技(ji)術交(jiao)流

爲增(zeng)大儀(yi)器可(ke)測量(liang)的範(fan)圍（動(dong)态範(fan)圍），大(da)多數(shu)測量(liang)儀🙆🏿器(qi)⛹🏻‍♀️都會(hui)設置(zhi)多個(ge)量程(cheng)，以滿(man)足不(bu)同情(qing)況下(xia)測量(liang)不同(tong)大小(xiao)🏃🏿‍♀️‍➡️信号(hao)的需(xu)求。當(dang)使用(yong)大量(liang)程測(ce)試小(xiao)信号(hao)時會(hui)有什(shi)麽結(jie)果呢(ne)？很多(duo)人回(hui)答會(hui)造成(cheng)誤差(cha)增大(da)，但往(wang)往說(shuo)不上(shang)原因(yin)，今天(tian)将會(hui)和大(da)家深(shen)入讨(tao)論，這(zhe)🔞樣使(shi)用帶(dai)來🛌🏻的(de)影響(xiang)和原(yuan)因。

許(xu)多人(ren)認爲(wei)大量(liang)程可(ke)測量(liang)的範(fan)圍很(hen)大，大(da)小信(xin)号都(dou)😥可以(yi)兼😍顧(gu)🧜🏼‍♂️，因此(ci)在很(hen)多情(qing)況下(xia)都優(you)先選(xuan)擇較(jiao)大的(de)量程(cheng)進行(hang)測量(liang)，或者(zhe)不👀注(zhu)意選(xuan)擇，直(zhi)接默(mo)認設(she)置，如(ru)此使(shi)用時(shi)，儀器(qi)測量(liang)🧜🏼‍♂️的值(zhi)依🙆🏿然(ran)能正(zheng)👧🏾常顯(xian)示，看(kan)起來(lai)數值(zhi)也似(si)乎還(hai)算🤑準(zhun)确。那(na)到底(di)這樣(yang)使用(yong)有什(shi)麽問(wen)題呢(ne)，下面(mian)以一(yi)台功(gong)率🧑🏾‍🎄分(fen)析儀(yi)來舉(ju)例。

圖(tu)1 所示(shi)是緻(zhi)遠電(dian)子PA8000和(he)PA5000功率(lü)分析(xi)儀5A功(gong)率闆(pan)卡的(de)測量(liang)精度(du)，我們(men)以此(ci)爲例(li)。在給(gei)出的(de)精度(du)值中(zhong)，儀器(qi)的精(jing)度指(zhi)标😁标(biao)示爲(wei)“%讀數(shu)+%量程(cheng)”，絕大(da)多數(shu)測量(liang)設備(bei)亦是(shi)這樣(yang)标注(zhu)的，以(yi)45-66Hz的頻(pin)⛹🏻‍♂️率段(duan)來說(shuo)，PA8000精度(du)爲“0.01%+0.03%”，PA5000精(jing)度爲(wei)0.10%+0.05%，這㊙️意(yi)味着(zhe)使用(yong)1000V量程(cheng)測量(liang)800V的信(xin)号時(shi)，最壞(huai)情況(kuang)下PA8000誤(wu)差爲(wei)0.01%*800V+0.03%*1000V=0.38V，PA5000爲1.3V，對(dui)于800V的(de)信号(hao)這樣(yang)的誤(wu)差微(wei)乎其(qi)微。

但(dan)是如(ru)果使(shi)用1000V量(liang)程測(ce)量10V信(xin)号，PA8000最(zui)大誤(wu)差爲(wei)0.301V，而PA5000将(jiang)達到(dao)👨🏻‍🏭0.51V，這樣(yang)的誤(wu)🥑️差相(xiang)對于(yu)10V信号(hao)來說(shuo)已比(bi)較大(da)。對于(yu)使用(yong)者來(lai)說考(kao)慮的(de)是測(ce)量值(zhi)與實(shi)際值(zhi)之間(jian)的誤(wu)差👽，但(dan)是對(dui)于測(ce)量儀(yi)器來(lai)說大(da)量程(cheng)時的(de)固有(you)誤差(cha)将會(hui)使其(qi)測量(liang)小信(xin)号時(shi)的誤(wu)差顯(xian)著增(zeng)加，可(ke)能會(hui)帶來(lai)使用(yong)者不(bu)希望(wang)看到(dao)的結(jie)果。

圖(tu)1 緻遠(yuan)功率(lü)分析(xi)儀5A功(gong)率闆(pan)卡精(jing)度表(biao)

出現(xian)這種(zhong)情況(kuang)的原(yuan)因首(shou)先是(shi)由測(ce)量設(she)備内(nei)部的(de)ADC産生(sheng)的👺量(liang)化誤(wu)差引(yin)起的(de)，假設(she)測量(liang)設備(bei)内部(bu)包含(han)一個(ge)11位的(de)ADC，ADC共有(you)211=2048個有(you)效位(wei)，在1000V的(de)量程(cheng)（峰峰(feng)值）下(xia)，考慮(lü)最大(da)±1000V的輸(shu)入共(gong)2048個有(you)效位(wei)，則由(you)于不(bu)可避(bi)免的(de)噪聲(sheng)😈的影(ying)響，ADC每(mei)跳動(dong)一個(ge)最小(xiao)單位(wei)1LSB，産生(sheng)的量(liang)化誤(wu)差大(da)約會(hui)有2000V/2048≈1V。

