第11章电阻的测量与应用.

1、第11章电阻的测量与应用11.1电阻的测量与应用概述11.1.1电阻的应用在电子产品中电阻器主要用作分压、分流、限流、降压和传感1、电阻的分压和分流应用在如图11.1所示的分压电路中有：212o i R U U R R =+在如图11.2所示的分流电路中,电阻R1、R2、R3为分流电阻。即,串联电阻分压,并联电阻分流2、电阻型传感器及应用禾I用特殊电阻随温度、光通、电压、机械力、磁通、湿度和气敏变化的特性可 以构成能检测相应物理量的传感器。如可见光光敏电阻器主要用于各种光电控制 系统、光电自动开 关门户、声光控照明系统和报警器等方面；正温度系数 热敏电 阻（PTC 般用于电冰箱压缩机启动电路、

2、彩色显像管消 磁电路、电动机过 电过热保护 电路、限流电路和 恒温加热电路等方面；负温度系数热敏电阻器图11.2电阻分流电路(NTC 一般用于各种电子产品温度 补偿 、温度控制和 稳压电路等方面。 因此 , 电阻的测量 具有重要的意义 。3、采样 电阻与电流测量及 反馈在 许多工业 应用 领域 ,如电 池管 理系统、电磁系统、 液 压系统、电机控制 系统和 汽车 电气控制等系统中 , 都需 要高性能电流检测和控制。 在这些应用系 统中, 大都需 要在 高共模 电压情况下 检测小差 分电压以 实现对 电流的 监控。在以 往 的电流 监 控系统 设计 中,电流的检测可 采 用电流 互 感器、 霍尔

3、 电 流传感器等 隔离型电流传感器 来实现 , 这种方法简单 可靠 , 但成本高 , 且传感 器后一般还需 要进行信号调 理, 电路设计较 为复杂 。另一 种方法是 用采样 电 阻器与 负载 串联, 将负载 电流 经过采样 电阻 器转换 成电压 后进行放大 等 处 理。由于高共模 电压的 存在, 负载电流在 采样电阻器 上产生的小差分电压 的高精度测量 比较困难 , 且检测电路的 设计 很复杂 。因此 , 如何在高共模 电压 情 况下进行小差 分电压检测 是实现高 精 度电流 源 控制的 前提 。以 实现 电 流检测及 反馈 控制等。 11.1.2 电阻的测量电阻的测量有 伏安 法、电桥法和

4、RC 时间常 数法三种方 法 , 根据 各自测 量特 点适 用于 不 用的应用 领域 。伏安法测量电阻 时因有接入误 差的影响 , 需要技术处理, 否则不 能实现 精 测电阻。 直 流电 桥 是一 种 精密 的电阻测量 仪 器 , 具 有 重 要的应用 价值 。 按电 桥的测量方 式可分为 平衡 电 桥 和 非平衡 电 桥 。 平衡 电 桥 是 把待 测电阻与 标准 电阻 进行 比 较 , 通 过调 节 电 桥平衡 , 从而 测 得待 测电阻 值 ,如 单 臂直 流电 桥 ( 惠斯登 电 桥 , Wheatstone, Charles 1908-197、5 双臂 直 流电 桥 (开 尔 文 电

5、 桥 。 平衡 电 桥只能用于测量 具有相 对稳定状态 的物理量, 而在实际工程中和科学 实验 中, 很多物理量 是连续变化的, 只能采用非平衡 电桥才 能测量; 非平衡 电桥 的基本原理是通过桥式电路 来测量电阻, 根据 电桥输出 的不平衡 电压, 再 进行运算 处理,从而 得到引起 电阻变化的 其它物理量，如温度、压力、形变等。 电桥法具有灵敏度高、工作频率宽、测量准确（10-4等特点，能在很大程 度上消除或削弱系统误差的影响，已被广泛地应用于电工技术和非电量电 测中。电阻按其值大小可分为高电阻（100K Q以上、中值电阻（1 Q到100K Q和 低值电阻（1 Q以下三种。为了减小测量误差

6、，不同阻值的电阻,其测量方 法不尽相同。例如,惠斯通电桥通常用于测量中 值电阻。而对于测量金 属的电阻率、分流器的电阻、电机和变压器 绕组的电阻、以及 其它低值阻值 的电阻时，由于接线电阻和 接触电阻（数量级为10-210-3欧姆的存在，为消 除和减少这些电阻对测量结果的影响，常采用开耳文电桥。而对于高阻 值电阻一般可利用RC时间常 数法，即利用RC电路充放电法来进行 测量。11.2基于恒流源、A/D和欧姆定律测电阻11.2.1伏安法测电阻分析伏安法测电阻的理论依据是欧姆定律,即R=U/I,其测量原理如图11.3 所示。具体方法是直接测量被测电阻的端电压和流过的电流,即可计算出 电阻值。该方法

7、原理简单，但要准确测量,需要根据误差要求,恰当选用 器件，如图11.3（a要求电压表内阻要大，图11.3（b要求电流表内阻要小，否则 会给测量带来较大误差。对于图11.3所示电路,通常在直流状态下测电阻， 在低频状态下测量误差小。RxfsRx（a （电流表内接法（b电流表外接法图11.3伏安法测量直流电阻11.2.2基于恒流源、A/D和欧姆定律测电阻原理伏安法测电阻，电压和电流的测量 都是变量,且都会产生误差，尤其在具 体应用电路 中电流的测量 需要引入新的器件。若按照电流表外接法，采用 恒流源电路,只需要通过A/D测量电阻的电压，再利用欧姆定律即可测 得到 电阻。女口图11.4(a所示。当然

