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1、机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础- -计算机测试系统与虚拟仪器计算机测试系统与虚拟仪器C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2 2/112/112引言引言傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换FourierFourier模拟信号分析模拟信号分析模拟信号分析模拟信号分析带通滤波器带通滤波器带通滤波器带通滤波器快速傅立叶变换快速傅立叶变换快速傅立叶变换快速傅立叶变换Cooler & TukeyCooler & TukeyDSPDSP芯片芯片芯片芯片Texas InstrumentTexas Instrument18221822196
2、51965前前前前19651965后后后后现在现在现在现在C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3 3/112/112第七章第七章 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术n本章学习要求本章学习要求u1.计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成u2.数字信号处理数字信号处理u3.相关分析相关分析u4.功率谱分析功率谱分析C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4 4/112/112第七章第七章 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术n本章内容本章内容u7.1 计算机测试系统的基本构成
3、计算机测试系统的基本构成u7.2 数字信号处理数字信号处理u7.3 相关分析相关分析u7.4 功率谱分析功率谱分析u7.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术uu7.17.1计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5 5/112/1127.1 计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成 物理信号物理信号电信号电信号电信号电信号数字信号数字信号低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波放大放大放大放大A/D转换转换计算机计算机分析分析预处理预处理传感器传感器C.
4、7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6 6/112/1127.1 计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成n典型的计算机测试系统架构典型的计算机测试系统架构自动化自动化自动化自动化软件软件软件软件PLCPLC串行口串行口串行口串行口数据采集数据采集数据采集数据采集过程过程过程过程现场总线现场总线现场总线现场总线个人计算机或个人计算机或个人计算机或个人计算机或工作站工作站工作站工作站图象图象图象图象公司公司公司公司 IntranetIntranetor Internetor Internet分布式分布式分布式分布式 I/OI/O动作动
5、作动作动作C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7 7/112/112第七章第七章 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术n本章内容本章内容u7.1 计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成u7.2 数字信号处理数字信号处理u7.3 相关分析相关分析u7.4 功率谱分析功率谱分析u7.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术uu7.2 7.2 数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8 8/112/1127.2 数字信号处理数字信号处理7.2.
6、1 问题的提出问题的提出n在信号分析中，傅里叶积分有着十分普遍的意义。在信号分析中，傅里叶积分有着十分普遍的意义。n确定信号的傅里叶级数展开、瞬变信号的傅里叶积确定信号的傅里叶级数展开、瞬变信号的傅里叶积分、随机信号的有限傅里叶变换及其功率谱以及相分、随机信号的有限傅里叶变换及其功率谱以及相关分析等都涉及此积分计算。关分析等都涉及此积分计算。如何计算这两个积分是信号分析中的基本问题之一如何计算这两个积分是信号分析中的基本问题之一如何计算这两个积分是信号分析中的基本问题之一如何计算这两个积分是信号分析中的基本问题之一C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助
7、测试技术- -9 9/112/1127.2.1 问题的提出问题的提出n只有为数不多的一些函数可以得到傅里叶积分的精只有为数不多的一些函数可以得到傅里叶积分的精确解析解。确解析解。u这些理想化的傅里叶变换对可以在很多有关积分变换的数这些理想化的傅里叶变换对可以在很多有关积分变换的数学书中找到。学书中找到。 对工程实践中拾取到的信号，是无法用对工程实践中拾取到的信号，是无法用解析方法求得它们的傅里叶变换！解析方法求得它们的傅里叶变换！C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1010/112/1127.2.1 问题的提出问题的提出n设经信号拾取而
8、得一个随机信号样本设经信号拾取而得一个随机信号样本x(t)，由于计由于计算机的容量是有限的，只能从无限长的样本中截取算机的容量是有限的，只能从无限长的样本中截取一段有限区间一段有限区间0,T的样本记录，则的样本记录，则x(t,T)的有限傅的有限傅里叶变换为里叶变换为C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1111/112/1127.2.1 问题的提出问题的提出n将区间将区间0,T分为分为N段，每段的时间增量段，每段的时间增量=T/N，利用定积分近似计算的矩形法可将信号的有限傅里利用定积分近似计算的矩形法可将信号的有限傅里叶变换写为叶变换写为
9、 称为采样间隔或采样周期称为采样间隔或采样周期称为采样间隔或采样周期称为采样间隔或采样周期C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1212/112/1127.2.1 问题的提出问题的提出n傅里叶积分与定积分近似数值计算的区别傅里叶积分与定积分近似数值计算的区别 1)X(f,T)与与X(f)有区别：由于对无限长样本作了有有区别：由于对无限长样本作了有限截断造成的；限截断造成的； 2)定积分与矩形法近似计算有区别：由于采样间隔定积分与矩形法近似计算有区别：由于采样间隔非无穷小而引起的；非无穷小而引起的； 3)x(t)与与x(n)有区别：求和运算
10、的有区别：求和运算的x(n)必须是数必须是数字量，而非模拟电压量。字量，而非模拟电压量。 对工程中拾取的模拟信号，需经过对工程中拾取的模拟信号，需经过对工程中拾取的模拟信号，需经过对工程中拾取的模拟信号，需经过“ “时域有限时域有限时域有限时域有限截断、离散采样、幅值量化截断、离散采样、幅值量化截断、离散采样、幅值量化截断、离散采样、幅值量化” ”三个步骤才能转换为三个步骤才能转换为三个步骤才能转换为三个步骤才能转换为一串由一串由一串由一串由NN个数码组成的数组个数码组成的数组个数码组成的数组个数码组成的数组xnxn进行数值计算！进行数值计算！进行数值计算！进行数值计算！C.7 C.7 计算机
