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ZHCAD68 September 2023 INA823 , OPA2387 , XTR115 , XTR116

2.1 惠斯通电桥传感器

惠斯通电桥是实现高精度传感器测量的常用电路配置。该电桥由四个电阻元件组成，而这些元件在激励电压 (V_EXC) 和地之间形成两个并联的分压器。在最基本的形式中，只有一种元件的电阻可以改变。这种电阻变化会在两个分压器 V_SIG+ 与 V_SIG- 之间产生电压差。需要测量这两个点之间的电压差 (V_DIFF)。电压差越大，电阻变化就越大，因此测量到的传感器值变化也就越大。图 2-2 展示了典型的惠斯通电桥配置，方程式 1 描述了 V_DIFF、V_EXC 和电阻式电桥元件之间相对于地的关系。

图 2-2 惠斯通电桥基本配置

方程式 1.

V_{D I F F} = {V_{S I G +} - V_{S I G -} = V}_{E X C} \times (\frac{R 2}{R 1 + R 2} - \frac{R 3}{R 3 + R 4})

所选传感器的输入电阻约为 1kΩ，在 V_EXC 为 4.096V 时会消耗超过 4mA 的电流。因此，在电桥的两侧串联放置了两个 500Ω 电阻，使电流限制为 2mA，同时保持信号接近 1/2Vs，以避免后续 INA 级中的共模限制。限流电阻 (R_LIMIT) 的大小设定为可在惠斯通电桥上产生 2.096V 的激励电压。较大的限流电阻会降低有效激励电压，从而降低电桥灵敏度。图 2-3、方程式 2 和方程式 3 描述了修改后的惠斯通电桥，并显示了 R_LIMIT 的计算公式。

图 2-3 限流的惠斯通电桥配置

方程式 2.

\frac{V_{B R I D G E}}{I_{B R I D G E}} = \frac{4.096 V}{2 m A)} = 2 R_{L I M I T} + R_{B R I D G E} = 2 R_{L I M I T} + 1 k Ω \to R_{L I M I T} = 500 Ω

方程式 3.

V_{E F F_E X C} = V_{X} - V_{Y} = V_{E X C} - 2 I_{B R I D G E} R_{L I M I T} = 4.096 V - (2 \times 2 m A \times 500 Ω) \to V_{E F F_E X C} = 2.096 V

该设计使用惠斯通电桥称重传感器，但可配置到惠斯通电桥中的任何传感器都适用。施加到称重传感器的重量增加时，V_DIFF 上产生的差分电压也会随之增加。有关所选称重传感器的更多详细信息，请参阅附录 1：称重传感器和实验设置。