《模拟信号处理实验》课件

模拟信号处理实验欢迎来到《模拟信号处理实验》课程本课程旨在帮助学生掌握模拟信号处理的基本原理和实验技能，建立系统化的信号处理思维在这个数字化时代，模拟信号处理技术依然在通信、医疗、工业控制等众多领域发挥着不可替代的作用通过本课程，你将了解模拟信号的采集、调理、变换等关键环节，掌握滤波、放大、调制等核心技术当今行业对具备模拟信号处理实践能力的专业人才需求旺盛，本课程的实验内容紧密结合工程实际，将为你未来的职业发展奠定坚实基础信号与系统基础回顾信号定义与分类信号是携带信息的物理量，按连续性可分为连续信号和离散信号按确定性可分为确定性信号和随机信号按周期性可分为周期信号和非周期信号连续与离散信号对比连续信号在时间和幅值上均为连续量，可用连续函数表示；离散信号在时间上是离散的，仅在特定时刻有定义，通常表示为序列连续信号处理关注的是模拟电路设计，离散信号处理则侧重于数字算法实现常用信号示例实验中常用的基本信号包括正弦信号（最基础的周期信号）、方波信号（含有丰富谐波）、三角波、锯齿波、脉冲信号等这些信号具有不同的频谱特性，适用于不同的测试场景模拟信号处理概述信号获取通过传感器将物理量转换为电信号信号调理滤波、放大等预处理操作信号处理调制、解调、变换等核心处理信号分析波形观察、频谱分析、参数测量模拟信号处理是一个系统工程，涵盖从信号产生到最终分析的完整过程在本课程中，我们将通过一系列实验，深入理解每个环节的原理与实现方法，掌握信号处理的核心技能典型实验将包括滤波电路设计、放大器参数测试、调制解调系统搭建等，旨在培养学生的动手能力和问题解决能力实验室安全与规范实验室安全须知仪器基础操作规范禁止在实验室内饮食仪器通电前检查电压设置••不佩戴金属饰品操作电路示波器探头补偿必须校准••高压电路操作需双人配合信号发生器输出前确认幅值••离开前确认电源已关闭精密仪器需轻拿轻放••事故应急流程发生触电立即切断电源•火灾使用专用灭火器•设备异常及时报告指导教师•重大事故拨打应急电话•实验室安全是所有实验活动的前提和基础在进行模拟信号处理实验时，我们面临的主要安全风险包括电气安全、仪器损坏和实验事故等每位学生都必须严格遵守实验室的各项规章制度，确保人身安全和设备安全基本仪器设备介绍信号发生器示波器产生各种波形的电信号，支持频率、幅观察和测量电信号波形的仪器，关键参值和波形调节，主要参数包括频率范围、数有带宽、采样率和垂直分辨率，现代幅值精度和失真度数字示波器还具备丰富的信号分析功能衰减放大电路万用表/调节信号幅度的基本电路，包括衰减器测量电压、电流和电阻等基本电参数的（降低信号幅值）和放大器（增大信号仪器，在电路调试中必不可少，高精度幅值），是信号调理的重要组成部分型号还可测量电容、频率等参数这些仪器设备是进行模拟信号处理实验的基础工具熟练掌握它们的使用方法，是顺利完成实验的前提条件在后续实验中，我们将详细介绍每种仪器的具体操作步骤和注意事项信号采集与观察信号探头类型示波器耦合模式信号参数测量信号探头是连接被测设备和测量仪器的示波器提供不同的输入耦合模式，用于常见的信号参数测量包括桥梁，主要包括不同测量需求峰值信号最大幅值•无源探头最常用，有和两直流耦合显示信号的全部成分，•10:11:1•DC峰峰值最大值与最小值之差•种衰减比包括偏置DC有效值表征信号能量的均方根值•有源探头适用于高频信号，内置放交流耦合滤除信号的直流成分，••AC周期频率完成一次完整变化所需•/大器只显示交流部分时间及其倒数差分探头测