信号与系统实验指导书(DOC)

信号与系统实验指导书

赵欣、王鹏

信息与电气工程学院

2006.6.26

前言

“信号与系统”是无线电技术、自动控制、生物医学电子工程、信号图象处理、空间技术等专业的一门重要的专业基础课，也是国内各院校相应专业的主干课程。

当前，科学技术的发展趋势既高度综合又高度分化，这要求高等院校培养的大学生，既要有坚实的理论基础，又要有严格的工程技术训练，不断提高实验研究能力、分析计算能力、总结归纳能力和解决各种实际问题的能力。21世纪要求培养“创造型、开发型、应用型”人才，即要求培养智力高、能力强、素质好的人才。

由于该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法都非常重要，而且系统性、理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，对学生加深理解、深入掌握基本理论和分析方法，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及使抽象的概念和理论形象化、具体化，对增强学习的兴趣有极大的好处，做好本课程的实验，是学好本课程的重要教学辅助环节。

在做完每个实验后，请务必写出详细的实验报告，包括实验方法、实验过程与结果、心得和体会等。

目录

实验一无源和有源滤波器 (1)

实验二方波信号的分解 (6)

实验三用同时分析法观测方波信号的频谱 (8)

实验四二阶网络状态轨迹的显示 (10)

实验五二阶网络函数的模拟 (14)

实验六抽样定理 (18)

附录 (22)

实验一无源和有源滤波器

一、实验目的

1、了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性。

2、对比研究无源和有源滤波器的滤波特性。

3、学会列写无源和有源滤波器网络函数的方法。

二、基本原理

1、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(通常是某个频带范围)的信号通过，而其它频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以是由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以是由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。

2、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。我们把能够通过的信号频率范围定义为通带，把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通带与阻带的分界点的频率f，称为截止频率或称转折频率。图1-1中的A up为通带的电压放大倍数，f0为中心频率，f CL和f CH分别为低端和高端截止频率。

A A up

f C f f C f

f CL f CH f f CL f CH f

图1-1 各种滤波器的理想幅频特性

四种滤波器的实验线路如图1-2所示：

图1-2

各种滤波器的实验线路图

(a) 无源低通滤波器

(c) 无源高通滤波器

0.01uF (e) 无源带通滤波器

0.01uF

0.01uF (g) 无源带阻滤波器 （h ）有源带阻滤波器

3、滤波器(如图1-3所示)的网络函数H(jω)，又称为传递函数。

()()()21

j ωωθωH =

=A ∠

它全面反映了滤波器的幅频和相频特性。

可以通过实验方法来测量滤波器的上述幅频特性A(ω)。

图1-3 滤波器

三、实验内容及步骤

1、用扫频电源和示波器(或交流数字电压表)，从总体上先观察各类滤波器的滤波特性。

步骤：滤波器的输入口接扫频电源的输出，滤波器的输出口接示波器或交流数字电压表(扫频电源的使用说明见附录)。

2、测试无源和有源低通滤波器的幅频特性。 例1：测试RC 无源低通滤波器的幅频特性。 实验线路如图1-4所示。

图1-4 RC 无源低通滤波器

实验时，必须在保持正弦波信号输出电压(U 1)不变的情况下，逐渐改变其输出频率，用实验箱提供的交流数字电压表(f<200KHz)，测量RC 滤波器输出端的电压U 2。当改变信号源频率时，都必须观测一下U 1是否保持稳定，数据如有改变应及时调整，将测量数据记入下表。

+

——

+ ——

U 2 U 1

滤 波 器

例2：测试RC有源低通滤器的幅频特性

实验线路如图1-5所示。

图1-5 RC有源低通滤器

取R=1K、C=0.01uF、放大系数K=1。将实验数据记入如上表的自拟表格中。

上述电路及电阻、电容在实验箱上均已装好，只要接入信号源和交流数字电压表即可进行实验。另外，在B型实验箱中，还可用各分立元器件进行接线组成各种滤波器电路，接线时要注意运算放大器输入端的极性，且反馈电阻R f只能接在反相输入端。

3、分别测试无源、有源HPF、BPF、BEF的幅频特性。

实验步骤、数据记录表格及实验内容，自行拟定。

4、研究各滤波器对方波信号或其它非正弦信号输入的响应(选做，实验步骤自拟)。

注意事项:

1、在实验测量过程中，必须始终保持正弦波信号源的输出(即滤波器的输入)电压U1不变，且输入信号幅度不宜过大。

2、在进行有源滤波器实验时，输出端不可短路，以免损坏运算放大器。

四、预习内容

1、为使实验能顺利进行，课前对教材和实验原理、内容、步骤、方法要作

充分预习(并预期实验的结果)。

2、推导各类无源和有源滤波器的网络函数，进一步掌握含有运算放大器电路的分析。

3、预期在方波激励下，各类滤波器的响应情况。

五、实验仪器及设备

1、信号与系统实验箱TKSS-A型或TKSS-B型或TKSS-C型。

2、双踪示波器。

六、实验结果

1、绘制在预习练习1中观察到的各种滤波器的滤波特性。

2、回答预习练习题2(可例举一种无源和有源滤波器)。

3、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。

4、比较分析各类无源和有源滤器的滤波特性。

5、分析在方波激励下，滤波器的响应情况(选做)。

6、其他心得体会及意见。

[注]：本次实验内容较多，根据情况可分两次进行。

七、思考题

1、频率为2KHz的方波信号，带宽为1KHz，可通过哪种滤波器滤波？截至频率为多少时，不会产生失真现象？