《信号与控制综合实验课程实验报告.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号与控制综合实验课程实验报告.doc（41页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、信号与控制综合实验课程实 验 报 告(第一篇:信号与系统基本实验)姓名 学号 U200911790 专业班号 电气0902 同组者 学号 U200911793 专业班号电气0902 指导教师 实验成绩 日 期 2011/12/2 评 阅 人 目 录 一基础实验实验一 常用信号的观察-3实验五 无源与有源滤波器-9实验六 低通，高通，带通，带阻滤波器间的变换-18实验七 信号的采样与恢复实验-24实验八 调制与解调实验-35二.创新实验信号的产生、采集、处理和基于Matlab的分析-43三. 参考文献-一基础实验实验一 常用信号的观察一 实验目的 熟悉信号发生器的各旋钮、开关的作用及其使用方法。
2、 掌握用示波器观察电信号波形，定量测出正弦信号和脉冲信号的波形参数。 掌握示波器、信号发生器、数字万用表的使用。二 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）。常见电信号举例如图所示。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的观察周期信号以及非周期信号的波形。周期矩形脉冲及其占空比如图2-1-5所示。三 总体方案设计 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。本实验选择由信号发生器产
3、生正弦交流信号、方波信号和三角波信号。由于这些信号都是周期的波形，参数是幅值Um、周期T(或频率f)；脉冲信号的参数还有占空比，另外，输出偏置电压也是一个指标。2 用示波器测量信号，读取信号的幅度和频率。示波器是一种信号波形测量仪器，可定量测出电信号的波形参数，选择电压量限和扫描时间来测量电信号的周期、脉宽、相位差等参数。四 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，用示波器观察正弦波、三角波、周期脉冲等典型信号的变化 。五 实验设计与实验结果正弦波三角波方波六 实验总结我们在大学期间开设了信号与系统，模拟电路等课程，这些学科属于电子电路范畴，与我们的专业也都
4、有联系，且都是理论方面的指示。正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的。 通过这次实验，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。 当然，在实验过程中，也遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。这就需要我们去检查是否线路有问题，为什么有那么大的波动，而在探索中就无疑增加了我的实际动手能力，也享受到完美波形出现后的喜悦。实验五 无源与有源滤波器一实验目的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
5、滤波器参数的设计方法。二实验原理1.与有源滤波器的区别与联系无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。2.滤波器对输入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。3.幅频特性所表示的
6、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。把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通带与阻带的分界点的频率称为截止频率或称转折频率。图2-6-1中的Aup为通带的电压放大倍数，为截止频率，为中心频率，和分别为低端和高端截止频率。 其中，低通滤波器的通频带为BW=（0）=2（0）。 高通滤波器的通频带为：BW=（）=2（）。 高通滤波器的通频带为: BW= - =2（-）。 带通滤波器的通频带为：BW=2（0）2（）。图5-1分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图
7、。图5-1 四种滤波器的幅频特性四种滤波器的传递函数和实验模拟电路如图5-2所示：(b) 有源低通滤波器(a) 无源低通滤波器 (d) 有源高通滤波器(c) 无源高通滤波器 (e) 无源带通滤波器(f) 有源带通滤波器图5-2 四种滤波器的实验电路(g) 有源带阻滤波器(h) 无源带阻滤波器滤波器的网络函数H（j），又称为频率响应，它可用下式表示式中A()为滤波器的幅频特性，为滤波器的相频特性。它们均可通过实验的方法来测量。三 .总体方案设计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
8、试无源和有源BEF(带阻滤波器)的幅频特性。四实验步骤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（f200KHz），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。五 实验设计与实验结果本实验的输入电压为6v f(Hz) 电压V低通滤波器无源457.63631.63694.10770.31865.941231
9、.01849电压4.724.083.883.643.362.561.72有源50590411041160125014501800电压5.444.444.003.843.643.22.50高通滤波器无源1339.82005.13562.13934.12661.73006.74236.25048.66949.3电压1.802.63.924.163.243.564.324.685.16有源102715861999235724662730323042905967电压1.442.83.764.244.364.604.925.415.72带通滤波器无源453.58881.411043.328804236.