量两点间电压差，抑制接地断开输入信号，用于调••GND共模干扰整参考零位电流探头非接触测量电流，基于霍•尔效应信号采集是模拟信号处理的第一步，正确选择探头类型和示波器设置，对于准确获取信号至关重要在实验中，我们需要根据被测信号的特性，合理选择探头和耦合方式，并掌握正确的测量方法滤波电路基础滤波器定义与分类四种基本滤波器特征滤波器是一种选频电路，可以让特定低通滤波器允许低频信号通过，阻止频率范围的信号通过，同时衰减或阻高频信号；高通滤波器允许高频信号止其他频率的信号根据实现方式可通过，阻止低频信号；带通滤波器只分为无源滤波器（仅由电阻、电容、允许一定频带内的信号通过；带阻滤电感组成）和有源滤波器（含有放大波器阻止一定频带内的信号通过每元件）根据频率响应特性可分为低种滤波器都有其特定的截止频率、通通、高通、带通和带阻滤波器带和阻带特性模拟滤波与数字滤波对比模拟滤波直接在连续时间域处理信号，实时性好，但精度和稳定性受元器件影响；数字滤波在离散时间域处理采样后的信号，灵活性高，精度好，但存在采样延迟和运算开销在实际系统中，两种滤波方式往往结合使用，发挥各自优势滤波是信号处理中最基础也是最重要的操作之一通过本章的学习，我们将理解不同类型滤波器的工作原理和应用场景，为后续更复杂的信号处理环节奠定基础有源滤波器实验原理有源滤波器的优势信号不衰减、阻抗匹配好、值可调Q核心组成部分2运算放大器、网络、反馈电路RC关键性能指标截止频率、通带波动、阻带衰减、相位特性有源滤波器以运算放大器为核心，结合网络实现特定的频率响应特性与无源滤波器相比，有源滤波器不仅能实现信号滤波，还能提供信号增益，大RC大扩展了应用范围运算放大器是有源滤波器的关键组成部分，理想运放具有无穷大的开环增益、无穷大的输入阻抗和零输出阻抗在实际电路中，我们通过负反馈配置运放，实现稳定可控的闭环特性有源滤波器的性能指标主要包括带宽（通带宽度）、值（品质因数，反映选择性）、截止频率陡峭度等在设计时，需要根据实际应用需求，在这些参Q数间进行权衡滤波器实验电路搭建元器件准备与检查准备实验所需的运算放大器芯片（如、等）、电阻、电容等元器LM358TL082件使用万用表检测元器件参数，确保符合设计要求特别注意电容的极性，若使用电解电容，正负极不能接反面包板布线搭建遵循由简到繁的原则，先搭建核心电路部分，再添加周边电路运算放大器芯片需小心插入，避免引脚弯曲电源和地线应使用不同颜色导线，保持电路清晰信号通路应尽量短，减少干扰接线检查与测试完成布线后，在通电前仔细检查连接是否符合电路图特别检查电源连接和运放引脚配置使用万用表测量关键节点电压，确认偏置正常最后连接信号源和示波器，进行实际测试电路搭建是实验成功的关键环节良好的布线习惯不仅能减少故障发生率，还能提高电路性能在搭建滤波器电路时，需特别注意信号和电源的分离，避免相互干扰滤波特性测试与分析幅频特性测试相频响应测量使用信号发生器产生不同频率的正弦信比较输入输出信号的相位差，绘制相频号，保持输入幅值不变，测量输出信号曲线观察相位在截止频率附近的变化幅值，计算增益，绘制幅频曲线关注情况，分析滤波器的相位特性对信号的截止频率点（点）和阻带衰减情影响双通道示波器可直接观察相位差-3dB况实际与理论对比方波响应测试将测试结果与理论计算值进行对比，分输入方波信号，观察输出波形的变化析误差来源常见误差包括元器件参数方波含有丰富的谐波成分，通过观察输偏差、测量误差和寄生效应等通过对出波形的失真情况，可以直观了解滤波比分析，加深对滤波器实际