單極激勵(lì)電壓 V_EXCITATION 用作 ADC 電源電壓 (AVDD) 以及 ADC 基準(zhǔn)電壓 V_REF。電橋電阻由于拉伸或壓縮產(chǎn)生的微小變化會(huì)改變每個(gè)電橋的差分輸出電壓。電路配置對(duì)每個(gè)電橋的輸出進(jìn)行整合并求平均值，從而產(chǎn)生與施加的負(fù)載成正比的電壓。PGA 集成到 ADC 中，并增益該低電平信號(hào)，從而降低系統(tǒng)噪聲并提高 ADC 滿量程范圍 (FSR) 的利用率。ADC 對(duì)這個(gè)經(jīng)過放大的電壓進(jìn)行采樣并對(duì)照 V_REF 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該電壓與用于激勵(lì)每個(gè)電橋的電壓相同，因此是比例電壓。在比例基準(zhǔn)配置中，V_IN 和 V_REF 中的激勵(lì)源噪聲和漂移都是相等的，從而有效地從 ADC 輸出代碼中消除了這些誤差。

使用單通道 ADC、比例基準(zhǔn)和單極低電壓 (≤ 5V) 電源測量多個(gè)并聯(lián)的四線電阻式電橋需要：

• 差分模擬輸入（AINP 和 AINN）
• 外部基準(zhǔn)輸入（專用引腳或 使用模擬電源）
• 低噪聲放大器

在使用多通道 ADC 測量多個(gè)并聯(lián)電橋時(shí)，ADC 單獨(dú)測量每個(gè)電橋，主處理器對(duì)這些值求和，以確定施加的負(fù)載。使用單通道 ADC 測量多個(gè)并聯(lián)電橋時(shí)，在將輸入信號(hào)施加到 ADC 之前執(zhí)行上述求和 操作。為了理解圖 6-14 中的電橋電路如何產(chǎn)生與施加負(fù)載成正比的電壓，將每個(gè)電橋轉(zhuǎn)換為戴維南等效電路很有幫助。

圖 6-15 在假定 R >> ΔR 的情況下給出了標(biāo)準(zhǔn)電橋電路的戴維南等效電路。

圖 6-15 單個(gè)電橋電路的戴維南等效電路

在圖 6-15 中，V_TH+ 和 V_TH– 可分別使用方程式 71 和方程式 72 進(jìn)行計(jì)算：

圖 6-16 應(yīng)用圖 6-15 的等效電路，展示了圖 6-14 中所有四個(gè)電橋（電橋 A、B、C 和 D）的戴維南等效電路。此結(jié)果可幫助確定整個(gè)電橋電路如何產(chǎn)生與所施加負(fù)載成正比的輸出電壓。

圖 6-16 四個(gè)并聯(lián)電橋電路的戴維南等效電路

方程式 73 確定了 V_SIGNAL± 處的差分電橋輸出電壓，該電壓施加到圖 6-14 中的 ADC 輸入 V_IN：

假設(shè) RA = RB = RC = RD = R，則所有標(biāo)稱電橋電阻相同，方程式 73 可簡化為方程式 74：

最終，V_IN 與 V_EXCITATION 成正比，比例為每個(gè)電橋電阻變化的平均值。

為了解方程式 74 中的結(jié)果如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際系統(tǒng)，使用單通道 ADC 測量多個(gè)并聯(lián)電阻式電橋的一種常見應(yīng)用是確定平臺(tái)上的負(fù)載重量。電橋放置在平臺(tái)四周的特定點(diǎn)，負(fù)載的重量通過本節(jié)中所述的方法進(jìn)行確定。當(dāng)負(fù)載不在平臺(tái)的中心時(shí)，這尤其有用，因?yàn)槊總€(gè)電橋測量的重量與相對(duì)于負(fù)載的距離成比例。圖 6-17（左）顯示的紅色負(fù)載在中心，而圖 6-17（右）顯示的負(fù)載不在中心。圖 6-17 中的每個(gè)平臺(tái)上具有四個(gè)電橋（藍(lán)色），類似于圖 6-14 中所示的電路。

