CN1588798A - 受激波形信号发生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受激波形信号发生电路，它是依据信号与线性系统分析理论中的系统冲激响应原理，仅由积分器、加法器和标量乘法器三种常规电路单独或混合组成，和一个频率、周期、幅度、脉宽占空比均可调节的脉冲多谐振荡器电路组成的冲激信号源连接，运用系统模拟方法，就可以产生特定的波形信号。它既可以作为特定波形单独使用，也可以作为电路模块联合使用。它改变了不同波形信号要用不同电路才能构成的传统设计理念，适用于电子仪器仪表行业，为波形信号发生仪器的集成化、系列化制造提供了简易的崭新设计方案。

Description

受激波形信号发生电路

技术领域

本发明属仪器仪表领域，具体涉及一种波形信号发生电路。

背景技术

电测量作为人们认识客观事物的实验手段，在科学技术的发展过程中具有十分重要的意义。但是任何一种测量对象的特性只有在一定的电信号激励下才能表现出来。因此为了达到测量的目的，就必须提供合适的电信号。

正弦信号作为电信号的一种，由于本身的特点(波形不易受线性系统的影响及其对线性系统的叠加性)使得它在测试中获得了极其广泛的应用，这一点大家是十分熟悉的。但是在实际测量过程中还需要其它各种各样的激励信号。例如：测试各种电路和机电设备过度特性的方波，在通讯系统中广泛应用的脉形脉冲，在数字信号处理中应用的升余弦窗，还有在数字电路的逻辑测试、模\数变换器、压控振荡器及锁相环的性能测试中需要的三角波、锯齿波、正弦波等等。另外，在机械、电声、水声及生物等各种科学技术领域还要应用到一些其他特殊形式信号，这些特殊信号用一般的信号发生仪是不能产生的。

信号发生仪是使用广泛的仪器，现有的信号发生仪大致分两类：第一类是用纯硬件电路构成的，其输出或为单一波形，如正弦波发生器，或为多种波形，如正弦波，方波，三角波等组成的几合一形式多种波形发生器。虽然也有用一块大规模集成电路构成的，但组合的波形数量很少，再多几种波形要集成在一块就比较困难，因为不同的波形，需要用不同的电路去实现，而不同的电路本身又很复杂；第二类是由单片机(或计算机)利用数字频率合成器、数模转换器配合一定的软件构成的“任意波形发生器”，其优点是变换性强，使用灵活，但价格较贵。

从“信号与线性系统”理论可知，信号常可表示为时间的函数(或序列)，该函数的图像称之为信号的波形。所以波形也可看成物理量在时间坐标上展开的物理现象，比如电流或电压随时间变化的电流或电压波形。这些属于普通函数描述的范围；如果要考察某些物理量在空间或时间坐标上集中一点的物理现象，普通函数的概念就不够用了，而需用上奇异函数概念，其中冲激函数就是描述这类现象的数学模型。从逆向思维可以感悟到将冲激函数在时间坐标上展开，就可以形成一定的波形。

发明内容

本发明的目的是提供一种构成形式简单的受激波形信号发生电路。本发明的总技术构思是：改变“不同的波形要用不同的电路去产生”的传统办法，根据信号与线性系统分析理论中的系统冲激响应原理，由积分器、加法器和标量乘法器三种常规电路单独或混合组成受激波形信号发生电路，使用时该电路的输入端可与一个频率、周期、幅度、脉宽占空比均可调节的脉冲多谐振荡器电路组成的冲激信号源连接，运用系统模拟的方法，就可以产生特定的波形信号，构成各种受激波形信号发生电路，进而形成相应功能的信号发生仪器。受激波形信号发生电路的组成根据下列步骤进行：(1)将所需要产生波形的函数进行拉氏变换，如果该拉氏变换表达式具有如下形式：

$H\left(S\right)=\frac{b_m{s}^m+b_{m-1}{s}^{m-1}+......+b_{1}s+b_0}{a_n{s}^n+a_{n-1}{s}^{n-1}+......+a_{1}s+a_0}...(m<n)$

则该受激波形信号发生电路可由积分器，加法器和标量乘法器三个单元电路单独或组合直接组成。(2)如果拉氏变换表达式不具有上述表达形式，则将该波形的函数进行傅立叶级数变换。即进行形如： $f\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_n\cos \mathrm{n\&omega;t}+b_n\sin \mathrm{n\&omega;t})$ 的变换，则该受激波形信号发生电路由积分器，加法器和标量乘法器三个单元电路组合的a_n cos nωt电路模块和b_n sin nωt电路模块组成。其中n的取值由波形的失真度来定，通常n取值5-20。

实现本发明的一种技术方案是：与上述步骤(1)相对应，本受激波形信号发生电路具有一个使用时与冲激信号源1相连接的输入端，且信号发生电路由积分器单独或同加法器、标量乘法器组合而成，具有能将冲激信号源1的输出信号变成所需要的一种特定波形的功能，并从输出端输出，可以单独使用，也可以作为电路模块联合使用。

