基于Multisim的直流电桥称重电路设计与仿真

董亮，雷良育，吴文强，刘鸿宇，李林丰

(浙江农林大学 工程学院，浙江 临安，311300)



基于Multisim的直流电桥称重电路设计与仿真

董亮，雷良育，吴文强，刘鸿宇，李林丰

(浙江农林大学 工程学院，浙江 临安，311300)

直流电桥电路是电子测量的一个基本电路，在现代测量中有着较广的应用，因而在电子测量、传感器技术教学中也是一个重要的知识点。该文借助于Multisim12.0仿真软件，对应变电阻称重测量电路进行了仿真，得到了较好的仿真效果。

电子测量，直流电桥；应变电阻；放大电路

电桥电路测量精度高，方法巧妙，在现代电磁测量技术中有着非常广泛的应用，满足电阻、电压等参数的测量，且在非电量的测量中也得到了很好的应用，如压力、形变、重量、温湿度等参数的测量[1，2]。Mulitism是美国NI公司推出的Windows界面下的电子技术仿真工具，适合模电、数电电路的设计，其适用电路原理图的图形和硬件描述语言输入方式[3]。Multisim仿真软件提供了较多的电流元件器件库和齐全的电子仪器设备，具备较强的电路仿真分析能力，仿真方法切合实际，可以实时的进行电路修改和仿真调试，观察不同情况下的电路现象[4]，是较理想的基础电子学仿真软件，适合进行电路基础教学和电子设计。本文采用Multisim12.0仿真软件，以电桥法称重为例，阐述了其仿真调试过程，得到了最终的结果。已知电桥法称重的设计要求为实现0-100g重量的测量，输出对应为0.5V-4.5V输出，且具备超限指示。

1 电桥法称重电路总体设计

电桥法称重电路设计框图如图1所示，由电源电路、应变电桥电路、仪表放大电路、加法补偿电路和比较电路组成。电源电路负责整体电路的供电，应变电桥电路将重量导致应变电阻阻值的变化变换为微弱电信号，由仪表放大电路进行差分放大得到较大的输出，比较电路对输出进行重量超限的判定。

图1 电桥法称重电路总体设计框图Fig.1 Weigh bridge circuit design block diagram

1.1 应变电桥电路

应变电桥电路如图2所示，为了提高电路灵敏度采用了双臂半桥[5]，R1、R2为固定电阻500Ω，RG1、RG2分别为正系数、负系数应变电阻。在常温下，重量每变化±1g，其阻值相应变化∓0.001Ω。如果无应变时R1=R2=RG1=RG2=R，那么受应变时RG1、RG2的变化△R将导致Ui2电位变化，最终使得输出电压△U的变化，Ui1和Ui2求解式如式(1)、式(2)所示：

图2 应变电桥电路图Fig.2 Strain bridge circuit diagram

(1)

(2)

综合式(1)、式(2)可得：

(3)

由式(3)可知，ΔU和ΔR成线性比例关系，由于这一特点，我们只要测量ΔU就能够得到对ΔR的测量实现称重，若VSS=5V，R=500Ω，则称重为100g时，ΔR=0.1Ω，ΔU=0.5mV，可见ΔU数值极小，需要匹配后级放大电路进行放大。

1.2 仪表放大电路

仪表放大电路是一种精密的差动放大电路，具备高共模抑制比、高输入电阻、低漂移的特点，广泛应用于医学仪器、航天测控电路中[6]。本设计的仪表放大电路如图3所示，为了提高精度采用了低噪声、高增益集成放大器OP07[7]。

图3 仪表放大电路图Fig.3 The instrument amplifies the circuit diagram

对于输入差模信号ΔU，得：

(4)

(5)

若R3=R5，R6=R8，R7=R9，得：

(6)

设计要求实现0-100g重量的测量(即ΔU=0-0.5mV)，输出对应为0.5V-4.5V，则仪表放大电路的输出Uo3应当为0-4V，对应的放大倍数Au=4/(0.5×103)=8000，选择R4=R6=R8=10KΩ，R3=R5=495KΩ，R7=R9=800KΩ。

