RZ8663型信號與系統(tǒng)實驗講義

1、rz8663型信號與系統(tǒng)實驗講義目 錄第一章信號與系統(tǒng)綜合實驗概述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(xué)實驗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(fù)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)40實驗7 二階電路的暫態(tài)響應(yīng)43實驗8 二階電路傳輸特性48實驗9 信號卷積實驗51實驗10 矩形脈沖信號的分解56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 數(shù)字濾波器69實驗15 虛擬

2、儀表70實驗16 信號產(chǎn)生實驗73實驗17 數(shù)字濾波器在線設(shè)計77實驗18 信號頻譜分析82第一章 信號與系統(tǒng)綜合實驗概述第一節(jié) rz8663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(jìn)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(jìn)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；抽樣定理與信號恢復(fù)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(xué)習(xí)與實驗。實驗箱采

3、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(zhǔn)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(xué)會數(shù)字濾波器設(shè)計與實現(xiàn)。實驗箱配有dsp標(biāo)準(zhǔn)的jtag插口及dsp同主機(jī)pc機(jī)的通信接口，可方便學(xué)生在我們提供的軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)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、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

4、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(yùn)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3. 數(shù)字濾波器模塊4. 主機(jī)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(yùn)算單元與連續(xù)系統(tǒng)的模擬模塊16.

5、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。第二節(jié) 各實驗?zāi)K介紹在本節(jié)中，將分別介紹實驗平臺上的各個模塊單元。在第一節(jié)的系統(tǒng)介紹中，已介紹了本實驗系統(tǒng)由16個模塊組成。1. 電源輸入模塊此模塊位于實驗平臺的右上角部分，分別提供 +12v、+5v、-12 v、-5 v的電源輸出。組電源對應(yīng)個發(fā)光二極管，電源輸出正常時對應(yīng)的發(fā)光二極管亮。2. 信號源模塊提供的波形種類有：正弦波、三角波、方波、半波、全波信號的頻率范圍：1hz200khz，可分別通過按鈕調(diào)節(jié)信號的頻率、占空比和掃速，通過電位器旋鈕信號的幅度。有兩個測量點(diǎn)：tp702 輸出的信號波形（正弦波、三角波、方波、掃頻信號，全波，半波

6、）；tp701 點(diǎn)頻信號輸出信號插孔：p702：信號源信號輸出插孔，p701：點(diǎn)頻信號輸出插孔。3. 數(shù)字濾波器模塊完成模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換（a/d）、運(yùn)算單元dsp、濾波輸出的數(shù)模（d/a）轉(zhuǎn)換有兩個測量點(diǎn)：tp101 a/d前的模擬信號波形；信號插孔：p101：模擬信號輸入插孔。4. 主機(jī)接口與二次開發(fā)區(qū)此模塊由usb接口、cpld、dsp的jtag插座等組成。程序可以來自固化在u104中的例題程序或來自機(jī)的學(xué)生開發(fā)程序。u104中的例題程序可由sw101來選擇,按下sw101按鈕選擇不同的程序號，在數(shù)碼管smg101上將顯示程序號。sw102：復(fù)位鍵開關(guān)，sw101改變后必需復(fù)位一次。5.

7、 數(shù)字信號處理器模塊由tms320c5402和ad、da等模塊組成，完成數(shù)字信號處理的各種運(yùn)算。有兩個測量點(diǎn)：tp102：指示通用i/o口的電平tp103： 指示dsp定時器定時輸出信號tout三個指示燈：分別指示是否在運(yùn)行；狀態(tài)；狀態(tài) 通過按鈕和數(shù)碼管指示進(jìn)行程序選擇，可選擇六個運(yùn)行程序，默認(rèn)顯示為零。 程序號為16，選擇到6時，需按一此復(fù)位按鈕sw101，復(fù)位到0，重新開始。6. cpld可編程模塊完成信號電平轉(zhuǎn)換、主機(jī)接口中各控制信號產(chǎn)生、和片選信號和控制信號產(chǎn)生等功能。7. 信號分解與合成模塊此模塊位于實驗平臺的中部，主要完成信號的分解與合成，模塊的上半部分為信號的分解，下半部分為信號