10、25048.65076.76005.98091.2电压1.481.922.001.841.501.481.381.321.04有源5859781136149929993525407849007800电压2.123.804.084.163.803.643.363.121.96带阻滤波器带阻279.84320.94501.42824.962389.14119.44802.38358.010057.0电压4.163.963.081.801.22.723.044.084.32有源108317101960224930913753416146807810电压1.600.647.442.163.684.40
11、4.684.925.64结果分析与讨论实验总结：通过本实验发现设计出比无源滤波器更理想的虑波曲线。当然，频率太高运放就不行了。无源滤波器由于这种电路主要有无源元件R、L和C组成有源滤波器是有集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。实验思考题：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：实际的幅频特性不像计算出来的那样准确，与计算的有一些出入，比如特征频率不一样，通频带不一致，相同频率下
12、实际与理想的增益不同，等等，还有一个区别就是计算出来的曲线是非常光滑的，而实际测出的曲线可能有一些不光滑的地方。出现以上问题的原因是实际中器件都是有一定误差的，比如电阻电容，示波器，信号发生器，等等，它们都有一定的误差，而且做实验的时候天气条件对实验也有一定的影响，造成了实际的幅频特性不像计算出来的那样准确。2、如果要实现LPF、HPF、BPF、BEF源滤器之间的转换，应如何连接？答：LPF与HPF之间的转换，只需要把承担滤波任务的电阻与电容换个位置就可以了。BPF的实现，将LPF与HPF串连即可实现BPF，但要符合wclwch。对于BEF来说，将LPF与HPF并联即可实现BEF,但要符合wc
13、lwch六 实验总结这次试验我学习到滤波器主要作用是就是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。同时我还懂得了无源和有源滤波器的区别、特点。无源滤波装置是目前应用最为广泛的谐波抑制手段，它是按照希望抑制的谐波次数专门量身制造的，采用电感、电容的调谐原理，将谐波陷落在滤波器中，以减少对电网的注入。无源滤波装置结构简单，成本较低，技术已比较成熟，但是也存在着难以克服的缺陷：1、滤波特性受系统参数的影响较大，极易与系统或者其它滤波支路发生串并联谐振。2、只能消除特定的几次谐波，而对其他的某次谐波则会产生放大作用3、滤波、无功补偿、调压等要求之间有时难以协调4、谐波电流增大时，滤波器负
14、担随之加重，可能造成滤波器过载，甚至损坏设备。5、有效材料消耗多，体积大有源滤波技术作为一种新型的谐波治理技术，是消除谐波污染、提高电能质量的有效工具，与无源滤波技术相比，有着无可比拟的优势，主要表现在以下几个方面。1、实现了动态补偿，可对频率和大小均变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度；2、有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化，规模化生产；3、当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐振的危险，同时能抑制串并联谐振4、补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大5、用同一台装置可同
15、时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流，既可以对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿6、当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开7、装置可以仅输出所需要补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率，不但减小了有源滤波器的总容量，还可以避免轻负荷时发生无功倒送现象。滤波器在现实生活及理论中都有重要的作用，对后续的学习起了很大的作用。实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换一 实验目的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。二
16、 实验原理：1由于高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系： (6-1)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。令 (6-2)则 (6-3)与式(6-2) 、(6-3)对应于的无源和有源滤波器的模拟电路图分别如图6-1和图6-2所示。图6-1 无源和有源低通滤波器的模拟电路实现图图6-2 无源和有源高通滤波器的模拟电路实现图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： 令 ，则： 对应的模拟电路图如图6-3所示。图
