處理模擬誤差的三大技巧與策略
發布時間:2021-05-26 責任編輯:lina
【導讀】當然,沒有什麼電路或係統是完美的,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——通常要從哲學麵來思考,同時也是許多模擬設計師在初始設計、正式審查和驗證過程中都會遇到的問題,特別是當模擬電路涉及傳感器及其訊號調節之際。
當然,沒有什麼電路或係統是完美的,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——通常要從哲學麵來思考,同時也是許多模擬設計師在初始設計、正式審查和驗證過程中都會遇到的問題,特別是當模擬電路涉及傳感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」足以表征完整的情況,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shi真zhen和he各ge種zhong幹gan擾rao等deng,都dou可ke能neng會hui在zai哪na些xie規gui範fan較jiao重zhong要yao及ji其qi如ru何he與yu情qing境jing架jia構gou相xiang關guan等deng方fang麵mian引yin發fa一yi些xie有you趣qu且qie激ji烈lie的de討tao論lun。此ci外wai,您nin還hai必bi須xu隨sui時shi考kao慮lv到dao電dian子zi和he機ji械xie組zu件jian可ke能neng經jing歴歴的de溫wen度du範fan圍wei,以yi評ping估gu溫wen度du的de影ying響xiang或huo甚shen至zhi組zu件jian過guo熱re等deng問wen題ti。
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.xiaozhunchuanganqihetongdao,yicixinghuochixushiyong。zhezhongzuofasihuhenmingzhi,suiranzugoudantongchangshuolairongyizuoqilainan。yibanlaishuo,chuanganqihennanxiaozhun,tebieshizaixianchangyingyongzhong。bijing,gairuhexiaozhunwenduchuanganqine?ninbixuxianweichuanganqitigongshoukongreyuan、表征傳感器和信道性能,然後再將校準數字輸入係統中。如果要更換傳感器,您可能需要重複進行整個過程。
有關傳感器和信道校準的一些好消息是:有些MEMS傳感器(例如加速度計)可直接刺激感應組件,就像受到外部影響一樣,並提供了某種程度的保證。
2.使用更好、更精確的組件,並且盡可能地減少這些組件中的誤差來源。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、噪聲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。對於性能最高的振蕩器,該單元可以是溫度補償型——稱為溫度補償晶體振蕩器(TXCO),或甚至可以是恒溫晶體振蕩器(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:核彈製導的曆史社會學》(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製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(ta)解(jie)釋(shi)說(shuo),當(dang)導(dao)彈(dan)製(zhi)導(dao)需(xu)要(yao)經(jing)典(dian)旋(xuan)轉(zhuan)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)表(biao)現(xian)出(chu)終(zhong)極(ji)性(xing)能(neng)時(shi),第(di)一(yi)步(bu)是(shi)用(yong)加(jia)壓(ya)氣(qi)體(ti)轉(zhuan)子(zi)軸(zhou)承(cheng)代(dai)替(ti)機(ji)械(xie)球(qiu)軸(zhou)承(cheng),這(zhe)種(zhong)軸(zhou)承(cheng)在(zai)高(gao)速(su)下(xia)的(de)性(xing)能(neng)比(bi)最(zui)佳(jia)球(qiu)軸(zhou)承(cheng)的(de)表(biao)現(xian)更(geng)好(hao)。下(xia)一(yi)步(bu)是(shi)在(zai)高(gao)密(mi)度(du)矽(gui)液(ye)中(zhong)「漂浮」產(chan)生(sheng)中(zhong)性(xing)浮(fu)力(li),使(shi)重(zhong)力(li)對(dui)轉(zhuan)子(zi)的(de)影(ying)響(xiang)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)。最(zui)後(hou),為(wei)了(le)消(xiao)除(chu)由(you)於(yu)溫(wen)度(du)引(yin)起(qi)的(de)流(liu)體(ti)密(mi)度(du)變(bian)化(hua)而(er)導(dao)致(zhi)的(de)三(san)階(jie)誤(wu)差(cha),將(jiang)整(zheng)個(ge)浮(fu)動(dong)組(zu)件(jian)放(fang)置(zhi)在(zai)溫(wen)度(du)控(kong)製(zhi)的(de)外(wai)殼(ke)中(zhong)。這(zhe)是(shi)消(xiao)除(chu)從(cong)中(zhong)等(deng)到(dao)幾(ji)乎(hu)無(wu)法(fa)測(ce)量(liang)的(de)錯(cuo)誤(wu)來(lai)源(yuan)的(de)一(yi)些(xie)重(zhong)要(yao)任(ren)務(wu)。
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「測量石英晶體振蕩器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蕩器晶體的影響及其挑戰,包括單向恒定、振動、衝擊、位移,以及x、y和z平麵的基本傾斜和旋轉。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蕩器共振發生微小(但不可接受)的偏移。
3.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(you)時(shi)候(hou),透(tou)過(guo)巧(qiao)妙(miao)的(de)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)或(huo)組(zu)件(jian)布(bu)置(zhi),可(ke)能(neng)會(hui)產(chan)生(sheng)錯(cuo)誤(wu)追(zhui)蹤(zong)來(lai)源(yuan)但(dan)會(hui)自(zi)行(xing)取(qu)消(xiao)。這(zhe)是(shi)比(bi)率(lv)測(ce)量(liang)普(pu)及(ji)的(de)眾(zhong)多(duo)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi),其(qi)優(you)點(dian)是(shi)簡(jian)單(dan)的(de)惠(hui)斯(si)通(tong)(Wheatstone)電橋,其中在橋臂使用相同的組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年的曆史,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,而不隻是單端鏈路。其想法在於使外部噪聲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%的噪聲,但可以在幾乎不增加成本的情況下將其衰減幾十dB。
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