1、31實驗一數字電子儀器使用一、實驗目的1、學習使用DDS數字信號發生器，初步掌握常用信號輸出的調節方法。2、學習使用數字存儲示波器，初步掌握常用信號參數的觀測方法。二、設備簡介三、實驗任務、調節DDS信號發生器，使其輸出輸出3MHz、1.00Vp-p正弦交流信號，并用數字示波器：手動測量該信號電壓的峰峰值Vp-p、頻率freq；自動測量該信號電壓的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、平均值Vavg、有效值Vrms、頻率freq、周期Prd、上升時間Rise 。、調節DDS信號發生器，使其輸出50z、500mVp-p方波信號，并用數字示波器：手動測量該信號電壓的峰峰值Vp-p、頻率f

2、req；自動測量該信號電壓的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、平均值Vavg、有效值Vrms、頻率freq、周期Prd、上升時間Rise。、調節DDS信號發生器，使其輸出2z、2.00Vp-p脈沖信號，并用數字示波器：手動測量該信號電壓的峰峰值Vp-p、頻率freq ；分別自動測量該信號電壓占空比為30和80時的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、平均值Vavg、有效值Vrms、頻率freq、周期Prd、上升時間Rise。、調節DDS信號發生器，使其輸出100z、3.00Vp-p三角波信號，并用數字示波器：手動測量該信號電壓的峰峰值Vp-p、頻率freq ；自動測量該

3、信號電壓的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、平均值Vavg、有效值Vrms、頻率freq、周期Prd、上升時間Rise5、*（選做）調節DDS信號發生器，使其輸出KHz、含有0.2V直流偏置分量的1.00Vp-p正弦波信號，并用數字示波器： 手動測量該信號電壓的最大值Vmax 、頻率freq； 自動測量該信號電壓的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、平均值Vavg、有效值Vrms、頻率freq、周期Prd、上升時間Rise。6、（選做）*調節DDS信號發生器，使其輸出KHz/1V、10KHz/1V和KHz/1V、10KHz/2V正弦調幅波信號，并用數字示波器：手動測量

4、該信號電壓的最大值Vmax 、頻率freq；自動測量該信號電壓的峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin、平均值Vavg、有效值Vrms。四、儀器設備DDS數字信號發生器 1臺數字存儲示波器 1臺五、報告要求1、觀察到的各個波形分別畫在坐標紙上。2、結合電路元件參數進行分析討論。實驗二 電路的狀態軌跡一、實驗目的1、觀察RLC電路的狀軌跡。2、通過實驗提高對狀態變量的認識。二、原理說明一個動態網絡在不同時刻各支路電壓、電流都在變化，所處的狀態也不相同。在所有uc、ic、uL、iL、uR、iR六種可能的變量中，由于電容器上的儲能為，電感中的儲能為。所以選電容的電壓和電感的電流作為電路的狀態

5、變量，了解了電路中uc和iL的變化就可以了解電路狀態的變化。由RLC串聯組成的二階電路，則狀態方程：iL(t),uc(t)表示電路在t時刻的狀態；在t=0時，iL(0),uc(0)稱為初始狀態，它由初始條件給定。假定C、L元件原先沒有儲能，則iL(0)=0,uc(0)=0，給定了初始條件。就能唯一地確定所有t0時，iL(t)和uc(t)之值。如t由0增加到時，iL(t)，uc(t)將描繪出一條從iL(0),uc(0)起始的曲線，此曲線稱為狀態空間軌跡，而平面（iL、uc）則稱為電路的狀態空間。電路參數不同則狀態軌跡也不相同。當R時，過阻尼情況，非振蕩過程；當R=時，臨界情況；當R時，欠阻尼情況

6、，振蕩過程。對于欠阻尼狀態，衰減振蕩角頻率和衰減系數可以從響應波形中測量出來，例如在響應i（t）的波形中（圖2-2），可利用示波器直接測出，該波形的周期，經換算即得，對于，由于有圖21 圖22i1m=： i1m=故顯然，|t2t1|即為周期Td=，所以In。由此可見，用示波器測出周期Td和幅值i1m，i2m后，就可以算出的值。三、實驗任務圖231、分別取用下列三組數值的R、L、C按圖23接線，觀察iL、uc曲線。 元件R（）L（mH）C（F）1231K1K1001030500.20.10.01圖中，us（t）低頻訊號發生器，提供矩形波。R是取樣電阻（要求R R），u R與i波形完全相擬，則用u

