華科電氣2014信號與控制實驗報告(共35頁)

1、 電氣學(xué)科大類2012級信號(xnho)與控制綜合實驗課程實 驗 報 告(基本實驗(shyn)一:信號與系統(tǒng)基本實驗)姓 名 學(xué) 號 專業(yè)班號 12 同組者1 學(xué) 號 u20 專業(yè)班號 1 指導(dǎo)(zhdo)教師 日 期 2014.11.14 實驗成績 評 閱 人 實驗(shyn)評分表基本實驗實驗編號名稱/內(nèi)容（此列由學(xué)生自己填寫）實驗分值評分零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)常用信號的觀察設(shè)計性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分無源濾波器與有源濾波器LPF、HPF、BPF、BEF之間的變換信號的采樣與恢復(fù)調(diào)制與解調(diào)創(chuàng)新性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分教師評價意見總分目 錄實驗(shyn)一：常用信

2、號的觀察實驗(shyn)二：零輸入(shr)響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)實驗五：無源濾波器與有源濾波器實驗六：LPF、HPF、BPF、BEF之間的變換實驗七：信號的采樣與恢復(fù)實驗八：調(diào)制與解調(diào)實驗心得與自我評價參考文獻 實驗一 常用信號(xnho)的觀察任務(wù)(rn wu)和目標(biāo)了解常見(chn jin)波形和特點。了解常見信號有關(guān)參數(shù)的測量，學(xué)會觀察常見信號組合函數(shù)的波形。學(xué)會使用函數(shù)發(fā)生器和示波器，了解所用一起原理與所觀察信號的關(guān)系。掌握基本的誤差觀察和基本方法?？傮w方案設(shè)計常見的各種信號可以分為周期信號和非周期信號目前常用的數(shù)字式示波器可以非常方便觀察周期信號以及非周期信號的波形。觀察信號常

3、用的信號，如：正弦波、方波、三角波、鋸齒波。用示波器測量信號，讀取信號的幅度和頻率。三、方案實現(xiàn)和具體設(shè)計接通函數(shù)發(fā)生器的電源。調(diào)節(jié)好函數(shù)發(fā)生器和示波器調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器輸出各種基本信號，用示波器觀察輸出波形四、實驗(shyn)設(shè)計與實驗結(jié)果觀察并截取實驗(shyn)測量信號輸出圖 1.正弦波： 圖1-1 正弦波 2.方波： 圖1-2 方波3鋸齒(jch)波： 圖1-3 鋸齒(jch)波4.三角(snjio)波： 圖1-4 三角(snjio)波五、結(jié)果(ji gu)分析與討論實驗(shyn)二、零輸入、零狀態(tài)及完全響應(yīng)一、任務(wù)(rn wu)與目標(biāo)通過實驗，進一步了解系統(tǒng)(xtng)的零輸入響應(yīng)、零

4、狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的原理。學(xué)習(xí)(xux)實驗電路方案的設(shè)計方法本實驗中采用用模擬電路實現(xiàn)線性系統(tǒng)零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的實驗方案。總體方案設(shè)計連接如圖示電路圖2-1,零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的實驗電路圖 其響應(yīng)表達式為U 0 (t)+若初始條件為零（ = 0 ），則等式右邊只有第一項，即為零狀態(tài)響應(yīng)， 它描述了初始條件為零（ = 0 ）時，電路在輸入E1作用下的輸出響應(yīng)，顯然它們之和為電路的完全響應(yīng)。若15V，5V，斷開合上開關(guān)或即可得到如圖2-2所示的這三種響應(yīng)過程曲線。圖2-2，零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)(zhungti)響應(yīng)和完全響應(yīng)曲線其中(qzhng)： = 1 * GB3

