機械工程測試技術-第2版課件5計算機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

第5章計算機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)機械工程測試技術（第2版）MechanicalEngineeringTestingTechnology第5章計算機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)機械工程測試技術Mechan學習導航5.1數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構成(Thecompositionofdataacquisitionandanalysissystem)5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題(

TheKeyProblemsintheDigitalProcessingforsignal)5.3離散傅里葉變換(DiscreteFouriertransform

)5.4虛擬儀器(Virtualinstrument)5.5基于計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計(Designofdata-acquisitionsystembasedcomputer)學習導航5.1數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構成(Thecompo知識導圖

知識導圖

5.1數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構成

計算機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

5.1數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構成

計算機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)(1)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：電壓幅值的放大或衰減，以便于采樣；用低通濾波器消除信號中的高頻噪聲；如果信號中不應有直流分量，則隔離信號中的直流分量；如果原信號為調(diào)制信號，則應解調(diào)。應根據(jù)測試對象、信號特點和數(shù)字處理設備的能力安排信號調(diào)理環(huán)節(jié)。5.1數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構成(1)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：5(2)模數(shù)(A/D)轉換對原信號時間上等間隔采樣、保持和幅值上的量化及編碼，模擬量→數(shù)字量，即連續(xù)信號→離散的時間序列。(3)數(shù)字信號分析截斷，有時序列加權，數(shù)字濾波。然后按給定的程序運算。(4)輸出結果可直接顯示或打印，也可用數(shù)模(D/A)轉換器轉換成模擬量，輸入受控裝置。如有必要可將處理結果輸入后續(xù)計算機用專門程序做后續(xù)處理。5.1數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的構成(2)模數(shù)(A/D)轉換對原信號時間上等間隔采樣、保持1、A/D轉換

1)A/D轉換過程采樣――利用采樣脈沖序列s(t)，從連續(xù)時間信號x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號x(nTs)的過程．5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題

編碼――將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M制數(shù)字的過程。量化――把采樣信號x（nTs）經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化．1、A/D轉換1)A/D轉換過程采樣――利用采樣脈沖序5.2.1采樣

(1)采樣和迭混現(xiàn)象采樣是在模數(shù)轉換過程中以一定時間間隔對連續(xù)時間信號進行取值的過程。數(shù)學描述是用間隔為Ts的周期單位脈沖序列

去乘模擬信號x(t)。各采樣點的信號幅值：

5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題5.2.1采樣

(1)采樣和迭混現(xiàn)象采樣是在模數(shù)轉換過采樣結果必須唯一地確定原始信號。采樣間隔太小(采樣頻率高)，對定長的時間記錄，數(shù)字序列長，計算量大；如果數(shù)字序列長度一定，則只能處理很短的時間歷程，可能產(chǎn)生較大的誤差。若采樣間隔太大(采樣頻率低)，可能丟掉有用的信息。5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題采樣結果必須唯一地確定原始信號。5.2信號數(shù)字化處理中的主時域采樣迭混現(xiàn)象5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題時域采樣迭混現(xiàn)象5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題(2)采樣函數(shù)的頻譜采樣函數(shù)：寫成復指數(shù)形式：傅里葉級數(shù)的復指數(shù)形式

利用篩選特性，系數(shù)Cn

為：一個周期內(nèi)，n=0，有g(t)=δ(t)篩選特性5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題(2)采樣函數(shù)的頻譜采樣函數(shù)：寫成復指數(shù)形式：傅里葉級數(shù)時域上不恰當?shù)剡x擇采樣的時間間隔而引起的頻域上的高低頻彼此混淆稱為迭混。間距為Ts的采樣脈沖系列的傅里葉變換也是脈沖系列，其間距為1/Ts

。由卷積定理，并考慮到δ-函數(shù)與其它函數(shù)卷積的特性，有：取傅里葉變換，有：5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題時域上不恰當?shù)剡x擇采樣的時間間隔而引起的頻域上的高低頻彼此混采樣過程5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題采樣過程5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題(3)采樣定理采樣頻率應大于信號中最高頻率的2倍，即一般選為最高頻率的2.56倍。fs

