中南大学 信号与系统实验报告.docx
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中南大学信号与系统实验报告
信号与线性系统实验报告
姓名：
班级：
学号：
《信号与系统》实验报告
实验室名称：
综合实验楼4楼实验日期：
2014年12月8日
学院
信息科学与工程
专业、班级
11304
姓名
1
实验名称
NIELVISII+实验仪器简介
指导
教师
教师评语
教师签名：
年月日
实验目的：
1.熟悉系统的使用。
实验内容：
认识NIELVISⅡ+实验仪器
实验器材：
1.PC机，安装有LabVIEW2009（或更高版本）和DigitalFilterDesign工具包
2.匹配的NIELVIS2或2+和USB电缆
3.EMONASIGEx信号及系统扩充板
4.分类跳接电缆
5.两根BNC-2mm引线
6.计算机（win7系统）
实验步骤：
1.用器材连接好仪器，并认识相关布局按钮等。
实验结论：
通过实验初步认识了仪器，为以后的实验打下了基础。
《信号与系统》实验报告
实验室名称：
综合实验楼4楼实验日期：
2014年12月8日
学院
信息科学与工程
专业、班级
11304
姓名
1
实验名称
用于NIELVIS的EMONASIGEx插件实验板简介
指导
教师
教师评语
教师签名：
年月日
实验目的
在这个实验中，要熟悉SIGEx板上各种各样的仪器，并且知道如何使用它们。
事先准备
阅读完第一章的简介，以保证熟悉仪器设备及其功能。
实验装置
装有LabVIEW8.5（或更高版本）的计算机，还需装有数字滤波器设计工具包。
NIELVISII或者II+以及配套的USB数据线
EMONASIGEx信号与系统扩展板
各种各样的连接导线
两根带BNC接头的2mm导线
实验步骤
A、设置NIELVIS/SIGEx套件
1.关闭NIELVIS单元及原型开发板上的开关。
2.将SIGEx板卡插入到NIELVIS单元中。
注意：
这步可能已经为你做好了。
3.使用USB数据线连接NIELVIS和计算机。
4.打开计算机（假如还未开机）进入Win7系统并等待其完全启动（这样计算机才会准备好连接外部的USB设备）。
5.打开NIELVIS单元，但不要打开原型开发板的开关。
观察USB指示灯是否变亮（在ELVIS单元的右上角）。
如果扬声器可用，那么计算机将发出声音以提示已经检测到ELVIS单元。
6.打开NIELVIS原型开发板开关，给SIGEx板卡上电。
检查所有的三个指示灯是否点亮，如未点亮，请向指导老师寻求帮助。
7.打开SIGExMainVI。
8.现在，你可以使用NIELVIS/SIGEx套件了。
注意：
当完成实验，停止SIGExVI时，建议选择SIGEx软件前面板上的停止按钮而不使用LabVIEW窗口上的停止按钮。
这样停止程序能够保证系统秩序地关闭已经打开的一系列DAQmx通道。
B、EMONASIGEx板卡概述
SIGEx板卡包含了多个独立的电路模块，每一个模块实现一个简单的功能。
每一个模块都不是一个完整系统，但几个模块组合一起则可以完成许许多多不同的实验。
模块的输入输出由2mm的连接导线按电路图连接，电路图可以参照本实验手册，也可以参照其它相关的说明文档。
EMONASIGEx板卡布局
NIELVISII/SIGEx套件
C、SIGEx板卡电路模块
序列发生器
序列发生器（SEQUENCEGENERATOR）提供了一个周期性的数据源，它输出5V的双极型逻辑电平。
通过DIP开关可以选择四个不同的数据流。
每一帧会输出一个周期同步（SYNC）脉冲。
该模块由一个单输入逻辑电平作时钟。
一般情况下，该电平由脉冲发生器（PULSEGENERATOR）或者信号发生器/同步输出（FUNCTIONGENERATOR/SYNC）提供。
任何时候，DIP开关的状态都会显示在SIGEx软件前面板中。
