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1、华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书通 知2003级电气工程及其自动化专业、水利水电工程专业本科生请注意： “信号与系统”课程实验预约本周开始启动。预约实验是提前一周预约下周的实验内容、地点和时间。“信号与系统”课程的实验占课程总成绩的20，实验内容和各实验的分值（折合成总成绩的100分）如下，请按照自己对课程的理解和掌握程度选做实验内容。鼓励创新，实验创新加分为5分，但总加分后总成绩不能超过100分。实验一 常用信号的观察2分实验二 零输入、零状态及完全响应2分实验三 非正弦周期信号的分解与合成4分实验四 信号的无失真传输2分实验五 无源与有源滤波器4分实验六
2、 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换4分实验七 信号的采样与恢复实验4分实验八 调制与解调实验6分电气与电子工程学院实验教学中心二五年九月二十六日信号与控制综合实验实验指导书第一分册 信号与系统基本实验华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心2005年7月目 录实验实验一 常用信号的观察3实验二 零输入、零状态及完全响应4实验三 非正弦周期信号的分解与合成7实验四 信号的无失真传输12实验五 无源与有源滤波器16实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换21实验七 信号的采样与恢复实验26实验八 调制与解调实验33实验九 测量与计算机分析实验41附录实验所用集成电路芯片功能与引脚介绍42
3、实验指南46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。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
4、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。六、实验报告根据实验测量的数据，绘制各个信号的波形图，并写出相应的数学函数表达式。实验二 零输入、零状态及完全响应一、实验原理图2-1 零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路图零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路如图2-1所示。合上图2-1中的开关，则由电路可得 (1)，则上式变为 (2)对上式取拉式变换得： 所以 (3)式(3)中，若E1等于0，则等号右方只有第二项，即为零输入响应，即由初始条件激励下的输出响应；若初始条件为零（），则等式右边只有第一项
5、，即为零状态响应，它描述了初始条件为零（）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，断开/合上开关K1或K2即可得到如图2-2所示的这三种的响应过程曲线。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
6、、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。请自行设计实验步骤，并记录当前响应时的各开关的状态。六、实验报告 1 画出自行设计的实验方案框图及实验电路图，将所设计的电路参数标在实验电路上，并以文字说明设计思路。 2 说明实验步骤以及各响应分别对应的各开关的状态，并画出该电路在零输入响应、零状态响应、完全响应下的响应
7、曲线。七、实验思考题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？附2：信号与系统基本实验模块实验电路板2(零输入、零状态及完全响应实验)的电路原理图及参数实验三 非正弦周期信号的分解与合成一、实验原理1 任何周期电信号都可以用傅立叶级数来表示，即表示为三角函数的线性组合：即任何周期电信号都可以分解成直流分量、各种不同频率、幅值和初相的正弦波，将频率对应的正弦分量称为基波分量，而对应于其它高次频率的分量称为高次谐波。由其傅里叶级数展开式可知，各次谐波的频率为基波频率的整数倍，每一频率成份的幅值大小是不同的。在这个实验中我们可以采用50Hz方波信号作为分析信号。将被测方波信号加到分
8、别调谐于其基波和各次奇谐波频率的电路上，从每一个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。2实验方案原理框图图3-1实验方案原理框图 图3-1中LPF为低通滤波器，通过它可分解出非正弦周期信号的直流分量。BPF1BPF6为调谐在基波和各次谐波上的带通滤波器，通过它可分解出非正弦周期信号的各次谐波分量。加法器则用于信号的合成。3各种不同波形及其傅立叶级数表达式方波：三角波：整流半波整流全波矩形波二、实验目的1进一步通过实验了解信号的频率特征和分解及合成方法；非正弦周期信号的频谱分析方法，了解信号都是由不同频率、不同初相位的正弦信号叠加而成的。2 学会应用课本理论知识分析、解释实验误差
9、的原因。3 学会根据原理和原理框图设计实验方案、搭建实验电路的方法。4 掌握低通滤波器、带通滤波器、加法器的设计方法。三、实验内容1用硬件电路分解（带通滤波器）非周期正弦信号，同时分析观测信号的频谱，并与其理论傅里叶级数公式中各项的频率与系数作比较；2以上结果在计算机上采用Matlab软件进行频谱分析，并记录结果；3观测基波和其谐波的合成结果。四、实验设备1信号与系统基本实验模块实验电路板3（或自己设计搭建的实验电路）2数字示波器1台3函数发生器（产生方波或其它非正弦周期信号）4计算机一套五、实验步骤（参考）1调节函数信号发生器，使其输出50Hz的方波信号，并将其接至信号分解实验模块的输入端，
10、再细调函数信号发生器的输出频率，使该模块的基波50Hz成分BPF1的输出幅度为最大。2用示波器观测各带通滤波器的输出（各次谐波）的幅值，并列表记录。3将方波分解所得的基波、三次谐波分别接至加法器的相应输入端，观测加法器的输出波形，并记录。4在步骤3的基础上，再将五次谐波分量加到加法器的输入端，观测相加后的合成波形，并记录。5分别将50Hz正弦半波、全波、矩形波和三角波的输出信号接至50Hz电信号分解与合成模块的输入端，观测基波及各次谐波的频率和幅度，并记录。6将50Hz单相正弦半波、全波、矩形波和三角波的基波和谐波分量接至加法器相应的输入端，观测求和后的输出波形，并记录。六、实验报告1画出自己
