信號與系統實驗箱模塊組成介紹

 “信號與系統實驗箱”是在多年開設信號與系統實驗的基礎上，經過不斷改進研制成功的。是專門為《信號與系統》課程而設計的，提供了信號的頻域、時域分析的實驗手段。利用該實驗箱可進行階躍響應與沖激響應的時域分析；借助于ＤＳＰ技術實現信號卷積、信號頻譜的分析與研究、信號的分解與合成的分析與實驗；抽樣定理與信號恢復的分析與研究；連續時間系統的模擬；一階、二階電路的暫態響應；二階網絡狀態軌跡顯示、各種濾波器設計與實現等內容的學習與實驗。

實驗箱采用了DSP數字信號處理新技術，將模擬電路難以實現或實驗結果不理想的“信號分解與合成”、“信號卷積”等實驗得以準確地演示，并能生動地驗證理論結果；系統地了解并比較無源、有源、數字濾波器的性能及特性，并可學會數字濾波器設計與實現。

實驗箱配有DSP標準的JTAG插口及DSP同主機PC機的通信接口，可方便學生在我們提供的軟件的基礎上進行二次開發（可用仿真器或不用仿真器），完成一些數字信號處理、ＤＳＰ應用方面的實驗。如：各種數字濾波器設計、頻譜分析、卷積、Ａ／Ｄ轉換、Ｄ／Ａ轉換、ＤＳＰ定時器的使用、ＤＳＰ基本Ｉ／Ｏ口使用等。該實驗箱的系統分布圖如圖1-1所示。

       圖1-1   實驗系統分布示意圖

它由以下模塊組成：

1.         電源輸入模塊

2.         信號源模塊

3.         數字濾波器模塊

4.         主機接口與二次開發區

5.         數字信號處理器模塊

6.         CPLD編程開放模塊

7.         信號分解與合成模塊

8.         信號卷積實驗模塊

9.         一階電路暫態響應模塊

10.     二階電路傳輸特性模塊

11.     二階網絡狀態軌跡模塊

12.     階躍響應與沖激響應模塊

13.     抽樣定理模塊

14.     模擬濾波器模塊

15.     基本運算單元與連續系統的模擬模塊

16.     頻率表與毫伏表

各模塊的的具體作用將在第二節中介紹。

第一節          各實驗模塊介紹

在本節中，將分別介紹實驗平臺上的各個模塊單元。在第一節的系統介紹中，已介紹了本實驗系統由16個模塊組成。

1.         電源輸入模塊

此模塊位于實驗平臺的右上角部分，分別提供 +12v、+5v、-12 v、-5 v的電源輸出。４組電源對應４個發光二極管，電源輸出正常時對應的發光二極管亮。

2.         信號源模塊

提供的波形種類有：正弦波、三角波、方波、半波、全波

信號的頻率范圍：1Hz—200KHz，可分別通過按鈕調節信號的頻率、占空比和掃速，通過電位器旋鈕信號的幅度。

有兩個測量點：

TP702  輸出的信號波形（正弦波、三角波、方波、掃頻信號，全波，半波）；

TP701  點頻信號輸出

                   信號插孔：

                            P702：信號源信號輸出插孔，P701：點頻信號輸出插孔。

3.         數字濾波器模塊

完成模擬信號的模數轉換（A/D）、運算單元DSP、濾波輸出的數模（D/A）轉換

有兩個測量點：

TP101  A/D前的模擬信號波形；

                   信號插孔：

                            P101：模擬信號輸入插孔。

4.         主機接口與二次開發區

此模塊由USB接口、CPLD、DSP的JTAG插座等組成。ＤＳＰ程序可以來自固化在U104中的例題程序或來自ＰＣ機的學生開發程序。U104中的例題程序可由SW101來選擇,按下SW101按鈕選擇不同的程序號，在數碼管SMG101上將顯示程序號。

SW102：復位鍵開關，SW101改變后必需復位一次。

5.         數字信號處理器模塊

由TMS320C5402和AD、DA等模塊組成，完成數字信號處理的各種運算。

有兩個測量點：

TP102：指示ＤＳＰ通用I/O口ＸＦ的電平

TP103： 指示DSP定時器定時輸出信號TOUT

　　　　三個指示燈：分別指示ＤＳＰ是否在運行；ＸＦ狀態；ＴＯＵＴ狀態

         通過按鈕和數碼管指示進行程序選擇，可選擇六個運行程序，默認顯示為零。

   程序號為1－6，選擇到6時，需按一此復位按鈕SW101，復位到0，重新開始。

6.         CPLD可編程模塊

完成信號電平轉換、主機接口中各控制信號產生、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ片選信號和控制信號產生等功能。