工作特性的器对不同频率成分的处理效果理解滤波器性能测试是验证设计正确性的重要手段通过系统的测试方法，我们能够全面了解滤波器的实际工作特性，为后续的应用和改进提供依据放大电路基础放大电路工作原理主要类型与特点关键参数指标放大电路的本质是将输入的小信号转化按构成元件分类晶体管放大器、运算放大倍数输出与输入之比，可分为电为具有相同波形但幅值更大的输出信号放大器电路压增益、电流增益和功率增益实现这一功能的核心是有源器件（如晶按工作方式分类类（全导通）、类带宽放大器能有效工作的频率范围，A B体管、运放）的非线性特性，通过合适（半导通）、类（折中方案）上限频率与下限频率之差AB的偏置使其工作在线性区域按级数分类单级放大、多级级联放大、输入输出阻抗反映放大器与信号源和/放大电路通常需要外部电源提供能量，差分放大负载的匹配程度输出信号的附加能量来自电源而非输入信号本身这是放大电路与被动网络的按频率范围分类音频放大器、射频放失真度输出信号与输入信号波形的偏本质区别大器、宽带放大器离程度放大电路是模拟信号处理的重要组成部分，它能增强微弱信号，提高信噪比，是许多电子系统的关键环节掌握放大电路的基础知识，对理解复杂信号处理系统至关重要典型放大电路实验实验电路搭建直流偏置调整选择适当型号的三极管（如）测量集电极静态电压（应约为）•2N3904•Vcc/2按照共射电路原理图连接元件检查发射极电流是否在合理范围••设置合适的偏置电阻值调整基极偏置电阻优化工作点••接入交流信号输入和负载电阻确认三极管工作在线性区域••交流性能测试测量小信号电压增益•确定放大器的输入输出阻抗•测定放大器的频率响应范围•分析输出信号波形与失真情况•共射放大电路是最基本也是最常用的放大器配置，它具有中等输入阻抗、较高的电压增益和相位反转特性在实验过程中，我们需要特别关注直流工作点的设置，因为它直接影响放大器的线性度和动态范围通过调整不同的电路参数，如偏置电阻、集电极电阻和发射极电阻，可以观察它们对放大器性能的影响，加深对放大电路工作原理的理解放大与失真分析放大电路在理想状态下应保持信号波形不变，仅增大幅值然而，实际电路总会引入一定程度的失真理解这些失真现象及其产生原因，对于设计高质量的放大电路至关重要常见的失真类型包括削顶失真（放大器进入饱和区域）、交叉失真（类放大器的死区效应）、频率失真（不同频率的增益不同）和相位失B真（不同频率的相移不同）失真测试通常采用谐波分析法，将输出信号进行频谱分析，测量各次谐波的幅值，计算总谐波失真（）低失真是高保真放大器的关键指THD标之一信号叠加与混合实验线性叠加原理信号混合电路干扰现象分析对于线性系统，多个输入基本的信号混合可通过电实际混合电路中常见的干信号的共同作用效果等于阻网络实现，更复杂的混扰包括信号间的交调失各信号单独作用效果的代合则需要有源混合器混真、电源耦合噪声、地环数和这一原理是信号混合过程需注意阻抗匹配问路干扰等通过合理的电合处理的理论基础，但仅题，防止信号源之间的相路设计和屏蔽措施可以有适用于系统工作在线性区互影响，并控制混合比例效减轻这些干扰域的情况信号叠加与混合是模拟信号处理中的常见操作，应用于音频混音、通信系统的信号合成等场景在本实验中，我们将设计并测试几种典型的信号混合电路，观察不同频率、不同幅值信号混合后的波形特征特别需要注意的是，当信号幅度较大或电路工作在非线性区域时，叠加原理将不再严格成立，此时混合结果会产生额外的频率成分，即交调产物，这在某些应用中是有害的，但在其他应用（如频率转换）中则是有意设计的效果模拟信号的调制实验了解调制原理将基带信号调制到高频载波上搭建调制电路2使用乘法器或非线性元件实现调制观测调制效果分析时域波形和频谱特性幅度调制（）是最基本的调制方式之一，它通过改变载波的幅度来携带信息在调制中，调制信号的频谱被平移到载波频率附近，形成上下边带理想AM