本設計指南探討了信號調理、調整和校準電路，用于修正系統誤差，從而以合理的成本確保工業設備安全、精確。校準部分討論了利用最終測試補償元件誤差，通過上電自測試和連續/周期性地校準提高系統可靠性，利用全電子電路替代機械調理實現高精度自動調整的可行性以及數字校準中精密基準的折中選擇。

利用電子校準確保工業設備準確、安全并經濟

工廠建設需要安全保障，客戶期待高品質產品，這就需要高精度的制造設備。同時，還必須保持合理的設備價格。那么，制造商如何以合理的價格提供“完美”的設備? 答案非常簡單，即校準功能。電氣校準能夠對現場設備進行遠程校準和測試，例如傳感器、閥門和執行裝置。由于現場設備和可編程邏輯控制器(PLC)的尺寸受限，需要利用小尺寸電子校準器件的優勢。

所有實用部件，包括機械和電子部件，都具有生產容限。容差越寬松，部件的制造成本就越低。把部件集成到系統時，個體誤差之和構成系統的總體誤差。通過合理的調節、調整和校準電路設計，能夠在一定程度上修正這些系統誤差，從而使設備運行安全、準確且經濟。

校準能夠在許多領域降低系統成本，可以消除制造誤差并允許使用低成本元件、縮短測試時間、提高用戶滿意度、降低產品返修率、降低擔保費用，還有助于加快產品交付。

數控校準裝置和電位器(pot)正逐漸替代多數工廠配置所采用的機械式電位器。這種數字方法能夠獲得更高可靠性并有助于改善操作人員的安全性。可靠性的提高降低了產品的賠償責任風險。另一優勢是，通過消除人為誤差可有效縮短測試時間并消除了相關的勞務費用。自動測試設備(ATE)可以快速、準確并重復執行測試操作，此外，數字器件能夠工作在布滿灰塵、污垢和潮濕的環境下，而機械式電位器在這樣的工作環境下很容易失效。

測試和校準應用分為三個主要領域：生產線最終測試、定期自檢和連續監測及重新調整。實際產品可能采用上述所有或部分測試方法。

通過最終測試校準補償部件誤差

在最終測試校準中可以修正多部件組合產生的誤差。校準被測單元(DUT)時，可能需要進行一項或多項調整，以滿足廠商的技術指標要求。

下面介紹一個簡單的示例，假設設備的伺服電路采用了容差為5%的電阻。設計中，我們對電流進行仿真并進行Monte Carlo試驗。也就是說，我們在容差限值范圍內隨機修改電阻值，觀察對輸出信號的影響。得到了一組模擬測試曲線，表明電阻容差所產生的最嚴重的誤差。根據這一結論，設計人員決定在最終測試期間對現有電路進行失調和量程(增益)校準，以滿足系統的技術指標。由此，我們對產品進行最終調試測量，并讓一個操作人員使用兩個機械式電位器設置量程和失調。完成校準后，進一步考查我們已經解決了問題還是簡單地隱藏了問題，或者在系統中增添了更大的未知因素?

經驗豐富的產品工程師都了解人為誤差是一個現實存在的問題。一個最好的解決方案可能由于一次意外過失而毀于一旦。讓操作人員執行單調乏味的重復性任務也是自找麻煩。更好的方式是自動完成這樣的任務。電子校準裝置能夠實現快速自動測試、提高可重復性、降低成本，并通過消除人為誤差提高系統安全性。

通過上電自檢和連續/周期性校準提高可靠性和長期穩定度

在最終產品測試期間對產品進行校準，并在系統上電時利用這些校準數據，可以補償生產誤差。現場的環境參數同樣需要測試和校準。這些環境因素包括：溫度、濕度和電路元件老化(漂移)，這些因素會產生信號量程和失調誤差。有些電路包含控制或平均信息，系統定期存儲這些信息。這些因素都能夠利用上電自檢、周期性地或連續檢測加以解決。現場測試可以是簡單地測量溫度并進行相應補償，也可以更加復雜。

許多產品都帶有內部微處理器，有助于測試。例如，稱重設備可以補償產品包裝的重量，例如塑料袋或玻璃瓶。為了準確測量材料的凈重，需要從毛重減去包裝材料的重量(皮重)。不同的生產流程或不同的供應商使得包裝材料的重量隨時發生變化，這就要求系統能夠隨時更新皮重或容器重量。

另一示例是利用開關將放大器輸入對地短路，測量失調電壓。該過程可在上電自檢期間完成，用于補償元件老化產生的誤差。也可以周期性執行該操作，補償溫漂。如果溫漂具有周期性和可重復性，微控制器即可以開環方式測量并控制校準裝置。

將已知信號輸入到前級設備并測量相應的輸出電平，即可校準增益誤差，可以在上電或工作的間歇期執行該操作。

利用校準DAC和電位器實現精確的自動調整

校準數/模轉換器(CDAC)和校準數字電位器(CDPot)在調節、調整和校準方面具有一些相同屬性。第一個優勢是內置非易失存儲器，可自動保存上電期間的校準設置。圖1所示為第二優勢：可自定義校準間隔和位置，保證工業安全性。


圖1. 普通DAC和CDAC的校準范圍比較

普通的DAC采用單個基準電壓(VREF)，該基準電壓通常用于設置DAC的最大輸出。DAC的最小輸出設置在一個固定電壓，通常為地電位。為了調整近中心點，必須忽略介于VREF和地之間的大部分范圍，并且不調整這些范圍，而可用的步進范圍是均勻分布的。例如，如果VREF設置在4V，一個10位DAC的步進值則為0.0039V。工業設備中，消除所有影響安全性的誤差至關重要。消除沒有使用的調整范圍能夠避免電路被錯誤調整的可能性。

