基于ATmega16可编程增益的模拟信号测量系统

　　0 引言

　　随着单片机技术的发展，AVR 等新一代的单片机已经在片内集成了多路 A/D 转换通道和 EEPROM 存储单元，大大简化连接电路和编程工作，并且随着单片机芯片的大规模生产，使得单片机控制系统除了有控制能力强、体积小、速度快等优点，它的成本也在逐渐降低。因此，已往的指针式显示测量仪表开始慢慢退出市场。特别是对温度、湿度和压力等传感器采集来的 mV 级信号测量，更能体现出单片机控制的数字测量技术的优势[1]。

　　1 系统的总体设计

　　该系统主要由主控制单元、可控增益放大模块、电源模块、JTAG 接口、A/D 转换模块、EEPROM 存储模块和液晶显示模块组成。可控增益放大模块对输入的测量信号进行可编程倍数的放大，再经过 ATmega16 单片机自带的 10 位 A/D 转换器转换成数字量送往液晶屏( LCD1602) 进行显示。当需要测量多组数据时，可通过按键 K1 启动 EEPROM 模块，对转换后的数据进行一次保存，当测量完多组信号后，可通过按键 K2把 EEPROM 的数据送入 LCD1602 进行重新显示，并且系统配有 JTAG 接口，用于对数字电位器的可编程程序调试。为了满足对毫伏级信号的显示，通过对单片机 PA7 进行按键控制，使系统能根据需要在 V 与 mV 间进行切换。系统的结构框图如图1 所示。

　　2 可控增益放大模块实现

　　在可控增益环节中，主要用到放大器 AD620 和数字电位器MAX5435。AD620 仪表放大器仅需要 1 个外部电阻来设置增益，增益范围可以从1 至 10 000，并且它还具有低噪声、低失调电压和低失调漂移特性，是传感器和检测仪等精密数据采集的理想选择。并且利用一款小功率极性反转电源转换器 ICL7660给放大器 AD620 提供 - 5 V 电压。但是要测量采集系统的信号调理或要求放大器增益能程控的场合时，一般在 AD620 的 2个 RG 端焊接 1 个电阻来控制它的放大增益已经不能满足要求。然而可编程的ⅡC 总线的数字电位器 MAX5435 可解决这一难题，通过单片机 ATmega16 自带的 TWI 总线接口来控制MAX5435 的 L 和 W 之间的电阻值来得到需要的阻值，从而实现对 AD620 倍数放大的控制。该模块的硬件电路如图2 所示。

　　3 A /D 转换及液晶显示模块实现

　　由于 ATmega16 自带有10 位逐次逼近型 A/D 转换，而且具有0. 5 LSB的非线性度、+2 LSB 的绝对精度和最高分辨率高达15 KSPS等特点，因此能很好地满足信号测量精度和速度的要求，也大大简化了电路设计。也可通过对其寄存器的设置进行预分频和自动触发功能的选择。由于利用其自身 A/D 转换，所以可直接把转换的数字信息送往液晶 LCD1602 进行输出显示，系统选择 AD0 作为模拟信号输入端[2]。该模块硬件电路如图3 所示。