電橋放大器的原理及應(yīng)用

1、電橋放大器的原理及應(yīng)用摘要：在非電量測(cè)量?jī)x器中經(jīng)常采用電阻傳感器,通過(guò)對(duì)電阻傳感器中電阻的相對(duì)變化的測(cè)量來(lái)檢測(cè)一些非電量。電阻傳感器都是通過(guò)電橋的連接方式,將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，并用放大器做進(jìn)一步放大。 這種由電阻傳感器電橋和運(yùn)放組成的運(yùn)放電路被稱為電橋放大器。 電橋放大器是非電量測(cè)試系統(tǒng)中常見(jiàn)的一種放大電路 1 。本文將主要介紹電橋放大器的原理、 應(yīng)用及應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決辦法。關(guān)鍵詞： 電橋放大器 ；非電量測(cè)量；非線性誤差the principle and application of the bridge amplifierabstract:resistive sensor

2、s are often used in non-power measuring instruments and the measurement of the resistors relative change in resistive sensor can be used to detect some of the non-electricity. resistive sensors are based on the connection of the bridge and the measured non-electricity is converted into a voltage or

3、current signal and then amplifier further amplification. the op amp circuit composed of resistive sensor bridge and op amp is called bridge amplifier. bridge amplifier is a common kind of amplifier circuit in a non-electricity test system.this article will focus on the bridge amplifiers principles,a

4、pplications,application problems and solutions.keywords: bridge amplifier ；non-power measurement；nonlinearity error引言在現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展中， 電子檢測(cè)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用， 在非電量的檢測(cè)中 , 常常使用電阻傳感器將一些非電物理量如壓力、光、熱、濕度、流量等轉(zhuǎn)換為電阻量的變化 , 然后再轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè)量。 由于傳感器的變化量常常是在一個(gè)參考狀態(tài)的初始值基礎(chǔ)上進(jìn)行變化 , 為了獲取純變化量 , 一般利用電橋電路來(lái)抑制初始值。 在電橋電路的輸出較小時(shí) , 又需要用集成運(yùn)算放大器與

5、之配合 , 這樣就形成了應(yīng)用廣泛的電阻電橋傳感放大器 2 。本文將對(duì)電橋放大器做一些研究，先闡述其基本原理，然后再討論其應(yīng)用及在應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法。1 電橋放大器1.1 單端反相輸入電橋放大器1圖 1 所示為單端反相輸入電橋放大器電路。圖中，電橋?qū)蔷€a、b 兩端的開(kāi)路輸出電壓 u ab 為z 4z3)uu ab (z1 z 3z 2 z4圖 1 單端反相輸入電橋放大器u ab 通過(guò)運(yùn)算放大器a 進(jìn)行放大。由于電橋電源 u 是浮置的，所以 u 在 r1 和 r2 中無(wú)電流流過(guò)。因 a 點(diǎn)為虛地，故 u 0 反饋到 r1 兩端的電壓定是u ab ，即u 0 r1(z 4z3)ur1r2z

6、 2z 4 z1z 3于是可得u 0(1r2)z2 z3 - z1z4uz3 )( z2r1 (z1z4 )若令 z1z2 z 4 r，z 3r(1) ， 為傳感器電阻的相對(duì)變化率，r / r ，則有u 0(1 r2 ) ur14 12由此可知， 單臂反相輸入電橋放大器的增益與橋臂電阻無(wú)關(guān)，增益比較穩(wěn)定， 只需要調(diào)節(jié) r1 或 r2 ，就可以方便的實(shí)現(xiàn)電路增益的調(diào)節(jié)。但該電路的電橋電源一定要浮置，這給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩，而且電路輸出電壓u 0 與橋臂電阻的相對(duì)變化率是非線性關(guān)系，只有當(dāng)1 時(shí)， u 0 與才近似按線性變化 3 。1.2 差動(dòng)輸入電橋放大器圖 2 所示電路是把傳感器電橋兩輸出端分別

