阻抗測量芯片AD5933及其應(yīng)用
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1.1主要性能
AD5933是一款高精度的阻抗測量芯片，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。這個頻率發(fā)生器可以產(chǎn)生特定的頻率來激勵外部電阻，電阻上得到的響應(yīng)信號被ADC采樣，并通過片上的DSP進(jìn)行離散的傅立葉變換。傅立葉變換后返回在這個輸出頻率下得到的實部值R和虛部值I。這樣就可以很容易的計算出在每個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I2C 口和主機(jī)通訊，實現(xiàn)頻率掃面控制
頻率分辨率為27位（<0.1Hz）
? 阻抗測量范圍為100Ω到10MΩ
內(nèi)部帶有溫度傳感器，測量誤差范圍為±2℃?
帶有內(nèi)部時鐘?
可以實現(xiàn)相位測量?
? 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、生物電極阻抗測量、阻抗譜分析、復(fù)雜阻抗測量、腐蝕監(jiān)視和儀器保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)和自動控制傳感器、無創(chuàng)檢測、原材料性能分析以及燃料和電池狀態(tài)監(jiān)測等眾多領(lǐng)域。為阻抗的測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部和虛部數(shù)據(jù)，大大的簡化了用戶編程過程，節(jié)省了開發(fā)時間。
2AD5933工作原理
2.1AD5933的參數(shù)設(shè)置
AD5933片上帶有一個27位的DDS來提供輸出特定頻率激勵信號。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可以實現(xiàn)0.1Hz的頻率分辨率，頻率分辨率是通過片上24位頻率增量寄存器來控制的。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)時鐘再乘以2的27次方。系統(tǒng)時鐘可以通過控制寄存器來設(shè)置是選擇外部時鐘還是內(nèi)部時鐘，AD5933的內(nèi)部時鐘為16MHz。還可以在寄存器88h和89h中設(shè)置頻率點個數(shù)。例如，如果用戶想測量150個頻率點，則用戶給88h和89h中分別存入00H和96H。當(dāng)這三個參數(shù)都設(shè)置好之后，可以通過給控制寄存器寫入起始頻率掃描命令來實現(xiàn)掃描初始化。當(dāng)完成每個頻率點的掃描后狀態(tài)寄存器的第二位將自動置位，可以通過查詢這位來判斷是否測量完成，用戶可以自行控制實現(xiàn)跳到下一個頻率點。測量結(jié)果的實部保存在94h和95h中，虛部保存在96h和97h中，這個結(jié)果應(yīng)該在跳到下一個頻率點之前讀出。如果想要多次測量同一個頻率點的值，以使得測量結(jié)果更加精確，只需在一次測量完成之后在控制寄存器中寫入重復(fù)當(dāng)前頻率命令字即可。當(dāng)所有的頻率點都掃描完時，狀態(tài)寄存器的第三位將被自動置位。一旦這位被置位后，將不能進(jìn)一步實現(xiàn)頻率掃描。
頻率掃描的具體過程包括三部分：
（1） 進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)模式，在寫入開始頻率掃描控制字到控制寄存器之前，首先要寫入
標(biāo)準(zhǔn)模式控制字到控制寄存器，在這個模式中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有直流偏置。
（2） 進(jìn)入初始化模式。在寫入開始頻率控制字到控制寄存器后將進(jìn)入初始化模式。
在這個模式下，電阻已經(jīng)被起始頻率信號激勵，但沒有進(jìn)行測量。用戶可以通過程序設(shè)置在寫入頻率掃描命令到控制寄存器來啟動進(jìn)入頻率掃描模式之前的時間。
（3） 進(jìn)入頻率掃描模式。用戶通過寫入頻率掃描控制字。在這個模式中，ADC在
設(shè)定時間周期過去之后開始測量。用戶可以通過在每個頻率點測量之前設(shè)置寄存器8Ah和8Bh的值來控制輸出頻率信號的周期數(shù)。
片上DDS輸出的信號通過一個可編程增益放大器，通過控制增益可以實現(xiàn)四個不同范
圍的峰峰值輸出。這個輸出范圍的控制是在控制寄存器的第9和第10位實現(xiàn)的。
在接收過程中，從電阻上得到的信號首先進(jìn)入電流電壓轉(zhuǎn)換放大器，后面緊跟的是一個可編程增益放大器，這個放大器的增益有5和1兩個值，可以通過設(shè)置控制寄存器的第8位來選擇。經(jīng)過可編程增益放大器之后的信號被ADC采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)送DSP進(jìn)行傅立葉變換。每個頻率采樣1024個點進(jìn)行傅立葉變換，變換的結(jié)果存儲在兩個16位的寄存器中代表變換后的實部和虛部，每個16位的寄存器分別為兩個8位的寄存器組成，這個將在下面的寄存器介紹中專門給出。
AD5933的系統(tǒng)時鐘可以通過兩個途徑給出。用戶可以在外部時鐘引腳MCLK接入一個高精度穩(wěn)定的時鐘。另外也可以使用AD5933內(nèi)部16.776MHz的時鐘。具體選擇哪個時鐘可以通過設(shè)置控制寄存器的第3位來實現(xiàn)。系統(tǒng)上電默認(rèn)為選擇內(nèi)部時鐘。
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