信號與系統(tǒng)實驗箱模塊組成介紹
來源： 作者： 發(fā)布時間：2018-8-30 13:10:53
信號與系統(tǒng)實驗箱模塊組成介紹
“信號與系統(tǒng)實驗箱”是在多年開設(shè)信號與系統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷改進研制成功的。是專門為《信號與系統(tǒng)》課程而設(shè)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(yīng)與沖激響應(yīng)的時域分析；借助于ＤＳＰ技術(shù)實現(xiàn)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(fù)的分析與研究；連續(xù)時間系統(tǒng)的模擬；一階、二階電路的暫態(tài)響應(yīng)；二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡顯示、各種濾波器設(shè)計與實現(xiàn)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)與實驗。
實驗箱采用了DSP數(shù)字信號處理新技術(shù)，將模擬電路難以實現(xiàn)或?qū)嶒灲Y(jié)果不理想的“信號分解與合成”、“信號卷積”等實驗得以準(zhǔn)確地演示，并能生動地驗證理論結(jié)果；系統(tǒng)地了解并比較無源、有源、數(shù)字濾波器的性能及特性，并可學(xué)會數(shù)字濾波器設(shè)計與實現(xiàn)。
實驗箱配有DSP標(biāo)準(zhǔn)的JTAG插口及DSP同主機PC機的通信接口，可方便學(xué)生在我們提供的軟件的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)（可用仿真器或不用仿真器），完成一些數(shù)字信號處理、ＤＳＰ應(yīng)用方面的實驗。如：各種數(shù)字濾波器設(shè)計、頻譜分析、卷積、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換、ＤＳＰ定時器的使用、ＤＳＰ基本Ｉ／Ｏ口使用等。該實驗箱的系統(tǒng)分布圖如圖1-1所示。
圖1-1 實驗系統(tǒng)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(shù)字濾波器模塊
4. 主機接口與二次開發(fā)區(qū)
5. 數(shù)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?zāi)K
9. 一階電路暫態(tài)響應(yīng)模塊
10. 二階電路傳輸特性模塊
11. 二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡模塊
12. 階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)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(xù)系統(tǒng)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(jié)中介紹。
第一節(jié) 各實驗?zāi)K介紹
在本節(jié)中，將分別介紹實驗平臺上的各個模塊單元。在第一節(jié)的系統(tǒng)介紹中，已介紹了本實驗系統(tǒng)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(yīng)４個發(fā)光二極管，電源輸出正常時對應(yīng)的發(fā)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(diào)節(jié)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(shù)字濾波器模塊
完成模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）、運算單元DSP、濾波輸出的數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)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(fā)區(qū)
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(xué)生開發(fā)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(shù)碼管SMG101上將顯示程序號。
SW102：復(fù)位鍵開關(guān)，SW101改變后必需復(fù)位一次。
5. 數(shù)字信號處理器模塊
由TMS320C5402和AD、DA等模塊組成，完成數(shù)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(tài)；ＴＯＵＴ狀態(tài)
通過按鈕和數(shù)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(fù)位按鈕SW101，復(fù)位到0，重新開始。
6. CPLD可編程模塊
完成信號電平轉(zhuǎn)換、主機接口中各控制信號產(chǎn)生、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ片選信號和控制信號產(chǎn)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(guān)，K801、K802…K804。這四個開關(guān)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(dāng)開關(guān)位于1、2位置時不放大，當(dāng)開關(guān)位于2、3位置時可通過相應(yīng)電位器調(diào)節(jié)諧波分量的幅度。如：對于輸出的基波分量，當(dāng)開關(guān)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(dāng)開關(guān)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(diào)節(jié)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?zāi)K
此模塊在信號分解模塊內(nèi)，結(jié)構(gòu)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(jīng)過A/D和D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。
9. 一階電路暫態(tài)響應(yīng)模塊
此模塊可根據(jù)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(jù)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(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡模塊
此模塊除完成二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡觀察的實驗，還可完成二階電路暫態(tài)響應(yīng)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(yīng)與沖激響應(yīng)模塊
接入適當(dāng)?shù)妮斎胄盘枺捎^測輸入信號的階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)。
有兩個測量點：
TP913：沖激信號觀測點；
TP906：沖激響應(yīng)，階躍響應(yīng)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(jīng)采樣后的信號波形觀測點；
TP604：抽樣信號經(jīng)濾波器恢復(fù)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(jù)自己的需要進行實驗。
有8個測量點：
TP401：信號經(jīng)低通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點；
TP402：信號經(jīng)低通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點；
TP403：信號經(jīng)高通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點；
TP404：信號經(jīng)高通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點；
TP405：信號經(jīng)帶通無源濾波器后的輸出信號波形觀測點；
TP406：信號經(jīng)帶通有源濾波器后的輸出信號波形觀測點；
TP407：信號經(jīng)帶阻無源濾波器后的輸出信號波形觀測點；
TP408：信號經(jīng)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(xù)系統(tǒng)的模擬模塊
本模塊提供了很多開放的電阻電容，可根據(jù)需要搭接不同的電路，進行各種測試。如可實現(xiàn)加法器、比例放大器、積分器及一階系統(tǒng)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(jié)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(jié)學(xué)習(xí)，同學(xué)能夠進一步了解信號源的操作和使用，建議學(xué)校把此節(jié)作為一個教學(xué)實驗。信號源操作區(qū)示意圖如圖3-1所示。
圖3-1 信號源操作區(qū)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(guān)（正弦波、三角波、方波、掃頻、半波、全波）
K701： 信號輸出選擇開關(guān)，當(dāng)開關(guān)置于“函數(shù)”位置時，輸出三角波、正弦波、
掃頻、半波、全波等信號；當(dāng)開關(guān)置于“方波”位置時，輸出方波信號。
W701：信號幅度調(diào)節(jié)旋鈕。
TP702：函數(shù)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(guān)撥到上面為“1”，地址開關(guān)撥到下面為“0”。
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1234（SW704選擇開關(guān)） |
F（頻率） |
2/t（占空比） |
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0101 |
3k |
1/2 |
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0110 |
3k |
1/4 |
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0111 |
3k |
1/8 |
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1001 |
6k |
1/2 |
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1010 |
6k |
1/4 |
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1011 |
6k |
1/8 |
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1101 |
12k |
1/2 |
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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(diào)節(jié)按鈕頻率減小；
= 2 \* ROMAN II 、S705按下時，按下頻率調(diào)節(jié)按鈕，頻率增加；
= 3 \* ROMAN III、S705彈起時，按下占空比調(diào)節(jié)按鈕占空比減??；
= 4 \* ROMAN IV、S705按下時，按下占空比調(diào)節(jié)按鈕占空比增加。
S701、S702、S703：頻率調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(tǒng)加電，在J702選擇開關(guān)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(yīng)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(diào)節(jié)W701信號幅度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)按鈕S704，可在示波器上觀察到信號占空比或?qū)ΨQ性的變化；
7. 按下信號頻率調(diào)節(jié)按鈕，可在示波器上觀察到信號頻率的變化；
8. 選擇開關(guān)J702選擇其它的信號類型，重復(fù)上面的步驟進行波形的觀察。
