数字信号处理对电子测量与仪器的影响分析

摘要随着工业生产的快速发展各生产行业对参数测量的精度要求也在不断提升。数字信号处理作为一项新兴技术不仅能对电子测量提供支持还能提升信号处理速度在工业测量领域发挥着重要作用。文章以电子测量及仪器的概述与意义为切入点介绍了测量工作需要解决的问题并针对信号源、电压测量、示波器、频谱分析仪以及混合域示波器中数字信号处理的影响进行了阐释以供相关人员参考。

关键词数字信号处理;电子测量;主要影响

中图法分类号：TN911文献标识码：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

一般来说，数字信号处理指的是将模拟信号转化为数字信息的技术，具有性能更加良好、兼容性与通用性更强、信号处理成本更低等特点。相关技术人员应当明确数字信号处理技术的重要作用，并将其与电子测量工作进行有机结合，使测量精确度与测量效率得到进一步提升，从而推动工业领域的全面发展。

2  电子测量及仪器的概述与意义

（1）电子测量

电子测量指的是利用电子技术测量电参量以及非电参量。其中，电参量测量指的是依托电子技术实现对电能量、电信号特性、电路参数以及电子设备性能的测量;非电参量测量指的是采用适当的传感器或相关技术，将物理参量或化学参量转化为电信号进行测量。

（2）电子测量仪器

电子测量仪器指的是在进行电子测量过程中所使用的仪器，一般包括以下特点。首先，具备一定的参量处理能力。依托电子测量仪器，相关人员在进行测量时能够实现对参量的放大、缩小、增强、减弱等，使参量信号的处理、传输与识别更加便利[1]。其次，具备较强的兼容性。在现阶段的工业测量工作中，由于各种生产类型对测量参量的需求也存在一定的差异，因此如何实现参量的标准化成為当前电子测量的重点研究对象。推动电子测量仪器兼容性以及通用性的进步，能够对参量进行更好地适应，从而能够在不同条件以及差异化需求下实现更加精准、便利的测量。最后，具备较强的归纳与分类能力。在工业生产中，测量仪器设备面对的环境较为复杂，因此如何在复杂环境下实现对不同测量对象的独立处理和显示也是当前电子测量领域的重要关注对象。电子测量设备应当针对不同环境下的各项参数和测量对象进行有效显现，从而使工业生产得到更加全面的信息参考。

3  测量工作需要解决的问题

随着科技的不断发展以及工业生产水平的不断进步，如何提升测量工作的准确性成为当前测量领域的重要挑战。在传统测量领域，一般采用电子测量设备针对测量对象进行量取，但由于电子测量设备与仪器只能显示电信号，很难结合测量需求对信号进行更加全面细致的处理，因此实现对信号的有效转换，加快设备读取效率也是现阶段测量工作中需要解决的关键性问题。

此外，为进一步发挥测量结果对工业生产的指导作用，针对测量结果进行全面分析和评估具有十分重要的作用。但使用模拟电信号对测量结果进行传输的过程中，很容易受到外界环境的干扰和影响，导致信号精度不断下降，接收人难以获取较为精准的测量结果，双方之间的交流和互动受到严重限制与影响。

4  数字信号处理给电子测量带来的影响

（1）信号源

在电子测量中应用数字信号处理技术，首先能够实现对信号源性能的充分提升。通常来说，电子测量中的信号源指的是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器，其主要用途有作为激励源、实现信号仿真以及作为标准信号源进行信号校准等[2]。按照频率范围，信号源可大致分为超低频信号源、低频信号源、视频信号源、高频信号源、甚高频信号源以及超高频信号源等。

提升信号源的质量与性能，能够使电子测量工作获取更加优异和标准的测量内容，从而提升测量精确度。在现阶段的电子测量工作中，大多采用频率合成技术对信号源性能进行优化。其中，包括直接频率合成，即采用晶体振荡器对信号进行直接输出;间接频率合成，即采用 PLL 锁相环进行频率合成;直接数字合成，即采用数字技术进行信号波形合成。采用数字信号处理技术，一方面能够使信号源中的晶体振荡器为测量仪器提供更加全面的频率类型，另一方面保证测量中所输出的信号内容更加稳定、准确，从而在根本上保证信号源的性能和质量满足电子测量设备的相关要求，进而推动电子测量领域的全面发展与进步。

