信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 . . . 電氣學(xué)科大類 2010 級(jí)信號(hào)與控制綜合實(shí)驗(yàn)課程實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告(基本實(shí)驗(yàn)一:信號(hào)與系統(tǒng)基本實(shí)驗(yàn))姓 名 豐偉 學(xué) 號(hào) U201011871 專業(yè)班號(hào) 1004 同組者 永晶 學(xué) 號(hào) U201011868 專業(yè)班號(hào) 1004 指導(dǎo)教師 開成 日 期 實(shí)驗(yàn)成績(jī) 評(píng) 閱 人 實(shí)驗(yàn)評(píng)分表基本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)編號(hào)名稱/容實(shí)驗(yàn)分值評(píng) 分零輸入、零狀態(tài)與完全響應(yīng)5信號(hào)的無失真?zhèn)鬏?5設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱/容實(shí)驗(yàn)分值評(píng) 分無源與有源濾波器10低通、高通、帶通、帶阻濾波器變換10信號(hào)的采樣與恢復(fù)15調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)15創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱/容實(shí)驗(yàn)分值評(píng) 分信號(hào)的產(chǎn)生、收集、處理、變換和基于MATLAB的分析04

2、0教師評(píng)價(jià)意見總 分目 錄正文實(shí)驗(yàn)一：零輸入、零狀態(tài)與完全響應(yīng)6實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的6總體方案設(shè)計(jì) 6方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì) 6實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 6結(jié)果分析與討論7實(shí)驗(yàn)二：信號(hào)的無失真?zhèn)鬏?實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的 8總體方案設(shè)計(jì) 8方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì) 8實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 8結(jié)果分析與討論 11實(shí)驗(yàn)三：無源與有源濾波器11實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的 11總體方案設(shè)計(jì) 11方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì) 12實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 12結(jié)果分析與討論 15實(shí)驗(yàn)四：LPF、HPF、BPF、BEF間的變換16實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的·16總體方案設(shè)計(jì)16方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì) 16實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 16結(jié)果分析與討論18實(shí)驗(yàn)五：信號(hào)的采樣與恢復(fù)

3、實(shí)驗(yàn)18實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的18總體方案設(shè)計(jì)18方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì) 19實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果··19結(jié)果分析與討論24實(shí)驗(yàn)六：調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)24實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的24總體方案設(shè)計(jì)24方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì) 25實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 26 結(jié)果分析與討論27實(shí)驗(yàn)七：方波信號(hào)的產(chǎn)生、分解、合成與轉(zhuǎn)化28實(shí)驗(yàn)任務(wù)與目的28總體方案設(shè)計(jì)28方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì) 29實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 29結(jié)果分析與討論33實(shí)驗(yàn)結(jié)論33心得與自我評(píng)價(jià)34參考文獻(xiàn)35實(shí)驗(yàn)一 零輸入、零狀態(tài)與完全響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和目標(biāo)學(xué)習(xí)掌握零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的原理，設(shè)計(jì)一個(gè)能觀測(cè)三者的電路圖，用示波器觀測(cè)該電路的零輸入響應(yīng)

4、、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線，同時(shí)提高設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路的能力。2 總體方案設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn)教程P2930，下同)一階系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)與完全響應(yīng)的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)電路如圖所示。合上S1，由電路可得，則圖2-2 零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)曲線其中：零輸入響應(yīng) 零狀態(tài)響應(yīng) 完全響應(yīng)三方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì)（P30）1.連接數(shù)字示波器、實(shí)驗(yàn)電路板和函數(shù)發(fā)生器，接通各部分電源。2.通過兩個(gè)開關(guān)S1 和S2的閉合/斷開來設(shè)置電路工作狀態(tài)（零輸入/零狀態(tài)/完全），用示波器觀察輸出（電容電壓）的零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)，記錄波形和當(dāng)前響應(yīng)時(shí)的各開關(guān)的狀態(tài)。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1閉合S1，斷開S2，S

5、3，電容充電，得到零狀態(tài)響應(yīng)曲線。圖2-4 零狀態(tài)響應(yīng)曲線 2閉合開關(guān)S1，斷開S2，S3，電容充電到15V后，斷開開關(guān)S1，閉合S3,電容放電，得到零輸入響應(yīng)曲線。圖2-3 零輸入響應(yīng)曲線 3閉合開關(guān)S2，電容充電至5V，斷開S2，閉合S1，得到完全響應(yīng)曲線。圖2-5 完全響應(yīng)曲線 五、結(jié)果分析與討論實(shí)驗(yàn)所測(cè)波形與理論波形較為一致，基本符合預(yù)期。此次實(shí)驗(yàn)通過改變電路上的開關(guān)組合狀態(tài)，構(gòu)成所需的輸出電路，輸出相應(yīng)的響應(yīng)波形，并在數(shù)字示波器上顯示出來，并讀出電壓等參數(shù)。由圖可看出，零狀態(tài)、零輸入、全響應(yīng)都是指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)或衰減。通過本次試驗(yàn)，我們進(jìn)一步熟悉了產(chǎn)生零狀態(tài)響應(yīng)、零輸入響應(yīng)和全響應(yīng)的電路

