信号与系统实验报告一大二下.doc

电气学科大类 级信号与控制综合实验课程实 验 报 告(基本实验一:信号与系统基本实验)姓 名 学 号 专业班号 同组者1 学 号 专业班号 同组者2 学 号 专业班号 指导教师 日 期 _实验成绩 评 阅 人 _实验评分表基本实验实验编号名称/内容（此列由学生自己填写）实验分值评分常用信号的观察5零输入、零状态及完全响应5有源与无源滤波器10低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换10信号的采样与恢复实验15调制与解调实验15设计性实验实验名称/内容实验分值评分创新性实验实验名称/内容实验分值评分教师评价意见总分目 录一.实验内容.1. 常用信号的观察2. 零输入、零状态及完全响应3. 有源与无源滤波器4. 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换5. 信号的采样与恢复实验6. 调制与解调实验 二、实验总结三、实验心得与体会四、参考文献一.实验内容实验一 常用信号的观察一、实验原理描述信号的方法有多种，可以是数学表达式（时间的函数），也可以是函数图形（即为信号的波形）。对于各种信号可以分为周期信号和非周期信号；连续信号和离散信号等。普通示波器可以观察周期信号；具有暂态拍摄功能的示波器可以观察到非周期信号的波形。目前常用的数字式示波器可以非常方便地观察周期信号以及非周期信号的波形。二、实验目的1. 了解常用信号的波形和特点。2. 了解相应信号的参数。3. 学习函数发生器和示波器的使用。三、实验内容1观察常用的信号，如：正弦波、方波、三角波、锯齿波及一些组合函数波形，如y = sin(nx) + cos(mx)。2用示波器测量信号，读取信号的幅度和频率。四、实验设备1函数发生器1台2数字或模拟示波器1台五、实验步骤1接通函数发生器的电源。2调节函数发生器选择不同的频率，用示波器观察输出波形的变化。 注：以上均引自信号实验指导书六实验结果及图形方波：频率 50Hz 幅值 0.5V正弦波：频率 50Hz 幅值 0.5V sin三角波：频率 50Hz 幅值 0.5V锯齿波: 频率 50Hz 幅值 0.5V 实验二 零输入、零状态及完全响应 一、实验原理零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路如图2-1所示。图 2-1 零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路图二、实验目的1通过实验，进一步了解系统的零输入响应、零状态响应和完全响应的原理。2学习实验电路方案的设计方法本实验中采用用模拟电路实现线性系统零输入响应、零状态响应和完全响应的实验方案。三、实验内容1连接一个能观测零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图（参考图2-1）。2分别观测该电路的零输入响应、零状态响应和完全响应的动态曲线。四、实验设备1信号与系统基本实验模块实验电路板2（实验板参数：电阻R1R230k；电容C47）；或自己设计搭建的实验电路2直流稳压电源5V和15V各一路3数字存储式示波器1台五、实验步骤将实验电路接通电源。通过两个开关K1 和K2 的闭合/断开状态，可以从示波器上观察到实验电路输出（电容电压）的零输入响应、零状态响应和完全响应的具体步骤如下：1.零输入响应将S1短接到2处，S2短接到1处，使+5V直流电源对电容C充电，当充电完毕后，将S2接到2处，用示波器观测Uc（t）的变化。2零状态响应先将S2短接到2处，使电容两端的电压放电完毕，将S1接到1处，S2接到1处，用示波器观测15V直流电压向电容C的充电过程。3完全响应先将S2接到2处，使电容两端电压通过R-C回路放电，一直到零为止。然后将S1接到2处，S2接到1处，使5V电源向电容充电，待充电完毕后，将S1接到1处，使15V电源向电容充电，用示波器观测Uc（t）的完全响应。以上大部分均引自信号实验指导书六实验数据及图形零输入响应零状态响应全响应七、实验思考题问:系统零输入响应的稳定性与零状态响应的稳定性是不是相同？答：不相同，因为零输入响应最终趋于零，而零输入响应最终趋于某一固定值实验五 无源与有源滤波器一、实验任务与目的目的1了解无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性；2分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性；3掌握无源和有源滤波器参数的设计方法。内容1测试无源和有源LPF(低通滤波器)的幅频特性；2测试无源和有源HPF(高通滤波器)的幅频特性；3测试无源和有源BPF(带通滤波器)的幅频特性；4测试无源和有源BEF(带阻滤波器)的幅频特性。二总体方案设计1滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。三方案实现和具体设计。根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、和带阻滤波器（BEF）四种。图5-1分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。