AD5933 1 MSPS、12位阻抗转换器网络分析仪技术手册

概述
AD5933是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，片上集成频率发生器与12位、1 MSPS的模数转换器(ADC)。用频率发生器产生的信号来激励外部复阻抗，外部阻抗的响应信号由片上ADC进行采样，然后由片上DSP进行离散傅里叶变换(DFT)处理。DFT算法在每个频率上返回一个实部(R)数据字和一个虚部(I)数据字。

校准之后，很容易算出各扫描频率点的阻抗幅度和相对相位。计算是利用实部和虚部寄存器内容在片外完成，寄存器内容可以从串行I2C接口读取。

ADI公司还提供一款类似器件[AD5934]，它是一款2.7 V至5.5 V、250 kSPS、12位阻抗转换器，内置温度传感器，并采用16引脚SSOP封装。
数据表：*附件：AD5933 1 MSPS、12位阻抗转换器网络分析仪技术手册.pdf

应用

• 电化学分析
• 生物电阻抗分析
• 阻抗频谱分析
• 复阻抗测量
• 腐蚀监控和保护设备
• 生物医学和汽车传感器
• 近程传感
• 无损检测
• 材料性质分析
• 燃料/电池状态监控

特性

• 可编程输出峰峰值激励电压，输出频率最高达100 kHz
• 可编程频率扫描功能和串行I^2^C ^®^ 接口
• 频率分辨率：27位(<0.1 Hz)
• 阻抗测量范围：1 kΩ至10 MΩ
• 利用附加电路可测量100 Ω至1 kΩ阻抗
• 内部温度传感器(±2°C)
• 内部系统时钟选项
• 相位测量功能
• 系统精度：0.5%
• 电源电压：2.7 V至5.5 V
• 温度范围：-40°C 至 +125°C
• 16引脚SSOP封装
• 通过汽车应用认证

框图

引脚配置描述

典型性能特征

典型应用

小阻抗测量

如果针对阻抗范围正确选择了系统增益设置，AD5933能够测量高达10 MΩ的阻抗值。

如果用户在感兴趣的扫描频率范围内，将小阻抗值（≤500 Ω ）置于VOUT引脚和VIN引脚之间，这会导致流过被测阻抗的电流增加。固定激励电压可能无法为跨导放大器提供所需的输出电流，从而导致VOUT引脚处的电压下降。为使互易放大器具有单位增益条件，用户需要有一个与系统校准中所述反馈电阻相似的小值，用于增益因子设置配置部分。VIN引脚上的电压严格偏置为VDD/2。互易放大器的源/漏侧电流增加，可能会使放大器在其线性区域之外工作，这会在后续的阻抗测量中导致显著误差。

测量小阻抗（ZUNKNOWN）时，必须考虑VOUT引脚处的输出串联电阻ROUT的值（见图35），特别是当输出串联电阻值与被测阻抗值（ZUNKNOWN）相近时。如果测量小阻抗时忽略ROUT（即增益因子计算中不考虑），则会在后续的阻抗测量中引入误差。引入的误差大小取决于被测阻抗与输出串联电阻值的相对大小。

输出串联电阻的值取决于VOUT处选择的输出激励范围，并且与所有硅基制造的分立电阻一样，存在器件间的容差。输出串联电阻的典型值列于表17。

因此，为准确校准AD5933以测量小阻抗，有必要通过充分衰减激励电压来降低信号电流，同时在增益因子计算中考虑ROUT值（见增益因子计算部分）。

在器件特性表征期间测量ROUT值，可通过在VOUT处选择合适的输出激励范围（例如，±2 mA ），并测量引脚处直流电压的变化来实现。输出串联电阻可通过测量所得电流 - 电压（I-V）曲线斜率的倒数（即1/斜率）来计算。

图35所示的电路有助于最大程度减少上述问题。该电路的要点在于，将AD5933系统增益保持在其线性范围内，同时通过额外的外部放大器电路测量小阻抗。外部放大器通过选择合适的电阻（R1和R2），对VOUT处的峰峰值激励电压进行衰减，从而减少流经被测阻抗的信号电流，并最大程度降低阻抗计算中输出串联电阻的影响。

在图35所示的电路中，ZUNKNOWN识别到外部放大器的输出串联电阻，通常远小于1 Ω，具体取决于所使用的运算放大器器件（如AD820、AD8641、AD8531 ）以及负载电流、带宽和增益。