8、的合成。信號的分解部分提供了8個波形輸出測量點(diǎn)，tp801、tp802tp808；tp801tp807分別為信號的17次諧波輸出波形，第8個測量點(diǎn)tp808為8次以上諧波的合成輸出波形；信號合成的部分中，把分解輸出的各次諧波信號連接輸入至合成部分，在合成的輸出測量點(diǎn)上可觀察到合成后的信號波形。此模塊上還有四個開關(guān)，k801、k802k804。這四個開關(guān)的作用是用于選擇是否對分解出的1次、3次、5次、7次諧波幅度進(jìn)行放大（便于研究諧波幅度對信號合成的影響）：當(dāng)開關(guān)位于1、2位置時不放大，當(dāng)開關(guān)位于2、3位置時可通過相應(yīng)電位器調(diào)節(jié)諧波分量的幅度。如：對于輸出的基波分量，當(dāng)開關(guān)k801位于1、2位置

9、時，電位器w801不起任何作用，直接把分解提取到的基波輸出；當(dāng)開關(guān)k801位于2、3位置時，分解提取到的基波分量可通過電位器w801來調(diào)節(jié)它的輸出幅度的大小。信號插孔：p801-p808 信號分解時各次諧波的輸出插孔。8. 信號卷積實驗?zāi)K此模塊在信號分解模塊內(nèi)，結(jié)構(gòu)非常簡單，只有三個測量點(diǎn)，分別為兩個輸入信號測量點(diǎn)，一個卷積后的信號輸出波形測量點(diǎn)。輸入的信號為經(jīng)過a/d和d/a轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。9. 一階電路暫態(tài)響應(yīng)模塊此模塊可根據(jù)自己的需要搭接一階電路，觀測各點(diǎn)的信號波形。有3個測量點(diǎn)：tp902、tp903：一階rc電路輸出信號波形測量點(diǎn)；tp907 ：一階rl電路輸出信號波形測量點(diǎn)。信號

10、插孔：p901、p906：信號輸入插孔；p902、p903、p904、p905、p907、p908、p909：電路連接插孔。10. 二階電路傳輸特性模塊此模塊亦可根據(jù)需要搭接二階電路，觀測各測量點(diǎn)的信號波形。有兩個測量點(diǎn)：tp201：二階rc電路傳輸特性測量點(diǎn)；tp202：二階rl電路傳輸特性測量點(diǎn)。信號插孔：p201、p202：信號輸入插孔。11. 二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡模塊此模塊除完成二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡觀察的實驗，還可完成二階電路暫態(tài)響應(yīng)觀察的實驗。有兩個測量點(diǎn)：tp904、tp905：輸出信號波形觀測點(diǎn)信號插孔：p910：信號輸入插孔。12. 階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)模塊接入適當(dāng)?shù)妮斎胄盘枺捎^測輸入

11、信號的階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)。有兩個測量點(diǎn)：tp913：沖激信號觀測點(diǎn)；tp906：沖激響應(yīng)，階躍響應(yīng)信號輸出觀測點(diǎn)。信號插孔：p912、p914：信號輸入插孔；p913：電路連接插孔。13. 抽樣定理模塊通過本模塊可觀測到抽樣過程中各個階段的信號波形。有四個測量點(diǎn)：tp601：輸入信號波形觀測點(diǎn)； tp603：輸入信號經(jīng)采樣后的信號波形觀測點(diǎn)；tp604：抽樣信號經(jīng)濾波器恢復(fù)后的信號波形觀測點(diǎn)。信號插孔：p601：信號輸入插孔；p602：抽樣脈沖信號輸入插孔；p603：抽樣信號輸出插孔；其它：元器件選擇插孔。14. 模擬濾波器模塊提供了多種有源無源濾波器，包括低通無源濾波器、低通有源濾波器、高通

12、無源濾波器、高通有源濾波器、帶通無源濾波器、帶通有源濾波器、帶阻無源濾波器和帶阻有源濾波器。根據(jù)自己的需要進(jìn)行實驗。有8個測量點(diǎn)：tp401：信號經(jīng)低通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點(diǎn)；tp402：信號經(jīng)低通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點(diǎn)；tp403：信號經(jīng)高通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點(diǎn)；tp404：信號經(jīng)高通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點(diǎn)；tp405：信號經(jīng)帶通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點(diǎn)；tp406：信號經(jīng)帶通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點(diǎn)；tp407：信號經(jīng)帶阻無源濾波器后的輸出信號波形觀測點(diǎn)；tp408：信號經(jīng)帶阻有源濾波器后的輸出信號波形觀測點(diǎn)；信號插孔：p401、p

