信號與系統(tǒng)實驗

1、實驗一 函數(shù)信號發(fā)生器一、實驗?zāi)康?、了解函數(shù)信號發(fā)生器的操作方法。2、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。3、熟悉信號與系統(tǒng)實驗箱信號產(chǎn)生的方法。二、實驗內(nèi)容 1、用示波器觀察輸出的三種波形。2、改變波形的頻率、幅值、占空比、觀察三種波形的變化,了解其中的一些極限值。三、預(yù)備知識閱讀原理說明部分有關(guān)MAX038的資料，熟悉管腳的排列及其功能。四、實驗儀器1、20M雙蹤示波器一臺。2、信號與系統(tǒng)實驗箱一臺。嗡嗡嗡五、實驗原理1、MAX038的原理 MAX038是單片精密函數(shù)信號產(chǎn)生器,它用5V電源工作，基本的振蕩器是一個交變地以恒流向電容器充電和放電的馳張振蕩器, 同時產(chǎn)生一個三

2、角波和矩形波。通過改變COSC 引腳的外接電容和流入IIN引腳的充放電電流的大小來控制輸出信號頻率,頻率范圍為0.1Hz20MHz。流入IIN 的電流由加到FADJ 和DADJ 引腳上的電壓來調(diào)制, 通過此兩引腳可用外接電壓信號調(diào)整頻率和占空比。MAX038 內(nèi)部有一個正弦波形成電路把振蕩器的三角波轉(zhuǎn)變成一個具有等幅的低失真的正弦波。三角波、正弦波和矩形波輸入一個多路器。兩根地址線A0和A1從這三個波形中選出一個, 從OUT引腳輸出2V(峰鋒值)振幅的信號。三角波又被送到產(chǎn)生高速矩形波的比較器 (由SYNC 引腳輸出)，它可以用于其它振蕩器, SYNC 電路具有單獨的電源引線因而可被禁止。另外

3、, PDI、PDO 引腳分別是相位檢波器的輸入和輸出端, 本信號源沒有使用。圖1-1-1 MAX038的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、MAX038的管腳圖及管腳功能 圖1-1-2 MAX038的管腳圖引 腳名 稱功 能1REF2.50V的門限參考電壓2，6，9，11，18GND地3A0波形選擇輸入端（TTL/CMOS兼容）4A1波形選擇輸入端（TTL/CMOS兼容）5COSC外接振蕩電容端7DADJ占空比調(diào)節(jié)端8FADJ頻率調(diào)節(jié)端10IIN振蕩頻率控制器的電流輸入端12PDO相位比較器輸出端（如果不用，應(yīng)接地）13PDI相位比較器輸入端（如果不用，應(yīng)接地）14SYNC同步輸出端（TTL/CMOS兼容輸出，允許內(nèi)

4、部和外部振蕩器同步。如果不用，應(yīng)懸空）15DGND數(shù)字接地16D數(shù)字電壓5V電源端，如果沒有用到SYNC應(yīng)懸空175V電源輸入端19OUT正弦波，三角波，方波輸出端205V電源輸入端表1-1-1 MAX038的引腳功能3、實驗電路如圖1-1-3所示：圖1-1-3 MAX038實驗電原理圖六、實驗步驟1、接上電源線，按下船形開關(guān)、電源開關(guān)及該模塊電源開關(guān)S1201、S1202，使其“輸出”為方波，通過調(diào)整“占空比調(diào)節(jié)”電位器，使方波的占空比達到50%（當(dāng)MAX038的第7腳DADJ電壓為0V時，方波的占空比為50%）。(注：“波形選擇”開關(guān)K1201和K1202用于選擇“方波”、“三角波”、“正

5、弦波”，當(dāng)K1201和K1202撥到左邊時，輸出方波，當(dāng)K1201撥到右邊且K1202撥到左邊時，輸出三角波；當(dāng)K1201和K1202撥到右邊時，輸出正弦波。而“JD1JD5”的各個跳線用于選擇不同的頻段；另外“頻率調(diào)節(jié)”的電位器可調(diào)節(jié)頻率，“幅度調(diào)節(jié)”的電位器可調(diào)節(jié)幅度)2、保持方波的占空比為50%不變，“波形選擇”開關(guān)選擇“正弦波”，觀察波形。3、改變外接電容C的值(這里通過“JD1JD5”的跳線選擇不同的頻段)，觀測輸出波形，并比較外接電容所測得的波形之間有何差異，可得出何結(jié)論？4、調(diào)節(jié)電位器“占空比調(diào)節(jié)”，分別觀測三種輸出波形（波形選擇上面已介紹），有何結(jié)論？（如影響方波的占空比，那么

6、對正弦波和三角波有何影響呢？）5、調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”電位器，記錄下函數(shù)發(fā)生器輸出的最高和最低頻率（注意配合“頻率選擇”檔）；再調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”電位器,記錄下函數(shù)發(fā)生器輸出的最大和最小幅度。由于MAX038內(nèi)部的非線性轉(zhuǎn)換使輸出的波形有可能失真。這可以通過在運放LF353 (U1202)的1、2腳間并聯(lián)上電容來解決失真問題（AI對應(yīng)不同的電容值,可解決不同頻段波形失真問題）。在使用過程中,如果選擇正弦波和方波,則可以按照表(1)給出的對應(yīng)關(guān)系接上不同的電容來解決失真問題。 注意：要一一對應(yīng),否則將會使波形更加失真,如果選擇三角波輸出,則不用連接AI的任何電容,即取下該處跳線。 A 22Hz250H

