華中科技大學(xué)信號實驗報告(共26頁)

1、 2012 級信號與控制(kngzh)綜合實驗課程實 驗 報 告(基本(jbn)實驗一:信號與系統(tǒng)(xtng)基本實驗)姓 名 梁欣 學(xué) 號 U201211907 專業(yè)班號1208 同組者1 李子健 學(xué) 號 U201211906 專業(yè)班號1208 指導(dǎo)教師 日 期 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）實驗分值評分實驗一常用信號的觀察.實驗二零輸入響應(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)設(shè)計性實驗實驗名稱/內(nèi)容實驗分值評分創(chuàng)新性實驗實驗名稱/內(nèi)容實

2、驗分值評分教師評價意見總分目錄(ml)第一(dy)部分4實驗(shyn)一常用信號的觀察5任務(wù)和目標(biāo) 5總體方案設(shè)計 5方案實現(xiàn)和具體設(shè)計5實驗設(shè)計與實驗結(jié)果 5結(jié)果分析與討論5實驗二零輸入響應(yīng)零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)7任務(wù)和目標(biāo) 7總體方案設(shè)計 7方案實現(xiàn)和具體設(shè)計7實驗設(shè)計與實驗結(jié)果 9結(jié)果分析與討論9實驗五無源濾波器與有源濾波器9任務(wù)和目標(biāo) 9總體方案設(shè)計 9方案實現(xiàn)和具體設(shè)計10實驗設(shè)計與實驗結(jié)果 10結(jié)果分析與討論12實驗(shyn)六LPF HPF BPF BEF間的變換12任務(wù)(rn wu)和目標(biāo) 12總體方案設(shè)計(shj) 12方案實現(xiàn)和具體設(shè)計12實驗設(shè)計與實驗結(jié)果 12結(jié)果分析

3、與討論13實驗七信號的采樣與恢復(fù)13任務(wù)和目標(biāo) 13總體方案設(shè)計 14方案實現(xiàn)和具體設(shè)計14實驗設(shè)計與實驗結(jié)果 14結(jié)果分析與討論23實驗八調(diào)制與解調(diào)23任務(wù)和目標(biāo) 23總體方案設(shè)計 23方案實現(xiàn)和具體設(shè)計23實驗設(shè)計與實驗結(jié)果 26結(jié)果分析與討論26第二部分結(jié)論26第三部分體會與心得26第四部分參考文獻(xiàn)26第一部分(b fen) 正文實驗(shyn)一任務(wù)(rn wu)和目標(biāo)觀察常用的正弦波，方波，三角波，鋸齒波等信號及一些組合函數(shù)(hnsh)變形。用示波器測量(cling)信號，讀取信號的幅值和頻率。總體方案設(shè)計描述信號的波形有多種，可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式（時間的函數(shù)），也可以用函數(shù)圖形（信號的

4、波形）。信號分為周期信號與非周期信號兩種。了解常見信號有關(guān)參數(shù)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，了解儀器原理與所觀察信號的關(guān)系。掌握誤差觀察和分析方法。方案實現(xiàn)和具體設(shè)計連接函數(shù)發(fā)生器的電源。調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器選擇不同頻率不同波形，用示波器觀察輸出波形的變化。實驗設(shè)計與實驗結(jié)果 圖1-1 圖1-2 圖1-3 圖1-4 圖1-51.5V 3kHz方波如圖1-1，1.5V 3kHz正弦波如圖1-2，時間(shjin)函數(shù)為y=1.5sin(6000)，1.5mV 3kHz三角(snjio)波如圖1-3，1.5V 3kHz鋸齒(jch)波如圖1-4，1.5V 3kHz與1.5V

5、1kHz正弦波疊加后波形(b xn)如圖1-5。疊加后時間(shjin)函數(shù)為y=1.5sin(6000)+1.5sin（2000）實驗(shyn)二任務(wù)和目標(biāo)通過實驗，進(jìn)一步了解系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)的原理。學(xué)習(xí)實驗電路的設(shè)計方法。實驗中采用模擬電路實現(xiàn)線性系統(tǒng)零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)的實驗方案?？傮w方案設(shè)計線性時不變系統(tǒng)的基本特性可以用簡單的時間響應(yīng)特性來說明和觀察。實驗中將驗證時間響應(yīng)特性零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)及完全響應(yīng)?？刂齐娐啡鐖D2-1。 圖2-1合上開關(guān)S1有電路可得i(t)*R1+Uc(t)=E1帶入i(t)=CdUc(t)/dt得R1*C*dUc(t)/

