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第 3 章 信号数字化与动态信号分析仪

分析系统. 测量系统. 被测对象. 激振系统. 反馈系统. 第 3 章 信号数字化与动态信号分析仪. 3.1 基本知识. 1 动态信号分析基本组成. 信号调理器或放大器. 传感器. 被测对象. 激振系统. 动态信号分析仪. 把被测量转化成可测量，一般情况为机电转化. 根据传感器原理配备合适的电路对信号处理和放大. 集成化的测量仪器. 数据采集原理. MIC IN HEADPHONE LINE IN LINE OUT. 了解声卡. 数字信号处理芯片， DSP. 信号调理电路. 数字采集芯片， A/D. 计算机或显示设备.

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第 3 章 信号数字化与动态信号分析仪

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  1. 分析系统 测量系统 被测对象 激振系统 反馈系统 第3章 信号数字化与动态信号分析仪 3.1 基本知识 • 1 动态信号分析基本组成

  2. 信号调理器或放大器 传感器 被测对象 激振系统 动态信号分析仪 把被测量转化成可测量，一般情况为机电转化 根据传感器原理配备合适的电路对信号处理和放大 集成化的测量仪器 数据采集原理

  3. MIC IN HEADPHONE LINE IN LINE OUT 了解声卡

  4. 数字信号处理芯片，DSP 信号调理电路 数字采集芯片，A/D 计算机或显示设备 模拟输入：未经数字化处理的连续电信号 模拟抗混滤波：防止频率混叠 采样保持：多通道的同步相当重要 采样、数模转化：利用计算机进行数据处理需要 数字抗混滤波：对于数字信号的滤波处理 加窗：防止由于对连续信号截断和抽样所引起的泄漏 FFT：快速傅里叶变化，实现由时域到频域的转换 显示、处理、控制等

  5. 典型双通道信号分析仪组成

  6. 2 采样定理 采样就是将连续模拟信号变化成离散数字信号的过程。 离散后的信号能唯一地确定原连续信号，并要求离散信号通过D/A（数/模)转换后能恢复成原连续信号。

  7. 混叠现象： 假定： 根据频域卷积定理，有 因为，采样信号序列是一个周期函数，其傅里叶变换为 所以：

  8. 采样定理： 设 是一个频限信号，其最高频率分量为 （或） ，当采样频率 时，采样后的离散信号的频谱 就不会发生混叠，则 可完全由采样值确定。

  9. 3 量化 量化是将模拟信号采样后得到的离散信号变为数字信号，以便计算机能接受，因此必须对离散信号进行数字化，即编码，这项工作由A/D转化器来完成。目前有8、12、14、16bit芯片，量程范围由，5，10V等。 例如：12bit A/D转化器，量程为10V 动态范围：20log212 =20120.303=72dB 分辨率：满量程/211=满量程/2048 =5mV，其中1位是正负标志。

  10. 量化误差 14

  11. 3.2 离散傅立叶变换

  12. n, 为频率采样点编号； k，为时域采样点编号； N，为采样点数(频域谱线为N/2) ，为采样的时间间隔； 为频率分辨率(谱线的频率间隔) 样本记录的信号的时间周期：T 采样点数为：N 则：采样时间间隔为△t，即T＝N △t 采样频率：fs＝1/ △t，谱线的频率间隔△f=1/T

  13. 3.3 泄漏与窗函数 数字信号分析对有限长度T的离散时间序列进行离散傅立叶变换（DFT）运算，这意味着首先要对时域信号进行截断。这种截段将导致频谱分析出现误差，其效果是使得本来集中于某一频率的功率（或能量），部分被分散到该频率邻近的频域，这种现象称为“泄漏”效应。

  14. 解决泄漏问题的唯一办法是确保信号的周期性，或者在观察窗内能够完整地观测。但一般来说这种要求很难实现的。所以采取加窗减少泄漏。解决泄漏问题的唯一办法是确保信号的周期性，或者在观察窗内能够完整地观测。但一般来说这种要求很难实现的。所以采取加窗减少泄漏。 • 窗函数类型：

  15. 窗的特性

  16. 加窗原则 冲击过程和瞬态过程的测量，应该使用矩形窗（也称力窗） 随机和周期激振信号，多用Hanning窗； 自由衰减信号，多用指数窗。

  17. 3.4 滤波 滤波类型与滤波选择原则

  18. 3.5 平均技术 • 平均技术是用以降低信号中混入的随机噪声分量含量的一种方法。 • 主要种类有： • 均方值平均 • 指数平均 • 峰值平均 • 峰值保持等

  19. 3.6 分析仪 • 与计算机接口不同，分析仪可分为： • GPIB，仪器接口（仪器类） • ISA，计算机总线接口（卡类） • PCI，计算机总线接口（卡类） • VXI，仪器总线接口（卡类） • PXI，仪器总线接口，NI公司（卡类） • LXI，基于网络 • PCMCIA，便携式电脑接口（卡类） • 1394火线 • USB，通用串行总线，可以连接127个设备 • Ethernet，网卡接口

  20. 现代工业测试

  21. VXI ISA、PCI PXI

  22. cDAQ PXIe-1082 9234、9237 USB、无线、网络 30

  23. + USB PCMICA

  24. 32CH 2-4CH Dataphysics公司 40-1024CH

  25. 3.6 分析仪 LDS公司 • 主要性能指标： • 输入通道 • 通道数，可接传感器类型，采样频率或分析频率，频率测量范围，电压测量范围，ADC位数，动态范围，分辨率等 • 输出通道 • 通道数，输出电压范围，DAC位数，动态范围，分辨率等 • 软件功能 • 设置功能，传感器的参数设置等 • 分析功能，振动、噪声、模态测试、故障分析等 • 处理功能，数据记录，图表报告功能 • 硬件功能 • 计算机要求 • 接口情况，如USB， Ethernet等 • 其他 • 外观 • 工作环境要求等

  26. Labview初步与信号分析 2008.3.3

  27. Labview初步与信号分析 • Labview • 图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

  28. Labview初步与信号分析 • Labview的特点 • 图形化编程 • 高层的开发工具 • 内置测量和分析函数 • 多平台和嵌入式设备 • “虚拟仪器”思想

  29. 虚拟仪器 vs传统仪器

  30. 仪器概念的转变 传统仪器 厂商定义功能 虚拟仪器 用户定义功能

  31. 显示 虚拟仪器的构成元素 数据采集 和 控制 信号 分析 Plug-In DAQ Boards IEEE 488 (GPIB) RS-232 Signal Processing Digital Filtering Statistics Array Operations Graphical User Interface Hardcopy Output File I/O

  32. Virtual Instrumentation-- Computer Based Instruments

  33. 虚拟仪器系统 • Measurement Studio • LabVIEW Application Software Hardware & Driver Software GPIB Serial DAQ VXI Image Acquisition Motion Control PXI Process or Unit Under Test

  34. 虚拟仪器技术应用领域 • 航空 • 航天 • 教学 • 核工业 • 军工 • 通信测试 • 铁道 • …….

  35. 1. 采集 2. 分析 3. 显示

  36. Labview初步与信号分析 • Labview编程界面 • 前面板

  37. Labview初步与信号分析 • Labview编程界面 • 程序框图

  38. Labview初步与信号分析 • Labview编程界面 • 前面板

  39. Labview初步与信号分析 • Labview编程界面 • 前面板 • 控件

  40. Labview初步与信号分析 • Labview编程界面 • 前面板 • 控件

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