7.         信號分解與合成模塊

此模塊位于實驗平臺的中部，主要完成信號的分解與合成，模塊的上半部分為信號的分解，下半部分為信號的合成。信號的分解部分提供了8個波形輸出測量點，TP801、TP802……TP808；TP801—TP807分別為信號的1—7次諧波輸出波形，第8個測量點TP808為8次以上諧波的合成輸出波形；信號合成的部分中，把分解輸出的各次諧波信號連接輸入至合成部分，在合成的輸出測量點上可觀察到合成后的信號波形。

此模塊上還有四個開關，K801、K802…K804。這四個開關的作用是用于選擇是否對分解出的1次、3次、5次、7次諧波幅度進行放大（便于研究諧波幅度對信號合成的影響）：當開關位于1、2位置時不放大，當開關位于2、3位置時可通過相應電位器調節諧波分量的幅度。如：對于輸出的基波分量，當開關K801位于1、2位置時，電位器W801不起任何作用，直接把分解提取到的基波輸出；當開關K801位于2、3位置時，分解提取到的基波分量可通過電位器W801來調節它的輸出幅度的大小。

信號插孔：P801-P808 信號分解時各次諧波的輸出插孔。

8.         信號卷積實驗模塊

此模塊在信號分解模塊內，結構非常簡單，只有三個測量點，分別為兩個輸入信號測量點，一個卷積后的信號輸出波形測量點。輸入的信號為經過A/D和D/A轉換的數字信號。

9.         一階電路暫態響應模塊

此模塊可根據自己的需要搭接一階電路，觀測各點的信號波形。

有3個測量點：

TP902、TP903：一階RC電路輸出信號波形測量點；

TP907       ：一階RL電路輸出信號波形測量點。

                   信號插孔：

                            P901、P906：信號輸入插孔；

                            P902、P903、P904、P905、P907、P908、P909：電路連接插孔。

10.     二階電路傳輸特性模塊

此模塊亦可根據需要搭接二階電路，觀測各測量點的信號波形。

有兩個測量點：

TP201：二階RC電路傳輸特性測量點；

TP202：二階RL電路傳輸特性測量點。

                   信號插孔：

                            P201、P202：信號輸入插孔。

11.     二階網絡狀態軌跡模塊

此模塊除完成二階網絡狀態軌跡觀察的實驗，還可完成二階電路暫態響應觀察的實驗。

有兩個測量點：

TP904、TP905：輸出信號波形觀測點

                   信號插孔：

                            P910：信號輸入插孔。

12.     階躍響應與沖激響應模塊

接入適當的輸入信號，可觀測輸入信號的階躍響應與沖激響應。

有兩個測量點：

                   TP913：沖激信號觀測點；

                   TP906：沖激響應，階躍響應信號輸出觀測點。

信號插孔：

                   P912、P914：信號輸入插孔；

                   P913：電路連接插孔。

13.     抽樣定理模塊

通過本模塊可觀測到抽樣過程中各個階段的信號波形。

有四個測量點：

                   TP601：輸入信號波形觀測點；

                       TP603：輸入信號經采樣后的信號波形觀測點；

                   TP604：抽樣信號經濾波器恢復后的信號波形觀測點。

信號插孔：

                   P601：信號輸入插孔；

                   P602：抽樣脈沖信號輸入插孔；

                   P603：抽樣信號輸出插孔；

                   其它：元器件選擇插孔。

14.     模擬濾波器模塊

提供了多種有源無源濾波器，包括低通無源濾波器、低通有源濾波器、高通無源濾波器、高通有源濾波器、帶通無源濾波器、帶通有源濾波器、帶阻無源濾波器和帶阻有源濾波器。根據自己的需要進行實驗。

