CN204029238U - 一种新型教学用图形合成器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种新型教学用图形合成器，其特征在于：包括单片机，单片机输出的基准频率信号一路通过移相电路与N1倍频器相连，另一路直接与N2倍频器相连，N1倍频器与N1数字波形合成器相连，N2倍频器与N2数字波形合成器相连，N1数字波形合成器与第一滤波和电压放大模块相连，N2数字波形合成器与第二滤波和电压放大模块相连，第一滤波和电压放大模块与第一绝对值电路相连，第二滤波和电压放大模块与第二绝对值电路相连，单片机输出端还与1602液晶显示器相连。实用新型给出低成本的硬件设计方案以及关键电路，适合实验室仿制，以满足大学本科物理和电工电子学教学实验需要，还可以作为学生创新训练内容。
Description
技术领域
本实用新型涉及图形图像合成技术领域，尤其是涉及一种新型教学用图形合成器。
背景技术
物理实验教学中对李萨如图形进行合成时一般使用2台模拟正弦波信号发生器，由于温漂和时漂的存在，信号的频率比和相位差不能固定，导致李萨如图形随时间滚动。采用数字正弦信号发生器可以改善这种情况，但实验成本太高，图像还是有较大的滚动。
发明内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新型教学用图形合成器，其采用基于单一晶振的相位可调的双路频率合成电路和基于单片机的双路数字正弦波合成电路，使两路正弦波信号的频率比恒定不变，合成的李萨如图形24 h内漂移小于1T／8，在3学时物理实验过程中，肉眼几乎难以察觉到李萨如图形滚动。本实用新型给出低成本的硬件设计方案以及关键电路，适合实验室仿制，以满足大学本科物理和电工电子学教学实验需要，还可以作为学生创新训练内容。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种新型教学用图形合成器，包括壳体和设置在壳体内的电路板，其特征在于：所述电路板包括单片机、N1倍频器、N2倍频器、N1数字波形合成器、N2数字波形合成器，所述单片机内部的预分频器和可预置数8位定时计数器分频后形成的基准频率信号一路通过移相电路与N1倍频器相连，另一路直接与N2倍频器相连，所述N1倍频器的输出端与N1数字波形合成器相连，所述N2倍频器输出端与N2数字波形合成器相连，所述N1数字波形合成器输出端与LF353芯片组成的第一滤波和电压放大模块相连，所述N2数字波形合成器输出端与LF353芯片组成的第二滤波和电压放大模块相连，所述第一滤波和电压放大模块输出端与LF353芯片组成的第一绝对值电路相连，所述第二滤波和电压放大模块输出端与LF353芯片组成的第二绝对值电路相连，所述单片机输出端还与1602液晶显示器相连。
上述的一种新型教学用图形合成器，其特征在于：所述单片机输出端还连接有用于粗调第一滤波和电压放大模块输出信号f1的电阻R1、用于细调第一滤波和电压放大模块输出信号f1的电阻R2、用于调整第二滤波和电压放大模块输出信号f2的电阻R3。
上述的一种新型教学用图形合成器，其特征在于：所述N1倍频器、N2倍频器均由PLL锁相环CD4046芯片和N分频器组成。
上述的一种新型教学用图形合成器，其特征在于：所述移相电路由CD4098芯片和与其相连的调整电阻组成。
上述的一种新型教学用图形合成器，其特征在于：所述N1数字波形合成器和N2数字波形合成器均由依次相连的串入并出计数器74HC393、ROM波形存储器27C64和DAC0808组成。
与现有技术相比，本实用新型有一下优点：
本实用新型采用基于单一晶振的相位可调的双路频率合成电路和基于单片机的双路数字正弦波合成电路，使两路正弦波信号的频率比恒定不变，合成的李萨如图形24 h内漂移小于1T／8，在3学时物理实验过程中，肉眼几乎难以察觉到李萨如图形滚动。本实用新型给出低成本的硬件设计方案以及关键电路，适合实验室仿制，以满足大学本科物理和电工电子学教学实验需要，还可以作为学生创新训练内容。
附图说明
图1本实用新型的整体结构框图；
