本教程討論如何正確設(shè)計微調(diào)、調(diào)整和校準電路來校正系統(tǒng)容差，使工業(yè)設(shè)備更安全、更準確、更經(jīng)濟。涉及的校準主題包括補償組件公差、使用最終測試校準、通過上電自檢和連續(xù)/定期校準提高可靠性、實現(xiàn)精確的自動調(diào)整、用全電子等效物替換機械調(diào)整，以及利用精密基準電壓源進行數(shù)字校準。

通過電子校準使工業(yè)設(shè)備準確、安全且經(jīng)濟實惠

我們要求工廠的安全?？蛻羝谕麅?yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，這需要精確的制造設(shè)備。同時，設(shè)備必須負擔得起。制造商如何以合理的價格提供“完美”的設(shè)備？一句話，校準。電子校準可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備（如傳感器、閥門和執(zhí)行器）的遠程校準和測試。由于現(xiàn)場設(shè)備和可編程邏輯控制器（PLC）的尺寸有限，因此它們受益于電子校準設(shè)備的小尺寸。

所有實用的部件，無論是機械的還是電子的，都有制造公差。公差越寬松，組件就越實惠。當組件組裝到系統(tǒng)中時，各個公差相加以形成總的系統(tǒng)容錯能力。通過正確設(shè)計微調(diào)、調(diào)整和校準電路，可以糾正這些系統(tǒng)誤差，從而使設(shè)備安全、準確且經(jīng)濟實惠。

校準可以在許多方面降低成本。它可用于消除制造公差、指定較便宜的組件、減少測試時間、提高可靠性、提高客戶滿意度、減少客戶退貨、降低保修成本并加快產(chǎn)品交付。

在許多工廠設(shè)置中，數(shù)控校準設(shè)備和電位計（電位器）正在取代機械電位器。這種數(shù)字化方法可以提高可靠性并改善員工安全性。這種可靠性的提高可以減少產(chǎn)品責任問題。另一個優(yōu)點是通過消除人為錯誤來減少測試時間和費用。自動測試設(shè)備（ATE）可以一次又一次地快速準確地執(zhí)行測試功能。此外，數(shù)字設(shè)備對灰塵、污垢和濕氣不敏感，這可能導(dǎo)致機械電位器故障。

測試和校準分為三大領(lǐng)域：生產(chǎn)線最終測試、定期自檢以及持續(xù)監(jiān)控和重新調(diào)整。實際產(chǎn)品可以使用上述部分或全部測試方法。

使用最終測試校準補償組件公差

最終測試校準可糾正由許多組件的組合公差引起的誤差。可能需要進行一次或多次調(diào)整才能校準被測設(shè)備 （DUT） 以滿足制造商的規(guī)格。

舉一個簡單的例子，我們將說該設(shè)備在多個電路中使用容差為 5% 的電阻器。在設(shè)計中，我們模擬電路并進行蒙特卡羅測試。也就是說，我們在容差限值內(nèi)隨機更改電阻值，以探索它們對輸出信號的影響。仿真結(jié)果是一系列曲線，顯示了電阻容差引起的最壞情況誤差。有了這些知識，設(shè)計人員決定按原樣使用電路，并在最終測試期間簡單地調(diào)整失調(diào)和量程（增益），以滿足系統(tǒng)規(guī)格。因此，我們在最終的生產(chǎn)測試中進行測量，并讓人工使用兩個機械電位器設(shè)置跨度和偏移量。校準已完成，但我們是否解決了問題，掩蓋了問題，還是添加了更大的未知數(shù)？

經(jīng)驗豐富的生產(chǎn)工程師知道人為錯誤是一個真正的問題。無意的失誤可能會破壞最好的計劃。要求人類執(zhí)行一項無聊、重復(fù)的任務(wù)就是在找問題。更好的方法是自動執(zhí)行此類任務(wù)。電動可調(diào)校準設(shè)備可實現(xiàn)快速自動測試，從而提高可重復(fù)性，降低成本，并通過消除人為錯誤因素來提高安全性。

