在高電壓單極電源配置中，施加到電橋的激勵電壓 V_EXCITATION 通常不能用作 ADC 電源電壓，而是需要使用額外的低電壓電源 (≤ 5V) 為 ADC 供電。而且，ADC 不能直接使用高電壓激勵源作為差分基準(zhǔn)電壓 V_REF，而是需要使用一個衰減電路。通常使用圖 6-3 所示的簡單電阻分壓器，但也可以使用其他選項(xiàng)，包括差分放大器或分立式電壓基準(zhǔn)。使用電阻分壓器或放大器可在電橋和基準(zhǔn)輸入之間引入誤差，而電橋和 ADC 輸入之間不存在該誤差，從而導(dǎo)致偽比例基準(zhǔn)配置。選擇分立式電壓基準(zhǔn)會導(dǎo)致非比例配置。還有必要確保高電壓電橋輸出信號處于 ADC 的低電壓輸入范圍之內(nèi)。解決這一設(shè)計(jì)困難需要使用放大器，如圖 6-3 所示。在電橋和 ADC 之間添加放大器可引入誤差，而電橋和基準(zhǔn)輸入之間不存在該誤差，這進(jìn)一步降低了偽比例基準(zhǔn)配置的有效性 。

使用偽比例基準(zhǔn)和單極高電壓 (> 5V) 電源的四線電阻式電橋的測量需要：

• 差分模擬輸入（AINP 和 AINN）
• 外部基準(zhǔn)輸入或 集成式電壓基準(zhǔn)
• 低噪聲放大器
• 高電壓電源
• V_REF 衰減電路（電阻分壓器、差分放大器等）或 單獨(dú)的電壓基準(zhǔn)
• V_IN 衰減電路（如果適用）

首先，使用表 6-7 中的公式和表 6-6 中的參數(shù)，確定電橋的最大差分輸出電壓 V_{OUT(Bridge Max)}。該值是電橋在正常運(yùn)行條件下可以提供的最大輸出電壓，并對應(yīng)于可以施加到電橋的最大負(fù)載 Load_{(Bridge Max)}。如果系統(tǒng)不使用電橋的整個輸出范圍，則 V_{OUT(System Max)} 定義的是施加到特定系統(tǒng)的最大差分輸出信號，Load_{(System Max)} 是對應(yīng)的最大負(fù)載。例如，如果 V_{OUT(Bridge Max)} 對應(yīng)于 Load_{(Bridge Max)} = 5kg，但系統(tǒng)規(guī)格只要求 Load_{(System Max)} = 2.5kg，則 V_{OUT(System Max)} 由方程式 46 給出：

請注意，如果 Load_{(System Max)} = Load_{(Bridge Max)}，則 V_{OUT(System Max)} = V_{OUT(Bridge Max)}。

確定了 V_{OUT(System Max)} 后，為放大器選擇對應(yīng)的增益值。對于這一特定電路組態(tài)，可由外部或內(nèi)部放大器來施加增益。在任一種情況下，放大器增益都應(yīng)該是小于 ADC 滿量程范圍 (FSR) 的最大允許值。在某些情況下，不可能選擇使用整個 ADC FSR 的放大器增益，尤其是在選擇了具有集成 PGA 的 ADC 時。雖然這通常是分辨率和易用性之間的一種可接受的折衷，但應(yīng)確保在 ADC FSR 無法最大化的情況下所有系統(tǒng)要求仍然得到滿足。

接下來，考慮電橋輸出共模電壓 V_CM(Bridge) 在施加于 ADC 之前是否需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。用于電橋測量應(yīng)用的許多 ADC 都有支持配套資料，參考這些資料有助于完成此過程。圖 6-4 給出了一個示例，說明了如何使用 ADS1261 Excel 計(jì)算器中的共模范圍計(jì)算器 來確定 V_CM(Bridge) 是否處于 ADS1261 中集成的放大器的輸入范圍之內(nèi)。

