虛擬儀器的測(cè)量原理
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事實(shí)上，無(wú)論采用上述那種方式來(lái)測(cè)量周期信號(hào)的有效值都是依據(jù)有效值的定義。有效值的定義源自于熱電效應(yīng)。
焦耳定律表明，電阻器以熱的形式耗散由電壓或電流在它上面所產(chǎn)生的功率。所產(chǎn)生的熱量和功率成正比。
式1－1給出了依據(jù)熱電效應(yīng)導(dǎo)出的有效值數(shù)學(xué)表達(dá)式。
式1－1
式中：u(t) 被測(cè)信號(hào)
T 被測(cè)信號(hào)的周期，倒數(shù)為被測(cè)信號(hào)的頻率
下面僅以半導(dǎo)體熱電式轉(zhuǎn)換器為例簡(jiǎn)要介紹AC-DC轉(zhuǎn)換器的基本轉(zhuǎn)換原理［6］。
半導(dǎo)體熱電式轉(zhuǎn)換器也被稱為：固態(tài)真有效值轉(zhuǎn)換器，它依據(jù)的就是熱電轉(zhuǎn)換原理。美國(guó)Fluke公司在上個(gè)世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)開發(fā)了這種基于半導(dǎo)體技術(shù)的熱電 轉(zhuǎn)換器。幾經(jīng)改進(jìn)達(dá)到了實(shí)用、完美的程度。它也是Fluke 8508、Fluke 5790、Fluke 792A等儀器交流測(cè)量部分的核心部件。
T 被測(cè)信號(hào)的周期，倒數(shù)為被測(cè)信號(hào)的頻率
下面僅以半導(dǎo)體熱電式轉(zhuǎn)換器為例簡(jiǎn)要介紹AC-DC轉(zhuǎn)換器的基本轉(zhuǎn)換原理［6］。
半導(dǎo)體熱電式轉(zhuǎn)換器也被稱為：固態(tài)真有效值轉(zhuǎn)換器，它依據(jù)的就是熱電轉(zhuǎn)換原理。美國(guó)Fluke公司在上個(gè)世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)開發(fā)了這種基于半導(dǎo)體技術(shù)的熱電 轉(zhuǎn)換器。幾經(jīng)改進(jìn)達(dá)到了實(shí)用、完美的程度。它也是Fluke 8508、Fluke 5790、Fluke 792A等儀器交流測(cè)量部分的核心部件。
圖 1－15 固態(tài)真有效值轉(zhuǎn)換器
這是一個(gè)十分有創(chuàng)造力的一個(gè)發(fā)明，是Fluke公司的專利。它利用半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于熱電變換原理的固態(tài)熱電變換器。
它的轉(zhuǎn)換原理很簡(jiǎn)單，輸入電壓Vin使電阻R1產(chǎn)生一定的熱量，與電阻同處一體的晶體管Q1的Vbe就會(huì)感知這個(gè)溫度變化，從而導(dǎo)致它的輸出發(fā)生變化，使 差分放大器產(chǎn)生一個(gè)直流輸出加到電阻R2上，R2與R1的作用相同，它產(chǎn)生的熱量使Q2的Vbe發(fā)生改變，最終自動(dòng)調(diào)節(jié)的結(jié)果使得Vin=Vout，完成 了交直流轉(zhuǎn)換的任務(wù)。
請(qǐng)注意，設(shè)計(jì)時(shí)R1和Q1、R2和Q2是被分別放置在熱隔離很好的兩個(gè)孤島上，用來(lái)保證PN結(jié)對(duì)熱量的準(zhǔn)確吸收。
這種轉(zhuǎn)換方式由于運(yùn)算放大器的作用實(shí)際上是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的，這應(yīng)該不難理解。Vout輸出的就是與Vin輸入有效值等值的直流電壓。最后經(jīng)過計(jì)算機(jī)的線性化修正，它就可以達(dá)到交流轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的水平。
在來(lái)看看虛擬儀器的測(cè)量方式。 依據(jù)式1－1，在滿足采樣定理的前提下，若對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)u(t) 進(jìn)行n次采樣，其離散采樣值為ui ，這樣很容易得到離散信號(hào)有效值的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
