前言一． 概述
「訊號與系統」是電子資訊工程、通訊工程、無線電技術、自動控制、生物醫學、電子工程等專業的重要基礎課，也是各院校相應專業的主幹課程。由於這門課程系統性、理論性很強，為此非常有必要開設實驗課程，使學生通過實驗課鞏固和加深對基礎理論和基本概念的理解，培養學生分析問題和解決問題的能力，同時使抽象的概念和理論形象化、具體化，從而提高學生的學習興趣。
訊號與系統實驗箱是在多年開設的訊號與系統實驗的基礎上，經過不斷改進研製成功的。利用該實驗箱可進行多項訊號系統主要實驗。
通過本實驗課程學習要求達到下列目標：
1． 鞏固和加深所學的理論知識
2． 掌握萬用電表、電晶體毫伏表、直流穩壓電源、函式訊號發生器、示波器等常用電表和電子儀器的使用方法及測量技術。
3． 培養選擇實驗方法、整理實驗資料、繪製曲線、分析試驗結果、撰寫實驗報告的能力。
4． 培養嚴肅認真的工作作風、實事求是的科學態度和愛護公物的優良品德。
二． 主要功能單元介紹
1． 數顯頻率計
數字頻率計測量頻率的基本原理
所謂頻率，就是週期性訊號在單位時間（1s）內變化的次數。若在一定時間間隔t內測得這個週期訊號的重複變化次數為n，則其頻率可表示為
圖a是數字頻率計的組成框圖。被測訊號經放大整形電路變成計數器所需要求的脈衝訊號ⅰ，其頻率與被測訊號的頻率相同。時基電路提供標準時間基準訊號ⅱ，其高電平持續時間，當1s訊號來到時，閘門開通，被測脈衝訊號通過閘門，計數器開始計數，直到1s訊號結束時閘門關閉，停止技術。
若在閘門時間1s內計數器計得的脈衝個數為n，則被測訊號頻率。邏輯控制電路的作用有兩個：乙個是產生鎖存脈衝ⅳ，使顯示器上的數字穩定；二是產生清「0」脈衝ⅴ，使計數器每次測量從零開始計數。
圖a 頻率計原理框圖
各訊號之間的時序關係如圖b所示。
圖b 波形關係圖
數字頻率計的主要技術指標
頻率測量範圍：在輸入電壓符合規定要求值時，能夠正常進行測量的頻率區間稱為頻率測量範圍。頻率測量範圍主要由放大整形電路的頻率響應決定。
本頻率計的測頻範圍為： 2hz---200khz。
數字顯示位數：頻率計的數字顯示位數決定了頻率計的分頻率，位數越多，解析度越高。
測試時間：頻率計完成一次測量所需要的時間，包括準備、計數、鎖存和復位時間。
數字頻率計的使用
熟悉頻率計的工作原理，接好電源線，開啟實驗箱電源開關，實驗箱開始正常工作。數字頻率計單元開關k2可撥向inner端與outer端，即內測端與外測端，將數字頻率記單元開關k2撥向outer端，此時需外接外電路產生訊號，並將該訊號送入數字頻率計單元則此時數碼管顯示所測訊號頻率。
外測頻率訊號輸入端。
2． 數字電壓表
量程a: 2v
b: 20v
c: 200v
數字電壓表的基本原理
電壓表用來測量訊號的電壓值，實驗中電壓表核心器件採用的是icl7107。它包含位數字a/d轉換器，可直接驅動led數碼管，內部設有參考電壓、獨立模擬開關、邏輯控制、顯示驅動、自動調零功能等。
當k3置dc處時，電壓表測量訊號的直流分量，數碼管的讀數即為訊號的直流電平值；k3置ac處時，電壓表測量訊號的交流分量，在交流訊號送入icl7107之前，必須將訊號經過全波整流轉換為直流訊號，經icl7107處理後驅動led數碼管數字顯示電壓有效值。數碼管採用共陽接法，電位計用於調節icl7107內部參考電壓，出廠前經過校驗，無需調節。通過按動檔位開關可選擇不同的測量量程，在這裡需說明的是當不知待測訊號的幅值時，應先以選擇最大量程進行測試，而後再選擇適宜量程進行測量。
數字電壓表的使用
熟悉數字電壓表的工作原理。接好電源線，開啟實驗箱電源開關，實驗箱開始正常工作。開關置ac或dc處，選擇交流/直流測量。
待測訊號送入電壓表的訊號輸入端in，觀察數碼管上顯示的數值，記錄上述訊號的電壓值(注意選擇合適的量程)。
改變訊號的幅度，觀察數碼管上數值的變化（注意選擇合適的量程）。
量程： a: 2v b: 20v c: 200v
in：待測訊號輸入端。
3． 同步訊號源
原理說明：
該實驗單元採用4060對晶振進行分頻產生不同頻率波形，所以其產生的不同頻率波形可以達到很好的同步效果，另外該單元的正弦波是由產生對應頻率的方波經過濾波器濾波後產生。
波形輸出端說明：
1khz、2khz 、8khz 、16khz輸出端：分別對應相應頻率的方波訊號輸出。
1k sin ：為1k正弦波輸出端，其幅度與相位分別由電位器1k sin gain和1k sin phase控制。
2k sin ：為2k正弦波輸出端，其幅度由電位器2k sin gain控制。
1k tri ：為1k三角波輸出端，其幅度由電位器1k tri gain控制。
32k sin：為32k正弦波輸出端。
128k sin：為128k正弦波輸出端。
