數字信號處理論文范文

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另外一類是需要用復雜算法對大量數據進行處理的應用，例如聲納探測和地震探測等，也需要用DSP器件。該類設備的批量一般較小、算法要求苛刻、產品很大而且很復雜。所以設計工程師在選擇處理器時會盡量選擇性能最佳、易于開發并支持多處理器的DSP器件。有時，設計工程師更喜歡選用現成的開發板來開發系統而不是從零開始硬件和軟件設計，同時可以采用現成的功能庫文件開發應用軟件。

在實際設計時應根據具體的應用選擇合適的DSP。不同的DSP有不同的特點，適用于不同的應用，在選擇時可以遵循以下要點。

算法格式

DSP的算法有多種。絕大多數的DSP處理器使用定點算法，數字表示為整數或-1.0到+1.0之間的小數形式。有些處理器采用浮點算法，數據表示成尾數加指數的形式：尾數×2指數。

浮點算法是一種較復雜的常規算法，利用浮點數據可以實現大的數據動態范圍(這個動態范圍可以用最大和最小數的比值來表示)。浮點DSP在應用中，設計工程師不用關心動態范圍和精度一類的問題。浮點DSP比定點DSP更容易編程，但是成本和功耗高。

由于成本和功耗的原因，一般批量產品選用定點DSP。編程和算法設計人員通過分析或仿真來確定所需要的動態范圍和精度。如果要求易于開發，而且動態范圍很寬、精度很高，可以考慮采用浮點DSP。

也可以在采用定點DSP的條件下由軟件實現浮點計算，但是這樣的軟件程序會占用大量處理器時間，因而很少使用。有效的辦法是“塊浮點”，利用該方法將具有相同指數，而尾數不同的一組數據作為數據塊進行處理?！皦K浮點”處理通常用軟件來實現。

數據寬度

所有浮點DSP的字寬為32位，而定點DSP的字寬一般為16位，也有24位和20位的DSP，如摩托羅拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。由于字寬與DSP的外部尺寸、管腳數量以及需要的存儲器的大小等有很大的關系，所以字寬的長短直接影響到器件的成本。字寬越寬則尺寸越大，管腳越多，存儲器要求也越大，成本相應地增大。在滿足設計要求的條件下，要盡量選用小字寬的DSP以減小成本。

在關于定點和浮點的選擇時，可以權衡字寬和開發復雜度之間的關系。例如，通過將指令組合連用，一個16位字寬的DSP器件也可以實現32位字寬雙精度算法(當然雙精度算法比單精度算法慢得多)。如果單精度能滿足絕大多數的計算要求，而僅少量代碼需要雙精度，這種方法也可行，但如果大多數的計算要求精度很高，則需要選用較大字寬的處理器。

請注意，絕大多數DSP器件的指令字和數據字的寬度一樣，也有一些不一樣，如ADI(模擬器件公司)的ADSP-21XX系列的數據字為16位而指令字為24位。

DSP的速度

處理器是否符合設計要求,關鍵在于是否滿足速度要求。測試處理器的速度有很多方法，最基本的是測量處理器的指令周期，即處理器執行最快指令所需要的時間。指令周期的倒數除以一百萬，再乘以每個周期執行的指令數，結果即為處理器的最高速率，單位為每秒百萬條指令MIPS。

但是指令執行時間并不能表明處理器的真正性能，不同的處理器在單個指令完成的任務量不一樣，單純地比較指令執行時間并不能公正地區別性能的差異?，F在一些新的DSP采用超長指令字(VLIW)架構，在這種架構中，單個周期時間內可以實現多條指令，而每個指令所實現的任務比傳統DSP少，因此相對VLIW和通用DSP器件而言，比較MIPS的大小時會產生誤導作用。

即使在傳統DSP之間比較MIPS大小也具有一定的片面性。例如，某些處理器允許在單個指令中同時對幾位一起進行移位，而有些DSP的一個指令只能對單個數據位移位；有些DSP可以進行與正在執行的ALU指令無關的數據的并行處理(在執行指令的同時加載操作數)，而另外有些DSP只能支持與正在執行的ALU指令有關的數據并行處理；有些新的DSP允許在單個指令內定義兩個MAC。因此僅僅進行MIPS比較并不能準確得出處理器的性能。

解決上述問題的方法之一是采用一個基本的操作(而不是指令)作為標準來比較處理器的性能。常用到的是MAC操作，但是MAC操作時間不能提供比較DSP性能差異的足夠信息，在絕大多數DSP中，MAC操作僅在單個指令周期內實現，其MAC時間等于指令周期時間，如上所述，某些DSP在單個MAC周期內處理的任務比其它DSP多。MAC時間并不能反映諸如循環操作等的性能，而這種操作在所有的應用中都會用到。

最通用的辦法是定義一套標準例程，比較在不同DSP上的執行速度。這種例程可能是一個算法的“核心”功能，如FIR或IIR濾波器等，也可以是整個或部分應用程序(如語音編碼器)。圖1為使用BDTI公司的工具測試的幾款DSP器件性能。

在比較DSP處理器的速度時要注意其所標榜的MOPS(百萬次操作每秒)和MFLOPS(百萬次浮點操作每秒)參數，因為不同的廠商對“操作”的理解不一樣，指標的意義也不一樣。例如，某些處理器能同時進行浮點乘法操作和浮點加法操作，因而標榜其產品的MFLOPS為MIPS的兩倍。

其次，在比較處理器時鐘速率時，DSP的輸入時鐘可能與其指令速率一樣，也可能是指令速率的兩倍到四倍，不同的處理器可能不一樣。另外，許多DSP具有時鐘倍頻器或鎖相環，可以使用外部低頻時鐘產生片上所需的高頻時鐘信號。

存儲器管理

DSP的性能受其對存儲器子系統的管理能力的影響。如前所述，MAC和其它一些信號處理功能是DSP器件信號處理的基本能力，快速MAC執行能力要求在每個指令周期從存儲器讀取一個指令字和兩個數據字。有多種方法實現這種讀取，包括多接口存儲器(允許在每個指令周期內對存儲器多次訪問)、分離指令和數據存儲器(“哈佛”結構及其派生類)以及指令緩存(允許從緩存讀取指令而不是存儲器，從而將存儲器空閑出來用作數據讀取)。圖2和圖3顯示了哈佛存儲器結構與很多微控制器采用的“馮·諾曼”結構的差別。

另外要注意所支持的存儲器空間的大小。許多定點DSP的主要目標市場是嵌入式應用系統，在這種應用中存儲器一般較小，所以這種DSP器件具有小到中等片上存儲器(4K到64K字左右)，備有窄的外部數據總線。另外，絕大多數定點DSP的地址總線小于或等于16位，因而可外接的存儲器空間受到限制。一些浮點DSP的片上存儲器很小，甚至沒有，但外部數據總線寬。例如TI公司的TMS320C30只有6K片上存儲器，外部總線為24位，13位外部地址總線。而ADI的ADSP2-21060具有4Mb的片上存儲器，可以多種方式劃分為程序存儲器和數據存儲器。

選擇DSP時，需要根據具體應用對存儲空間大小以及對外部總線的要求來選擇。

開發的簡便性

對不同的應用來說，對開發簡便性的要求不一樣。對于研究和樣機的開發，一般要求系統工具能便于開發。而如果公司在開發下一代手機產品，成本是最重要的因素，只要能降低最終產品的成本，一般他們愿意承受很煩瑣的開發，采用復雜的開發工具(當然如果大大延遲了產品上市的時間則是另一回事)。

因此選擇DSP時需要考慮的因素有軟件開發工具(包括匯編、鏈接、仿真、調試、編譯、代碼庫以及實時操作系統等部分)、硬件工具(開發板和仿真機)和高級工具(例如基于框圖的代碼生成環境)。利用這些工具的設計過程如圖4所示。

選擇DSP器件時常有如何實現編程的問題。一般設計工程師選擇匯編語言或高級語言(如C或Ada)，或兩者相結合的辦法?，F在大部分的DSP程序采用匯編語言，由于編譯器產生的匯編代碼一般未經最優化，需要手動進行程序優化，降低程序代碼大小和使流程更合理，進一步加快程序的執行速度。這樣的工作對于消費類電子產品很有意義，因為通過代碼的優化能彌補DSP性能的不足。

使用高級語言編譯器的設計工程師會發現，浮點DSP編譯器的執行效果比定點DSP好，這有幾個原因：首先，多數的高級語言本身并不支持小數算法；其次，浮點處理器一般比定點處理器具有更規則的指令，指令限制少，更適合編譯器處理；第三，由于浮點處理器支持更大的存儲器，能提供足夠的空間。編譯器產生的代碼一般比手動生成的代碼更大。

