平衡電橋

當(dāng)電橋中某兩個(gè)特定的接點(diǎn)的電勢(shì)相等，即此兩接點(diǎn)的電橋輸出為零時(shí)，就稱(chēng)其平衡電橋。

自動(dòng)平衡電橋的工作原理

自動(dòng)平衡電橋可與熱電阻Rt配合用于測(cè)量溫度。自動(dòng)平衡電橋的工作原理與自動(dòng)平衡電位差計(jì)相比較，只是輸入測(cè)量電路不同，因此本節(jié)著重討論輸人電路。

圖3-1-8給出自動(dòng)平衡電橋的工作原理。由圖可知，熱電阻Rt接在測(cè)量橋路中，當(dāng)被測(cè)溫度為t1時(shí)，熱電阻Rt的阻值為Rt1，若電橋正好處于平衡，則電橋的輸出端A，B之間的電位差UAB=0。如果溫度升高到t2》t1，則有Rt2》Rt1，電橋失去平衡，此時(shí)電橋的輸出電壓地UAB》0。 UAB輸入到調(diào)制放大器，使伺服電機(jī)M正轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)指針及記錄筆右移，指示溫度升高；與此同時(shí)，電機(jī)M又拖動(dòng)滑線電阻的滑動(dòng)臂A向左移，直到電橋在新的輸入Rt2下重新平衡為止。此后，若溫度又從t2下降到t3則有Rt3《Rt2，電橋失去平衡，其輸出電壓UAB《0，電機(jī)M反轉(zhuǎn)，并使指針左移、滑動(dòng)臂A右移，直到重新達(dá)到平衡為止。每次達(dá)到平衡后，指針、記錄筆和滑動(dòng)臂A的位置都與當(dāng)時(shí)的被測(cè)溫度相對(duì)應(yīng)。

幾種典型電橋自動(dòng)平衡電路工作原理和性能分析

精密儀表放大器大多采用典型的集成三運(yùn)放結(jié)構(gòu)或其改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由A3 運(yùn)放及R1-R，組成的放大電路輸入輸出關(guān)系可由下式表示：

這種情況下該級(jí)放大器的放大倍數(shù)為1，其輸出電壓值隨輸入電壓和參考電壓之和變化而變化。理想情況下。當(dāng)參考端接地、測(cè)量系統(tǒng)空載時(shí)，V應(yīng)為零。在實(shí)際測(cè)量中，由于橋路失衡及放大器零漂等原因，導(dǎo)致輸出端有電壓輸出造成零點(diǎn)偏移。由式（2）可知

以下介紹實(shí)際應(yīng)用中幾種通過(guò)調(diào)節(jié)儀表放大器參考端電壓實(shí)現(xiàn)橋路自動(dòng)平衡的具體方法。

1、利用積分反饋電路實(shí)現(xiàn)橋路自動(dòng)平衡

如圖2所示，由A3、R.C組成的積分電路，其輸入、輸出關(guān)系為：

式中t=CR 為積分時(shí)間常數(shù)。

如果將積分電路的輸入端接放大器輸出端，積分電路的輸出端接放大器參考端，那么由于負(fù)反饋?zhàn)饔?，放大器輸出端的電壓?huì)因參考端電壓的變化而逐漸趨于零，從而達(dá)到調(diào)零的目的，歸零的時(shí)間與積分時(shí)間常數(shù)r 有關(guān)。t越大，則歸零時(shí)間越長(zhǎng)，但電容器漏電和電路寄生參數(shù)的影響將增加;t 若小，則積分漂移將增大。故r值的選取是有限的，一般取R=1K0，C=0.1UF 為宜。

調(diào)零的目的是為了測(cè)試，因此，調(diào)零結(jié)束后，還要將積分電路的輸入端與放大器輸出端斷開(kāi)，這時(shí)候放大器輸出端若要保持無(wú)零偏狀態(tài)，則積分電路的輸出端應(yīng)保持?jǐn)嚅_(kāi)前的電壓值，這就要求電容器無(wú)漏電。所以在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡可能選取漏電阻大，泄漏小的電容器，如聚苯乙烯等電容器，這對(duì)電路平衡的保持時(shí)間至關(guān)重要。

該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，價(jià)格便宜，調(diào)零效果好，但對(duì)器件性能要求高，保持時(shí)間較短。

2、利用計(jì)數(shù)器及D/A 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)橋路自動(dòng)平衡

