Giới thiệu về Mạch Cầu Wheatstone và Bộ Khuếch Đại Chênh Lệch

Nếu bạn cần đo điện trở một cách chính xác, cầu Wheatstone là một mạch đơn giản cung cấp cách làm điều đó bằng cách đo điện áp. Mặc dù cầu Wheatstone khá đơn giản, nhưng việc sử dụng hiệu quả nó có thể là một thách thức. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các mạch cầu Wheatstone, cách chúng hoạt động và làm thế nào chúng ta có thể sử dụng chúng một cách hiệu quả với điện tử hiện đại.

Nhiều loại cảm biến sử dụng cầu Wheatstone bên trong, vì điện trở đo được trong mạch có thể được liên kết trở lại với một hiện tượng khác làm thay đổi điện trở của cảm biến. Bạn sẽ tìm thấy mạch cầu Wheatstone trong tất cả các loại thiết bị dựa trên nén và căng, như cảm biến áp suất không khí và chất lỏng, cảm biến đo biến dạng và nhiều hơn nữa. Trong khi một số thiết bị có mạch tích hợp cung cấp khả năng khuếch đại các thay đổi điện áp nhỏ điện áp thì cũng phổ biến khi có trực tiếp quyền truy cập vào cầu, như trong một cảm biến đo lực/cell tải.

Cầu Wheatstone là một trong những mạch mà bạn có thể cảm thấy mình chưa từng gặp trước đây, nhưng có lẽ bạn đã từng sử dụng trong một số thiết bị hoặc cảm biến nào đó. Hầu như mọi cân điện tử đều sử dụng cell tải dựa trên cầu Wheatstone, chẳng hạn. Sự đơn giản và hiệu quả của cầu Wheatstone làm cho nó trở thành một mạch cực kỳ mạnh mẽ, mặc dù nó có một ứng dụng tương đối chuyên biệt.

Lưu ý: Bài viết này có một số phép toán để giúp bạn hiểu cách xác định điện trở không biết, nhưng nó rất đơn giản! Có thể trông giống như một loạt công thức, nhưng đừng lơ là, vì đó là cùng một công thức được phân tích theo các cách khác nhau với hy vọng làm cho nó dễ hiểu hơn.

Cầu Wheatstone là gì?

Cầu Wheatstone sử dụng hai nhánh cân bằng trong một mạch cầu (tức là, hai bộ chia điện áp) để cung cấp một liên kết giữa điện áp qua mạch cầu và một điện trở không xác định nào đó trong cầu Wheatstone. Loại cầu Wheatstone đơn giản nhất cân bằng hai nhánh của một mạch cầu, một nhánh trong số đó bao gồm thành phần không xác định. Nói cách khác, nếu bạn biết giá trị của ba trong số các điện trở, bạn có thể tính toán điện trở của một điện trở thứ tư không xác định chỉ bằng cách đo điện áp qua mạch cầu. Mạch này cung cấp một sự thay đổi điện áp khi điện trở thay đổi, cho phép một vi điều khiển hoặc thiết bị khác đo lường xác định điện trở của phần tử không xác định bằng cách đọc điện áp qua một ADC.

Ứng dụng điển hình cho mạch cầu Wheatstone trong các thiết bị hiện đại chủ yếu bao gồm các cảm biến đo biến dạng, tế bào tải, cảm biến áp suất, cảm biến độ ẩm tương đối, thermistor, và đầu dò cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD). Cầu Wheatstone có khả năng đo những thay đổi nhỏ về điện trở xuống tới mức milliOhm miễn là ADC được sử dụng có độ phân giải đủ cao (độ sâu bit cao). Lưu ý rằng có nhiều cấu trúc cầu khác ngoài cầu Wheatstone. Các mạch cầu khác có thể được sử dụng để đo dung lượng, cảm kháng và trở kháng; tuy nhiên, chúng tôi sẽ không đi sâu vào những vấn đề đó trong bài viết này.

