CN102539863B

CN102539863B - 45度线观测系统状态的示波器显示电路

Info

Publication number: CN102539863B
Application number: CN201210021289.6A
Authority: CN
Inventors: 陈红
Original assignee: Heilongjiang University
Current assignee: Heilongjiang University
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: CN102539863A

Abstract

本发明提供一种45度线观测系统状态的示波器显示电路。它是由TTL信号产生电路、宽脉冲产生电路、窄脉冲产生电路、取样保持电路和缓冲电路组成的，TTL信号产生电路分别连接宽脉冲产生电路和取样保持电路，宽脉冲产生电路连接窄脉冲产生电路，窄脉冲产生电路连接取样保持电路，取样保持电路连接缓冲电路。本发明为通用示波器增添新的功能，即能在通用示波器上的45度斜线上显示被测单变量系统的各种状态，而且经济适用。本发明不仅对较复杂的单变量系统观测尤其方便，而且也适用于多变量系统的观测；既可以用于模拟示波器，也可以用于数字示波器。因此，具有更广泛的应用价值。

Description

45度线观测系统状态的示波器显示电路

(一)技术领域

本发明涉及示波器显示技术，具体说就是一种45度线观测系统状态的示波器显示电路。

(二)背景技术

由于实际中许多系统只有一个物理输出变量，而无法分解出两个以上的多个变量。目前对这种只有单变量系统的状态进行在线实时观测分析存在一定的困难，而且方法有限。虽然可以使用示波器观测系统的时序波形，但对多周期波形有时不便于在线观测，尤其是通用示波器更不能观测(通用示波器只能观测电压波形和两维电压的相图)；用功率谱方法可观测其谱图，可以判断系统是稳定状态(如：周期状态)和非稳定状态(如：非周期的混沌态)。但是，该方法不适合区分混沌与噪声(因为两者都是连续谱)，而且具有测量频谱功能的示波器都很昂贵不便于普及使用。示波器是最常用的电信号测量仪，而且通用示波器更经济。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种45度线观测系统状态的示波器显示电路。

本发明的目的是这样实现的：它是由TTL信号产生电路、宽脉冲产生电路、窄脉冲产生电路、取样保持电路和缓冲电路组成的，TTL信号产生电路分别连接宽脉冲产生电路和取样保持电路，宽脉冲产生电路连接窄脉冲产生电路，窄脉冲产生电路连接取样保持电路，取样保持电路连接缓冲电路。

本发明还有以下技术特征：

(1)所述的TTL信号产生电路包括电阻R、电位器R_P1、稳压二极管D_z、运算放大器A₁、参考电压-V_R1和参考电压+V_R2，待测信号V₁连接运算放大器A₁的同相输入端，电位器R_P1的两端分别接两个参考电压-V_R1和+V_R2，其滑动端连接运算放大器A₁的反相输入端，运算放大器A₁的输出端连接电阻R，电阻R的另一端连接稳压二极管D_z，同时该端又是TTL信号产生电路输出端，输出信号V₂，稳压二极管D_z的另一端接地。

(2)所述的宽脉冲产生电路包括第一集成单稳态触发器、电容C₁和电位器R_P2，信号V₂送入第一集成单稳态触发器的输入端A，第一集成单稳态触发器的输入端B接高电平，第一集成单稳态触发器外接电容C₁和电位器R_P2，电容C₁的一端同时连接电位器R_P2的一端和第一集成单稳态触发器的外接电阻/电容端，电容C₁的另一端连接第一集成单稳态触发器的外接电容端，电位器R_P2的另一端连接第一集成单稳态触发器的外接电阻端，第一集成单稳态触发器输出较宽的脉冲信号V₃。

(3)所述的窄脉冲产生电路包括第二集成单稳态触发器、电容C₂和电位器R_P3，信号V₃送入第二集成单稳态触发器的输入端B，第二集成单稳态触发器的输入端A接低电平，第二集成单稳态触发器外接电容C₂和电位器R_P3，电容C₂的一端同时连接电位器R_P3的一端和第二集成单稳态触发器的外接电阻/电容端，电容C₂的另一端连接第二集成单稳态触发器的外接电容端，电位器R_P3的另一端连接第二集成单稳态触发器的外接电阻端，第二集成单稳态触发器输出较窄的脉冲信号V₄。

