杭电科大测试技术与信号处理课件06数字信号处理

测试系统的基本特性模拟信号处理数字信号处理计算机与虚拟仪器测试技术常用传感器绪论测试信号的描述与分析主要内容1.数字信号处理的基本问题2.3.4.5.6.7.9.略8.微型计算机在测试技术中的应用举例数字信号处理（DigitalSignalProcessing,简称DSP）是利用计算机或专用数字信号处理设备，以数字形式对信号进行采样、变换、调理、滤波及计算等处理，以得到人们所需要的有用信息。第六章数字信号处理6.1数字信号处理的基本问题

图中为连续信号，为等间隔采样脉冲，为采样间隔，一般取等间隔，而则为的等间隔的采样，它是离散序列。6.1.1时域采样和采样定理

能否用离散序列来唯一地确定和复原原来的连续信号选得太大，则无法用来表征，如果太小，对定长的时间记录来说，得到的离散序列就会很长，离散数据的数据量就会很大，这就会大大增加运算处理的工作量；6.1.1时域采样和采样定理

如果数字序列长度一定，则只能处理很短的时间历程，可能产生较大的误差。究竟选多大合适呢？6.1.1时域采样和采样定理

X(0),X(1),X(2),……,X(n)6.1.1时域采样和采样定理

最少2点:6.1.1时域采样和采样定理

一、时域采样和采样定理采样定理为信号最高频率。实际应用中常取若被分析的信号中含有高频分量，则其频带可延伸到一个很宽的区域。如果我们确知这个高频部分是由噪声干扰所致，为了满足采样定理而又不致使处理数据过长，可以把信号先进行低通滤波处理。6.1.1时域采样和采样定理

经过采样所得的离散信号需要转变为数字信号才能送入计算机处理，实现这一转换的器件通常是模拟/数字转换器，简称A/D转换器6.1.2量化与编码

采样――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x(nTs)的过程．编码――将经过量化的值变为二进制数字的过程。

量化――把采样信号经过舍入变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化．1、A/D转换

6.1.2量化与编码

4位A/D:XXXXX(1)0101X(2)0011X(3)00006.1.2量化与编码

因为实际处理的信号只能是有限长，这就需要对过长的信号时间历程进行截断。截断就是将无限长信号乘以有限宽的窗函数。其傅里叶变换为对信号截取一段6.1.3截断、泄漏和窗函数由于是一个频带无限的函数，所以即使是限带信号，而截断后也必然成为无限带宽的函数，这种信号能量的分布扩展到整个频率轴上的现象称为泄漏选用什么样的窗函数要根据分析精度和减小泄漏误差的要求来决定。一般对其频谱的要求为：（1）主瓣宽度尽可能窄。（2）旁瓣要小，第一旁瓣与主瓣高度之比尽可能小，每倍频程旁瓣衰减率要大。6.1.3截断、泄漏和窗函数

设有余弦信号x(t),用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信号:y(t)=x(t)w(t)

将截断信号谱XT(ω)与原始信号谱X(ω)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谱.原来集中在f0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。6.1.3截断、泄漏和窗函数6.1.3截断、泄漏和窗函数对一函数实行采样，即是抽取采样点上对应的函数值。其效果如同透过栅栏的缝隙观看外景一样，只有落在缝隙前的景象被看到，其余景象均被栅栏挡住而视为零，这种现象称为栅栏效应。减小栅栏效应可用提高频率采样间隔也就是频率分辨力的方法来解决。间隔越小，频率分辨力越高，被“挡住”或丢失的频率成分就会越少。6.1.4频域采样与栅栏效应6.8微型计算机在测试技术中的应用举例例1两路同步数据采集系统

落锤式动态断裂韧性实验是断裂力学研究中的重要实验，实验中应力和位移两个数据是表征被测金属断裂特性的重要参数，但由于实验过程瞬时即逝，持续时间大约只有5ms，因此记录和再现实验过程中这两个参数的动态值对研究金属材料断裂特性是极为重要的。利用微型计算机和A/D、D/A转换器构成的数据采集、数据处理、数据再现系统即可实现以上的功能。其原理图如图6-25所示图6-25两路数据采集系统原理框图例1两路同步数据采集系统

例2齿轮啮合应力测试装置齿轮啮合应力的测试是一个重要的指标。测试齿轮啮合应力要求在齿轮静载到动载的情况下，即高速旋转情况下测试啮合应力。因此，要求测试装置装在被测齿轮上，能随齿轮高速旋转。显然，进行这种测试最好的方法是采用离线方式。测试装置由应变传感器、放大电路、A/D转换及存储电路、控制电路、地址发生器、接口电路等部分组成。如图6-26所示图6-26测试装置原理框图例2齿轮啮合应力测试装置传感器为应变片桥路。齿轮啮合时产生的应力变化对应应变片桥路输出为几百微伏电压。所以放大电路采用两级放大。A/D转换器采用低功耗，单电源供电的AD7576芯片，其转换范围为0~2.5V。存储电路用于存放A/D转换器输出的数字信号，即测试数据。地址发生器生成存储器地址。控制电路控制A/D转换和数据存储协调进行。接口电路提供测试装置与计算机之间的接口。例2齿轮啮合应力测试装置例3发动机智能式预行程及转速测量仪预行程测量仪是内燃机台架试验的关键测试仪器之一。预行程直接关系到泵的供油量，其数值和离散性是考核泵质量的重要指标。对柴油机而言，当凸轮作圆周运动使活塞向上运动至堵住进油孔时，一定容积的油将被压缩并通过高压油管喷射出去，预行程就是指活塞从下止点到进油孔之间的距离，如图6-27所示。图6-27测试原理图例3发动机智能式预行程及转速测量仪其测试原理为：当泵开始工作时，位移传感器及其测量线路测出直线预行程，并将其转换成12位数字量。当活塞达到预行程点时，被压缩的油使油压迅速升高从而打开单向阀喷射出去。在预行程点，油压是个突变点，则压力传感器也产生一个突变上升信号，将此信号经放大，滤去高频噪声，通过微分电路提取压力信号的上升沿信号，整形后形成一负脉冲，送给单片机8031