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评估硬件

产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板

  • EVAL-AD5933EBZ ($60.77) High Accuracy Impedance Measurements Using 12-Bit Impedance Converters
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优势和特点

  • 高精度阻抗测量
  • 采用内部频率发生器进行复杂的阻抗测量
  • 最多可测量几百k-ohm

电路功能与优势

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

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。