AM的调制需要载波频率远高于调制信号的最高频率AM调制电路可以采用多种实现方式，包括使用专用的平衡调制器芯片、利用晶体管的非线性特性或采用模拟乘法器在实验中，我们将搭建基于双平衡调制器的调制电路，并使用示波器和频谱分析仪观察调制波形和频谱AM调制深度是衡量调制效果的重要参数，定义为调制信号幅度与载波幅度之比过大的调制深度会导致过调制，产生严重失真；过小的调制深度则会降低调AM制效率在实验中，我们将测试不同调制深度对调制波形的影响解调与还原2498%解调方法关键元件恢复精度主要的解调技术包络检波和同步检波二极管、电容、电阻和运算放大器理想条件下的信号还原度AM解调是调制的逆过程，目的是从调制信号中恢复出原始的基带信号对于幅度调制信号，最常用的解调方法是包络检波，它利用二极管的单向导电性和滤波电路RC提取调制信号的包络，即原始基带信号包络检波电路结构简单，但存在一定的非线性失真，特别是对于深度调制的信号同步检波技术通过使用本地载波与接收信号相乘，可以获得更高的解调精度，但电路复杂度较高，需要精确的载波同步在实验中，我们将搭建基本的包络检波电路，并使用示波器同时观察调制信号和解调输出，对比原始信号和恢复信号的差异，分析失真的来源和影响因素解调性能的评估指标包括信号恢复精度、失真度和噪声敏感性等信号采样基础采样定理与频率选择模数转换基本原理采样定理（奈奎斯特定理）指出，为模数转换（）是将连续的模拟信ADC了准确重建连续信号，采样频率必须号转换为离散的数字信号的过程，包至少是信号最高频率的两倍在实际括采样、量化和编码三个步骤常见应用中，通常选择更高的采样率，以的类型包括逐次逼近型（）、ADC SAR获得更好的重建质量和抗混叠能力积分型、型等，不同类Sigma-Delta例如，音频采用的采样型适用于不同的应用场景在实验中，CD

44.1kHz率，这是因为人耳能听到的最高频率我们将使用分辨率为位、采样率高12约为达的芯片20kHz1MSPS ADC3采样电路设计要点高质量的采样电路需要考虑信号调理、抗混叠滤波、采样保持电路、时钟精度等多方面因素采样前的模拟滤波器用于限制信号带宽，防止混叠；采样保持电路用于在转换期间保持信号电平稳定；精确的时钟源则确保采样间隔的均匀性，减少相位ADC噪声信号采样是连接模拟世界和数字处理的桥梁，对于数字信号处理系统至关重要通过本节实验，我们将深入理解采样过程中的关键问题，为后续的数字信号处理奠定基础采样误差与失真正常采样效果混叠现象抗混叠措施当采样频率满足奈奎斯特准则时，信号可以当采样频率低于信号最高频率的两倍时，会为防止混叠，采样前必须使用低通滤波器限被完美重建此时采样点能够准确捕捉信号发生混叠失真高频成分被错误地表示为低制信号带宽这种滤波器称为抗混叠滤波器，的变化特征，数字化后的信号保留了原始信频成分，导致重建信号与原信号有显著差异它确保进入的信号不含有超过奈奎斯特ADC号的全部频率成分，不会产生频谱失真这是数字化过程中最严重的失真类型，一旦频率的成分滤波器的截止频率和阻带衰减发生无法通过后续处理消除需要根据应用要求精心设计采样误差是影响数字化信号质量的关键因素除了混叠外，还有量化误差、孔径误差和