理解桥电路

桥道是电气工程中测量不明阻力的基本工具,它以钻石布局为结构,由四根阻力臂组成的经典小麦石桥仍然是最常见的地形。当桥道平衡时,两中点之间的电压为零,也就是说两侧阻力的比等于另一侧的比力。这一条件使得未知阻力能够从已知值中产生。然而,在许多实际应用中,桥道被故意在不平衡状态下运行,所生产的微微分压量与所测量量的变化成正比——无论是压力、温度、压力还是迁移。

其他桥型包括用于测量导电和电容的Maxwell,Hay,和Schering桥,以及用于低抗力测量的开尔文双桥,无论具体的地形,所有桥道都有一个共同的挑战:差分输出电压往往很小,按millivolts或微伏特的顺序排列,一般都是在大型的共程电压上叠加的. 精确地提取这个信号需要高性能差分放大器.

积极差别放大器的作用

围绕操作放大器(op-amp)建造的主动差分放大器,专门设计是为了放大两个输入信号之间的差数,同时拒绝两个输入器共同的任何电压. 这种特性被称为共模拒绝,在桥梁测量中至关重要,因为桥的激发电压(如5V或10V)在放大器输入器上显示为共模信号,如果没有足够的拒绝,共模信号会饱和放大器或者淹没感兴趣的小差分信号.

业务改进基本要点

差分放大器一般使用一个配置为减值器的单面O-amp,并配有四个精密阻力器。理想输出由:

V 出 =(R]f ]/R]i ]]×(V+] —V-]] ]]]]]

实际操作中,真实的操作标码有有限的共模拒绝比(CMR),输入抵消电压,以及必须说明的偏差电流. 现代精度操作标码,如Analog设备 ADA4528或 Texas Avists OPA2188,提供超过120 dB和超低偏差漂移,使其适合桥面放大器.

关键性能参数

  • Common-Mode 拒绝比(CMR): 测量放大器在两种输入上拒绝相同信号的好坏程度. 高CMRR(>100 dB)对于防止桥的激发破坏测量是必要的.
  • 输入偏移电压: DC小错误,增加了差分信号. 精度OP-amps已经抵消了10μV以下的电压.
  • Gain Bandwidth Product(GBWP):确定放大器维持稳定增益的频率范围,对于DC桥面测量,GBWP可以适度;对于动态信号(如振动),需要更高的带宽.
  • 噪声密度:[] 低输入电压噪声(nV/ ⁇ Hz)对于解决微电压级信号至关重要. 铁路到铁路输出级在使用单供给系统时,也有利于最大限度地扩大动态范围.

在桥面电路中执行放大器

地形选择

最简单的执行使用单个的op-amp差分放大器,然而,这种地形学的输入阻力较低,需要精确的阻力匹配来实现良好的CMRR. 对于更高的性能,偏好一个仪器放大器(INA). INA使用三相模架构:两个输入缓冲安眠药提供高阻力,一个差分安眠药提供最终增益和共模拒绝. 现代的集成INA,如 Analog设备 AD8221,包括激光-trimmed 阻力,在外部组件最小的高收益中保证CMRR高于80 dB.

组件选择

  • Op-amp或INA: 选择一个具有低偏移,高CMRR,以及适当带宽的设备. 对于阻力桥传感器,直升机稳定式的op-amp可以最小化漂移.
  • 抵抗器: 使用精确的金属膜抗器,耐受度为0.1%,温度系数低( ⁇ 50ppm/°C),用于增益设置网络. Missmatch dissual reference CMRR.
  • 电源供应: 清洁,有规范的供给是必需的,对于电池操作的仪器,使用低漏调节器和离放大器电源针近的脱钩电容器(0.1μF和10μF).
  • 串联( FLT ): 连接] 输入保护 : [[ [FLT :1]] 串联阻塞器(1 k堆积 – 10 k堆积) 和 Schottky 二极管用于地面限制断层流, 防止过度压电 。

多氯联苯布局考虑

噪音和稳定性受到布局的严重影响。

  • 将放大器尽可能靠近桥面,以尽量减少微量长度,减少电磁干扰.
  • 使用放大器和桥下坚固的地面平面。如果使用混合信号系统,则单独使用模拟和数字平面,并在一个点连接。
  • 保持反馈路径短路,避免在放大器输入器附近绕行高速数字信号.
  • 在高障碍输入节点周围增加警戒环以减少渗漏流.

