最新信号与系统实验指导书

0信号与系统实验指导书北京化工大学信息工程系1目录MULTISM仿真实验部分........................................................................2实验一RCL滤波电路频率响应特性分析...................................2实验二常见信号的产生，傅立叶分析和综合............................12实验三采样和滤波........................................................................16实验四调幅解调..........................................................................20硬件实验箱实验部分..............................................................................26实验箱整体布局图............................................................................26实验五信号的分解与合成............................................................27实验六信号的抽样与恢复..............................................................312MULTISM仿真实验部分实验一RCL滤波电路频率响应分析一．实验目的通过学习简易教程和实际制作分析RCL滤波电路，熟悉MULTISIM2001界面和基本操作。二．实验内容学习MULTISIM2001基本界面和电路界面设计。下面以RCL滤波器电路为例，简略介绍MULTISIM2001仿真过程。其中包括电路窗口的设置，元器件的调用，电路的连接，虚拟仪表的使用和电路分析方法等内容。电路如图1－1所示图中右上是波特图仪（BODEPLOTTER）。它用来测量和显示一个电路、系统或放大器幅频特性A（f）和相频特性φ（f），类似于实验室的频率特性测试仪（或扫频仪），图1－2是波特图仪的图标和面板。图1－1RCL滤波电路图1－2波特图仪的图标和面板3以下为实验步骤：1．建立电路文件若从启动MULTISIM2001系统开始，则在MULTISIM基本界面上总会自动打开一个空白的电路文件。在MULTISIM正常运行时也只要点击系统工具栏的NEW按钮，同样将出现一个空白的电路文件，系统自动命名为CIRCUIT1，可以在保存其电路文件时再重新命名。2．设计电路界面3．在电路窗口中放置元件MULTISIM已将精心设计的若干元器件分门别类地放在元件工具栏的元件库中，这些元器件模型是进行电路仿真设计的基础。电路仿真设计的第一步就是要考虑如何选择与放置所需的元器件。（1）放置电阻当鼠标指针指向元件工具栏上的BASIC元件库按钮时，无须点击基本元件库即可自动打开。如图1－3所示。从图中可以看出，该元件库中有两个电阻箱按钮，左边一个存放着现实存在的电阻元件，其电阻值符合实际标准，如3.3K、6.3K、及3.9K等。这些元件在市面上通常可以买到，我们称为现实电阻箱。而像3.4K、3.5K等非标准化电阻元件，在现实电阻箱中没有。右边一个带有绿色衬底的电阻箱按钮，这里放着可以任意设置阻值的虚拟电阻，其默认值为1kΩ，习惯上称为虚拟电阻箱。为了与实际电阻接近，我们应该尽量用符合现实标准的电路元件，也就是说尽量从现实电阻箱中选取电阻元件。选取10Ω的电阻，点击现实电阻箱，出现一个COMPONENTBROWSER对话框，如图1－4所示。该对话框中显示出元器件的许多信息，在COMPONENTNAMELIST中列出的是若干个现实电阻元件。拉动其中的滚动条，找到10Ω，点击OK按钮，即将10欧姆的电阻选中。选出的电阻随着鼠标在电路窗口内移动，移到合图1－3打开元件库4适的位置后，点击即可将这个10欧姆的电阻放在当前位置。如果要将电阻竖直放置，可在选中它们后，打开EDIT菜单，选取90CLOCKWISE或90COUNTERCW（或者直接使用右键菜单里的90CLOCKWISE或90COUNTERCW）。―――电位器，也叫做滑动变阻器（2）放置电容与前述选择电阻类似，选取一个1μF的电容。注：如果要用100μF的无极性电容，可以调用虚拟电阻箱。点击BASIC元件库中的虚拟电容箱（右边带绿色衬底），不需选择，立刻随鼠标指针带出一个虚拟电容，移到合适的位置，点击将其放好。虚拟电容的默认值是1μF，为改为100μF，双击电容打开其属性对话框进行设置。图1－5为VIRTRALCAPACITOR对话框。图1－4COMPONENTBROWSER对话框5―――无极性的电容―――有极性的电容，通常用电解电容。―――可变电容（3）放置电感与前述选择电阻类似，选取一个1mH的电感。这里要将电感竖直放置，可在选中它们后，打开EDIT菜单，选取90CLOCKWISE或90COUNTERCW（或者直接使用右键菜单里的90CLOCKWISE或90COUNTERCW）。―――可变电感（4）放置交流信号源点击SOURCE库中的图标，带出一个参数是1V1000Hz0Zeg的交流信号源，放在电路窗口的适当位置。注：若需要0.7V1kHz0Zeg的交流信号源，只需双击该交流信号源符号，打开ACVoltage对话框，如图1－6所示。在Value页中将Voltage的值修改为0.7V，这是最大电压值，其相应的电压有效值（VoltageRMS）自动显示为0.49V。在Frequency中修改频率。按确定按钮完成修改。图1－5VIRTRALCAPACITOR对话框6（5）放置接地端对一个电路来说，接地端就是一个公共参考点，这一点的电位值为0V。