Sigma方法（精选7篇）
Sigma方法 篇1
摘要：虽然设计成本在产品成本体系中所造成的重大影响度已经成为了众多成本研究者的一个共识, 但是对设计成本的研究却停留在一个比较浅显的阶段, 从理论和技术上都不太成熟。本文通过6 Sigma方法对一个非标设备制造企业的设计成本体系进行研究, 找出设计成本的主要影响因素并对其改善, 完善设计成本体系, 以达到对该公司产品成本改善的目的。
关键词：设计成本,6 Sigma,非标设备
1 背景
随着现代企业的竞争越来越激烈, 成本降低已经成为了企业生存的很重要的手段, 而设计成本对一个企业的成本架构的影响起到至关重要的作用, 因此研究企业的成本降低, 设计成本的管理优化是一个非常关键的因素。即便如此, 现在国内外对成本优化的研究, 无论是从理论还是技术手段上, 很大一部分是集中在制造成本的优化。造成这一现象跟设计过程不确定因素太多, 管理指标难以量化有直接的关系。
而非标设备企业的过程设计过程跟标准制造企业相比, 具有更高的难度。非标设备制造是按订单生产模式, 不同于批量生产的标准制造业。非标设备企业的每个产品之间都是完全独立, 差异很大, 因此它的设计过程也是完全独立, 不同于标准制造企业的产品设计。标准制造企业的产品之间虽然有差异, 但是共性很多, 在产品的设计原理上是相同的, 只是会对一些其它特性, 例如外观, 颜色, 连接尺寸进行一定的修改。因此产品的设计成本架构也有很多共同之处。而非标准设备企业的设计成本面临产品之间巨大差异, 管理体系无借鉴的困难。
6 Sigma作为一个比较成熟的改善工具, 在工业领域得到了长足的发展和完善。很多公司都在6 sigma运用中解决了很多棘手的问题, 特别是改善质量的变差, 使产品质量得到一个质的飞越。6 Sigma方法一共分为Define定义, Measure测量, Analyse分析, Improve改善和Control控制阶段。这5个阶段环环相扣, 能够清晰的整理出问题的影响因素, 从而对症下药的对问题进行改善, 达到真正解决问题的目的。
希望通过6 sigma这个改善工具, 同样能够在非标行业这样的领域得到有效运用, 帮助非标行业解决一些实际问题。希望能通过这个方法, 借鉴标准制造企业设计成本管理的一些方法, 在一个实际案例A公司的背景下, 针对非标设备制造企业的设计成本进行优化, 给其他制造企业提供一些借鉴。
2 Define定义阶段
Define定义是DMAIC的第一步, 是6 Sigma项目实施前的规划阶段, 而MAIC是项目实施后所经历的阶段。定义阶段的目的是确保团队专注于正确的事情, 改善对公司重要的事情。团队应该从事对业务的关键指标Y有影响的事情。
2.1 客户的声音VOC
在定义阶段, 首先收集客户的声音 (Voice of Customer) , 通过调查问卷的方式, 对中国区12家客户进行问卷调查。反馈回来的结果显示, 客户跟所有行业一样, 希望用最低的价格得到质量达标的设备。但是由于非标设备制造行业的特殊性, 每个订单都是属于唯一性, 工期也比较长, 有的甚至是从来没有合作过, 因此对产品质量属于比较模糊的界定。因此团队一致认为对现在中国市场而言, 报价是最关键的客户需求。这个报价对公司而言, 即使公司产品成本。
2.2 团队组建
制定一个好的项目方案, 良好协作的团队必不可少。当选择队员时项目负责人要谨慎。所有团队成员都必须具备基本的6 Sigma知识, 同时对所需要的改善目标有一定的了解, 对自身业务范畴也是比较了解的。所有队员要有参与项目的意愿, 能够参加项目会议, 不会因为本身业务任务妨碍项目的进程。
基于上述的要求, 选定财务, 采购, 生产, 机械设计, 电气设计人员作为项目成员, 这些成员是跟设计过程和成本直接相关的人。将这些人都纳入团队, 可以尽可能的掌握成本管理的实施细节, 对项目成功有关键作用。
2.3 选定关键特性Critical To Quality
现有产品成本计算方法的研究, 将产品成本计算方法分为3种[1], 完全成本法, 变动成本法和产量成本法。完全成本法是将所有制造成本费用, 连同直接的人工和直接的材料也都分配至产品。变动成本法只是将变动的制造费用, 连同直接人工成本和直接材料一起记录在成本中。而产量成本法只是将单位层次支持的直接成本作为产品或服务的成本。
以上三种成本计算方法, 都各自有各自的优点。根据非标设备制造企业所具有的特殊性, 我们认为完全成本法最符合这种企业的成本计算方法, 因为非标企业在面对市场的时候, 最具有竞争性的就是产品报价, 即公司对外公布的产品成本。完全成本法通常用于对外报告, 对于管理层做决策具有很大的指导意义。
A公司是一个欧洲独资企业, 在欧洲具有40多年历史, 主要是给汽车厂家及其配套厂家提供非标装配线设备, 属于非标设备的一个生产厂家。为了更清晰的展示公司的产品成本结构, 同时也结合市场需求, 我们将A公司的产品成本分为两个成本, 一个是材料成本, 即这个项目所使用的材料购买成本;另外一个就是人工成本。
由于现在信息高度发达, 材料的价格已经很透明, 例如一些扭矩枪, 电机, 传感器, 汽缸等等这样的标准购买件, 只要是品牌的产品, 价格都很容易查询到。因此材料成本基本上没有可以改善的空间。
另外一个是公司的人工成本。在报价系统中的人工成本跟企业一般意义上的人工成本有一定区别。标准制造企业的人工成本一般是指企业由于使用劳动力而产生的费用, 主要包括工资、保险、福利、教育及工会费用等。而对非标设备制造商报价中的人工, 一般是指为了完成这个项目, 所有需要的跟人工有关的资源费用。这种人工成本计算方法可以保证所有影响项目的成本被考量, 最大限度的保证成本信息的完整性。
鉴于材料成本改善空间的有限性, 人工成本成为这个6 Sigma改善的关键特性 (CTQ) 。
2.4 确定收益
关键特性选定后, 要估计对其进行改善后可以取得的收益, 提供给项目负责人进行决策判断。
A公司通过对2013年1月到6月份的成本统计得出实际人工成本为151元/小时, 而2013年6月到12月份的实际人工费用为168元/小时。由于这个成本的增加, 导致公司在项目报价阶段失去竞争力, 而且这个成本有明显的上升趋势, 给公司提供了一个危险信号。如果公司不能对这个指标进行有效控制, 使其得到有效改善, 公司的生存环境会面临一个很严峻的考验。
因此将这个人工成本作为这个6 sigma项目的CTQ, 而需要达到的目标是人工成本 (CTQ) ≤150元/小时。
按照这个既定目标, 会有以下有形效果和无形效果产出:
改善后人工成本每年可以节约1, 368, 576元。
同时也会有无形效果产出, 例如公司市场竞争力加强, 报价有明显优势, 同时公司的市场强势也会造成人才的聚集, 这些都是一个公司能够持续蓬勃发展的有力条件。
3 Measure测量阶段
Measure测量阶段是MAIC项目实施后的第一步, 通常来说也是最困难的一步。只有对所需研究的对象进行科学的测量, 掌握详细的数据, 才能做到有的放矢。测量阶段需要分析现状如何, 现有水平如何;确定影响变量X, 针对关键变量X确立数据收集方法, 进行数据收集, 为分析阶段提供基础数据。
在罗红雨的价值链成本控制研究[2]中, 生命周期成本法 (Life Cycle Cost, LCC) 是一种核算发生在生命周期内的全部成本的方法。产品生命周期成本的结果大致可以分为以下三种: (1) 生产者成本:包括研究开发成本, 制造成本, 营销成本等; (2) 消费者成本:运行成本, 维修成本, 养护成本等; (3) 社会责任成本:废弃处理成本等。
根据这个架构, 公司也结合欧洲40多年的管理经验, 采用欧洲企业的一种通用成本计算方式, 进行人工成本的计算, 以保证以上所有成本都被包括在我们需要考量的成本管理里。
人工成本的公式=全面成本Full cost/直接工时Productivity hours
2013年上半年的人工实际成本为:151元/小时
2013年下半年的人工实际成本为:168元/小时
