2.5 虚拟仪器与传统仪器间的区别

虚拟仪器和传统仪器各自的特点

当虚拟仪器出现后，人们称以前的仪器为传统仪器。对比虚拟仪器和传统仪器间的特点，我们会发现它们之间的差别的确是很大的。

虚拟仪器

测量和分析功能可由用户来自定义，功能强大
尽可能采用通用硬件，仪器间的测量差异强调用软件来区分和体现
设计开发灵活，开发周期短、维护费用低
技术更新周期短
可复用和重配置
价格低廉

传统仪器

生产厂家来定义测量和分析功能，功能单一
过分依赖硬件电路，不同测量仪器硬件电路不同，软件起辅助作用
设计开发复杂，开发周期长、维护费用高
技术更新周期长
不可复用和重配置
价格昂贵

数字化测量并不是它们间的主要区别，因为许多传统仪器也是基于数字化测量的（专用的数据采集电路和特定的数字信号处理软件）。

测量方案的不同

对于传统测量仪器而言，根据测量需求选择满足测量功能的仪器型号或通过产品手册来查询确定合适的测量仪器，购买即可。

对于虚拟仪器而言，根据测量需求选择满足测量功能的数据采集卡型号（确定总线类型后），自定义测量、分析功能，然后自行设计满足测量需求的虚拟仪器。当然设计工作也可以委托系统集成商来完成。

测量方法的不同

      基于计算机的数字化测量导致改变了一些传统的测量模式，这是一个很本质的变化，这里我们举一个RMS测量的简单例子来说明这种不同之处。

1、有效值（RMS）的定义

      有效值的定义来自于电阻负载上的热效应。
      焦耳定律表明，电阻器以热的形式耗散由电压或电流在它上面所产生的功率。所产生的热量和功率成正比。
      而电压或电流的有效值的定义就是以这个热效应来确定的，换句话说，若某个周期电流 i 通过电阻 R 在一个周期时间内所产生的热量，和另一个直流电流 I 通过同样电阻 R 同样的时间内所产生的热量相等，那么周期电流 i 的有效值在数值上就等于这个直流 I 。

式2－5－1 交、直流电流的热效应定义

根据上式整理可的下式电流的有效值表达式。

式2－5－2 电流的有效值表达式

式2－5－3 电压的有效值表达式

       对于电压将上式中的I用Ｕ来替换同样有效。

2、传统的有效值测量方法

1）依据热电变换原理使用热电变换器

根据公式2－5－1所表示的热效应原理，我们可以通过直流I（已知它的大小）产生的热量与交流i所产生的热量相等的方法来获得交流有效值。实现AC-DC的转换或者说实现交流有效值的测量。下面就介绍传统方法实现这个原理的关键元件——热电变换器。

      具有下列两个特点的器件称为热电变换器：
      （1）该器件包含有一个电阻器，电阻器的温度是交流或直流电压的函数；
      （2）能够给出与其温度成正比的直流输出电压。

图2－5－1 多元热电变换器

      图2－5－1是多元热电变换器的示意图。

      与输入电流方向的是热电变换器的加热丝，也就是公式2－5－1中的电阻R。

电压输出是多个热电偶的串联，以增大热电偶的输出信号，所以称为多元热电变换器。在工艺上，多元热电偶尽可能的贴近加热丝（但他们之间是绝缘的）。

理想的热电变换器应具有真平方率特性，这样可以确保在变换范围内的任意点上交流和直流都具有等值性（等值的热量产生）。

为了减少热波动对热变换的影响，通常它们被密封在一个真空的玻璃泡内，仅给出4个端口。

当加热丝通有电流时，热电偶感知热量并与感知的热量成正比的输出一个小的直流电压，热电变换器的热时间常数对热量的波动起到积分的作用，使这个直流输出更稳定。

      通常在频率40－20000Hz内，热电变换器的频率影响可以忽略不计。但是在低频段，假如交流信号的频率相对于热电变换器的热时间常数来说很低，那么加热丝所产生的温度就会跟随输入信号的瞬时功率变化，导致我们很难确定热电变换器输出的准确性。

      多元热电变换器一般都是有经验的技师手工制作的，目前能够作的人已经不多了。

图2－5－2 测量方法

      图中的热电式有效值测量采用替换法。首先将AC电压加到热电变换器的加热丝上，待稳定后读取输出的热电势；然后将开关置到已知的DC电压，加到加热丝上调节DC电压的大小使输出的热电势等于AC电压的输出热电势，此时的DC电压的大小就代表AC电压有效值的大小。

