引入LabVIEW的信号与系统课程案例研究与实践 VIP免费

［收稿时间］2021-09-06［基金项目］五邑大学教学质量工程与教学改革工程项目（JX2020027）；五邑大学课程思政示范课程项目（SZ2021006）。［作者简介］胡异丁（1974—），男，湖北人，博士，副教授，研究方向为声、振信号处理。［摘要］信号与系统课程教学内容理论性较强，教师可引入LabVIEW设计课程知识点仿真演示程序，并进一步设计贴近工程实际的教学案例，深入浅出地把科学思想、工程思想贯穿于教学内容中，帮助学生理解课程中的抽象理论知识，使其初步领会从工程实践中提炼问题、分析问题、解决问题的基本方法，并在理解课程理论知识的基础上提高工程实践能力。［关键词］信号与系统；LabVIEW；案例教学［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2023）06-0058-042023年3月March，2023UniversityEducation信号与系统一直是电子电气信息类专业必修的专业基础课程。信号与系统在各种不同的工程系统和领域中，比如地震数据处理、通信、语音处理、图像处理、电子产品、装备制造业等，扮演着极其重要的角色。它将各种数学基本概念应用于产品研发和设计中。近几年，一些“双一流”高校的机械、土木等工科专业为了培养从事工程振动信号检测、机械设备状态及故障诊断等工作的专门人才，也增设了信号与系统课程。信号与系统课程教学内容理论性较强，特别是基本概念比较抽象，部分学生认为该课程的内容主要是数学公式的记忆和使用，缺乏对数学概念与实际应用的理解。为了充分调动学生的积极性和主动性，教师可在该课程中引入LabVIEW并结合实际案例进行分析，把关键知识点融入案例教学过程中，借助案例的直观性和趣味性，将理论知识和工程有机地结合在一起，通过案例教学让学生悟透所学知识。一、LabVIEW仿真演示的引入LabVIEW是一种图形化开发环境语言，它结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，使工程系统可视化，创建图形和编程变得更为简单。将LabVIEW引入信号与系统课程教学实践中，相对于Matlab语言具有形象性、直观性、数据实时处理能力更强等优势[1]。借助Lab⁃VIEW编程，对信号与系统的知识点进行图形演示、案例实时测试分析，可以加深学生对理论知识的理解[2]，了解理论知识所蕴含的工程意义，树立工程理念，从而提高学生的学习主动性。例如在讲授采样定理时，理论知识点注重的是奈奎斯特采样频率及频谱混叠，但是教师不能很好地展示采样频率与采样前、后信号的时域、频域之间的对比关系。借助LabVIEW编程，可很好地动态展示和解释采样频率与频谱混叠现象，程序前面板如图1所示。程序可以生成特定的原始信号，如可设定频率（20Hz）的正弦波为原始信号，时域上可以清楚地看到1秒钟原始信号有20个周期；如果将该正弦信号按照某一采样频率（16Hz）采样，得到1秒钟16个采样点的采样信号，如图显示为1秒钟4个周期的三角波信号，即经采样的信号频率变成了4Hz，这正是频谱混叠产生的结果。从频谱图可以看到原始信号和采样信号的频率。由于LabVIEW的参数设置与结果呈现十分方便，用户还可以通过旋钮调整采样频率，在程序运行时，右边的时域、频域图都随之实时发生改变。如当采样频率调整到24Hz时，仍旧对20Hz正弦信号进行采样，由采样定理可以知道频谱混叠到4Hz，此时得到的时域波形如图2所示。比较图1和图2的采样信号时域波形，尽管二者都是频率混叠的结果，且频率都为4Hz，但是采样定理中并未提到的信号相位信息也被呈现出来，即二者相位相反。引入案例说明：当看电影或电视，画面有汽车启动镜头时，常常能看到车轮开始时越转越快，突然某个时刻变慢了甚至倒着转的现象，这是因为影视作品往往以一个固定的帧率对连续转动的车轮进行采样，当车轮的转速不断提高，帧率不满足奈奎斯特采样频率时，观众看到的就是频率混叠干扰下的视频结果，即转速明显与实际车速相比较慢，且可能反相（倒转）。这种现象可通过以上LabVIEW程序反映出来。利用LabVIEW虚拟仪器前面板编程，使得人机交互接口更形象直观。学生可通过设置原始信号类型为正弦波、三角波、方波和锯齿波，还可旋钮控制调整原始信号的频率，并观察不同类型信号频率变化下的采样过程及可能频谱混叠的时域、频域图...