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1、工程测试技术,本章学习要求：,1.掌握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、能量泄漏、栅栏效应等现象 4.了解常用数字信号处理方法,第5章 数字信号处理,工程测试技术,本讲内容,5.1 数字信号处理概述 5.2 A/D转换与D/A转换 5.3 采样定理,5.1 数字信号处理概述,5.1.1 数字信号处理的主要研究内容,研究用数字序列表示测试信号，并用数学公式和运算来对数字序列进行处理。内容包括数字波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波等。,5.1 数字信号处理概述,5.1 数字信号处理概述,5.1.2 测试信号数字化处理的基本步骤
2、,5.1 数字信号处理概述,1)用数学计算代替复杂的测量电路,5.1.3 数字信号处理的优势,5.1 数字信号处理概述,2)用计算机显示代替复杂的机械结构,5.1 数字信号处理概述,3)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,5.1 数字信号处理概述,b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统,5.1 数字信号处理概述,案例：铁路机车FSK信号检测与分析,京广线计划提速到200公里/小时,合作任务：机车状态信号识别(频率解调),虚拟仪器设计方案,FSK=Frequency Shift Keying= 频移键控,5.1 数字信号处理概述,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),采
3、样利用采样脉冲序列，从信号x(t)中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程,编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。,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,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),5.2.1 A/D转换,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),3. 编码：对采样值二进制化4位A/D: 为XXXX,x(1) 0101,x(2) 0011,x(3) 0000,x(3) 0001,1. 采样：对坐标轴离散化,2. 量化：对采样值数字化,离散采样误差,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),模拟信号经过采样后变为有限个数据点的离散信号，数据点
4、间用直线进行插值逼近，所造成的误差称为离散采样误差，采样频率越高，误差越小。,量化误差,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),把采样信号x(nTs) 经过量化变为只有有限个有效数字的数，这一过程所产生的误差称为量化误差。,绝对量化误差,相对量化误差,实验：,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),A/D转换器的技术指标,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),(3) 模拟信号的输入范围：如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。,(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
5、时间，如:1ms(1kHz)； 10us(100kHz),5.2 模数(A/D)和数模(D/A),D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。,5.2.2 D/A转换过程和原理,A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),5.2 模数(A/D)和数模(D/A),声卡简介（双通道A/D、D/A卡）,声卡是电脑主要部件之一，声卡上有D/A芯片，用来把数字化声音信号转换成模拟信号，同时还有A/D芯片，用来把模拟声音信号转换成数字信号，实验学习时可以将声卡作为双通道A/D卡和D/A卡。,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),声卡的信号输入接口(A/D),
6、声卡输入口包括MIC和Line in。MIC输入阻抗1500 20k，输入电压10mV，单通道。Line In输入阻抗为10 k 47 k, 输入电平范围500 mV 2 V，双通道。声卡是用来采集声音信号，其频率特性线性段在20Hz20kHz之间。,为防止测量信号超量程造成损坏，可以采用下面电路对声卡输入端进行保护。,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),声卡的输出接口(D/A),声卡输出口包括Speaker和Line out。Speaker输出阻抗为8，输出功率2W。Line out输出阻抗为20500，最大输出电平2V。,通常可以直接将插头连接在Line out或Speaker，为防止
7、短路对声卡造成的损坏，可在连接电路中串联电阻。,5.2 模数(A/D)和数模(D/A),5.3 采样定理,采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nTs)的值的过程。,5.3 采样定理,5.3 采样定理,X(0), X(1), X(2), , X(n),5.3 采样定理,每周期应该有多少采样点 ？,5.3 采样定理,采样过程的数学描述,5.3 采样定理,采样过程的频域解释,5.3 采样定理,采样定理,5.3 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。这是采样的基本法则，称为采样定理。,fs 2 fmax,fs,
8、fmax,5.3 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最高频率成分的3到5倍。,5.3 采样定理,频混计算：,正常,混迭频率=Fs-信号频率,5.3 采样定理,A/D采样前的抗混迭滤波：,5.3 采样定理,实验：,5.3 采样定理,频混现象实验：,5.3 采样定理,5.3 采样定理,声卡仪器,思考题：,1.A/D，D/A转换器的主要技术指标有哪些？,2.信号量化误差与A/D，D/A转换器位数的关系？,3.采样定理的含义，当不满足采样定理时如何计算混迭频率？,4.A/D采样前为何要加抗混滤波器，作用是什么？,