11、辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1313/112/1127.2.1 问题的提出问题的提出n频谱分析是数字信号处理中的主要技术方法。对于频谱分析是数字信号处理中的主要技术方法。对于采样得到的离散数字序列采样得到的离散数字序列xn，传统的时频傅里叶变传统的时频傅里叶变换积分将转变为离散傅里叶变换算法换积分将转变为离散傅里叶变换算法(Discrete Fourier Transform, DFT)C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1414/112/1127.2.1 问题的提出问题的提出n数字信号处理流
12、程数字信号处理流程x(t)x(t)抗抗混混滤滤波波器器幅幅值值适适调调采采样样保保持持幅幅值值量量化化运运算算分分析析结结果果显显示示x(t)x(t)x(nx(n) )xxn n模拟信号预处理模拟信号预处理模拟信号预处理模拟信号预处理A/DA/D转换转换转换转换数字分析数字分析数字分析数字分析C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1515/112/1127.2 数字信号处理数字信号处理n7.2.2采样保持采样保持 k为电子开关，受采样脉冲为电子开关，受采样脉冲p的控制。采样时，的控制。采样时，p为高电平，开关为高电平，开关k导通，通过向电
13、容导通，通过向电容c充电，充电，c上的上的电压等于在此瞬时的电压。当电压等于在此瞬时的电压。当p为低电平时，开关为低电平时，开关k断开，输出电压保持并被量化。脉冲断开，输出电压保持并被量化。脉冲p转为高电平时，转为高电平时，开始下一次采样，开始下一次采样，p的间隔时间的间隔时间T频率就是采样间隔。频率就是采样间隔。 x(t)x(t)x(nx(n) )xxn nC.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1616/112/1127.2 数字信号处理数字信号处理n7.2.3幅值量化幅值量化 采样电压采样电压x(n)可写为可写为 实际量化电路的输出实
14、际量化电路的输出xn是二进是二进制码，制码，q是量化分辨率。是量化分辨率。 x(nx(n) )C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1717/112/1127.2.3幅值量化幅值量化n双极性二进制编码方式双极性二进制编码方式u偏移二进制偏移二进制u互补二进制互补二进制u反码反码u符号数值符号数值 常用的模数转换器的输入电平是常用的模数转换器的输入电平是5v，位数有位数有12、14、16位。对于一个常用的位。对于一个常用的14位转换器，位转换器，C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1
15、818/112/1127.2.3幅值量化幅值量化n1)截尾量化：尾数丢弃截尾量化：尾数丢弃x(nx(n) )xxn nC.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -1919/112/1127.2.3幅值量化幅值量化n2)舍入量化：舍入量化：q/2的尾数丢弃，的尾数丢弃，q/2的尾数进位的尾数进位x(nx(n) )xxn nC.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2020/112/1127.2.3幅值量化幅值量化n截尾量化与舍入量化的比较截尾量化与舍入量化的比较截尾量化截尾量化截尾量化截尾量化舍
16、入量化舍入量化舍入量化舍入量化C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2121/112/1127.2 数字信号处理数字信号处理7.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n如何选择采样间隔如何选择采样间隔是一个十分重要的问题。是一个十分重要的问题。u如果如果越小，在相同样本长度越小，在相同样本长度T下，数据点数下，数据点数N会越大，使会越大，使分析运算量加大；分析运算量加大；u如果如果过大，会丢失信号的细节，同样不可取。过大，会丢失信号的细节，同样不可取。nx(n)与与x(t) 是局部与整体的关系：是局部与整体的关系：u采样所得的局部能否
17、反映整体？采样所得的局部能否反映整体？u是否保括了整体的全部信息？是否保括了整体的全部信息？u引入了一些什么原信号所没有的新因素？引入了一些什么原信号所没有的新因素？u能否通过对能否通过对x(n)的分析来代替对的分析来代替对x(t)的分析？的分析？C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2222/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n1)正弦波采样定理正弦波采样定理 研究复杂周期信号是从简谐信号开始的；而研研究复杂周期信号是从简谐信号开始的；而研究一般连续信号的采样问题，也可以从简单而又特究一般连续信号的采样问题，也
18、可以从简单而又特殊的简谐信号采样开始。殊的简谐信号采样开始。 设有一连续正弦波为设有一连续正弦波为 对此正弦波以对此正弦波以间隔采样，得离散信号间隔采样，得离散信号 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2323/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n如果能用离散信号如果能用离散信号s(n)唯一地确定连续信号唯一地确定连续信号s(t)的的三要素三要素A、f0和和，就可以认为，离散信号就可以认为，离散信号s(n)能能表示连续信号表示连续信号s(t)，由离散值能恢复出整个连续正，由离散值能恢复出整个连续正弦波。弦波。
19、n如果采样间隔如果采样间隔2f0，则在正弦波则在正弦波 的一个周期内，至少有的一个周期内，至少有 三个采样值三个采样值s(-)、 s(0)和和s()。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2424/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n将将s(-)、s(0)和和s()代入下式代入下式n且且T0/2，得得n可唯一求解出可唯一求解出A、f0和和，复出连续信号，复出连续信号s(t)。n反之，如果反之，如果T0/2，则由采样值无法恢复则由采样值无法恢复s(t)。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅
20、助测试技术计算机辅助测试技术- -2525/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n正弦波采样定理正弦波采样定理 正弦波正弦波 按采样间隔按采样间隔采样采样得到离散信号得到离散信号s(n) ，则，则 1)当当T0/2时，由离散信号时，由离散信号s(n)可以唯一地可以唯一地确定正弦波确定正弦波s(t)； 2)当时当时T0/2时，由离散信号时，由离散信号s(n)不能唯一不能唯一地确定正弦波地确定正弦波s(t)，亦即不能确切地恢复原始正弦，亦即不能确切地恢复原始正弦波波s(t)。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -262
21、6/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n2)时域采样定理时域采样定理 对于一个正弦信号对于一个正弦信号s(t)，要由离散采样值要由离散采样值s(n)恢复连续波恢复连续波s(t) ，采样间隔，采样间隔与信号频率与信号频率f0之间必须之间必须满足满足2f0)的关系。的关系。 对一般的连续信号对一般的连续信号x(t)，可以表示为无穷多个，可以表示为无穷多个谐波分量的叠加。其中频率为谐波分量的叠加。其中频率为f0的谐波分量的幅值和的谐波分量的幅值和初相位由其频谱初相位由其频谱X(f0)表示。对于某一频率表示。对于某一频率f0，只要只要|X(f0)|0，则采样频率，则采样频率f
