工業(yè)設(shè)備設(shè)計中的電子校準(zhǔn)和生產(chǎn)誤差修正方法

本設(shè)計指南探討了信號調(diào)理、調(diào)整和校準(zhǔn)電路，用于修正系統(tǒng)誤差，從而以合理的成本確保工業(yè)設(shè)備安全、精確。校準(zhǔn)部分討論了利用最終測試補(bǔ)償元件誤差，通過上電自測試和連續(xù)/周期性地校準(zhǔn)提高系統(tǒng)可靠性，利用全電子電路替代機(jī)械調(diào)理實現(xiàn)高精度自動調(diào)整的可行性以及數(shù)字校準(zhǔn)中精密基準(zhǔn)的折中選擇。

利用電子校準(zhǔn)確保工業(yè)設(shè)備準(zhǔn)確、安全并經(jīng)濟(jì)

工廠建設(shè)需要安全保障，客戶期待高品質(zhì)產(chǎn)品，這就需要高精度的制造設(shè)備。同時，還必須保持合理的設(shè)備價格。那么，制造商如何以合理的價格提供“完美”的設(shè)備? 答案非常簡單，即校準(zhǔn)功能。電氣校準(zhǔn)能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)和測試，例如傳感器、閥門和執(zhí)行裝置。由于現(xiàn)場設(shè)備和可編程邏輯控制器(PLC)的尺寸受限，需要利用小尺寸電子校準(zhǔn)器件的優(yōu)勢。

所有實用部件，包括機(jī)械和電子部件，都具有生產(chǎn)容限。容差越寬松，部件的制造成本就越低。把部件集成到系統(tǒng)時，個體誤差之和構(gòu)成系統(tǒng)的總體誤差。通過合理的調(diào)節(jié)、調(diào)整和校準(zhǔn)電路設(shè)計，能夠在一定程度上修正這些系統(tǒng)誤差，從而使設(shè)備運(yùn)行安全、準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)。

校準(zhǔn)能夠在許多領(lǐng)域降低系統(tǒng)成本，可以消除制造誤差并允許使用低成本元件、縮短測試時間、提高用戶滿意度、降低產(chǎn)品返修率、降低擔(dān)保費(fèi)用，還有助于加快產(chǎn)品交付。

數(shù)控校準(zhǔn)裝置和電位器(pot)正逐漸替代多數(shù)工廠配置所采用的機(jī)械式電位器。這種數(shù)字方法能夠獲得更高可靠性并有助于改善操作人員的安全性?？煽啃缘奶岣呓档土水a(chǎn)品的賠償責(zé)任風(fēng)險。另一優(yōu)勢是，通過消除人為誤差可有效縮短測試時間并消除了相關(guān)的勞務(wù)費(fèi)用。自動測試設(shè)備(ATE)可以快速、準(zhǔn)確并重復(fù)執(zhí)行測試操作，此外，數(shù)字器件能夠工作在布滿灰塵、污垢和潮濕的環(huán)境下，而機(jī)械式電位器在這樣的工作環(huán)境下很容易失效。

測試和校準(zhǔn)應(yīng)用分為三個主要領(lǐng)域：生產(chǎn)線最終測試、定期自檢和連續(xù)監(jiān)測及重新調(diào)整。實際產(chǎn)品可能采用上述所有或部分測試方法。

通過最終測試校準(zhǔn)補(bǔ)償部件誤差

在最終測試校準(zhǔn)中可以修正多部件組合產(chǎn)生的誤差。校準(zhǔn)被測單元(DUT)時，可能需要進(jìn)行一項或多項調(diào)整，以滿足廠商的技術(shù)指標(biāo)要求。