6、，對(duì)三種響應(yīng)有了直觀的認(rèn)識(shí)，并加深了對(duì)零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)原理的理解，了解了三種響應(yīng)的響應(yīng)曲線以與這三種響應(yīng)之間的聯(lián)系。 ·思考題1系統(tǒng)零輸入響應(yīng)的穩(wěn)定性與零狀態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定性是否一樣？為什么？不一樣。零輸入響應(yīng)與輸入激勵(lì)無關(guān)，其過程只和電路結(jié)構(gòu)有關(guān)，只要電路結(jié)構(gòu)自身是穩(wěn)定的，零輸入響應(yīng)就是穩(wěn)定的；零狀態(tài)響應(yīng)只與輸入激勵(lì)有關(guān)，與起始儲(chǔ)能無關(guān)，在不同的輸入信號(hào)下，電路會(huì)表征出不同的響應(yīng)，所以零狀態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定性不僅和電路結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與輸入的信號(hào)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)二 信號(hào)的無失真?zhèn)鬏? 任務(wù)和目標(biāo)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解信號(hào)無失真?zhèn)鬏敾驹?。熟悉信?hào)無失真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特性，掌握按試驗(yàn)原理或頻

7、率響應(yīng)要求設(shè)計(jì)無失真系統(tǒng)或電路的方法。2 總體方案設(shè)計(jì)一般情況下，系統(tǒng)的響應(yīng)波形和激勵(lì)波形不一樣，信號(hào)在傳輸過程中將產(chǎn)生失真。線性系統(tǒng)引起的信號(hào)失真有兩方面因素造成，一是系統(tǒng)對(duì)信號(hào)中各頻率分量幅度產(chǎn)生不同程度的衰減，使響應(yīng)各頻率分量的相對(duì)幅度產(chǎn)生變化，引起幅度失真。另一是系統(tǒng)對(duì)各頻率分量產(chǎn)生的相移不與頻率成正比，使響應(yīng)的各頻率分量在時(shí)間軸上的相對(duì)位置產(chǎn)生變化，引起相位失真。信號(hào)的無失真?zhèn)鬏斒侵竿ㄟ^系統(tǒng)后輸出信號(hào)的波形與輸入信號(hào)的波形完全一樣，僅有幅值上的差異和產(chǎn)生一定的延遲時(shí)間的傳輸。令輸入信號(hào)為X(t)，則輸出為Y(t)=kX(t-t0)，取傅立葉變換得頻率響應(yīng)特性為，即幅頻特性為非零常數(shù)，

8、相頻特性是角頻率的線性函數(shù)。3 方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì)用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生輸入信號(hào)，用示波器觀察輸出與輸入信號(hào)，并比較波形的失真4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 設(shè)計(jì)一個(gè)無源或有源的無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)2. 令幅值固定，頻率可變的正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)的幅值和相位。（CH2為輸入信號(hào)，CH1為輸出信號(hào)）輸入信號(hào)10kHz時(shí)，不失真輸入信號(hào)50kHz時(shí)，不失真輸入信號(hào)65kHz時(shí)，不失真輸入信號(hào)80kHz時(shí)，失真輸入信號(hào)120kHz時(shí)，失真3. 在一定頻率下，改變電路參數(shù)，觀察電路輸出波形的失真情況，分析失真度，并加以總結(jié)輸入信號(hào)頻率為50kHz時(shí)，調(diào)節(jié)電位器5 結(jié)果分析與討論實(shí)際的線性系統(tǒng)，其幅頻

9、與相頻特性都不可能完全滿足不失真?zhèn)鬏敆l件。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)中各頻率分量產(chǎn)生不同程度的衰減，使信號(hào)的幅度頻譜改變時(shí)，會(huì)造成幅度失真；當(dāng)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)中各頻率分量產(chǎn)生的相移與頻率不成正比時(shí)，會(huì)使信號(hào)的相位頻譜改變，造成相位失真。改變電路的參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致傳輸函數(shù)變化，頻率響應(yīng)變化，電路對(duì)不同頻率信號(hào)的失真改變。在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)板對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響很大，有的50kHz不失真，有的10kHz就明顯失真了。但是通過人眼觀察很難判定是否失真。6 思考題1.無失真?zhèn)鬏敃r(shí)信號(hào)仍然會(huì)有幅值上的變化，那么輸出信號(hào)波形與輸入信號(hào)波形一樣的主要原因是什么？ 波形一樣，但波形所在的坐標(biāo)軸的數(shù)值或單位不同。根據(jù)尼奎斯特采樣定理，信道的帶寬應(yīng)

