信號與系統(tǒng)實驗指導書

1、信信 號號 與與 系系 統(tǒng)統(tǒng)實實驗驗指指導導書書機械與電子工程學院機械與電子工程學院20142014 年年 1010 月月目目 錄錄第一章第一章 信號與系統(tǒng)實驗箱介紹信號與系統(tǒng)實驗箱介紹.1第二章第二章 信號與系統(tǒng)硬件實驗信號與系統(tǒng)硬件實驗.3實驗一 函數(shù)信號發(fā)生器.3實驗二 交流毫伏表 .7實驗三 單片機低頻信號發(fā)生器.10實驗四 掃頻源 .13實驗五 頻率計 .16實驗六 二階有源和無源濾波器.17實驗七 用同時分析法觀測方波信號的頻譜.22實驗八 取樣定理 .26 信號與系統(tǒng)實驗指導書1第一章第一章 信號與系統(tǒng)實驗箱介紹信號與系統(tǒng)實驗箱介紹第一章信號與系統(tǒng)綜合實驗概述第一章信號與系統(tǒng)綜合

2、實驗概述.1 1第一節(jié)RZ8663 信號與系統(tǒng)模塊組成介紹.1第二節(jié)各實驗?zāi)K介紹.3第三節(jié)信號源.7第二章傳統(tǒng)教學實驗第二章傳統(tǒng)教學實驗.9 9實驗 1 階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng).9實驗 2 連續(xù)時間系統(tǒng)的模擬.13實驗 3 有源無源濾波器18實驗 4 抽樣定理與信號恢復27實驗 5 二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡的顯示35實驗 6 一階電路的暫態(tài)響應(yīng)39實驗 7 二階電路的暫態(tài)響應(yīng)42實驗 8 二階電路傳輸特性47實驗 9 信號卷積實驗50實驗 10 矩形脈沖信號的分解55實驗 11 矩形脈沖信號的合成60實驗 12 諧波幅度對波形合成的影響 63實驗 13 相位對波形合成的影響 67實驗 14 任意信號的分

3、解69實驗 15 數(shù)字濾波器 71實驗 16 虛擬儀表72實驗 17 信號產(chǎn)生實驗75實驗 18 數(shù)字濾波器在線設(shè)計79實驗 19 信號頻譜分析84 信號與系統(tǒng)實驗指導書2第一章第一章信號與系統(tǒng)綜合實驗概述信號與系統(tǒng)綜合實驗概述第一節(jié)第一節(jié)RZ8663RZ8663 信號與系統(tǒng)模塊組成介紹信號與系統(tǒng)模塊組成介紹“RZ8663 信號與系統(tǒng)實驗箱”是在多年開設(shè)信號與系統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷改進研制成功的。是專門為信號與系統(tǒng)課程而設(shè)計的，提供了信號的頻域、時域分析的實驗手段。利用該實驗箱可進行階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)的時域分析；借助于技術(shù)實現(xiàn)信號卷積、信號頻譜的分析與研究、信號的分解與合成的分析與實驗；抽

4、樣定理與信號恢復的分析與研究；連續(xù)時間系統(tǒng)的模擬；一階、二階電路的暫態(tài)響應(yīng)；二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡顯示、各種濾波器設(shè)計與實現(xiàn)等內(nèi)容的學習與實驗。實驗箱采用了 DSP 數(shù)字信號處理新技術(shù)，將模擬電路難以實現(xiàn)或?qū)嶒灲Y(jié)果不理想的“信號分解與合成” 、 “信號卷積”等實驗得以準確地演示，并能生動地驗證理論結(jié)果；系統(tǒng)地了解并比較無源、有源、數(shù)字濾波器的性能及特性，并可學會數(shù)字濾波器設(shè)計與實現(xiàn)。實驗箱配有 DSP 標準的 JTAG 插口及 DSP 同主機 PC 機的通信接口，可方便學生在我們提供的軟件的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)（可用仿真器或不用仿真器） ，完成一些數(shù)字信號處理、應(yīng)用方面的實驗。如：各種數(shù)字濾波器設(shè)計、

5、頻譜分析、卷積、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換、定時器的使用、基本口使用等。該實驗箱的系統(tǒng)分布圖如圖 1-1 所示。頻率表毫伏表DDS 信號源DSP 處理模塊程序號A/D 模塊D/A 模塊信號選擇輸出操作區(qū)數(shù)字信號處理操作區(qū)模擬濾波器一階電路暫態(tài)響應(yīng)二階電路傳輸特性階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)信號合成二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡抽樣定理信號分解基本運算單元與連續(xù)系統(tǒng)的模擬USB 接口 圖 1-1 RZ8663 實驗系統(tǒng)分布示意圖它由以下模塊組成：1. 電源輸入模塊2. 信號源模塊 信號與系統(tǒng)實驗指導書33. 數(shù)字濾波器模塊4. 主機接口與二次開發(fā)區(qū)5. 數(shù)字信號處理器模塊6. CPLD 編程開放模塊7. 信號分解與合成模塊8. 信號卷