5、 零輸入(shr)響應(yīng) = 2 * GB3 零狀態(tài)響應(yīng) = 3 * GB3 完全響應(yīng)三、方案實現(xiàn)和具體設(shè)計按照下圖，連接實驗電路圖。通過開關(guān)閉合可以分別觀測該電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的動態(tài)曲線：斷開和，合上開關(guān)，為零狀態(tài)響應(yīng)；斷開，合上，得到零輸入響應(yīng)；斷開，合上，直到（0）5V，斷開開關(guān)的同時合上，得到完全響應(yīng)。四、實驗(shyn)設(shè)計與實驗結(jié)果該電路的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全(wnqun)響應(yīng)的動態(tài)曲線分別如下：零輸入(shr)：圖2-1 零輸入零狀態(tài)： 圖2-2 零狀態(tài) 3全響應(yīng)(xingyng)：圖2-3 全響應(yīng)(xingyng)五、結(jié)果(ji gu)分析與討論實驗五

6、、無源與有源濾波器一、任務(wù)與目標(biāo)了解無源和有源濾波器的種類、基本結(jié)構(gòu)及其特性。分析和對比無源和有源濾波器的濾波特性。掌握無源和有源濾波器參數(shù)的設(shè)計方法。二、總體方案設(shè)計濾波器是對輸入信號的頻率具有選擇性的一個二端口網(wǎng)絡(luò)，可以由 RLC 元件或 RC 元件構(gòu)成的無源濾波器，也可由 RC 元件和有源器件構(gòu) 成的有源濾波器。根據(jù)幅頻特性所表示的通過或阻止信號頻率范圍的不同，濾波器可分為低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、和帶阻濾波器（BEF）四種。圖 5-1所示，分別為四種濾波器的實際幅頻特性的示意圖。三、方案實現(xiàn)(shxin)和具體設(shè)計四種濾波器的傳遞函數(shù)和實驗?zāi)M(

7、mn)電路如圖 5-2 所示。實驗室已經(jīng)有搭建好了電路板，所以直接將實驗?zāi)K(m kui)電路板 5 接通電源，用示波器先觀察各類濾波器的濾波特性。2、實驗時，在保持(boch)濾波器輸入正弦波信號幅值（Ui4V）不變的情況下，逐漸改變其頻率（注意f200KHz）， 用示波器測量(cling)濾波器輸出端的電壓 U0，并記錄在實驗數(shù)據(jù)表格上。當(dāng)改變信號源頻率時，都應(yīng)觀測一下 Ui 是否保持穩(wěn)定，若Ui數(shù)據(jù)有改變應(yīng)及時調(diào)整以保證實驗準(zhǔn)確性。3、按照以上步驟，分別測試無源LPF、HPF、BPF、BEF和有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅頻特性。四、實驗設(shè)計與實驗結(jié)果低通濾波器的幅頻特性實驗數(shù)據(jù)

8、，如表5-1所示； 表5-1低通濾波器的幅頻特性： 圖5-1無源(w yun)低通濾波器的上限截止頻率是750Hz，通頻帶(pndi)是f750Hz。有源低通濾波器的上限(shngxin)截止頻率是1100Hz,通頻帶是f3800Hz。有源高通濾波器的下限截止頻率是2200Hz,通頻帶是f2200Hz。3帶通濾波器的幅頻特性實驗數(shù)據(jù)：表5-3 圖5-3無源(w yun)帶通濾波器的特征頻率是1500Hz，下限(xixin)截止頻率是900Hz,上限(shngxin)截止頻率是5200Hz,通頻帶是900Hzf5200Hz。有源帶通濾波器的特征頻率是1500Hz，下限截止頻率是500Hz,上限截

9、止頻率是5000Hz,通頻帶是500Hzf5000Hz。4.帶阻濾波器的幅頻特性實驗(shyn)數(shù)據(jù)： 表5-4 圖5-4 無源(w yun)帶阻濾波器的下限截止頻率是400Hz,上限(shngxin)截止頻率是6100Hz,通頻帶是f6100Hz，特征頻率為1200HZ。有源帶阻濾波器的下限截止頻率是730Hz,上限截止頻率是3000Hz,通頻帶是f3000Hz，特征頻率1520HZ。五、結(jié)果分析與討論 實驗六、低通、高通、帶通、帶阻濾波器間的變換一、任務(wù)(rn wu)與目標(biāo)通過本實驗進一步理解低通、高通和帶通等不同類型濾波器間的轉(zhuǎn)換(zhunhun)關(guān)系。熟悉低通、高通、帶通和帶阻濾波器的

