2009年信号与系统分析实验指导书(学生版)

1、实验一 信号的时域分析1.1常见信号分类观察实验1.1.1 实验目的1.了解常用信号的波形特点2.掌握信号发生器的虚拟仪器的使用方法1.1.2 实验设备pc机一台，td-sas系列教学实验系统一套。1.1.3实验原理及内容信号是随时间和空间变化的某种物理量，它一般是时间变量t的函数。信号随时间变量t变化的函数曲线成为信号的波形。按照不同的分类原则，信号可分为：连续信号和离散信号；周期信号和非周期信号；实数信号和复数信号；能量信号和功率信号等。本实验中利用信号发生器我们可以观察工程实际和理论研究中经常用到的正弦波、方波、脉冲等信号。1.1.4实验步骤1.连续周期信号的产生与测量1）在该td-sa

2、s实验系统软件界面中，单击“信号发生器”进入其界面。如图1-1-1所示，选择参数（ch1通道可以选择周期或非周期信号，ch2通道只能选择周期信号），点击确定。图1-1-1 周期信号产生界面2）在td-sas实验系统软件界面中，单击“示波器”进入其界面，界面如图1-1-2所示。用探笔测量实验箱上信号发生器单元的输出1和输出2端（分别对应信号发生器界面的ch1和ch2通道），点击“运行”测量信号。图1-1-2 示波器界面3）在示波器测量到信号后，点击“停止”，测量两路信号的各个参数，验证其频率、幅值等值并与所选参数匹配。将实验数据记录到表1-1-1中（具体操作方法参见td-sas实验系统软件的安装

3、及操作部分）。 4）选取其他波形及相关参数进行测量并验证。2.连续非周期信号的产生与测量1）如图1-1-3所示，重新选择参数（当通道1选择位非周期信号时，通道2无输出），点击确定。图1-1-3 脉冲信号产生界面 2）进入示波器界面，用探笔测量实验箱上信号发生器单元的输出1端 (非周期信号只能从实验箱信号发生器单元输出1端输出) ，点击“运行”。 3）在实验箱的信号发生器单元，按下单次按钮，便产生一个周期的所选波形（此信号在其余时间全部是零），即为一个非周期信号。当示波器捕捉到该信号后，点击“停止”对信号进行测量并将实验数据记录到表1-1-1中。 4）选取其他波形及相关参数进行测量。 3.离散周

4、期信号的产生和测量 本实验中将任意周期信号通过脉冲采样电路，便可得到经过脉冲采样后的离散信号。1) 在该td-sas实验系统软件界面中，进入信号发生器界面。选择ch1通道为频率10hz、幅值3v的正弦波信号，ch2通道选择频率100hz、幅值5v、占空比50%的脉冲信号作为脉冲采样的采样脉冲信号。2) 将信号发生器的输出1接入脉冲采样与恢复单元的脉冲采样器的in1端,输出2接入脉冲采样器的pu端，用示波器测量out1端,观察经过采样后的离散信号并将实验数据记录到表1-1-1中。3) 任意选择采样信号以及采样脉冲的相关参数，观察采样信号的变换。 实验数据记录表1-1-1连续周期信号连续非周期信号

5、离散周期信号正弦波方波脉冲正弦波脉冲幅值频率1.2信号的时域变换实验1.2.1 实验目的1.掌握信号在时域中各种变化的性质。2.学习反转、时移、展缩变换的方法。1.2.2 实验设备pc机一台，td-sas系列教学实验系统一套。1.2.3 实验原理及内容信号在时域中的变换基本包括：1反转：信号的时域反转就是将信号f (t) 的波形以纵轴为对称轴为轴翻转180。其表达式为f(-t)。2时移：信号的时移就是将信号f(t)的波形沿时间轴t平移，但波形的形状不变。其表达式为f(t+t0)，t0为正时左移，t0为负时右移。3展缩：信号的展缩就是将信号f(t)在时间轴上展缩或压缩，但纵轴上的值不变。其表达式

6、为f(at)，a1时为压缩，a1时扩大；0nn时，即rp4k时，称为过阻尼状态；（2）当a=n时，即rp=4k时，称为临界阻尼状态；（3）当an时，即rp=max时，采样信号能够无失真地恢复出原信号。三角波信号的采样如图4-1-1所示。 图4-1-1 信号的采样2. 采样信号的频谱 连续周期信号经过周期矩形脉冲抽样后，抽样信号的频谱为它包含了原信号频谱以及重复周期为的原信号频谱的搬移，且幅度按规律变化。所以抽样信号的频谱便是原信号频谱的周期性拓延。某频带有限信号被采样前后频谱如图4-1-2。 图4-1-2 限带信号采样前后频谱从图中可以看出，当s2bf时拓延的频谱不会与原信号的频谱发生重叠。这

