高精度阻抗测量电路：AD5933/AD5934的应用与优化

一、引言

在电子设计领域，高精度的阻抗测量一直是一个关键需求。今天我们要探讨的是基于AD5933和AD5934这两款12位阻抗转换器的电路设计，以及如何通过优化来实现高精度的阻抗测量。

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二、电路核心器件介绍

2.1 AD5933和AD5934

AD5933和AD5934是高精度阻抗转换器系统解决方案，它们将片上可编程频率发生器与12位的模数转换器（ADC）相结合。AD5933的采样率为1 MSPS，AD5934为250 kSPS。可编程频率发生器能以已知频率激励外部复阻抗，从而实现对阻抗的测量。

2.2 AD8606

AD8606是一款精密、低噪声的双CMOS运算放大器，在电路中发挥着重要作用。

三、电路功能与优势

3.1 高精度测量范围

该电路能够实现从低欧姆范围到几百kΩ的精确阻抗测量，并且优化了AD5933/AD5934的整体测量精度。

3.2 信号链优化

通过在信号链中加入简单的缓冲器，可以防止输出阻抗影响未知阻抗的测量。选择低输出阻抗且带宽足够的放大器，如AD8605/AD8606/AD8608系列CMOS运算放大器，其在100 kHz以下的输出阻抗小于1 Ω，能很好地满足AD5933/AD5934的最大工作范围要求。

四、电路设计要点

4.1 输出阻抗与增益因子

AD5933和AD5934有四个可编程输出电压范围，每个范围都有对应的输出阻抗。输出阻抗会影响阻抗测量精度，特别是在低kΩ范围内，因此在计算增益因子时必须考虑这一因素。具体的输出阻抗与激励范围的关系如下表所示：

输出激励幅度（V p-p）	输出电阻（ROUT）
1.98	200 Ω典型值
0.97	2.4 kΩ典型值
0.383	1.0 kΩ典型值
0.198	600 Ω典型值

4.2 直流偏置匹配

AD5933/AD5934的四个可编程输出电压范围对应着四个不同的偏置电压，而其电流 - 电压（I - V）接收阶段被设置为固定的 (V{DD} / 2) 偏置。这种电位差可能会导致被测阻抗极化，从而影响测量精度。解决方案是添加一个低Hz范围的简单高通滤波器，去除发射阶段的直流偏置，并将交流信号重新偏置到 (V{DD} / 2)，以保持信号链中直流电平的恒定。具体的输出电平与直流偏置关系如下表：

输出激励幅度（V p-p）	输出直流偏置电平（V）
1.98	1.48
0.97	0.76
0.383	0.31
0.198	0.173

4.3 接收阶段的I - V缓冲器选择

AD5933/AD5934的I - V放大器阶段可能会给信号链带来一些小的误差。I - V转换阶段对放大器的偏置电流、失调电压和共模抑制比（CMRR）很敏感。通过选择合适的外部离散放大器进行I - V转换，可以选择具有较低偏置电流、失调电压和优秀CMRR的放大器，使I - V转换更加准确。内部放大器可以配置为简单的反相增益阶段。 (R{FB}) 电阻的选择仍取决于系统的增益，具体可参考AD5933/AD5934的数据手册。一些建议的放大器包括ADA4528 - 1、AD8628、AD8629、AD8605和AD8606。根据电路板布局，可以选择单通道或双通道放大器。同时，使用精度为0.1%的电阻作为偏置电阻（50 kΩ）和增益电阻（20 kΩ和 (R{EE}) ），以减少误差。

五、电路评估与测试

5.1 低阻抗范围测量

在低阻抗范围测量中，使用了特定的参数设置，如电压峰 - 峰值为1.98 V（范围1），MCLK为16 MHz， (R{CAL}) 为20.1 Ω等。测量结果表明，测量精度很大程度上取决于未知阻抗范围相对于校准电阻 (R{CAL}) 的大小。例如，对于10.3 Ω的未知阻抗，测量值为10.13 Ω，误差约为2%。为了获得更准确的测量结果，可以选择更接近未知阻抗的 (R{CAL}) 值。对于较大的未知阻抗范围，可以使用外部开关切换不同的 (R{CAL}) 电阻。

5.2 kΩ阻抗范围测量

在kΩ阻抗范围测量中，使用 (R{CAL}) 为99.85 kΩ，测量了一系列未知阻抗。结果显示，选择更接近未知阻抗的 (R{CAL}) 值可以提高整体测量精度。如果未知阻抗范围较大，可以使用多个 (R_{CAL}) 电阻。

5.3 并联R - C（R||C）测量

进行了R||C类型的测量，使用 (R_{CAL}) 为1 kΩ，R为10 kΩ，C为10 nF，在4 kHz到100 kHz的频率范围内进行测量。测量结果通过幅度和相位与理想值进行了对比。

六、常见变化与拓展

6.1 运算放大器的选择

除了AD8606，电路中还可以使用其他运算放大器，如ADA4528 - 1、AD8628、AD8629、AD8605和AD8608。

6.2 开关选项

在生产中，可以使用低导通电阻的开关来切换 (Z{UNKNOWN}) 和 (R{CAL})。开关的选择取决于未知阻抗范围的大小和测量结果的精度要求。例如，可以使用ADG849单刀双掷开关或多通道开关解决方案，如四通道ADG812。开关电阻在 (Z{UNKNOWN}) 上引起的误差可以在校准过程中消除，选择极低 (R{ON}) 的开关可以进一步减小这种影响。

七、总结

通过对AD5933/AD5934阻抗转换器的合理应用和电路优化，我们可以实现高精度的阻抗测量。在设计过程中，需要考虑输出阻抗、直流偏置匹配、I - V缓冲器选择等因素，并根据不同的测量范围和精度要求进行参数调整和电路改进。希望本文能为电子工程师在阻抗测量电路设计方面提供一些有价值的参考。

大家在实际设计过程中，是否遇到过类似的阻抗测量问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。