CDAC和CDPot允許將DAC的高端和低端電壓設置在任意電平，從而消除過大的調整范圍。圖1所示例子中，下限值為1V，上限值為2V。為了在1V至2V范圍獲得0.0039V步長，只需一個8位器件即可滿足要求，從而降低成本。此外，這還縮小了電路被錯誤調整的范圍，提高系統安全性。CDAC的高端和低端電壓可以是任意值，可以根據電路校準要求把中心點設置在任意位置。如果電路的容差分析結果表明需要對1.328V至1.875V范圍進行校準，也是完全可行的。256級器件所產生的間隔電壓為0.00214V。由此，可以根據具體的應用要求獲得最佳的調整間隔。

用全電子方案代替機械調理，降低成本、提高精度

數控調整器件具有工業系統中機械裝置所不具備的眾多優勢，其最大優勢是低成本。ATE可以重復地進行多次精密校準，無需人工操作，從而避免了人為誤差和可觀的勞務費用。此外，數字電位能夠保證50,000次寫操作，允許頻繁地對系統進行測試，或在更長的設備使用期限內進行測試。質量最好的機械式電位器也只能支持數千次調整。

位置設置的靈活性和小尺寸是機械式電位器望塵莫及的另一優勢。數字電位器可直接安裝在信號通路的電路板上，準確放置在所需要的位置。相比之下，機械電位器可能需要人工調整，需要更長的電路引線或同軸電纜。對于敏感電路，電容、時間延遲或電纜拾取的噪聲都會降低設備性能。

數字電位器能夠有效保持校準位置，而機械電位器即使在密封后也會產生小的偏移。機械電位器在經歷溫度的周期性變化或在運輸過程發生振動后，抽頭的彈簧會發生松弛，使抽頭位置產生移動。而數字電位器將校準值保存在存儲器內，不會受這些因素的影響。

為了進一步提高安全性，可以采用一次性編程(OTP) CDPot，永久鎖定校準設置，防止操作人員作進一步調整。需要更改校準值時，必須更換物理OTP CDPot。一種特殊的OTP CDPot可以在上電復位期間恢復所儲存的校準值，允許操作人員在工作期間根據需要有限制地進行調整。

調整精密的電壓基準實現數字校準

帶有高精度模/數轉換器(ADC)的傳感器和電壓測量，精度受限于電壓基準。同樣，輸出控制信號精確度也受限于DAC、放大器或電纜驅動器的基準電壓精度。

普通電源不能作為精密的電壓基準，通常情況下，電源精度的典型值只有5%至10%，而且隨負載或電源電壓的變化而變化，噪聲較大。

結構緊湊的低功耗、低噪聲、低溫度系數電壓基準具有價格適中、容易使用等優勢。此外，有些基準還具有內部溫度傳感器，有助于跟蹤環境變化。

常見的校準電壓基準(CRef)有三種類型，三種方案各具優勢，分別適用于不同的工廠環境。合理選擇電壓基準，設計人員能夠對具體電路進行優化、校準。

第一類基準只能進行小范圍的微調，通常為3%至6%。這類基準非常適合工業成像系統的增益調整。例如，將DAC與可進行微調的CRef結合在一起，能夠通過簡單調節CRef電壓實現總體系統增益的精調。

第二類基準為可調基準，允許在較寬范圍(例如1V至12V)內進行調整，非常適合容差較大的傳感器或者是采用非穩壓電源供電的現場裝置。有些便攜式維護設備可能采用電池、汽車電源或應急電源供電。

第三類基準稱為E2CRef，內部集成了存儲器，允許通過單引腳控制復制0.3V和[VIN - 0.3V]之間的任何電壓，然后保持該電平。E2CRef有助于測試、監測那些需要設立基線或報警門限的儀器。

圖2列出了采用E2CRef的產品優勢。本例中，電源制造商利用E2CRef搭建經濟實惠的電源，可存儲最終產品測試期間建立的設置。制造商構建了一個通用電源，將其放在庫存目錄中。收到某個客戶的訂單后，即可利用一套自動化測試系統對其輸出電壓進行調整，然后發貨。


圖2. 采用E2CRef的制造優勢

該電源制造商充分發揮了最終測試校準的作用，可以從兩方面獲得實效。首先，對個體部件的容差要求比較寬松，在最終的產品測試校準中對累積誤差進行修正，降低成本。其次，通過自定義調整實現標準化產品，加快了產品的交付過程。

目前，“即時交付”庫存管理已經成為非常重要的管理理念，因為，訂單數可能在很大程度上取決于供貨時間。在競爭對手不能準時供貨時，較快的供貨渠道將會贏得更多的訂單。另一方面，將庫存積累的需求也降至最低水平。

總結

校準意味著“終結”。實際設備都存在一定的部件生產容差，可以在最終產品測試期間通過實驗室的外部測試對該誤差加以校準。隨著時間、濕度或溫度變化引起的環境漂移則需要進行現場校準。電子可調校準器件能夠實現快速的現場校準，包括上電自檢、連續/周期性的校準。周期性校準還可能包括針對實驗室設備的校準，使其符合所公認的標準機構的要求。電子校準能夠幫助我們達到最終目標，獲得價格適中、安全可靠而且具有高精度的工業設備。