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1、西 南 大 学信号与系统实验指导书主编 王世元审核 赵保刚校对 杨 艺西南大学电气信息工程学院二八年三月序信号是信息的载体，携带信息的信号通过适当的网络或系统，才能实现有效的传递。信号与系统实验是电子信息类专业学生的一间极其重要的基础实验课程，它起到承前 (电路分析实验)，与启后 (数字信号处理实验)，的作用。通过到东南大学、南京航空航天大学、南京邮电学院、解放军理工大学等高校实地调研的基础上，我们根据当前电子信息类电工屯子课程大平台的新课程体系的流行趋势，充分考虑电子信息类专业的特殊要求，编排了这门独立实验课程。 在内容安排上，本实验课程在传统内容与现代内容之间作了合理取舍。重点突出信号监测
2、与分析仪表的使用、多种信号的观测、信号的分解与合成、信号通过线性系统发生的变化、线性系统的输入输出关系、信号的抽样与恢复等等。在实施方法上，依托多功能电子实验平台，力求丰富实验内容，简化实验方法与步骤，化抽象为具体，让学员通过多观察、多测试、多分析，理论联系实际，举一反三，融会贯通，掌握观察、测试和分析电子信号的基本方法和基本工具，培养信息处理和加工能力，为以后在电子信息领域的发明创造打下牢固的基础。 在实验的具体编排上，一方面按照循序渐进的原则，逐步加深实验内容，注意前后实验之间的穿插与重复，强化基本实验技能的培养；另一方面在学生能够理解的前提下，适当安排比较有新意的内容，保证实验内容的丰富
3、性、生动性，增强学生对信号与系统实验课程的兴趣。目录基本电子测量仪表的工作原理与信号系统实验箱简介4 实验一信号波形的观察与测试10实验二信号的频域分析11实验三信号合成14实验四无源滤波器与有源滤波器15 实验五信号通过线性系统19 实验六基本运算单元22 实验七信号的抽样及恢复25实验八连续时间系统模拟28 基本电子测量仪表的工作原理与信号系统实验箱简介1-l示波器的操作与使用 示波器是一种主要用来观察电信号波形的电子测试仪器，按用途来分，有超低频示波器，超高速示波器，有单踪示波器，也有双踪和多踪示波器；有由电子枪与示波管组成的模拟式示波器，也有由高速采样电路与液晶屏组成的数字式存储示波器
4、。我们只要熟悉并掌握其中一两种示波器的使用方法，对于其它形式的示波器，通过阅读使用说明书或通过操作演示，也不难掌握其操作要领。 在示波器的使用过程中，应当注意示波器的技术指标与使用条件:lDC直流藕合2AC交流藕合3灵敏度4输入阻抗5标准信号6实际测量 (1) 测量方波的峰-峰值Vpp (2) 测量正弦波的Vpp和有效值Vrms (3) 测量正弦信号蜂-峰值周期基本要求：能熟练调节面板旋钮，稳定显示被测信号的波形，并能估算被测信号的幅度与周期。1-2 IST-B智能信号测试仪介绍与使用 IST-B智能信号测试仪是一种综合性基础电子测量仪表，又是一种通用型电子实验平台。它具有信号产生、信号检测、
5、信号分析、模拟训练、直流电源五大功能模块，26种功能。一、信号产生模块。既能够产生周期信号，如:正弦信号、方波信号、三角波、TTL波形等，也能产生随机信号 ，如:白噪声；还能产生带载信息的调频波、调相波等。二、信号检测模块。能对电子信号的基本参数，如:幅度与频率进行定量测量。还能对被测网络进行扫频测量。三、信号分析模块。能在一定范围内对电子信号的频谱、失真度进行定量分析。四、模拟训练模块。作为一个电子实验平台，能完成信号的采样、存储、信号合成、一阶系统电路过渡过程模拟以及数据通信训练等电子实验项目。五、直流电源。能输出四路直流电源，其中+5V，输出电流3A；-5V，-12V，输出电流为 1A；
6、0-l2V可调电源输出电流为1A。IST-B智能信号测试仪继承了传统电子测量仪表的优点，又体现了未来电子测量仪表数字化、智能化、集成化和模块化的发展方向。多种功能既能象传统仪表那样单个使用，更便于由计算机控制，组成完备的电子信号产生与测试系统，高质量、高效率地完成电子工程研究和电子实验任务。1-3 IST-B智能信号测试仪的信号产生模块工作原理该模块由高频信号产生、低频信号产生、特殊波形产生三部分电路组成。1、高频信号产生电路，能产生300Hz-40Hz的正弦信号，还能产生高频调幅信号和高频调频信号。其主要工作原理如图1-1所示:鉴相器滤波正 弦压 空振荡器整形程 控分频器参考频率 输出 去C
7、PU图1-1 高频信号产生系统框图2、低频信号产生电路，其工作范围为lOHz-300KHz，能够产生正弦波、方波、三角波，幅度和频率全数控，其主要工作原理见图1-2: 图1-2低频信号产生系统框图3、特殊波形产生电路。能够产生PSK、FSK、脉宽波、噪声、特殊波形等信号。其工作原理如图1-3：图1-3 特殊波形产生系统框图CPU按一定时序读取内存中存好的特殊波形的数值，通过数模转换电路及后续平滑滤波电路，生成所需信号。1-4信号检测模块工作原理1、电压检测部分工作原理 通常一个电信号的幅度测量是由毫伏表来完成，毫伏表测得值为信号的有效值，毫伏表的工作方式有两种，一种为放大检波式，另一种为检波放
