信号与系统实验

关键词：

信号与系统实验（精选十篇）

信号与系统实验 篇1

关键词：信号与系统,Matlab,实验仿真教学,Simulink

0 引 言

信号与系统的基本概念、基本理论与分析方法在不同学科、专业之间有着广泛应用和交叉渗透[1]。“信号与系统”课程[2,3]作为电气信息类专业的学科基础课程[4],在专业教育中有着非常重要的地位。由于该课程自身的特点[5,6],决定了其是一门数学方法、专业理论、分析方法和工程应用密切相结合的课程,不仅要求学生能灵活地应用多种数学方法解决专业理论问题,而且还强调工程上的应用与实践,因此对理论教学和实验[7]都提出了很高的要求。

目前,信号与系统课程实验的实验方法和手段大都还局限在硬件实验上,实验内容、实验方法和手段上均不够深入和灵活,难以满足对理论教学上的支持和工程实践上的要求。为了使学生能更好地理解信号与系统的基本概念、基本理论与分析方法及其应用,克服硬件实验的限制以及实验条件投入的不足,有必要对“信号与系统”实验教学进行改革研究,建立软件仿真实验系统,拓展实验教学的内容和灵活性,使学生有能力进行软件仿真实验,突出学生实践能力和创新能力的培养。

1 系统开发工具简介

Matlab是美国MathWorks公司推出的优秀的科技应用软件。Matlab功能强大,可以进行数值计算和符号计算,编程界面友好,语言自然,开放性强,而且有众多的工具箱可以使用。将Matlab软件用于工程应用和解决实际问题[8],可以不必关心复杂的理论,具有编程快捷方便的特点。

Simulink是Matlab软件的扩展,是对系统进行建模、模拟和分析的软件。Simulink以模块为单元,通过模块之间的连接和属性的设置,进行系统模拟和仿真分析[9]。它的模块库包括连续模块、离散模块、信号和系统模块、数学模块以及信号源模块等。而且模型具有层次性,可以通过底层的子模块构建复杂的上层模块。

该实验系统开发工具采用Matlab和Simulink完成仿真系统的设计与开发。

2 仿真系统设计

2.1 系统设计思路

在系统设计方面采用自上而下的设计方法,对实验内容进行分类,层层推进。该系统采用模块的方式,将实验内容分为3大类、14个子类,围绕基础型、综合提高型和研究创新型3个层次,设计实验内容。每个模块均有开发扩展接口,便于二次开发。同时,充分考虑了教师的教学规律和学生的认知规律,具有引导性和启发性,而且实验内容与理论课程教学内容同步,便于学生理解。

该实验系统采用灵活的软件实验来代替硬件实验的方式,弥补了硬件实验的不足之处。在实验仿真系统中给出了大量的图形,并辅以文字说明,做到图文并茂,使得理论课程的教学内容在实验中进行时变得直观、清晰,易于理解。

2.2 实验内容设计

在实验内容方面,从基础型实验、提高型实验和创新研究型实验三个层次,结合工程应用进行设计。注重学生能力的培养和素质的提高。实验内容涵盖实验课程的全部内容,包括连续系统的时域、频域、复频域分析和离散系统的时域、Z域分析以及综合实验部分即系统分析与仿真。实验系统不仅介绍理论内容的实验仿真,而且真正做到理论联系实际,部分实验内容(如通信系统仿真、信号频谱搬移等)与现实生活紧密结合,贴近生活,具有丰富的时代气息,从而使学生学会用信号与系统的观点和方法来解决实际问题,真正做到学以致用,从各方面培养学生的创新能力和实践能力。

实验内容详细设计说明如下:

(1) 连续系统的时域分析包括信号的时域运算和二阶系统时域分析(见图1)。该部分属于基础性实验内容,可以通过选择不同类型的信号进行时域运算。在系统时域分析方面,以二阶系统为例,要求掌握系统响应的时域求解方法。

(2) 频域分析包括常用信号的傅里叶变换以及傅里叶变换的性质,作为频域分析的重要应用,抽样与恢复部分包括信号的抽样与重构。该部分实验属于综合提高型,是通信系统仿真的基础。

(3) 信号分析以方波的合成与分解为例,重点讨论信号的合成、分解方法,一步一步完成,每一步都有具体的图形与信号合成(分解)的效果,步骤清晰,便于学习。信号分析中的双边带信号频谱,以通信系统为例,介绍频谱搬移的过程,同时联系生活实际。该实验与工程应用紧密结合,讨论信号频谱的搬移过程和方法,只需鼠标点击和拖曳即可完成实验,操作简单,图形直观,形象生动。

(4) 复频域分析包括系统的零极点分析、稳定性分析以及系统响应。该部分属于提高型实验,从S域分析系统,并与工程应用中实际系统的稳定性相结合;

(5) 离散系统时域部分包括离散信号的时域运算如信号的加、减、乘。

(6) 离散系统的时域分析包括差分方程的求解,并重点讨论序列卷积的计算及说明,如图2(a)所示;

(7) 离散系统Z域分析包括零极点求解、频率特性、序列的响应和稳定性分析等,如图2(b)所示;

(8) 信号与系统的综合分析包括系统分析和系统仿真,采用Matlab软件的Simulink仿真完成,以系统框图的形式完成实验,功能强大,操作方便。时域分析部分内容包括一阶、二阶系统的时域特性仿真分析(见图3);频域仿真分析属于研究创新型实验,采用系统仿真的方式,以频谱搬移过程的系统仿真为例进行,但对复杂的通信系统进行仿真,可以查看各个框图、部件的时域波形、频域的频率特性,对信号与系统的实际应用有充分的了解和认识。具体实验内容及安排见表1。

2.3 系统界面设计

实验仿真教学系统界面设计中,避免繁琐,崇尚简洁,亲切自然,因而界面直观、清晰,导航方便,具有良好的人机交互页面,能够非常容易的找到需要的实验内容;同时色彩搭配柔和,给人朴实、安静而又进取的感觉,有利于集中精力进行教学和学习。实验内容部分页面和系统分析与仿真页面如图4所示。

3 系统特点

“信号与系统”实验仿真教学系统内容全面,包含“信号与系统”课程实验的全部主要内容和知识点,教师与学生可以用软件来完成实验内容的教学和学习,有助于学生加强对课程基本概念和重点、难点的理解和掌握,而且不受时间和空间的限制,便于实验教学工作的开展。

该系统具有二次开发功能。该系统在使用中可以结合实际情况,给教师和学生提供程序源代码,教师和学生可以进一步补充和完善实验内容,也可以添加新的实验内容由学生来完成。因而,学生具有更多的发挥空间,更有利于发挥主观能动性。

4 结 语

“信号与系统”实验仿真教学系统,内容全面、翔实,是集计算机技术和现代教育技术手段于一体的多媒体实验教学系统,便于教师进行课堂实验教学和学生软件实验的学习。

通过近三年的实验教学使用,采用该实验仿真系统,避免了硬件实验过程中的不确定性因素的影响,实验灵活方便,有利于拓展学生的思维能力和想象空间,为信号与系统课程的实验教学工作提供有力保障。

参考文献

[1]金波.信号与系统课程教学改革初探[J].电气电子教学学报,2007,29(4):7-8,11.

[2]奥本海姆.信号与系统(英文版)[M].2版.北京:电子工业出版社,2009.

[3]吴大正.信号与线性系统分析[M].4版.北京:高等教育出版社,2005.

[4]中华人民共和国教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍[M].北京:高等教育出版社,1998.

[5]郑君里.教与写的记忆:信号与系统评注[M].北京:高等教育出版社,2005.

[6]徐守时.信号与系统理论、方法和应用[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2008.

[7]刘锋,段红,熊庆旭,等.信号与系统实验教学改革[J].实验技术与管理,2008,25(3):118-120.

[8]王洁丽,贾素梅,薛芳.Matlab软件在信号与系统辅助教学中的应用[J].现代电子技术,2007,30(6):123-125.

信号与系统实验报告 篇2

信号与系统试验报告

姓名:

学号:

专业班级:自动化

实验一

基本信号得生成1.实验目得

 学会使用 MATLAB 产生各种常见得连续时间信号与离散时间信号; 通过ＭATLAB 中得绘图工具对产生得信号进行观察，加深对常用信号得理解; 熟悉 MＡTＬAB 得基本操作,以及一些基本函数得使用,为以后得实验奠定基础。2。

实验内容

⑴ 运行以上九个例子程序，掌握一些常用基本信号得特点及其ＭＡＴＬAB 实现方法；改变有关参数，进一步观察信号波形得变化.⑵ 在范围内产生并画出以下信号: a)

;b)； c)； d).源程序: k= — １0 0 ：1 1 ０;;

f1k=[ze ｒ os(1，10）, , １ ,zer ｏｓ（1 1，1 1 ０）］;;

subplot（2 2，2,1)

stem(ｋ, , ｆ 1k）

title(＇ f1[k ］ ’）

f2k=[zer ｏs s（１ ,8), １，z z ｅr r ｏs s（1 1，12）］;;

su ｂ plot(2，2,2）

ｓ te ｍ（k k，f2k）

titl ｅ(“f2 ［ｋ］ ’）

f3k ＝ [zeros（１ ,14）, , １，zer ｏs s（1 1，6 6）］;;

su ｂｐｌｏt t（2 2，2 2，3)

st ｅ m(k,f ３ k)

ti ｔ le(”f3[k]“）

ｆ 4k= ２＊ｆ２k k--ｆ３ k;

ｓｕ bpl ｏｔ(2，2 2，4)

s s ｔ em（k,f4k)

t t ｉ tle(＇ｆ 4[k]”)

⑶ 在 范围内产生并画出以下信号: a);b);c)。

请问这三个信号得基波周期分别就是多少？ 源程序: ｋ= = ０：

；

ｆ1 1 ｋ= = ｓｉｎ（ｐｉ /4* ｋ))、＊ cos（ｐｉ /4*k）;;

ｓｕｂｐ lo ｔ(3,1, １))

ｓｔ em(k，ｆ1 1 ｋ))

ｔ itle(＇ f1[k ］“ ”）

ｆ２ k=(cos(pi/4*k))、^ ^ ２;;

subp ｌ ot(3, １ ,2)

ｓt t ｅm m（ｋ，f2 ｋ))

ｔi i ｔｌ e(＇ｆ２ [k ］“ ”）

f3 ｋ =s ｉn n（pi ／４＊ｋ）、＊ｃｏs s（ｐ i/8 ＊k k）;;

sub ｐ lot（３，1 1，３）

st ｅm m（ｋ ,f3k）

tit ｌe e（’f3 ［k k ］ ’）

其中ｆ1[k]得基波周期就是４, f2[k］得基波周期就是４, ｆ３［k］得基波周期就是 16． 实验 二

信号得基本运算1。

实验目得

 学会使用ＭATLAＢ完成信号得一些基本运算; 了解复杂信号由基本信号通过尺度变换、翻转、平移、相加、相乘、差分、求与、微分及积分等运算来表达得方法; 进一步熟悉 MＡTLAB 得基本操作与编程,掌握其在信号分析中得运用特点与使用方式． ２。

