信号实验报告模版.docx
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信号实验报告模版
07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)
姓名王鑫学号U200712174专业班号0707
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
非正弦周期信号的分解与合成
无源与有源滤波器
低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换
信号的采样与恢复实验
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
目录
一、实验内容
(一)实验三非正弦周期信号的分解与合成
实验任务与目的
总体方案设计
方案实现和具体设计
实验设计与实验结果
结果分析、讨论与思考题
(二)实验五无源与有源滤波器
实验任务与目的
总体方案设计
方案实现和具体设计
实验设计与实验结果
结果分析、讨论与思考题
(三)实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换
实验任务与目的
总体方案设计
方案实现和具体设计
实验设计与实验结果
结果分析、讨论与思考题
(四)实验七信号的采样与恢复实验
实验任务与目的
总体方案设计
方案实现和具体设计
实验设计与实验结果
结果分析、讨论与思考题
(五)实验八调制与解调实验
实验任务与目的
总体方案设计
方案实现和具体设计
实验设计与实验结果
结果分析、讨论与思考题
二、实验总结
三、实验心得与体会
四、参考文献
实验三非正弦周期信号的分解与合成
一、实验任务与目的
1.用硬件电路分解(带通滤波器)非周期正弦信号,同时分析观测信号的频谱,并与其理论傅里叶级数公式中各项的频率与系数作比较;
2.观测基波和其谐波的合成结果。
3.掌握低通滤波器、带通滤波器、加法器的设计方法。
二、总体方案设计
●原理分析与方案设计特点
任何周期电信号都可以用傅立叶级数来表示,即表示为三角函数的线性组合:
即任何周期电信号都可以分解成直流分量、各种不同频率、幅值和初相的正弦波,将频率
对应的正弦分量称为基波分量,而对应于其它高次频率
的分量称为高次谐波。
由其傅里叶级数展开式可知,各次谐波的频率为基波频率的整数倍,每一频率成份的幅值大小是不同的。
在这个实验中我们可以采用50Hz方波信号作为分析信号。
将被测方波信号加到分别调谐于其基波和各次奇谐波频率的电路上,从每一个带通滤波器的输出端可以用示波器观察到相应频率的正弦波。
●
实验方案原理框图
三、方案实现和具体设计
根据实验方案原理框图,设计实验电路图,本次试验所采用的电路图为实验指导书上附三:
实验电路板3—非正弦周期信号的分解与合成的电路原理图及参数。
由电路图易知,输入的方波经过分解可以分解为基波、3次谐波、5次谐波等多次谐波,并由TP4输出合成信号,以下为实验的主要步骤(依据实验指导书):
1.调节函数信号发生器,使其输出50Hz的方波信号,并将其接至信号分解实验模块的输入端,再细调函数信号发生器的输出频率,使该模块的基波50Hz成分TP1的输出幅度为最大。
2.用示波器观测各带通滤波器的输出(各次谐波)的幅值,并列表记录。
3.将方波分解所得的基波、三次谐波分别接至加法器的相应输入端,观测加法器的输出波形,并记录。
4.在步骤3的基础上,再将五次谐波分量加到加法器的输入端,观测相加后的合成波形,并记录。
(以上引自《信号与系统实验指导书》)
四、实验结果
●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。
图1-2方波及其各次谐波波形
●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。
图1-3基波、三次谐波及其合成波形
●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制在同一坐标纸上。
图1-4基波、三次谐波、五次谐波与其合成波形
五、结果分析、讨论及思考题
1.什么样的周期性函数没有直流分量和余弦项?
答:
周期性奇函数没有直流分量和余弦项。
2.基波+三次谐波合成波形,与基波+三次谐波+五次谐波合成波形的区别在哪里?
你能解释其中区别的原因所在吗?
