什么時(shí)候校準(zhǔn)很重要

完美是相對(duì)的，并且特定于應(yīng)用。完美的賽車(chē)不是我們用來(lái)上下班的汽車(chē)。我們需要高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且可靠的日常使用產(chǎn)品。有時(shí)我們必須使用不完美的組件，這就是校準(zhǔn)變得很重要的時(shí)候。校準(zhǔn)技術(shù)可降低不完善制造設(shè)備的公差，同時(shí)保持經(jīng)濟(jì)性。

介紹

卓越校準(zhǔn)的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是一流的工藝。曾經(jīng)有一段時(shí)間，行會(huì)成立以傳播高質(zhì)量的工藝。學(xué)徒需要工作多年才能建立身體技能。大師級(jí)工匠可能會(huì)畢生致力于專(zhuān)業(yè)雕刻木材或石頭、鍛鐵或雕刻陶器以制作美麗的建筑、藝術(shù)品或紀(jì)念碑。

今天，有些人認(rèn)為我們更實(shí)用，但普通的消費(fèi)設(shè)備是精美令人興奮的功利主義藝術(shù)品。在大約60年的時(shí)間里，人類(lèi)已經(jīng)從充滿(mǎn)房間的真空管計(jì)算機(jī)，到晶體管，到筆記本電腦，再到智能手機(jī)，平板電腦和電子閱讀器。我們變得厭倦，而不是不斷感到驚訝;我們只是接受這些奇跡是日常發(fā)生的。

我們堅(jiān)持優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，這需要精確的制造設(shè)備。同時(shí)，設(shè)備必須負(fù)擔(dān)得起。制造商如何以合理的價(jià)格提供“完美”的設(shè)備？一句話(huà)，校準(zhǔn)。電子校準(zhǔn)可以遠(yuǎn)程校準(zhǔn)和測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如工廠中的傳感器、閥門(mén)和執(zhí)行器。它還支持創(chuàng)建許多低成本的消費(fèi)類(lèi)設(shè)備。

所有實(shí)用的部件，無(wú)論是機(jī)械的還是電子的，都有制造公差。公差越寬松，組件就越實(shí)惠。但是，當(dāng)組件組裝到系統(tǒng)中時(shí)，各個(gè)公差相加以產(chǎn)生總的系統(tǒng)誤差容差。通過(guò)正確設(shè)計(jì)微調(diào)、調(diào)整和校準(zhǔn)電路，可以糾正這些系統(tǒng)誤差，使設(shè)備安全、準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

校準(zhǔn)是將設(shè)備的性能與已知精度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后進(jìn)行校正（調(diào)整）以最大程度地減少任何誤差。它允許經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的公差組件生產(chǎn)超出正常預(yù)期的產(chǎn)品。校準(zhǔn)的好處很多，可以在幾個(gè)方面降低成本。校準(zhǔn)可用于消除制造公差，指定較便宜的組件，提高可靠性和客戶(hù)滿(mǎn)意度，減少測(cè)試時(shí)間和客戶(hù)退貨，并加快產(chǎn)品交付。

現(xiàn)實(shí)世界中的校準(zhǔn)

汽車(chē)維修店常用的一個(gè)廣告噱頭說(shuō)明了仔細(xì)校準(zhǔn)的重要性。商店的代表面對(duì)觀眾，一輛汽車(chē)從后面迅速駛近。車(chē)輛戛然而止，距離撞到員工還有幾秒鐘。員工用“我們站在工作前面”這句話(huà)來(lái)表示對(duì)剎車(chē)和公司工藝的信心。人們很快就會(huì)決定信任公司的產(chǎn)品和服務(wù)。

1890年，英國(guó)科學(xué)家瑞利勛爵（Lord Rayleigh）進(jìn)行了一項(xiàng)研究，他將從空氣中獲得的氮?dú)馀c加熱亞硝酸銨釋放的氮?dú)膺M(jìn)行了比較。他想比較兩種氣體的密度;也就是說(shuō)，它們每單位體積的重量。他通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)條件下依次用每種氣體填充一個(gè)精心確定體積的燈泡來(lái)做到這一點(diǎn)：海平面壓力為 0°C。滿(mǎn)滿(mǎn)時(shí)燈泡的重量減去氮?dú)夂谋M時(shí)的重量給出了氮的重量。對(duì)大氣氮重量的一次測(cè)量給出了2.31001克。對(duì)亞硝酸銨氮的另一項(xiàng)測(cè)量結(jié)果為2.29849克。差異 0.01152 很小。瑞利勛爵面臨著一個(gè)問(wèn)題：差異是測(cè)量誤差還是密度存在真正的差異？根據(jù)現(xiàn)有的化學(xué)知識(shí)，密度應(yīng)該沒(méi)有差異。對(duì)每種氣體進(jìn)行了幾次額外的測(cè)量，瑞利勛爵得出結(jié)論，他的數(shù)據(jù)是令人信服的證據(jù)，表明觀察到的密度的微小差異超過(guò)了測(cè)量的實(shí)驗(yàn)誤差，因此確實(shí)存在?，F(xiàn)在出現(xiàn)了一個(gè)有趣的科學(xué)問(wèn)題，即找到觀察到的密度差異的原因。進(jìn)一步的研究最終使瑞利勛爵相信，空氣中的氮?dú)夂幸恍┢駷橹刮粗臍怏w或比氮?dú)庵氐臍怏w，并且沒(méi)有通過(guò)去除其他已知?dú)怏w的方法去除。根據(jù)這一假設(shè)，他很快分離出氣態(tài)元素氬氣。然后發(fā)現(xiàn)了整個(gè)稀有氣體家族，甚至沒(méi)有懷疑過(guò)它們的存在。密度的微小差異，經(jīng)過(guò)仔細(xì)評(píng)估，并非偶然，導(dǎo)致了具有重大意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