10、該大于信息的碼元速率的兩倍以上才能進(jìn)行無失真?zhèn)鬏敗Ｈ粼鲆鏋椴蓸有盘?hào)周期T，則輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幅值相等；若增益不為T，則此時(shí)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幅值不同，但波形一樣。2.信號(hào)的無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)與全通濾波器有何不同？ 無失真?zhèn)鬏斨傅氖欠扔泄潭ǖ乃p，有固定的時(shí)延，相位是頻率的常數(shù)倍。一般在要求傳輸?shù)念l段上基本滿足要求就可以了。全通濾波器不衰減任何頻率的信號(hào)，而對(duì)相位沒有要求，會(huì)改變輸入信號(hào)的相位。實(shí)驗(yàn)三 無源濾波器與有源濾波器一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和目標(biāo)了解無源和有源LPF(低通濾波器)、無源和有源HPF(高通濾波器)、無源和有源BPF(帶通濾波器)、無源和有源BEF(帶阻濾波器)基本結(jié)構(gòu)與其特性，通過設(shè)計(jì)

11、電路，測(cè)量這些濾波器的幅頻特性，分析比較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(jì)方法。二、總體方案設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn)教程P3637)濾波器是對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選擇性的一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻率（通常是某個(gè)頻率圍）的信號(hào)通過，而其它頻率的信號(hào)幅值均要受到衰減或抑制。這些網(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(hào)頻率圍的不同，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。三、方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)教程P36）1將實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路板接通電源，用示

12、波器從總體上先觀察各類濾波器的濾波特性。2實(shí)驗(yàn)時(shí)，在保持濾波器輸入正弦波信號(hào)幅值（Vi）不變的情況下，逐漸改變其頻率，用示波器或交流數(shù)字電壓表（f200KHz），測(cè)量濾波器輸出端的電壓V0 。當(dāng)改變信號(hào)源頻率時(shí)，應(yīng)觀測(cè)一下Vi是否保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)如有改變應(yīng)與時(shí)調(diào)整。3按照以上步驟，分別測(cè)試無源和有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅頻特性。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 低通濾波器LPF有源低通無源低通f/Hzvivovo/vif/Hzvivovo/vi1002.22.080.9454545451002.162.040.9444444445002.121.90.8962264152002.121.9

13、60.92452830210002.081.50.7211538465002.121.60.75471698120002.120.820.3867924537002.121.320.62264150940002.120.30.14150943410002.121.080.50943396250002.080.1960.09423076915002.120.7040.33207547280002.120.120.05660377420002.120.60.283018868100002.080.0540.02596153830002.120.320.150943396150002.120.024

14、80.01169811350002.120.1580.074528302200002.120.020.009433962無源LPF和有源LPF幅頻特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無源LPF和有源LPF幅頻特性曲線比較無源，上限截止頻率fH =638Hz；有源, 上限截止頻率fH =1120Hz2. 高通濾波器HPF有源高通無源高通f/Hzvivovo/vif/Hzvivovo/vi1002.160.0140.0064814811002.120.0140.0066037744002.120.130.0613207552002.120.160.0754716986002.120.2680.1264150945002.

15、120.280.13207547210002.120.60.28301886810002.160.4960.2296296320002.121.30.61320754720002.120.960.45283018950002.121.880.88679245350002.121.620.76415094380002.122.040.96226415180002.121.860.877358491100002.122.080.981132075100002.121.920.905660377150002.122.080.981132075150002.0820.961538462200002.0

16、82.081無源高通濾波器和有源高通濾波器幅頻特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無源高通濾波器和有源高通濾波器幅頻特性曲線比較無源，下限截止頻率fL=3850Hz；有源，下限截止頻率fL =2350Hz3. 帶通濾波器BPF有源帶通無源帶通f/Hzvivovo/vif/Hzvivovo/vi1002.20.2760.1254545451002.160.1340.0620370375002.121.080.5094339625002.120.5120.24150943410002.121.380.65094339610002.120.6720.31698113220002.121.440.67924528315002

17、.120.6960.32830188730002.081.340.64423076918002.120.6960.32830188740002.121.20.56603773620002.120.6880.32452830250002.081.080.51923076950002.120.5040.237735849100002.080.380.182692308100002.080.3120.15200002.120.3360.158490566300002.120.2240.105660377500002.080.1240.059615385無源帶通濾波器和有源帶通濾波器幅頻特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無

