阻抗測(cè)量芯片AD5933及其應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
1.1主要性能
AD5933是一款高精度的阻抗測(cè)量芯片，內(nèi)部集成了帶有12位，采樣率高達(dá)1MSPS的AD轉(zhuǎn)換器的頻率發(fā)生器。這個(gè)頻率發(fā)生器可以產(chǎn)生特定的頻率來(lái)激勵(lì)外部電阻，電阻上得到的響應(yīng)信號(hào)被ADC采樣，并通過(guò)片上的DSP進(jìn)行離散的傅立葉變換。傅立葉變換后返回在這個(gè)輸出頻率下得到的實(shí)部值R和虛部值I。這樣就可以很容易的計(jì)算出在每個(gè)掃描頻率下的傅立葉變換的模和電阻的相角。其中模＝
AD5933主要具有以下特性：
? 可編程的頻率發(fā)生器，最高頻率可達(dá)100KHz
作為設(shè)備通過(guò)I2C 口和主機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)頻率掃面控制
頻率分辨率為27位（<0.1Hz）
? 阻抗測(cè)量范圍為100Ω到10MΩ
內(nèi)部帶有溫度傳感器，測(cè)量誤差范圍為±2℃?
帶有內(nèi)部時(shí)鐘?
可以實(shí)現(xiàn)相位測(cè)量?
? 系統(tǒng)精度為0.5%
可供選擇的電源范圍為2.7V到5V?
正常工作的溫度范圍-40℃到+125℃?
? 16腳SSOP封裝
1.2AD5933的引腳定義
圖1給出了AD5933的封裝圖，表1給出了AD5933的引腳定義。建議在使用時(shí)把所有的電源腳9、10、11都連到一起，統(tǒng)一連接到電源上，同樣所有的地引腳12、13、14也都連接到一起，統(tǒng)一連接到系統(tǒng)地上
圖1AD5933引腳排列
表1AD5933引腳定義
1.3主要應(yīng)用
AD5933可以廣泛的應(yīng)用在電化學(xué)分析、生物電極阻抗測(cè)量、阻抗譜分析、復(fù)雜阻抗測(cè)量、腐蝕監(jiān)視和儀器保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)和自動(dòng)控制傳感器、無(wú)創(chuàng)檢測(cè)、原材料性能分析以及燃料和電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域。為阻抗的測(cè)量提供了很大的方便，單片集成技術(shù)大大的減小了儀器的體積，使得儀器使用更加方便。簡(jiǎn)單的I2C通訊方式，方便用戶操作，減小了用戶編程的困難。由于它給出的直接是變換后阻抗的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)，大大的簡(jiǎn)化了用戶編程過(guò)程，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。
2AD5933工作原理
2.1AD5933的參數(shù)設(shè)置
AD5933片上帶有一個(gè)27位的DDS來(lái)提供輸出特定頻率激勵(lì)信號(hào)。輸入到DDS狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)由AD5933片上地址為82h、83h、84h的起始頻率寄存器提供。盡管狀態(tài)寄存器提供27位的精度，但其實(shí)起始頻率寄存器的高三位是被內(nèi)部置零的，所以用戶可以控制的只有起始頻率的低24位。AD5933可以實(shí)現(xiàn)0.1Hz的頻率分辨率，頻率分辨率是通過(guò)片上24位頻率增量寄存器來(lái)控制的。頻率增量寄存器的地址為85h、86h、87h。起始頻率和頻率分量寄存器的代碼的計(jì)算方法為要求的起始頻率值或者頻率增量值除以四分之一的系統(tǒng)時(shí)鐘再乘以2的27次方。系統(tǒng)時(shí)鐘可以通過(guò)控制寄存器來(lái)設(shè)置是選擇外部時(shí)鐘還是內(nèi)部時(shí)鐘，AD5933的內(nèi)部時(shí)鐘為16MHz。還可以在寄存器88h和89h中設(shè)置頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)。例如，如果用戶想測(cè)量150個(gè)頻率點(diǎn)，則用戶給88h和89h中分別存入00H和96H。