8、，要求A/D的输入 阻抗足够 大,若A/D阻抗不 足，可以采用如图11.4(b所示电路。(a (b图11.4基于恒流源、A/D和欧姆定律测电阻的方法当用恒流法测电阻时，参考电流的误差会直接反映到测量值中,尤其 是因测试线电阻(典型值为0.52欧姆产生的额外误差，需要引起注意。图11.5给出了数字万用表中测量电阻的原理电路示意图，利用运放组 成一个多值恒流源，实现多量程电阻测量。该电路的核心是反相比例放 大器,横流I通过被测电阻R x形成电压输出U x ,则由欧姆定律有R x =U x / I。+J+ +mA+图11.5多量程电阻数字化测量该电路实质是将电阻值转化为电压值实现电阻测量 , 是基于

9、恒流源、 A/D 和欧姆定律测电阻的一个典型应用实例。当然要求所选用运放具有 较高输入阻抗方能实现精确测量。典型设计举例 E9:基于PtIOO的双恒流源高精度测温传感电路的设计温度是表征物体冷热程度的物理量 , 它可以通过物体随温度变化的某些 特性 (如电阻、电压变化等特性来间接测量。温度传感器应用广泛 , 热电阻是 中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高 , 性能稳 定。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性 来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成, 目前应用最多的是铂 和铜 , 此外 , 现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。利用 金属铂

10、(Pt的电阻值随温度变化 而变化的物理特性制成的传感器 称为铂电阻温 度传感器。 Pt 电阻温度传感器由于精度高、稳定性好、可靠性强、寿命 长 , 所以广泛应用于气象、农林、化纤、食品、汽车、家用电器、工业自 动化测量和各种实验仪器仪表等领域。然而随着产量增加 , 其生产过程 中产品的测试问题成为影响产品产量和质量的关键问题 , 研制开发高性能价 格比的测试系统, 不仅可为生产商提供必要的测试工具 , 还可为温度传感器 的可靠性研究提供有效的手段。本节基于恒流源、 A/D 和欧姆定律测 电阻的方法 ,通过测量电压来确定 Pt 电阻的阻值 , 从而实现温度传感。E9.1 铂电阻温度传感器按IEC

11、751国际标准,铂电阻的温度系数 TCR=0.003851, Pt1OO(R 0=100 Q PtIOOO (R 0=1000 为统一设计 型铂 电阻，TCR=(R100-R 0/ (R0 100。即，Pt100 温度传感器 零度阻值为100Q , 100C时阻值为138.51 Q , PtIOO零 度阻 值 为 1000 Q , 10C时阻值为1385.1 Q电阻变化率均为0.3851 QC 。铂电阻温度传 感器精度高,稳定性好，应用温度 范围广,是中低温区(-200650C最常用 的一种温度检测器 , 不仅广泛应用于工业测温, 而且被制成各种标准温度计is (涵盖国家和世界基准温度供计量和

12、校准使用,铂电阻温度传感器 是目前精 度最高的传感器。PtIOO的温度特性 曲线如图11.6所示。下面是PtIOO的阻 值与温度的关系：在-20000C范围内，温度为t 0C时的阻值Rt表达式为:Rt=R01+3.9083 W-3 杀5.775 1&7 氷2-4.183 (t-100 t3, R0=100在08500C范围内，温度为t 0C时的阻值Rt表达式为：Rt=R0(1+3.9083 10-3 杀5.775 10-7 氷 2, R0=100从图11.6可以看出,在-1002000C具有良好的线性特性，斜率为(138.51-100 Q心000 C =0.13851。当铂电阻应用 到 该温度

13、 范围内进行工 作时, 即可采取该斜率常数根据电阻值计算出对应的温度。图11.6 Pt100的温度特性 曲线E9.2铂电阻测温的基本电路电阻式传感器测量电路有 三种连接方式，两线式测量、三线式测量和 四线式测量。分别介绍如下：1、两线式测量传感器电阻变化 值与连接导线电阻值共同构成传感器的 输出值，由于导 线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求3S5lupm/3S5lupm/L LC C他温下疑不高的场合，并且导线的长度不宜过长。如图11.7所示。图11.7铂电阻两线式测量2、三线式测量要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是 不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一

14、个桥臂电阻,将导线一根接到电桥的电 源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥 路平衡时（压差为0 ,通过计算可知,Rt=R1 R3/R2+R伙r/R2-r,当R仁R2时, 导线电阻的变化 对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线 路电阻带 来的测量 误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的 影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工 业上一般都采用三线制接法，如图11.8所示。本节下面还要介绍双恒流源三线制测量方法3851 ppi3W -恒压r31kR8“图11.8基于恒压源铂电阻三线式测量图11.9铂电阻的电流 源4线式3、四线式

15、测量当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能 引入明显误差，四线测量用 两条附加测试线提供恒定电流,另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电 压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表,这样就可以精确 测量未知电阻上的压降，通过计算得出电阻值。这种方式的测量方 法,铂电 阻的连线可以达到十几米，而不受分布式电阻的影响，如图11.9所示,采用 同质等长导线。E9.3 Pt100三线制桥式测温电路三线制桥式 测温的典 型应用电路如图11.10所示。电路 采用TL431和电 位器VR1调 节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测 量电桥（其中R1=R2, VR2为10

16、0Q精密 电阻,当Pt100的电阻 值和VR2的电阻 值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过 运放 TL084放大后输出期望大小的电压信号,该信号可直接连接A/D转换芯片。 差动 放大 电路中R3=R4、R5=R6、放大 倍数A =R5/R3。图11.10三线制接法桥式测温电路设计 及 调 试注 意 点 :1、 同幅度调整R1和R2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；2、 改变R5/R3的比值即可改变电压信号的放大倍数，以满足设计者 对 温度 范围 的要 求 ；3、 VR2若为电位器,可以调节电位器阻值大小改变温度的零点校准 和设定,例如PtIOO的零点温度为0C，即0C时

