信号与系统实验

1、实验一 函数信号发生器一、实验目的1、了解函数信号发生器的操作方法。2、了解单片多功能集成电路函数信号发生器的功能及特点。3、熟悉信号与系统实验箱信号产生的方法。二、实验内容 1、用示波器观察输出的三种波形。2、改变波形的频率、幅值、占空比、观察三种波形的变化,了解其中的一些极限值。三、预备知识阅读原理说明部分有关MAX038的资料，熟悉管脚的排列及其功能。四、实验仪器1、20M双踪示波器一台。2、信号与系统实验箱一台。嗡嗡嗡五、实验原理1、MAX038的原理 MAX038是单片精密函数信号产生器,它用±5V电源工作，基本的振荡器是一个交变地以恒流向电容器充电和放电的驰张振荡器, 同

2、时产生一个三角波和矩形波。通过改变COSC 引脚的外接电容和流入IIN引脚的充放电电流的大小来控制输出信号频率,频率范围为0.1Hz20MHz。流入IIN 的电流由加到FADJ 和DADJ 引脚上的电压来调制, 通过此两引脚可用外接电压信号调整频率和占空比。MAX038 内部有一个正弦波形成电路把振荡器的三角波转变成一个具有等幅的低失真的正弦波。三角波、正弦波和矩形波输入一个多路器。两根地址线A0和A1从这三个波形中选出一个, 从OUT引脚输出2V(峰锋值)振幅的信号。三角波又被送到产生高速矩形波的比较器 (由SYNC 引脚输出)，它可以用于其它振荡器, SYNC 电路具有单独的电源引线因而可

3、被禁止。另外, PDI、PDO 引脚分别是相位检波器的输入和输出端, 本信号源没有使用。图1-1-1 MAX038的内部结构2、MAX038的管脚图及管脚功能 图1-1-2 MAX038的管脚图引 脚名 称功 能1REF2.50V的门限参考电压2，6，9，11，18GND地3A0波形选择输入端（TTL/CMOS兼容）4A1波形选择输入端（TTL/CMOS兼容）5COSC外接振荡电容端7DADJ占空比调节端8FADJ频率调节端10IIN振荡频率控制器的电流输入端12PDO相位比较器输出端（如果不用，应接地）13PDI相位比较器输入端（如果不用，应接地）14SYNC同步输出端（TTL/CMOS兼容

4、输出，允许内部和外部振荡器同步。如果不用，应悬空）15DGND数字接地16D数字电压5V电源端，如果没有用到SYNC应悬空175V电源输入端19OUT正弦波，三角波，方波输出端205V电源输入端表1-1-1 MAX038的引脚功能3、实验电路如图1-1-3所示：图1-1-3 MAX038实验电原理图六、实验步骤1、接上电源线，按下船形开关、电源开关及该模块电源开关S1201、S1202，使其“输出”为方波，通过调整“占空比调节”电位器，使方波的占空比达到50%（当MAX038的第7脚DADJ电压为0V时，方波的占空比为50%）。(注：“波形选择”开关K1201和K1202用于选择“方波”、“三

5、角波”、“正弦波”，当K1201和K1202拨到左边时，输出方波，当K1201拨到右边且K1202拨到左边时，输出三角波；当K1201和K1202拨到右边时，输出正弦波。而“JD1JD5”的各个跳线用于选择不同的频段；另外“频率调节”的电位器可调节频率，“幅度调节”的电位器可调节幅度)2、保持方波的占空比为50%不变，“波形选择”开关选择“正弦波”，观察波形。3、改变外接电容C的值(这里通过“JD1JD5”的跳线选择不同的频段)，观测输出波形，并比较外接电容所测得的波形之间有何差异，可得出何结论？4、调节电位器“占空比调节”，分别观测三种输出波形（波形选择上面已介绍），有何结论？（如影响方波的

6、占空比，那么对正弦波和三角波有何影响呢？）5、调节“频率调节”电位器，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”档）；再调节“幅度调节”电位器,记录下函数发生器输出的最大和最小幅度。由于MAX038内部的非线性转换使输出的波形有可能失真。这可以通过在运放LF353 (U1202)的1、2脚间并联上电容来解决失真问题（AI对应不同的电容值,可解决不同频段波形失真问题）。在使用过程中,如果选择正弦波和方波,则可以按照表(1)给出的对应关系接上不同的电容来解决失真问题。 注意：要一一对应,否则将会使波形更加失真,如果选择三角波输出,则不用连接AI的任何电容,即取下该处跳线。 A 22

