通信信号与系统实验指导书.doc

信号与系统实 验 指 导 书王晓春 编沈阳大学信息工程学院目 录实验一：DDS信号发生器实验6实验二：函数信号发生器9实验三：扫频信号源12实验四：频率计和交流毫伏表实验15实验五：阶跃响应与冲激响应19实验六：零输入响应和零状态响应 22实验七：信号的抽样与恢复25实验八：串联谐振电路的特性研究29实验九：二阶无源滤波器32.36课程编号：11211391 课程类别：专业必修适用层次：本科（2本3本） 适用专业：通信工程课程总学时：80 适用学期：第4学期实验学时：20 开设实验项目数：10撰写人：王晓春 审核人：周昕 教学院长：范立南信号与系统实验箱介绍一、概述“信号与系统”是电子信息工程、通信工程、无线电技术、自动控制、生物医学电子工程等专业的重要专业基础课，也是国内各院校相应专业的主干课程。当前，科学技术的发展趋势既高度综合又高度分化，这要求高等院校培养的大学生，既要有坚实的理论基础，又要有严格的工程技术训练，不断提高实验研究能力、分析计算能力、总结归纳能力和解决各种实际问题的能力。 由于该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法非常重要，而且系统性、理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，对学生加深理解深入掌握基本理论和分析方法，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及使抽象的概念和理论形象化、具体化，对增强学习的兴趣有极大的好处，做好本课程的实验，是学好本课程的重要教学辅助环节。通过本实验课程学习要求达到下列目标：1、巩固和加深所学的理论知识。2、掌握万用表、数字电压表、直流稳压电源、函数信号发生器、示波器等常用电表和电子仪器的使用方法及测量技术。3、培养选择实验方法、整理实验数据、绘制曲线、分析实验结果、撰写实验报告的能力。4、培养严肃认真的工作作风、实事求是的科学态度和爱护公物的优良品德。二、结构介绍信号与系统实验箱由以下单元组成：DDS信号发生器、函数信号发生器、扫频信号源、频率计、交流毫伏表、阶跃响应与冲激响应、零输入响应与零状态响应、信号的抽样与恢复、谐振电路、RC移相电路与补偿分压电路、二阶网络状态轨迹、连续时间系统的模拟、信号的分解与合成、相位对波形合成的影响、二阶无源滤波器、二阶有源滤波器、四阶巴特沃斯滤波器等。三、实验项目1、DDS信号发生器：产生几种常用的波形信号，信号频率为1KHz、4KHz和8KHz，幅度可调。2、函数信号发生器：产生频率可变、幅度可调的正弦波、方波和三角波，提供功能单元所需的实验信号。3、扫频信号源：产生一定频率范围的正弦波扫频信号，信号幅度可调。4、频率计：六位数码管显示待测信号的频率，分辨率可选1s和0.1s。5、交流毫伏表：四位数码管显示待测信号的交流电压真有效值，量程可选200mV、2V和20V。6、阶跃响应与冲激响应7、零输入响应与零状态响应8、信号的抽样与恢复9、谐振电路：包括并联谐振电路和串联谐振电路的特性研究。四、系统特点1、该实验箱所涉及实验紧扣教学大纲，在保证基本内容的同时更加突出重点，使实验更具有教学性和通用性，实验电路实现简洁又能突出基本性的原理内容。2、采用单元化的实验布局，使学生对每个单元实验功能一目了然；各单元电路均有相应的观测点，使学生更好地从原理上理解信号的产生、转换、处理的过程，提高了学生的动手能力，同时锻炼了学生的思考分析能力。3、采用电源区分管理，为了避免做实验接线时接错线或线头与其它实验单元区芯片短路，在做实验时可以只打开所用实验单元区的电源，提高了实验箱的稳定性和可靠性。4、自带开关电源，具有短路保护和自动恢复功能，实验箱提供5V电源。五、注意事项1、实验箱接通电源前请确保电源插座接地良好。2、实验箱中的按键、轻触开关、微动开关、拨码开关、手旋电位器均为磨损件，请不要频繁按动或旋转。3、请勿直接用手触摸芯片、电解电容等元件，以免造成损坏。4、在关闭各单元电源之后，方可进行连线。连线时在保证接触良好的前提下应尽量轻插轻拔，检查无误后方可通电实验。拆线时若遇到连线与孔连接过紧的情况，应用手捏住连线插头的塑料线端，左右摇晃，直至连线与孔松脱，切勿用蛮力强行拔出。5、按动开关或转动电位器时，切勿用力过猛，以免造成元件损坏。