7、與差動(dòng)運(yùn)算放大器的兩輸入端相連，構(gòu)成差動(dòng)輸入電橋放大器。2圖 2 差動(dòng)輸入電橋放大器當(dāng) r2r 時(shí)有：uiree(1 )u2,unr 2r22若運(yùn)算放大器為理想工作狀態(tài)，即uiu n ，可得：u(12r2 )(er 12) 4設(shè)可變電阻的變化系數(shù)1 , 且 r2r , 則上式可以簡(jiǎn)化為：ue r22r式中 e 為橋路的參考電壓值。分析該式可知： 當(dāng)很小時(shí)，電橋放大器的輸出電壓與變量呈現(xiàn)線性關(guān)系，即此時(shí)非線性誤差才可以忽略。在 u 的簡(jiǎn)化過(guò)程中， 基于假設(shè)條件， 即 r2r , 獲得了輸出電壓的簡(jiǎn)化式； 由于輸出電壓的表達(dá)式中含有電橋電阻r ，因此，溫度的變化將直接影響電橋元件r 的大小，直接影

8、響運(yùn)放增益的溫度特性，因而在設(shè)計(jì)時(shí)要求r 和 r2 的溫度穩(wěn)定性要好；如果 r2r , 則電橋負(fù)載的影響將不明顯。該電路的主要優(yōu)點(diǎn)是電路組成簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)具有高共模抑制比的儀用運(yùn)放，而且靈敏度較高。1.3 寬偏移電橋放大器上面兩種電橋放大器，只有當(dāng)很小時(shí)，輸出電壓和之間才具有較好的線性關(guān)系，當(dāng)較大時(shí)（約大于0.10.2）時(shí)，非線性就變得逐漸顯著起來(lái)。為了使輸出電3壓與傳感器電阻相對(duì)變化率 成線性關(guān)系，可把傳感器構(gòu)成的可變橋臂 r(1 ) 接在運(yùn)算放大器的反饋回路中，如圖 3 所示 4 。圖 3 寬偏移電橋放大器若運(yùn)算放大器為理想工作狀態(tài)， 此時(shí) u aub ，則放大器 a 兩輸入端輸入電壓

9、ua 、ub 和輸出電壓 uo 分別為ua (uo - u)r1 uuo r1ur2r2r1r2r1ubur3r3r1uo(1r2 )(r3) - r2ur3 - r2 ur1r1 r3r1r1 r3當(dāng) r3r 時(shí)，上式可寫成ruuo-r1r式中， r 為傳感器的名義電阻。分析上式表明，輸出信號(hào)電壓與偏移量成正比。一般具有高測(cè)量系數(shù)的半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)、熱敏電阻等均可采用這種電路。需要注意的問(wèn)題： 為增強(qiáng)橋路抗共模干擾能力，元件應(yīng)當(dāng)匹配。兩個(gè)輸入電阻r1 的電阻值必須相等。 在改變靈敏度（或者調(diào)解增益）時(shí)，需要調(diào)解兩個(gè)電阻值以保持輸入電壓為零，所以該電路的校準(zhǔn)很困難。 該電路的量程較大，但靈敏度較低

10、，而且還要注意，當(dāng)過(guò)大時(shí)，由于運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電流的影響將會(huì)在輸出端產(chǎn)生誤差5 。1.4 線性電橋放大器如圖 4 所示的電路是一種線性優(yōu)良的電橋放大器電路。該電路允許在很寬的范圍內(nèi)變化，保持輸入電壓的非線性誤差小于0.1%。圖 4 的橋式電路有三個(gè)電阻r 和4可變電阻 r(1) 構(gòu)成橋路，并有三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成，a 為電橋差動(dòng)放大電路，電橋參考電壓 - e 由運(yùn)放 a1 提供，e 由 a1 和 a2 的組合提供。其中a2 為單位增益反相器。圖 4 線性優(yōu)良的電橋放大器分析該圖，可得該橋路的輸出電壓為：uo2r fe (1)r2 12式中 e 為加在橋路兩端的電壓，分別由a1 和 a2 決定，且 e

11、 為e er2uor1將輸出電壓 uo 代入上式，可以得到e ，即e e1- (12rf ) r2rr1 2式中： e 為電路的參考電壓值，分析上式可得，e 和 e 是非線性關(guān)系，將 e 代入輸出電壓表達(dá)式，則有：(12r f )2euor2r fr21- (1r)2上式即為圖 4 所示橋路的r1輸出電壓的表達(dá)式。分析該式可知，輸出電壓 uo 與偏移量是非線性關(guān)系， 為了使其線性化， 可取橋路元件滿足以下條件式，即5r11rfr22r將該條件式代入輸出電壓uo 表達(dá)式和參考電壓e 的表達(dá)式，化簡(jiǎn)可得橋路參考電壓e 為e(1)e 2因此，該橋路的輸出電壓 uo 的表達(dá)式為uoe2rf)(1r2分

