如何减小量化误差？

现在我们已经明白了量化误差，可以用高位AD减少量化误差。除了用高位AD之外，还有以下两种方法可减小量化误差，提高信噪比。

1.使用量程合适的传感器

使用量程合适的传感器是为了保证传感器输出的信号大小合适，既不至于过载，又不至于欠载。相对而言，信号幅值越大，信噪比越高，量化误差越小。到底量程为多大时，使用的传感器是合适的呢？一般而言，测量的信号幅值应在传感器满量程的60%～80%是合适的。如测量位置的振动量级约为40g，则可以用满量程为50g的加速度传感器来测量。如果用量程为500g的传感器来测量，会有什么区别呢？

量程为50g的加速度传感器，对应的灵敏度为100mV/g，则40g对应的电压输出为4V。而当用量程为500g的加速度传感器进行测量时，传感器的灵敏度为10mV/g，则40g对应的电压输出为0.4V。那么，不同量程的传感器测量同一位置的振动时，输出的电压大小是不同的，量程越小，灵敏度越高，输出电压越大，则量化时信噪比越高，量化误差越小。这就是为什么要用合适的传感器来测量的原因。

2.使用合适的电压量程

当AD位数和传感器已不能更改时，这时可以调节数采设备的电压量程来提高信噪比，减小量化误差。量化量级计算公式为Q=2A/2^M，当AD位数确定之后，量化量级的份数也随之确定了，即分母确定了，但是分子为电压量程，可以通过减小分子，即电压量程，来提高量化量级。例如，可以把1m划分1000等份，每1份为1mm。如果把0.1m也划分1000等份，则每1份为0.1mm。此时，测量精度会更高，当然，测量的最大距离将从1m变成0.1m。因此，在测量大信号时用大量程，测量小信号时用小量程。可根据信号大小调节量程，但前提是数采设备的电压量程可调节。

这个量程调节功能也就是所谓的自动量程或手动量程（量程有很多档）。自动量程是根据测量信号的大小软件自动设置量程，手动量程是测试人员手动修改电压量程。测量大信号时用大量程，测量小信号时用小量程。设置合适的量程之后，大信号不会因量程不合适而过载，小信号也不会因量程不合适而欠载。

如果对大信号设置的电压量程过小，会导致削波的情况出现，如图2-29所示，超出量程的部分会被削掉。

图2-29 量程小导致信号被削掉

对幅值大小为10mV的单频信号设置不合适的量程，采集到的信号如图2-30所示，信号存在明显的杂波。(www.xing528.com)

图2-30 小信号量程不合适的结果

设置合适的量程之后，采集到的信号如图2-31所示。相比较图2-30所示的信号，设置合适量程测量到的信号的信噪比显著提高，信号干净了许多。

图2-31 合适的量程测量小信号

对一个单频小信号而言，如果AD位数和量程设置不合适，可能会如图2-32所示。从图2-32中可以看出，当用16位AD，不自动量程，即满量程10V进行采集时，采集到的信号为三角波，且幅值阶梯现象明显，这就是量化误差造成的。当用24位AD，不自动量程，得到的信号较之前已有明显改善，但量程设置还不合适。当设置合适的量程（0.0625V）之后，单频的小信号信噪比已很高，信号很干净，这正是我们想要的结果。信号从带阶梯状的三角波到含有杂波的信号，到最终的干净单频信号，量化误差逐步减小，信噪比逐步提高，幅值精度越来越高。

图2-32 不同AD和量程下的结果

到此，我想你已经明白AD位数对信号测量的影响了。但有一点要注意的是，之前我们所讲的一直在强调理想的AD，也就是所有的位数都是有效位，不受噪声影响。但现实情况并不是所有的位数都是有效位。例如，24位AD的动态范围理论上是144dB，但实际的动态范围在110～120dB之间，也就是有效位在18～20位之间。这是因为数采设备都是由电子元器件组成，本身会存在噪声，降低了AD的位数。这个噪声也就是所谓的本底噪声，即使不测量任何信号，设备也有相应的电压输出，这部分电压就是本底噪声，占据了一定数量的AD位数。

因此，在进行信号采集时，为了减少误差，我们应尽量使用高位AD、量程合适的传感器和合适的电压量程来测量。