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信号实验指导书

《信号与系统》

实验指导书

中南大学信息科学与工程学院电子与信息工程系

二〇一三年十一月

实验一：NI ELVIS II+实验仪器简介 (1)

实验二：Emona SIGEx插入板介绍 (4)

实验三：线性与非线性系统 (28)

实验四：傅里叶级数分析 (86)

实验五：采样与混叠 (149)

实验一 NI ELVIS II+实验仪器简介

初步讨论

数字万用表和示波器大概是电子工业领域中用得最多的两个测试仪器。仅靠这两个仪器就可以完成对大多数电子系统的检测和维修等测量任务。

同时，很少有电工电子实验室或者工业车间没有直流电源和

信号发生器。直流电源可以用来给待测设备上电，也可以用

于产生一个直流测试电压。而信号发生器则可以用来提供各

种各样的交流测试信号。

因此，NI ELVIS II将实验室所需的上述四个仪器功能（以及

其它功能）集中在一个单元之中，具有很重要的意义。但是，

NI ELVIS II并没为每个仪器功能设置单独的读取和显示界

面，而是把信号通过USB传送到计算机上，在同一个屏幕

上显示所有的测量结果。

在计算机上，NI ELVIS II被称为“虚拟仪器”。然而，不要让这个术语误导了你。数字万用表和示波器是真的测量设备，而不是软件仿真的。类似的，直流电源和信号发生器输出的也是真正的电压。

除了上述仪器以外，NI ELVIS II 还有八路模拟输入通道和两路模拟输出通道，可以通过我们的LabVIEW程序进行控制和写入信号，也可以读取输入信号再进行处理并显示在屏幕上。这样可以创建许许多多自定义的“虚拟仪器”，而这种自定义的仪器创建方式可以满足一些特殊的实验需求。

本手册中的实验使用了一些模拟输入和数字输入输出通道，这些通道结合SIGEx板，可以实现两组可编程的增益放大器，这在整个手册中都会用到。

NI ELVIS不像其它EMONA插件板一样使用若干独立的仪器（比如EMONA DATEx通信教学装置和EMONA FOTEx 光纤技术教学装置），它将这些仪器全都合并到一个全屏的虚拟仪器面板上，即我们所知的SIGEx Main软件前面板（Soft Front Panel, SFP）。通过简单易用的布局，每个实验在对应的选项卡中都有必须的测试设备。

当一个NI ELVIS单元连接到计算机上时，它会自动运行仪器启动面板，如下图所示：

图1：NI ELVIS II/+仪器启动面板

在这个界面中，用户可以打开每一个独立的仪器。其中某些独立仪器是供SIGEx实验用的，包括：信号发生器（FUNCTIONS GENERATOR, FGEN）、动态信号分析仪（DYNAMIC SIGNAL ANALYSER , DSA），有时也包括示波器（Scope）。

当NI ELVIS和EMONA SIGEx配合使用来进行信号与系统实验时，用户需要运行SIGEx Main SFP VI，如下图所示：

Figure 2: SIGEx Main SFP

图2：SIGEx软件前面板

如上图所示，本手册中的实验共用到19个选项卡。

这些仪器通过EMONA ETT-040通用基板，直接获取SIGEx板上的信号至ELVISmx电路中，经过LabVIEW处理后，按照需求显示在屏幕上。

NI ELVIS单元上的LabVIEW具有可编程能力，同时结合大量的模拟和数字输入输出通道，能够按照用户需求定制仪器，便于实践当中的动手实验教学。在软硬件的集成方面，EMONA SIGEx板就是一个很好的例子。

