智能化测控系统实验指导说明书.doc

实验一：A/D转换实验一、实验目的与要求了解你所熟悉的PC机上的测量资源，利用它们制作简单的实验系统。二、实验类型验证型。三、实验原理及说明计算机是一个含有丰富测试资源的设备。例如，计算机上的麦克风是一个电容传感器、计算机声卡是一个双通道的 A/D 卡 + D/A 卡。下图是 PC 机上测试资源。图1、PC 机上常见的测试资源将PC机上的测量资源与计算机虚拟仪器软件相结合，就可以在教师上课、学生上网的计算机上建立个人测试实验室，开出测试实验。1、电容传声器测声(麦克风) PC机上的麦克风是一个电容传声器、它的结构如图3所示。主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。它的工作原理是当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。与此同时，极板上的电荷随之变化，从而使电路中的电流也相应变化，负载电阻上也就有相应的电压输出，从而完成了声电转换。在计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，其工作原理和电容传声器相同，所不同的是它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜片。由于这种材料经特殊电处理后，表面被永久地驻有极化电荷，从而取代了电容传声器的极板，故名为驻极体电容传声器。其特点是体积小、性能优越、使用方便。图3、电容传声器原理2.A/D、D/A变换(声卡) 声卡是多媒体电脑的主要部件之一，它包含记录和播放声音所需的硬件。声卡的种类很多，功能也不完全相同，但它们有一些共同的基本功能：能选择以单声道或双声道录音，并且能控制采样速率。声卡上有数模转换芯片(DAC)，用来把数字化的声音信号转换成模拟信号，同时还有模数转换芯片(ADC)，用来把模拟声音信号转换成数字信号。图4 声卡结构示意图四、实验仪器序号名 称主要用途计算机DRVI快速可重组虚拟仪器平台打印机五、实验内容和步骤利用DRVI软件和PC机上的测量资源进行测量实验。A/D、D/A工作原理实验以及声音信号测量和频谱分析实验。1. 运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的联机注册图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。2. 在DRVI地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“传声器声音信号测量实验(麦克风)”，建立实验环境。采集你自己的语音信号，观察信号波形和频谱，观察说话、唱歌等不同声音信号的波形和频谱。图4 传声器声音信号测量实验环境下面是该实验的装配图和信号流图，图中线上的数字为连接软件芯片的软件总线数据线号，*IC为使用的软件芯片。图5传声器声音信号测量实验装配图3. 用麦克风作为传声器，声卡作为信号采集资源，计算机作为分析处理单元，用DRVI设计一个简易声级计，下面是声级计的原理框图。图6声级计原理框图六、实验数据处理与分析按实验步骤进行声音信号测量和频谱分析实验，总结实验得出的主要结论。七、注意事项必须遵守实验室的各项规章制度，必须听从实验室管理人员的安排，未经许可不得擅自动用实验室的仪器设备不得随意开（断）电源和其他开关等。不准动用与本次实验无关的仪器、设备。八、预习与思考题1A/D、D/A工作原理？2电容传声器的结构及使用方法。实验二：数据处理算法实验一、实验目的与要求了解如何用计算机数字计算来实现信号周期、均值、均方值、方差等参数的识别原理。掌握用数学计算和计算机显示代替复杂的测量电路和机械结构的方法。了解信号频谱和相关系数的直接计算方法，加深对FFT等快速算法优点的理解。二、实验类型 验证型三、实验原理及说明1.周期信号的周期/频率测量对周期信号来说，可以用时域波形分析来确定信号的周期，也就是计算相邻的两个信号波峰的时间差、或过零点的时间差。