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虚拟仪器的测量原理
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毋庸置疑，来自传感器的信号里包含了被测物理量十分有用的信息或特征，而测试、测量过程则是对这些信息进行分析和处理的一个十分复杂的过程。
虚拟仪器是如何实现测量和分析的？它与传统仪器的测量方式有何不同？
为了更好的了解虚拟仪器的测量原理，有必要先对传统仪器的直流电压与交流电压的测量方式做一个简单的回顾。
长期以来，数字式仪表测量性能的提高基本上依赖于模数转换器的重大突破。比如：从双积分式发展到多斜率积分式等等。尽管从工作原理上的突破往往会对数字式 仪表的性能有显著的改进和提高，但这些特殊的设计也明显的增加了仪表的成本，并且导致制造和调试工艺越来越复杂化。
近年来，随着模数转换技术及DSP及数字信号处理技术的飞速发展，出现了一种基于采样原理的全数字化测量仪器。采样式全数字测量，首先对输入信号进行高速率采集，采集到的数据传送到DSP或处理器中进行分析处理并显示出处理结果。
采样式全数字测量最广泛的应用就是集成化的单、三相电子式电度表的IC芯片，它们已经集成化。下面看看该集成电路的原理图。
虚拟仪器是如何实现测量和分析的？它与传统仪器的测量方式有何不同？
为了更好的了解虚拟仪器的测量原理，有必要先对传统仪器的直流电压与交流电压的测量方式做一个简单的回顾。
1.3.1 传统仪器的基本测量原理
- 模拟式仪表
图 1－10 指针式万用表
模拟式测量仪表是比较常见的测量仪表，多为电工类指针式测量仪表，所以也被称为：指针式仪表。
现在以最经典的、最常见的指针式万用表为例，进行简单的说明。
指针式万用表测量直流电压的基本原理是：用一只高灵敏度的磁电式直流电流表（微安表）做电压测量的指示表头。当被测直流电压通过标准限流电阻时所产生的微小电流经过表头时，指针就会发生偏转并给出相应的示值（表盘的刻度值）。
在测量交流电压时，先将被测交流电压经过衰减后整流变成直流电压，然后通过直流电压的测量实现交流电压的替换测量，按刻度给出对应的交流电压示值。
从测量机理来分析，模拟式仪表的测量过程是属于一种连续测量过程。换句话说：在整个测量过程中，测量是连续不断的进行。即被测信号始终施加在测量机构上，整个测量过程不存在任何时间上的间断点。
现在以最经典的、最常见的指针式万用表为例，进行简单的说明。
指针式万用表测量直流电压的基本原理是：用一只高灵敏度的磁电式直流电流表（微安表）做电压测量的指示表头。当被测直流电压通过标准限流电阻时所产生的微小电流经过表头时，指针就会发生偏转并给出相应的示值（表盘的刻度值）。
在测量交流电压时，先将被测交流电压经过衰减后整流变成直流电压，然后通过直流电压的测量实现交流电压的替换测量，按刻度给出对应的交流电压示值。
从测量机理来分析，模拟式仪表的测量过程是属于一种连续测量过程。换句话说：在整个测量过程中，测量是连续不断的进行。即被测信号始终施加在测量机构上，整个测量过程不存在任何时间上的间断点。
2. 数字式仪表
图 1－11 数字式万用表
数字式仪表，例如数字电压表、数字万用表等，是借助于特殊设计的模数转换器将被测直流电压转换成数字来进行显示，所以被称为数字式仪表。
模数转换器的种类很多，下面仅以最具有代表性的双积分式数字电压表为例简要说明直流电压和交流电压的基本测量方式［5］。
双积分式数字电压表将直流电压的测量过程划分为：T1、T2两个阶段（整个测量周期＝T1+T2）。
在T1时间段内，被测直流信号接入积分器开始对被测信号进行积分；而在T2时间段，内部参考（极性与被测信号相反）接入积分器开始对内部参考进行积分。与此同时，将T2时间间隔转换为与直流电压相对应的数值（脉冲个数）进行测量结果的显示，最终完成整个测量周期。
