用AD5933做的阻抗测量仪设计--带完整程序资料
- 格式:doc
- 大小:588.51 KB
- 文档页数:30
基于STM32的便携式阻抗测量装置的设计
赵秋明;许丰灵;肖龙
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2016(000)001
【摘要】研制了一种基于STM32和AD5933的便携式阻抗测量装置,介绍了基
于矢量伏安法的阻抗测量原理,分析了AD5933阻抗测量电路设计原理和STM32软件校正算法。
与传统的阻抗分析仪相比,该装置采用AD5933实现对待测阻抗
网络的阻抗测量,利用模拟开关多路复用器实现了测量量程的自动切换。
在软件方面,利用两点校正算法降低系统的测量误差。
实验研究表明,该设计方案结构简单,测量精度能满足大部分工程应用。
【总页数】4页(P33-36)
【作者】赵秋明;许丰灵;肖龙
【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林电子科
技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,
广西桂林 541004
【正文语种】中文
【中图分类】TP216
【相关文献】
1.基于 STM32的便携式直列式保险起爆装置检测仪设计 [J], 王鹏;袁士伟;刘子琦
2.基于STM32的便携式体检装置设计 [J], 郑国军;戴巧琪;肖德瑞;吴洁;南智懿;陈
付毅;曾碧新;徐炜
3.基于STM32和AD5933的多通道阻抗测量仪的设计与实现 [J], 刘亮;朱璐闻;艾颖梅;伍群芳
4.基于STM32的便携式体检装置设计 [J], 郑国军; 戴巧琪; 肖德瑞; 吴洁; 南智懿; 陈付毅; 曾碧新; 徐炜
5.基于自动平衡电桥的便携式阻抗测量仪设计 [J], 储开斌;江楠;朱栋
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
模拟基础知识:阻抗测量仪器仪表
进行设计时,工程师必须满足或超过仪器仪表和测量设备的设计目标。
在设计过程中,针对测试和测量方法与方案使用精确而适当的仪器仪表尤为重要。
为了更好地帮助设计工程师,本文将讨论进行精确数据采集时所面临的难题特别是在复阻抗测量系统中。
阻抗测量是一项困难的信号处理工作,并且在很多传感器和诊断类应用中正变得越来越重要,比如医学样本分析、生物医学组织的电阻率/传导性、液体环境分析以及传感器接口。
阻抗转换工作习惯上采用分立式解决方案完成,但通常需要具备高级模拟设计技巧,以便提取未知阻抗的频率响应信号,如图1所示。
图1. ADI AD5933与AFE相配合,用于测量凝血测量系统中的地基准阻抗
分析复阻抗测量时,可能会遇到下列难题:
- 如何以DDS输出频率为基础,控制ADC采样频率(窗口采样与相干采样)
- 如何管理元件选择。
1300 Henley CourtPullman, WA 99163509.334.6306PmodIA™ Reference ManualRevised February 2, 2015This manual applies to the PmodIA rev. AOverviewThe PmodIA is an impedance analyzer built around the Analog Devices AD5933 Impedance Converter Network Analyzer.Features include:∙I2C communication interface∙Capable of measuring impedances rangingfrom 100Ω to 10 MΩ.∙Programmable frequency sweep: startfrequency, step increment, and number ofsteps.∙Programmable gain amplifier∙External clock generation optionalThe PmodIA.1 Functional DescriptionThe PmodIA uses an 8-pin connector that allows for I2C communication. There is also a 1-pin connector that allows you to select either a high or low impedance measurement.The PmodIA measures impedance by emitting an AC voltage at a known frequency and sampling the frequency response to identify the unknown impedance value. You can access the voltage output via the SMA connector J3. SMA connector J4 captures the response.Please see the AD5933 data sheet, available from , for more detailed information on controlling the analyzer.1.1 I2C InterfaceThe PmodIA acts as a slave device using I2C communication protocol. The I2C interface standard uses two signal lines. These are I2C data and I2C clock. These signals map to the serial data (SDA) and serial clock (SCL) respectively