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基于精密仪表放大器的惠斯登电桥解决方案

亚德诺半导体 来源:亚德诺半导体 作者:亚德诺半导体 2022-06-27 15:11 次阅读

仪表放大器可以调理传感器生成的电信号,从而实现这些信号的数字化、存储或将其用于控制信号一般较小,因此,放大器可能需要配置为高增益。另外,信号可能会叠加大共模电压,也可能叠加较大直流失调电压。精密仪表放大器可以提供高增益,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。

惠斯登电桥是这种情况的经典例子,但像生物传感器一类的原电池具有类似的特性。电桥输出信号为差分信号,因此,仪表放大器是高精度测量的优选。理想情况下,无负载电桥输出为零,但仅当所有四个电阻均完全相同时,这种情况方为真。假如有一个以分立式电阻构建的电桥,如图 1 所示。最差情况差分失调 VOS为

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其中,VEX为电桥激励电压,TOL为电阻容差(单位为百分比)。

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图 1 惠斯登电桥失调

例如,在各元件的容差均为 0.1%且激励电压为 5 V 时,差分失调可以高达±5 mV。如果需要 400 的增益来实现所需电桥灵敏度,则放大器输出端的失调变成±2 V。假设放大器由同一电源驱动,并且其输出可以轨到轨摆动,则仅电桥失调就可能消耗掉 80%以上的输出摆幅。在行业要求电源电压越来越小的趋势下,这个问题只会变得更加糟糕。 传统的三运放仪表放大器架构(如图 2 所示)有一个差分增益级,其后为一个减法器,用于移除共模电压。增益施加于第一级,因此,失调放大的倍数与目标信号相同。因此,将其移除的方法是在参考(REF)端施加反电压。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。克服这点不足的几种方法包括:

根据具体情况,以外部电阻对电桥分流,但对于自动化生产来说,这是不现实的,而且在出厂后是无法调整的

减少第一级增益,通过微调 REF 上的电压来移除失调,并再添一个放大器电路以实现所需增益

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

后两种选项还需要考虑最差情况下与原始失调值的偏差,从而进一步减少第一级的最大增益。这些解决方案并不理想,因为它们需要额外的电源、电路板空间或成本,来达到高 CMRR 和低噪声的目标。另外,交流耦合并不是测量直流或超慢移动信号的一种选择。

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图 2 三运放仪表放大器拓扑结构

间接电流反馈(ICF)仪表放大器(如AD8237 和 AD8420可在放大之前移除失调。图 3 显示ICF拓扑结构原理图。

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图 3 间接电流反馈仪表放大器拓扑结构

该仪表放大器的传递函数在形式上与经典三运放拓扑结构的传递函数相同,其计算公式为

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由于输入之间的电压等于反馈(FB)与参考(REF)端子之间的电压时,放大器的反馈要求可得到满足,因此,我们可将该公式重写为

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这意味着,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。如图 4 所示,该调整可以通过以下方法实现:从一个简单的电压源(如低成本 DAC)或者来自嵌入式微控制器的滤波 PWM 信号,通过电阻 RA 将一个小电流注入反馈节点。

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图 4 带失调移除功能的高增益电桥电路

设计步骤 等式(3),R1与 R2之比将增益设为:

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设计师必须确定电阻值。较大电阻值可降低功耗和输出负载;较小值可限制FB输入偏置电流和输入阻抗误差。如果 R1和 R2的并联组合大于约30 kΩ,则电阻开始引起噪声。表1显示了一些建议值。

表 1 各种增益的推荐电阻(1%电阻)

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为了简化 RA值的查找过程,假设采用双电源运行模式,有一个接地 REF 端子和一个已知的双极性调整电压 VA。这种情况下的输出电压可通过以下公式计算:

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注意,从VA至输出的增益为反相。VA的增加会使输出电压降低,比值为R2和 RA之比。此比值下,可以针对给定的输入失调,使调整范围达到最大。由于调整范围指向增益之前的放大器输入,因此,即使在低分辨率源的情况下,也可实施微调。由于 RA一般都比 R1大得多,因此,我们可以得到等式(5)的近似值:

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为了找到一个 RA值以允许最大失调调整范围 VIN(MAX),在给定调整电压范围 VA(MAX)的情况下,使VOUT= 0 ,求 RA,结果得到

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其中,VIN(MAX)为传感器预期的最大失调。等式(5)同时显示,调整电路的插入会修改从输入到输出的增益。即使如此,其影响一般也很小,增益可以重新计算为:

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一般地,对于单电源电桥调理应用,参考端的电压应大于信号地。如果电桥输出可以在正负间摆动,情况尤其如此。如果基准电压源由一个低阻抗源(如分阻器和缓冲器)驱动至电压 VREF,如图 5 所示,则等式(5)变为:

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如果相对于原始等式中的VREF取 VOUT和VA,则可得到相同的结果。VA(MAX)– VREF也应替换等式(7)中的 VA(MAX)。

