工程測試技術(shù)43

1、工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)第四章第四章信號處理信號處理本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：了解模擬信號放大電路原理；了解模擬信號放大電路原理；了解信號調(diào)制、解調(diào)原理；了解信號調(diào)制、解調(diào)原理；了解信號濾波器工作原理；了解信號濾波器工作原理；了解信號模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換原理；了解信號模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換原理；掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率；掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率；了解數(shù)字信號處理中信號截斷、能量泄露、了解數(shù)字信號處理中信號截斷、能量泄露、柵欄效應(yīng)等現(xiàn)象；柵欄效應(yīng)等現(xiàn)象；1. 掌握常用的數(shù)字信號處理方法。掌握常用的數(shù)字信號處理方法。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 2本章目錄本章目錄4.1 概

2、述（2學(xué)時）4.2 信號放大4.3 調(diào)制與解調(diào)4.4 信號的濾波（4學(xué)時）4.5 數(shù)字信號處理概述4.6 模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換4.7數(shù)字信號處理中幾個基本概念（數(shù)字信號處理中幾個基本概念（2學(xué)時）學(xué)時）4.8數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮4.9信號的輸出信號的輸出華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 34.7數(shù)字信號處理中幾個基本概念數(shù)字信號處理中幾個基本概念數(shù)字信號處理的主要數(shù)學(xué)工具是傅里葉變換，應(yīng)注意到，傅里葉變換是研究整個時間域和頻率域的關(guān)系。然而，當(dāng)運(yùn)用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)工程測試信號處理時，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運(yùn)算，而是取其有限的時間片斷進(jìn)行分析。離散時間傅氏變換使我

3、們能夠在頻域（數(shù)字頻域）分析離散時間信號的頻譜和離散系統(tǒng)的頻響特性，但至今還存在兩個實(shí)際問題：1. 數(shù)字頻率=T是一個模擬量，為了便于今后用數(shù)字的方法進(jìn)行分析和處理，僅僅在時域?qū)r間變量t離散化還不夠，還必須在頻域離散化。2. 實(shí)際的序列大多為無限長的，為了分析和處理的方便，必須把無限長序列截斷或分段，化作有限長序列來處理。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 44.7.1DFT與與FFT的基本概念的基本概念 對于無限連續(xù)信號的傅里葉變換共有四種對于無限連續(xù)信號的傅里葉變換共有四種情況情況：l 對于非周期連續(xù)信號x(t)，頻譜X(f)是連續(xù)譜； 對于周期離散的時間序列，其頻譜也是周期離散的 。 對

4、于非周期離散信號，其傅里葉變換是一個周期性的連續(xù)頻譜； 對于周期連續(xù)信號，傅里葉變換轉(zhuǎn)變?yōu)楦道锶~級數(shù)，因而其頻譜是離散的；華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 5結(jié)論： 若x(t)是周期的，頻域中X(f)必然是離散的，反之亦然。 若x(t)是非周期的，則X(f)一定是連續(xù)的，反之亦然。 第四種亦即時域和頻域都是離散的信號，且都是周期的，給我們利用計算機(jī)實(shí)施頻譜分析提供了一種可能性。 對這種信號的傅里葉變換，我們只需取其時域上一個周期（N個采樣點(diǎn)）和頻域一個周期（同樣為N個采樣點(diǎn)）進(jìn)行分析，便可了解該信號的全部過程。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 62.DFT的定義與意義的定義與意義定義：定義：對

5、有限長度的離散時域或頻域信號序列進(jìn)行傅里葉變換或逆變換，得到同樣為有限長度的離散頻域或時域信號序列的方法，便稱為離散傅里葉變換DFT或其逆變換IDFT。意義：意義：可以對任意連續(xù)的時域信號進(jìn)行采樣和截斷并對其作離散傅里葉變換的運(yùn)算，得到離散的頻譜，該頻譜的包絡(luò)即是對原連續(xù)信號真正頻譜的估計。離散傅里葉變換的過程：離散傅里葉變換的過程：l時域采樣；l時域截斷；l頻域采樣。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 73.DFT的公式的公式DFT的計算公式：的計算公式：式中：x(n)和X(k)分別為 和 的一個周期，此處將t和f0均歸一化為1。 nkNNonNonnkNjWnxenxkX112 11211N

