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1、综合传感器实验指导书南京师范大学电气与自动化工程学院2007年3月前言现代科技的发展，使得改革传统教学方式迫在眉睫！通过增加实验和培训课程，重点培养学生的创造能力和实际操作能力是教学改革的重要内容之一。针对教育部提出的进一步提高高等学校实验室建设和管理水平，推进实验教学改革，保证教学质量的思想， 南京师范大学最新组建了“传感器及检测技术” 创新网络化实验室，该实验室的“综合传感器实验台由南京师范大学与深圳蓝津信息技术有限公司联合开发研制的。该平台包括：DRVI可重组虚拟仪器平台、DRLink可重组计算机控制平台、DRScene机电设备运动控制仿真平台、各种传感器及实验设备，提供从实验对象、信号
2、获取、信号调理、数据分析及处理的一整套网络化创新实验室实验模式，可广泛适用于机械、自动控制、控制工程、机电一体化、电机等专业，大大提升学科的建设水平。目录实验一频率混叠和采样定理1实验二周期信号波形的合成和分解6实验三、四V/F变换电路 F/V变换电路。12实验五、六 热电阻测温电路 热电偶测温电路17实验七湿度传感器环境湿度测量实验22实验八声传感器噪声测量26实验九酒精传感器酒精浓度测量实验32实验十超声波传感器距离测量实验36实验十一力传感器标定及称重实验40实验十二霍尔传感器传输速度测量实验44附录：虚拟仪器简介48实验一 频率混叠和采样定理一. 实验目的1. 熟悉信号采样过程，并通过
3、本实验观察欠采样时信号频谱的混迭现象。2. 了解采样前后信号频谱的变化，加深对采样定理的理解，掌握采样频率的确定方法。二. 实验原理模拟信号经过 A/D 变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率s，重复出现一次。1. 频混现象频混现象又称为频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象，如图1.1所示。信号x(t)的傅里叶变换为X()，其频带范围为-m+m；采样信号x(t)的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为s，并且：s=2TsTs为时域采样周期当采样周期Ts较小时，s2m，周期谱图相互分离如图1.1中（b）所示；当
4、Ts较大时，s2m，周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠，如图1.1中(c)所示，此即为频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。图1.1 采样信号的频混现象下面从时域信号波形来看这种情况。图1.2(a)是频率正确的情况，以及其复原信号；(b)是采样频率过低的情况，复原的是一个虚假的低频信号。图1.2 发生频混现象的时域信号波形当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现象叫做频率混叠。2. 采样定理上述情况表明，如果s2m，就不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔Ts须加以限制，即采样频率s（2Ts）或 fs(1Ts)必须
5、大于或等于信号x(t)中的最高频率m的两倍，即s2m，或 fs2fm。为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，对信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。三. 实验仪器和设备1. 计算机 n台2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套3. 打印机 1台四. 实验步骤及内容1. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输
6、入如下信息“http:/服务器IP地址:8600/SensorLAB/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“频率混叠和采样定理”实验，根据实验原理和要求搭建虚拟仪器分析实验。说明：红线和虚线表示单变量数据线，蓝线和实线表示数组型数据线，箭头代表数据或信号在软件总线中的流动方向0123600060016002600360046005图1.3 频率混叠和采样定理实验原理设计图2. 该实验首先需要设计一个典型信号发生器，来分别产生白噪声、正弦波、方波和三角波信号，DRVI中提供了一个“数字信号发生器”芯片可以直接生成上述信号，另外用一片“多联开关”芯片与之联动来控制“数字信
7、号发生器”芯片的输出信号类型；对于整个实验的启动，用一片“开关”芯片来进行控制；为了对信号进行选抽，降低信号的采样频率，还需选择一片“重采样”芯片，以及一片“数字调节按钮”芯片来选择抽取率；同时，为了观察重采样前后频谱的变化情况，还应选择两片“频谱计算”芯片来计算信号的频谱；另外选择四片“波形/频谱显示”芯片，用于显示信号的时域波形和频谱的计算结果；最后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入6片“内存条”芯片，用于存储6组数组型数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个频率混叠和采样定理实验。所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图1.3所示，根据实