7、Hz250Hz正弦波的改善 B 200Hz500Hz C 500Hz3kHz D 3kHz6kHz E 6kHz70kHz F 50kHZ1MHz F300Hz40kHz方波的改善 G40kHz60kHz H60kHz120kHz I120kHz150kHz 表(1)七、实验报告1、分别画出各频段所观测到的方波，三角波和正弦波的波形图，从中得出什么结论。2、列表整理C取不同值时正弦波的频率范围和最大幅度。3、调试函数信号发生器的心得体会。八、实验测试点说明1、测试点分别为：“输出”（孔和测试钩）：输出的信号可以从这点进行测量。“GND” ：与实验箱的地相连。2、调节点分别为：“S1201”、“

8、S1202：此模块的电源开关。“频率调节”：用于调节输出信号的频率。“幅度调节”：用于调节输出信号的幅度。“占空比调节”：用于调节方波输出的占空比。“波形选择”：用于选择方波，三角波和正弦波。“频段选择”：用于选择不同的频段。实验二 数字式交流毫伏表一、实验目的1、了解交流毫伏表的操作方法。2、了解交流毫伏表的工作原理。3、了解电压表的交流特性。4、了解真有效值的交直电平转换特性，根据测量信号幅度的有效值，用数码管进行观察。5、了解用交流电压表并辅以其它仪器如频率计等绘制滤波器的频谱特性图。二、实验内容1、测量信号幅度的有效值，用数码管进行观察。2、测量不同的幅度的信号，采用不同的档位。3、可

9、以测试本实验箱中交流信号的幅度，主要应用到“点频法测滤波器的特性”中。三、实验仪器1、20M双踪示波器一台。2、信号与系统实验箱。四、实验原理由于平均值转换器的精度不是很高，所以近代高精度DMM很少再采用这种技术，而代之发展并广为采用的是真有效值转换器。真有效值转换器输出的直流电压，线形地正比于被测各种波形交流信号的有效值，基本上不受输入波形失真度的影响。真有效值交直流转换器有热电式和运算式等几种形式。我们在此介绍的主要是采用运算式。其运算式方程是一个均方根式： 我们采用的是美国AD公司研制的集成有效值转换器AD637，它是一种按隐含运算式而设计的AD芯片，精度优于0.1%，是当前国际集成真有

10、效值转换器性能较好的一种。AD637由绝对值电路、平方/除法器、低通滤波/放大器和缓冲放大器组成。输入电压通过绝对值电路转换成单极性电流I1，加至平方/除法器的一个输入端，再经过低通滤波/放大器，最终在AD637的9脚输出直流电平。 五、实验步骤1、把函数信号发生器实验模块的输出端接到该实验模块的输入端，并把函数信号发生器的波形选择为正弦波，即通过“波形选择”开关选择正弦波。2、接通电源，并按下函数信号发生器模块电源开关S1201、S1202和此模块的电源开关S1。3、按下20V档开关,观察数码管上的显示，并记录相应的数值，旋转函数信号发生器的调节幅值的电位器（“幅度调节”），观察数码管上数值

11、的变化。（提示：该实验模块中，W101用于参考电压调节，W102、W103、W104分别用于200mV、2V、20V档的校正，我们已基本校正好，均放在了PCB板的反面。）4、按下不同的档位开关，重做上面的步骤，观察并记录实验结果。（注：200mV档测量时必须把SK101和SK102同时打到上端，其它档位测量时，同时打到下端。）5、前几个步骤介绍了交流毫伏表的使用方法，但交流毫伏表的主要用法则不在于此。其详细用法请参见第二章实验五“模拟滤波器的分析”中实验内容的描点法。六、实验思考题比较测量的值和真实值（一般可用万用表作为它的检测工具），分析电压表各档的最大误差。并思考哪些因素影响了其精度？七、

