋸齒信號(hào)完成一次觸發(fā)掃描期間，有多個(gè)觸發(fā)CP輸入，由于鋸齒信號(hào)未充電至斯密特觸發(fā)電路的門限電壓，同時(shí)輸出Q端維持為低電平，仍維持充電狀態(tài)，所以不會(huì)造成多次無效觸發(fā)?？梢?，在此觸發(fā)方式下，鋸齒信號(hào)的產(chǎn)生依賴于被測信號(hào)的存在，并且鋸齒信號(hào)的起點(diǎn)與被測信號(hào)的某點(diǎn)同步。

當(dāng)觸發(fā)方式處于“AUTO”檔時(shí)，在無被測信號(hào)時(shí)能產(chǎn)生水平掃描信號(hào)，在有被測信號(hào)輸入時(shí)，此模式同樣能實(shí)現(xiàn)觸發(fā)同步控制，但與NORM模式下略有不同。3U1-2的D觸發(fā)器構(gòu)成的負(fù)脈沖產(chǎn)生電路，主要由它實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)控制。3U1-2的10腳為置位端接+5V高電平，12腳為數(shù)據(jù)輸入端同樣接高電平，11腳時(shí)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(tài)為高電平，使與非門3U2-1開門，它能夠接收到斯密特觸發(fā)器的電平信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)3Ul-1的強(qiáng)制置位，最終形成自激振蕩。當(dāng)有TSIG觸發(fā)信號(hào)輸作用于3u1-2的時(shí)鐘輸入，使D觸發(fā)器Q端跳變?yōu)榈碗娖剑?C5通過電阻3R3向Q進(jìn)行放電，經(jīng)過放電時(shí)間t后，3C5的電壓低于0.8V，小于74LS74的VIL，使此D觸發(fā)器強(qiáng)制清零，Q又跳變?yōu)楦唠娖健?/p>

當(dāng)被測信號(hào)頻率很低時(shí)，3C5通過3R3放電時(shí)電壓uc：

uc=Vcc*e-t/τV

因此，t=RC*In（Vec/uc）=3.66mS，當(dāng)被測信號(hào)頻率較高時(shí)，由于此寬度的負(fù)脈沖使3U2-1關(guān)閉，3U1-1置位作用失效，則無法實(shí)現(xiàn)自激振蕩，同步觸發(fā)依靠3U1-1的3腳TSIG信號(hào)作用。當(dāng)被測信號(hào)頻率很低時(shí)，與非門3U2-1無法有效關(guān)閉，掃描電路處于自激振蕩狀態(tài)。