惠斯通電橋是在電子學(xué)的早期開發(fā)的，用于精確測量電阻值而無需精確的電壓基準(zhǔn)或高阻抗計。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，一個或多個電阻器的值將隨著被測特性的強(qiáng)度而變化。這些電阻變化會導(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，但可以簡化大多數(shù)常用的橋梁。當(dāng)Vo +和Vo-等于Ve的1/2時，橋輸出對電阻變化最敏感。通過對所有四個電阻器使用相同的標(biāo)稱值R，可以很容易地實現(xiàn)這種條件。由測量的性質(zhì)引起的電阻變化由ΔR或dR項解釋。具有dR項的電阻器被稱為“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，兩個或四個電阻器將處于活動狀態(tài)，或具有dR項。在推導(dǎo)這些方程時，假設(shè)dR為正。如果阻力實際減小，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。
四個活躍元素
在第一種情況下，所有四個橋式電阻都是有效的。R2和R4的電阻隨著被測特性的強(qiáng)度而增加，而R1和R3的電阻減小。這種情況是使用四個應(yīng)變計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)生簡單的線性關(guān)系。該配置還提供最大輸出信號。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)。這是一個微妙但重要的區(qū)別，因為大多數(shù)傳感元件的電阻變化與它們的體電阻成正比。
Vo = Ve（dR / R）具有四個有源元件的橋。 （等式2）
一個活躍元素
第二種情況是單個有源元件（公式3）。當(dāng)成本或布線考慮比信號的幅度更重要時，經(jīng)常使用這種方法。
Vo = Ve（dR /（4R + 2dR））具有一個有源元件的橋。 （等式3）
正如所料，具有一個有源元件的電橋具有1/4的輸出信號，具有四個有源元件的電橋。這種配置的另一個重要特征是由分母中添加dR項引起的非線性輸出。這種非線性很小且可預(yù)測。如有必要，可以在軟件中進(jìn)行更正。
具有相反響應(yīng)的兩個活動元素
第三種情況，如公式4所示，具有兩個有源元件，其電阻在相反方向上變化（dR和-dR）。兩個電阻都放置在電橋的同一側(cè)（R1和R2，或R3和R4）。正如所料，靈敏度是具有單個有源元件的橋的靈敏度的兩倍，并且是具有四個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的。另一半只提供一個Ve的1/2的參考電壓。因此，實際上并非所有四個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電阻都匹配，并且橋的右半部分的兩個電阻都匹配。
兩個相同的活動元素
第四種情況也使用兩個有效元素，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角線（R1和R3，或R2和R4）。這種配置的明顯優(yōu)點是可以在兩個位置使用相同類型的傳感元件。缺點是由等式5的分母中的dR項產(chǎn)生的非線性輸出。
Vo = Ve（dR /（2R + dR）電壓驅(qū)動橋中的兩個相同的有源元件。 （等式5）
這種非線性是可預(yù)測的，可以通過軟件移除或通過用電流源而不是電壓源驅(qū)動電橋來消除。在等式6中，Ie是激勵電流。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)動橋中的兩個相同的有源元件 （等式6）
在處理各個傳感元件時，了解上述四種特殊情況非常有用。但是，很多時候，傳感器都有一個配置未知的內(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問題。
稱重傳感器示例
電阻電橋的一個常見示例是具有四個有源元件的稱重傳感器。四個應(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)在施加載荷時稍微變形。當(dāng)施加載荷時，兩個應(yīng)變儀的值增加而另外兩個應(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％。如果必須測量稱重傳感器的輸出精度為12位，則必須精確測量電阻變化為1 / 2ppm。直接測量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。它的溫度變化不會超過1 / 2ppm。這兩個原因為使用橋梁提供了足夠的動力，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會在12位測量中產(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，因為dR / 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化測量非常小的電阻變化的任務(wù)。以下部分介紹了測量電橋時的主要電路問題。
橋梁電路的五大關(guān)注點
測量低輸出電橋時需要考慮許多因素。五個最重要的問題是：
激勵電壓
共模電壓
偏移電壓
偏移漂移
噪聲
激勵電壓
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單方法是從電橋的激勵中獲得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。這會導(dǎo)致電源電壓的變化被拒絕，因為ADC的電壓分辨率會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量電橋的激勵電壓。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），其作為測量的輸出電壓（Vom），測量的激勵電壓（Vem）和校準(zhǔn)時的激勵電壓（Veo）的函數(shù)。
Voc = VomVeo / Vem （方程式7）
共模電壓
該橋的一個缺點是輸出是差分信號，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。如果有必要，請密切注意系統(tǒng)的共模抑制以及共模電壓如何受到Ve變化的影響?；氐缴厦娴姆Q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轉(zhuǎn)換為單端信號，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
橋接器和測量電子器件的偏移可以向上或向下移動所需的信號。只要信號保持在電子設(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。如果差分電橋信號被轉(zhuǎn)換為以地為參考的信號，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。當(dāng)發(fā)生這種情況時，它會造成死角。ADC的輸出保持為零，直到電橋的輸出信號變?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)。偏移的一個較小問題是動態(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。可以使用機(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，測量精度必須為2.5μV或更高。簡單地說，只有2.5μV的偏移量將在12位電平產(chǎn)生1 LSB的誤差。對于高質(zhì)量的傳統(tǒng)運算放大器來說，這是一項具有挑戰(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)而不是放大器的實際偏移。的MAX4238和MAX4239具有典型偏移10nV /℃和50nV / 1000小時漂移。
基于軟件的偏移調(diào)整：零校準(zhǔn)或皮重測量是通過軟件進(jìn)行偏移調(diào)整的示例。例如，橋接器的輸出是在一個狀態(tài)下橋接器測量的，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使用。如果需要絕對讀取橋輸出，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)。
這種類型的自動零點校準(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時從ADC讀數(shù)中減去當(dāng)開關(guān)處于位置B時所取的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：雖然今天不經(jīng)常使用，但多年來電阻橋的交流激勵是消除電子設(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，則橋接器的輸出也將是交流信號。該信號可以是電容耦合，放大，電平移位等，并且最終信號的AC幅度將獨立于電子器件中的任何DC偏移。然后使用標(biāo)準(zhǔn)AC測量技術(shù)測量AC信號的幅度。當(dāng)使用交流激勵時，應(yīng)通過最小化電橋共模電壓的變化來實現(xiàn)。這極大地簡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)計都應(yīng)該考慮四個降噪源。
保持系統(tǒng)噪音（適當(dāng)?shù)慕拥?，屏蔽和接線技術(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（使用多次測量來增強(qiáng)有用信號并抑制不需要的信號的算法）
近年來開發(fā)的高分辨率Σ-Δ轉(zhuǎn)換器大大簡化了橋接信號數(shù)字化的任務(wù)。
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