7、样只需要利用截止频率适当的滤波器便可以恢复出原信号。 3. 采样信号的恢复 将采样信号恢复成原信号，可以用低通滤波器。低通滤波器的截止频率fc应当满足fmaxfcfx-fmax。实验中采用的低通滤波器原理图如图4-1-3所示，其截止频率固定为图4-1-3 滤波器电路4. 单元构成 本实验电路由脉冲采样电路和滤波器两个部分构成，滤波器部分不再赘述。其中的采样保持部分电路由一片cd4052完成。此电路由两个输入端，其中in1端输入被采样信号，pu端输入采样脉冲，经过采样后的信号如图4-1-1所示。 4.4实验步骤 本实验在脉冲采样与恢复单元完成。 1. 信号的采样 （1）使信号发生器第一路输出幅值

8、3v、频率10hz的三角波信号；第二路输出幅值5v，频率100hz、占空比50的脉冲信号。将第一路信号接入in1端，作为输入信号；将第二路信号接入pu端，作为采样脉冲。 注：由于三角波含有1次、3次、5次、7次、9次等谐波分量，实验中我们认为三角波的1次、3次、5次谐波分量为有用信号，所以三角波的有效带宽为50hz，故当脉冲信号为100hz时，其刚好是三角波的最高有效频率的2倍。 （2）用示波器分别测量in1端和out1端，观察采样前后波形的差异。（3）增加采样脉冲的频率为200、500、800等值。观察out1端信号的变化，解释现象的产生原因。现象产生原因： （4）上述输入信号不变，用频谱分

9、析仪测量采样前的信号频谱和当采样率(输入pu端的脉冲信号的频率)分别为100hz、200hz、500hz、800hz时采样信号的频谱。观察不同采样频率时，频谱的混叠情况。观察到的现象： 现象的解释： 2. 采样信号的恢复 （1）信号不变，调整采样率（脉冲信号频率）为200hz。 （2）将输出out1接入滤波器的in2，用示波器测量in2和out2两端，比较滤波前后波形的变化。 （3）保持上述电路不变，用频谱分析仪分别测量输入和输出信号的频谱，观察频谱的变化，并且解释变化产生的原因：附 录一、td-sas实验箱布局图二、实验系统的硬件环境1系统实验单元电路（1）信号发生器单元信号发生器单元由cp

10、ld、储存器、d/a和运放构成，采用dds技术，可以产生方波、正弦波、脉冲、三角波、锯齿波等多种常用信号。可产生非周期和周期连续信号，频率范围：11000hz，在软件界面下频率和幅值数字设定，两路信号可同时输出，相当于两路信号源。试验平台有4个蓝色的微调电位器，分别对应上图中的f1、f2、s1、s2，其中f1、f2 调节输出正弦波的失真度，s1、s2调节输出波形的零偏，“单次”按钮可以使输出1端产生单次（非周期）信号。（2）直流信号源该单元可以产生0+5v的直流信号和阶跃信号，幅值连续可调。当开关拨到1时，按动omron按钮可产生0+5v阶跃信号，当开关拨到2时，输出可产生0+5v的直流信号，

11、幅值可以通过电位器调节。（3）阶跃与冲激响应单元该单元由电阻、电容和运放构成一个典型的二阶系统，调节电路中10k电位器，可以使该系统分别处于无阻尼、临界阻尼和欠阻尼状态；在in端分别输入阶跃和冲激信号时，可以用示波器观察out端。（4）零输入、零状态响应与全响应单元该单元是由电阻、电容和运放构成一个典型的二阶系统，利用继电器来控制积分器输出与其他电路的连接，使电容储存电荷从而使该系统具有初始状态。（5）稳定性单元 该单元由电阻、电容和运放构成一个典型的三阶系统，当输入信号为阶跃信号时，调节电路中100k电位器，可以使该系统分别处于稳定状态、临界状态和不稳定状态；图中顶部的电路为锁零控制电路，主

12、要作用是给系统中的电容放电，保证系统的响应为零状态响应。 （6）状态轨迹单元 这是由电阻、电容和电感组成的二阶系统，当in1端输入阶跃或周期性的脉冲时，可以用x_y测量out1和out2的过阻尼状态、临界状态和欠阻尼状态轨迹图。 （7）脉冲采样与恢复单元 由一片4052单稳电路和一片采样保持器lf398构成采样保持电路，由运放、电阻和电容组成二阶低通滤波器，用于恢复被采样过的信号。 （8）扩展单元 该单元提供了三个独立的运放和许多常用的电阻、电容、电位器等元件，可以构成典型的一阶系统和二阶系统，以满足实验和二次开发的需要。 （9）滤波器单元 该单元分为有源滤波器（左）和无源滤波器（右）两部分，