6、積實驗?zāi)K9. 一階電路暫態(tài)響應(yīng)模塊10.二階電路傳輸特性模塊11.二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡模塊12.階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)模塊13.抽樣定理模塊14.模擬濾波器模塊15.基本運算單元與連續(xù)系統(tǒng)的模擬模塊16.頻率表與毫伏表各模塊的的具體作用將在第二節(jié)中介紹。 信號與系統(tǒng)實驗指導書4第二章第二章 信號與系統(tǒng)硬件實驗信號與系統(tǒng)硬件實驗實驗一實驗一 函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?了解單片多功能集成電路函數(shù)信號發(fā)生器的功能及特點。2熟悉信號與系統(tǒng)實驗箱信號產(chǎn)生的方法。二、實驗儀器二、實驗儀器120M 雙蹤示波器一臺。2信號與系統(tǒng)實驗箱。三、實驗原理三、實驗原理1ICL8038 是單片集成

7、函數(shù)信號發(fā)生器，其內(nèi)部框圖如圖 1-1 所示。它由恒流源 I1和 I2、電壓比較器 A 和 B、觸發(fā)器和三角波變正弦波電路等組成。外接電容 C 由兩個恒流源充電和放電，電壓比較器 A、B 的閥值分別為電源電壓的2/3 和 1/3。恒流源 I1和 I2的大小可以通過外接電阻調(diào)節(jié)，但必須 I2I1。當觸發(fā)器的輸出為低電平時，恒流源 I2 斷開，恒流源 I1 給 C 充電，它的兩端電壓 UC 隨時間線性上升，當 UC 達到電源電壓的 2/3 時，電壓比較器 A 的輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出由低電平變?yōu)楦唠娖剑懔髟?C 接通，由于 I2I1 (設(shè) I2 = 2I1)，恒流源 I2 將電流 2I1

8、 加到C 上反充電，相當于 C 由一個凈電流 I 放電，C 兩端的電壓 UC 又轉(zhuǎn)為直線下降。當它下降到電源電壓的 1/3 時，電壓比較器 B 的輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器的輸出由高電平跳變?yōu)樵瓉淼牡碗娖?，恒流?I2 斷開，I1 再給 C 充電，如此周而復始，產(chǎn)生振蕩。若調(diào)整電路，使 I2=2I1，則觸發(fā)器輸出為方波，經(jīng)反相緩沖器由管腳 9 輸出方波信號。C上的電壓 UC上升時間與下降時間相等時為三角波，經(jīng)電壓跟隨器從管腳 3 輸出三角波信號。將三角波變成正弦波是經(jīng)過一個非線性的變換網(wǎng)絡(luò)（正弦波變換器）而得以實現(xiàn)，在這個非線性網(wǎng)絡(luò)中，當三角波電位向兩端頂點擺動時，網(wǎng)絡(luò)提供的交流通路阻抗會減小

9、，這樣就使三角波的兩端變?yōu)槠交恼也?，從管腳 2 輸出。 信號與系統(tǒng)實驗指導書5圖 1-1 ICL8038 原理方框圖2ICL8038 管腳功能圖圖 1- 2 ICL8038 管腳功能圖供電電壓為單電源或雙電源： 單電源 10V30V 雙電源5V15V3實驗電路如圖 1-3 所示： 信號與系統(tǒng)實驗指導書6圖 1-3 ICL8038 實驗電原理圖4. 信號源操作區(qū)示意圖首先，對信號源部分的各個元器件作一個介紹：J702： 波形選擇開關(guān)（正弦波、三角波、方波、掃頻、半波、全波）K701： 信號輸出選擇開關(guān)，當開關(guān)置于“函數(shù)”位置時，輸出三角波、正弦波、掃頻、半波、全波等信號；當開關(guān)置于“脈沖”位

10、置時，輸出脈沖信號。W701：信號幅度調(diào)節(jié)旋鈕。TP701：點頻信號測量點。TP702：函數(shù)信號輸出測量點，信號默認的輸出頻率為 2K。SW704：點頻輸出選擇，選擇不同的組合，可以輸出不同頻率和占空比的脈沖，地址開關(guān)撥到上面為“1” ，地址開關(guān)撥到下面為“0” 。S705： 頻率和占空比“”切換按鈕：I、 S705 彈起時，按下頻率調(diào)節(jié)按鈕頻率減??；II 、S705 按下時，按下頻率調(diào)節(jié)按鈕，頻率增加；III、S705 彈起時，按下占空比調(diào)節(jié)按鈕占空比減小；IV、S705 按下時，按下占空比調(diào)節(jié)按鈕占空比增加。S701、S702、S703：頻率調(diào)節(jié)按鈕；按一次 S701 按鈕，輸出信號頻率增

11、加或減小 信號與系統(tǒng)實驗指導書7100Hz，按一次 S702 按鈕，輸出信號頻率增加或減小 1KHz，按一次 S703 按鈕，輸出信號頻率增加或減小 10KHz ；S704： 占空比調(diào)節(jié)按鈕，輸出信號默認占空比為 1/2，每按一次此按鈕占空比增加或減小 1/8，最小占空比為 1/8。四、實驗步驟四、實驗步驟1實驗系統(tǒng)加電，在 J702 選擇開關(guān)上選擇一種信號，如正弦信號；2默認輸出信號的頻率為 1K，此時頻率表應(yīng)顯示“001000” ； 3在 TP702 上接示波器進行觀察；4調(diào)節(jié) W701 信號幅度調(diào)節(jié)旋鈕，可在示波器上觀察到信號幅度的變化；5按下信號占空比調(diào)節(jié)按鈕 S704，可在示波器上觀

