《信号与系统》实验教案.docx
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《信号与系统》实验教案
实验一、非正弦周期信号的分解与合成
一、实验目的
1、用同时分析法观测50Hz非正弦周期信号的频谱，并与其傅里叶级数各项的频率与系数作比较。
2、观测基波和其谐波的合成。
二、实验设备
1、信号与系统实验箱（参考型号：
TKSS—B型）
2、双踪示波器
三、实验原理
1、一个非正弦周期函数可以用一系列频率成整数倍的正弦函数来表示，其中与非正弦函数具有相同频率的成分称为基波或一次谐波，其它成分则根据其频率为基波频率的2、3、4、┅、n等倍数分别称二次、三次、四次、┅、n次谐波，其幅度将随谐波次数的增加而减小，直至无穷小。
2、不同频率的谐波可以合成一个非正弦周期波，反过来，一个非正弦周期波也可以分解为无限个不同频率的谐波成分。
3、一个非正弦周期函数可用傅里叶级数来表示，级数各项系数之间的关系可用一个频谱来表示，不同的非正弦周期函数具有不同的频谱图。
例如，方波的频谱图如图1-2所示。
图1-1方波
图1-2方波频谱图
方波信号的傅里叶表达式：
周期信号频谱的特点：
离散性、谐波性、收敛性；
奇函数只含正弦项，偶函数只含直流量和余弦项；
奇谐函数只含奇次谐波分量，偶谐函数只含偶次谐波分量、直流量；
四、实验重难点
1、本实验以方波和三角波为重点进行实验数据的观测。
2、进行本实验前应熟悉信号与系统实验箱（参考型号：
TKSS－B型）、双踪示波器等有关仪器设备的操作。
五、实验步骤
实验装置的结构如图1-3所示。
图1-3信号分解合成实验装置结构框图
1、打开电源总开关，检查50Hz方波信号输出；观察方波的周期和幅值。
2、将50Hz方波信号接到信号分解实验模块BPF输入端15脚（注意输入、输出地接在一起）；
将1、2短接，观察直流分量的幅值；
将3，4短接，观察基波分量的频率和幅值，并记录之。
将5，6短接，观察二次谐波分量的频率和幅值，并记录之。
将7，8短接，观察三次谐波分量的频率和幅值，并记录之。
将9，10短接，观察四次谐波分量的频率和幅值，并记录之。
将11，12短接，观察五次谐波分量的频率和幅值，并记录之。
将13，14短接，观察六次谐波分量的频率和幅值，并记录之。
3、将方波分解所得的基波和三次谐波分量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，观测相加后的波形，记录之。
5、分别将50Hz单相正弦半波、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输入端，观测基波及各次谐波的频率和幅度，记录之。
6、将50Hz单相正弦半波、全波、矩形波、三角波的基波和谐波分量分别接至加法器的相应的输入端，观测求和器的输出波形，并记录之。
六、注意事项
1、根椐实验测量所得的数据，在同一坐标纸上绘制方波及其分解后所得的基波和各次谐波的波形，画出其频谱图。
2、将所得的基波和三次谐波及其合成波形一同绘制在同一坐标纸上，并且把实验步骤3中观察到的合成波形也绘制在同一坐标纸上。
3、将所得的基波、三次谐波、五次谐波及三者合成的波形一同绘画在同一坐标纸上，并把步骤4中所观测到的合成波形也绘制在同一坐标纸上，便于比较。
4、在做实验前必须认真复习教材中关于周期性信号傅里叶级数分解的有关内容。
七、思考题
1、什么样的周期性函数没有直流分量和余弦项？
答：
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。
答：
八、结论
1、
2、
3、
实验二、无源和有源滤波器
一、实验目的
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
3、掌握扫频仪的使用方法
二、实验设备
1、信号与系统实验箱（参考型号：
TKSS—B型）
2、双踪示波器
三、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（通常是某个频带范围）的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。
2、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）或带阻滤波器（BEF）四种。
把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。
而通带与阻带的分界点的频率称为截止频率或转折频率。
图2-1中的
为通带电压放大倍数，
