尚鋒

摘 要： 惠斯通電橋常被用于信號(hào)調(diào)理電路中，由于電橋的輸出信號(hào)受到供電電源的影響，使得輸出信號(hào)不穩(wěn)定，會(huì)隨著供電電源的波動(dòng)有著較大的變化，同時(shí)輸出信號(hào)與被調(diào)理的輸入信號(hào)呈現(xiàn)的是非線性的關(guān)系，不利于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。在此采用在電橋電路上并聯(lián)低電壓可調(diào)精密穩(wěn)壓器TLV431對(duì)電橋電路輸出進(jìn)行優(yōu)化，從理論上以及通過(guò)PSpice A/D仿真軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證，得出結(jié)論，優(yōu)化后的電橋電路，輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定，不受供電電源的影響，并且輸出與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系，線性程度隨橋臂電阻增大而提高。該優(yōu)化電路為電橋用于信號(hào)調(diào)理電路提供了方便，并極大地提高了信號(hào)調(diào)理的精確度。

關(guān)鍵詞： 并聯(lián)穩(wěn)壓器； 線性化； 惠斯通電橋； PSpice

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0120?03

Abstract： The Wheastone bridge is commonly used in signal conditioning circuit. Since the bridge output signal is influenced by the power supply， which makes the output signal unstable and change with the fluctuation of power supply， and the relation between output signal and conditioned input signal is nonlinear， it is inconducive to measure and calculate the input signal. The low?voltage adjustable precision voltage regulator TLV431 is paralleled on bridge circuit to optimize the bridge circuit output. The analysis results from PSpice A/D simulation software and theory show that the output signal of the optimized bridge circuit is stable and not influenced by power supply. The output signal is linear with the input signal， and the linearity of the bridge is increased with the increase of the bridge?arm resistance. The optimized bridge circuit can provide convenience for the signal conditioning circuit， and greatly improve the accuracy of signal conditioning.

Keywords： shunt regulator； linearization； Wheastone bridge； PSpice

0 引 言

惠斯通電橋是一種可以精確測(cè)量電阻的儀器。常被用作信號(hào)調(diào)理，在測(cè)量一些非電量的時(shí)候，常常需要通過(guò)傳感器將其轉(zhuǎn)換成電學(xué)的量，測(cè)量傳感器轉(zhuǎn)換成的電學(xué)量參數(shù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換即可得到所需要的非電量大小[1]。而傳感器的輸出信號(hào)往往需要通過(guò)信號(hào)調(diào)理才能被使用，惠斯通電橋電路經(jīng)常被用作信號(hào)調(diào)理電路。通過(guò)惠斯通電橋輸出的調(diào)理信號(hào)，通常又受到電橋供電電源的影響，而使得輸出信號(hào)不穩(wěn)定；同時(shí)，輸出信號(hào)與橋臂阻值的變化不成線性關(guān)系[2]，即也不與影響橋臂電阻發(fā)生變化的非電量成線性關(guān)系，這就給測(cè)量及計(jì)算帶來(lái)了不便。

本文通過(guò)在電橋電路中加入Texas Instruments的具有特定熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)電壓參考器 TLV431[3]，使得輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定，不受輸入電壓的影響，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)與輸入線性化[4]。

1 電橋電路

如圖1所示是一個(gè)通用的惠斯通電橋應(yīng)用電路。電阻R1，R2，R3，R4稱為電橋的4個(gè)橋臂，當(dāng)ΔUo為零時(shí)，則稱電橋達(dá)到平衡。平衡時(shí)，4個(gè)橋臂的阻值滿足一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系，即電橋相對(duì)臂電阻的乘積相等，而當(dāng)橋臂上某個(gè)電阻發(fā)生變化時(shí)，利用這一關(guān)系就可測(cè)量計(jì)算出電阻的變化。

2 單臂電橋輸出穩(wěn)定及線性化

根據(jù)圖1所示的電橋電路，以及式（3），可以看出，惠斯通電橋用作信號(hào)調(diào)理有三個(gè)不足之處：由于電阻的誤差，橋臂電阻很難做到完全相等；輸出信號(hào)即所要測(cè)試的信號(hào)ΔUo和電源電壓U有關(guān)系，受其影響，不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出；輸出信號(hào)ΔUo與橋臂電阻變化ΔR不是線性相關(guān)，對(duì)需要測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行處理以及后續(xù)的計(jì)算產(chǎn)生不變。

