基于AD8302的阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牟光紅，李廷軍

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都 611731)

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基于AD8302的阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牟光紅，李廷軍

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都 611731)

為了滿足寬頻、寬量程阻抗測量需求，設(shè)計(jì)了一種激勵(lì)源靈活可調(diào)的復(fù)阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DDS技術(shù)提供寬頻激勵(lì)，通過可控參考阻抗電路和AD8302實(shí)現(xiàn)阻抗信息提取，提出了一種模擬移相的方法來鑒別相位極性。數(shù)據(jù)采集和整個(gè)系統(tǒng)控制由STM32控制器完成。結(jié)果表明：測量系統(tǒng)可在100 Hz～10 MHz工作正常，在寬阻抗范圍內(nèi)具有較高精度。

阻抗測量; 直接數(shù)字合成; 相位檢測; AD8302; STM32

0 引言

電阻抗測量最初是為了分析電子器件或未知網(wǎng)絡(luò)電參數(shù)特性，而當(dāng)前更多應(yīng)用在電化學(xué)分析、生物阻抗測量、阻抗譜分析中[1]，例如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，血液分析和人體阻抗測量都會(huì)用到電阻抗測量技術(shù)。與X射線計(jì)算機(jī)斷層(CT)和核磁共振(MRI)檢測手段相比，電阻抗測量具有對人體無創(chuàng)、測量設(shè)備簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。電阻抗成像已成為21世紀(jì)醫(yī)學(xué)成像研究的熱點(diǎn)，而且電阻抗測量在工業(yè)監(jiān)測、無損探傷等方面也引起了工業(yè)界的極大關(guān)注。因此，對于寬范圍、高精度的阻抗測量方法的研究有著重要意義。

1 測量原理及系統(tǒng)方案

1.1 測量原理

阻抗測量方法主要有電橋法、諧振法和矢量伏安法[2]。電橋法雖測量精度高，但往往需要多次調(diào)整橋臂參數(shù)使橋平衡，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。諧振法要求在諧振頻率下推算出電參數(shù)，諧振點(diǎn)不確定，對測量頻率要求過高且精度低。因此本文采用矢量伏安法實(shí)現(xiàn)阻抗測量。矢量伏安法是直接來源于阻抗定義的一種時(shí)域測量方法。其原理如圖1所示，被測阻抗兩端的矢量電壓與流過的矢量電流之比即為所求的復(fù)阻抗值。由于難以直接測獲取電流幅相參數(shù)，可將已知參考阻抗將電流轉(zhuǎn)化為電壓，通過電壓比與參考阻抗大小來計(jì)算待測阻抗。

(a) 直接測量

(b) 比值測量

計(jì)算式如下：

(1)

(2)

式中：|ZX|為阻抗模值;φz為阻抗相位。

1.2 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)測量原理設(shè)計(jì)了如圖2所示的測量方案。

圖2 測量系統(tǒng)框圖

測量系統(tǒng)主要由激勵(lì)源電路、阻抗信息獲取電路、信號采集處理模塊等組成。其中，電流電壓轉(zhuǎn)換由可變的參考阻抗電路完成，ADI檢波芯片AD8302實(shí)現(xiàn)待測阻抗模值和相位信息提取[3]。為了方便進(jìn)行阻抗譜分析，通過串口將測量數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)還可監(jiān)控當(dāng)前測量環(huán)境溫度，可用于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 激勵(lì)源電路

為滿足寬頻要求，選用AD9834為頻率源，該芯片是一款低功耗DDS器件，能夠產(chǎn)生高性能正弦波輸出。頻率寄存器為28位，時(shí)鐘速率為75 MHz時(shí)可以實(shí)現(xiàn)0.28 Hz的分辨率。在DDS輸出后插入低通濾波器可減小雜散，得到更好的輸出波形。濾波器指標(biāo)[4]：類型為5階橢圓低通濾波器；通帶fc為10 MHz；帶內(nèi)紋波ε為0.5；衰減fs為13 MHz;阻帶為40 dB;輸入輸出匹配阻抗為200 Ω。

濾波器后為放大電路，有隔離和增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的作用。AD8615是一款高精度，低噪聲、低功耗、單位增益穩(wěn)定且軌到軌輸入輸出放大器，可提供高達(dá)150 mA的電流輸出。激勵(lì)源電路如圖3所示。

