專利名稱：李莎如圖形信號發生器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種信號發生器，具體是一種教學實驗用的李莎如圖形信號發生器。
背景技術：
一質點同時在X軸和Y軸上作簡諧運動，形成的圖形就是李莎如圖形。李莎如圖形上的每一個坐標為(X，Y)的點都可以用以下的公式進行表示X = Alsin(colt+￥l)Y = A2sin( 2t+￥2)從這里可以看出，李莎如圖形實際上是一個質點同 時在X軸和Y軸上作簡諧運動形成的。但是，如果這兩個相互垂直的振動的頻率為任意值， 那么它們的合成運動就會比較復雜，而且軌跡是不穩定的。然而，如果兩個振動的頻率成簡 單的整數比，這樣就能合成一個穩定、封閉的曲線圖形，這就是李莎如圖形。利用現有的兩臺信號發生器輸出的兩路正弦信號在示波器上合成李莎如圖形時， 由于儀器本身的頻漂和兩個信號的獨立無關性，示波器顯示的圖形往往是非常不穩定的， 即便將所述的兩路正弦信號的頻率比調得相對穩定了，所述的兩路正弦信號的相位差也總 是在變化，而且無論怎樣調節，上述問題都無法徹底解決。故而，在教學實驗中不容易得到 穩定的李莎如圖形。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單、能夠得到穩定的李莎如圖形的 李莎如圖形信號發生器。為解決上述技術問題，本發明提供了一種李莎如圖形信號發生器，包括可控方波 生成單元，用于輸出一個頻率可控且穩定的方波信號；第一分頻器和第二分頻器，用于分別 對所述可控方波生成單元輸出的方波信號進行分頻；第一計數器和第二計數器，用于分別 對所述第一分頻器和第二分頻器輸出的方波信號進行相位累加并產生兩路正弦波表的地 址信號；第一波形映射器和第二波形映射器，用于分別將所述第一計數器和第二計數器輸 出的正弦波表的地址信號映射為兩路正弦信號的采樣值；第一 ADC和第二 ADC，用于分別將 所述第一波形映射器和第二波形映射器輸出的所述正弦信號的采樣值轉換成兩路正弦模 擬信號；第一低頻放大器和第二低頻放大器，用于分別將所述第一 ADC和第二 ADC輸出的 正弦模擬信號低頻放大后輸出；MCU，用于根據設定的兩路正弦模擬信號的頻率比參數，分 別控制第一分頻器和第二分頻器的分頻數，同時在控制第一計數器和第二計數器清零后根 據設定的兩路正弦模擬信號的相位差參數控制第一計數器置數；經低頻放大的所述兩路正 弦模擬信號適于在示波器上合成李莎如圖形。進一步，所述MCU連接有分別用于設置和顯示所述兩路正弦模擬信號的頻率比參 數和相位差參數的鍵盤和顯示裝置。進一步，所述MCU連接有與上位機通信的串行接口，以獲取調整所述兩路正弦模 擬信號的頻率比參數和相位差參數的控制命令和數據。進一步，所述MCU還用于控制所述可控方波生成單元輸出的方波信號的頻率。
本發明具有積極的效果(1)本發明的李莎如圖形信號發生器采用兩級DDS技術， 第一級用來產生第二級的時鐘，達到數字調節頻率的目的，第二級實現雙路正弦信號頻率 比和相位差的數字調節及波形合成。基于此原理產生的兩路正弦信號可在示波器上合成穩 定的李莎如圖形，且相位差，頻率比可數控調節，通過控制第一級的輸出頻率，可詳細跟蹤 李莎如圖形的形成軌跡。本信號發生器克服了原來用兩臺獨立信號發生器無法合成穩定李 莎如圖形的缺陷。因此，本信號發生器的特點是兩路正弦信號采用同一個時鐘源進行DDS 方式合成，在時間上完全同步，在每個設定的頻率比和相位差參數上都能合成非常穩定的 李莎如圖形；由于時鐘源也是由DDS合成，因此可對頻率進行精確控制，實現對李莎如圖形 軌跡跟蹤和連續穩定顯示。