6、实验系统的保存应注意防潮、防尘，注意轻拿轻放，避免损坏实验装置。实验一 DDS信号发生器一、实验目的与要求了解DDS信号产生的工作原理。熟悉信号与系统中常用信号的产生方法及信号特征。二、实验类型验证性三、实验原理及说明DDS（Direct Digital Synthesis）直接数字频率合成是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术，它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域。它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面已远远超过了传统频率合成技术。当累加器的很大时，最低输出频率可达Hz、mHz甚至Hz。转换时间最快可达10ns的量级，全数字化结构便于集成、输出相位连续、频率、相位和幅度均可实现程控，这些都是传统频率合成所不能比拟的。DDS技术的实现完全是高速数字电路D/A变换器集合的产物。但由于集成电路速度的限制，目前DDS的上限频率还不能做得很高。本实验采用DDS产生信号与系统中常用的几种波形信号，DDS信号发生器的原理框图如图1-1所示。图1-1 DDS信号发生器原理框图时钟频率发生器由4.096MHz晶振和分频器组成，分频器可产生1KHz、2KHz、4KHz、8KHz、16KHz、 256KHz、1024KHz和2048KHz方波信号，时钟信号的分频采用可编程逻辑器件U1004EPM7064实现，其中256KHz、1024KHz和2048KHz方波作为DDS的时钟信号，通过跳线J1003选择送入74HC393分频器，产生8位地址控制信号，通过拨码开关S1001改变高位地址，从而选择不同的波形。8位地址控制信号控制EPROM27c64的数据读写，产生8位数据信号输出，经过D/ A变换得到所需的波形。DDS输出波形信号的频率可通过跳线J1003不同的跳线关系来改变，连接J1003的1脚和2脚（J1003上为1脚），输出信号频率为1KHz；连接J1003的2脚和3脚，输出信号频率为4KHz；连接J1003的4脚和5脚，输出信号频率为8KHz，输出信号的幅度可通过电位计W1006调节。四、实验仪器序 号名 称主要用途1信号与系统实验箱信号源220MHz双踪示波器测试五、实验内容和步骤用示波器观察DDS幅度可变的正弦波、方波、三角波、锯齿波、阶梯波、梯形波、半波、抽样函数等常用信号的波形。 分析各信号的时域特性和频域特性。本实验使用DDS信号发生器单元。熟悉DDS信号发生器的工作原理，接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。用示波器观察TP1002、TP1003、TP1004、TP1005、TP1006测试点不同频率方波信号的波形。连接跳线J1003的1脚和2脚，用示波器观察DDS信号输出点TP1008的波形，改变拨码开关S1001，分别观察正弦波、方波、三角波、锯齿波、阶梯波、梯形波、半波、抽样函数等常用信号的波形，调节电位计W1006，观察相应输出信号TP1008幅度的变化。分别连接跳线J1003的2脚和3脚、4脚和5脚，改变DDS信号的时钟频率，重复实验步骤3，用示波器观察不同频率的DDS输出信号。S1001拨码开发波形输出说明：0000正弦波 1010方波 0100三角波 1000锯齿波0010阶梯波 0110梯形波 1100半波输入、输出点参考说明：TP1002：1KHz方波信号输出点。 TP1003：2KHz方波信号输出点。TP1004：4KHz方波信号输出点。 TP1005：8KHz方波信号输出点。TP1006：16KHz方波信号输出点。TP1008：DDS信号输出点。六、实验数据处理与分析画出波形图七、注意事项信号与系统实验箱的电源线和测试操作。八、预习与思考题分析DDS的工作原理，叙述电路的工作过程。绘出各测量点的波形，分析各种信号的时域特性和频域特性。实验二 函数信号发生器一、实验目的与要求了解单片多功能集成电路函数信号发生器的功能及特点。熟悉信号产生的方法。二、实验类型验证性三、实验原理及说明XR2206是单片集成函数发生器芯片，具有低正弦波失真度、极好的温度稳定度、宽扫描范围等特性，可产生高稳定度、高精确度的正弦波、方波和三角波信号。