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

1 电桥概述

惠斯通电桥是用于测量一组电阻式元件阻值变化的电路。该电路具有两个并联电阻支路，充当激励电压 VEXCITATION 的分压器。每个电阻分压器的标称输出为 VEXCITATION 除以二。在没有施加负载的情况下，元件的电阻变化 ΔR 等于零。假设有一个理想系统，其中每个元件的标称电阻为 R，每个分压器处于相同电位，并且差分电桥输出电压 VOUT 为零。施加负载后，一个或多个元件会改变电阻，以使 ΔR ≠ 0Ω。这会导致 VOUT 发生变化，通过对电桥进行差分测量可以非常准确地计算出该变化。图 1-1 显示了使用电阻式元件的简单电桥电路的基本配置。

GUID-20211110-SS0I-HCWL-6TLD-MW1P9DDRKW1K-low.svg图 1-1 简单电桥电路的基本配置

基本电桥电路由电阻式元件构成，电桥中包含一个可变元件。该元件是一个电阻式传感器，可将某个物理参数转换为电阻变化。如果此电阻变化与物理参数的变化成正比，则测量 ΔR 可以准确地表示所检测的物理属性。虽然本文重点介绍了使用电阻式元件的电桥，但电桥也可以由电感式或电容式元件构成。

通过更详细地分析电桥的每一侧，可以更好地了解电桥的工作方式。例如，图 1-1 中电桥的右侧与图 1-2 中所示的分压器电路很相似：

GUID-20211110-SS0I-ZVTJ-MGG6-GT9ZKC4NKXCP-low.svg图 1-2 作为分压器进行测量的电阻式元件

方程式 1 计算图 1-2 所示系统相对于接地点的 VOUT：

方程式 1. V O U T =   V E X C I T A T I O N ∙ R + ∆ R R + R + ∆ R = V E X C I T A T I O N ∙ R + ∆ R 2 ∙ R + ∆ R

假设 VEXCITATION = 6V，R = 3000Ω 且 ΔR = 3 Ω，使用方程式 1 可以计算出 VOUT = 3.0015V。然后计算 R 上的电压为 VR = VEXCITATION - VOUT = 2.9985V。这可以得出 ΔR 上的电压为 VΔR = VOUT - VR = 0.003V。虽然方程式 1 理论上可以计算 VOUT、VR 和 VΔR，但实际系统必须测量 VOUT 和 VR 才能得到 VΔR。由于标准测量设备所存在的限制，这可能会产生其他困难。

例如，用于测量 VOUT 和 VR 的简单 4 位数字万用表可能产生舍入误差，影响 VΔR 的计算：如果万用表将 VOUT = 3.0015V 向上舍入到 3.002V 并将 VR = 2.9985V 向下舍入到 2.998V，则 VΔR = 0.004V；或者，如果 VOUT 向下舍入到 3.001V 并且 VR 向上舍入到 2.999V，则 VΔR = 0.002V。相对于 3mV 信号，这两种情况都会产生 1mV 的测量误差，即 ±33% 误差。最终，4 位数字万用表没有足够高的分辨率，无法通过测量分压器中的任一电阻式元件确定 ΔR 的精确值。

为了获得更准确的结果，通过在电桥配置中放入电阻式传感器，将图 1-2 中所示的单端测量更改为了差分测量。在图 1-3 中，电桥使用第二个电阻路径与传感器路径并联。在没有施加负载的情况下，ΔR = 0Ω，VOUT = 0V。

GUID-20211110-SS0I-TZJ5-ZJH4-M5CFN5TQDXZB-low.svg图 1-3 在两个电阻路径上使用差分测量的简单电桥

方程式 2 假设 R1 = R2 = R3 = R 且 R4 = R + ΔR，计算图 1-3 所示系统的差分输出电压。

方程式 2. V O U T =   V E X C I T A T I O N ∙ R + ∆ R 2 ∙ R + ∆ R - R 2 × R =   V E X C I T A T I O N ∙ ∆ R 2 × 2 ∙ R + ∆ R  

使用与单端示例中相同的值，其中 VEXCITATION = 6V，R = 3000Ω 且 ΔR = 3Ω，VOUT 现在的计算结果为 1.49925mV。重要的是，相同的 4 位数字万用表可以更精确地测量 VOUT，毫伏刻度读数为 1.499mV（向下舍入）或 1.500mV（向上舍入）。差分测量电桥配置中的 VOUT 可产生相对于 1.5mV 信号 <1μV 的测量误差，即 0.067% 测量误差。之所以能得到这一结果，是因为电桥配置支持直接测量 ΔR 而不是 ΔR 和 R 之间的比较测量。直接测量还支持放大 VOUT 以使 ADC 获得更大的输入信号。通过进行放大，可以对更小的 ΔR 值进行更高分辨率的测量。

单一有源电阻式元件电桥的一项困难是，其测量有固有的非线性。不同电桥结构具有不同的非线性度，某些拓扑结构可消除这种固有非线性度。这在下一部分进行了更加详细的讨论。