《機(jī)械工程測試技術(shù)》配套PPT課件

《機(jī)械工程測試技術(shù)》配套PPT課件,機(jī)械工程測試技術(shù),機(jī)械工程,測試,技術(shù),配套,PPT,課件 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院（2012）Page 2學(xué)習(xí)導(dǎo)航學(xué)習(xí)導(dǎo)航7.1 7.1 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成7.2 7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題7.3 7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理7.4 7.4 數(shù)據(jù)采集元件數(shù)據(jù)采集元件7.5 7.5 虛擬儀器虛擬儀器7.67.6基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)Page 37.1 7.1 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)Page 4(1)(1)信號調(diào)理信號調(diào)理目的是把信號變成便于數(shù)字處理的形式，包括：目的是把信號變成便于數(shù)字處理的形式，包括：電壓電壓幅值幅值的放大或衰減，以便于采樣；的放大或衰減，以便于采樣；用用低通濾波器低通濾波器消除信號中的高頻噪聲；消除信號中的高頻噪聲；如果信號中不應(yīng)有如果信號中不應(yīng)有直流分量直流分量，則隔離信號中的則隔離信號中的 直流分量；直流分量；如果原信號為調(diào)制信號，則應(yīng)如果原信號為調(diào)制信號，則應(yīng)解調(diào)解調(diào)。應(yīng)應(yīng)根根據(jù)據(jù)測測試試對對象象、信信號號特特點(diǎn)點(diǎn)和和數(shù)數(shù)字字處處理理設(shè)設(shè)備備的的能能力力安安排排信信號號調(diào)調(diào)理理環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。7.1 7.1 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成Page 5(2)(2)模數(shù)模數(shù) (A/D)(A/D)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換對對原原信信號號時(shí)時(shí)間間上上等等間間隔隔采采樣樣、保保持持和和幅幅值值上上的的量量化化及及編編碼碼，模模擬量擬量數(shù)字量，即連續(xù)信號數(shù)字量，即連續(xù)信號離散的時(shí)間序列。離散的時(shí)間序列。(3)(3)數(shù)字信號分析數(shù)字信號分析截?cái)?，有時(shí)序列加權(quán)，數(shù)字濾波。然后按給定的程序運(yùn)算。截?cái)?，有時(shí)序列加權(quán)，數(shù)字濾波。然后按給定的程序運(yùn)算。(4)(4)輸出結(jié)果輸出結(jié)果可可直直接接顯顯示示或或打打印印，也也可可用用數(shù)數(shù)模模 (D/A)(D/A)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成模模擬擬量量，輸輸入入受受控控裝裝置置。如如有有必必要要可可將將處處理理結(jié)結(jié)果果輸輸入入后后續(xù)續(xù)計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)用用專專門門程序做后續(xù)處理。程序做后續(xù)處理。7.1 7.1 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構(gòu)成Page 61 1、A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 1)A/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程 采樣采樣利用采樣脈沖序列利用采樣脈沖序列s(t)s(t)，從連續(xù)時(shí)間信從連續(xù)時(shí)間信號號x(t)x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號號x(nTsx(nTs)的過程的過程 7.2 7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題編碼編碼將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過程。字的過程。量量化化把把采采樣樣信信號號x x（nTsnTs）經(jīng)經(jīng)過過舍舍入入變變?yōu)闉橹恢挥杏杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化有限個有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化Page 77.2.1 7.2.1 采樣采樣(1)(1)采樣和迭混現(xiàn)象采樣和迭混現(xiàn)象采采樣樣是是在在模模數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換過過程程中中以以一一定定時(shí)時(shí)間間間間隔隔對對連連續(xù)續(xù)時(shí)時(shí)間間信信號號進(jìn)進(jìn)行行取值的過程。