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1、16:45,1,MEASUREMENT INFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING,机械科学与工程学院机械电子信息工程系杜润生 李锡文,机械工程测试信息信号分析,16:45,2,第十一章 信号分析设备,主要内容 频谱分析仪工作原理 傅里叶变换法周期图法模拟分析法 模拟式频谱分析仪 数字式频谱分析仪 DSP系统构成及分类 微型机信号处理系统,16:45,3,第十一章 信号分析设备,信号分析设备种类繁多 专项分析：计数器，频谱分析仪、相关分析仪、概率密度分析仪、传递函数分析仪； 综合分析：信号处理机、DSP系统； 工作原理和结构：模拟
2、式、数字式、模数混合式。 频谱分析仪的工作原理傅里叶变换法 自相关函数的FT P39周期图法 直接将数据进行FT，取其幅度平方，得到信号的功率谱密度。 P191,16:45,4,第十一章 信号分析设备,模拟分析法样本记录x(t)，通过中心频率为f，带宽为Be的滤波器后，输出为x(t, f, Be)，则：模拟式频谱分析仪 顺序滤波法 并行滤波法 扫描滤波法 外差法 时间压缩法,16:45,5,数字式频谱分析仪 数字滤波法FFT法,第十一章 信号分析设备,16:45,6,DSP系统的构成及分类,显示 记录,16:45,7,信号预处理：模拟数据调制解调,解调器 模拟数据：从远距离传输来的调制信号进行
3、解调。调幅、调频、调相 数字数据：幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK,调幅过程,16:45,8,调幅-同步解调,16:45,9,调频波及其频谱,调频：x(t) 幅值调制载波的频率。疏密不同的等幅波 特点：改善了信噪比。噪声影响信号幅值要求很高的带宽。非线性调制，不能运用叠加,16:45,10,数字数据编码和调制,Encoder,Decoder,数字或 模拟,数字信号,g(t),x(t),g(t),数字或 模拟,编码,Modulator,Demodulator,数字或 模拟,模拟信号,m(t),p,s(t),m(t),数字或 模拟,P调制参数,调制,编码和调制,用数字信号承载数字或模
4、拟数据编码 用模拟信号承载数字或模拟数据调制,16:45,11,模拟传输和数字传输,模拟,CODEC,数字,模拟数据，数字信号,数字,数字编码,数字,数字数据，数字信号,1010,话音,模拟传输,模拟,模拟数据，模拟信号,数字,模拟,数字数据，模拟信号,1010,Modem,16:45,12,数字数据三种常用的调制技术,数字数据三种常用的调制技术： 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制
5、。 载波 S(t) = A cos (t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化,16:45,13,调幅（幅度调制或幅移键控法ASK）用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)，即将不同的数据信息（0和1）调制成不同幅度但相同频率的载波信号。,数字数据调制编码-调幅,16:45,14,数字数据调制编码-调频,调频（频率调制或移频键控法FSK） 用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)，将不同的数据信息（0和1）调制成幅度相同，但不同频率的载波信号。,16:45,15,调相（相位调制或移相键控法PSK） 利用相
6、邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值，0 (同相)和1(反相) ，此时的幅度和频率均不发生变化。,数字数据调制编码-调相,16:45,16,信号预处理-输入放大器,输入放大器(或衰减器)：对输入信号的幅值进行处理，使信号幅值与A/D转换器的动态范围相适应；AC/DC选择档。 抗频混滤波器： 衰减信号中不感兴趣的高频成分，模拟滤波器。 最平幅度逼近法：在滤波器的通带和阻带内具有最平直的幅频特性，巴特沃兹滤波器(幅频特性曲线平坦、相频特性尚好) 等波纹逼近法：由通带到阻带内给定的衰减值所需的过渡带最小，切贝雪夫滤波器、贝塞尔滤波器(幅频特性不理想、相频特性好) 评价指标：滤
7、波器选择性 隔直电路： 隔离被分析信号中的直流分量、消除趋势项和直流分量的干扰处理。,16:45,17,信号采集,信号采集：模拟信号变为数字信号，核心是ADC S/H采保电路：信号变化率较大，对转换精度有较大影响； 时基信号发生器：产生定时间间隔脉冲信号，控制采样； 触发系统：决定采样的开始点，能捕捉到瞬时脉冲信号； 控制器：对多通道数据采集进行控制，控制A/D转换器工作状态。 常见ADC的类型 逐次逼近式 积分式 并行比较式 计数器式,16:45,18,转换速度与输入信号的频率,理想的A/D转换过程在转换期间，输入信号幅度的最大变化小于1LSB，即假设，满量程正弦信号的幅度为2N/2，或2N
