方波的傅里叶分解与合成
方波信号的分解与合成
方波信号的分解与合成方波信号是一种在电子技术中常见的信号类型，它被广泛应用于数字电路、通信系统和控制系统中。
方波信号被描述为周期性的，其波形为高电平和低电平两种状态的交替出现。
本文将介绍方波信号的分解与合成。
一、方波信号的分解方波信号可以看作是由多个正弦波信号组成的。
根据傅里叶级数定理，任何一个周期信号都可以表示成一系列正弦波的叠加。
因此，我们可以将方波信号分解成一系列正弦波信号的叠加。
具体来说，我们可以通过傅里叶级数公式将方波信号分解为无限个正弦波信号的叠加：f(t) = (4/π) * [sin(ωt) + (1/3)sin(3ωt) + (1/5)sin(5ωt) + ...]其中，ω是正弦波的角频率，由周期T计算得到：ω = 2π/T。
式中的系数表示了每个正弦波信号的幅值。
显然，随着正弦波频率的增加，其幅值逐渐减小，因此只需要保留前几项即可近似表示方波信号。
二、方波信号的合成与分解相反，我们也可以将多个正弦波信号合成成一个方波信号。
这可以通过将多个正弦波信号的叠加，利用傅里叶变换得到一个方波信号的过程实现。
具体来说，我们可以将多个正弦波信号的幅值和相位进行适当的调整，使它们的叠加形成一个方波信号。
这个过程可以通过傅里叶变换实现，傅里叶变换将多个正弦波信号的叠加转换为频域上的一个复杂函数，然后再通过反向变换回到时域上得到方波信号。
三、应用方波信号的分解和合成在许多领域中都有广泛的应用。
在数字电路中，方波信号可以用于实现各种逻辑门和计数器。
在通信系统中，方波信号可以用于数字调制和解调。
在控制系统中，方波信号可以用于实现各种控制算法和控制器。
总结：本文介绍了方波信号的分解和合成。
方波信号可以看作是由多个正弦波信号组成的，可以通过傅里叶级数定理进行分解。
同时，我们也可以将多个正弦波信号合成成一个方波信号，利用傅里叶变换实现。
方波信号在数字电路、通信系统和控制系统中有广泛的应用。
信号系统方波与三角波的傅里叶的分解与合成
实验<编号>学号姓名分工11350023 韦能龙编写代码11350024 熊栗问题分析1.问题描述实验二信号的合成与分解2. 问题分析此次主要是考察傅里叶的合成与分解，运用分解公式求出系数，运用合成公式合成函数，三角波和矩形波是很典型的连个列子，这个大作业只要分解出系数还有用合成公式，基本上就解决了问题了。
3. 实验代码与实验结果(1)周期性矩形波的系数表示,.....7,5,3,1),2sin(2==n npi kpi a k代码：t = -3:0.001:3;M = 1;%M =1,7,29,99 T = 2;W = 2*pi/T;f1 = 0*ones(1,length(t)); for n= -M:2:Ma = 2/(n*pi)*sin(n*pi/2); f1 = f1+a*exp(j*n*W*t); endplot(t,f1) xlabel('t') ylabel('f(t)')title('M=1，7,29,99时的方波') ylim([-1.5 1.5]); hold onplot(t , zeros(1,length(t))) hold off 图像： M =1时：M= 7：M = 29M = 99（2）三角波的系数表示：⎰⎰--==11)()(1dtet x dt et x Ta jkwtTjkwtk)2(sin 4212220npi pi n a a n==代码：t = -3:0.001:3;M = 1;%M =1,7,29,99 T = 1;W = 2*pi/T;G1= 0*ones(1,length(t)); for n= -M:M if n==0a =1/2; elsea = 4/(n^2*pi^2)*(sin(n*pi/2)^2) ; endG1 = G1+a*exp(j*n*W*t); endG1 = G1-0.5; plot(t,G1) xlabel('t') ylabel('G(t)')title('M=1时的三角波') ylim([-1.5 1.5]); hold onplot(t , zeros(1,length(t))) hold off M=1 时M=7 M=29M=99(3)t = 1/2时，)2cos()2sin(2)21(npi npi npie af MM n jnpit M M n n m∑∑-=-===±=0所以)(t f M 的值不受M 的影响 （4）实验结果表明，该超量误差不随M 的增加而减小 （5）实验表明，随着M 的增大，在t= 0处，)(t g M 逐渐收敛于1，呈现的最大误差|g(t) -)(t g M |随着M 的增大而减小，逐渐趋于0，与)(t f M 的超量误差不随M 的增大而减小的情况有所不同4.结论这个实验还是挺简单的，有了上个实验学习的matlab 基础，在完成系数的求解之后，用matlab 也很快就求出来了。
方波的傅里叶分解与合成
课 题 方波的傅立叶分解与合成教 学 目 的 1、用RLC 串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。
2、将一组振幅与相位可调正弦波由加法器合成方波。
3、了解傅立叶分析的物理含义和分析方法。
重 难 点 1、了解串联谐振电路的基本特性及在选频电路中的应用； 了解方波的傅立叶合成的物理意义。
2、选频电路将方波转换成奇数倍频正弦波的物理意义。
教 学 方 法 讲授与实验演示相结合。
学 时 3学时。