限幅器
限幅器通过拨码开关选择增益大小来放大输入信号至一个定值，从而产生一个幅度受限的输出信号。
限幅器一般用于双极型正弦模拟信号或者双极型线性编码的数据流。
RC网络
RC网络提供了电阻和电容元件，它们即可以单独配置，也可以组成RC电路作为低通滤波器或者高通滤波器。
各个元件都是未接地的，在使用时，其中一端必须与GND相连。
整流器
整流器对输入的信号提供了半波整流的功能，它由一个非理想的二极管组成，有一个正向压降。
整流器一般用于正弦信号。
乘法器
乘法器提供了两个模拟输入信号的四象限乘法功能，其总增益基本相同，可以用于模拟电路中可能发生的任何倍增过程。
积分陡落与积分保持器
积分陡落和积分保持在这个电路模块中都可以实现。
通常由一个输入序列的比特时钟作为时钟信号，在相关及滤波操作中，它用来给一个波形在一个信号周期内进行积分。
基带低通滤波器
这个低通滤波器拥有四阶巴特沃斯响应，即可以作为一个待测系统，也可以用作一般的滤波函数。
PCM编码器
这个模块实现单路模拟信号的PCM编码功能。
它输出一个8位的帧，其中包括一个周期同步桢脉冲。
它可以用于直流信号也可以用于正弦信号，还可以用来作为研究编码过程的一个具体案例。
它的最大采样率为2.5ksps（20kbpsPCM数据流），因此，也可以用于编码频率低于奈奎斯特极限即1.25kHz的信号。
PCM解码器
这个模块实现PCM解码功能，解码数据来自于PCM编码器中产生的8位PCM数据流。
帧同步信号是系统同步所必须的，在输出端没有重构滤波器用来研究量化问题。
可调谐低通滤波器
这个模块是一个可调节的低通滤波器。
它实现了一个8阶椭圆滤波器，其转角频率可调节。
它的输出信号的电平也是可以调节的，而且它可以接受模拟信号和TTL电平的数字信号。
该滤波器在输入端没有抗混叠措施，因此用户必须明确输入信号的带宽。
积分器
这3个独立的电路是简单的积分电路，它们各有一个积分速率可选的拨码开关。
这些积分电路可用于连续时域积分。
拨码开关设置控件以及近似积分速率控件都显示在SIGEx软件前面板上。
基于采样与保持的单位延时器
采样与保持器是一个模拟采样电路，它能够在输入的TTL电平时钟信号中保持采样值一个时钟周期。
单位延时与此类似，它在输入端口保持输入的模拟信号值一个时钟周期。
所有的4个单元共用相同的时钟信号。
三输入和双输入加法器
该模块共有3个加法器，其中两个是相同的三输入加法器，还有一个为双输入加法器。
三输入加法器a和b，具有可调节的增益。
这些增益可以通过SIGEx软件前面板调节，一般用于实现反馈和前馈系统。
双输入加法器的增益为1，用于一般的加法操作。
增益旋钮的值可以从SIGEx软件前面板上读出，并且可以通过手动调节改变增益的值。
D、与NIELVIS关联的功能
脉冲发生器/数字输出
该模块让NIELVIS拥有了一个内置的脉冲发生器，它拥有很宽的频率范围并且占空比可调。
频率和占空比可以通过SIGEx软件前面板来控制，一般地，该模块可以作为数字时钟以供实验使用。
D-OUT-0是一组数字输出口，但是在本实验中没有用到。
信号发生器
该模块让NIELVIS拥有了一个内置的多功能的信号发生器，它能够提供各种类型、幅值和频率的信号。
这些参数可以通过NIELVIS仪器启动面板上该仪器的前面板控制。
模拟输出
该模块通过数模转换模块（DAC）产生两路模拟输出。
这两路输出由SIGEx实验的多个选项卡控制，能够按照用户需求进行更改，以产生任意周期的波形。
E、EMONASIGEx软件前面板（SoftFrontPanel，SFP）简介
EMONASIGEx软件前面板提供了SIGEx硬件的控制参数，也提供了每个实验所需具体的测量仪器，每个实验的测量仪器分别在一个便捷小巧的选项卡内。
前面板控件的布局一目了然，所有参数都能很醒目地在屏幕上看到。