17、6-3 带通滤波器的模拟电路图 3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，则由它们可构成一个带阻滤波器，它们之间的关系可用下式表示为：图6-4 带阻滤波器的模拟电路图对应的模拟电路图如图6-4所示。令 ，则 三 实验内容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。四 实验设备 满足实验原理的实验电路板 双路输出直流稳压电源 函数发生器 数字示波器 交流数字电压表五 实验步骤1实验电路接通电源（有源滤波器电路）。
18、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。六 实验数据和结果分析1） 由LPH和HPH串联构成BPF 表6-1 低通滤波器频率特性试验数据表频率/Hz757.31370.72029.02416.53067.63995.75832.48621.9低通Tp14.884.764.003.522.962.441.761.28 表6-2 高通滤波器频率特性试验数据表频率/Hz660962108212271397
19、16761902250027683075高通Tp42.283.043.323.603.884.284.524.925.085.20表6-3 带通滤波器频率特性试验数据表频率/Hz39043950060472010181617199923073995高通Tp23.243.684.085.125.204.884.564.123.762.482）由LPH和HPH并联构成BEF表6-4带阻滤波器频率特性试验数据表频率/Hz80.95121.9257.73396182.98416.52463.7580711.5816.4低通Tp34.644.563.122.203.842.081.921.601.281
20、.16频率/Hz92.67134.3196.64237.1421.3485.75819.710911252.4122带阻Tp54.64.163.22.681.281.081.922.723.125.40七 实验思考：1、由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件？答：由LPF、HPF连接带通滤波器的条件是低通滤波器的带宽频率大于高通滤波器的带宽频率。由LPF、HPF连接带阻滤波器的条件是低通滤波器的带宽频率小于高通滤波器的带宽频率。2、有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？答：总的来说，有源滤波器的频率特性比无源滤波器的频率特性更加接近理想的，计算出的频率特性，所以说有源滤波器的频率特性
21、曲线在转折频率处的斜率更大，陡度更大，而且在通频带里面的增益比无源的更大，也就是说信号损耗小，总之，有源比无源滤波器的性能要好的多。八 实验心得 通过这次试验，我对各种滤波器的工作原理和工作特性有了更加深刻的理解，基本掌握了各种滤波器参数的设计原则，认识了这四类滤波器的转换原则实验七 信号的采样与恢复实验一实验目的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。二 实验原理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
22、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。记在输入、输出端需要加一低通滤波器。前一个低通滤波器是为了滤除高于fg/2的输入信号，防止出现频谱混迭现象，产生混迭噪声，影响恢复出的信号质量。后面一低通滤波器是为了从抽样序列中恢复出信
23、号，滤除抽样信号中的高次谐波分量。信号采样的PAM观察：用示波器观察插孔“抽样信号”的输出，可测量到输入信号的采样序列，用示波器比较采样序列与原始信号的关 系，及采样序列与采样冲激串之间的关系。在测量过程中注意，由于信号采样串为高频脉冲串，由于实际电路的频响范围有限在采样冲激串上会观察到过冲现象。PAM信号的恢复：用示波器观察并测量插孔“模拟输出”端的信号，用示波器比较恢复出的信号与原始信号的关系与差别。抽样与恢复一节对于信号与系统和通信领域都有重要的作用。抽样的过程是把信号量化，更好的进行传输。可以恢复代表传输过程并不失真。画出输入信号，抽样脉冲和恢复后三个波形。对信号的抽样和恢复有了很直接
24、明确的感觉，了解了信号的处理过程。(a)(b)(c)图7-1 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）。采样信号的时域表达式为: 其傅立叶变换为：采样信号的傅立叶变换表明，采样信号的频谱包括了原连续信号频谱成分以及无限多个经过平移的原信号频谱成分（幅度变为为原信号频谱的1/T）。平移的频率等于采样频率s及其谐波频率2s , 3 s , 。当采样后的信号是周期性窄脉冲时，平
