华科电气2014信号与控制实验报告(共35页)

1、 电气学科大类2012级信号(xnho)与控制综合实验课程实 验 报 告(基本实验(shyn)一:信号与系统基本实验)姓 名 学 号 专业班号 12 同组者1 学 号 u20 专业班号 1 指导(zhdo)教师 日 期 2014.11.14 实验成绩 评 阅 人 实验(shyn)评分表基本实验实验编号名称/内容（此列由学生自己填写）实验分值评分零输入响应，零状态响应及完全响应常用信号的观察设计性实验实验名称/内容实验分值评分无源滤波器与有源滤波器LPF、HPF、BPF、BEF之间的变换信号的采样与恢复调制与解调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 录实验(shyn)一：常用信

2、号的观察实验(shyn)二：零输入(shr)响应，零状态响应及完全响应实验五：无源滤波器与有源滤波器实验六：LPF、HPF、BPF、BEF之间的变换实验七：信号的采样与恢复实验八：调制与解调实验心得与自我评价参考文献 实验一 常用信号(xnho)的观察任务(rn wu)和目标了解常见(chn jin)波形和特点。了解常见信号有关参数的测量，学会观察常见信号组合函数的波形。学会使用函数发生器和示波器，了解所用一起原理与所观察信号的关系。掌握基本的误差观察和基本方法。总体方案设计常见的各种信号可以分为周期信号和非周期信号目前常用的数字式示波器可以非常方便观察周期信号以及非周期信号的波形。观察信号常

3、用的信号，如：正弦波、方波、三角波、锯齿波。用示波器测量信号，读取信号的幅度和频率。三、方案实现和具体设计接通函数发生器的电源。调节好函数发生器和示波器调节函数发生器输出各种基本信号，用示波器观察输出波形四、实验(shyn)设计与实验结果观察并截取实验(shyn)测量信号输出图 1.正弦波： 图1-1 正弦波 2.方波： 图1-2 方波3锯齿(jch)波： 图1-3 锯齿(jch)波4.三角(snjio)波： 图1-4 三角(snjio)波五、结果(ji gu)分析与讨论实验(shyn)二、零输入、零状态及完全响应一、任务(rn wu)与目标通过实验，进一步了解系统(xtng)的零输入响应、零

4、状态响应和完全响应的原理。学习(xux)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。总体方案设计连接如图示电路图2-1,零输入响应，零状态响应和完全响应的实验电路图 其响应表达式为U 0 (t)+若初始条件为零（ = 0 ），则等式右边只有第一项，即为零状态响应， 它描述了初始条件为零（ = 0 ）时，电路在输入E1作用下的输出响应，显然它们之和为电路的完全响应。若15V，5V，断开合上开关或即可得到如图2-2所示的这三种响应过程曲线。图2-2，零输入响应，零状态(zhungti)响应和完全响应曲线其中(qzhng)： = 1 * GB3

5、 零输入(shr)响应 = 2 * GB3 零状态响应 = 3 * GB3 完全响应三、方案实现和具体设计按照下图，连接实验电路图。通过开关闭合可以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：断开和，合上开关，为零状态响应；断开，合上，得到零输入响应；断开，合上，直到（0）5V，断开开关的同时合上，得到完全响应。四、实验(shyn)设计与实验结果该电路的零输入响应、零状态响应和完全(wnqun)响应的动态曲线分别如下：零输入(shr)：图2-1 零输入零状态： 图2-2 零状态 3全响应(xingyng)：图2-3 全响应(xingyng)五、结果(ji gu)分析与讨论实验五

6、、无源与有源滤波器一、任务与目标了解无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性。分析和对比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。二、总体方案设计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，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所示，分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。三、方案实现(shxin)和具体设计四种滤波器的传递函数和实验模拟(

7、mn)电路如图 5-2 所示。实验室已经有搭建好了电路板，所以直接将实验模块(m kui)电路板 5 接通电源，用示波器先观察各类滤波器的滤波特性。2、实验时，在保持(boch)滤波器输入正弦波信号幅值（Ui4V）不变的情况下，逐渐改变其频率（注意f200KHz）， 用示波器测量(cling)滤波器输出端的电压 U0，并记录在实验数据表格上。当改变信号源频率时，都应观测一下 Ui 是否保持稳定，若Ui数据有改变应及时调整以保证实验准确性。3、按照以上步骤，分别测试无源LPF、HPF、BPF、BEF和有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅频特性。四、实验设计与实验结果低通滤波器的幅频特性实验数据

8、，如表5-1所示； 表5-1低通滤波器的幅频特性： 图5-1无源(w yun)低通滤波器的上限截止频率是750Hz，通频带(pndi)是f750Hz。有源低通滤波器的上限(shngxin)截止频率是1100Hz,通频带是f3800Hz。有源高通滤波器的下限截止频率是2200Hz,通频带是f2200Hz。3带通滤波器的幅频特性实验数据：表5-3 图5-3无源(w yun)带通滤波器的特征频率是1500Hz，下限(xixin)截止频率是900Hz,上限(shngxin)截止频率是5200Hz,通频带是900Hzf5200Hz。有源带通滤波器的特征频率是1500Hz，下限截止频率是500Hz,上限截

9、止频率是5000Hz,通频带是500Hzf5000Hz。4.带阻滤波器的幅频特性实验(shyn)数据： 表5-4 图5-4 无源(w yun)带阻滤波器的下限截止频率是400Hz,上限(shngxin)截止频率是6100Hz,通频带是f6100Hz，特征频率为1200HZ。有源带阻滤波器的下限截止频率是730Hz,上限截止频率是3000Hz,通频带是f3000Hz，特征频率1520HZ。五、结果分析与讨论 实验六、低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换一、任务(rn wu)与目标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(zhunhun)关系。熟悉低通、高通、带通和带阻滤波器的

