基于TLV431的電橋輸出穩定及線性化研究及仿真

尚鋒

摘 要： 惠斯通電橋常被用于信號調理電路中，由于電橋的輸出信號受到供電電源的影響，使得輸出信號不穩定，會隨著供電電源的波動有著較大的變化，同時輸出信號與被調理的輸入信號呈現的是非線性的關系，不利于對輸入信號進行測量計算。在此采用在電橋電路上并聯低電壓可調精密穩壓器TLV431對電橋電路輸出進行優化，從理論上以及通過PSpice A/D仿真軟件進行分析驗證，得出結論，優化后的電橋電路，輸出信號達到穩定，不受供電電源的影響，并且輸出與輸入信號呈線性關系，線性程度隨橋臂電阻增大而提高。該優化電路為電橋用于信號調理電路提供了方便，并極大地提高了信號調理的精確度。

關鍵詞： 并聯穩壓器； 線性化； 惠斯通電橋； PSpice

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0120?03

Abstract： The Wheastone bridge is commonly used in signal conditioning circuit. Since the bridge output signal is influenced by the power supply， which makes the output signal unstable and change with the fluctuation of power supply， and the relation between output signal and conditioned input signal is nonlinear， it is inconducive to measure and calculate the input signal. The low?voltage adjustable precision voltage regulator TLV431 is paralleled on bridge circuit to optimize the bridge circuit output. The analysis results from PSpice A/D simulation software and theory show that the output signal of the optimized bridge circuit is stable and not influenced by power supply. The output signal is linear with the input signal， and the linearity of the bridge is increased with the increase of the bridge?arm resistance. The optimized bridge circuit can provide convenience for the signal conditioning circuit， and greatly improve the accuracy of signal conditioning.

Keywords： shunt regulator； linearization； Wheastone bridge； PSpice

0 引 言

惠斯通電橋是一種可以精確測量電阻的儀器。常被用作信號調理，在測量一些非電量的時候，常常需要通過傳感器將其轉換成電學的量，測量傳感器轉換成的電學量參數，經過轉換即可得到所需要的非電量大小[1]。而傳感器的輸出信號往往需要通過信號調理才能被使用，惠斯通電橋電路經常被用作信號調理電路。通過惠斯通電橋輸出的調理信號，通常又受到電橋供電電源的影響，而使得輸出信號不穩定；同時，輸出信號與橋臂阻值的變化不成線性關系[2]，即也不與影響橋臂電阻發生變化的非電量成線性關系，這就給測量及計算帶來了不便。

本文通過在電橋電路中加入Texas Instruments的具有特定熱穩定性的三端可調電壓參考器 TLV431[3]，使得輸出信號達到穩定，不受輸入電壓的影響，同時也實現了輸出信號與輸入線性化[4]。

1 電橋電路

如圖1所示是一個通用的惠斯通電橋應用電路。電阻R1，R2，R3，R4稱為電橋的4個橋臂，當ΔUo為零時，則稱電橋達到平衡。平衡時，4個橋臂的阻值滿足一個簡單的關系，即電橋相對臂電阻的乘積相等，而當橋臂上某個電阻發生變化時，利用這一關系就可測量計算出電阻的變化。

2 單臂電橋輸出穩定及線性化

根據圖1所示的電橋電路，以及式（3），可以看出，惠斯通電橋用作信號調理有三個不足之處：由于電阻的誤差，橋臂電阻很難做到完全相等；輸出信號即所要測試的信號ΔUo和電源電壓U有關系，受其影響，不能實現穩定的輸出；輸出信號ΔUo與橋臂電阻變化ΔR不是線性相關，對需要測量的信號進行處理以及后續的計算產生不變。

三端可調電壓參考器。輸出電壓可以通過外部電阻分壓器設定為參考電壓1.24～6 V之間的任意值。TLV431與廣泛應用的TL431相比，它工作在一個比較低的電壓1.24 V下。