6、dt+Uc(t)=E1取拉普拉斯變換得R1CUc(s)-RCUc(0)+Uc(s)=E1/s將Uc取拉普拉斯逆變換得Uc（t）=E1(1-e(-t/RC)+Uc(0)e(-t/RC)E1=0只有第二項，為零輸入響應(yīng)，即有初始條件激勵下的輸出響應(yīng)Uc(0)=0，初始條件為零，只有第二項，為零狀態(tài)響應(yīng)零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)的疊加為全響應(yīng)方案實現(xiàn)和具體設(shè)計如圖2-1連接電路，用示波器測量電容兩端電壓，閉合開關(guān)S1，測量并觀察示波器波形，為零狀態(tài)響應(yīng)。如圖2-2所示。等到電容兩端電壓不再改變，打開S1閉合S3，測量并觀察示波器波形為零輸入響應(yīng)。如圖2-4所示。閉合S2觀察示波器波形至電容電壓不再改變，

7、斷開S2閉合S1，觀察示波器波形，為完全(wnqun)響應(yīng)。如圖2-3所示。 圖2-2 圖2-3 圖2-4實驗(shyn)結(jié)果得到(d do)不同(b tn)響應(yīng)狀態(tài)下的信號波形，零狀態(tài)下電容兩端電壓由零逐漸升高至電源電壓并不再改變。零輸入響應(yīng)時，電容兩端電壓由零逐漸生高至電源電壓。完全響應(yīng)時前兩者的疊加，有原來電容兩端電壓逐漸升高至電源電壓。結(jié)果分析與討論電容沒有儲存電能時充電是零狀態(tài)響應(yīng)，充滿電能時放電是零輸入響應(yīng)，兩者的疊加是安全響應(yīng)，在未充滿時放電。實驗五任務(wù)和目標(biāo)了解無源濾波器和有源濾波器的種類，基本結(jié)構(gòu)及特性。分析和對比無源濾波器與有源濾波器的濾波特性。掌握無源濾波器和有源濾波器參

8、數(shù)的設(shè)計。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)，它允許某些頻率的信號通過，其他的一些頻率的信號受到衰減或者抑制。這些網(wǎng)絡(luò)可以使RLC原件或RC原件構(gòu)成的無源濾波器，也可以是由RC原件和有源器件構(gòu)成的有源濾波器。根據(jù)幅頻特性曲線可以將濾波器分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器等4種濾波器濾波器電路圖引用【信號與控制綜合實驗教材】圖5-2測量無源LPF和有源LPF的幅頻特性測量無源HPF和有源HPF的幅頻特性測量(cling)無源BPF和有源BPF的幅頻特性測量(cling)無源BEF和有源BEF的幅頻特性濾波器網(wǎng)絡(luò)函數(shù)H(jw)又稱為頻率響應(yīng)可以(ky)表

9、示為H(jw)=Uo(jw)/Ui(jw)=A(w)（w）A(w)為濾波器幅頻特性，（w）為濾波器相頻特性方案實現(xiàn)和具體設(shè)計所使用電路圖見【信號與控制綜合實驗教程】圖F2-4，用示波器先從整體上觀察濾波特性曲線實驗時保持濾波器輸入正弦信號幅值不變的情況下逐漸改變其頻率，測量輸出端電壓按照以上步驟分別測量無源LPF HPF BPF BEF和有源LPF HPF BPF BEF實驗設(shè)計與實驗結(jié)果記錄數(shù)據(jù)如表3-1實驗五原始數(shù)據(jù)記錄表格 表3-1無源低通f100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 550.00 700.00 800.00 U3.08 2.84 2.64 2.

10、44 2.24 2.12 1.84 1.72 無源高通f500.00 1000.00 1500.00 1800.00 2000.00 2500.00 3000.00 4000.00 U0.23 0.60 0.94 1.12 1.24 1.49 1.68 2.04 無源帶通f100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 900.00 U0.20 0.36 0.51 0.63 0.72 0.80 0.86 0.93 無源帶阻f80.00 150.00 300.00 380.00 500.00 640.00 750.00 900.00 U2.52

11、2.34 2.00 1.80 1.50 1.20 1.00 0.76 有源低通f100.00 200.00 500.00 700.00 1100.00 1600.00 2000.00 2500.00 U3.10 2.96 2.74 2.48 2.00 1.50 1.10 0.86 有源高通f500.00 1000.00 1300.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00 4000.00 U0.25 0.85 1.20 1.40 1.84 2.12 2.32 2.58 有源帶通f100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 700.00 110