实验内容

⑴ 运行以上三个例题程序,掌握信号基本运算得ＭATＬAＢ实现方法;改变有关参数，考察相应信号运算结果得变化特点与规律。

⑵ 已知信号如下图所示：

a)用 MAＴLAB 编程复现上图;％作业题２

a: t=-6:0、００1 ：6;ft1=t ｒip ｕｌs(t, ６,0、５）;sub ｐｌot(２,1,1）

ｐｌot(t,ft1)ｔ ｔit ｌe(’f(t)’)

b)画出得波形;%b t= －6:0、00 １:6;ｆ ｆt １= ｔripuls(2 ＊(1 —t),6，0、５)； %s ｕbp ｌot(1,1,1）

pl ｏt(t，ｆt １)t ｉt ｌｅ(’f（２＊(1-ｔ）“)-4-3-2-1 0 1 2 3 400.20.40.60.811.21.41.61.82tf(t)给 定 信 号 f(t)

c)画出得波形;

%c h=0、０0 １；t= —6: ｈ:6;yt= ｔri ｐu ｌs(ｔ,6,0、5)； y １= ｄiff(yt）*1/h;plot(t(１:lengt ｈ(t)—1），ｙ1）

tit ｌe(’df(t）/ ｄt ’)

d)画出得波形。

％d t＝—6:０、１:6;for x=1:ｌｅngｔh(t)

ｙ2(x)=ｑuａd(’ｔｒipuｌs(ｔ,6，０、5)’,－3,t(x));

end ｐlot(ｔ,y2）

tｉtｌe(”iｎtｅgｒaｌ ｏf f(t)“）

实验 三

系统得时域分析1。

实验目得

 学习并掌握连续时间系统得零状态响应、冲激响应与阶跃响应得 MATLAB求解方法；  学习并掌握离散时间系统得零状态响应、冲激响应与阶跃响应得 MＡTＬAB 求解方法; 进一步深刻理解连续时间系统与离散时间系统得系统函数零极点对系统特性得影响;学习并掌握卷积得 MＡTLAB 计算方法。

2.实验内容

⑴ 运行以上五个例题程序,掌握求解系统响应得 MＡTＬAＢ分析方法;改变模型参数,考察系统响应得变化特点与规律。

⑵ 设离散系统可由下列差分方程表示：

计算时得系统冲激响应。

源程序：

ｋ＝ — 20:100 ；

a= ［1 1

--1 ０、9] ；

b=[1];

h= ｉ mpz（b b，a a，k k）;;

stem（k, ｈ）;;

xla ｂ el(’Ti ｍｅ(sec)’)

y y ｌａｂ el(’y(t)”)

⑶ 设,输入，求系统输出。

（取）

源程序: k=--1 1 ０ :50 ；

u u ｋ= = ［z z ｅ ro ｓ（1,1 ０), ｏ nes(1, ５１))］;;

ｕ 1k=[ ｚ er ｏ s(１，20），o o ｎ es(１, , ４１）］;;

ｈ k=0、9 9、^k、*uk;

fk=u ｋ--u1k;

yk=co o ｎv v（hk,f ｋ))；

stem（0:length(yk）--１，yk）;;

⑷ 已知滤波器得传递函数：

输入信号为为随机信号。试绘出滤波器得输出信号波形.(取)源程序: R=101 ；

d=rand（１ ,R）

—0 0、５;;

t=0:100 ；

s=2 ＊ si ｎ(0、05*pi*t)；

f=s ＋d d ；

su ｂｐ lo ｔ(2,1,1);

plot(t，ｄ ,’ ｇ--、＇，t t，s,’b--— “,t,f，”r--＇);

ｘl l ａb b ｅl l（“ ” Ｔi i ｍ e in ｄ ex t’）;;

legend（“d ［t t ］ ”,“ ｓ[ [ ｔ］” “，”f[t ］ ’）；

tit t ｌe e（“ ” 处理前得波形＇))

b=[0、22 ０ ];a=[ １

－0 0、8];

y=fi ｌｔ er(b，ａ，ｆ))；

su ｂp p ｌ ot（2 2，1,2);

pl ｏt t（ｔ ,s,“b —--” “，t t，y,’r--’)；

xl ａb b ｅ l(’ Ｔi i ｍ e i ｎｄ ex t”);

leg ｅ nd(“s ［t t ］ ’,’ ｙ [t ］＇）;;

title（” “ 滤波器输出波形’))

实验 四

周期信号得频域分析

１..实验目得

 掌握周期信号傅立叶级数分解与合成得计算公式  掌握利用 MATＬAＢ实现周期信号傅立叶级数分解与综合方法  理解并掌握周期信号频谱特点

２、实验内容 1、仿照例程,实现下述周期信号得傅立叶级数分解与合成:

要求:

(ａ）首先，推导出求解，,得公式，计算出前 10 次系数；

(b)利用ＭＡTＬAB 求解，,得值,其中,求解前 10 次系数,并给出利用这些系数合成得信号波形。

（ａ)设周期信号得周期为,角频率,且满足狄里赫利条件,则该周期信号可以展开成傅立叶级数。

（１）三角形式傅立叶级数

dt t n t fTbdt t n t fTadt t fTat n b t n a at b t a t b t a t b t a a t fTT nTT nTTnnnnn n n n           ***1 02 2 2 2 1 1 1 1 0111111sin)(2cos)(2)(1)sin()cos(...sin cos...sin cos sin cos)(      

（２）指数形式傅立叶级数

（b）求解，及合成信号波形所用程序: fｕnction [Ａ_sｙm,B_sym]＝ＣTFShｃhsym ％ 采用符号计算求一个周期内连续时间函数 f 得三角级数展开系数，再用这些 %

展开系数合成连续时间函数ｆ、傅立叶级数 ％ 量值数是就都出输入输得数函ﻩ%

数阶得波谐 6=fNﻩ% Nn

数位确准得据数出输ﻩ% 数系开展项 soc 波谐次、、、3,２,１是就次依素元后其，项流直是就素元 1 第ﻩmyｓ_Aﻩ% B_sym 第 2，３，４,、、、元素依次就是 1，2，3、、、次谐波 siｎ项展开系数 %

taｏ=１

tａo/T=0、2 sｙｍs t n k x

T＝4;tao=T/4;ａ=-1、５;ｉf ｎarｇｉn<4

Nf=10； enｄ if nａrｇｉn＜5

Ｎｎ=３2;end

1-3-4 5 4 1 O

x＝timｅ＿ｆun_x（t);A0=iｎt(x,t，a,Ｔ+a）/Ｔ；

％求出三角函数展开系数Ａ0 Ａｓ＝2/T*iｎｔ（x＊coｓ（2*pi*ｎ*t/Ｔ),t,a，T+ａ)；

％求出三角函数展开系数 As Bｓ=2/Ｔ*ｉnｔ(x*sin（2*pｉ＊n＊t/T)，t，a，T+ａ)；

%求出三角函数展开系数 Bs Ａ＿sym(1)=ｄoubｌe（vｐａ(A0,Ｎn）)；

％获取串数组 A0 所对应得 ASC2码数值数组 fｏr k＝１:Nf A＿sym(k＋1)＝ｄouble（ｖpａ(subｓ(Ａs，n，k）,Nn)）;

％获取串数组Ａ所对应得 ASC2码数值数组 B_sym（k+1)=ｄｏｕble(vpa（subs(Ｂs，ｎ，k）,Nｎ））;

%获取串数组Ｂ所对应得 AＳC2 码数值数组 end；

if nａrgoｕｔ==0

c=A＿syｍ;disp(ｃ）;

%输出 c 为三角级数展开系数:第 1 元素就是直流项，其后元素依次就是 1,2,3、、、次谐波ｃos 项展开系数 d=B＿ｓym;disp(ｄ);

%输出 d 为三角级数展开系数：

第 2,3，4,、、、元素依次就是 1,２,3、、、次谐波ｓｉn 项展开系数

ｔ=—3＊T:0、０１:3*T;

ｆ 0= ｃ(１);

%直流

ｆ 1 ＝ c（2)、＊ co ｓ（2* ｐ i* １ * ｔ /T)＋ d(2）、＊ s ｉ n(2 ＊ pi* １ * ｔ /Ｔ）；

% 基波

ｆ 2= ｃ(３)、* ｃ o ｓ（2*pi ＊ 2 ＊ t/T)+d(3）、*sin（2 ＊ pi ＊ 2* ｔ ／T）;

% 2 次谐波

f3=ｃ(4）、＊ｃos(2＊pi*3＊t／T)+d(4)、＊sin(2*ｐi*3＊t/T);

% 3次谐波

f4=ｃ（５)、＊cos（2*ｐi*4＊t/T）+d（５)、＊siｎ(2*pi＊４*t/Ｔ);

% ４次谐波

f５=c（6）、*ｃos(2*ｐi*5*ｔ/T）+d(6）、*ｓｉn(2＊ｐi*5*t／T);

% ５次谐波

f6=c（7)、*cｏｓ（２*pi*6＊t/Ｔ）+d(７)、*sin（2＊pｉ*6*t/T)；

％ 6 次谐波

ｆ 7=c(8）、*cos(2*p ｉ ＊ ７ *t/T）

+d(8）、＊ sin(2 ＊ ｐ ｉ ＊ 7 ＊t/T)；

% 7 次谐波

f8=c(9)、＊ｃos（2*ｐi＊8*ｔ/T)+d(9）、*sin（2*ｐi＊8＊t/T）;

% 8次谐波

f9 ＝ ｃ(1 ０)、＊ c ｏ ｓ(２ * ｐ i*9 ＊ ｔ /T)+d(10)、* ｓ in(2 ＊ ｐ i ＊ 9 ＊t/T）;

% 9 次谐波

f １ 0=c（11)、*co ｓ(２ ＊ pi*10*t/T）

+d(1 １)、*s ｉ n(2*pi ＊ 1 ０ ＊t/T)；

％ 1０次谐波

ｆ１1=f0+f１+f2；

% 直流+基波＋2 次谐波

f１2=f11+f3;

％ 直流+基波+2 次谐波+3 次谐波

f13＝f12＋f4+f5+f6；

% 直流＋基波+2 次谐波+３次谐波+４次谐波+5 次谐波+6 次

谐波

f14＝f13+f７+f8+ｆ9+f１0；

%0～10 次

subｐlot(2,2，1)

