傳感與測試技術(shù)信號的處理技術(shù)課件

1、第四章 信號的調(diào)理與記錄主要內(nèi)容電橋調(diào)制與解調(diào)濾波器信號的放大測試信號的顯示與記錄 第一節(jié) 電橋定義：用比較法測量物理量的電磁學(xué)基本測量儀器。電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路。分類： 按激勵電壓的不同可分為 直流電橋交流電橋一、直流電橋bacdR1R2R3R4I1I2UeUo直流電橋：激勵電源為直流，而且其電路中流過的電流性質(zhì)都是直流。直流電橋平衡條件（U0=0）bacdR1R2R3R4I1I2UeUo平衡條件：對臂電阻乘積相等。即：R1R3=R2R4直流電橋的輸出特性單臂電橋接法 為了簡化橋路，設(shè)計取abcdR1+RR2R3R4I1I2UeUo直流電橋的

2、輸出特性半橋接法abcdR1+RR2-RR3R4I1I2UeUo直流電橋的輸出特性如果像右圖一樣接橋，輸出的電壓是多少？abcdR1+RR2+RR3R4I1I2UeUo電橋的和差特性若相鄰兩橋臂電阻同相變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將互相抵消；若相鄰兩橋臂電阻反相變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將互相疊加；直流電橋的輸出特性全橋接法abcdR1+RR2-RR3+RR4-RI1I2UeUo直流電橋的輸出特性單臂電橋接法：半橋接法：全橋接法： 全橋接法的靈敏度最高直流電橋的輸出特性直流電橋的輸出特性二、交流電橋交流電橋特點(diǎn)：電橋四臂：R、L、C；電源：交流電壓各阻抗用指數(shù)式表示為： 阻抗角是各橋臂電流與

3、電壓之間的相位差。 純電阻時電流與電壓同相位，=0； 電感性阻抗，0； 電容性阻抗，fm)。解調(diào)同步解調(diào)： 把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“偏移”。若用一個低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜（幅值減小為一半）?！巴健敝附庹{(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率和相位。包絡(luò)檢波（整流檢波）把調(diào)制信號進(jìn)行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號的形狀。把該調(diào)幅波簡單地整流、濾波就可恢復(fù)原調(diào)制信號。相敏檢波相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路。交變信號過零線時符號發(fā)生突變

4、（+、-），與之對應(yīng)的調(diào)幅波相位（與載波比較）也相應(yīng)地發(fā)生180的相位跳變。利用載波信號與調(diào)幅信號比相，便既能反映出原信號的幅值又能反映其極性。頻率調(diào)制及其解調(diào)概念：利用調(diào)制信號控制高頻載波信號頻率變化的過程原理：設(shè)載波y(t)=Acos(0t+0)， 調(diào)頻 (t) = 0+kx(t) x(t)xf(t)tt調(diào)頻方法電路的諧振頻率： 若電容的變化量為C，則泰勒級數(shù)展開并忽略高階項(xiàng)調(diào)頻信號解調(diào)（鑒頻）鑒頻：是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。調(diào)幅與調(diào)頻的比較頻率調(diào)制較之幅度調(diào)制的一個重要的優(yōu)點(diǎn)是改善了信噪比調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜分析調(diào)頻波要比分析調(diào)幅波困難，實(shí)際上，對調(diào)頻波的分析是近

5、似的第三節(jié) 濾波器濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分分類：（根據(jù)濾波器的選頻作用分為） 低通高通帶通帶阻濾波器作用理想濾波器理想濾波器：是指能使通帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。理想濾波器的頻率響應(yīng)為理想濾波器是不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)際濾波器的特征參數(shù)0A實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴(yán)格界限，存在過渡帶。f1)截止頻率fc：0.707A0所對應(yīng)的頻率 2)紋波幅度d：繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動值3)帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q：下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬。中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù) 。 波動幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)遠(yuǎn)小于

6、 -3dB。0ffc1fc2A00.707A0BQ=f0 / Bd實(shí)際濾波電路低通濾波器幅頻特性1 0高通濾波器1濾波器的應(yīng)用機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動規(guī)律鋼管無損探傷濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警調(diào)節(jié)計算機(jī)mp3播放器等軟件中的聲音均衡器，試驗(yàn)其對音樂信號的濾波情況。310Hz3kHz這三段它們包含了大多數(shù)樂器的低頻諧波，如果提升過多會使聲音像電話里的聲音。如把600Hz和1kHz過度提升會使聲音像喇叭的聲音。如把3kHz提升過多會掩蔽說話的識別音，即口齒不清，并使唇音“mbv”難以分辨。如把1kHz和3kHz過分提升會使聲音具有金屬感。由于人

