基于AD620和PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)的指針式檢流計(jì)

目前指針檢流計(jì)容易出現(xiàn)漂移的問(wèn)題，因此本文討論了基于儀表放大器AD620和6引腳PIC單片機(jī)的指針式檢流計(jì)的設(shè)計(jì)方案。其方案：采用了2節(jié)5號(hào)電池供電并利用單片機(jī)進(jìn)行功耗管理，有效地降低了檢流計(jì)的電池使用成本。

1.檢流計(jì)簡(jiǎn)介

檢流計(jì)是一種重要的檢測(cè)儀器，就是檢測(cè)微弱電量用的高靈敏度的機(jī)械式指示電表，用于電橋、電位差計(jì)中作為指零儀表，也可用于測(cè)微弱電流、電壓以及電荷等。按輸入方式可分為電壓型和電流型，通常，電壓型用得比較多。從檢流計(jì)的面板顯示方式上區(qū)分，可將其分為三種：指針式，數(shù)字式，混合式。

指針檢流計(jì)可以方便觀測(cè)連續(xù)變化的電流，并由偏轉(zhuǎn)方向直觀地判斷電流的方向，因而在電橋?qū)嶒?yàn)中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前物理實(shí)驗(yàn)中使用的指針檢流計(jì)存在以下缺點(diǎn)：

（1）使用容量小的9V疊層電池，電池使用壽命短，成本高;

（2）其內(nèi)部放大電路采用OP07或者ICL7650設(shè)計(jì)，沒(méi)有功耗管理能力，容易導(dǎo)致電池?zé)o謂地被消耗［5］;

（3）由于采用的分立元件多，放大器容易出現(xiàn)漂移，不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

本文采用了基于三運(yùn)放高共模抑制比，穩(wěn)定性很高的儀表放大器AD620和Microchip公司的6腳單片機(jī)PIC10F206設(shè)計(jì)的檢流計(jì)，解決了上述問(wèn)題。

2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。直流電壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)抗射頻干擾的低通濾波電路，削弱了干擾信號(hào)之后送入儀表放大器AD620進(jìn)行差分放大，然后驅(qū)動(dòng)指針表頭顯示。6腳的單片機(jī)PIC10F206負(fù)責(zé)檢流計(jì)的電源監(jiān)控和功耗管理。整臺(tái)檢流計(jì)只采用兩節(jié)5號(hào)電池串聯(lián)起來(lái)的3V直流電源供電。

圖2 檢流計(jì)的硬件系統(tǒng)框圖

2.2儀表放大器AD620

AD620是美國(guó)ADI公司推出的一款低成本高精度的儀表放大器，具有高精度，低失調(diào)電壓（最大50uV）和低失調(diào)漂移（最大0.6uV℃/）的特性，最大工作電流僅1.3mA，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍為1至10000。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，因而適合于電池供電的儀表領(lǐng)域的應(yīng)用。

由于其輸入級(jí)采用Superβeta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)的噪聲峰峰值為0.28μV，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15μs，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)。

2.3單片機(jī)PIC10F206

PIC10F206是美國(guó)Microchip公司推出的采用RISC架構(gòu)的低成本，6引腳8位閃存單片機(jī)。PIC10F206具有512字的FLASH、24字節(jié)的SRAM、看門(mén)狗定時(shí)器WDT、上電復(fù)位電路（POR）和器件復(fù)位定時(shí)器（DRT）以及4MHz的內(nèi)部振蕩器，因此省去了外部復(fù)位電路和晶振，降低了系統(tǒng)成本和功耗，增強(qiáng)了可靠性。它還具有寬工作電壓范圍（2·0V至5.5V）。上述特點(diǎn)使它適合應(yīng)用在價(jià)格敏感和電池供電的領(lǐng)域。

2.4檢流計(jì)的放大電路

檢流計(jì)的放大電路以?xún)x表放大器AD620為核心，如圖5所示。

直流電橋輸出的差分信號(hào)由插座J1輸入，經(jīng)過(guò)由R1，R2，C1，C2，C3構(gòu)成的抗射頻干擾的低通濾波電路［2］削弱干擾信號(hào)之后到達(dá)儀表放大器AD620。D1，D2和R1，R2一起構(gòu)成了檢流計(jì)的輸入保護(hù)電路，可以承受數(shù)十伏的輸入電壓。R3，R4為AD620的輸入偏置電流提供回路［1］，確保它能穩(wěn)定可靠地工作。

