如何将电桥连接到激励电压和ADC

将电桥连接到 ADC 通常需要在四线或六线电桥之间进行选择时，实施比例式测量。后面的章节更详细地讨论这些概念，并演示如何将电桥连接到激励电压和 ADC。

比例式测量

图3-1显示了通常如何使用比例基准配置进行电桥测量。电桥的输出由 ADC 进行测量，而单个电源被用作电桥激励电压和ADC基准电压。

ADC 对输入电压 VIN 采样，并将其与基准电压 VREF 进行比较。VIN 是 VSIGNAL+ 和 VSIGNAL–（或 AINP 和 AINN）之间的电压差，而 VREF 是 VSENSE+ 和 VSENSE–（或 REFP 和 REFN）之间的电压差。ADC 按照方程式 14 生成与 VREF 成正比的输出为：

方程式 14 用 AVDD 代替 VREF 项，因为在图 3-1 中 AVDD 连接到 REFP 并且 REFN 接地。还要注意，方程式 13 说明 VOUT 等于 VEXCITATION 乘以 ΔR 与 R 之比。在图 3-1 中，AVDD = VEXCITATION+ - VEXCITATION-，而 VOUT (Bridge) = VIN (ADC)。代入后可得出方程式 15：

用方程式 15 代替方程式 14 中的 VIN 项可得到方程式 16：

方程式 16 中的输出代码与 ΔR 成正比。此外，方程式 16 表明不需要 AVDD 和 VIN 的准确值。输出代码与电桥上的应变片成正比。比例式测量的一个优势是，测量值针对 VREF 的变化相对恒定。这在方程式 16 中也有体现，公式中的输出与 ΔR/R 成正比，因此与 VREF 或 VEXCITATION 的准确值无关。因此，比例式测量不太容易受 VEXCITATION 随时间和温度的漂移所影响。假设基准输入和测量输入中的噪声是相关的，那么 VEXCITATION 源中的任何噪声也应会抵消。通常，如果基准输入和测量输入的滤波器带宽相同，则上述噪声源就比较有相关性。

四线电桥

图 3-2 显示了四线电桥的连接。有两条线用于激励电桥（VEXCITATION+ 和 VEXCITATION–），两条线用于测量（VSIGNAL+ 和 VSIGNAL–）。ADC 测量差分电桥输出电压，ADC 正负基准输入分别连接到激励线路充当 VEXCITATION+ 和 VEXCITATION–。

四线电桥适用于许多数据采集系统中的基本测量。但是，VEXCITATION+ 和 VEXCITATION– 的长导线可能具有不可忽略的电阻，增加 ADC 测量的误差。图 3-3 显示了一个与四线电桥相连的 ADC，电桥的激励导线上具有串联电阻 RP1 和 RP2。

理论上，REFP 输入端的 VEXCITATION+ 和 REFN 输入端的 VEXCITATION– 与电桥的激励电压相同。不过，串联导线电阻会降低电桥本身的电压，从而改变电桥输出电压，如方程式 17 所示。

即使 RP1 和 RP2 很小，流过电桥的电流 (IEXCITATION) 也可能很大，从而导致显著的误差。例如，VEXCITATION = 5V 且电桥电阻为 350Ω 时，IEXCITATION = 14.3mA。即使 RP1 = RP2 = 1Ω，寄生电阻也会导致 0.6% 的测量误差。请注意，电桥输出（图 3-2 中的 VSIGNAL±）导线可能具有与 RP1和 RP2大小相同的串联电阻。但是，ADC 输入阻抗通常很高，通过 VSIGNAL± 拉出的电流比IEXCITATION小若干个数量级。因此，与 VSIGNAL± 导线电阻相互作用的任何电流所增加的误差可以忽略不计。

六线电桥

六线电桥可消除与四线电桥相关的导线电阻误差。六线拓扑结构具有与四线电桥相同的四条导线，同时它有额外的两条导线 (VSENSE±) 连接到电桥的顶部和底部。图 3-4 显示了六线电桥。

在此拓扑结果中，电桥顶部和底部的 VSENSE± 导线用作开尔文（或强制检测）连接，用于消除导线电阻的影响。此连接使用 VEXCITATION± 导线作为强制线路，将电压驱动至电桥。VEXCITATION± 可能是高电流，并在与电桥相连的寄生电阻两端产生压降，如节3.2所述。VSENSE± 导线通过绕过承载高电流的寄生导线电阻，用于准确测量电桥顶部的电压。同时，由于流过每条导线的输入电流小得多，VSENSE± 导线上的任何电阻会使电压误差显著降低。图 3-5 显示了六线电桥与ADC的连接方式，还显示了 VEXCITATION± 导线上的串联电阻。

使用六线电桥拓扑结构可确保 ADC VREF 与驱动电桥的电压相同。与四线拓扑结构类似，尽管流过这些导线的电流显著小于 IEXCITATION，VSIGNAL± 和 VSENSE± 导线上的电阻仍可能会增加误差。这个较低的电流会尽可能减小引入到 ADC 输入和基准通路的误差，从而提高系统总体精度（与四线电桥相比）。

审核编辑：汤梓红