浅析数字信号处理对电子测量与仪器的影响

谭庆龙（湖南安全技术职业学院，410151）



浅析数字信号处理对电子测量与仪器的影响

谭庆龙
（湖南安全技术职业学院，410151）

摘要：数字信号处理是当前使用电子仪器进行测量工作的重要组成组成部分。可以说，测量是人类社会发展过程中必不可少的一项工作，而电子仪器则是测量工作发展至今最为先进的设备。如何才能够通过数字信号处理加强电子测量仪器的使用效果成为了当前亟待解决的问题。本文便将对数字信号处理技术对电子测量与仪器的影响进行分析，并提出一些意见与建议。

关键词：数字信号处理；电子测量；电子仪器

0　引言

所谓数字信号处理，便是指使用计算机或者是其他信息化设备对采集到的信号进行加工处理与分析，从而得到有效信息的过程。数字信号处理实际上便是将一个类型的信号转换成数字信号，从而便于计算机等专业设备进行信号的处理工作。我们知道，信息是人类了解外界并与外界进行互动的最主要介质，然而信息本省并不具备传递功能，因此必须借助信号来实现传递的过程。由此我们便可以看出，信号传递与信号处理在当下所具有的重要意义。

1　数字信号处理的重要意义

随着人类社会的不断发展，社会生产力也有着非常明显的进步，而在各类生产实践活动中，测量工作占据着非常重要的地位。而数字信号处理则可以对现有的电子仪器测量工作进行优化，使其产生更加显著的效果。

1.1测量的作用

首先，测量可以将抽象事物的描述具象化。在生产制造行业，想要将一个产品进行批量生产，必须要了解该产品的各项参数。而这些参数的来源便是测量工作的结果。比如进行机械零件的制造，如果工程师只是进行语言叙述，很难让生产工作人员产生较为直观的感受，但是如果将测量结果交给工程师，其便可以严格按照参数进行零件的生产工作。其次，测量可以使规范生产活动的行为。仍以机械零件制造为例，在完成了生产工作之后，往往需要对零件进行检查以判定其是否符合标准。最后，便是测量可以明确各个工作环节。在进行生产实践工作时，如果已经提前对零件的各项参数进行测量，工作人员便可以清楚的认识到零件的形状、尺寸等固定参数。这样便可以知道工作人员的具体生产制造工作，确定每一个生产环节的实施步骤。

1.2数字信号处理的重要意义

随着测量技术的不断发展，当前的测量工作都已经开始使用电子测量仪器。一般来说，如果使用电子测量仪器，测量结果都是通过电信号的方式表示的，测量人员很难对其进行度数，更不用说对测量结果进行处理分析了。而数字信息处理工作则可以将电信号转化成数字信号，随后再利用数字信号处理技术对其直接进行分析，或是表现为工作人员能够辨识的信号，便于工作人员后续工作的进行。其在进行直流电压测量时，可以先进行数/模转换；而如果不能够得到直流电压时，便可以先进行交流/直流转换，随后再进行数/转换，从而得到准确的测量结果。通过这个实例，我们可以发现，数字信号利用对测量过程的改变以简化测量中复杂的问题，并且减少测量中各种因素对测量结果产生的影响。

2　数字信号处理技术对示波器使用的重要影响

所谓示波器便是可以通过波形显示被测量值得一种电子仪器，被测信号可以通过电子束打在荧光物质屏幕上显示出的图像被工作人员更加方便且准确的解读与分析。常规的电量都可以通过示波器进行显示，像是电压、电流、峰值、频率等；而一些较为特殊的电量也可以通过示波器进行观察，如相位差、调幅度等。示波器在电子测量过程中的使用非常常见，但是如果选用示波器或是使用示波器的操作不符合要求，同样也会对测量结果造成一定的影响。如果抛开此类问题不谈，示波器所显示出来的图形能否准确的描述出被测信号呢？

为了能够更好地解答这个问题，我们可以将示波器设备看作是一个线性系统，这样我们便可以得出如下关系式：

其中，s（t）为我们所需要进行测量与观看到的信号；so（t）是我们通过示波器观看到的波形；h（t）为我们输入的信号源；而“*”则是表示卷积运算的符号。为了能够保证测量人员所希望观测到的信号与示波器显示出的图形具有较强的契合度，我们必须保证示波器的输入激响能够符合狄拉克函数，即

只有该函数关系式成立时，我们才能够保证so（t）与s（t）相等。我们根据斯彭斯的信号理论可以确定，如果想要上述说法成立，就必须要让示波器的带宽能够趋近于无限大，但是这显然不会成立。在示波器的使用过程中，测量人员常常会受到3dB带宽的影响。假设示波器观测到的20MHz信号的图形带宽为3dB，这时我们便可以得出如下的关系式：