公式中的全面成本指的是包括了人工工资, 设备折旧, 销售成本等所有一切成本, 工时指的是跟项目直接有关的机械设计工时, 电气设计公式和制造工时。这种计算方式我们认为是尽量简化了成本结构, 但同时又尽可能包括了所有需要的因素。
根据公式可以很清晰的看到, 所有成本总合和直接工时是影响成本的两大因素, 同时我们也知道, 设计成本在一个非标企业中所占比重。下图很清晰地表达了设计成本在所有成本中的比重。
根据80%-20%原则, 即结果的80%往往是由20%的因素造成的, 如果能改善这20%的因素, 可以对结果造成80%的影响。因此针对人工成本的公式中, 我们只考虑机械设计成本。因此我们决定通过分析阶段, 把所有影响因素中跟机械设计相关的因子剥离出来, 作为改善对象进行改善。
4 Analyze分析阶段
Analyze分析阶段是对所测量到的数据进行深入的研究, 从繁杂的数据中提炼出关键信息, 包括过程的变异源, 关键输出Y和关键输入X之间的关系等, 鉴别出根本原因, 从而为后续的改进阶段提供决策和方案的依据。
人工成本的公式=全面成本Full cost/直接工时Productivity hours
首先, 从相对简单的直接工时入手, 在测量阶段发现直接工时由3个要素组成, 机械设计工时, 电气设计工时和制造工时。
利用鱼骨图对机械设计工时的影响因素进行分析, 如图2。
经过整个小组的头脑风暴, 认为最影响机械设计工时的关键因素有以下几个:
(1) 设计方法:通过优化设计方法, 可以达到节省工时的目的。采用并行工程的方法, 编制好的设计计划, 可以让很多设计工作同时开展, 可以有效的节省设计工时。
虽然A公司是做非标设备的公司, 但是可以通过尽可能多的做标准化设计, 建立公司标准化设计数据库, 让设计人员可以采用尽可能多的标准设计。例如工作台, 传送带, 机械手等等, 都可以通过标准化设计, 把基本元素设计好, 设计人员只需要根据不同的产品修改夹具部分。
(2) 设计材料:将材料库进行优化, 将一些外购件做成标准采购件, 放在数据库中, 让设计人员进行选择, 也可以大大节省设计工时。同时将常用的一些材料进行备库, 不需要设计人员去考虑购买纳期, 也是节省设计工时的一种好方法。
(3) 设计评审:为了避免设计方案客户不满意, 避免重复设计, 需要在项目前期进行方案评审的时候进行充分的内部讨论, 以及积极的外部沟通。保证项目的设计理念是采用最简洁实用的设计, 正确实现客户需要的功能。
其次, 需要分析所有成本架构中设计所占部分。由于公司现有状况的成本统计, 无法准确的分析出来设计在所有架构中的具体比例, 因此需要改善成本统计的基础数据, 使其能够体现出设计成本的具体数值。
根据公司的具体情况, 在小组的头脑风暴会议中发现, 设计缺陷造成的不良成本是可以改善的一个空间。如果能将这些不良设计成本尽可能降低, 也可以同时改善由于不良设计成本导致的不良组装成本, 不良采购成本, 进而在很大程度上节省整个项目的进度。在所有设计人员的共同探讨下, 认为导致不良设计的因素一共分为内部和外部两大原因。
如果能建立一个数据收集库, 能够有效的将这些不良设计因素导致的不良成本数据统计起来, 就可以在下一步对这些数据进行分析, 改善影响最大的因素, 可以有效的改善“真实的”不良成本。
在蔡军的研究中, 提出了针对产品设计的“目标-成本”管理法[3], 这是结合了作业成本管理和成本企画两种成本管理理念, 是一个相对比较全面有效的设计成本控制方法。使用这种管理方法, 可以使我们设计尽量贴合客户需求, 同时又避免了过度设计, 造成不必要的浪费。
为了实现目标-成本管理的理念, 我们分为两个阶段进行成本控制, 第一个是在概念设计阶段, 需要将客户需求, 报价和概念设计进行对比, 审核, 尽量细化概念设计的细节, 可以达到控制设计成本的目的。
第二个是在详细设计阶段, 这个阶段涉及到材料购买, 材料成本是在这个阶段最大的成本, 如果我们能有一个有效的, 及时的监控已发生的材料成本, 通过对比计划成本和实际成本, 可以有效的帮助设计人员掌握后续的设计成本。
5 Improve改善阶段
Improve改善阶段是将实施和优化解决方案, 并验证优化方案能否满足改进目标需求。改善阶段是指团队已经找到了流程问题的原因所在, 需要生成一个解决方法的清单, 需要将分析转移到创造, 而这个创造是为了得到跟以前不同的结果。
5.1 采用工时统计系统:
工时统计可以区分出有效设计工时, 按照不良成本类型分类的各种设计工时, 可以方便我们进行工时超时原因的分析, 并对其进行改善:
5.2 设计计划采用并行工程原理:
所有结构模块进行分类, 最大限度实现并行设计。按照不同功能将每个站点进行模块分组, 然后根据每个模块之间的关联性, 制定基于并行原理的设计计划, 最大限度的使用开发人员同时进行工作, 节省设计时间。
5.3 标准化设计:
公司建立标准外购件的数据库, 存贮项目中能用到的所有标准外购件。其他人员如果需要使用, 可以直接在数据库中调用, 省去了再次开发的时间, 同时也简化了外购件的型号, 尽量统一了标准。同时公司也在开发属于公司特有资产的设计标准件, 例如机械手, 工作台, 很多基本尺寸和结构都被标准化, 设计人员也可以直接调用, 只需要修改部分尺寸, 大大节省了时间。
5.4 项目概念设计阶段使用质量功能开发QFD:
将技术协议上的要求转换成QFD分析表的内容, 项目小组对每个结构进行技术评估, 尽可能将客户要求细化成设计结构。特别是一些金额较大的标准采购件, 例如电机, 电枪, 液压机等等, 这些比较贵的, 纳期较长的标准件, 通过QFD功能表都可以体现出来, 可以尽快确定型号, 客户确认后可以及时提交给采购, 实现提前采购, 不需要等所有设计部件出来后再采购, 为整个项目赢得时间。
5.5 详细设计阶段实时对比成本计划和实际使用成本:
采用材料成本系统开通部分查询功能, 可以将项目材料成本信息按照设计计划的工作站, 工作组的分类, 提供给相关设计人员成本信息。设计人员可以在这个系统上查询到整个项目已经使用的材料成本费, 同时这些材料成本费也可以根据不良成本类型进行分类, 方便设计人员找到设计成本超标的原因, 以便项目以后执行时避免发生类似问题, 并对已发生的问题进行改善。
6 Control阶段
Control控制阶段是MAIC实施的最后一个阶段, 是为了保持改善的成果, 并将项目成果纳入正常的运营秩序。在控制阶段需要成功的实施和保持已经取得的成果, 建立一个体系可以让成果能够持续下去。为了使设计成本控制体系有效的运转, 需要依赖现有的改善成果, 进行定期的设计审计, 确保这个体系正常运转。
6.1 设计工时
由专门人员每月对所有设计人员的设计工时进行统计, 按照项目类别, 不良成本分类统计, 提交给管理层进行评审。该指标也作为设计人员考核指标之一。
6.2 设计成本核算
在项目方案设计阶段由小组对项目QFD进行审核, 确保设计方案与客户要求的符合。在详细设计阶段由财务人员按照项目关键阶段进行产品成本审计, 确保项目总成本得到有效控制, 保证项目收益。
同时财务人员还需要对项目不良设计成本进行核算, 检查设计人员由于自身设计修改导致的不良设计成本在总不良成本中的比例是否合理。
7 总结
通过以上DMAIC的过程, 在结合成本理论研究和非标设备厂家特点的基础上, 对现有设计成本管理进行了优化。将比较单一的设计成本管理拓展到相对全面的整个过程, 更有利于项目成本的控制。总结出的设计成本管理体系有很强的指导意义, 同时也发现了现有设计成本管理上的比较薄弱的环节, 例如设计评审, 工艺流程改善对设计成本的有效控制手段, 有利于设计成本中某些细节进行更细化的改善。
参考文献
[1]唐晓青, 王美清, 段桂江.产品设计质量保证理论与方法[M].北京:科学出版社, 2011.
[2]罗红雨.价值链成本控制研究[M].北京:中国经济出版社, 2012, 12.
[3]蔡军.产品设计与成本管理有关理论和方法[D] (博士学位论文) .长沙:中南大学, 2011.