12、实验测试点说明 1、测试点分别为：“输入”(孔和测试钩)：用于待测信号的输入。“GND”：与实验箱的地相连。2、调节点分别为：“S1”：此模块的电源开关。“200mV”：用于测试有效值为200mV内的信号。“2V”：用于测试有效值为2V内的信号。“20V”：用于测试有效值为20V内的信号。“SK101”“SK102”：当测试毫伏级信号有效值，两开关同时打到上端，测其它档位时，两开关同时打到下端。实验三 频率计 一、实验目的1、了解频率计的操作方法。2、掌握对信号进行整形的原理及方法。二、实验内容1、内部已经和函数信号发生器连在一起，不需另外连线即可观察函数信号发生器输出信号的频率，称为内测。2

13、、用连线把信号引入频率计的输入端，观察频率，称为外测。3、主要用到后面“信号分解与合成”和“模拟滤波器的分析”实验中。三、实验仪器1、20M双踪示波器一台。2、信号与系统实验箱。四、实验步骤1、接通频率计模块的电源开关S2。2、将开关SK201打到“内测”一端。3、按下函数信号发生器的电源开关S1201、S1202，使其输出为方波信号，把开关SK202打到“幅度调节测量”，用示波器观察测试钩“幅度调节”，观察其幅度是否超过2V（此时输入信号的幅度为200mV左右），这样就可以测量幅度很小的信号，甚至达到毫伏级。然后将开关SK202打到“幅度调节输入”，频率计将读出方波信号的频率。改变函数发生器

14、的输出频率，频率计的读数也将随之而改变。（注：数码管上输出频率的单位为HZ。）4、使函数发生器输出正弦波或三角波，重做上述实验。5、将开关SK201打到“外测”，即外测频率档。6、从外部（如常用信号分类与观察的“输出”）引入一信号至本频率计的外测频率输入端，频率计将读出此外测信号的频率。（另注：在做后面的“模拟滤波器的分析”和“信号分解与合成”时均将频率计作为工具使用，前者用于点频法，后者则用于观察输入信号的频率。）五、实验测试点的说明 1、测试点分别为：“外测信号”：用于待测信号的输入。 “内测信号”：此测试钩用于函数信号发生器输出的信号频率的测量，内部已经相连。 “幅度调节”：用于测量经过

15、放大的信号，主要目的是用于毫伏级信号的测量。 “GND”：与实验箱的地相连。2、调节点分别为：“S2”：此模块的电源开关。“RESET”：用于单片机89C2051的复位。“SK201”：用于内测与外测的切换。“SK202”：幅度调节测量和幅度调节输入的切换，当为幅度调节测量时，可以测量“幅度调节”测试钩的信号，此时数码管不显示频率，当打到幅度调节输入时，数码管显示频率。实验四 扫频源一、实验目的1、了解扫频源的工作原理、作用和操作方法。2、掌握扫频源的使用方法。二、实验内容 1、使常用信号分类与观察模块的锯齿波作为扫频电压（内部已连），观察连续的正弦信号的输出，频率各不相等，形成一个频带。2、

16、按下不同的频段开关，输出的扫频信号的频带宽度将不同，按下“扫速升”“扫速降”，可以观察扫速的快慢变化。3、主要是用来测试滤波器的幅频特性，在“模拟滤波器的分析”实验中称为“扫频法”三、实验仪器1、信号与系统实验箱一台（主板）。2、20M双踪示波器一台。四、实验原理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，用电压表记下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，但繁琐而费时，有些频率间隔不够密就被漏去，难以全

17、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之为扫频信号发生器，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

18、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；长余辉，最好是可变余辉；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。图1-4-1为扫频信号发生器的方框图。与普通正弦信号发生器一样，扫频信号发生器包括：正弦波振荡器、电平调制器和输出衰减器等部分。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，有的为三角波，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

19、带扫频的情况。本扫频信号发生器的扫频电压为锯齿波，由单片机低频信号发生器模块产生。因而，在做实验时，应让单片机低频信号发生器模块输出锯齿波。输出扫频电压发 生 器正 弦振荡器电 平调制器衰减器放大器图1-4-1 扫频信号发生器方框图本实验箱的扫频信号发生器核心器件采用的是MAX038函数发生器（引脚图见实验一“函数信号发生器”图1-1-2）。其工作原理已在实验一中较详细介绍过，在此不再重复。单片机低频信号发生器产生的扫频控制电压锯齿波为双极性波形，为了不让输出的扫频信号失真,函数发生器MAX038的IIN引脚的输入电流范围应为，此时锯齿波通过一个20K的电阻接到IIN引脚，所以锯齿波应在0.2

