虚拟仪器的测量原理

毋庸置疑，来自传感器的信号里包含了被测物理量十分有用的信息或特征，而测试、测量过程则是对这些信息进行分析和处理的一个十分复杂的过程。
虚拟仪器是如何实现测量和分析的？它与传统仪器的测量方式有何不同？
为了更好的了解虚拟仪器的测量原理，有必要先对传统仪器的直流电压与交流电压的测量方式做一个简单的回顾。

1.3.1 传统仪器的基本测量原理

1. 模拟式仪表

图 1－10 指针式万用表

模拟式测量仪表是比较常见的测量仪表，多为电工类指针式测量仪表，所以也被称为：指针式仪表。
现在以最经典的、最常见的指针式万用表为例，进行简单的说明。

指针式万用表测量直流电压的基本原理是：用一只高灵敏度的磁电式直流电流表（微安表）做电压测量的指示表头。当被测直流电压通过标准限流电阻时所产生的微小电流经过表头时，指针就会发生偏转并给出相应的示值（表盘的刻度值）。
在测量交流电压时，先将被测交流电压经过衰减后整流变成直流电压，然后通过直流电压的测量实现交流电压的替换测量，按刻度给出对应的交流电压示值。

从测量机理来分析，模拟式仪表的测量过程是属于一种连续测量过程。换句话说：在整个测量过程中，测量是连续不断的进行。即被测信号始终施加在测量机构上，整个测量过程不存在任何时间上的间断点。

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2. 数字式仪表

图 1－11 数字式万用表

数字式仪表，例如数字电压表、数字万用表等，是借助于特殊设计的模数转换器将被测直流电压转换成数字来进行显示，所以被称为数字式仪表。

模数转换器的种类很多，下面仅以最具有代表性的双积分式数字电压表为例简要说明直流电压和交流电压的基本测量方式［5］。

双积分式数字电压表将直流电压的测量过程划分为：T1、T2两个阶段（整个测量周期＝T1+T2）。
在T1时间段内，被测直流信号接入积分器开始对被测信号进行积分；而在T2时间段，内部参考（极性与被测信号相反）接入积分器开始对内部参考进行积分。与此同时，将T2时间间隔转换为与直流电压相对应的数值（脉冲个数）进行测量结果的显示，最终完成整个测量周期。

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数字电压表的交流测量采用AC-DC转换模块来实现。AC-DC转换模块将被测交流信号转换成直流信号，然后通过直流测量方式来完成交流的测量和显示。AC-DC转换模块分为整流平均式、对数／反对数式、模拟运算式和半导体热电变换式等等。

回顾双积分式数字电压表直流电压测量过程，我们发现它的测量机理已经发生了一些微妙的变化。前面曾谈到过，模拟式仪表是实时地测量被测信号，整个测量过程 是连续不间断的，不存在任何时间上的间断点。而双积分式数字电压表已经明显地改变了模拟式仪表的测量方式。双积分式数字电压表将直流电压的测量过程分成了 T1和T2两个阶段。显然在T2时间间隔内将不会反映出信号中的任何信息，因为这个阶段积分器正在对内部参考进行积分。因此，从时间的连续性上看双积分的 测量方式出现了时间上的间断点。

通过双积分式数字电压表直流测量过程可以得到这样一个事实：测量过程完全可以是一个不连续的测量过程，它取决于信号的基本特征。因为直流电压信号本身具有 随时间变化十分缓慢的特点，所以整个测量过程并非一定要实时的进行。双积分式电压表直流的测量原理就充分地利用了这一特性。

T1阶段又被称为对输入直流电压进行“取样”的阶段。“取样”这个概念对大家来说应该是不会很陌生，因为人类的祖先早已使用取样的方法来观测天体间的运行规律。
宇宙中星体之间的相对位置变化得很缓慢，实施连续观测并没有什么实际的意义。因此远古的人们就采用隔一段时间，比如一天、一月、一年来观测它们之间的相对位置（相当于取样），从而计算出天体的运行规律。

3. 采样式全数字化测量仪表

长期以来，数字式仪表测量性能的提高基本上依赖于模数转换器的重大突破。比如：从双积分式发展到多斜率积分式等等。尽管从工作原理上的突破往往会对数字式 仪表的性能有显著的改进和提高，但这些特殊的设计也明显的增加了仪表的成本，并且导致制造和调试工艺越来越复杂化。
近年来，随着模数转换技术及DSP及数字信号处理技术的飞速发展，出现了一种基于采样原理的全数字化测量仪器。采样式全数字测量，首先对输入信号进行高速率采集，采集到的数据传送到DSP或处理器中进行分析处理并显示出处理结果。
采样式全数字测量最广泛的应用就是集成化的单、三相电子式电度表的IC芯片，它们已经集成化。下面看看该集成电路的原理图。

图 1－12 单相电子式电度表IC

在上图中的左上角，可以看到两个对输入电