不管是用高級語言還是匯編語言實現編程，都必須注意調試和硬件仿真工具的使用，因為很大一部分的開發時間會花在這里。幾乎所有的生產商都提供指令集仿真器，在硬件完成之前，采用指令集仿真器對軟件調試很有幫助。如果所用的是高級語言，對高級語言調試器功能進行評估很重要，包括能否與模擬機和/或硬件仿真器一起運行等性能。

大多數DSP銷售商提供硬件仿真工具，現在許多處理器具有片上調試/仿真功能，通過采用IEEE1149.1JTAG標準的串行接口訪問。該串行接口允許基于掃描的仿真，即程序員通過該接口加載斷點，然后通過掃描處理器內部寄存器來查看處理器到達斷點后寄存器的內容并進行修改。

很多的生產商都可以提供現成的DSP開發系統板。在硬件沒有開發完成之前可用開發板實現軟件實時運行調試，這樣可以提高最終產品的可制造性。對于一些小批量系統甚至可以用開發板作為最終產品電路板。

支持多處理器

在某些數據計算量很大的應用中，經常要求使用多個DSP處理器。在這種情況下，多處理器互連和互連性能(關于相互間通信流量、開銷和時間延遲)成為重要的考慮因素。如ADI的ADSP-2106X系列提供了簡化多處理器系統設計的專用硬件。

電源管理和功耗

DSP器件越來越多地應用在便攜式產品中，在這些應用中功耗是一個重要的考慮因素，因而DSP生產商盡量在產品內部加入電源管理并降低工作電壓以減小系統的功耗。在某些DSP器件中的電源管理功能包括：a.降低工作電壓：許多生產商提供低電壓DSP版本(3.3V,2.5V,或1.8V)，這種處理器在相同的時鐘下功耗遠遠低于5V供電的同類產品。

b.“休眠”或“空閑”模式：絕大多數處理器具有關斷處理器部分時鐘的功能，降低功耗。在某些情況下，非屏蔽的中斷信號可以將處理器從“休眠”模式下恢復，而在另外一些情況下，只有設定的幾個外部中斷才能喚醒處理器。有些處理器可以提供不同省電功能和時延的多個“休眠”模式。

c.可編程時鐘分頻器：某些DSP允許在軟件控制下改變處理器時鐘，以便在某個特定任務時使用最低時鐘頻率來降低功耗。

d.控制：一些DSP器件允許程序停止系統未用到的電路的工作。

不管電源管理特性怎么樣，設計工程師要獲得優秀的省電設計很困難，因為DSP的功耗隨所執行的指令不同而不同。多數生產商所提供的功耗指標為典型值或最大值，而TI公司給出的指標是一個例外，該公司的應用實例中詳細地說明了在執行不同指令和不同配置下的功耗。

成本因素

在滿足設計要求條件下要盡量使用低成本DSP，即使這種DSP編程難度很大而且靈活性差。在處理器系列中，越便宜的處理器功能越少，片上存儲器也越小，性能也比價格高的處理器差。

封裝不同的DSP器件價格也存在差別。例如，PQFP和TQFP封裝比PGA封裝便宜得多。

在考慮到成本時要切記兩點。首先，處理器的價格在持續下跌；第二點，價格還依賴于批量，如10,000片的單價可能會比1,000片的單價便宜很多。

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關鍵詞：數字信號；信號處理；DSP

1．數字信號處理的概念

數字信號處理是用數字計算機對離散信號或將模擬信號離散化后進行處理的現代信號處理技術，自身有其獨特的計算方法和理論。數字信號處理是當前發展相當迅速的一種技術，無線通訊，多媒體技術，網絡等都是基于數字信號處理算法的。

數字信號處理器(DSP)是為進行數字信號處理而設計的微處理器。數字信號處理器是同數字信號處理技術一同發展起來的。它針對數字信號處理的應用采用了專用的硬件設計結構。

微處理器的發展經歷了單板計算機、單片計算機的歷程，DSP則是一種高性能的片上微計算機系統。它除了利用大量的新技術、新結構來大幅度改善芯片性能外，還把內存、接口、外設、事件管理器等集成在一個芯片上，成為一個功能強大的片上系統（SOC）。DSP的產生和發展，得益于數字信號處理理論及計算機、電子技術的飛速進步。

2．數字信號處理器模擬的實現

計算機系統本身是一個非常復雜的系統，要使用軟件來模擬每個晶體管或每個門電路各個方面的行為特征幾乎是不可能的。人們簡化系統復雜程度的常用辦法是對系統按層次進行抽象，體系結構就是對計算機系統在結構層次上的簡化。然而，體系結構層次上的計算機系統依然很復雜，開發其軟件模擬器也因此而十分困難。通常的做法是，在已存在的模擬器基礎上進行二次開發或改進，使其適應自己的要求。

在任何數字信號處理中，當涉及硬件實現時，都會遇到一個很普遍的問題：一般要處理的原始信號序列長度是非常長的，但受物理設備條件所限，每次(比如一個時鐘周期內)輸入給數字信號處理相關硬件(如DSP)的必定是有限長度的采樣后的數字序列，也就是說要對原有長序列進行一次截斷。顯然，截斷后的短序列相比于原有未截斷的長序列的信號屬性必然要發生變化。比如截取高斯白噪聲的一段，其截斷后的序列的均值和方差等統計特性相對于原有白噪聲序列肯定會有變化。這種由于截斷而引起的序列性能下降顯然會導致后續的DSP等硬件設備中數字信號處理性能的下降。

3．DSP硬件結構分析

在當前信息化、數字化進程中，信號作為信息的傳輸和處理對象，逐漸由模擬信號變成數字信號。信息化的基礎是數字化，而數字化的核心技術之一就是數字信號處理。數字信號處理技術已成為人們日益關注的并得到迅速發展的前沿技術。DSP作為一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，憑借其獨特的硬件結構和出色的數字信號處理能力，廣泛應用于通訊、語言識別、圖像處理、自動控制等領域。

3.1 DSP的主要特點及其硬件要求

數字信號處理是指將模擬信號通過采樣進行數字化后的信號進行分析、處理、它側重于理論、算法及軟件實現。數字信號處理算法具有如下一些主要的特點：信號處理算法運算量大，要求速度快；信號處理算法通常需要執行大量的乘累加運算；信號處理算法常具有某些特定模式；信號處理算法大部分處理時間花在執行相對小循環的操作上；信號處理要求專門的接口。

從一開始，DSP的結構就是針對DSP算法模型進行構造的，幾乎所有的DSP都包含有DSP算法的特征。因此，數字信號處理的上述特點要求DSP必須是專門設計的。

3.2多總線，多處理單元結構

DSP芯片采用了哈佛結構，它分別設置程序存儲和數據存儲空間，使用專用的程序總線和地址總線。CPU可以同時訪問程序和數據，大大提高了處理速度。所謂的改進哈佛結構，體現在如下幾點：

1）允許數據存放在程序存儲器中，并可以被算術指令直接使用。但程序和數據不能同時讀取，多數訪問存儲器的指令需要兩個執行周期。

2）將指令存儲在高速緩存中，無須從數據/程序存儲器讀取，可以節約一個指令周期。

3）改進存儲器塊結構，允許在一個周期內同時讀取一條指令和兩個操作數。

使用兩類（程序總線、數據總線）六組總線。包括程序地址總線、程序讀總線、數據寫地址總線、數據讀地址總線、數據寫總線、數據讀總線。配合哈佛機構，大大提高了系統速度。

DSP內部一般都包括多個處理單元，如ALU、乘法器、輔助算術單元等。它們都可在單獨的一個指令周期內執行完計算和操作任務，而且往往同時完成。這種結構特別適合于濾波器的設計，如FIR和IIR。這種多處理單元結構還表現為在將一些特殊的算法作成硬件，如典型的FFT的位翻轉尋址和流水FIR濾波算法的循環尋址等。而且大部分DSP具有零消耗循環控制的專門硬件，使得處理器不用花時間測試循環計數器的值就能執行一組指令的循環，硬件完成循環跳轉和循環計數器的衰減。

3.4 DSP結構改進

過去的DSP結構設計主要是面向計算密集型的應用，而對控制密集型支持得不夠。而現實應用中很多場合需要信號處理和精確控制的有效結合，如數字蜂窩電話，它要有監控和語言音處理的工作?，F代的DSP將采用DSP／MCU的混合結構，在保證計算能力優先的前提下，通過快速的現場切換、多執行部件并行執行等方式，加強控制類操作的處理能力。將MCU核集成到DSP核中，或者從整體上對DSP進行重新設計，使之兼有DSP和MCU的功能。

