《信号与综合实验报告信号部分.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号与综合实验报告信号部分.docx（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电气学科大类 2011 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 XXX 学 号 U2011XXXXX 专业班号 XXXX 同组者1 XXX 学 号 U2011XXXXX 专业班号 XXXX 同组者2 学 号 专业班号 指导教师 黄劲 日 期 2013年11月 实验成绩 评 阅 人 实验评分表基本实验实验编号名称/内容（此列由学生自己填写）实验分值评分实验一 常用信号的观察实验二 零输入响应、零状态响应及完全响应实验五 无源滤波器与有源滤波器实验六 LPF、HPF、BPF、BEF间的变换实验七 信号的采样与恢复实验八 调制与解调设计性实验实验名称/内容实验
2、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目 录一、实验评分表1二、目录2三、正文实验一 常用信号的观察3实验二 零输入响应、零状态响应及完全响应6实验五 无源滤波器与有源滤波器9实验六 LPF、HPF、BPF、BEF间的变换18实验七 信号的采样与恢复27实验八 调制与解调35四、实验结论40五、心得与自我评价41六、参考文献42正 文实验一 常用信号的观察一、任务和目标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。了解这些常见信号的波形和特点，并学习利用示波器测量信号的幅度、频率等参数，掌握基本的误差观察和分析方法
3、。二、总体方案设计描述信号可用数学表达式（时间的函数），也可用函数图形（信号的波形）。信号有周期与非周期之分，普通示波器可以观察周期信号，具有暂态拍摄功能的示波器可观察到非周期信号的波形。常用的数字式示波器可以很方便地观察周期信号以及非周期信号的波形，本次实验可用函数发生器来产生常用的信号并用数字示波器来观察。三、方案实现和具体设计 1、连接函数发生器和数字示波器并接通函数发生器和数字示波器的电源。2、调节函数发生器选择不同的波形与频率，用示波器观察并记录波形，观察并记录输出波形的变化。具体设计过程如下：、设定函数发生器输出信号幅值为Vpp=2.00V，频率f=2.00KHz，选择方波波形，通
4、过示波器观察并记录波形；、保持幅值与频率不变，函数发生器选择锯齿波信号，观察并记录波形；、保持幅值与频率不变，函数发生器选择三角波信号，观察并记录波形；、保持幅值与频率不变，函数发生器选择正弦波信号，观察并记录波形；四、实验设计与实验结果根据实验方案设计进行实际操作，得到如下结果：1、方波信号：实验波形如图1-1所示（见下页）图1-1 方波信号波形 （f=2.00KHz Vpp=2.00V）2、锯齿波信号：实验波形如图1-2所示图1-2 锯齿波信号波形 （f=2.00KHz Vpp=2.00V）3、三角波信号：实验波形如图1-3所示图1-3 三角波信号波形 （f=2.00KHz Vpp=2.0
5、0V）4、正弦波信号：实验波形如图1-4所示图1-4 正弦波信号波形 （f=2.00KHz Vpp=2.00V）五、结果分析与讨论1、当函数发生器发生并输出的信号不同时，示波器上显示了不同的波形，函数发生器发出的特定形状、特定频率、特定幅值的信号在示波器上得到了完整的还原，基本展现出各信号波形的特点。2、实验时，发现当信号频率过大（如100MHz）时，观察到波形显示出了暂态过程，应有的方形有一定的弯曲；当频率过小（如2Hz）时，波形也显示了较大失真，只有当频率选在适中的范围内时才有正确的输出，经分析讨论发现实验信号的频率需要选在一个适中的范围即通频带内。3、示波器显示的波形参数中，信号幅值与频
6、率都与设定有较小的误差，经分析讨论，这些误差来自于系统的噪声信号与函数发生器本身输出的误差。4、经过本次实验我了解到四种常见信号的波形和特点，学会了使用函数发生器与示波器来产生信号、观察信号波形并测量信号的相关参数，通过实验熟悉了设备也为以后的实验奠定了基础。实验二 零输入响应、零状态响应及完全响应一、任务和目标学习系统的零输入响应、零状态响应以及完全响应的原理，并学会利用模拟电路和示波器来观察这三者的动态曲线。通过实验以达到进一步了解系统的零输入响应、零状态响应和完全响应的目标，提升实验设计能力。二、总体方案设计（引用实验教材P29）线性时不变系统的基本特性可用简单的时间响应特性来说明和观察
7、。一阶系统的微分方程是一个一阶微分方程，可以通过一个RC电路实现。根据原理，可以设计如图2-1所示实验电路来观察一阶系统的零输入、零状态以及完全响应。 图2-1 零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路图电路中，合上K1，则itR1+Uct=E1，因it=CdUc(t)dt，故R1CdUctdt+Uct=E1，求解该一阶微分方程可以得到Uct=E11-e-tRC+Uc0e-tRC。式中若E1=0，则Uct=Uc0e-tRC，此为一零输入响应，即由初始条件激励下的输出响应；若式中若Uc0=0，则Uct=E11-e-tRC，此为一零状态响应，即初始条件为0、由输入激励下的输出响应；零输入响应与零
