數(shù)字化采集型器械性能的全面評(píng)價(jià)方法與規(guī)范化檢測(cè)手段研究

摘 要：針對(duì)現(xiàn)行檢定過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)缺乏嚴(yán)密性和人工判讀結(jié)果精度不高的問(wèn)題，該文以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)全覆蓋為基本目標(biāo)，提出智能自動(dòng)化的新型專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。智能化、自動(dòng)化的指標(biāo)檢測(cè)以程控工裝結(jié)合波形自動(dòng)識(shí)別/計(jì)算算法輸出檢測(cè)結(jié)果為手段，從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量結(jié)果可復(fù)現(xiàn)性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；采集型器械；基本性能要求；全面評(píng)價(jià)方法；規(guī)范化檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：R194 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）23-0149-06

Abstract： In view of the lack of strictness of the current verification process standards and the low accuracy of manual interpretation results， this paper puts forward a new professional standard of intelligent automation with the basic goal of full coverage of the existing standards. Intelligent and automatic index detection is by means of program-controlled tooling combined with automatic waveform recognition/calculation algorithm to output test results， so as to achieve the reproducibility of high-precision measurement results.

Keywords： digitization; collecting instruments; basic performance requirements; comprehensive evaluation method; standardized testing

現(xiàn)代數(shù)字化生物電采集處理類(lèi)器械檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)缺乏嚴(yán)密性，數(shù)據(jù)在檢定過(guò)程受檢測(cè)人員個(gè)人測(cè)量方式和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)影響很難保證在精度范圍內(nèi)的統(tǒng)一，尤其是微弱的生物電信號(hào)會(huì)受到不可抗力的周?chē)姶艌?chǎng)干擾，使檢定結(jié)果的可靠性大大降低。

下面本文將從現(xiàn)行采集型醫(yī)療器械基本性能要求入手，深入探討其全面評(píng)價(jià)參數(shù)的變革思路，并以此為據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)全覆蓋為基本目標(biāo)，進(jìn)一步增加檢測(cè)參數(shù)的覆蓋面，改人工測(cè)量為程控工裝結(jié)合波形自動(dòng)識(shí)別/計(jì)算算法輸出檢測(cè)結(jié)果為手段，輔以測(cè)試工裝規(guī)范化，從而獲得較好的檢測(cè)一致性（可復(fù)現(xiàn)性）指標(biāo)。

1 現(xiàn)行采集型器械基本性能要求

對(duì)于醫(yī)用電氣設(shè)備（ME設(shè)備）基本性能作出要求的檢定標(biāo)準(zhǔn)有通標(biāo)GB 9706.1—2020《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：基本安全和基本性能的通用要求》[1]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 9706.102—2021《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗(yàn)》[2]，后者的制定以IEC/SC 62A、IEC/TC 77、CISPR（國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)）制定的現(xiàn)行IEC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。二者分別取代了GB 9706.1—2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》和GB 9706.15—2008《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-1部分：安全通用要求 并列標(biāo)準(zhǔn)：醫(yī)用電氣系統(tǒng)安全要求》及YY 0505—2005/IEC 60601 1-2：2001《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-2部分：安全通用要求-并列標(biāo)準(zhǔn)：電磁兼容 要求和試驗(yàn)》。

下面將以腦電圖機(jī)的專(zhuān)標(biāo)GB 9706.226—2021《醫(yī)用電氣設(shè)備 第2-26部分：腦電圖機(jī)的基本安全和基本性能專(zhuān)用要求》[3]為例，具體介紹標(biāo)準(zhǔn)對(duì)醫(yī)用電氣設(shè)備基本性能的規(guī)定要求。檢定標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)腦電圖機(jī)的基本性能指標(biāo)信號(hào)的重建準(zhǔn)確度、輸入動(dòng)態(tài)范圍，以及差模偏置電壓、輸入噪聲、頻率響應(yīng)和共模抑制比做了要求。

