信号与系统实验指导书11级A4文档格式.docx
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图3-1实验结构图
图3-1中LPF为低通滤波器,可分解出非正弦周期信号的直流分量。
BPF1~BPF6为调谐在基波和各次谐波上的带通滤波器,加法器用于信号的合成。
3.各种不同的波形及其傅氏级数的表达式分别为
方波
三角波
半波
全波
矩形波
四、实验内容及步骤
1.观测“非正弦周期信号的分解与合成”单元中的信号源,将其输出的50Hz方波信号接至信号分解实验模块的输入端。
2.将BPF1~BPF6的输出分别接至示波器,观测各次谐波的幅值,并列表记录。
(需记录7个波形)
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,并记录之。
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,并记录之。
五、实验报告
1.根据实验测量所得的数据,绘制信号源中方波信号波形,并画出其频谱图。
2.根据实验测量所得的数据,在同一坐标纸上绘制方波分解后所得的基波和各次谐波的波形,并画出其频谱图。
3.将实验步骤“3”所得的基波和三次谐波合成后的波形一同绘制在同一坐标纸上。
4.将实验步骤“4”所得的基波、三次谐波、五次谐波合成的波形一同绘制在同一坐标纸上。
六、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;
2.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。
实验2信号的无失真传输
1.了解信号的无失真传输的基本原理;
2.熟悉信号无失真传输系统的结构与特性。
三、实验内容
1.设计一个无源(或有源)的无失真传输系统;
2.令幅值固定、频率可变化的正弦信号作为系统的输入信号,测量系统输出信号的幅值和相位。
四、实验原理
1.信号的无失真传输是指通过系统后输出信号的波形与输入信号的波形完全相同,只有幅值上的差异和产生一定的延迟时间,具有这种特性的系统称为无失真传输系统。
令输入信号为X(t),则系统的输出为
y(t)=kx(t-t0)
式中k,t0为常量,对上式取付氏变换,则有
Y(jω)=kX(jω)e-jωt0
H(jω)=ke-jωt0
|H|=kk为非零常数
t0>
2.实验电路系统
图8-1无失真传输的电路图
其中R1=R2=20k,C1=C2=1uF
它的频率特性为
五、实验步骤
1.利用本实验箱上“通用电路单元一”中相关元件组成图8-1所示的模拟电路。
2.在模拟电路的输入端输入一个正弦信号,要求信号峰峰值为4V,频率改变,分别为1K,2K,3KHz.
3.用示波器两个探头同时观察输入、输出信号的幅值和相位。
六、实验报告
1.画出信号无失真传输系统的模拟电路。
2.依据观测数据,在同一坐标系下绘制三种不同频率下输入、输出信号波形。
七、实验思考题
1.为什么输出信号波形与输入信号波形相同?
2.分析无失真传输系统的结构特点,如果
、
,则系统的|H(jω)|和
会产生什么变化?
实验3无源与有源滤波器
1.了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性;
2.分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性。
1.TKSS-D型信号与系统实验箱
1.测试无源和有源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;
1.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。
图9-1分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。
图9-1四种滤波器的幅频特性
2.四种滤波器的传递函数和实验模拟电路如图9-2所示:
(a)无源低通滤波器(b)有源低通滤波器
(c)无源高通滤波器(d)有源高通滤波器
(e)无源带通滤波器(f)有源带通滤波器
(g)无源带阻滤波器(h)有源带阻滤波器
图9-2四种滤波器的实验电路
3.滤波器的网络函数H(jω),又称为正弦传递函数,它可用下式表示
式中A(ω)为滤波器的幅频特性,
为滤波器的相频特性。
它们均可通过实验的方法来测量。
1.打开15V直流稳压电源。
2.测试无源低通滤波器的幅频特性,实验线路如下图所示,
(1)使用函数信号发生器,产生一个正弦波信号,幅度峰峰值(Up-p)为4V,逐渐改变其输出频率。
(2)用示波器测量无源低通滤波器输出端的电压U0。
(3)当输入信号频率改变时,输出信号幅度会变小,记录U0/Ui=0.707时,信号的频率f0
(4)完成下表
频率
f0-10k
f0-8k
f0-6k
f0-4k
f0-2k
f0
f0+2k
f0+4k
f0+6k
f0+8k
f0+10k
U0/Ui
3.按照步骤“2”方法,测试有源HPF的幅频特性。
注意:
滤波器的输入信号幅度不宜过大,对有源滤波器实验一般不要超过5V。
1.根据实验测量所得数据,绘制各类滤波器的幅频特性曲线。
2.比较分析各类无源和有源滤器的滤波特性。
1.示波器所测滤波器的实际幅频特性与理想幅频特性有何区别?
