惠斯通電橋是在電子學(xué)的早期開發(fā)的，用于精確測(cè)量電阻值而無需精確的電壓基準(zhǔn)或高阻抗計(jì)。盡管電阻橋很少用于此初始目的，但它們?nèi)詮V泛用于傳感器應(yīng)用中。本文將說明為什么橋梁仍然如此受歡迎，并討論測(cè)量橋梁輸出的一些關(guān)鍵考慮因素
基本網(wǎng)橋配置
圖1是典型的惠斯通電橋，其中橋輸出Vo是Vo +和Vo-之間的差分電壓。當(dāng)在傳感器中使用時(shí)，一個(gè)或多個(gè)電阻器的值將隨著被測(cè)特性的強(qiáng)度而變化。這些電阻變化會(huì)導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生變化。公式1顯示了輸出電壓Vo，它是激勵(lì)電壓和電橋中所有電阻的函數(shù)。
圖1.基礎(chǔ)惠斯通電橋圖。
等式1不優(yōu)雅，但可以簡(jiǎn)化大多數(shù)常用的橋梁。當(dāng)Vo +和Vo-等于Ve的1/2時(shí)，橋輸出對(duì)電阻變化最敏感。通過對(duì)所有四個(gè)電阻器使用相同的標(biāo)稱值R，可以很容易地實(shí)現(xiàn)這種條件。由測(cè)量的性質(zhì)引起的電阻變化由ΔR或dR項(xiàng)解釋。具有dR項(xiàng)的電阻器被稱為“有源”電阻器。在以下四種情況下，所有電阻器具有相同的標(biāo)稱值，R。一個(gè)，兩個(gè)或四個(gè)電阻器將處于活動(dòng)狀態(tài)，或具有dR項(xiàng)。在推導(dǎo)這些方程時(shí)，假設(shè)dR為正。如果阻力實(shí)際減小，則使用-dR。在下面的特殊情況下，所有有源電阻的dR幅度都相同。
四個(gè)活躍元素
在第一種情況下，所有四個(gè)橋式電阻都是有效的。R2和R4的電阻隨著被測(cè)特性的強(qiáng)度而增加，而R1和R3的電阻減小。這種情況是使用四個(gè)應(yīng)變計(jì)的稱重傳感器的典型情況。應(yīng)變儀的物理方向決定了在施加載荷時(shí)它們的值是增加還是減少。公式2表明，該配置在輸出電壓（Vo）和電阻變化（dR）之間產(chǎn)生簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。該配置還提供最大輸出信號(hào)。值得注意的是，輸出不僅僅是dR的線性函數(shù)，它是dR / R的線性函數(shù)。這是一個(gè)微妙但重要的區(qū)別，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳感元件的電阻變化與它們的體電阻成正比。
Vo = Ve（dR / R）具有四個(gè)有源元件的橋。 （等式2）
一個(gè)活躍元素
第二種情況是單個(gè)有源元件（公式3）。當(dāng)成本或布線考慮比信號(hào)的幅度更重要時(shí)，經(jīng)常使用這種方法。
Vo = Ve（dR /（4R + 2dR））具有一個(gè)有源元件的橋。 （等式3）
正如所料，具有一個(gè)有源元件的電橋具有1/4的輸出信號(hào)，具有四個(gè)有源元件的電橋。這種配置的另一個(gè)重要特征是由分母中添加dR項(xiàng)引起的非線性輸出。這種非線性很小且可預(yù)測(cè)。如有必要，可以在軟件中進(jìn)行更正。
具有相反響應(yīng)的兩個(gè)活動(dòng)元素
第三種情況，如公式4所示，具有兩個(gè)有源元件，其電阻在相反方向上變化（dR和-dR）。兩個(gè)電阻都放置在電橋的同一側(cè)（R1和R2，或R3和R4）。正如所料，靈敏度是具有單個(gè)有源元件的橋的靈敏度的兩倍，并且是具有四個(gè)有源元件的橋的靈敏度的一半。該配置的輸出是dR和dR / R的線性函數(shù)。分母中沒有dR術(shù)語。
Vo = Ve（dR /（2R））兩個(gè)具有相反響應(yīng)的有源元件。 （等式4）
在上述第二和第三種情況下，只有一半的橋是活動(dòng)的。另一半只提供一個(gè)Ve的1/2的參考電壓。因此，實(shí)際上并非所有四個(gè)電阻器都具有相同的標(biāo)稱值。唯一重要的是，橋的左半部分的兩個(gè)電阻都匹配，并且橋的右半部分的兩個(gè)電阻都匹配。