答:
基波+三次谐波+五次谐波合成波形较基波+三次谐波合成波形更接近于方波,
因为五次谐波的存在,改变了原波形,使原波波峰处抖动变多而让峰值处变的平缓
3.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:
理论合成是由无限个谐波波形合成的,而实验中只是取了有限个波形合成的,所以与理论合成波形之间还是有不小误差的。
实验五无源与有源滤波器
一、实验任务与目的
1.测试无源和有源LPF(低通滤波器)的幅频特性;
2.测试无源和有源HPF(高通滤波器)的幅频特性;
3.测试无源和有源BPF(带通滤波器)的幅频特性;
4.测试无源和有源BEF(带阻滤波器)的幅频特性。
通过实验进而了解无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性;分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性;掌握无源和有源滤波器参数的设计方法。
二、总体方案设计
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。
三、方案实现和具体设计
根据实验要求,设计实验电路,本次试验运用实验模版5—无源与有源录波器的原理图及参数,以下为主要的实验步骤:
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<15KHz),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。
3.按照以上步骤,分别测试无源、有源LPF、HPF、BPF、BEF的幅频特性。
(以上引自《信号与系统实验指导书》)
四、实验设计与实验结果
●根据实验测量所得数据,绘制各类滤波器的幅频特性曲线。
注意应将同类型的无源和有源滤波器幅频特性绘制在同一坐标平面上,以便比较。
并计算出特征频率、截止频率和通频带。
无源低通
有源低通
频率Hz
幅值mV
频率Hz
幅值mV
50
1060
50
1040
200
1000
200
1040
400
880
500
960
450
840
750
860
650
720
800
840
850
600
900
800
1000
540
1000
780
1700
360
1400
600
2000
300
1600
560
2500
240
1800
500
3000
200
2000
440
3500
140
3000
280
4500
104
4500
124
5500
80
5500
86
表2-1
图2-1
无源高通
有源高通
频率Hz
幅值mV
频率Hz
幅值mV
50
10
50
15
200
24
200
25
300
40
300
44
400
60
400
68
500
84
600
132
850
176
950
280
950
200
1150
350
1150
248
1250
440
1250
272
1500
520
1500
328
1900
640
1900
416
2200
700
2200
472
3600
880
3600
700
4200
920
4200
760
5000
960
5000
820
6000
980
7200
920
7200
1000
表2-2
图2-2
无源带通
有源带通
频率Hz
幅值mV
频率Hz
幅值mV
100
80
100
144
200
140
200
264
300
180
300
360
500
256
500
512
700
300
700
600
1000
328
1000
720
1500
352
1500
740
1800
356
1800
748
2000
352
2000
740
3500
296
3500
660
4500
264
4500
600
7500
192
7500
440
9500
176
9500
380
12500
144
12500
340
表2-3
图2-3
无源带阻
有源带阻
频率Hz
幅值mV
频率Hz
幅值mV
100
880
100
1040
300
740
300
960
700
420
700
680
900
300
900
520
1100
220
1100
360
1300
140
1300
200
1500
100
1500
80
1800
100
1800
200
2000
140
2000
256
2500
240
2500
448
3000
320
3000
560
4000
460
3500
660
8000
700
4500
760
12000
800
8000
920
15000
820
12000
960
表2-4
图2-4
五、
结果分析、讨论及思考题
无源高通滤波器截止频率为3500Hz,有源高通滤波器截止频率为2100Hz;无源低通滤波器截止频率为600Hz,有源低通滤波器截止频率为1040Hz;通带频约为4000Hz
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:
实际幅频曲线下滑坡度比较大,过渡频率范围比较长,不像理想幅频曲线那样陡度陡翘,实际电路往往存在一定延时造成这种情况。
2.如果要实现LPF、HPF、BPF、BEF源滤器之间的转换,应如何连接?
