在根據(jù)結(jié)構(gòu)、連接和特性選擇了電橋后，需要設(shè)計一個低噪聲信號鏈來測量電橋輸出。本節(jié)詳細探討與選擇信號鏈元件有關(guān)的多個重要主題：

放大

本節(jié)所述，典型電橋的靈敏度為1mV/V至3mV/V。在如此低的靈敏度情況下，通常需要選擇VEXCITATION的最大值以盡可能提高電橋輸出信號。例如，在上篇文章中表中的VEXCITATION最大值為15V，電橋靈敏度為2mV/V，得到的最大電橋輸出信號為30mV。這個電平相對較低的信號需要放大以實現(xiàn)精密測量。但是，選擇VEXCITATION>AVDD可能需要對基準或信號電壓進行電平轉(zhuǎn)換，以符合ADC輸入限制，因為大多數(shù)ADC只支持AVDD≤5V。在這種情況下，應(yīng)在無增益ADC前面使用外部儀表放大器(INA)來放大電橋信號，并設(shè)置放大器輸出共模電壓。當VEXCITATION≤AVDD時，選擇具有集成式低噪聲可編程增益放大器(PGA)的ADC來降低系統(tǒng)噪聲并提高動態(tài)范圍。選擇具有集成PGA的ADC還可簡化信號鏈并減小PCB面積。以下各小節(jié)詳細說明了外部INA和集成PGA的操作和用例。

儀表放大器

如果電橋信號超出ADC輸入限制，則可能需要使用INA。當VEXCITATION>AVDD時，通常會出現(xiàn)這種情況。或者，如果所選ADC沒有集成的PGA，可以使用外部INA來放大電橋輸出。

INA架構(gòu)和運行

下圖中顯示了基本的三運算放大器INA，但也有其他拓撲結(jié)構(gòu)。

上圖中的INA放大AINP和AINN之間的電壓。放大器增益由外部增益設(shè)置電阻RG和內(nèi)部反饋電阻RF確定。AINP和AINN處的電壓通過A1和A2以及兩個RF電阻器強制傳遞到RG上。這會迫使相同電流流過所有三個電阻器以產(chǎn)生增益。差分放大器由運算放大器A3和四個電阻器R構(gòu)成，充當單位增益緩沖器。經(jīng)過放大的電壓在INA的REF和VOUT引腳之間進行測量。REF引腳設(shè)置輸出電壓的基準點，選擇它通常是為了與ADC共模范圍匹配。INA增益由RG設(shè)置，并按下列方程確定：

大多數(shù)INA都支持高達1000V/V的大電壓增益。不過，與高增益相關(guān)的一個實際困難是，它會將輸入信號共模電壓限制為大概1/2Vs。在INA拓撲結(jié)構(gòu)中，輸入共模電壓必須與圖5-1中由A1和A2構(gòu)成的第一個運算放大器級的輸出共模電壓相匹配。由于RG的電壓經(jīng)過放大后成為A1和A2的輸出，因此A1和A2的輸出電壓受這些電壓與任一電源（V+或V–）接近程度的限制。由于這一限制，需要選擇適當?shù)腎NA和電橋激勵電源，以使電橋輸出處于INA測量范圍內(nèi)。模擬工程師計算器中的INAVcm與Vout工具可根據(jù)一系列INA的輸出電壓計算輸入共模范圍，從而簡化了這一過程。下圖顯示了此工具使用INA826時的示例。

INA誤差源

將INA添加到信號路徑中會引入多種不同的誤差。例如，當增益設(shè)置為100V/V時，圖5-2中所示的INA826的增益誤差規(guī)格為±0.04%（典型值）和±0.15%（最大值）。此增益誤差來自于電阻器元件出廠調(diào)整的輕微不匹配。INA還有增加到測量中的失調(diào)電壓誤差。INA826以輸入為基準的失調(diào)電壓誤差為150μV（最大值）。此外，電阻RG可產(chǎn)生一定的增益誤差，直接增加到總系統(tǒng)誤差中。INA還會向測量中增加噪聲。在0.1Hz至10Hz帶寬內(nèi)，INA826以輸入為基準的噪聲為0.52μVPP。由于INA拓撲，此噪聲可能大于ADC中集成的PGA。有關(guān)噪聲在電橋測量中的重要性的更詳細討論，請參閱下文。

