基于STC12C5A60S2與AD620的小信號采集系統設計介紹|壹芯微

在測控領域中，經常遇到監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的實現方法，利用具有A/D轉換功能的單片機STC25A60S2和具有精確放大功能的易用放大器AD620實現了最小系統，并論述了系統設計與實現，詳細介紹了采集小信號的過程，并給出了實際應用的例子，以及小信號采集在相關領域的應用。

1.概述

在許多電子設備中，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、易于控制和設計簡單而受到設計者的青睞。

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由傳統的三運算放大器發展而成，但一些主要性能卻優于三運算放大器構成的儀表放大器的設計，如電源范圍寬(±2.3～±18V),設計體積小，功耗非常低(最大供電電流僅1.3mA)，因而適用于低電壓、低功耗的應用場合。

圖1 AD620原理示意圖

AD620的單片結構和激光晶體調整，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構，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轉換功能的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位輸入型A/D轉換(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置為A/D轉換，不需作為A/D使用的口可繼續作為I/O口使用。其特點如下：

圖2 STC12C5A60S2

(1)片上集成1280字節RAM;

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

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

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

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

(6)ISP(在系統可編程)/IAP(在應用可編程)，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(可通過寄存器設置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設置到P4.3);

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

(9)A/D轉換，10位精度ADC，共8路，轉換速度可達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軟件實現多串口;

4.系統硬件設計

4.1系統原理框圖

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轉換或其他處理。根據本系統特點，系統中存在的干擾可以忽略，因此不考慮信號濾波環節，因此，系統主要通過信號提取、信號放大、A/D采集3個重要環節實現。第3個環節產生的數據，可以指導人們的工作，或顯示相關的信息。整個系統原理框圖如圖3所示。

圖3 系統原理框圖

4.2芯片供電電路設計

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，其性能優于單電源。在集成電路設計中，單電源易于實現，但考慮到芯片的工作性能，本系統中采用雙電源供電。利用ICL7660S芯片，將外部單電源轉換為雙電源。ICL7660S是一個電壓轉換芯片，可以實現由正電壓轉換為負電壓的功能，其外圍電路也比較簡單，具體電路如圖4所示。

圖4 電源實現原理圖

系統中其他芯片均采用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，在實際應用時，信號一般由電橋產生。為了實現信號放大，AD620需要外接電阻，由其與內部電阻共同確定放大倍數。設放大倍數為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。

調理后的信號經過AD620的6腳輸出，此時可直接接入A/D轉換芯片，實現數據采集，使用時縮小相應倍數即可。信號調理原理如圖5所示。

圖5 信號調理電路

4.4系統去耦電路

由于系統主要實現小信號的放大以及放大后的A/D轉換，而本系統完成A/D功能的芯片，即STC12C5A60S2，以自身工作電源作為參考電壓，為了保證轉換結果的一致性，需要確保電源電壓的穩定。濾除電源中的干擾，可通過多電容并聯濾除，電容并聯后容值增大，但是電容內部的等效電阻卻因并聯而減小，有利于降低損耗，因此很多時候將多個電容并聯起來使用，實現原理如圖6所示。

圖6 電源去耦電路

4.5A/D轉換的實現

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

STC12C5A60S2將P1口作為8路A/D轉換輸入接口，在使用時只需將其設置為模擬接口，通過設置相應寄存器，便可完成A/D轉換，不使用的管腳還仍可當普通管腳使用。本系統實現一路輸入信號的A/D轉換，因此只需設置一路即可，在本系統中使用P1.0口作為信號輸入口。本系統實現A/D轉換的原理如圖7所示。

圖7 AD采集電路

4.6后續工作

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

表1AD轉換數據和實際數據

AD轉換數據和實際數據

本系統對不同大小的信號進行A/D轉換后，獲取到了一系列實際數據和理論數據，如表1所示。通過Excel對A/D數據進行曲線繪制，發現系統A/D轉換器具有較好的線性度。如圖8所示。

圖8 A/D轉換器的線性度

5.實際應用

上文較詳細的討論了小信號的調理，A/D轉換，及其處理方法，下面通過實例介紹其具體應用。

電阻應變片作為一種傳感元件，常用來監測物體形變，一般將應變片貼在構件側點上，構件受力后由于測點發生應變，電阻發生變化，產生微弱的電壓變化，通過檢測微弱的電壓變化，可計算得到構件形變程度，從而達到監測構件狀況的目的，指導相關工程人員進行處理。

本系統可應用在電橋產生的電壓，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受力大小發生變化時，變化結果反映在其阻值上，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

通過調節圖中R2，產生不同的微弱信號，將簡易電橋1，2端接入信號調理電路，后經A/D轉換，即可實現微弱信號采集。簡易電橋中1，2端對應圖中3，4端。在此次模擬時，調節R2，使1，2兩端產生約5.35mV，調節信號調理電路中的外接電阻至160.7Ω，計算可得放大倍數約為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轉換.返回結果均在0x018B左右，證明系統具有較高可信度(在實際系統中已有運用)。

結論

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

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