圖1為應用實施例中的李莎如圖形信號發生器的結構示意圖2A-N為上述李莎如圖形信號發生器的生成的兩路示意圖正弦模擬信號在示波器上 合成的李莎如圖形。其中，圖2A為頻率比為1 1，相位差為180°的李莎如圖形；圖2B為 頻率比為1 1，相位差為90°的李莎如圖形；圖2C為頻率比為1 1，相位差為0°的李 莎如圖形；圖2D為頻率比為2 1，相位差為0°的李莎如圖形；圖2E為頻率比為3 2， 相位差為0°的李莎如圖形；圖2F為頻率比為4 3，相位差為0°的李莎如圖形；圖2G為 頻率比為5 4，相位差為0°的李莎如圖形；圖2H為頻率比為7 6，相位差為0°的李莎 如圖形；圖21為頻率比為8 7，相位差為0°的李莎如圖形；圖2J為頻率比為9 8，相 位差為0°的李莎如圖形；圖2K為頻率比為10 9，相位差為0°的李莎如圖形；圖2L為 頻率比為11 10，相位差為0°的李莎如圖形；圖2M為頻率比為12 11，相位差為0°的 李莎如圖形；圖2N為頻率比為13 12，相位差為0°的李莎如圖形。
具體實施例方式見圖1，本實施例的李莎如圖形信號發生器，包括可控方波生成單元1，用于輸出 一個頻率可控且穩定的方波信號；第一分頻器71和第二分頻器72，用于分別對所述可控方 波生成單元1輸出的方波信號進行分頻；第一計數器73和第二計數器74，用于分別對所述 第一分頻器71和第二分頻器72輸出的方波信號進行相位累加并產生兩路正弦波表的地 址信號；第一波形映射器75和第二波形映射器76，用于分別將所述第一計數器73和第二 計數器74輸出的正弦波表的地址信號映射為兩路正弦信號的采樣值；第一 ADC77和第二 ADC78，用于分別將所述第一波形映射器75和第二波形映射器76輸出的所述正弦信號的采 樣值轉換成兩路正弦模擬信號；第一低頻放大器79和第二低頻放大器710，用于分別將所 述第一 ADC77和第二 ADC78輸出的正弦模擬信號低頻放大后輸出；MCU3，用于根據設定的 兩路正弦模擬信號的頻率比參數，分別控制第一分頻器71和第二分頻器72的分頻數，同時 在控制第一計數器73和第二計數器74清零后根據設定的兩路正弦模擬信號的相位差參數 控制第一計數器73置數。MCU3還用于控制所述可控方波生成單元1輸出的方波信號的頻 率。經低頻放大的所述兩路正弦模擬信號適于在示波器上合成李莎如圖形。具體方法 是將經低頻放大的所述兩路正弦模擬信號分別從示波器的CH1輸入端和CH2輸入端輸入，將CH1和CH2輸入端信號置于XY模式，即出現如圖2中所示的李莎如圖形。所述MCU3連接有分別用于設置和顯示所述兩路正弦模擬信號的頻率比參數和相 位差參數的鍵盤6和顯示裝置5。所述MCU3連接有與上位機通信的串行接口 4，以獲取調整所述兩路正弦模擬信號 的頻率比參數和相位差參數的控制命令和數據。所述可控方波生成單元1由DDS(直接數字式頻率合成器)芯片(如AD9850、 AD9852等)、高頻有源晶振2和低通濾波器構成。具體是將高頻有源晶振2接DDS芯片的 參考時鐘輸入端，DDS芯片的正弦信號輸出端與DDS芯片內的高速比較器的信號輸入端相 連，以使該高速比較器輸出相應頻率的所述方波信號。所述第一分頻器71、第二分頻器72、第一計數器73、第二計數器74、第一波形映射 器75、第二波形映射器76、第一 ADC77、第二 ADC78、第一低頻放大器79和第二低頻放大器 710構成的第二級電路由一塊CPLD(復雜可編程邏輯器件)芯片實現。所述MCU3為單片機(一般為51單片機)，可控方波生成單元1、MCU3串行接口 4、 鍵盤6和顯示裝置5構成第一級電路。單片機作為核心控制器，控制各部分電路協調工作，主要功能包括控制DDS芯片 的信號輸出頻率；控制第二級電路中的兩路信號工作時鐘的分頻數，使兩路輸出信號有穩 定的頻率比；控制第二級電路中兩路信號相位計數器(相位累加器)的清零和其中一個計 數器的置數，確保在每次參數更新后相位差的準確性。