智能過采樣在許多應用中都有好處，特別是在降噪方面，很難想象一個應用程序不會受益。在某些數據采集情況下，您也許可以做到這一點。我說的是只需要相對高頻波形的最大值（最大值）、最小值（最小值）或平均值（平均值）的應用。數據采集領域充滿了這種性質的例子。請考慮以下事項：

50、60 或 400 Hz 功率波形的最小值或最大值

加速度計的最小、最大或平均加速度 （g），用于振動研究

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

消除近直流信號（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，噪聲等。

頻率、速率、計數數據采集常見問題應用軟件

數據采集軟件準備運行的WinDaq數據采集到卓越程序

.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數據采集

在這些示例中，數據采集任務的重點不是波形本身，而是波形的某些組成部分，由其在單位時間內的最大值、最小值或平均值表示。下面是一個更詳細的示例：

我們的一位客戶想要對他的測功機進行儀器化。他有幾個參數要測量，包括油壓、轉速、扭矩和發(fā)動機溫度——都是低頻波形。問題是第五個參數，振動，來自安裝在發(fā)動機缸體上的加速度計。與其他四個信號相比，該信號產生高頻信息，因此在測量方法上迫使一些異常條件。他有以下選擇：

以符合加速度計頻率響應要求的高速率對所有通道進行采樣。

以慢速率對四個較低頻率通道進行采樣，以更快的速率對第五個高頻通道進行采樣。

確定報告每個通道值的頻率（例如，每秒五次或 5 Hz），然后選擇該采樣率。

第一種選擇受到數據膨脹的影響——它會產生大量數據，將它放在哪里的挑戰(zhàn)，以及之后如何處理所有這些數據的問題。為了附加一些數字，假設加速度計需要以 5，000 Hz 的速率進行采樣。考慮其他四個通道需要 25，000 Hz 的吞吐速率。由于在此應用程序中需要獲取數據長達 8 小時，因此每個會話將生成驚人的 1.4 GB 文件。那些沒有僅根據文件大小就勸阻這種方法的人應該進一步考慮每秒對引擎溫度進行 5，000 次采樣的荒謬性。

第二種選擇是數據采集的圣杯——每個通道的可選采樣率——由少數數據采集系統提供。但要準備好為該功能付出高昂的代價。

選項3似乎沒有現實基礎。如何以慢速對快速移動的通道進行采樣并得出任何有意義的信息？關鍵在于您使用的應用程序和采樣方法。

從應用的角度來看，我們的客戶對加速度計產生的實際波形不感興趣（見圖1）。例如，他不需要連續(xù)的振動信號，他可以用FFT進行變換來確定其所有頻率分量和幅度。他只是想知道振動發(fā)動機在單位時間內產生的最大g。在他的應用程序上下文中，他希望每秒報告五次的值。換句話說，他想累積200毫秒的加速度數據（1除以5 Hz），然后只報告最大值。

由于不需要連續(xù)再現高頻波形，我們可以利用一種鮮為人知的技術，稱為過采樣。許多數據采集產品支持雙采樣率功能，其中數據采集硬件以比報告給軟件的速率快得多的速度對數據進行采樣。該技術也稱為“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間偏差。突發(fā)速率越高，時間偏差誤差越小。但對于具有板載智能的數據采集產品，過度采樣還帶來了另一個好處：能夠評估和應用通常丟棄的所有數據。這是軟件孤立的獲取的通道信息，因為它需要數據的頻率遠低于硬件的突發(fā)速率使其可用。我將使用我們的測功機示例來澄清這個概念，稱為智能過采樣。

該應用假設 5，000 Hz 的采樣率足以捕獲加速度計生成的峰值 g 值。這是最快移動信號相對于時間的速率，構成了用于計算硬件所需突發(fā)速率的基礎。由于總共需要采集5個通道，因此突發(fā)速率為每秒25，000個樣本（5，000 Hz乘以5個通道，見圖2）。請記住，25，000 Hz 表示我們的硬件持續(xù)掃描 5 個啟用通道的速率，無論應用軟件請求轉換的頻率如何。在我們的應用環(huán)境中，軟件將被編程為以每通道5 Hz的速率采集數據（見圖2）。計算它的吞吐量數會產生 25 Hz（5 Hz 乘以 5 個通道）。在這一點上，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據。會怎樣呢？

大多數硬件的正確答案是“無”。他們只是獲取第 1，000 個點（我們稱之為“最后一個點”，參見圖 2）并將該值報告給軟件 — 在此過程中忽略其他 999 個點。但是，具有智能過采樣功能的數據采集硬件產品可以解決多余的樣本。對于我們的加速度計通道，他們可以評估每 200 毫秒轉換的 1，000 個樣本并報告最大值。這種方法以5 Hz的速率產生數據流，精確描述加速度計波形的峰值包絡，這正是應用所要求的。我們僅以 25 Hz 的有效采樣率實現了這一目標，在 8 小時的測試中，僅消耗 1.4 MB 的磁盤空間——比我們的第一個選項少三個數量級。但這個故事還有更多。

將注意力轉向應用程序的其他 4 個通道。智能過采樣為它們提供了什么優(yōu)勢？捕獲這些近直流信號的最大值或最小值沒有任何意義。但是算術平均值計算可以顯著降低噪聲。每 200 ms 將從四個通道中的每一個獲取的 1，000 個值平均為單個數據值。結果是一個波形，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（見圖3）。

有一些關于智能過采樣的注意事項。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。當硬件和軟件速率分別為 20，000 Hz 和 10，000 Hz 時，選擇平均模式會產生幾乎無用的 2 點平均值。另一個考慮因素是確保軟件的速率低于您正在測量的信號的最高頻率分量。即使硬件速率明顯高于軟件速率，60 Hz 電源線的測量也會在軟件速率大于或等于 60 Hz 時失真。當軟件嘗試在信號能夠完成一個周期之前報告最小值、最大值或平均值時，這種情況會產生兩難境地。

智能過采樣在許多應用中都有好處，尤其是與降噪相關的應用，以至于很難想到一種情況不會受益。大多數DATAQ儀器的硬件產品，以及一些高端數據采集制造商，都支持智能過采樣。

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

圖 2 — 來自 DATAQ 儀器 WinDaq/Pro 數據采集軟件包的相應智能過采樣對話框。從左下角順時針方向：硬件突發(fā)速率選擇（此處稱為最大采樣率）;每個通道的智能過采樣方法（最大值、最小值、最后點、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。請注意扭矩的降噪級別，以及加速度計的最大包絡趨勢。是呢環(huán)保局：郭婷