20、V-8V之间线性变化，本模块采用的是一加法器电路来实现此功能的。输出信号的频率计算公式如下：其中，为输出频率，是第10脚的输入电流，是第5脚的外接的调节电容，电流的输出范围：，但在时，信号的线性度最好。当选定，我们可以通过改变电压调节频率，如果加上一个锯齿波，频率会线性的增长，本实验箱就是利用以上的原理得到扫频信号的。本实验模块中，外接电容受开关控制，因此，在做实验时，选择不同的开关，输出扫频信号的频段也就不同。五、实验步骤1、按下常用信号分类与观察模块的电源开关S5，并将单片机选中锯齿波输出状态。2、按下扫频源模块的电源开关S1101、S1102。3、将选择信号源与扫频源的开关打到扫频源端。

21、（注意：此扫频源还可以作为信号源，只需要将开关打到信号源端，其操作方法与函数信号发生模块一样。AI用来改善波形的失真问题）。4、用示波器观察扫频电压测试钩的波形，可以观察其线性电压约在0.2V到8V（W401和W402用于调节锯齿波的直流电平和线性高度）。5、选中“扫频段5”，则与之相对应的指示灯亮。6、用示波器观察“扫频信号”输出端信号，按“扫速降”或“扫速升”键，以选择扫频信号的输出速度，注意扫频输出信号的变化。7、按住常用信号分类与观察模块中的“锯齿波”按键，可以在“扫频信号”输出端观察到某一时刻的扫频信号，观察其是否产生失真，这样可以清楚的看到整个频段内的扫频信号。8、调节“幅度调节”

22、电位器，观察“扫频信号”的输出幅度的变化。9、选中“扫频段4”，重做上述实验，观察扫频输出信号有何不同。（注：在更换扫频段时，前一扫频段开关应该抬起，即每时每刻只有一个扫频段开关按下，此时扫频输出的信号才与该频段相对应。）10、按照同样的方法可观察不同扫频段的扫频信号。（注：“扫频段5”所输出波形的频率最低，反之，“扫频段1”输出波形的频率则最高。且一般来说，选中频率低的扫频段时，直接在示波器上才易观察，频率高了，普通示波器一般不易直接观察，但作为滤波器的输入信号时则很易观察）11、以上九点只是扫频源的使用方法，但其主要用途则不仅于此，其详细用法请参见实验五“模拟滤波器的分析”的“实验内容”里

23、的扫频源法。注：扫频源各扫频段的频率范围大约是： 扫频段1：110kHz1.2MHz 扫频段2：36kHz460kHz 扫频段3：3.6KHz47kHz 扫频段4：280Hz3.7kHz 扫频段5：22Hz300Hz六、实验报告1、阐述扫频信号源的作用及本扫频源的原理。2、按照实验原理给出的公式，计算出扫频源各频段的输出频率范围。七、实验测试点说明 1、测试点分别为： “”：扫频电压，为锯齿波信号，是从常用信号分类与观察模块中引入的，内部已连。“扫频电压测量”：把扫频电压进行变换，用示波器观测峰峰值范围为0.2V8V。“输出”（孔和测试钩）输出的是扫频信号或信号源信号。“GND”：与实验箱的地

24、相连。2、调节点分别为：“S1101”、“ S1102”：此模块的电源开关。“频段1”“频段5”：用于频段的选择。“扫速升”和“扫速降”：可以调节扫频信号的速度。“幅度调节”：可以调节信号的幅度。“频率调节”：可以输出信号的频率。“占空比调节”： 可以调节方波的占空比。实验五 常用信号分类与观察一、实验目的1、观察常用信号的波形特点及产生方法。2、学会使用示波器对常用波形参数的测量。二、实验内容1、信号的种类相当的多，这里列出了几种典型的信号，便于观察。2、这些信号可以应用到后面的“基本运算单元”和“无失真传输系统分析”中。三、实验仪器1、信号与系统实验箱一台（主板）。2、20MHz双踪示波器

25、一台。四、实验原理对于一个系统特性的研究，其中重要的一个方面是研究它的输入输出关系，即在一特定的输入信号下，系统对应的输出响应信号。因而对信号的研究是对系统研究的出发点，是对系统特性观察的基本手段与方法。在本实验中，将对常用信号和特性进行分析、研究。信号可以表示为一个或多个变量的函数，在这里仅对一维信号进行研究，自变量为时间。常用信号有：指数信号、正弦信号、指数衰减正弦信号、抽样信号、钟形信号、脉冲信号等。1、正弦信号：其表达式为，其信号的参数：振幅、角频率、与初始相位。其波形如下图所示： 图 1-5-1 正弦信号2、指数信号：指数信号可表示为。对于不同的取值，其波形表现为不同的形式，如下图所

