TD1250c频响分析仪PPT.ppt

TD1250技术交流,天津市中环电子仪器公司,频率特性基本概念,如果将控制系统中的各个变量看成是一些信号，而这些信号又是由许多不同频率的正弦信号合成的，则各个变量的运动就是系统对各个不同频率信号响应的总和。系统对正弦输入的稳态响应称频率响应。,频率响应曲线,系统的频率响应可以用复数形式表示为G(j)，常用的频率响应表示方法是图形表示法。根据系统频率响应幅值、相位和频率之间的不同显示形式，有伯德（Bode）图、奈魁斯特（Nyquist）图和尼柯尔斯（Nichols）图。,频率响应分析,时域分析中的性能指标直观反映控制系统动态相应的特征，属于直接性能指标，而系统频率特性函数的某些特征可以用作间接性能指标。 1. 开环频率特性的性能分析 基于开环频率特性函数的性能分析指标有如下两个：一是相角裕量，反映系统的相对稳定性；另一个是截止频率c，反映系统的快速性。 2. 闭环频率特性的性能分析 基于闭环频率特性函数的常用指标有两个：一是谐振峰值Mr，反映系统的相对稳定性；另一个是频带宽度或者带宽频率B，定义为闭环幅频特性幅值M()下降到0.707M(0)时对应的角频率，它反映了系统的快速性。,传输特性,就是被测定物传输（传递、传导）电气、热、振动等物理量的条件或状态，是为了掌握被测定物的行为、反应、举动等所需要的重要参数。 因为热或振动等物理量处理比较困难，所以通过变换器或传感器，将其转换成为比较容易处理的电气信号再进行测量。实际上，不只是单纯的输出与输入的比值，响应速度和频率响应特性也是重要的参数。着眼于响应速度的传输特性，称作时间域（或时域）的传输特性；着眼于频率响应特性的传输特性，称作频率域（或频域）的传输特性。,时间域的传输特性 容易将波形用图形表示出来，但是数值的管理比较困难 使用的测量仪器：用示波器观察波形 频率域的传输特性 测量仪器常常很复杂，但是可以进行面向 数值管理的精密测量 使用的测量仪器： 频率特性分析仪（FRA） FFT（快速傅里叶变换）分析仪+振荡器,测量传输特性的难点,使用场合不同而有所不同，但对传输特性测量仪一般有以下要求： 宽阔的频率范（1mHz1kHz、1Hz50kHz等） 噪声抑制能力强 （会影响测量的可重复性、精度等） 测量速度快 （提高生产效率） 当然，测量精确度高无疑是重要的条件。,测量传输特性的仪器,对于上限频率不太高的较低频率下的传输特性的测量，常用的有以下两种仪器： 有内置信号源的FFT（快速傅里叶变换）分析仪 频率特性分析仪（Frequency ResponseAnalyzer ) 这两种仪器都具有测量用内置信号源。对于通过被测量电路前后（输入与输出）的信号，分别进行数字化计算（傅里叶变换），然后求出放大倍数（增益）和相位，由此测量传输特性。,FFT（快速傅里叶变换）方式中所使用的测量信号（内置信号源），有脉冲和随机噪声、扫频标记等。其任意一种都含有宽阔的频率分量（宽频谱） 用FRA进行测量的信号源，是频率确定的正弦波。为了在宽阔的频率范围内测量传输特性，对每一次测量稍稍改变频率（频率扫描）、反复进行测量。,测量的正确性,FFT方式是用固定的量程来进行测量的。这样，微小的信号分量就会埋没在噪声中，增大了测量误差。 FRA方式每一次只能测量一个频率分量，所以可在此时自动地设定最佳的量程。也就是在测量微弱的信号时，通过提高灵敏度来进行测量，所以能够用良好的信噪比（良好的测量精确度）来进行分析。,频率分辨率可自由设定,FFT方式中，所得到的分析结果是在频率轴上等间隔的电平数值。所以，如果将频率轴取对数，那么在低频部分数据就会很稀疏，而在高频部分又为极端密集。 FRA方式中，能够设定任意的测量频率点进行测量，所以也可以在对数轴上有等间隔的测量数据。,一 何为频响分析,所谓频响分析就是用正弦相关滤波技术去测量基波或复杂的周期信号指定的谐波的同相分量和正交分量。 同相分量 ：在一个复数平面上的矢量在实数轴上的投影分量。 正交分量 ：在一个复数平面上的矢量在虚数轴上的投影分量。