11、按照实验方案图设计的电路图（若实验电路为自己所设计的话）。2根据实验测量所得的数据，在同一坐标纸上绘制方波及其分解后所得的基波和各次谐波的波形，画出其频谱图，与Matlab分析结果比较。3将所得的基波和三次谐波及其合成波形一同绘制在同一坐标纸上。4将所得的基波、三次谐波、五次谐波及三者合成的波形一同绘制在同一坐标纸上，并把实验步骤3所观测到的合成波形也绘制在同一坐标纸上，进行比较。七、实验思考题1什么样的周期性函数没有直流分量和余弦项？2基波三次谐波合成波形，与基波三次谐波五次谐波合成波形的区别在哪里？你能解释其中区别的原因所在吗？3分析理论合成的波形与实验观测到的合成波形之间误差产生的原因。
12、附3：信号与系统基本实验模块实验电路板3(非正弦周期信号的分解与合成的电路原理图及参数实验四 信号的无失真传输一、实验原理一般情况下，系统的响应波形与激励波形不相同，即信号在传输过程中会产生失真。线性系统引起的信号失真由两方面因素产生：一是系统对信号中各频率部分产生不同程度的衰减，使响应各频率分量的相对幅度产生变化，引起幅度失真；二是系统对各频率分量产生的相移不与频率成正比，使响应的各频率分量在时间轴上的相对位置发生变化，引起相位失真。线性系统的幅度失真和相位失真都不产生新的频率分量；而非线性系统则可能产生新的频率分量。本实验研究线性系统的幅度失真和相位失真情况。在实际应用中，某些场合需要利用
13、失真进行波形变换（例如整流、滤波），而某些情况下，却希望传输过程中信号失真最小。本实验就是验证无失真要求时的传输条件。信号的无失真传输是指通过系统后输出信号的波形与输入信号的波形完全相同，仅有幅值上的差异和产生一定的延迟时间（出现的时间不同），具有这种特性的系统称为无失真传输系统。令输入信号为X（t）,则系统的输出为式中k，t0为常量。对上式取付氏变换：系统的频率响应特性为：即幅频特性 |H|k k为非零常数；相频特性 是频率的线性函数。二、实验目的1通过实验进一步了解信号的无失真传输的基本原理；2熟悉信号无失真传输系统的结构与特性，掌握按照实验原理或频率响应要求设计无失真系统或实验电路的方法
14、（包括电路参数的选择）。三、实验内容1设计一个无源（或有源）的无失真传输系统(自行设计和选择方案，并用电路实现)；2令幅值固定、频率可变化的正弦信号（或其它信号）作为系统的输入信号，测量系统输出信号的幅值和相位（直接观测，或用李沙育图形法，或其它方法（计算机分析法等）。3在一定频率下，通过改变电路参数，观测电路输出波形的失真情况（并可用计算机分析失真度），并加以总结。四、实验设备1信号与系统基本实验模块实验电路板4（或自己设计搭建的实验电路）2函数发生器1台3数字式示波器1台4计算机1台五、实验步骤1连接一个信号无失真传输系统的实验电路，例如图4-1所示电路。2在模拟电路的输入端输入一个正弦信
15、号（或其它信号），并改变其频率，用示波器观察输出信号的幅值和相位。六、实验报告1画出信号无失真传输系统的模拟电路。2分析无失真传输系统的结构特点，在图4-1中，如果、，系统的和会产生什么变化？七、实验思考题1无失真传输时信号仍然会有幅度上的变化，那么输出信号波形与输入信号波形相同的主要原因是什么？2信号的无失真传输系统与全通滤波器有何不同？附4：信号与系统基本实验模块实验电路板4(信号的无失真传输)的原理图及参数图4-1无失真传输的实验电路图电路在无失真传输条件下参数R1=R2，C1=C2。(本实验电路板中R1=R220k，C1=C2=1) 。实验五 无源与有源滤波器一、实验原理1滤波器是对输
16、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。图5-1 四种滤波器的幅频特性2四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
17、 (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3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。二、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掌握无源和有源滤波器参数的设计方法。三、实验内容 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
18、频特性。四、实验设备1信号与系统基本实验模块实验电路板5（或自己设计搭建的实验电路）2双路输出直流稳压电源1台3函数发生器一台4数字式示波器1台5交流数字电压表五、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。 注意：对于波滤波器的输入信
19、号幅度不宜过大，对有源滤波器实验一般不要超过5V。六、实验报告1根据实验测量所得数据，绘制各类滤波器的幅频特性曲线。注意应将同类型的无源和有源滤波器幅频特性绘制在同一坐标平面上，以便比较。并计算出特征频率、截止频率和通频带。2比较分析各类无源和有源滤器的滤波特性。七、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？2如果要实现LPF、HPF、BPF、BEF源滤器之间的转换，应如何连接？实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换一、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(
20、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
21、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：令 ，则 对应的模拟电路图如图6-4所示。图6-4 带阻滤波器的模拟电路图二、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。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1信号与系统基本实验模块实验电路板6（或自己设计搭建的实验电路）2双路输出直流稳压电源1台3函数发生器一台4数字式示波器1台5交流
