09信号与综合实验报告模板及内容要求.docx
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09信号与综合实验报告模板及内容要求
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)
姓名毛志伟学号U201115900专业班号水电1101班
同组者李远哲学号U专业班号水电1101班
指导教师
日期2103年11月04日
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
1.常用信号的观察
2.零输入响应、零状态响应及完全响应
5.无源滤波器和有源滤波器
6.LPF、HPF、BPF、BEF间的转换
7.信号的采样与恢复
8.调制与解调
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………………………………………………………………4
1实验一常用信号的观察………………………………………4
2实验二零输入响应、零状态响应及完全响应………………7
3实验五无源滤波器与有源滤波器……………………………9
4实验六LPF、HPF、BPF、BEF间的变换…………………14
5实验七信号的采样与恢复……………………………………18
6实验八调制与解调实验………………………………………22
二、实验总结与体会……………………………………………………26
三、参考文献……………………………………………………………27
实验内容
实验一常用信号的观察
一、实验原理
信号可以分为周期信号和非周期信号两种。
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以观察到非周期信号的波形。
常用的数字示波器可以非常方便地观察周期信号及非周期信号的波形。
二、实验目的
了解常见信号的波形和特点。
了解常见信号有关参数的测量,学会观察常见信号组合函数的波形,学会使用函数发生器和示波器,了解所用仪器与所观察信号的关系。
掌握基本的误差观察和分析方法。
三、实验内容
1.观察常用的正弦波、方波、三角波、锯齿波等信号波形。
2.用示波器测量信号,读取信号的幅值和频率。
四、实验设备
函数发生器;数字或模拟示波器。
5、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和不同波形,用示波器观察输出波形的变化。
6、实验结果
观察到的各种信号波形如下:
图1-1正弦信号波形图1-2方波信号波形
图1-3锯齿波信号波形图1-4三角波信号波形
从图中所观察数据
信号类型
正弦波
方波
锯齿波
三角波
幅值(V)
1.98
2.04
1.80
1.80
频率(kHz)
99.90
100.00
99.90
99.80
表1-1
实验二零输入,零状态及完全响应
一、实验目的
1.通过实验,进一步了解系统的零输入响应、零状态响应和完全响应的原理。
2.学习实验电路方案的设计方法——本实验中采用用模拟电路实现线性系统零输入响应、零状态响应和完全响应的实验方案。
二实验原理
零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路如图2-1所示。
合上图2-1中的开关
,则由电路可得
(1)
∵
,则上式变为
(2)
对上式取拉式变换得:
所以
∴
(3)
式(3)中,若E1等于0,则等号右方只有第二项,即为零输入响应,即由初始条件激励下的输出响应;
若初始条件为零(
),则等式右边只有第一项,即为零状态响应,它描述了初始条件为零(
)时,电路在输入E1作用下的输出响应,显然它们之和为电路的完全响应。
若
,断开/合上开关K1或K2即可得到如图2-2所示的这三种的响应过程曲线。
三、实验内容
1.连接一个能观测零输入响应、零状态响应及完全响应的电路。
2.分别观测该电路的零输入响应、零状态响应及完全响应的动态曲线。
四、实验步骤
将实验电路接通电源。
通过两个开关k1和k2的闭合/断开状态,可以从示波器上观察到实验电路输出(电容电压)的零输入状态、零状态响应及完全响应。
五实验结果
图2-4零输入响应图2-5零状态响应图2-6完全响应
实验五无源滤波器与有源滤波器
一实验目的
1.了解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;
3.掌握无源和有源滤波器参数的设计方法。
二实验原理
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5-1分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。
2.
