AD5934 250 kSPS、12位阻抗转换器网络分析仪技术手册

概述
AD5934是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，片上集成一个频率发生器和一个12位、250 kSPS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。
数据表：*附件：AD5934 250 kSPS、12位阻抗转换器网络分析仪技术手册.pdf
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
• 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℃至+125℃
• 16引脚SSOP封装

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

框图

引脚配置描述

典型性能特征

典型应用

小阻抗测量

如果系统增益设置针对被测阻抗范围选择得当，AD5933能够测量高达10 MΩ的阻抗值。

如果用户在VOUT引脚和VIN引脚之间放置一个较小的阻抗值（≤500 Ω ），在扫描感兴趣的频率时，会导致流经该阻抗的信号电流增加。由于VOUT引脚处的固定激励电压可能无法为互易放大器提供所需的电流增量，所以无法实现单位增益条件。为使互易I - V放大器达到单位增益条件，用户需要有一个与增益因子设置配置部分所述系统校准反馈电阻相似的小阻值电阻。由于互易I - V放大器接收侧的虚地，VIN引脚上呈现的电压严格偏置为VDD/2 。输出电流的增加以及对互易I - V放大器输出端的要求，也可能导致该放大器在其线性区域之外工作。这会在后续的阻抗测量中引入显著误差。

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31），特别是当输出串联电阻值与被测阻抗值（ZUNKNOWN）相近时。如果在系统校准（即增益因子计算）中未考虑ROUT值，在测量小阻抗时会引入误差。引入误差的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，并且与硅制造工艺中所有分立电阻一样，存在容差。输出串联电阻的典型值列于表16。

因此，为准确校准AD5933以测量小阻抗，必须通过充分衰减激励电压来降低信号电流，并且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31所示的电路有助于最大程度减少上述问题的影响。该电路的要点在于，将AD5933系统增益保持在其线性范围内，同时测量小阻抗。为此使用了额外的外部放大器电路。外部放大器通过合适的电阻（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31所示的电路中，ZUNKNOWN识别到带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。

关键要点是，图31中的主放大器（其增益也与ZUNKNOWN相关）在增益因子校准及后续与比较引脚（与小阻抗直接串联的引脚）相连的阻抗读数中具有较小的负载效应。外部放大器缓冲未知阻抗，使其不受ROUT影响，并引入一个与ZUNKNOWN串联的较小输出阻抗。