模数转换器的种类很多，下面仅以最具有代表性的双积分式数字电压表为例简要说明直流电压和交流电压的基本测量方式［5］。
双积分式数字电压表将直流电压的测量过程划分为：T1、T2两个阶段（整个测量周期＝T1+T2）。
在T1时间段内，被测直流信号接入积分器开始对被测信号进行积分；而在T2时间段，内部参考（极性与被测信号相反）接入积分器开始对内部参考进行积分。与此同时，将T2时间间隔转换为与直流电压相对应的数值（脉冲个数）进行测量结果的显示，最终完成整个测量周期。
数字电压表的交流测量采用AC-DC转换模块来实现。AC-DC转换模块将被测交流信号转换成直流信号，然后通过直流测量方式来完成交流的测量和显示。AC-DC转换模块分为整流平均式、对数／反对数式、模拟运算式和半导体热电变换式等等。
回顾双积分式数字电压表直流电压测量过程，我们发现它的测量机理已经发生了一些微妙的变化。前面曾谈到过，模拟式仪表是实时地测量被测信号，整个测量过程 是连续不间断的，不存在任何时间上的间断点。而双积分式数字电压表已经明显地改变了模拟式仪表的测量方式。双积分式数字电压表将直流电压的测量过程分成了 T1和T2两个阶段。显然在T2时间间隔内将不会反映出信号中的任何信息，因为这个阶段积分器正在对内部参考进行积分。因此，从时间的连续性上看双积分的 测量方式出现了时间上的间断点。
通过双积分式数字电压表直流测量过程可以得到这样一个事实：测量过程完全可以是一个不连续的测量过程，它取决于信号的基本特征。因为直流电压信号本身具有 随时间变化十分缓慢的特点，所以整个测量过程并非一定要实时的进行。双积分式电压表直流的测量原理就充分地利用了这一特性。
T1阶段又被称为对输入直流电压进行“取样”的阶段。“取样”这个概念对大家来说应该是不会很陌生，因为人类的祖先早已使用取样的方法来观测天体间的运行规律。
宇宙中星体之间的相对位置变化得很缓慢，实施连续观测并没有什么实际的意义。因此远古的人们就采用隔一段时间，比如一天、一月、一年来观测它们之间的相对位置（相当于取样），从而计算出天体的运行规律。
回顾双积分式数字电压表直流电压测量过程，我们发现它的测量机理已经发生了一些微妙的变化。前面曾谈到过，模拟式仪表是实时地测量被测信号，整个测量过程 是连续不间断的，不存在任何时间上的间断点。而双积分式数字电压表已经明显地改变了模拟式仪表的测量方式。双积分式数字电压表将直流电压的测量过程分成了 T1和T2两个阶段。显然在T2时间间隔内将不会反映出信号中的任何信息，因为这个阶段积分器正在对内部参考进行积分。因此，从时间的连续性上看双积分的 测量方式出现了时间上的间断点。
通过双积分式数字电压表直流测量过程可以得到这样一个事实：测量过程完全可以是一个不连续的测量过程，它取决于信号的基本特征。因为直流电压信号本身具有 随时间变化十分缓慢的特点，所以整个测量过程并非一定要实时的进行。双积分式电压表直流的测量原理就充分地利用了这一特性。
T1阶段又被称为对输入直流电压进行“取样”的阶段。“取样”这个概念对大家来说应该是不会很陌生，因为人类的祖先早已使用取样的方法来观测天体间的运行规律。
宇宙中星体之间的相对位置变化得很缓慢，实施连续观测并没有什么实际的意义。因此远古的人们就采用隔一段时间，比如一天、一月、一年来观测它们之间的相对位置（相当于取样），从而计算出天体的运行规律。
3. 采样式全数字化测量仪表
长期以来，数字式仪表测量性能的提高基本上依赖于模数转换器的重大突破。比如：从双积分式发展到多斜率积分式等等。尽管从工作原理上的突破往往会对数字式 仪表的性能有显著的改进和提高，但这些特殊的设计也明显的增加了仪表的成本，并且导致制造和调试工艺越来越复杂化。