另外，為解決速度、功耗、可編程之間的矛盾，我們提出了一種新型的計算方式，它結合了現有微處理器和DSP的時間計算方式以及ASIC、FPGA解決方案的空間計算方式。這種可重構DSP處理器的關鍵是它能同時進行時間和空間計算。它由一個計算元件互相連接的二維陣列構成，每個陣列都有各自的邏輯單元和本地寄存器。連接這些計算元件的可編程連線借以對陣列的數據流架構動態重構，從而可根據運行的具體任務而對其進行優化。

參考文獻：

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論文摘要：信號是傳遞信息的媒介，信號處理涉及信息的提取。

隨著集成電路的運算速度更快，集成度更高，就有可能耐復雜目益增加均一些多維數字信號處理。所它在最近才開始出現的一個新領域。盡管如此，多維信號處埋仍然對以下一些間提了解決的辦法，這些問題是：計算機輔動斷層成術(CAT)，即綜合來自不同方向的X射線的投影，以重建人體某一部分的三維圖，源聲納陣列的設計及通過人造衛星地球資源。多維數字信號處理除具有許多引人注目和淺顯易行的應用之外，它還具有堅賣的數學基礎.，這不僅使我們能了解它的實現情況，而且當新問題出現時，也當及時解決。

典型的信號處理任務就是把信息從一種信號傳遞到另一種信號上，例如，可將一張照片加以掃描、抽樣，并將共存儲在計算機的存儲器中，在這種情況下，信息是從可變的銀粒密度轉換戌可見光束，再變成電的波形，最后變戍數字的序列，隨后該數字序列用。磁盤上磁疇的排列來表示CAT掃描器是一個比較復雜，經過處理，最后顯赤射線管(CRT)的熒光屏上或膠片上。數字處理能增加信息，但可以重新排列信息，使觀察者能更方便地理解它.觀察者不必觀看多個不同測面的投影而可直接觀察截面圖。、

人們感興趣的是信號所包含的信息，而不管信號本身是什么形式。也許可以概括地說，信號處理涉及兩個基本任務一一信息的重新排列和信息的壓縮。

數字信號處理涉及到用數的序列表示的信號的處理，而多維數字信號處理則涉罰用多維陣列表示的信號的處理，例如對同時從幾個傳感器所接收的抽樣圖像和抽樣的時間波形的處理。由于信號是因而它可以用數字硬件處理，同時可以將信號處理的運算規定為算法。

促使人們采用數字方法的是不言而喻的。數字方法既有效靈活。我們可以用數字系統使其有自適應性并易于重新組合?？梢院芊奖愕匕褦底炙惴ㄓ梢粋€廠商的設備上轉換到另一個廠商的設備上去，或者把專用數字硬件來實現。同樣，數字算法也可用來處理作為時間函數或空間信號，數字算法自然地和邏輯算符如模式分類相聯系。數字信號能夠長時間無差錯地存儲。對很多種應用而言，數字方法Ⅸ其它方法更為簡單，對另外一些應用，則可能根本不存在其他方法。多維信號處理是不同于一維信號處理，想在多維序列上實現的多運算，例如抽樣、濾波和交換等，用于一維序列，然而，嚴格芯說，我們不得不說多終信號處理與一維信弓有很大差別的。

信號處理與一維信號處理還是有很大差別的，這是由三個因素造成的;(l)二維通常比一維問題包含的數據量大得多;(2)處理多維系統在數些上不如處理一維系統那樣完備；(3)多維信號處理有更多的自由度，這給系統設計音以一維情況中無法比擬的靈活性。雖然所有遞歸數字濾波器都是用差分方程實現的，一維情況下差分方程是全有序的，而在多維情況下差分方程僅是部分有序的，岡而就存在著靈活性，在一維情況小，離散傳里旰變換CDET)可以用快速傅里葉變換CEPT)算法來計算，而在多維情況下，有多且每一個OFT又可用多種AFT算法來計算。在一維情況下，我們可以調整速率。而且也可以調整抽排列。從另一方面來說，多維多項式不能進行因式分解，而一維多項式是可以進行因式分解的。因而在多維情況下，我們不能論及孤立的極，氣、孤立的零點及孤立的根。所以，多維信號處理與一維信號處理有相當大的差別。在20世紀60年代初期，用數字系統來模仿模擬系統的想法，使得一維數字信號處毫的各種方法得到了發展。這樣，仿照模擬系統理論，創立了許多離散系統理論.隨后，當數字系統可以很好地模仿模擬系統時，人們認識到數字系統同時也可以完成更多的功能。由丁這種認識及數字硬件工藝的有力推動，數字信號處理得到了發展，而且現今很多通用的方法，已成為數字方法所特有的，沒有與其等效的模擬方法，在發展多維數字信號處理時，可觀察到同一發展趨向。因為沒有連續時間的(或模擬的)二維系統理論可以仿效，因而最初的二維系統是以一維系統為基礎的，80年代后期，多數二維信號處理都是用可分的二維系統?？煞值亩S系統與用于二維數據的一維系統幾乎沒有差別。隨后，發展了獨特的多維算法，該算法相當于一維算法的邏輯推理。這是一段失敗的時期，由干許多二維應用要求數據量很大，且iT缺少二淮多項式太分解理論，很多一維方法不能很好地推廣到二維上來。我們現在正處于認識的萌芽時代。計算機工業以其部件的小型化和價格日趨低廉而有助于我們解決數據量問題。盡管我們總是受限于數學問題，但仍然認識到，多維系統也給了我們新的自由度。以上這些，使得該領域既富于挑戰性又無窮樂趣，電子信息技術的結合之軟件結臺，傳統產業中可用電產信息技術的地方，仍然可以在生產或很低的條件下使用人力或傳統機械。電予信息技術應到限制，在不同領域和不同水平有各種原因，但爛有一個共大原因是缺乏認識。沒有認識，便沒有應層。

事實上，在一維和二維信號處理理論之間有實質性的差別，而在二維和更高維之間，除了計算上的復雜世方耐差異之外，似乎差別較小。

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關鍵詞：數字信號處理；課程規范化建設；教學實踐

中圖分類號：G420 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）27-0134-02

一、引言

“數字信號處理”課程是測試計量技術及信息工程類的專業基礎平臺課程，同時也是許多相關專業碩士研究生的入學考試或后續課程，在高校理工培養計劃中占有重要的地位。

課程中涉及的基本原理和公式推導較多，需要“高等數學”、“信號與系統”等多門先修課程的學習，內容比較抽象，教學難度相對較大，該課程成為學生普遍反映的“頭疼課”，課題組教師多年來一直在尋找多種切實可行的教學方法及教學手段并開拓提高學生學習興趣的方法，取得了一定的效果，在此基礎上，借深化課程改革以及專業綜合認證的契機，結合自己的教學實踐，提出數字信號處理課程的規范化建設。

二、修訂課程大綱

針對授課專業學生的知識體系和應用需要，進一步修訂與完善課程大綱，重點體現為教學目標的明確化與具體化，課程的教學目標與相關畢業要求有對應關系，指明要使學生能夠具備何種能力。教學過程圍繞如何達到教學目標組織教學，課程的教學內容體現對教學目標的支撐，考核方式要驗證對教學目標的達成。

三、教學模式改革

傳統教學采用多媒體+板書的授課方式，由于課程內容抽象、公式煩瑣，課堂教學具有一定難度，學生在學習過程中比較困難，一些定理、公式往往不能完全理解，加上學時壓縮導致授課速度加快，對一些需要深入討論的知識點不能一一詳盡分析探討。多媒體課件的輔助使用能對理解抽象概念起到一定作用，但由于缺乏自主訓練，被動接受導致學生仍不能深層次的理解內容的本質，效果的改善不是特別明顯。本次教學模式改革宗旨是避免傳統、單一的課堂知識講授，以“讓學生動腦思考、動手訓練，促進知識到能力轉化”為目的，設計以能力培養為主的教學環節。

這一教學改革方向，具體從修訂課程大綱、教學模式改革、課程考核方式改革和規范考核報告等幾個方面制定教學改革建設的方案和措施：

1.針對授課專業學生的知識體系和應用需要，調整教學內容和方向，增加教學實踐環節，完備數字信號處理課程體系，包括完善教學體系、修訂教學大綱、實驗大綱和授課日歷等。

2.針對傳統課程考核試卷成績權重過高，容易造成學生平時不重視、考前突擊的應試局面，提出多元化考核方式，改變以往以卷面考試為主要評測標準的做法，將學生在課程學習全過程中的表現均納入考核范疇，建立注重過程和綜合能力的課程考核機制。