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出正弦波信号f(t)＝sin ωt时，本电路是由加法器3、第一标量乘法器、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成；第一乘法器41的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接；第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第二积分器52的输出端为本电路的输出端；这样，第二积分器52的输出波形就是所需的正弦波。

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出余弦波信号f(t)＝cos ωt时，本电路是由加法器3、第一标量乘法器、第一积分器51，第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成；第一乘法器41一个输入端与电源E1负极连接，电源E1的正极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接；第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第一积分器51的输出端为本电路的输出端；这样，第一积分器51的输出波形就是所需的余弦波。

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出正弦波衰减信号f(t)＝e^-bt sin ωt时，本电路是由加法器3、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器具有第一乘法器41，第二标量乘法器具有第二乘法器42，第一乘法器41和第二乘法器42共用一个电源E1，第一乘法器41的一个输入端与电源E1负极连接，第二乘法器42的一个输入端与电源E1负极连接，电源E1正极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的第二个输入端连接，第二乘法器42的输出端与加法器3的第三个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端一路与第二积分器52的输入端连接，另一路与第一乘法器41的另一个输入端连接，第二积分器52的输出端与第二乘法器42的另一个输入端连接，第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第二积分器52的输出端为本电路的输出端；这样，第二积分器52输出的波形就是所需的正弦衰减波形。

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出抛物线信号f(t)＝at²波形时，本电路是由第一积分器51、第二积分器52、第三积分器53、第一标量乘法器组成；第一积分器51的输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成；第一乘法器41一个输入端与电源E1的正极连接，电源E1的负极接地；第一积分器51，第二积分器52，第三积分器53的接地端连在一起并接地；第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第三积分器53的输入端连接，第三积分器53的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接，第一乘法器41的输出端为本电路的输出端；这样，第一乘法器41输出的波形就是所需要的抛物线波形。

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出双曲正弦信号f(t)＝shat波形时，本电路是由第一积分器51、第二积分器52组成；第一积分器51的输入端为本电路的输入端；第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端为本电路的输出端；这样，第二积分器52输出的波形就是所需的双曲正弦波形。

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出双曲余弦信号f(t)＝chat波形时，本电路是由加法器3、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第二积分器52的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52输入端连接，第二积分器52的输出端为本电路的输出端；这样，第二积分器52输出的波形就是所需的双曲余弦信号波形。

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出频率和振幅可进行调节的f(t)＝B sin ωt正弦波信号时，本电路是由加法器3、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成，第一乘法器41的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第二标量乘法器由第二乘法器42和电源E2组成，第二乘法器42的一个输入端与电源E2正极连接，电源E2的负极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并与地连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接，第二积分器52的输出端还与第二乘法器42的另一个输入端连接；第二乘法器42的输出端为本电路的输出端；这样，第二乘法器42输出的波形就是所需的频率和振幅可进行调节的正弦信号f(t)＝B sin ωt波形

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出频率和振幅可进行调节的f(t)＝A cos ωt余弦波信号时，本电路是由加法器3、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成，第一乘法器41一个输入端与电源E1负极连接，电源E1的正极接地；第二标量乘法器由第二乘法器42和电源E2组成，第二乘法器42的一个输入端与电源E2的正极连接，电源E2的负极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接，第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地，第一积分器51的输出端还与第二乘法器42的另一个输入端连接，第二乘法器42的输出端为本电路的输出端；这样，第二乘法器42输出的波形就是所需的频率和振幅可进行调节的余弦波信号f(t)＝A cos ωt波形。

实现本发明的另一种技术方案是：与上述步骤(2)相对应，本受激波形信号发生电路由积分器，加法器和标量乘法器三个单元电路组合构成的a_n cos nωt和b_n sin nωt两种电路模块单独或组合叠加而成；冲激信号源1的输出端与各正、余弦信号电路模块的输入端INs、INc连接，各正、余弦信号电路模块的接地端GND连接在一起并接地，各正、余弦信号电路模块的输出端OUTs、OUTc与同一个加法器39的输入端连接，而加法器39输出的波形，就是所需的波形；其中加法器39是一个多输入端加法器或是一个由多个三输入端的加法器多级扩展组成的多输入端加法器，a_n和b_n为傅立叶级数变换表达式中的分量系数，n为傅立叶级数变换表达式中展开的项数，n为正整数，n的取值由波形的模拟精度来定，通常取值5-20。

方波函数的三角级数表达式为：

$f\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2n-1}\sin (2n-1)\mathrm{\&omega;t}$

$=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}(\sin \mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\&omega;t}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{1}{2n-1}\sin (2n-1)\mathrm{\&omega;t})$

