中南大學 信號與系統(tǒng)實驗報告

1、信號與線性系統(tǒng)實驗報告姓名： 班級：學號： 信號與系統(tǒng)實驗報告實驗室名稱：綜合實驗樓4樓 實驗日期：2014年12月8日學 院信息科學與工程專業(yè)、班級11304姓 名1實驗名稱NI ELVIS II+實驗儀器簡介指 導教 師教師評語教師簽名： 年 月 日實驗目的： 1.熟悉系統(tǒng)的使用。實驗內(nèi)容：認識NI ELVIS +實驗儀器實驗器材： 1.PC機，安裝有LabVIEW 2009（或更高版本）和Digital Filter Design工具包 2.匹配的NI ELVIS 2或2+和USB電纜 3.EMONA SIGEx信號及系統(tǒng)擴充板 4.分類跳接電纜5.兩根BNC-2mm引線6.計算機（wi

2、n7系統(tǒng)）實驗步驟：1.用器材連接好儀器，并認識相關(guān)布局按鈕等。實驗結(jié)論： 通過實驗初步認識了儀器，為以后的實驗打下了基礎(chǔ)。信號與系統(tǒng)實驗報告實驗室名稱：綜合實驗樓4樓 實驗日期：2014年12月8日學 院信息科學與工程專業(yè)、班級11304姓 名1實驗名稱用于NI ELVIS的 EMONA SIGEx 插件實驗板簡介指 導教 師教師評語教師簽名： 年 月 日實驗目的在這個實驗中，要熟悉SIGEx板上各種各樣的儀器，并且知道如何使用它們。事先準備閱讀完第一章的簡介，以保證熟悉儀器設備及其功能。實驗裝置裝有LabVIEW8.5（或更高版本）的計算機，還需裝有數(shù)字濾波器設計工具包。NI ELVIS

3、II或者II+以及配套的USB數(shù)據(jù)線EMONA SIGEx 信號與系統(tǒng)擴展板各種各樣的連接導線兩根帶BNC接頭的2mm導線實驗步驟A、設置NI ELVIS/SIGEx 套件1.關(guān)閉NI ELVIS單元及原型開發(fā)板上的開關(guān)。2.將SIGEx板卡插入到NI ELVIS單元中。注意：這步可能已經(jīng)為你做好了。3.使用USB數(shù)據(jù)線連接NI ELVIS和計算機。4.打開計算機（假如還未開機）進入Win7系統(tǒng)并等待其完全啟動（這樣計算機才會準備好連接外部的USB設備）。5.打開NI ELVIS單元，但不要打開原型開發(fā)板的開關(guān)。觀察USB指示燈是否變亮（在ELVIS單元的右上角）。如果揚聲器可用，那么計算機將

4、發(fā)出聲音以提示已經(jīng)檢測到ELVIS單元。6.打開NI ELVIS原型開發(fā)板開關(guān)，給SIGEx板卡上電。檢查所有的三個指示燈是否點亮，如未點亮，請向指導老師尋求幫助。7.打開SIGEx Main VI。8.現(xiàn)在，你可以使用NI ELVIS/SIGEx套件了。注意：當完成實驗，停止SIGEx VI時，建議選擇 SIGEx 軟件前面板上的停止按鈕而不使用LabVIEW窗口上的停止按鈕。這樣停止程序能夠保證系統(tǒng)秩序地關(guān)閉已經(jīng)打開的一系列DAQmx通道。B、EMONA SIGEx板卡概述SIGEx板卡包含了多個獨立的電路模塊，每一個模塊實現(xiàn)一個簡單的功能。每一個模塊都不是一個完整系統(tǒng)，但幾個模塊組合一起