22、s都必须满足都必须满足fs2f0的条件。的条件。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2727/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n如果一般的连续信号如果一般的连续信号x(t)的频率范围无限宽，也就的频率范围无限宽，也就是是|X(f)|f0 ，那么就只能取，那么就只能取fs=，也即，也即=0。在这种条件下，离散采样是不可能的，连续信号不在这种条件下，离散采样是不可能的，连续信号不可能由离散信号恢复出来。可能由离散信号恢复出来。n因此，要由因此，要由x(n)恢复出恢复出x(t) ，信号的频谱和采样，信号的频谱和采样
23、间隔必须同时满足以下条件间隔必须同时满足以下条件 X(f)是频域有限信号，其截频为是频域有限信号，其截频为fc2fcC.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2828/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n两个条件的物理意义两个条件的物理意义 1)信号的频率范围是有限的，它只包含低于信号的频率范围是有限的，它只包含低于fc的频的频率分量。率分量。 2) 所有小于所有小于fc的谐波分量都可恢复。的谐波分量都可恢复。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -2929/1
24、12/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n奈魁斯特奈魁斯特(Nyquist)频率频率fN C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3030/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n频率混淆现象频率混淆现象 离散频谱离散频谱X(f)与连续信号频谱与连续信号频谱X(f)的关系的关系C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3131/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n当信号存在截频当信号存在截频fc，且且fs2fc时时n在的频率
25、范围在的频率范围(-fN,fN)内内X(f)和和X(f)是完全相等的，是完全相等的，此时此时X(f)可以表示可以表示X(f)，也可以精确地恢复，也可以精确地恢复x(t)。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3232/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n频率混叠的实质频率混叠的实质 把的高于把的高于fN的成分以的成分以fN为分界折叠到低于为分界折叠到低于fN的低的低频部分，把信号的高频分量误认为是低频成分，故频部分，把信号的高频分量误认为是低频成分，故频率混叠也称为频率折叠。频率混叠也称为频率折叠。频率折叠频率
26、折叠C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3333/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n例例7.1频率混叠的实例频率混叠的实例(原始信号原始信号) C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3434/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n例例7.1频率混叠的实例频率混叠的实例(采样信号采样信号) (Matlab演示演示) C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3535/112/112
27、7.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n时域采样定理时域采样定理 对于频域有限信号对于频域有限信号(最高频率为最高频率为fc)，为了避免频，为了避免频率混叠以使采样处理后仍可以准确地恢复原始信号，率混叠以使采样处理后仍可以准确地恢复原始信号，则采样频率则采样频率fs必须大于信号最高频率必须大于信号最高频率fc的两倍的两倍。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3636/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理n时域采样定理所表达的原则时域采样定理所表达的原则 若若x(t)是频域有限信号是频域有限信号(截频为截频
28、为fc)且且fNfc，在，在(-fc,fc)的频率范围内，离散信号的频率范围内，离散信号x(n)的频谱的频谱X(f)与连续信号与连续信号x(t)的频谱的频谱X(f)是完全相等的，可以用是完全相等的，可以用对离散信号对离散信号x(n)的谱分析代替对连续信号的谱分析代替对连续信号x(t)的谱的谱分析。分析。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3737/112/1127.2.4时域采样与采样定理时域采样与采样定理 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3838/112/1127.2.4时
29、域采样与采样定理时域采样与采样定理n减少频混误差的方法减少频混误差的方法 离散采样的目的，在于把连续信号数字化，以离散采样的目的，在于把连续信号数字化，以便用数值计算的方法对信号作分析处理。如果频混便用数值计算的方法对信号作分析处理。如果频混误差过大，信号数字化处理的结果将失去意义。解误差过大，信号数字化处理的结果将失去意义。解决这个问题有两条途径：决这个问题有两条途径： 1)选用尽可能高的采样频率。选用尽可能高的采样频率。 2)在离散采样前对被分析的模拟信号进行有限在离散采样前对被分析的模拟信号进行有限带宽处理。由于实际滤波器不具有理想的截止特性，带宽处理。由于实际滤波器不具有理想的截止特性
30、，存在过渡带。所以，一般选择采样频率为抗频混滤存在过渡带。所以，一般选择采样频率为抗频混滤波器的上截止频率的波器的上截止频率的2.54倍（倍（2.56倍）。倍）。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -3939/112/1127.2 数字信号处理数字信号处理n7.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数 在实际信号分析时，只能取出信号样本中的一在实际信号分析时，只能取出信号样本中的一段来考查，据此来估计信号全体的性质。这种从信段来考查，据此来估计信号全体的性质。这种从信号样本中截取一部分有限长度段信号的处理过程称号样本中截取一部
31、分有限长度段信号的处理过程称为信号的时域截断，又称为加为信号的时域截断，又称为加(时时)窗。窗。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4040/112/1127.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数n1)时域截断时域截断*C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4141/112/1127.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数n时域截断的数学分析时域截断的数学分析C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -42
32、42/112/1127.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数n2)能量泄漏能量泄漏 原始信号的功率仅存在于的孤立点原始信号的功率仅存在于的孤立点f0上，而经上，而经截断后，在截断后，在f0的两侧出现了频率分量。截断信号的的两侧出现了频率分量。截断信号的功率扩散到了较宽的频带中去，这种现象称为能量功率扩散到了较宽的频带中去，这种现象称为能量泄漏。泄漏。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4343/112/1127.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数n能量泄漏导致的问题能量泄漏导致的问题1)降降低低了了谱谱分分