8、状态响应之和为完全响应。若E1=15V，Uc0=E2=5V，断开/合上K1即可得到如图2-2所示的三种响应曲线。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 完全响应三、方案实现和具体设计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，函数发生器输出15V直流电。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压的零输入响应、零状态响应和完全响应，记录波形和对应开关的状态。四、实验设计与实验结果1、合上K2、K3，K1
9、断开，待电容充电稳定后断开K2，观察动态的零输入响应，记录输出波形。实验波形如图2-3所示。图2-3 零输入响应动态曲线2、断开K2，待电容放电完成后闭合K3、K1，观察动态的零状态响应，记录输出波形，实验波形如图2-4所示。图2-4 零状态响应动态曲线3、上一步骤结束后，断开K1，闭合K3直至电容放电完成且恒定不变。断开K3，闭合K2，使电容充电到5V并保持稳定，再断开K2，合上K1，观察动态的完全响应，记录输出波形，实验波形如图2-5所示。图2-5 完全响应动态曲线五、结果分析与讨论1、图2-3所示的零输入响应动态曲线与理论曲线一致，曲线从初始状态逐渐衰减至零，呈现指数衰减态势，与理论基本
10、吻合。2、图2-4所示的零状态响应动态曲线从初始零状态以指数态势逐渐增加并最终稳定在输入电压附近，与理论结果相符。3、图2-5所示完全响应动态曲线从初态5V逐渐升高至15V附近并趋于稳定，从曲线可以观察其基本上是零输入响应和零状态响应的和，与理论结果一致。4、实验中输出稳态电压和输入电压有一定误差，其主要原因是输出电压是电容电压也是电阻R2两端电压，由于R1的分压，所以R2两端电压不能完全等于输入电压，从而产生了误差。5、实验结果基本上完整展现了一阶系统的零输入、零状态以及完全响应，完成了实验任务。通过此次实验，我也更加深入地了解了一阶系统的三种响应，对实验方案与电路的设计也有了更多的认识。6
11、、实验中我们也对实验设备的使用有了更进一步的认识和熟悉，对后面的实验又积累较多经验。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否相同？为什么？答：不相同，因为零输入响应与输入无关，其动态过程只和电路本身结构有关，零输入响应的稳定性只和电路结构的稳定性有关；零状态响应不仅与电路结构有关还和输入有关，输入变化响应也会变化，所以零状态响应的稳定性和电路结构以及输入信号的稳定性有关。综上所述，零输入响应与零状态响应的稳定性不同。实验五 无源滤波器与有源滤波器一、任务和目标了解无源滤波器和有源滤波器的种类、基本结构以及特性。分析对比无源滤波器与有源滤波器的滤波特性，掌握测定无源滤波器和有源滤波
12、器参数的设计方法。通过设计实验观察有源与无源LPF（低通滤波器）、HPF（高通滤波器）、BPF（带通滤波器）、BEF（带阻滤波器）的幅频特性，比较有源与无源的滤波特性。二、总体方案设计（引用实验教材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
13、。图5-1所示为四种滤波器的实际幅频特性示意图。图5-1 4种滤波器的幅频特性实验电路设计如图5-2所示，滤波器网络函数H(j)，又称频率响应，它可以表示为Hj=U0jUij=A，其中，A()为滤波器的幅频特性，()为滤波器的相频特性，利用图示电路可以测量幅频及相频特性。（a）无源LPF （b）有源LPF （c）无源HPF （d）有源HPF（e）无源BPF （f）有源BPF （g）无源BEF （h）有源BEF图5-2 4种滤波器的传递函数和实验模拟电路三、方案实现和具体设计1、将实验电路板接通电源，用示波器从总体上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，用示波器测量滤波器输出端的电压Uo 。当改变信号源频率时，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，分别测试无源和有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅频特性。四、实验设计与实验结果实验中取Ui幅值为1V，得到如下实验数据和实验图像。1、低通滤波器幅频特性曲线测量接通实验板上低通滤波器实验电路，根据设计的实验步骤进行操作，保持输入信号幅值为1V不变，改变其频率，在示波器上读取输出电压信号的幅值，将频率与相应输出电压幅值记录下来，得到如下表所示的实验数据。表
