《电动汽车电机系统原理与测试技术06信号测试技术基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动汽车电机系统原理与测试技术06信号测试技术基础（131页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电动汽车 电机系统原理与测试技术,信号测试与处理技术,2019/4/10,目录,基本概念 信号分析 信号调理与传输 滤波技术 数据采集系统设计 试验数据的插值及图形表示 试验数据的回归处理 异常数据的处理,2019/4/10,基本概念,一.信号的分类与描述,2019/4/10,一.信号的分类与描述 确定性信号:能用明确的数学关系式描述的信号，可以准确的预计未来任意时刻信号的值。 周期信号：按一定时间间隔T周而复始重复出现的信号，即满足x(t)=x(t+nT) 谐波信号：谐波信号又称为简谐信号，是最简单的周期信号。 一般周期信号：一般周期信号又称为复杂周期信号，可以分解为多个简谐信号之和，且这些
2、简谐信号的频率之比为有理数。,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 非周期信号：是指不能重复出现的或在一定时间区域内随时间的增长而衰减至零的信号。 准周期信号：准周期信号由若干简谐分量叠加而成，但这些简谐分量中至少有一个分量与另一个分量的频率之比为无理数。,基本概念,基本概念,一.信号的分类与描述 一般非周期信号：一般非周期信号又称为瞬态信号,随时间呈非周期性快速变化，如锤击、爆炸、冲击、振动等信号。 随机信号：是一种不能准确预测其未来瞬时值，也无法用数学表达式来描述的信号，但可以用概率统计的方法来估计未来值。,2019/4/10,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信
3、号 (1)随机信号的数学描述:随机信号可以用随机变量x(t)来定义，如图6-2所示，对于某个时刻t1，xk(t1) (k=1,2,)是一个随机变量，称之为随机信号在t=t1时刻的状态。如果对于任一时刻tn,xk(tn)都是随机变量，那么,x(t)是一个随机信号。,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信号 (1)随机信号的数学描述: 随机信号除了用随机变量x(t)来定义外，还可以用样本函数的集合定义。随机信号的单个时间历程称为样本函数，在有限时间区间上观测得到的样本函数称为样本记录，可能产生的全部样本函数的集合(总体)定义为随机信号,基本概念,2019/4/10,一.信号的分
4、类与描述 随机信号 (2)概率密度函数与分布函数：概率密度函数和分布函数能较好地描述随机信号的统计特征。如图所示，以随机信号样本序号k为横坐标，对于任一时刻t的随机变量X(t)，其值落在区间x, x+x中的概率可以计算获得,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信号 (2)概率密度函数与分布函数： 概率密度的定义为： 概率分布函数定义为： 对于正态分布的随机变量，其概率密度函数为：,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信号 (3)随机信号的统计特性（表6-1）,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信号 (4)平稳随机信号 平稳随机信号的
5、统计特性不随时间变化，n维分布函数应满足：,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信号 (4)平稳随机信号 平稳随机信号的均值和自相关函数有以下特性: a.均值不随时间而变化。,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信号 (4)平稳随机信号 平稳随机信号的均值和自相关函数有以下特性: b.自相关函数是单变量的函数。,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信号 (5)各态历经信号 随机信号第k个样本函数的时间均值x(k)和自相关函数 Rx(,k)分别为：,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 随机信号 (5)各态历经信号 如果某
6、个随机信号X(t)是平稳的，而且不同样本函数的x(k)和Rx(,k)都一样，则称该随机信号是各态历经的，其时间平均等于总体平均，即：,基本概念,基本概念,一.信号的分类与描述 连续时间信号：在所讨论的时间间隔内，对于任意时间值，除若干个第一类间断点外，都可以给出确定的函数值，此类信号称为连续时间信号或模拟信号。 离散时间信号：离散时间信号又称为时域离散信号或时间序列。在某个时间区间中，它在规定的不连续的时刻取值。,2019/4/10,2019/4/10,一.信号的分类与描述 能量信号：在分析区间(- ,+ )中，能量为有限值的信号称为能量信号，它满足： 功率信号：无限区间内的平均功率有限的信号
7、，满足：,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 时域信号：是以时间t为独立变量来描述的信号；它仅反映信号幅值随时间变化的关系规律（快慢），而不能揭示信号的频率组成关系。 例：周期方波的时域描述：,基本概念,2019/4/10,一.信号的分类与描述 频域信号：将时域信号通过分析变为频域信号，即以频率为独立变量来描述信号的。,基本概念,二.采样定理及频率混叠 采样定理： 设有连续信号x(t)，其频谱为X(f)，以采样周期Ts获得的采样信号为xs (nTs)。如果频谱X(f)和采样周期满足下列条件： 1）频谱X(f)为有限频谱，即|f| fc时，X(f)=0 2） 或 则fc是在采样时
8、间间隔内能辨认的信号最高频率，称为截止频率（奈奎斯特频率）。,基本概念,2019/4/10,基本概念,二.采样定理及频率混叠 叠频率混的产生： 采样定理严格规定了采样时间间隔Ts的上限，即Ts 1/2fc。如果Ts过大，将会发生x(t)的高频成分叠加到低频成分上去的现象，这种现象称为频率混叠。 消除频率混叠的方法： （1）对于频域衰减较快的信号，用提高采样率的方法解决 （2）对频域衰减较慢的信号，用消除频混滤波器来解决,2019/4/10,信号分析,一.信号的时域分析 典型连续时间信号（表6-2） 典型离散时间信号（表6-3）,2019/4/10,信号分析,一.信号的时域分析 信号的时域变换