3.規范課程考核報告，在完成傳統成績分析的基礎上，考核報告圍繞對課程目標的達成與畢業能力的達成來量化，并根據達成度結果提出持續改進措施，形成教學過程的閉環結構，不斷改善教學效果和學生的學習效果。

4.深入開展教學方法研究與實踐，撰寫有關教學方法、教學改革等教學理論研究論文。

四、課程考核方式改革

我?！皵底中盘柼幚怼笨倢W時為40，其中理論36學時，實驗4學時。傳統考核方式為結課考試占80%，平時成績20%。由于結課考試權重過高，容易造成學生平時不重視，通過考前突擊應付考試的局面，陷入應試教育的誤區。本次課程考核方式改革的思路是豐富考核形式，建立基于過程的綜合考試方式，注重對知識應用能力、實踐能力、解決問題能力和創新能力的考核。課程考核應全面檢查教學內容完成情況，并且結合課程的教學目標，考查所要達成的畢業能力。圖1給出了課程考核構成示意圖。

1.結課考試。結課考試各考題對應相應的課程目標，包括概念理解、理論計算、工程問題分析與設計，全面考察學生掌握知識情況。

2.項目作業。項目作業是實現理論與實踐相結合的重要環節，以團隊方式實施，原則每組3―4人，學生團隊自我組織和協調關系，通過分工合作、交流討論的方式完成相應任務，每組提交研究報告一份。報告需針對各個問題的提出解決方案，包括查了哪些資料、做了哪些嘗試、嘗試的效果、遇到的問題、問題的解決方法、遺留的問題、遺留問題的原因分析、方法的改進創新等，不限于以上各點。項目作業將以答辯的形式進行驗收，答辯結束后，學生需及r上交項目研究報告和PPT。報告內容的完整度與答辯過程分析問題的深入程度及解決問題方法的正確性、新穎性作為成績評定的依據。

3.實驗考核。根據學生的實驗預習、實驗紀律、實驗動手能力及實驗報告結果，進行綜合評定。

4.平時成績。平時成績包括作業成績和課堂表現和討論課成績。作業成績依據作業的實際得分計算。課堂表現的量化依據是隨堂回答問題和討論課環節學生的參與度、對問題的思辨能力與拓展能力。討論課成績依據學生資料查閱、知識熟練運用及體會、PPT制作等綜合評分。

考核方式的多元化改變了以往以卷面考試為主要評測標準的做法，將學生在課程學習全過程中的表現均納入考核范疇，建立了注重過程和綜合能力的課程考核機制。

五、課程考核報告規范化

此次課程改革的一個重要環節是考核分析報告的規范化，報告由總表和附表兩部分組成?？偙砼c傳統的試卷分析類似，包括課程的基本信息，如開課學期、班級、任課教師等，以及考核各環節的比重和成績分布情況。附表構成如表1。

其中，課程目標和畢業要求由教學大綱給出?？己藞蟾鎳@對課程目標的達成與畢業能力的達成來量化，并根據達成度結果提出持續改進措施，形成教學過程的閉環結構。

六、結語

本文針對“數字信號處理”的課程特點，提出了課程規范化建設方案。從大綱修訂、教學模式與考核方式的改革、考核分析報告的完善等幾個方面闡述了具體實施辦法。通過教改使教師有意識的提高自己的知識水平、道德素養和業務能力，加強教師團隊建設，本次改革已在本專業試用一學期，結果表明，該門課程的規范化建設激發了學生的學習d趣，提高了學生自主學習的能力，改變消極被動的學習習慣，變被動為主動，通過對考核分析報告中達成度的結果進行持續改進，必然會使教學質量得到進一步提高。

參考文獻：

[1]胡廣書.數字信號處理-理論算法與實現[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]謝平，王娜，林洪彬.信號處理原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]劉永紅，王娜.“數字信號處理”課程學習興趣的培養[J].電氣電子教學學報，2014，36（2）：9-11.

篇5

“信號與系統”和“數字信號處理”課程中有關離散信號與系統分析，以及Z變換等部分內容缺乏統一性、完整性和系統性。兩門課程雖然都是對信號和系統進行講解，卻沒有形成有機的整體，在教學過程中經常存在配合不好的現象。而在課程開設時，學校為了課程各自體系的完整，出現授課的重復性和不相關性等問題，對學生系統掌握連續和離散信號與系統的分析人為制造了障礙。兩門課程都具有理論性過強，不易理解，而實際應用較少的特點。厚厚的教材、大量的數學公式及推導過程、眾多需要理解和掌握的知識點，加大了學習的難度，使學生在學習過程中形成畏懼心理，又對后續課程的學習喪失興趣和信心。另外，課程缺乏“新鮮元素”，絕大多數教材沒有介紹信號最新的技術和發展趨勢，教師在授課時也會因為課時問題而忽略這部分信息，以至于使部分學生認為學習“信號與系統”課程和“數字信號處理”課程缺乏實用性，降低了學生學習的興趣和動力。正是課程在設置時存在的這些問題，在某種意義上給教師授課和學生學習帶來一定困難。針對這些問題，論文將結合本院課程體系現狀，分析這兩門課程優化整合的思路。

宿遷學院課程體系現狀

在本院電子信息工程專業，“信號與系統”課程開設在本科第四學期，“數字信號處理”開設在第五學期，經過長達兩個月的假期，學生對很多內容產生遺忘的現狀，這就為“數字信號處理”的學習帶來困難。因此，“數字信號處理”課程的前幾章主要涉及離散信號與系統的時域分析以及Z變換，這部分內容實際在前面課程已經講授過。文獻[5]的作者結合其專業的具體情況，經過3年的對比教學，得出在“數字信號處理”課程的開始前，以8個學時來復習“信號與系統”課程的基本概念和理論是最佳的教學方式的結論。然而，本院電子信息工程專業的教學計劃中，“信號與系統”理論50學時、實驗10學時，“數字信號處理”理論40學時、實驗5學時，這兩門課程的學時較少。由于“信號與系統”課程教學內容多，而課時偏少，在一個學期將本該70課時左右的課程壓縮到50課時，具有很大難度。因此，把離散部分的許多基本內容留給后續課程講解，如離散信號與系統的時域與Z域分析這部分內容主要放置在“數字信號處理”中講解，將有限的課時用于連續信號與系統的分析講解，這更有利于提高課時利用率。另外，結合課程特點，為了促進學生對理論知識的理解和掌握，本院將一定數量的習題課改為學生課后習題，并結合課程考核以督促學生獨立認真完成，通過這種做法，將有限課時用于課程內容講授和師生互動。

課堂教學方式和方法

1.啟發式教學

這兩門課程都具有自身內容抽象，僅憑想象難以理解的特點，教師照本宣科將使學生感到煩躁，喪失學習興趣，在具體教學中運用了以下教學方法：第一，采用“類比”的方法。教師根據“信號與系統”特有的對稱特性，按連續時間信號與系統的分析方法，采用類比方法分析離散時間信號與系統。在傅里葉變換的基本性質和拉氏變換的基本性質等的講解中也采用了該方法；第二，課堂教學盡可能體現“提出問題、分析問題和解決問題”這個過程。在教學中教師通過問題來啟發、引導學生積極思考和分析問題，盡量讓學生在實踐中解決問題，使學生在課程學習過程中逐漸提高學習的興趣和能力。

2.傳統教學與現代電教法的結合

傳統教學主要以教師板書，學生記筆記為主，雖然具有思路詳細、公式定理推導嚴謹的優點，但這種“滿堂灌”的教學方式在增加教師勞動強度的同時，沉悶的課堂氣氛也降低了學生學習的興趣?，F代電教法在授課時雖然能有“聲”有“色”，但是過多的感官刺激也會使學生麻痹，另外，電教法在課堂教學中普遍存在信息容量大的問題，相比傳統教學法，學生需要接收更多信息，如果課后學生未及時復習整理，將會出現課堂熱鬧，下課作業困難，學生考試成績不理想的現象。傳統教學與現代電教法為主的教學模式各有優缺點，在教學中扮演著各自不同的角色，教師取長補短、靈活應用不同的教學方法，才能改善授課效果。因此在教學過程中，筆者根據課程的特征靈活應用多種教學方法，如以電教法為主，傳統教學為輔的教學模式，以提高教師授課效率和學生學習興趣。電教法可以分為“多媒體教學”以及“網絡教學”兩種模式。多媒體教學主要指教師課堂授課使用多媒體輔助教學，這要求備課時準備課件。圖文并茂的視覺演示為抽象概念的講解提供了方便，另外多媒體教學還可以增加較多的應用示例，拓寬學生的知識面，提高學生的學習興趣。但這種教學方式也存在一些缺點，如過多的視覺沖擊會造成學生視覺疲勞。為了彌補傳統教學模式與多媒體教學手段的局限性，本院正在積極建設“信號與系統”網絡課程。課程網站為學生自主學習創造了條件，提供了幫助和指導。教師將課程教學大綱和學習要求、教學課件、習題、模擬試題及實驗教學等資源放置在課程網站上，可以方便學生自學。而網絡課程中的在線交流模塊，方便了教師對學生進行教學指導和答疑，加強了師生之間的交流，提高了學生學習的興趣。當然教師應該引導和督促學生訪問課程網站，積極利用豐富的學習資源。比如將傳統的紙質作業上網，要求學生登錄自己的帳號，完成規定數量的習題并實時由系統打分，在課程考察時將這部分成績納入期末成績。網絡課程可以克服傳統教學對教學時間、教學地點的限制，促進教學質量的提高。

