信号与系统实验指导书03679.doc

1、 信号与系统实验指导书1第一章 功能模块操作说明实验一 函数信号发生器一、实验目的1、了解函数信号发生器的操作方法。2、了解单片多功能集成电路函数信号发生器的功能及特点。3、熟悉信号与系统实验箱信号产生的方法。二、实验内容1、用示波器观察输出的三种波形。2、调其中电位器、拨位开关，观察三种波形的变化，了解其中的一些极限值。三、实验原理1、MAX038 的原理MAX038 是单片精密函数信号产生器,它用5V 电源工作，基本的振荡器是一个交变地以恒流向电容器充电和放电的驰张振荡器, 同时产生一个三角波和矩形波。通过改变 COSC 引脚的外接电容和流入 IIN 引脚的充放电电流的大小来控制输出信号频

2、率,频率范围为0.1Hz20MHz。流入 IIN 的电流由加到 FADJ 和 DADJ 引脚上的电压来调制, 通过此两引脚可用外接电压信号调整频率和占空比。MAX038 内部有一个正弦波形成电路把振荡器的三角波转变成一个具有等幅的低失真的正弦波。三角波、正弦波和矩形波输入一个多路器。两根地址线 A0 和 A1 从这三个波形中选出一个, 从 OUT 引脚输出 2V(峰锋值)振幅的信号。三角波又被送到产生高速矩形波的比较器 (由 SYNC 引脚输出)，它可以用于其它的振荡器, SYNC 电路具有单独的电源引线因而可被禁止。另外, PDI、PDO 引脚分别是相位检波器的输入和输出端, 本信号源没有使

3、用。信号与系统实验指导书2图 1-1-1 MAX038 的内部结构2、MAX038 的管脚图及管脚功能图 1-1-2 MAX038 的管脚图信号与系统实验指导书3引 脚 名 称 功 能1 REF 2.50V 的门限参考电压2，6，9，11，18 GND 地3 A0 波形选择输入端（TTL/CMOS 兼容）4 A1 波形选择输入端（TTL/CMOS 兼容）5 COSC 外接振荡电容端7 DADJ 占空比调节端8 FADJ 频率调节端10 IIN 振荡频率控制器的电流输入端12 PDO 相位比较器输出端（如果不用，应接地）13 PDI 相位比较器输入端（如果不用，应接地）14 SYNC 同步输出端

4、（TTL/CMOS 兼容输出，允许内部和外部振荡器同步。如果不用，应悬空）15 DGND 数字接地16DV数字电压 5V 电源端，如果没有用到 SYNC 应悬V空17 5V 电源输入端19 OUT 正弦波，三角波，方波输出端20 V5V 电源输入端表 1-1-1 MAX038 的引脚功能3、实验电路如图 1-1-3 所示：信号与系统实验指导书4图 1-1-3 MAX038 实验电原理图四、实验步骤1、接上电源线，按下船形开关、电源开关及该模块电源开关 S1201、S1202，使其“输出”为方波，通过调整电位器“占空比调节” ，使方波的占空比达到 50%（当 MAX038 的第 7脚电压 DAD

5、J 为 0V 时，方波的占空比为 50%） 。(注：“波形选择”开关 K1201 和 K1202 用于选择“方波” 、 “三角波” 、 “正弦波” ，当 K1201 和 K1202 拨到左边时，输出方波，当 K1201拨到右边且 K1202 拨到左边时，输出三角波；当 K1201 和 K1202 拨到右边时，输出正弦波。而“JD1JD5”的各个跳线用于选择不同的频段；另外“频率调节”的电位器可调节频率，“幅度调节”的电位器可调节幅度)2、保持方波的占空比为 50%不变， “波形选择”开关选择“正弦波” ，观察波形。3、改变外接电容 C 的值(这里通过“JD1JD5”的跳线选择不同的频段)，观测

6、输出波形，由于外接电容 C 的值分别为 470pF、1.5nF、15nF、0.22uF、2.2uF，输出信号频率的比例大约为 ： ： ： : 。14705102104、调节电位器“占空比调节” ，可以观察到方波信号的占空比发生变化，正弦信号则发生的变化为波峰和波谷位置偏移，三角信号的峰值和峰谷同样发生偏移。5、调节“频率调节”旋扭，可以观察到低频极限值为 22Hz，高频极限值为 1.2MHz，调节“幅度调节”电位器，正弦波的最大幅度为 20V，三角波的最大幅度为 20V，方波的最大幅度为 20V。信号与系统实验指导书5由于 MAX038 内部的非线性转换使输出的波形有可能失真。这可以通过在运放