首先是標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于腦電圖機(jī)基本性能指標(biāo)的要求，腦電信號(hào)的重建準(zhǔn)確度要求信號(hào)幅值范圍為±0.5 mV，變化率為12 mV/s的輸入信號(hào)，重建在輸出端的誤差應(yīng)小于等于±20%標(biāo)稱(chēng)值或±10 μV中的較大值。規(guī)定了產(chǎn)生輸出信號(hào)的導(dǎo)聯(lián)線與其他導(dǎo)聯(lián)線的操作方案，連接信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)2 Hz的三角波信號(hào)到通道的任意一個(gè)導(dǎo)聯(lián)線，所有其他導(dǎo)聯(lián)線連接到參考導(dǎo)聯(lián)線上，重復(fù)可用通道的每個(gè)導(dǎo)聯(lián)線直到所有導(dǎo)聯(lián)線組合完畢[4]。

在輸入動(dòng)態(tài)范圍和差模偏置電壓、輸入噪聲、頻率響應(yīng)上，均采用次導(dǎo)聯(lián)線操作方法，每個(gè)導(dǎo)聯(lián)線通過(guò)串聯(lián)10 kΩ電阻模擬皮膚阻抗，從而進(jìn)一步降低現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中可能存在的電磁干擾，將電源電壓的感應(yīng)降到最低。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將患者電纜的所有導(dǎo)聯(lián)線連接在一起，當(dāng)患者電纜靜止不動(dòng)時(shí)，折合到輸入端的噪聲不能超過(guò)6 μV的峰谷值。在試驗(yàn)加載正弦波信號(hào)時(shí)，腦電圖機(jī)應(yīng)至少滿足0.5～50 Hz的帶寬要求。對(duì)于共模抑制比，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在導(dǎo)聯(lián)線之間不應(yīng)產(chǎn)生峰谷值高于10 mm的輸出信號(hào)，60 s期間內(nèi)的調(diào)整增益為0.1 mm/μV。并且規(guī)定了阻容網(wǎng)絡(luò)的形式為一個(gè)51 kΩ的電阻和47 nF的電容并聯(lián)，且必須使用制造商制定的患者電纜，從而盡可能地抑制干擾信號(hào)的進(jìn)入，消除接地的失衡[5]。

2 全面評(píng)價(jià)參數(shù)的變革思路

以國(guó)標(biāo)GB 9706.226—2021《醫(yī)用電氣設(shè)備 第2-26部分：腦電圖機(jī)的基本安全和基本性能專(zhuān)用要求》腦電圖機(jī)的基本性能專(zhuān)用要求中對(duì)于信號(hào)的重建準(zhǔn)確度的規(guī)定為例，在這一評(píng)估過(guò)程中，人工測(cè)量環(huán)節(jié)不可避免地會(huì)引入測(cè)量誤差，由于輸入信號(hào)本身屬于微弱信號(hào)，該測(cè)量誤差會(huì)在很大程度上影響評(píng)估結(jié)果。因此，需要提出新的公共數(shù)據(jù)檢測(cè)接口協(xié)議，使自動(dòng)化檢測(cè)成為可能，從而完全避免人工判讀造成的結(jié)果不準(zhǔn)確，大幅提高評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性。

此外，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下主要采用單一頻率固定幅值信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，以對(duì)該測(cè)試信號(hào)的量化幅值作為主要評(píng)估指標(biāo)。對(duì)于采集型器械，僅通過(guò)信號(hào)幅值進(jìn)行評(píng)估具有一定局限性，無(wú)法反映采集型器械對(duì)目標(biāo)頻段內(nèi)信號(hào)的放大保真度與噪聲的抑制性能[6]。

為了更加全面準(zhǔn)確地評(píng)估采集型器械性能，在原有評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下，現(xiàn)引入電壓積分非線性（VINL）、信噪比（SNR）、總諧波失真（THD）、幅頻響應(yīng)曲線和共模抑制比（CMRR）這5個(gè)新指標(biāo)進(jìn)一步完善評(píng)估效果，并通過(guò)智能自動(dòng)化的檢測(cè)方法，準(zhǔn)確獲取相關(guān)指標(biāo)結(jié)果，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)支持策略如圖1所示。

