1  AD5933芯片概述

　　1.1  主要性能

　　AD5933 是一款高的阻抗測(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.

　　AD5933主要具有以下特性:

　　1 可編程的頻率發(fā)生器,頻率可達(dá)100KHz

　　2 作為設(shè)備通過(guò)口和主機(jī)通訊,實(shí)現(xiàn)頻率掃面控制

　　3 頻率分辨率為27位(<0.1Hz)

　　4 阻抗測(cè)量范圍為100Ω到10MΩ

　　5 內(nèi)部帶有溫度傳感器,測(cè)量誤差范圍為±2℃

　　6 帶有內(nèi)部時(shí)鐘

　　7 可以實(shí)現(xiàn)相位測(cè)量

　　8 系統(tǒng)為0.5%

　　9 可供選擇的電源范圍為2.7V到5V

　　10 正常工作的溫度范圍-40℃到+125℃

　　11 16腳SSOP封裝

　　1.2  AD5933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1  AD5933引腳排列

　　　表1  AD5933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.

　　2  AD5933工作原理

　　2.1  AD5933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).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,只需在測(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.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(zhuān)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.

　　2.2  內(nèi)部寄存器定義及設(shè)置

　　AD5933片上有9個(gè)寄存器.這些寄存器分別實(shí)現(xiàn)不同的參數(shù)設(shè)置功能,表2中給出了它們的名稱(chēng)、地址和讀寫(xiě)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(guò)了.首先主要介紹一下控制寄存器.控制寄存器主要實(shí)現(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(gè)位的功能定義.控制寄存器由兩個(gè)8位的寄存器組成,地址分別為80h和81h,在使用時(shí),用戶可以只改變其中一個(gè)寄存器的值,而另外一個(gè)寄存器的值不變.在復(fù)位命令之后,必須寫(xiě)入開(kāi)始頻率命令到控制寄存器來(lái)重新開(kāi)始頻率掃描過(guò)程.上電之后控制寄存器的缺省值為A000H.

　　　表3  AD5933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(lái)標(biāo)志測(cè)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(méi)有實(shí)際意義,不表示任何測(cè)量狀態(tài).(D0表示溫度測(cè)量完成時(shí),這位被置1).D1表示一個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗測(cè)量,當(dāng)完成當(dāng)前頻率點(diǎn)的阻抗測(cè)量時(shí),這位被置1,同時(shí)表明實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)寄存器中已經(jīng)存入測(cè)量結(jié)果.D2表示頻率掃描完成,當(dāng)所有的頻率點(diǎn)都測(cè)量結(jié)束時(shí)該位被置1,當(dāng)接受到復(fù)位命令或上電時(shí)這位被復(fù)位.

　　2.3  AD5933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(shí)現(xiàn)的,作為 設(shè)備使用,遵守通訊的時(shí)序.它有一個(gè)七位的設(shè)備地址0001101.當(dāng)控制系統(tǒng)寫(xiě)入到AD5933時(shí)沒(méi)有什么特別說(shuō)明的,當(dāng)從AD5933讀數(shù)據(jù)時(shí),首先要寫(xiě)入B0h到 AD5933,然后寫(xiě)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(cè)量實(shí)現(xiàn)

　　AD5933片上的溫度傳感器是一個(gè)13位的數(shù)字溫度傳感器,第14位是一個(gè)標(biāo)志位.溫度傳感器可以測(cè)量周?chē)骷臏囟?溫度傳感器的測(cè)量范圍是-40℃到+125℃,當(dāng)溫度達(dá)到+150℃時(shí),當(dāng)工作在電壓和溫度的規(guī)格時(shí),結(jié)構(gòu)完整性將受到破壞.測(cè)量溫度的為±2℃.

　　溫度測(cè)量過(guò)程的轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)鐘.一般模式下,內(nèi)部時(shí)鐘自動(dòng)完成轉(zhuǎn)換過(guò)程.默認(rèn)情況下溫度傳感器處于掉電狀態(tài),要啟動(dòng)溫度測(cè)量需要在控制寄存器中寫(xiě)入溫度測(cè)量控制字,在測(cè)量完成后溫度傳感器自動(dòng)關(guān)閉,直到下次接受到命令再啟動(dòng).如果測(cè)量溫度值為負(fù),且把DB13的值也計(jì)算在內(nèi),則等于測(cè)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(jì)算在內(nèi),則等于測(cè)量數(shù)據(jù)的十進(jìn)制值減去8192后再除以32.

