電子設計基礎：電阻電橋基礎（一）

　　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2.5micro;V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。

　　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)。