信号与系统实验箱模块组成介绍

信号与系统实验箱模块组成介绍

 “信号与系统实验箱”是在多年开设信号与系统实验的基础上，经过不断改进研制成功的。是专门为《信号与系统》课程而设计的，提供了信号的频域、时域分析的实验手段。利用该实验箱可进行阶跃响应与冲激响应的时域分析；借助于ＤＳＰ技术实现信号卷积、信号频谱的分析与研究、信号的分解与合成的分析与实验；抽样定理与信号恢复的分析与研究；连续时间系统的模拟；一阶、二阶电路的暂态响应；二阶网络状态轨迹显示、各种滤波器设计与实现等内容的学习与实验。

实验箱采用了DSP数字信号处理新技术，将模拟电路难以实现或实验结果不理想的“信号分解与合成”、“信号卷积”等实验得以准确地演示，并能生动地验证理论结果；系统地了解并比较无源、有源、数字滤波器的性能及特性，并可学会数字滤波器设计与实现。

实验箱配有DSP标准的JTAG插口及DSP同主机PC机的通信接口，可方便学生在我们提供的软件的基础上进行二次开发（可用仿真器或不用仿真器），完成一些数字信号处理、ＤＳＰ应用方面的实验。如：各种数字滤波器设计、频谱分析、卷积、Ａ／Ｄ转换、Ｄ／Ａ转换、ＤＳＰ定时器的使用、ＤＳＰ基本Ｉ／Ｏ口使用等。该实验箱的系统分布图如图1-1所示。

       图1-1   实验系统分布示意图

它由以下模块组成：

1.         电源输入模块

2.         信号源模块

3.         数字滤波器模块

4.         主机接口与二次开发区

5.         数字信号处理器模块

6.         CPLD编程开放模块

7.         信号分解与合成模块

8.         信号卷积实验模块

9.         一阶电路暂态响应模块

10.     二阶电路传输特性模块

11.     二阶网络状态轨迹模块

12.     阶跃响应与冲激响应模块

13.     抽样定理模块

14.     模拟滤波器模块

15.     基本运算单元与连续系统的模拟模块

16.     频率表与毫伏表

各模块的的具体作用将在第二节中介绍。

第一节          各实验模块介绍

在本节中，将分别介绍实验平台上的各个模块单元。在第一节的系统介绍中，已介绍了本实验系统由16个模块组成。

1.         电源输入模块

此模块位于实验平台的右上角部分，分别提供 +12v、+5v、-12 v、-5 v的电源输出。４组电源对应４个发光二极管，电源输出正常时对应的发光二极管亮。

2.         信号源模块

提供的波形种类有：正弦波、三角波、方波、半波、全波

信号的频率范围：1Hz—200KHz，可分别通过按钮调节信号的频率、占空比和扫速，通过电位器旋钮信号的幅度。

有两个测量点：

TP702  输出的信号波形（正弦波、三角波、方波、扫频信号，全波，半波）；

TP701  点频信号输出

                   信号插孔：

                            P702：信号源信号输出插孔，P701：点频信号输出插孔。

3.         数字滤波器模块

完成模拟信号的模数转换（A/D）、运算单元DSP、滤波输出的数模（D/A）转换

有两个测量点：

TP101  A/D前的模拟信号波形；

                   信号插孔：

                            P101：模拟信号输入插孔。

4.         主机接口与二次开发区

此模块由USB接口、CPLD、DSP的JTAG插座等组成。ＤＳＰ程序可以来自固化在U104中的例题程序或来自ＰＣ机的学生开发程序。U104中的例题程序可由SW101来选择,按下SW101按钮选择不同的程序号，在数码管SMG101上将显示程序号。