ｐlｏt(t，f0＋f1）,hoｌｄ ｏn

y＝tiｍe_ｆun＿ｅ(t);

％调用连续时间函数－周期矩形脉冲

pｌoｔ(t，y，”r：“）

titｌe（”直流+基波’)

axiｓ([-８，８，-0、５，1、5])

sｕbploｔ（２,2,２）

plot(t,f1２),hold oｎ

y=time_fun_e（t）;

ｐlot(t,y，’r：’）

tiｔle(“1—3 次谐波+直流”）

axis([—8,8,-0、5,1、5］）

sｕｂploｔ(２,2,3)

ploｔ(t,f13），hoｌd on

y＝ｔime_fun＿e（t)；

plot(ｔ,y,’ｒ:’）

ｔitle（“１—6 次谐波＋直流＇)

axis(［-8，8，－0、５,1、5］)

ｓubpｌot（２,2，4)

plｏt（t,ｆ14）,holｄ on

y=timｅ_fun_e（t）;

ploｔ(t，y,”r:’)

tｉtlｅ(’1—１0 次谐波+直流“)

axｉs（[－8，8,-0、5，1、5］)

hｏｌd off ｅnd fｕnｃtiｏn y=time_fun_e(t)% 该函数就是 CＴFShｃhsym、m 得子函它由符号函数与表达式写成 a＝1、5； T=４； h＝１； taｏ=Ｔ/4;t=—3*Ｔ:0、0１:3*T;ｅ1＝1/2+1/２、＊sｉgｎ(ｔ—０、５＋tａo／２)； e2＝１／2+1/２、*sign(t—0、5—tａo／2)； y=h、＊(e1—e2）;

%连续时间函数—周期矩形脉冲 funcｔion x＝tiｍｅ_fun＿ｘ（t）

% 该函数就是 CTFSｈcｈsym、ｍ得子函数。它由符号变量与表达式写成.h=1;

ｘ1=sｙm(”Heaｖisidｅ(ｔ)“)*h;x＝x1－sym(’Heaｖisidｅ（t-1）’）＊ｈ；

2、已知周期为Ｔ=4 得三角波,在第一周期(-2

functｉon [A＿sym,B_sym]=CTFSｓhbpsyｍ(T，Nｆ)% 采用符号计算求［０，T]内时间函数得三角级数展开系数。

%

ﻩ 函数得输入输出都就是数值量 ％ Ｎｎ

输出数据得准确位数 % mys_Aﻩ 第１元素就是直流项,其后元素依次就是１,２,3、、、次谐波 coｓ项展开系数 ％ Ｂ_ｓyｍ 数系开展项 nis 波谐次、、、３,２,1 是就次依素元、、、,４，3,2 第ﻩ％

T

T=m*taｏ, 信号周期 ％ ﻩ ｆNﻩ 谐波得阶数 ％

m(m=T/tao)周期与脉冲宽度之比,如 m=4，8，16,1００等 ％

tao

脉宽：ｔａo＝Ｔ/ｍ

sｙｍs t

n

ｙ

iｆ naｒgin＜3

Nｆ=inｐut（’plｅａse Inｐut 所需展开得最高谐波次数:Nf＝’);end

T=ｉnpuｔ(’ｐleaｓe Iｎput 信号得周期 T＝”）;if nａrｇｉn〈5

Ｎn=32;ｅnd y=tiｍe_ｆun_s(t)； A0＝2/Ｔ＊int（ｙ,t，0,T／2);Ａs=2/Ｔ＊iｎｔ（y*cｏs（2*pi*n＊t/Ｔ）,ｔ,0,T/2);

Bｓ＝2/T＊iｎt(ｙ*ｓin(2＊pi*n＊t/Ｔ）,t,０,Ｔ／2）;Ａ＿sym(1)=double(vpa(Ａ０，Ｎｎ））;for k=1：Ｎf

Ａ_sym(k+１)＝double(vpa（subs(Ａs,n，k),Nn））;

B＿sym(k+1)=ｄouble(ｖｐa(sｕbs(Bs，n，k),Ｎn));

end if nａrgout==0

Ａn=flｉｐlr(Ａ_sym)；

%对 A_sym 阵左右对称交换

An（１，k+1）=A_sｙm(1);

%Ａ＿sym 得 1*k 阵扩展为 1＊（k+1)阵

An=ｆｌｉplr（Aｎ);

%对扩展后得 S１阵左右对称交换回原位置

Bn＝fｌiｐlr（B_ｓym);

%对 B_sym 阵左右对称交换

Ｂn（1,ｋ+1)=0;

%B＿sｙｍ得 1＊k 阵扩展为１*(k+１)阵

Bn=fliｐlr（Bｎ);

%对扩展后得 S３阵左右对称交换回原位置

FnR=Aｎ/2—i＊Ｂn/２；

% 用三角函数展开系数 A、Ｂ值合成付里叶指数系数

ＦnL=fｌｉplr（FnＲ）；

N=Nf*2*pi/T;

k2=—N:２＊pi／T:N;

Fn＝[FnＬ，FnＲ（2:eｎｄ）];

%subploｔ（3，3，3）

%x＝tｉmｅ_fuｎ_ｅ(ｔ);

% 调用连续时间函数-周期矩形脉冲

sｕｂplot(2,1，1)

stｅm(k２,aｂs(Fn)）；

％画出周期矩形脉冲得频谱(T=M*tao）

ｔiｔle(＇连续时间函数周期三角波脉冲得双边幅度谱’)

axｉs([－8０，80,0,０、12]）

ｌine（[-80，8０］,[0,０],＇colｏr“，’ｒ”）

ｌｉｎe([０,０],[0，０、１２]，’colｏｒ’,＇r“）

end ｆunctioｎ x=time＿fun_e(t)% 该函数就是ＣTFSｓhbpsｙm、ｍ得子函数。它由符号变量与表达式写成。

％ t

组数间时是就ﻩ％ T 2、0=T/oat=yｔuｄ

期周是就ﻩﻩT=５;t=—２＊T:0、01：2*T； tao＝T/5;ｘ=rectpuｌs（t,tａo)；

％产生一个宽度 tａo=1 得矩形脉冲 sｕbplot(2,2,2）

ｐlｏt(ｔ,x）

ｈoｌｄ on x=rectｐuls(t—５，tao);

％产生一个宽度ｔao=1 得矩形脉，中心位置在ｔ＝５处 pｌot（t,ｘ)

hoｌd ｏn x=rｅctpｕls(t＋5,ｔaｏ）;

%产生一个宽度ｔao＝１得矩形脉，中心位置在 t=—５处 ploｔ(t，x)

ｔitlｅ(”周期为 T＝5,脉宽 tａo=１得矩形脉冲＇)ａxis([-10,10,0,1、2］)funｃtｉoｎ y＝time_fｕｎ＿s(t）

信号与系统实验 篇3

关键词： Matlab 信号与系统实验 电路设计

“信号与系统”是高等工科院校电类及其相关专业的一门重要的专业基础课。但学生在学习这门课时，普遍感到概念很抽象[1]，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此，如何让学生尽快理解和掌握课程的基本概念、基本原理、基本分析方法，以及学会灵活运用这一理论工具，是开设信号与系统课程所要解决的关键问题。为了达到这一教学目的，课程实验是不可缺少的。实践教学不是理论教学的辅助和补充，而是理论教学的延伸，以及尝试素质培养的重要环节。实验方式一般来说有两种：硬件实验和软件仿真。本次实验开发就将硬件实验和软件仿真结合起来，使实验内容和形式都变得丰富起来，既帮助学生加深了对理论知识的理解，又培养了学生对抽象概念的形象思维和类比联想。实验的目的不仅是获得实验结果，更要引导学生观察实验过程中的现象，思索实验过程中的原理，寻求解决问题的方法，从而培养学生科学探索的精神。

1. EL-SS-III型实验系统和Matlab软件介绍

本次设计的实验采用的是由北京精仪达盛科技有限公司生产的EL-SS-III型实验系统。该实验系统主要由计算机、A/D和D/A采集卡、自动控制原理实验箱、打印机组成。如图1-1所示。

1.1 A/D和D/A采集卡

A/D和D/A采集卡采用EZUSB2131芯片作为主控芯片，负责数据采集，用EPM7128作为SPI总线转换。A/D为TL1570I，其采样位数为10位，采样率为1KHz。D/A为MAX5159，其转换位数为10位，转换速率为1K。采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入和输出电压均为-5V-+5V。

1.2 实验箱面板简介

实验箱面板布局如图1-2所示。

（1）实验系统有七组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这七个实验模块的灵活组合便可构造出各种形式和阶次的模拟环节和控制系统。

（2）电阻、电容区，主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。

（3）A/D、D/A卡输入输出模块，该区域是引出A/D、D/A卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。

（4）电源模块，电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子，分别是+12V、-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提供电源。

（5）变阻箱、变容箱模块，只要按变阻箱和变容箱旁边的“+”、“-”按钮便可调节电阻电容的值，而且电阻电容值可以直接读出。

1.3 MATLAB是Mathworks公司于推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成方便的、界面友好的用户环境。对所要求解决的问题，用户只需简单列出数学表达式，其结果便以数值或图形的方式显示出来。该软件功能强大，界面直观，语言自然，使用方便，是目前高等院校广泛使用的优秀应用软件。

2.基于EL-SS-III型实验系统和Matlab软件的实验步骤

基于EL-SS-III型实验系统和Matlab软件进行信号与系统实验的具体流程，首先根据实验要求进行分析计算，设计出相应的电路；然后利用EL-SS-III型实验系统搭建电路，根据具体问题做出改进，得到合适的元器件参数；最后，利用Matlab软件对信号的稳定性进行分析仿真。

3.实验实例展示

连续时间系统的模拟，通过实验可以让学生掌握用基本的运算单元模拟连续时间系统的方法。在实验中要让学生根据模电所学的知识，把加法器、积分器等结合起来，设计出实现一定功能的模拟电路图。

3.1实验原理

系统的模拟就是由基本的运算单元（加法器、积分器、标量乘法器）组成的模拟装置模拟实际的系统。这些实际系统可以是电的或非电的物理系统，也可以是非物理系统。模拟装置可以与实际的内容完全不同，但用来模拟的装置和原系统的输入输出的关系上可以用同样的微分方程描述，即传输函数完全相同。可通过对模拟装置的研究分析实际系统，从而便于确定最佳的系统参数和工作条件。对于那些用数学手段难处理的高阶系统来说，系统的模拟就更有效。