當(dāng)這三個(gè)參數(shù)都設(shè)置好之后，可以通過(guò)給控制寄存器寫(xiě)入起始頻率掃描命令來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描初始化。當(dāng)完成每個(gè)頻率點(diǎn)的掃描后狀態(tài)寄存器的第二位將自動(dòng)置位，可以通過(guò)查詢這位來(lái)判斷是否測(cè)量完成，用戶可以自行控制實(shí)現(xiàn)跳到下一個(gè)頻率點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果的實(shí)部保存在94h和95h中，虛部保存在96h和97h中，這個(gè)結(jié)果應(yīng)該在跳到下一個(gè)頻率點(diǎn)之前讀出。如果想要多次測(cè)量同一個(gè)頻率點(diǎn)的值，以使得測(cè)量結(jié)果更加精確，只需在一次測(cè)量完成之后在控制寄存器中寫(xiě)入重復(fù)當(dāng)前頻率命令字即可。當(dāng)所有的頻率點(diǎn)都掃描完時(shí)，狀態(tài)寄存器的第三位將被自動(dòng)置位。一旦這位被置位后，將不能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)頻率掃描。
頻率掃描的具體過(guò)程包括三部分：
（1） 進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)模式，在寫(xiě)入開(kāi)始頻率掃描控制字到控制寄存器之前，首先要寫(xiě)入
標(biāo)準(zhǔn)模式控制字到控制寄存器，在這個(gè)模式中VOUT和VIN引腳被內(nèi)部接到地，因此在外部電阻或者電阻和地之間沒(méi)有直流偏置。
（2） 進(jìn)入初始化模式。在寫(xiě)入開(kāi)始頻率控制字到控制寄存器后將進(jìn)入初始化模式。
在這個(gè)模式下，電阻已經(jīng)被起始頻率信號(hào)激勵(lì)，但沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量。用戶可以通過(guò)程序設(shè)置在寫(xiě)入頻率掃描命令到控制寄存器來(lái)啟動(dòng)進(jìn)入頻率掃描模式之前的時(shí)間。
（3） 進(jìn)入頻率掃描模式。用戶通過(guò)寫(xiě)入頻率掃描控制字。在這個(gè)模式中，ADC在
設(shè)定時(shí)間周期過(guò)去之后開(kāi)始測(cè)量。用戶可以通過(guò)在每個(gè)頻率點(diǎn)測(cè)量之前設(shè)置寄存器8Ah和8Bh的值來(lái)控制輸出頻率信號(hào)的周期數(shù)。
片上DDS輸出的信號(hào)通過(guò)一個(gè)可編程增益放大器，通過(guò)控制增益可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)不同范
圍的峰峰值輸出。這個(gè)輸出范圍的控制是在控制寄存器的第9和第10位實(shí)現(xiàn)的。
在接收過(guò)程中，從電阻上得到的信號(hào)首先進(jìn)入電流電壓轉(zhuǎn)換放大器，后面緊跟的是一個(gè)可編程增益放大器，這個(gè)放大器的增益有5和1兩個(gè)值，可以通過(guò)設(shè)置控制寄存器的第8位來(lái)選擇。經(jīng)過(guò)可編程增益放大器之后的信號(hào)被ADC采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)送DSP進(jìn)行傅立葉變換。每個(gè)頻率采樣1024個(gè)點(diǎn)進(jìn)行傅立葉變換，變換的結(jié)果存儲(chǔ)在兩個(gè)16位的寄存器中代表變換后的實(shí)部和虛部，每個(gè)16位的寄存器分別為兩個(gè)8位的寄存器組成，這個(gè)將在下面的寄存器介紹中專門(mén)給出。
AD5933的系統(tǒng)時(shí)鐘可以通過(guò)兩個(gè)途徑給出。用戶可以在外部時(shí)鐘引腳MCLK接入一個(gè)高精度穩(wěn)定的時(shí)鐘。另外也可以使用AD5933內(nèi)部16.776MHz的時(shí)鐘。具體選擇哪個(gè)時(shí)鐘可以通過(guò)設(shè)置控制寄存器的第3位來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)上電默認(rèn)為選擇內(nèi)部時(shí)鐘。
評(píng)論