13、402、p403、p404、p405、p406、p407、p408：信號輸入插孔；15. 基本運(yùn)算單元與連續(xù)系統(tǒng)的模擬模塊本模塊提供了很多開放的電阻電容，可根據(jù)需要搭接不同的電路，進(jìn)行各種測試。如可實現(xiàn)加法器、比例放大器、積分器及一階系統(tǒng)的模擬。信號插孔：p301、p302：運(yùn)算放大器u301a的輸入信號插孔；p303：運(yùn)算放大器u301a的輸出信號插孔；p305、p306：運(yùn)算放大器u301b的輸入信號插孔；p307：運(yùn)算放大器u301b的輸出信號插孔； p340、p341、p342：10k電位器插孔；16. 頻率表與毫伏表頻率表顯示信號源輸出的信號的頻率值，毫伏表顯示信號源輸出信號的幅度的

14、平均值（正弦信號有效值），指示范圍為10。第三節(jié) 信號源本節(jié)將對信號源部分作進(jìn)一步的介紹和講解。本實驗平臺采用dds信號源，信號選擇靈活方便。通過此節(jié)學(xué)習(xí)，同學(xué)能夠進(jìn)一步了解信號源的操作和使用，建議學(xué)校把此節(jié)作為一個教學(xué)實驗。信號源操作區(qū)示意圖如圖3-1所示。j702sw704s701 s702 s703 s704 s705 w701tp702 tp701 p702 p701k701圖3-1 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(dāng)開關(guān)置于“函數(shù)”位置時，輸出三角波、正弦波、掃

15、頻、半波、全波等信號；當(dāng)開關(guān)置于“方波”位置時，輸出方波信號。w701：信號幅度調(diào)節(jié)旋鈕。tp702：函數(shù)信號輸出測量點(diǎn)，信號默認(rèn)的輸出頻率為2k。tp701：點(diǎn)頻信號測量點(diǎn)。sw704：點(diǎn)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”。1234（sw704選擇開關(guān)）f（頻率）2/t（占空比）01013k1/201103k1/401113k1/810016k1/210106k1/410116k1/8110112k1/2111012k1/4111112k1/8 s705： 頻率和占空比“”切換按鈕：i、 s705彈起時，按下頻率調(diào)節(jié)

16、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??；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，輸出信號頻率增加或減小100hz，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(rèn)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。p101： 毫伏表測量輸入插孔，做實驗時需把它同p702相連，此時可測得輸出信號有效值，也可把外加信號送至此

17、插孔測量其有效值。信號源波形的觀測實驗步驟：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(rèn)輸出信號的頻率為1k，此時頻率表應(yīng)顯示“001000”； 3. 連接p702和p101將輸出的信號送至毫伏表顯示；4. 在tp702上接示波器進(jìn)行觀察；5. 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；6. 按下信號占空比調(diào)節(jié)按鈕s704，可在示波器上觀察到信號占空比或?qū)ΨQ性的變化；7. 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；8. 選擇開關(guān)j702選擇其它的信號類型，重復(fù)上面的步驟進(jìn)行波形的觀察。第二章 傳統(tǒng)教學(xué)實驗實驗1 階躍響應(yīng)與沖激

18、響應(yīng)一、實驗?zāi)康?.觀察和測量rlc串聯(lián)電路的階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)的波形和有關(guān)參數(shù)，并研究其電路元件參數(shù)變化對響應(yīng)狀態(tài)的影響；2.掌握有關(guān)信號時域的測量方法。二、實驗原理說明實驗如圖1-1所示為rlc串聯(lián)電路的階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)的電路連接圖，圖1-1（a）為階躍響應(yīng)電路連接示意圖；圖1-1（b）為沖激響應(yīng)電路連接示意圖。1tp906p914p915信號源c2l1w902方波信號0.110mh10k圖1-1 (a) 階躍響應(yīng)電路連接示意圖產(chǎn)生沖激信號1tp9061tp913p912信號源c2l1w902c1方波信號0.110mh10kr11k圖1-1 (b) 沖激響應(yīng)電路連接示意圖其響應(yīng)有以下三種

19、狀態(tài)：（1） 當(dāng)電阻r2 時，稱過阻尼狀態(tài)；（2） 當(dāng)電阻r = 2 時，稱臨界狀態(tài)；（3） 當(dāng)電阻r2 時，稱欠阻尼狀態(tài)?，F(xiàn)將階躍響應(yīng)的動態(tài)指標(biāo)定義如下：上升時間：y(t)從0到第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值y（）所需的時間。峰值時間：y(t)從0上升到所需的時間。調(diào)節(jié)時間：y(t)的振蕩包絡(luò)線進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)值的%誤差范圍所需的時間。 最大超調(diào)量： 圖1-1 (c) 沖激響應(yīng)動態(tài)指標(biāo)示意圖沖激信號是階躍信號的導(dǎo)數(shù)，所以對線性時不變電路沖激響應(yīng)也是階躍響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)。為了便于用示波器觀察響應(yīng)波形，實驗用中用周期方波代替階躍信號。而用周期方波通過微分電路后得到的尖頂脈沖代替沖激信號。三、實驗內(nèi)容1.階躍響應(yīng)波形觀察與

