技術交流

爲(wèi)增大儀器可(ke)測量的範圍(wei)（動态範圍），大(da)多數測量🈲儀(yi)器都會設置(zhì)多個量程，以(yǐ)滿足不同情(qíng)況下測量🈲不(bu)同大小信号(hao)的需✊求。當🙇‍♀️使(shi)用大量程測(ce)試小信号時(shi)會有👌什麽結(jie)果呢？很✉️多人(ren)回🧑🏽‍🤝‍🧑🏻答會造成(cheng)誤差增大，但(dàn)往往說不上(shang)原因，今天将(jiāng)會和大家深(shēn)入讨論，這㊙️樣(yang)使用帶來的(de)影響和原因(yīn)。

許多人認爲(wèi)大量程可測(cè)量的範圍很(hen)大，大小信号(hao)都可以♌兼顧(gu)，因此在很多(duo)情況下都優(yōu)先選擇較大(dà)的量程進行(hang)測量，或者不(bú)注意選擇，直(zhí)接默認設置(zhi)，如此使用時(shi)，儀器測量的(de)值依然能正(zheng)常顯示，看起(qi)來數值也🌂似(sì)乎還算準确(què)。那到底這樣(yàng)使用有什麽(me)問題呢，下面(mian)🈲以一台功率(lǜ)分析儀來舉(jǔ)例。

圖1 所示(shi)是緻遠電子(zǐ)PA8000和PA5000功率分析(xi)儀5A功率闆卡(ka)的測☀️量精🍉度(du)，我們以此爲(wèi)例。在給出的(de)精度值中，儀(yí)器的精度指(zhǐ)标标示🐅爲“%讀(du)數+%量程”，絕大(dà)多數測量設(she)備亦是這樣(yàng)标注的，以45-66Hz的(de)頻率段來🥰說(shuo)，PA8000精度爲“0.01%+0.03%”，PA5000精度(dù)爲0.10%+0.05%，這♋意味着(zhe)使用1000V量程測(cè)💁量800V的信号時(shi)，最壞情🌈況下(xià)PA8000誤差爲0.01%*800V+0.03%*1000V=0.38V，PA5000爲1.3V，對(dui)于800V的信号這(zhè)樣的誤差微(wēi)乎其微。

但是(shi)如果使用1000V量(liàng)程測量10V信号(hào)，PA8000最大誤差爲(wei)0.301V，而PA5000将達到0.51V，這(zhè)樣的誤差相(xiang)對于10V信号來(lai)說已比較大(da)。對于使用者(zhe)來說考慮的(de)是測量值與(yǔ)實際值之間(jian)的誤差，但是(shì)對于測量儀(yí)器來說大量(liang)程時的固有(yǒu)誤差将會使(shǐ)其測量小信(xin)号時的誤差(cha)🚩顯著增加，可(kě)能會帶❗來使(shǐ)用者不希望(wang)看到的💋結果(guǒ)。

圖1 緻遠功率(lǜ)分析儀5A功率(lǜ)闆卡精度表(biao)

出現這種(zhong)情況的原因(yin)首先是由測(ce)量設備内部(bu)的🛀🏻ADC産生的量(liàng)化誤差引起(qǐ)的，假設測量(liang)設備内部包(bao)含🆚一個11位的(de)ADC，ADC共有211=2048個有效(xiao)位，在1000V的量程(chéng)（峰峰值）下，考(kao)慮🚩最大±1000V的♻️輸(shū)入共2048個有效(xiao)位，則由于不(bu)可避免的噪(zao)聲的影響，ADC每(měi)跳動一個最(zui)小單位🚶1LSB，産生(sheng)的量化誤差(cha)大約會有2000V/2048≈1V。

如(rú)果使用該量(liàng)程測量10.3V這樣(yang)的信号，很顯(xiǎn)然單次ADC取樣(yàng)的最小分❓辨(bian)率已無法識(shi)别0.3V這樣刻度(dù)（在圖2的量化(huà)示意圖中0.3V處(chù)在兩個刻度(dù)中間），當然無(wu)法測得正确(què)的值。如果無(wu)💘規則噪㊙️聲的(de)峰☎️值能大⭐于(yu)1LSB時，多次采👄樣(yàng)取平均值後(hòu)可以🔞提高測(ce)量系統的有(yǒu)效位數，但這(zhe)樣的因素不(bu)在我們考慮(lǜ)的範圍之内(nèi)。

這樣說來似(sì)乎高位數的(de)ADC可顯著降低(di)量化誤差，但(dàn)遺憾的是🧑🏾‍🤝‍🧑🏼高(gāo)位數和高采(cǎi)樣率是一個(ge)矛盾，因爲高(gao)帶寬會帶來(lái)更高的㊙️噪聲(shēng)，同時在現有(you)的ADC制作工藝(yi)和架構⛹🏻‍♀️的限(xiàn)制之下，高采(cǎi)樣率的ADC很難(nan)同時做到高(gāo)有效位數。如(ru)我們的PA8000和PA5000希(xi)望在5MHz的帶寬(kuan)下提供2Mbps的采(cǎi)樣率，如此高(gāo)🛀🏻的帶寬情況(kuàng)下将難以把(bǎ)有效位數提(tí)🌈高到18位以上(shang)，因此我們的(de)PA8000使用了18位、2Mbps采(cǎi)樣率的ADC來減(jiǎn)少量化誤差(cha)。

