數(shù)字信號(hào)處理對(duì)電子測(cè)量與儀器的影響分析

摘要隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展各生產(chǎn)行業(yè)對(duì)參數(shù)測(cè)量的精度要求也在不斷提升。數(shù)字信號(hào)處理作為一項(xiàng)新興技術(shù)不僅能對(duì)電子測(cè)量提供支持還能提升信號(hào)處理速度在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。文章以電子測(cè)量及儀器的概述與意義為切入點(diǎn)介紹了測(cè)量工作需要解決的問(wèn)題并針對(duì)信號(hào)源、電壓測(cè)量、示波器、頻譜分析儀以及混合域示波器中數(shù)字信號(hào)處理的影響進(jìn)行了闡釋以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞數(shù)字信號(hào)處理;電子測(cè)量;主要影響

中圖法分類(lèi)號(hào)：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Influence of digital signal processing on electronic measurement and instrument

ZHANG Qinge

（Suzhou Changleng Avionics Co.，Ltd.，Suzhou，Jiangsu 215000，China）

Abstract： With the rapid development of industrial production，the accuracy requirements ofparameter measurement in various production industries are also improving. As an emergingtechnology type，digital signal processing technology can not only support the technical process ofelectronic measurement，but also improve the speed of signal processing. It plays an important role inthe field of industrial measurement.Taking the overview and significance of electronic measurementand instruments as the starting point，this paper introduces the problems to be solved in themeasurement work，and explains the influence of digital signal processing in signal source，voltagemeasurement，oscilloscope，spectrum analyzer and mixed domain oscilloscope for reference.

Key words：digital signal processing，electronic measurement，main impact

1? 引言

一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字信號(hào)處理指的是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息的技術(shù)，具有性能更加良好、兼容性與通用性更強(qiáng)、信號(hào)處理成本更低等特點(diǎn)。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明確數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的重要作用，并將其與電子測(cè)量工作進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使測(cè)量精確度與測(cè)量效率得到進(jìn)一步提升，從而推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域的全面發(fā)展。

2? 電子測(cè)量及儀器的概述與意義

（1）電子測(cè)量

電子測(cè)量指的是利用電子技術(shù)測(cè)量電參量以及非電參量。其中，電參量測(cè)量指的是依托電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能量、電信號(hào)特性、電路參數(shù)以及電子設(shè)備性能的測(cè)量;非電參量測(cè)量指的是采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骰蛳嚓P(guān)技術(shù)，將物理參量或化學(xué)參量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

（2）電子測(cè)量?jī)x器

電子測(cè)量?jī)x器指的是在進(jìn)行電子測(cè)量過(guò)程中所使用的儀器，一般包括以下特點(diǎn)。首先，具備一定的參量處理能力。依托電子測(cè)量?jī)x器，相關(guān)人員在進(jìn)行測(cè)量時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)參量的放大、縮小、增強(qiáng)、減弱等，使參量信號(hào)的處理、傳輸與識(shí)別更加便利[1]。其次，具備較強(qiáng)的兼容性。在現(xiàn)階段的工業(yè)測(cè)量工作中，由于各種生產(chǎn)類(lèi)型對(duì)測(cè)量參量的需求也存在一定的差異，因此如何實(shí)現(xiàn)參量的標(biāo)準(zhǔn)化成為當(dāng)前電子測(cè)量的重點(diǎn)研究對(duì)象。推動(dòng)電子測(cè)量?jī)x器兼容性以及通用性的進(jìn)步，能夠?qū)⒘窟M(jìn)行更好地適應(yīng)，從而能夠在不同條件以及差異化需求下實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、便利的測(cè)量。最后，具備較強(qiáng)的歸納與分類(lèi)能力。在工業(yè)生產(chǎn)中，測(cè)量?jī)x器設(shè)備面對(duì)的環(huán)境較為復(fù)雜，因此如何在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)不同測(cè)量對(duì)象的獨(dú)立處理和顯示也是當(dāng)前電子測(cè)量領(lǐng)域的重要關(guān)注對(duì)象。電子測(cè)量設(shè)備應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同環(huán)境下的各項(xiàng)參數(shù)和測(cè)量對(duì)象進(jìn)行有效顯現(xiàn)，從而使工業(yè)生產(chǎn)得到更加全面的信息參考。