Sigma方法 篇2
模数转换器的功能是把时间和幅度上都连续的模拟信号转变为时间和幅度上都离散的数字信号。sigma-delta模数转换器采用过采样和噪声整形技术, 应用于要求高精度模数转换器的场合中。
sigma-delta模数转换器包括sigma-detla调制器和数字抽取滤波器。sigma-detla调制器可分为离散时间结构和连续时间结构。连续时间与离散时间sigma-delta调制器设计的不同源于两者结构的差异。离散时间结构的采样在调制器之外, 而连续时间结构的采样在调制器之内。如图1所示, 在连续时间结构中, 积分器是连续时间的, 属于s域, 而DAC是离散时间, 属于z域。正因为在一个结构中同时包含了两种频域, 所以连续时间结构sigma-delta调制器的系统设计一直是该结构设计的难点之一。
2 连续时间sigma-delta调制器设计方法
传统的连续时间调制器的设计流程如图2所示。该设计方法在离散时间调制器设计方法的基础上, 通过DT-CT变换 (即离散时间-连续时间变换) , 确定连续时间环路滤波器。但是这一方法有如下几个缺陷:
(1) 设计周期长。经过DT-CT变换后, 如果仿真没有满足要求, 必须回到离散时间结构中从头设计。
(2) 不能进行非理想特性分析。不能直观的反映出连续时间结构或者系数的细小改动对系统的影响。
(3) 仿真困难。没有一个对连续时间调制器的仿真平台, 必须手工编制程序仿真。
针对上述的缺点, 图3给出了一种新的快速有效地设计连续时间调制器的设计方法。比起以往的设计方法, 新方法增加了CT-DT变换, 把连续时间环路滤波器转换到离散时间状态空间, 利用离散时间调制器的成熟的设计平台进行设计。因此, 可以减少设计的反复, 加速设计收敛。
新的连续时间调制器设计方法的步骤如下:
(1) 根据调制器的基本结构, 如环数、阶数、过采样率、量化阶数和对稳定性的要求等设计噪声传递函数 (NTF) 和信号传递函数 (STF) 。根据NTF和STF, 可以得出零点和极点图, 可以大致推算出该结构能达到的最大的信噪比。
(2) 如果信噪比、动态范围等指标满足设计要求, 那么结合连续时间调制器的具体结构 (如前馈数量、反馈数量、反馈波形等) , 通过DT-CT变换, 得到连续时间环路滤波器。具体变换方法见2.1节。
(3) 结合系统结构, 构造状态空间, 把连续时间LTI状态空间对应到离散时间的状态空间, 实现CT-DT变换。具体变换方法见2.2节。
(4) 对变换后的离散时间状态空间进行仿真, 仿真诸如输入范围、各级积分器输入输出范围、系数稳定性、多余的环路延时、信噪比等各项指标。
2.1DT-CT变换
两种常用的DT-CT变换分别是改进的z变换 (modified Z Transformation) 和脉冲不变变换 (inpulse-invariant transformation) 。改进的z变换常用于多速采样系统的建模和计算[1,2]。该方法对多余的环路延时的建模不精确, 并不适用于sigma-delta调制器的变换[3]。所以这里DT-CT变换采用脉冲不变变换方法。
脉冲不变变换通过图4所示的变换过程, 可得如果在采样时刻u (n) 与u (t) 相等, 则离散时间单元和连续时间单元输出比特相同, 所以噪声特性也相同。
在时间域有
其中,
2.2CT-DT变换
常用的CT-DT变换有冲激响应不变法、微分方程后向差分近似和双线性变换。采用冲激响应不变法所获得的离散时间系统, 连续时间系统的时序特性在离散时间系统中简洁地得到保持, 它能从时域上模仿连续时间线性时不变系统的功能, 另外两种方法没有如此直接的时域关系。冲激响应不变法会产生混叠, 只适用于带限频率响应的情况, 例如阻带具有很好抑制的低通和带通滤波器, 不适用于高通或带阻滤波器。这一缺点对低通或带通sigma-delta调制器的影响有限。
由于连续或离散时间系统的特性可以由其单位冲激响应完全确定, 把连续时间系统变换为离散时间系统, 一个直接的方法是使离散时间系统的单位冲激响应hd[n], 等于该连续时间系统单位冲激响应hc (t) 和等间隔样本, 即
hd[n]=hc (nTs) (3)
具体方法是建立状态变量, 得到环路滤波器ABCD矩阵。然后设置多余的环路延时, 就可以利用冲激响应不变法求出离散时间状态变量。
3 设计结果
利用新的连续时间sigma-delta调制器系统设计方法, 设计了一个可用于手机电视的高速度、中高精度的连续时间sigma-delta调制器。设计结果如图5所示, 调制器在带宽为800kHz下可以达到14比特的有效位数。利用新的设计方法, 还可以得到设计的系统可以容忍5%的环路延时、10%的时钟抖动和±5%的系数变化。这些结论对后续的电路实现和系数校准有重要的指导意义。
4 结束语
本文针对连续时间sigma-delta调制器系统设计难点, 提出了一种新的连续时间sigma-delta调制器系统设计方法。该方法在传统设计方法的基础上增加了CT-DT变换, 把连续时间环路滤波器转换到离散时间状态空间, 利用离散时间调制器的成熟的设计平台进行设计, 可以减少设计反复, 加速设计收敛。
参考文献
[1]M. Ortmanns, F. Gerfers, Y. Manoli.Multirate cascaded continuous-time ΣΔ modulators. Proc. IEEE Int. Conf. Electron. Circuits Syst. 4 (2002) :1049-1052
[2]A. Torralba.Multirate-cascade sigma-delta (MC-SD) modulators.Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Syst. 1 (2001) : 384-387
[3]W.Gao, et al..Snelgrove.Excess loop delay effects in continuous-time delta-sigma modulators and the compensation solu-tion.Proc.IEEE Int.Sym.Circuits Syst.1, June (1997) :65-68
Sigma方法 篇3
1.1 研究意义
采购是通过商品交换和物流手段从资源市场取得资源的过程。采购作为供应链中的重要环节，其质量水平将直接影响后续的生产、销售活动。有关数据表明，产品缺陷的20%～25%是由于不合格的采购物资造成的。可见，采购物资的质量直接制约着最终产品的质量，影响整个供应链的质量水平。为此，加强采购过程的质量管理是保证产品质量，满足顾客需求的重要措施。
1.2 文献回顾
国内外研究6sigma在质量管理方面的应用有很多，但对于在采购过程中运用6sigma进行质量控制的研究较少。本文将阐述如何运用6sigma的思想形成一种采购质量的控制方法，以提高采购质量水平。
Roger G.Schroeder and Kevin Linderman(2008）提出了6sigma的质量管理模型可以更好的帮助组织进行改进活动。Zu and Fredendall(2008）进行了一项研究，通过对传统的质量管理和6sigma方法的回顾，提出了三种新的实践方法，对组织内实行6sigma的理念和方法有重要作用。Chakravorty(2009）发现了一种有效的6sigma实施模型，模型由六个步骤组成。
2 6sigma方法的基本原理
2.1 6sigma的由来
6sigma的名字源于统计学，sigma（σ）用以描述总体中的个体离均值的偏离程度。6σ是一个目标，这个质量水平意味的是所有的过程和结果中，99.99966%是无缺陷的，也就是说，生产100万件产品，只有3.4件是不合格品。可以看出，6σ表示了一个很高的质量水平。但这只是6σ的一种统计解释，现在我们所说的6sigma管理，其涵义远远超出了其统计意义。
2.2 6sigma质量管理方法
6sigma被描述为一种方法论，一种质量改进的方法。实施起来，必然需要有一定的过程，这就是6sigma所定义的DMAIC。简而言之，DMAIC是6sigrna过程的模型，其含义分别是定义（Define）、测量（Measurement）、分析（Analysis）、改进（Improvement）和控制（Control）。
在采购质量管理中的6sigma的应用主要通过DMAIC 5个方面体现。在定义阶段，定义采购过程的核心业务流程，界定流程输出结果和关键顾客，制作采购核心流程图和组织系统模型图（SPOIC图）。在评估阶段，针对顾客需求评估采购流程绩效。在分析阶段，分析过去的及现在的业务数据，设置明确的6Sigma质量改进目标；通过分析解答测量阶段得出的关键问题，分析可能存在的因果关系假设；识别流程的关键因素，通过分析收集到的业务数据以找到准确的因果关系。在改进阶段，提出并实施解决问题的方案；设计并实施新的工作流程。最后，在控制阶段，所有成员采取措施来维持改进后的质量水平，以确保质量水平的长期稳定。
3 6sigma方法的实施
为了说明6sigma方法的具体应用，以QS食品公司采购过程为例，说明在DMAIC 5个阶段中的具体措施。QS公司主要采购的产品是用于生产的原材料和各种辅助材料，该公司已引进ERP系统，每批采购数据都录入数据库，因此有丰富的数据资料，具备实施6sigma管理方法的条件。
3.1 定义阶段
在定义阶段，主要是识别核心业务流程和关键顾客，然后绘制核心流程图和SIPOC图。
3.1.1 识别核心业务流程
采购的核心业务流程主要包括物料需求的预测、寻找合适的供应商、形成采购合同、实施合同4个步骤。如图1所示。
3.1.2 界定顾客群并明确顾客需求
在整个采购过程中，顾客包括外部顾客和内部顾客。外部顾客即通常所指的一般消费者，而内部顾客主要指企业内部的质量部门和生产部门。企业通过访谈、调查问卷等形式收集顾客的需求信息，可以得出顾客对采购部门的需求主要包括按时到货、数量准确、质量合格以及尽可能低的成本。
3.1.3 SIPOC图
SIPOC模型是由戴明提出来的组织系统模型，常用于流程管理和改进技术，是过程管理和改进的常用技术。其中每个字母各代表：Supplier（供应者）；Input（输入）；Process（流程）；Output（输出）；Client（客户）。戴明认为任何一个组织都是一个由供应者、输入、流程、输出、还有客户这样相互关联、互动的5个部分组成的系统。
供应商指向核心流程提供关键材料或其它资源的组织。一个公司的某个流程可能有许多供应商，但对创造价值起重要作用的只是提供关键东西的供应商。输入是供应商提供的资源等。在SIPOC图中通常对输入有明确的标准要求。流程指使输入发生变化成为输出的一组活动，组织追求通过这个流程使输入增加价值。输出就是流程的结果即产品。对输出即产品的要求也会予以明确。顾客是指接受输出的人、组织或流程，不仅指外部顾客，而且包括内部顾客。
QS公司采购流程的SIPOC图如图2所示。
3.2 评估阶段
在评估阶段，主要是针对顾客需求评估采购流程的绩效。
3.2.1 确定评估对象
QS公司采购的主要物料包括面粉、白糖、花生和包装材料，因此主要对这4种物料的采购绩效进行评估。
3.2.2 确定评估方法
评估方法采用DPMO计算分析方法。DPMO，即每百万次采样数的缺陷率，是指100万个机会里面出现缺陷的机会是多少。缺陷是指产品、服务或者过程的结果没有达到客户的要求。缺陷的机会数是产品、服务或者过程的记过出现缺陷之处的数量。
在采购过程中，按时、按量的得到货物是采购的核心内容。在采购的SIPOC图中任何一个环节出现问题，都会造成采购业务的缺陷。在流程中产生缺陷的机会主要有4个：未按时到货、数量不符合要求、货物相关文件不完整或有错误以及包装破损。
3.2.3 DPMO的具体计算
根据QS公司2009年11月的采购数据来计算DPMO。数据如表1所示。
(1）计算DPO
DPO表示每个样本中缺陷个数占全部个数的比例。
(2）计算采购DPMO
DPMO是6sigma改进活动中需要用到的一个计算结果，用于表示流程中每一个缺陷机会中出现缺陷的总数，DPMO=DPO*1 000 000。
11月采购DPMO=0.0136 DPO*1 000 000=13 600 DPMO
(3)DPMO转化为sigma
根据sigma转换表，可DPMO转换为对应的sigma水平。部分转换表见表2所示。
采购DPMO=13 600，根据转换表可以看出sigma值在3.5到4之间。利用插值法进行计算。
计算得，sigma值为3.78。因此，采购质量水平为3.78sigma。
3.3 分析阶段
主要是针对评估结果，设置改进目标，并分析造成缺陷的存主要问题。
3.3.1 设定改进目标
如果一个过程是2sigma或者3sigma水平，那么，将其提高到4sigma水平是相对经济的。但是，如果要提升到5sigma或者6sigma就需要更大的努力和更复杂的工具，改进的力量和困难随着过程sigma的提高成指数倍上升。因而，将改进目标定为4sigma。
3.3.2 分析主要问题
根据11月的数据绘制缺陷的分布情况，如图3所示。
可以看出，采购及时性的缺陷是整个采购流程的主要问题所在。造成不能按时交货的原因是多方面的，包括采购单错误、供应商问题、运输错误、交货失误以及其他原因。要想提高质量水平，当务之急就是在这些方面下功夫，减少采购及时性的缺陷，提高采购绩效。
3.4 改进阶段
根据分析阶段设定的目标和分析得出的主要问题，提出改进方法，提高流程质量水平。
造成采购单错误、运输错误及交货失误的因素主要有采购部门失误、供应商失误、运输方失误和其它影响（如天气等）。针对这些潜在的失误，相应的应对措施如表3所示。
3.5 控制阶段
在控制阶段，组织全体成员应当共同采取措施来维持改进后的质量水平，以确保质量水平的稳步提高。
新的改进措施实施后，还需要全员共同努力来按照改进后的业务流程进行采购业务，以使改进后的流程能够一直贯彻下去，保持质量水平的提高。同时，随着改进措施的实施，可能还会发现新的缺陷和问题，因此就会重新回到DMAIC的最初阶段，即6sigma质量管理方法是一个循环提高过程，它可以持续提高采购过程的质量水平。
4 结论
采购业务对组织内部质量管理和供应量质量管理都有着重要影响，提高采购过程质量水平是随后的生产、运输、销售质量的重要保证。在采购过程中，采用6sigma管理方法进行采购过程质量评估和持续改进，通过定义采购核心业务流程、评估绩效、分析存在问题、提出改进方法并对改进措施进行控制的一系列过程，实现采购过程质量水平的持续提高。
参考文献
[1]Paul Harmon,Tom Davenport.Process Improvement with Six Sigma[M].Business Process Change,2007:315-351.