18、源帶通濾波器和有源帶通濾波器幅頻特性曲線比較無源，fL=500Hz，fH=5000Hz，故通頻帶BW=4500Hz，特征頻率為1500Hz有源，fL=440Hz，fH=5200Hz，故通頻帶BW=4660Hz，特征頻率為1700Hz4 帶阻濾波器BEF有源帶阻無源帶阻f/Hzvivovo/vif/Hzvivovo/vi502.082.0811002.161.680.7777777782002.122.040.9622641515002.121.080.5094339625002.121.680.7924528310002.120.480.22641509410002.120.860.40566

19、037715002.120.0760.03584905715002.080.0740.03557692320002.120.240.11320754720002.120.520.24528301925002.080.440.21153846230002.121.20.56603773630002.120.60.28301886840002.121.520.71698113240002.120.840.39622641550002.121.70.80188679250002.121.040.49056603860002.121.80.849056604100002.081.460.7019230

20、77500002.082.081200002.081.660.798076923500002.081.720.826923077無源帶阻濾波器和有源帶阻濾波器幅頻特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無源帶阻濾波器和有源帶阻濾波器幅頻特性曲線比較無源，fL=7000Hz，fH=400Hz，故通頻帶BW=6600Hz，特征頻率為1600Hz有源，fL=4750Hz，fH=480Hz，故通頻帶BW=4270Hz，特征頻率為1600Hz5、 結(jié)果分析與討論無源低通濾波器的截止頻率比有源低通濾波器的截止頻率低；無源高通濾波器的截止頻率比有源高通濾波器的截止頻率高；無源帶通濾波器通帶寬度比有源帶通濾波器小很多；無源帶阻濾波器比有

21、源帶阻濾波器阻帶寬度大。因此，有源濾波器比無源濾波器有更理想的濾波效果。這是因?yàn)闊o源濾波器主要由無源元件R、L和C組成，有源濾波器由集成運(yùn)放和R、C組成，集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，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，因此有源濾波器的頻率響應(yīng)比無源濾波器更為理想。但有源濾波器在本實(shí)驗(yàn)中，因受運(yùn)放增益帶寬積的影響，有源濾波器的穩(wěn)定工作頻率圍較為有限。·思考題1示波器所測(cè)濾波器的實(shí)際幅頻特性與計(jì)算出的理想幅頻特性有何區(qū)別？示波器測(cè)出的實(shí)際幅頻特性曲線比較平緩，不像計(jì)算出的理想幅頻特性曲線那樣陡升陡降。這是由于實(shí)際電路往往存在一定延時(shí)性造成的。示波器測(cè)

22、出的實(shí)際幅頻特性的截止頻率點(diǎn)與計(jì)算出的理想幅頻特性有所偏差。這是因?yàn)閷?shí)際電路元件與標(biāo)稱值均有一定的誤差造成的，同時(shí)實(shí)際元器件跟理論上的元器件的理想表現(xiàn)也存在差異。2如果要實(shí)現(xiàn)LPF、HPF、BPF、BEF源濾器之間的轉(zhuǎn)換，應(yīng)如何連接？將有源LPF與有源HPF串接即可得到BPF濾波器。將有源LPF與有源HPF的輸出端口接在加法器的兩個(gè)輸入端口，加法器的輸出端口輸出濾波信號(hào)，即構(gòu)成了BEF。實(shí)驗(yàn)四 LPF、HPF、BPF、BEF間的變換一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和目標(biāo)通過本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解低通、高通和帶通等不同類型濾波器間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；熟悉低通、高通、帶通和帶阻濾波器的模擬電路，并掌握其參數(shù)的設(shè)計(jì)原則。二、總體方案

23、設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)教程P3940）1高通濾波器與低通濾波器 (6-1)式中為高通濾波器的幅頻特性，為低通濾波器的幅頻特性。如果已知，就可由式(1)求得對(duì)應(yīng)的；反之亦然。2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，則由它們可構(gòu)成一個(gè)帶通濾波器，它們之間的關(guān)系可用下式表示：3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，則由它們可構(gòu)成一個(gè)帶阻濾波器，它們之間的關(guān)系可用下式表示為：三、方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)教程P40）1按實(shí)驗(yàn)電路板接通電源。2將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)接入無

24、源（或有源）濾波器的輸入端， 調(diào)節(jié)該正弦信號(hào)頻率（由小到大改變）時(shí),用示波器觀察其低通濾波器輸出幅值的變化。 3按步驟1，逐步用示波器或數(shù)字萬用表觀察測(cè)量LPF、HPF、BPF、BEF輸出幅值的變化。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1LPF+HPF合成BPF低通濾波器帶通濾波器fvivovo/vivivovo/vi101.721.91.1046511631.720.1220.070930233501.921.9211.920.60.31251001.961.920.9795918371.9210.5208333335001.921.880.9791666671.921.80.937510001.921.

