CN110223576B - 一种基于复平面的信号采样教学演示仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种教育或演示用具，具体为一种基于复平面的信号采样教学演示仪，用于演示针对复信号的采样定理，使学生直观地观察过采样、等采样和欠采样的过程，从而对采样定理从感性认识上升到理性认识，使教学工作的效果进一步提升。本发明中，复平面信号演示板的透光部分和不透光部分相结合共同代表了原始复信号，复平面信号演示板的转速代表了原始复信号的频率，采样脉冲演示板以特定频率闪烁代表该频率的采样脉冲信号，采样脉冲演示板透过复平面信号演示板透明部分所呈现的发光图样在复平面信号演示板旋转时被人眼观察到的状态代表采样后得到的样本信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种教育或演示用具，具体为一种基于复平面的信号采样教学演示仪。
背景技术
教学仪器可以直观地展现科学规律，加深学生对知识的理解，使学生建立科学的思维方法。在开展教育工作的过程中，已经有越来越多的教学仪器设备被运用到了课堂中，可以说教学仪器已经发展为教育现代化的手段和教育事业发展的物质基础，它的配备状况和质量水平直接影响到各校的教育教学质量。
随着信息与通信行业和电子行业的发展，纯模拟系统已经逐渐被数字系统所取代。采样是数字信号处理的基础，实际生活中的各种物理量如声音、压力、速度等都是模拟信号，必须要对模拟信号进行采样，转换为数字信号后才能输入数字系统。而采样过程遵循奈奎斯特采样定理(以下简称采样定理)，只有理解掌握了采样定理，才能按照系统需求将模拟信号转换为数字信号，使系统正常工作。
由于信号的采样十分抽象，复信号的采样更是难以理解，绝大多数学生无法对采样定理产生清晰直观的认知，而一个展示信号采样过程的教学演示仪可以很好地解决这个问题，但目前国内外都还没有这种教学演示用具。相关教学期望提供一种基于复平面的信号采样教学演示仪，用于演示针对复信号的采样定理，使学生直观地观察过采样、等采样和欠采样的过程，从而对采样定理从感性认识上升到理性认识，使教学工作的效果进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于复平面的信号采样教学演示仪，根据采样脉冲演示板透过复平面信号演示板透明部分所呈现的发光图样在复平面信号演示板旋转时被人眼观察到的顺时针旋转、逆时针旋转和静止不动等运动状态来表示信号欠采样、过采样和等采样的过程。复平面信号演示板的透光部分和不透光部分相结合共同代表了原始复信号，复平面信号演示板的转速代表了原始复信号的频率，采样脉冲演示板以特定频率闪烁代表该频率的采样脉冲信号，采样脉冲演示板透过复平面信号演示板透明部分所呈现的发光图样在复平面信号演示板旋转时被人眼观察到的状态代表采样后得到的样本信号。复平面信号演示板的转速和采样脉冲演示板的闪烁频率均可由学生自由调整，其设定值和两者间的大小关系均显示在演示仪的显示装置上。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于复平面的信号采样教学演示仪，包括：底座、操作面板和演示装置；其特征在于，所述底座为顶面开口的盒状结构，所述操作面板固定于底座的顶面，所述演示装置设置于底座内部；其中，
所述操作面板包括：上盖板、参数设置装置、显示装置和观察窗；所述上盖板固定在底座的上表面，且上盖板上分别对应于参数设置装置、显示装置和观察窗开设预留开口；所述参数设置装置的顶端从上盖板的预留开口露出，用于设置演示仪的采样脉冲信号和原始复信号演示参数；所述显示装置顶端从上盖板的预留开口露出，用于显示采样脉冲和原始复信号的频率及其大小关系；所述观察窗为透明结构、且固定于上盖板的预留开口处，用于观察；
所述演示装置包括：基板、主控模块、驱动模块、步进电机、采样脉冲演示板和复平面信号演示板；所述基板固定在底座的内底面，位于所述操作面板的正下方；
所述主控模块固定于基板上，包括：主控芯片、时钟模块、复位电路和电源电路，主控芯片用于控制演示仪以正常流程工作，时钟模块用于为演示仪中所有有源器件提供时钟，电源电路用于为演示仪供电，复位电路用于主控模块复位；