同时，输出波形可通过外接电压控制进行幅度和频率调制，频率输出范围可达0.01Hz1MHz，其内部原理框图如图2-1所示。实验电路中，输出信号频率取决于定时电容和定时电阻的大小，通过跳线J1101改变电容值以选择不同的频率输出档，通过电位计W1103可调节输出信号的频率。W1106用来调节输出信号的对称度，W1105用来调节输出正弦波的失真度，具体的调节方法如下：调节W1106至中心点，调节W1105使得输出正弦波具有最小的失真度。在此基础上，调节W1105使得输出正弦波波形达到最佳。方波信号输出端在上拉电阻的作用下，输出幅值为5V；正弦波、三角波输出信号幅度可通过W1107调节。通过跳线J1102可选择正弦波/三角波信号输出，跳线接上时，输出为正弦波；跳线拔下时，输出为三角波，三角波输出幅度近似为正弦波输出幅度的两倍。图2-1 XR2206原理框图四、实验仪器序 号名 称主要用途1信号与系统实验箱信号源220MHz双踪示波器测试五、实验内容和步骤熟悉函数信号发生器的调试方法。用示波器观察正弦波、三角波和方波信号。本实验使用信号源单元。熟悉函数信号发生器的工作原理，接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。连接跳线J1103的2脚和3脚，用示波器观察TP1103输出的方波信号，调节电位计W1103，观察相应输出方波频率的变化。连接跳线J1102，使函数信号发生器输出为正弦波，用示波器观察输出的正弦波信号，按照实验原理中介绍的调节正弦波失真度的方法，使正弦波不产生明显的失真。调节电位计W1103，观察相应输出正弦波频率的变化。拔下跳线J1102，使函数信号发生器输出为三角波，用示波器观察输出的三角波信号，调节W1104、W1105、W1106，使三角波不产生明显失真。调节电位计W1103，观察相应输出三角波频率的变化。分别连接跳线J1001的2脚和3脚、4脚和5脚，改变外接电容C的值，重复上述实验步骤，用示波器观察三种输出波形，并比较此三种外接电容所测得的波形之间的差异。调节电位计W1103，记录下函数发生器输出的最高和最低频率（注意配合“频率选择”跳线J1102）；调节电位计W1107，记录下函数发生器输出的最大和最小幅度。TP1102：正弦波/三角波信号输出点。TP1103：方波信号输出点。六、实验数据处理与分析画出波形图七、注意事项信号与系统实验箱的电源线和测试操作。八、预习与思考题分别画出C=0.1uF，C=0.01uF，C=0.0022uF时所观测到的方波、三角波和正弦波的波形图。列表整理C取不同值时三种波形的频率和幅度值。实验三 扫频信号源一、实验目的与要求了解扫频信号源的工作原理及其作用。掌握扫频信号源的使用方法。二、实验类型验证性三、实验原理及说明利用普通的信号发生器测试频率特性时，需要配合使用电压表。逐点调整信号发生器的输出频率，用电压表记录相应的被测设备或系统的幅度数值，然后在直角坐标平面上以频率为横坐标，以记录的数值（如幅度、幅度比等）为纵坐标，描绘出被测器件的频率特性。这种测试方法称为“点频法”。“点频法”虽然准确度较高，但是繁琐而费时，有些频率间隔不够密就被漏去，难以全面了解被测系统的频率特性。输出频率随时间在一定范围内反复扫描的正弦波信号发生器称为扫频信号发生器，使用这种仪器就可以实现频率特性的自动或半自动测试，达到测试简便又快捷的目的。扫频信号源的作用是提供频率按一定规律变化的扫频信号，应具备以下性能：频率宽带线性扫频，寄生调频小，谐波含量低；功率输出大且输出口反射小，有良好的内稳幅和接受外稳幅的能力，漂移小；工作方式有固定频率和扫频输出，扫速可调。使用扫频信号发生器，配合一些设备（如检波器、移相器、示波器等），可以方便地测量被测设备或系统的频率特性。动态特性和信号的频谱，因而在自动和半自动测量中获得愈来愈广泛的应用。示波器适合于在定性或半定性扫频测量中作指示器用，可以在全频段上给出直观的测量结果。对示波器提出的要求是：Y偏转灵敏度高，漂移小，最好是对数放大，双线；衰减器有精确的粗、细调校准刻度；长余晖，最好是可变余晖；有外扫描及直流输入口；荧光屏有专门的分贝、驻波比刻度盘。正弦振荡器在扫频电压的作用下，按一定的规律，在一定的范围内反复扫描。扫描电压由扫描电压发生器产生，有的呈锯齿波，有的呈三角波，其扫频规律则为线性；如扫描电压呈对数形，则扫频规律是对数的。前者能获得均匀的频率刻度，是最常用的工作方式；后者运用于宽带扫频的情况。