LOG104在Wheatston应变测量桥路中的应用

前言
恒压源供电的不平衡Wheaston应变电桥广泛地使用在应力、应变测量中，是工业、建筑、计量行业提取测量对象应力、应变参数的主要手段之一[1]，在信号处理、模/数转换方面越来越显示出其巨大优势。在工业现场，要得到高精度恒压桥源并不容易。如果恒压源有微小的波动，经放大电路放大后就会对输出信号造成直接影响，在传统的动态应变测量和数据采集系统中无法消除[2]。因此，不通过增加额外补偿电路就能够解决Wheaston应变电桥桥源影响问题，将在减小应变电桥电路体积，提高电桥处理精度，扩大应变电桥使用范围方面发挥积极作用。

本文针对这种要求，通过研究利用对数运算的特点，使用高精度对数运算放大芯片LOG104对应变电桥输出信号和桥源信号做对数运算，滤除了桥源失调对测量输出信号的影响，实现了一种新型无桥源影响Wheatston应变电桥测量电路设计。

LOG104精密对数运算放大器
LOG104是美国BURR-BROWN公司最新生产的一款精密对数运算放大器，可对两输入电流之比进行对数运算[3]。该器件输入电流动态范围宽，可在 到 范围变化。由于采用了先进的集成电路技术，输入电流之比在100dB范围变化时，该器件能够保证总的输出误差在满刻度输出电压（FSO）的0.01%以下，偏离理想对数关系不超过0.01%，并且输出信号被精确调整到0.5V/10dB。LOG104具有极低的直流偏置电压和温漂特性，可在大温度范围内测量低幅值电流信号，其工作温度范围可达-40℃到+85℃。

LOG104优良的性能使它具有广泛的应用潜力，除进行对数、反对数运算外，还可在通信及测试仪器信号分析领域对数据进行压缩和解压，在光学应用领域对光密度信号测量，或制成便携式高精度仪器应用在各种与对数运算相关的场合。这里，将与LOG104具有相似功能的对数运算芯片加以对比，它们的典型参数值如表1所示。

由表1的数据可以看出，LOG104在对数运算芯片中具有优良的性能。

LOG104电路结构模型如图1所示。

图1 LOG104电路结构模型

由于双极型三极管的基射极电压为

（1）

其中， 焦耳/度（波尔兹曼常数），库仑（电子电荷量）， 为绝对温度（开尔文）；Ic为集电极电流；Is为反向饱和电流。

从图1电路中可知

将式（1）代入式（2）中

如果两个晶体管性能一致、温度相同，则有

另外，由于，所以式（4）可变形为

由此，既可得到

LOG104内部精密电阻经过合理选择后，最终的对数方程为

或者写为

其中 C是由R₁、R₂确定的常数。

Wheatston应变桥桥源失调引起的误差分析

在直流不平衡Wheatston应变桥路中，桥源产生的误差主要包括：

1．桥源失调造成的误差
这个误差与恒压源本身的性质有关，具有较强的随机性，不同型号的恒压源失调特点也不尽相同，一般工业测量中提供的恒压源误差在几十毫伏之间，如果直接采用DC-DC模块作为桥源其误差可能达到百毫伏量级，这么大的失调将在输出信号中产生严重的失调误差。假设桥源保守失调值，那么它将在灵敏度K = 2，理论桥压，应变计电阻，应变的应变全桥电路中产生输出电压

这个值相当于10个微应变所产生的信号，可见其影响的程度。并且由此造成的直接输出误差为

这对于高精度传感器设计来说是绝对不能允许的。由于此桥源失调误差直接由桥源本身特性决定，因此，在传统的动态测量系统中难以完全抵消。如果采取高稳压桥路供压则势必会增大测量电路体积，增加对加工工艺、环境因素的限制，带来应用上的不便。

2．传输线电阻造成的误差
由于桥源与应变桥之间的导线存在电阻，当这个阻值大到一定程度时，将对测量输出产生严重影响。对于每米电阻值 的导线，当传输线总长为20m时，将使实际供桥桥压下降，由此造成的输出误差为

3．恒压源温度漂移及环境因素对恒压源影响造成的误差
因为在工业现场，桥路的工作环境饱含大量电磁辐射、热辐射、振动、粉尘等恶劣因素，这些都加剧了恒压源的不稳定特性。由此造成的输出误差e_E 不亚于桥源失调所造成的影响。

综合上面几点，因为桥源影响最坏所能造成的整体误差为

这对于要求较高精度的工业应用领域，一般恒压源显然不能满足应用要求，必须采用高精度恒压源作Wheatston电桥桥源。但是，由于许多应用场合限制了高精度恒压源的使用，例如，用于旋转体上扭矩测量的电阻应变式扭矩仪，其随轴转动器件的电源供应多采取AC-DC方式供给，由此产生的直流电压很难直接用作桥源，必须采取高精度补偿调整电路，不仅增加了成本，也增大了电路的体积和设计复杂度，有悖于测量仪器小型化的要求。因此，滤除桥源影响，将桥源误差归一到后续处理电路