四种滤波器的传递函数和实验模拟电路如图5-2所示
3.滤波器的网络函数H(jω),又称为频率响应,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。
三、实验内容
1.测试无源LPF和有源LPF的幅频特性。
2.测试无源HPF和有源HPF的幅频特性。
3.测试无源BPF和有源BPF的幅频特性。
4.测试无源BEF和有源BEF的幅频特性。
四实验步骤
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(f<200KHz),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,分别测试无源、有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅频特性。
五实验结果
实验数据及图像:
无源LPF
输入频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
输入频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
100
4.08
1500
1.46
200
3.92
1700
1.32
300
3.64
1800
1.22
400
3.44
1900
1.18
500
3.12
2000
1.16
600
2.88
2200
1
650
2.8
2400
0.88
700
2.64
2800
0.74
800
2.48
3000
0.72
900
2.28
3200
0.66
1000
2.04
3600
0.6
1100
1.92
3800
0.5
1200
1.8
4000
0.54
1300
1.64
4200
0.48
1400
1.62
4600
0.44
有源LPF
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
100
4
1700
1.92
200
4.2
1800
1.82
300
4
1900
1.76
400
4
2000
1.6
500
4
2500
1.12
600
3.8
3000
0.96
700
3.6
3500
0.72
800
3.2
4000
0.552
900
3.2
5000
0.376
1000
3
6000
0.264
1050
2.8
7000
0.208
1100
2.72
8000
0.16
1200
2.56
9000
0.128
1300
2.4
10000
0.104
1400
2.32
15000
0.056
1500
2.18
20000
0.04
1600
2.08
无源HPF
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
100
0.06
3100
2.4
200
0.1
3200
2.48
300
0.16
3300
2.5
400
0.24
3400
2.54
500
0.32
3500
2.62
600
0.44
3600
2.64
700
0.56
3700
2.68
800
0.66
3800
2.72
900
0.74
3900
2.76
1000
0.84
4000
2.8
1100
0.98
4100
2.82
1200
1.04
4200
2.86
1300
1.14
4300
2.88
1400
1.24
4400
2.94
1500
1.34
4500
2.96
1600
1.44
4600
3.02
1700
1.5
4700
3.04
1800
1.56
4800
3.06
1900
1.66
4900
3.08
2000
1.74
5000
3.12
2100
1.8
5200
3.14
2200
1.86
5400
3.2
2300
1.94
5600
3.26
2400
2.02
5800
3.3
2500
2.08
6000
3.32
2600
2.14
6400
3.36
2700
2.2
6800
3.44
2800
2.24
7200
3.52
2900
2.3
7600
3.6
3000
2.38
8000
3.6
有源HPF
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
100
0.029
2800
3.04
300
0.146
3000
3.12
500
0.364
3400
3.28
700
0.644
3600
3.36
900
0.96
4000
3.48
1000
1.12
4400
3.6
1200
1.44
4800
3.64
1400
1.74
5200
3.68
1600
2
5600
3.76
1800
2.24
6000
3.8
2000
2.48
6500
3.84
2200
2.64
7000
3.88
2400
2.8
8000
3.92
2500
2.84
9000
3.92
2600
2.88
10000
3.92
无源BPF
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
100
0.36
2600
1.34
200
0.56
2800
1.3
300
0.752
3000
1.28
400
0.968
3200
1.26
500
1.03
3400
1.22
600
1.15
3600
1.22
700
1.23
3800
1.18
800
1.26
4000
1.14
900
1.32
4400
1.12
1000
1.34
4800
1.08
1100
1.36
5200
1.04
1200
1.38
5600
0.96
1300
1.4
6000
0.94
1400
1.42
6500
0.92
1500
1.4
7000
0.8
1600
1.36
7500
0.78
1700
1.4
8000
0.76
1800
1.4
9000
0.72
1900
1.38
10000
0.64
2000
1.38
11000
0.62
2200
1.36
20000
0.44
2400
1.34
有源BPF
频率/Hz
输出峰峰值U0/V
频率/Hz
输出峰峰值U0/V
100
0.504
2600
2.56
200
0.976
2800
2.52
300
1.37
3000
2.48
400
1.68
3500
2.32
500
2
4000
2.2
600
2.16
4500
2.12
700
2.32
5000
2
800
2.48
5500
1.84
900
2.52
6000
1.76
1000
2.6
7000
1.6
1100
2.64
8000
1.44
1200
2.64
9000
1.32
1300
2.68
10000
1.24
1500
2.72
12000
1.04
1700
2.72
14000
0.92
1800
2.68
16000
0.84
1900
2.64
18000
0.72
2000
2.64
20000
0.64
2200
2.64
25000
0.488
2400
2.6
30000
0.4
无源BEF
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
频率f/Hz
输出峰峰值U0/V
100
3.28
3400
1.52
200
3.04
3600
1.62
250
2.88
3800
1.72
300
2.72
4000
1.82
400
2.4
4400
1.96
500
2.08
4800
2.1
600
1.76
5200
2.22
700
1.44
5600
2.32
800
1.28
6000
