工程測(cè)試技術(shù)43

1、工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)第四章第四章信號(hào)處理信號(hào)處理本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：了解模擬信號(hào)放大電路原理；了解模擬信號(hào)放大電路原理；了解信號(hào)調(diào)制、解調(diào)原理；了解信號(hào)調(diào)制、解調(diào)原理；了解信號(hào)濾波器工作原理；了解信號(hào)濾波器工作原理；了解信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換原理；了解信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換原理；掌握信號(hào)采樣定理，能正確選擇采樣頻率；掌握信號(hào)采樣定理，能正確選擇采樣頻率；了解數(shù)字信號(hào)處理中信號(hào)截?cái)唷⒛芰啃孤?、了解?shù)字信號(hào)處理中信號(hào)截?cái)唷⒛芰啃孤?、柵欄效?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(hào)處理方法。掌握常用的數(shù)字信號(hào)處理方法。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 2本章目錄本章目錄4.1 概

2、述（2學(xué)時(shí)）4.2 信號(hào)放大4.3 調(diào)制與解調(diào)4.4 信號(hào)的濾波（4學(xué)時(shí)）4.5 數(shù)字信號(hào)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(hào)處理中幾個(gè)基本概念（數(shù)字信號(hào)處理中幾個(gè)基本概念（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）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(hào)的輸出信號(hào)的輸出華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 34.7數(shù)字信號(hào)處理中幾個(gè)基本概念數(shù)字信號(hào)處理中幾個(gè)基本概念數(shù)字信號(hào)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(gè)時(shí)間域和頻率域的關(guān)系。然而，當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工程測(cè)試信號(hào)處理時(shí)，不可能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片斷進(jìn)行分析。離散時(shí)間傅氏變換使我

3、們能夠在頻域（數(shù)字頻域）分析離散時(shí)間信號(hào)的頻譜和離散系統(tǒng)的頻響特性，但至今還存在兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題：1. 數(shù)字頻率=T是一個(gè)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(shí)域?qū)r(shí)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(wú)限長(zhǎng)的，為了分析和處理的方便，必須把無(wú)限長(zhǎng)序列截?cái)嗷蚍侄?，化作有限長(zhǎng)序列來(lái)處理。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 44.7.1DFT與與FFT的基本概念的基本概念 對(duì)于無(wú)限連續(xù)信號(hào)的傅里葉變換共有四種對(duì)于無(wú)限連續(xù)信號(hào)的傅里葉變換共有四種情況情況：l 對(duì)于非周期連續(xù)信號(hào)x(t)，頻譜X(f)是連續(xù)譜； 對(duì)于周期離散的時(shí)間序列，其頻譜也是周期離散的 。 對(duì)

4、于非周期離散信號(hào)，其傅里葉變換是一個(gè)周期性的連續(xù)頻譜； 對(duì)于周期連續(xù)信號(hào)，傅里葉變換轉(zhuǎn)變?yōu)楦道锶~級(jí)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(cè)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(shí)域和頻域都是離散的信號(hào)，且都是周期的，給我們利用計(jì)算機(jī)實(shí)施頻譜分析提供了一種可能性。 對(duì)這種信號(hào)的傅里葉變換，我們只需取其時(shí)域上一個(gè)周期（N個(gè)采樣點(diǎn)）和頻域一個(gè)周期（同樣為N個(gè)采樣點(diǎn)）進(jìn)行分析，便可了解該信號(hào)的全部過(guò)程。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 62.DFT的定義與意義的定義與意義定義：定義：對(duì)

