信號與系統(tǒng)實驗(新)

1、信號與系統(tǒng)實驗實驗1階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)實驗?zāi)康挠^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；掌握有關(guān)信號時域的測量方法.實驗原理說明實驗如圖11所示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圖11(b)沖激響應(yīng)電路連接示意圖其響應(yīng)有以下三種狀態(tài)：Title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)Date:3-Sep-2006的導(dǎo)數(shù).為了便于用示波器觀察響應(yīng)波形,實驗中用招期方波代替階武信號ILEESIGN3EXPLORE1、2、BC(2)當(dāng)電阻R=2L時,稱臨界狀態(tài);(3)電阻R2,稱過阻尼狀態(tài);用周

2、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)波形觀察與參數(shù)測量設(shè)鼓勵信號為方波,其幅度為1.5V峰峰值,頻率為500Hz實驗電路連接圖如圖1-1(a)所示.連接如圖1-1所示調(diào)整鼓勵源信號為方波,調(diào)節(jié)頻率旋鈕,使f=500Hz,調(diào)節(jié)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TP909,調(diào)節(jié)滑動變阻器,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1-1中.TP908為輸入信號波形的測量點,可把示波器的CH-接于TP908上,便于波形比擬.表1-1狀態(tài)參數(shù)測欠阻尼狀態(tài)臨界狀

3、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)所小.將信號輸入接于P905(頻率與幅度不變)；將示波器的CH1接于TP906觀察經(jīng)微分后響應(yīng)波形(等效為沖激激勵信號)；連接如圖1-1(b)所示將示波器的CH2接于TP909,調(diào)整滑動變阻器,使電路分別工作于欠阻尼、臨界和過阻尼三種狀態(tài)觀察TP909端三種狀態(tài)波形,并填于表1-2中表1-2欠阻尼狀態(tài)臨界狀態(tài)過阻尼狀態(tài)鼓勵波形響應(yīng)波形表中的鼓勵波形為在測量點TP906觀察到的波形(沖激鼓勵信號).四、實驗報告要求1、描繪同樣時間軸階躍

4、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 p 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)備雙蹤示波器1臺信號系統(tǒng)實驗箱1臺上升時間tr：y從0.1到第一次到達(dá)0.9所需時間.峰值時間tp：y(t)從0上升ymax所需的時間.調(diào)節(jié)時間ts：y(t)的振蕩包絡(luò)線進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)值的5%誤差范圍所需的時間.最大超調(diào)量6：6P=ymax_y%100%y二實驗2連續(xù)時間系統(tǒng)的模擬一、實驗?zāi)康?-了解根本運算器一一加法器、標(biāo)量乘法器和積分器的電路結(jié)構(gòu)和運算功能；2、掌握用根本運算單元模擬連續(xù)實踐系統(tǒng)的方法.二、實驗原理說明1、線性系統(tǒng)的模擬系

5、統(tǒng)的模擬就是用由根本運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)可以使電的或非電的物理量系統(tǒng),也可以是社會、經(jīng)濟和軍事等非物理量系統(tǒng).模擬裝置可以與實際系統(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.模擬裝置的鼓勵和響應(yīng)是電物理量,而實際系統(tǒng)的鼓勵和響應(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分析實際系統(tǒng),最終到達(dá)一定條件下確定最正確參數(shù)的目的.2、根本運算電路a比例放大器,如圖2-10R2U0U1R1圖2-1b加法器,如圖2-2.R2,uo:u1u2=-u1u2R1圖2-2加法器電路連接示意圖R1=R2比例放大