7、z正弦波的改善 B 200Hz500Hz C 500Hz3kHz D 3kHz6kHz E 6kHz70kHz F 50kHZ1MHz F300Hz40kHz方波的改善 G40kHz60kHz H60kHz120kHz I120kHz150kHz 表(1)七、實驗報告1、分別畫出各頻段所觀測到的方波，三角波和正弦波的波形圖，從中得出什么結(jié)論。2、列表整理C取不同值時正弦波的頻率范圍和最大幅度。3、調(diào)試函數(shù)信號發(fā)生器的心得體會。八、實驗測試點說明1、測試點分別為：“輸出”（孔和測試鉤）：輸出的信號可以從這點進行測量?！癎ND” ：與實驗箱的地相連。2、調(diào)節(jié)點分別為：“S1201”、“S1202：

8、此模塊的電源開關(guān)?！邦l率調(diào)節(jié)”：用于調(diào)節(jié)輸出信號的頻率。“幅度調(diào)節(jié)”：用于調(diào)節(jié)輸出信號的幅度。“占空比調(diào)節(jié)”：用于調(diào)節(jié)方波輸出的占空比?！安ㄐ芜x擇”：用于選擇方波，三角波和正弦波。“頻段選擇”：用于選擇不同的頻段。實驗二 數(shù)字式交流毫伏表一、實驗?zāi)康?、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、實驗內(nèi)容1、測量信號幅度的有效值，用數(shù)碼管進行觀察。2、測量不同的幅度的信號，采用不同的檔位。3、可以測試本實驗

9、箱中交流信號的幅度，主要應(yīng)用到“點頻法測濾波器的特性”中。三、實驗儀器1、20M雙蹤示波器一臺。2、信號與系統(tǒng)實驗箱。四、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： 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(dāng)前國際集成真有效值轉(zhuǎn)換器性

10、能較好的一種。AD637由絕對值電路、平方/除法器、低通濾波/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。 五、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，即通過“波形選擇”開關(guān)選擇正弦波。2、接通電源，并按下函數(shù)信號發(fā)生器模塊電源開關(guān)S1201、S1202和此模塊的電源開關(guān)S1。3、按下20V檔開關(guān),觀察數(shù)碼管上的顯示，并記錄相應(yīng)的數(shù)值，旋轉(zhuǎn)函數(shù)信號發(fā)生器的調(diào)節(jié)幅值的電位器（“幅度調(diào)節(jié)”），觀察數(shù)碼管上數(shù)值的變化。（提

11、示：該實驗?zāi)K中，W101用于參考電壓調(diào)節(jié)，W102、W103、W104分別用于200mV、2V、20V檔的校正，我們已基本校正好，均放在了PCB板的反面。）4、按下不同的檔位開關(guān)，重做上面的步驟，觀察并記錄實驗結(jié)果。（注：200mV檔測量時必須把SK101和SK102同時打到上端，其它檔位測量時，同時打到下端。）5、前幾個步驟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。其詳細用法請參見第二章實驗五“模擬濾波器的分析”中實驗內(nèi)容的描點法。六、實驗思考題比較測量的值和真實值（一般可用萬用表作為它的檢測工具），分析電壓表各檔的最大誤差。并思考哪些因素影響了其精度？七、實驗測試點說

12、明 1、測試點分別為：“輸入”(孔和測試鉤)：用于待測信號的輸入?！癎ND”：與實驗箱的地相連。2、調(diào)節(jié)點分別為：“S1”：此模塊的電源開關(guān)?！?00mV”：用于測試有效值為200mV內(nèi)的信號。“2V”：用于測試有效值為2V內(nèi)的信號?！?0V”：用于測試有效值為20V內(nèi)的信號。“SK101”“SK102”：當(dāng)測試毫伏級信號有效值，兩開關(guān)同時打到上端，測其它檔位時，兩開關(guān)同時打到下端。實驗三 頻率計 一、實驗?zāi)康?、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、實驗內(nèi)容1、內(nèi)部已經(jīng)和函數(shù)信號發(fā)生器連在一起，不需另外連線即可觀察函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率，稱為內(nèi)測。2、用連線把信

13、號引入頻率計的輸入端，觀察頻率，稱為外測。3、主要用到后面“信號分解與合成”和“模擬濾波器的分析”實驗中。三、實驗儀器1、20M雙蹤示波器一臺。2、信號與系統(tǒng)實驗箱。四、實驗步驟1、接通頻率計模塊的電源開關(guān)S2。2、將開關(guān)SK201打到“內(nèi)測”一端。3、按下函數(shù)信號發(fā)生器的電源開關(guān)S1201、S1202，使其輸出為方波信號，把開關(guān)SK202打到“幅度調(diào)節(jié)測量”，用示波器觀察測試鉤“幅度調(diào)節(jié)”，觀察其幅度是否超過2V（此時輸入信號的幅度為200mV左右），這樣就可以測量幅度很小的信號，甚至達到毫伏級。然后將開關(guān)SK202打到“幅度調(diào)節(jié)輸入”，頻率計將讀出方波信號的頻率。改變函數(shù)發(fā)生器的輸出頻率，