为中心频率，
和
称为低端和高端截止频率。
图2-1四种滤波器幅频特性示意图
四种滤波器的实验电路如图2-2所示。
图2-2各种滤波器的实验线路图
3、图2-3中，滤波器的频率特性
式中
为滤波器的幅频特性，
为相频特性，它们可以通过实验方法测量出来。
图2-3滤波器
四、实验重难点
1、本实验以RC无源/有源低通滤波器为重点进行实验数据的观测。
2、熟悉函数信号发生器的使用。
五、实验步骤
1、示波器的通道1和通道2校准；
2、滤波器的输入端接正弦信号发生器或扫频电源，滤波器的输出端接示波器或交流数字毫伏表。
3、测试无源和有源低通滤波器的幅频特性。
①测试RC无源低通滤波器的幅频特性。
调节函数信号发生器，产生200Hz，1V的正弦波信号。
将其接到图2－2（a）所示电路的输入端，保持输入电压UI的幅值不变，逐渐改变其频率，观察输出电压UO幅值，并将测得的数据记录表一。
作图（a）RC无源低通滤波器的幅频特性曲线。
表一：
F（Hz）
200
500
1K
2K
5K
10K
15K
20K
ωo=1/RC
（rad/s）
fo=ωo/2π
（Hz）
UI（V）
UO（V）
②测试RC有源低通滤器的幅频特性
实验电路如图2－2（b）所示。
将实验数据记入表二中。
表二：
F（Hz）
200
500
1K
2K
5K
10K
15K
18K
20K
ωo=1/RC
（rad/s）
fo=ωo/2π
（Hz）
UI（V）
UO（V）
RC无源低通滤器的幅频特性RC有源低通滤器的幅频特性
4、测试无源和有源高通滤波器的幅频特性。
①测试RC无源高通滤波器的幅频特性
F（Hz）
200
500
1K
2K
5K
10K
20K
40K
50K
80K
100K
UI（V）
UO（V）
②测试RC有源高通滤波器的幅频特性
F（Hz）
200
1K
2K
5K
10K
20K
22K
30K
40K
60K
70K
UI（V）
UO（V）
5、测试无源和有源带通滤波器的幅频特性。
①测试RC无源带通滤波器的幅频特性
F（Hz）
200
500
1K
2K
5K
10K
30K
40K
50K
70K
90K
100K
UI（V）
UO（V）
②测试RC有源带通滤波器的幅频特性
F（Hz）
200
500
1K
2K
5K
6K
7K
8K
10K
20K
30K
40K
50K
60K
UI（V）
UO（V）
F（Hz）
70K
80K
100K
UI（V）
UO（V）
6、测试无源和有源带阻滤波器的幅频特性。
①测试RC无源带阻滤波器的幅频特性
F（Hz）
200
500
1K
2K
3K
4K
5K
6K
7K
8K
10K
15K
20K
40K
UI（V）
UO（V）
F（Hz）
50K
60K
70K
100K
UI（V）
UO（V）
②测试RC有源带阻滤波器的幅频特性
F（Hz）
200
1K
2K
3K
4K
5K
6K
7K
8K
10K
16K
20K
30K
UI（V）
UO（V）
F（Hz）
40K
50K
60K
80K
90K
100K
UI（V）
UO（V）
六、注意事项
1、在实验测量过程中，必须始终保持正弦波信号源的输出（即滤波器的输入）电压U1幅值不变，且输入信号幅度不宜过大。
2、在进行有源滤波器实验时，输出端不可短路，以免损坏运算放大器。
3、用扫频电源作为激励时，可很快得出实验结果，但必须熟读扫频电源的操作和使用说明。
七、思考题
1、试比较有源滤波器和无源滤器各自的优缺点。
答：
2、各类滤波器参数的改变，对滤波器特性有何影响？
答：
八、结论
1、
2、
实验三、抽样定理
一、实验目的
1、了解电信号的采样方法与过程以及信号恢复的方法。
2、验证抽样定理。
3、理解信号的抽样及抽样定理以及抽样信号的频谱分析；掌握和理解信号抽样以及信号重建的原理，验证抽样定理。
二、实验设备
1、信号与系统实验箱（参考型号：
TKSS—B型）
2、双踪示波器
三、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抽样而得。
抽样信号
可以看成连续信号
和一组开关函数
的乘积。
是一组周期性的窄脉冲，如下图所示。
为抽样周期，其倒数
称抽样频率。
图1矩形抽样脉冲
对抽样信号进行傅里叶分析可知，抽样信号的频率包括了原连续信号以及无限个经过平移的原信号频率。
平移的频率等于抽样频率
及其谐波频率
、
┅┅。
当抽样信号是周期性窄脉冲时，平移后的频率幅度按
规律衰减。
抽样信号的频谱是原信号频谱的周期延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽得多。