集成式PGA

當VEXCITATION≤AVDD時，可以選用具有集成式PGA的ADC。這些情況通常允許使用與節(jié)6.1中所述電路類似的比例基準配置。集成式PGA與外部器件相比，通常還具有更好的性能，因為集成式PGA已針對與相關(guān)ADC搭配使用進行了優(yōu)化。

集成式PGA架構(gòu)和運行

集成式PGA通常作為基本INA的前端實現(xiàn)。電路類似于上圖，因為它使用A1、A2、兩個RF電阻器和用于設(shè)置增益的一組經(jīng)過出廠調(diào)整的可編程RG電阻器。例如，下圖顯示了ADS1235中的PGA。

此外，圖5-3中的PGA在PGA的輸入和輸出端都有低通濾波器。這些濾波器有助于降低對電磁干擾(EMI)的敏感性。某些集成式PGA還需要外部電容器來過濾調(diào)制器導(dǎo)致的樣本脈沖，并執(zhí)行抗混疊。與INA類似，集成式PGA具有共模電壓要求，具體由運算放大器的增益和輸出決定。例如，集成到ADS1235中的PGA的絕對輸入電壓（VAINP或VAINN）受方程限制

其中：

VINMAX=VAINP–VAINN，描述最大差分輸入電壓。

下圖顯示了ADS1235集成式PGA輸入與PGA輸出之間的關(guān)系。

上圖中的PGA輸出電壓（VOUTP和VOUTN）取決于PGA增益和輸入電壓幅度VIN。對于線性工作，PGA輸出電壓不得超過AVDD–0.3V或AVSS+0.3V。請注意，上圖顯示的是正差分輸入電壓產(chǎn)生正差分輸出電壓，但也可以是負差分電壓。請參閱ADS1235Excel計算器工具，了解共模輸入范圍計算器和其他有助于簡化使用此ADC的項目的重要設(shè)計工具。此外在后面的文章中的電路演示了如何使用這些計算器工具來確定電橋輸出是否處于PGA共模范圍內(nèi)。

使用集成PGA的優(yōu)點

使用具有集成PGA的ADC的一個優(yōu)點是，集成器件不需要在INA解決方案中使用輸出緩沖差分放大器。與使用外部INA相比，去除此元件可降低噪聲。例如，在0.1Hz至10Hz頻率范圍內(nèi)，INA826具有0.52μVPP的輸入基準噪聲，而在使用FIR濾波器的情況下，ADS1235在10個樣本/秒(SPS)速率下的噪聲為0.096μVPP。該集成PGA的另一項優(yōu)勢是增益已經(jīng)過出廠修整。此過程通常可得到比INA和外部RG組合增益誤差更低的誤差。例如，ADS1235的典型增益誤差為0.05%。而INA826增益誤差為0.04%，這不包括RG產(chǎn)生的任何其他增益誤差。例如，與使用ADS1235集成PGA相比，選擇初始容差為0.1%的RG電阻器會使增益誤差增加一倍以上。

噪聲

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，噪聲是指可能干擾或隱藏目標信號的任何不需要的信號。有些噪聲對于所有電氣元件來說是固有的，可能來自系統(tǒng)內(nèi)部（放大器、ADC、電壓基準等）或外部（EMI、接地環(huán)路、線路周期噪聲等）。噪聲對于電橋測量系統(tǒng)非常重要，因為電橋輸出電壓通常約為幾十毫伏。如此小的信號需要低噪聲、高分辨率信號鏈才能實現(xiàn)高動態(tài)范圍。雖然噪聲對于電橋測量系統(tǒng)很重要，但完整的信號鏈噪聲分析可能會很復(fù)雜。因此，全面了解噪聲不在本應(yīng)用手冊的討論范圍之內(nèi)。本文說明ADC數(shù)據(jù)表中如何報告噪聲，以及如何使用此信息幫助實現(xiàn)電橋測量系統(tǒng)的設(shè)計目標。有關(guān)ADC測量中的噪聲的更多信息，請參閱精密ADC噪聲分析的基本原理電子書以及TI高精度實驗室培訓(xùn)課程中的ADC噪聲內(nèi)容。

