信号与系统实验指导书精品课程建设课题组中国农业大学电子信息系2009.12
信号与系统实验指导书 精品课程建设课题组 中国农业大学电子信息系 2009．12
实验内容目录实验一典型电信号的观察与测量实验二零输入、零状态及完全响应实验三信号的采样与恢复实验四信号的（无失真）传输实验五非正弦周期信号的分解与合成实验六低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换实验七付里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换应用实验八系统的频域响应
实验内容目录 实验一 典型电信号的观察与测量 实验二 零输入、零状态及完全响应 实验三 信号的采样与恢复 实验四 信号的（无失真）传输 实验五 非正弦周期信号的分解与合成 实验六 低通、高通、带通、带阻滤波器间的变换 实验七 付里叶变换、拉普拉斯变换、Z 变换应用 实验八 系统的频域响应
实验一典型电信号的观察与测量一、实验目的1.学习TH-SG01P型功率函数信号发生器（本部分所指信号发生器均为此功率函数信号发生器）各旋钮、开关的作用及其使用方法。2．学习虚拟示波器（本部分所用示波器均为此虚拟示波器）的使用方法。二、实验设备1.信号与系统实验（一）挂件。2.TH-SGO1P型功率函数信号发生器。3.虚拟示波器。三、实验原理描述信号的方法有多种，可以是数学表达式（时间的函数），也可以是函数图形（即为信号的波形)。本实验主要是用电脑显示屏(即虚拟示波器)观测周期函数信号，如正弦波、方波、三角波、脉冲序列以及各种非正弦周期函数波形，每个波形都有它的波形参数，正弦波有其三要素即最大值、周期和初相，脉冲波有幅值、周期与脉宽占空比等参数，四、实验内容1.观察常用的信号，如正弦波、方波、三角波以及不同占空比的序列脉冲。2．用示波器测量信号，读取信号的各种参数，并记录波形。五、实验步骤1.连接虚拟示波器的并口通讯线，打开实验台上信号发生器的电源2．将信号发生器的输出端接到虚拟示波器的输入通道CH1或者CH2上，打开虚拟示波器窗口，观察不同函数波形，并测定它们的波形参数。六、实验报告1．根据实验测得的数据，绘制各个信号的波形图，并写出相应的数学函数表达式。实验二零输入、零状态及完全响应一、实验目的1．通过实验，进一步了解系统的零输入响应、零状态响应和完全响应的原理。2．掌握用简单的R-C电路观测零输入响应、零状态响应和完全响应的实验方法。二、实验设备1.信号与系统实验（一）2.虚拟示波器三、实验内容1．连接一个能观测零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图（参考图2-1)
实验一 典型电信号的观察与测量 一、实验目的 1．学习 TH-SG01P 型功率函数信号发生器（本部分所指信号发生器均为此功率函数信 号发生器）各旋钮、开关的作用及其使用方法。 2．学习虚拟示波器（本部分所用示波器均为此虚拟示波器）的使用方法。 二、实验设备 1．信号与系统实验（一）挂件。 2．TH-SG01P 型功率函数信号发生器。 3．虚拟示波器。 三、实验原理 描述信号的方法有多种，可以是数学表达式（时间的函数），也可以是函数图形（即为 信号的波形）。 本实验主要是用电脑显示屏(即虚拟示波器)观测周期函数信号，如正弦波、方波、三角 波、脉冲序列以及各种非正弦周期函数波形，每个波形都有它的波形参数，正弦波有其三要 素即最大值、周期和初相，脉冲波有幅值、周期与脉宽占空比等参数。 四、实验内容 1．观察常用的信号，如正弦波、方波、三角波以及不同占空比的序列脉冲。 2．用示波器测量信号，读取信号的各种参数，并记录波形。 五、实验步骤 1．连接虚拟示波器的并口通讯线，打开实验台上信号发生器的电源。 2．将信号发生器的输出端接到虚拟示波器的输入通道 CH1 或者 CH2 上，打开虚拟示 波器窗口，观察不同函数波形，并测定它们的波形参数。 六、实验报告 1．根据实验测得的数据，绘制各个信号的波形图，并写出相应的数学函数表达式。 实验二 零输入、零状态及完全响应 一、实验目的 1．通过实验，进一步了解系统的零输入响应、零状态响应和完全响应的原理。 2．掌握用简单的 R-C 电路观测零输入响应、零状态响应和完全响应的实验方法。 二、实验设备 1．信号与系统实验（一） 2．虚拟示波器 三、实验内容 1．连接一个能观测零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图（参考图 2-1）
