LOG104在Wheatston应变测量桥路中的应用

中，将直接提高测量仪器的精度和降低电路设计的复杂性，提高仪器的可靠性。

利用对数法消除桥源影响
利用LOG104优良的对数运算特性，将Wheatston电桥桥源引出一端接I1作为LOG104的参考输入，应变桥输出接I2作为LOG104的测量输入，当I1、I2的输入范围在1nA~100uA变化时，分别在I1、I2端串接 、 电阻限流，可保证5V桥源供电、最大应变为1000个微应变、灵敏度为2的Wheatston桥路测量使用，其测量电路设计，如图2所示。

图2 Wheatston应变电桥测量电路

其中

α、β分别为I₁、I₂的输入上下限电流值。

这里采用凌特公司高精度仪用运放LTC2053作为应变桥测量前置电路处理芯片^[4]。该运放精密度极高，供电电压范围从2.7V至11V，失调电压小于10uV，偏压漂移小于50nV/℃，共模抑制比(CMRR)大于116dB，增益误差小于0.01%，增益非线性度小于10ppm，与其它相似器件相比具有极佳的性能价格比，如表2所示。

在本设计中LTC2053实际起到跟随器作用，

等值跟随Wheatston应变电桥输出变化

对桥源失调电压为 的应变电桥，经过上述处理后进入对数运算电路的电流量为

其中I₁为理想电流值，为失调电流系数。

此时，对数运算电路LOG104的输出为

其中，对于具有确定参数和桥压值的应变电桥有，代入式（16）得

将式（12）代入式（17）中

这里，由于，代入式（18）中

由式（19）可知，应变电桥输出信号经对数运算后得到的输出函数与应变值成单值函数关系，与电阻R₃、R₄值无关。只要确定I₁、I₂的输入范围，对数方程即可确定。这里，由于I₁、I₂的输入范围为100nA～100μA，C值调整为0.5V，则对数运算放大器的输出为

这个输出关系的曲线仿真图，如图3所示。

图3 LOG104输出电压与应变测量值关系

从中可以看到，对于应变电桥的应变范围为1μm/m～1000μm/m时，输出电压范围为＋1.5V～0V。从中可以看到，一个微应变可以产生的最小输出电压（从第999个微应变到第1000变化时）为0.22mV，最大输出电压（从第1个微应变到第2个微应变变化时）0.15V，可见此设计在小应变时电路的灵敏度远远高于大应变时电路的灵敏度。造成这种现象的主要原因是：上述设计直接将桥源输入设定为LOG104的上限参考值，使得测量结果由小到大逐渐逼近参考电流，由于输出函数为衰减率渐小的对数函数，所以导致上述现象的发生；因此，只要将桥源输入设定为下限参考值（通过增大R1电阻阻值实现），使测量结果远离此参考电流，既可使大测量范围时的电路灵敏度得到提高。

通过这个现象，可以实现灵敏度区间要求不同的测量电路设计：对小应变区间灵敏度要求高时，采取上限设定参考；对大应变区间灵敏度要求高时，采取下限设定参考。这样，测量电路就会取得意想不到的输出效果。同时，由式（19）可以看出，输出函数中不包含桥源的影响项，附加电阻R₃、R₄最终也只是作为设定对数运算放大器输入范围而用，并没有对输出造成影响，这样就实现了桥源误差的滤除功能。并且，经过这种电路处理后，测量电路的很大一部分误差影响就可在系统标定时作为常量直接从测量结果中剔除，从而使电路设计得到精简。根据不同需要，后续结果可以采用14位以上的ADC芯片处理；也可将测量结果直接进行反对数运算以达到应用要求。

结论
综上所述，本文采用对数电路LOG104滤除了Wheatston应变电桥桥源失调对测量输出造成的误差影响，简化了补偿电路，设计出一种满足在恶劣工业环境应用的应变电桥处理电路，为其它有相似要求的传感器电路设计提供了可供借鉴的方法。