设计示例 假设有一个单电源电桥放大器,如图 4 所示,其中,用 3.3 V 电压来激励电桥并驱动放大器。满量程电桥输出为±15 mV,失调可能处于±25m V 的范围。为了取得所需灵敏度,放大器增益需为 100,ADC 的输入范围为 0 V 至 3.3 V。由于电桥的输出可以为正,也可以为负,因此,其输出指向中间电源或 1.65 V。只需通过施加 100 的增益,失调本身即会强制使放大器输 出处于–0.85 V 至+4.15 V 的范围内,这超过了电源轨。

这个问题可通过图 5 所示的电路来解决。电桥放大器A1 是一个像AD8237 一样的ICF仪表放大器。放大器A2,带R4和R5,将 A1 的零电平输出设为中间电源。AD56018 位DAC对输出进行调整,通过RA使电桥失调为 0。然后,放大器的输出由AD7091微功耗 12 位ADC数字化。

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图 5 针对单电源工作模式而修改的失调移除电路

从表1可以发现,增益为101时, R1和R2 需为1 kΩ和100 kΩ。电路包括一个可以在 0 V 至 3.3 V 范围内摆动,或者在 1.65V 基准电压左右摆动±1.65 V。为了计算 RA 的值,我们使用等式 (6)。其中,VA(MAX)= 1.65 V 且 VIN(MAX)= 0.025 V, RA= 65.347 kΩ。当电阻容差为 1%时,最接近的值为 64.9 kΩ。然而,这没有为源精度和温度变化导致的误差留下任何裕量,因此,我们选择一个常见的 49.9 kΩ 低成本电阻,这样做的代价是调整分辨率降低了,结果导致略大的调整后失调。 从等式(7),我们可以算出额定增益值为 103。如果设计师希望得到接近目标值 100 的增益值,最简单的办法是使 R2的值降低 3%左右,至 97.6 kΩ,结果对 RA 的值的影响非常小。在新的条件下,额定增益为 100.6。 由于DAC可以摆动±1.65 V,因此,总失调调整范围可通过由RA以及R1和R2的并联组合形成的分压器给定,其计算方法如下:

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在±25-mV 最大电桥失调范围内,±32.1-mV 的调整范围可提供 28%的额外调整裕量。对于 8 位 DAC,调整步长为

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对于 250-µV 调整分辨率,输出端的最大残余失调为 12.5 mV。 对于采样率为 1 MSPS 的 AD7091,这些值为 51 Ω 和 4.7 nF。在以较低速率采样时,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。 该电路的另一个优势在于,可以在生产或安装时完成电桥失调调整。如果环境条件、传感器迟滞或长期漂移对失调值有影响,则可重新调整电路。

受其真轨到轨输入影响,AD8237 最适合采用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 不失为一款良好的替代器件。该 ICF 仪表放大器采用 2.7 V 至 36 V 电源供电,功耗低 60%。

表 2 是对两款仪表放大器进行了比较。都使用了最小和最大规格。有关更多详情和最新信息,请参见产品数据手册。

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原文标题:惠斯登电桥传感器电路设计技巧,了解一下?

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    用于运行呼吸机系统的PCB版本8-09-2020

    描述 呼吸机 UI 和传感器板 8-09-2020 用于运行呼吸机系统的 PCB 版本 8-09-2020,仅应在商业选项不可用时使用。这旨在与...
    发表于 08-09 07:34 649次 阅读

    CH573F的传感器是要自己外接吗?

    CH573F例程里有许多传感器例程,比如骑行传感器例程,心率计例程,开发板里面是没有传感器的吧,所以传感器是要自己外接吗 &...
    发表于 08-09 06:06 50次 阅读

    天启教育M1开发板开发教程:编程篇-天启传感器集成板

    import模块名: tqs1 2.1、获取触摸状态 函数用法: tqs1.touch_get_status() 功能描述:获取触摸状态 输入项:无 返回值:触...
    发表于 08-08 14:50 1224次 阅读

    CH579模块蓝牙BLE例程RunningSensor跑步传感器程序收不到数据怎么解决?

    我使用USB下载例程代码后,连接电脑串口调试工具 调整串口参数波特率 115200,数据位 8,停止位 1,无校验 手机端连接了名为...
    发表于 08-08 06:47 153次 阅读

    外部热敏电阻这么接振弦采集模块可以吗?