一．前言任何一个周期性函数都可以用傅立叶级数来表示，这种用傅立叶级数展开并进行分析的方法在数学、物理、工程技术等领域都有广泛的应用。
例如要消除某些电器、仪器或机械的噪声，就要分析这些噪声的主要频谱，从而找出消除噪声方法；又如要得到某种特殊的周期性电信号，可以利用傅立叶级数合成，将一系列正弦波形合成所需的电信号等。
本实验利用串联谐振电路，对方波电信号进行频谱分析，测量基频和各阶倍频信号的振幅以及它们之间的相位关系。
然后将此过程逆转，利用加法器将一组频率倍增而振幅和相位均可调节的正弦信号合成方波信号。
要求通过实验加深理解傅立叶分解和合成的物理意义，了解串联谐振电路的某些基本特性及在选频电路中的应用。
二.实验仪器FD-FLY-I 傅立叶分解合成仪，DF4320示波器，标准电感，电容箱。
三.实验原理任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，、 即：f (t)= 12a 0 +∑∞=+1)sin cos (n n nt n b t n aωω其中：T 为周期，ω为角频率。
ω =2πT；第一项为直流分量。
图1 方波所谓周期性函数的傅立叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有n 阶谐波的迭加。
如图所示的方波可以写成：f(t)={）（01)20(≤≤--≤≤t Th T t h此方波为奇函数，它没有常数项。
数学上可以证明此方波可表示为：f(t)= 4h π (sint ωt+13 sin3ωt+15 sin5ωt+17 sin7ωt ……)=4hπ()[]t n n n ω12sin 1211-⎪⎭⎫ ⎝⎛-∑∞= （a ）方波傅立叶分解的选频电路：实验线路图如图所示。
方波信号的分解与合成
实验四 方波信号的分解与合成任何电信号都是由各种不同频率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。
1822年法国数学家傅里叶在研究热传导理论时提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理。
奠定了傅里叶级数的理论基础、揭示了周期信号的本质，即任何周期信号（正弦信号除外）都可以看作是由无数不同频率、不同幅度的正弦波信号叠加而成的，就像物质都是由分子或者原子构成一样。
周期信号的基本单元信号是正弦谐波信号。
一、实验目的1、通过对周期方波信号进行分解，验证周期信号可以展开成正弦无穷级数的基本原理，了解周期方波信号的组成原理。
2、测量各次谐波的频率与幅度，分析方波信号的频谱。
3、观察基波与不同谐波合成时的变化规律。
4、通过方波信号合成的实验，了解数字通信中利用窄带通信系统传输数字信号（方波信号）的本质原理。
二、实验原理1、一般周期信号的正弦傅里叶级数按照傅里叶级数原理，任何周期信号在满足狄利克雷条件时都可以展开成如式2-3-1所示的无穷级数∑∑∑∞=∞=∞=+Ω+=Ω+Ω+=10110)cos(2)sin()cos(2)(n n n n n n n t n A A t n b t n a a t f ϕ （2-4-1）其中)cos(n n t n A ϕ+Ω称为周期信号的n 谐波分量，n 次谐波的频率为周期信号频率的n 倍，每一次的谐波的幅度随谐波次数的增加依次递减。
当0=n 时的谐波分量为2a （直流分量）。
当1=n 时的谐波分量为)cos(11ϕ+Ωt A （一次谐波或基波分量直流分量）。
2、一般周期信号的有限次谐波合成及其方均误差按照傅里叶级数的基本原理可知，周期信号的无穷级数展开中，各次谐波的频率按照基波信号的频率的整数倍依次递增，幅度值确随做谐波次数的增加依次递减，趋近于零。
因此，从信号能量分布的角度来讲，周期信号的能量主要分布在频率较低的有限次谐波分量上。
此原理在通信技术当中得到广泛应用，是通信技术的理论基础。
信号系统方波与三角波的傅里叶的分解与合成
信号系统方波与三角波的傅里叶的分解与合成实验学号 11350023 11350024 姓名韦能龙熊栗分工编写代码问题分析 1. 问题描述实验二信号的合成与分解2. 问题分析此次主要是考察傅里叶的合成与分解，运用分解公式求出系数，运用合成公式合成函数，三角波和矩形波是很典型的连个列子，这个大作业只要分解出系数还有用合成公式，基本上就解决了问题了。
3. 实验代码与实验结果(1)周期性矩形波的系数表示2npiak?sin(),n?1,3,5,7,..... kpi2代码：t = -3:0.001:3;M = 1;%M =1,7,29,99 T = 2;W = 2*pi/T;f1 = 0*ones(1,length(t)); for n= -M:2:Ma = 2/(n*pi)*sin(n*pi/2); f1 = f1+a*exp(j*n*W*t); endplot(t,f1) xlabel('t') ylabel('f(t)')title('M=1，7,29,99时的方波') ylim([-1.5 1.5]); hold onplot(t , zeros(1,length(t))) hold off 图像： M =1时：M= 7：M = 29M = 99（2）三角波的系数表示：1ak1?Ta0an?Tx(t)e?jkwtdt??x(t)e01?jkwtdt1?24npi2?sin()22npi2代码：t = -3:0.001:3;M = 1;%M =1,7,29,99 T = 1;W = 2*pi/T;G1= 0*ones(1,length(t)); for n= -M:M if n==0a =1/2; elsea = 4/(n *pi )*(sin(n*pi/2) ) ; endG1 = G1+a*exp(j*n*W*t); endG1 = G1-0.5; plot(t,G1) xlabel('t') ylabel('G(t)') title('M=1时的三角波') ylim([-1.5 1.5]); hold on plot(t , zeros(1,length(t))) hold off M=1 时。