7、R波形代替iL波形。將uc波形接入示波器x 軸輸入，iL（或uR）波形接入Y1軸輸入，示波器（Y軸工作種類）開關置Y1位置，v/cm開關選擇適當位置，s/cm開關置x位置，就可以觀察其狀態軌跡，并繪制波形。2、當us（t）信號的頻率變化后，對各組元件的軌跡將如何影響，自行觀察。并記錄波形。四、儀器設備信號發生器 1臺示波器 1臺電感箱 1只電 容 若干電阻箱 2只五、報告要求1、觀察到的各個波形分別畫在坐標紙上。2、結合電路元件參數進行分析討論。3、改變頻率后的波形，也要定性繪出。實驗三 濾波器的測試與研究一、實驗目的1、對比研究無源濾波器及有源濾波器的特性。2、學習列寫無源和有源二端口網絡的

8、網絡函數，進一步掌握含有運算放大器電路的分析方法。3、借助濾波器對非正弦信號作實驗分析。4、鞏固提高實驗技能。二、原理說明1、通常，濾波器指的是對信號頻率有選擇性的二端口網絡，它允許某些頻率（頻帶）的信號通過，而其它頻率的信號受到衰減或抑制，這些二端口網絡可以是由RLC元件構成的無源網絡，或者是由RC和有源器件的構成的網絡。常見濾波器的類型有低通濾波器，高通濾波器，帶阻濾波器，帶通濾波器等，它們在電工技術領域中得到廣泛的應用。圖312、頻率特性是衡量濾波器性能的重要標志，二端口網絡（圖31）輸出（響應）與輸入（激勵）的關系，可用網絡函數 來描述，網絡函數的模為輸出信號和輸入信號的幅值（最大值）

9、比，它與頻率的關系稱為幅頻特性，（在實驗中，這種幅頻特性稱為通用幅頻特性）。其幅角為輸出信號與輸入信號的相角差，它與頻率的關系稱為相頻特性。幅頻特性和相頻特性統稱為電路的頻率響應。除了用分析方法計算外，電路的頻率響應還可以用實驗方法測定。3、低通濾波器允許通過低頻信號而衰減或抑制高頻信號，理想的低通濾波器幅頻特性如圖32中的虛線所示，圖中的實線為實際低通濾波器的幅頻特性，頻率c稱為截止頻率。實際低通濾波器的截止頻率表示隨著頻率的增加，輸出幅值下降到某一定值時所對應的頻率。（1） 圖33為RC無源低通濾波器，當輸出端開路時，其網絡函數為：圖32 圖33幅模可見幅模隨頻率的增高而減小，說明低頻信號

10、可以通過，高頻信號被衰減或抑制。令，則幅模。（2）將上述無源低通濾波器和一運算放大器組合，可以構成一個電壓放大系數=1的電壓控制型電壓源（VCVS）低通濾波器，如圖34a所示，圖34b為它的電路模型。對圖34a的電路，可以列出網絡方程：圖34 且 由此可得網絡函數為幅模 令，則幅模。與上述無源情況比較，從圖182不難看出有源元件的引入，改善了低通濾波特性，使之更近于理想特性。4、高通濾波器允許通過高頻信號而衰減或抑制低頻信號，理想的和實際的高通濾波器幅頻特性分別如圖35中的虛線和實線曲線所示，頻率c也稱為截止頻率。實際高通濾波器的截止頻率表示隨著頻率的降低，輸出幅下降到某一定值時所對應的頻率。

11、圖35 圖36（1）圖36為RC無源高通濾波器，當輸出端開路時，其網絡函數為幅模 可見幅模隨頻率的降低而減小，說明高頻信號可以通過，低頻信號被衰減或抑制。令，則對應的幅模為。（2）將上述無源高通濾波器和一運算放大器組合起來，也可以構成一個電壓控制型電壓源高通濾波器，其電路與電路模型分別和圖3-7a、b所示。采用和有源低通濾波器同樣的方法。可得出有源高通濾波器的網絡函數為幅模 圖37當時，幅模與無源情況比較，可知有源情況下，隨頻率增高，幅模增大較快。可見有源元件的引入，改善了高通濾波器的濾波特性。5、帶阻濾波器衰減或抑制以為中心，頻率范圍為B的信號，而允許所有其它頻率的信號通過，即對某一窄帶頻率