(4)所述的取样保持电路包括运算放大器A₂、取样保持器和电容C₃，信号V₁接入运算放大器A₂的同相输入端，运算放大器A₂的反相输入端连接运算放大器A₂的输出端，运算放大器A₂的输出端连接取样保持器的信号输入端，信号V₄接入取样保持器的取样信号输入端、取样保持器外接电容端连接电容C₃，电容C₃的另一端接地，取样保持器的输出端输出信号V₅。

(5)所述的缓冲电路只有一个运算放大器A₃，信号V₅送入运算放大器A₃的同相输入端，运算放大器A₃的反相输入端连接输出端，运算放大器A₃的输出端输出信号V_x和V_y。

本发明一种45度线观测系统状态的示波器显示电路，利用通用示波器在线观测单变量系统的状态，如：稳定状态(一周期或多周期)以及各种不稳定状态(如：混沌等)。通用示波器是电子测量中常用仪器，而且价格便宜。它的基本功能是显示电压波形或二维电压相图。本发明提出了一种45度线示波器观测系统状态的方法。该方法可为通用示波器增添新的功能，即能在通用示波器上的45度斜线上显示被测单变量系统的各种状态，而且经济适用。该方法既可以应用在对系统的检测中，又可用于相关的实验教学中(为观测系统进入混沌状态以及混沌教学演示等提供了方便有效的工具)。本发明的实现不仅对较复杂的单变量系统观测尤其方便，而且也适用于多变量系统的观测；既可以用于模拟示波器，也可以用于数字示波器。因此，具有更广泛的应用价值。

(四)附图说明

图1为本发明的整体电路原理框图；

图2为本发明的TTL信号产生电路图；

图3为本发明的宽脉冲产生电路图；

图4为本发明的窄脉冲产生电路图；

图5为本发明的取样保持电路图；

图6为本发明的缓冲电路电路图；

图7为本发明的显示波形形成原理图；

图8为本发明的示波器显示45度线原理图；

图9为本发明的示波器显示一周期的45度线图；

图10为本发明的示波器显示两周期的45度线图；

图11为本发明的示波器显示四周期的45度线图；

图12为本发明的示波器显示三周期的45度线图；

图13为本发明的示波器显示单涡混沌的45度线图；

图14为本发明的示波器显示双涡混沌的45度线图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1-图6，本发明一种45度线观测系统状态的示波器显示电路，它是由TTL信号产生电路(1)、宽脉冲产生电路(2)、窄脉冲产生电路(3)、取样保持电路(4)和缓冲电路(5)组成的，TTL信号产生电路(1)分别连接连接宽脉冲产生电路(2)和取样保持电路(4)，宽脉冲产生电路(2)连接窄脉冲产生电路(3)，窄脉冲产生电路(3)连接取样保持电路(4)，取样保持电路(4)连接缓冲电路(5)。

TTL信号产生电路连接宽脉冲产生电路，宽脉冲产生电路连接窄脉冲产生电路，窄脉冲产生电路连接取样保持电路，取样保持电路连接缓冲电路，待测系统的输出信号同时送入TTL信号产生电路和取样保持电路，缓冲电路的输出信号分别送入示波器的X轴输入端和Y轴输入端，示波器显示反映待测系统状态的45度线图形。本发明电路有一个输入端、两个输出端和三个调整旋钮。输入端用于接收待测系统输出的信号；两个输出端用于送给示波器X轴和Y轴输入端显示信号；三个调整旋钮：旋钮R_P1调整阈值电压；旋钮R_P2调整45度线上亮点的相对位置；旋钮R_P3调整亮点的大小和清晰度。

本发明还有以下技术特征：

所述的TTL信号产生电路(1)包括电阻R、电位器R_P1、稳压二极管D_z、运算放大器A₁、参考电压-V_R1和参考电压+V_R2，待测信号V₁连接运算放大器A₁的同相输入端，电位器R_P1的两端分别接两个参考电压-V_R1和+V_R2，其滑动端连接运算放大器A₁的反相输入端，运算放大器A₁的输出端连接电阻R，电阻R的另一端连接稳压二极管D_z，同时该端又是TTL信号产生电路输出端，输出信号V₂，稳压二极管D_z的另一端接地。

