虛擬儀器基本測量原理

1、1.2虛擬儀器基本測量原理毋庸置疑，那些來自傳感器的信號里包含了待測物理量中許多有用信息或基本特征，而測量過程則 是對信號進行分析和處理的一個十分復雜的過程。通常來自傳感器的信號基本上是模擬信號。模擬信號最大特點就是它是時間的連續(xù)函數(shù)。傳統(tǒng)儀器對模擬信號的測量可以基本上歸結(jié)為三種方式：模擬式測量數(shù)字式測量采樣式全數(shù)字化測量為了更好的理解虛擬儀器的測量原理，首先對傳統(tǒng)儀器的測量方式進行一個簡單的回顧。1.2.1傳統(tǒng)儀器的基本測量方法為了能夠簡單的說明傳統(tǒng)儀器的幾種基本測量方法，主要以直流電壓和交流電壓的測量為討論基礎(chǔ)。1.2.1.1模擬式測量圖 1.2.1.1-1所謂模擬式測量是指那些電工類指針

2、式儀器的測量方法?，F(xiàn)在以最經(jīng)典的、最常見的指針式萬用表 為例，簡單的說明。直流測量：指針式萬用表的基本方法：用一只靈敏的磁電式直流電流表微安表）做指示表頭。當被測直流電 壓通過限流電阻產(chǎn)生微小電流通過表頭時，指針就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)并給出相應的示值表盤的刻度值）。交流測量：當被測交流電壓通過限流電阻后，經(jīng)整流電路將交流電壓變成小的直流電流通過表頭，指針發(fā)生偏 轉(zhuǎn)給出相應的交流電壓平均值示值。應該引起注意的是，模擬式儀表在進行測量時，采用的是實時測量方式或者說是連續(xù)測量方式的。也就是說：在整個測量過程中測量是連續(xù)實時的，整個測量過程不存在著任何時間上的間斷點。其它電磁式、電動式儀表與此測量方式一樣也是實

3、時的測量。圖 1.2.1.2-1數(shù)字式儀表，如數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表等等，基本上還是采用模擬測量方式，并用數(shù)字顯示的方 法來顯示測量結(jié)果?，F(xiàn)在以最具有代表性的雙積分式數(shù)字電壓表為例簡要說明。直流測量：雙積分式數(shù)字電壓表將對直流信號的測量分成T1、T2兩個階段整個測量周期=T1+T2，約2次 /s）o在T1時間內(nèi)積分器對被測直流信號進行積分，而在T2時間內(nèi)積分器對內(nèi)部參考進行反向積分。 與此同時將T2的時間間隔轉(zhuǎn)換為與此相對應的數(shù)值脈沖個數(shù)）進行顯示，最終完成整個測量周期。隨 后測量將會周而復始的不停的進行。交流測量：由于數(shù)字電壓表的直流測量準確度比較高，它的交流測量也要與此相匹配，所以基本上采