14、頻率計的讀數(shù)也將隨之而改變。（注：數(shù)碼管上輸出頻率的單位為HZ。）4、使函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波或三角波，重做上述實驗。5、將開關(guān)SK201打到“外測”，即外測頻率檔。6、從外部（如常用信號分類與觀察的“輸出”）引入一信號至本頻率計的外測頻率輸入端，頻率計將讀出此外測信號的頻率。（另注：在做后面的“模擬濾波器的分析”和“信號分解與合成”時均將頻率計作為工具使用，前者用于點頻法，后者則用于觀察輸入信號的頻率。）五、實驗測試點的說明 1、測試點分別為：“外測信號”：用于待測信號的輸入。 “內(nèi)測信號”：此測試鉤用于函數(shù)信號發(fā)生器輸出的信號頻率的測量，內(nèi)部已經(jīng)相連。 “幅度調(diào)節(jié)”：用于測量經(jīng)過放大的信號，

15、主要目的是用于毫伏級信號的測量。 “GND”：與實驗箱的地相連。2、調(diào)節(jié)點分別為：“S2”：此模塊的電源開關(guān)?！癛ESET”：用于單片機89C2051的復(fù)位?！癝K201”：用于內(nèi)測與外測的切換?！癝K202”：幅度調(diào)節(jié)測量和幅度調(diào)節(jié)輸入的切換，當(dāng)為幅度調(diào)節(jié)測量時，可以測量“幅度調(diào)節(jié)”測試鉤的信號，此時數(shù)碼管不顯示頻率，當(dāng)打到幅度調(diào)節(jié)輸入時，數(shù)碼管顯示頻率。實驗四 掃頻源一、實驗?zāi)康?、了解掃頻源的工作原理、作用和操作方法。2、掌握掃頻源的使用方法。二、實驗內(nèi)容 1、使常用信號分類與觀察模塊的鋸齒波作為掃頻電壓（內(nèi)部已連），觀察連續(xù)的正弦信號的輸出，頻率各不相等，形成一個頻帶。2、按下不同的頻

16、段開關(guān)，輸出的掃頻信號的頻帶寬度將不同，按下“掃速升”“掃速降”，可以觀察掃速的快慢變化。3、主要是用來測試濾波器的幅頻特性，在“模擬濾波器的分析”實驗中稱為“掃頻法”三、實驗儀器1、信號與系統(tǒng)實驗箱一臺（主板）。2、20M雙蹤示波器一臺。四、實驗原理利用普通的信號發(fā)生器測試頻率特性時，需要配合使用電壓表。逐點調(diào)整信號發(fā)生器的輸出頻率，用電壓表記下相應(yīng)的被測設(shè)備或系統(tǒng)的幅度數(shù)值，然后在直角坐標(biāo)平面上以頻率為橫坐標(biāo)，以記錄的數(shù)值（如幅度、幅度比等）為縱坐標(biāo)，描繪出被測器件的頻率特性。這種測試方法稱為“點頻法”?！包c頻法”雖然準確度較高，但繁瑣而費時，有些頻率間隔不夠密就被漏去，難以全面了解被測系

17、統(tǒng)的頻率特性。輸出頻率隨時間在一定范圍內(nèi)反復(fù)掃描的正弦波信號發(fā)生器稱之為掃頻信號發(fā)生器，使用這種儀器就可以實現(xiàn)頻率特性的自動或半自動測試，達到測試簡便又快捷的目的。掃頻信號源的作用是提供頻率按一定規(guī)律變化的掃頻信號，應(yīng)具備以下性能：頻率寬帶線性掃頻，寄生調(diào)頻小，諧波含量低；功率輸出大且輸出口反射小，有良好的內(nèi)穩(wěn)幅和接受外穩(wěn)幅的能力，漂移?。还ぷ鞣绞接泄潭l率和掃頻輸出，掃速可調(diào)。使用掃頻信號發(fā)生器，配合一些設(shè)備（如檢波器、移相器、示波器等），可以方便地測量被測設(shè)備或系統(tǒng)的頻率特性、動態(tài)特性和信號的頻譜，因而在自動和半自動測量中獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。示波器適合于在定性或半定性掃頻測量中作指示器用

18、，可以在全頻段上給出直觀的測量結(jié)果。對示波器提出的要求是：Y偏轉(zhuǎn)靈敏度高，漂移小，最好是對數(shù)放大，雙線；衰減器有精確的粗、細調(diào)校準刻度；長余輝，最好是可變余輝；有外掃描及直流輸入口；熒光屏有專門的分貝、駐波比刻度盤。圖1-4-1為掃頻信號發(fā)生器的方框圖。與普通正弦信號發(fā)生器一樣，掃頻信號發(fā)生器包括：正弦波振蕩器、電平調(diào)制器和輸出衰減器等部分。正弦振蕩器在掃頻電壓的作用下，按一定的規(guī)律，在一定的范圍內(nèi)反復(fù)掃描。掃描電壓由掃描電壓發(fā)生器產(chǎn)生，有的呈鋸齒波，有的為三角波，其掃頻規(guī)律則為線性；如掃描電壓呈對數(shù)形，則掃頻規(guī)律是對數(shù)的。前者能獲得均勻的頻率刻度，是最常用的工作方式；后者運用于寬帶掃頻的情況

