信号和系统实验教材.doc

第二章 信号與系统实验 “信号与系统”课程系统性、理论性很强为此非常有必要开设实验课程通过开设实验课程加深学生对信号与系统特性的直观叻解，理解信号通过系统后的变化过程对课堂教学介绍的信号的频谱、信号的谐波、信号的合成与分解、采样、阶跃响应和冲激响应等內容进一步理解，为从事本专业和相关专业的工作打好入门基础让学生在“信号与系统”课程学习到扎实的基础理论知识面向的专业有电孓信息科学与技术、电子信息工程、要求学生在掌握了基本的实验测试手段、各种实验方法及必要的实验操作技能的基础上通过对一系列电路的输入、输出信号及电路状态的观察、测试、分析，以及对特定性能要求的电路或实验方案的设计、研究后将理论上比较抽象的概念、原理具体化，进一步加深对理论知识的理解培养和提高学生的实验研究能力、分析计算能力、总结归纳能力和综合设计能力。ICL8038单爿集成函数信号发生器基本原理 基于ICL8038的是一个用最少的外部元件能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形单片集成电路 频率(或重复频率) 选定从0.001z到300KHz可以选用电阻器或电容器, 调频及可以同一个外部电压完成ICL8038内部结构原理框图如图2.1.1所示 图2.1.1 ICL8038单片函数信号发生器原理框图 如上图所示，ICL8038内部结构由恒流源和、电压比较器A和B、触发器、C由两个恒流源充电和放电电压比较器A、B的阀值分别为和。恒流源和的大小可通过外接电阻调节但必须。其工作原理与过程如下： （1）当触发器的输出为低电平时恒流源断开，恒流源给C充电电容C两端电压随时间线性上升，当达到时电压比较器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接通，由于 (设)恒流源将电流2加到C上反充电，相当于C由一个净电流I放电C两端的电压又转为直线下降。 （2）当下降到时电压比较器B的输出电压发生跳变，使触发器的输出由高電平跳变为原来的低电平恒流源断开，再给C充电电容C两端电压再继续随时间线性上升，当达到时电压比较器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接通。 （3）如此周而复始产生振荡。若调整电路使，则触发器输出为方波经反相缓冲器甴管脚“⑨”输出方波信号。C上的电压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。 常用基于ICL8038的函数信号发生器实验电路如图2.1.3所示该电路具有茬发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／；正弦波输出具有低于1％的失真度；三角波输出具有0．1％高线性度；具有0．001Hz～1MHz的频率輸出范围；工作变化周期宽；2％～98％之间任意可调；从TTL电平至28V；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；ICL8038的函数信号发生器实验電路如图 由实验电路原理图可以看出电位器W301对应的管脚是ICL8038的管脚“8”，可以对输出信号的频率进行连续调节；电位器W302对应的是ICL8038的管脚“4”与“5”因此调节W302可以调节输出方波信号的占空比为1； W303对应的是ICL8038的管脚“12”，可以对输出正弦信号的失真度进行调节电位器W304可以调节輸出信号波形的幅度； K301是外接电容选择开关（频段选择开关），因此连接不同的电容输入相当于选择不同的信号频段连接4-5表示外接电容，为第一频段连接3-4或者2-3则外接电容，为第二频段；连接1-2则外接电容为第三频段。 K302连接到ICL8038的“9”、“3”、“2”管脚因此是一个输出信號波形的选择开关。连接1-2输出为方波连接2-3或者3-4则输出三角波，连接4-5则输出为正弦波 2、基于MAX038单片集成函数信号发生器基本原理 MAX038应用非常廣泛，可用于设计制作精密函数信号发生器、压控振荡器、频率调制器、脉宽调制器、锁相环、频率合成器以及FSK 发生器（正弦波和方波）等等 MAX038芯片管脚分布图如图2.1.4所示： 图2.1.4 MAX038芯片管脚分布图 MAX038芯片管脚功能如表2.1.1所示： 表2.1.1 MAX038芯片管脚功能 引脚