兩個(gè)相同的活動(dòng)元素
第四種情況也使用兩個(gè)有效元素，但這些元素具有相似的響應(yīng) - 它們的值都增加或值減小。為了有效，這些電阻必須位于橋中的對(duì)角線（R1和R3，或R2和R4）。這種配置的明顯優(yōu)點(diǎn)是可以在兩個(gè)位置使用相同類型的傳感元件。缺點(diǎn)是由等式5的分母中的dR項(xiàng)產(chǎn)生的非線性輸出。
Vo = Ve（dR /（2R + dR）電壓驅(qū)動(dòng)橋中的兩個(gè)相同的有源元件。 （等式5）
這種非線性是可預(yù)測(cè)的，可以通過軟件移除或通過用電流源而不是電壓源驅(qū)動(dòng)電橋來消除。在等式6中，Ie是激勵(lì)電流。應(yīng)當(dāng)注意，等式6中的Vo僅是dR的函數(shù)，而不是在先前情況下的dR / R的比率。
Vo = Ie（dR / 2）電流驅(qū)動(dòng)橋中的兩個(gè)相同的有源元件 （等式6）
在處理各個(gè)傳感元件時(shí)，了解上述四種特殊情況非常有用。但是，很多時(shí)候，傳感器都有一個(gè)配置未知的內(nèi)部橋接器。在這些情況下，了解確切的配置并不重要。制造商將提供必要的信息，如靈敏度線性誤差，共模電壓等。但為什么首先使用橋？通過查看以下示例可以輕松回答這個(gè)問題。
稱重傳感器示例
電阻電橋的一個(gè)常見示例是具有四個(gè)有源元件的稱重傳感器。四個(gè)應(yīng)變儀以橋接配置布置并且結(jié)合到剛性結(jié)構(gòu)，該剛性結(jié)構(gòu)在施加載荷時(shí)稍微變形。當(dāng)施加載荷時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變儀的值增加而另外兩個(gè)應(yīng)變儀的值減小。這些阻力的變化非常小。典型稱重傳感器的滿量程輸出為每伏激勵(lì)2mV。從等式2可以看出，這相當(dāng)于電阻的全尺寸變化僅為0.2％。如果必須測(cè)量稱重傳感器的輸出精度為12位，則必須精確測(cè)量電阻變化為1 / 2ppm。直接測(cè)量1 / 2ppm的變化需要21位ADC。除了需要非常高分辨率的ADC之外，ADC參考還需要非常穩(wěn)定。它的溫度變化不會(huì)超過1 / 2ppm。這兩個(gè)原因?yàn)槭褂脴蛄禾峁┝俗銐虻膭?dòng)力，但還有更好的理由。
稱重傳感器中的電阻不僅僅響應(yīng)所施加的負(fù)載。它們所結(jié)合的結(jié)構(gòu)的熱膨脹和量規(guī)材料本身的TCR將導(dǎo)致電阻變化。這些不希望的電阻變化可以與由于預(yù)期應(yīng)變引起的變化一樣大或更大。然而，如果這些不希望的變化在所有橋式電阻器中同等地發(fā)生，則它們的影響可忽略不計(jì)或不存在。例如，200ppm的不希望的變化相當(dāng)于該示例中的滿量程的10％。但在公式2中，將R改為200ppm會(huì)在12位測(cè)量中產(chǎn)生小于1 LSB的差異。在許多情況下，所需的電阻變化dR與體電阻R成正比。在這些情況下，將R改變200ppm應(yīng)該沒有效果，因?yàn)閐R / R的比率保持不變。
上面的例子說明了如何使用電橋可以簡(jiǎn)化測(cè)量非常小的電阻變化的任務(wù)。以下部分介紹了測(cè)量電橋時(shí)的主要電路問題。
橋梁電路的五大關(guān)注點(diǎn)
測(cè)量低輸出電橋時(shí)需要考慮許多因素。五個(gè)最重要的問題是：
激勵(lì)電壓
共模電壓
偏移電壓
偏移漂移
噪聲
激勵(lì)電壓
公式1表明任何電橋的輸出與其電源電壓成正比。因此，電路必須保持電源電壓恒定到與所需測(cè)量相同的精度，或者它必須補(bǔ)償電源電壓的變化。補(bǔ)償電源電壓變化的最簡(jiǎn)單方法是從電橋的激勵(lì)中獲得ADC的參考電壓。在圖2中，ADC的參考電壓來自與電橋并聯(lián)的分壓器。這會(huì)導(dǎo)致電源電壓的變化被拒絕，因?yàn)锳DC的電壓分辨率會(huì)隨著電橋的靈敏度而變化。
圖2. ADC的參考電壓與Ve成正比。這消除了由于Ve的變化引起的增益誤差。