3.2用EL-SS-III型实验系统设计实验

通过对连续时间系统的模拟，让学生学习根据给定的连续系统的传输函数，用基本运算单元组成模拟装置，并掌握连续时间系统的模拟方法。本实验是给出系统的传递函数，由学生用三种运算部件对系统进行模拟。以二阶低通滤波器为例，给出传递函数为：

H（s）=（3-1）

只要适当选定模拟装置的元件参数，就可得模拟方程和实际系统的微分方程完全相同。设计出的电路如图3-1所示，Vi为信号的输入端，Vo为信号的输出端。由二阶模拟电路实验图可得：

本模拟实验的电路中令：

R1=R2=R3=R4=100kΩ

Rw1=Rw2=100kΩ

C1=C2=1uF

由上式可得：Vi=Vo+Va-Vb

根据电路整理可得：

Vi=Vo+R4·C2·Vo′+R3·R4·Cl·C2·V0″

将电阻和电容参数带入

则有：Vi=V0+10V0′+10V0″

根据上式描述的输入输出关系式，可以得出此装置模拟的二阶网络函数与式（3-2）完全相同，即此模拟系统实现的是低通滤波器的功能。

在EL-SS-III型实验箱上连接图3-1所示电路，设输入为正弦信号，那么频率响应如图3-2所示。从幅频响应曲线也可以看出此模拟系统实现的是低通滤波器的功能。在实验中，还可以让学生测量各点电压波形，熟悉各运算部件的特点。

3.3用MATLAB分析系统的频率响应与稳定性

通过分析系统的频率响应，可以了解整个系统的特性。通过对系统零极点的分析，不仅能判断出系统的稳定性，还能了解零、极点分布与系统时域特性、频域特性的关系。在实验中，学生通过MATLAB编程可以方便改变各项参数，直观观察到零极点分布对系统稳定性的影响。

（1）系统的频率响特

设线性时不变（LTI）系统的冲激响应为h（t），该系统的输入（激励）信号为f（t），则此系统的零状态输出（响应）y（t）为：

y（t）=h（t）*f（t）（3-2）

又设f（t），h（t）及y（t）的傅立叶变换分别为F（jω），H（jω）及Y（jω），根据时域卷积定理得

Y（jω）=H（jω）F（jω）（3-3）

一般地，连续系统的频率响应定义为系统的零状态响应y（t）的傅立叶变换Y（jω）与输入信号f（t）的傅立叶变换F（jω）之比，即

H（jω）=（3-4）

通常，H（jω）是ω的复函数，因此，又将其写成为：

H（jω）=|H（jω）|e（3-5）

我们称|H（jω）|为系统的幅频响应，φ（ω）为系统的相频响应。

通常，H（jω）可表示成两个有理多项式B（jω）与A（jω）的商，即：

H（jω）==（3-6）

（2）用利MATLAB分析系统的频率响应

本次实验是要让学生学会求H（jω），通过观察H（jω）的特点判断系统特性，了解系统的传递函数与其频率响应之间的关系。

MATLAB提供了专门对连续系统频率响应H（jω）进行分析的函数freqs（ ）。该函数可以求出系统频率响应的数值解，并可绘出系统的幅频及相频曲线。freqs（）函数有如下四种调用格式：

Ⅰ.h=freqs（b，a，w）

该调用格式中，对应于上式的向量[b1，b2，b3，…bm]，a对应于上式的向量[a1，a2，a3，…an]，w为形如w1：p：w2的冒号运算定义的系统频率响应的频率范围，w1为频率起始值，w2为频率终止值，p为频率取样间隔。向量h则返回在向量w所定义的频率点上，系统频率响应的样值。

Ⅱ.h=freqs（b，a）

该调用格式将计算默认频率范围内200个频率点的系统频率响应的样值，并赋值返回变量h，200个频率点记录在w中。

Ⅲ.w]=freqs（b，a，n）

该调用格式将计算默认频率范围内n个频率点上系统频率响应的样值，并赋值给返回变量h，n个频率点记录在w中。

Ⅳ.freqs（b.a）

该格式并不返回系统频率响应的样值，而是以对数坐标的方式绘出系统的幅频响应和相频响应曲线。

一个二阶滤波器的频率响应H（jω）为：

H（jω）==

设R=，L=0.8H，C=0.1F，R=2Ω。试用MATLAB的freqs（）函数绘出该频率响应。

经计算得：

H（jω）==|H（jω）e|

实现该系统响应的程序为：

b=[0 0 1]；

a=[0.08 0.4 1]；

[h，w]=freqs（b，a，100）；

h1=abs（h）；

h2=angle（h）；

subplot（211）；

plot（w，h1）；

grid

xlabel（‘角频率（W））；

ylabel（‘幅度）；

title（‘H（jw）的幅频特性）；

subplot（212）；

plot（w，h2*180/pi）；

grid

xlabel（‘角频率（W））；

ylabel（‘相位（度））；

title（‘H（jw）的相频特性）；

程序运行结果如图3-4所示。

由图3-4的幅频响应曲线可以看出，此滤波器只能让低频信号通过，而对高频信号有抑制作用，所以为低通滤波器。因此，只要求得了系统的频率特性，就很容易了解系统的特点。

4.零极点分布与系统的稳定性

根据系统函数H（s）的零极点分布分析连续系统的稳定性是零极点分析的重要应用之一。稳定性是系统固有的性质，与激励信号无关，由于系统函数H（s）包含了系统所有固有特性，显然它也能反映出系统是否稳定。

对任意有界的激励信号f（t），若系统产生的零状态响应y（t）也是有界的，则称该系统为稳定系统，否则，则称为不稳定系统。

可以证明，上述系统稳定性的定义可以等效为下列条件：

时域条件：连续系统稳定的充要条件为?|h（t）|dt<∞，即系统冲激响应绝对可积。

复频域条件：连续系统稳定的充要条件为系统函数H（s）的所有极点均位于s平面的左半平面内。

系统稳定的时域条件和复频域条件是等价的。因此，我们只要考察系统函数H（s）的极点分布，就可判断系统的稳定性。

通过这个实验让学生了解零极点分布与系统时域特性、频域特性的关系及其对系统稳定性的影响。

设连续系统的系统函数为

H（s）=（4-1）

则系统函数的零点和极点位置可以用MATLAB的多项式求根函数roots（）求得，调用函数roots（）的命令格式为：

P=roots（A）

用roots（）函数求得系统函数H（s）的零极点后，就可以用plot命令在复平面上绘制出系统的零极点图，方法是在零点位置标以符号“x”，而在极点位置标以符号“o”。

已知某连续系统的系统函数为：

H（s）=

试用MATLAB画出零极点分布图，并判断是否稳定。

可以看出，该系统在s平面的右半平面有一对共轭极点，故该系统是一个不稳定的系统。因为根据判断系统稳定性的复频域条件可知，只有当H（s）的所有极点均位于s平面的左半平面时系统才是稳定的。

从程序运行结果可以得出，图4-2（a）中h（t）是按指数规律衰减的正弦振荡信号，所以系统是稳定的；（b）中h（t）是按指数规律增长的正弦振荡信号，所以系统是不稳定的；（c）中h（t）是等幅正弦振荡信号，所以系统是临界稳定的。

5.结语

本次实验设计我用EL-SS-III型实验系统和MATLAB软件设计了“信号与系统”综合实验，对实验结果进行了论证分析。具体对连续时间系统的模拟、系统的频率响应及稳定性进行了分析。用EL-SS-III型实验箱设计实验，加深了学生对实际电系统的理解，提高了学生对课程的兴趣，培养了学生主动获取和独立解决问题的能力。而用MATLAB语言完成各项实验，参数设置灵活方便，结果对比一目了然。把这两种实验方法相结合，不仅加深了学生对“信号与系统”课程内容的理解，而且培养了学生的动手操作能力及创新能力。

参考文献：

[1]王松林，郭宝龙.“信号与系统”国家精品课程的建设与实践[J].高等理科教育，2008，（3）：145-148.

[2]李丽容主编.电路、信号与系统实验教程[M].西安：陕西科学技术出版社，1998：147-148.

[3]张昱，周绮敏等编著.信号与系统实验教程[M].北京：人民邮电出版社，2005：56-65.

[4]汉泽西，肖志红，董浩编著.现代测试技术[M].北京：机械工业出版社，2006：45-52.

[5]吴大正主编，杨林耀，张永瑞编.信号与线性系统分析[M].第3版.北京：高等教育出版社，1998：121-124.

[6]孙瀚荪编.电路分析基础[M].第3版.北京：高等教育出版社，2003：57-70.

[7]梁虹，梁洁，陈跃斌等编著.信号与系统分析及MATLAB实现[M].北京：电子工业出版社，2002：56-58.

信号与系统实验 篇4

1 系统设计的原理和方法

本设计描述了信号与系统仿真系统的作用、要求和构成。详细介绍了利用MATLAB软件来实现信号与系统仿真系统的基本原理及功能, 利用MATLAB软件提供的图形用户界面 (Graphical User Inte rface, GUI) 设计具有界面友好、人机交互便利等特点的用户界面。

在仿真实验中, 包括了许多信号与系统的子实验, 涉及范围广泛表现良好。本系统是一种演示型的软件, 可以利用可视化的仿真工具, 以及图形和动态仿真的方式来演示部分基本信号的波形和变换, 可以使学习人员清楚、明了的明白和掌握信号与系统的一些基础知识。

2 系统设计的总体方案和实现

通过添加GUI中的功能按钮, 可以实现各种各样功能转换, 如图1所示。

3 基础信号设计

基础信号包括:信号选择、正弦信号、指数信号、阶跃信号、脉冲信号、矩形脉冲信号、抽样信号。Axis1用于显示图形, 同时使图形可以放大缩小。将text1~6的string改为“自定义参数”, “A=”, “B=”, “C=”, “D=”, “简介”。Edit1~4用于改变信号的参数, 并将更改后的参数传递到popupmenu1中参与计算。Edit5的作用是显示各个函数的简介, 具体显示的内容由popupmenu1控制。pushbutton1转换界面。

4 语音信号设计

4.1 设计思路

本设计可以将本地语音信号读取到软件中, 同时也可以录制语音并保存。录制时用户可以根据自己的要求改变录制时长和采样频率。读取信号之后能对信号进行各种处理, 如变速播放、显示信号时域图形、快速傅里叶变换、显示信号频域图形。

pus hbutton1用于读取本地语音信号。pus hbutton2的作用是播放读取在软件中的变量。pushbutton4的作用是通过电脑自带的麦克风录制声音。pushbutton6的作用是将软件中的数据保存在本地文件中。pushbutton10的作用是将数据进行FFT变换。pushbutton3的作用为把数据以图形的形式显示在axes1中。

4.2 快速傅里叶变换程序设计

有限长序列可以通过离散傅里叶变换 (DFT) 将其频域也离散化成有限长序列。但其计算量太大, 很难实时地处理问题, 因此引出了快速傅里叶变换 (FFT) 。1965年, Cooley和Tukey提出了计算离散傅里叶变换 (DFT) 的快速算法, 将DFT的运算量减少了几个数量级。从此, 对快速傅里叶变换 (FFT) 算法的研究便不断深入, 数字信号处理这门新兴学科也随FFT的出现和发展而迅速发展。根据对序列分解与选取方法的不同而产生了FFT的多种算法, 基本算法是基2DIT和基2DIF。FFT在离散傅里叶反变换、线性卷积和线性相关等方面也有重要应用。

快速傅里叶变换 (FFT) 是计算离散傅里叶变换 (DFT) 的快速算法, 实现的流程图如图2所示。

5 设计结果与分析

整个系统设计编写已经完成并调试成功, 能够明确显示各种信号的仿真。经测试软件的全部内容与《信号与系统》一书内容符合, 完全可用于帮助该课程的图形显示。

本设计思路明确, 全部内容已用MATLABGUI来实现, 对于课程的初学者具有加深理解的现实意义。

参考文献

[1]奥本海姆AV, 威斯基AS.信号与系统[M].刘树棠, 译.西安:西安交通大学出版社, 1998.

