传感与测试技术-信号的调理与记录.ppt

第四章 信号的调理与记录,信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。,1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。,4.传感器输出的是非电信号,信号调理与记录的意义,主要内容,电桥调制与解调滤波器信号的放大测试信号的显示与记录,第一节 电桥,定义：电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。分类：按激励电压的不同可分为 直流电桥交流电桥,直流电桥平衡条件,直流电桥的输出特性,单臂电桥接法 为了简化桥路，设计取,直流电桥的输出特性,半桥接法,直流电桥的输出特性,如果像右图一样接桥，输出的电压是多少？,电桥的和差特性,若相邻两桥臂电阻同相变化，所产生的输出电压的变化将互相抵消；若相邻两桥臂电阻反相变化，所产生的输出电压的变化将互相叠加；,直流电桥的输出特性,全桥接法,单臂电桥接法：半桥接法：全桥接法：全桥接法的灵敏度最高,交流电桥,交流电桥特点：电桥四臂：R、L、C；电源：交流电压各阻抗用指数式表示为：阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯电阻时电流与电压同相位，=0；电感性阻抗，0；电容性阻抗，0。,交流电桥,交流电桥平衡条件：,交流电桥,电容电桥 平衡条件：,交流电桥,电感电桥 平衡条件：,第二节 调制与解调,主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。,调制信号,载波,调制波,定义,调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。最后的输出是已调制波。根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅、调频、调相。解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。,调制：Modulation,调幅(Amplitude modulation-AM）,调频（Frequency modulation-FM),调相（Phase modulation-PM),分类：,调幅及其解调,幅值调制：将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。,调幅信号的实质,从时域上：用x（t）去控制改变y（t）的幅值，使xm（t）的幅值随着x（t）的变化而变化，频率仍与y（t）相同。从频域上：相当于频率的搬迁过程。从低频搬迁到高频。频谱形状保持不变（f0fm)。,解调,同步解调：把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“偏移”。若用一个低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（幅值减小为一半）。“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。,包络检波（整流检波）,把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复原调制信号。,相敏检波,相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。交变信号过零线时符号发生突变（+、-），与之对应的调幅波相位（与载波比较）也相应地发生180的相位跳变。利用载波信号与调幅信号比相，便既能反映出原信号的幅值又能反映其极性。,频率调制及其解调,概念：利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程原理：设载波y(t)=Acos(0t+0)，调频(t)=0+kx(t),x(t),xf(t),t,t,调频方法,电路的谐振频率：若电容的变化量为C，则泰勒级数展开并忽略高阶项,调频信号解调（鉴频）,鉴频：是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。,调幅与调频的比较,频率调制较之幅度调制的一个重要的优点是改善了信噪比调频系统较之调幅系统复杂分析调频波要比分析调幅波困难，实际上，对调频波的分析是近似的,第三节 滤波器,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分分类：（根据滤波器的选频作用分为）,低通,高通,带通,带阻,滤波器作用,理想滤波器,理想滤波器：是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。理想滤波器的频率响应为,理想滤波器是不能实现的,实际滤波器的特征参数,0,A,实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。,f,1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率,2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值,3)带宽B和品质因数Q：下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数。,波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应远小于-3dB。,0,f,Q=f0/B,实际滤波电路,低通滤波器,幅频特性,1,0,高通滤波器,滤波器的应用,机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,调节计算机mp3播放器等软件中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情况。310Hz3kHz这三段它们包含了大多数乐器的低频谐波，如果提升过多会使声音像电话里的声音。如把600Hz和1kHz过度提升会使声音像喇叭的声音。如把3kHz提升过多会掩蔽说话的识别音，即口齿不清，并使唇音“mbv”难以分辨。如把1kHz和3kHz过分提升会使声音具有金属感。由于人耳对这一频段比较敏感，通常不调节这一段，过分提升这一段会使听觉疲劳。,第四节 信号的放大,放大器的特点虚短 u+=u-虚断 i+=i-=0,基本放大电路反相放大器Ii=If，U+=U-=0,同相放大器差分放大器,o,仪器放大器,也称精密放大器，通常用于对传感器送出的微弱电信号进行放大，为此要求仪器放大器要有很高的电压增益。