一种常用信号的分类与观察实验装置及应用方法与流程

本发明涉及电子工程技术领域，尤其是涉及一种常用信号的分类与观察实验装置及应用方法。

背景技术：

连续时间信号是信号与系统中经常会遇到的对象，其常见类型和数学表达式如表1中所示。从数学表达式来看，信号可以表示为一个或多个变量的函数。教学过程中需要将理论知识和实验实践有机结合起来，提高教学效果，一方面需要通过数学公式和性质进行阐述，另一方面，数学应该是学习手段而不是课程知识点的核心。课堂教学中引入连续时间信号的相关概念后，要求学生有所了解和掌握，并要和工程实践相结合，学习基本测量方法，要求学生对常用的连续时间信号进行观测和验证。

表1常用的连续时间信号

工程实验中经常要多角度观察物理信号，并结合科学原理进行分析综合，受实验装备数量以及技术水平的限制，传统课内实验具有较大的局限性：若采用信号与系统实验箱实现，如thkss型信号与系统实验箱、el-ss-iii型信号与系统实验箱、dice-t3型信号与系统实验仪等，但受限于实验硬件平台的成本和体积，只能在实验室现场进行，同时其所生成的信号种类有限且需要外置的示波器等仪器，实验内容难以升级扩展，不能同时满足理论和实践的全面要求；另一方面，若采用纯软件仿真(matlab等)作为实验教学的主要内容，与数学公式吻合较好，实现结果可图形化显示，但其局限于理论模型计算，学生对实际硬件电路和物理信号很难产生深刻的感性认识，激发学习的兴趣；另外值得注意的是，需要提醒学生理论理想模型和实际物理对象之间的差异，例如单位冲激信号在信号与系统中占有重要地位，数学上可列出明确的表达式，但其实现受物理规则的限制，实际无法产生。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种常用信号的分类与观察实验装置及应用方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种常用信号的分类与观察实验装置，包括安装有软件系统的计算机和硬件平台，所述的硬件平台在软件系统的作用下完成物理信号的波形产生、物理信号的数据采集和音频信号的输出，所述的硬件平台集成在一便携式壳体中。

进一步地，所述的硬件平台包括：

实验信号发生器，用于在软件系统的作用下，调节和产生实验常用信号的时域波形并输出；

实验信号采集器，用于采集实验信号并输入至计算机中，由软件系统进行处理并输出结果；

音频信号直放器，用于在软件系统的作用下，输出音频信号至外置音频设备；

所述的软件系统包括：

设备驱动程序，用于提供硬件平台的设备底层驱动功能；

实验功能程序，用于控制硬件平台，基于图形化编程语言实现，提供实验操作的可视化人机交互界面。

进一步地，所述的实验功能程序提供的可视化人机交互界面，包括：

视觉表达界面，具体包括实验信号参数配置界面、实验信号时域波形显示界面和实验信号频域分析显示界面；

听觉表达界面，用于支持音频信号的直放功能。

进一步地，所述的实验信号参数配置界面、实验信号时域波形显示界面、实验信号频域分析显示界面和听觉表达界面同屏同时显示波形和数据，或分屏同时显示波形和数据。

一种如上述的分类与观察实验装置的应用方法，对实验信号进行参数配置；根据配置的参数输出实验信号的理论时域波形；根据配置的参数进行实验信号的实际输出和采集，得到并输出实验信号的实际时域波形。

进一步地，软件系统中执行以下步骤：

配置实验信号的各项参数，具体包括选择信号类型、信号频率、信号幅度、信号偏移量和相位；

配置实验信号采集器的工作参数，具体包括进行实验信号的波形测量；选择触发源和触发方式；设置触发电平；设置水平位置参数；设置时基参数；

配置音频信号直放器的工作参数，具体包括连接外置音频设备；设置音频通道；设置音频回放速率比；设置音频回放音量；

记录并保存实验信号的波形和参数。

进一步地，软件系统中还包括通过自定义波形编辑器创建信号，生成指定名称的波形数据增加到信号类型列表中。

进一步地，当实验信号为音频信号时，将音频信号数据文件导入软件系统，软件系统自动将音频信号恢复成原始的模拟声音信号并配置实验信号的各项参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过安装有软件系统的计算机和硬件平台，结合软件和硬件实现了基础理论分析和实际物理对象的相对应，能够从时域和频域等不同角度观察实验信号，使用视觉和听觉等不同手段加深实验效果，为课程教学提供一个综合性创新实践平台。

