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

本設(shè)計(jì)指南探討了信號(hào)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(cè)試補(bǔ)償元件誤差，通過上電自測(cè)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(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)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(shí)，還必須保持合理的設(shè)備價(jià)格。那么，制造商如何以合理的價(jià)格提供“完美”的設(shè)備? 答案非常簡(jiǎn)單，即校準(zhǔn)功能。電氣校準(zhǔn)能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)和測(cè)試，例如傳感器、閥門和執(zhí)行裝置。由于現(xiàn)場(chǎng)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(shì)。

所有實(shí)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(shí)，個(gè)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(jì)，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(cè)試時(shí)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(xiǎn)。另一優(yōu)勢(shì)是，通過消除人為誤差可有效縮短測(cè)試時(shí)間并消除了相關(guān)的勞務(wù)費(fèi)用。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)可以快速、準(zhǔn)確并重復(fù)執(zhí)行測(cè)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(cè)試和校準(zhǔn)應(yīng)用分為三個(gè)主要領(lǐng)域：生產(chǎn)線最終測(cè)試、定期自檢和連續(xù)監(jiān)測(cè)及重新調(diào)整。實(shí)際產(chǎn)品可能采用上述所有或部分測(cè)試方法。

通過最終測(cè)試校準(zhǔn)補(bǔ)償部件誤差

在最終測(cè)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(cè)單元(DUT)時(shí)，可能需要進(jìn)行一項(xiàng)或多項(xiàng)調(diào)整，以滿足廠商的技術(shù)指標(biāo)要求。

下面介紹一個(gè)簡(jiǎn)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(jì)中，我們對(duì)電流進(jìn)行仿真并進(jìn)行Monte Carlo試驗(yàn)。也就是說，我們?cè)谌莶钕拗捣秶鷥?nèi)隨機(jī)修改電阻值，觀察對(duì)輸出信號(hào)的影響。得到了一組模擬測(cè)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(jì)人員決定在最終測(cè)試期間對(duì)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行最終調(diào)試測(cè)量，并讓一個(gè)操作人員使用兩個(gè)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(jiǎn)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(yàn)豐富的產(chǎn)品工程師都了解人為誤差是一個(gè)現(xiàn)實(shí)存在的問題。一個(gè)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(dòng)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(dòng)測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定度

在最終產(chǎn)品測(cè)試期間對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行校準(zhǔn)，并在系統(tǒng)上電時(shí)利用這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可以補(bǔ)償生產(chǎn)誤差?，F(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)同樣需要測(cè)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(huì)產(chǎn)生信號(hào)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(chǔ)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(cè)加以解決?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以是簡(jiǎn)單地測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)發(fā)生變化，這就要求系統(tǒng)能夠隨時(shí)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(duì)地短路，測(cè)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(cè)量并控制校準(zhǔn)裝置。

將已知信號(hào)輸入到前級(jí)設(shè)備并測(cè)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(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)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(gè)優(yōu)勢(shì)是內(nèi)置非易失存儲(chǔ)器，可自動(dòng)保存上電期間的校準(zhǔn)設(shè)置。圖1所示為第二優(yōu)勢(shì)：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(gè)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(gè)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(gè)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(cuò)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(zhǎng)，只需一個(gè)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(cuò)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(duì)1.328V至1.875V范圍進(jìn)行校準(zhǔn)，也是完全可行的。256級(jí)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(shì)，其最大優(yōu)勢(shì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，或在更長(zhǎng)的設(shè)備使用期限內(nèi)進(jìn)行測(cè)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(shì)。數(shù)字電位器可直接安裝在信號(hào)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(zhǎng)的電路引線或同軸電纜。對(duì)于敏感電路，電容、時(shí)間延遲或電纜拾取的噪聲都會(huì)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(huì)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(dòng)后，抽頭的彈簧會(huì)發(fā)生松弛，使抽頭位置產(chǎn)生移動(dòng)。而數(shù)字電位器將校準(zhǔn)值保存在存儲(chǔ)器內(nèi)，不會(huì)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(shí)，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(chǔ)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(shí)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(cè)量，精度受限于電壓基準(zhǔn)。同樣，輸出控制信號(hào)精確度也受限于DAC、放大器或電纜驅(qū)動(dòng)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(jià)格適中、容易使用等優(yōu)勢(shì)。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(shì)，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(jì)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(jiǎn)單調(diào)節(jié)CRef電壓實(shí)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(chǎng)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(chǔ)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(cè)試、監(jiān)測(cè)那些需要設(shè)立基線或報(bào)警門限的儀器。

圖2列出了采用E2CRef的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。本例中，電源制造商利用E2CRef搭建經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電源，可存儲(chǔ)最終產(chǎn)品測(cè)試期間建立的設(shè)置。制造商構(gòu)建了一個(gè)通用電源，將其放在庫(kù)存目錄中。收到某個(gè)客戶的訂單后，即可利用一套自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)對(duì)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(shì)

該電源制造商充分發(fā)揮了最終測(cè)試校準(zhǔn)的作用，可以從兩方面獲得實(shí)效。首先，對(duì)個(gè)體部件的容差要求比較寬松，在最終的產(chǎn)品測(cè)試校準(zhǔn)中對(duì)累積誤差進(jìn)行修正，降低成本。其次，通過自定義調(diào)整實(shí)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(shí)交付”庫(kù)存管理已經(jīng)成為非常重要的管理理念，因?yàn)椋唵螖?shù)可能在很大程度上取決于供貨時(shí)間。在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不能準(zhǔn)時(shí)供貨時(shí)，較快的供貨渠道將會(huì)贏得更多的訂單。另一方面，將庫(kù)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(shí)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(cè)試期間通過實(shí)驗(yàn)室的外部測(cè)試對(duì)該誤差加以校準(zhǔn)。隨著時(shí)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(jià)格適中、安全可靠而且具有高精度的工業(yè)設(shè)備。