基于仪表放大器AD620的指针检流计

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  【摘要】本文论述了基于仪表放大器AD620和6脚PIC单片机的指针检流计的设计。解决了目前指针检流计容易出现漂移的问题。采用2节5号电池供电并利用单片机进行功耗管理,有效地降低了检流计的电池使用成本。

  0引言

  检流计是一种重要的检测仪器。按输入方式可分为电压型和电流型,通常,电压型用得比较多。从检流计的面板显示方式上区分,可将其分为三种:指针式,数字式,混合式。

  指针检流计可以方便观测连续变化的电流,并由偏转方向直观地判断电流的方向,因而在电桥实验中有其独特的优势。目前物理实验中使用的指针检流计存在以下缺点:

  1)使用容量小的9V叠层电池,电池使用寿命短,成本高;

  2)其内部放大电路采用OP07或者ICL7650设计,没有功耗管理能力,容易导致电池无谓地被消耗[5];

  3)由于采用的分立元件多,放大器容易出现漂移,不稳定的现象。

  本文采用了基于三运放高共模抑制比,稳定性很高的仪表放大器AD620和Microchip公司的6脚单片机PIC10F206设计的检流计,解决了上述问题。

  1硬件系统设计

  1.1检流计的硬件系统框图

  硬件系统框图如图1所示。直流电压信号首先经过抗射频干扰的低通滤波电路,削弱了干扰信号之后送入仪表放大器AD620进行差分放大,然后驱动指针表头显示。6脚的单片机PIC10F206负责检流计的电源监控和功耗管理。整台检流计只采用两节5号电池串联起来的3V直流电源供电。

  1.2仪表放大器AD620

  AD620是美国ADI公司推出的一款低成本高精度的仪表放大器,具有高精度,低失调电压(最大50uV)和低失调漂移(最大0.6uV℃/)的特性,最大工作电流仅1.3mA,适合于电池供电的仪表领域的应用。

  基于仪表放大器AD620的指针检流计

  图1检流计的硬件系统框图

  1.3单片机PIC10F206

  PIC10F206是美国Microchip公司推出的采用RISC架构的低成本,6引脚8位闪存单片机。PIC10F206具有512字的FLASH、24字节的SRAM、看门狗定时器WDT、上电复位电路(POR)和器件复位定时器(DRT)以及4MHz的内部振荡器,因此省去了外部复位电路和晶振,降低了系统成本和功耗,增强了可靠性。它还具有宽工作电压范围(2·0V至5.5V)。上述特点使它适合应用在价格敏感和电池供电的领域。

  1.4检流计的放大电路

  检流计的放大电路以仪表放大器AD620为核心,如图2所示。

  直流电桥输出的差分信号由插座J1输入,经过由R1,R2,C1,C2,C3构成的抗射频干扰的低通滤波电路[2]削弱干扰信号之后到达仪表放大器AD620。D1,D2和R1,R2一起构成了检流计的输入保护电路,可以承受数十伏的输入电压。R3,R4为AD620的输入偏置电流提供回路[1],确保它能稳定可靠地工作。

  AD620的第1脚和第8脚之间的电阻R0和电位器RP1为增益调节电阻,记为RG。R0与RP1串联,目的是限制放大倍数的上限为495倍。电位器RP2和R5,R6一起构成了检流计的调零电路,通过改变AD620的REF引脚的电压实现调零。R7,C7组成了AD620的输出低通滤波器。R7,D3,D4构成了指针表头的保护电路。

 基于仪表放大器AD620的指针检流计

  图2检流计的放大电路

  检流计最大灵敏度通常为10uV分/度至15uV/分度就能很好地满足实验的要求。检流计表头内阻Rg为4.7kΩ,增益调节电阻RG=R0+RP1,取R0=100Ω,R7=1kΩ,当RP1为0Ω时,AD620的放大倍数

  G=49·4kΩ/RG+1=49400Ω/100Ω+1=495

  考虑到R7与表头内阻Rg的分压作用,检流计的放大倍数为

  G′=G·4·7kΩ/(4·7KΩ+1kΩ)=408

  表头电流灵敏度为1μA分/度,故表头电压灵敏度为4700μV分/度。检流计的灵敏度为

  S=4700/G′=11·5μV/分度

  符合物理实验的要求。

  1.5检流计的电源监控和功耗管理电路

  图3是检流计的电源监控和功耗管理电路。单片机PIC10F206的GP2引脚与P沟道的MOSFET管Q1相连接,目的是控制是否向检流计的放大电路供电。当GP2输出为低电平时Q1导通,系统向放大电路供电。ICL7660在这里电源变换的作用[6],它将+VS转换为-VS。

  R8、R9和PIC10F206内部的模拟比较器一起构成了电源电压监控电路。模拟比较器的负输入端CIN接-到了单片机内部基准电压(电压标称值为0·6V),正输入端CIN+与R8、R9的分压相连接。因为AD620的最低工作电压为±2·3V,从保守的角度考虑,将工作电压的下限设为±2.5V。当正电源电压小于2.5V时,CIN+的电压小于0.6V,比较器输出翻转,单片机检测到这一事件后使GP2输出高电平,关断放大电路的供电,然后执行SLEEP指令使单片机进入睡眠状态。

  基于仪表放大器AD620的指针检流计

  图3检流计的电源监控和功耗管理电路

  为了节省功耗,工作电压正常的时候,检流计工作一段时间后就应当进入睡眠状态(即软关机),需要工作时可随时唤醒。按键S1正是为这个功能而设置的。检流计的工作时间预设置为15分钟,当工作时间到了之后,单片机的GP2输出高电平,关断放大电路的供电,然后执行SLEEP指令使单片机进入睡眠状态。在睡眠状态下,如果S1被按下,GP3的引脚电平就发生改变,这一事件将使单片机发生复位(注意:PIC10F206没有常规的中断功能),从而将单片机唤醒。睡眠状态下,检流计的消耗电流小于0.1μA,非常省电,因此不用担心忘记关断检流计的电源而消耗电池的问题。

  2软件系统

  检流计上电时,单片机先执行系统初始化,接着给ICL7660和AD620供电,然后打开模拟比较器,检测供电电压是否合适。若电压合适,则继续给放大电路供电,然后执行15分钟的倒计时。期间如果S1被按下,计时时间就被重置为15分钟。15分钟倒计时到了,单片机关断放大电路的供电,然后进入睡眠状态(即软关机)。程序的流程图如图4所示。

  基于仪表放大器AD620的指针检流计

  3结束语

  本文论述的检流计基于仪表放大器AD620,性能稳定,功耗低。正常工作时电流约4mA,睡眠状态下消耗的电流小于0.1uA,非常适合电池供电。采用两节5号电池供电的方式节约了电池的使用成本。软关机功能能有效地防止因忘记关断电源带来的电池消耗。

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