2、本发明通过便携式的硬件平台和计算机结合有效克服现有技术中整机设备复杂，性能单一、移动不便的问题，具有便携式、性价比高、接口简单、无需固定时间和固定场所即可开展实验的优点，激发学生自主学习的积极性。

3、本发明使用图形化编程语言实现实验功能程序，有效降低了使用文本编程语言进行开发的难度，有利于克服初学者和学生的畏难情绪，实验项目和实验内容易于扩展。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明硬件平台功能结构示意图；

图3为本发明实验功能程序流程图；

附图标记：1.计算机，2.软件系统，3.硬件平台，4.实验信号发生器，5.实验信号采集器，6.音频信号直放器，7.设备驱动程序，8.实验功能程序，9.可视化人机交互界面，10.视觉表达界面，11.听觉表达界面，12.实验信号参数配置界面，13.实验信号时域波形显示界面，14.实验信号频域分析显示界面，15.实验信号采集配置界面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种常用信号的分类与观察实验装置，包括安装有软件系统2的计算机1和硬件平台3。

硬件平台3是实验装置的硬件核心，在软件系统2的作用下完成实验所需观测物理信号的波形产生和物理信号的数据采集的功能，同时具备音频信号直接输出功能。

硬件平台3包括实验信号发生器4、实验信号采集器5和音频信号直放器6。硬件平台3通过usb接口与所述计算机1进行电气信号连接。实验信号发生器4在软件系统2的控制下，产生实验常用信号时域波形并输出，并可以在线调整波形参数。实验信号采集器5在所述软件系统2的控制下，采集实验信号并输入到所述的计算机中，由所述的软件系统进行后续处理并输出结果。音频信号直放器6在所述软件系统2的控制下，直接输出音频信号至外置音频设备，一般为耳机或扬声器。

软件系统2包括设备驱动程序7和实验功能程序8。设备驱动程序7安装于所述的计算机1中，提供所述硬件平台3的设备底层驱动功能。实验功能程序8，安装于所述的计算机1中，控制所述硬件平台3正常工作。

本实施例中，硬件平台可以使用analogdiscovery2(以下简称ad2)，实验信号生成使用ad2中的信号发生器模块作为实验信号发生器4，试验波形测量使用ad2中的示波器模块作为实验信号采集器5，音频信号播放使用ad2中的音频信号直放器6，代替传统实验方法中的外部仪器、实验箱电路或者专用电路。其中信号发生器模块所生成的连续时间信号可以通过物理接口中的w1/ground和/或w2/ground模拟信号端口输出，通过计算机和软件系统设置和调整输出信号的类型和参数。双通道示波器模块可同时测量两路信号，软件提供的软面板操作方法与实验室中的真实示波器类似，具备示波器的常用和扩展功能，待测信号可直接连接到ad2的1+/1-和/或2+/2-模拟量差分输入端口，用于实时采集与分析电压信号波形数据。

实验功能程序8提供控制硬件平台3实验操作的可视化人机交互界面9。实验功能程序8基于图形化编程语言labview实现，驱动控制硬件平台。

如图2所示，可视化人机交互界面9包括视觉表达界面10和听觉表达界面11。其中，视觉表达界面10包括实验信号参数配置界面12、实验信号时域波形显示界面13、实验信号频域分析显示界面14和实验信号采集配置界面15。计算机1带有硬盘存储设备和人机交互设备，人机交互设备采用显示器、键盘和鼠标。

听觉表达界面11包括实验信号的音频直放功能界面，支持单频信号、多频信号、语音信号和其它音频信号的直放功能。

实验信号函数表达式显示界面12、所述实验信号时域波形显示界面13、所述实验信号频域分析显示界面14、实验信号采集配置界面15和所述听觉表达界面11可以同屏同时显示观测，也可以分屏同时显示数据和波形。实验功能程序8还提供实验数据保存和回放功能。

如图3所示，在本实施例中完成简单周期信号的观察与分析实验。

以正弦信号f(t)＝2·sin(2π·1000·t+30)为例，

步骤1：硬件平台本体通过usb电缆与计算机连接。

步骤2：信号发生器模块4所生成的连续时间信号通过物理接口中的w1/ground连接到实验信号采集器5的1+/1-模拟量差分输入端口。

步骤3：启动可视化人机交互界面9。

步骤4：在可视化人机交互界面中选择实验信号参数配置界面12，实验信号各项参数的表示和配置可以方便地使用键盘和鼠标进行操作：

信号type类型的可选项包括dc直流、sine正弦、square方波、triangle三角波、rampup斜变上升、rampdown斜变下降、noise噪声、pulse脉冲、trapezium梯形和sine-power正弦功率等十种类型，选择sine正弦类型；信号frequency频率选择或者输入1000hz的数值；信号amplitude幅度选择或者输入2v的数值；信号offset偏移量选择或者输入0v的数值；信号phase相位选择或者输入30°的数值；

