電阻電橋基礎:使用硅應變儀的高輸出信號電橋

噪聲

激勵電壓

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，電路必須在測量期間保持橋路的供電電壓恒定（穩壓精度與測量精度相一致），必須能夠補償電源電壓的變化。補償供電電壓變化的最簡(jiǎn)單方法是從電橋激勵獲取ADC的基準電壓。圖2中，ADC的基準電壓由橋路電源分壓后得到。這會(huì )抑制電源電壓的變化，因為ADC的電壓分辨率會(huì )隨著(zhù)電橋的靈敏度而改變。

圖2. 與Ve成比例的ADC基準電壓?？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)額外通道測量電橋的供電電壓，通過(guò)軟件補償電橋電壓的變化。式7所示為修正后的輸出電壓（Voc），它是測量輸出電壓（Vom）、測量的激勵電壓（Vem）以及校準時(shí)激勵電壓（Veo）的函數。

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和電壓等于電源電壓一半的共模電壓。通常，差分信號在進(jìn)入ADC前必須經(jīng)過(guò)電平轉換，使其成為以地為參考的信號。如果這一步是必須的，則需注意系統的共模抑制比以及共模電壓受Ve變化的影響。對于上述測壓?jiǎn)卧睦?，如果用儀表放大器將電橋的差分信號轉換為單端信號，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）。這樣的指標雖然可以實(shí)現，但卻超出了很多低成本或分立式儀表放大器的能力范圍。

失調電壓

電橋和測量設備的失調電壓會(huì )將實(shí)際信號拉高或拉低。只要信號保持在有效測量范圍，對這些漂移的校準將很容易。如果電橋差分信號轉換為以地為參考的信號，電橋和放大器的失調很容易產(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盘柌⒆阋缘窒到y的負失調電壓之前，ADC輸出保持在零電位。為了防止出現這種情況，電路內部必須提供一個(gè)正偏置。該偏置電壓保證即使電橋和設備出現負失調電壓時(shí)，輸出也在有效范圍內。偏置帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是降低了動(dòng)態(tài)范圍。如果系統不能接受這一缺點(diǎn)，可能需要更高質(zhì)量的元件或失調調節措施。失調調整可以通過(guò)機械電位器、數字電位器，或在A(yíng)DC的GPIO外接電阻實(shí)現。

失調漂移

失調漂移和噪聲是電橋電路需要解決的重要問(wèn)題。上述測壓?jiǎn)卧?，電橋的滿(mǎn)幅輸出是2mV/V，要求精度是12位。如果測壓?jiǎn)卧墓╇婋妷菏?V，則滿(mǎn)幅輸出為10mV，測量精度必須是2.5µV或更高。簡(jiǎn)而言之，一個(gè)只有2.5µV的失調漂移會(huì )引起12位轉換器的1 LSB誤差。對于傳統運放，實(shí)現這個(gè)指標存在很大的挑戰性。比如OP07，其最大失調TC為1.3µV/°C，最大長(cháng)期漂移是每月1.5µV。為了維持電橋所需的低失調漂移，需要一些有效的失調調整?？梢酝ㄟ^(guò)硬件、軟件或兩者結合實(shí)現調整。

硬件失調調整：斬波穩定或自動(dòng)歸零放大器是純粹的硬件方案，是集成在放大器內部的特殊電路，它會(huì )連續采樣并調整輸入，使輸入引腳間的電壓保持在最小差值。由于這些調整是連續的，所以隨時(shí)間和溫度變化產(chǎn)生的漂移成為校準電路的函數，并非放大器的實(shí)際漂移。MAX4238和MAX4239的典型失調漂移是10nV/°C和50nV/1000小時(shí)。

軟件失調調整：零校準或皮重測量是軟件失調校準的例子。在電橋的某種狀態(tài)下，比如沒(méi)有載荷的情況，測量電橋的輸出，然后在測壓?jiǎn)卧尤胴摵?，再次讀取數值。兩次讀數間的差值與激勵源有關(guān)，取兩次讀數的差值不僅消除了設備的失調，還消除了電橋的失調。這是個(gè)非常有效的測量方法，但只有當實(shí)際結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值，這個(gè)方法將無(wú)法使用。

硬件/軟件失調調整：在電路中加入一個(gè)雙刀模擬開(kāi)關(guān)可以在應用中使用軟件校準。圖3中，開(kāi)關(guān)用于斷開(kāi)電橋一側與放大器的連接，并短路放大器的輸入。保留電橋的另一側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量系統的失調，從隨后的讀數中減去系統失調，即可消除所有的設備失調。但這種方法不能消除電橋的失調。

圖3. 增加一個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現軟件校準

這種自動(dòng)歸零校準已廣泛用于當前的ADC，對于消除ADC失調特別有效。但是，它不能消除電橋失調或電橋與ADC之間任何電路的失調。

一種形式稍微復雜的失調校準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(yíng)點(diǎn)時(shí)的ADC讀數減去開(kāi)關(guān)在B點(diǎn)時(shí)的ADC讀數，結果將是2VoGain，此時(shí)沒(méi)有失調項。這種方法不僅可以消除電路的失調，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)，增強軟件校準功能

交流電橋激勵：這種方式不常使用，但在傳統設計中，電阻電橋交流激勵是在電路中消除直流失調誤差的常用、并且有效的方法。如果電橋由交流電壓驅動(dòng)，電橋的輸出將是交流信號。這個(gè)信號經(jīng)過(guò)電容耦合、放大、偏置電路等，最終信號的交流幅度與電路的任何直流失調無(wú)關(guān)。通過(guò)標準的交流測量技術(shù)可以得到交流信號的幅度。采用交流激勵時(shí)，通過(guò)減小電橋的共模電壓變化就可以完成測量，大大降低了電路對共模抑制的要求。