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信号与系统综合实验报告

华中科技大学

12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）

姓名学号专业班号

指导教师

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

实验二零输入、零状态及完全响应

5

设计性实验

实验名称/内容

实验分值

评分

实验五无源与有源滤波器

10

实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换

10

实验七信号的采样与恢复实验

15

实验八调制与解调实验

15

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

实验一常用信号的观察

……………………………4

实验二零输入、零状态及完全响应

……………………………7

实验五无源与有源滤波器

……………………………8

实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换

……………………………14

实验七信号的采样与恢复实验

……………………………19

实验八调制与解调实验

……………………………31

实验体会

……………………………35

实验一常用信号的观察

一、任务与目标

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。

二、实验过程

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的正弦波、方波、三角波、锯齿波及组合函数波形，用示波器观察输出波形的变化。

三、实验报告

（x为时间，y为幅值）

100Hz4V正弦波

y=2sin（628x-π/2）

100Hz4V方波

y=2t=（2n-1）x*0.0025~（2n+1）x*0.0025x为奇

y=-2t=（2n-1）x*0.0025~（2n+1）x*0.0025x为偶

100Hz4V锯齿波

100Hz4V三角波

由50Hz的正弦波和100Hz正弦波组合的波形

y=0.2sin（628x）+0.1sin（314x）

实验二零输入、零状态及完全响应

一、实验目标

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、原理分析

实验指导书P4

三、实验过程

1、接通电源；

2、闭合K2，给电容充电，断开K2闭合K3，观察零输入响应曲线；

3、电容放电完成后，断开K3，闭合K1，观察零状态响应曲线；

4、断开K1，闭合K3，再次让电容放电，放电完成后断开K3闭合K2，在电容电压稳定于5V后断开K2，闭合K1，观察完全响应曲线。

四、实验报告

上图为零输入响应、零状态响应和完全响应曲线。

五、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？

答：

相同。

因为系统零输入响应和零状态响应稳定的充分必要条件都是系统传递函数的全部极点si（i=1,2,3,…,n），完全位于s平面的左半平面。

实验五无源与有源滤波器

一、实验原理

实验指导书P14

二、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。

三、实验内容

1、观察电路板，接通电源；

2、选定TP1从示波器上得出其大致幅值变化。

改变频率，记录幅值，在变化剧烈处多记录几点；

3、依次记录其他各滤波器幅频特性。

四、实验报告

无源滤波器幅频特性

无源LPF

无源HPF

无源BPF

无源BEF

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

10

6.16

400

0.20

50

0.20

200

4.60

60

6.12

600

0.44

80

0.40

300

4.04

100

6.04

800

0.68

150

0.60

400

3.56

200

5.80

1000

0.96

200

0.80

500

2.86

300

5.48

2000

1.24

300

1.00

700

1.92

400

5.08

3000

1.80

500

1.40

800

1.60

500

4.60

4000

2.60

700

1.80

900

1.28

600

4.12

5000

3.24

1500

2.20

1000

1.08

700

3.68

6000

3.84

2200

2.20

1400

0.64

800

3.40

8000

4.44

3000

2.00

1600

0.52

900

3.04

10000

4.88

3500

1.80

1800

0.44

1000

2.80

13000

5.16

4500

