实验四 方波的傅里叶分解与合成
一、实验目的
1. 用RLC 串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。 2. 将一组振幅与相位可调正弦波由加法器合成方波。 3. 了解傅里叶分析的物理含义和分析方法。
二、实验仪器
FD-FLY-A 型傅里叶分解与合成, 示波器，电阻箱，电容箱，电感。
三、实验原理
1. 数学基础
任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：
∞
1
f (t ) =a 0+∑(a n cos n ωt +b n sin n ωt )
2n =1
其中：T 为周期，ω为角频率。ω＝
a 2π
；第一项0为直流分量。 T 2
图1 方 波 图2 波形分解的RLC 串联电路 所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有ｎ阶谐波的迭加。如图1所示的方法可以写成：
⎧⎪h
f
(t ) =⎨
⎪-h ⎩T ) 2
T
(-≤t
此方波为奇函数，它没有常数项。数学上可以证明此方波可表示为：
f (t ) =
=
4h
111
(sinωt +sin 3ωt +sin 5ωt +sin 7ωt + ) π357
4h
π
∑(
n =1
∞
1
) sin[(2n -1) ωt ] 2n -1
2. 周期性波形傅里叶分解的选频电路
我们用RLC 串联谐振电路作为选频电路，对方波或三角波进行频谱分解。在示波器上显示这些被分解的波形，测量它们的相对振幅。我们还可以用一参考正弦波与被分解出的波形构成李萨如图形，确定基波与各次谐波的初相位关系。
本仪器具有1KH ｚ的方波和三角波供做傅里叶分解实验，方波的输出阻抗低，可以保证顺利地 完成分解实验。实验原理图如图2所示。这是一个简单的RLC 电路，其中R 、C 是可变的。L 一般取0.1H ～H 范围。
当输入信号的频率与电路的谐振频率相匹配时，此电路将有最大的响应。谐振频率ω0为：
ω0=
1LC
。这个响应的频带宽度以Q 值来表示：Q ＝
ω0L
R
。当Q 值较大时，在ω0附近的频带宽
度较狭窄，所以实验中我们应该选择Q 值足够大，大到足够将基波与各次谐波分离出来。
如果我们调节可变电容C ，在n ω0频率谐振，我们将从此周期性波形中选择出这个单元。它的值为：V (t ) =b n sin n ω0t ，这时电阻R 两端电压为： V R (t ) =I 0R sin(n ω0t +ϕ) ，此式中
ϕ=tg =1(X /R ) ，X 为串联电路感抗和容抗之和I 0=b n /Z ，Z 为串联电路的总阻抗。
在谐振状态X ＝0，此时，阻抗Z ＝ｒ＋R ＋R L ＋R C ＝ｒ＋R ＋R L ，其中，ｒ方波（或三角波）电源的内阻；R 为取样电阻；R L 为电感的损耗电阻；R C 为标准电容的损耗电阻(R C 值常因较小而忽略）。电感用良导体缠绕而成，由于趋肤效应，R L 的数个将随频率的增加而增加。实验证明碳膜电阻及电阻箱的阻值在1KHz~7KHz范围内，阻值不随频率变化。 3. 傅里叶级数的合成
仪器可提供振幅和相位连续可调的1KHz ，3KHz ，5KHz ，7KHz 四组正弦波。如果将这四组正弦波的初相位和振幅按一定要求调节好以后，输入到加法器，叠加后，就可以分别合成出方波、三角波等波形。
四、实验内容及步骤
1）方波的傅里叶分解
1. 先确定RLC 串联电路对1KHz ，3KHz ，5KHz 正弦波谐振时的电容值C 1、C 3、C 5，并与理论值进行比较。实验中，观察在谐振状态时，电源总电压与电阻两端电压的关系。可从李萨如图为一直线，说明此时电路显示电阻性，接线图如下。（电感：L=0.1H(标准电感) ，理论值：C i =
1
ωL
2
i
）
图3 确定RLC 电路谐振电容接线图
