4章 信号调理、处理和记录

《测试技术与信号处理》课程教学大纲课程代码：0806315008课程名称：测试技术与信号处理英文名称：Testing Technology and Signal Processing总学时：48 讲课学时：40 实验学时：8学分：3适用专业：机械设计制造及其自动化专业（汽车、城轨）先修课程：高等数学、工程数学、工程力学、机械设计基础、电工电子技术一、课程性质、目的和任务《测试技术与信号处理》是机械类专业的专业基础课和必修课程，也是机械大类专业的平台课程。

通过本课程的学习，要求学生初步掌握动态测试与信号处理的基本知识与技能，培养正确选用和分析测试装置及系统的能力，并掌握力、压力、噪声、振动等常见物理量的测量和应用方法，为进一步学习、研究和处理车辆工程技术中的测试问题打下基础。

二、教学基本要求本课程分为概论、信号描述、测试系统特性、常见传感器、信号的调理处理和记录、信号分析基础、常见物理量测量和计算机辅助测试几部分。

学完本课程应具有下列几方面的知识：(1) 掌握测量信号分析的主要方法，明白波形图、频谱图的含义，具备从示波器、频谱分析仪中读取解读测量信息的能力。

(2) 掌握测试系统的静态特性、动态特性，不失真测量的条件，测试系统特性的评定方法，减小负载效应的措施。

(3) 掌握传感器的种类和工作原理，能针对工程问题选用合适的传感器。

(4) 掌握信号的调理、处理和记录的方法和原理。

(5) 掌握信号的相关分析、频谱分析原理与应用。

(6) 掌握温度、压力、位移等常见物理量的测量方法，了解其在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用。

(7) 了解计算机测试系统的构成，用计算机测试系统进行测量的方法、步骤和应该注意的问题。

三、教学内容及要求1. 绪论介绍测试系统的基本概念，测试系统的组成。

及测试技术的工程意义：在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用情况和测试技术的发展趋势。

第四章 信号调理、记录和显示
一、重点内容及难点 （一）电桥
1、电桥平衡条件：
2、应变电桥输出电压表达式： 半桥单臂
e
u R ΔR u 0
041≈
；半桥双臂
e
u R R u 0
021∆=；全桥e u R R
u 0
0∆=。

（二）滤波器
1、分类：从选频角度，可将滤波器分为：低通、高通、带通和带阻滤波器。

其中低通滤波器是最根本的。

2、主要参数：
（1）滤波器的截止频率 （2）滤波器的带宽B ： （3）品质因数Q ：
3、实际滤波器（RC 低通、高通、带通） 二、章节测试题 （一）填空题
1、RC 低通滤波器的动态特性参数是 ，其在 元器件两端输出信号。

2、RC 高通滤波器是 阶系统，动态特性参数是 ，其在 元器件两端输出信号。

3、滤波器的带宽越宽，其滤波的分辨率就越 。

4、电桥的作用是把电感、电阻、电容的变化转化为 输出的装置。

5、在桥式测量电路中，按照 的性质，电桥可分为直流和交流电桥。

6、在桥式测量电路中，根据工作时阻抗参与变化的可将其分为半桥与全桥测量电路。

7、常用滤波器的上、下截止频率
f、2c f的定义
1c
为，其带宽B＝。

8、RC低通滤波器中RC值愈，则上截止频率愈低。

（二）简答题
1、简述滤波器的作用
(三)计算题
1、P152课后习题4-1
2、P153课后习题4-10
3、P153课后习题4-11。

第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是 信号 ，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、 信号的时域描述，以 时间 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率 为独立变量。

3、 周期信号的频谱具有三个特点： 离散性 ， 谐波性 ， 收敛性 。

4、 非周期信号包括 准周期 信号和 瞬变周期 信号。

5、 描述随机信号的时域特征参数有 均值 、 均方值 、 方差 。

6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 关于Y 轴 （偶） 对称，虚频谱（相频谱）总是 关于原点（奇） 对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（ √ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（ √ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。

（ × ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（ × ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。

（ √ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。

2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。

3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。

4、求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。

5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。

第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。

2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

通信系统中的信号调理与处理通信系统的发展与进步，离不开对信号的调理与处理。

信号调理与处理是指对信号进行增强、修正、解调、滤波等操作，以使其在传输过程中更稳定、更适合传递信息。

本文将介绍通信系统中常见的信号调理与处理方法。

一、信号调理1.增强信号强度在通信中，有时由于信号强度的不足，导致传输质量不佳。

为了增强信号强度，通信系统可以采用放大器进行信号放大。

放大器可以将信号的电压或者功率进行放大，以提高信号的传输距离和质量。

2.修正信号误差在信号传输过程中，可能会出现误差，导致信号质量下降。

为了修正信号误差，通信系统采用纠错码技术。

纠错码可以通过增加冗余信息，使得在一定范围内可以纠正一定数量的错误，从而提高传输的可靠性。

3.解调信号在接收端，信号需要经过解调过程，将模拟信号转换为数字信号。

解调的方法有多种，常用的方法包括调幅解调、调频解调和调相解调等。

解调过程能够将信号恢复到原始的模拟或数字形式，以便后续处理和分析。

二、信号处理1.滤波为了去除信号中的噪声和干扰，通信系统常使用滤波器进行滤波处理。

滤波器可以通过选择性地传递某一特定频率范围内的信号，来滤除其他频率范围内的干扰信号。

常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。

2.编码与解码在通信中，为了提高信号传输的效率和可靠性，通信系统采用编码与解码技术。

编码器可以将信号转换成特定的编码形式，以便在传输过程中更好地保持信号的稳定性；解码器则能够将编码后的信号恢复成原始信号，以便进行后续的处理和分析。

3.调制与解调调制是将数字信号转换为模拟信号的过程，而解调是将模拟信号转换为数字信号的过程。

调制与解调是实现数字与模拟信号之间互相转换的重要技术，常用的调制与解调技术有频移键控调制（FSK）、相移键控调制（PSK）和正交振幅调制（QAM）等。

总结：信号调理与处理是通信系统中必不可少的环节。

通过增强信号强度、修正信号误差、解调信号以及滤波、编码与解码、调制与解调等处理，可以使信号在传输过程中更稳定、更适合传递信息。

一、填空（每空1份，共20分）1.测试技术的基本任务是获取有用的信息2.从时域看，系统的输出是其输入与该系统脉冲响应函数的卷积。

3.信号的时域描述，以时间(t) 为独立变量；而信号的频域描述，以频率f 或)(ω为独立变量。

4.如果一个信号的最高频率为50Hz，为了防止在时域采样过程中出现混叠现象，采样频率应该大于 100Hz。

5.在桥式测量电路中，根据其激励电压（或工作电压或桥压或电源）的性质，可将其分为直流电桥与交流电桥。

6.金属电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体机械形变引起的电阻变化，后者利用半导体电阻率的（或半导体压阻效应）变化引起的电阻变化。

7.压电式传感器是利用某些物质的压电效应而工作的。

8.带通滤波器的上下限截止频率为fc2、fc1，其带宽B =12ccff-；若其带宽为1/3倍频程则fc2= 32 fc1。

9.属于能量控制型的传感器有电阻式传感器、涡电流传感器电容式传感器、电感式传感器等。

10. 根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅、调频、调相。

11. 相关滤波的工作原理是同频相关不同频不相关/同频检测原理12 测试装置的动态特性可以用传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数进行数学描述。

二、选择题（把正确答案前的字母填在空格上，每题1分，共10分）1．不能用确定的数学公式表达的信号是 D 信号。

A 复杂周期B 非周期C 瞬态D 随机2．平稳随机过程必须 B 。

A 连续 B统计特征与时间无关 C 各态历经 D 统计特征等于时间平均3．一阶系统的动态特性参数是 C 。

A 固有频率B 阻尼比C 时间常数D 灵敏度4．系统在全量程内，输入量由小到大及由大到小时，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间的最大差值称为 A 。

