1、数据采集及分析实验指导书实验一 采样定理一、实验目的 熟悉信号采样过程，并通过本实验观察欠采样时信号频谱的混迭现象，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 fs，重复出现一次。为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频率成份的两倍，这称之为采样定理。 a) 正常采样 b)欠采样图 1.1 采样信号的频混现象需要注意的是，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
2、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. 实验软件 1 套四、实验步骤及内容1. 启动计算机。2. 启动实验软件。图 1.2 采样定理实验3. . 点击“采样定理“ 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。 4. 点击“采样定理“ 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。5. 点击“采样定理“ 实验中的“三角波“ 按钮，产生三角波信号，
3、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、实验报告要求1. 简述实验目的和原理。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.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？ 实验二 典型信号频谱分析一、实验目的1. 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。2. 了解信号频谱分析的基本方法。二、实验原理1. 典型信号及其频谱分析的作用正弦波、方波、三角波信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频
4、域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。2. 频谱分析的方法及设备信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析。傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之
5、间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号 x(t)变换为频域信号 X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。时域信号 x(t)的傅氏变换为：式中 X(f)为信号的频域表示， x(t)为信号的时域表示， f 为频率。用傅立叶变换将信号变换到频率域，其数学表达式为：x(t)=a0/2 + a1*sin(2f0t)+b1*cos(2 f0t) + a2*sin(4f0t)+b2*cos(4f0t) +. =C0+用 Cn 画出信号的幅值谱曲线，从信号幅值谱判断信号特征。本次实验利用信号频谱分析软件对信号进
6、行频谱分析。由虚拟信号发生器产生一个典型波形的电压信号，用频谱分析仪对该信号进行频谱分析，得到频谱特性数据。分析结果用图形在计算机上显示出来。三、实验仪器和设备1. 计算机 n 台2. 信号频谱分析软件 1 套四、实验步骤及内容1. 启动计算机。2. 启动信号频谱分析软件。3. 点击“典型信号频谱分析“实验中的“正弦波“ 按钮，产生正弦波信号，分析和观察正弦波信号波形和幅值谱特性。4. 点击“典型信号频谱分析“实验中的“方波“ 按钮，产生方波信号，分析和观察方波信号波形和幅值谱特性。5. 点击“典型信号频谱分析“实验中的“三角波“ 按钮，产生三角波信号，分析和观察三角波信号波形和幅值谱特性。五
7、、实验报告要求1. 简述实验目的和原理。2. 按实验步骤整理出正弦波、方波、三角波的时域和幅值谱特性图形，说明各信号频谱的特点。3. 将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。实验三 振动信号数据采集及分析一、实验目的通过本实验了解并掌握机械振动信号数据采集的基本方法。二、实验原理机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健
8、康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都离不开振动测试。 振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振
9、动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。 频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。 相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。三、实验仪器和设备1. 计算机 n 台2. 虚拟仪器软件 1 套6. 振动数据一组四、实验步骤及内容1. 利用虚拟仪器软件对振动数据进行分析，观察和分析振动信号的波形，如图。五、实验报告要求1. 简述实验目的和原理。2. 整理和分析实验中得到的振动信号的数据，并分析其结果。