为了能够便于分析，我们可以假设示波器的比例放大系数为1，带入式3中我们可以得出如下关系式：

进行转换之后，我们便可以清晰的看出，这个信号显然是一个失真信号。假设我们使用的是数字式存储示波器来观测信号，观测人员所需要应对的问题更加复杂。

其一，观测人员在对观测信号前沿的上升时间进行估算时，人们往往会使用方根准则。但是方根准则能否使用需要严格遵循其既定要求，也就是被测信号必须是高斯信号，而示波器设备也需要是高斯系统，同时，对于示波器阶跃响应上升时间的估算也是如此。一般来说，在进行电信号观测的过程中，所进行测定的信号很少有高斯信号，示波器与高斯系统之间有着较大的差异。如果强行按照这种方式进行估计，那么难免会出现较大的误差。

其二，如果我们需要通过对示波器信号进行观测以确定示波器的阶跃响应过冲，那么我们必须对信号特性以及示波器的带宽进行考虑。我们可以根据研究结果确定RC放大器的3dB带宽的转换成绩为0.35，而高斯系统的3dB带宽以及其阶跃响应上升时间的乘积为0.345。一般来说，我们可以将示波器看作是高斯系统，那么转换系数也便可以确定为0.35和0.345。由此我们便可以看出，想要使用示波器进行信号进行观测，则必须对转换系数进行一定的更正。

通过上述两点我们可以看出，示波器的测量也会存在误差，但是在平常的测量过程中，常常需要使用到示波器。为了避免误差的影响，我们便需要采用数字信号处理的反卷积技术。利用反卷积技术我们可以对上方的式1进行转换，得出如下关系式：

其中，（1/*）便表示了反卷积运算，通过这个关系式我们可以看出如果使用反卷积计算方式便可以将两者之间的差距尽可能缩小。在过去，该计算方式只是理论推断上能够使用，在实际的工程项目中很少会运用。而现在，各项专业技术发展速度极快，利用数字信号处理技术便可以使之正式运用到工程实践项目的操作中。假设我们使用了一个标准信号输入到数字存储示波器中，并将输入信号设为s（k），这样我们便可以计算出示波器对信号发生相应的离散型算式h（k）。如果将这个离散算式进行储存，并且加存一个信号重构的反卷积算法，这样我们便可以得出结论：无论我们所使用的示波器是否达到观测的标准、信号是否为失真信号，我们都可以根据现有的信号进行重构以得出我们所需要使用到信号。这样，进行电量信号的观测便无需再受到示波器的限制。当然，每个示波器都拥有自身已经确定的最高采用率，如果我们将采样的频率设为fs，那么根据奈奎斯特采用定理，示波器能够进行享用的最高频率为fs/2。换而言之，只要频率小于fs/2，示波器都可以进行无失真重构。若我们没有直接使用数字存储示波器进行观色，那么无失真的频率范围便会大幅度缩小，因此，为了能够保证信号质量，必须保证采样的频率是示波器实际带宽的数倍。也就是说，如果无失真最高频率为fs/4，那么带宽则为四倍，同理亦然。这样便可以提高示波器的实际使用范围，并且极大程度上提高示波器的测量准确度。

3　结论

人类社会发展的过程中永远的离不开测量工作，其是社会生产实践活动的重要基础，而电子测量技术与电子测量仪器则是当前测量工作所使用的高级手段，为实现测量工作的精确化提供了重要保障。通过上文我们可以看出，数字信号处理对于提高电子测量效果以及电子测量仪器的使用有着非常重要的作用，甚至会能够让电子仪器测量的性能提高至原效果的数倍以上。虽然当前该种方式仍然存在这一定的问题，但这也为我们的研究提出了更加丰富的思路，让我们可以进一步在科学的高峰上继续攀登。

参考文献

［1］彭宇，姜红兰，杨智明，乔立岩，刘旺，基于DSP和FPGA的通用数字信号处理系统设计，［J］，国外电子测量技术，Foreign Electronic Measurement Technology，2013-32 （1）

［2］仇树帅，基于数字信号处理的多功能虚拟仪器系统，［J］，数字技术与应用，Digital Technology & Application，2011-9

Digital signal processing is analysed for the influence of electronic measurement and instrument

Tan Qinglong
（Hunan safety technology Career Academy，410151）

Abstract：Digital signal processing is an important part of the measurement work using electronic instruments.It can be said that the measurement is an essential work in the development of human society，and the electronic equipment is the most advanced equipment to measure the development of the work.How to use digital signal processing to enhance the use of electronic measurement instrument has become a problem to be solved.In this paper，we will analyze the impact of digital signal processing technology on electronic measurement and instrument，and put forward some suggestions and opinions.

Keywords：Digital signal processing；Electronic measurement；Electronic instrument

作者简介

谭庆龙，男，1979年6月出生，湖南衡南人。硕士，研究方向为：电路与系统、高等职业教育。所在单位：湖南安全技术职业学院，副主任