实验讲义王可东.docx
- 文档编号:11618135
- 上传时间:2023-03-28
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:269.89KB
实验讲义王可东.docx
《实验讲义王可东.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《实验讲义王可东.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
实验讲义王可东
《测试信号处理技术》实验讲义
编写:
王可东张军香
北京航空航天大学宇航学院
2008年6月
目录
实验一基本信号分析方法1
实验二测试系统的静态特性测量与分析7
实验三Labview编程及信号处理9
实验四动态称重实验13
实验五信号的调理15
实验时间初步安排17
实验一基本信号分析方法
一、实验目的
通过本实验掌握基本信号的时频域分析方法。
二、实验原理
1、信号的时频域转换方法
通过Fourier级数展开或变换,可将时域信号变换为频域信号;反之,通过Fourier逆变换可以将频域信号转换为时域信号。
通过时频域转换,不仅可以研究分析信号的时域特征(如持续时间、幅值等),还可以研究分析信号的频域特征(如是否有周期性信号、频率带宽等),实现对信号的全面认识。
按照时域信号的特点,可以应用不同的方法将其转换为频域信号,分别为:
图1-1四种时频域转换方式
这四种变换原理如下:
(1)Fourier级数展开
级数展开有两种形式:
三角级数和指数级数形式。
其中前者为单边谱或实频谱,后者为双边谱或复频谱。
三角函数形式的Fourier级数展开:
(1-1)
其中:
指数函数形式的Fourier级数展开:
根据Euler公式,可以将式(1-1)转化为指数形式:
(1-2)
(2)Fourier变换
Fourier变换分正变换和逆变换,其中前者是将时域信号变换为频域信号,后者将频域信号转换为频域信号。
正变换:
(1-3)
逆变换:
(1-4)
(3)序列Fourier变换
序列的Fourier变换也分正、逆变换。
正变换:
(1-5)
逆变换:
(1-6)
(4)离散Fourier变换
有限长序列的离散Fourier变换的正、逆变换如下:
正变换:
(1-7)
逆变换:
(1-8)
其中:
。
2、抽样过程及抽样定理
(1)抽样过程
从时域看,抽样过程就是通过等间隔或不等间隔地获取原始信号的某些片断,得到抽样信号,通过对抽样信号的处理和分析,获取原始信号的特征信息。
理想的抽样过程是冲激抽样,其过程如下图所示。
(a)(d)
(b)(e)
(c)(f)
(a)时域原始信号;(b)冲激信号序列;(c)采样后得到的信号
(d)频域原始信号;(e)频域冲激序列;(f)频域采样后的信号
图1-2冲激采样过程原理示意图
在实际中,不可能以产生冲激采样序列,一般都是矩形窗、Hamming窗、Hanning窗等,采用不同的采样窗函数,得到的采样效果是不同的,特别是旁瓣的大小。
下图是矩形窗采样过程示意图。
(a)(d)
(b)(e)
(c)(f)
(a)时域原始信号;(b)矩形窗序列;(c)采样后得到的信号
(d)频域原始信号;(e)频域矩形窗;(f)频域采样后的信号
图1-3矩形窗采样过程原理示意图
(2)抽样定理
抽样定理主要是考虑如何不失真地对信号的抽样,特别是考察待采样信号的频率与采样频率之间的关系,如图1-4所示为二者之间不同关系时,采样后的信号频域示意图。
(a)
(b)
(c)
(a)
时的抽样效果;(b)
时的抽样效果;
(c)
时的抽样效果
图1-4不同采样频率时的采样效果示意图