所述的宽脉冲产生电路(2)包括第一集成单稳态触发器、电容C₁和电位器R_P2，信号V₂送入第一集成单稳态触发器的输入端A，第一集成单稳态触发器的输入端B接高电平，第一集成单稳态触发器外接电容C₁和电位器R_P2，电容C₁的一端同时连接电位器R_P2的一端和第一集成单稳态触发器的外接电阻/电容端，电容C₁的另一端连接第一集成单稳态触发器的外接电容端，电位器R_P2的另一端连接第一集成单稳态触发器的外接电阻端，第一集成单稳态触发器输出较宽的脉冲信号V₃。

所述的窄脉冲产生电路(3)包括第二集成单稳态触发器、电容C₂和电位器R_P3，信号V₃送入第二集成单稳态触发器的输入端B，第二集成单稳态触发器的输入端A接低电平，第二集成单稳态触发器外接电容C₂和电位器R_P3，电容C₂的一端同时连接电位器R_P3的一端和第二集成单稳态触发器的外接电阻/电容端，电容C₂的另一端连接第二集成单稳态触发器的外接电容端，电位器R_P3的另一端连接第二集成单稳态触发器的外接电阻端，第二集成单稳态触发器输出较窄的脉冲信号V₄。

所述的取样保持电路(4)包括运算放大器A₂、取样保持器和电容C₃，信号V₁接入运算放大器A₂的同相输入端，运算放大器A₂的反相输入端连接运算放大器A₂的输出端，运算放大器A₂的输出端连接取样保持器的信号输入端，信号V₄接入取样保持器的取样信号输入端、取样保持器外接电容端连接电容C₃，电容C₃的另一端接地，取样保持器的输出端输出信号V₅。

所述的缓冲电路(5)只有一个运算放大器A₃，信号V₅送入运算放大器A₃的同相输入端，运算放大器A₃的反相输入端连接输出端，运算放大器A₃的输出端输出信号V_x和V_y。

实施例2：结合图2-图7，下面介绍本发明的各电路部分：

1、TTL信号产生电路

TTL信号产生电路(1)的目的是将待测信号V₁与阈值电压V_T比较产生TTL信号V₂，见图2和图7所示。该电路是由一个比较器和一个稳压电路构成的。比较器是由电位器R_P1、运算放大器A₁、参考电压-V_R1和参考电压+V_R2构成的。比较器的阈值电压V_T＝[R′V_R1+(R_P1-R′)V_R2]/R_P1。调整电位器R_P1可以在-V_R1～+V_R2范围内改变V_T的值。稳压电路是由电阻R和稳压二极管D_z构成的。稳压电路是将比较器的输出电压转换成标准的TTL信号V₂。

2、宽脉冲产生电路

宽脉冲产生电路(2)的目的是产生相对较宽的脉冲信号V₃，其脉宽T_W1由C₁与R_P2的乘积决定，见图3和图7所示。

3、窄脉冲产生电路

窄脉冲产生电路(3)的目的是产生取样脉冲控制信号V₄，其脉宽T_W2由C₂与R_P3的乘积决定，见图4和图7所示。

4、取样保持电路

取样保持电路(4)的目的是产生示波器要显示45度线图信号。该电路是一个电压跟随器和取样保持电路构成的。电压跟随器的目的是提高取样保持电路的输入电阻。取样保持电路在控制信号V₄控制下对待测信号V₁进行取样保持产生示波器显示信号V₅，见图5和图7所示。

5、缓冲电路

缓冲电路(5)的目的是将V₅信号分成两路显示信号V_x和V_y送入示波器的X轴输入端和Y轴输入端，缓冲器的输出电阻很小带负载能力强，因此可直接将信号V₅分成两路信号给示波器，见图6所示。