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[3]Satya S.Chakravorty.Six Sigma programs:An implementation model[J].International Journal of Production Economics,2009(119):1-16.
[4]Tendai Chikweche,Richard Fletcher.Understanding factors that influence purchases in subsistence markets[J].Journal ofBusiness Research,2010,63(6):643-650.
Sigma方法 篇4
一、六西格玛的由来
Sigma (中文译名“西格玛”) 是希腊字母σ的中文译音, 统计学上用来表示“标准偏差”, 即数据的分散程度。6sigma即意为“6倍标准偏差”。在这里面涉及到几个概念, 六西格玛是帮助企业集中于开发和提供近乎完美产品和服务的一个高度规范化的过程。测量一个指定的过程偏离完美有多远。六西格玛的中心思想是, 如果你能“测量”一个过程有多少个缺陷, 你便能有系统地分析出, 怎样消除它们和尽可能地接近“零缺陷”。
6Sigma的概念最早由摩托罗拉提出, 推行六西格玛之后的摩托罗拉, 产生巨大的蜕变, 在品质方面超越当时的日本。它可以用来衡量一个流程的完美程度, 显示每100万次操作中发生多少次失误。“西格玛”的数值越高, 失误率就越低。具体说来, 相关数据可以表示如下:
1西格玛=690000次失误/百万次操作
2西格玛=308000次失误/百万次操作
3西格玛=66800次失误/百万次操作
4西格玛=6210次失误/百万次操作
5西格玛=230次失误/百万次操作
6西格玛=3.4次失误/百万次操作
7西格玛=0次失误/百万次操作
6西格玛模式由摩托罗拉公司于1993年率先开发, 采取6西格玛模式管理后, 该公司平均每年提高生产率12.3%, 由于质量缺陷造成的费用消耗减少了84%, 运作过程中的失误率降低99.7%。但是, 让六西格玛在短短几年内, 成为许多世界级企业争相投入, 作为降低成本、提高竞争力最大妙方的最大功臣, 则是美国通用公司的杰克韦尔奇。通用公司的韦尔奇指出:“6西格玛已经彻底改变了通用电气, 决定了公司经营的基因密码 (DNA) , 它已经成为通用电气现行的最佳运作模式。
当然, 6西格玛模式的含义并不简单地是指上述这些内容, 而是一整套系统的理论和实践方法。它着眼于揭示生产流程中每百万个机会当中有多少缺陷或失误, 这些缺陷和失误包括产品本身、产品生产的流程、包装、转运、交货延期、系统故障、不可抗力等等。大多数企业运作在3至4西格玛的水平, 这意味着每百万个机会中已经产生6210至66800个缺陷, 这些缺陷将要求生产者耗费其销售额的15%-30%进行弥补。而一个实施6西格玛模式的公司仅需耗费年销售额的5%来矫正失误。6sigma管理即要求企业在整个流程中 (而不仅限于产品质量) , 每百万个机会中的缺陷率少于3.4, 这对企业来说是一个很高的目标。
随着将近二十年来的应用发展, 六西格玛已由原先摩托罗拉创建成型的质量管理战略上升到了一整套系统的使公司达到世界级的质量和竞争力的管理策略和技术手段。
6西格玛管理的含义可归纳为:一种以顾客为中心, 以质量经济性为原则, 以数据为基础, 以“黑带团队”为组织架构, 通过严格的项目策划和DMAIC (定义、测量、分析、改进、控制) 严密的实施过程, 实现以质量创效益目标的现代质量管理方法。我们可以从两个方面去理解6西格玛管理, 当其作为管理哲学时, 要求企业完全从顾客角度, 而不是从自己角度来看待企业的各种流程, 按顾客的要求来建立标准, 产生世界级的产品和服务, 使顾客不仅满意而且得到惊喜。当作为流程能力和统计学上的6倍标准差理解时, 6西格玛的流程能力相当于每百万次机会中只有3.4个缺陷, 这几乎接近零缺陷。
二、导入六西式格玛管理模式的必要性
6西格玛管理是“寻求同时增加顾客满意和企业经济增长的经营战略途径。”是使企业获得快速增长和竞争力的经营方式。它不是单纯的技术方法的引用, 而是全新的管理模式。6西格玛管理具有以下特点:
(1) 比以往更广泛的业绩改进视角, 强调从顾客的关键要求以及企业经营战略焦点出发, 寻求业绩突破的机会, 为顾客和企业创造更大的价值;
(2) 强调对业绩和过程的度量, 通过度量, 提出挑战性的目标和水平对比的平台;
(3) 提供了业绩改进方法。针对不同的目的与应用领域, 这种专业化的改进过程包括:6西格玛产品/服务过程改进DMAIC流程, 6西格玛设计DFSS流程等;
(4) 在实施上由“勇士Champion”、“大黑带MBB”、“黑带BB”“绿带GB”等经过培训职责明确的人员作为组织保障;
(5) 通过确定和实施6西格玛项目, 完成过程改进项目。每一个项目的完成时间在3-6个月;
(6) 明确规定成功的标准及度量方法, 以及对项目完成人员的奖励;
(7) 组织文化的变革是其重要的组成部分。
根据麦肯锡公司的调查和研究表明, 一个3sigma企业只要组织其现有资源进行核心业务流程改进, 如果每年可以提高一个sigma水平, 那么每年可以获得以下收益:利润率增加20%;产能提高12-18%;雇员减少12%;资本投入减少10-30%, 而且直至提升到4.8sigma企业均无须大的资本投入, 当达到4.8sigma时, 再提高到6sigma则需要增加投入, 但此时产品的竞争力已大幅提高, 市场占有率极高, 给企业带来的利润将远远大于此时的投入。GE、摩托罗拉、杜邦、福特、美国快递、联信、联想等公司实施6sigma管理取得的巨大成功就是最好的证明。
为什么6Sigma管理能给组织带来如此明显的利益收获?为什么6Sigma管理表现出强劲的发展劲头, 成为企业组织在新经济环境下获得竞争力的重要手段呢?归纳起来可以有三个方面的原因:
第一, 关注底线结果。底线是指企业在一段时间内的净收益或利润。在六西格玛管理中, 它是由改进顾客满意程度和过程业绩而实现。通过对核心业务流程实施六西格玛项目并达到预期的目标, 是六西格玛管理方法的核心部分。六西格玛项目的目标是增加底线的结果, 所有六西格玛项目必须要达到增加底线结果, 而取得底线结果正是企业最高管理者最为关注的, 并因此会更加投入其中。
第二, 六西格玛管理综合了技术方法与人文因素等有关企业过程改进的所有要素。而对以往的质量改进方法来说, 虽然强调了其中的一些要素, 但没有像六西格玛管理那样将这些因素系统地整合起来。而这些要素对于效益的产生十分重要的。
第三, 将改进工具方法与专业化的改进过程相联结。将人力资源的培育、授权与专业化的过程改进方法相联结, 将管理职责及团队工作与专业化的过程改进方法相连结, 使专业化的改进过程成为企业经营活动不可缺少的部分。
目前, 六西格玛在中国企业中的认知度是非常低的。只有极少部分管理者和学术界对此有些认识或较有深度的研究。业界仅有屈指可数的几家公司能提供有限的和有意义的培训, 至于能提供六西格玛的全程培训和实施咨询的则更是凤毛麟角。这主要是因为六西格玛咨询服务与一般的咨询服务的最大的区别在于咨询师必须具备实际的实施经验, 并至少在黑带大师以上。而那种靠新鲜的MBA来提供服务的咨询公司是无法满足要求的。除了跨国公司以外, 国内的企业真正全面实施六西格玛管理战略的也极少。可以预见, 在相当长的时间内, 知识与技能的匮乏将是中国企业实施六西格玛管理战略的最大障碍。
三、六西格玛管理的导入
怎样在企业里导入六西格玛管理体系? 这是非常关键的一个问题。六西格玛不仅仅包括软件的提升, 更关键的在于给员工带来什么样的思想, 同时强调人的主动性与团队的精神。六西格玛最明显的用途是在节约成本方面, 而当企业上移到六西格玛的质量水平时, 质量费用降低到总收入的1%～2%。这种费用节省是因为质量成本已从“失败费用” (如产品保修、顾客申诉等) 转移成“预防费用” (如设计的可靠性分析, 以发现顾客需求为目的的顾客调查等) 。三西格玛企业浪费掉的“失败费用”直接进入六西格玛企业的底线, 可以被重新投资到增值的业务中以提高销售额。结果是六西格玛不仅降低了企业质量成本, 而且通过注入更多的资金于营销和扩大发展, 增加企业利润, 提高利润率。
可以在个人层次上引入六西格玛。中国企业家, 甚至中国人一直都很讲直觉、感性, 引入六西格玛, 这是一个很有用的思维转变。学会运用, 决策时就会比较科学, 可以帮助领导者理清思路。
