基于STC12C5A60S2与AD620的小信号采集系统 单片机

Bazinga

在许多电子设备中需要对微弱信号进行高精度处理，因此需要采用仪器放大器，常见的有传统三运放仪器放大器和单片仪器放大器。由于单片仪器放大器的高精度、低噪声及易于控制、设计简单等特点，深受设计者喜爱。
AD620作为一款单片仪器放大器，具有低功耗，通过外部电阻可实现高增益的芯片，同时具有低输入漂移和温漂等特点。
STC12C5A60S2是一款具有A/D转换功能的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。具有8路高速10位输入型A/D转换(250 k/s)，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。用户可将任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
文中介绍了如何利用STC12C5A60S2和AD620等芯片设计并完成小信号(电压型)的采集系统。
1 系统硬件设计
1．1 系统原理框图
一般信号在使用前，需要先滤波后放大，或者先放大后滤波，然后经过A/D等手段获取(感知)信号。对于小信号而言，信号幅值只有几毫伏，甚至更小，如果先滤波，可能会将有用信号滤除，因此，在这种情况下，需要先进行放大，然后滤波，再进行A/D转换或其他处理。根据本系统特点，系统中存在的干扰可以忽略，因此不考虑信号滤波环节，因此，系统主要通过信号提取、信号放大、A/D采集3个重要环节实现。第3个环节产生的数据，可以指导人们的工作，或显示相关的信息。整个系统原理框图如图1所示。


1．2 芯片供电电路设计
AD620作为一个放大器，可以使用单电源或者双电源工作，但是使用双电源工作时，其性能优于单电源。在集成电路设计中，单电源易于实现，但考虑到芯片的工作性能，本系统中采用双电源供电。利用ICL7660S芯片，将外部单电源转换为双电源。ICL7660S是一个电压转换芯片，可以实现由正电压转换为负电压的功能，其外围电路也比较简单，具体电路如图2所示。


系统中其他芯片均采用5 V单电源供电，对接入的5 V电源不需做任何处理即可使用，此处不做说明。
1．3 信号调理电路
实际的微弱信号，一般为mV级，甚至更小，在处理前，需要进行放大，然后进行A/D采集。根据STC12C5A60S2具有的A/D功能，需对信号进行精确放大，使其达到V级，因此采用AD620放大器。AD620对2路输入差分信号具有较好放大效果，在实际应用时，信号一般由电桥产生。为了实现信号放大，AD620需要外接电阻，由其与内部电阻共同确定放大倍数。设放大倍数为G，则有下式。
　　

1)式中RG为AD620内部电阻，R1为外部电阻。由(1)，(2)式可看出，(1)式中RG大小为49．4 kΩ。
调理后的信号经过AD620的6脚输出，此时可直接接入A/D转换芯片，实现数据采集，使用时缩小相应倍数即可。信号调理原理如图3所示。


1．4 系统去耦电路
由于系统主要实现小信号的放大以及放大后的A/D转换，而本系统完成A/D功能的芯片，即STC12C5A60S2，以自身工作电源作为参考电压，为了保证转换结果的一致性，需要确保电源电压的稳定。滤除电源中的干扰，可通过多电容并联滤除，电容并联后容值增大，但是电容内部的等效电阻却因并联而减小，有利于降低损耗，因此很多时候将多个电容并联起来使用，实现原理如图4所示。


1．5 A/D转换的实现
前面提到STC12C5A60S2是一款具有A/D转换功能的单片机，具有使用方便、简单、功能多等特点，其A/D转换最快只需90个时钟周期(和其工作频率有关)，本系统采用其实现A/D转换。
STC12C5A60S2将P1口作为8路A/D转换输入接口，在使用时只需将其设置为模拟接口，通过设置相应寄存器，便可完成A/D转换，不使用的管脚还仍可当普通管脚使用。本系统实现一路输入信号的A/D转换，因此只需设置一路即可，在本系统中使用P1．0口作为信号输入口。本系统实现A/D转换的原理如图5所示。

1. 6 后续工作
在AD完成后，还需进行数据分析，一般可以通过通信口(一般采用串口)发送给上位机，通过上位机对数据进行处理。根据具体系统的不同特点，数据处理方法也不尽相同，在此不做详细讨论。

本系统对不同大小的信号进行A/D转换后，获取到了一系列实际数据和理论数据，如表1所示

。通过Excel对A/D数据进行曲线绘制，发现系统A/D转换器具有较好的线性度。如图6所示。


2 实际应用
上文较详细的讨论了小信号的调理，A/D转换，及其处理方法，下面通过实例介绍其具体应用。
电阻应变片作为一种传感元件，常用来监测物体形变，一般将应变片贴在构件侧点上，构件受力后由于测点发生应变，电阻发生变化，产生微弱的电压变化，通过检测微弱的电压变化，可计算得到构件形变程度，从而达到监测构件状况的目的，指导相关工程人员进行处理。
本系统可应用在电桥产生的电压，一个电桥示意图如图7所示，图中R4、R3、R1、R2，为电桥4臂，R4、R3为阻抗大小固定电阻，R1、R2中一个为受力后阻值发生变化的电阻，R4、R3阻值大小相同，R1、R2未受力时阻值大小也相同。在未受力情况下，电桥3、4两点等电位，即电势差为0，如果将其作为AD620输入，则认为输入信号为0，称此时的电桥平衡。当R1或R2受力大小发生变化时，变化结果反映在其阻值上，通过欧姆定律可得，3、4两点电位不一样，即有电势差产生，此时电桥失衡，但此时的信号很微弱，不能直接采集，因此通过文中提到的信号调理电路，进行信号放大，即将电桥中3、4两点接入AD620的2、3脚，通过放大后，然后进行A/D采集。


本系统在仿真时，使用自己搭建的简易电桥，如图8所示。
通过调节图中R2，产生不同的微弱信号，将简易电桥1，2端接入信号调理电路，后经A/D转换，即可实现微弱信号采集。简易电桥中1，2端对应图中3，4端。在此次模拟时，调节R2，使1，2两端产生约5．35 mV，调节信号调理电路中的外接电阻至160．7Ω，计算可得放大倍数约为308．4倍，A/D参考电压为4．256 V，通过测量AD620输出可得，电压大小为1．645 V，计算可得放大倍数G=1．647 V/5．35mV≈308，可知，放大效果良好(去除放大效果后，误差只有nV级)。通过多次A/D转换．返回结果均在0x018B左右，证明系统具有较高可信度(在实际系统中已有运用)。

3 结论
从芯片选型，电路设计等方便详细说明了小信号的采集系统的设计与实现：8位单片机STC12C5A60S2作为控制器和A/D转换器；以AD620作为信号调理电路主芯片；以ICL7660S芯片为负电压产生芯片；电桥原理等。通过测试，很好地实现了功能，在实际系统中出色地完成了预期目标，具有一定实用价值。