5、則可以完成許許多多不同的實驗。模塊的輸入輸出由2mm的連接導線按電路圖連接，電路圖可以參照本實驗手冊，也可以參照其它相關(guān)的說明文檔。EMONA SIGEx板卡布局NI ELVIS II/SIGEx 套件C、SIGEx板卡電路模塊序列發(fā)生器序列發(fā)生器（SEQUENCE GENERATOR）提供了一個周期性的數(shù)據(jù)源，它輸出5V的雙極型邏輯電平。通過DIP開關(guān)可以選擇四個不同的數(shù)據(jù)流。每一幀會輸出一個周期同步（SYNC）脈沖。該模塊由一個單輸入邏輯電平作時鐘。一般情況下，該電平由脈沖發(fā)生器（PULSE GENERATOR）或者信號發(fā)生器/同步輸出（FUNCTION GENERATOR/SYNC）提供

6、。任何時候，DIP開關(guān)的狀態(tài)都會顯示在SIGEx軟件前面板中。限幅器限幅器通過撥碼開關(guān)選擇增益大小來放大輸入信號至一個定值，從而產(chǎn)生一個幅度受限的輸出信號。限幅器一般用于雙極型正弦模擬信號或者雙極型線性編碼的數(shù)據(jù)流。RC網(wǎng)絡RC網(wǎng)絡提供了電阻和電容元件，它們即可以單獨配置，也可以組成RC電路作為低通濾波器或者高通濾波器。各個元件都是未接地的，在使用時，其中一端必須與GND相連。整流器整流器對輸入的信號提供了半波整流的功能，它由一個非理想的二極管組成，有一個正向壓降。整流器一般用于正弦信號。乘法器乘法器提供了兩個模擬輸入信號的四象限乘法功能，其總增益基本相同，可以用于模擬電路中可能發(fā)生的任何倍增

7、過程。積分陡落與積分保持器積分陡落和積分保持在這個電路模塊中都可以實現(xiàn)。通常由一個輸入序列的比特時鐘作為時鐘信號，在相關(guān)及濾波操作中，它用來給一個波形在一個信號周期內(nèi)進行積分?；鶐У屯V波器這個低通濾波器擁有四階巴特沃斯響應，即可以作為一個待測系統(tǒng)，也可以用作一般的濾波函數(shù)。PCM編碼器這個模塊實現(xiàn)單路模擬信號的PCM編碼功能。它輸出一個8位的幀，其中包括一個周期同步楨脈沖。它可以用于直流信號也可以用于正弦信號，還可以用來作為研究編碼過程的一個具體案例。它的最大采樣率為2.5ksps（20kbps PCM數(shù)據(jù)流），因此，也可以用于編碼頻率低于奈奎斯特極限即1.25kHz的信號。PCM解碼器這個

8、模塊實現(xiàn)PCM解碼功能，解碼數(shù)據(jù)來自于PCM編碼器中產(chǎn)生的8位PCM數(shù)據(jù)流。幀同步信號是系統(tǒng)同步所必須的，在輸出端沒有重構(gòu)濾波器用來研究量化問題。可調(diào)諧低通濾波器這個模塊是一個可調(diào)節(jié)的低通濾波器。它實現(xiàn)了一個8階橢圓濾波器，其轉(zhuǎn)角頻率可調(diào)節(jié)。它的輸出信號的電平也是可以調(diào)節(jié)的，而且它可以接受模擬信號和TTL電平的數(shù)字信號。該濾波器在輸入端沒有抗混疊措施，因此用戶必須明確輸入信號的帶寬。積分器這3個獨立的電路是簡單的積分電路，它們各有一個積分速率可選的撥碼開關(guān)。這些積分電路可用于連續(xù)時域積分。撥碼開關(guān)設置控件以及近似積分速率控件都顯示在SIGEx軟件前面板上?；诓蓸优c保持的單位延時器采樣與保持器