近年来，随着模数转换技术及DSP及数字信号处理技术的飞速发展，出现了一种基于采样原理的全数字化测量仪器。采样式全数字测量，首先对输入信号进行高速率采集，采集到的数据传送到DSP或处理器中进行分析处理并显示出处理结果。
采样式全数字测量最广泛的应用就是集成化的单、三相电子式电度表的IC芯片，它们已经集成化。下面看看该集成电路的原理图。
图 1－12 单相电子式电度表IC
在上图中的左上角，可以看到两个对输入电压、电流进行同步采样的ADC，同步采集的数据传送到一个电能测量专用的DSP进行数据处理，最终的处理结果被送到片内的MCU完成显示和其它通讯工作。
如果读者对传统的感应式电度表略有简单的了解，就会看到采样式全数字测量所带来的巨大好处。它不仅提高了电度表的测量准确度，更重要的是去掉了感应式的许多部件，比如线圈、转盘等机械加工部件。并且数字化的测量本身就很容易的实现复费率、自动抄表等现代技术等。
经过以上的简单回顾后，现在再来看看虚拟仪器的基本测量原理。 [p]
1.3.2 虚拟仪器的基本测量原理
如果读者对传统的感应式电度表略有简单的了解，就会看到采样式全数字测量所带来的巨大好处。它不仅提高了电度表的测量准确度，更重要的是去掉了感应式的许多部件，比如线圈、转盘等机械加工部件。并且数字化的测量本身就很容易的实现复费率、自动抄表等现代技术等。
经过以上的简单回顾后，现在再来看看虚拟仪器的基本测量原理。 [p]
1.3.2 虚拟仪器的基本测量原理
实现虚拟仪器测量的关键部件之一就是数据采集模块。数据采集的实质就是通过对被测信号进行采样，然后对采获的数据进行分析处理。所以，虚拟仪器的基本测量方法也是基于采样技术的。
为了更好的了解虚拟仪器的测量原理，还是有必要对其它概念也做以简要的介绍。
为了更好的了解虚拟仪器的测量原理，还是有必要对其它概念也做以简要的介绍。
1. 信号——虚拟仪器的测量对象
到目前为止，前面所涉及、讨论的信号都是指随时间变化的信号。这些信号的分类本身比较复杂，针对虚拟仪器测量，可以简单的将信号简单的分成以下几种类型：
2. 模数转换器——数据采集模块的核心部件
- 直流信号——直流信号我们可以将它看成周期无限长的周期信号
- 周期信号—— 周期信号是按一定的时间周而复始不断变化的信号，它是虚拟仪器测量所面对的主要信号形式，许多数据处理和分析都是针对周期信号来进行的
- 随机信号——随机信号的特点是没有确定的变化规律，无法用数学关系式来表述它，也无法预期它未来的变化规律。由于随机信号具有某些统计特性，所以通常可采用概率统计的方法进行评估处理。
2. 模数转换器——数据采集模块的核心部件
数据采集模块中的核心部件就是模数转换器。它负责完成对输入电信号的数字化的全过程以便计算机以识别和处理。
模数转换器对输入信号的数字化过程中要同时完成两项工作：采样和量化。下面我们以正弦信号为例简单分析它的整个处理过程。
实际在模数转换过程中，采样和量化基本上是同时完成的，但是为了便于分析我们将这一过程拆解分为“取样”和“量化”两阶段来分别表述。
模数转换器对输入信号的数字化过程中要同时完成两项工作：采样和量化。下面我们以正弦信号为例简单分析它的整个处理过程。
实际在模数转换过程中，采样和量化基本上是同时完成的，但是为了便于分析我们将这一过程拆解分为“取样”和“量化”两阶段来分别表述。
- 取样
图 1－13 对正弦信号进行取样
在上图中，正弦形状的线段（红色）表示一个模拟正弦输入信号x(t)，它是一个时域连续函数。也就是说，在该信号的周期内任意一个时间点，都可以找到它所对应准确的函数值。
所谓“取样”就是在信号任意一个周期内，均匀分布的取N个“采样”点。在图1－13正弦包络线中的垂直线段（蓝色）就表示32个采样点。采样点之间的时间 间隔为Ts。在取样后我们只能获得采样点上的函数值，而丢弃了其它时间点的函数值。这就意味着，原来连续的正弦信号采样后仅用32个数据点值来表征。被采 样后的信号也称为离散信号Xs(nTs)。