3? 測(cè)量工作需要解決的問(wèn)題

隨著科技的不斷發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷進(jìn)步，如何提升測(cè)量工作的準(zhǔn)確性成為當(dāng)前測(cè)量領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)測(cè)量領(lǐng)域，一般采用電子測(cè)量設(shè)備針對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行量取，但由于電子測(cè)量設(shè)備與儀器只能顯示電信號(hào)，很難結(jié)合測(cè)量需求對(duì)信號(hào)進(jìn)行更加全面細(xì)致的處理，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的有效轉(zhuǎn)換，加快設(shè)備讀取效率也是現(xiàn)階段測(cè)量工作中需要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。

此外，為進(jìn)一步發(fā)揮測(cè)量結(jié)果對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，針對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行全面分析和評(píng)估具有十分重要的作用。但使用模擬電信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中，很容易受到外界環(huán)境的干擾和影響，導(dǎo)致信號(hào)精度不斷下降，接收人難以獲取較為精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，雙方之間的交流和互動(dòng)受到嚴(yán)重限制與影響。

4? 數(shù)字信號(hào)處理給電子測(cè)量帶來(lái)的影響

（1）信號(hào)源

在電子測(cè)量中應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，首先能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)源性能的充分提升。通常來(lái)說(shuō)，電子測(cè)量中的信號(hào)源指的是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號(hào)發(fā)生器，其主要用途有作為激勵(lì)源、實(shí)現(xiàn)信號(hào)仿真以及作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源進(jìn)行信號(hào)校準(zhǔn)等[2]。按照頻率范圍，信號(hào)源可大致分為超低頻信號(hào)源、低頻信號(hào)源、視頻信號(hào)源、高頻信號(hào)源、甚高頻信號(hào)源以及超高頻信號(hào)源等。

提升信號(hào)源的質(zhì)量與性能，能夠使電子測(cè)量工作獲取更加優(yōu)異和標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量?jī)?nèi)容，從而提升測(cè)量精確度。在現(xiàn)階段的電子測(cè)量工作中，大多采用頻率合成技術(shù)對(duì)信號(hào)源性能進(jìn)行優(yōu)化。其中，包括直接頻率合成，即采用晶體振蕩器對(duì)信號(hào)進(jìn)行直接輸出;間接頻率合成，即采用 PLL 鎖相環(huán)進(jìn)行頻率合成;直接數(shù)字合成，即采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行信號(hào)波形合成。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，一方面能夠使信號(hào)源中的晶體振蕩器為測(cè)量?jī)x器提供更加全面的頻率類(lèi)型，另一方面保證測(cè)量中所輸出的信號(hào)內(nèi)容更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確，從而在根本上保證信號(hào)源的性能和質(zhì)量滿足電子測(cè)量設(shè)備的相關(guān)要求，進(jìn)而推動(dòng)電子測(cè)量領(lǐng)域的全面發(fā)展與進(jìn)步。

（2）電壓測(cè)量

電壓測(cè)量是現(xiàn)階段電子測(cè)量領(lǐng)域的重要工作，其主要特點(diǎn)包括應(yīng)用環(huán)境較為多元、測(cè)量需求差異較大、對(duì)象參量范圍較廣等。通過(guò)對(duì)相關(guān)設(shè)備電壓的測(cè)量，技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況、運(yùn)行需求乃至運(yùn)行壽命等進(jìn)行管控，為有效優(yōu)化設(shè)備的應(yīng)用和管理，提升設(shè)備使用方案的科學(xué)性和可行性奠定良好的基礎(chǔ)。在電壓測(cè)量中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合測(cè)量要求，重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象設(shè)備的場(chǎng)強(qiáng)信息、電壓衰減信息等，從而使運(yùn)行狀態(tài)的判斷更加精準(zhǔn)。

在傳統(tǒng)的電子測(cè)量模式下，由于測(cè)量?jī)x器大多采用模擬電信號(hào)進(jìn)行內(nèi)容信號(hào)的顯示、傳輸與處理，導(dǎo)致信號(hào)處理效果較差，影響了設(shè)備應(yīng)用方案構(gòu)建工作的有效性。因此，在電壓測(cè)量中引入數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，能夠依托 A/D 轉(zhuǎn)換等方式實(shí)現(xiàn)直流電壓以及交流電壓相關(guān)數(shù)據(jù)信息的有效交流。技術(shù)人員可采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)直流電壓以及交流電壓進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，并通過(guò)離散化統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備電壓運(yùn)行狀況的規(guī)范監(jiān)控和測(cè)量，從而確保電子設(shè)備使用方案的科學(xué)有效。相較于傳統(tǒng)的模擬電信號(hào)處理技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信號(hào)的處理更加細(xì)致、科學(xué)，有效減少了模擬信號(hào)受到的影響和干擾，使技術(shù)人員能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與測(cè)量，并保證最終的測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，使得數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值得以進(jìn)一步凸顯。