實踐教學

實踐教學可以使學生對信號及信息處理領域有一個全面的認識，因此實踐教學是至關重要的一個教學環節，合理安排實踐教學對課程的學習很重要。本課程的實驗教學可以結合Matlab 軟件應用安排編程練習。目前，這種做法已取得國內、外廣大任課教師的共識。[4]本院這兩門課程實驗主要采用Matlab軟件仿真的方式，主要由驗證性實驗和綜合設計性實驗組成。驗證性實驗是為了培養學生的實驗動手能力和數據處理等其它技能。比如在“信號與系統”的驗證性實驗中，設計了用Matlab軟件實現常見連續和離散信號，通過這個實驗，學生可以初步了解使用Matlab軟件編程實現一些簡單函數的方法，為后繼設計性和驗證性實驗打下基礎。在進行了一定數量的驗證性實驗之后，就可以進行綜合性實驗。綜合設計性實驗要求學生根據實驗要求編寫程序，獲取仿真結果，并對結果進行分析總結，并完成相應思考題。這能夠培養學生分析、解決問題的能力，提高學生設計的能力。

結論

篇6

論文關鍵詞：信號分析與處理,教學改革,應用型,考核方式

近幾年隨著信息科學發展日新月異，對相應的基礎理論教學不斷提出更新的要求，“信號與系統”和“數字信號處理”課程的教學正在受到沖擊。為適應科學技術的發展和當今的教學規律，并結合我校“應用型”人才培養理念，我院采用將“信號與系統”和“數字信號處理”這兩門課程整合為一門課程“信號分析與處理”，并率先在應用電子專業進行試點。本文主要論述我院“信號分析與處理”課程在教學內容、教學手段和考核方式上的改革思路和方案。

1 教學內容的調整

“信號分析與處理”課程內容廣泛、抽象，涉及的數學基礎多。我院?？茖W生由于基礎薄弱，很多內容不管是從概念的理解還是公式計算上都會有一定的難度，而且按照教學大綱要求在規定的60學時內把連續時間信號和系統分析，離散時間信號和系統分析，離散傅里葉變換，快速傅里葉變換，數字濾波器的設計，包括無限沖激響應數字濾波器設計和有限沖激響應數字濾波器設計的內容講述完，是有一定難度的。因此，有必要對教學內容進行調整，內容既不能貪多求全，又不能抽象偏難。

在教學內容改革中，從實用性出發，將理論和應用相結合。首先，改變過去的以系統分析為主體，信號分析服從系統分析需要的格局，建立起信號分析為基礎，系統分析與綜合為信號分析與綜合服務的概念。緊緊抓住信號這條主線，舍棄一些偏理論性且不適用的內容，重點介紹信號分析、處理的基本概念、基本原理和基本分析方法。

其次，“信號分析與處理”課程涉及的分析方法較多，如對連續信號有時域法、傅立葉變換、拉普拉斯變換，對離散信號有時域法、離散傅立葉變換、快速傅立葉變換、z變換，如果每種方法都詳細講述并推導過程，會讓學生陷于紛繁的公式推導中，讓很多學生感覺在上一門數學課，可以想象這樣的教學效果肯定不好，也讓學生感到枯燥乏味。在分析方法教學內容安排上，注重概念的理解和建立，弱化數學公式的推導，簡化求解運算，給學生講解這些知識點可以解決哪些實際的問題，培養學生處理數據的能力，激發學習興趣。比如用經典法求解系統的微分方程，在“高等數學”課程中已花費較多時間學習，在“信號與分析”課程中直接應用，不再推導；離散狀態方程的時域解法對?？瓢嗤瑢W不做要求；把拉普拉斯變換、Z變換作為數學工具介紹，告訴學生如何用這些工具；對傅立葉變換，重點放到對頻譜、振幅譜和相位譜的分析上，讓學生掌握圖譜所包含的信息。

再有，適當增加Matlab軟件應用的內容。“信號分析與處理”是一門理論性和實踐性較強的課程，通過這門課程，不在乎讓學生記住多少個公式、定理，而更在于學生能否借助這個工具去分析處理問題。財務論文因此，增加了MATLAB在信號分析與處理的內容，由于課堂教學學時的限制，這部分內容更多地放在實驗教學中。

2 教學手段的多樣性

2.1 靈活性教學

傳統的教學次序是先講連續時間信號與系統的分析，再講離散時間信號與系統的分析。鑒于兩部分內容之間的相互關系，教學次序上先信號后系統，先連續后離散。什么是信號？什么是連續信號和離散信號？兩者有什么區別和聯系？兩者的分析方法又有什么的異同？系統是為了達到特定目的對信號進行處理、變換的器件、裝置、設備及其組合。為了處理不同的信號，對應系統的分析方法又有什么異同？在教學上把注意力放在它們之間的類同點和不同點上，對分析方法和過程進行類比推導講授，這樣既能幫助學生梳理課程的脈絡結構，又能加深對知識點的理解。

2.2 板書和多媒體教學有機結合

改革傳統的黑板式單一教學模式，在課堂教學過程中按講授內容靈活使用黑板和PowerPoint。“信號分析與處理”課程中包含大量的數學公式和理論推導，如果單純應用板書，公式的推導和圖形繪制會占用大量的時間和精力，可充分利用多媒體的教學優勢，對已知的公式和易懂的內容快速顯示，而重點和難點的地方又可應用板書予以補充，增加知識保留時間，有利于師生交流的融合。借助于多媒體，還可以把課程中難以理解的概念形象化，加深學生的理解。比如卷積積分、卷積和，信號的采樣和恢復等內容的教學，可以借助多媒體把復雜的求解過程，以圖形方式演示出來，中間過程一目了然，這種方式能夠加深他們對于信號的理解和掌握。因此，在課堂教學中，要做好板書書寫和多媒體播放的完美結合，充分發揮兩種教學手段的優勢，增進學生對課程的理解和掌握。

2.3 將Matlab引入課程教學

Matlab 軟件提供了數據采集工具箱、信號處理工具箱以及時頻工具箱等相關命令和函數。用戶不僅可以使用Matlab語言靈活方便地編寫應用程序，也可以通過Simulink軟件包對動態系統進行建模、仿真以及分析。實驗教學中側重于MATLAB在信號分析與處理的應用，在課程教學中則是借助Matlab加深學生對知識點的理解。如連續信號的時域運算，如果按照常規的課堂板書推導計算方法，學生是很難想象信號如何進行運算的。為此我們通過Matlab環境編寫了連續信號的時域運算的演示環節，幫助學生理解信號時域運算的每個環節和步驟。通過Matlab演示，一方面能加深學生對已學概念、原理的理解，另一方面也為信號分析方法的研究、信號處理系統的設計打下基礎。

3 考核方式的改革

考試在一定程度上是學生學習的指揮棒，為避免學生為了考試而學，為了考試而背，臨時抱佛腳的學習態度和學習方法。在新的教學體系、教學內容及教學思想的指導下，對當前的考試方法及考試內容進行了改革?？荚噧热莶辉龠^多地注重公式記憶和單調的公式計算，而是側重在問題的分析方法，強調基本內容、基本概念及知識的綜合應用能力?？己丝傇u成績不再單一是期末的卷面成績，而是由卷面成績、平時成績和實驗成績三個部分組成，并提高實驗比例，占到了總評成績的百分之三十。平時成績包括學生出勤情況、作業情況、答疑情況等，如果有與教學內容相關的，可以適當調高總評成績。

4 結束語

“信號分析與處理”是工科院校中一門非常重要的專業基礎課，為了提高該門課程的教和學的質量，我們從教學內容、教學方法、考核方式等方面對課程進行了改革，實踐證明這些改革是切實有效的，學生對信號分析與處理的應用能力都得到了加強。教學改革是一項艱巨的任務，雖然取得了一定的進步和成績，但在各個環節還需要繼續的探索，還要加強教學研究和與其他學校的交流，努力把它建設成為學生愿意學習并真正能夠應用到實踐中去解決實際問題的課程。

【參考文獻】

[1]趙光宙，齊冬蓮.“信號分析與處理”課程教學改革與思考[J].2007年中國自動化教育學術年會，2007：379-382.

