AD5940/AD5941：高精度阻抗与电化学前端的卓越之选

在电子设计领域，高精度的模拟前端（AFE）对于各类测量应用至关重要。今天，我们就来深入探讨一下ADI公司推出的AD5940/AD5941，看看它在阻抗和电化学测量方面的出色表现。

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一、产品概述

AD5940和AD5941是专为便携式应用设计的高精度、低功耗模拟前端，适用于需要高精度电化学测量技术的场景，如安培测量、伏安测量或阻抗测量。它们在皮肤阻抗和人体阻抗测量方面表现出色，还能与AD8233 AFE配合，构建完整的生物电或生物电位测量系统，同时也适用于电化学有毒气体传感。

这两款芯片由两个高精度激励回路和一个公共测量通道组成，能够对被测传感器进行广泛的测量。第一个激励回路由超低功耗双输出数模转换器（DAC）和低功耗、低噪声恒电位仪组成，可产生直流到200 Hz的信号；第二个激励回路则由一个12位DAC（高速DAC）构成，能够产生高达200 kHz的高频激励信号。

二、关键特性剖析

1. 模拟输入与测量能力

• ADC性能：配备16位ADC，提供800 kSPS和1.6 MSPS两种采样速率选项，具备电压、电流和阻抗测量能力，支持内部和外部电流与电压通道。其积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）表现出色，能有效保证测量的准确性。
• 低泄漏开关矩阵和输入多路复用器：超低泄漏的开关矩阵将传感器连接到内部模拟激励和测量模块，为连接外部跨阻放大器电阻（RTIAs）和校准电阻提供接口，还可将多个电子测量设备多路复用到相同的可穿戴电极上。
• 输入缓冲器和可编程增益放大器：输入缓冲器支持低输入电流泄漏规格，可编程增益放大器（PGA）支持1、1.5、2、4和9的增益设置，能适应不同的输入范围。

2. 信号生成与处理

• DAC输出：超低功耗DAC为双输出串式DAC，有12位（VBIAS0）和6位（VZERO0）两种输出分辨率格式，输出电压范围为0.2 V至2.4 V（12位输出）和0.2 V至2.366 V（6位输出）。高速DAC为12位，输出范围为±607 mV，其输出还配备可编程增益放大器，增益设置为2和0.05。
• 波形生成：数字波形发生器可生成正弦和梯形波形，最高频率可达200 kHz，为测量提供多样化的激励信号。
• 数字信号处理：离散傅里叶变换（DFT）硬件加速器用于复阻抗测量，能自动计算幅度和相位值，减轻主机控制器的处理负担。

3. 放大器与参考源

• 恒电位仪放大器：低功耗、低噪声的恒电位仪放大器适用于电化学传感中的恒电位偏置，输入偏置电流低至20 - 150 pA，能有效稳定传感器的偏置电压。
• 跨阻放大器（TIA）：低功耗TIA和高速TIA分别用于测量低带宽和高带宽信号，输入偏置电流小，噪声低，且可编程负载和增益电阻，能适应不同传感器的输出。
• 参考电压源：提供1.82 V和2.5 V的内部参考电压源，确保ADC和DAC电路的低漂移性能。

4. 系统级特性

• 电源管理：具有多种电源模式，包括活动高功率模式（>80 kHz）、活动低功率模式（<80 kHz）、休眠模式和关机模式，能根据不同的应用场景灵活调整功耗。超低功耗恒电位仪通道在开机且其他模块处于休眠模式时，电流消耗仅为6.5 μA。
• 可编程序列器：6 kB的静态随机存取存储器（SRAM）用于预编程AFE序列，可实现对AFE芯片的自主控制，减轻主机控制器的工作负载。
• 传感器同步与数据采集：支持智能传感器同步和数据采集，能实现对传感器测量的周期精确控制。
• 片上外设：具备SPI串行输入/输出、唤醒定时器、中断控制器等片上外设，方便与外部设备进行通信和控制。

三、寄存器配置与操作

1. 配置寄存器

AD5940/AD5941有多个配置寄存器，如AFECON、PMBW等，用于配置AFE的各种功能，包括DAC缓冲器、参考源、滤波器、波形发生器等的启用和禁用。通过对这些寄存器的设置，可以灵活调整芯片的工作模式和性能。

2. 系统初始化

在每次设备复位后，需要进行初始化序列，向特定的寄存器写入特定的数据，以确保设备正常运行。如果初始化序列不正确，设备将无法正常工作。

3. 各模块电路寄存器

低功率DAC、低功率恒电位仪、低功率TIA、高速DAC、高速TIA、高性能ADC等模块都有各自的寄存器，用于配置其工作参数，如增益、偏移、采样率等。这些寄存器的合理设置对于实现精确的测量至关重要。

四、应用领域

1. 电化学测量

在电化学气体传感器测量、恒电位仪/安培测量/伏安测量/循环伏安测量等方面，AD5940/AD5941能够提供高精度的测量结果。通过低功率DAC设置传感器的偏置电压，利用TIA测量传感器的电流输出，再结合ADC进行数据采集和处理。

2. 生物阻抗应用

可用于皮肤阻抗和人体阻抗测量，以及连续葡萄糖监测和电池阻抗测量。在生物阻抗测量中，高速DAC和DFT硬件加速器的配合，能够准确测量生物组织的阻抗特性。

3. 其他应用

还可用于智能水/液体质量分析，通过测量pH值、电导率、氧化还原电位和温度等参数，实现对水质的监测。

五、总结

AD5940/AD5941凭借其高精度、低功耗、丰富的功能和灵活的配置，为电子工程师在电化学和阻抗测量领域提供了一个强大的解决方案。无论是在医疗设备、环境监测还是工业控制等领域，都能发挥重要作用。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求，合理配置寄存器和参数，充分发挥芯片的性能优势。你在使用AD5940/AD5941的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。