Jak opłacalne jest użycie tylko 1% rezystorów i skalibrowanie błędu?

W tej chwili używam rezystorów 0,1%, aby uzyskać dokładny pomiar napięcia przez dzielnik napięcia. Koszt jest jednak wysoki, więc zastanawiałem się nad użyciem rezystorów 0,5% lub 1% i skalibrowaniem błędu w oprogramowaniu przy użyciu precyzyjnego napięcia odniesienia podczas produkcji. Czy ktoś zrobił to z powodzeniem? Z jakimi pułapkami mogę się spotkać?

Więc masz:

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

Rx to jakiś nieznany opór (prawdopodobnie jakiś czujnik). I używasz teraz R_fixed na 0,1%, aby skutecznie obliczyć R_x, ale chcesz użyć tańszego rezystora stałego o niższej tolerancji, być może 1%. Czy robiąc to, chcesz wykonać jakąś kalibrację podczas produkcji, aby skorygować zwiększony błąd, prawda?

Skończyło się to umieszczeniem bajtu w pamięci EEPROM (lub innej nieulotnej pamięci), która działa jak „przesunięcie” w obliczeniach i jest to całkowicie wykonalne. Chodzi o to, że wykonanie kalibracji będzie kosztowało trochę czasu podczas produkcji. Aby wykonać kalibrację, potrzebujesz jednego z tych rezystorów 0,1% (nazwij to R_cal) o nominalnie porównywalnej wartości do 1% rezystora, aby zastąpić R_x w obwodzie. Mierząc V_sensed, możesz dokładniej wnioskować o wartości R_fixed (tj. Do około 0,2%).

Jeśli R_cal i R_fixed mają nominalnie tę samą wartość, można oczekiwać, że V_sensed będzie równy Vcc / 2. Zachowałbyś zmierzone odchylenie od Vcc / 2 jako bajt przesunięcia kalibracji i zawsze dodawałeś go do V_sensed, jak postrzegane przez ADC.

Pułapka, jak widzę, polega na tym, że jest mnóstwo pracy związanej z pomiarem, a następnie z przechowywaniem wartości. Inną rzeczą, którą należy rozważyć jako pułapkę, jest to, że temperatura może odgrywać rolę w powodowaniu odchylenia rezystancji od jej wartości nominalnej, więc będziesz potrzebować rozsądnie dobrze kontrolowanego środowiska kalibracyjnego z kontrolowaną temperaturą. Wreszcie nie zapomnij użyć skalibrowanego sprzętu pomiarowego, ponieważ jest to kolejne potencjalne źródło błędu addytywnego. Ostatnią pułapką, o której mogę myśleć, jest to, że bajt kalibracji powinien być przechowywany w jednostkach lsb twojego ADC (więc jeśli masz 12-bitowy ADC, jednostki bajtu przesunięcia kalibracji powinny mieć wartość „Vcc / 2 ^ 12 woltów”) .

Edytować

Jeśli używasz dwóch stałych rezystorów, aby podzielić duże napięcie na niższą skalę w następujący sposób:

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

Ponownie edytowana sekcja

Więc teraz chcesz użyć precyzyjnego napięcia odniesienia (nazwij to V_cal), aby stymulować V_in podczas etapu kalibracji w produkcji. Teoretycznie masz to:

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

Ale w rzeczywistości masz:

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

W rzeczywistości masz inne nachylenie funkcji przenoszenia w rzeczywistości, niż można by się spodziewać na podstawie wartości rezystora. Odchylenie od przewidywanej funkcji przenoszenia dzielnika będzie liniowe w stosunku do napięcia wejściowego i można bezpiecznie założyć, że 0 V da Ci 0 V poza, więc wykonanie jednego precyzyjnego pomiaru napięcia odniesienia powinno dostarczyć wystarczających informacji do scharakteryzowania tego współczynnika skali liniowej . Mianowicie:

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

I użyłbyś slope_actual jako swojej skalibrowanej wartości do określenia napięcia jako funkcji mierzonego napięcia.

poniżej dzięki uprzejmości @markrages

Aby uzyskać rzeczywistą czułość nachylenia na wartości rezystora, konieczne jest częściowe zróżnicowanie:

Dla mnie będzie to trudne, ale nie niemożliwe.

• Zwykle rezystory znamionowe 0,1% mają niższe współczynniki TC = temperatury, są bardziej odporne na wilgoć, lutowane (szok termiczny), mają mniejszy dryf z czasem, niż rezystory znamionowe 1%. Dlatego należy wziąć pod uwagę wiele źródeł zmian oporu.
• Na poziomie 40 V efekt samozagrzania może być znaczący, dlatego należy stosować rezystory o odpowiedniej mocy znamionowej.
• istnieją dobrej jakości rezystory 1%, mające TC <20ppm / deg, i podobne TC od rezystora do rezystora (różnica + - 10ppm), ale dotyczy to tego samego typu, wartości nominalnej i rezystorów mocy. Właściwe stosowanie tego typu rezystorów w dzielniku napięcia anuluje wpływ średniego TC. Tylko różnica TC będzie miała wpływ na napięcie wyjściowe. Można więc uzyskać precyzyjne dzielniki, używając rezystorów o tej samej wartości.
• Rezystory o różnych wartościach nominalnych mogą mieć więcej różnych TC. A samozagrzewanie będzie miało inny wpływ - więcej mocy rozproszonej na rezystorze o wyższej rezystancji bardziej go podgrzeje i zmieni rezystancję.
  Wniosek: Jeśli używasz wielu rezystorów w produkcji (długie serie tej samej płyty / dzielnika), a koszt rezystorów jest znaczący, możesz rozważyć wymianę. W przeciwnym razie najprawdopodobniej nie jest to warte wysiłku.

Takie podejście działa dobrze, przechodząc z 5% do 1%. Przechodząc od 1% do 0,1%, podejrzewam, że zaczniesz niszczyć swoją dokładność przez wahania temperatury zmieniające rezystancję, a tym samym napięcie.

Jeśli z jakiegoś nieznanego powodu pracujesz w środowisku izotermicznym, a wszystkie twoje rezystory mają stały prąd, więc samonagrzewanie jest przewidywalne, nadal jest opłacalne.

Możesz skalibrować:

• Tolerancja produkcji [2] [3], (+/- 1 *%) = można skalibrować
• Ciepło lutowane [2] [3], zmiana rezystancji spowodowana lutowaniem (+/- 0,2 * do 1%) = można skalibrować

Ale nie zapomnij o wszystkich innych tolerancjach:

• TCR [2] [3], rezystancja współczynnika temperaturowego (+/- 50 do 100 * ppm / C)
• VCR [2], rezystancja współczynnika napięcia (+/- 25 * ppm / V)
• Czynniki środowiskowe, zmiana rezystancji w ciągu życia (<= +/- 3% * w 155 ° C, 225 000 h) [2] [3] [4]

* Należy pamiętać, że wszystkie wartości mogą się różnić między markami rezystorów i produktami.

[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