虛擬儀器基本測(cè)量原理

1、1.2虛擬儀器基本測(cè)量原理毋庸置疑，那些來(lái)自傳感器的信號(hào)里包含了待測(cè)物理量中許多有用信息或基本特征，而測(cè)量過(guò)程則 是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理的一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。通常來(lái)自傳感器的信號(hào)基本上是模擬信號(hào)。模擬信號(hào)最大特點(diǎn)就是它是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。傳統(tǒng)儀器對(duì)模擬信號(hào)的測(cè)量可以基本上歸結(jié)為三種方式：模擬式測(cè)量數(shù)字式測(cè)量采樣式全數(shù)字化測(cè)量為了更好的理解虛擬儀器的測(cè)量原理，首先對(duì)傳統(tǒng)儀器的測(cè)量方式進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的回顧。1.2.1傳統(tǒng)儀器的基本測(cè)量方法為了能夠簡(jiǎn)單的說(shuō)明傳統(tǒng)儀器的幾種基本測(cè)量方法，主要以直流電壓和交流電壓的測(cè)量為討論基礎(chǔ)。1.2.1.1模擬式測(cè)量圖 1.2.1.1-1所謂模擬式測(cè)量是指那些電工類指針

2、式儀器的測(cè)量方法?，F(xiàn)在以最經(jīng)典的、最常見(jiàn)的指針式萬(wàn)用表 為例，簡(jiǎn)單的說(shuō)明。直流測(cè)量：指針式萬(wàn)用表的基本方法：用一只靈敏的磁電式直流電流表微安表）做指示表頭。當(dāng)被測(cè)直流電 壓通過(guò)限流電阻產(chǎn)生微小電流通過(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）。交流測(cè)量：當(dāng)被測(cè)交流電壓通過(guò)限流電阻后，經(jīng)整流電路將交流電壓變成小的直流電流通過(guò)表頭，指針發(fā)生偏 轉(zhuǎn)給出相應(yīng)的交流電壓平均值示值。應(yīng)該引起注意的是，模擬式儀表在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用的是實(shí)時(shí)測(cè)量方式或者說(shuō)是連續(xù)測(cè)量方式的。也就是說(shuō)：在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中測(cè)量是連續(xù)實(shí)時(shí)的，整個(gè)測(cè)量過(guò)程不存在著任何時(shí)間上的間斷點(diǎn)。其它電磁式、電動(dòng)式儀表與此測(cè)量方式一樣也是實(shí)

3、時(shí)的測(cè)量。圖 1.2.1.2-1數(shù)字式儀表，如數(shù)字電壓表、數(shù)字萬(wàn)用表等等，基本上還是采用模擬測(cè)量方式，并用數(shù)字顯示的方 法來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果?，F(xiàn)在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。直流測(cè)量：雙積分式數(shù)字電壓表將對(duì)直流信號(hào)的測(cè)量分成T1、T2兩個(gè)階段整個(gè)測(cè)量周期=T1+T2，約2次 /s）o在T1時(shí)間內(nèi)積分器對(duì)被測(cè)直流信號(hào)進(jìn)行積分，而在T2時(shí)間內(nèi)積分器對(duì)內(nèi)部參考進(jìn)行反向積分。 與此同時(shí)將T2的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為與此相對(duì)應(yīng)的數(shù)值脈沖個(gè)數(shù)）進(jìn)行顯示，最終完成整個(gè)測(cè)量周期。隨 后測(cè)量將會(huì)周而復(fù)始的不停的進(jìn)行。交流測(cè)量：由于數(shù)字電壓表的直流測(cè)量準(zhǔn)確度比較高，它的交流測(cè)量也要與此相匹配，所以基本上采

4、用AC-DC 轉(zhuǎn)換模塊先將交流信號(hào)變成直流信號(hào)來(lái)完成測(cè)量和顯示。AC-DC轉(zhuǎn)換模塊有整流平均值式、對(duì)數(shù)/反對(duì) 數(shù)式、半導(dǎo)體熱電變換式等。這里要注意：在直流測(cè)量過(guò)程中測(cè)量的性質(zhì)巳經(jīng)發(fā)生了一些微妙的變化。前面談到過(guò)模擬式儀表是 實(shí)時(shí)地測(cè)量被測(cè)信號(hào)，在測(cè)量時(shí)間上是連續(xù)不斷的，不存在任何時(shí)間上的間斷點(diǎn)。而數(shù)字式儀表的直流測(cè) 量工作原理巳經(jīng)悄悄地改變了這種測(cè)量方式。雙積分式數(shù)字電壓表將直流測(cè)量過(guò)程分為了 T1和T2兩個(gè) 階段。顯然在T2的時(shí)間間隔內(nèi)將不會(huì)反映出信號(hào)中的任何信息。正因?yàn)槿绱?，從時(shí)間的連續(xù)性上看此種 測(cè)量方式出現(xiàn)了時(shí)間上的間斷點(diǎn)。從某種意義上講：數(shù)字式儀表將測(cè)量過(guò)程分成兩個(gè)階段進(jìn)行。首先，對(duì)

