電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：什么是儀表放大器？儀表放大器是精密增益模塊，輸入為差分式，輸出可以是差分式，也可以是相對于參考端的單端式。這些器件能夠放大兩個(gè)輸入信號電壓之間的差值，同時(shí)抑制兩個(gè)輸入端共有的任何信號。儀表放大器廣泛用于許多工業(yè)、測量、數(shù)據(jù)采集和醫(yī)療應(yīng)用，這些應(yīng)用要求在高噪聲環(huán)境下保持直流精度和增益精度，而且其中存在大共模信號（通常為交流電力線頻率）。ADI公司為每一種應(yīng)用和市場提供種類齊全的精密、低噪聲、低功耗和高共模抑制比（CMRR）的儀表放大器，本文要重點(diǎn)闡述的AD620儀表放大器芯片更是應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者。

　AD620封裝圖：

　　AD620儀表放大器： 低漂移、低功耗儀表放大器，增益設(shè)置范圍1至10000

　　AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10，000。此外，AD620采用8引腳SOIC和 DIP封裝，尺寸小于分立電路設(shè)計(jì)，并且功耗更低（最大電源電流僅1.3 mA），因而非常適合電池供電及便攜式（或遠(yuǎn)程）應(yīng)用。

　　AD620具有高精度（最大非線性度40 ppm）、低失調(diào)電壓（最大50 μV）和低失調(diào)漂移（最大0.6 μV/°C）特性，是電子秤和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，使之非常適合ECG和無創(chuàng)血壓監(jiān)測儀等醫(yī)療應(yīng)用。

　　由于其輸入級采用Super?eta處理，因此可以實(shí)現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。AD620在1 kHz時(shí)具有9 nV/?Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)的噪聲為0.28 μV p-p，輸入電流噪聲為0.1 pA/?Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時(shí)，AD620的0.01%建立時(shí)間為15 μs，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用；而且成本很低，足以實(shí)現(xiàn)每通道一個(gè)儀表放大器的設(shè)計(jì)。

　　AD620 組件介紹

　　AD620 的基本特點(diǎn)為精確度高、使用簡單、低噪聲，此儀表放大器有高輸入阻抗：10GΩ||2pF，高共模具斥比高（CMR）：100dB，低輸入抵補(bǔ)電壓（ Input offset Voltage）：50uV，低輸入偏移電流（Input bias current）：1.0nA，低消耗功率：1.3 mA，以及過電壓保護(hù)等特性應(yīng)用十分廣泛。

　　AD620 的規(guī)格特性總覽表。然而會(huì)選用它，是因它價(jià)格還算可以、增益值大、漂移電位低等，正好符合成本合理及有效放大惠斯頓電橋所輸出的微小變化訊號。

　　圖3為將選用之儀表放大器IC-AD620 接腳示意圖，其中的1、8 接腳要跨接一個(gè)電阻來調(diào)整放大倍率，然而方程式1為AD620的增益與可調(diào)電阻的關(guān)系式，由此二式我們即可推算出各種增益所要使用的電阻值GR值。

　　圖1 AD620內(nèi)部方框圖

　　圖2 AD620引腳功能圖

　　式1

　　圖3

　　應(yīng)用電路圖：

　　圖4 電路減輕射頻干擾

　　圖5 返回地面的偏置電流與AC輸入耦合

　　圖6 返回地面的偏置電流與變壓器輸入耦合

　　圖7 返回地面的偏置電流與熱電偶輸入

　　圖8 高精度電壓至電流轉(zhuǎn)換器1.8 mA， ±3 V

　　圖9 共模屏蔽驅(qū)動(dòng)程序

　　圖10 基本接地實(shí)踐

　　圖11 時(shí)間建立測試電路

　　圖12 微分驅(qū)動(dòng)程序電路

　　圖13 壓力監(jiān)控電路，可以在5V單電源工作

　　圖14 醫(yī)療心電監(jiān)護(hù)儀電路

　　AD620前置放大應(yīng)用電路　　

　　由于正弦信號發(fā)生器的輸出信號峰峰值在1V左右，和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載串聯(lián)的取樣電阻上的電壓降很小，要對取樣后的信號進(jìn)行放大。運(yùn)用兩級放大，前置放大級使用AD620。AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號的前置放大級，經(jīng)AD620放大后的小信號失真度很小，加一級AD620組成的前置放大，同樣可以把系統(tǒng)誤差控制在系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，前置放大電路如圖。

　　用于AD620系列儀表放大器的RFI抑制電路

　　下圖是一個(gè)用于通用儀表放大器的RFI電路，例如，AD620系列，它具有比AD8221高的噪聲（12nV/Hz1/2）和低的帶寬。

　　圖 用于AD620系列儀表放大器的RFI電路

　　相應(yīng)地，采用了相同的輸入電阻器，但電容器C2的電容值增加大約5倍達(dá)到0.047μF以提供足夠的RF衰減。采用圖中所示的元件值，該電路的- 3dB帶寬大約為400Hz；通過將電阻器R1和R2的電阻值減至2.2kΩ，帶寬可增加到760Hz。應(yīng)當(dāng)注意，不要輕易地增加帶寬。它要求前面所述的 儀表放大器電路驅(qū)動(dòng)一個(gè)較低阻抗的負(fù)載，從而導(dǎo)致輸入過載保護(hù)能力會(huì)有些降低。