另一種方法是使用ADC上的附加輸入通道來測(cè)量電橋的激勵(lì)電壓。然后，軟件可以補(bǔ)償橋電壓的變化。等式7示出了校正的輸出電壓（Voc），其作為測(cè)量的輸出電壓（Vom），測(cè)量的激勵(lì)電壓（Vem）和校準(zhǔn)時(shí)的激勵(lì)電壓（Veo）的函數(shù)。
Voc = VomVeo / Vem （方程式7）
共模電壓
該橋的一個(gè)缺點(diǎn)是輸出是差分信號(hào)，其共模電壓等于電源電壓的一半。在進(jìn)入ADC之前，這種差分信號(hào)通常必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)換為以地為參考的信號(hào)。如果有必要，請(qǐng)密切注意系統(tǒng)的共模抑制以及共模電壓如何受到Ve變化的影響。回到上面的稱重傳感器示例，如果使用儀表放大器將來自電橋的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，則考慮Ve的變化的影響。如果允許Ve改變2％，則橋輸出的共模電壓將改變Ve的1％。如果此共模偏移的影響限制在精度規(guī)格的1/4，則放大器必須具有98的共模抑制。3dB或更好。（20log [0.01Ve /(0.002Ve /（40964））] = 98.27）。這種性能水平當(dāng)然是可以實(shí)現(xiàn)的，但超出了許多低成本或分立儀表放大器的范圍。
偏移電壓
橋接器和測(cè)量電子器件的偏移可以向上或向下移動(dòng)所需的信號(hào)。只要信號(hào)保持在電子設(shè)備的有效范圍內(nèi)，校準(zhǔn)期間就很容易補(bǔ)償這些偏移。如果差分電橋信號(hào)被轉(zhuǎn)換為以地為參考的信號(hào)，則電橋和放大器的偏移可以很容易地產(chǎn)生理論上低于地的信號(hào)。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，它會(huì)造成死角。ADC的輸出保持為零，直到電橋的輸出信號(hào)變?yōu)樽阋钥朔到y(tǒng)中的所有負(fù)偏移。為防止這種情況，必須在電路中設(shè)計(jì)有意的正偏移。即使電橋和電子元件具有負(fù)偏移，該偏移也可確保輸出處于有效范圍內(nèi)。偏移的一個(gè)較小問題是動(dòng)態(tài)范圍的減小。如果發(fā)生這種情況，則可能需要更高質(zhì)量的組件或電子偏移調(diào)整?？梢允褂脵C(jī)械電位器，數(shù)字電位器，甚至通過將電阻連接到ADC上的GPIO位來調(diào)整偏移。
偏移電子漂移
偏移漂移和噪聲是迄今為止與橋接電路相關(guān)的最大問題。在上面的稱重傳感器示例中，電橋的滿量程輸出為2mV / V，所需精度為12位。如果稱重傳感器由5V電源供電，那么滿量程輸出將為10mV，測(cè)量精度必須為2.5μV或更高。簡(jiǎn)單地說，只有2.5μV的偏移量將在12位電平產(chǎn)生1 LSB的誤差。對(duì)于高質(zhì)量的傳統(tǒng)運(yùn)算放大器來說，這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的要求。例如，OP07的最大偏移TC為1.3μV/ C，最大長(zhǎng)期漂移為每月1.5μV。為了保持橋所需的非常低的偏移漂移，需要某種類型的有源偏移調(diào)整。這可以在硬件，軟件或兩者的組合中完成。
基于硬件的偏移調(diào)整：斬波器穩(wěn)定或自動(dòng)調(diào)零放大器代表了純硬件解決方案。集成到放大器中的是一種特殊電路，可連續(xù)對(duì)輸入進(jìn)行采樣并進(jìn)行調(diào)整，以保持輸入引腳之間電壓的最小差異。由于這些調(diào)整是連續(xù)的，因此隨時(shí)間和溫度的漂移成為校正電路的函數(shù)而不是放大器的實(shí)際偏移。的MAX4238和MAX4239具有典型偏移10nV /℃和50nV / 1000小時(shí)漂移。
