1、.電阻電橋基礎(chǔ)第一部分利用電橋電路精確測(cè)量電阻及其它模擬量的歷史已經(jīng)很久遠(yuǎn)。本文講述電橋電路的基礎(chǔ)并演示如何在實(shí)際環(huán)境中利用電橋電路進(jìn)行精確測(cè)量，文章詳細(xì)介紹了電橋電路應(yīng)用中的一些關(guān)鍵問題，比如噪聲、失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移、共模電壓以及激勵(lì)電壓，還介紹了如何連接電橋與高精度模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及獲得最高 ADC 性能的技巧。概述惠斯通電橋在電子學(xué)發(fā)展的早期用來(lái)精確測(cè)量電阻值，無(wú)需精確的電壓基準(zhǔn)或高阻儀表。實(shí)際應(yīng)用中，電阻電橋很少按照最初的目的使用，而是廣泛用于傳感器檢測(cè)領(lǐng)域。本文分析了電橋電路受歡迎的原因，并討論在測(cè)量電橋輸出時(shí)的一些關(guān)鍵因素。注意：本文分兩部分，第一部分回顧了基本的電

2、橋架構(gòu)，并將重點(diǎn)放在低輸出信號(hào)的電橋電路，比如導(dǎo)線或金屬箔應(yīng)變計(jì)。第二部分，應(yīng)用筆記 3545, "電阻電橋基礎(chǔ)：第二部分"介紹使用硅應(yīng)變儀的高輸出信號(hào)電橋。基本的電橋配置圖 1 是基本的惠斯通電橋，圖中電橋輸出 Vo 是 Vo+和 Vo- 之間的差分電壓。使用傳感器時(shí)，隨著待測(cè)參數(shù)的不同，一個(gè)或多個(gè)電阻的阻值會(huì)發(fā)生改變。阻值的改變會(huì)引起輸出電壓的變化，式 1 給出了輸出電壓 Vo，它是激勵(lì)電壓和電橋所有電阻的函數(shù)。式 1: Vo = Ve(R2/(R1 + R2) - R3/(R3 + R4)式 1 看起來(lái)比較復(fù)雜，但對(duì)于大部分電橋應(yīng)用可以簡(jiǎn)化。當(dāng) Vo+和 Vo- 等于

3、Ve的 1/2 時(shí)，電橋輸出對(duì)電阻的改變非常敏感。所有四個(gè)電阻采用同樣的標(biāo)稱值 R，可以大大簡(jiǎn)化上述公式。待測(cè)量引起的阻值變化由 R 的增量或dR表示。帶dR項(xiàng)的電阻稱為“有源”電阻。在下面四種情況下，所有電阻具有同樣的標(biāo)稱值 R，1 個(gè)、2 個(gè)或 4 個(gè)電阻為有源電阻或帶有dR項(xiàng)的電阻。推導(dǎo)這些公式時(shí)，dR假定為正值。如果實(shí)際阻值減小，則用 -dR表示。在下列特殊情況下，所有有源電阻具有相同的dR值。四個(gè)有源元件第一種情況是所有四個(gè)電橋電阻都是有源元件，R2 和 R4 的阻值隨著待測(cè)量的增大而增大，R1 和 R3 的阻值則相應(yīng)減小。這種情況常見于采用四個(gè)應(yīng)變計(jì)的壓力檢測(cè)。施加壓力時(shí)，應(yīng)變計(jì)的

4、物理方向決定數(shù)值的增加或減少，式 2 給出了這種配置下可以得到的輸出電壓(Vo)與電阻變化量(dR)的關(guān)系，呈線性關(guān)系。這種配置能夠提供最大的輸出信號(hào)，值得注意的是：輸出電壓不僅與dR呈線性關(guān)系，還與dR/R 呈線性關(guān)系。這一細(xì)微的差別非常重要，因?yàn)榇蟛糠謧鞲衅鲉卧碾娮枳兓c電阻的體積成正比。式 2： Vo = Ve(dR/R)帶四個(gè)有源元件的電橋一個(gè)有源元件第二種情況僅采用一個(gè)有源元件(式 3)，當(dāng)成本或布線比信號(hào)幅度更重要時(shí)，通常采用這種方式。式 3：Vo = Ve(dR/(4R+2dR)帶一個(gè)有源元件的電橋正如所料，帶一個(gè)有源元件的電橋輸出信號(hào)幅度只有帶四個(gè)有源元件的電橋輸出幅度的 1

