电桥放大器的原理及应用.doc
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1、电桥放大器的原理及应用 摘 要:在非电量测量仪器中经常采用电阻传感器,通过对电阻传感器中电阻的相对变化的测量来检测一些非电量。电阻传感器都是通过电桥的连接方式,将被测非电量转换成电压或电流信号,并用放大器做进一步放大。这种由电阻传感器电桥和运放组成的运放电路被称为电桥放大器。电桥放大器是非电量测试系统中常见的一种放大电路1。本文将主要介绍电桥放大器的原理、应用及应用中出现的问题和解决办法。关键词:电桥放大器;非电量测量;非线性误差The Principle and Application of the Bridge AmplifierAbstract:Resistive sensors are
2、 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 curre
3、nt 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,applic
4、ations,application problems and solutions.Keywords: Bridge amplifier;Non-power measurement;Nonlinearity error引言在现代电子技术的发展中,电子检测技术得到了广泛的应用,在非电量的检测中, 常常使用电阻传感器将一些非电物理量如压力、光、热、湿度、流量等转换为电阻量的变化, 然后再转换为电压进行测量。由于传感器的变化量常常是在一个参考状态的初始值基础上进行变化, 为了获取纯变化量, 一般利用电桥电路来抑制初始值。在电桥电路的输出较小时, 又需要用集成运算放大器与之配合, 这样就形成了应用广泛
5、的电阻电桥传感放大器2。本文将对电桥放大器做一些研究,先阐述其基本原理,然后再讨论其应用及在应用中出现的问题和解决方法。1 电桥放大器1.1 单端反相输入电桥放大器图1所示为单端反相输入电桥放大器电路。图中,电桥对角线a、b两端的开路输出电压为图1 单端反相输入电桥放大器通过运算放大器A进行放大。由于电桥电源是浮置的,所以在和中无电流流过。因a点为虚地,故反馈到两端的电压定是,即于是可得若令,为传感器电阻的相对变化率,则有由此可知,单臂反相输入电桥放大器的增益与桥臂电阻无关,增益比较稳定,只需要调节或,就可以方便的实现电路增益的调节。但该电路的电桥电源一定要浮置,这给电路设计带来麻烦,而且电路
6、输出电压与桥臂电阻的相对变化率是非线性关系,只有当时,与才近似按线性变化3。1.2 差动输入电桥放大器 图2所示电路是把传感器电桥两输出端分别与差动运算放大器的两输入端相连,构成差动输入电桥放大器。图2 差动输入电桥放大器当时有:若运算放大器为理想工作状态,即,可得:设可变电阻的变化系数,且,则上式可以简化为: 式中为桥路的参考电压值。分析该式可知: 当很小时,电桥放大器的输出电压与变量呈现线性关系,即此时非线性误差才可以忽略。在的简化过程中,基于假设条件,即,获得了输出电压的简化式;由于输出电压的表达式中含有电桥电阻,因此,温度的变化将直接影响电桥元件的大小,直接影响运放增益的温度特性,因而
7、在设计时要求和的温度稳定性要好;如果,则电桥负载的影响将不明显。该电路的主要优点是电路组成简单,只需要一个具有高共模抑制比的仪用运放,而且灵敏度较高。1.3 宽偏移电桥放大器上面两种电桥放大器,只有当很小时,输出电压和之间才具有较好的线性关系,当较大时(约大于0.10.2)时,非线性就变得逐渐显著起来。为了使输出电压与传感器电阻相对变化率成线性关系,可把传感器构成的可变桥臂接在运算放大器的反馈回路中,如图3所示4。图3 宽偏移电桥放大器若运算放大器为理想工作状态,此时,则放大器A两输入端输入电压、和输出电压分别为当时,上式可写成式中,为传感器的名义电阻。分析上式表明,输出信号电压与偏移量成正比
