华中科技大学信号与系统实验报告.docx

1、华中科技大学信号与系统实验报告2007 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)姓名：徐浩泽 学号：U200712294 专业班号：电气提高班指导教师： 何俊佳 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5分实验三 非正弦周期信号的分解与合 成5分实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换10分实验七 信号的采样与恢复15 分实验八 调制与解调实验15 分设计性实验实验名称/内容实验分值评分工频实用逆变器（尚未完成）创新性实验实验名称/内容实验分值评分无教师评价意见总分目 录信号与控制综合实验课程

2、 1实 验 报 告 1(基本实验一:信号与系统基本实验) 1实验项目 3说明： 3实验一 常用信号的观察 3一、实验目的 3二、实验原理 3三、实验内容 3四、实验设备 3五、实验步骤 3六、实验报告 4实验三 非正弦周期信号的分解与合成 6一、实验目的 6二、实验原理 6三、实验内容 6四、实验设备 7五、实验步骤 7六、实验报告 8七、实验思考题 9实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换 10一、实验目的 10二、实验原理 10三、实验内容 10四、实验设备 10五、实验步骤 11六、实验报告 11七、实验思考题 13实验七 信号的采样与恢复实验 14一、实验目的 14二、实验原理

3、14三、实验内容 15四、实验设备 15五、实验步骤 15六、实验报告 16实验八 调制与解调实验 19一、实验目的 19二、实验原理 19三、实验内容 20四、实验设备 21五、实验步骤 21七、实验思考题 23实验项目说明：实验报告中的实验目的、原理、内容、设备、步骤摘自华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书，并根据实际试验情况略有改动。实验一 常用信号的观察一、实验目的学习函数发生器和示波器的使用。二、实验原理数字式示波器可以观察周期信号以及非周期信号的波形。三、实验内容1、观察常用的信号，如：正弦波、方波、三角波、锯齿波。2、用示波器测量信号，读取信号的幅

4、度和频率。四、实验设备1、函数发生器1台2、数字示波器1台五、实验步骤1、接通函数发生器的电源。2、调节函数发生器选择不同的频率，用示波器观察输出波形的变化。六、实验报告1、三角波的观察三角波信号的波形及参数如图所示由探头衰减为10可知信号的幅值为2V。信号的频率为100.0kHz则信号的数学函数表达式为：Um=2.0；=200krad/sFigure 001 三角波的波形和参数2、方波的观察方波信号的波形及参数如图所示由探头衰减为10可知信号的幅值为5V。信号的频率为250Hz则信号的数学函数表达式为：Um=5.0=500rad/sFigure 002 方波的波形和参数3、锯齿波的观察锯齿波

5、信号的波形及参数如图所示由探头衰减为10可知信号的幅值为5V。信号的频率为200Hz则信号的数学函数表达式较为复杂，按周期写较为简单，在此不予赘述Figure 003 锯齿波的波形和参数4、正弦波的观察波信号的波形及参数如图所示由探头衰减为10可知信号的幅值为2.5V。信号的频率为250kHz则信号的数学函数表达式为：2.5sin500ktFigure 004 正弦波的波形和参数实验三 非正弦周期信号的分解与合成一、实验目的1、进一步通过实验了解信号的频率特征和分解及合成方法。2、学会应用课本理论知识分析、解释实验误差的原因。二、实验原理1、任何周期电信号都可以用傅立叶级数来表示，即表示为三角

6、函数的线性组合： 在这个实验中我们可以采用50Hz方波信号作为分析信号。将被测方波信号加到分别调谐于其基波和各次奇谐波频率的电路上，从每一个带通滤波器的输出端可以用示波器观察到相应频率的正弦波。方波的傅里叶级数表达式为：2、实验方案原理框图 Figure 005图Figure 005中LPF为低通滤波器，通过它可分解出非正弦周期信号的直流分量。BPF1BPF6为调谐在基波和各次谐波上的带通滤波器，通过它可分解出非正弦周期信号的各次谐波分量。加法器则用于信号的合成。三、实验内容1、用硬件电路分解（带通滤波器）非周期正弦信号，同时分析观测信号的频谱，并与其理论傅里叶级数公式中各项的频率与系数作比较

