LTD2261应用笔记｜运用电流源激励的电桥测量电路

针对精密传感器经常采用的惠斯通电桥，该应用手册概述了常见电桥结构、对比了普通电桥测量电路和改进后电桥电路优缺点、还包含了ADC配置寄存器设置和ADC基准输入和差分输入的滤波值计算方法，此设计可运用于重量、压力和其它各种类型的传感器的测量。

惠斯通电桥是用于测量电阻元件阻随激励电压的变化。常见的电桥结构有：具有一个有源电阻的电桥、具有两个有源电阻的电桥和具有四个有源电阻的电桥。

无论哪种电桥结构，电桥功能不变，都是测量电阻元件随激励电压VEX的变化。

图1 具有一个有源电阻电桥（四分之一桥）

图2 具有两个有源电阻电桥（半桥）

图3 具有四个有源电阻电桥（全桥）

图4 使用比例基准和单极低电压激励的四线电桥测量

图4为典型的使用比例基准和恒定电压的四线电桥测量电路，使用激励电压作为模拟源和差分基准电压，可消除由激励源的噪声和漂移导致的误差。该图显示了使用低电压5V、LTD2261 ADC和四线比例基准的电桥测量。

该电路中：

变形后：

正好是ADC的转换结果除以满量程的结果，它与电阻成比例，与供电电压无关。

电桥具有不同的标称电阻值，但120Ω、350Ω、1000Ω和10kΩ最常见。较低的电桥电阻也可能需要很大的电流才能驱动。例如，使用 VEX= 5V驱动350Ω电桥需要14.3mA电流。这可能比测量电路（包括ADC和放大器）消耗的电流大很多。

这个较大的电流可与电桥路径中的任何寄生电阻产生相互作用，导致电桥上的实际电压与ADC 测得的基准电压不匹配。因此该电桥测量电路的设计，需要考虑电桥电阻与与模拟供电的匹配，灵活度较低。

此外，该电路需要考虑电桥共模电压受ADC输入范围的限制。

图5 使用比例基准和电流源激励的六线电桥测量

图5为对四线电桥测量电路改进后，运用带集成恒流源（IDAC）的ADC来激励传感器，由于VSEN+和VSEN-的长导线可能具有不可忽略的电阻，即使电阻很小，但是流过电桥的电流可能很大，从而显著增加了ADC的测量误差。

该电路在电桥顶部和底部的VSEN+和VSEN-额外接两条导线，即用开尔文连接，可以消除传感器导线电阻的影响。

上海先积集成电路的ADC芯片LTD2261，内部集成了两路独立恒流源，可实现多种恒流源配置（50uA-3000uA），并且通过配置可以外供基准。

图5显示了使用恒流源、LTD2261 ADC和六线比例基准的电桥测量。该电路的基准配置，可消除激励源噪声和漂移导致的误差。

由于LTD2261芯片内置多种恒流源：50uA、100uA、250uA、500uA、750uA、1000uA、2000uA、2500uA、3000uA，该电桥电路与ADC芯片的恒流源匹配使用，通过灵活配置对应寄存器，满足120Ω、350Ω、1000Ω和10kΩ等常见的电桥电阻，例如，使用IDAC配置为2000uA，驱动120Ω电桥，电桥电压的变化范围为0.24V，传感器功耗仅为0.48mW。

该电路中，

结合前面所述，最终转换结果只与电桥本身电阻有关系，与供电电流无关，电流只影响信噪比。

此外，该电路激励电压不能超过ADC的VREF范围，需要偏置电阻对电桥输出共模电压进行电平转换，电桥共模电压受ADC模拟输入范围的限制。

使用LTD2261的比例基准和电流源激励的六线电桥寄存器设置

在此设计中，采用LTD2261的低延迟滤波器将数据速率选择为20SPS。这种滤波提供了具有单周期稳定和抑制50Hz和60Hz线路噪声能力的低噪声测量。

差分输入滤波的带宽设置为至少比ADC数据速率高10倍。共模电容器选择为差分电容器值的1/10。由于电容器的选择，共模输入滤波的带宽比差分输入滤波带宽大约高20倍。虽然串联滤波电阻器会提供一定程度的输入保护，但应使输入电阻器保持低于10kΩ，以便为ADC提供适当的输入采样。

