北航传感器技术与测试系统实验一——信号的时域分析及处理.

1、北 京 航 空 航 天 大 学传感器技术与测试系统实验报告学 院 专业方向 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 目录一、 实验内容21. 利用matlab软件进行基本信号的时域和频域分析21. 利用labview软件进行信号分析和处理22. 利用labview软件进行信号的输出和采样23. 利用labview软件完成动态称重仿真3二、 实验预期31. 利用matlab软件进行基本信号的时域和频域分析34. 利用labview软件进行信号分析和处理35. 利用labview软件进行信号的输出和采样32. 利用labview软件完成动态称重仿真3三、 实现方法36. 利用matlab软件进行基本信

2、号的时域和频域分析37. 利用labview软件进行信号分析和处理48. 利用labview软件进行信号的输出和采样49. 利用labview软件完成动态称重仿真6四、 实验数据及问题分析71. 利用matlab软件进行基本信号的时域和频域分析710. 利用labview软件进行信号分析和处理1211. 利用labview软件进行信号的输出和采样142. 利用labview软件完成动态称重仿真14五、 实验总结16六、 分工16实验一 信号的时域分析及处理一、 实验内容1. 利用matlab软件进行基本信号的时域和频域分析；（1） 产生不同的周期信号，包括正弦信号、方波信号、锯齿波，在时域分析

3、这些波形的特征（幅值、频率）；（2） 在matlab中产生随进噪声信号；（3） 对产生信号进行Fourier变换，从频率域分析信号的特征，并说明方波和锯齿波信号的信号带宽；（4） 产生复合信号a） 产生由3个不同频率幅值的正弦信号叠加的信号，从图形上判断信号的特征；b） 产生由正弦信号和随机信号叠加的混合信号，从图形上判断信号的特征；c） 产生正弦信号和方波叠加的信号，从图形上判断信号的特征；（5） 对（4）中的3中复合信号进行FFT计算，从图形上判断信号的特征；（6） 应用不同窗函数对（4）中信号进行采样，其中包括矩形窗、Hamming窗、Hanning窗。比较不同的窗函数采样得到的结果。2

4、. 利用labview软件进行信号分析和处理；（1） 设置开始和停止按钮；（2） 有计算机模拟产生规则的信号；（3） 对待测信号进行分析处理a） 进行FFT变换，并显示信号频谱；b） 对待测信号加窗，显示加窗后信号；c） 选择滤波器，显示滤波后信号；d） 对滤波后信号进行FFT变换，显示信号频谱。3. 利用labview软件进行信号的输出和采样；（1） 以顺序结构连接数据采集卡操作程序框图；（2） 产生正弦信号，通过数据采集卡输出，用示波器观察输出波形是否与产生波形一致；（3） 将输出信号采集回来，或者采集信号发生器的信号，并显示。4. 利用labview软件完成动态称重仿真。步骤： 截取数据

5、段、对数据滤波、模型参数辨识、求取重量。二、 实验预期1. 利用matlab软件进行基本信号的时域和频域分析（1） 熟悉使用matlab软件，用其产生实验要求的信号并作FFT变换后观察现象，分析其幅值、频率等特性，应该得到相同的结果；（2） 运用窗函数采集信号并作FFT变换，比较不同窗产生的结果应发现加矩形窗的信号进行FFT变换后具有主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度最高，幅值识别精度低的特点，而汉宁窗和海明窗具有主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小频率分辨力下降。2. 利用labview软件进行信号分析和处理在labview中做好相应的程序框图后，点击运行，应出现所希望出现的原始正弦波稳定的正弦波形，加

6、噪声信号后的波形出现波动，滤波后信号波形恢复单一稳定，加窗后波形将信号截断，滤波前信号频谱有较多的旁瓣，而滤波后信号频谱旁瓣较少。3. 利用labview软件进行信号的输出和采样选定为正弦信号，通过数据采集卡采集后在示波器显示出相应的正弦波，在将采集的信号由labview采集回来，并应显示出与产生的正弦波完全相同的波形。4. 利用labview软件完成动态称重仿真动态称重过程中的信号如下图所示，信号处理过程中选取合适的数据段。进行滤波处理后调用matlab脚本内程序从而得到相应的重量。三、 实现方法1. 利用matlab软件进行基本信号的时域和频域分析调用matlab中的sin函数、randn