負責讀取鍵盤，獲取工作參數，并更 新顯示。負責和上位機通信，解析上位機的命令和傳遞各種參數。第二級電路包括兩個獨立的通道，但使用同一個時鐘，包含在一片CPLD中。第一 級的時鐘經過分頻和相位累加產生正弦波表的地址信號，波形映射部分將地址信號映射為 正弦的采樣值輸出到DA電路，實現DDS正弦輸出。如圖2A-N可知，本實施例的李莎如圖形信號發生器適于生成兩路成各種比例的 正弦模擬信號，且頻率比為9 8,10 9、11 10和12 11兩路正弦模擬信號，是采用 兩臺傳統信號發生器無法穩定實現的。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的 實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其 它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發 明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。
權利要求
一種李莎如圖形信號發生器，其特征在于包括可控方波生成單元(1)，用于輸出一個頻率可控且穩定的方波信號；第一分頻器(71)和第二分頻器(72)，用于分別對所述可控方波生成單元(1)輸出的方波信號進行分頻；第一計數器(73)和第二計數器(74)，用于分別對所述第一分頻器(71)和第二分頻器(72)輸出的方波信號進行相位累加并產生兩路正弦波表的地址信號；第一波形映射器(75)和第二波形映射器(76)，用于分別將所述第一計數器(73)和第二計數器(74)輸出的正弦波表的地址信號映射為兩路正弦信號的采樣值；第一ADC(77)和第二ADC(78)，用于分別將所述第一波形映射器(75)和第二波形映射器(76)輸出的所述正弦信號的采樣值轉換成兩路正弦模擬信號；第一低頻放大器(79)和第二低頻放大器(710)，用于分別將所述第一ADC(77)和第二ADC(78)輸出的正弦模擬信號低頻放大后輸出；MCU(3)，用于根據設定的兩路正弦模擬信號的頻率比參數，分別控制第一分頻器(71)和第二分頻器(72)的分頻數，同時在控制第一計數器(73)和第二計數器(74)清零后根據設定的兩路正弦模擬信號的相位差參數控制第一計數器(73)置數；經低頻放大的所述兩路正弦模擬信號適于在示波器上合成李莎如圖形。
2.根據權利要求1所述的李莎如圖形信號發生器，其特征在于所述MCU(3)連接有分 別用于設置和顯示所述兩路正弦模擬信號的頻率比參數和相位差參數的鍵盤(6)和顯示 裝置(5)。
3.根據權利要求1所述的李莎如圖形信號發生器，其特征在于所述MCU(3)連接有與 上位機通信的串行接口(4)，以獲取調整所述兩路正弦模擬信號的頻率比參數和相位差參 數的控制命令和數據。
4.根據權利要求1所述的李莎如圖形信號發生器，其特征在于所述MCU(3)還用于控 制所述可控方波生成單元(1)輸出的方波信號的頻率。
全文摘要
本發明涉及一種李莎如圖形信號發生器，其包括可控方波生成單元，MCU，第一分頻器、第二分頻器、第一計數器、第二計數器、第一波形映射器、第二波形映射器、第一ADC、第二ADC、第一低頻放大器和第二低頻放大器。信號發生器生成的兩路正弦信號采用同一個時鐘源進行DDS方式合成，在時間上完全同步，在每個設定的頻率比和相位差參數上都能合成非常穩定的李莎如圖形；由于時鐘源也是由DDS合成，因此可對頻率進行精確控制，實現對李莎如圖形軌跡跟蹤和連續穩定顯示。
文檔編號H03B28/00GK101924519SQ201010133038
公開日2010年12月22日 申請日期2010年3月26日 優先權日2010年3月26日
發明者楊景景, 金雪塵, 黃亮 申請人:常州工學院