圖 6-4 使用 ADS1261 VCM 計(jì)算器工具驗(yàn)證系統(tǒng)要求

在圖 6-4 中，VIN_CM = 7.5V，也就是空載條件下 (R1 = R2 = R3 = R4) 圖 6-3 中的 V_CM(Bridge)。該工具突出顯示了幾個錯誤，指示這不是有效的輸入條件。盡管差分輸入電壓 VIN_DIFF 完全處于放大器輸入范圍 ±78mV 內(nèi)，仍然得到了這個結(jié)果。可以選擇一個能夠直接測量高電壓信號的 ADC，例如 ADS125H02，但當(dāng) V_EXCITATION > 5V 時，大多數(shù) ADC 都需要一個衰減級。

如果 ADC 不能直接支持高電壓輸入信號，圖 6-3 顯示了如何使用外部放大器對電橋輸出共模電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。放大器配置有三種選擇：

1. 具有高增益的儀表放大器，例如 INA849
2. 集成式差分放大器，例如增益為 1 的 INA105
3. 由多個運(yùn)算放大器和電阻反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的分立式差分放大器或 儀表放大器

在電橋和 ADC 之間添加放大器可在 ADC 輸入中引入誤差，而電橋和 V_REF 輸入之間不存在該誤差，這進(jìn)一步降低了偽比例基準(zhǔn)配置的有效性。根據(jù)所需的系統(tǒng)準(zhǔn)確度和精度選擇適當(dāng)?shù)钠骷?，同時還要考慮到系統(tǒng)限制條件，例如成本、尺寸和功耗。此外，所有放大器配置都需要基準(zhǔn)電壓 REF，用于將放大器輸出共模電壓設(shè)置為適合 ADC 的電平。在表 6-6 中，此電壓為 V_CM(ADC)，通常設(shè)置為 1/2 Vs (AVDD/2)。但對于這組特定條件，圖 6-4 顯示的 ADC 放大器 V_CM(ADC) 范圍為 0.45V 至 4.54V。

某些 ADC（包括 ADS1261 和 ADS124S08）集成了精密基準(zhǔn)，其輸出引腳可用于使放大器偏置，從而盡可能減少元件數(shù)量。如果所選 ADC 上沒有這一特性，請選擇低漂移、高精度基準(zhǔn)源以盡可能減小誤差。此外，確保整個放大器電路為低噪聲、高精度電路，因?yàn)檩斎胄盘栒{(diào)理電路中的任何誤差都會傳遞到 ADC 輸出。

選擇外部放大器電路后，選擇系統(tǒng)基準(zhǔn)源。當(dāng)選擇分立式電壓基準(zhǔn)時，要確保該元件是高精度、低漂移元件，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能。要在 V_EXCITATION 和 V_REF 之間保持偽比例關(guān)系，請選擇一個電阻分壓器來衰減電橋激勵電壓。圖 6-3 所示的電阻分壓器包括兩個電阻器，在底部元件 R_REF 兩端建立基準(zhǔn)電壓。由于 ADC AVDD 是單極，V_REFN 通常設(shè)置為 0V，從而可以使用方程式 47 來表示 R_TOP 與 R_REF 的比率：

在圖 6-3 所示的給定條件下（V_REF = 5V，V_EXCITATION = 15V），方程式 48 確定電阻比率：

因此，如果 R_REF 的阻抗 = R，則圖 6-3 中的 R_TOP = 2 ? R。

為基準(zhǔn)路徑選擇高精度 (≤ 0.1%)、低溫度漂移 (≤ 10ppm/°C) 電阻器。將標(biāo)稱電阻值保持在低水平以限制熱噪聲。例如， 1k? 的電阻器在 25°C 和 1kHz 帶寬時可產(chǎn)生 128nV_RMS 噪聲。這些條件對于保持 V_REF 盡可能接近與 V_EXCITATION 成比例并盡可能減小總體測量誤差非常重要。此外，根據(jù) ADC 差分基準(zhǔn)輸入的阻抗，可能需要使用緩沖器。緩沖器也可能引入誤差并進(jìn)一步降低 V_IN 和 V_REF 之間的比例關(guān)系。

最后，如果需要校準(zhǔn)，請按照節(jié) 5.5中的說明操作。