信号与系统测控实验指导书

目录信号与系统实验21.1概述21.2电路组成概述31.3信号产生模块的使用方法5实验一常用信号的分类与观察9实验二信号的基本运算单元14实验三信号的合成18实验四线性时不变系统21实验五零输入响应与零状态响应分析23实验六二阶串联、并联谐振系统25实验七AM调制与解调28实验八FDM频分复用实验30实验九信号的抽样与恢复（PAM）33实验十模拟滤波器实验36实验十一一阶网络特性测量42实验十二二阶网络特性测量44实验十三反馈系统与系统频响特性47实验十四RC振荡器特性测量49实验十五二阶网络状态变量的测量52实验十六微分方程求解的电路仿真54测控部分实验56实验一信号放大电路（一）56实验二信号放大电路（二）60实验三信号放大电路（三）62实验四信号运算电路（一）65实验五信号运算电路（二）69实验六信号转换电路71实验七幅度调制与解调电路74实验八锁相调频与鉴频电路77实验九相位调制与解调电路80实验十脉宽调制与解调电路83实验十一精密检波电路86实验十二信号转换电路89实验十三RC有源滤波电路实验92实验十四集成有源开关电容滤波器97实验十五信号细分与辨向电路100实验十六基本锁相环实验104实验十七晶闸管移相调压控制电路107信号与系统实验1.1概述在信号与系统课程主要包含确定信号经过线性时不变系统所涉及的基本概念与基本分析方法。实验系统紧密围绕当前“信号与系统”课程的核心内容，根据当今技术发展的特点，提供了一系列具有特色的实验项目。具有以下特点：1．基础性：与当今“信号与系统”课程的教学大纲结合紧密；2．实用性：便于老师对实验内容的组织与实施，同时在信号产生模块中可产生实验中所需的几十种专用测试信号，这些信号也可根据老师的要求进行添加。3．全面性：对“信号与系统”课程的大部分章节均有实验项目，使学生对原理性的知识通过实践环节学得更深、更透。4．简洁性：对每个实验单元均通过一小模块来完成，对实验电路的组成在电路板上画出，让使用者一目了然。5．扩展性：学生在完成一般性实验内容的同时，可以利用二次开发模块提供的基本元件来改变实验中的某些电路参数，以进一步开拓思路。6．开发性：提供了二次开发模块，学生可以根据老师的要求，利用信号与系统的知识自行进行实验设计，以提高学生的动手能力、分析解决问题的能力。1.2电路组成概述在“信号与系统”实验平台中，主要由以下功能模块组成：1．基本运算单元2．信号的合成3．线性时不变系统4．零输入响应与零状态响应5．二阶串联谐振、二阶并联谐振6．有源与无源滤波器7．PAM传输系统8．FDM传输系统9．PAM抽样定理10．二阶网络状态矢量11．RC振荡器12．一阶网络13．二阶网络14．反馈系统应用15．二次开发16．信号产生模块在该硬件平台中模块化功能很强，其电路布局见图1.2.1所示。对于每一个模块，在PCB板上均有电路图与之对应。每个测试模块都能单独开设实验，便于教学与学习。在“信号与系统”实验平台内部还专门设计了信号产生与测试电路，以配合实验平台使用。对于信号产生模块各种信号的选择，学生可以通过键盘选择相应的信号用于实验测试。在实验平台中，可开设以下实验项目：实验一常用信号的分类与观察实验二信号的基本运算单元实验三信号的合成实验四线性时不变系统的测量实验五零输入响应与零状态响应分析实验六二阶串联、并联谐振系统实验七AM调制与解调实验八FDM传输系统实验九信号的抽样与恢复（PAM）实验十模拟滤波器实验实验十一一阶网络特性测量实验十二二阶网络特性测量实验十三反馈系统的基本特性测量实验十四RC振荡器特性测量实验十五二阶网络状态矢量测量图1.2.1实验平台框图1.3信号产生模块的使用方法在“信号与系统”实验平台的右下方有一“信号产生模块”，如下图所示：下面对信号产生模块的使用作一说明：一．信号指示灯的分类在“信号与系统”实验平台中有三类指示灯：1．电源指示灯（+5V、+12V红色，-12V绿色）2．信号产生模块的模式指示灯（绿色）3．信号输出指示灯（两组：分别用于信号A组与信号B组）（黄色）二．电源指示灯的含义在信号产生模块的最上面是三个电源指示灯，从左到右分别表示+5V、+12V、-12V，以指示电源是否正常。三．模式指示灯的含义信号产生模式指示灯有两个，用来指示当前信号产生模块的工作模式。信号产生模块工作于以下四种模式：表1.3.1状态指示灯的含义指示灯的状态模式类型产生信号类型00用于产生信号合成实验所需的六种信号:f0、2f0、3f0、4f0、5f0、6f0。在该模式下，不产生其他信号输出，按键可以控制信号输出指示灯，但此时信号指示灯没有任何含义01在正弦信号16KHZ、32KHZ输出端产生相应的信号输出，同时在信号A组产生800HZ信号，在信号B组产生100HZ信号输出，以及产生PAM所需要的抽样时钟信号。在该模式下，不产生其它信号输出，按键可以控制信号输出指示灯，但此时信号指示灯没有任何含义10在模拟信号A组、模拟信号B组输出有一定间隔的信号，输出信号的类型由相应的信号输出指示灯指示。在该模式下，按键可以控制信号输出指示灯，随着输出信号指示灯的改变，相应的输出信号也将改变。同时在该模式下，在脉冲信号输出端产生30ms的方波信号。11在模拟信号A组、模拟信号B组输出连续信号模式，输出信号的类型由相应的信号输出指示灯指示。在该模式下，按键可以控制信号输出指示灯，随着输出信号指示灯的改变，相应的输出信号也将改变。按信号指示灯的含义输出为连续信号方式。四．信号输出指示灯的含义在模式10与模式11状态下，信号A组与信号B组输出指示灯：每组六个，从上到下依次编号为D0、D1、D2、D3．D4．D5及E0、E1．E2、E3．E4、E5。其相应编码与输出信号的类型如下表：表1.3.2信号输出指示灯含义指示灯编码：D5．D4．D3D2．D1D0或E5．E4．E3．E2．E1．E0二进制编码输出信号类型000000指数衰减信号000001复指数信号虚部（余弦）（正频率）000010复指数信号实部（正弦）（正频率）000011复指数信号虚部（余弦）（负频率）000100复指数信号实部（正弦）（负频率）000101150HZ正弦信号0001101200HZ正弦信号000111Sa(t)信号001000钟形信号（高斯信号）001001连续正负脉冲信号001010三角波信号0010111—X2信号001100梯形信号001101间隔正负脉冲信号001110正负指数衰减冲击串信号001111正负指数衰减冲击串信号的积分信号010000全波检波信号010001半波检波信号010010锯齿信号010011阶梯信号010100正负锯齿信号冲击串010101升余弦信号频谱分解信号1010110升余弦信号频谱分解信号2010111升余弦信号频谱信号可根据要求扩展五．按键的操作方式在“信号与系统”实验平台上有两个按钮，主要用来选择信号模块的工作模式与输出信号的选择。具体使用方式如下：1．信号输出模式选择：按下任一键不放，经4秒后，状态指示灯在00、01．10、11四个状态之间变化，如果为所需状态，松开按键即可。2．输出信号选择：对于输出信号A组与B组的输出信号选择，按相应键即可，时间不要大于1秒。当达到表1.3.2所示的信号时，在信号输出端即可输出所需要的信号。实验一常用信号的分类与观察一．实验目的1．观察常用信号的波形特点及其产生方法；2．学会使用示波器对常用波形参数的测量；3．掌握信号产生模块的操作。二．预备知识1．学习“信号的描述、分类和典型示例”一节；2．学习示波器的使用方法；3．学习同步信号的观察手段。