　　3  阻抗測(cè)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)

　　3.1  AD5933測(cè)量阻抗模值計(jì)算

　　在具有電阻、電感和電容的電路里,對(duì)交流電所起的阻礙作用叫做阻抗.阻抗常用Z表示,是一個(gè)復(fù)數(shù),實(shí)部稱(chēng)為電阻,虛部稱(chēng)為電抗,其中電容在電路中對(duì)交流電所起的阻礙作用稱(chēng)為容抗 ,電感在電路中對(duì)交流電所起的阻礙作用稱(chēng)為感抗,電容和電感在電路中對(duì)交流電引起的阻礙作用總稱(chēng)為電抗. 阻抗的單位是歐.

　　下面給出一個(gè)計(jì)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(lì)頻率為30kHz,在這個(gè)頻率點(diǎn)上得到的實(shí)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(jì)算得到的模值,即(1/200kΩ)/9692.106=515.819E-12.

　　下面再給出一個(gè)已知增益系數(shù)、被測(cè)電阻的實(shí)部和虛部值計(jì)算被測(cè)電阻阻值的例子.假設(shè)被測(cè)電阻為510kΩ,激勵(lì)頻率為30kHz,測(cè)量得到的實(shí)部和虛部值分別為-1473和3507,則計(jì)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(duì)于不同的測(cè)量頻率點(diǎn)增益系數(shù)是不同的,所以在不同的頻率點(diǎn)上要分別計(jì)算增益系數(shù).

　　在測(cè)量過(guò)程中可以通過(guò)限制電阻的測(cè)量范圍來(lái)優(yōu)化測(cè)量性能.表4給出6個(gè)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(cè)量阻抗范圍設(shè)定

　　　3.2  相角計(jì)算及校準(zhǔn)

　　在阻抗測(cè)量過(guò)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(duì)標(biāo)定電阻進(jìn)行測(cè)量,得到標(biāo)定電阻的相角,測(cè)量電阻的實(shí)際相角等于測(cè)量計(jì)算得到的值減去標(biāo)定電阻的相角值.值得注意的是測(cè)量時(shí)通過(guò)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(lái)把相角變換到所在象限內(nèi).如果R<0,I>0則說(shuō)明在第二象限,所以計(jì)算時(shí)要把相角加上180o;如果R<0,I<0則是在第三象限,計(jì)算時(shí)要把相角減去180 o.

　　4  單片機(jī)控制的阻抗測(cè)量系統(tǒng)

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用單片機(jī)控制AD5933實(shí)現(xiàn)阻抗測(cè)量的系統(tǒng).單片機(jī)選擇的ADI公司的ADμC848.單片機(jī)和AD5933通過(guò) 串口實(shí)現(xiàn)通訊,單片機(jī)控制對(duì)AD5933的工作模式設(shè)置,控制測(cè)量過(guò)程,讀取測(cè)量結(jié)果,并通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī).

　　4.1 硬件電路

　　系統(tǒng)采用電池供電,又MAX603實(shí)現(xiàn)把四節(jié)1.5V電池串聯(lián)后的電壓變到5V.在AD5933的 RFB和VIN之間接入電流電壓轉(zhuǎn)換電阻,這個(gè)電阻的值是可以按照上面提到的設(shè)置測(cè)量電阻的范圍的方法來(lái)設(shè)定的.在VIN和VOUT之間接入的是被測(cè)電阻,測(cè)量之前先大致估計(jì)一下測(cè)量電阻的范圍,然后來(lái)選擇相應(yīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電阻的大小.在測(cè)量被測(cè)電阻之前,首先要用已知阻值的電阻進(jìn)行標(biāo)定,得到模值和相角的基準(zhǔn).單片機(jī)把從AD5933讀到的阻抗測(cè)量結(jié)果的實(shí)部和虛部通過(guò)串口傳到上位機(jī),又上位機(jī)根據(jù)上面提到的公式,計(jì)算得到阻抗值.圖2中給出了電路連接的原理圖.

　　　圖2  系統(tǒng)硬件電路圖

　　4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　圖3中給出了系統(tǒng)測(cè)量的軟件流程圖.這是完成單個(gè)阻抗測(cè)量的過(guò)程.測(cè)量后得到的實(shí)部和虛部結(jié)果都是十六進(jìn)制表示.用單片機(jī)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)后進(jìn)行后續(xù)的處理.每個(gè)頻率點(diǎn)上都要首先對(duì)標(biāo)定電阻進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算,然后再以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算被測(cè)電阻.

　　　圖3  系統(tǒng)軟件流程

    5  小結(jié)

　　　　本文介紹了阻抗測(cè)量芯片AD5933,它是一款可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量的高集成度的芯片,大大簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)的電路和數(shù)據(jù)處理過(guò)程.本文對(duì)其性能、參數(shù)設(shè)置和具體測(cè)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹,并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)其控制.為阻抗測(cè)量提供了一個(gè)比較方便、使用的解決方案.