ADC噪聲數(shù)據(jù)表

ADC數(shù)據(jù)表通常報告輸入短路(VIN=0V)時的噪聲。此配置提供ADC固有噪聲的純測量值，如果ADC具有集成式PGA，則還包括放大器噪聲。此測量值不包括隨輸入信號線性變化的電壓基準噪聲。不過，對于使用比例基準配置的電橋測量系統(tǒng)，由于往往會消除電壓基準噪聲和漂移，因此這通常不是問題。ADC噪聲表中顯示的實際值包括數(shù)千個數(shù)據(jù)點或持續(xù)數(shù)秒的數(shù)據(jù)。對該數(shù)據(jù)集執(zhí)行統(tǒng)計分析，可確定均方根(RMS)值和峰峰值。對于Δ-ΣADC，則會針對輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)、濾波器類型和增益設(shè)置的各種組合（如果適用），報告這些信息。例如，下表顯示了ADS1235數(shù)據(jù)表中的一部分噪聲性能信息。下表中的每一行都是一種不同的ODR和濾波器類型組合，而每一列表示可用的PGA增益。

上表中的噪聲值以輸入為基準(RTI)。ADC測量的RTI噪聲是指增益后ADC輸入端的等效噪聲幅度。例如，當增益=1V/V時，上表中的噪聲以±5V范圍為基準。當增益=128V/V時，噪聲以小得多的±39.06mV范圍為基準。上表中還包括兩個從噪聲值推導(dǎo)得出的品質(zhì)因數(shù)：有效分辨率和無噪聲分辨率。ADC數(shù)據(jù)表中的有效分辨率是指滿量程范圍(FSR)相對于測量中的RMS噪聲VN,RMS的動態(tài)范圍。相比之下，ADC數(shù)據(jù)表中的無噪聲分辨率是指FSR相對于測量中的峰峰值(PP)噪聲VN,PP的動態(tài)范圍。這些噪聲參數(shù)使用方程式20和方程式21進行計算：

Effectiveresolution=log2(FSR/VN,RMS)(bits)

Noise-freeresolution=log2(FSR/VN,PP)(bits)

例如，當增益=128V/V且ODR=20SPS時，表5-1顯示ADS1235有限脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器提供的噪聲性能為0.029μVRMS或0.16μVPP。使用下面的方程這些設(shè)置分別計算ADS1235有效分辨率和無噪聲分辨率：

Effectiveresolution=log2[(±5V/128V/V)/(0.029μVRMS)]=log2[2,693,966]=21.3bits

Noise-freeresolution=log2[(±5V/128V/V)/(0.16μVPP)]=log2[488,281]=18.9bits

電橋測量通常使用第三個參數(shù)來表征性能，這個參數(shù)稱為無噪聲計數(shù)(NFC)，它從無噪聲分辨率推導(dǎo)得出。這對于設(shè)計要求秤測量結(jié)果中顯示的最后一位數(shù)字保持穩(wěn)定（或無噪聲）的稱重秤應(yīng)用尤其重要。使用有效分辨率目標來設(shè)計稱重秤，可能會導(dǎo)致秤上顯示的最后一位數(shù)字不斷移動，因為有效分辨率基于RMS噪聲。NFC由下式定義，計算給定ADC參數(shù)的NFC：

NFC=2(Noise-freeresolution)(counts)

NFC=2(18.9)=488,000counts

無噪聲分辨率和NFC是在假設(shè)ADC輸入使用整個FSR的情況下計算得出的。但是，如果稱重秤系統(tǒng)不使用整個ADCFSR，系統(tǒng)NFC性能與ADC噪聲表中所示的值將會不同。下一節(jié)說明了NFC性能的這種降低。