通過上電自檢和連續(xù)/定期校準提高可靠性和長期穩(wěn)定性

制造公差通過在最終生產(chǎn)測試期間的校準進行補償，并在系統(tǒng)上電時利用這些數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場環(huán)境參數(shù)也產(chǎn)生了測試和校準的需求。這些環(huán)境因素包括溫度、濕度和電路元件老化（漂移），這會導(dǎo)致信號跨度和失調(diào)誤差。一些電路包含控制或平均信息，可以定期記憶。這些因素通過上電時的自檢和定期或連續(xù)測試的組合來考慮?，F(xiàn)場測試可能像感應(yīng)溫度并相應(yīng)地進行補償一樣簡單，也可能更復(fù)雜。

許多產(chǎn)品都包括一個內(nèi)部微處理器，可以幫助測試。例如，體重秤可以補償產(chǎn)品包裝的重量，例如塑料袋或玻璃罐。從毛重中減去包裝的重量（皮重）對于準確測量秤上材料的凈重是必要的。由于包裝的重量可能會因制造差異或供應(yīng)商的變化而隨時間而變化，因此希望不時更新皮重或容器重量。

另一個例子是使用開關(guān)將放大器輸入短路至地，以測量失調(diào)電壓。這可以在上電自檢期間完成，以補償組件老化?；蛘撸梢远ㄆ趫?zhí)行以補償溫度引起的漂移。如果溫度漂移是可預(yù)測和可重復(fù)的，則微處理器可以通過測量溫度并以開環(huán)方式控制校準設(shè)備來幫助測試。

系統(tǒng)增益誤差可以通過在早期階段將已知信號切換到設(shè)備并測量輸出電平來校準。這是在上電時或在運行間歇期間定期完成的。

使用校準DAC和電位器實現(xiàn)精確的自動調(diào)整

校準數(shù)模轉(zhuǎn)換器（CDAC）和校準數(shù)字電位器（CDPot）具有一些獨特的屬性，可以進行微調(diào)、調(diào)整和校準。第一個優(yōu)點是內(nèi)部非易失性存儲器，可在上電期間自動恢復(fù)校準設(shè)置。圖1說明了第二個優(yōu)勢：能夠自定義校準粒度和位置，以確保工業(yè)安全。

圖1.比較普通DAC和CDAC的校準范圍。

普通DAC允許單個基準電壓（V裁判） 適用;該基準電壓通常成為最高DAC設(shè)置。最低DAC設(shè)置是固定電壓，通常為地。對于近中心調(diào)整，此范圍大部分在 V 之間裁判并且必須忽略且不使用接地，因為可用的步長均勻分布在整個范圍內(nèi)。例如，使用 V裁判設(shè)置為4V，10位DAC每步產(chǎn)生0.0039V的步長。在工業(yè)設(shè)備中，消除所有與安全相關(guān)的錯誤至關(guān)重要。刪除未使用的調(diào)整范圍可消除電路嚴重失調(diào)的任何可能性。

CDAC和CDPot允許將頂部和底部DAC電壓設(shè)置為任意電壓，從而消除了多余的調(diào)整范圍。在圖1中，選擇1V的低值和2V的高值作為示例。為了在0V至0039V范圍內(nèi)實現(xiàn)1.2V步長，只需要一個8位器件，從而節(jié)省了成本。此外，這通過消除電路可能失調(diào)的任何可能性來提高安全性。CDAC的高電壓和低電壓是任意的，因此可以在需要電路校準的地方居中。如果電路的容差分析表明校準需要1.328V至1.875V的范圍，則可以適應(yīng)。256步器件的粒度為0.00214V。因此，可以針對特定應(yīng)用優(yōu)化調(diào)整的粒度。

通過用全電子等效物取代機械內(nèi)件來降低成本并提高精度

與工業(yè)系統(tǒng)中的機械設(shè)備相比，數(shù)控可調(diào)設(shè)備具有多種優(yōu)勢。最大的優(yōu)勢是成本更低。ATE可以一次又一次地精確地執(zhí)行校準，從而消除了與容易出錯的手動調(diào)整相關(guān)的大量成本。此外，數(shù)字電位器允許更頻繁地進行定期測試或在更長的設(shè)備使用壽命內(nèi)進行，因為它們可以保證 50，000 個寫入周期。最好的機械電位器只能支持幾千次調(diào)整。

與機械鍋相比，位置靈活性和尺寸是其他優(yōu)勢。數(shù)字可調(diào)電位器可以直接安裝在信號路徑中的電路板上，精確地安裝在需要的位置。相比之下，機械電位器可能需要人工訪問，這可能需要長電路走線或同軸電纜。在敏感電路中，這些電纜的電容、延時或干擾拾取會降低設(shè)備性能。

