本應(yīng)用筆記討論了惠斯通電橋中的電阻變量元件，這是前端傳感器的首選。我們將檢查其行為，并解釋如何線性化橋接電路以優(yōu)化性能。橋式電路的簡(jiǎn)單性和有效性使其在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中監(jiān)測(cè)溫度、質(zhì)量、壓力、濕度、光和其他模擬特性非常有用。

介紹

惠斯通電橋電路通過(guò)平衡電橋電路的兩個(gè)支路（一個(gè)具有未知組件）來(lái)測(cè)量未知電阻。這些歷史悠久的電路是前端傳感器的首選之一。無(wú)論電橋是對(duì)稱的還是非對(duì)稱的，平衡的還是非平衡的，它們都可以讓您準(zhǔn)確地測(cè)量未知阻抗。由于橋式電路非常簡(jiǎn)單而有效，因此它們對(duì)于監(jiān)測(cè)工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的溫度、質(zhì)量、壓力、濕度、光線和其他模擬特性非常有用。

惠斯通電橋具有單個(gè)阻抗可變?cè)?dāng)遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)時(shí)，該元件本質(zhì)上是非線性的。橋式電路通常用于檢測(cè)距離實(shí)際電路數(shù)百英尺的鍋爐、腔室或過(guò)程的溫度。通常，傳感器元件（通常是電阻溫度檢測(cè)器（RTD）、熱敏電阻或熱電偶）位于熱/冷環(huán)境中，以提供有關(guān)電阻溫度變化的信息。

在本應(yīng)用筆記中，我們將介紹其行為，并解釋如何線性化橋式電路以提高性能。請(qǐng)注意，當(dāng)我們籠統(tǒng)地談?wù)摗半姌颉睍r(shí)，本文的重點(diǎn)是惠斯通電橋的電路設(shè)計(jì)。

具有單可變電阻的惠斯通電橋

電阻可變惠斯通電橋電路使用廉價(jià)、精確的分立器件，可執(zhí)行設(shè)計(jì)中的大部分前端任務(wù)。通過(guò)采用RTD元件（并基于RTD制造商），電橋的固有電阻變化保持在可接受的線性度和容差范圍內(nèi)。

RTD器件通常附帶非常詳細(xì)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，通過(guò)查找表表征其行為，甚至可以將函數(shù)方程傳遞到四個(gè)或更多個(gè)數(shù)量級(jí)的誤差補(bǔ)償項(xiàng)。對(duì)于高精度系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者傳統(tǒng)上必須同時(shí)考慮RTD元件和惠斯通電橋的固有非線性，然后在微控制器側(cè)對(duì)前端進(jìn)行線性化的同時(shí)，對(duì)前端進(jìn)行艱苦的校準(zhǔn)。通過(guò)增加微控制器中方程的階數(shù)來(lái)改善線性度。典型的橋式電路（圖 1）檢測(cè)電阻 （ΔR） 的毫歐變化。

圖1.節(jié)點(diǎn) A 和 B 從電阻變化 （ΔR） 檢測(cè)輸出電壓的典型電橋。

假設(shè)圖 1 中的 R1 = R2 = R3 = R4 = R，電橋與節(jié)點(diǎn) A 和 B 在恒定 V/2（伏特）下平衡，電壓為 0V，V兩端的差分電壓為 0V血型.如果電阻（ΔR）與R3發(fā)生變化，則產(chǎn)生的輸出差分電壓為：

公式2表明，增加電橋的恒定電源電壓V將增加輸出電壓，即電橋上的擺幅范圍。值得注意的是，該等式還表明，在四橋臂電阻布置上采用雙電源不僅有助于擴(kuò)大范圍，還有助于在AB節(jié)點(diǎn)上保持0V共模電壓。

電壓V血型通常通過(guò)差分放大器使用后續(xù)放大級(jí)進(jìn)行放大。但是，請(qǐng)注意，改變V兩端的共模電壓血型增加了放大第二級(jí)的誤差和復(fù)雜性，通常作為儀表質(zhì)量差分放大器實(shí)現(xiàn)。出于這個(gè)原因，擁有一個(gè)以0V為中心的共模電壓是一個(gè)好主意，并且更容易管理。