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理对于一个系统特性的研究，其中重要的一个方面是研究它的输入输出关系，即在一个特定输入信号下，系统对应的输出响应信号。因而对信号的研究是对系统研究的出发点，是对系统特性观察的基本手段与方法。在本实验中，将对常用信号和特性进行分析、研究。信号可以表示为一个或多个变量的函数，在这里仅对一维信号进行研究，自变量为时间。常用的信号有：指数信号、正弦信号、指数衰减正弦信号、复指数信号、Sa(t)信号、钟形信号、脉冲信号等。1．指数信号：指数信号可表示为。对于不同的a取值，其波形表现为不同的形式，如下图所示：在“信号与系统”实验平台的信号产生模块可产生a<0，t>0的Sa(t)函数的波形。通过示波器测量输出波形，测量Sa(t)函数的a、k参数。2．正弦信号：其表达式为，其信号的参数有：振幅K、角频率ω、与初始相位θ。其波形如下图所示：通过示波器测量输出信号测量波形，测量正弦信号的振幅K、角频率ω参数。3．指数衰减正弦信号：其表达式为，其波形如下图：4．复指数信号：其表达式为一个复指数信号可分解为实、虚两部分。其中实部包括余弦信号衰减信号，虚部则为正弦衰减信号。指数因子实部表征了正弦与余弦函数振幅随时间变化的情况。一般σ<0，正弦及余弦是衰减振荡。指数因子的虚部则表示正弦与余弦信号的角频率。对于一个复信号的表示一般通过两个信号联合表示：信号的实部通常称之为同相之路：信号的虚部通常哪个称之为正交之路。利用复指数信号可以使许多运算和分析得以简化。在信号分析理论中，复指数信号是一种非常重要的基本信号。5．Sa(t)信号：其表达式为。Sa(t)是一个偶函数，t=±π，±2π，…..±nπ时,函数值等于零.该函数在许多应用场合具有独特的应用。其信号如下图所示：6．钟形信号（高斯函数）；其表达式为。其信号如下图所示：7．脉冲信号：其表达式为，其中为单位阶跃函数。其信号如下图所示：8．方波信号：信号的周期为T，前T/2期间信号为正电平信号，在T/2期间信号为负电平信号。其波形如下图所示：五．实验步骤在下面实验中，按1.3节设置信号产生器的工作模式为11。1．指数信号观察：通过信号选择键1。按1.3节设置A组输出为指数信号（此时信号输出指示灯为000000）。用示波器测量“信号A组”的输出信号。观察指数信号的波形，并测量分析其对应的a、K参数。2．正弦信号观察：通过信号选择键1，按1.3节设置A组输出为正弦信号（此时A组信号输出指示灯为000101）。用示波器测量“信号A组”的输出信号。在示波器上观察正弦信号的波形，并测量分析其对应的振幅K，角频率ω。3．指数衰减正弦信号观察（正频率信号）通过信号选择键1，按1.3节设置A组输出为指数衰减余弦信号（此时信号输出指示灯为000001）。用示波器测量“信号A组”的输出信号。通过信号选择键2，按1.3节设置B组输出为指数衰减正弦信号（此时信号输出指示灯为000010）。用示波器测量“信号B组”的输出信号。*分别用示波器的X、Y通道测量上述信号，并以X-Y方式进行观察，记录此时信号的波形，并注意此时李沙育图形的方向。（该实验可选做）分析对信号参数的测量结果。4．*指数衰减正弦信号观察（负频率信号）：（该实验可选做）通过信号选择键1，按1.3节设置A组输出为指数衰减余弦信号（此时信号输出指示灯为000011）。用示波器测量“信号A组”的输出信号。通过信号选择键2，按1.3节设置B组输出为指数衰减正弦信号（此时信号输出指示灯为000100）。用示波器测量“信号B组”的输出信号。*分别用示波器的X、Y通道测量上述信号，并以X-Y方式进行观察，记录此时信号的波形，并注意此时李沙育图形的方向。将测量结果与实验3所测结果进行比较。5．Sa(t)信号观察：通过信号选择键1，按1.3节设置A组输出为Sa(t)信号（此时信号输出指示灯为000111）。用示波器测量“信号A组”的输出信号。并通过示波器分析信号的参数。6．钟形信号（高斯函数）观察：通过信号选择键1，按1.3节设置A组输出为钟形信号（此时信号输出指示灯为001000）。用示波器测量“信号A组”的输出信号。并通过示波器分析信号的参数。7．脉冲信号观察：通过信号选择键1，按1.3节设置A组输出为正负脉冲信号（此时信号输出指示灯为001101）。并分析其特点。8．方波信号观察：通过信号选择键1，按1.3节设置A组输出为连续正负脉冲信号（此时模式指示灯为11，信号输出指示灯为001101）。并分析其特点。六．实验思考1．分析指数信号、正弦信号、指数衰减正弦信号、复指数信号、Sa(t)信号、钟形信号、脉冲信号的特点：2．按1.3节设置输出为复指数正频率信号（A组输出与B组输出同时观察）与复指数负频率信号（A组输出与B组输出同时观察），并说明这两类信号的特点。3．写出测量指数信号、正弦信号、指数衰减正弦信号、复指数信号、Sa(t)信号、钟形信号、脉冲信号的波形参数。实验二信号的基本运算单元一．实验目的1．掌握信号与系统中基本运算单元的构成；2．掌握基本运算单元的特点；3．掌握对基本运算单元的测试方法。二．预备知识1．学习“信号的运算”一节；2．学习对一般电路模块输入、输出特性的测试方法。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理在“信号与系统”中，最常用的信号运算单元有：减法器、加法器、倍乘器、反相器、积分器、微分器等，通过这些基本运算单元可以构建十分复杂的信号处理系统。因而，基本运算单元是“信号与系统”的基础。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台中有一“基本运算单元”模块，该模块由六个单元组成，下面对其每一单元的功能作一简单说明。1．加法器：其电路构成如下图所示：在该电路中元件参数的取值为：R1=R2=R3=R4=10K，其输出Y与输入X1、X2、的关系为：Y=X1+X22．减法器：其电路构成如下图所示在该电路中元件参数的取值为：R1=R2=R3=R4=10K，其输出Y与输入X1、X2、的关系为：Y=X2－X13．倍乘器：其电路构成如下图所示在该电路中元件参数的取值为：R1=R2=R3=10K，其输出Y与输入X的关系为：Y=2X4．反相器：其电路构成如下图所示在该电路中元件参数的取值为：R1=R2=10K，其输出Y与输入X的关系为：Y=－X5．积分器：其电路构成如下图所示在该电路中元件参数的取值为：R=10K，C=0.1μF，其输出Y与输入X的关系为：6．微分器：其电路构成如下图所示在该电路中元件参数的取值为：R=1K，C=0.01μF，其输出Y与输入X的关系为：六．实验步骤在下面实验中，按1.3节设置信号产生器的工作模式为11。1．加法器特性观察：通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出为150HZ信号（A组输出信号指示灯为000101），通过信号选择键2使对应的“信号B组”的输出为1200HZ信号（B组输出信号指示灯为000110）。用短路连线器将模拟信号A、B组的输出信号送入加法器的X1．X2输入端，用示波器观察输出端Y的波形。2．减法器特性观察：通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出为全波检滤信号（A组输出信号指示灯为010000），通过信号选择键2使对应的“信号B组”的输出为半波检波信号（B组输出信号指示灯为010001）。用短路连线器将模拟信号A、B组的输出信号送入减法器的X1．X2输入端，用示波器观察输出端Y的波形。3．