方波的傅立叶级数合成与分解信号与系统方案
电子科技大学 光电信息学院 姜哲方波的合成与分解 【设计要求】(1) 熟悉连续周期信号的傅立叶级数定义。
(2) 连续周期方波信号的建模。
(3) 利用MATLAB 工具对方波分解出来的信号进行合成。
【设计工具】MATLAB 【设计原理】1、傅立叶级数分析的原理：任何周期信号都可以用一组三角函数｛sin(n ω0t)，cos(n ω0t)｝的组合表示：00()[cos()sin()]jn tnnn n x t a ea n t j n t ωωω+∞+∞=-∞=-∞==+∑∑这表明傅立叶级数可以表示为连续时间的周期信号，也即是连续时间周期信号可以分解为无数多个复指数谐波分量。
在这里n a 为傅立叶级数的系数，02Tπω=称为基波频率。
2、建立方波信号的模型：思考：如何建立连续周期方波信号？ ①预置一个周期的方波信号：-A(-T/2<t<0) 一个完整周期的信号表达式：0()x t =A (0<t<T/2)②对方波信号以周期T 进行平移：()()n x t x t nT ∞=-∞=-∑通过以上的两个步骤我们可以建立一个连续周期方波信号，为降低方波信号分解与合成的复杂程度，可以预置方波信号为奇谐信号，此连续时间周期方波信号如下：0(),(0,2)x sign t t ππ=-∈ 0()(2),(,)n x t x t n t π∞=-∞=-∈-∞+∞∑3、方波信号分解：根据傅立叶级数分析，其三角函数展开式为：000411()(sin sin 3sin 5 (35)x t t t t ωωωπ=+++ 0141sin()i An t nωπ∞==∑ n=1，3，5，7，9……由以上可知道，周期方波信号可以分解为一系列的正弦波信号：4A/π*（sin ω0t ）、4A/π*（sin(3ω0t)/3）、4A/π*（sin(5ω0t)/5）、4A/π*（sin(7ω0t)/7）、4A/π*（sin(9ω0t)/9）……其中ω0为周期方波信号的基波频率，A 为周期方波信号的幅值，此方波信号可以分解为各奇次谐波。
实验二-方波信号的分解与合成及相位、幅度对波形合成的影响
实验二 方波信号的分解与合成及相位、幅度对波形合成的影响（4学时）一 、实验目的1 、通过观察方波信号的分解与合成过程，理解利用傅利叶级数进行信号频谱分析的方法。
2 、了解频率失真和相位失真对方波信号合成波形的影响。
3、 加深理解相位对波形合成中的作用。
4、 加深理解幅值对波形合成的作用。
二 、实验内容1、通过观察方波信号的分解与合成过程，进一步理解信号的频谱分析方法。
2、了解频率失真和相位失真对方波信号合成波形的影响。
3、加深理解相位对波形合成中的作用。
4、加深理解幅值对波形合成的作用。
三、实验原理说明2．1电信号的分解任何电信号都是由各种不同频率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。
对周期信号由它的傅里叶级数展开可知，各次谐波为基波频率的整数倍。
而非周期信号包含了从零到无穷大的所有频率成分，每一频率成分的幅度均趋向无限小。
如图4－1所示方波信号的傅里叶级数展开式为)5sin 513sin 31(sin 4)( +++=t t t At f ωωωπ （2－1）其中Tπω2=为方波信号的角频率。
图2－1 方波信号由式（2－1）可知，方波信号中只含奇次谐波的正弦分量。
通过一选频网络可以将方波信号中所包含的各次谐波分量提取出来。
本实验采用有源带通滤波器作为选频网络，共5路。
各带通滤波器的B W＝2Hz，如图2－2所示。
将被测信号加到选频网络上，从每一带通滤波器的输出端可以用示波器观察到相应频率的谐波分量。
本实验采用的被测信号为100Hz的方波，通过各滤波器后，可观察到1、3、5次谐波，如图2－3。
而2、4次谐波在理想情况下应该无输出信号，但实际上方波可能有少量失真以及受滤波器本身滤波特性的限制而使偶次谐波分量未能达到理想的情况。
方波激励方波基波方波三次谐波方波五次谐波图2－3 方波的1、2、3次谐波实验电路图2．2．1电路框图SG305—SG315，SG315—SG403，调整“幅度调整”电位器（5f 0）为V 。
方波信号的分解与合成实验
方波信号的分解与合成实验08电师班文里连 007号实验三信号的基本运算实验方波信号的分解与合成实验1、实验目的:2.3.1(1) 了解各基本运算单元的构成(2) 掌握信号时域运算的运算法则2.7.1(1)了解方波的傅里叶变换和频谱特性(2) 掌握方波信号在十余上进行分解与合成的方法(3)掌握方波谐波分量的幅值和相位对信号合成的影响2、实验原理:2.3.2信号在时域中的运算有相加、相减、相乘、数乘、微分、积分。
(1)相加:信号在时域中相加时，横轴(时间轴)的横坐标值不变，仅是将横坐标值所对应的纵坐标值相加。
