中北大学4测试信号的转换与调理.ppt
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1、中北大学机械工程与自动化学院 2011年3月,1,机械工程测试技术,2,第四章 信号的转换与调理,机械工程测试技术,4.1 信号的数字化 4.2 电桥 4.3 调制与解调 4.4 滤波原理 4.5 数据采集系统简介,第四章 信号的转换与调理,介绍数字化过程中的一些问题及对策。在介绍连续信号离散化原理的基础上,介绍一些常用的信号调理方法,包括电桥、调制与解调、滤波和放大等技术,并且简单介绍了数据采集系统的功能与原理。,3,机械工程测试技术,4.1 信号的数字化,从传感器获取的信号一般是连续变化的模拟信号。 数字信号处理的首要步骤是模拟信号数字化,这一过程通过模/数(A/D)转换过程实现,即把连续
2、信号转变成等间隔的离散时间序列,并对该序列的幅值进行量化,然后送入通用计算机或专用数字信号处理仪中处理。,4,第四章 信号的转换与调理,4.1 信号的数字化 4.1.1概述,把连续时间信号转换为与其相应的数字信号的过程称之为模/数(A/D)转换过程,,5,第四章 信号的转换与调理,4.1 信号的数字化 4.1.1概述,1. 信号预处理 测试工作中记录到的信号常常混有噪声,如果信号的信噪比差,有用的信号可能被“淹没”。因此,在进行信号的分析、估计、识别等处理之前,有必要对它做一些预处理,尽可能的把信号中不感兴趣的部分去掉。常用的信号预处理的方法主要包括: (1) 信号转换 传感器输出信号的形式通
3、常有电阻信号、电容信号、电流信号以及微弱电压信号等几种,在实际中,常常需要将这些信号转换成标准的电压信号。另外,还可以利用微分和积分电路来实现位移、速度、加速度不同量纲信号之间的转换。,6,4.1 信号的数字化 4.1.1概述,1. 信号预处理 (2)电压幅值调理 为便于采样,充分利用A/D转换器的精确度,信号电压峰峰值不能太小,大于60%;也不能太大,小于80%;进入A/D转换器的信号电平必需做适当的调整; 举例: 表:,7,第四章 信号的转换与调理,4.1 信号的数字化 4.1.1概述,1. 信号预处理 (3) 信号放大 信号放大是增强微弱信号幅度和强度的过程。目的在于使信号在传输后,特别
4、是远距离传输后,有足够的信号强度。常用的信号放大器有:隔离放大器、可编程增益放大器、测量反馈放大器等。 (4) 信号滤波 利用滤波技术可以从具有多种频率成分的复杂信号中,将感兴趣的频率成分提取出来,而将不感兴趣的频率成分衰减掉。常用的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。,8,4.1 信号的数字化 4.1.1概述,1. 信号预处理 (5) 去均值 信号的均值相当于一个直流分量,使信号沿纵轴出现整体偏差。在频谱分析时,直流信号会在零频率处出现一个冲激函数,直接影响到它附近的谱线质量。因此,要根据对信号均值的估计值,消除信号中所含均值的成分。 (6) 消除趋势项 在测试信号中,有
5、时会存在一个随时间呈线性、指数、对数等增长的趋势,如果这种增长趋势对后续处理不利,可以采用线性回归法、多项式拟合法等方法进行消除。,9,4.1 信号的数字化 4.1.1概述,2. A/D转换(模数转换) A/D转换器是将模拟信号转变为数字信号的电子元件。 模数转换器最重要的参数是转换精度,通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能准确输出的数字信号位数越多,表示转换器能够分辨输入信号的能力越强,转换器的性能也就越好。 A/D转换包括了在时间上对原信号等间隔采样、幅值上的量化及编码,,10,4.1 信号的数字化 4.1.1概述,3. 数字信号处理 数字信号处理可以在信号分析仪、通用计算机或专
6、用数字信息处理机上进行。由于计算机只能处理有限长数据,所以要把长时间序列截断。截断时,要对长数字序列进行加权,即乘以窗函数,成为新的有限长序列。如有必要还可以设计专门的程序进行数字滤波。然后,对所得有限长序列按给定的程序进行运算。例如,作时域中的概率统计、相关分析、建模和识别,频域中的频谱分析、功率谱分析、传递函数分析等。 4. 输出结果 运算结果可直接显示或打印,也可用数/模转换器再把数字量转换成模拟量输入外部被控装置。,11,4.1.2 时域采样、混叠和采样定理,对连续信号按一定的时间间隔采样后转换为采样信号。以某个最小数量单位 的整数倍来度量采样信号称为量化。 量化后再编码,转换成时间和