細(xì)心、善于觀察的科學(xué)家使用他們可以信任的設(shè)備實(shí)現(xiàn)的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)的數(shù)量是巨大的。我們無(wú)法回避這樣一個(gè)事實(shí)，即校準(zhǔn)是我們生活中重要的一部分。

絕對(duì)完美還是足夠好？

很少有事情是絕對(duì)完美的。即使把所有的錢(qián)都花在了專(zhuān)業(yè)賽車(chē)上，它們是否完美？我們想開(kāi)車(chē)和孩子一起去買(mǎi)雜貨嗎？我們能負(fù)擔(dān)得起燃料成本嗎？顯然，我們理解“特定應(yīng)用”適用于汽車(chē)。

同樣，什么時(shí)候“足夠好”真的足夠了？這也取決于應(yīng)用程序。如果我們買(mǎi)一夸脫的牛奶，一盎司的一部分很重要。相比之下，擁有數(shù)英里海岸線(xiàn)的水庫(kù)中的飲用水量以數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億加侖為單位。在這些類(lèi)型的測(cè)量中，一盎司是微不足道的。

電子測(cè)量也是特定于應(yīng)用的，實(shí)驗(yàn)室儀器具有非常不同的公差要求。為實(shí)驗(yàn)室制造電子測(cè)量?jī)x器的一種方法是為每個(gè)組件使用公差極小的部件。在某些應(yīng)用程序中，可能需要支付此額外費(fèi)用。但是，另一種方法可以以較低的成本獲得所需的精度。第二種方法采用校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)更精確的儀器。該儀器采用具有經(jīng)濟(jì)公差水平的組件制造。這些公差是通過(guò)調(diào)整儀器，同時(shí)將儀器與可靠的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較來(lái)校準(zhǔn)的。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是由四個(gè)放大器組成的電路（圖 1）。增益由八個(gè)電阻的容差設(shè)置。如果要求整個(gè)電路在±1%以?xún)?nèi)，我們可以使用0.1%的電阻（方法一），也可以使用校準(zhǔn)。我們可以決定用可調(diào)電阻器或電位器（電位器）代替一個(gè)電阻器。然后，其他七個(gè)電阻可以是 5% 電阻（總共 ±35%）或 1% 電阻（總共 ±7%）。必須對(duì)電路進(jìn)行分析，以確定實(shí)際的容差。還將考慮其他參數(shù)，例如功耗、調(diào)整粒度和溫度穩(wěn)定性。

圖1.在其他電路功能塊之間具有四個(gè)放大器的系統(tǒng)。

接下來(lái)要考慮的是調(diào)整的穩(wěn)定性——工廠的一次調(diào)整是滿(mǎn)足要求，還是需要定期調(diào)整？同樣，這是特定于應(yīng)用程序的。Spectrum Software的Micro-Cap 10電路模擬器是一個(gè)非凡的工具，用于比較穩(wěn)定性和波形變化與元件公差。

質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性校準(zhǔn)

校準(zhǔn)使設(shè)計(jì)工程師能夠創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的可靠產(chǎn)品。沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師可能會(huì)走捷徑。那些有更多經(jīng)驗(yàn)的人已經(jīng)看到了這個(gè)錯(cuò)誤，他們感嘆為什么當(dāng)沒(méi)有足夠的時(shí)間首先正確完成時(shí)，總是有時(shí)間修復(fù)某些東西。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，最好記住馬克吐溫的名言：“永遠(yuǎn)做正確的事。這會(huì)讓一些人滿(mǎn)意，讓其他人感到驚訝。

使用校準(zhǔn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （CDAC） 和校準(zhǔn)數(shù)字電位計(jì) （CDPot） 進(jìn)行精確的自動(dòng)調(diào)整，可輕松調(diào)整元件公差。CDAC和CDPot具有一些獨(dú)特的屬性，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn) - 通電后，它們?cè)谝阎獥l件下啟動(dòng)。這可以是滿(mǎn)量程、中量程、低量程或自包含非易失性存儲(chǔ)器先前設(shè)置的電平。圖2比較了DAC與CDAC和CDPot。