電壓轉(zhuǎn)換與理想電壓狀態(tài)之間的差異即為電壓積分非線性，通過(guò)電壓步距與理論步距之差定義。與高速、高動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相比，在新標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)中，電壓積分非線性（VINL）對(duì)高分辨率成像的應(yīng)用具有重要意義。

電壓積分非線性則是所有電壓非線性誤差的累加。誤差直接來(lái)源于與之相比較的直線的選取，表示實(shí)際傳輸函數(shù)背離直線的程度，度量為參數(shù)LSB或滿量程的百分比（FSR）[7]。從整體輸出電壓數(shù)值的角度來(lái)說(shuō)，輸入電壓步距差異累積起來(lái)以后和理想值的差異加總，即電壓積分非線性誤差。對(duì)于采集型器械而言，一個(gè)給定的輸出電壓數(shù)值由一段范圍的輸入電壓產(chǎn)生。電壓積分非線性誤差為正表示輸入電壓范圍比理想的大，電壓積分非線性誤差為負(fù)則表示其小于理想值。

因此，常用“最佳直線INL”和“端點(diǎn)INL”來(lái)定義：其中最佳直線INL通過(guò)對(duì)最接近模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)際傳輸函數(shù)的直線的引入，通過(guò)截距和斜率與失調(diào)和增益誤差的對(duì)應(yīng)進(jìn)行了定義，傳輸函數(shù)的位置也可以依此確定。該方法沒(méi)有對(duì)直線的精確位置明確定位，但可重復(fù)性地描述器件的線性特征。相比之下，端點(diǎn)INL所采用的直線經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器傳輸函數(shù)的2個(gè)端點(diǎn)來(lái)對(duì)直線的精確位置進(jìn)行定義，對(duì)于一個(gè)N位ADC來(lái)講，該直線需要通過(guò)零點(diǎn)滿度來(lái)確定[8]。因此，能產(chǎn)生比較好的結(jié)果的最佳直線INL方法，通常作為首選。最佳直線INL表示扣除了靜態(tài)失調(diào)和增益誤差后的測(cè)量結(jié)果，可用下式表示

式中：VD為數(shù)字輸出碼D對(duì)應(yīng)的模擬輸入；N為ADC的分辨率，對(duì)應(yīng)全零輸出碼的最低模擬輸入，是2個(gè)相鄰代碼的理想間隔。理想采集型器械的傳遞函數(shù)呈現(xiàn)階梯狀，其中某個(gè)特定的數(shù)字輸出代碼對(duì)應(yīng)每個(gè)臺(tái)階，而每一次階躍代表2個(gè)相鄰代碼的轉(zhuǎn)換。采集型器械的特性參數(shù)可以根據(jù)對(duì)應(yīng)階躍產(chǎn)生所需輸入電壓來(lái)進(jìn)行規(guī)范，此過(guò)程的復(fù)雜程度基于高速轉(zhuǎn)換器中噪聲的大小，變化幅度緩慢的噪聲系數(shù)則難度較大。輸出數(shù)值偏離線性誤差最大的距離可通過(guò)電壓積分非線性數(shù)值評(píng)估，從而得到模擬值和真實(shí)值之間最大誤差。

INL和DNL的測(cè)量方式借助于低頻正弦波或包括高精度DAC、邏輯分析儀、掃描被測(cè)器件輸入范圍的高精度直流電源在內(nèi)的準(zhǔn)直流電壓斜坡的輸入值。若設(shè)置遠(yuǎn)高于DUT，并包括高精度DAC的信號(hào)，則邏輯分析儀可以通過(guò)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)直接處理來(lái)監(jiān)控增益誤差和偏移量。測(cè)試電壓的創(chuàng)建依賴于信號(hào)掃描，掃描過(guò)程為從精密信號(hào)源的零標(biāo)度到滿標(biāo)度[9]。

