基于STC12C5A60S2与AD620的小信号采集系统设计介绍|壹芯微

在测控领域中，经常遇到监测对象输出信号较小，难以直接采集，一般都需要将其放大后再做处理。本文介绍了一种小信号采集系统的实现方法，利用具有A/D转换功能的单片机STC25A60S2和具有精确放大功能的易用放大器AD620实现了最小系统，并论述了系统设计与实现，详细介绍了采集小信号的过程，并给出了实际应用的例子，以及小信号采集在相关领域的应用。

1.概述

在许多电子设备中，微弱信号需要高精度处理，因此需要仪表放大器。通常使用传统的三放大器仪表放大器和单片仪表放大器。单片仪表放大器因其高精度、低噪声、易于控制和设计简单而受到设计者的青睐。

2.AD620简介

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。AD620由传统的三运算放大器发展而成，但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计，如电源范围宽(±2.3～±18V),设计体积小，功耗非常低(最大供电电流仅1.3mA)，因而适用于低电压、低功耗的应用场合。

图1 AD620原理示意图

AD620的单片结构和激光晶体调整，允许电路元件紧密匹配和跟踪，从而保证电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并采用β工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电阻RG上。AD620的两个内部增益电阻为24.7k8，因而增益方程式为：

G=49.4kΩ/RG+1(1)

对于所需的增益，则外部控制电阻值为：RG=49.4/(G-1)kΩ(2)

3.STC12C5A60S2简介

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(250k/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。其特点如下：

图2 STC12C5A60S2

(1)片上集成1280字节RAM;

(2)有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM);

(3)增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051;

(4)内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地);

(5)用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节;

(6)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片;

(7)STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3);

(8)通用I/O口(36/40/44个)，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA;

(9)A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)，通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口;

4.系统硬件设计

4.1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3所示。

图3 系统原理框图

4.2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4所示。

图4 电源实现原理图

系统中其他芯片均采用5V单电源供电，对接入的5V电源不需做任何处理即可使用，此处不做说明。

4.3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。

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

也可写为下式：G=49.4kΩ/RG+1(2)

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49.4kΩ。

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5所示。

图5 信号调理电路

4.4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6所示。

图6 电源去耦电路

4.5A/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7所示。

图7 AD采集电路

4.6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。

表1AD转换数据和实际数据

AD转换数据和实际数据

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8所示。

图8 A/D转换器的线性度

5.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9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。

图9 电桥示意图

本系统在仿真时，使用自己搭建的简易电桥，如图10所示。

图10 简易电桥

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5.35mV，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4.256V，通过测量AD620输出可得，电压大小为1.645V，计算可得放大倍数G=1.647V/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)。

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。

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