電橋傳感器電路設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)也將日益復(fù)雜

電橋傳感器因其高精度和廣泛的應(yīng)用范圍，在工業(yè)自動(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，在進(jìn)行電橋傳感器的電路設(shè)計(jì)時(shí)，常常會(huì)遇到一些復(fù)雜的問(wèn)題，如信號(hào)增益不足、共模電壓干擾、直流失調(diào)等。本文將詳細(xì)探討如何避免在電橋傳感器電路設(shè)計(jì)中陷入這些困境，并提供相應(yīng)的解決方案。

一、理解電橋傳感器的基本原理

電橋傳感器，特別是惠斯通電橋，通過(guò)測(cè)量電阻的變化來(lái)檢測(cè)物理量的變化。理想情況下，當(dāng)所有四個(gè)電阻值完全相同時(shí)，電橋無(wú)負(fù)載輸出為零。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于電阻的制造容差和外界環(huán)境因素的影響，電橋的輸出往往存在一定的失調(diào)電壓。這種失調(diào)電壓會(huì)直接影響測(cè)量精度，因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須加以考慮。

二、信號(hào)增益與放大器選擇

由于電橋傳感器的輸出信號(hào)通常較小，因此，需要配置高增益放大器來(lái)放大這些信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字化處理或用于控制。精密儀表放大器因其能夠選擇性地放大兩個(gè)輸入電壓之間的差異，同時(shí)抑制兩個(gè)輸入中共有的信號(hào)，成為高精度測(cè)量的首選。

在選擇放大器時(shí)，需要考慮其增益、共模抑制比(CMRR)、噪聲水平等參數(shù)。例如，AD8237和AD8420等間接電流反饋(ICF)儀表放大器能夠在放大之前移除失調(diào)，適合用于超低電源電壓的電橋應(yīng)用。對(duì)于要求較高電源電壓的傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，AD8420則是一個(gè)良好的選擇。

三、共模電壓與直流失調(diào)的抑制

電橋傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)受到共模電壓和直流失調(diào)電壓的干擾。共模電壓是由環(huán)境噪聲、電源波動(dòng)等因素引起的，同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)輸入端上。直流失調(diào)則可能是由于電阻容差、溫度變化等引起的固定偏差。

為了抑制這些干擾，可以采取以下措施：

使用差分放大器：差分放大器能夠選擇性地放大兩個(gè)輸入電壓之間的差異，同時(shí)抑制共模電壓。精密儀表放大器就是典型的差分放大器。

施加反電壓：在參考(REF)端施加反電壓以抵消失調(diào)電壓。但這種方法的主要不足在于，如果放大器的第一級(jí)已經(jīng)飽和，則調(diào)節(jié)REF上的電壓并不能更正失調(diào)。

采用ICF儀表放大器：ICF儀表放大器能夠在放大之前移除失調(diào)，通過(guò)引入一個(gè)等于反饋和參考端子之間失調(diào)的電壓，即使在存在大輸入失調(diào)的情況下，也可將輸出調(diào)整為零伏特。

四、電橋失調(diào)的校正

電橋失調(diào)是電橋傳感器電路設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的校正方法包括：

外部電阻分流：根據(jù)具體情況，以外部電阻對(duì)電橋分流。但這種方法對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)來(lái)說(shuō)不現(xiàn)實(shí)，且在出廠后無(wú)法調(diào)整。

減少第一級(jí)增益：通過(guò)減少第一級(jí)增益，并微調(diào)REF上的電壓來(lái)移除失調(diào)，再添一個(gè)放大器電路以實(shí)現(xiàn)所需增益。這種方法需要額外的電路空間和成本。

數(shù)字化校正：減少第一級(jí)增益，以高分辨率ADC完成數(shù)字化輸出，并在軟件中移除失調(diào)。這種方法雖然靈活，但也需要考慮最差情況下與原始失調(diào)值的偏差。

更先進(jìn)的解決方案是使用帶失調(diào)移除功能的高增益電橋電路，如采用AD8237等ICF儀表放大器，結(jié)合DAC進(jìn)行微調(diào)。這種方法能夠在生產(chǎn)或安裝時(shí)完成電橋失調(diào)調(diào)整，并允許在后續(xù)環(huán)境中重新調(diào)整以適應(yīng)變化。

五、電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在電路設(shè)計(jì)中，還需要注意以下幾點(diǎn)：

選擇合適的電阻值：電阻值的選擇會(huì)直接影響電路的功耗、輸出負(fù)載以及輸入阻抗誤差。一般來(lái)說(shuō)，較大電阻值可降低功耗和輸出負(fù)載，但過(guò)大會(huì)引入噪聲;較小值可限制FB輸入偏置電流和輸入阻抗誤差，但會(huì)增加功耗。

考慮噪聲和混疊效應(yīng)：在較低速率采樣時(shí)，可以使用較大的電阻或電容組合，以進(jìn)一步減少噪聲和混疊效應(yīng)。同時(shí)，根據(jù)ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)中的建議值確定R3和C1的值。

電源和地線設(shè)計(jì)：合理的電源和地線設(shè)計(jì)對(duì)于抑制噪聲和干擾至關(guān)重要。應(yīng)盡量采用低噪聲電源，并合理布局地線以減少環(huán)路面積。

六、結(jié)論

在對(duì)電橋傳感器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮信號(hào)增益、共模電壓與直流失調(diào)的抑制、電橋失調(diào)的校正以及電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面。通過(guò)選擇合適的放大器、采取有效的抑制和校正措施，并精心設(shè)計(jì)電路布局，可以有效避免陷入困境，提高電橋傳感器的測(cè)量精度和可靠性。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，電橋傳感器電路設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)也將日益復(fù)雜。因此，持續(xù)學(xué)習(xí)和掌握最新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，對(duì)于提升電路設(shè)計(jì)的水平和質(zhì)量具有重要意義。