四实验设计和实验结果实验设计1将设计搭建的实验电路板或基本实验模块电路板5接通电源，用示波器从总体上先观察各类滤波器的滤波特性。2实验时，在保持滤波器输入正弦波信号幅值（Ui）不变的情况下，逐渐改变其频率，用示波器或交流数字电压表（f15KHz），测量滤波器输出端的电压U0。当改变信号源频率时，都应观测一下Ui是否保持稳定，数据如有改变应及时调整。3按照以上步骤，分别测试无源、有源LPF、HPF、BPF、BEF 的幅频特性。注意：对于滤波器的输入信号幅度不宜过大，对有源滤波器实验一般不要超过5V实验结果实验数据无源低通有源低通无源高通有源高通频率hz电压峰值v频率hz电压峰值v频率hz电压峰值v频率hz电压峰值v502.06502.06140002.041200021002.041002.04120002.02100001.961501.981501.98100001.9480001.942001.942001.9690001.9270001.922501.882501.8880001.8660001.893001.843001.8470001.850001.843501.783501.860001.7440001.764001.724001.7350001.6430001.65001.585001.640001.4825001.446001.486001.530001.2420001.247001.347001.3620000.915000.969001.169001.1810000.3210000.5810001.0810001.19000.248000.4215000.7615000.788000.26000.220000.5820000.67000.1625000.4425000.466000.130000.3630000.3840000.2440000.2650000.1450000.1660000.160000.12无源带通有源带通无源带阻有源带阻频率hz电压峰值v频率hz电压峰值v频率hz电压峰值v频率hz电压峰值v1000.1500.1263001.011400022000.141000.254001.01120001.983000.272000.475000.971110001.984000.3963000.686000.832100001.965000.4844000.847000.70490001.946000.5285000.968000.58880001.927000.5646001.069000.48870001.888000.5967001.1310000.460001.8410000.6328001.1911000.30450001.7611000.6449001.2212000.22440001.6212000.65210001.2613000.15630001.413000.65612001.314000.120000.914000.6615001.3215000.06815000.415000.6616001.3216000.07610000.2817000.6620001.3217000.0968000.519000.65625001.2618000.1486000.621000.64830001.2119000.1925000.723000.63640001.0820000.244000.8225000.62850000.96825000.443001.328000.60860000.86430000.62001.7330000.58670000.77635000.721001.9635000.56480000.70440000.836502.0440000.5490000.6450001.0150000.472100000.58460001.0160000.428110000.54470001.0170000.384120000.49680001.0180000.348130000.464100000.292140000.432120000.244140000.212150000.2实验图形图一图二图三图四五结果分析，讨论与思考题无源低通滤波器截止频率为600Hz，有源低通滤波器截止频率为600Hz；无源高通滤波器截止频率为4000Hz，有源高通滤波器截止频率为2500Hz；无源带通滤波器通带为5005000Hz; 有源带通滤波器通带为5005000Hz，无源带阻滤波器通带为7003500Hz；有源带阻滤波器通带为3003000Hz1示波器所测滤波器的实际幅频特性与计算出的理想幅频特性有何区别？答：实际幅频曲线下滑坡度比较大，过渡频率范围比较长，不像理想幅频曲线那样陡度陡翘，实际电路往往存在一定延时造成这种情况。2如果要实现LPF、HPF、BPF、BEF源滤器之间的转换，应如何连接？答：通过电路的组合连接，可以实现以上四种滤波电路的转换，由于高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系：,式中为高通滤波器的幅频特性，为低通滤波器的幅频特性。如果已知，就可由上式可求得对应的；反之亦然。如果高通滤波器的下限fH大于低通滤波器的上限fL,则将两者并联起来可以组合成带阻滤波器；如果高通滤波器的下限fH小于低通滤波器的上限fL,则两者串起来可以组合成带通滤波器。