基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法

基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法引言：生物阻抗测量技术广泛应用于生物医学领域，可以用于非侵入性的检测人体组织的电特性，对疾病的早期诊断、治疗效果评估等方面有重要意义。

AD5933是一种高精度的阻抗测量芯片，能够实现高精度、快速的生物阻抗测量。

本文将介绍基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法。

一、AD5933芯片介绍AD5933是一种可编程频率扫描阻抗测量器，内部集成了数字锁相放大器、数字控制功能和频率合成器。

它通过编程控制可以实现频率扫描、数据采集、数字滤波等功能，具有高精度、低功耗的特点。

AD5933在生物阻抗测量方面有广泛的应用。

1.系统硬件构建高精度生物阻抗测量方法的系统硬件主要包括AD5933芯片、电极、集成放大器和微控制器等。

其中，AD5933芯片负责控制测量流程和采集数据，电极用于与被测生物组织接触，集成放大器用于放大电压信号，微控制器用于控制AD5933芯片和处理采集数据。

2.测量流程设计测量流程主要包括以下步骤：（1）设置AD5933的输出频率范围和扫描步长。

（2）给被测生物组织施加一个小幅度的交流电压信号。

（3）采集交流电压信号和电流信号，并计算生物组织的阻抗值。

（4）根据测量结果计算生物组织的电特性参数，如电阻、电容和电感等。

3.数据处理方法数据处理方法主要包括以下几个方面：（1）对采集到的电压和电流信号进行滤波处理，降低噪声干扰。

（2）采用积分算法或离散傅里叶变换等方法计算生物组织的阻抗值。

（3）使用拟合算法对测量结果进行拟合，得到生物组织的电特性参数。

4.精度提高方法为了提高测量的精度，可以采取以下方法：（1）选择合适的测量频率范围和步长，以覆盖生物组织的阻抗变化范围。

（2）增加采样率，提高数据采集的精度。

（3）优化滤波算法，降低噪声干扰。

（4）加入自动校准功能，减少系统误差。

结论：基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法能够准确、快速地测量生物组织的电特性，具有广泛的应用前景。