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出方波信号时，本电路是由一组正弦信号电路模块b_n sin nωt叠加而成，冲激信号源1的输出端与各正弦信号电路模块的输入端INs连接，各正弦信号电路模块的输出端OUTs与同一个加法器3的各个输入端连接，而加法器3输出的波形，就是所需的方波，其中加法器3是一个多输入端加法器或是一个由多个三输入端加法器按多级扩展组成的多输入端加法器，n为正整数，取值5-20。

三角波函数的三角级数表达式为：

$f\left(t\right)=A(\frac{1}{2}-\frac{4}{{\mathrm{\&pi;}}^2}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{(2n{-1)}^2}\cos (2n-1)\mathrm{\&omega;t})$

$=A(\frac{1}{2}-\frac{4}{{\mathrm{\&pi;}}^2}(\cos \mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{3^2}\cos 3\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{5^2}\cos 5\mathrm{\&omega;t}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{1}{{(2n-1)}^2}\cos (2n-1)\mathrm{\&omega;t}))$

当本发明的受激波形信号发生电路在使用时是输出三角波信号时，本电路是由一组余弦信号电路模块a_n cos nωt叠加而成，冲激信号源1的输出端与各余弦信号电路模块的输入端INc连接，各余弦信号电路模块的输出端OUTc与同一个加法器3的各个输入端连接，而加法器3输出的波形，就是所需的三角波，其中加法器3是一个多输入端加法器或是一个由多个三输入端加法器按多级扩展组成的多输入端加法器，n为正整数，取值5-10。

本发明受激波形信号发生电路的基本原理说明如下：比方需要产生以下几种信号：正、余弦信号、双曲正弦信号、双曲余弦信号、抛物线信号、正弦波衰减信号、方波信号、三角波信号。但是只要对上述信号稍加分析就会发现它们在产生方法上是存在差别的。对正弦信号y(t)＝B sin ωt来说，其拉氏变换为：

$Y\left(s\right)=\frac{\mathrm{B\&omega;}}{s^2+{\mathrm{\&omega;}}^2}=\frac{\mathrm{B\&omega;}{s}^{-2}}{1+{\mathrm{\&omega;}}^2{s}^{-2}}$

由此可见，根据梅森公式产生正弦波的结构可以由一个加法器、两个标量乘法器和两个积分器完成，运用EWB很容易实现。EWB是基于一个功能强大、价格低廉的电子线路仿真设计和调试使用的软件——“电子工作台EWB”Electronics Workbench。但是上述信号中的方波信号的产生就没有那么简单了。我们只要简单推导一下它的拉氏变换的表达式就会体会到这一点。根据这种情况，我们将要产生的信号分为A、B两类，它们各有各的产生方法。

A类信号产生的基本原理。这一类信号包括正弦、余弦波信号，双曲正弦信号、双曲余弦信号、抛物线信号、正弦波衰减信号等，他们有一个共同的特点就是拉氏变换表达式都具有：

$H\left(s\right)=\frac{b_m{s}^m+b_{m-1}{s}^{m-1}+......+b_{1}s+b_0}{a_n{s}^n+a_{n-1}{s}^{n-1}+......+a_{1}s+a_0}...(m<n)$

的形式。我们给出模拟的基本结构如图14所示，大家一看就十分清楚了。因此，这里只需要一个冲激信号源δ_T(t)和一个受激波形信号发生电路h(t)，由加法器、标量乘法器及积分器构成就可完成A类信号发生电路的组成。

B类信号产生的基本原理。前面已指出，像方波这一类的信号由于拉氏变换中延时因子的存在，使得他们不能简单的由所要求的积分器、标量乘法器和加法器来产生，那么问题究竟该如何解决呢？我们试图从另一个角度来探讨这一问题。任何非周期信号经过周期延拓后都可以表示成傅立叶级数。即：

$f\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_n\cos \mathrm{n\&omega;t}+b_n\sin \mathrm{n\&omega;t})$

那么任何信号就都可以由正弦信号叠加得到，但上式右边仅仅能取有限项，因而问题的关键是精度。可是只要我们仔细分析一下引言中所述的后几种信号的频谱情况就会发现：当谐波次数无限增高时，谐波分量的振幅亦就无限趋小，例如周期三角形脉冲的谐波幅度按1/n的平方的规律收敛，周期锯齿波脉冲谐波振幅按1/n的规律收敛。因此取有限项进行叠加总是能满足误差要求的。所以我们总可以经过若干次求得满足要求的足够小的误差。这就是B类信号产生的基本理论。有了以上的基本理论，我们就可以推导出产生B类信号的基本结构了。上式f(t)的拉氏变换为：

