单极激励电压 V_EXCITATION 用作 ADC 电源电压 (AVDD) 以及 ADC 基准电压 V_REF。电桥电阻由于拉伸或压缩产生的微小变化会改变每个电桥的差分输出电压。电路配置对每个电桥的输出进行整合并求平均值，从而产生与施加的负载成正比的电压。PGA 集成到 ADC 中，并增益该低电平信号，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 V_REF 进行转换，该电压与用于激励每个电桥的电压相同，因此是比例电压。在比例基准配置中，V_IN 和 V_REF 中的激励源噪声和漂移都是相等的，从而有效地从 ADC 输出代码中消除了这些误差。

使用单通道 ADC、比例基准和单极低电压 (≤ 5V) 电源测量多个并联的四线电阻式电桥需要：

• 差分模拟输入（AINP 和 AINN）
• 外部基准输入（专用引脚或 使用模拟电源）
• 低噪声放大器

在使用多通道 ADC 测量多个并联电桥时，ADC 单独测量每个电桥，主处理器对这些值求和，以确定施加的负载。使用单通道 ADC 测量多个并联电桥时，在将输入信号施加到 ADC 之前执行上述求和 操作。为了理解图 6-14 中的电桥电路如何产生与施加负载成正比的电压，将每个电桥转换为戴维南等效电路很有帮助。

图 6-15 在假定 R >> ΔR 的情况下给出了标准电桥电路的戴维南等效电路。

图 6-15 单个电桥电路的戴维南等效电路

在图 6-15 中，V_TH+ 和 V_TH– 可分别使用方程式 71 和方程式 72 进行计算：

图 6-16 应用图 6-15 的等效电路，展示了图 6-14 中所有四个电桥（电桥 A、B、C 和 D）的戴维南等效电路。此结果可帮助确定整个电桥电路如何产生与所施加负载成正比的输出电压。

图 6-16 四个并联电桥电路的戴维南等效电路

方程式 73 确定了 V_SIGNAL± 处的差分电桥输出电压，该电压施加到图 6-14 中的 ADC 输入 V_IN：

假设 RA = RB = RC = RD = R，则所有标称电桥电阻相同，方程式 73 可简化为方程式 74：

最终，V_IN 与 V_EXCITATION 成正比，比例为每个电桥电阻变化的平均值。

为了解方程式 74 中的结果如何转化为实际系统，使用单通道 ADC 测量多个并联电阻式电桥的一种常见应用是确定平台上的负载重量。电桥放置在平台四周的特定点，负载的重量通过本节中所述的方法进行确定。当负载不在平台的中心时，这尤其有用，因为每个电桥测量的重量与相对于负载的距离成比例。图 6-17（左）显示的红色负载在中心，而图 6-17（右）显示的负载不在中心。图 6-17 中的每个平台上具有四个电桥（蓝色），类似于图 6-14 中所示的电路。

图 6-17 使用多个并联电桥测量平台上的负载：负载在中心（左）和负载不在中心（右）

在图 6-17（左）中，当负载在平台中心时，每个电桥在理想情况下可以测得 1/4 的总负载。当负载不在中心时，如图 6-17（右）所示，与电桥 2 (B2) 和电桥 4 (B4) 相比，电桥 1 (B1) 和电桥 3 (B3) 可测得更大百分比的总负载。例如，B1 和 B3 可能各测得 45% 的总负载，而 B2 和 B4 仅各测得 5% 的总负载。因此，需要使用具有表 6-18 所述类似参数的电桥（每个电桥的参数应相同）。对采用单通道 ADC 和并联配置的每个电桥使用相同的元件，有助于简化用于确定总负载的计算过程。

具体来说，此并联电桥配置中的总负载 Load_{(System Max)} 等于可施加于每个电桥的最大负载 Load_{(Bridge Max)} 之和。假设遵守表 6-18 的表注，使所有电桥的 Load_{(Bridge Max)} 都相同，则 Load_{(System Max)} = 电桥数量 • Load_{(Bridge Max)}。例如，如果图 6-14 中每个电桥的 Load_{(Bridge Max)} = 5kg，则 Load_{(System Max)} = 4 • 5kg = 20kg。因此，每个电桥都可以随时提供最大差分输出电压 V_{OUT(Bridge Max)}。由于这个特定电路配置通过对每个电桥的输出电压求和来得到 V_SIGNAL±，因此还必须按照表 6-19 确定可施加于 ADC 的最大信号 V_OUT(Max)。