Thực hiện Đo Điện Trở với Mạch Cầu Wheatstone

Nguyên lý hoạt động của cầu dùng bốn điện trở thường được biểu diễn bằng hình kim cương. Trong Altium Designer®, chúng ta cần thể hiện nó dưới dạng hình hộp như hình trên. Tại đây, chúng ta có ba điện trở có giá trị biết trước và một điện trở thứ tư với giá trị không biết. Khi chúng ta cung cấp điện áp qua hai cực trên và dưới của cầu như hình trên, cầu tạo ra hai bộ chia điện áp song song. Nếu điện áp được đo qua trung tâm của cầu, nó có thể được chuyển đổi thành điện trở sử dụng các công thức tôi sẽ chỉ ra ở đây. Những công thức này đủ đơn giản để bạn có thể triển khai chúng trong một MCU nhỏ.

Để bắt đầu, từ việc nhìn vào mạch trên, bạn nên có thể thấy rằng điện áp giữa V0 và V1 sẽ bằng 0 V khi bốn điện trở thỏa mãn mối quan hệ sau.

Tại đây, R? là điện trở không biết, và ba điện trở còn lại có giá trị biết. Tại đây, chúng ta có thể giải công thức trên cho R? trong trường hợp cụ thể này khi điện áp giữa V0 và V1 bằng 0 V.

Điều kiện này có thể được sử dụng để hiệu chuẩn cầu Wheatstone với một varistor hoặc một biến trở, nhưng nó không giúp chúng ta xác định một điện trở không biết trong các trường hợp khác.

Để xác định giá trị của điện trở không biết, hãy xem xét mạch được hiển thị ở trên một cách kỹ lưỡng hơn. Điện áp qua R2 khi đo tại V0 sẽ là:

Trong cầu ở trên, biết rằng nó sẽ được tạo thành từ các điện trở 10K nên V0 sẽ là một nửa điện áp đầu vào 5V:

Nói cách khác, V0 luôn nên là 2.5 V nếu chúng ta sử dụng các điện trở chất lượng cao. Điều này sẽ đúng bất kể điều gì xảy ra với điện trở không biết. Bây giờ bộ chia điện áp với cổng V1 có điện trở không biết của chúng ta, vì vậy chúng ta có một phương trình tương tự cho điện áp qua R? (được đo tại cổng V1):

Vì chúng ta đang đo sự khác biệt giữa các điện áp tại hai cổng, chúng ta có thể viết V = V0 - V1 và thay thế các phương trình trên vào biểu thức này. Điều này cho chúng ta kết quả sau:

Lưu ý rằng bạn có thể thấy chúng ta sẽ có V bằng 0 nếu điện trở không biết R? bằng R3*R2/R1, tức là, nếu cầu cân bằng.

Với V0 và V1 được kết nối với một ADC chênh lệch, chúng ta có thể đo điện áp chênh lệch dương và âm sử dụng vi điều khiển hoặc thiết bị khác. Điện áp chênh lệch được tạo ra do điện trở không biết không bằng với điện trở khác - cầu không cân bằng. Lưu ý rằng, trong các ứng dụng thực tế, bạn sẽ cần phải khuếch đại tín hiệu trước khi kết nối nó với một khuếch đại chênh lệch.

Với một chút đại số, và với việc đo điện áp chênh lệch V này, chúng ta có thể giải phương trình trên cho R? và tính giá trị của điện trở không biết:

Nhớ rằng, V là điện áp chênh lệch qua V0/V1, và VS là điện áp cung cấp cho cầu Wheatstone. Trong ví dụ của chúng ta với R1 = R2 = R3 = 10 kOhms, chúng ta có thể tính điện trở không biết R? nếu chúng ta đo được sự chênh lệch 1 V qua cầu. Trong trường hợp này, điện trở không biết sẽ là:

Bạn có thể xác nhận điều này bằng cách tính toán điện áp đầu ra từ cả hai bộ chia riêng biệt, một cung cấp 2.5 V (cái đã biết) và cái khác cung cấp 1.5 V. Nếu bạn muốn sử dụng máy tính trực tuyến để kiểm tra, tôi thích cái trên Máy Tính Luật Ohm. Là một người mắc chứng khó đọc, ngay cả những công thức cơ bản cũng có thể làm tôi mắc lỗi, vì vậy tôi thường dựa vào máy tính trực tuyến để kiểm tra - đừng cảm thấy tồi tệ nếu bạn cũng cần sử dụng máy tính trực tuyến!