on the PmodIA. (See Table 1.) The following instructions explain how to read and write to the device.You must consider two protocols when writing to the PmodIA: the write byte/command byte and the block write. Writing a single byte from the master to the slave requires the master to initiate a start condition and send the 7-bit slave address. You must hold the read/write bit low to write to the slave device successfully. The PmodIA should set the slave address as 0001101 (0x0D) upon startup. After the slave acknowledges its address, the master must send the address of the register it wants to write to. Once the slave acknowledges receipt of this address, the master will send a single data byte that the slave should acknowledge with a return bit. The master should then issue a stop condition.You can also use this protocol to set a pointer for a register address. After the master sends the slave address and write bit, and the slave responds with an acknowledge bit, the master sends a pointer command byte (10110000, or, 0xB0). The slave will assert an acknowledge bit and then the master will send the address of the register to point to in memory. The next time the device reads from or writes data to a register, it will occur at this address. Note: The pointer must be set prior to using block write or block read protocols.You can perform a block write protocol in a similar fashion to setting a pointer. Send the block write command (10100000, or, 0xA0) in place of the pointer command, and the number of bytes being sent (represented as a byte) will take the place of the register address with subsequent data bytes being zero indexed. Use the same two protocols when reading data from the PmodIA: receive byte and block read.Table 1. Interface Connector Signal Description1.2 Clock SourceThe PmodIA has an internal oscillator that generates a 16.776 MHz clock to run the device. You can use an external clock by loading IC4 on the PmodIA and setting bit 3 in the control register (register address 0x80 and 0x81).The PmodIA schematic provides a list of recommended oscillators. The schematic is available from the PmodIA product page at .1.3 Setting up a Frequency SweepThe electrical impedance, of a circuit can vary over a range of frequencies. The PmodIA allows you to easily set up a frequency sweep to find the impedance characteristics of a circuit.First, you must set up an I2C interface between the host board and the PmodIA. The PmodIA requires three pieces of information to perform a frequency sweep: a starting frequency, the