毕业设计论文——

信号与线性系统实验箱

（需要论文完整版请联系

QQ：410812128）

摘要

信号与系统课程是高等院校电子类专业学生的必修课,它不仅是电子类专业教学中一门非常基本的课程,而且也是该类学生在大学教育阶段必修课程中受益面最广又最有用途的课程之一。但是同学们在学习这门课程时,普遍感到信号与系统的概念很抽象,对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解和掌握。因此,如何让同学们尽快地理解和掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及学会灵活运用这一理论工具,是开设信号与系统课程所要解决的关键问题。

项目旨在开发一个配合学校所开设的“信号与系统”课程的实验装置，所开设的实验应与课程密切结合，能够覆盖课程的知识要点并帮助同学理解课程内容。并且硬件电路尽量简洁、布局合理、可靠性和稳定性强。为了减少同学实验时所用的仪器，本实验箱将所需要的仪器尽量内含于装置本身。

任何一个周期性函数都可以用傅立叶级数来表示，这种用傅立叶级数展开并进行分析的方法在数学、物理、工程技术等领域都有广泛的应用。例如要消除某些电器、仪器或机械的噪声，就要分析这些噪声的主要频谱，从而找出消除噪声方法；又如要得到某种特殊的周期性电信号，可以利用傅立叶级数合成，将一系列正弦波形合成所需的电信号等。本实验利用串联谐振电路，对方波电信号进行频谱分析，测量基频和各阶倍频信号的振幅以及它们之间的相位关系。然后将此过程逆转，利用加法器将一组频率倍增而振幅和相位均可调节的正弦信号合成方波信号。

为分析系统的响应，一般的方法是建立系统的微分方程并求解，对于一些较为复杂的系统，其微分方程可能是一个高阶方程或是一个微分方程组，其求解往往很费时间甚至困难。由于描述各种不同系统的微分方程，可以用电路系统来模拟，并给电路系统加以相应的激励，则系统的响应就是微分方程的解。实现这种功能的的装置称为“电子模拟计算机”。

本文首先介绍了信号与系统实验箱设计的必要背景，旨在提高对信号与系统课程教学的有效性及高效性。通过对实验箱各模块的设计与实现，我们基本能够覆盖该课程的各个知识要点，学习中起到帮助同学理解课程的作用。最后通过对实际电路的测试，得到实验结果，满足实验要求。

关键字：信号与线性系统实验箱，二阶网络函数的模拟，信号分解与合成

Abstract

Signals and Systems course is a compulsory course for students of institutions of higher education who major in electronics. It is not only a very basic course in the electronic teaching, but also one of the most beneficial and useful compulsory courses for the college students. But when students are learning this course, they usually find the concept of signals and systems abstract, and the analytical method as well as the basic theory difficult to understand and grasp. Therefore, it is the key to the signals and systems course for students to understand and grasp the basic concept, the basic principles, and the basic analytical methods as soon as possible and to use it flexibly.

This project aims to develop an experimental device to cooperate with the “Signals and Systems” course. The experiment should be set up in close combination with the curriculum, and should be able to cover main points as well as help the students understand the content of curriculum. Besides, the hardware circuit should be of succinctness as far as possible, rational layout, reliability and stability. In order to reduce the number of the experimental equipment used in the experiment, this device tries its best to contain them inside itself.

Any periodic function can be expressed as Fourier series, on which the analytical method based has a wide range of applications in mathematics, physics, engineering and other fields. For example, to eliminate the noise of electrical appliances, apparatus or machine, it is necessary to analyze the main spectrum of these noises so as to find out methods to eliminate them. For another example, to get a certain special periodical signal, we can acquire the signal in need by synthesizing a series of sinusoidal signals through Fourier series synthesis. Making use of series resonant circuit, this experiment analyzes the spectrum of Square-wave signal, measures the amplitude of fundamental frequency as well as the amplitude of various frequency bands signals, and finds out the phase relationship between them. Then, reverse this process, and with the help of summation meter, we are capable of turning the sinusoidal signal whose frequency can be multiplied and amplitude as well as phase can be regulated into square-wave signal.

To analyze the system’s response, the general approach is to build a system’s differential equation and solve it. For the more complex system, the differential equation may be a higher-order equation or even a system of differential equations which is often time-consuming and difficult to solve. Since the description of differential equations of a variety of different systems can be simulated by the circuit system and appropriate incentives can be imposed on the circuit system, the system response is the solution of differential equations. The device to achieve this function is known as the “electronic analog computer”.

