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AD5933 和 AD5934 是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案，集片內(nèi)可編程頻率發(fā)生器與12位、1 MSPS（AD5933）或250 kSPS（AD5934）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)于一身。可調(diào)頻率發(fā)生器產(chǎn)生已知頻率來激勵(lì)外部復(fù)阻抗。 圖1所示電路在低歐姆范圍直至數(shù)百kΩ范圍內(nèi)產(chǎn)生精確的阻抗測(cè)量，同時(shí)還優(yōu)化了AD5933/AD5934的整體精度。 
圖1 優(yōu)化信號(hào)鏈以提高阻抗測(cè)量精度 AD5933和AD5934提供四個(gè)可編程輸出電壓范圍，各具有一個(gè)相關(guān)的輸出阻抗。例如，1.98V p-p 輸出電壓的輸出阻抗一般為200 Ω（見表1）。 
此輸出阻抗會(huì)影響測(cè)量精度，在低kΩ范圍內(nèi)尤為突出，故在增益系數(shù)計(jì)算時(shí)應(yīng)將其考慮在內(nèi)。有關(guān)增益系數(shù)計(jì)算的詳情，請(qǐng)參見AD5933或AD5934數(shù)據(jù)手冊(cè)。在信號(hào)鏈內(nèi)的簡(jiǎn)易緩沖器可防止輸出阻抗影響未知的阻抗測(cè)量。在挑選低輸出阻抗放大器時(shí)，應(yīng)保證足夠的帶寬來適應(yīng)AD5933/AD5934的激勵(lì)頻率。針對(duì) AD8605/ AD8606/ AD8608 系列CMOS運(yùn)算放大器，低輸出阻抗的一個(gè)實(shí)現(xiàn)示例如圖2所示。在AV=1時(shí)，此放大器的輸出阻抗小于1 Ω（最高100 kHz），這是AD5933/AD5934的最高工作范圍。
圖2 AD8605/ AD8606/ AD8608的輸出阻抗 放大發(fā)射級(jí)和接收級(jí)的直流偏置匹配 AD5933/ AD5934四個(gè)可編程輸出電壓范圍具有四個(gè)相關(guān)偏置電壓，例如1.98 V p-p激勵(lì)電壓的偏壓為1.48 V。但是，如圖1所示，AD5933/AD5934的電流-電壓（I-V）接收級(jí)設(shè)為固定偏壓VDD/2。因此，對(duì)于3.3 V電源，發(fā)射偏壓為1.48 V，而接收偏壓為3.3 V/2 = 1.65 V。此電位差會(huì)引起測(cè)試中阻抗極化，并可導(dǎo)致阻抗測(cè)量不準(zhǔn)確。 一種解決方案是添加一個(gè)在低Hz范圍內(nèi)具有轉(zhuǎn)折頻率的簡(jiǎn)單高通濾波器。消除發(fā)射級(jí)的直流偏置，并將交流信號(hào)重新偏置至VDD/2，在整個(gè)信號(hào)鏈中保持直流電平恒定。 選擇針對(duì)接收級(jí)優(yōu)化的I-V緩沖器 AD5933/AD5934的電流-電壓（I-V）放大級(jí)還可能輕微增加信號(hào)鏈的不準(zhǔn)確性。I-V轉(zhuǎn)換級(jí)易受放大器的偏置電流、失調(diào)電壓和CMRR影響。通過選擇適當(dāng)?shù)耐獠糠至⒎糯笃鱽韴?zhí)行I-V轉(zhuǎn)換，用戶可挑選一個(gè)具有低偏置電流和失調(diào)電壓規(guī)格、出色CMRR的放大器，提高I-V轉(zhuǎn)換的精度。該內(nèi)部放大器隨后可配置成一個(gè)簡(jiǎn)單的反相增益級(jí)。 高精度阻抗測(cè)量的優(yōu)化信號(hào)鏈 圖1所示為測(cè)量低阻抗傳感器的建議配置。交流信號(hào)先經(jīng)過高通濾波并重新偏壓，之后利用一個(gè)超低輸出阻抗放大器進(jìn)行緩沖。在外部完成I-V轉(zhuǎn)換后信號(hào)返回至AD5933/AD5934接收級(jí)。決定所需緩沖器的關(guān)鍵規(guī)格有超低輸出阻抗、單電源供電能力、低偏置電流、低失調(diào)電壓及出色的CMMR性能。一些推薦器件包括ADA4528-1, AD8628/AD8629、AD8605和AD8606。