在圖2中，您可以看到電橋單變量單元的自然趨勢(shì)，其傳遞函數(shù)中固有的非線性形式。

圖2.V（AB）與ΔR的變化，電橋非線性從800Ω電阻變化的影響。為了進(jìn)行比較，此處包含一條趨勢(shì)線。

在圖 2 中，仔細(xì)查看趨勢(shì)線。線性誤差或曲線與理想直線的絕對(duì)偏差約為0.62%。該百分比是通過(guò)將曲線趨勢(shì)線與最佳擬合線（即相對(duì)于曲線的直線）進(jìn)行比較來(lái)生成的。這種方法量化了上述曲線的最差情況線性誤差。在某些情況下，0.6%的線性當(dāng)然是不可接受的。在本應(yīng)用筆記中，我們將研究一種精度優(yōu)于0.1%的方法。

除了解決電橋固有的非線性問(wèn)題外，您還必須管理溫度傳感器元件、RTD甚至熱敏電阻的非線性，如前所述。儀表放大器（圖3）在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)A和B上的差分電壓時(shí)具有V/2的共模電壓。該放大器通常是具有四個(gè)電阻的差分放大器或集成在單個(gè)封裝中的三運(yùn)放儀表放大器。

圖3.儀表放大器，連接到圖1中的原始橋式電路。

使用差分放大器時(shí)，節(jié)點(diǎn)A和B連接到放大器的輸入增益設(shè)置電阻，如圖3所示。運(yùn)算放大器和輸入電阻的選擇非常重要，因?yàn)樵撀窂綄?a href="http://www.3532n.com/tags/電流/" target="_blank">電流引離電橋，從而影響精度。

此外，您使用的電阻器類型也會(huì)影響電橋性能。例如，即使與放大器一起使用的容限為0.1%的電阻也只能提供60dB的共模抑制。

線性化電橋輸出，無(wú)需儀表放大器

根據(jù)我們之前的討論，在電阻橋上采用雙電源來(lái)增加動(dòng)態(tài)范圍似乎是一種合乎邏輯的方法。將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)以0V共模為中心也是有意義的。在這樣的設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)B的傳遞函數(shù)將隨著電阻的變化而呈線性關(guān)系。與圖1所示電路的輸出相比，電橋的輸出擺幅范圍將增加一倍。

在圖4中，我們看到了一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)方案，用兩個(gè)運(yùn)算放大器代替一個(gè)更復(fù)雜的儀表放大器。采用這種設(shè)計(jì)方法，線性化電橋輸出避免了差分放大器產(chǎn)生的不必要的電流路徑。與圖3所示電路相比，設(shè)計(jì)過(guò)程更簡(jiǎn)單。但是，放大器有正電源和負(fù)電源，提供兩倍的擺幅范圍。更好的共模抑制性能是一個(gè)額外的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈诙€(gè)放大器在0V左右舒適地工作。

圖4.在本電路中，兩個(gè)運(yùn)算放大器取代了復(fù)雜的儀表放大器（圖 3）

從圖 4 中，節(jié)點(diǎn) A 看到 GND，因?yàn)樗欠糯笃?1 的求和節(jié)點(diǎn)。因此，恒定電流被強(qiáng)制通過(guò)R1|R3支路，在電橋的另一側(cè)產(chǎn)生與-V相等且相反的電壓。當(dāng)單個(gè)可變電阻R3發(fā)生變化（從R3到R±ΔR）時(shí)，流經(jīng)該電阻的Ix（電阻變化引起的電流變化）產(chǎn)生電壓V ±ΔV。該ΔV的一個(gè)因素在節(jié)點(diǎn)B上表現(xiàn)為電阻電橋的平衡（當(dāng)然，對(duì)于平衡電橋），因?yàn)殡娏鲝?qiáng)制通過(guò)電阻支路R2|R4 等于 （V+ - （V- + ΔV））/（R3 + R4）。由于節(jié)點(diǎn)B以0V共模為中心，節(jié)點(diǎn)B兩端產(chǎn)生的電壓將由同相放大器獲得。此外，可以在此增益級(jí)上進(jìn)行濾波，以優(yōu)化帶寬，從而為應(yīng)用產(chǎn)生可接受的噪聲水平。

這表明第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出本質(zhì)上是反相的。

圖5顯示了圖4實(shí)現(xiàn)中的傳遞函數(shù)及其非線性度。

圖5.電橋輸出與電阻變化的關(guān)系。數(shù)據(jù)基于圖 4 中的設(shè)計(jì)。

在圖5中，線性誤差（與理想直線的絕對(duì)偏差）小于0.02%。當(dāng)絕對(duì)非線性度有所改善時(shí)，滿量程誤差（相對(duì)誤差）也會(huì)有所改善。

