最新智能化测控系统实验指导书

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。

四、实验仪器

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

1．A/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 512

If data(k-1)<0 And data(k-2)<0 And data(k)>=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-y1

ti(n)=b/a

n=n+1

End If

End If

Next

T=(ti(1)-ti(0))*dt

f=1.0/T

2 信号的时域波形参数测量 (1) 均值

均值E[x(t)]表示集合平均值或数学期望值，其表达式为：

∑-=1

/)()]([N N n x t x E (1)

均值E[x(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E[x 2(t)]，或称为平均功率，其表达式为：

∑-=1

22

/)()]([N N n x t x E (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) Next

RMS=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 Next

,2,1,0,/])1()([)(10

=+=∑-k N

k y n x k R N