8、验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。3. 搭建过程示例：从软件芯片列表中依次插入六片“软内存条”芯片，其对应的软件芯片编号分别为6000，6001，6002，6003，6004，6005；然后插入“多联开关”芯片、“数字信号发生器”芯片、“开关”芯片、“数字调节钮”芯片和“重采样”芯片等等芯片，利用“移动工具”在软面包板上完成软件芯片的布局。“开关”芯片、“多联开关”芯片、“数字信号发生器”芯片的设置可参照“实验原理设计图”进行，然后在“重采样”芯片上用鼠标右键点击，在弹出的芯片属性对话框中修改“输入波形存储芯片号
9、”为6000将其与数组型数据总线6000即“软内存条”芯片6000连接；修改“输出波形存储芯片号”为6001，将其与“软内存条”芯片6001连接，即经过重采样处理的数据放置在“软内存芯片”6001中；修改“重采样选抽率线号”为3，将其与“数字调节钮”芯片连接，即可完成本实验中“重采样”芯片的设置过程，如图1.4所示。类似的，“频谱计算”芯片的设置如图1.5所示，特别的，“频谱类型”参数设置为2，表示进行“幅频/相频谱”的计算，具体含义可参见软件芯片的在线帮助说明。其它软件芯片的设置可参照“实验原理设计图”完成。图1.4 “重采样”芯片参数设置样例图1.5 “频谱计算”芯片参数设置样例4. 也可
10、以点击附录中“该实验脚本文件”的链接，将本实验的脚本文件贴入并启动该实验。实验效果图如图1.6所示。图1.6 频率混叠和采样定理实验5. 点击实验中的“白噪声”按钮，产生白噪声信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。6. 点击实验中的“正弦波”按钮，产生正弦波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。7. 点击实验中的“方波”按钮，产生方波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。8. 点击实验中的“三角波”按钮，产生三角波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。五. 实验报告要
11、求1. 简述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。2. 按实验步骤附上相应的信号波形和频谱曲线，说明采样频率的变化对信号时域和频域特性的影响，总结实验得出的主要结论。六. 思考题1. 若信号频率为5000Hz，请问模拟信号采样后的混迭频率是多少Hz？2. 为什么在实际测量中采样频率通常要大于信号中最高频率成分的3到5倍？七. 附录本实验的流程框图如图1.7所示。图1.7 频率混叠和采样定理流程图实验二 周期信号波形的合成和分解一. 实验目的1. 加深了解信号分析手段之一的傅立叶变换的基本思想和物理意义。2. 观察和分析由多个频率、幅值和相位成一定关系的正弦波叠加的合成波形。3.
12、观察和分析频率、幅值相同，相位角不同的正弦波叠加的合成波形。4. 通过本实验熟悉信号的合成、分解原理，了解信号频谱的含义。二. 实验原理按富立叶分析的原理，任何周期信号都可以用一组三角函数sin(2nf0t),cos(2nf0t)的组合表示：x(t)=a0/2 + a1*sin(2f0t)+b1*cos(2f0t) + a2*sin(4f0t)+b2*cos(4f0t)+. 也就是说，我们可以用一组正弦波和余弦波来合成任意形状的周期信号。对于典型的方波，其时域表达式为：根据傅立叶变换，其三角函数展开式为：由此可见，周期方波是由一系列频率成分成谐波关系，幅值成一定比例，相位角为0的正弦波叠加合成
13、的。图2.1 方波信号的波形、幅值谱和相位谱那么，我们在实验过程中就可以通过设计一组奇次谐波来完成波形的合成和分解过程，达到对课程教学相关内容加深了解的目的。三. 实验仪器和设备1. 计算机 n台2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套3. 打印机 1台四. 实验步骤及内容1. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http:/服务器IP地址:8600/SensorLAB/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“波形合成与分解”实验，根据实验原理和要求搭建虚拟仪器分析实验。说明：红线和虚线表示单变量数据线，蓝线和实线表示数组型数据线，箭头代表数据或信号在软件总
14、线中的流动方向6040600060386015603960432526270图2.2 波形合成与分解实验原理设计图2. 该实验由于要产生出各种奇次谐波，所以采用DRVI中提供的VBScript脚本编辑芯片来设计该实验最为方便。VBScript脚本编辑芯片提供了对自动化脚本的支持，并在VBScript的基础上扩展了Signal Script脚本语言，便于教师、学生根据需要开发特定的算法和系统。教师和学生可以象编制网页小程序一样用VBScript语言编制小程序，并嵌入到DRVI虚拟仪器平台中运行。其详细使用说明和语法可参见附录。3. 根据实验的要求，需要输入信号的频率、幅值和相位，所以采用三片“数据输入”芯片来完成手工输入上述数值的功能；正弦信号的产生可采用一片“VBScript脚