9、是一個模擬采樣電路，它能夠在輸入的TTL電平時鐘信號中保持采樣值一個時鐘周期。單位延時與此類似，它在輸入端口保持輸入的模擬信號值一個時鐘周期。所有的4個單元共用相同的時鐘信號。三輸入和雙輸入加法器該模塊共有3個加法器，其中兩個是相同的三輸入加法器，還有一個為雙輸入加法器。三輸入加法器a和b，具有可調(diào)節(jié)的增益。這些增益可以通過SIGEx 軟件前面板調(diào)節(jié)，一般用于實現(xiàn)反饋和前饋系統(tǒng)。雙輸入加法器的增益為1，用于一般的加法操作。增益旋鈕的值可以從SIGEx 軟件前面板上讀出，并且可以通過手動調(diào)節(jié)改變增益的值。D、與NI ELVIS關(guān)聯(lián)的功能脈沖發(fā)生器/數(shù)字輸出該模塊讓NI ELVIS擁有了一個內(nèi)置的

10、脈沖發(fā)生器，它擁有很寬的頻率范圍并且占空比可調(diào)。頻率和占空比可以通過SIGEx 軟件前面板來控制，一般地，該模塊可以作為數(shù)字時鐘以供實驗使用。D-OUT-0是一組數(shù)字輸出口，但是在本實驗中沒有用到。信號發(fā)生器該模塊讓NI ELVIS擁有了一個內(nèi)置的多功能的信號發(fā)生器，它能夠提供各種類型、幅值和頻率的信號。這些參數(shù)可以通過NI ELVIS儀器啟動面板上該儀器的前面板控制。模擬輸出該模塊通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC）產(chǎn)生兩路模擬輸出。這兩路輸出由SIGEx實驗的多個選項卡控制，能夠按照用戶需求進行更改，以產(chǎn)生任意周期的波形。E、EMONA SIGEx軟件前面板（Soft Front Panel ，SF

11、P）簡介EMONA SIGEx軟件前面板提供了SIGEx硬件的控制參數(shù)，也提供了每個實驗所需具體的測量儀器，每個實驗的測量儀器分別在一個便捷小巧的選項卡內(nèi)。前面板控件的布局一目了然，所有參數(shù)都能很醒目地在屏幕上看到。SIGEx的CD盤中提供有該VI的源代碼，以便用戶按照自己的需求改進和定制前面板界面以及軟件功能。EMONA SIGEx軟件前面板SIGEx是為高等院校的用戶而設計的，如果希望用到其所有的功能，需要有LabVIEW“數(shù)字濾波器設計”工具包的使用權(quán)限。加法器增益輸入面板三輸入加法器的增益是可以改變的，它可以通過前面板上的輸入控件設置，也有一些實驗可以直接在程序代碼中設置增益。顯示在屏

12、幕上的增益值會自動、連續(xù)地傳送到硬件上。系數(shù)選擇面板實驗板上的增益調(diào)節(jié)（GAIN ADJUST）旋鈕的位置對應了一系列數(shù)值，這些數(shù)值可以控制特定的加法器的增益。單選按鈕控制板可以用來選擇一個增益，也可以都不選。如果選擇了一個增益，那么中心值（center value）和步進大?。╯tep size）兩個控件也要設定一個值。這樣就使得不管是大范圍的值還是小范圍的值都可以通過旋鈕調(diào)節(jié)。脈沖發(fā)生器面板在這個面板上，脈沖發(fā)生器模塊中脈沖的頻率和占空比是可以設置的，而且脈沖的輸出端口可以在空閑的D-OUT-0端口中切換。SG序列類型和積分增益顯示面板實驗板上選擇信號類型的撥碼開關(guān)在軟件面板的上有相似的控

13、件與之對應，并且有簡要的描述以方便用戶查看。有關(guān)信號的內(nèi)容詳見SIGEx用戶手冊。模擬輸出查看器圖形圖表控件顯示了當前從數(shù)模轉(zhuǎn)換器傳到模擬輸出端口的實際信號。在不同的實驗中，其波形圖控件不同。當示波器（SCOPE）已經(jīng)被其它信號占用時，這些波形顯示控件則便于用戶查看信號波形。 示波器觸發(fā)電平（Trig level），觸發(fā)斜率（trig slope），觸發(fā)指示燈，觸發(fā)方式選擇（trig select），時間軸（timebase）等這些控件是供各個實驗選項卡中的示波器使用的。觸發(fā)電平為示波器觸發(fā)時的電平，通常設置為0V或者1V。觸發(fā)斜率允許在信號的上升沿和下降沿進行觸發(fā)。當上述定義的觸發(fā)點被檢測到