取值的過程。數(shù)學(xué)描述是用間隔為數(shù)學(xué)描述是用間隔為T Ts s的的周期單位脈沖序列周期單位脈沖序列 去乘模擬信號去乘模擬信號x x(t t)。各采樣點(diǎn)的信號各采樣點(diǎn)的信號幅值：幅值：7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 8采樣結(jié)果必須唯一地確定原始信號。采樣結(jié)果必須唯一地確定原始信號。采采樣樣間間隔隔太太小小(采采樣樣頻頻率率高高)，對對定定長長的的時(shí)時(shí)間間記記錄錄，數(shù)數(shù)字字序序列列長長，計(jì)算量大；計(jì)算量大；如如果果數(shù)數(shù)字字序序列列長長度度一一定定，則則只只能能處處理理很很短短的的時(shí)時(shí)間間歷歷程程，可可能能產(chǎn)產(chǎn)生較大的誤差。生較大的誤差。若采樣間隔太大若采樣間隔太大(采樣頻率低采樣頻率低)，可能丟掉有用的信息。，可能丟掉有用的信息。7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 9時(shí)域采樣迭混現(xiàn)象7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 10(2)(2)采樣函數(shù)的頻譜采樣函數(shù)的頻譜采樣函數(shù)：采樣函數(shù)：寫成復(fù)指數(shù)形式：寫成復(fù)指數(shù)形式：傅里葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)形式傅里葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)形式 利用篩選特性，系數(shù)利用篩選特性，系數(shù)C Cn n 為：為：一個周期內(nèi)，一個周期內(nèi)，n=0n=0，有，有g(shù)(t)=(t)g(t)=(t)篩選特性篩選特性7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 11時(shí)時(shí)域域上上不不恰恰當(dāng)當(dāng)?shù)氐剡x選擇擇采采樣樣的的時(shí)時(shí)間間間間隔隔而而引引起起的的頻頻域域上上的的高高低低頻頻彼彼此混淆稱為迭混。此混淆稱為迭混。間間距距為為T Ts s的的采采樣樣脈脈沖沖系系列列的的傅傅里里葉葉變變換換也也是是脈脈沖沖系系列列，其其間間距距為為1/1/T Ts s 。由卷積定理，并考慮到由卷積定理，并考慮到-函數(shù)與其它函數(shù)卷積的特性，有：函數(shù)與其它函數(shù)卷積的特性，有：取傅里葉變換，有：取傅里葉變換，有：7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 12采樣過程7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 13(3)(3)采樣定理采樣定理采樣頻率應(yīng)大于信號中最高頻率采樣頻率應(yīng)大于信號中最高頻率 的的2 2倍倍，即即一般選為最高頻率的一般選為最高頻率的 2.56 2.56 倍。倍。fs 2fc不產(chǎn)生迭混的條件7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 14如如果果確確知知測測試試信信號號中中的的高高頻頻部部分分是是由由噪噪聲聲干干擾擾引引起起的的，為為了了滿滿足足采采樣樣定定理理又又不不使使數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)過過長長，可可先先把把信信號號做做低低通通濾濾波波處處理理。這這種種濾濾波器稱為波器稱為抗混濾波器抗混濾波器，在信號預(yù)處理過程中是非常必要的。，在信號預(yù)處理過程中是非常必要的。在在設(shè)設(shè)備備狀狀態(tài)態(tài)監(jiān)監(jiān)測測過過程程中中，如如果果只只對對某某一一個個頻頻帶帶感感興興趣趣，那那么么可可用用低低通通濾濾波波器器或或帶帶通通濾濾波波器器濾濾掉掉其其它它頻頻率率成成分分，這這樣樣可可以以避避免免迭迭混混并減少信號中其它成分的干擾。并減少信號中其它成分的干擾。7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 157.2.2 7.2.2 量化量化在在模模數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換過過程程中中，首首先先以以同同樣樣的的時(shí)時(shí)間間間間隔隔對對模模擬擬信信號號x x(t t)采采樣，因?yàn)檗D(zhuǎn)換需要一段時(shí)間，所以要在轉(zhuǎn)換期間保持采樣值。樣，因?yàn)檗D(zhuǎn)換需要一段時(shí)間，所以要在轉(zhuǎn)換期間保持采樣值。采樣與保持7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 16然然后后，用用量量化化單單位位（一一般般用用q q表表示示）量量化化模模擬擬量量，并并且且以以編編碼碼的的形式表示量化后的數(shù)字量。形式表示量化后的數(shù)字量。