17、电阻为100Q ,当电位器阻值 调至109.885 Q时，温度的零点就被设定在了 25C。测量电位器的阻值时须 在 没 有接入 电路 时 调 节 , 这是因 为 接入 电路 后测 量的电阻 值 发 生 了 改 变。4、 电桥的正电源必须接稳定的参考基准 , 因为如果直接 VCC 的话 , 当网压波动造成 VCC 发生波动时 , 运放输出 的信号也会发生改变。E9.4 基于双恒流源的三线式铂电阻测温探头设计采用恒流源电路设计铂电阻温度传感器, 一是彻底避免 了铂电阻本身的 发热影响测量精度, 二是可以通过测量铂电阻两端电压来反映其电阻此 刻的电阻 值 , 从而计算出 此时环境温度值。首先看一个用

18、于PtIOOO测温的1.25mA恒流 源电路,如图11.11所示。图中, 2.5V恒压源在R3电阻处分压 输出1.25V直接连接到运算 放大器的同相输入 端，由运放虚短得知6脚的反相输入端也是1.25V。所以流经R1电阻的电 流为 (2.5V-1.25V /R1=1.25mA, 由运算放大器的虚断知这 1.25mA 的电流全部流 经R4,从而 实现Pt1OOO的电流1.25mA恒定。当温度为OOC , Pt1OOO的电阻为 1OOOQ , Pt1OO(压降为1.25V，此时运放7脚输出OV ;当温度升高,Pt1OOO阻值 增大 , 其压降变大 , 运放 7脚输出向负向增大 ,所以后级又连接了一

19、个反 相放大器,以备后续处理。 但是该电路传感器在 放大器的反馈环节 , 不利于 电路 稳 定 ,同时，不能进行长距离测量R _皿R_R11KR图11.11恒流源PtIOOO铂电阻测温电路PtIOO恒流源式测温的典型应用电路如图11.12所示。通过运放U1A将 基准电压4.096V转换为恒流源，电流流过Pt1OO时在其上产生压降,再通过 运放U1B将该微弱压降信号放大（图中放大倍数为1O 即输出期望的电压信 号,该信号可直接连接A/D转换芯片。PEM _R11KR210图11.12恒流源式 测温电路根据虚地概念“工作于线性范围内的理想运放的两个输入端同电 位” 运, 放 U1A 的“ +”端

20、和“- ”端电位 V+=V-=4.096V ; 假设运放 U1A 的输出 脚 1对地电压为 V o , 根据虚断概念 , (0-V- /R1+(V o-V- /RPt100=0, 因此电阻 PtIOO上 的压降VPt100=V o-V-=V - RPt100/R1,因V-和R1均 不变,因此 图3虚 线框内的电路等 效为一个恒流源流过一个Pt100电阻,电流大小为4.096V /R仁1.241mA, Pt100上的压降仅和其自身变化的电阻 值有关。设计及调试 注意点 :1、电压基准源可以采用TL431按图11.12的电路产生可调的。2、等效恒流源输出的电流不能太大 ,以不超过 1.5mA 为准

21、 ,以免电流 大使得Pt100电阻自身发热造成测量温度 不准确，试验证明，电流大于 1.5mA 将会有较明显的影响。 3、运放采用单一的 5V 电源供电,如果测 量的温度波动比较大 , 将运放的供电改为 15V 双电源供电会有较大改 善。4、电阻R2、R3的电阻值取得足够大，以增大运放的U1B的输入阻 抗。但是上面两个电路的传感器在放大器的反馈环节 , 不利于电路稳定 , 同 时 , 不能进行长距离测量。如图11.13所示电路 是一个广泛 应用于Pt100测温的1.25mA恒流源电路。 图中TL431是提供2.5V电压参考源，与该电路中的电阻Ri的阻值共同决定 电流源的电流输出值 ,即, 调整

22、其中任何一个都可调整电流源输出电流的 大小。由于该电路可以输出更大的功率，而且Pt100传感器不在放大器的 反馈电路中,有利于电路 稳定，因而被广泛 应用于Pt100测温电路。R_R R TOR RP因R販厂 口 BP* 口口口 Rg 口 R _口卫 DRFLP RRup-图11.13 1.25mA恒流源电路用热电阻测温时，工业设备距离计算机较远，引线很长，容易引进干 扰，并在热电阻的电桥中产生长引线误差。解决办法有采用热电阻温度 变换器；智能传感器加通信方式连接；采用三线制连接方法。图11.14为双恒流源三线式铂电阻测温电路,两个1.25mA的电流源分别 施加给Pt100和100Q千分之一精

23、度电阻及各自同质同长的导线上。由于 采用采用由U1A构成的39倍差分放大电路,使温度在0100o C变化，电压输 入在01.9V变化,且导线的分压 已被消除。即,00C时Pt100为100Q,差分放 大器两个输入电压差为0,当温度升高后，差分放大器将Pt100变化的阻值 分压进行放大。由U1B构成的电压 跟随器经阻容低通滤波器作为反映当 前温度的电压 值,待后续电路处理。该电路传感器 引线的长度可以达到 300多米而保证精确的测量。i i O ORo0D017R-2k5ERo0D017R-2k5E图11.14基于双恒流源的三线铂 电阻测温探头 电路E9.5基于ICL7135的PtIOO测温系统

