電氣學科大類
2012級
《訊號與控制綜合實驗》課程
實驗報告
(基本實驗一：訊號與系統基本實驗)
姓名** 學號u201211*** 專業班號電氣12**同組者1 ** 學號u201211***專業班號電氣12**同組者2 學號專業班號
指導教師
日期11月10日
實驗成績
評閱人目錄1.實驗一常用訊號觀察 (1)
1.1.任務和目標 (1)
1.2.總體設計方案 (1)
1.3.實驗過程及結果 (1)
1.4.實驗心得 (2)
2.實驗二零輸入響應、零狀態響應及完全響應 (2)
2.1.任務和目標 (2)
2.2.總體設計方案 (2)
2.3.實驗步驟 (2)
2.4.實驗結果 (3)
2.5.實驗分析 (3)
2.6.實驗小結 (4)
3.實驗五無源濾波器與有源濾波器 (4)
3.1.任務和目標 (4)
3.2.總體設計方案 (4)
3.3.實驗步驟 (4)
3.4.實驗結果 (4)
3.5.實驗分析 (8)
3.6.實驗小結 (8)
4.實驗六lpf、hpf、bpf、bef間的變換 (8)
4.1.任務與目標 (8)
4.2.總體設計方案 (8)
4.3.實驗步驟 (8)
4.4.實驗結果 (9)
4.5.實驗分析 (11)
4.6.實驗小結 (11)
5.實驗七訊號的採集與恢復 (11)
5.1.任務與目標 (11)
5.2.總體設計方案 (11)
5.3.實驗步驟 (11)
5.4.實驗結果 (11)
5.5.實驗分析 (13)
5.6.實驗小結 (14)
6.實驗八調製與解調 (14)
6.1.任務與目標 (14)
6.2.總體設計方案 (14)
6.3.實驗步驟 (14)
6.4.實驗結果 (15)
6.5.實驗分析 (15)
6.6.實驗小結 (15)
參考文獻 (16)
1.實驗一常用訊號觀察
1.1.任務和目標
了解常見訊號特點，學會使用訊號發生器、示波器和可程式設計直流電源。掌握基本的誤差觀察和分析方法。
1.2.總體設計方案
用訊號發生器產生方波、三角波、鋸齒波等訊號，以及一組合訊號；並用示波器測量該訊號。
1.3.實驗過程及結果
圖1.方波波形圖2.三角波波形
圖3.鋸齒波波形圖4.正方波波形
圖5.組合波形
1.4.實驗心得
本次實驗主要是訓練各種儀器的使用，因為上學期有過電子技術的實驗，對各種儀器的操作還算順利。只是在可程式設計直流電源的使用上與以前使用的不大一樣，不過在簡單的了解了一下後，也掌握了它的使用方法。總的說來，各個儀器都是大同小異，不過這次用的各類儀器感覺確實比上次的更加好用方便一些。
2.實驗二零輸入響應、零狀態響應及完全響應
2.1.任務和目標
通過實驗進一步了解零輸入響應、零狀態響應和完全響應的原理。
2.2.總體設計方案
參見文獻[1]29頁。
2.3.實驗步驟
閉合開關s2，電容c上的輸出電壓便是零狀態響應的過程，充電完畢後。斷開開關s2，閉合開關s3，則電容c上的輸出電壓是零輸入響應的過程。待放電完畢後，開啟開關s3，閉合開關s2，等電容充電電壓達到5v後，斷開開關s2，閉合開關s1，則該過程是完全響應。
按照上述實驗步驟，可以在示波器上觀察到如下波形。
圖6 零狀態響應圖7 零輸入響應
圖8 完全相應
2.5.實驗分析
對於零狀態響應，將5v的電壓加在由r1和c構成的電路上時，電容c從無儲能狀態開始充電，示波器上顯示的波形，如文獻[1]第29頁給出的電壓表示式一樣，其充電過程是乙個指數增長過程。對於零輸入響應，同樣可以看出是乙個指數衰減的過程。最後，對於完全響應，也正如**的呈現了乙個階梯的增長過程。
本次試驗雖然很簡單，但是也讓我更加進一步的認識了電容的充放電過程，也加深了對零狀態響應、零輸入響應和全響應的認識。
3.實驗五無源濾波器與有源濾波器
3.1.任務和目標
了解有源濾波器和無源濾波器的種類、結構和特性，並且掌握無源濾波器和有源濾波器的引數設計方法。
3.2.總體設計方案
參見文獻[1] 第37頁。
3.3.實驗步驟
