华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 通知 2003级电气工程及其自动化专业、水利水电工程专业本科生 请注意 “信号与系统”课程实验预约本周开始启动。预约实验是提前 周预约下周的实验内容、地点和时间。“信号与系统”课程的实 验占课程总成绩的20%,实验内容和各实验的分值(折合成总成 绩的100分)如下,请按照自己对课程的理解和掌握程度选做实验 内容。鼓励创新,实验创新加分为5分,但总加分后总成绩不能超 过100分 实验一常用信号的观察 2分 实验二零输入、零状态及完全响应· 2分 实验三非正弦周期信号的分解与合成…… 分 实验四信号的无失真传输……………2分 实验五无源与有源滤波器…… 分 实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换……4分 实验七信号的采样与恢复实验· 实验八调制与解调实验…… …6 分分 电气与电子工程学院实验教学中心 二○O五年九月二十六日 集学科优势 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 1 - 求改革创新 通 知 2003 级电气工程及其自动化专业、水利水电工程专业本科生 请注意： “信号与系统”课程实验预约本周开始启动。预约实验是提前 一周预约下周的实验内容、地点和时间。“信号与系统”课程的实 验占课程总成绩的 20％，实验内容和各实验的分值（折合成总成 绩的 100 分）如下，请按照自己对课程的理解和掌握程度选做实验 内容。鼓励创新，实验创新加分为 5 分，但总加分后总成绩不能超 过 100 分。 实验一 常用信号的观察……………………………………2分 实验二 零输入、零状态及完全响应………………………2 分 实验三 非正弦周期信号的分解与合成……………………4分 实验四 信号的无失真传输…………………………………2分 实验五 无源与有源滤波器…………………………………4分 实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换………4 分 实验七 信号的采样与恢复实验……………………………4分 实验八 调制与解调实验……………………………………6分 电气与电子工程学院实验教学中心 二○○五年九月二十六日
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 信号与控制综合实验 实验指导书 第一分册信号与系统基本实验 华中科技大学电气与电子工程学院 实验教学中心 2005年7月 集学科优势 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 2 - 求改革创新 信号与控制综合实验 实验指导书 第一分册 信号与系统基本实验 华中科技大学电气与电子工程学院 实验教学中心 2005 年 7 月
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 目录 实验 实验一常用信号的观察 实验二零输入、零状态及完全响应………… 实验三非正弦周期信号的分解与合成 3472 实验四信号的无失真传输… 实验五无源与有源滤波器……………… 实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换……21 实验七信号的采样与恢复实验· …26 实验八调制与解调实验 实验九测量与计算机分析实验· …41 附录 实验所用集成电路芯片功能与引脚介绍· 42 实验指南…………… …46 集学科优势 3 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 3 - 求改革创新 目 录 实验 实验一 常用信号的观察……………………………………3 实验二 零输入、零状态及完全响应………………………4 实验三 非正弦周期信号的分解与合成……………………7 实验四 信号的无失真传输…………………………………12 实验五 无源与有源滤波器…………………………………16 实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换………21 实验七 信号的采样与恢复实验……………………………26 实验八 调制与解调实验……………………………………33 实验九 测量与计算机分析实验……………………………41 附录 实验所用集成电路芯片功能与引脚介绍……………………42 实验指南……………………………………………………………46
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 实验一常用信号的观察 、实验原理 描述信号的方法有多种,可以是数学表达式(时间的函数),也可以是函 数图形(即为信号的波形)。 对于各种信号可以分为周期信号和非周期信号;连续信号和离散信号等。 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。目前常用的数字式示波器可以非常方便地观察周期信号以及 非周期信号的波形。 实验目的 了解常用信号的波形和特点。 2.了解相应信号的参数。 3.学习函数发生器和示波器的使用 、实验内容 1.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,如y=sm(nx)+cOS(mx)。 2.用示波器测量信号,读取信号的幅度和频率。 四、实验设备 1.