24、设计为与高精度的铂电阻温度传感电路 配合,采用ICL7135实现温度的数字 化测量。ICL7135与单片机的两线接口技术及与PtIOO测温电路 接口如图 11.15所示。需要注意的是,其中R16、R12和R13需要选择1/%。精度电阻,C5、C6 和C7,尤其是C6必须选取高性能的CBB电容。其中,-5V电源的产生也 是电路的重要组成部分。通常系统电源直接设计出正负5V电源,其实这 样大可不必，可以采用专用芯片完成设计。ICL7660是开关电容型电压转 换 芯片,输入1.5V10V输出直接 反 相为-1.5V-10V。通常，智能测温仪表是指仪表要具有校准和自检等功能。可以利用E2PROM可以方

25、便实现校准功能。在进行仪表设计的时候设计出用于自动 校准的两个按键,其中之一的00C校HlHlB2B2屮RRntnt ITITAM 11 QtHMIMJND准键按下后启动自动校准功能。即,首先将传感器放置到冰水混合物 中,稍等片刻按一下该自动校准键，此时单片机通过ICL7135采集一次传 感结果，并将该结果存入片内a地址的两个字节E 2PR0M 。还有一个1000C校准键，操作方法同上。首先将传感器放置到沸水 中,稍等片刻按一下该自动校准键，此时单片机通过ICL7135采集一次 传感结果，并将该结果存入片内相应的b地址的两个字节E 2PR0M存储单 元。当然更可以采用精密电阻箱校准。也就是说,

26、每次单片机开机的时候,首先要从E 2PR0M中读取数据,a 地址数据作为00C参考值，每一次A/D结果减去该值后所对应的温度值才 是真实温度。而b地址数据与a地址数据的差值作为计算的参考，所以 每次A/D结果(设为r反映出的实际温度值计算为:温度T=100(r-a /(b-a图11.15 ICL7135与单 片机的 两线接口技术 及与Pt100测温电路 接口电I IT TTiTi曲Ti/Ti/KliiM UKIIL)noK)noKCLKRFvFRFvFVKVK LiLiua n?DJ. IJN. nA/eo/Vem （11.7 2、共模 电压电桥电路的一个缺点是它的输出是差分信号和电压等于电

27、源电压一 半的共模电压。通常,差分信号在进入A/D前必须经过电平转换，使其成 为以地为参考的信号。如果这一步是必须的,则需注意系统的共模抑制 比以及 共模电压受V e变化的影响。以四传感电阻的测 压电路为 例，如果用 仪表放大器将电桥的差分信号转换为单端信号，需要考虑V e变化的影 响。如果V e容许的变化范围是2%,电桥输出端的共模电压将改变V e的 1%。女口果共模电压偏差限定在精度指标的1/4,那么放大器的共模抑制必须等于 或高于 98.3dB。（20lg0.01Ve/（0.002Ve/（4096 = 98.27。这样 的 指标虽 然可以 实现，但却超出了很多低成本或分立式仪表放大器的能

28、力范围。3、失调电压电 桥 和测量 设 备 的 失 调 电压 会 将实 际 信号 拉 高 或 拉 低 。 只 要 信号 保 持 在有 效 测量 范围 , 对这些 漂移 的 校 准 将 很容易 。 如 果 电 桥差 分 信号 转换 为以 地 为 参考 的 信号 , 电 桥 和 放大 器的 失 调 很 容易 产 生 低 于 地 电 位 的 输出 。 这 种 情况 发 生时 , 将 会 产 生 一 个 死 点 。 在电 桥输出 变为 正 信号 并 足 以抵 消系统的 负失 调 电压 之前 , A/D 输出 保 持 在 零 电位 。为 了 防止 出 现这 种 情况 , 电路 内 部必须 提 供 一 个

29、 正 偏 置 。 该 偏 置 电压 保 证 即 使 电 桥 和设 备出 现负 失 调电压 时 , 输出 也在有 效范围 内 。 偏 置 带 来的 一 个问题 是 降 低了 动态 范围 。 如果 系统 不 能接 受这一 缺 点 , 可能 需 要 更 高 质 量的 元 件 或 失 调调 节 措 施 。 失 调调 整 可以通 过 机械电 位 器、数 字 电 位 器 , 或 在 A/D 的 GPIO （通用 输入输出接 口 外 接 电阻 实现 。4、 失 调 漂移失 调 漂移 和 噪 声 是 电 桥 电路 需 要 解决 的 重 要 问题 。 上 述 测压 单 元 中,电桥的满幅输出是2mV/V,要求精

30、度是12位。如果测压单元的供电电 压是5V ,则满幅输出为10mV，测量精度必须是2.5 y或更高。简而言之, 一个只有2.5 V的失调漂移会引起12位转换器的1 LSB误差。对于传统 运 放 , 实现这 个 指 标存 在很 大 的 挑战 性。 比 如 OP07, 其 最 大 失 调 TC 为 1.3 V C,最大长期漂移是每月1.5 V。为了维持电桥所需的低失调漂 移 , 需 要 一些 有效 的 失 调调 整 。可以通 过 硬 件 、 软 件或 两者 结 合实现调 整。硬 件 失 调调 整 :斩 波 稳 定或 自动 归零 放大 器 是 纯 粹的 硬 件 方 案 , 是 集 成在 放大 器 内