12、察到信號占空比或?qū)ΨQ性變化；6按下信號頻率調(diào)節(jié)按鈕，可在示波器上觀察到信號頻率的變化；7選擇開關(guān) J702 選擇其它的信號類型，重復上面的步驟進行波形的觀察。測量數(shù)據(jù)：測量數(shù)據(jù)：1.示波器 波形選擇正弦波脈沖(矩形波)三角波半波全波波形（A/T）AmaxT min占空比范圍-觀察占空比調(diào)節(jié)時，對除脈沖信號外其它信號的影響。2.1234（SW704 選擇開關(guān)）F（頻率）占空比010101100111100110101011110111101111五、五、預(yù)習要求預(yù)習要求 信號與系統(tǒng)實驗指導書8閱讀原理說明部分有關(guān) ICL8038 的資料，熟悉管腳的排列及其功能。六、實驗報告六、實驗報告1簡述實驗

13、目的、原理及步驟2列表整理分析實驗數(shù)據(jù)3組裝、調(diào)整函數(shù)信號發(fā)生器的心得、體會。七、思考題七、思考題1.如果改變了方波占空比，試問此時三角波和正弦波輸出端將會變成怎樣的一個波形？ 信號與系統(tǒng)實驗指導書9實驗二實驗二 交流毫伏表交流毫伏表一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模?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、了解電壓表的交流特性。 4、了解真有效值的交直電平轉(zhuǎn)換特性，根據(jù)測量信號幅度的有效值，用數(shù)碼管進行觀察。 5、了解用交流電壓表并輔以其它儀器如頻率計等繪制濾波器的頻譜特性圖。 二、實驗儀器設(shè)備：二、實驗儀器設(shè)備：1、20M 雙蹤示波器一臺。2、信號與系統(tǒng)實驗箱一臺。

14、三、實驗原理三、實驗原理由于平均值轉(zhuǎn)換器的精度不是很高，所以近代高精度 DMM 很少再采用這種技術(shù)，而代之發(fā)展并廣為采用的是真有效值轉(zhuǎn)換器。真有效值轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓，線形地正比于被測各種波形交流信號的有效值，基本上不受輸入波形失真度的影響。真有效值交直流轉(zhuǎn)換器有熱電式和運算式等幾種形式。我們在此介紹的主要是采用運算式。其運算式方程是一個均方根式： 2021iTiudtuTU我們采用的是美國 AD 公司研制的集成有效值轉(zhuǎn)換器 AD637，它是一種按隱含運算式而設(shè)計的 AD 芯片，精度優(yōu)于 0.1%，是當前國際集成真有效值轉(zhuǎn)換器性能較好的一種。AD637 由絕對值電路、平方/除法器、低通濾波/

15、放大器和緩沖放大器組成。輸入電壓通過絕對值電路轉(zhuǎn)換成單極性電流 I1，加至平方/除法器的一個輸入端，再經(jīng)過低通濾波/放大器，最終在 AD637 的 9 腳輸出直流電平。AD637 的管腳分布如圖 2-1 所示。圖 2-1 AD637 的典型接法2、ICL7107 是一塊應(yīng)用非常廣泛的集成電路。它包含 3 1/2 位數(shù)字 A/D 轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動 LED 數(shù)碼管，內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動、自動 信號與系統(tǒng)實驗指導書10調(diào)零功能等。它的一種典型應(yīng)用電路-數(shù)字電壓表的制作，其電路如圖 2-2 所示。圖 2-2 數(shù)字電壓表數(shù)字顯示用的數(shù)碼管為共陽型，2K 可調(diào)電阻最好選用多

16、圈電阻，分壓電阻選用誤差較小的金屬膜電阻，其它器件選用正品即可。該電路稍加改造，還可演變出很多電路，如數(shù)顯電流表、數(shù)顯溫度計等。四、實驗步驟四、實驗步驟1、把函數(shù)信號發(fā)生器實驗?zāi)K的輸出端接到該實驗?zāi)K的輸入端，并把函數(shù)信號發(fā)生器的波形選擇為正弦波。2、接通電源，并按下函數(shù)信號發(fā)生器模塊電源開關(guān)。3、觀察數(shù)碼管上顯示的數(shù)值并作記錄，旋轉(zhuǎn)函數(shù)信號發(fā)生器的調(diào)節(jié)幅值的電位器，觀察數(shù)碼管上數(shù)值的變化；此時用示波器觀察信號的波形。分別記錄毫伏表與示波器上信號的峰峰值。4、分別選擇不同類型的信號，重做上面的步驟，觀察并記錄實驗結(jié)果。5、以上五步介紹了交流毫伏表的使用方法，但交流毫伏表的主要用法則不在于此。

