虚拟仪器的测量原理

1.3.3 虚拟仪器改变了传统仪器的测量方式和理念

其实虚拟仪器的出现，打破了传统测量方式和理念。下面举几个例子来说明虚拟仪器对传统仪器测量方式和数据处理方式的改变。

例1－1 测量方式的改变——采样式有效值测量 （不需要AC-DC转换器）

测量周期信号的有效值一般需要AC-DC转换器。最常见的转换方式是［5］：

1. 热电式转换器——多元热电偶，精密运放、DC数字电压表
2. 模拟运算式转换器——精密模拟乘法器， 精密运放、DC数字电压表
3. 对数式转换器——精密对数转换器、 精密运放、DC数字电压表
4. 半导体热电式转换器——固态半导体器件（专利）、 精密运放、DC数字电压表
5. 采样式转换器——嵌入式处理器、精密ADC转换器、特殊设计的运算处理软件

事实上，无论采用上述那种方式来测量周期信号的有效值都是依据有效值的定义。有效值的定义源自于热电效应。
焦耳定律表明，电阻器以热的形式耗散由电压或电流在它上面所产生的功率。所产生的热量和功率成正比。
式1－1给出了依据热电效应导出的有效值数学表达式。

式1－1

式中：u(t) 被测信号
T 被测信号的周期，倒数为被测信号的频率

下面仅以半导体热电式转换器为例简要介绍AC-DC转换器的基本转换原理［6］。

半导体热电式转换器也被称为：固态真有效值转换器，它依据的就是热电转换原理。美国Fluke公司在上个世纪70年代设计开发了这种基于半导体技术的热电 转换器。几经改进达到了实用、完美的程度。它也是Fluke 8508、Fluke 5790、Fluke 792A等仪器交流测量部分的核心部件。

图 1－15 固态真有效值转换器

这是一个十分有创造力的一个发明，是Fluke公司的专利。它利用半导体技术实现了基于热电变换原理的固态热电变换器。
它的转换原理很简单，输入电压Vin使电阻R1产生一定的热量，与电阻同处一体的晶体管Q1的Vbe就会感知这个温度变化，从而导致它的输出发生变化，使 差分放大器产生一个直流输出加到电阻R2上，R2与R1的作用相同，它产生的热量使Q2的Vbe发生改变，最终自动调节的结果使得Vin=Vout，完成 了交直流转换的任务。
请注意，设计时R1和Q1、R2和Q2是被分别放置在热隔离很好的两个孤岛上，用来保证PN结对热量的准确吸收。
这种转换方式由于运算放大器的作用实际上是自动实现转换的，这应该不难理解。Vout输出的就是与Vin输入有效值等值的直流电压。最后经过计算机的线性化修正，它就可以达到交流转换标准的水平。

在来看看虚拟仪器的测量方式。 依据式1－1，在满足采样定理的前提下，若对被测电压信号u(t) 进行n次采样，其离散采样值为ui ，这样很容易得到离散信号有效值的数学表达式：

式1－2

从式1－2可以看到，虚拟仪器测量是基于采样式测量原理。通过对被测信号直接进行采样然后再经过软件运算处理就可以得到被测信号的有效值。我们需注意到： 在这个过程中并不需要使用任何AC-DC转换器（上面所列前4种都需要类型不同的AC-DC转换器）。显然，虚拟仪器基于采样原理的测量方式不仅从测试方 法上大大简化了测量电路，并且还保证了准确测量。

尽管上面所列的第5种测量方式也是基于采样式。但是，嵌入式系统硬件设计上的复杂性和软件开发的难度，显然比虚拟仪器要多得多。

其实，虚拟仪器这种测量方式在功率、电能测量过程中效果更加突出。搞过模拟电路设计的一定有过深刻的体会，模拟乘法器是多么的复杂和不宜调整，并且准确 度、线性度以及带宽都难以得到有效的保证。数字采样结合数字乘法器可将模拟乘法技术指标提高至少一到两个数量级以上（一个数量级泛指10倍的关系）。

例1－2 测量方式的改变——采样式的频率测量（利用数字信号处理软件）

周期信号的频率测量，长期以来一直都是依赖于数字式频率计。它的测量原理就是在单位时间内，用信号频率进行计数填充，从而获得被测信号的频率值。当被测信 号的频率比较低时，采用周期测量法。周期测量法取决于对被测信号过零时触发时间是否准确。这种测量方法对纯正弦波的测量不存在什么问题，对含有谐波分量的 信号则必须先进行滤波处理，避免谐波分量对信号过零触发产生不良影响。但是，当谐波分量很大时，即使采用滤波处理也无法达到令人满意的测量结果。

虚拟仪器的频率测量仍然依赖于采样技术，对信号唯一的考量就是看它是否能够满足采样定理的要求。采集到的数据通过软件进行分析处理并最终获得测量结果。在 LabVIEW信号分析库中，有一个“提取单频信息的VI（Extract Single Tone Information.vi），使用它可以实现提取信号的频率值。它的分析原理是基于FFT变换的。所以具备很高的噪声抑制能力，可以很容易的测量确定 含有谐波信号的频率值。

这对声音、振动信号测试分析是及其有益处的。

虚拟仪器的测量方式只需通过采集获得原始数据，测量功能的实现依赖于所选择的分析处理函数，从而实现多功能的测量。比如一次采集来得数据即可以实现有效值测量、也可以实现频率测量，还可以实现相位或谐波失真的测量等等。

例1－3 测量理念的改变——采样式多点数、多周期测量（不同于以往）