主流仪表放大器芯片学习详解(1):AD620

　　电子发烧友网讯：什么是仪表放大器？仪表放大器是精密增益模块，输入为差分式，输出可以是差分式，也可以是相对于参考端的单端式。这些器件能够放大两个输入信号电压之间的差值，同时抑制两个输入端共有的任何信号。仪表放大器广泛用于许多工业、测量、数据采集和医疗应用，这些应用要求在高噪声环境下保持直流精度和增益精度，而且其中存在大共模信号（通常为交流电力线频率）。ADI公司为每一种应用和市场提供种类齐全的精密、低噪声、低功耗和高共模抑制比（CMRR）的仪表放大器，本文要重点阐述的AD620仪表放大器芯片更是应用领域的佼佼者。

　AD620封装图：

　　

　　

　　

　　AD620仪表放大器： 低漂移、低功耗仪表放大器，增益设置范围1至10000

　　AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10，000。此外，AD620采用8引脚SOIC和 DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大电源电流仅1.3 mA），因而非常适合电池供电及便携式（或远程）应用。

　　AD620具有高精度（最大非线性度40 ppm）、低失调电压（最大50 µV）和低失调漂移（最大0.6 µV/°C）特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，使之非常适合ECG和无创血压监测仪等医疗应用。

　　由于其输入级采用Superßeta处理，因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/ÖHz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz频带内的噪声为0.28 µV p-p，输入电流噪声为0.1 pA/ÖHz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15 µs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。

　　AD620 组件介绍

　　AD620 的基本特点为精确度高、使用简单、低噪声，此仪表放大器有高输入阻抗：10GΩ||2pF，高共模具斥比高（CMR）：100dB，低输入抵补电压（ Input offset Voltage）：50uV，低输入偏移电流（Input bias current）：1.0nA，低消耗功率：1.3 mA，以及过电压保护等特性应用十分广泛。

　　AD620 的规格特性总览表。然而会选用它，是因它价格还算可以、增益值大、漂移电位低等，正好符合成本合理及有效放大惠斯顿电桥所输出的微小变化讯号。

　　图3为将选用之仪表放大器IC-AD620 接脚示意图，其中的1、8 接脚要跨接一个电阻来调整放大倍率，然而方程式1为AD620的增益与可调电阻的关系式，由此二式我们即可推算出各种增益所要使用的电阻值GR值。

　　

　　图1 AD620内部方框图

　　

　　图2 AD620引脚功能图

　　式1

　　图3

　　应用电路图：

　　

　　图4 电路减轻射频干扰

　　

　　图5 返回地面的偏置电流与AC输入耦合

　　

　　图6 返回地面的偏置电流与变压器输入耦合

　　

　　图7 返回地面的偏置电流与热电偶输入

　　

　　图8 高精度电压至电流转换器1.8 mA， ±3 V

　　

　　图9 共模屏蔽驱动程序

　　

　　图10 基本接地实践

　　

　　图11 时间建立测试电路

　　

　　图12 微分驱动程序电路

　　

　　图13 压力监控电路，可以在5V单电源工作

　　

　　图14 医疗心电监护仪电路

　　AD620前置放大应用电路　　

　　由于正弦信号发生器的输出信号峰峰值在1V左右，和网络负载串联的取样电阻上的电压降很小，要对取样后的信号进行放大。运用两级放大，前置放大级使用AD620。AD620是一种低功耗的仪用放大器，特别适合做小信号的前置放大级，经AD620放大后的小信号失真度很小，加一级AD620组成的前置放大，同样可以把系统误差控制在系统设计要求的范围内，前置放大电路如图。

　　用于AD620系列仪表放大器的RFI抑制电路

　　下图是一个用于通用仪表放大器的RFI电路，例如，AD620系列，它具有比AD8221高的噪声（12nV/Hz1/2）和低的带宽。

　　

　　图 用于AD620系列仪表放大器的RFI电路

　　相应地，采用了相同的输入电阻器，但电容器C2的电容值增加大约5倍达到0.047μF以提供足够的RF衰减。采用图中所示的元件值，该电路的- 3dB带宽大约为400Hz；通过将电阻器R1和R2的电阻值减至2.2kΩ，带宽可增加到760Hz。应当注意，不要轻易地增加带宽。它要求前面所述的 仪表放大器电路驱动一个较低阻抗的负载，从而导致输入过载保护能力会有些降低。

　　AD620和AD623有哪些区别？可以互换吗？

　　AD620和AD623都是单仪表放大器，引脚的排列也完全一样。

　　主要的差别是：AD620必须使用正负电源，AD623即可正负电源也可单电源。

　　原板是AD620，则可以用623替换；如果原板是AD623，则不一定能用620替换（要看原板电路的电源是双电源还是单电源）。

　　单片机产品中AD620和AD623替换后，程序不修改也能正常工作。

　　AD620典型应用电路中AD705的作用的一些问题？

　　AD705的作用是电压跟随，做个模拟地。如果电桥四个电阻匹配的话（即AD620正负输入关为0）6脚应该输出2V.。输出0.69V应该是电阻不匹配共模电压不为0所至（如果RG取120欧放大倍数得四百多，有1mV多共模电压就会导至这个结果，实际接压力传感器之类应做个恒流源取样，则不会这样），建议直接将放大器正负输入端短路试试。AD的数字地应接5V的GND上，不能接2V。图中AD参考电压是1V。

　　放大器AD623和AD620可以互换吗？AD705的输出接AD620的5脚。无信号输入时ADC接收为2V，由于ADC不能接收负信号，而电子枰之类的有时需要负信号，所以2V当做ADC的0 点，这样可以采集负信号。如果不需要负信号的话，AD705的输出可接ADC的COM端。（看ADS7841说明应该是这样，我做类似电路时用的ADC是单片机自带的，没用过ADS7841）