加法器完成功能:OUT=IN1+IN2(2)相减:信号在时域中相减时，横轴(时间轴)的横坐标值不变，仅是将横坐标值所对应的纵坐标值相减。
减法器完成功能:OUT=IN1-IN2(3)数乘:信号在时域中倍乘时，横轴(时间轴)的横坐标值不变，仅是将横坐标值所对应的纵坐标值扩大n倍。
(n>1时扩大;0<n<1时减小)。
数乘器完成功能:OUT=RP/R*IN(4)反相:信号在时域中反相时，横轴(时间轴)的横坐标值不变，仅是将横坐标值所对应的纵坐标值正负号。
反相器完成功能:OUT=-IN(5)微分:信号在时域微分即是对信号求一阶导数。
)积分:信号在时域积分即讲信号在(-?，t)内求一次积分。
(62.7.2(1)信号的傅里叶变换与频谱分析信号的时域特性与频域特性是对信号的两种不同描述方式。
对一个时域的周期信号f(t)，只要满足狄利克莱条件，就可展开成傅里叶级数:f(t)=a0/2+Σancos(nΩt)+Σbnsin(nΩt)=A0/2+ΣAncos(nΩt+Φn) 由式子得，信号f(t)时有直流分量和许多余弦或正弦分量组成。
其中A0/2是常数项，是周期信号中所包含的直流分量;第二项A1cos(Ωt+Φ1)称为基波，其角频率与原周期信号同，A1是基波振幅，Φ1是基波初相角;A2cos(Ωt+Φ2)称为二次谐波，其频率是基波的二倍，A2是基波振幅，Φ2是基波初相角。
方波信号的分解与合成实验报告
方波信号的分解与合成实验报告一、实验目的1.了解方波信号的特点和性质；2.学习使用傅里叶级数分解和合成方波信号；3.掌握实验仪器的使用方法和实验操作技巧。
二、实验原理1.方波信号的特点和性质方波信号是一种周期性的信号，其波形为矩形，即在一个周期内，信号的幅值在一段时间内为正，另一段时间内为负，且幅值大小相等。
方波信号的频率是指信号在一个周期内重复的次数，单位为赫兹（Hz）。
2.傅里叶级数分解和合成方波信号傅里叶级数是将一个周期性信号分解成一系列正弦和余弦函数的和的方法。
对于一个周期为T的周期性信号f(t)，其傅里叶级数表示为：f(t)=a0/2+Σ(an*cos(nωt)+bn*sin(nωt))其中，a0/2为信号的直流分量，an和bn为信号的交流分量，ω=2π/T为信号的角频率，n为正整数。
傅里叶级数合成是将一系列正弦和余弦函数的和合成为一个周期性信号的方法。
对于一个周期为T的周期性信号f(t)，其傅里叶级数合成表示为：f(t)=Σ(cncos(nωt)+dnsin(nωt))其中，cn和dn为信号的傅里叶系数，n为正整数。
三、实验器材和仪器1.示波器2.函数信号发生器3.万用表4.电阻箱5.电容箱四、实验步骤1.将函数信号发生器的输出设置为方波信号，频率为1kHz，幅值为5V。
2.将示波器的输入连接到函数信号发生器的输出端口。
3.调节示波器的水平和垂直控制，使得方波信号的波形清晰可见。
4.使用万用表测量方波信号的频率和幅值，并记录数据。
5.使用电阻箱和电容箱分别改变方波信号的频率和幅值，并记录数据。
6.使用傅里叶级数分解方法，将方波信号分解成一系列正弦和余弦函数的和，并记录数据。
7.使用傅里叶级数合成方法，将一系列正弦和余弦函数的和合成为一个周期性信号，并记录数据。
五、实验结果与分析1.方波信号的特点和性质通过示波器观察方波信号的波形，可以发现其具有矩形的特点，即在一个周期内，信号的幅值在一段时间内为正，另一段时间内为负，且幅值大小相等。
方波信号合成与分解
方波信号合成与分解在信号处理领域中，方波信号是一种非常常见的信号类型。
它的特点是在一个周期内，信号的幅值会在两个固定的值之间来回变化。
方波信号的合成和分解是信号处理中的基本操作之一，本文将对这两个操作进行详细介绍。
一、方波信号的合成方波信号的合成是指将多个不同频率的正弦波信号叠加在一起，得到一个具有方波形状的信号。
这个过程可以用傅里叶级数展开来描述。
傅里叶级数是一种将周期信号分解成一系列正弦波的方法，它可以将一个周期为T的信号f(t)表示为以下形式的级数：f(t) = a0 + Σ(an*cos(nωt) + bn*sin(nωt))其中，a0是信号的直流分量，an和bn是信号的交流分量，ω是角频率，n是正整数。
对于方波信号，它的傅里叶级数可以表示为：f(t) = (4/π) * Σ(sin((2n-1)ωt)/(2n-1))其中，ω是角频率，n是正整数。
这个式子的意思是，将一系列正弦波信号按照一定的权重相加，就可以得到一个方波信号。
这个权重是由sin((2n-1)ωt)/(2n-1)这个函数决定的，它的图像如下所示：图1：sin((2n-1)ωt)/(2n-1)的图像可以看到，当n越大时，这个函数的周期越短，振幅越小。
因此，只需要取前几项的和，就可以得到一个近似的方波信号。
二、方波信号的分解方波信号的分解是指将一个方波信号分解成多个不同频率的正弦波信号的和。
这个过程可以用傅里叶变换来描述。
傅里叶变换是一种将时域信号转换成频域信号的方法，它可以将一个信号f(t)表示为以下形式的积分：F(ω) = ∫f(t)*e^(-jωt)dt其中，F(ω)是信号在频域上的表示，e^(-jωt)是复指数函数，j是虚数单位。
对于方波信号，它的傅里叶变换可以表示为：F(ω) = (2/π) * Σ(1/n * sin(nω/2))这个式子的意思是，将一个方波信号在频域上表示为一系列正弦波信号的和，其中每个正弦波信号的频率是nω/2，振幅是1/n。
方波的傅里叶分解与合成-7页精选文档