Thông thường, bạn sẽ thấy ứng dụng cầu Wheatstone trong thực tế sẽ cho bạn những thay đổi về điện trở ít đáng kể hơn. Tuy nhiên, bạn sẽ muốn sử dụng một cái kèm theo bộ khuếch đại hoặc một ADC với bộ khuếch đại có khả năng lập trình. Ví dụ, với một cảm biến tải, không phải là hiếm khi tôi sử dụng khuếch đại 128 lần hoặc hơn.

Sử Dụng Mạch Cầu Wheatstone với Bộ Khuếch Đại

Mặc dù có thể có các ứng dụng bạn có thể sử dụng cầu Wheatstone một cách trực tiếp, nhưng ứng dụng thực tế của cầu Wheatstone thường chỉ mang lại kết quả là microvolt hoặc millivolt về sự chênh lệch tốt nhất. Ví dụ, trong bài viết của tôi trên Blog Octopart, Đọc Điện Áp Tín Hiệu Nhỏ, tôi đã đề cập đến một cảm biến tải trọng 100kg sử dụng một cầu dẫn Wheatstone khá tiêu biểu. Cảm biến tải trọng 100kg chỉ cung cấp sự thay đổi điện áp là 50μV cho mỗi kilogram. Điều này không mấy hữu ích để trực tiếp kết nối với vi điều khiển hoặc các loại logic khác. Vậy bạn sử dụng nó như thế nào?

Khuếch Đại Vi Sai

Cách cơ bản nhất để làm cho sự thay đổi điện áp trở nên hữu ích hơn là sử dụng một khuếch đại vi sai chung chung, không cần ADC chuyên biệt!

Bằng cách sử dụng cấu hình khuếch đại vi sai, chúng ta có thể khuếch đại sự khác biệt giữa hai bộ chia điện áp cầu Wheatstone, sau đó có thể đưa vào ADC của vi điều khiển, hoặc thiết bị khác. Mạch cầu Wheatstone chuyển đổi sự thay đổi trở kháng thành sự thay đổi điện áp, và khuếch đại làm cho sự thay đổi điện áp trở nên hữu ích. Điều này khá hữu ích khi làm việc với các cảm biến có sự thay đổi rất nhỏ về trở kháng vì bây giờ sự chênh lệch điện áp có thể được đọc một cách dễ dàng.

Thay thế, bạn có thể sử dụng một khuếch đại đo lường thay vì khuếch đại vi sai chung chung để đạt được độ chính xác cao hơn.

Khuếch Đại Cao Trở Kháng

Để tăng thêm độ chính xác, trước tiên chúng ta có thể đệm tín hiệu đầu ra từ cầu Wheatstone. Do trở kháng đầu vào cao, độ ổn định và chính xác của mạch được cải thiện. Bạn có thể thực hiện điều này với các bộ khuếch đại đệm (khuếch đại đơn vị) hoặc chỉ sử dụng một bộ khuếch đại hoạt động khác không có khuếch đại làm bộ đệm. Bằng cách sử dụng một gói bộ khuếch đại tứ, bạn có thể đệm và sau đó khuếch đại với một gói IC duy nhất.

Khuếch Đại Đo Lường

Tại thời điểm này, chúng ta có thể tiến xa hơn một bước với mạch này bằng cách thêm một số điện trở bổ sung để xây dựng một bộ khuếch đại đo lường. Thay vào đó, chúng ta sẽ chọn lựa phương án chính xác, gọn nhẹ và chính xác hơn và thiết kế đơn giản sử dụng một IC bộ khuếch đại đo lường. Một bộ khuếch đại đo lường sẽ cho phép chúng ta khuếch đại tín hiệu một cách rất chính xác mà không phải lo lắng quá nhiều về việc sử dụng các điện trở 0.1% hoặc tốt hơn cho các bộ khuếch đại hoạt động hoặc điều chỉnh mỗi mạch chúng ta xây dựng để đạt được độ chính xác. Nhà sản xuất IC đã làm điều đó tại nhà máy. Mặc dù một bộ khuếch đại đo lường đắt hơn một bộ khuếch đại hoạt động chung chung, nhưng nó mang lại tiết kiệm chi phí khi là một giải pháp IC có sẵn mà không yêu cầu các linh kiện bên ngoài chính xác cao để nó hoạt động đúng cách. Không nên bỏ qua tiết kiệm không gian và tiết kiệm dòng BOM (và do đó là hàng tồn kho và bộ cấp liệu trên dây chuyền chọn và đặt) cũng như vậy.

