當然,沒有什麼電路或系統是完美的,所以真正的問題是「對於應用來說夠不夠好?」不過,這經常是一個兩難的問題——通常要從哲學面來思考,同時也是許多類比設計師在初始設計、正式審查和驗證過程中都會遇到的問題,特別是當類比電路涉及感測器及其訊號調節之際。

首先,在某些情況下,要量化怎樣才算是「夠好」(good enough)本身就是一項挑戰。其次,很少有一種簡單陳述的目標,如「0.1%的精度」足以表徵完整的情況,因為通常還存在著多種精度和誤差:包括最糟情況以及典型的非線性、失真和各種干擾等,都可能會在哪些規範較重要及其如何與情境架構相關等方面引發一些有趣且激烈的討論。此外,您還必須隨時考慮到電子和機械元件可能經歴的溫度範圍,以評估溫度的影響或甚至元件過熱等問題。

當目標十分積極、準確度和性能規格要求嚴格時,設計人員必須考慮多條成功之路。通常有三種方法可以單獨或同時進行:

  1. 校準感測器和通道,一次性或持續使用。這種作法似乎很明智,雖然足夠但通常說來容易做起來難。一般來說,感測器很難校準,特別是在現場應用中。畢竟,該如何校準溫度感測器呢?您必須先為感測器提供受控熱源、表徵感測器和通道性能,然後再將校準數字輸入系統中。如果要更換感測器,您可能需要重覆進行整個過程。

有關感測器和通道校準的一些好消息是:有些MEMS感測器(例如加速度計)可直接刺激感應元件,就像受到外部影響一樣,並提供了某種程度的保證。

  1. 使用更好、更精確的元件,並且盡可能地減少這些元件中的誤差來源。對於精度需求的原因在於精密運算放大器(OP)仍然存在著巨大市場——持別是具有超低偏置電流、偏移電壓、雜訊以及與溫度相關的漂移。

然而,並非所有的改進都可透過適度、明確定義的成本以及最少量的額外設計需求而輕易實現。對於性能最高的振盪器,該單元可以是溫度補償型——稱為溫度補償晶體振盪器(TXCO),或甚至可以是恆溫晶體振盪器(OCXO)的一種。在許多情況下,消除固有一階、二階甚至三階誤差源所做的努力相當令人印象深刻,正如Donald MacKenzie在《創造精確:核彈制導的歷史社會學》(Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance)一書中所指出的那樣。

圖1:作者Donald MacKenzie在這本書中提供對於技術制導與周圍地緣政治氛圍之間相互作用的獨道見解
(來源:MIT Press)

他解釋說,當導彈制導需要經典旋轉陀螺儀表現出終極性能時,第一步是用加壓氣體轉子軸承代替機械球軸承,這種軸承在高速下的性能比最佳球軸承的表現更好。下一步是在高密度矽液中「漂浮」產生中性浮力,使重力對轉子的影響降至最低。最後,為了消除由於溫度引起的流體密度變化而導致的三階誤差,將整個浮動組件放置在溫度控制的外殼中。這是消除從中等到幾乎無法測量的錯誤來源的一些重要任務。

然而,有時候,一開始很難確定錯誤來源,當然就更難以消除。《微波期刊》(Microwave Journal)最近的一篇文章「測量石英晶體振盪器G-靈敏度」(Measuring Quartz Crystal Oscillator G-Sensitivity)解釋地非常清楚,因為它討論了測量各種加速度對振盪器晶體的影響及其挑戰,包括單向恆定、振動、衝擊、位移,以及x、y和z平面的基本傾斜和旋轉。在某些應用中,僅在操作期間將單元翻轉或側向轉動會引起晶體和振盪器共振發生微小(但不可接受)的偏移。

  1. 最後,有一些利於工程師提高準確度的方法,但通常不太可能實現:「自動消除」(self-cancellation)。有時候,透過巧妙的電路拓撲或元件佈置,可能會產生錯誤追蹤來源但會自行取消。這是比率測量普及的眾多原因之一,其優點是簡單的惠斯通(Wheatstone)電橋,其中在橋臂使用相同的元件可以致使一些重要類型的誤差「自動」消除,如圖2。

圖2:經典的惠斯通(Wheatstone)電橋配置已有近200年的歷史,但由於其簡潔且多功能性,如今仍然被廣泛使用
(來源:Omega Engineering Co.)

自動消除的概念也用於差分線路驅動器、傳輸線和接收器,而不只是單端鏈路。其想法在於使外部雜訊均等地導入兩端線路,因此差值為零(理想情況下)並因此自我抵消。雖然這在實際上並不可能消除100%的雜訊,但可以在幾乎不增加成本的情況下將其衰減幾十dB。

您使用哪些技巧和策略來提高準確性?你找到一種常用的方法了嗎?

編譯:Susan Hong

(參考原文:What to do about analog inaccuracies?,by Bill Schweber)