智能過采樣在許多應(yīng)用中都有好處，特別是在降噪方面，很難想象一個(gè)應(yīng)用程序不會(huì)受益。在某些數(shù)據(jù)采集情況下，您也許可以做到這一點(diǎn)。我說的是只需要相對(duì)高頻波形的最大值（最大值）、最小值（最小值）或平均值（平均值）的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域充滿了這種性質(zhì)的例子。請(qǐng)考慮以下事項(xiàng)：

50、60 或 400 Hz 功率波形的最小值或最大值

加速度計(jì)的最小、最大或平均加速度 （g），用于振動(dòng)研究

生命科學(xué)研究中脈動(dòng)血壓波形的最大值（收縮壓）、最小值（舒張壓）和平均值（平均值）

消除近直流信號(hào)（例如熱電偶）上的噪聲

有/沒有高頻波形的記錄，例如音頻，振動(dòng)，噪聲等。

頻率、速率、計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)采集常見問題應(yīng)用軟件

數(shù)據(jù)采集軟件準(zhǔn)備運(yùn)行的WinDaq數(shù)據(jù)采集到卓越程序

.NET 類ActiveX 控件放大 器

DI-8B 放大器DI-5B 放大器智能過采樣增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集

在這些示例中，數(shù)據(jù)采集任務(wù)的重點(diǎn)不是波形本身，而是波形的某些組成部分，由其在單位時(shí)間內(nèi)的最大值、最小值或平均值表示。下面是一個(gè)更詳細(xì)的示例：

我們的一位客戶想要對(duì)他的測(cè)功機(jī)進(jìn)行儀器化。他有幾個(gè)參數(shù)要測(cè)量，包括油壓、轉(zhuǎn)速、扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度——都是低頻波形。問題是第五個(gè)參數(shù)，振動(dòng)，來自安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的加速度計(jì)。與其他四個(gè)信號(hào)相比，該信號(hào)產(chǎn)生高頻信息，因此在測(cè)量方法上迫使一些異常條件。他有以下選擇：

以符合加速度計(jì)頻率響應(yīng)要求的高速率對(duì)所有通道進(jìn)行采樣。

以慢速率對(duì)四個(gè)較低頻率通道進(jìn)行采樣，以更快的速率對(duì)第五個(gè)高頻通道進(jìn)行采樣。

確定報(bào)告每個(gè)通道值的頻率（例如，每秒五次或 5 Hz），然后選擇該采樣率。

第一種選擇受到數(shù)據(jù)膨脹的影響——它會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，將它放在哪里的挑戰(zhàn)，以及之后如何處理所有這些數(shù)據(jù)的問題。為了附加一些數(shù)字，假設(shè)加速度計(jì)需要以 5，000 Hz 的速率進(jìn)行采樣?？紤]其他四個(gè)通道需要 25，000 Hz 的吞吐速率。由于在此應(yīng)用程序中需要獲取數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá) 8 小時(shí)，因此每個(gè)會(huì)話將生成驚人的 1.4 GB 文件。那些沒有僅根據(jù)文件大小就勸阻這種方法的人應(yīng)該進(jìn)一步考慮每秒對(duì)引擎溫度進(jìn)行 5，000 次采樣的荒謬性。

第二種選擇是數(shù)據(jù)采集的圣杯——每個(gè)通道的可選采樣率——由少數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供。但要準(zhǔn)備好為該功能付出高昂的代價(jià)。

選項(xiàng)3似乎沒有現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。如何以慢速對(duì)快速移動(dòng)的通道進(jìn)行采樣并得出任何有意義的信息？關(guān)鍵在于您使用的應(yīng)用程序和采樣方法。

從應(yīng)用的角度來看，我們的客戶對(duì)加速度計(jì)產(chǎn)生的實(shí)際波形不感興趣（見圖1）。例如，他不需要連續(xù)的振動(dòng)信號(hào)，他可以用FFT進(jìn)行變換來確定其所有頻率分量和幅度。他只是想知道振動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的最大g。在他的應(yīng)用程序上下文中，他希望每秒報(bào)告五次的值。換句話說，他想累積200毫秒的加速度數(shù)據(jù)（1除以5 Hz），然后只報(bào)告最大值。

由于不需要連續(xù)再現(xiàn)高頻波形，我們可以利用一種鮮為人知的技術(shù)，稱為過采樣。許多數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品支持雙采樣率功能，其中數(shù)據(jù)采集硬件以比報(bào)告給軟件的速率快得多的速度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。該技術(shù)也稱為“突發(fā)采樣”，最常用于通過高速采樣所有使能通道來最小化時(shí)間偏差。突發(fā)速率越高，時(shí)間偏差誤差越小。但對(duì)于具有板載智能的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，過度采樣還帶來了另一個(gè)好處：能夠評(píng)估和應(yīng)用通常丟棄的所有數(shù)據(jù)。這是軟件孤立的獲取的通道信息，因?yàn)樗枰獢?shù)據(jù)的頻率遠(yuǎn)低于硬件的突發(fā)速率使其可用。我將使用我們的測(cè)功機(jī)示例來澄清這個(gè)概念，稱為智能過采樣。