＞2fc不產(chǎn)生迭混的條件5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題(3)采樣定理采樣頻率應大于信號中最高頻率的2倍，即fs如果確知測試信號中的高頻部分是由噪聲干擾引起的，為了滿足采樣定理又不使數(shù)據(jù)過長，可先把信號做低通濾波處理。這種濾波器稱為抗混濾波器，在信號預處理過程中是非常必要的。在設備狀態(tài)監(jiān)測過程中，如果只對某一個頻帶感興趣，那么可用低通濾波器或帶通濾波器濾掉其它頻率成分，這樣可以避免迭混并減少信號中其它成分的干擾。5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題如果確知測試信號中的高頻部分是由噪聲干擾引起的，為了滿足采樣5.2.2量化在模數(shù)轉換過程中，首先以同樣的時間間隔對模擬信號x(t)采樣，因為轉換需要一段時間，所以要在轉換期間保持采樣值。采樣與保持5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題5.2.2量化在模數(shù)轉換過程中，首先以同樣的時間間隔對模擬然后，用量化單位（一般用q表示）量化模擬量，并且以編碼的形式表示量化后的數(shù)字量。量化an0q2q3q4q編碼000001010011100編碼的方式5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題然后，用量化單位（一般用q表示）量化模擬量，并且以編碼的形式式中FSR——滿量程輸出值；

n——A/D轉換器的位數(shù)。量化單位越()，精度越高，但任何量化都會引起誤差。量化是在模數(shù)轉換過程中，對時域上每個間隔采樣分層取值的過程。量化單位是數(shù)字量最低位所代表的數(shù)值，是分層的標準尺度，定義為：小5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題式中FSR——滿量程輸出值；量化是在模數(shù)轉換過程中，對時域舍入處理的最大量化誤差為±q/2，均值為0。截尾處理的最大誤差q。每增加一位字長，量化信噪比增加6dB。用于振動與沖擊信號處理的A/D轉換器至少應有12位字長。5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題舍入處理的最大量化誤差為±q/2，均值為0。5.2信號數(shù)字

為便于數(shù)學處理，通常對截斷的信號做周期延拓，得到虛擬的無限長的信號。

當運用計算機進行測試信號處理時，不可能對無限長的信號進行測量和運算，而是取其有限的時間片段進行分析，這個信號截取過程成為信號的截斷。5.2.3泄漏和窗函數(shù)(1)截斷和泄漏5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題為便于數(shù)學處理，通常對截斷的信號做周期延拓，得到虛擬矩形窗函數(shù)主瓣旁瓣旁瓣為了減少泄漏應該盡量尋找頻域中接近δ(f)的窗函數(shù)，即主瓣窄旁瓣小的窗函數(shù)。5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題矩形窗函數(shù)主瓣旁瓣旁瓣為了減少泄漏應該盡量尋找頻域中接近δ(顯然，主瓣高度等于窗口面積或寬度值，頻域圖形的面積等于窗口高度1。窗口寬度τ與W(f)關系可用傅里葉變換的時間尺度改變性質(zhì)或面積定理描述。面積定理：當τ→∞，W(f)→δ(f)，任何X(f)與δ(f)的卷積為X(f)，所以加大窗口寬度可使泄漏減小。但無限加寬等于不截斷，這是不可能的。為了減少泄漏應該盡量尋找頻域中接近δ(f)的窗函數(shù)，即主瓣窄旁瓣小的窗函數(shù)。5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題顯然，主瓣高度等于窗口面積或寬度值，頻域圖形的面積等于窗口高2窗函數(shù)的評價對時間窗的一般要求：

w(t)是非負的實偶函數(shù)。從對稱中心開始應是非遞增的。

5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題2窗函數(shù)的評價對時間窗的一般要求：5.2信號數(shù)字化處理中窗函數(shù)性能的頻域指標：

3dB（分貝）帶寬B；最小旁瓣峰值A(dB)；旁瓣譜峰漸進衰減速度D（dB/oct)。窗函數(shù)的頻域指標5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題窗函數(shù)性能的頻域指標：3dB（分貝）帶寬B；窗函數(shù)的3dB帶寬B是主瓣歸一化幅值20lg|W(f)/W(0)|下降到－3dB時的帶寬。當時間窗的寬度為τ，采樣間隔為Ts

時，對應于N

個采樣點，其最大的頻率分辨率可達到1/(NTs)=1/τ

，令Δf=1/τ

，則B

的單位可以是Δf

。對窗函數(shù)頻譜（頻域窗）的要求：

B小，即主瓣盡量窄，以提高頻率分辨率；

A小，D小，即旁瓣盡量低，以減少泄漏。

但兩者往往不能同時滿足，需要根據(jù)不同的測試對象選擇窗函數(shù)。5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題3dB帶寬B是主瓣歸一化幅值20lg|W(f)/W(0)矩形窗是使用最普遍的，因為習慣中的不加窗就相當使用了矩形窗，并且矩形窗的主瓣是最窄的。3常用的窗函數(shù)

①矩形窗5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題矩形窗是使用最普遍的，因為習慣中的不加窗就相當使用了矩形窗，式中

②漢寧（hanning）窗漢寧窗函數(shù)及其頻譜5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題式中②漢寧（hanning）窗漢寧窗函數(shù)及其頻譜5.2③