实验二用于NI ELVIS的 EMONA SIGEx 插件实验板简介

实验

在这个实验中，你要熟悉SIGEx板上各种各样的仪器，并且知道如何使用它们。

你大约需要花费10分钟时间来阅读本实验内容，并浏览实验板的相关功能。

事先准备

你需要阅读完第一章的简介，以保证你熟悉仪器设备及其功能。

实验装置

装有LabVIEW8.5（或更高版本）的计算机，还需装有数字滤波器设计工具包。

NI ELVIS II或者II+以及配套的USB数据线

EMONA SIGEx 信号与系统扩展板

各种各样的连接导线

两根带BNC接头的2mm导线

实验步骤

A、设置NI ELVIS/SIGEx 套件

1.关闭NI ELVIS单元及原型开发板上的开关。

2.将SIGEx板卡插入到NI ELVIS单元中。

注意：这步可能已经为你做好了。

3.使用USB数据线连接NI ELVIS和计算机。

4.打开计算机（假如还未开机）进入Win7系统并等待其完全启动（这样计算机才会准备好连接外部的USB设备）。

5.打开NI ELVIS单元，但不要打开原型开发板的开关。观察USB指示灯是否变亮（在ELVIS 单元的右上角）。如果扬声器可用，那么计算机将发出声音以提示已经检测到ELVIS单元。

6.打开NI ELVIS原型开发板开关，给SIGEx板卡上电。检查所有的三个指示灯是否点亮，如未点亮，请向指导老师寻求帮助。

7.打开SIGEx Main VI。

8.现在，你可以使用NI ELVIS/SIGEx套件了。

注意：当完成实验，停止SIGEx VI时，建议选择SIGEx 软件前面板上的停止按钮而不使用LabVIEW窗口上的停止按钮。这样停止程序能够保证系统秩序地关闭已经打开的一系列DAQmx通道。

B、EMONA SIGEx板卡概述

SIGEx板卡包含了多个独立的电路模块，每一个模块实现一个简单的功能。每一个模块都不是一个完整系统，但几个模块组合一起则可以完成许许多多不同的实验。模块的输入输出由2mm的连接导线按电路图连接，电路图可以参照本实验手册，也可以参照其它相关的说明文档。