还可以在团队层次上引入六西格玛。团队指的是项目小组或部门, 可以在小团体里面, 主动找一些项目来做, 利用六个西格玛的工具去改善流程。如果团体在整个企业里没有那么大的影响力, 那么不如就先改善团队所主导的局部的流程。比如采购部门、生产部门或者人力资源部门, 这都可以用六西格玛来改善。
还可以在组织层次上引入六西格玛。组织在很大成分上是一个企业。也就是在一个企业里全面导入六个西格玛管理体系。全面导入则需要建立一个大厦的框架, 慢慢地铺进, 六西格玛就会使企业文化改变。其步骤如下:
(一) 建立组织机构
6西格玛管理需要一套合理、高效的人员组织机构來保证改进成果得以顺利实现。在过去之所以有80%的全面质量管理 (Total Quality Management, TQM) 实施者失败, 最大原因就是缺少这样一个人员组织机构。
一般说来, 企业要成功推行6西格玛, 首先是让企业接受6西格玛管理层及黑带乃至绿带培训, 培养一批合格的黑带;然后企业的黑带在咨询公司的配合下, 对企业的管理模式特别是对那些能够改进质量的管理模式、工作流程、组织架构、企业文化进行深入透彻的分析, 在此基础上设计新的流程模式和架构, 并将这些需要改进的地方作为黑带的改进项目进行推行;第二, 在这些改进项目中全面导入6西格玛推行所需要的企业级的应用软件系统, 固化新流程、新模式并在此基础上推行6西格玛。企业的黑带每隔一段时间就会完成一个循环, 通过不断的完成, 企业新的管理模式、管理理念、业务流程、组织架构将逐步形成, 不断成为企业文化, 使质量的改进成为全体员工自觉的行为。
(二) 确定核心流程和关键顾客
如供应链业务流程就是在供应链运作过程中, 由供应商、制造商、分销商、零售商及顾客共同完成的, 涉及产品开发、采购、生产制造及物流分销等环节的按一定时序展开的工作活动。其中零售商的核心流程就是购销调存, 其关键顾客要由市场细分来决定。
不同的企业其核心流程是不相同的, 所以要首先确定企业的主要活动和主要产品;其次要清楚这些活动和产品的名称和绩效考核方法;最后绘制核心流程图。
(三) 确定顾客需求
缺乏对顾客需求的清晰了解, 是无法成功实施6西格玛管理的。即使是内部的辅助部门, 如人力资源部, 必须清楚了解其内部顾客——企业员工的需求状况。因此要建立顾客反馈系统, 制定绩效指标及需求说明, 确认哪些是顾客的基本需求, 哪些是顾客的可变需求, 哪些是顾客的潜在需求。
(四) 针对当前顾客需求评估当前行为绩效
视公司资金情况确定是否对所有核心流程进行评估, 首先确定评估指标;其次对评估指标进行可操作性界定, 进而确定评估指标资料来源;最后, 实施绩效评估, 通过对评估结果所反映出来的误差, 如次品率、次品成本等进行数量和原因方面的分析, 识别可能改进的机会。
(五) 辨別优先次序, 实施流程改进
对需要改进的流程进行区分, 找到高潜力的改进机会, 优先对其实施改进。业务流程改进遵循五步迴圈改进法, 即DMAIC模式:
步骤一:Define——定义所有关键流程。一个公司的流程或许有很多, 推行6西格玛就是要挑出那些影响质量、可靠度绩效、客户满意度的关键流程, 这一步如选错, 所有6西格玛的推行活动最终将注定失败。
步骤二:Measure——建立过程控制测量平台。6西格玛的精神在持续改善, 既然改善是重心, 那么任何推动6西格玛的公司就一定要先搞清楚哪些质量必须优先改善以及改善前后成效如何。为了理清这些问题, 首先必须建立一个可持续追踪产品质量绩效的测量平台——《质量 (Q) 过程能力汇总表》。
步骤三:Analyze——改善问题分析。依据《过程能力汇总表》, 初步判定每一个产品质量问题应归属在哪一类, 然后根据问题类型加以改进。
步骤四:Improve——推动改善活动。当每一问题经过分析与确认之后, 即可指定负责人并挑选有适当改善专长的黑带成立6西格玛改善项目小组。在项目小组中, 负责人通常是部门的主管 (资源拥有者) , 而黑带则是6西格玛项目执行者 (解决问题专家) , 两者充分配合, 才能加速6西格玛项目的改善成效。
步骤五:Control——促成精益求精。在6西格玛的作法中最可能产生歧义的字就是Control, 因为凭直觉易将Control解释成控制, 其实6西格玛是一个长期的改善方案, 因此GE在推动6西格玛时, 就已将Control的意思引导到更积极而富有前瞻的方向——“促成精益求精”。
(六) 扩展、整合六西格玛管理系统
当某一管理改进方案实现了减少缺陷的目标之后, 如何巩固并扩大这一胜利成果就变得至关重要了。
1.提供连续的评估以支持改进。
在企业內广泛宣传推广改进方案, 以取得企业管理层和员工的广泛认同, 减少进一步改进的阻力;将改进方案落实到通俗易懂的文本资料上, 以便于执行;实行连续的评估, 让企业管理层和員工从评估结果中获得鼓舞和信心;任何改进方案都可能存在需要进一步改进之处, 对可能出现的问题, 应提前制订应对的策略, 并做好进一步改进的准备。
2.定义流程负责人及其相应的管理责任。
采用了6西格玛管理方法, 就意味打破了原有的部门职能的交叉障碍。为确保各个业务流程的高效、畅通, 有必要指定流程负责人, 并明确其管理责任, 包括:维持流程文件記录、评估和监控流程绩效、确认流程可能存在的问题和机遇、启动和支持新的流程改进方案等。
3.实施闭环管理, 不断向6西格玛绩效水平推进。
6西格玛改进是一个反复提高的过程, 五步迴圈改进法在实践过程中也需要反复使用, 形成一个良性发展的闭环系统, 不断提高品质管理水平, 减少缺陷率。此外, 从部分核心环节开始实施的6σ管理, 也有一个由点到面逐步推进成果、扩大改进成果的过程。
参考文献
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Sigma方法 篇5
实行倒班制的连续性生产企业, 班组间的交接班是十分重要的安全环节。严格执行交接班制度, 不仅有利于交接班人员对运行情况进行交清接明, 而且保证交接班前后的有效衔接和有序运行, 实现班组间安全运行的连续性。交接班制度执行不到位, 简单化, 走过场, 容易引发各类安全违章行为。2003年8月18日, 《重庆晚报》登载了一篇题为《不按正常交接班瓦斯爆炸六人亡, 矿难责任人被判刑》的文章。文章讲的是两位工作人员因违章不认真执行交接班, 随意更改瓦检员交接班程序, 造成瓦斯爆炸, 六名矿工当场死亡的悲剧发生。管制作为连续性安全保障行业, 由于工作的特殊性, 管制员也存在频繁的交接班。因此, 管制从业者必须重视班组间的交接班, 严格执行交接班制度, 切实提高交接班工作质量, 杜绝“虚假安全”。
如何提高管制交接班质量, 保障空管持续安全, 也成为安全管理者必须思考的重要问题。而6sigma理论作为一种管理哲学和管理战略, 是一种全面的质量管理理论, 广泛应用于质量管理、安全管理等的标准化、科学化、可持续化的循环体系, 并在这些应用领域取得了瞩目的成效。本文尝试将6sigma理论应用于管制交接班中, 以期实现管制交接班的规范化, 切实提高交接班工作质量。
26sigma理论阐述
6sigma理论最早是1986年由摩托罗拉公司提出的有关企业质量管理的理念, 后来在企业界得到越来越多的关注和认同, 许多跨国公司都将6sigma作为企业的一种战略而引进并推广。经过多年的发展, 6sigma理论已经演变为一种行之有效的解决问题和提高企业绩效的系统方法。
sigma是希腊字母σ的中文译音, 统计学上是用来表示标准偏差, 即数据的分散程度。σ作为品质的统计尺度, 都可表示任何一个工作程序或工艺过程。1σ可以解释在每100万次机会中有691500个出错的机会, 而6σ则表示为每100万次机会中只有3.4个出错的机会。当企业不断追求产品品质改进, 达到6σ程度的时候, 其绩效就几近于完美地达成顾客要求。作为产品或服务业绩的一个统计量, 6sigma理论以其精确的数据为基础, 以科学的工作程序为模式, 分析和改进企业业务流程中的关键因素, 达到了更高的产品质量水平, 提高了顾客满意度;持续进行流程改进, 有助于降低企业的经营成本与生产周期, 它是以降低成本取得经济效益和社会效益为目的的一种管理方法和企业战略工具。
3 管制交接班的分析
相关资料统计, 空管系统历年来发生的不安全事件中, 80%以上都是违章造成的。可以说, 违章违纪是安全生产的最大隐患, 是安全管理工作必须加以彻底解决的最大顽症。而管制交接班制度执行不到位, 简单化, 图省事, 走过场, 在各类违章违纪行为中占有一定的比例。前面可怕的“虚假安全”事实告诉我们, 人们的失败往往不是在最困难的时候, 而是在人们精神最放松的时候。而管制交接班前后正是“虚假安全”盛行期, 稍有不慎, 轻则违章, 重则酿成不安全事件。
