介绍工业设备设计中的电子校准和校正制造公差的方法

本教程讨论如何正确设计微调、调整和校准电路来校正系统容差，使工业设备更安全、更准确、更经济。涉及的校准主题包括补偿组件公差、使用最终测试校准、通过上电自检和连续/定期校准提高可靠性、实现精确的自动调整、用全电子等效物替换机械调整，以及利用精密基准电压源进行数字校准。

通过电子校准使工业设备准确、安全且经济实惠

我们要求工厂的安全。客户期望优质的产品，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。电子校准可实现现场设备（如传感器、阀门和执行器）的远程校准和测试。由于现场设备和可编程逻辑控制器（PLC）的尺寸有限，因此它们受益于电子校准设备的小尺寸。

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。当组件组装到系统中时，各个公差相加以形成总的系统容错能力。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，从而使设备安全、准确且经济实惠。

校准可以在许多方面降低成本。它可用于消除制造公差、指定较便宜的组件、减少测试时间、提高可靠性、提高客户满意度、减少客户退货、降低保修成本并加快产品交付。

在许多工厂设置中，数控校准设备和电位计（电位器）正在取代机械电位器。这种数字化方法可以提高可靠性并改善员工安全性。这种可靠性的提高可以减少产品责任问题。另一个优点是通过消除人为错误来减少测试时间和费用。自动测试设备（ATE）可以一次又一次地快速准确地执行测试功能。此外，数字设备对灰尘、污垢和湿气不敏感，这可能导致机械电位器故障。

测试和校准分为三大领域：生产线最终测试、定期自检以及持续监控和重新调整。实际产品可以使用上述部分或全部测试方法。

使用最终测试校准补偿组件公差

最终测试校准可纠正由许多组件的组合公差引起的误差。可能需要进行一次或多次调整才能校准被测设备 （DUT） 以满足制造商的规格。

举一个简单的例子，我们将说该设备在多个电路中使用容差为 5% 的电阻器。在设计中，我们模拟电路并进行蒙特卡罗测试。也就是说，我们在容差限值内随机更改电阻值，以探索它们对输出信号的影响。仿真结果是一系列曲线，显示了电阻容差引起的最坏情况误差。有了这些知识，设计人员决定按原样使用电路，并在最终测试期间简单地调整失调和量程（增益），以满足系统规格。因此，我们在最终的生产测试中进行测量，并让人工使用两个机械电位器设置跨度和偏移量。校准已完成，但我们是否解决了问题，掩盖了问题，还是添加了更大的未知数？

经验丰富的生产工程师知道人为错误是一个真正的问题。无意的失误可能会破坏最好的计划。要求人类执行一项无聊、重复的任务就是在找问题。更好的方法是自动执行此类任务。电动可调校准设备可实现快速自动测试，从而提高可重复性，降低成本，并通过消除人为错误因素来提高安全性。

通过上电自检和连续/定期校准提高可靠性和长期稳定性

制造公差通过在最终生产测试期间的校准进行补偿，并在系统上电时利用这些数据。现场环境参数也产生了测试和校准的需求。这些环境因素包括温度、湿度和电路元件老化（漂移），这会导致信号跨度和失调误差。一些电路包含控制或平均信息，可以定期记忆。这些因素通过上电时的自检和定期或连续测试的组合来考虑。现场测试可能像感应温度并相应地进行补偿一样简单，也可能更复杂。

许多产品都包括一个内部微处理器，可以帮助测试。例如，体重秤可以补偿产品包装的重量，例如塑料袋或玻璃罐。从毛重中减去包装的重量（皮重）对于准确测量秤上材料的净重是必要的。由于包装的重量可能会因制造差异或供应商的变化而随时间而变化，因此希望不时更新皮重或容器重量。

另一个例子是使用开关将放大器输入短路至地，以测量失调电压。这可以在上电自检期间完成，以补偿组件老化。或者，可以定期执行以补偿温度引起的漂移。如果温度漂移是可预测和可重复的，则微处理器可以通过测量温度并以开环方式控制校准设备来帮助测试。

系统增益误差可以通过在早期阶段将已知信号切换到设备并测量输出电平来校准。这是在上电时或在运行间歇期间定期完成的。

使用校准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）具有一些独特的属性，可以进行微调、调整和校准。第一个优点是内部非易失性存储器，可在上电期间自动恢复校准设置。图1说明了第二个优势：能够自定义校准粒度和位置，以确保工业安全。

图1.比较普通DAC和CDAC的校准范围。

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。对于近中心调整，此范围大部分在 V 之间裁判并且必须忽略且不使用接地，因为可用的步长均匀分布在整个范围内。例如，使用 V裁判设置为4V，10位DAC每步产生0.0039V的步长。在工业设备中，消除所有与安全相关的错误至关重要。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。在图1中，选择1V的低值和2V的高值作为示例。为了在0V至0039V范围内实现1.2V步长，只需要一个8位器件，从而节省了成本。此外，这通过消除电路可能失调的任何可能性来提高安全性。CDAC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。如果电路的容差分析表明校准需要1.328V至1.875V的范围，则可以适应。256步器件的粒度为0.00214V。因此，可以针对特定应用优化调整的粒度。

通过用全电子等效物取代机械内件来降低成本并提高精度

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。最大的优势是成本更低。ATE可以一次又一次地精确地执行校准，从而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在更长的设备使用寿命内进行，因为它们可以保证 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，这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。雨刮器将随着雨刮器弹簧松弛、电壶温度循环或电位器受到运输振动而移动。存储在数字电位器中的校准值不受这些因素的影响。

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。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。

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好坏取决于用于比较的基准电压源。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。

普通电源不足以用作精密基准电压源。典型的电源精度仅为 5% 到 10%;它们随着负载和线路的变化而变化;而且它们往往很吵。

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，一些参考具有内部温度传感器，以帮助跟踪环境变化。

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其精确电路。

第一种类型的基准电压源可实现较小的微调范围，通常为 3% 至 6%;这是工业成像系统中增益调整的优势。例如，将视频DAC与可调整的CRef耦合，只需调整CRef电压即可微调整体系统增益。

第二种类型是可调基准，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工作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。

第三种类型称为E²CRef，集成存储器，允许单引脚命令复制0.3V至[V]之间的任何电压在- 0.3V]，然后无限保持该电平。E²CRef 有利于需要建立基线或警告警报阈值的测试和监测仪器。

图2显示了使用E²CRef的生产优势。在本例中，电源制造商使用E²CRef创建经济实惠的电源，用于存储最终生产测试期间建立的设置。制造商构建一个通用电源并将其放入持有库存中。收到客户订单后，自动测试系统在发货前调整输出电压。

电源制造商利用最终测试校准来提供两个真正的好处。首先，他通过使用公差宽松的单个组件来降低成本，因为最终测试校准可以纠正累积误差。其次，他通过对标准产品进行定制调整，为客户提供更快的交付。

如今，“及时”库存控制比以往任何时候都更加重要，因为获得订单可能取决于快速交货时间。当竞争对手未能交付时赢得订单可能会导致重复订单。此外，增加库存将增加的利润直接转化为底线。

总结

校准是达到目的的一种手段。实际设备具有制造组件公差，可以在最终生产测试期间使用实验室级外部测试设备进行校准。由于时间、湿度或温度引起的环境漂移需要现场校准。电子可调校准部件可实现快速现场校准，包括上电自检和连续或定期校准。定期校准还可能包括针对实验室设备的校准，其标准可追溯到公认的标准机构。电子校准帮助我们实现目标;它使我们能够拥有安全准确的负担得起的工业设备。

审核编辑：郭婷