5、/4。這種配置的關(guān)鍵是在分母中出現(xiàn)了dR項(xiàng)，所以會(huì)導(dǎo)致非線性輸出。這種非線性很小而且可以預(yù)測(cè)，必要時(shí)可以通過軟件校準(zhǔn)。兩個(gè)具有相反響應(yīng)特性的有源元件第三種情況如式 4 所示，包含兩個(gè)有源元件，但阻值變化特性相反(dR和 -dR)。兩個(gè)電阻放置在電橋的同一側(cè)(R1 和 R2，或 R3 和 R4)。正如所料，此時(shí)的靈敏度是單有源元件電橋的兩倍，是四有源元件電橋的一半。這種配置下，輸出是dR和dR/R 的線性函數(shù)，分母中沒有dR項(xiàng)。式 4：Vo = Ve(dR/(2R)具有相反響應(yīng)特性的兩個(gè)有源元件在上述第二種和第三種情況下，只有一半電橋處于有效的工作狀態(tài)。另一半僅僅提供基準(zhǔn)電壓，電壓值為Ve電壓的

6、一半。因此，四個(gè)電阻實(shí)際上并一定具有相同的標(biāo)稱值。重要的是電橋左側(cè)的兩個(gè)電阻間匹配以及電橋右側(cè)的兩個(gè)電阻間匹配。兩個(gè)相同的有源元件第四種情況同樣采用兩個(gè)有源元件，但這兩個(gè)元件具有相同的響應(yīng)特性，它們的阻值同時(shí)增大或減小。為了有效工作，這些電阻必須位于電橋的對(duì)角位置(R1 和 R3，或 R2 和 R4)。這種配置的明顯優(yōu)勢(shì)是將同樣類型的有源元件用在兩個(gè)位置，缺點(diǎn)是存在非線性輸出，式 5 中的分母中含有dR項(xiàng)。式 5：Vo = Ve(dR/(2R+dR)在電壓驅(qū)動(dòng)的電橋中有兩個(gè)相同的有源元件這個(gè)非線性是可以預(yù)測(cè)的，而且，可以通過軟件或通過電流源(而不是電壓源)驅(qū)動(dòng)電橋來(lái)消除非線性特性。式 6 中，

7、Ie是激勵(lì)電流，值得注意的是：式 6 中的 Vo 僅僅是dR的函數(shù)，而不是上面提到的與dR/R 成比例。式 6: Vo = Ie(dR/2)在電流驅(qū)動(dòng)的電橋中有兩個(gè)相同的有源元件了解上述四種不同檢測(cè)元件配置下的結(jié)構(gòu)非常重要。但很多時(shí)候傳感器內(nèi)部可能存在配置未知的電橋。這種情況下，了解具體的配置不是很重要。制造商會(huì)提供相關(guān)信息，比如靈敏度的線性誤差、共模電壓等。為什么將電橋作為首選方案"通過下面的例子可以很容易地回答這個(gè)問題。測(cè)壓元件電阻橋的一個(gè)常用例子是帶有四個(gè)有源元件的測(cè)壓?jiǎn)卧Ｋ膫€(gè)應(yīng)力計(jì)按照電橋方式配置并固定在一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)上，在該結(jié)構(gòu)上施加壓力時(shí)會(huì)發(fā)生輕微變形。有負(fù)荷時(shí)，兩個(gè)應(yīng)力