2.42
900
1.12
6400
2.5
1000
0.8
6800
2.6
1100
0.616
7200
2.64
1200
0.456
7600
2.72
1300
0.304
8000
2.8
1400
0.176
8500
2.84
1500
0.086
9000
2.88
1600
0.17
9500
2.92
1700
0.262
10000
2.96
1800
0.344
11000
3.04
1900
0.452
12000
3.12
2000
0.528
13000
3.12
2200
0.712
14000
3.16
2400
0.872
15000
3.2
2600
1.02
16000
3.24
2800
1.16
17000
3.28
3000
1.28
18000
3.28
3200
1.42
有源BEF
频率f/Hz
输入峰峰值U0/V
频率f/Hz
输入峰峰值U0/V
100
4
2800
2.12
300
3.76
2900
2.24
400
3.52
3000
2.32
500
3.2
3100
2.4
600
2.96
3200
2.48
700
2.6
3300
2.56
800
2.32
3400
2.64
900
1.96
3500
2.7
1000
1.6
3600
2.74
1100
1.32
3700
2.8
1200
1.04
3800
2.88
1300
0.72
3900
2.92
1400
0.416
4000
2.96
1500
0.168
4100
3.02
1600
0.204
4200
3.04
1700
0.38
4400
3.12
1800
0.6
4600
3.2
1900
0.8
4800
3.28
2000
0.98
5000
3.32
2100
1.18
5500
3.44
2200
1.34
6000
3.6
2300
1.48
6500
3.68
2400
1.64
7000
3.68
2500
1.78
7500
3.76
2600
1.9
8000
3.76
2700
2.02
由实验数据可以知道,以上各个滤波器的截止频率分别为
无源LPF
无源HPF
无源BPF
无源BEF
有源LPF
有源HPF
有源BPF
有源BEF
低截止频率(Hz)
无
4250
580
1500
无
2500
400
1600
高截止频率(Hz)
435
无
5500
7000
1000
无
6000
3750
通频带
<435
>4250
580~4500
<1500或>7000
<1000
>2500
400~6000
<1600或>3750
六实验思考题:
1、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:
实际的幅频特性不像计算出来的那样准确,与计算的有一些出入,比如特征频率不一样,通频带不一致,相同频率下实际与理想的增益不同,等等,还有一个区别就是计算出来的曲线是非常光滑的,而实际测出的曲线可能有一些不光滑的地方。
出现以上问题的原因是实际中器件都是有一定误差的,比如电阻电容,示波器,信号发生器,等等,它们都有一定的误差,而且做实验的时候天气条件对实验也有一定的影响,造成了实际的幅频特性不像计算出来的那样准确。
2、如果要实现LPF、HPF、BPF、BEF源滤器之间的转换,应如何连接?
答:
LPF与HPF之间的转换,只需要把承担滤波任务的电阻与电容换个位置就可以了。
BPF的实现,将LPF与HPF串连即可实现BPF,但要符合wcl>wch。
对于BEF来说,将LPF与HPF并联即可实现BEF,但要符合wcl 实验六LPF、HPF、BPF、BEF间的变换 一实验目的 1.通过本实验进一步理解低通、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: (6-1) 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 ,就可由式 (1)求得对应的 ;反之亦然。 令 (6-2) 则 (6-3) 与式(6-2)、(6-3)对应于的无源和有源滤波器的模拟电路图分别如图6-1和图6-2 所示。 2.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 ,则由它们可构成一个带通滤波器,它们之间的关系可用下式表示: 令 , 则: 对应的模拟电路图如图6-3所示。 3.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 ,则由它们可构成一个带阻滤波器,它们之间的关系可用下式表示为: 令 , 则 对应的模拟电路图如图6-4所示。 三、实验内容 (1)由LPF变换为HPF。 (2)由HPF变换为LPF。 (3)在一定条件下,有LPF和HPF构成BPF。 (4)在一定条件下,有LPF和HPF构成BEF。 四、实验步骤 (1)实验电路(有源滤波器电路)接通电源。 (2)将函数信号发生器输出的正弦信号接入无源滤波器的输入端,调节该正弦信号频率时,用示波器观察其LPF输出幅值的变化。 (3)按步骤 (1),逐步用示波器观察、测量LPF、HOF、BPF、BEF输出幅值的变化。 五、实验结果 低通TP1 频率f/HZ TP1峰峰值U0/V 频率f/HZ TP1峰峰值U0/V 100 3.68 3000 1.76 200 3.76 3500 1.56 300 3.68 4000 1.4 400 3.6 4500 1.28 500 3.6 5000 1.2 600 3.52 5500 1.04 700 3.44 6000 0.98 800 3.36 6500 0.9 900 3.28 7000 0.84 1000 3.16 8000 0.76 1200 2.96 9000 0.68 1400 2.8 10000 0.62 1600 2.64 15000 0.44 1800 2.48 20000 0.32 2000 2.32 30000 0.24 2500 2 40000 0.22 带通TP2 频率f/HZ TP2输出峰峰值U0/V 频率f/HZ TP2输出峰峰值U0/V 100 2 3000 1.84 200 2.92 3500 1.68 300 3.28 4000 1.44 400 3.36 4500 1.28 500 3.44 5000 1.16 600 3.44 5500 1.06 700 3.36 6000 0.98 800 3.36 6500 0.92 900 3.2 7000 0.84 1000 3.12 8000 0.76 1200 3.04 9000 0.68 1400 2.8 10000 0.62 1600 2.72 15000 0.44 1800 2.56 20000 0.32 2000 2.4 30000 0.26 2500 2.08 40000 0.22 低通TP3 频率f/Hz TP3输出峰峰值U0/V 频率f/Hz TP3输出峰峰值U0/V 10 3.56 1800 0.336 20 3.56 1900 0.312 50 3.4 2000 0.304 100 3.12 2400 0.256 200 2.32 2800 0.216 300 1.84 3200 0.184 400 1.44 3600 0.168 500 1.14 4000 0.152 600 0.96 4500 0.132 700 0.84 5000 0.12 800 0.72 5500 0.112 900 0.66 6000 0.104 1000 0.6 7000 0.084 1100 0.56
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