25、640.8541666671.921.640.85416666720001.921.240.6458333331.921.240.64583333350001.920.620.3229166671.920.620.322916667100001.920.340.1770833331.920.320.166666667200001.920.180.093751.920.20.104166667500001.880.0820.0436170211.920.0940.048958333低通+高通合成帶通濾波器的幅頻特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)低通+高通合成帶通濾波器的幅頻特性曲線上限截止頻率為1970Hz，下限截止

26、頻率為140Hz，通頻帶BW=1830Hz，特征頻率為435Hz4 LPF+HPF合成BEF低通濾波器高通濾波器帶阻濾波器f/kHzfvivovo/vivivovo/vivivovo/vi0.05501.881.740.9255319151.880.080.0425531911.881.720.9148936170.11001.961.560.7959183671.960.160.0816326531.961.50.7653061220.22001.921.180.6145833331.920.240.1251.921.020.531250.33001.920.920.4791666671.9

27、20.340.1770833331.920.660.343750.44001.920.680.3541666671.920.4340.2260416671.920.4240.2208333330.55001.920.60.31251.920.50.2604166671.920.360.18750.77001.920.4160.2166666671.920.6880.3583333331.920.440.229166667110001.920.2880.151.920.940.4895833331.920.740.385416667220001.880.180.0957446811.881.32

28、0.702127661.881.260.670212766550001.80.05760.0321.81.540.8555555561.81.540.85555555610100001.620.02720.0167901231.641.440.878048781.621.440.888888889低通+高通合成帶阻濾波器的幅頻特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)低通+高通合成帶阻濾波器的幅頻特性曲線上限截止頻率為2200Hz，下限截止頻率為80Hz，通頻帶BW=2120Hz，特征頻率為400Hz五、結(jié)果分析與討論所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期基本相符，由幅頻特性曲線可知濾波器增益與理論值也比較接近。由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)LPF的高頻截止

29、頻率fH 要高于HPF的低頻截止頻率fL 時(shí)，將LPF與HPF串接即可得到BPF濾波器。當(dāng)LPF的高頻截止頻率fH低于HPF的低頻截止頻率fL時(shí)，將LPF與HPF的輸出端口接在加法器的兩個(gè)輸入端口，加法器的輸出端口輸出濾波信號(hào)，即可構(gòu)成了BEF。不同濾波器之間可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。·思考題1由LPF、HPF連接帶通、帶阻濾波器有何條件？組成帶通濾波器時(shí)，LPF的高頻截止頻率fH 要高于HPF的低頻截止頻率fL；組成帶阻濾波器時(shí)，LPF的高頻截止頻率fH低于HPF的低頻截止頻率fL。2有源濾波器與無源濾波器的頻率特性有何不同？無源濾波器主要有無源元件R、L和C組成, 有源濾波器由集成運(yùn)放和R、

30、C組成，集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，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，因此有源濾波器可以實(shí)現(xiàn)比無源濾波器更為理想的響應(yīng)曲線。但受運(yùn)放增益帶寬積的影響，有源濾波器也有工作頻率圍的限制。實(shí)驗(yàn)五 信號(hào)的采樣與恢復(fù)一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和目標(biāo)了解信號(hào)的采樣方法與過程與信號(hào)的恢復(fù)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采樣定理，并掌握采樣周期的基本設(shè)計(jì)原則。掌握根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理框圖設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自行搭建實(shí)驗(yàn)電路、自行設(shè)計(jì)電路參數(shù)的方法。二、總體方案設(shè)計(jì)（P43243）離散時(shí)間信號(hào)可由連續(xù)時(shí)間信號(hào)經(jīng)抽樣處理而獲得，而且當(dāng)用于抽樣的周期性沖激函數(shù)信號(hào)的頻率ws大于原始連續(xù)信號(hào)的頻率wm的兩倍時(shí)，采樣信號(hào)可經(jīng)

31、過一合適的低通濾波器而恢復(fù)為原始連續(xù)信號(hào)。(a)(b)(c) 采樣過程 (a)采樣開關(guān)可等效成脈沖調(diào)制器(b)被采樣的連續(xù)時(shí)間信號(hào) (c)采樣信號(hào)信號(hào)的采樣與恢復(fù)原理框圖由傅立葉變換，采樣信號(hào)的頻譜是原始信號(hào)頻譜的周期性延拓，其幅值衰減為原始信號(hào)幅值的1/T倍。采樣信號(hào)可以恢復(fù)為原始信號(hào)的條件是：s2m，此時(shí)可用一截止頻率為ws，增益為T的低通濾波器（LPF）對(duì)抽樣信號(hào)進(jìn)行濾波，從而恢復(fù)出原始連續(xù)信號(hào)；而當(dāng)s<2m時(shí)，采樣信號(hào)的頻譜會(huì)發(fā)生混疊從而導(dǎo)致不可恢復(fù)性失真。三、方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì)（見實(shí)驗(yàn)教程P44）1連接采樣脈沖（方波）信號(hào)發(fā)生器、采樣器（采樣開關(guān)）、低通濾波器組成的采樣與恢復(fù)電

