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1、信号分析仪信号分析仪主要内容主要内容信号分析仪信号分析仪模拟信号分析仪：模拟信号分析仪：均值等测量仪、概率密度仪、相关分析仪、频谱分析仪等数字信号分析仪数字信号分析仪微机测试系统及应用微机测试系统及应用系统形式、基本组成、系统设计及应用系统形式、基本组成、系统设计及应用7/25/20241信号分析仪信号分析仪7-1 信号分析仪信号分析仪一、概述一、概述信号分析仪：从信号中提取有用信息的装置信号分析仪：从信号中提取有用信息的装置信号分析仪主要用来分析工程信号的的特征参数：信号分析仪主要用来分析工程信号的的特征参数：统计参数：均值、方差、均方值、概率密度函数、联合概率密度函数、自相关函数、互相关函
2、数、自功率谱密度函数、互功率谱密度函数、相干函数、倒频谱、模态分析、频率响应函数分析等信号的调理：滤波、变换、调制、放大等。历程：模拟分析历程：模拟分析数字分析数字分析7/25/20242信号分析仪信号分析仪二、模拟信号分析仪二、模拟信号分析仪定义定义直接对被测信号的模拟量进行分析出来的仪器直接对被测信号的模拟量进行分析出来的仪器形式形式机械式、机械式、电子式电子式、光学式、混合式、光学式、混合式主要是利用各种运算网络组成的模拟式电子分析仪，主要是利用各种运算网络组成的模拟式电子分析仪，如电压表、波形分析仪、模拟相关分析仪、模拟频谱如电压表、波形分析仪、模拟相关分析仪、模拟频谱分析仪等分析仪等
3、7/25/20243信号分析仪信号分析仪1、均值、均方值、均方根值的测量电路、均值、均方值、均方根值的测量电路信号强度信息的估算：信号强度信息的估算：专用电压测量电路：专用电压测量电路：积分器积分器除法器除法器显示显示积分器积分器除法器除法器显示显示乘方乘方开方开方显示显示7/25/20244信号分析仪信号分析仪2、概率密度分析仪、概率密度分析仪幅值的概率密度：幅值的概率密度：有限观察时间的概率估算：有限观察时间的概率估算：加法加法电路电路振幅窗振幅窗窗宽窗宽与门与门除法器除法器除以除以平均平均电路电路X-Y记录仪记录仪概率密度分析仪电路：概率密度分析仪电路：时间脉冲时间脉冲发生器发生器可变直
4、流可变直流发生器发生器7/25/20245信号分析仪信号分析仪3、相关分析仪、相关分析仪估算值估算值分析电路：单通道和多通道分析电路：单通道和多通道乘法器乘法器1平均电路平均电路1显示器显示器乘法器乘法器1平均电路平均电路1显示器显示器乘法器乘法器1平均电路平均电路1显示器显示器可调可调延时延时模拟电路长模拟电路长时间延时较时间延时较困难，所以困难，所以相关分析仪相关分析仪多采用数字多采用数字式分析仪式分析仪7/25/20246信号分析仪信号分析仪4、模拟式频谱分析仪、模拟式频谱分析仪频谱分析仪频谱分析仪显示信号能量与频率之间的函数关系，是一种时显示信号能量与频率之间的函数关系，是一种时-频转
5、频转换装置。换装置。工作原理：工作原理：单边功率谱密度函数：单位频带上的平均功率单边功率谱密度函数：单位频带上的平均功率7/25/20247信号分析仪信号分析仪频谱分析法频谱分析法功率频谱分析方法：功率频谱分析方法：滤波法：带通滤波式、扫描滤波式和外差式滤波法：带通滤波式、扫描滤波式和外差式相关法和直接傅里叶变换法相关法和直接傅里叶变换法滤波频谱分析法滤波频谱分析法采用滤波器从信号中逐次选出所需频率成分进行分析。采用滤波器从信号中逐次选出所需频率成分进行分析。输入输入放大器放大器滤波器滤波器平平方方平平均均除除法法显示器显示器检波器检波器7/25/20248信号分析仪信号分析仪滤波式频谱分析仪
