信号与系统实验箱实验指导书
信号与系统实验箱 实验指导书
信号与系统实验指导书前言《信号与系统》是无线电技术、自动控制、通信工程、生物医学电子工程信号图像处理、空间技术等专业的一门重要的专业基础课，也是国内各院校相应专业的主干课程。当前，科学技术的发展趋势即高度综合又高度分化，这要求高等院校培养的大学生，既要有坚实的理论基础，又要有严格的工程技术训练，不断提高实验研究能力、分析计算能力、总结归纳能力和解决各种实际问题的能力。21世纪要求培养“创造性、开发型、应用型”人才，即要求培养智力高、能力强、素质好的人才。由于该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法都很重要，而且系统性、理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，对学生加深理解深入掌握基本理论和分析方法，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及使抽象的概念和理论形象化、具体化，对增强学习的兴趣有极大的好处，做好本课程的实验是学好本课程的重要教学辅助环节。-2-
信号与系统实验指导书 - 2 - 前 言 《信号与系统》是无线电技术、自动控制、通信工程、生物医学电子工程、 信号图像处理、空间技术等专业的一门重要的专业基础课，也是国内各院校相应 专业的主干课程。 当前，科学技术的发展趋势即高度综合又高度分化，这要求高等院校培养的 大学生，既要有坚实的理论基础，又要有严格的工程技术训练，不断提高实验研 究能力、分析计算能力、总结归纳能力和解决各种实际问题的能力。21 世纪要 求培养“创造性、开发型、应用型”人才，即要求培养智力高、能力强、素质好 的人才。 由于该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法都很重要，而且系统性、 理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，对学生加深理解深入掌握 基本理论和分析方法，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及使抽象的概念 和理论形象化、具体化，对增强学习的兴趣有极大的好处，做好本课程的实验， 是学好本课程的重要教学辅助环节
信号与系统实验指导书目录1常用信号的分类与观察32可调信号的分类与观察53信号的基本运算单元·.94滤波器基本实验·125一阶电路时域特征分析··156一阶电路频域分析..217·24幅度调制和解调·8抽样定理··279期方波信号的合成与分解·3010周期信号的合成与分解综合实验（一-3211周期信号的合成与分解综合实验（二）3512频分复用（FDM）38-3
信号与系统实验指导书 - 3 - 目 录 1 常用信号的分类与观察.3 2 可调信号的分类与观察.5 3 信号的基本运算单元.9 4 滤波器基本实验.12 5 一阶电路时域特征分析.15 6 一阶电路频域分析.21 7 幅度调制和解调.24 8 抽样定理.27 9 期方波信号的合成与分解.30 10 周期信号的合成与分解综合实验（一）.32 11 周期信号的合成与分解综合实验（二）.35 12 频分复用（FDM）.38
信号与系统实验指导书实验一常用信号的分类和观察1实验目的1、了解正弦波、方波等常见信号的波形和特点。2、了解相关信号参数的意义以及示波器的测试方法。2原理说明描述信号的基本方法是写出它的数学表达式，此表达式是时间的函数，绘出函数的图像称为信号的波形。对于各种信号，可以从不同的角度分类。如分成确定性信号与随机信号；周期信号与非周期信号：连续时间信号与离散时间信号等。常见信号除了包括正弦波x(t)=Asin(のot+）、指数函数信号x(t)=Ke"、抽样函数信号x(t)=A(sint)/t、高斯函数信号x(t)=Ke-tlt、方波、三角波、锯齿波，还包括一些直流信号。3仪器设备1、信号系统实验箱2、双踪示波器4实验步骤及内容：1、根据实验箱上函数信号发生器模块的提示选择相应的信号波形代码。01：正弦波02：方波03：锯齿波04：三角波05：阶梯波06：衰减指数信号07：高斯函数信号08：抽样函数信号09：抽样脉冲10：调幅信号再根据信号与系统实验箱上的电源模块用电压表（或万用表）与示波器-4-