交接班前后是管制员的特殊时间段, 思想起伏大, 心理不够稳定。交班管制员已经连续上了近两小时班, 在接近休息的时候由于身体和心理的劳累, 加之想着休息时计划要处理的事情, 往往在思想上开小差, 精神上松懈下来, 无法做到完全集中精力。而刚接班上岗的管制员, 由于离开岗位时间相对较长, 有的人甚至还处在家庭生活的情绪当中或休息时的放松心情, 走上岗位以后思想、精力难以一下集中, 需要一段时间过渡才能完全进入工作状态。因此, 交接班时段管制员无法保持完全清醒理性的头脑, 个人情绪把控能力也受影响。由于管制员安全思想和意识的松懈, 管制水平和工作状态也大受影响, 不够稳定, 预案的合理性也大打折扣, 这时很可能就会产生“错, 忘, 漏”的现象, 给管制的安全保障埋下了隐患。
4 交接班质量的持续改进
为了适应各种需要, 6sigma已经被抽象化, 不再强调其统计学意义, 而更多的是强调系统的质量持续改善的过程。6sigma理论已经拥有一整套科学的、系统的、经过企业成功实践的工具和方法, 如6sigma改进方法DMAIC。DMAIC改进方法在具体实施过程中分为:定义 (Define) 、测量 (Measure) 、分析 (Analyze) 、改进 (Improve) 、控制 (Control) 五个阶段, 它是用于对现有流程的改进的系统方法。
目前虽然各项规章制度对管制交接班做了相关规定, 但是管制员违章行为普遍存在, 安全隐患极大。用6sigma的DMAIC改进方法对管制交接班过程进行分析, 能及时发现影响质量的关键因素, 并消除过程中的安全隐患, 有助于提高管制交接班质量, 夯实安全基础。
4.1 定义阶段 (Define)
《中国民用航空空中交通管理规则》中明确规定:塔台、进近、区域管制室值班管制员连续值勤的时间不得超过6小时;直接从事雷达管制的管制员, 其连续工作时间不得超过2小时, 两次工作的时间间隔不得少于30分钟。为了保障管制员的工作精力, 合理配置值班力量, 提高管制运行的安全与效率, 必须规范管制员的值班作息。为规范管制岗位交接班工作, 保证交接班期间运行的安全与正常, 防止飞行动态的“错、忘、漏”, 必须明确交接班工作时的各项要求与规定, 其中包括班前准备会、班后讲评会规定等。这些目标的实现需要对管制交接班流程进行优化, 研究其过程和可靠性。
4.2 测量 (Measure)
在管制交接班过程的6sigma改进的测量阶段, 各班组可通过采取管制员调查表、跟踪调查法, 分析交接班过程存在的问题。根据“双岗制”原则, 带班主任合理安排管制员搭档值勤, 在班组资源配置时应注意以下几点:性格互补, 能力互补, 年龄 (性别) 互补, 职位、资历、能力成梯度搭配。通过资源管理, 在班组中实现分工合作、协调配合、取长补短, 相互弥补。一般管制交接班遵循两个原则:1) 严格错时交接班, 先带班主任和协调岗位交接, 再管制岗位交接, 错时时间一般3~5分钟;2) 严格重叠交接班, 重叠时间不应少于十分钟:三分钟熟悉、四分钟交接、三分钟过渡监视, 时间视具体情况可适当延长。
4.3 分析 (Analyze)
一般采用逻辑分析法、观察法、访谈法等, 运用各种有效分析工具, 对以及测量并获得的数据信息进行深入分析。如班后讲评会是对上个班次工作情况的总结, 其主要目的是通过讲评将自查互查和讨论学习结合起来, 查找不足并制定有效措施进行整改, 使管制员不断提高安全素质。班后讲评及时实用, 针对性强。
4.4 改进 (Improve)
在以上分析阶段, 可以拟定多个改进方案并对关键因素进行讨论分析, 在明确每个节点的作用、流程的重点、流程的标准程序之后, 从中挑选最佳方案。针对交接班时段容易出现“虚假安全”, 加强对交接班制度重要性的宣传教育, 让管制员充分认识到落实交接班制度的极端重要性, 从思想深处认真重视起来。安全教育形式可以灵活多样, 入耳入脑:如举办交接班工作研讨会, 学习相关不安全事件等, 用大量的事实给人以深刻印象, 进行反思教育。安全教育还应以空管安全文化为依托, 使管制员自觉地把个人行为与空管安全文化有机结合, 激发强烈的安全责任感和使命感, 培养良好的管制工作习惯。
4.5 控制 (Control)
管制交接班工作流程是由各个子系统组合而成。因而如果某一层次或某一环节发生失效, 都可能会直接或间接影响质量。因此, 在6sigma理论的最后控制阶段, 制定相关的应急预案, 对流程不断的控制和改善, 及时解决出现的各个问题。带班主任作为班组的直接管理者, 应做好交接班时的监督检查, 确保每一次交接班都能够按规定的制度执行, 学会用制度约束交接班行为, 发挥制度的安全保障作用。在《管制员日常考核表》中也可酌情考虑加强对交接班工作质量的考核, 对违章者应在班后讲评会进行正面教育, 讲清交接班工作的重要性以及违章行为的危害性。
5 结束语
Sigma方法 篇6
·先天高能效架构, 免除流水线或传统离散时间 (DT) Σ∆ (DTΣ∆) 架构下采样模/数转换器所需的高速增益级;
·内置过采样、内部低通连续时间环路滤波器以及片上数字滤波器, 提供一个真正的无混叠奈奎斯特频带 (Nyquist band) ;
·无开关纯电阻性输入。相比于流水线或DTΣ∆架构的采样输入模/数转换器更容易被驱动, 而且耦合噪声更少;
·具有片上时钟调整功能, 可为内部调制器提供过采样时钟。可提升输入时钟的频率和品质, 产生低抖动的采样边沿, 无需高成本的高性能输入时钟支持即可实现高分辨率;
·易于向CMOS新工艺迁移。在连续时间Σ∆模/数转换器中, 采样过程所引致的噪声和非线性影响会明显降低, 因此可以降低电源电压以配合未来CMOS工艺的要求。
CTΣ∆技术的先天优势加上片上时钟调整器的采用, 便可通过下列的方法简化信号路径设计:
·降低功率的要求;
·免除使用 (或降低要求) 外置抗混叠滤波器;
·降低输入驱动器的要求;
·在不降低性能的前提下, 降低对时钟资源的高品质要求。
此外, CTΣ∆模/数转换器将随技术发展而不断改进, 未来更可充分占尽CMOS新工艺的优势。
美国国家半导体的CTΣ∆技术可支持的模/数转换器, 其分辨率和数据输出率分别可高达16位或上和100MHz。本文将首先探讨一下模/数转换器的技术要点, 并解释CTΣ∆技术的应用价值。之后, 将详述模/数转换器采用CTΣ∆技术的好处。分析中将结合高分辨率100MSPS以下的应用, 通过美国国家半导体的ADC12EU050来分析CTΣ∆ADC的竞争优势。最后, 本文将概括总结CTΣ∆模/数转换器的发展潜能。
数据转换器基本原理
模/数转换器主要执行两项基本职能:时间离散和幅度离散。图1从概念上描绘出这两项职能, 当然实际的模/数转换器结构可能与之有所区别。
模/数转换器的第一项工作是在时间上进行离散, 或是对连续时间变化的输入模拟信号进行采样。输入信号在一个fs的频率和固定的时间间隔下被采样, 而采集回来的样品会以Ts=1/fs的周期来分隔开。一旦输入信号被采样, 最终的信号便会在采样时间间隔k Ts时以脉冲的形式存在。不过, 采样信号仍可假设成一个无限范围的数值, 因此并不能够精确地以数字形式来表达。
模/数转换器的第二个功能是在幅度上将采样信号离散化, 就是说模/数转换器以某一有限数量的可能数值作为参考并估算出每个样品的幅度。基于模/数转换器的输出只能根据一堆有限的可能数值, 故此每个样品的幅度都可用一个数字代码来表示, 而其位的长度可决定转换器可能输出的总数。然而, 在转换器中这些有限数量的输出数值难免会为模拟输入的数字化表达带来误差。这种误差称为量化误差, 它会限制转换器的分辨率。
模/数转换器的架构
一般来说, 模/数转换器可分为两大类:奈奎斯特率转换器和过采样转换器。这些不同类别的转换器在分辨率和输出采样率各有所长。
奈奎斯特率转换器
奈奎斯特率转换器可在所需最低频率下捕捉到关于整个输入带宽的全部信息, 因此奈奎斯特率转换器的输出数据率很高。现今, 三种最普遍的奈奎斯特率转换器分别为SAR (逐次逼近寄存器) 、闪速和流水线模/数转换器。
SAR模/数转换器
逐次逼近寄存器 (SAR) 模/数转换器主要是通过一个比较器来对输入信号进行二进制搜寻。意思是模/数转换器首先决定该输入是大于或小于参考电压的中间点, 该决定的结果便成为数字输出中的最高有效位 (MSB) 。找不到输入可能值的一半会被放弃, 模/数转换器之后再决定该输入是大于或小于剩下来可能值的中间数, 所得出的结果便成为数字字的下一个位。
上述的这项工作会不断重复, 每次都会更以更高的分辨率来逼近输入的数值, 而且每个周期都会重用相同的比较器直到找出最低有效位 (LSB) 为止, 这个数字字才算完整。由于SAR需要N次周期才能产生出一个具N位分辨率的输出, 因此通常将SAR的速度限制为几个MSPS。可是由于每一个周期都可重用同一个的高分辨率 (可能先被校准) 比较器, 因此在低功率下也可获得高精度。美国国家半导体的低功率模/数转换器采用SAR架构, 可以达到高至14位的分辨率和1MSPS的操作。
