第 3 章信号数字化与动态信号分析仪

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第 3 章信号数字化与动态信号分析仪

• 1 动态信号分析基本组成

被测对象

激振系统

测量系统分析系统

反馈系统

3.1 基本知识


被测对象

激振系统

传感器信号调理器或放大器

动态信号分析仪


模拟输入：未经数字化处理的连续电信号

模拟抗混滤波：防止频率混叠

采样保持：多通道的同步相当重要

采样、数模转化：利用计算机进行数据处理需要

数字抗混滤波

加窗：防止由于对连续信号截断和抽样所引起的泄漏

FFT：由时域到频域的转换

显示、处理、控制等


典型双通道信号分析仪组成


• 2 采样定理采样就是将连续模拟信号变化成离散数字信号的过程。离散后的信号能唯一地确定原连续信号，并要求离散信号通过 D/A （数 / 模 ) 转换后能恢复成原连续信号。


•混叠现象：假定：根据频域卷积定理，有

因为，采样信号序列是一个周期函数，其傅里叶变换为

所以：

)()]([),()]([ GtgFXtxF

)()(2

1)(

GXX s

)(1

2)( sn

nT

G

)(1

)( sn

s nXT

X


)(1

)( sn

s nXT

X


•采样定理：设是一个频限信号，其最高频率分量为（或），当采样频率时，采样后的离散信号的频谱就不会发生混叠，则可完全由采样值确定。

)(tx mmf ms 2

)(sX )(tx


• 3 量化量化是将模拟信号采样后得到的离散信号变为数字信号，以便计算机能接受，因此必须对离散信号进行数字化，即编码，这项工作由 A/D 转化器来完成。目前有 8 、 12 、 14 、 16bit 芯片，量程范围由， 5 ， 10V 等。例如： 12bit A/D 转化器，量程为 10V

动态范围： 20log212 =20120.303=72dB

分辨率：满量程 /211= 满量程 /2048 =5mV ，其中 1 位是正负标志。


3.2 离散傅立叶变换

1

0

2

1

0

2

)(1

)(

)()(

N

K

N

Knj

N

K

N

Knj

efnXN

tKx

etKxfnX

样本记录的信号的时间周期： T

采样点数为： N

则：采样时间间隔为△ t，即 T＝ N t△

采样频率： fs＝ 1/ t△ ，谱线的频率间隔△ f=1/T

dfefXtx

dtetxfX

ftj

ftj

2

2

)()(

)()(


数字信号分析对有限长度 T 的离散时间序列进行离散傅立叶变换（ DFT ）运算，这意味着首先要对时域信号进行截断。这种截段将导致频谱分析出现误差，其效果是使得本来集中于某一频率的功率（或能量），部分被分散到该频率邻近的频域，这种现象称为“泄漏”效应。

3.3 泄漏与窗函数


• 解决泄漏问题的唯一办法是确保信号的周期性，或者在观察窗内能够完整地观测。但一般来说这种要求很难实现的。所以采取加窗减少泄漏。

• 窗函数类型：

T

Tdttw0

)(


•窗的特性

类型 K 最高旁瓣量级 /dB

固有增益

矩形窗 1 -13 1.00

Hanning窗 2 -32 0.50

Hamming窗 2.52 -43 0.54

Guss窗 4 -55 0.43

平顶窗 4.63 -94 0.22


•加窗原则冲击过程和瞬态过程的测量，应该使用矩形窗（也称力窗）随机和周期激振信号，多用 Hanning 窗；自由衰减信号，多用指数窗。


滤波类型与滤波选择原则

3.4 滤波


• 平均技术是用以降低信号中混入的随机噪声分量含量的一种方法。

• 主要种类有：– 时域平均– 频率平均– 指数平均– 峰值平均等

3.5 平均技术


• 与计算机接口不同，分析仪可分为：– GPIB ，仪器接口（仪器类）– ISA ，计算机总线接口（卡类）– PCI ，计算机总线接口（卡类）– VXI ，仪器总线接口（卡类）– PXI ，仪器总线接口， NI 公司（卡类）– PCMCIA ，便携式电脑接口（卡类）– USB ，通用串行总线，可以连接 127 个设备– Ethernet ，网卡接口

3.6 分析仪


现代工业测试


ISA、 PCI

PXI

VXI


+

USB

PCMICA


Dataphysics公司

2-4CH32CH

40-1024CH


• 主要性能指标：– 输入通道

• 通道数，可接传感器类型，采样频率或分析频率，频率测量范围，电压测量范围， ADC 位数，动态范围，分辨率等

– 输出通道• 通道数，输出电压范围， DAC 位数，

动态范围，分辨率等– 软件功能

• 设置功能，传感器的参数设置等• 分析功能，振动、噪声、模态测试、故障分析等

• 处理功能，数据记录，图表报告功能– 硬件功能

• 计算机要求• 接口情况，如 USB ， Ethernet 等

– 其他• 外观• 工作环境要求等

3.6 分析仪

LDS公司

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