根據(jù)電路板布局可使用單通道或雙通道放大器，偏置電阻（50 kΩ）和增益電阻（20 kΩ和RFB）兩者均使用精度0.1%的電阻以降低不準(zhǔn)確性。 圖1所示的原理圖可用來改善阻抗測(cè)量精度，并采取一些示例性措施。AD8606雙通道放大器在發(fā)射路徑上緩沖信號(hào)，并將接收信號(hào)從電流轉(zhuǎn)換成電壓。對(duì)于所示的三個(gè)示例，每次遞增頻率來計(jì)算增益系數(shù)，以消除頻率相關(guān)誤差。有關(guān)此解決方案的完整設(shè)計(jì)包，包括原理圖、材料清單、布局和Gerber文件， 圖3、圖4及圖5所示為低阻抗測(cè)量的結(jié)果。圖5表示10.3 Ω測(cè)量并在擴(kuò)展縱坐標(biāo)上顯示。
圖3 低阻抗幅度測(cè)量結(jié)果
圖4 低阻抗相位測(cè)量結(jié)果
圖5 10.3 Ω幅度測(cè)量結(jié)果（擴(kuò)展坐標(biāo)） 示例1：低阻抗范圍 精度實(shí)現(xiàn)水平很大程度上取決于未知阻抗范圍相對(duì)于校準(zhǔn)電阻RCAL的大小幅度。因此，在此示例中，10.3 Ω的未知阻抗測(cè)量測(cè)得10.13 Ω，誤差約2%。選擇接近未知阻抗的RCAL可實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量，即以RCAL為中心的未知阻抗范圍越小，測(cè)量精度越高。因此，對(duì)于更大未知阻抗范圍，可在各種RCAL電阻中切換以使用外部開關(guān)分解未知阻抗范圍。在RCAL增益系數(shù)計(jì)算期間可通過校準(zhǔn)消除開關(guān)的RON誤差。使用開關(guān)選擇各種RFB值可優(yōu)化ADC所示的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。 還應(yīng)注意，要實(shí)現(xiàn)更大范圍的測(cè)量，還可使用200 mV p-p范圍。如果未知Z范圍較小，可使用更大的輸出電壓范圍來優(yōu)化ADC動(dòng)態(tài)范圍。 示例2：kΩ阻抗范圍 使用99.85 kΩ的 RCAL ，根據(jù)表2所示的設(shè)置條件可測(cè)得更寬的未知阻抗范圍。圖6至8記錄精度結(jié)果。要提高整體精度，請(qǐng)選擇更接近未知阻抗的 RCAL 值。如果未知阻抗范圍較大，請(qǐng)使用多個(gè) RCAL 電阻。
圖6 ZCCAL = 99.85 kΩ時(shí)的幅度結(jié)果
圖7 ZC = 47 pF、RCAL = 99.85 kΩ時(shí)的相位結(jié)果 設(shè)置和測(cè)試 EVAL-CN0217-EB1Z軟件和EVAL-AD5933EBZ應(yīng)用板上所用的相同。有關(guān)電路板設(shè)置的詳情，參見光盤內(nèi)技術(shù)筆記。注意原理圖有改動(dòng)。EVAL-CN0217-EB1Z板上的鏈接如表4所示。還應(yīng)注意，RFB在評(píng)估板上位于R3，而 ZUNKNOWN 位于C4。
常見變化 電路中可使用其他運(yùn)算放大器，例如ADA4528-1、AD8628、AD8629、AD8605和AD8608。
圖 8 ZC = 8.21 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ 系統(tǒng)應(yīng)用的切換選項(xiàng) 對(duì)于這個(gè)特定電路，ZUNKNOWN 和 RCAL 可手動(dòng)互換。但在生產(chǎn)中應(yīng)使用低導(dǎo)通電阻開關(guān)，開關(guān)的選擇取決于未知阻抗范圍的大小以及所需測(cè)量結(jié)果精度。此文件中的示例僅使用一個(gè)校準(zhǔn)電阻，故可如圖9所示使用ADG849 等低導(dǎo)通電阻開關(guān)。還可使用四通道ADG812 等多通道開關(guān)解決方案。ZUNKNOWN 上的開關(guān)電阻所引起的誤差在校準(zhǔn)期間消除，但通過選擇超低RON開關(guān)，可進(jìn)一步充分降低這些效應(yīng)。
圖9 使用ADG849超低RON SPDT開關(guān)切換RCAL和未知Z（原理示意圖，未顯示所有連接和去耦） 應(yīng)用 • 電子測(cè)試和測(cè)量 |