6、電路連接示意圖崇卜)其模擬框圖如圖2-4(b)(c)0其一階系統(tǒng)模擬實驗電路如圖2-4R1=1KCJ1uy(t)c)3、積分器,如圖2-3.如圖2-4(a).它是一階RC電路,可用以下方程描述:Y(t)(c)Y(t)(d)x(t)三、實驗內(nèi)容在實驗平臺上,U3013和U302為運算放大器.P301、P302為U301的輸入接口,P303為U301的輸出接口；P305P306為U302的輸入接口,P307為U302的輸入接口.進(jìn)行實驗時,可根據(jù)選擇不同的阻值的電阻.由圖2-9,實驗?zāi)K上有12個可供選擇的電阻,分別是：R301、R302R312U301與U302的電路圖如圖2-5所示.圖2-5U

7、301、U302電路圖1-根本運算器一一加法器的觀察同學(xué)們自己動手連接如圖2-6所示實驗電路將2V、3V電壓接至電路u1、u2端.(可自己搭接分壓電路得到2V3V電壓同時輸入加法器,或者一路輸入信號源產(chǎn)生的信號,一路直接輸入一個5V信號)用萬用表測量u0端電壓.是否為輸入的兩路電壓之和.2-根本運算器一一比例放大器的觀察2同學(xué)們自己動手連接如圖2-7所小我驗電路.信號發(fā)生器產(chǎn)生A=1M輸入、輸出波形并比擬.23-根本運算器一一積分器的觀察d)同學(xué)們自己動手連接如圖e)信號發(fā)生器產(chǎn)生A=1Vf=1KHz的方波送入輸入端,示波器同時觀察輸入、輸出波形并比擬.圖2-6加法器實驗電路圖圖2-7比例放大

8、器實驗電路圖圖2-8積分器實驗電路圖4、RC電路的模擬如圖2-4(a)為的一階電路圖.圖2-4(d)是它的一階模擬電路.f=1KHz的方波送入輸入端,示波器同時觀察2-8示實驗電路.信號發(fā)生器產(chǎn)生A=1Vf=1KHz的方波送入輸入端,用示波器測量輸出電壓波形,驗證其模擬情況.、四、實驗報告要求1、準(zhǔn)確繪制各種根本運算器輸入輸出波形,標(biāo)出峰一峰值電壓即周期;2、繪制一階模擬電路階躍響應(yīng),標(biāo)出峰一峰電壓即周期.五、實驗設(shè)備1、雙蹤示波器1臺2、函數(shù)信號發(fā)生器1臺3、毫伏表1臺4、信號系統(tǒng)實驗箱1臺實驗3根本運算單元一、實驗?zāi)康?1)熟悉由運算放大器為核心元件組成的根本運算單元(2)掌握根本運算單元

9、特性的測試方法二、實驗設(shè)備與儀器(1)信號與系統(tǒng)實驗箱TKSS-A或TKSS-E或TKSS-Cffi;(2)雙蹤示波器.三、實驗原理1.運算放大器運算放大器實際就是高增益支流放大器,當(dāng)它與反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接后,就可實現(xiàn)對輸入信號的求和、 積分、微分、比例放大等多種數(shù)學(xué)運算,運算放大器因此而得名.運算放大器的電路符號如圖1-1所示.由圖可見,它具有兩個輸入端和一個輸出端：當(dāng)信號從“-端輸入時,輸出信號與輸入信號反相,故-端稱為反相輸入端；而從“+端輸入uo-IL時,輸出信號與輸入信號同相,故稱“+端稱為同相輸十氏入端；運算放大器有以下特點：日_十(1)高增益運算放大器的電壓放大倍數(shù)用下式表示；圖1-1

10、運算放大器的電路符號(1-1)式中,Uo運放的輸出電壓；U+為正輸入端對地電壓；U-為“-輸入端對地電壓.不加反應(yīng)(開環(huán))時,直流電壓放大倍數(shù)高達(dá)104-106(2)高輸入阻抗運算放大器的輸入阻抗一般在106-1011Q范圍內(nèi).(3)低輸出阻抗運算放大器的輸出阻抗一般為幾時到一、二歐姆.當(dāng)它工作于深度負(fù)反應(yīng)狀態(tài),那么其閉環(huán)輸出阻抗將更小.為使電路的簡化起見,人們常把上述的特性理性化,1認(rèn)為運算放大器的電壓放大倍數(shù)無窮大；2確入阻抗無窮大；3渝出阻抗為零據(jù)此得出下面兩個結(jié)論：1)由于輸入阻抗為無窮大,因而運放的輸入電流等于零.2)由于運放的電壓放大倍數(shù)為無窮大,輸出電壓為一有限值,由式(1-1)

