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电阻电桥基础:使用硅应变仪的高输出信号电桥

作者:时间:2012-05-29来源:网络收藏

噪声

如上所述,在处理小的电桥时,噪声是个很大的难题。另外,许多电桥应用的低频特性意味着必须考虑“闪烁”或1/F噪声。对噪声的详细讨论超出了本文的范围,而且目前已经有很多关于这个主题的文章。本文将主要列出设计中需要考虑的四个噪声源抑制。

将噪声阻挡在系统之外(良好接地、屏蔽及布线技术)

减少系统内部噪声(结构、元件选择和偏置电平)

降低电噪声(模拟滤波、共模抑制)

软件补偿或DSP(利用多次测量提高有效、降低干扰

近几年发展起来的高精度Σ-Δ转换器很大程度上简化了电桥信号数字化的工作。下面将介绍这些转换器解决上述五个问题的有效措施。

高精度Σ-Δ转换器(ADC)

目前,具有低噪声PGA的24位和16位Σ-Δ ADC对于低速应用中的电桥测量提供了一个完美的方案,解决了量化电桥模拟时的主要问题(见上述讨论,图2及后续内容)。

激励电压的变化,Ve缓冲基准电压输入简化了比例系统的构建。得到一个跟随Ve的基准电压,只需一个分压器和噪声滤波电容(见图2)。比例系统中,对Ve的微小变化不敏感,无需高精度的电压基准。

如果没有采用比例系统,可以选择多通道ADC。利用一个ADC通道测量电桥输出,另一个输入通道用来测量电桥的激励电压,利用式7可以校准Ve的变化。

共模电压

如果电桥和ADC由同一电源供电,电桥输出信号将会是偏置在1/2VDD的差分信号。这些输入对于大部分高精度Σ-Δ转换器来讲都很理想。另外,由于它们极高的共模抑制(高于100dB),无需担心较小的共模电压变化。

失调电压

当电压精度在亚微伏级时,电桥输出可以直接与ADC输入对接。假定没有热耦合效应,唯一的失调误差来源是ADC本身。为了降低失调误差,大部分转换器具有内部开关,利用开关可以在输入端施加零电压并进行测量。从后续的电桥测量数值中减去这个零电压测量值,就可以消除ADC的失调。许多ADC可以自动完成这个归零校准过程,否则,需要用户控制ADC的失调校准。失调校准可以把失调误差降低到ADC的噪底,小于1µVP-P。

失调漂移

对ADC进行连续地或频繁地校准,使校准间隔中温度不会有显著改变,即可有效消除由于温度变化或长期漂移产生的失调变化。需要注意的,失调读数的变化可能等于ADC的噪声峰值。如果目的是检测电桥输出在较短时间内的微小变化,最好关闭自动校准功能,因为这会减少一个噪声源。

噪声

处理噪声有三种方法,比较显著的方法是内部数字滤波器。这个滤波器可以消除高频噪声的影响,还可以抑制电源的低频噪声,电源抑制比的典型值可以达到100dB以上。降低噪声的第二种方法依赖于高共模抑制比,典型值高于100dB。高共模抑制比可以减小电桥引线产生的噪声,并降低电桥激励电压的噪声影响。最后,连续的零校准能够降低校准更新频率以下的闪烁噪声或1/F噪声。

实用的技巧

将电桥的输出与高精度的Σ-Δ ADC输入直接相连并不能解决所有问题。有些应用中,需要在电桥输出和ADC输入之间加入匹配的信号调理器,信号调理器主要完成三项任务:放大、电平转换以及差分到单端的转换。性能优异的仪表放大器能够完成所有三项功能,但价格可能很昂贵,并可能缺少对失调漂移的处理措施。下面电路可以提供有效的信号调理,其成本低于仪表放大器。

单运算放大器

如果只需要放大功能,图5所示简单电路即可满足要求。该电路看起来似乎不是最好的选择,因为它不对称,并对电桥增加了负载。但是,对于电桥来说这一负荷并不存在问题(虽然不鼓励这样做)。许多电桥为低阻输出,通常为350Ω。每路输出是它的一半或150Ω。增加电阻R1后,150Ω电阻只会轻微降低增益。当然,考虑150Ω电阻的容限和电阻的温度系数(TCR),电阻R1和R2的TCR并不能精确地与之匹配。补偿这个额外电阻的很简单,只要选择R1的阻值远远高于150Ω即可。图5包括了一个用于零校准的开关。

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图5. 连接低阻电桥的例子

差分与仪表

对于很多应用,可以用差分放大器取代仪表放大器。不仅可以降低成本,还可以减少噪声源和失调漂移的来源。对于上述放大器,必须考虑电桥阻值和TRC。

双电源供电

图6电路结构非常简单,电桥输出只用了两个运算放大器和两个电阻即完成了放大、电平转换,并输出以地为参考的信号。另外,电路还使电桥电源电压加倍,使输出信号也加倍。但这个电路的缺点是需要一个负电源,并在采用有源电桥时具有一定的非线性。如果只有某一侧电桥有源元件时,将电桥的非有源侧置于反馈回路可以产生-Ve,从而避免线性误差。

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图6. 与低阻电桥连接的替代电路

总结

电阻电桥对于检测阻值的微小变化并抑制干扰源造成的阻值变化非常有效。新型模/数转换器(ADC)大大简化了电桥的测量。增加一个此类ADC即可获得桥路检测ADC的主要功能:差分输入、内置放大器、自动零校准、高共模抑制比以及数字噪声滤波器,有助于解决电桥电路的关键问题。

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