信號采樣系統(tǒng)基本原理(一)

信號采樣系統(tǒng)基本原理（一）信號采樣系統(tǒng)（一）測量系統(tǒng)的基本構(gòu)成采樣定理時域分析頻域分析因為專業(yè)所以安全

動態(tài)圖解傅立葉變換1測量系統(tǒng)的基本構(gòu)成

按實現(xiàn)原理分類：

磁電式振動傳感器(941b、891b)

電容式振動傳感器

壓電式振動傳感器

力平衡式振動傳感器…

按被測綱量分類：

加速度傳感器（電容式）（最適合測試范圍10~幾百Hz）

速度傳感器（電容式+積分器）（最適合測試范圍1~50Hz）

位移傳感器（電渦流位移傳感器）（最適合測試范圍0.05~10Hz）拾振器（振動傳感器）采集的信號類型:

數(shù)據(jù)采集儀的接收信號一般是電壓信號，如果傳感器輸出是電荷信號，比如壓電式振動傳感器，則需要二次儀表進行信號變換，轉(zhuǎn)換成電壓信號。也有的需要進行對傳感器輸出信號進行濾波、放大、變換時，都需要二次儀表。數(shù)據(jù)傳輸：

以太網(wǎng)USB

RS485

…數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)存數(shù)、后期加工處理、數(shù)據(jù)分析、控制采集儀等。PC測試分析平臺軟件采樣定理采樣頻率

SF必須大于信號頻率fs的2倍，即SF>2fs,通常取2.56倍以上。2采樣定理時域卷積定理頻域卷積定理卷積定理波形分析：大容量數(shù)據(jù)波形的滾動、壓縮、搜索極值、微分、積分、消除趨勢項；波形編輯：不合理點剔除或置零、波形裁剪、基線調(diào)整、去除直流；波形濾波：低通、高統(tǒng)、帶通、帶阻、梳狀濾波多路波形：多路信號的比較、合成。3時域分析頻譜(FFT)分析FFT柵欄效應時間分辨率和頻率分辨率頻譜混疊采樣頻率的選取頻譜泄漏頻譜泄漏的幾種常用校正方法截斷誤差FFT自譜的幾種形式FFT補零4頻域分析

傅立葉變換（FFT）

動態(tài)圖解傅立葉變換透過柵欄觀賞風景,只能看到頻譜的一部分,而其它頻率點看不見,因此很可能使一部分有用的頻率成分被漏掉,此種現(xiàn)象被稱為柵欄效應。FFT柵欄效應時間分辨率和頻率分辨率離散頻譜:N點采樣數(shù)據(jù)x(n)n=1,2,3,…，NFFT頻譜序列f(n)n=1,2,3,…,N/2+1

f(1)0Hz;f(i)(i-1)△fHz;f(i+1)i△fHz;f(N/2+1)SF/2HzSF為采樣頻率，

N為FFT計算的數(shù)據(jù)點數(shù)

矛盾－－若要減小△t則必須增大SF，若要減小△f則必須減小SF

時間間隔

頻率間隔

頻譜混疊當采樣頻率不滿足采樣定理，產(chǎn)生混疊現(xiàn)象

f為實際信號頻率f’為混疊信號頻率例：f=100Hz信號，SF=160Hz采樣，得到的數(shù)字信號為60Hz。重要提示：信號混疊的避免不能通過采樣后的數(shù)字濾波來消除，而必須在AD采樣前使用硬件的抗混濾波器濾除信號中大于SF/2的頻率成分。

首先必須滿足采樣定理，對于不感興趣的較高頻率，可以使用抗混濾波器濾除；若重點為時域波形，則應盡量提高采樣頻率SF，使時間間隔△t較小，SF≈20～50倍fs之間，可以提高時域波形的分辨能力，使波形細膩；若重點為頻譜分析，則應盡量降低采樣頻率SF，使頻率間隔△f較小，SF≈2.56～25.6倍fs之間。采樣頻率的選取頻譜泄漏：當實際信號的頻率處于f(i)和f(i+1)之間時，則會產(chǎn)生頻率泄漏現(xiàn)象，導致誤差。頻率誤差：最大幅值誤差：譜峰的幅值減小，泄漏到附近的譜峰上，最大誤差為36.3%

特殊情形：整周期采樣，無泄漏。

頻譜泄漏實際頻譜頻譜泄漏的幾種常用校正方法

（1）減小△f的方法，2種途徑：減小SF，或者增大N（2）加窗處理，如平頂窗等，僅能校正幅值，不能校正頻率（3）平滑處理，能有效校正最大譜峰處的幅值，不能校正頻率注：頻率在FFT譜上位置不同時，產(chǎn)生泄漏的規(guī)律也不同，從而有矯正在FFT譜上某一位置，精確其幅值、頻率、相位的算法。矩形窗主瓣窄，旁瓣大，頻率識別精度最高，幅值識別精度最低，如果僅要求精確讀出主瓣頻率，而不考慮幅值精度，則可選用矩形窗，例如測量物體的自振頻率等；布萊克曼窗主瓣寬，旁瓣小，頻率識別精度最低，但幅值識別精度最高；如果分析窄帶信號，且有較強的干擾噪聲，則應選用旁瓣幅度小的窗函數(shù)，如漢寧窗、三角窗等；對于隨時間按指數(shù)衰減的函數(shù)，可采用指數(shù)窗來提高信噪比。截斷誤差產(chǎn)生：由于FFT分析僅能對有限長度的信號進行分析，信號兩端相當于截斷，引起截斷誤差形式：在頻譜主峰的兩端出現(xiàn)旁瓣；校正方法：加窗處理

FFT自譜的幾種形式1幅值譜Peak：

此方式反映信號各諧波分量的單峰幅值。2幅值譜Rms：

此方式反映信號各諧波分量的有效值幅值。3功率譜：

此方式反映信號各諧波分量的能量，(Rms)2。4功率譜密度：

此方式反映信號

各諧波分量的能量分布情況，(Rms)2/△f。

FFT補零可以提高FFT的頻率分辨率（不是對原始信號的分辨能力提高），但是補零得到的不