11、可知,差動輸入電壓(U+-U-)趨于零值,即u+=u-2.根本運算單元在對系統(tǒng)模擬中,常用的根本運算單元有加法器、比例運算器、積分器和微分器四種,現(xiàn)簡述如下：(1)加法器圖1-2為加法器的原理圖.基于運算放大器的輸入電流為零,那么由圖1-2得-u-3uppR/3RUo=u_-iPRF=4u_1u_=-u.4(1-2)同理得：u.u_u.u2-u.u3-u.=TTRRR由上式得：1,_uu2“一4由于u_=u.即運算放大器的輸出電壓等于輸入電壓的代數(shù)和.(2)比例運算器反相運算器圖1-3為反相運算的電路圖.由于放大器的“+端和“-端均無輸入電流,所以u+=u-=0,圖中的A點為“虛地,于是得iF

12、=ir即T=R1=K(1-5)RFRruiRrRF式中K=R,-號表示輸出電壓與輸入電壓反相,故稱這種運算器為反相運Rr算器當(dāng)RF=Rr時,K=1,式(1-5)變?yōu)閡o=ui,這就是人們常用的反相器.圖1-3中的電阻貸用來保證外部電路平衡對稱,以補償運放本身偏置電流及其溫度漂移的影響,它的取值一般為RP=Rr/RF.同相運算器這種運算器的線路如圖1-4所示.由該電路圖得R(1-3)所以uo=u1u2u3(1-4)圖1-2加法器RRRUI3U2TJ3地RF=R=10Kir=iF,那么有:-Ui-UoUiRr(3)積分器圖1-5為根本積分器的電路圖,由該圖得Uih=一RF1.1.二Uc=一一wdt

13、=UidtcRFC假設(shè)令E=RC,那么上式改寫為1,一Uo=Widt(1-8)T式(1-8)表示積分器的輸出電壓Uo是與其輸入電壓Ui的積分成正比,但輸出與輸入電壓反相.如果積分器輸入的回路的數(shù)目多于1個,這種積分器稱為求和積分器,它的電路圖為圖1-6所示.用類同于一個輸入的積分器輸出導(dǎo)求方法,求得該積分器u_=u尸UiUiUo-UiRrRFRr式中UiUoJRFR=KUi1.(1-6)Uo(1-7)RrRr=10KRr=10KRr=SOKRr=20K圖1-3反相運算器圖1-4同相運算器的輸出為由于ir=iF,所以有duU00du/duc,=_u_-UoRFc-=K-出RFdtdt式中K=RF

14、C.Uo-%器U3(1-9)如果R=R=電那么1,.U0=(uiU2U3)dtRC(1-10)圖1-3積分器圖1-6求和積分器(4)微分器圖17為微分器的電路圖.由圖得icduir=C出iF=RF(1-11)Rr-5,IKC=0.QDTuFUIU2U3可見微分器的輸出U0是與其輸入Ui的微分成正比,且相反.圖17微分器四、實驗內(nèi)容與步驟1、在本試驗箱自由布線區(qū)設(shè)計家發(fā)器、比例運算器、積分器、微分器四種根本運算單元模擬電路.2、測試根本運算單元特性.(1)加法器線路如圖12所示.令ui為f=1KHz、 幅度刷!值)為2V的正弦波,U2為幅值(峰值)為3V、頻率為1KHz的正弦波,U3=0(用導(dǎo)線

