前言
一． 概述
“信号与系统”是电子信息工程、通信工程、无线电技术、自动控制、生物医学、电子工程等专业的重要基础课，也是各院校相应专业的主干课程。由于这门课程系统性、理论性很强，为此非常有必要开设实验课程，使学生通过实验课巩固和加深对基础理论和基本概念的理解，培养学生分析问题和解决问题的能力，同时使抽象的概念和理论形象化、具体化，从而提高学生的学习兴趣。 信号与系统实验箱是在多年开设的信号与系统实验的基础上，经过不断改进研制成功的。利用该实验箱可进行多项信号系统主要实验。
通过本实验课程学习要求达到下列目标：
1． 巩固和加深所学的理论知识
2． 掌握万用电表、晶体管毫伏表、直流稳压电源、函数信号发生器、示波器等常用电表和电子仪器的使用方法及测量技术。
3． 培养选择实验方法、整理实验数据、绘制曲线、分析试验结果、撰写实验报告的能力。
4． 培养严肃认真的工作作风、实事求是的科学态度和爱护公物的优良品德。
二． 主要功能单元介绍
1． 数显频率计
数字频率计测量频率的基本原理
所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为
图a是数字频率计的组成框图。被测信号经放大整形电路变成计数器所需要求的脉冲信号Ⅰ，其频率与被测信号的频率相同。时基电路提供标准时间基准信号Ⅱ，其高电平持续时间，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，停止技术。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率。逻辑控制电路的作用有两个：一个是产生锁存脉冲Ⅳ，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲Ⅴ，使计数器每次测量从零开始计数。
图a 频率计原理框图
各信号之间的时序关系如图b所示。
恒功率直流电源
图b 波形关系图
数字频率计的主要技术指标
频率测量范围：在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。本频率计的测频范围为： 2Hz---200KHz。 数字显示位数：频率计的数字显示位数决定了频率计的分频率，位数越多，分辨率越高。
测试时间：频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。
数字频率计的使用
熟悉频率计的工作原理，接好电源线，打开实验箱电源开关，实验箱开始正常工作。数字频率计单元开关K2可拨向Inner端与Outer端，即内测端与外测端，将数字频率记单元开关K2拨向Outer端，此时需外接外电路产生信号，并将该信号送入数字频率计单元EXTE.IN，则此时数码管显示所测信号频率。
EXTE.IN：外测频率信号输入端。
2． 数字电压表
量程： A: 2V
B: 20V
C: 200V
数字电压表的基本原理
电压表用来测量信号的电压值，实验中电压表核心器件采用的是ICL7107。它包含位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
当K3置DC处时，电压表测量信号的直流分量，数码管的读数即为信号的直流电平值；K3置AC处时，电压表测量信号的交流分量，在交流信号送入ICL7107之前，必须将信号经过全波整流转换为直流信号，经ICL7107处理后驱动LED数码管数字显示电压有效值。数码管采用共阳接法，电位计用于调节ICL7107内部参考电压，出厂前经过校验，无需调节。
通过按动档位开关可选择不同的测量量程，在这里需说明的是当不知待测信号的幅值时，应先以选择最大量程进行测试，而后再选择适宜量程进行测量。
数字电压表的使用
熟悉数字电压表的工作原理。接好电源线，打开实验箱电源开关，实验箱开始正常工作。开关置AC或DC处，选择交流/直流测量。待测信号送入电压表的信号输入端IN，观察数码管上显示的数值，记录上述信号的电压值(注意选择合适的量程)。
改变信号的幅度，观察数码管上数值的变化（注意选择合适的量程）。
量程： A: 2V B: 20V C: 200V
IN：待测信号输入端。
3． 同步信号源
原理说明：
该实验单元采用4060对晶振进行分频产生不同频率波形，所以其产生的不同频率波形可以达到很好的同步效果，另外该单元的正弦波是由产生对应频率的方波经过滤波器滤波后产生。
波形输出端说明：
1KHz、2KHz 、8KHz 、16KHz输出端：分别对应相应频率的方波信号输出。
1K Sin ：为1K正弦波输出端，其幅度与相位分别由电位器1K Sin Gain和1K Sin Phase控制。
2K Sin ：为2K正弦波输出端，其幅度由电位器2K Sin Gain控制。
1K Tri ：为1K三角波输出端，其幅度由电位器1K TRI Gain控制。
32K Sin：为32K正弦波输出端。
128K Sin：为128K正弦波输出端。
实验一 阶跃响应与冲激响应
智能控制模块一、实验目的
