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(zhi)标标示爲“%讀(dú)數+%量程”，絕大(dà)多數測量設(she)備亦是這樣(yang)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(du)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(zhè)樣的誤差微(wei)乎其微。
但是(shi)如果使用1000V量(liàng)程測量10V信号(hao)，PA8000最大誤差爲(wèi)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(da)。對于使用者(zhě)來說考慮❌的(de)是測量🔴值與(yǔ)實際值之間(jian)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(xìn)号時的誤差(chà)顯著增加📞，可(ke)能會帶來使(shǐ)用者不希望(wang)看到的🏃🏻♂️結果(guǒ)。
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(yin)首先是由測(ce)量設備内部(bu)的ADC産生的量(liang)化誤差引起(qǐ)的，假設測量(liàng)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(zào)聲的影響，ADC每(měi)跳動一個最(zuì)小單位1LSB，産生(sheng)的量化誤差(chà)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(xian)然單次ADC取樣(yàng)的最🐇小分辨(biàn)率已無法識(shí)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(du)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(yú)1LSB時，多次采樣(yang)取平均值後(hou)可以✏️提高測(ce)量系統的有(you)效位數，但💯這(zhè)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(gao)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(sheng)🈲，同時在現有(you)的ADC制作工藝(yì)和架構的限(xiàn)制之下，高♈采(cǎi)樣率的ADC很難(nán)同時做到高(gāo)有效位數。如(rú)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(gao)的帶寬情況(kuàng)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(cǎi)樣率的ADC來減(jiǎn)少量化誤差(cha)。
圖2 量化示意(yi)圖
另(lìng)一個不可忽(hu)視的問題是(shi)模拟電路本(ben)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(diàn)壓🧡測量電路(lù)🥵，第一張圖爲(wèi)1000V量程的測量(liàng)通路，最高輸(shū)入電壓1000V時通(tōng)🚶過衰減電路(lu)會♻️輸出1V電壓(ya)，放大電路不(bú)放大，跟随電(diàn)壓後📱送入ADC進(jin)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(shǒu)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(qí)✉️次由于放大(da)電🌍路（運放）的(de)失調和增益(yì)誤差的影響(xiǎng)，哪🙇♀️怕隻産生(shēng)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(dà)的誤差。在儀(yí)器的出廠前(qian)會對這些誤(wu)差進行‼️校準(zhun)以消除固有(you)的偏差，不過(guò)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(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(yong)大量程去測(cè)量小☀️信号時(shí)溫度和老化(hua)産生的影響(xiang)将🈲無法💘得到(dao)保證。
在測量(liang)較小信号時(shi)應使用圖3第(di)二張所示的(de)電路，首先衰(shuai)減電路進行(hang)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(li)方💃🏻式将會顯(xian)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(hui)采用這樣的(de)方式或等效(xiao)的方式進行(háng)處理。
圖3 電壓(ya)測量電路
基(ji)于相同原因(yīn)各種類型的(de)傳感器時亦(yi)會存在相同(tóng)的🐕問題，這些(xie)傳感器内部(bu)也會包含各(gè)種衰減和放(fang)大電路。使用(yòng)傳感器時，其(qi)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(xìn)号遠小于其(qí)标稱值時其(qi)内部噪聲、失(shi)調和增益誤(wù)差對輸入信(xìn)号的影響将(jiāng)會大大增加(jiā)，從未帶來💛不(bu)可預測的誤(wu)👅差。
因此(cǐ)在使用測量(liàng)設備或傳感(gan)器時，尤其是(shi)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(shi)用大量程測(cè)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(yǐ)選擇使用”Auto”量(liang)程，但這樣使(shǐ)用時儀器内(nei)部會需☔要一(yī)定的時間切(qie)換和判斷量(liàng)程是否🈲合适(shi)，自動量程會(huì)存在數據丢(diu)失，容易被毛(mao)刺幹擾引起(qi)量🙇♀️程跳動。
在(zài)我們選擇測(cè)量設備時也(ye)應遵循合适(shì)的才是最⭐好(hǎo)的原則，如非(fei)必要，不要選(xuǎn)擇可測量信(xìn)号範圍遠大(da)于待測信号(hào)🤟的設備，如在(zai)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(zé)大于待測🈲信(xin)号時最接☂️近(jìn)待測信号的(de)電流傳感器(qì)。