7、 LF353 (U1202)的 1、2 脚间并联上电容来解决失真问题（AI 对应不同的电容值,可解决不同频段波形失真问题） 。在使用过程中,如果选择正弦波和方波,则可以按照表(1)给出的对应关系接上不同的电容来解决失真问题。 注意：要一一对应,否则将会使波形更加失真,如果选择三角波输出,则不用连接 AI 的任何电容,即取下该处跳线。A 22Hz250HzB 200Hz500HzC 500Hz3kHzD 3kHz6kHzE 6kHz70kHzF 50kHZ1MHz正弦波的改善F 300Hz40kHzG 40kHz60kHzH 60kHz120kHzI 120kHz150kHz方波的改善表(1)五

8、、实验报告1、分别画出各频段所观测到的方波，三角波和正弦波的波形图，从中得出什么结论。2、列表整理 C 取不同值时正弦波的频率和幅度值。实验二 数字式交流毫伏表一、实验要求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、了解电压表的交流特性。4、了解真有效值的交直电平转换特性，根据测量信号幅度的有效值，用数码管进行观察。5、了解用交流电压表并辅以其它仪器如频率计等绘制滤波器的频谱特性图。二、实验内容1、测量信号幅度的有效值，用数码管进行观察。2、测量不同的幅度的信号，采用不同的档位。3、可以测试本实验箱中交流信号的幅度，主要应用到“点频法测滤波器的特性”中。三、实验原理由于平均

9、值转换器的精度不是很高，所以近代高精度 DMM 很少再采用这种技术，而代之发展并广为采用的是真有效值转换器。真有效值转换器输出的直流电压，线形地正比于被测各种波形交流信号的有效值，基本上不受输入波形失真度的影响。真有效值交直流转换器有信号与系统实验指导书6热电式和运算式等几种形式。我们在此介绍的主要是采用运算式。其运算式方程是一个均方根式：2021iTiudtU我们采用的是美国 AD 公司研制的集成有效值转换器 AD637，它是一种按隐含运算式而设计的 AD 芯片，精度优于 0.1%，是当前国际集成真有效值转换器性能较好的一种。AD637由绝对值电路、平方/除法器、低通滤波/放大器和缓冲放大器

10、组成。输入电压通过绝对值电路转换成单极性电流 I1，加至平方/除法器的一个输入端，再经过低通滤波/放大器，最终在AD637 的 9 脚输出直流电平。AD637 的管脚分布如图 1-2-1 所示。图 1-2-1 AD637 的典型接法四、实验步骤说明1、把函数信号发生器实验模块的输出端接到该实验模块的输入端，并把函数信号发生器的波形选择为正弦波，即通过“波形选择”开关选择正弦波。2、接通电源，并按下函数信号发生器模块电源开关 S1201、S1202 和此模块的电源开关S1。3、按下 20V 档开关,观察数码管上的显示，并记录相应的数值，旋转函数信号发生器的调节幅值的电位器（“幅度调节” ） ，观

11、察数码管上数值的变化。 （提示：该实验模块中，W101 用于参考电压调节，W102、W103、W104 分别用于 200mV、2V、20V 档的校正，我们已基本校正好，均放在了 PCB 板的反面。 ）4、按下不同的档位开关，重做上面的步骤，观察并记录实验结果。 （注：200mV 档测量时必须把 SK101 和 SK102 同时打到上端，其它档位测量时，其中之一打到下端或两者均打在下端。 ）5、前几个步骤介绍了交流毫伏表的使用方法，但交流毫伏表的主要用法则不在于此。其详细用法请参见第二章实验五“模拟滤波器的分析”中实验内容的描点法。五、思考题解答问：比较测量的值和真实值，分析电压表各档的最大误差

12、。并思考哪些因素影响了其精度？答：影响精度主要有以下几个部分:信号与系统实验指导书71、AD637 真有效值的精度，其转换精度为 1，这是一个影响较大的因素。2、档位转换的影响，要把电压转化为 200mV 以内的信号，由于一些元件的误差，转换时有一些影响。3、参考电平的影响，7107 的参考电平为 100mV，要调到这样的参考电平，也会有一些影响。实验三 频率计一、实验目的1、了解频率计的操作方法。2、进一步了解单片机的工作原理，这里使用的是 89C2051。3、掌握对信号进行整形的原理及方法，这里用施密特触发器 40106 把非脉冲信号整形为用于计数的脉冲信号。4、内部已经和函数信号发生器连