所述驱动模块固定于基板上，包括：参数设置输入电路、显示装置驱动电路、电动机驱动电路和采样脉冲演示板驱动电路；所述主控芯片分别通过参数设置输入电路、显示装置驱动电路、电动机驱动电路和采样脉冲演示板驱动电路与参数设置装置、显示装置、步进电机和采样脉冲演示板分别相连；
所述步进电机固定于基板上，且位于所述观察窗的几何中心；
所述采样脉冲演示板固定于基板上，由一个或多个采样脉冲发生器构成，且尺寸不大于观察窗；所述采样脉冲发生器为以步进电机转轴为圆心的环状发光LED，其闪烁频率代表采样脉冲频率；所述采样脉冲发生器之间均设置有隔光环；
所述复平面信号演示板固定于步进电机转子末端、并与基板平行，使之在步进电机带动下匀速转动；所述复平面信号演示板为圆形薄板，尺寸不大于观察窗且不小于采样脉冲演示板；所述复平面信号演示板上开设有与采样脉冲发生器相同数量的透光窗口，一个透光窗口正对一个采样脉冲发生器。
进一步的，所述复平面信号演示板的透光窗口为箭头状图案的头部，沿复平面信号演示板的半径方向指向圆外部，箭头状图案的箭杆部分起点为复平面信号演示板的圆心，箭杆部分可印刷在复平面信号演示板上或隐藏。
进一步的，所述采样脉冲发生器的闪光占空比能通过参数设置装置设置，从视觉效果上控制采样脉冲“拖尾”现象，使操作者观察到非理想冲激信号和接近理想冲激信号采样的不同。所述“拖尾”现象是指操作者观察到发光圆弧而非发光箭头的运动状态的现象。
进一步的，所述显示装置固定在底座的内底面上，或固定在上盖板上；所述参数设置装置固定在底座内底面上，或固定在上盖板上。
进一步的，所述底座的侧面设置有演示仪的电源接口，通过导线与电源电路相连。
进一步的，所述参数设置装置还用于设置联合演示命令，使操作者能同时观察到信号欠采样、过采样和等采样的效果。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明能够通过采样脉冲演示板与复平面信号演示板的混合视觉效果来表示信号欠采样、过采样和等采样的过程，因此使得采样定理的演示具有很强的直观性；
2、本发明中采样脉冲频率、占空比和原始复信号频率均可调整，操作简单并具有很强交互性，易于启发操作者思考，增强操作者的学习兴趣；
3、本发明的所有有源器件均使用同源时钟，因此能实现原始复信号频率和采样脉冲频率的相干控制，不存在积累误差，因此可长时间持续演示；
4、本发明采用步进电机带动薄而轻的复平面信号演示板，无需额外的转速传感器校准模块和无线模块，复平面信号演示板上没有电子器件，降低了本发明的系统结构复杂度和成本；
5、本发明的采样脉冲发生器可以独立控制，可以同时演示信号欠采样、过采样和等采样的过程；
6、本发明的复平面信号演示板和采样脉冲演示板上均有隔光环，因此每个采样脉冲发生器的光不会互相影响，便于同时观察信号欠采样、过采样和等采样的过程；
7、本发明的运动部件均位于演示仪内部，仅透过观察窗进行观察，因此在正常操作过程中，本发明能够最大地保护操作者的使用安全；
附图说明
图1为本发明的一种基于复平面的信号采样教学演示仪的一种具体实施例的结构示意图；
图2为本发明的一种基于复平面的信号采样教学演示仪的一种具体实施例的外观示意图；
图3为本发明的一种基于复平面的信号采样教学演示仪的剖面结构示意图；
图4为本发明的一种基于复平面的信号采样教学演示仪的复平面信号演示板三视图；
图中：1、底座；2、电源接口；3、装配卡槽；4、操作面板；5、上盖板；6、观察窗；7、参数设置装置；8、显示装置；9、演示装置；10、主控模块；11、电源电路；12、时钟模块；13、复位电路；14、主控芯片；15、驱动模块；16、电动机驱动电路；17、采样脉冲演示板驱动电路；18、参数设置输入电路；19、显示装置驱动电路；20、基板；21、基板固定柱；22、基板固定螺钉；23、步进电机；24、端帽；25、复平面信号演示板；26、箭头图案；27、隔光环B；28、采样脉冲演示板；29、采样脉冲发生器A；30、采样脉冲发生器B；31、采样脉冲发生器C；32、隔光环A。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图并结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。
