TD1250c頻響分析儀PPT.ppt

TD1250技術(shù)交流,天津市中環(huán)電子儀器公司,頻率特性基本概念,如果將控制系統(tǒng)中的各個(gè)變量看成是一些信號(hào)，而這些信號(hào)又是由許多不同頻率的正弦信號(hào)合成的，則各個(gè)變量的運(yùn)動(dòng)就是系統(tǒng)對(duì)各個(gè)不同頻率信號(hào)響應(yīng)的總和。系統(tǒng)對(duì)正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱頻率響應(yīng)。,頻率響應(yīng)曲線,系統(tǒng)的頻率響應(yīng)可以用復(fù)數(shù)形式表示為G(j)，常用的頻率響應(yīng)表示方法是圖形表示法。根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)幅值、相位和頻率之間的不同顯示形式，有伯德（Bode）圖、奈魁斯特（Nyquist）圖和尼柯?tīng)査梗∟ichols）圖。,頻率響應(yīng)分析,時(shí)域分析中的性能指標(biāo)直觀反映控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相應(yīng)的特征，屬于直接性能指標(biāo)，而系統(tǒng)頻率特性函數(shù)的某些特征可以用作間接性能指標(biāo)。 1. 開(kāi)環(huán)頻率特性的性能分析 基于開(kāi)環(huán)頻率特性函數(shù)的性能分析指標(biāo)有如下兩個(gè)：一是相角裕量，反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性；另一個(gè)是截止頻率c，反映系統(tǒng)的快速性。 2. 閉環(huán)頻率特性的性能分析 基于閉環(huán)頻率特性函數(shù)的常用指標(biāo)有兩個(gè)：一是諧振峰值Mr，反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性；另一個(gè)是頻帶寬度或者帶寬頻率B，定義為閉環(huán)幅頻特性幅值M()下降到0.707M(0)時(shí)對(duì)應(yīng)的角頻率，它反映了系統(tǒng)的快速性。,傳輸特性,就是被測(cè)定物傳輸（傳遞、傳導(dǎo)）電氣、熱、振動(dòng)等物理量的條件或狀態(tài)，是為了掌握被測(cè)定物的行為、反應(yīng)、舉動(dòng)等所需要的重要參數(shù)。 因?yàn)闊峄蛘駝?dòng)等物理量處理比較困難，所以通過(guò)變換器或傳感器，將其轉(zhuǎn)換成為比較容易處理的電氣信號(hào)再進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際上，不只是單純的輸出與輸入的比值，響應(yīng)速度和頻率響應(yīng)特性也是重要的參數(shù)。著眼于響應(yīng)速度的傳輸特性，稱作時(shí)間域（或時(shí)域）的傳輸特性；著眼于頻率響應(yīng)特性的傳輸特性，稱作頻率域（或頻域）的傳輸特性。,時(shí)間域的傳輸特性 容易將波形用圖形表示出來(lái)，但是數(shù)值的管理比較困難 使用的測(cè)量?jī)x器：用示波器觀察波形 頻率域的傳輸特性 測(cè)量?jī)x器常常很復(fù)雜，但是可以進(jìn)行面向 數(shù)值管理的精密測(cè)量 使用的測(cè)量?jī)x器： 頻率特性分析儀（FRA） FFT（快速傅里葉變換）分析儀+振蕩器,測(cè)量傳輸特性的難點(diǎn),使用場(chǎng)合不同而有所不同，但對(duì)傳輸特性測(cè)量?jī)x一般有以下要求： 寬闊的頻率范（1mHz1kHz、1Hz50kHz等） 噪聲抑制能力強(qiáng) （會(huì)影響測(cè)量的可重復(fù)性、精度等） 測(cè)量速度快 （提高生產(chǎn)效率） 當(dāng)然，測(cè)量精確度高無(wú)疑是重要的條件。,測(cè)量傳輸特性的儀器,對(duì)于上限頻率不太高的較低頻率下的傳輸特性的測(cè)量，常用的有以下兩種儀器： 有內(nèi)置信號(hào)源的FFT（快速傅里葉變換）分析儀 頻率特性分析儀（Frequency ResponseAnalyzer ) 這兩種儀器都具有測(cè)量用內(nèi)置信號(hào)源。對(duì)于通過(guò)被測(cè)量電路前后（輸入與輸出）的信號(hào)，分別進(jìn)行數(shù)字化計(jì)算（傅里葉變換），然后求出放大倍數(shù)（增益）和相位，由此測(cè)量傳輸特性。,FFT（快速傅里葉變換）方式中所使用的測(cè)量信號(hào)（內(nèi)置信號(hào)源），有脈沖和隨機(jī)噪聲、掃頻標(biāo)記等。其任意一種都含有寬闊的頻率分量（寬頻譜） 用FRA進(jìn)行測(cè)量的信號(hào)源，是頻率確定的正弦波。