2. 将1KHz 方波进行频谱分解，测量基波和n 阶谐波的相对振幅和相对相位，接线图如下。
图4 频谱分解接线图
将1KHz 方波输入到RLC 串联电路，如图5所示。然后调节电容值至C 1，C 3，C 5值附近，可以
从示波器上读出只有可变电容调在C 1，C 3，C 5时产生谐振，且可测得振幅分别为b 1，b 3，b 5（这
’
’
’
里只需比较基波和各次谐波的振幅比，所以只要读出同一量程下示波器上的峰值高度即可）；而调节到其它电容值时，却没有谐振出现。
3. 相对振幅测量时，用分压原理校正系统误差。
'
若：b 3为3KHz 谐波校正后振幅，b 3为3KHz 谐波未被校正时振幅。R L 1为1KHz 使用频率时损
耗电阻。R L 3为3KHz 使用频率时损耗电阻，r 为信号源内阻。则：
' b 3:b 3=
R R R +R +r '
则b 3=b 3⨯L 3 :
R L 1+R +r R L 3+R +r R L 1+R +r
1）测量方波信号源的内阻r 。先直接将方波信号接入示波器，读出峰值；再将一电阻箱接入电路中，调节电阻箱，当示波器上的幅度减半时，记下电阻箱的值，此值即为r 。接线图如下：
图5 测量信号源内阻的电路
2）不同频率电流通过电感损耗电阻的测定(选取取样电阻R=22Ω) 。
图6 测量电感损耗电阻原理图
对于0.1H 空心电感可用下述方法测定损耗电阻R L 。接一个如图7
的串联谐振电路。测量在
谐振状态时，信号源输出电压V AB 和取样电阻R 两端的电压V R （用示波器测量V AB 、V R 电压），则：
R L ≈R L +R C =(
V AB
-1) R V R
R C 为标准电容的损耗电阻，一般较小可忽略。同理测出3KHz 、5KHz 下电感的损耗电阻，接线图如下。
图7 测量电感损耗电阻接线图
2）傅里叶级数合成： A 方波的合成
f (x ) =
4h
111
(sinωt +sin 3ωt +sin 5ωt +sin 7ωt ) π357
111
::，357
以上式中可知，方波由一系列正弦波(奇函数) 合成。这一系列正弦波振幅比为1:它们的初相位为同相。
1. 用李萨如图形反复调节各组移相器1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波同位相。
调节方法是示波器X 轴输入1KHz 正弦波：而Y 轴输入1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波在示波器上显示如下波形时：
图8 基波和各次谐波与参考信号相位差都为π时的利萨如图
此时，基波和各阶谐波初相位相同。
也可以用双踪示波器调节1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波初相位同相。
2. 调节1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波振幅比为1:
111::。 357
3. 将1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波逐次输入加法器，观察合成波形变化。
五、数据记录及处理
1. 方波的傅里叶分解
表一：频谱分解实验数据。
表二：电感损耗电阻实验数据。
取样电阻R= Ω，信号源内阻测量得r= Ω，电感L=0.1H。 校正后基波和谐波的振幅比; 。 2. 傅里叶级数合成 实验结果分析：
六、注意事项
1. 分解时, 观测各谐波相位关系, 可用本机提供的1KHz 在正弦波做参考；
2. 合成方波时, 当发现调节5KHz 或7KHz 正弦波相位无法调节至同相位时, 可以改变1KHz 或3KHz 正弦波相位, 重新调节最终达到各谐波同相位。
七、思考题
1. 实验中可有意识增加串联电路中的电阻R 的值，将Q 值减小，观察电路的选频效果，从中理解Q 值的物理意义。