14、時，觸發(fā)指示燈會點亮（變綠）。觸發(fā)方式選擇決定以哪個通道作為觸發(fā)源。時間軸的設置能夠改變信號被捕獲和顯示的長短，用戶也可以選擇顯示全部時間。運行/停止按鍵能夠使示波器停止下來，以便更仔細地觀察信號。自動調(diào)整Y坐標開關(guān)：能夠自動調(diào)整Y坐標的量程，使觀察到的振幅變化的信號變得穩(wěn)定便于更穩(wěn)定地觀察幅值變化較大的信號。上述這種示波器簡單方便，在特殊的實驗中還可以定制信號顯示方式。用戶若有需要，在其中一個選項卡中還可以用于頻譜顯示。ELVIS 2+用戶須知由于在ELVIS 2+中可以使用獨立的示波器軟件，因此，ELVIS 2+可以在使用儀器啟動面板中的示波器軟件的同時，使用選項卡中的示波器來觀察信號。動

15、態(tài)信號分析儀（DSA），實際上是一個頻譜分析儀，在ELVIS 2+中也是可用的，但是不能和獨立的示波器同時使用。不同實驗“Lab X”選項卡如果必要，在SIGEx實驗手冊中的每一個實驗都有一個對應的選項卡面板。按照需要選擇相應的選項卡，那么對應的檢測儀器就會顯示出來。實驗3至實驗16都有相應的選項卡。數(shù)字濾波設計選項卡（DFD）EMONA信號與系統(tǒng)311該選項卡提供了幾種數(shù)字濾波器，并能簡單方便地顯示出它們的特征。用戶選擇了一種濾波器之后，其對應的傳遞函數(shù)就會被計算出來。同時，傳遞函數(shù)的系數(shù)就會被提取出來，并且作為三輸入加法器的參數(shù)立即設置SIGEx的硬件。這些參數(shù)都能夠在軟件前面板上看到，計

16、算后的響應結(jié)果也會顯示在屏幕上。如果要從硬件上觀察實際的信號和響應，可以切換至包含示波器和快速傅里葉變換功能的選項卡，例如ZOOM FFT選項卡，同時輸入一個適當?shù)脑葱盘?。注意，SIGEx僅限于實現(xiàn)最多2階的濾波器，如果選擇了大于2階的濾波器，那么紅色的“錯誤”指示燈將會點亮。請注意：當正在做的實驗不需要用到DFD選項卡時，請不要選中它，因為它會重新載入它計算的系數(shù)到增益控制面板，這樣會覆蓋你當前輸入的值。ZOOM FFT選項卡該選項卡包含了一個波形顯示控件、一個頻譜顯示控件和一個可細化頻譜的FFT變換顯示控件。該選項卡是一個通用的供顯示用的選項卡，不與任何特定的實驗相關(guān)。1000點的FFT變

17、換， # sample控件允許用戶選擇頻譜細化范圍從0到1000點。zoom region滾動條可以選擇1000點FFT的頻譜細化區(qū)域。零極點（PZ PLOT）選項卡該選項卡會使用數(shù)字濾波設計工具包通過在SIGEx板上設置的傳遞函數(shù)的系數(shù)來計算系統(tǒng)的極點和零點。該選項卡會根據(jù)三輸入加法器的增益控制參數(shù)值實時地畫出其極點和零點。特別有趣的是，當人為地旋轉(zhuǎn)板上的增益調(diào)節(jié)旋鈕，改變增益系數(shù)時，用戶可以在屏幕上看到極點和零點在單位圓上移動。實驗結(jié)論通過實驗指導書的分析以及儀器的使用，初步掌握了一定技能，為下一步實驗提供了可供使用的經(jīng)驗。信號與系統(tǒng)實驗報告實驗室名稱：綜合實驗樓4樓 實驗日期：2014年

