信号与控制综合实验报告 华科

电气学科大类2012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)指导教师日期2014年11月13日实验成绩评阅人1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实验二零输入，零状态及全响应实验五无源滤波器与有源滤波器实验六低通，高通，带通，带阻滤波器间的变换实验七信号的采样与恢复实验实验八调制与解调实验设计性实验实验名称/内容实验分值评分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2目录实验一常用信号的观察……………………………………3实验二零输入，零状态及全响应…………………………5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………15实验七信号的采样与恢复实验……………………………24实验八调制与解调实验……………………………………33实验结论………………………………………………………39反思与自我评价………………………………………………40参考文献………………………………………………………423实验一常用信号的观察一、实验原理信号可以分为周期信号和非周期信号两种。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。常用的数字示波器可以非常方便地观察周期信号及非周期信号的波形。二、实验目的了解常见信号的波形和特点。了解常见信号有关参数的测量，学会观察常见信号组合函数的波形，学会使用函数发生器和示波器，了解所用仪器与所观察信号的关系。掌握基本的误差观察和分析方法。三、实验内容1.观察常用的正弦波、方波、三角波、锯齿波等信号波形。2.用示波器测量信号，读取信号的幅值和频率。四、实验设备函数发生器；数字或模拟示波器。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和不同波形，用示波器观察输出波形的变化。六、实验结果观察到的各种信号波形如下：图1-1正弦波信号波形图1-2方波信号波形4图1-3三角波信号波形图1-4锯齿波信号波形图1-5组合函数的波形用示波器测量到的数据信号类型正弦方波三角波锯齿波组合波型1、2峰峰值（V）1.982.041.81.82.542.52频率（KHz）99.810099.899.999.968.25图2-1零输入响应、零状态响应和完全响应的实验电路图1R2R实验二零输入，零状态及完全响应一、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。二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1K，则由电路可得101)()(EtUCRti(1)∵dttdUCti)()(0，则上式变为100EUdtdURC(2)对上式取拉式变换得：sEsURCUsRCU1000)()0()(所以RCsURCsEsERCsRCURCssEsU1)0()1(1)0()1()(011010∴RCt-0RCt-10(0)e)e-(1)(UEtU(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(0U），则等式右边只有第一项，即为零状态响应，它描述了初始条件为零（0)0(0U）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。6)(0tU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完全响应若V5)0(V,15201EUE，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。三、实验内容1.连接一个能观测零输入响应、零状态响应及完全响应的电路。2.分别观测该电路的零输入响应、零状态响应及完全响应的动态曲线。四、实验步骤1．实验模块如图所示，将开关接到如图所示位置，待电容充满电后将k2接到电阻R2线路上，即得如图所示的零输入响应。2．将开关接到如图所示位置，待电容充满电以后将k1接到15v的电路，即得如图所示的全响应。3．将k1接到15v的电路，将k2接到R2线路，待电容放完电后再将开关k2接到电容电路，即得如图所示零状态响应。7五、实验结果图1-1零输入响应波形图1-2零状态响应波形8图1-3完全响应波形六、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：不相同。零输入响应与输入激励无关，零输入响应是从电容初始电压开始以指数规律进行衰减，其过程只和电路结构有关，只要电路自身是稳定的，零输入响应就是稳定的；而零状态响应只与输入激励有关，与起始储能无关，在不同的输入信号下，电路会表征出不同的响应，所以零状态响应的稳定性不仅和电路结构有关，还与输入的信号有关。由表达式：RCtoRCtceUeEtU)0()1()(1可知，对于零输入响应，系统的稳定状态为E1，而零状态的稳定性为0。实验五无源滤波器与有源滤波器一实验目的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。二实验原理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（通常是某个频率范围）的信号通过，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。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）、和带阻滤波器（BEF）四种。图5-1分别为四种滤波器的实际幅频特性的示意图。92．