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          虛擬儀器的測(cè)量原理
          
						
          
				作者：
				時(shí)間：2017-01-09
				來源：網(wǎng)絡(luò)
				
				
				
				
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          1.3.2 虛擬儀器的基本測(cè)量原理
          實(shí)現(xiàn)虛擬儀器測(cè)量的關(guān)鍵部件之一就是數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集的實(shí)質(zhì)就是通過對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。所以，虛擬儀器的基本測(cè)量方法也是基于采樣技術(shù)的。

          為了更好的了解虛擬儀器的測(cè)量原理，還是有必要對(duì)其它概念也做以簡(jiǎn)要的介紹。
          1. 信號(hào)——虛擬儀器的測(cè)量對(duì)象
          到目前為止，前面所涉及、討論的信號(hào)都是指隨時(shí)間變化的信號(hào)。這些信號(hào)的分類本身比較復(fù)雜，針對(duì)虛擬儀器測(cè)量，可以簡(jiǎn)單的將信號(hào)簡(jiǎn)單的分成以下幾種類型：

          • 直流信號(hào)——直流信號(hào)我們可以將它看成周期無限長(zhǎng)的周期信號(hào)
          • 周期信號(hào)—— 周期信號(hào)是按一定的時(shí)間周而復(fù)始不斷變化的信號(hào)，它是虛擬儀器測(cè)量所面對(duì)的主要信號(hào)形式，許多數(shù)據(jù)處理和分析都是針對(duì)周期信號(hào)來進(jìn)行的
          • 隨機(jī)信號(hào)——隨機(jī)信號(hào)的特點(diǎn)是沒有確定的變化規(guī)律，無法用數(shù)學(xué)關(guān)系式來表述它，也無法預(yù)期它未來的變化規(guī)律。由于隨機(jī)信號(hào)具有某些統(tǒng)計(jì)特性，所以通?？刹捎酶怕式y(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行評(píng)估處理。

          2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器——數(shù)據(jù)采集模塊的核心部件
          數(shù)據(jù)采集模塊中的核心部件就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它負(fù)責(zé)完成對(duì)輸入電信號(hào)的數(shù)字化的全過程以便計(jì)算機(jī)以識(shí)別和處理。
          模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的數(shù)字化過程中要同時(shí)完成兩項(xiàng)工作：采樣和量化。下面我們以正弦信號(hào)為例簡(jiǎn)單分析它的整個(gè)處理過程。
          實(shí)際在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，采樣和量化基本上是同時(shí)完成的，但是為了便于分析我們將這一過程拆解分為“取樣”和“量化”兩階段來分別表述。
          • 取樣
          圖 1－13 對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行取樣
          在上圖中，正弦形狀的線段（紅色）表示一個(gè)模擬正弦輸入信號(hào)x(t)，它是一個(gè)時(shí)域連續(xù)函數(shù)。也就是說，在該信號(hào)的周期內(nèi)任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，都可以找到它所對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確的函數(shù)值。
          所謂“取樣”就是在信號(hào)任意一個(gè)周期內(nèi)，均勻分布的取N個(gè)“采樣”點(diǎn)。在圖1－13正弦包絡(luò)線中的垂直線段（藍(lán)色）就表示32個(gè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)之間的時(shí)間 間隔為Ts。在取樣后我們只能獲得采樣點(diǎn)上的函數(shù)值，而丟棄了其它時(shí)間點(diǎn)的函數(shù)值。這就意味著，原來連續(xù)的正弦信號(hào)采樣后僅用32個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)值來表征。被采 樣后的信號(hào)也稱為離散信號(hào)Xs(nTs)。
          • 量化

          取樣后，對(duì)應(yīng)這32個(gè)點(diǎn)的函數(shù)值仍然是準(zhǔn)確的。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的變換時(shí)，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有限，所以只能用該點(diǎn)的近似值代替原函數(shù)值（量化）Xq(nTs)。
          量化過程導(dǎo)致出現(xiàn)了量化誤差。量化誤差的大小與模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身的積分誤差和微分誤差有關(guān)，還與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲大小有關(guān)。
          圖 1－14 量化后的波形（階梯波）
          從圖1－14可以看到經(jīng)過取樣量化后離散信號(hào)有些類似臺(tái)階波。那么這個(gè)臺(tái)階波信號(hào)還能夠代表原來的正弦信號(hào)嗎？顯然，從數(shù)學(xué)的角度來看，當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)無限的增加，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)也無限增多時(shí)，量化的信號(hào)就會(huì)無限逼近原來的模擬信號(hào)。

          但是要想回答：在有限點(diǎn)取樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換器有限位數(shù)下，離散的量化信號(hào)還能否代表原來的函數(shù)的問題就需要進(jìn)一步了解取樣定理。
          • 取樣定理

          取樣定理： 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行有效取樣，必須以高出信號(hào)中最高頻率部分2倍以上的采樣頻率進(jìn)行方可。
          這個(gè)定理也被稱為抽樣定理、香農(nóng)定理、奈奎斯特定理等，但其含義都是一樣的。取樣定理明確的指出對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行取樣的一個(gè)基本原則，違背這個(gè)原則就會(huì)導(dǎo)致因抽樣不足而產(chǎn)生信號(hào)的混肴。

