电桥传感器电路设计的挑战也将日益复杂

电桥传感器因其高精度和广泛的应用范围，在工业自动化、生物医学、环境监测等领域发挥着重要作用。然而，在进行电桥传感器的电路设计时，常常会遇到一些复杂的问题，如信号增益不足、共模电压干扰、直流失调等。本文将详细探讨如何避免在电桥传感器电路设计中陷入这些困境，并提供相应的解决方案。

一、理解电桥传感器的基本原理

电桥传感器，特别是惠斯通电桥，通过测量电阻的变化来检测物理量的变化。理想情况下，当所有四个电阻值完全相同时，电桥无负载输出为零。然而，在实际应用中，由于电阻的制造容差和外界环境因素的影响，电桥的输出往往存在一定的失调电压。这种失调电压会直接影响测量精度，因此，在设计电路时必须加以考虑。

二、信号增益与放大器选择

由于电桥传感器的输出信号通常较小，因此，需要配置高增益放大器来放大这些信号，以便进行数字化处理或用于控制。精密仪表放大器因其能够选择性地放大两个输入电压之间的差异，同时抑制两个输入中共有的信号，成为高精度测量的首选。

在选择放大器时，需要考虑其增益、共模抑制比(CMRR)、噪声水平等参数。例如，AD8237和AD8420等间接电流反馈(ICF)仪表放大器能够在放大之前移除失调，适合用于超低电源电压的电桥应用。对于要求较高电源电压的传统工业应用，AD8420则是一个良好的选择。

三、共模电压与直流失调的抑制

电桥传感器在实际应用中，往往会受到共模电压和直流失调电压的干扰。共模电压是由环境噪声、电源波动等因素引起的，同时出现在两个输入端上。直流失调则可能是由于电阻容差、温度变化等引起的固定偏差。

为了抑制这些干扰，可以采取以下措施：

使用差分放大器：差分放大器能够选择性地放大两个输入电压之间的差异，同时抑制共模电压。精密仪表放大器就是典型的差分放大器。

施加反电压：在参考(REF)端施加反电压以抵消失调电压。但这种方法的主要不足在于，如果放大器的第一级已经饱和，则调节REF上的电压并不能更正失调。

采用ICF仪表放大器：ICF仪表放大器能够在放大之前移除失调，通过引入一个等于反馈和参考端子之间失调的电压，即使在存在大输入失调的情况下，也可将输出调整为零伏特。

四、电桥失调的校正

电桥失调是电桥传感器电路设计中需要重点解决的问题之一。传统的校正方法包括：

外部电阻分流：根据具体情况，以外部电阻对电桥分流。但这种方法对于自动化生产来说不现实，且在出厂后无法调整。

减少第一级增益：通过减少第一级增益，并微调REF上的电压来移除失调，再添一个放大器电路以实现所需增益。这种方法需要额外的电路空间和成本。

数字化校正：减少第一级增益，以高分辨率ADC完成数字化输出，并在软件中移除失调。这种方法虽然灵活，但也需要考虑最差情况下与原始失调值的偏差。

更先进的解决方案是使用带失调移除功能的高增益电桥电路，如采用AD8237等ICF仪表放大器，结合DAC进行微调。这种方法能够在生产或安装时完成电桥失调调整，并允许在后续环境中重新调整以适应变化。

五、电路设计与优化

在电路设计中，还需要注意以下几点：

选择合适的电阻值：电阻值的选择会直接影响电路的功耗、输出负载以及输入阻抗误差。一般来说，较大电阻值可降低功耗和输出负载，但过大会引入噪声;较小值可限制FB输入偏置电流和输入阻抗误差，但会增加功耗。

考虑噪声和混叠效应：在较低速率采样时，可以使用较大的电阻或电容组合，以进一步减少噪声和混叠效应。同时，根据ADC数据手册中的建议值确定R3和C1的值。

电源和地线设计：合理的电源和地线设计对于抑制噪声和干扰至关重要。应尽量采用低噪声电源，并合理布局地线以减少环路面积。

六、结论

在对电桥传感器进行电路设计时，需要综合考虑信号增益、共模电压与直流失调的抑制、电桥失调的校正以及电路设计与优化等方面。通过选择合适的放大器、采取有效的抑制和校正措施，并精心设计电路布局，可以有效避免陷入困境，提高电桥传感器的测量精度和可靠性。

随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，电桥传感器电路设计的挑战也将日益复杂。因此，持续学习和掌握最新的设计方法和技术，对于提升电路设计的水平和质量具有重要意义。