《数据采集和分析》实验指导书.doc

《数据采集及分析》实验指导书 实验一 采样定理 一、实验目的 　　熟悉信号采样过程，并通过本实验观察欠采样时信号频谱的混迭现象，了解采样前后信号频谱的变化，加深对采样定理的理解，掌握采样频率的确定方法。 　 二、实验原理 　　模拟信号经过 (A/D) 变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率 fs，重复出现一次。为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频率成份的两倍，这称之为采样定理。 a) 正常采样 b)欠采样 图1.1 采样信号的频混现象 　 需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，对信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。 三、实验仪器和设备 1. 计算机 ??????n台 2. 实验软件 ??1套 四、实验步骤及内容1. 启动计算机。 2. 启动实验软件。 图1.2 采样定理实验 3. . 点击采样定理实验中的正弦波按钮，产生正弦波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。 4. 点击采样定理实验中的方波按钮，产生方波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。 5. 点击采样定理实验中的三角波按钮，产生三角波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。 五、实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 按实验步骤附上相应的信号波形和频谱曲线，说明采样频率的变化对信号时域和频域特性的影响，总结实验得出的主要结论。 六、思考题 1.为什么在实际测量中采样频率通常要大于信号中最高频率成分的3到5倍？ 实验二 典型信号频谱分析 一、实验目的 1. 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。 2. 了解信号频谱分析的基本方法。 二、实验原理 1. 典型信号及其频谱分析的作用 ? 正弦波、方波、三角波信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。 2. 频谱分析的方法及设备 信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析。 傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。 信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。时域信号x(t)的傅氏变换为： 式中X(f)为信号的频域表示，x(t)为信号的时域表示，f为频率。用傅立叶变换将信号变换到频率域，其数学表达式为：x(t)=a0/2 + a1*sin(2πf0t)+b1*cos(2πf0t) + a2*sin(4πf0t)+b2*cos(4πf0t) +.........  =C0+ ????用Cn画出信号的幅值谱曲线，从信号幅值谱判断信号特征。 ????本次实验利用信号频谱分析软件对信号进行频谱分析。由虚拟信号发生器产生一个典型波形的电压信号，用频谱分析仪对该信号进行频谱分析，得到频谱特性数据。分析结果用图形在计算机上显示出来。 三、实验仪器和设备 1. 计算机 ?????????????????????n台2. 信号频谱分析软件 ??1套 四、实验步骤及内容 1. 启动计算机。 2. 启动信号频谱分析软件。 3. 点击典型信号频谱分析实验中的正弦波按钮，产生正弦波信号，分析和观察正弦波信号波形和幅值谱特性。 4. 点击典型信号频谱分析实验中的方波按钮，产生方波信号，分析和观察方波信号波形和幅值谱特性。 5. 点击典型信号频谱分析实验中的三角波按钮，产生三角波信号，分析和观察三角波信号波形和幅值谱特性。 五、实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 按实验步骤整理出正弦波、方波、三角波的时域和幅值谱特性图形，说明各信号频谱的特点。 3. 将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。 实验三