本发明提供一种基于复平面的信号采样教学演示仪，能够根据采样脉冲演示板透过复平面信号演示板透明部分所呈现的发光图样在复平面信号演示板旋转时被人眼观察到的顺时针旋转、逆时针旋转和静止不动等运动状态来表示信号欠采样、过采样和等采样的过程。
如图1所示，本实施例提供一种基于复平面的信号采样教学演示仪，包括：底座1、操作面板4和演示装置9；其中，操作面板4包括：显示装置8、参数设置装置7、观察窗6和上盖板5；演示装置9包括：基板20、主控模块10、驱动模块15、步进电机23、复平面信号演示板25和采样脉冲演示板28；
如图2、图3所示，底座1呈盒状，包括一个底面和四个侧面；底座1侧面顶部水平凹设呈条形结构的装配卡槽3，操作面板4通过装配卡槽3固定在底座1的上表面；底座1的侧面有电源接口2，电源接口2与演示装置9中主控模块10的电源电路11通过导线连接，为演示仪系统供电；
上盖板5固定在底座1的上表面，与底座1的底面和四个侧面一起构成封闭的长方体，并为显示装置8、参数设置装置7和观察窗6预留开口，用于保护演示仪内部演示装置9的部件；
显示装置8固定在操作面板4上，顶端从上盖板5的开口露出；显示装置8通过导线与驱动模块15中的显示装置驱动电路19相连，当采样脉冲和原始复信号的频率设置完毕后，主控模块10通过显示装置驱动电路19与其通信，使显示装置8显示采样脉冲和原始复信号的频率及其大小关系；一些实施例中，显示装置8可固定在演示仪内部的基板20上，顶端从上盖板5的开口露出；
参数设置装置7固定在操作面板4上，顶端从上盖板5的开口露出；参数设置装置7与驱动模块15中的参数设置输入电路18相连，当操作者通过参数设置装置7调节采样脉冲和原始复信号的演示参数时，参数设置装置7通过参数设置输入电路18与主控模块10进行通信，向演示装置9输入采样脉冲和原始复信号演示参数信息；进一步的实施例中，参数设置装置7通过多个旋转编码器来调节原始信号和采样脉冲的演示参数；一些实施例中，参数设置装置7可直接固定在演示仪内部的基板20上，顶端从上盖板5的开口露出；
观察窗6透明，通过装配卡槽3装配在上盖板5上，位于复平面信号演示板25的正上方，在保证操作者使用安全的同时用于观察采样脉冲演示板28与复平面信号演示板25的混合视觉效果，即信号欠采样、过采样和等采样的过程；
如图3所示，演示装置9设置于底座1的内部，且位于操作面板4的正下方，用于演示复信号采样过程；其中，
基板20通过基板固定柱21和基板固定螺钉22固定在底座1的内底面，位于所述操作面板4的正下方，用于固定演示装置9及电路布线；
主控模块10固定在基板20上，包括：电源电路11、复位电路13、主控芯片14和时钟模块12；主控模块10与参数设置装置7、显示装置8、步进电机23、采样脉冲演示板28通过驱动模块15相连，用于接收各外设的输入信息并处理，控制各外设按预设逻辑正常运作；所述外设包括所有有源器件，即参数设置装置7、显示装置8、步进电机23和采样脉冲演示板28；需要说明的是，演示仪系统中所有有源器件均由时钟模块12提供时钟，即所有有源器件均使用同源时钟，能实现原始复信号频率和采样脉冲频率的相干控制，从而消除积累误差；
驱动模块15固定在基板20上，包括：电动机驱动电路16、采样脉冲演示板驱动电路17、参数设置输入电路18和显示装置驱动电路19；其中，参数设置装置7、显示装置8、步进电机23和采样脉冲演示板28分别通过参数设置输入电路18、显示装置驱动电路19、电动机驱动电路16和采样脉冲演示板驱动电路17与主控模块10相连，用于保证主控模块10与各外设的正常通信；
步进电机23固定在基板20上，位于观察窗6的几何中心，正常工作时被复平面信号演示板25完全遮挡；步进电机23通过驱动模块15中的电动机驱动电路16与主控模块10相连，步进电机23的转速代表了原始复信号频率，用于带动复平面信号演示板25以步进电机23的转速匀速旋转；参数设置装置7输入演示装置9的原始复信号的频率信息经过主控模块10接收处理，输入电动机驱动电路16，控制步进电机23以所设转速旋转；需要说明的是，由于采用了步进电机，步进电机23的转速可以精确控制，无需进行转速校准；