7、幅值都离散的数字信号 。,12,图4-3 模拟信号的数字化过程,4.1.2 时域采样、混叠和采样定理,13,4.1.2 时域采样、混叠和采样定理,1. 时域采样原理 根据 函数的筛选特性,采样过程可以看作用等间隔TS的单位脉冲序列g(t)去乘模拟信号x(t)。,14,2. 采样过程的频域分析 根据卷积特性,两个时域信号乘积的频谱为两信号频谱的卷积,时域离散化导致频域周期化。采样频率f s=1/Ts 。,15,3. 混叠效应和采样定理 在采样过程中,采样间隔的选择是一个重要的问题。采样间隔太小,则其数字序列就很长,使计算工作量增大;若采样间隔太大,采样时所丢掉的两采样点之间的信息较多,可能丢失有
8、用的信息。,16,图4-7 不同采样频率对正弦信号采样的结果,3. 混叠效应和采样定理 (1) 频率混迭效应,17,3. 混叠效应和采样定理 (2) 采样定理,18,3. 混叠效应和采样定理 (2) 采样定理,19, 采用抗混滤波器,在采样前用一截止频率为fc的抗混滤波器,先将信号x(t)进行低通滤波,将不感兴趣或不需要的高频成分滤掉,然后再按照采样定理进行进行采样和数据处理。 频谱的频率分辨率与频率成正比,而与采样长度成反比,工程中fc=fs/2,若fs=5000Hz,则fc=2500Hz,若采样点数N=1024,则频率分辨率 f=fs/N=1/TsN=1/T=4.88,4.1.3 量化和量
9、化误差,模拟信号经采样后在时间轴上已离散,但其幅值仍为连续的电压值。将采样信号的电压幅值经过舍入或截尾的方法转变为离散的二进制数码的过程,称为幅值量化,简称量化,量化后的二进制数码只能表达有限个相应的离散电平,称之为量化电平。,20,4.1.3 量化和量化误差,若信号x(t)可能出现的最大值为A, A/D转换器的位数为B,则两个量化电平的间隔为x=A/2B-1 , 称为量化增量或量化步长。 经过舍入或者截尾的方法而变为有限值时,产生最大量化误差为x/2。 下图简谐信号按6,8,18等分的量化曲线。从图中可知等分数越小, x 越大,量化误差越大。,21,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,1. 截断
10、、泄漏和窗函数的概念 用于信号截断的函数称为窗函数,简称为窗。信号的截断就是将无限长的信号乘以有限宽的窗函数。 矩形窗的时域和傅立叶变换表达式,22,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,1. 截断、泄漏和窗函数的概念 用矩形窗函数 将余弦信号 截断的情况,23,用上述矩形窗函数,(图4-13(a))将图4-13(b)所示的余弦信号,截断时,,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,1. 截断、泄漏和窗函数的概念 原来的信号被截断以后,其频谱发生了畸变,原来集中在 f0处的能量被分散到两个较宽的频带中,这种现象称之为频谱能量泄漏。虽然余弦信号是频域限带信号,被截断后也必然成为无限带宽函数,频谱泄漏是不可避免
11、的。 w(t)是一个无限带宽的sinc函数,所以,即使x(t) 是带限信号,在截断后也必然成为无限带宽的信号,这种信号在频率轴分布扩展的现象,称为泄漏;因此,不论采样频率多高,信号截断必然导致一些误差。,24,截断时,,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,2. 几种常见的窗函数 (1) 矩形窗 (2) 三角窗 主瓣宽约等于矩形窗的2倍,旁瓣小,且无负旁瓣。,25,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,2. 几种常见的窗函数 (3) 汉宁(Hanning)窗 和矩形窗相比,汉宁窗的主瓣较宽,是矩形窗的2倍,汉宁窗的旁瓣小得多,因而泄漏也少得多。,26,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,2. 几种常见的窗函数