26、示：图 1-5-2 指数信号3、指数衰减正弦信号：其表达式为 其波形如下图： 图 1-5-3 指数衰减正弦信号4、抽样信号：其表达式为： 。是一个偶函数， = ±,±2,±n时，函数值为零。该函数在很多应用场合具有独特的运用。其信号如下图所示：图1-5-4 抽样信号5、钟形信号（高斯函数）：其表达式为： ，其信号如下图所示： 图 1-5-5 钟形信号6、脉冲信号：其表达式为，其中为单位阶跃函数。 7、方波信号：信号周期为，前期间信号为正电平信号，后期间信号为负电平信号。五、实验步骤1、利用示波器观察正弦信号的波形，并测量分析其对应的振幅，角频率。具体步骤如下：（1

27、）接通电源，并按下此模块电源开关S5。（2）按下此模块中的按键“正弦波”，用示波器观察输出的正弦信号，并分析其对应的频率。（3）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，并分析且测量对应频率的变化，记录此时的振幅，角频率。（注：复位后输出的信号频率最大，只有当按下“频率降”时，按“频率升”键波形才会变化，并每次在改变波形时，波形的频率为最大，以下波形的输出与此类似）2、用示波器测量指数信号波形，并分析其所对应的参数。具体步骤如下：（1）按下此模块中的按键 “指数信号”，用示波器观察输出的指数信号,并分析其对应的频率、参数。（2）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，分析其对

28、应频率的变化，并分析此时的参数的变化。3、指数衰减正弦信号观察（正频率信号）。具体步骤如下：（1）按下此模块中的按键 “指数衰减”，用示波器观察输出的指数衰减正弦信号,并分析其对应的频率。（2）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，并分析且测量对应频率的变化。4、抽样信号的观察。具体操作如下：（1） 按下此模块中的按键 “Sa信号”，用示波器观察输出的抽样信号,并分析其对应的频率。（2）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，并分析且测量对应频率的变化。5、钟形信号的观察：（1） 按下此模块中的按键 “钟形信号”，用示波器观察输出的钟形信号,并分析其对应的频率。（2）再按

29、一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，并分析且测量对应频率的变化及相应的参数。6、脉冲信号的观察：（1） 按下此模块中的按键 “脉冲信号”，用示波器观察输出的脉冲信号,并分析其对应的频率。（2） 再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化和特点，并分析且测量对应频率的变化。7、方波、三角波、锯齿波信号的观察： （1）按下此模块中的相应信号的按键，用示波器观察输出的信号,并分析其对应的频率。（2） 再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化和特点，并分析且测量对应频率的变化。六、实验报告要求用坐标纸画出各波形。七、实验测试点的说明 1、测试点分别为：“输出”（孔和测试钩）：信

30、号的输出端。“GND”：与实验箱的地相连。2、调节点分别为：“正弦波”“RESET”：完成标识上的功能。实验六 零输入响应零状态响应一、实验目的1、掌握电路的零输入响应。2、掌握电路的零状态响应。3、学会电路的零状态响应与零输入响应的观察方法。二、实验内容1、观察零输入响应的过程。2、观察零状态响应的过程。三、实验仪器1、信号与系统实验箱一台（主板）。2、系统时域与频域分析模块一块。3、20MHz示波器一台。四、实验原理1、零输入响应与零状态响应：零输入响应：没有外加激励的作用，只有起始状态（起始时刻系统储能）所产生的响应。零状态响应：不考虑起始时刻系统储能的作用（起始状态等于零）。2、典型电

31、路分析：电路的响应一般可分解为零输入响应和零状态响应。首先考察一个实例：在下图中由RC组成一电路，电容两端有起始电压Vc(0-),激励源为e(t)。R+ e (t) C Vc(0-) Vc(t)_ 图2-1-1 RC电路_则系统响应-电容两端电压：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。五、实验步骤1、把系统时域与频域分析模块插在主板上，用导线接通此模块“电源接入”和主板上的电源（看清标识，防止接错，）。2、系统的零输入响应特性观察(1)