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

5、被側(cè)信號進行取樣采 樣），然后轉(zhuǎn)入內(nèi)部轉(zhuǎn)換處理階段。由于直流信號具有隨時間變化十分緩慢的特點，所以測量過程并非 一定非要實時的進行。雙積分式電壓表的設(shè)計就充分利用了這一特性，通過、取樣的測量方式來代替過去 傳統(tǒng)的連續(xù)測量方式。取樣”的概念對我們來說應該不會是很陌生，我們的祖先早巳使用取樣”的方法來觀測天體間的運 行。因為宇宙中星體之間的相對位置變化很緩慢，連續(xù)觀測是沒有實際意義的。所以遠古的人們就采用隔 一段時間 一天、一月、一年）來取樣觀測它們之間的相對位置，從而計算出天體的運行規(guī)律。1.2.1.3采樣式全數(shù)字化測量長期以來，數(shù)字式儀表測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對數(shù)字式儀表的性能有顯著的改進和提高，但 這些特殊的設(shè)計也明顯的增加了儀表的成本，并且導致制造和調(diào)試工藝越來越復雜化。數(shù)字電壓表交流測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 化測量儀器，如前面我們在例1 2提到過的功率、電能表。這里所說的、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)字式一一模擬式測量方法， 測量結(jié)果用數(shù)字來顯示）。這種基于采樣式全數(shù)字測量方法，似乎在直流測量和交流測量間并沒有給出明確的概念。測量首先 完成對輸入信號的高速采集，至于是直流測量還是交流測量則取決于后面選擇什么樣的數(shù)據(jù)處理方式。由 于測量基于對信號采樣后的數(shù)據(jù)處理，所以被稱采樣式測量是全數(shù)字化測量。目前采樣式測量原理巳經(jīng)成為民用、工業(yè)電子式單、三相電度表的基本測量原理，并且巳經(jīng)單片集 成化。下面我們看一個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，可以看到對輸入電壓和輸入電流進行采樣的兩個ADC模數(shù)變換器）， 同步采集的數(shù)據(jù)傳送到一個電能測量專用的DSP進行數(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。如果讀者對過去的感應式電度表略有了解，就會發(fā)現(xiàn)采樣式測量所帶來的巨大好處。它不僅僅是將 電度表的測量準確度提高了1倍以上，更重要的是去掉了感應式的許多部件，比如線圈、轉(zhuǎn)盤等機械加工 部件，并且很容易的實現(xiàn)復費率、自動抄表等技術(shù)等。目前世界上頂級的電度表制造商，如德國的ZERA、HEM，美國的Radian公司所生產(chǎn)的0.01級 單、三相標準功率、電能表都采用的是采樣式原理。其實虛擬儀器的測量方式也是基于數(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 大的數(shù)據(jù)處理方法。1.2.2虛擬儀器的基本測量原理通過本書的“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，所以虛擬儀器的測量方法也是基于采樣技術(shù)的。因為應用軟件的設(shè)計開發(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)采集的對象一一信號我們目前所討論的輸入信號都是隨時間變化的信號。這些信號的分類本身是比較復雜的，可是針對 虛擬儀器測量我們可以簡單的將信號簡單的分成一下幾種類型：直流信號周期信號隨機信號隨機信號的特點是沒有確定的變化規(guī)律，無法用數(shù)學關(guān)系式來表述它的變化特性，也無法預期它未 來的變化規(guī)律。由于隨機信號具有某些統(tǒng)計特性，所以通?？刹捎酶怕式y(tǒng)計的方法進行評估處理

11、。周期信號是按一定的時間周而復始不斷變化的信號，它是虛擬儀器測量所面對的主要信號形式，許 多數(shù)據(jù)處理和分析都是針對周期信號來進行的。至于直流信號我們可以將它看成周期無限長的周期信號，所以它將與周期信號放在一起，不另做討 論。下面討論數(shù)據(jù)采集的簡單原理。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）負責完成對輸入信號的數(shù)字化工作，以便計算 機可以可以識別及方便進行處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號的數(shù)字化過程中要同時完成兩項工作采樣和量化。下面我們以正弦信號為例 簡單分析它的整個處理過程。在實際的模擬數(shù)字變換過程中，采樣和量化是同時完成的，為了便于分析我們將這

12、一過程拆解分為 取樣”和量化”兩階段來分別表述。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正弦模擬量輸入信號，它是時域的連續(xù)函數(shù)。在該信號周 期內(nèi)的任意一個時間點，都可以找到它所對應的準確函數(shù)值。所謂取樣就是在單信號周期內(nèi)均勻分布的取32個采樣點，紅色線段上的藍點表示采樣點的數(shù)值也 是十分精確的值，取樣后我們只能獲得取樣點上的函數(shù)值，而丟棄了其它時間點的函數(shù)值。顯然，由于每 個周期內(nèi)的取樣點數(shù)不同，所獲得的函數(shù)樣本數(shù)也會不同。這就意味著，對原來的連續(xù)正弦信號而言，此 時僅用32個數(shù)據(jù)點值來表征原正弦信號離散信號)。設(shè)抽樣前的正弦信號為：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)過取樣量化后離散信號有些類似臺階波。圖 1.2.2.2-2在圖1.2.2.2-2中可以反映出兩個問題：一是，量化后由于量化誤差的存在將導致藍色線段不同點 的水平分量近似于藍點所表示的精確值圖中沒有表現(xiàn)出來）；二是，在取樣的相鄰區(qū)間時間間隔內(nèi)的連 續(xù)的正弦函數(shù)值紅色）被量化后的定值藍色水平線段）所取代。也就是說，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后原來的連續(xù)的正弦函數(shù)紅色線段）被階梯狀的藍色連續(xù)線段

