CN0217

用12位阻抗转换器实现高精度阻抗测量
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电路功能与优势

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AD5933AD5934 是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案,集片内可编程频率发生器与12位、1 MSPS(AD5933)或250 kSPS(AD5934)的模数转换器(ADC)于一身。可调频率发生器产生已知频率来激励外部复阻抗。

 

图1所示电路在低欧姆范围直至数百kΩ范围内产生精确的阻抗测量,同时还优化了AD5933/AD5934的整体精度。



图1. 优化信号链以提高阻抗测量精度(原理示意图,未显示所有连接和去耦)

电路描述

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AD5933和AD5934提供四个可编程输出电压范围,各具有一个相关的输出阻抗。例如,1.98V p-p 输出电压的输出阻抗一般为200 Ω(见表1)。

 

 Table 1. Output Series Resistance, Rout, vs. Excitation Range for VDD = 3.3 V Supply Voltage

 

Range
Output Excitation Amplitude
Output Resistance, Rout

Range 1

Range 2

Range3

Range4

1.98 V p-p

0.97 V p-p

0.383 V p-p

0.198 V P-P

200 Ω typ

2.4 k Ω typ

1.0 k Ω typ

600 Ω typ

 

此输出阻抗会影响测量精度,在低kΩ范围内尤为突出,故在增益系数计算时应将其考虑在内。有关增益系数计算的详情,请参见AD5933或AD5934数据手册。在信号链内的简易缓冲器可防止输出阻抗影响未知的阻抗测量。在挑选低输出阻抗放大器时,应保证足够的带宽来适应AD5933/AD5934的激励频率。针对 AD8605/ AD8606/ AD8608 系列CMOS运算放大器,低输出阻抗的一个实现示例如图2所示。在AV=1时,此放大器的输出阻抗小于1 Ω(最高100 kHz),这是AD5933/AD5934的最高工作范围。



图2. AD8605/AD8606/AD8608的输出阻抗

发射级和接收级的直流偏置匹配
AD5933/ AD5934四个可编程输出电压范围具有四个相关偏置电压(表2)例如,1.98 V p-p激励电压的偏压为1.48 V。但是,如图1所示,AD5933/AD5934的电流-电压(I-V)接收级设为固定偏压VDD/2。因此,对于3.3 V电源,发射偏压为1.48 V,而接收偏压为3.3 V/2 = 1.65 V。此电位差会引起测试中阻抗极化,并可导致阻抗测量不准确。

一种解决方案是添加一个在低Hz范围内具有转折频率的简单高通滤波器。消除发射级的直流偏置,并将交流信号重新偏置至VDD/2,在整个信号链中保持直流电平恒定。

 

 Table 2. Output Levels and Respective DC Bias for VDD = 3.3 V Supply Voltage

 

Range
Output Excitation Amplitude
Output DC Bias Level

1

2

3

4

1.98 V p-p

0.97 V p-p

0.383 V p-p

0.198 V p-p

1.48

0.76

0.31

0.173

 

选择针对接收级优化的I-V缓冲器
AD5933/AD5934的电流-电压(I-V)放大级还可能轻微增加信号链的不准确性。I-V转换级易受放大器的偏置电流、失调电压和CMRR影响。通过选择适当的外部分立放大器来执行I-V转换,用户可挑选一个具有低偏置电流和失调电压规格、出色CMRR的放大器,提高I-V转换的精度。该内部放大器随后可配置成一个简单的反相增益级。

如AD5933/AD5934数据手册中所述,电阻RFB仍根据系统的整体增益来选择。

高精度阻抗测量的优化信号链
图1所示为测量低阻抗传感器的建议配置。交流信号先经过高通滤波并重新偏压,之后利用一个超低输出阻抗放大器进行缓冲。在外部完成I-V转换后信号返回至AD5933/AD5934接收级。决定所需缓冲器的关键规格有超低输出阻抗、单电源供电能力、低偏置电流、低失调电压及出色的CMMR性能。一些推荐器件包括ADA4528-1, AD8628/AD8629、AD8605和AD8606。根据电路板布局,可使用单通道或双通道放大器。偏置电阻(50 kΩ)和增益电阻(20 kΩ和RFB)两者均使用精度0.1%的电阻以降低不准确性。

常见变化

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电路中可使用其他运算放大器,例如ADA4528-1 AD8628AD8629 AD8605 AD8606

系统应用的切换选项
对于这个特定电路,ZUNKNOWN 和 RCAL 可手动互换。但在生产中应使用低导通电阻开关,开关的选择取决于未知阻抗范围的大小以及所需测量结果精度。此文件中的示例仅使用一个校准电阻,故可如图13所示使用ADG849 等低导通电阻开关。还可使用四通道ADG812 等多通道开关解决方案。ZUNKNOWN 上的开关电阻所引起的误差在校准期间消除,但通过选择超低RON开关,可进一步充分降低这些效应。



图13. 使用ADG849超低RON SPDT开关切换RCAL和未知Z(原理示意图,未显示所有连接和去耦)

