【導(dǎo)讀】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(wèn)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)。
圖1. 基本惠斯通電橋框圖
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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(jiàn)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
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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1/4。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(guò)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(méi)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電壓的一半。因此，四個(gè)電阻實(shí)際上并一定具有相同的標(biāo)稱(chēng)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(lèi)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(guò)軟件或通過(guò)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，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(guò)下面的例子可以很容易地回答這個(gè)問(wèn)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?。四個(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(mǎn)幅輸出是2mV。從式2我們可以看出相當(dāng)于阻值滿(mǎn)幅變化的0.2%。如果測(cè)壓?jiǎn)卧妮敵鲆?2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(guò)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(mǎn)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)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：
1.激勵(lì)電壓
2.共模電壓
3.失調(diào)電壓
4.失調(diào)漂移
5.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)锳DC的電壓分辨率會(huì)隨著電橋的靈敏度而改變。
圖2. 與Ve成比例的ADC基準(zhǔn)電壓?？梢韵捎赩e變化而引起的增益誤差
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(guò)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(guò)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?，如果用儀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容許的變化范圍是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98.3dB。(20log[0.01Ve/(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范圍。
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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)量范圍，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)，輸出也在有效范圍內(nèi)。偏置帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是降低了動(dòng)態(tài)范圍。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(guò)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(wèn)題。上述測(cè)壓?jiǎn)卧校姌虻臐M(mǎn)幅輸出是2mV/V，要求精度是12位。如果測(cè)壓?jiǎn)卧墓╇婋妷菏?V，則滿(mǎn)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，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?？梢酝ㄟ^(guò)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(méi)有載荷的情況，測(cè)量電橋的輸出，然后在測(cè)壓?jiǎn)卧尤胴?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(kāi)關(guān)可以在應(yīng)用中使用軟件校準(zhǔn)。圖3中，開(kāi)關(guān)用于斷開(kāi)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)。
圖3. 增加一個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)軟件校準(zhǔn)
這種自動(dòng)歸零校準(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(kāi)關(guān)(圖4)。將開(kāi)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(kāi)關(guān)在A點(diǎn)時(shí)的ADC讀數(shù)減去開(kāi)關(guān)在B點(diǎn)時(shí)的ADC讀數(shù)，結(jié)果將是2VoGain，此時(shí)沒(méi)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。
圖4. 增加一個(gè)雙刀、雙擲開(kāi)關(guān)，增強(qiáng)軟件校準(zhǔn)功能
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號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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)討論超出了本文的范圍，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。
1.將噪聲阻擋在系統(tǒng)之外(良好接地、屏蔽及布線技術(shù))
2.減少系統(tǒng)內(nèi)部噪聲(結(jié)構(gòu)、元件選擇和偏置電平)
3.降低電噪聲(模擬濾波、共模抑制)
4.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Σ-Δ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(wèn)題的有效措施。
高精度Σ-Δ轉(zhuǎn)換器(ADC)
目前，具有低噪聲PGA的24位和16位Σ-Δ 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(wèn)題(見(jiàn)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(jiàn)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(méi)有采用比例系統(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。
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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Σ-Δ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(méi)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(kāi)關(guān)，利用開(kāi)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(guò)程，否則，需要用戶(hù)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(lài)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Σ-Δ ADC輸入直接相連并不能解決所有問(wèn)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，并可能缺少對(duì)失調(diào)漂移的處理措施。下面電路可以提供有效的信號(hào)調(diào)理，其成本低于儀表放大器。
單運(yùn)算放大器
如果只需要放大功能，圖5所示簡(jiǎn)單電路即可滿(mǎn)足要求。該電路看起來(lái)似乎不是最好的選擇，因?yàn)樗粚?duì)稱(chēng)，并對(duì)電橋增加了負(fù)載。但是，對(duì)于電橋來(lái)說(shuō)這一負(fù)荷并不存在問(wèn)題(雖然不鼓勵(lì)這樣做)。許多電橋?yàn)榈妥栎敵?，通常?50Ω。每路輸出電阻是它的一半或150Ω。增加電阻R1后，150Ω電阻只會(huì)輕微降低增益。當(dāng)然，考慮150Ω電阻的容限和電阻的溫度系數(shù)(TCR)，電阻R1和R2的TCR并不能精確地與之匹配。補(bǔ)償這個(gè)額外電阻的很簡(jiǎn)單，只要選擇R1的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于150Ω即可。圖5包括了一個(gè)用于零校準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)。
圖5. 連接低阻電橋的例子
差分與儀表
對(duì)于很多應(yīng)用，可以用差分放大器取代儀表放大器。不僅可以降低成本，還可以減少噪聲源和失調(diào)漂移的來(lái)源。對(duì)于上述放大器，必須考慮電橋阻值和TRC。
雙電源供電
圖6電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，電橋輸出只用了兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)電阻即完成了放大、電平轉(zhuǎn)換，并輸出以地為參考的信號(hào)。另外，電路還使電橋電源電壓加倍，使輸出信號(hào)也加倍。但這個(gè)電路的缺點(diǎn)是需要一個(gè)負(fù)電源，并在采用有源電橋時(shí)具有一定的非線性。如果只有某一側(cè)電橋使用有源元件時(shí)，將電橋的非有源側(cè)置于反饋回路可以產(chǎn)生-Ve，從而避免線性誤差。
圖6. 與低阻電橋連接的替代電路
總結(jié)
電阻電橋?qū)τ跈z測(cè)阻值的微小變化并抑制干擾源造成的阻值變化非常有效。新型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)大大簡(jiǎn)化了電橋的測(cè)量。增加一個(gè)此類(lèi)ADC即可獲得橋路檢測(cè)ADC的主要功能：差分輸入、內(nèi)置放大器、自動(dòng)零校準(zhǔn)、高共模抑制比以及數(shù)字噪聲濾波器，有助于解決電橋電路的關(guān)鍵問(wèn)題。
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