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引入LabVIEW的信號與系統(tǒng)課程案例研究與實踐

2023-07-28 21:29:30胡異丁楊敏顏健毅
大學(xué)教育 2023年6期
關(guān)鍵詞:信號與系統(tǒng)案例教學(xué)

胡異丁 楊敏 顏健毅

[摘 要]信號與系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容理論性較強,教師可引入LabVIEW設(shè)計課程知識點仿真演示程序,并進一步設(shè)計貼近工程實際的教學(xué)案例,深入淺出地把科學(xué)思想、工程思想貫穿于教學(xué)內(nèi)容中,幫助學(xué)生理解課程中的抽象理論知識,使其初步領(lǐng)會從工程實踐中提煉問題、分析問題、解決問題的基本方法,并在理解課程理論知識的基礎(chǔ)上提高工程實踐能力。

[關(guān)鍵詞]信號與系統(tǒng);LabVIEW;案例教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2023)06-0058-04

信號與系統(tǒng)一直是電子電氣信息類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。信號與系統(tǒng)在各種不同的工程系統(tǒng)和領(lǐng)域中,比如地震數(shù)據(jù)處理、通信、語音處理、圖像處理、電子產(chǎn)品、裝備制造業(yè)等,扮演著極其重要的角色。它將各種數(shù)學(xué)基本概念應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計中。近幾年,一些“雙一流”高校的機械、土木等工科專業(yè)為了培養(yǎng)從事工程振動信號檢測、機械設(shè)備狀態(tài)及故障診斷等工作的專門人才,也增設(shè)了信號與系統(tǒng)課程。

信號與系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容理論性較強,特別是基本概念比較抽象,部分學(xué)生認為該課程的內(nèi)容主要是數(shù)學(xué)公式的記憶和使用,缺乏對數(shù)學(xué)概念與實際應(yīng)用的理解。為了充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性,教師可在該課程中引入LabVIEW并結(jié)合實際案例進行分析,把關(guān)鍵知識點融入案例教學(xué)過程中,借助案例的直觀性和趣味性,將理論知識和工程有機地結(jié)合在一起,通過案例教學(xué)讓學(xué)生悟透所學(xué)知識。

一、LabVIEW仿真演示的引入

LabVIEW是一種圖形化開發(fā)環(huán)境語言,它結(jié)合了圖形化編程方式的高性能與靈活性,使工程系統(tǒng)可視化,創(chuàng)建圖形和編程變得更為簡單。將LabVIEW引入信號與系統(tǒng)課程教學(xué)實踐中,相對于Matlab語言具有形象性、直觀性、數(shù)據(jù)實時處理能力更強等優(yōu)勢[1]。借助LabVIEW編程,對信號與系統(tǒng)的知識點進行圖形演示、案例實時測試分析,可以加深學(xué)生對理論知識的理解[2],了解理論知識所蘊含的工程意義,樹立工程理念,從而提高學(xué)生的學(xué)習主動性。

例如在講授采樣定理時,理論知識點注重的是奈奎斯特采樣頻率及頻譜混疊,但是教師不能很好地展示采樣頻率與采樣前、后信號的時域、頻域之間的對比關(guān)系。借助LabVIEW編程,可很好地動態(tài)展示和解釋采樣頻率與頻譜混疊現(xiàn)象,程序前面板如圖1所示。程序可以生成特定的原始信號,如可設(shè)定頻率(20 Hz)的正弦波為原始信號,時域上可以清楚地看到1秒鐘原始信號有20個周期;如果將該正弦信號按照某一采樣頻率(16 Hz)采樣,得到1秒鐘16個采樣點的采樣信號,如圖顯示為1秒鐘4個周期的三角波信號,即經(jīng)采樣的信號頻率變成了4 Hz,這正是頻譜混疊產(chǎn)生的結(jié)果。從頻譜圖可以看到原始信號和采樣信號的頻率。

由于LabVIEW的參數(shù)設(shè)置與結(jié)果呈現(xiàn)十分方便,用戶還可以通過旋鈕調(diào)整采樣頻率,在程序運行時,右邊的時域、頻域圖都隨之實時發(fā)生改變。如當采樣頻率調(diào)整到24 Hz時,仍舊對20 Hz正弦信號進行采樣,由采樣定理可以知道頻譜混疊到4 Hz,此時得到的時域波形如圖2所示。比較圖1和圖2的采樣信號時域波形,盡管二者都是頻率混疊的結(jié)果,且頻率都為4 Hz,但是采樣定理中并未提到的信號相位信息也被呈現(xiàn)出來,即二者相位相反。