10、模拟(mn)电路，并掌握其参数的设计原则。二、总体方案设计高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系：H High ( j ) = 1 H Low ( j )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,则由它们串联可构成一个带通滤波器，它们之间的关系可用下式表示：*对应的模拟电路图如下图6-1所示。图 6-1，带通滤波器的模拟电路图带阻滤波器的幅频特性与低通、高通滤波器幅频特性间的关系：如果低通滤波器的带宽频率 小于高通滤波器的带宽频率，则由它们并联可构成一个带阻滤波器，它们之间的关系可用下式表示为：+对应的模拟(mn)电路图如下

11、图6-2所示。 图 6-2，带阻滤波器的模拟(mn)电路图三、方案实现和具体(jt)设计按照电路图6-1、6-2连接好电路，接通电源，带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器串联而成，带阻滤波器由低通滤波器和高通滤波器并联而成。将函数信号发生器输出的正弦信号接入有源滤波器的输入端，保持输入信号的幅值不变（Ui5V），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。重复步骤1和2用示波器分别观察测量LPF、HPF、BPF、BEF输出幅值的变化。四、实验设计与实验结果1、TP1低通滤波器LPF的频率特性实验数据。表6-1TP1低通滤波器LPF的频率特性曲线(qxin)： 图

12、6-2 2、TP2带通滤波器BPF的频率特性实验(shyn)数据。表6-2TP2带通滤波器BPF的频率特性曲线(qxin):图6-2高通滤波器HPF的频率特性实验(shyn)数据： 表6-3高通滤波器HPF的频率特性曲线(qxin):图6-3带阻滤波器BEF的频率特性实验(shyn)数据：图6-4带阻滤波器BEF的频率特性曲线(qxin): 图6-4五、结果(ji gu)分析与讨论实验七：信号的采样与恢复任务与目标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(jbn)设计原则在实验基础上掌握根据(gnj)实验原理设计实验方案，自行搭建实验电路、自行设计电路参

13、数的方法。总体(zngt)方案设计1.信号的采样与恢复的过程是什么？怎样才能较好的还原信号？如实验指导书第43页，信号的采样与恢复原理框图如下图7-1所示：图 7-1，信号的采样与恢复原理框图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，只要用一个截止频率等于原信号频谱中最高频率 、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。原信号得以恢复的条件是2，其中s 为采样频率，m为原信号占有的频带宽度。当 2，输入信号为100Hz的正弦波 图7-2正弦采样信号正弦

14、与采样后信号如图7-2所示其中CH1为原始正弦信号，CH2为采样后信号 图7-3正弦(zhngxin)恢复信号其中CH1为原始正弦(zhngxin)信号，CH2为恢复后信号。（c）=2，输入(shr)信号为600Hz的正弦波。 图7-4 6ooHz正弦波采样信号其中CH1为原始正弦信号，CH2为采样后信号。 图7-5 600HZ正弦波解调(ji dio)后恢复信号其中(qzhng)CH1为原始正弦信号，CH2为恢复信号。（c）2，输入信号为100Hz的三角波 图7-8 100HZ三角波采样信号其中CH1为原始三角信号，CH2为采样后信号。 图7-9 100HZ三角(snjio)波信号其中CH1

15、为原始三角(snjio)信号，CH2为恢复信号。（c）=2，输入(shr)信号为600Hz的三角波。 图7-10 600HZ三角波CH1为原始三角信号，CH2为采样后信号。 图7-11 600HZ三角(snjio)波CH1为原始三角信号(xnho)，CH2为恢复信号（c）2，输入(shr)信号为800Hz的三角波。 图7-12 800HZ三角波CH1为原始三角信号，CH2为采样后信号。 图7-13三角(snjio)波CH1为原始三角(snjio)信号，CH2为解调后恢复信号。五结果分析(fnx)与讨论 实验八、调制与解调 一、任务与目标了解幅度调制和解调的原理，学习正弦幅度调制与解调，并观察调

16、制和解调后的波形，加深理解。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。总体方案设计正弦幅度调制(tiozh)与解调：正弦波幅度调制与解调的过程(guchng)框图如图8-1第一步使用乘法器，得到调制后的信号(xnho)傅立叶变换为： 解调时用正弦波进行同步解调，可以得到V(W)=X(W)/2+X(W+2Wo)+X(W-2Wo)/4这时只要使用一个截止频率为Wc（WmWcWo)的LPF进行滤波，就能得到还原的X(w)，在接收端就能完全恢复原信号X(t)。三、方案实现和具体设计根据实验原理方框图确定实验方案，设计和搭建实验电路。先调节实验电路板

17、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信号约为20KHz、500mV，作为二路载波信号，然后连接到实验电路板上。接通实验电源，用示波器观察“调制信号输出”调节电位器RP2观察调幅器输出波形。将“调幅信号输出”接到解调电路中的“调幅信号输入”上，将载波接到“载波信号输入”上，将解调信号输出接到“LPF（低通滤波器）输入”上。用双踪示波器分别观察被调制信号（原信号）和“LPF 输出”信号（调制解调后的信号号）并且记录波形。四、实验设计与实验结果调节实验电路板可得被调制的信号是频率约为500Hz、幅度为500mV的正弦信号，载波信号为频率约为20KHz、幅度为500mV的正弦信号。输出图样如下： 图8-2调制解调后信号(xnho)与原始被调制(tiozh)信号其中(qzhng)CH1为调制后信号，CH2为原始被调制信号。 图8-3CH2为解调后滤波前信号，CH2为原始被调制正弦波 图8-4CH1为调制(tiozh)