倍乘器特性观察：通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出为1200HZ的正弦信号（A组输出信号指示灯为000110）。用短路连线器将信号A组的输出信号送入倍乘器的X输入端，观察输出端Y的波形。4．反相器特性观察：通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出为1200HZ的正弦信号（A组输出信号指示灯为000110）。用短路连线器将信号A组的输出信号送入反相器的X输入端，观察输出端Y的波形相位与输入波形的相位关系。5．积分器特性观察：通过信号选择键1使对应的“信号A组”的输出为连续正负脉冲对信号（A组输出信号指示灯为001101）。用短路连线器将信号A组的输出信号送入积分器的X输入端，观察输出端Y的波形与输入波形的关系。6．微分器特性观察：通过信号选择键使对应的“信号A组”的输出依次为连续正负脉冲信号（A组输出信号指示灯为001001），间隔正负脉冲信号（A组输出信号指示灯为001101）、正负指数衰减冲击信号（A组输出信号指示灯为001110），锯齿信号（A组输出信号指示灯为010010）。用短路连线器将信号A组的输出信号送入微分器的X输入端，观察输出端Y的波形与输入波形的关系。七．实验思考1．画出最常用的信号运算单元：减法器、加法器、倍乘器、反相器、积分器、微分器的电路结构；2．分析常用的信号运算单元：减法器、加法器、倍乘器、反相器、积分器、微分器的运算特点；3．采用基本单元构建：的电路。实验三信号的合成一．实验目的1．掌握周期信号的傅里叶变换；2．理解傅里叶变换的本质；3．学会对一般周期信号在时区域上进行合成。二．预备知识1．学习“周期信号的傅里叶级数分析”；2．信号滤波常识；3．信号相加。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理在“信号与系统”中，周期性的函数（波形）可以分解成其基频分量及其谐波分量（如下图所示），基频与谐波的幅度与信号的特性紧密相关。从上图中可以看出，一般周期性的信号，其谐波幅度随着谐波次数的增加相应该频点信号幅度会减小。因而，对于一个周期性的信号，可以通过一组中心频率等于给信号个谐波频率的带通滤波器，获取该周期性信号在个频点信号幅度的大小。同样，如果按某一特定信号在其基波及其谐波处的幅度与相应可以合成该信号。理论上需要谐波点数为无限，但由于谐波幅度随着谐波次数的增加信号幅度减小，因而只需取一定数目的谐波数即可。五、实验模块说明在“信号与系统”实验平台的下方有一“信号合成”模块，该模块由一组中心频率等于n·f0（其中f0=1KHZ，n=1，2，3…..）的信号源、幅度调整电路、及相加器组成，如下图所示：六．实验步骤1．信号的产生：将信号源模式设置地00模式，在给模式下，可产身个五个相关的频率信号，该组信号为cos信号源，其中心频率等于n·f0（其中f0=50HZ，n=1，2，3，4，5）。2．方波信号的合成：（1）按下面公式调整五路信号的幅度：A1=1，A2=0，A3=1/3，A4=0，A5=1/5。（2）逐步加入合成信号，观察输出信号波形的变化：3．周期三角信号合成（不含直流信号）：A1=1，A2=0，A3=-1/9，A4=0，A5=1/25。（1）按下面公式调整五路信号的幅度：（2）逐步加入合成信号信号，观察输出信号波形的变化；4．周期锯齿信号的合成：（1）按下面公式调整五路信号的幅度：（2）看能否采用已有的信号合成出所需的信号，为什么？并说明在信号分解中sin与cos信号项的作用；七．实验思考1．周期性信号的频谱特性是什么？2．合成之后的信号与期望信号是否相同，是什么原因造成这些不同？实验四线性时不变系统一．实验目的1．掌握线性时不变系统的特性；2．学会验证线性时不变系统的性质。二．预备知识1．学习“线性时的不变系统”；2．学习同步信号的观察方法。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理线性时不变系统具有如下的一些基本特性：1．叠加性与均匀性：对于给定的系统，e1（t）、r1（t）和e2（t）、r2（t）分别代表两对激励与响应，则当激励是C1·e1（t）+C2·e2（t）时，则对应的响应为：C1·r1（t）+C2·r2（t）。对于线性时不变系统，如果起使状态为零，则系统满足叠加性与均匀性（齐次性）。2．时不变特性：对于时不变系统，由于系统参数本身不随时间改变，因此，在同样其使状态下，系统响应与激励施加于系统的时刻无关。即：当e1（t）、r1（t）为一对激励与响应时，则当e1（t－t0）、r1（t－t0）也为一对激励与响应。3．微分特性：对于线性时不变系统，当e1（t）、r1（t）为一对激励与响应时，则当、也为一对激励与响应。4．因果性：因果系统是指系统在时刻t0的响应只与t=t0和t<t0时刻的输入有关。也就是说，激励是产生响应的原因，响应是激励引起的后果，这种特性称为因果性。通常由电阻器、电感线圈、电容器构成的实际物理系统都是因果系统。五．实验模块说明“信号与系统”实验平台的下方有一“线性时不变系统”单元，它由两个功能完全一样的电路组成（均有下图所示），对上方的电路称之为“第一电路单元”，对下方的电路称之为“第二电路单元”。在每个电路单元中，元件的值为：R=10K，C=0.1μF六．实验步骤1．叠加性与均匀性观察：（1）按1.3节设置信号产生模块为模式3。（2）按1.3节用按键1使对应的“信号A组”的输出1－x²信号（信号A组的信号输出指示灯为001011）；（3）按1.3节用按键2使对应的“信号B组”产生正负锯齿脉冲串信号（B组的信号输出指示灯为010100）（4）用短路线将模拟信号A、B组的输出信号同时送入“线性时不变系统”的两个单元，分别记录观察所得到的系统响应；（5）将上述响应通过示波器进行相加，观察响应相加之后的合成响应（如示波器无此功能，或通过实验平台上的“基本运算单元”实现此功能，方法自拟）；（6）将模拟信号A、B组的输出信号分别送入的“基本运算单元”的加法器，将相加之后的信号送入的“线性时不变系统”单元，记录观察所得到的系统响应；（7）比较3．4两步所得到的结果，并对之进行分析；2．时不变特性观察：按1.3节设置信号产生模块为模式2。通过信号选择键1，使对应的“信号A组”输出间隔正负脉冲信号（信号A组的信号输出指示灯为001001）。（3）将模拟A组的输出信号加到“线性时不变系统”单元，记录观察所得到的系统响应。观察不同延时的输入冲击串与输出信号延时的时间关系；3．微分特性观察：（1）通过信号选择键1使“信号A组”输出正负指数脉冲信号（A组信号输出指示灯为001110），通过信号选择键2使“信号B组”输出“正负指数脉冲积分信号”（B组信号输出指示灯为001111），这个信号是前一个信号的积分。（2）将模拟A组的输出信号与输出B组的输出信号加到“线性时不变系统”单元的两个相同系统上，用示波器分别记录所得到的系统响应，并比较这两个响应。4．因果性观察：（1）通过信号选择键1，使对应的“信号A组”输出正负锯齿信号（信号A组的信号输出指示灯为010100）。（2）将模拟A组的输出信号加到“线性时不变系统”单元，记录观察所得到的系统响应。观察输入信号时刻与对应输出信号时刻的相对时间关系；（3）可以选择其它信号，重做以上两步的实验。七．实验思考1．对实验测量结果进行分析。2．利用实验平台的一个输出信号，并结合以前所学的基本运算模块的特性，设计验证一个线性时不变系统的微分特性的实验方案实验五零输入响应与零状态响应分析一．