1、huazhong university of science and technology 電氣與電子工程學院電工基地 信號與控制綜合實驗課程實 驗 報 告(第一篇:信號與系統基本實驗)姓名 學號 u200911790 專業班號 電氣0902 同組者 學號 u200911793 專業班號電氣0902 指導教師 實驗成績 日 期 2011/12/2 評 閱 人 目 錄 一基礎實驗實驗一 常用信號的觀察-3實驗五 無源與有源濾波器-9實驗六 低通，高通，帶通，帶阻濾波器間的變換-18實驗七 信號的采樣與恢復實驗-24實驗八 調制與解調實驗-35二.創新實驗信號的產生、采集、處理和基于matlab的

2、分析-43三. 參考文獻-一基礎實驗實驗一 常用信號的觀察一 實驗目的 熟悉信號發生器的各旋鈕、開關的作用及其使用方法。 掌握用示波器觀察電信號波形，定量測出正弦信號和脈沖信號的波形參數。 掌握示波器、信號發生器、數字萬用表的使用。二 實驗原理描述信號的方法有多種，可以是數學表達式（時間的函數），也可以是函數圖形（即為信號的波形）。常見電信號舉例如圖所示。信號可以分為周期信號和非周期信號；連續信號和離散信號等。普通示波器可以觀察周期信號；具有暫態拍攝功能的示波器可以觀察到非周期信號的波形。目前常用的數字式示波器可以非常方便的觀察周期信號以及非周期信號的波形。周期矩形脈沖及其占空比如圖2-1-5

3、所示。三 總體方案設計 1 觀察常用的信號，如：正弦波，方波，三角波，鋸齒波及一些組合函數波形。本實驗選擇由信號發生器產生正弦交流信號、方波信號和三角波信號。由于這些信號都是周期的波形，參數是幅值um、周期t(或頻率f)；脈沖信號的參數還有占空比，另外，輸出偏置電壓也是一個指標。2 用示波器測量信號，讀取信號的幅度和頻率。示波器是一種信號波形測量儀器，可定量測出電信號的波形參數，選擇電壓量限和掃描時間來測量電信號的周期、脈寬、相位差等參數。四 實驗步驟（1） 接通函數發生器的電源。（2） 調節函數發生器選擇不同的頻率，用示波器觀察正弦波、三角波、周期脈沖等典型信號的變化 。五 實驗設計與實驗結

4、果正弦波三角波方波六 實驗總結我們在大學期間開設了信號與系統，模擬電路等課程，這些學科屬于電子電路范疇，與我們的專業也都有聯系，且都是理論方面的指示。正所謂“紙上談兵終覺淺，覺知此事要躬行。”學習任何知識，僅從理論上去求知，而不去實踐、探索是不夠的。 通過這次實驗，我掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。 當然，在實驗過程中，也遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。這就需要我們去檢查是否線路有問題，為什么有那么大的波動，而在探索中就無疑增加了我的實際動手能力，也享受到完美波形出現后的喜悅。實驗五 無源與有源

5、濾波器一實驗目的1了解無源和有源濾波器的種類、基本結構及其特性；2分析和對比無源和有源濾波器的濾波特性；3掌握無源和有源濾波器參數的設計方法。二實驗原理1.與有源濾波器的區別與聯系無源濾波器：這種電路主要有無源元件r、l和c組成。有源濾波器：集成運放和r、c組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優點。集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。2.濾波器對輸入的頻率具有選擇性的一個二端口網絡，它允許某些頻率（通常是某個頻率范圍）的信號通過，而其它頻率的信號幅值均要受到衰減或

6、抑制。這些網絡可以由rlc元件或rc元件構成的無源濾波器，也可由rc元件和有源器件構成的有源濾波器。3.幅頻特性所表示的通過或阻止信號頻率范圍的不同，濾波器可分為低通濾波器（lpf）、高通濾波器（hpf）、帶通濾波器（bpf）、和帶阻濾波器（bef）四種。把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，把阻止通過或衰減的信號頻率范圍定義為阻帶。而通帶與阻帶的分界點的頻率稱為截止頻率或稱轉折頻率。圖2-6-1中的aup為通帶的電壓放大倍數，為截止頻率，為中心頻率，和分別為低端和高端截止頻率。 其中，低通濾波器的通頻帶為bw=（0）=2（0）。 高通濾波器的通頻帶為：bw=（）=2（）。 高通濾波器的通頻帶為

