什麼是Sample Rate？我應該怎麼挑？

什麼是 Sample Rate？

Sample Rate(取樣率)，說穿了就是你每秒鐘「抓」幾次訊號的快照。單位是 Hz 或 S/s(Samples per second)。

我喜歡用這個比喻：你知道那種老式的翻頁動畫書嗎？每一頁畫一個動作，快速翻過去就變成動畫了。如果你每秒只畫 2 張圖，你看到的會是一格一格的跳動；但如果你每秒畫 30 張，動作就會流暢起來。

Sample Rate 就是這個「每秒畫幾張圖」的概念。差別在於，在 LabVIEW 的世界裡，如果你「畫」得不夠快，你不只是看到跳動的畫面——你可能會看到完全錯誤的訊號。 更重要的是：「畫」太快也不是好事。就像你用 120fps 拍一隻蝸牛爬行，除了浪費儲存空間，你也得不到更多有用的資訊。

Nyquist 定理：那個不能違背的鐵則

好，來講點理論。別擔心，我會講人話。 有個叫 Nyquist 的傢伙(其實是兩個人，但這不重要)發現了一個定理：

你的取樣率必須至少是訊號最高頻率的兩倍，不然你會看到鬼。

用公式寫就是： fs ≥ 2 × fmax 這個「兩倍」超級重要。如果你沒做到，就會發生一個叫 Aliasing(混疊) 的現象。什麼是 Aliasing？簡單說，就是高頻的訊號會「假裝」成低頻訊號，騙過你的眼睛和儀器。 就像你用手機拍攝風扇或車輪，有時候你會看到它們好像在倒轉！ 這就是為什麼 Nyquist 定理這麼重要——它是測量系統的底線。

取樣率不是越高越好！

這裡要特別強調一個常見的誤解：取樣率絕對不是越高越好。 很多人(包括以前的我)會覺得：既然有 aliasing 的風險，那我就設定超級高的取樣率，總沒錯吧？ 錯！而且大錯特錯。

為什麼過高的取樣率是問題？

1. 資料量爆炸

假設你用 100 kHz 取樣 8 個通道，每個 sample 是 2 bytes(16-bit)，那每秒產生的資料量是：

100，000 × 8 × 2 = 1.6 MB/s

一小時就是 5.76 GB。如果是長時間監測？你的硬碟受得了嗎？

2. 處理負擔

高取樣率意味著 CPU 和記憶體要處理更多資料。在 LabVIEW 裡，如果你的處理速度跟不上取樣速度，就會發生 buffer overflow——資料來不及處理，緩衝區滿了，系統就當機了。

3. 雜訊頻寬變寬

這是最容易被忽略的問題。 取樣率越高，你接收到的頻寬就越寬，意思是：你會把更多高頻雜訊也取樣進來。如果你的訊號本身只在低頻，但你用了超高的取樣率，反而會讓訊號雜訊比(SNR)變差。 就像你要聽人講話，結果把麥克風的靈敏度開到最大，連旁邊的冷氣聲、電腦風扇聲都錄進來了。

4. 浪費硬體資源

高階的 DAQ 卡通常很貴，而且高取樣率會吃掉更多功耗、產生更多熱。如果你不需要那麼高的取樣率，這些都是不必要的成本。

「夠用就好」才是工程師的智慧

在 LabVIEW 的世界裡，我們要追求的不是「最高規格」，而是「最適合的規格」。

• 量溫度？1-10 Hz 通常就夠了
• 量音訊？44.1 kHz 是業界標準
• 量振動？看頻率範圍，可能 5-10 kHz
• 量高速電子訊號？那可能需要 MS/s

關鍵是：了解你的訊號特性，選擇剛好符合需求的取樣率。

實務上怎麼選 Sample Rate？

好，理論講完了，來點實際的操作指南。

第一步：搞清楚你的訊號

這是最重要、也最容易被忽略的一步。 你要問自己：

• 我要量的東西，變化有多快？
• 最高頻率大概在哪？
• 有沒有可能有高頻雜訊？

如果你不知道(通常一開始都不知道)，沒關係，先用稍高一點的取樣率做探索性測量。在 LabVIEW 裡面拉個 FFT VI，看看頻譜長什麼樣子。

第二步：計算理論最小值，加上安全係數

根據 Nyquist 定理，計算 fs_min = 2 × fmax。

但實務上，我們會加上安全係數：

• 保守的案子： 2.5-5 倍
• 一般案子： 5-10 倍
• 需要精確重建波形： 10 倍以上

為什麼不直接用 2 倍？因為：

• 真實世界的訊號不會只有單一頻率
• 濾波器不是理想的，需要過渡帶
• 留一點餘裕總是比較安全

但記住：這不代表越高越好！ 找到「剛好夠用」的平衡點才是重點。

第三步：檢查硬體限制

你在 LabVIEW 裡面設定數字很容易，但硬體做不做得到？ 要確認：

• DAQ 卡的最大取樣率：別超過規格
• 多通道分配：Multiplexed 取樣的話，總取樣率會被通道數瓜分
• 記憶體容量：能撐多久？
• 硬碟寫入速度：長時間記錄會不會當機？

第四步：在 LabVIEW 裡配置和測試

在 DAQmx Timing VI 裡：

- Rate： 你計算出來的取樣率
- Samples per Channel： 決定 buffer 大小，太小會 overflow
- Sample Mode： Continuous 或 Finite？

第五步：Anti-Aliasing Filter

如果你的訊號裡可能有超過 Nyquist 頻率的成分(通常都會有)，你需要在 DAQ 前面加一個 低通濾波器。 有些 NI 的 DAQ 卡有內建 anti-aliasing filter(例如某些 X Series)，但不是全部都有。要確認：

• 有沒有內建濾波器？
• 截止頻率在哪？
• 適不適合你的應用？

常見的坑

坑一：忽略整個系統的頻寬

你在 LabVIEW 設定 1 MS/s，不代表你真的能量到 500 kHz 的訊號。 整個測量鏈的頻寬取決於最慢的那個環節：

• 感測器的頻率響應
• 訊號調理電路
• DAQ 卡的類比頻寬
• 甚至連接線都可能有影響

坑二：多通道的誤解

這個超級重要！ 如果你的 DAQ 卡是 Multiplexed Sampling(大部分入門卡都是)，1 MS/s 除以 8 個通道，每個通道實際上只有 125 kS/s。 如果你需要真正的同步高速取樣，要買 Simultaneous Sampling 的 DAQ 卡(通常貴很多)。

坑三：為了「保險」而過度取樣

這是最常見的錯誤。 「反正取樣率高一點比較保險吧？」——不，這會帶來前面提到的所有問題：資料量、處理負擔、雜訊。 工程師的智慧是「剛剛好」，不是「越多越好」。

結語：Sample Rate 是工程判斷，不是參數填空

我總是跟我學生說，在 LabVIEW 的世界裡，寫程式是最簡單的部分。DAQmx 怎麼用？查說明書。程式架構怎麼搭？照範例改。這些都有標準答案。但 Sample Rate 不一樣。 它看起來只是一個數字，但背後需要的是：

• 對訊號處理理論的理解
• 對硬體限制的掌握
• 對系統效能的權衡
• 對應用需求的判斷

太低，你會看到錯誤的訊號；太高，你的系統會垮掉。找到那個「剛剛好」的點，才是真正的挑戰。

所以下次當你在 LabVIEW 的 DAQmx Timing VI 填入那個數字的時候，記得：這不只是一個參數，這是你對整個測量系統的理解。