信号与控制实验报告_电气1004_邓育林

1、. 电气学科大类2010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 邓育林 学号 u201011870 专业班号1004 同组者 庞伟 学号 u201011884 专业班号 1004 指导教师 李开成 日 期 2012年12月1日 实验成绩 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容实验分值评分常用信号的观察 5零输入相应零状态响应及完全响应 5设计性实验实验名称/内容实验分值评分无源与有源滤波器 10低通、高通、带通、带阻滤波器变换 10信号的采样与恢复 15调制与解调 15创新性实验实验名称/内容实验分值评分信号的产生、收集、处理、变换和基于mat

2、lab的分析 040教师评价意见总分目 录正文实验一：常用信号的观察5 实验任务与目的5 实验内容 5 实验结果 5 实验结果分析8实验二：零输入相应零状态响应及完全响应 实验任务与目的9 实验内容 9 实验结果 9 实验结果分析10实验三：无源与有源滤波器 实验任务与目的11 实验内容 11 实验结果 11 实验结果分析17实验四：低通、高通、带通、带阻滤波器变换 实验任务与目的18 实验内容 18 实验结果 18 实验结果分析23 实验五：信号的采样与恢复实验24 实验任务与目的24 实验内容 24 实验结果 25 实验结果分析29 实验六：信号的产生、分解、合成及变化30 实验任务与目的

3、30 实验内容 30 实验结果 30 实验结果分析31实验结论31心得与自我评价33参考文献33 实验一：常用信号的观察实验目的： 了解常用信号的波形和特点。了解常见信号的有关参数的测量，学会观察常见信号组合函数波形。学会使用函数信号发生器，了解所用仪器原理与所观察信号的关系。掌握基本的误差观察和分析方法。实验内容： 1观察常用的正弦波、方波、三角波、锯齿波等信号及一些组合函数的波形 2 用示波器测量信号，读取信号的幅值和频率实验设备： 函数发生器、数字或模拟示波器实验数据1,.正弦波1000hz与500hz 图1. 1khz正弦波 图2. 500hz正弦波2. 方波1000hz与500hz

4、图3. 1khz方波 图4. 500hz方波3.三角波1000hz与500hz图5. 1khz三角波图6. 500hz三角波4. 锯齿波1000hz与500hz 图7. 1khz锯齿波 图8. 500hz锯齿波 实验二：零输入相应零状态响应及完全响应实验原理目的：了解系统的零输入相应、零状态响应及完全响应的原理。学习实验电路方案的设计方法。图2-2 零输入响应、零状态响应和完全响应曲线其中：零输入响应 零状态响应 完全响应实验内容：1按照图2-1所示连接好电路。2 分别观测该电路的零输入响应、零状态响应、完全响应的动态曲线。实验设备实验电路板、直流稳压电源+5和+15v各一个、数字储存示波器实

5、验过程：1 闭合s1，断开s2，s3，电容充电，得到零状态响应曲线。2 闭合开关s1，断开s2，s3，电容充电到15v后，断开开关s1，闭合s3,电容放电，得到零输入响应曲线。3 闭合开关s2，电容充电至5v，断开s2，闭合s1，得到完全响应曲线实验结果分析本实验探讨零输入、零状态及完全响应，通过改变电路上的开关组合状态来实现。曲线形状与理论的较为一致。通过本次试验，我们进一步熟悉了产生零状态响应、零输入响应和全响应的电路，对三种响应有了直观的认识。思考题1 系统零输入响应的稳定性与零状态响应的稳定性是否相同？为什么？答：不相同。零输入响应与输入激励无关，零输入响应是从电容初始电压开始以指数规

6、律进行衰减，其过程只和电路结构有关，只要电路自身是稳定的，零输入响应就是稳定的；而零状态响应只与输入激励有关，与起始储能无关，在不同的输入信号下，电路会表征出不同的响应，所以零状态响应的稳定性不仅和电路结构有关，还与输入的信号有关。由表达式：可知，对于零输入响应，系统的稳定状态为e1，而零状态的稳定性为0。 实验三：无源与有源滤波器实验原理：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。根据幅频特性所表示的通

