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簡介 ADuCM350是一款超低功耗集成混合信號計量解決方案，包含一個微控制器子系統用于處理、控制和連接。 該處理器子系統基于低功耗ARM? Cortex-M3處理器，由數字外設、嵌入式SRAM和閃存、一個提供時鐘、復位和功耗管理功能的模擬子系統組成。 本應用筆記說明如何設置ADuCM350以利用雙線測量方法最優地測量RC傳感器的阻抗。為了優化阻抗測量的精度，用戶必須最大程度地使用16位ADC范圍。為此，峰峰值激勵輸出電壓、RTIA/CTIA組合和校準電阻全都需要計算。 控制該計算的是流入負載的最大容許電流。 如果沒有限制，則用戶可以使跨阻放大器(TIA)輸入ADC的信號擺幅最大，以獲得盡可能好的SNR。 然而，如果負載電流有限制，例如在雙線生物阻抗應用中為了滿足IEC 60601標準，則用戶應計算最大容許電流，并在電路中采取防范措施。 詳細說明 傳感器配置 在本應用筆記所述的例子中，用戶想要利用圖1所示配置測量一個RC型傳感器在1 kHz激勵信號下的阻抗。 傳感器詳情如下： 圖1. 傳感器RC配置 計算傳感器的最小理想阻抗 第一步是計算傳感器的最低未知阻抗。 由此可以計算輸入TIA的最高電流信號。 對于圖1中的傳感器，當CP = 600 nF時，傳感器阻抗處于最小值。 為了計算總阻抗ZT，第一步是計算CP電容的阻抗。 RCAL計算 為了計算RCAL值以校準系統，需使用最低未知阻抗Z。 如果RCAL等于最小阻抗的幅度，進入DFT的信號將很大， 這會改善可重復性和精度。 因此，本例使用大約1041 ?的RCAL。 情況1： 負載電流無限制 當負載電流無限制時，可以使用最大信號擺幅來使ADC結果的SNR最大。 ·最大信號擺幅為600 mV峰值。 ·流入TIA的最高信號電流 = 600 mV峰值/1041 ? = 0.576 mA峰值。 ·TIA輸出端的峰值電壓（ADuCM350允許的最大值）= 750 mV峰值。 ·對于峰值信號電流，產生750 mV峰值電壓的RTIA電阻： 750 mV/0.576 mA = 1.302 kΩ 為了提高接收通道的抗混疊性能和穩定性，將一個抗混疊電容與RTIA并聯。 選擇80 kHz的3 dB點（這是系統的最大帶寬）。 圖2. 負載電流無限制情況下的信號擺幅 情況2： 負載電流有限制 當負載電流有限制時，應采取不同的方法。 本例中，IEC 60601身體浮空標準允許的最大漏電流為100 μA rms。 因此，本例假設50 μA rms/70.7 μA峰值為最大電流是安全的。 從單一故障校正角度看，考慮到身體浮空標準，各分支包括以下元件： ·1 μF CS隔直電容 ·一個代表某種形式引腳的串聯電阻(RLEAD) 將一個200 ?的額外限流串聯電阻RLIMIT連接到驅動分支。 圖3. 單一故障外部保護情況下的傳感器 傳感器的最小阻抗仍為1041 Ω。 ADuCM350 TIA看到的這個最小阻抗現在要加上串聯元件。 計算網絡中額外電路的阻抗： 200 Ω+ 100 Ω +100 Ω + 1 μF + 1 μF 假設激勵頻率為1 kHz。 電容為串聯，因此 TIA看到的最小阻抗為傳感器最小阻抗加上額外電路阻抗轉換器的最小阻抗。 這就是ADuCM350看到的最小阻抗。出于安全原因，將此值降低20%以免ADC結果超范圍。 因此，假設最小阻抗為1218.4 Ω。 Cortex-M3將任何低于此值的阻抗測量結果標記為無效結果。 應檢查連接，因為該標志說明ADC發生超范圍情況或遇到其他錯誤。 因此，對于1218.4 Ω的最小阻抗，為了支持最大70.7 μA峰值的電流，需要一個正弦波幅度。 注意：當DAC衰減器使能時(DAC_ATTEN = 1)時，最大允許的正弦波幅度為15 mV峰值。 由于86 mV峰值超過此值，因此有兩個選擇。 第一個選擇是使用15 mV峰值，但信噪比會降低。 第二個選擇是禁用DAC衰減器，在無衰減模式下選擇86.5 mV峰值。 該選擇的缺點是LSB大小會提高40倍。 LSB越大，則測量的分辨率越低，因而產生正弦波并測量響應時的量化噪聲就越多。 繼續討論本例，使用15 mV峰值正弦波并使能衰減(DAC_ATTEN = 1)。 計算TIA看到的電流： 15 mV峰值/1218.4 Ω = 12.3 μA峰值信號 然后計算RTIA和CTIA以優化ADC范圍，其中RTIA電阻給出750 mV峰值電壓信號電流。 750 mV/12.3 μA = 60.98 kΩ 為了提高接收通道的抗混疊性能和穩定性，將一個抗混疊電容與RTIA并聯。 選擇80 kHz的3 dB點（系統的最大帶寬）。 圖4. 負載電流有限制情況下的信號擺幅 LabVIEW中的阻抗測量示例 ADuCM350 LabVIEW GUI可以測量阻抗并快速給出傳感器測量原型。 圖5. LabVIEW阻抗測量AFE控制 圖6. LabVIEW阻抗測量結果 軟件開發套件中的阻抗測量示例 基于IAR嵌入式工作臺的軟件開發套件包括一個ImpedanceMeasurement_2Wire示例。 本例驗證ADuCM350上阻抗轉換器的性能。 示例步驟是測量三個未知雙線阻抗。 ·AFE3至AFE4 ·AFE4至AFE5 ·AFE5至AFE6 在代碼中很容易設置激勵頻率、激勵電壓和RCAL的值。 可以將測量的其他變更寫入測量序列中。 本示例項目的readme部分提供了更多信息。 圖7顯示了一個測量示例。 實部和虛部均進行了計算。 圖7. 負載電流有限制情況下的信號擺幅 |