由于沒(méi)有相互作用的電阻支路，因此不必應(yīng)用電阻的精確匹配。Rx和Rg變化只會(huì)產(chǎn)生增益誤差，可以與RTD器件相同地校準(zhǔn)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，這種方法似乎適用于 12 位、14 位、16 位甚至 18 位應(yīng)用程序。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，只需要微控制器進(jìn)行很少的校準(zhǔn)。如前所述，該電路已經(jīng)成熟，多年來(lái)已在現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用。

實(shí)現(xiàn)圖4所示電路需要前端的雙電源電壓。這種負(fù)電源還需要額外的電路板空間和元件;但是，如果這是整個(gè)系統(tǒng)中唯一需要負(fù)電源的地方，這可能不是一個(gè)可行的選擇。高精度橋式傳感器還需要低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移和低噪聲性能。

使用雙通道運(yùn)算放大器進(jìn)行橋式設(shè)計(jì)

考慮以下場(chǎng)景：圖4中使用的放大器采用單電源。例如，我們來(lái)看看Maxim的MAX44267，它采用單電源供電，可以輸出雙極性電壓。與其他需要地上裕量的單電源放大器不同，MAX44267提供真零輸出，非常適合橋式傳感器（圖6）。MAX44267集成了電荷泵電路，與外部電容一起產(chǎn)生負(fù)電壓軌。放大器可采用+4.5V至+15V單電源供電，同時(shí)保持與普通雙供電軌±4.5V至±15V放大器一樣高效。

圖6.MAX44267為精密、低噪聲、低漂移、雙通道運(yùn)放，采用單電源供電提供真零輸出。

在圖6電路中，MAX44267采用單電源電壓（正電源，V抄送).積分負(fù)V黨衛(wèi)軍發(fā)生器或電荷泵產(chǎn)生負(fù)電源電壓。這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一是，它消除了對(duì)負(fù)電源穩(wěn)壓器的需求，同時(shí)還減少了電路板布局空間和成本。

圖7包括產(chǎn)生2.5V的MAX6070_A25基準(zhǔn)電壓源外參考。雙通道運(yùn)算放大器（MAX44267）與電阻電橋配合使用，其中R1 = R3 = 1kΩ，R2 = R4 = 10kΩ。.為了減少流過(guò)電橋的電流量和功耗，另外使用1.8kΩ串聯(lián)電阻。在平衡條件下，V（+）節(jié)點(diǎn)變?yōu)榛鶞?zhǔn)電壓源輸出的三分之一。接下來(lái)是第二級(jí)放大，OUTA節(jié)點(diǎn)的增益為11。

圖7.MAX44267運(yùn)算放大器采用單電源供電。

在我們的檢查中，R3被福祿克RTD校準(zhǔn)器取代，該校準(zhǔn)器用作溫度依賴性電阻元件（如PT1000），以評(píng)估-50°C至+ 155°C的溫度相關(guān)變化。 對(duì)于使用PT1000的給定溫度變化，電阻（±R）的變化約為800Ω，影響325mV的等效范圍（參見(jiàn)公式4）。放大器2由于具有內(nèi)部負(fù)電源，因此可以在低于地電位的輸入端容納此擺幅（-242mV至-83mV），同時(shí)提供11的輸出增益。?

在圖7的第二級(jí)中，Sallen-Key濾波器將輸入信號(hào)濾波到所需的帶寬（在本例中為50Hz）。無(wú)需校準(zhǔn)或調(diào)整，我們能夠從節(jié)點(diǎn)B的電橋輸出獲得±0.05%的滿量程誤差精度。這種方法使橋式電路的傳遞函數(shù)呈線性。使用MAX44267可改善前端電路性能。

測(cè)試測(cè)量

圖8顯示了絕對(duì)電橋電壓輸出與電阻變化的關(guān)系（線性曲線輸出），低于0.02%。

圖9顯示了增益誤差圖與滿量程的百分比。誤差曲線顯示小蠕動(dòng)，大約為0.002%，這是手動(dòng)數(shù)據(jù)繪制和測(cè)量設(shè)置噪聲的組合。

圖10顯示了電橋加放大器的電壓噪聲密度：1kHz時(shí)為115nV/√ Hz，50Hz時(shí)為500nV/√ Hz。在第二級(jí)實(shí)施的50 Hz濾波器，以消除對(duì)線路噪聲的敏感性。

圖11顯示了電壓噪聲（VQ-1） 橋加放大器，0.1Hz 至 10Hz，6μVQ-1.

審核編輯：郭婷