CN0217 用12位阻抗轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高精度阻抗測量

CN0217 電路中可使用其他運算放大器，例如ADA4528-1、 AD8628、 AD8629、 AD8605 和 AD8606。 系統(tǒng)應(yīng)用的切換選項 對于這個特定電路，ZUNKNOWN 和 RCAL 可手動互換。但在生產(chǎn)中應(yīng)使用低導(dǎo)通電阻開關(guān)，開關(guān)的選擇取決于未知阻抗范圍的大小以及所需測量結(jié)果精度。此文件中的示例僅使用一個校準(zhǔn)電阻，故可如圖13所示使用ADG849 等低導(dǎo)通電阻開關(guān)。還可使用四通道ADG812 等多通道開關(guān)解決方案。ZUNKNOWN 上的開關(guān)電阻所引起的誤差在校準(zhǔn)期間消除，但通過選擇超低RON開關(guān)，可進(jìn)一步充分降低這些效應(yīng)。? ? 圖13. 使用ADG849超低RON SPDT開關(guān)切換RCAL和未知Z（原理示意圖，未顯示所有連接和去耦） ? AD5933和AD5934提供四個可編程輸出電壓范圍，各具有一個相關(guān)的輸出阻抗。例如，1.98V p-p 輸出電壓的輸出阻抗一般為200 Ω（見表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 此輸出阻抗會影響測量精度，在低kΩ范圍內(nèi)尤為突出，故在增益系數(shù)計算時應(yīng)將其考慮在內(nèi)。有關(guān)增益系數(shù)計算的詳情，請參見AD5933或AD5934數(shù)據(jù)手冊。在信號鏈內(nèi)的簡易緩沖器可防止輸出阻抗影響未知的阻抗測量。在挑選低輸出阻抗放大器時，應(yīng)保證足夠的帶寬來適應(yīng)AD5933/AD5934的激勵頻率。針對AD8605/ AD8606/AD8608系列CMOS運算放大器，低輸出阻抗的一個實現(xiàn)示例如圖2所示。在AV=1時，此放大器的輸出阻抗小于1 Ω（最高100 kHz），這是AD5933/AD5934的最高工作范圍。 圖2. AD8605/AD8606/AD8608的輸出阻抗 ? 發(fā)射級和接收級的直流偏置匹配 AD5933/ AD5934四個可編程輸出電壓范圍具有四個相關(guān)偏置電壓（表2）例如，1.98 V p-p激勵電壓的偏壓為1.48 V。但是，如圖1所示，AD5933/AD5934的電流-電壓（I-V）接收級設(shè)為固定偏壓VDD/2。因此，對于3.3V電源，發(fā)射偏壓為1.48 V，而接收偏壓為3.3 V/2 = 1.65 V。此電位差會引起測試中阻抗極化，并可導(dǎo)致阻抗測量不準(zhǔn)確。 一種解決方案是添加一個在低Hz范圍內(nèi)具有轉(zhuǎn)折頻率的簡單高通濾波器。消除發(fā)射級的直流偏置，并將交流信號重新偏置至VDD/2，在整個信號鏈中保持直流電平恒定。 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 選擇針對接收級優(yōu)化的I-V緩沖器 AD5933/AD5934的電流-電壓（I-V）放大級還可能輕微增加信號鏈的不準(zhǔn)確性。I-V轉(zhuǎn)換級易受放大器的偏置電流、失調(diào)電壓和CMRR影響。通過選擇適當(dāng)?shù)耐獠糠至⒎糯笃鱽韴?zhí)行I-V轉(zhuǎn)換，用戶可挑選一個具有低偏置電流和失調(diào)電壓規(guī)格、出色CMRR的放大器，提高I-V轉(zhuǎn)換的精度。該內(nèi)部放大器隨后可配置成一個簡單的反相增益級。 如AD5933/AD5934數(shù)據(jù)手冊中所述，電阻RFB仍根據(jù)系統(tǒng)的整體增益來選擇。 高精度阻抗測量的優(yōu)化信號鏈 圖1所示為測量低阻抗傳感器的建議配置。交流信號先經(jīng)過高通濾波并重新偏壓，之后利用一個超低輸出阻抗放大器進(jìn)行緩沖。在外部完成I-V轉(zhuǎn)換后信號返回至AD5933/AD5934接收級。決定所需緩沖器的關(guān)鍵規(guī)格有超低輸出阻抗、單電源供電能力、低偏置電流、低失調(diào)電壓及出色的CMMR性能。一些推薦器件包括ADA4528-1,AD8628/AD8629、AD8605和AD8606。根據(jù)電路板布局，可使用單通道或雙通道放大器。偏置電阻（50kΩ）和增益電阻（20 kΩ和RFB）兩者均使用精度0.1%的電阻以降低不準(zhǔn)確性。 圖1所示的原理圖可用來改善阻抗測量精度，并采取一些示例性措施。AD8606雙通道放大器在發(fā)射路徑上緩沖信號，并將接收信號從電流轉(zhuǎn)換成電壓。對于所示的三個示例，每次遞增頻率來計算增益系數(shù)，以消除頻率相關(guān)誤差。有關(guān)此解決方案的完整設(shè)計包，包括原理圖、材料清單、布局和Gerber文件，請登錄 http://www.analog.com/zh/CN0187-DesignSupport。所用軟件和評估板附帶的軟件相同，可訪問AD5933和AD5934產(chǎn)品頁面獲取。 示例1：低阻抗范圍 Table 3. 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) 圖3、圖4及圖5所示為低阻抗測量的結(jié)果。圖5表示10.3 Ω測量并在擴展縱坐標(biāo)上顯示。 精度實現(xiàn)水平很大程度上取決于未知阻抗范圍相對于校準(zhǔn)電阻RCAL的大小幅度。因此，在此示例中，10.3 Ω的未知阻抗測量測得10.13 Ω，誤差約2%。選擇接近未知阻抗的RCAL可實現(xiàn)更精確的測量，即以RCAL為中心的未知阻抗范圍越小，測量精度越高。