In the first part of my paper, an introduction to the necessary background knowledge of the signal and system design is given. It aims to enhance the effectiveness and efficiency of the teaching of the signal and system course. Through the design and realization of the Experimental box’s modules, we almost touch upon all the elements of this course, and help students totally understand this lesson. Finally, by means of test of the actual circuit, we obtain the experimental result which meets the test requirements

Keyword：The experimental box of signal and system; Simulation of second-order network function; The decomposition and composition of signal

目录

摘要 - 2 -

Abstract - 3 -

目录 - 4 -

一、选题背景 - 5 -

1.1课题来源 - 5 -

1.2选题的目的与意义 - 5 -

1.3国内外发展状况和存在的问题 - 6 -

1.4设计的指导思想 - 7 -

二、方案论证 - 8 -

2.1设计原理 - 8 -

2.1.1 信号的分解与合成 - 8 -

2.1.2二阶网络函数的模拟 - 11 -

2.2 方案选择 - 13 -

2.2.1信号的分解与合成 - 13 -

2.2.2二阶网络函数的模拟 - 14 -

三、设计与实验过程 - 15 -

3.1信号的分解与合成 - 15 -

3.1.1信号分解与合成实验设计过程 - 15 -

3.1.2信号分解与合成实验过程 - 18 -

3.2二阶网络函数的模拟 - 20 -

3.2.1二阶网络函数模拟实验设计过程 - 20 -

3.2.2二阶网络函数的模拟实验过程 - 23 -

四、实验结果分析 - 25 -

4.1信号分解与合成 - 25 -

4.2二阶网络函数的模拟 - 27 -

五、结论与总结 - 30 -

5.1信号的分解与合成 - 30 -

5.1二阶网络函数的模拟 - 30 -

致谢 - 31 -

参考文献 - 38 -

一、选题背景

1.1课题来源

“信号与系统”不仅是电子信息、通信类专业学生的一门重要的专业基础课程,也是其研究生入学考试的必考课程之一。它在电子信息类专业的教学中有着很重要的地位,是数字信号处理、通信原理等课程的非常重要的先修课程。该课程与通信系统、图象处理、微波技术等许多专业课有很密切的联系,还涉及到线性微分方程、积分变换、复变函数等多门数学课程的内容。在教学环节中起着承上启下的作用,其重要性是其它课程不可替代的。本课程的任务是使学生获得信号与系统分析方面的基本理论、基本知识和基本技能,培养学生分析问题和解决问题的能力,为深入学习通信、电子信息类专业有关课程及为以后从事专业工作打下良好的基础。目前该课程的教学需要解决的主要问题如下:根据教学计划安排,课时被大大减少,但需交待的内容较多,就出现了课程内容多,教学时数少的矛盾,如何协调两者的关系,并保证良好的教学效果,是教学中必须解决的关键问题。本课内容的特点是应用的数学工具多、公式多,数学演绎复杂。如何把抽象的数学语言和具体的物理概念与实际应用联系起来,也是教学中要解决的重要问题。此外,一些学生的学习目的不明确。学习的目的不仅是会做题和掌握一些做题技巧,而且还要了解其内在联系,开阔视眼,培养观察问题的敏锐力,达到学以致用。虽然该课程是一门理论性很强的课程, 但是实验教学却是提高教学质量的不可或缺的手段之一。在实验过程中,通过实验设计、实验操作、分析思考得出结论,让学生从实验探究中获取知识,并通过自评、互评、讲评、讨论、总结,使学生之间相互交流,不断提高认识,从实验中领略探究的乐趣,从而增强学习知识的主动性。以往信号与系统的实验大都是用电路完成的,不直观,而且学生在实验中把大量的精力花在电路调试上,效果不好,很多复杂系统的实验更是难以实现。为此我们引入信号与系统实验箱来解决这样的问题。从而有了我们这次的课题——信号与系统实验箱。

1.2选题的目的与意义

信号与系统课程是高等院校电子类专业学生的必修课,它不仅是电子类专业教学中一门非常基本的课程,而且也是该类学生在大学教育阶段必修课程中受益面最广又最有用途的课程之一。但是学生在学习这门课程时,普遍感到信号与系统的概念很抽象,对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解和掌握。因此,如何让学生尽快地理解和掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及学会灵活运用这一理论工具,是开设信号与系统课程所要解决的关键问题。

为了达到这一目的,课程实验是一个必不可少的环节。目前,有相当一部分院校将“信号与系统实验”的内容进行了分解:一部分归入“电路实验”中,一部分安排在“数字信号处理实验”中,不再独立设课。这样做的结果是实验内容压缩,实验学时减少,实验体系难以保持,同样的实验电路,其信号与系统的独特视角得不到体现,实验效果不能不打折扣。所以,我们选择了独立设课的方式,安排20学时的实验内容,并重点突出信号检测与分析仪表的使用、多种信号的观测、信号的合成与分解、信号通过线性系统、信号的抽样与恢复等内容,保持信号与系统实验的完整体系与特色。通过计算机模拟的方式开设信号与系统实验无疑十分方便,但是由于信号与系统实验内容均较为简单,理论过程一般学生都能推算,故而,计算机模拟在这里只能作为辅助手段。在安排4学时计算机模拟实验的基础上,我们强调硬件实验为主,自行设计出信号与系统实验箱,设有各种有源与无源滤波网络、串联谐振网络、并联谐振网络、连续时间系统模拟、信号抽样与恢复等实验电路,配以示波器、任意波形发生器、频响测试仪、音频频谱分析仪等实验仪表,让学生有机会尽早接触正弦波、方波等周期信号以及调幅波、调频波等调制信号,通过多观察、多测试、多分析,理论联系实际,举一反三,融会贯通,掌握观察、测试和分析信号与系统的基本方法,培养使用基本分析工具的能力,为完成后续专业课程打下良好基础。