18、12月8日學 院信息科學與工程專業(yè)、班級11304姓 名1實驗名稱系統(tǒng)的線性與非線性指 導教 師教師評語教師簽名： 年 月 日實驗目的：1. 檢測乘法器的輸入信號幅值與乘法器輸出幅值是否成一定的相關(guān)關(guān)系，從而測試乘法器是否正常工作2. 進行可加性測試，檢測系統(tǒng)的是否為線性系統(tǒng)實驗內(nèi)容： 1.將函數(shù)發(fā)生器的FUNC OUT端子與乘法器的輸入相連接。將兩個輸入并聯(lián)。將CH0與此輸入相連接。將CH1與乘法器的輸出相連接 2.檢測比較以下兩個信號S(x1+x2)，Sx1+Sx2，進行系統(tǒng)的可加性測試，從而判斷系統(tǒng)是線性的還是非線性的實驗器材： 1.PC機，安裝有LabVIEW 2009（或更高版本）和

19、Digital Filter Design工具包 2.匹配的NI ELVIS 2或2+和USB電纜 3.EMONA SIGEx信號及系統(tǒng)擴充板 4.分類跳接電纜5.兩根BNC-2mm引線6.計算機（win7系統(tǒng)）實驗原理： 1.利用正弦函數(shù)相乘檢測。Asin(x)*Asin(x)=A21-cos(2x)/2，系統(tǒng)滿足線性定標測試時，乘法器幅值為A2，頻率加倍，且幅值變化時，乘法器輸出幅值也作出相應的變化2.S(x1+x2)，Sx1+Sx2測試輸入符合線性條件時，有S(x1+x2)=Sx1+Sx2，即輸出的兩天波形重合實驗步驟：第一部分：乘法器測試將函數(shù)發(fā)生器的FUNC OUT端子與乘法器的輸入

20、相連接。將兩個輸入并聯(lián)。將CH0與此輸入相連接。將CH1與乘法器的輸出相連接，如圖所示。并將實驗參數(shù)設置如下：函數(shù)發(fā)生器：頻率=1000Hz；選擇正弦波形示波器：時基4ms；CH0上升沿觸發(fā)；觸發(fā)電平=0V 函數(shù)發(fā)生器改變幅值，觀察記錄乘法器輸出幅值。第二部分：可加性測試1. 如上圖所示連接實驗儀器并將參數(shù)設置如下： 積分器速率：向上：向上 加法器增益：a0=a1=b0=b1=+1.0；a2=b2=0； 示波器：時基4ms；觸發(fā)電平=0V2.利用“實驗4”選項卡上的“第4部分信號選擇”按鈕選擇合適的信號作為模擬輸出框圖的輸出3.觀察每個按鈕下輸出的波形，看與預期是否相一致實驗過程原始記錄（數(shù)據(jù)

21、、圖表、波形等）： 第一部分： 波形圖： 數(shù)據(jù)表：表1輸入幅值(Vpp)乘法器幅值(Vpp)10.27821.11632.46244.3856.8469.868710.656810.656910.65610 10.656第二部分：實驗結(jié)果及分析： 第一部分： 實驗結(jié)果間數(shù)據(jù)表。 有實驗結(jié)果可得，當幅值大于1時，隨著幅值的遞增，乘法器的幅值也相應的遞增，由于增益的存在，乘法器的輸出不是嚴格的輸入幅值相乘的結(jié)果，但由數(shù)據(jù)變化規(guī)律可以總結(jié)出，乘法器輸出正常 當幅值大于7以后，波形圖出現(xiàn)頂部失真現(xiàn)象，未能顯示，所以在該增益下，乘法器正常工作的范圍的輸入幅值應該小于7.第二部分： 實驗結(jié)果：調(diào)節(jié)旋鈕前后