（3）示波器

在電子測(cè)量中，示波器一種關(guān)鍵測(cè)量設(shè)備。相較于信號(hào)源，其通用性與綜合性更強(qiáng)、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更好。在電子測(cè)量中，示波器主要具有以下特點(diǎn)。首先，頻帶較寬、測(cè)量精度較高。由于采用示波器能夠精準(zhǔn)測(cè)量變化速度較快的信號(hào)，因此其適應(yīng)頻率范圍更廣[3]。同時(shí)，由于電子在偏轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到慣性影響較小，因此其顯示的信號(hào)波形能夠更加精準(zhǔn)地反映出當(dāng)前信號(hào)的波動(dòng)與變化，測(cè)量精度較高。其次，對(duì)微弱信號(hào)的適應(yīng)性較強(qiáng)。在當(dāng)前的電子測(cè)量示波器中，大多都配備了高增益放大器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的高質(zhì)量感知，從而顯示出其波動(dòng)變化。最后，對(duì)變動(dòng)較大的信號(hào)具備較強(qiáng)適的應(yīng)能力。相較于采用機(jī)械方式顯示的信號(hào)測(cè)量?jī)x表，示波器具備更加優(yōu)越的顯示性能，一方面能夠使技術(shù)人員更加直觀地對(duì)信號(hào)波動(dòng)情況進(jìn)行分析和研判，另一方面避免了短時(shí)間內(nèi)大量過(guò)載對(duì)信號(hào)顯示的影響，使儀表對(duì)高過(guò)載信號(hào)的適應(yīng)性更加出色。

在傳統(tǒng)測(cè)量模式中，示波器的信號(hào)采樣與掃描效率較低，不利于測(cè)量工作的進(jìn)一步開(kāi)展。而采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)后，示波器能夠有效提升信號(hào)采樣精度與采樣效率。與此同時(shí)，這類(lèi)信號(hào)采樣對(duì)示波器內(nèi)部的存儲(chǔ)也形成了一定干擾，受采樣點(diǎn)數(shù)量的限制，對(duì)某些高頻信號(hào)的采樣工作也較為困難，可能會(huì)存在信號(hào)測(cè)量失真的情況。因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)采取合理手段，針對(duì)信號(hào)采樣內(nèi)容進(jìn)行全面梳理和篩選，并針對(duì)其峰值、谷值進(jìn)行標(biāo)注，依托內(nèi)插技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)波形的精準(zhǔn)模擬，使示波器的測(cè)量工作得以更加有序、高效地開(kāi)展。

（4）頻譜分析儀

頻譜分析儀又稱(chēng)為頻譜儀，主要指的是將射頻信號(hào)以及微波信號(hào)顯示成頻率的函數(shù)的儀器。其主要功能包括信號(hào)頻率分析、諧波分量分析、信號(hào)功率測(cè)量、信號(hào)邊帶分析等。其原理為通過(guò)射頻衰減器將被測(cè)信號(hào)以及設(shè)備的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，從而使技術(shù)人員獲取中頻信號(hào)，再經(jīng)中頻放大器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行放大，從而形成一個(gè)與輸入信號(hào)幅值成正比的直流信號(hào)。采用垂直放大器對(duì)該直流信號(hào)進(jìn)行偏移，可形成掃蕩器的本振，從而使電子束能夠在水平方向上形成與掃蕩器成正比的頻率變化，使儀器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的全面分析。

