技術交流
許多人認爲大量(liang)程可測量的範圍(wei)很大，大小信号都(dou)可以兼顧，因此在(zai)很多情況下都優(yōu)先選擇較大的量(liàng)🌈程進行測量，或者(zhě)不注意選擇，直接(jiē)默認設置，如此使(shi)用時，儀器測量的(de)值依然能正常顯(xiǎn)示，看起來數值也(yě)似乎還算準确。那(nà)到底這樣使用有(yǒu)什麽🌏問題呢，下面(miàn)以一台功率分析(xi)儀來舉❓例。
但是如果使用1000V量(liàng)程測量10V信号，PA8000最大(da)誤差爲0.301V，而PA5000将達到(dao)0.51V，這樣的誤差相對(duì)于10V信号來說已比(bi)較大。對于使用者(zhě)來說考慮的是測(ce)量💃🏻值與實際值之(zhi)間的誤差㊙️，但是對(duì)👌于測量❗儀器來說(shuo)大量程時的🐉固有(yǒu)誤差将會使其測(cè)量小信号時的誤(wù)差💃🏻顯著增加，可能(néng)會帶🈲來使用者不(bú)希望看到的結果(guǒ)。
圖1 緻遠功率分析(xī)儀5A功率闆卡精度(du)表
出現這種情況的(de)原因首先是由測(cè)量設備内部的ADC産(chǎn)生的🍉量化誤差引(yǐn)起的，假設測量設(shè)備内部包含一個(ge)11位的ADC，ADC共有211=2048個有效(xiao)位，在1000V的量程（峰峰(feng)值）下，考慮❌最大±1000V的(de)輸入共⁉️2048個有效位(wèi)，則由于不可避免(mian)的噪聲的影響，ADC每(mei)跳動一個最小單(dan)位1LSB，産生的量❤️化誤(wù)差大約會有2000V/2048≈1V。
如果(guo)使用該量程測量(liàng)10.3V這樣的信号，很顯(xiǎn)然單次ADC取樣的最(zui)小分辨率已無法(fǎ)識别0.3V這樣刻度（在(zài)圖2的量化示意圖(tú)中0.3V處在兩🐪個刻度(du)中間），當然無法測(cè)得正确的值。如果(guǒ)無規則噪聲的峰(feng)值能大于1LSB時，多次(cì)采樣取平均值後(hou)可以提高測量系(xi)統的有效位數，但(dan)這樣的因素不在(zài)我們考慮的範圍(wei)之内。
這樣說來似(si)乎高位數的ADC可顯(xiǎn)著降低量化誤差(chà)，但遺憾的是🏃🏻♂️高位(wei)數和高采樣率是(shì)一個矛盾，因爲高(gāo)帶寬🏃♂️會帶來更高(gāo)的噪聲，同時在現(xiàn)有的ADC制作工藝和(he)架構的限制之下(xia)，高采樣率的ADC很難(nán)同時做到高🔆有效(xiào)位數。如我們的PA8000和(he)PA5000希望在5MHz的帶寬下(xià)提供2Mbps的采樣率，如(rú)此高的帶寬情況(kuàng)下将難以把有效(xiao)位數提高到18位以(yǐ)上，因此我們的PA8000使(shi)用了18位、2Mbps采樣率的(de)ADC來減少量化誤差(cha)。
圖2 量化示意圖
另一(yi)個不可忽視的問(wen)題是模拟電路本(běn)身所帶來🚶♀️的噪聲(shēng)、失調和增益誤差(cha)的影響，如圖3所示(shi)簡化的電壓測量(liàng)♻️電路🧑🏽🤝🧑🏻，第一💚張圖爲(wèi)1000V量程的測量通路(lu)，最高輸入電壓1000V時(shí)通過衰減電路會(hui)♊輸出1V電壓，放大電(dian)路不放大，跟随電(diàn)壓後送入ADC進行🚶♀️采(cǎi)樣。
在測量較小(xiǎo)信号時應使用圖(tu)3第二張所示的電(diàn)路🔞，首先衰減電路(lu)進行較小倍數的(de)衰減，10V輸入時衰減(jian)電路輸出🚶♀️0.1V，然後放(fang)大電路将有效信(xin)号放大10倍到1V送💁入(ru)ADC取樣。這樣的處理(lǐ)方式将會🈲顯著減(jiǎn)少噪聲、失調和增(zēng)益誤差的影響，在(zai)包含小量程的測(cè)量設備中通常會(huì)采用這樣的方式(shi)或等效的方式進(jìn)行處理。
圖3 電壓測(cè)量電路
基于相同(tóng)原因各種類型的(de)傳感器時亦會存(cún)在相同的問題，這(zhè)些傳感器内部也(ye)會包含各種衰減(jiǎn)和放大電路。使用(yong)傳感👌器時，其内部(bu)産生誤差在信号(hao)☂️接近其⚽标示的輸(shu)入值時誤差是可(ke)保🐇證的，但是當🤩信(xìn)号遠小于其标稱(chēng)值時其内部噪聲(shēng)、失調和增益誤差(cha)對輸入信号的影(ying)響💋将會大大增加(jia)，從未帶來🚶♀️不可預(yu)測的誤差。
因(yin)此在使用測量設(she)備或傳感器時，尤(yóu)其是高精度的設(she)備✊如功率分析儀(yi)時，應充分考慮這(zhe)些因素影❌響。一般(bān)情況下我們不推(tui)薦使用大量程測(ce)量小信号，如果希(xi)望在信号波🧡動時(shi)減🐪小這些因素的(de)影響可以選擇使(shǐ)用”Auto”量程，但這樣使(shǐ)用時儀器内部會(hui)需🚶♀️要一定的時🐉間(jiān)切換和判斷量程(chéng)是否合适，自動量(liang)❌程會存在數☔據丢(diu)失，容易被毛刺幹(gan)擾引起量程跳動(dòng)。
在我們選擇測量(liàng)設備時也應遵循(xún)合适的才是最好(hǎo)的原則，如非必要(yao)，不要選擇可測量(liàng)信号範圍遠大于(yú)‼️待測✍️信号的設備(bei)，如在選擇我們的(de)功率分析儀的闆(pan)🤩卡時不測量大于(yú)5A的信号時應優先(xian)選擇5A闆卡而非50A闆(pǎn)卡，選擇電流傳感(gǎn)器時應選擇💁大于(yú)待測信号時最接(jie)近待測信号✉️的電(diàn)流傳感器。