12、0.00 1800.00 U0.11 0.38 0.80 1.18 1.47 1.74 1.98 2.02 有源帶阻f100.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1300.00 1600.00 2000.00 U3.08 2.56 2.16 1.68 1.20 0.56 0.10 0.67 圖3-1 圖3-2 圖3-3 圖3-4連接(linji)電路圖并按之前(zhqin)所述步驟測量各種濾波器的幅頻特性，繪制成曲線(qxin)。有源與無源低通濾波器如圖3-1所示。有源與無源高通濾波器如圖3-2所示。有源與無源帶通濾波器如圖3-3所示。有源與無源帶阻濾波器如圖3-4

13、所示。結(jié)果分析與討論比較有源與無源濾波器的幅頻特性曲線可知有源濾波器的濾波性能更好，響應(yīng)更快，濾波更穩(wěn)定。 實驗六任務(wù)和目標(biāo)通過本實驗進(jìn)一步理解低通，高通，帶通和帶阻等不同類型濾波器之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系熟悉LPF HPF BPF BEF 的模擬電路并掌握其參數(shù)的設(shè)計原則?？傮w方案設(shè)計實驗原理引用【信號與控制綜合實驗教材】P39,實驗電路圖參見【信號與控制綜合實驗教材】圖F2-5.正確連接實驗電路，接通電源，將函數(shù)發(fā)生器輸出的正弦信號接入無源或有源濾波器的輸入端，調(diào)節(jié)該正弦信號頻率有小到大，用示波器觀察其LPF輸出幅值的變化。方案實現(xiàn)和具體設(shè)計正確連接電路圖，合成帶通電路為低通與高通的串聯(lián)，測量值為低

14、通信號與合成的帶阻信號。合成帶阻電路為低通與高通的并聯(lián)，測量值為低通信號和高通信號以及兩個信號疊加后的合成帶阻信號。實驗設(shè)計與實驗結(jié)果實驗原始數(shù)據(jù)如表4-1實驗六原始數(shù)據(jù)記錄表 表4-1合成帶通f50.00 100.00 200.00 300.00 600.00 1100.00 1800.00 2500.00 低通U12.96 3.04 3.00 2.96 2.76 2.44 2.00 1.60 合成帶通U20.92 1.64 2.40 2.64 2.72 2.56 2.08 1.60 合成帶阻f100.00 150.00 200.00 300.00 400.00 700.00 900.00

15、1200.00 低通U32.52 2.00 1.76 1.32 1.04 0.60 0.48 0.36 高通U40.18 0.27 0.36 0.53 0.70 1.17 1.44 1.74 合成帶阻U52.32 1.90 1.52 0.96 0.56 0.72 1.04 1.52 圖4-1 圖4-2由有源低通與高通濾波器串聯(lián)的合成(hchng)帶通濾波器的幅頻響應(yīng)如圖4-1由有源低通與高通濾波器并聯(lián)的合成(hchng)帶通濾波器的幅頻響應(yīng)如圖4-2結(jié)果分析(fnx)與討論通過本次實驗理解了低通高通帶通帶阻等不同類型濾波器之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。熟悉了LPF HPF BPF BEF 的模擬電路并掌握其

16、參數(shù)的設(shè)計原則。實驗七任務(wù)和目標(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，兵掌握采樣周期的基本設(shè)計原則。在前面實驗的基礎(chǔ)上，掌握根據(jù)實驗原理框圖設(shè)計實驗方案自行搭建實驗電路，自行設(shè)計實驗電路。總體方案設(shè)計實驗原理引用【信號與控制綜合實驗教程】P42。方案實現(xiàn)(shxin)和具體設(shè)計連接采樣脈沖（方波）信號發(fā)生器，采樣器（采樣開關(guān)）LPF組成的采樣與恢復(fù)(huf)系統(tǒng)，電路圖引用【信號與控制綜合實驗教程】圖F2-6利用函數(shù)(hnsh)發(fā)生器，輸入頻率為100Hz左右的正弦信號給信號采樣與恢復(fù)實驗電路的輸入端，觀察采樣輸出信號，以及通過LPF后的恢復(fù)辛哈改變采樣輸入信號的頻率，觀

