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

激勵(lì)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(cè)量期間保持橋路的供電電壓恒定（穩(wěn)壓精度與測(cè)量精度相一致），必須能夠補(bǔ)償電源電壓的變化。補(bǔ)償供電電壓變化的最簡(jiǎn)單方法是從電橋激勵(lì)獲取ADC的基準(zhǔn)電壓。圖2中，ADC的基準(zhǔn)電壓由橋路電源分壓后得到。這會(huì)抑制電源電壓的變化，因?yàn)锳DC的電壓分辨率會(huì)隨著電橋的靈敏度而改變。

圖2. 與Ve成比例的ADC基準(zhǔn)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(gè)額外通道測(cè)量電橋的供電電壓，通過(guò)軟件補(bǔ)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(cè)量輸出電壓（Vom）、測(cè)量的激勵(lì)電壓（Vem）以及校準(zhǔn)時(shí)激勵(lì)電壓（Veo）的函數(shù)。

式7： Voc = VomVeo/Vem

共模電壓

電橋電路的一個(gè)缺點(diǎn)是它的輸出是差分信號(hào)和電壓等于電源電壓一半的共模電壓。通常，差分信號(hào)在進(jìn)入ADC前必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，使其成為以地為參考的信號(hào)。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(duì)于上述測(cè)壓?jiǎn)卧睦樱绻脙x表放大器將電橋的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，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(biāo)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(biāo)雖然可以實(shí)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(cè)量設(shè)備的失調(diào)電壓會(huì)將實(shí)際信號(hào)拉高或拉低。只要信號(hào)保持在有效測(cè)量范圍，對(duì)這些漂移的校準(zhǔn)將很容易。如果電橋差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為以地為參考的信號(hào)，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(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)死點(diǎn)。在電橋輸出變?yōu)檎盘?hào)并足以抵消系統(tǒng)的負(fù)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(gè)正偏置。該偏置電壓保證即使電橋和設(shè)備出現(xiàn)負(fù)失調(diào)電壓時(shí)，輸出也在有效范圍內(nèi)。偏置帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是降低了動(dòng)態(tài)范圍。如果系統(tǒng)不能接受這一缺點(diǎn)，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(guò)機(jī)械電位器、數(shù)字電位器，或在ADC的GPIO外接電阻實(shí)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(wèn)題。上述測(cè)壓?jiǎn)卧?，電橋的滿幅輸出是2mV/V，要求精度是12位。如果測(cè)壓?jiǎn)卧墓╇婋妷菏?V，則滿幅輸出為10mV，測(cè)量精度必須是2.5µV或更高。簡(jiǎn)而言之，一個(gè)只有2.5µV的失調(diào)漂移會(huì)引起12位轉(zhuǎn)換器的1 LSB誤差。對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)這個(gè)指標(biāo)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(zhǎng)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^(guò)硬件、軟件或兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)調(diào)整。

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

軟件失調(diào)調(diào)整：零校準(zhǔn)或皮重測(cè)量是軟件失調(diào)校準(zhǔn)的例子。在電橋的某種狀態(tài)下，比如沒(méi)有載荷的情況，測(cè)量電橋的輸出，然后在測(cè)壓?jiǎn)卧尤胴?fù)荷，再次讀取數(shù)值。兩次讀數(shù)間的差值與激勵(lì)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(gè)非常有效的測(cè)量方法，但只有當(dāng)實(shí)際結(jié)果基于電橋輸出的變化時(shí)才可以使用。如果需要讀取電橋輸出的絕對(duì)值，這個(gè)方法將無(wú)法使用。

硬件/軟件失調(diào)調(diào)整：在電路中加入一個(gè)雙刀模擬開(kāi)關(guān)可以在應(yīng)用中使用軟件校準(zhǔn)。圖3中，開(kāi)關(guān)用于斷開(kāi)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(cè)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(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)軟件校準(zhǔn)

這種自動(dòng)歸零校準(zhǔn)已廣泛用于當(dāng)前的ADC，對(duì)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(zhǔn)電路是在電橋和電路之間增加一個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)（圖4）。將開(kāi)關(guān)從A點(diǎn)切換至B點(diǎn)，將反向連接電橋與放大器的極性。如果將開(kāi)關(guān)在A點(diǎn)時(shí)的ADC讀數(shù)減去開(kāi)關(guān)在B點(diǎn)時(shí)的ADC讀數(shù)，結(jié)果將是2VoGain，此時(shí)沒(méi)有失調(diào)項(xiàng)。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(gè)雙刀、雙擲開(kāi)關(guān)，增強(qiáng)軟件校準(zhǔn)功能

交流電橋激勵(lì)：這種方式不常使用，但在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電阻電橋交流激勵(lì)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(dòng)，電橋的輸出將是交流信號(hào)。這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)電容耦合、放大、偏置電路等，最終信號(hào)的交流幅度與電路的任何直流失調(diào)無(wú)關(guān)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的交流測(cè)量技術(shù)可以得到交流信號(hào)的幅度。采用交流激勵(lì)時(shí)，通過(guò)減小電橋的共模電壓變化就可以完成測(cè)量，大大降低了電路對(duì)共模抑制的要求。