基于STC12C5A60S2與AD620的小信號采集系統(tǒng)

摘要：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。介紹了一種小信號采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，利用具有A／D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)STC25A60S2和具有精確放大功能的易用放大器AD620實(shí)現(xiàn)了最小系統(tǒng)，并論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹了采集小信號的過程，并給出了實(shí)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。
關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2；信號采集；信號調(diào)理；A／D轉(zhuǎn)換

在許多電子設(shè)備中需要對微弱信號進(jìn)行高精度處理，因此需要采用儀器放大器，常見的有傳統(tǒng)三運(yùn)放儀器放大器和單片儀器放大器。由于單片儀器放大器的高精度、低噪聲及易于控制、設(shè)計(jì)簡單等特點(diǎn)，深受設(shè)計(jì)者喜愛。
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(shí)現(xiàn)高增益的芯片，同時(shí)具有低輸入漂移和溫漂等特點(diǎn)。
STC12C5A60S2是一款具有A／D轉(zhuǎn)換功能的新一代8051單片機(jī)，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(250 k／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。
文中介紹了如何利用STC12C5A60S2和AD620等芯片設(shè)計(jì)并完成小信號(電壓型)的采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 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(jìn)行放大，然后濾波，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換或其他處理。根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，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(gè)重要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。第3個(gè)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(gè)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1．2 芯片供電電路設(shè)計(jì)
AD620作為一個(gè)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(shí)，其性能優(yōu)于單電源。在集成電路設(shè)計(jì)中，單電源易于實(shí)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(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片，可以實(shí)現(xiàn)由正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓的功能，其外圍電路也比較簡單，具體電路如圖2所示。

系統(tǒng)中其他芯片均采用5 V單電源供電，對接入的5 V電源不需做任何處理即可使用，此處不做說明。
1．3 信號調(diào)理電路
實(shí)際的微弱信號，一般為mV級，甚至更小，在處理前，需要進(jìn)行放大，然后進(jìn)行A／D采集。根據(jù)STC12C5A60S2具有的A／D功能，需對信號進(jìn)行精確放大，使其達(dá)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，信號一般由電橋產(chǎn)生。為了實(shí)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。

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49．4 kΩ。
調(diào)理后的信號經(jīng)過AD620的6腳輸出，此時(shí)可直接接入A／D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，使用時(shí)縮小相應(yīng)倍數(shù)即可。信號調(diào)理原理如圖3所示。

1．4 系統(tǒng)去耦電路
由于系統(tǒng)主要實(shí)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(shí)候?qū)⒍鄠€(gè)電容并聯(lián)起來使用，實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

1．5 A／D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)
前面提到STC12C5A60S2是一款具有A／D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)，具有使用方便、簡單、功能多等特點(diǎn)，其A／D轉(zhuǎn)換最快只需90個(gè)時(shí)鐘周期(和其工作頻率有關(guān))，本系統(tǒng)采用其實(shí)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(shí)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(dāng)普通管腳使用。本系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的原理如圖5所示。

1. 6 后續(xù)工作
在AD完成后，還需進(jìn)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(jī)，通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)具體系統(tǒng)的不同特點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理方法也不盡相同，在此不做詳細(xì)討論。

本系統(tǒng)對不同大小的信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后，獲取到了一系列實(shí)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(jìn)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6所示。

2 實(shí)際應(yīng)用
上文較詳細(xì)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(shí)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(diǎn)上，構(gòu)件受力后由于測點(diǎn)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(jì)算得到構(gòu)件形變程度，從而達(dá)到監(jiān)測構(gòu)件狀況的目的，指導(dǎo)相關(guān)工程人員進(jìn)行處理。
本系統(tǒng)可應(yīng)用在電橋產(chǎn)生的電壓，一個(gè)電橋示意圖如圖7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(gè)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(shí)阻值大小也相同。在未受力情況下，電橋3、4兩點(diǎn)等電位，即電勢差為0，如果將其作為AD620輸入，則認(rèn)為輸入信號為0，稱此時(shí)的電橋平衡。當(dāng)R1或R2受力大小發(fā)生變化時(shí)，變化結(jié)果反映在其阻值上，通過歐姆定律可得，3、4兩點(diǎn)電位不一樣，即有電勢差產(chǎn)生，此時(shí)電橋失衡，但此時(shí)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(jìn)行信號放大，即將電橋中3、4兩點(diǎn)接入AD620的2、3腳，通過放大后，然后進(jìn)行A／D采集。

本系統(tǒng)在仿真時(shí)，使用自己搭建的簡易電橋，如圖8所示。
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(shí)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(shí)，調(diào)節(jié)R2，使1，2兩端產(chǎn)生約5．35 mV，調(diào)節(jié)信號調(diào)理電路中的外接電阻至160．7Ω，計(jì)算可得放大倍數(shù)約為308．4倍，A／D參考電壓為4．256 V，通過測量AD620輸出可得，電壓大小為1．645 V，計(jì)算可得放大倍數(shù)G=1．647 V／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(shí)際系統(tǒng)中已有運(yùn)用)。

3 結(jié)論
從芯片選型，電路設(shè)計(jì)等方便詳細(xì)說明了小信號的采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：8位單片機(jī)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(fù)電壓產(chǎn)生芯片；電橋原理等。通過測試，很好地實(shí)現(xiàn)了功能，在實(shí)際系統(tǒng)中出色地完成了預(yù)期目標(biāo)，具有一定實(shí)用價(jià)值。