作者:Gustavo.Castro
需要測量阻抗(電路中電壓和電流之間的關(guān)系)的應(yīng)用需求持續(xù)增加,因此,ADI開發(fā)了多款阻抗測量IC,如AD5933和ADuCM350,這些產(chǎn)品獲得了廣泛的市場認(rèn)可。然而,這些器件并不能滿足所有應(yīng)用的需求,設(shè)計人員仍然面臨著使用標(biāo)準(zhǔn)組件設(shè)計這種測量能力的挑戰(zhàn)。其中一些人面對這些選擇和挑戰(zhàn)可能會有點無所適從。
讓我們從基礎(chǔ)開始,看看現(xiàn)代IC可以做些什么。雖然大多數(shù)人都從電壓電流比的角度來考慮阻抗,但從電路的角度來說,它可以歸結(jié)為兩個電壓信號以及一個已知阻抗和一個未知阻抗之間的關(guān)系。例如,要通過未知電阻RU施加電流,我們可以將該電阻放置在具有已知電壓vi和第二個已知電阻R的電路中,這會形成一個分壓器,輸出電壓為vo,可針對RU求解:
為了獲得精確比率測量,vo相對于vi來說不應(yīng)太小,也不應(yīng)幾乎相等。在用交流信號操作時,這種非常簡單的方法適用于任何阻抗,但隨著頻率提高,容易產(chǎn)生測量誤差和電路寄生效應(yīng)。
另一個典型的例子是將已知和未知的電路元件放置在惠斯通電橋中,并通過調(diào)整可變元件使輸出信號為零。在平衡點(信號為零時),可以使用已知的電橋元件值來計算未知阻抗。這種方法得到的結(jié)果非常精確,但需要對體積大、價格昂貴的可變電容、電感和電阻進(jìn)行手動操作,因此在許多應(yīng)用中都不實用。
與經(jīng)典方法相比,改進(jìn)方法包括電橋的自動化和電阻元件的使用。這可以通過插入一個控制元件代替零值檢波器來驅(qū)動電橋的一個臂。這種方法被稱為“自動平衡電橋”,可以通過一個簡單的運算放大器來實現(xiàn)。由于這種方法使零點幾乎保持恒定,因此降低了測量未知阻抗上電壓的CMRR要求。運算放大器雖然簡單,但需要在整個頻率范圍內(nèi)保持高增益,并且它的輸出應(yīng)該能處理電源輸出的電流。一些選擇可用于在高達(dá)10MHz或以上的頻率下測量阻抗,如LTC6268、ADA4817-1、LTC6252和ADA4625-1。AD8250、AD8251、AD8429或AD8421等高速儀表放大器可以使用差分法檢測未知電壓,從而避免產(chǎn)生寄生效應(yīng),并減少因運算放大器零點誤差而引起的測量誤差。
下一個挑戰(zhàn)是尋找已知阻抗和未知阻抗發(fā)出的信號之間的幅度和相位關(guān)系。18位精度的高速ADC(如AD4003或LTC2387-18)讓設(shè)計人員能夠?qū)@些波形進(jìn)行數(shù)字化處理,以提取他們在數(shù)字域的關(guān)系。與在模擬域進(jìn)行同樣的操作相比,這種方式有幾個優(yōu)點:獲得的結(jié)果更精確、PCB面積更小且系統(tǒng)更可靠。最后,使用AD9834等DDS芯片形成測量前端,可以大大簡化激勵信號的產(chǎn)生過程。
您在設(shè)計阻抗測量系統(tǒng)時遇到過類似挑戰(zhàn)嗎?您正在處理包含這些挑戰(zhàn)的項目嗎?請告訴我們!
本文轉(zhuǎn)自:【工程師博客】精確測量阻抗所面臨的挑戰(zhàn)
審核編輯:何安
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