故障诊断基础课件

1、北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 第二章第二章 故障诊断基础故障诊断基础 本章内容：本章内容： u信号与检测系统信号与检测系统 u信号预处理信号预处理/信号调理信号调理 u信号放大信号放大 u信号滤波信号滤波 u信号的调制与解调信号的调制与解调 u信号的数字化处理信号的数字化处理 机电设备故障诊断机电设备故障诊断 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 u设备诊断设备诊断：即即“设备医生设备医生” 用一定的用一定的仪器、手段仪器、手段 定性定性、定量定量描述设备状态描述设备状态 分析故障发生原因分析故障发生原因 并根据运行状态的变化预测故障的发展并根据运行状态的变化预测故障的发展 最

2、终最终实现对故障的控制实现对故障的控制 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 信号与检测系统信号与检测系统 mVu/ 0 t n f x f 和 10 噪声噪声 n u n f t0 Vu / 0 t n f x f 和 1 Vu / x f 0t 1 被测设备被测设备 被测量被测量 故障诊断基础故障诊断基础信号与检测系统信号与检测系统 检测系统检测系统 信信 号号 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 信号的定义信号的定义：物理角度，物理角度，数学角度，数学角度，工程角度。 工程角度。 信号就是承载某种或某些信息的物理量的变化历程。信号就是承载某种或某些信息的物理量的变化历程。 信号

3、就是函数，就是某一变量随时间或频率或其他变信号就是函数，就是某一变量随时间或频率或其他变 量而变化的函数。量而变化的函数。 信号表现为一组数据或波形，这组数据通常是由某一信号表现为一组数据或波形，这组数据通常是由某一 检测仪器，如传感器，从某一物理系统上检测得到的，检测仪器，如传感器，从某一物理系统上检测得到的， 以数据的形式记录在纸上，或存储在某种磁性介质上，以数据的形式记录在纸上，或存储在某种磁性介质上， 或以波形形式显示在仪器的显示屏上。或以波形形式显示在仪器的显示屏上。 2.1故障诊断基础故障诊断基础-信号定义信号定义 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 n 如心电图，就是利用仪

4、器从人体上获得的心脏跳如心电图，就是利用仪器从人体上获得的心脏跳 动的数据，通常显示在仪器上供医生诊断之用，动的数据，通常显示在仪器上供医生诊断之用， 或记录在纸上作为病人病例记录。或记录在纸上作为病人病例记录。 2.1故障诊断基础故障诊断基础-信号定义信号定义 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 n 再比如飞机上的黑匣子，就是将各种传感器采集再比如飞机上的黑匣子，就是将各种传感器采集 下来的有关飞机飞行状态、发动机工作状态等数下来的有关飞机飞行状态、发动机工作状态等数 据记录下来，以备将来分析事故之用。据记录下来，以备将来分析事故之用。 2.1故障诊断基础故障诊断基础-信号定义信号定义

5、 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 信号的定义信号的定义： 噪声的定义噪声的定义：噪声也是一种：噪声也是一种 信号，任何干扰对信号的感信号，任何干扰对信号的感 知和解释的现象称为噪声。知和解释的现象称为噪声。 信号信号 信息信息 分析分析 处理处理 信号有哪些表现形式？信号有哪些表现形式？ 噪声噪声 干扰干扰 图象图象 恢复恢复 物理角度，物理角度，数学角度，数学角度，工程角度。工程角度。 通常表现为随时间变化的物理通常表现为随时间变化的物理 量，如：声、光、电、力等等。量，如：声、光、电、力等等。 2.1故障诊断基础故障诊断基础-信号定义信号定义 北京工业大学机电学院北京工业大学机电

6、学院 2.2故障诊断基础故障诊断基础-信号调理信号调理 信号预信号预 处理处理 物理量物理量电量电量 模拟信号模拟信号A A/ /D D 数字信号数字信号 噪声噪声 n u n f t0 检测系统检测系统 被测设备被测设备 被测量被测量 A A/ /D D 模拟模拟 数字数字 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 n 问题问题1 1：为什么要进行信号的放大？目的？：为什么要进行信号的放大？目的？ n 问题问题2 2：信号的放大有哪几种形式？：信号的放大有哪几种形式？ n 问题问题3 3：为什么要进行信号的滤波？：为什么要进行信号的滤波？ n 问题问题4 4：滤波分几种类型？：滤波分几种类型