32、路（實(shí)驗(yàn)電路板7；或自己設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)電路板）。2利用函數(shù)發(fā)生器，輸入頻率為100Hz左右的正弦信號(hào)（或其它形狀波形的信號(hào)作為被采樣信號(hào)）給信號(hào)采樣與恢復(fù)實(shí)驗(yàn)電路的輸入端，觀察采樣輸出信號(hào)以與通過低通濾波器后的恢復(fù)信號(hào)。3改變被采樣輸入信號(hào)的頻率，再觀察采樣輸出信號(hào)以與通過低通濾波器后的恢復(fù)信號(hào)。4改換被采樣輸入信號(hào)為其它波形（三角波等），再重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、未加信號(hào)時(shí)，采樣信號(hào)波形 采樣信號(hào)波形由圖可以得出信號(hào)的頻率為f=1200Hz。輸入信號(hào)為正弦波，分別取正弦波信號(hào)頻率為f1=100Hz（即s 2m）、f2=600Hz（即s =2m）、f3=1000Hz（即s &l

33、t;2m），波形分別如下。2 輸入頻率為100Hz的正弦信號(hào)被采樣信號(hào)解調(diào)濾波后信號(hào)3 輸入頻率為600Hz的正弦信號(hào)被采樣信號(hào)解調(diào)濾波后信號(hào)4 輸入頻率為1000Hz的正弦信號(hào)被采樣信號(hào)解調(diào)濾波后信號(hào)5 輸入頻率為100Hz的三角波被采樣信號(hào)解調(diào)濾波后信號(hào)6 輸入頻率為600Hz的三角波被采樣信號(hào)解調(diào)濾波后信號(hào)7 輸入頻率為1000Hz的三角波被采樣信號(hào)解調(diào)濾波后信號(hào)五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析在實(shí)驗(yàn)在s 2m、s = 2m、s 2m三種采樣頻率情況下對(duì)連續(xù)信號(hào)分別進(jìn)行采樣，從濾波恢復(fù)后的波形都可以看出，在s 2m 以與s = 2m時(shí)，采樣后的信號(hào)可以較好的恢復(fù)；當(dāng)s 2m 時(shí)，采樣后的信號(hào)不可以較好

34、的恢復(fù)，頻率出現(xiàn)失真?；謴?fù)后的波形均與原波形有一定的誤差。此次實(shí)驗(yàn)中，由于函數(shù)信號(hào)發(fā)生器本身有阻，所以輸入信號(hào)的頻率和幅度與發(fā)生器面板顯示的有較大差別，應(yīng)以示波器檢測(cè)的結(jié)果為準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)板上的多諧振蕩電路產(chǎn)生的脈沖采樣信號(hào)頻率不是非常穩(wěn)定，因而對(duì)應(yīng)的奈奎斯特頻率不易求得。試驗(yàn)中對(duì)于正弦信號(hào)和三角波信號(hào)，從波形中都可以看出，在以與（近似，頻率不是非常穩(wěn)定）時(shí)，采樣后的信號(hào)均可以較好的恢復(fù)，而當(dāng)時(shí)，采樣后的信號(hào)不能無失真恢復(fù)。 實(shí)驗(yàn)六 調(diào)制與解調(diào)1、 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和目標(biāo)了解幅值調(diào)制和解調(diào)的原理。觀察調(diào)制和解調(diào)后的波形。進(jìn)一步掌握根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求、實(shí)驗(yàn)原理方框圖來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)電路的方法。掌握集成模擬

35、乘法器或其他集成芯片在實(shí)現(xiàn)電路方案時(shí)的各種應(yīng)用、2、 總體方案設(shè)計(jì)（參見實(shí)驗(yàn)教程P546）傅氏變換中的調(diào)制定理是實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的理論基礎(chǔ)，形成了正弦波幅度調(diào)制，即一個(gè)信號(hào)的幅度參量受另一個(gè)信號(hào)控制的一種調(diào)制方式。只要正弦信號(hào)（載波）的頻率在適合信道傳輸?shù)念l率圍就在信道很好的傳輸。 正弦幅度調(diào)制與解調(diào)原理圖如下：正弦波調(diào)制與解調(diào)的方框圖，圖中X(t)為被調(diào)制信號(hào)，C(t)為載波信號(hào)，Y(t)為已調(diào)制信號(hào)，由框圖可知：Y(t)=X(t)cos() 其傅立葉變換為如果X(t)是帶寬有限的信號(hào)，用正弦波進(jìn)行調(diào)制時(shí)，就是把調(diào)制信號(hào)的頻譜X()對(duì)半分地分別搬到處。只要，Y()就是一個(gè)帶通頻譜。信號(hào)傳輸信道為