实验目的1．掌握电路的零输入响应；2．掌握电路的零状态响应；3．学会电路的零状态响应与零输入响应的观察方法。二．预备知识1．学习“零输入响应和零状态响应”；2．“零输入响应和零状态响应”的方程表述。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理电路的响应一般可以分解为零输入响应和零状态响应。首先先考察一个实例：在下图中由RC组成一电路，电容两端有其始电压，激励源为。则系统响应——电容两端电压：上式中第一项称之为零输入响应,与输入激励无关,零输入响应是以初始电压值开始,以指数规律进行衰减。第二项与起始储能无关，只与输入激励有关，被称为零状态响应。在不同的输入信号下，电路回表征不同的响应。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台的下方有一“零输入响应和零状态响应”单元，它的电路组成如下图所示，在电路单元中，元件的值为：R1=100K、R2=51K、R3=10K、C=0.1μf六．实验步骤1．系统的零输入响应特性观察：（1）通过信号选择信号发生器为模式2，对应的脉冲信号发生器产生周期为30ms的方波信号。用短路线将脉冲信号输出端与“零输入响应和零状态响应”单元的X1端口相连，用脉冲信号作同步，观察输出信号的波形。（2）同上步，将信号产生模块中脉冲信号输入到X2．X3端口，用脉冲信号作同步，分别输出信号的波形。注：对于周期较长的脉冲方波信号，可以近似认为在脉冲信号高电平的后沿，电路的电容已完成充电。当进入脉冲信号的低电平阶段是，相当于此时激励去掉。电路在该点之后将产生零输入响应。因而对零输入响应的观察应在脉冲信号的低电平期间。2．系统的零状态响应特性观察：（1）通过信号选择信号发生器为模式2，对应的脉冲信号发生器产生周期为30ms的方波信号。用短路线将脉冲信号输出端与“零输入响应和零状态响应”单元的X1端口相连，用脉冲信号作同步，观察输出信号的波形。（2）同上步，将信号产生模块中脉冲信号输入到X2．X3端口，脉冲信号作同步，分别输出信号的波形。注：对于周期较长的脉冲方波信号，可以近似认为在脉冲信号低电平期间，电路的电容已完成放电。当进入脉冲信号的高电平阶段是，相当于此时激励加上。电路在该点之后将产生零状态响应。因而对零状态响应的观察应在脉冲信号的高电平期间。七．实验思考1．叙述如何观察系统的零输入响应？2．理论分析相应连续信号在该电路下的零状态，并与实际实验结果进行对照比较。实验六二阶串联、并联谐振系统一．实验目的1．掌握二阶串联、并联谐振电路的基本构成；2．掌握二阶串联、并联谐振电路的S平面分析方法；3．掌握二阶串联、并联谐振电路特征参数的物理含义。二．预备知识1．学习“二阶谐振系统的S平面分析方法”；2．S平面分析方法；3．二阶谐振系统的参数。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）3．低频信号源（0HZ～2MHZ）四．实验原理在电路中电容、电感两类储能元件可构成二阶串联、并联系统，如下图所示：在无线电技术中，常利用它们的这一特性构成带通、带阻等滤波网络。二阶谐振网络是构成滤波器的基础，在实际电路中使用十分广泛。并联谐振网络的三个物理参数为：并联谐振的参数ω0是谐振频率，α是衰减因子，其值越大表示电路的能量损耗越大，于之相对应品质因数Q越高表示电路的损耗越小。并联电路的频响特性为下图所示：并联谐振电路的通带带宽为：B=f2－f1=f0/Q从上式可以看出，并联谐振电路的通带带宽与电路的损耗密切相关，R越大，通带越窄；反之通带越宽。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台的下方有一“二阶串联谐振”、“二阶并联谐振”单元，串联谐振电路的元件值为：R1=1K、R2=100、L=330μH、C=0.1μF并联谐振电路的元件的值为：R1=1K、R2=10K、L=330μH、C=0.1μF六．实验步骤1．串联谐振电路频响特性的观察：（1）调整低频信号源产生一正弦输出信号，信号电平为2VPP，信号的频率范围为0HZ～500KHZ；（2）将低频信号产生的输出信号加到串联谐振单元的X输入端，同时用示波器测量输入、输出信号的波形；（3）改变信号源的输出频率，观察输出信号幅度的变化，并将各频率的幅度记录下来；（4）画出该串联电路的频响特性。（5）利用二次开发模块提供的元件，改变串联回路的电阻R2，重复上述实验，并分析实验结果；2．并联谐振电路频响特性的观察：（1）调整低频信号源产生一正弦输出信号，信号电平为2VPP，信号的频率范围为0HZ～500KHZ；（2）将低频信号产生的输出信号加到并联谐振单元的X输入端，同时用示波器测量输入、输出信号的波形；（3）改变信号源的输出频率，观察输出信号幅度的变化，并将各频率的幅度记录下来；（4）画出该并联电路的频响特性。（5）利用二次开发模块提供的元件，改变并联回路的电阻R2，重复上述实验，并分析实验结果。七．实验思考1．分析电阻对串联谐振电路参数的影响？2．分析电阻对并联谐振电路参数的影响？3．分析串联谐振电路与并联谐振电路性能上有哪些不同？实验七AM调制与解调一．实验目的1．掌握AM调制器的组成；2．掌握非相干AM（检波）解调器的原理；3．掌握相干AM（同步）解调器的原理。二．预备知识1．学习“调制与解调”；2．全波整流信号频谱的组成。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理在通信过程中，一般一个用户只占据某一特定的频点和带宽，将信号的频谱搬移到截频f0上，这一过程称之为调制，最简单的调制方法有AM调制。如果一输入信号S（t）载频信号X（t），则AM调制输出信号为：在接收端从AM已调信号中恢复出原始信号S（t）的过程称之为解调。对AM常用的解调方式有：非相干解调（检波）与相干解调（同步解调）。AM的非相干解调是将AM信号通过一检波二极管，再经过一低通滤波器即可获取原始的模拟信号S（t）。AM的非相干解调不需要本地载波，此方法常用于民用通信设备中，可大大降低接受机的成本，提高整机通信的可靠性。AM的同步解调是将接受的AM信号与本地相干载波（同步载波）相乘，经低通滤波器获得原始的模拟信号S（t）。同步解调需要在接受端产生与发送端频率相同的本地载波，该方法可提高解调器的性能（即提高接受机的灵敏度），但这也可将使接受机复杂化。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台中有一“AM传输系统”模块，该模块主要由四个单元组成：1．两个完全相同的乘法器：。为了叙述上的方便，左边相乘器称之为乘法器1，右边相乘器称之为乘法器2。2．两个完全相同的检波器：主要由一个检波管与电容滤波器组成。为了上述的方便,左边检波器称之为检波器1,右边的检波器称之为检波器2。上述两单元的组成电路如下图所示：六．实验步骤1．载波信号的产生：通过按键使信号发生器处于模式1，在该模式下在正弦信号16KHZ、32KHZ输出端产生相应的信号输出，同时在信号A组产生800HZ信号，在信号B组产生100HZ信号输出。2．AM调制波形的产生：（1）将16KHZ的正弦信号作为AM的发送载波，通过短路线将16KH正弦信号输出端与乘法器1的X输入端相连。（2）通过短路线将“信号A组”输出800HZ的正弦信号与乘法器1的信号输入端S相连（3）在乘法器的输出端得到一抑制载波的AM调制信号。