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

6.6.4 设计说明

单极激励电压 VEXCITATION 用作 ADC 电源电压 (AVDD) 以及 ADC 基准电压 VREF。电桥电阻由于拉伸或压缩产生的微小变化会导致每个电桥的差分输出电压发生变化。与单电桥测量相比，电桥输出电压会降低，因为 VEXCITATION 在电桥 A 和电桥 B 之间进行了分配。PGA 集成到 ADC 中，并增益该低电平电桥输出信号，从而降低系统噪声并提高 ADC 满量程范围 (FSR) 的利用率。ADC 对这个经过放大的电压进行采样并对照 VREF 进行转换。此测量不成比例，因为电桥 A 的输出电压可能会根据电桥 B 的属性而变化（反之亦然）。即使在施加的负载没有变化的情况下也存在这种依赖关系，导致伪比例基准配置。假定 ADC 具有多个差分基准输入，可以通过每个电桥使用一组专用基准输入来解决这一问题。

使用伪比例基准和单极低压 (≤ 5V) 电源测量多个串联的四线电阻式电桥需要：

  • 多个差分模拟输入（AINPx 和 AINNx）或 外部多路复用器
  • 外部基准输入（专用引脚或 使用模拟电源）
  • 低噪声放大器

在实施具有多个串联电桥的电路时，需要使用具有表 6-18 所述类似参数的传感器（每个电桥的参数应相同）。遵循该指南可简化每个电桥共模电压的确定方式。此外，使用具有不同标称电阻的电桥会引入增益误差，并使负载重量的确定更为困难。假定 ADC 具有多个差分基准输入，可以通过每个电桥使用一组专用基准输入来解决后一种困难。

要开始设计，请首先使用表 6-19 中的公式计算在空载条件下 (R1 = R2 = R3 = R4) 的电桥输出共模电压 VCM(Bridge_A) 和 VCM(Bridge_B)。例如，如果 RBRIDGE = 1kΩ 且 VEXCITATION = 5V，则方程式 65 和方程式 66 可得到以下结果：

方程式 65. VCM(Bridge_A) = 5 V • (3 / 4) = 3.75 V
方程式 66. VCM(Bridge_B) = 5 V • (1 / 4) = 1.25 V

图 6-12 展示了 ADC 多路复用器每个输入端的电压电平以及每个电压电平将如何施加到同一个放大器。

GUID-20211110-SS0I-RGFG-NDXS-DZF6QCZNLJ8M-low.svg图 6-12 采用串联配置的两个电桥的共模电压

在之前的示例中，其中一个系统参数是特定 ADC 放大器的共模电压目标，与之前的示例不同的是，串联电桥组合需要确定 ADC 放大器共模电压范围 VCM(ADC)_RANGE。该范围有助于适应 VCM(Bridge_A) 和 VCM(Bridge_B) 之间可能较宽的差异，在图 6-12 中也是如此。如节 6.3.4所述，用于电桥测量应用的许多 ADC 都有辅助配套资料，可帮助确定一组特定输入条件下的 ADC 放大器共模范围。

图 6-13 展示了一个示例，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_A) 和 VCM(Bridge_B) 是否处于 ADS1261 中集成的放大器的输入范围之内。

GUID-20211110-SS0I-K2QV-QDCG-DBFSL7QRNPM5-low.png图 6-13 使用 ADS1261 VCM 计算器工具验证系统要求

在图 6-13 中，VIN_CM = 3.75V，用于检查 ADC 放大器是否可接受 VCM(Bridge_A)。该工具显示具有此共模电压的输入信号没有错误，表明当增益 = 128、AVDD = 5V 且 VIN_DIFF = 10mV 时，这是一种有效的输入条件（尽管未显示，但 VIN_CM = 1.25V 也是一种有效的输入条件）。此外，该工具显示，对于这些特定设置，VCM(ADC)_RANGE 从 0.45V 扩展到 4.54V，表明该 ADC 放大器可以接受 VCM(Bridge_A) 和 VCM(Bridge_B)。

请注意，在本示例中，VCM(ADC)_RANGE 取决于 PGA 增益。因此，必须为每个电桥选择 PGA 增益，并确保 VCM(Bridge_A) 和 VCM(Bridge_B) 处于 VCM(ADC)_RANGE 范围内。PGA 增益应该是小于 ADC FSR 的最大允许值。在某些情况下，无法选择使用整个 ADC FSR 的放大器增益。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仍然满足所有系统要求。

接下来，使用表 6-19 中的公式和表 6-18 中的参数，确定每个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)。如果系统不使用整个电桥输出范围，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 67 给出：

方程式 67. VOUT(System Max) = VOUT(Bridge Max) • (2.5 kg / 5 kg) = VOUT(Bridge Max) / 2

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

最后，如果需要校准，请按照节 5.5中的说明操作。请注意，图 6-11 中的每个电桥必须单独校准，这需要主处理器计算并存储多组校准系数。