对于ADC输入滤波，通过以下公式近似计算差分滤波和共模滤波的带宽频率。 

fIN_DIFF = 1 ÷ (2 ×π× 2 × RIN× CIN_DIFF) 

fIN_CM = 1 ÷ (2 ×π× RIN× CIN_CM)  

基准输入滤波的带宽类似：

fREF_DIFF = 1 ÷ (2 ×π× 2 × RIN_REF× CREF_DIFF) 

fREF_CM = 1 ÷ (2 ×π× RIN_REF× CREF_CM)  

LTD226x 系列是 24 位高精度、多通道，最高采样速率 40-kSPS 的 Delta-Sigma（Δ-Σ）模数转换器。芯片内部集成了诸多功能模块，用以达到单芯片实现系统级高精度测试的目的。功能模块包括：低噪声可编程增益放大器、低温漂高精度片内基准、用于故障检测的阈值电压监控、通用 I/O 口等。典型应用场景包括模拟输入/输出模块、RTD/热电偶测温、DCS/PLC 和精密衡器等。

芯片的数据转换主通路由一个输入多路选择器（LTD2260 提供 5 个通道，LTD2261 提供 10 通道）、一个高精度低噪声可编程增益放大器、一个 24 位四阶Δ-Σ调制器、一个高精度低温漂的片内基准以及可编程数字滤波器构成。可编程增益放大器具有低噪声、高输入阻抗的特点，能有效降低由传感器负载带来的系统级测量误差。数据转换由四阶Δ-Σ调制器实现，通过过采样对输入数据采样后，通过数字滤波器对数据抽取后对量化噪声进行整形和滤除，提高转换数据信噪比与精度。通过配置 FIR 低通滤波器还可以实现 50Hz/60Hz 同步工频抑制。通过高精度低温漂的片内基准可以为数据转换提供参考电压。

在数据转换主通路之外，芯片还集成了多种功能模块用于实现便利的单芯片测试方案和过程监测机制。其中，两路独立的可编程高精度电流源为 RTD 提供电流偏置，并且可以抵消掉寄生电阻带来的系统误差，提高测试精度；片上温度传感器可以提供芯片的实时温度，用于监测系统工作环境；复用的 GPIO 拓展了芯片的数字功能；阈值电压监控模块会对 PGA 输出电压和基准输入电压进行监控，确保芯片工作在稳定状态；Burn-out电流源可以用于检测连接到芯片的传感器状态；CRC 校验功能用于验证输入输出的数字信号是否出现传输错误，保障数据安全可靠。

• 高精度 24 位 Delta-Sigma 模数转换器

• 低噪声：30 nVRMS (@20 SPS, gain=128)

• 线性度：2 ppm

• 5 路单端输入或 3 路差分输入（LTD2260）

• 10 路单端输入或 5 路差分输入（LTD2261）

• 可编程增益：1~128 倍

• 满量程范围：±7 mV 到±5 V

• 数据转换速率：2.5SPS 到 40kSPS

• 参考电压温度漂移：2ppm/℃

• 同步 50Hz/60Hz 工频抑制

• 单周期稳定模式

• PGA 输出电压/参考输入电压监控

• 5V 或±2.5V 供电

• 片内温度传感器

• 循环冗余校验

• 两路独立电流源

• 传感器断路检测

• 4 路 GPIO（LTD2261）

• 桥式电阻传感器 AC 激励模式（LTD2261）

• 温度与压力测量

• PLC 与 DCS 中的模拟输入模块

• 衡器与应变仪

• 科学测量与实验室仪器