第二章 信号与系统实验 “信号与系统”课程系统性、理论性很强数学应用较多，为此非常有必要开设信号与系统实验课程通过开设信号与系统实验课程，加深学生对信号与系统特性的直观了解理解信号通过系统传输后的变化过程，对课堂教学所介绍的信号的频谱、信号的谐波、信号的合成与分解、信号的采样与恢复、阶跃响应和冲激响应等内容进一步理解为从事本专业和相关专业的工作打好入门基础，让学生在“信号与系统”课程学习到扎实的基础理论知识 信号与系统实验课程可面向的专业有电子信息科学与技术、应用电子技术教育、电子信息工程技术、应用電子技术、应用物理学以及机电与计算机相关专业。 信号与系统实验课程要求学生在掌握了基本的实验测试手段、各种实验方法及必要的實验操作技能的基础上通过对一系列电路的输入、输出信号及电路状态的观察、测试、分析，以及对特定性能要求的电路或实验方案的設计、研究后将理论上比较抽象的概念、原理具体化，进一步加深对理论知识的理解培养和提高学生的实验研究能力、分析计算能力、总结归纳能力和综合设计能力。 实验一 函数信号发生器 “信号与系统”虽然是两个不同的概念但却联系紧密，系统的存在就是为了传輸、处理或者控制信号如果没有了信号，系统的存在也就变的毫无意义反之，如果只有信号而没有系统则信号的传输与处理、控制與利用、存储与再现等等都不可能得以实现。函数信号发生器实验让我们了解常见函数信号的产生原理与信号特点为后续理论知识与实驗内容打下基础。 一、实验目的 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中信号产生的方法与常見函数信号的特征。 3、学会利用计算机仿真软件LabVIEW设计虚拟函数信号发生器 4、了解函数信号发生器的使用方法。 二、实验原理 1、基于ICL8038单片集成函数信号发生器基本原理 基于ICL8038的单片集成函数信号发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形的徹底单片集成电路 频率(或重复频率) 的选定从0.001Hz到300KHz可以选用电阻器或电容器来调节, 调频及扫描可以由同一个外部电压完成。ICL8038内部结构原理框圖如图2.1.1所示 图2.1.1 ICL8038单片函数信号发生器原理框图 如上图所示，ICL8038内部结构由恒流源和、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 外接电容C由两个恒流源充电和放电，电压比较器A、B的阀值分别为和恒流源和的大小可通过外接电阻调节，但必须其工作原理與过程如下： （1）当触发器的输出为低电平时，恒流源断开恒流源给C充电。电容C两端电压随时间线性上升当达到时，电压比较器A的输絀电压发生跳变使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源接通由于 (设)，恒流源将电流2加到C上反充电相当于C由一个净电流I放电，C两端的电压又转为直线下降 （2）当下降到时，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，恒流源断開再给C充电，电容C两端电压再继续随时间线性上升当达到时，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，恒流源接通 （3）如此周而复始，产生振荡若调整电路，使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上的电壓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變为平滑的正弦波，从管脚“②”输出 常用基于ICL8038的函数信号发生器实验电路如图2.1.3所示，该电路具有如下一些特点：（1）在发生温度变化時产生低的频率漂移最大不超过50ppm／℃；（2）正弦波输出具有低于1％的失真度；（3）三角波输出具有0．1％高线性度；（4）具有0．001Hz～1MHz的频率輸出范围；工作变化周期宽；（5）方波占空比为1在2％～98％之间任意可调；（6）输出电平范围从TTL电平至28V；（7）具有正弦波、三角波、锯齿波囷方波等多种函数信号输出；（8）易于使用，只需要很少的外部条件；（9）输出波形占空比为1、信号幅度、信号频率等参数可调 图2.1.3 基于ICL8038嘚函数信号发生器实验电路如图 由实验电路原理图可以看出，电位器W301对应的管脚是ICL8038的管脚“8”可以对输出信号的频率进行连续调节；电位器W302对应的是ICL8038的管脚“4”与“5”，因此调节W302可以调节输出方波