阻抗測量芯片AD5933及其應(yīng)用
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2.2內(nèi)部寄存器定義及設(shè)置
AD5933片上有9個寄存器。這些寄存器分別實現(xiàn)不同的參數(shù)設(shè)置功能，表2中給出了它們的名稱、地址和讀寫特性。
表2內(nèi)部寄存器
起重大部分寄存器已經(jīng)在上面提到過了。首先主要介紹一下控制寄存器?？刂萍拇嫫髦饕獙崿F(xiàn)AD5933各參數(shù)的設(shè)置以及工作狀態(tài)的設(shè)定。表3給出了控制寄存器各個位的功能定義?？刂萍拇嫫饔蓛蓚€8位的寄存器組成，地址分別為80h和81h，在使用時，用戶可以只改變其中一個寄存器的值，而另外一個寄存器的值不變。當(dāng)給控制寄存器寫入復(fù)位命令時不會使得已經(jīng)編程好的和頻率掃描有關(guān)的設(shè)置復(fù)位，和頻率掃描有關(guān)的值為起始頻率，頻率增量和頻率點數(shù)。在復(fù)位命令之后，必須寫入開始頻率命令到控制寄存器來重新開始頻率掃描過程。上電之后控制寄存器的缺省值為A000H。
表3AD5933內(nèi)部寄存器位定義
除了控制寄存器外，需要注意的還有狀態(tài)寄存器，狀態(tài)寄存器的地址是8Fh。狀態(tài)寄存器來標(biāo)志測量的結(jié)束。D7到D0各位分別表示AD5933的不同功能狀態(tài)，其中D4至D7沒有實際意義，不表示任何測量狀態(tài)。(D0表示溫度測量 完成時，這位被置1)。D1表示一個頻率點的阻抗測量，當(dāng)完成當(dāng)前頻率點的阻抗測量時，這位被置1，同時表明實部和虛部數(shù)據(jù)寄存器中已經(jīng)存入測量結(jié)果。在接到開始，跳到下個頻率點，重復(fù)當(dāng)前頻率或復(fù)位等命令時該位被自動復(fù)位，在上電時這位也被復(fù)位。D2表示頻率掃描完成，當(dāng)所有的頻率點都測量結(jié)束時該位被置1，當(dāng)接受到復(fù)位命令或上電時這位被復(fù)位。
2.3AD5933與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸
AD5933與控制系統(tǒng)的通訊是用 實現(xiàn)的，作為 設(shè)備使用，遵守 通訊的時序。它有一個七位的設(shè)備地址0001101。當(dāng)控制系統(tǒng)寫入到AD5933時沒有什么特別說明的，當(dāng)從AD5933讀數(shù)據(jù)時，首先要寫入B0h到AD5933，然后寫入要讀出數(shù)據(jù)的寄存器地址，讀出寄存器的值。
2.4溫度測量實現(xiàn)
AD5933片上的溫度傳感器是一個13位的數(shù)字溫度傳感器，第14位是一個標(biāo)志位。溫度傳感器可以精確測量周圍器件的溫度。溫度傳感器的測量范圍是-40℃到+125℃,當(dāng)溫度達(dá)到+150℃時，當(dāng)工作在電壓和溫度的最大規(guī)格時，結(jié)構(gòu)完整性將受到破壞。測量溫度的精度為±2℃。
溫度測量過程的轉(zhuǎn)換時鐘由內(nèi)部產(chǎn)生，只有從串口讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)才需要外部時鐘。一般模式下，內(nèi)部時鐘自動完成轉(zhuǎn)換過程。默認(rèn)情況下溫度傳感器處于掉電狀態(tài)，要啟動溫度測量需要在控制寄存器中寫入溫度測量控制字，在測量完成后溫度傳感器自動關(guān)閉，直到下次接受到命令再啟動。用戶可以通過讀取狀態(tài)寄存器的值來檢查溫度測量是否結(jié)束，溫度測量的結(jié)果保存在92h和93h中。其中有14位是有用數(shù)據(jù)，最高兩位沒有意義。DB13是一個標(biāo)志位。表4中給出了部分測量數(shù)據(jù)與實際溫度的對應(yīng)關(guān)系。對于具體的溫度測量數(shù)據(jù)可以通過公式得到，如果測量溫度為正，則等于所得數(shù)據(jù)的十進(jìn)制表示值除以32。如果測量溫度值為負(fù)，且把DB13的值也計算在內(nèi)，則等于測得數(shù)據(jù)的十進(jìn)制值減去16384后再除以32，若不把DB13的值計算在內(nèi)，則等于測量數(shù)據(jù)的十進(jìn)制值減去8192后再除以32。
3阻抗測量過程實現(xiàn)
3.1AD5933測量阻抗模值計算
上面已經(jīng)提到在頻率掃描過程中，各個頻率點上都可以得到實部值R和虛部值I兩個值，通過它們可以計算傅立葉變換之后的模值，模值＝
。計算之前先把實部和虛部值用十進(jìn)制表示。但這只是傅立葉變換后的結(jié)果，要想得到阻抗的實際值必須乘以一個校準(zhǔn)系數(shù)，這里稱這個系數(shù)為增益系數(shù)。
下面給出一個計算增益系數(shù)的例子。當(dāng)輸出電壓范圍為2V，標(biāo)定電阻為200kΩ，可編程放大器設(shè)置為1，電流電壓轉(zhuǎn)換放大器增益電阻為200 kΩ，激勵頻率為30kHz，在這個頻率點上得到的實部和虛部值分別為F064、227E，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制分別為-3996、8830，則傅立葉變換后的模值＝
，則增益系數(shù)為標(biāo)定電阻的倒數(shù)除以計算得到的模值，即(1/200kΩ)/9692.106＝515.819E-12。
下面再給出一個已知增益系數(shù)、被測電阻的實部和虛部值計算被測電阻阻值的例子。假設(shè)被測電阻為510kΩ，激勵頻率為30kHz，測量得到的實部和虛部值分別為－1473和3507，則計算得到的模值為3802.863。電阻值＝1/(增益系數(shù)×模值)=1/(515.819E-12×3802.863) =509.791kΩ。
對于不同的測量頻率點增益系數(shù)是不同的，所以在不同的頻率點上要分別計算增益系數(shù)。
在測量過程中可以通過限制電阻的測量范圍來優(yōu)化測量性能。表4給出6個不同的阻抗范圍作為參考，它們所選擇的輸出電壓范圍均為2V，可編程增益放大器設(shè)置為1。
表4測量阻抗范圍設(shè)定
3.2相角計算及校準(zhǔn)
在阻抗測量過程中不僅僅要關(guān)注電阻的模值，還要知道相角的大小，相角值＝ 。和模值一樣相角也要進(jìn)行校準(zhǔn)。首先對標(biāo)定電阻進(jìn)行測量，得到標(biāo)定電阻的相角，測量電阻的實際相角等于測量計算得到的值減去標(biāo)定電阻的相角值。值得注意的是測量時通過 得到的相角是在-90º到+90º之間的，所以要根據(jù)R和I所決定的象限來把相角變換到所在象限內(nèi)。如果R<0，I>0則說明在第二象限，所以計算時要把相角加上180º；如果R<0，I<0則是在第三象限，計算時要把相角減去180 º。
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