信号与控制实验报告.docx
《信号与控制实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号与控制实验报告.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
信号与控制实验报告
2010级
《信号与控制综合实验》课程
实验报告
（基本实验一:
信号与系统基本实验）
同组者2学号专业班号
指导教师
日期
实验成绩
评阅人
实验评分表
基本实验
实验编号名称/内容
实验分值
评分
实验一：
常用信号的观察
实验二：
零输入、零状态及完全响应
设计性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
实验五：
无源与有源滤波器
实验六：
低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换
实验七：
信号的采样与恢复
实验八：
调制与解调实验
创新性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
实验九：
信号的产生、收集、处理、变换和基于MATLAB的分析
教师评价意见
总分
实验一：
常用信号的观察………………………………………6
实验任务与目的………………………………………6
总体方案设计………………………………………6
方案实现和具体设计…………………………………7
实验设计与实验结果…………………………………7
结果分析与讨论………………………………………8
实验二：
零输入、零状态及完全响应……………………………9
实验任务与目的………………………………………9
总体方案设计…………………………………………9
方案实现和具体设计…………………………………10
实验设计与实验结果…………………………………10
结果分析与讨论………………………………………11
实验三：
无源与有源滤波器………………………………………12
实验任务与目的………………………………………12
总体方案设计…………………………………………12
方案实现和具体设计…………………………………13
实验设计与实验结果…………………………………13
结果分析与讨论………………………………………20
实验四：
LPF、HPF、BPF、BEF间的变换…………………………21
实验任务与目的…………………………………·……21
总体方案设计…………………………………………22
方案实现和具体设计…………………………………22
实验设计与实验结果…………………………………23
结果分析与讨论………………………………………32
实验五：
信号的采样与恢复实验…………………………………34
实验任务与目的………………………………………34
总体方案设计…………………………………………34
方案实现和具体设计…………………………………34
实验设计与实验结果………………………………··34
结果分析与讨论………………………………………42
实验六：
调制与解调实验…………………………………………42
实验任务与目的………………………………………42
总体方案设计…………………………………………42
方案实现和具体设计…………………………………43
实验设计与实验结果…………………………………43
结果分析与讨论………………………………………45
实验七：
信号的产生、收集、处理、变换
和基于MATLAB的分析………………………………·…47
实验任务与目的………………………………………48
总体方案设计…………………………………………48
方案实现和具体设计…………………………………49
实验设计与实验结果…………………………………56
结果分析与讨论………………………………………57
实验结论……………………………………………………………58
心得与自我评价……………………………………………………59
参考文献……………………………………………………………60
实验一常用信号的观察
一、实验任务与目的
学习使用函数发生器和示波器，用示波器观察常用的信号，如：
正弦波、方波、三角波、锯齿波及一些组合函数波形，了解其波形和特点，并用示波器进行测量得到幅度、频率等参数。
二、总体方案设计
用数字式示波器观察周期信号以及非周期信号的波形，并用数学表达式（时间的函数）和函数图形（即为信号的波形）的形式描述。
三、方案实现和具体设计
1．连接函数发生器和数字示波器，接通函数发生器和数字示波器电源。
2．调节函数发生器选择正弦波、方波、三角波和锯齿波，用示波器观察并记录波形，同时选择不同的频率，观察并记录输出波形的变化。
四、实验设计与实验结果
1．正弦波信号
（图见下页）
图1-1正弦波信号Vi=1.5*sin（1000πt），其中f=500HzVp-p=3V
2．方波信号
图1-2方波信号Vi=
，其中f=500HzVp-p=3.16V
3.三角波信号
图1-3三角波信号，其中f=500HzVp-p=3.10V
4.锯齿波信号
图1-4锯齿波信号，其中f=478.5HzVp-p=3.08V
五、结果分析与讨论
本次实验为常用信号的观察，实验原理和操作都较为简单，我们熟悉了示波器和函数发生器的使用，为下面的实验做好了准备。
