仅使用1％的电阻并校准误差有多可行？

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目前，我使用0.1％电阻器通过分压器获得准确的电压测量值。但是，成本很高，因此我考虑使用0.5％或1％的电阻器，并在生产过程中通过使用精密电压基准来校准软件中的误差。有人成功做到了吗？我可能会遇到什么陷阱？

calibration

— 托马斯·奥
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您可以使用哪种生产工具？您能否获得/构建像钉子床程序员/测试人员这样的工具？

— 凯文·维米尔

@reemrevnivek-当前不是。我的PCB制造商对每个电路板进行了电子测试，但不能保证焊接正常。

— Thomas O

40年前，在通孔板上，这在我工作的地方（工业电子产品）相当普遍。要选择的电阻器将在转塔端子上，因此以后可以轻松添加。在SMT板上，很难想象它会具有成本效益。

— Mattman944

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所以你有：

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

Rx是一些未知的电阻（可能是某种传感器）。为了有效地计算R_x，您现在使用的是固定为0.1％的R_fix，但是您想使用更便宜的固定电阻，其容差可能仅为1％。这样做时，您想在生产过程中执行某种校准以纠正增加的误差，对吗？

最终执行此操作的方式是在EEPROM（或其他非易失性存储器）中放入一个字节，该字节在计算中充当“偏移”，这是一件完全可行的事情。问题是在生产过程中您将花费一些时间来进行校准活动。为了进行校准，您需要一个标称值与1％电阻可比的0.1％电阻（称为R_cal）之一，以替代电路中的R_x。通过测量V_sensed，可以更精确地推断R_fixed的值（即0.2％左右）。

如果R_cal和R_fixed名义上是相同的值，则可以预期V_sensed等于Vcc / 2。您可以将与Vcc / 2的测量偏差存储为校准偏移字节，并始终将其与ADC感知的V_sensed相加。

如我所见，陷阱在于进行测量并随后存储值需要大量工作。另一个要考虑的陷阱是，温度可能会导致电阻偏离其标称值，因此您需要一个温度控制良好的校准环境。最后，不要忘了使用校准的测量设备，因为这是附加误差的另一个潜在来源。我能想到的最后一个陷阱是校准字节应以ADC的lsb单位存储（因此，如果您有12位ADC，则校准偏移字节的单位应为“ Vcc / 2 ^ 12 Volts”）。

编辑

如果使用两个固定电阻器按如下所示将大电压分压至较低的比例，则：

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

重新编辑的部分

因此，现在您想在生产的校准步骤中使用精密基准电压（称为V_cal）来激励V_in。理论上，您所拥有的是：

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

但是您实际上是：

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

实际上，您实际具有的传递函数斜率与根据电阻值预测的传递函数斜率不同。与预测的分压器传递函数的偏差相对于输入电压将是线性的，并且您可以放心地假设0V in将为您提供0V out，因此进行一次精密电压基准测量应为您提供足够的信息，以表征此线性比例因子。即：

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

然后，您将使用lope_actual作为您的校准值来确定电压，该电压是所测电压的函数。

由@markrages提供

为了获得对电阻值的实际斜率灵敏度，需要进行部分微分：

替代文字

— 维卡茨库
source

我想为两个分压电阻使用1％。我正在使用分压器读取高达40V的信号。您所说的内容仍然适用吗？我将四处寻找精密电压基准，尽管±0.05％可能还可以，而且您可以得到DIP IC来做到这一点。

— Thomas O

@Thomas好吧，我误解了您的问题...您正在使用分压器降低大电压，而不是测量未知电阻...我将相应地更改答案。

— vicatcu 2011年

我不太确定错误不会是线性的，现在忽略了电阻加热。对于每个分频器，它应该是一个固定的线性因子（板上有四个），因为该分频器只是被一个固定的量除。当输入零伏电压时，ADC应测量零伏电压，再加上失调误差，这可能会使它读取一个计数，因此我真的不需要担心失调...除非我错过了什么？

— Thomas O

遗憾的是，回顾过去，非线性可能是错误的术语。您可以从校准中有效地得到比例因子，对吗？与预测的偏差相对于输入电压将是线性的。因此，给定一些“基于测量的预测V”，实际V将必须乘以某个因子。什么将是非线性的是在假定它是一个偏移电压误差。

— vicatcu 2011年

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对我来说，这将是困难的，但是并非没有可能。

通常，额定电阻为0.1％的电阻比额定电阻为1％的电阻具有更低的TC =温度系数，对湿度，焊接（热冲击）的免疫力更强，随时间变化的漂移也较小。因此，应该考虑许多阻力变化源。
在40V时，自热效应可能是有意义的，因此应使用额定功率合适的电阻器。
有质量良好的1％电阻器，其TC <20ppm / deg，并且各电阻器之间的TC相似（相差10ppm），但是对于相同类型，标称值和功率电阻器的情况则是如此。在分压器中正确使用这种电阻会消除平均TC的影响。只有TC的差异会影响输出电压。因此，可以使用相同值的电阻器来获得精密分压器。
标称值不同的电阻器的TC可能更多。自热会产生不同的影响-高电阻电阻上耗散的功率会更多，从而加热并改变电阻。
结论：如果您在生产中使用许多电阻器（同一板/分压器的长系列）并且电阻器的成本很有意义，则可以考虑更换。否则很可能不值得付出努力。

— czgut
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4

这种方法在5％到1％的范围内效果很好。从1％到0.1％，我怀疑您会因为温度波动改变电阻和电压而开始失去准确性。

如果由于某种未知原因，您在等温环境中工作并且您的电阻器都是恒定电流，那么自发热是可以预见的，那么它仍然可行。

— 扫一扫
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我认为温度在我的设备的-40°C至+ 70°C工作温度范围内可能会对典型的±100ppm /°C电阻产生-0.4％至+ 0.7％（或相反）的影响。如有必要，我也可以进行校准。很可能会暴露在高温下，我可以加热电路板进行测试。

— Thomas O

3

有时，通过巧妙的设计，您可以消除电阻器的温度系数。如果在设计中发现了这样的电阻对，则在布局中将它们彼此相邻放置，以最大程度地提高热耦合。甚至使用电阻阵列。

— 爆胎

@markrages，如果两个电阻都为+ 100ppm /°C，由于两个电阻的分数相同，会不会使误差最小化？从理论上讲，假设两个电阻漂移相等，则输出不变。实际上，这可能会，特别是因为参考电压（LM4040）本身可能会漂移。

— Thomas O

@托马斯。是的，就是这个主意。让我们看一下，LM4040声称在最坏情况下为100ppm / C，在1mA或更小的电流下典型值为15ppm。典型的温度响应已在数据表中标出，看起来不容易被抵消。我猜您可以将NTC热敏电阻粘贴到其上并“烘烤”以使其保持恒定（升高的温度），但是如果您的用电预算有限，则不能。

— 爆胎

4

您可以校准：

制造公差[2] [3]，（+/- 1 *％）=可以校准
焊接热[2] [3]，由于焊接引起的电阻变化（+/- 0.2 *至1％）=可以校准

但不要忘记所有其他公差：

TCR [2] [3]，温度系数电阻（+/- 50至100 * ppm / C）
VCR [2]，电压系数电阻（+/- 25 * ppm / V）
环境因素，寿命期间的电阻变化（在155 C，225 000 h下，<= + /-3％*）[2] [3] [4]

*请注意，电阻器品牌和产品之间的所有值可能会有所不同。

[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

— Warpi
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