1)接通電源，先在示波器上總體觀察各類濾波器的幅頻特性。
2)保證實驗的輸入的正弦波訊號幅值不變，逐漸改變輸入訊號的頻率，依次測
量無源lpf、hpf、bpf、bef和有源lpf、hpf、bpf、bef的輸出電壓並記錄。
3)做出各類濾波器的幅頻特性曲線，注意將同型別的無源濾波器和有源濾波器
繪製在同一座標平面上。
3.4.實驗結果
1)無源低通和有源低通
表3.4.1 無源低通測量資料
表3.4.2 有源低通測量資料
圖3.4.1 無源低通和有源低通幅頻特性曲線2)無源高通和有源高通
表3.4.3 無源高通測量資料
表3.4.4 有源高通測量資料
圖3.4.2 無源高通和有源高通幅頻特性曲線
3)無源帶通和有源帶通
表3.4.5 無源帶通測量與計算資料
表3.4.6 有源帶通測量與計算資料
圖3.4.3 無源帶通和有源帶通幅頻特性曲線
4)無源帶阻和有源帶阻
表3.4.7 無源帶阻測量與計算資料
表3.4.8 有源帶阻測量與計算資料
圖3.4.4 無源帶阻和有源帶阻幅頻特性曲線
從3.4的實驗結果來看，總的來說有源濾波器比無源濾波器的濾波效果更好，表現在其頻率響應速度更快、輸出增益更加接近於1 。這主要是因為有源濾波器的運放器很大的輸入電阻，在很大程度上減小了無源濾波器分壓電阻所分的電壓。
從所做出的圖來看無源低通濾波器lpf的截止頻率大約為700hz，而有源低通濾波器的截止頻率大約為1300hz；無源高通濾波器的截止頻率大約為3700hz，有源高通截止頻率大約為2300hz；無源帶通濾波器的下限截止頻率大約為300 hz，上限截止頻率大約為5000 hz，有源帶通濾波器的下限截止頻率大約為500 hz，上限截止頻率大約為5100 hz；無源帶阻濾波器的下限截止頻率大約為500hz，上限截止頻率大約為4300hz，有源帶阻濾波器的下限截止頻率大約為650hz，上線截止頻率大約為3200hz 。
3.6.實驗小結
本次實驗加深了我對濾波器的認識，也更加直觀的看到有源濾波器比無源濾波器的效能優良。同時實驗資料的處理過程中，也體會到用excel的方便。
4.實驗六lpf、hpf、bpf、bef間的變換
4.1.任務與目標
進一步理解低通、高通與帶通等不同型別濾波器間的轉換關係。
4.2.總體設計方案
參見文獻[1] 第39頁。
4.3.實驗步驟
1)將有源濾波電路接通電源。
2)改變輸入訊號的頻率（由小到大變化），用示波器觀察lpf輸出幅值的變化，
並記錄。
3)再逐步觀察hpf、bpf和bef的幅值變化，並記錄。
1)帶通電路
表4.4.1 帶通及其構成電路測量與計算值
圖4.4.1 帶通及其組成電路幅頻特性曲線
2)帶阻電路
表4.4.2 帶阻及其組成電路測量與計算值
圖4.4.1 帶阻及其組成電路幅頻特性曲線
4.5.實驗分析
帶通濾波器是由低通電路和高通電路串聯組成的，其中低通電路的上限頻率大於高通電路的下限頻率。正如所得到的幅頻特性曲線所示，通頻段為低通和高通的重合部分。
帶阻濾波器是由低通濾波器和高通濾波器併聯組成的，其中低通電路的上限頻率小於高通電路的下限頻率。如幅頻特性所示通頻段為低通的低頻段和高通的高頻段，其阻頻為兩者增益均很小的頻段。
4.6.實驗小結
本次實驗與實驗五基本相同，但是這次實驗更加加深了我對濾波器的認識，不同型別的濾波器的進行適當的組合，就可以得到所需求的濾波器。
5.實驗七訊號的採集與恢復
5.1.任務與目標
了解訊號的取樣方法與訊號的恢復。
5.2.總體設計方案
參見文獻[1]第43頁。
5.3.實驗步驟
1)連線好取樣脈衝（方波）訊號發生器、取樣器（取樣開關）、lpf組成的採
樣恢復電路。
2)用函式發生器，輸入100hz左右的正弦訊號給電路板的輸入端，觀察輸出
訊號，以及通過lpf濾波後的訊號。
3)改變輸入訊號的頻率，再觀察輸出訊號，以及通過lpf濾波後的訊號。
4)改變被採集訊號為其他波形，在重複試驗。
5.4.實驗結果
1)5hz正弦波的取樣與恢復