7、？ n 问题问题5 5：除了放大和滤波，基本的信号调理：除了放大和滤波，基本的信号调理 还有什么内容？还有什么内容？ 2.2故障诊断基础故障诊断基础-信号调理信号调理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 信号放大的目的：信号放大的目的： (1) (1) 标准电压信号：标准电压信号：1 1 5V5V (2) (2) 标准电流信号：标准电流信号：4 420mA20mA (3) (3) 其它标准电压电流信号其它标准电压电流信号 (4) (4) 方便对被测信号的后续变换、处理、方便对被测信号的后续变换、处理、 记录、分析记录、分析 2.2.1信号调理信号调理-问题问题1：放大目的：放大目的 北京

8、工业大学机电学院北京工业大学机电学院 放大电路类型和主要用途放大电路类型和主要用途 比例放大器：比例放大器：通用型，包括直流放大和交流放大通用型，包括直流放大和交流放大 电桥放大器：电桥放大器：阻抗式传感器阻抗式传感器 差动放大器：电势式、电位式传感器差动放大器：电势式、电位式传感器 高输入阻抗放大器：电位、电势、电荷式高输入阻抗放大器：电位、电势、电荷式 电荷放大器：电荷放大器：电荷式传感器电荷式传感器 仪表放大器：电位差、电势差仪表放大器：电位差、电势差 隔离放大电路：噪声隔离、光电、磁电、电感隔离放大电路：噪声隔离、光电、磁电、电感 2.2.1信号调理信号调理-问题问题2：放大类型：放大

9、类型 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 滤波器是一种选频装置，可以使信滤波器是一种选频装置，可以使信 号中特定频率成分通过，而极大地衰减号中特定频率成分通过，而极大地衰减 其它频率成分。其它频率成分。 2.2.2信号调理信号调理-问题问题3：滤波目的：滤波目的 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 根据滤波器的选频作用分根据滤波器的选频作用分 低通低通高通高通 2.2.2信号调理信号调理-问题问题4：滤波分类：滤波分类 带通带通 带阻带阻 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 2.2.2信号调理信号调理-问题问题4：滤波分类：滤波分类 理想滤波器理想滤波器 北京工业大学机电学院

10、北京工业大学机电学院 0 2A 0 A BWQ/ 0 d 0 B 2c f 1c ff 1) 截止频率截止频率 ： 所对应的频率。所对应的频率。 2) 纹波幅度纹波幅度 ：绕绕幅频特性均值幅频特性均值 波动值波动值 3) 带宽带宽 和品质因数和品质因数 ：上下两截止频率间的范围上下两截止频率间的范围 称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。 c f d 0 707. 0A Q 0 A B 实际滤波器实际滤波器 2.2.2信号调理信号调理-问题问题4：滤波分类：滤波分类 12 12 (2)(2) 20lg20lg ()() cc cc A fAf A

11、fA f 或4)倍频程选择性倍频程选择性W W 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤 波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。 2.2.2信号调理信号调理-问题问题4：滤波分类：滤波分类 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 中心频率为上下截止频率的算术平均值。中心频率为上下截止频率的算术平均值。 2)( 210cc fff 2.2.2信号调理信号调理-问题问题

12、4：滤波分类：滤波分类 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 2) 恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 中心频率为上下截止频率的几何平均值。中心频率为上下截止频率的几何平均值。 带宽与中心频率的比值称相对宽度。带宽与中心频率的比值称相对宽度。 210cc fff QbfBb1 0 2.2.2信号调理信号调理-问题问题4：滤波分类：滤波分类 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 在测试系统中，常用在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中滤波器。因为这一领域中 信号频率相对来说不高。而信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干滤波器电路简单，抗干 扰强，有较好的低频性能，并且选

13、用标准阻容元件。扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。 1) 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 2.2.2信号调理信号调理-问题问题4：滤波实现：滤波实现 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 xy y ee t e RC d d ff f fHfA 2arctg 21 1 2 12 1 fj fH 2.2.2信号调理信号调理-问题问题4：滤波实现：滤波实现 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 1 目的目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传解决微弱缓变信号的放大以及信号的传 输问题。输问题。 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 2.2.3信