本实验中扫频信号发生器的扫频电压为锯齿波，由DDS信号发生器产生。实验中的扫频信号发生器核心器件采用的是XR2206函数信号发生器。它集成了三角波和方波发生器、正弦波变换网络、恒流源控制网络等部分。扫频源控制电压部分原理图如图3-1所示。输出频率满足，频率与IT成线性关系，IT变化范围为3mA1uA，即输出频率随扫频电压输入端控制电压Vc线性变化，满足，电压频率转换增益。为了保证输出扫描信号频率由小到大变化，必须让锯齿波在1.8V2.2V之间线性变化，实验中采用的是一加法器电路来实现此功能的。图3-1 控制电压部分原理图实验中，可通过改变跳线J1101的引脚连接关系选择不同的扫频频率输出档。四、实验仪器序 号名 称主要用途1信号与系统实验箱信号源220MHz双踪示波器测试五、实验内容和步骤用示波器观察锯齿波扫频压控信号的波形。用示波器观察扫频信号源输出扫频信号的波形。本实验使用信号源单元。在后面的实验中很多都将用到扫频信号源用以产生正弦波扫频信号。熟悉扫频信号发生器的工作原理，接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。将DDS信号源单元产生的VPP5V、f01KHz、TP1008的锯齿波送入扫频信号源TP1101作为扫频压控信号。连接跳线J1101、J1102及J1103的2脚和3脚，用示波器观察U1102XR2206第7脚的线性电压应大致在1.8V2.2V之间，第8脚输出波形与输入锯齿波信号反相。否则调节W1101和W1102（W1101用于调节锯齿波的线性高度，W1102则用于调节锯齿波的线性宽度）。用示波器观察TP1102正弦波扫频输出信号，若输出正弦波信号有失真，调节W1105、W1106和W1107（W1105和W1106用于调节正弦波的失真度，W1107则用于调节输出正弦波的幅度，具体调节方法参见实验二中正弦波失真度的调节步骤）。分别连接跳线J1003的1脚和2脚，改变送入锯齿波压控信号的频率，重复上述实验步骤，用示波器观察扫频输出信号的变化。分别连接跳线J1101的2脚和3脚、4脚和5脚，改变扫频信号的扫频段，重复上述实验步骤，用示波器观察不同扫频段的扫频输出信号。输入点参考说明TP1101：扫频压控锯齿波信号输入点。输出点参考说明 TP1102：正弦波扫频信号输出点。六、实验数据处理与分析画出波形图七、注意事项信号与系统实验箱的电源线和测试操作。八、预习与思考题阐述扫频信号源的作用及扫频信号源的工作原理。画出锯齿波扫频压控信号的波形，及扫频信号源输出扫频信号的波形。实验四 频 率 计、毫伏表一、实验目的了解数字频率计测量频率的基本原理。掌握频率计的使用方法。了解数字电压表的工作原理。了解电压表的交、直流特性。二、实验类型验证性三、实验原理及说明数字频率计测量频率的基本原理图4-1 频率计原理框图所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 (式4-1)图4-1（a）是数字频率计的组成框图。被测信号经放大整形电路变成计数器所需要求的脉冲信号，其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，停止技术。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率。逻辑控制电路的作用有两个：一个是产生锁存脉冲，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。频率计电路采用可编程逻辑器件EPM7064，原理框图如图4-1（b）所示。由于实际电路数码显示管显示频率小于1MHz，当被测信号频率高于1MHz时应改变跳线J1301。各信号之间的时序关系如图4-2所示。图4-2 波形关系图数字频率计的主要技术指标频率测量范围：在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。数字显示位数：频率计的数字显示位数决定了频率计的分频率，位数越多，分辨率越高。测试时间：频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。电压表用来测量信号的电压值，实验中电压表核心器件采用的是ICL7107。