基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法
林凌;王斯亮;李刚
【期刊名称】《电子产品世界》
【年(卷),期】2008(000)007
【摘要】本文利用阻抗测量芯片AD5933,以单片机作为控制器,依据此芯片比例法测量原理、DFT解调原理结合软件校准和软件补偿的算法,实现了一种高精度生物阻抗测量方法.实验结果表明,此方法有效提高精度,测量阻抗幅值的相对误差小于0.5%,相位绝对误差小于0.7°.
【总页数】6页(P74-78,82)
【作者】林凌;王斯亮;李刚
【作者单位】天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072
【正文语种】中文
【中图分类】TM93
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ADI AD5933高精度阻抗测量解决方案ADI公司的高精度阻抗测量解决方案CN0217采用12位阻抗转换器AD5933/AD5934. AD5933是1MSPS的12位ADC,而AD5934是250KSPS的12位ADC,内部集成了温度传感器(±2°C),系统精度0.5%,工作电压2.7V-5.5V,图1的电路优化了信号链,其阻抗测量范围从低欧姆数到几百kΩ,主要用在电化学分析,生物阻抗分析,复数阻抗分析,生物和汽车传感器,接近式检测,非破坏性检测,以及材料特性分析和燃料/电池状态监视等.本文介绍了AD5933主要特性, 功能方框图, 病毒株血样本测量框图和AD5933评估板主要特性,电路图与材料清单.The AD5933 and AD5934 are high precision impedance converter system solutions that combine an on-chip programmable frequency generator with a 12-bit, 1 MSPS (AD5933) or 250 kSPS (AD5934) analog-to-digital converter (ADC). The tunable frequency generator allows an external complex impedance to be excited with a known frequency.The circuit shown in Figure 1 yields accurate impedance measurements extending from the low ohm range to several hundred kΩ and also optimizes the overall accuracy of the AD5933/AD5934.图 1.高精度阻抗测量优化信号链的电路图The AD5933 is a high precision impedance converter system solution that combines an on-board frequency generator with a 12-bit, 1 MSPS, analog-to-digital converter (ADC). The frequency generator allows an external complex impedance to be excited with a known frequency. The response signal from the impedance is sampled by the on-board ADC and a discrete Fourier transform (DFT) is processed by an on-board DSP engine. The DFT algorithm returns a real (R) and imaginary (I) data-word at each output frequency.Once calibrated, the magnitude of the impedance and relative phase of the impedance at each frequency point along the sweep is easily calculated. This is done off chip using the real and imaginary register contents, which can be read from the serial I2C interface.A similar device, also available from Analog Devices, Inc., is the AD5934, a 2.7 V to 5.5 V, 250 kSPS, 12-bit impedance converter, with an internal temperature sensor and is packaged in a 16-lead SSOP.AD5933主要特性:Programmable output peak-to-peak excitation voltage to a maximum frequency of 100 kHzProgrammable frequency sweep capability with serial I2C interfaceFrequency resolution of 27 bits (<0.1 Hz)Impedance measurement range from 1 kΩ to 10 MΩCapable of measuring of 100 Ω to 1 kΩ with additional circuitryInternal temperature sensor (±2℃)Internal system clock optionPhase measurement capabilitySystem accuracy of 0.5%2.7 V to 5.5 V power supply operationTemperature range: −40℃ to +125℃16-lead SSOP packageAD5933应用:Electrochemical analysisBioelectrical impedance analysisImpedance spectroscopyComplex impedance measurementCorrosion monitoring and protection equipmentBiomedical and automotive sensorsProximity sensingNondestructive testingMaterial property analysisFuel/battery cell condition monitoring图2. AD5933功能方框图图3. 采用AD5933的病毒株血样本测量框图AD5933评估板This document describes the evaluation board for the AD5933 and the application software developed to interface to the device.The AD5933 is a high precision impedance converter system that combines an on-board frequency generator with a 12-bit, 1 MSPS ADC. The frequency generator allows an external complex impedance to be excited with a known frequency. The response signal from the impedance is sampled by the on-board ADC, and the DFT is processed by an on-board DSP engine at each excitation frequency.The AD5933 also contains an internal temperature sensor with 13-bit resolution and operates from a 2.7 V to 5.5 V supply.Other on-board components include an ADR423 3.0 V reference that acts as a stable supply voltage for the separate analog and digital sections of the device and an ADP3303 ultrahigh precision regulator that acts as a supply to the on-board universal serial bus controller, which interfaces to the AD5933. The user can power the entire circuitry from the USB port of a computer. The evaluation board also has a high performance, trimmed, 16 MHz, surface-mount crystal that can act as a system clock for the AD5933, if required.The various link options available on the evaluation board are explained in Table 2. Interfacing to the AD5933 is through a USB microcontroller, which generates the I2C signals necessary to communicate with the AD5933.The user interfaces to the USB microcontroller through a Visual Basic® graphic user interface located on and run from the user PC. More information on the AD5933 is available from Analog Devices, Inc., at and should be consulted when using the evaluation board.AD5933评估板主要特性:Full-featured evaluation board for the AD5933Graphic user interface software with frequency sweep capability for board control and data analysisVarious power supply linking optionsStandalone capability with serial I2C loading from on-board microcontrollerSelectable system clock options, including internal RC oscillator or on-board 16 MHz crystalAD5933评估板应用:Electrochemical analysisImpedance spectroscopyComplex impedance measurementCorrosion monitoring and protection equipmentBiomedical and automotive sensorsProximity sensing图4.AD5933评估板方框图图 5. EVAL-CN0217-EBIZ电路图(1)图 6. EVAL-CN0217-EBIZ电路图(2)图7. EVAL-CN0217-EBIZ电路图(3)EVAL-CN0217-EBIZ材料清单(BOM)见:EVAL-CN0217-EBIZ材料清单.xls详情请见:/static/imported-files/circuit_notes/CN0217.pdf和/static/imported-files/data_sheets/AD5933.pdf以及/static/imported-files/eval_boards/537700023EVAL_AD5933EB.pdf。

基于AD5933的人体经胸阻抗测量系统李煜晨【摘要】In order to solve the problem of automated external defibrillator in transthoracic electrical Bio-impedance measurement of the function, put forward a kind of using bioelectrical impedance analysis integrated chip AD5933 measurement system.The system is composed of micro controller STM32F429BIT6, AD5933 and its auxiliary circuit.A simplified measurement circuit model is established to calculate the transthoracic electrical Bio-impedance.The measurement system is stable and reliable, small, easy to embed into the automatic external defibrillator in.The test results show that the relative error of the measured impedance is less than 3%.%针对自动体外除颤器中经胸阻抗测量这项功能,提出了一种采用生物电阻抗分析集成芯片AD5933的测量系统.系统由微控制器STM32F429BIT6、AD5933及其辅助电路构成.建立测量电路简化模型,计算经胸阻抗.该测量系统稳定、可靠、微小,便于嵌入到自动体外除颤器中.测试结果表明,该测量方法测量的经胸阻抗相对误差<3%.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)012【总页数】4页(P16-19)【关键词】AD5933;经胸阻抗测量;自动体外除颤器【作者】李煜晨【作者单位】西安邮电大学电子工程学院,陕西西安 710061【正文语种】中文【中图分类】TN43;TM93在体外除颤器中，经胸阻抗幅值决定了除颤能量的大小以及除颤波形变换选择[1]，所以对于人体经胸阻抗的准确测量可进一步提高除颤的效果。