由图可知当采样频率大于等于信号频率的2倍时,采样后的信号得到了忠实地保持,没有产生采样误差;而采样频率小于信号频率的2倍时,发生了混叠误差,这样就不能实现对原信号的复原。
采样定理就是这样得到的,定理如下:
对一带限信号,设
为信号最高频率,抽样信号能无失真地恢复原信号的条件是
,其中
为采样频率。
三、实验仪器
1、计算机1台
2、Matlab软件1套
3、激光打印机1台
四、实验内容及步骤
1、在Matlab中产生不同的信号,其中主要包括正弦信号、方波、冲激信号、随机噪声、矩形窗函数、三角波等;
2、对产生的信号进行Fourier级数展开、Fourier变换;
3、产生一个由正弦信号和随机信号叠加的混合信号,并对其进行进行FFT计算;
4、应用不同窗函数对一正弦信号进行采样,其中包括矩形窗、Hamming窗、Hanning窗。
比较不同窗函数采样得到的结果。
五、实验报告要求
1、将产生的正弦、方波、随机噪声、矩形窗和三角波等信号的Matlab代码和结果图保存为文件,并将结果图打印粘贴到报告册中;
2、将随机和正弦相叠加的混合信号的FFT变换结果图保存,并打印出来,粘贴到报告册中,说明混合信号的频谱特点;
3、给出应用矩形窗、Hamming窗和Hanning窗采样得到的不同结果保存,并打印出来,粘贴到报告册中,并说明出现差异的原因。
实验二测试系统的静态特性测量与分析
一、实验目的
1、了解电子称的称重原理;
2、掌握测试系统的定标方法;
3、掌握测试系统静态特性的分析方法。
二、实验步骤
1、将电子称、电源和万用表连接成测试系统;
2、接通电源后,预热1分钟,然后进行预平衡调试,并使得在无外加载荷的情况下输出为0;
3、按从小到大的顺序逐步加载荷,共10级,利用示波器和数字表读出输出电压信号,得到加载过程结果;
4、然后,从大到小,逐级卸载,直至为空载,利用数字万用表读出输出电压信号,得到卸载过程结果;
5、重复步骤3和4,得到5组加、卸载结果;
6、关闭电源,拆卸连接线,将相应实验器材放置原位。
三、实验仪器
电子称1台
万用数字表1个
电源1台
四、实验报告要求
1、根据测量数据,绘出标定曲线。
以各级载荷为横坐标,对应的平均输出值
或
为纵坐标。
先在坐标纸上标出各数据点的位置,然后通过多点描绘的平滑曲线,且使曲线两侧的点数相同,则此曲线称为标定曲线;
2、标定曲线的斜率定义为灵敏度K,其倒数
或
就是标定系数。
根据下式确定标定系数
(2-1)
或
(2-2)
3、计算标定误差(k值的标准误差)
(2-3)
(2-4)
4、计算出实测力值的大小,写入实验报告,分析加载和卸载最小二乘非线性误差和迟滞误差,并计算综合误差(极限点法)。
五、实验报告要求
1、结合实际的电子称,绘制其结构原理图,并说明其称重原理;
2、根据实验结果,画出加、卸载过程的标定曲线,计算标定系数和标定误差;
3、计算测量系统中存在的最小二乘非线性误差、迟滞误差和综合误差。
实验三Labview编程及信号处理
一、实验目的
1、学习Labview软件图形化编程思想和编程方法;
2、学习使用Labview产生信号及叠加噪声的方法;
3、学习使用Labview的相关功能进行信号分析与处理的方法;
4、学习使用Labview进行数据采集卡操作的方法。
二、实验原理
1、数据采集卡
(1)简介:
数据采集卡型号为PCI-9111DG,利用32位PCI总线与计算机连接,其性能为:
Ø16路12位A/D输入
采样速率100kHz
双极性输入,具有可编程增益x1、x2、x4、x8、x16
信号输入范围±10V、±5V、±2.5V、±1.25V、±0.625V
Ø1路12位D/A输出
可输出单极性0~10V信号和双极性-10V~10V信号(默认)(由硬件控制)
(2)数据采集卡使用操作过程分三步:
