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

6.3.4 设计注意事项

在高电压单极电源配置中，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。而且，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 6-3 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。还有必要确保高电压电桥输出信号处于 ADC 的低电压输入范围之内。解决这一设计困难需要使用放大器，如图 6-3 所示。在电桥和 ADC 之间添加放大器可引入误差，而电桥和基准输入之间不存在该误差，这进一步降低了伪比例基准配置的有效性 。

使用伪比例基准和单极高电压 (> 5V) 电源的四线电阻式电桥的测量需要：

  • 差分模拟输入（AINP 和 AINN）
  • 外部基准输入或 集成式电压基准
  • 低噪声放大器
  • 高电压电源
  • VREF 衰减电路（电阻分压器、差分放大器等）或 单独的电压基准
  • VIN 衰减电路（如果适用）

首先，使用表 6-7 中的公式和表 6-6 中的参数，确定电桥的最大差分输出电压 VOUT(Bridge Max)。该值是电桥在正常运行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，但系统规格只要求 Load(System Max) = 2.5kg，则 VOUT(System Max) 由方程式 46 给出：

方程式 46. 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。对于这一特定电路组态，可由外部或内部放大器来施加增益。在任一种情况下，放大器增益都应该是小于 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，但应确保在 ADC FSR 无法最大化的情况下所有系统要求仍然得到满足。

接下来，考虑电桥输出共模电压 VCM(Bridge) 在施加于 ADC 之前是否需要进行电平转换。用于电桥测量应用的许多 ADC 都有支持配套资料，参考这些资料有助于完成此过程。图 6-4 给出了一个示例，说明了如何使用 ADS1261 Excel 计算器中的共模范围计算器 来确定 VCM(Bridge) 是否处于 ADS1261 中集成的放大器的输入范围之内。

GUID-20211110-SS0I-N6XN-PBNX-MRL2LXDKZTBJ-low.png图 6-4 使用 ADS1261 VCM 计算器工具验证系统要求

在图 6-4 中，VIN_CM = 7.5V，也就是空载条件下 (R1 = R2 = R3 = R4) 图 6-3 中的 VCM(Bridge)。该工具突出显示了几个错误，指示这不是有效的输入条件。尽管差分输入电压 VIN_DIFF 完全处于放大器输入范围 ±78mV 内，仍然得到了这个结果。可以选择一个能够直接测量高电压信号的 ADC，例如 ADS125H02，但当 VEXCITATION > 5V 时，大多数 ADC 都需要一个衰减级。

如果 ADC 不能直接支持高电压输入信号，图 6-3 显示了如何使用外部放大器对电桥输出共模电压进行电平转换。放大器配置有三种选择：

  1. 具有高增益的仪表放大器，例如 INA849
  2. 集成式差分放大器，例如增益为 1 的 INA105
  3. 由多个运算放大器和电阻反馈网络构成的分立式差分放大器或 仪表放大器

在电桥和 ADC 之间添加放大器可在 ADC 输入中引入误差，而电桥和 VREF 输入之间不存在该误差，这进一步降低了伪比例基准配置的有效性。根据所需的系统准确度和精度选择适当的器件，同时还要考虑到系统限制条件，例如成本、尺寸和功耗。此外，所有放大器配置都需要基准电压 REF，用于将放大器输出共模电压设置为适合 ADC 的电平。在表 6-6 中，此电压为 VCM(ADC)，通常设置为 1/2 Vs (AVDD/2)。但对于这组特定条件，图 6-4 显示的 ADC 放大器 VCM(ADC) 范围为 0.45V 至 4.54V。

某些 ADC（包括 ADS1261 和 ADS124S08）集成了精密基准，其输出引脚可用于使放大器偏置，从而尽可能减少元件数量。如果所选 ADC 上没有这一特性，请选择低漂移、高精度基准源以尽可能减小误差。此外，确保整个放大器电路为低噪声、高精度电路，因为输入信号调理电路中的任何误差都会传递到 ADC 输出。

选择外部放大器电路后，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来衰减电桥激励电压。图 6-3 所示的电阻分压器包括两个电阻器，在底部元件 RREF 两端建立基准电压。由于 ADC AVDD 是单极，VREFN 通常设置为 0V，从而可以使用方程式 47 来表示 RTOP 与 RREF 的比率：

方程式 47. RRATIO (R_TOP to R_REF) = (VEXCITATION / VREF) – 1

在图 6-3 所示的给定条件下（VREF = 5V，VEXCITATION = 15V），方程式 48 确定电阻比率：

方程式 48. RRATIO (R_TOP to R_REF) = (15V / 5V) – 1 = 2

因此，如果 RREF 的阻抗 = R，则图 6-3 中的 RTOP = 2 • R。

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 的电阻器在 25°C 和 1kHz 带宽时可产生 128nVRMS 噪声。这些条件对于保持 VREF 尽可能接近与 VEXCITATION 成比例并尽可能减小总体测量误差非常重要。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。