作者:佚名来源:网上搜集浏览次数: 67 添加时间:08-12-22摘要: AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片，内部集成了带有12位，采样率高达1MSPS的AD转换器的频率发生器。

这个频率发生器可以产生特定的频率来激励外部电阻，电阻上得到的响应信号被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换。

傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的实部值R和虚部值I。

这样就可以很容易的计算出在每个扫描频率下的傅立叶变换的模和电阻的相角。

其中模＝，相角＝。

1 AD5933芯片概述1.1 主要性能AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片，内部集成了带有12位，采样率高达1MSPS的AD转换器的频率发生器。

这个频率发生器可以产生特定的频率来激励外部电阻，电阻上得到的响应信号被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换。

傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的实部值R和虚部值I。

这样就可以很容易的计算出在每个扫描频率下的傅立叶变换的模和电阻的相角。

其中模＝，相角＝。

AD5933主要具有以下特性：λ可编程的频率发生器，最高频率可达100KHz作为设备通过λ口和主机通讯，实现频率扫面控制λ频率分辨率为27位（<0.1Hz）阻抗测量范围为100Ω到10MΩλ内部带有温度传感器，测量误差范围为±2℃λλ带有内部时钟可以实现相位测量λ系统精度为0.5%λ可供选择的电源范围为2.7V到5Vλλ正常工作的温度范围-40℃到+125℃16脚SSOP封装λ1.2 AD5933的引脚定义图1给出了AD5933的封装图，表1给出了AD5933的引脚定义。

建议在使用时把所有的电源脚9、10、11都连到一起，统一连接到电源上，同样所有的地引脚12、13、14也都连接到一起，统一连接到系统地上图1 AD5933引脚排列表1 AD5933引脚定义1.3 主要应用AD5933可以广泛的应用在电化学分析、生物电极阻抗测量、阻抗谱分析、复杂阻抗测量、腐蚀监视和仪器保护、生物医学和自动控制传感器、无创检测、原材料性能分析以及燃料和电池状态监测等众多领域。

AD5933阻抗测量芯片原理及其应用AD5933芯片的工作原理基于频率扫描技术。

频率扫描技术的基本原理是通过改变信号的频率，从而改变信号在被测物体中的传播速度和吸收程度，进而得到被测物体的阻抗数值。

AD5933芯片内部集成了数字锁相放大器、频率合成器和模数转换器等电路，可以实现频率扫描功能。

在生物医学领域，AD5933芯片能够用于测量生物体的阻抗，实现生物电阻抗成像。

生物电阻抗成像是一种无创且实时的成像技术，可以用于观察和分析生物体组织中的电阻抗分布情况，从而提供有关组织状态和功能的信息。

AD5933芯片可以通过扫描不同频率的信号，测量生物体不同部位的阻抗，并将测量结果反馈给计算机进行处理。

这种成像技术在医学诊断、医疗监测和健康评估等方面具有重要的应用价值。

在电化学领域，AD5933芯片可以用于电化学阻抗谱的测量。

电化学阻抗谱是通过测量电化学系统在不同频率下的电流响应来得到的，可以提供关于电化学体系性质和界面特性的信息。

AD5933芯片的高精度和稳定性使其能够准确地测量电化学体系的阻抗，并通过计算得到电化学参数。

这对于电化学传感器、电化学储能器件等的研究和开发具有重要意义。

在控制系统领域，AD5933芯片可以用于多变量控制系统、自适应控制系统和非线性控制系统的阻抗测量。

阻抗测量可以提供控制系统所需的关键参数，如体系动态特性和输入输出关系，从而实现对复杂控制系统的精确分析和设计。

AD5933芯片的高精度和快速响应能力使其适用于工业控制系统、航空航天控制系统等领域。

总之，AD5933阻抗测量芯片通过频率扫描技术实现了对复阻抗的高精度测量，广泛应用于生物医学、电化学和控制系统等领域。

它为这些领域的研究、诊断和控制提供了重要的技术支持，具有广阔的应用前景。

基于AD5933的生物复阻抗测量仪编写人CAC(Hao Meng, Ning Jia)版本号Rev.1------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 本报告为Analog Devices Inc. (ADI) 亚洲技术支持中心专用，ADI可以随时修改本报告而不用通知任何使用本报告的人员。

如有任何问题请与china.support@ 联系。

------------------------------------------------------------------------------------------------------------修订历史日期版本 作者2012-4-16 Rev.0 Hao Meng 2012-8-16 Rev.1 Hao Meng, Ning Jia此参考设计仅供参考使用此参考设计仅供参考使用，，用于协助ADI 客户进行设计与研发客户进行设计与研发。

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ADI 不对任何参考或使用该参考设计所产生的风险的承担责任用该参考设计所产生的风险的承担责任。