信号与系统实验指导书 - 4 - 实验一 常用信号的分类和观察 1 实验目的 1、了解正弦波、方波等常见信号的波形和特点。 2、了解相关信号参数的意义以及示波器的测试方法。 2 原理说明 描述信号的基本方法是写出它的数学表达式，此表达式是时间的函数，绘出 函数的图像称为信号的波形。 对于各种信号，可以从不同的角度分类。如分成确定性信号与随机信号；周 期信号与非周期信号；连续时间信号与离散时间信号等。 常见信号除了包括正弦波 、指数函数信号 、抽 ( ) sin( ) x t A 0 t t x t Ke ( ) 样函数信号 、高斯函数信号 、方波、三角波、锯齿波， x(t) A(sin t)/ t / ( ) t x t Ke 还包括一些直流信号。 3 仪器设备 1、信号系统实验箱 2、双踪示波器 4 实验步骤及内容： 1、根据实验箱上函数信号发生器模块的提示选择相应的信号波形代码。 01：正弦波 02：方波 03：锯齿波 04：三角波 05：阶梯波 06：衰减指数信号 07：高斯函数信号 08：抽样函数信号 09：抽样脉冲 10：调幅信号 再根据信号与系统实验箱上的电源模块用电压表（或万用表）与示波器
信号与系统实验指导书来测量电源信号的特点来测量电源的幅度。2、用示波器测量信号，读取信号的幅度和频率，并用坐标纸记录信号波形3、在示波器上观测扫频信号的波形特征，并画出大致波形。5实验报告要求1、根据实验测量所得数据，绘制各个信号的波形图，并记录各信号的幅度和频率。2、绘制扫频信号，并说明扫频信号的特点。3、用示波器直流档观测函数信号的波形特点。-5-
信号与系统实验指导书 - 5 - 来测量电源信号的特点来测量电源的幅度。 2、 用示波器测量信号，读取信号的幅度和频率，并用坐标纸记录信号波形。 3、在示波器上观测扫频信号的波形特征，并画出大致波形。 5 实验报告要求 1、根据实验测量所得数据，绘制各个信号的波形图，并记录各信号的幅度 和频率。 2、绘制扫频信号，并说明扫频信号的特点。 3、用示波器直流档观测函数信号的波形特点
信号与系统实验指导书实验二可调信号的分类与观察1实验目的1、熟悉常见的方波、正弦波与三角波信号的波形和特点。2、了解方波、正弦波与三角波信号的产生电路。2实验原理本实验中的方波、正弦波与三角波信号由集成函数发生器8038产生。这是一片低频率的函数信号发生器，可以产生方波、正弦波和三角波。2.18038的工作原理由手册和有关资料可看出，8038由恒流源1、12，电压比较器C1、C和触发器等组成。其内部原理电路框图和外部引脚排列分别如图xX01和图xX02所示。6+eR12V元土铁器310R土较器13缓冲器RIa正弦变换器外接电容触发器E口口缓冲器-Vα(或地)11图2_18038内部结构图6-
信号与系统实验指导书 - 6 - 实验二 可调信号的分类与观察 1 实验目的 1、熟悉常见的方波、正弦波与三角波信号的波形和特点。 2、了解方波、正弦波与三角波信号的产生电路。 2 实验原理 本实验中的方波、正弦波与三角波信号由集成函数发生器 8038 产生。这是 一片低频率的函数信号发生器，可以产生方波、正弦波和三角波。 2.1 8038 的工作原理 由手册和有关资料可看出，8038 由恒流源 I1、I2，电压比较器 C1、C2和触发 器等组成。其内部原理电路框图和外部引脚排列分别如图XX_01和图XX_02所示。 图 2_1 8038 内部结构图
信号与系统实验指导书NCADJ-SINEI143NCSw2TRI3ADJ-SINE8038ADJ-F/DRID-VEE/GND10外接电容ADJ-F/DR5C+Vec16-SQFMBdFM-IN图2_28038管脚图（顶视图）1.正弦波线性调节；2.正弦波输出；3.三角波输出；4.恒流源调节；5.恒流源调节；6.正电源；7.调频偏置电压；8.调频控制输入端：9.方波输出（集电极开路输出）；10.外接电容；11.负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14.