篇7

論文關鍵詞：MATLAB，矩陣，自動化，教學方法

 

引言

MATLAB是MATrixLABorotory(矩陣實驗室)的縮寫。MATLAB語言是一種廣泛應用于工程計算及數值分析領域的新型高級語言，它在數值計算、符號計算、繪圖功能以及圖形化編程等方面有著非常強大的功能。同時MATLAB具有豐富的工具箱，包括符號數學工具箱、SIMULINK仿真工具箱、控制系統工具箱、信號處理工具箱、圖象處理工具箱、通訊工具箱、系統辨識工具箱、神經元網絡工具箱、金融工具箱等數十種，使其在工業研究與開發，數學、電子學、控制理論和物理學、經濟學、化學和生物學等學科的教學與研究中得到廣泛應用。MATLAB功能強大、簡單易學、編程效率高，深受廣大科技工作者的歡迎，自1984年由美國MathWorks公司推向市場以來，歷經二十多年的發展與競爭，現已成為國際公認的最優秀的工程應用開發環境。在歐美各高等院校，MATLAB已經成為線性代數、自動控制理論、數字信號處理、時間序列分析、動態系統仿真、圖像處理等課程的基本教學工具，成為大學生、碩士生、以及博士生必須掌握的基本技能。

目前，國內大學的理工科專業都將MATLAB作為專業基礎課程，那么如何能夠讓學生在本課程的學習中提高興趣，掌握相關知識為后續課程搭建好學習和實驗研究的平臺就成為了本課程教學中的一個重要問題。本文結合作者MATLAB課程多年的教學經驗，對該課程的教學做以下探討。

1、掌握MATLAB語言的特點矩陣，把握細節教學

MATLAB提供了豐富的矩陣運算處理功能，是基于矩陣運算的處理工具，所有的變量都被看作矩陣，例如 C = A + B，A，B，C都是矩陣，是矩陣的加運算，即使一個常數，Y=10，MATLAB也看做是一個1′1的矩陣。對于矩陣的學習，關鍵是掌握矩陣元素的標識并靈活運用。在教學中，我們可以通過下面的矩陣使學生對矩陣的標識進行掌握中國知網論文數據庫。

（1）

掌握矩陣元素的基本標識之后，對于應用和提取矩陣中的元素，通過以下表格并演示運行結果來掌握。

舉例，如對于

A(:, 4)=

表1 矩陣元素尋訪

 

標識

使用說明

A(m, n)

提取第m行，第n列元素

A(:, n)

提取第n列元素

A(m, :)

提取第m行元素

A(m1:m2, n1:n2)

提取第m1行到第m2行和第n1列到第n2列的所有元素

A(m:end, n)

提取從第m行到最末行和第n列的子塊

篇8

系統總結了當前電壓型可逆變流器控制策略的發展概況，并對其詳細分類研究。在比較各種控制方案優缺點的基礎上最終確定了以電流d-q變換結合滑模控制作為本課題的控制策略。

詳細闡述了電壓型可逆變流器的數學模型，包括通用數學模型、d-q變換大信號數學模型、以及d-q變換小信號數學模型。根據d-q變換大信號數學模型建立了系統的電流環。結合d-q變換小信號數學模型設計了電壓環以及電壓環的滑?？刂破?。

確定了電壓空間矢量(SVPWM)作為開關控制策略。詳細闡述了其基本原理?；贛ATLAB對其進行了仿真研究。針對可逆變流器使用常規的PID控制對系統參數變化的較為敏感性，電壓環采用了滑模變結構控制以期得到改善?；贛ATLAB仿真軟件完成了系統的忽略高次諧波、不忽略高次諧波下的SPWM、SVPWM的閉環系統仿真。

針對單片機控制系統的計算速度慢，實時性控制較差，因此本課題采用TI公司的數字信號處理器TMS320F240來控制系統，以期提高計算速度。

根據本課題的控制方案，設計了系統軟件流程，編寫了系統的電流電壓雙閉環程序?；赥MS320F240發出開關頻率fs =900Hz的空間矢量波形。理論上的分析結合實踐過程完成了系統的開環和閉環實驗，驗證了控制方案的可行性。

本課題獲得河北省教委科技基金支持，是國家自然科學基金的后續課題，對解決電網諧波污染，提倡綠色用電有著重大的經濟價值和理論上的指導意義。

關鍵詞　功率因數校正；可逆變流器；滑模變結構控制；空間矢量；數字信號處理器

Abstract

Development survey of control strategy of voltage type reversible converter is summarized systematically. Control strategy is studied in detail. Direct current d-q change and sliding mode controls are regarded as control strategy of this paper on the basis of comparing of advantages and disadvantages varieties of control strategy.

Mathematics mode is set forth detailedly， including; current general mathematics mode; d-q change large signal mathematics model and d-q change small signal mathematics model. The system current loop is established according to d-q change large signal mathematics model. The voltage loop and its SMC are designed according to d-q change small signal mathematics model.

Space vector PWM is regarded as switch control strategy .Its essential principle is set forth detailedly and is simulated based on MATLAB. Voltage loop adopts variable structure control with sliding mode in order to improve with regard to conventional PID control， which is sensitive to system parameter. Close loop system simulation of SPWM and SVPWM is completed with neglecting high harmonics and without neglecting high harmonics based on MATLAB.

Because calculation speed of single chip microprocessor is slow and it realizes timing control poorly， digital signal processor TMS320F240 of TI Company is adopted to improve the calculation speed.

Flowchart of system software is designed according to control strategy of this paper. The double close loop program of current and voltage is complied. SVPWM wave of switch frequency (900Hz) is emitted based on TMS320F240.Open loop experimentation and close experimentation is completed according to theory analysis and practice process， validating feasibility of control strategy.

This paper obtains the sustainment of science and technology fund of committee of education in province HeBei and is the follow-up task of nature science fund of country and has the important value of economy and the guidance significance of theory.

Keywords power factor correction; reversible converter; variable structure control with sliding mode; space vector; digital signal processor