6、oKNoKnkNnkNjWkXNekXNnxNjNeW2)( tnx)(0kfX華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 8根據(jù)離散傅里葉變換的計算公式：可知N個點(diǎn)的X(k)需做N2次復(fù)數(shù)乘法和N(N-1)次復(fù)數(shù)加法。而做一次復(fù)數(shù)乘法需要做四次實(shí)數(shù)相乘和兩次實(shí)數(shù)相加，做一次復(fù)數(shù)加法需要做兩次實(shí)數(shù)相加。 例：N=1024時，則需要總共1,048,576次復(fù)數(shù)乘，即4,194,304次實(shí)數(shù)乘法。4.快速傅里葉變換快速傅里葉變換(FFT) NjNNonnkNNonnkNjeWWnxenxkX2112,華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 9充分利用因子WN的周期性和對稱性。l對稱性： l周期性：避免重復(fù)運(yùn)算，將

7、長序列的DFT分割為短序列的DFT的線性組合，從而達(dá)到整體降低運(yùn)算量的目的。效果：效果：使原來的N點(diǎn)DFT的乘法計算量從N2次降至為N/2log2N次，如N=1024，則計算量現(xiàn)在為5120次，僅為原計算量的4.88% 。5.FFT算法的本質(zhì)算法的本質(zhì)nkNNnkNWW2nkNnkNNWW華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 104.7.2信號的截斷、泄漏與窗函數(shù)信號的截斷、泄漏與窗函數(shù)1.信號截斷信號截斷用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運(yùn)算，而是取其有限的時間限長的信號進(jìn)行測量和運(yùn)算，而是取其有限的時間片段進(jìn)行分析，這個過程稱信號片

8、段進(jìn)行分析，這個過程稱信號“截斷截斷”或“加加窗窗”。 在信號處理中，截斷被看成是用一個有限長的“窗門”看無限長的信號，從分析的角度是無限長的信號x(t)乘以有限長的窗函數(shù)w(t)，由傅里葉變換性質(zhì)可知：x(t)w(t)=X(f)*W(f)華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 112.頻譜能量泄漏頻譜能量泄漏如果x(t)是頻寬有限信號，而w(t)是頻寬無限函數(shù)，截斷后的信號也必是頻寬無限信號，從而產(chǎn)生所謂的頻譜能量泄漏。將截斷信號譜將截斷信號譜XT()與原始信號譜與原始信號譜X()相比較相比較可知，它已不是原來的兩可知，它已不是原來的兩條譜線，而是兩段振蕩的條譜線，而是兩段振蕩的連續(xù)譜。原來集中在

9、連續(xù)譜。原來集中在f0處處的能量被分散到兩個較寬的能量被分散到兩個較寬的頻帶中去了，這種現(xiàn)象的頻帶中去了，這種現(xiàn)象稱之為頻譜能量泄漏。稱之為頻譜能量泄漏。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 123.抑制或減小泄漏效應(yīng)的方法抑制或減小泄漏效應(yīng)的方法頻譜泄漏是不可避免的，但要盡量減小。同時，由于截斷后信號帶寬變?yōu)闊o限寬，因此無論采樣頻率多高，信號總是不可避免地出現(xiàn)混疊，故信號截斷必然導(dǎo)致一些誤差。抑制或減小泄漏效應(yīng)的方法是選擇性能更好的特殊窗來替代矩形窗。評價窗函數(shù)的性能指標(biāo)：1. -3dB帶寬B：它是主瓣歸一化的幅值下降至-3dB時的帶寬。帶寬B的單位為或f。 2. 旁瓣幅度A(dB)，表示為最大

