自动平衡电桥原理详解

　　平衡电桥

　　当电桥中某两个特定的接点的电势相等，即此两接点的电桥输出为零时，就称其平衡电桥。

　　自动平衡电桥的工作原理

　　自动平衡电桥可与热电阻Rt配合用于测量温度。自动平衡电桥的工作原理与自动平衡电位差计相比较，只是输入测量电路不同，因此本节着重讨论输人电路。

　　图3-1-8给出自动平衡电桥的工作原理。由图可知，热电阻Rt接在测量桥路中，当被测温度为t1时，热电阻Rt的阻值为Rt1，若电桥正好处于平衡，则电桥的输出端A，B之间的电位差UAB=0。如果温度升高到t2》t1，则有Rt2》Rt1，电桥失去平衡，此时电桥的输出电压地UAB》0。 UAB输入到调制放大器，使伺服电机M正转，并带动指针及记录笔右移，指示温度升高；与此同时，电机M又拖动滑线电阻的滑动臂A向左移，直到电桥在新的输入Rt2下重新平衡为止。此后，若温度又从t2下降到t3则有Rt3《Rt2，电桥失去平衡，其输出电压UAB《0，电机M反转，并使指针左移、滑动臂A右移，直到重新达到平衡为止。每次达到平衡后，指针、记录笔和滑动臂A的位置都与当时的被测温度相对应。

　　

　　几种典型电桥自动平衡电路工作原理和性能分析

　　精密仪表放大器大多采用典型的集成三运放结构或其改进型结构，如图1所示。由A3 运放及R1-R，组成的放大电路输入输出关系可由下式表示：

　　

　　

　　这种情况下该级放大器的放大倍数为1，其输出电压值随输入电压和参考电压之和变化而变化。理想情况下。当参考端接地、测量系统空载时，V应为零。在实际测量中，由于桥路失衡及放大器零漂等原因，导致输出端有电压输出造成零点偏移。由式（2）可知

　　

　　以下介绍实际应用中几种通过调节仪表放大器参考端电压实现桥路自动平衡的具体方法。

　　1、利用积分反馈电路实现桥路自动平衡

　　

　　如图2所示，由A3、R.C组成的积分电路，其输入、输出关系为：

　　

　　式中t=CR 为积分时间常数。

　　如果将积分电路的输入端接放大器输出端，积分电路的输出端接放大器参考端，那么由于负反馈作用，放大器输出端的电压会因参考端电压的变化而逐渐趋于零，从而达到调零的目的，归零的时间与积分时间常数r 有关。t越大，则归零时间越长，但电容器漏电和电路寄生参数的影响将增加;t 若小，则积分漂移将增大。故r值的选取是有限的，一般取R=1K0，C=0.1UF 为宜。

　　调零的目的是为了测试，因此，调零结束后，还要将积分电路的输入端与放大器输出端断开，这时候放大器输出端若要保持无零偏状态，则积分电路的输出端应保持断开前的电压值，这就要求电容器无漏电。所以在实际应用中，应尽可能选取漏电阻大，泄漏小的电容器，如聚苯乙烯等电容器，这对电路平衡的保持时间至关重要。

　　该电路结构简单，制作方便，价格便宜，调零效果好，但对器件性能要求高，保持时间较短。

　　2、利用计数器及D/A 转换器实现桥路自动平衡

　　

　　如图3 所示，该电路利用二进制计数器的计数输出端作为D/A转换器的数字信号输入，D/A转换器的模拟输出信号经放大（或反向放大）后送到仪表放大器的参考端。当按下自动平衡按钮后，通过单稳电路给一定时脉冲使计数器清零，同时启动振荡器工作。计数器清零后，D/A转换器输出一固定负的（或正）电压值，经反向放大后送到仪表放大器的参考端，此时不论零偏为正或为负，加在仪表放大器参考端的大电压值可保证其输出均为一正电压值甚至过载（可用表头显示），随着计数器的不断计数，D/A转换器的输出逐渐由负值向正值变化，仪表放大器的参考端电压则由正向负变化，相应其输出也不断减小，当其输出值由正电压变为负电压的瞬间，过零检测电路给出信号使振荡器停振，计数器停止工作，D/A 转换器的输出值也不再变化，这时仪表放大器的输出基本无零偏（1mV左右）。由于计数器的记数值是被保持的，故加到仪表放大器的参考端电压值在调零结束后仍保持不变，只要没有新的失衡或断电，电路的平衡状态可以得到长时间的保

　　此电路的特点是平衡状态保持时间长，加装断电保护电池后，还能保证测量中平衡状态不受突然断电的 影响。另外其费用也不高。缺点是电路较复杂，调零准确性受过零检测电路响应时间影响，精度较差，若后级放大的倍数较大时，会导致较大的输出零偏。另外，调平衡时会造成放大器输出短时间过载。

　　3、利用A/D，D/A转换器实现桥路自动平衡

　　由上节的分析可知，将放大器输出的零偏电压值反向后送到仪表放大器的参考端即可使电路恢复零位。因此，可利用A/D转换器读取零偏电压，再经D/A转换和反向，然后加至仪表放大器的参考端，即可实现自动调零。其原理框图如图4所示。

　　

　　该电路实现方法简单，调零精度高，速度快，平衡状态可长时间保持，但价格相对较高。

　　4、通过软件编程实现桥路自动平衡

　　与2.3节中的方法相类似，通过软件编程实现微处理器对A/D、D，A转换器的控制，能够更精确、灵活地进行桥路自动平衡并长时间保持，其造价也更高些。实现框图见图5。

　　

　　电桥自动平衡电路应用中应注意的几个问题

　　（1）正确选择关键元器件。元器件的优劣是保证电路性能的重要条件。以上几种方法中，积分电容器漏电阻应尽可能的大;转换开关宜选取电子开关，提高转换速度;过零检测电路应选取响应速度快的器件;A/D、D/A转换器宜选取12 倍或更高，以提高调零精度。

　　（2）应根据具体应用场合选择合适的方法。由以上分析可以看出，第一种电路最为简单，价格也便宜，但由于电容器漏电会导致测试系统调平衡结束后又逐渐甚至于很快失衡，所以测量系统在调平衡后应尽快用于测试，测试时间也应尽量短。此电路较适合于动态压力、应变信号的快速测量。对于一般的动静态应变仪，测试时系统的平衡状态需要保持一定时间，这时宜选用第二种电路，既能满足一定精度成本又不高。用于计量等方面的精密动态应变仪，则宜选用第三或第四种电路。对于多路精密应变仪，可用一片A/D和CPU.多片D/A芯片快速、精确实现各路测试系统的桥路自动平衡。

　　（3）多级放大电路的正确调零方法。首先保证第一级放大电路调平衡，若后级放大倍数较高，第一级调平衡后的微小零偏仍会造成末级输出上百毫伏的零偏，当要求系统高精度时，可考虑给后级放大电路也加装自动平衡电路。后级放大电路如果用的不是精密仪表放大器，则不宜直接加接自动平衡电路，而应再接-级放大倍数为1、类似图1中调平衡结构的放大电路，通过此电路来调节系统的平衡。