13、在一起，不需另外连线即可观察函数信号发生器输出信号的频率，称为内测。5、用连线把信号引入频率计的输入端，观察频率，称为外测。6、掌握本实验箱中频率计的使用方法。二、实验内容1、内部已经和函数信号发生器连在一起，不需另外连线即可观察函数信号发生器输出信号的频率，称为内测。2、用连线把信号引入频率计的输入端，观察频率，称为外测。3、主要用到后面“信号分解与合成”和“模拟滤波器的分析”实验中。三、实验步骤说明1、接通频率计模块的电源开关 S2。2、将开关 SK201 打到“内测”一端。3、按下函数信号发生器的电源开关 S1201、S1202，使其输出为方波信号，把开关SK202 打到“幅度调节测量”

14、 ，用示波器观察测试钩“幅度调节” ，观察其幅度是否超过2V（此时输入信号的幅度为 200mV 左右） ，这样就可以测量幅度很小的信号，甚至达到毫伏级。然后将开关 SK202 打到“幅度调节输入” ，频率计将读出方波信号的频率。改变函数发生器的输出频率，频率计的读数也将随之而改变。 （注：数码管上输出频率的单位为 HZ。 ）4、使函数发生器输出正弦波或三角波，重做上述实验。5、将开关 SK201 打到“外测” ，即外测频率档。6、从外部（如常用信号分类与观察的“输出” ）引入一信号至本频率计的外测频率输入端，频率计将读出此外测信号的频率。（另注：在做后面的“模拟滤波器的分析”和“信号分解与合成

15、”时均将频率计作为工具使用，前者用于点频法，后者则用于观察输入信号的频率。 ）四、实验测试点的说明1、测试点分别为：“外测信号”：用于待测信号的输入。“内测信号”：此测试钩用于函数信号发生器输出的信号频率的测量，内部已经相连。信号与系统实验指导书8“幅度调节”：用于测量经过放大的信号，主要目的是用于毫伏级信号的测量。“GND”：与实验箱的地相连。2、调节点分别为：“S2”：此模块的电源开关。“RESET”：用于单片机 89C2051 的复位。“SK201”：用于内测与外测的切换。“SK202”：幅度调节测量和幅度调节输入的切换，当为幅度调节测量时，可以测量“幅度调节”测试钩的信号，此时数码管不

16、显示频率，当打到幅度调节输入时，数码管显示频率。实验四 扫频源一、实验目的1、了解扫频源的操作方法2、了解扫频源的工作原理及其作用。3、掌握扫频源的使用方法。二、实验内容1、使常用信号分类与观察模块的锯齿波作为扫频电压，内部已连，观察连续的正弦信号的输出，频率各不相等，形成一个频带。2、按下不同的频段开关，输出的扫频信号的频带宽度将不同，按下“扫速升” “扫速降”，可以观察扫速的快慢变化。3、主要是用来测试滤波器的幅频特性，在“模拟滤波器的分析”实验中称为“扫频法”三、实验原理利用普通的信号发生器测试频率特性时，需要配合使用电压表。逐点调整信号发生器的输出频率，用电压表记下相应的被测设备或系统

17、的幅度数值，然后在直角坐标平面上以频率为横坐标，以记录的数值（如幅度、幅度比等）为纵坐标，描绘出被测器件的频率特性。这种测试方法称为“点频法” 。 “点频法”虽然准确度较高，但很繁琐而费时，有些频率间隔不够密就被漏去，难以全面了解被测系统的频率特性。输出频率随时间在一定范围内反复扫描的正弦波信号发生器称之为扫频信号发生器，使用这种仪器就可以实现频率特性的自动或半自动测试，达到测试简便又快捷的目的。扫频信号源的作用是提供频率按一定规律变化的扫频信号，应具备以下性能：频率宽带线性扫频，寄生调频小，谐波含量低；功率输出大且输出口反射小，有良好的内稳幅和接受外稳幅的能力，漂移小；工作方式有固定频率和扫

18、频输出，扫速可调。使用扫频信号发生器，配合一些设备（如检波器、移相器、示波器等） ，可以方便地测量被测设备或系统的频率特性、动态特性和信号的频谱，因而在自动和半自动测量中获得愈来愈广泛的应用。示波器适合于在定性或半定性扫频测量中作指示器用，可以在全频段上给出直观的测量结果。对示波器提出的要求是：Y 偏转灵敏度高，漂移小，最好是对数放大，双线；衰减器有精确的粗、细调校准刻度；长余辉，最好是可变余辉；信号与系统实验指导书9有外扫描及直流输入口；荧光屏有专门的分贝、驻波比刻度盘。图 1-4-1 为扫频信号发生器的方框图。与普通正弦信号发生器一样，扫频信号发生器包括：正弦波振荡器、电平调制器和输出衰减