1.60

2000

0.68

1500

2.08

15000

5.20

6000

1.40

2200

0.92

2000

1.60

20000

5.20

8000

1.20

3000

1.32

3000

0.65

9000

1.00

4000

2.52

4000

0.34

15000

0.46

7000

3.76

10000

4.28

11000

4.60

有源滤波器幅频特性

有源LPF

有源HPF

有源BPF

有源BEF

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

100

6.04

300

0.20

50

0.36

50

6.40

200

6.04

400

0.32

100

0.78

200

6.02

400

5.72

500

0.52

200

1.44

400

5.64

600

5.08

600

0.76

300

2.04

600

4.20

700

4.44

700

1.02

400

2.52

800

3.22

1000

4.00

800

1.16

500

2.80

1000

2.38

1500

3.08

1000

1.56

600

2.98

1200

1.22

2000

2.44

1500

2.56

700

3.14

1500

0.98

2500

1.84

2000

3.44

900

3.38

1700

1.12

3000

1.24

3000

4.48

1500

3.80

2000

1.60

4000

0.78

4000

5.20

2000

3.92

2500

2.62

6000

0.42

5000

5.32

2500

3.80

3000

3.64

8000

0.34

7000

5.52

3000

3.60

4000

4.44

9000

0.20

9000

5.60

4000

3.14

5000

5.02

10000

5.68

6000

2.40

6000

5.20

15000

5.68

10000

1.56

8000

5.66

15000

0.76

10000

6.38

20000

0.44

1．根据实验测量所得数据，绘制各类滤波器的幅频特性曲线。

Matlab仿真的无源低通滤波器幅频特性曲线与有源低通滤波器幅频特性曲线

有源低通滤波器截止频率：

500Hz

无源低通滤波器截止频率：

398Hz

Matlab仿真的无源高通滤波器幅频特性曲线与有源高通滤波器幅频特性曲线

有源高通滤波器截止频率：

2200Hz

无源高通滤波器截止频率：

6000Hz

Matlab仿真的无源带通滤波器幅频特性曲线与有源带通滤波器幅频特性曲线

无源带通滤波器

上限截止频率10000Hz下限截止频率：

199Hz通带宽度9801Hz

有源带通滤波器

上限截止频率5011Hz下限截止频率：

707Hz通带宽度4304Hz

Matlab仿真的无源带阻滤波器幅频特性曲线与有源带阻滤波器幅频特性曲线

无源带阻滤波器

上限截止频率398Hz下限截止频率：

5623Hz阻带宽度5225Hz

有源带阻滤波器

上限截止频率630Hz下限截止频率：

3981Hz通频带3351Hz

2．比较分析各类无源和有源滤器的滤波特性。

答：

无源低通滤波器的截止频率比有源低通滤波器的截止频率低；无源高通滤波器的截止频率比有源高通滤波器的截止频率高；无源带通滤波器通带宽度比有源带通滤波器小很多；无源带阻滤波器比有源带阻滤波器阻带宽度大。

综上，有源滤波器的滤波特性要比无源率波器的特性好。

五、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：

高通滤波电路的幅频响应曲线，在0

理论上，它的带宽BW为无穷大，但实际上，由于受有源器件带宽的限制，高通滤波电路的带宽也是有限的。

同样的，带阻滤波电路的幅频响应曲线中，它有两个通带：

0Wl，和一个阻带：

Wh

因此它的功能是衰减Wl到Wh间的信号。

同高通滤波电路相似，由于受有源器件带宽的限制，通带w>wL也是有限的。

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和HPF的相互转换可以简单地把电容和电感互相替换，并且替换后的元件值为原来的倒数，可以变换成相应的高通滤波器；

将低通滤波器和高通滤波器并联在一起，可以形成带阻滤波电路，设低通滤波器的通带截止频率为f1，高通滤波器的通带截止频率为f2，且f1＜f2。

当二者并联在一起时，凡是f＜f1的信号均可从低通滤波器中通过，凡是f＞f2的信号则可从高通滤波器中通过，唯有f1＜f＜f2的信号被阻断，于是电路成为一个带阻滤波器；

将低通滤波器和高通滤波器串联起来，即可获得带通滤波电路，低通滤波器的通带截止频率为f2，即该低通滤波器只允许f＜f2的信号通过；而高通滤波器的通带截止频率为f1，即它只允许f＞f1的信号通过。