8、計(jì)的值會(huì)增加，而另外兩個(gè)應(yīng)力計(jì)的值會(huì)減小。這個(gè)阻值的改變很小，在 1V 激勵(lì)電壓下，測(cè)壓?jiǎn)卧臐M幅輸出是 2mV。從式 2 我們可以看出相當(dāng)于阻值滿幅變化的 0.2%。如果測(cè)壓?jiǎn)卧妮敵鲆?12 位的測(cè)量精度，則必須能夠精確檢測(cè)到 1/2ppm 的阻值變化。直接測(cè)量 1/2ppm 變化阻值需要 21 位的 ADC。除了需要高精度的 ADC，ADC 的基準(zhǔn)還要非常穩(wěn)定，它隨溫度的改變不能夠超過 1/2ppm。這兩個(gè)原因是驅(qū)動(dòng)使用電橋結(jié)構(gòu)的主要原因，但驅(qū)動(dòng)電橋的使用還有一個(gè)更重要的原因。測(cè)壓?jiǎn)卧碾娮璨粌H僅會(huì)對(duì)施加的壓力產(chǎn)生響應(yīng)，固定測(cè)壓元件裝置的熱膨脹和壓力計(jì)材料本身的 TCR 都會(huì)引起阻值變

9、化。這些不可預(yù)測(cè)的阻值變化因素可能會(huì)比實(shí)際壓力引起的阻值變化更大。但是，如果這些不可預(yù)測(cè)的變化量同樣發(fā)生在所有電橋電阻上，它們的影響就可以忽略或消除。例如，如果不可預(yù)測(cè)變化量為 200ppm，相當(dāng)于滿幅的 10%。式 2 中，200ppm 的阻值 R 的變化對(duì)于 12 位測(cè)量來(lái)說(shuō)低于 1 個(gè) LSB 。很多情況下，阻值dR的變化與 R 的變化成正比。即dR/R 的比值保持不變，因此 R 值的 200ppm 變化不會(huì)產(chǎn)生影響。R 值可以加倍，但輸出電壓不受影響，因?yàn)閐R也會(huì)加倍。上述例子表明采用電橋可以簡(jiǎn)化電阻值微小改變時(shí)的測(cè)量工作。以下講述電橋測(cè)量電路的主要考慮因素。電橋電路的五個(gè)關(guān)鍵因素在測(cè)

10、量低輸出信號(hào)的電橋時(shí)，需要考慮很多因素。其中最主要的五個(gè)因素是：激勵(lì)電壓共模電壓失調(diào)電壓失調(diào)漂移噪聲激勵(lì)電壓式 1 表明任何橋路的輸出都直接與其供電電壓成正比。因此，電路必須在測(cè)量期間保持橋路的供電電壓恒定(穩(wěn)壓精度與測(cè)量精度相一致)，必須能夠補(bǔ)償電源電壓的變化。補(bǔ)償供電電壓變化的最簡(jiǎn)單方法是從電橋激勵(lì)獲取 ADC 的基準(zhǔn)電壓。圖 2 中，ADC 的基準(zhǔn)電壓由橋路電源分壓后得到。這會(huì)抑制電源電壓的變化，因?yàn)?ADC 的電壓分辨率會(huì)隨著電橋的靈敏度而改變。另外一種方法是使用 ADC 的一個(gè)額外通道測(cè)量電橋的供電電壓，通過軟件補(bǔ)償電橋電壓的變化。式 7 所示為修正后的輸出電壓(Voc)，它是測(cè)量輸

11、出電壓(Vom)、測(cè)量的激勵(lì)電壓(Vem)以及校準(zhǔn)時(shí)激勵(lì)電壓(Veo)的函數(shù)。式 7：Voc = VomVeo/Vem共模電壓電橋電路的一個(gè)缺點(diǎn)是它的輸出是差分信號(hào)和電壓等于電源電壓一半的共模電壓。通常，差分信號(hào)在進(jìn)入 ADC 前必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，使其成為以地為參考的信號(hào)。如果這一步是必須的，則需注意系統(tǒng)的共模抑制比以及共模電壓受Ve變化的影響。對(duì)于上述測(cè)壓?jiǎn)卧睦樱绻脙x表放大器將電橋的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，需要考慮Ve變化的影響。如果Ve容許的變化X圍是 2%，電橋輸出端的共模電壓將改變Ve的 1%。如果共模電壓偏差限定在精度指標(biāo)的 1/4，那么放大器的共模抑制必須等于或高于 98.