函数发生器1台 2.数字或模拟示波器1台 五、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,用示波器观察输出波形的变化。 六、实验报告 根据实验测量的数据,绘制各个信号的波形图,并写出相应的数学函数 表达式。 集学科优势 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 4 - 求改革创新 实验一 常用信号的观察 一、实验原理 描述信号的方法有多种，可以是数学表达式（时间的函数），也可以是函 数图形（即为信号的波形）。 对于各种信号可以分为周期信号和非周期信号；连续信号和离散信号等。 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。目前常用的数字式示波器可以非常方便地观察周期信号以及 非周期信号的波形。 二、实验目的 1. 了解常用信号的波形和特点。 2. 了解相应信号的参数。 3. 学习函数发生器和示波器的使用。 三、实验内容 1．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，如 y = sin( nx) + cos(mx) 。 2．用示波器测量信号，读取信号的幅度和频率。 四、实验设备 1．函数发生器 1 台 2．数字或模拟示波器 1 台 五、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，用示波器观察输出波形的变化。 六、实验报告 根据实验测量的数据，绘制各个信号的波形图，并写出相应的数学函数 表达式
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 实验二零输入、零状态及完全响应 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 R1 K K E=15 5V R 图2-1零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路图 合上图2-1中的开关K1,则由电路可得 i(1)·RC+U0()=E1 ()=C0(t) a,则上式变为 do RC +l E1 dt 对上式取拉式变换得: RCU(s)-RCU(O)+Uo(s) 所以 uAS? s(RCs+1)RC+、E E1,RCU0(0) U0(0) RC R ∴U0(0=E1(1-e)+U00eC (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(U0(0)=0),则等式右边只有第一项,即为零状态响 集学科优势 5 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 5 - 求改革创新 图 2-1 零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路图 R1 R2 实验二 零输入、零状态及完全响应 一、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 K1 ，则由电路可得 1 0 1 i(t) R C +U (t) = E (1) ∵ dt dU t i t C ( ) ( ) 0 = ，则上式变为 0 1 0 U E dt dU RC + = (2) 对上式取拉式变换得： s E RCU s RCU U s 1 0 0 0 ( ) − (0) + ( ) = 所以 RC s U RC s E s E RCs RCU s RCs E U s 1 (0) ) 1 ( 1 (0) ( 1) ( ) 1 0 1 1 0 0 + + + = − + + + = ∴ RC t - 0 RC t - 0 1 U (t) = E (1- e ) +U (0)e (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（ (0) 0 U0 = ），则等式右边只有第一项，即为零状态响
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 应,它描述了初始条件为零(U0(0)=0)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E1=15V,U0(0)=E2=5V,断开/合上开关K或K2即可得到 如图22所示的这三种的响应过程曲线 Uc(t) 15③ ① 图2-2零输入响应、零状态响应和完全响应曲线 其中:①零输入响应②零状态响应③完全响应 、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一一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。 实验内容 1.连接一个能观测零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图(参考图 2-1)。 分别观测该电路的零输入响应、零状态响应和完全响应的动态曲线 四、实验设备 1.信号与系统基本实验模块——实验电路板2(实验板参数:电阻Rl= R2=30k;电容C=47u):或自己设计搭建的实验电路 2.直流稳压电源+5V和+15V各一路 3.