1、信号与系统实验报告一 大二下信号与控制综合实验实 验 报 告(基本实验一:信号与系统基本实验)姓 名 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/内容实验分值评分一. 常用信号的观察二 零输入，零状态及完全响应五 无源与有源滤波器六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换七 . 信号的采样与恢复实验八 调制与解调实验设计性实验实验名称/内容实验分值评分创新性实验实验名称/内容实验分值评分教师评价意见总分一、实验内容（一）实验一 常用信号的观察 实验任务与目的 总体方案设计 方案实现和具体设计 实验设计与实验结果 结果分析、讨论与思考题（二）实验二 零
2、输入。零状态及完全响应实验任务与目的 总体方案设计 方案实现和具体设计 实验设计与实验结果 结果分析、讨论与思考题（三）实验五 无源与有源滤波器 实验任务与目的 总体方案设计 方案实现和具体设计 实验设计与实验结果 结果分析、讨论与思考题（四）实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换 实验任务与目的 总体方案设计 方案实现和具体设计 实验设计与实验结果 结果分析、讨论与思考题（五）实验七 信号的采样与恢复实验 实验任务与目的 总体方案设计 方案实现和具体设计 实验设计与实验结果 结果分析、讨论与思考题（六）实验八 调制与解调实验 实验任务与目的 总体方案设计 方案实现和具体设计 实验设计与
3、实验结果 结果分析、讨论与思考题二、实验总结三、实验心得与体会四、参考文献实验一 常用信号的观察一、 实验任务与目的1. 了解常用的信号的波形和特点；2. 理解相应信号的参数。3. 学习函数发生器和示波器的使用。4. 学习示波器波形采样软件Wavestar的使用二、 实验内容1 观察常用的信号，如：正弦波，三角波，锯齿波及一些组合函数的波形2 用示波器测量信号，读取信号的幅度和频率三、 实验结果正弦波(sin)直流波(DC)脉冲波方波（puls）三角波（RAMP）三角波(TRIA)波振荡波四、 结果及实验心得通过次试验，进一步了解了示波器的使用及各种信号波形，加深了对信号的理解 实验二 零输入
4、，零状态及完全响应一.实验任务与目的1. 通过实验，进一步了解系统的零输入相应，零状态相应和完全响应的原理。2. 学习实验电路的发难设计的设计方法本实验采用用模拟电路是实现线性系统零输入，零状态和完全响应二、实验设备1信号与系统基本实验模块控制理论及计算机控制技术实验平台2 数字存储式示波器1台三、实验内容1连接一个能观测零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图（参考图2-1）。2分别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。四、实验原理1.零输入响应、零状态响应和完全响应的模拟电路如图21所示。图2-1零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图式(3)等号右方的第二项为零输入响应
5、，即由初始条件激励下的输出响应；第一项为零状态响应，它描述了初始条件为零（Uc（0）=0）时，电路在输入E=15V作用下的输出响应，显然它们之和为电路的完全响应，图2-2所示的曲线表示这三种的响应过程。图2-2零输入响应、零状态响应和完全响应曲线其中：-零输入响应-零状态响应-完全响应五、实验步骤1.零输入响应将S1短接到2处，S2短接到1处，使+5V直流电源对电容C充电，当充电完毕后，将S2接到2处，用示波器观测Uc（t）的变化。2零状态响应先将S2短接到2处，使电容两端的电压放电完毕，将S1接到1处，S2接到1处，用示波器观测15V直流电压向电容C的充电过程。3完全响应先将S2接到2处，使
6、电容两端电压通过R-C回路放电，一直到零为止。然后将S1接到2处，S2接到1处，使5V电源向电容充电，待充电完毕后，将S1接到1处，使15V电源向电容充电，用示波器观测Uc（t）的完全响应。六、实验结果与1根据实验，分别画出该电路在零输入响应、零状态响应、完全响应下的响应曲线。1 零输入响应； Uc(0)=5，输入Ui0。2. 零状态响应 Uc(0)=0，输入Ui15。3. 全响应Uc(0)=5，输入Ui15。七、实验思考题系统零输入响应的稳定性与零状态响应的稳定性是不是相同？答：不相同，零输入响应最终趋于零，而零输入响应最终趋于某一固定值 实验五 无源与有源滤波器一实验任务与目的1测试无源和
7、有源LPF(低通滤波器)的幅频特性； 2测试无源和有源HPF(高通滤波器)的幅频特性； 3测试无源和有源BPF(带通滤波器)的幅频特性； 4测试无源和有源BEF(带阻滤波器)的幅频特性。通过实验进而了解无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性；分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性；掌握无源和有源滤波器参数的设计方法。二 总体方案设计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