它的轉(zhuǎn)換原理很簡(jiǎn)單，輸入電壓Vin使電阻R1產(chǎn)生一定的熱量，與電阻同處一體的晶體管Q1的Vbe就會(huì)感知這個(gè)溫度變化，從而導(dǎo)致它的輸出發(fā)生變化，使 差分放大器產(chǎn)生一個(gè)直流輸出加到電阻R2上，R2與R1的作用相同，它產(chǎn)生的熱量使Q2的Vbe發(fā)生改變，最終自動(dòng)調(diào)節(jié)的結(jié)果使得Vin=Vout，完成 了交直流轉(zhuǎn)換的任務(wù)。
請(qǐng)注意，設(shè)計(jì)時(shí)R1和Q1、R2和Q2是被分別放置在熱隔離很好的兩個(gè)孤島上，用來(lái)保證PN結(jié)對(duì)熱量的準(zhǔn)確吸收。
這種轉(zhuǎn)換方式由于運(yùn)算放大器的作用實(shí)際上是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的，這應(yīng)該不難理解。Vout輸出的就是與Vin輸入有效值等值的直流電壓。最后經(jīng)過計(jì)算機(jī)的線性化修正，它就可以達(dá)到交流轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的水平。
在來(lái)看看虛擬儀器的測(cè)量方式。 依據(jù)式1－1，在滿足采樣定理的前提下，若對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)u(t) 進(jìn)行n次采樣，其離散采樣值為ui ，這樣很容易得到離散信號(hào)有效值的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
式1－2
從式1－2可以看到，虛擬儀器測(cè)量是基于采樣式測(cè)量原理。通過對(duì)被測(cè)信號(hào)直接進(jìn)行采樣然后再經(jīng)過軟件運(yùn)算處理就可以得到被測(cè)信號(hào)的有效值。我們需注意到： 在這個(gè)過程中并不需要使用任何AC-DC轉(zhuǎn)換器（上面所列前4種都需要類型不同的AC-DC轉(zhuǎn)換器）。顯然，虛擬儀器基于采樣原理的測(cè)量方式不僅從測(cè)試方 法上大大簡(jiǎn)化了測(cè)量電路，并且還保證了準(zhǔn)確測(cè)量。
盡管上面所列的第5種測(cè)量方式也是基于采樣式。但是，嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上的復(fù)雜性和軟件開發(fā)的難度，顯然比虛擬儀器要多得多。
其實(shí)，虛擬儀器這種測(cè)量方式在功率、電能測(cè)量過程中效果更加突出。搞過模擬電路設(shè)計(jì)的一定有過深刻的體會(huì)，模擬乘法器是多么的復(fù)雜和不宜調(diào)整，并且準(zhǔn)確 度、線性度以及帶寬都難以得到有效的保證。數(shù)字采樣結(jié)合數(shù)字乘法器可將模擬乘法技術(shù)指標(biāo)提高至少一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上（一個(gè)數(shù)量級(jí)泛指10倍的關(guān)系）。
例1－2 測(cè)量方式的改變——采樣式的頻率測(cè)量（利用數(shù)字信號(hào)處理軟件）
盡管上面所列的第5種測(cè)量方式也是基于采樣式。但是，嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上的復(fù)雜性和軟件開發(fā)的難度，顯然比虛擬儀器要多得多。
其實(shí)，虛擬儀器這種測(cè)量方式在功率、電能測(cè)量過程中效果更加突出。搞過模擬電路設(shè)計(jì)的一定有過深刻的體會(huì)，模擬乘法器是多么的復(fù)雜和不宜調(diào)整，并且準(zhǔn)確 度、線性度以及帶寬都難以得到有效的保證。數(shù)字采樣結(jié)合數(shù)字乘法器可將模擬乘法技術(shù)指標(biāo)提高至少一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上（一個(gè)數(shù)量級(jí)泛指10倍的關(guān)系）。
例1－2 測(cè)量方式的改變——采樣式的頻率測(cè)量（利用數(shù)字信號(hào)處理軟件）