7、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。实验目的： 了解无源和有源lpf(低通滤波器)、无源和有源hpf(高通滤波器)、无源和有源bpf(带通滤波器)、无源和有源bef(带阻滤波器)基本结构及其特性，通过设计电路，测量这些滤波器的幅频特性，分析比较无源和有源滤波器的滤波特性。掌握无源和有源滤波器参数的设计方法。实验设备：实验电路板、双路输出直流稳压电源、数字式示波器、交流数字电压表实验步骤：1将实验模块电路板接通电源，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

8、（vi）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（f200khz），测量滤波器输出端的电压v0 。当改变信号源频率时，应观测一下vi是否保持稳定，数据如有改变应及时调整。3按照以上步骤，分别测试无源和有源lpf、hpf、bpf、bef的幅频特性。实验数据低通滤波器lpf无源lpff/hzuo/uiuoui015.445.441000.9855.365.442000.9715.285.443000.9124.965.444000.8684.725.445000.8094.45.446000.754.085.447000.6763.685.448000.6183.365.449000

9、.5743.125.4410000.5292.885.4412200.4412.45.4415700.36825.4419000.2941.65.4424200.2351.285.4430000.1760.965.44有源lpff/hzvivovo/vi1002.22.080.9455002.121.90.89610002.081.50.72120002.120.820.38640002.120.30.14150002.080.1960.09480002.120.120.056100002.080.0540.025150002.120.02480.011200002.120.020.009无源

10、lpf和有源lpf幅频特性曲线比较无源，上限截止频率fh =638hz；有源, 上限截止频率fh =1120hz高通滤波器hpf有源hpff/hzuo/uiuoui800.0440.245.444000.0590.325.444800.0740.45.445000.1320.725.447000.1760.965.448000.2061.125.448500.2431.325.4410000.2941.65.4412000.36825.4414000.4412.45.4416000.5152.85.4417000.5372.925.4419000.5883.25.4423000.6763.68

11、5.4424000.6913.765.4424700.7063.845.4425000.7173.95.4427000.754.085.4432000.8094.45.4445000.8974.885.4460000.9014.95.4470000.9415.125.44100000.9415.125.44无源hpff/hzuo/uiuoui1000.0090.0485.442000.0190.1025.443000.0370.25.444000.0550.35.447000.1290.75.448000.1911.045.4410000.221.25.4412000.2791.525.441

12、5000.3381.845.4417000.36825.4420000.4412.45.4424000.52.725.4426000.5442.965.4428000.5743.125.4432000.6033.285.4435000.6623.65.4440000.6843.725.4443000.7063.845.4446000.7283.965.44 无源高通滤波器和有源高通滤波器幅频特性曲线比较无源的下限截止频率fl=3800hz；有源的下限截止频率fl =2800hz带通滤波器bpf无源bpff/hzuo/uiuoui1000.1030.565.442000.1320.725.444

13、000.2211.25.445000.2651.445.446000.2791.525.447000.2941.65.449000.3241.765.4411000.3381.845.4414000.3531.925.4416000.3531.925.4418000.3381.845.4422000.3381.845.4430000.3241.765.4432000.3091.685.4435000.2941.65.4445000.2651.445.4467000.2211.25.4480000.1911.045.44有源bpff/hzuo/uiuoui100.0440.245.44800.1

14、320.725.441400.2061.125.442000.2791.525.442500.3381.845.443150.3972.165.443600.4412.45.444500.52.725.446000.5743.125.448000.6473.525.4410000.6763.685.4412000.6913.765.4414500.7063.845.4419000.6913.765.4420000.6763.685.4429000.6323.445.4436000.5883.25.4442000.5442.965.4450000.5152.85.4460000.4712.565

15、.4490000.3491.95.44100000.2941.65.44无源带通滤波器和有源带通滤波器幅频特性曲线比较无源，fl=500hz，fh=5000hz，故通频带bw=4500hz，特征频率为1500hz有源，fl=440hz，fh=5200hz，故通频带bw=4660hz，特征频率为1700hz带阻滤波器bef无源beff/hzuo/uiuoui100.8384.565.441000.8244.485.441500.7944.325.442000.754.085.442500.7213.925.442650.7063.845.442750.6913.765.443200.6473.5

