淺析數字信號處理對電子測量與儀器的影響

譚慶龍（湖南安全技術職業學院，410151）

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淺析數字信號處理對電子測量與儀器的影響

譚慶龍
（湖南安全技術職業學院，410151）

摘要：數字信號處理是當前使用電子儀器進行測量工作的重要組成組成部分。可以說，測量是人類社會發展過程中必不可少的一項工作，而電子儀器則是測量工作發展至今最為先進的設備。如何才能夠通過數字信號處理加強電子測量儀器的使用效果成為了當前亟待解決的問題。本文便將對數字信號處理技術對電子測量與儀器的影響進行分析，并提出一些意見與建議。

關鍵詞：數字信號處理；電子測量；電子儀器

0　引言

所謂數字信號處理，便是指使用計算機或者是其他信息化設備對采集到的信號進行加工處理與分析，從而得到有效信息的過程。數字信號處理實際上便是將一個類型的信號轉換成數字信號，從而便于計算機等專業設備進行信號的處理工作。我們知道，信息是人類了解外界并與外界進行互動的最主要介質，然而信息本省并不具備傳遞功能，因此必須借助信號來實現傳遞的過程。由此我們便可以看出，信號傳遞與信號處理在當下所具有的重要意義。

1　數字信號處理的重要意義

隨著人類社會的不斷發展，社會生產力也有著非常明顯的進步，而在各類生產實踐活動中，測量工作占據著非常重要的地位。而數字信號處理則可以對現有的電子儀器測量工作進行優化，使其產生更加顯著的效果。

1.1測量的作用

首先，測量可以將抽象事物的描述具象化。在生產制造行業，想要將一個產品進行批量生產，必須要了解該產品的各項參數。而這些參數的來源便是測量工作的結果。比如進行機械零件的制造，如果工程師只是進行語言敘述，很難讓生產工作人員產生較為直觀的感受，但是如果將測量結果交給工程師，其便可以嚴格按照參數進行零件的生產工作。其次，測量可以使規范生產活動的行為。仍以機械零件制造為例，在完成了生產工作之后，往往需要對零件進行檢查以判定其是否符合標準。最后，便是測量可以明確各個工作環節。在進行生產實踐工作時，如果已經提前對零件的各項參數進行測量，工作人員便可以清楚的認識到零件的形狀、尺寸等固定參數。這樣便可以知道工作人員的具體生產制造工作，確定每一個生產環節的實施步驟。

1.2數字信號處理的重要意義

隨著測量技術的不斷發展，當前的測量工作都已經開始使用電子測量儀器。一般來說，如果使用電子測量儀器，測量結果都是通過電信號的方式表示的，測量人員很難對其進行度數，更不用說對測量結果進行處理分析了。而數字信息處理工作則可以將電信號轉化成數字信號，隨后再利用數字信號處理技術對其直接進行分析，或是表現為工作人員能夠辨識的信號，便于工作人員后續工作的進行。其在進行直流電壓測量時，可以先進行數/模轉換；而如果不能夠得到直流電壓時，便可以先進行交流/直流轉換，隨后再進行數/轉換，從而得到準確的測量結果。通過這個實例，我們可以發現，數字信號利用對測量過程的改變以簡化測量中復雜的問題，并且減少測量中各種因素對測量結果產生的影響。

2　數字信號處理技術對示波器使用的重要影響

所謂示波器便是可以通過波形顯示被測量值得一種電子儀器，被測信號可以通過電子束打在熒光物質屏幕上顯示出的圖像被工作人員更加方便且準確的解讀與分析。常規的電量都可以通過示波器進行顯示，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示波器進行觀察，如相位差、調幅度等。示波器在電子測量過程中的使用非常常見，但是如果選用示波器或是使用示波器的操作不符合要求，同樣也會對測量結果造成一定的影響。如果拋開此類問題不談，示波器所顯示出來的圖形能否準確的描述出被測信號呢？

為了能夠更好地解答這個問題，我們可以將示波器設備看作是一個線性系統，這樣我們便可以得出如下關系式：

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

只有該函數關系式成立時，我們才能夠保證so（t）與s（t）相等。我們根據斯彭斯的信號理論可以確定，如果想要上述說法成立，就必須要讓示波器的帶寬能夠趨近于無限大，但是這顯然不會成立。在示波器的使用過程中，測量人員常常會受到3dB帶寬的影響。假設示波器觀測到的20MHz信號的圖形帶寬為3dB，這時我們便可以得出如下的關系式：