TLV431內部集成1.24 V基準電壓、差分運放和三極管。當參考電壓引腳上的電壓低于內部基準電壓1.24 V時，運放輸出為低電壓，三極管關斷，忽略微小的漏電流，此時沒有電流流過TLV431；當參考電壓引腳上的電壓高于內部基準電壓時，運放輸出為高電平，三極管導通從陰極抽取電流并迅速進入飽和區；當參考電壓引腳上的電壓非常接近基準電壓時，三極管才工作在放大區，從陰極抽取恒定的電流[5]。

實際上，由于電阻本身制作有誤差，所以電橋電路橋臂上4個電阻很難做到相等，同時考慮到導線電阻的影響，可以將R3換成可變電阻器，并將4個橋臂電阻選得大些，這樣可以通過調節變阻器來使初始狀態的電橋達到平衡，而大阻值的橋臂電阻可以將忽略導線電阻的影響。

在電橋電路中加入并聯穩壓器TLV431后[6]，初始狀態下，通過調節變阻器R2使電橋達到平衡，即R1·R4=R2·R3。如圖2所示，采用精密并聯穩壓器TLV431使得其電壓參考端即R1和R2之間電壓穩定為TLV431的參考電壓VREF=1.24 V，則輸出電壓ΔUo為：

[ΔUo=R4R3+R4U-VREF =R4R3+R4×R1+R2+ΔR1R2VREF-VREF =ΔR1R1+R2VREF]（4） 由式（4）可以看出，最終輸出的信號ΔUo與輸入電壓U無關，而參考電壓VREF是由精密并聯穩壓器TLV431提供的，是一個固定值，R1及R2是初始電橋平衡狀態下的電阻值，且平衡后不需要變動，通過測量可以得出，也是一個固定值，所以輸出信號ΔUo與電阻變化ΔR1呈線性關系，對應到非電量的變化，即可求得非電量的值。

3 PSpice A/D仿真

通過Cadence公司的仿真軟件PSpice A/D對上述電路進行仿真驗證[7]。

取R1，R2，R3，R4初始值為1 kΩ，則電橋平衡，仿真電路如圖3所示。

調節R2為1 kΩ，則電橋達到平衡，取電阻R1的電阻值為掃描參數，采用“DC Sweep”直流掃描方式進行掃描[8]，對R1的電阻值進行掃描，范圍從0.5～1.5 kΩ，測量輸出V+和V-，得到仿真結果如圖4所示。

由仿真結果可以看出，電橋輸出與變化后的R1值成線性關系，即也與電阻R1的變化值成線性關系。

考慮電橋橋臂電阻的選取，分別對100 Ω，1 kΩ，5 kΩ，采用圖3原理圖進行仿真，并使用PSpice A/D的“Cursor”光標功能讀取數據，求得對應的線性相關系數分別為0.991 99，0.998 88，0.999 99，可見橋臂電阻選的大些，輸出的線性度更好。

4 結 語

本文考慮實際電橋電路橋臂阻值很難相等，以及輸出信號與輸入的非線性，通過采用低電壓精密并聯穩壓器TLV431，實現了電橋電路輸出電壓的穩定以及輸出與輸入線性化，并通過軟件PSpice A/D進行仿真驗證，得出結論，電路可以實現線性化輸出，同時，線性化程度隨橋臂電阻值增大而得到提高。該電路在大多數傳感器信號調理的電路中可以廣泛使用，以便更加方便地獲得所測非電量的大小。

參考文獻

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[2] 黃元三，張天鵬.線性電橋電路[J].電測與儀表，1991（11）：18?20.

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[6] 潘玉成.可調式精密穩壓集成電路TL431及應用[J].寧德師專學報（自然科學版），2008（1）：51?55.

[7] 董志杰，李群湛.OrCAD PSpice A/DV9在電力電子仿真中的應用[J].自動化技術與應用，2003（3）：51?54.

[8] 洪永思.利用OrCAD/PSpice A/D仿真技術[J].今日電子，2000（1）：15?16.