10、旁瓣峰值A(chǔ)smax與主瓣峰值A(chǔ)m之比，即20lg(Asmax/Am)。3. 旁瓣峰值衰減率D(dB/decade)，表示為最大旁瓣峰值與相距十倍頻處的旁瓣峰值之比，也是以分貝表示。 2 理想的窗函數(shù)應(yīng)具有最小的理想的窗函數(shù)應(yīng)具有最小的B和和A以及最大的以及最大的D！華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 134.常用窗函數(shù)常用窗函數(shù)常用窗函數(shù)的時域圖華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 144.7.3柵欄效應(yīng)柵欄效應(yīng)經(jīng)過時域采樣和截斷后，其頻譜在頻域是連續(xù)的。如果要用數(shù)字描述頻譜，這就意味著首先必須使頻率離散化，實(shí)行頻域采樣。頻域采樣與時域采樣相似，在頻域中用脈沖序列D(k)乘信號的頻譜函數(shù)。這一過程在

11、時域相當(dāng)于將信號與一周期脈沖序列d(t)做卷積，其結(jié)果是將時域信號平移至各脈沖坐標(biāo)位置更新構(gòu)圖，從而相當(dāng)于在時域中將窗內(nèi)的信號波形在窗外進(jìn)行周期延拓。所以，頻率離散化，無疑巳將時域信號“改造”成周期信號。它和原信號x(t)是不一樣的。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 151.柵欄效應(yīng)的產(chǎn)生柵欄效應(yīng)的產(chǎn)生對一函數(shù)實(shí)行采樣，實(shí)質(zhì)上就是“摘取”采樣點(diǎn)上對應(yīng)的函數(shù)值。其效果有如透過柵欄的縫隙觀看外景一樣，只有落在縫隙前的少數(shù)景象被看到，其余景象都被柵欄擋住，視為零。這種現(xiàn)象被稱為柵欄效應(yīng)。不管是時域采樣還是頻域采樣，都有相應(yīng)的柵欄效應(yīng)。只不過時域采樣如滿足采樣定理要求，柵欄效應(yīng)不會有什么影響。然而頻域

12、采樣的柵欄效應(yīng)則影響頗大，“擋住”或丟失的頻率成分有可能是重要的或具有特征的成分，以致于整個處理失去意義。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 162.減少柵欄效應(yīng)誤差的措施減少柵欄效應(yīng)誤差的措施 對周期信號作整周期截取是獲取正確頻譜的先決條件。 改變序列長度，從而在保持原頻譜形式不變的情況下，使譜線變密，也就使頻域采樣點(diǎn)數(shù)增加，原來漏掉的某些頻譜分量就有可能被檢測出來。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 174.8數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮利用離散時間系統(tǒng)特性對輸入信號進(jìn)行加工利用離散時間系統(tǒng)特性對輸入信號進(jìn)行加工處理，把輸入序列處理，把輸入序列x(n)變換成一定的輸出序列變換成一定的輸

13、出序列y(n)，從而達(dá)到改變信號頻率構(gòu)成的目的。從而達(dá)到改變信號頻率構(gòu)成的目的。 x(n)h(n)y(n)y(n)=x(n)*h(n) 設(shè)數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)序列為設(shè)數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)序列為h0,h1,h2,hm,則則,展開：展開：y(k)=h0 x(k)+h1x(k+1)+h2x(k+2)+ hmx(k+m) k=0,1,.華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 184.9信號的輸出信號的輸出l信號輸出在整個測試系統(tǒng)中的作用；l信號輸出的形式及分類；l不同輸出（顯示及指示）儀器的工作原理及結(jié)構(gòu)。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 194.9.1概述概述 信號輸出是測試與檢測儀器不可缺少的重要系統(tǒng)構(gòu)

14、成環(huán)節(jié)。 測試儀器的信號輸出技術(shù)：將測試與檢測結(jié)果（包括中間結(jié)果）以特定形式提供給特定對象，或為特定對象提供特定接口的技術(shù)。 現(xiàn)代測試儀器的信號輸出技術(shù)已經(jīng)不再是簡單的人機(jī)界面，還應(yīng)該包括儀器與儀器之間、儀器與執(zhí)行器（控制器）之間的接口技術(shù)。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 20數(shù)字量輸出的優(yōu)點(diǎn)l 驅(qū)動簡單；l 顯示直觀；l 抗干擾能力強(qiáng)；l 傳輸距離遠(yuǎn)；l 接口標(biāo)準(zhǔn)化；l 通用性和兼容性強(qiáng)?，F(xiàn)代測試儀器大多采用數(shù)字信號輸出。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 214.9.2信號輸出的形式及分類信號輸出的形式及分類根據(jù)輸出的物理量分類：l械量信號輸出、電子量信號輸出和光電圖視信號輸出。 根據(jù)信號

