儀(yi)器使用時，爲(wèi)什麽要選擇(zé)合适的量程(cheng)？
來源: 發布時(shi)間:2025-12-12 浏覽量:49
爲(wei)增大儀器可(ke)測量的範圍(wéi)（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(qing)況下測量🐇不(bu)同大小信号(hào)的需求。當使(shǐ)用大量程測(cè)試小信号🈲時(shí)會有什麽結(jié)🔞果呢？很多人(ren)回答會造成(cheng)誤差增大，但(dàn)往往說不上(shàng)原因，今天将(jiang)會和大家深(shen)入讨論，這❤️樣(yang)使用帶來的(de)影響和原因(yin)。
許多人認爲(wei)大量程可測(cè)量的範圍很(hěn)大，大小信号(hào)都可以兼顧(gù)✨，因此在很多(duō)情況下都優(yōu)先選擇較大(da)的量💜程進行(hang)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(zheng)常顯示，看起(qǐ)來數值也似(si)乎還算準确(que)。那到底這樣(yang)使用有什麽(me)問題呢，下面(miàn)以一台功率(lü)分析儀來舉(ju)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(dù)，我們🔱以此爲(wei)例。在給出的(de)精度值中，儀(yi)器的🏃🏻♂️精度指(zhǐ)标标示爲“%讀(dú)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(ce)量800V的信号時(shí)，最壞情🈲況下(xia)PA8000誤差🌈爲0.01%*800V+0.03%*1000V=0.38V，PA5000爲1.3V，對(dui)于800V的信号這(zhe)樣的誤差微(wei)乎其微。
但是(shi)如果使用1000V量(liang)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(lai)說已比較大(dà)。對于使用者(zhě)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(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(shi)用者不希望(wang)看到的結果(guo)。
圖1 緻遠功率(lü)分析儀5A功率(lǜ)闆卡精度表(biǎo)
出現這種(zhǒng)情況的原因(yīn)首先是由測(cè)量設備内部(bu)的ADC産生的量(liang)化誤差引起(qi)的，假設測量(liang)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(shu)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(mei)跳動一個最(zui)小單位1LSB，産生(shēng)的量化誤差(cha)大約會有2000V/2048≈1V。
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(gao)位數和高采(cǎi)樣率是一個(gè)矛盾，因爲高(gāo)帶寬會帶來(lai)更高的🐉噪聲(shēng)，同時在現有(you)的ADC制作工藝(yì)和架構的限(xiàn)制之下，高采(cai)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(xī)望在5MHz的帶寬(kuān)下提供2Mbps的采(cǎi)🔅樣率，如此高(gāo)的帶寬情況(kuang)下将難以把(ba)有效位數提(ti)高到18位以上(shang)，因此我們的(de)PA8000使用🔞了18位、2Mbps采(cai)樣率的ADC來減(jiǎn)少量化誤差(cha)。
圖2 量化示意(yi)圖
另(ling)一個不可忽(hu)視的問題是(shi)模拟電路本(běn)身所帶來的(de)噪🐪聲🤞、失調和(he)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(liàng)通路，最高輸(shū)入電壓1000V時通(tong)過衰減電路(lù)會輸出1V電壓(yā)，放大電路不(bu)放大，跟随電(diàn)壓後送入ADC進(jìn)行采樣。
如果(guǒ)輸入10V時衰減(jiǎn)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(zào)聲後會對信(xìn)号本身産生(shēng)很大影響，其(qí)次由于放大(dà)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(zeng)益誤差都會(huì)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(yǒu)的偏差，不過(guo)因使用過程(chéng)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(du)指标時會留(liú)有一定的餘(yú)量以确保♉儀(yi)器處在可保(bao)證的精度内(nei)，但是如果用(yòng)大量程去測(cè)量小🚩信号時(shí)溫度👉和老化(huà)産生的影響(xiǎng)将無法得到(dao)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(shuai)減電路進行(háng)較小倍數的(de)衰減，10V輸入時(shi)衰減電路輸(shu)出💯0.1V，然後放大(da)🐅電路☂️将有效(xiào)信号放大10倍(bei)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(she)備中通常會(huì)采用這樣的(de)方式或等效(xiao)的方式進行(háng)處理。
圖3 電壓(yā)測量電路
基(ji)于相同原因(yin)各種類型的(de)傳感器時亦(yì)會存在相同(tong)的問題，這🚩些(xie)傳感器内部(bu)也會包含各(gè)種衰減和💃🏻放(fàng)大電路💯。使用(yòng)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(wù)差❓是可保證(zheng)的，但是當信(xìn)号遠小于其(qí)标稱值時其(qi)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(bu)可預測的誤(wu)🌈差。
因此(ci)在使用測量(liàng)設備或傳感(gan)器時，尤其是(shì)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(yī)般情況下♍我(wo)們不推薦使(shi)用大量程測(ce)量小信号，如(rú)果希望在信(xin)号波動時減(jian)小這些因素(sù)的影響🏃♀️可以(yi)選擇使用”Auto”量(liàng)程👉，但這樣使(shǐ)🥰用時儀器⭕内(nèi)部會需要一(yi)定的時間切(qiē)換和判斷量(liang)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(qi)量程跳動。
在(zài)我們選擇測(ce)量設備時也(yě)應遵循合适(shi)的才是最好(hao)的原則，如非(fēi)必要，不要選(xuǎn)擇可測量信(xìn)号範圍遠大(dà)于⭐待測信号(hào)的設備，如在(zai)選擇我們的(de)功率分析❌儀(yí)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(kǎ)而非50A闆卡，選(xuan)擇電🧑🏽🤝🧑🏻流傳感(gan)器時應選擇(zé)大于待測⁉️信(xìn)号時最接近(jin)待測信号❤️的(de)電流傳感器(qi)。