19、器等部分。正弦振荡器在扫频电压的作用下，按一定的规律，在一定的范围内反复扫描。扫描电压由扫描电压发生器产生，有的呈锯齿波，有的为三角波，其扫频规律则为线性；如扫描电压呈对数形，则扫频规律是对数的。前者能获得均匀的频率刻度，是最常用的工作方式；后者运用于宽带扫频的情况。本扫频信号发生器的扫频电压为锯齿波，由单片机低频信号发生器模块产生。因而，在做实验时，应让单片机低频信号发生器模块输出锯齿波。图 1-4-1 扫频信号发生器方框图本实验箱的扫频信号发生器核心器件采用的是 MAX038 函数发生器（引脚图见实验一“函数信号发生器”图 1-1-2） 。其工作原理已在实验一中较详细介绍过，在此不再重复。

20、单片机低频信号发生器产生的扫频控制电压锯齿波为双极性波形，为了不让输出的扫频信号失真,函数发生器 MAX038 的 IIN 引脚的输入电流范围应为 ，此时锯齿10A4波通过一个 20K 的电阻接到 IIN 引脚，所以锯齿波应在 0.2V-8V 之间线性变化，本模块采用的是一加法器电路来实现此功能的。输出信号的频率计算公式如下： 其中， 为输出频率，0()()INFFCp0是第 10 脚的输入电流， 是第 5 脚的外接的调节电容，电流的输出范围： INC2A，但在 时，信号的线性度最好。当 选定，我们可以通过改变电750A140AF压调节频率，此时如果加上一个锯齿波，频率会线性的增长，本实验箱就

21、是利用以上的原理得到扫频信号的。在本实验模块中，外接电容受开关控制，因此，在做实验时，当选择不同的开关，输出扫频信号的频段也就不同。四、实验步骤说明1、按下常用信号分类与观察模块的电源开关 S5，并将单片机选中锯齿波输出状态。2、按下扫频源模块的电源开关 S1101、S1102。3、将选择信号源与扫频源的开关打到扫频源端。 （注意：此扫频源还可以作为信号源，只需要将开关打到信号源端，其操作方法与函数信号发生模块一样。AI 用来改善波形的失真问题）4、用示波器观察扫频电压测试钩的波形，可以观察其线性电压约在 0.2V 到 8V 之间（W401 和 W402 用于调节锯齿波的直流电平和线性高度）

22、。5、选中“扫频段 5”，则与之相对应的指示灯亮。输出扫频电压发 生 器正 弦振荡器电 平调制器 衰减器放大器信号与系统实验指导书106、用示波器观察“扫频信号”输出端信号，按“扫速降”或“扫速升”键，以选择扫频信号的输出速度，注意扫频输出信号的变化。7、按住常用信号分类与观察模块中的“锯齿波”按键，可以在“扫频信号”输出端观察到某一时刻的扫频信号，观察其是否产生失真，这样可以清楚的看到整个频段内的扫频信号。8、调节“幅度调节”电位器，观察“扫频信号”的输出幅度的变化。9、选中“扫频段 4”，重做上述实验，观察扫频输出信号有何不同。 （注：在更换扫频段时，前一扫频段开关应该抬起，即每时每刻只有

23、一个扫频段开关按下，此时扫频输出的信号才与该频段相对应。 ）10、按照同样的方法可观察不同扫频段的扫频信号。 （注：“扫频段 5”所输出波形的频率最低，反之， “扫频段 1”输出波形的频率则最高。且一般来说，选中频率低的扫频段时，直接在示波器上才易观察，频率高了，普通示波器一般不易直接观察，但作为滤波器的输入信号时则很易观察）11、以上九点只是扫频源的使用方法，但其主要用途则不仅于此，其详细用法请参见实验五“模拟滤波器的分析”的“实验内容”里的扫频源法。注：扫频源各扫频段的频率范围大约是： 扫频段 1：110kHz1.2MHz 扫频段 2：36kHz460kHz 扫频段 3：3.6KHz47k

24、Hz 扫频段 4：280Hz3.7kHz 扫频段 5：22Hz300Hz参考图形：五、实验报告1、阐述扫频信号源的作用及本扫频源的原理。2、按照实验原理给出的公式，计算出扫频源各频段的输出频率范围。实验五 常用信号分类与观察一、实验目的1、了解单片机产生低频信号源2、观察常用信号的波形特点及产生方法。3、学会使用示波器对常用波形参数的测量。信号与系统实验指导书11二、实验内容1、信号的种类相当的多，这里列出了几种典型的信号，便于观察。2、这些信号可以应用到后面的“基本运算单元”和“无失真传输系统分析”中。三、实验原理对于一个系统特性的研究，其中重要的一个方面是研究它的输入输出关系，即在一特定的