在采集型器械中，來(lái)自器械外、需要借助器械處理的電子信號(hào)與信號(hào)經(jīng)過(guò)器械產(chǎn)生的原信號(hào)中原本不存在的額外無(wú)規(guī)則噪聲的功率比值即為信噪比（SNR），信號(hào)的噪聲并不隨原信號(hào)的變化而變化。信噪比的計(jì)量單位是分貝（dB），其計(jì)算公式為

式中：Psignal和Pnosie分別為信號(hào)和噪聲的有效功率；Asignal和Anoise分別為信號(hào)和噪聲電壓的有效值。在生物電采集型器械中，若采集型器械不耦合任何除目標(biāo)信號(hào)之外的其他額外噪聲，則是理想狀況。SNR測(cè)試的目的是確定來(lái)自傳感器測(cè)量信號(hào)中的噪聲程度，理論上該參數(shù)應(yīng)該越高越好。并且該參數(shù)采集也較為便利，僅需將采集型器械所采集到的測(cè)試信號(hào)輸出結(jié)果進(jìn)行快速傅里葉變換，提取帶內(nèi)噪聲有效功率與測(cè)試頻點(diǎn)的有效功率進(jìn)行計(jì)算便可獲得采集型器械準(zhǔn)確的信噪比。

由于系統(tǒng)內(nèi)部非線性元件的存在，輸入波形不能100%線性化輸出，會(huì)產(chǎn)生失真，總諧波失真（THD）是關(guān)注其諧波成分的一種關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)，其定義方式為所有諧波成分均方根之和與基本頻率信號(hào)振幅的比值。

式中：Vn為n次諧波的RMS電壓，n=1即為基本頻率。

較低的總諧波失真表示采集型器械更加精確、較少諧波、與原始采樣信號(hào)接近的輸出信號(hào)?？傊C波失真提取方法則可以類(lèi)比信噪比的提取方法。

采集型器械系統(tǒng)收到來(lái)自外部的振幅不變，僅頻率變化的信號(hào)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的輸出端會(huì)做出相應(yīng)反應(yīng)，即為頻率響應(yīng)。在現(xiàn)行頻率響應(yīng)評(píng)估中，以國(guó)標(biāo)GB 9706.226—2021《醫(yī)用電氣設(shè)備 第2-26部分：腦電圖機(jī)的基本安全和基本性能專(zhuān)用要求》腦電圖機(jī)的基本性能專(zhuān)用要求中的頻率響應(yīng)部分為例。要求腦電圖機(jī)設(shè)備的頻率響應(yīng)（帶寬）為0.5～50 Hz，頻率響應(yīng)測(cè)試方法為：輸入5 Hz正弦波信號(hào)，驗(yàn)證0.5、50 Hz處輸出信號(hào)幅值是否在5 Hz輸入信號(hào)幅值的71%～110%內(nèi)。由于只測(cè)試了2個(gè)頻點(diǎn)處的頻率響應(yīng)，無(wú)法反映采集型器械的具體帶寬情況。通過(guò)硬件同步掃頻，并編寫(xiě)算法自動(dòng)識(shí)別波形參數(shù)，輸出幅頻響應(yīng)曲線，并自動(dòng)計(jì)算技術(shù)要求中頻點(diǎn)的幅度值，再引入帶內(nèi)頻響均一性指標(biāo)，就可更為準(zhǔn)確，直觀地評(píng)估設(shè)備的帶寬及在目標(biāo)信號(hào)頻段下的頻率響應(yīng)情況。

共模抑制比（CMRR）是模擬電路中差分放大器（或者其他電子器件）的一個(gè)用于衡量其抑制兩端輸入信號(hào)共模部分的一個(gè)重要參數(shù)，是生物電采集醫(yī)療器械非常重要的一個(gè)性能指標(biāo)。當(dāng)有用信號(hào)為低電壓信號(hào)且疊加在一個(gè)可能較高的電壓補(bǔ)償，或者是相關(guān)信息表示為2個(gè)信號(hào)的差值時(shí)，較高的共模抑制比就十分重要。共模抑制比定義為差模增益與共模增益的比值