量化an0q2q3q4q編碼000001010011100編碼的方式7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 17式中式中 FSRFSR滿量程輸出值；滿量程輸出值；n nA/DA/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。量化單位越量化單位越()()，精度越高，但任何量化都會引起，精度越高，但任何量化都會引起誤差誤差。量量化化是是在在模模數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換過過程程中中，對對時(shí)時(shí)域域上上每每個個間間隔隔采采樣樣分分層層取取值值的的過過程。程。量量化化單單位位是是數(shù)數(shù)字字量量最最低低位位所所代代表表的的數(shù)數(shù)值值，是是分分層層的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)尺尺度度，定定義為：義為：小小7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 18舍入處理的最大量化誤差為舍入處理的最大量化誤差為q q/2/2，均值為，均值為0 0。截尾處理的最大誤差截尾處理的最大誤差q q。每增加一位字長，量化信噪比增加每增加一位字長，量化信噪比增加6dB6dB。用于振動與沖擊信號處理的用于振動與沖擊信號處理的A/DA/D轉(zhuǎn)換器至少應(yīng)有轉(zhuǎn)換器至少應(yīng)有1212位字長。位字長。7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 19 為便于數(shù)學(xué)處理，通常對截?cái)嗟男盘栕鲋芷谘油?，為便于?shù)學(xué)處理，通常對截?cái)嗟男盘栕鲋芷谘油?，得到虛擬的無限長的信號。得到虛擬的無限長的信號。當(dāng)當(dāng)運(yùn)運(yùn)用用計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)進(jìn)進(jìn)行行測測試試信信號號處處理理時(shí)時(shí)，不不可可能能對對無無限限長長的的信信號號進(jìn)進(jìn)行行測測量量和和運(yùn)運(yùn)算算，而而是是取取其其有有限限的的時(shí)時(shí)間間片片段段進(jìn)進(jìn)行行分分析，這個信號截取過程成為析，這個信號截取過程成為信號的截?cái)嘈盘柕慕財(cái)唷?.2.37.2.3泄漏和窗函數(shù)泄漏和窗函數(shù) (1)(1)截?cái)嗪托孤┙財(cái)嗪托孤?.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 20矩形窗函數(shù)矩形窗函數(shù)主瓣主瓣旁瓣旁瓣旁瓣旁瓣為了減少泄漏應(yīng)該盡量尋找頻域中接近為了減少泄漏應(yīng)該盡量尋找頻域中接近(f f)的窗函數(shù)，即主瓣窄的窗函數(shù)，即主瓣窄旁瓣小的窗函數(shù)。旁瓣小的窗函數(shù)。7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 21顯顯然然，主主瓣瓣高高度度等等于于窗窗口口面面積積或或?qū)拰挾榷戎抵?，頻頻域域圖圖形形的的面面積積等等于于窗窗口高度口高度1 1。窗窗口口寬寬度度與與W W(f f)關(guān)關(guān)系系可可用用傅傅里里葉葉變變換換的的時(shí)時(shí)間間尺尺度度改改變變性性質(zhì)質(zhì)或或面積定理描述。面積定理描述。面積定理面積定理：當(dāng)當(dāng)，W W(f f)(f f)，任任何何X X(f f)與與(f f)的的卷卷積積為為X X(f f)，所所以以加加大大窗窗口口寬寬度度可可使使泄泄漏漏減減小小。但但無無限限加加寬寬等等于于不不截截?cái)鄶?，這這是不可能的。是不可能的。為為了了減減少少泄泄漏漏應(yīng)應(yīng)該該盡盡量量尋尋找找頻頻域域中中接接近近(f f)的的窗窗函函數(shù)數(shù)，即即主主瓣瓣窄旁瓣小的窗函數(shù)。窄旁瓣小的窗函數(shù)。7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 222 2 窗函數(shù)的評價(jià)窗函數(shù)的評價(jià)對時(shí)間窗的一般要求：對時(shí)間窗的一般要求：w w(t t)是非負(fù)的實(shí)偶函數(shù)。從對稱中心開始應(yīng)是非遞增的。是非負(fù)的實(shí)偶函數(shù)。從對稱中心開始應(yīng)是非遞增的。7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 23窗函數(shù)性能的頻域指標(biāo)：窗函數(shù)性能的頻域指標(biāo)：3dB 3dB（分貝）（分貝）帶寬帶寬 B B；最最小小旁旁瓣瓣峰峰值值 A A (dB)(dB)；旁旁瓣瓣譜譜峰峰漸漸進(jìn)進(jìn)衰衰減減速速度度 D D（dB/dB/octoct)。窗函數(shù)的頻域指標(biāo)7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 243dB3dB帶帶寬寬 B B是是主主瓣瓣歸歸一一化化幅幅值值20 20 lg|lg|W W(f)/(f)/W W(0)|(0)|下下降降到到 3dB 3dB 時(shí)的帶寬。時(shí)的帶寬。