1.3 加法补偿电路与比较电路

前级放大输出为0-4V，还需要进行加法补偿得到0.5-4.5V的输出，设计的加法补偿电路与比较电路如图4所示。U4构成电压跟随器，其输出Ui3通过R10调节为0.5V。U5构成同相加法电路，其输出Uo如式(7)：

(7)

U6为LM339,构成电压比较器，R16为输出端上拉电阻，当同相输入端电位大于反相输入端电位时，LM339输出高电平，否则输出低电平[8]。此电路中,通过R15调节反相端电位为4.5V，则当输出Uo>4.5V时，LED1将输出超限指示。

图4 加法补偿电路与比较电路图Fig.4 Addition circuit and compensation circuit diagram

2 电路仿真与数据分析

2.1 Multisim软件仿真

借助于Multisim仿真软件对整个电路完成编辑绘制，可以预先进行各个模块的调试和验证，完成验证后逐个连接，得到总体电路图。若重量为100g，未超重，ΔR=0.1Ω，调节RG1=499.9Ω，RG2=500.1Ω，得到仿真图如图5所示，输出电压Uo为4.5V，LED1无指示。

图5 100g时仿真图Fig.5 Simulation diagram in 100g

若重量为101g，已超重，ΔR=0.101Ω，调节RG1=499.899Ω，RG2=500.101Ω，得到仿真图如图6所示，输出电压Uo为4.54V，LED1指示灯亮，提示超重。

图6 101g时仿真图Fig.6 Simulation diagram in 101g

2.2 数据分析

通过改变应变电阻变化ΔR，对应不同的称重质量，得到了如表1所示的仿真实验数据。从表1中的实验数据来看，仿真情况良好，总体误差非常小。在模拟称重测量时，其称重质量较小时，误差较大。其误差主要来源是运放器件的输入失调电压不够理想以及补偿电路带来的误差。在实际应用电路中，我们应当选用同批次高、精度的运放等器件，来减小这些误差。

表1 仿真实验数据表

3 结论

通过上述仿真和分析，本次设计完成预定任务，取得了较好的仿真效果。进一步的设计可以开展四臂全桥测量电路仿真，另外若匹配适当的数字电路即可进行显示输出。实验表明，借助于Multisim仿真软件，可以帮助我们加深对常用电子器件的认识，掌握电子测量原理，对开展传感器原理与应用实验教学有很大帮助，降低实验设备损坏率，节省实验成本，提高实验效率和效果。

[1]王桂英.非平衡电桥在大学物理实验中的应用[J].电子世界，2014，(1)：192-193.

[2]丘伟，任明放.“电桥测量”实验设计[J].桂林电子工业学院学报，2002，22(5)：68-71.

[3]孙宏强，蔡文霞，杨丽，等.引入Multisim的数字电子技术课程改革[J].石家庄学院学报，2015，17(6)：5-8.

[4]付扬.Multisim仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索,2011,30(4):120-122.

[5]孙怀远，宋来全，杨丽英，等.热电偶温度检测系统设计与应用[J].电子测量技术，2014，37(12)：86-89.

[6]江孝国，杨兴林，李洪，等.高精密度，高稳定度的应变计测量差动放大电路[J].信息与电子工程，2010，8(5)：573-576.

[7]蔡盛刚，汪华.直流双臂电桥示值误差测量结果的不确定度评定[J].中国计量，2014，(12)：93-94.

[8]刘斌.运算放大器与电压比较器的特点与区别[J].家电维修，2016，(2)：53-54.

Design and simulation of DC bridge measurement circuit based on Multisim

DONG Liang，LEI Liangyu，WU Wenqiang，LIU Hongyu，LI Linfeng

(School of Engineering，Zhejiang A&F University，Lin’an 311300，China)

DC bridge circuit is a basic circuit of electronic measurement,which is widely used in modern measurement.Thus it is an important knowledge point in electronic measurement,sensor technology teaching.Based on the Multisim12.0 simulation software,the resistance strain weighing measuring circuit has been simulated to get better simulation results.

electronic measurement；DC bridge；strain resistance；amplifying circuit

1672-7010(2017)03-0045-05

2017-03-08

董亮(1990-)，男，江苏溧阳人。硕士，从事智能检测与控制技术研究； 雷良育(1966-)，男，湖北蕲春人。教授，博士，从事自动化仪表技术研究。E-mail：lly@zafu.edu.cn。

TN710.9

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