為了在寬闊的頻率范圍內(nèi)測(cè)量傳輸特性，對(duì)每一次測(cè)量稍稍改變頻率（頻率掃描）、反復(fù)進(jìn)行測(cè)量。,測(cè)量的正確性,FFT方式是用固定的量程來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。這樣，微小的信號(hào)分量就會(huì)埋沒(méi)在噪聲中，增大了測(cè)量誤差。 FRA方式每一次只能測(cè)量一個(gè)頻率分量，所以可在此時(shí)自動(dòng)地設(shè)定最佳的量程。也就是在測(cè)量微弱的信號(hào)時(shí)，通過(guò)提高靈敏度來(lái)進(jìn)行測(cè)量，所以能夠用良好的信噪比（良好的測(cè)量精確度）來(lái)進(jìn)行分析。,頻率分辨率可自由設(shè)定,FFT方式中，所得到的分析結(jié)果是在頻率軸上等間隔的電平數(shù)值。所以，如果將頻率軸取對(duì)數(shù)，那么在低頻部分?jǐn)?shù)據(jù)就會(huì)很稀疏，而在高頻部分又為極端密集。 FRA方式中，能夠設(shè)定任意的測(cè)量頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，所以也可以在對(duì)數(shù)軸上有等間隔的測(cè)量數(shù)據(jù)。,一 何為頻響分析,所謂頻響分析就是用正弦相關(guān)濾波技術(shù)去測(cè)量基波或復(fù)雜的周期信號(hào)指定的諧波的同相分量和正交分量。 同相分量 ：在一個(gè)復(fù)數(shù)平面上的矢量在實(shí)數(shù)軸上的投影分量。 正交分量 ：在一個(gè)復(fù)數(shù)平面上的矢量在虛數(shù)軸上的投影分量。,P,在頻率測(cè)量中，基波的輸入，輸出關(guān)系如下： 系統(tǒng)輸入信號(hào)X(t) = Asint 系統(tǒng)輸出信號(hào)Y(t) =Rsin(t+) 為了測(cè)量頻率響應(yīng)必須測(cè)量R和以得到增益和相移，因此輸出信號(hào)Y(t)可寫(xiě)成： Y(t) = Rcos sint+Rsin cos t =Psint+Qcost 式中： P = Rcos =同相分量（實(shí)部） Q = Rsin =正交分量（虛部） R=sqrt(P2+Q2) =tg-1(Q/P),G,X, x,Y, y,a, b,R ,logX, x,logY, y,logR, ,Ax+jBx,Ay+jBy,Ay+jBy Ax+jBx,H,R=Y/X = y- x,a, b,R ,logR, ,logR, ,A通道,B通道,單點(diǎn)（通道1或通道2）,點(diǎn)點(diǎn)（通道2/通道1）,二 何為相關(guān)濾波,1250輸出一個(gè)Usint信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)系統(tǒng)，響應(yīng)信號(hào)為y(t)，此信號(hào)通過(guò)乘法器分別與正弦和余弦相乘，然后送到積分器進(jìn)行積分，最后顯示同相分量和正交分量。（見(jiàn)圖）,被測(cè)系統(tǒng),乘法器,Sin cos,乘法器,P(W) Q(w),積分器,積分器,Usint,y(t),三 1250核心技術(shù)及數(shù)學(xué)模型,在一般情況下被測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)y(t)不是單一的正弦信號(hào)，含有直流分量R0，諧波分量Rksin(kt+ k)和隨機(jī)噪聲n(t) 由于上述原因所以系統(tǒng)響應(yīng)的輸出信號(hào)的表達(dá)式為： y(t) = R0+Rsin(t + ) + Rksin(kt+k)+n(t) = R0+Psint+Qcoswt + Rksin(kt+k)+n(t) k為諧波次數(shù) 然后進(jìn)行相關(guān)濾波 即 將y(t)與sint相乘再積分，得到同相分量 將y(t)與cost相乘再積分，得到正交分量,對(duì)直流R0的濾波： 1/NTR0sintdt = 0 1/NTR0cost dt = 0 對(duì)基波： 1/NTsint * cost dt = 0 1/NT(Psint +Qcost)Sint dt = Q/2 對(duì)諧波： sinkt * sint dt =0 k1取整數(shù) coskt * sint dt =0 sinkt * cost dt =0 coskt * cost dt =0 對(duì)噪聲： 一般的相關(guān)理論說(shuō)明一個(gè)信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)相關(guān)時(shí)間越長(zhǎng)，平均相關(guān)值則變的越小，即 1/NT n(t) Sint dt = 0 1/NT n(t) cost dt = 0,由此可見(jiàn)相關(guān)濾波過(guò)程抑除了全部直流分量和高次諧波，只要積分時(shí)間足夠長(zhǎng)，噪聲的影響也可忽略不計(jì)，所以有： P = 2/NT Y(t) sint dt Q = 2/NT Y(t) cost dt 將y(t)代入上述兩式，可以看到R0與正弦相乘再經(jīng)整數(shù)倍周期積分后為0，二次以上的諧波與正弦相乘，再經(jīng)整數(shù)倍周期積分后亦為0，噪聲n(t)滿足高斯分布特性，與正弦相乘再經(jīng)整數(shù)倍周期積分后同樣為0。