7、函数等来产生相应的信号或者叠加信号，用fft函数实现产生信号的FFT变换，并利用plot函数将生成的函数作图。2. 利用labview软件进行信号分析和处理利用labview软件做出相应的程序框图，其中由函数发生器来产生信号，用示波器来显示信号波形，用条件结构实现窗函数与滤波器的选择功能，用数值输入控件输入幅值频率等数据，用文本下拉列表控件实现窗函数与滤波器的选择。流程图如下：初始化设备产生一个规则的信号（正弦、方波、三角波等类型可选，幅值、频率等参数可设置）开始对待测信号进行FFT变换，并显示信号频谱对待测信号加窗（矩形窗、汉明窗、汉宁窗等可选，可改变通频带范围）选择滤波器（低通滤波器、高通

8、滤波器、带通滤波器、IIR滤波器、FIR滤波器等可选）显示信号频谱显示加窗后信号显示滤波后信号对滤波后的信号进FFT变换显示滤波后信号频谱是否停止？释放设备，退出程序结束YN3. 利用labview软件进行信号的输出和采样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：（1） 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，获得板卡设备句柄、打开设备等。如下图所示。初始化模块板卡编号板卡句柄板卡故障输出（2） 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

9、设置。如下图所示。模拟输出模块板卡句柄板卡故障输出D/A故障信息输出模拟输出通道需D/A转换输出数据（3）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。如下图所示。板卡句柄板卡故障输出模拟输入通道模拟输入电压范围通道范围：2表示±5VA/D故障信息输出模拟输入模块A/ D转换输入数据（4） 设备释放模块 释放A/D、释放D/A、释放设备，释放内存空间。如下图所示。板卡句柄板卡故障输出A/ D转换输入数据故障信息输出实验流程图如下：初始化设备产生一个正弦的信号（幅值、频率等参数可设置）由数据采集卡输出并用示波器显示输出

10、波形由数据采集卡输入并显示波形开始是否停止？释放设备，退出程序结束YN4. 利用labview软件完成动态称重仿真（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A 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）。B 对数据进行滤波。使用Matlab滤波函数y=fil

11、ter(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。C 将原始数据和滤波后数据利用Labview的显示控件显示出来。D 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：四、 实验数据及问题分析1 利用matlab软件进行基本信号的时域和频域分析（1） 正弦信号及其FFT变换由图可知其FFT变换的信号的幅值与频率与原信号大致相同（2） 方波信号及其FFT

12、变换由图可知，方波信号与其FFT变换后的信号幅值与频率大致相同，但其FFT变换有较多的旁瓣，造成能量的分散。（3） 锯齿波及其FFT变换由图可知，锯齿波信号与其FFT变换后的信号幅值与频率大致相同，但其FFT变换有较多的旁瓣，造成能量的分散。（4） 噪声信号及其FFT变换由图可知噪声信号及其FFT变换的幅值、频率随机分布（5） 三个正弦信号叠加及其FFT变换由图可知，其FFT变换能够很好的反映出原信号的幅值和频率。（6） 正弦信号与方波信号叠加及其FFT变换由图可以看出，其FFT变换能够很好地反映出原始信号的幅值以及频率，只是存在旁瓣。（7） 正弦信号与随机噪声信号叠加及其FFT变换由图可知加

13、噪声后的正弦信号幅值频率均不稳定，经过FFT变换后能够反映出其幅值频率，不过有干扰，存在很多旁瓣。（8） 正弦信号加矩形窗及其FFT变换有图可以看出加矩形窗后信号主瓣比较集中，但旁瓣较高，导致变换中带进了高频干扰和泄漏。习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗。（9） 正弦信号加汉宁窗及其FFT变换由图可以看出汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗但汉宁窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。（10） 正弦信号加海明窗及其FFT变换海明窗与汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。海明窗可以看做是是汉宁窗的优化。（11） 实验中

