1、傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),1,第四章 信號的調(diào)理與記錄,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),2,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),3,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),4,一、直流電橋,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),5,直流電橋平衡條件（U0=0,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),6

2、,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),7,直流電橋的輸出特性,半橋接法,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),8,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),9,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),10,直流電橋的輸出特性,全橋接法,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),11,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,傳感與測試技術(shù)-信

3、號的處理技術(shù),12,直流電橋的輸出特性,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),13,直流電橋的輸出特性,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),14,二、交流電橋,交流電橋特點： 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，0,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),15,交流電橋平衡條件,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),16,電容電橋 平衡條件,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),17,電感電橋 平衡條件,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),18,第四章信號調(diào)理與記錄,信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳

4、輸與處理,1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),19,4.傳感器輸出的是非電信號,信號調(diào)理與記錄的意義,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),20,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),主要解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題,調(diào)制信號,載波,調(diào)制波,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),21,定義,調(diào)制：使一個信號的某些參數(shù)在另一信號的控制下發(fā)生變化的過程。前一信號稱為載波，后一信號（控制信號）稱為調(diào)制信號。最后的輸出是已調(diào)制波。根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)不同，調(diào)制可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相。 解調(diào)：最終從已調(diào)制波中恢復(fù)

5、出調(diào)制信號的過程,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),22,調(diào)制：Modulation,調(diào)幅(Amplitude modulation-AM,調(diào)頻（Frequency modulation-FM,調(diào)相（Phase modulation-PM,分類,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),23,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),24,調(diào)幅及其解調(diào),幅值調(diào)制：將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),25,調(diào)幅信號的實質(zhì),從時域上：用x（t）去控制改變y（t）的幅值，使xm（t）的幅值隨著x（t）的變化而變化，頻率仍與y（t）相

6、同。 從頻域上：相當(dāng)于頻率的搬遷過程。從低頻搬遷到高頻。頻譜形狀保持不變（f0fm,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),26,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),27,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,傳感與測試技術(shù)-信號的

7、處理技術(shù),28,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（+、-），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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),29,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,t,t,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),30,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,傳感與測試技術(shù)-信

8、號的處理技術(shù),31,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),32,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，實際上，對調(diào)頻波的分析是近似的,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),33,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),34,濾波器作用,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),35,理想濾波器,理想濾波器：是指能使通

9、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現(xiàn)的,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),36,實際濾波器的特征參數(shù),0,A,實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,f,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),37,1)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 -3dB,0,f,Q=f0 / B,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),38,實際濾波電路,低通濾波器

10、,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),39,幅頻特性,1,0,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),40,高通濾波器,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),41,濾波器的應(yīng)用,機床軸心軌跡的濾波處理,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),42,濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),43,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),44,調(diào)節(jié)計算機mp3播放器等軟件中的聲音均衡器，試驗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

11、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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),45,第四節(jié) 信號的放大,放大器的特點 虛短 u+=u- 虛斷 i+=i-=0,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),46,基本放大電路 反相放大器 Ii=If，U+=U-=0,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),47,同相放大器 差分放大器,o,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),48,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

12、，為此要求儀器放大器要有很高的電壓增益,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),49,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),50,信號的顯示,指示機構(gòu),傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),51,示波器,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),52,信號的記錄,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 儀器前段直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄,

13、傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),53,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),54,信號處理系統(tǒng)分類,模擬信號處理系統(tǒng) 由一系列能實現(xiàn)模擬運算的電路，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) 借助計算機的軟件程序完成； 借助專用數(shù)字處理機,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),55,數(shù)字信號處理的優(yōu)勢,用數(shù)學(xué)計算和計算機顯示代替復(fù)雜的電路和機械結(jié)構(gòu) 計算機軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力

14、推動 多種多樣的工業(yè)用計算機。 靈活、方便的計算機虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng),傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),56,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),57,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)公式和運算來對這些數(shù)字序列進(jìn)行處理,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),58,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含信息的失真

15、,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),59,計算一個模擬信號的頻譜,時域有限長序列 頻域有限長序列,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),60,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?。ú蓸宇l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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),61,采樣定理,x(0), x(1), x(2), , x(n,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),62,采樣定理,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),63,采樣定理,為保證采樣

16、后信號能真實地保留原始模擬信號信息，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地反映原信號x(t)。工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),64,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的信號實際幅值電平,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),65,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

17、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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),66,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,傳感與測試技術(shù)

18、-信號的處理技術(shù),67,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，實行頻域采樣。 時域周期延拓：頻域采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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),68,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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),69,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

19、=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：對周期信號實行整周期截斷是獲得準(zhǔn)確頻譜的先決條件,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),70,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 兩隨機變量的相關(guān)系數(shù) 信號的自相關(guān)函數(shù) 信號的互相關(guān)函數(shù),傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),71,兩隨機變量的相關(guān)系數(shù),當(dāng)數(shù)據(jù)點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

20、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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),72,相關(guān)系數(shù)：表示兩個變量之間的相關(guān)程度,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),73,信號的自相關(guān)函數(shù),設(shè)x(t)是某各態(tài)歷經(jīng)隨機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,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),74,信號的互相關(guān)函數(shù),兩個各態(tài)歷經(jīng)過程的隨機信號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，則互相關(guān)函數(shù)也會出現(xiàn)該周期成分，且不收斂,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),75,信號互相關(guān)的應(yīng)用,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),76,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),77,傳感與測試技術(shù)-信號的處理技術(shù),78,完,傳感與測試技術(shù)-信號的處