32、 接通主板上的电源，同时按下本模块的电源开关S1，将“函数信号发生器”模块中的输出（将“波形选择”拨到方波 “频率调节”用于在频段内的频率调节，“占空比”用于脉冲宽度的调节，可改变以上的参数进行相关的操作），通过导线引入到“零输入零状态响应”的输入端。(2) 用示波器的两个探头，一个接函数信号发生器输出作同步，一个用于观察输出信号的波形，即在低电平时所观察到的波形即为零输入响应，在高电平所观察到的波形即为零状态响应。(3) 改变函数信号发生器的“频率调节”电位器，观察到的是不同系统下的零输入响应和零状态响应。3、系统的零状态响应特性观察 （1）观察的方法与上述相同，不过当脉冲进入高电平阶段时，

33、相当于此时加上激励，即此时零状态响应应在脉冲的高电平进行。（2）改变本实验的开关K1的位置，观察到的是不同系统下的零状态响应，进行相应的比较。六、实验报告 1、用两个坐标轴，分别绘制出零输入和零状态的输出波形。 2、通过绘制出的波形，和理论计算的结果进行比较。七、实验思考题图2-1-1所示电路中，根据实验提供的实验元件，计算系统的零状态和零输入过程。八、实验测试点的说明 1、测试点分别为： “输入”（孔和测试钩）：阶跃信号的输入端。 “输出”：零输入和零状态的输出端。 “GND”：与实验箱的地相连。2、调节点分别为：“S1”：此模块的电源开关。实验七 信号分解与合成一、实验目的 1、观察信号的

34、分解。2、掌握带通滤波器的有关特性测试方法。3、观测基波和其谐波的合成。 二、实验内容1、观察信号分解的过程及信号中所包含的各次谐波。2、观察由各次谐波合成的信号。三、预备知识1、了解李沙育图相关知识。2、课前务必认真阅读教材中周期信号傅里叶级数的分解以及如何将各次谐波进行叠加等相关内容。四、实验仪器 1、信号与系统实验箱一台（主板）。2、电信号分解与合成模块一块。3、20M双踪示波器一台。五、实验原理1、任何信号都是由各种不同频率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。对周期信号由它的傅里叶级数展开式可知，各次谐波为基波频率的整数倍。而非周期信号包含了从零到无穷大的所有频率成份，每一频率成份的幅度均

35、趋向无限小，但其相对大小是不同的。 通过一个选频网络可以将信号中所包含的某一频率成份提取出来。本实验采用性能较佳的有源带通滤波器作为选频网络，因此对周期信号波形分解的实验方案如图2-2-1所示。将被测方波信号加到分别调谐于其基波和各次奇谐波频率的一系列有源带通滤波器电路上。从每一有源带通滤波器的输出端可以用示波器观察到相应频率的正弦波。实验所用的被测信号是左右的周期信号，而用作选频网络的五种有源带通滤波器的输出频率分别是，因而能从各有源带通滤波器的两端观察到基波和各次谐波。其中，在理想情况下，如方波的偶次谐波应该无输出信号，始终为零电平，而奇次谐波则具有很好的幅度收敛性，理想情况下奇次谐波中一

36、、三、五、七、九次谐波的幅度比应为1：（1/3）：（1/5）：（1/7）：（1/9）。但实际上因输入方波的占空比较难控制在50%，且方波可能有少量失真以及滤波器本身滤波特性的有限性都会使得偶次谐波分量不能达到理想零的情况。为了改善模拟滤波电路滤波效果不理想的情况，信号分解与合成模块还提供了数字方式来实现信号的分解，由方波分解出其基波、三次谐波、五次谐波、七次谐波。调节调幅电位器W01、W02、W03可以将基波，三次谐波，五次谐波，七次谐波的幅度调节成1：1/3：1/5：1/7，通过导线将其连接至信号的合成的输入插座IN01、IN02、IN03、IN04J,通过测试勾可以观察到合成后的波形。2、