图1、信号周期的识别工程实际中常用信号过零点检测法识别周期信号周期，其计算机编程实现很简单，用Signal VBScript实现的程序代码为：n=0 For K = 3 To 512If data(k-1)0 And data(k-2)=0 And data(k+1)0 Then Rem 用线形插值做过零位置检测 If data(k)=0 Then ti(n)=K*dt n=n+1 Else x1=k-1 y1=data(k-1) x2=k y2=data(k) a=(y2-y1)/(x2-x1)b=a*x1-y1ti(n)=b/a n=n+1 End IfEnd If Next T=(ti(1)-ti(0)*dt f=1.0/T2 信号的时域波形参数测量(1) 均值 均值Ex(t)表示集合平均值或数学期望值，其表达式为： (1)均值Ex(t)计算机编程实现很简单，用Signal VBScript实现的程序代码为：U=0 For K = 0 To N U=U+data(k) Next U=U/N(2) 均方值信号x(t)的均方值Ex2(t)，或称为平均功率，其表达式为： (2)均方值表达了信号的强度，其正平方根值，又称为有效值，也是信号的平均能量的一种表达。在工程信号测量中一般仪器的表头示值就是信号的有效值。有效值计算机编程实现很简单，用Signal VBScript实现的程序代码为E2=0 For K = 0 To N E2=E2+data(k)*data(k) NextRMS=sqr(E2/N)3. 信号的相关函数估计在离散情况下，信号x(n)和y(n)的相关函数定义为：在不考虑计算效率的情况下编程计算也很容易：For i = 0 To N r(i)=0 For j = 0 To N r(i)=r(i)+x(j)*y(j+i) Next Next For i = 0 To N r(i)=r(i)/N Next4. 信号频率成分直接估计算法 离散傅里叶变换的计算公式为： (3)式中N为信号采样长度，t为采样间隔，T=N*t为采样窗口宽度。如不考虑计算效率，用计算机编程计算信号中的频率成分是很容易实现的。例如，下面是用Signal VBScript编程计算频率点f的幅值与相位的程序代码.。f=？ /计算的频率点 pi=3.1415926 XR=0 XI=0 For n=0 To N-1 XR=XR+x(n)*cos(2*pi*f*n*dt)*dt XI=XI+x(n)*sin(2*pi*f*n*dt)*dt Next A=2*sqr(XR*XR+XI*XI)/T Q=atn(XI/XR)四、实验仪器序号名 称主要用途计算机DRVI快速可重组虚拟仪器平台打印机五、实验内容和步骤自己用Signal VBScript编写数字信号处理小程序，插入DRVI中，识别测量信号的周期、均值、均方值，并计算信号的自相关系数和频谱。1. 运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的联机注册图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。2. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，选择“信号频率过零检测算法实验”，建立实验环境。点击脚本芯片，观察算法的实现代码。图1 信号频率过零检测算法实验环境3. 点击该实验中的“信号频谱直接算法实验”，建立实验环境。与DRVI中的FFT芯片计算效率对比，理解FFT的优点。图2 信号频谱直接算法参考实验环境4. 点击该实验附录中的“信号自相关系数直接算法实验”，建立实验环境。与DRVI中的自相关芯片计算效率对比，理解用FFT计算相关系数的优点。图3 信号自相关系数直接算法实验环境六、实验数据处理与分析1. 简述实验目的和原理，画出上述实验的虚拟仪器装配图。2. 拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中。七、注意事项必须遵守实验室的各项规章制度，必须听从实验室管理人员的安排，未经许可不得擅自动用实验室的仪器设备不得随意开（断）电源和其他开关等。不准动用与本次实验无关的仪器、设备。八、预习与思考题对上述实验功能进行扩充，编程计算出信号的强度，也就是信号的有效值，并用表头控件显示。图4 编程计算信号的强度实验三：LabVIEW平台掌握该软件开发平台使用方法一、实验目的与要求通过Labview 平台掌握该软件开发平台使用方法，使学生了解Labview 软件，掌握软件使用方法，达到熟练掌握Labview 软件使用的目的。