答:
通过电路的组合连接,可以实现以上四种滤波电路的转换,由于高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系:
式中
为高通滤波器的幅频特性,
为低通滤波器的幅频特性。
如果已知
,就可由上式可求得对应的
;反之亦然。
如果高通滤波器的下限fH大于低通滤波器的上限fL,则将两者并联起来可以组合成带阻滤波器;如果高通滤波器的下限fH小于低通滤波器的上限fL,则两者串起来可以组合成带通滤波器。
实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换
一、实验任务与目的
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。
二、总体方案设计
●原理分析与方案设计特点
a)高通滤波器与低通滤波器间
通过电路的组合连接,可以实现低通、高通、带通、带阻四种滤波电路的转换,由于高通滤波器与低通滤波器间有着下列的关系:
式中
为高通滤波器的幅频特性,
为低通滤波器的幅频特性。
如果已知
,就可由上式可求得对应的
;反之亦然。
b)带通滤波器的幅频特性
与低通、高通滤波器幅频特性间的关系
设
为低通滤波器的带宽频率,
为高通滤波器的带宽频率,如果
,则由它们可串联构成一个带通滤波器。
c)带阻滤波器的幅频特性
与低通、高通滤波器幅频特性间的关系
如果低通滤波器的带宽频率
小于高通滤波器的带宽频率
,则由它们可串联构成一个带阻滤波器。
(以上引自《信号与系统实验指导书》)
三、方案实现和具体设计
本次实验利用实验电路板6—低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换,电路的原理图以及参数在《信号与系统基础实验》第22页。
图中,由低通输出端TP1与高通滤波电路串联合成带通电路,输出端为TP2;TP3为低通输出端、TP4为高通输出端,有它们合成带阻电路,输出端为TP5。
以下为主要的实验步骤:
1.实验电路接通电源(有源滤波器电路)。
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(由小到大改变)时,用示波器观察其低通滤波器输出幅值的变化。
3.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。
四、实验设计与实验结果
图3-1低通滤波器幅频特性
图3-2高通滤波器幅频特性
图3-3带通滤波器幅频特性
图3-4带阻滤波器幅频特性
五、实结果分析、讨论及思考题
试验结果分析:
由试验波形可知所得结果与预期值基本相符,通过实验加深了对几种滤波器的理解。
1、由LPF、HPF连接带通、带阻滤波器有何条件?
答:
设
为低通滤波器的带宽频率,
为高通滤波器的带宽频率,如果
,则由它们可串联构成一个带通滤波器。
如果低通滤波器的带宽频率
小于高通滤波器的带宽频率
,则由它们可并联构成一个带阻滤波器。
2.有源滤波器与无源滤波器的频率特性有何不同?
答:
有源滤波器的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,波形稳定,具有一定的电压放大和缓冲作用。
而无源滤波器达不到这点。
实验七信号的采样与恢复实验
一、实验任务与目的
本实验主要任务是通过研究正弦信号和三角波信号被采样的过程以及采样后的离散化信号恢复为连续信号的波形,并对实验结果进行分析,实验中选用ωs<2ωm、ωs=2ωm、ωs>2ωm三种采样频率对连续信号进行采样,以验证采样定理,其中ωs为采样频率,ωm为原信号占有的频带宽度。
进而使同学们了解信号的采样方法与过程及信号的恢复,并能过自主的完成实验任务。
二、总体方案设计
●原理分析与方案设计特点
以上参见《信号与系统基础实验》实验七。
三、方案实现和具体设计
本次实验利用实验电路板7:
信号的采样与恢复,其电路的原理图与参数可参见《信号与系统基础实验》第27页所示。
电路图TP2输出脉冲信号,TP4与TP5分别输出采样后的信号与恢复信号,具体的实验步骤如下:
1.利用函数发生器,输入频率为100Hz左右的正弦信号(或其它形状波形的信号作为被采样信号)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。
2.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。
3.改换被采样输入信号为其它波形(三角波等),再重复以上实验。
四、实验设计与实验结果
●绘制原始的连续信号、采样后信号以及解调滤波后信号(采样信号恢复为原始信号)的波形。
图4-3脉冲信号的波形
由图可以得出信号的频率为f=1.2KHz