25、输入信号下，系统对应的输出响应信号。因而对信号的研究是对系统研究的出发点，是对系统特性观察的基本手段与方法。在本实验中，将对常用信号和特性进行分析、研究。信号可以表示为一个或多个变量的函数，在这里仅对一维信号进行研究，自变量为时间。常用信号有：指数信号、正弦信号、指数衰减正弦信号、抽样信号、钟形信号、脉冲信号等。1、正弦信号：其表达式为 ，其信号的参数：振幅 、角频率 、)sin()(tKtf K与初始相位 。其波形如下图所示：图 1-5-1 正弦信号2、指数信号：指数信号可表示为 。对于不同的 取值，其波形表现为不同atKetf)(a的形式，如下图所示：图 1-5-2 指数信号3、指数衰减正

26、弦信号：其表达式为 其波形如下图： 信号与系统实验指导书12图 1-5-3 指数衰减正弦信号4、抽样信号：其表达式为： 。 是一个偶函数， = sin()tSat)(tSat,2,n 时，函数值为零。该函数在很多应用场合具有独特的运用。其信号如下图所示：图 1-5-4 抽样信号5、钟形信号（高斯函数）：其表达式为：2()()tftEe， 其信号如下图所示：信号与系统实验指导书13图 1-5-5 钟形信号6、脉冲信号：其表达式为 ，其中 为单位阶跃函数。)()(Ttutf)(tu7、方波信号：信号周期为 ，前 期间信号为正电平信号，后 期间信号为负电平T22T信号。四、实验步骤说明1、利用示波器

27、观察正弦信号的波形，并测量分析其对应的振幅 ，角频率 。具体步K骤如下：（1）接通电源，并按下此模块电源开关 S5。（2）按下此模块中的按键“正弦波” ，用示波器观察输出的正弦信号，并分析其对应的频率。（3）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，并分析且测量对应频率的变化，记录此时的振幅 ，角频率 。 （注：复位后输出的信号频率最大，只有当按下“频K率降”时，按“频率升”键波形才会变化，并每次在改变波形时，波形的频率为最大，以下波形的输出与此类似。 ）2、用示波器测量指数信号波形，并分析其所对应的 参数。具体步骤如下：Ka、（1）按下此模块中的按键 “指数信号” ，用示波器观察输出

28、的指数信号,并分析其对应的频率、 参数。a、（2）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，分析其对应频率的变化，并分析此时的参数 的变化。3、指数衰减正弦信号观察（正频率信号） 。具体步骤如下：（1）按下此模块中的按键 “指数衰减” ，用示波器观察输出的指数衰减正弦信号,并分析其对应的频率。（2）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，并分析且测量对应频率的变化。4、抽样信号的观察。具体操作如下：（1） 按下此模块中的按键 “Sa 信号” ，用示波器观察输出的抽样信号,并分析其对应的频率。（2）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，并分析且测量对应频率的变化。信

29、号与系统实验指导书145、钟形信号的观察：（1） 按下此模块中的按键 “钟形信号” ，用示波器观察输出的钟形信号,并分析其对应的频率。（2）再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化，并分析且测量对应频率的变化及相应的参数 。6、脉冲信号的观察：（1） 按下此模块中的按键 “脉冲信号” ，用示波器观察输出的脉冲信号,并分析其对应的频率。（2） 再按一下“频率降”或“频率升”键，观察波形的变化和特点，并分析且测量对应频率的变化。7、方波、三角波、锯齿波信号的观察：（1） 按下此模块中的相应信号的按键，用示波器观察输出的信号,并分析其对应的频率。（2） 再按一下“频率降”或“频率升”键，观察

30、波形的变化和特点，并分析且测量对应频率的变化。五、实验报告要求用坐标纸画出各波形。信号与系统实验指导书15必做实验实验一 零输入响应零状态响应一、实验目的1、观察电路的零输入响应，了解系统零输入响应的过程，并与理论计算的结果进行比较。2、观察电路的零状态响应，了解系统零状态响应的过程，并与理论计算的结果进行比较。二、实验内容1、观察零输入响应的过程。2、观察零状态响应的过程。三、实验原理1、零输入响应与零状态响应：零输入响应：没有外加激励的作用，只有起始状态（起始时刻系统储能）所产生的响应。零状态响应：不考虑起始时刻系统储能的作用（起始状态等于零） 。2、典型电路分析：电路的响应一般可分解为零

31、输入响应和零状态响应。首先考察一个实例：在下图中由RC 组成一电路，电容两端有起始电压 Vc(0-),激励源为 e(t)。R+ + e (t) C Vc(0-) Vc(t)_图 2-1-1 RC 电路则系统响应-电容两端电压： deRCVcetcttRCt )(1_)0()(_0上式中第一项称之为零输入响应，与输入激励无关，零输入响应 是以初始_)0(VcRCt电压值开始，以指数规律进行衰减。第二项与起始储能无关，只与输入激励有关，被称为零状态响应。在不同的输入信号下，电路会表征出不同的响应。信号与系统实验指导书16四、实验步骤说明1、把系统时域与频域分析模块插在主板上，用导线接通此模块“电源

