ZHCABK1A February 2022 – March 2024 ADS1119 , ADS1120 , ADS1120-Q1 , ADS112C04 , ADS112U04 , ADS1130 , ADS1131 , ADS114S06 , ADS114S06B , ADS114S08 , ADS114S08B , ADS1158 , ADS1219 , ADS1220 , ADS122C04 , ADS122U04 , ADS1230 , ADS1231 , ADS1232 , ADS1234 , ADS1235 , ADS1235-Q1 , ADS124S06 , ADS124S08 , ADS1250 , ADS1251 , ADS1252 , ADS1253 , ADS1254 , ADS1255 , ADS1256 , ADS1257 , ADS1258 , ADS1258-EP , ADS1259 , ADS1259-Q1 , ADS125H01 , ADS125H02 , ADS1260 , ADS1260-Q1 , ADS1261 , ADS1261-Q1 , ADS1262 , ADS1263 , ADS127L01 , ADS130E08 , ADS131A02 , ADS131A04 , ADS131E04 , ADS131E06 , ADS131E08 , ADS131E08S , ADS131M02 , ADS131M03 , ADS131M04 , ADS131M06 , ADS131M08

1 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 V_EXCITATION 的分壓器。每個電阻分壓器的標稱輸出為 V_EXCITATION 除以二。在沒有施加負載的情況下，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 V_OUT 為零。施加負載后，一個或多個元件會改變電阻，以使 ΔR ≠ 0Ω。這會導(dǎo)致 V_OUT 發(fā)生變化，通過對電橋進行差分測量可以非常準確地計算出該變化。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。

圖 1-1 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：

圖 1-2 作為分壓器進行測量的電阻式元件

方程式 1 計算圖 1-2 所示系統(tǒng)相對于接地點的 V_OUT：

方程式 1.

V_{O U T} = V_{E X C I T A T I O N} ? (\frac{R + ? R}{R + R + ? R}) = V_{E X C I T A T I O N} ? (\frac{R + ? R}{2 ? R + ? R})

假設(shè) V_EXCITATION = 6V，R = 3000Ω 且 ΔR = 3 Ω，使用方程式 1 可以計算出 V_OUT = 3.0015V。然后計算 R 上的電壓為 V_R = V_EXCITATION - V_OUT = 2.9985V。這可以得出 ΔR 上的電壓為 V_ΔR = V_OUT - V_R = 0.003V。雖然方程式 1 理論上可以計算 V_OUT、V_R 和 V_ΔR，但實際系統(tǒng)必須測量 V_OUT 和 V_R 才能得到 V_ΔR。由于標準測量設(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 V_OUT 和 V_R 的簡單 4 位數(shù)字萬用表可能產(chǎn)生舍入誤差，影響 V_ΔR 的計算：如果萬用表將 V_OUT = 3.0015V 向上舍入到 3.002V 并將 V_R = 2.9985V 向下舍入到 2.998V，則 V_ΔR = 0.004V；或者，如果 V_OUT 向下舍入到 3.001V 并且 V_R 向上舍入到 2.999V，則 V_ΔR = 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)。在沒有施加負載的情況下，ΔR = 0Ω，V_OUT = 0V。

圖 1-3 在兩個電阻路徑上使用差分測量的簡單電橋

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。

方程式 2.

V_{O U T} = V_{E X C I T A T I O N} ? (\frac{R + ? R}{2 ? R + ? R} - \frac{R}{2 \times R}) = V_{E X C I T A T I O N} ? (\frac{? R}{2 \times (2 ? R + ? R)})

使用與單端示例中相同的值，其中 V_EXCITATION = 6V，R = 3000Ω 且 ΔR = 3Ω，V_OUT 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 V_OUT，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 V_OUT 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 V_OUT 以使 ADC 獲得更大的輸入信號。通過進行放大，可以對更小的 ΔR 值進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，某些拓撲結(jié)構(gòu)可消除這種固有非線性度。這在下一部分進行了更加詳細的討論。