信号采样演示板28固定在基板20上，并与主控模块10通过导线构成通路，位于复平面信号演示板25的正下方；一具体实施例中，采样脉冲演示板28由采样脉冲发生器A29、采样脉冲发生器B30、采样脉冲发生器B31构成，尺寸不大于观察窗6；三个采样脉冲发生器均为以步进电机23的转轴为圆心的环状发光LED，通过驱动模块15中的采样脉冲演示板驱动电路17与主控模块10相连；参数设置装置7输入演示装置9的采样脉冲频率的演示参数信息经过主控模块10接收处理，输入采样脉冲演示板驱动电路17，控制采样脉冲发生器A 29、采样脉冲发生器B 30、采样脉冲发生器B 31以所设频率和占空比闪烁；需要说明的是，每个采样脉冲发生器的闪烁频率和占空比可以独立控制；采样脉冲演示板28上有隔光环A 32，隔光环A 32位于每个环状采样脉冲发生器之间，高于采样脉冲演示板28，低于复平面信号演示板25；
复平面信号演示板25为具有透光箭头图案26的圆形薄板，尺寸不大于观察窗6且不小于采样脉冲演示板28；从观察窗6的外部进行观察，采样脉冲演示板28被复平面信号演示板25完全遮挡，只有复平面信号演示板25的透光箭头部分能透过采样脉冲演示板28的光，该箭头图案26的箭杆部分仅为印刷图案，箭头部分进行透明处理，其起点为复平面信号演示板25的圆心，顺着复平面信号演示板25的半径方向指向圆的外部；所述箭头图案26以矢量形式代表原始复信号，不同长度的箭头图案26演示振幅不同的原始复信号；所述复平面信号演示板25通过位于中心位置的端帽24固定在所述步进电机转子末端、并与基板20平行，能被步进电机23带动旋转；需要说明的是，复平面信号演示板25下侧有隔光环B 27，隔光环B 27与复平面信号演示板25垂直，底部略高于于采样脉冲演示板28，与隔光环A32互相交错，以隔离LED光环间的相互影响；复平面信号演示板25上不存在有源器件，因此不需要无线传能和无线通信模块。
进一步的，参数设置装置7还用于设置联合演示命令，使学生能同时观察到信号欠采样、过采样和等采样的过程。例如，原始复信号的频率即复平面信号演示板25的转速设置为r(转/秒)，采样脉冲的频率设置为f(Hz)，当未设置联合演示命令时，三个采样脉冲发生器的闪烁频率相同，均为所设采样脉冲频率f(Hz)；设置联合演示命令后，三个采样脉冲发生器的闪烁频率不同，分别以固定倍数小于、等于和大于复平面信号演示板25的转速r(转/秒)。例如，当复平面信号演示板25以转速0.55r旋转，采样脉冲发生器A 29以频率2r闪烁，采样脉冲发生器B 30以频率3.8r闪烁，采样脉冲发生器C 31以频率2r闪烁时，操作者能同时分别观察到欠采样、等采样和过采样过程。
进一步的，联合演示命令设置时，采样脉冲发生器A 29、采样脉冲发生器B 30和采样脉冲发生器C 31的占空比自动设置为采样脉冲发生器亮的时间内，复平面信号演示板25旋转角度最小。
需要说明的是，为了防止视觉暂留效应对演示效果产生影响，使人眼能分辨出采样脉冲发生器的闪烁，采样脉冲发生器的闪烁频率应该低于人眼临界闪烁频率。大多数正常人在正常情况下所能感觉到的临界闪烁频率在30-40Hz之间，优选地，采样脉冲发生器A29、B 30、C 31的闪烁频率应低于30Hz。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (10)
1.一种基于复平面的信号采样教学演示仪，包括：底座、操作面板和演示装置；其特征在于，所述底座为顶面开口的盒状结构，所述操作面板固定于底座的顶面，所述演示装置设置于底座内部；其中，
所述操作面板包括：上盖板、参数设置装置、显示装置和观察窗；所述上盖板固定在底座的上表面，且上盖板上分别对应于参数设置装置、显示装置和观察窗开设预留开口；所述参数设置装置的顶端从上盖板的预留开口露出，用于设置演示仪的采样脉冲信号和原始复信号演示参数；所述显示装置顶端从上盖板的预留开口露出，用于显示采样脉冲和原始复信号的频率及其大小关系；所述观察窗为透明结构、且固定于上盖板的预留开口处，用于观察；