基于軟件的偏移調(diào)整：零校準(zhǔn)或皮重測(cè)量是通過軟件進(jìn)行偏移調(diào)整的示例。例如，橋接器的輸出是在一個(gè)狀態(tài)下橋接器測(cè)量的，單元上沒有負(fù)載。然后將負(fù)載施加到電池上并進(jìn)行另一次讀數(shù)。兩個(gè)讀數(shù)的差異僅僅是由于施加了刺激。獲取讀數(shù)差異不僅可以消除電子設(shè)備的偏移，還可以消除橋接器的偏移。這是一種非常有效的技術(shù)，但只能在所需結(jié)果基于橋輸出的變化時(shí)使用。如果需要絕對(duì)讀取橋輸出，則不能使用該技術(shù)。
硬件/軟件偏移調(diào)整：在電路中添加一個(gè)雙極模擬開關(guān)，可以在幾乎任何應(yīng)用中進(jìn)行軟件校準(zhǔn)。在圖3中，開關(guān)用于斷開橋接器的一側(cè)與放大器的連接并將放大器輸入短路在一起。將橋的另一側(cè)連接到放大器的輸入端可保持共模輸入電壓，從而消除可能由共模電壓變化引起的任何誤差?？s短放大器輸入允許測(cè)量系統(tǒng)偏移。然后從隨后的正常讀數(shù)中減去該讀數(shù)，以消除所有電子器件的偏移。不幸的是，這種技術(shù)無法消除橋梁的偏移。
圖3.添加開關(guān)允許軟件校準(zhǔn)。
這種類型的自動(dòng)零點(diǎn)校準(zhǔn)內(nèi)置于許多現(xiàn)代ADC中，在消除ADC偏移方面非常有效。但是，它不會(huì)消除電橋的偏移或電橋和ADC之間任何電子元件的偏移。
稍微復(fù)雜的偏移校正形式使用橋和電子設(shè)備之間的雙刀雙擲開關(guān)（見圖4））。將開關(guān)從位置A切換到位置B會(huì)反轉(zhuǎn)電橋和放大器之間連接的極性。如果在開關(guān)處于位置A時(shí)從ADC讀數(shù)中減去當(dāng)開關(guān)處于位置B時(shí)所取的ADC讀數(shù)，則結(jié)果為2VoGain。沒有抵消期限。這種技術(shù)不僅消除了電子設(shè)備的偏移，而且還將信噪比提高了兩倍。
圖4.增加雙刀雙擲開關(guān)的示意圖，用于增強(qiáng)軟件校準(zhǔn)。
交流電橋激勵(lì)：雖然今天不經(jīng)常使用，但多年來電阻橋的交流激勵(lì)是消除電子設(shè)備中DC偏移誤差的常用且有效的方法。如果橋接器采用交流電壓驅(qū)動(dòng)，則橋接器的輸出也將是交流信號(hào)。該信號(hào)可以是電容耦合，放大，電平移位等，并且最終信號(hào)的AC幅度將獨(dú)立于電子器件中的任何DC偏移。然后使用標(biāo)準(zhǔn)AC測(cè)量技術(shù)測(cè)量AC信號(hào)的幅度。當(dāng)使用交流激勵(lì)時(shí)，應(yīng)通過最小化電橋共模電壓的變化來實(shí)現(xiàn)。這極大地簡(jiǎn)化了電路的共模抑制要求。
噪聲
如上所述，噪聲是處理低輸出電橋的最大問題之一。此外，許多橋接應(yīng)用的低頻特性意味著還必須考慮“閃爍”或1 / F噪聲。關(guān)于噪聲的詳細(xì)討論超出了本文的范圍，并且已經(jīng)有很多關(guān)于該主題的文章。這里可以說任何好的設(shè)計(jì)都應(yīng)該考慮四個(gè)降噪源。
保持系統(tǒng)噪音（適當(dāng)?shù)慕拥兀帘魏徒泳€技術(shù)）
降低系統(tǒng)中產(chǎn)生的噪聲（架構(gòu)，元件選擇和偏置電平）
降低電子噪聲（模擬濾波器，共模抑制）
軟件補(bǔ)償或DSP（使用多次測(cè)量來增強(qiáng)有用信號(hào)并抑制不需要的信號(hào)的算法）
近年來開發(fā)的高分辨率Σ-Δ轉(zhuǎn)換器大大簡(jiǎn)化了橋接信號(hào)數(shù)字化的任務(wù)。
![[dede:field.shorttitle/]](/uploads/allimg/191202/2-1912021110101N.jpg)
![[dede:field.shorttitle/]](/uploads/allimg/170803/2-1FP31T30H38.jpg)
![[dede:field.shorttitle/]](/uploads/allimg/170612/1H911F58-0-lp.png)
![[dede:field.shorttitle/]](/uploads/allimg/170612/1IH33628-0.jpg)