图2本实用新型的双路频率合成框图；
图3本实用新型的数字波形合成器框图；
图4本实用新型的相位差调整电路原理图；
图5本实用新型的锁相环电路原理图；
图6本实用新型的数字波形合成器电路原理图；
图7本实用新型的绝对值电路原理图；
图8本实用新型的合成频率比为2：1的振动合成波形图；
图9本实用新型的合成频率比为3：2的振动合成波形图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本实用新型的具体实施方式：
如图1所示，一种新型教学用图形合成器，包括壳体和设置在壳体内的电路板，其特征在于：所述电路板包括单片机1、N1倍频器3、N2倍频器4、N1数字波形合成器5、N2数字波形合成器8，所述单片机1内部的预分频器和可预置数8位定时计数器分频后形成的基准频率信号一路通过移相电路2与N1倍频器3相连，另一路直接与N2倍频器4相连，所述N1倍频器3的输出端与N1数字波形合成器5相连，所述N2倍频器4输出端与N2数字波形合成器8相连，所述N1数字波形合成器5输出端与LF353芯片组成的第一滤波和电压放大模块6相连，所述N2数字波形合成器8输出端与LF353芯片组成的第二滤波和电压放大模块9相连，所述第一滤波和电压放大模块6输出端与LF353芯片组成的第一绝对值电路10相连，所述第二滤波和电压放大模块9输出端与LF353芯片组成的第二绝对值电路11相连，所述单片机1输出端还与1602液晶显示器7相连。
本实施例中，所述单片机1输出端还连接有用于粗调第一滤波和电压放大模块6输出信号f1的电阻R1、用于细调第一滤波和电压放大模块6输出信号f1的电阻R2、用于调整第二滤波和电压放大模块9输出信号f2的电阻R3。
本实施例中，所述N1倍频器3、N2倍频器4均由PLL锁相环CD4046芯片和N分频器组成。
本实施例中， 所述移相电路2由CD4098芯片和与其相连的调整电阻组成。
本实施例中，所述N1数字波形合成器5和N2数字波形合成器8均由依次相连的串入并出计数器74HC393、ROM波形存储器27C64和DAC0808组成。
具体地，石英晶振经MEGAl6单片机内部的预分频器和可预置数8位定时计数器T0分频后，形成fo=256 Hz的基准频率f0，一路经过CD4098构成的移相电路后送到N1倍频器；另一路直接送到N2倍频器进行频率合成。倍频器由PLL锁相CD4046和N分频器组成，调整R1可以改变2个信号的相位差，N1分频器和N2分频器分别由单片机内部的16位预置数计数器T0、8位计数器T2担任，频率合成电路输出的频率信号为读取信号，经过8位串入并出计数器74HC393转变成并行数据送到EPROM存储器27C6416的低8位地址线上，读取存放在m=256个地址单元里的正弦信号样本，从数据线送到DA模数转换器，转变成模拟正弦波信号，经运算放大器LF353滤波放大后输出。
因为fo=256 Hz，m=256，所以n=m/f0=1，此时输出频率为f=N／n=N。可预置数计数器T1和T2的预置数就是分频数N1、N2，在程序中改变预置数大小相当于改变了分频数N1和N2。因此，可以通过改变预置数N来改变输出频率。
R1、R2、R3为频率调节电位器，其滑臂分别接在EGAl6单片机内部的多路AD转换器端口PA0、PAl、PA2上。用户调节频率时，改变了电位器滑臂的电压，通过AD转换把用户的调节信息转换成预分频数N1和N2，从而改变了输出频率。电位器R1、R2、R3的工作电压由参考电压由参考电压Vref提供，其中，R1、R2调整分频数N1，R3调整分频数N2。
输出频率f1的变化范围为5—4000 Hz，步距1Hz，输出频率正的变化范围为5—204 Hz，步距lHz，这一指标已经能够满足教学需要，如果提高电路的频率特性和定时计数器位数，可以提高输出频率的上限。
由LF353构成的绝对值电路把输出的交变信号转换成直流电平Uf1、Uf2，分别送到模拟信号输入端PA3、PA4，MEGAl6单片机内部的多路AD转换器对Uf1、Uf2进行模数转换，以测量输出大小。