实施例3：结合图7和图8，本发明的显示波形形成原理和示波器显示45度线图的原理如下：对于一个确定的系统，尽管只有一个输出变量，但是该变量的输出信号一定反映该系统的状态。当系统处于稳定状态时，其单变量的输出信号一定是稳定的周期信号；当系统不稳定时，其单变量的输出信号一定反映系统不稳定的状态，会输出不稳定的信号或非周期的信号。假设一个系统产生非周期信号V₁，V_T为比较器的阈值电压(见图7)。V₁经比较器产生非周期的矩形波信号，该信号再经稳压电路产生非周期TTL信号V₂。

宽脉冲产生电路是相对窄脉冲产生电路而言的。宽脉冲产生电路是由第一集成单稳态触发器和外接电容C₁和电位器R_P2构成的。当第一集成单稳态触发器的输入端B接高电平和输入端A接非周期信号V₂时，第一集成单稳态触发器会在V₂的前沿到来时产生脉宽为T_W1的非周期信号V₃。T_W1由电容C₁和电位器R_P2的乘积决定。同时T_W1决定每一个取样点的相对位置，调整R_P2的大小，可改变45度线上点之间的相对距离，即V₁与V_T交点时间距取样点的时间间隔(见图7)。

窄脉冲产生电路是由第二集成单稳态触发器和外接电容C₂和电位器R_P3构成的。当第二集成单稳态触发器的输入端A接低电平和输入端B接非周期信号V₃时，第二集成单稳态触发器会在V₃的后沿到来时产生脉宽为T_W2的非周期信号V₄。T_W2由电容C₂和电位器R_P3的乘积决定。由于窄脉冲产生电路是产生取样脉冲控制信号V₄，因此电容的容量不能太大，造成取样时间太长，取样效果差，因此需要T_W2窄，调整电位器R_P3可以改变45度线上点的大小(见图7)。

取样保持电路是由电压跟随器和取样保持器构成的。取样保持器的外接电容C₄的容量既不能太大又不能太小，太大漏电流小输出电压下降慢，但获取时间变长；太小获取时间小，但输出电压下降快。C₄的选取范围1～5nF(本例选1nF)。取样保持电路在取样信号V₄的控制下产生信号V₅，如图7所示。

缓冲电路(5)的目的是将V₅显示信号分成两路信号V_x和V_y送入示波器的X轴输入端和Y轴输入端。示波器在Y-X状态下显示图8所示图形。

若系统处于稳定状态，产生的信号是稳定的周期信号。周期信号经比较器输出的矩形信号也应该是周期信号，经过任何延迟以后获得的信号仍是周期信号；该周期信号控制取样保持电路对待测的周期信号进行信号取样保持后，获得的信号V₅还应是周期信号。将该信号分成两路分别送入示波器的X、Y轴便可在示波器的45度斜线上显示稳定的点。当显示一个稳定点时，表示系统处于一周期稳定状态；显示两个稳定点时，表示系统处于两周期的稳定状态；当显示n个稳定点时，表示系统处于n周期的稳定状态(注意：n为有限个整数)。

实施例4：结合图9-图14，由于蔡氏电路在其内部参数变化时，能产生丰富的各种状态，如：各种周期状态(稳定状态)和混沌状态(非稳定状态)。因此，本实例以蔡氏电路系统作为待测非线性系统，并取该系统的一个变量作为本发明电路的待测信号V₁。调整蔡氏电路系统的参数值，使其处于不同的状态。同时用本发明电路对几种系统状态进行测试。图9-图14均是用通用双踪数字示波器测量的，同样也可以用通用双踪模拟示波器测量。

电路元件型号及参考值：运算放大器A₁、A₂和A₃选用TL082，集成单稳态触发器选用74LS123，取样保持器选用LF398，C₁为47nF，C₂为10nF，C₃为1nF，R为330Ω，电位器R_P1为10KΩ，R_P2为10KΩ，R_P3为10KΩ。测得如下图形：

图9示出被测系统处于一周期的稳定状态；图10示出被测系统处于两周期的稳定状态；图11示出被测系统处于三周期的稳定状态；图12示出被测系统处于四周期的稳定状态；图13示出被测系统处于非稳定的状态(单涡混沌状态)；图14示出被测系统处于非稳定的状态(双涡混沌状态)。