哈明（hamming）窗

式中

5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題③哈明（hamming）窗式中5.2信號數(shù)字化處理中窗函數(shù)的類型3dB帶寬B(Δf)旁瓣峰值A(dB)旁瓣譜峰衰減速度D(dB/oct)矩形0.89－13－6三角1.28－27－18漢寧1.44－32－18哈明1.30－43－6高斯1.55－55－6典型窗函數(shù)的性能5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題窗函數(shù)3dB帶寬B(Δf)旁瓣峰值A(dB)旁瓣譜峰衰減速5.2.4頻域采樣和柵欄效應頻域采樣的數(shù)學描述5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題5.2.4頻域采樣和柵欄效應頻域采樣的數(shù)學描述5.2信時域采樣結果為信號，采樣函數(shù)和窗函數(shù)的積，在頻域對應三者頻域函數(shù)的卷積，即x(t)g(t)w(t)X(f)*G(f)*W(f)頻域采樣是在頻域乘以采樣函數(shù)(1)頻域采樣原理頻域的一個周期fs=1/Ts有N個數(shù)據(jù)點，所以頻率序列的間隔Δf=fs/N=1/(Ts

N)=1/T，是時間窗寬度的倒數(shù)。關于頻域采樣的傅里葉變換對為：[x(t)g(t)w(t)]*d(t)[X(f)*G(f)*W(f)]D(f)5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題時域采樣結果為信號，采樣函數(shù)和窗函數(shù)的積，在頻域對應三者頻域經(jīng)頻域采樣后的頻譜僅在各采樣點上存在，而非采樣點的頻譜則被“擋住”無法顯示（視為0），這種現(xiàn)象稱為柵欄效應。在時域，只要滿足采樣定理，柵欄效應不會丟失信號信息，但在頻域，則有可能丟失的重要的或具有特征的頻率成分。(2)柵欄效應5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題經(jīng)頻域采樣后的頻譜僅在各采樣點上存在，而非采樣點的頻譜則被“①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。因為頻率間隔Δf=fs/N，所以降低fs或提高N可以提高分辨力。但前者受采樣定理的限制，后者會增加計算量。在滿足采樣定理的條件下，可以采用頻率細化技術。②整周期截斷對于頻率為f0，周期為T0的簡諧信號，只有當f0/Δf=整數(shù)，即T/T0=整數(shù)時，譜線才可能落在f0，顯示準確的頻譜。(3)減小柵欄效應的措施5.2信號數(shù)字化處理中的主要問題①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。(5.3離散傅里葉變換

離散的譜線對應于時域的周期函數(shù)，所以對離散的時間序列求頻譜，要假定信號是周期的?？梢哉J為被測信號是以窗寬T為周期的周期信號。這樣人為的周期化可能會引泄漏誤差。5.3離散傅里葉變換

離散的譜線對應于時域的周期函數(shù)，所以式中可以把上式改寫成離散形式。設x(n)為函數(shù)在點t=0,Ts,2Ts,…,(N－1)Ts，的采樣值，X(k)為x(n)的傅里葉變換在點f=0,fs/N,2fs/N,…,(N－1)fs/N的采樣值，其中fs=1/Ts。于是，周期函數(shù)x(t)的傅里葉級數(shù)可寫成

5.3離散傅里葉變換式中可以把上式改寫成離散形式。設x(n)為函數(shù)在點t=0,令：有：由于T=NTs，dt≈Ts，t→nTs，Tsfs=1，所以傅里葉級數(shù)的離散形式：5.3離散傅里葉變換令：有：由于T=NTs，dt≈Ts，t→nTs，Tsfs=式中上兩式稱為離散傅里葉變換(DFT)對，為了計算方便，又可以寫成：對上式采用傅里葉變換的快速算法（FFT），可以實現(xiàn)實時的信號分析。5.3離散傅里葉變換式中上兩式稱為離散傅里葉變換(DFT)對，為了計算方便，又可5.4虛擬儀器以計算機為基礎的軟硬件測試平臺，是在計算機顯示屏顯示的虛擬面板上，用軟件實現(xiàn)測試分析功能的計算機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)?？梢源?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和工業(yè)過程的控制。可以充分利用計算機強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，實現(xiàn)測試的自動化、智能化，并且靈活方便地實現(xiàn)過程自動控制。5.4虛擬儀器以計算機為基礎的軟硬件測試平臺，是在計算機顯示虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開放性、靈活性，可與計算機技術同步發(fā)展封閉性，儀器間配合較差以軟件為基礎，儀器性能的改進和功能的擴展只需更新軟件，系統(tǒng)升級方便以硬件為基礎，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只能由廠家定義價格低廉，開發(fā)和維護費用低價格昂貴，開發(fā)和維護費用高儀器的資源可共享儀器之間不能互相利用其資源與網(wǎng)絡和周邊設備連接方便只能連接有限的獨立設備技術更新周期短（1-2年）技術更新周期長（5-10年）5.4虛擬儀