自動平衡電橋原理詳解

平衡電橋

當電橋中某兩個特定的接點的電勢相等，即此兩接點的電橋輸出為零時，就稱其平衡電橋。

自動平衡電橋的工作原理

自動平衡電橋可與熱電阻Rt配合用于測量溫度。自動平衡電橋的工作原理與自動平衡電位差計相比較，只是輸入測量電路不同，因此本節(jié)著重討論輸人電路。

圖3-1-8給出自動平衡電橋的工作原理。由圖可知，熱電阻Rt接在測量橋路中，當被測溫度為t1時，熱電阻Rt的阻值為Rt1，若電橋正好處于平衡，則電橋的輸出端A，B之間的電位差UAB=0。如果溫度升高到t2》t1，則有Rt2》Rt1，電橋失去平衡，此時電橋的輸出電壓地UAB》0。 UAB輸入到調(diào)制放大器，使伺服電機M正轉(zhuǎn)，并帶動指針及記錄筆右移，指示溫度升高；與此同時，電機M又拖動滑線電阻的滑動臂A向左移，直到電橋在新的輸入Rt2下重新平衡為止。此后，若溫度又從t2下降到t3則有Rt3《Rt2，電橋失去平衡，其輸出電壓UAB《0，電機M反轉(zhuǎn)，并使指針左移、滑動臂A右移，直到重新達到平衡為止。每次達到平衡后，指針、記錄筆和滑動臂A的位置都與當時的被測溫度相對應。

幾種典型電橋自動平衡電路工作原理和性能分析

精密儀表放大器大多采用典型的集成三運放結(jié)構(gòu)或其改進型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由A3 運放及R1-R，組成的放大電路輸入輸出關(guān)系可由下式表示：

這種情況下該級放大器的放大倍數(shù)為1，其輸出電壓值隨輸入電壓和參考電壓之和變化而變化。理想情況下。當參考端接地、測量系統(tǒng)空載時，V應為零。在實際測量中，由于橋路失衡及放大器零漂等原因，導致輸出端有電壓輸出造成零點偏移。由式（2）可知

以下介紹實際應用中幾種通過調(diào)節(jié)儀表放大器參考端電壓實現(xiàn)橋路自動平衡的具體方法。

1、利用積分反饋電路實現(xiàn)橋路自動平衡

如圖2所示，由A3、R.C組成的積分電路，其輸入、輸出關(guān)系為：

式中t=CR 為積分時間常數(shù)。

如果將積分電路的輸入端接放大器輸出端，積分電路的輸出端接放大器參考端，那么由于負反饋作用，放大器輸出端的電壓會因參考端電壓的變化而逐漸趨于零，從而達到調(diào)零的目的，歸零的時間與積分時間常數(shù)r 有關(guān)。t越大，則歸零時間越長，但電容器漏電和電路寄生參數(shù)的影響將增加;t 若小，則積分漂移將增大。故r值的選取是有限的，一般取R=1K0，C=0.1UF 為宜。

調(diào)零的目的是為了測試，因此，調(diào)零結(jié)束后，還要將積分電路的輸入端與放大器輸出端斷開，這時候放大器輸出端若要保持無零偏狀態(tài)，則積分電路的輸出端應保持斷開前的電壓值，這就要求電容器無漏電。所以在實際應用中，應盡可能選取漏電阻大，泄漏小的電容器，如聚苯乙烯等電容器，這對電路平衡的保持時間至關(guān)重要。

該電路結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，價格便宜，調(diào)零效果好，但對器件性能要求高，保持時間較短。

