实验一信号的采样与恢复

实验一信号的采样与恢复 一、实验目的

1．了解电信号的采样方法与过程及信号的恢复。 2．验证采样定理。 二、实验设备

信号与系统实验（二）挂箱（ZK-3）、低频函数信号发生器、虚拟示波器 三、实验内容

1．研究正弦信号被采样的过程以及采样后的离散化信号恢复为连续信号的波形。 2．用采样定理分析实验结果。 四、实验原理

1．离散时间信号可以从离散信号源获得，也可以由连续时间信号经采样而获得。采

样信号 fs（t）可以看成连续信号 f（t）和一组开关函数 S（t）的乘积。S（t）是一组周 期性窄脉冲。由对采样信号进行傅立叶级数分析可知，采样信号的频谱包括了原连续信号 以及无限多个经过平移的原信号频谱。平移的频率等于采样频率 fs 及其谐波频率 2fs、 3fs²²²。当采样后的信号是周期性窄脉冲时，平移后信号频率的幅度按（Sinx）/x

规律衰减。采样信号的频谱是原信号频谱的周期性延拓，它占有的频带要比原信号频谱宽 得多。

2．采样信号在一定条件下可以恢复原来的信号，只要用一截止频率等于原信号频谱

中最高频率 fn 的低通滤波器，滤去信号中所有的高频分量，就得到只包含原信号频谱的 全部内容，即低通滤波器的输出为恢复后的原信号。 3．原信号得以恢复的条件是 fs2B，其中 fs 为采样频率，B 为原信号占有的频带宽 度。Fmin=2B 为最低采样频率。当 fs2B 时，采样信号的频谱会发生混迭，所以无法用低 通滤波器获得原信号频谱的全部内容。在实际使用时，一般取 fs=（5－10）B 倍。 实验中选用 fs2B、fs=2B、fs2B 三种采样频率对连续信号进行采样，以验证采样定 理要是信号采样后能不失真的还原，采样频率 fs 必须远大于信号频率中最高频率的两 倍。

2．下面的框图表示了对连续信号的采样和

对采样信号的恢复过程。实验时，除选用足够高 的采样频率外，还常采用前置低通滤波器来防止

信号频谱的过宽而造成采样后信号频谱的混迭。图 12-1 信号的采样与恢复原理框图 五、实验步骤

1．连接一采样信号（方波）发生器、采样器、低通滤波器组成的采样与恢复电路（实 验电路采用信号与系统（二）挂箱的“信号的采样与恢复”单元）。

2．选择低频函数信号发生器的“正弦波”和“f3”档，调节频率和幅度调节旋钮， - 57 –

使之输出信号 Vp-p=4V，频率为 100Hz 左右的正弦信号，并将此信号接到“信号的采样与 恢复”实验单元的输入端，然后调节“信号的采样与恢复”的“方波发生器”，使其输出 S （t）频率在 1KHz 左右，用虚拟示波器观察采样输出信号以及通过低通滤波器后的恢复信 号。

3．将方波发生器的输出频率调至 2KHz 左右，再用“虚拟示波器”分别观察采样输入信 号与采样信号、输入信号与输出恢复信号，并进行分析。 实验二金属箔式应变片——半桥性能实验

实验目的

1．了解半桥的工作原理。

2．比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 基本原理

把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到 改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压 U O2 ＝ /2 EG 。 式中 E 为电桥供电电压。 三、需用器件与单元

THZK-1 型传感器实验模块、传感器调理电路挂箱（ZK-1）、砝码(10 个) 实验内容与步骤

1．打开实验台电源并开启面板上的直流稳压电源开关以及“传感器调理电路”实验 挂箱电源开关 POWER1，调节“应变式传感器实验单元”Rw4 使之大致位于中间位置(Rw4 为 10 圈电位器)然后对运放进行调零，调零的方法为：将“应变式传感器实验单元”的“Ui” 的两个输入端对地短接， Uo2 输出端接实验台的智能直流电压表，调节此单元中的调零电 位器 Rw6，使 Uo2 输出电压为零，关闭实验台电源。（注意：当 Rw4 的位置一旦确定，就不能改变。）

2．根据图 2-1 接线。R1、R2 为传感器实验模块右下方受力方向相反的应变片（如 R1、 R2），接入电桥电源±5V，电桥输出接“应变式传感器实验”单元“Ui”，调节调零电位器 Rw3 使 Uo2 输出为零。然后用导线连接 Uo2 和实验平台上数据采集卡接中的 AD1。 3．打开实验室网络管理系统软件，点击“PCI 数据采集卡软件”，然后在系统下方选

择单点信号采集，则会打开传感器实验软件界面，选择通道 1，在横坐标处输入 1，在砝 码盘上放置一只砝码，然后点击手动采集，最后在界面上出现一个点，此点就在 20g 砝码 的电压值，在操作下点击波形测量，可以测量此点的电压值。接着放入第二个砝码，点击 采集单点，则会出现第二个点，依次增加砝码和测量相应的电压值，直到 10 个共 200g 砝 码加完，计下实验结果，填入下表 1-1，最后点击折线生成，则会出现实验曲线。关闭实 验台电源。（此过程也可用实验平台上的智能直流电压表来测量电压值）。 4、根据表 1-1 计算系统灵敏度 W U S /（ U输出电压的变化量， W 重 量变化量）和非线性误差δf1 =Δ m/y FS ³100％式中m （多次测量时为平均值）为输出值与拟合直的最大偏差：y FS 满量程输出平均值,此处为 200g。 表 2-1 半桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量(g)

电压(mv)

图 2-1 应变式传感器半桥实验接线图 五、实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过 1kg 的物体，否则容易损坏传感器。 2．电桥的电压为±5V，不可接错，否则可能烧毁应变片。 实验三：压电式传感器测振动实验 一、实验目的

了解压电式传感器测量振动的原理和方法。 二、基本原理

压电式传感器由惯性质量块和压电片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作 时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上， 由于压电效应，压电晶片产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元

传感器实验模块、传感器调理电路挂箱、虚拟示波器。 四、实验步骤

1．压电式传感器已安装于传感器实验模块的振动平台上。

2．调节功率函数信号发生器，使之输出频率为 10Hz 左右，幅值最大的正弦波信号， 将函数信号发生器的“功率输出”端接至传感器实验模块的“低频输入”端，用虚拟示波 器 CH1 观察其输出波形。

3．将压电式传感器的输出接到传感器调理电路中的“压电式传感器实验”单元，输

出端 Uo 接入后面的放大电路输入端 Ui，再将放大电路的输出端 Uo 接入低通滤波器的输 入端 Ui，低通滤波器的输出端 Uo 接虚拟示波器 CH2。

4．打开实验台电源，调节功率函数信号发生器使振动台有明显的振动。 5．调节信号发生器的频率，观察输出波形的变化。 五、注意事项

1．振动源的幅度不能太大，否则容易压碎里面的压电式传感器。

2．本振动板的共振频率大约为 10Hz 左右，所以应该在 10Hz 频率的附近做实验，振