number of steps in the sweep, and the frequency increment after each step. The starting frequency and the increment per step parameters are stored as 24-bit words. The number of steps parameter is stored as a 9-bit word.You can program the peak-to-peak voltage of the output frequency in the sweep by setting bits 10 and 9 in the control register. The peak to peak voltage needs to be set appropriately in relation to the impedance test. This is to avoid the internal op-amps from trying to deliver an output voltage or current beyond their maximum capability. It is recommended that when using the 20-ohm feedback resistor to set the peak to peak voltage to either the200mV or 400mV and when using the 100K-ohm feedback resistor, set the peak to peak voltage at 1V.Once the circuit has been excited, it takes some time to reach its steady state. You can program a settling time for each point in the frequency sweep by writing a value to register addresses 0x8A and 0x8B. This value represents the number of output frequency periods that the analog-to-digital converter will ignore before it starts sampling the frequency response. (See Table 2 for a list of registers and their corresponding parameters.)0x80, 0x81 Control register (Bit-10 and Bit-9 set peak-to-peak voltage for the output frequency).0x82, 0x83, 0x84 Start frequency (Hz)0x85, 0x86, 0x87 Increment per step (Hz) 0x88, 0x89 Number of steps in sweep0x8A, 0x8B Settling time (Number of output frequency periods)Table 2. Frequency sweep parameter storage registers.You can calculate the 24-bit word to store at the register addresses for the start frequency and the increment per step parameters using the start frequency code and frequency increment code equations below. You can also find these equations and more information in the AD5933 data sheet.Once you have set these parameters, perform the following steps to start the frequency sweep (paraphrased from the AD5933 data sheet):1)Enter standby mode by sending the standby command to the control register.2)Enter the initialize mode by sending an initialize with start frequency command to the control register.This allows the circuit being measured to reach its steady state.3)Start the frequency sweep by sending the start frequency sweep command to the control register.1.4 Impedance CalculationsThe analog-to-digital converter samples the frequency response from unknown impedances at up to 1MSPS with 12-bit resolution for every point in the frequency sweep. Before storing the measurements, the PmodIA performs a Discrete