12、3dB。(20log0.01Ve/(0.002Ve/(40964) = 98.27)。這樣的指標(biāo)雖然可以實(shí)現(xiàn)，但卻超出了很多低成本或分立式儀表放大器的能力X圍。失調(diào)電壓電橋和測(cè)量設(shè)備的失調(diào)電壓會(huì)將實(shí)際信號(hào)拉高或拉低。只要信號(hào)保持在有效測(cè)量X圍，對(duì)這些漂移的校準(zhǔn)將很容易。如果電橋差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為以地為參考的信號(hào)，電橋和放大器的失調(diào)很容易產(chǎn)生低于地電位的輸出。這種情況發(fā)生時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)死點(diǎn)。在電橋輸出變?yōu)檎盘?hào)并足以抵消系統(tǒng)的負(fù)失調(diào)電壓之前，ADC 輸出保持在零電位。為了防止出現(xiàn)這種情況，電路內(nèi)部必須提供一個(gè)正偏置。該偏置電壓保證即使電橋和設(shè)備出現(xiàn)負(fù)失調(diào)電壓時(shí)，輸出也在有效X圍內(nèi)。偏置帶來(lái)的一個(gè)問

13、題是降低了動(dòng)態(tài)X圍。如果系統(tǒng)不能接受這一缺點(diǎn)，可能需要更高質(zhì)量的元件或失調(diào)調(diào)節(jié)措施。失調(diào)調(diào)整可以通過機(jī)械電位器、數(shù)字電位器，或在 ADC 的 GPIO 外接電阻實(shí)現(xiàn)。失調(diào)漂移失調(diào)漂移和噪聲是電橋電路需要解決的重要問題。上述測(cè)壓?jiǎn)卧校姌虻臐M幅輸出是 2mV/V，要求精度是 12 位。如果測(cè)壓?jiǎn)卧墓╇婋妷菏?5V，則滿幅輸出為 10mV，測(cè)量精度必須是 2.5µV 或更高。簡(jiǎn)而言之，一個(gè)只有 2.5µV 的失調(diào)漂移會(huì)引起12位轉(zhuǎn)換器的 1 LSB 誤差。對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)這個(gè)指標(biāo)存在很大的挑戰(zhàn)性。比如 OP07，其最大失調(diào) TC 為 1.3µV/°C，

14、最大長(zhǎng)期漂移是每月 1.5µV。為了維持電橋所需的低失調(diào)漂移，需要一些有效的失調(diào)調(diào)整。可以通過硬件、軟件或兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)調(diào)整。硬件失調(diào)調(diào)整：斬波穩(wěn)定或自動(dòng)歸零放大器是純粹的硬件方案，是集成在放大器內(nèi)部的特殊電路，它會(huì)連續(xù)采樣并調(diào)整輸入，使輸入引腳間的電壓保持在最小差值。由于這些調(diào)整是連續(xù)的，所以隨時(shí)間和溫度變化產(chǎn)生的漂移成為校準(zhǔn)電路的函數(shù)，并非放大器的實(shí)際漂移。MAX4238 和 MAX4239 的典型失調(diào)漂移是 10nV/°C 和 50nV/1000 小時(shí)。軟件失調(diào)調(diào)整：零校準(zhǔn)或皮重測(cè)量是軟件失調(diào)校準(zhǔn)的例子。在電橋的某種狀態(tài)下，比如沒有載荷的情況，測(cè)量電橋的輸出，然后在測(cè)壓

