分析數(shù)字信號處理對電子測量的影響

方芳

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分析數(shù)字信號處理對電子測量的影響

方芳

國家新聞出版廣電總局501臺，云南 昆明 650302

電子測量工作在一定程度上會受到DSP(數(shù)字信號處理)的影響，要想確保電子測量獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在測量工作開展過程中要做好數(shù)字信號處理。以電子測量受DSP的影響為切入點，對兩者的關(guān)系進(jìn)行分析，使電子測量獲取的數(shù)據(jù)能夠更好地為人們服務(wù)。

數(shù)字信號；電子測量；信息

信息技術(shù)的快速發(fā)展使現(xiàn)代社會已經(jīng)進(jìn)入到了信息時代，在該背景下，無論是生活還是工業(yè)上的許多事情都與信息有著密不可分的關(guān)系。不過，至今人們對信息還未有一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x。為了方便理解，我們可以認(rèn)為信息是人獲取新知識、對外界物感知的一個過程，而這些信息的傳遞需要通過信號完成，由此可見信號處理的重要性。因此，加強對數(shù)字信號的研究與分析具有現(xiàn)實意義。[1]

1 DSP與電子測量

1.1 DSP概述

簡單地說，DSP就是通過對專用設(shè)備或計算機對特定的信號進(jìn)行處理與加工，而學(xué)術(shù)界則認(rèn)為，DSP就是通過數(shù)值計算方法，通過對專有設(shè)備或計算機完成對信號的采集、處理、識別、加工等操作，最終達(dá)到提取信息和應(yīng)用的一門學(xué)科。從最終的處理結(jié)果來看，DSP就是通過一定的方式與規(guī)則，將一個數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€數(shù)字信號的過程。DSP發(fā)展于20世紀(jì)70年代，至今發(fā)展已近50年，在這些年的發(fā)展過程中，DSP經(jīng)歷了兩個變化，一是由只給本科生講授，逐漸發(fā)展為給碩士和博士生進(jìn)行講授，同時為了確保講授的效果，還需要配比相應(yīng)的教材。二是由只給電子通訊類的學(xué)生講授發(fā)展到給計算機類、控制類的學(xué)生講授，以上兩點都體現(xiàn)了人們對DSP研究程度的加深以及其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。

1.2 電子測量

電子測量主要分為廣義電子測量和狹義電子測量兩個不同的部分，廣義電子測量就利用傳感器將非電量通過一系列的合理轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，然后完成最終的測量工作。狹義電子測量主要指的是對電子技術(shù)中所涉及到的各項測量進(jìn)行測量。狹義電子測量包括的內(nèi)容有：

（1）測量能量，主要指的是對電壓、電功率、電流等參量的準(zhǔn)確測量。（2）測量電路參數(shù)，主要指的是對電容、電感、電阻等參量的具體測量。（3）測量電子設(shè)備性能，測量電子設(shè)備主要指的是對選擇性、通頻帶、靈敏度等參量的測量。（4）測量信號特性，主要指的是對周期、頻率、相位等參量的測量。（5）測量特性曲線，主要指的是對相頻特性、幅頻特性等特點曲線的測量。電子測量過程中的開展是基于電氣設(shè)備、方法以及電子科學(xué)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，需要注意的是，信號包括的內(nèi)容還有很多，不僅有電子信號，其中還包括機械信號、光信號、生物信號等諸多內(nèi)容。由此可見，電子測量包含的領(lǐng)域十分廣泛。

在解了DSP與電子測量之后，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間有著密切的聯(lián)系。第一，信息處理需要通過DSP實現(xiàn)，DSP是信息處理中一項重要內(nèi)容，而電子測量是采集信息、獲取信息的一項主要技術(shù)手段，簡單地說，在整個操作過程中，通過電子測量獲取信息，DSP就是對信息進(jìn)行合理加工，可以將DSP看作是對信息的一種服務(wù)。第二，電子測量技術(shù)的發(fā)展與更新在一定程度上會受DSP水平與程度的影響。第三，DSP的某些理念嫁接到電子測量中，將會使提高電子測量技術(shù)，同時也會促進(jìn)電子測量行業(yè)的發(fā)展。[2]

2 測量工作的重要性

測量工作在人們的生活與生產(chǎn)中的重要性不言而喻，在具體應(yīng)用過程中，其主要解決以下幾項問題。

2.1 解決“是什么”問題

例如，他是誰，是一個什么樣性格的人。那是一個什么東西？這樣的例子在人們的生活中不勝枚舉。在解決“是什么”過程中，人們比較常用的方法就是對比，通過將分析的東西與已知的東西進(jìn)行對比，也就是通過已知的東西與待認(rèn)識的東西進(jìn)行對比；從本質(zhì)上來看，比較就是測量，人們在對世界的客觀認(rèn)識上離不了測量工作。[3]

2.2 解禁如何做

通過對空氣中二氧化硫污染的分析與測量，判斷空氣中二氧化硫來自什么何處，是建筑施工中的揚塵、汽車尾氣、礦物質(zhì)的燃燒。通過分析與測量，弄清楚空氣中二氧化硫來自何方，就可以找到二氧化硫污染的措施與方法，由此可見，測量將會高速人們?nèi)绾巫觥?/p>

2.3 解決做什么

例如，近幾年，我國霧霾情況日益嚴(yán)重，霧霾的頻繁發(fā)生已經(jīng)嚴(yán)重影響到了人們的正常生活。各級政府紛紛制定目標(biāo)、表決心，出臺治理霧霾的措施，也就是說，通過對空氣的測量，產(chǎn)生了治理霧霾的決策，簡而言之，測量給人們指明了應(yīng)該做什么。

