CN0217

用12位阻抗转换器实现高精度阻抗测量

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评估硬件 $66.85
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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 ($66.85) High Accuracy Impedance Measurements Using 12-Bit Impedance Converters
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软件（如C代码和/或FPGA代码等）用于与元件的数字接口通信。

AD5933参考代码

AD5933 - No-OS Driver for Renesas Microcontroller Platforms

AD5933 - No-OS Driver for Microchip Microcontroller Platforms

AD5933 IIO Impedance Converter and Network Analyzer Linux Driver

FPGA/HDL

AD5933 Pmod Xilinx FPGA Reference Design

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

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领域和技术

所用产品

文档

参考资料

电路功能与优势

AD5933和AD5934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。
Optimized Signal Chain for Impedance Measurement Accuracy
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。

Output Impedance of AD8605/AD8606/AD8608
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 1.98V p-p 1.48V
2 0.97V p-p 0.76V
3 0.383V p-p 0.31V
4 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

电路中可使用其他运算放大器，例如ADA4528-1、 AD8628、 AD8629、 AD8605 和 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。 
Switching Between RCAL and Unknown Z Using the ADG849 Ultralow RON SPDT Switch
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

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 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。
Measured Low Impedance Magnitude Results
图3. 低阻抗幅度测量结果

 
Measured Low Impedance Phase Results
图4. 低阻抗相位测量结果

 
Measured 10.3 Ω Magnitude Results
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 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)

 
Magnitude Result
图6.  ZC = 47 pF、RCAL = 99.85 kΩ 时的幅度结果 

 
Phase Result
图7. ZC = 47 pF、RCAL = 99.85 kΩ 时的相位结果 

 
ZC = 8.21 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ
图 8. ZC = 8.21 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ

 
ZC = 217.25 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ
图 9. ZC = 217.25 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ

 
Magnitude Results for Example 2: R1, R2, R3, C5, C6
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. 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

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

 
Phase Results
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。

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

Table 4. Link Connections for EVAL-AD5933EBZ
Link Number Default Position
LK1 Open
LK2 Open
LK3 Insert
LK4 Open
LK5 Insert
LK6 A

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