主講賀瑋

第十一章計算機測試系統(tǒng)

￥計算機測試系統(tǒng)的基本構成

數(shù)字信號處理

信號采樣定理

信號的截斷、能量泄露等現(xiàn)象

虛擬儀器技術

計算機測控系統(tǒng)的基本構成

傳

物理信于感電信號

器

數(shù)

物

字

理

信

放大濾波

信M

號

號

計

控

算

制

電信號D/A數(shù)字信號機

系

分

統(tǒng)轉換

析

典型的計算機測控系統(tǒng)架構

第十一章計算機測試系統(tǒng)

計算機測試系統(tǒng)的基本構成

*數(shù)字信號處理

信號采樣定理

信號的截斷、能量泄露等現(xiàn)象

虛擬儀器技術

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用

■數(shù)據(jù)采集(DataAcQuisition,DAQ)是將模擬信號

轉換為能夠由計算機分析處理的數(shù)字數(shù)據(jù)(序列)的

全部技術過程。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

■數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由多路模擬開關（MUX）、

采樣/保持電路（S/H）、A/D轉換器及其與計算

機的接口電路組成。

■在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往需要對來自多個傳感

器的模擬測量信號進行采集，即所謂的多路巡

回檢測，這可以通過多路模擬開關來實現(xiàn)。

■A/D轉換器是實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號轉換的

重要器件。

■模一數(shù)轉換過程包括采樣、幅值量化和編碼，

其實質是對時間和幅值的離散化。

模一數(shù)轉換原理

■采樣

■利用脈沖序列從連續(xù)時間信號x(t)中抽取一系列離散樣值,

使之成為采樣信號x(nTJ的過程。

■幅值量化

x⑸二4

■把采樣信號x(nTJ經(jīng)過x(6)=5

舍入變?yōu)橛邢迋€有效數(shù)x(7)=2

字序列的過程。x(8)=0

■編碼

■將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M制數(shù)字的過程。

數(shù)字信號處理流程

模擬信號預處理A/D轉換數(shù)字分析

。

。0

00

。

0。

1100

0D1^

0110

11。1

00。0

。11

x(t)x(nTs)n

時域采樣原理

■從技術上看，采樣信號x(nTJ相當于原信號x(t)與采樣

脈沖序列s(t)的乘積：即x(nT)=x(t)xs(t)

x/ysx/o

IIIIIIIIIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIII

時域采樣原理

■從信號分析原理上看，采樣信號x(nTJ應當能夠唯

地確定原始信號x(t)(或可以完全重構原信號)。

時域采樣出現(xiàn)的問題

時域采樣研究

■如何選擇采樣間隔Ts是一個十分重要的問題。

■如果Ts太小(采樣頻率fs太高)，則對定長的時間記

錄來說，其數(shù)字序列就很長，使得計算工作量迅速

增大；

■如果Ts太大(采樣頻率fs太低)，則可能丟掉采樣間

隔中的有用信息。

■x(nTs)與x(t)是局部與整體的關系：

■采樣所得的局部是否反映了整體？

■采樣結果是否包括了原信號的全部信息？

■是否引入了一些原信號中所沒有的新要素？

■能否通過對x(nTJ的分析來代替對x(t)的分析？

時域采樣研究

■研究復雜周期信號都是從簡諧信號開始的；而

研究一般連續(xù)信號的采樣問題，也可以從簡單

而又特殊的簡諧信號采樣開始。

■設有一連續(xù)正弦波為x?)=Asin(+°)

■對此正弦波以其間隔采樣，得離散信號

x(nTs)=Asin(+°)

■如果能用離散信號x(nTJ唯一地確定連續(xù)信號

x(t)的三要素4、4和O就可以認為，離散信號

x(nTJ能表示連續(xù)信號x(t),由離散值能恢復出

整個連續(xù)正弦波。

時域采樣研究

■如果米樣間隔TsVTg/2或fs>2f0,則在正弦波的一個周期

內(nèi)，至少有三個采樣值x("J、x(0)和x(Tj。

■將x(?Ts)、x(0)和x(TJ代入x(nTs)=Asin(17ifQnTs+°)

■且TsVT/2,得

x(0)=4sin(0)

<x(，)=Asin(2班，+。)

x(—Ts)=Asin(—+(p)