MEGAl6单片机的端口PC2一PC7用于驱动液晶显示器1602，液晶显示器1602每行可显示16个字符，共2行，第1行显示f1频率值和输出幅度Uf1；第2行显示f2频率值和输出幅度Uf2。
调整电路原理图如图4所示，由双单稳态电路CD4098组成一个脉冲延时电路，该电路可以在输入脉冲出现后，经过一个预定的时间延时T1，再输出一个宽度为T2的脉冲，T1=C61(R61+R)/2,T2=(C62R62)/2，其中，T1和T2之和不能大于2个输入脉冲的时间间隔，显然，减少T2可以增加T1，实际可以调整的延时时间可以达到180度以上。
PLL锁相环电路原理图如图5所示，CD4046是CMOS锁相环，常用于频率合成、频率倍增、调制解调、电压频率转换、时钟相位同步等方面，其中C71决定工作频率上限，R71和C73组成的滤波器决定锁定的频率范围，C72是电源去耦电容，3脚接单片机的OClA(另一路为OC2)端，4脚接单片机T1，(另一路为T2)端，14脚为256 Hz的基准频率f0输入端。
数字波形合成器电路原理图如图6所示，单片机的T1(另一路为0C2)端的串行脉冲经串入并出计数器74HC393计数端输入，其输出接到EPROM存储器27C64低8位地址线，多余地址线接地，27C64输出的数据经DAC0808转换成模拟电流信号由4脚输出，经U84A运算放大器转换成电压信号，该信号由R84、R85、C85、C86组成的简单的滤波网络滤波后，送U84B进行电压放大输出，U84A和U84B由双运算放大器LF353担任，调整W81可以改变输出信号幅度。
绝对值电路原理图如图7所示，输出信号f1经W91调整后送到精密半波整流器得到与输入交流信号成正比的直流电压Uf1输出，送到单片机AD转换输入端进行模数转换，并在液晶显示器上显示出来，新机使用前需要进行校准，校准时用标准电压表测量输出信号f1并调整W91，使LCD显示的数值与标准电压表测量值相符即可。
本实用新型不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种新型教学用图形合成器，包括壳体和设置在壳体内的电路板，其特征在于：所述电路板包括单片机（1）、N1倍频器（3）、N2倍频器（4）、N1数字波形合成器（5）、N2数字波形合成器（8），所述单片机（1）内部的预分频器和可预置数8位定时计数器分频后形成的基准频率信号一路通过移相电路（2）与N1倍频器（3）相连，另一路直接与N2倍频器（4）相连，所述N1倍频器（3）的输出端与N1数字波形合成器（5）相连，所述N2倍频器（4）输出端与N2数字波形合成器（8）相连，所述N1数字波形合成器（5）输出端与LF353芯片组成的第一滤波和电压放大模块（6）相连，所述N2数字波形合成器（8）输出端与LF353芯片组成的第二滤波和电压放大模块（9）相连，所述第一滤波和电压放大模块（6）输出端与LF353芯片组成的第一绝对值电路（10）相连，所述第二滤波和电压放大模块（9）输出端与LF353芯片组成的第二绝对值电路（11）相连，所述单片机（1）输出端还与1602液晶显示器（7）相连。
2.根据权利要求1所述的一种新型教学用图形合成器，其特征在于：所述单片机（1）输出端还连接有用于粗调第一滤波和电压放大模块（6）输出信号f1的电阻R1、用于细调第一滤波和电压放大模块（6）输出信号f1的电阻R2、用于调整第二滤波和电压放大模块（9）输出信号f2的电阻R3。
3.根据权利要求1所述的一种新型教学用图形合成器，其特征在于：所述N1倍频器（3）、N2倍频器（4）均由PLL锁相环CD4046芯片和N分频器组成。
4.根据权利要求1所述的一种新型教学用图形合成器，其特征在于：所述移相电路（2）由CD4098芯片和与其相连的调整电阻组成。
5.根据权利要求1所述的一种新型教学用图形合成器，其特征在于：所述N1数字波形合成器（5）和N2数字波形合成器（8）均由依次相连的串入并出计数器74HC393、ROM波形存储器27C64和DAC0808组成。
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