10、模擬(mn)電路，并掌握其參數(shù)的設(shè)計原則。二、總體方案設(shè)計高通濾波器與低通濾波器間有著下列的關(guān)系：H High ( j ) = 1 H Low ( j )帶通濾波器的幅頻特性與低通、高通濾波器幅頻特性間的關(guān)系：設(shè)為低通濾波器的帶寬頻率，為高通濾波器的帶寬頻率，如果,則由它們串聯(lián)可構(gòu)成一個帶通濾波器，它們之間的關(guān)系可用下式表示：*對應(yīng)的模擬電路圖如下圖6-1所示。圖 6-1，帶通濾波器的模擬電路圖帶阻濾波器的幅頻特性與低通、高通濾波器幅頻特性間的關(guān)系：如果低通濾波器的帶寬頻率 小于高通濾波器的帶寬頻率，則由它們并聯(lián)可構(gòu)成一個帶阻濾波器，它們之間的關(guān)系可用下式表示為：+對應(yīng)的模擬(mn)電路圖如下

11、圖6-2所示。 圖 6-2，帶阻濾波器的模擬(mn)電路圖三、方案實現(xiàn)和具體(jt)設(shè)計按照電路圖6-1、6-2連接好電路，接通電源，帶通濾波器由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)而成，帶阻濾波器由低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)而成。將函數(shù)信號發(fā)生器輸出的正弦信號接入有源濾波器的輸入端，保持輸入信號的幅值不變（Ui5V），調(diào)節(jié)該正弦信號頻率（由小到大改變）時,用示波器觀察其低通濾波器輸出幅值的變化。重復(fù)步驟1和2用示波器分別觀察測量LPF、HPF、BPF、BEF輸出幅值的變化。四、實驗設(shè)計與實驗結(jié)果1、TP1低通濾波器LPF的頻率特性實驗數(shù)據(jù)。表6-1TP1低通濾波器LPF的頻率特性曲線(qxin)： 圖

12、6-2 2、TP2帶通濾波器BPF的頻率特性實驗(shyn)數(shù)據(jù)。表6-2TP2帶通濾波器BPF的頻率特性曲線(qxin):圖6-2高通濾波器HPF的頻率特性實驗(shyn)數(shù)據(jù)： 表6-3高通濾波器HPF的頻率特性曲線(qxin):圖6-3帶阻濾波器BEF的頻率特性實驗(shyn)數(shù)據(jù)：圖6-4帶阻濾波器BEF的頻率特性曲線(qxin): 圖6-4五、結(jié)果(ji gu)分析與討論實驗七：信號的采樣與恢復(fù)任務(wù)與目標(biāo)了解信號的采樣方法與過程及信號的恢復(fù)。通過實驗驗證采樣定理，并掌握采樣周期的基本(jbn)設(shè)計原則在實驗基礎(chǔ)上掌握根據(jù)(gnj)實驗原理設(shè)計實驗方案，自行搭建實驗電路、自行設(shè)計電路參

13、數(shù)的方法?？傮w(zngt)方案設(shè)計1.信號的采樣與恢復(fù)的過程是什么？怎樣才能較好的還原信號？如實驗指導(dǎo)書第43頁，信號的采樣與恢復(fù)原理框圖如下圖7-1所示：圖 7-1，信號的采樣與恢復(fù)原理框圖離散時間信號可以從離散信號源獲得，也可以從連續(xù)時間信號經(jīng)采樣而獲得。采樣信號在一定條件下可以恢復(fù)原來的信號，只要用一個截止頻率等于原信號頻譜中最高頻率 、增益為T 的低通濾波器，濾去信號中所有的高頻分量，就得到只包含原信號頻譜的全部內(nèi)容，即低通濾波器的輸出為恢復(fù)后的原信號。原信號得以恢復(fù)的條件是2，其中s 為采樣頻率，m為原信號占有的頻帶寬度。當(dāng) 2，輸入信號為100Hz的正弦波 圖7-2正弦采樣信號正弦