37、验证三谐波与基波之间的相位差是否为180º,五谐波与基波之间的相位差是否为0º。可用李沙育图形法进行测量，其方法如下：用导线将函数发生器的方波输出端与带通滤波器输入端连接起来，即把方波信号分先后送入各带通滤波器，如图2-2-1所示。BPF-BPF-BPF-BPF-BPF-图2-2-1 信号分解的过程具体方法一：基波与标准同频同相信号相位比较（李沙育相位测量法）把函数信号发生器模块产生的正弦波电压调至6V（峰峰值），使其送入示波器的X轴，再把BPF-的基波送入Y轴，示波器采用X-Y方式显示，观察李沙育图形。（注：当滤波器的增益不为1时，即X轴和Y轴信号幅度不一致时，在时其李沙

38、育图形并不为圆，而是椭圆，但其是垂直椭圆，与时的椭圆并不相同。）当两信号相位差为时，波形为一条直线；当两信号相位差为时，波形为一个圆；当两信号相位差为时，波形为椭圆，如图2-2-2所示。时： B A 图2-2-2 李沙育图形具体方法二：基波与各高次谐波相位比较（李沙育频率测试法）把BPF-处的基波送入示波器的X轴，再分别把BPF-、BPF-处的高次谐波送入Y轴，示波器采用X-Y方式显示，观察李沙育图形。当基波与三次谐波相位差为（即过零点重合）、18时，波形分别如图2-2-3所示。 相位差0º 相位差90º 相位差180º图2-2-3 基波与三次谐波相位的观察以上是

39、三次谐波与基波产生的典型的Lissajous图，通过图形上下端及两旁的波峰个数，确定频率比，即3：1，实际上可用同样的方法观察五次谐波与基波的相移和频率比，其应约为5：1。六、实验步骤1、把电信号分解与合成模块插在主板上，用导线接通此模块“电源接入”和主板上的电源（看清标识，防止接错，带保护电路），并打开此模块的电源开关。 2、调节函数信号发生器，使其输出10KHz左右的方波（要求方波占空比为50%，这个要求较为严格），峰峰值为6V左右。将其接至该实验模块的“输入”端，用示波器观察各带通滤波器的输出即各次谐波。（注：观察频率时，可打开实验箱上的频率计实验模块。即按下该模块电源开关S2。） 3、

40、信号的分解实验提供两种方式即分立元件模拟方式和数字方式。模拟方式是采用有源带通滤波器从原信号中过滤出各次谐波分量，由于滤波网络的幅频特性和相频特性对各次谐波的幅度和相位均有影响，所以需要调节各次谐波的相位和幅度。数字方式采用单片机输出各次谐波分量的采样值，然后经过DA转换出各次谐波，基波幅度已经固定，只需调节其他谐波的幅度，操作比较方便。模拟方式需要打开电源开关S1,数字方式需要同时打开电源开关S1,S2。 4、用示波器的两个探头，直接观察基波与三次谐波的相位关系，或者采用李沙育图的方法，看其相位差是否为180º，同时考察其幅度关系，幅度之比是否为3:1（可以用相应带通滤波器中的调相

41、和调幅电位器进行相关的调节，先保证了相位满足关系后在调节调幅电位器使幅度满足实验的要求，以下的步骤中均可用到调相和调幅，使我们认识到调相和调幅在信号分解和合成的重要性）。 5、信号分解的数字方式则可以直接观察分解出的基波、三、五、七次谐波（需打开电源开关S1、S2），并通过调节可调电阻W01,W02,W03可依次对应地改变三、五、七次谐波的信号幅度。通过调节W01、W02、W03可以使基波、三、五、七次谐波的幅度满足1：1/3：1/5：1/7的比例关系。 6、将方波分解所得基波和三次谐波,用导线与其对应的插孔相连，观测加法器的输出“合成”波形，并记录所得的波形。 7、用示波器的两个探头，直接观

42、察基波与五次谐波的相位关系，或者采用李沙育图的方法，看基波与五次谐波的相位差是否为0º，同时考察其幅度关系，幅度之比是否为5:1。 8、将方波分解所得基波和三次谐波，五次谐波,用导线与其对应的插孔相连，观测加法器的输出“合成”波形，并记录所得的波形。 9、方波波形合成（1）将函数发生器输出的10kHz左右方波信号送入各带通滤波器输入端。（2）逐个测量各谐波输出幅度、波形，然后将基波及各高次谐波分别与信号合成的IN01IN05任意一个相连，观察基波与任何一次或各次谐波合成的波形。（3）用示波器观察并记录加法器输出端基波与各奇次谐波的叠加波形，如图2-2-4所示。 图2-2-4 基波与三