          請(qǐng)注意：信號(hào)中的最高頻率是指：對(duì)于純正弦信號(hào)來講就是基波頻率；對(duì)于含有諧波信號(hào)的來講就是期待獲得分析的最高次諧波的頻率。
          例如：對(duì)于頻率為1000Hz的純正弦信號(hào)而言，理論采樣頻率大于2000Hz就可以。而對(duì)于基波頻率為1000Hz而包含10次諧波在內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣，理論采樣頻率應(yīng)大于20000Hz。
          在實(shí)際應(yīng)用中，即便是對(duì)于純正弦波，同常也會(huì)取采樣頻率 >10倍信號(hào)頻率。
          采樣頻率也被稱為奈奎斯特頻率。也就是說，當(dāng)確定了采樣頻率后，信號(hào)的有效分析帶寬也就隨之確定了（小于奈奎斯特頻率）。

          取樣定理僅僅說明了采樣頻率與信號(hào)頻率之間的確定性關(guān)系，并沒有說明與模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)間的關(guān)系。從理論上講，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高越好，轉(zhuǎn)換結(jié)果越逼近真 實(shí)值。可是這個(gè)觀點(diǎn)并不是絕對(duì)的，總是會(huì)有例外存在。比如NI公司的DSA（動(dòng)態(tài)信號(hào)分析）數(shù)據(jù)采集模塊通常都是24位的，但它的測(cè)量準(zhǔn)確度很低，主要用 于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量分析。準(zhǔn)確的講，它應(yīng)該被稱為具有24位的分辨率，而不是24位的精度。所以我們?cè)谶x擇確定數(shù)據(jù)采集模塊時(shí)要依據(jù)測(cè)量對(duì)象的需求和數(shù)據(jù)采 集?？焓褂檬謨?cè)來選擇合適的數(shù)據(jù)采集模快。

          最后再回到前面雙積分式電壓表直流電壓的測(cè)量，因?yàn)闇y(cè)量為2次／s，所以等效于直流信號(hào)變化的頻率（波動(dòng)）為1Hz／s。實(shí)際上直流信號(hào)的變化比這要低得多，所以直流電壓測(cè)量是完全滿足取樣定理的。
          可以說：取樣定理是虛擬儀器最核心的定理，基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試、測(cè)量和分析也都是依賴于取樣定理。

          總結(jié)虛擬儀器的測(cè)量原理可以得到這樣的基本認(rèn)識(shí)。虛擬儀器的測(cè)量過程就是在滿足取樣定理的條件下，將采集到被測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)作為虛擬儀器的原始數(shù)據(jù)，而對(duì)這些原始數(shù)據(jù)的處理將依賴軟件來完成，軟件處理的結(jié)果恰恰是來自于用戶的要求。

          虛擬儀器的測(cè)量方式與傳統(tǒng)儀器的測(cè)量方式相比，有什么本質(zhì)上的不同嗎？

          1.3.3 虛擬儀器改變了傳統(tǒng)儀器的測(cè)量方式和理念
          其實(shí)虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)測(cè)量方式和理念。下面舉幾個(gè)例子來說明虛擬儀器對(duì)傳統(tǒng)儀器測(cè)量方式和數(shù)據(jù)處理方式的改變。

          例1－1 測(cè)量方式的改變——采樣式有效值測(cè)量 （不需要AC-DC轉(zhuǎn)換器）
          測(cè)量周期信號(hào)的有效值一般需要AC-DC轉(zhuǎn)換器。最常見的轉(zhuǎn)換方式是［5］：
          1. 熱電式轉(zhuǎn)換器——多元熱電偶，精密運(yùn)放、DC數(shù)字電壓表
          2. 模擬運(yùn)算式轉(zhuǎn)換器——精密模擬乘法器， 精密運(yùn)放、DC數(shù)字電壓表
          3. 對(duì)數(shù)式轉(zhuǎn)換器——精密對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換器、 精密運(yùn)放、DC數(shù)字電壓表
          4. 半導(dǎo)體熱電式轉(zhuǎn)換器——固態(tài)半導(dǎo)體器件（專利）、 精密運(yùn)放、DC數(shù)字電壓表
          5. 采樣式轉(zhuǎn)換器——嵌入式處理器、精密ADC轉(zhuǎn)換器、特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)算處理軟件
          
		
          
		
          
		
          
		
          
		
          
			
            
				
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          關(guān)鍵詞：
            			            虛擬儀器測(cè)量原
                        
            
          
            
			
          
		
          	
		

	

          
	
	
          
		
          
			
          評(píng)論
          					
		
          
		
          
			
          
			
				
          
					
					
          
						
                        
					
          
				
          
                		
						
						
			
          
		
          
		
          
		
          
            
			
            
		
          
	
          
	
          
	
          
		
		

          


	
          
	
          
		
		
	
          


    
          
        
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