33、析析的的频频率率分分辨辨力力。由由于于谱谱窗窗的的主主瓣瓣有有一一定定的的宽宽度度，当当信信号号中中的的两两个个频频率率分分量量靠靠得得很很近近时时，从频谱图中就难以把它们区别开来。从频谱图中就难以把它们区别开来。2)由由于于谱谱窗窗具具有有无无限限延延伸伸的的旁旁瓣瓣，就就等等于于在在频频谱谱中中引引入了虚假的频率分量。入了虚假的频率分量。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4444/112/1127.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数n减少能量泄漏的方法减少能量泄漏的方法 选择合适的窗函数，减小截断的影响。选择合适的
34、窗函数，减小截断的影响。n窗函数的基本要求窗函数的基本要求u主瓣宽度应尽可能小。主瓣宽度应尽可能小。u旁瓣高度与主瓣高度相比要小，且衰减要快。旁瓣高度与主瓣高度相比要小，且衰减要快。这两个要求是互相这两个要求是互相矛盾的，实践中需矛盾的，实践中需要折中要折中。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4545/112/1127.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数n3)常用窗函数及其特性常用窗函数及其特性(Matlab演示演示) 矩形窗矩形窗 主峰频率精确；主峰频率精确； 泄漏较为严重；泄漏较为严重； 适用信号：适用信号： 脉
35、冲信号脉冲信号 周期信号周期信号 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4646/112/1127.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数n汉宁窗汉宁窗 较好的综合特性较好的综合特性 泄漏较小泄漏较小 适用信号：适用信号： 功率信号功率信号(随机、周期信号随机、周期信号) C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4747/112/1127.2.5时域截断、泄漏和窗函数时域截断、泄漏和窗函数n指数窗指数窗 无旁瓣无旁瓣 适用信号：适用信号： 脉冲响应信号脉冲响应信号v如果用矩
36、形窗截取衰减振荡信号，由于时窗宽如果用矩形窗截取衰减振荡信号，由于时窗宽T受各受各种因素影响不能太长，信号末端的代表小阻尼模态种因素影响不能太长，信号末端的代表小阻尼模态的信号段会被丢失。的信号段会被丢失。v如果汉宁窗截取衰减振荡信号，起始处为零且很小，如果汉宁窗截取衰减振荡信号，起始处为零且很小，会破坏信号的始端数据。会破坏信号的始端数据。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4848/112/1127.2 数字信号处理数字信号处理7.2.6频域采样、时域周期延拓和栅栏效应频域采样、时域周期延拓和栅栏效应 频谱频谱X(f)仍然是仍然是
37、f的连续函数。在的连续函数。在(0,1/)内有内有无穷多个值，不适合计算机处理。无穷多个值，不适合计算机处理。n1)要用数值计算的方法作傅里叶分析，不仅要对时要用数值计算的方法作傅里叶分析，不仅要对时间信号作离散采样，而且还要对信号的频谱作频域间信号作离散采样，而且还要对信号的频谱作频域离散采样。离散采样。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -4949/112/1127.2.6频域采样、周期延拓和栅栏效应频域采样、周期延拓和栅栏效应 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5050/1
38、12/1127.2.6频域采样、周期延拓和栅栏效应频域采样、周期延拓和栅栏效应n2)时域有限信号及其时域周期延拓时域有限信号及其时域周期延拓(Matlab演示演示) 设设 为时域有限信号，在为时域有限信号，在(0,T0)内取内取非零值，在此区间外等于零。又设非零值，在此区间外等于零。又设 是是将将x(t)按按T0为周期延拓而得的周期信号，则为周期延拓而得的周期信号，则 x(t)是主周期。是主周期。T T0 00 0C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5151/112/1127.2.6频域采样、周期延拓和栅栏效应频域采样、周期延拓和栅栏效
39、应u对于时域有限信号对于时域有限信号x(t)，它的连续频谱是它的连续频谱是u对于周期信号对于周期信号 ，它的离散频谱为，它的离散频谱为u因为因为f0=1/T0，得得u上式说明，延拓周期信号的离散谱，是其主周期对应的时上式说明，延拓周期信号的离散谱，是其主周期对应的时域有限信号的连续谱按频率间隔域有限信号的连续谱按频率间隔f0=1/T0离散采样的结果离散采样的结果(不计系数不计系数1/T0) ，即连续谱是离散谱的包络，即连续谱是离散谱的包络*。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5252/112/1127.2.6频域采样、周期延拓和栅栏
40、效应频域采样、周期延拓和栅栏效应3)栅栏效应栅栏效应(Matlab演示演示) 对信号进行采样，其效果犹如透过栅栏的缝隙对信号进行采样，其效果犹如透过栅栏的缝隙观看外景一样，只有落在间隙之间的少数景象被看观看外景一样，只有落在间隙之间的少数景象被看到，其余景象都被栅栏挡住，视为到，其余景象都被栅栏挡住，视为0，此现象称为栅，此现象称为栅栏效应。栏效应。n对于时域采样，如满足采样定理，则不会有影响；对于时域采样，如满足采样定理，则不会有影响；n对于频域采样，则影响较大，对于频域采样，则影响较大，“挡住挡住”的频率成分的频率成分有可能是重要的或具有特征的成分，以至于整个处有可能是重要的或具有特征的成
41、分，以至于整个处理失去意义。理失去意义。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5353/112/1127.2 数字信号处理数字信号处理7.2.7 频域分辨率、整周期截取频域分辨率、整周期截取n1)频率分辨力频率分辨力f 频率分辨力是离散谱线之间的频率间隔频率分辨力是离散谱线之间的频率间隔f。它。它由采样长度由采样长度T=N决定。决定。 由于谱窗的带宽大于由于谱窗的带宽大于1/T， 再加上旁瓣的影响，实际再加上旁瓣的影响，实际 的频率分辨力低于的频率分辨力低于f 。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算
42、机辅助测试技术- -5454/112/1127.2.7频域分辨率、整周期截取频域分辨率、整周期截取n2)整周期截取整周期截取(Matlab演示演示) 对于简谐信号，若要了解某特定频率对于简谐信号，若要了解某特定频率f0的幅值，的幅值，就需要就需要DFT谱线落在谱线落在f0上。单纯减小上。单纯减小f并不一定会并不一定会使谱线落在使谱线落在f0上。上。 根据根据DFT原理，谱线落在原理，谱线落在f0上的前提条件是：上的前提条件是： 即，即， 整周期截取后，延拓信号与原信号完全重合，无畸变。整周期截取后，延拓信号与原信号完全重合，无畸变。整周期截取后，延拓信号与原信号完全重合，无畸变。整周期截取后，
43、延拓信号与原信号完全重合，无畸变。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5555/112/1127.2.7频域分辨率、整周期截取频域分辨率、整周期截取C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5656/112/1127.2 数字信号处理数字信号处理n7.2.8 DFT计算过程图解计算过程图解 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5757/112/1127.2.8 DFT计算过程图解计算过程图解 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计