32、接入”和主板上的电源（看清标识，防止接错） 。2、系统的零输入响应特性观察(1) 接通主板上的电源，同时按下本模块的电源开关 S1，将“函数信号发生器”模块中的输出（将“波形选择”拨到方波 “频率调节”用于在频段内的频率调节， “脉宽调节”用于脉冲宽度的调节，可改变以上的参数进行相关的操作） ，通过导线引入到“零输入零状态响应”的输入端。(2) 用示波器的两个探头，一个接函数信号发生器输出作同步，一个用于观察输出信号的波形，即在低电平时所观察到的波形即为零输入响应，在高电平所观察到的波形即为零状态响应。(3) 改变函数信号发生器的“频率调节”电位器，观察到的是不同系统下的零输入响应和零状态响应

33、。3、系统的零状态响应特性观察（1）观察的方法与上述相同，不过当脉冲进入高电平阶段时，相当于此时加上激励，即此时零状态响应应在脉冲的高电平进行。（2）改变本实验的开关 K1 的位置，观察到的是不同系统下的零状态响应，进行相应的比较。 参考波形：（两种情况，对应零输入和零状态表现出的波形）五、实验报告1、用两个坐标轴，分别绘制出零输入和零状态的输出波形。2、通过绘制出的波形，和理论计算的结果进行比较。六、思考题解答问：图 2-1-1 所示电路中，根据实验提供的实验元件，计算系统的零状态和零输入过信号与系统实验指导书17程。实验二 信号分解与合成一、实验目的 1、观察信号的分解。2、掌握带通滤波器

34、的有关特性测试方法。3、观测基波和其谐波的合成。 二、实验内容1、观察信号分解的过程及信号中所包含的各次谐波。2、观察由各次谐波合成的信号。三、预备知识1、了解李沙育图相关知识。2、课前务必认真阅读教材中周期信号傅里叶级数的分解以及如何将各次谐波进行叠加等相关内容。四、实验仪器 1、信号与系统实验箱一台（主板） 。2、电信号分解与合成模块一块。3、20M 双踪示波器一台。五、实验原理1、任何信号都是由各种不同频率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。对周期信号由它的傅里叶级数展开式可知，各次谐波为基波频率的整数倍。而非周期信号包含了从零到无穷大的所有频率成份，每一频率成份的幅度均趋向无限小，但其相对

35、大小是不同的。 通过一个选频网络可以将信号中所包含的某一频率成份提取出来。本实验采用性能较佳的有源带通滤波器作为选频网络，因此对周期信号波形分解的实验方案如图 2-2-1 所示。将被测方波信号加到分别调谐于其基波和各次奇谐波频率的一系列有源带通滤波器电路上。从每一有源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。实验所用的被测信号是 左右的周期信号，而用作选频网络的五种有源带通滤波器的输出频率分别是1，因而能从各有源带通滤波器的两端观察到基波和各次谐波。其中，115432、在理想情况下，如方波的偶次谐波应该无输出信号，始终为零电平，而奇次谐波则具有很好的幅度收敛性，理想情况下奇次谐波中

36、一、三、五、七、九次谐波的幅度比应为 1：（1/3）：（1/5）：（1/7）：（1/9） 。但实际上因输入方波的占空比较难控制在 50%，且方波可能有少量失真以及滤波器本身滤波特性的有限性都会使得偶次谐波分量不能达到理想零的情况。为了改善模拟滤波电路滤波效果不理想的情况，信号分解与合成模块还提供了数字方式来实现信号的分解，由方波分解出其基波、三次谐波、五次谐波、七次谐波。调节调幅电位信号与系统实验指导书18器 W01、W02、W03 可以将基波，三次谐波，五次谐波，七次谐波的幅度调节成1：1/3：1/5：1/7，通过导线将其连接至信号的合成的输入插座 IN01、IN02、IN03、IN04J,

37、通过测试勾可以观察到合成后的波形。2、验证三谐波与基波之间的相位差是否为 180,五谐波与基波之间的相位差是否为0。可用李沙育图形法进行测量，其方法如下：用导线将函数发生器的方波输出端与带通滤波器输入端连接起来，即把方波信号分先后送入各带通滤波器，如图 2-2-1 所示。图 2-2-1 信号分解的过程具体方法一：基波与标准同频同相信号相位比较（李沙育相位测量法）把函数信号发生器模块产生的正弦波电压调至 6V（峰峰值） ，使其送入示波器的 X 轴，再把 BPF- 的基波送入 Y 轴，示波器采用 X-Y 方式显示，观察李沙育图形。 （注：当滤波1器的增益不为 1 时，即 X 轴和 Y 轴信号幅度不