31、 部 的 特殊电路 , 它 会 连续 采样 并 调 整 输入 , 使 输入引 脚 间 的电压 保 持 在 最小差 值 。 由 于 这些调 整 是连续 的, 所以随 时间 和温度变化 产 生 的 漂移 成为 校 准电路的 函数, 并 非 放大 器的 实 际 漂移 。 MAX4238 和 MAX4239的典型失调漂移是10nV/ C和50nV/1000小时。软 件 失 调调 整 :零校 准或 皮 重 测量 是 软 件 失 调 校 准的 例 子。 在电 桥 的 某 种 状态 下 , 比 如 没 有 载 荷 的 情况 ,测量电 桥 的 输出 , 然 后 在测压 单 元Ato/D加入负荷，再次读取数值。

32、两次读数间的差值与激励源有关,取两次读 数的差值不仅消除了设备的失调，还消除了电桥的失调。这是个非常 有效的测量方法，但只有当实际结果基于电桥输出的变化时才可以使用。 如果需要读取电桥输出的绝对值，这个方法将无法使用。硬件/软件失调调 整:在电路中 加入一个双刀模拟开关可以在应用中 使 用软件校准。图11.18中,开关用于断开电桥一侧与放大器的连接并短路 放大器的输入。保留电桥的另一侧与放大器输入连接可以维持共模输入 电压，由此消除由共模电压变化引起的误差。短路放大器输入可以测量系 统的失调，从随后的读数中减去系统失调，即可消除所有的设备失调。 但这种方法不能消除电桥的失调。图11.18增加一

33、个开关实现软件校准这种自动归零校准已广泛用于当前的A/D,对于消除A/D失调特别有 效。但是,它不能消除电桥失调或电桥与A/D之间任何电路的失调。一种形式稍微复杂的失调校准电路是在电桥和电路之间增加一个双 刀双掷开关（图11.19。将开关从A点切换至B点，将反向连接电桥与放大器的极 性。如 果将开关在A点时的A/D读数减去开关在B点时的A/D读数,结果 将是2V o Gain,此时没有失调项。这种方法不仅可以消除电路的失调, 还可以将信噪比提高两倍。AAto/D图11.19增加一个双刀、双掷开关,增强软件校准功能交流电桥激励：这种方式不常使用，但在传统设计中,电阻电桥交流激 励是在电路中消除直

34、流失调误差的常用、并且有效的方法。如果电桥 由交流电压驱动，电桥的输出将是交流信号。这个信号经过电容耦合、 放大、偏置电路等,最终信号的交流幅度与电路的 任何直流失调无关。 通过标准的交流测量技术可以得到交流信号的幅度。采用交流激励时, 通过减小电桥的共模电压变化就可以完成测量,大大降低了电路对共模抑 制的要求。5、噪声如上所述，在处理小信号输出的电桥时，噪声是个很大的难题。另 外，许多电桥应用的低频特性意味着必须考虑闪烁或1/f噪声。设计 中需要考虑的抑制噪声源方法有：(1将噪声阻挡在系统之外(良好接地、屏蔽及布线技术(2减少系统内部噪声(结构、元件选择和偏置电平(3降低电噪声(模拟滤波、共

35、模抑制(4软件补偿或DSP利用多次测量提高有效信号、降低干扰信号近几年发展起来的高精度习转换器很大程度上简化了电桥信号数字化的工作。下面将介绍这些转换器解决上述五个问题的有效措施C1133高精度 沁 A/D转换器与直流电桥目前，具有低噪声PGA的24位和16位另 ADC对于低速应用中的电 阻电 桥 测量 提 供了 一个 完 美 的方 案 , 解决 了 量化电 桥 模 拟 输出时 的主要 问题 。1 、 激励 电压的变化 , V e缓冲 基准 电压 输入 简化 了 比 例 系统的构 建。 得到 一 个 跟 随 V e 的 基 准 电压, 只 需一 个 电 阻分压器和 噪 声 滤 波 电 容 （如

36、图 11.17 。 比 例 系统中 , 输 出 对 V e 的 微 小 变化 不敏感, 无 需高 精 度的电压 基准 。如果没有采用比例系统，可以选择多通道A/D。利用一个A/D通道测 量电 桥输出 , 另 一 个 输入 通 道 用 来 测量电 桥 的 激励 电压,利用 式 11.7可以 校 准 V e 的变化。2、共模 电压如 果 电 桥 和 A/D 由同 一 电 源 供 电,电 桥输出 信号将 会 是 偏置 在 1/2VDD的差分信号。这些输入对于大部分高精度习转换器来讲都很 理 想 。 另 外 , 由 于 它 们 极 高 的 共模 抑 制 （高 于 100dB , 无 需 担 心 较小

37、的 共 模 电压变化。3、 失 调 电压当 电压 精 度在 亚 微 伏 级 时 ,电 桥输出 可以 直接 与 A/D 输入 对 接 。 假 定 没 有 热耦 合效 应, 唯 一 的 失调 误 差来 源是 A/D 本 身 。为 了降 低 失 调 误 差 , 大 部 分 转换 器 具 有 内 部 开关,利用 开关可以在 输入 端 施 加零 电压并 进 行 测量。 从 后 续的电 桥 测量数 值 中 减 去 这个 零电压测量 值 , 就 可以 消 除 A/D 的 失 调 。 许多 A/D 可以自动 完 成 这个 归 零校 准过 程 , 否则 , 需要用户控制 A/D 的 失 调校 准 。 失 调 校

38、准 可以 把 失 调 误差 降 低 到 A/D 的 噪 底,小于1 V P-P 04、 失 调 漂移对 A/D 进行 连续 地 或频 繁 地 校 准 , 使校 准间 隔 中温度 不 会 有 显 著 改 变,即可有 效消除由于温度变化 或长期漂移产生的失调变化。 需要注意 的,失调读数的变化可能等于A/D的噪声峰值。如果目的是检测电桥输出 在较短时间内的微小变化, 最好关闭自动校准功能, 因为这会减少一个 噪声源。5、 噪 声处理噪声有三种方法 , 比较显著的方法是 内部数字滤波器。 这个滤 波器可以 消除高频噪声的 影响 , 还可以抑制电源的低频噪声,电源抑制 比的典型值可以达到 100dB

