技術交流
爲增(zēng)大儀器可測(cè)量的範圍（動态範(fàn)圍），大(dà)多(duō)數測量儀器都會(huì)設置多個量程，以滿足不同情況下測量不同大小信号的需求。當使用大量程測試小信号時會有什麽結果呢？很多人回(huí)答會造成(chéng)誤差增大，但往往說不上原因(yīn)，今天将會和大家深入讨論，這(zhè)樣使用帶來的影響和原因。
許多人認爲大量程可測量的範(fàn)圍很大，大(dà)小信号都可以兼顧，因此在很多情況下都優先選擇(zé)較大的量程進行測量，或者不注意選擇，直接默認設置，如此使用時，儀器測量(liàng)的值依然能正常顯示，看起來數值(zhí)也似乎還(hái)算準确。那到底這(zhè)樣使用有什麽問題呢(ne)，下面以一台功率分析(xī)儀來舉例。
圖1 所示是緻遠電子PA8000和PA5000功率(lǜ)分析儀5A功(gōng)率闆卡的測量精度，我們以此(cǐ)爲例。在給(gěi)出的精度(dù)值中，儀器的精度指标标示爲(wèi)“%讀(dú)數(shù)+%量程”，絕大(dà)多數測(cè)量設備亦是這樣标(biāo)注的，以45-66Hz的頻率段(duàn)來說，PA8000精度爲“0.01%+0.03%”，PA5000精度爲0.10%+0.05%，這意味着使用1000V量程測量800V的信(xìn)号時，最壞情況下PA8000誤差爲0.01%*800V+0.03%*1000V=0.38V，PA5000爲1.3V，對于800V的信号(hào)這樣的誤差微乎其微(wēi)。
但是如(rú)果使用1000V量程測量10V信号，PA8000最大誤差爲(wèi)0.301V，而(ér)PA5000将達到0.51V，這樣的誤差相(xiàng)對于10V信号(hào)來說已比(bǐ)較大。對于(yú)使用者來說考慮的是測量值(zhí)與實際值之間的誤(wù)差，但是對(duì)于測量儀器來說大(dà)量程時的(de)固有誤差将會使其測量小信号時的誤差顯著增加，可能會帶來使用(yòng)者不(bú)希望看(kàn)到的結(jié)果。
圖1 緻遠(yuǎn)功率分析儀5A功率闆(pǎn)卡精度表(biǎo)
出現這種情況的原(yuán)因首(shǒu)先是由測量設備(bèi)内部的ADC産生的(de)量化誤差引起(qǐ)的，假設測量設備内部(bù)包含一(yī)個11位的ADC，ADC共有211=2048個有效位(wèi)，在1000V的量程（峰峰值）下，考慮最大(dà)±1000V的輸入共2048個有效位，則由于不可避免的噪聲(shēng)的影響(xiǎng)，ADC每跳動一(yī)個最小單位1LSB，産生的量化誤差大約會有2000V/2048≈1V。
如果使用該量程(chéng)測量10.3V這樣的信号，很(hěn)顯然單次ADC取樣的最小分辨率已無法識别0.3V這樣刻度（在圖2的量化示意圖中0.3V處在兩個刻度中間），當然無法測得正确(què)的值。如果無規則噪聲的峰值能大于1LSB時，多次采樣取平均值後可以提(tí)高測量系統的有效位數(shù)，但這樣的因素不在我們(men)考慮的範圍之内。
這樣說來似乎高位數的ADC可顯(xiǎn)著(zhe)降低量化誤差，但遺憾的是高位數和高采樣率是一個矛盾，因爲高帶寬會帶來更高的噪聲，同時在現有的ADC制作工藝和架構的限制之下，高采樣(yàng)率的ADC很難同時(shí)做到高有效位數。如我們(men)的PA8000和PA5000希望在(zài)5MHz的帶寬下提供2Mbps的采樣率，如(rú)此高的帶寬情況下将難(nán)以把有效位數提高到18位以上，因此(cǐ)我們的PA8000使用了18位(wèi)、2Mbps采樣率的ADC來減少量化(huà)誤差。
圖2 量化(huà)示意圖
另一個(gè)不可忽視的問(wèn)題是模拟電路(lù)本身所帶來的噪聲、失調和增益誤(wù)差的影響，如圖3所示簡化的電壓(yā)測量電路，第(dì)一張圖爲(wèi)1000V量程的測量通路，最(zuì)高(gāo)輸入電壓1000V時(shí)通過衰減(jiǎn)電路會輸出1V電(diàn)壓，放大電路不放大，跟随電壓(yā)後送入ADC進行采樣。
如果輸入10V時(shí)衰減電路隻能輸出0.01V的電壓(yā)，首先如此小的信号疊加噪聲後(hòu)會對信号本身産生(shēng)很大影響(xiǎng)，其次由于放大電(diàn)路（運放）的失調和增(zēng)益誤(wù)差的影響，哪怕隻(zhī)産生0.1mV的失(shī)調和增益誤差(chà)都會對0.01V的有效信号産生很大的誤差。在儀器的出廠前會對這些誤差進行校準以消(xiāo)除固有的偏差，不過因(yīn)使用過程中溫度和老化(huà)的影響這些(xiē)值會(huì)發生變化，在标示儀器的精度指标(biāo)時會留有一定的餘量以确保儀器處在可保證的精度内，但(dàn)是如果用大量程去測量小信(xìn)号時溫度和老(lǎo)化産生的影響将無法得到保證。
在測量較小信号時應使用圖3第二張所示(shì)的電路，首(shǒu)先衰減電路進行較小倍數(shù)的衰減，10V輸入時衰減電路輸出0.1V，然後放大電路将有效信号放大10倍到1V送入ADC取樣。這樣的處理方式(shì)将(jiāng)會顯著減少噪聲(shēng)、失調和增益誤差的影響，在包含小量程的測量(liàng)設備中通常會采用這(zhè)樣的方式或等效的方式進行處理(lǐ)。
圖3 電壓測量電路(lù)
基于相同原因各種類型的傳感器(qì)時亦會存在相同的問題，這些傳感(gǎn)器内部也會包(bāo)含各種衰減和(hé)放大電路。使用傳(chuán)感器時(shí)，其内部産(chǎn)生誤差在(zài)信号(hào)接近其标示的輸入值時誤差是可保證的，但是當信号遠小于其标稱值時其内部噪(zào)聲、失調和(hé)增益誤差對輸入信(xìn)号的影響将會大大增加，從未帶來不可預測的誤差。
因(yīn)此在使用測(cè)量設備或傳感器時，尤其是高(gāo)精度的設備如功(gōng)率分析儀時，應充分考慮這些因素影響。一般情況下我們不推薦使用大量程測量小信号，如果希望在信(xìn)号波動時減小這些因素的影響可(kě)以選擇使用”Auto”量程，但這樣使用時儀器内部會需(xū)要一定的時間切換和判斷量程是否合适，自動量程會存(cún)在數據(jù)丢失，容易被毛刺(cì)幹擾引起量程跳動。
在我們選擇測量設備時(shí)也應遵循合适的才是最好的原則，如非必要(yào)，不要(yào)選擇可測量信号(hào)範(fàn)圍遠大于待測信号的設備，如在選(xuǎn)擇我們的功率分析儀的闆卡時不測量大于5A的信号時應優先選擇5A闆卡而非50A闆卡(kǎ)，選擇電流傳感器時應(yīng)選擇大于待測信号時最(zuì)接近待測信号的電(diàn)流傳感器。