5、有限長(zhǎng)度的離散時(shí)域或頻域信號(hào)序列進(jìn)行傅里葉變換或逆變換，得到同樣為有限長(zhǎng)度的離散頻域或時(shí)域信號(hào)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(duì)任意連續(xù)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行采樣和截?cái)嗖?duì)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(duì)原連續(xù)信號(hào)真正頻譜的估計(jì)。離散傅里葉變換的過(guò)程：離散傅里葉變換的過(guò)程：l時(shí)域采樣；l時(shí)域截?cái)啵籰頻域采樣。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 73.DFT的公式的公式DFT的計(jì)算公式：的計(jì)算公式：式中：x(n)和X(k)分別為 和 的一個(gè)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(cè)試技術(shù) 8根據(jù)離散傅里葉變換的計(jì)算公式：可知N個(gè)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(shí)，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(cè)試技術(shù) 9充分利用因子WN的周期性和對(duì)稱性。l對(duì)稱性： l周期性：避免重復(fù)運(yùn)算，將

7、長(zhǎng)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(lái)的N點(diǎn)DFT的乘法計(jì)算量從N2次降至為N/2log2N次，如N=1024，則計(jì)算量現(xiàn)在為5120次，僅為原計(jì)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(cè)試技術(shù) 104.7.2信號(hào)的截?cái)唷⑿孤┡c窗函數(shù)信號(hào)的截?cái)?、泄漏與窗函數(shù)1.信號(hào)截?cái)嘈盘?hào)截?cái)嘤糜?jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試信號(hào)處理時(shí)，不可能對(duì)無(wú)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試信號(hào)處理時(shí)，不可能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析，這個(gè)過(guò)程稱信號(hào)片

8、段進(jìn)行分析，這個(gè)過(guò)程稱信號(hào)“截?cái)嘟財(cái)唷被颉凹蛹哟按啊薄?在信號(hào)處理中，截?cái)啾豢闯墒怯靡粋€(gè)有限長(zhǎng)的“窗門”看無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)，從分析的角度是無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)x(t)乘以有限長(zhǎng)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(cè)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(hào)，而w(t)是頻寬無(wú)限函數(shù)，截?cái)嗪蟮男盘?hào)也必是頻寬無(wú)限信號(hào)，從而產(chǎn)生所謂的頻譜能量泄漏。將截?cái)嘈盘?hào)譜將截?cái)嘈盘?hào)譜XT()與原始信號(hào)譜與原始信號(hào)譜X()相比較相比較可知，它已不是原來(lái)的兩可知，它已不是原來(lái)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(lái)集中在

9、連續(xù)譜。原來(lái)集中在f0處處的能量被分散到兩個(gè)較寬的能量被分散到兩個(gè)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(cè)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(shí)，由于截?cái)嗪笮盘?hào)帶寬變?yōu)闊o(wú)限寬，因此無(wú)論采樣頻率多高，信號(hào)總是不可避免地出現(xiàn)混疊，故信號(hào)截?cái)啾厝粚?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(lái)替代矩形窗。評(píng)價(jià)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(shí)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(cè)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(shí)域圖華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 144.7.3柵欄效應(yīng)柵欄效應(yīng)經(jīng)過(guò)時(shí)域采樣和截?cái)嗪?，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(shí)域采樣相似，在頻域中用脈沖序列D(k)乘信號(hào)的頻譜函數(shù)。這一過(guò)程在

11、時(shí)域相當(dāng)于將信號(hào)與一周期脈沖序列d(t)做卷積，其結(jié)果是將時(shí)域信號(hào)平移至各脈沖坐標(biāo)位置更新構(gòu)圖，從而相當(dāng)于在時(shí)域中將窗內(nèi)的信號(hào)波形在窗外進(jìn)行周期延拓。所以，頻率離散化，無(wú)疑巳將時(shí)域信號(hào)“改造”成周期信號(hào)。它和原信號(hào)x(t)是不一樣的。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 151.柵欄效應(yīng)的產(chǎn)生柵欄效應(yīng)的產(chǎn)生對(duì)一函數(shù)實(shí)行采樣，實(shí)質(zhì)上就是“摘取”采樣點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的函數(shù)值。其效果有如透過(guò)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(shí)域采樣還是頻域采樣，都有相應(yīng)的柵欄效應(yīng)。只不過(guò)時(shí)域采樣如滿足采樣定理要求，柵欄效應(yīng)不會(huì)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(gè)處理失去意義。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)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(duì)周期信號(hào)作整周期截取是獲取正確頻譜的先決條件。 改變序列長(zhǎng)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(lái)漏掉的某些頻譜分量就有可能被檢測(cè)出來(lái)。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)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(shí)間系統(tǒng)特性對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加工利用離散時(shí)間系統(tǒng)特性對(duì)輸入信號(hào)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(hào)頻率構(gòu)成的目的。從而達(dá)到改變信號(hào)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(kāi)：展開(kāi)：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(cè)試技術(shù) 184.9信號(hào)的輸出信號(hào)的輸出l信號(hào)輸出在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的作用；l信號(hào)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(cè)試技術(shù) 194.9.1概述概述 信號(hào)輸出是測(cè)試與檢測(cè)儀器不可缺少的重要系統(tǒng)構(gòu)

