一种基于时域波形的信号采样教学演示仪的制作方法

本发明涉及一种教育或演示用具，具体为一种基于时域波形的信号采样教学演示仪。

背景技术：

教学仪器可以直观地展现科学规律，加深学生对知识的理解，使学生建立科学的思维方法。在开展教育工作的过程中，已经有越来越多的教学仪器设备被运用到了课堂中，可以说教学仪器已经发展为教育现代化的手段和教育事业发展的物质基础，它的配备状况和质量水平直接影响到各校的教育教学质量。

随着信息与通信行业和电子行业的发展，纯模拟系统已经逐渐被数字系统所取代。采样是数字信号处理的基础，实际生活中的各种物理量如声音、压力、速度等都是模拟信号，必须要对模拟信号进行采样，转换为数字信号后才能输入数字系统。而采样过程遵循奈奎斯特采样定理(以下简称采样定理)，只有理解掌握了采样定理，才能按照系统需求将模拟信号转换为数字信号，使系统正常工作。

由于信号的采样十分抽象，绝大多数学生无法对采样定理产生清晰直观的认知，而一个展示信号采样过程的教学演示仪可以很好地解决这个问题，但目前国内外都还没有这种教学演示用具。相关教学期望提供一种基于时域波形的信号采样教学演示仪，用于演示针对时域波形的采样定理，使学生直观地观察过采样、等采样和欠采样的过程，从而对采样定理从感性认识上升到理性认识，使教学工作的效果进一步提升。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于时域波形的信号采样教学演示仪，根据原始信号演示屏上显示的时域波形透过采样脉冲演示屏被人眼观察到的图案来表示信号欠采样、过采样和等采样的过程。其中采样脉冲演示屏为透明无背光液晶显示屏，显示栅状图案，代表采样脉冲信号，栅距代表采样脉冲的采样时间间隔；原始信号演示屏为有背光的液晶显示屏，显示时域波形图案，原始信号演示屏透过采样脉冲演示屏被人眼观察到的图案代表采样后的样本信号。原始信号演示屏上的时域波形图案和采样脉冲演示屏的栅距均可由操作者自由调整，其设定值和两者间的大小关系均显示在演示仪的参数显示区内，原始信号演示屏和采样脉冲演示屏可单独观察。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于时域波形的信号采样教学演示仪，包括：底座、上基板、下基板、主电源模块、参数设置装置、主控模块、采样脉冲演示系统和原始信号演示系统；其特征在于，

所述底座为顶面开口的盒状结构；

所述参数设置装置位于底座的顶面，与主控模块、采样脉冲演示系统和原始信号演示系统通信，用于设置演示仪参数；参数设置装置输入的原始信号参数和采样脉冲参数经主控模块接受处理后分别发送到原始信号演示系统和采样脉冲演示系统；

所述上基板为透明薄板、通过装配卡槽卡合在所述底座的顶面；用于固定采样脉冲演示系统并便于布线；

所述下基板固定于底座的内底面，用于固定原始信号演示系统、主控模块并便于布线；

所述主电源模块固定于下基板上，用于演示仪系统供电；

所述主控模块固定于下基板上，包括：时钟模块、复位电路和主控芯片，主控芯片用于控制演示仪以正常流程工作，时钟模块用于为演示仪中所有有源器件提供时钟，复位电路用于主控模块复位；

所述采样脉冲演示系统固定于上基板上，包括：采样脉冲演示屏驱动模块、采样脉冲演示屏和副电源模块；其中，采样脉冲演示屏驱动模块与主控模块进行通信，并驱动采样脉冲演示屏显示所需图案，所述采样脉冲演示屏为一个不带背光的透明液晶显示屏；所述副电源模块用于为上基板上的有源器件供电；

所述原始信号演示系统固定于下基板上，包括：原始信号演示屏驱动模块和原始信号演示屏；其中，原始信号演示屏驱动模块与主控模块进行通信，并驱动原始信号演示屏演示屏显示时域波形；所述原始信号演示屏为一个带背光的液晶显示屏，尺寸不大于所述采样脉冲演示屏并位于采样脉冲演示屏的正下方。

进一步的，所述底座的侧面设置有演示仪的电源接口，通过导线与主电源模块相连。

进一步的，所述参数设置装置固定于上基板上，或固定于下基板上。

进一步的，所述副电源模块采用蓄电池，当所述上基板与所述底座卡合紧密时，所述副电源模块与主电源模块构成通路，副电源模块充电，上基板上的有源器件由主电源模块供电；当所述上基板与所述底座分离时，所述副电源模块与主电源模块断开，上基板上的有源器件由副电源模块供电。优选地，所述副电源模块为电芯。

进一步的，所述采样脉冲演示屏显示图案为栅状图案，所述栅状图案代表采样脉冲信号，栅距代表采样脉冲时间间隔；更进一步的，采样脉冲演示屏还可用于显示原始信号类型、周期和采样脉冲时间间隔、采样脉冲与原始信号周期大小关系等信息。