為了能夠便于分析，我們可以假設示波器的比例放大系數為1，帶入式3中我們可以得出如下關系式：

進行轉換之后，我們便可以清晰的看出，這個信號顯然是一個失真信號。假設我們使用的是數字式存儲示波器來觀測信號，觀測人員所需要應對的問題更加復雜。

其一，觀測人員在對觀測信號前沿的上升時間進行估算時，人們往往會使用方根準則。但是方根準則能否使用需要嚴格遵循其既定要求，也就是被測信號必須是高斯信號，而示波器設備也需要是高斯系統，同時，對于示波器階躍響應上升時間的估算也是如此。一般來說，在進行電信號觀測的過程中，所進行測定的信號很少有高斯信號，示波器與高斯系統之間有著較大的差異。如果強行按照這種方式進行估計，那么難免會出現較大的誤差。

其二，如果我們需要通過對示波器信號進行觀測以確定示波器的階躍響應過沖，那么我們必須對信號特性以及示波器的帶寬進行考慮。我們可以根據研究結果確定RC放大器的3dB帶寬的轉換成績為0.35，而高斯系統的3dB帶寬以及其階躍響應上升時間的乘積為0.345。一般來說，我們可以將示波器看作是高斯系統，那么轉換系數也便可以確定為0.35和0.345。由此我們便可以看出，想要使用示波器進行信號進行觀測，則必須對轉換系數進行一定的更正。

通過上述兩點我們可以看出，示波器的測量也會存在誤差，但是在平常的測量過程中，常常需要使用到示波器。為了避免誤差的影響，我們便需要采用數字信號處理的反卷積技術。利用反卷積技術我們可以對上方的式1進行轉換，得出如下關系式：

其中，（1/*）便表示了反卷積運算，通過這個關系式我們可以看出如果使用反卷積計算方式便可以將兩者之間的差距盡可能縮小。在過去，該計算方式只是理論推斷上能夠使用，在實際的工程項目中很少會運用。而現在，各項專業技術發展速度極快，利用數字信號處理技術便可以使之正式運用到工程實踐項目的操作中。假設我們使用了一個標準信號輸入到數字存儲示波器中，并將輸入信號設為s（k），這樣我們便可以計算出示波器對信號發生相應的離散型算式h（k）。如果將這個離散算式進行儲存，并且加存一個信號重構的反卷積算法，這樣我們便可以得出結論：無論我們所使用的示波器是否達到觀測的標準、信號是否為失真信號，我們都可以根據現有的信號進行重構以得出我們所需要使用到信號。這樣，進行電量信號的觀測便無需再受到示波器的限制。當然，每個示波器都擁有自身已經確定的最高采用率，如果我們將采樣的頻率設為fs，那么根據奈奎斯特采用定理，示波器能夠進行享用的最高頻率為fs/2。換而言之，只要頻率小于fs/2，示波器都可以進行無失真重構。若我們沒有直接使用數字存儲示波器進行觀色，那么無失真的頻率范圍便會大幅度縮小，因此，為了能夠保證信號質量，必須保證采樣的頻率是示波器實際帶寬的數倍。也就是說，如果無失真最高頻率為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際使用范圍，并且極大程度上提高示波器的測量準確度。

3　結論

人類社會發展的過程中永遠的離不開測量工作，其是社會生產實踐活動的重要基礎，而電子測量技術與電子測量儀器則是當前測量工作所使用的高級手段，為實現測量工作的精確化提供了重要保障。通過上文我們可以看出，數字信號處理對于提高電子測量效果以及電子測量儀器的使用有著非常重要的作用，甚至會能夠讓電子儀器測量的性能提高至原效果的數倍以上。雖然當前該種方式仍然存在這一定的問題，但這也為我們的研究提出了更加豐富的思路，讓我們可以進一步在科學的高峰上繼續攀登。

參考文獻

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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

作者簡介

譚慶龍，男，1979年6月出生，湖南衡南人。碩士，研究方向為：電路與系統、高等職業教育。所在單位：湖南安全技術職業學院，副主任