當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí)間間窗窗的的寬寬度度為為，采采樣樣間間隔隔為為 T Ts s 時(shí)時(shí)，對對應(yīng)應(yīng)于于 N N 個個采采樣樣點(diǎn)點(diǎn)，其其最最大大的的頻頻率率分分辨辨率率可可達(dá)達(dá)到到1/(1/(NTNTs s)=1/=1/，令令ff=1/=1/，則則 B B 的單位可以是的單位可以是f f 。對窗函數(shù)頻譜（頻域窗）的要求：對窗函數(shù)頻譜（頻域窗）的要求：B B小小 ，即主瓣盡量窄，以提高頻率分辨率；，即主瓣盡量窄，以提高頻率分辨率；A A小小，D D小小，即即 旁旁 瓣瓣 盡盡 量量 低低，以以 減減 少少 泄泄 漏漏。但但兩兩者者往往往往不不能能同同時(shí)時(shí)滿滿足足，需需要要根根據(jù)據(jù)不不同同的的測測試試對對象象選選擇擇窗窗函函數(shù)。數(shù)。7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 25矩矩形形窗窗是是使使用用最最普普遍遍的的，因因?yàn)闉榱?xí)習(xí)慣慣中中的的不不加加窗窗就就相相當(dāng)當(dāng)使使用用了了矩矩形窗，并且矩形窗的主瓣是最窄的。形窗，并且矩形窗的主瓣是最窄的。3 3 常用的窗函數(shù)常用的窗函數(shù) 矩形窗矩形窗7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 26式中式中 漢寧（漢寧（hanning）窗）窗漢寧窗函數(shù)及其頻譜7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 27 哈明（哈明（hamming）窗）窗 式中式中 7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 28窗函數(shù)窗函數(shù)的類型的類型3dB3dB帶寬帶寬B B(f)(f)旁瓣峰值旁瓣峰值A(chǔ) A(dB(dB)旁瓣譜峰衰減速旁瓣譜峰衰減速度度 D D(dB/(dB/octoct)矩形矩形0.890.8913136 6三角三角1.281.2827271818漢寧漢寧1.441.4432321818哈明哈明1.301.3043436 6高斯高斯1.551.5555556 6典型窗函數(shù)的性能典型窗函數(shù)的性能7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 297.2.4 7.2.4 頻域采樣和柵欄效應(yīng)頻域采樣和柵欄效應(yīng)頻域采樣的數(shù)學(xué)描述7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 30時(shí)時(shí)域域采采樣樣結(jié)結(jié)果果為為信信號號，采采樣樣函函數(shù)數(shù)和和窗窗函函數(shù)數(shù)的的積積，在在頻頻域域?qū)?yīng)應(yīng)三三者者頻域函數(shù)的卷積，即頻域函數(shù)的卷積，即x x(t t)g g(t t)w w(t t)X X(f f)*)*G G(f f)*)*W W(f f)頻域采樣是在頻域乘以采樣函數(shù)頻域采樣是在頻域乘以采樣函數(shù)(1)(1)頻域采樣原理頻域采樣原理頻頻域域的的一一個個周周期期f fs s=1/=1/T Ts s有有N N個個數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)點(diǎn)點(diǎn)，所所以以頻頻率率序序列列的的間間隔隔ff=f fs s/N N=1/(=1/(T Ts s N N)=1/)=1/T T，是時(shí)間窗寬度的倒數(shù)。是時(shí)間窗寬度的倒數(shù)。關(guān)于頻域采樣的傅里葉變換對為：關(guān)于頻域采樣的傅里葉變換對為：x x(t t)g g(t t)w w(t t)*)*d d(t t)X X(f f)*)*G G(f f)*)*W W(f f)D D(f f)7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 31經(jīng)經(jīng)頻頻域域采采樣樣后后的的頻頻譜譜僅僅在在各各采采樣樣點(diǎn)點(diǎn)上上存存在在，而而非非采采樣樣點(diǎn)點(diǎn)的的頻頻譜譜則則被被“擋住擋住”無法顯示（視為無法顯示（視為0 0），這種現(xiàn)象稱為），這種現(xiàn)象稱為柵欄效應(yīng)柵欄效應(yīng)。在在時(shí)時(shí)域域，只只要要滿滿足足采采樣樣定定理理，柵柵欄欄效效應(yīng)應(yīng)不不會會丟丟失失信信號號信信息息，但但在在頻域，則有可能丟失的重要的或具有特征的頻率成分。頻域，則有可能丟失的重要的或具有特征的頻率成分。(2)(2)柵欄效應(yīng)柵欄效應(yīng)7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 32 提高頻率分辨力提高頻率分辨力頻率采樣間隔越小，被擋住的頻率成分越少。頻率采樣間隔越小，被擋住的頻率成分越少。因因?yàn)闉轭l頻率率間間隔隔ff=f fs s /N N，所所以以降降低低f fs s或或提提高高N N可可以以提提高高分分辨辨力力。但但前前者者受受采采樣樣定定理理的的限限制制，后后者者會會增增加加計(jì)計(jì)算算量量。在在滿滿足足采采樣樣定定理理的條件下，可以采用頻率細(xì)化技術(shù)。的條件下，可以采用頻率細(xì)化技術(shù)。