（4）将抑制载波的AM调制信号与16KHZ的正弦信号通过基本运算单元相加输出（请自己将电路连接好，注意如何得到合适幅度的载波信号？），得到一AM调制信号；3．AM的检波解调：（1）用短路线将上步实验所获得的AM调制信号送入检波器的输入端X，则在检波器的输出端可得到解调信号。用示波器观察该解调信号。（2）为了进一步改善解调信号的质量，用短路线将解调之后的信号与“无源与有源滤波器”单元的“八阶切比雪夫低通滤波器”的输入端相连，用示波器观察滤波器的信号输出；4．AM的同步解调：（1）用短路线将实验步骤1所获得的AM调制信号与乘法器2的信号输入端S相连，乘法器的另一输入端X采用16KHZ的同步信号,用示波器观察乘法器2输出的解调信号。（2）为了进一步改善解调信号的质量，用短路线将解调之后的信号与“无源与有源滤波器”单元的“八阶切比雪夫低通滤波器”的输入端相连，用示波器观察滤波器的信号输出质量。七．实验思考1．画出AM调制器产生框图；2．非相干AM调制与相干AM解调的差别及它们的性能的差异。实验八FDM频分复用实验一．实验目的1．掌握FDM复用的基本原理；2．掌握FDM解复用的常用方法。二．预备知识1．学习“频分复用与时分复用”；2．信号的调制；3．信号的解调。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理在信道上（例如无线通道）将若干路信号以某种方式汇合，统一在同一信道中进行传输称之为多路复用。在近代通信系统中普遍采用多路复用技术，如频分复用技术。频分复用要求设备在发送端将各路信号频谱搬移到各个不相同的频率范围内，使它们互不重叠，这样就可复用同一信道传输。如下图所示：接收端利用若干滤波器将各路信号分离，再经解调即可还原为各路原始信号，如上图所示。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台的左中部有一“FM传输系统”模块，该模块主要由四个单元组成：1．两个完全相同的乘法器：。为了叙述上的方便，左边相乘器称之为乘法器1，右边相乘器称之为乘法器2；2．两个完全相同的检波器：主要由一个检波器与电容滤波器组成。为了上述的方便，左边检波器称之为检波器1，右边检波器称之为检波器2；上述两单元的组成电路如下图所示：六．实验步骤1．载波信号和产生：通过按键使信号发生器处于模式1，在该模式下在正弦信号16KHZ、32KHZ输出端产生相应的信号输出，同时在信号A组产生800HZ信号，在信号B组产生100HZ信号输出。2．第一路AM调制波形的产生：，其调制在16KHZ的载频上。（1）将16KHZ的正弦信号作为AM的发送载波，通过短路线将16KHZ正弦信号输出端与相乘器1的X输入端相连。（2）通过短路线将“信号A组”输出1KHZ的正弦信号与乘法器1的信号输入端S相连（3）在乘法器的输出端得到一抑制载波的AM调制信号。第二路AM调制波形的产生：，其调制在32KHZ的载频上（1）将32KHZ的正弦信号作为AM的发送载波，通过短路线将32KHZ正弦信号与相乘器2的X端相连。（2）通过短路线将“信号B组”输出125HZ的正弦信号与乘法器2的信号输入S相连（3）在乘法器的输出端得到一抑制载波的AM调制信号。4．两路AM的复用：用短路线将上步实验所获得的AM调制信号送入基本运算单元相加输出，得到一FDM复用信号；5．FDM的解复接（第一路信号）：（1）将实验步骤4所获得的FDM信号送入“无源与有源滤波器”模块的“巴特沃思24KHZ低通滤波器”单元，观察此时的输出信号。（2）再连接到“巴特沃思16KHZ带通滤波器”，从滤波器输出端可取FDM的第二路信号；6．FDM的解复接（第二路信号）：（1）将实验步骤4所获得的FDM信号送入“无源与有源滤波器”模块的“巴特沃思24KHZ低通滤波器”单元，观察此时的输出信号。（2）再连接到“巴特沃思16KHZ带阻滤波器”，从滤波器输出端可取FDM的第二路信号；七．实验思考1．画出FM解调器产生框图；2．在FDM解复用中，可以观察到信号串扰（在第一路信号输出端可检测到第二路用户信号），产生串扰信号的原因是什么，如何减少这类串扰信号的产生？实验九信号的抽样与恢复（PAM）一．实验目的1．验证抽样定理2．观察了解PAM信号形成的过程。二．预备知识1．学习“从抽样信号恢复连续时间信号”；2．理想低通滤波器的冲击响应形式；3．冲击函数的性质。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为抽样，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。在满足抽样定理的前提下，抽样信号保留了原信号的全部信息，并且从抽样信号中可以无失真地恢复出原始信号。抽样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。数字通信系统是以此定理作为理论基础。抽样过程是模拟信号数字化的第一步，抽样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。抽样定理指出，一个频带受限信号，如果它的最高频率为，则可以唯一地由频率等于或大于的样值序列所决定。抽样信号的时域与频域变化过程如下图所示。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台中有一“PAM抽样定理”模块，该模块主要由一个抽样器与保持电容组成。PAM抽样定理一个完整的PAM电路组成如下图所示。即在输入、输出端需加一低通滤波器。前一个低通滤波器是为了滤除高于/2的输入信号，防止出现频谱混迭现象，产生混迭噪声，影响恢复出的信号质量。后面一低通滤波器是为了从抽样序列中恢复出信号，滤除抽样信号中的高次谐波分量。六．实验步骤按1.3节的方法设置信号产生模块为模式1，在该模式下在正弦信号16KHZ、32KHZ输出端产生相应的信号输出，同时在信号A组产生800HZ信号，在信号B组产生100KHZ信号输出，以及PAM所需的抽样时钟。1．采样冲击串的测量：“PAM抽样定理”模块的输入端测量采样冲击串。测量采样冲击信号的频率。2．模拟信号的加入：用短路线将“信号A组”输出800HZ正弦信号与“PAM抽样定理”模块的信号输入X端相连。3．信号采样PAM序列观察：在“PAM抽样定理”模块的输出端可测量到输入信号的采样序列与原始信号的关系、及采样序列与采样冲击串之间的关系。4．PAM信号的恢复：用短路线将“PAM抽样定理”模块输出端的采样序列与“无源与有源滤波器”单元的“八阶切比雪夫低通滤波器”的输入端相连。在滤波器的输出端可测量出恢复的模拟信号，用示波器比较恢复出的信号与原始信号的关系差别。5．用短路线连接“PAM抽样定理”模块的A与C端，重复上述实验。七．实验思考1．在实验电路中，采样冲击串不是理想的冲击函数，通过这样的冲击序列所采样的采样信号频谱的形状是怎样的？2．用短路器连接“PAM抽样定理”模块的A与C端，有外部信号源产生一65KHZ正弦信号送入“PAM抽样定理”模块中，在将采样序列送入低通滤波器，用示波器测量恢复出来的信号是什么？为什么？实验十模拟滤波器实验一．实验目的1．掌握低通无源滤波器的设计；2．学会将无源低通滤波器向带通、高通滤波器的转换；3．了解常用有源低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器的结构与特性；4．了解巴特沃兹低通滤波器与切比雪夫低通滤波器的特点；5．学会用信号源与示波器测量滤波器的频响特性。二．预备知识1．学习“模拟滤波器的逼近”；2．系统函数的展开方法；3．低通滤波器的结构与转换方法。