2. 良导体的趋肤效应是怎样产生的？如何测量不同频率时，电感的损耗电阻？如何校正傅里叶分解中各次谐波振幅测量的系统误差？
实验四 方波的傅里叶分解与合成
一、实验目的
1. 用RLC 串联谐振方法将方波分解成基波和各次谐波，并测量它们的振幅与相位关系。 2. 将一组振幅与相位可调正弦波由加法器合成方波。 3. 了解傅里叶分析的物理含义和分析方法。
二、实验仪器
FD-FLY-A 型傅里叶分解与合成, 示波器，电阻箱，电容箱，电感。
三、实验原理
1. 数学基础
任何具有周期为T 的波函数f(t)都可以表示为三角函数所构成的级数之和，即：
∞
1
f (t ) =a 0+∑(a n cos n ωt +b n sin n ωt )
2n =1
其中：T 为周期，ω为角频率。ω＝
a 2π
；第一项0为直流分量。 T 2
图1 方 波 图2 波形分解的RLC 串联电路 所谓周期性函数的傅里叶分解就是将周期性函数展开成直流分量、基波和所有ｎ阶谐波的迭加。如图1所示的方法可以写成：
⎧⎪h
f
(t ) =⎨
⎪-h ⎩T ) 2
T
(-≤t
此方波为奇函数，它没有常数项。数学上可以证明此方波可表示为：
f (t ) =
=
4h
111
(sinωt +sin 3ωt +sin 5ωt +sin 7ωt + ) π357
4h
π
∑(
n =1
∞
1
) sin[(2n -1) ωt ] 2n -1
2. 周期性波形傅里叶分解的选频电路
我们用RLC 串联谐振电路作为选频电路，对方波或三角波进行频谱分解。在示波器上显示这些被分解的波形，测量它们的相对振幅。我们还可以用一参考正弦波与被分解出的波形构成李萨如图形，确定基波与各次谐波的初相位关系。
本仪器具有1KH ｚ的方波和三角波供做傅里叶分解实验，方波的输出阻抗低，可以保证顺利地 完成分解实验。实验原理图如图2所示。这是一个简单的RLC 电路，其中R 、C 是可变的。L 一般取0.1H ～H 范围。
当输入信号的频率与电路的谐振频率相匹配时，此电路将有最大的响应。谐振频率ω0为：
ω0=
1LC
。这个响应的频带宽度以Q 值来表示：Q ＝
ω0L
R
。当Q 值较大时，在ω0附近的频带宽
度较狭窄，所以实验中我们应该选择Q 值足够大，大到足够将基波与各次谐波分离出来。
如果我们调节可变电容C ，在n ω0频率谐振，我们将从此周期性波形中选择出这个单元。它的值为：V (t ) =b n sin n ω0t ，这时电阻R 两端电压为： V R (t ) =I 0R sin(n ω0t +ϕ) ，此式中
ϕ=tg =1(X /R ) ，X 为串联电路感抗和容抗之和I 0=b n /Z ，Z 为串联电路的总阻抗。
在谐振状态X ＝0，此时，阻抗Z ＝ｒ＋R ＋R L ＋R C ＝ｒ＋R ＋R L ，其中，ｒ方波（或三角波）电源的内阻；R 为取样电阻；R L 为电感的损耗电阻；R C 为标准电容的损耗电阻(R C 值常因较小而忽略）。电感用良导体缠绕而成，由于趋肤效应，R L 的数个将随频率的增加而增加。实验证明碳膜电阻及电阻箱的阻值在1KHz~7KHz范围内，阻值不随频率变化。 3. 傅里叶级数的合成
仪器可提供振幅和相位连续可调的1KHz ，3KHz ，5KHz ，7KHz 四组正弦波。如果将这四组正弦波的初相位和振幅按一定要求调节好以后，输入到加法器，叠加后，就可以分别合成出方波、三角波等波形。
四、实验内容及步骤
1）方波的傅里叶分解
1. 先确定RLC 串联电路对1KHz ，3KHz ，5KHz 正弦波谐振时的电容值C 1、C 3、C 5，并与理论值进行比较。实验中，观察在谐振状态时，电源总电压与电阻两端电压的关系。可从李萨如图为一直线，说明此时电路显示电阻性，接线图如下。（电感：L=0.1H(标准电感) ，理论值：C i =
1
ωL
2
i
）
图3 确定RLC 电路谐振电容接线图
2. 将1KHz 方波进行频谱分解，测量基波和n 阶谐波的相对振幅和相对相位，接线图如下。
