在許多電子設(shè)備中需要對微弱信號進(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)計簡單等特點(diǎn),，深受設(shè)計者喜愛,。
AD620作為一款單片儀器放大器，具有低功耗,，通過外部電阻可實現(xiàn)高增益的芯片,，同時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)計并完成小信號(電壓型)的采集系統(tǒng),。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1．1 系統(tǒng)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(jīng)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(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,，因此不考慮信號濾波環(huán)節(jié)，因此,，系統(tǒng)主要通過信號提取,、信號放大、A／D采集3個重要環(huán)節(jié)實現(xiàn),。第3個環(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,。整個系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1．2 芯片供電電路設(shè)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(yōu)于單電源,。在集成電路設(shè)計中,，單電源易于實現(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是一個電壓轉(zhuǎn)換芯片,，可以實現(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 信號調(diào)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(jìn)行放大,，然后進(jìn)行A／D采集,。根據(jù)STC12C5A60S2具有的A／D功能，需對信號進(jìn)行精確放大,，使其達(dá)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(yīng)用時,，信號一般由電橋產(chǎn)生,。為了實現(xiàn)信號放大，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)理后的信號經(jīng)過AD620的6腳輸出,，此時可直接接入A／D轉(zhuǎn)換芯片,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，使用時縮小相應(yīng)倍數(shù)即可,。信號調(diào)理原理如圖3所示,。

1．4 系統(tǒng)去耦電路
由于系統(tǒng)主要實現(xiàn)小信號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,，因此很多時候?qū)⒍鄠€電容并聯(lián)起來使用,，實現(xiàn)原理如圖4所示。

1．5 A／D轉(zhuǎn)換的實現(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個時鐘周期(和其工作頻率有關(guān)),，本系統(tǒng)采用其實現(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)實現(xiàn)一路輸入信號的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口作為信號輸入口,。本系統(tǒng)實現(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。

本系統(tǒng)對不同大小的信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后,，獲取到了一系列實際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù),，如表1所示,。通過Excel對A／D數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制,，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換器具有較好的線性度。如圖6所示,。

2 實際應(yīng)用
上文較詳細(xì)的討論了小信號的調(diào)理,，A／D轉(zhuǎn)換，及其處理方法,，下面通過實例介紹其具體應(yīng)用,。
電阻應(yīng)變片作為一種傳感元件，常用來監(jiān)測物體形變,，一般將應(yīng)變片貼在構(gòu)件側(cè)點(diǎn)上,，構(gòu)件受力后由于測點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，電阻發(fā)生變化,，產(chǎn)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(gòu)件形變程度,，從而達(dá)到監(jiān)測構(gòu)件狀況的目的,，指導(dǎo)相關(guān)工程人員進(jìn)行處理。
本系統(tǒng)可應(yīng)用在電橋產(chǎn)生的電壓,，一個電橋示意圖如圖7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(fā)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(diǎn)等電位,，即電勢差為0，如果將其作為AD620輸入,，則認(rèn)為輸入信號為0,，稱此時的電橋平衡。當(dāng)R1或R2受力大小發(fā)生變化時,，變化結(jié)果反映在其阻值上,，通過歐姆定律可得，3,、4兩點(diǎn)電位不一樣,，即有電勢差產(chǎn)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(diào)理電路,，進(jìn)行信號放大,，即將電橋中3、4兩點(diǎn)接入AD620的2,、3腳,，通過放大后，然后進(jìn)行A／D采集,。

本系統(tǒng)在仿真時,，使用自己搭建的簡易電橋，如圖8所示,。
通過調(diào)節(jié)圖中R2,，產(chǎn)生不同的微弱信號，將簡易電橋1,，2端接入信號調(diào)理電路,，后經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，即可實現(xiàn)微弱信號采集。簡易電橋中1,，2端對應(yīng)圖中3,，4端。在此次模擬時,，調(diào)節(jié)R2,，使1，2兩端產(chǎn)生約5．35 mV,，調(diào)節(jié)信號調(diào)理電路中的外接電阻至160．7Ω,，計算可得放大倍數(shù)約為308．4倍，A／D參考電壓為4．256 V,，通過測量AD620輸出可得,，電壓大小為1．645 V，計算可得放大倍數(shù)G=1．647 V／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(zhuǎn)換．返回結(jié)果均在0x018B左右,，證明系統(tǒng)具有較高可信度(在實際系統(tǒng)中已有運(yùn)用)。

3 結(jié)論
從芯片選型,，電路設(shè)計等方便詳細(xì)說明了小信號的采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)：8位單片機(jī)STC12C5A60S2作為控制器和A／D轉(zhuǎn)換器,；以AD620作為信號調(diào)理電路主芯片,；以ICL7660S芯片為負(fù)電壓產(chǎn)生芯片,；電橋原理等。通過測試,，很好地實現(xiàn)了功能,，在實際系統(tǒng)中出色地完成了預(yù)期目標(biāo)，具有一定實用價值,。