22、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）。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、实验报告 1画出由低通滤波器和高通滤波器构成带通、带阻滤波器的模拟电路。 2画出各种滤波器实验的频率特性曲线。七、实验思考题1由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件？2有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？实验七 信号的采样与恢复实验一、实验原理(a)(b)(c)图7-1 采样过程 (a
23、)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
24、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
25、满足工程上的要求。通常把图8-2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8-3 各点频谱图V()二、实验目的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）。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1信号与系统基本实验模块实验电路板8（或自己
26、设计搭建的实验电路）2双路输出直流稳压电源1台3函数发生器1台4数字式示波器1台五、实验方案提示及实验步骤（供参考）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），故可采用函数发生器输出的低频正弦作为被调制信号，另外通过实验电路板产生高频正弦信号，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。本实验中可先调节函数发生器输出的正弦信号频率约为500
27、Hz、幅度为500mV，作为调制信号；然后连接到实验电路板。本实验模块（实验电路板8）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、实验报告1记录
28、被调制信号、载波信号、调制信号和解调信号的波形。2解释幅度调制的原理。七、实验思考题已调制信号的幅度Y(t)与解调信号X(t)的幅度是否相同？附8：信号与系统基本实验模块实验电路板8(信号的调制与解调)的原理图及参数参考实验方案：1 构成高频正弦信号发生器电路（产生调制和解调信号）：参考电路如下，你可以自行设计其它形式的高频正弦信号发生器电路。2 跟随器电路：为了提高集成电路输出的带载能力，一般采用运放构成跟随器，信号经过跟随器后无负载效应，负载能力增强。3 乘法器：采用芯片为MC1496实现。4 低通滤波器（LPF）可以采用无源或有源低通滤波器，设计方法参照“实验五 无源与有源滤波器”。本实
29、验板采用有源低通滤波器。实验九 测量与计算机分析实验信号采样及基于matlab的FFT分析一、实验目的：希望运用所学“信号与系统”、“检测技术”、“电子技术”等有关理论自行构造一个集信号获取（传感器）、模拟信号处理（放大，滤波）、采样、信号恢复或信号频谱分析于一体的综合性实验。二、实验要求：自己设计电路，自己分析本章附录：实验模块（各实验电路）中所用集成电路芯片功能与引脚(资料来源：中国电子网：)1 LM324 4运放（可接单电源或双电源）2 LM348 4运放（可接单电源或双电源）与LM324的封装和管脚功能相同。3 LM311 单比较器（可接单电源或双电源）4 CD4069 反向器（接单电
30、源）5 CD4066 电子开关（接单电源）Features_ Wide supply voltage range 3V to 15V_ High noise immunity 0.45 VDD (typ.)_ Wide range of digital and 7.5 VPEAKanalog switching_ “ON” resistance for 15V operation 80_ Matched “ON” resistance RON = 5 (typ.)over 15V signal input_ “ON” resistance flat over peak-to-peak sign
31、al range_ High “ON”/“OFF” 65 dB (typ.)output voltage ratio fis = 10 kHz, RL = 10 k_ High degree linearity 0.1% distortion (typ.)High degree linearity fis = 1 kHz, Vis = 5Vp-p,High degree linearity VDDVSS = 10V, RL = 10 k_ Extremely low “OFF” 0.1 nA (typ.)switch leakage: VDDVSS = 10V, TA = 25C_ Extre
32、mely high control input impedance 1012(typ.)_ Low crosstalk 50 dB (typ.)between switches fis = 0.9 MHz, RL = 1 k_ Frequency response, switch “ON” 40 MHz (typ.)6 MC1496乘法器(MC1496-Balanced Modulators / Demodulators)（接单电源）FeaturesThese devices were designed for use where the output voltage is aproduct
33、of an input voltage (signal) and a switching function (carrier). Typicalapplications include suppressed carrier and amplitude modulation,synchronous detection, FM detection, phase detection, and chopperapplications. See Motorola Application Note AN531 for additional designinformation. Excellent Carrier Suppression 65 dB typ 0.5 MHz