整周期截?cái)嗾芷诮財(cái)鄬τ谟陬l頻率率為為f f0 0，周周期期為為T T0 0的的簡簡諧諧信信號號，只只有有當(dāng)當(dāng) f f0 0/f=f=整整數(shù)數(shù)，即即T T/T T0 0=整數(shù)時(shí)，譜線才可能落在整數(shù)時(shí)，譜線才可能落在f f0 0，顯示準(zhǔn)確的頻譜。顯示準(zhǔn)確的頻譜。(3)(3)減小柵欄效應(yīng)的措施減小柵欄效應(yīng)的措施7.2 信號數(shù)字化處理中的主要問題信號數(shù)字化處理中的主要問題Page 337.3 7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理7.3.1 7.3.1 離散的傅里葉變換離散的傅里葉變換離離散散的的譜譜線線對對應(yīng)應(yīng)于于時(shí)時(shí)域域的的周周期期函函數(shù)數(shù)，所所以以對對離離散散的的時(shí)時(shí)間間序序列列求求頻頻譜，要假定信號是周期的。譜，要假定信號是周期的?？煽梢砸哉J(rèn)認(rèn)為為被被測測信信號號是是以以窗窗寬寬T T為為周周期期的的周周期期信信號號。這這樣樣人人為為的的周周期化可能會引泄漏誤差。期化可能會引泄漏誤差。Page 34式中式中可以把上式改寫成離散形式?？梢园焉鲜礁膶懗呻x散形式。設(shè)設(shè)x x(n n)為為函函數(shù)數(shù)在在點(diǎn)點(diǎn)t t=0,=0,T Ts s,2 2T Ts s,(N N1)1)T Ts s，的的采采樣樣值值，X X(k k)為為x x(n n)的的傅傅里里葉葉變變換換在在點(diǎn)點(diǎn)f f=0,=0,f fs s/N N,2 2f fs s/N N,(N N1)1)f fs s/N N的的采采樣樣值值，其其中中f fs s =1/=1/T Ts s。于于是是，周周期期函函數(shù)數(shù)x x(t t)的的傅傅里里葉葉級級數(shù)數(shù)可可寫成寫成 7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理Page 35令：令：有：有：由由于于T T=NTNTs s，d dt tT Ts s，t tnTnTs s，T Ts s f fs s=1=1，所所以以傅傅里里葉葉級級數(shù)數(shù)的的離離散散形形式：式：7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理Page 36式中式中上上兩兩式式稱稱為為離離散散傅傅里里葉葉變變換換(DFT)(DFT)對對，為為了了計(jì)計(jì)算算方方便便，又又可可以以寫寫成：成：對對上上式式采采用用傅傅里里葉葉變變換換的的快快速速算算法法（FFTFFT），可可以以實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)時(shí)的的信信號分析。號分析。7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理Page 377.3.2 傅里葉變換的快速算法（傅里葉變換的快速算法（FFT）快速傅里葉變換的矩陣形式快速傅里葉變換的矩陣形式7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理Page 382FFT的時(shí)間抽取算法的時(shí)間抽取算法設(shè)設(shè)m=3，數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)長度 7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理Page 39 8點(diǎn)點(diǎn)FFT時(shí)間抽取算法的信號流圖時(shí)間抽取算法的信號流圖 7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理Page 403FFT的頻域抽取算法的頻域抽取算法 8點(diǎn)FFT頻率抽取算法的信號流圖 7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理Page 417.3.3 FFT的逆變換（的逆變換（IFFT）1)1)取取X X(k k)的共軛，得出的共軛，得出 ；2)2)做做 的的FFTFFT，得，得 ；3)3)取取 的共軛并乘因子的共軛并乘因子 。做做X X(k k)的的IFFTIFFT可分下列三步可分下列三步 7.3 快速傅里葉變換原理快速傅里葉變換原理Page 427.4數(shù)據(jù)采集元件數(shù)據(jù)采集元件7.4.1 7.4.1 多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器從不同的通道中每次選一個讀取信息。本質(zhì)上是一個從不同的通道中每次選一個讀取信息。本質(zhì)上是一個電子開關(guān)電子開關(guān) 。多路轉(zhuǎn)換器的機(jī)械模擬 串話：相鄰?fù)ǖ揽赡芨蓴_串話：相鄰?fù)ǖ揽赡芨蓴_正在讀數(shù)的通道。正在讀數(shù)的通道。用模擬多路轉(zhuǎn)換器選擇來用模擬多路轉(zhuǎn)換器選擇來自被連接的傳感器的信號自被連接的傳感器的信號并且直接地或間接地把這并且直接地或間接地把這些信號連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。些信號連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。