電阻電橋基礎(chǔ):使用硅應(yīng)變儀的高輸出信號電橋

噪聲

激勵電壓

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，電路必須在測量期間保持橋路的供電電壓恒定（穩(wěn)壓精度與測量精度相一致），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單方法是從電橋激勵獲取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。這會抑制電源電壓的變化，因?yàn)锳DC的電壓分辨率會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的一個額外通道測量電橋的供電電壓，通過軟件補(bǔ)償電橋電壓的變化。式7所示為修正后的輸出電壓（Voc），它是測量輸出電壓（Vom）、測量的激勵電壓（Vem）以及校準(zhǔn)時激勵電壓（Veo）的函數(shù)。

式7： Voc = VomVeo/Vem

共模電壓

電橋電路的一個缺點(diǎn)是它的輸出是差分信號和電壓等于電源電壓一半的共模電壓。通常，差分信號在進(jìn)入ADC前必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，使其成為以地為參考的信號。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。對于上述測壓單元的例子，如果用儀表放大器將電橋的差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，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

電橋和測量設(shè)備的失調(diào)電壓會將實(shí)際信號拉高或拉低。只要信號保持在有效測量范圍，對這些漂移的校準(zhǔn)將很容易。如果電橋差分信號轉(zhuǎn)換為以地為參考的信號，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，將會產(chǎn)生一個死點(diǎn)。在電橋輸出變?yōu)檎盘柌⒆阋缘窒到y(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，輸出也在有效范圍內(nèi)。偏置帶來的一個問題是降低了動態(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題。上述測壓單元中，電橋的滿幅輸出是2mV/V，要求精度是12位。如果測壓單元的供電電壓是5V，則滿幅輸出為10mV，測量精度必須是2.5µV或更高。簡而言之，一個只有2.5µV的失調(diào)漂移會引起12位轉(zhuǎn)換器的1 LSB誤差。對于傳統(tǒng)運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)這個指標(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^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。

軟件失調(diào)調(diào)整：零校準(zhǔn)或皮重測量是軟件失調(diào)校準(zhǔn)的例子。在電橋的某種狀態(tài)下，比如沒有載荷的情況，測量電橋的輸出，然后在測壓單元加入負(fù)荷，再次讀取數(shù)值。兩次讀數(shù)間的差值與激勵源有關(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)。這是個非常有效的測量方法，但只有當(dāng)實(shí)際結(jié)果基于電橋輸出的變化時才可以使用。如果需要讀取電橋輸出的絕對值，這個方法將無法使用。

硬件/軟件失調(diào)調(diào)整：在電路中加入一個雙刀模擬開關(guān)可以在應(yīng)用中使用軟件校準(zhǔn)。圖3中，開關(guān)用于斷開電橋一側(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. 增加一個開關(guān)實(shí)現(xiàn)軟件校準(zhǔn)

這種自動歸零校準(zhǔn)已廣泛用于當(dāng)前的ADC，對于消除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雙刀雙擲開關(guān)（圖4）。將開關(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。如果將開關(guān)在A點(diǎn)時的ADC讀數(shù)減去開關(guān)在B點(diǎn)時的ADC讀數(shù)，結(jié)果將是2VoGain，此時沒有失調(diào)項。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. 增加一個雙刀、雙擲開關(guān)，增強(qiáng)軟件校準(zhǔn)功能

交流電橋激勵：這種方式不常使用，但在傳統(tǒng)設(shè)計中，電阻電橋交流激勵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，電橋的輸出將是交流信號。這個信號經(jīng)過電容耦合、放大、偏置電路等，最終信號的交流幅度與電路的任何直流失調(diào)無關(guān)。通過標(biāo)準(zhǔn)的交流測量技術(shù)可以得到交流信號的幅度。采用交流激勵時，通過減小電橋的共模電壓變化就可以完成測量，大大降低了電路對共模抑制的要求。