12、析上式可知： 盡管橋路兩端參考電壓與偏移量有關(guān)，且是非線性函數(shù)，但當(dāng)給定條件式時(shí)，輸出電壓 uo 與偏移量是線性關(guān)系。 輸出電壓 uo 與偏移量成正比，因此 e 起到線性補(bǔ)償作用。 參考電壓 e 可以是直流，也可以是交流，但其幅度應(yīng)該相當(dāng)穩(wěn)定。在 調(diào)整 電路 中，應(yīng)根據(jù)電 橋靈 敏度 選取電阻 r 和 rf 的值，再 由關(guān) 系式 r1 / r2 (1 2rf / r) 確定電阻 r1 和 r2 。圖 4 所示電路是一個(gè)實(shí)用電路，一般可以選取電阻值 r1 =30k， r2 =10k， r3 =5k1， rf =2k2。根據(jù) rf 的值可以確定 r 值和的變化范圍。若 r 值很大，可重新選取其它電

13、阻值。e 為基準(zhǔn)電壓，一般選用溫度系數(shù)特性良好的穩(wěn)壓管如 2dw7c 或 lm399 來(lái)完成，或者用有源電路來(lái)設(shè)計(jì)高精度基準(zhǔn)電壓源作為基準(zhǔn)電壓 6 。2 電橋放大器的性能改善2.1 消除電橋非線性誤差由于橋臂傳感器電阻的變化與電橋不平衡輸出電壓之間呈現(xiàn)非線性特性， 尤其在電阻值變化較大時(shí)， 不平衡輸出電壓的非線性愈加嚴(yán)重， 因而極大地影響了不平衡電橋的測(cè)量準(zhǔn)確度，限制了它的應(yīng)用范圍 7 。電橋直接輸出的不平衡電壓信號(hào)很小，必須通過(guò)放大器放大幾百倍， 甚至上千倍，放大器失調(diào)電壓及其漂移也是影響系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素。 為了提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度， 必須研究不平衡輸出電壓的非線性誤差和放大器失調(diào)電

14、壓對(duì)系統(tǒng)準(zhǔn)確度的影響，為提高測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度提供理論指導(dǎo)8 。現(xiàn)在我們以電橋非線性和放大器失調(diào)電壓為主要誤差對(duì)象，討論了幾種減小測(cè)量誤差的有源電橋。2.1.1 電壓反饋可變電壓源激勵(lì)電橋6如圖 5 所示，其中放大器a1 為儀用放大器，失調(diào)電壓為vos1，放大倍數(shù)為a 。放大器 a2 為高準(zhǔn)確度的電壓反饋放大器，失調(diào)電壓為vos2 。 反饋放大倍數(shù)為 k 。vrr +rv +v -e0i1i2a 1rrv o s1r fk rfv 0a 2v o s2圖 5 電壓反饋消除電橋非線性誤差電路忽略放大器的輸入電流，由圖5 得：vi 1rv0v-i 2 rv0vo-ke0vos 2 ( k1)i 1(v

15、 - v0 ) / 2ri 2 (v- -v0 ) / (2rr)e0(v - v- - vos1) a由以上各式可求得：e0rav - ( k1)vos2ra - 2(2 rr)vos1 a4r 2 r - rak2/ a , 將該式上式可知，滿足電橋輸出線性化響應(yīng)的條件為2rrak 0，即 k代入上式化簡(jiǎn)為：e0rav vos2(2 a)rr-4r-vos1 a(1)4r2r從上式中可以看出，理論上，電橋的輸出可得到線性化響應(yīng)。但是，由于反饋放大器的增益不能正好設(shè)定為2 / a ，所以，這種電路非線性校正的效果取決于增益設(shè)定的準(zhǔn)確度，使用受到一定的限制。 放大器 a1 的失調(diào)電壓及其漂移放

16、大a 倍直接輸273出，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生較大的誤差。從上式也可以看出，放大器a2 的失調(diào)電壓及其漂移影響較小。2.1.2 電流反饋單臂電橋單臂電橋工作時(shí)， 信號(hào)響應(yīng)輸出誤差為負(fù)， 前面分析過(guò)電壓反饋可變電壓源供電可以得到線性化的輸出響應(yīng)， 同樣可以采用電流反饋電流源的方式線性化電橋的輸出響應(yīng) 9 。根據(jù)電橋非線性誤差的特性，線性化校正的指導(dǎo)思想是給電橋供電的電流源隨著電橋輸出增大而增大。根據(jù)這一指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)電路如圖6 所示。vir sa 2r fvo s 2rr +rv +i1 i2v-a 1rreov o s 1圖 6電流反饋線性化校正電路其中 a1 為儀用放大器，其失調(diào)電壓為 vos1 。放大倍