所述演示装置包括：基板、主控模块、驱动模块、步进电机、采样脉冲演示板和复平面信号演示板；所述基板固定在底座的内底面，位于所述操作面板的正下方；
所述主控模块固定于基板上，包括：主控芯片、时钟模块、复位电路和电源电路，主控芯片用于控制演示仪以正常流程工作，时钟模块用于为演示仪中所有有源器件提供时钟，电源电路用于为演示仪供电，复位电路用于主控模块复位；
所述驱动模块固定于基板上，包括：参数设置输入电路、显示装置驱动电路、电动机驱动电路和采样脉冲演示板驱动电路；所述主控芯片分别通过参数设置输入电路、显示装置驱动电路、电动机驱动电路和采样脉冲演示板驱动电路与参数设置装置、显示装置、步进电机和采样脉冲演示板分别相连；
所述步进电机固定于基板上，且位于所述观察窗的几何中心；
所述采样脉冲演示板固定于基板上，由一个或多个采样脉冲发生器构成，且尺寸不大于观察窗；所述采样脉冲发生器为以步进电机转轴为圆心的环状发光LED，其闪烁频率代表采样脉冲频率；所述采样脉冲发生器之间均设置有隔光环；
所述复平面信号演示板固定于步进电机转子末端、并与基板平行，使之在步进电机带动下匀速转动；所述复平面信号演示板为圆形薄板，尺寸不大于观察窗且不小于采样脉冲演示板；所述复平面信号演示板上开设有与采样脉冲发生器相同数量的透光窗口，一个透光窗口正对一个采样脉冲发生器；
复平面信号演示板的转速代表了原始复信号的频率，采样脉冲演示板以特定频率闪烁代表该频率的采样脉冲信号，采样脉冲演示板透过复平面信号演示板的透光窗口所呈现的发光图样在复平面信号演示板旋转时被人眼观察到的状态代表采样后得到的样本信号。
2.按权利要求1所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，所述复平面信号演示板的透光窗口为箭头状图案的头部，沿复平面信号演示板的半径方向指向圆外部，箭头状图案的箭杆部分起点为复平面信号演示板的圆心，箭杆部分印刷在复平面信号演示板上或隐藏。
3.按权利要求1所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，所述采样脉冲发生器为三个，使操作者能同时观察到多种采样效果。
4.按权利要求3所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，所述参数设置装置还用于设置联合演示命令，控制演示仪使三个采样脉冲发生器的闪烁频率间存在固定关系，分别以固定倍数小于、等于和大于复平面演示板转速的两倍，使操作者能同时观察到欠采样、等采样和过采样效果。
5.按权利要求1所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，所述参数设置装置设置的演示参数包括采样脉冲信号频率、占空比和原始复信号频率。
6.按权利要求1所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，所述复平面信号演示板上不存在电子器件。
7.按权利要求1所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，所述隔光环分上下交错的两部分，分别固定在复平面信号演示板和采样脉冲演示板上。
8.按权利要求1所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，采样脉冲发生器的闪烁频率低于30Hz，避免操作者观察到的演示现象受视觉暂留效应的影响。
9.按权利要求1所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，所述显示装置固定在底座的内底面上，或固定在上盖板上；所述参数设置装置固定在底座内底面上，或固定在上盖板上。
10.按权利要求1所述基于复平面的信号采样教学演示仪，其特征在于，所述底座的侧面设置有演示仪的电源接口，通过导线与电源电路相连。
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