目录1简介 (1)2硬件设计 (1)2.1系统工作原理 (1)2.2系统框图 (2)2.3硬件电路 (3)3单片机固件设计 (3)4阻抗分析软件（经络测量系统的软件设计） (4)5经络测量系统快速使用手册 (4)5.1经络测量系统的硬件连接 (4)5.2USB转UART驱动安装 (8)5.3ADuC7061固件下载 (9)5.4经络测量系统软件安装 (10)5.5经络测量系统的操作 (11)1简介目前，生物复阻抗测量的一般方式是，对未知阻抗施加一定频率的激励信号，对其响应信号进行采样和数据分析，通常采用离散傅里叶变换（DFT），DFT结果在对应频率返回响应信号的模值和相位，再通过计算进而得到被测复阻抗的模值和相位信息。

利用AD5933的高精度生物阻抗测量方案其基本测量方式是通过体表电极向检测对象施加安全的激励电流，并使用体表电极检测相应的电压变化，获取相关信息。

该方法具有无创、无害、廉价的优点。

生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。

目前针对生物阻抗测量系统的研究和文章很多，主要集中在对整个测量系统某组成部分的设计。

显然，这些研究和设计工作均在某一方面对生物阻抗测量系统的精度提高做出了贡献，但是单一的方法对精度的提高有限，本文采用ADI 公司的高度集成的阻抗测量芯片AD5933 设计了一种精度高的阻抗测量方法，利用比例测量，DFT 数字解调，软件校准和补偿四项技术，整体上提高了系统的测量精度。

比例测量方法对电阻的测量，通常使用伏安法，生物阻抗测量也是基于伏安法的原理。

即已知一个元件的电阻等于此元件两端的电压降与流过其电流的比值，RX=UX/IX。

然而在实际测量中往往使用比例测量的方法，在被测回路中串入采样电阻RS，有IX=US/RS，因此：RX=UX/IX=RS×UX/US，这样就把电阻的测量转换成为两电压之比的测量，降低了对电压源US 的准确度和稳定度的要求，测量结果的精确度只与参比电阻的精度有关。

比例测量的具体电路非常简单，如图1 所示，用一只运算放大器接成电压并联负反馈结构即可。

图1比例法测量电阻的原理图本文采用的阻抗测量芯片AD5933 利用了上述比例测量的原理，测量电路如图2 所示。

利用DDS 产生的正弦交流信号作为激励源以获得阻抗的完整信息，待测阻抗可等效为电容和电导的并联模式，即YX=GX+jCX=AXφ。

在理想状态下不考虑放大器等电路引起的幅值和相位的变化，设激励信号U1=U1msinwt，I=U1×YX，则响应信号U2=-I×RS=-U1×YX×RS=-。

摘要:AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片。

本文利用AD5933和单片机等器件设计了一款注水肉快速检测系统，该系统能够实时检测受检肉类的阻抗谱信息，然后与标准肉类的标准阻抗数据进行比较，从而判断受检肉是否注水肉，为注水肉的检测提供了科学的判断标准。

本系统阻抗的测量范围为100Ω~10MΩ，频率分辨率小于0.1Hz，精度为0.5%，能够满足一般肉类阻抗频谱测试的要求。

关键词:AD5933注水肉检测设计1概述注水肉是肉品经营人用强制的手段往肉里注水，以水增重来多卖钱的一种损害消费者利益的违法肉，不法商贩为谋取暴利，市场上的注水肉也越来越多，成为严重威胁人们身体健康的一大公害。

本文采用STC89C52单片机作为控制器，利用电极、阻抗测量器件AD5933、放大电路、4位LED 数码管等器件，设计了一款高精度的肉类水分测量系统。

该系统能够实时检测受检肉类组织的阻抗数据，通过一系列的科学计算得出受检肉类是否注水，从而为执法部门检验注水肉提供有力的证据，在很大程度上保障了人民的生命财产安全。

2肉类水分测量原理2.1肉类水分与阻抗的关系通过对家禽肉类在无线电频率[4]范围内导电特性的研究发现，肉类的水分与阻抗特性基本成对数关系：Z X =a+log bM（1）式（1）中，Z X 为肉制品的阻抗，M 为肉制品水分含量，a、b 均为常数，取值与被测肉类的品种有关[1]，且0<b<1。

阻抗-水分含量关系曲线如图1所示。

2.2AD5933阻抗测量方法及原理AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片，它是基于比例测量的方法来测量阻抗的，其测量原理非常简单，用一个运算放大器接成电压并联负反馈结构即可[2]。

AD5933的比例测量原理如图2所示。

图2中，在输入接入一阻抗Z X ，在反馈回路接入一反馈电阻R FB 。

由理想运放的“虚短”“虚断”，通过推导，有：Z X =U 1I X =U 1-U 2R FB =-R FB ×U1U 2（2）3系统硬件组成及实验测量结果本系统的硬件电路组成框图如图3所示。