目　錄

摘要……………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………Ⅱ

第1章 緒論…………………………………………………………………1

1.1 功率因數校正技術的發展概況………………………………………1

1.1.1 單個三相PFC電路………………………………………………2

1.1.2 電流斷續狀態下三相單開關變換器……………………………3

1.1.3 電流斷續狀態下的三相升壓變換器……………………………4

1.1.4 電流連續狀態下三相升壓變換器………………………………4

1.1.5 三相降壓整流器…………………………………………………5

1.2 電壓型可逆變流器的開關控制策略…………………………………5

1.3 電壓型可逆變流器的控制方案………………………………………6

1.3.1 間接電流控制……………………………………………………6

1.3.2 直接電流控制……………………………………………………7

1.4 可逆變流器控制策略的新發展………………………………………9

1.4.1 單周控制…………………………………………………………10

1.4.2 占空比控制………………………………………………………10

1.4.3 基于Lyapunov非線性大信號方法控制………………………10

1.4.4 神經網絡和模糊邏輯控制………………………………………10

1.4.5 雙電流控制………………………………………………………11

1.4.6 輸出直流電壓的優化前饋補償控制……………………………11

1.5 本課題工作…………………………………………………………11

第2章 可逆變流器控制方案及數學模型…………………………13

2.1 可逆變流器數學模型概述…………………………………………13

2.2 系統數學模型的建立………………………………………………13

2.2.1 系統通用數學模型的建立………………………………………14

2.2.2 系統d-q數學模型的建立………………………………………16

2.2.3 系統小信號數學模型……………………………………………18

2.3 系統的控制方案……………………………………………………21

2.4 變流器電流環的設計………………………………………………22

2.5 滑模變結構控制理論………………………………………………25

2.5.1 滑模變結構控制的基本問題……………………………………26

2.5.2 滑模變結構控制的基本策略……………………………………26

2.5.3 滑模變結構控制系統的動態品質………………………………27

2.6 滑?？刂破骷半妷涵h的設計………………………………………28

2.6.1 廣義控制對象的確定……………………………………………28

2.6.2 滑?？刂破鞯母倪M………………………………………………32

2.7 本章小結……………………………………………………………36

第3章 系統仿真研究……………………………………………………37

3.1 空間矢量PWM(SVPWM)的基本原理……………………………37

3.2 空間矢量的工作模式和時間的計算………………………………38

3.3 空間矢量調制比及其對系統的影響………………………………42

3.4 空間矢量的MATLAB仿真………………………………………43

3.5 控制系統仿真研究………………………………………………45

3.5.1 不忽略高次諧波下的總系統SPWM仿真……………………49

3.5.2 不忽略高次諧波下的總系統空間矢量仿真……………………50

3.6 本章小結……………………………………………………………52

第4章 基于DSP軟件實現……………………………………………53

4.1 TMS320F240的結構與匯編原理……………………………………53

4.2 TMS320F240的中斷結構……………………………………………54

4.3 TMS320F240的定點運算……………………………………………55

4.4 系統控制的硬件和軟件設計………………………………………56

4.4.1 系統硬件設計……………………………………………………57

4.4.2 系統軟件設計……………………………………………………58

4.5 本章小結……………………………………………………………60

第5章 系統實驗…………………………………………………………61

5.1 開環實驗……………………………………………………………62

5.2 閉環實驗……………………………………………………………64

5.2.1 電流閉環實驗……………………………………………………64

5.2.2 電壓閉環實驗……………………………………………………67

5.3 實驗注意事項………………………………………………………69

5.4 本章小結……………………………………………………………69

結論……………………………………………………………………………71

參考文獻………………………………………………………………………72

攻讀碩士學位期間所發表的論文……………………………………………77

致謝……………………………………………………………………………78

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篇9

論文關鍵詞：檢測儀器,智能,模塊,網絡

一、前言

近年來，電子技術、計算機技術、通信技術和自動化技術的高速發展，對檢測儀器檢測速度、準確度以及檢測功能等整個性能方面提出了更高要求。而這些技術的發展也推動了電子測量技術的快速發展。同時也給測量儀器提供了巨大的市場，大量的新型產品都需要通過儀器的測量才能投放市場，所以這就對儀器的功能及測量能力有一個新的要求，以幫助工程技術人員在生產中適應眾多的工業標準和有效的處理各種問題。除以上技術外，現代監測和傳感技術，顯示技術、數字信號處理技術和系統理論研究，也為檢測過程的數字化、智能化創造了條件?？傮w來看，檢測儀器的發展到目前已經經歷了三個階段：第一代是模擬儀器；第二代是數字式儀器，它是以數字電路進行信息的數字化處理，然后數字顯示，這種儀器比模擬儀器的測量精度要高，響應速度快；第三代儀器是智能化儀器，它內部含有單片機，無論數字采集和處理都是由單片機控制。

二、智能儀器

在智能儀器中，它們結構與計算所相同而能完成儀器的有關功能，是因為智能儀器中利用單片機的算術邏輯處理能力和以軟件取代過去的電子線路和硬件功能，軟件的靈活性使得智能儀器可以用各種軟件和處理方法進行信息的采集、處理和存儲，而無需專用的電子線路，從而大大簡化了智能儀器的控制結構。對于智能儀器而言，其硬件是數據采集技術及輸入輸出技術，包括單片機、接口和輸入輸出設備；而軟件實現數據處理包括采樣、濾波、處理，把輸入信息進行加工后產生所需的輸出信號送到輸出電路去顯示或傳送。

為了提高儀器的精確度，在智能儀器中有的還設置了自動校正、自選量程等功能。例如青島艾諾智能儀器有限公司生產的9601型耐電壓測試儀的輸出電壓，就采用分段軟件補償，消除變壓器、電感等器件的不一致性帶來的細小偏差，使0~5KV全量程電壓相對誤差精度保持在3%以內。部分儀器為了擴展自身功能，在智能儀器中設置了多種物理測量功能，如：量制變換功能、間接結果計算功能、自動控制功能、打印功能、停電保存功能、自診斷和自測試等一些傳統儀器無法實現的功能，所以智能儀器不再是一種功能單一的儀器，而是一臺多功能儀器。

智能儀器和傳統儀器無論在結構上或技術上都有很大區別，現代化的絕大多數測量儀器都基于微處理器化的智能式設計原理，所以智能儀器具有以下特點：

1、檢測與操作的自動化

2、信息傳輸與交換

3、小型化和多功能化

4、提高了檢測結果的可靠性

5、縮短了儀器的設計和研制周期

三、檢測儀器的模塊化

在測試系統中除了至今仍廣泛采用GPIB系統外，近年來出現VXI總線及檢測系統，它是以計算機為中心，配接一些功能模塊而構成的模塊化測試系統。VXI系統具有使用靈敏方便、開放性強、標準化程度高、擴展性好、數據傳輸速度快、體積小、模塊重復使用等優點，便于充分發揮計算機能力。同時VXI總線系統結構還允許不同廠家生產的各種儀器、接口插板或計算所以模塊共存于同一VXI總線主機箱中，所以VXI總線系統具有非常好的開放性和靈活性。

另外，還由于模塊化測試系統具有通用的硬件平臺，如果配以不同的測試模塊，就可以將不同的測試功能有效地組合在一起，縮短了系統的組建時間。模塊化測試系統還有利于測試系統本身的擴展，如果需要，就可以方便地加入一個測試模塊或更換一個測試模塊，而不用重新購買一個完全新的系統，具有極強的靈活性。

四、檢測儀器的網絡化

現代的信息工業是以測量為主的信息采集，以通信為主的信息傳輸和以計算機技術為主的信息分析處理為其主要的基本環節。測量與通信及計算機技術的結合，形成了相互配合，共同提高的態勢。就測量和儀器而言，雖然微處理器的應用已改變了它們的面貌，但傳統測量至今大多仍使用孤立或局部控制的儀器或測試系統，來取得單一的測試數據。面三種技術的結合，能使測量成為信息采集、傳輸和處理閉合環路中不可分割的組成部分。隨著計算機網絡技術、現代通信技術、數據庫技術的高速發展，測試系統與計算機網和通信網的結合正在為一種趨勢。

另外，在現代化工業生產中為了保證產品的100%合格率，就必須在整個生產過程中實時跟蹤每一個環節，并及時反饋測試信息，崗位操作人員根據所獲得的信息資料隨時進行處理，可以說由單件儀器向網絡測試系統的轉變是一種必然的發展趨勢。

五、虛擬儀器

隨著現代計算機技術的高速發展，計算機硬件價格的不斷下降，通用硬件平臺和虛擬儀器也正在成為一種新的趨勢，通用硬件平臺主要包括用于數據采集、信號分析處理和信號輸出顯示等帶有共性的硬件，例如微型計算機、A/D和D/A變換器、顯示器等，有了這些通用硬件平臺，根據不同儀器的具體技術要求，開發出相應的軟件，就可以產生不同的測試功能的輸出多種測試信號。虛擬儀器充分利用了微型計算機強大的軟硬件技術，可以設計出風格不同的人機操作界面，并且易于隨著計算機軟、硬件的升級而升級。虛擬儀器允許用戶在通用硬件平臺上根據自己的需要構造儀器，充分發揮計算機或數字信號處理器的作用，對儀器功能進行變換組合，因而比實物儀器更具有靈活性。

篇10

關鍵詞：電子信息；創新型；人才培養；校企合作

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）02-0087-02

一、背景

電子信息工程專業培養的是電子系統設計、信號處理方面的高級技術人才，結合本人在教學和學生創新實踐培養過程中的經驗，就高校電子信息工程專業大學生創新型人才培養方面提出自己的幾點看法。電子信息工程是一個理論與實際動手能力緊密結合的專業，提高實際動手能力的最好途徑就是參與具體的課題研究。目前存在的普遍問題是：學生大學四年所學的書本知識不少，參與實際項目的開發研究機會較少，動手能力亟待提高。根據《教育部 財政部關于“十二五”期間實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”的意見》的精神，結合我?！笆濉钡陌l展綱要及電子信息工程專業培養方向的要求，探討提高電子信息工程專業大學生動手能力、培養適合社會急需的創新型人才的方法是本課題研究的重點。

二、創新型人才培養目標

創新型人才的培養是一個系統工程，貫穿于學生四年的大學生活。經過四年的理論知識的學習和參加具體項目實際訓練，學生要掌握扎實的專業知識、具有熟練通讀外文技術資料的水平、很強的動手和創新能力，畢業時能設計一個具有行業領先水平的產品，能承擔信號處理方面的科研工作。