Fourier Transform (DFT) on the sampled data (1,024 samples for each frequency step). Two registers store the DFT result: the Real Register, and the Imaginary Register.Electrical impedance contains both real and imaginary numbers. In Cartesian form, you can express impedance with the equation:Where Real is the real component, Imaginary is the imaginary component, and is an imaginary number (equivalent to , in mathematics). You can also represent impedance in polar form:Where is the magnitude and is the phase angle:The PmodIA does not perform any calculations. After each DFT, the master device must read the values in the Real and Imaginary registers.In order to calculate the true impedance, you must take into account the gain. You can find an example gain factor calculation in the AD9533 data sheet.1.5 Temperature ReadingsThe PmodIA has a self-contained, 13-bit temperature sensor to monitor device temperature. Please refer to the AD5933 data sheet for more information on controlling this module.1.6 Register AddressesThe AD5933 data sheet has a complete table of register addresses.。
DFT 计算以得到阻抗的变化值。
图2显示了EDA 或GSR 的整体测量原理。
该测量的激励信号频率接近直流。
建议使用低频激励(而非直流电压)进行测量,以防止电极极化并消除对人体组织的伤害。
通常,最大激励信号频率可达200 Hz ,因为较高的频率可穿透进入人体,而不会仅测量皮肤图1 AD594x的高级功能框图图2 EDA或GSR的测量原理监测人体内的含水量或通过生物阻抗谱测量心脏行
为。
其测量原理都是一样的,但是我们可以通过改变交流激励频率和电极在人体的位置来实现不同的应用。
图3显示了4线测量法的原理。
此设置中的未知量Z 代表人体。
对人体施加交流激励电压,在此之上叠加一合适的共模电压并用电压表测量,利用高速跨阻放大器测量响应电流。
最终阻抗可通过下式计算:Z M /I 。
在图3的功能框图中,可以看到阻抗通过电阻和图3 用于人体阻抗分析的4线测量
图4 3线生化分析仪的功能框图
办公室和家居更智能的运营需求同样明显。
IIoT
为实现全球互联提供所需的
每个行业都将受益于这场革命,每。
人体阻抗测量电路设计人体阻抗测量电路设计是一种用于测量人体组织的电阻和电导的技术。
它可以应用于多个领域,如医疗诊断、健康监测和体能训练等。
本文将详细介绍人体阻抗测量电路设计的原理、关键元件选择、电路设计步骤以及一些常见问题和解决方法。
I. 原理人体阻抗测量是通过在人体上施加一个小电流信号,并测量相应的电压来计算得到的。
根据欧姆定律,电流与电阻成反比,因此可以通过测量得到的电流和电压来计算得到组织的阻抗值。
通常情况下,使用交流信号进行测量,因为交流信号可以减少直流信号对人体组织产生的极化效应。
II. 关键元件选择1. 信号发生器:用于产生交流信号,并提供适当的频率范围和幅度调节功能。
2. 电极:用于将信号传输到人体组织,并接收返回的信号。
通常使用可湿润的粘贴式电极或戴在手腕上的传感器。
3. 差动放大器:用于放大电压信号,并消除噪音和干扰。
差动放大器通常具有高共模抑制比和低噪声系数。
4. 滤波器:用于滤除高频噪声和干扰信号。
常见的滤波器包括低通滤波器和带通滤波器。
5. ADC(模数转换器):用于将模拟电压信号转换为数字信号,以便进行后续的数字处理。
III. 电路设计步骤1. 确定测量范围和精度要求:根据具体应用需求确定阻抗测量的范围和所需精度,以选择合适的元件。
2. 选择合适的信号发生器:根据需要选择合适频率范围、输出幅度可调节、稳定性好的信号发生器。
3. 设计电极:根据测量部位设计合适类型的电极,并考虑到舒适性、稳定性和易于清洁等因素。
4. 设计差动放大器:根据所选差动放大器的特性参数,如增益、输入阻抗、带宽等进行设计。
同时考虑到共模抑制比和噪声系数等因素。
5. 设计滤波器:根据噪声和干扰信号的频谱特性选择合适的滤波器类型和参数。
低通滤波器可以滤除高频噪声,带通滤波器可以选择特定频率范围内的信号。
6. 设计ADC电路:根据所需精度和采样率选择合适的ADC,并考虑到分辨率、采样速率和电源噪声等因素。
宽带阻抗测量仪的设计——信号检测电路设计(一)信号检测电路用于检测信号经过被测网络后其幅度和相位的变化规律。
被测网络的幅度是指被测电路接收端信号相对于信号源输出的增益,而相位是指两者的相位差值。
信号检测电路的作用在于检测被测网络的幅度和相位差,并转换为可以被DSP 接收的数字量。
4.1 方案设计对幅度和相位的检测,既可以采用数字的方法,也可采用模拟的方法。
