介紹工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)中的電子校準(zhǔn)和校正制造公差的方法

本教程討論如何正確設(shè)計(jì)微調(diào)、調(diào)整和校準(zhǔn)電路來(lái)校正系統(tǒng)容差，使工業(yè)設(shè)備更安全、更準(zhǔn)確、更經(jīng)濟(jì)。涉及的校準(zhǔn)主題包括補(bǔ)償組件公差、使用最終測(cè)試校準(zhǔn)、通過(guò)上電自檢和連續(xù)/定期校準(zhǔn)提高可靠性、實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)調(diào)整、用全電子等效物替換機(jī)械調(diào)整，以及利用精密基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)。

通過(guò)電子校準(zhǔn)使工業(yè)設(shè)備準(zhǔn)確、安全且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠

我們要求工廠的安全。客戶(hù)期望優(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，校準(zhǔn)。電子校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如傳感器、閥門(mén)和執(zhí)行器）的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)和測(cè)試。由于現(xiàn)場(chǎng)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(zhǔn)設(shè)備的小尺寸。

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。當(dāng)組件組裝到系統(tǒng)中時(shí)，各個(gè)公差相加以形成總的系統(tǒng)容錯(cuò)能力。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，從而使設(shè)備安全、準(zhǔn)確且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

校準(zhǔn)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(cè)試時(shí)間、提高可靠性、提高客戶(hù)滿意度、減少客戶(hù)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(zhǔn)設(shè)備和電位計(jì)（電位器）正在取代機(jī)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(zé)任問(wèn)題。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)消除人為錯(cuò)誤來(lái)減少測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）可以一次又一次地快速準(zhǔn)確地執(zhí)行測(cè)試功能。此外，數(shù)字設(shè)備對(duì)灰塵、污垢和濕氣不敏感，這可能導(dǎo)致機(jī)械電位器故障。

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

使用最終測(cè)試校準(zhǔn)補(bǔ)償組件公差

最終測(cè)試校準(zhǔn)可糾正由許多組件的組合公差引起的誤差?？赡苄枰M(jìn)行一次或多次調(diào)整才能校準(zhǔn)被測(cè)設(shè)備 （DUT） 以滿足制造商的規(guī)格。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我們將說(shuō)該設(shè)備在多個(gè)電路中使用容差為 5% 的電阻器。在設(shè)計(jì)中，我們模擬電路并進(jìn)行蒙特卡羅測(cè)試。也就是說(shuō)，我們?cè)谌莶钕拗祪?nèi)隨機(jī)更改電阻值，以探索它們對(duì)輸出信號(hào)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(shí)，設(shè)計(jì)人員決定按原樣使用電路，并在最終測(cè)試期間簡(jiǎn)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?cè)谧罱K的生產(chǎn)測(cè)試中進(jìn)行測(cè)量，并讓人工使用兩個(gè)機(jī)械電位器設(shè)置跨度和偏移量。校準(zhǔn)已完成，但我們是否解決了問(wèn)題，掩蓋了問(wèn)題，還是添加了更大的未知數(shù)？

經(jīng)驗(yàn)豐富的生產(chǎn)工程師知道人為錯(cuò)誤是一個(gè)真正的問(wèn)題。無(wú)意的失誤可能會(huì)破壞最好的計(jì)劃。要求人類(lèi)執(zhí)行一項(xiàng)無(wú)聊、重復(fù)的任務(wù)就是在找問(wèn)題。更好的方法是自動(dòng)執(zhí)行此類(lèi)任務(wù)。電動(dòng)可調(diào)校準(zhǔn)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)測(cè)試，從而提高可重復(fù)性，降低成本，并通過(guò)消除人為錯(cuò)誤因素來(lái)提高安全性。

通過(guò)上電自檢和連續(xù)/定期校準(zhǔn)提高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性

制造公差通過(guò)在最終生產(chǎn)測(cè)試期間的校準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償，并在系統(tǒng)上電時(shí)利用這些數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)也產(chǎn)生了測(cè)試和校準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(guò)上電時(shí)的自檢和定期或連續(xù)測(cè)試的組合來(lái)考慮。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可能像感應(yīng)溫度并相應(yīng)地進(jìn)行補(bǔ)償一樣簡(jiǎn)單，也可能更復(fù)雜。

許多產(chǎn)品都包括一個(gè)內(nèi)部微處理器，可以幫助測(cè)試。例如，體重秤可以補(bǔ)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(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量秤上材料的凈重是必要的。由于包裝的重量可能會(huì)因制造差異或供應(yīng)商的變化而隨時(shí)間而變化，因此希望不時(shí)更新皮重或容器重量。