      很显然，这种方法很麻烦，并且要求AC、DC电压源在测量期间要稳定不变。同时在测量过程中，AC、DC需要各平衡一次费时、费力。

      后来人们将热电变换元件作成特性一致的热电变换对，就可以一个热电变换器接AC,一个接DC；并将它们输出的热电势用检零计对接起来，调节DC电压输出使检零计测量结果为零，这样就快速实现了了AC-DC的变换或者说有效值测量。

      在上个世纪80－90年代，采用这个热效应原理的Fluke540B是较广泛使用在校准实验室的交直流变换器。目前该产品已经停产了，替代它的也是基于热效应的新型的半导体固态变换器——Fluke792A。

2）、依据固态热电变换原理使用热电变换器

固态真有效值探测器的原理仍来自热电效应。Fluke公司在上个世纪70年代设计开发了这种基于半导体技术的热电变换器。几经改进达到了实用、完美的程度。它也是Fluke8508、Fluke5790、Fluke792A等仪器交流测量部分的核心部件。

      这是一个十分有创造力的一个发明，是Fluke公司的专利，它利用半导体技术实现了基于热电变换原理的固态热电变换器。它的原理很简单，输入电压Vin加热电阻R1，与电阻同处一体的晶体管Q1的Vbe就会感知这个温度变化，从而导致它的输出发生变化，这个变化使差分放大器产生一个直流输出加到电阻R2 上，R2与R1的作用相同，它产生的热量使Q2的输出发生改变，最终自动调节的结果使得Vin=Vout，完成了交直流转换的任务。
      请注意，设计时R1和Q1、R2和Q2是被分别放置在热隔离很好的两个孤岛上，用来保证PN结对热量的准确吸收。这种转换方式是自动实现转换的，比上面使用热电偶的转换方式省掉了一个DC标准源。Vout输出的就是与Vin输入有效值等值的直流电压。
      通过计算机修正它的性能可以达到交流状转换标准的水平。

      它与热电偶相比，具有灵敏度高、输出电压大、响应速度快、耐冲击等优点。

3）、依据热电变换原理使用模拟电路的有效值变换器

有效值有时也会被称为均方根值。依据公式2－5－3，若用一个平方电路对输入电压 u(t)进行平方处理后并积分然后再开方，同样会获得输入电压的有效值。尽管这里并没有使用热电变换器，原因是因为这个公式本身就是通过热电效应的原理推导出来的，所以完全符合有效值的定义。这样就引出了模拟运算式有效值变换器。

图2－5－5 电子式有效值变换器

根据图2－5－5的原理分析可得到下式：

式 2－5－4

在积分电路和闭环反馈的作用下，使Ｕm=0，系统平衡，并有下式成立。

式2－5－5

整理上式，可有：

式2－5－6

这样通过公式2－5－3，经过模拟运算也可以求得输入信号的有效值。但是在实际电路设计中这个乘法器是相当的难设计的（即便是集成电路的也是如此），所以它的整个转换准确度不如前面谈到的热电式转换元件，仅在部分有效值数字电压表中使用。

4）、依据热电变换原理使用模拟电路的对数、反对数有效值变换器

为了规避使用乘法器，人们又根据公式2－5－3设计出对数运算全电子式的有效值转换器。英国Solartron公司的7075以及Datron1081等型号的数字表都采用了这种有效值测量原理。

图2－5－6 对数式有效值转换

通过对数运算方法可以避免使用乘法器，并也可以实现全电子式有效值变换。根据图2－5－6可以整理出结果（推导过程略去）。

式2－5－7

     我们清楚的看到上式与式2－5－3完全相同，实现了有效值的变换。
      许多数字表都采用这样的原理来实现交流电压的真有效值测量。

      这也说明对数和反对数电路的确比乘法电路更容易实现测量准确度的提高。

      纵观上述传统方法，电路复杂、调试费时，是没有办法的办法。

3、基于计算机的有效值测量方法

依据2－5－3式，结合离散采样原理，我们很容易得到下式：

式2－5－8 采样式有效值转换原理

从上式我们可以看到，对信号进行直接进行采样和运算处理就可以得到信号的有效值，并不需要热电变换元件和模拟乘法器或对数／反对数电路。从测试方式上就简化了测量电路，并且保证了准确度和转换效率极佳。现在许多电子仪器都采用这种测量方式，包括民用的电度表。
由此可见，基于计算机的测试测量可以为我们提供更简洁、更有效、更准确的测量方法。