44、算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5858/112/1127.2.8 DFT计算过程图解计算过程图解 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -5959/112/1127.2.8 DFT计算过程图解计算过程图解n在同时满足时域、频域采样定理的条件下，在同时满足时域、频域采样定理的条件下，DFT正、正、逆变换的结果，分别给出了原始的逆变换的结果，分别给出了原始的X(f)和和x(t)在一在一系列离散点上的值。这样对连续信号系列离散点上的值。这样对连续信号x(t)的分析，的分析，就可以借助于对离散信号就可以借助于对离散信号x
45、n的分析来实现。的分析来实现。n实际上，实际上，x(t)的时域采样使的时域采样使X(f)周期化，但并未引周期化，但并未引入误差；而截断则引入频谱无限的窗函数，使入误差；而截断则引入频谱无限的窗函数，使X(f)必然存在混叠。所以，离散傅里叶变换的结果只能必然存在混叠。所以，离散傅里叶变换的结果只能是近似的是近似的X(f)，肯定存在误差，但近似程度可以是，肯定存在误差，但近似程度可以是很高的。很高的。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6060/112/112作业作业n5-8。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助
46、测试技术计算机辅助测试技术- -6161/112/112第七章第七章 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术n本章内容本章内容u7.1 计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成u7.2 数字信号处理数字信号处理u7.3 相关分析相关分析u7.4 功率谱分析功率谱分析u7.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术uu7.3 7.3 相关分析相关分析相关分析相关分析C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6262/112/1127.3 相关分析相关分析n在信号分析中，相关是一个非常重要的概念。在信号分析中，相关是一个非常重要的概念。n相关表述两个信号
47、相关表述两个信号(或一个信号不同时刻或一个信号不同时刻)之间的线之间的线性关联或相似程度。性关联或相似程度。n相关分析广泛地用于随机信号的分析中，也应用在相关分析广泛地用于随机信号的分析中，也应用在确定信号的分析中。确定信号的分析中。n实际的工程信号往往是周期信号、瞬变信号和随机实际的工程信号往往是周期信号、瞬变信号和随机信号的组合，故将以研究随机信号的相关分析为主。信号的组合，故将以研究随机信号的相关分析为主。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6363/112/1127.3 相关分析相关分析7.3.1变量相关的概念变量相关的概念n
48、统计学中用相关系数来描述变量统计学中用相关系数来描述变量x，y之间的相关性。之间的相关性。两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了x、y之间的关联程度。之间的关联程度。n根据柯西根据柯西-许瓦兹不等式，有许瓦兹不等式，有C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6464/112/1127.3.1变量相关的概念变量相关的概念n相关概念两个变量的关系相关概念两个变量的关系C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6565/112/1127.3.1变
49、量相关的概念变量相关的概念n相关概念两个时间函数的关系相关概念两个时间函数的关系 如果所研究的变量如果所研究的变量x, y是与时间有关的函数，即是与时间有关的函数，即x(t)与与y(t)，则则x(t)x(t)y(t)y(t)C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6666/112/1127.3 相关分析相关分析7.3.2自相关函数自相关函数n当当y(t)等于等于x(t)时，互相关函数和系数描述的是信号时，互相关函数和系数描述的是信号x(t)的一个时刻的值与另一时刻的值的一个时刻的值与另一时刻的值x(t+ )之间的之间的线性相关程度。线性相关
50、程度。n自相关函数和自相关系数分别定义为自相关函数和自相关系数分别定义为C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6767/112/1127.3.2自相关函数自相关函数n几种典型信号的自相关函数几种典型信号的自相关函数 随机初相位正弦及其自相关函数随机初相位正弦及其自相关函数随机初相位正弦及其自相关函数随机初相位正弦及其自相关函数 周期方波及其自相关函数周期方波及其自相关函数周期方波及其自相关函数周期方波及其自相关函数 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6868/112/1127.3
51、.2自相关函数自相关函数宽带随机信号及其自相宽带随机信号及其自相宽带随机信号及其自相宽带随机信号及其自相关函数关函数关函数关函数 窄带随机信号信号及其窄带随机信号信号及其窄带随机信号信号及其窄带随机信号信号及其自相关函数自相关函数自相关函数自相关函数 正弦随机噪声及其自正弦随机噪声及其自正弦随机噪声及其自正弦随机噪声及其自相关函数相关函数相关函数相关函数( (被淹没被淹没被淹没被淹没) ) 利用随机信号自相关函数的特点，有可能识别出夹杂在强利用随机信号自相关函数的特点，有可能识别出夹杂在强利用随机信号自相关函数的特点，有可能识别出夹杂在强利用随机信号自相关函数的特点，有可能识别出夹杂在强烈噪声
52、背景中的烈噪声背景中的烈噪声背景中的烈噪声背景中的周期成分和它的频率周期成分和它的频率周期成分和它的频率周期成分和它的频率。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -6969/112/1127.3.2自相关函数自相关函数n自相关分析的应用自相关分析的应用u判别原信号性质。判别原信号性质。u检测混杂在随机信号中的确定性信号。检测混杂在随机信号中的确定性信号。 n1) 机械加工表面粗糙度分析机械加工表面粗糙度分析C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7070/112/1127.3.2自相关
53、函数自相关函数n2)轴承故障的探测轴承故障的探测l某机器中的滚动轴承在不同某机器中的滚动轴承在不同状态下的振动加速度信号的状态下的振动加速度信号的自相关函数是不相同的。自相关函数是不相同的。lc图为正常状态下的自相关图为正常状态下的自相关函数，接近于宽带随机噪声函数，接近于宽带随机噪声的自相关函数。的自相关函数。la图因外圈滚道上有疵点，图因外圈滚道上有疵点，在间隔为在间隔为14ms处有峰值出处有峰值出现；现；lb图因内圈滚道上有疵点，图因内圈滚道上有疵点，在间隔为在间隔为11ms处有峰值出处有峰值出现；现；C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技
54、术- -7171/112/1127.3.2自相关函数自相关函数n3)信号消噪信号消噪9.5Hzn4)提取周期信号提取周期信号C630机床主轴箱噪声机床主轴箱噪声C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7272/112/1127.3 相关分析相关分析7.3.3互相关函数互相关函数n实际上，两个信号之间可能有时差实际上，两个信号之间可能有时差 ，因而需要研究，因而需要研究的是信号的是信号x(t)与与y(t)的时延信号的时延信号y(t+ )的线性相关的线性相关和波形相似程度。很显然，这种相关程度是时延和波形相似程度。很显然，这种相关程度是时延 的