采用数字的方法一般要先通过模拟/数字转换器将信号转换为数字量,通过软件对增益和相位进行检测,但由于信号频率最高达10MHz,所以该方法要求高速ADC,而且由于被测网络的输入信号幅度达60dB,这样就要求ADC 的分辨率至少在14 位以上,显然难以实现,因此该方法不能采用。
采用模拟方法有多种实现方式。
如可以使用模拟乘法器,其原理是把被测网络的输入输出信号模拟相乘,则增益信息在模拟乘法器输出信号的直流分量上,相位信息在模拟乘法器的交流分量上,该方法抗干扰能力差,要对模拟乘法器的输出信号进行直流和交流检波,必然产生损耗,不能达到很高的精度。
在本系统中采用专用的增益相位检测器件——AD8302 [25],比用多个器件进行检测准确度高,有较强的抗干扰能力,并易于控制。
由于增益相位检测器AD8302 要求被检测的两路信号功率在-60dBm~0dBm 范围内,为防止损坏器件,需对两路信号进行功率调整,本系统使用了易于数字控制增益的可控增益放大器AD8369 和对数放大器AD8307 构成一个反馈系统进行自动调整。
对数放大器AD8307 可以对信号的幅度进行检测,通过被检测到的幅度范围,系统调整可控增益放大器AD8369 的放大倍数,使增益相位检测器AD8302 能够有效地对被测网络的增益和相位进行检测。
将模拟增益和相位检测结果转化为数字量的方法是采用ADC,由于检测结果是个慢变信号,因此对ADC 的速度要求较低,本系统中。
在线电阻测量仪的制作与设计摘要:设计了一种在单片机控制下的在线电阻测量仪器。
被测电阻本身通过Rx/V转换电路,利用运放的“虚短”、“虚断”特点和电隔离技术,经过双限比较器,转换成模拟电压后通过A/D转换器转换成数字信号,再经软件编程使其变成电阻数据,通过LED动态显示。
同时单片机还可以进行数据采集,自动量程转换和量程显示,具有较高的测试精度。
关键词:电阻;在线测试;量程转换;单片机A Measurement Instrument of In-circuitResistanceAbstract:This paper presents an instrument controlled by the single-chip AT89C51.The instrume -nt can carry out the on-line measurement for resistance and capacity. It uses the principle of the v -oltage negative feedback and the method of the isolated voltage. The instrument can collect data and implement A/D conversion. It can also change the range of measurement automatically and provide high accuracy.Key Words: resistance; single-chip computer; on-line measurement; A/D conversion引言在二十一世纪的今天,首先应当肯定的是PCB产业是当今最充满希望的产业,PCB也就是我们现在所熟悉的印刷电路板。
从发明至今,它的历史已经走过了六十年,按现在电子电路大会的说法,PCB这六十年的历史表明“没有PCB,就没有电子线路,飞行、交通、原子能、计算机、通信、电话……这一切都无法实现”,由此看出,PCB对我们的应用来说是非常广泛的。
简易电阻自动测试仪毕业设计简易自动电阻测试仪设计报告摘要电阻测试仪,是电子器件测量、分选不可缺少的工具,主要用于测试变压器、电机、互感器等设备的直流电阻,具有不受电抗影响、测量精度高、测试速度快及可用于方便地进行分选特点。
简易自动电阻测试仪是以51单片机为核心,其工作原理是控制可控恒流源输出电流流经被测量电阻,将被测量电阻两端的电压经过调理并送至由ICL7135构成的AD电路,被测信号经AD转换送至单片机得出被测量电阻的阻值。
本仪器有四档恒流源分别对应四个量程,通过单片机发送量程信号可以方便地进行量程的切换。
显示及按键模块采用动态扫描方式,在程序中通过定时器自动扫描显示及键检测可自动显示小数点和单位以及进行各种特效显示。
关键词:电阻测试仪,单片机,可控恒流源,ICL7135,程控放大器一、概述1.1课题要求1、基本要求(1)测量量程为100Ω、1kΩ、10kΩ、10MΩ四档。
测量准确度为±(1%读数+2 字)。
(2)3 位数字显示(最大显示数必须为999),能自动显示小数点和单位,测量速率大于5 次/秒。
(3)100Ω、1kΩ、10kΩ三档量程具有自动量程转换功能。
2.发挥部分(1)具有自动电阻筛选功能。
即在进行电阻筛选测量时,用户通过键盘输入要求的电阻值和筛选的误差值;测量时,仪器能在显示被测电阻阻值的同时,给出该电阻是否符合筛选要求的指示。
(2)设计并制作一个能自动测量和显示电位器阻值随旋转角度变化曲线的辅助装置,要求曲线各点的测量准确度为±(5%读数+2 字),全程测量时间不大于10 秒,测量点不少于15 点。
辅助装置连接的示意图如图1 所示。
(3)其他图1 辅助装置连接示意图1.2课题分析根据上述要求可知,系统中需要含有一个智能控制核心,本设计拟采用以51单片机作为系统的控制核心。
采用单片机控制单刀多掷开关实现不同阻值量程的档位切换。
由要求第二点可知,系统采集数据的速率要大于5 次/秒,即系统中用于数据采集的模数转换器的采样速率要大于一定值。
网络阻抗测试仪
难度系数:1.0 一、任务
设计并制作一个简易网络阻抗测试仪,用于测量一端口无源网络的交流阻抗特性。
二、要求
1.基本要求
(1)设计并制作一正弦波信号源,要求:
①正弦信号输出频率范围100Hz~200Hz,信号频率可设置、可步进。
②正弦信号输出幅度2±0.1V(Vpp)。