13、从上到下依次为二阶有源（无源）低通、二阶有源（无源）高通、二阶有源（无源）带通、二阶有源（无源）带阻滤波器。利用本系统提供的频率特性分析功能，可分别测量每一个滤波器的幅频特性和相频特性，并能画出其对应的波特图。 (10) 方波的合成与分解单元 该单元可完成方波信号的合成与分解实验，方波信号从in端输入，分别从out1端输出一次谐波（基波），从out3端输出三次谐波，从out5端输出五次谐波，从out7端输出七次谐波，从out9端输出九次谐波。“波形调节”电位器可以调节谐波的相位和失真度，上图中只有一次谐波和方波合成的原理图，其他谐波的类似。 (11)虚拟仪器单元 1） 数字示波器 本单元替代传

14、统的长余辉型示波器。启动集成软件中的示波器功能将在pc机上显示被测波形，ch1、ch2对应档位为5v、2v、1v、0.5v、0.2v、0.1v。x_y测量功能和频谱分析仪功能均使用ch1、ch2作为测量表笔，下图中按钮为示波器的复位键。 2） 数字万用表 本单元替代了传统的数字万用表,用来测量电阻(200 2m)、电容值(0.001uf 100uf) 。“+”、“”排孔（表笔）是用来插被测电阻或电容元件。当测量电压值时用示波器单元的ch1路作为电压值的测量表笔，将ch2接地。启动集成软件中的万用表功能，所测的电阻值、电容值、电压值将在pc机屏幕上显示。2.系统电源介绍 tdsas系统采用本公司

15、所生产的三路高效开关电源作为系统工作和实验的电源，其主要技术指标为： （1）输入电压： ac165260v （2）输出电压/电流：+5v/2a，+12v/0.2a，-12v/0.2a （3）输出功率：15w （4）效率：75% （5）稳压性能： 电压调整率0.2% 负载调整率0.5% 纹波系数0.5% （6）工作环境温度：-540 三、软件功能介绍信号与系统教学实验系统软件包括示波器、x-y测量、万用表、频率特性分析仪、频谱分析仪、信号发生器、波形变换七个功能模块，可以点击主界面上的按钮打开对应模块的界面，打开软件时默认的是示波器界面。 1. 示波器 示波器可以实时显示测量波形，可对波形进行测

16、量和存储。界面如下图所示。（1）图形参数显示说明图形显示可同时显示两路波形或只显示一路波形，用鼠标拖动或键盘方向键移动游标可测量出对应的时间间隔、频率及各自的幅值，且各自幅值的参数与对应波形的颜色一致。 （2）按钮功能介绍 时间档位选择框 用来改变时间轴的范围，显示数据为当前时间轴每格表示的时间值。点击数据显示框可弹出下图所示列表框，供用户选择合适的时间挡。 按钮用来选择当前显示时间档的后一个档（如200ms），按钮用来选择当前显示时间档的前一个档（如40ms）。 电压选择框 点击该组控件中ch1、ch2旁边的选择框，打对勾表示该路波形显示，否则不显示。 显示框显示的数据为该路波形当前的电压档

17、，即纵向每格代表的电压值。点击按钮，数据显示框可弹出下图所示列表框，供用户选择合适的电压挡。 数据显示框右边的 按钮用来选择当前显示电压档的后一个档（如2v）， 按钮用来选择当前显示电压档的前一个档（如500mv）。 。 ：选中该选择框表示显示游标及对应的测量值，否则只显示波形。 ：启动时域波形数据采集并显示波形。 ：停止时域波形数据采集，此时所显示的波形对应最后采集到的数据。 ：将当前显示的波形保存为位图文件。 2. x-y测量 x-y测量将两路测量信号以x-y坐标的形式显示，界面如下图所示： （1）图形及参数显示说明 图形显示区显示ch1、ch2两路波形的电压关系，以ch1为横轴，ch2为

18、纵轴。用鼠标拖动或键盘方向键移动游标可测量出曲线与游标交点处对应的电压值。 （2）按钮功能 电压选择框显示框显示的数据为该路波形当前的电压档，即纵向每格代表的电压值。点击数据显示框可弹出下图所示列表框，供用户选择合适的电压挡。数据显示框右边的按钮用来选择当前显示电压档的后一个档（如2v），按钮用来选择当前显示电压档的前一个档（如500mv）。 ：选中该选择框表示显示游标及对应的测量值，否则只显示波形。 ：启动x-y测量数据采集并显示波形。 ：停止x-y测量数据采集。 ：清屏。 ：保存当次采集。3. 频率特性分析仪 频率特性分析仪界面分时域波形和波特图两个界面： （1）时域图形界面如下图所示。

