工程测试技术实验.ppt

*,*,*,工程测试技术实验,主 讲 人：黄弢、王峻峰,一、测试技术的基本概念,测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种,物理量的测量原理,和,测量信号分析处理,方法。,测试定义,：是具有,试验,性质的,测量,。,Measurement&Test,对未知事物的探索性认识过程(Process)，是一个动态过程而非静止,为确定被测对象量值(Value)而进行的实验过程,工程测试实验主要内容是了解传感器，理解计算机A/D采样，熟悉常用信号处理方法，（包括时域、频域两方面）,一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。,测试信号数字化处理的基本步骤,物理信号,对象,传感器,电信号,放大调制,电信号,A/D,转换,数字信号,计算机,D/A转换,电信号,控制,物理信号,二、A/D转换,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,采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘，取离散点x(nt)的值的过程。,4位A/D:XXXX,X(1),0101,X(2),0011,X(3),0000,离散采样误差,模拟信号经过采样后变为有限个数据点的离散信号，数据点间用直线进行插值逼近，所造成的误差称为离散采样误差，采样频率越高，误差越小。,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的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。,Fs 2 Fmax,采样定理,每周期应该有多少采样点？,最少2点:,(4),模拟信号的输入范围：如，,5V,，,+/-5V,，,10V,，,+/-10V,等。,(2),分辨率：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,8,位、,10,位、,12,位、,16,位等。,(3),采样速率,(,转换速度）,：指完成一次转换所用的时间，如,:1ms(1KHz),；,10us(100kHz),(1),输入模式（单端输入或者差分输入）,、,A/D转换器的技术指标,单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于一伏），信号源与采集端之间的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。,如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。,输入方式,分辨率是模/数转换所使用的数字位数。分辩率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。,下图表示的是一个正弦波信号，以及用三位模/数转换所获得的数字结果。三位模/数转换把输入范围细分为2,3,或者就8份。二进制数从000到111分别代表每一份。,分辨率,显然，此时数字信号不能很好地表示原始信号，因为分辩率不够高，许多变化在模/数转换过程中丢失了。然而，如果把分辩率增加为16位，模/数转换的细分数值就可以从8增加到2,16,即65536，它就可以相当准确地表示原始信号。,输入范围是指ADC能够量化处理的最大、最小输入电压值。如,5V，+/-5V，10V，+/-10V等,它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。,增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值，你就可以实际减小信号的输入范围，使模数转换能尽量地细分输入信号。例如，当使用一个3位模数转换，输入信号范围为0到10伏，,上面的图显示了给信号设置增益值的效果。当增益=1时，模/数转换只能在5伏范围内细分成4份，而当增益=2时，就可以细分成8份，精度大大地提高了。但是必须注意，此时实际允许的输入信号范围为0到5伏。一但超过5伏，当乘以增益2以后，输入到模/数转换的数值就会大于允许值10伏。,A/D应用：数字信号发生器设计,1、正弦波数字信号发生器,三、信号的频域分析,信号频域分析是用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。,8563A,SPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz,傅里叶变换,X(t)=sin(2ft),0 t,0 f,时域分析与频域分析的关系,时间,幅值,频率,时域分析,频域分析,频谱X(f)代表了信号在不同频率分量的大小，能提供更直观，丰富的信息。,时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。,图例：受噪声干扰的多频率成分信号,周期信号的频谱分析,周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：,x(t)=x(t+nT),对周期函数：,对采样数据：,三角函数展开：,简记为：,H(f)=,Re+j*Im,或：,采样信号频谱是一个连续频谱，不可能计算出所有频率点值。