下面介紹一個簡單的示例，假設(shè)設(shè)備的伺服電路采用了容差為5%的電阻。設(shè)計中，我們對電流進(jìn)行仿真并進(jìn)行Monte Carlo試驗。也就是說，我們在容差限值范圍內(nèi)隨機(jī)修改電阻值，觀察對輸出信號的影響。得到了一組模擬測試曲線，表明電阻容差所產(chǎn)生的最嚴(yán)重的誤差。根據(jù)這一結(jié)論，設(shè)計人員決定在最終測試期間對現(xiàn)有電路進(jìn)行失調(diào)和量程(增益)校準(zhǔn)，以滿足系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。由此，我們對產(chǎn)品進(jìn)行最終調(diào)試測量，并讓一個操作人員使用兩個機(jī)械式電位器設(shè)置量程和失調(diào)。完成校準(zhǔn)后，進(jìn)一步考查我們已經(jīng)解決了問題還是簡單地隱藏了問題，或者在系統(tǒng)中增添了更大的未知因素?

經(jīng)驗豐富的產(chǎn)品工程師都了解人為誤差是一個現(xiàn)實存在的問題。一個最好的解決方案可能由于一次意外過失而毀于一旦。讓操作人員執(zhí)行單調(diào)乏味的重復(fù)性任務(wù)也是自找麻煩。更好的方式是自動完成這樣的任務(wù)。電子校準(zhǔn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動測試、提高可重復(fù)性、降低成本，并通過消除人為誤差提高系統(tǒng)安全性。

通過上電自檢和連續(xù)/周期性校準(zhǔn)提高可靠性和長期穩(wěn)定度

在最終產(chǎn)品測試期間對產(chǎn)品進(jìn)行校準(zhǔn)，并在系統(tǒng)上電時利用這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可以補(bǔ)償生產(chǎn)誤差。現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)同樣需要測試和校準(zhǔn)。這些環(huán)境因素包括：溫度、濕度和電路元件老化(漂移)，這些因素會產(chǎn)生信號量程和失調(diào)誤差。有些電路包含控制或平均信息，系統(tǒng)定期存儲這些信息。這些因素都能夠利用上電自檢、周期性地或連續(xù)檢測加以解決。現(xiàn)場測試可以是簡單地測量溫度并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，也可以更加復(fù)雜。

許多產(chǎn)品都帶有內(nèi)部微處理器，有助于測試。例如，稱重設(shè)備可以補(bǔ)償產(chǎn)品包裝的重量，例如塑料袋或玻璃瓶。為了準(zhǔn)確測量材料的凈重，需要從毛重減去包裝材料的重量(皮重)。不同的生產(chǎn)流程或不同的供應(yīng)商使得包裝材料的重量隨時發(fā)生變化，這就要求系統(tǒng)能夠隨時更新皮重或容器重量。

另一示例是利用開關(guān)將放大器輸入對地短路，測量失調(diào)電壓。該過程可在上電自檢期間完成，用于補(bǔ)償元件老化產(chǎn)生的誤差。也可以周期性執(zhí)行該操作，補(bǔ)償溫漂。如果溫漂具有周期性和可重復(fù)性，微控制器即可以開環(huán)方式測量并控制校準(zhǔn)裝置。

將已知信號輸入到前級設(shè)備并測量相應(yīng)的輸出電平，即可校準(zhǔn)增益誤差，可以在上電或工作的間歇期執(zhí)行該操作。

利用校準(zhǔn)DAC和電位器實現(xiàn)精確的自動調(diào)整

校準(zhǔn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(CDAC)和校準(zhǔn)數(shù)字電位器(CDPot)在調(diào)節(jié)、調(diào)整和校準(zhǔn)方面具有一些相同屬性。第一個優(yōu)勢是內(nèi)置非易失存儲器，可自動保存上電期間的校準(zhǔn)設(shè)置。圖1所示為第二優(yōu)勢：可自定義校準(zhǔn)間隔和位置，保證工業(yè)安全性。