四种滤波器的传递函数和实验模拟电路如图5-2所示图5-1四种滤波器的幅频特性131)(222RCssCRsG(a)无源低通滤波器(b)121)(222RCssCRsG(b)有源低通滤波器13)(222222RCssCRsCRsG(c)无源高通滤波器12)(222222RCssCRsCRsG(d)有源高通滤波器103．滤波器的网络函数H（jω），又称为频率响应，它可用下式表示)()()()()(AjUjUjHio式中A(ω)为滤波器的幅频特性，)(为滤波器的相频特性。它们均可通过实验的方法来测量。三、实验内容1.测试无源LPF和有源LPF的幅频特性。2.测试无源HPF和有源HPF的幅频特性。3.测试无源BPF和有源BPF的幅频特性。4.测试无源BEF和有源BEF的幅频特性。四实验步骤1．将设计搭建的实验电路板或基本实验模块电路板5接通电源，用示波器从总体上先观察各类滤波器的滤波特性。2．实验时，在保持滤波器输入正弦波信号幅值（Ui）不变的情况下，逐渐改变其频率，用示波器或交流数字电压表（f＜200KHz），测量滤波器输出端的电压U0。当改变信号源频率时，都应观测一下Ui是否保持稳定，数据如有改变应及时调整。13)(222RCssCRRCssG(e)无源带通滤波器12)(222RCssCRRCssG(f)有源带通滤波器图5-2四种滤波器的实验电路(g)有源带阻滤波器141)(222222RCssCRsCRsG(h)无源带阻滤波器141)(222222RCssCRsCRsG113．按照以上步骤，分别测试无源、有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅频特性。五实验结果实验数据及图像：1、低通滤波器LPF无源LPFUi/Vf/HzUo/v5504.851004.9252004.5253004.2855003.6457003.08510002.4520001.24530000.752550000.365100000.1152、高通滤波器HPF无源HPFUi/Vf/HzUo/V5500.01351000.02553000.15855000.35657000.58510000.928520001.94530002.7550003.58570004.04590004.325120004.485150004.65200004.6812无源HPFUi/Vf/HzUo/V5500.01351000.02553000.15855000.35657000.58510000.928520001.94530002.7550003.58570004.04590004.325120004.485150004.65200004.683、带通滤波器BPF有源HPFUi/Vf/HzUo/V5500.009251000.025853000.1755000.42857000.76510001.32520002.94530003.78550004.44570004.68590004.85120004.885150004.925200004.9613无源BPFUi/Vf/HzUo/V5500.1651000.31853000.82455001.1657001.35510001.54520001.6525001.56530001.46540001.34560001.06580000.8565100000.725120000.6245150000.55200000.384、带阻滤波器BEF有源BPFUi/Vf/HzUo/V5500.30851000.62853001.6655002.3857002.78510003.12520003.24525003.16530003.02540002.72560002.18580001.765100001.55120001.285150001.015200000.7685250000.614无源BEFUi/Vf/HzUo/V5504.1651004.2453003.3655002.4857001.76510000.98520000.56525001.03530001.44540002.08560002.84580003.225100003.55120003.665150003.845200004有源BEFUi/Vf/HzUo/V550551005.1653004.655003.9657003.2510001.96520001.18525002.16530002.84540003.62560004.32580004.65100004.685120004.765150004.885200004.9215由实验数据可以知道，以上各个滤波器的截止频率分别为无源LPF无源HPF无源BPF无源BEF有源LPF有源HPF有源BPF有源BEF低截止频率（Hz）无5000600600无25005001600高截止频率（Hz）535无550060001250无60003750通频带5355000600~4500600或600012502500500~60001600或3750六实验思考题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：实际的幅频特性不像计算出来的那样准确，与计算的有一些出入，比如特征频率不一样，通频带不一致，相同频率下实际与理想的增益不同，等等，还有一个区别就是计算出来的曲线是非常光滑的，而实际测出的曲线可能有一些不光滑的地方。出现以上问题的原因是实际中器件都是有一定误差的，比如电阻电容，示波器，信号发生器，等等，它们都有一定的误差，而且做实验的时候天气条件对实验也有一定的影响，造成了实际的幅频特性不像计算出来的那样准确。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与HPF之间的转换，只需要把承担滤波任务的电阻与电容换个位置就可以了。BPF的实现，将LPF与HPF串连即可实现BPF，但要符合wclwch。对于BEF来说，将LPF与HPF并联即可实现BEF,但要符合wclwch.实验六LPF、HPF、BPF、BEF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