14、成環(huán)節(jié)。 測(cè)試儀器的信號(hào)輸出技術(shù)：將測(cè)試與檢測(cè)結(jié)果（包括中間結(jié)果）以特定形式提供給特定對(duì)象，或?yàn)樘囟▽?duì)象提供特定接口的技術(shù)。 現(xiàn)代測(cè)試儀器的信號(hào)輸出技術(shù)已經(jīng)不再是簡(jiǎn)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(cè)試技術(shù) 20數(shù)字量輸出的優(yōu)點(diǎn)l 驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)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)。現(xiàn)代測(cè)試儀器大多采用數(shù)字信號(hào)輸出。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 214.9.2信號(hào)輸出的形式及分類信號(hào)輸出的形式及分類根據(jù)輸出的物理量分類：l械量信號(hào)輸出、電子量信號(hào)輸出和光電圖視信號(hào)輸出。 根據(jù)信號(hào)

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(hào)的頻率分類：l低頻信號(hào)輸出和高頻信號(hào)輸出。根據(jù)輸出信號(hào)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(dòng)類。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 22對(duì)于大多數(shù)測(cè)試與檢測(cè)儀器來(lái)說(shuō)，最重要也是最常用的信號(hào)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(cè)試技術(shù) 234.9.3顯示和指示類信號(hào)輸出顯示和指示類信號(hào)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(cè)試技

16、術(shù) 241.模擬指示l早期的測(cè)試檢測(cè)儀器的信號(hào)輸出多為模擬輸出，通過(guò)機(jī)械表頭指示。l模擬電信號(hào)輸出常采用安培計(jì)和伏特計(jì)進(jìn)行指示。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 25原理： 當(dāng)電流I通過(guò)線圈時(shí)，線圈在磁場(chǎng)中受到磁力矩的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)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(chǎng)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(dòng)時(shí)，卷緊的游絲給線圈一個(gè)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(shí)，線圈就穩(wěn)定在這個(gè)位置，此時(shí) NBIS=k華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 26從而K是恒量，通常稱為電流計(jì)常量，表示電流計(jì)偏

17、轉(zhuǎn)單位角度時(shí)所需通過(guò)的電流。K值越小，電流計(jì)越靈敏。因此，線圈偏轉(zhuǎn)的角度與通過(guò)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(cè)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(jiǎn)稱 LED (Light Emitting Diode)l 液晶顯示器，簡(jiǎn)稱LCD (Liquid Crystal Display)l 熒光管顯示器(fluorescent tube display)測(cè)試儀器信號(hào)以不同的形式輸出，首先需要用不同的轉(zhuǎn)換電路來(lái)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)譯碼、鎖存、驅(qū)動(dòng)電路，被數(shù)碼顯示器顯示出來(lái)。不同的數(shù)碼顯示器需要不同的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù)

18、 28測(cè)試信號(hào)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(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(jiǎn)單，多用于分辨率要求不高的信號(hào)幅度顯示。華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)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(cè)試技術(shù) 33華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 344位LED動(dòng)態(tài)顯示原理圖華中科技大學(xué)材料學(xué)院工程測(cè)試技術(shù) 35b