工业设备设计中的电子校准和生产误差修正方法

本设计指南探讨了信号调理、调整和校准电路，用于修正系统误差，从而以合理的成本确保工业设备安全、精确。校准部分讨论了利用最终测试补偿元件误差，通过上电自测试和连续/周期性地校准提高系统可靠性，利用全电子电路替代机械调理实现高精度自动调整的可行性以及数字校准中精密基准的折中选择。

利用电子校准确保工业设备准确、安全并经济

工厂建设需要安全保障，客户期待高品质产品，这就需要高精度的制造设备。同时，还必须保持合理的设备价格。那么，制造商如何以合理的价格提供“完美”的设备? 答案非常简单，即校准功能。电气校准能够对现场设备进行远程校准和测试，例如传感器、阀门和执行装置。由于现场设备和可编程逻辑控制器(PLC)的尺寸受限，需要利用小尺寸电子校准器件的优势。

所有实用部件，包括机械和电子部件，都具有生产容限。容差越宽松，部件的制造成本就越低。把部件集成到系统时，个体误差之和构成系统的总体误差。通过合理的调节、调整和校准电路设计，能够在一定程度上修正这些系统误差，从而使设备运行安全、准确且经济。

校准能够在许多领域降低系统成本，可以消除制造误差并允许使用低成本元件、缩短测试时间、提高用户满意度、降低产品返修率、降低担保费用，还有助于加快产品交付。

数控校准装置和电位器(pot)正逐渐替代多数工厂配置所采用的机械式电位器。这种数字方法能够获得更高可靠性并有助于改善操作人员的安全性。可靠性的提高降低了产品的赔偿责任风险。另一优势是，通过消除人为误差可有效缩短测试时间并消除了相关的劳务费用。自动测试设备(ATE)可以快速、准确并重复执行测试操作，此外，数字器件能够工作在布满灰尘、污垢和潮湿的环境下，而机械式电位器在这样的工作环境下很容易失效。

测试和校准应用分为三个主要领域：生产线最终测试、定期自检和连续监测及重新调整。实际产品可能采用上述所有或部分测试方法。

通过最终测试校准补偿部件误差

在最终测试校准中可以修正多部件组合产生的误差。校准被测单元(DUT)时，可能需要进行一项或多项调整，以满足厂商的技术指标要求。

下面介绍一个简单的示例，假设设备的伺服电路采用了容差为5%的电阻。设计中，我们对电流进行仿真并进行Monte Carlo试验。也就是说，我们在容差限值范围内随机修改电阻值，观察对输出信号的影响。得到了一组模拟测试曲线，表明电阻容差所产生的最严重的误差。根据这一结论，设计人员决定在最终测试期间对现有电路进行失调和量程(增益)校准，以满足系统的技术指标。由此，我们对产品进行最终调试测量，并让一个操作人员使用两个机械式电位器设置量程和失调。完成校准后，进一步考查我们已经解决了问题还是简单地隐藏了问题，或者在系统中增添了更大的未知因素?

经验丰富的产品工程师都了解人为误差是一个现实存在的问题。一个最好的解决方案可能由于一次意外过失而毁于一旦。让操作人员执行单调乏味的重复性任务也是自找麻烦。更好的方式是自动完成这样的任务。电子校准装置能够实现快速自动测试、提高可重复性、降低成本，并通过消除人为误差提高系统安全性。

通过上电自检和连续/周期性校准提高可靠性和长期稳定度

在最终产品测试期间对产品进行校准，并在系统上电时利用这些校准数据，可以补偿生产误差。现场的环境参数同样需要测试和校准。这些环境因素包括：温度、湿度和电路元件老化(漂移)，这些因素会产生信号量程和失调误差。有些电路包含控制或平均信息，系统定期存储这些信息。这些因素都能够利用上电自检、周期性地或连续检测加以解决。现场测试可以是简单地测量温度并进行相应补偿，也可以更加复杂。

许多产品都带有内部微处理器，有助于测试。例如，称重设备可以补偿产品包装的重量，例如塑料袋或玻璃瓶。为了准确测量材料的净重，需要从毛重减去包装材料的重量(皮重)。不同的生产流程或不同的供应商使得包装材料的重量随时发生变化，这就要求系统能够随时更新皮重或容器重量。

另一示例是利用开关将放大器输入对地短路，测量失调电压。该过程可在上电自检期间完成，用于补偿元件老化产生的误差。也可以周期性执行该操作，补偿温漂。如果温漂具有周期性和可重复性，微控制器即可以开环方式测量并控制校准装置。

将已知信号输入到前级设备并测量相应的输出电平，即可校准增益误差，可以在上电或工作的间歇期执行该操作。

利用校准DAC和电位器实现精确的自动调整

校准数/模转换器(CDAC)和校准数字电位器(CDPot)在调节、调整和校准方面具有一些相同属性。第一个优势是内置非易失存储器，可自动保存上电期间的校准设置。图1所示为第二优势：可自定义校准间隔和位置，保证工业安全性。