■可唯一求解出A、4和0,復現(xiàn)出連續(xù)信號x(t)。

■反之，如果Tsen/z,則由采樣值無法恢復x(t)。

正弦波采樣定理

■正弦波工⑺=Asin(2Mo/+°)按采樣間隔Ts采樣得

到離散信號x(nTs),貝(I：

■當TsVT0/2時，由離散信號x(nTJ可以唯一地確定正

弦波x(t)；

■當TseTo/2時，由離散信號x(nTJ不能唯一地確定正

弦波x(t),亦即不能確切地恢復原始正弦波x(t)。

■因此，對于一個正弦信號x(t),要由離散采樣值

x(nTJ恢復連續(xù)波x(t),采樣間隔Ts與信號頻率

%之間必須滿足TsVT/2(fs>2f0)的關系。

第十一章計算機測試系統(tǒng)

計算機測試系統(tǒng)的基本構成

數(shù)字信號處理

■信號采樣定理

信號的截斷、能量泄露等現(xiàn)象

虛擬儀器技術

時域采樣定理

■對一般的連續(xù)信號x(t),可以表示為無窮多個諧波分量

的疊加。其中頻率為力的諧波分量的幅值和初相位由

其頻譜XG)表示，只要區(qū)伉)岸0,則采樣頻率fs都必須

滿足fs>24的條件。

■如果一般的連續(xù)信號x(t)的頻率范圍無限寬，也就是

IX(f)l.8W0,那么就只能取fs=8,也即Ts=O。在這

種條件下，離散采樣是不可能的，連續(xù)信號不可能由

離散信號恢復出來。

■因此，要由x(nTJ能夠恢復出x(t),信號的頻譜和采樣

間隔必須同時滿足以下條件

■X(f)是頻域有限信號，其截頻為4

■TsVTJ2或fs>2fc

時域采樣定理

■兩個條件的物理意義：

■信號的頻率范圍是有限的，它只包含低于%的頻率

分量。

■所有小于fc的諧波分量都可恢復。

離散信號的頻譜

■離散頻譜x4f）與連續(xù)信號頻譜x（f）的關系:

■時域離散化的結果是使得頻譜周期化。

離散信號的頻譜

■采樣頻率的二分之一是一個重要的參數(shù)，我們稱它為

奈魁斯特（Nyquist）頻率，記為fN（=f§/2）。

■當信號存在截頻%,且fs22%即fNefc時：

A

XA(f)fs>2fcItxA(/)fs=2fc

■在頻率（/品）范圍內(nèi)x^f）和x（f）是完全相等的，此時

XA⑴可以表示X（f）,也可以精確地恢復x（t）。

頻率混疊現(xiàn)象

■當信號fs〈2fc即fN〈fc時，就會把高于fN的成分以

fN為分界折疊到低于fN的低頻部分，把信號的高

頻分量誤認為是低頻成分，故頻率混疊也稱為

頻率折疊。

頻率混疊的實例（原始信號）

頻率混疊的實例（采樣信號）

頻率混疊現(xiàn)象的時域解釋

■從時域信號波形來看：

■圖a是采樣頻率正確的情況，可以利用采樣數(shù)據(jù)精確地復原

信號。

采樣^率正確

■圖b是采樣頻率過低的情況，復原的是一個虛假的低頻信號。

時域采樣定理所表達的原則

■對于頻域有限信號(最高頻率為％),為了避免

頻率混疊以使采樣處理后仍可以準確地恢復原

始信號，則采樣頻率fs必須大于信號最高頻率%

的兩倍。

■若x(t)是頻域有限信號(截頻為/)且fN》fc，

在(￡工)的頻率范圍內(nèi)，離散信號x(nTs)的頻譜

X△(f)與連續(xù)信號x(t)的頻譜X(f)是完全相等的，

可以用對離散信號x(nTs)的譜分析代替對連續(xù)

信號x(t)的譜分析。

實際采樣結果

fW)*A0(/)

A/2T

11

2T2T

減少頻混誤差的方法

■離散采樣的目的，在于把連續(xù)信號數(shù)字化，以

便用數(shù)值計算的方法對信號作分析處理。如果

頻混誤差過大，信號數(shù)字化處理的結果將失去

意義。

■解決這個問題有兩條途徑:

■選用盡可能高的采樣頻率。

■在離散采樣前對被分析的模擬信號進行有限帶寬處

理。由于實際濾波器不具有理想的截止特性，存在

過渡帶。所以，一般選擇采樣頻率為抗頻混濾波器

的上截止頻率的3~10倍。

第五章思考題

■5-8

第十一章計算機測試系統(tǒng)