设频率取样间隔为：,f=Fs/N,频率取样点为0,f,2f,3f,.，有：,该公式就是离散傅立叶计算公式(DFT),离散,傅里叶变换,快速傅立叶变换,快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶变换的一种有效的算法，通过选择和重新排列中间结果，减小运算量。,频谱图的概念,工程上习惯将分析结果用图形表示，以f,n,(,0,)为横坐标，b,n、,a,n,为纵坐标画图，称为实频虚频谱。,图例,以f,n,为横坐标，A,n、,为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；,以f,n,为横坐标，A,n,2,为纵坐标画图，则称为功率谱。,Matlab正弦波频谱分析,Fs=5120;,dt=1.0/Fs;,N=1024,T=dt*N;,t=linspace(0,T,N);,y=sin(2*3.14*100*t)+1/3*sin(3*2*3.14*100*t);,plot(t,y);,figure;,P=fft(y,N);,Pyy=2*sqrt(P.*conj(P)/N;,f=linspace(0,Fs/2,N/2);,plot(f,Pyy(1:N/2);,四、数字相关分析技术,变量相关的概念,统计学中用相关系数来描述变量x，y之间的相关性。,是两随机变量之积的数学期望，称为相关性，表征了x、y之间的关联程度。,如果所研究的随机变量x,y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)，这时可以引入一个与时间有关的量,xy(),，称为相关系数，并有：,式中假定x(t)、y(t)是不含直流分量(信号均值为零)的能量信号。分母部分是一个常量，分子部分是时移的函数，反映了二个信号在时移中的相关性，称为相关函数。因此相关函数定义为：,计算时，令x(t)、y(t)二个信号之间产生时差，再相乘和积分，就可以得到时刻二个信号的相关性。连续变化参数，就可以得到x(t)、y(t)的相关函数曲线。相关函数具有如下性质(1)自相关函数是偶函数,(2),当,=0,时，自相关函数具有最大值,(3),周期信号的自相关函数仍然是同频率周期信号，但不具有原信号相位信息。,(4),两周期信号的互相关函数仍然是同频率周期信号，但保留了原信号相位信息。,(5),两个非同频率的周期信号互不相关。,(6),随机信号的自相关函数将随,|,值增大而很快趋于零,。,相关函数描述了两个信号或一个信号自身波形不同时刻的相关性（或相似程度），,数字相关分析技术,MATLAB算例：,Fs=5120;,N=1024;,dt=1.0/5120.0;,T=dt*N;,x=linspace(0,T,N);,y=sin(2*3.14*50*x);,plot(x,y);,s=xcorr(y),x1=linspace(0,2*T,2*N-1);,plot(x1,s);,虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算,机程序完成，这种硬件功能软件化是虚拟仪器的一大特征。,五 虚拟仪器,1.定义,2.虚拟仪器的组成,PXI,VXI,GPIB,DAQ,IMAQ,Motion,硬件板卡,软件,程序解决方案,软件驱动模块,LabView（图形化编程）,DRVI可重构虚拟仪器实验平台,Matlab控制DRVI,chan,=,ddeinit(DRVIMATLAB,System,);,ddeterm(chan,);,ddepoke(chan,SetLine,line,value,);,value=,ddereq(chan,GetLine,line,),ddepoke(chan,SetArray,line,dt,len,array,),data=,ddereq(chan,GetArray,line,len,),;,为实现与Matlab联用，DRVI中提供了一个DDE服务器功能，在Matlab中可以用DDE客户方式与DRVI交换数据和命令。,取DRVI数据,chan=ddeinit(DRVIMATLAB,System);,ddepoke(chan,SetLine,1,100);,a=ddereq(chan,GetArray,101,1024);,ddeterm(chan);,d=0:length(a)-1;,plot(d,a);,控制DRVI产生100Hz正弦波，并取回数据,送DRVI数据,t=0:0.0002:0.1;,ft=800*sin(2*3.14*100*t);,d=0:length(ft)-1;,plot(d,ft);,chan=ddeinit(DRVIMATLAB,System);,ddepoke(chan,SetArray,101,0.0002,500,ft),ddeterm(chan);,用Matlab产生100Hz正弦波，送DRVI显示,考试内容,实验一三不要求交实验报告，要求,用MatLab完成各种信号的产生、合成或分解,用MatLab进行各种信号频谱分析或相关分析,机械学院机制专业要求完成实验界面设计。,其他学院及专业要求会使用MatLab命令完成。,将代码和注释写在实验报告上。,其他实验要求交实验报告。每人一份，手写。,