有8個測量點：

                   TP401：信號經低通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點；

                   TP402：信號經低通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點；

                   TP403：信號經高通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點；

                   TP404：信號經高通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點；

                   TP405：信號經帶通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點；

                   TP406：信號經帶通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點；

                   TP407：信號經帶阻無源濾波器后的輸出信號波形觀測點；

                   TP408：信號經帶阻有源濾波器后的輸出信號波形觀測點；

信號插孔：

                   P401、P402、P403、P404、P405、P406、P407、P408：信號輸入插孔；

15.     基本運算單元與連續系統的模擬模塊

本模塊提供了很多開放的電阻電容，可根據需要搭接不同的電路，進行各種測試。如可實現加法器、比例放大器、積分器及一階系統的模擬。

信號插孔：

                   P301、P302：運算放大器U301A的輸入信號插孔；

                   P303：運算放大器U301A的輸出信號插孔；

                   P305、P306：運算放大器U301B的輸入信號插孔；

                   P307：運算放大器U301B的輸出信號插孔；

    P340、P341、P342：10K電位器插孔；

                  

16.     頻率表與毫伏表

頻率表顯示信號源輸出的信號的頻率值，毫伏表顯示信號源輸出信號的幅度的平均值（正弦信號有效值），指示范圍為０－10Ｖ。

信號源

本節將對信號源部分作進一步的介紹和講解。本實驗平臺采用DDS信號源，信號選擇靈活方便。通過此節學習，同學能夠進一步了解信號源的操作和使用，建議學校把此節作為一個教學實驗。信號源操作區示意圖如圖3-1所示。

圖3-1   信號源操作區示意圖

首先，對信號源部分的各個元器件作一個介紹：

J702： 波形選擇開關（正弦波、三角波、方波、掃頻、半波、全波）

K701： 信號輸出選擇開關，當開關置于“函數”位置時，輸出三角波、正弦波、

掃頻、半波、全波等信號；當開關置于“方波”位置時，輸出方波信號。

W701：信號幅度調節旋鈕。

TP702：函數信號輸出測量點，信號默認的輸出頻率為2K。

TP701：點頻信號測量點。

SW704：點頻輸出選擇，選擇不同的組合，可以輸出不同頻率和占空比的脈沖，地址開關撥到上面為“1”，地址開關撥到下面為“0”。

1234（SW704選擇開關）	F（頻率）	2/t（占空比）
0101	3k	1/2
0110	3k	1/4
0111	3k	1/8
1001	6k	1/2
1010	6k	1/4
1011	6k	1/8
1101	12k	1/2
1110	12k	1/4
1111	12k	1/8

    

S705： 頻率和占空比“＋\－”切換按鈕：

 = 1 \* ROMAN I、 S705彈起時，按下頻率調節按鈕頻率減?。?/P>

 = 2 \* ROMAN II 、S705按下時，按下頻率調節按鈕，頻率增加；

 = 3 \* ROMAN III、S705彈起時，按下占空比調節按鈕占空比減小；

 = 4 \* ROMAN IV、S705按下時，按下占空比調節按鈕占空比增加。

S701、S702、S703：頻率調節按鈕；按一次S701按鈕，輸出信號頻率增加或減小

100Hz，按一次S702按鈕，輸出信號頻率增加或減小1KHz，按一次S703按鈕，

輸出信號頻率增加或減小10KHz ；

S704： 占空比調節按鈕，輸出信號默認占空比為1/2，每按一次此按鈕占空比增加或減小1/8，最小占空比為1/8。

P101： 毫伏表測量輸入插孔，做實驗時需把它同P702相連，此時可測得輸出信號有效值，也可把外加信號送至此插孔測量其有效值。

信號源波形的觀測實驗步驟：

1.       實驗系統加電，在J702選擇開關上選擇一種信號，如正弦信號；

2.       默認輸出信號的頻率為1K，此時頻率表應顯示“001000”；

3.       連接P702和P101將輸出的信號送至毫伏表顯示；

4.       在TP702上接示波器進行觀察；

5.       調節W701信號幅度調節旋鈕，可在示波器上觀察到信號幅度的變化；

6.       按下信號占空比調節按鈕S704，可在示波器上觀察到信號占空比或對稱性的變化；

7.       按下信號頻率調節按鈕，可在示波器上觀察到信號頻率的變化；

8.       選擇開關J702選擇其它的信號類型，重復上面的步驟進行波形的觀察。