上述参数更改变动的同时，在实验信号时域波形显示界面13中同步更新显示理想预览波形；点击输出使能按钮后，实验软件在后台调用设备驱动程序7提供的api函数接口，下载实验波形数据和参数，控制实验信号发生器4输出实验信号。

步骤5：在可视化人机交互界面中选择实验信号采集配置界面15，配置采集器工作参数，可以方便地使用键盘和鼠标进行操作。

使用repeated连续模式进行简单周期实验信号波形测量；使用auto自动模式配置触发方式，触发源选择为c1通道1(1+/1-模拟量差分输入端口)，触发方式选择为上升沿，触发电平level设置为0v；显示参数position水平位置设置为0s，实际上代表波形记录中的触发器的水平位置处于正中间；显示参数base时基设置为1ms/div，每个水平小格代表1ms，示波器的波形显示界面宽度为10ms(10小格)；c1通道的显示参数offset偏移量设置为0v；c1通道的显示参数range单位量设置为500mv/div，每个垂直小格代表500mv，示波器的波形显示界面高度为-2.5v～+2.5v(10小格)；

点击采集使能按钮后，实验软件在后台调用设备驱动程序7提供的api函数接口，下载实验采集器工作参数，控制实验信号采集器5采集实验信号并接收，进行数据分析与处理；实验信号可以同时并联接入到实验室仪器示波器进行实验信号波形的测量结果对比。

步骤6：在可视化人机交互界面中选择实验信号时域波形显示界面13和实验信号频域分析显示界面14，分别从时域和频域的不同角度对步骤5获取到的实验信号进行分析处理，可以同屏同时显示观测波形和数据，也可以分屏显示数据和波形。实验信号时域波形显示界面13，显示所要观察的实验信号对象的时域波形特征和典型参数，操作方法与实验室中的真实示波器类似，具备示波器的常用和扩展功能。实验信号频域分析显示界面14，显示所要观察的实验信号对象在频率域变换后的频谱特性和数值分析。

步骤7：在可视化人机交互界面中选择听觉表达界面11，包括实验信号的音频直放功能界面，支持单频信号、多频信号、语音信号和其它音频信号的直放功能：

audio直放功能的channel音频回放来源通道设置为c1通道；

audio直放功能的speed音频回放速率比设置为1x；

audio直放功能的volume音频回放音量设置为100％

audio直放功能的output音频输出设备设置为扬声器。

进一步地，点击开始按钮，控制音频信号直放器6的audio直放功能，直接输出实验信号至外置的耳机或音箱，当实验信号频带处于人耳听觉范围内时，从听觉角度为实验提供直观的认识基础。

步骤8：记录并保存实验信号的波形和参数。

实验信号时域波形显示界面13和实验信号频域分析显示界面14，提供实验数据保存，利用软件的数据文件导出export功能保存实验数据到计算机中的硬盘存储设备上。export功能选择source数据源为时域波形，选择data数据类型，保存实验时域波形数据到硬盘数据文件中；export功能选择source数据源为频域波形，选择data数据类型，保存实验频域波形数据到硬盘数据文件中；export功能选择source数据源为时域波形，选择image图像类型，保存实验时域波形图像到硬盘图像文件中；export功能选择source数据源为频域波形，选择image图像类型，保存实验频域波形图像到硬盘图像文件中。

步骤9：停止可视化人机交互界面9。

步骤10：本实施例中，完成实验后撰写实验报告。

进一步地，步骤8中的图像文件可直接插入到实验报告电子版中；实验信号时域波形显示界面13和实验信号频域分析显示界面14，提供实验数据回放功能，利用数据文件导入import功能载入实验数据文件并回放显示。

实施例二

本实施例提供了一种常用信号的分类与观察实验装置，其硬件平台和带软件系统的计算机和实施例一的结构相同。

如图3所示，在本实施例中完成函数实验信号和扩展实验信号的观察与分析实验。不在基本信号type类型列表中的实验信号波形，可在本实施例中定义输出，以抽样函数信号为例：

