机电系统信号分析与处理.doc

机电系统信号分析与处理实验指导书封士彩编徐州师范大学机电工程学院目 录实验一 信号的产生、时域变换、卷积计算及谱分析实验2实验二 无源和有源滤波器特性实验6实验三 MATLAB环境下信号分析与处理仿真实验 10实验一 信号的产生、时域变换、卷积计算及谱分析实验 一、实验目的1掌握各种常用的信号，理解其数学表达式和波形表示。2掌握在计算机中生成及绘制各种信号波形的方法。3. 掌握信号的相加、相乘、移位、反褶等基本运算及计算机实现与作用。4. 掌握线性卷积软件实现的方法。5. 掌握信号频谱分析的方法。6. 掌握计算机的使用方法和常用系统软件及应用软件的使用。7. 通过编程，上机调试程序，进一步增强使用计算机解决问题的能力。二、实验设备和工具1微型计算机、Matlab6.5教学版、TC编程环境。2智能信号采集分析系统。三、实验内容主要内容为利用MATLAB产生信号波形、进行信号的时域变换和卷积的计算。采用FFT计算信号的频谱，分析连续信号在截断和离散过程对信号频谱的影响。四、实验原理1信号的基本概念信号在数学上可用来表示，有周期信号和非周期信号、确定性信号和非确定性信号之分，可通过信号发生器产生或通过MATLAB编程产生。2常用信号常用信号有：单位脉冲信号（单位抽样）、单位阶跃信号、矩形信号、实指数序列、复指数信号、正弦型信号等。3信号的基本运算。信号的运算包括移位、反褶、和、积、标乘、累加、差分运算等。4信号的卷积运算。5信号的频谱分析: 通过FFT计算信号的频谱。五、实验步骤利用MATLAB或C语言编程或通过信号发生器产生和绘制下列信号：（1）单位脉冲信号 （2）单位阶跃信号 （3）矩形信号 （4）正弦型信号 （5）任意信号3信号的运算利用MATLAB或C语言编程完成上述信号的移位、反褶、和、积、标乘、累加等运算，并绘制运算后序列的波形。4卷积运算利用MATLAB或C语言编制一个计算两个信号卷积的通用程序，计算上述任意信号进行卷积，并绘制卷积后信号的波形。5频谱分析利用智能信号采集分析系统软件分析上述信号的频谱。6上机调试并打印或记录实验结果。信号的产生、时域变换、卷积计算及谱分析实验报告班级_姓名 学号_同组实验人姓名 实验日期 一、实验记录二、实验分析三、思考题1如何产生方波信号和锯齿波信号？2信号频谱分析有何意义？成绩评定_ 指导教师_实验二 无源和有源滤波器特性实验一、实验目的1了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性；2分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性；3掌握扫频仪的使用方法（TKSS-C型）二、实验设备和工具1信号发生器；2滤波器；智能信号采集分析系统；3毫伏表、导线。三、实验内容主要内容为无源和有源滤波器的滤波特性实验。要求通过实验学生能了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性，掌握扫频仪的使用方（TKSS-C型）四、实验原理低通、高通、带通滤波器测试系统原理如图1，测试接线图如图2，信号发生器的输出接到滤波器的输入端，用毫伏表分别测量滤波器的输入和输出电压，确定输出电压和输入电压的比值与输入信号频率的函数关系，即为滤波器的频率特性，从频率特性曲线上可以确定滤波器的各个参数。 a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器图1测试系统原理图图2 测试系统接线图五、实验步骤1.选取低通、高通、带通滤波器的截止频率。2.将毫伏表量程选择开关打在1V档。3.将信号发生器的频率调到20Hz，输出电压调到0V，信号发生器的输出端接到低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接到毫伏表上。4.将滤波器拨到直通方式，调节信号发生器的输出电压，用毫伏表测滤波器的输入电压，使毫伏表的读数为1V左右。5.将滤波器拨到滤波方式，用毫伏表测滤波器的输出电压，将数据填入表5-4。6.不改变信号发生器的输出电压，逐级改变信号发生器的频率，将滤波器分别拨到直通方式和滤波方式，在毫伏表上逐次读取各频率下滤波器的输入和输出电压。将数据填入表格1。7.将信号发生器的频率调回20HZ，输出电压调到0V。选择高通滤波器。信号发生器的输出端接到高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端接到毫伏表上。8.重复步骤4、5、6。将数据填入表2。9.将信号发生器的频率调回20HZ，输出电压调到0V。将低通滤波器输出接到高通滤波器输入上，信号发生器的输出端接到低通滤波器的输入端，高滤波器的输出端接到毫伏表上，接成带通滤波器。10.重复步骤4、5、6。将数据填入表3。表1 低通滤波器理论截止频率输入频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V输出、输入幅值比输入频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V输出、输入幅值比205003060040700608008010001002000200300030060004008000表2 高通滤波器理论截止频率输入频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V输出、输入幅值比输入频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V输出、输入幅值比205003060040700608008010001002000200300030060004008000表3 带通滤波器理论上、下截止频率输入频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V输出、输入幅值比输入频率/Hz输入幅值/V输出幅值/V输出、输入幅值比205003060040700608008010001002000200300030060004008000无源和有源滤波器特性实验报告班级_姓名 学号_同组实验人姓名 实验日期 一、实验记录二、实验分析三、思考题1滤波的目的是什么？