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广州致远电子股份有限公司 为什么不适宜用大量程测量小信号 为什么不适宜用大量程测量小信号 为增大仪器可测量的范围（动态范围），绝大多数测量仪器都会设置多个量程，以满足 不同情况下测量不同大小信号的需求。当使用大量程测试小信号时会有什么结果呢？很多人 回答会造成误差增大，但往往说不上来原因，今天我们将会带大家深入讨论一下这样使用带 来的影响和原因。 许多人认为大量程可测量的范围很大，大小信号都可以兼顾，因此在很多情况下都优先 选择较大的量程进行测量，或者不注意选择，直接默认设置，如此使用时，仪器测量的值依 然能正常显示，看起来数值也似乎还算准确。那到底这样使用有什么问题呢，下面以一台功 率分析仪来举例。 精度算法解密 图1 所示是致远电子PA8000 和PA5000 功率分析仪5A 功率板卡的测量精度，我们以此 为例。在给出的精度值中，仪器的精度指标标示为“%读数+%量程”，绝大多数测量设备亦是 这样标注的，以45-66Hz 的频率段来说，PA8000 精度为 “0.01%+0.03%”，PA5000 精度为0. 10%+0.05%，这意味着使用1000V量程测量800V 的信号时，最坏情况下PA8000 误差为0.01% *800V+0.03%*1000V=0.38V，PA5000 为1.3V，对于800V 的信号这样的误差微乎其微。但是 如果使用1000V量程测量10V 信号，PA8000 最大误差为0.301V，而PA5000 将达到0.51V， 这样的误差相对于10V 信号来说已比较大。对于使用者来说考虑的是测量值与实际值之间的 误差，但是对于测量仪器来说大量程时的固有误差将会使其测量小信号时的误差显著增加， 可能会带来使用者不希望看到的结果。 图 1 致远PA8000/PA5000 功率分析仪5A 功率板卡精度表 ADC 量化误差影响 出现这种情况的原因首先是由测量设备内部的ADC 产生的量化误差引起的，假设测量设 11 备内部包含一个11位的ADC，ADC 共有2 =2048 个有效位，在1000V 的量程（峰峰值）下， 考虑最大±1000V 的输入共2048 个有效位，则由于不可避免的噪声的影响，ADC 每跳动一个 最小单位1LSB，产生的量化误差大约会有2000V/2048≈1V。如果使用该量程测量10.3V 这 样的信号，很显然单次ADC 取样的最小分辨率已无法识别0.3V 这样刻度（在图 2 的量化示 意图中0.3V 处在两个刻度中间），当然无法测得正确的值。如果无规则噪声的峰值能大于 1LSB 时，多次采样取平均值后可以提高测量系统的有效位数，但这样的因素不在我们考虑 的范围之内。 这样说来似乎高位数的ADC 可显著降低量化误差，但遗憾的是高位数和高采样率是一个 文库资料 ©20 16 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 文章源自ZLG 致远电子，转载或引用请注明出处 1 广州致远电子股份有限公司 为什么不适宜用大量程测量小信号 矛盾，因为高带宽会带来更高的噪声，同时在现有的ADC 制作工艺和架构的限制之下，高采 样率的ADC 很难同时做到高有效位数。如我们的PA8000 和PA5000 希望在5MHz 的带宽下提 供2Mbps 的采样率，如此高的带宽情况下将难以把有效位数提高到18位以上，因此我们的 PA8000 使用了18 位、2Mbps 采样率的ADC 来减少量化误差。 图 2 量化示意图 前端模拟电路的噪声、失调影响 另一个不可忽视的问题是模拟电路本身所带来的噪声、失调和增益误差的影响，如图 3 所示简化的电压测量电路，第一张图为1000V 量程的测量通路，最高输入电压1000V 时通过 衰减电路会输出1V 电压，放大电路不放大，跟随电压后送入ADC 进行采样。如果输入 10V 时衰减电路只能输出0.01V 的电压，首先如此小