虛擬儀器的測(cè)量原理

1.3.1 傳統(tǒng)儀器的基本測(cè)量原理

圖 1－10 指針式萬(wàn)用表

模擬式測(cè)量?jī)x表是比較常見的測(cè)量?jī)x表，多為電工類指針式測(cè)量?jī)x表，所以也被稱為：指針式儀表。
現(xiàn)在以最經(jīng)典的、最常見的指針式萬(wàn)用表為例，進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

指針式萬(wàn)用表測(cè)量直流電壓的基本原理是：用一只高靈敏度的磁電式直流電流表（微安表）做電壓測(cè)量的指示表頭。當(dāng)被測(cè)直流電壓通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限流電阻時(shí)所產(chǎn)生的微小電流經(jīng)過(guò)表頭時(shí)，指針就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)并給出相應(yīng)的示值（表盤的刻度值）。
在測(cè)量交流電壓時(shí)，先將被測(cè)交流電壓經(jīng)過(guò)衰減后整流變成直流電壓，然后通過(guò)直流電壓的測(cè)量實(shí)現(xiàn)交流電壓的替換測(cè)量，按刻度給出對(duì)應(yīng)的交流電壓示值。

從測(cè)量機(jī)理來(lái)分析，模擬式儀表的測(cè)量過(guò)程是屬于一種連續(xù)測(cè)量過(guò)程。換句話說(shuō)：在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量是連續(xù)不斷的進(jìn)行。即被測(cè)信號(hào)始終施加在測(cè)量機(jī)構(gòu)上，整個(gè)測(cè)量過(guò)程不存在任何時(shí)間上的間斷點(diǎn)。

2. 數(shù)字式儀表

圖 1－11 數(shù)字式萬(wàn)用表

數(shù)字式儀表，例如數(shù)字電壓表、數(shù)字萬(wàn)用表等，是借助于特殊設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將被測(cè)直流電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字來(lái)進(jìn)行顯示，所以被稱為數(shù)字式儀表。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類很多，下面僅以最具有代表性的雙積分式數(shù)字電壓表為例簡(jiǎn)要說(shuō)明直流電壓和交流電壓的基本測(cè)量方式［5］。

雙積分式數(shù)字電壓表將直流電壓的測(cè)量過(guò)程劃分為：T1、T2兩個(gè)階段（整個(gè)測(cè)量周期＝T1+T2）。
在T1時(shí)間段內(nèi)，被測(cè)直流信號(hào)接入積分器開始對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行積分；而在T2時(shí)間段，內(nèi)部參考（極性與被測(cè)信號(hào)相反）接入積分器開始對(duì)內(nèi)部參考進(jìn)行積分。與此同時(shí)，將T2時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為與直流電壓相對(duì)應(yīng)的數(shù)值（脈沖個(gè)數(shù)）進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的顯示，最終完成整個(gè)測(cè)量周期。

數(shù)字電壓表的交流測(cè)量采用AC-DC轉(zhuǎn)換模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。AC-DC轉(zhuǎn)換模塊將被測(cè)交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，然后通過(guò)直流測(cè)量方式來(lái)完成交流的測(cè)量和顯示。AC-DC轉(zhuǎn)換模塊分為整流平均式、對(duì)數(shù)／反對(duì)數(shù)式、模擬運(yùn)算式和半導(dǎo)體熱電變換式等等。

回顧雙積分式數(shù)字電壓表直流電壓測(cè)量過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)它的測(cè)量機(jī)理已經(jīng)發(fā)生了一些微妙的變化。前面曾談到過(guò)，模擬式儀表是實(shí)時(shí)地測(cè)量被測(cè)信號(hào)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程 是連續(xù)不間斷的，不存在任何時(shí)間上的間斷點(diǎn)。而雙積分式數(shù)字電壓表已經(jīng)明顯地改變了模擬式儀表的測(cè)量方式。雙積分式數(shù)字電壓表將直流電壓的測(cè)量過(guò)程分成了 T1和T2兩個(gè)階段。顯然在T2時(shí)間間隔內(nèi)將不會(huì)反映出信號(hào)中的任何信息，因?yàn)檫@個(gè)階段積分器正在對(duì)內(nèi)部參考進(jìn)行積分。因此，從時(shí)間的連續(xù)性上看雙積分的 測(cè)量方式出現(xiàn)了時(shí)間上的間斷點(diǎn)。

