惠斯通桥电路和差分放大器简介

如果您需要精确测量电阻，惠斯通桥是一种简单的电路，通过测量电压的方式来实现。尽管惠斯通桥的原理简单，但要有效地使用它却有一定的挑战。在本文中，我们将探讨惠斯通桥电路，它们是如何工作的，以及我们如何能够在现代电子技术中有效地使用它们。

许多传感器类型内部使用惠斯通桥，因为电路中测量的电阻可以与导致传感器电阻变化的其他现象联系起来。您会发现惠斯通桥电路应用于各种基于压缩和张力的设备中，如空气和流体压力传感器、应变计等。虽然在某些设备中，集成电路提供了微小电压变化的放大，但直接接触桥梁，如在应变计/负载单元中，也是常见的。

惠斯通桥是那些你可能觉得自己之前没遇到过，但实际上可能已经在你使用的某些设备或传感器中遇到的电路之一。例如，几乎每个数字秤都使用基于惠斯通桥的负载电池。惠斯通桥的简单性和有效性使其成为一个非常强大的电路，即使它确实具有相对小众的应用。

注意：本文中包含一些数学内容，帮助你理解如何确定未知电阻，但这非常简单！它可能看起来像一堆公式，但不要调出频道，因为它是同一个公式以不同方式分解，希望能更容易地解释。

什么是惠斯通桥？

惠斯通桥利用桥式电路中的两个平衡支路（即，两个电压分压器）来提供桥式电路两端电压与惠斯通桥中某个未知电阻的关联。最简单的惠斯通桥平衡了桥式电路的两个支路，其中一个支路包含未知元件。换句话说，如果你知道三个电阻的值，你就可以通过测量桥式电路两端的电压来计算未知的第四个电阻的电阻值。这个电路随着电阻的变化提供电压变化，允许微控制器或其他设备通过读取通过ADC的电压来测定未知元素的电阻。

现代设备中惠斯通桥电路的典型应用主要包括应变片、载重传感器、压力传感器、相对湿度传感器、热敏电阻、以及电阻温度检测器（RTD）探头。惠斯通桥能够测量微小的电阻变化，精确到毫欧姆级别，只要所使用的模数转换器（ADC）具有足够的分辨率（高位深度）。注意，除了惠斯通桥之外，还有许多其他的桥式拓扑结构。其他桥电路可以用来测量电容、电感和阻抗；然而，我们在本文中不会探讨这些。

使用惠斯通桥电路进行电阻测量

电桥的工作原理是使用四个电阻，通常以菱形表示。在Altium Designer®中，我们需要将其呈现为上面所示的盒状形状。这里，我们有三个已知电阻和一个未知值的第四个电阻。当我们如上所示向桥的顶部和底部两端供电时，桥会创建两个并联的电压分压器。如果在桥的中心测量电压，可以使用我将在这里展示的公式将其转换成电阻。这些公式足够简单，您可以在小型MCU中实现它们。

首先，从上面的电路图中，您应该能够看出，当四个电阻满足以下关系时，V0与V1之间的电压将等于0V。

这里，R?是未知电阻，其他三个电阻有已知值。在这里，我们可以为R?解上述公式，对于V0与V1之间的电压等于0V的这种特殊情况。

这个条件可以用来校准惠斯通桥与压敏电阻或电位器，但它并不帮助我们在其他情况下确定未知电阻。

为了确定未知电阻的值，让我们进一步研究上面显示的电路。在R2上的电压，通过V0测量将是：

在上述桥中，知道这将由10K电阻组成，所以V0将是5V输入电压的一半：

换句话说，如果我们使用高质量的电阻，V0应该始终是2.5V。无论未知电阻发生什么变化，情况都是如此。现在，带有端口V1的电压分压器有我们的未知电阻，所以我们对于在端口V1测量的R?（未知电阻）的电压有一个类似的方程：