現(xiàn)階段，頻譜分析儀常用在頻域測(cè)量中。采用頻譜分析儀對(duì)設(shè)備運(yùn)行信號(hào)頻域進(jìn)行測(cè)量，不僅能夠?qū)π盘?hào)頻率的基本范圍進(jìn)行分析和約束，還能夠結(jié)合測(cè)量需求實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量頻率進(jìn)一步拓寬。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)頻譜分析儀的測(cè)量性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，能夠使頻譜分析流程引入傅里葉變換策略，不僅有效提升了信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理效率，更使頻譜分析儀能夠適應(yīng)更加廣泛的信號(hào)頻率，有效突破了原有信號(hào)處理中存在的限制，使頻譜分析儀的兼容性與通用性更加良好，并在工業(yè)電子測(cè)量中扮演更具價(jià)值的角色。此外，將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)融入頻譜分析儀的工作原理中，可使信號(hào)頻譜分析的可靠性得到有效增強(qiáng)、信號(hào)測(cè)量成本得到有效控制，同時(shí)能夠減少測(cè)量流程中產(chǎn)生的各項(xiàng)冗余環(huán)節(jié)，使信號(hào)頻譜測(cè)量工序更加簡(jiǎn)潔，適于各工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)進(jìn)行全面推廣。

（5）混合域示波器

相較于傳統(tǒng)示波器設(shè)備，混合域示波器的功能更多、技術(shù)含量更豐富。不僅具備傳統(tǒng)示波器的相關(guān)功能，還融合了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、信息數(shù)據(jù)集成技術(shù)等，其內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理芯片能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行中的干擾信號(hào)進(jìn)行有效排查與清除，使示波器功能得到全面整合，有效提升了示波器的測(cè)量效果。

5? 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）運(yùn)算模式支持度更高

在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用中主要支持的是定點(diǎn)運(yùn)算，雖然能夠進(jìn)一步控制運(yùn)算成本，但對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理效率較為低下，制約了設(shè)備電子測(cè)量工作的不斷進(jìn)步。因此，為了進(jìn)一步完善數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的適用環(huán)境，相關(guān)技術(shù)人員可將定點(diǎn)運(yùn)算與浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而使數(shù)字信號(hào)處理的效率與精度得到全面提升。

（2）信號(hào)處理方案性能更佳

在工業(yè)電子測(cè)量中，由于面對(duì)的信號(hào)處理環(huán)境較為復(fù)雜，給當(dāng)前單核信號(hào)處理方案帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn) [4]。因此，如何提升信號(hào)處理方案性能也成為未來(lái)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，多核數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將會(huì)逐漸成為未來(lái)的主流，通過(guò)多核處理器的全面運(yùn)用能夠使信號(hào)數(shù)據(jù)得到更加先進(jìn)的集成化處理，有效縮減單位時(shí)間內(nèi)的信號(hào)處理成本，降低數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的運(yùn)算功耗，使信號(hào)處理方案更加成熟，處理性能得到進(jìn)一步提升。

（3）信號(hào)處理技術(shù)的適應(yīng)性更強(qiáng)

在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用中，其對(duì)信號(hào)的兼容性以及通用性受到一定限制，制約了電子測(cè)量工作的進(jìn)一步發(fā)展。因此，提升數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的通用性以及兼容性是信號(hào)處理技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重要方向。為提升信號(hào)處理技術(shù)的適應(yīng)能力以及兼容能力，應(yīng)采用精度更高的處理方案。依托數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)類(lèi)似信號(hào)的精準(zhǔn)研判，并按照信號(hào)類(lèi)型以及信號(hào)內(nèi)容采取差異化的處理措施，從而使信號(hào)處理性能得到全面提升。

為了提升信號(hào)處理的精度和效率，未來(lái)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將會(huì)從源頭采集入手進(jìn)行優(yōu)化，在采集過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分類(lèi)和歸納，同時(shí)采用不同的處理方式進(jìn)行處理，使信號(hào)源更加純凈，信號(hào)的抗干擾性能得到不斷提升，信號(hào)處理技術(shù)的通用性、兼容性以及適應(yīng)性得到質(zhì)的飛躍。

6? 結(jié)論

目前，在電子測(cè)量工作與測(cè)量?jī)x器中，應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)不僅使測(cè)量流程得到簡(jiǎn)化，還使測(cè)量?jī)x器的性能得到進(jìn)一步提升。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)重視數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的全面應(yīng)用，并結(jié)合儀器設(shè)備的測(cè)量需求對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行全面預(yù)測(cè)，從而使電子測(cè)量性能不斷提高。

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作者簡(jiǎn)介：

張慶（1986—） ，本科，工程師，研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器。