39、以上。降低噪声的第二种方法依赖于高共模 抑制比 , 典型值高于 100dB 。 高共模 抑制比可以减小电桥引线产生的噪 声 , 并降 低 电 桥 激励 电压的 噪 声 影响 。 最 后 , 连续 的 零校 准 能 够 降 低 校 准更新频率以下的闪烁噪声或1/F噪声。11.3.4 电阻电桥实际应用技巧电阻电 桥对于检测阻 值的微小变化并抑制干扰源造成的阻 值变化非 常有效。新型模/数转换器（A/D大大简化了电桥的测量。增加一个此类 A/D即可获得桥路检测A/D的主要功能:差分输入、内置放大器、自动零校 准、 高共模抑制比以及数字噪声滤波器, 有助于解决电桥电路的关 键问 题。但是将电桥的输出与

40、高精度的-AA/D输入直接相连并不能解决所有 问题。有些应用中，需要在电桥输出和A/D输入之间加入匹配的信号调 理 器, 信号调 理器主 要完成三项任务 :放大 、 电平转换以及差分到单端的 转换。 性能优异的仪表放大 器能够完成所有三项功能, 但价格可能 很昂 贵 , 并可能 缺少对失调漂移的处理措施。 下面电路可以 提供有效的信号 调理, 其成本低于仪表放大器。1、 单运算放大 器R2R1如果只需要放大功能，图11.20所示简单电路即可满足要求。该电路 看起来似乎不是最好的选择，因为它不对称，并对电桥增加了负载。 但是，对于电桥来说这一负荷并不存在问题（虽然不鼓励这样做。许多 电桥为低阻输

41、出，通常为350Q。每路输出电阻是它的一半或150Q。增 加电阻R1后,150 电阻只会轻微降低增益。当然,考虑150Q电阻的容限 和电阻的温度系数（TCR,电阻R1和R2的TCR并不能精确地与之匹配。补 偿这个额外电阻的很简单,只要选择R1的阻值远远高于150Q即可。图 11.20包括了一个用于零校准的开关。朿A图11.20连接低阻电桥的例子对于很多应用，可以用差分放大器取代仪表放大器。不仅可以降低成 本,还可以减少噪声源和失调漂移的来源。对于上述放大器,必须考虑 电桥阻值和TRC 。2、双电源供电图11.21电路结构非常简单，电桥输出只用了两个运算放大器和两个 电阻即完成了放大、电平转换，

42、并输出以地为参考的信号。另外，电路还 使电桥电源电压加倍，使输出信号也加倍。但这个电路的缺点是需要一个负电源，并在采用有源电桥时具 有一定的非线性。如果只有某一侧电桥使用有源元件时，将电桥的非 有源侧置于反馈回路可以产生-V e ,从而避免线性误差。VoVoA图11.21与低阻电桥连接的替代电路1135硅应变计前面主要论述了为什么要使用电阻电桥，电桥的基本配置，以及一些具 有小信号输出的电桥,例如粘贴丝式或金属箔应变计。下面介绍了如何 实现具有较大信号输出的硅应变计与A/D的接口。特别是习 A/D,当使 用硅应变计时，它是一种实现压力变送器的低成本方案。能将工程构件上的应变，即尺寸变化转换成为

43、电阻变化的变 换器（又称 电阻应变 片，简称为应变 计。将电阻应变计安装在构件表面,构件在受载 荷后表面产生的微小变形（伸长或缩短,会使应变计的敏感栅随之变 形，应变计的电阻就发生变化,其变化率和安装应变计处构件的应变 城比 例。测出此电阻的变化，即可按公式算出构件表面的应变，以及相应 的应力。下面重点介绍高输出的硅应变计，以及它与高分辨率习模数转换 器良好的适配性。举例说明了如何为给定的非补偿传感器计算所需 A/D的分辨率和动态范围。下面介绍在构建一个简单的比例电路时，如 何确定A/D和硅应变计的特性并给出了 一个采用电流驱动传感器的 简化 应用电路。1、硅应变计的背景知识硅应变计的优点在于

44、高灵敏度。硅材料中的应力引起体电阻的变化。 相比那些仅靠电阻的尺寸变化引起电阻变化的 金属箔或粘贴丝式应变计, 其输出通常要大一个数量级。这种硅应变计的输出信号大，可以与较廉 价 的电子器 件 配 套 使 用。 但是 , 这些小 而 脆 的器 件 的 安 装 和 连 线 非常困 难 ,并 增 加 了 成 本 , 因 而 限制 了 它 们 在 粘贴 式 应变 计 应用中的 使 用。 然 而 , 硅应变计却是 MEMS （微机电结构应用的 最佳选择。利用 MEMS ,可将 机械结构建立在硅片上 , 多个应变 计可以作为机械构 造的一部分一起制 造。因此 , MEMS 工艺为整个设计 问题提供了一个

45、强大的、 低成本的解 决方案 , 而不 需要单独处理每个应变计。MEMS 器件最常见的一个实例是硅压力传感器, 它是从上 个世纪七十 年代开始流行的。 这些压力传感器 采用标准的半导体工艺和特殊的 蚀刻 技术制作 而成。采用这种特殊的 蚀刻技术 , 从晶圆 片的背面选择性地除 去一部分硅 , 从而生 成由坚固的硅边 框包围的、数以百计的方形薄 片。而在晶片的正面, 每一 个小薄片的每个边上都制作了一个压敏电 阻。用金属线 把每个小薄片周边的四个电阻 连接起来就形成一个全桥 工 作的 惠斯登 电 桥 。 然 后 使 用 钻锯 从 晶 片 上 锯 下 各 个 传感器。 这 时 , 传 感器功能就完