$F\left(S\right)=\underset{n=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_n\frac{s}{s^2+{\left(\mathrm{n\&omega;}\right)}^2}+\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_n\frac{\mathrm{n\&omega;}}{s^2+{\left(\mathrm{n\&omega;}\right)}^2}=\underset{n=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{a_{n}s+b_n\mathrm{n\&omega;}}{s^2+{\left(\mathrm{n\&omega;}\right)}^2}=\underset{n=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{a_n\frac{1}{s}{b}_n\mathrm{n\&omega;}\frac{1}{s^2}}{1+{\left(\mathrm{n\&omega;}\right)}^2\frac{1}{s^2}}$

由此得出B类信号可由不同频率的正弦波或余弦波叠加产生。由于正弦波或余弦波均可用积分器、标量乘法器和加法器产生，并且将其组成集成模块，所以B类信号可用积分器、标量乘法器和加法器间接产生。

图1为表示本发明利用系统冲激响应原理产生各种信号的示意图；当冲激信号源δ_T(t)发出的冲激信号输送至受激波形信号发生电路h(t)后，经电路处理则可向外输出与该受激波形信号电路的结构相对应的波形。

图15(a)、(b)、(c)分别表示加法器、标量乘法器、积分器的运算关系，加法器能完成若干个输入信号加、减运算；标量乘法器能够完成一个常数标量与信号相乘的运算；积分器能够完成对信号积分的运算。在图中输入信号用函数x(t)或其变换X(s)表示，输出信号用函数y(t)或其变换Y(s)表示。

本发明具有积极的效果：(1)本发明的受激波形信号发生电路应在其输入端连接一个冲激信号源，冲激信号源可以用频率、周期、幅度、脉宽、占空比都能任意调节的多谐振荡器担当。本发明的受激波形信号发生电路可以根据系统模拟的方法，用加法器、标量乘法器、积分器三种常规电路单独或混合组成。(2)因为仅使用种类很少的三种电路作为基本元素就可以构成波形信号发生电路，所以便于信号发生仪器的大规模集成化和系列化，简化了设计。而电路集成化和系列化的优点就在于可规模化大批量生产，从而大大提高产品的可靠性和性能，并大大减低生产成本。(3)本发明受激波形信号发生电路功能上与函数发生器(波形发生器)相似，但它是函数发生器的进一步发展与提高。(4)一般函数发生器仅能产生七种左右的信号例如方波、三角波、正弦波、余弦波信号等，而本发明受激波形信号发生电路除包括产生一般函数发生器的信号外，还包括产生其它所有信号的电路，也就是信号源的功能增强了，这就是本发明受激波形信号发生器的最大优点。(5)结构上函数发生器一般都是一个双稳电路产生方波，然后由米勒积分电路产生三角波和锯齿波，其它波形均由线性函数变换或网络变换得到，这样就需要许多类型的元器件，因此一方面结构复杂，另一方面精度不易提高。如果要提高精度就必须采用合成器/函数发生器这种组合形式，这样使得结构更复杂，价格昂贵，需要较多的分频器、窄带滤波器，而本发明受激波形信号发生电路结构简单、规范，仅需要三种类型的元器件：积分器、标量乘法器和加法器，即可构成任意一种受激波形信号发生电路，而此电路则能产生相应的波形，而且波形的精度也容易提高。(6)频率的稳定度和准确度是信号源的重要指标之一。函数发生器提高频率稳定度的措施就是应用传统的产生正弦信号的方法，也就是上面提到的合成/函数发生器，即高的频率稳定度是以采用大量的分频器、倍频器及窄带滤波器为代价的。本发明受激波形信号发生电路虽然结构简单，但它的频率稳定度和准确度同样是很高的。(7)函数发生器虽然能获得低达10^-6Hz的信号，但难于获得高重复频率的方波、三角波和锯齿波，因此函数发生器的重复频率上限不高，一般在20MHz以下，而本发明受激波形信号发生电路频率上限可望提高，只需要增加一定数量的标量乘法器。

附图说明

图1是本发明组成框图及利用系统冲激响应原理产生各种信号图；

图2是产生正弦波信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图3是产生余弦波信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图4是产生正弦波衰减信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图5是产生抛物线信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图6是产生双曲正弦信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图7是产生双曲余弦信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图8是产生频率和振幅可任意进行控制的B sin ωt正弦波信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图9是产生频率和振幅可任意进行控制的A cos ωt余弦波信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图10是一种多信号发生仪组成框图；

图11是本发明产生第二类信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图12是产生方波信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图13是产生三角波信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图14是本发明产生第一类信号的受激波形信号发生电路的组成框图；

图15a是加法器图；

图15b是标量乘法器图；

图15C-1是初始条件为零的积分器图；

图15C-2是初始条件不为零的积分器图，

图16是迟滞比较器电路图。

具体实施方式

下面的实施例是在EWB软件平台上仿真过，实践验证本发明是实用可行的。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于80年代末、90年代初推出了专门用于电子线路彷真和设计的“虚拟电子工作平台EWB”Electronics Workbench软件。电子产品设计人员利用这个软件对所设计的电路进行仿真和调试。

(实施例1)