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）3．低频信号源（0HZ～2MHZ）四．实验原理模拟滤波器根据其通带的特征可分为：（1）低通滤波器；（2）高通滤波器；（3）带通滤波器；（4）带阻滤波器；在这四类滤波器中，又以低通滤波器最为典型，其它几种类型的滤波器均可从它转化而来。对于模拟低通滤波器的设计方法，一般是通过逼近的设计方法。在最常用的滤波器中又以巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器最为常用。1．巴特沃思滤波器：其频响特性为：特点：（1）最大平坦性：其滤波器在0频点处附近一段范围内是非常平直的，它是以原点的最大平坦性来逼近理想低通滤波器；（2）通带、阻带下降的单调性；（3）具有良好的相频特性；（4）3dB的不变性：随着N的增加，频带边缘下降的越陡峭，越接近理想特性。但不管N是多少，副频特性都通过－3dB；2．切比雪夫滤波器其频响特性为：特点：（1）所有曲线在时通过点，因而把定义为切比雪夫滤波器的截止角频率。（2）在通带<1内，在1和之间变化，在通带外，>1单调下降。（3）通带内波动均匀性。（4）相位的非线性特性。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台的右中部有一“无源与有源滤波器”模块，该模块的布局如下图所示：在该模块上一共设计了四个无源滤波器与六个有源滤波器，下面从左到右逐一介绍滤波器的类型：（1）四阶无源巴特沃思低通滤波器，其元件取值为：Rs=680、L1=330μH、C1=1.65nF、L2=560μH、C2=620P、RL=680（2）四阶无源巴特沃思带通滤波器，其元件取值为：Rs=680、L1=330μH、C1=470P、L2=820μH、C2=220P、L3=560μH、C3=2.2nF、L4=150μH、C4=1nF、RL=680（3）六阶无源巴特沃思低通滤波器，其3dB点在2MHZ处。其元件取值为：Rs=680、L1=100μH、C1=620P、L2=330μH、C2=1nF、L3=220μH、C3=270P、RL=680（4）六阶无源巴特沃思高通滤波器，其过渡频率在2MHZ处。其元件取值为：Rs=680、L1=100μH、C1=620P、L2=82μH、C2=200P、L3=330μH、C3=300P、RL=680（5）二阶有源巴特沃思低通滤波器，其3dB点在50KHZ。其元件取值为：R1=10K、C1=1nF、R2=10K、C2=620P（6）二阶有源巴特沃思高通滤波器，其3dB点在50KHZ。其元件取值为：R1=5.1K、C1=1nF、R2=10K、C2=1nF（7）二阶有源巴特沃思带通滤波器，其中心频点在64KHZ。其元件取值为：R1=10K、C1=3.3nF、R2=4.3K、C2=3.3nF、R3=10K、R4=10K、R5=3K（8）二阶有源巴特沃思带阻滤波器，其中心频点在32KHZ。其元件取值为：R1=2K、C1=3.3nF、R2=10K、C2=300P、R3=10K、R4=10K（9）二阶有源切比雪夫滤波器，其3dB点在32KHZ。其元件取值为：R1=10K、C1=3.3nF、R2=10K、C2=220P（10）八阶有源切比雪夫滤波器，其3dB点在3400HZ。其元件取值为：R1=10K、C1=4.7nF、R2=10K、C2=4.7nFR3=10K、C3=4.7nF、R4=10K、C4=4.7nFR5=10K、C5=1nF、R6=10K、C6=2.7nFR7=10K、C7=2.2nF、R8=10K、C8=1nF五．实验步骤1．无源滤波器的测量：（1）四阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量（A）3dB频点测量：首先用低频信号源产生一1KHZ的正弦信号，测量四阶无源巴特沃思低通滤波器在该频点的输出幅度；然后不断增加信号源的频率，保持其输出幅度不变，当滤波器输出信号的幅度为原来的0.707时，低频信号源的频率即为该滤波器的3dB频点。（B）滤波器的频响特性测量：用低频信号源产生一正弦信号，然后不断增加信号源的频率（20KHZ一个步进），并保持输出幅度不变，测量相应频点滤波器输出信号的幅度，并记录下来。以频率与输出幅度（可换算成相对电平值，其单位为3dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。（2）四阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量（A）带通滤波器中心频点测量：首先用低频信号源产生一正弦信号，改变信号源的输出频率，保持其输出幅度不变。当滤波器输出信号的幅度为最大，低通信号源的频率即为该带通滤波器的中心频点。（B）带通滤波器的频响特性测量：用低频信号源产生一正弦信号，其频率在带通滤波器中心频率附近。然后不断增加或减少信号源的输出频率（20KHZ一个步进），并保持其输出幅度不变，测量相应频点的滤波器输出信号的幅度，并记录下来。以频率和输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。（3）六阶无源巴特沃思低通滤波器特性测量（A）其3dB频点测量：方法同四阶巴特沃思低通滤波器特性测量。（B）带通滤波器的频响特性测量：方法同四阶巴特沃思低通滤波器特性测量。（4）六阶无源巴特沃思高通滤波器特性测量（A）其3dB频点测量：首先用低频信号源找出六阶无源巴特沃思高通滤波器在高端频率点的输出幅度（在该频点附近信号输出保持不变）；以该点的输出信号幅度为参考。降低信号源的输出频率，当滤波器输出信号的幅度为参考输出幅度的0.707时，低频信号源的频率即为该高通滤波器的3dB频点。（B）滤波器的频响特性测量：用低频信号源产生一正弦信号，然后不断增加信号源的输出频率（20KHZ一个步进），并保持其输出幅度不变，测量相应频点的滤波器输出信号的幅度，并记录下来。以频率和输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该滤波器频响特性曲线。2．有源滤波器特性测量：（1）二阶有源巴特沃思低通滤波器特性测量：测量方法自拟。（2）二阶有源巴特沃思高通滤波器特性测量：测量方法自拟。（3）二阶有源巴特沃思带通滤波器特性测量：测量方法自拟。（4）二阶有源巴特沃思带阻滤波器特性测量：测量方法自拟。（5）二阶有源切比雪夫低通滤波器特性测量：测量方法自拟。（6）八阶有源切比雪夫低通滤波器特性测量：测量方法自拟。六．实验思考1．指出四阶无源巴特沃思低通滤波器特性与六阶无源巴特沃思低通滤波器特性的差异，并说明其原因？2．指出二阶有源巴特沃思低通滤波器特性测量与二阶有源切比雪夫低通滤波器特性的差异，并说明原因？3．二阶有源巴特沃思低通滤波器特性与八阶有源切比雪夫低通滤波器特性的差异？4．有源滤波器与无源滤波器的设计有什么不同，各适合用在什么场合？实验十一一阶网络特性测量一．实验目的1．掌握一阶网络的构成方法；2．掌握一阶网络的系统响应特性；3．了解一阶网络波特图的测量方法；4．了解巴特沃兹低通滤波器与切比雪夫低通滤波器的特点；5．学会用信号源与示波器测量滤波器的频响特性。二．预备知识1．学习“一阶与二阶系统”；2．传输系统的表达式；2．学习波特图。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）3．低频信号源（0HZ～2MHZ）四．