基于AD620與單片機PIC10F206的指針檢流計設計介紹|壹芯微

目前指針檢流計容易出現漂移的問題，因此本文討論了基于儀表放大器AD620和6引腳PIC單片機的指針式檢流計的設計方案。其方案：采用了2節5號電池供電并利用單片機進行功耗管理，有效地降低了檢流計的電池使用成本。

1.檢流計簡介

檢流計是一種重要的檢測儀器，就是檢測微弱電量用的高靈敏度的機械式指示電表，用于電橋、電位差計中作為指零儀表，也可用于測微弱電流、電壓以及電荷等。按輸入方式可分為電壓型和電流型，通常，電壓型用得比較多。從檢流計的面板顯示方式上區分，可將其分為三種：指針式，數字式，混合式。

圖1 檢流計

指針檢流計可以方便觀測連續變化的電流，并由偏轉方向直觀地判斷電流的方向，因而在電橋實驗中有其獨特的優勢。目前物理實驗中使用的指針檢流計存在以下缺點：

(1)使用容量小的9V疊層電池，電池使用壽命短，成本高;

(2)其內部放大電路采用OP07或者ICL7650設計，沒有功耗管理能力，容易導致電池無謂地被消耗[5];

(3)由于采用的分立元件多，放大器容易出現漂移，不穩定的現象。

本文采用了基于三運放高共模抑制比，穩定性很高的儀表放大器AD620和Microchip公司的6腳單片機PIC10F206設計的檢流計，解決了上述問題。

2.硬件系統設計

2.1硬件系統框圖

硬件系統框圖如圖2所示。直流電壓信號首先經過抗射頻干擾的低通濾波電路，削弱了干擾信號之后送入儀表放大器AD620進行差分放大，然后驅動指針表頭顯示。6腳的單片機PIC10F206負責檢流計的電源監控和功耗管理。整臺檢流計只采用兩節5號電池串聯起來的3V直流電源供電。

圖2 檢流計的硬件系統框圖

2.2儀表放大器AD620

AD620是美國ADI公司推出的一款低成本高精度的儀表放大器，具有高精度，低失調電壓(最大50uV)和低失調漂移(最大0.6uV℃/)的特性，最大工作電流僅1.3mA，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1至10000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立電路設計，并且功耗更低，因而適合于電池供電的儀表領域的應用。

圖3 AD620

由于其輸入級采用Superβeta處理，因此可以實現最大1.0nA的低輸入偏置電流。AD620在1kHz時具有9nV/√Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1Hz至10Hz頻帶內的噪聲峰峰值為0.28μV，輸入電流噪聲為0.1pA/√Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時，AD620的0.01%建立時間為15μs，非常適合多路復用應用;而且成本很低，足以實現每通道一個儀表放大器的設計。

2.3單片機PIC10F206

PIC10F206是美國Microchip公司推出的采用RISC架構的低成本，6引腳8位閃存單片機。PIC10F206具有512字的FLASH、24字節的SRAM、看門狗定時器WDT、上電復位電路(POR)和器件復位定時器(DRT)以及4MHz的內部振蕩器，因此省去了外部復位電路和晶振，降低了系統成本和功耗，增強了可靠性。它還具有寬工作電壓范圍(2·0V至5.5V)。上述特點使它適合應用在價格敏感和電池供電的領域。

圖4 PIC10F206

2.4檢流計的放大電路

檢流計的放大電路以儀表放大器AD620為核心，如圖5所示。

直流電橋輸出的差分信號由插座J1輸入，經過由R1，R2，C1，C2，C3構成的抗射頻干擾的低通濾波電路[2]削弱干擾信號之后到達儀表放大器AD620。D1，D2和R1，R2一起構成了檢流計的輸入保護電路，可以承受數十伏的輸入電壓。R3，R4為AD620的輸入偏置電流提供回路[1]，確保它能穩定可靠地工作。

AD620的第1腳和第8腳之間的電阻R0和電位器RP1為增益調節電阻，記為RG。R0與RP1串聯，目的是限制放大倍數的上限為495倍。電位器RP2和R5，R6一起構成了檢流計的調零電路，通過改變AD620的REF引腳的電壓實現調零。R7，C7組成了AD620的輸出低通濾波器。R7，D3，D4構成了指針表頭的保護電路。

圖5 檢流計的放大電路

檢流計最大靈敏度通常為10uV分/度至15uV/分度就能很好地滿足實驗的要求。檢流計表頭內阻Rg為4.7kΩ，增益調節電阻RG=R0+RP1，取R0=100Ω，R7=1kΩ，當RP1為0Ω時，AD620的放大倍數

考慮到R7與表頭內阻Rg的分壓作用，檢流計的放大倍數為

表頭電流靈敏度為1μA分/度，故表頭電壓靈敏度為4700μV分/度。檢流計的靈敏度為

S=4700/G′=11·5μV/分度

符合物理實驗的要求。

2.5檢流計的電源監控和功耗管理電路

圖6是檢流計的電源監控和功耗管理電路。單片機PIC10F206的GP2引腳與P溝道的MOSFET管Q1相連接，目的是控制是否向檢流計的放大電路供電。當GP2輸出為低電平時Q1導通，系統向放大電路供電。ICL7660在這里電源變換的作用，它將+VS轉換為-VS。

R8、R9和PIC10F206內部的模擬比較器一起構成了電源電壓監控電路。模擬比較器的負輸入端CIN接-到了單片機內部基準電壓(電壓標稱值為0·6V)，正輸入端CIN+與R8、R9的分壓相連接。因為AD620的最低工作電壓為±2·3V，從保守的角度考慮，將工作電壓的下限設為±2.5V。當正電源電壓小于2.5V時，CIN+的電壓小于0.6V，比較器輸出翻轉，單片機檢測到這一事件后使GP2輸出高電平，關斷放大電路的供電，然后執行SLEEP指令使單片機進入睡眠狀態。

圖6 檢流計的電源監控和功耗管理電路

為了節省功耗，工作電壓正常的時候，檢流計工作一段時間后就應當進入睡眠狀態(即軟關機)，需要工作時可隨時喚醒。按鍵S1正是為這個功能而設置的。檢流計的工作時間預設置為15分鐘，當工作時間到了之后，單片機的GP2輸出高電平，關斷放大電路的供電，然后執行SLEEP指令使單片機進入睡眠狀態。在睡眠狀態下，如果S1被按下，GP3的引腳電平就發生改變，這一事件將使單片機發生復位(注意：PIC10F206沒有常規的中斷功能)，從而將單片機喚醒。睡眠狀態下，檢流計的消耗電流小于0.1μA，非常省電，因此不用擔心忘記關斷檢流計的電源而消耗電池的問題。

3.軟件系統

檢流計上電時，單片機先執行系統初始化，接著給ICL7660和AD620供電，然后打開模擬比較器，檢測供電電壓是否合適。若電壓合適，則繼續給放大電路供電，然后執行15分鐘的倒計時。期間如果S1被按下，計時時間就被重置為15分鐘。15分鐘倒計時到了，單片機關斷放大電路的供電，然后進入睡眠狀態(即軟關機)。程序的流程圖如圖7所示。

圖7 程序的流程圖

結束語

本文論述基于儀表放大器AD620以及單片機PIC10F206的檢流計，性能穩定，功耗低。正常工作時電流約4mA，睡眠狀態下消耗的電流小于0.1uA，非常適合電池供電。采用兩節5號電池供電的方式節約了電池的使用成本。軟關機功能能有效地防止因忘記關斷電源帶來的電池消耗。

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