1、23:211MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING 机械科学与工程学院 机械电子信息工程系 杜润生杜润生 李锡文李锡文 机械工程测试机械工程测试信息信息信号分析信号分析 23:212第十一章 信号分析设备主要内容主要内容q频谱分析仪工作原理频谱分析仪工作原理 傅里叶变换法傅里叶变换法 周期图法周期图法 模拟分析法模拟分析法q模拟式频谱分析仪模拟式频谱分析仪q数字式频谱分析仪数字式频谱分析仪qDSP系统构成及分类系统构成及分类q微型机信号处理系统微型机信号处理系统23:213第十一章 信号分析设备 deRG
2、jxx 2 21limkXNkSnx q信号分析设备种类繁多信号分析设备种类繁多 专项分析：计数器，频谱分析仪、相关分析仪、概率密度专项分析：计数器，频谱分析仪、相关分析仪、概率密度分析仪、传递函数分析仪；分析仪、传递函数分析仪； 综合分析：信号处理机、综合分析：信号处理机、DSP系统；系统； 工作原理和结构：模拟式、数字式、模数混合式。工作原理和结构：模拟式、数字式、模数混合式。q频谱分析仪的工作原理频谱分析仪的工作原理 傅里叶变换法傅里叶变换法 自相关函数的自相关函数的FT P39 周期图法周期图法 直接将数据进行直接将数据进行FT，取其幅度平方，得到信号取其幅度平方，得到信号的功率谱密度
3、。的功率谱密度。 P191 23:214第十一章 信号分析设备 模拟分析法模拟分析法 样本记录样本记录x(t)，通过中心频率为通过中心频率为f，带宽为带宽为Be的滤波器后，的滤波器后，输出为输出为x(t, f, Be)，则：则：q模拟式频谱分析仪模拟式频谱分析仪 顺序滤波法顺序滤波法 并行滤波法并行滤波法 扫描滤波法扫描滤波法 外差法外差法 时间压缩法时间压缩法 dBftxTBBBffGeTeBTeexBxee,1lim,lim02020 输输 入入放大器放大器滤波器滤波器平方平方平均平均除法除法显示器显示器23:215q 数字式频谱分析仪数字式频谱分析仪 数字滤波法数字滤波法 FFT法法第十
4、一章 信号分析设备抗频混抗频混滤波器滤波器采样保持采样保持A/D转换转换显示器显示器控制器控制器输入输入存储器存储器FFT运运算器算器抗频混抗频混滤波器滤波器采样保持采样保持A/D转换转换数数 字字滤波器滤波器检波器检波器放大器放大器主振器主振器显示器显示器控制和控制和时基时基输入输入23:216DSP系统的构成及分类物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号放放大大调调制制电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号计计算算机机显显示示D/A转换转换电信号电信号控制控制物理信号物理信号显示显示记录记录信号预信号预处理处理信号信号采集采集分析分析计算计算x(t)23:217信号预处理：模拟
5、数据调制解调q解调器解调器模拟数据：从远距离传输来的调制信号进行解调。调幅、模拟数据：从远距离传输来的调制信号进行解调。调幅、调频、调相调频、调相数字数据：幅移键控数字数据：幅移键控ASK、频移键控频移键控FSK、相移键控相移键控PSK调幅过程调幅过程23:218)2(41)2(41)(21)()(00ffXffXfXtztxFm调幅-同步解调23:219调频波及其频谱q 调频：调频：x(t) 幅值调制载波的频率。疏密不同的等幅波幅值调制载波的频率。疏密不同的等幅波q 特点：改善了信噪比。噪声影响信号幅值特点：改善了信噪比。噪声影响信号幅值 要求很高的带宽。要求很高的带宽。非线性调制，不能运用
6、叠加非线性调制，不能运用叠加23:2110数字数据编码和调制EncoderEncoderDecoderDecoder数字或数字或模拟模拟数字信号数字信号g(t)g(t)x(t)x(t)g(t)g(t)数字或数字或模拟模拟ModulatorModulatorDemodulatorDemodulator数字或数字或模拟模拟模拟信号模拟信号m(t)m(t)p ps(t)s(t)m(t)m(t)数字或数字或模拟模拟P P调制参数调制参数编码和调制编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制23:2111模拟传
