同步示波器概论
作者：林和安
发表于《无线电世界》130期 （1973年6月份）
同步示波器（SYNCHROSCOPE）是一种观察和测定各种电讯变化过程最理想的电子测量仪器。早期发展的示波器属机械式，利用扫描笔在移动纸带上留下电讯痕迹，由於记录电讯的扫描笔具有较大的惰性，所以频率响应局限在数千赫（Hz）。在电子技术飞跃发展下，为了适应观察高频电讯的需求，机械示波器已被电子式示波器所取代。
电子式示波器的主要元件是静电式阴极射线管（CRT。管内包括有电子枪，水平、垂直偏向板及荧光屏，其阴极所产生的电子经聚焦後形成电子束射向荧光屏，使屏幕之荧光粉发光。若在水平偏向板注入锯齿波形电压，就会使光点在水平方向左右移动（扫描）成一水平基线。再在垂直偏向板加入正弦波电压，调节扫描频率使与待测电讯成整数比的关系。此两电压对电子束合成偏向作用，使荧光屏呈现几个周期的波形。上述扫描电压的频率是自由振荡（FREE－RU-NNING），此类扫描形式称为连续扫描，常应用在普通示波器内，时基控制器的刻度盘以扫描频率标出。前述显示的波形只能取得暂时之稳定，如扫描频率或电讯频率稍有变动，波形就会出现漂移或叠加等现象。解决此难题通常运用外来讯号加在扫描电路（时基电路），迫其顺从，使扫描波形受控制以获得同步，这样的同步称为强迫同步。用普通连续扫描的示波器来观察窄脉冲时是困难的，图（1）示出连渎扫描困同步情形：由於输入讯号（A）娠冲宽广较窄，在脉冲与锯齿波（B）为1:1同步关系时，荧光屏上脉冲（C）显得非常狭小，如需对此部份扩大作详细观测，唯有加快水平扫描速度（频率）。例如像（E）在讯号与时基1:6的整数比关系时，能使狭脉冲扩大伸展至整屏幕上，但此时同步已难取得稳定。另一问题是尾子束扫描水平基线6次才扫脉冲讯号一次，形成基线与脉冲讯号辉度差别太大，使观察带来困难。例如遇到测量非周期性讯号或单次过程讯号，连续扫描时基是不可能获得正确同步。因此必须采用另一种时基巳路来代替连续扫描时基，以适应科技需要。图（2）所示是新型时基扫描锯齿波与讯号同步之关系。时基锯齿波产生器平时处於截止状态，而当有讯号输入时，才触发时基启动产生一周扫描，之後又回复截止状态，故称此为触发扫描。此类时基控制器四刻度盘则以扫描时间标出（时间为频率之倒数）。被测讯号图(2A)进入垂直放大系统後引出部份讯号，经整形後产生窄脉冲（B）用来触发时基电路产生锯齿波扫描电压，此类形式扫描电路由於并非受输入讯号直接控制，因此扫描电压（C）的时间可无需和被测讯号成关系而任意选用，（D）显示扩展的波形。把扫描电压（E）速度变慢能使荧光屏（F）出现几个周的波形）如此对时基电路控制盘的时间刻度校正和扩展波形等相当有利，为定性定量测定及分析奠定优良条件。
同步示波器与普通示波器的主要不同点在於所采用扫描形式。总括而言，普通示波器是应用连续扫描时基；而同步示波器的时基尾路则采用触发扫描。现在我们就以普通示波器和同步示波器的方块图未作比较。如图（3）所示可见同步示波器的电路结构是由较多部份组成，例如增加延迟级电路、开启脉冲电路（增辉电路）、延迟扫描电路、扩展电路、校正电路等。以下就以所增加各特殊电路作扼要概述。
延迟线电路（DELAY LINEClRCUlT）一设立的主要目的是避免荧光屏所显示脉冲讯号前沿不完整。图（4）示出讯号延迟和时基的关系，讯号（A）输入垂直放大器放大，并由垂直系统抽取部份讯号至触发脉冲产生器电路从而产生触发脉冲（B），等触发脉冲启动扫描电路产生扫描电压时，在时间上已约有（0.1-0.2μS）延迟，使（D）荧光屏显示讯号瞬变的前沿部份无法观察到。补救方法常在垂直电路接入延迟线，并采用稍大的时延（约0.2-0.3μS），如图（E）所示；以保证扫描电路产生锯齿波起始必超前垂直放大器放大的讯号，使波形全体理想显示在屏幕上，延迟钱的基本问题请参考上期刊出延迟线概谈。
图（4）? 讯号延迟和时基的关系
开启脉冲电路（UNBLANKlNGPULSE CIRCUIT）一普通连续扫描的示波器不管是否有电讯输入均有扫描线存在，假如回描线在荧光屏出现就会引起波形混乱，要消去同描线引起混乱的缺点，通常在回描期间取一负脉冲加在阴极射线管控制栅，使电子枪截上而消除回描线。同步示波器所应用阴极射线管，多属高辉度和采用较高加速电压，上述方法有静止光迹停留筏幕面上，很容易引起损坏。所以应该采用另一改善方法，即平时阴极射线管的偏压处于截止状态，电子流倾零值，当扫描开始，开放脉冲电路同时发生作用在扫描期问供给一正脉冲至阴极射线管栅极，使电子流增加引起扫迹辉度突增，故此可使回描线自动消除。参考图（5），我们就可更清楚了解此种控制电子流方式的优点，其特别适合来分析和测定瞬变脉冲讯号或单次讯号，因而广泛应用在同步示波器内。
