虚拟仪器基本测量原理

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1、.1.2 虚拟仪器基本测量原理      毋庸置疑，那些来自传感器的信号里包含了待测物理量中许多有用信息或基本特征，而测量过程则是对信号进行分析和处理的一个十分复杂的过程。      通常来自传感器的信号基本上是模拟信号。模拟信号最大特点就是它是时间的连续函数。传统仪器对模拟信号的测量可以基本上归结为三种方式：模拟式测量数字式测量采样式全数字化测量      为了更好的理解虚拟仪器的测量原理，首先对传统仪器的测量方式进行一个简单的回顾。 1.2.1 传统仪器的基本测量方法为了能够简单的说明传统仪器的几种基本测量方法，主要以直流电压和交流电压的测量为讨论基础。1.2.1.1 模拟式测量 图

2、1.2.1.1-1      所谓模拟式测量是指那些电工类指针式仪器的测量方法。现在以最经典的、最常见的指针式万用表为例，简单的说明。直流测量：      指针式万用表的基本方法：用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做指示表头。当被测直流电压通过限流电阻产生微小电流通过表头时，指针就会发生偏转并给出相应的示值（表盘的刻度值）。交流测量：      ....当被测交流电压通过限流电阻后，经整流电路将交流电压变成小的直流电流通过表头，指针发生偏转给出相应的交流电压平均值示值。      应该引起注意的是，模拟式仪表在进行测量时，采用的是实时测量方式或者说是连续测量方式的。也就是说：在整个测

3、量过程中测量是连续实时的，整个测量过程不存在着任何时间上的间断点。      其它电磁式、电动式仪表与此测量方式一样也是实时的测量。  1.2.1.2 数字式测量图1.2.1.2-1      数字式仪表，如数字电压表、数字万用表等等，基本上还是采用模拟测量方式，并用数字显示的方法来显示测量结果。现在以最具有代表性的双积分式数字电压表为例简要说明。 直流测量：      双积分式数字电压表将对直流信号的测量分成T1、T2两个阶段（整个测量周期＝T1+T2，约2次／s）。在T1时间内积分器对被测直流信号进行积分，而在T2时间内积分器对内部参考进行反向积分。与此同时将T2的时间间隔转换为与此

4、相对应的数值（脉冲个数）进行显示，最终完成整个测量周期。随后测量将会周而复始的不停的进行。交流测量：      由于数字电压表的直流测量准确度比较高，它的交流测量也要与此相匹配，所以基本上采用AC-DC转换模块先将交流信号变成直流信号来完成测量和显示。AC-DC转换模块有整流平均值式、对数／反对数式、半导体热电变换式等。      这里要注意：在直流测量过程中测量的性质已经发生了一些微妙的变化。前面谈到过模拟式仪表是实时地测量被测信号，在测量时间上是连续不断的，不存在任何时间上的间断点。而数字式仪表的直流测量工作原理已经悄悄地改变了这种测量方式。双积分式数字电压表将直流测量过程分为了T1

5、和T2两个阶段。显然在T2的时间间隔内将不会反映出信号中的任何信息。正因为如此，从时间的连续性上看此种测量方式出现了时间上的间断点。       ....从某种意义上讲：数字式仪表将测量过程分成两个阶段进行。首先，对被侧信号进行“取样（采样）”，然后转入内部转换处理阶段。由于直流信号具有随时间变化十分缓慢的特点，所以测量过程并非一定非要实时的进行。双积分式电压表的设计就充分利用了这一特性，通过“取样”的测量方式来代替过去传统的连续测量方式。       “取样”的概念对我们来说应该不会是很陌生，我们的祖先早已使用“取样”的方法来观测天体间的运行。因为宇宙中星体之间的相对位置变化很缓慢，连

6、续观测是没有实际意义的。所以远古的人们就采用隔一段时间（一天、一月、一年）来“取样”观测它们之间的相对位置，从而计算出天体的运行规律。 1.2.1.3 采样式全数字化测量      长期以来，数字式仪表测量性能的提高基本上依赖于A/D转换器原理的重大突破，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。      数字电压表交流测量部分的提高同样依赖于AC-DC转换技术上的重大突破。比如Fluke8508数字电压表的AC-DC变换器应该是目前最好的AC-D

7、C转换模块。它是Fluke的专利产品，只能出现在Fluke的产品中。      近代，随着精密A/D转换技术和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，如前面我们在例1－2提到过的功率、电能表。      这里所说的“全数字化”与前面谈到的“数字式”在概念上是完全不同的（数字式——模拟式测量方法，测量结果用数字来显示）。      这种基于采样式全数字测量方法，似乎在直流测量和交流测量间并没有给出明确的概