1 AD5933芯片概述
1.1 主要性能
AD5933 是一款高精度的阻抗測(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：
? 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(guò)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(cè)量范圍為100Ω到10MΩ
? 內(nèi)部帶有溫度傳感器，測(cè)量誤差范圍為±2℃
? 帶有內(nèi)部時(shí)鐘
? 可以實(shí)現(xiàn)相位測(cè)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(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)。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(guò)片上24位頻率增量寄存器來(lái)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(guò)控制寄存器來(lái)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(cè)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(guò)給控制寄存器寫(xiě)入起始頻率掃描命令來(lái)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(guò)查詢這位來(lái)判斷是否測(cè)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(cè)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(cè)量同一個(gè)頻率點(diǎn)的值，以使得測(cè)量結(jié)果更加精確，只需在一次測(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。經(jīng)過(guò)可編程增益放大器之后的信號(hào)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(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(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、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。當(dāng)給控制寄存器寫(xiě)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(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。在接到開(kāi)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(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。溫度傳感器可以精確測(cè)量周圍器件的溫度。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最大規(guī)格時(shí)，結(jié)構(gòu)完整性將受到破壞。測(cè)量溫度的精度為±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)。用戶可以通過(guò)讀取狀態(tài)寄存器的值來(lái)檢查溫度測(cè)量是否結(jié)束，溫度測(cè)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(méi)有意義。DB13是一個(gè)標(biāo)志位。表4中給出了部分測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于具體的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過(guò)公式得到，如果測(cè)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(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
上面已經(jīng)提到在頻率掃描過(guò)程中，各個(gè)頻率點(diǎn)上都可以得到實(shí)部值R和虛部值I兩個(gè)值，通過(guò)它們可以計(jì)算傅立葉變換之后的模值，模值＝。計(jì)算之前先把實(shí)部和虛部值用十進(jìn)制表示。但這只是傅立葉變換后的結(jié)果，要想得到阻抗的實(shí)際值必須乘以一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)，這里稱這個(gè)系數(shù)為增益系數(shù)。
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)精確測(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。