引入案例說明:當看電影或電視,畫面有汽車啟動鏡頭時,常常能看到車輪開始時越轉(zhuǎn)越快,突然某個時刻變慢了甚至倒著轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,這是因為影視作品往往以一個固定的幀率對連續(xù)轉(zhuǎn)動的車輪進行采樣,當車輪的轉(zhuǎn)速不斷提高,幀率不滿足奈奎斯特采樣頻率時,觀眾看到的就是頻率混疊干擾下的視頻結(jié)果,即轉(zhuǎn)速明顯與實際車速相比較慢,且可能反相(倒轉(zhuǎn))。這種現(xiàn)象可通過以上LabVIEW程序反映出來。

利用LabVIEW虛擬儀器前面板編程,使得人機交互接口更形象直觀。學(xué)生可通過設(shè)置原始信號類型為正弦波、三角波、方波和鋸齒波,還可旋鈕控制調(diào)整原始信號的頻率,并觀察不同類型信號頻率變化下的采樣過程及可能頻譜混疊的時域、頻域圖??梢娨隠abVIEW將采樣定理的知識點全面、動態(tài)地展示出來,并結(jié)合生活實際案例,能使學(xué)生更容易理解基本概念,打消學(xué)生的畏難情緒,從而幫助學(xué)生洞悉數(shù)學(xué)公式背后的物理意義。

目前,已開發(fā)完成的LabVIEW仿真演示程序如圖3所示,包含了時域分析中的卷積積分、頻域分析中的傅里葉級數(shù)、傅里葉變換等幾個重要性質(zhì)和采樣定理等。

二、工程實際案例教學(xué)設(shè)計

案例教學(xué)作為一種啟發(fā)式教學(xué)方法,在課程教學(xué)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。案例教學(xué)法的實施過程不僅是學(xué)生吸取知識的過程,更是學(xué)生鍛煉學(xué)習能力、獲得實踐經(jīng)驗的過程。案例教學(xué)設(shè)計內(nèi)容要盡量貼近現(xiàn)實,以使學(xué)生能夠獲得有效的實踐鍛煉,但又不能過度復(fù)雜以致影響課堂的可實施性。案例教學(xué)設(shè)計內(nèi)容應(yīng)該貼近學(xué)生將來所要從事工作的實際案例,引導(dǎo)學(xué)生去主動獲取最需要的知識,鍛煉學(xué)生的實踐能力。

工科課程不像經(jīng)濟學(xué)、管理學(xué)等課程,案例教學(xué)依靠課堂討論、查閱資料或者調(diào)研就可以完成,其往往還需要設(shè)計實踐課程,“軟(件)硬(件)兼施”。針對信號與系統(tǒng)課程,有引入圖像處理[3]和語音信號處理[3,4]案例,通過硬件設(shè)計引入心率測量案例[5],通過硬件設(shè)計測試電路頻響特性案例[6],借助通信接收機原理講述卷積知識點案例[7]等。引入實際工程案例可為低年級已學(xué)過的數(shù)學(xué)等課程和高年級將要學(xué)到的工程類課程架起一座橋梁。

LabVIEW在科學(xué)研究和業(yè)界已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,在實際工程測試理論和技術(shù)應(yīng)用中具有無可比擬的優(yōu)勢,引入LabVIEW結(jié)合的案例可以使學(xué)生更加了解工程實際。借助NI(National Instruments)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、標準的計算機外設(shè)和LabVIEW軟件采集傳感器的信號并進行分析,可以在信號與系統(tǒng)課程中更快速、更方便地完成案例設(shè)計。

例如在開始講述信號的傅里葉變換時,可以引入樂器音準調(diào)試案例,比如吉他每根弦空弦彈奏,琴弦將產(chǎn)生振動并發(fā)聲,并且對應(yīng)一個音準的基頻頻率。所有的樂器如鋼琴、吉他、二胡等,它們的某個基音都是相同的。除此之外,吉他在發(fā)音上還有很多泛音成分。不同樂器在相同的基頻下,其泛音的分布是不一樣的,所以人們能分辨出什么是鋼琴音,什么是吉他音。如果沒有泛音的存在,人們聽到的所有樂器的聲音都是“理想信號源”的聲音,所有樂器的發(fā)音都是相同的,音樂也會變得單調(diào)無味。

在傳統(tǒng)電子與通信行業(yè)的試驗測試中,想要獲取吉他的音頻信號及其頻譜,除了必要的傳感器、信號調(diào)理、A/D等電路或設(shè)備,還需要示波器、頻譜儀等測試分析儀器,這些儀器設(shè)備往往體積較大、不易攜帶、功能固定并且價格昂貴。針對本案例,課題組采用LabVIEW及虛擬儀器系統(tǒng),利用其功能強大的編程工具,選擇同樣具備A/D功能的聲卡作為音頻信號采集硬件,搭建了一套音頻測試系統(tǒng)。由于計算機標準配置的聲卡具有16位量化精度,數(shù)據(jù)采集頻率可達到44.1 KHz,而吉他的音調(diào)頻率遠低于20 KHz,因此測試系統(tǒng)參數(shù)完全滿足要求。通過編程設(shè)計,除了能實時采集到音頻信號時域波形,還可以對采集到的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換,畫出頻譜圖,如圖4所示。通過調(diào)整聲音頻譜的頻率顯示范圍,可以找出所彈奏的琴弦的基音,當顯示范圍擴大時,還可以看出該吉他的泛音成分及分布情況。