SW102：复位键开关，SW101改变后必需复位一次。

5.         数字信号处理器模块

由TMS320C5402和AD、DA等模块组成，完成数字信号处理的各种运算。

有两个测量点：

TP102：指示ＤＳＰ通用I/O口ＸＦ的电平

TP103： 指示DSP定时器定时输出信号TOUT

　　　　三个指示灯：分别指示ＤＳＰ是否在运行；ＸＦ状态；ＴＯＵＴ状态

         通过按钮和数码管指示进行程序选择，可选择六个运行程序，默认显示为零。

   程序号为1－6，选择到6时，需按一此复位按钮SW101，复位到0，重新开始。

6.         CPLD可编程模块

完成信号电平转换、主机接口中各控制信号产生、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ片选信号和控制信号产生等功能。

7.         信号分解与合成模块

此模块位于实验平台的中部，主要完成信号的分解与合成，模块的上半部分为信号的分解，下半部分为信号的合成。信号的分解部分提供了8个波形输出测量点，TP801、TP802……TP808；TP801—TP807分别为信号的1—7次谐波输出波形，第8个测量点TP808为8次以上谐波的合成输出波形；信号合成的部分中，把分解输出的各次谐波信号连接输入至合成部分，在合成的输出测量点上可观察到合成后的信号波形。

此模块上还有四个开关，K801、K802…K804。这四个开关的作用是用于选择是否对分解出的1次、3次、5次、7次谐波幅度进行放大（便于研究谐波幅度对信号合成的影响）：当开关位于1、2位置时不放大，当开关位于2、3位置时可通过相应电位器调节谐波分量的幅度。如：对于输出的基波分量，当开关K801位于1、2位置时，电位器W801不起任何作用，直接把分解提取到的基波输出；当开关K801位于2、3位置时，分解提取到的基波分量可通过电位器W801来调节它的输出幅度的大小。

信号插孔：P801-P808 信号分解时各次谐波的输出插孔。

8.         信号卷积实验模块

此模块在信号分解模块内，结构非常简单，只有三个测量点，分别为两个输入信号测量点，一个卷积后的信号输出波形测量点。输入的信号为经过A/D和D/A转换的数字信号。

9.         一阶电路暂态响应模块

此模块可根据自己的需要搭接一阶电路，观测各点的信号波形。

有3个测量点：

TP902、TP903：一阶RC电路输出信号波形测量点；

TP907       ：一阶RL电路输出信号波形测量点。

                   信号插孔：

                            P901、P906：信号输入插孔；

                            P902、P903、P904、P905、P907、P908、P909：电路连接插孔。

10.     二阶电路传输特性模块

此模块亦可根据需要搭接二阶电路，观测各测量点的信号波形。

有两个测量点：

TP201：二阶RC电路传输特性测量点；

TP202：二阶RL电路传输特性测量点。

                   信号插孔：

                            P201、P202：信号输入插孔。

11.     二阶网络状态轨迹模块

此模块除完成二阶网络状态轨迹观察的实验，还可完成二阶电路暂态响应观察的实验。

有两个测量点：

TP904、TP905：输出信号波形观测点

                   信号插孔：

                            P910：信号输入插孔。

12.     阶跃响应与冲激响应模块

接入适当的输入信号，可观测输入信号的阶跃响应与冲激响应。

有两个测量点：

                   TP913：冲激信号观测点；

                   TP906：冲激响应，阶跃响应信号输出观测点。

信号插孔：

                   P912、P914：信号输入插孔；

                   P913：电路连接插孔。

13.     抽样定理模块

通过本模块可观测到抽样过程中各个阶段的信号波形。

有四个测量点：

                   TP601：输入信号波形观测点；

                       TP603：输入信号经采样后的信号波形观测点；

                   TP604：抽样信号经滤波器恢复后的信号波形观测点。

信号插孔：

                   P601：信号输入插孔；

                   P602：抽样脉冲信号输入插孔；

                   P603：抽样信号输出插孔；

                   其它：元器件选择插孔。

14.     模拟滤波器模块

提供了多种有源无源滤波器，包括低通无源滤波器、低通有源滤波器、高通无源滤波器、高通有源滤波器、带通无源滤波器、带通有源滤波器、带阻无源滤波器和带阻有源滤波器。根据自己的需要进行实验。

