西北工业大学-信号与线性系统实验报告-实验五、实验六、实验七

西北工业大学信号与线性系统实验报告学号姓名：信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26实验五零输入响应与零状态响应分析1.实验内容电路的响应一般可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，电容两端有起始电压)0(cv，激励源为)(te。则系统响应——电容两端电压：deeRCvetvttRCvRCtc)(1)0()(0)(1上式中第一项称之为零输入响应，与输人激励无关，零输入响应)0(vRCtve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，电路会表征出不同的响应。2.实验过程1、系统的零输入响应特性观察：（1）通过信号选择键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35ms的方波信号。用短路线将脉冲信号输出端与“零输入响应与零状态响应”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，分别观察输出信号的波形。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时，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）通过信号选择键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35ms的方波信号。用短路线将脉冲信号输出端与“零输入响应与零状态响应”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，分别观察输出信号的波形。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时，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。3.实验数据用短路线将脉冲信号输出端与“零输入响应与零状态响应”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。信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26输入脉冲信号经过零输入、状态响应单元后的输出：输入脉冲信号：用短路线将X2端口相连，输入脉冲信号经过零输入、状态响应单元后的输出：用短路线将X3端口相连，输入脉冲信号经过零输入、状态响应单元后的输出：信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26其中，对应于输入脉冲信号低电平期间为系统零输入响应，高电平期间为零状态响应。4.实验结果分析及思考1、叙述如何观察系统的零输入响应？答：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时，相当于此时激励去掉。对应于输入脉冲信号的下降沿到下一个方波信号的上升沿，即低电平期间的响应，就是对应的零输入响应。而且这段时间系统响应也是以指数形式衰减的。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。答：理论上，零输入响应变化以指数形式衰减，遵循U=Us(1−𝑒−𝑡𝑅𝐶)X1，X1，X3端口R的值不同，可从图中看出信号以不同的曲率的指数函数形式衰减，实验结果基本符合理论预期。其中也可以看出，X1,X2,X3对应端口的电阻值递增。信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26实验六二阶串联、并联谐振系统1.实验内容在电路中电容、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：并联谐振电路的参数GCwQLCwCGa0012w0是谐振频率，a是衰减因子，其值愈大表示电路的能量损耗愈大，与之相对应品质因数Q愈高表示电路的损耗愈小。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：QfffB012从上式中可以看出，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。2.实验过程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～信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26500KHz。（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；3.实验数据1、串联谐振电路频响特性的观察：频率1000.000Hz峰峰值2.734V频率2000.000Hz峰峰值1.777V信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26频率3076.923Hz峰峰值1.250V频率4081.633Hz峰峰值1.016V频率5128.205Hz峰峰值0.820V并联2KΩ电阻：信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26频率1000.000Hz峰峰值2.754V频率5000.000Hz峰峰值0.840V频率5000.000Hz峰峰值0.840V信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26频率5000.000Hz峰峰值0.840V频率5000.000Hz峰峰值0.840V2、并联谐振电路频响特性的观察：最大值0.527V峰峰值0.879V频率5000.000Hz信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26最大值0.977V峰峰值1.797V频率2000.000Hz最大值0.762V峰峰值1.348V频率3030.303Hz最大值0.605V峰峰值1.055V频率4000.000Hz信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26最大值0.527V峰峰值0.879V频率5000.000Hz串联电阻改变R2最大值1.406V峰峰值2.656V频率1010.101Hz最大值0.996V峰峰值1.836V频率2000.000Hz信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26最大值0.762V峰峰值1.367V频率3030.303Hz最大值0.605V峰峰值1.055V频率4000.000Hz最大值0.527V峰峰值0.879V频率5000.000Hz4.实验结果分析及思考1、分析电阻对串联谐振电路参数影响？答：电阻值对幅频特性有影响，R越大，幅频越大；对电路的Q值有影响，Q=WL/R2、分析电阻对并联谐振电路参数影响？答：电阻值对幅频特性有影响，R越大，幅频越小；对电路的Q值有影响，Q=WL/R3、分析串联谐振电路与并联谐振电路性能上有哪些不同？答：对于并联谐振电路，当外加频率等于其谐振频率时其电路阻抗呈纯电阻性,且有最大值，信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26而串联谐振电路则有最小值。对于并联电路，当外加频率高于其谐振频率时,电路阻抗呈容性,，低于其谐振频率时则呈感性；而串联谐振电路电路则相反，当外加频率高于其谐振频率时呈感性，低于其谐振频率时,则呈容性。信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26实验七信号的抽样与恢复（ＰＡＭ）1.实验内容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。在满足抽样定理的条件下，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m(t)，如果它的最高频率为fh，则可以唯一地由频率等于或大于2fh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。2.实验过程按1.3节的方法设置JH5004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1KHz信号，在信号B组产生125KHZ信号输出，以及PAM所需的抽样时钟。1、采样冲击串的测量：在JH5004的“PAM抽样定理”模块的D(t)输入端测量采样冲击串，测量采样信号的频率。2、模拟信号的加入：用短路线将“信号A组”输出1KHz正弦信号与“PAM抽样定理”模块的信号输入X端相连。3、信号采样的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，用示波器比较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出的模拟信号，用示波器比较恢复出的信号与原始信号的关系与差别。5、用短路器连接“PAM抽样定理”模块的A与C端，重复上述实验。3.实验数据冲击串采样信号：信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26频率31645.570Hz输入的模拟信号（原始信号）：：采样信号，与上方采样序列进行对比：信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.26经过切比雪夫低通滤波器后的恢复信号：短接a、c端，重复试验：原始信号：恢复信号：信号与线性系统实验报告主持人：参与人：实验日期：2018.5.264.实验结果分析及思考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谱的形状是怎样的？答：是等距的窄矩形。2、用短路器连接“PAM抽样定理”模块的A与C端，由外部信号源产生一65KHz的正弦信号送入“PAM抽样定理”模块中，再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？答：思考题恢复信号（24khz巴特沃斯低通滤波器）：最大值0.184V峰峰值0.320V频率1503.759Hz恢复出来的是原信号，因为待取样信号必须是时限信号且取样频率需要大于等于原信号的两倍，因此由抽样定理可知可以无失真地恢复原始信号。