電橋傳感器電路設計的挑戰(zhàn)也將日益復雜

電橋傳感器因其高精度和廣泛的應用范圍，在工業(yè)自動化、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等領域發(fā)揮著重要作用。然而，在進行電橋傳感器的電路設計時，常常會遇到一些復雜的問題，如信號增益不足、共模電壓干擾、直流失調等。本文將詳細探討如何避免在電橋傳感器電路設計中陷入這些困境，并提供相應的解決方案。

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，通過測量電阻的變化來檢測物理量的變化。理想情況下，當所有四個電阻值完全相同時，電橋無負載輸出為零。然而，在實際應用中，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電壓。這種失調電壓會直接影響測量精度，因此，在設計電路時必須加以考慮。

二、信號增益與放大器選擇

由于電橋傳感器的輸出信號通常較小，因此，需要配置高增益放大器來放大這些信號，以便進行數(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輸入電壓之間的差異，同時抑制兩個輸入中共有的信號，成為高精度測量的首選。

在選擇放大器時，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，適合用于超低電源電壓的電橋應用。對于要求較高電源電壓的傳統(tǒng)工業(yè)應用，AD8420則是一個良好的選擇。

三、共模電壓與直流失調的抑制

電橋傳感器在實際應用中，往往會受到共模電壓和直流失調電壓的干擾。共模電壓是由環(huán)境噪聲、電源波動等因素引起的，同時出現(xiàn)在兩個輸入端上。直流失調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輸入電壓之間的差異，同時抑制共模電壓。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電壓。但這種方法的主要不足在于，如果放大器的第一級已經(jīng)飽和，則調節(jié)REF上的電壓并不能更正失調。

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，通過引入一個等于反饋和參考端子之間失調的電壓，即使在存在大輸入失調的情況下，也可將輸出調整為零伏特。

四、電橋失調的校正

電橋失調是電橋傳感器電路設計中需要重點解決的問題之一。傳統(tǒng)的校正方法包括：

外部電阻分流：根據(jù)具體情況，以外部電阻對電橋分流。但這種方法對于自動化生產來說不現(xiàn)實，且在出廠后無法調整。

減少第一級增益：通過減少第一級增益，并微調REF上的電壓來移除失調，再添一個放大器電路以實現(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。這種方法雖然靈活，但也需要考慮最差情況下與原始失調值的偏差。

更先進的解決方案是使用帶失調移除功能的高增益電橋電路，如采用AD8237等ICF儀表放大器，結合DAC進行微調。這種方法能夠在生產或安裝時完成電橋失調調整，并允許在后續(xù)環(huán)境中重新調整以適應變化。

五、電路設計與優(yōu)化

在電路設計中，還需要注意以下幾點：

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

考慮噪聲和混疊效應：在較低速率采樣時，可以使用較大的電阻或電容組合，以進一步減少噪聲和混疊效應。同時，根據(jù)ADC數(shù)據(jù)手冊中的建議值確定R3和C1的值。

電源和地線設計：合理的電源和地線設計對于抑制噪聲和干擾至關重要。應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、結論

在對電橋傳感器進行電路設計時，需要綜合考慮信號增益、共模電壓與直流失調的抑制、電橋失調的校正以及電路設計與優(yōu)化等方面。通過選擇合適的放大器、采取有效的抑制和校正措施，并精心設計電路布局，可以有效避免陷入困境，提高電橋傳感器的測量精度和可靠性。

隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，電橋傳感器電路設計的挑戰(zhàn)也將日益復雜。因此，持續(xù)學習和掌握最新的設計方法和技術，對于提升電路設計的水平和質量具有重要意義。