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.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1电桥概述
  5. 2电桥结构
    1. 2.1 电桥拓扑结构中的有源元件
      1. 2.1.1 具有一个有源元件的电桥
        1. 2.1.1.1 使用电流激励在具有一个有源元件的电桥中降低非线性
      2. 2.1.2 在对面支路中具有两个有源元件的电桥
        1. 2.1.2.1 使用电流激励消除对面支路中具有两个有源元件的电桥中的非线性
      3. 2.1.3 在同一支路中具有两个有源元件的电桥
      4. 2.1.4 具有四个有源元件的电桥
    2. 2.2 应变仪和电桥结构
  6. 3电桥连接
    1. 3.1 比例式测量
    2. 3.2 四线电桥
    3. 3.3 六线电桥
  7. 4电桥测量的电气特性
    1. 4.1 电桥灵敏度
    2. 4.2 电桥电阻
    3. 4.3 输出共模电压
    4. 4.4 失调电压
    5. 4.5 满量程误差
    6. 4.6 非线性误差和迟滞
    7. 4.7 漂移
    8. 4.8 蠕变和蠕变恢复
  8. 5信号链设计注意事项
    1. 5.1 放大
      1. 5.1.1 仪表放大器
        1. 5.1.1.1 INA 架构和运行
        2. 5.1.1.2 INA 误差源
      2. 5.1.2 集成式 PGA
        1. 5.1.2.1 集成式 PGA 架构和运行
        2. 5.1.2.2 使用集成 PGA 的优点
    2. 5.2 噪声
      1. 5.2.1 ADC 噪声数据表
      2. 5.2.2 计算电桥测量系统的 NFC
    3. 5.3 通道扫描时间和信号带宽
      1. 5.3.1 噪声性能
      2. 5.3.2 ADC 转换延迟
      3. 5.3.3 数字滤波器频率响应
    4. 5.4 交流激励
    5. 5.5 校准
      1. 5.5.1 失调校准
      2. 5.5.2 增益校准
      3. 5.5.3 校准示例
  9. 6电桥测量电路
    1. 6.1 使用比例基准和单极低电压 (≤ 5V) 激励源的四线电阻式电桥测量
      1. 6.1.1 原理图
      2. 6.1.2 优缺点
      3. 6.1.3 参数和变量
      4. 6.1.4 设计说明
      5. 6.1.5 测量转换
      6. 6.1.6 通用寄存器设置
    2. 6.2 使用比例基准和单极低电压 (≤ 5V) 激励源的六线电阻式电桥测量
      1. 6.2.1 原理图
      2. 6.2.2 优缺点
      3. 6.2.3 参数和变量
      4. 6.2.4 设计说明
      5. 6.2.5 测量转换
      6. 6.2.6 通用的寄存器设置
    3. 6.3 使用伪比例基准和单极高电压 (> 5V) 激励源的四线电阻式电桥测量
      1. 6.3.1 原理图
      2. 6.3.2 优缺点
      3. 6.3.3 参数和变量
      4. 6.3.4 设计注意事项
      5. 6.3.5 测量转换
      6. 6.3.6 通用的寄存器设置
    4. 6.4 使用伪比例基准和非对称高电压 (> 5V) 激励源的四线电阻式电桥测量
      1. 6.4.1 原理图
      2. 6.4.2 优缺点
      3. 6.4.3 参数和变量
      4. 6.4.4 设计注意事项
      5. 6.4.5 测量转换
      6. 6.4.6 通用的寄存器设置
    5. 6.5 使用比例基准和电流激励的四线电阻式电桥测量
      1. 6.5.1 原理图
      2. 6.5.2 优缺点
      3. 6.5.3 参数和变量
      4. 6.5.4 设计注意事项
      5. 6.5.5 测量转换
      6. 6.5.6 通用寄存器设置
    6. 6.6 使用伪比例基准和单极低电压 (≤ 5V) 激励源，测量多个串联四线电阻式电桥
      1. 6.6.1 原理图
      2. 6.6.2 优缺点
      3. 6.6.3 参数和变量
      4. 6.6.4 设计说明
      5. 6.6.5 测量转换
      6. 6.6.6 通用的寄存器设置
    7. 6.7 使用带比例基准和单极低电压 (≤ 5V) 激励源的单通道 ADC 测量多个并联的四线电阻式电桥
      1. 6.7.1 原理图
      2. 6.7.2 优缺点
      3. 6.7.3 参数和变量
      4. 6.7.4 设计说明
      5. 6.7.5 测量转换
      6. 6.7.6 通用的寄存器设置
    8. 6.8 使用带比例基准和单极低电压 (≤ 5V) 激励源的多通道 ADC 测量多个并联的四线电阻式电桥
      1. 6.8.1 原理图
      2. 6.8.2 优缺点
      3. 6.8.3 参数和变量
      4. 6.8.4 设计说明
      5. 6.8.5 测量转换
      6. 6.8.6 通用的寄存器设置
  10. 7总结
  11. 8Revision History

