虛擬儀器的測量原理

1.3.1 傳統儀器的基本測量原理

圖 1－10 指針式萬用表

模擬式測量儀表是比較常見的測量儀表，多為電工類指針式測量儀表，所以也被稱為：指針式儀表。
現在以最經典的、最常見的指針式萬用表為例，進行簡單的說明。

指針式萬用表測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）做電壓測量的指示表頭。當被測直流電壓通過標準限流電阻時所產生的微小電流經過表頭時，指針就會發生偏轉并給出相應的示值（表盤的刻度值）。
在測量交流電壓時，先將被測交流電壓經過衰減后整流變成直流電壓，然后通過直流電壓的測量實現交流電壓的替換測量，按刻度給出對應的交流電壓示值。

從測量機理來分析，模擬式儀表的測量過程是屬于一種連續測量過程。換句話說：在整個測量過程中，測量是連續不斷的進行。即被測信號始終施加在測量機構上，整個測量過程不存在任何時間上的間斷點。

2. 數字式儀表

圖 1－11 數字式萬用表

數字式儀表，例如數字電壓表、數字萬用表等，是借助于特殊設計的模數轉換器將被測直流電壓轉換成數字來進行顯示，所以被稱為數字式儀表。

模數轉換器的種類很多，下面僅以最具有代表性的雙積分式數字電壓表為例簡要說明直流電壓和交流電壓的基本測量方式［5］。

雙積分式數字電壓表將直流電壓的測量過程劃分為：T1、T2兩個階段（整個測量周期＝T1+T2）。
在T1時間段內，被測直流信號接入積分器開始對被測信號進行積分；而在T2時間段，內部參考（極性與被測信號相反）接入積分器開始對內部參考進行積分。與此同時，將T2時間間隔轉換為與直流電壓相對應的數值（脈沖個數）進行測量結果的顯示，最終完成整個測量周期。

數字電壓表的交流測量采用AC-DC轉換模塊來實現。AC-DC轉換模塊將被測交流信號轉換成直流信號，然后通過直流測量方式來完成交流的測量和顯示。AC-DC轉換模塊分為整流平均式、對數／反對數式、模擬運算式和半導體熱電變換式等等。

回顧雙積分式數字電壓表直流電壓測量過程，我們發現它的測量機理已經發生了一些微妙的變化。前面曾談到過，模擬式儀表是實時地測量被測信號，整個測量過程 是連續不間斷的，不存在任何時間上的間斷點。而雙積分式數字電壓表已經明顯地改變了模擬式儀表的測量方式。雙積分式數字電壓表將直流電壓的測量過程分成了 T1和T2兩個階段。顯然在T2時間間隔內將不會反映出信號中的任何信息，因為這個階段積分器正在對內部參考進行積分。因此，從時間的連續性上看雙積分的 測量方式出現了時間上的間斷點。

通過雙積分式數字電壓表直流測量過程可以得到這樣一個事實：測量過程完全可以是一個不連續的測量過程，它取決于信號的基本特征。因為直流電壓信號本身具有 隨時間變化十分緩慢的特點，所以整個測量過程并非一定要實時的進行。雙積分式電壓表直流的測量原理就充分地利用了這一特性。

T1階段又被稱為對輸入直流電壓進行“取樣”的階段。“取樣”這個概念對大家來說應該是不會很陌生，因為人類的祖先早已使用取樣的方法來觀測天體間的運行規律。
宇宙中星體之間的相對位置變化得很緩慢，實施連續觀測并沒有什么實際的意義。因此遠古的人們就采用隔一段時間，比如一天、一月、一年來觀測它們之間的相對位置（相當于取樣），從而計算出天體的運行規律。

3. 采樣式全數字化測量儀表

長期以來，數字式儀表測量性能的提高基本上依賴于模數轉換器的重大突破。比如：從雙積分式發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字式 儀表的性能有顯著的改進和提高，但這些特殊的設計也明顯的增加了儀表的成本，并且導致制造和調試工藝越來越復雜化。
近年來，隨著模數轉換技術及DSP及數字信號處理技術的飛速發展，出現了一種基于采樣原理的全數字化測量儀器。采樣式全數字測量，首先對輸入信號進行高速率采集，采集到的數據傳送到DSP或處理器中進行分析處理并顯示出處理結果。
采樣式全數字測量最廣泛的應用就是集成化的單、三相電子式電度表的IC芯片，它們已經集成化。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，可以看到兩個對輸入電壓、電流進行同步采樣的ADC，同步采集的數據傳送到一個電能測量專用的DSP進行數據處理，最終的處理結果被送到片內的MCU完成顯示和其它通訊工作。
如果讀者對傳統的感應式電度表略有簡單的了解，就會看到采樣式全數字測量所帶來的巨大好處。它不僅提高了電度表的測量準確度，更重要的是去掉了感應式的許多部件，比如線圈、轉盤等機械加工部件。并且數字化的測量本身就很容易的實現復費率、自動抄表等現代技術等。

經過以上的簡單回顧后，現在再來看看虛擬儀器的基本測量原理。