完美是相對的，并且特定于應用。完美的賽車不是我們用來上下班的汽車。我們需要高質量、經濟實惠且可靠的日常使用產品。有時我們必須使用不完美的組件，這就是校準變得很重要的時候。校準技術可降低不完善制造設備的公差，同時保持經濟性。

介紹

卓越校準的另一個術語是一流的工藝。曾經有一段時間，行會成立以傳播高質量的工藝。學徒需要工作多年才能建立身體技能。大師級工匠可能會畢生致力于專業雕刻木材或石頭、鍛鐵或雕刻陶器以制作美麗的建筑、藝術品或紀念碑。

今天，有些人認為我們更實用，但普通的消費設備是精美令人興奮的功利主義藝術品。在大約60年的時間里，人類已經從充滿房間的真空管計算機，到晶體管，到筆記本電腦，再到智能手機，平板電腦和電子閱讀器。我們變得厭倦，而不是不斷感到驚訝;我們只是接受這些奇跡是日常發生的。

我們堅持優質的產品，這需要精確的制造設備。同時，設備必須負擔得起。制造商如何以合理的價格提供“完美”的設備？一句話，校準。電子校準可以遠程校準和測試現場設備，如工廠中的傳感器、閥門和執行器。它還支持創建許多低成本的消費類設備。

所有實用的部件，無論是機械的還是電子的，都有制造公差。公差越寬松，組件就越實惠。但是，當組件組裝到系統中時，各個公差相加以產生總的系統誤差容差。通過正確設計微調、調整和校準電路，可以糾正這些系統誤差，使設備安全、準確且經濟實惠。

校準是將設備的性能與已知精度的標準進行比較，然后進行校正（調整）以最大程度地減少任何誤差。它允許經濟實惠的公差組件生產超出正常預期的產品。校準的好處很多，可以在幾個方面降低成本。校準可用于消除制造公差，指定較便宜的組件，提高可靠性和客戶滿意度，減少測試時間和客戶退貨，并加快產品交付。

現實世界中的校準

汽車維修店常用的一個廣告噱頭說明了仔細校準的重要性。商店的代表面對觀眾，一輛汽車從后面迅速駛近。車輛戛然而止，距離撞到員工還有幾秒鐘。員工用“我們站在工作前面”這句話來表示對剎車和公司工藝的信心。人們很快就會決定信任公司的產品和服務。

1890年，英國科學家瑞利勛爵（Lord Rayleigh）進行了一項研究，他將從空氣中獲得的氮氣與加熱亞硝酸銨釋放的氮氣進行了比較。他想比較兩種氣體的密度;也就是說，它們每單位體積的重量。他通過在標準條件下依次用每種氣體填充一個精心確定體積的燈泡來做到這一點：海平面壓力為 0°C。滿滿時燈泡的重量減去氮氣耗盡時的重量給出了氮的重量。對大氣氮重量的一次測量給出了2.31001克。對亞硝酸銨氮的另一項測量結果為2.29849克。差異 0.01152 很小。瑞利勛爵面臨著一個問題：差異是測量誤差還是密度存在真正的差異？根據現有的化學知識，密度應該沒有差異。對每種氣體進行了幾次額外的測量，瑞利勛爵得出結論，他的數據是令人信服的證據，表明觀察到的密度的微小差異超過了測量的實驗誤差，因此確實存在。現在出現了一個有趣的科學問題，即找到觀察到的密度差異的原因。進一步的研究最終使瑞利勛爵相信，空氣中的氮氣含有一些迄今為止未知的氣體或比氮氣重的氣體，并且沒有通過去除其他已知氣體的方法去除。根據這一假設，他很快分離出氣態元素氬氣。然后發現了整個稀有氣體家族，甚至沒有懷疑過它們的存在。密度的微小差異，經過仔細評估，并非偶然，導致了具有重大意義的科學發現。

細心、善于觀察的科學家使用他們可以信任的設備實現的發明和發現的數量是巨大的。我們無法回避這樣一個事實，即校準是我們生活中重要的一部分。

絕對完美還是足夠好？

很少有事情是絕對完美的。即使把所有的錢都花在了專業賽車上，它們是否完美？我們想開車和孩子一起去買雜貨嗎？我們能負擔得起燃料成本嗎？顯然，我們理解“特定應用”適用于汽車。

同樣，什么時候“足夠好”真的足夠了？這也取決于應用程序。如果我們買一夸脫的牛奶，一盎司的一部分很重要。相比之下，擁有數英里海岸線的水庫中的飲用水量以數百萬或數十億加侖為單位。在這些類型的測量中，一盎司是微不足道的。

電子測量也是特定于應用的，實驗室儀器具有非常不同的公差要求。為實驗室制造電子測量儀器的一種方法是為每個組件使用公差極小的部件。在某些應用程序中，可能需要支付此額外費用。但是，另一種方法可以以較低的成本獲得所需的精度。第二種方法采用校準，可以實現更精確的儀器。該儀器采用具有經濟公差水平的組件制造。這些公差是通過調整儀器，同時將儀器與可靠的標準進行比較來校準的。

一個簡單的例子是由四個放大器組成的電路（圖 1）。增益由八個電阻的容差設置。如果要求整個電路在±1%以內，我們可以使用0.1%的電阻（方法一），也可以使用校準。我們可以決定用可調電阻器或電位器（電位器）代替一個電阻器。然后，其他七個電阻可以是 5% 電阻（總共 ±35%）或 1% 電阻（總共 ±7%）。必須對電路進行分析，以確定實際的容差。還將考慮其他參數，例如功耗、調整粒度和溫度穩定性。