16、25.443600.6183.365.444200.5743.125.444600.5292.885.445500.4852.645.446000.4412.45.447000.36825.448000.3381.845.449000.2651.445.4410000.2211.25.4411500.1760.965.4412000.1470.85.4413000.1250.685.4415000.0790.435.4416000.0730.45.4417000.0970.535.4419000.1180.645.4421000.1560.855.4423000.2021.15.4425000

17、.372.025.4426000.4382.385.4432000.5553.025.4439000.6693.645.4440000.7574.125.4460000.8144.435.4480000.8644.75.44100000.8954.875.44有源beff/hz uo/uiuoui800.9715.285.441800.9265.045.442500.8974.885.443500.8534.645.444500.7944.325.445200.754.085.445400.73545.445600.7213.925.445800.7063.845.446500.6763.68

18、5.448000.5292.885.449000.4712.565.449500.4262.325.4410000.3972.165.4411000.3381.845.4413000.3241.765.4413200.1911.045.4414000.1320.725.4414500.1030.565.4415000.0740.45.4416000.1030.565.4417000.1180.645.4418000.1620.885.4419500.2061.125.4420000.3531.925.4426000.4712.565.4432000.6033.285.4438000.6913.

19、765.4439000.7063.845.4440000.7944.325.4460000.8534.645.4480000.8824.85.44100000.9124.965.44无源带阻滤波器和有源带阻滤波器幅频特性曲线比较无源，fl=7000hz，fh=400hz，故通频带bw=6600hz，特征频率为1600hz有源，fl=4750hz，fh=480hz，故通频带bw=4270hz，特征频率为1600hz实验结果分析：有源滤波器比无源滤波器滤波效果更好。这是因为无源滤波器主要由无源元件r、l和c组成，有源滤波器还加入了集成运放，集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有

20、源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用，因此有源滤波器的频率响应比无源滤波器更为理想。但有源滤波器也有其问题，在本实验中表现为，受运放增益带宽积的影响，有源滤波器的稳定工作频率范围较为有限。思考题：1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：示波器测出的实际幅频特性曲线比较平缓，不像计算出的理想幅频特性曲线那样陡升陡降。这是由于实际电路往往存在一定延时性造成的。示波器测出的实际幅频特性的截止频率点与计算出的理想幅频特性有所偏差。这是因为实际电路元件与标称值均有一定的误差造成的，同时实际元器件跟理论上的元器件的理想表现也存在差异。2如果要实现lpf、hpf、bpf、b

21、ef源滤器之间的转换，应如何连接？答：将有源lpf与有源hpf串接即可得到bpf滤波器。将有源lpf与有源hpf的输出端口接在加法器的两个输入端口，加法器的输出端口输出滤波信号，即构成了bef。 实验四：低通、高通、带通、带阻滤波器变换实验原理1高通滤波器与低通滤波器幅频特性的关系 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，就可由式(1)求得对应的；反之亦然。2带通滤波器的幅频特性与低通、高通滤波器幅频特性间的关系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，则由它们可构成一个带通滤波器，它们之间的关系可用下式表示：3带阻滤波器的幅频特性与低通、高通滤波器幅频特性

22、间的关系：如果低通滤波器的带宽频率小于高通滤波器的带宽频率，则由它们可构成一个带阻滤波器，它们之间的关系可用下式表示为：实验目的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；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。实验步骤：1按实验电路板接通电源。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。 3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。实验结果1 lpf+hpf合成bpf低通f/hzuo/uiuoui

23、10015.445.442000.9565.25.443000.9415.125.445000.9124.965.447000.8974.885.448000.8684.725.449000.8384.565.4410000.8094.45.4412000.7794.245.4414000.73545.4418000.6323.445.4420000.6183.365.4430000.4712.565.4440000.3823532.085.4450000.3235291.765.4460000.2647061.445.4480000.2058821.125.44100000.1911761.

