用精密模数转换器 (ADC) 实现最精确的电桥测量

许多精密传感器均采用惠斯通电桥电路配置，这种电路配置可实现对电阻式元件精确的差分测量。电阻式元件可用于测量重量、压力、温度和其他各种类型的传感器参数。要使用精密模数转换器 (ADC) 实现最精确的电桥测量，需要详细了解这些传感器的工作原理、如何进行校准、如何连接到 ADC 以及如何配置 ADC。本应用手册概述了电桥电路、如何使用电桥测量不同的力、如何设置 ADC 测量以及测量中可能会出现哪些误差。本应用手册首先概述电桥电路基本知识、电桥电路的构建方式以及设计电桥测量系统时有哪些重要参数，并提供了展示与精密 ADC 连接的电路。

电桥概述

惠斯通电桥是用于测量一组电阻式元件阻值变化的电路。该电路具有两个并联电阻支路，充当激励电压 VEXCITATION 的分压器。每个电阻分压器的标称输出为 VEXCITATION 除以二。在没有施加负载的情况下，元件的电阻变化 ΔR 等于零。假设有一个理想系统，其中每个元件的标称电阻为 R，每个分压器处于相同电位，并且差分电桥输出电压 VOUT 为零。施加负载后，一个或多个元件会改变电阻，以使 ΔR ≠ 0Ω。这会导致 VOUT 发生变化，通过对电桥进行差分测量可以非常准确地计算出该变化。图 1-1 显示了使用电阻式元件的简单电桥电路的基本配置。

基本电桥电路由电阻式元件构成，电桥中包含一个可变元件。该元件是一个电阻式传感器，可将某个物理参数转换为电阻变化。如果此电阻变化与物理参数的变化成正比，则测量 ΔR 可以准确地表示所检测的物理属性。虽然本文重点介绍了使用电阻式元件的电桥，但电桥也可以由电感式或电容式元件构成。

通过更详细地分析电桥的每一侧，可以更好地了解电桥的工作方式。例如，图 1-1 中电桥的右侧与图 1-2 中所示的分压器电路很相似：

方程式 1 计算图 1-2 所示系统相对于接地点的 VOUT：

假设 VEXCITATION = 6V，R = 3000Ω 且 ΔR = 3 Ω，使用方程1可以计算出 VOUT = 3.0015V。然后计算 R 上的电压为 VR = VEXCITATION - VOUT = 2.9985V。这可以得出 ΔR 上的电压为 VΔR = VOUT - VR = 0.003V。虽然方程式 1 理论上可以计算 VOUT、VR 和 VΔR，但实际系统必须测量 VOUT 和 VR 才能得到 VΔR。由于标准测量设备所存在的限制，这可能会产生其他困难。

例如，用于测量 VOUT 和 VR 的简单 4 位数字万用表可能产生舍入误差，影响 VΔR 的计算：如果万用表将 VOUT = 3.0015V 向上舍入到 3.002V 并将 VR = 2.9985V 向下舍入到 2.998V，则 VΔR = 0.004V；或者，如果 VOUT 向下舍入到 3.001V 并且 VR 向上舍入到 2.999V，则 VΔR = 0.002V。相对于 3mV 信号，这两种情况都会产生 1mV 的测量误差，即±33% 误差。最终，4 位数字万用表没有足够高的分辨率，无法通过测量分压器中的任一电阻式元件确定 ΔR 的精确值。

为了获得更准确的结果，通过在电桥配置中放入电阻式传感器，将图 1-2 中所示的单端测量更改为了差分测量。在图 1-3 中，电桥使用第二个电阻路径与传感器路径并联。在没有施加负载的情况下，ΔR = 0Ω，VOUT = 0V。

方程式 2 假设 R1 = R2 = R3 = R 且 R4 = R + ΔR，计算图 1-3 所示系统的差分输出电压。

使用与单端示例中相同的值，其中 VEXCITATION = 6V，R=3000Ω 且 ΔR= 3Ω，VOUT 现在的计算结果为 1.49925mV。重要的是，相同的 4 位数字万用表可以更精确地测量 VOUT，毫伏刻度读数为 1.499mV（向下舍入）或 1.500mV（向上舍入）。差分测量电桥配置中的 VOUT 可产生相对于 1.5mV 信号 <1μV 的测量误差，即 0.067% 测量误差。之所以能得到这一结果，是因为电桥配置支持直接测量 ΔR 而不是 ΔR 和 R 之间的比较测量。直接测量还支持放大 VOUT 以使 ADC 获得更大的输入信号。通过进行放大，可以对更小的 ΔR 值进行更高分辨率的测量。

单一有源电阻式元件电桥的一项困难是，其测量有固有的非线性。不同电桥结构具有不同的非线性度，某些拓扑结构可消除这种固有非线性度。这在下一部分进行了更加详细的讨论。

审核编辑：刘清