14、所取代。 由此可見正弦信號的波形發(fā)生了變化，那么這個信號藍色）還能代表原來的正弦信號紅色）嗎？從數(shù)學的角度看，當一個周期內(nèi)的取樣點數(shù)無限的增加，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)也無限增多時，數(shù)字 化的信號就會無限逼近原來的模擬信號。要想回答回答在有限點取樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換器有限位數(shù)下還能否代表 原來的函數(shù)的問題就需要進一步了解取樣定理。1.2.2.3數(shù)據(jù)采集的基本定理一一取樣定理對輸入信號取樣，必須以高出信號中最高頻率部分2倍以上的頻率進行。這個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輸入信號進行取樣的一個基本原則，違背這個原則就會導致因抽

15、樣不足 而產(chǎn)生信號的混肴。取樣定理的數(shù)學表達式：fs2fa式中：fs為抽樣頻率，fa為信號中最高頻率請注意：信號中的最高頻率是指，對于純正弦信號來講就是基波頻率；對于含有諧波信號的來講就 是期待獲得分析的最高次諧波的頻率。例如：對于頻率為1000Hz的純正弦信號，理論上抽樣頻率大于2000Hz就可以了。對于基波頻率為1000Hz而包含10次諧波在內(nèi)的信號進行抽樣，理論上抽樣頻率應大于20000HZo在實際應用中，即便是對于純正弦波，也會取fs10fa或比10倍更多。fs/2也被稱為奈奎斯特頻率。也就是說當確定了采樣頻率后，信號的有效分析帶寬也就隨之確定了 小于奈奎斯特頻率）。實際上通常的信號帶

16、寬總是小于奈奎斯特頻率的。取樣定理僅僅說明了取樣頻率與信號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。前面巳經(jīng)表述過，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高越好。從理論上是這樣的，實際上并非如此。比如：NI公 司的DSA數(shù)據(jù)采集模塊通常都是24位的，但它的測量準確度確很低，主要用于動態(tài)信號的測量分析。 所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)還是要依據(jù)測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量問題，因為測量頻率為2次/s，等效于直流信號的頻率 為1Hz/s，實際上直流信號的頻率要比這低得多，所以直流測量是完全滿足取樣定理的。下面我們通過一個實例的展示來看看基于數(shù)字采樣的測量會給我們帶來

17、什么樣的好處。1.2.2.4數(shù)據(jù)采集的測量實例一一有效值測量基于計算機的測量正在改變?nèi)藗冞^去傳統(tǒng)的測量方式和方法。比如前面我們曾談到數(shù)字電壓表的交 流測量采用AC-DC轉(zhuǎn)換模塊，而在基于采樣式的測量中AC-DC轉(zhuǎn)換模塊不復存在了。下面用RMS測 量的例子來說明采樣式是如何測量交流信號的。1、有效值RMS）的定義有效值的定義來自于電阻負載上的熱效應。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熱效應來確定的，換句話說，若某個周期電流i通過電阻R在一個 周期時間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，和另一個直流電流I通過同樣電阻R同樣的時間

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)值上就等效這個直流I。根據(jù)歐姆定律，這個定義對電壓仍然有效。圖 1.2.2.4-12、傳統(tǒng)的有效值測量方法傳統(tǒng)有效值測量方法有很多，比如熱電式、對數(shù)反對數(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)真有效值探測器的原理仍來自熱電效應。Fluke公司在上個世紀70年代設(shè)計開發(fā)了這種基于半 導體技術(shù)的熱電變換器。幾經(jīng)改進達到了實用、完美的程度。它也是Fluke8508、Fluke5790、 Fluke792A等儀器交流測量部分的核心部件。圖 1.2.2.4-2這是一個十分有創(chuàng)造力的一個發(fā)明，是Fluke公司的專利，它利用半導體技術(shù)實現(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就會感知這個溫度變化，從而導致它的輸出發(fā)生變化，這個變化使差分放大器產(chǎn)生一個直流輸出加 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)。請注意，設(shè)計時R1和Q1、R2和Q2是被分別放置在熱隔離很好的兩個孤島上，用來保證PN結(jié)對 熱量的準確吸收。這種轉(zhuǎn)換方式是自動實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的，Vout輸出的就是與Vi