14、号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去， 然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输 出信号中取出放大了的缓变信号。出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥例：交流电桥 Vin R1 R4 R2R3 V 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 调制：调制：利用某种信号来控制或改变另一信号利用某种信号来控制或改变另一信号( (高频高频 的正、余弦或方

15、波的正、余弦或方波) )的某个参数的某个参数( (幅值、频率或相位幅值、频率或相位) )的的 过程。可分为：调幅、调频和调相。过程。可分为：调幅、调频和调相。 调制波：调制波：调制中的控制信号调制中的控制信号( (低频信号低频信号) ) 载波：载波：载送低频信号的高频信号载送低频信号的高频信号( (正、余弦或方波正、余弦或方波) ) 已调制波：已调制波：经调制所得的高频信号经调制所得的高频信号( (调幅波、调频调幅波、调频 波和调相波波和调相波) ) 解调：解调：从调制波中恢复出原有低频调制信号的过程从调制波中恢复出原有低频调制信号的过程 基本概念：基本概念： 2.2.3信号调理信号调理-问题

16、问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 2 种类种类 调制信号调制信号 x(t) 0 t 载波信号载波信号 z(t) 0t tftz2Acos 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 a) 幅度调制幅度调制(AM) b) 频率调制频率调制(FM) c) 相位调制相位调制(PM) fttxAty2cos ttxfAty 0 2cos txftAty 0 2cos 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 3 幅值调制幅值调制 调幅是将一个高频正弦

17、信号调幅是将一个高频正弦信号(或称载波或称载波)与测试信号与测试信号 相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。 缓变信号缓变信号 调制调制 高频信号高频信号 放大放大 放大高频放大高频 信号信号 解调解调 放大缓变放大缓变 信号信号 fttxAty2cos 0 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 幅度调制与解调过程幅度调制与解调过程( (波形分析波形分析) ) 乘法器 放大器 x(t) z(t) xm(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) -1 0 1 -1 0 1 -1 0

18、1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 幅度调制与解调过程幅度调制与解调过程( (频谱分析频谱分析) ) 乘法器 放大器 x(t) z(t) xm(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) xm(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) )(tx tftxtx zm 2cos )(tz )(

19、tz tftxty zm 2cos 2 tftx tx z 4cos 2 1 2 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 解调方法之一：同步解调解调方法之一：同步解调 该调制方法，将信号该调制方法，将信号x(t)直接与载波直接与载波z(t)相乘。这种调相乘。这种调 幅波具有极性变化，解调时必须再乘与幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的相位相同的z(t) 方能复原出原信号，故称同步解调。方能复原出原信号，故称同步解调。 -505 -1 0 1 -505 -1 0 1 -505 -1 0 1 -505 -1 0 1 -5

20、05 -1 0 1 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 解调方法之二：整流检波解调方法之二：整流检波 若对信号若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D，使，使 偏置后的信号都具有正电压。偏置后的信号都具有正电压。 txDt x tx 调幅调幅 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 fttxDtxm2cos 解调解调 二极管检波二极管检波 低通滤波低通滤波 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北

21、京工业大学机电学院 相敏检波用来鉴别调制信号的极性，利用交变信相敏检波用来鉴别调制信号的极性，利用交变信 号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波相位与号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波相位与 载波信号比较也相应地产生载波信号比较也相应地产生180180相位跳变，从而既反相位跳变，从而既反 映原信号的幅值又反映其相位。映原信号的幅值又反映其相位。 解调方法之三：相敏检波解调方法之三：相敏检波 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 解调：相敏检波解调：相敏检波 (e) 滤波后的波形 (d) 相敏检波后的波形 (b) 载波 (c

22、) 放大后的调幅波 (a) 调制信号 ex R(t) e e e e0 e01 e02=KR(t) 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 解调：相敏检波解调：相敏检波 )(t xm )(ty )(tu)(tu )( 0 t x R4 R3 R7 R5 A2 V2 R6 A1 V1 C R1 R2 全波开关式相敏检波全波开关式相敏检波 2 7 65432 R RRRRR A1为过零比较器为过零比较器 11 4 7 652 6 R R RRR R 1 43 7 RR R 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京