17、數(shù)為 a， a2 為高準(zhǔn)確度的直流電壓反饋放大器，其失調(diào)電壓為vos 2 ，反饋電阻為 rf 。通過(guò)解析分析 , 求解電橋線性化輸出的條件。忽略放大器的輸入電流，由電路圖6 得：i (v - vos 2 ) / rs(e0 -vos 2 ) / krv-vos2 - i1rv-vos2 - i 2 (rr)i1i 2ii1 / i 2(2r r) / 2re0(v -v- - vos1 ) a由以上各式可求得：8r * r * rf * a *( v - vos2 )a r *r * vos2rf (4 r r)vos1e0-rf * r - r * r * ars (4 r * rfrf *

18、 r - r * r * a)4r * rf由上式可知，滿足電橋的輸出線性化響應(yīng)的條件為rf *rr * r* a 0 , 即：rfar ，將上式化簡(jiǎn)得：e0rva (1- vos2 ) -rvos2 - (1r)vos1 a4rsv4r4r由上述推導(dǎo)可知，該電橋線性化輸出是有條件的，即反饋電阻為ar ，準(zhǔn)確地設(shè)定該電阻是非常煩瑣的工作，調(diào)整不準(zhǔn)確，影響非線性校正的效果。放大器a1 的失調(diào)電壓及其漂移對(duì)測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。2.1.3 放大器控制電流輸出型電橋前面兩種校正電路都是電橋輸出不平衡電壓，現(xiàn)改變電橋不平衡輸出方式，采用放大器反饋，使電橋輸出不平衡電流 10，設(shè)計(jì)電路如圖 7 所示。vr

19、 fifri2ra 1i1v o s1v o s2a 2r + rreoi3v 1圖 7 放大器反饋控制線性化電路將接入傳感器的電橋臂放入放大器的反饋回路中，電橋電源低壓端由放大器a1的輸出端進(jìn)行伺服控制， 當(dāng)傳感器的阻值發(fā)生變化時(shí)， 伺服放大器的輸出電壓隨之變化，從而引起電橋的不平衡電流輸出，通過(guò)放大器a2 和反饋電阻 rf 產(chǎn)生輸出電壓。圖中放大器 a1 為電橋提供一個(gè)虛地點(diǎn)和伺服控制電橋電壓的作用，放大器a2 起電流一電壓變換的作用。放大器a1 、a2 為高準(zhǔn)確的直流電壓反饋放大器，其失調(diào)電壓9分別為 vos1 、 vos 2 。由電路可得：i1(v - vos1 ) / ri 2(v

20、-vos2 ) / ri 3i 2 i fi 3(vos 2 - v1 ) / re0i f rfvos 2由以上各式可求得：e0 a (vr ) a(vos2 -vos1 )vos 22r式中 a 2rf / r 。由上述分析可知， 這種放大器反饋方式可線性化電橋輸出，無(wú)任何調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)， 電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)增益調(diào)整簡(jiǎn)單；從上式可以看出，放大器a2 的失調(diào)電壓與放大器 a1 的失調(diào)電壓是相減關(guān)系，當(dāng)采用兩個(gè)同一種型號(hào)的雙極性放大器時(shí)，兩個(gè)放大器的失調(diào)電壓溫漂變化方向一致，在相同溫度下， 其變化大小比較接近， 有非常好的補(bǔ)償作用， 保守估算也能使失調(diào)電壓及其漂移的影響減小5 倍。因此，失調(diào)電

21、壓及其漂移對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響很小，是較理想的測(cè)量線路11。2.2 電橋放大器電源干擾問(wèn)題及解決途徑在圖 8 所示的普通電橋放大器中 , 放大器所需放大的信號(hào)是由rx 的變化在 a 、b兩點(diǎn)產(chǎn)生的差值信號(hào) , 對(duì)電源波動(dòng)和隨電源線帶進(jìn)的干擾頻率信號(hào)在a 、b 兩點(diǎn)產(chǎn)生的干擾差值信號(hào)是需抑制的。當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí), 電源干擾信號(hào)在 a 、b 兩點(diǎn)產(chǎn)生的干擾差值信號(hào)為零。但由于 rx 的變化 , 電橋處于非平衡工作狀態(tài) , 故電源干擾信號(hào)必然在 a 、b 兩點(diǎn)產(chǎn)生干擾差值信號(hào) , 即 e eesa eesb 0 ，該干擾差值信號(hào)必然通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。共模增益與誤差因子成正比，而誤差因子隨rx

