工程測試技術課件本科生和研究生用課件chx

1、MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING 機械工程測試(csh)信息信號分析 機械(jxi)科學與工程學院 機械電子信息工程系李錫文 xiwenli軒建平 jpxuan2022/7/171共六十五頁第五章 模擬信號分析(fnx)本章內(nèi)容5-1 調(diào)制 幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位(xingwi)調(diào)制5-2 濾波器 理想濾波器、因果濾波器5-3 估值 (自學)2022/7/172共六十五頁課件資料下載：郵箱地址： “機械工程測試”每個字拼音的第一個字母 密碼：111111注意(zh y)下載時不要刪除原始文件 20

2、22/7/173共六十五頁一、幅度(fd)調(diào)制一、幅度(fd)調(diào)制 1 調(diào)幅與解調(diào)原理 調(diào)幅過程 正余弦信號乘測試信號FT變換性質(zhì)2022/7/174共六十五頁調(diào)幅(dio f)過程單位沖激函數(shù)的搬移(bn y)特性時域頻域2022/7/175共六十五頁同步(tngb)解調(diào)單位(dnwi)沖激函數(shù)的搬移特性低通濾波、放大同步解調(diào)：解調(diào)時所乘信號與載波信號具有相同的頻率和相位2022/7/176共六十五頁抑制(yzh)調(diào)幅抑制調(diào)幅：調(diào)制信號直接與載波信號相乘，具有極性變化信號過零線時，幅值由正到負突變，調(diào)幅波相位(xingwi)發(fā)生180的相位變化解調(diào)需用同步解調(diào)，可反映出原信號的幅值和極性非抑

3、制調(diào)幅：調(diào)制信號偏置，疊加一個直流分量2022/7/177共六十五頁非抑制調(diào)幅：調(diào)制(tiozh)信號偏置調(diào)幅(dio f)波的非抑制調(diào)幅正常調(diào)制重疊失真過調(diào)失真非抑制調(diào)幅m1載波頻率f0較低m1可采用整流、濾波或包絡法檢波，可恢復原始信號2022/7/178共六十五頁1、過調(diào)失真直流偏置足夠大，調(diào)幅指數(shù)(zhsh)m1，當m1時，x(t)取最大負值時，可能使A1+mx0，相位發(fā)生180的相位變化調(diào)幅(dio f)波的波形失真過調(diào)失真非抑制調(diào)幅m12022/7/179共六十五頁2、重疊失真載波頻率較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶重疊，類似與頻率混疊效應。 f0必須(bx)大于信號頻率的

4、最高頻率。工程上至少數(shù)倍、數(shù)十倍調(diào)幅波的波形(b xn)失真重疊失真載波頻率f0較低m12022/7/1710共六十五頁通過系統(tǒng)時的波形(b xn)失真調(diào)幅波通過(tnggu)系統(tǒng)時的波形失真邊帶波被衰減調(diào)幅深度變淺邊帶波被放大調(diào)幅深度變深.理想情況3、通過系統(tǒng)時的波形失真調(diào)幅波通過系統(tǒng)時，將受到系統(tǒng)頻率特性的影響。2022/7/1711共六十五頁典型(dinxng)調(diào)幅波及其頻譜余弦(yxin)調(diào)制余弦偏置調(diào)制直流調(diào)制2022/7/1712共六十五頁典型(dinxng)調(diào)幅波及其頻譜周期(zhuq)矩形脈沖調(diào)制任意頻限信號調(diào)制矩形脈沖調(diào)制2022/7/1713共六十五頁幅度(fd)調(diào)制應用-

5、動態(tài)電阻應變儀單臂電橋(din qio)差動半橋差動全橋2022/7/1714共六十五頁二、調(diào)頻(dio pn)波及其頻譜調(diào)頻(dio pn)：x(t) 幅值調(diào)制載波的頻率。調(diào)頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密不同的等幅波。特點：改善了信噪比。分析表明，調(diào)幅時，若干擾噪聲與載波同頻，則有效地條幅波對干擾波的功率比(S/N)必須在35dB以上；但在調(diào)頻時，性能指標相同， S/N只要6dB。原因：調(diào)頻波改善了信號傳輸過程中的信噪比，調(diào)頻信號攜帶的信息包含在頻率變化之中，而干擾主要表現(xiàn)在振幅上。2022/7/1715共六十五頁二、調(diào)頻(dio pn)波及其頻譜調(diào)頻缺點：要求很高的帶寬，為