空脚在图21中，电压比较器Ci、Cz的门限电压分别为2V/3和V/3（其中V=Vcc+VeE），电流源和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I则向外接电容C充电，使电容两端电压vc随时间线性上升，当vc上升到vc=2V/3时，比较器C输出发生跳变，使触发器输出Q端由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I>I，因此电容C放电，Vc随时间线性下降。当vc下降到Vc≤V/3时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I再次断开，I再次向C充电，V又随时间线性上升。如此周而复始产生振荡。若I=2I，V上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。当I<I2<2I时，Vc的上升时间与下降时间不相等，管脚3输出锯齿波。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。-7-
信号与系统实验指导书 - 7 - 图 2_2 8038 管脚图（顶视图） 1. 正弦波线性调节； 2. 正弦波输出； 3. 三角波输出； 4. 恒流源调节； 5. 恒流源调节； 6. 正电源； 7. 调频偏置电压； 8. 调频控制输入端； 9. 方波输出（集电极开路输出）； 10. 外接电容； 11. 负电源或接地； 12. 正弦波线性调节； 13、14. 空脚 在图 2_1 中，电压比较器 C1、C2的门限电压分别为 2VR/3 和 VR/3（ 其中 VR=VCC+VEE），电流源 I1和 I2的大小可通过外接电阻调节，且 I2必须大于 I1。当 触发器的 Q 端输出为低电平时，它控制开关 S 使电流源 I2断开。而电流源 I1则 向外接电容 C 充电，使电容两端电压 vC随时间线性上升，当 vC上升到 vC=2VR/3 时，比较器 C1输出发生跳变，使触发器输出 Q 端由低电平变为高电平，控制开 关 S 使电流源 I2接通。由于 I2>I1 ，因此电容 C 放电，vC随时间线性下降。当 vC 下降到 vC≤VR/3 时，比较器 C2输出发生跳变，使触发器输出端 Q 又由高电平变 为低电平，I2再次断开，I1再次向 C 充电，vC又随时间线性上升。如此周而复始， 产生振荡。若 I2=2I1 ，vC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚 3。 而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚 9。三角波经正弦波变换器变成正弦波 后由脚 2 输出。当 I1<I2<2I1 时，vC的上升时间与下降时间不相等，管脚 3 输出 锯齿波。因此，8038 能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形
信号与系统实验指导书2.28038的典型应用由图2_2可见，管脚8为调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是（Vcc+Vee/5），它可作为管脚8的输入电压。此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与9脚之间外接一电阻，其值常选用10k左右，如图23所示。当电位器R动端在中间位置，并且图中管脚8与7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。电路的振荡频率f约为0.3/[C(R+Rp1/2)]。调节Rpl、Rp2可使正弦波的失真达到较理想的程度。在图23中，当Rp1动端在中间位置，断开管脚8与7之间的连线，若在+Vcc与-VEE之间接一电位器，使其动端与8脚相连，改变正电源+Vcc与管脚8之间的控制电压（即调频电压），则振荡频率随之变化，因此该电路是一个频率可调的函数发生器。如果控制电压按一定规律变化，则可构成扫频式函数发生器。+10VRoikoR ie.1okal10k0456.H7MA2101112Ro100k4-10V图2_38038接成波形产生器-8-