7、输和数字传输模拟模拟CODEC数字数字模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号数字数字数字编码数字编码数字数字数字数据，数字信号数字数据，数字信号1010话音话音模拟传输模拟传输模拟模拟模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数字模拟模拟数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号1010Modem23:2112数字数据三种常用的调制技术q数字数据三种常用的调制技术：数字数据三种常用的调制技术： 幅移键控幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅调幅 频移键控频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频调频 相移键控相移键控PSK(Phase Shift
8、Keying) ，调相调相q基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波载波 S(t) = A cos ( t+ ) S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率频率 、相位、相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化23:2113调幅（幅度调制或幅移键控法ASK） 用载波的两个不同振幅表示用载波的两个不同振幅表示0(00(0v)v)和和1(+51(+5v)v)，即将不同的数据即将不同的数据信息（信息（0 0和和1 1）调制成）调制成不同幅度不同幅度但但相同频率相同频率的载波
9、信号。的载波信号。1111000000数字信息数字信息数据帧数据帧调幅调幅数字数据调制编码-调幅调幅23:2114数字数据调制编码-调频调频调频（频率调制或移频键控法FSK）用载波的两个不同频率表示用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)，将不同的将不同的数据信息（数据信息（0和和1）调制成）调制成幅度幅度相同相同，但，但不同频率不同频率的载波信号。的载波信号。1 11 11 11 10 00 00 00 00 00 0数字信息数字信息数据帧数据帧调频调频23:2115调相（相位调制或移相键控法PSK）利用相邻载波信号的利用相邻载波信号的相位变化相位变化值来表示相邻信号
10、是否具有相同值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值，的数据信息值，0 (同相同相)和和1(反相反相) ，此时的，此时的幅度和频率均不发幅度和频率均不发生变化生变化。1 11 11 11 10 00 00 00 00 00 0数字信息数字信息数据帧数据帧调相调相数字数据调制编码-调相调相23:2116信号预处理-输入放大器q输入放大器输入放大器(或衰减器或衰减器)： 对输入信号的幅值进行处理，使信号幅值与对输入信号的幅值进行处理，使信号幅值与A/D转换器的转换器的动态范围相适应；动态范围相适应；AC/DC选择档。选择档。q抗频混滤波器：抗频混滤波器： 衰减信号中不感兴趣的高频成分，模拟滤波器。
11、衰减信号中不感兴趣的高频成分，模拟滤波器。 最平幅度逼近法最平幅度逼近法：在滤波器的：在滤波器的通带和阻带通带和阻带内具有最平直的内具有最平直的幅频特性，幅频特性，巴特沃兹滤波器巴特沃兹滤波器(幅频特性曲线平坦、相频特性幅频特性曲线平坦、相频特性尚好尚好) 等波纹逼近法等波纹逼近法：由通带到阻带内给定的衰减值所需的过渡：由通带到阻带内给定的衰减值所需的过渡带最小，带最小，切贝雪夫滤波器、贝塞尔滤波器切贝雪夫滤波器、贝塞尔滤波器(幅频特性不理想幅频特性不理想、相频特性好相频特性好) 评价指标：评价指标：滤波器选择性滤波器选择性q隔直电路：隔直电路： 隔离被分析信号中的直流分量、消除趋势项和直流分
