數(shù)字信號處理對電子測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)對參數(shù)測量的精度要求也在不斷提升。數(shù)字信號處理作為一項新興技術(shù)不僅能對電子測量提供支持還能提升信號處理速度在工業(yè)測量領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。文章以電子測量及儀器的概述與意義為切入點介紹了測量工作需要解決的問題并針對信號源、電壓測量、示波器、頻譜分析儀以及混合域示波器中數(shù)字信號處理的影響進行了闡釋以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞數(shù)字信號處理;電子測量;主要影響

中圖法分類號：TN911文獻標(biāo)識碼：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

一般來說，數(shù)字信號處理指的是將模擬信號轉(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、信號處理成本更低等特點。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明確數(shù)字信號處理技術(shù)的重要作用，并將其與電子測量工作進行有機結(jié)合，使測量精確度與測量效率得到進一步提升，從而推動工業(yè)領(lǐng)域的全面發(fā)展。

2? 電子測量及儀器的概述與意義

（1）電子測量

電子測量指的是利用電子技術(shù)測量電參量以及非電參量。其中，電參量測量指的是依托電子技術(shù)實現(xiàn)對電能量、電信號特性、電路參數(shù)以及電子設(shè)備性能的測量;非電參量測量指的是采用適當(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)化為電信號進行測量。

（2）電子測量儀器

電子測量儀器指的是在進行電子測量過程中所使用的儀器，一般包括以下特點。首先，具備一定的參量處理能力。依托電子測量儀器，相關(guān)人員在進行測量時能夠?qū)崿F(xiàn)對參量的放大、縮小、增強、減弱等，使參量信號的處理、傳輸與識別更加便利[1]。其次，具備較強的兼容性。在現(xiàn)階段的工業(yè)測量工作中，由于各種生產(chǎn)類型對測量參量的需求也存在一定的差異，因此如何實現(xiàn)參量的標(biāo)準(zhǔn)化成為當(dāng)前電子測量的重點研究對象。推動電子測量儀器兼容性以及通用性的進步，能夠?qū)⒘窟M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現(xiàn)更加精準(zhǔn)、便利的測量。最后，具備較強的歸納與分類能力。在工業(yè)生產(chǎn)中，測量儀器設(shè)備面對的環(huán)境較為復(fù)雜，因此如何在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)對不同測量對象的獨立處理和顯示也是當(dāng)前電子測量領(lǐng)域的重要關(guān)注對象。電子測量設(shè)備應(yīng)當(dāng)針對不同環(huán)境下的各項參數(shù)和測量對象進行有效顯現(xiàn)，從而使工業(yè)生產(chǎn)得到更加全面的信息參考。

3? 測量工作需要解決的問題

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

此外，為進一步發(fā)揮測量結(jié)果對工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，針對測量結(jié)果進行全面分析和評估具有十分重要的作用。但使用模擬電信號對測量結(jié)果進行傳輸?shù)倪^程中，很容易受到外界環(huán)境的干擾和影響，導(dǎo)致信號精度不斷下降，接收人難以獲取較為精準(zhǔn)的測量結(jié)果，雙方之間的交流和互動受到嚴(yán)重限制與影響。

4? 數(shù)字信號處理給電子測量帶來的影響

（1）信號源

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

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

（2）電壓測量

電壓測量是現(xiàn)階段電子測量領(lǐng)域的重要工作，其主要特點包括應(yīng)用環(huán)境較為多元、測量需求差異較大、對象參量范圍較廣等。通過對相關(guān)設(shè)備電壓的測量，技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備運行狀況、運行需求乃至運行壽命等進行管控，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)。在電壓測量中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合測量要求，重點關(guān)注對象設(shè)備的場強信息、電壓衰減信息等，從而使運行狀態(tài)的判斷更加精準(zhǔn)。

在傳統(tǒng)的電子測量模式下，由于測量儀器大多采用模擬電信號進行內(nèi)容信號的顯示、傳輸與處理，導(dǎo)致信號處理效果較差，影響了設(shè)備應(yīng)用方案構(gòu)建工作的有效性。因此，在電壓測量中引入數(shù)字信號處理技術(shù)，能夠依托 A/D 轉(zhuǎn)換等方式實現(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)字信號處理技術(shù)對直流電壓以及交流電壓進行相互轉(zhuǎn)換，并通過離散化統(tǒng)計實現(xiàn)對電子設(shè)備電壓運行狀況的規(guī)范監(jiān)控和測量，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)的模擬電信號處理技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)對信號的處理更加細(xì)致、科學(xué)，有效減少了模擬信號受到的影響和干擾，使技術(shù)人員能夠?qū)υO(shè)備運行電壓進行統(tǒng)計與測量，并保證最終的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，使得數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用價值得以進一步凸顯。