　　AD620和AD623有哪些區(qū)別？可以互換嗎？

　　AD620和AD623都是單儀表放大器，引腳的排列也完全一樣。

　　主要的差別是：AD620必須使用正負(fù)電源，AD623即可正負(fù)電源也可單電源。

　　原板是AD620，則可以用623替換；如果原板是AD623，則不一定能用620替換（要看原板電路的電源是雙電源還是單電源）。

　　單片機(jī)產(chǎn)品中AD620和AD623替換后，程序不修改也能正常工作。

　　AD620典型應(yīng)用電路中AD705的作用的一些問題？

　　AD705的作用是電壓跟隨，做個(gè)模擬地。如果電橋四個(gè)電阻匹配的話（即AD620正負(fù)輸入關(guān)為0）6腳應(yīng)該輸出2V.。輸出0.69V應(yīng)該是電阻不匹配共模電壓不為0所至（如果RG取120歐放大倍數(shù)得四百多，有1mV多共模電壓就會(huì)導(dǎo)至這個(gè)結(jié)果，實(shí)際接壓力傳感器之類應(yīng)做個(gè)恒流源取樣，則不會(huì)這樣），建議直接將放大器正負(fù)輸入端短路試試。AD的數(shù)字地應(yīng)接5V的GND上，不能接2V。圖中AD參考電壓是1V。

　　放大器AD623和AD620可以互換嗎？AD705的輸出接AD620的5腳。無信號輸入時(shí)ADC接收為2V，由于ADC不能接收負(fù)信號，而電子枰之類的有時(shí)需要負(fù)信號，所以2V當(dāng)做ADC的0 點(diǎn)，這樣可以采集負(fù)信號。如果不需要負(fù)信號的話，AD705的輸出可接ADC的COM端。（看ADS7841說明應(yīng)該是這樣，我做類似電路時(shí)用的ADC是單片機(jī)自帶的，沒用過ADS7841）

　　ADC數(shù)字與模擬信號是分開的（可用一個(gè)電源，也可用分開的兩個(gè)電源），數(shù)字電源為V+、GND，模擬信號0點(diǎn)為COM輸入，滿幅為Vref輸入。 ADS7841中CH0-CH3、COM、Vref腳為模擬輸入，其余腳均為數(shù)字信號IO。如果數(shù)字模擬用一個(gè)5V電源（一般這樣用），由于GND是數(shù)字地，則GND只能接0V。如果COM點(diǎn)接AD705，則圖中AD數(shù)值0至最大值表示2-3V（這樣好象意義不大）。

　　所以按樓主的圖，如果想測負(fù)信號，COM接GND，Vref接5V，則采集的AD信號輸入0-2V時(shí)信號為負(fù)，2-5V時(shí)為正。如果只測正信號，則AD705輸出接COM，5V接Vref。

　　AD620儀表放大器比op07好在哪里？

　　橋式電路后面接差分放大。op07也可以單片實(shí)現(xiàn)差分放大。感覺ad620效果要好些，但比較了下手冊，失調(diào)電壓，失調(diào)電流，偏置電流等方面 ad620都略小于OP07

　　這是怎么回事？用620比07電路實(shí)現(xiàn)方面要簡單，少了幾個(gè)電阻。 但手冊參數(shù)上為什么反而不如op07呢？

　　答：不能看單個(gè)器件的數(shù)據(jù)，因?yàn)槿绻捎眠\(yùn)放構(gòu)建儀放的話是一堆器件。其它不說，單就輸入阻抗和對稱性來講，儀表放大器存在獨(dú)特的優(yōu)勢，而這才是使用儀表放大器的初衷（差分對稱輸入）。

　　1片op07 加4個(gè)電阻 實(shí)現(xiàn)的 差分放大電路 ，這種電路和1片ad620實(shí)現(xiàn)放大，性能上差別主要體現(xiàn)在兩者的輸入端特性上。儀表放大器具有對稱電特性的正負(fù)差分輸入端且其輸入阻抗非常大，這是接“平衡差分信號”的首要條件。而這些“1片op07 加4個(gè)電阻 實(shí)現(xiàn)的 差分放大電路”不具備。

　　典型案例分析：基于STC12C5A60S2與AD620的小信號采集系統(tǒng)

　　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(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（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?。ǜ兄┬盘?。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(huì)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(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(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，信號一般由電橋產(chǎn)生。為了實(shí)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(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(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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)的電橋平衡。當(dāng)R1或R2受力大小發(fā)生變化時(shí)，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(shí)電橋失衡，但此時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，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(jì)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(jì)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(shí)際系統(tǒng)中已有運(yùn)用）。

　　3 結(jié)論

　　從芯片選型，電路設(shè)計(jì)等方便詳細(xì)說明了小信號的采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)現(xiàn)了功能，在實(shí)際系統(tǒng)中出色地完成了預(yù)期目標(biāo)，具有一定實(shí)用價(jià)值。

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