首先对所需波形对应的正弦函数f(t)＝sin 5t进行拉氏变换，其拉氏变换表达式为： $F\left(s\right)=\frac{5}{s^2+25}=\frac{5s^{-2}}{1+25s^{-2}}$

如图1及图2所示，本实施例的受激波形信号发生电路2由加法器3、第一标量乘法器、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成；第一乘法器41的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接；第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第二积分器52的输出端为本电路的输出端；这样，第二积分器52输出的波形就是所需的正弦函数f(t)＝sin 5t所表示的波形。

(实施例2)

首先对所需波形对应的余弦函数f(t)＝cos 5t进行拉氏变换，其拉氏变换表达式为： $F\left(s\right)=\frac{s}{s^2+25}$

如图1及图3所示，本实施例的受激波形信号发生电路2由加法器3、第一标量乘法器、第一积分器51，第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成；第一乘法器41一个输入端与电源E1负极连接，电源E1的正极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接；第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第一积分器51的输出端为本电路的输出端；这样，第一积分器51的输出波形就是所需的余弦函数f(t)＝cos 5t所表示的波形。

(实施例3)

首先对所需波形对应的正弦波衰减函数f(t)＝e^-t sin 10t进行拉氏变换，其拉氏变换表达式为： $F\left(s\right)=\frac{10}{{(s+1)}^2+100}$

如图1及图4所示，本实施例的受激波形信号发生电路2由加法器3、第一标量乘法器、第二标量乘法器，第一积分器51，第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器具有第一乘法器41，第二标量乘法器具有第二乘法器42，第一乘法器41和第二乘法器42共用一个电源E1，第一乘法器41的一个输入端与电源E1的负极连接，第二乘法器42的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的第二个输入端连接，第二乘法器42的输出端与加法器3的第三个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端一路与第二积分器52的输入端连接，另一路与第一乘法器41的另一个输入端连接，第二积分器52的输出端与乘法器42的另一个输入端连接，第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第二积分器52的输出端为本电路的输出端；这样，第二积分器52输出的波形就是所需的正弦衰减函数f(t)＝e^-t sin 10t所表示的波形。

(实施例4)

如图5所示，首先对所需波形对应的抛物线函数f(t)＝2t²进行拉氏变换，其拉氏变换表达式为： $F\left(s\right)=\frac{4}{s^3}$

如图1及图5所示，本实施例的受激波形信号发生电路2由第一积分器51、第二积分器52、第三积分器53、第一标量乘法器组成；第一积分器51的输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器4和电源E1组成；第一乘法器4的一个输入端与电源E1的正极连接，电源E1的负极接地；第一积分器51，第二积分器52，第三积分器53的接地端连在一起并接地；第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第三积分器53的输入端连接，第三积分器53的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接，第一乘法器41的输出端为本电路的输出端；这样，第一乘法器41输出的波形就是所需要的抛物线函数f(t)＝2t²所表示的波形。

(实施例5)

首先对所需波形对应的双曲正弦函数f(t)＝shat进行拉氏变换，其拉氏变换表达式为： $F\left(s\right)=\frac{a}{s^2-a^2}$

如图1及图6所示，本实施例的受激波形信号发生电路2由第一积分器51、第二积分器52组成；第一积分器51的输入端为本电路的输入端；第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端为本电路的输出端；这样，第二积分器52输出的波形就是所需的双曲正弦函数f(t)＝shat所表示的波形。

(实施例6)

首先对所需波形对应的双曲余弦函数f(t)＝chat进行拉氏变换，其拉氏变换表达式为： $F\left(s\right)=\frac{s}{s^2-a^2}$

如图1及图7所示，本实施例的受激波形信号发生电路2由加法器3、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并接地；第二积分器52的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52输入端连接，第二积分器52的输出端为本电路的输出端；这样，第二积分器52输出的波形就是所需的双曲余弦函数f(t)＝chat所表示的波形。

(实施例7)

首先对所需波形对应的正弦函数f(t)＝B sin ωt进行拉氏变换，其拉矢变换表达式为： $F\left(s\right)=\frac{\mathrm{B\&omega;}}{S^2+{\mathrm{\&omega;}}^2}$

如图1及图8所示，本实施例的正弦波信号的受激波形信号发生电路2由加法器3、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成，第一乘法器41的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第二标量乘法器由第二乘法器42和电源E2组成，第二乘法器42的一个输入端与电源E2正极连接，电源E2的负极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并与地连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接，第二积分器52的输出端还与第二乘法器42的另一个输入端连接；第二乘法器42的输出端为本电路的输出端；这样，第二乘法器42输出的波形就是所需的频率和振幅可进行调节的正弦函数f(t)＝B sin ωt所表示的波形。

(实施例8)

首先对所需波形对应的余弦函数f(t)＝A cos ωt进行拉氏变换，其拉氏变换表达式为： $F\left(s\right)=\frac{\mathrm{As}}{s^2+{\mathrm{\&omega;}}^2}$

