AD5933工作原理

1、AD5933芯片簡介AD5933是一種高精度阻抗數(shù)字直接變換系統(tǒng)，主要由一個(gè)12位、1MSPS的片上頻率發(fā)生器和一個(gè)片上模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC組成。頻率發(fā)生器可以產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)鼓勵(lì)外部復(fù)阻抗。復(fù)阻抗的響應(yīng)信號(hào)由片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣后，再通過片上上數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行離散傅立葉變換DFT。在每個(gè)輸出頻率，DFT運(yùn)算處理后都會(huì)返回一個(gè)實(shí)值R和虛值I。校正后，掃頻軌跡上的每個(gè)頻點(diǎn)的阻抗幅值和阻抗相對相位很容易計(jì)算。圖2.1給出了AD5933的封裝圖,表2.1給出了AD5933的引腳定義。引腳標(biāo)引腳標(biāo)耳耳引腳名引腳名稱稱引腳描述引腳描述L L 1 1 3,3,_ _NCNC?引腳?引腳?定義?定義

2、4 4RFE外部反應(yīng)電阻，連接在外部反應(yīng)電阻，連接在4 4和和5 5之間之間來設(shè)直接受調(diào)電端電來設(shè)直接受調(diào)電端電 壓轉(zhuǎn)排壓轉(zhuǎn)排放大器的增益放大器的增益5 5VIN輸輸入到接受阻抗轉(zhuǎn)換放大器入到接受阻抗轉(zhuǎn)換放大器, ,存在存在VDDVDD 2 2的參考睡的參考睡6VOUT鼓勵(lì)電壓輸出腳鼓勵(lì)電壓輸出腳8MCLK芯片外部時(shí)鐘輸入，由用戶提供芯片外部時(shí)鐘輸入，由用戶提供9 9DVDD數(shù)字電源數(shù)字電源1010AVDD1模擬電源模擬電源1 11111AVAV DD2DD2模擬電源模擬電源2 21212DGNDDGND數(shù)字地?cái)?shù)字地1313AGND1AGND1模擬地模擬地1 11414AGND2AGND2模擬

3、地模擬地2 21515SDASDArcrc數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸入口輸入口 . .需要需要lOkQlOkQ的上的上拉電阻拉電阻連接至連接至IJIJ VDDVDD1616SCLSCLFcFc時(shí)鐘輸入時(shí)鐘輸入口，口，需要需要IQkQIQkQ的上拉電阻連接到的上拉電阻連接到VDDVDD圖2.2為AD5933內(nèi)部框圖。ITLiw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。AD5933工作原理用AD5933來實(shí)現(xiàn)阻抗測量，這種測量方法實(shí)質(zhì)上是一種軟測量方法，即在待測變量難于直接測量的情況下，進(jìn)行與之相關(guān)的易測變量的測量，并

4、依據(jù)易測變量與待測變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用各種數(shù)學(xué)計(jì)算和估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)待測變量的測量10。AD5933有一個(gè)電壓輸出引腳Vout圖2.2。它能發(fā)出一定頻率的正弦掃描信號(hào)對外部阻 抗Z3進(jìn)行鼓勵(lì)。信號(hào)通過被測樣品后，再經(jīng)放大、濾波后被模數(shù)轉(zhuǎn)換器取樣，并進(jìn)行離 散傅立葉變換，最終計(jì)算出待測阻抗值。AD5933是通過芯片內(nèi)部的DDS直接數(shù)字合成器 來產(chǎn)生正弦掃描信號(hào)， 該信號(hào)具有小于1Hz的分辨率。為DDS提供時(shí)鐘頻率的，既可以是外部時(shí)鐘，也可以是內(nèi)置的振蕩器，可 通過軟件進(jìn)行設(shè)置。DDS合成的信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和放大后，即可變?yōu)闇y試需要的掃描激勵(lì)信號(hào)。該正弦鼓勵(lì)信號(hào)有四個(gè)幅值可供選擇，

5、其值分別為2v,1v,400mv,200mv。而這些信號(hào)的起始頻率，頻率的增加量，和增加的次數(shù)，必須預(yù)先確定，它們都可通過軟件進(jìn)行設(shè)定。 掃描鼓勵(lì)信號(hào)通過被測物后，再經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)AD轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。 在這個(gè)過程中，反應(yīng)電阻RFB的選取至關(guān)重要，必須保證輸入到AD轉(zhuǎn)換器的電壓，即Vout X Rf/ Z X PGA放大倍數(shù)，既不能超過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最大電壓，也不能太小見圖1。這是因?yàn)殡妷禾驛D轉(zhuǎn)換器那么會(huì)飽和，從而使信號(hào)失真。太小信號(hào)所含信息又不能夠被充 分利用。這兩種情況都會(huì)使AD轉(zhuǎn)換器不能工作在線性區(qū)域。我們必需通過選取適宜的反應(yīng) 電阻Rf,使VoutxRf/ Z X PGA

6、的數(shù)值處在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)以防止上述情況發(fā)生。AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)，直接進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行離散傅立葉變換DFT,傅立葉變換在每個(gè)掃描頻率點(diǎn)上進(jìn)行，其公式如下：GsAUVNIlfnrc接口實(shí)郃傅立葉轉(zhuǎn)拱W-MCLKMCLKSIHSIH溫度傳感普溫度傳感普AD 593 3PGAPGARFBRFB-0-11-RFRFXVIHVIH振薄需COSCOS砥宇合或砥宇合或口兒口兒。TOUTTOUTRoutRout1C23%()=V (x(n)(cos (n)- J sin (?)其中f是掃描點(diǎn)的頻率，x(n)是AD轉(zhuǎn)換器輸出值，而cos(n)和sin(n)是在頻率f下由DDS計(jì)算產(chǎn)生。計(jì)算的結(jié)果X (f)一般是一個(gè)復(fù)數(shù)。它的實(shí)部用R,虛部用I來表示。這些就 是建立被測阻抗數(shù)學(xué)模型所需的易測變量值。以下是詳細(xì)計(jì)算過程。幅值計(jì)算阻抗測量的第一步是在每個(gè)掃頻點(diǎn)，計(jì)算傅里葉變換的幅值，計(jì)算公式如下：幅值二JR，+ F上式中R為存儲(chǔ)在地址為0 x94和0 x95存放器中的實(shí)數(shù)；I為存儲(chǔ)在地址為0 x96和0 x97寄 存器中的虛數(shù)。RFBRFBVINVINVOUTVOUTAD5933AD5933TOPTOP VIE