③正弦信号输出频率值、幅度值能够显示。
(2)设计并制作一端口无源网络交流阻抗特性测试仪,能够测量一端口网络的阻抗模|Z|和阻抗角φ,并显示测量结果。
(3)阻抗模和阻抗角测量误差的绝对值小于理论计算值的5%。
2.发挥部分
(1)能够判断被测网络结构(串联、并联)。
(2)能够判断被测网络性质(容性、感性)。
(3)能测量并显示被测网络的谐振频率点。
(4)其它创新性设计。
三、说明
1.被测无源网络由电阻、电容、电感构成;每个网络中有两个元件,两者串联或并联。
2.当输入激励频率在100Hz—200Hz范围内时,网络的阻抗模在100Ω—500Ω范围内,阻抗角φ在±90º范围内。
3.所设计制作的网络阻抗测试仪需留出连接被测网络模块的接口,且能方便更换被测阻抗模块。
4.测试评审时对现场提供的标准模块进行测试。
四、评分标准。
阻抗的测量实验报告
阻抗测量是用来测量电子部件及电路中阻抗特性的重要方法。
本实验旨在研究常见的阻抗测量仪中的 R、L、C 元件,从而探究其不同参数下的阻抗表现及其在不同应用场景中的实际含义。
实验的主要测量设备包括 BDS-0042 电子工程分析仪及其配套高频器、交流仪、直流测电器、直流电源、仪表示波器、电子负载等。
实验的主要工作程序如下:
第一项工作是实验设备的组装及其连接,将所有仪器与主机连接,确保连接稳定不脱落。
第二部,根据实验要点安装 Rod-0041 高频器,调节高频器方案,将频率设置为
300KHz。
第三项,分别安装待测元件 R、L、C,并在对应示波器上观察测量结果,记录。
第四项,测量不同元件的参数并观察在电路回路中的变化,分析参数变化对阻抗的影响。
第五部,数据记录,按照实验的要求记录实验的测量数据,同时记录实验设备的序号及测量结果。
实验结果表明,R、L、C 等元件在不同实验参数下,其阻抗表现有很大差异,其中 R 元件的表现最不敏感,L 元件和 C 元件则更敏感,C 元件细微的参数变化都会对阻抗产生很大的影响。
本实验的结果表明,只有通过不同参数的控制可以更好地探究电路中阻抗特性,它有助于深入理解电路的性能参数。
本实验对于理解阻抗特性具有一定的参考价值,为今后有��参考研究提供了可靠的数据和理论依据。
altium designer阻抗计算摘要:1.Altium Designer简介2.阻抗计算原理3.Altium Designer中阻抗计算方法4.阻抗计算实例演示5.阻抗计算在电路设计中的应用6.总结正文:Altium Designer是一款专业的电子电路设计软件,广泛应用于电子工程师和电路设计师的工作中。
在电路设计过程中,阻抗计算是一项重要任务。
本文将介绍Altium Designer中的阻抗计算方法,并通过实例演示来展示其在电路设计中的应用。
1.Altium Designer简介Altium Designer是一款集成设计环境,可用于印刷电路板(PCB)设计、电路仿真、原理图编辑等。
它具有丰富的功能和直观的用户界面,使得电路设计变得更加便捷。
2.阻抗计算原理阻抗是电路中电流与电压之间的比值,通常用复数表示。
它包括实部(电阻)和虚部(电感或电容)。
在电路设计中,正确计算阻抗对于分析电路性能和优化电路布局具有重要意义。
3.Altium Designer中阻抗计算方法在Altium Designer中,可以使用以下方法进行阻抗计算:(1)根据元件参数计算:在原理图编辑器中,选取需要计算阻抗的元件(如电阻、电容、电感等),查看其属性面板中的参数,根据元件参数计算阻抗。
(2)使用网络分析仪:在Altium Designer中,可以使用网络分析仪测量电路的S参数,然后根据S参数计算阻抗。
4.阻抗计算实例演示以下以一个简单的RC电路为例,演示如何在Altium Designer中计算阻抗:(1)创建一个新项目,添加所需的元件(如电阻、电容等)。
(2)编辑元件属性,设置电阻值为R,电容值为C。
(3)使用网络分析仪测量电路的频率响应,查看测量结果中的S参数。
(4)根据S参数计算阻抗,实部为R,虚部为-1/(ωC)。
5.阻抗计算在电路设计中的应用阻抗计算在电路设计中的应用主要包括以下方面:(1)分析电路性能:通过计算阻抗,可以了解电路在不同频率下的性能表现,为优化电路设计提供依据。
阻抗谱测量电路开源以下是一个用于阻抗谱测量的开源电路设计:材料:- Arduino UNO 控制板- AD9850 AD 模块- NE555 Timer 芯片- 16x2 LCD 模块- 功率放大器模块- 电源模块- 电阻、电容器、电感等元件- 连接线和杜邦线电路图:1. 将 Arduino UNO 控制板连接到计算机上,并进行必要的驱动程序安装。
2. 将 AD9850 AD 模块连接到 Arduino 的数字引脚上,用于控制生成正弦波信号。
3. 根据需要的频率范围,将 NE555 Timer 芯片配置为正弦波信号的参考时钟。
4. 连接 LCD 模块到 Arduino 的数字引脚上,用于显示测量结果。
5. 通过功率放大器模块将信号放大到适当的电平。
6. 根据实际需要,添加适当的电阻、电容器和电感器,构建需要测量的阻抗谱电路。
7. 连接电源模块为电路提供所需的电压。
软件编程:1. 编写 Arduino 的程序代码,实现以下功能:- 控制 AD9850 模块产生特定频率的正弦波信号。
- 用 NE555 Timer 芯片作为参考时钟,对输出信号进行频率测量。
- 通过 LCD 模块显示测量结果。
- 通过 ADC 输入通道,读取电路中产生的电压信号。
2. 根据测量的阻抗谱算法,对读取的电压信号进行处理,计算出阻抗谱。
3. 将阻抗谱数据显示在 LCD 模块上。
以上是一个基于 Arduino 的简单阻抗谱测量电路的开源设计,你可以根据需要进行修改和扩展。
请注意,电路设计和编程可能需要一定的电子和编程知识,确保正确连接和操作电路,并仔细阅读相关文档和数据表。