6、滤波式频谱分析仪顺序滤波式顺序滤波式输入输入放大器放大器滤波器滤波器检波器检波器显示器显示器滤波器滤波器滤波器滤波器输出放输出放大器大器顺序滤波式频谱分析仪顺序滤波式频谱分析仪中心频率依次增大，中心频率依次增大，恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器7/25/20249信号分析仪信号分析仪并行滤波式频谱分析仪并行滤波式频谱分析仪原理：原理：每个滤波器都接一个检波器，采用逻辑电路和电子开每个滤波器都接一个检波器，采用逻辑电路和电子开关，高速依次与显示器瞬时接通，从而大大提高分析关，高速依次与显示器瞬时接通，从而大大提高分析速度。速度。输入输入放大器放大器滤波器滤波器检波器检波器显示器显示器滤波器滤
7、波器滤波器滤波器检波器检波器检波器检波器7/25/202410信号分析仪信号分析仪三、数字信号分析仪三、数字信号分析仪数字分析的基本知识：数字分析的基本知识：1、离散傅里叶变换（、离散傅里叶变换（DFT）离散化：傅里叶变换：特点：计算工作量很大，如N=1024，则计算量将达到两百万次以上。7/25/202411信号分析仪信号分析仪2、频混、泄漏和栅栏效应、频混、泄漏和栅栏效应1）混频）混频混频：当采样频率较低，不能满足采样定律时，采样混频：当采样频率较低，不能满足采样定律时，采样过程中会漏掉一些高频成分的瞬时值，出现频率混淆过程中会漏掉一些高频成分的瞬时值，出现频率混淆的现象。的现象。措施：措
8、施：确保满足采样定律：抗混频滤波：在采样前利用低通滤波过滤掉不需要的高频成分7/25/202412信号分析仪信号分析仪2）泄漏现象）泄漏现象泄漏：信号截断后，原信号的频谱发生畸变的现泄漏：信号截断后，原信号的频谱发生畸变的现象象措施：措施：增大矩形窗的宽度；增大矩形窗的宽度；采用主瓣加强、旁瓣较小的截断窗函数采用主瓣加强、旁瓣较小的截断窗函数7/25/202413信号分析仪信号分析仪3）栅栏效应）栅栏效应栅栏效应：栅栏效应：经离散采样后的频谱仅在各采样点上存在，而非采样点经离散采样后的频谱仅在各采样点上存在，而非采样点的频谱则被的频谱则被“挡住挡住”无法显示（视为无法显示（视为0）的现象）的现
9、象栅栏频带间隔栅栏频带间隔措施：措施：v为了解决上述矛盾，可采用为了解决上述矛盾，可采用ZOOM-FFT或或Chip-Z变换，变换，或采用基于模型的现代谱分析技术或采用基于模型的现代谱分析技术。7/25/202414信号分析仪信号分析仪3、快速傅里叶变换、快速傅里叶变换FFT的特征的特征DFT算法：算法：N2次复数相乘和次复数相乘和N（N-1）相加；）相加；FFT算法：算法：基2算法：将采样点N分解为两组，分别进行运算，然后进行组合。运算次数：复数相乘次数为 ，复数相加为N越大，两者运算量悬殊越大，当N=256时，相差64倍，当N=1024时，相差204.8倍；新型新型FFT算法：算法：、等、
10、等7/25/202415信号分析仪信号分析仪基于基于FFT的信号分析仪的信号分析仪硬件控制型分析仪硬件控制型分析仪特点：运算速度快；分辨率高；操作、显示、存储、特点：运算速度快；分辨率高；操作、显示、存储、记录等较方便，但分析功能不能扩展和更改。记录等较方便，但分析功能不能扩展和更改。应用：分析要求单一的场所。应用：分析要求单一的场所。软件控制型分析仪软件控制型分析仪特点：特点：内置专用计算机，各种分析功能由软件程序控制。分析速度较慢，适合重复处理大量实验数据。7/25/202416信号分析仪信号分析仪、微机信号分析系统、微机信号分析系统组成：组成：通用计算机和外围设备通用计算机和外围设备特点