闪速模/数转换器
闪速模/数转换器特设有一堆连接到一个电阻梯的并行比较器, 它们是由极正和极负的模/数转换器参考电压来驱动。每一条电阻梯均被设计成与其邻居有一个LSB的距离, 以容许旁边的比较器能以最少一个LSB来辨别输入。所有比较器的输出会形成一个温度计代码, 而这代码则会被转化成一个二进制的数字输出。
对于N位的分辨率, 闪速模/数转换器需要使用2N-1比较器, 而这种比较器一般只限于使用在低分辨率的应用。因为每一个增加的分辨位都会将比较器的功率和面积增大一倍。此外, 位的增加也会同时提高对比较器准确性的要求。因此, 闪速转换器一般都会被限制在8位的分辨率。在闪速模/数转换器的设计当中, 大部份的精力都会集中在减少所用的比较器数量, 目的是要降低转换器在高速转换时的功耗。正是凭着这个设计策略, 美国国家半导体为业界带来首屈一指的超低功率、千兆赫采样率的8位模/数转换器。
流水线模/数转换器
流水线模/数转换器已成为8位或以上分辨率数据转换应用中的标准选择, 适用的采样率范围从5MHz到100MHz或以上。事实上, 现今美国国家半导体所提供的8、10、12和14位的流水线模/数转换器, 其采样率可高达200MSPS, 并可提供非常大的输入采样带宽。
流水线架构模/数转换器不会像闪速模/数转换器一般, 要求有足够的比较器来把输入与可能输入值比较。流水线架构的原理是执行多个的低分辨率闪速转换级, 并把它们堆迭成列以形成一条流水线。对于流水线中的每一个级, 其前级的量化输出会从原本输入信号减去, 而余数会被送到下一个级以进行更微细的量化。这个过程会随着信号在流水线中前进而不断重复, 直到LSB被决定出来, 之后所有在流水线中的输出会组台成一个接近输入样品数值的整体数字近似值。
由于流水线可同时在多个样品上工作, 故此模/数转换器可在每个时钟周期输出一个完整的数字字。这种并行处理可容许流水线在转换器的全奈奎斯特率下提供高分辨率。可是, 这种做法的代价便是带来延迟。延迟发生在输入首次被采样到产生数字近似值之间。这个延迟被称为管道延迟, 其大小一般为采样时钟周期的十分之一。幸而, 对于大部份的应用而言, 流水线模/数转换器的延迟都可接受。
流水线模/数转换器的挑战
美国国家半导体的高速模/数转换器已经清晰的证明流水线模/数转换器能够在高达200MSPS的采样率下提供高动态性能。虽然流水线架构可在中到高分辨率下达到很高的频率, 但它仍然要受限于其它的设计参数。
高速电路
由于流水线的每一个级必须处理前级的输出, 所以在转换过程中会由一个采样/保持 (SHA) 电路为每一个级提供一个固定的输入。第一级的SHA必须能在全采样率下维持模/数转换器的整体精度, 而这需要一个开关电容器电路将其于一个时钟周期内稳定下来。同样, 第一级的加法器和数/模转换器必须能于一个周期内稳定它们的输出。这些对于第一级的速度上要求 (对于下一级来说这要求会降低) 会迫使使用大带宽的放大器和其它电路, 从而引致较大的功耗消耗。
热噪声
流水线模/数转换器的最大动态范围会部分取决于转换器输入上的热噪声, 包括输入采样电容器的kT/C噪声。为了降低kT/C噪声, 可以选用较大的电容器, 但代价是:增加了在输入处的开关噪声, 更难驱动输入, 必须使用较高性能和较大功率的模/数转换器驱动器。
迁移到未来的C M O S工艺
与所有的抽样输入模/数转换器一样, 流水线模/数转换器要迁移到未来的CMOS工艺必须严峻的挑战。由于流水线模/数转换器通常都是使用一个升压CMOS开关来为采样电容器上的输入信号采样。这挑战源于开关电容器的输入。随着CMOS工艺和其电源电压不断降低, 可供CMOS开关用的过驱电压会随之减小, 大大缩小了可进行高分辨率采样的输入电压范围。再者, 要设计出一个可有效应用于深次微米工艺的较低电压阈值的开关也不是一件容易的事。
输入滤波和采样时钟的要求
对于使用包括流水线架构的任何类型的采样输入模/数转换器来说, 最后的挑战是来自驱动转换器的外置电路, 尤其是输入滤波网络和采样时钟。无论是使用什么样的采样输入转换器, 在采样运行时混叠在要求频带内的信号都需要使用抗混叠滤波器 (AAF) 来清除。由于现实难以达到陡斜的滤波器衰减特性, 常迫使设计人员对所需的信号过份采样。虽然过采样可以缩减有可能在频带中出现混叠的频率范围, 从而使对抗混叠滤波器的要求降低, 但这过采样会导致模/数转换器浪费奈奎斯特的带宽, 并使到系统的功耗增加。此外, 过采样还会增加对其后数字电路的工艺要求。
对于采样输入模/数转换器来说, 提供给模/数转换器的采样时钟是另一个决定整体动态性能的重要因素, 尤其对高分辨率和高输入频率的应用来说更甚。时钟源的相位噪声会随着模/数转换器输出处的噪声增加而出现, 因此系统设计人员必须小心处理以确保整体的系统分辨率不会被时钟源局限。对于高速和高分辨率的模/数转换器来说, 时钟的品质很重要, 因为当输入频率和模/数转换器分辨率提高时, 系统对时钟信号的纯净度要求也会相应提升。
从上述的讨论中还可明显看出, 虽然流水线和其它的采样式输入模/数转换器是高速和高性能应用的最佳选择, 但无论对于模/数转换器设计人员或系统设计人员来说都充满着挑战。与采样输入模/数转换器相反, CTΣ∆模/数转换器并不需要快速稳定的电路或在其输入处设有开关电容器, 因此可避免增加模/数转换器的功耗, 而且亦无需在高分辨率的应用使用高性能的驱动器。此外, CTΣ∆模/数转换器还具有高效的抗混叠滤波的优点, 可降低或免除对外加抗混叠滤波器的要求, 并且不会浪费模/数转换器的带宽。最后, C TΣ∆技术还很适合迁移到未来的CMOS工艺。对于那些可同时使用CTΣ∆和流水线架构的高分辨率和100MSPS以下的应用而言, CTΣ∆技术会带来压倒性的优势, 这些优势将在后文中论述。
过采样模/数转换器
奈奎斯特率转换器一般都能有效地在高输入带宽下达到中级分辨率, 而通常过采样转换器的表现则相反。由于过采样转换器的采样频率是大于输入信号带宽的奈奎斯特率, 因此在即定转换器采样率下, 过采样转换器的输出率将会比奈奎斯特率转换器的低。可是, 假如换成是奈奎斯特带宽, 过采样转换器 (即使没有校准) 能达到比奈奎斯特率转换器更高的分辨率, 当中无需理会转换器中CMOS电路的原有分辨率。这样的模/数转换器有两类, 分别是过采样模/数转换器和Σ∆模/数转换器。
过采样模/数转换器
要清楚理解一个模/数转换器是如何过采样, 最好从探讨一个N位闪速模/数转换器开始。这个转换器的正参考电压和负参考电压分别为+VREF/2和-VREF/2, 而它的整个输入范围[-VREF/2, +VREF/2]则被细分成2N个较小的范围, 每个均有1 LSB宽, 或VLSB=-VREF/2N。
由于闪速模/数转换器的输出只能指派出一组有限输出给一个无限范围的输入, 因此一个输入的输出数字化表示便是原来幅度的总和再加上由数字近似值而来的信号误差, 而这个误差信号即是量化误差。一般来说, 这里假设量化误差的功率拥有一个白色的频率光谱, 并且从频率0到采样频率fS之间平均分布。把这个固定的量化噪声密度从0到fS/2 (即奈奎斯特带宽) 积分计算, 那便可得出模/数转换器输出中的噪声功率。最后, 便可得出闪速模/数转换器的SNR, 其数值为 (0.176+6N) dB, 其中N是输出中的位数。
在以上关于分布在DC和fS/2之间的量化误差白噪声的讨论, 为降低模/数转换器输出信号中的噪声提供一个简单的方法。由于有限功率的量化噪声会在所有频率间平均分布, 因此只要限制转换器的可用带宽, 就可以削减输出的总噪声, 从而提升带宽内信号的SNR。也就是说, 假如把输入带宽局限在fS/2M, 那整体的总和噪声将可降低M倍, 这便称为过采样比率。因此, 一个过采样模/数转换器所能达到的最高SNR为:
SNR=1.76+6N+10log10 (M) [3]
在过采样中, M值每增大四倍那SNR便会增加一个位 (6 dB) 。
Sigma-Delta调制器模/数转换器
在过采样中的带宽/分辨率取舍效率可以通过整形输入信号或量化噪声的频谱来加强。前者一般都是用一个delta调制器来完成, 而后者则需依靠一个Σ∆调制器。由于Σ∆调制器比起delta调制器在那些非理想化电路中表现更好, 所以也被普遍采用。
Σ∆调制器的基本工作原理是在反馈环路中包含一个简单的量化器, 以对量化噪声整形并将大部份的噪声移出要求频带之外, 以准备稍后再用滤波器来抑制。图2表示出一个简单的Σ∆调制器的例子, 其中加性白噪声源ei来调制量化器。