方波的傅里叶分解与合成【实验目的】1.用RLC 串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。
2.将一组振幅与相位可调正弦波由加法器合成方波。
3.了解傅里叶分析的物理含义和分析方法。
【实验仪器】FD-FLY-A 型傅里叶分解与合成,示波器，电阻箱，电容箱，电感。
【实验原理】1.数学基础任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：∑∞=++=10)sin cos (21)(n n n t n b t n a a t f ωω其中：T 为周期，ω为角频率。
ω＝Tπ2；第一项20a 为直流分量。
所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有ｎ阶谐波的迭加。
如图1所示的方法可以写成：⎪⎩⎪⎨⎧<≤-<≤-=)02()20()(t TT t h ht f此方波为奇函数，它没有常数项。
数学上可以证明此方波可表示为：)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)(ΛΛ++++=t t t t ht f ωωωωπ =∑∞=--1])12sin[()121(4n t n n hωπ同样，对于如图2所示的三角波也可以表示为：)434()44()21(24)(T t T Tt T T th t T h t f <≤<≤-⎪⎩⎪⎨⎧-= )7sin 715sin 513sin 31(sin 8)(2222ΛΛ+-+-=t t t t h t f ωωωωπ=∑∞=----1212)12sin()12(1)1(8n n t n n hωπ2.周期性波形傅里叶分解的选频电路我们用RLC 串联谐振电路作为选频电路，对方波或三角波进行频谱分解。
在示波器上显示这些被分解的波形，测量它们的相对振幅。
我们还可以用一参考正弦波与被分解出的波形构成李萨如图形，确定基波与各次谐波的初相位关系。
本仪器具有1KH ｚ的方波和三角波供做傅里叶分解实验，方波和三角波的输出阻抗低，可以保证顺利地完成分解实验。
2016-2017年方波的傅立叶分解与合成（总结）
课 题 方波的傅立叶分解与合成教 学 目 的 1、用RLC 串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。
2、将一组振幅与相位可调正弦波由加法器合成方波。
3、了解傅立叶分析的物理含义和分析方法。
重 难 点 1、了解串联谐振电路的基本特性及在选频电路中的应用； 了解方波的傅立叶合成的物理意义。
2、选频电路将方波转换成奇数倍频正弦波的物理意义。
教 学 方 法 讲授与实验演示相结合。
学 时 3学时。
一．前言任何一个周期性函数都可以用傅立叶级数来表示，这种用傅立叶级数展开并进行分析的方法在数学、物理、工程技术等领域都有广泛的应用。
例如要消除某些电器、仪器或机械的噪声，就要分析这些噪声的主要频谱，从而找出消除噪声方法；又如要得到某种特殊的周期性电信号，可以利用傅立叶级数合成，将一系列正弦波形合成所需的电信号等。
本实验利用串联谐振电路，对方波电信号进行频谱分析，测量基频和各阶倍频信号的振幅以及它们之间的相位关系。
然后将此过程逆转，利用加法器将一组频率倍增而振幅和相位均可调节的正弦信号合成方波信号。
要求通过实验加深理解傅立叶分解和合成的物理意义，了解串联谐振电路的某些基本特性及在选频电路中的应用。
二.实验仪器FD-FLY-I 傅立叶分解合成仪，DF4320示波器，标准电感，电容箱。
三.实验原理任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，、 即：f (t)= 12 a 0 +∑∞=+1)sin cos (n n n t n b t n aωω其中：T 为周期，ω为角频率。
ω =2π；第一项为直流分量。
图1 方波所谓周期性函数的傅立叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有n 阶谐波的迭加。
如图所示的方波可以写成：f(t)={ ）（01)20(≤≤--≤≤t T h T t h 此方波为奇函数，它没有常数项。
数学上可以证明此方波可表示为：f(t)= 4h π (sint ωt+13 sin3ωt+15 sin5ωt+17sin7ωt ……) =4h π ()[]t n n n ω12sin 1211-⎪⎭⎫ ⎝⎛-∑∞= （a ）方波傅立叶分解的选频电路：实验线路图如图所示。
方波的傅里叶分解与合成
方波的傅里叶分解与合成【实验目的】1.用RLC 串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。
2.将一组振幅与相位可调正弦波由加法器合成方波。
3.了解傅里叶分析的物理含义和分析方法。
【实验仪器】FD-FLY-A 型傅里叶分解与合成,示波器，电阻箱，电容箱，电感。
【实验原理】1.数学基础任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：∑∞=++=10)sin cos (21)(n n n t n b t n a a t f ωω其中：T 为周期，ω为角频率。
ω＝T π2；第一项20a 为直流分量。