20、參數(shù)測量設(shè)激勵信號為方波，其幅度為1.5v，頻率為500hz。實驗電路連接圖如圖1-1（a）所示。 連接p702與p914, p702與p101。(p101為毫伏表信號輸入插孔). j702置于“脈沖”，撥動開關(guān)k701選擇“脈沖”； 按動s701按鈕,使頻率f=500hz，調(diào)節(jié)w701幅度旋鈕，使信號幅度為1.5v。（注意：實驗中，在調(diào)整信號源的輸出信號的參數(shù)時，需連接上負(fù)載后調(diào)節(jié)） 示波器ch1接于tp906，調(diào)整w902，使電路分別工作于欠阻尼、臨界和過阻尼三種狀態(tài)，并將實驗數(shù)據(jù)填入表格11中。 tp702為輸入信號波形的測量點(diǎn)，可把示波器的ch2接于tp702上，便于波形比較。表11狀

21、 態(tài)參數(shù)測量欠 阻 尼 狀 態(tài)臨 界 狀 態(tài)過 阻 尼 狀 態(tài)參數(shù)測量r波形觀察注：描繪波形要使三種狀態(tài)的x軸坐標(biāo)（掃描時間）一致。2.沖激響應(yīng)的波形觀察沖激信號是由階躍信號經(jīng)過微分電路而得到。實驗電路如圖11（b）所示。p702與p912, p702與p101；（頻率與幅度不變）將示波器的ch1接于tp913，觀察經(jīng)微分后響應(yīng)波形（等效為沖激激勵信號）；連接p913與p914將示波器的ch2接于tp906，調(diào)整w902,使電路分別工作于欠阻尼、臨界和過阻尼三種狀態(tài)觀察tp906端三種狀態(tài)波形，并填于表12中。表12欠阻尼狀態(tài)臨界狀態(tài)過阻尼狀態(tài)激勵波形響應(yīng)波形表中的激勵波形為在測量點(diǎn)tp913

22、觀測到的波形（沖激激勵信號）。四、實驗報告要求1.描繪同樣時間軸階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)的輸入、輸出電壓波形時，要標(biāo)明信號幅度a、周期t、方波脈寬t1以及微分電路的值。2.分析實驗結(jié)果，說明電路參數(shù)變化對狀態(tài)的影響。五、實驗設(shè)備1.雙蹤示波器 1臺2.信號系統(tǒng)實驗箱 1臺實驗2 連續(xù)時間系統(tǒng)的模擬一、實驗?zāi)康?.了解基本運(yùn)算器加法器、標(biāo)量乘法器和積分器的電路結(jié)構(gòu)和運(yùn)算功能；2.掌握用基本運(yùn)算單元模擬連續(xù)時間系統(tǒng)的方法。二、實驗原理說明1.線性系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)的模擬就是用由基本運(yùn)算單元組成的模擬裝置來模擬實際的系統(tǒng)。這些實際系統(tǒng)可以是電的或非電的物理量系統(tǒng)，也可以是社會、經(jīng)濟(jì)和軍事等非物理量系統(tǒng)。模擬裝

23、置可以與實際系統(tǒng)的內(nèi)容完全不同，但是兩者的微分方程完全相同，輸入、輸出關(guān)系即傳輸函數(shù)也完全相同。模擬裝置的激勵和響應(yīng)是電物理量，而實際系統(tǒng)的激勵和響應(yīng)不一定是電物理量，但它們之間的關(guān)系是一一對應(yīng)的。所以，可以通過對模擬裝置的研究來分析實際系統(tǒng)，最終達(dá)到一定條件下確定最佳參數(shù)的目的。2. 三種基本運(yùn)算電路a.比例放大器，如圖2-1。 圖2-1 比例放大器電路連接示意圖b. 加法器，如圖2-2。 uo=-（u1+u2）=-（u1+u2） （r1=r2）圖2-2 加法器電路連接示意圖意 ()c.積分器，如圖2-3。圖2-3 積分器電路連接示意圖3.一階系統(tǒng)的模擬圖2-4（a）。它是最簡單rc電路，設(shè)