实验二零输入、零状态及完全响应
一、实验任务和目标
学习掌握零输入响应、零状态响应和完全响应的原理，设计一个能观测三者的电路图，用示波器观测该电路的零输入响应、零状态响应和完全响应的动态曲线，同时提高设计实验电路的能力。
二、总体方案设计（实验教程P29~30，下同）
三、方案实现和具体设计（P30）
1.连接数字示波器、实验电路板和函数发生器，接通各部分电源。
2.通过两个开关K1和K2的闭合/断开来设置电路工作状态（零输入/零状态/完全），用示波器观察输出（电容电压）的零输入响应、零状态响应和完全响应，记录波形和当前响应时的各开关的状态。
四、实验设计与实验结果
1．闭合开关Ks，K2，断开K1，电容充电到5V后，断开开关K2，电容放电，得到零输入响应曲线。
图2-3零输入响应曲线Vm=5V
2．闭合Ks，K1，断开K2，电容充电，得到零状态响应曲线。
图2-4零状态响应曲线Vm=11V
3．闭合开关K2，电容充电至5V，断开K2，闭合K1，得到完全响应曲线。
图2-5完全响应曲线Vm=11V
五、结果分析与讨论
实验所得波形与理论估计较为切合，基本符合预期。
本实验探讨零输入、零状态及完全响应，通过改变电路上的开关组合状态，形成所需的输出电路，输出对应的响应波形，并在数字示波器上显示出来，从而读出电压幅值。
通过本次试验，我们进一步熟悉了产生零状态响应、零输入响应和全响应的电路，对三种响应有了直观的认识。
·思考题
1．系统零输入响应的稳定性与零状态响应的稳定性是否相同？
为什么？
答：
不相同。
由表达式：
可知，对于零输入响应，系统的稳定状态为E1，而零状态的稳定性为0。
实验三无源与有源滤波器
一、实验任务和目标
了解无源和有源LPF（低通滤波器）、无源和有源HPF（高通滤波器）、无源和有源BPF（带通滤波器）、无源和有源BEF（带阻滤波器）基本结构及其特性，通过设计电路，测量这些滤波器的幅频特性，并且比较无源和有源滤波器的滤波特性。
二、总体方案设计（实验教程P36~37）
滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。
这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。
根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、和带阻滤波器（BEF）四种。
三、方案实现和具体设计（实验教程P36）
1．将实验模块电路板5接通电源，用示波器从总体上先观察各类滤波器的滤波特性。
2．实验时，在保持滤波器输入正弦波信号幅值（Vi）不变的情况下，逐渐改变其频率，用示波器或交流数字电压表（f＜200KHz），测量滤波器输出端的电压V0。
当改变信号源频率时，应观测一下Vi是否保持稳定，数据如有改变应及时调整。
3．按照以上步骤，分别测试无源和有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅频特性。
四、实验设计与实验结果
在实验过程中，均取正弦波峰峰值Vi=2V，得到以下实验数据及幅频响应曲线。
1.低通滤波器LPF
表5-1无源LPF和有源LPF幅频特性实验数据
无源LPF
有源LPF
频率f/Hz
Vop-p/V
频率f/Hz
Vop-p/V
50
3.78
100
3.76
100
3.72
200
3.70
200
3.60
300
3.61
300
3.40
400
3.55
400
3.20
500
3.46
500
2.96
600
3.68
600
2.72
700
3.60
650
2.52
800
3.00
700
2.32
900
2.85
800
2.14
1000
2.70
900
1.96
1150
2.52
1000
1.84
1200
2.40
1100
1.72
1300
2.25
1200
1.62
1400
2.10
1500
1.50
1500
1.90
2000
1.28
1700
1.68
3000
0.80
2000
1.42
4000
0.52
3000
0.80
图5-1无源LPF和有源LPF幅频特性曲线比较
无源，上限截止频率fH=650Hz；有源,上限截止频率fH=1150Hz
2.高通滤波器HPF
（表见下页）
表5-2无源高通滤波器和有源高通滤波器幅频特性实验数据
无源HPF
有源HPF
频率f/Hz
Vop-p/V
频率f/Hz
Vop-p/V
500
0.40
500
0.38
1000
0.88
1000
1.12
1500
1.32
1500
1.86
2000
1.70
2000
2.44
3000
2.30
2250
2.64
3650
2.64
2500
2.96
4000
2.75
3000
3.14
5000
3.00
4000
3.47
6000
3.24
5000
3.70
7000
3.38
6000
3.84
8000
3.48
7000
3.92
9000
3.66
9000
4.00
10000
3.80
10000
4.03
12000
4.00
12000
4.06
图5-2无源高通滤波器和有源高通滤波器幅频特性曲线比较
无源下限截止频率fL=3650Hz；有源，下限截止频率fL=2250Hz
3.
