( 2011-2012 学年第二学期)重庆理工大学研究生课程论文课程论文题目： 《工程信号处理实验报告》课程名称 工程信号处理实验 课程类别 □学位课 非学位课任课教师 谢明 所在学院 汽车学院 学科专业 机械设计及理念姓名 李文中 学号50110802313 提交日期2012年4月12日工程信号处理实验报告姓名：李文中学号：50110802313实验报告一实验名称：数据信号采集及采样参数选定1实验目的1.1了解信号采集系统的组成，初步掌握信号采集系统的使用。

1.2加深对采样定理的理解，掌握采样参数的选择方法1.3了解信号采集在工程信号处理中的实际应用，及注意事项。

2 实验原理2.1 模数转换及其控制对模拟信号进行采集，就是将模拟信号转换为数字信号，即模/数（A/D）转换，然后送入计算机或专用设备进行处理。

模数转换包括三个步骤：（1）采样，（2）量化，（3）编码。

采样，是对已知的模拟信号按一定的间隔抽出一个样本数据。

若间隔为一定时间 T，则称这种采样为等时间间隔采样。

除特别注明外，一般都采用等时间间隔采样；量化，是一种用有限字长的数字量逼近模拟量的过程。

编码，是将已经量化的数字量变为二进制数码，因为数字处理器只能接受有限长的二进制数。

模拟信号经过这三步转换后，变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。

A/D转换器是完成这三个步骤的主要器件。

在信号采集系统中，A/D 转换器与计算机联合使用完成模数转换。

用计算机的时钟或用软件产生等间隔采样脉冲控制 A/D 转换器采样。

A/D 转换器通过内部电路进行量化与编码，输出有限长的二进制代码。

信号采集系统中，通常由以 A/D转换器为核心的接口电路及控制软件，进行信号采集控制。

*注这部分是由本实验所用的信号采集器自动完成的，以上也是实验器材-信号采集器的部分工作原理。

以后实验中就不再赘述。

2.2 信号采集的参数选择（1）采样频率( f s)采样频率f s=1T⁄,其中T是等间隔采样间隔时间。

工程测试中，习惯用f s来表示采样时间间隔。

并取 1、2、5数列的数作为采样频率，如：100 Hz、200 Hz、500 Hz、1K Hz、2KHz 、20K Hz等。

一个信号采集系统，采样频率一般在 0Hz至几十 kHz的范围内，其最高频率受到系统内 A/D转换器的限制。

采样频率f s的选择，要根据信号特点、分析的要求、所用的设备等诸方面的条件来定。

若对信号作时域分析，则采样频率越高，信号的复原性越好。

一般情况可采至f s=10f m，其中f m为信号中最高频率。

值得注意的是，如果信号处理设备中的数据容量是有一定限制的，采样频率高，所采得的信号记录长度就短，会影响信号的完整性。

所以在选取f s时要与采样长度相互兼顾。

对信号作频域分析时，为了避免混叠，采样频率f s要满足采样定理，即f s>2f m（1）在实际分析中，一般取f s=(5~10)f m。

同样值得注意的是，有些信号处理设备作频域分析时采样点数为固定值，由公式∆f=f s（2）N其中，∆f为频普分析分辨率，N为采样点数。

可知提高f s就会使频率分辨率变差（∆f越大分辨率越低）。

若只对信号中某些频率成分感兴趣，可以采用抗混滤波器来降低采样频率。

在进行动态信号测试中测量仪器必须具有抗混滤波功能。

实际仪器设计中，对于选择性好的滤波器，常取f s=2.56f c (3)f c是低通滤波器的截止频率。

即采样频率可依滤波器截止频率的 2~3 倍来考虑。

（2）采样点数进行时域分析时，采样点数尽可能多一些，采样点数越多信号越容易复原。

进行频域分析时，为了快速傅里叶变换（FFT）计算的方便，采样点数一般取 2 的幂数，如 512、1024、2048、4096 等。

一般取 1024 点。

