在设计许多系统时，收集有关物理现象（例如力，压力，光，温度，应变和电流）的信息是宝贵的工具。传感器将物理现象的变化转换为可测量的数量，例如，电压，电流和电阻，通常需要在数字化之前信号调节。
信号调节通常由操作放大器（OP放大器），仪器放大器（IAS），可编程增益放大器，差放大器（DAS）和/或特定于应用的特定标准产品执行。数字化是使用独立或集成到微控制器（MCU）的类似物到数字转换器（ADC）来完成的。一旦数字化，MCU（或有时是微处理器）可以快速处理并对数据作用。
图1是该信号链的简化框图。根据应用程序的不同，某些传感器可能直接与具有积分信号调节的ADC接口，如图中的虚线箭头所示。
惠斯通桥测量的基本原理 - 第1部分
图1简化的框图突出显示了传感应用中的信号链基础。资料来源：德州仪器
图1仅显示了典型信号链的一半。另一半包括数字到分析转换器（DAC）；其他信号调节；终，一个执行器来完成诸如关闭阀门，发出警报或打开电动机之类的动作。
传感器选择
尽管有许多物理现象需要量化，但通常情况下，每个物理现象都有许多传感器。例如，可以使用热电偶，电阻温度探测器（RTD），热敏电阻和专用ICs感测。选择传感器的标准取决于与终系统相关的成本，性能和易用权衡。
传感器通常会输出电流电流或电阻变化的电压。例如，热电偶会根据温度产生电压变化。光电检测器通常会产生与光强度成比例的小电流。，RTD和应变计分别基于温度和力的电阻变化。
惠斯通桥
惠斯通桥是一种无处不在的电路配置，可用于检测电阻的小变化。因此，它与上述电阻传感器（例如应变测量值）一起经常使用。
您可以将一个四抗惠斯通桥电路视为并行的两个电阻 - 底线（图2）。这两个电阻分隔线（V OUTP –V OUTN ）的电势差会产生与桥梁中任何不平衡成正比的差异信号（V OUT ）。如果桥梁中的所有电阻元件都具有相等的值，则桥平衡，V输出= 0 v。使用可变电阻传感器代替惠斯通桥中的一个或多个电阻器会产生与感应现象成正比的差异信号（例如，力或应变）。
图2用于直流电压激发的惠特石桥电路并联两个电阻 - 底线。资料来源：德州仪器
惠斯通桥有四种常见的配置：一座四桥（一个电阻传感器），一个半桥（两个电阻传感器，相同或相反的分支）和全桥（四个电阻传感器）。还有其他桥梁配置包括与地面或供应的串联电阻。
有三种为桥梁提供动力的主要方法：直流电压激发，直流电流激发和交流电压激发。
图2中的电压电源（VE）显示了直流电压激发，而图3中的当前源（IE）显示了直流电流激发。
图3显示了用于直流电流激发的惠斯通桥电路。资料来源：德州仪器
在电阻传感器远离激发电压远的工业应用中，电线上的电压下降会降低桥电压，从而降低了灵敏度。使用操作放大器和其他电阻器来实现反馈控制环，该反馈控制环路跨导线的电压下降将设置已知的桥电流（因此是桥电压）。
，AC电压激发有时被称为切碎，可能有助于取消桥梁中的偏移错误。这个概念是要定期扭转整个桥的电压的极性，以便在前半段将桥接传感器引起的任何偏移误差添加到V中，并在下半场从V中减去。整个期间V的平均值有效地取消了偏移错误。图4显示了此方法。
图4带有交流电压激发显示惠斯通桥电路。资料来源：德州仪器
虽然从理论上讲是可能的，但这种激发方法的离散实现并非平凡。因此，使用已集成AC激发的ADC更常见。
校准是一种相对常见的技术，用于消除与桥梁测量相关的误差。校准方案的复杂性取决于系统的预期精度。一点点和两点校准是常见的，其中一个点允许取消偏移误差，并调整两个点以增加增益误差。
图5说明了这个概念。在软件中执行校准是常见的做法。
图5该图突出显示了一分（上）和两点（下）校准。资料来源：德州仪器
信号调节
将传感器放置在上述桥电路之一之后，重要的是要放大小电压变化，以便可以使用的分辨率或动态范围将其数字化。桥电压V OUT是差异的，通常在供应中间（V e/2 ）左右具有共同模式电压。同样重要的是要了解桥梁是电阻的，因此我们建议使用具有高输入阻抗的信号调节电路。
如图6所示，要考虑信号调节的明显设备是差放大器或DA，因为它可以接受差异信号并输出 单端信号。同样，鉴于其集成和修剪的电阻网络，DAS具有良好的DC共同模式排斥比。
图6桥电路显示了差放大器（DA）。资料来源：德州仪器
使用DA与Wheatstone桥接口的主要缺点是，DA具有电阻输入阻抗，通常是数十亿至数百公里。这种电阻会在桥的每个腿上创建一个额外的电压分隔器，从而引入错误。
另一方面，仪器放大器或IAS具有很大的输入阻抗（GigaOhms），接受差分输入，并输出单端信号。尽管DAS具有固定的增益，但您可以使用设定的电阻器RG调整IA的增益。图7描述了使用IA来扩增桥电压。
图7带有仪表放大器（IA）的桥电路。资料来源：德州仪器
考虑到边界图，使用IAS设计电路可能很棘手，该边界图概述了设备的线性操作区域。该区域取决于IA中使用的内部OP放大器的输入共同模式和输出摆动限制。
IA的输出摆动是当输入公共模式电压约为2.9 V时。在此示例中，选择桥梁激发电压是有利的，以使V OUT OUT公共模式电压为2.9 V.这可以地提高IA的输出摆动，从而改善信号进入ADC的动态范围。