7、: bw= - =2（-）。 帶通濾波器的通頻帶為：bw=2（0）2（）。圖5-1分別為四種濾波器的實際幅頻特性的示意圖。圖5-1 四種濾波器的幅頻特性四種濾波器的傳遞函數和實驗模擬電路如圖5-2所示：(b) 有源低通濾波器(a) 無源低通濾波器 (d) 有源高通濾波器(c) 無源高通濾波器 (e) 無源帶通濾波器(f) 有源帶通濾波器圖5-2 四種濾波器的實驗電路(g) 有源帶阻濾波器(h) 無源帶阻濾波器濾波器的網絡函數h（j），又稱為頻率響應，它可用下式表示式中a()為濾波器的幅頻特性，為濾波器的相頻特性。它們均可通過實驗的方法來測量。三 .總體方案設計1測試無源和有源lpf(低通濾波器

8、)的幅頻特性； 2測試無源和有源hpf(高通濾波器)的幅頻特性； 3測試無源和有源bpf(帶通濾波器)的幅頻特性； 4測試無源和有源bef(帶阻濾波器)的幅頻特性。四實驗步驟1將設計搭建的實驗電路板或基本實驗模塊電路板5接通電源，用示波器從總體上先觀察各類濾波器的濾波特性。2實驗時，在保持濾波器輸入正弦波信號幅值（ui）不變的情況下，逐漸改變其頻率，用示波器或交流數字電壓表（f200khz），測量濾波器輸出端的電壓u0。當改變信號源頻率時，都應觀測一下ui是否保持穩定，數據如有改變應及時調整。3按照以上步驟，分別測試無源、有源lpf、hpf、bpf、bef的幅頻特性。五 實驗設計與實驗結果本實

9、驗的輸入電壓為6v f(hz) 電壓v低通濾波器無源457.63631.63694.10770.31865.941231.01849電壓4.724.083.883.643.362.561.72有源50590411041160125014501800電壓5.444.444.003.843.643.22.50高通濾波器無源1339.82005.13562.13934.12661.73006.74236.25048.66949.3電壓1.802.63.924.163.243.564.324.685.16有源102715861999235724662730323042905967電壓1.442.83.

10、764.244.364.604.925.415.72帶通濾波器無源453.58881.411043.328804236.25048.65076.76005.98091.2電壓1.481.922.001.841.501.481.381.321.04有源5859781136149929993525407849007800電壓2.123.804.084.163.803.643.363.121.96帶阻濾波器帶阻279.84320.94501.42824.962389.14119.44802.38358.010057.0電壓4.163.963.081.801.22.723.044.084.32有源10

11、8317101960224930913753416146807810電壓1.600.647.442.163.684.404.684.925.64結果分析與討論實驗總結：通過本實驗發現設計出比無源濾波器更理想的慮波曲線。當然，頻率太高運放就不行了。無源濾波器由于這種電路主要有無源元件r、l和c組成有源濾波器是有集成運放和r、c組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優點。集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。實驗思考題：1、示波器所測濾波器的實際幅頻特性與計算出的理想幅頻

12、特性有何區別？答：實際的幅頻特性不像計算出來的那樣準確，與計算的有一些出入，比如特征頻率不一樣，通頻帶不一致，相同頻率下實際與理想的增益不同，等等，還有一個區別就是計算出來的曲線是非常光滑的，而實際測出的曲線可能有一些不光滑的地方。出現以上問題的原因是實際中器件都是有一定誤差的，比如電阻電容，示波器，信號發生器，等等，它們都有一定的誤差，而且做實驗的時候天氣條件對實驗也有一定的影響，造成了實際的幅頻特性不像計算出來的那樣準確。2、如果要實現lpf、hpf、bpf、bef源濾器之間的轉換，應如何連接？答：lpf與hpf之間的轉換，只需要把承擔濾波任務的電阻與電容換個位置就可以了。bpf的實現，將

13、lpf與hpf串連即可實現bpf，但要符合wclwch。對于bef來說，將lpf與hpf并聯即可實現bef,但要符合wclwch六 實驗總結這次試驗我學習到濾波器主要作用是就是讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。同時我還懂得了無源和有源濾波器的區別、特點。無源濾波裝置是目前應用最為廣泛的諧波抑制手段，它是按照希望抑制的諧波次數專門量身制造的，采用電感、電容的調諧原理，將諧波陷落在濾波器中，以減少對電網的注入。無源濾波裝置結構簡單，成本較低，技術已比較成熟，但是也存在著難以克服的缺陷：1、濾波特性受系統參數的影響較大，極易與系統或者其它濾波支路發生串并聯諧振。2、只能消除特定

