基于STC12C5A60S2與AD620的小信號采集系統(tǒng)設(shè)計介紹|壹芯微

在測控領(lǐng)域中，經(jīng)常遇到監(jiān)測對象輸出信號較小，難以直接采集，一般都需要將其放大后再做處理。本文介紹了一種小信號采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，利用具有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機STC25A60S2和具有精確放大功能的易用放大器AD620實現(xiàn)了最小系統(tǒng)，并論述了系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，詳細介紹了采集小信號的過程，并給出了實際應(yīng)用的例子，以及小信號采集在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.概述

在許多電子設(shè)備中，微弱信號需要高精度處理，因此需要儀表放大器。通常使用傳統(tǒng)的三放大器儀表放大器和單片儀表放大器。單片儀表放大器因其高精度、低噪聲、易于控制和設(shè)計簡單而受到設(shè)計者的青睞。

2.AD620簡介

AD620作為一款單片儀器放大器，具有低功耗，通過外部電阻可實現(xiàn)高增益的芯片，同時具有低輸入漂移和溫漂等特點。AD620由傳統(tǒng)的三運算放大器發(fā)展而成，但一些主要性能卻優(yōu)于三運算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計，如電源范圍寬(±2.3～±18V),設(shè)計體積小，功耗非常低(最大供電電流僅1.3mA)，因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。

圖1 AD620原理示意圖

AD620的單片結(jié)構(gòu)和激光晶體調(diào)整，允許電路元件緊密匹配和跟蹤，從而保證電路固有的高性能。AD620為三運放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護增益控制的高精度，其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入，并采用β工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級內(nèi)部運放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電阻RG上。AD620的兩個內(nèi)部增益電阻為24.7k8，因而增益方程式為：

G=49.4kΩ/RG+1(1)

對于所需的增益，則外部控制電阻值為：RG=49.4/(G-1)kΩ(2)

3.STC12C5A60S2簡介

STC12C5A60S2是一款具有A/D轉(zhuǎn)換功能的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位輸入型A/D轉(zhuǎn)換(250k/s)，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。用戶可將任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。其特點如下：

圖2 STC12C5A60S2

(1)片上集成1280字節(jié)RAM;

(2)有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM);

(3)增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051;

(4)內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體12M以下時，復(fù)位腳可直接1K電阻到地);

(5)用戶應(yīng)用程序空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節(jié);

(6)ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片;

(7)STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3);

(8)通用I/O口(36/40/44個)，復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)，可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA;

(9)A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)，通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口;

4.系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1系統(tǒng)原理框圖

一般信號在使用前，需要先濾波后放大，或者先放大后濾波，然后經(jīng)過A/D等手段獲取(感知)信號。對于小信號而言，信號幅值只有幾毫伏，甚至更小，如果先濾波，可能會將有用信號濾除，因此，在這種情況下，需要先進行放大，然后濾波，再進行A/D轉(zhuǎn)換或其他處理。根據(jù)本系統(tǒng)特點，系統(tǒng)中存在的干擾可以忽略，因此不考慮信號濾波環(huán)節(jié)，因此，系統(tǒng)主要通過信號提取、信號放大、A/D采集3個重要環(huán)節(jié)實現(xiàn)。第3個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以指導(dǎo)人們的工作，或顯示相關(guān)的信息。整個系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

4.2芯片供電電路設(shè)計

AD620作為一個放大器，可以使用單電源或者雙電源工作，但是使用雙電源工作時，其性能優(yōu)于單電源。在集成電路設(shè)計中，單電源易于實現(xiàn)，但考慮到芯片的工作性能，本系統(tǒng)中采用雙電源供電。利用ICL7660S芯片，將外部單電源轉(zhuǎn)換為雙電源。ICL7660S是一個電壓轉(zhuǎn)換芯片，可以實現(xiàn)由正電壓轉(zhuǎn)換為負電壓的功能，其外圍電路也比較簡單，具體電路如圖4所示。

圖4 電源實現(xiàn)原理圖

系統(tǒng)中其他芯片均采用5V單電源供電，對接入的5V電源不需做任何處理即可使用，此處不做說明。

4.3信號調(diào)理電路

實際的微弱信號，一般為mV級，甚至更小，在處理前，需要進行放大，然后進行A/D采集。根據(jù)STC12C5A60S2具有的A/D功能，需對信號進行精確放大，使其達到V級，因此采用AD620放大器。AD620對2路輸入差分信號具有較好放大效果，在實際應(yīng)用時，信號一般由電橋產(chǎn)生。為了實現(xiàn)信號放大，AD620需要外接電阻，由其與內(nèi)部電阻共同確定放大倍數(shù)。設(shè)放大倍數(shù)為G，則有下式。

G=(RG/R1)+1(1)

也可寫為下式：G=49.4kΩ/RG+1(2)

1)式中RG為AD620內(nèi)部電阻，R1為外部電阻。由(1)，(2)式可看出，(1)式中RG大小為49.4kΩ。

調(diào)理后的信號經(jīng)過AD620的6腳輸出，此時可直接接入A/D轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，使用時縮小相應(yīng)倍數(shù)即可。信號調(diào)理原理如圖5所示。

