電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：電阻電橋基礎(chǔ)（一）

　　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校姌虻臐M(mǎn)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(mǎn)幅輸出為10mV，測(cè)量精度必須是2.5micro;V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。可以通過(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。

　　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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)關(guān)，利用開(kāi)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(hù)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(lài)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(mǎn)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(chēng)，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)榈妥栎敵觯ǔ?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(kāi)關(guān)。