它包含位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。在交流信号送入ICL7107之前，必须将信号经过交直流转换芯片AD736转换为真有效值等效直流电平，经ICL7107处理后驱动LED数码管数字显示电压有效值。数码管采用共阳接法，电位计用于调节ICL7107内部参考电压，通过改变跳线J1201可选择不同的测量量程（2V、20V）。四、实验仪器序 号名 称主要用途1信号与系统实验箱信号源220MHz双踪示波器测试五、实验内容和步骤用频率计测量信号源输出信号的频率。用频率计测量DDS信号发生器输出信号的频率。熟悉真有效值转换芯片AD736的工作原理。用交流毫伏表测量交流信号的电压有效值。本实验使用信号源单元、DDS信号发生器单元和频率计单元。在后面的实验中很多都将用到频率计来测量信号的频率。熟悉频率计的工作原理，接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。将信号源单元的波形输出点TP1102与频率计相连，调节电位计W1103，改变信号的频率，观察并记录数码管显示的数值，比较测量值与实际值。将DDS信号发生器单元的波形输出点TP1002、TP1003、TP1004、TP1005、TP1006、TP1008分别与频率计相连，测试并记录各波形的频率，比较测量值与实际值（注意：当所测信号的频率大于1M时，连接跳线J1301的2脚和3脚，频率计分辨率为10Hz，当所测信号的频率小于1M时，连接跳线J1301的1脚和2脚，频率计分辨率为1Hz）。本实验使用信号源单元和交流毫伏表单元。在后面的实验中很多都将用到交流毫伏表来测量信号的电压值。熟悉交流毫伏表的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元的电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。连接跳线J1201的1脚和2脚，选择电压表的2V档，调节电位计W1201，用万用表测量ICL7107的36脚，调整参考电压为1V。将信号源的正弦波信号输出端TP1102与交流毫伏表的信号输入端TP1201相连，观察数码管上显示的数值，记录正弦波信号的交流电压值；调节电位计W1107，改变正弦波的输出幅度，观察交流毫伏表相应的读数变化。改变跳线J1201，分别选择不同的量程档位，重复上述实验步骤，观察并记录实验结果。TP1301：待测频率信号输入点。TP1201：待测信号输入点。六、实验数据处理与分析画出波形图七、注意事项信号与系统实验箱的电源线和测试操作。八、预习与思考题分析频率计的工作原理，叙述其工作过程。根据实验测试记录实验结果。分析交流毫伏表的工作原理，叙述其工作过程。根据实验测试记录实验结果。实验五 阶跃响应与冲激响应一、实验目的与要求观察和测量RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响。掌握有关信号时域的测量方法。二、实验类型验证性三、实验原理及说明RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应电路原理图如图5-1所示，其响应有以下三种状态：当电阻时，称过阻尼状态；当电阻时，称临界阻尼状态；当电阻时，称欠阻尼状态。图5-1 阶跃响应与冲激响应原理图冲激信号是阶跃信号的导数，所以对线性时不变系统冲激响应也是阶跃响应的导数。为了便于用示波器观察响应波形，实验中用周期方波代替阶跃信号，而用周期方波通过微分电路后得到的尖脉冲代替冲激信号，冲激脉冲的占空比可通过电位计W102调节。四、实验仪器序 号名 称主要用途1信号与系统实验箱信号源220MHz双踪示波器测试五、实验内容和步骤用示波器观察欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态的阶跃响应波形。用示波器观察欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态的冲激响应波形。本实验使用DDS信号发生器单元和阶跃响应与冲激响应单元。熟悉阶跃响应与冲激响应的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元的电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。