新兵选电阻的故事

最近一位入职不到一年的开发工程师让我帮他推荐一款电阻。他给我的技术要求是：阻值为250欧姆，精度0.1%，温漂1PPM。看到这样的需求我就很吃惊，为什么要用这样另类的电阻？
       可以说，接到开发工程师的需求，我们往往并不要着急给他选器件。而是要深入了解他的需求，看看是否合理，是否有必要。这个250欧姆的电阻是用于一种年产量不大的产品中的。开发人员把它作为4~20mA检测电路的采样电阻用。这样4~20mA的电流信号就可以变为5V的信号直接送给后面的5V输入的ADC中。系统要求的精度要求为0.1%，工作温度范围为0~50°C。
         只有认真分析了系统的需求后才能正确的为开发人员选型。我们先看这个需求有哪些问题：
        （1）250欧姆的电阻合适选的对么？
        我们到商店无论是买衣服还是买鞋子，从来都是只能买厂家能提供的尺码。比如你只能买个180的衣服，却买不到181的衣服。除非你是定制。对于电阻等元器件而言，它们的标称值也不是连续的，而是服从一定的系列。常用的标准值系列有：E6、E12、E24、E48、E96、E192。各个系列的精度也依次提高。
        E6系列的标称值只能是：1.0、2. 2、3.3、4.7、6.8。它表示元器件的有效数字必须从这个系列中选取，具体值可以放大或缩小10的整数倍。比如有效数字2.2，放大可以得到220欧姆的电阻标称值，缩小可以得到22毫欧的标称值。其他系列的取值如下：
        E12系列：1.0、1.5、 2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、8.2。
        E24系列：1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1。
        E48系列：1.00、1.05、1.10、1.15、1.21、1.27、1.33、1.40、1.47、1.54、1.62、1.69、1.78、1.87、1.91、1.96、2.05、2.15、2.26、2.37、2.49、2.61、2.74、2.80、2.87、3.01、3.16、3.32、3.48、3.57、3.65、3.83、4.02、4.22、4.42、4.64、4.87、5.11、5.36、5.62、5.90、6.19、6.34、6.49、6.81、7.15、7.50、7.87、8.25、8.66、9.09、9.53。
        E96系列：1.00、1.02、1.05、1.07、1.10、1.13、1.15、1.18、1.21、1.24、1.27、1.30、1.33、1.37、1.40、1.43、1.47、1.50、1.54、1.58、1.62、1.65、1.69、1.74、1.78、1.82、1.87、1.91、1.96、2.00、2.05、2.10、2.15、2.21、2.26、2.32、2.37、2.43、2.49、2.55、2.61、2.67、2.74、2.80、2.87、2.94、3.01、3.09、3.16、3.24、3.32、3.40、3.48、3.57、3.65、3.74、3.83、3.92、4.02、4.12、4.22、4.32、4.42、4.53、4.64、4.75、4.87、4.99、5.11、5.23、5.36、5.49、5.62、5.76、5.90、6.04、6.19、6.34、6.49、6.65、6.81、6.98、7.15、7.32、7.50、7.68、7.87、8.06、8.25、8.45、8.66、8.87、9.09、9.31、9.53、9.76。
        E196系列：1.00、1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07、1.09、1.10、1.11、1.13、1.14、1.15、1.17、1.18、1.20、1.21、1.23、1.24、1.26、1.27、1.29、1.30、1.32、1.33、1.35、1.37、1.38、1.40、1.42、1.43、1.45、1.47、1.49、1.50、1.52、1.54、1.56、1.58、1.60、1.62、1.64、1.65、1.67、1.69、1.72、1.74、1.76、1.78、1.80、1.82、1.84、1.87、1.89、1.91、1.93、1.96、1.98、2.00、2.03、2.05、2.08、2.10、2.13、2.15、2.18、2.21、2.23、2.26、2.29、2.32、2.34