三端可調(diào)電壓參考器。輸出電壓可以通過(guò)外部電阻分壓器設(shè)定為參考電壓1.24～6 V之間的任意值。TLV431與廣泛應(yīng)用的TL431相比，它工作在一個(gè)比較低的電壓1.24 V下。

TLV431內(nèi)部集成1.24 V基準(zhǔn)電壓、差分運(yùn)放和三極管。當(dāng)參考電壓引腳上的電壓低于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓1.24 V時(shí)，運(yùn)放輸出為低電壓，三極管關(guān)斷，忽略微小的漏電流，此時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)TLV431；當(dāng)參考電壓引腳上的電壓高于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí)，運(yùn)放輸出為高電平，三極管導(dǎo)通從陰極抽取電流并迅速進(jìn)入飽和區(qū)；當(dāng)參考電壓引腳上的電壓非常接近基準(zhǔn)電壓時(shí)，三極管才工作在放大區(qū)，從陰極抽取恒定的電流[5]。

實(shí)際上，由于電阻本身制作有誤差，所以電橋電路橋臂上4個(gè)電阻很難做到相等，同時(shí)考慮到導(dǎo)線電阻的影響，可以將R3換成可變電阻器，并將4個(gè)橋臂電阻選得大些，這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器來(lái)使初始狀態(tài)的電橋達(dá)到平衡，而大阻值的橋臂電阻可以將忽略導(dǎo)線電阻的影響。

在電橋電路中加入并聯(lián)穩(wěn)壓器TLV431后[6]，初始狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器R2使電橋達(dá)到平衡，即R1·R4=R2·R3。如圖2所示，采用精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TLV431使得其電壓參考端即R1和R2之間電壓穩(wěn)定為T(mén)LV431的參考電壓VREF=1.24 V，則輸出電壓ΔUo為：

[ΔUo=R4R3+R4U-VREF =R4R3+R4×R1+R2+ΔR1R2VREF-VREF =ΔR1R1+R2VREF]（4） 由式（4）可以看出，最終輸出的信號(hào)ΔUo與輸入電壓U無(wú)關(guān)，而參考電壓VREF是由精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TLV431提供的，是一個(gè)固定值，R1及R2是初始電橋平衡狀態(tài)下的電阻值，且平衡后不需要變動(dòng)，通過(guò)測(cè)量可以得出，也是一個(gè)固定值，所以輸出信號(hào)ΔUo與電阻變化ΔR1呈線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)到非電量的變化，即可求得非電量的值。

3 PSpice A/D仿真

通過(guò)Cadence公司的仿真軟件PSpice A/D對(duì)上述電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證[7]。

取R1，R2，R3，R4初始值為1 kΩ，則電橋平衡，仿真電路如圖3所示。

調(diào)節(jié)R2為1 kΩ，則電橋達(dá)到平衡，取電阻R1的電阻值為掃描參數(shù)，采用“DC Sweep”直流掃描方式進(jìn)行掃描[8]，對(duì)R1的電阻值進(jìn)行掃描，范圍從0.5～1.5 kΩ，測(cè)量輸出V+和V-，得到仿真結(jié)果如圖4所示。

由仿真結(jié)果可以看出，電橋輸出與變化后的R1值成線性關(guān)系，即也與電阻R1的變化值成線性關(guān)系。

考慮電橋橋臂電阻的選取，分別對(duì)100 Ω，1 kΩ，5 kΩ，采用圖3原理圖進(jìn)行仿真，并使用PSpice A/D的“Cursor”光標(biāo)功能讀取數(shù)據(jù)，求得對(duì)應(yīng)的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.991 99，0.998 88，0.999 99，可見(jiàn)橋臂電阻選的大些，輸出的線性度更好。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文考慮實(shí)際電橋電路橋臂阻值很難相等，以及輸出信號(hào)與輸入的非線性，通過(guò)采用低電壓精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TLV431，實(shí)現(xiàn)了電橋電路輸出電壓的穩(wěn)定以及輸出與輸入線性化，并通過(guò)軟件PSpice A/D進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得出結(jié)論，電路可以實(shí)現(xiàn)線性化輸出，同時(shí)，線性化程度隨橋臂電阻值增大而得到提高。該電路在大多數(shù)傳感器信號(hào)調(diào)理的電路中可以廣泛使用，以便更加方便地獲得所測(cè)非電量的大小。

參考文獻(xiàn)

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