8、。一般具有高测量系数的半导体应变计、热敏电阻等均可采用这种电路。需要注意的问题: 为增强桥路抗共模干扰能力,元件应当匹配。两个输入电阻的电阻值必须相等。 在改变灵敏度(或者调解增益)时,需要调解两个电阻值以保持输入电压为零,所以该电路的校准很困难。 该电路的量程较大,但灵敏度较低,而且还要注意,当过大时,由于运算放大器输入失调电流的影响将会在输出端产生误差5。1.4 线性电桥放大器如图4所示的电路是一种线性优良的电桥放大器电路。该电路允许在很宽的范围内变化,保持输入电压的非线性误差小于0.1%。图4的桥式电路有三个电阻和可变电阻构成桥路,并有三个运放构成,A为电桥差动放大电路,电桥参考电压由运
9、放A1提供,由A1和A2的组合提供。其中A2为单位增益反相器。图4 线性优良的电桥放大器分析该图,可得该桥路的输出电压为:式中为加在桥路两端的电压,分别由A1和A2决定,且为将输出电压代入上式,可以得到,即式中:为电路的参考电压值,分析上式可得,和是非线性关系,将代入输出电压表达式,则有:上式即为图4所示桥路的输出电压的表达式。分析该式可知,输出电压与偏移量是非线性关系,为了使其线性化,可取桥路元件满足以下条件式,即将该条件式代入输出电压表达式和参考电压的表达式,化简可得桥路参考电压为因此,该桥路的输出电压的表达式为分析上式可知: 尽管桥路两端参考电压与偏移量有关,且是非线性函数,但当给定条件
10、式时,输出电压与偏移量是线性关系。 输出电压与偏移量成正比,因此起到线性补偿作用。 参考电压可以是直流,也可以是交流,但其幅度应该相当稳定。在调整电路中,应根据电桥灵敏度选取电阻和的值,再由关系式确定电阻和。图4所示电路是一个实用电路,一般可以选取电阻值=30k,=10k,=5k1,=2k2。根据的值可以确定值和的变化范围。若值很大,可重新选取其它电阻值。为基准电压,一般选用温度系数特性良好的稳压管如2DW7C或LM399来完成,或者用有源电路来设计高精度基准电压源作为基准电压6。2 电桥放大器的性能改善2.1 消除电桥非线性误差由于桥臂传感器电阻的变化与电桥不平衡输出电压之间呈现非线性特性,
11、尤其在电阻值变化较大时,不平衡输出电压的非线性愈加严重,因而极大地影响了不平衡电桥的测量准确度,限制了它的应用范围7。电桥直接输出的不平衡电压信号很小,必须通过放大器放大几百倍,甚至上千倍,放大器失调电压及其漂移也是影响系统测量准确度的重要因素。为了提高系统测量的准确度,必须研究不平衡输出电压的非线性误差和放大器失调电压对系统准确度的影响,为提高测量系统准确度提供理论指导8。现在我们以电桥非线性和放大器失调电压为主要误差对象,讨论了几种减小测量误差的有源电桥。2.1.1 电压反馈可变电压源激励电桥如图5所示,其中放大器A1为仪用放大器,失调电压为,放大倍数为A。放大器A2为高准确度的电压反馈放
12、大器,失调电压为。 反馈放大倍数为。图5 电压反馈消除电桥非线性误差电路忽略放大器的输入电流,由图5得:由以上各式可求得:上式可知,满足电桥输出线性化响应的条件为,即,将该式代入上式化简为:从上式中可以看出,理论上,电桥的输出可得到线性化响应。但是,由于反馈放大器的增益不能正好设定为,所以,这种电路非线性校正的效果取决于增益设定的准确度,使用受到一定的限制。放大器A1的失调电压及其漂移放大A倍直接输出,对测量产生较大的误差。从上式也可以看出,放大器A2的失调电压及其漂移影响较小。2.1.2 电流反馈单臂电桥单臂电桥工作时,信号响应输出误差为负,前面分析过电压反馈可变电压源供电可以得到线性化的输
