基于TLV431的电桥输出稳定及线性化研究及仿真

尚锋

摘 要： 惠斯通电桥常被用于信号调理电路中，由于电桥的输出信号受到供电电源的影响，使得输出信号不稳定，会随着供电电源的波动有着较大的变化，同时输出信号与被调理的输入信号呈现的是非线性的关系，不利于对输入信号进行测量计算。在此采用在电桥电路上并联低电压可调精密稳压器TLV431对电桥电路输出进行优化，从理论上以及通过PSpice A/D仿真软件进行分析验证，得出结论，优化后的电桥电路，输出信号达到稳定，不受供电电源的影响，并且输出与输入信号呈线性关系，线性程度随桥臂电阻增大而提高。该优化电路为电桥用于信号调理电路提供了方便，并极大地提高了信号调理的精确度。

关键词： 并联稳压器； 线性化； 惠斯通电桥； PSpice

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

惠斯通电桥是一种可以精确测量电阻的仪器。常被用作信号调理，在测量一些非电量的时候，常常需要通过传感器将其转换成电学的量，测量传感器转换成的电学量参数，经过转换即可得到所需要的非电量大小[1]。而传感器的输出信号往往需要通过信号调理才能被使用，惠斯通电桥电路经常被用作信号调理电路。通过惠斯通电桥输出的调理信号，通常又受到电桥供电电源的影响，而使得输出信号不稳定；同时，输出信号与桥臂阻值的变化不成线性关系[2]，即也不与影响桥臂电阻发生变化的非电量成线性关系，这就给测量及计算带来了不便。

本文通过在电桥电路中加入Texas Instruments的具有特定热稳定性的三端可调电压参考器 TLV431[3]，使得输出信号达到稳定，不受输入电压的影响，同时也实现了输出信号与输入线性化[4]。

1 电桥电路

如图1所示是一个通用的惠斯通电桥应用电路。电阻R1，R2，R3，R4称为电桥的4个桥臂，当ΔUo为零时，则称电桥达到平衡。平衡时，4个桥臂的阻值满足一个简单的关系，即电桥相对臂电阻的乘积相等，而当桥臂上某个电阻发生变化时，利用这一关系就可测量计算出电阻的变化。

2 单臂电桥输出稳定及线性化

根据图1所示的电桥电路，以及式（3），可以看出，惠斯通电桥用作信号调理有三个不足之处：由于电阻的误差，桥臂电阻很难做到完全相等；输出信号即所要测试的信号ΔUo和电源电压U有关系，受其影响，不能实现稳定的输出；输出信号ΔUo与桥臂电阻变化ΔR不是线性相关，对需要测量的信号进行处理以及后续的计算产生不变。

三端可调电压参考器。输出电压可以通过外部电阻分压器设定为参考电压1.24～6 V之间的任意值。TLV431与广泛应用的TL431相比，它工作在一个比较低的电压1.24 V下。

TLV431内部集成1.24 V基准电压、差分运放和三极管。当参考电压引脚上的电压低于内部基准电压1.24 V时，运放输出为低电压，三极管关断，忽略微小的漏电流，此时没有电流流过TLV431；当参考电压引脚上的电压高于内部基准电压时，运放输出为高电平，三极管导通从阴极抽取电流并迅速进入饱和区；当参考电压引脚上的电压非常接近基准电压时，三极管才工作在放大区，从阴极抽取恒定的电流[5]。

实际上，由于电阻本身制作有误差，所以电桥电路桥臂上4个电阻很难做到相等，同时考虑到导线电阻的影响，可以将R3换成可变电阻器，并将4个桥臂电阻选得大些，这样可以通过调节变阻器来使初始状态的电桥达到平衡，而大阻值的桥臂电阻可以将忽略导线电阻的影响。

在电桥电路中加入并联稳压器TLV431后[6]，初始状态下，通过调节变阻器R2使电桥达到平衡，即R1·R4=R2·R3。如图2所示，采用精密并联稳压器TLV431使得其电压参考端即R1和R2之间电压稳定为TLV431的参考电压VREF=1.24 V，则输出电压ΔUo为：

[ΔUo=R4R3+R4U-VREF =R4R3+R4×R1+R2+ΔR1R2VREF-VREF =ΔR1R1+R2VREF]（4） 由式（4）可以看出，最终输出的信号ΔUo与输入电压U无关，而参考电压VREF是由精密并联稳压器TLV431提供的，是一个固定值，R1及R2是初始电桥平衡状态下的电阻值，且平衡后不需要变动，通过测量可以得出，也是一个固定值，所以输出信号ΔUo与电阻变化ΔR1呈线性关系，对应到非电量的变化，即可求得非电量的值。

3 PSpice A/D仿真

通过Cadence公司的仿真软件PSpice A/D对上述电路进行仿真验证[7]。

取R1，R2，R3，R4初始值为1 kΩ，则电桥平衡，仿真电路如图3所示。

调节R2为1 kΩ，则电桥达到平衡，取电阻R1的电阻值为扫描参数，采用“DC Sweep”直流扫描方式进行扫描[8]，对R1的电阻值进行扫描，范围从0.5～1.5 kΩ，测量输出V+和V-，得到仿真结果如图4所示。

由仿真结果可以看出，电桥输出与变化后的R1值成线性关系，即也与电阻R1的变化值成线性关系。

考虑电桥桥臂电阻的选取，分别对100 Ω，1 kΩ，5 kΩ，采用图3原理图进行仿真，并使用PSpice A/D的“Cursor”光标功能读取数据，求得对应的线性相关系数分别为0.991 99，0.998 88，0.999 99，可见桥臂电阻选的大些，输出的线性度更好。

4 结 语

本文考虑实际电桥电路桥臂阻值很难相等，以及输出信号与输入的非线性，通过采用低电压精密并联稳压器TLV431，实现了电桥电路输出电压的稳定以及输出与输入线性化，并通过软件PSpice A/D进行仿真验证，得出结论，电路可以实现线性化输出，同时，线性化程度随桥臂电阻值增大而得到提高。该电路在大多数传感器信号调理的电路中可以广泛使用，以便更加方便地获得所测非电量的大小。

参考文献

[1] 李兴毅.输出电压无非线性误差的电桥电路传感器[J].物理实验，2006（9）：30?32.

[2] 黄元三，张天鹏.线性电桥电路[J].电测与仪表，1991（11）：18?20.

[3] 方佩敏.TLV431/A可调输出精密并联稳压器[J].电子制作，2005（3）：44?45.

[4] 田社平，茅旭初.电桥非线性校正电路分析[J].电气电子教学学报，2013（6）：27?29.

[5] 雷开卓，侯建平，黄建国，等.TL431的原理及应用研究[J].电源技术应用，2001（4）：154?156.

[6] 潘玉成.可调式精密稳压集成电路TL431及应用[J].宁德师专学报（自然科学版），2008（1）：51?55.

[7] 董志杰，李群湛.OrCAD PSpice A/DV9在电力电子仿真中的应用[J].自动化技术与应用，2003（3）：51?54.

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