带通滤波器BPF
表5-3无源带通滤波器和有源带通滤波器幅频特性实验数据
无源BPF
有源BPF
频率f/Hz
Vop-p/V
频率f/Hz
Vop-p/V
100
0.28
100
0.50
300
0.70
300
1.40
400
0.84
400
1.66
500
0.96
450
1.85
800
1.16
600
2.08
1000
1.26
1000
2.46
1400
1.30
1300
2.64
1500
1.38
1700
2.70
1700
1.32
2000
2.65
2000
1.26
2500
2.60
2500
1.20
3000
2.55
3000
1.14
5000
1.95
5000
1.00
5200
1.86
7000
0.78
7000
1.50
8000
0.74
8000
1.38
10000
0.60
12000
1.00
图5-3无源带通滤波器和有源带通滤波器幅频特性曲线比较
无源，fL=500Hz，fH=5000Hz，故通频带BW=4500Hz，特征频率为1500Hz
有源，fL=450Hz，fH=5200Hz，故通频带BW=4750Hz，特征频率为1700Hz
4．带阻滤波器BEF
表5-4无源带阻滤波器和有源带阻滤波器幅频特性实验数据
无源BEF
有源BEF
频率f/Hz
Vop-p/V
频率f/Hz
Vop-p/V
100
3.10
200
3.70
200
2.88
500
2.85
300
2.60
1000
1.68
400
2.26
1200
1.06
500
1.94
1400
0.52
600
1.66
1600
0.51
1000
0.76
1700
0.60
1600
0.10
1800
0.67
1700
0.20
2000
0.90
2000
0.48
3000
1.72
4000
1.64
4000
2.48
5000
2.02
4650
2.80
8000
2.64
5000
2.95
10000
2.80
6000
3.30
20000
3.08
10000
3.58
图5-4无源带阻滤波器和有源带阻滤波器幅频特性曲线比较
无源，fL=8000Hz，fH=400Hz，故通频带BW=7600Hz，特征频率为1600Hz
有源，fL=4650Hz，fH=500Hz，故通频带BW=4150Hz，特征频率为1600Hz
五、结果分析与讨论
有源滤波器比无源滤波器有更理想的滤波效果。
这是因为无源滤波器主要由无源元件R、L和C组成，有源滤波器由集成运放和R、C组成，集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用，因此有源滤波器的频率响应比无源滤波器更为理想。
但有源滤波器也有其问题，在本实验中表现为，受运放增益带宽积的影响，有源滤波器的稳定工作频率范围较为有限。
·思考题
1．示波器所测滤波器的实际幅频特性与计算出的理想幅频特性有何区别？
答：
（1）示波器测出的实际幅频特性曲线比较平缓，不像计算出的理想幅频特性曲线那样陡升陡降。
这是由于实际电路往往存在一定延时性造成的。
（2）示波器测出的实际幅频特性的截止频率点与计算出的理想幅频特性有所偏差。
这是因为实际电路元件与标称值均有一定的误差造成的，同时实际元器件跟理论上的元器件的理想表现也存在差异。
2．如果要实现LPF、HPF、BPF、BEF源滤器之间的转换，应如何连接？
答：
（1）将有源LPF与有源HPF串接即可得到BPF滤波器。
（2）将有源LPF与有源HPF的输出端口接在加法器的两个输入端口，加法器的输出端口输出滤波信号，即构成了BEF。
实验四LPF、HPF、BPF、BEF间的变换
一、实验任务和目标
通过本实验进一步理解低通、高通和带通等不同类型滤波器间的转换关系；熟悉低通、高通、带通和带阻滤波器的模拟电路，并掌握其参数的设计原则。
二、总体方案设计（实验教程P39~40）
1．高通滤波器与低通滤波器
（6-1）
式中
为高通滤波器的幅频特性，
为低通滤波器的幅频特性。
如果已知
，就可由式
（1）求得对应的
；反之亦然。
2．带通滤波器的幅频特性
与低通、高通滤波器幅频特性间的关系
设
为低通滤波器的带宽频率，
为高通滤波器的带宽频率，如果
，则由它们可构成一个带通滤波器，它们之间的关系可用下式表示：
3．带阻滤波器的幅频特性
与低通、高通滤波器幅频特性间的关系：
如果低通滤波器的带宽频率
小于高通滤波器的带宽频率
，则由它们可构成一个带阻滤波器，它们之间的关系可用下式表示为：
三、方案实现和具体设计（实验教程P40）
1．按实验电路板六接通电源。
2．将函数信号发生器输出的正弦信号接入无源（或有源）滤波器的输入端，调节该正弦信号频率（由小到大改变）时,用示波器观察其低通滤波器输出幅值的变化。
3．按步骤1，逐步用示波器或数字万用表观察测量LPF、HPF、BPF、BEF输出幅值的变化。
四、实验设计与实验结果
1、有源LPF
（1）有源LPF（低上限截止频率）
表6-1-1有源LPF（低上限截止频率）幅频特性实验数据
有源低通滤波器
频率f/Hz
Vop-p/V
30
3.75
50
3.72
80
3.50
100
3.35
120
3.15
130
3.04
150
2.85
200
2.44
250
2.11
300
1.86
400
1.42
500
1.15
600
0.95
700
0.85
800
0.76
1000
0.68
图6-1-1有源低通滤波器（低上限截止频率）幅频特性曲线
上限截止频率为150Hz
