智能儀器采樣研究

馬存斌

摘要：智能儀器實(shí)時(shí)采樣的主要優(yōu)點(diǎn)在于信號(hào)波形一到就采，因此適合于任何形式的信號(hào)波形，由于所有采樣點(diǎn)是按時(shí)間順序排列，因而易于實(shí)現(xiàn)波形顯示的功能.實(shí)時(shí)采樣塊點(diǎn)是速度分辨率。

關(guān)鍵詞：混淆 智能儀器 采樣

在智能儀器中，被處理的數(shù)字信號(hào)可以分為下列四種類型：

1、低速串行數(shù)據(jù).這種數(shù)據(jù)一般為時(shí)間序列，它可以直接(實(shí)時(shí))或間接(非實(shí)時(shí))地由存貯介質(zhì)(例如磁帶土的模擬或數(shù)字形式的記錄)或物理環(huán)境中獲取，對(duì)于低速串行數(shù)據(jù)可以采用通常的串行技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如求平均、濾波、頻率變換等處理運(yùn)算。

2、高速串行數(shù)據(jù)，通常在實(shí)時(shí)在線(on一line)情況下獲取。對(duì)于高速數(shù)據(jù)，通常要求進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算輸處理。

3、由若干數(shù)據(jù)線提供的并行數(shù)據(jù)流通常是低速的，如從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得的數(shù)據(jù)流這一類數(shù)據(jù)的處理工作量極大，處理系統(tǒng)便是這類數(shù)據(jù)的典型。

顯然，通常的物理信號(hào)并非數(shù)字形式，而是模擬信號(hào)的形式。模擬信號(hào)的數(shù)字化是數(shù)字信號(hào)處理中首量先必須解決的一個(gè)重要問(wèn)題

模擬信號(hào)的數(shù)字化包括采樣、量化兩個(gè)過(guò)程。采樣用來(lái)獲取模擬輸人信號(hào)的離散值，量化則是使每個(gè)采樣后的離散數(shù)值變換成二進(jìn)制數(shù)碼是數(shù)字信號(hào)，在有些場(chǎng)合我們常稱數(shù)字信號(hào)為數(shù)據(jù)。數(shù)字信號(hào)中的MSB與LS為數(shù)字信號(hào)的最高與最低有效位。

采樣定理指出：“要能準(zhǔn)確地恢復(fù)模擬信號(hào)，必須以大于其所包含的最高頻率的二倍速率采樣”。

完成模擬信號(hào)的數(shù)字化關(guān)鍵是選擇采樣方式。有兩種基本的數(shù)字化采樣方式：實(shí)時(shí)采樣(mealtimesampling)與等效時(shí)間采樣(equivalenttimesampling).實(shí)時(shí)采樣最為直觀。當(dāng)數(shù)字化一開(kāi)始，信號(hào)波形的第一個(gè)采樣點(diǎn)就被采人并數(shù)字化經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣間隔T后再采人第二個(gè)樣本。如此進(jìn)行下去直至將整個(gè)信號(hào)波形數(shù)字化并存入波形存貯。

除了通常使用的定時(shí)采樣(即等間隔采樣)外，實(shí)時(shí)采樣還使用變步長(zhǎng)采檝這種采樣方法的一種安排是不論被測(cè)信號(hào)頻率為多少，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)溯采樣的點(diǎn)數(shù)恒角對(duì)于變步長(zhǎng)采樣可作更為一般的討論。在大多數(shù)DSP應(yīng)用中，完成歡雛號(hào)糯的轉(zhuǎn)換的算法不是唯一的，衡量被選擇的算法優(yōu)越程度的基本標(biāo)準(zhǔn)在于其復(fù)雜程度，即硬件所需要的成本。有時(shí)變換信號(hào)的采樣率是十分有利的。

變步長(zhǎng)采樣既能滿足儀器精度的要求，又能合理地使用儀器計(jì)算機(jī)內(nèi)存單元，還能伎增強(qiáng)儀器功能所要求的數(shù)據(jù)處理的軟件設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。實(shí)時(shí)采樣的特例為掃描轉(zhuǎn)換采樣，又稱為實(shí)時(shí)閃光轉(zhuǎn)換采樣。掃描轉(zhuǎn)換以某種快速采樣的辦法(通常通過(guò)采用專門器件)收集信號(hào)的時(shí)間波形，然后再用一段時(shí)間成菖聽(tīng)有樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。顯然，這不是一種連續(xù)進(jìn)行的數(shù)字化技術(shù)。

等效時(shí)間采樣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)字化轉(zhuǎn)換速率，然而，這種技術(shù)要求信號(hào)波形之可以重復(fù)產(chǎn)生的。由于波形可以重復(fù)獲得，使信號(hào)的采樣可以用較慢的速度進(jìn)行。采集的樣本可以是時(shí)序的(步進(jìn)、步退、差頻)，也可以是隨機(jī)的，這樣就可以把許多采集的樣本值合成一個(gè)采樣密度較高的波形。也可稱等效時(shí)間采樣為變換采樣。