如图1及图9所示，本实施例的余弦波信号的受激波形信号发生电路2由加法器3、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器51、第二积分器52组成；加法器3的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器41和电源E1组成，第一乘法器41一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第二标量乘法器由第二乘法器42和电源E2组成，第二乘法器42的一个输入端与电源E2的正极连接，电源E2负极接地；第一乘法器41的输出端与加法器3的另一个输入端连接，加法器3的输出端与第一积分器51的输入端连接，第一积分器51的输出端与第二积分器52的输入端连接，第二积分器52的输出端与第一乘法器41的另一个输入端连接，第一积分器51和第二积分器52的接地端连在一起并与地连接，第一积分器51的输出端还与第二乘法器42的另一个输入端连接，第二乘法器42的输出端为本电路的输出端；这样，第二乘法器42输出的波形就是所需的频率和振幅可进行调节的余弦波函数f(t)＝A cos ωt所表示的波形。

(实施例9)

首先对所需波形对应的方波函数进行傅立叶级数变换，其三角级数表达式为：

$f\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2n-1}\sin (2n-1)\mathrm{\&omega;t}$

$=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}(\sin \mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\&omega;t}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{1}{2n-1}\sin (2n-1)\mathrm{\&omega;t})$

如图1及图12所示，本实施例产生方波信号的受激波形信号发生电路2，由14个不同频率的正弦信号电路模块b_nsin nωt叠加而成，冲激信号源1的输出端与各正弦信号电路模块的输入端INs连接，各正弦信号电路模块的输出端OUTs与同一个加法器3的输入端连接，而加法器3输出的波形，就是所需的方波，其中加法器3是一个多输入端加法器或是一个由多个三输入端的加法器多级扩展组成的多输入端加法器，n为正整数，取值14。

(实施例10)

首先对所需波形对应的三角波函数进行傅立叶级数变换，其三角级数表达式为：

$f\left(t\right)=A(\frac{1}{2}-\frac{4}{{\mathrm{\&pi;}}^2}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{(2n-1)}^2}\cos (2n-1)\mathrm{\&omega;t})$

$=A(\frac{1}{2}-\frac{4}{{\mathrm{\&pi;}}^2}(\cos \mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{3^2}\cos 3\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{5^2}\cos 5\mathrm{\&omega;t}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{1}{{(2n-1)}^2}\cos (2n-1)\mathrm{\&omega;t}))$

如图1及图13所示，本实施例产生三角波信号的受激波形信号发生电路2由7个不同频率的余弦信号电路模块a_n cos nωt叠加而成，冲激信号源1的输出端与各余弦信号电路模块的输入端INc连接，各余弦信号电路模块的输出端OUTc与同一个加法器3的输入端连接，而加法器3输出的波形，就是所需的三角波，其中加法器3是一个多输入端加法器或是一个由多个三输入端的加法器多级扩展组成的多输入端加法器，n为正整数，取值7。

(应用例1)

如图10所示，一种多信号发生仪，是具有综合上述正弦波信号(实施例1)、余弦波信号(实施例2)、正弦波衰减信号(实施例3)、频率和振幅可进行调节的f(t)＝B sin ωt正弦波信号(实施例7)、频率和振幅可进行调节的f(t)＝A cos ωt余弦波信号(实施例8)、双曲正弦信号(实施例5)、双曲余弦信号(实施例6)、抛物线信号(实施例4)8种不同波形的多用波形信号发生仪，其结构为各个受激波形信号发生电路的输入端连接在一起并与冲激信号源1的输出端连接，各个不同受激波形信号发生电路的输出端分别连接在各自的波形输出选择开关k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7和k8上。通过选择开关的闭合，即可以输出所需要的波形。为了提高仪器使用效果，可以在受激波形信号发生电路后面接放大器等。

(应用例2)

如图12所示，产生方波信号的受激波形信号发生电路，为了便于观察分析方波信号，我们在最后加了一个电压放大模块(图中未画出)，它的增益为60v/v。

还有一个迟滞比较器，它的电路如图16所示，迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器，在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，由R6，R7，R8，R9组成，我们所用的比较器是具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压V0的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却比较高。

Claims (12)

1、一种受激波形信号发生电路，其特征在于：具有一个输入端和一个输出端，本电路的输入端是使用时与冲激信号源(1)相连接的端口，本电路由积分器单独或同加法器、标量乘法器组合而构成；本电路的输出端是使用时可输出与本电路的结构相对应的波形信号的端口。

2、根据权利要求1所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由加法器(3)、第一标量乘法器、第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；加法器(3)的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器(41)和电源E1组成；第一乘法器(41)的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第一乘法器(41)的输出端与加法器(3)的另一个输入端连接，加法器(3)的输出端与第一积分器(51)的输入端连接，第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端与第一乘法器(41)的另一个输入端连接；第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并接地；第二积分器(52)的输出端为本电路的输出端；这样，本电路的输出端是使用时可输出正弦波信号f(t)＝sin ωt的端口。

