介紹工業(yè)設備設計中的電子校準和校正制造公差的方法

本教程討論如何正確設計微調(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)設備準確、安全且經(jīng)濟實惠

我們要求工廠的安全。客戶期望優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，這需要精確的制造設備。同時，設備必須負擔得起。制造商如何以合理的價格提供“完美”的設備？一句話，校準。電子校準可實現(xiàn)現(xiàn)場設備（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。

在許多工廠設置中，數(shù)控校準設備和電位計（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)字設備對灰塵、污垢和濕氣不敏感，這可能導致機械電位器故障。

測試和校準分為三大領域：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?？赡苄枰M行一次或多次調(diào)整才能校準被測設備 （DUT） 以滿足制造商的規(guī)格。

舉一個簡單的例子，我們將說該設備在多個電路中使用容差為 5% 的電阻器。在設計中，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、重復的任務就是在找問題。更好的方法是自動執(zhí)行此類任務。電動可調(diào)校準設備可實現(xiàn)快速自動測試，從而提高可重復性，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)場測試可能像感應溫度并相應地進行補償一樣簡單，也可能更復雜。

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。或者，可以定期執(zhí)行以補償溫度引起的漂移。如果溫度漂移是可預測和可重復的，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校準設置。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設置。最低DAC設置是固定電壓，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裁判設置為4V，10位DAC每步產(chǎn)生0.0039V的步長。在工業(yè)設備中，消除所有與安全相關的錯誤至關重要。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。256步器件的粒度為0.00214V。因此，可以針對特定應用優(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)中的機械設備相比，數(shù)控可調(diào)設備具有多種優(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位時始終恢復到其儲值，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用提供了獨特的優(yōu)勢。通過選擇串行基準電壓源，設計人員可以優(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)場設備是有利的。便攜式維護設備可能需要使用電池、汽車電源或應急發(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)測試期間建立的設置。制造商構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致重復訂單。此外，增加庫存將增加的利潤直接轉(zhuǎn)化為底線。

總結

校準是達到目的的一種手段。實際設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備的校準，其標準可追溯到公認的標準機構。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)設備。

審核編輯：郭婷