19、频率特性分析仪测量前首先在下图所示的“当前参数”区输入待测信号的幅值和频率，然后点击其中的“发送”按钮将参数发送给下位机。 发送完参数后，点击“运行”按钮（在向下位机发送参数的过程中，“运行”按钮被置灰，发送完后该按钮则变为可用），波形显示区则显示时域波形，同时显示如下的测量参数：此处显示测量出的两个纵向游标之间的相位差和两个水平方向游标之间两路各自的幅值，幅值参数的颜色对应每路波形的颜色。可以点击“保存”按钮将时域图形保存为位图。 测量时规定：ch1测量对象的输入，ch2测量对象的输出，蓝色的纵向游标测量蓝色波形，红色的纵向游标测量红色波形，分别测量两个相邻最近的波峰，就可以测量出准确的相位

20、差；两个横向游标只测量红色波形的峰峰值即可。同时该测量结果会被显示在下图所示的“测量结果”列表中：重复上面的操作测量完所有的参数得到若干组测量结果，点击“波特图”按钮，便进入波特图窗口。（2）波特图界面 将所设定的参数测量完毕，打开波特图窗口即可观察当前所测对象的波特图，如下图： 波特图窗口工具栏功能说明： ：左移或上移游标，游标也可通过鼠标拖动来移动。该按钮移动的游标为鼠标最近拖过的。 ：右移或下移游标，移动游标测出对应的参数显示在波特图右上方如图所示。 ：保存按钮，将当前的波特图保存为位图。 4. 万用表万用表主界面如下图所示：万用表可以测量电阻、电压和电容，界面给出单选按钮供用户选择，如

21、下图所示：通过选中三个单选按钮中的一个来选择测量方式，选中后界面上会显示对应的测量范围。点击运行按钮系统开始进行测量并在结果显示区显示测量结果如下图所示： 电阻的测量结果用绿色显示，电压的测量结果用蓝色显示，电容的测量结果用橙色显示。如果测量结果显示为“1.”，表示所测对象超出万用表的测量范围，也就是其值大于量程中的最大值。点击“停止”按钮停止测量。 5. 频谱分析仪 频谱分析仪界面如下图所示 （1）图形及参数显示说明 图形显示可同时显示两路波形或只显示某一路波形，用鼠标拖动游标可测量出对应的频率及各自的幅值，且各自幅值的参数与对应波形的颜色一致。 （2）按钮功能介绍 参数设置 根据所测信号的

22、频率选择合适的采样率，采样率下拉列表框中列出了32hz到16khz共9个供用户选择；幅值可选择100mv到5v共6个档位；显示方式可以有两种：连线或者不连线（即离散）。另外还可以通过“游标”选择框选择显示或不显示游标，若选择不显示游标，则上面的测量值也不会显示在图形显示区。 通道选择：通过选择ch1、ch2选择框，确定是两路波形同时显示或只显示其中的某一路。 放大倍数： 通过选中横向缩放、纵向缩放对应的倍数按钮，确定横向和纵向的放大倍数，以便于波形观察和测量。横向放大后可以通过图形显示区下方的“上页”、“下页”按钮对图形进行翻页，也可通过“前进”、“后退”按钮使图形显示的范围横向前进或后退一个

23、频率格。 另外，“运行”按钮和“停止”按钮控制频谱分析仪的运行和停止，“保存”按钮将当前波形显示区保存为位图。 6. 信号发生器 在主界面中点击“信号发生器”按钮即可进入信号发生器界面，界面如下图所示。点击“波形”列表框右边的箭头，便可看到所有可生成的波形类型，包括正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲和直流6种波形，选中要产生的波形类型，输入幅值和频率，其中幅值范围（峰值）为0到5v，频率范围为1hz到1024hz。如果波形类型为脉冲，则还需要输入占空比，范围为0到100。如果选择为单次信号，只ch1路有波形参数选择，ch2路波形不需要输入参数，认为所有波形数据为0。 参数输入完成后，点击“确定”按钮，波形数据发送给下位机，并退出信号发生器界面，这时即可点击主界面上的“示波器”按钮打开示波器，联机观察产生的波形；点击“取消”按钮，直接退出该界面不做别的处理。 在参数输入完成后，可以点击“频谱”按钮，观察该波形的理论频谱图，界面如下图所示。理论频谱图中的按钮功能跟频谱分析仪中对应按钮的功能相同。 7. 波形变换 在主界面中点击“波形变换”按钮进入波形变换界面，如下图所示其中ch1