在設(shè)計(jì)許多系統(tǒng)時(shí)，收集有關(guān)物理現(xiàn)象（例如力，壓力，光，溫度，應(yīng)變和電流）的信息是寶貴的工具。傳感器將物理現(xiàn)象的變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的數(shù)量，例如，電壓，電流和電阻，通常需要在數(shù)字化之前信號(hào)調(diào)節(jié)。　　信號(hào)調(diào)節(jié)通常由操作放大器（OP放大器），儀器放大器（IAS），可編程增益放大器，差放大器（DAS）和/或特定于應(yīng)用的特定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品執(zhí)行。數(shù)字化是使用獨(dú)立或集成到微控制器（MCU）的類似物到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）來(lái)完成的。一旦數(shù)字化，MCU（或有時(shí)是微處理器）可以快速處理并對(duì)數(shù)據(jù)作用。

　　圖1是該信號(hào)鏈的簡(jiǎn)化框圖。根據(jù)應(yīng)用程序的不同，某些傳感器可能直接與具有積分信號(hào)調(diào)節(jié)的ADC接口，如圖中的虛線箭頭所示。
　　惠斯通橋測(cè)量的基本原理 - 第1部分
　　圖1簡(jiǎn)化的框圖突出顯示了傳感應(yīng)用中的信號(hào)鏈基礎(chǔ)。資料德州儀器
　　圖1僅顯示了典型信號(hào)鏈的一半。另一半包括數(shù)字到分析轉(zhuǎn)換器（DAC）；其他信號(hào)調(diào)節(jié)；最終，一個(gè)執(zhí)行器來(lái)完成諸如關(guān)閉閥門，發(fā)出警報(bào)或打開電動(dòng)機(jī)之類的動(dòng)作。
　　傳感器選擇
　　盡管有許多物理現(xiàn)象需要量化，但通常情況下，每個(gè)物理現(xiàn)象都有許多傳感器。例如，可以使用熱電偶，電阻溫度探測(cè)器（RTD），熱敏電阻和專用ICs感測(cè)。選擇傳感器的標(biāo)準(zhǔn)取決于與最終系統(tǒng)相關(guān)的成本，性能和易用權(quán)衡。
　　傳感器通常會(huì)輸出電流電流或電阻變化的電壓。例如，熱電偶會(huì)根據(jù)溫度產(chǎn)生電壓變化。光電檢測(cè)器通常會(huì)產(chǎn)生與光強(qiáng)度成比例的小電流。最后，RTD和應(yīng)變計(jì)分別基于溫度和力的電阻變化。
　　惠斯通橋
　　惠斯通橋是一種無(wú)處不在的電路配置，可用于檢測(cè)電阻的小變化。因此，它與上述電阻傳感器（例如應(yīng)變測(cè)量值）一起經(jīng)常使用。
　　您可以將一個(gè)四抗惠斯通橋電路視為并行的兩個(gè)電阻 - 底線（圖2）。這兩個(gè)電阻分隔線（V OUTP –V OUTN ）的電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生與橋梁中任何不平衡成正比的差異信號(hào)（V OUT ）。如果橋梁中的所有電阻元件都具有相等的值，則橋平衡，V輸出= 0 v。使用可變電阻傳感器代替惠斯通橋中的一個(gè)或多個(gè)電阻器會(huì)產(chǎn)生與感應(yīng)現(xiàn)象成正比的差異信號(hào)（例如，力或應(yīng)變）。
　　　　圖2用于直流電壓激發(fā)的惠特石橋電路并聯(lián)兩個(gè)電阻 - 底線。資料德州儀器
　　惠斯通橋有四種常見的配置：一座四橋（一個(gè)電阻傳感器），一個(gè)半橋（兩個(gè)電阻傳感器，相同或相反的分支）和全橋（四個(gè)電阻傳感器）。還有其他橋梁配置包括與地面或供應(yīng)的串聯(lián)電阻?！　∮腥N為橋梁提供動(dòng)力的主要方法：直流電壓激發(fā)，直流電流激發(fā)和交流電壓激發(fā)。

　　圖2中的電壓電源（VE）顯示了直流電壓激發(fā)，而圖3中的當(dāng)前源（IE）顯示了直流電流激發(fā)。

　　