实用设计实例: 带Strain Gauge的麦石桥

考虑一个四桥式电压制程。 标定电压为350的单电压制程被置于一个臂上, 而三条精密电压的电压则为5 V。 在最大电压下,电压变化1%, 电压差约为12.5 mV。 要达到2.5 V(12位ADC的全尺寸), 就需要增益200 。

电路配置

使用像 AD8221 这样的 INA, 将增益设置为单个外部阻断器( R[[FLT: comple] G[[FLT: 1]]) 。 增益公式为 complientFLT: 2] G = 49.4 k / R G + 1 [[FLT: maple] 。 输入的极性必须与电压( tension/ compression) 方向相对应 。

校准步骤

  1. 在没有应用树株(桥平衡)的情况下,将偏移线(如果有的话)调整为输出0。许多现代的INA包括一个参考标;将参考点打下或应用精确的电压设置输出0。
  2. 应用已知的机械校准(如横跨测量仪的避光阻力)模拟已知的阻力变化,并验证增益.
  3. 用数字电压计或ADC测量输出。计算实际收益,并在必要时调整RG。
  4. 记录输出在温度和时间上漂移,以便在必要时进行数字补偿。

以主动过滤增强性能

放大后,额外的滤波器可以进一步提高信号质量. 截断频率刚好高于最高信号频率的二阶低路滤波器可以减少宽带噪声,防止在ADC中变名. 滤波器可以使用相同的op-amp(如果使用双/平方包)或专用滤波器IC执行,对于非常低频的测量,直升机稳定放大器,然后是被动的RC滤波器往往就足够了.

对于需要隔离的应用(如医疗设备或高压工业环境),应当在差分放大器后放置一个孤立的放大器或数字隔离器,这样打破了地面循环,保护了测量电子.

常见的陷阱和麻烦的解决

  • 贫苦的CMRR由于阻抗器不匹配:[ 使用具有匹配比的阻抗器网络,或用内部激光修剪来执行仪器放大器.
  • 附加FLT: comple] 运算 : [[FLT: 1] 由输出时的过度加载或脱钩不足导致。 在输出时添加一个小串联阻塞器( 10– 50 ) , 或者通过添加一个反馈阻塞器来降低增益带宽 。
  • 偏移: 如果输出随温度变化,确保为低漂移指定斜面标,并确保桥面的热平衡(例如温度补偿的假模表).
  • 噪声接线器: 盾形扭曲-pair输入线,并在仅一个点上将盾形连接到模拟地面. 避免在切换供电或电动机附近对输入线进行路由.

桥上积极差别放大器的应用

使用在压力表外的活性差分放大器:

  • 压力传导器: 用于汽车和医疗应用的Piezorestistic桥传感器.
  • 热感应器:在麦石桥上安装了白金耐温探测器(RTD).
  • 磁场传感器:巨型磁脉冲(GMR)桥,用于电流感测和位置探测.
  • 网格: 负载单元格产生毫升级输出,需要精准放大和数字化.
  • 角位置传感器:Hall-effect bridges 用于无刷DC马达的调速.

结论

主动差分放大器对于从桥面电路中提取清洁、放大信号是必不可少的。 通过仔细选择组件 — — 尤其是OP-amp或仪器放大器、电阻器和供电 — 并遵循严格的布局和校准做法,工程师可以实现测量分辨率向下到微伏。 这里讨论的原则适用于广泛的桥基传感器,使主动差分放大器成为精确仪器的基石。 随着传感器精度要求的提高,对这些放大器的理解和正确实施,对于可靠的系统性能来说,更加关键。