步骤1：硬件平台本体通过usb电缆与计算机连接。

步骤2：信号发生器模块4所生成的连续时间信号通过物理接口中的w1/ground连接到实验信号采集器5的1+/1-模拟量差分输入端口。

步骤3：启动可视化人机交互界面9。

步骤4：选择实验信号参数配置界面12，选择custom自定义模式，打开自定义波形编辑器，选择其中的math脚本编辑器，使用javascript语言创建任意信号或自定义载波信号和调制信号：以抽样函数为例，在math脚本窗口中输入函数数学表达式：math.sin(x)/(x)，设置变量x的定义范围为-10～10，samples样本数定为32768点，归一化normalize项不选；修改并确定name波形名称后，点击生成按钮，生成指定名称的波形数据并保存后，即可自动增加到信号源波形列表中；在波形列表中选择该指定名称的波形；上述参数更改变动确定后，在实验信号时域波形显示界面13中同步更新显示理想预览波形。

信号frequency频率选择或者输入50mhz的数值；信号amplitude幅度选择或者输入1v的数值；信号offset偏移量选择或者输入0v的数值；信号phase相位选择或者输入0°的数值；点击输出使能按钮后，实验软件在后台调用设备驱动程序7提供的api函数接口，下载实验波形数据和参数，控制实验信号发生器4输出实验信号。

步骤5：在可视化人机交互界面中选择实验信号采集配置界面15，配置采集器工作参数，可以方便地使用键盘和鼠标进行操作：使用single单测模式进行单次猝发实验信号波形测量；使用auto自动模式配置触发方式，触发源选择为c1通道1(1+/1-模拟量差分输入端口)，触发方式选择为上升沿，触发电平level设置为1v；显示参数position水平位置设置为0s，实际上代表波形记录中的触发器的水平位置处于正中间；显示参数base时基设置为2s/div，每个水平小格代表2s，示波器的波形显示界面宽度为20s(10小格)。c1通道的显示参数offset偏移量设置为0v；c1通道的显示参数range单位量设置为200mv/div，每个垂直小格代表200mv，示波器的波形显示界面高度为-1v～+1v(10小格)；点击采集使能按钮后，实验软件在后台调用设备驱动程序7提供的api函数接口，下载实验采集器工作参数，控制实验信号采集器5采集实验信号并接收，进行数据分析与处理。

进一步地，实验信号可以同时并联接入到实验室仪器示波器进行实验信号波形的测量结果对比。其余步骤同实施例一。

实施例三

本实施例提供了一种常用信号的分类与观察实验装置，其硬件平台和带软件系统的计算机和实施例一的结构相同。

如图3所示，本实施例中，完成复杂实验信号的观察与分析实验。各种实际研究的物理信号对象(如语音信号等)包含大量的信息量，往往很难甚至无法用确定的数学模型表示。以实际语音信号为例，

步骤1：硬件平台3本体通过usb电缆与计算机1连接。

步骤2：信号发生器模块4所生成的连续时间信号通过物理接口中的w1/ground连接到实验信号采集器5的1+/1-模拟量差分输入端口。

步骤3：启动可视化人机交互界面9。

步骤4：选择实验信号参数配置界面12，选择复杂实验信号类别play信号播放模式，打开数据文件导入import功能载入语音数据文件，所支持的文件格式包括：文本文件(csv或txt)和其它音频/视频格式(wav、mp3、wma、avi等)：语音数据导入后恢复成原来的模拟声音信号，在实验信号时域波形显示界面13中同步更新显示理想预览波形；点击输出使能按钮后，实验软件在后台调用设备驱动程序7提供的api函数接口，下载实验波形数据和参数，控制实验信号发生器4输出实验信号。

步骤5：在可视化人机交互界面中选择实验信号采集配置界面15，配置采集器工作参数，可以方便地使用键盘和鼠标进行操作：

使用record记录模式测量复杂非周期实验信号波形；使用auto自动模式配置触发方式，触发源选择为c1通道1(1+/1-模拟量差分输入端口)，触发方式选择为上升沿，触发电平level设置为0v；显示参数position水平位置设置为0s，实际上代表波形记录中的触发器的水平位置处于正中间；显示参数base时基设置为500ms/div，每个水平小格代表500ms，示波器的波形显示界面宽度为5s(10小格)。c1通道的显示参数offset偏移量设置为0v；c1通道的显示参数range单位量设置为500mv/div，每个垂直小格代表500mv，示波器的波形显示界面高度为-2.5v～+2.5v(10小格)；点击采集使能按钮后，实验软件在后台调用设备驱动程序7提供的api函数接口，下载实验采集器工作参数，控制实验信号采集器5采集实验信号并接收，进行数据分析与处理；

进一步地，实验信号可以同时并联接入到实验室仪器示波器进行实验信号波形的测量结果对比；其余步骤同实施例一。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。