电路评估与测试

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图1所示的原理图可用来改善阻抗测量精度,并采取一些示例性措施。AD8606双通道放大器在发射路径上缓冲信号,并将接收信号从电流转换成电压。对于所示的三个示例,每次递增频率来计算增益系数,以消除频率相关误差。有关此解决方案的完整设计包,包括原理图、材料清单、布局和Gerber文件,请登录 http://www.analog.com/zh/CN0187-DesignSupport 。所用软件和评估板附带的软件相同,可访问AD5933和AD5934产品页面获取。

示例1:低阻抗范围

Table 1. Low Impedance Range Setup for VDD = 3.3 V Supply Voltage

 

Parameter
Value

V p-p

Number of Settling Time Cycles

MCLK

RCAL

RFB

Excitation Frequency Range

Unknowe Impedances

 

 

1.98 V (Range 1)

15

16 MHz

20.1 Ω

20.0 Ω

30 kHz to 30.2 kHz

R1=10.3 Ω,

R2=30.0 Ω,

C3=1 µF (Zc=5.3 Ω at 30 kHz )

 

图3、图4及图5所示为低阻抗测量的结果。图5表示10.3 Ω测量并在扩展纵坐标上显示。 

精度实现水平很大程度上取决于未知阻抗范围相对于校准电阻RCAL的大小幅度。因此,在此示例中,10.3 Ω的未知阻抗测量测得10.13 Ω,误差约2%。选择接近未知阻抗的RCAL可实现更精确的测量,即以RCAL为中心的未知阻抗范围越小,测量精度越高。因此,对于更大未知阻抗范围,可在各种RCAL电阻中切换以使用外部开关分解未知阻抗范围。在RCAL增益系数计算期间可通过校准消除开关的RON误差。使用开关选择各种RFB值可优化ADC所示的信号动态范围。

还应注意,要实现更大范围的测量,还可使用200 mV p-p范围。如果未知Z范围较小,可使用更大的输出电压范围来优化ADC动态范围。



图3.低阻抗幅度测量结果




图4.低阻抗相位测量结果



图5. 10.3 Ω幅度测量结果(扩展坐标)

示例2:kΩ阻抗范围

使用99.85 kΩ的 RCAL ,根据表2所示的设置条件可测得更宽的未知阻抗范围。图6至10记录精度结果。要提高整体精度,请选择更接近未知阻抗的 RCAL 值。例如,在图9中,需要更接近217.5 kΩ ZC 值的 RCAL 。如果未知阻抗范围较大,请使用多个 RCAL 电阻。

 

 Table 2. kΩ Impedance Range Setup for VDD = 3.3 V Supply Voltage

 

Parameter
Value

V p-p

Number of Settling Time Cycles

MCLK

RCAL

RFB

Excitation Frequency Range

Unknown Impedances

 

 

 

 

 

 

 0.198 V (Range 4)

15

16 MHz

99.85 kΩ

100 kΩ

30 kHz to 50 kHz

R0 = 99.85 kΩ

R1 = 29.88 kΩ
R2 = 14.95 kΩ
R3 = 8.21 kΩ
R4 = 217.25 kΩ

C5 = 150 pF (Zc = 26.5 kΩ at 40 kHz)

C6 = 47 pF (Zc = 84.6 kΩ at 40 kHz)




图6. ZCCAL = 99.85 kΩ时的幅度结果



图7. ZC = 47 pF、RCAL = 99.85 kΩ时的相位结果



图 8. ZC = 8.21 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ



图 9. ZC = 217.25 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ



图10. 示例2的幅度结果:R1、R2、R3、C5、C6

示例3:并行R-C(R||C)测量

R||C型结构也通常用于测量,,采用1 kΩ的RCAL、10 kΩ的R和10 nF的C,在频率范围4 kHz至100 kHz内进行测量。图11和12所示曲线表示幅度和相位结果和理想值的关系。

 

Table 3. RIIC Impedance Range Setup for VDD = 3.3 V Supply Voltage

Parameter
Value

V p-p

Number of Settling Time Cycles

MCLK

RCAL

RFB

Excitation Frequency Range

Unknown Impedance RIIC

 

0.383 V (Range 3)

15

16 MHz

1 kΩ

1 kΩ

4 kHz to 100 kHz

R = 10 kΩ

C = 10 nF



图11. ZC = 10 kΩ||10 nF, RCAL = 1 kΩ时的幅度结果



图12. ZC = 10 kΩ||10 nF, RCAL = 1 kΩ时的相位结果

设置和测试
EVAL-CN0217-EB1Z软件和EVAL-AD5933EBZ应用板上所用的相同。有关电路板设置的详情,请参见光盘内的技术笔记。注意,原理图有改动。EVAL-CN0217-EB1Z板上的链接如表4所示。还应注意,RFB在评估板上位于R3,而 ZUNKNOWN 位于C4。

 

Table 4. Link Connections for EVAL-CN0217-EB1Z

Link Number
Default Position

LK1

Open

LK2 Open
LK3 Open
LK4 Insert
LK5 Insert
LK6 A

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AD8606 精密、低噪声、轨到轨输入输出、CMOS运算放大器(双路)

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