3、电桥电路与差分放大：惠斯通电桥原理、半桥与全桥接法、仪表放大器（INA）选型与计算

压传感器这行，说白了就是跟微弱的电阻变化打交道。你想想看，一个应变片受压后，电阻变化可能只有万分之几。直接拿万用表去量？不现实。这时候就得请出我们的老伙计——惠斯通电桥。

3.1 惠斯通电桥原理

惠斯通电桥的核心思想，就是把微小的电阻变化，转换成电压信号。我刚开始接触时，觉得这玩意儿挺玄乎。其实原理很简单：四个电阻组成一个菱形，中间跨接一个检流计（或者差分放大器）。

当电桥平衡时，也就是：

R1 / R2 = R3 / R4

此时，Vout = 0。一旦某个电阻发生变化，平衡被打破，Vout 就不再是零了。这个输出电压，就正比于电阻的变化量。

我在项目中遇到过一个问题：电桥的激励电压 Vin 不能太大。为什么？因为电流流过应变片会产生热量，导致电阻漂移。我一般控制在 5V 以内，对于高精度应用，甚至降到 2.5V。

3.2 半桥与全桥接法

实际工程中，我们很少用单臂电桥。原因很简单——温度漂移太严重了。你想想看，温度一变，所有电阻都跟着变，你根本分不清是压力造成的还是温度造成的。

半桥接法：

用两个应变片，一个贴在受力面，一个贴在非受力面（作为温度补偿）。这样，温度变化时两个电阻同向变化，互相抵消。输出电压翻倍：

Vout ≈ (Vin / 2) * (ΔR / R)

全桥接法：

四个应变片全用上，两个受拉，两个受压。这是我最喜欢的方式。灵敏度最高，温度补偿最彻底。输出电压：

Vout ≈ Vin * (ΔR / R)

嗯，这里要注意：全桥的灵敏度是单臂的四倍。但代价是——你得贴四个应变片，工艺要求高不少。

接法类型	灵敏度	温度补偿	应用场景
单臂	低	无	教学实验
半桥	中	较好	工业称重
全桥	高	优秀	精密传感器

3.3 仪表放大器（INA）选型与计算

电桥出来的信号有多微弱？我告诉你，满量程可能只有几十毫伏。直接送 ADC？不行，噪声会淹没信号。这时候就需要仪表放大器（INA）出场了。

INA 和普通运放最大的区别是什么？说白了，就是它天生就是为差分信号设计的。高共模抑制比（CMRR）、低失调电压、低漂移——这些都是它的看家本领。

选型要点

1. CMRR（共模抑制比）：至少 80dB，最好 100dB 以上。我一般选 120dB 的。
2. 失调电压：低于 100μV。对于高精度应用，低于 10μV。
3. 增益范围：通常 10~1000 倍可调。用单个电阻设定增益。
4. 带宽：压传感器信号变化慢，几十 kHz 就够。

增益计算

以经典的 AD620 为例，增益公式：

G = 49.4kΩ / RG + 1

假设我们需要 G = 100，那么：

RG = 49.4kΩ / (100 - 1) ≈ 499Ω

选一个 499Ω 的精密电阻就行。注意：RG 要用 0.1% 精度的金属膜电阻，温度系数 25ppm/°C 以内。

常用 INA 芯片对比

型号	CMRR (dB)	失调电压 (μV)	增益范围	价格参考
AD620	100	50	1~1000	¥15
INA128	120	50	1~10000	¥25
AD8221	120	25	1~1000	¥35
INA333	100	25	1~1000	¥20

3.4 电桥与 INA 的完整信号链

把前面讲的串起来，一个典型的压传感器信号链是这样的：

应变片 → 惠斯通电桥（全桥） → 仪表放大器（INA） → 低通滤波器 → ADC → 单片机

我个人习惯在 INA 后面加一级二阶低通滤波器，截止频率设在 10Hz 左右。为什么？因为工业现场有 50Hz 的工频干扰，滤掉它，信号干净很多。

你想想看，从 20mV 放大到 5V，整整 250 倍。如果 INA 的噪声是 1μV，放大后就是 250μV。对于 5V 满量程来说，信噪比还是相当可观的。

嗯，这一节的内容就到这里。电桥和 INA 是压传感器调理的核心，搞懂了它们，后面的电路设计就顺风顺水了。

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