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  1.98V p-p  200 Ω typ
Range 2  0.97V p-p  2.4 kΩ typ
Range 3  0.383V p-p  1.0 kΩ typ
Range 4  0.198V p-p  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3.3V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
1.98V p-p  1.48V
0.97V p-p  0.76V
0.383V p-p  0.31V
0.198V p-p  0.173V

 

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(50kΩ)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ADA4528-1AD8628AD8629AD8605AD8606


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

 

Parameter  Value
V p-p 1.98V (Range 1)
Number of Settling Time Cycles 15
MCLK 16 MHz
RCAL 20.1Ω
RFB 20.0Ω
Excitation Frequency Range  30 kHz to 30.2 kHz
Unknown Impedances
R1 = 10.3Ω, R2 = 30.0Ω, C3 = 1 µF (ZC = 5.3Ω< 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 4. kΩ Impedance Range Setup for VDD = 3.3 V Supply Voltage

 

Parameter  Value
V p-p 0.198V (Range 4)
Number of Settling Time Cycles 15
MCLK 16 MHz
RCAL 99.85 kΩ
RFB 100 kΩ
Excitation Frequency Range  30 kHz to 50 kHz
Unknown Impedances
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 = 47pF (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 5. R||C Impedance Range Setup for VDD = 3.3 V Supply Voltage

 

Parameter  Value
V p-p 0.383V (Range 3)
Number of Settling Time Cycles 15
MCLK 16 MHz
RCAL 1 kΩ
RFB 1 kΩ
Excitation Frequency Range  4 kHz to 100 kHz
Unknown Impedance R||C
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

 

The evaluation software is that used on the EVAL-AD5933EBZ application board. Please refer to the technical note available on the CD provided for details on the board setup. Note that there are alterations to the schematic. Link connections on the EVAL-AD5933EBZ board are listed below in Table 4. Also note that the location for RFB is located at R3 on the evaluation board, and the location for ZUNKNOWN is C4.

 

Table 6. Link Connections for EVAL-AD5933EBZ

 

Complete setup and operation for the hardware and software for the evaluation board can be found in User GuideUG-364.

Link Number Default Position
LK1 Open
LK2 Open
LK3
Insert
LK4
Open
LK5
Insert
LK6
A

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