38、一致时，在 时其李沙育图形并不为09圆，而是椭圆，但其是垂直椭圆，与 时的椭圆并不相同。 ）009当两信号相位差为 时，波形为一条直线；当两信号相位差为 时，波形为一个圆；0当两信号相位差为 9时，波形为椭圆，如图 2-2-2 所示。00时： BAarcsinBA BPF- 1BPF- 2BPF- 3BPF- 4BPF- 5信号与系统实验指导书19009009图 2-2-2 李沙育图形具体方法二：基波与各高次谐波相位比较（李沙育频率测试法）把 BPF- 处的基波送入示波器的 X 轴，再分别把 BPF- 、BPF- 处的高次谐波送11315入 Y 轴，示波器采用 X-Y 方式显示，观察李沙育图形

39、。当基波与三次谐波相位差为 （即过零点重合） 、 、18 时，波形分别如图 2-2-3 所009示。相位差0 相位差90 相位差180图 2-2-3 基波与三次谐波相位的观察以上是三次谐波与基波产生的典型的 Lissajous 图，通过图形上下端及两旁的波峰个数，确定频率比，即 3：1，实际上可用同样的方法观察五次谐波与基波的相移和频率比，其应约为 5：1。六、实验步骤1、把电信号分解与合成模块插在主板上，用导线接通此模块“电源接入”和主板上的电源（看清标识，防止接错，带保护电路） ，并打开此模块的电源开关。 2、调节函数信号发生器，使其输出 10KHz 左右的方波（要求方波占空比为 50%，

40、这个要求较为严格） ，峰峰值为 6V 左右。将其接至该实验模块的 “输入”端，用示波器观察各带通滤波器的输出即各次谐波。 （注：观察频率时，可打开实验箱上的频率计实验模块。即按下该模块电源开关 S2。 ）3、信号的分解实验提供两种方式即分立元件模拟方式和数字方式。模拟方式是采用有源带通滤波器从原信号中过滤出各次谐波分量，由于滤波网络的幅频特性和相频特性对各次谐波的幅度和相位均有影响，所以需要调节各次谐波的相位和幅度。数字方式采用单片机输出各次谐波分量的采样值，然后经过 DA 转换出各次谐波，基波幅度已经固定，只需调节其他谐波的幅度，操作比较方便。模拟方式需要打开电源开关 S1,数字方式需要同时

41、打开电源开关 S1,S2。4、用示波器的两个探头，直接观察基波与三次谐波的相位关系，或者采用李沙育图的方法，看其相位差是否为 180，同时考察其幅度关系，幅度之比是否为 3:1（可以用相应带通滤波器中的调相和调幅电位器进行相关的调节，先保证了相位满足关系后在调节调幅电位器使幅度满足实验的要求，以下的步骤中均可用到调相和调幅，使我们认识到调相和调幅在信号分解和合成的重要性） 。5、信号分解的数字方式则可以直接观察分解出的基波、三、五、七次谐波（需打开电源开关 S1、S2） ，并通过调节可调电阻 W01,W02,W03 可依次对应地改变三、五、七次谐波的信号与系统实验指导书20信号幅度。通过调节

42、W01、W02、W03 可以使基波、三、五、七次谐波的幅度满足1：1/3：1/5：1/7 的比例关系。6、将方波分解所得基波和三次谐波,用导线与其对应的插孔相连，观测加法器的输出“合成”波形，并记录所得的波形。7、用示波器的两个探头，直接观察基波与五次谐波的相位关系，或者采用李沙育图的方法，看基波与五次谐波的相位差是否为 0，同时考察其幅度关系，幅度之比是否为 5:1。8、将方波分解所得基波和三次谐波，五次谐波,用导线与其对应的插孔相连，观测加法器的输出“合成”波形，并记录所得的波形。9、方波波形合成（1）将函数发生器输出的 10kHz 左右方波信号送入各带通滤波器输入端。（2）逐个测量各谐波

43、输出幅度、波形，然后将基波及各高次谐波分别与信号合成的IN01IN05 任意一个相连，观察基波与任何一次或各次谐波合成的波形。（3）用示波器观察并记录加法器输出端基波与各奇次谐波的叠加波形，如图 2-2-4 所示。图 2-2-4 基波与三次和五次谐波叠加后的波形七、实验报告1、根据实验测量所得的数据，绘制方波及其基波和各次谐波的波形、频率和幅度（注意比例关系） 。作图时应将这些波形绘制在同一坐标平面上。以便比较各波形和频率幅度。2、将基波、三次谐波、五次谐波及三者合成的波形一同绘在同一坐标平面上。3、画出方波信号分解后，鉴别基波与各奇次谐波的李沙育图形。详细整理实验数据，并画出波形分解与合成的

