單芯片AD5933/4提供完整的傳感器激勵(lì)和測量解決方案

引言

　　當(dāng)今的許多工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用都涉及傳感器測量。傳感器的功能就是監(jiān)視系統(tǒng)中的變化，然后將此數(shù)據(jù)反饋給主控制器。用于簡單的電壓或電流測量的傳感器可能是電阻性的。但是，有些傳感器系統(tǒng)可能是電感性或電容性的，就是說在傳感器頻率范圍內(nèi)阻抗變化是非線性的。

　　這類復(fù)阻抗傳感器的典型例子就是接近傳感器——用于檢測一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的相對距離;另外，容性傳感器或感性傳感器——在醫(yī)用設(shè)備中用于測量血流或者分析血壓或血質(zhì)。

　　為了用這些“復(fù)阻抗傳感器”實(shí)現(xiàn)測量，必須提供一種交流(AC)激勵(lì)頻率源在傳感器的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。本文試圖說明如何采用單芯片數(shù)字波形發(fā)生器輕松實(shí)現(xiàn)這種高達(dá)10 MHz的頻率掃描。還介紹了一種帶集成激勵(lì)、響應(yīng)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)功能完整的單芯片傳感器解決方案，它適合要求高達(dá)近50 kHz激勵(lì)頻率的應(yīng)用。

　　傳感器：工作原理

　　圖1示出一種具由感抗和容抗特性組成的復(fù)阻抗傳感器模型。

　　通過傳感器的激勵(lì)頻率信號(hào)會(huì)根據(jù)傳感器的L或C瞬時(shí)值表現(xiàn)出相應(yīng)的幅度、頻率或者相位的改變。例如，超聲波液流計(jì)會(huì)表現(xiàn)出相位偏移，而接近傳感器會(huì)引起幅度改變。

　　圖1. 具有復(fù)阻抗特性的傳感器模型

　　跟蹤這種變化阻抗的最常用方法就是監(jiān)視電路的諧振頻率。諧振頻率就是電容值等于電感值所在的頻率點(diǎn)。這也是頻率曲線上最大阻抗值對應(yīng)的頻率點(diǎn)。例如，考慮如圖2所示的接近傳感器情況。在正常情況下，例如在靜態(tài)條件下，傳感器的L，R和C都具有一個(gè)唯一值，在諧振頻率Fo處具有最大阻抗值。當(dāng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體接近傳感器時(shí)，那么傳感器的L和C值就會(huì)改變，并且產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率。通過監(jiān)測諧振頻率的變化(從而導(dǎo)致阻抗的變化)，就有可能推測出運(yùn)動(dòng)物體相對傳感器的移動(dòng)距離。

　　圖2 . 接近傳感器的諧振頻率隨移動(dòng)距離的變化

　　計(jì)算諧振頻率

　　計(jì)算電路的諧振頻率需要測量頻率和阻抗的關(guān)系(如圖2所示)，尤其是需要一個(gè)能夠在一定頻率范圍內(nèi)具有掃描能力的波形發(fā)生器。一種簡單、低成本的實(shí)現(xiàn)方法就是采用AD5930波形發(fā)生器。AD5930具有在一組預(yù)設(shè)置的頻率范圍內(nèi)提供線性掃描的能力。一旦條件設(shè)定，就無需進(jìn)一步的控制，除了一個(gè)用于啟動(dòng)頻率掃描的觸發(fā)器。

　　AD5930具有許多優(yōu)點(diǎn)：輸出頻率的分辨率為28 bit，所以用戶能以小于0.1 Hz的控制精度輸出頻率。其輸出頻率范圍為0～10 MHz，從而對選擇傳感器具有很大的靈活性。例如，有些傳感器的頻率范圍很窄，但是要求在此頻率范圍內(nèi)具有很高的分辨率。還有些傳感器可能需要很寬的調(diào)頻范圍，但是分辨率要求較低。

