譚慶龍（湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，410151）

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淺析數(shù)字信號(hào)處理對(duì)電子測(cè)量與儀器的影響

譚慶龍
（湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，410151）

摘要：數(shù)字信號(hào)處理是當(dāng)前使用電子儀器進(jìn)行測(cè)量工作的重要組成組成部分。可以說(shuō)，測(cè)量是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中必不可少的一項(xiàng)工作，而電子儀器則是測(cè)量工作發(fā)展至今最為先進(jìn)的設(shè)備。如何才能夠通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理加強(qiáng)電子測(cè)量?jī)x器的使用效果成為了當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。本文便將對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)電子測(cè)量與儀器的影響進(jìn)行分析，并提出一些意見(jiàn)與建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；電子測(cè)量；電子儀器

0　引言

所謂數(shù)字信號(hào)處理，便是指使用計(jì)算機(jī)或者是其他信息化設(shè)備對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行加工處理與分析，從而得到有效信息的過(guò)程。數(shù)字信號(hào)處理實(shí)際上便是將一個(gè)類(lèi)型的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而便于計(jì)算機(jī)等專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的處理工作。我們知道，信息是人類(lèi)了解外界并與外界進(jìn)行互動(dòng)的最主要介質(zhì)，然而信息本省并不具備傳遞功能，因此必須借助信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳遞的過(guò)程。由此我們便可以看出，信號(hào)傳遞與信號(hào)處理在當(dāng)下所具有的重要意義。

1　數(shù)字信號(hào)處理的重要意義

隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)力也有著非常明顯的進(jìn)步，而在各類(lèi)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中，測(cè)量工作占據(jù)著非常重要的地位。而數(shù)字信號(hào)處理則可以對(duì)現(xiàn)有的電子儀器測(cè)量工作進(jìn)行優(yōu)化，使其產(chǎn)生更加顯著的效果。

1.1測(cè)量的作用

首先，測(cè)量可以將抽象事物的描述具象化。在生產(chǎn)制造行業(yè)，想要將一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行批量生產(chǎn)，必須要了解該產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)。而這些參數(shù)的來(lái)源便是測(cè)量工作的結(jié)果。比如進(jìn)行機(jī)械零件的制造，如果工程師只是進(jìn)行語(yǔ)言敘述，很難讓生產(chǎn)工作人員產(chǎn)生較為直觀的感受，但是如果將測(cè)量結(jié)果交給工程師，其便可以嚴(yán)格按照參數(shù)進(jìn)行零件的生產(chǎn)工作。其次，測(cè)量可以使規(guī)范生產(chǎn)活動(dòng)的行為。仍以機(jī)械零件制造為例，在完成了生產(chǎn)工作之后，往往需要對(duì)零件進(jìn)行檢查以判定其是否符合標(biāo)準(zhǔn)。最后，便是測(cè)量可以明確各個(gè)工作環(huán)節(jié)。在進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐工作時(shí)，如果已經(jīng)提前對(duì)零件的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，工作人員便可以清楚的認(rèn)識(shí)到零件的形狀、尺寸等固定參數(shù)。這樣便可以知道工作人員的具體生產(chǎn)制造工作，確定每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實(shí)施步驟。

1.2數(shù)字信號(hào)處理的重要意義

隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前的測(cè)量工作都已經(jīng)開(kāi)始使用電子測(cè)量?jī)x器。一般來(lái)說(shuō)，如果使用電子測(cè)量?jī)x器，測(cè)量結(jié)果都是通過(guò)電信號(hào)的方式表示的，測(cè)量人員很難對(duì)其進(jìn)行度數(shù)，更不用說(shuō)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理分析了。而數(shù)字信息處理工作則可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，隨后再利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)其直接進(jìn)行分析，或是表現(xiàn)為工作人員能夠辨識(shí)的信號(hào)，便于工作人員后續(xù)工作的進(jìn)行。其在進(jìn)行直流電壓測(cè)量時(shí)，可以先進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換；而如果不能夠得到直流電壓時(shí)，便可以先進(jìn)行交流/直流轉(zhuǎn)換，隨后再進(jìn)行數(shù)/轉(zhuǎn)換，從而得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)這個(gè)實(shí)例，我們可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)利用對(duì)測(cè)量過(guò)程的改變以簡(jiǎn)化測(cè)量中復(fù)雜的問(wèn)題，并且減少測(cè)量中各種因素對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