（2）有源LPF（高上限截止频率）
表6-1-2有源低通滤波器（高上限截止频率）幅频特性实验数据
有源LPF
频率f/Hz
Vop-p/V
50
3.88
200
3.88
300
3.88
400
3.88
600
3.70
1000
3.40
1200
3.16
1500
2.92
1600
2.75
2000
2.48
2500
2.12
3000
1.84
4000
1.48
5000
1.20
7000
0.90
10000
0.68
图6-1-2有源低通滤波器（低上限截止频率）幅频特性曲线
上限截止频率为1600Hz
2．有源HPF
表6-2有源高通滤波器的幅频特性实验数据
有源HPF
频率f/Hz
Vop-p/V
50
0.12
200
0.31
500
0.80
800
1.24
1000
1.56
1200
1.81
1500
2.20
1800
2.45
2000
2.65
2100
2.68
2500
2.90
3000
3.15
4000
3.40
6000
3.62
7000
3.70
10000
3.80
图6-2有源高通滤波器的幅频响应
下限截止频率为2100Hz
3．LPF+HPF合成BPF
表6-3低通+高通合成带通滤波器的幅频特性实验数据
低通+高通合成带通滤波器
频率f/Hz
Vop-p/V
30
0.62
50
1.20
70
1.54
80
1.78
100
2.12
140
2.62
180
3.00
200
3.15
250
3.44
350
3.65
435
3.70
600
3.73
700
3.66
1000
3.46
1200
3.25
1400
3.15
1600
2.88
1800
2.76
1960
2.60
2500
2.25
3500
1.76
5000
1.28
7000
0.94
10000
0.65
图6-2低通+高通合成带通滤波器的幅频特性曲线
上限截止频率为1960Hz，下限截止频率为140Hz，
通频带BW=1820Hz，特征频率为435Hz
4．LPF+HPF合成BEF
表6-4低通+高通合成带阻滤波器的幅频特性实验数据
低通+高通合成带阻滤波器
频率f/Hz
Vop-p/V
50
3.22
80
2.82
100
2.58
110
2.50
120
2.35
150
2.06
200
1.66
250
1.30
300
1.15
400
1.05
500
1.06
600
1.15
800
1.36
1000
1.58
1200
1.95
1500
2.20
1800
2.45
2000
2.65
2200
2.80
2500
2.96
3000
3.16
4000
3.42
5000
3.58
7000
3.66
10000
3.82
图6-4低通+高通合成带阻滤波器的幅频特性曲线
上限截止频率为2200Hz，下限截止频率为80Hz，
通频带BW=2120Hz，特征频率为400Hz
五、结果分析与讨论
由幅频特性曲线可知所得实验结果与实验预期基本相符，滤波器增益与理论值也比较接近。
但分析数据后发现，带阻和带通滤波器的稳定工作带宽都较窄，可能跟实验电路板的低通和高通滤波电路性能有关。
·思考题
1．由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件？
答：
（1）组成带通滤波器时，LPF的高频截止频率fH要高于HPF的低频截止频率fL；
（2）组成带阻滤波器时，LPF的高频截止频率fH低于HPF的低频截止频率fL。
2．有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？
答：
无源滤波器主要有无源元件R、L和C组成,有源滤波器由集成运放和R、C组成，集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用，因此有源滤波器可以实现比无源滤波器更为理想的响应曲线。
但受运放增益带宽积的影响，有源滤波器也有工作频率范围的限制。
实验五信号的采样与恢复
一、实验任务和目标
首先了解信号的采样方法与过程及信号的恢复，自行设计实验方案研究正弦信号和三角波信号（或其他信号）被采样的过程以及采样后的离散化信号恢复为连续信号的波形，验证采样定理并分析结果。
提高自行设计实验能力。
二、总体方案设计（P432~43
原理图如下：
三、方案实现和具体设计（见实验教程P44）
1．连接采样脉冲（方波）信号发生器、采样器（采样开关）、低通滤波器组成的采样与恢复电路（实验电路板7；或自己设计搭建的实验电路板）。
2．利用函数发生器，输入频率为100Hz左右的正弦信号（或其它形状波形的信号作为被采样信号）给信号采样与恢复实验电路的输入端，观察采样输
出信号以及通过低通滤波器后的恢复信号。
3．改变被采样输入信号的频率，再观察采样输出信号以及通过低通滤波器后的恢复信号。
4．改换被采样输入信号为其它波形（三角波等），再重复以上实验。
四、实验设计与实验结果
1.100Hz三角波的采样及恢复波形
图5-3100Hz三角波采样
图5-4100Hz三角波恢复
2.600Hz三角波采样与恢复波形
图5-5600Hz三角波采样
图5-6600Hz三角波恢复
3.1000Hz三角波采样及恢复
图5-71000Hz三角波采样
图5-81000Hz三角波恢复
4.100Hz正弦波采样及恢复
图5-9100Hz正弦波采样
图5-10100Hz正弦波恢复
5.600Hz正弦波采样及恢复
图5-11600Hz正弦波采样
图5-12
升级会员 