2．分别观测该电路的零输入响应、零状态响应和完全响应的动态曲线。四、实验原理1．零输入响应、零状态响应和完全响应的模拟电路如图2-1所示。R0Io u(E=15VL图2-1零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图2.图2-1中的开关K2拨到1处，则由回路可得iR+Uc=E(1)：i=c业。，则上式改为Rcle +U,=E(2)RCUe (S) -RCUe (0) +Ue (S) =对上式取拉式变换得：RCU(0）15其中U。(0)=5V.U (S)=S(RCS+1)RCS+1$+品s++5eRC(3)J(t)1-6ue(t)15F?10f/(1)图2-2零输入响应、零状态响应和完全响应曲线其中：①零输入响应②--零状态响应③-完全响应式(3)等号右方的第二项为零输入响应，即由初始条件激励下的输出响应；第一项为零状态响应，它描述了初始条件为零（Uc（0）=0）时，电路在输入E=15V作用下的输出响应，显然它们之和为电路的完全响应，图2-2所示的曲线表示这三种的响应过程五、实验步骤1.零输入响应将K；拨到2、K2拨到1，使+5V直流电源对电容C充电，待充电完毕后，将K2拨到2，用示波器观测Uc（t）的变化。2．零状态响应先将Kz拨到2，使电容两端的电压放电完毕，将Ki拨到1、Kz拨到1，用示波器观测15V直流电压向电容C的充电过程
2．分别观测该电路的零输入响应、零状态响应和完全响应的动态曲线。 四、实验原理 1．零输入响应、零状态响应和完全响应的模拟电路如图 2-1 所示。 图 2-1 零输入响应、零状态响应和完全响应的电路图 2．图 2-1 中的开关 K2 拨到 1 处，则由回路可得 iR+Uc＝E (1) ∵ i＝C dt dUc ，则上式改为 ＝E c U dt c dU RC + (2) 对上式取拉式变换得： RCUC（S）-RCUC（0）+UC（S）＝ S 15 ∴ RC 1 S 5 RC 1 S 15 S 15 ＝ RCS 1 RCU（0） S（RCS 1） 15 （S）＝ c U c + + + − + + + ，其中 Uc(0)= 5V t RC 1 - 5e t RC 1 - （t）＝15 1 e c U + − (3) 图 2-2 零输入响应、零状态响应和完全响应曲线 其中：①-零输入响应 ②-零状态响应 ③-完全响应 式(3)等号右方的第二项为零输入响应，即由初始条件激励下的输出响应；第一项为零 状态响应，它描述了初始条件为零（Uc（0）=0）时，电路在输入 E=15V 作用下的输出响 应，显然它们之和为电路的完全响应，图 2-2 所示的曲线表示这三种的响应过程。 五、实验步骤 1．零输入响应 将 K1 拨到 2、K2 拨到 1，使+5V 直流电源对电容 C 充电，待充电完毕后，将 K2 拨到 2， 用示波器观测 Uc（t）的变化。 2．零状态响应 先将 K2 拨到 2，使电容两端的电压放电完毕，将 K1 拨到 1、K2 拨到 1，用示波器观测 15V 直流电压向电容 C 的充电过程
3.完全响应先将K2拨到2，使电容两端电压通过R-C回路放电，一直到零为止。然后将Ki拨到2、K2拨到1，使5V电源向电容充电，待充电完毕后，再将Ki拨到1，使15V电源向电容充电，用示波器观测Uc（t）的完全响应。六、实验报告1.推导图2-1所示R-C电路在下列两种情况的电容两端电压Uc（t）的表达式。1)Uc(0)=0，输入U;=15V。2)Uc (0) =5V, 输入 U;=15V。2．根据实验，分别画出该电路的零输入响应、零状态响应和完全响应的曲线。七、实验思考题1.系统零输入响应的稳定性与零状态响应的稳定性是不是相同？2.若在RC串联电路的输入端施加一脉冲序列或方波激励信号，问Uc的响应线如何？