图3表示出传递函数, 也称为噪声传递函数 (NTF) , 它是从量化噪声ei传递到供不同环路级L的调制输出。
从上述图表, 可以看到调制器在较高的频率时会把量化噪声放大, 并同时抑制较低频率的带内噪声。在这种效应下, 量化噪声会转移到较高的频率, 在该处它们稍后会被滤走, 从而大大降低了在调制器输出处的整体带内量化噪声能量。但要注意对于较高阶的调制器, 是会有更多的量化噪声被整形出频带外, 使得留在带内的量化噪声较少。不过, 环路滤波器的阶数不会无限增加, 原因是当环路的阶级愈高, 稳定性就越低。
可以看出对于一个Σ∆调制器来说, 可用的SNR以dB为单位就是:
SNR=1.76+6N+ (2L+1) 10 log10 (M) +10log 10 (2L+1) - (2L) 10 log 10 (π) [3]
如果与一个简单的过采样模/数转换器的SNR比较, 当M>π时, Σ∆调制器的SNR会较大, 其实这是一种常见情况。随着过采样的频率增加, Σ∆调制器会不断给出比简单过采样更高的分辨率。上述公式表示过采样率而增加的SNR会乘大 (2L+1) 倍, 因此在Σ∆调制器中的带宽与分辨率间的取舍效率会比单一的过采样高, 尤其当调制器的阶级增加时这一情况更加明显。Σ∆调制器之所以能获得更佳的分辨率, 应归功于发生在Σ∆环路反馈中的量化误差噪声整形。
在Σ∆调制器中量化器的输出信号包含有输入信号、其它噪声以及经整形后量化噪声以外的失真成份。再者, 环路输出数据率会比要求的高M倍。Σ∆转换过程的最后一个步骤是去除带外的量化噪声, 并且将输出的采样率降低至所需的数据传输率, 该功能由抽取滤波器执行。
抽取滤波器
在Σ∆调制器输出处的数字滤波器必须过滤所有的带外量化噪声, 并且重新从环路采样率MfS到所需的模/数转换器输出率fs之间为数字数据采样。为了降低实现的复杂性, 通常都会在多个不同的级中采用抽取滤波器。
一个简单的实现方法是采用一个简单的累积/抛弃或sinc滤波器作为第一级, 它一般会被限制在一个低阶的抽取比例以防止出现明显的带内降级, 而sinc的传递函数则可防止在不同再采样率下的信号在带内出现混叠。然而, 这类的配置通常都跟随有一个低通滤波器, 它可从sinc滤波器的中等输出率将信号每10抽一到所需的采样率fs/M。这低通滤波器也可用来补偿sinc滤波器的带内降级。可是, Σ∆模/数转换器中的抽取滤波会导致比流水线模/数转换器更长的延迟, 但现今大部份的应用都能接受这增加了的幅度。 (待续)
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Sigma方法 篇7
1 Sigma-Delta调制器基本原理
Sigma-Delta调制器主要通过过采样和噪声整形两种技术来提高ADC的精度[4]。模数转换器的过采样技术通过增加采样时钟频率来实现。对信号的采样快慢通过过采样率(OSR)来进行描述
其中,fs为ADC时钟采样频率;fN为奈奎斯特采样频率;fb为信号频率。
过采样可减小量化后信号的带内噪声。对进行过采样后的信号进行量化,量化噪声的功率谱密度仍然分布在[-fs/2,+fs/2]之间,因此分布在信号带内的量化噪声功率只是其中一小部分。二阶一位量化的Sigma-Delta调制器基本原理框图如图1所示[5]。
其中,X(z)为输入信号;E(z)为叠加的量化噪声;Y(z)为输出信号;H(z)=z-1/(1-z-1)为积分器的理想传输函数。若有增益因子g1=0.5,g2=2,则输入输出的关系为
二阶Sigma-Delta调制器对信号的传输函数只是有两个时钟的延时,而对量化噪声则在频带内进行了压缩,从而达到了噪声整形的效果。
2 调制器的非理想参数数学建模分析
2.1 积分器有限增益
由于运放增益A虽然有限,但是A1,因此忽略传输函数H(z)的增益误差,可得到传输函数H(z)为
其中,g为积分器的增益。对照积分器的理想传输函数H(z)=z-1/(1-z-1),可发现积分器的极点由1变成1-g/A,这会使整个Sigma-Delta调制器的传输函数发生变化。
为分析方便,令积分器的增益g=1,u=1/A,此时带内量化噪声为
2.2 运放的有线带宽和压摆率
积分器的积分时间常数τ=1/(2π·GBW),GBW是运放的单位增益带宽。由于运放的有限单位增益带宽,积分时间常数并不是无穷小,导致电荷转移不完全[6]。因此,积分器输出和输入之间满足的实际关系为
其中,α为运放有限增益导致的积分泄露因子;g为积分器的增益因子。若ADC的采样时钟周期为T,则一个周期内T/2用来采样保持,另外T/2用来进行积分。由于积分时间的有限性,导致存在e-T/2τ的积分建立误差。
ε为两个积分器的建立误差之和,即e-T/2τ1+e-T/2τ2。对于总建立误差为ε的二阶Sigma-Delta调制器,其带内噪声为
为充分保证积分建立过程不受运放压摆率的限制,使运放的压摆率满足
2.3 积分电容失配
积分器的增益系数是由采样电容和反馈积分电容的比值来获取的,若电容的大小尺寸有误差,就会造成积分增益的偏差[7]。假设实际积分器的增益因子g*与正常理论值g的关系为:g*=g(1±δ),δ为失配误差。可得到包含了电容失配和量化误差的信号带内噪声为
2.4 时钟抖动
因采样抖动造成的误差是随机不确定的,因此可假设不确定因子δ是一个满足标准偏差为σ的高斯随机过程,此时采样误差的功率会均匀分布在[-fs/2,+fs/2]之间,其功率谱密度为[8]
由于Sigma-Delta调制器过采样的运用,信号带内的抖动噪声为
2.5 采样积分和运放的热噪声
开关电容在采样和积分过程中均会产生热噪声。将开关电容在采样和积分时产生的热噪声,以及运放产生的热噪声全部等效到输入采样电容上,可得到总的噪声功率为[7]
其中,x=2Ron·gm1;Cs为采样电容;Ron为采样开关导通电阻;gm1为输入差分对的跨导。由于所有的噪声源产生采样白噪声,因此认为热噪声功率谱密度可由总噪声功率除以fs/2得到。对热噪声功率谱从0~fs/(2OSR)进行积分可得到总的输出带内热噪声为[4]
2.6 Simulink系统仿真
通过上述分析,在系统采样时钟频率为2.5 MHz下,输入幅度为0.5 V,频率为10 k Hz的正弦波时,若期望输出信号的有效位数为14 bit,即带内信噪比约为86 d B,通过上述建模分析可确定系统的各项非理想参数如表1所示。
在Simulink下的调制器模型中,添加上述非理想参数,进行行为级仿真[9],如图2所示。将仿真结果进行FFT频域分析,可得到输出信号的频谱图。如图3所示,信号带内信噪比为85.2 d B,有效位数为13.9bit,与设计目标较为接近。由此可验证非理想参数建模分析的准确性。
3 Cadence下电路级设计与仿真
本设计的调制器电路图如图4所示[10]。调制器采用开关电容进行采样和反馈积分。clk与non_clk构成两相不重叠时钟[11]。在采样相位时,为0,在积分相位时为1。Vout为输出电平,高电平时为5 V对应数字1,低电平时则为0。在采样相位时,clk闭合,non_clk断开,对信号进行采样,同时锁存比较器进行比较。在积分相位时,clk断开,non_clk闭合,进行环路反馈积分。通过Spectre仿真,显示整个调制器的静态功耗为1.8 mW。
从图5可知,输出信号的带内信噪比为83.5 d B,有效位数为13.6 bit,与理论设计目标接近。
4 结束语
本文通过对二阶一位量化Sigma-Delta调制器详细的非理想参数分析,在给定精度目标和输入信号相关参数时,可计算出调制器组成模块的最低性能要求,在此基础上搭建了Simulink行为级仿真模型,并加入计算出的非理想参数进行仿真。仿真结果的精度与理论分析极为接近,验证了非理想参数理论分析的正确性。最后,在Cadence中进行整体的电路级设计与仿真。由于电路级的非线性等不利因素的影响,其输出信号的有效位数略小于理论目标,但仍有较高的准确性。通过仿真结果分析证明了本方法流程具有较高的准确性。
摘要：针对Sigma-Delta ADC在实现高精度的同时如何降低系统功耗这一问题,通过进行建模分析,得出满足精度需求的最低性能指标。并对二阶Sigma-Delta调制器的非理想因素进行数学建模分析,在满足ADC精度的同时对ADC组成模块的最低性能指标进行分配,利用SDtoolbox进行仿真验证。基于CSMC 0.5μm CMOS工艺,在5 V电源电压下,对调制器进行了电路级设计。结果显示在模块最低性能时,调制器输出信号的带内信噪比为83.5 d B,总功耗为1.8 m W。
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