2　數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)示波器使用的重要影響

所謂示波器便是可以通過(guò)波形顯示被測(cè)量值得一種電子儀器，被測(cè)信號(hào)可以通過(guò)電子束打在熒光物質(zhì)屏幕上顯示出的圖像被工作人員更加方便且準(zhǔn)確的解讀與分析。常規(guī)的電量都可以通過(guò)示波器進(jìn)行顯示，像是電壓、電流、峰值、頻率等；而一些較為特殊的電量也可以通過(guò)示波器進(jìn)行觀察，如相位差、調(diào)幅度等。示波器在電子測(cè)量過(guò)程中的使用非常常見(jiàn)，但是如果選用示波器或是使用示波器的操作不符合要求，同樣也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的影響。如果拋開(kāi)此類(lèi)問(wèn)題不談，示波器所顯示出來(lái)的圖形能否準(zhǔn)確的描述出被測(cè)信號(hào)呢？

為了能夠更好地解答這個(gè)問(wèn)題，我們可以將示波器設(shè)備看作是一個(gè)線性系統(tǒng)，這樣我們便可以得出如下關(guān)系式：

其中，s（t）為我們所需要進(jìn)行測(cè)量與觀看到的信號(hào)；so（t）是我們通過(guò)示波器觀看到的波形；h（t）為我們輸入的信號(hào)源；而“*”則是表示卷積運(yùn)算的符號(hào)。為了能夠保證測(cè)量人員所希望觀測(cè)到的信號(hào)與示波器顯示出的圖形具有較強(qiáng)的契合度，我們必須保證示波器的輸入激響能夠符合狄拉克函數(shù)，即

只有該函數(shù)關(guān)系式成立時(shí)，我們才能夠保證so（t）與s（t）相等。我們根據(jù)斯彭斯的信號(hào)理論可以確定，如果想要上述說(shuō)法成立，就必須要讓示波器的帶寬能夠趨近于無(wú)限大，但是這顯然不會(huì)成立。在示波器的使用過(guò)程中，測(cè)量人員常常會(huì)受到3dB帶寬的影響。假設(shè)示波器觀測(cè)到的20MHz信號(hào)的圖形帶寬為3dB，這時(shí)我們便可以得出如下的關(guān)系式：

為了能夠便于分析，我們可以假設(shè)示波器的比例放大系數(shù)為1，帶入式3中我們可以得出如下關(guān)系式：

進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后，我們便可以清晰的看出，這個(gè)信號(hào)顯然是一個(gè)失真信號(hào)。假設(shè)我們使用的是數(shù)字式存儲(chǔ)示波器來(lái)觀測(cè)信號(hào)，觀測(cè)人員所需要應(yīng)對(duì)的問(wèn)題更加復(fù)雜。

其一，觀測(cè)人員在對(duì)觀測(cè)信號(hào)前沿的上升時(shí)間進(jìn)行估算時(shí)，人們往往會(huì)使用方根準(zhǔn)則。但是方根準(zhǔn)則能否使用需要嚴(yán)格遵循其既定要求，也就是被測(cè)信號(hào)必須是高斯信號(hào)，而示波器設(shè)備也需要是高斯系統(tǒng)，同時(shí)，對(duì)于示波器階躍響應(yīng)上升時(shí)間的估算也是如此。一般來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行電信號(hào)觀測(cè)的過(guò)程中，所進(jìn)行測(cè)定的信號(hào)很少有高斯信號(hào)，示波器與高斯系統(tǒng)之間有著較大的差異。如果強(qiáng)行按照這種方式進(jìn)行估計(jì)，那么難免會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

其二，如果我們需要通過(guò)對(duì)示波器信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)以確定示波器的階躍響應(yīng)過(guò)沖，那么我們必須對(duì)信號(hào)特性以及示波器的帶寬進(jìn)行考慮。我們可以根據(jù)研究結(jié)果確定RC放大器的3dB帶寬的轉(zhuǎn)換成績(jī)?yōu)?.35，而高斯系統(tǒng)的3dB帶寬以及其階躍響應(yīng)上升時(shí)間的乘積為0.345。一般來(lái)說(shuō)，我們可以將示波器看作是高斯系統(tǒng)，那么轉(zhuǎn)換系數(shù)也便可以確定為0.35和0.345。由此我們便可以看出，想要使用示波器進(jìn)行信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，則必須對(duì)轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行一定的更正。