阶跃响应的波形观察：将DDS信号发生器单元产生的VPP3V、f01KHz方波TP1008信号送入激励信号输入点TP101。调节电位器W101用示波器观察TP103输出波形，使电路分别工作在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态，用示波器观察TP103输出三种状态的阶跃响应输出波形并分析对应的电路参数。冲激响应的波形观察：连接跳线J101，将DDS信号发生器单产生的VPP3V，f01KHz方波TP1008信号送入激励信号输入点TP102。用示波器观察TP101测试点方波信号经微分后的响应波形（等效为冲激激励信号）。调节电位计W102，改变冲激脉冲信号的占空比，使脉冲信号更接近冲激信号。调节电位计W101用示波器观察TP103的波形，使电路分别工作在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态，用示波器观察三种状态的冲激响应输出波形并分析对应的电路参数。输入点参考说明TP101：阶跃激励信号输入点。TP102：冲激激励信号输入点。输出点参考说明TP103：阶跃（冲激）响应信号输出点。六、实验数据处理与分析画出波形图七、注意事项信号与系统实验箱的电源线和测试操作。八、预习与思考题观察阶跃响应与冲激响应时，为什么要用周期方波作为激励信号？实验六 零输入响应与零状态响应一、实验目的与要求熟悉系统的零输入响应与零状态响应的工作原理。掌握系统的零输入响应与零状态响应特性的观察方法。二、实验类型验证性三、实验原理及说明系统的响应可分解为零输入响应和零状态响应。首先考察一个实例：在图6-1中由RC组成一阶RC系统，电容两端有起始电压Vc(0-)，激励源为e(t)。R+ e (t) Vc(0) Vc(t)_图6-1 一阶RC系统则系统的响应：上式中第一项称之为零输入响应，与输入激励无关，零输入响应是以初始电压值开始，以指数规律进行衰减。第二项与起始储能无关，只与输入激励有关，被称为零状态响应。在不同的输入信号下，电路会表征出不同的响应。系统的零输入响应与零状态响应电路原理图如图6-2所示。实验中为了便于示波器观察，用周期方波作为激励信号，并且使RC电路的时间常数略小于方波信号的半周期时间。电容的充、放电过程分别对应一阶RC系统的零状态响应和零输入响应，通过加法器后得到系统的全响应。图6-2 零输入响应与零状态响应电路原理图四、实验仪器序 号名 称主要用途1信号与系统实验箱信号源220MHz双踪示波器测试五、实验内容和步骤用示波器观察系统的零输入响应波形。用示波器观察系统的零状态响应波形。用示波器观察系统的全响应波形。本实验使用DDS信号发生器单元和零输入响应与零状态响应单元。熟悉零输入响应与零状态响应的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元的电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。系统的零状态响应特性观察：将DDS信号发生器单元产生的f01KHz方波TP1002信号送入激励信号输入点TP201。调节电位计W201，用示波器观察一阶RC系统的零状态响应输出点TP202的波形。系统的零输入响应特性观察：将DDS信号发生器单元产生的f01KHz方波TP1002信号送入激励信号输入点TP201。调节电位计W202，用示波器观察一阶RC系统的零输入响应输出点TP203的波形。用示波器观察一阶RC系统的全响应输出点TP204的波形，分析计算RC电路的时间常数。分别调节电位器W201和W202，用示波器观察系统不同的输入信号表征出不同的响应波形，分析全响应与零输入响应、零状态响应的关系。输入点参考说明TP201：激励信号输入点。输出点参考说明TP202：系统的零状态响应输出点。TP203：系统的零输入响应输出点。TP204：系统的全响应输出点。六、实验数据处理与分析画出波形图七、注意事项信号与系统实验箱的电源线和测试操作。八、预习与思考题试分析系统的时间常数对零输入响应和零状态响应波形的影响。实验七 信号的抽样与恢复一、实验目的与要求了解电信号的抽样方法与过程以及信号恢复的方法。观察连续时间信号经抽样后的波形图，了解其波形特点。验证抽样定理并恢复原信号。