在許多電子設(shè)備中需要對(duì)微弱信號(hào)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(hào)(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(hào)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(hào)。對(duì)于小信號(hào)而言，信號(hào)幅值只有幾毫伏，甚至更小，如果先濾波，可能會(huì)將有用信號(hào)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(hào)濾波環(huán)節(jié)，因此，系統(tǒng)主要通過信號(hào)提取、信號(hào)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(duì)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(hào)調(diào)理電路

實(shí)際的微弱信號(hào)，一般為mV級(jí)，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(duì)信號(hào)進(jìn)行精確放大，使其達(dá)到V級(jí)，因此采用AD620放大器。AD620對(duì)2路輸入差分信號(hào)具有較好放大效果，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，信號(hào)一般由電橋產(chǎn)生。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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。