圖1. 普通DAC和CDAC的校準(zhǔn)范圍比較

普通的DAC采用單個基準(zhǔn)電壓(VREF)，該基準(zhǔn)電壓通常用于設(shè)置DAC的最大輸出。DAC的最小輸出設(shè)置在一個固定電壓，通常為地電位。為了調(diào)整近中心點(diǎn)，必須忽略介于VREF和地之間的大部分范圍，并且不調(diào)整這些范圍，而可用的步進(jìn)范圍是均勻分布的。例如，如果VREF設(shè)置在4V，一個10位DAC的步進(jìn)值則為0.0039V。工業(yè)設(shè)備中，消除所有影響安全性的誤差至關(guān)重要。消除沒有使用的調(diào)整范圍能夠避免電路被錯誤調(diào)整的可能性。

CDAC和CDPot允許將DAC的高端和低端電壓設(shè)置在任意電平，從而消除過大的調(diào)整范圍。圖1所示例子中，下限值為1V，上限值為2V。為了在1V至2V范圍獲得0.0039V步長，只需一個8位器件即可滿足要求，從而降低成本。此外，這還縮小了電路被錯誤調(diào)整的范圍，提高系統(tǒng)安全性。CDAC的高端和低端電壓可以是任意值，可以根據(jù)電路校準(zhǔn)要求把中心點(diǎn)設(shè)置在任意位置。如果電路的容差分析結(jié)果表明需要對1.328V至1.875V范圍進(jìn)行校準(zhǔn)，也是完全可行的。256級器件所產(chǎn)生的間隔電壓為0.00214V。由此，可以根據(jù)具體的應(yīng)用要求獲得最佳的調(diào)整間隔。

用全電子方案代替機(jī)械調(diào)理，降低成本、提高精度

數(shù)控調(diào)整器件具有工業(yè)系統(tǒng)中機(jī)械裝置所不具備的眾多優(yōu)勢，其最大優(yōu)勢是低成本。ATE可以重復(fù)地進(jìn)行多次精密校準(zhǔn)，無需人工操作，從而避免了人為誤差和可觀的勞務(wù)費(fèi)用。此外，數(shù)字電位能夠保證50,000次寫操作，允許頻繁地對系統(tǒng)進(jìn)行測試，或在更長的設(shè)備使用期限內(nèi)進(jìn)行測試。質(zhì)量最好的機(jī)械式電位器也只能支持?jǐn)?shù)千次調(diào)整。

位置設(shè)置的靈活性和小尺寸是機(jī)械式電位器望塵莫及的另一優(yōu)勢。數(shù)字電位器可直接安裝在信號通路的電路板上，準(zhǔn)確放置在所需要的位置。相比之下，機(jī)械電位器可能需要人工調(diào)整，需要更長的電路引線或同軸電纜。對于敏感電路，電容、時間延遲或電纜拾取的噪聲都會降低設(shè)備性能。

數(shù)字電位器能夠有效保持校準(zhǔn)位置，而機(jī)械電位器即使在密封后也會產(chǎn)生小的偏移。機(jī)械電位器在經(jīng)歷溫度的周期性變化或在運(yùn)輸過程發(fā)生振動后，抽頭的彈簧會發(fā)生松弛，使抽頭位置產(chǎn)生移動。而數(shù)字電位器將校準(zhǔn)值保存在存儲器內(nèi)，不會受這些因素的影響。

為了進(jìn)一步提高安全性，可以采用一次性編程(OTP) CDPot，永久鎖定校準(zhǔn)設(shè)置，防止操作人員作進(jìn)一步調(diào)整。需要更改校準(zhǔn)值時，必須更換物理OTP CDPot。一種特殊的OTP CDPot可以在上電復(fù)位期間恢復(fù)所儲存的校準(zhǔn)值，允許操作人員在工作期間根據(jù)需要有限制地進(jìn)行調(diào)整。

調(diào)整精密的電壓基準(zhǔn)實現(xiàn)數(shù)字校準(zhǔn)

帶有高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的傳感器和電壓測量，精度受限于電壓基準(zhǔn)。同樣，輸出控制信號精確度也受限于DAC、放大器或電纜驅(qū)動器的基準(zhǔn)電壓精度。

