用精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 實(shí)現(xiàn)最精確的電橋測(cè)量

許多精密傳感器均采用惠斯通電橋電路配置，這種電路配置可實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻式元件精確的差分測(cè)量。電阻式元件可用于測(cè)量重量、壓力、溫度和其他各種類(lèi)型的傳感器參數(shù)。要使用精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 實(shí)現(xiàn)最精確的電橋測(cè)量，需要詳細(xì)了解這些傳感器的工作原理、如何進(jìn)行校準(zhǔn)、如何連接到 ADC 以及如何配置 ADC。本應(yīng)用手冊(cè)概述了電橋電路、如何使用電橋測(cè)量不同的力、如何設(shè)置 ADC 測(cè)量以及測(cè)量中可能會(huì)出現(xiàn)哪些誤差。本應(yīng)用手冊(cè)首先概述電橋電路基本知識(shí)、電橋電路的構(gòu)建方式以及設(shè)計(jì)電橋測(cè)量系統(tǒng)時(shí)有哪些重要參數(shù)，并提供了展示與精密 ADC 連接的電路。

電橋概述

惠斯通電橋是用于測(cè)量一組電阻式元件阻值變化的電路。該電路具有兩個(gè)并聯(lián)電阻支路，充當(dāng)激勵(lì)電壓 VEXCITATION 的分壓器。每個(gè)電阻分壓器的標(biāo)稱(chēng)輸出為 VEXCITATION 除以二。在沒(méi)有施加負(fù)載的情況下，元件的電阻變化 ΔR 等于零。假設(shè)有一個(gè)理想系統(tǒng)，其中每個(gè)元件的標(biāo)稱(chēng)電阻為 R，每個(gè)分壓器處于相同電位，并且差分電橋輸出電壓 VOUT 為零。施加負(fù)載后，一個(gè)或多個(gè)元件會(huì)改變電阻，以使 ΔR ≠ 0Ω。這會(huì)導(dǎo)致 VOUT 發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)電橋進(jìn)行差分測(cè)量可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算出該變化。圖 1-1 顯示了使用電阻式元件的簡(jiǎn)單電橋電路的基本配置。

基本電橋電路由電阻式元件構(gòu)成，電橋中包含一個(gè)可變?cè)?。該元件是一個(gè)電阻式傳感器，可將某個(gè)物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻變化。如果此電阻變化與物理參數(shù)的變化成正比，則測(cè)量 ΔR 可以準(zhǔn)確地表示所檢測(cè)的物理屬性。雖然本文重點(diǎn)介紹了使用電阻式元件的電橋，但電橋也可以由電感式或電容式元件構(gòu)成。

通過(guò)更詳細(xì)地分析電橋的每一側(cè)，可以更好地了解電橋的工作方式。例如，圖 1-1 中電橋的右側(cè)與圖 1-2 中所示的分壓器電路很相似：

方程式 1 計(jì)算圖 1-2 所示系統(tǒng)相對(duì)于接地點(diǎn)的 VOUT：

假設(shè) VEXCITATION = 6V，R = 3000Ω 且 ΔR = 3 Ω，使用方程1可以計(jì)算出 VOUT = 3.0015V。然后計(jì)算 R 上的電壓為 VR = VEXCITATION - VOUT = 2.9985V。這可以得出 ΔR 上的電壓為 VΔR = VOUT - VR = 0.003V。雖然方程式 1 理論上可以計(jì)算 VOUT、VR 和 VΔR，但實(shí)際系統(tǒng)必須測(cè)量 VOUT 和 VR 才能得到 VΔR。由于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備所存在的限制，這可能會(huì)產(chǎn)生其他困難。

例如，用于測(cè)量 VOUT 和 VR 的簡(jiǎn)單 4 位數(shù)字萬(wàn)用表可能產(chǎn)生舍入誤差，影響 VΔR 的計(jì)算：如果萬(wàn)用表將 VOUT = 3.0015V 向上舍入到 3.002V 并將 VR = 2.9985V 向下舍入到 2.998V，則 VΔR = 0.004V；或者，如果 VOUT 向下舍入到 3.001V 并且 VR 向上舍入到 2.999V，則 VΔR = 0.002V。相對(duì)于 3mV 信號(hào)，這兩種情況都會(huì)產(chǎn)生 1mV 的測(cè)量誤差，即±33% 誤差。最終，4 位數(shù)字萬(wàn)用表沒(méi)有足夠高的分辨率，無(wú)法通過(guò)測(cè)量分壓器中的任一電阻式元件確定 ΔR 的精確值。

為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，通過(guò)在電橋配置中放入電阻式傳感器，將圖 1-2 中所示的單端測(cè)量更改為了差分測(cè)量。在圖 1-3 中，電橋使用第二個(gè)電阻路徑與傳感器路徑并聯(lián)。在沒(méi)有施加負(fù)載的情況下，ΔR = 0Ω，VOUT = 0V。

方程式 2 假設(shè) R1 = R2 = R3 = R 且 R4 = R + ΔR，計(jì)算圖 1-3 所示系統(tǒng)的差分輸出電壓。

使用與單端示例中相同的值，其中 VEXCITATION = 6V，R=3000Ω 且 ΔR= 3Ω，VOUT 現(xiàn)在的計(jì)算結(jié)果為 1.49925mV。重要的是，相同的 4 位數(shù)字萬(wàn)用表可以更精確地測(cè)量 VOUT，毫伏刻度讀數(shù)為 1.499mV（向下舍入）或 1.500mV（向上舍入）。差分測(cè)量電橋配置中的 VOUT 可產(chǎn)生相對(duì)于 1.5mV 信號(hào) <1μV 的測(cè)量誤差，即 0.067% 測(cè)量誤差。之所以能得到這一結(jié)果，是因?yàn)殡姌蚺渲弥С种苯訙y(cè)量 ΔR 而不是 ΔR 和 R 之間的比較測(cè)量。直接測(cè)量還支持放大 VOUT 以使 ADC 獲得更大的輸入信號(hào)。通過(guò)進(jìn)行放大，可以對(duì)更小的 ΔR 值進(jìn)行更高分辨率的測(cè)量。

單一有源電阻式元件電橋的一項(xiàng)困難是，其測(cè)量有固有的非線性。不同電橋結(jié)構(gòu)具有不同的非線性度，某些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可消除這種固有非線性度。這在下一部分進(jìn)行了更加詳細(xì)的討論。

審核編輯：劉清