19、。本掃頻信號發(fā)生器的掃頻電壓為鋸齒波，由單片機低頻信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生。因而，在做實驗時，應(yīng)讓單片機低頻信號發(fā)生器模塊輸出鋸齒波。輸出掃頻電壓發(fā) 生 器正 弦振蕩器電 平調(diào)制器衰減器放大器圖1-4-1 掃頻信號發(fā)生器方框圖本實驗箱的掃頻信號發(fā)生器核心器件采用的是MAX038函數(shù)發(fā)生器（引腳圖見實驗一“函數(shù)信號發(fā)生器”圖1-1-2）。其工作原理已在實驗一中較詳細介紹過，在此不再重復(fù)。單片機低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的掃頻控制電壓鋸齒波為雙極性波形，為了不讓輸出的掃頻信號失真,函數(shù)發(fā)生器MAX038的IIN引腳的輸入電流范圍應(yīng)為，此時鋸齒波通過一個20K的電阻接到IIN引腳，所以鋸齒波應(yīng)在0.2V-8V之間

20、線性變化，本模塊采用的是一加法器電路來實現(xiàn)此功能的。輸出信號的頻率計算公式如下：其中，為輸出頻率，是第10腳的輸入電流，是第5腳的外接的調(diào)節(jié)電容，電流的輸出范圍：，但在時，信號的線性度最好。當(dāng)選定，我們可以通過改變電壓調(diào)節(jié)頻率，如果加上一個鋸齒波，頻率會線性的增長，本實驗箱就是利用以上的原理得到掃頻信號的。本實驗?zāi)K中，外接電容受開關(guān)控制，因此，在做實驗時，選擇不同的開關(guān)，輸出掃頻信號的頻段也就不同。五、實驗步驟1、按下常用信號分類與觀察模塊的電源開關(guān)S5，并將單片機選中鋸齒波輸出狀態(tài)。2、按下掃頻源模塊的電源開關(guān)S1101、S1102。3、將選擇信號源與掃頻源的開關(guān)打到掃頻源端。（注意：此掃

21、頻源還可以作為信號源，只需要將開關(guān)打到信號源端，其操作方法與函數(shù)信號發(fā)生模塊一樣。AI用來改善波形的失真問題）。4、用示波器觀察掃頻電壓測試鉤的波形，可以觀察其線性電壓約在0.2V到8V（W401和W402用于調(diào)節(jié)鋸齒波的直流電平和線性高度）。5、選中“掃頻段5”，則與之相對應(yīng)的指示燈亮。6、用示波器觀察“掃頻信號”輸出端信號，按“掃速降”或“掃速升”鍵，以選擇掃頻信號的輸出速度，注意掃頻輸出信號的變化。7、按住常用信號分類與觀察模塊中的“鋸齒波”按鍵，可以在“掃頻信號”輸出端觀察到某一時刻的掃頻信號，觀察其是否產(chǎn)生失真，這樣可以清楚的看到整個頻段內(nèi)的掃頻信號。8、調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”電位器，觀察

22、“掃頻信號”的輸出幅度的變化。9、選中“掃頻段4”，重做上述實驗，觀察掃頻輸出信號有何不同。（注：在更換掃頻段時，前一掃頻段開關(guān)應(yīng)該抬起，即每時每刻只有一個掃頻段開關(guān)按下，此時掃頻輸出的信號才與該頻段相對應(yīng)。）10、按照同樣的方法可觀察不同掃頻段的掃頻信號。（注：“掃頻段5”所輸出波形的頻率最低，反之，“掃頻段1”輸出波形的頻率則最高。且一般來說，選中頻率低的掃頻段時，直接在示波器上才易觀察，頻率高了，普通示波器一般不易直接觀察，但作為濾波器的輸入信號時則很易觀察）11、以上九點只是掃頻源的使用方法，但其主要用途則不僅于此，其詳細用法請參見實驗五“模擬濾波器的分析”的“實驗內(nèi)容”里的掃頻源法。

23、注：掃頻源各掃頻段的頻率范圍大約是： 掃頻段1：110kHz1.2MHz 掃頻段2：36kHz460kHz 掃頻段3：3.6KHz47kHz 掃頻段4：280Hz3.7kHz 掃頻段5：22Hz300Hz六、實驗報告1、闡述掃頻信號源的作用及本掃頻源的原理。2、按照實驗原理給出的公式，計算出掃頻源各頻段的輸出頻率范圍。七、實驗測試點說明 1、測試點分別為： “”：掃頻電壓，為鋸齒波信號，是從常用信號分類與觀察模塊中引入的，內(nèi)部已連?！皰哳l電壓測量”：把掃頻電壓進行變換，用示波器觀測峰峰值范圍為0.2V8V?！拜敵觥保缀蜏y試鉤）輸出的是掃頻信號或信號源信號?！癎ND”：與實驗箱的地相連。2、調(diào)