12、量的隔离被分析信号中的直流分量、消除趋势项和直流分量的干扰处理。干扰处理。23:2117信号采集q信号采集：模拟信号变为数字信号，核心是信号采集：模拟信号变为数字信号，核心是ADC S/H采保电路采保电路：信号变化率较大，对转换精度有较大影响；：信号变化率较大，对转换精度有较大影响； 时基信号发生器：产生定时间间隔脉冲信号，控制采样；时基信号发生器：产生定时间间隔脉冲信号，控制采样； 触发系统：决定采样的开始点，能捕捉到瞬时脉冲信号；触发系统：决定采样的开始点，能捕捉到瞬时脉冲信号； 控制器：对多通道数据采集进行控制，控制控制器：对多通道数据采集进行控制，控制A/D转换器工转换器工作状态。作状
13、态。q常见常见ADC的类型的类型 逐次逼近式逐次逼近式 积分式积分式 并行比较式并行比较式 计数器式计数器式23:2118转换速度与输入信号的频率q 理想的理想的A/D转换过程转换过程 在转换期间，输入信号幅度的最大变化小于在转换期间，输入信号幅度的最大变化小于1LSB，即即 假设，满量程正弦信号的幅度为假设，满量程正弦信号的幅度为2N/2， 或或2N-1，则则得得q ADC有限的转换速度降低动态信号的采集精度有限的转换速度降低动态信号的采集精度例如，例如， 12位位ADC的转换时间为的转换时间为20s (fsmax50kHz), 其输其输入信号的最高频率约为入信号的最高频率约为4Hz。max
14、1convduLSBdttconvNtf21max fttvN2sin221maxmaxmax222NNduffdt23:2119SHA(采样保持器)原理与结构q 原理原理 电容充电，绝缘保持电容充电，绝缘保持q 结构结构 运放保持电容运放保持电容q 典型器件典型器件 LF198/298/398 AD582/283q 保持电容保持电容 低漏电系数：低漏电系数： 聚四氟乙烯、聚苯乙烯等聚四氟乙烯、聚苯乙烯等23:2120适时使用SHAq校核依据校核依据 或或q采用采用SHAtacqtconv, fmax可以大大提高可以大大提高convNtf21maxmax21ftNconvacqNtf21max
15、23:2121逐次逼近式ADC原理q原理：类似于天平原理：类似于天平称物体称物体DAC+比较器控制器比较器控制器q特点特点速度、分辨率适中速度、分辨率适中q应用应用一般一般DASq实例实例AD574 12位，位，40kHz2/)202021(21rrNsuuu 第一个时钟脉冲时第一个时钟脉冲时23:2122双积分式ADC转换原理q原理原理(V/T)：将输入电压变换成与平均值成正比的时间将输入电压变换成与平均值成正比的时间间隔，利用计数器测量时间间隔，即积分器间隔，利用计数器测量时间间隔，即积分器+定时器定时器23:2123双积分式ADC转换过程q转换过程：转换过程：1)T1阶段阶段 积分阶段积
16、分阶段：输入电压的固定时间积分采样阶段。：输入电压的固定时间积分采样阶段。2)T2阶段阶段 反积分阶段反积分阶段：对参考电压的反积分阶段。：对参考电压的反积分阶段。K2或或K3闭合，输出电压可求出闭合，输出电压可求出 定速放电定时充电11110TuRCdtuRCuittiin 0)(112 TuTuRCiRcpfNT/11 23:2124双积分式ADC转换过程2)T2阶段：对参考电压的反积分阶段。阶段：对参考电压的反积分阶段。K2或或K3闭合闭合a)T2正比于正比于ui，即比较阶段计数器计得的数正比于即比较阶段计数器计得的数正比于uib)转换器的输出与时间常数转换器的输出与时间常数RC无关；无
17、关；c)ui只与只与T2/T1的比值有关。的比值有关。 定速放电定时充电12/TTuuRi 23:2125双积分式ADC3)T3阶段阶段 结束阶段结束阶段： K4和和K5闭合，其余断开，复位与闭合，其余断开，复位与准备阶段准备阶段q特点特点抗干扰强，低速度、高分辨率抗干扰强，低速度、高分辨率q应用应用数字式测量仪表或非高速数字式测量仪表或非高速DAS。q实例实例5G14433 3位半，位半，10Hz23:2126并行比较式ADCq原理原理比较器编码器比较器编码器q特点特点高速高速 低分辨率低分辨率N位，位，2N个电阻串联个电阻串联q应用应用超声、雷达信号超声、雷达信号q实例实例AD90488位