,P,在频率测量中，基波的输入，输出关系如下： 系统输入信号X(t) = Asint 系统输出信号Y(t) =Rsin(t+) 为了测量频率响应必须测量R和以得到增益和相移，因此输出信号Y(t)可写成： Y(t) = Rcos sint+Rsin cos t =Psint+Qcost 式中： P = Rcos =同相分量（实部） Q = Rsin =正交分量（虚部） R=sqrt(P2+Q2) =tg-1(Q/P),G,X, x,Y, y,a, b,R ,logX, x,logY, y,logR, ,Ax+jBx,Ay+jBy,Ay+jBy Ax+jBx,H,R=Y/X = y- x,a, b,R ,logR, ,logR, ,A通道,B通道,单点（通道1或通道2）,点点（通道2/通道1）,二 何为相关滤波,1250输出一个Usint信号去激励被测系统，响应信号为y(t)，此信号通过乘法器分别与正弦和余弦相乘，然后送到积分器进行积分，最后显示同相分量和正交分量。（见图）,被测系统,乘法器,Sin cos,乘法器,P(W) Q(w),积分器,积分器,Usint,y(t),三 1250核心技术及数学模型,在一般情况下被测系统的响应信号y(t)不是单一的正弦信号，含有直流分量R0，谐波分量Rksin(kt+ k)和随机噪声n(t) 由于上述原因所以系统响应的输出信号的表达式为： y(t) = R0+Rsin(t + ) + Rksin(kt+k)+n(t) = R0+Psint+Qcoswt + Rksin(kt+k)+n(t) k为谐波次数 然后进行相关滤波 即 将y(t)与sint相乘再积分，得到同相分量 将y(t)与cost相乘再积分，得到正交分量,对直流R0的滤波： 1/NTR0sintdt = 0 1/NTR0cost dt = 0 对基波： 1/NTsint * cost dt = 0 1/NT(Psint +Qcost)Sint dt = Q/2 对谐波： sinkt * sint dt =0 k1取整数 coskt * sint dt =0 sinkt * cost dt =0 coskt * cost dt =0 对噪声： 一般的相关理论说明一个信号与随机信号相关时间越长，平均相关值则变的越小，即 1/NT n(t) Sint dt = 0 1/NT n(t) cost dt = 0,由此可见相关滤波过程抑除了全部直流分量和高次谐波，只要积分时间足够长，噪声的影响也可忽略不计，所以有： P = 2/NT Y(t) sint dt Q = 2/NT Y(t) cost dt 将y(t)代入上述两式，可以看到R0与正弦相乘再经整数倍周期积分后为0，二次以上的谐波与正弦相乘，再经整数倍周期积分后亦为0，噪声n(t)满足高斯分布特性，与正弦相乘再经整数倍周期积分后同样为0。,同理，与余弦相乘再积分也产生类似情况 。 因此，相关滤波后，抑除了直流分量、各次谐波以及噪声干扰，这就是1250能抑制各种不需要成分的理论说明，也为一系列实践所证明。这种优点非常重要，保证在测量过程中抑除各种干扰，从而保证了测量精度。,四 1250频响分析仪的概述,1250频响分析仪广泛地应用于科研、国防及工业生产的各个部门。诸如：航空、材料研究、机械制造、电学、自动控制系统、伺服系统以及电化学等。 1250频响分析仪具有频率范围宽、测量精度高、功能强等一系列的优点。 1250频响分析仪是当前世界上最先进的频响分析仪器之一，可满足各个领域动态特性测试和分析的要求。,硬件框图如下： 键盘 显示 IEEE-488接口 RS232接口 同 步 器 发生器 调制解调器 分析器1 控制运算及数据处理 辅助发生器 分析器2 模拟绘图仪 分析器N,1250的技术特点及功能： 双通道测试 自动扫频和谐波分析 可编制九个程序随意调用完成全自动测试 保存测量结果，断电后100小时而不被破坏 具有IEEE488接口及RS232接口与外设进行通 讯 可对结果进行二次处理 仪器具有阀限值功能 变量控制功能 幅度压缩功能,五 简单的测量功能及使用,（一）SELFTEST (上电自检),SELF TEST CHECK TEST INIT RESET TIME,CHECK 完成较为简单的自测试，对全部的存储器 进行“检验和”计算并验证基本电路功能。 TEST 较CHECK更为精确的自测试，验证全部印 制板的读和写正确与否及显示器与键盘的 功能是否正确。 INIT 初始化，清除1250当前所有设置恢复成默 认值。 RESET 复位，与INIT类似但保留了智能程序。 TIME 时间设置。