7、；2、观测基波和其谐波的合成结果。四、实验设备1、信号与系统基本实验模块实验电路板 3Figure 006 实验电路图2、数字示波器 1 台 3、函数发生器五、实验步骤1、调节函数信号发生器，使其输出 50Hz 的方波信号，并将其接至信号分解实验模块的输入端，再细调函数信号发生器的输出频率，使该模块的基波50Hz成分TP1 的输出幅度为最大。2、用示波器观测各带通滤波器的输出（各次谐波）的幅值，并列表记录。3、将方波分解所得的基波、三次谐波分别接至加法器的相应输入端，观测加法器的输出波形，并记录。 4、在步骤3的基础上，再将五次谐波分量加到加法器的输入端，观测相加后的合成波形，并记录。六、实验

8、报告1、实验数据 f0=50.2Hz信号来源信号源基波三次谐波五次谐波合成波形峰-峰值/V8.7210.63.282.329.522、实验波形图 Figure 007 信号源波形 Figure 008 基波 Figure 009 三次谐波 Figure 010 五次谐波 Figure 011 合成波形 Figure 012 一、三次谐波的合成 Figure 013 一、五次谐波的合成七、实验思考题1. 什么样的周期性函数没有直流分量和余弦项？正负幅值相同的信号没有直流分量。过原点且正负幅值相等的信号没有余弦分量。2. 基波三次谐波合成波形，与基波三次谐波五次谐波合成波形的区别在哪里？你能解释其

9、中区别的原因所在吗？基波三次谐波合成波形见图Figure 012，基波三次谐波五次谐波合成波形见图Figure 011，由于相差一个五次谐波，而五次谐波在每次基波处于峰值时，也同时处于峰值。所以前者的顶端时下凹的，后者的顶端是上凸的。3. 分析理论合成的波形与实验观测到的合成波形之间误差产生的原因。首先，滤波器并不能完全保证只通过某一次谐波，滤波器输出的波形本身就包含各次的谐波。其次，方波的分解应存在无限次谐波，本次试验中只取其三次、五次谐波，忽略掉的谐波较多，误差较大。再次，加法器并非理想的运算放大电路，也会引入部分误差实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换一、实验目的1、通过本实验进

10、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。 2、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、实验原理1、由于高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系：2、带通滤波器的幅频特性3、带阻滤波器的幅频特性三、实验内容1、由低通滤波器变换为高通滤波器。2、由高通滤波器变换为低通滤波器。3、在一定条件下，由低通和高通滤波器构成带通滤波器。4、在一定条件下，由低通和高通滤波器构成带阻滤波器。四、实验设备1、信号与系统基本实验模块实验电路板6Figure 014 实验电路图2、双路输出直流稳压电源1台 3、函数发生器一台 4、数字式示波器1台 五、实验步骤1、实验电路

11、接通电源（有源滤波器电路）。 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。 六、实验报告1实验数据处理低通滤波器输出端为（TP1）高通滤波器输出端为（TP4）带通滤波器输出端为（TP2）带阻滤波器输出端为（TP5）信号源峰-峰值=10V实验数据表格如下TP1TP4TP2TP5频率/Hz幅值/V频率/Hz幅值/V频率/Hz幅值/V频率/Hz幅值/V1009.2100.062100.5619.04100

12、07.921000.5881004.72108.9620005.9210004.9650081007.4430004.56100005.9210007.410003.9640003.6200007.9220005.6820006.5650002.96500008.6450002.8450008.460002.48500003.12100001.52100007.7670002.161000001.841000000.76200005.8800025000001.7210000000.17500002.9100001.610000004.761000001.56500000.4481000000

13、.224实验曲线如下：Figure 015 Figure 016Figure 017 Figure 018由于放大器的增益带宽积十分有限，所以在高通和带阻滤波器的频率特性曲线中，当信号频率超过一定的值时，放大器的增益也会下降。当频率过高时，滤波器的输出波形会发生畸变，产生严重的失真，故在画图表时，将试验中波形已经严重失真的几组数据舍去。下图为几种失真波形： Figure 019 低通100kHz Figure 020 高通1MHz Figure 021 带通1MHz七、实验思考题1、由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件？带通滤波器中LPF的通频上限要大于HPF的通频下限带阻滤波器中LP