取样后，对应这32个点的函数值仍然是准确的。经过模数转换器的变换时，由于模数转换器的位数有限，所以只能用该点的近似值代替原函数值（量化）Xq(nTs)。
量化过程导致出现了量化误差。量化误差的大小与模数转换器本身的积分误差和微分误差有关，还与模数转换器的噪声大小有关。
所谓“取样”就是在信号任意一个周期内，均匀分布的取N个“采样”点。在图1－13正弦包络线中的垂直线段（蓝色）就表示32个采样点。采样点之间的时间 间隔为Ts。在取样后我们只能获得采样点上的函数值，而丢弃了其它时间点的函数值。这就意味着，原来连续的正弦信号采样后仅用32个数据点值来表征。被采 样后的信号也称为离散信号Xs(nTs)。
- 量化
取样后，对应这32个点的函数值仍然是准确的。经过模数转换器的变换时，由于模数转换器的位数有限，所以只能用该点的近似值代替原函数值（量化）Xq(nTs)。
量化过程导致出现了量化误差。量化误差的大小与模数转换器本身的积分误差和微分误差有关，还与模数转换器的噪声大小有关。
图 1－14 量化后的波形（阶梯波）
从图1－14可以看到经过取样量化后离散信号有些类似台阶波。那么这个台阶波信号还能够代表原来的正弦信号吗？显然，从数学的角度来看，当一个周期内的取样点数无限的增加，模数转换器的位数也无限增多时，量化的信号就会无限逼近原来的模拟信号。
但是要想回答：在有限点取样和模数转换器有限位数下，离散的量化信号还能否代表原来的函数的问题就需要进一步了解取样定理。
取样定理： 对输入信号进行有效取样，必须以高出信号中最高频率部分2倍以上的采样频率进行方可。
这个定理也被称为抽样定理、香农定理、奈奎斯特定理等，但其含义都是一样的。取样定理明确的指出对输入信号进行取样的一个基本原则，违背这个原则就会导致因抽样不足而产生信号的混肴。
请注意：信号中的最高频率是指：对于纯正弦信号来讲就是基波频率；对于含有谐波信号的来讲就是期待获得分析的最高次谐波的频率。
例如：对于频率为1000Hz的纯正弦信号而言，理论采样频率大于2000Hz就可以。而对于基波频率为1000Hz而包含10次谐波在内的信号进行采样，理论采样频率应大于20000Hz。
在实际应用中，即便是对于纯正弦波，同常也会取采样频率 >10倍信号频率。
采样频率也被称为奈奎斯特频率。也就是说，当确定了采样频率后，信号的有效分析带宽也就随之确定了（小于奈奎斯特频率）。
取样定理仅仅说明了采样频率与信号频率之间的确定性关系，并没有说明与模数转换器位数间的关系。从理论上讲，模数转换器的位数越高越好，转换结果越逼近真 实值。可是这个观点并不是绝对的，总是会有例外存在。比如NI公司的DSA（动态信号分析）数据采集模块通常都是24位的，但它的测量准确度很低，主要用 于动态信号的测量分析。准确的讲，它应该被称为具有24位的分辨率，而不是24位的精度。所以我们在选择确定数据采集模块时要依据测量对象的需求和数据采 集模快使用手册来选择合适的数据采集模快。
最后再回到前面双积分式电压表直流电压的测量，因为测量为2次／s，所以等效于直流信号变化的频率（波动）为1Hz／s。实际上直流信号的变化比这要低得多，所以直流电压测量是完全满足取样定理的。
可以说：取样定理是虚拟仪器最核心的定理，基于计算机的测试、测量和分析也都是依赖于取样定理。
总结虚拟仪器的测量原理可以得到这样的基本认识。虚拟仪器的测量过程就是在满足取样定理的条件下，将采集到被测信号的数据作为虚拟仪器的原始数据，而对这些原始数据的处理将依赖软件来完成，软件处理的结果恰恰是来自于用户的要求。
虚拟仪器的测量方式与传统仪器的测量方式相比，有什么本质上的不同吗？
1.3.3 虚拟仪器改变了传统仪器的测量方式和理念
但是要想回答：在有限点取样和模数转换器有限位数下，离散的量化信号还能否代表原来的函数的问题就需要进一步了解取样定理。