所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有ｎ阶谐波的迭加。
如图1所示的方法可以写成：⎪⎩⎪⎨⎧<≤-<≤-=)02()20()(t TT t h ht f此方波为奇函数，它没有常数项。
数学上可以证明此方波可表示为：)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)( ++++=t t t t ht f ωωωωπ=∑∞=--1])12sin[()121(4n t n n hωπ同样，对于如图2所示的三角波也可以表示为：)434()44()21(24)(Tt T T t T T t h t T ht f <≤<≤-⎪⎩⎪⎨⎧-= )7sin 715sin 513sin 31(sin 8)(2222 +-+-=t t t t h t f ωωωωπ=∑∞=----1212)12sin()12(1)1(8n n t n n hωπ 2.周期性波形傅里叶分解的选频电路我们用RLC 串联谐振电路作为选频电路，对方波或三角波进行频谱分解。
在示波器上显示这些被分解的波形，测量它们的相对振幅。
我们还可以用一参考正弦波与被分解出的波形构成李萨如图形，确定基波与各次谐波的初相位关系。
本仪器具有1KH ｚ的方波和三角波供做傅里叶分解实验，方波和三角波的输出阻抗低，可以保证顺利地完成分解实验。
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2、选频电路将方波转换成奇数倍频正弦波的物理意义。
教 学 方 法 讲授与实验演示相结合。
学
一、实验仪器
时 3 学时。
FD-FLY-I 傅立叶分解合成仪，DF4320 示波器，标准电感，电容箱。
二、原理 任何具有周期为 T 的波函数 f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：
(t)
1 2
f
当输入信号的频率与电路的谐振频率相匹配时，此电路将有最大的响应。谐振频率0 为：
1 0 = LC 这个响应的频带宽度以 Q 值来表示：
0 L Q＝ R
当 Q 值较大时，在0 附近的频带宽度较狭窄，所以实验中 我们应该选择 Q 值足够大，大到足够将基波与各次谐波分离出 来。
如果我们调节可变电容 C，在 n0 频率谐振，我们将从 此周期性波形中选择出这个单元。它的值为：
L=0.100H。
谐振时电容值 Ci( f )
谐振频率(KHz) 相对振幅(cm) 李萨如图
与参考正弦波位相差
0.253
将 1KHz 方波输入到 RLC 串联电路。如图 3 所示。然后调节电容值至 C1，C3，C5 值附近， 可以从示波器上读出只有可变电容调在 C1，C3，C5 时产生谐振，且可测得振幅分别为 b1，b3，b5；而调节到其它电容值时，却没有谐振出现。
实验数据如下：(供用户参考)
(一)取方波频率 f =1000Hz，取样电阻 R=22
T h (0≤t＜ 2 )
T -h (- 2 ≤t＜0)
1
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电通，力1根保过据护管生高线产中0不工资仅艺料可高试以中卷解资配决料置吊试技顶卷术层要是配求指置，机不对组规电在范气进高设行中备继资进电料行保试空护卷载高问与中题带资2负料2，荷试而下卷且高总可中体保资配障料置2试时32卷，3各调需类控要管试在路验最习；大题对限到设度位备内。进来在行确管调保路整机敷使组设其高过在中程正资1常料中工试，况卷要下安加与全强过，看度并25工且52作尽22下可护都能1关可地于以缩管正小路常故高工障中作高资；中料对资试于料卷继试连电卷接保破管护坏口进范处行围理整，高核或中对者资定对料值某试，些卷审异弯核常扁与高度校中固对资定图料盒纸试位，卷置编工.写况保复进护杂行层设自防备动腐与处跨装理接置，地高尤线中其弯资要曲料避半试免径卷错标调误高试高等方中，案资要，料求编试技5写、卷术重电保交要气护底设设装。备备置管4高调、动线中试电作敷资高气，设料中课并技3试资件且、术卷料中拒管试试调绝路包验卷试动敷含方技作设线案术，技槽以来术、及避管系免架统不等启必多动要项方高方案中式；资，对料为整试解套卷决启突高动然中过停语程机文中。电高因气中此课资，件料电中试力管卷高壁电中薄气资、设料接备试口进卷不行保严调护等试装问工置题作调，并试合且技理进术利行，用过要管关求线运电敷行力设高保技中护术资装。料置线试做缆卷到敷技准设术确原指灵则导活：。。在对对分于于线调差盒试动处过保，程护当中装不高置同中高电资中压料资回试料路卷试交技卷叉术调时问试，题技应，术采作是用为指金调发属试电隔人机板员一进，变行需压隔要器开在组处事在理前发；掌生同握内一图部线纸故槽资障内料时，、，强设需电备要回制进路造行须厂外同家部时出电切具源断高高习中中题资资电料料源试试，卷卷线试切缆验除敷报从设告而完与采毕相用，关高要技中进术资行资料检料试查，卷和并主检且要测了保处解护理现装。场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
方波的合成与分解
方波的合成与分解方波是一种特殊的波形，它的波形呈现出一种矩形的形状，即在一个周期内，波形的上升和下降都是突然的，没有任何渐变的过程。
方波在电子工程、通信工程、信号处理等领域中都有着广泛的应用。
在本文中，我们将探讨方波的合成与分解。
一、方波的合成方波的合成是指将多个正弦波按照一定的比例相加，得到一个近似于方波的波形。