14、的幾次諧波，而對其他的某次諧波則會產生放大作用3、濾波、無功補償、調壓等要求之間有時難以協調4、諧波電流增大時，濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載，甚至損壞設備。5、有效材料消耗多，體積大有源濾波技術作為一種新型的諧波治理技術，是消除諧波污染、提高電能質量的有效工具，與無源濾波技術相比，有著無可比擬的優勢，主要表現在以下幾個方面。1、實現了動態補償，可對頻率和大小均變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應速度；2、有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統阻抗不會產生影響，因此此類裝置適合系列化，規模化生產；3、當電網結構發生變化時裝置受電網阻抗的影響不大，不存在與電網阻抗

15、發生諧振的危險，同時能抑制串并聯諧振4、補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需要的儲能元件不大5、用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整數倍次的諧波電流，既可以對一個諧波和無功源進行單獨補償，也可對多個諧波和無功源進行集中補償6、當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發生過載，并且能正常發揮作用，不需要與系統斷開7、裝置可以僅輸出所需要補償的高次諧波電流，不輸出基波無功功率，不但減小了有源濾波器的總容量，還可以避免輕負荷時發生無功倒送現象。濾波器在現實生活及理論中都有重要的作用，對后續的學習起了很大的作用。實驗六 低通、高通、帶通、帶阻濾波器間的變換一 實驗目的1通過本實驗進一步理

16、解低通、高通和帶通等不同類型濾波器間的轉換關系；2熟悉低通、高通、帶通和帶阻濾波器的模擬電路，并掌握其參數的設計原則。二 實驗原理：1由于高通濾波器與低通濾波器間有著下列的關系： (6-1)式中為高通濾波器的幅頻特性，為低通濾波器的幅頻特性。如果已知，就可由式(1)求得對應的；反之亦然。令 (6-2)則 (6-3)與式(6-2) 、(6-3)對應于的無源和有源濾波器的模擬電路圖分別如圖6-1和圖6-2所示。圖6-1 無源和有源低通濾波器的模擬電路實現圖圖6-2 無源和有源高通濾波器的模擬電路實現圖2帶通濾波器的幅頻特性與低通、高通濾波器幅頻特性間的關系設為低通濾波器的帶寬頻率，為高通濾波器的帶

17、寬頻率，如果，則由它們可構成一個帶通濾波器，它們之間的關系可用下式表示： 令 ，則： 對應的模擬電路圖如圖6-3所示。圖6-3 帶通濾波器的模擬電路圖 3帶阻濾波器的幅頻特性與低通、高通濾波器幅頻特性間的關系：如果低通濾波器的帶寬頻率小于高通濾波器的帶寬頻率，則由它們可構成一個帶阻濾波器，它們之間的關系可用下式表示為：圖6-4 帶阻濾波器的模擬電路圖對應的模擬電路圖如圖6-4所示。令 ，則 三 實驗內容1由低通濾波器變換為高通濾波器。2由高通濾波器變換為低通濾波器。3在一定條件下，由低通和高通濾波器構成帶通濾波器。4在一定條件下，由低通和高通濾波器構成帶阻濾波器。四 實驗設備 滿足實驗原理的實

18、驗電路板 雙路輸出直流穩壓電源 函數發生器 數字示波器 交流數字電壓表五 實驗步驟1實驗電路接通電源（有源濾波器電路）。2將函數信號發生器輸出的正弦信號接入無源（或有源）濾波器的輸入端， 調節該正弦信號頻率（由小到大改變）時,用示波器觀察其低通濾波器輸出幅值的變化。 2按步驟1，逐步用示波器或數字萬用表觀察測量lpf、hpf、bpf、bef輸出幅值的變化。六 實驗數據和結果分析1） 由lph和hph串聯構成bpf 表6-1 低通濾波器頻率特性試驗數據表頻率/hz757.31370.72029.02416.53067.63995.75832.48621.9低通tp14.884.764.003.5