式中：Ad為差模增益；Acm為共模增益。通常情況下共模增益遠(yuǎn)小于差模增益，如果使用對(duì)數(shù)，則共模抑制比可以用分貝值來(lái)表示

抑制共模信號(hào)在信號(hào)傳輸中降低噪聲信號(hào)具有十分重要的作用。在噪聲環(huán)境中測(cè)量采集型器械時(shí)，環(huán)境中的噪聲同時(shí)輸入2個(gè)端口，產(chǎn)生一個(gè)共模的噪聲信號(hào)。采集型器械的共模抑制比決定了其對(duì)噪聲或者補(bǔ)償?shù)乃p。

在目前的檢測(cè)實(shí)踐中，CMRR在各級(jí)檢測(cè)機(jī)構(gòu)幾乎都有涉及，但由于檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)原理概念把握不良，目前也只是按不慎明了標(biāo)準(zhǔn)去定制共模抑制測(cè)試工裝，并且要求帶患者電纜測(cè)量。大部分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生物電采集型器械CMRR要求是大于80 dB，實(shí)際操作中往往檢驗(yàn)出的結(jié)果遠(yuǎn)小于廠家標(biāo)稱(chēng)的實(shí)際CMRR值，導(dǎo)致了很多困惑和混亂情況存在。因此，擬對(duì)原理和測(cè)量要點(diǎn)進(jìn)行一定的解釋?zhuān)云谝?guī)范化目前的檢測(cè)手段和測(cè)試工裝。

CMRR可通過(guò)多種方式進(jìn)行測(cè)量，圖2所示的方法借助了具有無(wú)限CMRR的放大器不會(huì)產(chǎn)生輸出變化的特點(diǎn)，在2個(gè)輸入端分別施加信號(hào)，使得運(yùn)算放大器通過(guò)4個(gè)精密電阻配置成差分放大器，從而測(cè)量輸出量的變化差值。該電路電阻的比率匹配難度較大，無(wú)論使用哪種性能的運(yùn)算采集設(shè)備，電阻對(duì)之間0.1%的不匹配就會(huì)影響共模抑制比，導(dǎo)致其僅為66 dB。由于大多數(shù)采集設(shè)備的低頻CMRR介于80 dB和120 dB之間，理論上需要誤差小于1 ppm的電阻進(jìn)行匹配才能實(shí)現(xiàn)。圖2為簡(jiǎn)單的共模抑制比測(cè)試電路。

相比上述測(cè)量方法的不足，圖3增加一款高開(kāi)環(huán)增益、低失調(diào)電壓、低偏置電流的輔助放大器A1，從而無(wú)須精密電阻就能實(shí)現(xiàn)放大器的共模抑制比的準(zhǔn)確測(cè)量。

待測(cè)采集設(shè)備（DUT）工作電壓范圍保持30 V不變，但是Vcc、Vee的絕對(duì)電壓，通過(guò)開(kāi)關(guān)S1、S2控制由-25～+5 V切換到-5～+25 V。由此為DUT提供±10 V輸入共模電壓，分別測(cè)量開(kāi)關(guān)S1、S2切換前后的輸出電壓差值△Vout，并結(jié)合電路的噪聲增益計(jì)算共模抑制比。

根據(jù)測(cè)量原理，檢測(cè)工作中需要進(jìn)一步地去優(yōu)化人體阻抗網(wǎng)絡(luò)接入過(guò)程中存在的性能一致性問(wèn)題，以及線纜的屏蔽問(wèn)題，定制一套更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠帘喂ぱb和相關(guān)內(nèi)部測(cè)量電路板，并與檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)聯(lián)系從而進(jìn)行性能橫向?qū)Ρ取?/p>

綜上所述，通過(guò)新加入的5個(gè)評(píng)估參數(shù)，能夠?yàn)闄z測(cè)人員提供更多的維度對(duì)采集型器械進(jìn)行評(píng)估測(cè)量，并以智能自動(dòng)化的檢測(cè)方法，準(zhǔn)確獲取相關(guān)指標(biāo)結(jié)果，避免測(cè)量人員主觀原因?qū)е碌臏y(cè)量誤差。實(shí)現(xiàn)采集型器械性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)化、全面化，保證評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性與可信度。

