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我一直在研究各种电子元件,发现不仅电容器、电感器和电阻器等基本元件,热电偶、热敏电阻、称重传感器等也存在着 5%、10% 甚至 20% 的误差和准确度。这让我开始怀疑我拥有的每一种设备(从体温计到厨房秤)的准确度。用准确度为 1% 的秤测量体重会误差几磅,这有什么用呢?或者,如果准确度相似的温度计误差几度,我怎么知道自己发烧了?尽管热敏电阻等元件的准确度低于 1%,但准确度能达到 0.1% 或更高吗?

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    可能对行业标准感兴趣 –以及
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    组件的公差与系统的精度没有直接关系。您提供的示例包括补偿和微调。
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    为什么你会认为没有校准方法来纠正错误或进行更好的容差控制? PN 二极管温度计的精度可以超过 1%,医院标准的最大误差为 0.2’C。
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    为什么你需要体重准确度超过 1%?…你的体重在一天中会发生变化
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    我的车上的速度表显示比实际速度高出 3MPH,但因为我知道我可以开得更快一点,所以我并不总是迟到。
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6 个回答
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电子设备经常需要校准,以便补偿单个元件的公差。通过校准(可能还有温度补偿),通常可以达到比元件标称精度高得多的精度。

利用当今的小型、廉价且功能强大的微控制器,可以轻松对热敏电阻进行多点校准(例如)以获得非常好的精度。

最后,系统所需的规格决定了组件选择和可能需要的校准。

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你做出了一些非常可疑的假设。仅仅因为电阻的公差为 20% 并不意味着没有更精确的电阻。如果某些测量设备需要高精度电阻,就会使用它(公差高达 0.01% 是随时可用的)。你提到的另一个例子是热敏电阻。事实上,低成本热敏电阻的公差可能达到几度。然而,当需要时,可以获得更好的精度。我个人在声纳应用中使用了一个热敏电阻,该热敏电阻保证在预期的海水温度范围内在 0.2C 以内。正如其他答案所指出的那样,当使用适当的校准和补偿技术时,仪器精度可以超过其内部组件的公差

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一般来说,良好的工程设计需要了解足够的信息,既不能指定过紧的公差,也不能指定过松的公差。您不会指定笨重的 15 美元超精密金属箔电阻用于上拉电阻或与 LED 串联。这不仅会浪费金钱和空间,而且产品的可靠性也可能较低,因为这些部件不是大批量生产的。5% 或 1% 的电阻器已经足够好了 – 片上电阻器的公差可能为 30% 或更差。

稳定(但不一定准确)的部件可以校准或补偿误差。巧妙的设计可以消除某些类型的误差而无需外部校准。您可以购买总电阻相对较差但比例和温度系数匹配极其精确的电阻网络。

在非常紧密的比例下,我们可能会使用定制的精密变压器而不是电阻器来获得 ppb(十亿分之一)电压分配稳定性,而不是 ppm(百万分之一),因为电阻器非常昂贵且难以采购。准确度的提高可能要付出非常高的代价 – 它不像数字世界,64 位并不比 12 位难处理多少。很少有现实世界的模拟测量(时间除外)比 16-20 位更准确,大多数可能更像 8 到 12。1% 公差的 NTC 热敏电阻通常准确度约为 +/-0.2 ‘C,对于消费产品来说已经足够好了。

也许世界上最好的埋入式齐纳单片电压基准具有非常好的稳定性,但校准前的电压(使用外部电路,如昂贵的电阻器等)可能比标称值低 5% 以上。

精密模拟设计远不止指定高性能部件那么简单。当然,设计对元件值过于敏感的电路也是有可能的——0.1% 的误差或漂移可能会导致测量值出现 2% 的误差。避免校准可能是可行的,也可能是不可能的,或者成本太高。所有这些都是在设计过程中做出的权衡。

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良好的电子设计的目标是尽量减少对元件变化的敏感度。这是因为精密部件成本更高,而且即使如此,也不一定能随温度和时间的变化保持严格的公差。

快速检查一下准确度和精确度。tl,dr:低变化=高精度,低偏移=高精度。

如果您有一个“20%”的组件,但它并没有发生太大变化(也就是说,它是稳定的),那么它可以被视为精确的,并且可以通过补偿其与理想值的偏移来实现准确。

另一方面,如果该组件由于某种原因而变化很大,它就不精确并且将更难实现准确性(可能需要多个样本和后处理才能达到目的。)

使用稳定、可重复的精确参考(例如电压、频率)的数字校准方法是目前的首选方法。这会增加一些电路,但通过避免昂贵的精密部件和/或手动调整来节省总体成本。

秤中的称重传感器的特征在于其偏移、斜率和非线性。只要这些不会随时间发生很大变化,就可以对其进行补偿,从而获得准确而精确的测量结果。热敏电阻也是如此,它们本质上是非线性的(前面的 Steinhart-Hart 方程应该已经告诉过你了。)

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电路中的一些元件值不是特别关键,因此 5%、10% 甚至 20% 可能就足够了。其他元件需要更好的容差,因此需要使用精密元件。

例如,数字温度计可能在显示部分使用 5% 电阻,但在温度传感部分使用 0.1% 电阻。对于真正关键的用途,电路可以使用补偿技术和校准。

在 20 世纪 60 年代制造的电视机中,几乎所有电阻器的容差都是 20%,这是当时的标准,但它们仍然有效。据您所知,您的秤和温度计非常准确,对吧?如果制造商推出的温度计偏差​​几度,现在应该有人会注意到。

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虽然组件本身可能具有相对较宽的公差,但它们的最终实现以及相对变化与测量范围内的测量值成比例。

测量设备的其余部分可以进行校准以补偿任何偏差,微控制器可以包括精确、准确和稳定的参考点,以及线性或曲线校正,以在很宽的范围内提供准确性。

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