基于AD5933的阻抗频谱测试系统设计与实现

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1、http://www.paper.edu.cn基于AD5933的阻抗频谱测试系统设计与实现黎步银，黄兆祥，幸会，刘志军（华中科技大学电子科学与技术系，武汉430074）摘要：通过对元件进行阻抗频谱的测量，可以获取元件更有价值的数据。本文设计了以AD5933为核心的复阻抗频谱测试电路，简要介绍了测试流程及软件的编写，最后根据实际测试数据，对影响测量精度的因素进行了分析。本测试系统阻值范围为100Ω～10MΩ，能够满足一般阻抗频谱测试的要求。关键词：AD5933阻抗频谱误差中图分类号：TP31文献编识码A1.引言实际应用中的电子元件一般呈现

2、出阻性、容性或者感性特性，更一般的情况是三者的组1合，它们共同决定了元件的阻抗特性。阻抗与电阻的不同主要在于两个方面。一是阻抗是一种交流特性；二是通常在某个特定频率下定义阻抗才有意义。如果在不同的频率条件下测量阻抗，会得到不同的阻抗值。通过测量多个频率点下的阻抗，可以获取更有价值的元件数[1]据，这就是阻抗频谱法的基础。阻抗测量是一个比较复杂的信号处理问题，传统的方法是采用分立解决方案实现的。而AD公司的IDC（ImpedancetoDigitalConverter）芯片AD5933结合了最先进的数字信号和模拟信号处理技术，为阻抗测量提

3、供了一种小型集成解决方案。它采用直接数字频率合成器（Directdigitalsynthesizer，DDS）技术把ADC和复杂的数字信号处理功能结合在一起提供一种精细频率扫频能力，允许处理用高达约为100KHz的已知频率激励的外部复数阻抗（范围为100Ω到10MΩ）。被激励阻抗的响应信号直接被片内的ADC采样，然后用片内的DSP[2]引擎处理离散傅立叶变换（DiscreteFourierTransform，DFT）。DFT算法返回每个频点（在扫频情况下）的实部和虚部数据字，从而可以根据初始校准数据很方便地计算出阻抗值。本文首先介绍了A

4、D5933的主要功能结构，之后设计了以AD5933为核心的复阻抗测试电路，简要介绍测试流程及软件的编写，最后给出了实际测试数据，并对影响测量精度的因素进行了分析。[3]2.AD5933主要功能结构芯片功能结构图如图1所示。AD5933芯片内部集成有一片12位、1MspsADC，一片最高输出频率为100kHz、频率分辨率小于0.1Hz的DDS核心，以及一片DSP核心。1http://www.paper.edu.cn图1AD5933功能结构图DDS产生的频率信号通过外接待测样品后被ADC进行采样，采样得到的数据经过DSP进行运算后。DSP对

5、数据进行处理后输出对应频率点的阻抗实部数据与虚部。下面对AD5933的主要功能模块作较为详细的介绍。（1）信号发生部分如图1所示，AD5933的信号发生部分是由一片有着27位相位累加器的DDS核心组成。相位累加器中的数据取自StartFrequencyRegister（开始频率寄存器），用户可以通过向其写入数据来设置DDS的输出起始频率。（2）接收采样部分接收采样部分包括电流—电压放大器，可编程增益放大器，低通滤波器，以及ADC。待测阻抗接在VOUT与VIN之间（见图1）。电流—电压放大器接成反向放大的形式，并接有VDD/2的直流偏置电

6、压。通过未知阻抗的信号电流从VIN流入，在电流—电压放大器的输出端转换成电压信号。电流—电压放大器的增益取决于用户所选择的反馈电阻。反馈电阻接在引脚RFB与引脚VIN之间。PGA（ProgrammableGainAmplifier，可编程增益放大器）允许用户对电流—电压放大器的输出电压信号进行5倍或1倍的放大。经过PGA的信号通过低通滤波器后送到12位、1MspsADC的输入端。（3）DSP部分ADC转换得到的数据直接送到其内部的DSP核心进行DFT变换。可以相应得到实部分量R、虚部分量I、DFT数量M和信号相位。（4）温度测量部分AD

7、5933内部集成温度传感器，温度测量范围-40~125℃，测量精度±2℃。为此可以测试不同温度下的阻抗谱，分析阻抗随温度变化的关系。2http://www.paper.edu.cn3．复阻抗测试系统原理图设计图2基于AD5933的复阻抗测试系统原理图框图原理图主要由驱动部分、反馈网络部分，以及AD5933外围电路部分组成。结构框图如图2所示。3.1反馈网络设计ViV=*/RZ*GADC输入范围2Vp-p。输入端的电压Vi可表示为：outFBUNKNOW。其中Vout为AD5933Vout端输出电压（相当于DDS部分输出电压），RFB为反

8、馈电阻，ZUNKNOW为待测阻抗，G为PGA增益。当Vout、G一定时，应该根据待测阻抗的大小来采用合适的RFB，以使得Vi控制在ADC输入范围之内。但是，从另一方面来说，对于某一待测阻抗ZUNKNOW（V