該應(yīng)用假設(shè) 5，000 Hz 的采樣率足以捕獲加速度計(jì)生成的峰值 g 值。這是最快移動(dòng)信號(hào)相對(duì)于時(shí)間的速率，構(gòu)成了用于計(jì)算硬件所需突發(fā)速率的基礎(chǔ)。由于總共需要采集5個(gè)通道，因此突發(fā)速率為每秒25，000個(gè)樣本（5，000 Hz乘以5個(gè)通道，見圖2）。請(qǐng)記住，25，000 Hz 表示我們的硬件持續(xù)掃描 5 個(gè)啟用通道的速率，無論應(yīng)用軟件請(qǐng)求轉(zhuǎn)換的頻率如何。在我們的應(yīng)用環(huán)境中，軟件將被編程為以每通道5 Hz的速率采集數(shù)據(jù)（見圖2）。計(jì)算它的吞吐量數(shù)會(huì)產(chǎn)生 25 Hz（5 Hz 乘以 5 個(gè)通道）。在這一點(diǎn)上，很明顯硬件以 1，000：1（25，000 Hz 除以 25 Hz）的比率生成多余的數(shù)據(jù)。會(huì)怎樣呢？

大多數(shù)硬件的正確答案是“無”。他們只是獲取第 1，000 個(gè)點(diǎn)（我們稱之為“最后一個(gè)點(diǎn)”，參見圖 2）并將該值報(bào)告給軟件 — 在此過程中忽略其他 999 個(gè)點(diǎn)。但是，具有智能過采樣功能的數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品可以解決多余的樣本。對(duì)于我們的加速度計(jì)通道，他們可以評(píng)估每 200 毫秒轉(zhuǎn)換的 1，000 個(gè)樣本并報(bào)告最大值。這種方法以5 Hz的速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，精確描述加速度計(jì)波形的峰值包絡(luò)，這正是應(yīng)用所要求的。我們僅以 25 Hz 的有效采樣率實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，在 8 小時(shí)的測(cè)試中，僅消耗 1.4 MB 的磁盤空間——比我們的第一個(gè)選項(xiàng)少三個(gè)數(shù)量級(jí)。但這個(gè)故事還有更多。

將注意力轉(zhuǎn)向應(yīng)用程序的其他 4 個(gè)通道。智能過采樣為它們提供了什么優(yōu)勢(shì)？捕獲這些近直流信號(hào)的最大值或最小值沒有任何意義。但是算術(shù)平均值計(jì)算可以顯著降低噪聲。每 200 ms 將從四個(gè)通道中的每一個(gè)獲取的 1，000 個(gè)值平均為單個(gè)數(shù)據(jù)值。結(jié)果是一個(gè)波形，其中噪聲降低到零，以清晰地顯示即使是最微小的幅度波動(dòng)（見圖3）。

有一些關(guān)于智能過采樣的注意事項(xiàng)。智能過采樣的有效性隨著軟件采樣率接近硬件的突發(fā)速率而降低。當(dāng)硬件和軟件速率分別為 20，000 Hz 和 10，000 Hz 時(shí)，選擇平均模式會(huì)產(chǎn)生幾乎無用的 2 點(diǎn)平均值。另一個(gè)考慮因素是確保軟件的速率低于您正在測(cè)量的信號(hào)的最高頻率分量。即使硬件速率明顯高于軟件速率，60 Hz 電源線的測(cè)量也會(huì)在軟件速率大于或等于 60 Hz 時(shí)失真。當(dāng)軟件嘗試在信號(hào)能夠完成一個(gè)周期之前報(bào)告最小值、最大值或平均值時(shí)，這種情況會(huì)產(chǎn)生兩難境地。

智能過采樣在許多應(yīng)用中都有好處，尤其是與降噪相關(guān)的應(yīng)用，以至于很難想到一種情況不會(huì)受益。大多數(shù)DATAQ儀器的硬件產(chǎn)品，以及一些高端數(shù)據(jù)采集制造商，都支持智能過采樣。

圖 1 — WinDaq數(shù)據(jù)采集軟件屏幕，顯示以高速率采樣的扭矩（頂部）和加速度計(jì)波形（底部），無需智能過采樣。

圖 2 — 來自 DATAQ 儀器 WinDaq/Pro 數(shù)據(jù)采集軟件包的相應(yīng)智能過采樣對(duì)話框。從左下角順時(shí)針方向：硬件突發(fā)速率選擇（此處稱為最大采樣率）;每個(gè)通道的智能過采樣方法（最大值、最小值、最后點(diǎn)、平均值）;軟件采樣率選擇。

圖 3— 波形與圖 1 相同，但采樣速率較低，扭矩啟用平均智能過采樣（頂部），加速度最大 IOS。請(qǐng)注意扭矩的降噪級(jí)別，以及加速度計(jì)的最大包絡(luò)趨勢(shì)。是呢環(huán)保局：郭婷