    接TMP和GND是否正确?
    发表于 08-05 15:34 1402次 阅读

    050326000003-M 050326000003-M 位置传感器配套仪表

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线路电源电压要求 (VDC): 9 – 30 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (mA): 4 – 20 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (VDC): 0 – 10 励磁电压 (Vrms): 3 信号特征 励磁频率 (kHz): 7.5 主体特性 信号调节 - LVDT/RVDT 重量 (g): 117 机械附件 信号调节 - LVDT/RVDT 安装 : DIN 3 使用环境 工作温度范围 : -20 – 75 °C [ 0 – 165 °F ] 操作/应用 ...
    发表于 08-21 02:00 99次 阅读

    05282945-006 05282945-006 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  目前没有详细产品特性的在线信息。 
    发表于 08-21 02:00 95次 阅读

    05282945-012 05282945-012 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  目前没有详细产品特性的在线信息。 
    发表于 08-21 02:00 66次 阅读

    05282946-006 05282946-006 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  目前没有详细产品特性的在线信息。 
    发表于 08-21 02:00 58次 阅读

    05282946-012 05282946-012 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压 (V): ±15 模拟输出 : ±10 V 电气连接 : PT02A-10-6P 主体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸 : 圆柱形 弹簧回弹式 : 分离式铁芯, 分离式铁芯 壳体特性 线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料 : 不锈钢 外壳直径 : 4.78 mm [ .188 in ] 使用环境 工作温度范围 : 0 – 70 °C [ 32 – 158 °F ] 环境规范 : 1,000 PSI 压力 ...
    发表于 08-21 01:00 121次 阅读

    070369000000-M 070369000000-M 角位移传感器 - RVDTRVIT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  产品类型特性 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 类型 : RVDT 结构特性 电气连接 : M12.5 针 电气特征 Input Current (Max) (mA): 25 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 输出类型 : 0 – 10 VDC 主体特性 角度感应范围 (°): 0 – 120 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 重量 (g): 99 外壳材料 : 铝 机械附件 角度位移传感器 - RVDT/RVIT 安装 : Servo Groove ...
    发表于 08-21 01:00 58次 阅读

    20009882-00 20009882-00 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 5 针连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 4 – 30 零加速输出 (mV): ±50 信号特征 频率响应 (Hz): 0-1500 主体特性 轴数 : 1 重量 : 16 g [ .56 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
    发表于 08-21 01:00 76次 阅读

    2350437-1 2350437-1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  结构特性 Resolver Size : 21 Pole Pairs : 1 其他 Angular Error ('): 20
    发表于 08-21 01:00 107次 阅读

    315-120 315-120 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
    发表于 08-21 01:00 92次 阅读

    10207854-00 341A-240 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
    发表于 08-21 01:00 102次 阅读

    4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-300 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
    发表于 08-21 01:00 128次 阅读

    4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-800 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
    发表于 08-21 01:00 128次 阅读

    603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 20.8 x 20.8 x 14.5 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 100...
    发表于 08-21 01:00 88次 阅读

    20010631-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 14.6 x 10.2 x 7.6 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 12000...
    发表于 08-21 01:00 76次 阅读

    62105012-000 62105012-000 位置传感器配套仪表

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线路电源电压要求 (VDC): ±12, ±15 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (VDC): ±10 励磁电压 (Vrms): 3 信号特征 励磁频率 (kHz): 2.5 – 10 机械附件 信号调节 - LVDT/RVDT 安装 : Printed Circuit Board Edge or Terminal Block 使用环境 工作温度范围 : -1 – 55 °C [ 30 – 130 °F ] 其他 传感器类型 : 带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT 传感器通道 : 1 ...
    发表于 08-21 01:00 90次 阅读

    67010001-000 67010001-000 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  使用环境 工作温度范围 : 5 – 60 °C [ 41 – 140 °F ]
    发表于 08-21 01:00 96次 阅读

    7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : IEPE 即插即用加速度计传感器类型 : 交流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 10-32 同轴连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±5 励磁电压 (VDC): 18 – 30 励磁电流 (mA): 2 – 10 信号特征 频率响应 (Hz): 0.3-10000 主体特性 轴数 : 1 重量 : 8.6 g [ .303 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
    发表于 08-21 01:00 65次 阅读

    72162000-020 72162000-020 倾角传感器和倾角仪

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  结构特性 接口 : 模拟 电气特征 电源电压 (VDC): 12 – 24 模拟接口 (mA): 4 – 20 端接特性 倾角传感器和测斜仪安装 : 垂直 尺寸 尺寸 (mm): 最多 70 倾角传感器和测斜仪精确度 (°): 最多 +/- .5 分辨率 (°): 最多 +/- .01 使用环境 测量原理 : 液体 工作温度范围 : -25 – 60 °C [ -13 – 140 °F ] 包装特性 倾...
    发表于 08-21 01:00 63次 阅读

    11106140-00 AST4300A05000P4P1000 压力传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 非易燃压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 10 英尺导管 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 压力 : 344.73 bar [ 5000 psi ] 工作温度范围 : -40 – 80 °C [ -40 – 176 °F ] 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
    发表于 08-21 01:00 153次 阅读

    11108715-00 AST4600A02000P4W1000 压力传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 防爆型压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 导管 2 m 引线 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 工作温度范围 (°C): -40 – 85 工作温度范围 (°F): -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
    发表于 08-21 01:00 77次 阅读