46、全 具备了 , 但还需 要配备压力端口和连接引线方可使用。 这些小 传感器 便宜而且相对可靠。但也存在缺点。这些传感器 受温度 变化 影响 较 大 , 而 且 初 始 偏 移 和 灵 敏度的 偏 差 很 大 。2、压力传感器 实 例在此用一个压力传感器 来举例说明。但所涉及的原理适用于任 何 使 用相 似类 型的电 桥 作为传感器的系统。 式 11.8给出了一个原 始的压力传感器的 输出模型。式1中变量的幅值及其范围使V OUT在给定压力（P下具有很宽的变化 范 围。不同传感器在 同一温度下 , 或者同一传感器在 不同温度下 , 其 V OUT 都有所不同。要提供一个一致的、有 意义的 输出

47、, 每个传感 器都必须进 行校正, 以补偿器件之间的差异和温度 漂移。长期以来都是 使用模拟电 路进行校准的。然而 , 现代电子 学使得数字校准比模拟校准更具成本效益 , 而且数字校准的准确性也更好。利用一些模拟“窍门”可,以在不 牺牲精度的前提下简化数字校准。V OUT = VB (P S 0 总 + S1 (T - TO + U0 + U1 (TXTO (11.8式中, V OUT 为电桥输出 , V B 是电桥的激励电压, P 是所加的压力, T 0 是参考温度,S 0是T 0温度下的灵敏度，S 1是灵敏度的温度系数(TCS, U 0是 在无压力时电桥在温度T 0输出的偏移量(或失衡,而

48、U 1则是偏移量的 温度系数(OTC。式11.8使用一次多项式来对传感器进行建模。有些应用 场合可能会用到高次多项式、分段线性技术、或者分段二次逼近模型, 并为其中的系数建立一个查寻表。无论使用哪种模型,数字校准时都要 对 V OUT 、 V B 、和 T 进行数字化, 同时要采用某种方式来确定全部系 数,并进行必要的计算。式 11.9由式 11.8整理并解出 P 。从式 11.9可以更 清楚地看到，为了得到精确的压力值擞字计算(通常由微控制器(C执行 所需的信息。P = (VOUT / VB - U0 - U1 (T-T0 / (S0 (1 + S1 (T-T0 (11.911.3.6 电压

49、驱动硅应变计图 11.22电路中的电压驱动方式使用一个高精度 A/D 来对 V OUT (AIN1/AIN2 、温度 (AIN3/AIN4 和 VB (AIN5/AIN6 进行数字化。这些测量值随 后被传送到C ,在那里计算实际的压力。电桥直接由电源驱动,这个电源 同时也为A/D、电压基准和C供电。电路图中 标有Rt的电阻式温度检测器 用来测量温度。通过 A/D 内的输入复用器同时测量电桥、 RTD 和电源电 压。为确定校准系数, 整个系统 (或至少是 RTD 和电桥被放到温箱里 , 向 电桥施加校准过的压力, 并在多个不同温度下进行测量。测量数据通过 测试系统进行处理,以确定校准系数。最终的

50、系数被下载到C并存储到 非易失性存储器中。R _REF+vtPGAVREF0 0 0图11.22该电路直接测量计算实际压力所需的变量（激励电压、温度和电桥输出设计该电路时主要应考虑的是动态范围和A/D的分辨率。最低要求 取决于具体应用和所选的传感器和RTD的参数。为了举例说明,使用下 列参数：系统规格:压力传感器规格：S 0 灵敏度：150 到 300 V/V/psiS 1灵敏度的温度系数：最大-2500ppm/ CU 0 （偏移：-3 到 +3mV/V满量程压力：100psi压力分 辨 率：0.05psi温度 范围：-40 C到+85 电源电 压：4.75到5.25V U 1 （偏移的温度系

51、数：-15到+15 /V/CR B （输入电阻：4.5kTCR （电阻温度系数：1200ppm/ CRTD: PT100( a : 3850ppm/ C ( C = 0.385,;0 C 时值：100、电压分 辨 率能够接受的最小电压分辨率可根据能够检测到的最小压力变化所 对 应的 V OUT 得到。极端情况为使用最低灵敏度的传感器, 在最高温度和 最 低供电电压下进行 测量。注意 , 式 11.8中的偏移项不影响 分辨率 , 因为分 辨率仅与压力 响应有关。使用式 11.8以及 上述假 设 :? V OUT min = 4.75V (0.05psi/count 150 V/V/ps以(1+

52、(-2500ppm/ C (85 -25 C jV/count所以,最低A/D分辨率=30 V/count2、 输入 范围输入 范围取 决 于 最 大 输入 电压和 最 小 或 者 最 负 的 输入 电压。 根据式 8, 产生最大V OUT的条件是:最大压力(100ps、最低温度(-40 C、最大电 源电压(5.25V和3mV/V的偏移、-15 V/V/ C的偏移温度系数、-2500ppm/ C 的TCS、以及最高灵敏度的芯片(300 V/V/psi。最负信号一般都 在无压力 (P=0、电源电压为5.25V、-3mV/V的偏移、-40 C的温度以及OTC等于 +15pV/V/ 的情况下出现。再

