電阻電橋基礎:使用硅應變儀的高輸出信號電橋

噪聲

如上所述，在處理小信號輸出的電橋時(shí)，噪聲是個(gè)很大的難題。另外，許多電橋應用的低頻特性意味著(zhù)必須考慮“閃爍”或1/F噪聲。對噪聲的詳細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。本文將主要列出設計中需要考慮的四個(gè)噪聲源抑制。

將噪聲阻擋在系統之外（良好接地、屏蔽及布線(xiàn)技術(shù)）

減少系統內部噪聲（結構、元件選擇和偏置電平）

降低電噪聲（模擬濾波、共模抑制）

軟件補償或DSP（利用多次測量提高有效信號、降低干擾信號）

近幾年發(fā)展起來(lái)的高精度Σ-Δ轉換器很大程度上簡(jiǎn)化了電橋信號數字化的工作。下面將介紹這些轉換器解決上述五個(gè)問(wèn)題的有效措施。

高精度Σ-Δ轉換器（ADC）

目前，具有低噪聲PGA的24位和16位Σ-Δ ADC對于低速應用中的電阻電橋測量提供了一個(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及后續內容）。

激勵電壓的變化，Ve緩沖基準電壓輸入簡(jiǎn)化了比例系統的構建。得到一個(gè)跟隨Ve的基準電壓，只需一個(gè)電阻分壓器和噪聲濾波電容（見(jiàn)圖2）。比例系統中，輸出對Ve的微小變化不敏感，無(wú)需高精度的電壓基準。

如果沒(méi)有采用比例系統，可以選擇多通道ADC。利用一個(gè)ADC通道測量電橋輸出，另一個(gè)輸入通道用來(lái)測量電橋的激勵電壓，利用式7可以校準Ve的變化。

共模電壓

如果電橋和ADC由同一電源供電，電橋輸出信號將會(huì )是偏置在1/2VDD的差分信號。這些輸入對于大部分高精度Σ-Δ轉換器來(lái)講都很理想。另外，由于它們極高的共模抑制（高于100dB），無(wú)需擔心較小的共模電壓變化。

失調電壓

當電壓精度在亞微伏級時(shí)，電橋輸出可以直接與ADC輸入對接。假定沒(méi)有熱耦合效應，唯一的失調誤差來(lái)源是ADC本身。為了降低失調誤差，大部分轉換器具有內部開(kāi)關(guān)，利用開(kāi)關(guān)可以在輸入端施加零電壓并進(jìn)行測量。從后續的電橋測量數值中減去這個(gè)零電壓測量值，就可以消除ADC的失調。許多ADC可以自動(dòng)完成這個(gè)歸零校準過(guò)程，否則，需要用戶(hù)控制ADC的失調校準。失調校準可以把失調誤差降低到ADC的噪底，小于1µVP-P。

失調漂移

對ADC進(jìn)行連續地或頻繁地校準，使校準間隔中溫度不會(huì )有顯著(zhù)改變，即可有效消除由于溫度變化或長(cháng)期漂移產(chǎn)生的失調變化。需要注意的，失調讀數的變化可能等于A(yíng)DC的噪聲峰值。如果目的是檢測電橋輸出在較短時(shí)間內的微小變化，最好關(guān)閉自動(dòng)校準功能，因為這會(huì )減少一個(gè)噪聲源。

噪聲

處理噪聲有三種方法，比較顯著(zhù)的方法是內部數字濾波器。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(xiàn)產(chǎn)生的噪聲，并降低電橋激勵電壓的噪聲影響。最后，連續的零校準能夠降低校準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。有些應用中，需要在電橋輸出和ADC輸入之間加入匹配的信號調理器，信號調理器主要完成三項任務(wù)：放大、電平轉換以及差分到單端的轉換。性能優(yōu)異的儀表放大器能夠完成所有三項功能，但價(jià)格可能很昂貴，并可能缺少對失調漂移的處理措施。下面電路可以提供有效的信號調理，其成本低于儀表放大器。

單運算放大器

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，因為它不對稱(chēng)，并對電橋增加了負載。但是，對于電橋來(lái)說(shuō)這一負荷并不存在問(wèn)題（雖然不鼓勵這樣做）。許多電橋為低阻輸出，通常為350Ω。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。當然，考慮150Ω電阻的容限和電阻的溫度系數（TCR），電阻R1和R2的TCR并不能精確地與之匹配。補償這個(gè)額外電阻的很簡(jiǎn)單，只要選擇R1的阻值遠遠高于150Ω即可。圖5包括了一個(gè)用于零校準的開(kāi)關(guān)。

圖5. 連接低阻電橋的例子

差分與儀表

對于很多應用，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漂移的來(lái)源。對于上述放大器，必須考慮電橋阻值和TRC。

雙電源供電

圖6電路結構非常簡(jiǎn)單，電橋輸出只用了兩個(gè)運算放大器和兩個(gè)電阻即完成了放大、電平轉換，并輸出以地為參考的信號。另外，電路還使電橋電源電壓加倍，使輸出信號也加倍。但這個(gè)電路的缺點(diǎn)是需要一個(gè)負電源，并在采用有源電橋時(shí)具有一定的非線(xiàn)性。如果只有某一側電橋使用有源元件時(shí)，將電橋的非有源側置于反饋回路可以產(chǎn)生-Ve，從而避免線(xiàn)性誤差。

圖6. 與低阻電橋連接的替代電路

總結

電阻電橋對于檢測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/數轉換器（ADC）大大簡(jiǎn)化了電橋的測量。增加一個(gè)此類(lèi)ADC即可獲得橋路檢測ADC的主要功能：差分輸入、內置放大器、自動(dòng)零校準、高共模抑制比以及數字噪聲濾波器，有助于解決電橋電路的關(guān)鍵問(wèn)題。