进一步的，所述参数设置装置还用于设置对比演示命令，当所述参数设置装置设置对比演示命令时，原始信号演示屏会显示两个完全相同的时域波形，采样脉冲演示屏对应原始信号演示屏两个时域波形的演示区会分别显示栅状图案和不显示任何图案，使操作者能同时观察到原始信号和样本信号。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明能够通过采样脉冲演示屏与原始信号演示屏的混合视觉效果来表示信号欠采样、过采样和等采样的过程，因此使得采样定理的演示具有很强的直观性；

2、本发明采样脉冲时间间隔、原始信号的类型和周期均可调整，操作简单并具有很强交互性，易于启发学生思考，增强学生的学习兴趣；

3、本发明通过设置不同演示区，在采样脉冲显示屏上不同区域设置不同间距的栅状图案，可以同时演示信号欠采样、过采样和等采样的过程；

4、本发明演示部分的主体为两块液晶显示屏，便于独立观察原始信号和采样脉冲信号，可观察均匀采样过程，也可观察非均匀采样过程，增强了系统灵活性，使系统功能易于拓展，降低了系统结构复杂度和成本；

5、本发明的采样脉冲演示系统可单独供电，使学生能够观察到采样脉冲演示屏上栅状图案逐渐覆盖原始时域波形进行采样的过程，增强了演示过程的客观性。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施例的系统框图；

图2为本发明的一种具体实施例的外观结构示意图；

图3为本发明的一种具体实施例的侧剖面结构示意图；

图4为本发明的一种具体实施例的底座三视图；

图5为本发明的一种具体实施例的原始时域波形示意图；

图6为本发明的一种具体实施例的采样脉冲演示屏栅状图案示意图；

图7为本发明的一种具体实施例的样本信号示意图；

图中：1、底座；2、电源接口；3、电源触点；4、装配开口；5、装配卡槽；6、下基板；7、下基板固定螺钉；8、下基板固定柱；9、主电源模块；10、上基板；11、主控模块；12、时钟模块；13、复位电路；14、主控芯片；15、无线通信模块a；16、参数设置装置；17、无线通信模块b；18、参数输入器；19、原始信号演示系统；20、原始信号演示屏；21、原始信号演示屏驱动模块；22、采样脉冲演示系统；23、副电源模块；24、采样脉冲演示屏驱动模块；25、采样脉冲显示屏。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图并结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。

本发明提供一种基于时域波形的信号采样教学演示仪，能够根据原始信号演示屏上显示的时域波形透过采样脉冲演示屏被人眼观察到的图案来表示信号欠采样、过采样和等采样的过程。

如图1所示，本实施例提供一种基于时域波形的信号采样教学演示仪，包括：底座1、下基板6、上基板10、主电源模块9、主控模块11、参数设置装置16、原始信号演示系统19和采样脉冲演示系统22；其中，主控模块11包括：时钟模块12、复位电路13、主控芯片14和无线通信模块a15；参数设置装置16包括：无线通信模块b17和参数输入器18；原始信号演示系统19包括：原始信号演示屏20和原始信号演示屏驱动模块21；采样脉冲演示系统22包括：副电源模块23、采样脉冲演示屏驱动模块24和采样脉冲演示屏25；

如图2、图3所示，底座1呈盒状，包括一个底面和四个侧面，其中两个长侧面顶部有水平凹设的呈条形结构的装配卡槽5，两个短侧面中远离参数设置装置16的一个上端留有装配开口4，用于从装配开口4将上基板10卡合入装配卡槽5，底座1的侧面有演示仪系统的电源接口2，电源接口2与主电源模块9通过导线连接，作为外界向演示仪系统供电的接口；

如图3所示，上基板10为透明薄板，从装配开口4滑入，通过装配卡槽5卡合在底座1的上表面，用于固定采样脉冲演示系统22并便于布线；

如图3所示，下基板6通过下基板固定螺钉7和下基板固定柱8固定在底座1的内底面，用于固定原始信号演示系统19、主控模块11并便于布线；

主电源模块9固定在下基板6上，通过导线与电源接口2相连，用于演示仪系统供电；

如图1所示的实施例中，参数设置装置16固定在上基板10上，包括：无线通信模块b17和参数输入器18，与主控模块11无线通信；当参数输入器18接收到外界输入的演示参数时，无线通信模块b17与主控模块11进行无线通信，主控模块11通过无线通信模块a15接收演示参数并处理后，原始信号参数由主控模块11发送到原始信号演示系统19，采样脉冲参数由主控模块11输入无线通信模块a15，由无线通信模块b17接收并通过导线输入采样脉冲演示系统22；优选地，参数输入器18为旋转编码器；另一具体实施例中，参数设置装置固定在下基板6上，与主控模块11有线通信；参数输入器18接收到外界输入的演示参数由导线输入主控模块11，主控模块11接收演示参数并处理后，原始信号参数由主控模块11发送到原始信号演示系统19，采样脉冲参数由主控模块11输入无线通信模块a15，无线通信模块b17接收并输入采样脉冲演示系统22；此时无线通信模块b17在采样脉冲演示系统22中，而不在参数设置装置16中；进一步的实施例中，参数设置装置16还用于设置对比演示命令，使操作者能同时观察到原始信号和样本信号；