Page 437.4.2 數(shù)模（數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器D/A D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生正比于輸入的并行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生正比于輸入的并行數(shù)字信號(例如，例如，8 8位二進(jìn)制位二進(jìn)制信號信號b b7 7 b b6 6 b b1 1 b b0 0)的輸出電壓。的輸出電壓。二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò) 7.4 數(shù)據(jù)采集元件數(shù)據(jù)采集元件Page 447.4.3 模數(shù)（模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換器主要的性能指標(biāo)是分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間和輸入范圍主要的性能指標(biāo)是分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間和輸入范圍 。逐次逼近式ADC的原理圖 雙斜坡積分A/D轉(zhuǎn)換器 7.4 數(shù)據(jù)采集元件數(shù)據(jù)采集元件Page 453并行并行ADC最快的最快的A/DA/D轉(zhuǎn)換器類型轉(zhuǎn)換器類型 。主要用于需要非常高速轉(zhuǎn)換主要用于需要非常高速轉(zhuǎn)換的地方，例如視頻、雷達(dá)及的地方，例如視頻、雷達(dá)及數(shù)字示波器等。數(shù)字示波器等。7.4 數(shù)據(jù)采集元件數(shù)據(jù)采集元件Page 467.4.4 同步采樣同步采樣-保持子系統(tǒng)保持子系統(tǒng)某些誤差取決于縫隙時(shí)間和輸入信號的變化速度。某些誤差取決于縫隙時(shí)間和輸入信號的變化速度。7.4 數(shù)據(jù)采集元件數(shù)據(jù)采集元件Page 477.4.5 數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡可直接插在可直接插在 IBM PCIBM PC系列微機(jī)的任一總線擴(kuò)展槽上系列微機(jī)的任一總線擴(kuò)展槽上 。多路模擬轉(zhuǎn)換器多路模擬轉(zhuǎn)換器(AMUX)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、采樣保持、采樣保持(S/H)電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。并行輸入輸出接口并行輸入輸出接口 8255?？删幊潭〞r(shí)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 8253。7.4 數(shù)據(jù)采集元件數(shù)據(jù)采集元件Page 487.4.6 數(shù)據(jù)采集卡的接口編程數(shù)據(jù)采集卡的接口編程1.1.數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)方式數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)方式2.2.數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)傳送方式3.3.編寫編寫A/DA/D和和D/AD/A轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換程序7.4 數(shù)據(jù)采集元件數(shù)據(jù)采集元件Page 497.5 7.5 虛擬儀器虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的軟硬件測試平臺，是在計(jì)算機(jī)顯示屏顯示的以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的軟硬件測試平臺，是在計(jì)算機(jī)顯示屏顯示的虛擬面板上，用軟件實(shí)現(xiàn)測試分析功能的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分虛擬面板上，用軟件實(shí)現(xiàn)測試分析功能的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。析系統(tǒng)?？梢源?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和工業(yè)過程可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和工業(yè)過程的控制。的控制。可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的的圖形顯示功能、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)可以充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的的圖形顯示功能、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和傳輸功能，實(shí)現(xiàn)測試的自動化、智能化，并且靈活方便處理和傳輸功能，實(shí)現(xiàn)測試的自動化、智能化，并且靈活方便地實(shí)現(xiàn)過程自動控制。