36、理想信道，在接收端可以無失真地接收到已調(diào)制信號(hào)Y(t)。解調(diào)的任務(wù)是從Y(t)中恢復(fù)出原始信號(hào)。同步解調(diào)的原理就是用一樣的載波在進(jìn)行再進(jìn)行一次調(diào)制。其頻譜V()為若用一個(gè)合適的理想低通濾波器，在接收端就可以完全恢復(fù)原信號(hào)X(t)。三、方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì)（參見實(shí)驗(yàn)教程P4748）1本實(shí)驗(yàn)需要2個(gè)正弦信號(hào)（一路低頻正弦信號(hào)，作為電路板輸入的被調(diào)制信號(hào)；而實(shí)驗(yàn)所需要的接收端與發(fā)送端的載波信號(hào)完全同頻同相，因此需要提供另一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)，同時(shí)提供給調(diào)制部分和解調(diào)部分），這里我們采用實(shí)驗(yàn)電路板輸出的低頻正弦作為被調(diào)制信號(hào)，另外通過函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)，供調(diào)制和解調(diào)兩部分用。這兩個(gè)正弦信

37、號(hào)應(yīng)幅值相等，初相位相等，頻率成比例（實(shí)驗(yàn)電路板輸出的正弦信號(hào)頻率約為500Hz、幅度為500mV，作為調(diào)制信號(hào)；函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)設(shè)定為20KHz、500mV，作為二路載波信號(hào)）。根據(jù)以上安排做相應(yīng)的接線。2接通實(shí)驗(yàn)電源，用示波器觀察調(diào)制信號(hào)輸出（調(diào)制信號(hào)輸出先不要連接解調(diào)部分），調(diào)節(jié)電位器RP1觀察調(diào)幅器輸出波形。3將“調(diào)幅信號(hào)輸出”接到解調(diào)電路中的調(diào)幅信號(hào)輸入上，將載波接到載波信號(hào)輸入端上，將解調(diào)信號(hào)輸出接到LPF輸入端上。用雙蹤示波器分別觀察被調(diào)制信號(hào)（原信號(hào)）和LPF輸出信號(hào)（調(diào)制解調(diào)后的信號(hào)），并且記錄波形，如果兩個(gè)波形相差，則調(diào)節(jié)RP2和RP3至兩個(gè)波形近似。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與

38、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1被調(diào)制信號(hào)（TP1）2 載波信號(hào)3 調(diào)幅輸出信號(hào)（TP2）載波信號(hào)與調(diào)幅輸出信號(hào)比較圖4. 解調(diào)輸出信號(hào)（TP3）調(diào)制信號(hào)與解調(diào)信號(hào)比較圖5. 解調(diào)濾波后的信號(hào)（TP4）調(diào)制信號(hào)與解調(diào)濾波信號(hào)比較圖5、 結(jié)果分析與討論調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)，幅度調(diào)制是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過程。對(duì)于幅度調(diào)制信號(hào)，在波形上，它的幅度隨基帶信號(hào)規(guī)律而變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)頻譜在頻域的簡(jiǎn)單搬移。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，信號(hào)失真較嚴(yán)重，為了獲得較為理想的解調(diào)信號(hào)，對(duì)電位器進(jìn)行了多次、長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試，這一過程借助示波器的實(shí)時(shí)波形顯示完成，最終得到了較為可靠的結(jié)果。調(diào)

39、幅調(diào)制過程中，信號(hào)的衰減在本實(shí)驗(yàn)中是不可避免的，但信號(hào)的頻域特性得到了較好的保留。·思考題1已調(diào)制信號(hào)的幅度Y(t)與解調(diào)信號(hào)X(t)的幅度是否一樣？不一樣。當(dāng)用正弦波信號(hào)對(duì)已調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，由傅里葉變換可知，在理想情況下，解調(diào)信號(hào)X(t)的幅度為已調(diào)制信號(hào)Y(t)幅度的一半。但在解調(diào)過程中，當(dāng)通過增益為2的低通濾波器后，兩者的幅值應(yīng)該相等。事實(shí)上，信號(hào)在調(diào)制的過程中會(huì)有所衰減，因此其幅值不相等。在本次實(shí)驗(yàn)中，兩者的差值是比較大的。實(shí)驗(yàn)七 方波信號(hào)的產(chǎn)生、分解、合成與轉(zhuǎn)化一、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和目的設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生方波，收集產(chǎn)生的波形，利用諧振電路對(duì)方波信號(hào)分解并取出前若干次諧波，后由加法電路

