許多人認爲(wei)大量程可測(ce)量的範圍很(hen)大，大小信号(hào)都🛀可以兼顧(gù)，因此在很多(duo)情況下都優(yōu)先選擇較大(da)的量程進行(háng)測量，或者不(bu)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(zhèng)常顯示，看起(qi)來數值也似(si)乎還算準确(què)。那到底這樣(yàng)使用有什麽(me)🈚問題呢，下面(miàn)以一台功率(lü)分析儀來舉(jǔ)例。
圖1 所示(shì)是緻遠電子(zi)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(yi)器的🌐精度指(zhi)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(shuō)，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(ce)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(zhe)樣㊙️的誤差相(xiàng)對于10V信号來(lái)說已比較大(dà)。對于使😍用者(zhe)來說考慮的(de)是測量值與(yu)實際值之間(jiān)的誤差，但是(shi)對于測量儀(yi)器來說大量(liàng)程時的固有(you)誤差将會使(shi)其測量小信(xìn)号時的誤差(chà)顯著增加，可(kě)能會帶來使(shi)用者不希望(wang)看到的🔱結果(guo)。
出現這種(zhǒng)情況的原因(yīn)首先是由測(cè)量設備内部(bù)的ADC産生的量(liang)化誤差引起(qi)的，假設測量(liàng)設備内部包(bāo)含一個♊11位的(de)ADC，ADC共有211=2048個有效(xiào)位，在1000V的量程(chéng)（峰峰值）下，考(kǎo)慮最大±1000V的輸(shū)入共2048個有效(xiào)位，則由于不(bú)可⛱️避免的噪(zào)聲的影響，ADC每(mei)跳動一個最(zui)小單位1LSB，産生(shēng)的量化誤差(chà)大約會有2000V/2048≈1V。
如(rú)果使用該量(liang)程測量10.3V這樣(yàng)的信号，很顯(xian)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(du)（在圖2的量😄化(hua)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(que)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(lü)的範圍之🏒内(nei)。
這樣說來似(sì)乎高位數的(de)ADC可顯著降低(dī)量化誤差，但(dan)遺憾的是高(gāo)位數和高采(cai)樣率是一個(gè)矛盾，因爲高(gāo)帶寬會帶🏃♀️來(lái)更🔞高的噪聲(shēng)🐉，同時在現有(yǒu)的ADC制作工藝(yì)和架構的限(xian)制🆚之下，高采(cai)樣率的ADC很難(nán)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(kuān)下提供2Mbps的采(cai)🥵樣率，如此高(gāo)的帶寬情況(kuàng)下将難以把(bǎ)有效位數提(ti)⁉️高到18位以上(shàng)，因此我們的(de)PA8000使用了18位、2Mbps采(cǎi)樣率的ADC來減(jian)少量化誤👨❤️👨差(chà)。
圖2 量化示意(yi)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(suo)示簡化的電(dian)壓測量電路(lù)，第一張圖爲(wei)1000V量程的測量(liang)通路，最高輸(shu)入電壓1000V時通(tong)過衰減電路(lu)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(guo)輸入10V時衰減(jiǎn)電路隻能輸(shū)出0.01V的電壓，首(shou)先如此💞小的(de)信❄️号疊加噪(zào)聲後會對信(xin)号本身産生(shēng)很大影響，其(qi)‼️次由于放大(dà)電路（運放）的(de)失調和增益(yì)誤差的影響(xiǎng)，哪怕隻産生(sheng)0.1mV的失調和增(zeng)益誤差都會(hui)對0.01V的有🥵效信(xìn)号産生很大(dà)的誤差。在儀(yí)✨器的出廠前(qian)會對這些誤(wu)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(shēng)變化，在💚标示(shì)儀器的精度(dù)指标時會留(liu)有一🧡定的餘(yu)量以确保儀(yi)器處在可保(bao)證的精度内(nèi)，但是如☎️果🐆用(yòng)大量程去測(cè)量小🛀🏻信号時(shi)溫度和老化(hua)産生的影響(xiǎng)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(hang)較小倍數的(de)衰減，10V輸入時(shí)衰減🈲電路輸(shu)出0.1V，然後放大(da)電路将有效(xiao)信号放大10倍(bèi)到1V送入ADC取樣(yang)。這樣的處理(lǐ)方式将會顯(xiǎn)著減🙇♀️少噪聲(shēng)、失調和增益(yi)誤差的影響(xiang)，在包含小量(liàng)程的測量設(shè)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。
基(jī)于相同原因(yin)各種類型的(de)傳感器時亦(yì)會存在相同(tóng)💃🏻的🥵問題，這㊙️些(xie)傳感器内部(bù)也會包含各(ge)種衰減和放(fang)大電路。使用(yòng)🐪傳感器時，其(qí)内部産生誤(wù)差在信号接(jie)近其标示的(de)輸入值時誤(wu)差是可保證(zhèng)的，但是當信(xin)号遠小于其(qi)标稱值時其(qí)内部噪聲、失(shī)☔調和增益👨❤️👨誤(wu)差對輸入信(xin)号的影響将(jiang)會大大增加(jia)，從未帶來不(bú)可預測的誤(wù)♍差。
因此(cǐ)在使用測量(liàng)設備或傳感(gǎn)器時，尤其是(shì)高精度的設(she)備如功率分(fen)析儀時，應充(chong)分考慮這些(xie)因素影響。一(yī)💰般情況下我(wǒ)們♉不推薦使(shǐ)用大量程測(ce)量小信号，如(ru)果希望在信(xìn)号波動時減(jian)小這些因素(su)的影響可以(yi)選擇使用”Auto”量(liang)程，但這樣使(shǐ)用時儀器💞内(nèi)部會需要一(yi)定的時間切(qie)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(máo)刺幹擾引起(qǐ)量程跳動。
在(zai)我們選擇測(ce)量設備時也(ye)應遵循合适(shi)的才是最好(hǎo)的原則，如非(fēi)必要，不要選(xuan)擇可測量信(xin)号範圍遠大(dà)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(you)先選擇5A闆卡(ka)而非50A闆卡，選(xuǎn)擇電🐅流傳感(gǎn)器時應選擇(ze)大于待測信(xìn)号時最接近(jìn)待測信号的(de)電流傳感器(qi)。