周期信號(hào)的頻率測(cè)量，長(zhǎng)期以來(lái)一直都是依賴于數(shù)字式頻率計(jì)。它的測(cè)量原理就是在單位時(shí)間內(nèi)，用信號(hào)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)填充，從而獲得被測(cè)信號(hào)的頻率值。當(dāng)被測(cè)信 號(hào)的頻率比較低時(shí)，采用周期測(cè)量法。周期測(cè)量法取決于對(duì)被測(cè)信號(hào)過零時(shí)觸發(fā)時(shí)間是否準(zhǔn)確。這種測(cè)量方法對(duì)純正弦波的測(cè)量不存在什么問題，對(duì)含有諧波分量的 信號(hào)則必須先進(jìn)行濾波處理，避免諧波分量對(duì)信號(hào)過零觸發(fā)產(chǎn)生不良影響。但是，當(dāng)諧波分量很大時(shí)，即使采用濾波處理也無(wú)法達(dá)到令人滿意的測(cè)量結(jié)果。
虛擬儀器的頻率測(cè)量仍然依賴于采樣技術(shù)，對(duì)信號(hào)唯一的考量就是看它是否能夠滿足采樣定理的要求。采集到的數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行分析處理并最終獲得測(cè)量結(jié)果。在 LabVIEW信號(hào)分析庫(kù)中，有一個(gè)“提取單頻信息的VI（Extract Single Tone Information.vi），使用它可以實(shí)現(xiàn)提取信號(hào)的頻率值。它的分析原理是基于FFT變換的。所以具備很高的噪聲抑制能力，可以很容易的測(cè)量確定 含有諧波信號(hào)的頻率值。
這對(duì)聲音、振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析是及其有益處的。
虛擬儀器的測(cè)量方式只需通過采集獲得原始數(shù)據(jù)，測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)依賴于所選擇的分析處理函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多功能的測(cè)量。比如一次采集來(lái)得數(shù)據(jù)即可以實(shí)現(xiàn)有效值測(cè)量、也可以實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，還可以實(shí)現(xiàn)相位或諧波失真的測(cè)量等等。
例1－3 測(cè)量理念的改變——采樣式多點(diǎn)數(shù)、多周期測(cè)量（不同于以往）
虛擬儀器的頻率測(cè)量仍然依賴于采樣技術(shù)，對(duì)信號(hào)唯一的考量就是看它是否能夠滿足采樣定理的要求。采集到的數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行分析處理并最終獲得測(cè)量結(jié)果。在 LabVIEW信號(hào)分析庫(kù)中，有一個(gè)“提取單頻信息的VI（Extract Single Tone Information.vi），使用它可以實(shí)現(xiàn)提取信號(hào)的頻率值。它的分析原理是基于FFT變換的。所以具備很高的噪聲抑制能力，可以很容易的測(cè)量確定 含有諧波信號(hào)的頻率值。
這對(duì)聲音、振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析是及其有益處的。
虛擬儀器的測(cè)量方式只需通過采集獲得原始數(shù)據(jù)，測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)依賴于所選擇的分析處理函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多功能的測(cè)量。比如一次采集來(lái)得數(shù)據(jù)即可以實(shí)現(xiàn)有效值測(cè)量、也可以實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，還可以實(shí)現(xiàn)相位或諧波失真的測(cè)量等等。
例1－3 測(cè)量理念的改變——采樣式多點(diǎn)數(shù)、多周期測(cè)量（不同于以往）
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于CPU的運(yùn)算能力和內(nèi)存大小的限制，對(duì)交流信號(hào)的測(cè)量基本上都是采用等周期測(cè)量的方式（實(shí)質(zhì)是一種單周期的測(cè)量方式）。對(duì)被測(cè)信號(hào)的采樣需要滿足下式：