7、耳對這一頻段比較敏感，通常不調(diào)節(jié)這一段，過分提升這一段會使聽覺疲勞。第四節(jié) 信號的放大放大器的特點(diǎn)虛短 u+=u-虛斷 i+=i-=0+-u-u+uo基本放大電路反相放大器Ii=If，U+=U-=0I1IfU+U-+o同相放大器差分放大器oUi2R2U0Ui1RfR1Rf儀器放大器也稱精密放大器，通常用于對傳感器送出的微弱電信號進(jìn)行放大，為此要求儀器放大器要有很高的電壓增益。第五節(jié)測試信號的顯示與記錄目的：測試人員通過顯示儀器觀察各路信號的大小或?qū)崟r波形；及時掌握測試系統(tǒng)的動態(tài)信息，及時采取相應(yīng)的措施-增益調(diào)整、濾波等；記錄信號的重現(xiàn)；對信號進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。信號的顯示指示機(jī)構(gòu)示波器信號的

8、記錄傳統(tǒng)的方法-光線示波器、磁帶記錄等已很少使用目前比較常用的：用數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行信號記錄用計算機(jī)內(nèi)插A/D卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄儀器前段直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄第五章 信號處理初步信號處理的目的分離信、噪，提高SNR；從信號中提取有用的特征信號；修正測試系統(tǒng)的某些誤差，如傳感器的線性誤差、溫度影響等。信號處理系統(tǒng)分類模擬信號處理系統(tǒng)由一系列能實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)算的電路，如模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)組成。通常是數(shù)字信號處理的前奏，例如濾波、限幅、隔直、解調(diào)等預(yù)處理。數(shù)字信號處理系統(tǒng)借助計算機(jī)的軟件程序完成；借助專用數(shù)字處理機(jī)。數(shù)字信號處理的優(yōu)勢用數(shù)學(xué)計算和計算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)計算機(jī)

9、軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動多種多樣的工業(yè)用計算機(jī)。 靈活、方便的計算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)主要內(nèi)容數(shù)字信號處理的基本步驟信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題相關(guān)分析及其應(yīng)用功率譜分析及其應(yīng)用第一節(jié) 數(shù)字信號處理的基本步驟 數(shù)字信號處理主要研究用數(shù)字序列來表示測試信號，并用數(shù)學(xué)公式和運(yùn)算來對這些數(shù)字序列進(jìn)行處理。物理信號對象傳感器電信號預(yù)處理電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號計算機(jī)顯示D/A轉(zhuǎn)換電信號控制物理信號第二節(jié) 信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題數(shù)字信號處理過程把一個連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；然后由計算機(jī)處理，從中提取有用的信息。 信號數(shù)字化過程包含著一系列步驟，每一步驟都可以引起信號和其蘊(yùn)含信息的失真。計算一個模擬信號的頻

10、譜時域或頻域無限長連續(xù)信號時域采樣時域無限長序列 頻域連續(xù)周期信號截斷時域有限長序列 頻域連續(xù)周期信號頻域采樣時域有限長周期性離散序列 頻域有限長周期性離散序列整周期截斷時域有限長序列 頻域有限長序列時域采樣、混疊和采樣定理時域采樣： 把連續(xù)時間信號變成離散時間序列的過程。相當(dāng)于在連續(xù)時間信號上“摘取”許多離散時刻上的信號瞬時值采樣間隔的選擇是一個重要問題。間隔太小（采樣頻率高），數(shù)字序列長，計算工作量大；若采樣間隔過大（采樣頻率低），則可能丟失有用信息。采樣定理x(0), x(1), x(2), , x(n) 采樣定理0t0f0t0ft00f采樣定理為保證采樣后信號能真實(shí)地保留原始模擬信號信

11、息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。注意：滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時的采樣信號能真實(shí)地反映原信號x(t)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。0t0f量化和量化誤差量化：采樣所得的離散信號電壓的幅值，若用二進(jìn)制數(shù)碼組來表示，就使離散信號變成數(shù)字信號。量化實(shí)質(zhì)：從一組有限個離散電平（量化電平）中取出一個來近似代表采樣點(diǎn)的信號實(shí)際幅值電平量化和量化誤差量化單位：A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是一定的。一個n位（字長）的二進(jìn)制數(shù)，共有L=2n個數(shù)碼。如果A/D轉(zhuǎn)換器允許的動態(tài)工作范圍為D，則兩相鄰量化電平之差為： q=D/2(n-1)量化誤差：當(dāng)離散