这个过程也被称为傅里叶级数展开。
傅里叶级数展开的基本思想是，任何一个周期函数都可以表示为一系列正弦函数的叠加。
具体来说，我们可以将一个周期为T的方波表示为以下形式：f(t) = A0 + Σ(Ak*cos(kωt) + Bk*sin(kωt))其中，A0是直流分量，Ak和Bk是傅里叶系数，k是正整数，ω是角频率，ω=2π/T。
傅里叶级数展开的过程可以通过傅里叶变换来实现。
傅里叶变换是一种将时域信号转换为频域信号的方法，它可以将一个周期函数分解为一系列正弦函数的叠加。
具体来说，我们可以将一个周期为T 的函数f(t)表示为以下形式：f(t) = Σ(c(k)*exp(jkωt))其中，c(k)是傅里叶系数，k是正整数，ω是角频率，ω=2π/T，j 是虚数单位。
通过傅里叶变换，我们可以得到一个函数的频谱，即它在不同频率下的振幅和相位。
对于一个方波来说，它的频谱是一个包含无限多个正弦函数的级数，每个正弦函数的频率是原始方波频率的整数倍。
在实际应用中，我们通常只需要考虑前几个傅里叶系数即可。
例如，对于一个周期为T的方波，我们可以只考虑前n个傅里叶系数，即：f(t) ≈ A0 + Σ(Ak*cos(kωt) + Bk*sin(kωt)) (k=1,2,...,n)这样，我们就可以用有限个正弦函数的叠加来近似表示一个方波了。
二、方波的分解方波的分解是指将一个方波分解为多个正弦波的叠加。
这个过程也被称为傅里叶级数分解。
傅里叶级数分解的基本思想是，一个周期函数可以表示为一系列正弦函数的叠加，而每个正弦函数的频率是原始函数频率的整数倍。
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方波的傅里叶分解与合成教 学 目 的 1、用RLC 串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。
2、将一组振幅与相位可调正弦波由加法器合成方波。
3、了解傅立叶分析的物理含义和分析方法。
重 难 点 1、了解串联谐振电路的基本特性及在选频电路中的应用； 了解方波的傅立叶合成的物理意义。
2、选频电路将方波转换成奇数倍频正弦波的物理意义。
教 学 方 法 讲授与实验演示相结合。
学 时 3学时。
一、实验仪器FD-FLY-I 傅立叶分解合成仪，DF4320示波器，标准电感，电容箱。
二、原理任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：∑∞=++=10)sin cos (21)(n n n t n b t n a a t f ωω其中：T 为周期，ω为角频率。
ω＝T π2；第一项20a 为直流分量。
所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有ｎ阶谐波的迭加。
如图1所示的方法可以写成：h (0≤t ＜2T))(t f =-h (-2T≤t ＜0)此方波为奇函数，它没有常数项。
数学上可以证明此方波可表示为：)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)( ++++=t t t t h t f ωωωωπ∑∞=--1])12sin[()121(4n t n n hωπ同样，对于如图2所示的三角波也可以表示为：tT h4 (-4T ≤t ≤4T ))(t f =2h(1-T t 2) (4T ≤t ≤43T))7sin 715sin 513sin 31(sin 8)(2222 +-+-=t t t t ht f ωωωωπ∑∞=----1212)12sin()12(1)1(8n n tn n hωπ（a ）周期性波形傅里叶分解的选频电路我们用RLC 串联谐振电路作为选频电路，对方波或三角波进行频谱分解。
在示波器上显示这些被分解的波形，测量它们的相对振幅。
我们还可以用一参考正弦波与被分解出的波形构成李萨如图形，确定基波与各次谐波的初相位关系。
本仪器具有1KH ｚ的方波和三角波供做傅里叶分解实验，方波和三角波的输出阻抗低，可以保证顺利地完成分解实验。
实验线路图如图3所示。
这是一个简单的RLC 电路，其中R 、C 是可变的。
L 一般取0.1H~1H 范围。
当输入信号的频率与电路的谐振频率相匹配时，此电路将有最大的响应。
谐振频率0ω为：0ω=LC 1这个响应的频带宽度以Q 值来表示：Q ＝R L 0ω当Q 值较大时，在0ω附近的频带宽度较狭窄，所以实验中我们应该选择Q 值足够大，大到足够将基波与各次谐波分离出来。
如果我们调节可变电容C ，在n 0ω频率谐振，我们将从此周期性波形中选择出这个单元。
它的值为：t n b t V n 0sin )(ω= 图3 波形分解的RLC 串联电路这时电阻R 两端电压为：)sin()(00ϕω+=t n R I t V R此式中R Xtg 1==ϕ，X 为串联电路感抗和容抗之和Z b I n=0， Z 为串联电路的总阻抗。
在谐振状态X ＝0此时，阻抗Z ＝ｒ＋R ＋R L ＋R C ＝ｒ＋R ＋R L其中，ｒ方波（或三角波）电源的内阻；R 为取样电阻；R L 为电感的损耗电阻；R C 为标准电容的损耗电阻。
(R C 值常因较小而忽略）由于电感用良导体缠绕而成，由于趋肤效应，R L 的数个将随频率的增加而增加。
实验证明碳膜电阻及电阻箱的阻值在1KHz~7KHz 范围内，阻值不随频率变化。