3、根据权利要求1所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由加法器(3)、第一标量乘法器、第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；加法器(3)的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器(41)和电源E1组成；第一乘法器(41)的一个输入端与电源E1负极连接，电源E1的正极接地；第一乘法器(41)的输出端与加法器(3)的另一个输入端连接，加法器(3)的输出端与第一积分器(51)的输入端连接，第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端与第一乘法器(41)的另一个输入端连接；第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并接地；第一积分器(51)的输出端为本电路的输出端；这样，本电路的输出端是使用时可输出余弦波信号f(t)＝cos ωt的端口。

4、根据权利要求1所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由加法器(3)、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；加法器(3)的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器具有第一乘法器(41)，第二标量乘法器具有第二乘法器(42)，第一乘法器(41)和第二乘法器(42)共用一个电源E1，第一乘法器(41)的一个输入端与电源E1的负极连接，第二乘法器(42)的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1正极接地；第一乘法器(41)的输出端与加法器(3)的第二个输入端连接，第二乘法器(42)的输出端与加法器(3)的第三个输入端连接，加法器(3)的输出端与第一积分器(51)的输入端连接，第一积分器(51)的输出端一路与第二积分器(52)的输入端连接，另一路与第一乘法器(41)的另一个输入端连接，第二积分器(52)的输出端与第二乘法器(42)的另一个输入端连接，第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并接地；第二积分器(52)的输出端为本电路的输出端；这样，本电路的输出端是使用时可输出正弦波衰减信号f(t)＝e^-bt sin ωt的端口。

5、根据权利要求1所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由第一积分器(51)、第二积分器(52)、第三积分器(53)、第一标量乘法器组成；第一积分器(51)的输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器(41)和电源E1组成；第一乘法器(41)的一个输入端与电源E1的正极连接，电源E1的负极接地；第一积分器(51)，第二积分器(52)，第三积分器(53)的接地端连在一起并接地；第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端与第三积分器(53)的输入端连接，第三积分器(53)的输出端与第一乘法器(41)的另一个输入端连接，第一乘法器(41)的输出端为本电路的输出端；这样，本电路的输出端是使用时可输出抛物线信号f(t)＝at²的端口。

6、根据权利要求1所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；第一积分器(51)的输入端为本电路的输入端；第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并接地；第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端为本电路的输出端；这样，本电路的输出端是使用时可输出双曲正弦信号f(t)＝shat的端口。

7、根据权利要求1所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由加法器(3)、第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；加法器(3)的一个输入端为本电路的输入端；第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并接地；第二积分器(52)的输出端与加法器(3)的另一个输入端连接，加法器(3)的输出端与第一积分器(51)的输入端连接，第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端为本电路的输出端；这样，本电路的输出端是使用时可输出双曲余弦信号f(t)＝chat的端口。

8、根据权利要求1所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由加法器(3)、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；加法器(3)的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器(41)和电源E1组成，第一乘法器(41)的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第二标量乘法器由第二乘法器(42)和电源E2组成，第二乘法器(42)的一个输入端与电源E2的正极连接，电源E2的负极接地；第一乘法器(41)的输出端与加法器(3)的另一个输入端连接，加法器(3)的输出端与第一积分器(51)的输入端连接，第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并与地连接，第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端与第一乘法器(41)的另一个输入端连接，第二积分器(52)的输出端还与第二乘法器(42)的另一个输入端连接；第二乘法器(42)的输出端为本电路的输出端；这样，本电路的输出端是使用时可输出频率和振幅可进行调节的正弦波信号f(t)＝B sin ωt的端口。

9、根据权利要求1所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由加法器(3)、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；加法器(3)的一个输入端为本电路的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器(41)和电源E1组成，第一乘法器(41)的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第二标量乘法器由第二乘法器(42)和电源E2组成，第二乘法器(42)的一个输入端与电源E2的正极连接，电源E2负极接地；第一乘法器(41)的输出端与加法器(3)的另一个输入端连接，加法器(3)的输出端与第一积分器(51)的输入端连接，第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端与第一乘法器(41)的另一个输入端连接，第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并接地；第一积分器(51)的输出端还与第二乘法器(42)的另一个输入端连接，第二乘法器(42)的输出端为本电路的输出端；这样，本电路的输出端是使用时可输出频率和振幅可进行调节的余弦波信号f(t)＝A cos ωt的端口。