9、1）信号幅度的放大与缩小,2019/4/10,信号分析,一.信号的时域分析 2）信号时间的扩展与压缩 信号的时域展缩，就是将信号f(t)在时间t轴上扩展或压缩，但纵轴值不变,2019/4/10,信号分析,一.信号的时域分析 3）信号的时移 信号时移是指信号f (t)的波形沿时间轴左右平行移动，但形状不变,2019/4/10,信号分析,一.信号的时域分析 信号的时域运算 （1）信号相加：将n个信号f1(t),f2(t)fn(t)相加，得到相加信号y(t)，即: （2）信号相乘：将n个信号f1(t),f2(t)fn(t)相乘，得到相乘信号y(t)，即:,2019/4/10,信号分析,一.信号的时域
10、分析 信号的时域运算 （3）信号的微分:对信号f (t)求一阶导数，可表示为： y(t)称为信号f (t)的微分，记为f (t)。当f (t)中含有间断点时，则f (t)在间断点上将有冲激函数存在，其冲激强度为间断点处函数f (t)跳变的幅度值。,2019/4/10,信号分析,一.信号的时域分析 信号的时域运算 （4）信号的积分:对信号f (t)在区间(-,t)内求一次积分，可表示为:,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 1.连续时间周期信号的分解与合成： 周期信号是每隔一定时间间隔T1按相同规律重复出现的信号，表示为：,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 1.连续
11、时间周期信号的分解与合成： （1）周期信号的三角函数表示 式中，1是周期信号的基波角频率，a0为直流分量，an和bn分别是余弦分量和正弦分量的幅度 若将式中同频率的正弦项和余弦项合并，则可以写成：,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 1.连续时间周期信号的分解与合成： （2）周期信号的复指数表示,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 2.周期信号的频谱 （1）周期信号从时域表示到频域,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 2.周期信号的频谱 （2）周期信号的单边频谱和双边频谱 a.单边频谱 b.双边频谱,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 2
12、.周期信号的频谱 （3）周期信号的功率谱： 周期信号的平均功率可以在时域中计算，也可以在频域中计算，即：,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 2.周期信号的频谱 （4）周期信号频谱的特点与有效频谱宽度 a.周期信号频谱的特点 离散性：频谱由频率离散的谱线组成，这种频谱称为离散频谱或线谱。 谐波性：各次谐波分量的频率都是基波频率的整数倍，即谱线在频率轴上的位置是1的整数倍。 收敛性：谱线幅度随n而衰减到零。 b.周期信号的有效频谱宽度,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 3.非周期信号的频谱 (1) 傅里叶变换的定义：对于周期信号f(t)，当f(t)周期T1趋近于无穷
13、大时，其傅里叶级数谱线间隔趋近于无穷小而变为连续谱，从而，非周期性信号的傅里叶变换记为： F(j)称为频谱密度函数，简称频谱函数，其意义为单位频率上的谐波幅度。,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 3.非周期信号的频谱 (1) 傅里叶变换的定义： 频谱密度函数是的复变函数，写为： 和 分别称为 的模和相位， 表示信号中各频率分量的相对大小；辐角 表示各频率分量的相位。 和 分别为 的实部和虚部。,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 3.非周期信号的频谱 （2）非周期信号的能量谱：一般用能量频谱密度函数(能量谱)来表示非周期信号的能量在各频率点的分布情况。定义单位频率
14、内的信号能量为能量密度函数，记为 信号的功率或能量既可在时域求得，也可在频域求得，信号在时域和频域的能量相等，它反映能量守恒定理在信号分析中的体现。,2019/4/10,信号分析,二、信号的频域分析 3.非周期信号的频谱 （4）典型信号的频谱函数（表6-4）,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 如果将传感器的输出等效为电压源，则应包括共模电压和差模电压。通常，共模电压是无用信号，应进行抑制，而差模电压是需要进行放大的有用信号，所以，要求放大器有极大的差模放大倍数，以及极小的共模放大倍数，也就是说有极大的共模抑制比。,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 1基本放大电路
15、 （1）同相和反相放大器 考虑运算放大器的正负输入端口阻抗很大，可以认为电流不流入，且电位相等，由基尔霍夫电流定律，可得同相放大器增益为：,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 1基本放大电路 （1）同相和反相放大器 反相放大器电路如图所示，同样可得增益如下式所示，负号表示输入输出信号相反。,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 1基本放大电路 （2）差动放大器,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 1基本放大电路 （3）电桥放大器 对于将被测量变化转化为电阻变化的传感器，往往需要借助适当的电路将电阻的变化转化为相应的电压或者电流的变化，最常见的电路就是惠斯
16、顿电桥。下面讨论三种形式的电桥放大器。,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 1基本放大电路 （3）电桥放大器 a.电桥输出与运算放大器输入端之间不接电阻,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 1基本放大电路 （3）电桥放大器 b.电桥输出与运算放大器输入端之间接电阻,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 1基本放大电路 （3）电桥放大器 c.反馈式电桥放大器,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 1基本放大电路 （3）电桥放大器 c.反馈式电桥放大器,2019/4/10,信号调理与传输,一、信号调理 2.测量信号放大器 信号放大器的作用是对来自传感器的电信号进行放大，对测量信号放大器的要求是：输入阻抗应该远大于信号源内阻（即输入阻抗高），输出阻抗低，抗共模电压干扰能力强，在预定的频带范围有稳定而较高的增益、良好的线性度，输出性能稳定。有些情况下，还要求放大器增益可改变，或者放大器的输入和输出之间具有隔离功能等。,2019/4/10,信号调理