- 取样定理
取样定理： 对输入信号进行有效取样，必须以高出信号中最高频率部分2倍以上的采样频率进行方可。
这个定理也被称为抽样定理、香农定理、奈奎斯特定理等，但其含义都是一样的。取样定理明确的指出对输入信号进行取样的一个基本原则，违背这个原则就会导致因抽样不足而产生信号的混肴。
请注意：信号中的最高频率是指：对于纯正弦信号来讲就是基波频率；对于含有谐波信号的来讲就是期待获得分析的最高次谐波的频率。
例如：对于频率为1000Hz的纯正弦信号而言，理论采样频率大于2000Hz就可以。而对于基波频率为1000Hz而包含10次谐波在内的信号进行采样，理论采样频率应大于20000Hz。
在实际应用中，即便是对于纯正弦波，同常也会取采样频率 >10倍信号频率。
采样频率也被称为奈奎斯特频率。也就是说，当确定了采样频率后，信号的有效分析带宽也就随之确定了（小于奈奎斯特频率）。
取样定理仅仅说明了采样频率与信号频率之间的确定性关系，并没有说明与模数转换器位数间的关系。从理论上讲，模数转换器的位数越高越好，转换结果越逼近真 实值。可是这个观点并不是绝对的，总是会有例外存在。比如NI公司的DSA（动态信号分析）数据采集模块通常都是24位的，但它的测量准确度很低，主要用 于动态信号的测量分析。准确的讲，它应该被称为具有24位的分辨率，而不是24位的精度。所以我们在选择确定数据采集模块时要依据测量对象的需求和数据采 集模快使用手册来选择合适的数据采集模快。
最后再回到前面双积分式电压表直流电压的测量，因为测量为2次／s，所以等效于直流信号变化的频率（波动）为1Hz／s。实际上直流信号的变化比这要低得多，所以直流电压测量是完全满足取样定理的。
可以说：取样定理是虚拟仪器最核心的定理，基于计算机的测试、测量和分析也都是依赖于取样定理。
总结虚拟仪器的测量原理可以得到这样的基本认识。虚拟仪器的测量过程就是在满足取样定理的条件下，将采集到被测信号的数据作为虚拟仪器的原始数据，而对这些原始数据的处理将依赖软件来完成，软件处理的结果恰恰是来自于用户的要求。
虚拟仪器的测量方式与传统仪器的测量方式相比，有什么本质上的不同吗？
1.3.3 虚拟仪器改变了传统仪器的测量方式和理念
其实虚拟仪器的出现，打破了传统测量方式和理念。下面举几个例子来说明虚拟仪器对传统仪器测量方式和数据处理方式的改变。
例1－1 测量方式的改变——采样式有效值测量 （不需要AC-DC转换器）
例1－1 测量方式的改变——采样式有效值测量 （不需要AC-DC转换器）
测量周期信号的有效值一般需要AC-DC转换器。最常见的转换方式是［5］：
式中：
T——被测信号的周期
n——被测信号一个周期内的采样点数，常数
Ts——采样时间间隔
满足式 1－3 的采样关系，被称为等周期采样。等周期采样的实质是：采样频率必须是信号周期的整倍数（约定常数），这样可以避免采样截断后所产生的泄露。
实际上，由于信号自身稳定性和噪声干扰的存在，以及信号频率与采样频率不是整倍数的关系等，通常会很难满足式 1－3 的要求。这样就会带来采样截断后泄露所引起的测量误差［7］。
为了解决这个问题，在嵌入式系统设计中大多都采用加窗处理及采用等周期准同步采样的方法（这里同步的概念不同于同步采样，这里的同步指的是采样频率与被测 信号周期的同步，包括硬件同步或软件同步）。当然，无论加窗还是采用硬件同步还是软件的同步都大大的增加了系统的复杂性。
那么在虚拟仪器中能够解决或避免此类问题的发生吗？
在虚拟仪器采样测量中，由于采样点数可以选取的较多，这样就可以将采样截断后所产生的泄露影响大大降低。
同时，虚拟仪器采样测量中最可取的是：虚拟仪器的采样是一种多周期的连续采样，同样可以降低泄露所带来的影响。二者的综合作用结果，基本上可以将泄露的影响降低到完全可以忽略的程度。