22、 的變化而變化，可見(jiàn)當(dāng)rx 變化較大時(shí) , 普通電橋放大器對(duì)電源干擾信號(hào)的抑制能力是較差的12。為了提高電橋放大器對(duì)電源干擾信號(hào)的抑制能力, 應(yīng)盡可能地減小干擾差值信號(hào)，即減小誤差因子。 圖 9 所示的改進(jìn)型電橋放大器對(duì)減小a 、b 兩點(diǎn)的干擾差值信號(hào)有較強(qiáng)的作用。圖 9 中用恒流源代替圖 8 中的 r2 和 r3 。下面對(duì)圖 8 和圖 9 所示的兩種不同的電橋放大器進(jìn)行分析比較。10eer 1r xbar 1r xbaav o u tav ou tr 2r 3圖 8 普通電橋放大器圖 9 改進(jìn)型電橋放大器2.2.1 兩種電橋放大器對(duì)干擾頻率信號(hào)的抑制能力設(shè)隨電源線帶進(jìn)的干擾頻率信號(hào)為ee ，

23、對(duì)于普通電橋放大器， ee 在 a 、 b 兩點(diǎn)形成的干擾差值信號(hào)為 eesab 。對(duì)于改進(jìn)型電橋放大器， ee 在 a 、b 兩點(diǎn)形成的干擾差值信號(hào)為 e esab 。再設(shè) r1r2r3r ,rx / r ，且恒流源對(duì)干擾頻率信號(hào)ee 呈現(xiàn)的內(nèi)阻 rh nr ，則 ee 在圖 8 和圖 9 中 a 、b 兩點(diǎn)形成的干擾差值信號(hào)分別為ee ( rr2r3eesabeesa - eesbr -rr )123xee *1-1ees-121234nrnreesabe esa- eesbee (r nr -nr r)xee ( nn (-1)2n ( -1)1)(n)ees ( n1)(n)由上式可知

24、兩種電橋放大器的誤差因子分別為eesabeesa eesb1eesees1eesabeesa eesb2n ( 1)eesees( n 1)( n)由以上兩式可見(jiàn) , 兩種電橋放大器的誤差因子均與rx 的變化有關(guān)。由于 n1,故改進(jìn)型電橋放大器的誤差因子遠(yuǎn)小于普通電橋的誤差因子。又因?yàn)檫\(yùn)算放大器輸出端的干擾輸出信號(hào)與誤差因子成正比關(guān)系13 ，設(shè)運(yùn)算放大器對(duì)a 、b 兩點(diǎn)的干擾差11值 信 號(hào)的 增 益為 k e , 則兩 種 電 橋 放 大 器相 應(yīng)輸 出 的 干 擾頻 率 信 號(hào)分 別為 u eout eesab k e， u eout eesab k e ，當(dāng) 1 時(shí)，兩種電橋放大器輸出干

25、擾頻率信號(hào)的比值為u eouteesab( n1)( n)u eouteesab2n (1)由上式可得，當(dāng)1時(shí)，若取 n200 , 改進(jìn)型電橋放大器對(duì)ee 的抑制能力是普通電橋放大器的 50.5 倍。由此可見(jiàn)，改進(jìn)型電橋放大器對(duì)電源頻率干擾信號(hào)的抑制能力相對(duì)于普通電橋放大器得到了很大的提升。2.2.2 兩種電橋放大器對(duì)電源波動(dòng)的抑制能力設(shè)圖 8 和圖 9 中電橋供電直流電源e 的波動(dòng)為e , 恒流源的恒定電流i 隨電源 e的波動(dòng)所產(chǎn)生的波動(dòng)為e ，再設(shè)運(yùn)算放大器對(duì)a 、b 兩點(diǎn)的差值信號(hào)的放大能力為k ，則對(duì)于圖 8 所示的普通電橋放大器輸出端所輸出的信號(hào)為vout( eaeb ) krxre