初始化、数据输入输出、释放设备。
在Labview中用不同的模块完成以上三步:
初始化模块用来完成板卡PCI-9111DG的初始化,获得板卡的相关信息,如获得板卡设备句柄、打开设备等。
如图3-1所示。
模拟输出模块用来向D/A转换器写数据。
板卡仅有一路D/A,分辨率为12位,可进行单极性和双极性信号的设置。
如图3-2所示。
模拟输入模块用来采集D/A输入的数据。
板卡有12路A/D,分辨率为12位,可设置放大器倍数和输入信号的电压范围。
如图3-3所示。
设备释放模块释放A/D、释放D/A、释放设备,释放内存空间。
如图3-4所示。
2、Labview构建实验系统
(1)流程:
如图3-5所示。
(2)Labview相关说明
程序总体采用顺序结构可分为三层:
设备初始化层、信号产生和处理层、设备释放层。
信号产生及处理采用循环结构。
所使用的控件除板卡设备的控件外,还有:
图形显示控件、信号产生控件、信号处理控件、数值输入控件、布尔控件、数组控件、簇等。
请同学们实验课前学习Labview的相关内容。
(3)信号处理的相关内容
学习了解各种窗函数及滤波器,学习频谱分析方法,在实验中观察各种信号处理的特点及作用。
三、实验仪器
计算机(带数据采集卡)1台
接口板1块
万用数字表1个
四、实验步骤
1打开Labview软件,建立新程序文件;
2利用Labview的信号产生功能产生多种信号(正弦波、三角波、方波、锯齿波),信号参数可改变(如正弦信号的幅值、频率、相位等可变),并利用Labview的图形显示功能显示产生的信号;
3利用数据采集卡的D/A功能将信号输出计算机,用示波器可在数据采集卡的接口板的端子AO1测到输出信号;
4将数据采集卡的接口板的端子AO1与接口板的A/D输入(如端子AH0)相连接;
5利用Labview的板卡输入模块将A/D输入端的信号采入计算机;
6对采入的信号叠加白噪声并显示,对该信号进行频谱分析并显示信号频谱;
7对叠加白噪声的信号进行加窗处理(可选择矩形窗、Hamming窗、Hanning窗等),显示加窗后的信号;
8对叠加白噪声的信号进行滤波(低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、IIR滤波器、FIR滤波器等可选,并可改变通频带),显示滤波后的信号;对滤波后的信号进行频谱分析并显示信号频谱;
9运行程序,分析结果。
五、实验报告要求
Ø画出程序详细流程图;
Ø根据实验图形分析2~3种窗函数对信号的作用及其不同点;
Ø对照实验图形,分析说明所选择滤波器在信号分析处理中的特点及作用(选择确定一个信号的参数及所加白噪声的大小,从滤波前后的信号图形及频谱图上进一步说明)。
实验四动态称重实验
一、实验目的
1、了解动态称重的原理和特点;
2、学习动态称重数据的处理方法;
3、学习Labview中MATLAB脚本节点的使用方法
4、学习顺序结构的使用方法
5、学习Labview中打开和引用文件的方法
二、实验原理
1动态称重原理
动态称重是物体在运动变化过程中的称重过程,如汽车在行进过程中的称重过程。
具有速度快、效率高等优点;还具有测量时间短,干扰因素多等特点。
此实验中,就是针对汽车动态称重中获得的数据进行分析处理。
(1)动态称重系统模型
采用二阶弹簧-阻尼系统模型:
(4-1)
将模型离散化,为:
(4-2)
其中,
是与参数
相关的数值。
将式(4-1)写成差分方程形式为:
其中u单位为阶跃(或近似阶跃)信号,当k大于2时,u为常数;
则差分方程变为:
由此,得到重量估值系统的终值为:
(2)利用Matlab和Labview对已有动态数据进行重量计算
Ø利用Labview中打开和引用文件的方法从文件中读取原始数据(原始数据文件名为data.txt)。