13、出响应,同样可以采用电流反馈电流源的方式线性化电桥的输出响应9。根据电桥非线性误差的特性,线性化校正的指导思想是给电桥供电的电流源随着电桥输出增大而增大。根据这一指导思想设计电路如图6所示。图6 电流反馈线性化校正电路其中A1为仪用放大器,其失调电压为。放大倍数为A,A2为高准确度的直流电压反馈放大器,其失调电压为,反馈电阻为。通过解析分析,求解电桥线性化输出的条件。忽略放大器的输入电流,由电路图6得:由以上各式可求得:由上式可知,满足电桥的输出线性化响应的条件为,即:,将上式化简得:由上述推导可知,该电桥线性化输出是有条件的,即反馈电阻为,准确地设定该电阻是非常烦琐的工作,调整不准确,影响非
14、线性校正的效果。放大器A1的失调电压及其漂移对测量带来较大的误差。2.1.3 放大器控制电流输出型电桥前面两种校正电路都是电桥输出不平衡电压,现改变电桥不平衡输出方式,采用放大器反馈,使电桥输出不平衡电流10,设计电路如图7所示。图7 放大器反馈控制线性化电路将接入传感器的电桥臂放入放大器的反馈回路中,电桥电源低压端由放大器A1的输出端进行伺服控制,当传感器的阻值发生变化时,伺服放大器的输出电压随之变化,从而引起电桥的不平衡电流输出,通过放大器A2和反馈电阻产生输出电压。图中放大器A1为电桥提供一个虚地点和伺服控制电桥电压的作用,放大器A2起电流一电压变换的作用。放大器A1、A2为高准确的直流
15、电压反馈放大器,其失调电压分别为、。由电路可得:由以上各式可求得:式中。由上述分析可知,这种放大器反馈方式可线性化电桥输出,无任何调节环节,电路简单,易于实现,系统增益调整简单;从上式可以看出,放大器A2的失调电压与放大器A1的失调电压是相减关系,当采用两个同一种型号的双极性放大器时,两个放大器的失调电压温漂变化方向一致,在相同温度下,其变化大小比较接近,有非常好的补偿作用,保守估算也能使失调电压及其漂移的影响减小5倍。因此,失调电压及其漂移对测量准确度的影响很小,是较理想的测量线路11。2.2 电桥放大器电源干扰问题及解决途径在图8所示的普通电桥放大器中,放大器所需放大的信号是由的变化在A、
16、B两点产生的差值信号,对电源波动和随电源线带进的干扰频率信号在A、B两点产生的干扰差值信号是需抑制的。当电桥处于平衡状态时,电源干扰信号在A、B两点产生的干扰差值信号为零。但由于的变化,电桥处于非平衡工作状态,故电源干扰信号必然在A、B两点产生干扰差值信号,即,该干扰差值信号必然通过运算放大器进行放大。共模增益与误差因子成正比,而误差因子随的变化而变化,可见当变化较大时,普通电桥放大器对电源干扰信号的抑制能力是较差的12。为了提高电桥放大器对电源干扰信号的抑制能力,应尽可能地减小干扰差值信号,即减小误差因子。图9所示的改进型电桥放大器对减小A、B两点的干扰差值信号有较强的作用。图9中用恒流源代
17、替图8中的和。下面对图8和图9所示的两种不同的电桥放大器进行分析比较。 图8普通电桥放大器 图9 改进型电桥放大器2.2.1 两种电桥放大器对干扰频率信号的抑制能力设随电源线带进的干扰频率信号为,对于普通电桥放大器,在A、B两点形成的干扰差值信号为。对于改进型电桥放大器,在A、B两点形成的干扰差值信号为。再设,,且恒流源对干扰频率信号呈现的内阻,则在图8和图9中A、B两点形成的干扰差值信号分别为由上式可知两种电桥放大器的误差因子分别为由以上两式可见, 两种电桥放大器的误差因子均与的变化有关。由于,故改进型电桥放大器的误差因子远小于普通电桥的误差因子。又因为运算放大器输出端的干扰输出信号与误差因
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