图4 频谱分解接线图
将1KHz 方波输入到RLC 串联电路，如图5所示。然后调节电容值至C 1，C 3，C 5值附近，可以
从示波器上读出只有可变电容调在C 1，C 3，C 5时产生谐振，且可测得振幅分别为b 1，b 3，b 5（这
’
’
’
里只需比较基波和各次谐波的振幅比，所以只要读出同一量程下示波器上的峰值高度即可）；而调节到其它电容值时，却没有谐振出现。
3. 相对振幅测量时，用分压原理校正系统误差。
'
若：b 3为3KHz 谐波校正后振幅，b 3为3KHz 谐波未被校正时振幅。R L 1为1KHz 使用频率时损
耗电阻。R L 3为3KHz 使用频率时损耗电阻，r 为信号源内阻。则：
' b 3:b 3=
R R R +R +r '
则b 3=b 3⨯L 3 :
R L 1+R +r R L 3+R +r R L 1+R +r
1）测量方波信号源的内阻r 。先直接将方波信号接入示波器，读出峰值；再将一电阻箱接入电路中，调节电阻箱，当示波器上的幅度减半时，记下电阻箱的值，此值即为r 。接线图如下：
图5 测量信号源内阻的电路
2）不同频率电流通过电感损耗电阻的测定(选取取样电阻R=22Ω) 。
图6 测量电感损耗电阻原理图
对于0.1H 空心电感可用下述方法测定损耗电阻R L 。接一个如图7
的串联谐振电路。测量在
谐振状态时，信号源输出电压V AB 和取样电阻R 两端的电压V R （用示波器测量V AB 、V R 电压），则：
R L ≈R L +R C =(
V AB
-1) R V R
R C 为标准电容的损耗电阻，一般较小可忽略。同理测出3KHz 、5KHz 下电感的损耗电阻，接线图如下。
图7 测量电感损耗电阻接线图
2）傅里叶级数合成： A 方波的合成
f (x ) =
4h
111
(sinωt +sin 3ωt +sin 5ωt +sin 7ωt ) π357
111
::，357
以上式中可知，方波由一系列正弦波(奇函数) 合成。这一系列正弦波振幅比为1:它们的初相位为同相。
1. 用李萨如图形反复调节各组移相器1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波同位相。
调节方法是示波器X 轴输入1KHz 正弦波：而Y 轴输入1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波在示波器上显示如下波形时：
图8 基波和各次谐波与参考信号相位差都为π时的利萨如图
此时，基波和各阶谐波初相位相同。
也可以用双踪示波器调节1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波初相位同相。
2. 调节1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波振幅比为1:
111::。 357
3. 将1KHz 、3KHz 、5KHz 、7KHz 正弦波逐次输入加法器，观察合成波形变化。
五、数据记录及处理
1. 方波的傅里叶分解
表一：频谱分解实验数据。
表二：电感损耗电阻实验数据。
取样电阻R= Ω，信号源内阻测量得r= Ω，电感L=0.1H。 校正后基波和谐波的振幅比; 。 2. 傅里叶级数合成 实验结果分析：
六、注意事项
1. 分解时, 观测各谐波相位关系, 可用本机提供的1KHz 在正弦波做参考；
2. 合成方波时, 当发现调节5KHz 或7KHz 正弦波相位无法调节至同相位时, 可以改变1KHz 或3KHz 正弦波相位, 重新调节最终达到各谐波同相位。
七、思考题
1. 实验中可有意识增加串联电路中的电阻R 的值，将Q 值减小，观察电路的选频效果，从中理解Q 值的物理意义。
2. 良导体的趋肤效应是怎样产生的？如何测量不同频率时，电感的损耗电阻？如何校正傅里叶分解中各次谐波振幅测量的系统误差？