(b) 傅里叶级数的合成本仪器提供振幅和相位连续可调的1KHz ，3KHz ，5KHz ，7KHz 四组正弦波。
如果将这四组正弦波的初相位和振幅按一定要求调节好以后，输入到加法器，叠加后，就可以分别合成出方波、三角波等波形。
三、实验内容和使用方法A 、方波的傅里叶分解1KHz t sin ω3KHz t sin ω5KHz t sin ω1、 求RLC 串联电路对1KHz ，3KHz ，5KHz 正弦波谐振时的电容值C 1、C 3、C 5，并与理论值进行比较。
实验中，要求学生观察在谐振状态时，电源总电压与电阻两端电压的关系。
学生可从李萨如图为一直线，说明此时电路显示电阻性。
理论值L C i i 21ω=表1为1KHz 、3KHz 、5KHz 正弦波谐振时测得电容值，仅供参考。
2、将1KHz 方波进行频谱分解，测量基波和n 阶谐波的相对振幅和相对相位。
将1KHz 方波输入到RLC 串联电路。
如图3所示。
然后调节电容值至C 1，C 3，C 5值附近，可以从示波器上读出只有可变电容调在C 1，C 3，C 5时产生谐振，且可测得振幅分别为b 1，b 3，b 5；而调节到其它电容值时，却没有谐振出现。
实验数据如下：(供用户参考) (一)取方波频率f =1000Hz ，取样电阻R=22Ω ，信号源内阻测量得r=6.0Ω电感L=0.100H 。
(二) 取方波频率f =1000Hz ，取样电阻R=500Ω，测得信号源内阻r=6.0Ω，L=1.00H 。
从上述数据中可以看出：(1) 方波傅里叶分解时，只能得到1KHz 、3KHz 、5KHz 正弦波，而2KHz 、4KHz 、6KHz 等正弦波是不存在的。
(2)电感用铜线缠绕，由于存在趋肤效应，其损耗电阻随频率升高而增加，因此使3KHz 、5KHz 谐波振幅数值比理论值偏小，此系统误差应进行校正。
次谐波初相位相同。
3、不同频率电流通过电感损耗电阻的测定。
对1H 空心电感可采用Q5型品质因素测量仪(低频Q 表)测量。
对于0.1H 空心电感可用下述方法测定损耗电阻R 。
自己接一个如图4的串联谐振电路。
测量在谐振状态时，信号源输出电压V AB 和取样电阻R 两端的电压V R ，可计算出R L =R L +R C 的值。
R C 为标准电容的损耗电阻，一般较小可忽略。
测量V AB 、V R 电压可用示波器，也可用其它交流伏特表。
4、相对振幅测量时，系统误差的校正。
可用分压原理校正。
若：b 3为3KH Z 谐波校正后振幅b ’3为3KHz 谐波未被校正时振幅。
R L1为1KHz 使用频率时损耗电阻。
R L3为3KHz 使用频率时损耗电阻。
则：r R R Rr R R R b b L L ++++=31'33::r R R r R R b b L L ++++⨯=13'33对5KHz ，谐波也可作类似的校正。
例：基波1KHz, b 1=6.00cm谐波3KHz ， b 1=1.80cm07.20.60.220.260.60.220.34=++++⨯谐波5KHz ， b 5=0.90 × cm3.10.60.220.260.60.220.53=++++ 经校正后，基波和谐波的振幅为1:31:51，与理论值符合较好。
B 、傅里叶级数合成： 1、方波的合成)7sin 715sin 513sin 31(sin 4)( t t t t hx f ωωωωπ+++=以上式中可知，方波由一系列正弦波(奇函数)合成。
这一系列正弦波振幅比为1:31:51:71，它们的初相位为同相。
a bca 、1KHz 正弦波；b 、1KHz 、3KHz 正弦波迭加；c 、1KHz 、3KHz 、5KHz 、正弦波迭加。
实验步骤如下：(1) 用李萨如图形反复调节各组移相器1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波同位相。
调节方法是示波器X 轴输入1KHz 正弦波：而Y 轴输入1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波在示波器上显示如下波形时：图5此时，基波和各阶谐波初相位相同。
也可以用双踪示波器调节1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波初相位同相。
(2)调节1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波振幅比为1:31:51:71。
(3)将1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波逐次输入加法器，观察合成波形变化，最后可看到近似方波图形。
方波合成过程如图6所示。
从傅里叶级数迭加过程可以得出：(1) 合成的方波的振幅与它的基波振幅比为1:π4；(2) 基波上迭加谐波越多，越趋近于方波。
(3) 学生可观察迭加谐波越多，合成方波前沿、后沿越陡直。
2、三角波的合成（选做）三角波傅里叶级数表示式：)77sin 55sin 33sin 1sin (8)(22222 +-+-=t t t t h t f ωωωωπ图 6四、实验数据及处理1、分解方波f=1000HZ ;取样电阻R= Ω;信号源内阻r=6.0Ω; L=0.10H 表 1表2、合成（1）画出１KHz、３KHz、５KHz、７KHz各谐波初相位的图（2）记下１KHz、３KHz、５KHz、７KHz各正旋波的振幅（3）画出合成后的近似方波的波形图（画二个周期）。