19、22.962.441.761.28 表6-2 高通濾波器頻率特性試驗數據表頻率/hz66096210821227139716761902250027683075高通tp42.283.043.323.603.884.284.524.925.085.20表6-3 帶通濾波器頻率特性試驗數據表頻率/hz39043950060472010181617199923073995高通tp23.243.684.085.125.204.884.564.123.762.482）由lph和hph并聯構成bef表6-4帶阻濾波器頻率特性試驗數據表頻率/hz80.95121.9257.73396182.98416.52

20、463.7580711.5816.4低通tp34.644.563.122.203.842.081.921.601.281.16頻率/hz92.67134.3196.64237.1421.3485.75819.710911252.4122帶阻tp54.64.163.22.681.281.081.922.723.125.40七 實驗思考：1、由lpf、hpf連接帶通、帶阻濾波器有何條件？答：由lpf、hpf連接帶通濾波器的條件是低通濾波器的帶寬頻率大于高通濾波器的帶寬頻率。由lpf、hpf連接帶阻濾波器的條件是低通濾波器的帶寬頻率小于高通濾波器的帶寬頻率。2、有源濾波器與無源濾波器的頻率特性有何不

21、同？答：總的來說，有源濾波器的頻率特性比無源濾波器的頻率特性更加接近理想的，計算出的頻率特性，所以說有源濾波器的頻率特性曲線在轉折頻率處的斜率更大，陡度更大，而且在通頻帶里面的增益比無源的更大，也就是說信號損耗小，總之，有源比無源濾波器的性能要好的多。八 實驗心得 通過這次試驗，我對各種濾波器的工作原理和工作特性有了更加深刻的理解，基本掌握了各種濾波器參數的設計原則，認識了這四類濾波器的轉換原則實驗七 信號的采樣與恢復實驗一實驗目的1了解信號的采樣方法與過程及信號的恢復。2通過實驗驗證采樣定理，并掌握采樣周期的基本設計原則。3在前面實驗基礎上，掌握根據實驗原理框圖（圖7-1）設計實驗方案、自行

22、搭建實驗電路、自行設計電路參數的方法。二 實驗原理利用抽樣脈沖把一個連續信號變為離散時間樣值的過程稱為抽樣，抽樣后的信號稱為脈沖調幅（pam）信號。在滿足抽樣定理條件下，抽樣信號保留了原信號的全部信息，并且從抽樣信號中可以無失真的恢復出原始信號。抽樣定理在通信系統、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。數字通信系統是以此定理作為理論基礎。抽樣過程是模擬信號數字化的第一步，抽樣性能的優劣關系到通信設備整個系統的性能指標抽樣定理指出：一個頻帶受限信號m(t)，如果它的最高頻率為fh，則可以唯一的由頻率等于或大于2fh的樣值序列所決定。記在輸入、輸出端需要加一低通濾波器。前一個低通濾波器是為了濾除高于

23、fg/2的輸入信號，防止出現頻譜混迭現象，產生混迭噪聲，影響恢復出的信號質量。后面一低通濾波器是為了從抽樣序列中恢復出信號，濾除抽樣信號中的高次諧波分量。信號采樣的pam觀察：用示波器觀察插孔“抽樣信號”的輸出，可測量到輸入信號的采樣序列，用示波器比較采樣序列與原始信號的關 系，及采樣序列與采樣沖激串之間的關系。在測量過程中注意，由于信號采樣串為高頻脈沖串，由于實際電路的頻響范圍有限在采樣沖激串上會觀察到過沖現象。pam信號的恢復：用示波器觀察并測量插孔“模擬輸出”端的信號，用示波器比較恢復出的信號與原始信號的關系與差別。抽樣與恢復一節對于信號與系統和通信領域都有重要的作用。抽樣的過程是把信號

24、量化，更好的進行傳輸。可以恢復代表傳輸過程并不失真。畫出輸入信號，抽樣脈沖和恢復后三個波形。對信號的抽樣和恢復有了很直接明確的感覺，了解了信號的處理過程。(a)(b)(c)圖7-1 采樣過程 (a)采樣開關可等效成脈沖調制器(b)被采樣的連續時間信號 (c)采樣信號1離散時間信號可以從離散信號源獲得，也可以從連續時間信號經采樣而獲得。采樣信號r (kt)可以看成連續信號r(t)和一組開關函數s(t)的乘積；s(t)是一組周期性窄脈沖（圖7-1）。采樣信號的時域表達式為: 其傅立葉變換為：采樣信號的傅立葉變換表明，采樣信號的頻譜包括了原連續信號頻譜成分以及無限多個經過平移的原信號頻譜成分（幅度變