1)输入信号为正弦波,由脉冲信号f=1200HZ,分别取正弦波信号频率为f1=100Hz(即ωs>2ωm)、f2=600Hz(即ωs=2ωm)、f3=1000Hz(即ωs<2ωm),波形分别为:
图4-4正弦波频率f=100Hz的实验波形
图4-5正弦波频率f=600Hz的实验波形
图4-6正弦波频率f=1000Hz的实验波形
2)输入信号为三角波,由脉冲信号f=1200HZ,我们分别取三角波信号频率为f1=100Hz(即ωs>2ωm)、f2=600Hz(即ωs=2ωm)、f3=1000Hz(即ωs<2ωm),波形分别为:
图4-7正弦波频率f=100Hz的实验波形
图4-8正弦波频率f=600Hz的实验波形
图4-8正弦波频率f=1000Hz的实验波形
五、结果分析、讨论及思考题
在实验中所选用m三种采样频率情况下对连续信号分别进行采样,从波形中都可以看出,在ωs<2ωm以及ωs=2ωm时,采样后的信号均可以较好的恢复,而当ωs>2ωm时,采样后的信号均不可以较好的恢复,从而验证采样定理。
实验八调制与解调实验
一、实验任务与目的
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)。
二、总体方案设计
参见《信号与系统基础实验》实验八
三、方案实现和具体设计
1.方案实现中的若干工作:
因实验室的函数信号发生器仅能提供一路正弦信号电源,而本实验需要2个正弦信号(一路低频正弦信号,作为电路板输入的被调制信号;而实验所需要的接收端与发送端的载波信号完全同频同相,因此需要提供另一个高频正弦信号作为载波信号,同时提供给调制部分和解调部分),故可采用实验电路板输出的低频正弦作为被调制信号,另外通过函数发生器产生高频正弦信号,供调制和解调两部分用。
这两个正弦信号应幅值相等,初相位相等,频率成比例。
本实验中可先实验电路板输出的正弦信号频率约为500Hz、幅度为500mV,作为调制信号。
函数发生器产生的正弦信号约为20KHz、500mV,作为二路载波信号。
注意将两种信号源的地应接在一起。
2.接通实验电源,用示波器观察“调制信号输出”(调制信号输出先不要连接解调部分),调节电位器RP1观察调幅器输出波形。
3.将“调幅信号输出”接到解调电路中的“调幅信号输入”上,将载波接到“载波信号输入”上,将解调信号输出接到“LPF(低通滤波器)输入”上。
用双踪示波器分别观察被调制信号(原信号)和“LPF输出”信号(调制解调后的信号)并且记录波形,如果两个波形相差较大时,调节RP1和RP2至两个波形近似。
四、实验设计与实验结果
图5-1调制后波形
图5-2解调后的波形
图5-3滤波后的波形
五、结果分析、讨论及思考题
从最后,滤波后的波形与原波形对比,波形比较理想,分析原因主要在调制和解调时调节比较到位。
1、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:
不相同。
因为通过滤波器后,只能保证他们相位相等,幅值会变。
二、实验总结
本次信号与控制综合实验之信号与系统基础实验,主要回顾了周期信号的分解和合成从而验证了任何周期电信号都可以分解成直流分量、各种不同频率、幅值和初相位的正弦波;滤波器的设计与变换得出有源滤波器的截止效果要比无源的好,反应更快;信号的采样与恢复验证了采样定理;调制与解调实验模拟出了实际生活中信号的传送与接收过程。
以上内容大致覆盖了信号与系统几个主要知识内容,是课内课程的课外拓展。
三、心得与体会
通过此次信号与系统基础实验的五个实验的接触,让自己一方面巩固了信号与系统的相关知识,另一方面使自己独立动手去实践这些课本上的内容增强自己实践能力。
五个实验总体上说做的还是比较顺利的,但在实验过程中有时还是会碰到一些问题,后来反思后觉得还是自己的课内知识没有学扎实,至少有很多知识仅仅只是学了,等要用的时候都不知道是要在这里应用。
这次实验和以往的其他学科实验相比,觉得增加了对我们自己思考排错及解决问题的要求。
通过此次实验,让自己了解到在课程学习中的一些不足,并为自己积累了一些基础实验的经验与技巧,包括方案的设计,常用设备的使用等等。
可以说这几次实验让自己受益匪浅。
四、参考文献
[1]华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心,信号与控制综合实验指导书,2009
[2]EdwardW.KamenBonnieS.Heck,FundamentalsofSignalsandSystems(第二版),科学出版社,2002
[3]康华光,电子技术基础模拟部分(第五版),高等教育出版社,2006
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- 信号 实验 报告 模版