圖3 激勵(lì)源電路

2.2 可控參考阻抗及幅相檢測電路

傳統(tǒng)參考阻抗測量如圖1(b)所示，通過固定值電阻Rr來實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換，然后將兩路電壓信號送入檢波器AD8302。雖AD8302有寬檢波范圍(-30～+30 dB)，可當(dāng)待測阻抗ZX阻抗變化范圍很大時(shí)，與參考阻抗比可能超過這個(gè)范圍，則造成誤差大或無法測量。采用PGA或運(yùn)放對信號進(jìn)行調(diào)理，讓兩路信號在檢波范圍內(nèi)，但這又使兩路信號間插入損耗或相位偏移不同而引入不平衡誤差。為了實(shí)現(xiàn)寬范圍測量并保證兩路電壓經(jīng)過相同鏈路進(jìn)入檢波器，設(shè)計(jì)了如圖4所示的可變的參考阻抗電路和幅相測量電路。

圖4 可變參考阻抗及幅相檢測電路

參考阻抗Rn(n=1,2…N)選用精密電阻，為了方便計(jì)算，選值為10倍程間隔(10 Ω,100 Ω…10 MΩ)，開關(guān)閉、合實(shí)現(xiàn)參考阻抗選擇。開關(guān)矩陣電路采用低導(dǎo)通電阻，高關(guān)斷隔離度的模擬開關(guān)ADG1607來實(shí)現(xiàn)?？v向開關(guān)SYn導(dǎo)通則橫向開關(guān)SXn同時(shí)導(dǎo)通，其它開關(guān)斷開，B-信號來自縱向開關(guān)與參考阻抗之間，B+與B-差模電壓恰好為參考阻抗上的電壓信號，而橫向開關(guān)引入B-端的導(dǎo)通阻抗對于高輸入阻抗的儀表放大器可忽略不計(jì)。

儀表放大器AD8421BRZ用于前端信號獲取。該器件一款低功耗、極低噪聲、超低偏置電流、高速儀表放大器，特別適合前端信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。帶寬為10 MHz，可滿足寬頻測量；CMRR(G=1)最低值為94 dB，可以在寬溫度范圍內(nèi)將高頻共模噪聲中的低電平信號提取出來；輸入阻抗高達(dá)30 GΩ，可滿足高阻抗測量。

激勵(lì)源電壓可預(yù)先調(diào)節(jié)，避免超過AD8302檢波范圍最大值(0 dBm,Re為50 Ω或-13 dBV)，通過改變參考阻抗大小使A、B兩路信號很好地落入檢波幅值曲線線性范圍內(nèi)，AD8302檢波原理見參考文獻(xiàn)[3]。由于兩路信號經(jīng)過鏈路相同，中間濾波、調(diào)理等電路插入損耗和相移可認(rèn)為相等，在檢波芯片中抵消。測量模式下，幅度相位計(jì)算式如下：

(3)

式中：|VA|、|VB|為進(jìn)入檢波器兩路電壓信號幅度；|ZX|、Rn為待測阻抗模值和參考阻值；Phdif為兩路信號相位差；Vmag、Vphs為AD8302輸出幅度和相位電壓。

將輸出Vmag、Vphs濾波、調(diào)理送入ADC，通過計(jì)算可以得到待測阻抗的模和相位信息。

2.3 相位極性鑒別電路

由式(3)中的相位計(jì)算式中可知，AD8302只可檢測出兩路信號相位差，卻無法判斷是超前還是落后，即存在相位模糊問題，造成的后果是被測阻抗的容、感特性無法區(qū)分。為了兼顧測量速度和鑒別的準(zhǔn)確度，采用數(shù)字和模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行相位極性判別。

數(shù)字鑒別的方法采用高速過零比較器和觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，鑒別原理如圖5所示。

圖5 數(shù)字相位極性判別

數(shù)字法在頻率不高(小于1 MHz)且兩路信號相位差不小于10°時(shí)，可以快速準(zhǔn)確得到相位極性信息。如果不滿足條件則可能造成觸發(fā)器輸出亞穩(wěn)態(tài)問題[5]，因此設(shè)計(jì)了模擬極性鑒別電路。

如圖6所示的移相位電路，輸入到檢波器的兩路信號可等效為內(nèi)阻大小為RA和RB的信號源。由于信號采集前端電路相同，則兩個(gè)內(nèi)阻值相同，即RA=RB=R0。在信號進(jìn)入檢波器前加入與可控開關(guān)串接的電容CA和CB，為了讓電路對稱使CA=CB=CX。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)后續(xù)電路正常進(jìn)行幅度、相位差測量，如果其中一個(gè)開關(guān)閉合，例如當(dāng)SA閉合時(shí)電容CA與RA形成RC移相電路。