15、與地短路).用示波器觀察U1、U2、U3波形,記錄之.(2)比例運算器線路如圖13.Rr=10kQ,RF=20Q,輸入彳9號采用1KHz方波,用示波器觀察和測量輸入、輸出信號波形,并由測量結(jié)果計算K值.(3)積分器線路如圖15.CF=0.0047UF,Rr=5.1k.當(dāng)Ui為方波(f=1KHz,Upp=4V)時,用示波器觀測輸出UO的波形,改變輸入方波信號的頻率使方波的脈寬tp與電路時間七滿足以下三種關(guān)系,即tp=T,tpT,tpWE分別觀測輸入輸出信號的波形,并記錄之.(4)微分器線路如圖17.CF=0.0047uF,Rr=5.1kQ.改變輸入方波ui的頻率,至滿足tp=,tp,tpMT三種

16、關(guān)系時,分別觀測輸入輸出波形并記錄之.五、思考題(1)如果積分器輸入信號是方波,如何測量積分時常數(shù)？(2)在實驗中,為保證不損壞運算放大器,操作上應(yīng)注意哪些問題？(3)滿足積分電路和微分電路的條件是什么？所列的實驗電路和所選的實驗參數(shù)值能滿足條件嗎？(4)以方波作為鼓勵信號,試問積分和微分電路的輸出波形是什么?六、實驗報告(1)導(dǎo)出四種根本運算單元的傳遞函數(shù).(2)繪制加法、比例、積分、微分四種運算單元的波形.實驗4無源和有源濾波器一、試驗?zāi)康?、了解RC5源和有源濾波器的種類,根本結(jié)構(gòu)及其特性2、分析和比照無源和有源濾波器的濾波特性3、掌握掃頻器白使用方法TKSS-C型二、儀器設(shè)備1、信號和

17、系統(tǒng)試驗箱TKSS-ATKSS-B或TKSS-Cffi2、雙蹤示波器.三、原理說明1、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),它允許某些頻率通常是個頻率范圍 的信號通過,而其他頻率的信號受到衰減后抑制,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,也可以由RC元件和有源器件構(gòu)成的有源濾波器.2、根據(jù)幅頻特性所表示的通過或阻尼信號頻率范圍的不同,濾波器可分為低通濾波器LPF、帶通濾波器BPF和帶阻濾波器BEF四種.把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶,把阻止通過衰減的信號范圍定義為阻帶.而通帶與阻帶的分界點的頻率wc稱為截至頻率或稱轉(zhuǎn)折頻率.圖3-1中的|Hjw|為通帶的電壓放大

18、倍數(shù),w0為中央頻率,wcl和wch分別為低端和高端的截止頻率.四種濾波器的試驗線路如圖3-2所示(c)無源高通濾波器(d)有源高通濾波器圖3-2-2(e)無源帶通濾波器有源帶通濾波器圖3-2-3圖3-2-4圖3-2各種濾波器的試驗電路圖3、3-3所示,濾波器的頻率特性H(jw)(又稱為傳遞函數(shù)),它用下式表示H(jw)=-jjr=A(w)0(w)(a)無源低通濾波器(b)圖3-2-1有源低通濾波器U2(g)無源帶阻濾波器0.OluF0OluFMlIH002211PATU510(g)有源帶阻濾波器3-1式中AW為濾波器的幅頻特性,ec鞏為濾波器的相頻特性.它們都可以通過試驗的方式來測量.圖3-