　　圖3顯示了用于直流電流激發(fā)的惠斯通橋電路。資料德州儀器
　　在電阻傳感器遠(yuǎn)離激發(fā)電壓遠(yuǎn)的工業(yè)應(yīng)用中，電線上的電壓下降會(huì)降低橋電壓，從而降低了靈敏度。使用操作放大器和其他電阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋控制環(huán)，該反饋控制環(huán)路跨導(dǎo)線的電壓下降將設(shè)置已知的橋電流（因此是橋電壓）?！　∽詈螅珹C電壓激發(fā)有時(shí)被稱為切碎，可能有助于取消橋梁中的偏移錯(cuò)誤。這個(gè)概念是要定期扭轉(zhuǎn)整個(gè)橋的電壓的極性，以便在前半段將橋接傳感器引起的任何偏移誤差添加到V中，并在下半場(chǎng)從V中減去。整個(gè)期間V的平均值有效地取消了偏移錯(cuò)誤。圖4顯示了此方法。

　　圖4帶有交流電壓激發(fā)顯示惠斯通橋電路。資料德州儀器
　　雖然從理論上講是可能的，但這種激發(fā)方法的離散實(shí)現(xiàn)并非平凡。因此，使用已集成AC激發(fā)的ADC更常見。
　　校準(zhǔn)是一種相對(duì)常見的技術(shù)，用于消除與橋梁測(cè)量相關(guān)的誤差。校準(zhǔn)方案的復(fù)雜性取決于系統(tǒng)的預(yù)期精度。一點(diǎn)點(diǎn)和兩點(diǎn)校準(zhǔn)是最常見的，其中一個(gè)點(diǎn)允許取消偏移誤差，并調(diào)整兩個(gè)點(diǎn)以增加增益誤差。
　　圖5說(shuō)明了這個(gè)概念。在軟件中執(zhí)行校準(zhǔn)是常見的做法。

　　圖5該圖突出顯示了一分（上）和兩點(diǎn)（下）校準(zhǔn)。資料德州儀器
　　信號(hào)調(diào)節(jié)
　　將傳感器放置在上述橋電路之一之后，重要的是要放大小電壓變化，以便可以使用最大的分辨率或動(dòng)態(tài)范圍將其數(shù)字化。橋電壓V OUT是差異的，通常在供應(yīng)中間（V e/2 ）左右具有共同模式電壓。同樣重要的是要了解橋梁是電阻的，因此我們建議使用具有高輸入阻抗的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。
　　如圖6所示，要考慮信號(hào)調(diào)節(jié)的明顯設(shè)備是差放大器或DA，因?yàn)樗梢越邮懿町愋盘?hào)并輸出  單端信號(hào)。同樣，鑒于其集成和修剪的電阻網(wǎng)絡(luò)，DAS具有良好的DC共同模式排斥比。
　　圖6橋電路顯示了差放大器（DA）。資料德州儀器
　　使用DA與Wheatstone橋接口的主要缺點(diǎn)是，DA具有電阻輸入阻抗，通常是數(shù)十億至數(shù)百公里。這種電阻會(huì)在橋的每個(gè)腿上創(chuàng)建一個(gè)額外的電壓分隔器，從而引入錯(cuò)誤。
　　另一方面，儀器放大器或IAS具有很大的輸入阻抗（GigaOhms），接受差分輸入，并輸出單端信號(hào)。盡管DAS具有固定的增益，但您可以使用設(shè)定的電阻器RG調(diào)整IA的增益。圖7描述了使用IA來(lái)擴(kuò)增橋電壓。
　　　圖7帶有儀表放大器（IA）的橋電路。資料德州儀器
　　考慮到邊界圖，使用IAS設(shè)計(jì)電路可能很棘手，該邊界圖概述了設(shè)備的線性操作區(qū)域。該區(qū)域取決于IA中使用的內(nèi)部OP放大器的輸入共同模式和輸出擺動(dòng)限制。
　　IA的最大輸出擺動(dòng)是當(dāng)輸入公共模式電壓約為2.9 V時(shí)。在此示例中，選擇橋梁激發(fā)電壓是有利的，以使V OUT OUT公共模式電壓為2.9 V.這可以最大程度地提高IA的輸出擺動(dòng)，從而改善信號(hào)進(jìn)入ADC的動(dòng)態(tài)范圍。