6、調(diào)幅(dio f)的20倍。系統(tǒng)復雜。是非線性調(diào)制，不能運用疊加，分析困難；常近似分析。下圖為鋸齒波和正弦波的調(diào)頻。調(diào)頻波的頻率應是一個隨信號x(t)幅值變化(對應時間)的頻率。2022/7/1716共六十五頁調(diào)頻(dio pn)波頻譜調(diào)頻波的頻譜頻率調(diào)制就是利用瞬時頻率d/dt來表示信號(xnho)的調(diào)制；0是載波中心頻率，0 x(t)是載波被信號所調(diào)制部分，上式表明瞬時頻率是載波中心頻率0與隨信號x(t)幅值而變化的頻率0 x(t)之和。對上式進行積分，x(t)是單一余弦波，是調(diào)制信號調(diào)頻波的表達式為：2022/7/1717共六十五頁調(diào)頻(dio pn)波頻譜上式中mf=A0/，稱為調(diào)頻指

7、數(shù)，A0是實際變化的頻率(pnl)幅度，稱為最大頻率(pnl)偏移。求得的調(diào)頻波頻譜為：調(diào)頻波的頻譜單一頻率調(diào)制時，調(diào)頻波可用載波0與載波的邊頻(0+n)之和的形式表示，間隔為；每一個頻率分量的幅值為GJn(mf)；理論上，邊頻數(shù)目無窮多。有效邊頻數(shù)目為2 (mf+1)2022/7/1718共六十五頁一、作用(zuyng)與分類 1. 作用 頻率分析：選頻裝置 抑制噪聲 5-2 濾波器圖 濾波(lb)過程2022/7/1719共六十五頁2. 分類(fn li) 5-2 濾波器按處理方法分硬件濾波軟件濾波按構(gòu)成器件分無源濾波器有源濾波器按所處理信號分模擬濾波器數(shù)字濾波器按頻率特性分低通濾波器高通

8、濾波器帶通濾波器帶阻濾波器全通濾波器按傳遞函數(shù)分一階濾波器二階濾波器N 階濾波器:2022/7/1720共六十五頁2. 分類(fn li) 1) 根據(jù)濾波器的選頻特性分5-2 濾波器低通濾波器幅頻特性高通濾波器幅頻特性C是截止頻率低通濾波器(LPFLow Pass Filter)、 高通濾波器(HPFHigh Pass Filter)帶通濾波器(BPFBand Pass Filter)、帶阻濾波器(BEFBand Elimination Filter)全通濾波器(APFAll Pass Filter)過渡帶過渡帶2022/7/1721共六十五頁2. 分類 1) 根據(jù)(gnj)濾波器的選頻特性分

9、5-2 濾波器帶通濾波器幅頻特性帶阻濾波器幅頻特性CL、CH是上下截止頻率， 0是中心(zhngxn)頻率全通濾波器呢？過渡帶過渡帶2022/7/1722共六十五頁2) 按構(gòu)成元件和供給能量電路性質(zhì)(xngzh)分 有源 無源濾波器分類(fn li)2022/7/1723共六十五頁2)按構(gòu)成元件(yunjin)和供給能量電路性質(zhì)分 有源 無源濾波器分類(fn li)2022/7/1724共六十五頁2) 有源、無源濾波器的區(qū)別無源濾波器：由無源元件電阻器R、電抗器L和電容器C組成(z chn)。以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達到抑制高次諧波的作用；濾波器與動態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，

10、既滿足無功補償、改善功率因數(shù)，又能消除高次諧波的影響。種類有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頻帶與三階寬頻帶高通濾波器等。優(yōu)點：投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維護方便，廣泛用于配電網(wǎng)中。缺點：濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等因素。濾波器分類(fn li)2022/7/1725共六十五頁2) 有源、無源濾波器的區(qū)別有源濾波器(Active Power Filter, APF)：集成運放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩

