机械工程测试技术基础 第3版 教学课件 作者 熊诗波 黄长艺 第5章信号处理初步.pptx

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1、第五章信号处理初步1.了解信号模数转换和数模转换原理2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率3.了解数字信号处理中信号截断、能量泄露、栅栏效应等现象4.掌握常用的数字信号处理方法本章学习要求：数字信号处理概述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。内容包括数字波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波。优点：1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构2)计算机软硬件技术发展的有力推动a)多种多样的工业用计算机。b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统第一节数字信号处理的基本步骤物理信号对象传感

2、器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号计算机显示D/A转换电信号控制物理信号x(t)xS(nTS)xq(nTS)x(n)采样/保持量化编码计算机tx(t)txS(nTS)txq(nTS)x(n)n001011100010010011q2q3q4qTS2TS3TS…TS2TS3TS…信号转换过程测试信号的数字化过程1、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值，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。1）相关概念2

3、)A/D转换器的技术指标(1)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。(2)转换速度;指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1KHz)；10us(100kHz)(3)模拟信号的输入范围;如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。2、D/A转换过程和原理D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。D/A转换器的技术指标分辨率;转换速度;模拟信号的输出范围;第二节离散傅立叶变换数值离散：计算机仅能处理离散数据。点数有限：计算机的内存容量总是有限的，它不能存放无限多的采

4、样数据。一、应用计算机进行信号处理的特点：因此，相对于连续的傅里叶变换，计算机中采用离散傅里叶变换（DFT）。二、离散傅立叶变换的图解推演a)模拟信号及其傅立叶变换b)采样信号及其傅立叶变换c)离散信号及其傅立叶变换d)矩形窗函数及其傅立叶变换e)矩形窗函数采样信号及其傅立叶变换f)频域采样函数及其傅立叶逆变换g)离散信号傅立叶变换离散傅立叶变换步骤：1）时域采样2）时域截断3）频域采样时域采样引起频域周期化频域采样引起时域周期化当窗函数的宽度T→∞时，sinc函数就变成δ函数。由于T不够宽带来误差从而产生波纹信号时域、频域的离散化导致时域、频

5、域的周期化离散傅里叶变换意味着在时域、频域两方面都周期化。不过在计算机中仅存储了N个时域采样值和N个频域采样值，它们分别表示时域波形和频域波形的一个周期，并且近似于原来的连续傅里叶变换对。离散傅里叶变换（DFT）式中:——频率分辨力为的N个频域采样值；——时间采样间隔为T的N个时域采样值。四、快速傅里叶变换（FFT）快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶变换的一种有效的算法，通过选择和重新排列中间结果，减小运算量。fs=1000;N=1024;t=(0:N-1)/fs;f1=60;f2=150;s1=sin(2*pi*f1*t)+sin(2*pi

6、*f2*t);s2=2*randn(size(t));x=s1+s2;subplot(211)plot(t,x)X=abs(fft(x));f=(0:N/2-1)*fs/N;subplot(212);plot(f(1:N/2),X(1:N/2))第三节信号数字化出现的问题采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)的值的过程。一、时域采样、混叠和采样定理X(0),X(1),X(2),……,X(n)问题：每周期应该有多少采样点？频率混淆如图所示。例如：某模拟信号中各含有频率为900Hz，400Hz及100Hz的成分。若以fs

7、=500Hz进行采样，此时Hz，Hz但Hz。对于100Hz的信号，采样后的信号波形能真实反映原信号。对于400Hz和900Hz的信号，则采样后完全失真了，也变成了100Hz的信号。于是原来三种不同频率信号的采样值相互混淆了。采样信号的频混现象0t0f0t0ft00f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。这是采样的基本法则，称为采样定理。fs＞2fmax采样定理:需注意，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

8、最高频率成分的3到5倍。A/D采样前的抗混迭滤波：物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号展开低通滤波(0-Fs/2)放大二、量化和量