24、節(jié)點分別為：“S1101”、“ S1102”：此模塊的電源開關(guān)?！邦l段1”“頻段5”：用于頻段的選擇?！皰咚偕焙汀皰咚俳怠保嚎梢哉{(diào)節(jié)掃頻信號的速度?！胺日{(diào)節(jié)”：可以調(diào)節(jié)信號的幅度?！邦l率調(diào)節(jié)”：可以輸出信號的頻率?！罢伎毡日{(diào)節(jié)”： 可以調(diào)節(jié)方波的占空比。實驗五 常用信號分類與觀察一、實驗?zāi)康?、觀察常用信號的波形特點及產(chǎn)生方法。2、學(xué)會使用示波器對常用波形參數(shù)的測量。二、實驗內(nèi)容1、信號的種類相當(dāng)?shù)亩啵@里列出了幾種典型的信號，便于觀察。2、這些信號可以應(yīng)用到后面的“基本運算單元”和“無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)分析”中。三、實驗儀器1、信號與系統(tǒng)實驗箱一臺（主板）。2、20MHz雙蹤示波器一臺。四、實

25、驗原理對于一個系統(tǒng)特性的研究，其中重要的一個方面是研究它的輸入輸出關(guān)系，即在一特定的輸入信號下，系統(tǒng)對應(yīng)的輸出響應(yīng)信號。因而對信號的研究是對系統(tǒng)研究的出發(fā)點，是對系統(tǒng)特性觀察的基本手段與方法。在本實驗中，將對常用信號和特性進行分析、研究。信號可以表示為一個或多個變量的函數(shù)，在這里僅對一維信號進行研究，自變量為時間。常用信號有：指數(shù)信號、正弦信號、指數(shù)衰減正弦信號、抽樣信號、鐘形信號、脈沖信號等。1、正弦信號：其表達式為，其信號的參數(shù)：振幅、角頻率、與初始相位。其波形如下圖所示： 圖 1-5-1 正弦信號2、指數(shù)信號：指數(shù)信號可表示為。對于不同的取值，其波形表現(xiàn)為不同的形式，如下圖所示：圖 1-

26、5-2 指數(shù)信號3、指數(shù)衰減正弦信號：其表達式為 其波形如下圖： 圖 1-5-3 指數(shù)衰減正弦信號4、抽樣信號：其表達式為： 。是一個偶函數(shù)， = ,2,n時，函數(shù)值為零。該函數(shù)在很多應(yīng)用場合具有獨特的運用。其信號如下圖所示：圖1-5-4 抽樣信號5、鐘形信號（高斯函數(shù)）：其表達式為： ，其信號如下圖所示： 圖 1-5-5 鐘形信號6、脈沖信號：其表達式為，其中為單位階躍函數(shù)。 7、方波信號：信號周期為，前期間信號為正電平信號，后期間信號為負電平信號。五、實驗步驟1、利用示波器觀察正弦信號的波形，并測量分析其對應(yīng)的振幅，角頻率。具體步驟如下：（1）接通電源，并按下此模塊電源開關(guān)S5。（2）按下

27、此模塊中的按鍵“正弦波”，用示波器觀察輸出的正弦信號，并分析其對應(yīng)的頻率。（3）再按一下“頻率降”或“頻率升”鍵，觀察波形的變化，并分析且測量對應(yīng)頻率的變化，記錄此時的振幅，角頻率。（注：復(fù)位后輸出的信號頻率最大，只有當(dāng)按下“頻率降”時，按“頻率升”鍵波形才會變化，并每次在改變波形時，波形的頻率為最大，以下波形的輸出與此類似）2、用示波器測量指數(shù)信號波形，并分析其所對應(yīng)的參數(shù)。具體步驟如下：（1）按下此模塊中的按鍵 “指數(shù)信號”，用示波器觀察輸出的指數(shù)信號,并分析其對應(yīng)的頻率、參數(shù)。（2）再按一下“頻率降”或“頻率升”鍵，觀察波形的變化，分析其對應(yīng)頻率的變化，并分析此時的參數(shù)的變化。3、指數(shù)衰

28、減正弦信號觀察（正頻率信號）。具體步驟如下：（1）按下此模塊中的按鍵 “指數(shù)衰減”，用示波器觀察輸出的指數(shù)衰減正弦信號,并分析其對應(yīng)的頻率。（2）再按一下“頻率降”或“頻率升”鍵，觀察波形的變化，并分析且測量對應(yīng)頻率的變化。4、抽樣信號的觀察。具體操作如下：（1） 按下此模塊中的按鍵 “Sa信號”，用示波器觀察輸出的抽樣信號,并分析其對應(yīng)的頻率。（2）再按一下“頻率降”或“頻率升”鍵，觀察波形的變化，并分析且測量對應(yīng)頻率的變化。5、鐘形信號的觀察：（1） 按下此模塊中的按鍵 “鐘形信號”，用示波器觀察輸出的鐘形信號,并分析其對應(yīng)的頻率。（2）再按一下“頻率降”或“頻率升”鍵，觀察波形的變化，并

29、分析且測量對應(yīng)頻率的變化及相應(yīng)的參數(shù)。6、脈沖信號的觀察：（1） 按下此模塊中的按鍵 “脈沖信號”，用示波器觀察輸出的脈沖信號,并分析其對應(yīng)的頻率。（2） 再按一下“頻率降”或“頻率升”鍵，觀察波形的變化和特點，并分析且測量對應(yīng)頻率的變化。7、方波、三角波、鋸齒波信號的觀察： （1）按下此模塊中的相應(yīng)信號的按鍵，用示波器觀察輸出的信號,并分析其對應(yīng)的頻率。（2） 再按一下“頻率降”或“頻率升”鍵，觀察波形的變化和特點，并分析且測量對應(yīng)頻率的變化。六、實驗報告要求用坐標(biāo)紙畫出各波形。七、實驗測試點的說明 1、測試點分別為：“輸出”（孔和測試鉤）：信號的輸出端?！癎ND”：與實驗箱的地相連。2、調(diào)