26、k2( rxr)vout( e aeb ) krxr2( rxekr)則普通電橋放大器輸出信號(hào)隨電源波動(dòng)所產(chǎn)生的相對(duì)誤差為voutevoute對(duì)于圖 9 所示的改進(jìn)型電橋放大器輸出端所輸出的信號(hào)為v out(e ae b) k( rxr) ikv out(e ae b ) k(rxr) ik則改進(jìn)型電橋放大器輸出信號(hào)隨電源波動(dòng)所產(chǎn)生的相對(duì)誤差為v outivouti普通電橋放大器輸出信號(hào)隨電源波動(dòng)所產(chǎn)生的相對(duì)誤差取決于電源e 的相對(duì)變化 ,而改進(jìn)型電橋放大器輸出信號(hào)隨電源波動(dòng)所產(chǎn)生的相對(duì)誤差取決于恒流源恒定電流 i 的相對(duì)變化 ,由于圖 9 中恒流源的恒定電流i 的相對(duì)變化甚小于電橋電源e 的

27、相對(duì)變化 ,故滿足下列關(guān)系v outvoutv outv out12設(shè)電橋電源 e 的相對(duì)變化為10%，恒流源恒定電流隨電橋電源波動(dòng)所產(chǎn)生的相對(duì)變化為 0.2%，則改進(jìn)型電橋放大器對(duì)電源波動(dòng)的抑制能力是普通電橋放大器的 50 倍。由此可見(jiàn)，改進(jìn)型電橋放大器對(duì)電源波動(dòng)的抑制能力比普通電橋放大器要強(qiáng)得多。3 電橋放大器應(yīng)用舉例3.1 由 ina102 構(gòu)成的電橋放大電路在現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 大量使用了電阻電橋作為把非電量變換為電信號(hào)的變換電路 14。圖 10 所示電路為由ina102 集成芯片組成的電阻電橋放大電路。利用該電路，可對(duì)由熱敏電阻、光敏電阻、熱電偶、應(yīng)變片等敏感元件感應(yīng)的力矩、力、

28、位移、光、溫度等非電量進(jìn)行測(cè)量。圖 10 由 ina102 集成芯片組成的電橋放大電路該電路的電壓放大倍數(shù)為1000，所以其輸出電壓為 uo1000(u2u1 ) 。為了抑制交流干擾，在電阻式電橋傳感器與放大器之間應(yīng)采用屏蔽線。由于ina102 的內(nèi)部附設(shè)有 9 個(gè)精度極高的金屬膜電阻，且其溫度穩(wěn)定性也很高，所以具有很高的增益精度。在使用時(shí)不需外接電阻，因而應(yīng)用極為方便，即只要連接 ina102 的不同引腳便可得到不同的增益： 1、10、100、1000。ina102 芯片的內(nèi)部含有三個(gè)集成運(yùn)放和多個(gè)阻容元件， 它具有放大微弱差動(dòng)信號(hào)的能力， 因而常用來(lái)作為數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的前置放大。 使用中，當(dāng)

29、電壓放大倍數(shù)較小 (如 k10)時(shí)，ina102能很好地滿足失調(diào)電壓及漂移等指標(biāo)要求。當(dāng)電壓放大倍數(shù)較大(如 k=100) 時(shí)，因偏置電流的不平衡而引起的失調(diào)電壓誤差較大，常采用輸出失調(diào)調(diào)整電路來(lái)調(diào)整ina102 的失調(diào)電壓。133.2 自動(dòng)穩(wěn)零電橋放大器如圖 11 所示的電路是一種根據(jù)動(dòng)態(tài)校零原理設(shè)計(jì)的具有自動(dòng)穩(wěn)零性能的電橋放大電路。該電路能對(duì)外部環(huán)境干擾及內(nèi)部電路產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移具有較好的抑制作用，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 能對(duì)弱信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾放大， 大大提高了測(cè)量信號(hào)的信噪比， 可滿足較高的檢測(cè)要求 15 。r 2r wr 1r 1a 1u 0r 2r 0r tr 4ea 2cs2r 0r 0a

30、3r 5r 3s1圖 11自動(dòng)穩(wěn)零電橋放大電路圖中 3 個(gè)電阻 r0、敏感元件 rt和電壓源 e 組成電橋，把非電物理量變換為電壓信號(hào)，輸入到放大器 a1 中。運(yùn)放 a1構(gòu)成可調(diào)增益差動(dòng)式放大器， 運(yùn)放 a2 和電阻 r4 、r5 作為輸出取樣電路，運(yùn)放a3 用作積分器。當(dāng)校零時(shí)，模擬電子開(kāi)關(guān)s1 斷開(kāi)， s2 閉合，此時(shí)若運(yùn)放a1 的反相端有一由環(huán)境變化或漂移所引起的信號(hào)輸入，則運(yùn)放a1 就有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的輸出電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)電阻 r4 、r5 對(duì) u 0 取樣，送至積分器 a3 的反相輸入端。 a3 輸出逐漸上升的電壓 u 3 送到 a1 的同相端。該電壓與 a1 反相輸入信號(hào) u1 互相作用