阻抗设计指导书阻抗设计指导书1.引言1.1 背景1.2 目的2.阻抗概述2.1 什么是阻抗2.2 阻抗的重要性3.阻抗设计步骤3.1 确定设计需求3.2 收集关键数据3.3 分析数据3.4 设计阻抗网络3.5 评估设计的性能4.阻抗设计方法4.1 阻抗匹配4.2 阻抗变换4.3 阻抗调节5.常见阻抗设计技术5.1 LC阻抗设计5.2 RC阻抗设计5.3 PID阻抗设计5.4 传输线阻抗设计5.5 地线阻抗设计6.阻抗设计实例6.1 无线通信系统阻抗设计 6.2 模拟电路阻抗设计6.3 数字电路阻抗设计7.阻抗设计工具和软件7.1 阻抗计算器7.2 电路仿真软件7.3 PCB设计软件8.阻抗设计注意事项8.1 温度和频率影响8.2 物料选择8.3 电路布局8.4 测试和验证9.阻抗设计案例研究9.1 汽车电子系统阻抗设计9.2 电力供应系统阻抗设计9.3 通信网络阻抗设计10.结论附件:1.阻抗设计工具使用手册2.实例设计文件和数据3.相关参考文献和资源法律名词及注释:1.知识产权:指作为一种资源或社会财富的创造性产生的商品化的、可以买卖的,以及因此所能带来的权益和负担的产权。
2.版权:指作者对其作品享有的权利,包括复制权、发行权、表演权、放映权、广播权、信息网络传播权等权利。
3.商标:指在商品或服务上使用,以区别生产者或服务提供者的产品或服务的标志。
4.专利:指针对新的技术、产品或工艺所拥有的排他性权利,使得专利持有人可以阻止他人在法律授权的期限内使用该技术、产品或工艺。
5.法律责任:指违反法律、法规和相关条款而产生的法律后果,包括民事责任、行政责任和刑事责任。
基于AD5933的阻抗测量仪摘要:设计采用阻抗测量芯片AD5933,以低功耗高性能处理器LUMINARY615作为控制器,利用比例测量,DFT数字解调,软件校准和补偿等技术实现了对阻抗的高精度测量。
通过外接模拟开关并通过软件设计实现了量程自动转换,并能在不同频率下进行测量,能通过良好的人机界面来实时控制与显示。
测试结果表明,在一定范围内测量阻抗的幅值相对误差小于1%,实现了较高精度的阻抗测量。
关键词: 阻抗测量; AD5933 ;自动量程转换;Luminay615目录1. 系统设计1.1 设计要求1.2 方案比较与论证1.2.1 系统方案比较与论证1.2.2 系统方案2. 系统硬件电路设计2.1 处理器电路设计2.2 阻抗测量电路设计2.2.1 AD5933 简介2.2.2 AD5933工作原理2.2.4 测量电路3.软件设计3.1 开发环境简介3.2 I2C通行协议简介3.2 软件设计4.系统测试4.1 测试仪器4.2 测试方法及结果4.3 误差分析5.总结6.参考文献附录1.系统设计1.1设计要求要求设计一个较高精度的阻抗测量系统,并实现对阻抗的自动测量。
1.2方案论证与比较1.2.1系统方案比较与论证方案一:电桥法电桥法是指在桥式电路的某部分施加一电压,通过调节电桥内部标准,一直到接于电桥电路中的平衡指示器获得平衡指示。
这时,位于电路未知端的器件和电桥电路的其它元件之间存在确定关系。
一般来说,电桥法是传统阻抗测量中准确度最高方法,特别适于中值阻抗的测量。
测量原理如图1.1所示。
图1.1 电桥电路原理图图1.1中Z1,Z2,Z3,Z4为电桥的四臂的阻抗,E为电桥的信号源,G为电桥的平衡指示器。
当电桥桥路平衡时,Uab=0,桥路平衡指示器上无电流流过,根据基尔霍夫定律,I1=I2,I3=I4,Uca=Ucb,Uad=Ubd。
故I1Z1=I3Z3;I2Z2=I4Z4;以上两式相比得:Z1/Z2=Z3/Z4。
这就是四臂电桥平衡的条件,当桥路中有3个桥臂为已知时,则未知量才可求得。
因为阻抗包含电阻分量和电抗分量,在调节已知阻抗使电桥达到平衡时,至少需要调节两个。
在直流电桥中,因为各臂皆由纯电阻组成,故不需要考虑相位问题。
对于交流电桥,各臂阻抗都等效为电阻分量和电抗分量。
为了使电桥的平衡调节简单化,这两个调节阻抗元件的选择是非常重要的。
最理想的调节参数是能够分别平衡被测阻抗中的电阻分量和电抗分量。
因为阻抗电桥平衡的调节和相应的计算极为复杂,所以测量操作繁琐、费时,且测量范围受限,这给测量带来极大不便。
方案二:谐振法谐振法是用电感和电容组成的串联或并联谐振电路,通过电压表或电流表来确定谐振点,而进行阻抗测量的一种方法。
这种方法常用于测量电抗成分与电阻成分之比很大,并组成串联或并联电路的阻抗。
图1.2为一谐振电路,当被测元件Cx 未连接时,电路谐振频率为:( C 0 为谐振时可调电容值)图1.2 谐振法测量阻抗当Cx 接入后,保持f 值不变,调节电容C 的值使电路重新谐振,设此时C 的值为C2,则Cx=C0-C2谐振法通常是测定回路的参量,而不是单个元件的参量。
如果要用谐振法测定单个元件参量,只有在其它回路元件为已知或者它们对于回路的作用可以不予考虑的情况下才能实现,所以,谐振法不能用作高准确度阻抗测量,但谐振法具有宽频带 (1kHz 至1000MHz),操作简单,适合于高Q 元器件测量。
方案三:矢量电压电流法矢量电压电流法是将测试信号电压加到被测件,测量信号电流流过被测件,然后由电压和电流之比计算测试端的阻抗。
这种方法可用多端测量结构,在电路中消除残余阻抗的影响同时测量电路比较简单、量程宽。
电桥电路不需要使用通常的平衡控制,所以便于高速测量且操作容易。
其工作原理如图1.3所示:RZ XV 1V 2I图1.3 矢量电压电流法由精确的电阻R 值便可实现阻抗的测量,容易得到下式:R V V I V Z X 211==以上三种方案各有优缺,通过比较,结合设计要求,采用基于矢量电压电流法的阻抗测量芯片AD5933来实现阻抗测量,能达到高精度,高稳定度的要求,且容易实现。
1.3 系统方案系统通过Luminary615作为控制器,对AD5933内部寄存器读写从而控制阻抗测量,外接模拟开关以实现不同量程范围内阻抗的测量。
AD5933芯片内部集成了内置温度传感器,数模转换器和模数转换器,频率发生器.扫描激励信号通过被测物后,再经过放大、滤波、模数转换,使其变为数字信号后经过DFT 变换得到阻抗实部值与虚部值,通过与Luminary615进行I2C 通信便可实现数据处理最终实现阻抗测量。