EMONA SIGEx板卡布局

本章简要讨论了每个模块的功能，更详细的内容（如技术参数等）参见《EMONA SIGEx 用户手册》。

NI ELVIS II/SIGEx 套件

C、SIGEx板卡电路模块

序列发生器

序列发生器（SEQUENCE GENERATOR）提供了一个周期性的数据源，

它输出5V的双极型逻辑电平。通过DIP开关可以选择四个不同的数据流。

每一帧会输出一个周期同步（SYNC）脉冲。该模块由一个单输入逻辑电

平作时钟。一般情况下，该电平由脉冲发生器（PULSE GENERATOR）

或者信号发生器/同步输出（FUNCTION GENERATOR/SYNC）提供。

任何时候，DIP开关的状态都会显示在SIGEx软件前面板中。

限幅器

限幅器通过拨码开关选择增益大小来放大输入信号至一个定值，从而产生一

个幅度受限的输出信号。

限幅器一般用于双极型正弦模拟信号或者双极型线性编码的数据流。

RC网络

RC网络提供了电阻和电容元件，它们即可以单独配置，也可以组成RC电路

作为低通滤波器或者高通滤波器。

各个元件都是未接地的，在使用时，其中一端必须与GND相连。

整流器

整流器对输入的信号提供了半波整流的功能，它由一个非理想的二极管

组成，有一个正向压降。

整流器一般用于正弦信号。

乘法器

乘法器提供了两个模拟输入信号的四象限乘法功能，其总增益基本相同，可以

用于模拟电路中可能发生的任何倍增过程。

积分陡落与积分保持器

积分陡落和积分保持在这个电路模块中都可以实现。通常由一个输入序列

的比特时钟作为时钟信号，在相关及滤波操作中，它用来给一个波形在一

个信号周期内进行积分。

基带低通滤波器

这个低通滤波器拥有四阶巴特沃斯响应，即可以作为一个待测系统，也

可以用作一般的滤波函数。

PCM编码器

这个模块实现单路模拟信号的PCM编码功能。它输出一个8位的帧，其

中包括一个周期同步桢脉冲。

它可以用于直流信号也可以用于正弦信号，还可以用来作为研究编码过程

的一个具体案例。

它的最大采样率为2.5ksps（20kbps PCM数据流），因此，也可以用于编

码频率低于奈奎斯特极限即1.25kHz的信号。

PCM解码器

这个模块实现PCM解码功能，解码数据来自于PCM编码器中产生的8位

PCM数据流。

帧同步信号是系统同步所必须的，在输出端没有重构滤波器用来研究量化问

题。

可调谐低通滤波器

这个模块是一个可调节的低通滤波器。它实现了一个8阶椭圆滤波器，其转角

频率可调节。它的输出信号的电平也是可以调节的，而且它可以接受模拟信号

和TTL电平的数字信号。

该滤波器在输入端没有抗混叠措施，因此用户必须明确输入信号的带宽。

积分器

这3个独立的电路是简单的积分电路，它们各有一个积分速率可选的拨码开关。这些积分电路可用于连续时域积分。（这与积分陡落/积分保持器中仅能在一个周期内工作不同）

它们可以用于拉普拉斯域的相关实验。

拨码开关设置控件以及近似积分速率控件都显示在SIGEx软件前面板上。

基于采样与保持的单位延时器

采样与保持器是一个模拟采样电路，它能够在输入的TTL电平时钟信号中保持采样值一个时钟周期。单位延时与此类似，它在输入端口保持输入的模拟信号值一个时钟周期。

所有的4个单元共用相同的时钟信号。

三输入和双输入加法器

该模块共有3个加法器，其中两个是相同的三输入加法器，还有一个为双输入加法器。三输入加法器a和b，具有可调节的增益。这些增益可以通过SIGEx 软件前面板调节，一般用于实现反馈和前馈系统。

双输入加法器的增益为1，用于一般的加法操作。

增益旋钮的值可以从SIGEx 软件前面板上读出，并且可以通过手动调节改变增益的值。

D、与NI ELVIS关联的功能

脉冲发生器/数字输出

该模块让NI ELVIS拥有了一个内置的脉冲发生器，它拥有很宽的频率范

围并且占空比可调。频率和占空比可以通过SIGEx 软件前面板来控制，

一般地，该模块可以作为数字时钟以供实验使用。

D-OUT-0是一组数字输出口，但是在本实验中没有用到。

信号发生器

该模块让NI ELVIS拥有了一个内置的多功能的信号发生器，它能够提供

各种类型、幅值和频率的信号。这些参数可以通过NI ELVIS仪器启动面

板上该仪器的前面板控制。

模拟输出

该模块通过数模转换模块（DAC）产生两路模拟输出。

这两路输出由SIGEx实验的多个选项卡控制，能够按照用户需求进行更

改，以产生任意周期的波形。

E、EMONA SIGEx软件前面板（Soft Front Panel ，SFP）简介

EMONA SIGEx软件前面板提供了SIGEx硬件的控制参数，也提供了每个实验所需具体的测量仪器，每个实验的测量仪器分别在一个便捷小巧的选项卡内。

前面板控件的布局一目了然，所有参数都能很醒目地在屏幕上看到。

SIGEx的CD盘中提供有该VI的源代码，以便用户按照自己的需求改进和定制前面板界面以及软件功能。

EMONA SIGEx软件前面板

SIGEx是为高等院校的用户而设计的，如果希望用到其所有的功能，需要有LabVIEW“数字滤波器设计”工具包的使用权限。

加法器增益输入面板

三输入加法器的增益是可以改变的，它可以通过前面板上的输入控件设置，也有一些实验可以直接在程序代码中设置增益。显示在屏幕上的增益值会自动、连续地传送到硬件上。

系数选择面板

实验板上的增益调节（GAIN ADJUST）旋钮的位置对应了一系列数值，这些数值可以控制特定的加法器的增益。单选按钮控制板可以用来选择一个增益，也可以都不选。如果选择了一个增益，那么中心值（center value）和步进大小（step size）两个控件也要设定一个值。这样就使得不管是大范围的值还是小范围的值都可以通过旋钮调节。

脉冲发生器面板

在这个面板上，脉冲发生器模块中脉冲的频率和占空比是可以设置的，而且脉冲的输出端口可以在空闲的D-OUT-0端口中切换。

SG序列类型和积分增益显示面板

实验板上选择信号类型的拨码开关在软件面板的上有相似的控件与之对应，并且有简要的描述以方便用户查看。有关信号的内容详见《SIGEx用户手册》。

模拟输出查看器

图形图表控件显示了当前从数模转换器传到模拟输出端口的实际信号。在不同的实验中，其波形图控件不同。当示波器（SCOPE）已经被其它信号占用时，这些波形显示控件则便于用户查看信号波形。