圖5.4.1 5hz被取樣訊號與取樣後訊號圖5.4.2 5hz被取樣訊號與恢復訊號2)100hz正弦波的取樣與恢復
圖5.4.3 100hz被取樣訊號與取樣後訊號圖5.4.4 100hz被取樣訊號與恢復訊號3)1000hz正弦波的取樣與恢復
圖5.4.5 1khz被取樣訊號與取樣後訊號圖5.4.6 1khz被取樣訊號與恢復訊號
4)三角波的取樣與恢復
圖5.4.7 三角波被取樣訊號與取樣後訊號圖5.4.8 三角波被取樣訊號與恢復訊號
注：以上通道1（上面）為被被取樣訊號（原訊號），通道2分別為取樣後訊號和恢復訊號
5)取樣訊號
圖5.4.9 取樣訊號波形
5.5.實驗分析
首先我們可以從圖5.4.5中得到取樣訊號的頻率大約為1khz，這是從tp2埠測量的波形。取樣後訊號是從tp4從測量得到的，經過lpf濾波器濾波後，從tp5得到恢復訊號。
從實驗結果(1)5hz正弦波的取樣與恢復可以看出，在正弦被取樣訊號頻率遠低於取樣訊號的時候,可以正確的取樣，並且較為完整的恢復，只是恢復後的幅值低於原訊號的幅值。
從實驗結果(2)100hz正弦波的取樣與恢復可以看出，在正弦被取樣訊號提高後，仍然可以正確的取樣，只是恢復後的波形幅值衰減並且有明顯的滯後。
從實驗結果(3)1000hz正弦波的取樣與恢復可以看出，在正弦被取樣訊號的頻率達到取樣訊號的頻率時，已經不能正確的取樣，從恢復後的波形更可以明顯看出恢復波形頻率、幅值等均發生明顯改變。
從實驗結果(4)三角波的取樣與恢復可以看出，對於三角波這樣的非正弦訊號，在取樣過程中可以正常的完成，只是恢復時，不能精確的恢復，三角波的頂峰變的圓滑。
從上面分析，可以總結出，取樣訊號的頻率越大於被取樣訊號的頻率，其取樣效果越好。其必須滿足的條件是ωs ≥ 2ωm ，ωs為取樣訊號的頻率，ωm為原訊號占有的頻頻寬度。
5.6.實驗小結
本次實驗對訊號進行取樣與恢復，使得我加深了訊號系統中那部分知識的認識，同時我也了解到電子開關神奇的作用。
6.實驗八調製與解調
6.1.任務與目標
了解調製與解調的原理，觀察調製和解調後的波形，掌握整合模擬乘法器或其他整合晶元在實現電路方案時的各種應用。
6.2.總體設計方案
參見文獻[1]第47頁。
6.3.實驗步驟
1)利用實驗板所提供的500hz正弦訊號作為調製訊號，然後用訊號發生器產
生20khz的正弦訊號為載波訊號，兩訊號的地應連在一起。
2)接通電源，觀察調製訊號的輸出（不接解調部分），觀察調幅器的輸出波形。
3)將調幅訊號的輸出接到調製訊號的調幅訊號的輸入端上，載波接到載波信
號輸入端上，調製訊號輸出接到lpf輸入端上。用雙蹤示波器分別觀察調
制訊號（原訊號）和lpf輸出訊號（調製解調後的訊號），並記錄波形。
6.4.實驗結果
圖6.4.1 被調製訊號圖6.4.2 被調製訊號與調製訊號
圖6.4.3 被調製訊號與解調訊號圖6.4.4 被調製訊號與解調濾波後訊號
6.5.實驗分析
調製是用乙個訊號去控制另乙個訊號的某個參量，產生調製訊號。在該實驗中，使用了20khz的正弦波訊號作為載波訊號，同時也為解調使用的調製訊號，513hz 的正弦波訊號作為被調製訊號。
可以看到在513hz的訊號在調製後，成為橢圓形，解調後能基本看出原訊號的波形，但是其雜波很大，再經過lpf後，以幾乎和原訊號形似。但是仍然有雜波，這主要是因為調製後的訊號通過的傳輸線並非理想通道，高頻的訊號受分布電容的影響，產生畸變。同時後面的濾波環節也並不能完全濾去各種諧波，最後得到並不完全相同的波形。
6.6.實驗小結
本次實驗調製與解調，讓我學到了訊號傳輸的原理，將所需要傳播的訊號載入到合適載波訊號上，可以避免訊號傳遞過程中的重疊。同時本次實驗中再一次用到了濾波器，可見濾波器在訊號處理中的廣泛應用。
參考文獻
[1] 熊蕊.訊號與控制綜合實驗教程. 華中科技大學出版社.2010
實驗評分表
華科 訊號與系統實驗報告
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