《信号与系统》实验指导书2015P1

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节，但必须 I 2 I 1 。当触发器的输出为低电平时，恒流源 I 2 断开，恒流源 I 1 给 C 充电，它的两端电压 UC 随时间线性上升，当 UC 达到电源电压的 2/3 时，电压 比较器 A 的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源 C 接通，由于 I 2 I 1 (设 I 2 2 I 1 )，恒流源 I 2 将电流 2 I 1 加到 C 上反充电，相当于 C 由一个净电流 I 放电，C 两端的电压 UC 又转为直线下降。当它下降到电源电 压的 1/3 时，电压比较器 B 的输出电压发生跳变，使触发器的输出由高电平跳变 为原来的低电平，恒流源 I 2 断开， I 1 再给 C 充电，…如此周而复始，产生振荡。 若调整电路，使 I 2 2 I 1 ，则触发器输出为方波，经反相缓冲器由管脚⑨输出方 波信号。C 上的电压 U C 上升与下降时间相等时为三角波，经电压跟随器从管脚 ③输出三角波信号。将三角波变成正弦波是经过一个非线性的变换网络(正弦波 变换器)而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波电位向两端顶点摆动时， 网络提供的交流通路阻抗会减小，这样就使三角波的两端变为平滑的正弦波，从 管脚②输出。 2、ICL8038 管脚功能图及主要参数和特点 管脚功能：
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连接 2-3 脚或 3-4 脚时输出三角波， 连接 4-5 脚时输出正弦波； “频率选择”档（K301） ： 连接 1-2 脚时输出波形频率最小， 连接 2-3 脚或 3-4 脚时频率适中， 连接 4-5 脚时则输出波形频率最大； 另外“频率调节”大电位器可微调频率，“幅度调节”大电位器可微调幅度，可调 电阻 W305 可用于幅度粗调。) 2、保持方波的占空比为 50%不变，用短路器连接“波形选择”档的 4-5 脚， 用示波器观测输出端（TP301）的波形，调整电位器 W303，使正弦波不产生明 显的失真。 3、 调节“频率可调”大电位器， 使输出信号频率从小到大变化， 记录芯片 8038 管脚 8 的电位并同步测量正弦波输出的频率，列表记录之。试分析该管脚电压 与输出信号频率有何关系？ 4、改变外接电容 C 的值(在这里通过 K301 跳线来选择，连接 K301 的 1-2 脚时选中 104 的电容，连接 2-3 或 3-4 时选中 103 的电容，连接 4-5 时选中 102 的电容)，观测三种输出波形，并比较此三种外接电容所测得的波形之间有何差 异，可得出何结论？（如这三种电容之间是 10 倍的关系，那么所对应的输出信 号是否也是十倍关系？） 5、调节电位器 W302，分别观测三种输出波形（波形选择上面已介绍） ，有 何结论？（如影响方波的占空比，那么对正弦波和三角波有何影响呢？） 6、调节“频率调节”旋扭，记录下函数发生器输出的最高和最低频率（注意 配合“频率选择”档） ；再调节“幅度调节”旋扭，记录下函数发生器输出的最大和 最小幅度（此时配合调节电位器 W305） 。 7、如有失真度测试仪，则测出外接电容 C 分别为 0.1µf，0.01µf 和 1000P 时的正弦波失真系数 r 值(一般要求该值小于 3%)。 五、预习要求 1、阅读原理说明部分有关 ICL8038 的资料，熟悉管脚的排列及其功能。
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图6
频率计模块结构框图
图7
二阶无源和有源滤波器模块结构框图
图8
四阶巴特沃斯滤波器模块结构框图
图9
方波分解与合成实验模块结构框图
图 10
二阶网络状态轨迹显示模块结构框图
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图 11
二阶网络函数模拟模块结构框图
图 12
抽样定理实验模块机构框图
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3、 实验电路如图 1-3 所示：
图 1-3 ICL8038 实验电原理图
四、实验内容 1、 按实验电路接好电源， 按下船形开关、 总电源开关及该模块电源开关 S3， 使其输出（TP301）为方波，通过调整电位器 W302，使方波的占空比达到 50%。 (注： “波形选择”档（K302） ： 跳线连接 1-2 脚时输出方波，
⑥
Vcc
I1
电压跟随器③⑩ 来自 接 电 容三角波变正 弦波电路 电压比较器 A ②
S
电压比较器 B
触发器
I2
缓冲器
⑨
⑾
V EE
图 1-1 ICL8038 原理方框图
外 接 电 容 C 由 两 个 恒 流 源 充 电 和 放 电 ，电 压 比 较 器 A、B 的阀值分别 为电源电压(指 U cc U EE )的 2/3 和 1/3。恒流源 I 1 和 I 2 的大小可通过外接电阻调
1、如果改变了方波占空比，试问此时三角波和正弦波输出端将会变成怎样
的一个波形？
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实验二