Ø对数据进行滤波。
使用Matlab滤波函数y=filter(b,a,x),其中,x为重量信息的原始数据,a和b为滤波器系数,y为滤波后重量信息数据滤波器数据文件名为num.txt;也可使用自己编写的滤波函数。
Ø将原始数据和滤波后数据利用Labview的显示控件显示出来。
Ø手动选取有效数据段,用RLS算法对重量信息进行估计,显示选取的数据段,并显示重量值。
(3)RLS算法
算法表达式为:
其中,
为参数向量,
为回归向量,
为遗忘因子系数向量,
为增益矩阵。
重量为:
(4)Labview相关内容
ØMatlab脚本节点的使用
Ø文件的打开和引用
三、实验仪器
计算机1台
四、实验步骤
1、从文件(data.txt)中读取原始数据,从文件(num.txt)中读取滤波数据;
2、对原始数据加窗(可自己选择窗函数),可手动选择数据段;
3、编写Matlab程序完成如下功能:
对数据进行滤波、对手动选取的有效数据段进行RLS估计、计算重量值
4、显示原始数据、滤波后数据、选取的数据段、RLS过程数据,显示最后重量值。
五、实验报告要求
1、叙述动态称重的原理;
2、叙述Matlab编程流程及数据的滤波方法及重量估计方法;
3、根据实验图形说明称重过程中窗函数的作用及数据段选取对测量结果的影响;
4、根据实验图形说明滤波过程对测量结果的影响。
实验五信号的调理
一、实验目的
1、掌握模拟滤波器的设计方法和实现过程;
2、掌握数字滤波器的设计方法和实现过程。
二、实验原理
在信号传感和传输过程中,由于热噪声、漏电流和电源干扰等因素的影响,不可避免地会有干扰信号叠加到有用信号上,当这种干扰信号非常强时,将严重影响有用信号的识别和利用,因而,通常都有必要对这些干扰信号进行滤波处理。
干扰信号按照频谱分布可分为低频、中频和高频信号,因而,滤波器也相应设计成高通、带通、低通和带阻等形式,具体的滤波器原理和设计方法可参考模拟电子技术和其它相关资料。
在本实验中,要求在对干扰信号频谱分析的基础上,确定滤波器的形式,设计滤波器的截止频率和具体的RC参数,实现对干扰信号的抑制,通过对滤波后信号的时频域分析,评估滤波效果。
三、实验仪器
1、电子称1台
2、万用表1个
3、采集卡1块
4、面包板1块
5、计算机1台
6、信号发生器1台
7、Labview软件1套
8、运算放大器若干片
9、电阻、电容等若干
四、实验内容和步骤
1、将电子称、电源、万用表、噪声发生器、采集卡和计算机连接,构成一个完整的测试系统;
2、利用Labview软件对采集到的信号进行频谱分析,判断干扰信号的频谱分布特征;
3、根据干扰信号的频谱分布特征进行滤波器的设计,并在面包板上实现;
4、利用Labview软件对加入滤波器的采集信号进行频谱分析,判断滤波后的干扰信号被抑制的情况,并评价滤波器的功效,如果滤波效果不好,分析具体原因,进一步改进滤波器,直至滤波效果达到预期要求;
5、改变干扰噪声的频率,比较滤波效果,并重新设计滤波器,重复2~4步骤。
五、实验报告要求
1、画出整个信号处理系统的原理图,并简述各个部分的作用;
2、给出滤波器设计依据、方法和实现情况,判断滤波效果;
分析不同干扰时滤波器的滤波效果和滤波参数调整后的效果。
实验时间初步安排
实验一:
第7周
实验二:
第11周
实验三:
第12周
实验四:
第13周
实验五:
第14周
具体实验时间以课堂通知为准。
实验地点:
2号楼117。
实验指导老师:
张军香
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 实验 讲义 王可东
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)