1. 观察和测量RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应的波形和有关参数，并研究其电路元件参数变化对响应状态的影响。
2. 掌握有关信号时域的测量方法。
二、实验内容
1. 用示波器观察欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态的阶跃响应波形。
2. 用示波器观察欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态的冲激响应波形。
三、实验仪器
1. 信号与系统实验箱 一台
2. 3000XH-1实验模块 一块
3. 双踪示波器或虚拟示波器 一台
4．连接线 若干
四、实验原理
RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应电路原理图如图1-1所示，其响应有以下三种状态：
1 当电阻时，称过阻尼状态；
2 当电阻时，称临界阻尼状态；
3 当电阻时，称欠阻尼状态。
冲激信号是阶跃信号的导数，所以对线性时不变系统冲激响应也是阶跃响应的导数。为了便于用示波器观察响应波形，实验中用周期方波代替阶跃信号，而用周期方波通过微分电路后得到的尖脉冲代替冲激信号，冲激脉冲的占空比可通过电位器W103调节。
图1-1 阶跃响应与冲激响应原理图
五、实验步骤
本实验使用3000XH-1实验模块中的阶跃响应与冲激响应部分。
1. 熟悉阶跃响应与冲激响应的工作原理。接好电源线，将3000XH-1实验模块固定于信号系统实验平台上，连接好实验模块电源（将位于模块左侧位置的电源接入接口与实验平台中同步信号源单元的相应电源输出用导线连接），打开实验箱电源开关，按下模块电源按钮，检查模块灯亮，实验箱开始正常工作.
2. 阶跃响应的波形观察：
1 将开关K1置于ON，对应阶跃响应电路。
2 将同步信号源单元产生的f0＝1KHz方波信号送入激励信号输入点STEP_IN。
3 调节电位计W102，使电路分别工作在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态，用示波器观察三种状态的阶跃响应输出波形并分析对应的电路参数。注意调节示波器时间刻度旋钮，以便得到较好的观察效果。
3. 冲激响应的波形观察：
① 将开关置于OFF，对应冲激响应电路。将信号源单元产生的f0＝1KHz方波信号送入激励信号输入点IMPULSE_IN。
② 用示波器观察STEP_IN测试点方波信号经微分后的响应波形（等效为冲激激励信号）。
调节电位计W102，使电路分别工作在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态，用示波器观察三种状态的冲激响应输出波形并分析对应的电路参数。
六、输入、输出点参考说明
1． 仪表车床加工输入点参考说明
STEP_IN：阶跃激励信号输入点。
IMPULSE_IN：冲激激励信号输入点。
2． 输出点参考说明
RESPONSE_OUT：阶跃（冲激）响应信号输出点。
七、实验思考题
1. 观察阶跃响应与冲激响应时，为什么要用周期方波作为激励信号？
2. 试分析周期方波经微分电路后形成的冲激信号经7404缓冲输出的原因；若不加缓冲输出，
得到的冲激响应波形会有何不同？
八、实验报告要求
1. 描绘同样时间轴阶跃响应与冲激响应的输入、输出电压波形时，要标明信号幅度A、周期T、方波脉宽T1以及微分电路的τ值。
2. 分析实验结果，说明电路参数变化对状态的影响。
实验二 零输入响应与零状态响应
一、实验目的
1. 熟悉系统的零输入响应与零状态响应的工作原理。
2. 掌握系统的零输入响应与零状态响应特性的观察方法。
二．实验内容
1. 用示波器观察系统的零状态响应波形。
2. 用示波器观察系统的全响应波形。
三、实验仪器
1. 信号与系统实验箱 一台
2. 3000XH-1实验模块 一块
3. 双踪示波器或虚拟示波器 一台
4. 连接线 若干
四、实验原理
系统的响应可分解为零输入响应和零状态响应。首先考察一个实例：在图2-1中由RC组成一阶RC系统，电容两端有起始电压Vc(0-)，激励源为e(t)。
R
+ +
小型自动胶带封箱机 e (t) Vc(0－) Vc(t)
下水井盖_
图2-1 一阶RC系统
则系统的响应：
上式中第一项称之为零输入响应，与输入激励无关，零输入响应陶瓷滤波器是以初始电压值开始，以指数规律进行衰减。
第二项与起始储能无关，只与输入激励有关，被称为零状态响应。在不同的输入信号下，电路会表征出不同的响应。
系统的零输入响应与零状态响应电路原理图如图2-2所示。实验中为了便于示波器观察，用周期方波作为激励信号，并且使RC电路的时间常数略小于方波信号的半周期时间。电容的充、放电过程分别对应一阶RC系统的零状态响应和零输入响应，通过加法器后得到系统的全响应。
图2-2 零输入响应与零状态响应电路原理图
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