17、其詳細用法請參見實驗六有源和無源濾波器中第五步“實驗內(nèi)容及步驟”中的描點 信號與系統(tǒng)實驗指導書11法。測量數(shù)據(jù)1.普通信號示波器 毫伏表正弦波脈沖(占空比50%)三角波半波全波4V/2K3V/2K2V/2K1V/2K相對誤差對第一行數(shù)據(jù)的理論值進行計算，并分析相對誤差2.點頻信號1234（SW704 選擇開關(guān)）占空比幅值相對誤差010101100111100110101011110111101111五、實驗報告五、實驗報告1、簡述實驗?zāi)康?、原理及步驟2、分別記錄用示波器和交流毫伏表測量電壓值。3、對第一行數(shù)據(jù)的理論值進行計算，并分析相對誤差。4、其它心得體會及意見。六、思考題六、思考題分析電壓

18、表的最大誤差。并思考哪些因素影響了其精度？ 信號與系統(tǒng)實驗指導書12實驗五實驗五 頻率計頻率計一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模?1了解頻率計的操作方法。 2掌握對信號進行整形的原理及方法。 二、實驗儀器：二、實驗儀器：120M 雙蹤示波器一臺。2信號與系統(tǒng)實驗箱一臺。三、實驗原理三、實驗原理 信號與系統(tǒng)實驗指導書13四、實驗步驟四、實驗步驟1接通頻率計模塊的電源開關(guān) S6。2按下函數(shù)信號發(fā)生器的波形選擇，使其輸出一定頻率及幅度的方波信號。頻率計將讀出方波信號的頻率。改變函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率，頻率計的讀數(shù)也將隨之而改變，并進行記錄。3使函數(shù)信號發(fā)生器輸出正弦波或三角波等其它波形，重做上述實驗。

19、測量數(shù)據(jù)：測量數(shù)據(jù)：示波器 波形選擇正弦波脈沖(矩形波)三角波掃頻半波全波AT頻率計分別測量每個波形的三個不同周期值時對應(yīng)的頻率。五、實驗報告五、實驗報告1、簡述實驗?zāi)康摹⒃砑安襟E2、分別用示波器和頻率記記錄內(nèi)測頻率檔的各種波形的頻率和周期3、分別用示波器和頻率記記錄外測頻率檔的各種波形的頻率和周期。4、組裝、調(diào)試頻率計的心得、體會。5、其它心得體會及意見。 信號與系統(tǒng)實驗指導書14實驗六實驗六 二階有源和無源濾波器二階有源和無源濾波器一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?了解 RC 無源和有源濾波器的種類、基本結(jié)構(gòu)及其特性。2對比研究無源和有源濾波器的濾波特性。3學會列寫無源和有源濾波器網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的方法

20、。二、實驗儀器二、實驗儀器120MHz 雙蹤示波器一臺。2信號與系統(tǒng)實驗箱一臺。三、實驗原理三、實驗原理濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它作信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。這里主要是討論模擬濾波器。以往這種濾波電路主要采用無源元件 R、L 和 C 組成，60 年代以來，集成運放獲得了迅速發(fā)展，由它和 R、C 組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。此外，由于集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但是，集成運放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路工作頻率難以做得

21、很高，這是它的不足之處?；靖拍罴俺醪蕉x1.初步定義濾波電路的一般結(jié)構(gòu)如圖 61 所示。圖中的表示輸入信號，為輸出信號。)(1tv)(0tv假設(shè)濾波器是一個線形時不變網(wǎng)絡(luò)，則在復頻域內(nèi)有A（s）Vo(s)/Vi(s)圖 6-1 濾波電路的一般結(jié)構(gòu)圖式中 A（s）是濾波電路的電壓傳遞函數(shù)，一般為復數(shù)。對于實際頻率來說（s=j）則有A（j）A（j）ej() 6-1這里A（j）為傳遞函數(shù)的模，()為其相位角。此外，在濾波電路中關(guān)心的另一個量是時延 （） ，它定義為 信號與系統(tǒng)實驗指導書15 6-2 ( )( )dsd 通常用幅頻響應(yīng)來表征一個濾波電路的特性，欲使信號通過濾波器的失真很小，則相位和時

22、延響應(yīng)亦需考慮。當相位響應(yīng) ()作線性變化，即時延響應(yīng) （）為常數(shù)時，輸出信號才可能避免失真。2.濾波電路的分類對于幅頻響應(yīng)，通常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把受阻或衰減的信號頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率稱為截止頻率。理想濾波電路在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線性的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無限大的幅度衰減（A（j） 。通常通帶和阻帶的相互位置不同，濾波電路通常可分為以下幾類：低通濾波電路：其幅頻響應(yīng)如圖 6-2（a）所示，圖中 A表示低頻增益A增益的幅值。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止角頻率的低頻信號，而對大于H的所有頻率完全衰減，因此其帶寬 BW。HH高通濾波

23、電路：其幅頻響應(yīng)如圖 6-2（b）所示，由圖可以看到，在 0范圍L內(nèi)的頻率為阻帶，高于的頻率為通帶。從理論上來說，它的帶寬 BW，但實際上，L由于受有源器件帶寬的限制，高通濾波電路的帶寬也是有限的。帶通濾波電路：其幅頻響應(yīng)如圖 6-2（c）所示，圖中為低邊截止角頻率，高LH邊截止角頻率，為中心角頻率。由圖可知，它有兩個阻帶：0和 ，因0LH此帶寬 BW。HL帶阻濾波電路：其幅頻響應(yīng)如圖 6-2（d）所示，由圖可知，它有兩個通帶：在0和 ，和一個阻帶：。因此它的功能是衰減到間的信HLHLLH號。同高通濾波電路相似，由于受有源器件帶寬的限制，通帶 也是有限的。L帶阻濾波電路抑制頻帶中點所在角頻率也