如(ru)果使(shi)用該(gai)量程(cheng)測量(liang)10.3V這樣(yang)的信(xin)号，很(hen)顯然(ran)單次(ci)ADC取樣(yang)的🧜🏼‍♂️最(zui)小🏃🏿‍♀️‍➡️分(fen)辨率(lü)已無(wu)法識(shi)别0.3V這(zhe)樣刻(ke)度（在(zai)圖2的(de)量化(hua)示意(yi)圖中(zhong)0.3V處在(zai)兩個(ge)刻度(du)中間(jian)），當然(ran)無法(fa)測得(de)正确(que)的值(zhi)。如果(guo)無規(gui)則噪(zao)聲的(de)峰值(zhi)能大(da)于1LSB時(shi)，多次(ci)采樣(yang)取平(ping)均值(zhi)後可(ke)以提(ti)高測(ce)量系(xi)統的(de)有效(xiao)位數(shu)，但🛀🏼這(zhe)樣的(de)因素(su)不在(zai)我們(men)考慮(lü)的範(fan)圍之(zhi)内。

這(zhe)樣說(shuo)來似(si)乎高(gao)位數(shu)的ADC可(ke)顯著(zhe)降低(di)量化(hua)誤差(cha)，但遺(yi)♌️憾👌的(de)😁是高(gao)位數(shu)和高(gao)采樣(yang)率是(shi)一個(ge)矛盾(dun)，因爲(wei)高帶(dai)寬會(hui)帶來(lai)更高(gao)的💔噪(zao)聲，同(tong)時在(zai)現有(you)的ADC制(zhi)作工(gong)藝和(he)架構(gou)的限(xian)制之(zhi)下，高(gao)采樣(yang)率的(de)ADC很難(nan)同時(shi)做到(dao)高🧛🏾‍♀️有(you)效位(wei)數。如(ru)我們(men)的PA8000和(he)PA5000希望(wang)在5MHz的(de)帶寬(kuan)下提(ti)供2Mbps的(de)采♌️樣(yang)率，如(ru)此高(gao)的帶(dai)寬情(qing)況下(xia)将難(nan)以把(ba)有效(xiao)位數(shu)提高(gao)到18位(wei)以上(shang)ˇ，因此(ci)我們(men)的PA8000使(shi)用了(le)18位、2Mbps采(cai)樣率(lü)的ADC來(lai)減少(shao)量化(hua)誤差(cha)。

圖2 量(liang)化示(shi)意圖(tu)

另(ling)一個(ge)不可(ke)忽視(shi)的問(wen)題是(shi)模拟(ni)電路(lu)本身(shen)所帶(dai)來的(de)🤶🏾噪聲(sheng)、失調(diao)👱🏼‍♂️和增(zeng)益誤(wu)差的(de)影響(xiang)，如圖(tu)3所示(shi)簡化(hua)的電(dian)壓測(ce)量電(dian)路，第(di)一張(zhang)圖😘爲(wei)1000V量程(cheng)的測(ce)量通(tong)路，最(zui)高輸(shu)入電(dian)💁🏼‍♀️壓1000V時(shi)通過(guo)衰減(jian)電路(lu)會🧑🏽‍🎄輸(shu)出1V電(dian)壓，放(fang)大電(dian)路不(bu)放大(da)，跟随(sui)電壓(ya)後送(song)入ADC進(jin)行采(cai)樣。

如(ru)果輸(shu)入10V時(shi)衰減(jian)電路(lu)隻能(neng)輸出(chu)0.01V的電(dian)壓，首(shou)先如(ru)此小(xiao)的信(xin)号疊(die)加噪(zao)聲後(hou)會對(dui)信号(hao)本身(shen)産生(sheng)很大(da)影😮‍💨響(xiang)，其😁次(ci)由于(yu)放😘大(da)電🧑🏽‍🎄路(lu)（運😘放(fang)）的失(shi)調和(he)增益(yi)誤差(cha)的影(ying)響，哪(na)怕隻(zhi)産生(sheng)0.1mV的失(shi)調和(he)增益(yi)誤差(cha)都會(hui)對0.01V的(de)有效(xiao)信号(hao)産生(sheng)很大(da)的誤(wu)差。在(zai)儀🏊🏾‍♀️器(qi)的出(chu)廠前(qian)會對(dui)這些(xie)誤差(cha)進行(hang)ˇ校準(zhun)以消(xiao)除固(gu)有的(de)偏差(cha)，不過(guo)因使(shi)用過(guo)程中(zhong)溫度(du)和👺老(lao)化的(de)影響(xiang)這些(xie)值會(hui)發生(sheng)變化(hua)，在标(biao)示儀(yi)器💯的(de)精度(du)指标(biao)時😈會(hui)留有(you)一定(ding)的餘(yu)量以(yi)确保(bao)儀器(qi)處在(zai)可保(bao)證♌️的(de)精度(du)内，但(dan)是如(ru)果用(yong)大量(liang)程去(qu)測量(liang)小信(xin)号時(shi)溫度(du)和老(lao)化産(chan)生的(de)影響(xiang)将無(wu)法🙂‍↔️得(de)到保(bao)證。