53、次使用公式 8以及上述假设 :V OUT max = 5.25V (00psi 3(0 pV/V/psi x (1+ (-2500ppm/ C (-40 C- 25 C +3mV/V + (-0.015mV/V/ C (-40 C- 25 C- 204mVV OUT min = 5.25 (-3mV/V + (0.015mV/V/ C (-40C - 25C - 21mV因此 , A/D 的 输入 范围 = -21mV+204mV 。3、分 辨 位 数适用于 本应用的A/D应具有-21mV+204mV的输入范围 和30 ”/count的 电压分 辨率。该 A/D 的 编码总 数为(204mV

54、+ 21mV / (30 V/count = 7500 counts, 或稍低于13位的动态范围。如果传感器的输出范围与A/D的输入范围完 全匹配 , 那么一个 13位的转换器就可以满足需要。 由于 -21mV 到 +204mV的量程与通常的A/D输入范围都不匹配，因此需要或者对输入信 号进行 电平移动和放大 , 或者选用 更高分辨率的 A/D。 幸运的是 , 现代 的习转换器的分辨率高，具有双极性输入和内部放大器,使高分辨率 A/D的使用变为现实。这些2-A A/D提供了 一个更为经济的方案，而不需 要 增 加 其它 元 器 件 。 这 不 仅 减 小 了 电路 板 尺寸 , 还 避免 了

55、放大 和电 平 移位电路所引入的漂移误差。工作于5V电源的典型另转换器,采用2.5V参考电压,具有.5V的输 入电压范围。为了满足我们对于压力传感器分辨率的要求，这种A/D的动 态范围 应当是 :(2.5V - (- 2.5V / (30 V/cou/nt = 166,667 counts。 这相当于 17.35 位，很多ADC都能满足该要求，例如18位的MAX1400。如果选用SAR A/D, 则是相当昂贵的, 因为这是将 18位转换器用于 13位应用, 且只产生 11位的 结果。然而，选用18位(17位加上符号位的习转换器更为现实，尽管三 个最高位其实并没有使用。除了廉价外，劭转换器还具有

56、高输入阻抗 和很好的噪声抑制特性。18位A/D可以使用带内部放大器的更低分辨率的转换器来代替，例 如16位的MAX1416。8倍的增益相当于将A/D转换结果向高位移了 3 位。 从而利用 了全部 的转换 位并将转换需 求减少 到 15位。 是选用无增 益的高分辨率转换器, 还是有增益的低分辨率转换器,这要看在具体使用的增益和转换速率下的噪声规格。习转换 器的有 效分辨率通常受到噪声的限制。4、温度测量如 果 测量温度 仅仅 是 为 了 对 压力传感器 进行补偿 , 那 么 , 温度测量 不 要 求 十 分准确 , 只要测量 结果 与温度的 对 应关系 具 有 足够 的可 重复 性即可。 这样将

57、 会 有 更 大的 灵活 性和 较 松的 设计 要 求。有 三 个 基 本 的设计 要 求 : 避免 自 加热 、 具 有 足够 的温度分 辨 率 、 保 证 在 A/D 的 测量 范围 之 内 。使 最 大 Vt 电压 接 近 于 最 大 压力 信号 有利于 采 用相 同 的 A/D 和 内 部 增 益 来 测量温度和压 力。 本例 中的 最 大输入 电压为 +204mV。 考虑 到 电阻的 误差,最高温度信号 电压可保守地选择为+180mV。将Rt上的电压限制 到 +180mV也有利于避免Rt的自加热问题。一旦最大电压选定,根据在85 C (Rt = 1 32.8欧姆 , V B = 5.

58、25V 的 条件 下 产 生 该最 大 电压可以 计 算得到 R1。 R1 的 值可通 过 式 11.10进行计 算 , 式 中的 V tmax 是 RT 上 所 允 许 的 最 大 压 降。温度分 辨 率等于 A/D 的电压分 辨率除 以 Vt 的温度敏感度。 式 11.11 给出 了 温度分 辨 率 的 计 算方 法 。 (注意 :本 例 采用的 是计 算出 的 最 小 电压分 辨 率 , 是一 种 较为 保 守 的 设计 。 你 也 可以 使用 实 际 的 A/D 无噪 声分亠亠辨。R1 = Rt B /Vtmax - 1 (5.10 R1 = 132.8 (5.25V/0.18V -

59、1 3.7kT RES = VRES X (R1 + Rt2 / (VB X R1X ? Rt/ 这 里(5 T RES 是 A/D 所能分 辨 的 摄氏 温度测量分 辨 率。T RES = 30 卩 V/count X (3700 + 132.82 / (4.75V X 3700 X 0.38COurC 0.070.07C 的温度分 辨 率 足 以 满 足大多 数应用的要 求 。 但是 ,如 果 需 要更高 的分 辨 率 ,有 以 下 几 个选 择 :使 用一 个 更 高 分 辨 率 的 A/D; 将 RTD 换 成 热 敏电阻; 或将 RTD 用于电 桥 , 以 便 在 A/D 中能 够使

60、 用 更 高 的 增益 。注 意 , 要得到 有用的温度 结果 , 软 件 必须 对 供电电压的变化 进行补偿 。另 外 一 种 代替 方 法是将 R1 连接到 V REF , 而不 是 V B 。 这样 可 使 Vt 不 依赖 于 V B , 但 也 增 加 了参考 电压的 负载 。5、优化的电压 驱动硅 应变 计 和 A/D 的 一些 特性 允 许 图 7 电路 进一 步 简 化。 从式 8 可以 看 出 ,电 桥输出 与 供 电电压 (VB 直接 成正 比 。 具 有 这 种特性的传感器 称 为 比 例传感器。 式 12为适用于所有 具有温度相关 误差的比例传感器的通用 表达 式。在式8