24、叫中心角頻率。0 信號與系統(tǒng)實驗指導書16（a）低通濾波電路(LPF) （b）高通濾波電路(HPF)（c）帶通濾波電路(BPF) （d）帶阻濾波電路(BEF)圖 6-2 各種濾波電路的幅頻響應(yīng)五、實驗步驟實驗中的輸入信號幅度均為 1V 的正弦波，起始頻率為 100Hz。信號源調(diào)節(jié)步驟： 將 J702 置于“正弦”位置上，撥動開關(guān) K701 選擇“函數(shù)” ； 連接 P702 和 P101 將輸出信號送至毫伏表顯示； 調(diào)節(jié)電位器 W701 使輸出幅度為 1V。1.測量低通濾波器的頻響特性圖示 6-3（a）為無源低通濾波器。圖 6-3（b）為有源低通濾波器。C4040.01uC4030.01uR40

25、12KR4022K1TP401AGNDP401圖 6-3（a） 無源低通濾波器 信號與系統(tǒng)實驗指導書17C4083300PR40618KR4054.7K-12V+12vC4070.01u1TP402AGNDP40232184U401ATL 082（1）逐點測量法 信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，連接 P702 與 P401（低通無源） ，保持信號發(fā)生器輸入幅度不變。 按下 S701 改變輸入信號頻率，并測量其 TP401 的電壓有效值。 并將數(shù)據(jù)填入表 6-1（a）中。 連接 P702 與 P402（低通有源） 。 按下 S701 改變輸入信號頻率，并測量其 TP402 的電壓有效值。 將數(shù)據(jù)填入表 6

26、-1（b）中（2）掃頻法測量利用掃頻儀測量其幅頻響應(yīng)及截止頻率。表 6-1（a） 低通無源濾波器逐點測量法Vi(V)1111111111f(Hz)Vo(V)表 6-1（b） 低通有源濾波器逐點測量法Vi(V)1111111111f(Hz)Vo(V)2.測量高通濾波器的頻響特性圖 6-4（a）為高通無源濾波器；圖 6-4（b）為高通有源濾波器。 圖 6-3（b） 有源低通濾波器 信號與系統(tǒng)實驗指導書18C4120.01uC4110.01uR41020KR41120K1TP403AGNDP403C4170.01uR41610KR4155.1KC4160.01u1TP404AGNDP404567U4

27、01BTL 082（1）逐點測量法 信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，連接 P702 與 P403（高通無源） ，保持信號發(fā)生器輸入幅度不變。 分別按下 S701 和 S702 改變輸入信號頻率，并測量其 TP403 電壓有效值。 并將數(shù)據(jù)填入表 6-2（a）中。 連接 P702 與 P404（高通有源） 。 逐次改變信號發(fā)生器頻率，并測量其TP404 的電壓有效值。 將數(shù)據(jù)填入表 6-2（b）中（2）掃頻法測量利用掃頻儀測量濾波器的幅頻響應(yīng)及截止頻率。表 6-2 （a） 高通無源濾波器逐點測量法Vi(V)1111111111f(Hz)Vo(V)圖 6-4（a）高通無源濾波器圖 6-4（b）高通有源濾波器

28、 信號與系統(tǒng)實驗指導書19表 3-2 （b） 高通有源濾波器逐點測量法Vi(V)1111111111f(Hz)Vo(V)3.測量帶通濾波器的頻響特性圖示 6-5（a）為帶通無源濾波器，圖 6-5（b）為帶通有源濾波器。C4060.01uC4050.01uR4031.8KR40410K1TP405AGNDP405R4095.6K-12V+12vC4100.01uR4082.7KR40731.8KC4090.01u1TP406AGNDP406RA40111KRA40213K32184U402ATL 082（1）逐點測量其幅頻響應(yīng) 信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，連接 P702 與 P405（帶通無源） ，保

29、持信號發(fā)生器輸入幅度不變。 連續(xù)按下 S701 改變輸入信號頻率，并測量其 TP405 的電壓有效值。 并將數(shù)據(jù)填入表 6-3（a）中。 連接 P702 與 P406（帶通有源） 。 連續(xù)按下 S701 改變輸入信號頻率，并測量其 TP406 的電壓有效值。 將數(shù)據(jù)填入表 6-3（b）中（2）掃頻法測量利用掃頻儀測量其幅頻響應(yīng)及截止頻率。圖 6-5（a） 帶通無源濾波器圖 6-5（b） 帶通有源濾波器 信號與系統(tǒng)實驗指導書20表 6-3（a） 帶通無源濾波逐點測量法Vi(V)111111111f(Hz)Vo(V)表 6-3（b） 帶通有源濾波逐點測量法Vi(V)111111111f(Hz)Vo