12、 (4) 海明(Hamming)窗 海明窗比汉宁窗消除旁瓣的效果要好一些,主瓣稍窄,旁瓣衰减较慢。 对于窗函数的基本要求是主瓣窄且高,以提高分辨率;旁瓣应小且正负交替接近相等,以减少泄漏。实际选择窗函数时,应考虑被分析信号的性质与处理要求,如果仅要求精确读出主瓣频率,而不考虑幅值精度,则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗,例如测量物体的自振频率等;如果分析窄带信号,且有较强的干扰噪声,则应选用旁瓣幅度小的窗函数,如汉宁窗、三角窗等。,27,4.1.5 离散信号的频谱分析,连续信号的频谱分析是傅立叶变换; 离散信号的频谱分析是进行离散傅立叶变换。 1. 傅立叶变换在时域和频域中的对称规律,2
13、8,4.1.5 离散信号的频谱分析,1. 傅立叶变换在时域和频域中的对称规律,29,4.1.5 离散信号的频谱分析,2. 离散傅立叶变换 对有限长离散时域与频域信号序列进行傅立叶变换或逆变换,得到同样为有限长离散频域或时域信号序列的方法,称为离散傅立叶变换(DFT)或其逆变换(IDFT)。 设离散信号x(nt) 的频谱为X(kf) ,其一个周期内用x(n)和X(k) 描述。,30,4.1.5 离散信号的频谱分析,2. 离散傅立叶变换,31,4.2 电桥, 电桥是一种测量电路,它将电阻、电感、电容等参量的变化,转换为电压或电流。其输出,既可直接驱动指示仪表,也可送入放大器放大。 桥式测量电路简单
14、,并具有较高精确度和灵敏度。因而,应用广泛。 电桥的分类:,32,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,1. 基本形式 直流输入端也叫供桥电源Ue ; 四个桥臂电阻分别为: R1,R2,R3,R4,mo 输出端电压为 Uo 。,33,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,当电桥输出端接入电阻较大的仪表或放大器时,可视为开路,可以认为输出电流为零。此时, 要使电桥平衡,输出电压为零,须满足 根据电桥平衡条件,如果适当选择各桥臂电阻,可 使输出电压只与被测量引起的电阻变化量有关。,34,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,2
15、. 电桥连接 常见的电桥连接形式,分半桥与全桥连接。,35,第四章 信号的转换与调理,(a)半桥单臂 (b)半桥双臂 (c)全桥,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,36,第四章 信号的转换与调理,单臂电桥 电桥输出与电阻变化、供桥 电源成正比,与R0成反比。,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,37,第四章 信号的转换与调理,双臂半桥,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,38,第四章 信号的转换与调理,全桥,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,电桥的灵敏度:S=Uo/(R/R) S单臂=Ue/4; S半桥= Ue/2; S全桥=Ue; 显然,电桥连接方法不同,输出电压也不同,全桥接法可获得最
16、大输出。 不平衡电桥有以下缺点:当电源电压不稳定时,或者环境温度有变化时,都会引起电桥输出的变化,从而产生误差。平衡电桥可以克服上述缺点。 全桥:和差特性 如果相邻两桥臂电阻同向变化,所产生的输出电压的变化将相互抵消。应用:温度补偿; 如果相邻两桥臂电阻反向变化,所产生的输出电压的变化将相互叠加。应用:差动放大。,39,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥 举例1,悬臂梁测力的电桥连接方法 利用和差特性,当悬臂梁受载时,应变片阻值反向变化,其产生的输出电压相互叠加,电桥输出电压大,电路灵敏度高。,40,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥 举例2,柱形梁测力的电桥连接方法 利用和差特性:沿圆周间隔