15、輸出的性質(zhì)分類：l模擬輸出和數(shù)字輸出。 根據(jù)輸出信號的頻率分類：l低頻信號輸出和高頻信號輸出。根據(jù)輸出信號應(yīng)用角度分類：l指示和顯示類、記錄類和通信接口和驅(qū)動類。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 22對于大多數(shù)測試與檢測儀器來說，最重要也是最常用的信號輸出技術(shù)是顯示和指示類輸出技術(shù)以及記錄類輸出技術(shù)，因此是本章介紹的主要內(nèi)容。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 234.9.3顯示和指示類信號輸出顯示和指示類信號輸出一、模擬指示二、數(shù)碼顯示（一）LED數(shù)碼顯示（二）LCD數(shù)碼顯示三、圖形顯示（一）CRT(Cathode-Ray Tube)圖形顯示 （二）LCD圖形顯示華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技

16、術(shù) 241.模擬指示l早期的測試檢測儀器的信號輸出多為模擬輸出，通過機(jī)械表頭指示。l模擬電信號輸出常采用安培計和伏特計進(jìn)行指示。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 25原理： 當(dāng)電流I通過線圈時，線圈在磁場中受到磁力矩的作用而轉(zhuǎn)動。無論線圈轉(zhuǎn)到什么位置，線圈平面的法線方向總是和線圈所在處的磁場方向垂直，因此，線圈所受磁力矩M的大小是不變的，即 M=NBSI 當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動時，卷緊的游絲給線圈一個反方向的扭轉(zhuǎn)力矩M。 M =k 當(dāng)線圈受到的磁力矩和游絲給線圈的扭轉(zhuǎn)力矩相互平衡時，線圈就穩(wěn)定在這個位置，此時 NBIS=k華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 26從而K是恒量，通常稱為電流計常量，表示電流計偏

17、轉(zhuǎn)單位角度時所需通過的電流。K值越小，電流計越靈敏。因此，線圈偏轉(zhuǎn)的角度與通過線圈的電流I成正比。KNBSkI華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 272. 數(shù)碼顯示數(shù)碼顯示常用的顯示器：l 發(fā)光二極管顯示器，簡稱 LED (Light Emitting Diode)l 液晶顯示器，簡稱LCD (Liquid Crystal Display)l 熒光管顯示器(fluorescent tube display)測試儀器信號以不同的形式輸出，首先需要用不同的轉(zhuǎn)換電路來轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過譯碼、鎖存、驅(qū)動電路，被數(shù)碼顯示器顯示出來。不同的數(shù)碼顯示器需要不同的驅(qū)動技術(shù)。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù)

18、 28測試信號輸出與數(shù)碼顯示器的接口原理框圖華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 29a. LED數(shù)碼顯示華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 30LED數(shù)碼顯示器件的分類l 7段（“8”字形）數(shù)碼管l “米”字形數(shù)碼管l 數(shù)碼點(diǎn)陣l 數(shù)碼條柱華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 31各種類型LED的應(yīng)用范圍l “8”字形和“米”字形顯示器最為常用，一般用于顯示09的數(shù)字?jǐn)?shù)碼和簡單英文字母；l 數(shù)碼點(diǎn)陣顯示器不僅可以顯示數(shù)碼，還可以顯示英文字母和漢字，以及其它二值圖形；l 數(shù)碼條柱顯示器比較簡單，多用于分辨率要求不高的信號幅度顯示。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 32LED顯示器結(jié)構(gòu)與工作原理圖華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 33華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 344位LED動態(tài)顯示原理圖華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測試技術(shù) 35b