2低通、高通、带通滤波器分别能应用于什么场合？成绩评定_ 指导教师_实验三 MATLAB环境下信号分析与处理仿真实验一、实验目的1熟悉 MATLAB 主界面，并学会简单的菜单操作；2学会简单的矩阵输入与信号输入；3掌握MATLAB部分绘图函数；4掌握信号运算、LTI系统的零状态响应特性仿真方法；5掌握连续周期与非周期信号频谱；离散周期与非周期信号频谱仿真方法；6掌握差分方程求解的仿真方法；7掌握信号采样与恢复的仿真方法。二、实验设备和工具动态电阻应变仪、静态电阻应变仪、虚拟信号分析仪、智能信号采集分析系统、电子计算机（装MATLAB软件）等。三、实验内容主要内容为信号运算仿真实验；LTI系统的零状态响应特性仿真实验；连续周期与非周期信号频谱仿真实验；离散周期与非周期信号频谱仿真实验；差分方程的解仿真实验；信号采样与恢复仿真实验。要求学生能熟练掌握MATLAB语言的编程方法，通过实验，能掌握信号的运算、频谱分析的内涵。四、实验原理1MATLAB 是以复杂矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言。它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。MATLAB语言最基本的赋值语句结构为：变量名列表=表达。表达式由操作符或其它字符，函数和变量名组成，表达式的结果为一个矩阵，显示在屏幕上，同时输送到一个变量中并存放于工作空间中以备调用。2MATLAB提供了多种求取并绘制频率响应曲线的函数，如Bode图绘制函数bode( )，Nyquist曲线绘制函数nyquist( )，以及Nichols曲线绘制函数nichols( )等，其中bode( )函数的调用格式为：m,p=bode(num,den,w)；或m,p=bode(A,B,C,D,iu,w)；这里num，den和A，B，C，D 分别为系统的传递函数或状态方程的参数，而w为频率点构成的向量，该向量最好由logspace( )函数来构成。 iu为一个数值，反映要求取的输入信号标号，当然对单输入系统来说，iu=1。 bode( )函数本身可以通过输入元素的个数自动地识别给出的是传递函数模型还是状态方程模型，从而可以正确地求出Bode响应的幅值向量m与相位向量p，有了这些数据之后就可以由下面的MATLAB命令。subplot(211);semilogx(w,20log10(m)subplot(212);semilog(w,p)在同一个窗口上同时绘制出系统的Bode响应曲线了，其中前面一条命令对得出的m向量求分贝（db）值。如果用户只想绘出系统的Bode图，而对获得幅值和相位的具体数值并不感性趣，则可以由如下更简洁的格式调用bode( )函数。bode(A,B,C,D,iu,w)或bode(num,den,w)或更简洁地bode(A,B,C,D,iu)或bode(num,den)这时该函数会自动地根据模型的变化情况选择一个比较合适的频率范围。Nyquist响应与Nichols特性的操作与Bode图类似。MATLAB还提供了更直接地求取频率响应数据的函数freqresp( )，其调用格式为：x,y=freqresp(num,den,sqrt(-1)w);或 x,y=freqresp(A,B,C,D,iu,sqrt(-1)w); 在分析系统性能时经常涉及到系统的幅度与相位裕度的问题，可使用margin( )函数，调用格式为：Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(A,B,C,D)或 Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(num,den)或 Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(MAG,PHASE,w)可以看出，该函数可求取系统的幅值裕度Gm和相位裕度Pm，并求出幅值裕度和相位裕度处的频率值Wcg和Wcp。离散系统频率分析调用的函数只需在原连续函数的基础上加一个“d”即可，如Bode图可以由dbode( )函数来求出。dbode函数的调用格式为mag,phase=dbode(F,G,C,D,Ts,iu,w)或 mag,phase=dbode(num,den,w)其中(F,G,C,D)为系统的离散时间状态方程的参数，Ts为采样周期，iu为输入序号，w仍为频率向量。在后一种调用格式中，num和den分别为离散时间系统传递函数模型的分子和分母多项式系数构成的向量。带有时间延迟的连续控制系统传递函数模型可以写成 式中T为延迟时间常数。纯时间延迟环节可以由有理函数来近似，MATLAB中提供了pade( )函数来计算（法国数学家提出的一种著名的有理近似方法）近似的函数，它的调用格式为：num,den=pade(T,n)或 A,B,C,D=pade(T,n)其中T为延迟时间常数，n为要求拟合的阶数。MATLAB还提供了连续时间系统在阶跃输入激励下的函数step( )，脉冲激励下的函数impulse( )及任意输入下的函数lsim( )等，其中阶跃响应函数的调用格式为：y,x=step(num,den,t)或 y,x=step(A,B,C,D,iu,t)其中t为选定的时间向量。离散时间系统的函数只需在连续时间函数前加“d”即可，且t由n代替，表示需要的采样个数。3MATLAB菜单中通过编写程序可对信号进行差分方程的求解及对信号进行采样和恢复。五、实验步骤1.打开计算机进入MATLAB主界面，操作MATLAB的主要命令及绘图函数，并进行信号的运算；2.通过MATLAB菜单进行LTI系统的零状态响应特性仿真实验，分析其原理和性能。3.通过MATLAB菜单对连续周期与非周期信号频谱，离散周期与非周期信号进行频谱分析仿真，绘制不同信