华中科技大学信号与系统实验报告.docx
《华中科技大学信号与系统实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华中科技大学信号与系统实验报告.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
华中科技大学信号与系统实验报告
2007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：
徐浩泽学号：
U200712294专业班号：
电气提高班
指导教师：
何俊佳
日期：
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
实验一常用信号的观察
5分
实验三非正弦周期信号的分解与合成
5分
实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换
10分
实验七信号的采样与恢复
15分
实验八调制与解调实验
15分
设计性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
工频实用逆变器（尚未完成）
创新性实验
实验名称/内容
实验分值
评分
无
教师评价意见
总分
目录
《信号与控制综合实验》课程1
实验报告1
（基本实验一:
信号与系统基本实验）1
实验项目3
说明：
3
实验一常用信号的观察3
一、实验目的3
二、实验原理3
三、实验内容3
四、实验设备3
五、实验步骤3
六、实验报告4
实验三非正弦周期信号的分解与合成6
一、实验目的6
二、实验原理6
三、实验内容6
四、实验设备7
五、实验步骤7
六、实验报告8
七、实验思考题9
实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换10
一、实验目的10
二、实验原理10
三、实验内容10
四、实验设备10
五、实验步骤11
六、实验报告11
七、实验思考题13
实验七信号的采样与恢复实验14
一、实验目的14
二、实验原理14
三、实验内容15
四、实验设备15
五、实验步骤15
六、实验报告16
实验八调制与解调实验19
一、实验目的19
二、实验原理19
三、实验内容20
四、实验设备21
五、实验步骤21
七、实验思考题23
实验项目
说明：
实验报告中的实验目的、原理、内容、设备、步骤摘自《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》，并根据实际试验情况略有改动。
实验一常用信号的观察
一、实验目的
学习函数发生器和示波器的使用。
二、实验原理
数字式示波器可以观察周期信号以及非周期信号的波形。
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。
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
1、三角波的观察
三角波信号的波形及参数如图所示
由探头衰减为10×可知信号的幅值为2V。
信号的频率为100.0kHz
则信号的数学函数表达式为：
Um=2.0；
ω=200kπrad/s
Figure001三角波的波形和参数
2、方波的观察
方波信号的波形及参数如图所示
由探头衰减为10×可知信号的幅值为5V。
信号的频率为250Hz
则信号的数学函数表达式为：
Um=5.0
ω=500πrad/s
Figure002方波的波形和参数
3、锯齿波的观察
锯齿波信号的波形及参数如图所示
由探头衰减为10×可知信号的幅值为5V。
信号的频率为200Hz
则信号的数学函数表达式较为复杂，按周期写较为简单，在此不予赘述
Figure003锯齿波的波形和参数
4、正弦波的观察
波信号的波形及参数如图所示
由探头衰减为10×可知信号的幅值为2.5V。
信号的频率为250kHz
则信号的数学函数表达式为：
2.5·sin500kπt
Figure004正弦波的波形和参数
实验三非正弦周期信号的分解与合成
一、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。
2、学会应用课本理论知识分析、解释实验误差的原因。
二、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：
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。
方波的傅里叶级数表达式为：
2、实验方案原理框图
Figure005
图Figure005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。
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、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