24、流過rc的電流為i(t)：則我們有 根據(jù)電容c上電壓與電流關(guān)系 因此 上式亦可寫成 這是最典型的一階微分方程。由于圖2-4（a）的rc電路輸入與輸出信號之間關(guān)系可用一階微方程來描述，故常稱為一階rc電路。上述典型的微分方程我們可以改變形式，寫成如下表示式：（1）式（2）式（1）式是和（2）式的數(shù)學(xué)關(guān)系正好用圖2-4的(b)、(c)表示，圖(b)和圖(c)在數(shù)學(xué)關(guān)系上是等效的。應(yīng)用比例放大，加法器和積分器電路(2)式可用圖2-4(d)所示的電路表示：它是最簡單的一階模擬電路。(a)(b)(c) (d)圖2-4 一階系統(tǒng)的模擬三、實驗內(nèi)容在實驗基本運(yùn)算單元與連續(xù)系統(tǒng)的模擬模塊中，有兩個運(yùn)算放大器。

25、分別通過三個插孔與其輸入輸出端相連。進(jìn)行實驗時，可根據(jù)需要選擇不同阻值的電阻。實驗?zāi)K上有4個電阻、6個精密電位器可供選擇。電位器的阻值根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.基本運(yùn)算器加法器的觀測同學(xué)們自己動手連接如圖2-6所示實驗電路。連接p702和p914，p702和p101。將j702置于“正弦”，撥動開關(guān)k701選擇“函數(shù)”，按動s702按鈕,使頻率為1khz，調(diào)節(jié)電位器w701使輸出幅度為1v。將p915和p702分別與 u1和u2端相連，調(diào)節(jié)w902可改變p915輸出信號的幅度。用示波器觀測u0端信號幅度。是否為兩輸入信號幅度之和。2.基本運(yùn)算器比例放大器的觀測同學(xué)們自己動手連接如圖2-7所示實驗

26、電路；連接p702和p101；將j702置于“脈沖”，撥動開關(guān)k701選擇“脈沖”；按動s702按鈕,使頻率為1khz，調(diào)節(jié)電位器w701使輸出幅度為1v；將信號源產(chǎn)生的脈沖信號送入輸入端ui，示波器同時觀察輸入、出波形并比較。3.基本運(yùn)算器積分器的觀測同學(xué)們自己動手連接如圖28所示實驗電路。信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為1v，頻率f=1khz的方波送入輸入端，示波器同時觀察輸入、輸出波形并比較。圖27 比例放大器實驗電路圖圖26 加法器實驗電路圖圖28 積分器實驗電路圖4.一階rc電路的模擬如圖2-4（a）為已知的一階rc電路。圖2-4（d）是它的一階模擬電路。同學(xué)們自己動手連接如圖2-4（d）所示實

27、驗電路。信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度為1v，頻率f=1khz的方波送入一階模擬電路輸入端，用示波器觀測輸出電壓波形，驗證其模擬情況。 四、實驗報告要求1.準(zhǔn)確繪制各基本運(yùn)算器輸入輸出波形，標(biāo)出峰-峰電壓及周期；2.繪制一階模擬電路階躍響應(yīng)，標(biāo)出峰-峰電壓及周期。五、實驗設(shè)備1.雙蹤示波器 1臺2.信號系統(tǒng)實驗箱 1臺 實驗3 有源無源濾波器一、實驗?zāi)康?.熟悉濾波器的構(gòu)成及其特性；2.學(xué)會測量濾波器幅頻特性的方法。二、實驗原理說明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

28、無源元件r、l和c組成，60年代以來，集成運(yùn)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(diǎn)。此外，由于集成運(yùn)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(yùn)放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路工作頻率難以做得很高，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31所示。圖中的表示輸入信號，為輸出信號。假設(shè)濾波器是一個線形時不變網(wǎng)絡(luò)，則在復(fù)頻域內(nèi)有a（s）vo(s)/vi(s) 濾波電路v0(t)vi(t) 圖3-1 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)，

29、一般為復(fù)數(shù)。對于實際頻率來說（s=j）則有a（j）a（j）ej() 3-1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（） - 3-2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，則相位和時延響應(yīng)亦需考慮。當(dāng)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

30、）。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3-2（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，而對大于的所有頻率完全衰減，因此其帶寬bw。高通濾波電路：其幅頻響應(yīng)如圖3-2（b）所示，由圖可以看到，在0范圍內(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，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3-2（c）所示，圖中為低邊截止角頻率，高邊截止角頻率，為中心角頻率。由圖可知，它有兩個阻帶：0和，因此帶寬bw。帶阻濾波電路：其幅頻響