图1. 普通DAC和CDAC的校准范围比较

普通的DAC采用单个基准电压(VREF)，该基准电压通常用于设置DAC的最大输出。DAC的最小输出设置在一个固定电压，通常为地电位。为了调整近中心点，必须忽略介于VREF和地之间的大部分范围，并且不调整这些范围，而可用的步进范围是均匀分布的。例如，如果VREF设置在4V，一个10位DAC的步进值则为0.0039V。工业设备中，消除所有影响安全性的误差至关重要。消除没有使用的调整范围能够避免电路被错误调整的可能性。

CDAC和CDPot允许将DAC的高端和低端电压设置在任意电平，从而消除过大的调整范围。图1所示例子中，下限值为1V，上限值为2V。为了在1V至2V范围获得0.0039V步长，只需一个8位器件即可满足要求，从而降低成本。此外，这还缩小了电路被错误调整的范围，提高系统安全性。CDAC的高端和低端电压可以是任意值，可以根据电路校准要求把中心点设置在任意位置。如果电路的容差分析结果表明需要对1.328V至1.875V范围进行校准，也是完全可行的。256级器件所产生的间隔电压为0.00214V。由此，可以根据具体的应用要求获得最佳的调整间隔。

用全电子方案代替机械调理，降低成本、提高精度

数控调整器件具有工业系统中机械装置所不具备的众多优势，其最大优势是低成本。ATE可以重复地进行多次精密校准，无需人工操作，从而避免了人为误差和可观的劳务费用。此外，数字电位能够保证50,000次写操作，允许频繁地对系统进行测试，或在更长的设备使用期限内进行测试。质量最好的机械式电位器也只能支持数千次调整。

位置设置的灵活性和小尺寸是机械式电位器望尘莫及的另一优势。数字电位器可直接安装在信号通路的电路板上，准确放置在所需要的位置。相比之下，机械电位器可能需要人工调整，需要更长的电路引线或同轴电缆。对于敏感电路，电容、时间延迟或电缆拾取的噪声都会降低设备性能。

数字电位器能够有效保持校准位置，而机械电位器即使在密封后也会产生小的偏移。机械电位器在经历温度的周期性变化或在运输过程发生振动后，抽头的弹簧会发生松弛，使抽头位置产生移动。而数字电位器将校准值保存在存储器内，不会受这些因素的影响。

为了进一步提高安全性，可以采用一次性编程(OTP) CDPot，永久锁定校准设置，防止操作人员作进一步调整。需要更改校准值时，必须更换物理OTP CDPot。一种特殊的OTP CDPot可以在上电复位期间恢复所储存的校准值，允许操作人员在工作期间根据需要有限制地进行调整。

调整精密的电压基准实现数字校准

带有高精度模/数转换器(ADC)的传感器和电压测量，精度受限于电压基准。同样，输出控制信号精确度也受限于DAC、放大器或电缆驱动器的基准电压精度。

普通电源不能作为精密的电压基准，通常情况下，电源精度的典型值只有5%至10%，而且随负载或电源电压的变化而变化，噪声较大。

结构紧凑的低功耗、低噪声、低温度系数电压基准具有价格适中、容易使用等优势。此外，有些基准还具有内部温度传感器，有助于跟踪环境变化。

常见的校准电压基准(CRef)有三种类型，三种方案各具优势，分别适用于不同的工厂环境。合理选择电压基准，设计人员能够对具体电路进行优化、校准。

第一类基准只能进行小范围的微调，通常为3%至6%。这类基准非常适合工业成像系统的增益调整。例如，将DAC与可进行微调的CRef结合在一起，能够通过简单调节CRef电压实现总体系统增益的精调。

第二类基准为可调基准，允许在较宽范围(例如1V至12V)内进行调整，非常适合容差较大的传感器或者是采用非稳压电源供电的现场装置。有些便携式维护设备可能采用电池、汽车电源或应急电源供电。

第三类基准称为E²CRef，内部集成了存储器，允许通过单引脚控制复制0.3V和[VIN - 0.3V]之间的任何电压，然后保持该电平。E²CRef有助于测试、监测那些需要设立基线或报警门限的仪器。

图2列出了采用E²CRef的产品优势。本例中，电源制造商利用E²CRef搭建经济实惠的电源，可存储最终产品测试期间建立的设置。制造商构建了一个通用电源，将其放在库存目录中。收到某个客户的订单后，即可利用一套自动化测试系统对其输出电压进行调整，然后发货。


图2. 采用E²CRef的制造优势

该电源制造商充分发挥了最终测试校准的作用，可以从两方面获得实效。首先，对个体部件的容差要求比较宽松，在最终的产品测试校准中对累积误差进行修正，降低成本。其次，通过自定义调整实现标准化产品，加快了产品的交付过程。

目前，“即时交付”库存管理已经成为非常重要的管理理念，因为，订单数可能在很大程度上取决于供货时间。在竞争对手不能准时供货时，较快的供货渠道将会赢得更多的订单。另一方面，将库存积累的需求也降至最低水平。

总结

校准意味着“终结”。实际设备都存在一定的部件生产容差，可以在最终产品测试期间通过实验室的外部测试对该误差加以校准。随着时间、湿度或温度变化引起的环境漂移则需要进行现场校准。电子可调校准器件能够实现快速的现场校准，包括上电自检、连续/周期性的校准。周期性校准还可能包括针对实验室设备的校准，使其符合所公认的标准机构的要求。电子校准能够帮助我们达到最终目标，获得价格适中、安全可靠而且具有高精度的工业设备。