[2]宗孔德, 胡广书.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社, 1988.

[3]李强, 明艳, 陈前斌, 等.基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现[J].实验技术与管理, 2006.

信号与系统综合实验教案 篇5

信号的Z域表示式通常可用下面的有理分式表示

为了能从信号的Z域象函数方便地得到其时域原函数,可以将F(z)展开成部分分式之和的形式,再对其取Z逆变换。

MATLAB的信号处理工具箱提供了一个对F(z)进行部分分式展开的函数[WTBZ]residuez它的调用形式: ［r,p,k］=residuez(num,den)其中,num、den分别表示F(z)的分子和分母多项式的系数向量;r为部分分式的系数;p为极点;k为多项式的系数。若F(z)为真分式,则k为零。借助residuze函数可以将F(z)展开成：

numzr1rn denz1p1z11pnz1 k1k2z1kmn1zmn

例1 试用MATLAB计算

Fz

183z14z2z3的部分分式展开。

解 计算部分分式展开的[WTBZ]MATLAB程序如下:

%program10.6－1

num=［18］;

den=［183-4-1］;

［r,p,k］=residuez(num,den) 程序运行结果为

r=0.36000.24000.4000

p=0.5000-0.3333-0.3333

k=［］

从运行结果中可以看出p(2)=p(3),表示系统有一个二阶的重极点,r(2)表示一阶极点前的系数,而r(3)就表示二阶极点前的系数。对高阶重极点,其表示方法是完全类似的,所以该F(z)的部分分式展开为：

0.360.240.4Fz 10.5z110.3333z110.3333z12 b0b1z1b2z2bmzmnumzFz12ndenz1a1za2zanz2 利用MATLAB计算H(z)的零极点与系统特性

如果系统函数H(z)的有理函数表示形式为

那么系统函数的零点和极点可以通过MATLAB函数roots得到,也可用函数tf2zp得到,tf2zp的调用形式为：

[z,p,k]=tf2zp(b,a)

b1zmb2zm1bm1Hza1zna2zn1an1

式中,b和a分别为H(z)的分子多项式和分母多项式的系数向量,它的作用是将H(z)的有理函数表示式转换为零点、极点和增益常数的表示式,即

zz1zz2zzm Hzk zp1zp2zpn

例2 已知一离散因果LTI系统的系统函数为

z12z2z3Hz 10.5z10.005z20.3z3求该系统的零极点。

解 将系统函数改写为

z22z1Hz3 z0.5z20.005z0.3

用tf2zp函数求系统的零极点,程序如下:

%program10.6－2

b=［121］;

a=［1-0.5-0.0050.3］;

［r,p,k］=tf2zp(b,a) 运行结果为

r=-

1-1

p=0.5198+0.5346i

0.5198-0.5346i

-0.5396

k=1

若要获得系统函数H(z)的零极点分布图,可以直接应用zplane函数,其调用形式为： zplane(b,a)式中,b和a分别为H(z)的分子多项式和分母多项式的系数向量。它的作用是在Z平面画出单位圆、零点和极点。

如果已知系统函数H(z),求系统的单位脉冲响应h［k］和频率响应H(ejΩ),则可应用impz函数和freqz函数。

例3 已知一离散因果LTI系统的系统函数为

2z2z1 Hz321z0.5z0.005z0.3

试画出系统的零极点分布图,求系统的单位脉冲响应h［k］和频率响应H(ejΩ),并判断系统是否稳定。

解 根据已知的H(z),用zplane函数即可画出系统的零极点分布图。利用impz函数和freqz函数求系统的单位脉冲响应和频率响应时,需要将H(z)改写成：

z12z2z3Hz 10.5z10.005z20.3z3程序如下：

%program10.6－3

b=［121］;

a=［1-0.5-0.0050.3］;

figure(1);zplane(b,a);

num=［0121］;

den=［1-0.5-0.0050.3］;

h=impz(num,den);figure(2);stem(h,′.′)xlabel(′k′)title(′ImpulseRespone′)［H,w］=freqz(num,den);figure(3);plot(w/pi,abs(H))xlabel(′Frequency＼omega′)title(′MagnitudeRespone′)利用MATLAB计算Z变换

MATLAB的符号数学工具箱提供了计算Z变换的函数ztrans和Z逆变换的函数iztrans，其调用形式为：

F=ztrans(f)

f=iztrans(F)

式中,f为信号的时域表达式的符号对象,F表示信号f的象函数表达式的符号对象。符号对象可以应用函数sym实现,其调用格式为：

S＝sym(A)

式中,A为待分析表示式的字符串;S为符号数字或变量。例4 试分别用ztrans函数和iztrans函数求：

(1)f［k］=cos(ak)ε(k)的Z变换;Fz(2)1z2的Z逆变换。

解(1)求f［k］的Z变换的程序如下:

%program10.6－4(1)

f=sym(′cos(a*k)′);

F=ztrans(f)运行结果为

F=(z-cos(a))*z/(z^2-2*z*cos(a)+1)即

zzcosa cosakk2 z2zcosa1(2)求F(z)逆变换的程序为

%program10.6－4(2)

F=sym(′1/(1+z)^2′);

f=iztrans(F)程序运行结果为

f=Delta(n)+(-1)^n*n-(-1)^n 即

浅析《信号与系统》双语教学 篇6

中图分类号：G642 1引言

《信号与系统》课程是高等学校信息类本科专业的学科基础课程，是通信、电子、自动化等专业的学生进一步学习后续专业课程并进行专业研究的重要基础。为了适应当今科研生产日益国际化的趋势，满足社会对于国际化人才的要求，作为综合性高等学校培养的信息类人才，应该具有较强的国际交流能力和应用实践能力。因此，在高等学校的信息类专业教育中，采用双语教学的形式成为了趋势。由于《信号与系统》课程在电子信息领域研究中的重要地位，将该课程的双语教学和应用实践相结合显得尤为重要。 2双语教学结合《信号与系统》课程建设

我校的《信号与系统》课程，2008年建设为校级优秀课，2011年评为吉林省省级优秀课。

为进一步提升课程教学效果，发挥学科基础课程的骨干作用，我校已经将“双语课程建设”、“网络课程建设”纳入了建设规划的日程。建设好“双语教学”，主要从以下几个方面进行着手：

（1）合理选择教材，完善教学大纲。

合适的教材对于教学的实施具有重大作用。Alan V.Oppenheim教授等人编著的《Signals and Systems》（Second Edition）美国麻省理工学院经典教材之一。本书作者使用了大量在滤波、采样、通信和反馈系统中的实例，并行讨论了连续系统、离散系统、时域系统和频域系统的分析方法，使读者能透彻地理解各种信号系统的分析方法并比较其异同。不失为信号与系统分析领域的佳作。更为重要的是，该教材语言清新易懂，非常适合双语教学的实施。

综合考虑我校学生特点、培养目标定位、《信号与系统》学时安排、相关专业后续课程，制定双语教学大纲。讲授内容以连续时间信号与系统的分析为主，适当引入离散时间信号的分析。根据各专业学生今后研究领域的差别，各有侧重地介绍信号与系统分析在通信系统、电路设计、系统控制与稳定性以及图像信号处理中的应用。 （2）“以人为本”、“因材施教”与实践相结合的双语授课。

采用英文教材、英文ppt授课，考虑根据学生英语水平进行分班教学，循序渐进实施英文授课。遵循双语教学工作的渐进过程，在保证课程教学效果的基础上逐步尝试向英文授课过渡，为双语教学的不断深入打好基础并积累经验。

在《信号与系统》双语教学过程中结合相关实践应用问题，有利于学生更加深入地理解问题实质、掌握解决问题的方法。例如，在介绍卷积运算时，我们使用图像平滑、锐化处理为例，直观分析卷积运算特性和运算效果，并为后续从频率域进行解释做好铺垫。在对傅里叶分析进行总体概述时，我们结合音乐频率特性的实践分析，向学生展示频谱分析的重要作用。由于采用了学生非常熟悉和喜爱的实例，增加了教学的生动性和针对性，提高了学生的兴趣。因此，与实践紧密结合是双语教学成功的保障。实践表明，该措施能够明显提高双语教学的效果，并具有一定推广价值。

（3）灵活多样的课后练习。

为帮助学生更好掌握和巩固所学知识，鼓励学生学以致用，作业布置形式灵活多样。除书面作业，鼓励学生使用英文作答，解决学习到的理论问题外，还安排阅读作业，充分利用教材，在上课之前进行适当阅读预习对于提高教学质量有重要作用。还布置基于matlab的实践作业，这是教学联系实践的重要一环。对学生积累感性认识和实践经验，并更加深入理解课程知识点的实质很有帮助。 （4）完善考核体系。

改变以往对于期末考试成绩过分注重，我们在大纲修订过程中，对于学生最终成绩的评定分成以下几个方面：一是平时20%，包括课堂随机抽查、书面作业的成绩和matlab实验的成绩，鼓励学生使用英文作答，点滴积累汇聚成河；二是阶段小考成绩20%，根据教学内容特点将整个学期分四个阶段，每个阶段都要进行小测验并以此检测学生阶段性学习成果及时发现问题；第三方面是期末考试60%，考查学生对课程整体掌握情况。