17、察采樣輸出信號，以及通過LPF后的恢復(fù)信號改變被采樣輸入信號為其他波形，再重復(fù)上述實驗。實驗設(shè)計與實驗結(jié)果輸入信號為正弦波，分別取正弦信號頻率為25HZ、50HZ、100HZ、500HZ，波形分別為： 圖7-1 正弦波頻率為25HZ的實驗(shyn)波形 （從上至下依次為采樣(ci yn)與恢復(fù)波形、輸入與恢復(fù)波形） 圖7-2 正弦波頻率(pnl)為50的實驗(shyn)波形 （從上至下依次為采樣與恢復(fù)(huf)波形、輸入與恢復(fù)波形） 圖7-3 正弦波頻率為100HZ的實驗(shyn)波形 （從上至下依次(yc)為采樣與恢復(fù)波形、輸入與恢復(fù)波形） 圖7-4 正弦波頻率為500HZ的實驗(shy

18、n)波形 （從上至下依次為采樣與恢復(fù)(huf)波形、輸入與恢復(fù)波形）輸入信號(xnho)為三角波，分別去三角波信號頻率為25HZ、50HZ、100HZ、500HZ，波形分別為：圖7-5三角(snjio)波信號頻率為25HZ的實驗(shyn)波形（從上至下依次為采樣(ci yn)與恢復(fù)波形、輸入與恢復(fù)波形）圖7-6 三角波信號(xnho)頻率為50HZ的實驗波形（從上至下依次為采樣與恢復(fù)(huf)波形、輸入與恢復(fù)波形）圖7-7 三角波信號頻率為100HZ的實驗(shyn)波形（從上至下依次為采樣與恢復(fù)波形(b xn)、輸入與恢復(fù)波形）圖7-8 三角波信號為500HZ的實驗(shyn)波形（從上至

19、下依次為采樣(ci yn)與恢復(fù)波形、輸入與恢復(fù)波形）結(jié)果分析(fnx)與討論由以上采樣和恢復(fù)(huf)信號可以看出無論(wln)何種波形，當(dāng)sm時，恢復(fù)出的信號會發(fā)生變形和畸變，驗證了采定理。實驗八任務(wù)和目標(biāo)了解幅值調(diào)制與解調(diào)的基本原理。觀察調(diào)制和解調(diào)后的波形。在前面實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)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，掌握集成模擬乘法器或其他集成芯片在實現(xiàn)電路方案時的各種應(yīng)用。總體方案設(shè)計實驗原理引用【信號與控制綜合實驗教程】總體方案設(shè)計一般實驗室的函數(shù)信號發(fā)生器僅能提供一路正弦信號，本實驗需要兩個正弦信號（一路低頻正弦信號，作為電路板輸入的被調(diào)制信號，

20、而實驗所需要的接收端與發(fā)送端的載波信號完全同頻同相，因此需要提供另一個高頻正弦信號作為載波信號同時提供給調(diào)制部分和解調(diào)部分），故可采用實驗電路板輸出的低頻正弦信號作為被調(diào)制信號。另外通過函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生高頻正弦信號，供調(diào)制和解調(diào)兩部分用。這兩個正弦信號應(yīng)幅值相等，初相位相等，頻率成正比。實驗中可先調(diào)節(jié)實驗電路板輸出的正弦信號頻率約為500Hz，幅值為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)制信號輸出將調(diào)幅信號輸出接到解調(diào)電路中的調(diào)幅信號輸入端上，載波接到載波信號輸入端上，解調(diào)信號輸出接到LPF輸入端上。分別觀察被調(diào)制信號和LPF輸出信號并記錄波形。實驗設(shè)計與實驗結(jié)果記錄被調(diào)制信號、載波信號、調(diào)制信號和解調(diào)信號的波形。 圖8-1 被調(diào)制與解調(diào)(ji dio)輸出 圖8-2 被調(diào)制(tiozh)與濾波輸出 圖8-3 被調(diào)制(tiozh)與調(diào)幅輸出 圖8-4 載波與解調(diào)(ji dio)輸出 圖8-5 載波(zib)與濾波輸出 圖8-6 載波與調(diào)幅(dio f)輸出結(jié)果(ji gu)分析與討論信號在調(diào)制與解調(diào)后會有部分的失真，所得到的信號并不是光滑完整的波形，放大后會發(fā)現(xiàn)波形中有許多毛刺。這種現(xiàn)象可以通過傅里葉變換(binhun)得到解釋。通過這次實驗掌握了集成模擬乘法器在