19、3濾波器四、預(yù)習(xí)要求1、為使試驗?zāi)茼樌M(jìn)行,做到心中有數(shù),課前對教材的相關(guān)的內(nèi)容和試驗原理、目的與要求和方法要做充分的預(yù)習(xí)并預(yù)期試驗的結(jié)果.2、推導(dǎo)各類無源和有源濾波器的頻率特性,并據(jù)此分別畫出濾波器的幅頻特性曲線3、方波鼓勵下,預(yù)測各類濾波器的響應(yīng)情況.五、試驗內(nèi)容和步驟1、濾波器的輸入端接正弦信號發(fā)生器或掃頻電源,濾波器的輸入端接示波器或交流數(shù)字毫伏表,2、測試無源和有源低通濾波器的幅頻特性.1測試RC5源低通濾波器的幅頻特性.用圖3-2-1a所示的電品測試RC無源低通濾波器的特性.試驗時,必須在保持正弦信號輸入電壓U1幅值不變的情況下,逐漸改變其頻率,用試驗箱提供的數(shù)字式的真有效值交流電

20、壓表10Hzf0),-t/、,一u(t)=U0(1-eT)(t0)其中,p 為電路的時間常數(shù).在RC電路中,r=RC;在RL電路中,r=L/R零狀態(tài)電流響應(yīng)的形式與之相似.本實驗研究的暫態(tài)響應(yīng)主要是指系統(tǒng)的零狀態(tài)電壓響應(yīng).、實驗內(nèi)容Ur(t)圖 6-1RC 電路連接示意圖圖 6-2RL 電路連接示意圖(實驗箱限制不能做)一階電路的零狀態(tài)響應(yīng),是系統(tǒng)在無初始儲能或狀態(tài)為零情況下,僅由外加鼓勵源引起的響應(yīng).為了使我們能夠在儀器上看到穩(wěn)定的波形,通常用周期型變化的方波信號作為電路的鼓勵信號.此時電路的輸出既可以看成是研究脈沖序列作用于一階電路,也可看成是研究一階電路的直流暫態(tài)特性.即用方波的前沿來代

21、替單次接通的直流電源,用方波的后沿來代替單次斷開的直流電源.方波的半個周期應(yīng)大于被測一階電路的時間常數(shù)的3-5倍； 當(dāng)方波的半個周期小于被測電路時間常數(shù)3-5倍時,情況那么較為復(fù)雜.1、一階RC電路的觀測實驗電路連接圖如圖6-3(a)所示.信號源：周期為400s,脈寬為200仙s,幅度為2V的方波連接P701與P907,將信號輸入一階電路調(diào)節(jié)信號源輸出的信號波形的信號參數(shù)3連接P908與P9104將示波器連接在TP915上,觀測輸出波形5根據(jù)RC計算出時間常數(shù) p6根據(jù)實際觀測到的波形計算出實測的時間常數(shù)7改變P908與P910間的連接,可改變?yōu)镻908連911、P909連910、P909連9

22、11(注：當(dāng)連接點改在P911時,輸出測量點應(yīng)該在TP917)8重復(fù)上面的實驗過程,將結(jié)果填入表6-1中表6-1一階RC電路連接點R(kQ)C(pF)r=RCss)實測 p 值測量點P908P910102200TP915P908P911104700TP917P909-P910202200TP915P909-P911204700TP9172、一階RL電路的觀測實驗電路連接圖如圖6-3(b)所示.信號源：不變,與RC電路實驗一樣.P701與P913,將信號輸入一階電路調(diào)節(jié)信號源輸出信號波形的信號參數(shù)連接P914與P915將示波器連接在TP919上,觀測輸出波形根據(jù)RL計算出時間常數(shù) p根據(jù)實際觀測

23、到的波形計算出實測的時間常數(shù)改變P914與P915間的連接,可改變?yōu)镻914連916,此時輸出測量點也需相應(yīng)地改為TP921重復(fù)上面的實驗過程,將結(jié)果填入表6-2中連接點R(kQ)L(mH)r=L/R(ss)實測 p 值測量點P914P915110TP919P914P9160.4710TP921P907R90310KR90420K4700PP912,TP917AGND|圖 6-3(a)RC 一階電路實驗連接圖表6-2一階RL電路TP916TP914TP915-|JC904二卜四、實驗報告要求1、將實驗測算出的時間常數(shù)分別填入表6-1與表6-2中,并與理論計算值進(jìn)行比擬.2、畫出方波信號作用下R