31、，使 a1 的輸出減小。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，可使輸出電壓 u 0 0 ，則穩(wěn)零過(guò)程結(jié)束。因而，在無(wú)被測(cè)信號(hào)輸入情況下，排除了外界環(huán)境的干擾和電路內(nèi)部的零點(diǎn)漂移。當(dāng)測(cè)量時(shí)，開(kāi)關(guān) s1 閉合， s2 斷開(kāi)，積分器 a3 無(wú)輸入電壓信號(hào)，積分電容 c 保持先前調(diào)零結(jié)束時(shí)的電壓值， 即電容 c 具有存儲(chǔ)干擾和零漂等效電壓的功能。 這時(shí)若把傳感器放入被測(cè)系統(tǒng)中，在原來(lái)的環(huán)境作用下，運(yùn)放a3 放大輸出是抵消了環(huán)境干34擾和零漂移后的電壓。這樣由運(yùn)放a1、 a2 和 a3 組成的閉環(huán)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)零14ron ，故作用，能有效地檢測(cè)被干擾的弱信號(hào)。以測(cè)量溫度為例， 當(dāng)被測(cè)對(duì)象處在具有干擾的環(huán)境中，在測(cè)量溫度

32、之前， 先在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零， 然后將傳感器置于被測(cè)對(duì)象中， 開(kāi)始正式測(cè)溫。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先設(shè) rt r0 為一固定值，當(dāng)改變電橋電源 e 時(shí)，電壓 u1 發(fā)生變化，而 e 的變化代表了環(huán)境干擾和零漂的影響。 根據(jù)上述自動(dòng)穩(wěn)零原理的分析， 此時(shí)電容 c 保持了調(diào)零階段中的電壓信號(hào)。然后開(kāi)始改變 rt , 由于 rt 的變化代表被測(cè)溫度的變化，這樣在 e 的變化情況下，仍可測(cè)量出溫度的值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，u 1 在80mv 內(nèi)變化時(shí)，調(diào)零后7 分鐘內(nèi)，該電路的輸出電壓保持為0.18mv?？梢?jiàn)這種電路有著較好的穩(wěn)零效果。這種電橋放大電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 實(shí)用和穩(wěn)零性能好等特點(diǎn)， 為了提高電路的特性

33、，可采用低漂移型集成運(yùn)算放大器。積分電容要求電容量大，漏電小。通常模擬電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻 ron 為幾百歐姆， 而電阻 r3 的取值為幾百千歐量級(jí)， 即 r3模擬電子開(kāi)關(guān)s1、s2 的導(dǎo)通電阻 ron 均可忽略。這種電路屬于間歇高精度測(cè)量方式電路，尤其在緩變干擾的環(huán)境場(chǎng)合中， 有很強(qiáng)的抑制干擾作用。 當(dāng)電路與單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接后，利用單片機(jī)中的定時(shí)器來(lái)控制模擬開(kāi)關(guān)的閉合，使測(cè)量過(guò)程更為簡(jiǎn)便，功能更強(qiáng)。3.3 電橋放大器在電子秤中的應(yīng)用3.3.1 傳感器的選擇在電子秤中， 傳感器是一個(gè)十分重要的元件， 因此對(duì)傳感器的選擇也顯的特別的重要，不僅要注意其量程和參數(shù)， 還有考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)

34、計(jì)的難以程度和設(shè)計(jì)性價(jià)比等等。傳感器量程的選擇可依據(jù)秤的最大稱量值、 選用傳感器的個(gè)數(shù)、 秤體的自重、 可能產(chǎn)生的最人偏載及動(dòng)載等因素綜合評(píng)價(jià)來(lái)確定。 一般來(lái)說(shuō)，傳感器的量程越接近分配到每個(gè)傳感器的載荷， 其稱量的準(zhǔn)確度就越高。 但在實(shí)際使用時(shí)， 由于加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在秤體自重、皮重、偏載及振動(dòng)沖擊等載荷，因此選用傳感器量程時(shí)， 要考慮諸多方面的因素， 保證傳感器的安全和壽命。 傳感器量程的計(jì)算公式是在充分考慮到影響秤體的各個(gè)因素后， 經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)而確定的。 本例中要求稱重范圍 0-600g，重量誤差不大于 0.1kg。為保證電子秤稱量結(jié)果的準(zhǔn)確度， 克服傳感器在低量程段