AD620的第1腳和第8腳之間的電阻R0和電位器RP1為增益調(diào)節(jié)電阻，記為RG。R0與RP1串聯(lián)，目的是限制放大倍數(shù)的上限為495倍。電位器RP2和R5，R6一起構(gòu)成了檢流計(jì)的調(diào)零電路，通過(guò)改變AD620的REF引腳的電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)零。R7，C7組成了AD620的輸出低通濾波器。R7，D3，D4構(gòu)成了指針表頭的保護(hù)電路。

圖5 檢流計(jì)的放大電路

檢流計(jì)最大靈敏度通常為10uV分/度至15uV/分度就能很好地滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的要求。檢流計(jì)表頭內(nèi)阻Rg為4.7kΩ，增益調(diào)節(jié)電阻RG=R0+RP1，取R0=100Ω，R7=1kΩ，當(dāng)RP1為0Ω時(shí)，AD620的放大倍數(shù)

考慮到R7與表頭內(nèi)阻Rg的分壓作用，檢流計(jì)的放大倍數(shù)為

表頭電流靈敏度為1μA分/度，故表頭電壓靈敏度為4700μV分/度。檢流計(jì)的靈敏度為

S=4700/G′=11·5μV/分度

符合物理實(shí)驗(yàn)的要求。

2.5檢流計(jì)的電源監(jiān)控和功耗管理電路

圖6是檢流計(jì)的電源監(jiān)控和功耗管理電路。單片機(jī)PIC10F206的GP2引腳與P溝道的MOSFET管Q1相連接，目的是控制是否向檢流計(jì)的放大電路供電。當(dāng)GP2輸出為低電平時(shí)Q1導(dǎo)通，系統(tǒng)向放大電路供電。ICL7660在這里電源變換的作用，它將+VS轉(zhuǎn)換為-VS。

R8、R9和PIC10F206內(nèi)部的模擬比較器一起構(gòu)成了電源電壓監(jiān)控電路。模擬比較器的負(fù)輸入端CIN接-到了單片機(jī)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（電壓標(biāo)稱(chēng)值為0·6V），正輸入端CIN+與R8、R9的分壓相連接。因?yàn)锳D620的最低工作電壓為±2·3V，從保守的角度考慮，將工作電壓的下限設(shè)為±2.5V。當(dāng)正電源電壓小于2.5V時(shí)，CIN+的電壓小于0.6V，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，單片機(jī)檢測(cè)到這一事件后使GP2輸出高電平，關(guān)斷放大電路的供電，然后執(zhí)行SLEEP指令使單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

圖6 檢流計(jì)的電源監(jiān)控和功耗管理電路

為了節(jié)省功耗，工作電壓正常的時(shí)候，檢流計(jì)工作一段時(shí)間后就應(yīng)當(dāng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)（即軟關(guān)機(jī)），需要工作時(shí)可隨時(shí)喚醒。按鍵S1正是為這個(gè)功能而設(shè)置的。檢流計(jì)的工作時(shí)間預(yù)設(shè)置為15分鐘，當(dāng)工作時(shí)間到了之后，單片機(jī)的GP2輸出高電平，關(guān)斷放大電路的供電，然后執(zhí)行SLEEP指令使單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，如果S1被按下，GP3的引腳電平就發(fā)生改變，這一事件將使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位（注意：PIC10F206沒(méi)有常規(guī)的中斷功能），從而將單片機(jī)喚醒。睡眠狀態(tài)下，檢流計(jì)的消耗電流小于0.1μA，非常省電，因此不用擔(dān)心忘記關(guān)斷檢流計(jì)的電源而消耗電池的問(wèn)題。

3.軟件系統(tǒng)

檢流計(jì)上電時(shí)，單片機(jī)先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，接著給ICL7660和AD620供電，然后打開(kāi)模擬比較器，檢測(cè)供電電壓是否合適。若電壓合適，則繼續(xù)給放大電路供電，然后執(zhí)行15分鐘的倒計(jì)時(shí)。期間如果S1被按下，計(jì)時(shí)時(shí)間就被重置為15分鐘。15分鐘倒計(jì)時(shí)到了，單片機(jī)關(guān)斷放大電路的供電，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)（即軟關(guān)機(jī)）。程序的流程圖如圖7所示。

圖7 程序的流程圖

結(jié)束語(yǔ)

本文論述基于儀表放大器AD620以及單片機(jī)PIC10F206的檢流計(jì)，性能穩(wěn)定，功耗低。正常工作時(shí)電流約4mA，睡眠狀態(tài)下消耗的電流小于0.1uA，非常適合電池供電。采用兩節(jié)5號(hào)電池供電的方式節(jié)約了電池的使用成本。軟關(guān)機(jī)功能能有效地防止因忘記關(guān)斷電源帶來(lái)的電池消耗。
責(zé)任編輯人：CC