31、應(yīng)如圖3-2（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。帶阻濾波電路抑制頻帶中點(diǎn)所在角頻率也叫中心角頻率。圖3-2 各種濾波電路的幅頻響應(yīng)（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)三、實驗內(nèi)容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

32、.測量低通濾波器的頻響特性圖示3-3（a）為無源低通濾波器。圖3-3（b）為有源低通濾波器。圖3-3（a） 無源低通濾波器圖3-3（b） 有源低通濾波器（1）逐點(diǎn)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3-1（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3-1（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3-1（a） 低通無源濾波器逐點(diǎn)測量法vi(v)11111111

33、11f(hz)vo(v)表3-1（b） 低通有源濾波器逐點(diǎn)測量法vi(v)1111111111f(hz)vo(v)2.測量高通濾波器的頻響特性圖3-4（a）為高通無源濾波器；圖3-4（b）為高通有源濾波器。 圖3-4（a）高通無源濾波器圖3-4（b）高通有源濾波器（1）逐點(diǎn)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3-2（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3-2（b）中

34、（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3-2 （a） 高通無源濾波器逐點(diǎn)測量法vi(v)1111111111f(hz)vo(v)表3-2 （b） 高通有源濾波器逐點(diǎn)測量法vi(v)1111111111f(hz)vo(v)3.測量帶通濾波器的頻響特性圖示3-5（a）為帶通無源濾波器，圖3-5（b）為帶通有源濾波器。圖3-5（a） 帶通無源濾波器圖3-5（b） 帶通有源濾波器（1）逐點(diǎn)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3-3（

35、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3-3（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。表3-3（a） 帶通無源濾波逐點(diǎn)測量法vi(v)111111111f(hz)vo(v)表3-3（b） 帶通有源濾波逐點(diǎn)測量法vi(v)111111111f(hz)vo(v)4.測量帶阻濾波器的頻響特性圖示3-6（a）為帶阻無源濾波器，圖3-6（b）為帶阻有源濾波器圖3-6（a） 帶阻無源濾波器圖3-6（b） 帶阻有源濾波器（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

36、，連接p702與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3-4（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3-4（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3-4（a） 帶阻無源濾波逐點(diǎn)測量法vi(v)111111111f(hz)vo(v) 表3-4（b） 帶阻有源濾波逐點(diǎn)測量法vi(v)111111111f(hz)vo(v)四、實驗報告要求整理實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)測試所得的數(shù)據(jù)繪制各個濾波器的幅頻響應(yīng)

37、曲線。五、實驗設(shè)備1.雙蹤示波器1臺2.信號與系統(tǒng)實驗箱1臺3.頻率計 1臺4.掃頻儀（可選） 1臺實驗4 抽樣定理與信號恢復(fù)一、實驗?zāi)康?. 觀察離散信號頻譜，了解其頻譜特點(diǎn)；2. 驗證抽樣定理并恢復(fù)原信號。二、實驗原理說明1. 離散信號不僅可從離散信號源獲得，而且也可從連續(xù)信號抽樣獲得。抽樣信號 fs（t）=f（t）s（t）其中f（t）為連續(xù)信號（例如三角波），s（t）是周期為ts的矩形窄脈沖。ts又稱抽樣間隔，fs=稱抽樣頻率，fs（t）為抽樣信號波形。f（t）、s（t）、fs（t）波形如圖4-1。圖4-1 連續(xù)信號抽樣過程將連續(xù)信號用周期性矩形脈沖抽樣而得到抽樣信號，可通過抽樣器來實現(xiàn)

38、，實驗原理電路如圖4-2所示。lpff(t)連續(xù)信號f(t)圖4-2 信號抽樣實驗原理圖開關(guān)信號fs(t)s(t)2. 連續(xù)周期信號經(jīng)周期矩形脈沖抽樣后，抽樣信號的頻譜它包含了原信號頻譜以及重復(fù)周期為fs（f s =、幅度按sa（）規(guī)律變化的原信號頻譜，即抽樣信號的頻譜是原信號頻譜的周期性延拓。因此，抽樣信號占有的頻帶比原信號頻帶寬得多。以三角波被矩形脈沖抽樣為例。三角波的頻譜f（j）=抽樣信號的頻譜fs（j）= 式中 取三角波的有效帶寬為3作圖，其抽樣信號頻譜如圖4-3所示。圖4-3 抽樣信號頻譜圖如果離散信號是由周期連續(xù)信號抽樣而得，則其頻譜的測量與周期連續(xù)信號方法相同，但應(yīng)注意頻譜的周期