在(zai)測量(liang)較小(xiao)信号(hao)時應(ying)使用(yong)圖3第(di)二張(zhang)所示(shi)的電(dian)路，首(shou)先衰(shuai)減電(dian)~路進(jin)行較(jiao)小倍(bei)數的(de)衰減(jian)，10V輸入(ru)時衰(shuai)減電(dian)路輸(shu)出🔞0.1V，然(ran)後放(fang)大😜電(dian)路👌将(jiang)有效(xiao)信号(hao)放大(da)10倍到(dao)1V送入(ru)ADC取樣(yang)。這樣(yang)的處(chu)理方(fang)🥑️式将(jiang)會顯(xian)著減(jian)少噪(zao)聲、失(shi)調和(he)增益(yi)誤㊙️差(cha)的影(ying)響，在(zai)包含(han)小量(liang)程的(de)測量(liang)設備(bei)中⛹🏻‍♀️通(tong)常會(hui)采用(yong)這樣(yang)的方(fang)式或(huo)等效(xiao)的方(fang)式進(jin)行處(chu)理。

圖(tu)3 電壓(ya)測量(liang)電路(lu)

基于(yu)相同(tong)原因(yin)各種(zhong)類型(xing)的傳(chuan)感器(qi)時亦(yi)會存(cun)在相(xiang)👿同的(de)問題(ti)👽，這些(xie)傳感(gan)器内(nei)部也(ye)會包(bao)含各(ge)種衰(shuai)減和(he)放大(da)電路(lu)。使用(yong)傳感(gan)器時(shi)，其内(nei)部産(chan)生誤(wu)差在(zai)信号(hao)接近(jin)其😝标(biao)示的(de)輸入(ru)值時(shi)誤差(cha)是可(ke)保證(zheng)的，但(dan)是當(dang)信号(hao)遠小(xiao)🧑🏻‍❤️‍🧑🏼于其(qi)标稱(cheng)值時(shi)其内(nei)部噪(zao)聲、失(shi)調和(he)增益(yi)誤差(cha)對輸(shu)入信(xin)号的(de)影響(xiang)将會(hui)大大(da)增加(jia)，從未(wei)帶來(lai)😁不可(ke)預測(ce)的誤(wu)差。

因(yin)此在(zai)使用(yong)測量(liang)設備(bei)或傳(chuan)感器(qi)時，尤(you)其是(shi)高精(jing)度的(de)設備(bei)如功(gong)🧛🏾‍♀️率分(fen)析儀(yi)時，應(ying)充分(fen)考慮(lü)這些(xie)因素(su)影響(xiang)。一般(ban)情況(kuang)下👩🏿‍❤️‍💋‍👨🏽我(wo)們💞不(bu)推薦(jian)使用(yong)大量(liang)程測(ce)量小(xiao)信👽号(hao)，如果(guo)希望(wang)在信(xin)号波(bo)動時(shi)減🙂‍↕️小(xiao)這些(xie)因素(su)的影(ying)響🙂‍↔️可(ke)以選(xuan)擇👹使(shi)用”Auto”量(liang)程，但(dan)這樣(yang)使用(yong)時儀(yi)器内(nei)部會(hui)需要(yao)一定(ding)的時(shi)間切(qie)換和(he)判斷(duan)量程(cheng)是否(fou)合适(shi)，自動(dong)量程(cheng)會存(cun)在數(shu)😺據丢(diu)失，容(rong)易被(bei)毛刺(ci)幹擾(rao)引起(qi)量程(cheng)跳動(dong)。

在我(wo)們選(xuan)擇測(ce)量設(she)備時(shi)也應(ying)遵循(xun)合适(shi)的才(cai)是最(zui)好的(de)原👻則(ze)，如非(fei)必要(yao)，不要(yao)選擇(ze)可測(ce)量信(xin)号範(fan)圍遠(yuan)大于(yu)待測(ce)信号(hao)的設(she)備，如(ru)在選(xuan)擇我(wo)們的(de)功率(lü)分析(xi)儀的(de)闆卡(ka)時不(bu)測量(liang)大🙈于(yu)5A的信(xin)号時(shi)應優(you)先選(xuan)擇5A闆(pan)🙂‍↔️卡而(er)非50A闆(pan)卡，選(xuan)擇電(dian)流傳(chuan)感器(qi)時應(ying)選擇(ze)大于(yu)待測(ce)信号(hao)時最(zui)接近(jin)待測(ce)信号(hao)的電(dian)流傳(chuan)感器(qi)。