55、的函数。函数。n互相关函数和互相关系数分别定义为互相关函数和互相关系数分别定义为C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7373/112/1127.3.3互相关函数互相关函数n自相关分析的应用自相关分析的应用n1)相关滤波相关滤波(同频检测同频检测)u利用相关原理进行频谱分析的原理框图利用相关原理进行频谱分析的原理框图 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7474/112/1127.3.3互相关函数互相关函数n2)轧钢机钢带速度的测定轧钢机钢带速度的测定C.7 C.7 计算机辅助测试
56、技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7575/112/1127.3.3互相关函数互相关函数n3)用声发射探测地下输油管道漏损位置用声发射探测地下输油管道漏损位置直线定位直线定位n因互相关图表示因互相关图表示x2(t)比比x1(t)延迟了一段时间延迟了一段时间 ，所所以漏损处必定在距两个检测点中心靠拾音器以漏损处必定在距两个检测点中心靠拾音器1的一侧。的一侧。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7676/112/1127.3.3互相关函数互相关函数n4)汽车驾驶员座椅振源定位汽车驾驶员座椅振源定位 座椅上的振动
57、信号为座椅上的振动信号为y(t)，前轮轴梁的振动信，前轮轴梁的振动信号为号为x(t)，后轮轴架的振动信号为，后轮轴架的振动信号为z(t)。由。由Rzy()和和Rxy()的图形可以看出，的图形可以看出， y(t)和和x(t)相关。相关。 结论：座椅振动主要由前轮振动引起。结论：座椅振动主要由前轮振动引起。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7777/112/112第七章第七章 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术n本章内容本章内容u7.1 计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成u7.2 数字信号处理数字信号处理u7.3 相关分析
58、相关分析u7.4 功率谱分析功率谱分析u7.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术uu7.4 7.4 功率谱分析功率谱分析功率谱分析功率谱分析C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7878/112/1127.4 功率谱分析功率谱分析7.4.1自功率谱密度函数自功率谱密度函数n随机信号是功率信号，但没有周期性，不能用傅里随机信号是功率信号，但没有周期性，不能用傅里叶级数来表示它的谐波组成。叶级数来表示它的谐波组成。n随机信号又不满足绝对可积条件，也不能进行傅里随机信号又不满足绝对可积条件，也不能进行傅里叶积分变换求其频谱。叶积分变换求其频谱。n但是随
59、机信号但是随机信号x(t)的自相关函数的自相关函数Rx( )是时域瞬变信是时域瞬变信号，它满足绝对可积条件。记自相关函数号，它满足绝对可积条件。记自相关函数Rx( ) 的的傅里叶变换为傅里叶变换为Sx(f)。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -7979/112/1127.4.1自功率谱密度函数自功率谱密度函数n简单记为简单记为 nSx(f)称为的自功率谱密度称为的自功率谱密度(简称自功率谱简称自功率谱)函数。函数。维纳维纳维纳维纳辛钦定理：随机信号的自相关函数和自功辛钦定理：随机信号的自相关函数和自功辛钦定理：随机信号的自相关函数和自
60、功辛钦定理：随机信号的自相关函数和自功率谱密度函数是一对傅里叶变换对。率谱密度函数是一对傅里叶变换对。率谱密度函数是一对傅里叶变换对。率谱密度函数是一对傅里叶变换对。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8080/112/1127.4.1自功率谱密度函数自功率谱密度函数n巴斯瓦尔定理巴斯瓦尔定理C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8181/112/1127.4.1自功率谱密度函数自功率谱密度函数n自功率谱密度函数的应用检测信号中的周期成分自功率谱密度函数的应用检测信号中的周期成分u
61、周期信号周期信号x(t)的频谱是的频谱是(f)；uw(t)频谱是频谱是sinc(f)；uw(t)x(t) sinc(f)*(f)；周期成分在实测的自功率谱中以陡峭有限峰值的形态出现。周期成分在实测的自功率谱中以陡峭有限峰值的形态出现。周期成分在实测的自功率谱中以陡峭有限峰值的形态出现。周期成分在实测的自功率谱中以陡峭有限峰值的形态出现。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8282/112/1127.4 功率谱分析功率谱分析7.4.2互谱密度函数互谱密度函数n随机信号随机信号x(t)和和y(t)的互谱密度函数定义为它们的互的互谱密度函数定
62、义为它们的互相关函数的傅里叶变换相关函数的傅里叶变换 n互谱密度函数简称互谱，它一般是一个复函数。互谱密度函数简称互谱，它一般是一个复函数。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8383/112/1127.4.2互谱密度函数互谱密度函数n互谱密度函数的下标顺序不能颠倒的。互谱密度函数的下标顺序不能颠倒的。n两个信号的互相关函数包含了它们的幅值和相位差两个信号的互相关函数包含了它们的幅值和相位差信息，互相关和互谱是同一客观量在不同域内的表信息，互相关和互谱是同一客观量在不同域内的表现形式，它们分别在时域和频域内包含了两信号幅现形式，它们分
63、别在时域和频域内包含了两信号幅值和相位差信息。值和相位差信息。n互相关分析有良好的排除噪声干扰的能力，所有互互相关分析有良好的排除噪声干扰的能力，所有互谱分析也不易受噪声干扰。正因为如此，互谱分析谱分析也不易受噪声干扰。正因为如此，互谱分析是一种广泛应用的频域分析法。是一种广泛应用的频域分析法。 C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8484/112/1127.4.2互谱密度函数互谱密度函数n互谱密度函数的应用频率响应分析互谱密度函数的应用频率响应分析nH1()和和H2()在理论上是完全相同的。在理论上是完全相同的。nH1()的分子受噪声
64、干扰小，常用在输入信噪比较高的场合；的分子受噪声干扰小，常用在输入信噪比较高的场合；H2()的分母受噪声干扰小，常用在输出信噪比较高的场合。的分母受噪声干扰小，常用在输出信噪比较高的场合。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8585/112/1127.4.2互谱密度函数互谱密度函数n互谱密度函数的应用相干分析互谱密度函数的应用相干分析 用于评价输入信号和输出信号之间的因果性。用于评价输入信号和输出信号之间的因果性。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8686/112/1127.4
65、 功率谱分析功率谱分析7.4.3时域和频域分析方法之间的关系时域和频域分析方法之间的关系C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8787/112/112第七章第七章 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术n本章内容本章内容u7.1 计算机测试系统的基本构成计算机测试系统的基本构成u7.2 数字信号处理数字信号处理u7.3 相关分析相关分析u7.4 功率谱分析功率谱分析u7.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术uu7.5 7.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机