地實(shí)現(xiàn)過程自動控制。Page 50虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器虛擬儀器傳統(tǒng)儀器傳統(tǒng)儀器開放性、靈活性，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)同開放性、靈活性，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步發(fā)展步發(fā)展封閉性，儀器間配合較差封閉性，儀器間配合較差以軟件為基礎(chǔ)，儀器性能的改進(jìn)和功以軟件為基礎(chǔ)，儀器性能的改進(jìn)和功能的擴(kuò)展只需更新軟件，系統(tǒng)升級能的擴(kuò)展只需更新軟件，系統(tǒng)升級方便方便以硬件為基礎(chǔ)，系統(tǒng)升級成本高以硬件為基礎(chǔ)，系統(tǒng)升級成本高儀器的功能可由用戶自定義儀器的功能可由用戶自定義儀器的功能只能由廠家定義儀器的功能只能由廠家定義價(jià)格低廉，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低價(jià)格低廉，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低 價(jià)格昂貴，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高價(jià)格昂貴，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高儀器的資源可共享儀器的資源可共享儀器之間不能互相利用其資源儀器之間不能互相利用其資源與網(wǎng)絡(luò)和周邊設(shè)備連接方便與網(wǎng)絡(luò)和周邊設(shè)備連接方便只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備技術(shù)更新周期短（技術(shù)更新周期短（1-21-2年）年）技術(shù)更新周期長（技術(shù)更新周期長（5-105-10年）年）7.5 虛擬儀器虛擬儀器Page 517.5.1 虛擬儀器的組成虛擬儀器的組成7.5 虛擬儀器虛擬儀器Page 527.5.2 7.5.2 虛擬儀器分類與應(yīng)用虛擬儀器分類與應(yīng)用1.1.虛擬儀器分類虛擬儀器分類PCPC總線總線插卡型虛擬儀器插卡型虛擬儀器并行口式虛擬儀器并行口式虛擬儀器 GPIBGPIB總線方式的虛擬儀器總線方式的虛擬儀器 VXIVXI總線方式虛擬儀器總線方式虛擬儀器 PXIPXI總線方式虛擬儀器總線方式虛擬儀器 7.5 虛擬儀器虛擬儀器Page 532 2虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1)1)確定虛擬儀器的接口形式確定虛擬儀器的接口形式2 2）確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動程序）確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動程序3 3）確定應(yīng)用程序的編程語言）確定應(yīng)用程序的編程語言4 4）編寫用戶的應(yīng)用程序）編寫用戶的應(yīng)用程序5 5）調(diào)試運(yùn)行應(yīng)用程序）調(diào)試運(yùn)行應(yīng)用程序7.5 虛擬儀器虛擬儀器Page 547.67.6基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.6.1 7.6.1 基本原則基本原則1.1.硬件設(shè)計(jì)的基本原則硬件設(shè)計(jì)的基本原則（1 1）經(jīng)濟(jì)合理）經(jīng)濟(jì)合理 （2 2）安全可靠）安全可靠 （3 3）有足夠的抗干擾能力）有足夠的抗干擾能力2.2.軟件設(shè)計(jì)基本原則軟件設(shè)計(jì)基本原則（1）結(jié)構(gòu)合理（）結(jié)構(gòu)合理（2）操作性好（）操作性好（3）具有一定的保護(hù)措施）具有一定的保護(hù)措施（4）提高程序的執(zhí)行速度）提高程序的執(zhí)行速度 （5）給出必要程序說明）給出必要程序說明 Page 557.6.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟1 1分析問題和確定任務(wù)分析問題和確定任務(wù)2 2確定采樣周期確定采樣周期TsTs3 3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)(1)(1)進(jìn)行硬件和軟件的功能分配進(jìn)行硬件和軟件的功能分配(2)(2)系統(tǒng)系統(tǒng)A AD D通道方案的確定通道方案的確定(3)(3)確定微型計(jì)算機(jī)的配置方案確定微型計(jì)算機(jī)的配置方案(4)(4)操作面板的設(shè)計(jì)操作面板的設(shè)計(jì)(5)(5)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)7.6 基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)