24、045.44800000.0735290.45.44带通f/hzuo/uiuoui200.4852942.645.441000.5735293.125.441200.6176473.365.441300.6470593.525.441500.7058823.845.441700.754.085.442000.7941184.325.442500.8382354.565.443000.8676474.725.444000.8970594.885.445000.9117654.965.446000.9117654.965.447000.8970594.885.448000.8529414.645.

25、4411000.8088244.45.4415000.73529445.4420000.6580883.585.4425000.5441182.965.4430000.4852942.645.4440000.4558822.485.44低通+高通合成带通滤波器的幅频特性曲线上限截止频率为1980hz，下限截止频率为140hz，通频带bw=1840hz，特征频率为435hz2、 lpf+hpf合成bef低通f/hzuo/uiuoui800.0441180.245.441000.9117654.965.442000.7058823.845.443000.5147062.85.444000.4117

26、652.245.445000.3382351.845.446000.2794121.525.448000.2205881.25.4410000.1911761.045.4415000.1323530.725.4420000.1176470.645.44高通f/hzuo/uiuoui1000.1029410.565.442000.1617650.885.443000.2058821.125.444000.2794121.525.445000.3382351.845.446000.3823532.085.447000.4411762.45.448000.52.725.4410000.5882353

27、.25.4413000.73529445.4418000.8529414.645.4420000.8676474.725.4430000.9705885.285.44带阻f/hzuo/uiuoui1000.9117654.965.442000.5882353.25.443000.36764725.444000.2647061.445.445000.2058821.125.447000.2941181.65.448000.36764725.449000.4264712.325.4410000.4852942.645.4415000.7205883.925.4420000.8088244.45.4

28、430000.9705885.285.44低通+高通合成带阻滤波器的幅频特性曲线上限截止频率为2200hz，下限截止频率为80hz，通频带bw=2120hz，特征频率为400hz由幅频特性曲线可知所得实验结果与实验预期基本相符，滤波器增益与理论值也比较接近。思考题1由lpf、hpf连接带通、带阻滤波器有何条件？答：组成带通滤波器时，lpf的高频截止频率fh 要高于hpf的低频截止频率fl；组成带阻滤波器时，lpf的高频截止频率fh低于hpf的低频截止频率fl。2有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？答：无源滤波器主要有无源元件r、l和c组成, 有源滤波器由集成运放和r、c组成，集成运放的开

29、环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用，因此有源滤波器可以实现比无源滤波器更为理想的响应曲线。但受运放增益带宽积的影响，有源滤波器也有工作频率范围的限制。 实验五 ：信号的采样与恢复实验原理：离散时间信号可由连续时间信号经抽样处理而获得，而且当用于抽样的周期性冲激函数信号的频率s大于原始连续信号的频率m的两倍时，采样信号可经过一合适的低通滤波器而恢复为原始连续信号。(a)(b)(c) 采样过程 (a)采样开关可等效成脉冲调制器(b)被采样的连续时间信号 (c)采样信号信号的采样与恢复原理框图由傅立叶变换，采样信号的频谱是原始信号频谱的周期性延拓

30、，其幅值衰减为原始信号幅值的1/t倍。采样信号可以恢复为原始信号的条件是：s2m，此时可用一截止频率为ws，增益为t的低通滤波器（lpf）对抽样信号进行滤波，从而恢复出原始连续信号；而当s2m时，采样信号的频谱会发生混叠从而导致不可恢复性失真。实验目的了解信号的采样方法与过程及信号的恢复。通过实验验证采样定理，并掌握采样周期的基本设计原则。掌握根据实验原理框图设计实验方案、自行搭建实验电路、自行设计电路参数的方法。实验步骤：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

31、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。实验数据1、 未加信号时，采样信号波形 由图可以得出频率f=1200hz，分别取频率为100hz（即s 2m），600hz（即s =2m）,1khz（即s 2m）2.1输入频率为100hz的正弦信号 原信号和采样后信号 原信号和还原信号 2.2信号输入为100hz三角波信号 原信号和采样信号 原信号和还原信号3.1输入频率为600