示波器触发电平（Trig level），触发斜率（trig slope），触发指示灯，触发方式选择（trig select），时间轴（timebase）等

这些控件是供各个实验选项卡中的示波器使用的。

触发电平为示波器触发时的电平，通常设置为0V或者1V。

触发斜率允许在信号的上升沿和下降沿进行触发。

当上述定义的触发点被检测到时，触发指示灯会点亮（变绿）。

触发方式选择决定以哪个通道作为触发源。

时间轴的设置能够改变信号被捕获和显示的长短，用户也可以选择显示全部时间。

运行/停止按键能够使示波器停止下来，以便更仔细地观察信号。

自动调整Y坐标开关：能够自动调整Y坐标的量程，使观察到的振幅变化的信号变得稳定便于更稳定地观察幅值变化较大的信号。

上述这种示波器简单方便，在特殊的实验中还可以定制信号显示方式。用户若有需要，在其中一个选项卡中还可以用于频谱显示。

ELVIS 2+用户须知

由于在ELVIS 2+中可以使用独立的示波器软件，因此，ELVIS 2+可以在使用仪器启动面板中的示波器软件的同时，使用选项卡中的示波器来观察信号。

动态信号分析仪（DSA），实际上是一个频谱分析仪，在ELVIS 2+中也是可用的，但是不能和独立的示波器同时使用。

不同实验“Lab X”选项卡

如果必要，在SIGEx实验手册中的每一个实验都有一个对应的选项卡面板。

按照需要选择相应的选项卡，那么对应的检测仪器就会显示出来。实验3至实验16都有相应的选项卡。

数字滤波设计选项卡（DFD）

EMONA信号与系统311

该选项卡提供了几种数字滤波器，并能简单方便地显示出它们的特征。用户选择了一种滤波器之后，其对应的传递函数就会被计算出来。同时，传递函数的系数就会被提取出来，并且作为三输入加法器的参数立即设置SIGEx的硬件。这些参数都能够在软件前面板上看到，计算后的响应结果也会显示在屏幕上。

如果要从硬件上观察实际的信号和响应，可以切换至包含示波器和快速傅里叶变换功能的选项卡，例如ZOOM FFT选项卡，同时输入一个适当的源信号。

注意，SIGEx仅限于实现最多2阶的滤波器，如果选择了大于2阶的滤波器，那么红色的“错误”指示灯将会点亮。

请注意：当正在做的实验不需要用到DFD选项卡时，请不要选中它，因为它会重新载入它计算的系数到增益控制面板，这样会覆盖你当前输入的值。

ZOOM FFT选项卡

该选项卡包含了一个波形显示控件、一个频谱显示控件和一个可细化频谱的FFT变换显示控件。该选项卡是一个通用的供显示用的选项卡，不与任何特定的实验相关。1000点的FFT 变换，# sample控件允许用户选择频谱细化范围从0到1000点。zoom region滚动条可以选择1000点FFT的频谱细化区域。

零极点（PZ PLOT）选项卡

该选项卡会使用数字滤波设计工具包通过在SIGEx板上设置的传递函数的系数来计算系统的极点和零点。

该选项卡会根据三输入加法器的增益控制参数值实时地画出其极点和零点。

特别有趣的是，当人为地旋转板上的增益调节旋钮，改变增益系数时，用户可以在屏幕上看到极点和零点在单位圆上移动。

实验三特殊信号的特征与应用（选做）

本实验将取得的成果

时域响应；

研究系统特征参数时主要研究阶跃响应和脉冲响应；

正弦波用于输入信号；

限幅被用于数字信号的恢复。

实验

第一部分我们先研究一下当系统响应受特征常量影响时信号是如何失真的，并探索用于表现系统特性的信号。

第二部分我们将会介绍一下正弦波，并观察第一部分中研究的系统对正弦波将会有什么响应。

通常过度的放大后，会受到振幅受到限制的信号，即所谓的限幅信号。例如音频系统，过度的放大导致了过载失真。在第三部分，我们将会生成一个限幅信号，并验证限幅的作用。

由于这个实验是一个探索的过程，我们把代表通道的模块称为“待测系统”（System Under Investigation,S.U.I.），直到我们熟悉了它们的特性。

你大概需要花费45分钟时间来完成这个实验。