35、線性度差的缺點(diǎn)。 傳感器的量程應(yīng)根據(jù)皮帶秤的最大流量來(lái)選擇。 在實(shí)際工作中， 要求稱重傳感器的有效量程在 20%80%之間線性好，精度高。重量誤差應(yīng)控制存 0.01kg，又考慮到秤臺(tái)15自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，確定傳感器的額定載荷為 1kg，允許過(guò)載為 150%f.s，精度為 0.05%，最大量程時(shí)誤差 0.1kg，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。綜合考慮，本例采用 sp20c-g501 電阻應(yīng)變式傳感器，其最大量程為 1kg 。稱重傳感器由組合式 s 型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計(jì)構(gòu)成， 具有過(guò)載保護(hù)裝置。 由于惠斯登電橋具諸如抑制溫度變化的影響， 抑制干擾，補(bǔ)償方便

36、等優(yōu)點(diǎn)， 所以該傳感器測(cè)量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)測(cè)量及各種電子稈的一次儀表。 該稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成， 其工作原理如圖 12 所示。圖 12 稱重傳感器原理圖本設(shè)計(jì)的測(cè)量電路采用最常見(jiàn)的橋式測(cè)量電路，用到的是電阻應(yīng)變傳感器半橋式測(cè)量電路。它的兩只應(yīng)變片和兩只電阻貼在彈性梁上，測(cè)量電阻隨重力變化導(dǎo)致彈性梁應(yīng)變而產(chǎn)生的變化。其測(cè)量原理：用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)， 應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化， 通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。 由于內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)

37、，輸出信號(hào)電壓可由下式給出：eoutr2r4( r1r2r3r4) ein(r2r4)r1r2r3r4上式說(shuō)明電橋的輸出電壓和四個(gè)橋臂的應(yīng)變片感受的應(yīng)變量的代數(shù)和成正比。3.3.2 放大電路的選擇稱重傳感器輸出電壓振幅范圍0 20mv。而 a/d 轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求為02v ，因此放大環(huán)節(jié)要有100 倍左右的增益。由于本例中電阻變化率只有0.2%，這樣小的16電阻變化既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路，把應(yīng)變計(jì)的 r/r 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個(gè)電壓或電流信號(hào)很小，需要增加增益放大電路來(lái)把這個(gè)電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被a/d 轉(zhuǎn)換器接收的信號(hào)。在前級(jí)處理電路部

38、分，我們考慮可以采用以下幾種方案：方案一：利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成前級(jí)處理電路；普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。由于a/d 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度， 所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精度。所以，此種方案不宜采用。方案二：主要由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器，而構(gòu)成的前級(jí)處理電路；差動(dòng)放人器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放(如 op07)做成一個(gè)差動(dòng)放大器。r 4r 3a 110 k20 ku 1r 1r 31. 1 k20 ka 3u 0r 2r 44k10 kr 4a 2u 210 kr 32 0 k圖 13 利用高精度低漂移運(yùn)放設(shè)計(jì)的差動(dòng)放

39、大器一般說(shuō)來(lái)，集成化儀用放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗， 因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中都是把集成化儀器放人器作為前置放人器。 然而，絕人多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越大。 而集成化儀器放大器作為心電前置放大器時(shí)，由于極化電壓的存在， 前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)， 這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時(shí)的共模抑制比不可能很高。 有同學(xué)試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來(lái)避免極化電壓使高增益的前置放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，但由于信號(hào)源的內(nèi)阻高， 且兩17輸入端不平衡， 隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴(yán)重地?fù)p害了放人器的性能。 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放人，其設(shè)計(jì)電路如圖 13 所示。該電路的主要特點(diǎn)： 前級(jí)采用運(yùn)放 al 和 a2 組成并聯(lián)型差動(dòng)放大器。理論上不難證明，存運(yùn)算放大器為理想的情況下， 并聯(lián)型差動(dòng)放人器的輸入阻抗為無(wú)窮人， 共模抑制比也為無(wú)窮人。更值得一提的是， 在理論上并聯(lián)型差動(dòng)放人器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無(wú)關(guān)。 阻容耦合電路放存由并聯(lián)型差動(dòng)放大器構(gòu)成的前級(jí)放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器之間， 這樣可為后級(jí)儀器放大器提高增益，進(jìn)而提高電路的共模抑制比提供了條