儀(yi)器使用時，爲(wei)什麽要選擇(ze)合适的量程(cheng)？
來源: 發布時(shí)間:2025-12-15 浏覽量:49
爲(wei)增大儀器可(ke)測量的範圍(wei)（動态範圍），大(dà)多數測量儀(yi)器⛷️都會設置(zhì)多個量程，以(yi)滿足不同情(qíng)況下測量不(bú)同大小信号(hào)的需求。當使(shi)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(shēn)入讨論，這樣(yang)使用帶來♈的(de)影響和原因(yīn)。
許多人認爲(wèi)大量程可測(cè)量的範圍很(hen)大，大小信号(hao)都💋可以兼顧(gu)，因此在很多(duo)情況下都優(you)先選擇較大(da)🏃♂️的量程進行(hang)測🐇量，或者不(bú)注意選擇，直(zhí)接默認設置(zhì)，如此使用時(shí)，儀器測量的(de)值依然能正(zheng)💔常顯示，看起(qǐ)來數值也似(sì)乎還算準确(que)。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(shi)是緻遠電子(zǐ)PA8000和PA5000功率分析(xi)儀5A功率闆卡(kǎ)的測量精度(dù)，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(da)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(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(shì)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(yǔ)實際值之間(jian)的誤差，但是(shi)對于測量儀(yí)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(kě)能會帶來使(shǐ)用者不希望(wàng)看到的結果(guo)。
圖1 緻遠功率(lǜ)分析儀5A功率(lü)闆卡精度表(biao)
出現這種(zhong)情況的原因(yīn)首先是由測(ce)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(kao)慮最大±1000V的輸(shū)入共2048個有效(xiào)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(liang)程測量10.3V這樣(yang)的信号，很顯(xiǎn)然單次ADC取樣(yang)的最小分辨(biàn)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(chu)在兩💃個刻度(dù)中間），當然無(wu)法測得正🈚确(què)的值。如果無(wú)規則噪聲的(de)峰值能大于(yu)1LSB時，多次采樣(yang)取平均👅值後(hou)可以💋提高測(cè)量系統的有(you)效位數，但這(zhè)樣的因素🔞不(bú)在我們考㊙️慮(lǜ)的範圍之内(nei)。
圖2 量化示意(yì)圖
另(lìng)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(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(lu)，第一🍓張圖爲(wei)1000V量程的測量(liang)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(yā)，放大電路不(bu)放大，跟随電(dian)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(shǒu)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(da)電路（運放）的(de)失調和增益(yì)誤差的影響(xiang)，哪怕隻産生(shēng)0.1mV的失調和增(zēng)益誤差都會(hui)對0.01V的有效信(xin)号産🐆生很大(da)的誤差。在儀(yí)器的出廠✍️前(qián)會對這🧑🏽🤝🧑🏻些誤(wu)差進行校準(zhǔn)以消除固有(yǒu)的偏差，不過(guò)因使用過程(chéng)中溫度⛷️和老(lǎo)化的影響這(zhe)些值會發生(shēng)變化，在标示(shi)儀器的精度(du)指标時會留(liu)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(ce)量小信号時(shí)溫度和老化(hua)🔴産生的影響(xiang)将無法得到(dào)保證。
在測量(liang)較小信号時(shí)應使用圖3第(dì)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(shí)衰減電路輸(shū)出0.1V，然後放大(dà)電路将有效(xiào)信号放大10倍(bei)到1V送💜入ADC取樣(yàng)。這樣的處理(li)方式将會顯(xiǎn)著減少噪聲(shēng)、失調和增益(yi)誤差的影響(xiǎng)，在包含小量(liàng)程的測量設(shè)備中通常會(hui)采用這樣的(de)方式或等效(xiào)的方式進行(hang)處理。
圖3 電壓(ya)測量電路
基(jī)于相同原因(yīn)各種類型的(de)傳感器時亦(yi)會存在相同(tong)的問題，這些(xiē)傳感器内部(bù)也會包含各(ge)種衰減和放(fang)大電路✍️。使用(yong)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(zheng)的，但是當👣信(xin)号遠小于其(qi)标稱📞值時其(qi)内部噪聲、失(shi)🔞調和增益誤(wu)差對輸入✂️信(xìn)号的影響将(jiang)會大大增加(jiā)，從未帶來不(bu)可預測的誤(wù)差。
因此(cǐ)在使用測量(liang)設備或傳感(gǎn)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(xiē)因素影響。一(yi)㊙️般情況下我(wo)們不推薦使(shi)用大量程測(cè)量小信🚩号，如(rú)果希望在💚信(xìn)号波動時減(jiǎn)小這些因素(sù)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(yi)定的時😄間切(qie)換和判斷量(liàng)程是否合适(shì)，自動量程會(hui)存在數據丢(diu)失，容易被毛(máo)刺幹擾引起(qi)量程跳動。
在(zài)我們選擇測(cè)量設備時也(yě)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(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(yōu)先選擇5A闆卡(kǎ)而非50A闆卡，選(xuan)擇電🔞流傳感(gǎn)器🏒時應選擇(ze)大于待測信(xin)号時最接近(jìn)待測信号的(de)電流傳感器(qì)。