14、F的通频上限要小于HPF的通频下限2、有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？有源滤波器的输入阻抗更大、输出阻抗更小，而且可以调整增益。频率特性更理想。实验七 信号的采样与恢复实验一、实验目的1、了解信号的采样方法与过程及信号的恢复。2、通过实验验证采样定理，并掌握采样周期的基本设计原则。二、实验原理1、离散时间信号可以从离散信号源获得，也可以从连续时间信号经采样而获得。采样信号r(kT)可以看成连续信号r(t)和一组开关函数S(t)的乘积；S(t)是一组周期性窄脉冲采样信号的时域表达式为:其傅立叶变换为：采样信号的傅立叶变换表明，采样信号的频谱包括了原连续信号频谱jR成分以及无限多个经过平

15、移的原信号频谱成分（幅度变为为原信号频谱的1/T）。平移的频率等于采样频率s及其谐波频率2s , 3 s , 。当采样后的信号是周期性窄脉冲时，平移后的信号频率的幅度按(sinx)/x规律衰减。采样信号的频谱是原信号频谱的周期性延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽得多。2、采样信号在一定条件下可以恢复原来的信号，只要用一个截止频率等于原信号频谱中最高频率s、增益为T的低通滤波器，滤去信号中所有的高频分量，就得到只包含原信 Figure 022采样采样前后的信号频谱号频谱的全部内容，即低通滤波器的输出为恢复后的原信号。3、原信号得以恢复的条件是s2m，其中s为采样频率，m为原信号占有的频带宽度。当

16、s m，故接收端并不需要采用理想的低通滤波器，用一般的低通滤波器即可满足工程上的要求。通常把图8-2这样的调制与解调称为同步调制和解调，或称相干调制和解调。它要求接收端的载波信号与发送端完全同频同相，当然，这样在一定程度上会增加接收机的复杂性。三、实验内容1、幅度调制与解调的实验。2、根据实验原理方框图确定实验方案，设计和搭建实验电路。 Figure 050 各点频谱四、实验设备1、信号与系统基本实验模块实验电路板8 Figure 051 实验电路图2、双路输出直流稳压电源1台3、函数发生器1台4、数字式示波器1台五、实验步骤1、方案实现中的若干工作： 因实验室的函数信号发生器仅能提供一路正弦

17、信号电源，而本实验需要2个正弦信号（一路低频正弦信号，作为电路板输入的被调制信号；而实验所需要的接收端与发送端的载波信号完全同频同相，因此需要提供另一个高频正弦信号作为载波信号，同时提供给调制部分和解调部分），故可采用实验电路板输出的低频正弦作为被调制信号，另外通过函数发生器产生高频正弦信号，供调制和解调两部分用。这两个正弦信号应幅值相等，初相位相等，频率成比例。本实验中可先调节实验电路板输出的正弦信号频率约为500Hz、幅度为500mV，作为调制信号；函数发生器产生的正弦信号约为20KHz、500mV，作为二路载波信号，然后连接到实验电路板上。注意将两种信号源的地应接在一起。2、接通实验电源

18、，用示波器观察“调制信号输出”（调制信号输出先不要连接解调部分），调节电位器RP2观察调幅器输出波形。3、将“调幅信号输出”接到解调电路中的“调幅信号输入”上，将载波接到“载波信号输入”上，将解调信号输出接到“LPF（低通滤波器）输入”上。用双踪示波器分别观察被调制信号（原信号）和“LPF输出”信号（调制解调后的信号）并且记录波形，如果两个波形相差较大时，调节RP2和RP3至两个波形近似。六、实验报告1、实验数据记录调制信号：500mV 515.5Hz载波信号：500mV 20.63kHz2、实验波形记录 Figure 052 调制信号 Figure 053 载波与调制信号 Figure 054 调幅输出信号 Figure 055 解调输出信号Figure 056 滤波输出信号实验结果分析：由于解调输出信号中加载了类似于三极管放大电路饱和失真的波形，故滤波后的最终输出波形也会呈现出饱和失真的波形。失真原因分析：由Figure 054可以看出，调幅输出信号波形的外轮廓线即调制信号，其幅值不稳定。具体原因可能是调制信号和载波信号的初相位不同或是因频率不是整倍数关系导致的相对初相位变化。由公式可以得理想的解调波形如下。Figure 057 理想解调输出信号七、实验思考题已调制信号的幅度Y(t)与解调信号X(t)的幅度是否相同？由等式可知当载波信号的幅值恰好为1时，二者的幅度一定相同