5、被側(cè)信號(hào)進(jìn)行取樣采 樣），然后轉(zhuǎn)入內(nèi)部轉(zhuǎn)換處理階段。由于直流信號(hào)具有隨時(shí)間變化十分緩慢的特點(diǎn)，所以測(cè)量過(guò)程并非 一定非要實(shí)時(shí)的進(jìn)行。雙積分式電壓表的設(shè)計(jì)就充分利用了這一特性，通過(guò)、取樣的測(cè)量方式來(lái)代替過(guò)去 傳統(tǒng)的連續(xù)測(cè)量方式。取樣”的概念對(duì)我們來(lái)說(shuō)應(yīng)該不會(huì)是很陌生，我們的祖先早巳使用取樣”的方法來(lái)觀測(cè)天體間的運(yùn) 行。因?yàn)橛钪嬷行求w之間的相對(duì)位置變化很緩慢，連續(xù)觀測(cè)是沒(méi)有實(shí)際意義的。所以遠(yuǎn)古的人們就采用隔 一段時(shí)間 一天、一月、一年）來(lái)取樣觀測(cè)它們之間的相對(duì)位置，從而計(jì)算出天體的運(yùn)行規(guī)律。1.2.1.3采樣式全數(shù)字化測(cè)量長(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A/D轉(zhuǎn)換器原理的重大突破，比

6、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。數(shù)字電壓表交流測(cè)量部分的提高同樣依賴于AC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)上的重大突破。比如Fluke 8508數(shù) 字電壓表的AC-DC變換器應(yīng)該是目前最好的AC-DC轉(zhuǎn)換模塊。它是Fluke的專利產(chǎn)品，只能出現(xiàn)在 Fluke的產(chǎn)品中。近代，隨著精密A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)和數(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，如前面我們?cè)诶? 2提到過(guò)的功率、電能表。這里所說(shuō)的、全數(shù)字化”與前面談到的、數(shù)字式”在概念上是

7、完全不同的 數(shù)字式一一模擬式測(cè)量方法， 測(cè)量結(jié)果用數(shù)字來(lái)顯示）。這種基于采樣式全數(shù)字測(cè)量方法，似乎在直流測(cè)量和交流測(cè)量間并沒(méi)有給出明確的概念。測(cè)量首先 完成對(duì)輸入信號(hào)的高速采集，至于是直流測(cè)量還是交流測(cè)量則取決于后面選擇什么樣的數(shù)據(jù)處理方式。由 于測(cè)量基于對(duì)信號(hào)采樣后的數(shù)據(jù)處理，所以被稱采樣式測(cè)量是全數(shù)字化測(cè)量。目前采樣式測(cè)量原理巳經(jīng)成為民用、工業(yè)電子式單、三相電度表的基本測(cè)量原理，并且巳經(jīng)單片集 成化。下面我們看一個(gè)采樣式單相電度表用集成電路的原理圖。7 i* irrEw里 sasJ * IM s-Hnw 一 wsolhmumwE 4FL3- 一|4亶 7 言MXHiJ -*_=-始 由做展

8、CCLE (MAS MCUM械IM KTERF 邳 ECOUtirLR.nr=R5FNEWDY IKA&LjREMEI1 NV REfLCD 七ELWEL d d. th L ADE7S1SP2.0 翰PZ.BiSDE lXg U2WW2 LCDV* WM LtDvC C4HSkU FPOFPM FPIf FP1T FP1I FP1I IPlfl F?1 fpst弁好 FPMfP24 , PH圖 1.2.1.3-1在圖1.2.1.3-1的左上角，可以看到對(duì)輸入電壓和輸入電流進(jìn)行采樣的兩個(gè)ADC模數(shù)變換器）， 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M

9、CU。 MCU完成顯示和其它通訊工作。如果讀者對(duì)過(guò)去的感應(yīng)式電度表略有了解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)采樣式測(cè)量所帶來(lái)的巨大好處。它不僅僅是將 電度表的測(cè)量準(zhǔn)確度提高了1倍以上，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，并且很容易的實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率、自動(dòng)抄表等技術(shù)等。目前世界上頂級(jí)的電度表制造商，如德國(guó)的ZERA、HEM，美國(guó)的Radian公司所生產(chǎn)的0.01級(jí) 單、三相標(biāo)準(zhǔn)功率、電能表都采用的是采樣式原理。其實(shí)虛擬儀器的測(cè)量方式也是基于數(shù)字采樣方法的，所不同的是它采用通用數(shù)據(jù)采集模塊和威力強(qiáng) 大的數(shù)據(jù)處理方法。1.2.2虛擬儀器的基本測(cè)量原理通過(guò)本書的“1.1.2虛擬儀器構(gòu)成”一節(jié)的介紹，大