,(二)GENERATOR MENU (信号发生器菜单),设置信号发生器参数,GENERATOR MENU FREQ AMPL BIAS WAVEFORM MOD,FREQ 频率（1E-5Hz65.535KHz） AMPL 幅值，交流电压有效值（0V10.23V） BIAS 偏压，直流偏置电压（0V10.23V） 注：AMPL+BIAS单峰值不得大于15V WAVEFORM 波形（正弦波，方波，三角波） MOD 调制，配合调制解调器使用。,控制信号发生器指令 START 启动信号发生器 STOP 停止信号发生器，发生器波形 维持在已达到的电平上。 STOP 使发生器停止在四个基本点的任 意一点上 （0，90，270，360）,（三）ANALYSER MENU (分析器菜单),设置分析器参数,ANALYSER COMMON MENU TIME DELAY HARMONIC ORDER AUTO,TIME 积分时间，随着积分时间的增加，读 数中由噪声造成的均方根误差趋向于 零。 注：所选积分时间要在测量速度和允许最小误差之间折衷。 DELAY 延迟，在发生器波形加于被测系统和 取得读数之间插入时间延迟。 HARMONIC 谐波，可用于分析被测系统响应到基 频的任一次谐波，直到16次，只要谐 波频率不大于65.535KHz。 ORDER 倍乘。 AUTO 自动积分,控制分析器指令 SI 单次测量 RECYCLE 循环测量 STOP 分析器停止,（四）SWEEP MENU (扫频菜单),设置扫频范围和扫频类型,SWEEP MENU FRMIN FRMAX LOG LIN,FRMIN 写入需要的最小频率 FRMAX 写入需要的最大频率 LOG 对数扫频（十倍频程，倍频 程，通频带，比率） LIN 线性扫频（每步nHz,通频带扫n步）,控制扫频指令 START/CONTINUE 启动扫频 HOLD 保持，重新扫频从停止 点开始。 STOP 停止，重新扫频从头开始。,SWEEP TYPE HARMONIC LOG LOG LIN LIN,（五）DISPLAY MENU (显示菜单),DISPLAY MENU SOURCE CO-ORDS ERROR,SOURCE 信息源，所要显示的通道数或 通道比。 CO-ORDS 显示方式，笛卡尔坐标：a+jb 极坐标： r, 对数极坐标：LOGr, ERROR 控制蜂鸣器开关。,六 复杂的测量功能及灵活应用,（一）利用程序和文件完成全自动测试 例：从0.1Hz-1000Hz扫频测量， 扫频方式：对数 通频带300点 设置1250 *L FR AM IS MI MA GS SO CO OP FS RG SC RE 99*Q,（二）变量控制功能 VARIABLE,使用VARIABLE有两种基本方法： （1）当发生器运行而分析仪停止时，在这种 情形下，需要改变发生器参数，同时观察它对被驱动机械部件的影响，一旦用这种方法确定了需要的发生器设定值后，就可以用通常启动分析仪的方法，即按SINGLE或RECYCLE,VARIABLE：FREQ=+8.5374Hz DIR SLOW FAST,(2)当发生器和分析仪都运行时，用改变发生器的方法，观察它对显示窗上读数的影响 例：精确滤波器的3dB点或相位滞后90度的频率点,565Hz 2.67dB 18.67deg DIR SLOW FAST,（三）幅度压缩功能,有时希望控制测量电路中间的信号幅度，而不是在发生器输出端。例如，放大器输入端的幅度可能必须保持在标称值两边的精确误差范围内，以免非线性工作。用1250特有的幅度压缩技术，可使发生器输出自动改变以满足条件，方法是把一个分析器通道作为反馈控制回路的一部分，其基本框图如下：,信号发生器,被测系统,测量通道,数据显示,控制通道,比较器1,比较器2,校正信号,校正信号,监控点,CH1,CH2,监控点规定电压及误差,安全最大电压值,定输入幅相频特性 测试定输入幅相频特性是在被测系统输入端，输入一个固定幅值，不同频率的正弦信号激励被测系统，在被测系统的输出端测量其输出信号的基波幅值与相位。在整个测试过程中，一个重要的特征是系统输入幅值不变，所以被称为定输入幅相频特性。,定输出幅相频特性 测试定输出幅相频特性是在被测系统输出端，将输出信号的基波幅值固定，不随频率而变。系统输入端的输入幅值是根据系统在该频率下的响应来确定。在整个测试过程中，一个重