智能仪器采样研究

马存斌

摘要：智能仪器实时采样的主要优点在于信号波形一到就采，因此适合于任何形式的信号波形，由于所有采样点是按时间顺序排列，因而易于实现波形显示的功能.实时采样块点是速度分辨率。

关键词：混淆 智能仪器 采样

在智能仪器中，被处理的数字信号可以分为下列四种类型：

1、低速串行数据.这种数据一般为时间序列，它可以直接(实时)或间接(非实时)地由存贮介质(例如磁带土的模拟或数字形式的记录)或物理环境中获取，对于低速串行数据可以采用通常的串行技术来实现诸如求平均、滤波、频率变换等处理运算。

2、高速串行数据，通常在实时在线(on一line)情况下获取。对于高速数据，通常要求进行实时运算输处理。

3、由若干数据线提供的并行数据流通常是低速的，如从数据采集系统取得的数据流这一类数据的处理工作量极大，处理系统便是这类数据的典型。

显然，通常的物理信号并非数字形式，而是模拟信号的形式。模拟信号的数字化是数字信号处理中首量先必须解决的一个重要问题

模拟信号的数字化包括采样、量化两个过程。采样用来获取模拟输人信号的离散值，量化则是使每个采样后的离散数值变换成二进制数码是数字信号，在有些场合我们常称数字信号为数据。数字信号中的MSB与LS为数字信号的最高与最低有效位。

采样定理指出：“要能准确地恢复模拟信号，必须以大于其所包含的最高频率的二倍速率采样”。

完成模拟信号的数字化关键是选择采样方式。有两种基本的数字化采样方式：实时采样(mealtimesampling)与等效时间采样(equivalenttimesampling).实时采样最为直观。当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采人并数字化经过一个采样间隔T后再采人第二个样本。如此进行下去直至将整个信号波形数字化并存入波形存贮。

除了通常使用的定时采样(即等间隔采样)外，实时采样还使用变步长采檝这种采样方法的一种安排是不论被测信号频率为多少，一个信号周期内溯采样的点数恒角对于变步长采样可作更为一般的讨论。在大多数DSP应用中，完成欢雏号糯的转换的算法不是唯一的，衡量被选择的算法优越程度的基本标准在于其复杂程度，即硬件所需要的成本。有时变换信号的采样率是十分有利的。

变步长采样既能满足仪器精度的要求，又能合理地使用仪器计算机内存单元，还能伎增强仪器功能所要求的数据处理的软件设计大为简化。实时采样的特例为扫描转换采样，又称为实时闪光转换采样。扫描转换以某种快速采样的办法(通常通过采用专门器件)收集信号的时间波形，然后再用一段时间成菖听有样本进行转换处理。显然，这不是一种连续进行的数字化技术。

等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率，然而，这种技术要求信号波形之可以重复产生的。由于波形可以重复获得，使信号的采样可以用较慢的速度进行。采集的样本可以是时序的(步进、步退、差频)，也可以是随机的，这样就可以把许多采集的样本值合成一个采样密度较高的波形。也可称等效时间采样为变换采样。

当被测信号有效持续时间很短时，产生高重复频率的采样脉冲将很困难)因而采用实时采样方式也有困难，但如果被测信号是周期的或重复的信号1,,J可以考虑采用等效，间采样。一般认为)对于瞬时的或不重复的信号波形，宜用实时采样技术。对于重复的信号波形，既可以用实时采样，也可以选用等效时间采样技术。对于50MHZ以上的重复渡形，采用等效时间采样技术比实时采样技术更为经济。

数字化速率是单位时间对模拟输人信号的采样数，又称为采样速率-最高数字化速率inABC转换器的转换速率来决定，采用不同的ADC变换技术，可以获取不同的数字化速率.最高数字化速率常以频率每秒的采样样本点数s/s(sample/second)及存数据位数等来表示。在数字信号处理中，不论是时域分析还是频域分析，均应用信号波珊显示技术。

推进型显示，是非触发的信号波形的连续显示，它把新采样的信号波形点显示在示波屏幕的右面，而当又有新的波形点时，原先的点就往左移。于是，显示的波形在屏幕上不断地向左推进夕如同走纸记录一样。而且，在任何时候，当推进中的波形出现某种现象戌其它东西时，可以设法把波形冻结刀起来。触发电平可以设定为用以观察某些与鱅发有关的现象多如触发前(或后)一段时间内的现象-触发前(或后)时间的长短，决定于触发ii或后)所收集信号的数量。前触发常用来保证捕捉到暂态脉冲的全部前沿，触发电平应设置得足够高，以免寄圭的噪音造成触发。前触发操作就是采集足够的触发点之前的数据。一般说来，当要研究一个信号触发前的条件或触发后的皙态现象时，皆可采用前/后触发模式。视觉混淆问题的讨论采用点(虚线)直接显示数据的方式，有时不能完整池显示波形。当观测波形不属7C单纯的形状而含有高频成分或较大失真成分的情况下，经常发生对波形不能充分采㈤沟现象夕因而引起不同形式的视觉混淆。

用点直接显示数据时所产生的混淆现象称为视觉误差。这种误差产生在低千T~yq让一iSS频率的信号中尽管在理论上采样是以适当的间隔进行的夕但所看到的却是错误信号。因为人的肉眼具有把互为靠近的点直接关连起来加以判断的特性，所以当信号采集太足时J柜邻近的点被人的肉眼习惯地连一幅图像，但这些点在时间上不一定是最近点，因而造成视觉误差。因为当数字化速率太低时，采样点并不总在波峰或靠近波峰上取出，所显示的波形犹如调幅波。这种混淆现象称为包络误差，它是每周采样数的函数(即采样密度).随着数字化速率的减小，包络误差将增大。说明即使在使用矢量内插器校正采样点时，也会造成视觉包络。要消除这种包络误差必须要有足够的采样点数或采用正弦内插显示。

上述几种不同形式的混淆，都是由于数字化速率不足，使波形的分辨率降低，从而产生视觉误差而这成的.迗些帘因同时也导致了有效存储带宽受到限潮~按照采样理论1要描述出信号的特征，就要对正弦波每周期采样两次以上。这尽管在数学上可以成旦实际工程中每周期只采样两次所表示的信号往往是不可理解的，因此，为保证信号显示的分辨率，要求采样次数超过奈奎斯特频率。◆

参考文献：

[1] 王雷,王广柱. 脉宽调制功率放大器的设计[J]电测与仪表, 2001,(06) .

作者单位：西北民族大学榆中校区电气工程学院 05级电子信息专业