,第五节测试信号的显示与记录,目的：测试人员通过显示仪器观察各路信号的大小或实时波形；及时掌握测试系统的动态信息，及时采取相应的措施-增益调整、滤波等；记录信号的重现；对信号进行后续的分析和处理。,信号的显示,指示机构,信号的记录,传统的方法-光线示波器、磁带记录等已很少使用目前比较常用的：用数据采集仪器进行信号记录用计算机内插A/D卡进行数据采集与记录仪器前段直接实现数据采集与记录,第五章 信号处理初步,信号处理的目的分离信、噪，提高SNR；从信号中提取有用的特征信号；修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、温度影响等。,信号处理系统分类,模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路，如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。通常是数字信号处理的前奏，例如滤波、限幅、隔直、解调等预处理。数字信号处理系统借助计算机的软件程序完成；借助专用数字处理机。,数字信号处理的优势,用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构计算机软硬件技术发展的有力推动多种多样的工业用计算机。灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统,主要内容,数字信号处理的基本步骤信号数字化出现的问题相关分析及其应用功率谱分析及其应用,第一节 数字信号处理的基本步骤,数字信号处理主要研究用数字序列来表示测试信号，并用数学公式和运算来对这些数字序列进行处理。,第二节 信号数字化出现的问题,数字信号处理过程把一个连续变化的模拟信号转化为数字信号；然后由计算机处理，从中提取有用的信息。信号数字化过程包含着一系列步骤，每一步骤都可以引起信号和其蕴含信息的失真。,计算一个模拟信号的频谱,时域有限长序列 频域有限长序列,时域采样、混叠和采样定理,时域采样：把连续时间信号变成离散时间序列的过程。相当于在连续时间信号上“摘取”许多离散时刻上的信号瞬时值采样间隔的选择是一个重要问题。间隔太小（采样频率高），数字序列长，计算工作量大；若采样间隔过大（采样频率低），则可能丢失有用信息。,采样定理,x(0),x(1),x(2),x(n),采样定理,采样定理,为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。注意：满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。,量化和量化误差,量化：采样所得的离散信号电压的幅值，若用二进制数码组来表示，就使离散信号变成数字信号。量化实质：从一组有限个离散电平（量化电平）中取出一个来近似代表采样点的信号实际幅值电平,量化和量化误差,量化单位：A/D转换器的位数是一定的。一个n位（字长）的二进制数，共有L=2n个数码。如果A/D转换器允许的动态工作范围为D，则两相邻量化电平之差为：q=D/2(n-1)量化误差：当离散信号采样值x(n)的电平落在两个相邻量化电平之间，就要舍入到相近一个量化电平上，该量化电平与信号实际电平之间的差值称为(n)。(n)(-q/2,+q/2)量化误差(n)将形成叠加在信号采样值x(t)上的随机噪声，其值通常比其他误差小，可忽略。A/D转换器的位数选择，视信号的具体情况和量化精度要求而定。,截断、泄漏和窗函数,截断：将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数。泄漏：窗外的时域信息全部损失了，而导致频域上增加了频率分量。,频域采样、时域周期延拓和栅栏效应,频域采样：信号经过时域采样和截断后，其频谱是连续的。如果要用数字信号描述频谱，这就意味着必须使频率离散化，实行频域采样。时域周期延拓：频域采样后的信号在时域中相当于将窗内的信号波形在窗外进行周期延拓，即时域周期延拓。,栅栏效应,栅栏效应：对一个函数进行采样，其效果有如透过栅栏的缝隙观看外景一样，只有落在缝隙前的少数景象被看到，其余均视为零，这种现象称为栅栏效应。挡住的部分可能是重要的或具有特征的成分。,频率分辨力、整周期截断,频率采样间隔：是频率分辨力的指标f=fs/N=1/T 这种关系加重了频率分辨力和计算工作量的矛盾整周期截断：对周期信号实行整周期截断是获得准确频谱的先决条件。,第三节 相关分析及其应用,函数关系：两变量间存在一一对应的确定关系。相关关系：随着某一个变量数值的确定，另一变量按一定的概率统计取值。本节主要内容两随机变量的相关系数信号的自相关函数 信号的互相关函数,两随机变量的相关系数,当数据点分布越接近于一条直线时，相关系数的绝对值越接近于1，x和y的线性相关程度越好。相关系数的正负号表示一变量随另一变量的增加而增加或减少。相关系数越接近于0时，可以认为x、y两变量完全无关，但可能存在某种非线性的相关关系甚至函数关系,相关系数：表示两个变量之间的相关程度。,信号的自相关函数,设x(t)是某各态历经随机过程的一个样本记录，x(t+)是x(t)时移后的样本，二者具有相同的均值和标准差,信号的互相关函数,两个各态历经过程的随机信号x(t)和y(t)的互相关函数定义为若两信号是同频率的周期信号或包含相同的频率的周期成分，则互相关函数也会出现该周期成分，且不收敛。,信号互相关的应用,信号的预处理,信号的预处理把信号变成适于数字处理的形式电压幅值调理，以便采样；例如12位A/D，参考电压5V，212=4096，则末位数字当量电压为10/212=2.5mV，若信号电平较低，转换后二进制高位为0，转换后的信噪比很差；若信号电平的绝对值超过5V，转换又发生溢出。必要的滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频成分；如原信号经过调制，则应先行解调。,A/D 转换,A/D 转换采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。,A/D转换器的技术指标,分辨率 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。转换速度 指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1KHz)；10us(100kHz)模拟信号的输入范围 如5V，+/-5V，10V，+/-10V等。,计算机处理,数字信号处理截断将过长的时间序列截断奇异点剔除频率成分分离对温漂、时漂等系统性干扰引起的频率成分予以分离数字滤波根据实际情况选择有无进行各种分析显示、打印或后续处理,时域采样,时域有限离散化,频域有限离散化,