系统设计框图如图1.4所示。
图1.4 系统框图2. 硬件电路设计2.1 处理器电路设计Luminary Micro Stellaris®系列微控制器是首款基于ARM® CortexTM -M3 的控制器,它将高性能的32 位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器应用中。
这些堪称先锋的器件,价格与8 位和16 位器件相同,却能为用户提供32 位器件的性能,并且所有器件都是以小型封装的形式提供。
Stellaris 系列的LM3S615微控制器拥有ARM 微控制器所具有的众多优点,如拥有广泛使用的开发工具,片上系统(SoC )的底层结构IP 的应用,以及众多的用户群体。
此外,控制器还采用了ARM 可兼容Thumb®的Thumb-2 指令集来降低内存的需求量,进而降低成本。
Luminary615最小系统电路图见附录图1.1。
2.2 阻抗测量电路设计2.2.1 AD5933 芯片简介AD5933是一种高精度阻抗数字直接变换系统,主要由一个12位、1MSPS的片上频率发生器和一个片上模拟数字转换器(ADC)组成。
频率发生器可以产生特定频率的信号激励外部复阻抗。
复阻抗的响应信号由片上模数转换器ADC采样后,再通过片上上数字信号处理器进行离散傅立叶变换(DFT)。
在每个输出频率,DFT运算处理后都会返回一个实值(R)和虚值(I)。
校正后,扫频轨迹上的每个频点的阻抗幅值和阻抗相对相位很容易计算。
图2.1给出了AD5933的封装图,表2.1给出了AD5933的引脚定义。
图2.2为AD5933内部框图。
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2.1 AD5933引脚排列表2.1 AD5933引脚定义图2.2 AD5933内部框图2.2.2 AD5933工作原理用AD5933来实现阻抗测量,这种测量方法实质上是一种软测量方法,即在待测变量难于直接测量的情况下,进行与之相关的易测变量的测量,并依据易测变量与待测变量之间的数学关系,建立数学模型,运用各种数学计算和估计方法,实现待测变量的测量[10]。
AD5933有一个电压输出引脚Vout (图2.2)。
它能发出一定频率的正弦扫描信号对外部阻抗 Z(ω) 进行激励。
信号通过被测样品后,再经放大、滤波后被模数转换器取样,并进行离散傅立叶变换,最终计算出待测阻抗值。
AD5933是通过芯片内部的DDS(直接数字合成器)来产生正弦扫描信号,该信号具有小于1Hz的分辨率。
为DDS提供时钟频率的,既可以是外部时钟,也可以是内置的振荡器,可通过软件进行设置。
DDS合成的信号经过数模转换和放大后,即可变为测试需要的扫描激励信号。
该正弦激励信号有四个幅值可供选择,其值分别为2v,1v,400mv,200mv。
而这些信号的起始频率,频率的增加量,和增加的次数,必须预先确定,它们都可通过软件进行设定。
扫描激励信号通过被测物后,再经过放大、滤波、模数(AD)转换,使其变为数字信号。
在这个过程中,反馈电阻RFB的选取至关重要,必须保证输入到AD转换器的电压,即Vout×(Rf / Z)×PGA(放大倍数),既不能超过模数转换器的最大电压,也不能太小(见图1)。
这是因为电压太大AD转换器则会饱和,从而使信号失真。
太小信号所含信息又不能够被充分利用。
这两种情况都会使AD转换器不能工作在线性区域。
我们必需通过选取合适的反馈电阻Rf,使Vout×(Rf / Z)×PGA的数值处在一个适当的范围内以避免上述情况发生。
AD转换器输出的数字信号,直接进入数字信号处理器进行离散傅立叶变换(DFT),傅立叶变换在每个扫描频率点上进行,其公式如下:()()()()()()∑=-=10230sin cos n n j n n x f X其中f 是扫描点的频率,x(n)是AD 转换器输出值,而cos(n)和sin(n)是在频率f 下由DDS 计算产生。
计算的结果()X f 一般是一个复数。
它的实部用R ,虚部用I 来表示。
这些就是我们建立被测阻抗数学模型所需的易测变量值。
以下是详细计算过程。
(1) 幅值计算阻抗测量的第一步是在每个扫频点,计算傅里叶变换的幅值,计算公式如下: 幅值=22I R +上式中R 为存储在地址为0x94和0x95寄存器中的实数;I 为存储在地址为0x96和0x97寄存器中的虚数(注)。
例如:实数寄存器中的十进制数值为907,虚数寄存器中的十进制数值为516,则幅值= 22516907+ =1043.506。
(2) 增益系数计算增益系数的计算是在VOUT 引脚和VIN 引脚之间连接一个未知阻抗,进行系统校准计算完成的。
该系数被确定后便可以测量计算任何阻抗值。
下面是一个计算增益系数的例子:假设输出激励电压为2V (峰峰值),校正阻抗值为200K ,PGA 放大倍数是1倍,电流电压转换放大器增益电阻为200K ,校正频率为30KHz 。
该频点经DFT 转换后实数和虚数寄存器中的内容为:实数寄存器=0xF064=-3996; 虚数寄存器=0x227E=8830 ;幅值= =9692.106增益系数== (1/200K)/9692.106=515.819×10-12下面再给出一个已知增益系数、被测电阻的实部和虚部值计算被测电阻阻值的例子。
假设被测电阻为510k Ω,激励频率为30kHz ,测量得到的实部和虚部值分别为-1473和3507,则计算得到的模值为3802.863。
阻抗值==1/(515.819E-12×3802.863) =509.791k Ω。
对于不同的测量频率点增益系数是不同的,所以在不同的频率点上要分别计算增益系22)8830()3996(+-幅值校正阻抗值1⨯增益系数幅值1⨯数。
在测量过程中可以通过限制电阻的测量范围来优化测量性能。
(3)相角计算及校准在阻抗测量过程中不仅仅要关注电阻的模值,还要知道相角的大小,相角值=arctanI/R。