23、工业大学机电学院北京工业大学机电学院 相敏检波应用：动态电阻应变仪方框图 动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。 电桥由振荡器提供等幅高频振荡电压（相当于载波）。被测量电桥由振荡器提供等幅高频振荡电压（相当于载波）。被测量(力、应变力、应变 等，相当于调制波等，相当于调制波)通过电阻应变片控制电桥输出。电桥输出为调幅波，经过通过电阻应变片控制电桥输出。电桥输出为调幅波，经过 放大，最后经半波相敏检波与低通滤波取出所需的被测信号。放大，最后经半波相敏检波与低通滤波取出所需的被测信号。 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调

24、 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 调幅波的波形失真调幅波的波形失真 a) 过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置 必须足够大，否则必须足够大，否则x(t)的相位将发生的相位将发生180。 xm(t) t 0 x(t) t 0 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 b) 重叠失真：调幅波是由一对每边为重叠失真：调幅波是由一对每边为f m 的双边带的双边带 信号组成。当载波频率信号组成。当载波频率f z 较低时，正频端的下边带将较低时，正频端的下边带将 与负频端的下边带相重叠要求与负

25、频端的下边带相重叠要求: f zf m Xm( f ) -fzfz0 调幅波的波形失真调幅波的波形失真 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 4 频率调制频率调制 调频是利用信号调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者的幅值调制载波的频率，或者 说，调频波是一种随信号说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密的电压幅值而变化的疏密 度不同的等幅波。度不同的等幅波。 ttxfAty 0 2cos 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 锯齿波调频锯齿波调

26、频正弦波调频正弦波调频 4 频率调制频率调制 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 4 频率调制 调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率， 或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值 而变化的疏密度不同的等幅波。 ttxfAty 0 2cos 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 1 2 x f LC 3 2 1 1 () 2 2 1 11 2 22 x x x xx f LCL C Lf CLCLC 00 0 (1) 2 C ffff C 0 0 1 2 f

27、fC C L 振 荡 器 调频波x C 4 4、调频法（直接调频法）、调频法（直接调频法） 原理：将传感器电容作为振荡器谐振回路原理：将传感器电容作为振荡器谐振回路 的的 一部分，一部分， 把被测量的变化直接转换把被测量的变化直接转换 为振荡器的振荡频率的变为振荡器的振荡频率的变 化。化。 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 鉴频：鉴频： 变压器耦合的谐振回路鉴频变压器耦合的谐振回路鉴频 第一步：第一步： 先将等幅的调频波转换为幅值随频率变化的调频先将等幅的调频波转换为幅值随频率变化的调频 调幅波调幅波; ; 调频波的解调称为鉴

28、频或频率检波调频波的解调称为鉴频或频率检波 第二步：第二步： 检波、滤波。检测幅值的变化，得到原调制信号。检波、滤波。检测幅值的变化，得到原调制信号。 Cf a u（插讲频率（插讲频率- -电压变换原理）电压变换原理） 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 鉴频：鉴频： 2.2.3信号调理信号调理-问题问题5：调制解调：调制解调 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 采样采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散 值，使之成为采样信号值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。的过程。 T

29、s称为采样间隔，或采样周期，称为采样间隔，或采样周期，1/Ts = fs 称为采样频率。称为采样频率。 由于后续的量化过程需要一定的时间由于后续的量化过程需要一定的时间，对于随时间变化的，对于随时间变化的 模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间内保持不变，这样内保持不变，这样 才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。 正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函 数。数。 1、A/D转换转换 模拟信号 0,1,2,3,2,1, 采样量化数

30、字信号 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 012345678 0 1 2 3 4 5 编码编码将离散幅值经将离散幅值经 过量化以后变为二进制数的过程过量化以后变为二进制数的过程 4位位A/D: XXXX X(1) 0101 X(2) 0011 X(3) 0000 量化量化把采样信号经过舍入或截尾的方法变为只有有把采样信号经过舍入或截尾的方法变为只有有 限个有效数字的数，称为量化。限个有效数字的数，称为量化。 x(1)=5 x(2)=4 x(3)=0 x(4)=0 x(5)=4 x(6)=5 x(7)=1 x(8)=0 信号的六等份量化过程信号

31、的六等份量化过程 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 2) A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 (1) 分辨率分辨率 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化 误差越小，分辨力越高。常用有误差越小，分辨力越高。常用有8位、位、10位、位、12位、位、 16位等。位等。 (2) 转换速度转换速度 指完成一次转换所用的时间，如指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1kHz)； 10us(100kHz) (3) 模拟信号的输入范围模拟信号的输入范围 如，如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。等