时钟抖动等多种误差源理解这些误差的产生机理和影响，对于设计高性能的数据采集系统至关重要量化与编码实验采样在时间域离散化信号量化在幅值域离散化信号编码将量化值转换为二进制码存储传输/处理数字化后的信号量化是将采样得到的连续幅值信号映射到有限数量的离散电平的过程量化分辨率由的位数决定，例如位可ADC8ADC以表示个离散电平，位可以表示个离散电平量化分辨率越高，量化误差越小，但硬件成本和数据25612ADC4096量也相应增加（脉冲编码调制）是最基本的数字编码方案，它直接将量化后的样本值转换为二进制码在实验中，我们将设计一PCM个简单的编码器，将模拟信号转换为数字序列，并观察不同量化位数对信号质量的影响PCM量化误差表现为添加到信号上的噪声，称为量化噪声理论上，位量化器的信噪比约为量化噪声N

6.02N+

1.76dB在频谱上近似均匀分布，但在实际系统中可能呈现不同特性，尤其是信号幅度较小时，量化噪声会表现出明显的相关性和周期性，产生不悦耳的失真模拟信号数字化综合实验模拟信号采集模数转换通过传感器获取物理信号并转换为电信号，使用芯片将处理后的模拟信号转换为数ADC经过前置放大器和抗混叠滤波器处理字形式，包括采样、量化和编码三个步骤数模转换数字信号处理使用芯片将处理后的数字信号转换回模对数字化信号进行处理，如滤波、变换、特DAC拟形式，再经过重建滤波器平滑输出征提取等，通常由微控制器或芯片完成DSP本综合实验旨在搭建一个完整的模数模信号处理链路，体验数字化处理模拟信号的全过程实验将使用音频信号作为测试对象，通过麦克风采集--声音，经转换为数字信号，在单片机上进行简单处理后，再通过转换回模拟信号并通过扬声器播放ADC DAC系统性能评估将包括信噪比（）测量、总谐波失真（）分析和有效位数（）计算这些指标全面反映了数字化过程的质量，受到采SNR THDENOB样率、量化位数、模拟前端噪声和时钟抖动等多种因素的影响典型信号噪声分析噪声来源分类噪声对信号的影响抑噪实验方案噪声是信号处理系统中不可避免的干扰，噪声会以多种方式降低信号质量针对不同类型的噪声，可采用不同的抑噪理解其来源和特性对于系统设计至关重要策略信噪比下降，导致有用信息被掩盖•按来源可分为模拟域滤波如低通滤波去除高频噪声测量精度降低，特别是对微弱信号••物理噪声如热噪声、散粒噪声•差分信号传输抑制共模干扰系统动态范围受限，影响检测灵敏度••环境噪声如电磁干扰、电源噪声•屏蔽与接地减少电磁干扰通信系统中增加误码率••系统噪声如量化噪声、相位噪声•信号平均提高随机噪声中的信号检测音频视频系统中产生可感知的质量下••/降自适应滤波动态追踪和消除噪声按特性可分为•不同类型的噪声对信号的影响方式也不同，实验中将采用多种方法对比测试，评估不白噪声频谱均匀分布•例如白噪声平均影响所有频率，而噪同技术的抑噪效果和适用场景1/f粉红噪声频谱特性•1/f声主要影响低频信号窄带噪声集中在特定频段•噪声分析是信号处理中的重要环节，通过测量和分析噪声特性，可以制定针对性的抑噪策略，提高系统性能滤波降噪应用相位、幅度测量实验相位差的定义与测量图形应用Lissajous相位差表示两个同频信号在时间上的相图形是示波器模式下显示Lissajous