SIGEx的CD盘中提供有该VI的源代码，以便用户按照自己的需求改进和定制前面板界面以及软件功能。
EMONASIGEx软件前面板
SIGEx是为高等院校的用户而设计的，如果希望用到其所有的功能，需要有LabVIEW“数字滤波器设计”工具包的使用权限。
加法器增益输入面板
三输入加法器的增益是可以改变的，它可以通过前面板上的输入控件设置，也有一些实验可以直接在程序代码中设置增益。
显示在屏幕上的增益值会自动、连续地传送到硬件上。
系数选择面板
实验板上的增益调节（GAINADJUST）旋钮的位置对应了一系列数值，这些数值可以控制特定的加法器的增益。
单选按钮控制板可以用来选择一个增益，也可以都不选。
如果选择了一个增益，那么中心值（centervalue）和步进大小（stepsize）两个控件也要设定一个值。
这样就使得不管是大范围的值还是小范围的值都可以通过旋钮调节。
脉冲发生器面板
在这个面板上，脉冲发生器模块中脉冲的频率和占空比是可以设置的，而且脉冲的输出端口可以在空闲的D-OUT-0端口中切换。
SG序列类型和积分增益显示面板
实验板上选择信号类型的拨码开关在软件面板的上有相似的控件与之对应，并且有简要的描述以方便用户查看。
有关信号的内容详见《SIGEx用户手册》。
模拟输出查看器
图形图表控件显示了当前从数模转换器传到模拟输出端口的实际信号。
在不同的实验中，其波形图控件不同。
当示波器（SCOPE）已经被其它信号占用时，这些波形显示控件则便于用户查看信号波形。
示波器触发电平（Triglevel），触发斜率（trigslope），触发指示灯，触发方式选择（trigselect），时间轴（timebase）等
这些控件是供各个实验选项卡中的示波器使用的。
触发电平为示波器触发时的电平，通常设置为0V或者1V。
触发斜率允许在信号的上升沿和下降沿进行触发。
当上述定义的触发点被检测到时，触发指示灯会点亮（变绿）。
触发方式选择决定以哪个通道作为触发源。
时间轴的设置能够改变信号被捕获和显示的长短，用户也可以选择显示全部时间。
运行/停止按键能够使示波器停止下来，以便更仔细地观察信号。
自动调整Y坐标开关：
能够自动调整Y坐标的量程，使观察到的振幅变化的信号变得稳定便于更稳定地观察幅值变化较大的信号。
上述这种示波器简单方便，在特殊的实验中还可以定制信号显示方式。
用户若有需要，在其中一个选项卡中还可以用于频谱显示。
ELVIS2+用户须知
由于在ELVIS2+中可以使用独立的示波器软件，因此，ELVIS2+可以在使用仪器启动面板中的示波器软件的同时，使用选项卡中的示波器来观察信号。
动态信号分析仪（DSA），实际上是一个频谱分析仪，在ELVIS2+中也是可用的，但是不能和独立的示波器同时使用。
不同实验“LabX”选项卡
如果必要，在SIGEx实验手册中的每一个实验都有一个对应的选项卡面板。
按照需要选择相应的选项卡，那么对应的检测仪器就会显示出来。
实验3至实验16都有相应的选项卡。
数字滤波设计选项卡（DFD）
EMONA信号与系统311
该选项卡提供了几种数字滤波器，并能简单方便地显示出它们的特征。
用户选择了一种滤波器之后，其对应的传递函数就会被计算出来。
同时，传递函数的系数就会被提取出来，并且作为三输入加法器的参数立即设置SIGEx的硬件。
这些参数都能够在软件前面板上看到，计算后的响应结果也会显示在屏幕上。
如果要从硬件上观察实际的信号和响应，可以切换至包含示波器和快速傅里叶变换功能的选项卡，例如ZOOMFFT选项卡，同时输入一个适当的源信号。
注意，SIGEx仅限于实现最多2阶的滤波器，如果选择了大于2阶的滤波器，那么红色的“错误”指示灯将会点亮。
请注意：
当正在做的实验不需要用到DFD选项卡时，请不要选中它，因为它会重新载入它计算的系数到增益控制面板，这样会覆盖你当前输入的值。
ZOOMFFT选项卡