2.4 解決做得怎么樣

在處理具體問題中，將制定的方法付諸于實踐，通過檢定處理后的效果，來判斷做得怎樣。例如，在處理空氣中的二氧化硫污染上，可以通過測定空氣中二氧化硫的含量，判斷處理得怎么樣。

3 DSP提升了電子測量的經(jīng)準(zhǔn)確性

電子測量工作的開展需要電子測量儀器的支持，一般認(rèn)為，電子測量儀器的主要發(fā)展方向是智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，在這三化發(fā)展過程中DSP技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。下面針對集中常見的電子測量儀器進(jìn)行分析。[4]

3.1 發(fā)射器

發(fā)射器是電子測量中常用的一種重要儀器，高質(zhì)量信號源均采用頻率合成技術(shù)，在具體操作過程中無論是應(yīng)用間接鎖相式頻率合成法，還是直接數(shù)字頻率合成所構(gòu)成的信號發(fā)射器，在具體操作過程中都應(yīng)用了低通濾波器，濾波是數(shù)字信號處理過程中的一項基本內(nèi)容。信號源的合成，一方面克服了“晶振”，提供了特定頻率缺點，另一方面也將輸出信號的準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定性提高到了基準(zhǔn)頻率的相同的水平上。由此可見，DSP使信號源的性能得到了進(jìn)一步提高。

3.2 顯波器

顯波器目前已經(jīng)實現(xiàn)了半智能化和半數(shù)字化。目前，已經(jīng)由定性測量發(fā)為精密定量測量的電子儀器。在具體應(yīng)用中，無論是數(shù)字與模擬混合顯波器，還是所處理器數(shù)字存儲示波器，應(yīng)用何種技術(shù)在一定程度上決定了示波器性能。如人們所了解到的一樣，一種理論與技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的。示波器性能隨著數(shù)字化采樣技術(shù)的應(yīng)用得到了進(jìn)一步提高，反之，示波器的進(jìn)步也促進(jìn)了采樣技術(shù)水平的嘎子與提高。通過對示波器進(jìn)行應(yīng)用，可以實現(xiàn)實時采樣，可以完成對非周期性信號的觀測，而再具體采樣過程中，利用隨機采樣、非實時采樣、順序采樣，濾波器的等效寬帶能夠達(dá)到110GHZ。

通過模擬示波器觀測到的信號波形只能是觸發(fā)點以后的信號，造成這一現(xiàn)象的主要原因是，只有觸發(fā)信號出現(xiàn)后，才能對鋸齒波形進(jìn)行掃描。在數(shù)字存儲示波器中，被觀測的信號的波形會被事先存儲到采樣器中，然后依據(jù)具體需求，將存儲中的特定部分的信號推送到窗口進(jìn)行顯示。通過以上方式，可以對觸發(fā)點位置的信號波形進(jìn)行自由改變，針對觸發(fā)點之前信號的觀察，可以通過負(fù)延遲實現(xiàn)。[5]

顯波器的信號采集需要遵守奈奎斯特采樣定理，具體示波器都具有對應(yīng)的采樣率。但是，顯示信號波時，采樣率的改變可以通過改變掃速實現(xiàn)，從而使其滿足顯示要求。但是還會出現(xiàn)以下問題。對低頻信號波形進(jìn)行觀測時，采樣點會出現(xiàn)冗余，若引起發(fā)展，將會提高成本，對高頻信號波形進(jìn)行觀測時，由于采樣點少，因此波形會失真，此時DSP的“抽取”與“插入”技術(shù)得到了充分發(fā)揮，滿足了顯波器的顯示需求。

3.3 電壓表

電壓測量是電子測量中最常見的一種，它涵蓋了非電量及電參數(shù)測量，測量前必須把電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷海缓笤賹χ绷麟妷哼M(jìn)行測量。目前，電壓測量已經(jīng)被合理的數(shù)字化，在具體測量過程中涉及到兩個核心問題：（1）具體測量過程中如果可以直接測量到直流電壓，則需要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。（2）先完成交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。模/數(shù)轉(zhuǎn)換包含量化和取樣兩個數(shù)字信號的處理。電壓表是最先對取樣和量化進(jìn)行應(yīng)用，并將其付之于實踐的一種電子儀表，取樣與量化也使得電壓的分辨能力、測量范圍、精準(zhǔn)性、抵抗干擾等方面的能力得到了進(jìn)一步提高。

4 結(jié)語

測量在人們生活中處處可見，對人們的生活有著重要影響。電子測量是一種高級的測量手段，在電子測量過程中需要對測量儀器進(jìn)行應(yīng)用。DSP可以使一些電子測量的理念得到更新，提高電子測量的精準(zhǔn)性，而電子測量技術(shù)的提高也會促進(jìn)DSP技術(shù)的發(fā)展，兩者相輔相成，因此需要加強對DSP與電子測量關(guān)系的分析，促進(jìn)兩者的發(fā)展，使其能夠更好地為人們服務(wù)。

[1]彭宇，姜紅蘭，楊智明，等.基于DSP和FPGA的通用數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2013（1）：17-21.

[2]冉鵬，何為，徐征，等.基于數(shù)字處理的頻差電阻抗成像系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2013（2）：448-454.

[3]張明珠，李開成，李振興.影響電子式互感器校驗系統(tǒng)設(shè)計精度的關(guān)鍵技術(shù)[J].電測與儀表，2012（12）：41-45.

[4]劉婭，李孝輝，王國永，等.一種頻標(biāo)信號數(shù)字化測量儀器的研制[J].時間頻率學(xué)報，2015（2）：73-81.

[5]王慶賀.淺析壓電陶瓷式電子電壓互感器的信號處理方法[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015（11）：191-192.

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