什么时候校准很重要

完美是相对的，并且特定于应用。完美的赛车不是我们用来上下班的汽车。我们需要高质量、经济实惠且可靠的日常使用产品。有时我们必须使用不完美的组件，这就是校准变得很重要的时候。校准技术可降低不完善制造设备的公差，同时保持经济性。

介绍

卓越校准的另一个术语是一流的工艺。曾经有一段时间，行会成立以传播高质量的工艺。学徒需要工作多年才能建立身体技能。大师级工匠可能会毕生致力于专业雕刻木材或石头、锻铁或雕刻陶器以制作美丽的建筑、艺术品或纪念碑。

今天，有些人认为我们更实用，但普通的消费设备是精美令人兴奋的功利主义艺术品。在大约60年的时间里，人类已经从充满房间的真空管计算机，到晶体管，到笔记本电脑，再到智能手机，平板电脑和电子阅读器。我们变得厌倦，而不是不断感到惊讶;我们只是接受这些奇迹是日常发生的。

我们坚持优质的产品，这需要精确的制造设备。同时，设备必须负担得起。制造商如何以合理的价格提供“完美”的设备？一句话，校准。电子校准可以远程校准和测试现场设备，如工厂中的传感器、阀门和执行器。它还支持创建许多低成本的消费类设备。

所有实用的部件，无论是机械的还是电子的，都有制造公差。公差越宽松，组件就越实惠。但是，当组件组装到系统中时，各个公差相加以产生总的系统误差容差。通过正确设计微调、调整和校准电路，可以纠正这些系统误差，使设备安全、准确且经济实惠。

校准是将设备的性能与已知精度的标准进行比较，然后进行校正（调整）以最大程度地减少任何误差。它允许经济实惠的公差组件生产超出正常预期的产品。校准的好处很多，可以在几个方面降低成本。校准可用于消除制造公差，指定较便宜的组件，提高可靠性和客户满意度，减少测试时间和客户退货，并加快产品交付。

现实世界中的校准

汽车维修店常用的一个广告噱头说明了仔细校准的重要性。商店的代表面对观众，一辆汽车从后面迅速驶近。车辆戛然而止，距离撞到员工还有几秒钟。员工用“我们站在工作前面”这句话来表示对刹车和公司工艺的信心。人们很快就会决定信任公司的产品和服务。

1890年，英国科学家瑞利勋爵（Lord Rayleigh）进行了一项研究，他将从空气中获得的氮气与加热亚硝酸铵释放的氮气进行了比较。他想比较两种气体的密度;也就是说，它们每单位体积的重量。他通过在标准条件下依次用每种气体填充一个精心确定体积的灯泡来做到这一点：海平面压力为 0°C。满满时灯泡的重量减去氮气耗尽时的重量给出了氮的重量。对大气氮重量的一次测量给出了2.31001克。对亚硝酸铵氮的另一项测量结果为2.29849克。差异 0.01152 很小。瑞利勋爵面临着一个问题：差异是测量误差还是密度存在真正的差异？根据现有的化学知识，密度应该没有差异。对每种气体进行了几次额外的测量，瑞利勋爵得出结论，他的数据是令人信服的证据，表明观察到的密度的微小差异超过了测量的实验误差，因此确实存在。现在出现了一个有趣的科学问题，即找到观察到的密度差异的原因。进一步的研究最终使瑞利勋爵相信，空气中的氮气含有一些迄今为止未知的气体或比氮气重的气体，并且没有通过去除其他已知气体的方法去除。根据这一假设，他很快分离出气态元素氩气。然后发现了整个稀有气体家族，甚至没有怀疑过它们的存在。密度的微小差异，经过仔细评估，并非偶然，导致了具有重大意义的科学发现。

细心、善于观察的科学家使用他们可以信任的设备实现的发明和发现的数量是巨大的。我们无法回避这样一个事实，即校准是我们生活中重要的一部分。

绝对完美还是足够好？

很少有事情是绝对完美的。即使把所有的钱都花在了专业赛车上，它们是否完美？我们想开车和孩子一起去买杂货吗？我们能负担得起燃料成本吗？显然，我们理解“特定应用”适用于汽车。

同样，什么时候“足够好”真的足够了？这也取决于应用程序。如果我们买一夸脱的牛奶，一盎司的一部分很重要。相比之下，拥有数英里海岸线的水库中的饮用水量以数百万或数十亿加仑为单位。在这些类型的测量中，一盎司是微不足道的。

电子测量也是特定于应用的，实验室仪器具有非常不同的公差要求。为实验室制造电子测量仪器的一种方法是为每个组件使用公差极小的部件。在某些应用程序中，可能需要支付此额外费用。但是，另一种方法可以以较低的成本获得所需的精度。第二种方法采用校准，可以实现更精确的仪器。该仪器采用具有经济公差水平的组件制造。这些公差是通过调整仪器，同时将仪器与可靠的标准进行比较来校准的。

一个简单的例子是由四个放大器组成的电路（图 1）。增益由八个电阻的容差设置。如果要求整个电路在±1%以内，我们可以使用0.1%的电阻（方法一），也可以使用校准。我们可以决定用可调电阻器或电位器（电位器）代替一个电阻器。然后，其他七个电阻可以是 5% 电阻（总共 ±35%）或 1% 电阻（总共 ±7%）。必须对电路进行分析，以确定实际的容差。还将考虑其他参数，例如功耗、调整粒度和温度稳定性。

