基于STC单片机与AD620的小信号采集系统的设计与实现

　　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（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。

　　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。

　　

　　图1系统原理框图

　　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。

　　

　　图2 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。

　　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。

　　G=（RG/R1）+1（1）

　　也可写为下式：G=49.4kΩRG+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3所示。

　　

　　图3信号调理电路

　　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。

　　

　　图4电源去耦电路

　　1．5A／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。