圖1.在其他電路功能塊之間具有四個放大器的系統。

接下來要考慮的是調整的穩定性——工廠的一次調整是滿足要求，還是需要定期調整？同樣，這是特定于應用程序的。Spectrum Software的Micro-Cap 10電路模擬器是一個非凡的工具，用于比較穩定性和波形變化與元件公差。

質量和經濟性校準

校準使設計工程師能夠創建經濟實惠的可靠產品。沒有經驗的設計工程師可能會走捷徑。那些有更多經驗的人已經看到了這個錯誤，他們感嘆為什么當沒有足夠的時間首先正確完成時，總是有時間修復某些東西。從長遠來看，最好記住馬克吐溫的名言：“永遠做正確的事。這會讓一些人滿意，讓其他人感到驚訝。

使用校準數模轉換器 （CDAC） 和校準數字電位計 （CDPot） 進行精確的自動調整，可輕松調整元件公差。CDAC和CDPot具有一些獨特的屬性，可以實現自動校準 - 通電后，它們在已知條件下啟動。這可以是滿量程、中量程、低量程或自包含非易失性存儲器先前設置的電平。圖2比較了DAC與CDAC和CDPot。

普通DAC允許單個基準電壓（V裁判） 適用;該基準電壓通常成為最高DAC設置。最低DAC設置是固定電壓，通常為地。CDAC和CDPot允許將頂部和底部DAC電壓設置為任意電壓，從而消除了多余的調整范圍。刪除未使用的調整范圍可消除電路嚴重失調的任何可能性。CDAC和CDPot的高電壓和低電壓是任意的，因此可以在需要電路校準的地方居中。

圖2.將DAC與CDAC和CDPot進行比較。

用電子等效物替換機械裝飾的好處

與工業系統中的機械設備相比，數控可調設備具有多種優勢。最大的優點是測試成本較低。自動測試設備（ATE）可以一次又一次地精確地執行校準，消除了與容易出錯的手動調整相關的大量成本。此外，數字電位器允許更頻繁地進行定期測試或延長設備使用壽命，因為它們保證了 50，000 個寫入周期。最好的機械電位器只能支持幾千次調整。

與機械鍋相比，位置靈活性和尺寸是其他優勢。數字可調電位器可以直接安裝在信號路徑中的電路板上，精確地安裝在需要的位置。相比之下，機械電位器可能需要人工訪問，可能需要長電路走線或同軸電纜。在敏感電路中，這些電纜的電容、延時或干擾拾取會降低設備性能。

隨著時間的推移，數字電位器還可以更好地保持其校準值，而機械電位器即使在密封后仍會繼續經歷微小的移動。例如，當電桶溫度循環或電桶受到運輸振動時，雨刮器將隨著雨刮器彈簧松弛而移動。存儲在數字電位器中的校準值不受這些因素的影響。

此外，一次性可編程 （OTP） CDPot 可用于提高安全性。它永久鎖定校準設置，防止操作員進行進一步調整（圖 3）。要更改校準值，必須物理更換OTP CDPot。OTP CDPot 的特殊變體在上電復位時始終恢復到其儲值，同時允許操作員在操作期間自行決定進行有限的調整。

圖3.帶增益的可調濾波器允許通過OTP凍結校準設置。

利用精密基準電壓源進行數字校準

使用精密模數轉換器（ADC）進行傳感器和電壓測量的精度僅與用于比較的基準電壓一樣精確。同樣，輸出控制信號的精度僅與提供給DAC、放大器或電纜驅動器的基準電壓一樣。緊湊、低功耗、低噪聲和低溫度系數基準電壓源經濟實惠且易于使用。此外，一些基準電壓源（如DS1859）具有內部溫度傳感器，有助于跟蹤環境變化。

普通電源不足以用作精密基準電壓源。典型電源的精度僅為 5% 至 10%;它們隨著負載和線路的變化而變化，并且往往很嘈雜。另一方面，MAX6325的初始精度為±0.02%，噪聲小于1.5μVP-P和 1ppm 的溫度系數。

一般來說，有三種串行校準基準電壓源（CRef），每種都為不同的工廠應用提供了獨特的優勢。通過選擇串行基準電壓源，設計人員可以優化和校準精確的電路。

第一種基準電壓源可實現較小的調整范圍，通常為 3% 至 6%（圖 4）。在許多系統中，這是增益調整的優勢。實際上，它允許在數字轉換器上進行模擬增益調整。例如，將DAC與MAX6350等可調CRef耦合，只需調整CRef電壓即可對整體系統增益進行微調。

圖4.數字電位器調整基準電壓，以通過DAC改變系統增益。

第二種類型是可調基準（如MAX6037或MAX6160），允許在很寬的范圍內（例如1V至12V）進行調整。這對于具有寬容差傳感器且必須在不穩定電源下運行的現場設備是有利的。便攜式維護設備可能需要使用電池、汽車電源或應急發電機運行。

第三種類型是E2CRef（圖5），它集成了存儲器，允許單引腳命令復制0.3V和[V]之間的任何電壓。在- 0.3V]，然后無限保持該電平。

圖5.DS4303無限采樣保持可調電壓基準框圖

E2CRefs 有利于需要建立基線或警告警報閾值的測試和監測儀器。

結論

什么時候校準很重要？只有當我們要求準確性、質量和完美時。我們需要高質量、經濟實惠且可靠的日常使用產品。校準有助于我們減少系統中組件公差的積累，同時保持經濟性。

審核編輯：郭婷