計算機測試系統(tǒng)的基本構成

數(shù)字信號處理

信號采樣定理

0信號的截斷、能量泄露等現(xiàn)象

虛擬儀器技術

時域截斷

■在實際信號分析時，只能取出信號樣本中的一段來考

查，據(jù)此來估計信號全體的性質。這種從信號樣本中

截取一部分有限長度段信號的處理過程稱為信號的時

域截斷。

■它相當于通過一個長度有限的時間窗口去觀察信號，

因而又稱為加（時）窗。

時域截斷

■從數(shù)學運算上看，加窗相當于將原信號與一個有限寬

時域截斷的數(shù)學分析

已知%(r)xw(r)oX(/)*W(/)

1i

由于X(7)=F[x(0]=F[cos2<r]=-^(/-/o)+-^(/+/o)

W(/)=F[w(r)]=Tsinc(/)

所以X(/)*W(/)=1^(/-/o)+13(f+f^Tsinc(^T)

=-Tsinc[^(/-/()>]+-Tsinc[^(/+/()>]

能量泄漏

■由圖可知，原始信號的功率僅存在于X(f)的孤立點土

上，而經(jīng)截斷后，在土f0的兩側出現(xiàn)了頻率分量。

■截斷信號的功率擴散到了較寬的頻帶中去，這種現(xiàn)象

稱為能量泄漏。

■實際被分析信號是由無窮多諧波分量組成的，一經(jīng)截

斷，所有諧波都將產(chǎn)生泄漏，情況要比單一余弦信號

復雜得多。

能量泄漏導致的問題

■降低了譜分析的頻率

分辨力。由于譜窗的

主瓣有一定的寬度，

當信號中的兩個頻率

分量靠得很近時，從

頻譜圖中就難以把它

們區(qū)別開來。

用55時窗函徼及其福掘滑

■由于譜窗具有無限延

伸的旁瓣，就等于在

頻譜中引入了虛假的

頻率分量。圖5.6有半長而散信號及其幅頻譜

減少能量泄漏的方法

■減少能量泄漏的方法：

■選擇合適的窗函數(shù)，減小截斷的影響。

■對窗函數(shù)的基本要求：

■主瓣寬度應盡可能窄。

■旁瓣高度與主瓣高度相比要小，且衰減要快。

對于實際的窗函數(shù)，這兩

個要求是互相矛盾的。主瓣

窄的窗函數(shù)，旁瓣也較高；

旁瓣矮、衰減快的窗函數(shù)，

主瓣也較寬。實際分析時要

根據(jù)不同類型信號和具體要

求選擇適當?shù)拇昂瘮?shù)。

常用窗函數(shù)及其特性

RectangularWindow

■矩形窗

1.1

■優(yōu)點是主瓣寬度窄。

缺點是旁瓣較高，1.0-

泄漏較為嚴重。

■適用信號：

脈沖信號

周期信號

常用窗函數(shù)及其特性

■漢寧窗

■優(yōu)點是旁瓣小、衰減

快，泄漏較少，具有較

好的綜合特性。

■缺點是主瓣寬度稍大。

■適用信號：

■隨機信號

■周期信號

常用窗函數(shù)及其特性

■指數(shù)窗

?無旁瓣，主瓣很寬。

■適用信號：

■脈沖響應信號

■如果用矩形窗截取衰減振蕩信號，由于時窗寬T

受各種因素影響不能太長，信號末端的代表小

阻尼模態(tài)的信號段會被丟失。

■如果用漢寧窗截取衰減振蕩信號，由于時窗起

始處為零且很小，會破壞信號的始端數(shù)據(jù)。

頻域采樣

■經(jīng)過時域采樣和截斷后，其頻譜在頻域是f的

連續(xù)函數(shù)，仍然不適合計算機處理。

■如果要用數(shù)字描述頻譜，就意味著必須使頻譜

離散化，即對信號的頻譜作頻域離散采樣。

頻域采樣

周期延拓

■頻域采樣是在頻域中

用脈沖序列乘信號的

頻譜函數(shù)。

■這一過程在時域中相

當于將信號與一周期

脈沖序列做卷積，其

結果是將時域信號平

移至各脈沖坐標位置

重新構圖。

■從而相當于在時域中

將窗內(nèi)的信號波形在

窗外進行周期延拓。

柵欄效應

■對信號進行采樣，實質上就是“摘取”采樣點上對

應的函數(shù)值。

■其效果猶如透過柵欄的縫隙觀看外景一樣，只有

落在縫隙之間的少數(shù)景象被看到，其余景象都被

柵欄擋住，視為零，此現(xiàn)象稱為柵欄效應。

■對于時域采樣，如滿足采樣定理，則不會有影響

■對于頻域采樣，則影響較大，“擋住”的頻率成分

有可能是重要的或具有特征的成分，以至于整個

處理失去意義。

頻率分辨力、整周期截取

■頻率分辨力是離散譜線之間的頻率間隔Af。此

間隔越小，頻率分辨力越高，由于柵欄效應被

“擋住”的頻率成分就越少。

九「1二

■它由采樣長度T決定：N=NNT.T

■對于簡諧信號，若要了解某特定頻率fo的譜值,

就需要譜線落在上，而單純減小△f并不一定

會使譜線落在％上。

■根據(jù)DFT原理，譜線落在％上的前提條件是：

B=整數(shù)，即二=整數(shù)