（3）示波器

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

在傳統(tǒng)測量模式中，示波器的信號采樣與掃描效率較低，不利于測量工作的進一步開展。而采用數(shù)字信號處理技術(shù)后，示波器能夠有效提升信號采樣精度與采樣效率。與此同時，這類信號采樣對示波器內(nèi)部的存儲也形成了一定干擾，受采樣點數(shù)量的限制，對某些高頻信號的采樣工作也較為困難，可能會存在信號測量失真的情況。因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)采取合理手段，針對信號采樣內(nèi)容進行全面梳理和篩選，并針對其峰值、谷值進行標(biāo)注，依托內(nèi)插技術(shù)實現(xiàn)對信號波形的精準(zhǔn)模擬，使示波器的測量工作得以更加有序、高效地開展。

（4）頻譜分析儀

頻譜分析儀又稱為頻譜儀，主要指的是將射頻信號以及微波信號顯示成頻率的函數(shù)的儀器。其主要功能包括信號頻率分析、諧波分量分析、信號功率測量、信號邊帶分析等。其原理為通過射頻衰減器將被測信號以及設(shè)備的本振信號進行混頻，從而使技術(shù)人員獲取中頻信號，再經(jīng)中頻放大器對中頻信號進行放大，從而形成一個與輸入信號幅值成正比的直流信號。采用垂直放大器對該直流信號進行偏移，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)對輸入信號的全面分析。

現(xiàn)階段，頻譜分析儀常用在頻域測量中。采用頻譜分析儀對設(shè)備運行信號頻域進行測量，不僅能夠?qū)π盘栴l率的基本范圍進行分析和約束，還能夠結(jié)合測量需求實現(xiàn)對測量頻率進一步拓寬。采用數(shù)字信號處理技術(shù)對頻譜分析儀的測量性能進行進一步優(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)更加廣泛的信號頻率，有效突破了原有信號處理中存在的限制，使頻譜分析儀的兼容性與通用性更加良好，并在工業(yè)電子測量中扮演更具價值的角色。此外，將數(shù)字信號處理技術(shù)融入頻譜分析儀的工作原理中，可使信號頻譜分析的可靠性得到有效增強、信號測量成本得到有效控制，同時能夠減少測量流程中產(chǎn)生的各項冗余環(huán)節(jié)，使信號頻譜測量工序更加簡潔，適于各工業(yè)生產(chǎn)部門進行全面推廣。

（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)字信號處理芯片能夠?qū)υO(shè)備運行中的干擾信號進行有效排查與清除，使示波器功能得到全面整合，有效提升了示波器的測量效果。

5? 數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展趨勢

（1）運算模式支持度更高

在數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用中主要支持的是定點運算，雖然能夠進一步控制運算成本，但對復(fù)雜數(shù)據(jù)的運算和處理效率較為低下，制約了設(shè)備電子測量工作的不斷進步。因此，為了進一步完善數(shù)字信號處理技術(shù)的適用環(huán)境，相關(guān)技術(shù)人員可將定點運算與浮點運算進行有機結(jié)合，從而使數(shù)字信號處理的效率與精度得到全面提升。

（2）信號處理方案性能更佳

在工業(yè)電子測量中，由于面對的信號處理環(huán)境較為復(fù)雜，給當(dāng)前單核信號處理方案帶來了一定的挑戰(zhàn) [4]。因此，如何提升信號處理方案性能也成為未來數(shù)字信號處理技術(shù)的重點關(guān)注對象。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進步，多核數(shù)字信號處理技術(shù)將會逐漸成為未來的主流，通過多核處理器的全面運用能夠使信號數(shù)據(jù)得到更加先進的集成化處理，有效縮減單位時間內(nèi)的信號處理成本，降低數(shù)字信號處理技術(shù)的運算功耗，使信號處理方案更加成熟，處理性能得到進一步提升。

（3）信號處理技術(shù)的適應(yīng)性更強

在數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用中，其對信號的兼容性以及通用性受到一定限制，制約了電子測量工作的進一步發(fā)展。因此，提升數(shù)字信號處理技術(shù)的通用性以及兼容性是信號處理技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。為提升信號處理技術(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)字信號處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對類似信號的精準(zhǔn)研判，并按照信號類型以及信號內(nèi)容采取差異化的處理措施，從而使信號處理性能得到全面提升。

為了提升信號處理的精度和效率，未來的數(shù)字信號處理技術(shù)將會從源頭采集入手進行優(yōu)化，在采集過程中實現(xiàn)對信號的分類和歸納，同時采用不同的處理方式進行處理，使信號源更加純凈，信號的抗干擾性能得到不斷提升，信號處理技術(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，在電子測量工作與測量儀器中，應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)不僅使測量流程得到簡化，還使測量儀器的性能得到進一步提升。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)重視數(shù)字信號處理技術(shù)的全面應(yīng)用，并結(jié)合儀器設(shè)備的測量需求對數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展趨勢進行全面預(yù)測，從而使電子測量性能不斷提高。

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作者簡介：

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