8、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根据实验要求，设计实验电路，本次试验运用实验模版5无源与有源录波器的原理图及参数，以下为主要的实验步骤：1将设计搭建的实验电路板或基本实验模块电路板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（Ui）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（f200KHz），测量滤波器输出端的电压U0。当改变信号源频率时，都应观测一下Ui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
9、源、有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅频特性。（以上引自信号与系统实验指导书）四.实验设计与实验结果根据实验测量所得数据，绘制各类滤波器的幅频特性曲线。注意应将同类型的无源和有源滤波器幅频特性绘制在同一坐标平面上，以便比较。并计算出特征频率、截止频率和通频带。表2-1图2-1表2-2图2-2表2-3图2-3表2-4图2-4五.结果分析、讨论及思考题无源高通滤波器截止频率为3500Hz，有源高通滤波器截止频率为2100Hz；无源低通滤波器截止频率为600Hz，有源低通滤波器截止频率为1040Hz；通带频约为4000Hz1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：实际幅
10、频曲线下滑坡度比较大，过渡频率范围比较长，不像理想幅频曲线那样陡度陡翘，实际电路往往存在一定延时造成这种情况。2如果要实现LPF、HPF、BPF、BEF源滤器之间的转换，应如何连接？答：通过电路的组合连接，可以实现以上四种滤波电路的转换，由于高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系：,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，就可由上式可求得对应的；反之亦然。如果高通滤波器的下限fH大于低通滤波器的上限fL,则将两者并联起来可以组合成带阻滤波器；如果高通滤波器的下限fH小于低通滤波器的上限fL,则两者串起来可以组合成带通滤波器。实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换一、
11、 实验任务与目的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。二、 总体方案设计 原理分析与方案设计特点a) 高通滤波器与低通滤波器间通过电路的组合连接，可以实现低通、高通、带通、带阻四种滤波电路的转换，由于高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系： ,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，就可由上式可求得对应的；反之亦然。b) 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，
12、则由它们可串联构成一个带通滤波器。c) 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，则由它们可串联构成一个带阻滤波器。（以上引自信号与系统实验指导书）三、 方案实现和具体设计本次实验利用实验电路板6低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换，电路的原理图以及参数在信号与系统基础实验第22页。图中，由低通输出端TP1与高通滤波电路串联合成带通电路，输出端为TP2；TP3为低通输出端、TP4为高通输出端，有它们合成带阻电路，输出端为TP5。以下为主要的实验步骤：1实验电路接通电源（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
13、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 图3-1 低通滤波器幅频特性图3-2高通滤波器幅频特性图3-3 带通滤波器幅频特性图3-4 带阻滤波器幅频特性五、 实结果分析、讨论及思考题试验结果分析：由试验波形可知所得结果与预期值基本相符，通过实验加深了对几种滤波器的理解。 1、由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件？答：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，则由它们可串联构成一个带通滤波器。如果低通
14、滤波器的带宽频率小于高通滤波器的带宽频率，则由它们可并联构成一个带阻滤波器。2. 有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？答：有源滤波器的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，波形稳定，具有一定的电压放大和缓冲作用。而无源滤波器达不到这点。实验七 信号的采样与恢复实验一、 实验任务与目的本实验主要任务是通过研究正弦信号和三角波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，并对实验结果进行分析，实验中选用s 2m、s = 2m、s 2m三种采样频率对连续信号进行采样，以验证采样定理，其中s为采样频率，m为原信号占有的频带宽度。进而使同学们了解信号的采样方法与过程及信号的恢复，