图1.在其他电路功能块之间具有四个放大器的系统。

接下来要考虑的是调整的稳定性——工厂的一次调整是满足要求，还是需要定期调整？同样，这是特定于应用程序的。Spectrum Software的Micro-Cap 10电路模拟器是一个非凡的工具，用于比较稳定性和波形变化与元件公差。

质量和经济性校准

校准使设计工程师能够创建经济实惠的可靠产品。没有经验的设计工程师可能会走捷径。那些有更多经验的人已经看到了这个错误，他们感叹为什么当没有足够的时间首先正确完成时，总是有时间修复某些东西。从长远来看，最好记住马克吐温的名言：“永远做正确的事。这会让一些人满意，让其他人感到惊讶。

使用校准数模转换器 （CDAC） 和校准数字电位计 （CDPot） 进行精确的自动调整，可轻松调整元件公差。CDAC和CDPot具有一些独特的属性，可以实现自动校准 - 通电后，它们在已知条件下启动。这可以是满量程、中量程、低量程或自包含非易失性存储器先前设置的电平。图2比较了DAC与CDAC和CDPot。

普通DAC允许单个基准电压（V裁判） 适用;该基准电压通常成为最高DAC设置。最低DAC设置是固定电压，通常为地。CDAC和CDPot允许将顶部和底部DAC电压设置为任意电压，从而消除了多余的调整范围。删除未使用的调整范围可消除电路严重失调的任何可能性。CDAC和CDPot的高电压和低电压是任意的，因此可以在需要电路校准的地方居中。

图2.将DAC与CDAC和CDPot进行比较。

用电子等效物替换机械装饰的好处

与工业系统中的机械设备相比，数控可调设备具有多种优势。最大的优点是测试成本较低。自动测试设备（ATE）可以一次又一次地精确地执行校准，消除了与容易出错的手动调整相关的大量成本。此外，数字电位器允许更频繁地进行定期测试或延长设备使用寿命，因为它们保证了 50，000 个写入周期。最好的机械电位器只能支持几千次调整。

与机械锅相比，位置灵活性和尺寸是其他优势。数字可调电位器可以直接安装在信号路径中的电路板上，精确地安装在需要的位置。相比之下，机械电位器可能需要人工访问，可能需要长电路走线或同轴电缆。在敏感电路中，这些电缆的电容、延时或干扰拾取会降低设备性能。

随着时间的推移，数字电位器还可以更好地保持其校准值，而机械电位器即使在密封后仍会继续经历微小的移动。例如，当电桶温度循环或电桶受到运输振动时，雨刮器将随着雨刮器弹簧松弛而移动。存储在数字电位器中的校准值不受这些因素的影响。

此外，一次性可编程 （OTP） CDPot 可用于提高安全性。它永久锁定校准设置，防止操作员进行进一步调整（图 3）。要更改校准值，必须物理更换OTP CDPot。OTP CDPot 的特殊变体在上电复位时始终恢复到其储值，同时允许操作员在操作期间自行决定进行有限的调整。

图3.带增益的可调滤波器允许通过OTP冻结校准设置。

利用精密基准电压源进行数字校准

使用精密模数转换器（ADC）进行传感器和电压测量的精度仅与用于比较的基准电压一样精确。同样，输出控制信号的精度仅与提供给DAC、放大器或电缆驱动器的基准电压一样。紧凑、低功耗、低噪声和低温度系数基准电压源经济实惠且易于使用。此外，一些基准电压源（如DS1859）具有内部温度传感器，有助于跟踪环境变化。

普通电源不足以用作精密基准电压源。典型电源的精度仅为 5% 至 10%;它们随着负载和线路的变化而变化，并且往往很嘈杂。另一方面，MAX6325的初始精度为±0.02%，噪声小于1.5μVP-P和 1ppm 的温度系数。

一般来说，有三种串行校准基准电压源（CRef），每种都为不同的工厂应用提供了独特的优势。通过选择串行基准电压源，设计人员可以优化和校准精确的电路。

第一种基准电压源可实现较小的调整范围，通常为 3% 至 6%（图 4）。在许多系统中，这是增益调整的优势。实际上，它允许在数字转换器上进行模拟增益调整。例如，将DAC与MAX6350等可调CRef耦合，只需调整CRef电压即可对整体系统增益进行微调。

图4.数字电位器调整基准电压，以通过DAC改变系统增益。

第二种类型是可调基准（如MAX6037或MAX6160），允许在很宽的范围内（例如1V至12V）进行调整。这对于具有宽容差传感器且必须在不稳定电源下运行的现场设备是有利的。便携式维护设备可能需要使用电池、汽车电源或应急发电机运行。

第三种类型是E2CRef（图5），它集成了存储器，允许单引脚命令复制0.3V和[V]之间的任何电压。在- 0.3V]，然后无限保持该电平。

图5.DS4303无限采样保持可调电压基准框图

E2CRefs 有利于需要建立基线或警告警报阈值的测试和监测仪器。

结论

什么时候校准很重要？只有当我们要求准确性、质量和完美时。我们需要高质量、经济实惠且可靠的日常使用产品。校准有助于我们减少系统中组件公差的积累，同时保持经济性。

审核编辑：郭婷