、2.37、2.40、2.43、2.46、2.49、2.52、2.55、2.58、2.61、2.64、2.67、2.71、2.74、2.77、2.80、2.84、2.87、2.91、2.94、2.98、3.01、3.05、3.09、3.12、3.16、3.20、3.24、3.28、3.32、3.36、3.40、3.44、3.48、3.52、3.57、3.61、3.65、3.70、3.74、3.79、3.83、3.88、3.97、4.02、4.07、4.12、4.17、4.22、4.27、4.32、4.37、4.42、4.48、4.53、4.59、4.64、4.70、4.75、4.81、4.87、4.93、4.99、5.05、5.11、5.17、5.23、5.30、5.36、5.42、5.49、5.56、5.62、5.69、5.76、5.83、5.90、5.97、6.04、6.12、6.19、6.26、6.34、6.42、6.49、6.57、6.65、6.73、6.81、6.90、6.98、7.06、7.15、7.23、7.32、7.41、7.50、7.59、7.68、7.77、7.87、7.96、8.06、8.16、8.25、8.35、8.45、8.56、8.66、8.76、8.87、8.98、9.09、9.20、9.31、9.42、9.53、9.65、9.76、9.88。
       从上述标称值系列中我们可以看到是找不到250欧姆这个规格的。所以要用250欧姆的电阻就意味着需要定制。这显然不是研发人员及公司所希望看到的。这就提示我们研发人员在选择电阻的标称值是一定要上述系列中选取，而不是凭借着理想的计算来确定一个电阻值。同样电容、电感的标称值也是要符合一定的标称值系列的。一般电阻采用E24、E96、E192系列。电容一般采用E6、E12系列。电感一般采用E6系列。
       再从新从标准标称值系列中选电阻前，我们再来看看250欧姆电阻的阻值是否合理。因为这个电阻要用来检测4~20mA电流，后面的ADC可以接受的信号电压为5V。对于4~20mA这样的标准信号类型而言，工业现场有时会出现超过20mA的情况，此时要求系统不能损坏，甚至要能反映出这种超量程的情况。因此实际设计时ADC的输入信号范围要有余量。一般应使得ADC输入信号在ADC所能接受的电压范围的7 0%~90%使用。考虑到现场最大可能出现的电流信号最大为25mA。这样ADC输入信号按70%降额后，采样电阻可以选为140欧姆。（5Vx70%/25mA=140欧姆）。功率考虑到降额可以选1/8W及其以上的即可。
          （2）0.1%的要求合适么
      从项目应用可知，这个电阻用于一个数字模拟混合系统，因此采样的精度可以通过数字标定的方法来进行。因此，这个电阻对精度的要求并不十分严格。相对而言1%的电阻要比0.1%的电阻要好订货。所以可以考虑将电阻换成1%的。
     （3）1PPM是怎么确定的
      看到1PPM的温漂要求，很让人震惊。一般而言常见的低温漂电阻温漂等级为：50PPM、25PPM、20PPM、15PPM、10PPM、5PPM。而且温漂越小，价格越高。1PPM的电阻基本上很不容易找。低于5PPM的电阻基本上都是军品用的。Vishay到是有，但是这种1PPM的需求实际上是没有必要的。还是从应用入手，系统要求的精度为0.1%，工作温度范围为0~50°C。那么假设温漂为T，则有Tx50<0.1%,因此只要T<20PPM就可以满足要求了。考虑到实际出厂标定时的温度在25°C左右，所以实际温度变化范围只有上下25°C左右，因此T可以进一步修正为T<40PPM即可。因此电阻根本没有必要选1PPM的。可以选个25PPM的。当然这样选电阻还没有考虑到ADC上的温漂。若要补偿ADC的温漂，还可以采用动态校准的方法或者单片机内置温度补偿曲线的方法实现。如果这样做了，那么电阻的温漂还可以进一步的放宽要求。
       当然有了这些还没有涉及到选什么封装和制造方式的电阻问题。比如，如果现场没有大的浪涌，那么可以选普通片式薄膜电阻。如果现场有比较大的浪涌可以考虑选用抗浪涌型片式电阻或者MELF封装的表贴电阻，或者干脆换成通孔安装的金属膜电阻或线绕电阻。
    从新兵选电阻的故事上，一方面告诉我们作为开发人员，不能只是根据计算的理论值去选电子元气，必须要在理论值的基础上参考实际的标称值序列。另一方面，不论是研发人员还是元器件工程师，都应该认真的了解项目的实际应用。研发人员可以用软件或硬件上的其他手段降低对元器件的要求，元器件工程也可以通过了解项目应用情况，真正把握项目需求，引导研发合理选型。