Насколько целесообразно использовать резисторы 1% и откалибровать ошибку?

В настоящее время я использую резисторы 0,1% для точного измерения напряжения через делитель напряжения. Тем не менее, стоимость высока, так что я имел в виду, используя 0,5% или 1% резисторов и калибровки на ошибку в программном обеспечении с использованием опорного напряжения точности в процессе производства. Кто-нибудь сделал это успешно? С какими подводными камнями я могу столкнуться?

Итак, вы получили:

          R_x         R_fixed
Vcc -----^v^v^----+----^v^v^------- Gnd
                  |
                  |
                  +--- V_sensed --- ADC input

Rx - это какое-то неизвестное сопротивление (вероятно, какой-то датчик). И вы используете R_fixed при 0,1% прямо сейчас, чтобы эффективно рассчитать R_x, но вы хотите использовать более дешевый фиксированный резистор с более низким допуском, возможно, 1%. При этом вы хотите выполнить какую-то калибровку во время производства, чтобы исправить увеличенную ошибку, верно?

В конечном итоге вы делаете это, помещая байт в EEPROM (или другую энергонезависимую память), который действует как «смещение» в ваших вычислениях, и это совершенно жизнеспособная вещь. Дело в том, что во время производства вам потребуется некоторое время на выполнение калибровки. Чтобы выполнить калибровку, вам понадобится один из этих 0,1% резисторов (назовите его R_cal) номинально сопоставимого значения с вашим 1% резистором, чтобы заменить в цепи R_x. Измеряя V_sensed, вы можете более точно вывести значение R_fixed (то есть что-то вроде 0,2%).

Если R_cal и R_fixed номинально являются одинаковыми значениями, можно ожидать, что V_sensed будет равен Vcc / 2. Вы сохраните измеренное отклонение от Vcc / 2 в виде байта смещения калибровки и всегда добавляете его к V_sensed, как это воспринимается вашим АЦП.

Подводный камень, на мой взгляд, заключается в том, что для выполнения измерения и последующего сохранения значения требуется много работы. Еще одна вещь, которую следует учитывать как ловушку, заключается в том, что температура может играть роль, приводящую к отклонению сопротивления от ее номинального значения, поэтому вам понадобится достаточно хорошо контролируемая температура калибровочной среды. Наконец, не забудьте использовать калиброванное измерительное оборудование, так как это еще один потенциальный источник аддитивной ошибки. Последний недостаток, который я могу вспомнить, заключается в том, что байт калибровки должен храниться в единицах lsb вашего АЦП (поэтому, если у вас 12-разрядный АЦП, байт смещения калибровки должен быть равен «Vcc / 2 ^ 12 Вольт») ,

редактировать

Если вы используете два фиксированных резистора, разделите большое напряжение на нижнюю шкалу следующим образом:

        R1_fixed       R2_fixed
V_in -----^v^v^----+----^v^v^------- Gnd
                   |
                   |
                   +--- V_sensed --- ADC input

Отредактированный раздел

Итак, теперь вы хотите использовать ссылку на точность напряжения (назовем его V_cal), чтобы стимулировать V_in на этапе калибровки в производстве. То, что у вас есть, есть в теории:

V_sensed = V_predicted = V_cal * R2_fixed / (R1_fixed + R2_fixed) = V_cal * slope_fixed

Но то, что у вас есть на самом деле:

V_sensed = V_measured = V_cal * R2_actual / (R1_actual + R2_actual) = V_cal * slope_actual

По сути, в действительности у вас другой наклон передаточной функции, чем тот, который вы прогнозируете по значениям резистора. Отклонение от предсказанного делителя передаточной функции будет линейным относительно входного напряжения, и вы можете смело предположить, что 0В в даст вам 0В, так что делает один прецизионный источник опорного напряжения измерение должно дать вам достаточно информации, чтобы охарактеризовать этот линейный масштабный коэффициент , А именно:

V_measured / V_predicted = slope_fixed / slope_actual 
slope_actual = slope_fixed * V_measured / V_predicted

И вы должны использовать slope_actual в качестве калиброванного значения, чтобы определить напряжение в зависимости от измеренного напряжения.

ниже любезно предоставлено @markrages

Для получения фактической чувствительности наклона к значениям резистора требуется частичное дифференцирование:

По мне, это будет сложно, но не невозможно.

• Обычно резисторы с номиналом 0,1% имеют более низкий TC = температурные коэффициенты, более устойчивы к влажности, пайке (термическому удару), имеют меньший дрейф во времени, чем резисторы с номиналом 1%. Таким образом, многие источники изменения сопротивления должны быть рассмотрены.
• На уровне 40 В эффект самонагревания может быть значительным, поэтому следует использовать резисторы с соответствующей номинальной мощностью.
• Существуют 1% резисторы хорошего качества, имеющие TC <20ppm / deg, и аналогичные TC от резистора к резистору (разница + - 10ppm), но это верно для резисторов того же типа, номинального значения и мощности. Правильное использование резисторов этого типа в делителе напряжения отменит влияние среднего ТС. Только разница в TC будет влиять на выходное напряжение. Так что можно получить прецизионные делители, используя резисторы одинакового значения.
• Резисторы с разными номинальными значениями могут иметь более разные ТК. И самонагрев будет иметь различное влияние - большая мощность, рассеиваемая на резисторе с более высоким сопротивлением, будет нагревать его больше и изменять сопротивление.
  Вывод: если вы используете много резисторов в производстве (длинные серии одной платы / делителя) и стоимость резисторов имеет смысл, вы можете рассмотреть вопрос о замене. В противном случае, скорее всего, это не стоит усилий.

Этот подход хорошо работает, с 5% до 1%. Переходя от 1% к 0,1%, я подозреваю, что ваша точность начнет ухудшаться из-за колебаний температуры, меняющих сопротивление и, следовательно, напряжение.

Если по какой-то неизвестной причине вы работаете в изотермической среде, и все ваши резисторы имеют постоянный ток, поэтому самонагревание предсказуемо, оно все же жизнеспособно.

Вы можете откалибровать:

• Производственный допуск [2] [3], (+/- 1 *%) = можно калибровать
• Нагрев припоя [2] [3], изменение сопротивления в результате пайки (от +/- 0,2 * до 1%) = можно калибровать

Но не стоит забывать и обо всех других допусках

• TCR [2] [3], температурный коэффициент сопротивления (от +/- 50 до 100 * ppm / C)
• VCR [2], коэффициент сопротивления по напряжению (+/- 25 * ppm / V)
• Факторы окружающей среды, изменение сопротивления в течение срока службы (<= + / - 3% * при 155 С, 225 000 ч) [2] [3] [4]

* Обратите внимание, что все значения могут отличаться для разных марок резисторов и продуктов.

[1] https://www.vishay.com/docs/28809/driftcalculation.pdf

[2] https://www.digikey.se/sv/ptm/v/vishay-beyschlag/mm-hv-high-voltage-thin-film-melf-resistors/tutorial

[3] https://industrial.panasonic.com/cdbs/www-data/pdf/RDA0000/AOA0000C304.pdf

[4] MIL-STD R-10509