隨著時間的推移，數(shù)字電位器還可以更好地保持其校準值，而機械電位器即使在密封后仍會繼續(xù)經(jīng)歷微小的移動。雨刮器將隨著雨刮器彈簧松弛、電壺溫度循環(huán)或電位器受到運輸振動而移動。存儲在數(shù)字電位器中的校準值不受這些因素的影響。

一次性可編程 （OTP） CDPot 可用于提高安全性。它永久鎖定校準設(shè)置，防止操作員進行進一步調(diào)整。要更改校準值，必須物理更換OTP CDPot。OTP CDPot 的特殊變體在上電復(fù)位時始終恢復(fù)到其儲值，同時允許操作員在操作期間自行決定進行有限的調(diào)整。

利用精密基準電壓源進行數(shù)字校準

使用精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行傳感器和電壓測量的好壞取決于用于比較的基準電壓源。同樣，輸出控制信號的精度僅與提供給DAC、放大器或電纜驅(qū)動器的基準電壓一樣。

普通電源不足以用作精密基準電壓源。典型的電源精度僅為 5% 到 10%;它們隨著負載和線路的變化而變化;而且它們往往很吵。

緊湊、低功耗、低噪聲和低溫度系數(shù)基準電壓源經(jīng)濟實惠且易于使用。此外，一些參考具有內(nèi)部溫度傳感器，以幫助跟蹤環(huán)境變化。

一般來說，有三種串行校準基準電壓源（CRef），每種都為不同的工廠應(yīng)用提供了獨特的優(yōu)勢。通過選擇串行基準電壓源，設(shè)計人員可以優(yōu)化和校準其精確電路。

第一種類型的基準電壓源可實現(xiàn)較小的微調(diào)范圍，通常為 3% 至 6%;這是工業(yè)成像系統(tǒng)中增益調(diào)整的優(yōu)勢。例如，將視頻DAC與可調(diào)整的CRef耦合，只需調(diào)整CRef電壓即可微調(diào)整體系統(tǒng)增益。

第二種類型是可調(diào)基準，允許在很寬的范圍內(nèi)（例如，1V至12V）進行調(diào)整，這對于具有寬容差傳感器且必須在不穩(wěn)定電源下工作的現(xiàn)場設(shè)備是有利的。便攜式維護設(shè)備可能需要使用電池、汽車電源或應(yīng)急發(fā)電機運行。

第三種類型稱為E2CRef，集成存儲器，允許單引腳命令復(fù)制0.3V至[V]之間的任何電壓在- 0.3V]，然后無限保持該電平。E2CRef 有利于需要建立基線或警告警報閾值的測試和監(jiān)測儀器。

圖2顯示了使用E2CRef的生產(chǎn)優(yōu)勢。在本例中，電源制造商使用E2CRef創(chuàng)建經(jīng)濟實惠的電源，用于存儲最終生產(chǎn)測試期間建立的設(shè)置。制造商構(gòu)建一個通用電源并將其放入持有庫存中。收到客戶訂單后，自動測試系統(tǒng)在發(fā)貨前調(diào)整輸出電壓。

電源制造商利用最終測試校準來提供兩個真正的好處。首先，他通過使用公差寬松的單個組件來降低成本，因為最終測試校準可以糾正累積誤差。其次，他通過對標準產(chǎn)品進行定制調(diào)整，為客戶提供更快的交付。

如今，“及時”庫存控制比以往任何時候都更加重要，因為獲得訂單可能取決于快速交貨時間。當競爭對手未能交付時贏得訂單可能會導(dǎo)致重復(fù)訂單。此外，增加庫存將增加的利潤直接轉(zhuǎn)化為底線。

總結(jié)

校準是達到目的的一種手段。實際設(shè)備具有制造組件公差，可以在最終生產(chǎn)測試期間使用實驗室級外部測試設(shè)備進行校準。由于時間、濕度或溫度引起的環(huán)境漂移需要現(xiàn)場校準。電子可調(diào)校準部件可實現(xiàn)快速現(xiàn)場校準，包括上電自檢和連續(xù)或定期校準。定期校準還可能包括針對實驗室設(shè)備的校準，其標準可追溯到公認的標準機構(gòu)。電子校準幫助我們實現(xiàn)目標;它使我們能夠擁有安全準確的負擔得起的工業(yè)設(shè)備。

審核編輯：郭婷