11、沖作用。但集成運放帶寬有限(yuxin)，故有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。 a. 能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功;b. 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；c. 具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化的諧波，即具有高度可控性和快速響應性。濾波器分類(fn li)2022/7/1726共六十五頁濾波器分類(fn li)3) RC調(diào)諧(tioxi)式濾波器1階RC低通濾波器電路微分方程為： 令=RC，稱為時間常數(shù) 傅立葉變換，頻響函數(shù)： 當1/2RC時，()-相頻特性近似于一條通過原點的直線 當=1/2RC時， c2=1/2RC上截止頻率: |H(j)|= A(

12、)1，A() =1/2022/7/1727共六十五頁濾波器分類(fn li)3) RC調(diào)諧式濾波器1階RC高通濾波器 電路(dinl)的微分方程為： 令RC=代入，作傅立葉變換，得頻響函數(shù) 當=1/2，即 =1/2RC時， 當1/2RC時，下截止頻率： c1=1/2RC A() =1/A() 1，()=02022/7/1728共六十五頁濾波器分類(fn li)3) RC調(diào)諧(tioxi)式濾波器RC帶通濾波器可以看成是低通和高通兩個濾波器串聯(lián)而成。 2022/7/1729共六十五頁高通低通頻響函數(shù)(hnsh)幅頻特性和相頻特性 c2=1/22=1/2R2C2上截止頻率: 下截止頻率： c1=1

13、/21=1/2R1C1 一階RC帶通濾波器一階RC帶通濾波器2022/7/1730共六十五頁實際(shj)濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實際濾波器中心頻率f0與帶寬B之間的數(shù)值關系，可以分為兩種。2) 恒寬比帶通濾波器 1) 恒帶寬帶(kun di)通濾波器 恒帶寬、恒帶寬比濾波器2022/7/1731共六十五頁品質(zhì)(pnzh)因素Q 相同Q值（恒寬比），中心(zhngxn)頻率n越大 ，帶寬B越大 恒寬比帶通濾波器 恒寬比帶通濾波器2022/7/1732共六十五頁n為倍頻程數(shù) 若n=1為倍頻程濾波器；推導(tudo)c2=2n c1 n2=2n n1 2022/7/1733共六十五頁帶寬(

14、di kun)越窄，分辨力越高。 低頻(dpn)分辨力較高，高頻分辨力較低.信號通帶越寬，需要的恒帶寬濾波器越多。 恒帶寬濾波器：帶寬為20Hz2022/7/1734共六十五頁例：設有一信號是由幅值相同而頻率分別(fnbi)為=940Hz和=1060Hz的兩正弦信號合成，其頻譜如圖所示 (a)實際信號 (b)用倍頻程濾波器分析結(jié)果(c)用1/10倍頻程濾波器分析結(jié)果(ji gu) (d) 用恒帶寬濾波器分析結(jié)果 舉例2022/7/1735共六十五頁案例：機床軸心軌跡(guj)的濾波處理 濾波器應用-機床(jchung)軸心軌跡的濾波處理 2022/7/1736共六十五頁案例：機床軸心軌跡(gu

15、j)的濾波處理 濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動(yndng)規(guī)律 濾波器應用-機床軸心軌跡的濾波處理 2022/7/1737共六十五頁鋼管(gnggun)無損探傷實驗濾除信號中的零漂和低頻晃動(hungdng)，便于門限報警濾波器應用-鋼管無損探傷實驗2022/7/1738共六十五頁濾波器分類(fn li)4) 有源低通濾波器主要(zhyo)技術指標（1）通帶增益Avp 通帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，如圖所示。性能良好的LPF通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基本為零。 （2）通帶截止頻率fp 其定義與放大電路的上限截止頻率相同。通帶與阻帶之間稱為過渡帶