二、实验类型 验证型三、实验原理及说明LabVIEW是一个具有革命性的图形化开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案。四、实验仪器序号名 称主要用途计算机Labview软件五、实验内容和步骤1Labview的工作环境建立 1）启动界面 启动Labview后，出现对话框。 2）前面板窗口和框图程序窗口前面板工具栏：点击各按钮熟悉功能。框图程序工具栏：点击各按钮熟悉功能。3）快捷菜单4）下拉菜单 2Labview模板简介 1）工具模板点击各按钮熟悉功能。2）控制模板点击各按钮熟悉功能。3）功能模板点击各按钮熟悉功能。 3Labview程序设计的一般过程一个完整的VI程序由3部分组成:前面板、框图程序和图标/连接口，因此一个VI程序的设计主要包括前面板的设计、框图程序的设计以及程序的调试。1）前面板的设计2）框图程序的组成节点，端口，连线，连线点，接线头。3）从框图程序窗口创建前面对象4）数据流编程5）创建子程序六、实验数据处理与分析掌握Labview软件的使用方法。七、注意事项必须遵守实验室的各项规章制度，必须听从实验室管理人员的安排，未经许可不得擅自动用实验室的仪器设备不得随意开（断）电源和其他开关等。不准动用与本次实验无关的仪器、设备。八、预习与思考题1 熟悉Labview的编程环境。2VI 中的3个模板什么？简述其个自的功能。3在前面板和框图程序中，如何区分控制器和指示器？ 实验四：信号发生与处理实验一、实验目的与要求1. 掌握用数学公式编程生成数字信号的方法。2. 掌握用D/A器件输出数字信号，自制简易信号发生器的方法。二、实验类型 验证型三、实验原理及说明1、正弦波数字信号发生器对正弦波信号，其数学表达式为： (1)式中为正弦波信号幅值，为正弦波信号频率，为正弦波信号的初始相位。按采样定理要求确定一个合适的采样频率，设为,则信号采样间隔为： (2)用对式(1)进行采样，有离散化采样公式： (3)按式(3)编程就可以实现一个正弦波数字信号发生器。下面是Signal VBScript程序代码。Dim data(2048)A=800.0Pi=3.14F=100Q=0Fs=5000.0dt=1.0/FsFor K = 0 To 2047 data(k)=A*Sin(2*Pi*F*dt*K+Q*3.14/180.0)Next2、噪声信号发生器在许多计算机语言中都有随机数产生函数，一组由随机数构成的采样信号的集合就构成了噪声信号。在VBScript语言中提供了数字范围在(0 到 1)之间的随机数产生函数Rnd()，因此有噪声信号采样公式： (3)式中为噪声信号幅值。按式4)编程就可以实现一个噪声信号发生器。下面是Signal VBScript程序代码。Dim data(2048)A=800.0For K = 0 To 2047 data(k)=2.0*A*(Rnd()-0.5)Next四、实验仪器序号名 称主要用途计算机DRVI快速可重组虚拟仪器平台打印机五、实验内容和步骤用DRVI设计正弦波信号发生器，观察幅值，频率和相位变化时正弦波信号波形的变化情况。设计噪声信号发生器，观察噪声信号波形特点。5. 运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的联机注册图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。6. 在DRVI平台上搭建正弦波信号发生器，建立实验环境，下面是实验装配图。按装配图自己动手搭建正弦波信号发生器。图1正弦波信号发生器装配图7. 在DRVI平台上搭建噪声信号发生器，建立实验环境，六、实验数据处理与分析3. 简述实验目的和原理。4. 拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中，并附上所设计的虚拟仪器脚本文件。七、注意事项必须遵守实验室的各项规章制度，必须听从实验室管理人员的安排，未经许可不得擅自动用实验室的仪器设备不得随意开（断）电源和其他开关等。不准动用与本次实验无关的仪器、设备。八、预习与思考题1. 写出方波信号的数学公式，设计出方波信号发生器。2. 写出三角波信号的数学公式，设计出三角波信号发生器。3. 写出锯齿波信号的数学公式，设计出锯齿波信号发生器。从声卡输出产生的数字信号，用普通示波器进行观察。