用精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 實現(xiàn)最精確的電橋測量

許多精密傳感器均采用惠斯通電橋電路配置，這種電路配置可實現(xiàn)對電阻式元件精確的差分測量。電阻式元件可用于測量重量、壓力、溫度和其他各種類型的傳感器參數(shù)。要使用精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 實現(xiàn)最精確的電橋測量，需要詳細(xì)了解這些傳感器的工作原理、如何進(jìn)行校準(zhǔn)、如何連接到 ADC 以及如何配置 ADC。本應(yīng)用手冊概述了電橋電路、如何使用電橋測量不同的力、如何設(shè)置 ADC 測量以及測量中可能會出現(xiàn)哪些誤差。本應(yīng)用手冊首先概述電橋電路基本知識、電橋電路的構(gòu)建方式以及設(shè)計電橋測量系統(tǒng)時有哪些重要參數(shù)，并提供了展示與精密 ADC 連接的電路。

電橋概述

惠斯通電橋是用于測量一組電阻式元件阻值變化的電路。該電路具有兩個并聯(lián)電阻支路，充當(dāng)激勵電壓 VEXCITATION 的分壓器。每個電阻分壓器的標(biāo)稱輸出為 VEXCITATION 除以二。在沒有施加負(fù)載的情況下，元件的電阻變化 ΔR 等于零。假設(shè)有一個理想系統(tǒng)，其中每個元件的標(biāo)稱電阻為 R，每個分壓器處于相同電位，并且差分電橋輸出電壓 VOUT 為零。施加負(fù)載后，一個或多個元件會改變電阻，以使 ΔR ≠ 0Ω。這會導(dǎo)致 VOUT 發(fā)生變化，通過對電橋進(jìn)行差分測量可以非常準(zhǔn)確地計算出該變化。圖 1-1 顯示了使用電阻式元件的簡單電橋電路的基本配置。

基本電橋電路由電阻式元件構(gòu)成，電橋中包含一個可變元件。該元件是一個電阻式傳感器，可將某個物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電阻變化。如果此電阻變化與物理參數(shù)的變化成正比，則測量 ΔR 可以準(zhǔn)確地表示所檢測的物理屬性。雖然本文重點介紹了使用電阻式元件的電橋，但電橋也可以由電感式或電容式元件構(gòu)成。

通過更詳細(xì)地分析電橋的每一側(cè)，可以更好地了解電橋的工作方式。例如，圖 1-1 中電橋的右側(cè)與圖 1-2 中所示的分壓器電路很相似：

方程式 1 計算圖 1-2 所示系統(tǒng)相對于接地點的 VOUT：

假設(shè) VEXCITATION = 6V，R = 3000Ω 且 ΔR = 3 Ω，使用方程1可以計算出 VOUT = 3.0015V。然后計算 R 上的電壓為 VR = VEXCITATION - VOUT = 2.9985V。這可以得出 ΔR 上的電壓為 VΔR = VOUT - VR = 0.003V。雖然方程式 1 理論上可以計算 VOUT、VR 和 VΔR，但實際系統(tǒng)必須測量 VOUT 和 VR 才能得到 VΔR。由于標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備所存在的限制，這可能會產(chǎn)生其他困難。

例如，用于測量 VOUT 和 VR 的簡單 4 位數(shù)字萬用表可能產(chǎn)生舍入誤差，影響 VΔR 的計算：如果萬用表將 VOUT = 3.0015V 向上舍入到 3.002V 并將 VR = 2.9985V 向下舍入到 2.998V，則 VΔR = 0.004V；或者，如果 VOUT 向下舍入到 3.001V 并且 VR 向上舍入到 2.999V，則 VΔR = 0.002V。相對于 3mV 信號，這兩種情況都會產(chǎn)生 1mV 的測量誤差，即±33% 誤差。最終，4 位數(shù)字萬用表沒有足夠高的分辨率，無法通過測量分壓器中的任一電阻式元件確定 ΔR 的精確值。

為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，通過在電橋配置中放入電阻式傳感器，將圖 1-2 中所示的單端測量更改為了差分測量。在圖 1-3 中，電橋使用第二個電阻路徑與傳感器路徑并聯(lián)。在沒有施加負(fù)載的情況下，ΔR = 0Ω，VOUT = 0V。

方程式 2 假設(shè) R1 = R2 = R3 = R 且 R4 = R + ΔR，計算圖 1-3 所示系統(tǒng)的差分輸出電壓。

使用與單端示例中相同的值，其中 VEXCITATION = 6V，R=3000Ω 且 ΔR= 3Ω，VOUT 現(xiàn)在的計算結(jié)果為 1.49925mV。重要的是，相同的 4 位數(shù)字萬用表可以更精確地測量 VOUT，毫伏刻度讀數(shù)為 1.499mV（向下舍入）或 1.500mV（向上舍入）。差分測量電橋配置中的 VOUT 可產(chǎn)生相對于 1.5mV 信號 <1μV 的測量誤差，即 0.067% 測量誤差。之所以能得到這一結(jié)果，是因為電橋配置支持直接測量 ΔR 而不是 ΔR 和 R 之間的比較測量。直接測量還支持放大 VOUT 以使 ADC 獲得更大的輸入信號。通過進(jìn)行放大，可以對更小的 ΔR 值進(jìn)行更高分辨率的測量。

單一有源電阻式元件電橋的一項困難是，其測量有固有的非線性。不同電橋結(jié)構(gòu)具有不同的非線性度，某些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可消除這種固有非線性度。這在下一部分進(jìn)行了更加詳細(xì)的討論。

審核編輯：劉清