例如，在50Hz工频信号的测量中，如果将采样频率Fs设定为50kHz，而读取数据点数#s设为50000S／s。相当于每次提取50个周期的数据进行 分析处理，而每个周期包含了1000个数据点。凭借着商业化计算机的强大运算能力及图形化软件的处理优势，这种多点数、多周期的测量几乎无法察觉泄露所带 来的影响，经实践验证其测量结果即稳定又准确。
显然，这是虚拟仪器所具有独到的优势。因数据处理量庞大、计算方法复杂这是嵌入式系统很难做得到的。
这几个例子说明，虚拟仪器采样式的测量可以简化测量方式，改变测量理念。比如虚拟仪器的硬件是数据采集模块（标准模块），它抛弃了传统仪器中的AC—DC 转换器和过零触发电路、计数器等专用的硬件电路。不同的软件处理的方式提供了对测量分析的结果。最终的效果就是提高测量结果的可信度。受益的还是使用虚拟 仪器的用户。
也就是说：采样获得的数据并不决定测量功能，测量功能的实现依赖于使用什么分析处理函数（VI）。测量功能的改变靠软件来实现。所以它的测量功能是可以由用户或设计者自己来定义、实现的。
其实，虚拟仪器还有更多的特点。
- 热电式转换器——多元热电偶，精密运放、DC数字电压表
- 模拟运算式转换器——精密模拟乘法器， 精密运放、DC数字电压表
- 对数式转换器——精密对数转换器、 精密运放、DC数字电压表
- 半导体热电式转换器——固态半导体器件（专利）、 精密运放、DC数字电压表
- 采样式转换器——嵌入式处理器、精密ADC转换器、特殊设计的运算处理软件
[p]
事实上，无论采用上述那种方式来测量周期信号的有效值都是依据有效值的定义。有效值的定义源自于热电效应。
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。
式1－1给出了依据热电效应导出的有效值数学表达式。
事实上，无论采用上述那种方式来测量周期信号的有效值都是依据有效值的定义。有效值的定义源自于热电效应。
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。
式1－1给出了依据热电效应导出的有效值数学表达式。
式1－1
式中：u(t) 被测信号
T 被测信号的周期，倒数为被测信号的频率
下面仅以半导体热电式转换器为例简要介绍AC-DC转换器的基本转换原理［6］。
半导体热电式转换器也被称为：固态真有效值转换器，它依据的就是热电转换原理。美国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 转换器。几经改进达到了实用、完美的程度。它也是Fluke 8508、Fluke 5790、Fluke 792A等仪器交流测量部分的核心部件。
T 被测信号的周期，倒数为被测信号的频率
下面仅以半导体热电式转换器为例简要介绍AC-DC转换器的基本转换原理［6］。
半导体热电式转换器也被称为：固态真有效值转换器，它依据的就是热电转换原理。美国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 转换器。几经改进达到了实用、完美的程度。它也是Fluke 8508、Fluke 5790、Fluke 792A等仪器交流测量部分的核心部件。
图 1－15 固态真有效值转换器
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。
它的转换原理很简单，输入电压Vin使电阻R1产生一定的热量，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，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Vbe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。