15、單元加入負(fù)荷，再次讀取數(shù)值。兩次讀數(shù)間的差值與激勵(lì)源有關(guān)，取兩次讀數(shù)的差值不僅消除了設(shè)備的失調(diào)，還消除了電橋的失調(diào)。這是個(gè)非常有效的測(cè)量方法，但只有當(dāng)實(shí)際結(jié)果基于電橋輸出的變化時(shí)才可以使用。如果需要讀取電橋輸出的絕對(duì)值，這個(gè)方法將無(wú)法使用。硬件 / 軟件失調(diào)調(diào)整：在電路中加入一個(gè)雙刀模擬開關(guān)可以在應(yīng)用中使用軟件校準(zhǔn)。圖 3 中，開關(guān)用于斷開電橋一側(cè)與放大器的連接，并短路放大器的輸入。保留電橋的另一側(cè)與放大器輸入連接可以維持共模輸入電壓，由此消除由共模電壓變化引起的誤差。短路放大器輸入可以測(cè)量系統(tǒng)的失調(diào)，從隨后的讀數(shù)中減去系統(tǒng)失調(diào)，即可消除所有的設(shè)備失調(diào)。但這種方法不能消除電橋的失調(diào)。這種自動(dòng)歸

16、零校準(zhǔn)已廣泛用于當(dāng)前的 ADC，對(duì)于消除 ADC 失調(diào)特別有效。但是，它不能消除電橋失調(diào)或電橋與 ADC 之間任何電路的失調(diào)。一種形式稍微復(fù)雜的失調(diào)校準(zhǔn)電路是在電橋和電路之間增加一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)(圖 4)。將開關(guān)從 A 點(diǎn)切換至 B 點(diǎn)，將反向連接電橋與放大器的極性。如果將開關(guān)在 A 點(diǎn)時(shí)的 ADC 讀數(shù)減去開關(guān)在 B 點(diǎn)時(shí)的 ADC 讀數(shù)，結(jié)果將是 2VoGain，此時(shí)沒有失調(diào)項(xiàng)。這種方法不僅可以消除電路的失調(diào)，還可以將信噪比提高兩倍。交流電橋激勵(lì)：這種方式不常使用，但在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電阻電橋交流激勵(lì)是在電路中消除直流失調(diào)誤差的常用、并且有效的方法。如果電橋由交流電壓驅(qū)動(dòng)，電橋的輸出將是交流信

17、號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過電容耦合、放大、偏置電路等，最終信號(hào)的交流幅度與電路的任何直流失調(diào)無(wú)關(guān)。通過標(biāo)準(zhǔn)的交流測(cè)量技術(shù)可以得到交流信號(hào)的幅度。采用交流激勵(lì)時(shí)，通過減小電橋的共模電壓變化就可以完成測(cè)量，大大降低了電路對(duì)共模抑制的要求。噪聲如上所述，在處理小信號(hào)輸出的電橋時(shí)，噪聲是個(gè)很大的難題。另外，許多電橋應(yīng)用的低頻特性意味著必須考慮"閃爍"或 1/F 噪聲。對(duì)噪聲的詳細(xì)討論超出了本文的X圍，而且目前已經(jīng)有很多關(guān)于這個(gè)主題的文章。本文將主要列出設(shè)計(jì)中需要考慮的四個(gè)噪聲源抑制。將噪聲阻擋在系統(tǒng)之外(良好接地、屏蔽及布線技術(shù))減少系統(tǒng)內(nèi)部噪聲(結(jié)構(gòu)、元件選擇和偏置電平)降低電噪聲(模擬濾

18、波、共模抑制)軟件補(bǔ)償或 DSP(利用多次測(cè)量提高有效信號(hào)、降低干擾信號(hào))近幾年發(fā)展起來(lái)的高精度-轉(zhuǎn)換器很大程度上簡(jiǎn)化了電橋信號(hào)數(shù)字化的工作。下面將介紹這些轉(zhuǎn)換器解決上述五個(gè)問題的有效措施。高精度-轉(zhuǎn)換器(ADC)目前，具有低噪聲 PGA 的 24 位和 16 位- ADC 對(duì)于低速應(yīng)用中的電阻電橋測(cè)量提供了一個(gè)完美的方案，解決了量化電橋模擬輸出時(shí)的主要問題(見上述討論，圖 2 及后續(xù)內(nèi)容)。激勵(lì)電壓的變化，Ve緩沖基準(zhǔn)電壓輸入簡(jiǎn)化了比例系統(tǒng)的構(gòu)建。得到一個(gè)跟隨Ve的基準(zhǔn)電壓，只需一個(gè)電阻分壓器和噪聲濾波電容(見圖 2)。比例系統(tǒng)中，輸出對(duì)Ve的微小變化不敏感，無(wú)需高精度的電壓基準(zhǔn)。如果沒有采

