為什么不適宜用大量程測量小信號(hào)?
發(fā)布時(shí)間:2017-03-14 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】為增大儀器可測量的范圍(動(dòng)態(tài)范圍),絕大多數(shù)測量儀器都會(huì)設(shè)置多個(gè)量程,以滿足不同情況下測量不同大小信號(hào)的需求。當(dāng)使用大量程測試小信號(hào)時(shí)會(huì)有什么結(jié)果呢?很多人回答會(huì)造成誤差增大,但往往說不上來原因,今天我們將會(huì)帶大家深入討論一下這樣使用帶來的影響和原因。
許多人認(rèn)為大量程可測量的范圍很大,大小信號(hào)都可以兼顧,因此在很多情況下都優(yōu)先選擇較大的量程進(jìn)行測量,或者不注意選擇,直接默認(rèn)設(shè)置,如此使用時(shí),儀器測量的值依然能正常顯示,看起來數(shù)值也似乎還算準(zhǔn)確。那到底這樣使用有什么問題呢,下面以一臺(tái)功率分析儀來舉例。
精度算法解密
圖1 所示是PA8000和PA5000功率分析儀5A功率板卡的測量精度,我們以此為例。在給出的精度值中,儀器的精度指標(biāo)標(biāo)示為“%讀數(shù)+%量程”,絕大多數(shù)測量設(shè)備亦是這樣標(biāo)注的,以45-66Hz的頻率段來說,PA8000精度為“0.01%+0.03%”,PA5000精度為0.10%+0.05%,這意味著使用1000V量程測量800V的信號(hào)時(shí),最壞情況下PA8000誤差為0.01%*800V+0.03%*1000V=0.38V,PA5000為1.3V,對(duì)于800V的信號(hào)這樣的誤差微乎其微。但是如果使用1000V量程測量10V信號(hào),PA8000最大誤差為0.301V,而PA5000將達(dá)到0.51V,這樣的誤差相對(duì)于10V信號(hào)來說已比較大。對(duì)于使用者來說考慮的是測量值與實(shí)際值之間的誤差,但是對(duì)于測量儀器來說大量程時(shí)的固有誤差將會(huì)使其測量小信號(hào)時(shí)的誤差顯著增加,可能會(huì)帶來使用者不希望看到的結(jié)果。
圖1.PA8000/PA5000功率分析儀5A功率板卡精度表
ADC量化誤差影響
出現(xiàn)這種情況的原因首先是由測量設(shè)備內(nèi)部的ADC產(chǎn)生的量化誤差引起的,假設(shè)測量設(shè)備內(nèi)部包含一個(gè)11位的ADC,ADC共有211=2048個(gè)有效位,在1000V的量程(峰峰值)下,考慮最大±1000V的輸入共2048個(gè)有效位,則由于不可避免的噪聲的影響,ADC每跳動(dòng)一個(gè)最小單位1LSB,產(chǎn)生的量化誤差大約會(huì)有2000V/2048≈1V。如果使用該量程測量10.3V這樣的信號(hào),很顯然單次ADC取樣的最小分辨率已無法識(shí)別0.3V這樣刻度(在圖 2的量化示意圖中0.3V處在兩個(gè)刻度中間),當(dāng)然無法測得正確的值。如果無規(guī)則噪聲的峰值能大于1LSB時(shí),多次采樣取平均值后可以提高測量系統(tǒng)的有效位數(shù),但這樣的因素不在我們考慮的范圍之內(nèi)。
這樣說來似乎高位數(shù)的ADC可顯著降低量化誤差,但遺憾的是高位數(shù)和高采樣率是一個(gè)矛盾,因?yàn)楦邘挄?huì)帶來更高的噪聲,同時(shí)在現(xiàn)有的ADC制作工藝和架構(gòu)的限制之下,高采樣率的ADC很難同時(shí)做到高有效位數(shù)。如我們的PA8000和PA5000希望在5MHz的帶寬下提供2Mbps的采樣率,如此高的帶寬情況下將難以把有效位數(shù)提高到18位以上,因此我們的PA8000使用了18位、2Mbps采樣率的ADC來減少量化誤差。
圖2.量化示意圖
前端模擬電路的噪聲、失調(diào)影響
另一個(gè)不可忽視的問題是模擬電路本身所帶來的噪聲、失調(diào)和增益誤差的影響,如圖 3所示簡化的電壓測量電路,第一張圖為1000V量程的測量通路,最高輸入電壓1000V時(shí)通過衰減電路會(huì)輸出1V電壓,放大電路不放大,跟隨電壓后送入ADC進(jìn)行采樣。如果輸入10V時(shí)衰減電路只能輸出0.01V的電壓,首先如此小的信號(hào)疊加噪聲后會(huì)對(duì)信號(hào)本身產(chǎn)生很大影響,其次由于放大電路(運(yùn)放)的失調(diào)和增益誤差的影響,哪怕只產(chǎn)生0.1mV的失調(diào)和增益誤差都會(huì)對(duì)0.01V的有效信號(hào)產(chǎn)生很大的誤差。在儀器的出廠前會(huì)對(duì)這些誤差進(jìn)行校準(zhǔn)以消除固有的偏差,不過因使用過程中溫度和老化的影響這些值會(huì)發(fā)生變化,在標(biāo)示儀器的精度指標(biāo)時(shí)會(huì)留有一定的余量以確保儀器處在可保證的精度內(nèi),但是如果用大量程去測量小信號(hào)時(shí)溫度和老化產(chǎn)生的影響將無法得到保證。
在測量較小信號(hào)時(shí)應(yīng)先衰減電路進(jìn)行較小倍數(shù)的衰減,10V輸入時(shí)衰減電路輸出0.1V,然后放大電路將有效信號(hào)放大10倍到1V送入ADC取樣。這樣的處理方式將會(huì)顯著減少噪聲、失調(diào)和增益誤差的影響,在包含小量程的測量設(shè)備中通常會(huì)采用這樣的方式或等效的方式進(jìn)行處理。
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