電阻電橋基礎(chǔ):使用硅應(yīng)變儀的高輸出信號(hào)電橋

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。

將噪聲阻擋在系統(tǒng)之外（良好接地、屏蔽及布線技術(shù)）

減少系統(tǒng)內(nèi)部噪聲（結(jié)構(gòu)、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(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。

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)部開關(guān)，利用開關(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，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。