12、信號采樣值x(n)的電平落在兩個相鄰量化電平之間，就要舍入到相近一個量化電平上，該量化電平與信號實(shí)際電平之間的差值稱為 (n) 。 (n) (-q/2,+q/2)量化誤差(n)將形成疊加在信號采樣值x(t)上的隨機(jī)噪聲，其值通常比其他誤差小，可忽略。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)選擇，視信號的具體情況和量化精度要求而定。截斷、泄漏和窗函數(shù)截斷：將信號乘以時域的有限寬矩形窗函數(shù)。泄漏：窗外的時域信息全部損失了，而導(dǎo)致頻域上增加了頻率分量。頻域采樣、時域周期延拓和柵欄效應(yīng)頻域采樣：信號經(jīng)過時域采樣和截斷后，其頻譜是連續(xù)的。如果要用數(shù)字信號描述頻譜，這就意味著必須使頻率離散化，實(shí)行頻域采樣。時域周期延拓：頻域采

13、樣后的信號在時域中相當(dāng)于將窗內(nèi)的信號波形在窗外進(jìn)行周期延拓，即時域周期延拓。柵欄效應(yīng)柵欄效應(yīng)：對一個函數(shù)進(jìn)行采樣，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，其余均視為零，這種現(xiàn)象稱為柵欄效應(yīng)。擋住的部分可能是重要的或具有特征的成分。頻率分辨力、整周期截斷頻率采樣間隔：是頻率分辨力的指標(biāo)f =fs / N=1/T 這種關(guān)系加重了頻率分辨力和計算工作量的矛盾整周期截斷：對周期信號實(shí)行整周期截斷是獲得準(zhǔn)確頻譜的先決條件。第三節(jié) 相關(guān)分析及其應(yīng)用函數(shù)關(guān)系：兩變量間存在一一對應(yīng)的確定關(guān)系。相關(guān)關(guān)系：隨著某一個變量數(shù)值的確定，另一變量按一定的概率統(tǒng)計取值。 本節(jié)主要內(nèi)容兩隨機(jī)變

14、量的相關(guān)系數(shù)信號的自相關(guān)函數(shù) 信號的互相關(guān)函數(shù) 兩隨機(jī)變量的相關(guān)系數(shù)當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布越接近于一條直線時，相關(guān)系數(shù)的絕對值越接近于1，x和y的線性相關(guān)程度越好。相關(guān)系數(shù)的正負(fù)號表示一變量隨另一變量的增加而增加或減少。相關(guān)系數(shù)越接近于0時，可以認(rèn)為x、y兩變量完全無關(guān)，但可能存在某種非線性的相關(guān)關(guān)系甚至函數(shù)關(guān)系相關(guān)系數(shù)：表示兩個變量之間的相關(guān)程度。信號的自相關(guān)函數(shù)設(shè)x(t)是某各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程的一個樣本記錄， x(t+)是x(t)時移后的樣本，二者具有相同的均值和標(biāo)準(zhǔn)差信號的互相關(guān)函數(shù)兩個各態(tài)歷經(jīng)過程的隨機(jī)信號x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)定義為若兩信號是同頻率的周期信號或包含相同的頻率的周期成分，則

15、互相關(guān)函數(shù)也會出現(xiàn)該周期成分，且不收斂。 當(dāng)運(yùn)動的熱軋鋼帶表面的反射光經(jīng)透鏡聚焦在相距為d的兩個光電池上時，反射光通過光電池轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)可調(diào)延時器延時，再進(jìn)行相關(guān)處理。當(dāng)可調(diào)延時t等于鋼帶上某點(diǎn)在兩個測點(diǎn)之間經(jīng)過所需的時間t時，互相關(guān)函數(shù)為最大值 。信號互相關(guān)的應(yīng)用 完信號的預(yù)處理信號的預(yù)處理把信號變成適于數(shù)字處理的形式電壓幅值調(diào)理，以便采樣； 例如12位A/D，參考電壓5V，212=4096，則末位數(shù)字當(dāng)量電壓為10/212=2.5mV，若信號電平較低，轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制高位為0，轉(zhuǎn)換后的信噪比很差；若信號電平的絕對值超過5V，轉(zhuǎn)換又發(fā)生溢出。必要的濾波，以提高信噪比，并濾去信號中的高頻成分；如原信號經(jīng)過調(diào)制，則應(yīng)先行解調(diào)。A/D 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換采樣利用采樣脈沖序列，從信號中抽取一系列離散值，使之成為采樣信號x(nTs)的過程量化把采樣信號經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化編碼將經(jīng)過量化的值變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過程。 A/D轉(zhuǎn)換器