30、(V)4.測量帶阻濾波器的頻響特性圖示 6-6（a）為帶阻無源濾波器，圖 6-6（b）為帶阻有源濾波器R4148.2KC4140.02uC4150.01uC4130.01uR4133.9KR4128.2K1TP407AGNDAGNDP4071TP408R41963.6KC4190.02uC4200.01uC4180.01uR418910R4171kAGNDP408567U402BTL 082R42075圖 6-6（a） 帶阻無源濾波器圖 6-6（b） 帶阻有源濾波器 信號與系統(tǒng)實驗指導書21（1）實測電路中心頻率。 （2）測量幅頻響應(yīng)，并填入表 3-4 信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，連接 P702 與

31、 P407（帶阻無源） ，保持信號發(fā)生器輸入幅度不變。 連續(xù)按下 S701 改變輸入信號頻率，并測量其 TP407 的電壓有效值。 并將數(shù)據(jù)填入表 6-4（a）中。 連接 P702 與 P408（帶阻有源） 。 逐次改變信號發(fā)生器頻率，并測量其TP408 的電壓有效值。 將數(shù)據(jù)填入表 6-4（b）中（3）掃頻法測量利用掃頻儀測量帶阻濾波器的幅頻響應(yīng)及截止頻率。表 6-4（a） 帶阻無源濾波逐點測量法Vi(V)111111111F(Hz)Vo(V) 表 6-4（b） 帶阻有源濾波逐點測量法Vi(V)111111111F(Hz)Vo(V)六、實驗報告六、實驗報告1用掃頻法觀察各種濾波器的濾波特性。

32、2根據(jù)實驗測量所得數(shù)據(jù)，繪制各類濾波器的幅頻特性曲線。注意應(yīng)將同類型的無源和有源濾波器幅頻特性繪制在同一坐標平面上。以便比較并計算出特征頻率、截止頻率和通頻帶。 （注：請采用 MATLAB 軟件進行繪制）3比較分析各類濾波器的濾波特性。4分析在方波激勵下，濾波器的響應(yīng)情況（選做） 。5其它心得體會及意見。七、思考題七、思考題濾波器特性測試為什么一般采用正弦信號？ 信號與系統(tǒng)實驗指導書22實驗七實驗七 方波的分解與合成方波的分解與合成一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?1觀察方波信號的分解。2用同時分析法觀測方波信號的頻譜，并與方波的傅利葉級數(shù)各項的頻率與系數(shù)作比較。3掌握帶通濾波器的有關(guān)特性測試方法。4

33、觀測基波和其諧波的合成。 二、實驗儀器二、實驗儀器 120M 雙蹤示波器一臺。2信號與系統(tǒng)實驗箱。三、實驗原理三、實驗原理1. 信號的頻譜與測量信號的時域特性和頻域特性是對信號的兩種不同的描述方式。對于一個時域的周期信號，只要滿足狄利克萊(Dirichlet)條件，就可以將其展開成三角形式或指數(shù)形式的)t (f傅里葉級數(shù)。例如，對于一個周期為 T 的時域周期信號，可以用三角形式的傅里葉級數(shù)求出)t (f它的各次分量，在區(qū)間內(nèi)表示為：)1,1(Ttt)sincos1(0)(tnnbtnnnaatf即將信號分解成直流分量及許多余弦分量和正弦分量，研究其頻譜分布情況。A0tAn0A0t（a）（b）（

34、c）5335圖 7-1 信號的時域特性和頻域特性信號的時域特性與頻域特性之間有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系可以用圖 7-1 來形象地表示。其中圖 7-1(a)是信號在幅度-時間-頻率三維座標系統(tǒng)中的圖形；圖 7-1(b)是信號在幅度-時間座標系統(tǒng)中的圖形即波形圖；把周期信號分解得到的各次諧波分量按頻率的高低排列，就可以得到頻譜圖。反映各頻率分量幅度的頻譜稱為振幅頻譜。圖 7-1(c) 信號與系統(tǒng)實驗指導書23是信號在幅度-頻率座標系統(tǒng)中的圖形即振幅頻譜圖。反映各分量相位的頻譜稱為相位頻譜。在本實驗中只研究信號振幅頻譜。周期信號的振幅頻譜有三個性質(zhì)：離散性、諧波性、收斂性。測量時利用了這些性質(zhì)。從

35、振幅頻譜圖上，可以直觀地看出各頻率分量所占的比重。測量方法有同時分析法和順序分析法。同時分析法的基本工作原理是利用多個濾波器，把它們的中心頻率分別調(diào)到被測信號的各個頻率分量上。當被測信號同時加到所有濾波器上，中心頻率與信號所包含的某次諧波分量頻率一致的濾波器便有輸出。在被測信號發(fā)生的實際時間內(nèi)可以同時測得信號所包含的各頻率分量。在本實驗中采用同時分析法進行頻譜分析，如圖 7-2 所示。圖 7-2 用同時分析法進行頻譜分析其中，P801 出來的是基頻信號，即基波；P802 出來的是二次諧波；P803 的是三次諧波，依此類推。2. 矩形脈沖信號的頻譜一個幅度為 E，脈沖寬度為 ，重復周期為 T 的

