实验三典型信号的频谱分析.docVIP

典型信号的频谱分析 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原理和方法，掌握用频谱分析提取测量信号特征的方法。 实验原理 信号频谱分析是采用傅里叶变换将时域信号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。 图1、时域分析与频域分析的关系 信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。时域信号x(t)的傅氏变换为： (1) 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。 工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以频率f为横坐标，X(f)的实部和虚部为纵坐标画图，称为时频－虚频谱图；以频率f为横坐标，X(f)的幅值和相位为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱；以f为横坐标，A(f) 2为纵坐标画图，则称为功率谱，如图所示。 频谱是构成信号的各频率分量的集合，它完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相位，揭示了信号的频率信息。 实验内容 1. 白噪声信号幅值谱特性 2. 正弦波信号幅值谱特性 3. 方波信号幅值谱特性 4. 三角波信号幅值谱特性 5. 正弦波信号＋白噪声信号幅值谱特性 实验仪器和设备 1. 计算机 1台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 3. 打印机 1台 实验步骤 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软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“典型信号频谱分析”，建立实验环境。 图5 典型信号的频谱分析实验环境 下面是该实验的装配图和信号流图，图中的线上的数字为连接软件芯片的软件总线数据线号，6017、6018为两个被驱动的信号发生器的名字。 图6 典型信号的频谱分析实验装配图 3从信号图观察典型信号波形与频谱的关系，从谱图中解读信号中携带的频率信息。 实验报告要求 拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中。 工程案例模拟应用实验 频谱分析可用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。例如，在机床齿轮箱故障诊断中，可以通过测量齿轮箱上的振动信号，进行频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。 图7是DRVI中集成的一个大型空气压缩机传动装置故障诊断案例示意图。在DRVI软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“减速箱仿真实验”，建立仿真实验环境。 图7 大型空气压缩机传动装置故障诊断 对实验进行修改，添加频谱分析功能，然后对减速箱上测得的振动信号波形进行频谱分析，并从其频谱判断出电机转速和那一根传动轴是主要的振动源。 趣味应用实验 1、音乐信号频谱分析 在DRVI中集成了一个MP3播放器芯片，可以播放音乐，同时将音乐的波形数据导入到DRVI中。在DRVI软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“MP3播放器音乐信号分析实验”，建立仿真实验环境。 图8音乐信号频谱分析 从网上下载小提琴、小号等不同乐器演奏的音乐，以及歌曲等MP3格式的音频文件，用DRVI内嵌的MP3播放器播放，观察不同音乐的频谱差异，加深对信号频谱的理解。 调整MP3播放器上的均衡器的位置，聆听音乐的变化，并同时注意观察信号波形、频谱的变化。 2、简易电子琴设计 用DRVI中的信号发生器芯片产生不同频率的正弦波，然后从声卡输出，设计一个简单的模拟电子琴(各音阶对应的频率分别为:131, 147, 165, 175, 196, 220, 247, 262, 294, 330, 349, 392, 440, 494, 523Hz)，观察信号波形和频谱的关系。如下图所示。 图9模拟电子琴设计参考图 思考题 1.与波形分析相比，频谱分析的主要优点是 ？ 2.为何白噪声信号对信号的波形干扰很大，但对信号的频谱影响很小。 3.在DRVI快速可重组平台上面搭建一个“频谱分析仪”需要采用那些软件芯片，它们相互之间的关系怎样？ 工程测试实验指导书 17 图2、信号的频谱表示方法