10、一种受激波形信号发生电路，其特征在于：具有一个输入端和一个输出端，本电路的输入端是使用时与冲激信号源(1)相连接的端口，本电路的输出端是使用时可输出与本电路的结构相对应的波形信号的端口；由积分器、加法器和标量乘法器三个单元电路组合构成正、余弦信号电路模块；其中正弦信号电路模块电路由加法器(3)、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；加法器(3)的一个输入端为本电路模块的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器(41)和电源E1组成，第一乘法器(41)的一个输入端与电源E1的负极连接，电源E1的正极接地；第二标量乘法器由第二乘法器(42)和电源E2组成，第二乘法器(42)的一个输入端与电源E2正极连接，电源E2的负极接地；第一乘法器(41)的输出端与加法器(3)的另一个输入端连接，加法器(3)的输出端与第一积分器(51)的输入端连接，第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并与地连接；第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端与第一乘法器(41)的另一个输入端连接，第二积分器(52)的输出端还与第二乘法器(42)的另一个输入端连接；第二乘法器(42)的输出端为本电路模块的输出端；这样，正弦信号电路模块的输出端是使用时可输出频率和振幅可进行调节的正弦波信号a_n cos nωt的端口；余弦信号电路模块由加法器(3)、第一标量乘法器、第二标量乘法器、第一积分器(51)、第二积分器(52)组成；加法器(3)的一个输入端为本电路模块的输入端；第一标量乘法器由第一乘法器(41)和电源E1组成，第一乘法器(41)一个输入端与电源E1负极连接，电源E1的正极接地；第二标量乘法器由第二乘法器(42)和电源E2组成，第二乘法器(42)一个输入端与电源E2正极连接，电源E2的负极接地；第一乘法器(41)的输出端与加法器(3)的另一个输入端连接，加法器(3)的输出端与第一积分器(51)的输入端连接，第一积分器(51)的输出端与第二积分器(52)的输入端连接，第二积分器(52)的输出端与第一乘法器(41)的另一个输入端连接，第一积分器(51)和第二积分器(52)的接地端连在一起并接地，第一积分器(51)的输出端还与第二乘法器(42)的另一个输入端连接，第二乘法器(42)的输出端即为本电路模块的输出端；这样，余弦信号电路模块的输出端是使用时可输出频率和振幅可进行调节的余弦波信号b_n sin nωt的端口；再由正、余弦信号电路模块叠加而构成本电路；各正、余弦信号电路模块的输入端连接在一起，各正、余弦信号电路模块的接地端连接在一起并接地，各正、余弦信号电路模块的输出端与同一个加法器(39)的各个输入端连接，而加法器(39)输出端为本电路的输出端；其中加法器(39)是一个多输入端加法器或是一个由多个三输入端加法器按多级扩展组成的多输入端加法器；从而使本电路的输出端是使用时输出由三角级数 $\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_n\cos \mathrm{n\&omega;t}+b_n\sin \mathrm{n\&omega;t})$ 所表示的波形的端口，在 $\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_n\cos \mathrm{n\&omega;t}+b_n\sin \mathrm{n\&omega;t})$ 中，a_n和b_n为傅立叶级数变换表达式中的分量系数，n为傅立叶级数变换表达式中展开的项数，n为正整数，n的取值由波形的模拟精度来定，取值5-20。

11、根据权利要求10所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由n个不同频率的正弦信号电路模块b_n sin nωt叠加而成，其三角级数表达式为：

$f\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2n-1}\sin (2n-1)\mathrm{\&omega;t}$

$=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}(\sin \mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\&omega;t}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{1}{2n-1}\sin (2n-1)\mathrm{\&omega;t})$

各正弦信号电路模块输入端INs连接在一起，作为本电路的输入端；各正弦信号电路模块的输出端OUTs与同一个加法器(3)的各个输入端连接，而加法器(3)输出的波形就是所需的方波，其中加法器(3)是一个多输入端加法器或是一个由多个三输入端加法器按多级扩展组成的多输入端加法器，n为正整数，取值5-20。

12、根据权利要求10所述的受激波形信号发生电路，其特征在于：本电路由一组余弦信号电路模块a_n cos nωt叠加而成，其三角级数表达式为：

$f\left(t\right)=A(\frac{1}{2}-\frac{4}{{\mathrm{\&pi;}}^2}\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{(2n-1)}^2}\cos (2n-1)\mathrm{\&omega;t})$

$=A(\frac{1}{2}-\frac{4}{{\mathrm{\&pi;}}^2}(\cos \mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{3^2}\sin 3\mathrm{\&omega;t}+\frac{1}{5^2}\cos 5\mathrm{\&omega;t}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{1}{{(2n-1)}^2}\cos (2n-1)\mathrm{\&omega;t}))$

各余弦信号电路模块输入端INc连接在一起，作为本电路的输入端；各余弦信号电路模块的输出端OUTc与同一个加法器(3)的各个输入端连接，而加法器(3)输出的波形就是所需的三角波，其中加法器(3)是一个多输入端加法器或是一个由多个三输入端加法器按多级扩展组成的多输入端加法器，n为正整数，取值5-10。

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