,同理，與余弦相乘再積分也產(chǎn)生類似情況 。 因此，相關(guān)濾波后，抑除了直流分量、各次諧波以及噪聲干擾，這就是1250能抑制各種不需要成分的理論說(shuō)明，也為一系列實(shí)踐所證明。這種優(yōu)點(diǎn)非常重要，保證在測(cè)量過(guò)程中抑除各種干擾，從而保證了測(cè)量精度。,四 1250頻響分析儀的概述,1250頻響分析儀廣泛地應(yīng)用于科研、國(guó)防及工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門(mén)。諸如：航空、材料研究、機(jī)械制造、電學(xué)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及電化學(xué)等。 1250頻響分析儀具有頻率范圍寬、測(cè)量精度高、功能強(qiáng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)。 1250頻響分析儀是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的頻響分析儀器之一，可滿足各個(gè)領(lǐng)域動(dòng)態(tài)特性測(cè)試和分析的要求。,硬件框圖如下： 鍵盤(pán) 顯示 IEEE-488接口 RS232接口 同 步 器 發(fā)生器 調(diào)制解調(diào)器 分析器1 控制運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理 輔助發(fā)生器 分析器2 模擬繪圖儀 分析器N,1250的技術(shù)特點(diǎn)及功能： 雙通道測(cè)試 自動(dòng)掃頻和諧波分析 可編制九個(gè)程序隨意調(diào)用完成全自動(dòng)測(cè)試 保存測(cè)量結(jié)果，斷電后100小時(shí)而不被破壞 具有IEEE488接口及RS232接口與外設(shè)進(jìn)行通 訊 可對(duì)結(jié)果進(jìn)行二次處理 儀器具有閥限值功能 變量控制功能 幅度壓縮功能,五 簡(jiǎn)單的測(cè)量功能及使用,（一）SELFTEST (上電自檢),SELF TEST CHECK TEST INIT RESET TIME,CHECK 完成較為簡(jiǎn)單的自測(cè)試，對(duì)全部的存儲(chǔ)器 進(jìn)行“檢驗(yàn)和”計(jì)算并驗(yàn)證基本電路功能。 TEST 較CHECK更為精確的自測(cè)試，驗(yàn)證全部印 制板的讀和寫(xiě)正確與否及顯示器與鍵盤(pán)的 功能是否正確。 INIT 初始化，清除1250當(dāng)前所有設(shè)置恢復(fù)成默 認(rèn)值。 RESET 復(fù)位，與INIT類似但保留了智能程序。 TIME 時(shí)間設(shè)置。,(二)GENERATOR MENU (信號(hào)發(fā)生器菜單),設(shè)置信號(hào)發(fā)生器參數(shù),GENERATOR MENU FREQ AMPL BIAS WAVEFORM MOD,FREQ 頻率（1E-5Hz65.535KHz） AMPL 幅值，交流電壓有效值（0V10.23V） BIAS 偏壓，直流偏置電壓（0V10.23V） 注：AMPL+BIAS單峰值不得大于15V WAVEFORM 波形（正弦波，方波，三角波） MOD 調(diào)制，配合調(diào)制解調(diào)器使用。,控制信號(hào)發(fā)生器指令 START 啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器 STOP 停止信號(hào)發(fā)生器，發(fā)生器波形 維持在已達(dá)到的電平上。 STOP 使發(fā)生器停止在四個(gè)基本點(diǎn)的任 意一點(diǎn)上 （0，90，270，360）,（三）ANALYSER MENU (分析器菜單),設(shè)置分析器參數(shù),ANALYSER COMMON MENU TIME DELAY HARMONIC ORDER AUTO,TIME 積分時(shí)間，隨著積分時(shí)間的增加，讀 數(shù)中由噪聲造成的均方根誤差趨向于 零。 