Một bộ khuếch đại đo lường sẽ cho phép chúng ta khuếch đại chính xác các tín hiệu giữa hai đầu vào đồng thời cũng có khả năng loại bỏ tốt tín hiệu chung. Như vậy, bất kỳ nhiễu điện nào được thu thập trên cáp hoặc đường dẫn của cầu Wheatstone của chúng ta sẽ được bỏ qua vì nó nên gần giống nhau đối với cả hai mạng của chúng ta. Điện trở thiết lập khuếch đại được tách biệt khỏi các đầu vào của chúng ta, dễ dàng tính toán và đơn giản để định tuyến. Điện trở khuếch đại cũng có thể được thiết lập bằng cách sử dụng một bộ điều chỉnh số, hoặc một số bộ khuếch đại đo lường có bộ điều chỉnh số tích hợp có thể được thiết lập qua các giao thức phổ biến như I2C hoặc SPI. 

Là một lợi ích bổ sung, nhiều bộ khuếch đại đo lường có một chân tham chiếu cho phép bạn cung cấp một điện áp lệch DC cho tín hiệu, làm đơn giản hóa việc đọc đầu ra của một mạch cầu Wheatstone từ một thiết bị cung cấp đơn như vi điều khiển.

Bạn sẽ tìm thấy công thức khuếch đại cho bộ khuếch đại trong bảng dữ liệu, ví dụ, trong bảng dữ liệu INA821 của Texas Instruments, chúng ta tìm thấy công thức:

Bằng cách sử dụng phương trình này, chúng ta có thể dễ dàng tính toán giá trị chính xác cho Rg để có được khuếch đại mà chúng ta mong muốn cho bộ khuếch đại của mình. Nếu chúng ta muốn có khuếch đại 100, chúng ta có thể đơn giản hóa và sắp xếp lại phương trình thành:

Do đó, một điện trở 499 ohm cho RG sẽ cho chúng ta gần như chính xác 100 khuếch đại.

Nếu bạn gặp một chút khó khăn trong việc sắp xếp lại các công thức/phương trình đại số, như mọi khi, có một máy tính trực tuyến tuyệt vời có sẵn - trong trường hợp này, hãy kiểm tra máy tính tại SymbolAB. Để tính toán lợi nhuận 100 như tôi đã làm ở trên, bạn có thể nhập vào điều gì đó như 100 = 1+(49400/x), và nó sẽ giải x cho bạn.

Điều này sẽ cho chúng ta một mạch (không có tụ bù) trông như chúng ta đã thấy ở trên - phức tạp hơn nhiều so với các mạch khác mà chúng ta đã xem phải không?

Cấu hình Lợi Nhuận

Bạn có thể tự hỏi bạn cần bao nhiêu lợi ích và bạn nên đặt chân tham chiếu trên bộ khuếch đại đo lường ở đâu. Analog Devices có một công cụ trực tuyến tiện lợi có tên Diamond Plot. Công cụ này cho phép bạn chọn các tham số, như lợi ích/điện áp cung cấp và Vref để bạn có thể tối đa hóa phạm vi làm việc của bộ khuếch đại đo lường và điều chỉnh bộ khuếch đại đo lường của bạn cho ADC hoặc ứng dụng khác. Bằng cách sử dụng một công cụ như thế này, bạn có thể đảm bảo bạn tạo ra phạm vi động lớn nhất có thể để có tín hiệu độ phân giải cao nhất bạn có thể. Công cụ cũng sẽ tạo ra cảnh báo tiện lợi nếu bạn có các tham số không chính xác. Các yếu tố khác nhau có thể dẫn đến bão hòa tín hiệu nội bộ, và điều này có thể giảm phạm vi động tối đa của tín hiệu của bạn, hoặc dẫn đến cắt xén và các vấn đề khác.

Ví dụ:

• Tín hiệu điện áp đầu vào quá cao cho lợi ích cài đặt trước
• Điện áp tham chiếu quá cao cho tín hiệu điện áp đầu ra được tạo ra
• Điện áp nguồn cung cấp quá thấp

Công cụ này có thể giúp chọn các tham số chính xác cho bộ khuếch đại đo lường của bạn cụ thể cho ứng dụng của bạn.