实验原理在电路系统中，一阶系统是构成复杂系统的基本单元。学习一阶系统的特点有助于对一般系统特性的了解。一阶系统的传输函数一般可写成：因果系统是稳定的要求：>0，不失一般性可设。该系统的频响特性为：从其频响函数可以看出系统响应呈低通方式，其3dB带宽点。系统的波特图如下图：一阶低通系统的单位冲击响应与单位阶跃响应如下图：五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台中有一“一阶网络”模块，其电路组成如下图：电路元件取值为：R1=10K、R2=10K、C1=0.1μf六．实验步骤1．一阶网络波特图的测量：（1）首先用低频信号源产生一正弦信号，输出信号幅度为2。加入到“一阶网络”模块的X输入端。（2）用示波器测量一阶网络的输出信号。（3）然后从低频开始不断增加信号源的输出频率（1KHZ一个步进），并保持其输出幅度不变，测量相应频点一阶网络的输出信号，并记录下输出信号的幅度、输入信号与输出信号的相位差。以频率和输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，同时以频率与输入输出信号相位差为变量画出一曲线。这两条曲线即为一阶网络的波特图。2．一阶网络单位阶跃响应测量：（1）按1.3节使信号产生模块处于模式2，在该模式下，脉冲信号输出端产生一周期为30的的方波信号。（2）将脉冲信号加入到“一阶网络”模块的X1输入端。用示波器测量一阶网络的单位阶跃响应。3．用二次开发模块的元件，改变一阶网络的元件参数，重复上述实验。七．实验思考1．一阶网络波特图实测曲线与理论曲线的对比分析；2．一阶网络极点参数的改变方法。实验十二二阶网络特性测量一．实验目的1．掌握二阶网络的构成方法；2．掌握二阶网络的系统响应特性；3．了解二阶网络波特图的测量方法。二．预备知识1．学习“一阶与二阶系统”；2．传输系统的函数表达式；2．学习波特图。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）3．低频信号源（0HZ～2MHZ）四．实验原理在电路系统中，二阶系统是一阶系统的扩展，与一阶系统一样是构成复杂系统的基本单元。一般二阶系统的构成电路如下图：二阶系统的传输函数一般可写成：其中：、二阶网络的频响函数可以进一步化解成：=在二阶系统中，为二阶系统的阻尼系数。当0<<1时系统处于欠阻尼振荡,其单位冲击响应是一个振荡的过程。当<1时系统处于过阻尼振荡，其单位冲击响应是一个衰减过程。当=1时系统处于捏临界阻尼状态。二阶网络在不同阻尼状态下的单位冲击响应与单位阶跃响应曲线如下图所示：(a)二阶系统的冲激响应(b)二阶系统的阶跃响应二阶系统的波特图如下图：五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台中有一“二阶网络”模块，该电路的模块组成如下图：其电路元件取值为：L=150μH、R=10K、C=0.01μF六．实验步骤1．二阶网络波特图的测量：（1）首先用低频信号源产生一正弦信号，输出信号幅度为2。加入到“二阶网络”模块的X输入端。（2）用示波器测量二阶网络的输出信号。（3）然后不断增加信号源的输出频率（1KHZ一个步进），并保持其输出幅度不变，测量相应频点二阶网络的输出信号，并记录下输出信号的幅度、输入信号与输出信号的相位差。以频率和输出幅度（可换算成相对0点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，同时以频率与输入输出信号相位差为变量画出一曲线。这两条曲线即为二阶网络的波特图。2．二阶网络单位阶跃响应测量：通过信号选择键1，按1.3节设置信号产生模块使产生脉冲输出信号。将从信号发生器模块的脉冲信号输出端产生一单位阶跃信号，加入到“二阶网络”模块的X输入端。用示波器测量二阶网络的单位阶跃响应。3．用二次开发模块的元件，改变一阶网络的阻尼数，重复上述实验。七．实验思考1．二阶网络波特图实测曲线与理论曲线的对比分析；2．对二阶网络响应特性进行控制的方法；3．根据二阶网络的波特图，估计其电路的阻尼系数是大于1还是小于1？实验十三反馈系统与系统频响特性一．实验目的1．反馈系统的基本特性；2．利用反馈改变系统的频响特性。二．预备知识1．学习“反馈系统的基本特性”；2．反馈系统的系统传输函数的特征；3．反馈系统的设计方法。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）四．实验原理利用反馈可以调整系统的动态特性,最常见到的此类应用如展宽放大器的频带，而付出的代价是适当降低放大器的增益。在下图中：原始的系统响应为：这是一个一阶系统。它频带宽为。为适当展宽频带，构成闭环系统。反馈通路的传输函数为：经反馈之后系统的传输函数为：可见系统的传输函数的极点从到。它显示系统的频带得到扩展而系统的直流增益从A降低到，同时也可以看出系统的带宽与最大增益的乘积保持不变，仍为。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台的右中部有一“反馈系统应用”模块，该模块组成如图所示：在电路中，电路元件的值如下：R1=10K、R2=10K、R3=10K、R4=10K、R5=10K、R6=10K、R7=100K、C1=0.1μF输入端X1接A时，构成一个一般的传输系统。输入端X1接B时，构成一个反馈传输系统。六．实验步骤1．原始传输系统的频响特性测量；（1）用短路线连接X1与A端（原始传输系统）；（2）用低频信号源产生一正弦信号，信号幅度为2，从“反馈系统应用”模块的X2端加入。（3）然后不断增加信号源的输出频率（1KHZ一个步进），并保持其输出幅度不变，测量“反馈系统应用”模块输出点Y在相应频点的信号的幅度，并记录下来（4）以频率与输出幅度（可换算成相对0频点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为原始的频响特性曲线；2．反馈传输系统的频响特性测量：（1）用短路线连接X1与Y端（反馈传输系统）：（2）用低频信号源产生一正弦信号，信号幅度为2，从“反馈系统应用”模块的X2端加入。（3）然后不断增加信号源的输出频率（1KHZ一个步进），并保持其输出幅度不变，测量“反馈系统应用”模块输出点Y在相应频点的信号的幅度，并记录下来（4）以频率与输出幅度（可换算成相对0频点的相对电平值，其单位为dB）为变量画出一曲线，则该曲线即为该反馈系统的频响特性曲线；七．实验思考1．对比原始系统的频响特性曲线与反馈系统的频响特性曲线；2．对比原始系统的通道增益特性与反馈系统的通道增益特性；3．描述反馈系统对系统频响特性的影响。实验十四RC振荡器特性测量一．实验目的1．反馈系统的基本特性；2．利用反馈如何产生自激振荡；3．如何改变振荡器的输出频率。二．预备知识1．学习“利用反馈系统产生自激振荡”；2．学习反馈电路的构成原则；2．反馈系统的输出频率特性。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）3．低频信号源（0HZ～2MHZ）四．实验原理振荡器是现代电子线路的组成部分，其广泛应用在数字电路的时序驱动、波形合成等方面，振荡器的实现方式一般可利用正反馈产生。如下图所示：五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台的右上部有一“RC振荡器”模块，该模块组成如下图所示：在电路中，电路元件的值如下：R1=10K、R2=10K、R3=10K、R4=10K、R5=10K、R6=5K、R7=4.3K、R8=1K、C1=1nF、C2=1nF系统的传输函数为在系统处于临界时：，有：当K=3时，可求得，即正弦振荡器的频率为。