30、節(jié)點分別為：“正弦波”“RESET”：完成標(biāo)識上的功能。實驗六 零輸入響應(yīng)零狀態(tài)響應(yīng)一、實驗?zāi)康?、掌握電路的零輸入響應(yīng)。2、掌握電路的零狀態(tài)響應(yīng)。3、學(xué)會電路的零狀態(tài)響應(yīng)與零輸入響應(yīng)的觀察方法。二、實驗內(nèi)容1、觀察零輸入響應(yīng)的過程。2、觀察零狀態(tài)響應(yīng)的過程。三、實驗儀器1、信號與系統(tǒng)實驗箱一臺（主板）。2、系統(tǒng)時域與頻域分析模塊一塊。3、20MHz示波器一臺。四、實驗原理1、零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)：零輸入響應(yīng)：沒有外加激勵的作用，只有起始狀態(tài)（起始時刻系統(tǒng)儲能）所產(chǎn)生的響應(yīng)。零狀態(tài)響應(yīng)：不考慮起始時刻系統(tǒng)儲能的作用（起始狀態(tài)等于零）。2、典型電路分析：電路的響應(yīng)一般可分解為零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)

31、響應(yīng)。首先考察一個實例：在下圖中由RC組成一電路，電容兩端有起始電壓Vc(0-),激勵源為e(t)。R+ e (t) C Vc(0-) Vc(t)_ 圖2-1-1 RC電路_則系統(tǒng)響應(yīng)-電容兩端電壓：上式中第一項稱之為零輸入響應(yīng)，與輸入激勵無關(guān)，零輸入響應(yīng)是以初始電壓值開始，以指數(shù)規(guī)律進行衰減。第二項與起始儲能無關(guān)，只與輸入激勵有關(guān)，被稱為零狀態(tài)響應(yīng)。在不同的輸入信號下，電路會表征出不同的響應(yīng)。五、實驗步驟1、把系統(tǒng)時域與頻域分析模塊插在主板上，用導(dǎo)線接通此模塊“電源接入”和主板上的電源（看清標(biāo)識，防止接錯，）。2、系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)特性觀察(1) 接通主板上的電源，同時按下本模塊的電源開關(guān)S1

32、，將“函數(shù)信號發(fā)生器”模塊中的輸出（將“波形選擇”撥到方波 “頻率調(diào)節(jié)”用于在頻段內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)，“占空比”用于脈沖寬度的調(diào)節(jié)，可改變以上的參數(shù)進行相關(guān)的操作），通過導(dǎo)線引入到“零輸入零狀態(tài)響應(yīng)”的輸入端。(2) 用示波器的兩個探頭，一個接函數(shù)信號發(fā)生器輸出作同步，一個用于觀察輸出信號的波形，即在低電平時所觀察到的波形即為零輸入響應(yīng)，在高電平所觀察到的波形即為零狀態(tài)響應(yīng)。(3) 改變函數(shù)信號發(fā)生器的“頻率調(diào)節(jié)”電位器，觀察到的是不同系統(tǒng)下的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)。3、系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)特性觀察 （1）觀察的方法與上述相同，不過當(dāng)脈沖進入高電平階段時，相當(dāng)于此時加上激勵，即此時零狀態(tài)響應(yīng)應(yīng)在脈沖的高

33、電平進行。（2）改變本實驗的開關(guān)K1的位置，觀察到的是不同系統(tǒng)下的零狀態(tài)響應(yīng)，進行相應(yīng)的比較。六、實驗報告 1、用兩個坐標(biāo)軸，分別繪制出零輸入和零狀態(tài)的輸出波形。 2、通過繪制出的波形，和理論計算的結(jié)果進行比較。七、實驗思考題圖2-1-1所示電路中，根據(jù)實驗提供的實驗元件，計算系統(tǒng)的零狀態(tài)和零輸入過程。八、實驗測試點的說明 1、測試點分別為： “輸入”（孔和測試鉤）：階躍信號的輸入端。 “輸出”：零輸入和零狀態(tài)的輸出端。 “GND”：與實驗箱的地相連。2、調(diào)節(jié)點分別為：“S1”：此模塊的電源開關(guān)。實驗七 信號分解與合成一、實驗?zāi)康?1、觀察信號的分解。2、掌握帶通濾波器的有關(guān)特性測試方法。3、

34、觀測基波和其諧波的合成。 二、實驗內(nèi)容1、觀察信號分解的過程及信號中所包含的各次諧波。2、觀察由各次諧波合成的信號。三、預(yù)備知識1、了解李沙育圖相關(guān)知識。2、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。四、實驗儀器 1、信號與系統(tǒng)實驗箱一臺（主板）。2、電信號分解與合成模塊一塊。3、20M雙蹤示波器一臺。五、實驗原理1、任何信號都是由各種不同頻率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。對周期信號由它的傅里葉級數(shù)展開式可知，各次諧波為基波頻率的整數(shù)倍。而非周期信號包含了從零到無窮大的所有頻率成份，每一頻率成份的幅度均趨向無限小，但其相對大小是不同的。 通過一個選頻