图（5） ? 普通式和同步示波器的回扫线消除方法的对比
扩展电路（MAGNIFIER CIR-CUIT）、延迟扫描电路（DELAYEDSWEEP ClRCUIT）一在研究高频传输线时常遇到下述情形，图（6A）示出主脉冲及反射波的全体波形，因阴极射线管面积所限使反射波分辨不清，但又对其感兴趣，可籍水平位置和扩展电路阑配合扩展（一般将扩展器打开时，屏幕的中间部份波形约被扩展5-1O倍）。如仍不能满足所需要，唯有求助延迟扫描电路，就能清楚分辨出反射波正确形状，还能根据延迟扫描控制器上刻度盘所示的读数得知两讯号间的正确时间（距离）。可变延迟扫描电路其在受外讯号触发时，并不立即启动时基电路，而经若干时间才产生启动讯号（时间长短由可变延迟控制器决定），使时基目路产生扫描。如此可使扫描锯齿波在电讯任意一点起扫，正确灵活运用可变延迟电路配合扩展电路。可杷所需窄脉冲讯号扩展由几十至几千倍以上，无形中相当增大阴极射线管（示波管）的实用面积。
图（6）? 延迟扫描的波形显示过程
校正电路（CAL CIRCUIT）- 此电路产生准确幅度和频率的方波，其频率常以1KHz 或10KHz 居多，并要求方波上升时间短。用以校正垂直放大器田增益等和时基电路的扫描时间，以确保同步示波器能对显现在屏幕的波形作决定性定量的测定及分析。
示波器困种类繁多，但大致上可分两大类：（1）特殊用途、（2）普通用途。前者例如频谱分析仪、心电仪、向量示波器、晶体管特性图示器等，因篇幅问题不在本文讨论。我们主要透过对市面流行普通用途的典型产品作介绍，希望能使爱好者取得此类仪器的初步认识，为未来研究奠定基础。表（一）示出各种典型同步示波器的一些主要技术数据，以供大家参考。近代的示波器均价向高灵敏、宽频带发展，为了减轻重量和体积，并大量采用晶体管或IC，以实现积木化及小型化。表（一）中TEKTRONIX 485精密型手提式只束同步示波器是目前世界上手提式中最高性能的产品，频宽为0-350MHz，灵敏度5mV／div，此类精密仪器研变成功，标志著科技工作者在这方面努力的成果。
现在我们试将近期发展的一些特征归纳以下几点讨论·
（1）垂直放大器发展重点倾向小型化、宽频带。颂宽在10MHz以下是属简易型同步示波器是供一般维修，生产之用。15MHz以上属精密级同步示波器，供电子计算机、雷达、彩色电视等维修或研究之用。目前为止市面的示波器其垂直系统频率响应可高达500MHz （采用分布放大电路），至於能观察数千MHz的示波器，则属取样示波器。
（2）阴极射线管（示波管）的特性对示波器性能有决定性影响，示波管的频率响应极限受到偏向板间潜布电容和长度等所限制。近期发展的新型示波管有采用分布参数行波式偏向系统，它解决了电子束超渡时间的影响。及可藉增加偏向系统的长度，提高灵敏度并结合螺旋形後加速的方式，使亮度和灵敏度得到相当理想的改善。为避免因在示波管外加刻度板引起观察读数误差，较理想做法是把刻度刻印在屏幕内。
（3）厂家为适应广大用户需求，常附设些特殊设备和附件，用以扩大其产品用途的范围。比如延迟扫描电路（DELAYE SWEEP CIRCUIT））、电视同步分离器（TV．SYNCSEPARATOR）等等电路之设立，相信都是目前各大示波器厂家发展的目标。为配合脉冲技术研究之需要，垂直系统的输入阻抗增设有50Ω或75Ω档是相当有利，TEKTRONIX 485型就有些种设置。附件例如高阻抗低电容探针、高阻抗有源探针、电流钳探针、时标产生器、各种阻杭转换探针等，能使我们日常研究工作更加精确方便。仪器供电方面，交直流两用也是目前潮流发展趋向。一具理想同步示波器不但要能应用在电子工业上，也必须广泛适应在机械工程、医学、化学等方面研究之用。
图（7）? TEKTRONIX 485型双束同步示波器
图（8）? NATIONAL VP544精密型双束同步示波器
笔者以近期发展新型产品作扼要介绍，并非是要爱好看钻牛角尖，而是作一种新知识报导，使我们的见闻能随时代的进展并进，实际的研究最好应从筒易型同步示波器开始，脚踏实地渐进，那麽对此类所谓高级同步示波器研究将感比较容易。唯笔者水平有限，错漏在所难免，敬希电子工业界各先进及友好多多指教。