2、利用計數(shù)器及D/A 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)橋路自動平衡

如圖3 所示，該電路利用二進制計數(shù)器的計數(shù)輸出端作為D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸入，D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號經(jīng)放大（或反向放大）后送到儀表放大器的參考端。當按下自動平衡按鈕后，通過單穩(wěn)電路給一定時脈沖使計數(shù)器清零，同時啟動振蕩器工作。計數(shù)器清零后，D/A轉(zhuǎn)換器輸出一固定負的（或正）電壓值，經(jīng)反向放大后送到儀表放大器的參考端，此時不論零偏為正或為負，加在儀表放大器參考端的大電壓值可保證其輸出均為一正電壓值甚至過載（可用表頭顯示），隨著計數(shù)器的不斷計數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出逐漸由負值向正值變化，儀表放大器的參考端電壓則由正向負變化，相應其輸出也不斷減小，當其輸出值由正電壓變?yōu)樨撾妷旱乃查g，過零檢測電路給出信號使振蕩器停振，計數(shù)器停止工作，D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出值也不再變化，這時儀表放大器的輸出基本無零偏（1mV左右）。由于計數(shù)器的記數(shù)值是被保持的，故加到儀表放大器的參考端電壓值在調(diào)零結(jié)束后仍保持不變，只要沒有新的失衡或斷電，電路的平衡狀態(tài)可以得到長時間的保

此電路的特點是平衡狀態(tài)保持時間長，加裝斷電保護電池后，還能保證測量中平衡狀態(tài)不受突然斷電的 影響。另外其費用也不高。缺點是電路較復雜，調(diào)零準確性受過零檢測電路響應時間影響，精度較差，若后級放大的倍數(shù)較大時，會導致較大的輸出零偏。另外，調(diào)平衡時會造成放大器輸出短時間過載。

3、利用A/D，D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)橋路自動平衡

由上節(jié)的分析可知，將放大器輸出的零偏電壓值反向后送到儀表放大器的參考端即可使電路恢復零位。因此，可利用A/D轉(zhuǎn)換器讀取零偏電壓，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和反向，然后加至儀表放大器的參考端，即可實現(xiàn)自動調(diào)零。其原理框圖如圖4所示。

該電路實現(xiàn)方法簡單，調(diào)零精度高，速度快，平衡狀態(tài)可長時間保持，但價格相對較高。

4、通過軟件編程實現(xiàn)橋路自動平衡

與2.3節(jié)中的方法相類似，通過軟件編程實現(xiàn)微處理器對A/D、D，A轉(zhuǎn)換器的控制，能夠更精確、靈活地進行橋路自動平衡并長時間保持，其造價也更高些。實現(xiàn)框圖見圖5。

電橋自動平衡電路應用中應注意的幾個問題

（1）正確選擇關(guān)鍵元器件。元器件的優(yōu)劣是保證電路性能的重要條件。以上幾種方法中，積分電容器漏電阻應盡可能的大;轉(zhuǎn)換開關(guān)宜選取電子開關(guān)，提高轉(zhuǎn)換速度;過零檢測電路應選取響應速度快的器件;A/D、D/A轉(zhuǎn)換器宜選取12 倍或更高，以提高調(diào)零精度。

（2）應根據(jù)具體應用場合選擇合適的方法。由以上分析可以看出，第一種電路最為簡單，價格也便宜，但由于電容器漏電會導致測試系統(tǒng)調(diào)平衡結(jié)束后又逐漸甚至于很快失衡，所以測量系統(tǒng)在調(diào)平衡后應盡快用于測試，測試時間也應盡量短。此電路較適合于動態(tài)壓力、應變信號的快速測量。對于一般的動靜態(tài)應變儀，測試時系統(tǒng)的平衡狀態(tài)需要保持一定時間，這時宜選用第二種電路，既能滿足一定精度成本又不高。用于計量等方面的精密動態(tài)應變儀，則宜選用第三或第四種電路。對于多路精密應變儀，可用一片A/D和CPU.多片D/A芯片快速、精確實現(xiàn)各路測試系統(tǒng)的橋路自動平衡。

（3）多級放大電路的正確調(diào)零方法。首先保證第一級放大電路調(diào)平衡，若后級放大倍數(shù)較高，第一級調(diào)平衡后的微小零偏仍會造成末級輸出上百毫伏的零偏，當要求系統(tǒng)高精度時，可考慮給后級放大電路也加裝自動平衡電路。后級放大電路如果用的不是精密儀表放大器，則不宜直接加接自動平衡電路，而應再接-級放大倍數(shù)為1、類似圖1中調(diào)平衡結(jié)構(gòu)的放大電路，通過此電路來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平衡。