24、C電品&、RL電路各狀態(tài)下的響應(yīng)電壓的波形(繪圖時注意波形的對稱性).五、試驗設(shè)備1、雙蹤示波器1臺2、信號與系統(tǒng)實驗箱1臺實驗6二階電路的暫態(tài)響應(yīng)、實驗?zāi)康挠^測RLC電路中原件參數(shù)對電路暫態(tài)的影響、實驗原理說明1、RLC電路的暫態(tài)相應(yīng)可用二階微分方程來描繪的電路稱為二階電路.RLC4路就是其中一個例子.由于RLC電路中包含有不同性質(zhì)的儲能元件,當(dāng)受到鼓勵后,電場儲能與磁場儲能將會相互轉(zhuǎn)換,形成振蕩.如果電路中存在著電阻,那么儲能將不斷地被電阻消耗,因而振蕩是減幅的,稱為阻尼振蕩或衰減振蕩.如果電阻較大,那么儲能在初次轉(zhuǎn)移時,它的大局部就可能被電阻所消耗,不產(chǎn)生振蕩.因此,RLCt路的

25、響應(yīng)有三種情況:欠阻尼、臨界阻尼、過阻尼.RLCI聯(lián)電路為例:信號Us(t)=Us(t0)加在RLC串聯(lián)電路輸入端,其輸出電壓波形uc,由下設(shè)W0=為回路的諧振角頻率,a=為回路的衰減常數(shù).當(dāng)階躍【,LC2L其中O=arctg_23,其電路響應(yīng)處于臨近振蕩的狀態(tài),稱為臨界阻尼狀態(tài).Uc(t)=1-(1+at)eUs(1)a2w02,即Ra2w02,gpR2,響應(yīng)為非振蕩性的,稱為過阻尼狀態(tài).30uc(t)=1-Ketsh(CL)0t+x)Us其中,X=th-1j2、矩形信號通過RLC串聯(lián)電路由于使用示波器觀察周期性信號波形穩(wěn)定而且易于調(diào)節(jié),因而在實驗中我們用周期性矩形信號作為輸入信號,RLC$

26、聯(lián)電路響應(yīng)的三種情況可用圖7-1來表示.UsT/2(a)輸入矩形波三、實驗內(nèi)容實驗平臺上沒有專門的二階電路暫態(tài)響應(yīng)模塊,此實驗電路可在二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡模塊上實現(xiàn).圖7-2為RLC串聯(lián)電路連接示意圖,圖7-3為實驗電路圖.LAGND在P901端輸入矩形脈沖信號,其脈沖的重復(fù)周期為800仙s,脈沖寬度為400幅度為1.2V.在測量點TP902上觀測uc(t)的暫態(tài)波形.(1)觀測uc(t)的波形RLC串聯(lián)電路中的電感L=10Mh電阻R=10(n,電容C=0.1FF,觀察示波器上uc(t)的波形的變化,并描繪其波形圖,與理論計算值進(jìn)行比擬.(2)觀測RLC串聯(lián)電路振蕩、臨界、阻尼三種工作狀態(tài)下uc(t)的波形保持L=22Mh,C=0.015pF,改變電阻R,由100.逐步增大,觀察其Uc(t)波形的變化情況.a.記下臨界阻尼狀態(tài)時R的阻值,并描繪其uc(t)的波形.b.描繪阻尼狀態(tài)下R=4kQ時uc(t)的波形.四、實驗報告要求描繪RLC串聯(lián)電路振蕩、臨界、阻尼三種狀態(tài)下的uc(t)波形圖,并將各實測數(shù)據(jù)列成表,與理論計算值進(jìn)行比擬.五、試驗設(shè)備1、雙蹤示波器1臺P90110MC9