检测传感技术上机指导书解析.doc

《检测传感技术》实验指导书 第一次上机内容： 一、学习认识Labviews—学习制作函数发生器； 二、认识采样定理； 三、学习频谱分析控件； 四、学习曲线拟合控件 一、学习认识Labviews—学习制作函数发生器 1、介绍Labviews的编程方式，前面板菜单、控件（输入控件、输出控件）， 2、运行几个vi加以说明。Example\apps 3、学习制作函数发生器 编制一用波形数据函数-“基本函数发生器”产生4种基本的信号：正弦波、方波、三角波和锯齿波，并可以控制4种信号的频率、幅值以及相位等信息，并将信号波形显示出来的Vi。 基本函数发生器Vi前面板： 基本函数发生器Vi后面板： 二、采样定理 1、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。 　 2、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。 3、实验仪器和设备 1.） 计算机 ??????n台 2. ）实验软件 ??1套 4．模拟实验过程简介 本文简要描述采样定理、泄漏及加窗实验过程： 如图2所示，在X信号发生器窗口中输入正弦信号的表达式：sin(ω*t)，同时设定其基频为10Hz，这样就可以产生一个频率为10Hz的连续正弦信号；在Y信号发生器窗口中输入复合正弦信号的表达式：sin(ω*t)+sin(2*ω*t)，同时设定其基频为10Hz，这样就可产生一个复合的复杂周期信号，它是一个10Hz的正弦信号和一个20Hz的正弦信号的叠加。根据采样定理，采样X信号的采样频率至少要20Hz，采样Y信号的采样频率至少要40Hz。先假设两个信号的采样点都为195点，信号的采样频率为100Hz，程序运行后，在信号X、Y的时域波形窗口中，可以看到比较连续的采样信号；在信号X、Y的频域窗口中，可以看到分别对应10Hz、20Hz的谱线，只不过该谱线与理论上的脉冲式谱线有较大的区别，这是由于信号截断而产生频率泄漏之故，也就是说由于采样截断了信号，使得原能量集中的谱线变得在频率轴上扩展了。在理论上，若对X信号增加采样点数或者施行加窗处理，可以减少泄漏；在本虚拟实验中，若增加采样点或进行加窗，则可以观察到在频率轴上扩展的谱线向峰值收缩，表示泄漏减小。 图1 模拟实验程序框图 图2 模拟实验程序运行后的计算机界面示例 当采样频率为41Hz时，可以观察到采样信号X的时域波形有点失真，信号Y失真比较严重；但在两信号的频谱图中仍然可以看到相应的谱线10Hz与20Hz。当采样频率为40Hz时，采样信号Y的时域波形失真更加严重，而且Y信号的频谱图中只出现10Hz的谱线，20Hz的谱线消失了，这是因为采 图3 采样定理模拟实验示例 样频率不满足采样定理的要求而致。当采样频率为39Hz时，不仅采样信号Y的时域波形出现更为严重的失真，而且信号Y的频谱中出现两处谱峰，谱峰频率分别对应于10Hz和19Hz，如图3所示。为何会出现19Hz的谱峰呢？原来这是被采样信号中的20Hz频率成分不满足采样定理而发生的频率混叠现象。在理论上，混叠频率是与信号频率最接近的采样频率减去信号频率，再取绝对值。在本实验中，混叠频率f2=|39-20|=19Hz。以此类推，当采样频率为38Hz时，混叠频率f2=|38-20|=18Hz。从此实验可以看出，出现混叠频率是极为不利的。通过此实验，学生在教师的引导与启发下，可以体会到：在工程测量的时候，为避免频率混叠，在信号采样前先用低通滤波器把不感兴趣的高频信号滤掉，然后用5倍于感兴趣的低频信号的频率去采样，就能获得较好的效果。 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