3 算法實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用加速庫(kù)的選擇

本文針對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的衡量指標(biāo)，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，而并不考慮數(shù)據(jù)的獲取方式，以及和硬件的同步輸入輸出，如文件輸入、實(shí)時(shí)輸入等，并會(huì)在測(cè)試工作中進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)算法庫(kù)的工作。計(jì)劃新引入積分非線性（INL）、信噪比（SNR）、總諧波失真（THD），對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的Vp-p噪聲、信號(hào)（電壓）重建準(zhǔn)確度進(jìn)行間接計(jì)算量化。

評(píng)價(jià)算法的基本功能除了包括以上提出的專(zhuān)業(yè)參數(shù)指標(biāo)以外，對(duì)于功能開(kāi)發(fā)而言，更需要關(guān)注輸入后算法對(duì)于功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，同時(shí)考慮后期的維護(hù)和擴(kuò)展，在設(shè)計(jì)時(shí)降低功能模塊之間的耦合度。由于各指標(biāo)的理論計(jì)算方法在現(xiàn)實(shí)的檢定過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)，因此，算法的功能性實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需要參考多家FPGA開(kāi)發(fā)手冊(cè)和ADC說(shuō)明文檔。

除了功能性需要，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中更需要兼顧非功能性需要，保證系統(tǒng)的可拓展性、兼容性、規(guī)范性和可操作性。系統(tǒng)不能是一成不變的，在實(shí)際的應(yīng)用中，伴隨著技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的變化，系統(tǒng)配置、功能調(diào)整、新技術(shù)植入等都是在開(kāi)發(fā)階段中就需要考慮到的問(wèn)題，因此，功能接口的封裝和模塊的解耦就顯得尤為重要。如對(duì)于檢定儀的輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)彈性地設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)，確保被檢設(shè)備的每個(gè)數(shù)據(jù)通道都能檢測(cè)到；并且在考慮到同步采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)那闆r下，計(jì)算各采集速度的匹配情況及堆棧容量設(shè)置[10]。

在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，還需要注意遵循國(guó)家的相關(guān)法律法規(guī)和行業(yè)管理系統(tǒng)規(guī)范，以確保系統(tǒng)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)流程可以有效運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)面向用戶需求，使用高效簡(jiǎn)潔的操作方式，保證用戶在使用過(guò)程中能快速準(zhǔn)確獲取信息；功能模塊化設(shè)計(jì)，降低各功能之間的耦合度，方便用戶進(jìn)行測(cè)試或者二次開(kāi)發(fā)。

基于此，本文采用高性能的C++開(kāi)源信號(hào)處理算法庫(kù)KFR，使用Visual Studio 2017作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，安裝用于Visual Studio 2017的LLVM工具鏈。由于LLVM/Clang與MSVC ABI具有非常好的兼容性，廣泛應(yīng)用在Windows上構(gòu)建大型項(xiàng)目，因此，切換到LLVM /Clang不會(huì)導(dǎo)致兼容性問(wèn)題。

以積分非線性（INL）指標(biāo)為例，模擬電路的增益誤差只是滿幅度信號(hào)的量化端點(diǎn)與理想信號(hào)的偏差，但高精度ADC有非常多的量化點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)離標(biāo)準(zhǔn)值都會(huì)有偏差，該偏差會(huì)相互累計(jì)成積分非線性誤差。

作為評(píng)估高精度ADC的關(guān)鍵指標(biāo)，積分非線性表征整個(gè)系統(tǒng)的線性程度，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并不容易，理論上很難再獲得一個(gè)更高精度的斜坡模擬電壓去評(píng)估其與理想值的偏離程度，而能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)斜坡的量子電壓基準(zhǔn)（JVS）使用起來(lái)過(guò)于繁瑣和昂貴。

因此，在這一部分中，主要參考美信半導(dǎo)體對(duì)于INL的測(cè)量方法，實(shí)際傳輸函數(shù)背離直線的程度即為INL誤差，由與之相比較的直線的選擇決定，通過(guò)LSB或滿量程的百分比（FSR）來(lái)度量[11]。