44、波形。4、分析相位、幅值在波形合成中的作用。5、总结实验和调试心得意见。八、实验思考题1、问：考虑实验中，影响带通滤波器中心频点和带宽的主要因素是什么？信号与系统实验指导书21九、实验测试点的说明1、测试点分别为：“输入”：模拟信号的输入。“基波”“五次谐波”：测量模拟信号的谐波信号。“合成”：谐波合成后的输出。“GND”：与实验箱的地相连。 2、调节点分别为：“S1”“S2”：此模块的电源开关。“调幅” “调相”：用于各次谐波合成时，满足幅度和相位条件，认识相位和幅度在信号中的作用。实验三 信号的采样与恢复一、实验目的1、了解信号的采样方法与过程以及信号恢复的方法。2、验证抽样定理。二、实验

45、内容1、观察抽样脉冲、抽样信号、抽样恢复信号。2、观察抽样过程中，发生混叠和非混叠时的波形。三、实验仪器1、信号与系统实验箱一台（主板） 。2、系统时域与频域分析模块一块。3、20M 双踪示波器一台。四、实验原理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抽样而得。抽样信号可以看成连续信号 和一组开关函数 的乘积。 是一组周期性窄脉冲，见图tfs tftsts2-4-1，T S 称为抽样周期，其倒数 SsTf1称抽样频率。 ST图 2-4-1 矩形抽样脉冲对抽样信号进行傅里叶分析可知，抽样信号的频率包括了原连续信号以及无限个经过平移的原信号频率。平移的频率等于抽样频率 及其谐波频

46、率 、 。当抽样信号是sfsf2s3周期性窄脉冲时，平移后的频率幅度按t信号与系统实验指导书22规律衰减。抽样信号的频谱是原信号频谱周期的延拓，它占有的频带要比原信号频xsin谱宽得多。2、正如测得了足够的实验数据以后，我们可以在坐标纸上把一系列数据点连起来，得到一条光滑的曲线一样，抽样信号在一定条件下也可以恢复到原信号。只要用一截止频率等于原信号频谱中最高频率 fn 的低通滤波器，滤除高频分量，经滤波后得到的信号包含了原信号频谱的全部内容，故在低通滤波器输出可以得到恢复后的原信号。3、但原信号得以恢复的条件是 ，其中 为抽样频率，B 为原信号占有的频带fs2sf宽度。而 为最低抽样频率又称“

47、奈奎斯特抽样率 ”。当 时，抽样信号的Bf2min Bfs2频谱会发生混迭，从发生混迭后的频谱中我们无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。在实际使用中，仅包含有限频率的信号是极少的。因此即使 ，恢复后的信号失真还fs是难免的。图 2-4-2 画出了当抽样频率 （不混叠时）及当抽样频率 （混叠Bfs2fs2时）两种情况下冲激抽样信号的频谱。10(a) 连续信号的频谱10（b） 高抽样频率时的抽样信号及频谱（不混叠）10（c） 低抽样频率时的抽样信号及频谱（混叠）图 2-4-2 抽样过程中出现的两种情况STmF0 ttf msssF0 sTttfs STmss sF0 sTttfs信号与系统实

48、验指导书234、为了实现对连续信号的抽样和抽样信号的复原，除选用足够高的抽样频率外，常采用前置低通滤波器来防止原信号频谱宽而造成抽样后信号频谱的混叠。但这也会造成失真。原始的语音信号带宽为 40Hz 到 10000Hz,但实际中传输的语音信号的带宽为 300Hz 到3400Hz,并不影响我们的听觉效果,因此本实验加了前置滤波器。5、语音抽样还原实验采用集成方式，本实验采用PCM编译码器TP3067专用大规模集成电路，它是CMOS工艺制造的单片PCM A律编译码器片内带有输入输出话路滤波器它把编译码器（Codec）和滤波器(Filter)集成在一个芯片上。脉冲编码调制（PCM)就是把一个时间连续

49、、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中进行传输。而脉冲编码调制就是对模拟信号先进行抽样后，再对样值的幅度进行量化、编码的过程。话音信号先经过防混叠低通滤波器，得到限带信号（300Hz3400Hz），进行脉冲抽样，变成 8kHz 重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM 信号），然后将幅度连续的 PAM 信号用“四舍五入”办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。对于电话，CCITT（国际电话与电报顾问委员会 International Telephone and Telegraph Consultative Committee）规定抽样率为8kHz，每抽样值编 8 位码，即共有