在实践教学中,以往信号与系统的实验大都是用电路完成的,不直观,而且学生在实验中把大量的精力花在电路调试上,效果不好,很多复杂系统的实验更是难以实现。引进试验箱后把一般的必做试验和选作试验的电路集成在电路板上,学生只需简单地连线和参数设置就解决了上述问题。我们一般都采用试验箱和示波器相结合的方式来设计验证信号与系统原理和结论。

学生可以通过示波器来观察试验结果是否与理论一致,观察出现的误差并分析原因。经过实验课程的改革尝试,证明实践性教学能够加强学生对相关知识的掌握和理解,而且通过实验,锻炼学生用计算机辅助计算分析解决实际工程问题的能力,不仅大大提高学生的动手能力,而且为后续的相关课程的学习以及毕业设计奠定了坚实的基础。

1.3国内外发展状况和存在的问题

目前国内外信号与系统实验箱的设计和制作技术很成熟，市面上有各种型号和功能的实验箱产品，有用简单电子元器件和芯片开发研制的功能较简单的实验箱，也有采用单片机、FPGA，ARM处理器等较复杂处理器以提高精确度和构成更复杂实验模块的较昂贵实验箱。这些实验箱虽然品种较多，但实验模块不一定适合特定的学校开设的信号与系统实验课程，所以有必要具体问题具体分析，设计出适合本校教学的实验箱产品。

1.4设计的指导思想

理解各实验模块的原理和功能，将理论用电路图实现，计算元器件参数并进行测试，记录测试数据，分析实验结果看是否符合设计要求，如果不符合，则重新修改设计或测试，直到使设计符合要求为止。

二、方案论证

。。。。。。。

五、结论与总结

5.1信号的分解与合成

5.1二阶网络函数的模拟

致谢

感谢我的导师XXX，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，郑老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！附录：

信号的分解与合成电路原理图：

附图1  1KHz信号分解电路

附图2  2KHz信号分解电路

附图3  3KHz信号分解电路

附图4  4KHz信号分解电路

附图5  5KHz信号分解电路

附图6  加法器电路

二阶网络函数的模拟：

附图7  二阶网络函数的模拟原理图

附图8  MATLAB仿真理论谐振曲线

附图9  MATLAB仿真实验中所得数据

二阶网络函数模拟实验用MATLAB仿真代码如下：

理论中谐振曲线N（f）的描绘：

function test=y;

clf;

f=0:12000;

f0=6000;

Q=2.49;

A=(f./f0).*(f./f0);

B=(f0./f).*(f0./f);

C=Q*Q.*(A+B-2);

y=1./sqrt((1+C));

plot(f,y);

axis([0,12000,0,1.1]);

grid on;

实验中所得数据的描点：

plot(500,0.56, '*');

hold on

plot(1000,0.84, '*');

hold on

plot(1600,1.45, '*');

hold on

plot(3200,3.67, '*');

hold on

plot(4300,5.94, '*');

hold on

plot(4800,7.48, '*');

hold on

plot(5400,8.4, '*');

hold on

plot(6000,7.49, '*');

hold on

plot(6600,5.94, '*');

hold on

plot(7800,3.67, '*');

hold on

plot(9400,1.45, '*');

hold on

plot(10000,0.84, '*');

hold on

plot(10500,0.58, '*');

hold on

grid on;

参考文献

【1】奥本海姆，Signal and System(第二版) , 西安，西安交通大学出版社，2002,507-509；

【2】康华光，陈大钦，张林， 电子技术基础(模拟部分第五版)，北京，高等教育出版社，2006，495-515；

【3】谢自美，电子线路设计·实验·测试（第三版），武汉，华中科技大学大学出版社，2006，145-154；

【4】严国萍，龙占超，通信电子线路，北京，科学出版社，2005，053-617；

【5】杨文霞，孙青林，数字逻辑电路，北京，科学出版社，2007；

【6】张德丰，赵书梅，刘国希，MATLAB图形与动画设计，国防工业出版社，2009；

更多文章请到菜鸟学习网http://www.pphust.cn。本人带写课程设计、毕业设计论文等等，有意联系QQ：410812128，非诚勿扰。

本文为原创，本人个人网站菜鸟学习网：http://www.pphust.cn 。本人代写课程设计、毕业设计等等。。有意可以联系我QQ：410812128。 非诚勿扰。 广告：海豚娱乐网（安徽卫视粉丝网）http://www.iahtv.com  泰娱乐论坛：http://bbs.cntvlm.com 手机充值店：http://iahtv.taobao.com