36、矩形脈沖信號，如圖 10-3 所示。圖 7-3 周期性矩形脈沖信號其傅里葉級數(shù)為：tnTnSaTETEtfnicos)(2)(1該信號第次諧波的振幅為：nTnTnTETnSaTEan/)/sin(2)(2信號分解信號合成TP801TP808TP802TP809TP501濾波器1濾波器濾波器2n以上n2被測信號P801P808P809P816P802P810TE 信號與系統(tǒng)實驗指導書24由上式可見第次諧波的振幅與、 有關(guān)。nET3. 信號的分解提取進行信號分解和提取是濾波系統(tǒng)的一項基本任務(wù)。當我們僅對信號的某些分量感興趣時，可以利用選頻濾波器，提取其中有用的部分，而將其它部分濾去。目前 DSP

37、數(shù)字信號處理系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)字濾波器已基本取代了傳統(tǒng)的模擬濾波器，數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比具有許多優(yōu)點。用 DSP 構(gòu)成的數(shù)字濾波器具有靈活性高、精度高和穩(wěn)定性高，體積小、性能高，便于實現(xiàn)等優(yōu)點。因此在這里我們選用了數(shù)字濾波器來實現(xiàn)信號的分解。在數(shù)字濾波器模塊上，選用了有 8 路輸出的 D/A 轉(zhuǎn)換器 TLV5608（U502） ，因此設(shè)計了 8 個濾波器（一個低通、六個帶通、一個高通）將復雜信號分解提取某幾次諧波。分解輸出的 8 路信號可以用示波器觀察，測量點分別是TP801、TP802、TP803、TP804、 TP805、TP806、TP807 、TP808。矩形脈沖信號通過 8 路濾波器

38、輸出的各次諧波分量可通過一個加法器，合成還原為原輸入的矩形脈沖信號，合成后的波形可以用示波器在觀測點 TP809 進行觀測。如果濾波器設(shè)計正確，則分解前的原始信號（觀測 TP501）和合成后的信號應(yīng)該相同。信號波形的合成電路圖如圖 7-4 所示。R83310KR83410KR83510KR83610KR83710KR83810KR83910KR84010K1TP809P809P810P811P812P813P814P815P816P8171AGNDGND圖 7-4 信號合成電路圖四、預(yù)習練習四、預(yù)習練習課前務(wù)必認真閱讀教材中周期信號傅里葉級數(shù)的分解以及如何將各次諧波進行疊加等相關(guān)內(nèi)容。 信號與

39、系統(tǒng)實驗指導書25五、實驗內(nèi)容及步驟五、實驗內(nèi)容及步驟（一）矩形脈沖信號的分解（一）矩形脈沖信號的分解1將 J701 置于“方波”位置，連接 P702 與 P101；2按下選擇鍵 SW101，此時在數(shù)碼管 SMG101 上將顯示數(shù)字，繼續(xù)按下按鈕，直到顯示數(shù)字“5” 。3矩形脈沖信號的脈沖幅度和頻率按要求給出，改變信號的脈寬 ，測量不同Ef 時信號頻譜中各分量的大小。示波器可分別在 TP801、TP802、TP803、TP804、TP805、TP806、TP807 和 TP808上觀測信號各次諧波的波形。根據(jù)表 10-1、表 10-2 中給定的數(shù)值進行實驗，并記錄實驗獲得的數(shù)據(jù)填入表中。注意：

40、在調(diào)節(jié)輸入信號的參數(shù)值（頻率、幅度等）時，需在 P702 與 P101 連接后，用示波器在 TP101 上觀測調(diào)節(jié)。S704 按鈕為占空比選擇按鈕，每按下一次可以選擇不同的占空比輸出。（1） ： 的數(shù)值按要求調(diào)整，測得的信號頻譜中各分量的大小，其數(shù)據(jù)按21T表的要求記錄。表 7-1的矩形脈沖信號的頻譜21T ，T= ， ，kHzf4s21TsVVE4)(諧波頻率)(kHz 1f 2f 3f4 f 5 f 6 f7 f8 f 以上理論值 Vp-p/V測量值 Vp-p/V（2） ：矩形脈沖信號的脈沖幅度和頻率不變， 的數(shù)值按要求調(diào)整，41TEf測得的信號頻譜中各分量的大小，其數(shù)據(jù)按表的要求記錄。表

41、 7-2的矩形脈沖信號的頻譜41T ，T= ， ，kHzf4s41TsVVE4)(諧波頻率)(kHz 1f 2f 3f4 f 5 f 6 f7 f8 f 以上理論值 Vp-p/V測量值 Vp-p/V注意 4 個跳線器 K801、K802、K803、K804 應(yīng)放在左邊位置。4 個跳線器的功能為： 信號與系統(tǒng)實驗指導書26當置于左邊位置時，只是連通；當置于右邊位置時，可分別通過W801、W802、W803、W408 調(diào)節(jié)各路諧波的幅度大小。（二）1輸入的矩形脈沖信號，（的矩形脈沖信號又稱為方波信號）kHzf421T21T，。VVE4)(2電路中用 8 根導線分別控制各路濾波器輸出的諧波是否參加信

42、號合成，用導線把P801 與 P809 連接起來，則基波參于信號的合成。用導線把 P802 與 P810 連接起來，則二次諧波參于信號的合成，以此類推，若 8 根導線依次連接 P801P809、P802P810、 P803P811、P804P812、P805P813、P806P814、P807P815、P808P816，則各次諧波全部參于信號合成。另外可以選擇多種組合進行波形合成，例如可選擇基波和三次諧波的合成；可選擇基波、三次諧波和五次諧波的合成等等。3按表 7-4 的要求，在輸出端觀察和記錄合成結(jié)果，調(diào)節(jié)電位器 W805 可改變合成后信號的幅度。表 7-4 矩形脈沖信號的各次諧波之間的合成

