基于仪表放大器AD620的指针检流计
【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。
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。
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。
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。
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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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。
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。
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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。
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
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g′=g·4·7kω/（4·7kω+1kω）=408
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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。
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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