40、合成，并與原方波信號(hào)比較。方波通過低通濾波器轉(zhuǎn)化為正弦波。掌握用數(shù)字示波器和計(jì)算機(jī)采集所測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)，和利用MATLAB對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行頻譜分析。掌握設(shè)計(jì)典型的信號(hào)產(chǎn)生和變換的方法。二、總體方案設(shè)計(jì)1. 采用多諧振蕩器產(chǎn)生方波多諧振蕩器是一種能產(chǎn)生矩形波的自激振蕩器，也稱矩形波發(fā)生器?！岸嘀C”指矩形波中除了基波成分外，還含有豐富的高次諧波成分。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。在工作時(shí)，電路的狀態(tài)在這兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間自動(dòng)地交替變換，由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號(hào)，常用作脈沖信號(hào)源與時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)。2. 方波的分解與合成對(duì)方波進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)展開為故方波可分解為不同頻率、幅度的正弦信號(hào)。采用諧振電路分

41、解并取出其17次諧波。因?qū)嶋H電路產(chǎn)生方波，不是理想方波，不是全時(shí)間段周期信號(hào)，可能有偶數(shù)次諧波，其頻譜是全波段。利用加法電路將所取的諧波信號(hào)求和，得到近似方波信號(hào)，與原方波信號(hào)比較，觀察失真情況。3. 方波的轉(zhuǎn)化將方波通過低通濾波器即可得到正弦波或三角波三、方案實(shí)現(xiàn)和具體設(shè)計(jì)四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 方波產(chǎn)生2. 方波的分解波形基波波形2次諧波波形3次諧波波形4次諧波波形5次諧波波形6次諧波波形7次諧波波形3. 方波諧波合成4. 方波轉(zhuǎn)化為正弦波（1kHz方波轉(zhuǎn)化為50Hz正弦波）5、 結(jié)果分析與討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路時(shí)，設(shè)計(jì)的方波發(fā)生電路是模擬數(shù)字混合電路，仿真比較困難，上網(wǎng)查資料后解決問題。通

42、過多個(gè)并聯(lián)LC振蕩電路測(cè)取其諧波，但買元件時(shí)發(fā)現(xiàn)買不到電感，實(shí)驗(yàn)時(shí)用實(shí)驗(yàn)室的電感多次串并聯(lián)獲得所需的近似的數(shù)值，增加了實(shí)驗(yàn)誤差。方波轉(zhuǎn)三角波電路也因缺少大電感而臨時(shí)將LC濾波電路改為RC濾波電路。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合預(yù)期。·思考題1方波轉(zhuǎn)換為正弦波失真的原因有哪些？原因如下：（1）輸入的方波信號(hào)的占空比很難準(zhǔn)確控制在50%；（2）濾波器本身的濾波特性就存在局限性。2假如要觀察1,3,5,7次諧波相位關(guān)系有哪些方法？（1）線性掃描法；（2）橢圓法（沙育圖形法）3信號(hào)的分解還可以運(yùn)用什么方法？還可以通過設(shè)計(jì)高階濾波器濾波器濾波得到相應(yīng)的n次諧波。實(shí)驗(yàn)結(jié)論經(jīng)過此次信號(hào)與系統(tǒng)基本實(shí)驗(yàn)，才發(fā)現(xiàn)信

43、號(hào)實(shí)驗(yàn)對(duì)于信號(hào)學(xué)科實(shí)際應(yīng)用與其原理闡釋有著不可替代的作用。實(shí)驗(yàn)過程中的不斷摸索和討論讓我們收獲了不少知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技巧，下面我從七個(gè)實(shí)驗(yàn)方面分條論述：首先是零輸入、零狀態(tài)與完全響應(yīng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的過程中，第一次實(shí)驗(yàn)基本上是熟練學(xué)習(xí)的過程，逐漸掌握器材如示波器、信號(hào)發(fā)生器、穩(wěn)壓電源等的使用方法，加深了對(duì)零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)和完全響應(yīng)原理的理解，了解了三種響應(yīng)的響應(yīng)曲線以與這三種響應(yīng)之間的聯(lián)系。 然后我們做了信號(hào)的無失真?zhèn)鬏?，?shí)驗(yàn)板對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響很大，有的50kHz不失真，有的10kHz就失真了。通過人眼觀察很難判定是否失真，通過測(cè)取數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析能更準(zhǔn)確判斷是否失真。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是無源濾波器與有源濾波器，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是個(gè)非常繁瑣的實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)較多。進(jìn)一步了解了各類濾波器的基本結(jié)構(gòu)與其特性，通過測(cè)量和繪制這些濾波器的幅頻特性曲線，比較無源濾波器與有源濾波器的濾波性能，有源濾波器因有放大增益而比無源濾波器有更好的效果。低通、高通、帶通和帶阻濾波器間的變換，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也很繁瑣，數(shù)據(jù)較多。