信号链基础知识之桥接

测量现实世界现象的许多传感器都以改变电阻的形式表现其输出：热敏电阻为温度敏感型电阻，应变计随作用力而改变电阻大小，诸如此类。系统设计人员面对的挑战是如何精确地测量电阻。



图 1 简易分压器

图 1 显示的是您如何使用一个分压器测量电阻。V_E 表示激发电压。R_G 值为：



就大多数传感器而言，如果 R₁ 和 R_G 的值大约相等，则该电路往往会产生非常小的电压变化，且具有较大的失调电压。当失调量未知时，要进行测量非常困难且关系也为非线性。增加一个分压器并差分测量输出可以消除大失调量，请见图 2。

图 2 增加第二个分压器并进行差分测量

该电路的输出电压为：



其假设，静止 R_G 约等于 R₁，同时所有 R₁ 均非常近似。桥接传感器几乎总是以这种方法来构建。请注意，关系仍为非线性。


图 3 绘制桥接的传统方法

图 3 所示的电路与图 2 所示的电路具有相同的电气特性。这就是绘制桥接传感器的常见方法。请注意，图 2-3 所示桥接并非真的与您在学校所学的惠斯通桥接相同。

图 4 所示的惠斯通桥接是一款我们所熟悉的电路，主要用于高精度地测量电阻。1833 年， Hunter Christie 发明了这种电路，随后 Charles Wheatstone 对其进行了研究，并做了广泛的分析，Wheatstone 桥接便因此得名。Wheatstone 还首次运用独特的钻石形风格绘制这种电路，并一直沿用至今。


图 4 Wheatstone 桥接

Wheatstone 桥接的原理是：如果交叉分支的三个电阻和电流均已知，则可计算得到第四个电阻。使用一个高灵敏度电流计，可以非常精确地探测到零电流，因此能够非常精确地实施测量。所以，当电流为零时，桥接获得平衡，而第四个电阻与其他三个电阻相等——但只有在这三个电阻都相等的条件下，如图 2-3 所示。

当前，大多数人都测量电压差分而非电流，与图 2-3 所示情况类似。