8、大式。放大检波式能够测量小信号，但频响较窄，只能进行低频测量。而检波放大式的毫伏表一般不能进行小信号测量。IST-B智能信号测试仪的工作原理如下图:图1-4 电压检测系统框图输入信号经过宽带放大后进行检波，CPU通过模数转换电路，测得近似直流值，再经过软件查表，换算出对应的有效值。由于采用了软硬件相结合的方法，克服了检波二极管的非线性问题和通道的频响误差，保证了测量的精度。2、频率测量工作原理，组成框图如下图1-5 频率测量系统框图低频信号测量不经过64分频，高频测量经过64分频，仪表测量范围为lOHz-50MHz。3、扫频测量工作原理。扫频测量是为了测量网络的传输特性，其框图如下:图1-6
9、扫频测量系统框图测量时，CPU使信号源按扫频方式工作，每改变一次频率，程控数字电压表测量一次被测网络的输入与输出端的信号幅度；CPU计算出两者的比值，即得该点的频率响应，扫描完毕，CPU控制液晶显示，描出网络的幅频特性曲线。实际测量时，为了操作的便利，程序首先将输入端各频率点的幅度值一次测且完毕，并存储下来，进行输出端各点的测试，整个操作只须移动一次测量探头。1-5 信号分析模块工作原理1、频谱分斩工作原理。该功能是为了检测信号的频率特性，其框图如下：图1-7 频谱分析模块原理框图其中AGC电路对被测信号进行适当处理，以保证A/D输入端有合适的信噪比，CPU对信号进行采集以后，进行快速傅立叶变
10、换，算出被测信号频谱，然后在液晶上显示出来。2、失真度测量工作原理本失真度仪先对被测信号进行频谱分析，求得基波与多次谐波的振幅，再由程序算得失真度，从理论上来讲比较准确。具体硬件电路与频谱分析功能类同。1-6模拟训练工作模块工作原理l、信号采集工作原理 图1-8 信号采集系统框图2、信号合成工作原理 图1-9 信号合成模块原理框图当输入频谱选定以后，CPU通过反FFT程序，算得该信号的时域样值，再控制数模转换电路，生成对应的时域信号。3、数据通信工作原理 图1-10 数据通信实验框图发送端根椐键盘键人数据，按固定格式增加同步信息与纠错信息，经由D/A单元发出2FSK信号,接收端对输入信号进行实
11、时监控，收到同步头后，确认同步，接收信息并解码，在液晶屏上显示出发送端所发的信息。IST-B智能信号测试仪功能齐全，操作简便，具体见本书附件。1-7 信号与系统实验箱简介信号系统实验箱电路板如下图：图 l-11该实验箱为信号系统实验配置了较为全面的实验电路，主要有无源与有源滤波器；串联谐振网络；并联谐振网络；基本运算单元；连续时间系统模拟；以及信号抽样单元。多种有无源滤波器可以级联使用。实验箱上有源电路的电源通过一个三芯插座与外电源相连。基本电源电压为+12V与-12V。电源如正常，红绿两发光二极管应正常发光，否则应检查原因。1-8实际操作 1、用示波器测量正弦波的Vpp与Vrms，并估算其周
12、期。 2、用示波器观察调幅信号。 3、用IST-B分别进行电压测量频率测量、频率测量、频谱测量以及失真度测量等。1-9 实验要求 1、观察方波、三角波、调幅波的波形，记录各自的时域波形图（注意周期和幅度的标注）。2、 依据实验结果分析实验偏差或误差实验一 信号波形的观察与测试（验证性实验）一、实验目的熟悉掌握电信号的时域观察方法与参数测量方法；熟悉信号与系统实验设备的使用方法。二、实验仪器与器材 1IST-B智能信号测试仪 2双踪示波器3信号系统实验箱三、实验内容及步骤 1. IST-B低频信号输出参数f=1KHz ，V=l000mV的正弦波，用示波器观察其波形。用IST-B电压测量功能测其输
13、出有效值。 2. 调节信号源幅度，使IST-B电压测量指示为2000mV，观察其在示波器上的幅度。 3. 用IST-B测量其频率，将信号源分别输出为方波（1000mV）、三角波(2000mV)、脉宽波(自定义)，重复上述实验过程，并记录数据。四、实验要求 1. 预习信号时域波形的相关内容。2. 记录实验过程中的方波（1000mV）、三角波(2000mV)、脉宽波(自定义)的时域波形图。3. 依据实验结果分析实验原理或偏差或误差五、实验思考题 1. 理论上来讲，示波器与电压表的输入阻抗，哪一种对测量精度影响更大些? 2. 选择IST-B频率键控功能，其输出信号波形 (方波或正弦波)取决于什么?实验二 信号的频域分析（验证性实验）一、实验目的学习信号频谱的测量的方法，加深信号频谱的概念。二、实验仪器与器材 1.IST-B智能信号测试仪 2.双踪示波器3.信号系统实验箱三、实验基本原理 周期信号的频谱是以基频1为间隔的离散谱线。下图示出了方波的振幅频谱图，特点是随着谐波次数的增加幅度是下降的。基波幅