现将两者串联起来，且f2＞f1，则其通频带即是上述二者频带的覆盖部分，即等于f2−f1，成为一个带通滤波器。

实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换

一、实验原理

实验指导书P19

二、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。

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、实验步骤

1．实验电路接通电源。

2．将函数信号发生器输出的正弦信号接入无源（或有源）滤波器的输入端，调节该正弦信号频率时,用示波器观察其低通滤波器输出幅值的变化。

2．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。

五、实验报告

实验数据

低通滤波器TP1

带通滤波器TP2

低通滤波器TP3

高通滤波器TP4

带阻滤波器TP5

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

f/Hz

U/V

50

6.20

10

0.12

50

5.76

50

0.20

30

6.04

300

6.20

20

0.40

100

5.16

100

0.388

50

5.80

400

6.11

30

1.00

150

4.48

200

0.752

80

5.36

500

6.04

40

1.40

200

3.88

300

1.12

100

5.00

600

5.86

60

1.64

250

3.32

400

1.52

150

4.20

800

5.60

70

2.16

350

2.6

500

1.84

200

3.40

1000

5.20

90

2.88

450

2.08

600

2.16

300

2.16

1200

4.88

100

3.08

600

1.64

800

2.76

400

1.40

1500

4.32

150

3.96

800

1.24

1000

3.24

500

1.16

2000

4.00

200

4.44

1000

1.08

1500

4.12

600

1.32

2500

3.60

300

5.16

1500

0.78

2000

4.76

700

1.60

3000

3.20

400

5.36

2000

0.52

3000

5.32

800

1.96

3500

2.80

800

5.32

3000

0.38

4000

5.60

1000

2.60

4000

2.48

1000

5.12

4000

0.20

6000

5.88

1500

3.80

5000

2.16

1500

4.48

9000

6.00

2000

4.60

6000

1.84

2000

3.84

2500

5.00

9000

1.20

3000

2.94

3000

5.32

15000

0.78

4000

2.36

6000

5.84

7000

1.46

9000

6.00

10000

1.08

15000

0.78

画出由低通滤波器和高通滤波器构成带通、带阻滤波器的模拟电路。

带通滤波器如上图

带阻滤波器如上

2．画出各种滤波器实验的频率特性曲线。

TP1的幅频特性曲线

TP2的合成带通幅频特性曲线

TP3的低通幅频特性曲线

TP4的高通幅频特性曲线

TP5的合成带阻电路幅频特性曲线

七、实验思考题

1．由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件？

答：

带通滤波器的构成可以把一个低通滤波器和一个高通滤波器串联起来，使LPF的截止频率f2大于HPF的截止频率f1。

它使频率为f1

带阻滤波器的构成把一个低通滤波器和一个高通滤波器并联起来，使LPF的截止频率ff1小于HPF的截止频率f2。

它阻碍频率为f1

2．有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同？

答：

无源滤波器仅由电阻、电容、电感等无源元件构成的滤波器称。

有源滤波器由无源器件再加上一些有源器件，如三极管、运算放大器等构成。

与无源滤波器相比，有源滤波器的频率特性几乎不受负载的影响。

有源滤波自身就是谐波源，有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。

其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。

实验七信号的采样与恢复实验

一、实验原理

实验指导书P23

二、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。

3．在前面实验基础上，掌握根据实验原理框图（图7-1）设计实验方案、自行搭建实验电路、自行设计电路参数的方法。

三、实验内容

实验指导书P26

四、实验步骤

1．接通实验板7电源；

2．利用函数发生器，输入100Hz左右的正弦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三角波，再重复以上实验。

五、实验报告

1．绘制原始的连续信号、采样后信号以及解调滤波后信号的波形。

TP1

输入信号为100Hz正弦波

采样后信号

恢复信号

输入100Hz三角波信号

采样信号

恢复信号

输入600Hz正弦波

采样信号

恢复信号

输入600Hz三角波

采样信号

恢复信号

正弦800Hz采样信号&恢复波形

输入800Hz三角波

采样信号

恢复信号

2．分析实验结果，并作出评述。

答：

由实验结果可见，在100Hz下恢复结果较好，800Hz时严重失真，600Hz左右开始有轻微失真，且三角波的恢复较正弦波要差。

如果采样器的输入信号最高角频率为ωmax，则只有当采样频率ωs≥2ωmax,才可能从采样信号中无失真地恢复出连续信号。

考虑电路中的误差，实验结果与理论基本吻合。

三角波恢复较差，由采样信号可见低频下采样图形完好，但恢复后图形很差，我认为主要原因有：

电路本身有一定误差；三角波线性度较差。

因而要完好的复原三角波需要比正弦波更高的采样频率。

实验八调制与解调实验

一、实验原理

见实验指导书P29

二、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）。

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。

四、实验报告

1．记录被调制信号、载波信号、调制信号和解调信号的波形。

载波信号，20K，0.5V

调制波输出，500hz峰峰值0.7v

调幅输出，19.92hkz，峰峰值0.1V

解调输出，3.99khz，峰峰值0.528v

低通滤波输出，477.5hz，峰峰值0.12

2．解释幅度调制的原理。

答：

幅度调制是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。

设调制信号m（t）的频谱为M（ω），冲激响应为h（t）的滤波器特性为H（ω）,则该模型输出已调信号的时域和频域一般表示式为

s（t）=［m（t）cosωct］*h（t）

S（ω）=[M（ω+ωc）+M（ω-ωc）］H（ω）

式中，ωc为载波角频率，H（ω）h（t）。

对于幅度调制信号，在波形上，它的幅度随基带信号规律而变化；在频谱结构上，它的频谱完全是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移。

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？

答：

不一定相同。

从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。

幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。

而解调信号的幅值可以调节，因此二者的幅值不一定相同。

心得体会