14、所出现的问题及解决方法A 之前在做FFT变换时都没有考虑幅值的调整，造成频域幅值不正确。经查阅资料知道实数进行FFT变换后其复制会变为原来的N/2倍（N为采样点数），故在将原信号进行FFT变换后除以N/2在作图，使问题得以解决。B 在窗函数部分，进行FFT变换后并不能看出矩形窗与汉宁窗、海明窗之间的不同，以下为未作修改时的图形。析其原因，是采样点数过少致使频率分辨率过低的原因。之前N=512，fs=1000，频率分辨率为fs/N，不足以显示完整的频谱。之后将N调整为1024，使分辨率提高。另一方面不足的地方补零，也有一定的好处：补零后，其实是对FFT结果做了插值，克服“栅栏”效应，使谱外观平滑

15、化；“栅栏”效应可以理解为在栅栏外看风景，离得远了看的风景自然就多，另外由于对时域数据的截短必然造成频谱泄露，因此在频谱中可能出现难以辨认的谱峰，补零在一定程度上能消除这种现象。2 利用labview软件进行信号分析和处理程序框图及实验结果如下截图所示。这个小实验较为简单，程序主要用到while循环结构与条件结构，其中while循环结构提供停止条件，条件结构完成窗函数以及滤波器选择的功能。不过在实验中也遇到了一定的问题，选择滤波器的条件结构选择值为0,1这些数字，而不能改为相应滤波器的名称。析其原因，发现为按照实验指导所做的程序框图选择滤波器的输入控件使用的是枚举类型，替换为字符串类型即可解决

16、问题。3 利用labview软件进行信号的输出和采样如图为程序框图，总体为一个平铺式顺序结构，定时循环实现信号的的采集，信号采集过程中，为了保证采集到的信号与产生的信号频率一致，要保证采集频率与产生的信号频率相同，而产生信号的频率是人为输入的而采样频率则是由定时循环结构的周期决定的，若要使二者相同，则需要使定时循环的周期与产生信号的周期相同，此时经过同学的指导，使用按名称解除捆绑的控件将正弦输出信号的频率与幅值分离，再通过数值除法控件将频率转换为周期输入到循环定时结构的 相应位置便解决问题。另外，采样波形用波形显示时由于隧道类型选择不正确导致不能正确的连接，将连接隧道改为索引隧道后便解决问题。

17、索引隧道是 labview 的一种独特功能。用索引隧道传出数据，可以自动把循环内的数据组织成数组。最后在用示波器显示采样输出波形时，由于频率太高无法正常显示，在减小频率到10Hz后看到示波器显示为阶梯型近似正弦的波形。4 利用labview软件完成动态称重仿真如图为实验结果与程序框图。本程序主要通过层叠式顺序结构实验各个功能。第一帧通过创建路径来读取已有的数据，第二帧通过一个条件结构和while循环结构来控制选取数据按钮，点击后程序继续运行，截取部分有效数据，之后再滤波后经过matlab脚本调用matlab程序进行最小二乘算法处理后显示处理后数据波形。在此过程中也遇到了不少的问题，首先是对层叠式顺序结构的理解不到位，不能清楚的知道其工作原理流程，在经过查阅想过资料及几次尝试后明白了其工作顺序；然后就是matlab脚本的使用，之前程序存在一些问题，但自己首先遇到的还是1406错误：MATLAB脚本无法初始化，这是自己的软件安装方面出现问题，再重新安装了matlab后，此错误不再出现。之后1407错误也是不断出现，向脚本服务器发送变量失败，这应该是数据类型不一致的原因，在更改y，m输入变量的类型为一维复数数组后程序运行成功。五、 总结1. 在软件应用方面，对matlab及labview的部分功能有了一定的了解，并可以正确运用来解决一些问题。2. 在理论知识方面，通过实验直观的反映