三、創新型人才培養的意義

創新型人才培養對促進教學工作、提高教學質量的意義在于以下幾個方面：

1.創新型人才培養模式我們采用擇優錄取，優勝劣汰的原則，形成特定的文化氛圍，以加速學生個體心理的健康成長與精英專業思維的形成。

2.我們對常規課程體系進行改革，除建立在數理基礎上的科學性系列課程以外，還提前側重工程實踐的工程性系列課程的講授時間。依據教育心理學中的目標定向理論與自我效能感理論，通過課內外貫通式創新實驗，形成持續的學習自我效能感，通過貫通式課程，形成階段性的知識融合，以改變學習目標不明確、精力投入不足、學習效果差的問題。

3.通過搭建引導、激勵、環境三方面結合的全方位創新實踐支撐平臺，實施課內外結合的貫通式創新實踐活動，以構建立體化創新實踐教學體系，實現本科全過程創新實踐能力培養。

四、創新型人才培養計劃

根據最新技術發展趨勢、社會需求和創新中心團隊老師的知識結構，經多次討論，多媒體創新中心培養創新型人才的方向分為嵌入式和DSP兩個方面。學生經過四年培訓，在嵌入式或DSP平臺上具有較強的動手、科研能力，能承擔各企業、科研院所在DSP、嵌入式方面的科研工作。創新型人才的培養遵循“分階段、分步驟、適當超前”的原則?！胺蛛A段、分步驟”的方法將大學四年分為基礎訓練階段（大一、大二、大三）和綜合訓練階段（大四）；“適當超前”就是在培養的各個階段，通過講座、自學，將課堂教學的內容提前掌握，盡早進入實際課題的研究工作。針對每個不同的培養階段，制定不同的培養目標。每個階段以學生制作的作品為考核內容。為此，創新中心設計了四組作品，每個作品由中心老師、學生制作完整的技術方案、元器件的選型、技術指標以及考核方法，由學生組成團隊或個人完成。

1.基礎訓練階段。經過大一到大三三年基礎訓練階段的培養，重點掌握扎實的專業理論知識，提高實際動手能力。根據基礎訓練階段的特點，將三年分為三個階段，每個階段制定不同的要求、任務，在課堂學習的基礎上，指導學生自學新的知識，參與一些課題的訓練。（1）大一階段。大一是學生從高中階段到大學階段轉換的關鍵時期，學生的自學及科研的習慣、初步動手能力及興趣的培養是重點。C語言是嵌入式和DSP兩個平臺開發的基礎，是信號處理的基礎。通過課堂教學和強化訓練，使學生熟練掌握C語言。單片機的開發相對嵌入式和DSP兩個平臺入門簡單，從單片機的小產品入手，培養大一學生的動手能力與興趣，學會Proteus、Keil仿真平臺的使用，養成在開發前期使用仿真平臺的習慣。大一的目標：在掌握以上基礎知識的基礎上，大一期間完成會議電子名片或自行車碼表的制作，具有一定的動手能力。（2）大二階段。經過一年的培養，學生具有一定的動手能力，了解了電子信息工程專業的發展方向，明確了電子信息工程專業學習目的。在此基礎上，學習Matlab軟件（重點Simulink在信號處理中的應用），通過課堂學習、內部培訓及視頻教材，熟練掌握信號與系統、濾波器設計、數字信號處理等理論知識。大二的目標：在掌握以上基礎知識的前提下，完成基于51單片機的DTMF信號生成及檢測、語音信號的A/D、D/A系統設計。（3）大三階段。按照學生的選擇，培養方向分為嵌入式及DSP平臺兩個平臺進行專業訓練。嵌入式方向的同學學習Linux操作系統，掌握ARM系列芯片的硬件原理，針對具體應用，掌握3～4個協議棧的使用，學會裁剪操作系統。DSP方向重點以TI公司DSP芯片為開發平臺，熟練掌握CCS軟件的使用和定時器、串口、存儲器的擴展、HPI接口的基本知識。結合數字信號處理、高頻電子線路、通信原理、嵌入式系統的應用、DSP原理及應用的課堂學習及實驗，學生掌握了電子信息工程專業大部分知識，大三的目標：在掌握以上知識的前提下，完成基于嵌入式（ARM）/DSP的DTMF信號生成與檢測、新型電視傳輸系統兩個研究課題。

2.綜合訓練階段。學生經過前三年的訓練，具有較強的動手能力和扎實的基礎知識。大四階段是出成果的關鍵一年，創新中心的領域是多媒體通信的研究，結合中心的研究領域及市場的需求，重點研究語音編解碼、語音識別、語音合成、語音增強方面的課題。根據課題的具體要求，學生可以選擇性地在自適應濾波器、現代信號處理等理論方面進一步學習，以更好地完成綜合訓練階段的訓練。綜合訓練階段的目標根據學生基礎訓練階段所學知識和動手能力的情況，設計了以下課題：強噪聲環境下的通信系統、麥克風陣列語音增強系列產品的開發等，這些課題在ARM、DSP平臺上的實現。

五、創新型人才培養團隊

以上各階段目標的實現需要一個具有很強戰斗力、責任心和愛心的團隊來執行。經過一段時間的運行多媒體通信創新中心通過以下措施來實現以上目標：

1.每周四下午例行的技術講座，主講人以本中心的老師、學生為主，適當的時候請一些專家來進行相關領域的前沿技術講座，擴大老師、學生的知識面。

2.“以老帶新、以點帶面”，部分同學經過較長時間的培養，具有一定的實踐經驗，由他們指導剛進入中心的新生，培養了大家的團隊意識。

3.針對不同階段、不同基礎的學生，中心制訂了電子信息工程專業創新人才培養計劃。講座、自學、課堂學習幾個方面來擴大大家的知識面，不同階段不同的課題培養大家的動手能力和專業技能，通過大四的綜合訓練階段提升大家的全面能力，達到創新人才培養的最終目標。

4.創新中心的運行需要一定的運行費用，需要對市場和技術具有敏銳的洞察力，通過校企合作的方式，將學校的技術優勢與公司的市場優勢有機結合，是一種切實可行的途徑。

六、成果

在指導老師及廣大同學共同努力下，在語音信號處理、圖像信號處理等方面能夠取得一定的成績。產品能應用于市場；在學生中的影響面能借由創新中心的學生帶入各個班級。

1.系列拾音器的開發：正在開發的兩款數字拾音器，原理樣機已經研制完畢。此數字拾音器采用了麥克風陣列、盲源分離、回聲抵消等多種語言增強技術，實際效果比較理想。利用這些技術，還準備研制多媒體教室的話筒，取代目前的模擬話筒。

2.會議電子名片：正在開發會議電子名片，系統通過計算機向會議電子名片系統發送需要顯示的名字等內容，具有較好的市場前景。

3.全網絡樓宇對講系統：正在開發的基于CORTEX M4的全網絡樓宇對講系統中使用了拾音器方面的關鍵技術，單元機及戶內機之間語音、圖像信號的傳輸全部通過網絡實現。目前國內這方面的產品較少，市場前景廣闊。

4.學生中的正面影響：值得一提的是電院大二、理學院大二兩位同學，自進入大學開始，一直在創新中心老師指導下學習，和其他同學相比，他們的動手能力強、知識面寬，專業知識基本上學到了大三下學期的課程。在他們的帶領下，各個班級的電子產品小制作活動廣泛開展起來了。

七、后語

我們通過建設貫通式課程體系、搭建立體化創新實踐平臺，從個性、知識、能力三方面進行針對性培養，引導學生明確目標，不斷獲得克服困難、解決問題的成功體驗，形成目標+持續成就感的正向反饋與良性循環，最終實現創新型人才培養目標。

我們嘗試最大限度拓展學生實踐投入時間、鍛煉學生實踐能力?？蒲袆撔滦Ч黠@，科研項目數及參與人次逐年遞增。學生參與發表科研論文、申請專利。畢業生知識面廣，知識掌握深，動手能力強，綜合能力高，進入社會發展潛力大。

在創新型人才培養過程中，深感責任重大，“沒有教不好的學生”是我們最大的感受，看到同學們一天一天地成長，我們備感欣慰。創新中心通過企業出項目、教師重引導的方式，激發、培養和發揮學生的創新能力，實現產學研互相轉化。這些活動的開展，拓展了老師的視野，提高了學生的動手能力和創新能力，推動了企業產品研發；同時，有利于探討校企合作下的大學生創新人才培養模式，為實現從大學生到工程師快捷培養提供了一條有效途徑。

參考文獻：

[1]王定華.走進美國教育[M].北京：人民教育出版社，2004.