6.4.4 设计注意事项

在非对称高电压电源配置中，施加到电桥的激励电压 VEXCITATION 通常不能用作 ADC 电源电压，而是需要使用额外的低电压电源 (≤ 5V) 为 ADC 供电。此外，ADC 不能直接使用高电压激励源作为差分基准电压 VREF，而是需要使用一个衰减电路。通常使用图 6-5 所示的简单电阻分压器，但也可以使用其他选项，包括差分放大器或分立式电压基准。使用电阻分压器或放大器可在电桥和基准输入之间引入误差，而电桥和 ADC 输入之间不存在该误差，从而导致伪比例基准配置。选择分立式电压基准会导致非比例配置。最后，选择非对称电源电压，使电桥输出共模电压处于 ADC 的低电压输入范围内。否则，需使用额外的输入信号调理电路。

使用伪比例基准和非对称高电压 (> 5V) 电源的四线电阻式电桥测量需要：

  • 差分模拟输入（AINP 和 AINN）
  • 差分基准输入（REFP 和 REFN）或 集成式电压基准
  • 低噪声放大器
  • 高电压非对称电源
  • VREF 衰减电路（电阻分压器、差分放大器等）或 单独的电压基准

首先，使用表 6-9 中的公式和表 6-8 中的参数，确定电桥的最大差分输出电压 VOUT(Bridge Max)。该值提供了电桥在正常工作条件下可以提供的最大输出电压，并对应于可以施加到电桥的最大负载 Load(Bridge Max)。如果系统不使用电桥的整个输出范围，则 VOUT(System Max) 定义的是施加到特定系统的最大差分输出信号，Load(System Max) 是对应的最大负载。例如，如果 VOUT(Bridge Max) 对应于 Load(Bridge Max) = 5kg，但系统规格只需要 Load(System Max) = 2.5kg，则 VOUT(System Max) 由方程式 52 给出：

方程式 52. VOUT(System Max) = VOUT(Bridge Max) • (2.5kg / 5kg) = VOUT(Bridge Max) / 2

请注意，如果 Load(System Max) = Load(Bridge Max)，则 VOUT(System Max) = VOUT(Bridge Max)。

确定了 VOUT(System Max) 后，为放大器选择对应的增益值。放大器增益应该是小于 ADC 满量程范围 (FSR) 的最大允许值。在某些情况下，不可能选择使用整个 ADC FSR 的放大器增益，尤其是在选择了具有集成 PGA 的 ADC 时。虽然这通常是分辨率和易用性之间的一种可接受的折衷，但在 ADC FSR 无法最大化的情况仍应确保所有系统要求得到满足。