六．实验步骤1．通道增益的测量：（1）用短路线连接A与R5端；（2）按1.3节信号发生器工作于模式3，通过信号选择键1使“信号A组”输出150HZ正弦信号，将其输入到R3端，在输出Y端测量输出信号的大小，从而计算出放大器的增益。（3）重复步骤（1）、（2），依次测量当A端与R6．R7．R8相连时放大器的增益。2．反馈传输系统的构成：将A端分别与R5．R6．R7．R8的一端相连；再用短路线连接与端，从而构成一正反馈系统。3．自激振荡器的产生：用示波器在输出Y端测量电路在什么条件下产生振荡。七．实验思考1．反馈系统产生振荡的条件是什么？2．利用二次开发区的模拟元件，如何改变振荡器的输出频率？实验十五二阶网络状态变量的测量一．实验目的1．掌握系统状态变量的分析方法；2．了解二阶网络状态特点。二．预备知识1．学习“系统的状态变量分析”；2．电路微分方程的建立；3．状态变量的提取。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）3．低频信号源（0HZ～2MHZ）四．实验原理系统状态变量分析是利用描述系统内部特性的状态变量取代仅描述系统外部特性的系统函数，并且将这种描述十分便捷地运用于多输入－多输出系统。下图给出状态变量的初步概念，在上图中示出串联谐振电路，可用流过的电流与电容两端的电压作为该电路的状态变量，有了这两个状态变量就可以了解系统的工作状态。以用如下微分方程描述即：有关系统状态变量的几个概念定义如下：(1)系统的状态变量：能够表示系统状态的那些变量称为状态变量。(2)状态矢量：能够完全描述一个系统行为的N个状态变量所组成的矢量。(3)状态空间：状态矢量所形成的空间。(4)状态轨迹：在状态空间中状态矢量端点随时间变化而描述出的路径称为状态轨迹。五．实验模块说明在“信号与系统”实验平台的左中部有一“二阶网络状态矢量”模块，该模块组成如图所示：在电路中，电路元件的值如下：R=10K、L=820μh、C=10nF六．实验步骤1．二阶网络电流状态变量的测量：对于流过电路上的电流可通过变量转换方法进行测量。通过流过电阻R的电流与电阻R两端的电压成正比，可通过测量电阻R两端的电压获取电路的电流变量。2．通过信号选择键1．按1.3节设置信号产生模块处于模式3，并使“信号A组”输出为连续正负脉冲信号（A组输出信号指示灯为001001），用短路线将脉冲信号送入X端。3．对于R两端电压的饿测量可通过将X、A两端的电压（信号）送入基本模块的“减法器”获取，并用示波器测量该输出信号。4．用示波器测量电容C两端的输出电压，其为该电路的另一个状态变量。5．用示波器的X-Y同时测量该电路的状态轨迹。七．实验思考1．描述二阶电路的电流状态变量的特点？2．描述二阶电路的电压状态变量的特点？3．二阶电路的状态的轨迹在不同的R下具有那些特点？4．通过信号选择键1．按1.3节设置输出为其它输出信号，观察二阶电路在这些信号下的状态轨迹。实验十六微分方程求解的电路仿真一．实验目的1．掌握微分议程的电路仿真方法；2．学会连续时间系统的时域分析方法。二．预备知识1．学习“连续时间系统的时域分析”与“信号流图”；2．电路微分方程的建立。三．实验仪器1．“信号与系统”实验平台2．20MHZ示波器（自备）3．低频信号源（0HZ～2MHZ）四．实验原理在连续时间系统中通常采用微分方程进行描述，即输入输出关系通过以时间为变量的一组微分方程来表征。系统分析的任务就是在给定系统模型与输入信号下求解系统的输出响应。为此，在具体的系统模型与电路微分方程之间具有一一对应的关系：（1）可以通过微分方程来求解系统的输出响应。（2）另一方面，对于数学上一抽象的微分方程在电路上也有与之相对应的物理模型，并从该模型的实测结果给出微分方程的解。在该实验中将着重于第2个方面，从而建立求解一般微分方程的工程方法。微分方程的一般形式为：在上式中，、分别表示输出、输入信号，表示信号之间的连接关系。为了求解输出信号，将上述议程变换成：根据信号流图，上述方程可以用下面的信号流图进行表示：对于上述信号流图可以通过积分电路与减法器完成。因而，对于一般微分方程的求解可以通过电路很容易进行电路求解。五．实验模块说明对于二次开发模块常用元件的数值在电路上均作了标注，学生利用提供的器件构建微分议程求解电路六．实验步骤1．对于下面电路，写出相应的微分方程。2．并在指数衰减信号下求解议程的解3．用二次开发区提供的元件实现相应的电路，并利用信号发生指数衰减信号，并测量输出结果。将测量结果与理论计算进行比较，并说明原因。七．实验思考对于利用电路求解微分方程时，是否需要考虑电路在实现上的稳定性？测控部分实验实验一信号放大电路（一）一．实验目的1．熟悉常见的电子元器件和MCT测控电路实验箱。2．了解信号放大电路的基本要求及其常用概念。3．熟悉一些典型信号放大电路的特点、性能指标和基本运用。二．实验原理在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。由于传感器输出的信号形式和信号大小各不相同，传感器所处的环境条件、噪音对传感器的影响也不一样，因此所采用的放大电路的形式和性能指标也不同。按测量放大电路的结构原理可分为差动直接耦合式、调制式和自动稳定式三大类。其中差动耦合式包括了单端输入（同相或反相）运算放大电路、电桥放大电路、电荷放大电路等测量放大电路。差动放大器差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。图1－1a）共模与差模输入b）等效电路ud=ui1﹣ui2,uic=(ui1+ui2)/2由等效电路可得uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2﹣(R3/R1)ui1若R1=R2，R3=R4，则uo=﹣(R3/R1)ud即只对差模信号进行放大，假设放大器只有共模信号作用时uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic﹣(R3/R1)uic当R1=R2，R3+R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分自举式高输入阻抗放大电路高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。如图1－2所示为是三种常用的自举电路。图A是交流放大电路，图B是交流跟随电路，图C为自举组合电路。a) b) c)图1－2 自举式高输入阻抗放大电路图1－2c自举组合电路。设N1，N2为理想运算放大器，由电路可得uO=－（R3/R1）ui，uO2=－（2R1/R3）uo= 2uii=ui/R1－（uO2－ui）/R2=（R2－R1）ui/R1R2输入电阻则为Ri=ui/i=（R1R2）/（R2－R1）当R2=R1时i2=（uO2－ui）/R2=ui/R1=i1上式表明，运算放大器N1的输入电流i1将全部由N2电路的电流i2所提供，输入回路无电流，输入阻抗为无穷大。实际上R1与R2之间总有一定的偏差。当偏差不大时，输入阻抗仍然很高。当然，运算放大器偏离理想放大器，也会使输入阻抗有所下降。高共模抑制比放大电路用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放