XY对关系，通常用角度表示测量相位差的曲线，由两个正弦信号合成当两信的方法包括时间法（测量同相位点的号频率相同时，图形是一个椭圆，其形时间差并换算为角度）、图形状取决于相位差和幅度比通过观察椭Lissajous法（观察模式下的图形）和数字测量圆的形状，可以定性判断相位关系当XY法（使用相位计或示波器的自动测量功椭圆变为直线时，相位差为°或0能）在实验中，我们将对比这些方法°；当椭圆变为圆时，相位差为180的精度和适用场景°通过测量椭圆的几何参数，可90以精确计算相位差实验测试方案本实验将使用信号发生器产生两路正弦信号，通过示波器的双通道和模式，测量不同XY频率和相位条件下的信号特性我们将特别关注电路、电路和谐振电路的相频RC RLRLC特性，观察这些电路对信号相位的影响，并通过测量结果验证理论计算值同时，我们还将测量各种滤波器引入的相移，理解相位特性对信号处理的重要性相位和幅度是描述信号的两个基本参数在许多应用中，相位信息与幅度信息同样重要，例如在通信系统、伺服控制和声音定位等领域通过本实验，我们将掌握精确测量这些参数的方法，为后续更复杂的信号分析奠定基础积分与微分电路实验主要应用场景波形整形、频率选择、时间测量电路实现方式2无源网络、运算放大器有源电路RC典型波形响应方波三角波尖脉冲转换-/积分器和微分器是信号处理中的基本功能电路，前者实现对输入信号的累积效应，后者则强调信号的变化率从频域角度看，积分器表现为低通特性，微分器则表现为高通特性积分器的基本结构包括无源积分电路和基于运算放大器的有源积分电路积分电路简单但性能有限，时间常数受限于值；而有源积分器则利用RC RCRC运放的高增益特性，可实现更理想的积分效果，时间常数可以更大，并具有更高的输入阻抗和更低的输出阻抗微分器同样分为无源和有源两种实现方式需要特别注意的是，微分器对高频噪声特别敏感，因为微分操作会放大信号的高频成分在实际应用中，通常需要在微分电路中增加限制带宽的措施，防止噪声放大导致的性能下降正弦信号合成基波信号基波是信号的基本频率成分，决定了信号的主要周期性特征在音乐中，基波决定了音调的基本音高；在通信中，基波是调制的载波频率基波的幅度通常最大，是信号能量的主要贡献者谐波叠加根据傅里叶级数理论，任何周期信号都可以分解为一系列正弦波的叠加这些正弦波的频率是基波频率的整数倍，称为谐波通过控制各次谐波的幅度和相位，可以合成各种复杂波形此过程也可逆转，即通过频谱分析将复杂波形分解为谐波成分合成效果谐波数量越多，合成的波形越接近目标波形例如，方波的合成需要大量奇次谐波；三角波则需要幅度按平方衰减的奇次谐波实验表明，通常只需个谐波，就能合成肉眼几乎无法与理想10-20波形区分的信号，这一原理广泛应用于音频合成和信号生成领域正弦信号合成是理解复杂波形本质的重要途径通过本实验，我们将直观体验傅里叶级数的物理含义，深化对信号频域特性的认识实验中将使用多路信号发生器产生不同频率的正弦波，通过混合电路实现叠加，并通过示波器观察合成效果方波、三角波分析非正弦波信号在实际应用中极为常见，包括方波（数字信号、时钟）、三角波（扫描信号、调制）、锯齿波（时基电路）和脉冲波（触发信号）等这些波形各有特点，适用于不同场景通过本节实验，我们将深入分析这些波形的产生机制、频谱特性和实际应用波形的关键参数包括频率、幅值、占空比和上升下降时间占空比定义为高电平时间占总周期的比例，对于方波和脉冲信号尤为重要上升时间是/信号从升至所需的时间，反映了信号的带宽特性；上升时间越短，所需带宽越宽10%90%在实验中，我们将使用示波器详细测量这些波形参数，特别关注不同波形的频谱分布例如，方波含有丰富的奇次谐波；三角波的谐波幅度按频率平方衰减；锯齿波则包含所有谐波这些频谱特性解释了为什么不同波形在通过同一滤波器后会呈现不同的响应。