當(dāng)被測(cè)信號(hào)有效持續(xù)時(shí)間很短時(shí)，產(chǎn)生高重復(fù)頻率的采樣脈沖將很困難)因而采用實(shí)時(shí)采樣方式也有困難，但如果被測(cè)信號(hào)是周期的或重復(fù)的信號(hào)1,,J可以考慮采用等效，間采樣。一般認(rèn)為)對(duì)于瞬時(shí)的或不重復(fù)的信號(hào)波形，宜用實(shí)時(shí)采樣技術(shù)。對(duì)于重復(fù)的信號(hào)波形，既可以用實(shí)時(shí)采樣，也可以選用等效時(shí)間采樣技術(shù)。對(duì)于50MHZ以上的重復(fù)渡形，采用等效時(shí)間采樣技術(shù)比實(shí)時(shí)采樣技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)。

數(shù)字化速率是單位時(shí)間對(duì)模擬輸人信號(hào)的采樣數(shù)，又稱為采樣速率-最高數(shù)字化速率inABC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率來(lái)決定，采用不同的ADC變換技術(shù)，可以獲取不同的數(shù)字化速率.最高數(shù)字化速率常以頻率每秒的采樣樣本點(diǎn)數(shù)s/s(sample/second)及存數(shù)據(jù)位數(shù)等來(lái)表示。在數(shù)字信號(hào)處理中，不論是時(shí)域分析還是頻域分析，均應(yīng)用信號(hào)波珊顯示技術(shù)。

推進(jìn)型顯示，是非觸發(fā)的信號(hào)波形的連續(xù)顯示，它把新采樣的信號(hào)波形點(diǎn)顯示在示波屏幕的右面，而當(dāng)又有新的波形點(diǎn)時(shí)，原先的點(diǎn)就往左移。于是，顯示的波形在屏幕上不斷地向左推進(jìn)夕如同走紙記錄一樣。而且，在任何時(shí)候，當(dāng)推進(jìn)中的波形出現(xiàn)某種現(xiàn)象戌其它東西時(shí)，可以設(shè)法把波形凍結(jié)刀起來(lái)。觸發(fā)電平可以設(shè)定為用以觀察某些與鱅發(fā)有關(guān)的現(xiàn)象多如觸發(fā)前(或后)一段時(shí)間內(nèi)的現(xiàn)象-觸發(fā)前(或后)時(shí)間的長(zhǎng)短，決定于觸發(fā)ii或后)所收集信號(hào)的數(shù)量。前觸發(fā)常用來(lái)保證捕捉到暫態(tài)脈沖的全部前沿，觸發(fā)電平應(yīng)設(shè)置得足夠高，以免寄圭的噪音造成觸發(fā)。前觸發(fā)操作就是采集足夠的觸發(fā)點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)要研究一個(gè)信號(hào)觸發(fā)前的條件或觸發(fā)后的皙態(tài)現(xiàn)象時(shí)，皆可采用前/后觸發(fā)模式。視覺(jué)混淆問(wèn)題的討論采用點(diǎn)(虛線)直接顯示數(shù)據(jù)的方式，有時(shí)不能完整池顯示波形。當(dāng)觀測(cè)波形不屬7C單純的形狀而含有高頻成分或較大失真成分的情況下，經(jīng)常發(fā)生對(duì)波形不能充分采㈤溝現(xiàn)象夕因而引起不同形式的視覺(jué)混淆。

用點(diǎn)直接顯示數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的混淆現(xiàn)象稱為視覺(jué)誤差。這種誤差產(chǎn)生在低千T~yq讓一iSS頻率的信號(hào)中盡管在理論上采樣是以適當(dāng)?shù)拈g隔進(jìn)行的夕但所看到的卻是錯(cuò)誤信號(hào)。因?yàn)槿说娜庋劬哂邪鸦榭拷狞c(diǎn)直接關(guān)連起來(lái)加以判斷的特性，所以當(dāng)信號(hào)采集太足時(shí)J柜鄰近的點(diǎn)被人的肉眼習(xí)慣地連一幅圖像，但這些點(diǎn)在時(shí)間上不一定是最近點(diǎn)，因而造成視覺(jué)誤差。因?yàn)楫?dāng)數(shù)字化速率太低時(shí)，采樣點(diǎn)并不總在波峰或靠近波峰上取出，所顯示的波形猶如調(diào)幅波。這種混淆現(xiàn)象稱為包絡(luò)誤差，它是每周采樣數(shù)的函數(shù)(即采樣密度).隨著數(shù)字化速率的減小，包絡(luò)誤差將增大。說(shuō)明即使在使用矢量?jī)?nèi)插器校正采樣點(diǎn)時(shí)，也會(huì)造成視覺(jué)包絡(luò)。要消除這種包絡(luò)誤差必須要有足夠的采樣點(diǎn)數(shù)或采用正弦內(nèi)插顯示。

上述幾種不同形式的混淆，都是由于數(shù)字化速率不足，使波形的分辨率降低，從而產(chǎn)生視覺(jué)誤差而這成的.迗些簾因同時(shí)也導(dǎo)致了有效存儲(chǔ)帶寬受到限潮~按照采樣理論1要描述出信號(hào)的特征，就要對(duì)正弦波每周期采樣兩次以上。這盡管在數(shù)學(xué)上可以成旦實(shí)際工程中每周期只采樣兩次所表示的信號(hào)往往是不可理解的，因此，為保證信號(hào)顯示的分辨率，要求采樣次數(shù)超過(guò)奈奎斯特頻率?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] 王雷,王廣柱. 脈寬調(diào)制功率放大器的設(shè)計(jì)[J]電測(cè)與儀表, 2001,(06) .

作者單位：西北民族大學(xué)榆中校區(qū)電氣工程學(xué)院 05級(jí)電子信息專業(yè)