该选项卡包含了一个波形显示控件、一个频谱显示控件和一个可细化频谱的FFT变换显示控件。
该选项卡是一个通用的供显示用的选项卡，不与任何特定的实验相关。
1000点的FFT变换，#sample控件允许用户选择频谱细化范围从0到1000点。
zoomregion滚动条可以选择1000点FFT的频谱细化区域。
零极点（PZPLOT）选项卡
该选项卡会使用数字滤波设计工具包通过在SIGEx板上设置的传递函数的系数来计算系统的极点和零点。
该选项卡会根据三输入加法器的增益控制参数值实时地画出其极点和零点。
特别有趣的是，当人为地旋转板上的增益调节旋钮，改变增益系数时，用户可以在屏幕上看到极点和零点在单位圆上移动。
实验结论
通过实验指导书的分析以及仪器的使用，初步掌握了一定技能，为下一步实验提供了可供使用的经验。
《信号与系统》实验报告
实验室名称：
综合实验楼4楼实验日期：
2014年12月8日
学院
信息科学与工程
专业、班级
11304
姓名
1
实验名称
系统的线性与非线性
指导
教师
教师评语
教师签名：
年月日
实验目的：
1.检测乘法器的输入信号幅值与乘法器输出幅值是否成一定的相关关系，从而测试乘法器是否正常工作
2.进行可加性测试，检测系统的是否为线性系统
实验内容：
1.将函数发生器的FUNCOUT端子与乘法器的输入相连接。
将两个输入并联。
将CH0与此输入相连接。
将CH1与乘法器的输出相连接
2.检测比较以下两个信号S（x1+x2），Sx1+Sx2，进行系统的可加性测试，从而判断系统是线性的还是非线性的
实验器材：
1.PC机，安装有LabVIEW2009（或更高版本）和DigitalFilterDesign工具包
2.匹配的NIELVIS2或2+和USB电缆
3.EMONASIGEx信号及系统扩充板
4.分类跳接电缆
5.两根BNC-2mm引线
6.计算机（win7系统）
实验原理：
1.利用正弦函数相乘检测。
Asin（x）*Asin（x）=A^2[1-cos（2x）]/2，系统满足线性定标测试时，乘法器幅值为A^2，频率加倍，且幅值变化时，乘法器输出幅值也作出相应的变化
2.S（x1+x2），Sx1+Sx2测试输入符合线性条件时，有S（x1+x2）=Sx1+Sx2，即输出的两天波形重合
实验步骤：
第一部分：
乘法器测试
将函数发生器的FUNCOUT端子与乘法器的输入相连接。
将两个输入并联。
将CH0与此输入相连接。
将CH1与乘法器的输出相连接，如图所示。
并将实验参数设置如下：
函数发生器：
频率=1000Hz；选择正弦波形
示波器：
时基4ms；CH0上升沿触发；触发电平=0V
函数发生器改变幅值，观察记录乘法器输出幅值。
第二部分：
可加性测试
1.如上图所示连接实验仪器并将参数设置如下：
积分器速率：
向上：
向上
加法器增益：
a0=a1=b0=b1=+1.0；a2=b2=0；
示波器：
时基4ms；触发电平=0V
2.利用“实验4”选项卡上的“第4部分信号选择”按钮选择合适的信号作为模拟输出框图的输出
3.观察每个按钮下输出的波形，看与预期是否相一致
实验过程原始记录（数据、图表、波形等）：
第一部分：
波形图：
数据表：
表1
输入幅值
（Vpp）
乘法器幅值
（Vpp）
1
0.278
2
1.116
3
2.462
4
4.38
5
6.84
6
9.868
7
10.656
8
10.656
9
10.656
10
10.656
第二部分：
实验结果及分析：
第一部分：
实验结果间数据表。
有实验结果可得，当幅值大于1时，随着幅值的递增，乘法器的幅值也相应的递增，由于增益的存在，乘法器的输出不是严格的输入幅值相乘的结果，但由数据变化规律可以总结出，乘法器输出正常
当幅值大于7以后，波形图出现顶部失真现象，未能显示，所以在该增益下，乘法器正常工作的范围的输入幅值应该小于7.
