電阻電橋基礎(chǔ):使用硅應(yīng)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(wěn)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。這會抑制電源電壓的變化，因為ADC的電壓分辨率會隨著電橋的靈敏度而改變。

圖2. 與Ve成比例的ADC基準電壓。可以消除由于Ve變化而引起的增益誤差

另外一種方法是使用ADC的一個額外通道測量電橋的供電電壓，通過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）以及校準時激勵電壓（Veo）的函數(shù)。

式7： Voc = VomVeo/Vem

共模電壓

電橋電路的一個缺點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，差分信號在進入ADC前必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)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(tǒng)的共模抑制比以及共模電壓受Ve變化的影響。對于上述測壓單元的例子，如果用儀表放大器將電橋的差分信號轉(zhuǎn)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。

失調(diào)電壓

電橋和測量設(shè)備的失調(diào)電壓會將實際信號拉高或拉低。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(zhuǎn)換為以地為參考的信號，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，將會產(chǎn)生一個死點。在電橋輸出變?yōu)檎盘柌⒆阋缘窒到y(tǒng)的負失調(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)部必須提供一個正偏置。該偏置電壓保證即使電橋和設(shè)備出現(xiàn)負失調(diào)電壓時，輸出也在有效范圍內(nèi)。偏置帶來的一個問題是降低了動態(tài)范圍。如果系統(tǒng)不能接受這一缺點，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)整可以通過機械電位器、數(shù)字電位器，或在ADC的GPIO外接電阻實現(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題。上述測壓單元中，電橋的滿幅輸出是2mV/V，要求精度是12位。如果測壓單元的供電電壓是5V，則滿幅輸出為10mV，測量精度必須是2.5µV或更高。簡而言之，一個只有2.5µV的失調(diào)漂移會引起12位轉(zhuǎn)換器的1 LSB誤差。對于傳統(tǒng)運放，實現(xiàn)這個指標存在很大的挑戰(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^硬件、軟件或兩者結(jié)合實現(xiàn)調(diào)整。

硬件失調(diào)調(diào)整：斬波穩(wěn)定或自動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，所以隨時間和溫度變化產(chǎn)生的漂移成為校準電路的函數(shù)，并非放大器的實際漂移。MAX4238和MAX4239的典型失調(diào)漂移是10nV/°C和50nV/1000小時。

軟件失調(diào)調(diào)整：零校準或皮重測量是軟件失調(diào)校準的例子。在電橋的某種狀態(tài)下，比如沒有載荷的情況，測量電橋的輸出，然后在測壓單元加入負荷，再次讀取數(shù)值。兩次讀數(shù)間的差值與激勵源有關(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)。這是個非常有效的測量方法，但只有當實際結(jié)果基于電橋輸出的變化時才可以使用。如果需要讀取電橋輸出的絕對值，這個方法將無法使用。

硬件/軟件失調(diào)調(diào)整：在電路中加入一個雙刀模擬開關(guān)可以在應(yīng)用中使用軟件校準。圖3中，開關(guān)用于斷開電橋一側(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. 增加一個開關(guān)實現(xiàn)軟件校準

這種自動歸零校準已廣泛用于當前的ADC，對于消除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)校準電路是在電橋和電路之間增加一個雙刀雙擲開關(guān)（圖4）。將開關(guān)從A點切換至B點，將反向連接電橋與放大器的極性。如果將開關(guān)在A點時的ADC讀數(shù)減去開關(guān)在B點時的ADC讀數(shù)，結(jié)果將是2VoGain，此時沒有失調(diào)項。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. 增加一個雙刀、雙擲開關(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(tǒng)設(shè)計中，電阻電橋交流激勵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，電橋的輸出將是交流信號。這個信號經(jīng)過電容耦合、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(diào)無關(guān)。通過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，通過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。