实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换一、 实验任务与目的目的1通过本实验进一步理解低通、高通和带通等不同类型滤波器间的转换关系；2熟悉低通、高通、带通和带阻滤波器的模拟电路，并掌握其参数的设计原则。内容1由低通滤波器变换为高通滤波器。2由高通滤波器变换为低通滤波器。3在一定条件下，由低通和高通滤波器构成带通滤波器。4在一定条件下，由低通和高通滤波器构成带阻滤波器。二总体方案设计低通、高通、带通、带阻滤波器间存在着密切联系，可以通过组合实现它们之间的变换三方案实现和具体设计1由于高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系： 图6-4 带阻滤波器的模拟电路图四实验设计与实验结果实验步骤1实验电路接通电源（有源滤波器电路）。2将函数信号发生器输出的正弦信号接入无源（或有源）滤波器的输入端，调节该正弦信号频率（由小到大改变）时,用示波器观察其低通滤波器输出幅值的变化。2按步骤1，逐步用示波器或数字万用表观察测量LPF、HPF、BPF、BEF输出幅值的变化。以上均引自信号实验指导书实验结果低通带通频率/HZ峰-峰值 v频率/HZ峰-峰值 v1001.88100.071101.84200.11201.86400.181501.86600.282001.86800.482501.861000.73001.841300.983501.821601.224001.822001.444501.783001.585001.784001.666001.745001.77001.76001.78001.667001.669001.628001.6210001.589001.5812001.4810001.5415001.3612001.4617001.2814001.3820001.1616001.325001.0218001.2230000.8620001.1435000.7822001.140000.725000.9850000.5830000.8660000.540000.7670000.2650000.5880000.0660000.570000.4280000.3890000.34100000.3110000.26120000.26高通带阻频率/HZ峰-峰值 v频率/HZ峰-峰值 v100.02100.98500.02201.661000.02301.723000.02401.724000.46501.685000.54601.686000.64701.647000.74801.68000.82901.5610000.941001.4812001.061101.4415001.221201.418001.341501.2420001.381701.1625001.52001.0430001.563000.6440001.624000.4650001.645000.3660001.626000.3870001.627000.4480001.588000.5690001.569000.68100001.5210000.7611000.8412000.921300114001.0615001.1216001.1620001.3225001.4430001.5240001.650001.64 低通滤波器带通滤波器 高通滤波器 带阻滤波器五实验结果分析，讨论与思考题试验结果分析：由试验波形可知所得结果与预期值基本相符，通过实验加深了对几种滤波器的理解。 1、由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件？答：设为低通滤波器的带宽频率，为高通滤波器的带宽频率，如果，则由它们可串联构成一个带通滤波器。如果低通滤波器的带宽频率小于高通滤波器的带宽频率，则由它们可并联构成一个带阻滤波器。2. 有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？答：有源滤波器的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，波形稳定，具有一定的电压放大和缓冲作用。而无源滤波器达不到这点。 实验七 信号的采样与恢复实验一 实验任务与目的目的1了解信号的采样方法与过程及信号的恢复。2通过实验验证采样定理，并掌握采样周期的基本设计原则。3在前面实验基础上，掌握根据实验原理框图（图7-1）设计实验方案、自行搭建实验电路、自行设计电路参数的方法。内容1根据实验原理框图和实验任务设计实验方案。2根据设计的实验方案设计和搭建实验电路（可以用面包板搭，也可以用通用板焊接）。3研究正弦信号和三角波信号被采样的过程以及采样后的离散化信号恢复为连续信号的波形。实验中选用s 2m、s = 2m、s 2m三种采样频率对连续信号进行采样，以验证采样定理。4用采样定理分析实验结果。二总体方案设计 离散时间信号可以从离散信号源获得，也可以从连续时间信号经采样而获得，采样信号在一定条件下可以恢复原来的信号。只要经过合理的步骤和仪器就可以完成。三 方案实现和具体设计离散时间信号可以从离散信号源获得，也可以从连续时间信号经采样而获得。采样信号r (kT)可以看成连续信号r(t)和一组开关函数S(t)的乘积；S(t)是一组周期性窄脉冲（图7-1。宽得多。图7-2 示出了采样前后信号频谱关系。采样信号中的这些高频频谱分量使得采样信号与原连续时间信号相比，产生附加分量而畸变。