43、波形合成要求合成后的波形基波與三次諧波合成三次與五次諧波合成基波與五次諧波合成基波、三次與五次諧波合成基波、二、三、四、五、六、七及八次以上高次諧波的合成 信號與系統(tǒng)實驗指導書27沒有二次諧波的其他諧波合成沒有五次諧波的其他諧波合成沒有八次以上高次諧波的其他諧波合成六、實驗報告六、實驗報告1根據(jù)實驗測量所得的數(shù)據(jù)，繪制方波及其基波和各次諧波的波形、頻率和幅度（注意比例關(guān)系） 。作圖時應(yīng)將這些波形繪制在同一坐標平面上。以便比較各波形和頻率幅度。2將基波、三次諧波、五次諧波及三者合成的波形一同繪在同一坐標平面上。3畫出方波信號分解后，鑒別基波與各奇次諧波的李沙育圖形。詳細整理實驗數(shù)據(jù)，并畫出波形分

44、解與合成的波形。4分析相位、幅值在波形合成中的作用。5總結(jié)實驗和調(diào)試心得意見。七、思考題七、思考題1考慮實驗中，影響帶通濾波器中心頻點和帶寬的主要因素是什么？ 2什么是吉布斯現(xiàn)象，它的具體的表現(xiàn)是什么？ 信號與系統(tǒng)實驗指導書28ts實驗八實驗八 取樣定理取樣定理一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?、了解信號的采樣方法與過程以及信號恢復的方法。2、驗證抽樣定理。二、實驗儀器二、實驗儀器1、20MHz 雙蹤示波器一臺。2、信號與系統(tǒng)實驗箱一臺。三、實驗內(nèi)容三、實驗內(nèi)容 1、觀察抽樣脈沖、抽樣信號、抽樣恢復信號。 2、觀察抽樣過程中，發(fā)生混疊和非混疊時的波形。四、實驗原理四、實驗原理1、離散時間信號可以從離散

45、信號源獲得，也可以從連續(xù)時間信號抽樣而得。抽樣信號可以看成連續(xù)信號和一組開關(guān)函數(shù)的乘積。是一組周期性窄脈沖，見tfstftsts圖 8-1，TS 稱為抽樣周期，其倒數(shù)SsTf1稱抽樣頻率。 ST圖 8-1 矩形抽樣脈沖對抽樣信號進行傅里葉分析可知，抽樣信號的頻率包括了原連續(xù)信號以及無限個經(jīng)過平移的原信號頻率。平移的頻率等于抽樣頻率及其諧波頻率、。當抽樣sfsf2sf3信號是周期性窄脈沖時，平移后的頻率幅度按規(guī)律衰減。抽樣信號的頻譜是原信xxsin號頻譜周期的延拓，它占有的頻帶要比原信號頻譜寬得多。2、正如測得了足夠的實驗數(shù)據(jù)以后，我們可以在坐標紙上把一系列數(shù)據(jù)點連起來，得到一條光滑的曲線一樣，

46、抽樣信號在一定條件下也可以恢復到原信號。只要用一截止頻率等于原信號頻譜中最高頻率 fn 的低通濾波器，濾除高頻分量，經(jīng)濾波后得到的信號包含了原信號頻譜的全部內(nèi)容，故在低通濾波器輸出可以得到恢復后的原信號。3、但原信號得以恢復的條件是，其中為抽樣頻率，B 為原信號占有的頻Bfs2sft 信號與系統(tǒng)實驗指導書29帶寬度。而為最低抽樣頻率又稱“奈奎斯特抽樣率” 。當時，抽樣信號Bf2minBfs2的頻譜會發(fā)生混迭，從發(fā)生混迭后的頻譜中我們無法用低通濾波器獲得原信號頻譜的全部內(nèi)容。在實際使用中，僅包含有限頻率的信號是極少的。因此即使，恢復后的Bfs2信號失真還是難免的。圖 8-2 畫出了當抽樣頻率（不

47、混疊時）及當抽樣頻率Bfs2（混疊時）兩種情況下沖激抽樣信號的頻譜。Bfs2 1 0 (a) 連續(xù)信號的頻譜 1 0 （b） 高抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜（不混疊） 1 0 （c） 低抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜（混疊）圖 8-2 抽樣過程中出現(xiàn)的兩種情況4為了實現(xiàn)對連續(xù)信號的抽樣和抽樣信號的復原，除選用足夠高的抽樣頻率外，常采用前置低通濾波器來防止原信號頻譜寬而造成抽樣后信號頻譜的混疊。但這也會造成失真。原始的語音信號帶寬為 40Hz 到 10000Hz,但實際中傳輸?shù)恼Z音信號的帶寬為300Hz 到 3400Hz,并不影響我們的聽覺效果,因此本實驗加了前置濾波器。ST1mm F0 ttfmmss0 sTttfsST1mmss0 sTttfs 信號與系統(tǒng)實驗指導