硬件实验
实验一50H z非正弦周期信号的分解与合成
一、实验目的
1. 理解并掌握信号分解与合成的原理。

2. 观测50Hz非正弦周期信号的频谱，并与其傅立叶级数展开式中各项的频率与系数比较。

3. 观测基波和其谐波的合成。

二、实验设备
1.信号与系统实验箱：TKSS－C型;
2.双踪示波器。

三、实验原理
1.一个非正弦周期函数，只要符合狄里赫利条件，可以用一系列频率成整数倍的正弦函数来表示，其中，与非正弦具有相同频率的成分称为基波或一次谐波，其它成分根据其频率为基波频率的2、3、4、…、n等倍数分别称二次、三次、四次、…、n次谐波，其幅度将随谐波次数的增加而减小，直至无穷小。

2.一个非正弦周期波也可以分解为无限个不同频率的谐波成分，相反，不同频率的谐波可以合成一个非正弦周期波。

3.一个非正弦周期函数可用傅立叶级数来表示，级数各项系数之间的关系可用一个频谱来表示，不同的非正弦周期函数具有不同的频谱图，各种不同波形及其傅氏级数表达式见表1-1，方波频谱图如图1.1表示
图1-1 方波频谱图
图1.1 方波的频谱图
下面是各种不同波形的傅立叶级数表达式
方波
三角波
正弦整流半波
正弦整流全波
矩形波
（1）方波
（2）三角波
（3）半波
（4）全波 （5）矩形波
实验装置的结构如图1.2所示
图1.2信号分解与合成实验装置结构框图，
图中，LPF 为低通滤波器，可分解出非正弦周期函数的直流分量。

1BPF ~6BPF 为调谐在基波和各次谐波上的带通滤波器，加法器用于信号的合成。

四、预习要求
在做实验前必须认真复习教材中关于周期性信号傅立叶级数分解的有关内容。

五、实验内容及步骤
1.调节函数信号发生器，使其输出50Hz 的方波信号，并将其接至信号分解实验模块BPF 的输入端，然后细调函数信号发生器的输出频率，使该模块的基波50Hz 成分BPF 的输出幅度为最大。

2.将各带通滤波器的输出分别接至示波器，观测各次谐波的频率和幅值，并列表记录之。

)7sin 7
15sin 513sin 31(sin 4)(⋅⋅⋅++++=t t t t u t u m ωωωωπ)5sin 251
3sin 91(sin 8)(2⋅⋅⋅++-=t t t U t u m ωωωπ)3cos 3sin 312cos 2sin 21cos (sin 2)(⋅⋅⋅++++=t T t T t T U T U t u m m ωτπωτπωτππτ2111()(sin cos 2cos 4)24315
m U u t t t t πωωωπ=+--+⋅⋅⋅)6cos 351
4cos 1512cos 3121(4)(⋅⋅⋅+---=t t t U t u m ωωωπ
3.将方波分解所得的基波和三次谐波分量接至加法器的相应输入端，观测加法器的输出波形，并记录之。

4.在3的基础上，再将五次谐波分量加到加法器的输入端，观测相加后的波形，记录之。

5.分别将50Hz单相正弦半波、全波、矩形波和三角波的输出信号接至50HZ电信号分解与合成模块输入端、观测基波及各次谐波的频率和幅度，记录之。

6.将50Hz单相正弦半波、全波、矩形波、三角波的基波和谐波分量接至加法器的相应的输入端，观测求和器的输出波形，并记录之。

六、思考题
1.什么样的周期性函数没有直流分量和余弦项。

2.什么样的周期性函数没有直流分量和正弦项。

3.分析理论合成的波形与实验观测到的合成波形之间误差产生的原因。

七、实验报告
1.根椐实验测量所得的数据，在同一坐标纸上绘制方波及其分解后所得的基波和各次谐波的波形，画出其频谱图。

2.将所得的基波和三次谐波及其合成波形一同绘制在同一坐标纸上，并且把实验3中观察到的合成波形也绘制在同一坐标纸上。

3.将所得的基波、三次谐波、五次谐波及三者合成的波形一同绘画在同一坐标纸上，并把实验4中所观测到的合成波形也绘制在同一坐标纸上，便于比较。