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信號(hào)、系統(tǒng)、控制理論試驗(yàn)箱

信號(hào)、系統(tǒng)、控制理論試驗(yàn)箱能完成高校信號(hào)與系統(tǒng)及控制理論教程的

主要試驗(yàn)內(nèi)容，它可以模擬控制工程中的各種典型環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng),并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,使學(xué)生通過試驗(yàn)對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論有更深

一步地理解。并提高分析與綜合系統(tǒng)的能力。

試驗(yàn)箱是集試驗(yàn)?zāi)K、掃頻電源、交\\直流數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源、信號(hào)源、頻率計(jì)于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)靈活便利，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

試驗(yàn)箱主要是由一整塊單面敷銅印刷線路板構(gòu)成，其正面（非敷銅面）印有明了的圖形、線條、字符，使其功能一目了然。試驗(yàn)箱具有試驗(yàn)功能強(qiáng)、資源豐富、使用靈活、接線可靠、操作快捷、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。所有的元器件均經(jīng)精心挑揀，屬于優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，可放心讓學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)。

一、組成和使用

1、試驗(yàn)箱的供電

試驗(yàn)箱的后面設(shè)有帶保險(xiǎn)絲管（1A）的220V單相交流電源三芯插座，另配有三芯插頭電源線一根。裝置內(nèi)設(shè)有五只降壓變壓器，為試驗(yàn)板提供多組低壓交流電源。試驗(yàn)板的組成：

（1）正面左下方裝有電源總開關(guān)一只，開關(guān)總電源。

（2）100多個(gè)高可靠的自鎖緊式、防轉(zhuǎn)、疊插式插座。它們與固定器件、線路的連接已設(shè)計(jì)在印刷線路板上。

這類鎖緊式插件，其插頭與插座之間的導(dǎo)電接觸面很大，接觸電阻極其

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微小（接觸電阻≤0.003Ω，使用壽命＞10000次以上），在插頭插入時(shí)略加旋轉(zhuǎn)后，即可獲得極大的軸向鎖緊力，拔出時(shí)，只要沿反方向略加旋轉(zhuǎn)即可輕松地拔出，無需任何工具便可快捷插拔，同時(shí)插頭與插頭之間可以疊插，從而可形成一個(gè)立體布線空間，使用起來極為便利。

（3）掃頻電源

采用可編程器件ispLSI1032和單片機(jī)AT89C51設(shè)計(jì)而成，可在15Hz～80KHz的全程范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻輸出，掃頻電源輸出波形為正弦波，其峰峰值可達(dá)15V。提供11檔掃速，亦可選定點(diǎn)頻輸出。此外還有頻標(biāo)指示，亦可顯示輸出頻率等。掃頻電源的使用見試驗(yàn)指導(dǎo)書附錄。

（4）直流穩(wěn)壓電源

提供±15V和±5V直流穩(wěn)壓電源，具有短路保護(hù)功能和自恢復(fù)功能。（5）信號(hào)源

試驗(yàn)箱的信號(hào)源包括兩部分：階躍信號(hào)發(fā)生器和低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。1、階躍信號(hào)發(fā)生器

階躍信號(hào)發(fā)生器主要為試驗(yàn)提供階躍信號(hào)而設(shè)計(jì)的。階躍信號(hào)幅度可通過調(diào)理電位器，通過按鍵操作，可以得到正負(fù)階躍信號(hào),正階躍信號(hào)的幅值為（0，3.70）伏；負(fù)階躍信號(hào)的幅值為（-3.70，0）伏。

2、低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器主要是為試驗(yàn)中所需的超低頻信號(hào)而專門設(shè)計(jì)的。它由單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038及外圍電路組合而成。其輸出頻率范圍為0.25Hz～1.20KHz，其中正弦信號(hào)輸出幅度峰峰值為18V；三角波輸出幅度峰峰值為10V；方波信號(hào)輸出幅度峰峰值為12V。使用時(shí)只要開啟“函數(shù)信號(hào)發(fā)生器〞開關(guān)，此信號(hào)源即進(jìn)入工作狀態(tài)。兩個(gè)電位器旋鈕用于輸出信號(hào)的“幅度調(diào)理〞（左）和“頻率調(diào)理〞（右）。

輸出信號(hào)可通過“波形選擇〞的短路帽設(shè)置位置來確定，將短路帽置于1、2兩腳處，輸出正弦波信號(hào)；將其置于2、3兩腳處，則輸出三角波信號(hào)；

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將其置于4、5兩腳處，則輸出方波信號(hào)。

輸出頻率段的選擇也是通過切換另一個(gè)短路帽的設(shè)置位置來確定，將短路帽置于1、2兩腳（即“f1〞處），通過調(diào)理“頻率調(diào)理〞電位器，可獲得輸出信號(hào)的頻率范圍為0.25Hz～1.20KHz；將其置于2、3兩腳（即“f2〞處），調(diào)理“頻率調(diào)理〞旋鈕，則輸出信號(hào)的頻率范圍為2.5Hz～120Hz；將其置于4、5腳（即“f3〞處）則輸出信號(hào)的頻率范圍為25Hz～1.20KHz。

（6）頻率計(jì)

