電阻電橋基礎(chǔ):使用硅應(yīng)變儀的高輸出信號(hào)電橋

一個(gè)有源元件

第二種情況僅采用一個(gè)有源元件（式3），當(dāng)成本或布線比信號(hào)幅度更重要時(shí)，通常采用這種方式。

式3：Vo = Ve（dR/（4R+2dR））帶一個(gè)有源元件的電橋

正如所料，帶一個(gè)有源元件的電橋輸出信號(hào)幅度只有帶四個(gè)有源元件的電橋輸出幅度的1/4。這種配置的關(guān)鍵是在分母中出現(xiàn)了dR項(xiàng)，所以會(huì)導(dǎo)致非線性輸出。這種非線性很小而且可以預(yù)測(cè)，必要時(shí)可以通過(guò)軟件校準(zhǔn)。

兩個(gè)具有相反響應(yīng)特性的有源元件

第三種情況如式4所示，包含兩個(gè)有源元件，但阻值變化特性相反（dR和-dR）。兩個(gè)電阻放置在電橋的同一側(cè)（R1和R2，或R3和R4）。正如所料，此時(shí)的靈敏度是單有源元件電橋的兩倍，是四有源元件電橋的一半。這種配置下，輸出是dR和dR/R的線性函數(shù)，分母中沒(méi)有dR項(xiàng)。

式4：Vo = Ve（dR/（2R））具有相反響應(yīng)特性的兩個(gè)有源元件

在上述第二種和第三種情況下，只有一半電橋處于有效的工作狀態(tài)。另一半僅僅提供基準(zhǔn)電壓，電壓值為Ve電壓的一半。因此，四個(gè)電阻實(shí)際上并一定具有相同的標(biāo)稱值。重要的是電橋左側(cè)的兩個(gè)電阻間匹配以及電橋右側(cè)的兩個(gè)電阻間匹配。

兩個(gè)相同的有源元件

第四種情況同樣采用兩個(gè)有源元件，但這兩個(gè)元件具有相同的響應(yīng)特性，它們的阻值同時(shí)增大或減小。為了有效工作，這些電阻必須位于電橋的對(duì)角位置（R1和R3，或R2和R4）。這種配置的明顯優(yōu)勢(shì)是將同樣類型的有源元件用在兩個(gè)位置，缺點(diǎn)是存在非線性輸出，式5中的分母中含有dR項(xiàng)。

式5：Vo = Ve（dR/（2R+dR）在電壓驅(qū)動(dòng)的電橋中有兩個(gè)相同的有源元件

這個(gè)非線性是可以預(yù)測(cè)的，而且，可以通過(guò)軟件或通過(guò)電流源（而不是電壓源）驅(qū)動(dòng)電橋來(lái)消除非線性特性。式6中，Ie是激勵(lì)電流，值得注意的是：式6中的Vo僅僅是dR的函數(shù)，而不是上面提到的與dR/R成比例。

式6： Vo = Ie（dR/2）在電流驅(qū)動(dòng)的電橋中有兩個(gè)相同的有源元件

了解上述四種不同檢測(cè)元件配置下的結(jié)構(gòu)非常重要。但很多時(shí)候傳感器內(nèi)部可能存在配置未知的電橋。這種情況下，了解具體的配置不是很重要。制造商會(huì)提供相關(guān)信息，比如靈敏度的線性誤差、共模電壓等。為什么將電橋作為首選方案？通過(guò)下面的例子可以很容易地回答這個(gè)問(wèn)題。

測(cè)壓元件

電阻橋的一個(gè)常用例子是帶有四個(gè)有源元件的測(cè)壓?jiǎn)卧?。四個(gè)應(yīng)力計(jì)按照電橋方式配置并固定在一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)上，在該結(jié)構(gòu)上施加壓力時(shí)會(huì)發(fā)生輕微變形。有負(fù)荷時(shí)，兩個(gè)應(yīng)力計(jì)的值會(huì)增加，而另外兩個(gè)應(yīng)力計(jì)的值會(huì)減小。這個(gè)阻值的改變很小，在1V激勵(lì)電壓下，測(cè)壓?jiǎn)卧臐M幅輸出是2mV。從式2我們可以看出相當(dāng)于阻值滿幅變化的0.2%。如果測(cè)壓?jiǎn)卧妮敵鲆?2位的測(cè)量精度，則必須能夠精確檢測(cè)到1/2ppm的阻值變化。直接測(cè)量1/2ppm變化阻值需要21位的ADC。除了需要高精度的ADC，ADC的基準(zhǔn)還要非常穩(wěn)定，它隨溫度的改變不能夠超過(guò)1/2ppm。這兩個(gè)原因是驅(qū)動(dòng)使用電橋結(jié)構(gòu)的主要原因，但驅(qū)動(dòng)電橋的使用還有一個(gè)更重要的原因。

測(cè)壓?jiǎn)卧碾娮璨粌H僅會(huì)對(duì)施加的壓力產(chǎn)生響應(yīng)，固定測(cè)壓元件裝置的熱膨脹和壓力計(jì)材料本身的TCR都會(huì)引起阻值變化。這些不可預(yù)測(cè)的阻值變化因素可能會(huì)比實(shí)際壓力引起的阻值變化更大。但是，如果這些不可預(yù)測(cè)的變化量同樣發(fā)生在所有電橋電阻上，它們的影響就可以忽略或消除。例如，如果不可預(yù)測(cè)變化量為200ppm，相當(dāng)于滿幅的10%。式2中，200ppm的阻值R的變化對(duì)于12位測(cè)量來(lái)說(shuō)低于1個(gè)LSB。很多情況下，阻值dR的變化與R的變化成正比。即dR/R的比值保持不變，因此R值的200ppm變化不會(huì)產(chǎn)生影響。R值可以加倍，但輸出電壓不受影響，因?yàn)閐R也會(huì)加倍。

上述例子表明采用電橋可以簡(jiǎn)化電阻值微小改變時(shí)的測(cè)量工作。以下講述電橋測(cè)量電路的主要考慮因素。

電橋電路的五個(gè)關(guān)鍵因素

在測(cè)量低輸出信號(hào)的電橋時(shí)，需要考慮很多因素。其中最主要的五個(gè)因素是：

激勵(lì)電壓

共模電壓

失調(diào)電壓

失調(diào)漂移