32、。 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 2) A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 (4) 转换精度转换精度 A/D转换器中采用分辨率和转换误差来描述转换器中采用分辨率和转换误差来描述 转换精度。转换精度。 a) 分辨率用来说明分辨率用来说明A/D转换器对输入信号的转换器对输入信号的 分辨能力，有分辨能力，有n位输出的位输出的A/D转换器能区分转换器能区分2n个不个不 同等级，因此分辨率同等级，因此分辨率=VImax/2n，式中，式中，VImax是是 输入模拟信号的最大值。输入模拟信号的最大值。 b) A/D转换器的转换误差通常以输出误差的转

33、换器的转换误差通常以输出误差的 最大值形式给出，它表示实际输出数字量和理论最大值形式给出，它表示实际输出数字量和理论 上应得到的数字量之间的差别，通常规定应小于上应得到的数字量之间的差别，通常规定应小于 1/2LSB。 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 一、信号采样一、信号采样 采样是将采样脉冲序列采样是将采样脉冲序列p(t)与信号与信号x(t)相乘，取离散相乘，取离散 点点x(nt)值的过程。值的过程。 p(t) x(t) x(nt) 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 )(X )(tx )

34、(tp )(txs )(P t )( s X m m s T s T s t s s T 1 s T s T s t s 0 0 0 0 00 一个连续信号经过一个连续信号经过 理想采样以后，它的频理想采样以后，它的频 谱将沿着频率轴每隔一谱将沿着频率轴每隔一 个采样频率个采样频率s ,重复出现重复出现 一次，即其频谱产生了一次，即其频谱产生了 周期延拓，其幅值被采周期延拓，其幅值被采 样脉冲序列的傅立叶系样脉冲序列的傅立叶系 数（数（Cn=1/Ts)所加权，所加权， 其频谱形状不变。其频谱形状不变。 一、信号采样一、信号采样 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北

35、京工业大学机电学院 1 频混现象频混现象 （a）采样频率等于信号频率，正弦信号离散后得到直流信号）采样频率等于信号频率，正弦信号离散后得到直流信号 （b）采样频率等于信号频率的）采样频率等于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到三角波信号倍，正弦信号离散后得到三角波信号 （c）采样频率小于信号频率的）采样频率小于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到更低频倍，正弦信号离散后得到更低频 率的正弦信号率的正弦信号 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时， 采样所得的信号中混

36、入了虚假的低频分量，这种现采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现 象叫做频率混叠。象叫做频率混叠。 l 采样频率合适的情况下复原信号；采样频率合适的情况下复原信号； l 采样频率过低的情况下，复原的是一个虚假的采样频率过低的情况下，复原的是一个虚假的 低频信号。低频信号。 1 频混现象频混现象 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 频混现象又称频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生频混现象又称频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生 变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。 1 频混现象频混现象

37、 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 1 频混现象频混现象 l信号信号x(t)的傅里叶变换为的傅里叶变换为X()，其频带范围为，其频带范围为 -mm； l当采样周期当采样周期Ts较小时，较小时，s2m，周期谱图相互分离，周期谱图相互分离 如图中如图中(b)所示；所示； l当当Ts较大时，较大时，s2m，周期谱图相互重叠，即谱图，周期谱图相互重叠，即谱图 中高频与低频部分发生重叠，如图中中高频与低频部分发生重叠，如图中(c)所示，此即频所示，此即频 混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信 息。

38、息。 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 2 采样定理采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信 息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分 的的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理，亦称倍。这是采样的基本法则，称为采样定理，亦称 仙农定理。仙农定理。 fs 2 fmax 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 注意：注意：满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而满足采样定理，只保证不发生频率混叠，

39、而 不能保证采样信号能真实地反映原信号不能保证采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实。工程实 际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的35倍。倍。 2 采样定理采样定理 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 A/D采样前的抗混迭滤波：采样前的抗混迭滤波： 物理信号物理信号 对象对象 传传 感感 器器 电信号电信号 放放 大大 调调 制制 电信号电信号 A/D 转换转换 数字信号数字信号 展开展开 低通滤波低通滤波 (0Fs/2) 放大放大 2 采样定理采样定理 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理