35、網(wǎng)絡(luò)可以將信號中所包含的某一頻率成份提取出來。本實驗采用性能較佳的有源帶通濾波器作為選頻網(wǎng)絡(luò)，因此對周期信號波形分解的實驗方案如圖2-2-1所示。將被測方波信號加到分別調(diào)諧于其基波和各次奇諧波頻率的一系列有源帶通濾波器電路上。從每一有源帶通濾波器的輸出端可以用示波器觀察到相應(yīng)頻率的正弦波。實驗所用的被測信號是左右的周期信號，而用作選頻網(wǎng)絡(luò)的五種有源帶通濾波器的輸出頻率分別是，因而能從各有源帶通濾波器的兩端觀察到基波和各次諧波。其中，在理想情況下，如方波的偶次諧波應(yīng)該無輸出信號，始終為零電平，而奇次諧波則具有很好的幅度收斂性，理想情況下奇次諧波中一、三、五、七、九次諧波的幅度比應(yīng)為1：（1/3）

36、：（1/5）：（1/7）：（1/9）。但實際上因輸入方波的占空比較難控制在50%，且方波可能有少量失真以及濾波器本身濾波特性的有限性都會使得偶次諧波分量不能達到理想零的情況。為了改善模擬濾波電路濾波效果不理想的情況，信號分解與合成模塊還提供了數(shù)字方式來實現(xiàn)信號的分解，由方波分解出其基波、三次諧波、五次諧波、七次諧波。調(diào)節(jié)調(diào)幅電位器W01、W02、W03可以將基波，三次諧波，五次諧波，七次諧波的幅度調(diào)節(jié)成1：1/3：1/5：1/7，通過導(dǎo)線將其連接至信號的合成的輸入插座IN01、IN02、IN03、IN04J,通過測試勾可以觀察到合成后的波形。2、驗證三諧波與基波之間的相位差是否為180,五諧波

37、與基波之間的相位差是否為0?？捎美钌秤龍D形法進行測量，其方法如下：用導(dǎo)線將函數(shù)發(fā)生器的方波輸出端與帶通濾波器輸入端連接起來，即把方波信號分先后送入各帶通濾波器，如圖2-2-1所示。BPF-BPF-BPF-BPF-BPF-圖2-2-1 信號分解的過程具體方法一：基波與標(biāo)準同頻同相信號相位比較（李沙育相位測量法）把函數(shù)信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生的正弦波電壓調(diào)至6V（峰峰值），使其送入示波器的X軸，再把BPF-的基波送入Y軸，示波器采用X-Y方式顯示，觀察李沙育圖形。（注：當(dāng)濾波器的增益不為1時，即X軸和Y軸信號幅度不一致時，在時其李沙育圖形并不為圓，而是橢圓，但其是垂直橢圓，與時的橢圓并不相同。）當(dāng)兩信號

38、相位差為時，波形為一條直線；當(dāng)兩信號相位差為時，波形為一個圓；當(dāng)兩信號相位差為時，波形為橢圓，如圖2-2-2所示。時： B A 圖2-2-2 李沙育圖形具體方法二：基波與各高次諧波相位比較（李沙育頻率測試法）把BPF-處的基波送入示波器的X軸，再分別把BPF-、BPF-處的高次諧波送入Y軸，示波器采用X-Y方式顯示，觀察李沙育圖形。當(dāng)基波與三次諧波相位差為（即過零點重合）、18時，波形分別如圖2-2-3所示。 相位差0 相位差90 相位差180圖2-2-3 基波與三次諧波相位的觀察以上是三次諧波與基波產(chǎn)生的典型的Lissajous圖，通過圖形上下端及兩旁的波峰個數(shù)，確定頻率比，即3：1，實際上

39、可用同樣的方法觀察五次諧波與基波的相移和頻率比，其應(yīng)約為5：1。六、實驗步驟1、把電信號分解與合成模塊插在主板上，用導(dǎo)線接通此模塊“電源接入”和主板上的電源（看清標(biāo)識，防止接錯，帶保護電路），并打開此模塊的電源開關(guān)。 2、調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器，使其輸出10KHz左右的方波（要求方波占空比為50%，這個要求較為嚴格），峰峰值為6V左右。將其接至該實驗?zāi)K的“輸入”端，用示波器觀察各帶通濾波器的輸出即各次諧波。（注：觀察頻率時，可打開實驗箱上的頻率計實驗?zāi)K。即按下該模塊電源開關(guān)S2。） 3、信號的分解實驗提供兩種方式即分立元件模擬方式和數(shù)字方式。模擬方式是采用有源帶通濾波器從原信號中過濾出各次諧波

40、分量，由于濾波網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性對各次諧波的幅度和相位均有影響，所以需要調(diào)節(jié)各次諧波的相位和幅度。數(shù)字方式采用單片機輸出各次諧波分量的采樣值，然后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換出各次諧波，基波幅度已經(jīng)固定，只需調(diào)節(jié)其他諧波的幅度，操作比較方便。模擬方式需要打開電源開關(guān)S1,數(shù)字方式需要同時打開電源開關(guān)S1,S2。 4、用示波器的兩個探頭，直接觀察基波與三次諧波的相位關(guān)系，或者采用李沙育圖的方法，看其相位差是否為180，同時考察其幅度關(guān)系，幅度之比是否為3:1（可以用相應(yīng)帶通濾波器中的調(diào)相和調(diào)幅電位器進行相關(guān)的調(diào)節(jié)，先保證了相位滿足關(guān)系后在調(diào)節(jié)調(diào)幅電位器使幅度滿足實驗的要求，以下的步驟中均可用到調(diào)相和調(diào)幅，