因为我们正在测量两个端口之间的电压差，我们可以写V = V0 - V1，并将上述方程代入这个表达式。这给了我们以下结果：

请注意，如果未知电阻R?等于R3*R2/R1，即如果电桥平衡，我们将看到V等于0。

将V0和V1连接到差分ADC，我们可以使用微控制器或其他设备测量正负电压差。电压差是由于未知电阻不等于另一个电阻 - 电桥不平衡造成的。需要注意的是，在实际应用中，在将信号连接到差分放大器之前，您可能需要放大信号。

通过一点代数运算，以及测量这个电压差V，我们可以解上述方程求出R?的值，计算未知电阻的值：

记住，V是V0/V1之间的差分，而VS是给惠斯通桥供电的电源电压。在我们的例子中，R1 = R2 = R3 = 10 kOhms，如果我们测量到桥上有1V的差异，我们可以计算未知电阻R?。在这种情况下，未知电阻将是：

您可以通过分别计算两个分压器的电压输出来确认这一点，一个提供2.5 V（已知的那个）而另一个提供1.5 V。如果您想要一个在线计算器作为理智检查，我喜欢 欧姆定律计算器上的那个。作为一个有阅读障碍的人，即使是基本公式也会让我困惑，所以我通常依赖在线计算器作为理智检查 - 如果您也需要在线计算器，不要感到难过！

通常您会发现，现实世界中的惠斯通桥应用会导致电阻的变化不那么显著。然而，因此您会想要使用一个带有放大器或一个 带有可编程增益放大器的ADC。例如，对于负载电池，我使用128倍或更多倍的放大是很常见的。

使用带有放大器的惠斯通桥电路

虽然可能有一些应用场景可以直接使用惠斯通桥，但在现实世界中，惠斯通桥的应用通常最多只能产生微伏或毫伏级别的差分电压。例如，在我的文章Octopart博客上的读取微小信号电压中，我提到了一个使用了相当典型的惠斯通桥应变片的负载传感器。100kg的负载传感器每增加一公斤仅提供50μV的电压变化。这对于直接插入微控制器或其他逻辑设备来说并不是很有用。那么，你该如何使用它呢？

差分放大器

使电压变化更有用的最基本方式是使用通用的铁轨到铁轨差分放大器，不需要专门的ADC！

通过使用差分放大器配置，我们可以放大两个惠斯通桥电压分压器之间的差异，然后将其送至微控制器ADC或其他设备。惠斯通桥电路将电阻变化转换为电压变化，而放大器则使电压变化变得有用。当处理展示非常小的电阻变化的传感器时，这非常有用，因为现在可以轻松读取电压差。

或者，你也可以使用仪器放大器代替通用差分放大器以获得更高的精度。

高阻抗放大器

为了进一步提高精度，我们首先可以使用缓冲器来缓冲惠斯通桥的输出。由于输入阻抗高，电路的稳定性和精度得到了提高。您可以使用缓冲放大器（单位增益）来实现这一点，或者使用另一个无增益的运算放大器作为缓冲器。通过使用四路放大器封装，您可以使用单个IC封装来缓冲然后放大。

仪表放大器

在这一点上，我们可以通过增加一些额外的电阻来构建一个仪表放大器，从而进一步改进这个电路。但是，我们将采取更精确、更紧凑和精确的选择，简单地使用仪表放大器IC进行设计。仪表放大器将使我们能够非常精确地放大信号，而不必过分担心使用0.1%或更好的电阻来进行运算放大器的精确调整，或者调整我们构建的每个电路以实现精度。IC制造商已经在工厂完成了这些工作。虽然仪表放大器比单个通用运算放大器更昂贵，但它提供了成本节省，因为它是一种现成的IC解决方案，不需要高精度的外部组件就能正确工作。空间节省和BOM行节省（因此在贴片线上的库存和送料器节省）也不应被忽视。

仪表放大器能够让我们精确地放大两个输入之间的信号，同时具有出色的共模抑制能力。这样，我们的惠斯通桥（Wheatstone bridge）的电缆或走线上捕获的任何电气噪声都会被忽略，因为它应该几乎与我们的两个网络完全相同。