如圖3 所示，該電路利用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸出端作為D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)輸入，D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號(hào)經(jīng)放大（或反向放大）后送到儀表放大器的參考端。當(dāng)按下自動(dòng)平衡按鈕后，通過(guò)單穩(wěn)電路給一定時(shí)脈沖使計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)啟動(dòng)振蕩器工作。計(jì)數(shù)器清零后，D/A轉(zhuǎn)換器輸出一固定負(fù)的（或正）電壓值，經(jīng)反向放大后送到儀表放大器的參考端，此時(shí)不論零偏為正或?yàn)樨?fù)，加在儀表放大器參考端的大電壓值可保證其輸出均為一正電壓值甚至過(guò)載（可用表頭顯示），隨著計(jì)數(shù)器的不斷計(jì)數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出逐漸由負(fù)值向正值變化，儀表放大器的參考端電壓則由正向負(fù)變化，相應(yīng)其輸出也不斷減小，當(dāng)其輸出值由正電壓變?yōu)樨?fù)電壓的瞬間，過(guò)零檢測(cè)電路給出信號(hào)使振蕩器停振，計(jì)數(shù)器停止工作，D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出值也不再變化，這時(shí)儀表放大器的輸出基本無(wú)零偏（1mV左右）。由于計(jì)數(shù)器的記數(shù)值是被保持的，故加到儀表放大器的參考端電壓值在調(diào)零結(jié)束后仍保持不變，只要沒(méi)有新的失衡或斷電，電路的平衡狀態(tài)可以得到長(zhǎng)時(shí)間的保

此電路的特點(diǎn)是平衡狀態(tài)保持時(shí)間長(zhǎng)，加裝斷電保護(hù)電池后，還能保證測(cè)量中平衡狀態(tài)不受突然斷電的 影響。另外其費(fèi)用也不高。缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜，調(diào)零準(zhǔn)確性受過(guò)零檢測(cè)電路響應(yīng)時(shí)間影響，精度較差，若后級(jí)放大的倍數(shù)較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較大的輸出零偏。另外，調(diào)平衡時(shí)會(huì)造成放大器輸出短時(shí)間過(guò)載。

3、利用A/D，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)橋路自動(dòng)平衡

由上節(jié)的分析可知，將放大器輸出的零偏電壓值反向后送到儀表放大器的參考端即可使電路恢復(fù)零位。因此，可利用A/D轉(zhuǎn)換器讀取零偏電壓，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和反向，然后加至儀表放大器的參考端，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。其原理框圖如圖4所示。

該電路實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，調(diào)零精度高，速度快，平衡狀態(tài)可長(zhǎng)時(shí)間保持，但價(jià)格相對(duì)較高。

4、通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)橋路自動(dòng)平衡

與2.3節(jié)中的方法相類(lèi)似，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)A/D、D，A轉(zhuǎn)換器的控制，能夠更精確、靈活地進(jìn)行橋路自動(dòng)平衡并長(zhǎng)時(shí)間保持，其造價(jià)也更高些。實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖5。

電橋自動(dòng)平衡電路應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

（1）正確選擇關(guān)鍵元器件。元器件的優(yōu)劣是保證電路性能的重要條件。以上幾種方法中，積分電容器漏電阻應(yīng)盡可能的大;轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)宜選取電子開(kāi)關(guān)，提高轉(zhuǎn)換速度;過(guò)零檢測(cè)電路應(yīng)選取響應(yīng)速度快的器件;A/D、D/A轉(zhuǎn)換器宜選取12 倍或更高，以提高調(diào)零精度。

（2）應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的方法。由以上分析可以看出，第一種電路最為簡(jiǎn)單，價(jià)格也便宜，但由于電容器漏電會(huì)導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)調(diào)平衡結(jié)束后又逐漸甚至于很快失衡，所以測(cè)量系統(tǒng)在調(diào)平衡后應(yīng)盡快用于測(cè)試，測(cè)試時(shí)間也應(yīng)盡量短。此電路較適合于動(dòng)態(tài)壓力、應(yīng)變信號(hào)的快速測(cè)量。對(duì)于一般的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)需要保持一定時(shí)間，這時(shí)宜選用第二種電路，既能滿足一定精度成本又不高。用于計(jì)量等方面的精密動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，則宜選用第三或第四種電路。對(duì)于多路精密應(yīng)變儀，可用一片A/D和CPU.多片D/A芯片快速、精確實(shí)現(xiàn)各路測(cè)試系統(tǒng)的橋路自動(dòng)平衡。

（3）多級(jí)放大電路的正確調(diào)零方法。首先保證第一級(jí)放大電路調(diào)平衡，若后級(jí)放大倍數(shù)較高，第一級(jí)調(diào)平衡后的微小零偏仍會(huì)造成末級(jí)輸出上百毫伏的零偏，當(dāng)要求系統(tǒng)高精度時(shí)，可考慮給后級(jí)放大電路也加裝自動(dòng)平衡電路。后級(jí)放大電路如果用的不是精密儀表放大器，則不宜直接加接自動(dòng)平衡電路，而應(yīng)再接-級(jí)放大倍數(shù)為1、類(lèi)似圖1中調(diào)平衡結(jié)構(gòu)的放大電路，通過(guò)此電路來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平衡。