(3) 信号的记录长度先确定频普分析分辨率∆f，再确定采样点数N。

由公式（2）可推出采样频率f s.被分析信号的每一段样本的长度T，可由⁄ (4) T=N−1f s计算得出。

(4) 触发方式选择触发信号是启动 A/D开始采样的信号。

触发方式选择即选择不同形式的触发信号。

触发方式可以分为以下几种，下面做一些简要介绍。

手动触发：它是用手动方式发出采样命令后即开始对信号采样。

一般是发出采样命令后开始采样，这种方式适用于采集平稳信号。

信号电平触发：它是利用被采集信号本身电平的变化来触发。

触发电平的大小可以设置。

当信号电压低于触发电平时采样系统不采样，当信号达到触发电平便采样。

这对采集脉冲信号有利。

预触发：信号电平触发只能采集到触发以后的信号，对于脉冲信号采集不到信号前沿。

预触发能在触发电平到来之前开始触发，至于“前”到什么时候，可以事先设置。

外触发：用采集系统以外的信号，直接启动 A/D转换芯片。

本实验所用的触发方式为手动触发。

3 实验器材3.1信号发生器两台（本实验只用一台，另一台为后续实验备用）3.2信号采集器一台3.3信号采集与波形显示软件一套3.4计算机一台3.5数据线若干4 实验步骤4.1按图1-1连接所需信号采集仪器4.2实验操作步骤4.2.1 用数据采集线将信号发生器与信号采集器所用端口连接，本实验所用为2号端口。

再用数据线将信号采集器与装有信号采集与波形显示软件的计算机连接。

接通电源，开启各实验仪器检查连接正确性，正确则可进行后续实验。

如有错误，检查并调试连接，直至正确。

4.2.2打开信号采集软件，在软件中设置信号采集通道与信号采集器所用通道相同。

设置相应的采样频率，手动触发采集，按“开始”按钮，开始信号采集，从显示屏上可看出采集到的信号的波形。

按“暂停”按钮，可停止采集。

调节信号发生频率旋钮可以得到不同频率的信号；选择波形按钮可以得到不同的波形。

本次实验是用同一频率矩形波显示，用不同集频率（200Hz～20KHz）来表述采样频率对信号采集的影响。

5 实验数据处理及结果分析采样频率、波形及信号发生器频率如下表所示：f s=2KHz时f s=4KHz时f s=5KHz时f s=10KHz时f s=20KHz时结果分析首先要声明一点，实验过程中少取了一个采集频率f s=1KHz时振幅频率图。

本想用simulink做出来的，无奈能力及时间有限。

从总体上讲对本次实验要说明的问题-数据信号采集及采样参数选定，没有太大的影响。

（1）在工程中，所要采集信号的频率是未知的。

对采样频率f s的初次选择应遵循：从大到小的顺序进行选择，即首先将采样频率f s设定在较高数值，然后在遵循采样定理f s> 2f m的前提下，逐步降低f s。

这样操作可以避免信号频率出现“虚假”现象，即波峰示值有可能是已经折叠回来之后的值。

如实验数据图一样，采样频率如果少于2KHz就会出现波峰的逆转，而我们在操作时也不知道采样的波峰示值已经发生折返，因此我们在设定初次采样频率时应遵循以上采样原则，设定采样参数。

（2）采样频率中有间隔性的小振幅且小振幅的频率有很低的，如采样频率2KHz图；也有很高的，如采样频率20KHz图左侧部分。

造成这种现象原因可能是：矩形波并不是完美的矩形波。

影响因素如，信号发生器及信号采集器本身就有一定的误差加上交流电源的影响。

改进的办法可以加上一个高通滤波器和一个低通滤波器，设置恰当的阀值就可以去除掉振幅峰值左右两侧的干扰振幅。

另外，最后使用笔记本电脑代替台式机。

因为笔记本电脑的电源是直流，影响较小。

还可以适当隔开各种设备，添加接地线等措施避免彼此的影响。

实验报告二实验名称：波形叠加1 实验步骤1.1按下图连接设备1.2实验操作步骤1.2.1 用数据采集线将信号发生器与信号采集器所用端口连接，本实验所用为2号和4号两端口。

