信号与系统实验演示系统.PDFVIP

“信号与系统”实验演示系统 信号与系统教学演示系统是为 “信号与系统”课程及实验研制的计算机辅助教学系统。本系统 的演示实验覆盖了“信号与系统”课程的基本内容。教师可以通过软件系统在课堂和实验中进行教 学演示。学生可以通过操作软件系统，改变信号、系统参数来观察和计算信号与系统分析中基本问 题。从而加深对 “信号与系统”课程的基本概念、基本分析方法和基本原理及思路的理解，提高学 习效率和教学质量。 本系统共设计了二十个实验，每一实验模块有一界面，并完成相应的功能。其特点是： （1）内容丰富，覆盖面大。 包括了《信号与系统》课程的基本内容。 （2 ）交互式与可视化。 可以建立人机互动，生动形象地显示了信号与系统课程是不易表达和难于表示的内容。 （3 ）实现远程虚拟实验。 不仅可以单机运行，也可以在网上运行。学生可以在远程进行虚拟实验，在任何时间、任何地 方完全开放。 利用MATLAB 强大的数值计算、符号计算和绘图功能，采用GUI 界面编程方法，研制出一 套“信号与系统实验演示系统”。主界面如图 1 所示。 图1 主界面 现以信号与系统实验演示系统中的两个演示实验为例，说明该系统在教学中的应用。 - 1 - 示例1：周期信号的分解与合成 实验演示功能： (1) 输入周期信号的第1 周期表达式，显示两个周期的波形。 (2) 按输入的第 1 周期表达式、周期T 和最高谐波次数N ，自动计算并显示周期信号的N 个分解后的波形。观察分解后的波形的谐波次数、正弦与余弦项等。 (3) 显示周期信号前N 项和的波形；即对周期信号的合成演示。 周期方波的分解与合成的界面及计算结果如图2、3 所示。从图中可知选择最高谐波次数N=3 时，周期方波分解为一次和三次谐波。N=11 时，周期方波分解为1、3、5、7、11 次谐波。并且均 为正弦波。这是因为图中给出的周期方波为原点对称（奇函数）且半周镜像对称（奇谐函数），这 种波形只奇次的正弦波。从合成的波形可知，选择最高谐波次数越高，合成的波形越接近原始的周 期波形。 任意周期波的分解与合成的界面及计算结果如图4、5 所示。从图中可知选择最高谐波次数N=3 时，周期波分解为直流、一次、二次和三次谐波。选择最高谐波次数越高，合成的波形越接近原始 的周期波形。 图2 周期方波的分解与合成(N=3) - 2 - 图3 周期方波的分解与合成(N=11) 图4 任意周期波形的分解与合成(N=3) - 3 - 图5 任意周期波形的分解与合成(N=11) 示例2：非周期信号激励的连续系统频域分析 实验演示功能： （1）选择并显示非周期信号时域波形和频谱；可以画出典型任意非周期信号的频谱； （2）用频域分析方法计算任意非周期信号通过滤波器时的系统响应。 （3）选择并显示滤波器的频率特性；显示输出信号的时域波形和频谱。 矩形波通过RC 滤波器的系统响应的界面及计算结果如图6、7 所示。从图中可知首先在“非 周期信号输入选择”中输入矩形波的数学表达式，要输入显示时域波形的时间范围，显示频谱图的 频率范围。由于采用的是FFT 的数值计算，还要输入抽样间隔。按“OK”后就会显示输入信号的时 域波形和幅度频谱图。再进行滤波器选择，如选择RC 滤波器，输入截止频率和显示频谱图的频率 范围，按“OK”后就会显示滤波器的幅度频谱图。最后按右边的“OK”，就会显示输出信号的时域 波形和幅度频谱图。不断改变滤波器的截止频率，可观察输出信号频谱和时域波形的变化。从而深 刻理解滤波器的滤波功能。从时域和频域两个方法对照来帮助理解。 任意波通过三阶巴特沃斯滤波器滤波器的系统响应的界面及计算结果如图8、9 所示。输入数 据和观察方法与上面介绍相同。