AJ

離散傅里葉變換DFT及其快速算法FFT

■對于采樣得到的離散數(shù)字序列，傳統(tǒng)的時頻傅里葉變

換積分將轉變?yōu)殡x散傅里葉變換算法(DFT,Discrete

FourierTransform)

■利用計算機完成離散數(shù)字序列傅里葉變換處理的技術

過程大致為：采樣、截斷、周期延拓和數(shù)字運算。

■離散傅里葉變換在具體的數(shù)值計算中遇到了很大困

難，因為DFT是一種正比于N2次的運算過程，即便使

用計算機計算離散傅里葉變換也耗時巨大。

■1965年庫利―圖基(Cooley-Turkey)提出可以通過奇

偶分解等方法，大大減少DFT的計算量，從而建立了

利用計算機求算離散信號傅里葉變換的快速算法FFT

(FastFourierTransform)。

基于FFT的信號分析儀器_____________

二十世紀七十年代后，基于快速傅里葉變換FFT算法

的信號分析儀器不斷出現(xiàn)，這些儀器除了能夠對測量

信號進行各種時、頻域分析外，還可利用儀器的多通

道同步測量功能，進行被測系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析、相關

分析、系統(tǒng)參數(shù)辨識等高級工程測試分析內(nèi)容。

Analyzer

不

-Fn

HP35670A2-or/channelde>102.4Q冥:回

kHzFFTdynamicsignalanalyzerHP35670A2-or4'Channelde-102.4kHzFFTdynamicsignalanalyzer

相關分析

■統(tǒng)計學中用相關系數(shù)來描述兩隨機變量X和y之

間的相關性。

磯（工一/）（＞—/,）］,且1日

Pxy

，磯（X-巴）2止

相關程度的變化情況

。）精確的線性相關b）不精確的線性相關C）非線性相關d）不相關

信號的自相關函數(shù)

■如果所研究的變量X、y是與時間有關的函數(shù)，即x(t)與

y(t),且y(t)等于x(t)時，則相關系數(shù)描述的是信號x(t)

的某一個時刻的值與其自身另一時刻的值X(t+T)之間的

線性相關程度。

■周期信號的自相關函數(shù)仍然是同頻率的周期信號，但

丟失了原信號的相位信息。利用這一特性，有可能識

別出夾雜在隨機信號強烈噪聲背景中的周期成分和它

的頻率。

?時間歷程|自相關函數(shù)國

KtIRr(。

i°twww朝幫刪刪除

信號的自相關函數(shù)

時間歷程自相關函數(shù)圖

■只要信號中含有周期成分，其相關函數(shù)在T很大時都不

會衰減，并具有明顯的周期性。

相關分析的應用

■機械加工表面粗糙度分析

?吞

t

>

<

I

X

.

被測工件

相關分析

(a)

相關分析的應用

■提取周期信號一C630機床變速箱噪聲

正常狀態(tài)下變速箱噪聲信號的異常狀態(tài)下變速箱噪聲信號的

自相關函數(shù)自相關函數(shù)

信號的互相關函數(shù)

■實際工程中，兩個信號之間可能存在時差。因

而需要研究的是信號x(t)與y(t)的時延信號y(t+t)

的線性相關和波形相似程度。很顯然，這種相

關程度是時延二的函數(shù)。

■如果x(t)與y(t)兩信號是同頻率的周期信號或者

包含有同頻率的周期成分，那么，即使工一8,

其互相關函數(shù)也不收斂并會出現(xiàn)該頻率的周期

成分，且包含了它們的幅值和相位差信息。

■如果x(t)與y(t)兩信號含有頻率不等的周期成

分，則兩者不相關。

互相關分析的應用

■用聲發(fā)射探測地下輸油管道漏損位置

■因互相關圖表示X2（t）比M（t）延遲了一段時間。

所以漏損處必定在距兩個檢測點中心靠拾音器1

的一側。（V——聲響通過管道的傳播速度）

互相關分析的應用

■汽車駕駛員座椅振源定位

■座椅上的振動信號為y(t),前輪軸梁的振動信號

為x(t),后輪軸架的振動信號為z(t)。由Rzy(T)