数字存储式示波器1台 集学科优势 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 6 - 求改革创新 ( ) 0 U t 图 2-2 零输入响应、零状态响应和完全响应曲线 其中：①零输入响应 ②零状态响应 ③完全响应 应，它描述了初始条件为零（ (0) 0 U0 = ）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 E1 =15V, U0 (0) = E2 = 5V ，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。 二、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。 三、实验内容 1．连接一个能观测零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图（参考图 2-1）。 2．分别观测该电路的零输入响应、零状态响应和完全响应的动态曲线。 四、实验设备 1．信号与系统基本实验模块——实验电路板 2（实验板参数：电阻 R1＝ R2＝30k；电容 C＝47μ）；或自己设计搭建的实验电路 2．直流稳压电源＋5V 和＋15V 各一路 3．数字存储式示波器 1 台
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 五、实验步骤 将实验电路接通电源 通过两个开关K1和K2的闭合晰开状态,可以从示波器上观察到实验 电路输出(电容电压)的零输入响应、零状态响应和完全响应。请自行设计 实验步骤,并记录当前响应时的各开关的状态。 六、实验报告 1.画出自行设计的实验方案框图及实验电路图,将所设计的电路参数标 在实验电路上,并以文字说明设计思路 2.说明实验步骤以及各响应分别对应的各开关的状态,并画出该电路在 零输入响应、零状态响应、完全响应下的响应曲线。 七、实验思考题 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? 附2 信号与姚基本尖验棋抉——卖脸电略板2(乖輪入、零状态及完金响应尖验) 的电路原理图及教 R 30k 30k 零输入/零状态/完全响应电路 集学科优势 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 7 - 求改革创新 五、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）的零输入响应、零状态响应和完全响应。请自行设计 实验步骤，并记录当前响应时的各开关的状态。 六、实验报告 1． 画出自行设计的实验方案框图及实验电路图，将所设计的电路参数标 在实验电路上，并以文字说明设计思路。 2． 说明实验步骤以及各响应分别对应的各开关的状态，并画出该电路在 零输入响应、零状态响应、完全响应下的响应曲线。 七、实验思考题 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？ 附 2： 信号与系统基本实验模块——实验电路板 2(零输入、零状态及完全响应实验) 的电路原理图及参数
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 实验三非正弦周期信号的分解与合成 、实验原理 任何周期电信号都可以用傅立叶级数来表示,即表示为三角函数的线性 组合: U()=ao+la, cos(no t)+bn sin(no ,D) =C+∑Cnsn(nOt+On) 即任何周期电信号都可以分解成直流分量、各种不同频率、幅值和初相的正 弦波,将频率O1对应的正弦分量称为基波分量,而对应于其它高次频率nO1 的分量称为高次谐波。由其傅里叶级数展开式可知,各次谐波的频率为基波 频率的整数倍,每一频率成份的幅值大小是不同的。 在这个实验中我们可以采用50Hz方波信号作为分析信号。将被测方波信 号加到分别调谐于其基波和各次奇谐波频率的电路上,从每一个带通滤波器 的输出端可以用示波器观察到相应频率的正弦波。 2.实验方案原理框图 BPF1 BPF2。 50Hz 接示波器 函数信号 匣F。加法器 发生器 交流毫伏表 BPF4 BPF5 BPf。 图3-1实验方案原理框图 集学科优势 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 8 - 求改革创新 实验三 非正弦周期信号的分解与合成 一、实验原理 1．任何周期电信号都可以用傅立叶级数来表示，即表示为三角函数的线性 组合： = = = + + = + + 1 0 1 1 0 1 1 sin( ) ( ) [ cos( ) sin( )] n n n n n n C C n t U t a a n t b n t 即任何周期电信号都可以分解成直流分量、各种不同频率、幅值和初相的正 弦波，将频率 1 对应的正弦分量称为基波分量，而对应于其它高次频率 1 n 的分量称为高次谐波。由其傅里叶级数展开式可知，各次谐波的频率为基波 频率的整数倍，每一频率成份的幅值大小是不同的。 在这个实验中我们可以采用 50Hz 方波信号作为分析信号。将被测方波信 号加到分别调谐于其基波和各次奇谐波频率的电路上，从每一个带通滤波器 的输出端可以用示波器观察到相应频率的正弦波。 2．实验方案原理框图 图 3-1 实验方案原理框图