确定了 V_OUT(Max) 后，为 ADC PGA 选择对应的增益值。放大器增益应该是仍小于 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，确保在空载条件下 (R1 = R2 = R3 = R4)，电桥输出共模电压 V_CM(Bridge)（在表 6-19 中定义）处于 ADC 放大器共模电压 V_CM(ADC) 范围内。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定义。不过，定下 V_CM(Bridge) = AVDD/2 这个目标是明智的选择，因为它通常处于 V_CM(ADC) 范围的中间，按照之前的步骤可以实现尽可能高的增益。此外，当 V_EXCITATION = AVDD 时，图 6-14 中的电桥配置会在空载条件下固定将 V_CM(Bridge) 设置为 AVDD/2。

最后，图 6-14 中的电路带来了一个额外的困难，即无法轻松校准每个电桥，因为它们都共用 V_SIGNAL± 导线。这与使用多通道 ADC 的多个并联电桥电路不同，因为在后一种情况下，每个电桥都是单独测量的。该电路配置允许主机处理器推导每个电桥的特定校准系数，并在求和之前消除测量误差。比较而言，图 6-14 中的系统将所有电桥误差合并在一起，这会得到一组仅适用于校准过程中所用的特定设置的校准系数。

为了演示发生这个问题的原因，图 6-18 绘制了与 图 6-17 类似的重量测量系统的假设的电桥响应曲线。在本例中，V_REF = V_EXCITATION = 5V，而每个电桥的灵敏度为 2mV/V，并且 Load_{(Bridge Max)} = 2kg。该系统还具有 2kg 的施加负载 W。

图 6-18 使用四个并联电桥和单通道 ADC 校准称重系统

此示例中四个电桥的每个电桥如果都具有图 6-18 中的绿色理想响应，则它们的 V_{OUT(Bridge Max)} = V_{OUT(Ideal Max)} = 10mV。但本示例假设每个传感器都有一定的失调电压值。如图 6-18 中的蓝色曲线所示，B1 的失调电压为 1mV (B_{Actual_B1} = 1mV)，B_{Actual_B2} = 2mV，B_{Actual_B3} = 3mV，B_{Actual_B4} = 4mV。受失调电压影响的电桥响应会改变每个电桥 (V_{OUT(Bx Max)}) 的 V_{OUT(Bridge Max)}。本示例中单个电桥的输出电压 V_B 由方程式 75 给出：

在方程式 75 中，比例缩放因子 P_Bridge 是由该特定电桥测得的总负载百分比。假设负载在中心，如图 6-17（左）所示，图 6-18 中的所有四个电桥的 P_Bridge = 1/4 = 25%。无论它们是理想状态（绿色曲线）还是受失调电压影响（蓝色曲线），情况都是如此。

当 P_Bridge = 25%、W = 2kg 且 Load_{(Bridge Max)} = 2kg 时，绿色理想曲线所表示的四个电桥中的每个电桥都将具有 2.5mV 的输出电压。这会在 V_SIGNAL± 处产生 4 ∙ 2.5mV = 10mV 的总输出电压。比较而言，对图 6-18 中的四个受失调电压影响的蓝色电桥响应施加方程式 75 会得到方程式 76 至方程式 79 中的结果：

施加到 V_SIGNAL± 的总输出电压是方程式 76 至方程式 79 中结果的总和，即
12.5mV。与理想电压 10mV 相比，这包括了 2.5mV 的误差。此误差电压将以失调电压校准系数的形式存储在主处理器中，并从每次后续测量中删除。

接下来，假设负载在 B1 和 B3 之间移动，如图 6-17（右）所示。在这种情况下，每个电桥测得的负载部分是不相等的，这会改变每个电桥的输出电压。在使用本节之前给定的分配（P_B1 = P_B3 = 45%，P_B2 = P_B4 = 5%）的情况下，每个电桥生成的输出电压由方程式 80 至方程式 83 给出：

与负载在中心的情况类似，施加到 V_SIGNAL± 的总输出电压是所有 V_Bx 的总和，即 12.1mV。减去先前确定的失调电压误差值 2.5mV，得到校准后的电压为 9.6mV，与理想值 (10mV) 相比，产生了 4% 的误差。尽管第一种与第二种情况之间唯一的差别是负载在称重秤上的位置，但还是产生了这样的结果。考虑到其他常见误差，比如灵敏度误差、ADC 误差、导线电阻所致的增益误差以及标称电桥电阻的变化，系统精度可能会进一步降低。

最终，使用单通道 ADC 测量多个并联电桥的系统需要良好匹配的电桥传感器，它们需要具有类似的规格以保持高性能结果。另一种方案是使用外部加法盒，在进行求和之前校准电桥传感器之间的任何差异。最后，对于某些低精度系统来说，与提高的吞吐量和设计简单性相比，此电路的性能水平可能是可以接受的。