Figure006实验电路图
2、数字示波器1台
3、函数发生器
五、实验步骤
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TP1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。
六、实验报告
1、实验数据f0=50.2Hz
信号来源
信号源
基波
三次谐波
五次谐波
合成波形
峰-峰值/V
8.72
10.6
3.28
2.32
9.52
2、实验波形图
Figure007信号源波形Figure008基波Figure009三次谐波
Figure010五次谐波Figure011合成波形
Figure012一、三次谐波的合成Figure013一、五次谐波的合成
七、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？
正负幅值相同的信号没有直流分量。
过原点且正负幅值相等的信号没有余弦分量。
2.基波＋三次谐波合成波形，与基波＋三次谐波＋五次谐波合成波形的区别在哪里？
你能解释其中区别的原因所在吗？
基波＋三次谐波合成波形见图Figure012，基波＋三次谐波＋五次谐波合成波形见图Figure011，由于相差一个五次谐波，而五次谐波在每次基波处于峰值时，也同时处于峰值。
所以前者的顶端时下凹的，后者的顶端是上凸的。
3.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。
首先，滤波器并不能完全保证只通过某一次谐波，滤波器输出的波形本身就包含各次的谐波。
其次，方波的分解应存在无限次谐波，本次试验中只取其三次、五次谐波，忽略掉的谐波较多，误差较大。
再次，加法器并非理想的运算放大电路，也会引入部分误差
实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换
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：
2、带通滤波器的幅频特性
3、带阻滤波器的幅频特性
三、实验内容
1、由低通滤波器变换为高通滤波器。
2、由高通滤波器变换为低通滤波器。
3、在一定条件下，由低通和高通滤波器构成带通滤波器。
4、在一定条件下，由低通和高通滤波器构成带阻滤波器。
四、实验设备
1、信号与系统基本实验模块——实验电路板6
Figure014实验电路图
2、双路输出直流稳压电源1台
3、函数发生器一台
4、数字式示波器1台
五、实验步骤
1、实验电路接通电源（有源滤波器电路）。
2、将函数信号发生器输出的正弦信号接入无源（或有源）滤波器的输入端，调节该正弦信号频率（由小到大改变）时,用示波器观察其低通滤波器输出幅值的变化。
3、按步骤1，逐步用示波器或数字万用表观察测量LPF、HPF、BPF、BEF输出幅值的变化。
六、实验报告
1实验数据处理
低通滤波器输出端为（TP1）
高通滤波器输出端为（TP4）
带通滤波器输出端为（TP2）
带阻滤波器输出端为（TP5）
信号源峰-峰值=10V
实验数据表格如下
TP1
TP4
TP2
TP5
频率/Hz
幅值/V
频率/Hz
幅值/V
频率/Hz
幅值/V
频率/Hz
幅值/V
100
9.2
10
0.062
10
0.56
1
9.04
1000
7.92
100
0.588
100
4.72
10
8.96
2000
5.92
1000
4.96
500
8
100
7.44
3000
4.56
10000
5.92
1000
7.4
1000
3.96
4000
3.6
20000
7.92
2000
5.68
2000
6.56
5000
2.96
50000
8.64
5000
2.84
5000
8.4
6000
2.48
50000
3.12
10000
1.52
10000
7.76
7000
2.16
100000
1.84
100000
0.76
20000
5.8
8000
2
500000
1.72
1000000
0.17
50000
2.9
10000
1.6
1000000
4.76
100000
1.56
50000
0.448
100000
0.224
实验曲线如下：
Figure015Figure016
Figure017Figure018
由于放大器的增益带宽积十分有限，所以在高通和带阻滤波器的频率特性曲线中，当信号频率超过一定的值时，放大器的增益也会下降。
当频率过高时，滤波器的输出波形会发生畸变，产生严重的失真，故在画图表时，将试验中波形已经严重失真的几组数据舍去。
下图为几种失真波形：
Figure019低通100kHzFigure020高通1MHzFigure021带通1MHz
七、实验思考题