25、移后的信号频率的幅度按(sinx)/x规律衰减。采样信号的频谱是原信号频谱的周期性延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽得多。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。图7-2 采样前后的信号频谱 (a)连续时间信号频谱 (b)采样信号频谱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、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
26、宽度。当s m，故接收端并不需要采用理想的低通滤波器，用一般的低通滤波器即可满足工程上的要求。通常把图8-1这样的调制与解调称为同步调制和解调，或称相干调制和解调。它要求接收端的载波信号与发送端完全同频同相，当然，这样在一定程度上会增加接收机的复杂性。图8-2 各点频谱图V()三 实验内容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。四 实验设备 满足实验原理的实验电路板 双路输出直流稳压电源 函数发生器 数字式示波器五 实验步骤：1方案实现中的若干工作：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
27、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。本实验中可先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信号约为20KHz、500mV，作为二路载波信号。注意将两种信号源的地应接在一起。2接通实验电源，用示波器观察“调制信号输出”（调制信号输出先不要连接解调部分），调节电位器RP1观察调幅器输出波
28、形。3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）并且记录波形，如果两个波形相差较大时，调节RP1和RP2至两个波形近似。六 实验结果和数据分析：原信号图TP1调制信号：TP2调幅信号TP3 解调信号TP4 滤波信号六 实验思考已调制信号的幅度Y（t）与解调信号X（t）的幅度是否相同？答：从理论上来说，Y（w）=0.5X(w+w0)+X(w-w0),而解调信号X（t）的傅氏变换为0.5X(w)，说明这2个信号在频域里面的幅值是
29、一样的，则它们在时域里面的幅度也应该是一样的。这样，我们就从理论和实测两个方面验证了已调制信号的幅度Y（t）与解调信号X（t）的幅度是相同的。七 实验心得和总结通过这次实验，观察了调制与解调后的波形，基本掌握了幅度调制与解调的原理。在这次试验中，由于自己的急躁和不细心导致实验过程中出现了很多不应该出现的问题和错误，我也会在以后的试验中吸取这个教训，培养一种认真、细心的实验态度。二.创新实验 信号的产生、采集、处理和基于Matlab的分析一 实验目的1 综合运用其他课程的知识，掌握设计典型的信号产生模拟电路：2 掌握数字示波器和计算机采集信号的数据，利用Matlab进行频谱分析3通过综合设计和分
30、析，提高提出问题、分析问题和解决问题的能力。二 实验内容利用所学过的知识，利用电阻、电容、运算放大器、稳压管等电器元器件设计方波和正弦波产生电路，并用数字示波器观察和采集信号的产生，进行基于Matlab的频谱分析。三 实验设备自行设计的信号产生电路 （包括电路所需的所有电子元器件） 数字示波器 相关计算机软件四 实验步骤1 设计信号发生电路如下 图9-1 方波-三角波发生电路其中A1和A2为uA741，稳压管均为2CW7，R1=10K,R2=20K,R3=3.3，R4=5.1K,C=0.047uF由电压比较器和积分器构成的方波-三角波发生器如上图，积分电路的输出电压u0反馈至电压比较器的输入端
31、，形成闭环，使电路产生自激振荡。其中Vo1输出的是方波电压，Vo输出的是三角波电压2）信号的采集利用数字示波器观察信号的发生并采集 图9-2 采集的方波信号 图9-3 采集的三角波信号五 实验心得和总结在这一次创新性实验中，我遇到了很多苦难和问题，同时也学到了很多，收获了很多。在设计实验电路时，我刚开始感觉无从下手，于是把以前的模电教材拿出来又看了一遍，重新学习了常用信号的产生原理，才慢慢设计出来一个方波-三角波产生电路，同时通过计算，不断修改和完善实验电路。在观察信号发生和采集信号时，发现信号不是很稳定，我们再一次检查设计电路，又加上了两个稳压管，重新连接电路，终于通过示波器观察到了满意的波形。通过这次试验，我的理论知识水平得到了很大的提高，发现问题、分析问题、解决问题的能力也得到了锻炼和提高，非常享受实验中的乐趣和收获。三. 参考文献参考文献1 童诗白. 模拟电子技术基础（第三版）M. 北京：高等教育出版社，2001.2 李万臣. 模拟电子技术基础与课程设计M. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.3 胡宴如. 模拟电子技术M. 北京：高等教育出版社，2000.4 康华光. 电子技术基础（模拟部分）（第五版）M. 北京：高等教育出版社，2006.5 康华光. 电子技术基础（数字部分）（第五版）M. 北京：高等教育出版社，2006.