22、，兩個圖中的兩條波形圖完全重合。 分析：由于波形圖完全重合，則說明S(x1+x2)=Sx1+Sx2。而等式的成立，說明該系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，且反過來驗證了線性系統(tǒng)具有可加性。信號與系統(tǒng)實驗報告實驗室名稱：綜合實驗樓4樓 實驗日期：2014年12月15日學 院信息科學與工程專業(yè)、班級11304姓 名1實驗名稱傅里葉級數(shù)的分析指 導教 師教師評語教師簽名： 年 月 日實驗目的： 驗證傅里葉級數(shù)，計算各次諧波分量的系數(shù)。分析一個方波中存在哪些諧波，幫助理解傅里葉級數(shù)與傅里葉變換。實驗內(nèi)容： 使用手動式掃頻信號分析儀來研究一個方波中存在哪些諧波，記錄各次諧波分量的幅值，驗證一個占空比為50%的方波中僅存在

23、奇次諧波分量。實驗器材： 1.PC機，安裝有LabVIEW 2009（或更高版本）和Digital Filter Design工具包 2.匹配的NI ELVIS 2或2+和USB電纜 3.EMONA SIGEx信號及系統(tǒng)擴充板 4.分類跳接電纜5.兩根BNC-2mm引線6.計算機（win7系統(tǒng)）實驗原理：Fn=A0/2+對方波求傅里葉變換得Fn=；=4/+4/(3)+4/(5)+4/(7)+.等式左邊乘sin（nt）得； 并用低通濾波器消去高頻波剩下直流分量，即Fn=。實驗步驟： 1.如上圖連接實驗儀器，CH1，CH0分別連在低通濾波器輸出端口和Digital Out的輸出端口 2.打開調(diào)控面

24、板將參數(shù)設置如下： 函數(shù)信號發(fā)生器：頻率設為100Hz，幅值設為2Vpp，選擇正弦波 脈沖發(fā)生器：頻率設為100Hz，占空比設為50% 示波器：掃描時基2ms/div；CH1上升沿觸發(fā)；觸發(fā)電平0V 3.改變函數(shù)信號發(fā)生器的頻率，從1000Hz到7000Hz，每次改變100Hz。記錄直流輸出的最大值，記錄在表格中實驗過程原始記錄（數(shù)據(jù)、圖表、波形等）：部分波形圖如下： 數(shù)據(jù)表：正弦波頻率/KHZ測量幅值（vpp）12.752030.84050.56070.153實驗結(jié)果及分析： 觀察數(shù)據(jù)表可知，在考慮到增益的情況下，一次諧波：3次：5次：7次=55:16:10:3.06，除第七次外，其他的數(shù)據(jù)

25、與直接計算的1:1/3:1/5基本相一致這些將是構(gòu)成方波的各個諧波分量的幅值。且一個占空比為50%的方波僅僅包含奇次諧波信號與系統(tǒng)實驗報告實驗室名稱：綜合實驗樓4樓 實驗日期：2014年12月15日學 院信息科學與工程專業(yè)、班級11304姓 名1實驗名稱信號的采樣和混疊指 導教 師教師評語教師簽名： 年 月 日實驗目的： 可以直觀地觀察采樣信號的頻譜與原信號的頻譜?？梢越宕藢ψ钚〔蓸勇实牟蓸佣ɡ碛兄庇^的理解。同時，可以觀察采樣恢復后的頻譜與原信號頻譜的對比，深刻理解取樣定理。實驗內(nèi)容： 對選定的測試樣本進行采樣操作設置，并在時域中進行觀察。然后，研究相反過程，恢復模擬信號，并觀察各種采樣率的效果。實驗器材： 1.PC機，安裝有LabVIEW 2009（或更高版本）和Digital