普通DAC允許單個(gè)基準(zhǔn)電壓（V裁判） 適用;該基準(zhǔn)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。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。刪除未使用的調(diào)整范圍可消除電路嚴(yán)重失調(diào)的任何可能性。CDAC和CDPot的高電壓和低電壓是任意的，因此可以在需要電路校準(zhǔn)的地方居中。

圖2.將DAC與CDAC和CDPot進(jìn)行比較。

用電子等效物替換機(jī)械裝飾的好處

與工業(yè)系統(tǒng)中的機(jī)械設(shè)備相比，數(shù)控可調(diào)設(shè)備具有多種優(yōu)勢(shì)。最大的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試成本較低。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）可以一次又一次地精確地執(zhí)行校準(zhǔn)，消除了與容易出錯(cuò)的手動(dòng)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(jìn)行定期測(cè)試或延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，因?yàn)樗鼈儽ＷC了 50，000 個(gè)寫(xiě)入周期。最好的機(jī)械電位器只能支持幾千次調(diào)整。

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

隨著時(shí)間的推移，數(shù)字電位器還可以更好地保持其校準(zhǔn)值，而機(jī)械電位器即使在密封后仍會(huì)繼續(xù)經(jīng)歷微小的移動(dòng)。例如，當(dāng)電桶溫度循環(huán)或電桶受到運(yùn)輸振動(dòng)時(shí)，雨刮器將隨著雨刮器彈簧松弛而移動(dòng)。存儲(chǔ)在數(shù)字電位器中的校準(zhǔn)值不受這些因素的影響。

此外，一次性可編程 （OTP） CDPot 可用于提高安全性。它永久鎖定校準(zhǔn)設(shè)置，防止操作員進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整（圖 3）。要更改校準(zhǔn)值，必須物理更換OTP CDPot。OTP CDPot 的特殊變體在上電復(fù)位時(shí)始終恢復(fù)到其儲(chǔ)值，同時(shí)允許操作員在操作期間自行決定進(jìn)行有限的調(diào)整。

圖3.帶增益的可調(diào)濾波器允許通過(guò)OTP凍結(jié)校準(zhǔn)設(shè)置。

利用精密基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)

使用精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行傳感器和電壓測(cè)量的精度僅與用于比較的基準(zhǔn)電壓一樣精確。同樣，輸出控制信號(hào)的精度僅與提供給DAC、放大器或電纜驅(qū)動(dòng)器的基準(zhǔn)電壓一樣。緊湊、低功耗、低噪聲和低溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓源經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于使用。此外，一些基準(zhǔn)電壓源（如DS1859）具有內(nèi)部溫度傳感器，有助于跟蹤環(huán)境變化。

普通電源不足以用作精密基準(zhǔn)電壓源。典型電源的精度僅為 5% 至 10%;它們隨著負(fù)載和線(xiàn)路的變化而變化，并且往往很嘈雜。另一方面，MAX6325的初始精度為±0.02%，噪聲小于1.5μVP-P和 1ppm 的溫度系數(shù)。

一般來(lái)說(shuō)，有三種串行校準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓源（CRef），每種都為不同的工廠應(yīng)用提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)選擇串行基準(zhǔn)電壓源，設(shè)計(jì)人員可以?xún)?yōu)化和校準(zhǔn)精確的電路。

第一種基準(zhǔn)電壓源可實(shí)現(xiàn)較小的調(diào)整范圍，通常為 3% 至 6%（圖 4）。在許多系統(tǒng)中，這是增益調(diào)整的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，它允許在數(shù)字轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行模擬增益調(diào)整。例如，將DAC與MAX6350等可調(diào)CRef耦合，只需調(diào)整CRef電壓即可對(duì)整體系統(tǒng)增益進(jìn)行微調(diào)。

圖4.數(shù)字電位器調(diào)整基準(zhǔn)電壓，以通過(guò)DAC改變系統(tǒng)增益。

第二種類(lèi)型是可調(diào)基準(zhǔn)（如MAX6037或MAX6160），允許在很寬的范圍內(nèi)（例如1V至12V）進(jìn)行調(diào)整。這對(duì)于具有寬容差傳感器且必須在不穩(wěn)定電源下運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是有利的。便攜式維護(hù)設(shè)備可能需要使用電池、汽車(chē)電源或應(yīng)急發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

第三種類(lèi)型是E2CRef（圖5），它集成了存儲(chǔ)器，允許單引腳命令復(fù)制0.3V和[V]之間的任何電壓。在- 0.3V]，然后無(wú)限保持該電平。

圖5.DS4303無(wú)限采樣保持可調(diào)電壓基準(zhǔn)框圖

E2CRefs 有利于需要建立基線(xiàn)或警告警報(bào)閾值的測(cè)試和監(jiān)測(cè)儀器。

結(jié)論

什么時(shí)候校準(zhǔn)很重要？只有當(dāng)我們要求準(zhǔn)確性、質(zhì)量和完美時(shí)。我們需要高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且可靠的日常使用產(chǎn)品。校準(zhǔn)有助于我們減少系統(tǒng)中組件公差的積累，同時(shí)保持經(jīng)濟(jì)性。

審核編輯：郭婷