（2）电压测量

电压测量是现阶段电子测量领域的重要工作，其主要特点包括应用环境较为多元、测量需求差异较大、对象参量范围较广等。通过对相关设备电压的测量，技术人员能够实现对设备运行状况、运行需求乃至运行寿命等进行管控，为有效优化设备的应用和管理，提升设备使用方案的科学性和可行性奠定良好的基础。在电压测量中，技术人员应当结合测量要求，重点关注对象设备的场强信息、电压衰减信息等，从而使运行状态的判断更加精准。

在传统的电子测量模式下，由于测量仪器大多采用模拟电信号进行内容信号的显示、传输与处理，导致信号处理效果较差，影响了设备应用方案构建工作的有效性。因此，在电压测量中引入数字信号处理技术，能够依托 A/D 转换等方式实现直流电压以及交流电压相关数据信息的有效交流。技术人员可采用数字信号处理技术对直流电压以及交流电压进行相互转换，并通过离散化统计实现对电子设备电压运行状况的规范监控和测量，从而确保电子设备使用方案的科学有效。相较于传统的模拟电信号处理技术，数字信号处理技术对信号的处理更加细致、科学，有效减少了模拟信号受到的影响和干扰，使技术人员能够对设备运行电压进行统计与测量，并保证最终的测量结果更加准确，使得数字信号处理技术的应用价值得以进一步凸显。

（3）示波器

在电子测量中，示波器一种关键测量设备。相较于信号源，其通用性与综合性更强、对环境的适应能力更好。在电子测量中，示波器主要具有以下特点。首先，频带较宽、测量精度较高。由于采用示波器能够精准测量变化速度较快的信号，因此其适应频率范围更广[3]。同时，由于电子在偏转和运动过程中受到惯性影响较小，因此其显示的信号波形能够更加精准地反映出当前信号的波动与变化，测量精度较高。其次，对微弱信号的适应性较强。在当前的电子测量示波器中，大多都配备了高增益放大器，因此能够实现对微弱信号的高质量感知，从而显示出其波动变化。最后，对变动较大的信号具备较强适的应能力。相较于采用机械方式显示的信号测量仪表，示波器具备更加优越的显示性能，一方面能够使技术人员更加直观地对信号波动情况进行分析和研判，另一方面避免了短时间内大量过载对信号显示的影响，使仪表对高过载信号的适应性更加出色。

在传统测量模式中，示波器的信号采样与扫描效率较低，不利于测量工作的进一步开展。而采用数字信号处理技术后，示波器能够有效提升信号采样精度与采样效率。与此同时，这类信号采样对示波器内部的存储也形成了一定干扰，受采样点数量的限制，对某些高频信号的采样工作也较为困难，可能会存在信号测量失真的情况。因此，技术人员应当采取合理手段，针对信号采样内容进行全面梳理和筛选，并针对其峰值、谷值进行标注，依托内插技术实现对信号波形的精准模拟，使示波器的测量工作得以更加有序、高效地开展。

（4）频谱分析仪

频谱分析仪又称为频谱仪，主要指的是将射频信号以及微波信号显示成频率的函数的仪器。其主要功能包括信号频率分析、谐波分量分析、信号功率测量、信号边带分析等。其原理为通过射频衰减器将被测信号以及设备的本振信号进行混频，从而使技术人员获取中频信号，再经中频放大器对中频信号进行放大，从而形成一个与输入信号幅值成正比的直流信号。采用垂直放大器对该直流信号进行偏移，可形成扫荡器的本振，从而使电子束能够在水平方向上形成与扫荡器成正比的频率变化，使仪器能够实现对输入信号的全面分析。

