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AD5933 和 AD5934 是一款高精度的阻抗轉換器系統解決方案，集片內可編程頻率發生器與12位、1 MSPS（AD5933）或250 kSPS（AD5934）的模數轉換器(ADC)于一身。可調頻率發生器產生已知頻率來激勵外部復阻抗。 圖1所示電路在低歐姆范圍直至數百kΩ范圍內產生精確的阻抗測量，同時還優化了AD5933/AD5934的整體精度。 
圖1 優化信號鏈以提高阻抗測量精度 AD5933和AD5934提供四個可編程輸出電壓范圍，各具有一個相關的輸出阻抗。例如，1.98V p-p 輸出電壓的輸出阻抗一般為200 Ω（見表1）。
此輸出阻抗會影響測量精度，在低kΩ范圍內尤為突出，故在增益系數計算時應將其考慮在內。有關增益系數計算的詳情，請參見AD5933或AD5934數據手冊。在信號鏈內的簡易緩沖器可防止輸出阻抗影響未知的阻抗測量。在挑選低輸出阻抗放大器時，應保證足夠的帶寬來適應AD5933/AD5934的激勵頻率。針對 AD8605/ AD8606/ AD8608 系列CMOS運算放大器，低輸出阻抗的一個實現示例如圖2所示。在AV=1時，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 放大發射級和接收級的直流偏置匹配 AD5933/ AD5934四個可編程輸出電壓范圍具有四個相關偏置電壓，例如1.98 V p-p激勵電壓的偏壓為1.48 V。但是，如圖1所示，AD5933/AD5934的電流-電壓（I-V）接收級設為固定偏壓VDD/2。因此，對于3.3 V電源，發射偏壓為1.48 V，而接收偏壓為3.3 V/2 = 1.65 V。此電位差會引起測試中阻抗極化，并可導致阻抗測量不準確。 一種解決方案是添加一個在低Hz范圍內具有轉折頻率的簡單高通濾波器。消除發射級的直流偏置，并將交流信號重新偏置至VDD/2，在整個信號鏈中保持直流電平恒定。 選擇針對接收級優化的I-V緩沖器 AD5933/AD5934的電流-電壓（I-V）放大級還可能輕微增加信號鏈的不準確性。I-V轉換級易受放大器的偏置電流、失調電壓和CMRR影響。通過選擇適當的外部分立放大器來執行I-V轉換，用戶可挑選一個具有低偏置電流和失調電壓規格、出色CMRR的放大器，提高I-V轉換的精度。該內部放大器隨后可配置成一個簡單的反相增益級。 高精度阻抗測量的優化信號鏈 圖1所示為測量低阻抗傳感器的建議配置。交流信號先經過高通濾波并重新偏壓，之后利用一個超低輸出阻抗放大器進行緩沖。在外部完成I-V轉換后信號返回至AD5933/AD5934接收級。決定所需緩沖器的關鍵規格有超低輸出阻抗、單電源供電能力、低偏置電流、低失調電壓及出色的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%的電阻以降低不準確性。 圖1所示的原理圖可用來改善阻抗測量精度，并采取一些示例性措施。AD8606雙通道放大器在發射路徑上緩沖信號，并將接收信號從電流轉換成電壓。對于所示的三個示例，每次遞增頻率來計算增益系數，以消除頻率相關誤差。有關此解決方案的完整設計包，包括原理圖、材料清單、布局和Gerber文件， 圖3、圖4及圖5所示為低阻抗測量的結果。圖5表示10.3 Ω測量并在擴展縱坐標上顯示。
圖3 低阻抗幅度測量結果
圖4 低阻抗相位測量結果
圖5 10.3 Ω幅度測量結果（擴展坐標） 示例1：低阻抗范圍 精度實現水平很大程度上取決于未知阻抗范圍相對于校準電阻RCAL的大小幅度。因此，在此示例中，10.3 Ω的未知阻抗測量測得10.13 Ω，誤差約2%。選擇接近未知阻抗的RCAL可實現更精確的測量，即以RCAL為中心的未知阻抗范圍越小，測量精度越高。因此，對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分解未知阻抗范圍。在RCAL增益系數計算期間可通過校準消除開關的RON誤差。使用開關選擇各種RFB值可優化ADC所示的信號動態范圍。 還應注意，要實現更大范圍的測量，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化ADC動態范圍。 示例2：kΩ阻抗范圍 使用99.85 kΩ的 RCAL ，根據表2所示的設置條件可測得更寬的未知阻抗范圍。圖6至8記錄精度結果。要提高整體精度，請選擇更接近未知阻抗的 RCAL 值。如果未知阻抗范圍較大，請使用多個 RCAL 電阻。
圖6 ZCCAL = 99.85 kΩ時的幅度結果
圖7 ZC = 47 pF、RCAL = 99.85 kΩ時的相位結果 設置和測試 EVAL-CN0217-EB1Z軟件和EVAL-AD5933EBZ應用板上所用的相同。有關電路板設置的詳情，參見光盤內技術筆記。注意原理圖有改動。EVAL-CN0217-EB1Z板上的鏈接如表4所示。還應注意，RFB在評估板上位于R3，而 ZUNKNOWN 位于C4。
常見變化 電路中可使用其他運算放大器，例如ADA4528-1、AD8628、AD8629、AD8605和AD8608。
圖 8 ZC = 8.21 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ 系統應用的切換選項 對于這個特定電路，ZUNKNOWN 和 RCAL 可手動互換。但在生產中應使用低導通電阻開關，開關的選擇取決于未知阻抗范圍的大小以及所需測量結果精度。此文件中的示例僅使用一個校準電阻，故可如圖9所示使用ADG849 等低導通電阻開關。還可使用四通道ADG812 等多通道開關解決方案。ZUNKNOWN 上的開關電阻所引起的誤差在校準期間消除，但通過選擇超低RON開關，可進一步充分降低這些效應。
圖9 使用ADG849超低RON SPDT開關切換RCAL和未知Z（原理示意圖，未顯示所有連接和去耦） 應用 • 電子測試和測量 |