实验4全通滤波器
1.了解全通滤波器零、极点分布的特点及其模拟电路;
2.了解全通滤波器的特性。
1.利用R、C元件构造一个全通滤波器的模拟电路;
2.研究全通滤波器的滤波特性。
四、实验原理
1.如果线性系统的所有零点都位于S平面的右侧,且它们与极点均以虚轴互成镜像对称分布,如图10-1所示,这种滤波器系统称为全通滤波器。
所谓“全通”是指其幅频特性为一常数,即对于任何频率的正弦信号,系统的增益都相等,这个结论从图11-1的零点极点分布图能清楚地看到。
图10-1全通滤波器的零、极点分布
2.实验模拟电路
图10-2全通滤波器的模拟电路
由电路得:
所以
零、极点分布完全符合全通滤波器的要求,它的幅频值为
令Ui=Uimsinωt,其中Uim保持定值,改变信号的频率ω,观测并测量输出信号Uo的幅值U0m。
1.将“函数信号发生器”的输出端与全通滤波器电路的输入端相连,将其输出端接示波器的Y轴。
2.实验时保持信号发生器输出信号的幅值不变,每改变它的一个频率,观测滤波器输出信号的幅值是否等于输入信号的幅值。
1.画出全通滤波器的模拟电路图,并标明电路中相关元件的参数值。
2.根据全通滤波器的输入—输出测量信号,分析全通通滤波器的特性。
1.为什么全通滤波器输出信号的幅值不随输入信号的频率改变而改变?
2.全通滤波器输出信号的相位是否与输入信号的相位相等?
实验5信号的采样与恢复
1.了解电信号的采样方法与过程及信号的恢复。
2.验证采样定理。
1.研究正弦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。
2.用采样定理分析实验结果。
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fs(t)可以看成连续信号f(t)和一组开关函数S(t)的乘积。
S(t)是一组周期性窄脉冲。
由对采样信号进行傅立叶级数分析可知,采样信号的频谱包括了原连续信号以及无限多个经过平移的原信号频谱。
平移的频率等于采样频率fs及其谐波频率2fs、3fs·
·
。
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,只要用一截止频率等于原信号频谱中最高频率fn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fs≥2B,其中fs为采样频率,B为原信号占有的频带宽度。
Fmin=2B为最低采样频率。
当fs<
2B时,采样信号的频谱会发生混迭,所以无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。
在实际使用时,一般取fs=(5-10)B倍。
实验中选用fs<
2B、fs=2B、fs>
2B三种采样频率对连续信号进行采样,以验证采样定理要是信号采样后能不失真的还原,采样频率fs必须远大于信号频率中最高频率的两倍。
4.用下面的框图表示对连续信号的采样和对采样信号的恢复过程,实验时,除选用足够高的采样频率外,还常采用前置低通滤波器来防止信号频谱的过宽而造成采样后信号频谱的混迭。
图12-1信号的采样与恢复原理框图
1.连接一采样信号(方波)发生器、采样器、低通滤波器组成的采样与恢复电路(可参考本实验箱的“信号的采样与恢复”实验单元)。
2.在信号采样与恢复实验单元的输入端输入一频率为100Hz左右的正弦信号,然后调节方波发生器的输出频率在800Hz左右,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。
1.绘制原始的连续信号、采样后信号以及采样信号恢复为原始信号的波形。
2.分析实验结果,并作出评述。
实验6调制与解调实验
1.了解幅度调制和解调的原理;
2.观察调制波形;
3.掌握用集成模拟乘法器构成调幅和检波电路的方法;
4.掌握集成模拟乘法器的使用方法。
2.双踪
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- 信号 系统 实验 指导书 11 A4
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