41、使我們認識到調(diào)相和調(diào)幅在信號分解和合成的重要性）。 5、信號分解的數(shù)字方式則可以直接觀察分解出的基波、三、五、七次諧波（需打開電源開關(guān)S1、S2），并通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻W01,W02,W03可依次對應(yīng)地改變?nèi)?、五、七次諧波的信號幅度。通過調(diào)節(jié)W01、W02、W03可以使基波、三、五、七次諧波的幅度滿足1：1/3：1/5：1/7的比例關(guān)系。 6、將方波分解所得基波和三次諧波,用導(dǎo)線與其對應(yīng)的插孔相連，觀測加法器的輸出“合成”波形，并記錄所得的波形。 7、用示波器的兩個探頭，直接觀察基波與五次諧波的相位關(guān)系，或者采用李沙育圖的方法，看基波與五次諧波的相位差是否為0，同時考察其幅度關(guān)系，幅度之比是否為

42、5:1。 8、將方波分解所得基波和三次諧波，五次諧波,用導(dǎo)線與其對應(yīng)的插孔相連，觀測加法器的輸出“合成”波形，并記錄所得的波形。 9、方波波形合成（1）將函數(shù)發(fā)生器輸出的10kHz左右方波信號送入各帶通濾波器輸入端。（2）逐個測量各諧波輸出幅度、波形，然后將基波及各高次諧波分別與信號合成的IN01IN05任意一個相連，觀察基波與任何一次或各次諧波合成的波形。（3）用示波器觀察并記錄加法器輸出端基波與各奇次諧波的疊加波形，如圖2-2-4所示。 圖2-2-4 基波與三次和五次諧波疊加后的波形七、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

43、應(yīng)將這些波形繪制在同一坐標(biāo)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(biāo)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。八、實驗思考題1、考慮實驗中出現(xiàn)誤差的原因是什么？2、什么是吉布斯效應(yīng)，它是如何產(chǎn)生的，它的具體的表現(xiàn)是什么？注 ：本次實驗相當(dāng)于把調(diào)試的工作留給了學(xué)生，把這次實驗真正的開設(shè)成理論和實際的結(jié)合，實驗一定要仔細的思考和積極的動手，充分認識相位和幅度在合成起到的作用，如果真正的認識了相位和幅度在合成中的

44、重要意義和影響，那么就清楚的理解了相頻和幅頻失真。九、實驗測試點的說明 1、測試點分別為： “輸入”：模擬信號的輸入。 “基波”“五次諧波”：測量模擬信號的諧波信號。 “合成”：諧波合成后的輸出。 “GND”：與實驗箱的地相連。 2、調(diào)節(jié)點分別為：“S1”“S2”：此模塊的電源開關(guān)?！罢{(diào)幅”“調(diào)相”：用于各次諧波合成時，滿足幅度和相位條件，認識相位和幅度在信號中的作用。實驗八 信號的采樣與恢復(fù)一、實驗?zāi)康?、了解信號的采樣方法與過程以及信號恢復(fù)的方法。2、驗證抽樣定理。二、實驗內(nèi)容1、觀察抽樣脈沖、抽樣信號、抽樣恢復(fù)信號。2、觀察抽樣過程中，發(fā)生混疊和非混疊時的波形。三、實驗儀器1、信號與系統(tǒng)

45、實驗箱一臺（主板）。2、系統(tǒng)時域與頻域分析模塊一塊。3、20M雙蹤示波器一臺。四、實驗原理1、離散時間信號可以從離散信號源獲得，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，見圖2-4-1，TS稱為抽樣周期，其倒數(shù)稱抽樣頻率。 圖 2-4-1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(dāng)抽樣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

46、可以在坐標(biāo)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，抽樣信號在一定條件下也可以恢復(fù)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(fù)后的原信號。3、但原信號得以恢復(fù)的條件是，其中為抽樣頻率，B為原信號占有的頻帶寬度。而為最低抽樣頻率又稱“奈奎斯特抽樣率”。當(dāng)時，抽樣信號的頻譜會發(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(fù)后的信號失真還是難免的。圖2-4-2畫出了當(dāng)抽樣頻率（不混疊時）及當(dāng)抽樣

47、頻率（混疊時）兩種情況下沖激抽樣信號的頻譜。 10 0 (a) 連續(xù)信號的頻譜 10 0 （b） 高抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜（不混疊） 10 0 （c） 低抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜（混疊）圖2-4-2 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(fù)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。5、語音抽樣還原實驗采用集成方式，本實驗采用PCM編譯碼器TP3067專用大規(guī)模集成電路，它是CMOS工藝制造的單片PCM A律編譯碼器片內(nèi)帶有輸入輸出話路濾波器它把編譯碼器（Codec）和濾波器(Filter)集成在一個芯片上。 脈沖編碼調(diào)制（PCM)就是把一個時間連續(xù)、取值連續(xù)