圖 6-17 使用多個(gè)并聯(lián)電橋測量平臺(tái)上的負(fù)載：負(fù)載在中心（左）和負(fù)載不在中心（右）

在圖 6-17（左）中，當(dāng)負(fù)載在平臺(tái)中心時(shí)，每個(gè)電橋在理想情況下可以測得 1/4 的總負(fù)載。當(dāng)負(fù)載不在中心時(shí)，如圖 6-17（右）所示，與電橋 2 (B2) 和電橋 4 (B4) 相比，電橋 1 (B1) 和電橋 3 (B3) 可測得更大百分比的總負(fù)載。例如，B1 和 B3 可能各測得 45% 的總負(fù)載，而 B2 和 B4 僅各測得 5% 的總負(fù)載。因此，需要使用具有表 6-18 所述類似參數(shù)的電橋（每個(gè)電橋的參數(shù)應(yīng)相同）。對(duì)采用單通道 ADC 和并聯(lián)配置的每個(gè)電橋使用相同的元件，有助于簡化用于確定總負(fù)載的計(jì)算過程。

具體來說，此并聯(lián)電橋配置中的總負(fù)載 Load_{(System Max)} 等于可施加于每個(gè)電橋的最大負(fù)載 Load_{(Bridge Max)} 之和。假設(shè)遵守表 6-18 的表注，使所有電橋的 Load_{(Bridge Max)} 都相同，則 Load_{(System Max)} = 電橋數(shù)量 ? Load_{(Bridge Max)}。例如，如果圖 6-14 中每個(gè)電橋的 Load_{(Bridge Max)} = 5kg，則 Load_{(System Max)} = 4 ? 5kg = 20kg。因此，每個(gè)電橋都可以隨時(shí)提供最大差分輸出電壓 V_{OUT(Bridge Max)}。由于這個(gè)特定電路配置通過對(duì)每個(gè)電橋的輸出電壓求和來得到 V_SIGNAL±，因此還必須按照表 6-19 確定可施加于 ADC 的最大信號(hào) V_OUT(Max)。

確定了 V_OUT(Max) 后，為 ADC PGA 選擇對(duì)應(yīng)的增益值。放大器增益應(yīng)該是仍小于 ADC FSR 的最大允許值。在某些情況下，無法選擇使用整個(gè) ADC FSR 的放大器增益。雖然這通常是分辨率和易用性之間的一種可接受的折衷，但應(yīng)確保在 ADC FSR 無法最大化的情況下仍然滿足所有系統(tǒng)要求。

接下來，確保在空載條件下 (R1 = R2 = R3 = R4)，電橋輸出共模電壓 V_CM(Bridge)（在表 6-19 中定義）處于 ADC 放大器共模電壓 V_CM(ADC) 范圍內(nèi)。放大器共模范圍隨元件不同而變化，并根據(jù)增益設(shè)置和電源電壓在數(shù)據(jù)表中定義。不過，定下 V_CM(Bridge) = AVDD/2 這個(gè)目標(biāo)是明智的選擇，因?yàn)樗ǔＬ幱?V_CM(ADC) 范圍的中間，按照之前的步驟可以實(shí)現(xiàn)盡可能高的增益。此外，當(dāng) V_EXCITATION = AVDD 時(shí)，圖 6-14 中的電橋配置會(huì)在空載條件下固定將 V_CM(Bridge) 設(shè)置為 AVDD/2。

最后，圖 6-14 中的電路帶來了一個(gè)額外的困難，即無法輕松校準(zhǔn)每個(gè)電橋，因?yàn)樗鼈兌脊灿?V_SIGNAL± 導(dǎo)線。這與使用多通道 ADC 的多個(gè)并聯(lián)電橋電路不同，因?yàn)樵诤笠环N情況下，每個(gè)電橋都是單獨(dú)測量的。該電路配置允許主機(jī)處理器推導(dǎo)每個(gè)電橋的特定校準(zhǔn)系數(shù)，并在求和之前消除測量誤差。比較而言，圖 6-14 中的系統(tǒng)將所有電橋誤差合并在一起，這會(huì)得到一組僅適用于校準(zhǔn)過程中所用的特定設(shè)置的校準(zhǔn)系數(shù)。

為了演示發(fā)生這個(gè)問題的原因，圖 6-18 繪制了與 圖 6-17 類似的重量測量系統(tǒng)的假設(shè)的電橋響應(yīng)曲線。在本例中，V_REF = V_EXCITATION = 5V，而每個(gè)電橋的靈敏度為 2mV/V，并且 Load_{(Bridge Max)} = 2kg。該系統(tǒng)還具有 2kg 的施加負(fù)載 W。