32、hz的正弦波 原信号和采样信号 原信号和还原信号3.2输入频率为600hz的三角波 原信号和采样信号 原信号和还原信号4.1输入频率为1000hz的正弦信号 原信号和采样信号 原信号和还原信号4.2输入频率为1000hz的三角波 原信号和采样信号 原信号和还原信号实验结果分析： 从 s 2m、s = 2m、s 2m三种情况下进行采样、恢复的波形都可以看出，当s 2m 时，采样后的信号恢复的不是很好，频率出现一定的失真；而当s 2m 以及s = 2m时，采样后的信号均可以较好的恢复。 实验六:信号的产生、收集、处理、变换和基于matlab的分析实验目的： 掌握用数字示波器和计算机采集所测量信号的

33、数据、利用软件对测量结果进行频谱分析的方法。综合运用其他课程的有关理论。掌握和设计典型信号的产生和变换电路，分析信号频谱成分产生和变换的方法，自行构造一个信号获取、模拟信号放大采样、信号恢复或信号频谱分析于一体的综合性实验。通过综合设计和分析，提高提出问题、分析问题和解决问题的能力。实验步骤：实验电路图电路图的功能是先由振荡电路产生正弦波，然后通过过零比较器将正弦波转化成方波，再通过积分电路将方波转化为三角波。 1、 产生的正弦波 2、 转化成方波 3、 转化为三角波 实验结果分析：实验电路由振荡选频电路和放大电路组成正弦波产生电路，产生如图所示的正弦波，正弦波经过过零比较电路产生方波，方波经

34、过积分电路产生三角波。三、实验总结与体会本学期的实验系信号与控制综合实验课的基础实验部分，除最后一个实验是自行设计外，其余实验指导书中均有参考模板。那么本学期基础性实验的目的我想有以下三点：一是加深对信号与系统、模拟电子技术相关理论知识的理解；二是在实际操作中提高实验设计和实验操作能力；三是提高同学间团队协作能力。最后一个是自主设计实验，由小组成员自行命题，自行设计，考察每个人的理论知识以及创新能力，实验具体操作基础性和应用性强，充分调动每个组员的智慧和力量。经过几次实验后，才发现信号实验对于信号学科实际应用及其原理阐释有着不可替代的作用。总体来说收获了不少知识和实验技巧，下面我从七个实验方面

35、分条论述。 首先是零输入、零状态及完全响应这个实验，在实验的过程中，第一次实验基本上是熟练学习的过程，逐渐掌握器材如示波器、信号发生器、稳压电源等的使用方法，加深了对零输入响应、零状态响应和完全响应原理的理解，了解了三种响应的响应曲线以及这三种响应之间的联系。 然后我们做了信号的无失真传输，实验板对实验的影响很大，有的50khz不失真，有的10khz就失真了。通过人眼观察很难判定是否失真，通过测取数据进行频谱分析能更准确判断是否失真。第三个实验是无源滤波器与有源滤波器，这个实验是个非常繁琐的实验，数据较多。进一步了解了各类滤波器的基本结构及其特性，通过测量和绘制这些滤波器的幅频特性曲线，比较无

36、源滤波器与有源滤波器的滤波性能，有源滤波器因有放大增益而比无源滤波器有更好的效果。低通、高通、带通和带阻滤波器间的变换，这个实验也很繁琐，数据较多。在波形调试时，先找到各种波形的关键点，并且在关键点周围多取点，这样获得的数据作出的波形较为完整，这里面主要有最大值，最小值和-3db点，实验后进行比较分析。其实实验后的任务也比较多，主要是计算特征频率，截止频率和通频带，根据计算结果比较转换得到滤波器与原滤波器的特点。信号的采样与恢复，此实验波形图不好调，示波器要两路同时检测。由于函数信号发生器本身有内阻，所以输入信号的频率和幅度与发生器面板显示的有较大差别，应以示波器检测的结果为准。实验板上的多谐振荡电路产生的脉冲采样信号频率不是非常稳定，因而对应的奈奎斯特频率不易求得。试验