虚拟仪器的测量原理

压、电流进行同步采样的ADC，同步采集的数据传送到一个电能测量专用的DSP进行数据处理，最终的处理结果被送到片内的MCU完成显示和其它通讯工作。
如果读者对传统的感应式电度表略有简单的了解，就会看到采样式全数字测量所带来的巨大好处。它不仅提高了电度表的测量准确度，更重要的是去掉了感应式的许多部件，比如线圈、转盘等机械加工部件。并且数字化的测量本身就很容易的实现复费率、自动抄表等现代技术等。

经过以上的简单回顾后，现在再来看看虚拟仪器的基本测量原理。

1.3.2 虚拟仪器的基本测量原理

实现虚拟仪器测量的关键部件之一就是数据采集模块。数据采集的实质就是通过对被测信号进行采样，然后对采获的数据进行分析处理。所以，虚拟仪器的基本测量方法也是基于采样技术的。

为了更好的了解虚拟仪器的测量原理，还是有必要对其它概念也做以简要的介绍。

1. 信号——虚拟仪器的测量对象

到目前为止，前面所涉及、讨论的信号都是指随时间变化的信号。这些信号的分类本身比较复杂，针对虚拟仪器测量，可以简单的将信号简单的分成以下几种类型：

• 直流信号——直流信号我们可以将它看成周期无限长的周期信号

• 周期信号—— 周期信号是按一定的时间周而复始不断变化的信号，它是虚拟仪器测量所面对的主要信号形式，许多数据处理和分析都是针对周期信号来进行的

• 随机信号——随机信号的特点是没有确定的变化规律，无法用数学关系式来表述它，也无法预期它未来的变化规律。由于随机信号具有某些统计特性，所以通常可采用概率统计的方法进行评估处理。

2. 模数转换器——数据采集模块的核心部件

数据采集模块中的核心部件就是模数转换器。它负责完成对输入电信号的数字化的全过程以便计算机以识别和处理。
模数转换器对输入信号的数字化过程中要同时完成两项工作：采样和量化。下面我们以正弦信号为例简单分析它的整个处理过程。
实际在模数转换过程中，采样和量化基本上是同时完成的，但是为了便于分析我们将这一过程拆解分为“取样”和“量化”两阶段来分别表述。

• 取样

图 1－13 对正弦信号进行取样

在上图中，正弦形状的线段（红色）表示一个模拟正弦输入信号x(t)，它是一个时域连续函数。也就是说，在该信号的周期内任意一个时间点，都可以找到它所对应准确的函数值。
所谓“取样”就是在信号任意一个周期内，均匀分布的取N个“采样”点。在图1－13正弦包络线中的垂直线段（蓝色）就表示32个采样点。采样点之间的时间 间隔为Ts。在取样后我们只能获得采样点上的函数值，而丢弃了其它时间点的函数值。这就意味着，原来连续的正弦信号采样后仅用32个数据点值来表征。被采 样后的信号也称为离散信号Xs(nTs)。

• 量化

取样后，对应这32个点的函数值仍然是准确的。经过模数转换器的变换时，由于模数转换器的位数有限，所以只能用该点的近似值代替原函数值（量化）Xq(nTs)。
量化过程导致出现了量化误差。量化误差的大小与模数转换器本身的积分误差和微分误差有关，还与模数转换器的噪声大小有关。

图 1－14 量化后的波形（阶梯波）

从图1－14可以看到经过取样量化后离散信号有些类似台阶波。那么这个台阶波信号还能够代表原来的正弦信号吗？显然，从数学的角度来看，当一个周期内的取样点数无限的增加，模数转换器的位数也无限增多时，量化的信号就会无限逼近原来的模拟信号。

但是要想回答：在有限点取样和模数转换器有限位数下，离散的量化信号还能否代表原来的函数的问题就需要进一步了解取样定理。

• 取样定理

取样定理： 对输入信号进行有效取样，必须以高出信号中最高频率部分2倍以上的采样频率进行方可。
这个定理也被称为抽样定理、香农定理、奈奎斯特定理等，但其含义都是一样的。取样定理明确的指出对输入信号进行取样的一个基本原则，违背这个原则就会导致因抽样不足而产生信号的混肴。

请注意：信号中的最高频率是指：对于纯正弦信号来讲就是基波频率；对于含有谐波信号的来讲就是期待获得分析的最高次谐波的频率。
例如：对于频率为1000Hz的纯正弦信号而言，理论采样频率大于2000Hz就可以。而对于基波频率为1000Hz而包含10次谐波在内的信号进行采样，理论采样频率应大于20000Hz。
在实际应用中，即便是对于纯正弦波，同常也会取采样频率 >10倍信号频率。
采样频率也被称为奈奎斯特频率。也就是说，当确定了采样频率后，信号的有效分析带宽也就随之确定了（小于奈奎斯特频率）。

取样定理仅仅说明了采样频率与信号频率之间的确定性关系，并没有说明与模数转换器位数间的关系。从理论上讲，模数转换器的位数越高越好，转换结果越逼近真 实值。可是这个观点并不是绝对的，总是会有例外存在。比如NI公司的DSA（动态信号分析）数据采集模块通常都是24位的，但它的测量准确度很低，主要用 于动态信号的测量分析。准确的讲，它应该被称为具有24位的分辨率，而不是24位的精度。所以我们在选择确定数据采集模块时要依据测量对象的需求和数据采 集模快使用手册来选择合适的数据采集模快。

最后再回到前面双积分式电压表直流电压的测量，因为测量为2次／s，所以等效于直流信号变化的频率（波动）为1Hz／s。实际上直流信号的变化比这要低得多，所以直流电压测量是完全满足取样定理的。
可以说：取样定理是虚拟仪器最核心的定理，基于计算机的测试、测量和分析也都是依赖于取样定理。

总结虚拟仪器的测量原理可以得到这样的基本认识。虚拟仪器的测量过程就是在满足取样定理的条件下，将采集到被测信号的数据作为虚拟仪器的原始数据，而对这些原始数据的处理将依赖软件来完成，软件处理的结果恰恰是来自于用户的要求。

虚拟仪器的测量方式与传统仪器的测量方式相比，有什么本质上的不同吗？