A 回程误差B 绝对误差C 相对误差D 非线性误差5．电阻应变片的输入为 B 。

A 力B 应变C 速度D 加速度6． D 用于评价系统的输出信号和输入信号之间的因果性。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。

（ ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（ ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。

（ ） （二）、√。

、√。

、╳。

、╳。

、√。

1、 一线性系统不满足“不失真测试”条件，若用它传输一个的正弦信号，则必然导致输出波形失真。

（）2、 在线性时不变系统中，当初始条件为零时，系统的输出量与输入量之比的拉氏变换称为传递函数。

（）3、 当输入信号)(t x 一定时，系统的输出)(t y 将完全取决于传递函数)(s H ，而与该系统的物理模型无关。

（）4、 传递函数相同的各种装置，其动态特性均相同。

（）5、 测量装置的灵敏度越高，其测量范围就越大。

（）6、 幅频特性是指响应与激励信号的振幅比与频率的关系。

（） （三）╳√√√╳╳（三）判断对错题（用√或×表示）1、 滑线变阻器式传感器不适于微小位移量测量。

（ ）2、 涡流式传感器属于能量控制型传感器（ ）3、 压电加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。

（ ）4、 磁电式速度拾振器的上限工作频率取决于其固有频率。

（ ） （三）√√╳╳（二）选择题1、 不属于测试系统的静特性。

（）灵敏度（）线性度（）回程误差（）阻尼系数 2、 从时域上看，系统的输出是输入与该系统响应的卷积。

（）正弦（）阶跃（）脉冲（）斜坡3、 两环节的相频特性各为)(1ωQ 和)(2ωQ ，则两环节串联组成的测试系统，其相频特性为。

（）)()(21ωωQ Q （）)()(21ωωQ Q +（）)()()()(2121ωωωωQ Q Q Q +（）)()(21ωωQ Q -4、 一阶系统的阶跃响应中，超调量。

（）存在，但<％（）存在，但<（）在时间常数很小时存在（）不存在 5、 忽略质量的单自由度振动系统是系统。

第一章信号及其描述（一）填空题1、测试的基本任务是获取有用的信息,而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是信号,其中目前应用最广泛的是电信号.2、信号的时域描述，以时间为独立变量；而信号的频域描述，以频率为独立变量。

3、周期信号的频谱具有三个特点：离散性，谐波性, 收敛性 .4、非周期信号包括准周期信号和瞬变周期信号。

5、描述随机信号的时域特征参数有均值、均方值、方差。

6、对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是关于Y轴（偶）对称，虚频谱（相频谱)总是关于原点（奇) 对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

( √）2、信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

( √）3、非周期信号的频谱一定是连续的。

( ×）4、非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

( ×）5、随机信号的频域描述为功率谱。

（√）（三)简答和计算题1、求正弦信号的绝对均值μ｜x|和均方根值x rms。

2、求正弦信号的均值，均方值，和概率密度函数p(x)。

3、求指数函数的频谱。

4、求被截断的余弦函数的傅立叶变换.5、求指数衰减振荡信号的频谱。

第二章测试装置的基本特性（一）填空题1、某一阶系统的频率响应函数为,输入信号，则输出信号的频率为，幅值,相位。

2、试求传递函数分别为和的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

3、为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有、和。

4、当测试系统的输出与输入之间的关系为时，该系统能实现测试。

此时，系统的频率特性为.5、传感器的灵敏度越高，就意味着传感器所感知的被测量越小。

6、一个理想的测试装置，其输入和输出之间应该具有线性关系为最佳.（二)选择题1、不属于测试系统的静特性。

（1）灵敏度（2）线性度（3）回程误差(4）阻尼系数2、从时域上看，系统的输出是输入与该系统响应的卷积.(1）正弦(2)阶跃（3)脉冲(4）斜坡3、两环节的相频特性各为和，则两环节串联组成的测试系统，其相频特性为。