66、辅助测试技术- -8888/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术7.5.1虚拟仪器虚拟仪器(Virtual Instrument, VI)n20世纪世纪90年代初期出现的一种新型仪器。年代初期出现的一种新型仪器。n虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -8989/112/
67、1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术n7.5.2虚拟仪器技术的发展过程虚拟仪器技术的发展过程模拟式仪表模拟式仪表模拟式仪表模拟式仪表第一代仪器第一代仪器第一代仪器第一代仪器分立元件式仪表分立元件式仪表分立元件式仪表分立元件式仪表第二代仪器第二代仪器第二代仪器第二代仪器数字式仪器数字式仪器数字式仪器数字式仪器第三代仪器第三代仪器第三代仪器第三代仪器智能化仪器智能化仪器智能化仪器智能化仪器第四代仪器第四代仪器第四代仪器第四代仪器C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9090/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术7.5.3仪器概念的
68、转变仪器概念的转变n用户定义虚拟仪器的优点用户定义虚拟仪器的优点传统仪器传统仪器: :厂商定义厂商定义虚拟仪器虚拟仪器: :用户定义用户定义费用费用性能性能用户定义用户定义低费用低费用灵活灵活可再用性可再用性可重新配置可重新配置C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9191/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术n7.5.4虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成PXIPXIVXIVXIGPIBGPIBDAQDAQIMAQIMAQMotionMotion硬件板卡硬件板卡硬件板卡硬件板卡软件软件软件软件程序解决方案程序解决方案程序解决方案程序解
69、决方案软件驱动模块软件驱动模块软件驱动模块软件驱动模块C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9292/112/1127.5.4虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9393/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术n7.5.5常用虚拟仪器板卡常用虚拟仪器板卡DAQ CardIMAQ CardField PointMotion Control CardC.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9494
70、/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术7.5.6虚拟仪器软件驱动模块虚拟仪器软件驱动模块n为简化硬件板卡编程和控制，为简化硬件板卡编程和控制，NI和和Agilent标准化了标准化了数百种常用仪器、板卡的驱动，它们已成为虚拟仪数百种常用仪器、板卡的驱动，它们已成为虚拟仪器开发平台的一部分，开发时可直接复用这些硬件器开发平台的一部分，开发时可直接复用这些硬件驱动代码。驱动代码。用户界面用户界面用户界面用户界面软件驱动软件驱动软件驱动软件驱动C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9595/112/1127.5.6虚拟仪器软件驱动模块虚
71、拟仪器软件驱动模块nIVI 结构结构IVI Class DriverIVI Class DriverIVI Instrument Specific DriverIVI Instrument Specific DriverApplications ProgramApplications ProgramVISA(Virtual Instrument System Architecture)VISA(Virtual Instrument System Architecture)PC PluginPC PluginGPIBGPIBPXIPXIVXIVXIPlug&Play C.7 C.7 计算机辅助测
72、试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9696/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术7.5.7常见的虚拟仪器软件平台常见的虚拟仪器软件平台LabViewLabViewAgilent VEEAgilent VEEDASYLabDASYLabDirectViewDirectViewProcessControlProcessControlC.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9797/112/1127.5.7常见的虚拟仪器软件平台常见的虚拟仪器软件平台NI LabVIEW & LabWindows/CVIC
73、.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9898/112/1127.5.7常见的虚拟仪器软件平台常见的虚拟仪器软件平台C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -9999/112/1127.5.7常见的虚拟仪器软件平台常见的虚拟仪器软件平台C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -100100/112/1127.5.7常见的虚拟仪器软件平台常见的虚拟仪器软件平台C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测
74、试技术- -101101/112/1127.5.7常见的虚拟仪器软件平台常见的虚拟仪器软件平台C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -102102/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术7.5.8 虚拟仪器系统的开发虚拟仪器系统的开发n虚拟仪器为计算机在工业领域中的应用提供一项很虚拟仪器为计算机在工业领域中的应用提供一项很好的技术解决方案，在状态监测领域我们可以借鉴好的技术解决方案，在状态监测领域我们可以借鉴它来进行状态监测系统面板设计等工作。它来进行状态监测系统面板设计等工作。nLabView、VEE过于庞大，不适合在现场使用，缺
75、过于庞大，不适合在现场使用，缺乏面向某一特定领域的专用控件。乏面向某一特定领域的专用控件。Agilent VEEAgilent VEEC.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -103103/112/1127.5.8 虚拟仪器系统的开发虚拟仪器系统的开发n1)虚拟仪器主体程序虚拟仪器主体程序(容器容器)设计设计C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -104104/112/1127.5.8 虚拟仪器系统的开发虚拟仪器系统的开发n可以向可以向COM容器插入任何虚拟仪器组件容器插入任何虚拟仪器组件