接下来，选择非对称电源的电压值，以便在空载条件下 (R1 = R2 = R3 = R4)，使电桥共模电压 VCM(Bridge) 处于 ADC 放大器共模电压范围内。ADC 放大器目标共模电压 VCM(ADC) 通常选择为 ADC 的 1/2 Vs (AVDD/2)，但这并不是必需的。放大器共模范围随元件不同而变化，并根据增益设置和电源电压在数据表中进行定义。

可以按照方程式 53 和方程式 54，使用 VCM(ADC) 和所选的电桥激励电压 VEXCITATION 来确定非对称激励电压 VEXCITATION+ 和 VEXCITATION-：

方程式 53. VEXCITATION+ = VCM(ADC) + (VEXCITATION / 2)
方程式 54. VEXCITATION- = VCM(ADC) – (VEXCITATION / 2)

计算 VEXCITATION+ 和 VEXCITATION- 后，选择系统基准源。当选择分立式电压基准时，要确保该元件是高精度、低漂移元件，以实现优异性能。要在 VEXCITATION 和 VREF 之间保持伪比例关系，请选择一个电阻分压器或差分放大器来衰减电桥激励电压。电阻分压器方法更常用，在图 6-5 中显示为三个串联电阻器。在中间元件 RREF 两端建立基准电压 VREF。方程式 55 和方程式 56 使用 VREF、之前确定的 VEXCITATION± 值以及图 6-5 中 REFN 引脚上的电压 (VREFN) 来确定 RTOP 和 RBOTTOM 与 RREF 的比率：

方程式 55. RRATIO (TOP / REF) = [(VEXCITATION+ – VREFN) / VREF] – 1
方程式 56. RRATIO (BOTTOM / REF) = (VREFN – VEXCITATION-) / VREF

例如，请考虑具有以下限制条件的系统：

  • VEXCITATION = 15V
  • VCM(ADC) = VREF = 2.5V
  • RREF = 4.7kΩ
  • VREFN = 1.25V

使用方程式 53 至方程式 56 来计算其余的系统参数：

  • VEXCITATION+ = 10V
  • VEXCITATION- = –5V
  • RRATIO (TOP / REF) = 2.5
  • RRATIO (BOTTOM / REF) = 2.5

因此，此特定系统的 RTOP = RBOTTOM = 11.8kΩ。图 6-6 显示了本例中使用的各个电压值（以蓝色表示）和电阻值（以红色表示）。

GUID-20211110-SS0I-QKQS-FP4P-JWBCH27KJ9TH-low.svg图 6-6 示例电阻值和电压值

请注意，方程式 55 和方程式 56 中有一些隐含的限制条件，包括 VEXCITATION+ > VREFN > VEXCITATION-、VEXCITATION+ > VEXCITATION- 和 VEXCITATION > VREF。不符合这些限制条件会产生无意义的结果，例如负的电阻值。最后，要检查确保每个公式的结果符合所有的最终设计要求，并且有物理意义。

在施加到 ADC 的最大绝对电压和差分基准电压附近留出余量也很重要。许多系统寻求通过尽可能提高 VREF 来提高 ADC 的动态范围。但激励电压和电阻器阻抗的变化可能会将 VREF 提高到超过 ADC 的工作范围，该范围通常不能超过 VREFN 上的 AVSS 和 VREFP 上的 AVDD。在这些条件下，请考虑小幅降低 RREF 阻抗以便留出系统容差。

为基准路径选择高精度 (≤ 0.1%)、低温度漂移 (≤ 10ppm/°C) 电阻器。将标称电阻值保持在低水平以限制热噪声。例如，1kΩ 的电阻在 25°C 和 1kHz 带宽下可产生 128nVRMS 噪声。这些条件对于保持 VREF 尽可能接近于与 VEXCITATION 成比例并尽可能减小测量总体误差非常重要。此外，根据 ADC 差分基准输入的阻抗，可能需要使用缓冲器。缓冲器也可能引入误差并进一步降低 VIN 和 VREF 之间的比例关系。

最后，如果需要校准，请按照节 5.5中的说明操作。