式1－3
T——被測(cè)信號(hào)的周期
n——被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，常數(shù)
Ts——采樣時(shí)間間隔
滿足式 1－3 的采樣關(guān)系，被稱為等周期采樣。等周期采樣的實(shí)質(zhì)是：采樣頻率必須是信號(hào)周期的整倍數(shù)（約定常數(shù)），這樣可以避免采樣截?cái)嗪笏a(chǎn)生的泄露。
實(shí)際上，由于信號(hào)自身穩(wěn)定性和噪聲干擾的存在，以及信號(hào)頻率與采樣頻率不是整倍數(shù)的關(guān)系等，通常會(huì)很難滿足式 1－3 的要求。這樣就會(huì)帶來(lái)采樣截?cái)嗪笮孤端鸬臏y(cè)量誤差［7］。
為了解決這個(gè)問題，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大多都采用加窗處理及采用等周期準(zhǔn)同步采樣的方法（這里同步的概念不同于同步采樣，這里的同步指的是采樣頻率與被測(cè) 信號(hào)周期的同步，包括硬件同步或軟件同步）。當(dāng)然，無(wú)論加窗還是采用硬件同步還是軟件的同步都大大的增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
那么在虛擬儀器中能夠解決或避免此類問題的發(fā)生嗎？
在虛擬儀器采樣測(cè)量中，由于采樣點(diǎn)數(shù)可以選取的較多，這樣就可以將采樣截?cái)嗪笏a(chǎn)生的泄露影響大大降低。
同時(shí)，虛擬儀器采樣測(cè)量中最可取的是：虛擬儀器的采樣是一種多周期的連續(xù)采樣，同樣可以降低泄露所帶來(lái)的影響。二者的綜合作用結(jié)果，基本上可以將泄露的影響降低到完全可以忽略的程度。
例如，在50Hz工頻信號(hào)的測(cè)量中，如果將采樣頻率Fs設(shè)定為50kHz，而讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)#s設(shè)為50000S／s。相當(dāng)于每次提取50個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行 分析處理，而每個(gè)周期包含了1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。憑借著商業(yè)化計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力及圖形化軟件的處理優(yōu)勢(shì)，這種多點(diǎn)數(shù)、多周期的測(cè)量幾乎無(wú)法察覺泄露所帶 來(lái)的影響，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證其測(cè)量結(jié)果即穩(wěn)定又準(zhǔn)確。
顯然，這是虛擬儀器所具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。因數(shù)據(jù)處理量龐大、計(jì)算方法復(fù)雜這是嵌入式系統(tǒng)很難做得到的。
這幾個(gè)例子說(shuō)明，虛擬儀器采樣式的測(cè)量可以簡(jiǎn)化測(cè)量方式，改變測(cè)量理念。比如虛擬儀器的硬件是數(shù)據(jù)采集模塊（標(biāo)準(zhǔn)模塊），它拋棄了傳統(tǒng)儀器中的AC—DC 轉(zhuǎn)換器和過零觸發(fā)電路、計(jì)數(shù)器等專用的硬件電路。不同的軟件處理的方式提供了對(duì)測(cè)量分析的結(jié)果。最終的效果就是提高測(cè)量結(jié)果的可信度。受益的還是使用虛擬 儀器的用戶。
也就是說(shuō)：采樣獲得的數(shù)據(jù)并不決定測(cè)量功能，測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)依賴于使用什么分析處理函數(shù)（VI）。測(cè)量功能的改變靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以它的測(cè)量功能是可以由用戶或設(shè)計(jì)者自己來(lái)定義、實(shí)現(xiàn)的。
其實(shí)，虛擬儀器還有更多的特點(diǎn)。
評(píng)論