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

5.5.3 校准示例

为了更好地了解校准原理，以下部分逐步介绍一个称重秤示例，该称重秤使用表 4-1 中的负载单元属性和 ADS1235。示例负载单元的标称电桥灵敏度为 2mV/V，称量范围为 2kg。假设 VEXCITATION = 5V，理想满量程电桥输出电压 VOUT(Ideal) 为 2mV/V • 5V = 10mV。这是秤上承载 2kg 重量时电桥的预期输出。VOUT(Ideal) 也是 ADC 测量的输入电压 VIN(Ideal)。

方程式 32 给出了 ADC 输出代码的通用公式：

方程式 32. ADC output code = (2N • Gain • VIN) / (A • VREF)

其中：

  • N 为 ADC 分辨率
  • A 是与 ADC 模拟电压范围有关的比例因子（有关更多信息，请参阅节 6.8.33）

对于 ADS1235，N = 24，A = 2。使用具有比例基准配置 (VREF = VEXCITATION = 5V)
和 128V/V PGA 设置的 ADS1235 时，10mV 信号可产生方程式 33 给出的理想 ADC 输出代码 ADCIdeal：

方程式 33. ADCIdeal = (10mV / 78.125mV) • 224 = 2,147,483

方程式 33 表明，当施加 2kg 重量时，无误差系统提供的 ADC 代码值应为 2,147,483，取消重量后，ADC 代码值应为 0 (VIN(Ideal) = 0V)。图 5-15 显示了使用示例参数时的理想电桥响应。

GUID-20211210-SS0I-RKG7-N1XB-6RQ33STTX2HC-low.svg图 5-15 示例电桥测量系统的理想响应

对于本示例，图 5-15 中的系统输入（X 轴）是施加的重量，系统输出是 ADC 代码（Y 轴）。用于确定校准系数的系统输出应是 ADC 代码，这是因为微控制器执行的校准过程使用 ADC 代码作为输入（请参阅图 5-12）。

遗憾的是，与图 5-15 中的理想响应相比，实际系统总会有一定的误差，从而降低系统精度。例如，ADC 和放大级具有固有误差，而电桥连接的选择可能会引入增益误差。甚至负载单元也有固有失调（零点平衡）和增益误差（灵敏度误差），如表 4-1 所示。系统级失调和增益误差是所有这些不同来源的组合误差。图 5-16 显示了每种系统误差如何影响图 5-15 中的绿色理想电桥响应，从而导致斜率和 Y 截距未知的红色实际电桥响应。

GUID-20211210-SS0I-RCVH-QRGT-ZJZ15KDKW53Q-low.svg图 5-16 示例电桥测量系统的实际与理想响应

图 5-16 中的要点是，在不知道红色电桥响应的 BActual 值和斜率的情况下，无法将测量的 ADC 输出代码与实际施加重量相关联。当用户向此示例系统施加 2kg 测试重量时，得到的输出代码 ADCActual 为 2,684,355。ADC 代码 2,684,355 对应于 2.5kg 的施加负载，因为用户假定系统遵循绿色的理想响应。这个结果会在整个量程上产生 25% 的误差。最终，必须进行校准以确定实际电桥响应，降低这些误差并保持高精度结果。

要校准这个称重秤，首先应进行失调校准。在本示例中，在不施加重量的情况下，BActual 的测量结果为 214,748 代码。可以使用方程式 32 来反向计算 214,748 代码，当 VEXCITATION = VREF = 5V 时，计算结果约为 1mV（或 0.2kg）。此值代表所有误差源产生的总系统失调电压。

BActual 的值用于在秤上不存在负载时将显示的重量调整为 0kg。图 5-17 显示了本示例中的失调电压校准如何将未校准的红色电桥响应向下转换为失调电压校准后的蓝色电桥响应。插图右侧的称重秤图像，给出秤显示在失调电压校准之前（红色）和之后（蓝色）是如何变化的。

GUID-20211210-SS0I-QVGH-V60D-DKTRMSGJT6SB-low.svg图 5-17 对示例称重秤系统执行失调电压校准

图 5-17 中的蓝色响应相对于图 5-15 中显示的绿色理想电桥响应仍有增益误差。本示例使用经校准的 2kg 测试重量 WCalibrated，通过执行增益校准来校正该增益误差。ADC 测量 WCalibrated 并产生输出代码 ADCCalibrated 2,469,606，该代码等于 2.3kg。图 5-18 将 2kg 测试重量的理想响应与无失调电压系统中的测量响应进行了对比。插图右侧的称重秤图像，给出秤显示在增益校准之前（蓝色）和之后（绿色）是如何变化的。

GUID-20211210-SS0I-7FWK-QR8K-LMMPXSLCFNDS-low.svg图 5-18 对示例称重秤系统执行增益校准

如图 5-18 所示，即使在进行失调电压校准后，秤显示的值为 2.3kg，在整个量程上产生了 15% 的误差。此值代表所有误差源导致的总系统增益误差。为了校正该增益误差并准确显示 2kg 重量的值，必须推导比例因子 M。方程式 34 显示了如何根据测量参数计算 M：

方程式 34. M = WCalibrated / (ADCCalibrated – BActual)

方程式 34 中的一个要点是，WCalibrated 的值直接影响 M 的校准，从而影响增益校准的精度。因此，应确保正确校准并小心处理系统中使用的测试负载，使其物理属性不发生改变。

使用本示例中提供的值可得到方程式 35 中的结果：

方程式 35. M = 2 kg / (2,469,606 – 214,748) = 2 kg / 2,254,858 = 8.87 • 10-7 kg/code

方程式 89 合并这些结果，从任何 ADC 输出代码 ADCResult 推导出相应的施加重量 W：

方程式 36. W = (M • ADCResult) – (M • BActual) = M • (ADCResult - BActual)

使用本示例中提供的值可得到方程式 37 中的结果：

方程式 37. W = (8.87 • 10-7 kg/code) • (ADCResult – 214,748)

方程式 37 可用于确定施加到本示例中的称重秤的任意重量的值。例如，如果 ADCResult = 1,000,000，则 W = 0.697kg。图 5-19 显示了如何将本示例中得出的特定值应用于图 5-12 所示的校准方框图。

GUID-20211116-SS0I-F90K-WTZJ-GBVSSRDKVPLW-low.svg图 5-19 具有示例校准系数的称重秤方框图

本示例中使用的值是理论值，不代表任何特定系统的行为。另外，务必要记住，实际系统具有多个失调电压和增益误差源，尽管可能有一个误差源起主要作用，但所有误差源都需要进行考虑。在任何情况下，此校准过程都可应用于任何电桥测量系统，以消除部分常见的误差源并保持高精度结果。