40、 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 其中为采样频率 1 s s f T 1 s T 1 s T f ( )X f 0 A 0 f ( )S f () S XfXfSf f 1 s T 1 s T 0 s T s( ) t 1 0 t )(tx t 0 ( )( ) s x tx ts t t 0 对于任意信号：对于任意信号：1.信号采样信号采样 1 s T 2. 4 信号的数字化处理信号的数字化处理 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到 虚拟的无限长信号。虚拟的无限长信号。 用计算机进行测试信号处

41、理时，不可能对无限长的信用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信 号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析， 这个过程称信号截断。这个过程称信号截断。 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面从周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面从 数学的角度来看这种处理带来的误差情况。数学的角度来看这种处理带来的误差情况。 设有余弦信号设有余弦信号x(t)，用矩形窗函数，用矩形窗函数w(t)与其相乘，与其相乘， 得到截断信号：得到

42、截断信号：y(t) =x(t)w(t) 将截断信号谱将截断信号谱 XT()与原始信号谱与原始信号谱X()相比较可相比较可 知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续 谱谱. 原来集中在原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中处的能量被分散到两个较宽的频带中 去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 ( )( ) s XfX fS f f 0 T 1 s f f )(fW T 1 T 1 T ( )(

43、)( )X fS fW f f 0 s f ( )( ) s xtx ts t t 0 t )(tw 1 0 T ( )( )( )x ts tw t t 0 对于任意信号：对于任意信号：2.信号截断（加窗）信号截断（加窗） 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 T 1 f ( )( )( )X fS fW f 0 0 t 1 f T ( ) 1 D f t 0 其中采样时间长度 T ( )( )( )x ts tw t t 0 t ( )d t T T 0 ( ). ( ). ( )( )x t s t w td t

44、( )* ( )*( ). ( )X fS fW fD f 对于任意信号：对于任意信号：3.频谱的离散化频谱的离散化 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 周期延拓信号与真实信号是不同的：周期延拓信号与真实信号是不同的： 能量泄漏误差能量泄漏误差 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 克服方法之一：信号整周期截断克服方法之一：信号整周期截断 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学

45、院 为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数 对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。 泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高 度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接 近于真实的频谱。近于真实的频谱。 克服方法之二：窗函数克服方法之二：窗函数 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 常用窗函数：常用窗函数： (1) (1)

46、 幂窗幂窗采用时间变量某种幂次的函数，如采用时间变量某种幂次的函数，如 矩形、三角形、梯形或其它时间矩形、三角形、梯形或其它时间(t)(t)的高次幂；的高次幂； (2) (2) 三角函数窗三角函数窗应用三角函数，即正弦或余应用三角函数，即正弦或余 弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等； (3) (3) 指数窗指数窗采用指数时间函数，如采用指数时间函数，如e-ste-st形式，形式， 例如高斯窗等例如高斯窗等 克服方法之二：窗函数克服方法之二：窗函数 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北

47、京工业大学机电学院 1. 矩形窗矩形窗 Tt Tt/T tw 0 1 T T w 2sin 矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为 相应的窗谱为：相应的窗谱为： 矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗 优点：主瓣比较集中优点：主瓣比较集中 缺点：旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高缺点：旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高 频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工

48、业大学机电学院 2. 三角窗三角窗 Tt Tt T t T tw 0 -1 1 2 2 2sin T/ T/ w 三角窗亦称费杰三角窗亦称费杰( (Fejer) )窗，是幂窗的一次方形式：窗，是幂窗的一次方形式： 相应的窗谱为：相应的窗谱为： 三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗 的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 3. 汉宁汉宁(Hanning)窗窗 Tt Tt T t T tw 0 cos 2 1 2 11 2

49、 sinsin 2 1sin T T T T T T w 汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为：汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为： 相应的窗谱为：相应的窗谱为： 与矩形窗对比，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则与矩形窗对比，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则 显著减小。汉宁窗的旁瓣衰减速度也较快。比较可知，显著减小。汉宁窗的旁瓣衰减速度也较快。比较可知， 从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗。但汉宁窗从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗。但汉宁窗 主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。 2. 4 信号数字化处理信号数字化处理-截断、能量泄露截断、能量泄露 北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院 其中为采样频率 1 s s f T 1 s T 1 s T f ( )X f 0 A 0 f ( )S f () S XfXfSf