现阶段，频谱分析仪常用在频域测量中。采用频谱分析仪对设备运行信号频域进行测量，不仅能够对信号频率的基本范围进行分析和约束，还能够结合测量需求实现对测量频率进一步拓宽。采用数字信号处理技术对频谱分析仪的测量性能进行进一步优化，能够使频谱分析流程引入傅里叶变换策略，不仅有效提升了信号转换与处理效率，更使频谱分析仪能够适应更加广泛的信号频率，有效突破了原有信号处理中存在的限制，使频谱分析仪的兼容性与通用性更加良好，并在工业电子测量中扮演更具价值的角色。此外，将数字信号处理技术融入频谱分析仪的工作原理中，可使信号频谱分析的可靠性得到有效增强、信号测量成本得到有效控制，同时能够减少测量流程中产生的各项冗余环节，使信号频谱测量工序更加简洁，适于各工业生产部门进行全面推广。

（5）混合域示波器

相较于传统示波器设备，混合域示波器的功能更多、技术含量更丰富。不仅具备传统示波器的相关功能，还融合了数字信号处理技术、信息数据集成技术等，其内置数字信号处理芯片能够对设备运行中的干扰信号进行有效排查与清除，使示波器功能得到全面整合，有效提升了示波器的测量效果。

5  数字信号处理技术的发展趋势

（1）运算模式支持度更高

在数字信号处理技术的应用中主要支持的是定点运算，虽然能够进一步控制运算成本，但对复杂数据的运算和处理效率较为低下，制约了设备电子测量工作的不断进步。因此，为了进一步完善数字信号处理技术的适用环境，相关技术人员可将定点运算与浮点运算进行有机结合，从而使数字信号处理的效率与精度得到全面提升。

（2）信號处理方案性能更佳

在工业电子测量中，由于面对的信号处理环境较为复杂，给当前单核信号处理方案带来了一定的挑战 [4]。因此，如何提升信号处理方案性能也成为未来数字信号处理技术的重点关注对象。随着半导体技术的不断进步，多核数字信号处理技术将会逐渐成为未来的主流，通过多核处理器的全面运用能够使信号数据得到更加先进的集成化处理，有效缩减单位时间内的信号处理成本，降低数字信号处理技术的运算功耗，使信号处理方案更加成熟，处理性能得到进一步提升。

（3）信号处理技术的适应性更强

在数字信号处理技术的应用中，其对信号的兼容性以及通用性受到一定限制，制约了电子测量工作的进一步发展。因此，提升数字信号处理技术的通用性以及兼容性是信号处理技术未来发展的重要方向。为提升信号处理技术的适应能力以及兼容能力，应采用精度更高的处理方案。依托数字信号处理技术，能够实现对类似信号的精准研判，并按照信号类型以及信号内容采取差异化的处理措施，从而使信号处理性能得到全面提升。

为了提升信号处理的精度和效率，未来的数字信号处理技术将会从源头采集入手进行优化，在采集过程中实现对信号的分类和归纳，同时采用不同的处理方式进行处理，使信号源更加纯净，信号的抗干扰性能得到不断提升，信号处理技术的通用性、兼容性以及适应性得到质的飞跃。

6  结论

目前，在电子测量工作与测量仪器中，应用数字信号处理技术不仅使测量流程得到简化，还使测量仪器的性能得到进一步提升。相关技术人员应重视数字信号处理技术的全面应用，并结合仪器设备的测量需求对数字信号处理技术的发展趋势进行全面预测，从而使电子测量性能不断提高。

参考文献：

[1] 刘宇.电子测量技术和仪器的重要性及发展趋势分析[J].无线互联科技，2020，17（17）：132?133.

[2] 应后民.探究数字信号处理对电子测量仪器的影响[J].仪器仪表标准化与计量，2020（4）：46?48.

[3] 佘艳，林晨.电子测量技术和仪器的重要性及发展趋势[J].科技与创新，2020（1）：102?103.

[4] 林杰，章文炳.数字信号处理对电子测量与仪器的影响探讨[J].现代制造技术与装备，2019（1）：32?33.

作者简介：

张庆（1986—） ，本科，工程师，研究方向：测试计量技术与仪器。