10、家巳經(jīng)清楚了虛擬儀器是由數(shù)據(jù)采集模塊和應(yīng)用 軟件構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集本質(zhì)就是采樣，所以虛擬儀器的測(cè)量方法也是基于采樣技術(shù)的。因?yàn)閼?yīng)用軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)是本書內(nèi)容中的重中之重，所以這里暫先不做討論。重點(diǎn)先放在數(shù)據(jù)采集的采樣原理的介紹上。1.2.2.1數(shù)據(jù)采集的對(duì)象一一信號(hào)我們目前所討論的輸入信號(hào)都是隨時(shí)間變化的信號(hào)。這些信號(hào)的分類本身是比較復(fù)雜的，可是針對(duì) 虛擬儀器測(cè)量我們可以簡(jiǎn)單的將信號(hào)簡(jiǎn)單的分成一下幾種類型：直流信號(hào)周期信號(hào)隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào)的特點(diǎn)是沒(méi)有確定的變化規(guī)律，無(wú)法用數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)表述它的變化特性，也無(wú)法預(yù)期它未 來(lái)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

11、。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(lái)進(jìn)行的。至于直流信號(hào)我們可以將它看成周期無(wú)限長(zhǎng)的周期信號(hào)，所以它將與周期信號(hào)放在一起，不另做討 論。下面討論數(shù)據(jù)采集的簡(jiǎn)單原理。1.2.2.2數(shù)據(jù)采集的基本原理一一模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集模塊中的核心部件就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC）負(fù)責(zé)完成對(duì)輸入信號(hào)的數(shù)字化工作，以便計(jì)算 機(jī)可以可以識(shí)別及方便進(jìn)行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的數(shù)字化過(guò)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(guò)程。在實(shí)際的模擬數(shù)字變換過(guò)程中，采樣和量化是同時(shí)完成的，為了便于分析我們將這

12、一過(guò)程拆解分為 取樣”和量化”兩階段來(lái)分別表述。圖 1.2.2.2-1取樣在圖1.2.2.2-1中，紅色的線段表示一個(gè)正弦模擬量輸入信號(hào)，它是時(shí)域的連續(xù)函數(shù)。在該信號(hào)周 期內(nèi)的任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，都可以找到它所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確函數(shù)值。所謂取樣就是在單信號(hào)周期內(nèi)均勻分布的取32個(gè)采樣點(diǎn)，紅色線段上的藍(lán)點(diǎn)表示采樣點(diǎn)的數(shù)值也 是十分精確的值，取樣后我們只能獲得取樣點(diǎn)上的函數(shù)值，而丟棄了其它時(shí)間點(diǎn)的函數(shù)值。顯然，由于每 個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)不同，所獲得的函數(shù)樣本數(shù)也會(huì)不同。這就意味著，對(duì)原來(lái)的連續(xù)正弦信號(hào)而言，此 時(shí)僅用32個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)值來(lái)表征原正弦信號(hào)離散信號(hào))。設(shè)抽樣前的正弦信號(hào)為：x, x(At, x(2At,

13、，在 t = 0, At, 2At, 3At,.,這里At被稱為抽樣間隔,i = 0,1,2,3關(guān)于量化誤差的表示方法，這里就不做討論了，它與模數(shù)轉(zhuǎn)換器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)。我們可看到經(jīng)過(guò)取樣量化后離散信號(hào)有些類似臺(tái)階波。圖 1.2.2.2-2在圖1.2.2.2-2中可以反映出兩個(gè)問(wèn)題：一是，量化后由于量化誤差的存在將導(dǎo)致藍(lán)色線段不同點(diǎn) 的水平分量近似于藍(lán)點(diǎn)所表示的精確值圖中沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)）；二是，在取樣的相鄰區(qū)間時(shí)間間隔內(nèi)的連 續(xù)的正弦函數(shù)值紅色）被量化后的定值藍(lán)色水平線段）所取代。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后原來(lái)的連續(xù)的正弦函數(shù)紅色線段）被階梯狀的藍(lán)色連續(xù)線段