11、：特点：软件功能强大，不仅有标准分析程序，还可以进行编程；软件功能强大，不仅有标准分析程序，还可以进行编程；分析功能不受限制，使用灵活。分析功能不受限制，使用灵活。运算速度较慢。运算速度较慢。功能：功能：D/A和和A/D输入、输出通道；输入、输出通道；数据采集和存储的；数据采集和存储的；分析运算；分析运算；反馈控制。反馈控制。7/25/202417信号分析仪信号分析仪微机测试系统微机测试系统微机测试系统：微机测试系统：以微型计算机或微处理器为核心，配以信号输入输出和数据传输以微型计算机或微处理器为核心，配以信号输入输出和数据传输设备的数字化测量系统。设备的数字化测量系统。应用形式应用形式智能测
12、试仪器：智能测试仪器：以微处理器和辅助器件组成的、具有一定智能的多功能测试装置，主要应用于专门测量对象。通用微机测试系统：通用微机测试系统：以通用计算机为中心，并通过接口电路与各种测试仪器结合起来，组成具有数据采集、传输处理和测试过程自动化控制的测试系统。即可用于测试，亦可用于控制。7/25/202418信号分析仪信号分析仪微机测试系统的基本组成微机测试系统的基本组成基本组成基本组成信号输入通道、数据输出通道和主计算机信号输入通道、数据输出通道和主计算机信号输入通道信号输入通道基本构成：基本构成：结构形式：结构形式：多路分时采集单端输入：多路检测、分时采集，结构简单、低成本。多路同步采集分时输
13、入：多路同步采集多通道输入；传感器传感器信号信号调理调理采样采样/保持保持模数模数转换转换主计算机主计算机7/25/202419信号分析仪信号分析仪7/25/202420信号分析仪信号分析仪7/25/202421信号分析仪信号分析仪7/25/202422信号分析仪信号分析仪数据输出通道数据输出通道形式形式一类是将分析数据通过串行或并行输出端口送人数字一类是将分析数据通过串行或并行输出端口送人数字式显示器或记录存储；式显示器或记录存储；另一类是将分析数据通过数模转换输入到模拟式指示另一类是将分析数据通过数模转换输入到模拟式指示仪表、记录设备或反馈控制设备。仪表、记录设备或反馈控制设备。结构类型：
14、结构类型：单通道和多通道单通道和多通道7/25/202423信号分析仪信号分析仪微机测试系统的设计微机测试系统的设计设计内容设计内容:主计算机的选型、输入输出通道设计、软件设计三部主计算机的选型、输入输出通道设计、软件设计三部分。分。主计算机的选型主计算机的选型字长：依据被测参数的最大范围和精确度来确定；字长：依据被测参数的最大范围和精确度来确定；主频：与信号的采样频率有关；主频：与信号的采样频率有关；内存：软件大小和数据库的容量。内存：软件大小和数据库的容量。7/25/202424信号分析仪信号分析仪输入输出通道设计输入输出通道设计输入通道数：输入通道数：由检测参数数目决定，按三种基本形式选用；由检测参数数目决定，按三种基本形式选用；输出通道结构输出通道结构与输出要求有关，如打印、显示、控制或报警等。与输出要求有关，如打印、显示、控制或报警等。传感器：传感器：选型及与调制器、选型及与调制器、A/D转换器等电路的阻抗匹配。转换器等电路的阻抗匹配。A/D转换器转换器主要考虑分辨率和位数及其性能。主要考虑分辨率和位数及其性能。采样采样/保持器保持器有单片式和集成式有单片式和集成式多路转换开关多路转换开关信号源的数目和采样频率信号源的数目和采样频率7/25/202425信号分析仪信号分析仪7/25/202426