这种转换方式由于运算放大器的作用实际上是自动实现转换的，这应该不难理解。Vout输出的就是与Vin输入有效值等值的直流电压。最后经过计算机的线性化修正，它就可以达到交流转换标准的水平。
在来看看虚拟仪器的测量方式。 依据式1－1，在满足采样定理的前提下，若对被测电压信号u(t) 进行n次采样，其离散采样值为ui ，这样很容易得到离散信号有效值的数学表达式：
它的转换原理很简单，输入电压Vin使电阻R1产生一定的热量，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，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Vbe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。
这种转换方式由于运算放大器的作用实际上是自动实现转换的，这应该不难理解。Vout输出的就是与Vin输入有效值等值的直流电压。最后经过计算机的线性化修正，它就可以达到交流转换标准的水平。
在来看看虚拟仪器的测量方式。 依据式1－1，在满足采样定理的前提下，若对被测电压信号u(t) 进行n次采样，其离散采样值为ui ，这样很容易得到离散信号有效值的数学表达式：
式1－2
从式1－2可以看到，虚拟仪器测量是基于采样式测量原理。通过对被测信号直接进行采样然后再经过软件运算处理就可以得到被测信号的有效值。我们需注意到： 在这个过程中并不需要使用任何AC-DC转换器（上面所列前4种都需要类型不同的AC-DC转换器）。显然，虚拟仪器基于采样原理的测量方式不仅从测试方 法上大大简化了测量电路，并且还保证了准确测量。
尽管上面所列的第5种测量方式也是基于采样式。但是，嵌入式系统硬件设计上的复杂性和软件开发的难度，显然比虚拟仪器要多得多。
其实，虚拟仪器这种测量方式在功率、电能测量过程中效果更加突出。搞过模拟电路设计的一定有过深刻的体会，模拟乘法器是多么的复杂和不宜调整，并且准确 度、线性度以及带宽都难以得到有效的保证。数字采样结合数字乘法器可将模拟乘法技术指标提高至少一到两个数量级以上（一个数量级泛指10倍的关系）。
例1－2 测量方式的改变——采样式的频率测量（利用数字信号处理软件）
尽管上面所列的第5种测量方式也是基于采样式。但是，嵌入式系统硬件设计上的复杂性和软件开发的难度，显然比虚拟仪器要多得多。
其实，虚拟仪器这种测量方式在功率、电能测量过程中效果更加突出。搞过模拟电路设计的一定有过深刻的体会，模拟乘法器是多么的复杂和不宜调整，并且准确 度、线性度以及带宽都难以得到有效的保证。数字采样结合数字乘法器可将模拟乘法技术指标提高至少一到两个数量级以上（一个数量级泛指10倍的关系）。
例1－2 测量方式的改变——采样式的频率测量（利用数字信号处理软件）
周期信号的频率测量，长期以来一直都是依赖于数字式频率计。它的测量原理就是在单位时间内，用信号频率进行计数填充，从而获得被测信号的频率值。当被测信 号的频率比较低时，采用周期测量法。周期测量法取决于对被测信号过零时触发时间是否准确。这种测量方法对纯正弦波的测量不存在什么问题，对含有谐波分量的 信号则必须先进行滤波处理，避免谐波分量对信号过零触发产生不良影响。但是，当谐波分量很大时，即使采用滤波处理也无法达到令人满意的测量结果。
虚拟仪器的频率测量仍然依赖于采样技术，对信号唯一的考量就是看它是否能够满足采样定理的要求。采集到的数据通过软件进行分析处理并最终获得测量结果。在 LabVIEW信号分析库中，有一个“提取单频信息的VI（Extract Single Tone Information.vi），使用它可以实现提取信号的频率值。它的分析原理是基于FFT变换的。所以具备很高的噪声抑制能力，可以很容易的测量确定 含有谐波信号的频率值。