另一個(gè)例子是使用開(kāi)關(guān)將放大器輸入短路至地，以測(cè)量失調(diào)電壓。這可以在上電自檢期間完成，以補(bǔ)償組件老化?；蛘?，可以定期執(zhí)行以補(bǔ)償溫度引起的漂移。如果溫度漂移是可預(yù)測(cè)和可重復(fù)的，則微處理器可以通過(guò)測(cè)量溫度并以開(kāi)環(huán)方式控制校準(zhǔn)設(shè)備來(lái)幫助測(cè)試。

系統(tǒng)增益誤差可以通過(guò)在早期階段將已知信號(hào)切換到設(shè)備并測(cè)量輸出電平來(lái)校準(zhǔn)。這是在上電時(shí)或在運(yùn)行間歇期間定期完成的。

使用校準(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）具有一些獨(dú)特的屬性，可以進(jìn)行微調(diào)、調(diào)整和校準(zhǔn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器，可在上電期間自動(dòng)恢復(fù)校準(zhǔn)設(shè)置。圖1說(shuō)明了第二個(gè)優(yōu)勢(shì)：能夠自定義校準(zhǔn)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(zhǔn)范圍。

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。對(duì)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?yàn)榭捎玫牟介L(zhǎng)均勻分布在整個(gè)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(zhǎng)。在工業(yè)設(shè)備中，消除所有與安全相關(guān)的錯(cuò)誤至關(guān)重要。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(shí)現(xiàn)1.2V步長(zhǎng)，只需要一個(gè)8位器件，從而節(jié)省了成本。此外，這通過(guò)消除電路可能失調(diào)的任何可能性來(lái)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(zhǔn)的地方居中。如果電路的容差分析表明校準(zhǔn)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(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化調(diào)整的粒度。

通過(guò)用全電子等效物取代機(jī)械內(nèi)件來(lái)降低成本并提高精度

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)勢(shì)是成本更低。ATE可以一次又一次地精確地執(zhí)行校準(zhǔn)，從而消除了與容易出錯(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)試或在更長(zhǎng)的設(shè)備使用壽命內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)樗鼈兛梢员ＷC 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)，這可能需要長(zhǎng)電路走線或同軸電纜。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)。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(yùn)輸振動(dòng)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。

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。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。

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)量的好壞取決于用于比較的基準(zhǔn)電壓源。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。

普通電源不足以用作精密基準(zhǔn)電壓源。典型的電源精度僅為 5% 到 10%;它們隨著負(fù)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(zhǔn)電壓源經(jīng)濟(jì)實(shí)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(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)其精確電路。

第一種類(lèi)型的基準(zhǔn)電壓源可實(shí)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(shì)。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(lèi)型是可調(diào)基準(zhǔn)，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)定電源下工作的現(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)型稱(chēng)為E2CRef，集成存儲(chǔ)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(wú)限保持該電平。E2CRef 有利于需要建立基線或警告警報(bào)閾值的測(cè)試和監(jiān)測(cè)儀器。

圖2顯示了使用E2CRef的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。在本例中，電源制造商使用E2CRef創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電源，用于存儲(chǔ)最終生產(chǎn)測(cè)試期間建立的設(shè)置。制造商構(gòu)建一個(gè)通用電源并將其放入持有庫(kù)存中。收到客戶(hù)訂單后，自動(dòng)測(cè)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(cè)試校準(zhǔn)來(lái)提供兩個(gè)真正的好處。首先，他通過(guò)使用公差寬松的單個(gè)組件來(lái)降低成本，因?yàn)樽罱K測(cè)試校準(zhǔn)可以糾正累積誤差。其次，他通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行定制調(diào)整，為客戶(hù)提供更快的交付。

如今，“及時(shí)”庫(kù)存控制比以往任何時(shí)候都更加重要，因?yàn)楂@得訂單可能取決于快速交貨時(shí)間。當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手未能交付時(shí)贏得訂單可能會(huì)導(dǎo)致重復(fù)訂單。此外，增加庫(kù)存將增加的利潤(rùn)直接轉(zhuǎn)化為底線。

總結(jié)

校準(zhǔn)是達(dá)到目的的一種手段。實(shí)際設(shè)備具有制造組件公差，可以在最終生產(chǎn)測(cè)試期間使用實(shí)驗(yàn)室級(jí)外部測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。由于時(shí)間、濕度或溫度引起的環(huán)境漂移需要現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。電子可調(diào)校準(zhǔn)部件可實(shí)現(xiàn)快速現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，包括上電自檢和連續(xù)或定期校準(zhǔn)。定期校準(zhǔn)還可能包括針對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的校準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)可追溯到公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。電子校準(zhǔn)幫助我們實(shí)現(xiàn)目標(biāo);它使我們能夠擁有安全準(zhǔn)確的負(fù)擔(dān)得起的工業(yè)設(shè)備。

審核編輯：郭婷