25、為為原信號頻譜的1/t）。平移的頻率等于采樣頻率s及其諧波頻率2s , 3 s , 。當采樣后的信號是周期性窄脈沖時，平移后的信號頻率的幅度按(sinx)/x規律衰減。采樣信號的頻譜是原信號頻譜的周期性延拓，它占有的頻帶要比原信號頻譜寬得多。圖7-2示出了采樣前后信號頻譜關系。采樣信號中的這些高頻頻譜分量使得采樣信號與原連續時間信號相比，產生附加分量而畸變。圖7-2 采樣前后的信號頻譜 (a)連續時間信號頻譜 (b)采樣信號頻譜2采樣信號在一定條件下可以恢復原來的信號，只要用一個截止頻率等于原信號頻譜中最高頻率、增益為t的低通濾波器，濾去信號中所有的高頻分量，就得到只包含原信號頻譜的全部內容，

26、即低通濾波器的輸出為恢復后的原信號（見圖7-3）。3原信號得以恢復的條件是s2m，其中s為采樣頻率，m為原信號占有的頻帶寬度。當s m，故接收端并不需要采用理想的低通濾波器，用一般的低通濾波器即可滿足工程上的要求。通常把圖8-1這樣的調制與解調稱為同步調制和解調，或稱相干調制和解調。它要求接收端的載波信號與發送端完全同頻同相，當然，這樣在一定程度上會增加接收機的復雜性。圖8-2 各點頻譜圖v()三 實驗內容1幅度調制與解調的實驗。2根據實驗原理方框圖確定實驗方案，設計和搭建實驗電路。四 實驗設備 滿足實驗原理的實驗電路板 雙路輸出直流穩壓電源 函數發生器 數字式示波器五 實驗步驟：1方案實現中

27、的若干工作：因實驗室的函數信號發生器僅能提供一路正弦信號電源，而本實驗需要2個正弦信號（一路低頻正弦信號，作為電路板輸入的被調制信號；而實驗所需要的接收端與發送端的載波信號完全同頻同相，因此需要提供另一個高頻正弦信號作為載波信號，同時提供給調制部分和解調部分），故可采用實驗電路板輸出的低頻正弦作為被調制信號，另外通過函數發生器產生高頻正弦信號，供調制和解調兩部分用。這兩個正弦信號應幅值相等，初相位相等，頻率成比例。本實驗中可先實驗電路板輸出的正弦信號頻率約為500hz、幅度為500mv，作為調制信號。函數發生器產生的正弦信號約為20khz、500mv，作為二路載波信號。注意將兩種信號源的地應接

28、在一起。2接通實驗電源，用示波器觀察“調制信號輸出”（調制信號輸出先不要連接解調部分），調節電位器rp1觀察調幅器輸出波形。3將“調幅信號輸出”接到解調電路中的“調幅信號輸入”上，將載波接到“載波信號輸入”上，將解調信號輸出接到“lpf（低通濾波器）輸入”上。用雙蹤示波器分別觀察被調制信號（原信號）和“lpf輸出”信號（調制解調后的信號）并且記錄波形，如果兩個波形相差較大時，調節rp1和rp2至兩個波形近似。六 實驗結果和數據分析：原信號圖tp1調制信號：tp2調幅信號tp3 解調信號tp4 濾波信號六 實驗思考已調制信號的幅度y（t）與解調信號x（t）的幅度是否相同？答：從理論上來說，y（w）=0.5x(w+w0)+x(w-w0),而解調信號x（t）的傅氏變換為0.5x(w)，說明這2個信號在頻域里面的幅值是一樣的，則它們在時域里面的幅度也應該是一樣的。這樣，我們就從理論和實測兩個方面驗證了已調制信號的幅度y（t）與解調信號x（t）的幅度是相同的。七 實驗心得和總結通過這次實驗，觀察了調制與解調后的波形，基本掌握了幅度調制與解調的原理。在這次試驗中，由于自己的急躁和不細心導致實驗過程中出現了很多不應該出現的問題和錯誤，我也會在以后的試驗中吸取這個教訓，培養一種認真、細心的實驗態度。二.創新實驗 信號的產生、采集、處理和基于matlab的分析一 實驗目的1 綜合運