18、，位，35MHz256.21RU256.23RU256.2511RU23:2127几种ADC特性的比较50Hz23:2128ADC的主要参数q分辨率：分辨率：位数位数q转换精度：转换精度：模拟与模拟与数字误差数字误差q转换时间与速度：转换时间与速度：采样定理采样定理q量化误差：量化误差： 1/2LSBq电源抑制比电源抑制比q总体误差总体误差 偏置误差偏置误差 增益误差增益误差 失码失码 单调性单调性23:2129ADC的外部特性q基本引线基本引线 转换启动线转换启动线(I) 转换结束线转换结束线(O) 模拟信号输入线模拟信号输入线 数字信号输出线数字信号输出线q其它特性其它特性 启动方式启动方
19、式 电平电平 脉冲脉冲 输出锁存输出锁存 数字格式数字格式 二进制二进制 BCD23:2130ADC的选择原则q根据总误差，确定根据总误差，确定A/D转换器的精度和分辨率转换器的精度和分辨率q根据系统应用范围、信号的变化率和转换精度，确定根据系统应用范围、信号的变化率和转换精度，确定A/D转换器的转换时间转换器的转换时间q根据计算机接口电路特征，考虑根据计算机接口电路特征，考虑A/D转换器的输出电转换器的输出电路接口，如路接口，如总线、串行口、并行口等总线、串行口、并行口等q根据环境参数根据环境参数q根据成本、资源和芯片的来源选择根据成本、资源和芯片的来源选择23:2131ADC与P的接口方法
20、q接口的功能接口的功能 启动转换启动转换 判断判断“转换结束转换结束” 查询、中断、查询、中断、DMA 读取数据读取数据 选择通道选择通道 控制采控制采/保保n接口的方式n与CPU总线直接连接n通过三态门、锁存器与CPU连接n通过I/O芯片连接n数据传输方式n查询n中断nDMA23:2132ADC接口电路-ADC0801q要求要求 ADC0801DIP 20，8位转换，单位转换，单+5V供电，单模拟通供电，单模拟通道，转换时间道，转换时间100us，片内有三态数据输出锁存器片内有三态数据输出锁存器 查询式或中断式转换结束信号查询式或中断式转换结束信号q分析分析 ADC0801的特性的特性 确定
21、与确定与8031单片机的接口单片机的接口23:2133ADC0801的结构及引脚n逐次逼近式逐次逼近式ADCn逐次逼近式逻辑控制：8位移位寄存器，SAR锁存器n启动逻辑控制电路：启动双稳、D触发器F1和与门G1n转换逻辑控制电路：锁存器F2、中断请求双稳和与门G2n引脚定义：n数字量输出线8条：DB0-DB7n模拟信号输入线2条：VIN(+), VIN(-)n控制线4条：CS, RD, WR, INTRn电源线或其他线5条：CLKIN, CLKR, AGND, DGND, VCC,VREF23:2134ADC0801接口设计23:2135A/D转换过程采样采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系
22、列离利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离 散值，使之成为采样信号散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程的过程 量化量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有把采样信号经过舍入变为只有有限个有 效数字的数，这一过程称为量化效数字的数，这一过程称为量化编码编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。将经过量化的值变为二进制数字的过程。 23:2136A/D转换过程-例23:2137微型机信号处理系统q信号采集信号采集 接口电路接口电路 多路多路A/D 多路共享多路共享A/D 多路开关式多路开关式 控制软件控制软件q信号分析程序设计技巧信号分析程序设计技巧 混合语言编程混合语言编程 充分利用内存充分利用内存 计算技巧计算技巧 光标设计光标设计23:2138第十二章 机械工程信号分析技术信号分析中基本参数的选择信号分析中基本参数的选择q一、采样参数的选择一、采样参数的选择 采样频率采样频率 采样点数采样点数 记录长度记录长度q二、平均计算二、平均计算 线性平均线性平均 指数平均指数平均q三、触发方式选择三、触发方式选择q四、物理量的换算四、物理量的换算
