电子设备的电子校准和误差修正方法

只看该作者 · 2020-3-6 14:55

电子设备的电子校准和误差修正方法

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。

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。