考核结构分配强调平时的学习和实践动手能力，培养学生良好的学习习惯，而且对于培养学生学习的兴趣和创造性很有帮助。

3信号与系统课程双语教学实施亟待解决的问题

首先教学的目标要明确。双语教学只是一种手段，其目的在于使学生掌握该课程知识内容的同时，积累、锻炼使用外文专业词汇，提高进行学术交流的能力。掌握知识和锻炼外文交流能力应该是相辅相成的，课程知识点的掌握是根本。在科研和教学过程中我们发现，有些学生能够机械地计算某些课程内的问题，但在科研、实践应用中遇到类似的问题就不知道如何着手，究其原因是只学了表面知识，但对《信号与系统》解决问题的思想未能掌握，而解决问题的思想才更为重要。

其次是理论教学与学生实践之间的结合。《信号与系统》课程体系严谨，理论性强，且应用非常广泛。不论是在音频信号处理、数字图像处理，还是在通信信号处理领域，都可以找到具体的应用实例。在教学中结合具体的实践内容有助于提高学生的学习兴趣，也有助于加深学生对课程内容的理解。但是，加强与实践内容的同时，不能放松理论讲授的要求。因为实践的成功实施需要理论知识作为基础，缺少扎实的理论基础，任何实践都会变为无本之木。

第三方面问题是关于授课的方法和内容。在双语教学实践中，我们发现英文授课在锻炼学生的外语能力上很有帮助。但英文授课也具有一定的局限性。该局限主要来自教师和学生受母语影响，对于用英文表达知识和问题的方法比较单一。尽管有些教师英文水平很好，但与使用汉语授课相比，教师对于知识点的讲解难以做到像汉语讲授一样从多方面解释，从学生角度来看更是如此。因此，教师和学生外语能力的进一步提升至关重要。

综上所述，《信号与系统》双语教学在明确教学目标、与实践教学相结合以及权衡外文授课与知识讲解方面是提升《信号与系统》双语教学效果的关键所在。 参考文献： [1] 翟懿奎，甘俊英，应自炉.“信号与系统”双语教学初探与研究就[J].计算机教育，2010 [2]陈红艳，马上.关于电子信息类专业课双语教学的思考[J].西南科技大学高教研究，2009

信号与系统实验 篇7

关键词：信号与系统,Matlab实验,软件仿真,硬件实验

引言

信号与系统的概念在不同学科专业之间有着广泛应用,交叉渗透,其实验教学不应该是课堂教学的补充,或作为可有可无的形式,而是课堂教学的延伸,实验教学和理论教学是一个统一的有机体和结合体。综合应用自主学习的方式进行设计性、创新性实验,加强硬件实验、软件实验和网上实验,学生既要能完成硬件实验也要有能力进行软件仿真实验,从而有效的运用实验工具和软件,做到软硬结合,并在不同的实验环境下进行,进行实验结果的比较、分析与讨论。本文讨论四种类型的实验,在教学实践中可以根据实际情况进行选择。

1、硬件实验

在搭建硬件电路平台的基础上,主要是进行电子仪器使用、硬件电路调试、信号波形的观测和测量,然后对实验数据进行计算、归纳和整理,在坐标纸上绘出图形,得出结论,培养学生的动手能力和实际操作能力。“信号与系统”课程共开设4个基础型硬件实验如表1所示,在实验中主要体现对数学概念、物理概念和工程概念的理解,充分体会信号与系统的深刻内涵[1,2]。

2、Matlab系统仿真实验

Matlab软件功能强大,包含信号处理、通信、控制等专门工具箱,广泛应用与电子信息、通信工程、自动控制、生物医学等各个领域[3]。采用Matlab实验,可以做到一人一组,甚至学生可以突破时间和空间的限制,在任何地方利用计算机完成实验,通过电子邮件等各种形式提交仿真程序和实验结果,实验方式具有极大的灵活性,从而有利于提高学习效率。同时也可以利用Matlab模拟和演示一些比较复杂、硬件设备成本要求较高的实验[4]。

在Matlab系统仿真实验中,共有4个实验,其内容及说明见表2,它们均属于较高层次的综合型、提高型实验,主要采用simulink进行系统仿真,在实验中要求学生分析实验目的,设计实验方案,制定实验步骤,编写、调试Matlab程序,并结合图形形象生动的显示实验结果。

3、基于web的Matlab实验

基于w e b的M a t l a b实验主要由Matlab web server提供服务[5],其工作原理如图1所示:

所有Matlab程序都在远程服务器上运行,用户在客户机上提交参数,服务器返回运行后的结果和波形,而不需要在本地机上安装Matlab程序。

基于web的Matlab实验主要是在网络上进行信号与系统实验,通过w e b与Matlab的远程交互,充分利用网络资源和信息,发挥远程教育的优势,随时进行Matlab实验设计和仿真,把抽象的概念形象化,加深对概念的理解。由于学生没有Matlab语言编程基础,故专门以开设讲座的形式介绍Matlab基础知识,同时介绍学科前沿和背景知识,通过图文并茂的介绍使学生对其产生浓厚的兴趣和探索的积极性。该部分属于基础型实验,主要实现对课程内容和概念的理解,共有4个实验,如表3所示。同时在实验中需要注意与硬件电路实验、Matlab系统仿真实验的联系和区别。

由于C语言具有高效率、跨平台、跨系统、可移植性强等一系列的特点[6],在专业学习和工程中有着广泛的应用,故要求统一采用C语言编写实验程序,从而一方面可以加强课程学习、加深对概念的理解和应用,另外一方面也可以提高学生的编程能力。

基于C语言的实验如表4所示,可以作为其它实验类型的重要补充,同时考虑到学生的实际情况与实验目的,实验内容不能太复杂,以主要体现理解信号与系统的概念为主,同时结合C语言程序设计,对实验结果进行分析、讨论。本部分实验同时将实验教学内容向前延伸,尝试引入《数字信号处理》中的相关内容,做到课程之间有机的连接,为后续课程的学习做好准备。

采用C语言编程进行实验时,由于实验目的主要是让学生熟悉信号与系统的概念和算法的C语言实现,让学生在有限的实验教学时数内从无到有建立工程完成实验不太现实,因此,在实验中采用VC++6.0作为开发环境,以工程模板的形式,提供程序结构和框架、函数接口,而学生主要完成具体函数功能的实现,思考怎样将C语言程序与具体算法结合起来,从而实现系统的功能,对信号进行处理。与其他实验不同,本层次实验属于对信号与系统基本概念和基础理论算法的软件实现部分,因而对信号与系统概念的理解具有重要作用。

通过基于C语言的信号与系统实验,学生可以对信号与系统中的基本理论、基本概念和基本方法有更深入的理解,重点培养学生的认知能力和学习能力,综合运用信号与系统的观点和方法来分析问题和解决问题,在工程实际中体现信号与系统的应用价值和意义,将抽象的数学符号和公式变为实际可行的C语言程序,培养学生的独立思考能力和创新能力。

4、教学效果与结论

从2005年起,我校在信号与系统实验教学中采用本文讨论的四种实验类型相结合的方式,有选修和必修组成,学生根据自己的兴趣爱好和特长进行实验内容的选择和组合,完成实验内容。实践表明,该实验教学内容与方式极大地激发了学生学习兴趣,提高学习的主动性和积极性,取得了良好的教学效果。

本文着重讨论了多层次的信号与系统实验方法,分析四种类型的实验情形,建立了立体化的实验教学体系,与理论教学一起作为信号与系统课程的有机统一体。该方法将对加强信号与系统的实验教学,全面培养学生的动手能力、实践能力和创新能力起到积极的作用。

参考文献

[1]金波.“信号与系统”课程教学改革初探.电气电子教学学报.2007.8.第29卷第4期7-8页

[2]郑君里,应启珩,杨为理编著.信号与系统(第二版).高等教育出版社.2000.5

[3]Alan V.Oppenheim,Alan S.Willsky Signals and Systems second edition(影印版)清华大学出版社.2002.1

[4]高强,戚银城,杨志等译.应用Web和MATLAB的信号与系统基础(第二版).电子工业出版社.2002.5

[5]周文辉,鲍鸿.“信号与系统”在线仿真实验的研究与实现.电气电子教学学报第29卷第3期70-71页.2007.6

信号与系统实验 篇8

“信号与系统”是电气工程专业的专业基础课,被广泛应用于自动控制、信号处理、电路与系统等领域[1,2]。由于该课程理论性强,内容抽象,学生普遍感到理解困难,学习吃力。

通常通过基于硬件或软件的实验加深学生对所学知识的理解[3,4,5]。硬件实验利用示波器、波形分析仪、选频电平表等器件观察、测试、分析信号的波形及各种特性,这种方式投资大,维护、更新难。软件实验是利用软件编程对信号进行分析处理,常用软件是Matlab[6,7,8],具有简单易用,集成度高,处理能力强,仿真效果好等特点。但Matlab软件直观性差,无法快速、高效、实时地处理信号,不能完全满足实验教学的需要。

为了进一步提高教学质量,在“信号与系统”实验教学中,需要使用更具优势、更切合课程实际特点的软件。LabVIEW是一款主要应用于计算机数据采集和数字信号处理的软件,采用图形化编程语言,具有形象、直观、数据处理能力强等特点,符合实验教学的要求。基于LabVIEW设计“信号与系统”教学软件,对于提高该课程的教学效果具有重要的意义。

本文首先介绍LabVIEW的特点,针对课程的主要内容,特别是重点内容[9],分析构建实验软平台的可行性,确定了贯穿整个教学计划的典型实验。另外,根据设计目标,规划设计了软件框架。最后,介绍了频谱泄露、时域卷积运算、典型信号频谱分析等具体知识点的LabVIEW实现。

1 LabVIEW的特点

LabVIEW具有图形化的仪器编程环境,内置程序编译器,拥有强大的资料分析软件工具箱,能支持多种系统平台,并提供了开放式的开发平台。尤其是它脱离了具体的电路结构,能从外界采集信号并进行实时处理,运行效率高。另外,其图形化的程序框图和逼真的前面板设置,能激发学生的兴趣,特别适合“信号与系统”实验仿真。

LabVIEW软件含有数量巨大,内容丰富的函数库,特别是针对信号采集和分析,开发了整套的函数包,给信号与系统实验软平台的构建提供了极大的便利。另外,运用LabVIEW软件编程时,基本上不写程序代码,直接用数据流框图表示,大大节约了时间,提高了效率,是其他软件所不能比拟的。

因此,利用LabVIEW软件构建“信号与系统”实验软平台是合适可行的。

2 信号与系统中的难点分析

“信号与系统”公式众多,内容抽象,难以理解。分析发现课程的难点如下:

(1) 连续信号与离散信号的转换。实际中经常遇到A/D,D/A转换的情况,由于信号时域和频域特性的差异,在转换中需要应用信号采样理论,以及连续时间信号数字化等内容。