实验三信号的采样与恢复一、实验目的1．了解电信号的采样方法与过程及信号的恢复。2.验证采样定理。二、实验设备1.信号与系统实验（一)。2.虚拟示波器。三、实验内容1．研究正弦信号被采样的过程以及采样后的离散化信号恢复为连续信号的波形。2.用采样定理分析实验结果。四、实验原理，离散时间信号可以从离散信号源获得，也可以由连续时间信号经采样而获得。采样信号fs（t）可以看成连续信号f（t）和一组开关函数S（t）的乘积。S（t）是一组周期性窄脉冲。由对采样信号进行傅立叶级数分析可知，采样信号的频谱包括了原连续信号以及无限多个经过平移的原信号频谱。平移的频率等于采样频率fs及其谐波频率2fs、3fs当平样后的信号是周期性窄脉冲时，平移后信号频率的幅度按（Sinx）/x规律衰减。采样信号的频谱是原信号频谱的周期性延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽得多。2．采样信号在一定条件下可以恢复原来的信号，只要用一截止频率等于原信号频谱中最高频率n的低通滤波器，滤去信号中所有的高频分量，就得到只包含原信号频谱的全部内容，即低通滤波器的输出为恢复后的原信号。3.原信号得以恢复的条件是fs≥2B，其中fs为采样频率，B为原信号占有的频带宽度。Fmin=2B为最低采样频率。当fs<2B时，采样信号的频谱会发生混选，所以无法用低通滤波器获得原信号频谱的全部内容。在实际使用时，一般取fs=（5-10）B倍。实验中选用fs<2B、fs=2B、fs>2B三种采样频率对连续信号进行采样，以验证采样定理
3．完全响应 先将 K2拨到 2，使电容两端电压通过 R-C 回路放电，一直到零为止。然后将 K1拨到 2、 K2 拨到 1，使 5V 电源向电容充电，待充电完毕后，再将 K1 拨到 1，使 15V 电源向电容充 电，用示波器观测 Uc（t）的完全响应。 六、实验报告 1．推导图 2-1 所示 R-C 电路在下列两种情况的电容两端电压 Uc（t）的表达式。 1) Uc（0）=0，输入 Ui＝15V。 2) Uc（0）=5V，输入 Ui＝15V。 2．根据实验，分别画出该电路的零输入响应、零状态响应和完全响应的曲线。 七、实验思考题 1．系统零输入响应的稳定性与零状态响应的稳定性是不是相同？ 2．若在 RC 串联电路的输入端施加一脉冲序列或方波激励信号，问 Uc 的响应线如何？ 实验三 信号的采样与恢复 一、实验目的 1．了解电信号的采样方法与过程及信号的恢复。 2．验证采样定理。 二、实验设备 1．信号与系统实验（一）。 2．虚拟示波器。 三、实验内容 1．研究正弦信号被采样的过程以及采样后的离散化信号恢复为连续信号的波形。 2．用采样定理分析实验结果。 四、实验原理 1．离散时间信号可以从离散信号源获得，也可以由连续时间信号经采样而获得。采样 信号 fs（t）可以看成连续信号 f（t）和一组开关函数 S（t）的乘积。S（t）是一组周期性窄 脉冲。由对采样信号进行傅立叶级数分析可知，采样信号的频谱包括了原连续信号以及无限 多个经过平移的原信号频谱。平移的频率等于采样频率 fs 及其谐波频率 2fs、3fs· · ·。当采 样后的信号是周期性窄脉冲时，平移后信号频率的幅度按（Sinx）/x 规律衰减。采样信号的 频谱是原信号频谱的周期性延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽得多。 2．采样信号在一定条件下可以恢复原来的信号，只要用一截止频率等于原信号频谱中 最高频率 fn 的低通滤波器，滤去信号中所有的高频分量，就得到只包含原信号频谱的全部 内容，即低通滤波器的输出为恢复后的原信号。 3．原信号得以恢复的条件是 fs≥2B，其中 fs 为采样频率，B 为原信号占有的频带宽度。 Fmin=2B 为最低采样频率。当 fs<2B 时，采样信号的频谱会发生混迭，所以无法用低通滤波 器获得原信号频谱的全部内容。在实际使用时，一般取 fs=（5－10）B 倍。 实验中选用 fs<2B、fs=2B、fs>2B 三种采样频率对连续信号进行采样，以验证采样定理