注意：

1、当系统不稳定时45度线上的亮点也不稳定，好像珠子乱串或抖动，而且斜线变宽。而系统稳定时，45度线和其上的亮点清晰稳定。

2、操作方便，方法如下：

在示波器的Y-X方式下，将本发明电路的两个输出端分别接入示波器的X轴和Y轴输入端，将待测系统的输出信号送入本发明电路的输入端，根据具体情况调整本电路的三个旋钮和示波器相关旋钮(示波器各旋钮功能不变)，便可观测到45度示波器显示图形。

Claims

1.一种45度线观测系统状态的示波器显示电路，它是由TTL信号产生电路(1)、宽脉冲产生电路(2)、窄脉冲产生电路(3)、取样保持电路(4)和缓冲电路(5)组成的，其特征在于：TTL信号产生电路(1)分别连接宽脉冲产生电路(2)和取样保持电路(4)，宽脉冲产生电路(2)连接窄脉冲产生电路(3)，窄脉冲产生电路(3)连接取样保持电路(4)，取样保持电路(4)连接缓冲电路(5)；所述的TTL信号产生电路(1)包括电阻(R)、第一电位器(R_P1)、稳压二极管(D_z)、第一运算放大器(A₁)、参考电压(-V_R1)和参考电压(+V_R2)，待测信号(V₁)连接第一运算放大器(A₁)的同相输入端，第一电位器(R_P1)的两端分别接两个参考电压(-V_R1·+V_R2)，其滑动端连接第一运算放大器(A₁)的反相输入端，第一运算放大器(A₁)的输出端连接电阻(R)，电阻(R)的另一端连接稳压二极管(D_z)，同时该端又是TTL信号产生电路输出端，第一输出信号(V₂)，稳压二极管(D_z)的另一端接地；所述的宽脉冲产生电路(2)包括第一集成单稳态触发器、第一电容(C₁)和第二电位器(R_P2)，第一输出信号(V₂)送入第一集成单稳态触发器的输入端(A)，第一集成单稳态触发器的输入端(B)接高电平，第一集成单稳态触发器外接第一电容(C₁)和第二电位器(R_P2)，第一电容(C₁)的一端同时连接第二电位器(R_P2)的一端和第一集成单稳态触发器的外接电阻/电容端，第一电容(C₁)的另一端连接第一集成单稳态触发器的外接电容端，第二电位器(R_P2)的另一端连接第一集成单稳态触发器的外接电阻端，第一集成单稳态触发器输出较宽的第一脉冲信号(V₃)；所述的窄脉冲产生电路(3)包括第二集成单稳态触发器、第二电容(C₂)和第三电位器(R_P3)，第一脉冲信号(V₃)送入第二集成单稳态触发器的输入端(B)，第二集成单稳态触发器的输入端(A)接低电平，第二集成单稳态触发器外接第二电容(C₂)和第三电位器(R_P3)，第二电容(C₂)的一端同时连接第三电位器(R_P3)的一端和第二集成单稳态触发器的外接电阻/电容端，第二电容(C₂)的另一端连接第二集成单稳态触发器的外接电容端，第三电位器(R_P3)的另一端连接第二集成单稳态触发器的外接电阻端，第二集成单稳态触发器输出较窄的第二脉冲信号(V₄)；所述的取样保持电路(4)包括第二运算放大器(A₂)、取样保持器和第三电容(C₃)，待测信号(V₁)接入第二运算放大器(A₂)的同相输入端，第二运算放大器(A₂)的反相输入端连接第二运算放大器(A₂)的输出端，第二运算放大器(A₂)的输出端连接取样保持器的信号输入端，第二脉冲信号(V₄)接入取样保持器的取样信号输入端、取样保持器外接电容端连接第三电容(C₃)，第三电容(C₃)的另一端接地，取样保持器的输出端第二输出信号(V₅)；所述的缓冲电路(5)只有一个第三运算放大器(A₃)，第二输出信号(V₅)送入第三运算放大器(A₃)的同相输入端，第三运算放大器(A₃)的反相输入端连接输出端，第三运算放大器(A₃)的输出端输出信号(V_x)和(V_y)。