AD5933阻抗測量芯片原理及其應(yīng)用

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(gè)頻率發(fā)生器可以產(chǎn)生特定的頻率來激勵(lì)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(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。其中模＝，相角＝。
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)備通過口和主機(jī)通訊，實(shí)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(shí)鐘
? 可以實(shí)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
1.2??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(dòng)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(shí)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(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來提供輸出特定頻率激勵(lì)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)鐘再乘以2的27次方。系統(tǒng)時(shí)鐘可以通過控制寄存器來設(shè)置是選擇外部時(shí)鐘還是內(nèi)部時(shí)鐘，AD5933的內(nèi)部時(shí)鐘為16MHz。還可以在寄存器88h和89h中設(shè)置頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)。例如，如果用戶想測量150個(gè)頻率點(diǎn)，則用戶給88h和89h中分別存入00H和96H。當(dāng)這三個(gè)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(shí)現(xiàn)掃描初始化。當(dāng)完成每個(gè)頻率點(diǎn)的掃描后狀態(tài)寄存器的第二位將自動(dòng)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(shí)現(xiàn)跳到下一個(gè)頻率點(diǎn)。測量結(jié)果的實(shí)部保存在94h和95h中，虛部保存在96h和97h中，這個(gè)結(jié)果應(yīng)該在跳到下一個(gè)頻率點(diǎn)之前讀出。如果想要多次測量同一個(gè)頻率點(diǎn)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(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(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(gè)模式下，電阻已經(jīng)被起始頻率信號激勵(lì)，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(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。用戶通過寫入頻率掃描控制字。在這個(gè)模式中，ADC在
設(shè)定時(shí)間周期過去之后開始測量。用戶可以通過在每個(gè)頻率點(diǎn)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(gè)可編程增益放大器，通過控制增益可以實(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(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(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門給出。
AD5933的系統(tǒng)時(shí)鐘可以通過兩個(gè)途徑給出。用戶可以在外部時(shí)鐘引腳MCLK接入一個(gè)高精度穩(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)鐘可以通過設(shè)置控制寄存器的第3位來實(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、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?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?？刂萍拇嫫饔蓛蓚€(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。當(dāng)給控制寄存器寫入復(fù)位命令時(shí)不會(huì)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(diǎn)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(shí)際意義，不表示任何測量狀態(tài)。(D0表示溫度測量 完成時(shí)，這位被置1)。D1表示一個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗測量，當(dāng)完成當(dāng)前頻率點(diǎn)的阻抗測量時(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)存入測量結(jié)果。在接到開始，跳到下個(gè)頻率點(diǎn)，重復(fù)當(dāng)前頻率或復(fù)位等命令時(shí)該位被自動(dòng)復(fù)位，在上電時(shí)這位也被復(fù)位。D2表示頻率掃描完成，當(dāng)所有的頻率點(diǎn)都測量結(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)寫入到AD5933時(shí)沒有什么特別說明的，當(dāng)從AD5933讀數(shù)據(jù)時(shí)，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(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(shí)，當(dāng)工作在電壓和溫度的最大規(guī)格時(shí)，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(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(dòng)關(guān)閉，直到下次接受到命令再啟動(dòng)。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(gè)標(biāo)志位。表4中給出了部分測量數(shù)據(jù)與實(shí)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(jì)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(jì)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。