信號(hào)采樣系統(tǒng)基本原理(一)

信號(hào)采樣系統(tǒng)基本原理（一）信號(hào)采樣系統(tǒng)（一）測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)成采樣定理時(shí)域分析頻域分析因?yàn)閷I(yè)所以安全

動(dòng)態(tài)圖解傅立葉變換1測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)成

按實(shí)現(xiàn)原理分類：

磁電式振動(dòng)傳感器(941b、891b)

電容式振動(dòng)傳感器

壓電式振動(dòng)傳感器

力平衡式振動(dòng)傳感器…

按被測(cè)綱量分類：

加速度傳感器（電容式）（最適合測(cè)試范圍10~幾百Hz）

速度傳感器（電容式+積分器）（最適合測(cè)試范圍1~50Hz）

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

數(shù)據(jù)采集儀的接收信號(hào)一般是電壓信號(hào)，如果傳感器輸出是電荷信號(hào)，比如壓電式振動(dòng)傳感器，則需要二次儀表進(jìn)行信號(hào)變換，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。也有的需要進(jìn)行對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、變換時(shí)，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(shí)時(shí)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(cè)試分析平臺(tái)軟件采樣定理采樣頻率

SF必須大于信號(hào)頻率fs的2倍，即SF>2fs,通常取2.56倍以上。2采樣定理時(shí)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(dòng)、壓縮、搜索極值、微分、積分、消除趨勢(shì)項(xiàng)；波形編輯：不合理點(diǎn)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(hào)的比較、合成。3時(shí)域分析頻譜(FFT)分析FFT柵欄效應(yīng)時(shí)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?cái)嗾`差FFT自譜的幾種形式FFT補(bǔ)零4頻域分析

傅立葉變換（FFT）

動(dòng)態(tài)圖解傅立葉變換透過(guò)柵欄觀賞風(fēng)景,只能看到頻譜的一部分,而其它頻率點(diǎn)看不見(jiàn),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(yīng)。FFT柵欄效應(yīng)時(shí)間分辨率和頻率分辨率離散頻譜:N點(diǎn)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(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)間間隔

頻率間隔

頻譜混疊當(dāng)采樣頻率不滿足采樣定理，產(chǎn)生混疊現(xiàn)象

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

首先必須滿足采樣定理，對(duì)于不感興趣的較高頻率，可以使用抗混濾波器濾除；若重點(diǎn)為時(shí)域波形，則應(yīng)盡量提高采樣頻率SF，使時(shí)間間隔△t較小，SF≈20～50倍fs之間，可以提高時(shí)域波形的分辨能力，使波形細(xì)膩；若重點(diǎn)為頻譜分析，則應(yīng)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(dāng)實(shí)際信號(hào)的頻率處于f(i)和f(i+1)之間時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生頻率泄漏現(xiàn)象，導(dǎo)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(wú)泄漏。

頻譜泄漏實(shí)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(shí)，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(shí)別精度最高，幅值識(shí)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(cè)量物體的自振頻率等；布萊克曼窗主瓣寬，旁瓣小，頻率識(shí)別精度最低，但幅值識(shí)別精度最高；如果分析窄帶信號(hào)，且有較強(qiáng)的干擾噪聲，則應(yīng)選用旁瓣幅度小的窗函數(shù)，如漢寧窗、三角窗等；對(duì)于隨時(shí)間按指數(shù)衰減的函數(shù)，可采用指數(shù)窗來(lái)提高信噪比。截?cái)嗾`差產(chǎn)生：由于FFT分析僅能對(duì)有限長(zhǎng)度的信號(hào)進(jìn)行分析，信號(hào)兩端相當(dāng)于截?cái)啵鸾財(cái)嗾`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(hào)各諧波分量的單峰幅值。2幅值譜Rms：

此方式反映信號(hào)各諧波分量的有效值幅值。3功率譜：

此方式反映信號(hào)各諧波分量的能量，(Rms)2。4功率譜密度：

此方式反映信號(hào)

各諧波分量的能量分布情況，(Rms)2/△f。

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