圖2 量化示意(yì)圖

另(ling)一個不可忽(hū)視的問題是(shi)模拟電路本(ben)身所帶來的(de)噪🛀聲、失調和(hé)增益誤差的(de)影響，如圖3所(suǒ)示簡化的電(dian)壓測量電路(lù)，第一張圖爲(wei)1000V量程的測量(liàng)通路，最高輸(shu)入電壓1000V時通(tōng)過衰減✨電路(lù)會輸出1V電壓(ya)，放大電路不(bú)放大，跟随電(dian)壓後🌐送入ADC進(jìn)行采樣。

如果(guǒ)輸入10V時衰減(jian)電路隻能輸(shu)出0.01V的電壓，首(shou)先如此🏃🏻‍♂️小的(de)信号疊加噪(zao)聲後會對信(xin)号本身産生(sheng)很大影響，其(qi)🔞次由于放🔴大(da)電路（運🔞放）的(de)失調和增益(yi)誤差的影響(xiang)，哪怕隻産生(sheng)0.1mV的失調和增(zēng)益誤差都會(huì)對0.01V的有🌈效信(xin)号産🐇生很大(da)的誤差。在儀(yi)器的出廠前(qián)會對這💃🏻些誤(wù)差進行校準(zhǔn)以消除固有(you)的偏差，不過(guo)因使用㊙️過程(cheng)中溫度和‼️老(lǎo)化的影響這(zhè)些值會發生(sheng)變化，在标示(shi)儀器的精度(du)指标時會留(liu)有一定的餘(yú)量以确保儀(yi)器處在可保(bǎo)證📧的精度内(nèi)，但是如果用(yong)大量程去測(ce)量小信号時(shí)溫度💛和老化(hua)産生的影響(xiang)将無法得到(dào)保證。

在測量(liang)較小信号時(shí)應使用圖3第(di)二張所示的(de)電路，首先衰(shuāi)減電路進行(háng)較小倍數的(de)衰減，10V輸入時(shí)衰減電路輸(shū)出0.1V，然後放大(dà)電路将有效(xiào)信号放大10倍(bèi)到1V送入ADC取樣(yang)。這樣的處理(li)方式将會顯(xian)著減少噪聲(sheng)、失調和增益(yì)誤差的影響(xiǎng)👉，在包含小量(liàng)程的測量設(she)備中通常會(huì)采用這樣的(de)方式或等效(xiao)的方式進行(hang)處理。

圖3 電壓(ya)測量電路

基(jī)于相同原因(yin)各種類型的(de)傳感器時亦(yi)會存在相同(tong)♋的問題，這些(xiē)傳感器内部(bù)也會包含各(ge)種衰減和👉放(fang)大電路。使用(yong)傳感器時，其(qi)内部産生誤(wu)差在信号接(jiē)近其标示的(de)輸入值時誤(wu)差是可保證(zheng)的，但是當信(xìn)号遠小于其(qi)标稱值時其(qí)内部噪聲、失(shī)💃🏻調和增益誤(wù)差對輸入信(xin)号的影響将(jiāng)會大大增加(jiā)，從未帶來不(bu)可預測的誤(wù)⭐差。

因此(ci)在使用測量(liang)設備或傳感(gan)器時，尤其是(shi)高精度📱的㊙️設(shè)備如功率分(fen)析儀時，應充(chong)分考慮這些(xie)因素影響。一(yi)般情況下我(wo)們不推薦使(shi)用大量程測(cè)量小信号，如(rú)果希望在📱信(xìn)号波動時減(jiǎn)小這些因素(sù)的影響可以(yǐ)選擇使用”Auto”量(liang)程，但這樣使(shi)用時儀器内(nèi)部會需要一(yī)定的時間切(qiē)換和判斷量(liàng)程是否合适(shì)，自動量程會(huì)存在數據丢(diū)失，容易被毛(mao)🏃‍♂️刺幹擾引起(qi)量程跳動。

在(zài)我們選擇測(ce)量設備時也(yě)應遵循合适(shì)的才是最♉好(hao)的原則，如非(fei)必要，不要選(xuǎn)擇可測量信(xin)号範圍遠✍️大(da)于待測信号(hào)的設備，如在(zài)選擇我們的(de)功率分析儀(yi)的闆卡時不(bu)測量大于5A的(de)信号時應優(yōu)先選擇5A闆卡(ka)而非50A闆卡，選(xuǎn)擇電流傳感(gan)器時應選擇(ze)大于待測信(xin)号時最接近(jìn)待測信号🌍的(de)電流傳感器(qì)。