一般来说，一个电路必须有一个公共参考点，而且只有一个。在同一个电路中，不管放置多少个接地端，实质上它们的电位值都是0V，属于同一点。如果一个电路中没有接地端，通常不能有效地进行仿真分析。调用接地端非常方便，只需点击SOURCE元件库中的接地按钮后在将其拖出即可。放置完全部元器件后的电路窗口如图1－7所示。MULTISIM2001界面上的INUSELIST栏内列出了电路所使用的所有元器件，如图1－8所示。图1－7已放置在电路窗口中的元器件图1－6ACVoltage对话框74．连接线路放置完所有元器件后需要对其进行线路连接。（1）将鼠标指针指向所需连接的元件引脚上，鼠标指针会变成圆圈状，如图1－9所示。（2）开始连接线路：点击并移到鼠标，即可拉出一条虚线；如果从某点转弯，则先点击，固定该点，然后移到鼠标，如图1－10所示（3）达终点后点击，如图1－11所示。图1－8电路所使用的所有元件列表图1－9线路连接方法第一步图1－10线路连接方法第二步图1－11线路连接方法第三步8连接后的电路图如图1－12所示。5．对电路图进一步编辑处理为了使电路窗口中已编辑的电路图更整洁、更便于仿真分析，可以对电路图做进一步的编辑处理。（1）修改元件的参考序号（ReferenceID）元件的参考序号是在元件选取时由系统自动给定的，但有时与我们的习惯表示不同，可以通过双击该元件符号，在其属性对话框中进行修改。如要将R1改成R，在其属性对话框中，将LABEL页上的ReferenceID栏内的R1改为R。如图1－13所示。（2）调整元件和文字标注的位置如对某些元件放置的位置不满意，可以调整其位置。调整位置的方法是：图1－12连接后的电路图图1－13RESISTOR属性对话框9选中这些元件，单个元件只要将鼠标指针指向所要调整位置的元件，然后点击即可；若要同时选中多个元件，可按住鼠标左键，拖出一个虚框框住所要移动的元件，松开左键即可。所选中元件的4个角上将各出现一个小方块。要大幅度移动元件的位置可以直接拖动；小幅度的位置调整，最好利用键盘上的方向键。当电路上的元件进行连线、移到、翻转和旋转时，元件的序号（如R1）或数值（如10KΩ）等文字标注可能会出现在不恰当的位置上。调整的方法是指针指向所要调整的序号或元件值上，点击则对应文字的4个角上各出现一个小方块表示选中。按住鼠标左键直接拖动或着利用键盘上的方向键即可。（3）显示电路的节点号（4）修改元件和连线的颜色修改电路中某些元件或连线的颜色将使电路更加清晰可辨。方法之一是，指针指向此元件或连线，点击右键出现如图1－15所示的下拉菜单。选定COLOR项，弹出颜色对话框，选取所需的颜色即可。（5）删除元件和连线对于电路中不需要的元件和连线可以删除，方法是先选中要删除的元件或图1－14PREFERENCE对话框10连线，然后选取系统工具栏的CUT按钮即可。万一删错，可启动EDIT菜单的UNDO命令将其恢复。另外，当删除一个元件时，与该元件连接的连线也将一并消失，但删除元件不会影响到元件。6．保存文件编辑电路图之后可以将其换名保存，方法与保存一般文件相同。对本利，原来系统自动命名为“CIRCUIT1.msm”，现将其重新命名为“RCL滤波器电路.msm”，并保存到适当的路径下。7．接波特图仪波特图仪的图标包括4个接线端，左边in是输入端口，其V+、V_分别与电路输入端的正负端子相接；右边的out是输出端口，其V+、V_分别与电路输出端的正负端子相接。由于波特图仪本身没有信号源，所以在使用波特图仪时，必须在电路的输入端口示意性地接入一个信号源（或函数信号发生器），且无需对其参数进行设置。例如：用波特图仪测量一个RCL滤波电路的频率特性，其连接如图1－1所示。8．启动仿真图1－1电路中，完成波特图仪的连接后，点击一下MULTISIM2001右上角的仿真开关，在双击波特图仪图标，打开波特图仪的面板，对面板上的各项进行适当设置，其运行结果分别为图1－16和图1－17，显然，这是一个带通滤波器。图1－15下拉菜单119．修改元器件的参数以观察系统幅频特性的变化。自己选择参数的修改，如将电阻值改为5欧姆，可以多试几次。10．在输入端接入两个等幅的正弦交流电源，频率不同（自己根据系统幅频特性设置），经过加法器之后接入电路，在输出端接频谱分析仪，观察滤波之后的频谱，可以看到系统对不同频率的增益不同。三、实验报告要求（1）画出系统电路图，观察系统幅频特性曲线；（2）修改电子元件参数，观察幅频特性曲线得变化；（4）改变输入信号的频率，记录正弦信号通过系统输出后的频谱值。图1－16RCL滤波器的幅频特性图1－17RCL滤波器的相频特性12实验二常见信号的产生，傅立叶分析和综合实验目的：1、熟悉信号发生器、频谱分析仪、滤波器的使用方法2、产生几种常见信号，观察其频谱3、观察傅立叶综合的效果及吉布斯现象实验内容：1、两个正弦信号的相加相乘。参考教材12页，观察两个信号相加（相乘）的结果。此外，在做信号相加时，可以改变信号的相位，看看相位对信号的影响，如：2222sintftfkHzfkHzf3,221固定01，改变2分别为0，30，45，90，180，可以看到相位对信号的影响（不必全做，选几个看看，记录波形）由函数发生器产生矩形脉冲序列，以及窄脉冲序列，观察其信号波形以及频谱，注意在此处要根据需要调整频谱分析仪的观察频带范围。2、信号的综合，按照教材中99页图3-6做对称方波的傅立叶综合，注意各正弦分量的幅值是需要计算的。用加法器将3个，或5个，或7个不同频率的正弦信号相加，根据教材中的公式计算其频率和幅值。)2sin(111tftf图2－1两个正弦信号相加电路13注意事项：1、内容可能比较多，需要抓紧时间，第3步可以选做，2中求导的步骤可以选做。2、电路并不复杂，需要计算各频率之间的具体数值关系3、要参考教材104页到109页的内容，包括信号的频谱值应该是多少，观察到的结果与理论