实验报告1 - 图文

实验一 连续系统时域响应分析

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。

3． 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。 4． 掌握有关信号时域的测量方法。 二、实验内容

1． 用示波器观察系统的零输入响应波形。 2． 用示波器观察系统的零状态响应波形。 3． 用示波器观察系统的全响应波形。

4． 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。 5． 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． 信号系统实验平台

3． 零输入响应与零状态响应模块（DYT3000-64） 一块 4． 阶跃响应与冲激响应模块（DYT3000-64） 一块 5． 20MHz双踪示波器 6． 连接线 四、实验原理

1． 系统的零输入响应和零状态响应

系统的响应可分解为零输入响应和零状态响应。

在图1-1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)。

一台

若干

1

R

+ Vc(0－) Vc(t) -

图1-1 一阶RC系统

则系统的响应：

tRC1(t??)1RCVc(0?)?ee(?)d?? （1-1） RC0te (t)

VC(t)?e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e压值开始，以指数规律进行衰减。

tRCVc(0?)是以初始电

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1-2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1-2 零输入响应与零状态响应电路原理图

2

2． 系统的阶跃响应和冲激响应

RLC串联电路的阶跃响应与冲激响应电路原理图如图1-3所示，其响应有以下三种状态： 1） 当电阻R?2L时，称过阻尼状态； CL时，称临界阻尼状态； CL时，称欠阻尼状态。 C2） 当电阻R?23） 当电阻R?2

图1-3 阶跃响应与冲激响应原理图

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计W102调节。 五、实验步骤

1、本部分实验使用信号源单元和零输入响应与零状态响应模块。

1）熟悉零输入响应与零状态响应的工作原理。接好电源线，将零输入响应与零状态响应模块（如图1-5左侧所示）插入信号系统实验箱（如图1-4所示）插槽中，打开实验箱电源开关，通电检查模块灯亮，实验箱开始正常工作。

3

图1-4信号与系统实验箱

图1-5 零输入响应与零状态响应模块（左侧）

2）系统零输入响应与零状态响应特性观察：

4

① 将信号源单元产生Vpp=10V，f0＝1kHz，占空比约为50%的方波信号送入激励信号输入点SQU_IN。此时U202各个引脚均悬空。

② 只将U202的4，11短接（即，10K与1K并联），或只将6，9（即，10K与3K联并）短接，用示波器观察一阶RC系统的零输入响应与零状态响应输出点OUT1的波形。

。

2、本部分实验使用信号源单元和阶跃响应与冲激响应单元。

1）熟悉阶跃响应与冲激响应的工作原理。接好电源线，将阶跃响应与冲激响应模块（如图1-6右侧所示）插入信号系统实验平台插槽中，打开实验箱电源开关，通电检查模块灯亮，实验箱开始正常工作。

图1-6 阶跃响应与冲激响应模块（右侧）

2） 阶跃响应的波形观察：

① 断开跳线J101，将信号源单元产生的VPP＝10V，f0＝1kHz，占空比约为50%的方波信号送入激励信号输入点STEP_IN。

② 调节电位计W101，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。

3） 冲激响应的波形观察：

① 连接跳线J101，将信号源单元产生的VPP＝10V，f0＝1kHz，占空比约为50%的方波

5

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）。

③ 调节电位计W102，改变冲激脉冲信号的占空比，使脉冲信号更接近冲激信号。 ④ 调节电位计W101，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Response_out点三种状态的冲激响应输出波形并分析对应的电路参数。 六、、实验数据及结果分析 a.激励信号

b.系统的零输入响应、零状态响应和全响应

c.冲激响应

6

d.阶跃响应的波形

e. 阶跃响应的过、临界、欠阻尼状态

7

f. 阶跃响应的过、临界、欠阻尼状态

8

七、实验结论：

分析实验结果，说明电路参数变化对响应波形的影响

有实验结果可知，当电路中电阻过大（即>2√l/c）时，系统的响应成过阻尼状态，如图e,f中的第一个图；而当电阻过小时（即<2√l/c）时，系统的响应成欠阻尼状态如图e,f中的第三个图；当电阻大小处于前二者之间时，系统响应处于临界阻尼状态如图e,f中的第二图 八、实验思考题

1． 试分析系统的时间常数对零输入响应和零状态响应波形的影响。

时间常数小，图像陡峭，到达稳定状态的时间短，时间常数大，图像平缓，到达稳定状态时间长。

2． 试自行设计一系统的零输入响应与零状态响应实现方案，画出电路原理图并分析其工

作过程。

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3． 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？

方波高电平模拟出对电路的充电，低电平模拟出对电路的放电，如果把每次充放电看做一个周期，则这个周期很短暂，可以稳定地显示在示波器上便于观察。

4． 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？

系统芯片内部结果中，由于CMOS管的本身特性,芯片内部输出电阻Ro受输入状态的影响特别大，输出的高低电平及电压的传输特性受输入端数目的影响也很大，为了克服这些缺点，

以在输入端增设缓冲器。若不加缓冲，则输出不稳定，也会有相应的失真现象

九、其他：实验总结、心得体会及对本实验方法、手段及过程的改进建议等

总结心得体会：通过本次试验初步了解了信号试验箱的使用方法，掌握了调节信号输出各参数的基本方法；进一步熟悉了又几种示波器的使用方法和读数方法，通过实验结果更形象深刻的了解电路参数变化对响应波形的影响，系统的零状态响应和零输入响应的理解 实验方法、手段及过程的改进建议：示波器种类较新，需要更多的练习，熟悉各种示波器的使用方法，对于相应的模拟软件也要多练习

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cyjf.html