圖6 模擬相位極性鑒別原理

假設(shè)正常測量(移相開關(guān)斷開)時(shí)，A、B兩路信號相位差為Δφ=5°，開關(guān)閉合對信號產(chǎn)生附加相移，大小通過下式計(jì)算：

φM=arctan(ωR0CX)

(4)

若A路相位超前，相位電壓輸出在圖6中P點(diǎn)位置，開關(guān)SA閉、合后P點(diǎn)的移動(dòng)情況如表1所示。

通過調(diào)控開關(guān)SA和SB的通、斷，可得到檢波輸出相位電壓Vp+

若A路相位落后，P點(diǎn)會(huì)在以相位差為0°對稱的上升線上，采用相同順序閉、合開關(guān)會(huì)得到相反的結(jié)果，從而完成相位極性鑒別。

數(shù)字法可直接得到極性結(jié)果，但在相位差較小時(shí)鑒別困難，而模擬法需要兩次開關(guān)切換，檢測效率不高。實(shí)際工作時(shí)由控制器判斷選用其中一種判別方案，若正常測量相位差小于10°則采用模擬法，否則直接采用數(shù)字法鑒別結(jié)果。

表1 不同條件下P點(diǎn)移動(dòng)情況

2.4 STM32控制模塊

選用低功耗、接口豐富、性能優(yōu)越的STM32F105作為測量系統(tǒng)的主控制器。SPI1的SCK時(shí)鐘最高達(dá)36 MHz，可實(shí)現(xiàn)激勵(lì)源頻率的快速切換。兩個(gè)獨(dú)立12 bit分辨率ADC在Vref=3.3 V時(shí)可實(shí)現(xiàn)幅度比分辨率為0.027 dB，相位分辨率為0.081°，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.17 μs(系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz時(shí))，滿足幅度相位信息獲取需求。帶有片上FLASH存儲(chǔ)器，可將配置數(shù)據(jù)保存。程序流程圖如圖7所示，中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)激勵(lì)源配置的隨時(shí)更改。

圖7 控制程序及中斷服務(wù)流程圖

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)校準(zhǔn)后，采用如圖8所示RC串并聯(lián)模型對系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證，其中R=1 MΩ，C=0.01 μF。

ADC決定了幅度相位分辨率，測量結(jié)果中相位取1位小數(shù)，而模值取4位有效數(shù)字。測量的模值中冪的次數(shù)與選擇的參考電阻值是相關(guān)的，同時(shí)這也便于測量結(jié)果顯示。測試結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)束語

結(jié)果表明系統(tǒng)對于高阻值測量也有較高的精度。由于采用了功能強(qiáng)大的STM32F105作為主控器，該系統(tǒng)還具有集成度高、測量速度快、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)。頻率可控的激勵(lì)源與高輸入阻抗的信號獲取電路使測量系統(tǒng)可服務(wù)于電化學(xué)分析、阻抗譜分析、生物阻抗測量、腐蝕監(jiān)控、液體阻抗測量等應(yīng)用。

[1] ANGRISANI L,BACCIGALUPI A.A digital signal-processing instrument for impedance measurement.lEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1996,45(6):930-934.

[2] 陳棣湘，孟祥貴.復(fù)數(shù)阻抗參數(shù)的4種測量方法.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)， 2008,6(4):1-2.

[3] Analog Devices Inc.AD8302 Datasheet [DB/OL]．[2014-04-23].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8302.pdf.

表2 測試結(jié)果

[4] WILLIAMS A B,TAYLOR F J.電子濾波器設(shè)計(jì)手冊.寧彥卿，姚金科，譯.北京:科學(xué)出版社,2008.

[5] CILETTI M D.Advanced digital design with the Verilog HDL.張雅綺，李鏘，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

Design of Impedance Measurement System Based on AD8302

MU Guang-hong,LI Ting-jun

(School of Electronic Engineering,UESTC,Chengdu 611731,China)

A complex impedance measurement system with flexible excitation source was designed to meet the demand of wide measurement range.It utilized DDS technology as broadband excitation source and extracted impedance information using controllable reference resistor circuit and AD8302.A phase shift circuit was presented to identify the phase polarity.Data acquisition and system management task was accomplished by STM32 controller.The results show that this system works properly from 100Hz to 10 MHz and has high accuracy in a wide range of impedance value.

impedance measurement; DDS; phase detection; AD8302; STM32

2014-05-01 收修改稿日期：2014-11-03

TP216

A

1002-1841(2015)04-0061-04

牟光紅(1989—)，碩士研究生，研究方向?yàn)閮x表儀器電路設(shè)計(jì)與嵌入式測量系統(tǒng)。E-mail：mingtian0410@126.com