2、正如测得了足够的实验数据以后，我们可以在坐标纸上把一系列数据点连起来，得到一条光滑的曲线一样，抽样信号在一定条件下也可以恢复到原信号。
只要用一截止频率等于原信号的频谱中最高频率
的低通滤波器，滤除高频分量，经滤波后得到的信号包含了原信号频谱的全部内容，故在低通滤波器输出可以得到恢复后的原信号。
3、但原信号得以恢复的条件是
，其中
为抽样频率，B为原信号占有的频带宽度。
而
为最低抽样频率又称“奈奎斯特抽样频率”。
当
时，抽样信号的频谱会发生混迭，从发生混迭后的频谱中我们无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。
在实际使用中，仅包含有限频率的信号是极少的，因此即使
，恢复后的信号失真还中难免的。
下图画出了当抽样频率
（不混叠时）及
（混叠时）两种情况下冲激抽样信号的频谱。
图2冲激抽样信号的频谱
实验中选用
、
、
三种抽样频率对连续信号进行抽样，以验证抽样定理，即要使信号采样后能不失真地还原，抽样频率
必须大于信号频率中最高频率的两倍。
4、如果满足抽样定理，我们可以唯一地由已抽样信号
恢复原连续信号
。
在理想情况下，可以将离散时间序列通过一个低通滤波器。
如下图所示，给出了理想情况下信号重建的原理。
图3信号重建原理
理想低通滤波器也称为重建滤波器，它的单位冲激响应
---------①
已抽样信号
的数学表达式为：
------------------------②
根据系统输入输出的卷积表达式
-----------------------------------------③
将①②两式代入③式，则：
---------------------------------------------④
这个公式称为内插公式，须提醒注意的是：
这个内插公式是基于重建滤波器为理想低通滤波器的。
如果重建滤波器不是理想低通滤波器，则不能用这个内插公式。
为了实现对连续信号的抽样和抽样信号的复原，可以用下面的实验原理图方案。
除选用足够高的抽样频率外，常采用前置低通滤波器来防止原信号频谱过宽而造成抽样后信号频谱的混迭。
但这也会造成失真。
如实验选用的信号频谱较窄，则可不设置前置低通滤波器。
本实验就是如此。
图4抽样定理实验方框图
四、实验重难点
1、实验中选用fS＜2B、fS＝2B、fS＞2B三种抽样频率对连续信号进行抽样，以验证抽样定理，即要使信号采样后能不失真地还原，抽样频率fS必须大于信号频率中最高频率的两倍。
2、本实验前应对抽样定理进行预习。
五、实验步骤
1、总电源、示波器、频率计、采样电路电源开关置“开”；
2、双踪示波器通道①、通道②校准；
3、注意实验过程中两探头地、信号源地、本电路输入输出地共“地”；
4、调整函数信号发生器的频率、幅度旋钮产生
、
的正弦波信号，波形如图（a）所示。
正弦波信号的频率用示波器或频率计测量。
用频率计时，开关置“内侧”；
注意：
正弦波信号频率不能超过100Hz，否则信号恢复不好。
5、调节采样电路的方波信号发生器旋钮产生1kHz的方波信号
，示波器测出其幅值为10V。
若用频率计测方波频率，将频率计置“外侧”，波形如图（b）所示。
6、测采样信号
的波形如图（c）所示；
7、观察LPF输出的波形
，即将离散采样信号还原的原连续信号，其频率
，
，波形如图（d）所示；
8、方波信号发生器的频率调为100Hz、50Hz时重复5,6,7。
注意：
本实验装置方波信号发生器的频率至少为800Hz，故第8步可省略。
六、注意事项
1、若连续时间信号为50Hz的正弦波，开关函数为TS＝0.5ms的窄脉冲，试求抽样后信号fS（t）。
2、设计一个二阶RC低通滤波器，截止频率为5KHz。
3、若连续时间信号取频率为200Hz～300Hz的正弦波，计算其有效的频带宽度。
该信号经频率为fS的周期脉冲抽样后，若希望通过低通滤波后的信号失真较小，则抽样频率和低通滤波器的截止频率应取多大，试设计一满足上述要求的低通滤波器。
4、若原信号为方波或三角波，可用示波器观察离散的抽样信号，但由于本装置难以实现一个理想低通示波器，以及高频窄脉冲（即冲激函数），所以方波或三角波的离散信号经低通示波器后只能观测到它的基波分量，无法恢复原信号。
七、思考题
讨论：
由取样定理重建原信号有两处理想化：
①理想低通滤波器的特性，T7—7，…
采用高阶滤波器或提高
②
的频谱有限（即要求原信号带限），否则混叠…
搞混叠滤波
混叠：
取样信号频谱相邻组成部分之间会有重叠之处，这种现象称为混叠。
八、结论
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