8、-1，则得 ADC有限的转换速度降低动态信号的采集精度 例如， 12位ADC的转换时间为20s (fsmax50kHz), 其输入信号的最高频率约为4Hz。,16:45,19,SHA(采样保持器)原理与结构,原理 电容充电，绝缘保持 结构 运放保持电容 典型器件 LF198/298/398 AD582/283 保持电容 低漏电系数： 聚四氟乙烯、聚苯乙烯等,16:45,20,适时使用SHA,校核依据或采用SHAtacqtconv, fmax可以大大提高,16:45,21,逐次逼近式ADC原理,原理：类似于天平称物体 DAC+比较器控制器 特点 速度、分辨率适中 应用 一般DAS 实例 AD57
9、4 12位，40kHz,第一个时钟脉冲时,16:45,22,双积分式ADC转换原理,原理(V/T)：将输入电压变换成与平均值成正比的时间间隔，利用计数器测量时间间隔，即积分器+定时器,16:45,23,双积分式ADC转换过程,转换过程： T1阶段 积分阶段：输入电压的固定时间积分采样阶段。T2阶段 反积分阶段：对参考电压的反积分阶段。K2或K3闭合，输出电压可求出,定速放电,定时充电,16:45,24,双积分式ADC转换过程,T2阶段：对参考电压的反积分阶段。K2或K3闭合T2正比于ui，即比较阶段计数器计得的数正比于ui 转换器的输出与时间常数RC无关； ui只与T2/T1的比值有关。,定速
10、放电,定时充电,16:45,25,双积分式ADC,T3阶段 结束阶段： K4和K5闭合，其余断开，复位与准备阶段特点 抗干扰强，低速度、高分辨率 应用 数字式测量仪表或非高速DAS。 实例 5G14433 3位半，10Hz,16:45,26,并行比较式ADC,原理 比较器编码器 特点 高速 低分辨率 N位，2N个电阻串联 应用 超声、雷达信号 实例 AD9048 8位，35MHz,16:45,27,几种ADC特性的比较,50Hz,16:45,28,ADC的主要参数,分辨率：位数 转换精度：模拟与数字误差 转换时间与速度：采样定理 量化误差：1/2LSB 电源抑制比 总体误差 偏置误差 增益误差
11、 失码 单调性,16:45,29,ADC的外部特性,基本引线 转换启动线(I) 转换结束线(O) 模拟信号输入线 数字信号输出线 其它特性 启动方式 电平 脉冲 输出锁存 数字格式 二进制 BCD,16:45,30,ADC的选择原则,根据总误差，确定A/D转换器的精度和分辨率 根据系统应用范围、信号的变化率和转换精度，确定A/D转换器的转换时间 根据计算机接口电路特征，考虑A/D转换器的输出电路接口，如总线、串行口、并行口等 根据环境参数 根据成本、资源和芯片的来源选择,16:45,31,ADC与P的接口方法,接口的功能 启动转换 判断“转换结束” 查询、中断、DMA 读取数据 选择通道 控制
12、采/保,接口的方式 与CPU总线直接连接 通过三态门、锁存器与CPU连接 通过I/O芯片连接 数据传输方式 查询 中断 DMA,16:45,32,ADC接口电路-ADC0801,要求 ADC0801 DIP 20，8位转换，单+5V供电，单模拟通道，转换时间100us，片内有三态数据输出锁存器 查询式或中断式转换结束信号 分析 ADC0801的特性 确定与8031单片机的接口,16:45,33,ADC0801的结构及引脚,逐次逼近式ADC 逐次逼近式逻辑控制：8位移位寄存器，SAR锁存器 启动逻辑控制电路：启动双稳、D触发器F1和与门G1 转换逻辑控制电路：锁存器F2、中断请求双稳和与门G2
13、引脚定义： 数字量输出线8条：DB0-DB7 模拟信号输入线2条：VIN(+), VIN(-) 控制线4条：CS, RD, WR, INTR 电源线或其他线5条：CLKIN, CLKR, AGND, DGND, VCC,VREF,16:45,34,ADC0801接口设计,16:45,35,A/D转换过程,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，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。,16:45,36,A/D转换过程-例,16:45,37,微型机信号处理系统,信号采集 接口电路 多路A/D 多路共享A/D 多路开关式 控制软件 信号分析程序设计技巧混合语言编程充分利用内存计算技巧光标设计,16:45,38,第十二章 机械工程信号分析技术,信号分析中基本参数的选择 一、采样参数的选择采样频率采样点数记录长度 二、平均计算线性平均指数平均 三、触发方式选择 四、物理量的换算,