信号与系统实验指导书 - 8 - 2.2 8038 的典型应用 由图 2_2 可见，管脚 8 为调频电压控制输入端，管脚 7 输出调频偏置电压， 其值（指管脚 6 与 7 之间的电压）是(VCC+VEE/5) ，它可作为管脚 8 的输入电压。 此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与 9 脚之间外接 一电阻，其值常选用 10k左右，如图 2_3 所示。当电位器 Rp1动端在中间位置， 并且图中管脚 8 与 7 短接时，管脚 9、3 和 2 的输出分别为方波、三角波和正弦波。 电路的振荡频率 f 约为 0.3/[C(R1+RP1/2)] 。调节 RP1、RP2可使正弦波的失真达 到较理想的程度。 在图 2_3 中，当 RP1动端在中间位置，断开管脚 8 与 7 之间的连线，若在+VCC 与-VEE之间接一电位器，使其动端与 8 脚相连，改变正电源+VCC与管脚 8 之间的 控制电压（即调频电压），则振荡频率随之变化，因此该电路是一个频率可调的 函数发生器。如果控制电压按一定规律变化，则可构成扫频式函数发生器。 图 2_3 8038 接成波形产生器
信号与系统实验指导书2.3实际电路调节占空比质节幅用细调频信号发生器室档图2-4可调信号发生器实际电路图3仪器设备1、信号系统实验箱2、双踪示波器4实验内容与步骤1、波形选择方波，分别在高、中、低三个频段上不断调节占空比、频率以及幅度，记录典型波形。2、波形选择正弦波与三角波，重复上面实验步骤。5实验报告要求1、简要说明占空比、频率与幅度的调节对方波信号的影响。2、试分析占空比的调节对三角波以及正弦波所产生的影响。-9-
信号与系统实验指导书 - 9 - 2.3 实际电路 图 2-4 可调信号发生器实际电路图 3 仪器设备 1、信号系统实验箱 2、双踪示波器 4 实验内容与步骤 1、波形选择方波，分别在高、中、低三个频段上不断调节占空比、频率以 及幅度，记录典型波形。 2、波形选择正弦波与三角波，重复上面实验步骤。 5 实验报告要求 1、简要说明占空比、频率与幅度的调节对方波信号的影响。 2、试分析占空比的调节对三角波以及正弦波所产生的影响
信号与系统实验指导书实验三信号的基本运算单元1实验目的了解加法器、标量乘法器、积分器的特性及其测试方法。2原理说明1、运算放大器运算放大器实际就是高增益直流放大器。因配以反馈网络后可实现对信号的求和、积分、微分、比例放大等多种数学运算而得名：运算放大器本身的线路一般比较复杂，由输入级、放大级和输出级组成。利用现代集成技术可以把这样一个多级线路“集成”到一小块硅片上，封装成一个单独的器件，叫做集成运算放大器，其体积和功耗与一个普通晶体管相当。运算放大器具有两个输入端和一个输出端：从“二”端输入时，输出信号与输入信号反相，故“二”端称为反相输入端从“+”端输入时，输出信号与输入信号同相，故称“+”端为同相输入端，实际的运算放大器另有许多辅助引出线，用它们连接电源、偏置、调零、相位补偿等。2、运算放大器的特性运算放大器的主要特性是：开环增益高，输入阻抗高，输出阻抗小。3、基本运算单元这里仅介绍在系统模拟中所必需的三种基本运算器，即加法器、标量乘法器和积分器。（1）加法器加法器原理图如图3一1所示。在本实验箱中，RF=R。1irRR/3V8R84o1oSR0RRuo图3-1加法器- 10 -
信号与系统实验指导书 - 10 - 实验三 信号的基本运算单元 1 实验目的 了解加法器、标量乘法器、积分器的特性及其测试方法。 2 原理说明 1、运算放大器 运算放大器实际就是高增益直流放大器。因配以反馈网络后可实现对信号的 求和、积分、微分、比例放大等多种数学运算而得名：运算放大器本身的线路一 般比较复杂，由输入级、放大级和输出级组成。利用现代集成技术可以把这样一 个多级线路“集成”到一小块硅片上，封装成一个单独的器件，叫做集成运算放 大器，其体积和功耗与一个普通晶体管相当。 运算放大器具有两个输入端和一个输出端：从“-”端输入时，输出信号与 输入信号反相，故“-”端称为反相输入端；从“+’端输入时，输出信号与输入 信号同相，故称“+”端为同相输入端，实际的运算放大器另有许多辅助引出线， 用它们连接电源、偏置、调零、相位补偿等。 2、运算放大器的特性 运算放大器的主要特性是：开环增益高，输入阻抗高，输出阻抗小。 3、基本运算单元 这里仅介绍在系统模拟中所必需的三种基本运算器，即加法器、标量乘法器 和积分器。 （1）加法器 加法器原理图如图 3－1 所示。在本实验箱中，RF=R。 图 3－1 加法器