16、，過渡帶越窄，說明濾波器的選擇性越好。 圖 LPF的幅頻特性曲線 2022/7/1739共六十五頁濾波器分類(fn li)4) 有源低通濾波器一階低通濾波器(LPF)同相比例(bl)放大器的增益，即通帶增益為：電路的傳遞函數(shù)為：電路特點:具有較高輸入電阻和較低的輸出電阻，還具有電壓放大作用。由于式中s為一次冪，所以稱一階LPF。uou+ui電路由RC低通網(wǎng)絡和同相比例放大器組成，2022/7/1740共六十五頁在一階LPF傳遞函數(shù)中，令s=jw有式中為低通截止頻率。其對數(shù)(du sh)幅頻特性為：對數(shù)(du sh)幅頻特性曲線如圖所示-3-20dB/十倍頻一階低通有源濾波器圖 一階LPF的幅頻

17、特性曲線優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；缺點：過渡區(qū)衰減太慢，衰減斜率僅為-20dB/十倍頻，故只能用于濾波要求不高的場合2022/7/1741共六十五頁4) 有源低通濾波器簡單(jindn)二階低通有源濾波器簡單(jindn)二階低通有源濾波器二級RCu+uo圖 簡單二階LPF一級RC 為使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一階RC低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波器。它比一階低通濾波器的濾波效果更好，它能提供-40dB/十倍頻的衰減。二階LPF的電路圖如圖所示。同相比例運算電路2022/7/1742共六十五頁（1）通帶增益(zngy) 當 f = 0, 或頻率很低時，各電容器可視為開路，通

18、帶內(nèi)的增益為 （2）二階低通有源濾波器傳遞函數(shù) 取C1=C2=C，根據(jù)(gnj)上圖可以得出：（3）通帶截止頻率簡單二階低通有源濾波器2022/7/1743共六十五頁問題：在 f = f0 附近，如何(rh)使輸出幅度衰減增大？改進思路(sl)：提升f0附近的輸出幅度。 與理想的二階波特圖相比，在超過f0以后，幅頻特性以-40 dB/dec的速率下降，比一階的下降快。但在通帶截止頻率 fpf0 之間幅頻特性下降的還不夠快。簡單二階低通有源濾波器2022/7/1744共六十五頁二、理想濾波器 1. 模型：矩形幅度(fd)特性和線性相移特性理想(lxing)濾波器2022/7/1745共六十五頁2

19、. 脈沖響應：線性系統(tǒng)傳輸(chun sh)特性，理想濾波器的脈沖響應h(t)是頻率響應H()的IFT，故脈沖響應(1) 當t=0時，h(t)=c/ ， 響應時間滯后于激勵時間 ；(2) 當t=0 n/c時，h(t)=0, 表明函數(shù)的周期性；(3)當t0時，h(t)0， 當激勵信號在t=0時加入(jir)，響應在t為負值時已經(jīng)出現(xiàn)。不可能實現(xiàn)2022/7/1746共六十五頁階躍響應(xingyng)-傳輸特性3. 階躍響應(xingyng)：濾波器響應的上升時間與濾波器通頻帶寬之間的關系2022/7/1747共六十五頁階躍響應(xingyng)-傳輸特性(1) t=0時，yu(t)=0.5，0

20、是階躍信號(xnho)通過理想濾波器時間滯后；(2) t=0+c時，yu(t)1.09；當t=0 - c時，yu(t)-0.09， d=2c是濾波器對階躍響應的時間歷程，d=1B(3) dB=常數(shù)；通帶與分辨力關系。高分辨力與快速響應的要求是矛盾的。圖 理想低通濾波器對單位階躍輸入響應階躍輸入響應時間歷程d2022/7/1748共六十五頁階躍響應(xingyng)-傳輸特性圖 理想(lxing)低通濾波器對單位階躍輸入響應階躍輸入響應時間歷程d理論響應值的0到1或0.1到0.9作為階躍響應的上升時間d、d物理含義：輸入信號突變處(間斷點)必然含有豐富的高頻分量，低通濾波器阻衰了高頻分量，其結(jié)果

