電阻電橋基礎(chǔ):使用硅應(yīng)變儀的高輸出信號電橋

一個有源元件

第二種情況僅采用一個有源元件（式3），當(dāng)成本或布線比信號幅度更重要時，通常采用這種方式。

式3：Vo = Ve（dR/（4R+2dR））帶一個有源元件的電橋

正如所料，帶一個有源元件的電橋輸出信號幅度只有帶四個有源元件的電橋輸出幅度的1/4。這種配置的關(guān)鍵是在分母中出現(xiàn)了dR項，所以會導(dǎo)致非線性輸出。這種非線性很小而且可以預(yù)測，必要時可以通過軟件校準。

兩個具有相反響應(yīng)特性的有源元件

第三種情況如式4所示，包含兩個有源元件，但阻值變化特性相反（dR和-dR）。兩個電阻放置在電橋的同一側(cè)（R1和R2，或R3和R4）。正如所料，此時的靈敏度是單有源元件電橋的兩倍，是四有源元件電橋的一半。這種配置下，輸出是dR和dR/R的線性函數(shù)，分母中沒有dR項。

式4：Vo = Ve（dR/（2R））具有相反響應(yīng)特性的兩個有源元件

在上述第二種和第三種情況下，只有一半電橋處于有效的工作狀態(tài)。另一半僅僅提供基準電壓，電壓值為Ve電壓的一半。因此，四個電阻實際上并一定具有相同的標稱值。重要的是電橋左側(cè)的兩個電阻間匹配以及電橋右側(cè)的兩個電阻間匹配。

兩個相同的有源元件

第四種情況同樣采用兩個有源元件，但這兩個元件具有相同的響應(yīng)特性，它們的阻值同時增大或減小。為了有效工作，這些電阻必須位于電橋的對角位置（R1和R3，或R2和R4）。這種配置的明顯優(yōu)勢是將同樣類型的有源元件用在兩個位置，缺點是存在非線性輸出，式5中的分母中含有dR項。

式5：Vo = Ve（dR/（2R+dR）在電壓驅(qū)動的電橋中有兩個相同的有源元件

這個非線性是可以預(yù)測的，而且，可以通過軟件或通過電流源（而不是電壓源）驅(qū)動電橋來消除非線性特性。式6中，Ie是激勵電流，值得注意的是：式6中的Vo僅僅是dR的函數(shù)，而不是上面提到的與dR/R成比例。

式6： Vo = Ie（dR/2）在電流驅(qū)動的電橋中有兩個相同的有源元件

了解上述四種不同檢測元件配置下的結(jié)構(gòu)非常重要。但很多時候傳感器內(nèi)部可能存在配置未知的電橋。這種情況下，了解具體的配置不是很重要。制造商會提供相關(guān)信息，比如靈敏度的線性誤差、共模電壓等。為什么將電橋作為首選方案？通過下面的例子可以很容易地回答這個問題。

測壓元件

電阻橋的一個常用例子是帶有四個有源元件的測壓單元。四個應(yīng)力計按照電橋方式配置并固定在一個剛性結(jié)構(gòu)上，在該結(jié)構(gòu)上施加壓力時會發(fā)生輕微變形。有負荷時，兩個應(yīng)力計的值會增加，而另外兩個應(yīng)力計的值會減小。這個阻值的改變很小，在1V激勵電壓下，測壓單元的滿幅輸出是2mV。從式2我們可以看出相當(dāng)于阻值滿幅變化的0.2%。如果測壓單元的輸出要求12位的測量精度，則必須能夠精確檢測到1/2ppm的阻值變化。直接測量1/2ppm變化阻值需要21位的ADC。除了需要高精度的ADC，ADC的基準還要非常穩(wěn)定，它隨溫度的改變不能夠超過1/2ppm。這兩個原因是驅(qū)動使用電橋結(jié)構(gòu)的主要原因，但驅(qū)動電橋的使用還有一個更重要的原因。

測壓單元的電阻不僅僅會對施加的壓力產(chǎn)生響應(yīng)，固定測壓元件裝置的熱膨脹和壓力計材料本身的TCR都會引起阻值變化。這些不可預(yù)測的阻值變化因素可能會比實際壓力引起的阻值變化更大。但是，如果這些不可預(yù)測的變化量同樣發(fā)生在所有電橋電阻上，它們的影響就可以忽略或消除。例如，如果不可預(yù)測變化量為200ppm，相當(dāng)于滿幅的10%。式2中，200ppm的阻值R的變化對于12位測量來說低于1個LSB。很多情況下，阻值dR的變化與R的變化成正比。即dR/R的比值保持不變，因此R值的200ppm變化不會產(chǎn)生影響。R值可以加倍，但輸出電壓不受影響，因為dR也會加倍。

上述例子表明采用電橋可以簡化電阻值微小改變時的測量工作。以下講述電橋測量電路的主要考慮因素。

電橋電路的五個關(guān)鍵因素

在測量低輸出信號的電橋時，需要考慮很多因素。其中最主要的五個因素是：

激勵電壓

共模電壓

失調(diào)電壓

失調(diào)漂移