39、性延拓。3. 抽樣信號在一定條件下可以恢復(fù)出原信號，其條件是fs2bf，其中fs為抽樣頻率，bf為原信號占有頻帶寬度。由于抽樣信號頻譜是原信號頻譜的周期性延拓，因此，只要通過一截止頻率為fc（fmfcfs-fm，fm是原信號頻譜中的最高頻率）的低通濾波器就能恢復(fù)出原信號。如果fs2bf，則抽樣信號的頻譜將出現(xiàn)混迭，此時將無法通過低通濾波器獲得原信號。圖4-4 實際低通濾波器在截止頻率附近頻率特性曲線在實際信號中，僅含有有限頻率成分的信號是極少的，大多數(shù)信號的頻率成分是無限的，并且實際低通濾波器在截止頻率附近頻率特性曲線不夠陡峭（如圖4-4所示），若使fs=2bf，fc=fm=bf，恢復(fù)出的信號

40、難免有失真。為了減小失真，應(yīng)將抽樣頻率fs取高（fs2bf），低通濾波器滿足fmfcfs-fm。為了防止原信號的頻帶過寬而造成抽樣后頻譜混迭，實驗中常采用前置低通濾波器濾除高頻分量，如圖4-5所示。若實驗中選用原信號頻帶較窄，則不必設(shè)置前置低通濾波器。本實驗采用有源低通濾波器，如圖4-6所示。若給定截止頻率fc，并取q=（為避免幅頻特性出現(xiàn)峰值），r1=r2=r，則:c1= （4-1）c2= （4-2）前置低通濾波器抽樣頻率低 通濾波器抽樣器f(t)fs(t)f(t)s(t)圖4-5 信號抽樣流程圖tp603tptp604tp圖4-6 源低通濾波器實驗電路圖圖4-6 有源低通濾波器實驗電路圖三

41、、實驗內(nèi)容1. 觀察抽樣信號波形。 j701置于“三角”， 選擇輸出信號為三角波，撥動開關(guān)k701選擇“函數(shù)”； 默認(rèn)輸出信號頻率為2khz，按下s702使得輸出頻率為1khz； 連接p702與p601，輸入抽樣原始信號； 連接p701與p602,輸入抽樣脈沖； 調(diào)節(jié)電位器w701，信號輸出信號幅度為1v。 撥動地址開關(guān)sw704改變抽樣頻率，用示波器觀察tp603（fs（t）的波形，此時需把撥動開關(guān)k601撥到“空”位置進(jìn)行觀察。 地址開關(guān)不同組合，輸出不同頻率和占空比的抽樣脈沖，如表41所示： 1234（sw704選擇開關(guān)）f（頻率）2/t（占空比）01013k1/201103k1/401

42、113k1/810016k1/210106k1/410116k1/8110112k1/2111012k1/4111112k1/8 表41 抽樣脈沖選擇2.驗證抽樣定理與信號恢復(fù)（1） 信號恢復(fù)實驗方案方框圖如圖4-7所示。圖4-7 信號恢復(fù)實驗方框圖（2） 信號發(fā)生器輸出f=1khz，a=1v有效值的三角波接于p601，示波器ch1接于tp603觀察抽樣信號fs(t)，ch2接于tp604觀察恢復(fù)的信號波形。（3）撥動開關(guān)k601撥到“2k”位置，選擇截止頻率fc2=2khz的濾波器；撥動開關(guān)k601撥到“4k”位置,選擇截止頻率fc2=4khz的濾波器；此時在tp604可觀察恢復(fù)的信號波形。

43、（4）撥動開關(guān)k601撥到“空”位置，未接濾波器。同學(xué)們可按照圖4-8，在基本運(yùn)算單元搭試截止頻率fc1=2k的低通濾波器，抽樣輸出波形p603送入ui端，恢復(fù)波形在uo端測量，圖中電阻可用電位器代替，進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4-8 截止頻率為2k的低通濾波器原理圖（5）設(shè)1khz的三角波信號的有效帶寬為3khz，fs(t)信號分別通過截止頻率為fc1和fc2低通濾波器，觀察其原信號的恢復(fù)情況，并完成下列觀察任務(wù)。1. 當(dāng)抽樣頻率為3khz、截止頻率為2khz時：fs(t)的波形f(t)波形2. 當(dāng)抽樣頻率為6khz、截止頻率為2khz時：fs(t)的波形f(t)波形3. 當(dāng)抽樣頻率為12khz、截止頻率