12、的信號有選頻抑制的作用，故又稱為陷波器，其理想的和實際的幅頻特性分別如圖38中的虛線和實線曲線所示。（1）圖39中的雙T網絡是一個典型的無源帶阻濾波器，當輸出端開路時，其網絡函數為圖38 圖39 幅模 顯然，當信號頻率時，幅值為零，即為中心的某一窄帶頻率的信號受到阻塞，大于或小于0以后，窄帶以外頻率的信號允許通過。（2）與低通濾波器和高通濾波器相類似，雙T網絡和一運算放大器也可以構成電壓控制型電壓源帶阻濾波器，其電路與電路模型分別如圖310a、b所示。圖310不難求出該有源帶阻濾波器的網絡函數為： 幅模當時，幅值為零，與無源情況相比，在附近因頻率變化引起的幅值上升更快。從而使得濾波特性得到改善

13、。6、帶通濾波器允許以頻率為中心，頻率范圍為B的信號通過，而衰減或抑制其它頻率的信號，即對某一窄帶頻率的信號具有選頻通過的作用，其理想的和實際的幅頻特性分別如圖311中的虛線和實線曲線所示。圖311 圖312（1）圖312所示的文氏電橋電路是一個無源帶通濾波器，當輸出端開路時，其網絡函數為幅模幅模 顯然，當信號頻率時，為最大，信號頻率偏離越遠，幅值衰減和阻塞得越厲害，其相頻特性如圖313所示。（2）文氏電橋電路也可以和一運算放大器構成電壓控制電壓源帶通濾波器，如圖314所示，電壓控制型電壓源放大系數。 求得網絡函數為圖313 圖314幅模 當時，為最大和無源情況相比，顯然在附近，頻率變化時，幅

14、值衰減得更厲害，從而使濾波特性得到改善。7、本次實驗介紹的濾波器類型較多，但實驗內容相近，可由教師指定或選取做部分內容。有源濾波器能用運算放大器板外接無源網絡來實現，由于在串聯諧振和有源器件實驗中已做過類似頻域特性實驗，因此注意進一步鞏固和熟練地掌握這方面的實驗技能。三、實驗任務1、分別測定對應的無源和有源的濾波器的幅頻特性。從網絡函數的表達式和實驗結果說明有源濾波器改善了濾波的特性。2、測定帶通濾波器的相頻特性。3、分析各種濾波器對方波信號或其它非正弦信號輸入的響應。實驗線路參照原理與說明中介紹的內容，實驗步驟和記錄表格在預習時完成。四、注意事項1、注意運算放大器實驗板端口的聯線，輸出端不得

15、短路。以免損壞運算放大器。2、有源濾波器的輸入端電壓一般不要超過5V，在對比測定無源和有源濾波器特性時，輸入信號電壓始終保持恒定值。3、為使實驗順利進行，課前對實驗內容和結果要心中有數。五、實驗報告要求1、分別把實測的相同類型無源濾波器和有源濾波器的幅頻特性繪在同一坐標平面上。2、比較分析無源濾波器和有源濾波器的濾波特性。3、根據實驗結果，從理論上分析在非正弦信號激勵時濾波器的響應情況。4、作完實驗后，寫出對濾波器和有源器件的認識和收獲體會。六、儀器設備示波器 1臺信號發生器 1臺無源低通、高通、帶阻、帶通濾波網絡實驗板 各1塊運算放大器實驗板 1塊直流電源 1臺實驗四 信號分解與合成一、實驗