因此，對于更大未知阻抗范圍，可在各種RCAL電阻中切換以使用外部開關(guān)分解未知阻抗范圍。在RCAL增益系數(shù)計算期間可通過校準(zhǔn)消除開關(guān)的RON誤差。使用開關(guān)選擇各種RFB值可優(yōu)化ADC所示的信號動態(tài)范圍。 還應(yīng)注意，要實現(xiàn)更大范圍的測量，還可使用200 mV p-p范圍。如果未知Z范圍較小，可使用更大的輸出電壓范圍來優(yōu)化ADC動態(tài)范圍。 ? 圖3.低阻抗幅度測量結(jié)果 ? 圖4.低阻抗相位測量結(jié)果 ? 圖5. 10.3 Ω幅度測量結(jié)果（擴展坐標(biāo)） ? 示例2：kΩ阻抗范圍 使用99.85 kΩ的 RCAL ，根據(jù)表2所示的設(shè)置條件可測得更寬的未知阻抗范圍。圖6至10記錄精度結(jié)果。要提高整體精度，請選擇更接近未知阻抗的RCAL 值。例如，在圖9中，需要更接近217.5 kΩ ZC 值的 RCAL 。如果未知阻抗范圍較大，請使用多個 RCAL 電阻。 Table 4. 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 k? R1 = 29.88 k? R2 = 14.95 k? R3 = 8.21 k? R4 = 217.25 k? C5 = 150 pF (ZC = 26.5 k? at 40 kHz) C6 = 47pF (ZC = 84.6 k? at 40 kHz) ? 圖6. ZCCAL = 99.85 kΩ時的幅度結(jié)果 ? 圖7. ZC = 47 pF、RCAL = 99.85 kΩ時的相位結(jié)果 ? 圖 8. ZC = 8.21 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ ? 圖 9. ZC = 217.25 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ ? 圖10. 示例2的幅度結(jié)果：R1、R2、R3、C5、C6 ? 示例3：并行R-C（R||C）測量 R||C型結(jié)構(gòu)也通常用于測量，，采用1 kΩ的RCAL、10 kΩ的R和10 nF的C，在頻率范圍4 kHz至100 kHz內(nèi)進(jìn)行測量。圖11和12所示曲線表示幅度和相位結(jié)果和理想值的關(guān)系。 Table 5. 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 k? C = 10 nF ? 圖11. ZC = 10 kΩ||10 nF, RCAL = 1 kΩ時的幅度結(jié)果 ? 圖12. ZC = 10 kΩ||10 nF, RCAL = 1 kΩ時的相位結(jié)果 ? 設(shè)置和測試 The evaluation software is that used on the EVAL-AD5933EBZ application board. Please refer to the technical note available on the CD provided for details on the board setup. Note that there are alterations to the schematic. Link connections on the EVAL-AD5933EBZ board are listed below in Table 4. Also note that the location for RFB is located at R3 on the evaluation board, and the location for ZUNKNOWN is C4. Complete setup and operation for the hardware and software for the evaluation board can be found in User GuideUG-364. Table 6. Link Connections for EVAL-AD5933EBZ Link Number Default Position LK1 Open LK2 Open LK3 Insert LK4 Open LK5 Insert LK6 A CN0217 CN0217 用12位阻抗轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高精度阻抗測量 CN0217 | circuit note and reference circuit info 用12位阻抗轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高精度阻抗測量 | Analog Devices AD5933和AD5934是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案，集片內(nèi)可編程頻率發(fā)生器與12位、1 MSPS（AD5933）或250 kSPS（AD5934）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)于一身。可調(diào)頻率發(fā)生器產(chǎn)生已知頻率來激勵外部復(fù)阻抗。 圖1所示電路在低歐姆范圍直至數(shù)百kΩ范圍內(nèi)產(chǎn)生精確的阻抗測量，同時還優(yōu)化了AD5933/AD5934的整體精度。 圖1. 優(yōu)化信號鏈以提高阻抗測量精度（原理示意圖，未顯示所有連接和去耦） ? CN0217 AD5933 和 AD5934 是一款高精度的阻抗

• 高精度阻抗測量
• 采用內(nèi)部頻率發(fā)生器進(jìn)行復(fù)雜的阻抗測量
• 最多可測量幾百k-ohm

(analog)