二、实验类型设计性三、实验原理及说明利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。在满足抽样定理条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真的恢复出原始信号。抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。抽样定理指出：一个频带受限信号m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一的由频率等于或大于2fh的样值序列所决定。抽样信号的时域与频域变化过程如图7-1所示：Fs() -s -m 0 m sf0(t) tF0() 图7-1 抽样信号的时域与频域变化过程信号的抽样与恢复方框图和电路原理图分别如图7-2、7-3所示。抽 样电 路低 通 滤波器抽 样脉 冲 恢复后的信号图7-2 信号的抽样与恢复方框图图7-3 信号的抽样与恢复电路原理图四、实验仪器序 号名 称主要用途1信号与系统实验箱信号源220MHz双踪示波器测试五、实验内容和步骤用示波器观察不同的抽样频率抽样得到的抽样信号。用示波器观察各抽样信号经低通滤波器恢复后的信号并验证抽样定理。本实验使用DDS信号发生器单元和信号的抽样与恢复单元。熟悉信号的抽样与恢复的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元的电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。将DDS信号发生器单元产生的VPP3V、f01KHz的正弦波TP1008和f02KHz的时钟方波TP1003分别送入待抽样信号输入点TP301和抽样脉冲信号输入点TP302，用示波器分别观察抽样信号输出点TP303和恢复后的信号输出点TP304的波形并将实验数据记录下来（实验中低通滤波器的截止频率fC1KHz）。改变抽样脉冲信号的频率，分别将f02KHz、4KHZ、8KHz、16KHz的时钟方波送入抽样脉冲信号输入点TP302，重复实验步骤2，比较在不同的抽样频率下恢复后的信号波形之间的差别并得出结论。将DDS信号发生器单元产生的VPP3V、f01KHz的三角波TP1008作为待抽样信号送入TP301，重复上述实验步骤。输入点参考说明TP301：原信号（待抽样信号）输入点。TP302：抽样脉冲信号输入点。输出点参考说明TP303：抽样信号输出点。TP304：恢复后的信号输出点。六、实验数据处理与分析画出波形图七、注意事项信号与系统实验箱的电源线和测试操作。八、预习与思考题试分析抽样信号经过低通滤波器恢复原始信号的工作原理。抽样信号输入波形实验八 串联谐振电路的特性研究一、实验目的与要求了解RLC串联电路中电流和电压的相位关系。了解谐振电路的特性，掌握谐振电路谐振曲线，通频带和Q值的测量方法。掌握用示波器观察李沙育图形的方法。二、实验类型验证性三、实验原理及说明正弦交流电路是指电源（激励）和电路中各部分所产生的电压和电流（响应）均按正弦规律变化的电路。研究正弦交流电路的目的是确定电路中电压、电流的大小和相位关系以及功率消耗和能量转换等。本实验主要研究正弦交流电路中由R、L、C组成的串联谐振电路的频率特性。RLC串联谐振电路中总电流和总电压的相位关系由于R支路中电压和电流同相，C支路中电流超前电压90o，Lr支路中电流滞后电压角度，在线圈内阻r可忽略的情况下，该支路电流比电压滞后90o。所以RLC串联电路中总电压和总电流的相位关系由角频率和元件参数决定，当电路中感抗等于容抗时（即时），电压和电流同相；当时，电路中，电路呈容性，电流超前于电压；当时，电路中，电路呈感性，电流之后于电压。串联谐振电路谐振特性曲线、通频带BW和品质因数Q值的测量方法串联谐振电路的谐振特性在具有R、L、C元件的正弦交流电路中，无论时呈电感性还是呈电容性的电路，其输入电压和电流往往是不同相的，即电路中的感抗与容抗的作用是部分地相互抵消。如果调节电路的参数，使得电路中的电感L和电容C的作用完全抵消，整个电路呈现电阻的性质，这时电压与电流同相位，电路的这种现象称为谐振。产生谐振现象的电路称为谐振电路，电路谐振时呈现电阻性的特性。串联谐振电路如图9-1所示。