增益设定电阻与我们的输入分开，易于计算且简单布线。增益电阻也可以使用数字电位器设置，或者一些仪表放大器内置了数字电位器，可以通过常用协议如I2C或SPI设置。

作为额外的好处，许多仪表放大器有一个参考引脚，允许你为信号提供直流偏置，进一步简化了从单电源设备（如微控制器）读取惠斯通桥电路输出的过程。

你会在数据手册中找到放大器的增益函数，例如，在德州仪器（Texas Instruments）INA821的数据手册中，我们找到了以下函数：

使用这个方程，我们可以轻松计算出Rg的正确值，以获得我们希望放大器具有的增益。如果我们想要获得100的增益，我们可以简化并重新排列方程为：

因此，一个499欧姆的电阻作为RG，将几乎精确地给我们100的增益。如果您在重新排列公式/代数方程式方面有些困难，一如既往地，有一个很好的在线计算器可供使用——在这个例子中，请查看 SymbolAB上的计算器。要像我上面所做的那样计算100的增益，您可以输入像100 = 1+(49400/x)这样的公式，它会为您解出x。

这将给我们一个电路（没有去耦电容），看起来就像我们上面的电路一样——比我们看过的其他电路更直接，对吧？

配置增益

您可能想知道您需要多少增益，以及应该将参考引脚设置在仪表放大器上的什么位置。Analog Devices 提供了一个方便的在线工具，名为Diamond Plot。该工具允许您选择参数，例如增益/供电电压和Vref，这样您就可以最大化仪表放大器的工作范围，并将您的仪表放大器调整到您的ADC或其他应用程序。通过使用这样的工具，您可以确保创建尽可能大的动态范围，以获得您能够得到的最高分辨率信号。如果您有不正确的参数，该工具还会生成方便的警告。不同的因素可能导致内部信号饱和，这可能会减少信号的最大动态范围，或导致削波和其他问题。

例如：

• 输入电压信号对于预设的增益来说太高
• 参考电压对于生成的输出电压信号来说太高
• 电源电压太低

此工具可以帮助您为特定于您的应用程序的仪表放大器选择正确的参数。

假设我们更改了最初显示示例的参数。在这种情况下，您可以看到它会告诉我们我们做错了什么，并给出建议，告诉我们该如何更改以使信号符合设备的能力。

这个工具专门为Analog Devices组件设计。然而，有广泛的Analog Devices部件可供使用。如果您想使用竞争对手的设备，您很可能会找到一个具有类似参数的AD部件，并在工具中使用它。

仪表放大器示例

如果您热衷于在您的惠斯通桥中使用仪表放大器，请考虑Analog Devices、Texas Instruments和Maxim Integrated提供的一些经济实惠的选项。

这些仪表放大器是预算友好选项的绝佳示例，可用于您的项目中。每个都有其优点和缺点，仅这三个组件就代表了一系列广泛的能力，具体取决于您的应用。

总结

惠斯通桥是一个经典电路，其原始设计和概念可以追溯到近两百年前。在现代电子学中，我们使用的标准电路中，很少有能像惠斯通桥这样经受住时间考验的。电路的简单性与其实用性结合，确保我们将在未来长时间继续使用它们。

我们在这篇文章中只介绍了基础知识。有多种方法可以提高惠斯通桥电路的线性度。根据传感器的类型以及你如何使用桥的输出，我们可以提高读数的精确度和可靠性。我们将在未来的针对特定传感器的文章中更深入地讨论这些方面。

此外，还有其他各种桥式电路，虽然通常不如惠斯通桥那么流行，但仍然用于测量电容和电感等其他值。如果您正在寻找一种简单快捷的方法来快速改善现有的惠斯通桥电路实现，从单电源切换到双电源是一种非常快速且简便的方式，可以提高分辨率、平坦响应曲线并提高抗噪声能力。例如，如果您目前使用的是5V和GND电路，添加一个基于充电泵的反相开关模式电源将只需要三个便宜的元件，并为您提供-5V电源。通过在您的桥电路上使用+5V/-5V电源，您的输出将在0v/地平衡。这样可以改善拒绝率，任何双电源轨到轨通用或仪器放大器都能够使用输出信号，无需任何更改。您唯一需要考虑的另一个更改是偏置放大器的输出，以确保最小和最大电压在您的ADC或其他电路能够轻松读取的范围内。

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