1、由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件？
带通滤波器中LPF的通频上限要大于HPF的通频下限
带阻滤波器中LPF的通频上限要小于HPF的通频下限
2、有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？
有源滤波器的输入阻抗更大、输出阻抗更小，而且可以调整增益。
频率特性更理想。
实验七信号的采样与恢复实验
一、实验目的
1、了解信号的采样方法与过程及信号的恢复。
2、通过实验验证采样定理，并掌握采样周期的基本设计原则。
二、实验原理
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r（kT）可以看成连续信号r（t）和一组开关函数S（t）的乘积；S（t）是一组周期性窄脉冲
采样信号的时域表达式为:
其傅立叶变换为：
采样信号的傅立叶变换表明，采样信号的频谱包括了原连续信号频谱jωR成分以及无限多个经过平移的原信号频谱成分（幅度变为为原信号频谱的1/T）。
平移的频率等于采样频率ωs及其谐波频率2ωs,3ωs,…。
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，只要用一个截止频率等于原信号频谱中最高频率sω、增益为T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Figure022采样采样前后的信号频谱
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ωs≥2ωm，其中ωs为采样频率，ωm为原信号占有的频带宽度。
当ωs<2ωm时，采样信号的频谱会发生混迭，因而无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。
4、实验时，除了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。
三、实验内容
1、根据实验原理框图和实验任务设计实验方案。
2、根据设计的实验方案设计和搭建实验电路（可以用面包板搭，也可以用通用板焊接）。
3、研究正弦信号和三角波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。
实验中选用ωs＜2ωm、ωs=2ωm、ωs＞2ωm三种采样频率对连续信号进行采样，以验证采样定理。
4、用采样定理分析实验结果。
Figure023采样前后的信号频谱
四、实验设备
1、信号与系统基本实验模块——实验电路板7（或自己设计搭建的实验电路）
2、双路输出直流稳压电源1台
3、函数发生器1台
4、数字式示波器1台
五、实验步骤
1、连接采样脉冲（方波）信号发生器、采样器（采样开关）、低通滤波器组成的采样与恢复电路（实验电路板7）。
2、利用函数发生器，输入频率为100Hz左右的正弦信号（或其它形状波形的信号作为被采样信号）给信号采样与恢复实验电路的输入端，观察采样输出信号以及通过低通滤波器后的恢复信号。
3、改变被采样输入信号的频率，再观察采样输出信号以及通过低通滤波器后的恢复信号。
4、改换被采样输入信号为方波，再重复以上实验。
六、实验报告
1、实验参数记录
Ωs=1.225kHz；
2、实验波形记录
Figure024脉冲信号
1、正弦信号
（1）100Hz
Figure025信号源波形Figure026采样信号波形Figure027解调后波形
（2）612.5Hz
Figure028信号源波形Figure029采样信号波形Figure030解调后波形
（2）5kHz
Figure031信号源波形Figure032采样信号波形Figure033解调后波形
2、方波信号
（1）100Hz
Figure034信号源波形Figure035采样信号波形Figure036解调后波形
（2）612.5Hz
Figure037信号源波形Figure038采样信号波形Figure039解调后波形
（3）2kHz
Figure040信号源波形Figure041采样信号波形Figure042解调后波形
由上两组实验的波形图可以看出：
当输入信号频率小于脉冲信号的频率时，输出信号的波形主要由输入信号的波形决定。
当输入信号频率大于脉冲信号的频率时，输出信号的波形主要由脉冲信号的波形决定。
【误差分析】
实验中所使用的脉冲信号和输入信号都存在一定的误差，对实验结果都会有一定的影响。
（1）脉冲信号对实验结果的影响
Figure043Figure044
脉冲信号频率不稳定以及其对采样后信号的影响
（取自612.5Hz正弦波信号实验，并将扫描速度放慢）
（2）输入信号对实验结果的影响
Figure045Figure046Figure047
输入信号中的低频噪声以及其对采样后信号的影响