有8个测量点：

                   TP401：信号经低通无源滤波器后的输出信号波形观测点；

                   TP402：信号经低通有源滤波器后的输出信号波形观测点；

                   TP403：信号经高通无源滤波器后的输出信号波形观测点；

                   TP404：信号经高通有源滤波器后的输出信号波形观测点；

                   TP405：信号经带通无源滤波器后的输出信号波形观测点；

                   TP406：信号经带通有源滤波器后的输出信号波形观测点；

                   TP407：信号经带阻无源滤波器后的输出信号波形观测点；

                   TP408：信号经带阻有源滤波器后的输出信号波形观测点；

信号插孔：

                   P401、P402、P403、P404、P405、P406、P407、P408：信号输入插孔；

15.     基本运算单元与连续系统的模拟模块

本模块提供了很多开放的电阻电容，可根据需要搭接不同的电路，进行各种测试。如可实现加法器、比例放大器、积分器及一阶系统的模拟。

信号插孔：

                   P301、P302：运算放大器U301A的输入信号插孔；

                   P303：运算放大器U301A的输出信号插孔；

                   P305、P306：运算放大器U301B的输入信号插孔；

                   P307：运算放大器U301B的输出信号插孔；

    P340、P341、P342：10K电位器插孔；

                  

16.     频率表与毫伏表

频率表显示信号源输出的信号的频率值，毫伏表显示信号源输出信号的幅度的平均值（正弦信号有效值），指示范围为０－10Ｖ。

信号源

本节将对信号源部分作进一步的介绍和讲解。本实验平台采用DDS信号源，信号选择灵活方便。通过此节学习，同学能够进一步了解信号源的操作和使用，建议学校把此节作为一个教学实验。信号源操作区示意图如图3-1所示。

图3-1   信号源操作区示意图

首先，对信号源部分的各个元器件作一个介绍：

J702： 波形选择开关（正弦波、三角波、方波、扫频、半波、全波）

K701： 信号输出选择开关，当开关置于“函数”位置时，输出三角波、正弦波、

扫频、半波、全波等信号；当开关置于“方波”位置时，输出方波信号。

W701：信号幅度调节旋钮。

TP702：函数信号输出测量点，信号默认的输出频率为2K。

TP701：点频信号测量点。

SW704：点频输出选择，选择不同的组合，可以输出不同频率和占空比的脉冲，地址开关拨到上面为“1”，地址开关拨到下面为“0”。

1234（SW704选择开关）	F（频率）	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： 频率和占空比“＋\－”切换按钮：

 = 1 \* ROMAN I、 S705弹起时，按下频率调节按钮频率减小；

 = 2 \* ROMAN II 、S705按下时，按下频率调节按钮，频率增加；

 = 3 \* ROMAN III、S705弹起时，按下占空比调节按钮占空比减小；

 = 4 \* ROMAN IV、S705按下时，按下占空比调节按钮占空比增加。

S701、S702、S703：频率调节按钮；按一次S701按钮，输出信号频率增加或减小

100Hz，按一次S702按钮，输出信号频率增加或减小1KHz，按一次S703按钮，

输出信号频率增加或减小10KHz ；

S704： 占空比调节按钮，输出信号默认占空比为1/2，每按一次此按钮占空比增加或减小1/8，最小占空比为1/8。

P101： 毫伏表测量输入插孔，做实验时需把它同P702相连，此时可测得输出信号有效值，也可把外加信号送至此插孔测量其有效值。

信号源波形的观测实验步骤：

1.       实验系统加电，在J702选择开关上选择一种信号，如正弦信号；

2.       默认输出信号的频率为1K，此时频率表应显示“001000”；

3.       连接P702和P101将输出的信号送至毫伏表显示；

4.       在TP702上接示波器进行观察；

5.       调节W701信号幅度调节旋钮，可在示波器上观察到信号幅度的变化；

6.       按下信号占空比调节按钮S704，可在示波器上观察到信号占空比或对称性的变化；

7.       按下信号频率调节按钮，可在示波器上观察到信号频率的变化；

8.       选择开关J702选择其它的信号类型，重复上面的步骤进行波形的观察。