19、用比例系統(tǒng)，可以選擇多通道 ADC。利用一個(gè) ADC 通道測(cè)量電橋輸出，另一個(gè)輸入通道用來(lái)測(cè)量電橋的激勵(lì)電壓，利用式 7 可以校準(zhǔn)Ve的變化。共模電壓如果電橋和 ADC 由同一電源供電，電橋輸出信號(hào)將會(huì)是偏置在 1/2VDD 的差分信號(hào)。這些輸入對(duì)于大部分高精度-轉(zhuǎn)換器來(lái)講都很理想。另外，由于它們極高的共模抑制(高于 100dB)，無(wú)需擔(dān)心較小的共模電壓變化。失調(diào)電壓當(dāng)電壓精度在亞微伏級(jí)時(shí)，電橋輸出可以直接與 ADC 輸入對(duì)接。假定沒有熱耦合效應(yīng)，唯一的失調(diào)誤差來(lái)源是 ADC 本身。為了降低失調(diào)誤差，大部分轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部開關(guān)，利用開關(guān)可以在輸入端施加零電壓并進(jìn)行測(cè)量。從后續(xù)的電橋測(cè)量數(shù)值中減去

20、這個(gè)零電壓測(cè)量值，就可以消除 ADC 的失調(diào)。許多 ADC 可以自動(dòng)完成這個(gè)歸零校準(zhǔn)過程，否則，需要用戶控制 ADC 的失調(diào)校準(zhǔn)。失調(diào)校準(zhǔn)可以把失調(diào)誤差降低到 ADC 的噪底，小于 1µVP-P。失調(diào)漂移對(duì) ADC 進(jìn)行連續(xù)地或頻繁地校準(zhǔn)，使校準(zhǔn)間隔中溫度不會(huì)有顯著改變，即可有效消除由于溫度變化或長(zhǎng)期漂移產(chǎn)生的失調(diào)變化。需要注意的，失調(diào)讀數(shù)的變化可能等于 ADC 的噪聲峰值。如果目的是檢測(cè)電橋輸出在較短時(shí)間內(nèi)的微小變化，最好關(guān)閉自動(dòng)校準(zhǔn)功能，因?yàn)檫@會(huì)減少一個(gè)噪聲源。噪聲處理噪聲有三種方法，比較顯著的方法是內(nèi)部數(shù)字濾波器。這個(gè)濾波器可以消除高頻噪聲的影響，還可以抑制電源的低頻噪聲，電源抑制比的典型值可以達(dá)到 100dB 以上。降低噪聲的第二種方法依賴于高共模抑制比，典型值高于 100dB。高共模抑制比可以減小電橋引線產(chǎn)生的噪聲，并降低電橋激勵(lì)電壓的噪聲影響。最后，連續(xù)的零校準(zhǔn)能夠降低校準(zhǔn)更新頻率以下的閃爍噪聲或 1/F 噪聲。實(shí)用的技巧將電橋的輸出與高精度的- ADC 輸入直接相連并不能解決所有問題。有些應(yīng)用中，需要在電橋輸出和 ADC 輸入之間加入匹配的信號(hào)調(diào)理器，信號(hào)調(diào)理器主要完成三項(xiàng)任務(wù)：放大、電平轉(zhuǎn)換以及差分到單端的轉(zhuǎn)換。性能優(yōu)異的儀表放大器能夠完成所有三項(xiàng)功能，但價(jià)格可能很昂貴，