和Rxy(T)的圖形可以看出，y(t)和x(t)相關。

■結論：座椅振動主要由前輪振動引起。

第十一章計算機測試系統(tǒng)

計算機測試系統(tǒng)的基本構成

數(shù)字信號處理

信號采樣定理

信號的截斷、能量泄露等現(xiàn)象

￥虛擬儀器技術

計算機測試系統(tǒng)的組成

■從結構上劃分

■微機或微處理器

■被控制的測量儀器或設備

■接口

■軟件

■從功能上劃分

■數(shù)據(jù)采集和存儲

■數(shù)據(jù)分析

■數(shù)據(jù)顯示

計算機測試系統(tǒng)的類型

■計算機插卡式

■在計算機的擴展槽中插入各種測試與分析板卡，構

成通用或專用的測試系統(tǒng)。

■儀器前端+計算機

■將各種測試與分析模塊用專用總線連接裝入獨立機

箱，并通過通信接口與計算機相連，構成通用或專

用的測試系統(tǒng)。

■獨立的可編程儀器+計算機

■由各種獨立的可編程儀器與計算機連接組成測試系

統(tǒng)。

智能儀器

■在儀器儀表中含有微處理器、單片計算機或體積

很小的微型機。

■工作過程

■由傳感器將被測量轉換成電信號，濾波后通過多路

模擬開關輸入到放大器，經(jīng)A/D轉換送入單片機進

行數(shù)據(jù)運算和處理，分析結果可直接顯示打印或與

內(nèi)部設定參數(shù)進行比較，以輸出相應的控制信號。

■與虛擬儀器的區(qū)別

■所用的微機是否與儀器測量部分融合在一起。

虛擬儀器(VirtualInstrumentVI)

■20世紀80年代中期出現(xiàn)的虛擬儀器是虛擬技術在儀器

儀表領域中的一個重要應用，是日益發(fā)展的計算機硬

件、軟件和總線技術在向其他技術領域密集滲透過程

中與測試技術、儀器技術密切結合，共同孕育出的一

項新成果。

■美國的國家儀器公司（NationalInstruments

Corporation,簡稱N/）首先提出了虛擬儀器的概念,

認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件

和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組

成的測控系統(tǒng)，是一種由計算機作為統(tǒng)一硬件平臺，

并由計算機操縱的模塊化、軟件化的儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較

虛擬儀器技術的優(yōu)點

虛擬儀器傳統(tǒng)儀器

軟件使得開發(fā)與維護費用降至最低開發(fā)與維護開銷高

技術更新周期短（1?2年）技術更新周期長（5?10年）

關鍵是軟件關鍵是硬件

價格低、可復用與可重配置性強價格昂貴

用戶定義儀器功能廠商定義儀器功能

開放、靈活，與計算機技術同步發(fā)展封閉、固定

與網(wǎng)絡及其它周邊設備互聯(lián)功能單一的獨立設備

虛擬儀器的基本構成

常用虛擬儀器板卡

IMAQCardFieldPoint

虛擬儀器軟件驅動模塊

■為簡化硬件板卡編程和控制，NI和Agilent標準

化了數(shù)百種常用儀器、板卡的驅動，它們已成

為虛擬儀器開發(fā)平臺的一部分，開發(fā)時可直接

使用這些硬件驅動代碼。

*

常見的虛擬儀器軟件平臺

NILabVewAgilentVEE

.NATIONALINSTRUMENTS-

MeasurementStudio

Version6.0

MSU*”

UbMowsVCVIJ12X834M

/mstudk)口NATIONAL

?Copynght2001NationalInstruments.^INSTRUMENTS

Allri^itsReserved

*?riion6.00(103)TOT<henoi?currentlistofcov*r>Mthisproduct.

(m?93/98/XE/in/2ge)P1MS?I?f?ItoZ.—

DASYLabDirectViewLabWindows/CVI

用戶自定義的儀器面板

2003.viFrontPanel

13ptApplicationFont

lOOO.O-i通道選擇哽件蠅

800.0

采樣點數(shù)

600.010000

400.0-PortNumber]

200.0波形選擇

艇蔡波t

觸發(fā)控制

■200.0

觸發(fā)方式觸發(fā)源噤詈

-400.0

-600.0

時基幅值控制

-800.0

400.0600.02000.03000.0

1000.0

200.0..800,01000.0-.4000.C

3007001000