usR uL iC uC L 图8-1 串联谐振谐振电路的谐振特性曲线、通频带BW和品质因数Q值的测量谐振回路的特性常用谐振频率，品质因数Q和特性阻抗来描述。对串联谐振电路而言，特性阻抗，它们仅决定于电路元件参数，但能比L、C、R更好地反映出该谐振电路的各种性质。对于串联谐振回路，保持输入电压大小不变，改变输入信号的频率使电路处于谐振状态，即串联谐振回路中电流达到最大值时对应的频率即为谐振频率。通过逐点改变输入信号频率，测定电流随频率变化的关系，便可画出谐振曲线。在测量谐振曲线时，当电流的幅度为最大值的时对应的两个频率之差即为通频带BW（BWf2f1）。Q值可由测得的谐振曲线求出，或。可见品质因数Q越大，谐振特性曲线越尖锐，电路的频率选择性就越好。RLC串联谐振回路电路原理图如图8-2所示。图8-2 RLC串联谐振回路电路原理图四、实验仪器序 号名 称主要用途1信号与系统实验箱信号源220MHz双踪示波器测试五、实验内容和步骤用示波器观察串联谐振电路输出信号幅度与输入信号频率之间的关系，验证谐振条件并绘制谐振曲线。用示波器观察电路输出信号相位与输入信号相位关系的李沙育图形。本实验使用信号源单元和谐振电路单元。熟悉串联谐振回路的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关，设置好上述实验单元的电源跳线，对应的红、绿发光二极管发光，实验箱开始正常工作。将信号源单元产生的VPP3V的频率正弦波送入串联谐振回路的信号输入点TP401，连接跳线J401的1脚和2脚，用示波器观察输出点TP403的波形。保持输入信号的幅度不变，调节电位计W1103，改变输入信号的频率，用示波器观察TP403对应的输出波形，并用描点法绘出回路的谐振曲线，计算谐振电路的通频带。当输出波形幅度最大时，测量并记录对应的输入信号的频率，此频率即为串联谐振回路的谐振频率。将串联谐振回路的输入信号和输出信号分别接示波器的X轴和Y轴，观察输入信号相位与输出信号相位的李沙育图形，根据李沙育图形，判断谐振回路的谐振状态，记录谐振回路的谐振频率。连接跳线J401的2脚和3脚，改变回路的电路的负载参数，重复上述实验步骤。六、输入、输出点参考说明输入点参考说明 TP401：正弦波信号输入点。输出点参考说明 TP403：正弦波经RLC串联谐振回路后信号输出点。七、实验思考题分析回路处于谐振状态下的电路特性，总结回路处于谐振状态的判断方法。八、实验报告要求绘出串联谐振特性曲线，分析由于电路参数的变化对电路谐振特性的影响。绘出电路输出信号相位与输入信号相位关系的李沙育图形，测量出谐振频率点。分析实验中理论计算值与测量值之间存在误差的原因。 实验九 二阶无源滤波器一、实验目的与要求了解RC无源滤波器的种类、基本结构及其特性。学会列写无源滤波器网络函数的方法。学会测量无源滤波器幅频特性的方法。二、实验类型验证型三、实验原理及说明滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装置。工程上常用它作信号处理、数据传送和抑制干扰等。这里主要讨论模拟滤波器。基本概念及初步定义：Vo(t)Vi(t)滤波电路滤波器的一般结构如图17-1所示。图中的Vi（t）表示输入信号，Vo（t）为输出信号。假设滤波器是一个线性时不变网络，则在复频域内其传递函数（系统函数）为图9-1 滤波电路的一般结构式中A（s）是滤波电路的电压传递函数，一般为复数。对于频率来说（sj）则有 （式9-1）这里为传递函数的模，为其相位角。此外，在滤波电路中关心的另一个量是时延（），它定义为通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相位和时延响应亦需考虑。当相位响应（）作线性变化，即时延响应（）为常数时，输出信号才可能避免失真。 滤波电路的分类：对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减（）。通常通带和阻带的相互位置不同，滤波电路通常可分为以下几类：（1）低通滤波器低通滤波电路的幅频响应如图9-2（a）所示，图中A0表示低频增益A增益的幅值。由图可知，它的功能是通过从零到某一截止角频率H的低频信号，而对大于H的所有频率完全衰减，因此其带宽BWH。（2）高通滤波器高通滤波电路的幅频响应如图9-2（b）所示，由图可知，在0L范围内的频率为阻带，高于L的频率为通带。从理论上来说，它的带