43、次和五次谐波叠加后的波形七、实验报告1、根据实验测量所得的数据，绘制方波及其基波和各次谐波的波形、频率和幅度（注意比例关系）。作图时应将这些波形绘制在同一坐标平面上。以便比较各波形和频率幅度。2、将基波、三次谐波、五次谐波及三者合成的波形一同绘在同一坐标平面上。3、画出方波信号分解后，鉴别基波与各奇次谐波的李沙育图形。详细整理实验数据，并画出波形分解与合成的波形。4、分析相位、幅值在波形合成中的作用。5、总结实验和调试心得意见。八、实验思考题1、考虑实验中出现误差的原因是什么？2、什么是吉布斯效应，它是如何产生的，它的具体的表现是什么？注 ：本次实验相当于把调试的工作留给了学生，把这次实验真正

44、的开设成理论和实际的结合，实验一定要仔细的思考和积极的动手，充分认识相位和幅度在合成起到的作用，如果真正的认识了相位和幅度在合成中的重要意义和影响，那么就清楚的理解了相频和幅频失真。九、实验测试点的说明 1、测试点分别为： “输入”：模拟信号的输入。 “基波”“五次谐波”：测量模拟信号的谐波信号。 “合成”：谐波合成后的输出。 “GND”：与实验箱的地相连。 2、调节点分别为：“S1”“S2”：此模块的电源开关。“调幅”“调相”：用于各次谐波合成时，满足幅度和相位条件，认识相位和幅度在信号中的作用。实验八 信号的采样与恢复一、实验目的1、了解信号的采样方法与过程以及信号恢复的方法。2、验证抽样

45、定理。二、实验内容1、观察抽样脉冲、抽样信号、抽样恢复信号。2、观察抽样过程中，发生混叠和非混叠时的波形。三、实验仪器1、信号与系统实验箱一台（主板）。2、系统时域与频域分析模块一块。3、20M双踪示波器一台。四、实验原理1、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抽样而得。抽样信号可以看成连续信号和一组开关函数的乘积。是一组周期性窄脉冲，见图2-4-1，TS称为抽样周期，其倒数称抽样频率。 图 2-4-1矩形抽样脉冲对抽样信号进行傅里叶分析可知，抽样信号的频率包括了原连续信号以及无限个经过平移的原信号频率。平移的频率等于抽样频率及其谐波频率、。当抽样信号是周期性窄脉冲时，平移后

46、的频率幅度按规律衰减。抽样信号的频谱是原信号频谱周期的延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽得多。2、正如测得了足够的实验数据以后，我们可以在坐标纸上把一系列数据点连起来，得到一条光滑的曲线一样，抽样信号在一定条件下也可以恢复到原信号。只要用一截止频率等于原信号频谱中最高频率fn的低通滤波器，滤除高频分量，经滤波后得到的信号包含了原信号频谱的全部内容，故在低通滤波器输出可以得到恢复后的原信号。3、但原信号得以恢复的条件是，其中为抽样频率，B为原信号占有的频带宽度。而为最低抽样频率又称“奈奎斯特抽样率”。当时，抽样信号的频谱会发生混迭，从发生混迭后的频谱中我们无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容

47、。在实际使用中，仅包含有限频率的信号是极少的。因此即使，恢复后的信号失真还是难免的。图2-4-2画出了当抽样频率（不混叠时）及当抽样频率（混叠时）两种情况下冲激抽样信号的频谱。 10 0 (a) 连续信号的频谱 10 0 （b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠） 10 0 （c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）图2-4-2 抽样过程中出现的两种情况4、为了实现对连续信号的抽样和抽样信号的复原，除选用足够高的抽样频率外，常采用前置低通滤波器来防止原信号频谱宽而造成抽样后信号频谱的混叠。但这也会造成失真。原始的语音信号带宽为40Hz到10000Hz,但实际中传输的语音信号的带宽为300Hz到3400Hz,并不影响我们的听觉效果,因此本实验加了前置滤波器。5、语音抽样还原实验采用集成方式，本实验采用PCM编译码器TP3067专用大规模集成电路，它是CMOS工艺制造的单片PCM A律编译码器片内带有输入输出话路滤波器它把编译码器（Codec）和滤波器(Filter)集成在一个芯片上。 脉冲编码调制（PCM)就是把一个时间连续、取