注：所選積分時(shí)間要在測(cè)量速度和允許最小誤差之間折衷。 DELAY 延遲，在發(fā)生器波形加于被測(cè)系統(tǒng)和 取得讀數(shù)之間插入時(shí)間延遲。 HARMONIC 諧波，可用于分析被測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)到基 頻的任一次諧波，直到16次，只要諧 波頻率不大于65.535KHz。 ORDER 倍乘。 AUTO 自動(dòng)積分,控制分析器指令 SI 單次測(cè)量 RECYCLE 循環(huán)測(cè)量 STOP 分析器停止,（四）SWEEP MENU (掃頻菜單),設(shè)置掃頻范圍和掃頻類型,SWEEP MENU FRMIN FRMAX LOG LIN,FRMIN 寫(xiě)入需要的最小頻率 FRMAX 寫(xiě)入需要的最大頻率 LOG 對(duì)數(shù)掃頻（十倍頻程，倍頻 程，通頻帶，比率） LIN 線性掃頻（每步nHz,通頻帶掃n步）,控制掃頻指令 START/CONTINUE 啟動(dòng)掃頻 HOLD 保持，重新掃頻從停止 點(diǎn)開(kāi)始。 STOP 停止，重新掃頻從頭開(kāi)始。,SWEEP TYPE HARMONIC LOG LOG LIN LIN,（五）DISPLAY MENU (顯示菜單),DISPLAY MENU SOURCE CO-ORDS ERROR,SOURCE 信息源，所要顯示的通道數(shù)或 通道比。 CO-ORDS 顯示方式，笛卡爾坐標(biāo)：a+jb 極坐標(biāo)： r, 對(duì)數(shù)極坐標(biāo)：LOGr, ERROR 控制蜂鳴器開(kāi)關(guān)。,六 復(fù)雜的測(cè)量功能及靈活應(yīng)用,（一）利用程序和文件完成全自動(dòng)測(cè)試 例：從0.1Hz-1000Hz掃頻測(cè)量， 掃頻方式：對(duì)數(shù) 通頻帶300點(diǎn) 設(shè)置1250 *L FR AM IS MI MA GS SO CO OP FS RG SC RE 99*Q,（二）變量控制功能 VARIABLE,使用VARIABLE有兩種基本方法： （1）當(dāng)發(fā)生器運(yùn)行而分析儀停止時(shí)，在這種 情形下，需要改變發(fā)生器參數(shù)，同時(shí)觀察它對(duì)被驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件的影響，一旦用這種方法確定了需要的發(fā)生器設(shè)定值后，就可以用通常啟動(dòng)分析儀的方法，即按SINGLE或RECYCLE,VARIABLE：FREQ=+8.5374Hz DIR SLOW FAST,(2)當(dāng)發(fā)生器和分析儀都運(yùn)行時(shí)，用改變發(fā)生器的方法，觀察它對(duì)顯示窗上讀數(shù)的影響 例：精確濾波器的3dB點(diǎn)或相位滯后90度的頻率點(diǎn),565Hz 2.67dB 18.67deg DIR SLOW FAST,（三）幅度壓縮功能,有時(shí)希望控制測(cè)量電路中間的信號(hào)幅度，而不是在發(fā)生器輸出端。例如，放大器輸入端的幅度可能必須保持在標(biāo)稱值兩邊的精確誤差范圍內(nèi)，以免非線性工作。用1250特有的幅度壓縮技術(shù)，可使發(fā)生器輸出自動(dòng)改變以滿足條件，方法是把一個(gè)分析器通道作為反饋控制回路的一部分，其基本框圖如下：,信號(hào)發(fā)生器,被測(cè)系統(tǒng),測(cè)量通道,數(shù)據(jù)顯示,控制通道,比較器1,比較器2,校正信號(hào),校正信號(hào),監(jiān)控點(diǎn),CH1,CH2,監(jiān)控點(diǎn)規(guī)定電壓及誤差,安全最大電壓值,定輸入幅相頻特性 測(cè)試定輸入幅相頻特性是在被測(cè)系統(tǒng)輸入端，輸入一個(gè)固定幅值，不同頻率的正弦信號(hào)激勵(lì)被測(cè)系統(tǒng)，在被測(cè)系統(tǒng)的輸出端測(cè)量其輸出信號(hào)的基波幅值與相位。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，一個(gè)重要的特征是系統(tǒng)輸入幅值不變，所以被稱為定輸入幅相頻特性。,定輸出幅相頻特性 測(cè)試定輸出幅相頻特性是在被測(cè)系統(tǒng)輸出端，將輸出信號(hào)的基波幅值固定，不隨頻率而變。系統(tǒng)輸入端的輸入幅值是根據(jù)系統(tǒng)在該頻率下的響應(yīng)來(lái)確定。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，一個(gè)重