如何将电桥连接到激励电压和ADC

将电桥连接到 adc 通常需要在四线或六线电桥之间进行选择时,实施比例式测量。后面的章节更详细地讨论这些概念,并演示如何将电桥连接到激励电压和 adc。
比例式测量
图3-1显示了通常如何使用比例基准配置进行电桥测量。电桥的输出由 adc 进行测量,而单个电源被用作电桥激励电压和adc基准电压。
adc 对输入电压 vin 采样,并将其与基准电压 vref 进行比较。vin 是 vsignal+ 和 vsignal–(或 ainp 和 ainn)之间的电压差,而 vref 是 vsense+ 和 vsense–(或 refp 和 refn)之间的电压差。adc 按照方程式 14 生成与 vref 成正比的输出为:
方程式 14 用 avdd 代替 vref 项,因为在图 3-1 中 avdd 连接到 refp 并且 refn 接地。还要注意,方程式 13 说明 vout 等于 vexcitation 乘以 δr 与 r 之比。在图 3-1 中,avdd = vexcitation+ - vexcitation-,而 vout (bridge) = vin (adc)。代入后可得出方程式 15:
用方程式 15 代替方程式 14 中的 vin 项可得到方程式 16:
方程式 16 中的输出代码与 δr 成正比。此外,方程式 16 表明不需要 avdd 和 vin 的准确值。输出代码与电桥上的应变片成正比。比例式测量的一个优势是,测量值针对 vref 的变化相对恒定。这在方程式 16 中也有体现,公式中的输出与 δr/r 成正比,因此与 vref 或 vexcitation 的准确值无关。因此,比例式测量不太容易受 vexcitation 随时间和温度的漂移所影响。假设基准输入和测量输入中的噪声是相关的,那么 vexcitation 源中的任何噪声也应会抵消。通常,如果基准输入和测量输入的滤波器带宽相同,则上述噪声源就比较有相关性。
四线电桥
图 3-2 显示了四线电桥的连接。有两条线用于激励电桥(vexcitation+ 和 vexcitation–),两条线用于测量(vsignal+ 和 vsignal–)。adc 测量差分电桥输出电压,adc 正负基准输入分别连接到激励线路充当 vexcitation+ 和 vexcitation–。
四线电桥适用于许多数据采集系统中的基本测量。但是,vexcitation+ 和 vexcitation– 的长导线可能具有不可忽略的电阻,增加 adc 测量的误差。图 3-3 显示了一个与四线电桥相连的 adc,电桥的激励导线上具有串联电阻 rp1 和 rp2。
理论上,refp 输入端的 vexcitation+ 和 refn 输入端的 vexcitation– 与电桥的激励电压相同。不过,串联导线电阻会降低电桥本身的电压,从而改变电桥输出电压,如方程式 17 所示。
即使 rp1 和 rp2 很小,流过电桥的电流 (iexcitation) 也可能很大,从而导致显著的误差。例如,vexcitation = 5v 且电桥电阻为 350ω 时,iexcitation = 14.3ma。即使 rp1 = rp2 = 1ω,寄生电阻也会导致 0.6% 的测量误差。请注意,电桥输出(图 3-2 中的 vsignal±)导线可能具有与 rp1和 rp2大小相同的串联电阻。但是,adc 输入阻抗通常很高,通过 vsignal± 拉出的电流比iexcitation小若干个数量级。因此,与 vsignal± 导线电阻相互作用的任何电流所增加的误差可以忽略不计。
六线电桥
六线电桥可消除与四线电桥相关的导线电阻误差。六线拓扑结构具有与四线电桥相同的四条导线,同时它有额外的两条导线 (vsense±) 连接到电桥的顶部和底部。图 3-4 显示了六线电桥。
在此拓扑结果中,电桥顶部和底部的 vsense± 导线用作开尔文(或强制检测)连接,用于消除导线电阻的影响。此连接使用 vexcitation± 导线作为强制线路,将电压驱动至电桥。vexcitation± 可能是高电流,并在与电桥相连的寄生电阻两端产生压降,如节3.2所述。vsense± 导线通过绕过承载高电流的寄生导线电阻,用于准确测量电桥顶部的电压。同时,由于流过每条导线的输入电流小得多,vsense± 导线上的任何电阻会使电压误差显著降低。图 3-5 显示了六线电桥与adc的连接方式,还显示了 vexcitation± 导线上的串联电阻。
使用六线电桥拓扑结构可确保 adc vref 与驱动电桥的电压相同。与四线拓扑结构类似,尽管流过这些导线的电流显著小于 iexcitation,vsignal± 和 vsense± 导线上的电阻仍可能会增加误差。这个较低的电流会尽可能减小引入到 adc 输入和基准通路的误差,从而提高系统总体精度(与四线电桥相比)。


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