17、90o 粘贴4个纵向工作应变片,提高灵敏度;与纵向应变片相间,再贴4个横向应变片,进行温度补偿。,41,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,42,第四章 信号的转换与调理,(a)差动串联平衡 (b)差动并联平衡,平衡电桥 的零位调节,平衡电桥 零位调节,被测量等于零时, 电桥平衡,指示仪表G及可调电位计H均指零; 当某一桥臂随被测量变化时,电桥失去平衡, 调节H,使电桥重新平衡,电表G指针回零; 电位计H上的标度,与桥臂电阻值的变化成比例; 平衡电桥也叫做“零位测量法”,其特点是在读数时电表始终指零。 因为平衡电桥最终的输出为零,所以测量误差取决于电位计的精度,而与电桥电源无关。受环境温度的影
18、响也很小。,43,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,交流电桥:采用交流激励电源的电桥。电桥的四个臂,可以为电感、电容或电阻,统称为阻抗。 如果阻抗、电流及电压都用复数表示,则,关于直流电桥的平衡关系式,在交流电桥中也可适用。即,44,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,45,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,46,第四章 信号的转换与调理,上式表明:交流电桥平衡,必须满足两个条件,即 相对两臂阻抗之模的乘积相等; 它们的阻抗角之和也必须相等。, 电容电桥,47,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,4.2 电桥 4
19、.2.2 交流电桥,要使电桥达到平衡,必须同时调节电阻达到电阻平衡,调节电容达到电容平衡。,48,第四章 信号的转换与调理, 电容电桥,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,电感电桥 两相邻桥臂的电感 与电阻分别为:,49,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,电阻交流电桥的分布电容 即使纯电阻交流电桥,由于导线之间存在分布电容,相当于在各桥臂上并联了一个电容。 为此,除了有电阻平衡外,还需要有电容平衡。,50,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,一种用于动态应变仪的电阻电容电桥。 调整差动可变电容C,可实现分布电容的平衡。,51,第四章 信号的
20、转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,交流电桥的供桥电源 必须具有良好的电压波形与频率稳定度。如果电源电压发生奇变,即包含有高次谐波,对基波而言,电桥达到平衡;而对高次谐波,电桥未必能平衡;输出电压也将包含高次谐波。 采用(510)kHz的音频交流电源,作为供桥电源,电桥输出将成为调制波。 优点:有利于抑制外界工频干扰,后接交流放大电路简单而无零漂。,52,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.3 变压器式电桥,常用于电感比较仪,电桥平衡,输出为零。,53,第四章 信号的转换与调理,4.3 调制与解调,为什么要调制? 一般的被测量,如力、位移、应变等,经传感器检 测变换后,
21、常常是一些缓变的电信号。经过调制后,采 用交流放大,比直接用直流放大,效果好;另外,调制 波抗干扰能力强,也便于传输。 调制解调技术,不仅在一般检测仪表中经常使用 而且也是工程遥测技术的重要内容。 实际上,许多传感器本身的输出信号就是一种调制 信号,因此,调制解调技术在测试领域应用非常广泛。,54,第四章 信号的转换与调理,调制的用途,4.3 调制与解调,调制解调技术中经常使用的术语 调制信号,就是测试信号,也叫原信号,一般为低频缓变信号; 载波信号,也叫工作信号,一般为高频简谐信号; 调制波,就是已调制的信号, 幅值调制时称为调幅波; 频率调制时称为调频波。,55,第四章 信号的转换与调理,
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