(2) 信号的卷积运算。在信号的时域分析中,对于线性时不变系统,系统零状态响应Y(t)就是系统的激励X(t)与系统的单位冲激响应H(t)的卷积,因此卷积运算在“信号与系统”理论中占有重要的地位。卷积运算量大,计算繁琐,是学生学习中的难点。

(3) 信号的频域分析。信号的频谱是分析信号的重要工具,通常会应用到数学中傅里叶级数与傅里叶变换的相关知识,其公式繁多,计算量大,并且不易画出图像,学生难掌握。

(4) 离散傅里叶变换中遇到的问题。由于计算机只能处理数字化信号,在实际工程中,对连续信号进行频谱分析时应利用离散傅里叶变换做近似处理。这种近似处理除了会使结果存在一定误差外,还会带来频域混叠、信号截断与频谱泄漏、栅栏效应、频率分辨率低等问题。这些内容比较抽象,难度较大。

3 软件的结构和规划

3.1 软件结构

LabVIEW软件结构主要包括程序结构和文档结构。

LabVIEW程序由各种不同的模块组成,根据模块执行方式的不同,程序结构分为三种:顺序结构、并发结构、分布结构。其中,顺序结构是最基本的,程序中的各种模块按顺序执行;并发结构的程序则由若干个可以同时执行的模块组成;分布结构程序中的模块可以彼此隔离,独立运行。

LabVIEW文档结构的基本组成就是VI型文件。其中,包括主VI和各级子VI,层次分明,一目了然,可以对整个文档进行快速浏览和定位。

3.2 软件规划

“信号与系统”实验软平台主要由虚拟信号发生器、各种实验功能模块、信号观察与分析模块、信号处理与保存模块组成。

其中,虚拟仪器发生器主要根据实验需要提供各种信号源。实验功能模块用于实现各种实验内容,比如信号频域分析、卷积运算等。信号观察与分析模块则主要通过示波器、频谱分析仪等实现对信号的实时观察、分析。信号处理和保存模块用于对实验数据进行保存、传输等操作。实验软平台主界面如图1所示。

另外,为顺利达到实验目标,对软件应用做出如下要求:

(1) 在实验室中安装最新版的LabVIEW软件,为学生提供最新、最完备的软件编程模块和函数库,以满足实验需要。

(2) 选取“信号与系统”课程中的重难点作为实验内容,鼓励学生应用LabVIEW软件编程实现,以强化对知识点的理解。

(3) 定期由教师向学生介绍LabVIEW中常用的函数和模块,使学生快速、熟练地掌握LabVIEW软件,以提高效率,加快教学进度。

4 典型知识点分析及LabVIEW实现

在“信号与系统”实验教学中,教师可以通过LabVIEW的界面把数学函数和波形联系起来,使教学直观易懂。学生也可以通过LabVIEW更好地学习“信号与系统”这门课程。

4.1 离散傅里叶变换中的“频谱泄漏”

为了能对无限长的离散化序列进行离散傅里叶变换处理,必须对序列进行加窗截短处理。由于窗口序列频谱函数的旁瓣总是存在,导致截短后序列的频谱产生失真,使信号的频谱向两旁扩展,即原信号的频率成分从原有的频率处“泄漏”到其他频率处,产生了“频率泄漏”。

“频率泄漏”概念较为抽象,不直观具体。为了能让学生理解其产生的原理,在实验教学中可使用具有很强可视化前面板的LabVIEW软件对“频谱泄漏”进行编程,其前面板和程序框图如图2和图3所示。

图2中可以任意设定信号的采样点数、幅值、相位、周期,在示波器上显示加窗前信号波形及其频谱图像,同时加窗截短后的信号波形和频谱图也可以直观地看到。

4.2 时域卷积运算

对于连续信号,卷积运算定义为:

$y(t)=f(t)*h(t)={\displaystyle \int f}(x)h(t-x)\text{d}x$

此卷积称为卷积积分。对于离散信号,卷积运算定义为:

$y(n)=f(n)*h(n)={\displaystyle \sum _{m=-\infty }^{\infty }f}(m)h(n-m)$

此卷积称为卷积和。由以上公式可以看出卷积运算很繁琐,通过LabVIEW软件编程能够更加形象地展示卷积运算,更易于学生掌握。基于LabVIEW卷积运算的前面板和程序框图如图4和图5所示。

图4中的信号类型有正弦、单位冲击、单位阶跃三种选择,通过选择按钮确定X信号与Y信号的类型,便可在示波器中显示出待卷积运算的两种信号图像,以及卷积运算后的最终结果。

4.3 典型信号的频谱分析

频谱的获取需要借助数学上傅里叶级数及傅里叶变换,公式较多,计算繁琐。应用LabVIEW软件编程可以轻松解决这一难题,部分典型信号频谱分析的前面板和程序框图如图6和图7所示。

图6中选择了部分典型信号,包括正弦、三角、方波、阶跃、冲击五种类型,并在模拟示波器中显示了信号的波形及其对应的频谱图,使得信号的频域特性一目了然,加深了学生对典型信号频谱的认识、理解。

5 结 论

“信号与系统”这门课程公式多,计算量大,概念抽象且不易理解,学生学习起来难度较大。通过将LabVIEW软件引入到实验教学环节,构建实验软平台,可以将一些抽象概念转变成形象、生动、直观的图形和实例,激发学生的学习兴趣,从而加深对抽象概念的理解,提高其提出问题、分析问题、解决问题的能力。这是“信号与系统”实验教学上的新尝试,不仅能够提升学生的程序设计水平,而且可以解决课程教学中的实际问题,提高教学质量。

摘要：针对“信号与系统”课程教学中存在概念抽象、理解难等问题,构建基于LabVIEW软件设计实验教学软平台。首先,分析LabVIEW的特点,以及基于LabVIEW构建实验教学软平台的技术难点和可行性;其次,分析和归纳课程中的知识点和难点,研究贯穿课程教学的典型实验;再次,规划和设计软件框架,编程实现实验的目标;最后,介绍频谱泄露、时域卷积运算、典型信号频谱分析等具体知识点的LabVIEW实现。

关键词：信号与系统,实验教学,LabVIEW,教学软件

参考文献

[1]周雅,王红艳.LabVIEW在“信号与系统”教学中的应用研究[J].中国电力教育,2010(25):61-63.

[2]祁雪梅,潘冬明.LabVIEW在数字信号处理教学中的应用[J]现代电子技术,2006,29(14):152-153.

[3]胡惟文,曹斌芳.基于LabVIEW的虚拟实验室研究[J].中国科技信息,2005,2(23):18-19.

[4]李敏,陈兴文.基于LabVIEW开发数字信号处理综合性实验[J].实验科学与技术,2008,6(5):11-13.

[5]杨文龙.虚拟仪器及其在信号处理教学实验中的应用[J].实验室研究与探索,2007,26(12):297-301.

[6]梁辰.基于Matlab的FIR数字滤波器的设计[J].机械设计与制造,2010(12):87-89.

[7]崔红,常洋.基于Matlab的尾流图像数字化处理[J].光子学报,2010,39(12):2274-2278.

[8]陶桂宝,郭少波.Matlab与VC++混合编程在系统仿真中的应用[J].重庆大学学报,2007,30(7):26-29.

[9]夏伟杰.数字信号处理课程结构与难点分析[J].中国科教创新,2009(34):85.

信号与系统实验 篇9

针对电控发动机的检测与维修,需要适合职业教育和职业培训的电控发动机综合实验台,在发动机的工作状态进行实验教学,将有关传感信号和执行信号,在控制仪表台直观显示出来,非常适合现场教学、实训和实习。实验台可利用任何一台含电控系统的发动机进行开发、设计和研制。其中输入发动机ECU(控制单元)模拟信号进行显示系统的电路设计是其中重点应解决的问题。

1 信号放大电路设计方案

将送往ECU的模拟信号(空气流量信号VS、进气压力信号MAF、水温信号牌)THW、节气门开度信号VTA引出,由显示面板的指针式电压表直接指示,可用于现场教学和讲解。但需设计专门放大驱动电路(可避免分流对送往ECU的信号造成的影响)。

用于控制发动机的模拟信号传感器主要有:空气流量传感器、进气温度传感器、冷却温度传感器、节气门位置传感器等,各传感器内部电路虽然各异。但它们都是对发动机ECU提供一种电压信号,此电压信号被ECU转换为数字信号后被单片机处理,作为出入信号控制发动机的运转。

以丰田3VZ型发动机为例,该发动机使用的是叶片型空气流量计,其信号为一种电压信号,当节气门全关时输出4.3V电压信号,此时内阻为600Ω,当节气门全开时输出0.2V电压,此时内阻为1200Ω,其内部其实是一种可变电阻器。图1是空气流量传感器输出信号Vs与空气流量之间的关系[1]。

除冷却水温度传感器外,其它三种传感器的内阻都很高,有时可达数千欧姆,若直接用去显示器电压信号,则由于电压信号的分流作用,将使传感器电压信号降低而发生失真,此错误信号被ECU处理,必定也会得到一个错误的结果,使ECU做出对发动机的错误控制,从而影响到发动机的正常运转。

所以要设计一种电路使其与显示装置隔离,而集成运算放大器组成的放大电路是一种很理想的隔离放大电路。集成运算放大器的输入阻抗非常高,可完全达到对发动机传感器的隔离作用。另外其驱动能力强,可满足需要,并且其使用起来非常方便,外围电路非常简单。图2是基于丰田3VZ型发动机空气流量信号显示系统设计方案。

2 放大电路设计

由于这是一种电压信号,并且也近似一种直流信号,所以选择GB/T7676-98型直流电压表来显示,它的量程为0~5V,完全可满足需要,由于流量计电压信号为0.2~4.3V,所以设计的放大电路倍数为1,放大电路采用LT1002CN双电路集成运算放大器制成反向比例运算放大电路可满足需要[2],其原理如图3所示[3]。

为使运算电路中集成运算放大器的两个输入电阻对称,加在同相输入端的补偿电阻应等于反相输入端各支路关联的阻值,即:

而反相输入运算放大器的闭环电压放大倍数:

式(2)中负号表示输出信号与输入信号相位相反。由于设计放大倍数A=1,所以电阻R1、R2和Rf的阻值选择应满足式(1)和式(2),同时为减小信号内源阻的影响,阻值应选择大一些,但又不能太大,否则信号将很弱,兼顾以上条件,选择R1=20kΩ,Rf=20kΩ,R2=10kΩ。

3 实用设计和优化设计

以上设计仅是简单的工作原理上的设计,若要实际应用,则还要进行优化设计,选择电源供给方式,并对电源旁路去耦,还要进行频率补偿,以防止产生自激,并要分析电路的输入输出阻抗是否合适等。