再用数据线将信号采集器与装有信号采集与波形显示软件的计算机连接。

接通电源，开启各实验仪器检查连接正确性，正确则可进行后续实验。

如有错误，检查并调试连接，直至正确。

1.2.2打开信号采集软件，在软件中设置信号采集通道与信号采集器所用通道相同。

设置两种不同的信号频率及相应的采样频率，手动触发采集，按“开始”按钮，开始信号采集，从显示屏上可看出采集到信号的波形叠加。

按“暂停”按钮，可停止采集。

调节信号发生频率旋钮可以得到不同频率的信号；选择波形按钮可以得到不同的波形。

2 实验结果及其分析结果图形1是低频正弦波与高频矩形波叠加结果图形2是低频矩形波与高频矩形波叠加结果图形3是相同频率矩形波叠加结果的分析如下图形1和图形2是相似的，不同之处在于低频载波不同。

图形1是正弦波作为载波，而图形2是矩形波作为载波。

两者的实质相同，均为波形叠加。

由于图形1的载波是正弦波，矩形波在叠加过程中和呈现的趋势是正弦曲线。

图形2与图形3相比较，相同之处都是矩形波的叠加，不同之处在于图形2两矩形波频率不同，而图形3中参与叠加的矩形波频率是相同的，两者互为载波，产生的叠加效果波形振幅上下两侧相接触，彼此互入。

波形的叠加效果可以产生多种美丽的信号图案，以下几幅叠加效果图产生的原理与上面相同，以供欣赏。

实验报告三实验名称：用数学方法与实验法共同验证：时域相乘相当于频域卷积1 实验步骤1.1按下图连接设备1.2实验操作步骤1.2.1 用数据采集线将信号发生器与信号采集器所用端口连接，本实验所用为2号和4号两端口。

再用数据线将信号采集器与装有信号采集与波形显示软件的计算机连接。

接通电源，开启各实验仪器检查连接正确性，正确则可进行后续实验。

如有错误，检查并调试连接，直至正确。

1.2.2打开信号采集软件，在软件中设置信号采集通道与信号采集器所用通道相同。

设置两种不同的信号频率及相应的采样频率，手动触发采集，按“开始”按钮，开始信号采集，从显示屏上可看出采集到信号的波形叠加。

按“暂停”按钮，可停止采集。

调节信号发生频率旋钮分别为936Hz，1013Hz；选择正弦波波形按钮。

2 实验结果及其分析实验所用数据如下表频域卷积时域相乘结果分析如下由于信号采集系统误差，结果中显示频率为1015Hz。

这个误差是实验精度控制范围内的。

从工程信号处理的数学原理出发，解释为什么上面的两种结果是等效的。

首先引入一些原理性的内容。

时域相乘相当于频域卷积为了获得两个信号在时域相乘的结果，我们可以先分析这两个信号的频谱F(ω)和G(ω)，再对这两个信号的频谱做卷积，得到乘积信号的频谱H(ω)=F(ω)∗G(ω)，将各频谱分量乘以对应的exp (jωt)再相加就可以得到时域的乘积信号。

注意：当我们说频域的时候，我们说的只是频谱，也就是exp (jωt)前的系数，不包括exp (jωt)本身。

在此，为了表述方便我不妨设两正弦波函数分别为f(t)=A1sin (ω1+φ1)和g(t)= A2sin (ω2+φ2)。

f(t),g(t)在工程中常表示成傅里叶积分形式：f(t)=12π∫[∫f(τ)e−jnωτdτ∞−∞]e jnωt dω∞−∞(3.1)g(t)=12π∫[∫g(τ)e−jnωτdτ∞−∞]e jnωt dω∞−∞(3.2)应用傅里叶变换得F(ω)和G(ω)F(ω)=∫f(t)e−jnωt dt+∞−∞(3.3)G(ω)=∫g(t)e−jnωt dt+∞−∞(3.3)对于时域相乘的图形可用h(t)表示h(t)=f(t)g(t) (3.4)对h(t)作傅里叶变换得H(ω)=∫h(t)e−jnωt dt+∞−∞(3.5)注意：当我们说频域的时候，我们说的只是频谱，也就是exp (jωt)前的系数，不包括exp (jωt)本身。