用同时分析法观测方波信号的频谱 （方波分解与合成）
一、实验目的
1、观察方波信号的分解。 2、用同时分析法观测方波信号的频谱，并与方波的傅利叶级数各项的频率
与系数作比较。
3、掌握带通滤波器的有关特性测试方法。 4、观测基波和其谐波的合成。
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图 2-1 方波频谱图 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式可知，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份，每一频率成份的幅度均趋向无限小，但 其相对大小是不同的。
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II
目
录
实验箱整体布局及各实验模块框图…………………………………………3 实验一、函数信号发生器……………………………………………………5 实验二、用同时分析法观测方波信号的频谱………………………9 实验三、抽样定理 …………………………………………………………16
III
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图 1-2 ICL8038 管脚图
单电源10 ~ 30V或 电源电压为 双电源 5V ~ 15V
具有以下主要参数和主要特点：
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①工作频率范围：0.001Hz～500kHz。 ②波形失真度：不大于 0.5％。 ③同时有三种波形输出：正弦波、方波、三角波。 ④单电源为+10V～+30V，双电源为±5V～±15V。 ⑤足够低的频率温漂：最大值为 50×10-6/ºC。 ⑥改变外接 R、C 值，可改变输出信号频率范围。 ⑦外接电压可调制或控制输出信号频率和占空比。 ⑧使用简单，外接元件少。
《信号与系统》课程实验指导书
Experiments of Signals & Systems
孙 明 胡朝康 编
电子与信息工程学院电子信息技术实验室 2013 年 3 月
前
言
“信号与系统”是无线电技术、自动控制、生物医学、电子工程、信号图象 处理、空间技术等专业的一门重要的专业基础课，也是国内各院校相应专业的主 干课程。 当前，科学技术的发展趋势既高度综合又高度分化，这要求高等院校培养的 大学生，既要有坚实的理论基础，又要有严格的工程技术训练，不断提高实验研 究能力、分析计算能力、总结归纳能力和解决各种实际问题的能力。21 世纪要 求培养“创造型、开发型、应用型”人才，即要求培养智力高、能力强、素质好 的人才。 由于该课程核心的基本概念、 基本理论和分析方法都非常重要， 而且系统性、 理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，对学生加深理解深入掌握 基本理论和分析方法，培养学生分析问题和解决问题的能力，以及使抽象的概念 和理论形象化、具体化，对增强学习的兴趣有极大的好处，做好本课程的实验， 是学好本课程的重要教学辅助环节。 在做完每个实验后，请务必写出详细的实验报告，包括实验方法、实验过程 和结果、心得和体会等。
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实验一
一、实验目的
函数信号发生器
1、了解单片多功能集成电路函数信号发生器的功能及特点。
2、熟悉信号与系统实验箱信号产生的方法。 二、实验仪器 1、20M 双踪示波器一台。 2、信号与系统实验箱。 三、实验原理 1、I C L 8 0 3 8 是 单 片 集 成 函 数 信 号 发 生 器 ， 其 内 部 框 图 如 图1-1 所 示。它由恒流源 I 1 和 I 2 、电压比较器 A 和 B、触发器、缓冲器和三角波变正弦 波电路等组成。
二阶有源和无 源滤波器模块
频率计模块
毫伏表模块
交流毫伏表
四阶巴特沃 斯滤波器模块 扫频源模块
二阶网络函数模拟模块 函数信号发生器
方波分解 与合成模块
单片机低频信号发生器模块
二阶网络状态 轨迹显示模块 抽样定理模块
实验箱整体布局及各实验模块框图
二阶有源和 无源滤波器 扫频源 频率计
图1
四阶巴特沃 斯滤波器
ZY12SS12BC2 型信号与系统实验箱整体布局
单片机低频 信号发生器
二阶网络函 数模拟
方波分解与 合成
函数信号发 生器 二阶网络函 数模拟
图2
函数信号发生器结构框图
抽样定理
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图3
交流毫伏表结构框图
图4
单片机低频信号发生器结构框图
图5
扫频源结构框图
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二、实验仪器
1、20M 双踪示波器一台。 2、信号与系统实验箱。
三、原理说明
1．一个非正弦周期函数可以用一系列频率成整数倍的正弦函数来表示，其中与
非正弦具有相同频率的成分称为基波或一次谐波， 其它成分则根据其频率为基波 频率的2、3、4、…、n 等倍数分别称二次、三次、四次、…、n 次谐波，其幅 度将随谐波次数的增加而减小，直至无穷小。