(1)电源稳定电路设计

LT1002CN双电路集成运算放大器需要对称双电路供给方式,这种方式可把信号源直接接到输入脚上,因此易于放大含有直流成分的信号,而输出电压振幅的有效范围可达到正负对称电源电压。因实验台随发动机配有汽车用蓄电池,它的电压稳定性好,容量大,非常适用于运算放大器的供电。但它是单电源12V电压,市场上销售的DC-DC变换器可以把12V直流电压变换为±5V的对称电压,因此选择了POPOTER公司生产的12D12S5C型DC-DC变换器,它能把12V电压变换为5V双电源,而选择的集成运算放大器LT1002CN的电源电压范围为±1.2V-±22V,所以5V电源可用,并且这种变换器加有高频噪声抑制措施。为防止其开关频率的影响,还要设计电源去耦的旁路电路。其方法为在正负两电源端各并联一只2.2μF/10V的锂电容,如图4所示[3]。

若没有旁路电容,电压突变往往工作不正常。

(2)频率补偿

为抑制集成运算放大器的高频自激,还要为电路设计相位补偿电路,其方法为在LT1002CN放大器的1号(8号)引脚与信号输出端13号(6号)引脚之间接一电容(LT1002CN的引脚说明如图3所示)。电容值的大小在10~50pf之间。一般来说,使放大倍数Af减小,反馈量增大,则补偿电容值也要增大,产品目录中记载有Af=1时的必要的电容值,放大倍数增大时应适当减小,这里用产品目录中记载的电容值,接补偿电容的引脚一般双电路放大器的1、8引脚,如图5所示[2]。

(3)零漂移的调整

由于温度的影响,集成电路运算放大器的内部参数发生改变,由于电源内阻等因素的影响,通常当集成运算放大器的输入端无信号输入时,输出端也有电压(理想情况下,输出应该为零),这种现象称作零点漂移,简称零飘。解决此问题需接调零电路,方法是:首先在信号输入端接一转换开关,使信号信号输入端接地(为零),然后在LT1002CN放大器的NULLA(或NULLB)两个端子间接一10kΩ电位器Rp,并把电位器的可调端接电位负极,如图6所示。

(4)输入阻抗与输出阻抗

如图1所示,电路输入阻抗Ri=ui/ii≈R1,需要注意的是,不要让信号源负载过重,所以输入阻抗值不能太小,所以这里选择R1为20kΩ,运算放大器的输出内阻非常低,应用时加有负反馈电路,因此输出电阻可视为零,最大也只有几欧姆以下。

4 实验台的连接

空气流量计信号放大电路的输入端应接空气流量计VS端,放大电路的输出端应接直流电压表,需注意的是,选择的电路为反相输入放大电路,因此输入信号与输出信号相位相反,所以输出电压为负,输出端子与电压表负极相连。为保证电位相同,电源的0电位端应与实验台外壳相连,发动机ECU的接地端子也要与实验台外壳相连。与实验台连接的电路图如图6所示。

5 结束语

进气温度传感器、冷却温度传感器、节气门位置传感器输出的都是电压模拟信号,其信号范围都在0~5V范围内,因此其显示电路的设计和空气流量计信号显示电路完全相同。在此不再作一一介绍。

参考文献

[1]李雷.汽车发动机电控系统检修[M].北京:人民邮电出版社,2011.

[2]卿太全.集成运算放大器应用电路集萃[M].北京:中国电力出版社,2011.

浅谈实验动物生理信号的采集与处理 篇10

实验动物是医药学研究的先锋。人类在发展中通过了解自我、认识自我、理解疾病机理、战胜病状、改善环境等方式来提高健康水平, 这种方式是以实践为基础, 以实验动物为指导的研究工作。可以这么说, 实验动物可谓是人类疾病的首先承受者, 是药物的试验者, 是生命科学研究工作开展的主要目标, 是人类生活质量提升的阶梯。在实际生活中, 人们经常会得病, 可是要想使病情得到正确的诊断与及时的治疗就需要先进的医学水平。可是导致人生病的因素有很多, 每个病人的情况也存在众多差异, 这时就需要动物进行实验, 并从中找到最有效的治疗方法。且在生物医学发展的过程中也需要不断地创新, 新技术与新药物的引进是必须的, 所以要依靠实验动物进行研究, 通过生物信号的采集与分析来了解各种副作用与不良反应。

1 实验动物生理信号的采集与检测原理

实验动物生理信号主要包括血压检测信号、温度测量信号以及心电信号搜集, 由于每种信号都存在不同的特点, 所以在采集的过程中也存在一定差异, 具体内容为:

1.1 血压检测信号采集与检测原理

血液是维持生命体征的基础, 一旦出现异常就会严重影响到身体健康, 所以血压检测信号的采集是非常重要的。只有血压正常才能保证血液的正常循环, 无论是过高或过低都会产生严重后果, 一旦消失也就意味着生命的终结。在进行医学研究的过程中, 为了能够找到调节血压的各种因素, 就会采集实验动物的生理信号进行分析。

检测原理表现为血压传感器在应用中主要是以硅压敏电阻传感器为主, 这种传感器是压力传感器中常见形态, 采用了无毒塑料作为设备外壳, 这样一旦溶液中产生气泡, 我们可以迅速的观察到其中的发生的变化, 通过将血液从导管端部冲掉的方式来减少血凝的出现, 从而达到提高检验质量的目的。在检验之中, 需要从安全隔离需求入手, 将硅片和溶液严格控制, 避免两者接触, 通过采用弹性硅片来和溶液接触, 这样避免了两者接触所产生的异变。

1.2 温度测量采集及其原理

体温是人体新陈代谢状况的重要反应现象, 一旦出现异常则代表人体机能不能正常进行功能活动, 所以说在实验动物生理信号中, 温度测量至关重要, 同时还需要确保采样工作的合理性。身体内部温度的测量与采集是非常重要的, 其工作又被称为体核温度, 主要反应的是头部或者是躯干的情况, 在对动物进行试验时一般要从直肠开始进行测量。

检测原理主要是在检测中采用热敏电阻作为传感器, 通过电阻大小来断定传感器工作效率。在工作中, 通常都传感器直翻在导管的顶部, 然后测量器官温度, 并且探索导管尺寸和温度之间的关系, 这种检测工作是一种动态工作, 是根据实验动物自身特点来选择适宜的温度, 从而保证检测质量。

1.3 心电信号采集检测与其原理

心脏是人体最重要的器官之一, 一旦停止跳动也就意味着生命的结束, 而心电则是用来反映心脏跳动情况的, 通过对心电参数的分析不仅可以清晰地了解到心脏的健康状况, 还可以观察到药物以及治疗方法对心脏所造成的影响, 是重要的临床诊断方法。

临床ECG的测量有三种基本的方法:标准临床ECG (12导联) 、VCG (3向量导联) 和监护ECG (1或2导联) 。本文采用12导联法。根据电极在实验动物体表面放置位置的不同, 可组成各种导联, 各种导联的心电图波形各有特点。目前均采用国际上通用的导联, 即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ标准导联、加压单极肢体导联和单极胸导联。

2 ECG信号采集的处理

在对ECG信号进行采集的过程中经常会遇到各种噪声的干扰, 导致心电信号模糊不清, 无法进行准确的分析与处理。而常见的干扰信号有基线漂移、肌电、工频等, 这就需要采取相应措施进行处理, 从而保证ECG信号采集工作的顺利进行, 具体内容为:

2.1 解决基线漂移造成的干扰

心电信号的采集很容易受到外界因素的影响, 基线漂移是干扰信号中最常见的一种, 主要是由于呼吸和电极不稳定原因造成的, 其频率较低, 一般在0.5Hz以下, 属于低频干扰。而要想解决基线漂移给心电信号采集所造成的影响, 就要运用科学、合理的方法找到出现这种状况的原因, 并针对原因采取相应措施。

2.2 去除肌电干扰

低通滤波器虽然能够对混杂在ECG信号中的高频干扰信号起到有效抑制作用, 但却不能去除, 仍然会有残留信号影响到动物生理信号的采集结果, 具体表现在以下两方面:第一、幅频特性很差, 不仅存在众多旁瓣, 而且主瓣的峰值比第一峰瓣高13d B左右, 所以不能对高频干扰起到良好的抑制作用;第二、虽然滤波器的相频特性在通带内保持线性, 但进入阻带后有幅度为π的跳变, 有可能造成心电信号的高频相位失真。

2.3 抑制工频干扰

交流电源造成的工频干扰大概是50Hz, 这种噪声对信号的影响是非常大的, 严重降低了分析结果的准确性。所以, 要想提高结果的准确性就要运用科学、有效的方法抑制工频所造成的干扰, 经过多年的研究认为数字滤波器是一种非常有效的抑制工频干扰方法, 而滤波器的设计则是决定心电信号是否清晰、准确的关键。其中自适应滤波法则是非常有用的一种抑制工频干扰方法, 经常被运用于生物医学信号处理中, 也就造成了自适应滤波器的出现, 其特点主要有:自适应滤波器可以自动地调节其自身的参数, 而在设计时, 只需要很少的、或根本不需要任何关于信号和噪声的先验知识。

3 结束语

综上所述, 在对实验动物生理信号进行采集与处理的过程中, 应该运用科学、有效的方法, 这样才能取得良好的效果。虽然经过多年的探索与创新, 研究取得了明显的进步, 但仍然存在一定不足, 需要在今后的发展中不断完善, 这样才能促进人类健康与生物科学的进步。

摘要：随着生命科学技术的迅猛发展和日益深入, 国际逐渐形成了生物与医学领域竞争加剧的局面, 医学实验信息采集与研究成为各国医疗事业发展的重点。在研究开发之中, 实验动物作为人类的替身, 在研究药物物化反应与生理反应中有很重要的地位, 是生命科学与药学发展的主要基础, 作者在文中针对当前的实验动物生理信号的采集与处理提出分析, 阐述了作者的个人研究思路, 提出了检测原理, 通过分析实验动物生理的体温、血压等信号进行检测与处理。

关键词：实验,动物生理,生理信号,采集,处理

参考文献

[1]张念华, 赵英会等.实验动物的种类及其在医学上的应用[J].动物科学与动物医学, 2013, 20 (3) :12-14

[2]恽时锋, 胡玉红等.实验动物在现代化综合医院”医、教、研”发展中的作用[J].实验动物科学, 2012, 24 (2) :69-70

[3]宋宇峰.Lab Windows/CVI逐步深入与开发实例[M].北京:机械工业出版社社, 2013, 04

[4]王建新, 杨世凤.LabWindows/CVI测试技术及工程应用[M].北京:化学工业出版社, 2013, 8:100-104

[5]刘修鑫, 孙德法等.实验动物心电参数自适应检测和分析系统[J].生物医学工程杂志, 2013, 17 (1) :111-113