（Figure042取自5kHz正弦波信号，Figure043、Figure044取自612.5Hz方波信号实验，并将扫描速度放慢）
实验八调制与解调实验
一、实验目的
1、了解幅度调制和解调的原理。
2、观察调制和解调后的波形。
3、在前面的实验基础上，进一步掌握根据实验任务和要求、实验原理方框图来设计实验方案、实验电路的方法。
4、掌握集成模拟乘法器或其它集成芯片在实现电路方案时的各种应用（学会选型、应用设计）。
二、实验原理
1、所谓调制就是用一个信号去控制另一个信号的某个参量，产生调制信号。
解调则是调制的相反过程，而从调制的信号中恢复出原信号。
2、用正弦信号作为载波的一类调制称为正弦波调制，它包含正弦波幅度调制（AM），正弦波频率调制（FM）和相位调制（PM）
用非正弦波周期信号作为载波的另一类调制称为脉冲调制，用信号去控制周期脉冲序列的幅度称为脉冲幅度调制（PAM），此外，还有脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）等。
近代电力电子变换技术中则将该多脉冲调制技术改进成为脉冲高度不变而宽度按照正弦规律变化的多脉冲调制形式，称为“正弦脉冲宽Figure048
度调制（SPWM）”
3．正弦幅度调制与解调
Figure049调制解调过程
图8-2为正弦波调制与解调的方框图，图中X（t）为被调制信号，C（t）为载波信号，Y（t）为已调制信号，由框图可知：
其傅氏变换为：
如果X（t）是带宽有限的信号，图8-3示出了调制频分相应多点的频谱。
由式（8-1）可知，用正弦波t0cosω进行调制，就是把调制信号的频谱X（ω）对半分地分别搬到±ω0处。
信号传输信道为理想信道，在接收端可以无失真地接收到已调信号Y（t）。
解调的任务是从Y（t）中恢复出原始信号X（t）。
同步解调的原理就是用相同的载波再用一次调制。
图8-2中V（t）的频谱为：
其频谱V（ω）如图所示。
显然，若用一个截止频率为ωc的理想低通滤波器，在接收端就可以完全恢复原信号X（t）。
应该指出，在实际的调制系统中，往往满足ωo>>ωm，故接收端并不需要采用理想的低通滤波器，用一般的低通滤波器即可满足工程上的要求。
通常把图8-2这样的调制与解调称为同步调制和解调，或称相干调制和解调。
它要求接收端的载波信号与发送端完全同频同相，当然，这样在一定程度上会增加接收机的复杂性。
三、实验内容
1、幅度调制与解调的实验。
2、根据实验原理方框图确定实验方案，设计和搭建实验电路。
Figure050各点频谱
四、实验设备
1、信号与系统基本实验模块——实验电路板8
Figure051实验电路图
2、双路输出直流稳压电源1台
3、函数发生器1台
4、数字式示波器1台
五、实验步骤
1、方案实现中的若干工作：
因实验室的函数信号发生器仅能提供一路正弦信号电源，而本实验需要2个正弦信号（一路低频正弦信号，作为电路板输入的被调制信号；而实验所需要的接收端与发送端的载波信号完全同频同相，因此需要提供另一个高频正弦信号作为载波信号，同时提供给调制部分和解调部分），故可采用实验电路板输出的低频正弦作为被调制信号，另外通过函数发生器产生高频正弦信号，供调制和解调两部分用。
这两个正弦信号应幅值相等，初相位相等，频率成比例。
本实验中可先调节实验电路板输出的正弦信号频率约为500Hz、幅度为500mV，作为调制信号；函数发生器产生的正弦信号约为20KHz、500mV，作为二路载波信号，然后连接到实验电路板上。
注意将两种信号源的地应接在一起。
2、接通实验电源，用示波器观察“调制信号输出”（调制信号输出先不要连接解调部分），调节电位器RP2观察调幅器输出波形。
3、将“调幅信号输出”接到解调电路中的“调幅信号输入”上，将载波接到“载波信号输入”上，将解调信号输出接到“LPF（低通滤波器）输入”上。
用双踪示波器分别观察被调制信号（原信号）和“LPF输出”信号（调制解调后的信号）并且记录波形，如果两个波形相差较大时，调节RP2和RP3至两个波形近似。
六、实验报告
1、实验数据记录
调制信号：
500mV515.5Hz
载波信号：
500mV20.63kHz
2、实验波形记录
Figure052调制信号Figure053载波与调制信号
Figure054调幅输出信号Figure055解调输出信号
Figure056滤波输出信号
实验结果分析：
由于解调输出信号中加载了类似于三极管放大电路饱和失真的波形，故滤波后的最终输出波形也会呈现出饱和失真的波形。
失真原因分析：
由Figure054可以看出，调幅输出信号波形的外轮廓线即调制信号，其幅值不稳定。
具体原因可能是调制信号和载波信号的初相位不同或是因频率不是整倍数关系导致的相对初相位变化。
由公式可以得理想的解调波形如下。
Figure057理想解调输出信号
七、实验思考题
已调制信号的幅度Y（t）与解调信号X（t）的幅度是否相同？
由等式
可知当载波信号的幅值恰好为1时，二者的幅度一定相同
升级会员 