普通電源不能作為精密的電壓基準(zhǔn)，通常情況下，電源精度的典型值只有5%至10%，而且隨負(fù)載或電源電壓的變化而變化，噪聲較大。

結(jié)構(gòu)緊湊的低功耗、低噪聲、低溫度系數(shù)電壓基準(zhǔn)具有價格適中、容易使用等優(yōu)勢。此外，有些基準(zhǔn)還具有內(nèi)部溫度傳感器，有助于跟蹤環(huán)境變化。

常見的校準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)(CRef)有三種類型，三種方案各具優(yōu)勢，分別適用于不同的工廠環(huán)境。合理選擇電壓基準(zhǔn)，設(shè)計人員能夠?qū)唧w電路進(jìn)行優(yōu)化、校準(zhǔn)。

第一類基準(zhǔn)只能進(jìn)行小范圍的微調(diào)，通常為3%至6%。這類基準(zhǔn)非常適合工業(yè)成像系統(tǒng)的增益調(diào)整。例如，將DAC與可進(jìn)行微調(diào)的CRef結(jié)合在一起，能夠通過簡單調(diào)節(jié)CRef電壓實現(xiàn)總體系統(tǒng)增益的精調(diào)。

第二類基準(zhǔn)為可調(diào)基準(zhǔn)，允許在較寬范圍(例如1V至12V)內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，非常適合容差較大的傳感器或者是采用非穩(wěn)壓電源供電的現(xiàn)場裝置。有些便攜式維護(hù)設(shè)備可能采用電池、汽車電源或應(yīng)急電源供電。

第三類基準(zhǔn)稱為E2CRef，內(nèi)部集成了存儲器，允許通過單引腳控制復(fù)制0.3V和[VIN - 0.3V]之間的任何電壓，然后保持該電平。E2CRef有助于測試、監(jiān)測那些需要設(shè)立基線或報警門限的儀器。

圖2列出了采用E2CRef的產(chǎn)品優(yōu)勢。本例中，電源制造商利用E2CRef搭建經(jīng)濟(jì)實惠的電源，可存儲最終產(chǎn)品測試期間建立的設(shè)置。制造商構(gòu)建了一個通用電源，將其放在庫存目錄中。收到某個客戶的訂單后，即可利用一套自動化測試系統(tǒng)對其輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，然后發(fā)貨。


圖2. 采用E2CRef的制造優(yōu)勢

該電源制造商充分發(fā)揮了最終測試校準(zhǔn)的作用，可以從兩方面獲得實效。首先，對個體部件的容差要求比較寬松，在最終的產(chǎn)品測試校準(zhǔn)中對累積誤差進(jìn)行修正，降低成本。其次，通過自定義調(diào)整實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，加快了產(chǎn)品的交付過程。

目前，“即時交付”庫存管理已經(jīng)成為非常重要的管理理念，因為，訂單數(shù)可能在很大程度上取決于供貨時間。在競爭對手不能準(zhǔn)時供貨時，較快的供貨渠道將會贏得更多的訂單。另一方面，將庫存積累的需求也降至最低水平。

總結(jié)

校準(zhǔn)意味著“終結(jié)”。實際設(shè)備都存在一定的部件生產(chǎn)容差，可以在最終產(chǎn)品測試期間通過實驗室的外部測試對該誤差加以校準(zhǔn)。隨著時間、濕度或溫度變化引起的環(huán)境漂移則需要進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。電子可調(diào)校準(zhǔn)器件能夠?qū)崿F(xiàn)快速的現(xiàn)場校準(zhǔn)，包括上電自檢、連續(xù)/周期性的校準(zhǔn)。周期性校準(zhǔn)還可能包括針對實驗室設(shè)備的校準(zhǔn)，使其符合所公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的要求。電子校準(zhǔn)能夠幫助我們達(dá)到最終目標(biāo)，獲得價格適中、安全可靠而且具有高精度的工業(yè)設(shè)備。