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 图3-1中LPF为低通滤波器,通过它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,通过它可分解出 非正弦周期信号的各次谐波分量。加法器则用于信号的合成 3.各种不同波形及其傅立叶级数表达式 方波 4Um U(t)= singt+-sin3ot+-sin5ot+-sinfot 角波 U(t)_8Um inot--sin3gt+-sin5ot 整流半波 U(t) 2Um(1 +-sing t coS o t、l coset+ 整流全波 U(t)=4Um cos2ot--cos4ot--cos6ot+ 23 矩形波 U (t) T Um 2Um Sin-cOS t+-sin cos2ot+-sinoTJ os3ot+ T 实验目的 进一步通过实验了解信号的频率特征和分解及合成方法;非正弦周期信 号的频谱分析方法,了解信号都是由不同频率、不同初相位的正弦信号叠加 而成的 2.学会应用课本理论知识分析、解释实验误差的原因。 3.学会根据原理和原理框图设计实验方案、搭建实验电路的方法 4.掌握低通滤波器、带通滤波器、加法器的设计方法。 集学科优势 9 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 9 - 求改革创新 图 3-1 中 LPF 为低通滤波器，通过它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，通过它可分解出 非正弦周期信号的各次谐波分量。加法器则用于信号的合成。 3．各种不同波形及其傅立叶级数表达式 方波： + + + sin7ωt + 7 1 sin5ωt 5 1 sin3ωt 3 1 sinωt π 4Um U（t）＝ 三角波： − + sin5ωt − 25 1 sin3ωt 9 1 sinωt π 8Um U（t）＝ 2 整流半波 + − − cos4ωt + 15 1 cosωt 3 1 sinωt 4 π 2 1 π 2Um U（t）＝ 整流全波 − − − cos6ωt + 35 1 cos4ωt 15 1 cos2ωt 3 1 2 1 π 4Um U（t）＝ 矩形波 + + + cos3ωt + T 3τπ sin 3 1 cos2ωt T 2τπ sin 2 1 cosωt T τπ sin π 2Um T τUm U（t）＝ 二、实验目的 1．进一步通过实验了解信号的频率特征和分解及合成方法；非正弦周期信 号的频谱分析方法，了解信号都是由不同频率、不同初相位的正弦信号叠加 而成的。 2．学会应用课本理论知识分析、解释实验误差的原因。 3．学会根据原理和原理框图设计实验方案、搭建实验电路的方法。 4．掌握低通滤波器、带通滤波器、加法器的设计方法
华中科敦大总咆气电子覆总戎验钛总中心信与侧合验指导节 实验内容 1.用硬件电路分解(带通滤波器)非周期正弦信号,同时分析观测信号的 频谱,并与其理论傅里叶级数公式中各项的频率与系数作比较 2.以上结果在计算机上采用 Matlab软件进行频谱分析,并记录结果; 3.观测基波和其谐波的合成结果。 四、实验设备 信号与系统基本实验模块——实验电路板3(或自己设计搭建的实验电 路) 2.数字示波器1台 3.函数发生器(产生方波或其它非正弦周期信号 4.计算机一套 五、实验步骤(参考) 1.调节函数信号发生器,使其输出50Hz的方波信号,并将其接至信号分 解实验模块的输入端,再细调函数信号发生器的输岀频率,使该模块的基波 50Hz成分BPF1的输出幅度为最大。 2.用示波器观测各带通滤波器的输出(各次谐波)的幅值,并列表记录 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 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。 5.分别将50Hz正弦半波、全波、矩形波和三角波的输出信号接至5OHz 电信号分解与合成模块的输入端,观测基波及各次谐波的频率和幅度,并记 录 6.将50Hz单相正弦半波、全波、矩形波和三角波的基波和谐波分量接至 集学科优势 求改革创新
华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 集学科优势 - 10 - 求改革创新 三、实验内容 1．用硬件电路分解（带通滤波器）非周期正弦信号，同时分析观测信号的 频谱，并与其理论傅里叶级数公式中各项的频率与系数作比较； 2．以上结果在计算机上采用 Matlab 软件进行频谱分析，并记录结果； 3．观测基波和其谐波的合成结果。 四、实验设备 1．信号与系统基本实验模块——实验电路板 3（或自己设计搭建的实验电 路） 2．数字示波器 1 台 3．函数发生器（产生方波或其它非正弦周期信号） 4．计算机一套 五、实验步骤（参考） 1．调节函数信号发生器，使其输出 50Hz 的方波信号，并将其接至信号分 解实验模块的输入端，再细调函数信号发生器的输出频率，使该模块的基波 50Hz 成分 BPF1 的输出幅度为最大。 2．用示波器观测各带通滤波器的输出（各次谐波）的幅值，并列表记录。 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。 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。 5．分别将 50Hz 正弦半波、全波、矩形波和三角波的输出信号接至 50Hz 电信号分解与合成模块的输入端，观测基波及各次谐波的频率和幅度，并记 录。 6．将 50Hz 单相正弦半波、全波、矩形波和三角波的基波和谐波分量接至