1. 觀察和測量rlc串聯電路的階躍響應與衝激響應的波形和有關引數，並研究其電路元件引數變化對響應狀態的影響。
2. 掌握有關訊號時域的測量方法。
1. 用示波器觀察欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼狀態的階躍響應波形。
2. 用示波器觀察欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼狀態的衝激響應波形。
1. 訊號與系統實驗箱一台
2. 3000xh-1實驗模組一塊
3. 雙蹤示波器或虛擬示波器一台
4．連線線若干
rlc串聯電路的階躍響應與衝激響應電路原理圖如圖1-1所示，其響應有以下三種狀態：
1 當電阻時，稱過阻尼狀態；
2 當電阻時，稱臨界阻尼狀態；
3 當電阻時，稱欠阻尼狀態。
衝激訊號是階躍訊號的導數，所以對線性時不變系統衝激響應也是階躍響應的導數。為了便於用示波器觀察響應波形，實驗中用週期方波代替階躍訊號，而用週期方波通過微分電路後得到的尖脈衝代替衝激訊號，衝激脈衝的占空比可通過電位器w103調節。
圖1-1 階躍響應與衝激響應原理圖
本實驗使用3000xh-1實驗模組中的階躍響應與衝激響應部分。
1. 熟悉階躍響應與衝激響應的工作原理。接好電源線，將3000xh-1實驗模組固定於訊號系統實驗平台上，連線好實驗模組電源（將位於模組左側位置的電源接入介面與實驗平台中同步訊號源單元的相應電源輸出用導線連線），開啟實驗箱電源開關，按下模組電源按鈕，檢查模組燈亮，實驗箱開始正常工作.
2. 階躍響應的波形觀察：
1 將開關k1置於on，對應階躍響應電路。
2 將同步訊號源單元產生的f0＝1khz方波訊號送入激勵訊號輸入點step_in。
3 調節電位計w102，使電路分別工作在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼狀態，用示波器觀察三種狀態的階躍響應輸出波形並分析對應的電路引數。注意調節示波器時間刻度旋鈕，以便得到較好的觀察效果。
3. 衝激響應的波形觀察：
① 將開關置於off，對應衝激響應電路。將訊號源單元產生的f0＝1khz方波訊號送入激勵訊號輸入點impulse_in。
② 用示波器觀察step_in測試點方波訊號經微分後的響應波形（等效為衝激激勵訊號）。
調節電位計w102，使電路分別工作在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼狀態，用示波器觀察三種狀態的衝激響應輸出波形並分析對應的電路引數。
1． 輸入點參考說明
step_in：階躍激勵訊號輸入點。
impulse_in：衝激激勵訊號輸入點。
2． 輸出點參考說明
response_out：階躍（衝激）響應訊號輸出點。
1. 觀察階躍響應與衝激響應時，為什麼要用週期方波作為激勵訊號？
2. 試分析週期方波經微分電路後形成的衝激訊號經7404緩衝輸出的原因；若不加緩衝輸出，得到的衝激響應波形會有何不同？
1. 描繪同樣時間軸階躍響應與衝激響應的輸入、輸出電壓波形時，要標明訊號幅度a、週期t、方波脈寬t1以及微分電路的τ值。
2. 分析實驗結果，說明電路引數變化對狀態的影響。
1. 熟悉系統的零輸入響應與零狀態響應的工作原理。
2. 掌握系統的零輸入響應與零狀態響應特性的觀察方法。
二．實驗內容
1. 用示波器觀察系統的零狀態響應波形。
2. 用示波器觀察系統的全響應波形。
1. 整理並繪出激勵訊號、系統的零輸入響應、零狀態響應和全響應波形。
2. 分析實驗結果，說明電路引數變化對響應波形的影響。
1. 訊號與系統實驗箱一台
2. 3000xh-1實驗模組一塊
3. 雙蹤示波器或虛擬示波器一台
4. 連線線若干
系統的響應可分解為零輸入響應和零狀態響應。首先考察乙個例項：在圖2-1中由rc組成一階rc系統，電容兩端有起始電壓vc(0-)，激勵源為e(t)。
re (tvc(0vc(t)
_圖2-1 一階rc系統
則系統的響應：
上式中第一項稱之為零輸入響應，與輸入激勵無關，零輸入響應是以初始電壓值開始，以指數規律進行衰減。
第二項與起始儲能無關，只與輸入激勵有關，被稱為零狀態響應。在不同的輸入訊號下，電路會表徵出不同的響應。
系統的零輸入響應與零狀態響應電路原理圖如圖2-2所示。實驗中為了便於示波器觀察，用週期方波作為激勵訊號，並且使rc電路的時間常數略小於方波訊號的半週期時間。電容的充、放電過程分別對應一階rc系統的零狀態響應和零輸入響應，通過加法器後得到系統的全響應。
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