通過(guò)上述兩點(diǎn)我們可以看出，示波器的測(cè)量也會(huì)存在誤差，但是在平常的測(cè)量過(guò)程中，常常需要使用到示波器。為了避免誤差的影響，我們便需要采用數(shù)字信號(hào)處理的反卷積技術(shù)。利用反卷積技術(shù)我們可以對(duì)上方的式1進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得出如下關(guān)系式：

其中，（1/*）便表示了反卷積運(yùn)算，通過(guò)這個(gè)關(guān)系式我們可以看出如果使用反卷積計(jì)算方式便可以將兩者之間的差距盡可能縮小。在過(guò)去，該計(jì)算方式只是理論推斷上能夠使用，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中很少會(huì)運(yùn)用。而現(xiàn)在，各項(xiàng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)發(fā)展速度極快，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)便可以使之正式運(yùn)用到工程實(shí)踐項(xiàng)目的操作中。假設(shè)我們使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入到數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，并將輸入信號(hào)設(shè)為s（k），這樣我們便可以計(jì)算出示波器對(duì)信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的離散型算式h（k）。如果將這個(gè)離散算式進(jìn)行儲(chǔ)存，并且加存一個(gè)信號(hào)重構(gòu)的反卷積算法，這樣我們便可以得出結(jié)論：無(wú)論我們所使用的示波器是否達(dá)到觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)、信號(hào)是否為失真信號(hào)，我們都可以根據(jù)現(xiàn)有的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)以得出我們所需要使用到信號(hào)。這樣，進(jìn)行電量信號(hào)的觀測(cè)便無(wú)需再受到示波器的限制。當(dāng)然，每個(gè)示波器都擁有自身已經(jīng)確定的最高采用率，如果我們將采樣的頻率設(shè)為fs，那么根據(jù)奈奎斯特采用定理，示波器能夠進(jìn)行享用的最高頻率為fs/2。換而言之，只要頻率小于fs/2，示波器都可以進(jìn)行無(wú)失真重構(gòu)。若我們沒(méi)有直接使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行觀色，那么無(wú)失真的頻率范圍便會(huì)大幅度縮小，因此，為了能夠保證信號(hào)質(zhì)量，必須保證采樣的頻率是示波器實(shí)際帶寬的數(shù)倍。也就是說(shuō)，如果無(wú)失真最高頻率為fs/4，那么帶寬則為四倍，同理亦然。這樣便可以提高示波器的實(shí)際使用范圍，并且極大程度上提高示波器的測(cè)量準(zhǔn)確度。

3　結(jié)論

人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的過(guò)程中永遠(yuǎn)的離不開(kāi)測(cè)量工作，其是社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)的重要基礎(chǔ)，而電子測(cè)量技術(shù)與電子測(cè)量?jī)x器則是當(dāng)前測(cè)量工作所使用的高級(jí)手段，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量工作的精確化提供了重要保障。通過(guò)上文我們可以看出，數(shù)字信號(hào)處理對(duì)于提高電子測(cè)量效果以及電子測(cè)量?jī)x器的使用有著非常重要的作用，甚至?xí)軌蜃岆娮觾x器測(cè)量的性能提高至原效果的數(shù)倍以上。雖然當(dāng)前該種方式仍然存在這一定的問(wèn)題，但這也為我們的研究提出了更加豐富的思路，讓我們可以進(jìn)一步在科學(xué)的高峰上繼續(xù)攀登。

參考文獻(xiàn)

［1］彭宇，姜紅蘭，楊智明，喬立巖，劉旺，基于DSP和FPGA的通用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，［J］，國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，F(xiàn)oreign Electronic Measurement Technology，2013-32 （1）

［2］仇樹(shù)帥，基于數(shù)字信號(hào)處理的多功能虛擬儀器系統(tǒng)，［J］，數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，Digital Technology & Application，2011-9

Digital signal processing is analysed for the influence of electronic measurement and instrument

Tan Qinglong
（Hunan safety technology Career Academy，410151）

Abstract：Digital signal processing is an important part of the measurement work using electronic instruments.It can be said that the measurement is an essential work in the development of human society，and the electronic equipment is the most advanced equipment to measure the development of the work.How to use digital signal processing to enhance the use of electronic measurement instrument has become a problem to be solved.In this paper，we will analyze the impact of digital signal processing technology on electronic measurement and instrument，and put forward some suggestions and opinions.

Keywords：Digital signal processing；Electronic measurement；Electronic instrument

作者簡(jiǎn)介

譚慶龍，男，1979年6月出生，湖南衡南人。碩士，研究方向?yàn)椋弘娐放c系統(tǒng)、高等職業(yè)教育。所在單位：湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，副主任