在算法設(shè)計(jì)上，選用KFR是專(zhuān)注于高性能實(shí)現(xiàn)的開(kāi)源C++數(shù)字信號(hào)處理算法庫(kù)，兼容最新的C++現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有其他外部依賴關(guān)系，并且能對(duì)沒(méi)有C++17庫(kù)功能的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行仿真的KFR算法庫(kù)。不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)法或新函數(shù)和類(lèi)型的修訂，更多的是可以面向?qū)嶋H應(yīng)用，比如一個(gè)以高性能為主要目標(biāo)的軟件，通過(guò)其顯示優(yōu)化和矢量化從而在沒(méi)有代碼量劇增的情況下實(shí)現(xiàn)最佳速度結(jié)果。

軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用微軟推薦的3層結(jié)構(gòu)，從上至下將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，區(qū)分層次從而實(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚、低耦合”的思想，如圖4所示。

以信噪比計(jì)算模塊為例，在SNR計(jì)算模塊中，用戶輸入數(shù)據(jù)后，調(diào)用所需SNR接口進(jìn)行計(jì)算，但SNR接口中的計(jì)算僅為基波輸入頻率的 RMS 幅值和除前5次諧波和直流分量之外的所有其他頻率分量的 RMS 幅值之比，而輸入數(shù)據(jù)后存在對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換和具體的變量計(jì)算，如基波輸入頻率的 RMS 幅值、除前5次諧波和直流分量之外的所有其他頻率分量的 RMS 幅值，將在數(shù)據(jù)處理功能中進(jìn)行計(jì)算。

在通用工具包的軟件工程化處理上，開(kāi)發(fā)過(guò)程中在對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行單元測(cè)試時(shí)，為了避免軟件模塊和外部接口的錯(cuò)誤、處理不充分，以及后續(xù)開(kāi)發(fā)功能合并到主分支后是否能統(tǒng)一測(cè)試，需要對(duì)階段性的成果進(jìn)行集成測(cè)試[12]。

為了保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使得用戶既可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行其他功能開(kāi)發(fā)，又可以基于系統(tǒng)的核心功能的信號(hào)指標(biāo)計(jì)算，面向工程活動(dòng)的實(shí)際需求進(jìn)行適應(yīng)性開(kāi)發(fā)，并且可以通過(guò)將算法評(píng)價(jià)庫(kù)中的核心功能封裝成庫(kù)，進(jìn)而方便用戶面向?qū)嶋H應(yīng)用的二次開(kāi)發(fā)。對(duì)可復(fù)用的、供反復(fù)使用的代碼分為靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)進(jìn)行封裝，提供測(cè)試用的shell接口和測(cè)試用例、數(shù)據(jù)流式傳輸和批處理、定制格式化輸出，從而兼容現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)業(yè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

新專(zhuān)標(biāo)準(zhǔn)能全面覆蓋現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，但新專(zhuān)標(biāo)準(zhǔn)作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)被檢測(cè)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家接納還需要時(shí)間?？紤]到新型專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推行中的檢定需求，本系統(tǒng)面向新專(zhuān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的評(píng)價(jià)算法也需要兼容現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，如處理任何信號(hào)的電壓幅度測(cè)量操作，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的三角波信號(hào)Vp-p為人工判讀，在智能自動(dòng)化檢測(cè)中，通過(guò)算法輸出正弦信號(hào)RMS幅值量化，不僅消除微弱信號(hào)SNR較低造成的系統(tǒng)誤差，也避免了人工判讀造成的結(jié)果精度不高的問(wèn)題。

除此之外，在新型專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的擬定中，也需要密切關(guān)注自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備研發(fā)過(guò)程中的多工況參數(shù)及發(fā)展趨勢(shì)，不斷迭代以提高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性和現(xiàn)實(shí)可操作性。

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作者簡(jiǎn)介：劉子鳴（2001-），男，碩士研究生。研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程。