第二部分：
实验结果：
调节旋钮前后，两个图中的两条波形图完全重合。
分析：
由于波形图完全重合，则说明S（x1+x2）=Sx1+Sx2。
而等式的成立，说明该系统为线性系统，且反过来验证了线性系统具有可加性。
《信号与系统》实验报告
实验室名称：
综合实验楼4楼实验日期：
2014年12月15日
学院
信息科学与工程
专业、班级
11304
姓名
1
实验名称
傅里叶级数的分析
指导
教师
教师评语
教师签名：
年月日
实验目的：
验证傅里叶级数，计算各次谐波分量的系数。
分析一个方波中存在哪些谐波，帮助理解傅里叶级数与傅里叶变换。
实验内容：
使用手动式扫频信号分析仪来研究一个方波中存在哪些谐波，记录各次谐波分量的幅值，验证一个占空比为50%的方波中仅存在奇次谐波分量。
实验器材：
1.PC机，安装有LabVIEW2009（或更高版本）和DigitalFilterDesign工具包
2.匹配的NIELVIS2或2+和USB电缆
3.EMONASIGEx信号及系统扩充板
4.分类跳接电缆
5.两根BNC-2mm引线
6.计算机（win7系统）
实验原理：
Fn=A0/2+
+
对方波求傅里叶变换得
Fn=
；
=4/∏+4/（3∏）+4/（5∏）+4/（7∏）+......等式左边乘sin（nΩt）得
；
并用低通滤波器消去高频波剩下直流分量，即Fn=
。
实验步骤：
1.如上图连接实验仪器，CH1，CH0分别连在低通滤波器输出端口和DigitalOut的输出端口
2.打开调控面板将参数设置如下：
函数信号发生器：
频率设为100Hz，幅值设为2Vpp，选择正弦波
脉冲发生器：
频率设为100Hz，占空比设为50%
示波器：
扫描时基2ms/div；CH1上升沿触发；触发电平0V
3.改变函数信号发生器的频率，从1000Hz到7000Hz，每次改变100Hz。
记录直流输出的最大值，记录在表格中
实验过程原始记录（数据、图表、波形等）：
部分波形图如下：
数据表：
正弦波频率/KHZ
测量幅值
（vpp）
1
2.75
2
0
3
0.8
4
0
5
0.5
6
0
7
0.153
实验结果及分析：
观察数据表可知，在考虑到增益的情况下，一次谐波：
3次：
5次：
7次=55:
16:
10:
3.06，除第七次外，其他的数据与直接计算的1:
1/3:
1/5基本相一致这些将是构成方波的各个谐波分量的幅值。
且一个占空比为50%的方波仅仅包含奇次谐波
《信号与系统》实验报告
实验室名称：
综合实验楼4楼实验日期：
2014年12月15日
学院
信息科学与工程
专业、班级
11304
姓名
1
实验名称
信号的采样和混叠
指导
教师
教师评语
教师签名：
年月日
实验目的：
可以直观地观察采样信号的频谱与原信号的频谱。
可以藉此对最小采样率的采样定理有直观的理解。
同时，可以观察采样恢复后的频谱与原信号频谱的对比，深刻理解取样定理。
实验内容：
对选定的测试样本进行采样操作设置，并在时域中进行观察。
然后，研究相反过程，恢复模拟信号，并观察各种采样率的效果。
实验器材：
1.PC机，安装有LabVIEW2009（或更高版本）和DigitalFilterDesign工具包
2.匹配的NIELVIS2或2+和USB电缆
3.EMONASIGEx信号及系统扩充板
4.分类跳接电缆
5.两根BNC-2mm引线
6.计算机（win7系统）
实验原理：
采样信号通过函数发生器的方波输出而得，进行特殊设置使乘法器模块就像一个开关。
当采样信号为非零，即1V时，输入正弦波通过。
然而，当采样信号为零伏时，输入信号不通过，输出为0V。
这就像是一个打开/关闭开关。
采样原理：
当取样信号的频率高于原信号的2倍时，才能保证原信号不失真，采样频率越高信号越精确。
实验步骤：
第一部分：
采样
1.分别连接实验仪器如下图所示，将CH1，CH0分别接在原信号两端与取样后的信号两端。
2.设置参数如下：
函数发生器：
选择方波；频率=1000Hz；1Vpp，偏移0.50V，占空比=50%
示波器：
时基20ms；CH0上升沿触发；触发电平=0V
模拟输出（DAC-1）：
4Vpp正弦波，频率为100Hz
3.改变每次采样信号的频率，观察CH0的乘法器正弦波输入，以及CH1的乘法器采样信号。
确认与预期相符。
图1：
窄脉冲取样
图2：
全宽脉冲取样
第二部分：
采样的恢复
1.连接实验仪器如图所示，设置参数与采样时相同。
并分别将CH1与CH0连接在原信号与恢复信号输出端两侧。
2.改变取样频率，观察原信号与采样信号波形，检测恢复效果。
实验过程原始记录（数据、图表、波形等）：
1.窄脉冲取样的波形图如下：
2.全宽脉冲波形取样如下：
3.采样信号的恢复如下：
实验结果及分析：
实验结果如上所示。
分析：
观察窄脉冲取样，只有当窄脉冲的取样频率大于原信号的2倍的时候，取样才不失真，取样频率越大，采样信号越接近于原信号。
全宽脉冲取样与窄脉冲取样波形不同，但取样原理相同。
采样的恢复，当采样信号的频率越高，其恢复的信号也接近原信号。
综上所述，取样频率必须大于原信号的两倍，取样频率越高，取样信号越接近原信号，信号也便失真越小。
即验证了取样定理。
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