16、目的學習用實驗方法對電信號進行分解、合成及諧波分析，研究電路信號頻率、相位失真問題。 二、原理說明數學理論指出：一切滿足狄里赫利條件的周期函數都可以展開為傅里葉三角級數。（狄里赫利條件：就是周期函數在一個周期內包含有限個最大值和最小值以及有限個第一類間斷點。）設周期函數為，其角頻率，則可以分解為下列傅里葉級數：式中，A0是不隨時間而變的常數，稱為恒定分量，也就是一個周期內的平均值；第二項的頻率與非正弦周期函數的頻率相同，稱為基波或一次諧波；其余各項的頻率為周期函數的頻率的整數倍，稱高次諧波，例如k=2、3的各項分別稱為二次諧波、三次諧波等等。電路、信號與系統中常用的非正弦周期信號（電壓或電流）

17、都是能滿足狄里赫利條件的周期量。例如圖41和圖42所示非正弦周期電壓中的矩形波電壓和三角波電壓，都可用數學方法分解成傅里葉三角級數，其展開式分別如下：矩形波電壓u(v)t0Um圖41 若取則矩形波各次諧波電壓有效值為U1=3V，U3=1V，U5=0.6V，三角波電壓圖42若取則三角波各次諧波電壓有效值為U1=5.4V，U3=0.6V，U5=0.216V%由上述兩種波形電壓的傅里葉三角級表達式表明：這兩種波形的非正弦周期電壓均可用奇次諧波電壓疊加獲得。本實驗按一定比例用三個相對高奇次諧波的電壓進行疊加，并通過測繪測量諧波電壓和疊加后合成的非正弦周期電壓，從而了解電信號合成、分解方法及諧波電壓間關

18、系：并研究電路信號頻率、相位失真問題。三、實驗任務1、按圖43連接 實驗電路，將諧波發生器輸出各次諧波的初相位調到同相位置。濾 波 器反 相 加 法 器u0u1u2u3u4u5u6f02f03f04f05f06f0uu圖432、分別以50HZ矩形波和三角波的前三次諧波電壓值，調出諧波電源上輸出電壓，送入反相加法器。測繪u1、u2、u3及u=u1+u2+u3、u=u1+u2、u=u2+u3u、u=u1+u3的波形，觀察波形失真現象；測定u1、u2、u3及u=u1+u2+u3、u=u1+u2、u=u1+u3、u=u1+u3有效值；分析實驗結果，得出實驗結論。四、實驗設備：信號發生器一臺信號合成與分

19、解模塊一個雙綜示波器一臺五、報告要求整理并繪出實驗中觀察到的各種波形，指出它們之間的聯系。實驗五 信號頻譜的測試一、實驗目的1掌握信號頻譜的測試方法，建立波形和頻譜之間的聯系。2了解正弦波、方波、脈沖和調幅波頻譜的特點。3研究波形的變化對頻譜的影響。二、原理說明信號的頻譜可分振幅頻譜、相位頻譜和功率頻譜三種，分別是將信號的基波和各次諧波的振幅、相位和功率按頻率高低依次排列而成的圖形。一般講的頻譜都是指振幅頻譜。它可以用數字示波器或波形分析儀逐個頻率進行測試而得，也可以在頻譜儀的熒光屏上直接顯示。 圖51 信號波形與頻譜用一個電信號如正弦波或脈沖波去控制一高頻信號的幅度，使其幅度隨調制信號而變就

20、得到調幅波。調幅波的頻譜與調制信號的頻譜是有聯系的。它的頻譜是以載波頻率為中心在兩側對稱地重現調制信號的頻譜，如圖51。周期性矩形脈沖的頻譜是按照規律變化的，它的第一個零點為取決于于脈寬，譜線的密集程度取決于T，脈沖周期T越長，譜線越密。因此當脈寬不變而周期T延長時譜線會增加而變密， 當周期不變而變窄時第一個零點的頻率會增高，因此信號的波形和它的頻譜是一一對應的，它們是對同一電信號的二種不同的描述方法。三、預習練習1畫出重復頻率為10kHz方波的頻譜圖。2畫出脈寬25、重復頻率10kHz矩形脈沖的頻譜圖。四、實驗任務1觀察方波的頻譜用數字雙綜示波器從最低頻率到最高頻率，依次測出被測方波信號中包