圖5 信號調(diào)理電路

4.4系統(tǒng)去耦電路

由于系統(tǒng)主要實現(xiàn)小信號的放大以及放大后的A/D轉(zhuǎn)換，而本系統(tǒng)完成A/D功能的芯片，即STC12C5A60S2，以自身工作電源作為參考電壓，為了保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的一致性，需要確保電源電壓的穩(wěn)定。濾除電源中的干擾，可通過多電容并聯(lián)濾除，電容并聯(lián)后容值增大，但是電容內(nèi)部的等效電阻卻因并聯(lián)而減小，有利于降低損耗，因此很多時候?qū)⒍鄠€電容并聯(lián)起來使用，實現(xiàn)原理如圖6所示。

圖6 電源去耦電路

4.5A/D轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

前面提到STC12C5A60S2是一款具有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機，具有使用方便、簡單、功能多等特點，其A/D轉(zhuǎn)換最快只需90個時鐘周期(和其工作頻率有關(guān))，本系統(tǒng)采用其實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

STC12C5A60S2將P1口作為8路A/D轉(zhuǎn)換輸入接口，在使用時只需將其設(shè)置為模擬接口，通過設(shè)置相應(yīng)寄存器，便可完成A/D轉(zhuǎn)換，不使用的管腳還仍可當普通管腳使用。本系統(tǒng)實現(xiàn)一路輸入信號的A/D轉(zhuǎn)換，因此只需設(shè)置一路即可，在本系統(tǒng)中使用P1.0口作為信號輸入口。本系統(tǒng)實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的原理如圖7所示。

圖7 AD采集電路

4.6后續(xù)工作

在AD完成后，還需進行數(shù)據(jù)分析，一般可以通過通信口(一般采用串口)發(fā)送給上位機，通過上位機對數(shù)據(jù)進行處理。根據(jù)具體系統(tǒng)的不同特點，數(shù)據(jù)處理方法也不盡相同，在此不做詳細討論。

表1AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)

AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)對不同大小的信號進行A/D轉(zhuǎn)換后，獲取到了一系列實際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)，如表1所示。通過Excel對A/D數(shù)據(jù)進行曲線繪制，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器具有較好的線性度。如圖8所示。

圖8 A/D轉(zhuǎn)換器的線性度

5.實際應(yīng)用

上文較詳細的討論了小信號的調(diào)理，A/D轉(zhuǎn)換，及其處理方法，下面通過實例介紹其具體應(yīng)用。

電阻應(yīng)變片作為一種傳感元件，常用來監(jiān)測物體形變，一般將應(yīng)變片貼在構(gòu)件側(cè)點上，構(gòu)件受力后由于測點發(fā)生應(yīng)變，電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生微弱的電壓變化，通過檢測微弱的電壓變化，可計算得到構(gòu)件形變程度，從而達到監(jiān)測構(gòu)件狀況的目的，指導(dǎo)相關(guān)工程人員進行處理。

本系統(tǒng)可應(yīng)用在電橋產(chǎn)生的電壓，一個電橋示意圖如圖9所示，圖中R4、R3、R1、R2，為電橋4臂，R4、R3為阻抗大小固定電阻，R1、R2中一個為受力后阻值發(fā)生變化的電阻，R4、R3阻值大小相同，R1、R2未受力時阻值大小也相同。在未受力情況下，電橋3、4兩點等電位，即電勢差為0，如果將其作為AD620輸入，則認為輸入信號為0，稱此時的電橋平衡。當R1或R2受力大小發(fā)生變化時，變化結(jié)果反映在其阻值上，通過歐姆定律可得，3、4兩點電位不一樣，即有電勢差產(chǎn)生，此時電橋失衡，但此時的信號很微弱，不能直接采集，因此通過文中提到的信號調(diào)理電路，進行信號放大，即將電橋中3、4兩點接入AD620的2、3腳，通過放大后，然后進行A/D采集。

圖9 電橋示意圖

本系統(tǒng)在仿真時，使用自己搭建的簡易電橋，如圖10所示。

圖10 簡易電橋

通過調(diào)節(jié)圖中R2，產(chǎn)生不同的微弱信號，將簡易電橋1，2端接入信號調(diào)理電路，后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，即可實現(xiàn)微弱信號采集。簡易電橋中1，2端對應(yīng)圖中3，4端。在此次模擬時，調(diào)節(jié)R2，使1，2兩端產(chǎn)生約5.35mV，調(diào)節(jié)信號調(diào)理電路中的外接電阻至160.7Ω，計算可得放大倍數(shù)約為308.4倍，A/D參考電壓為4.256V，通過測量AD620輸出可得，電壓大小為1.645V，計算可得放大倍數(shù)G=1.647V/5.35mV≈308，可知，放大效果良好(去除放大效果后，誤差只有nV級)。通過多次A/D轉(zhuǎn)換.返回結(jié)果均在0x018B左右，證明系統(tǒng)具有較高可信度(在實際系統(tǒng)中已有運用)。

結(jié)論

從芯片選型，電路設(shè)計等方便詳細說明了小信號的采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)：8位單片機STC12C5A60S2作為控制器和A/D轉(zhuǎn)換器;以AD620作為信號調(diào)理電路主芯片;以ICL7660S芯片為負電壓產(chǎn)生芯片;電橋原理等。通過測試，很好地實現(xiàn)了功能，在實際系統(tǒng)中出色地完成了預(yù)期目標，具有一定實用價值。

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