通過(guò)雙積分式數(shù)字電壓表直流測(cè)量過(guò)程可以得到這樣一個(gè)事實(shí)：測(cè)量過(guò)程完全可以是一個(gè)不連續(xù)的測(cè)量過(guò)程，它取決于信號(hào)的基本特征。因?yàn)橹绷麟妷盒盘?hào)本身具有 隨時(shí)間變化十分緩慢的特點(diǎn)，所以整個(gè)測(cè)量過(guò)程并非一定要實(shí)時(shí)的進(jìn)行。雙積分式電壓表直流的測(cè)量原理就充分地利用了這一特性。

T1階段又被稱為對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行“取樣”的階段。“取樣”這個(gè)概念對(duì)大家來(lái)說(shuō)應(yīng)該是不會(huì)很陌生，因?yàn)槿祟惖淖嫦仍缫咽褂萌拥姆椒▉?lái)觀測(cè)天體間的運(yùn)行規(guī)律。
宇宙中星體之間的相對(duì)位置變化得很緩慢，實(shí)施連續(xù)觀測(cè)并沒(méi)有什么實(shí)際的意義。因此遠(yuǎn)古的人們就采用隔一段時(shí)間，比如一天、一月、一年來(lái)觀測(cè)它們之間的相對(duì)位置（相當(dāng)于取樣），從而計(jì)算出天體的運(yùn)行規(guī)律。

3. 采樣式全數(shù)字化測(cè)量?jī)x表

長(zhǎng)期以來(lái)，數(shù)字式儀表測(cè)量性能的提高基本上依賴于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的重大突破。比如：從雙積分式發(fā)展到多斜率積分式等等。盡管從工作原理上的突破往往會(huì)對(duì)數(shù)字式 儀表的性能有顯著的改進(jìn)和提高，但這些特殊的設(shè)計(jì)也明顯的增加了儀表的成本，并且導(dǎo)致制造和調(diào)試工藝越來(lái)越復(fù)雜化。
近年來(lái)，隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)及DSP及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一種基于采樣原理的全數(shù)字化測(cè)量?jī)x器。采樣式全數(shù)字測(cè)量，首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行高速率采集，采集到的數(shù)據(jù)傳送到DSP或處理器中進(jìn)行分析處理并顯示出處理結(jié)果。
采樣式全數(shù)字測(cè)量最廣泛的應(yīng)用就是集成化的單、三相電子式電度表的IC芯片，它們已經(jīng)集成化。下面看看該集成電路的原理圖。

圖 1－12 單相電子式電度表IC

在上圖中的左上角，可以看到兩個(gè)對(duì)輸入電壓、電流進(jìn)行同步采樣的ADC，同步采集的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)電能測(cè)量專用的DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終的處理結(jié)果被送到片內(nèi)的MCU完成顯示和其它通訊工作。
如果讀者對(duì)傳統(tǒng)的感應(yīng)式電度表略有簡(jiǎn)單的了解，就會(huì)看到采樣式全數(shù)字測(cè)量所帶來(lái)的巨大好處。它不僅提高了電度表的測(cè)量準(zhǔn)確度，更重要的是去掉了感應(yīng)式的許多部件，比如線圈、轉(zhuǎn)盤等機(jī)械加工部件。并且數(shù)字化的測(cè)量本身就很容易的實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率、自動(dòng)抄表等現(xiàn)代技術(shù)等。

經(jīng)過(guò)以上的簡(jiǎn)單回顧后，現(xiàn)在再來(lái)看看虛擬儀器的基本測(cè)量原理。