Наскільки життєздатним є просто використання 1% резисторів та калібрування помилки?

На даний момент я використовую 0,1% резистори, щоб отримати точне вимірювання напруги через дільник напруги. Однак вартість висока, тому я думав використати резистори 0,5% або 1% і відкалібрувати помилку в програмному забезпеченні, використовуючи посилання на точність напруги під час виробництва. Хтось зробив це успішно? З якими підводними каміннями я можу зіткнутися?

Отже, у вас є:

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

Rx - якийсь невідомий опір (можливо, датчик якоїсь форми). А ви зараз використовуєте R_fixed на 0,1% для ефективного розрахунку R_x, але ви хочете використовувати більш дешевий фіксований резистор з меншим допуском, можливо, на 1%. При цьому ви хочете виконати якусь градуювання під час виробництва, щоб виправити підвищену помилку, чи правильно це?

Як ви це робите, це введення байта в EEPROM (або якусь іншу енергонезалежну пам'ять), яка діє як «компенсація» у вашому обчисленні, і це абсолютно бездоганно робити. Річ у тім, що це обійдеться вам у певний час під час виробництва, щоб зробити калібрування. Для того щоб здійснити калібрування, вам знадобиться один з цих 0,1% резисторів (називайте його R_cal) номінально порівнянного значення з вашим 1% резистором, щоб замінити в ланцюг R_x. Вимірюючи V_sensed, ви можете більш точно визначити значення R_fixed (тобто приблизно на 0,2%).

Якщо R_cal і R_fixed номінально однакові, ви очікуєте, що V_sensed дорівнює Vcc / 2. Ви будете зберігати виміряне відхилення від Vcc / 2 як байт зміщення калібрування і завжди додавати його до V_sensed, як сприймається вашим АЦП.

Як я бачу, підводний камінь полягає в тому, що в процесі вимірювання, а згодом і в зберіганні значення, є робота. Ще одна річ, яку слід враховувати як підводний камінь, полягає в тому, що температура може зіграти роль у спричиненні відхилення опору від номінального значення, тому вам потрібно буде досить добре регульоване середовище калібрування, що контролюється температурою. Нарешті, не забудьте скористатися каліброваним вимірювальним обладнанням, оскільки це ще одне потенційне джерело помилок присадки. Остання помилка, яку я можу придумати, - байт калібрування повинен зберігатися в одиницях lsb вашого АЦП (тому якщо у вас є 12-бітний АЦП, одиниці байта зміщення калібрування повинні бути "Vcc / 2 ^ 12 Вольт") .

Редагувати

Якщо ви використовуєте два нерухомих резистора, щоб розділити велику напругу на нижню шкалу наступним чином:

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

Перероблений розділ

Отже, тепер ви хочете використовувати точну опорну напругу (називати її V_cal) для стимулювання V_in під час етапу калібрування у виробництві. Те, що у вас є, є теоретично:

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

Але те, що у вас є насправді:

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

Насправді ви маєте інший нахил функції передачі в реальності, ніж те, що ви могли б передбачити за значеннями резистора. Відхилення від передбачуваної функції передачі дільника буде лінійним щодо вхідної напруги, і ви можете з упевненістю припустити, що 0 В в дасть вам 0 В, тому здійснення одного точного вимірювання опорної напруги повинно дати вам достатньо інформації для характеристики цього коефіцієнта лінійної шкали . А саме:

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

І ви будете використовувати slope_actual як ваше каліброване значення, щоб визначити напругу як функцію вимірюваної напруги.

нижче люб’язно надано @markrages

Для отримання фактичної чутливості нахилу до значень резистора необхідна часткова диференціація:

По моєму, це буде важко, проте не неможливо.

• Зазвичай 0,1% резистори мають нижчий коефіцієнт температури = коефіцієнти температури, більш стійкі до вологості, пайки (теплового удару), мають менший дрейф із часом, ... ніж 1% номінальних резисторів. Отже, слід врахувати багато джерел зміни опору.
• На рівні 40В ефект самозагрівання може бути значущим, тому слід використовувати резистори з належним рівнем потужності.
• є хороші якісні 1% резистори, мають TC <20ppm / deg і подібні TC від резистора до резистора (+ - 10ppm різниця), але це справедливо для однотипних резисторів типу, номінального значення та потужності. Правильне використання резисторів цього типу в розділювачі напруги скасує вплив середнього ТС. Тільки різниця в ТК впливатиме на вихідну напругу. Тож можна отримати точні подільники, використовуючи резистори однакового значення.
• Резистори різних номінальних значень можуть мати більше різних ТК. І самонагрівання матиме різний вплив - чим більше енергії, що розсіюється на резисторі більш високого опору, тим більше нагріватиме його та змінює опір.
  Висновок: Якщо ви використовуєте багато резисторів у виробництві (довгі серії однієї плати / роздільника) і вартість резисторів є повноцінною, ви можете розглянути можливість заміни. Інакше, швидше за все, не варто старатися.

Такий підхід працює добре від 5% до 1%. Ідучи від 1% до 0,1%, я підозрюю, що ви почнете свою точність знищувати коливанням температури, що змінюють опір, а отже, і напругу.

Якщо ви з незрозумілої причини працюєте в ізотермічному середовищі, а ваші резистори - постійний струм, тому самонагрівання передбачувано, воно все-таки життєздатне.

Ви можете відкалібрувати:

• Толерантність виробництва [2] [3], (+/- 1 *%) = можна відкалібрувати
• Тепло припаю [2] [3], зміна опору за рахунок пайки (+/- 0,2 * до 1%) = можна калібрувати

Але не забувайте про всі інші допуски:

• TCR [2] [3], опір коефіцієнта температури (+/- 50 до 100 * ppm / C)
• VCR [2], коефіцієнт опору напруги (+/- 25 * ppm / V)
• Фактори навколишнього середовища, зміна стійкості протягом життя (<= + / - 3% * при 155 С, 225 000 год) [2] [3] [4]

* Зауважте, що всі значення можуть відрізнятися між марками резисторів та продуктами.

[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