　　ADC数字与模拟信号是分开的（可用一个电源，也可用分开的两个电源），数字电源为V+、GND，模拟信号0点为COM输入，满幅为Vref输入。 ADS7841中CH0-CH3、COM、Vref脚为模拟输入，其余脚均为数字信号IO。如果数字模拟用一个5V电源（一般这样用），由于GND是数字地，则GND只能接0V。如果COM点接AD705，则图中AD数值0至最大值表示2-3V（这样好象意义不大）。

　　所以按楼主的图，如果想测负信号，COM接GND，Vref接5V，则采集的AD信号输入0-2V时信号为负，2-5V时为正。如果只测正信号，则AD705输出接COM，5V接Vref。

　　AD620仪表放大器比op07好在哪里？

　　桥式电路后面接差分放大。op07也可以单片实现差分放大。感觉ad620效果要好些，但比较了下手册，失调电压，失调电流，偏置电流等方面 ad620都略小于OP07

　　这是怎么回事？用620比07电路实现方面要简单，少了几个电阻。 但手册参数上为什么反而不如op07呢？

　　答：不能看单个器件的数据，因为如果采用运放构建仪放的话是一堆器件。其它不说，单就输入阻抗和对称性来讲，仪表放大器存在独特的优势，而这才是使用仪表放大器的初衷（差分对称输入）。

　　1片op07 加4个电阻 实现的 差分放大电路 ，这种电路和1片ad620实现放大，性能上差别主要体现在两者的输入端特性上。仪表放大器具有对称电特性的正负差分输入端且其输入阻抗非常大，这是接“平衡差分信号”的首要条件。而这些“1片op07 加4个电阻 实现的 差分放大电路”不具备。

　　典型案例分析：基于STC12C5A60S2与AD620的小信号采集系统

　　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（250 k/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。

　　

　　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。

　　

　　系统中其他芯片均采用5 V单电源供电，对接入的5 V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。

　　

　　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49．4 kΩ。

　　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。

　　

　　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。

　　

　　1．5 A/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。

　　STC12C5A60S2 将P1口作为8路A/D转换输入接口，在使用时只需将其设置为模拟接口，通过设置相应寄存器，便可完成A/D转换，不使用的管脚还仍可当普通管脚使用。本系统实现一路输入信号的A/D转换，因此只需设置一路即可，在本系统中使用P1．0口作为信号输入口。本系统实现A/D转换的原理如图5所示。

　　

　　1. 6 后续工作

　　在AD完成后，还需进行数据分析，一般可以通过通信口（一般采用串口）发送给上位机，通过上位机对数据进行处理。根据具体系统的不同特点，数据处理方法也不尽相同，在此不做详细讨论。

　　本系统对不同大小的信号进行A/D转换后，获取到了一系列实际数据和理论数据，如表1所示。

　　

        通过Excel对A/D数据进行曲线绘制，发现系统A/D转换器具有较好的线性度。如图6所示。

　　

　　2 实际应用

　　上文较详细的讨论了小信号的调理，A/D转换，及其处理方法，下面通过实例介绍其具体应用。

　　电阻应变片作为一种传感元件，常用来监测物体形变，一般将应变片贴在构件侧点上，构件受力后由于测点发生应变，电阻发生变化，产生微弱的电压变化，通过检测微弱的电压变化，可计算得到构件形变程度，从而达到监测构件状况的目的，指导相关工程人员进行处理。

　　本系统可应用在电桥产生的电压，一个电桥示意图如图7所示，图中R4、R3、R1、R2，为电桥4臂，R4、R3为阻抗大小固定电阻，R1、R2中一个为受力后阻值发生变化的电阻，R4、R3阻值大小相同，R1、R2未受力时阻值大小也相同。在未受力情况下，电桥3、4两点等电位，即电势差为0，如果将其作为AD620输入，则认为输入信号为0，称此时的电桥平衡。当R1或R2受力大小发生变化时，变化结果反映在其阻值上，通过欧姆定律可得，3、4两点电位不一样，即有电势差产生，此时电桥失衡，但此时的信号很微弱，不能直接采集，因此通过文中提到的信号调理电路，进行信号放大，即将电桥中3、4两点接入 AD620的2、3脚，通过放大后，然后进行A/D采集。

　　

　　本系统在仿真时，使用自己搭建的简易电桥，如图8所示。

　　通过调节图中R2，产生不同的微弱信号，将简易电桥1，2端接入信号调理电路，后经A/D转换，即可实现微弱信号采集。简易电桥中1，2端对应图中3，4端。在此次模拟时，调节R2，使1，2两端产生约5．35 mV，调节信号调理电路中的外接电阻至160．7Ω，计算可得放大倍数约为308．4倍，A/D参考电压为4．256 V，通过测量AD620输出可得，电压大小为1．645 V，计算可得放大倍数G=1．647 V/5．35mV≈308，可知，放大效果良好（去除放大效果后，误差只有nV级）。通过多次A/D转换．返回结果均在0x018B左右，证明系统具有较高可信度（在实际系统中已有运用）。

　　3 结论

　　从芯片选型，电路设计等方便详细说明了小信号的采集系统的设计与实现：8位单片机STC12C5A60S2作为控制器和 A/D转换器；以AD620作为信号调理电路主芯片；以ICL7660S芯片为负电压产生芯片；电桥原理等。通过测试，很好地实现了功能，在实际系统中出色地完成了预期目标，具有一定实用价值。