21、是把信號波形圓滑了，通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號能量更多、更快地通過，所以上升時間就短。 dB=常數(shù)2022/7/1749共六十五頁矩形脈沖通過(tnggu)濾波器的波形與頻譜矩形脈沖通過(tnggu)濾波器的波形與頻譜-Gibbs現(xiàn)象矩形脈沖通過濾波器的波形在不連續(xù)點鄰域出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，跳變峰極限值近似為0.089D，上擺1.09與下擺-0.09窗口寬度c=4窗口寬度c=8窗口寬度越大，上升時間越小和跳變峰越趨近于間斷點，且其極限值為0.092022/7/1750共六十五頁理想濾波器在截止頻率點上的幅頻特性轉(zhuǎn)折非常尖銳、陡峭，描繪它的指標僅需截止頻率fc和帶寬(di kun)B。帶通濾

22、波器中心頻率：帶通濾波器品質(zhì)因素：理想(lxing)濾波器圖 幾種濾波器的幅頻特性(a)(b)(c)(d)2022/7/1751共六十五頁1. 實際濾波器的基本參數(shù) 1) 紋波幅度 d：濾波器頂部幅值波動量；幅頻特性頂部平均值為A0。波動幅度d與幅頻特性平均值A0相比應小于-3dB。 2) 截止頻率 fc：取幅頻特性值為 時的相應頻率值。 3) 帶寬 B：上下(shngxi)兩截頻間的頻率 范圍稱為帶寬 三、實際(shj)濾波器基本參數(shù)(1)帶寬不隨中心頻率而變化帶寬與中心頻率的比值不變恒帶寬濾波器 B=fc2-fc1恒帶寬比濾波器 B=fc1(2n-1)2022/7/1752共六十五頁1.

23、實際(shj)濾波器的基本參數(shù) 4)中心頻率f0: 三、實際(shj)濾波器基本參數(shù)(1) 5)品質(zhì)因數(shù)Q: 中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù) 2022/7/1753共六十五頁倍頻程選擇性W， fc2與 2fc2之間、下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減(shui jin)值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減(shui jin)量。其含義是頻率在fc1/2和2fc2處的幅頻特性值 和 分別與 與 比值的分貝數(shù)。dB/Oct1. 實際濾波器的基本參數(shù) 6) 選擇性：標志實際濾波器與理想(lxing)濾波器的近似程度三、實際濾波器基本參數(shù)(2)在兩截止頻率外側(cè)，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡

24、帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。2022/7/1754共六十五頁1. 實際濾波器的基本參數(shù) 6) 選擇性：標志實際濾波器與理想(lxing)濾波器的近似程度三、實際(shj)濾波器基本參數(shù)(2)幅頻特性橫坐標：濾波器因數(shù) 濾波器因數(shù)是濾波器選擇性的另一種表示方式 ， 定義為：濾波器幅頻特性值為-60dB處的帶寬B-60dB與-3dB處的帶寬B-3dB的比值。理想濾波器 =1，常用濾波器 =15，顯然， 越接近于1，濾波器選擇性越好。2022/7/1755共六十五頁可實現(xiàn)的典型(dinxng)濾波網(wǎng)絡函數(shù)由集總參數(shù)

25、元件(yunjin)構(gòu)成的濾波系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：取s=jm個零點，n個極點，選擇濾波網(wǎng)絡函數(shù)，就是決定全部系數(shù)a, b的值。系數(shù)a, b的值決定與網(wǎng)絡元件參數(shù)。n值影響傳輸函數(shù)的特性，n越大，逼近特性越好2022/7/1756共六十五頁濾波器逼近(bjn)實際濾波器與理想濾波器在頻響特性上(主要在幅頻特性上)的差別：通帶和阻帶范圍內(nèi)的特性曲線的平直程度；過渡帶的陡直程度。主要有兩種逼近方式：最平幅度逼近法：在濾波器的通帶和阻帶內(nèi)具有最平直的幅頻特性，巴特沃茲濾波器等波紋逼近法：由通帶到阻帶內(nèi)給定的衰減(shui jin)值所需的過渡帶最小，切貝雪夫濾波器濾波器的幅頻響應越好，則其相頻響應越差2022/7/