2采样信号在一定条件下可以恢复原来的信号，只要用一个截止频率等于原信号频谱中最高频率s w 、增益为T 的低通滤波器，滤去信号中所有的高频分量，就得到只包含原信号频谱的全部内容，即低通滤波器的输出为恢复后的原信号（见图7-3）。3原信号得以恢复的条件是s2m，其中s为采样频率，m为原信号占有的频带宽度。当s 2m时，采样信号的频谱会发生混迭，因而无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。4图7-4 所示的框图表示了对连续信号的采样和对采样信号的恢复过程。实验时，除了选用足够高的采样频率外，还常采用前置低通滤波器来防止信号频谱的过宽而造成采样后信号频谱的混迭。四 实验设计和实验结果实验设计1连接采样脉冲（方波）信号发生器、采样器（采样开关）、低通滤波器组成的采样与恢复电路（实验电路板7；或自己设计搭建的实验电路板）。2利用函数发生器，输入频率为100Hz左右的正弦信号（或其它形状波形的信号作为被采样信号）给信号采样与恢复实验电路的输入端，观察采样输出信号以及通过低通滤波器后的恢复信号。3改变被采样输入信号的频率，再观察采样输出信号以及通过低通滤波器后的恢复信号。4改换被采样输入信号为其它波形（三角波等），再重复以上实验。以上均引自信号实验指导书实验结果注意：下面的每张图里面，第一行是原始信号，第二行是采样信号，第三行是恢复信号1. 频率100HZ2.频率600HZ2. 频率800HZ3. 频率100HZ4. 频率600HZ6频率800HZ五 结果分析。讨论与思考题在实验中所选用m三种采样频率情况下对连续信号分别进行采样，从波形中都可以看出，在s 2m 以及s = 2m时，采样后的信号均可以较好的恢复，而当s 2m 时，采样后的信号均不可以较好的恢复，从而验证采样定理。 实验八 调制与解调实验 一实验任务与目的目的1. 了解幅度调制和解调的原理。2观察调制和解调后的波形。3在前面的实验基础上，进一步掌握根据实验任务和要求、实验原理方框图来设计实验方案、实验电路的方法。4掌握集成模拟乘法器或其它集成芯片在实现电路方案时的各种应用（学会选型、应用设计）。内容1幅度调制与解调的实验。2根据实验原理方框图确定实验方案，设计和搭建实验电路二总体方案设计傅氏变换中的调制定理是实现频谱搬移的理论基础，形成了正弦波幅度调制，即一个信号的幅度参量受另一个信号控制的一种调制方式。只要正弦信号（载波）的频率在适合信道传输的频率范围内就在信道内很好的传输。将频谱相同或不相同的多个信号调制在不同的频率载波上，只要适当安排多个载波频率，就可以使各个调制信号的频谱互不重叠，这样在接收端就可以用不同的带通滤波器把它们区分开来，从而实现在一个信道上互不干扰地传送多个信号，这就是多路复用的概念与方法。用正弦信号作为载波的一类调制称为正弦波调制，它包含正弦波幅度调制（AM），正弦波频率调制（FM）和相位调制（PM） 同样的也可以进行解调三方案实现和具体设计傅氏变换中的调制定理是实现频谱搬移的理论基础，形成了正弦波幅度调制，即一个信号的幅度参量受另一个信号控制的一种调制方式。只要正弦信号（载波）的频率在适合信道传输的频率范围内就在信道内很好的传输。将频谱相同或不相同的多个信号调制在不同的频率载波上，只要适当安排多个载波频率，就可以使各个调制信号的频谱互不重叠，这样在接收端就可以用不同的带通滤波器把它们区分开来，从而实现在一个信道上互不干扰地传送多个信号，这就是多路复用的概念与方法。用正弦信号作为载波的一类调制称为正弦波调制，它包含正弦波幅度调制（AM），正弦波频率调制（FM）和相位调制（PM）用非正弦波周期信号作为载波的另一类调制称为脉冲调制，用信号去控制周期脉冲序列的幅度称为脉冲幅度调制（PAM），此外，还有脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（_fPPM）等。脉冲宽度调制的最典型的应用：现代电力电子电路中正弦波输出的逆变器。电路输出的正弦波是依靠电路中的电力电子开关器件的交替通断工作，将直流输入电压逆变成方波电压，再经过低通滤波器滤波成为高次谐波含量少的正弦波而实现的。普通的工频50Hz交流正弦波若由50Hz方波滤波得到，则由于50Hz方波中谐波成分非常大，所需要的滤波器元件参数值过大而导致体积重量过大，成本极高；此外，由于需要滤除的谐波成分较大，导致逆变电路的效率也非常低。因此一般采用多脉冲调制方式，即在一个50Hz的半个周期内让开关器件通断多次形成多个脉冲方波，而不是仅一个脉冲方波，依傅立叶变换可知，这样的多脉冲中含有的高次谐波成分远远少于单脉冲中的高次谐波。近代电力电子变换技术中则将该多脉冲调制技术改进成为脉冲高度不变而宽度按照正弦规律变化的多脉冲调制形式，称为“正弦脉冲宽度调制（SPWM）”，如图8-1所示。四实验设计和实验结果实验设计因实验室的函数信号发生器仅能提供一路正弦信号电源，而本实验需要2个正弦信号（一路低频正弦信号，作为电路板输入的被调制信号；而实验所需要的接收端与发送端的载波信号完全同频同相，因此需要提供另一个高频正弦信号作为载波信号，同时提供给调制部分和解调部分），故可采用实验电路板输出的低频正弦作为被调制信号，另外通过函数发生器产生高频正弦信号，供调制和解调两部分用。这两个正弦信号应幅值相等，初相位相等，频率成比例。1.本实验中可先调节实验电路板输出的正弦信号频率约为500Hz、幅度为500mV，作为调制信号；函数发生器产生的正弦