15、并能过自主的完成实验任务。二、 总体方案设计 原理分析与方案设计特点以上参见信号与系统基础实验实验七。三、 方案实现和具体设计本次实验利用实验电路板7：信号的采样与恢复，其电路的原理图与参数可参见信号与系统基础实验第27页所示。电路图TP2输出脉冲信号，TP4与TP5分别输出采样后的信号与恢复信号，具体的实验步骤如下：1. 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。2. 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。3. 改换被采样输入信
16、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 绘制原始的连续信号、采样后信号以及解调滤波后信号（采样信号恢复为原始信号）的波形。 TP1方波脉冲波形 图4-3脉冲信号的波形由图可以得出信号的频率为f=1.2KHz。输入信号为正弦波，由脉冲信号f=1200HZ，分别取正弦波信号频率为f1=100Hz（即s 2mf2=600Hz（即s =2m）、f3=1000Hz（即s 2m）,波形分别为：、TP2信号波形TP3信号采样波形TP4信号采样波形TP5信号200hz恢复波形1000H采样信号&恢复波形：CH1输入信号波形，CH2采样波形，CH5恢复波形正弦800Hz采样信号&恢复
17、波形（CH1信号输入波形，CH2信号采样波形，CH5恢复波形）100HZ采样波形：100Hz方波信号恢复波形1000Hz采样波形1000Hz信号恢复波型1000Hz三角波采样波形200Hz采样波200Hz恢复波形五、 结果分析、讨论及思考题在实验中所选用m三种采样频率情况下对连续信号分别进行采样，从波形中都可以看出，在s 2m 以及s = 2m时，采样后的信号均可以较好的恢复，而当s 2m 时，采样后的信号均不可以较好的恢复，从而验证采样定理。实验八 调制与解调实验一、 实验任务与目的1. 了解幅度调制和解调的原理。2观察调制和解调后的波形。3在前面的实验基础上，进一步掌握根据实验任务和要求、
18、实验原理方框图来设计实验方案、实验电路的方法。4掌握集成模拟乘法器或其它集成芯片在实现电路方案时的各种应用（学会选型、应用设计）。二、 总体方案设计参见信号与系统基础实验实验八三、 方案实现和具体设计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
19、相等，初相位相等，频率成比例。本实验中可先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。注意将两种信号源的地应接在一起。2接通实验电源，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RP1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RP1
20、和RP2至两个波形近似。四、实验设计与实验结果载波信号，20K，0.5V调制波输出，47602hz 峰峰值0.7v调幅输出，19.92hkz，峰峰值0.1V解调输出，3.99khz，峰峰值0.528v低通滤波输出，477.5hz，峰峰值0.12五、结果分析、讨论及思考题从最后，滤波后的波形与原波形对比，波形比较理想，分析原因主要在调制和解调时调节比较到位。1、 已调制信号的幅度Y(t)与解调信号X(t)的幅度是否相同？答：不相同。因为通过滤波器后，只能保证他们相位相等，幅值会变。六、实验总结本次信号与控制综合实验之信号与系统基础实验，主要回顾了周期信号的分解和合成从而验证了任何周期电信号都可以
21、分解成直流分量、各种不同频率、幅值和初相位的正弦波；滤波器的设计与变换得出有源滤波器的截止效果要比无源的好，反应更快；信号的采样与恢复验证了采样定理；调制与解调实验模拟出了实际生活中信号的传送与接收过程。以上内容大致覆盖了信号与系统几个主要知识内容，是课内课程的课外拓展。七、心得与体会通过此次信号与系统基础实验的五个实验的接触，让自己一方面巩固了信号与系统的相关知识，另一方面使自己独立动手去实践这些课本上的内容增强自己实践能力。五个实验总体上说做的还是比较顺利的，但在实验过程中有时还是会碰到一些问题，后来反思后觉得还是自己的课内知识没有学扎实，至少有很多知识仅仅只是学了，等要用的时候都不知道是要在这里应用。这次实验和以往的其他学科实验相比，觉得增加了对我们自己思考排错及解决问题的要求。通过此次实验，让自己了解到在课程学习中的一些不足，并为自己积累了一些基础实验的经验与技巧，包括方案的设计，常用设备的使用等等。可以说这几次实验让自己受益匪浅。八、参考文献1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，20092Edward W.Kamen Bonnie S. Heck，Fundamentals of Signals and Systems（第二版），科学出版社， 20023康华光，电子技术基础模拟部分（第五版），高等教育出版社，2006