21、含的頻率成分和諧波幅度。繪出頻譜并與理論分析結果相比較。2觀察經全波整流后波形和頻譜的變化將10kHz正弦信號通過橋式整流電路，如圖52。分別測出通過整流電路前后的波形和頻譜。圖52 橋式整流電路 圖533觀察兩正弦信號迭加后的波形和頻譜。將音頻和高頻信號發生器如圖53聯接，則負載R兩端波形為二個正弦波的迭加。分別取兩個幅度相同而頻率又比較接近（100kHz和120kHz）的信號，以及頻率相差很遠（5kHz和100kHz）的兩個信號進行迭加，測出迭加后的波形和頻譜。4觀察調幅信號的頻譜從高頻信號發生器得到調制信號為lkHz、載波為200kHz、調幅度為30的調幅波。測試其波形和頻譜。改變調幅度

22、為60，觀察頻譜的變化。從外調幅輸入端輸入頻率為5kHz的調制信號，觀察頻譜的變化。5觀察脈沖信號的頻譜觀察重復頻率10kHz、脈寬為25的脈沖信號的頻譜，保持重復頻率不變，脈寬變為10s，觀察頻譜的變化。保持脈寬不變，重復頻率變為20kHz，觀察頻譜的變化。五、儀器設備 數字示波器 1臺 音頻信號發生器 1臺高頻信號發生器 1臺六、報告要求1整理實驗數據，畫出各種頻譜與波形一一對照。2實驗的收獲體會。實驗六 離散信號的頻譜和抽樣定理一、實驗目的：1、觀察離散信號并繪制其頻譜，了解離散信號頻譜的特點。2、驗證抽樣定理二、實驗原理：1、離散時間信號可以從離散信號源獲得，也可以從連續時間信號經抽樣

23、得到，抽樣信號fs（t）可以看成連續信號f（t）和一組開關函數s（t）的乘積，即：圖61 對連時間信號進行取樣s（t）是一組周期性窄脈沖，周期Ts稱為抽樣周期。其倒數稱為抽樣頻率。 若連續信號f（t）的頻譜如圖62所示，則對f（t）取樣獲得的取樣信號以fs（t）的頻譜包括了原連續信號f（t）的頻譜以及無限個經過平移的原信號頻譜，平移的頻率間隔等于取樣頻率，如圖63所示。圖62 原信號頻譜 圖63 取樣信號頻譜如果開關函數是周期性矩形脈沖，且脈沖寬度不為零時，則取樣信號fs（t）的頻譜，的包絡線按（Sinx）/x的規律衰減（）。 取樣信號fs（t）的頻譜與連續時間信號測試方法一樣，此時須注意頻譜

24、的周期性延拓。 2正如測得了足夠的實驗數據以后，我們可以在坐標紙上把一系列數據點聯起來，得到一條光滑的曲線一樣。抽樣信號在一定條件下也可以恢復到原信號，只要用一截止頻率等于原信號頻譜中最高頻率的低通濾波器濾除高頻分量，而僅存原信號頻譜的頻率成分，這樣，低通濾波器的輸出是得到恢復的原信號。根據取樣定理，原信號得以恢復的條件是取樣頻率fs2B。fs為取樣頻率，B為原信號的有效頻帶寬度 。當取樣頻率fs<2B時，取樣信號的頻譜會發生混迭。如圖64所示，此時，我們無法用低通濾波器獲得原信號頻譜的全部信息內容。 圖64 fs<2B時，取樣信號頻譜實驗中選用fs<2B，fs=2B,fs&

25、gt;2B三種抽樣頻率對適續信號進行抽樣，以驗證抽樣定理一一要使信號抽樣后能不失真地還原，抽樣頻率fs必須大于信號頻譜中最高頻率的兩倍。3、有效頻帶寬度：嚴格地說，周期性信號所包含的諧波分量有無限多， 不過由于諧波振幅隨頻率增高而減小，通常只考慮頻率較低的一些分量就夠了。從0頻率到需要考慮的最高次諧波頻率間的頻段稱為信號的頻帶寬度。信號頻帶寬度的具體定義視情況而定，有時將諧波振幅下降到最大值的1/K（例如1/10）的頻段稱為信號的頻帶寬度。本實驗對于周期正弦信號頻率為25kHz，從頻譜圖可以看出，該信號為單頻信號，抽樣脈沖控制信號的頻率fs取50kHz。對于周期方波和三角波信號。若其基頻頻率為