76、C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -105105/112/1127.5.8 虚拟仪器系统的开发虚拟仪器系统的开发n2)虚拟仪器组件设计虚拟仪器组件设计C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -106106/112/1127.5.8 虚拟仪器系统的开发虚拟仪器系统的开发n3)虚拟仪器组件设计简介虚拟仪器组件设计简介80800 0C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -107107/112/1127.5.8 虚拟仪器系统的开发虚拟仪器系
77、统的开发n设计样例设计样例x=120x=120y=70y=70Fillbar x,y,140,120,10904646Fillbar x,y,140,120,10904646Arc x+70,y+100-15,80,45,135,14Arc x+70,y+100-15,80,45,135,14Fillcircle x+70,y+90,4,14Fillcircle x+70,y+90,4,14Line x+70,y+100-10,x+14,y+27,14Line x+70,y+100-10,x+14,y+27,14Line x+70,y+100-10,x+127,y+27,14Line x+70
78、,y+100-10,x+127,y+27,14Line x+70,y+5,x+70,y+15,14Line x+70,y+5,x+70,y+15,14Textout x+30,y+70,15,-50Textout x+30,y+70,15,-50Textout x+90,y+70,15,50Textout x+90,y+70,15,50Textout x+35,y+100,15,Textout x+35,y+100,15,数字电压表数字电压表数字电压表数字电压表 Line x,y,x+140,y,15Line x,y,x+140,y,15Line x,y,x,y+120,15Line x,y,
79、x,y+120,15Line x+140,y,x+140,y+120,8Line x+140,y,x+140,y+120,8Line x,y+120,x+140,y+120,8Line x,y+120,x+140,y+120,8Line x+70,y+100-10,x+100,y+20,12Line x+70,y+100-10,x+100,y+20,12Line x+71,y+100-10,x+100,y+20,12Line x+71,y+100-10,x+100,y+20,12Line x+69,y+100-10,x+100,y+20,12Line x+69,y+100-10,x+100,y
80、+20,12-5050数字电压表数字电压表C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -108108/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术7.5.9促进虚拟仪器发展的因素促进虚拟仪器发展的因素芯片芯片芯片芯片硬件硬件硬件硬件软件软件软件软件网络网络网络网络LANsLANsLANsInternetInternet总线总线总线总线ATATATC.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -109109/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术7.5.10虚拟仪器技术的优点虚拟仪器技术的优点
81、虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器传统仪器传统仪器传统仪器传统仪器软件使得开发与维护费用降至最低软件使得开发与维护费用降至最低软件使得开发与维护费用降至最低软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护开销高开发与维护开销高开发与维护开销高开发与维护开销高技术更新周期短技术更新周期短技术更新周期短技术更新周期短(12(12年年年年) )技术更新周期长技术更新周期长技术更新周期长技术更新周期长(510(510年年年年) )关键是软件关键是软件关键是软件关键是软件关键是硬件关键是硬件关键是硬件关键是硬件价格低、可复用与可重配置性强价格低、可复用与可重配置性强价格低、可复用与可重配置性强价格低、可复用与可重
82、配置性强价格昂贵价格昂贵价格昂贵价格昂贵用户定义仪器功能用户定义仪器功能用户定义仪器功能用户定义仪器功能厂商定义仪器功能厂商定义仪器功能厂商定义仪器功能厂商定义仪器功能开放、灵活，计算机技术同步发展开放、灵活，计算机技术同步发展开放、灵活，计算机技术同步发展开放、灵活，计算机技术同步发展封闭、固定封闭、固定封闭、固定封闭、固定与网络及其它周边设备互联与网络及其它周边设备互联与网络及其它周边设备互联与网络及其它周边设备互联功能单一的独立设备功能单一的独立设备功能单一的独立设备功能单一的独立设备C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -11011
83、0/112/1127.5 虚拟仪器技术虚拟仪器技术7.5.11虚拟仪器技术的主要应用领域虚拟仪器技术的主要应用领域通讯通讯通讯通讯 AT&T, Alcatel, AT&T, Alcatel, EricssonEricsson计算机计算机计算机计算机 IBM, Apple, DellIBM, Apple, Dell半导体半导体半导体半导体 Motorola, TI, Motorola, TI, Thomson-CSFThomson-CSF汽车汽车汽车汽车 Ford, Chrysler, Ford, Chrysler, Nissan, ToyotaNissan, Toyota电子电子电子电子 So
84、ny, SiemensSony, Siemens石油化工石油化工石油化工石油化工 Shell, Mobil ResearchShell, Mobil Research纺织纺织纺织纺织 Instron, Dupont, Eli Lilly, Instron, Dupont, Eli Lilly, Albany InternationalAlbany International制造制造制造制造 Ericcson, DuracellEriccson, Duracell食品加工食品加工食品加工食品加工 Sara Lee, Ben & JerrySara Lee, Ben & Jerry抯抯抯抯, ,
85、ShinerShiner医药医药医药医药 Johnson & Johnson,Johnson & Johnson,Proctor & GambleProctor & Gamble测试和测量测试和测量测试和测量测试和测量工业自动化工业自动化工业自动化工业自动化C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -111111/112/112参考文献参考文献n何岭松等，何岭松等，工程测试技术基础工程测试技术基础课件，华中科技课件，华中科技大学机械学院。大学机械学院。n伍星，伍星，机电系统状态监测与故展诊断技术机电系统状态监测与故展诊断技术课件，课件，昆明理工
86、大学机电学院。昆明理工大学机电学院。n李功宇，李功宇，机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术课件，昆明课件，昆明理工大学机电学院。理工大学机电学院。n郭瑜，郭瑜，机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术课件，昆明理课件，昆明理工大学机电学院。工大学机电学院。nB&K公司技术资料。公司技术资料。C.7 C.7 计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术计算机辅助测试技术- -112112/112/112谢谢谢谢Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Kunming University of Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Kunming University of Science & TechnologyScience & Technology