这对声音、振动信号测试分析是及其有益处的。
虚拟仪器的测量方式只需通过采集获得原始数据，测量功能的实现依赖于所选择的分析处理函数，从而实现多功能的测量。比如一次采集来得数据即可以实现有效值测量、也可以实现频率测量，还可以实现相位或谐波失真的测量等等。
例1－3 测量理念的改变——采样式多点数、多周期测量（不同于以往）
虚拟仪器的频率测量仍然依赖于采样技术，对信号唯一的考量就是看它是否能够满足采样定理的要求。采集到的数据通过软件进行分析处理并最终获得测量结果。在 LabVIEW信号分析库中，有一个“提取单频信息的VI（Extract Single Tone Information.vi），使用它可以实现提取信号的频率值。它的分析原理是基于FFT变换的。所以具备很高的噪声抑制能力，可以很容易的测量确定 含有谐波信号的频率值。
这对声音、振动信号测试分析是及其有益处的。
虚拟仪器的测量方式只需通过采集获得原始数据，测量功能的实现依赖于所选择的分析处理函数，从而实现多功能的测量。比如一次采集来得数据即可以实现有效值测量、也可以实现频率测量，还可以实现相位或谐波失真的测量等等。
例1－3 测量理念的改变——采样式多点数、多周期测量（不同于以往）
在嵌入式系统设计中，由于CPU的运算能力和内存大小的限制，对交流信号的测量基本上都是采用等周期测量的方式（实质是一种单周期的测量方式）。对被测信号的采样需要满足下式：
式1－3
T——被测信号的周期
n——被测信号一个周期内的采样点数，常数
Ts——采样时间间隔
满足式 1－3 的采样关系，被称为等周期采样。等周期采样的实质是：采样频率必须是信号周期的整倍数（约定常数），这样可以避免采样截断后所产生的泄露。
实际上，由于信号自身稳定性和噪声干扰的存在，以及信号频率与采样频率不是整倍数的关系等，通常会很难满足式 1－3 的要求。这样就会带来采样截断后泄露所引起的测量误差［7］。
为了解决这个问题，在嵌入式系统设计中大多都采用加窗处理及采用等周期准同步采样的方法（这里同步的概念不同于同步采样，这里的同步指的是采样频率与被测 信号周期的同步，包括硬件同步或软件同步）。当然，无论加窗还是采用硬件同步还是软件的同步都大大的增加了系统的复杂性。
那么在虚拟仪器中能够解决或避免此类问题的发生吗？
在虚拟仪器采样测量中，由于采样点数可以选取的较多，这样就可以将采样截断后所产生的泄露影响大大降低。
同时，虚拟仪器采样测量中最可取的是：虚拟仪器的采样是一种多周期的连续采样，同样可以降低泄露所带来的影响。二者的综合作用结果，基本上可以将泄露的影响降低到完全可以忽略的程度。
例如，在50Hz工频信号的测量中，如果将采样频率Fs设定为50kHz，而读取数据点数#s设为50000S／s。相当于每次提取50个周期的数据进行 分析处理，而每个周期包含了1000个数据点。凭借着商业化计算机的强大运算能力及图形化软件的处理优势，这种多点数、多周期的测量几乎无法察觉泄露所带 来的影响，经实践验证其测量结果即稳定又准确。
显然，这是虚拟仪器所具有独到的优势。因数据处理量庞大、计算方法复杂这是嵌入式系统很难做得到的。
这几个例子说明，虚拟仪器采样式的测量可以简化测量方式，改变测量理念。比如虚拟仪器的硬件是数据采集模块（标准模块），它抛弃了传统仪器中的AC—DC 转换器和过零触发电路、计数器等专用的硬件电路。不同的软件处理的方式提供了对测量分析的结果。最终的效果就是提高测量结果的可信度。受益的还是使用虚拟 仪器的用户。
也就是说：采样获得的数据并不决定测量功能，测量功能的实现依赖于使用什么分析处理函数（VI）。测量功能的改变靠软件来实现。所以它的测量功能是可以由用户或设计者自己来定义、实现的。
其实，虚拟仪器还有更多的特点。
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