44、為2khz時：fs(t)的波形f(t)波形4. 當(dāng)抽樣頻率為3khz、截止頻率為4khz 時：fs(t)的波形f(t)波形5. 當(dāng)抽樣頻率為6khz、截止頻率為4khz時：fs(t)的波形f(t)波形6. 當(dāng)抽樣頻率為12khz、截止頻率為4khz時：fs(t)的波形f(t)波形四、實驗報告要求1. 整理數(shù)據(jù)，正確填寫表格，總結(jié)離散信號頻譜的特點(diǎn)；2. 整理在不同抽樣頻率（三種頻率）情況下，f（t）與f(t)波形，比較后得出結(jié)論；3. 比較f（t）分別為正弦波和三角形，其fs（t）的頻譜特點(diǎn)；4. 通過本實驗?zāi)阌泻误w會。五、實驗設(shè)備1. 雙蹤示波器 1臺2. 信號系統(tǒng)實驗箱 1臺3. 頻率計

45、1臺實驗5 二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡的顯示一、實驗?zāi)康?.掌握觀察二階電路狀態(tài)軌跡的方法；2.檢驗根據(jù)給定任務(wù)，自行擬定實驗方案的能力。二、實驗原理說明1. 任何變化的物理過程在第一時刻所處的“狀態(tài)”（狀況、形態(tài)或姿態(tài)），都可以用若干被稱為“狀態(tài)變量”的物理量來描述。電路也不例外，若一個含儲能元件的網(wǎng)絡(luò)在不同時刻各支路電壓、電流都在變化，那么電路在不同時刻所處的狀態(tài)也不相同。在電路中是選電容的電壓和電感的電流為狀態(tài)變量，所以了解了電路中vc和vl 的變化就可以了解電路狀態(tài)的變化。2. 對n階網(wǎng)絡(luò)可以用n個狀態(tài)變量來描述?？梢栽O(shè)想一個n維空間，每一維表示一個狀態(tài)變量，構(gòu)成一個“狀態(tài)空間”。網(wǎng)絡(luò)在每一時刻

46、所處的狀態(tài)可以用狀態(tài)空間中的一個點(diǎn)來表達(dá)，隨著時間的變化，點(diǎn)的移動形成一個軌跡，稱為“狀態(tài)軌跡”。二階網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)空間就是一個平面，狀態(tài)軌跡是平面上的一條曲線。電路參數(shù)不同狀態(tài)軌跡也不相同，電路處于過阻尼、欠阻尼和無阻尼情況的狀態(tài)軌跡如圖5-2、5-3和5-4所示。（a） 波形 （b）狀態(tài)軌跡圖5-2 rlc電路在過阻尼時的狀態(tài)軌跡 圖5-2（a）中上面為過阻尼波形，下面為過阻尼波形，圖5-2(b)為過阻尼狀態(tài)軌跡圖。（a）（上）和 波形（b）狀態(tài)軌跡圖5-3 rlc電路在欠阻尼時的狀態(tài)軌跡圖5-3(a)上面為欠阻尼的波形，下面為欠阻尼波形。圖5-3(b)為欠阻尼狀態(tài)軌跡圖。（a）（上）和 波形

47、 （b）狀態(tài)軌跡圖5-4 rlc電路在r=0時的狀態(tài)軌跡圖5-4（a）上面為臨界波形，下面為臨界波形，圖5-4(b)為臨界狀態(tài)軌跡圖。三、實驗內(nèi)容用示波器顯示二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡的原理與顯示李沙育圖形完全一樣。它采用方波作為激勵源，使過渡過程能重復(fù)出現(xiàn)，以便于用一般示波器觀察。因為由方波激勵，它有正負(fù)兩次跳變，因此所觀察到的狀態(tài)軌跡如圖5-4所示，圖中實線部分對應(yīng)于正跳變引起的狀態(tài)變化，虛線部分則是負(fù)跳變相應(yīng)的狀態(tài)變化。圖5-4 狀態(tài)軌跡實驗步驟： 連接p702與p910, p702與p101。(p101為毫伏表信號輸入插孔). j702置于“脈沖”，撥動開關(guān)k701選擇“脈沖”； 按動s702按鈕,使頻率為1khz，調(diào)節(jié)電位器w701使輸出幅度為2v； 示波器工作方式為“x-y”， ch1“+“接地，”-“接tp905，ch2“+”接tp904，“-”接于tp905處，并且ch2波形反向（按下chz inr）。 調(diào)整w901，使電路工作于不同狀態(tài)（欠阻尼、臨界、過阻尼）?？捎^察到如圖5-1（b）、5-2（b）及5-3（b）所示的軌跡狀態(tài)圖。實驗電路圖如圖5-5所示。 圖5-5 二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)