26、5kHz，從頻譜圖可以看出，可取5倍于基波頻率作為有效的頻帶寬度，則抽樣脈沖控制信號的頻率fs取50kHz。4、為了實現對連續信號的抽樣和抽樣信號的復原：可采用圖65的方案， 除選用合適的抽樣頻率外，常采用前置低通濾波器來阻止原信號頻譜過寬而造成抽樣后信號頻譜的混迭，雖然這也會造成失真，但是滿足預期的允許范圍。如實驗選用的信號頻帶較窄；可不設置前置低通濾波器。圖65 信號的抽樣與復原抽樣器有各種實現電路，如采用運放器件組成的乘法器，也可采用二極管平衡式電路或其它開關電路，低通濾波器可用LC低通濾波器或有源RC低通濾波器。本實驗采用圖66所示開關電路作為抽樣器。濾波器采用函圖67所示的型LC低通

27、濾波器。圖66 抽樣器 圖67 低通濾波器三、實驗預習1、若連續時間信號為25kHz的正弦波，開關函數為Ts=20Ps的窄脈沖試求抽樣后信號fs（t）的頻率。2、設計一型低通濾波器，截止頻率為fc=25kHZ負載RL=2K求L、C。 3、若連續時間信號取頻率為10kHZ的三角波，計算其有效的頻帶寬度。使信號經頻率為fs的周期脈沖抽樣后，若希望通過低通濾波器的信號失真較小， 則抽樣頻率和低通濾波器截止頻率分別應取多高。試設計一滿足上述要求的低通濾波器。四、實驗內容及步驟1、觀察抽樣后的正弦信號波形并測繪其頻譜圖。（1）按圖六接線，正弦信號幅度在0.5V以內。觀察并記錄抽樣后的正弦信號波形fs（t

28、）。（2）用選頻電平表測量抽樣信號fs（t）的頻譜。（3）按預習2計算結果制作低通濾波器，將抽樣信號通過低通濾波器并記錄濾波器輸出的信號波形。2、驗證抽樣定理：（1）按預習3的計算結果將f（t）和s（t）送入抽樣器，觀察并描繪經抽樣后的三角形波形。（2）調整f（t）和s（t）的頻率，使抽樣信號通過濾波器后能較好地復原。（3）改變抽樣頻率為fs2B和fs<2B，觀察并描繪復原后的信號，比較其失真程度。五、實驗設備：1抽樣實驗組件2信號源3數字示波器六、實驗注意事項：1只有當取樣脈沖的頻率與被取樣信號的頻率保持整數倍數關系時，示波器上才能得到穩定的波形，故需微調脈沖的頻率。2被取樣信號的幅度

29、不宜過大。否則將得不到良好的離散信號。七、實驗報告：1整理并繪出實驗內容1中所觀察到的各種波形及正弦離散信號的頻譜，說明其特點。2整理并繪制改變頻率后復原信號的波形與原信號相比較，能得到什么結論？3心得體會。實驗七信號的無失真傳輸一、實驗目的1、了解信號的無失真傳輸的基本原理；2、熟悉信號無失真傳輸系統的結構特性。二、實驗原理1、信號的無失真傳輸是指通過系統以后的輸出信號的波形與輸入信號的波形完全相同，只有幅值上的差異和產生一定的延時時間，具有這種特性的系統稱為無失真傳輸系統。令輸入信號為X(t)，則系統的輸出為：Y(t)=kx(t-t0 )式中 k、t0 為常量，對上式取付氏變換，則有Y(j)=kx(j)e-jt0 Y(j)H(j)= = ke-jt0 = He-j() X(j)H= k ，k為常數；()= -t0 ， t0 02、實驗電路圖7-1 無失真傳輸的電路圖其中R1=10K，R2為20K可調電位器，C1=C2=0.1Uf，它的頻率特性為： R2 UO(j) 1+ jR2C2 R2H(j)= = = = KUi(j) R1 R2 R1+ R2 + 1+jR1C1 1+jR2C2四、實驗內容1、使函數發生器輸出一個正弦信號f=1KZ，幅值為2V。2、將輸出端H701連到無失真傳輸系統的輸入端HE01。3、改