　　采用這種方法很容易計(jì)算出傳感器的諧振頻率。

這種系統(tǒng)的典型框圖如圖3所示。通過BF-535DSP處理器設(shè)置AD5930數(shù)字波形發(fā)生器。需要對從AD5930產(chǎn)生的正弦波輸出電壓波形進(jìn)行低通濾波和放大以便消除主時(shí)鐘(MCLK)、鏡像頻率和高頻噪聲產(chǎn)生的饋通。經(jīng)過濾波的信號(hào)可用作傳感器的激勵(lì)頻率源。根據(jù)傳感器的阻抗響應(yīng)信號(hào)可能需要進(jìn)行放大以便使其進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。傳感器的輸出和激勵(lì)頻率源都輸入到AD7266——一種12 bit、2 MSPS的同步采樣雙ADC。將ADC輸出的數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中以便做進(jìn)一步的分析以計(jì)算出傳感器的相位和幅度偏移。

　　圖3. 系統(tǒng)框圖

　　完整的集成傳感器解決方案

　　上面介紹的分立解決方案是一種常用的傳感器阻抗測量解決方案。該方案可能需要許多分立元件，所以是一種高成本的傳感器分析解決方案。這些單獨(dú)的元件還會(huì)增加自身的誤差源。設(shè)計(jì)中的有源元件還會(huì)增加相位誤差，這也是需要校正。另外，還需要DSP處理一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，這樣可能需要外部存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)原始的ADC數(shù)據(jù)，從而會(huì)進(jìn)一步增加成本。

　　解決上述低頻率傳感器分析問題的解決方案是AD5933/4器件，它將上述主要處理模塊都集成到一顆芯片中。該芯片的內(nèi)核包括3個(gè)主要單元：用于提供頻率掃描的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)波形發(fā)生器; 用于測量傳感器的響應(yīng)的12 bit、1 MSPS ADC;以及最后能夠?qū)DC測量數(shù)據(jù)進(jìn)行1024點(diǎn)離散傅立葉變換(DFT)運(yùn)算的DSP引擎。

　　DFT運(yùn)算結(jié)果提供一個(gè)實(shí)部(R)和一個(gè)虛部(I)數(shù)據(jù)，從而可以方便地計(jì)算出阻抗。采用下面的公式很容易計(jì)算出阻抗的幅度和相位：

　　為了確定實(shí)際的實(shí)數(shù)阻抗值Z(ω)，通常需要進(jìn)行頻率掃描。可以計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗，從而可以得出一條頻率與幅度的關(guān)系曲線。這樣就很容易測量出100 Ω～20 MΩ范圍內(nèi)的阻抗。該系統(tǒng)允許用戶設(shè)置一個(gè)2 V峰峰值(PK-PK)的正弦信號(hào)作為外部負(fù)載的激勵(lì)頻率源。輸出范圍還可以設(shè)置為1V，500 mV和200 mV。頻率分辨率可以達(dá)到27 bit(< 0.1 Hz)。

　　實(shí)現(xiàn)頻率掃描：

　　為了實(shí)現(xiàn)頻率掃描，用戶必須首先設(shè)置頻率掃描所需要的條件：需要一個(gè)起始頻率、頻率間隔和掃頻點(diǎn)數(shù)。然后需要一個(gè)啟動(dòng)命令開始掃描。在每個(gè)掃描頻點(diǎn)，ADC先完成1024個(gè)采樣，然后進(jìn)行DFT計(jì)算以便提供該波形的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)。此實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)通過I2C接口以兩個(gè)16 bit字形式提供給用戶。片內(nèi)DSP處理單元的優(yōu)點(diǎn)是用戶不必進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，也無需存儲(chǔ)ADC原始數(shù)據(jù)，只需提供兩個(gè)16 bit的數(shù)據(jù)。因此，它還允許選擇更便宜的DSP解決方案，因?yàn)榇蟠蠼档土藢ψ罱K處理能力的要求。