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处理模拟误差的三大技巧与策略

时间:2021-05-23 作者:Bill Schweber 阅读:
当然,没有什么电路或系统是完美的,所以真正的问题是「对于应用来说够不够好?」不过,这经常是一个两难的问题——通常要从哲学面来思考,同时也是许多模拟设计师在初始设计、正式审查和验证过程中都会遇到的问题,特别是当模拟电路涉及传感器及其讯号调节之际。
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当然,没有什么电路或系统是完美的,所以真正的问题是「对于应用来说够不够好?」不过,这经常是一个两难的问题——通常要从哲学面来思考,同时也是许多模拟设计师在初始设计、正式审查和验证过程中都会遇到的问题,特别是当模拟电路涉及传感器及其讯号调节之际。

首先,在某些情况下,要量化怎样才算是「够好」(good enough)本身就是一项挑战。其次,很少有一种简单陈述的目标,如「0.1%的精度」足以表征完整的情况,因为通常还存在着多种精度和误差:包括最糟情况以及典型的非线性、失真和各种干扰等,都可能会在哪些规范较重要及其如何与情境架构相关等方面引发一些有趣且激烈的讨论。此外,您还必须随时考虑到电子和机械组件可能经歴的温度范围,以评估温度的影响或甚至组件过热等问题。

当目标十分积极、准确度和性能规格要求严格时,设计人员必须考虑多条成功之路。通常有三种方法可以单独或同时进行:

1.校准传感器和通道,一次性或持续使用。这种作法似乎很明智,虽然足够但通常说来容易做起来难。一般来说,传感器很难校准,特别是在现场应用中。毕竟,该如何校准温度传感器呢?您必须先为传感器提供受控热源、表征传感器和信道性能,然后再将校准数字输入系统中。如果要更换传感器,您可能需要重复进行整个过程。

 

有关传感器和信道校准的一些好消息是:有些MEMS传感器(例如加速度计)可直接刺激感应组件,就像受到外部影响一样,并提供了某种程度的保证。

2.使用更好、更精确的组件,并且尽可能地减少这些组件中的误差来源。对于精度需求的原因在于精密运算放大器(OP)仍然存在着巨大市场——持别是具有超低偏置电流、偏移电压、噪声以及与温度相关的漂移。

然而,并非所有的改进都可透过适度、明确定义的成本以及最少量的额外设计需求而轻易实现。对于性能最高的振荡器,该单元可以是温度补偿型——称为温度补偿晶体振荡器(TXCO),或甚至可以是恒温晶体振荡器(OCXO)的一种。在许多情况下,消除固有一阶、二阶甚至三阶误差源所做的努力相当令人印象深刻,正如Donald MacKenzie在《创造精确:核弹制导的历史社会学》(Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance)一书中所指出的那样。

001ednc20190529图1:作者Donald MacKenzie在这本书中提供对于技术制导与周围地缘政治氛围之间相互作用的独道见解(来源:MIT Press)

他解释说,当导弹制导需要经典旋转陀螺仪表现出终极性能时,第一步是用加压气体转子轴承代替机械球轴承,这种轴承在高速下的性能比最佳球轴承的表现更好。下一步是在高密度硅液中「漂浮」产生中性浮力,使重力对转子的影响降至最低。最后,为了消除由于温度引起的流体密度变化而导致的三阶误差,将整个浮动组件放置在温度控制的外壳中。这是消除从中等到几乎无法测量的错误来源的一些重要任务。

然而,有时候,一开始很难确定错误来源,当然就更难以消除。《微波期刊》(Microwave Journal)最近的一篇文章「测量石英晶体振荡器G-灵敏度」(Measuring Quartz Crystal Oscillator G-Sensitivity)解释地非常清楚,因为它讨论了测量各种加速度对振荡器晶体的影响及其挑战,包括单向恒定、振动、冲击、位移,以及x、y和z平面的基本倾斜和旋转。在某些应用中,仅在操作期间将单元翻转或侧向转动会引起晶体和振荡器共振发生微小(但不可接受)的偏移。

3.最后,有一些利于工程师提高准确度的方法,但通常不太可能实现:「自动消除」(self-cancellation)。有时候,透过巧妙的电路拓扑或组件布置,可能会产生错误追踪来源但会自行取消。这是比率测量普及的众多原因之一,其优点是简单的惠斯通(Wheatstone)电桥,其中在桥臂使用相同的组件可以致使一些重要类型的误差「自动」消除,如图2。

002ednc20190529图2:经典的惠斯通(Wheatstone)电桥配置已有近200年的历史,但由于其简洁且多功能性,如今仍然被广泛使用(来源:Omega Engineering Co.)

自动消除的概念也用于差分线路驱动器、传输线和接收器,而不只是单端链路。其想法在于使外部噪声均等地导入两端线路,因此差值为零(理想情况下)并因此自我抵消。虽然这在实际上并不可能消除100%的噪声,但可以在几乎不增加成本的情况下将其衰减几十dB。

您使用哪些技巧和策略来提高准确性?你找到一种常用的方法了吗?

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体Planet Analog,参考链接:What to do about analog inaccuracies?,编译:Susan Hong)

责编:Amy  Guan

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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