如图1所示的实施例中，主控模块11固定在下基板6上，包括：时钟模块12、复位电路13、主控芯片14和无线通信模块a15，与原始信号演示系统19通过原始信号演示屏驱动模块21相连，与采样脉冲演示系统22通过无线通信模块b17和采样脉冲演示屏驱动模块24相连，用于通过无线通信模块a15和无线通信模块b17接收参数设置装置16输入的演示参数信息并处理，将处理后的演示参数通过原始信号演示屏驱动模块21和采样脉冲演示屏驱动模块24分别发送到原始信号演示系统19和采样脉冲演示系统22，控制演示仪以正常流程工作；

采样脉冲演示系统22固定在上基板10上，包括：采样脉冲演示屏驱动模块24、采样脉冲演示屏25和副电源模块23，通过装配卡槽5卡合在底座1的上表面，用于演示采样脉冲信号；其中：

采样脉冲演示屏驱动模块24与采样脉冲演示屏25和参数设置装置16通过导线连接，主控模块11发送到无线通信模块b17的演示参数通过导线输入采样脉冲演示屏驱动模块24，使采样脉冲演示系统22的演示参数得到正确设置；

采样脉冲演示屏25为一个不带背光的透明液晶显示屏，通过导线与采样脉冲驱动模块24构成通路，受采样脉冲驱动模块24驱动显示所需图案；需要说明的是，采样脉冲演示屏25显示黑色时，显示黑色的区域不透光或透光性极差；从演示仪的正上方观察，能通过透明的采样脉冲演示屏25看到其下方的原始信号演示屏20；参数设置装置16输入采样脉冲演示系统22的采样脉冲时间间隔参数由主控模块11接收处理后，输入采样脉冲演示屏驱动模块24，控制采样脉冲演示屏25显示一定栅距的栅状图案，如图6所示，该栅状图案代表采样脉冲信号，栅距代表采样脉冲时间间隔，所述栅距是指栅状图案出现重复的距离，如相邻透明部分的间距或相邻不透明部分的间距；一具体实施例中，采样脉冲演示屏25还可用于显示原始信号类型、周期和采样脉冲时间间隔、采样脉冲与原始信号周期大小关系等信息；

副电源模块23主要包括可充电的蓄电池，通过导线与上基板10上的有源器件相连；当上基板10与底座1卡合紧密时，副电源模块23通过底座1上的电源触点3与主电源模块9构成通路，副电源模块23充电，上基板10上的有源器件由主电源模块9供电；当上基板10与底座1分离时，副电源模块23与电源触点3断开，上基板10上的有源器件由副电源模块23供电；优选地，副电源模块23为电芯；

原始信号演示系统19固定在下基板6上，包括：原始信号演示屏驱动模块21和原始信号演示屏20，用于演示原始信号；其中：

原始信号演示屏驱动模块21与原始信号演示屏20和主控芯片14通过导线连接，接收主控模块11发送的原始信号演示参数，使原始信号演示系统19的演示参数得到正确设置；

原始信号演示屏20为一个带背光的液晶显示屏，尺寸不大于采样脉冲演示屏25并位于采样脉冲演示屏25的正下方，通过导线与原始信号演示屏驱动模块21构成通路，受原始信号演示屏驱动模块21驱动显示所需图案；参数设置装置16输入演示装置的原始信号类型和周期参数由所述主控模块接收处理后，输入原始信号演示屏驱动模块，控制原始信号演示屏显示原始时域波形、如图5所示，从演示仪的正上方观察，原始信号演示屏上的时域波形被采样脉冲演示屏上的如图6所示的栅状图案分隔，仅能从栅状图案的透明部分被人眼直接观察，即为样本信号，如图7所示；当操作者沿装配卡槽5将上基板10滑出时，可以直接观察原始信号演示屏20；进一步的实施例中，当参数设置装置16设置对比演示命令时，原始信号演示屏20会显示两个完全相同的时域波形，采样脉冲演示屏25对应原始信号演示屏20的两个时域波形演示区会分别显示栅状图案和不显示任何图案，使操作者能同时观察到原始信号和样本信号。

进一步的实施例中，原始信号演示屏20可以分为三个演示区，显示三种周期以固定倍数大于、等于、小于采样脉冲半周期的原始时域波形，例如，若采样脉冲演示屏25所显示的脉冲时间间隔为ts，则原始信号演示屏20的第一演示区显示周期为4ts的原始信号，第二演示区显示周期为ts/2的原始信号，第三演示区显示周期为ts/4的原始信号，透过采样脉冲显示屏25，可以观察到三个演示区的欠采样、等采样和过采样效果。

进一步的实施例中，参数设置装置7设置对比演示命令时，原始信号演示屏20和采样脉冲演示屏5各分为对应的两个演示区，其中原始信号演示屏20的两个演示区分别显示完全相同的两个原始时域波形，而采样脉冲演示屏25的一个演示区显示相应栅状图案，另一个完全透明，使操作者同时观察到原始时域波形信号和样本信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。