Giả sử chúng ta thay đổi các tham số được hiển thị ban đầu của ví dụ. Trong trường hợp đó, bạn có thể thấy nó sẽ thông báo cho chúng ta biết rằng chúng ta đã làm gì đó sai và đưa ra gợi ý về những gì cần thay đổi để đưa tín hiệu về trong phạm vi khả năng của thiết bị.

Công cụ này được thiết kế riêng cho các thành phần của Analog Devices. Tuy nhiên, có một loạt các bộ phận của Analog Devices có sẵn để sử dụng với nó. Nếu bạn muốn sử dụng một thiết bị từ đối thủ cạnh tranh, bạn có thể tìm thấy một bộ phận AD với các tham số tương tự và sử dụng nó trong công cụ.

Ví dụ về Khuếch Đại Đo Lường

Nếu bạn muốn sử dụng một khuếch đại đo lường với cầu Wheatstone của mình, hãy xem xét một số lựa chọn tiết kiệm ngân sách từ Analog Devices, Texas Instruments và Maxim Integrated.

Những khuếch đại đo lường này là những ví dụ tuyệt vời về các lựa chọn tiết kiệm chi phí mà bạn có thể sử dụng trong các dự án của mình. Mỗi loại có điểm mạnh và điểm yếu của riêng mình, với một loạt các khả năng được đại diện chỉ trong ba thành phần này tùy thuộc vào ứng dụng của bạn.

Kết luận

Cầu Wheatstone là một mạch cổ điển, với thiết kế và khái niệm ban đầu có từ gần hai trăm năm trước. Không có nhiều mạch tiêu chuẩn mà chúng ta sử dụng trong điện tử hiện đại có thể tồn tại thử thách của thời gian tốt như cầu Wheatstone. Sự đơn giản của mạch kết hợp với tính hữu ích của nó đảm bảo rằng chúng ta sẽ tiếp tục sử dụng chúng trong tương lai dài lâu.

Chúng tôi chỉ mới đề cập đến những kiến thức cơ bản trong bài viết này. Có những cách để cải thiện độ tuyến tính của mạch cầu Wheatstone. Tùy thuộc vào loại cảm biến và cách bạn sử dụng tín hiệu đầu ra của cầu, chúng ta có thể tăng độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo. Chúng tôi sẽ đề cập sâu hơn về những khía cạnh này trong các bài viết chuyên đề về cảm biến trong tương lai. Cũng có một loạt các mạch cầu khác, mặc dù chung quy không phổ biến như cầu Wheatstone, nhưng vẫn được sử dụng để đo dung lượng và độ tự cảm cùng với các giá trị khác.

Nếu bạn đang tìm cách dễ dàng để nhanh chóng cải thiện việc triển khai mạch cầu Wheatstone hiện tại của mình, việc chuyển từ nguồn cung cấp đơn sang nguồn cung cấp kép là một cách rất nhanh chóng và dễ dàng để tăng độ phân giải, làm phẳng đường cong phản hồi và cải thiện khả năng chống nhiễu. Ví dụ, nếu bạn hiện đang sử dụng mạch 5V và GND, việc thêm một bộ cung cấp điện chuyển đổi chế độ chuyển mạch dựa trên bơm điện tích có khả năng đảo ngược sẽ chỉ tốn của bạn ba linh kiện rẻ tiền và cung cấp cho bạn nguồn -5V. Bằng cách có nguồn cung cấp +5V/-5V trên mạch cầu của bạn, đầu ra của bạn sẽ được cân bằng tại 0v/mặt đất. Điều này cải thiện khả năng loại bỏ và bất kỳ khuếch đại tổng hợp hoặc khuếch đại đo lường chung nào có khả năng cung cấp đầy đủ từ nguồn cung cấp kép đều có thể sử dụng tín hiệu đầu ra mà không cần thay đổi gì. Thay đổi duy nhất khác bạn cần xem xét là điều chỉnh đầu ra của khuếch đại để đảm bảo rằng điện áp tối thiểu và tối đa nằm trong phạm vi mà ADC hoặc các mạch khác của bạn có thể dễ dàng đọc.

Bạn muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.