為了讓學(xué)生主動參與,案例實施過程中可邀請學(xué)生帶上自己的吉他,通過彈奏空弦,觀察琴弦振動。吉他六根弦,每根弦在進行空弦彈奏時從高到低對應(yīng)不同的基音頻率,學(xué)生可以直觀地感受到,粗弦的空弦下振動比細弦慢,音調(diào)(基頻)較低,通過琴頭的旋鈕調(diào)整每根弦的張緊度可以改變振動頻率,通過測試聲音的頻譜獲取基音頻率,使之與標準的音節(jié)頻率一致,從而完成音階的校準。

本案例讓學(xué)生初步了解如何利用信號頻譜描述一個物理存在的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)頻譜(傅里葉變換)就在人們的身邊。學(xué)生還了解了音頻振動現(xiàn)象最基本的物理量就是頻率,簡單的周期振動只有一個頻率,復(fù)雜的周期振動信號可能有多個甚至無窮個,振幅不同和頻率不同的簡諧振蕩,這些簡諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫作幅度頻譜。頻譜圖反映了聲音振動信號頻率成分所在位置及分布情況,不同頻譜的聲音振動信號,使人們聽到的感覺大有不同。然后可在課堂上進一步講授如何運用數(shù)學(xué)知識計算得到頻譜。

目前,課題組已完成基于LabVIEW的教學(xué)案例設(shè)計如圖5所示,其中雙音多頻信號的產(chǎn)生通過聲卡輸出,對應(yīng)課程中的典型信號及其疊加知識點。電話撥號音自動識別及吉他音頻測試系統(tǒng)通過聲卡采集音頻信號進行分析,對應(yīng)傅里葉變換及頻譜知識點,可應(yīng)用于聲學(xué)工程中常用的測試分析方法。懸臂梁振動測試是基于機器視覺搭建的懸臂梁位移振動測試技術(shù),對應(yīng)系統(tǒng)頻響特性知識點,涉及橋梁工程中的基本分析方法。調(diào)諧質(zhì)量阻尼簡易演示裝置,采用NI 9234 采集模塊和IEPE加速度傳感器采集結(jié)構(gòu)振動信號并計算頻率,根據(jù)相應(yīng)參數(shù)設(shè)計裝置,對應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性知識點,是超高層結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用的實際工程方案。

三、總結(jié)與討論

本文通過引入LabVIEW結(jié)合實際案例教學(xué),把具體工程案例以及關(guān)鍵知識點融入信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中,借助LabVIEW強大的測試及分析功能,通過對案例的設(shè)計、分析、解決,將理論知識和工程實際有機地結(jié)合在一起,深入淺出地把科學(xué)思想、工程思想融入教學(xué)內(nèi)容中,幫助學(xué)生理解課程中抽象的理論知識,讓學(xué)生初步領(lǐng)會從工程實踐中提煉問題、分析問題、解決問題的基本方法,提高工程實操能力。如此,學(xué)生的學(xué)習目標更為明確,興趣更為濃厚,邏輯更加清晰,理解更為透徹,為后續(xù)課程的學(xué)習打下了堅實的基礎(chǔ),在畢業(yè)設(shè)計選題中也更敢于挑戰(zhàn)貼近實際工程問題的課題。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 周細鳳,曾榮周,曾敏,等.基于LabVIEW的信號與系統(tǒng)課程的虛擬教學(xué)平臺[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,29(3):26-29.

[2] 張國強,王斌,趙靜.Matlab與LabVIEW在信號與系統(tǒng)課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2017,34(11):145-148.

[3] 陶丹,胡健,陳后金.“信號與系統(tǒng)”課程案例教學(xué)探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2015,37(5):55-57.

[4] 諸葛霞,鄧菲,王敬蕊.信號與系統(tǒng)課程中語音信號應(yīng)用的教學(xué)案例研究[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報,2016,28(4):81-84.

[5] 楊敏,羅錦榮.信號與系統(tǒng)課程案例教學(xué)的探討:以心率測量顯示系統(tǒng)為例[J].大學(xué)教育,2016(2):141-142.

[6] 劉海成,王巖,劉靜森,等.信號與系統(tǒng)系列課程之頻率響應(yīng)測量案例教學(xué)[J].教育教學(xué)論壇,2012(29):79-80.

[7] 王中鵬.基于案例的信號與系統(tǒng)基礎(chǔ)課程教學(xué)探討:以卷積積分為例[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報,2017,29(6):476-481.

[責任編輯:劉鳳華]

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