圖 6-18 使用四個(gè)并聯(lián)電橋和單通道 ADC 校準(zhǔn)稱重系統(tǒng)

此示例中四個(gè)電橋的每個(gè)電橋如果都具有圖 6-18 中的綠色理想響應(yīng)，則它們的 V_{OUT(Bridge Max)} = V_{OUT(Ideal Max)} = 10mV。但本示例假設(shè)每個(gè)傳感器都有一定的失調(diào)電壓值。如圖 6-18 中的藍(lán)色曲線所示，B1 的失調(diào)電壓為 1mV (B_{Actual_B1} = 1mV)，B_{Actual_B2} = 2mV，B_{Actual_B3} = 3mV，B_{Actual_B4} = 4mV。受失調(diào)電壓影響的電橋響應(yīng)會(huì)改變每個(gè)電橋 (V_{OUT(Bx Max)}) 的 V_{OUT(Bridge Max)}。本示例中單個(gè)電橋的輸出電壓 V_B 由方程式 75 給出：

在方程式 75 中，比例縮放因子 P_Bridge 是由該特定電橋測得的總負(fù)載百分比。假設(shè)負(fù)載在中心，如圖 6-17（左）所示，圖 6-18 中的所有四個(gè)電橋的 P_Bridge = 1/4 = 25%。無論它們是理想狀態(tài)（綠色曲線）還是受失調(diào)電壓影響（藍(lán)色曲線），情況都是如此。

當(dāng) P_Bridge = 25%、W = 2kg 且 Load_{(Bridge Max)} = 2kg 時(shí)，綠色理想曲線所表示的四個(gè)電橋中的每個(gè)電橋都將具有 2.5mV 的輸出電壓。這會(huì)在 V_SIGNAL± 處產(chǎn)生 4 ? 2.5mV = 10mV 的總輸出電壓。比較而言，對(duì)圖 6-18 中的四個(gè)受失調(diào)電壓影響的藍(lán)色電橋響應(yīng)施加方程式 75 會(huì)得到方程式 76 至方程式 79 中的結(jié)果：

施加到 V_SIGNAL± 的總輸出電壓是方程式 76 至方程式 79 中結(jié)果的總和，即
12.5mV。與理想電壓 10mV 相比，這包括了 2.5mV 的誤差。此誤差電壓將以失調(diào)電壓校準(zhǔn)系數(shù)的形式存儲(chǔ)在主處理器中，并從每次后續(xù)測量中刪除。

接下來，假設(shè)負(fù)載在 B1 和 B3 之間移動(dòng)，如圖 6-17（右）所示。在這種情況下，每個(gè)電橋測得的負(fù)載部分是不相等的，這會(huì)改變每個(gè)電橋的輸出電壓。在使用本節(jié)之前給定的分配（P_B1 = P_B3 = 45%，P_B2 = P_B4 = 5%）的情況下，每個(gè)電橋生成的輸出電壓由方程式 80 至方程式 83 給出：

與負(fù)載在中心的情況類似，施加到 V_SIGNAL± 的總輸出電壓是所有 V_Bx 的總和，即 12.1mV。減去先前確定的失調(diào)電壓誤差值 2.5mV，得到校準(zhǔn)后的電壓為 9.6mV，與理想值 (10mV) 相比，產(chǎn)生了 4% 的誤差。盡管第一種與第二種情況之間唯一的差別是負(fù)載在稱重秤上的位置，但還是產(chǎn)生了這樣的結(jié)果?？紤]到其他常見誤差，比如靈敏度誤差、ADC 誤差、導(dǎo)線電阻所致的增益誤差以及標(biāo)稱電橋電阻的變化，系統(tǒng)精度可能會(huì)進(jìn)一步降低。

最終，使用單通道 ADC 測量多個(gè)并聯(lián)電橋的系統(tǒng)需要良好匹配的電橋傳感器，它們需要具有類似的規(guī)格以保持高性能結(jié)果。另一種方案是使用外部加法盒，在進(jìn)行求和之前校準(zhǔn)電橋傳感器之間的任何差異。最后，對(duì)于某些低精度系統(tǒng)來說，與提高的吞吐量和設(shè)計(jì)簡單性相比，此電路的性能水平可能是可以接受的。