14、所取代。 由此可見(jiàn)正弦信號(hào)的波形發(fā)生了變化，那么這個(gè)信號(hào)藍(lán)色）還能代表原來(lái)的正弦信號(hào)紅色）嗎？從數(shù)學(xué)的角度看，當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)無(wú)限的增加，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)也無(wú)限增多時(shí)，數(shù)字 化的信號(hào)就會(huì)無(wú)限逼近原來(lái)的模擬信號(hào)。要想回答回答在有限點(diǎn)取樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換器有限位數(shù)下還能否代表 原來(lái)的函數(shù)的問(wèn)題就需要進(jìn)一步了解取樣定理。1.2.2.3數(shù)據(jù)采集的基本定理一一取樣定理對(duì)輸入信號(hào)取樣，必須以高出信號(hào)中最高頻率部分2倍以上的頻率進(jìn)行。這個(gè)原理也被稱為抽樣定理”、取樣定理”、香農(nóng)定理”、奈奎斯特定理等多種稱謂，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

15、樣不足 而產(chǎn)生信號(hào)的混肴。取樣定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式：fs2fa式中：fs為抽樣頻率，fa為信號(hào)中最高頻率請(qǐng)注意：信號(hào)中的最高頻率是指，對(duì)于純正弦信號(hào)來(lái)講就是基波頻率；對(duì)于含有諧波信號(hào)的來(lái)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)，理論上抽樣頻率大于2000Hz就可以了。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)行抽樣，理論上抽樣頻率應(yīng)大于20000HZo在實(shí)際應(yīng)用中，即便是對(duì)于純正弦波，也會(huì)取fs10fa或比10倍更多。fs/2也被稱為奈奎斯特頻率。也就是說(shuō)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）。實(shí)際上通常的信號(hào)帶

16、寬總是小于奈奎斯特頻率的。取樣定理僅僅說(shuō)明了取樣頻率與信號(hào)頻率之間的確定性關(guān)系，并沒(méi)有說(shuō)明與模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)間的關(guān) 系。前面巳經(jīng)表述過(guò)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高越好。從理論上是這樣的，實(shí)際上并非如此。比如：NI公 司的DSA數(shù)據(jù)采集模塊通常都是24位的，但它的測(cè)量準(zhǔn)確度確很低，主要用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量分析。 所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)還是要依據(jù)測(cè)量的需求選擇合適的數(shù)據(jù)采集?？臁，F(xiàn)在在回到前面雙積分式電壓表的直流測(cè)量問(wèn)題，因?yàn)闇y(cè)量頻率為2次/s，等效于直流信號(hào)的頻率 為1Hz/s，實(shí)際上直流信號(hào)的頻率要比這低得多，所以直流測(cè)量是完全滿足取樣定理的。下面我們通過(guò)一個(gè)實(shí)例的展示來(lái)看看基于數(shù)字采樣的測(cè)量會(huì)給我們帶來(lái)

17、什么樣的好處。1.2.2.4數(shù)據(jù)采集的測(cè)量實(shí)例一一有效值測(cè)量基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量正在改變?nèi)藗冞^(guò)去傳統(tǒng)的測(cè)量方式和方法。比如前面我們?cè)劦綌?shù)字電壓表的交 流測(cè)量采用AC-DC轉(zhuǎn)換模塊，而在基于采樣式的測(cè)量中AC-DC轉(zhuǎn)換模塊不復(fù)存在了。下面用RMS測(cè) 量的例子來(lái)說(shuō)明采樣式是如何測(cè)量交流信號(hào)的。1、有效值RMS）的定義有效值的定義來(lái)自于電阻負(fù)載上的熱效應(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。電流的有效值的定義就是以這個(gè)熱效應(yīng)來(lái)確定的，換句話說(shuō)，若某個(gè)周期電流i通過(guò)電阻R在一個(gè) 周期時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，和另一個(gè)直流電流I通過(guò)同樣電阻R同樣的時(shí)間

18、內(nèi)所產(chǎn)生的熱量相等，那么 周期電流i的有效值在數(shù)值上就等效這個(gè)直流I。根據(jù)歐姆定律，這個(gè)定義對(duì)電壓仍然有效。圖 1.2.2.4-12、傳統(tǒng)的有效值測(cè)量方法傳統(tǒng)有效值測(cè)量方法有很多，比如熱電式、對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)、乘法型等等，這里僅介紹一種基于熱電變換 式的方法。固態(tài)熱電變換原理固態(tài)真有效值探測(cè)器的原理仍來(lái)自熱電效應(yīng)。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)的熱電變換器。幾經(jīng)改進(jìn)達(dá)到了實(shí)用、完美的程度。它也是Fluke8508、Fluke5790、 Fluke792A等儀器交流測(cè)量部分的核心部件。圖 1.2.2.4-2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。它的原理很簡(jiǎn)單，輸入電壓Vin加熱電阻R1，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，這個(gè)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的輸出發(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)換方式是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的，Vout輸出的就是與Vi