14、與采樣后信號如圖7-2所示其中CH1為原始正弦信號，CH2為采樣后信號 圖7-3正弦(zhngxin)恢復(fù)信號其中CH1為原始正弦(zhngxin)信號，CH2為恢復(fù)后信號。（c）=2，輸入(shr)信號為600Hz的正弦波。 圖7-4 6ooHz正弦波采樣信號其中CH1為原始正弦信號，CH2為采樣后信號。 圖7-5 600HZ正弦波解調(diào)(ji dio)后恢復(fù)信號其中(qzhng)CH1為原始正弦信號，CH2為恢復(fù)信號。（c）2，輸入信號為100Hz的三角波 圖7-8 100HZ三角波采樣信號其中CH1為原始三角信號，CH2為采樣后信號。 圖7-9 100HZ三角(snjio)波信號其中CH1

15、為原始三角(snjio)信號，CH2為恢復(fù)信號。（c）=2，輸入(shr)信號為600Hz的三角波。 圖7-10 600HZ三角波CH1為原始三角信號，CH2為采樣后信號。 圖7-11 600HZ三角(snjio)波CH1為原始三角信號(xnho)，CH2為恢復(fù)信號（c）2，輸入(shr)信號為800Hz的三角波。 圖7-12 800HZ三角波CH1為原始三角信號，CH2為采樣后信號。 圖7-13三角(snjio)波CH1為原始三角(snjio)信號，CH2為解調(diào)后恢復(fù)信號。五結(jié)果分析(fnx)與討論 實驗八、調(diào)制與解調(diào) 一、任務(wù)與目標(biāo)了解幅度調(diào)制和解調(diào)的原理，學(xué)習(xí)正弦幅度調(diào)制與解調(diào)，并觀察調(diào)

16、制和解調(diào)后的波形，加深理解。在前面的實驗基礎(chǔ)上，進一步掌握根據(jù)實驗任務(wù)和要求、實驗原理方框圖來設(shè)計實驗方案、實驗電路的方法?？傮w方案設(shè)計正弦幅度調(diào)制(tiozh)與解調(diào)：正弦波幅度調(diào)制與解調(diào)的過程(guchng)框圖如圖8-1第一步使用乘法器，得到調(diào)制后的信號(xnho)傅立葉變換為： 解調(diào)時用正弦波進行同步解調(diào)，可以得到V(W)=X(W)/2+X(W+2Wo)+X(W-2Wo)/4這時只要使用一個截止頻率為Wc（WmWcWo)的LPF進行濾波，就能得到還原的X(w)，在接收端就能完全恢復(fù)原信號X(t)。三、方案實現(xiàn)和具體設(shè)計根據(jù)實驗原理方框圖確定實驗方案，設(shè)計和搭建實驗電路。先調(diào)節(jié)實驗電路板

17、輸出的正弦信號頻率約為500Hz、幅度為500mV，作為調(diào)制信號；函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號約為20KHz、500mV，作為二路載波信號，然后連接到實驗電路板上。接通實驗電源，用示波器觀察“調(diào)制信號輸出”調(diào)節(jié)電位器RP2觀察調(diào)幅器輸出波形。將“調(diào)幅信號輸出”接到解調(diào)電路中的“調(diào)幅信號輸入”上，將載波接到“載波信號輸入”上，將解調(diào)信號輸出接到“LPF（低通濾波器）輸入”上。用雙蹤示波器分別觀察被調(diào)制信號（原信號）和“LPF 輸出”信號（調(diào)制解調(diào)后的信號號）并且記錄波形。四、實驗設(shè)計與實驗結(jié)果調(diào)節(jié)實驗電路板可得被調(diào)制的信號是頻率約為500Hz、幅度為500mV的正弦信號，載波信號為頻率約為20KHz、幅度為500mV的正弦信號。輸出圖樣如下： 圖8-2調(diào)制解調(diào)后信號(xnho)與原始被調(diào)制(tiozh)信號其中(qzhng)CH1為調(diào)制后信號，CH2為原始被調(diào)制信號。 圖8-3CH2為解調(diào)后濾波前信號，CH2為原始被調(diào)制正弦波 圖8-4CH1為調(diào)制(tiozh)