自动平衡电桥原理详解pdf_自动平衡电桥原理详解

当电桥中两个特定触点的电位相等，即这两个触点的电桥输出为零时，称平衡电桥为平衡电桥。

自动平衡电桥的工作原理自动平衡电桥配合热电阻RT可以用来测量温度，自动平衡电桥的工作原理与自动平衡电位器不同，只是输入测量电路不同，所以本节重点介绍输入电路。

图3-1-8显示了自动平衡电桥的工作原理。从图中可以看出，热电阻Rt连接在测量电桥中。当测量温度为t1时，热电阻Rt的阻值为Rt1。如果电桥刚刚处于平衡状态，电桥输出端A和B之间的电位差UAB=0为0。如果温度上升到T2“t1”，就有Rt2”Rt1，电桥失去平衡。此时，电桥的输出电压为UAB 0。UAB输入到调制放大器，使伺服电机M正转，带动指针和唱针向右移动，指示温升；同时，电机M向左拖动滑动电阻器的滑动臂A，直到电桥在新的输入Rt2下重新平衡。此后，如果温度从t2下降到t3，将出现Rt3《Rt2》，电桥将失去平衡，其输出电压UAB为“0”，电机M将反转，指针将向左移动，滑臂A将向右移动，直到再次达到平衡。每次到达天平后，指针、触针、滑臂A的位置都对应当时测得的温度。

几种典型桥式自动平衡电路的工作原理及性能分析：精密仪表放大器大多采用典型的集成三运放结构或其改进结构，如图1所示。由A3运算放大器和R1-R组成的放大器电路的输入-输出关系可以用下面的公式表示：

在这种情况下，放大器的放大系数为1，其输出电压随着输入电压和参考电压之和而变化。理想情况下。当参考端子接地且测量系统为空时，V应该为零。在实际测量中，由于电桥的不平衡和放大器的零点漂移，在输出端有电压输出，造成零点偏移。根据公式(2)

下面介绍几种在实际应用中通过调节仪表放大器的参考端电压来实现电桥自动平衡的具体方法。

1、利用积分反馈电路实现电桥自动平衡。

如图2所示，集成电路由A3、R。c具有以下输入输出关系：

其中t=CR是积分时间常数。

如果积分电路的输入端连接到放大器的输出端，积分电路的输出端连接到放大器的参考端，由于负反馈引起的参考端电压的变化，放大器输出端的电压会逐渐趋近于零，从而达到调零的目的， 并且归零时间与积分时间常数r有关，T越大，归零时间越长，但电容泄漏和电路寄生参数的影响会增大。 如果t很小，积分漂移会增加。所以R值的选择是有限的，一般取R=1K0，c=0.1uf比较合适。

调零的目的是为了测试。因此，调零后，积分电路的输入端应与放大器的输出端断开。此时，如果放大器的输出端要保持零偏置，积分电路的输出端要保持断开前的电压值，这就要求电容没有漏电。所以在实际应用中，尽量选择漏电阻大、漏电流小的电容，比如聚苯乙烯，这对维持电路的平衡非常重要。

该电路结构简单，制造方便，价格低廉，调零效果好，但对器件性能要求高，保持时间短。

2、利用计数器和D/A转换器实现电桥自动平衡。

如图3所示，电路采用二进制计数器的计数输出作为D/A转换器的数字信号输入，D/A转换器的模拟输出信号经放大(或反放大)后送到仪表放大器的参考端。当按下自动平衡按钮时，单稳态电路给出一个定时器脉冲，清除计数器并启动振荡器工作。计数器清零后，D/A转换器输出一个固定的负(或正)电压值，反向放大后送到仪表放大器的参考端。此时无论零偏是正还是负，加在仪表放大器参考端的大电压值都能保证其输出为正电压值甚至过载(可由仪表显示)。随着计数器的不断计数，D/A转换器的输出逐渐由负变正，仪表放大器的参考端电压由正变负。相应的，它的产量也在减少。在其输出值从正电压变为负电压的瞬间，过零检测电路给出信号停止振荡器，计数器停止工作，D/A转换器的输出值不再变化。此时仪表放大器的输出基本没有零偏(1mV左右)。因为计数器的计数值保持不变，所以加到仪表放大器上的参考端电压值在调零后保持不变。只要没有新的不平衡或电源故障，电路的平衡状态就可以维持很长时间。

这种电路的特点是长时间保持平衡状态，加上断电保护电池后，还能保证平衡状态不受突然断电的影响。另外，它的成本也不高。缺点是电路复杂，调零精度受零检测电路响应时间影响，精度差。如果后期放大倍数大，会导致输出零偏大。此外，平衡时放大器的输出会短时间过载。

3、利用A/D和D/A转换器实现电桥自动平衡。

从上一节的分析可以看出，放大器输出的零偏置电压可以反相，送到仪表放大器的基准端，使电路恢复到零。因此，零偏压可以通过A/D转换器读取，然后通过D/A转换反相，再加到仪表放大器的参考端，这样就可以实现自动调零。其原理框图如图4所示。

该电路具有实现方法简单、置零精度高、速度快、长期平衡等优点，但价格相对较高。

4、通过软件编程实现桥梁自动平衡。

类似于2.3节的方法，微处理器通过软件编程对A/D、D、A转换器的控制，可以更精确、更灵活地自动平衡电桥并长期维护，其成本较高。实现框图见图5。

桥式自动平衡电路应用中应注意的几个问题

(1)正确选择关键部件。元器件的质量是保证电路性能的重要条件。在上述方法中，积分电容的漏电阻应尽可能大；应选择电子开关以提高转换速度；过零检测电路应选择响应速度快的器件；A/D和D/A转换器应为12倍或更高，以提高置零精度。

(2)应根据具体应用选择合适的方法。从上面的分析可以看出，第一种电路最简单，价格便宜。但电容器的泄漏会导致平衡调整后测试系统逐渐甚至迅速失衡，因此平衡调整后应尽快使用测量系统进行测试，测试时间应尽可能短。该电路适用于动态压力和应变信号的快速测量。对于一般的动静态应变片，测试时需要系统保持一定时间的平衡状态，所以应选择第二种电路，既能满足一定的精度，又能降低成本。测量等方面使用的精密动态应变片应选择第三或第四回路。为

(3)多级放大电路的正确调零方法。首先，保证第一级放大电路的平衡。如果后级放大倍数很高，第一级平衡后微小的零偏仍然会造成最后一级输出几百毫伏的零偏。当系统要求高精度时，可以考虑在后级放大电路中加入自动平衡电路。如果后置放大电路不是精密仪器放大器，则不宜直接连接自动平衡电路，而应连接一个与图1类似的一级放大倍数为0.10-3.1020的放大电路，以调节系统的平衡。