系統(tǒng)在作頻率特性測試試驗(yàn)時(shí)，需要用到超低頻信號(hào)，若用示波器去讀，顯然很不便利。為了能直觀地讀出超低頻信號(hào)的頻率，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)低頻頻率計(jì)。

頻率計(jì)是由單片機(jī)89C2051和六位共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計(jì)而成的，測頻范圍為0.1Hz～10000Hz。

開啟“函數(shù)信號(hào)發(fā)生器〞，頻率計(jì)即進(jìn)入待測頻狀態(tài),將頻率計(jì)處（內(nèi)測/外測）開關(guān)置于“內(nèi)測〞，即可顯示“函數(shù)信號(hào)發(fā)生器〞本身的信號(hào)輸出頻率。將開關(guān)置于“外測〞，則頻率計(jì)顯示由“輸入〞插口輸入的被測信號(hào)的頻率。

在使用過程中，如遇瞬時(shí)強(qiáng)干擾，頻率計(jì)可能出現(xiàn)死鎖，此時(shí)只要按一下復(fù)位“RES〞鍵，即可自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

（７）交\\直流數(shù)字電壓表

交\\直流數(shù)字電壓表有三個(gè)檔位。滿度為200mv量程、2v量程、20v量程。當(dāng)自鎖開關(guān)不按下時(shí)，它作直流電壓表使用，這時(shí)可用于測量直流電壓；當(dāng)自鎖開關(guān)按下時(shí)，作交流毫伏表使用，這時(shí)有頻帶較寬（10Hz~400KHz）、精度高（不超過5‰）、數(shù)字顯示和真有效值測量的特點(diǎn)、即使測試遠(yuǎn)離正弦波形狀的窄脈沖信號(hào)，也能測得確切的有效值大小，其適用的波峰因數(shù)范圍達(dá)到10。

真有效值交流電壓表由輸入衰減器、阻抗變換器、定值放大器、真有效

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值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和LED顯示器組成。

輸入衰減器用來將大于2V的信號(hào)衰減，放大器用來將小于200mV的信號(hào)放大。本機(jī)AC/DC轉(zhuǎn)換由一塊寬頻帶、高精度的真有效值轉(zhuǎn)換器完成，它能將輸入的交流信號(hào)——不管是正弦波、三角波、方波、鋸齒波，甚至窄脈沖波，確切地轉(zhuǎn)換成與其有效值大小等價(jià)的直流信號(hào)，再經(jīng)濾波器濾波后加到A/D轉(zhuǎn)換器，變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最終由LED顯示出來。

（8）試驗(yàn)箱附有充足的長短不一的試驗(yàn)專用連接導(dǎo)線一套。

二、試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)箱附有一本供14個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的詳細(xì)試驗(yàn)指導(dǎo)書，具有一定的廣度和深度，各院校可根據(jù)自己的教學(xué)需要進(jìn)行選擇，還可以結(jié)合自己的要求進(jìn)行改寫、擴(kuò)展及開發(fā)其它新的項(xiàng)目。

典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)模擬試驗(yàn)部分包括了自動(dòng)控制系統(tǒng)中所有的部件,即包括加法器,慣性環(huán)節(jié),積分環(huán)節(jié),有源滯后-超前校正環(huán)節(jié),非線性環(huán)節(jié)等，同時(shí)還包括信號(hào)與系統(tǒng)中的主要試驗(yàn)內(nèi)容，如信號(hào)的分解與合成、濾波器的特性及二階狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的根軌跡。學(xué)生根據(jù)需要,可任意組成各種典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的模擬。

模擬試驗(yàn)箱可完成的試驗(yàn)項(xiàng)目有（1）控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬（2）一階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)及參數(shù)測定（3）二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析

（4）三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性分析（5）PID控制器的動(dòng)態(tài)性能（6）自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正（7）典型環(huán)節(jié)頻率特性的測試（8）非線性系統(tǒng)頻率特性的測試（9）信號(hào)的采樣與恢復(fù)

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（10）典型非線性環(huán)節(jié)的模擬（11）非線性系統(tǒng)的相平面分析（12）用同時(shí)分析法觀測方波信號(hào)的頻譜（13）二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡的顯示

（14）無源和有源濾波器的特性

三、使用本卷須知

1．使用前應(yīng)先檢查各電源是否正常，檢查步驟為：

（1）先關(guān)閉試驗(yàn)箱的所有電源開關(guān)，然后用隨箱的三芯電源線接通試驗(yàn)箱的220V交流電源。

（2）開啟試驗(yàn)箱上的電源總開關(guān)，電源指示燈亮，交\\直流數(shù)字電壓表與頻率計(jì)上的數(shù)碼管亮。

（3）用萬用表的直流電壓檔（或直接用面板上的交\\直流數(shù)字電壓表的直流檔）測量面板上的±15V和±5V，看是否有正確的電壓輸出。（4）開啟函數(shù)信號(hào)發(fā)生器開關(guān)，則應(yīng)有信號(hào)輸出；當(dāng)頻率計(jì)打到內(nèi)測時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的頻率顯示。

2、接線前務(wù)必熟悉試驗(yàn)線路的原理及試驗(yàn)方法。

3、試驗(yàn)接線前必需先斷開總電源與各分電源開關(guān)，嚴(yán)禁帶電接線。接線完畢，檢查無誤后，才可進(jìn)行試驗(yàn)。