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耗电流低于200μA的低功耗4mA至20mA过程控制电流环路解决方案

关键词:阻抗转换器 模数转换 频率发生器 AD5933

时间:2011-09-16 09:58:22       作者:ADI公司       来源:中电网

AD5933 和 AD5934 是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案,集片内可编程频率发生器与12位、1 MSPS(AD5933)或250 kSPS(AD5934)的模数转换器(ADC)于一身。可调频率发生器产生已知频率来激励外部复阻抗。

图1所示电路在低欧姆范围直至数百kΩ范围内产生精确的阻抗测量,同时还优化了AD5933/AD5934的整体精度。

图1 优化信号链以提高阻抗测量精度

AD5933和AD5934提供四个可编程输出电压范围,各具有一个相关的输出阻抗。例如,1.98V p-p 输出电压的输出阻抗一般为200 Ω(见表1)。



此输出阻抗会影响测量精度,在低kΩ范围内尤为突出,故在增益系数计算时应将其考虑在内。有关增益系数计算的详情,请参见AD5933或AD5934数据手册。在信号链内的简易缓冲器可防止输出阻抗影响未知的阻抗测量。在挑选低输出阻抗放大器时,应保证足够的带宽来适应AD5933/AD5934的激励频率。针对 AD8605/ AD8606/ AD8608 系列CMOS运算放大器,低输出阻抗的一个实现示例如图2所示。在AV=1时,此放大器的输出阻抗小于1 Ω(最高100 kHz),这是AD5933/AD5934的最高工作范围。


图2 AD8605/ AD8606/ AD8608的输出阻抗

放大发射级和接收级的直流偏置匹配

AD5933/ AD5934四个可编程输出电压范围具有四个相关偏置电压,例如1.98 V p-p激励电压的偏压为1.48 V。但是,如图1所示,AD5933/AD5934的电流-电压(I-V)接收级设为固定偏压VDD/2。因此,对于3.3 V电源,发射偏压为1.48 V,而接收偏压为3.3 V/2 = 1.65 V。此电位差会引起测试中阻抗极化,并可导致阻抗测量不准确。

一种解决方案是添加一个在低Hz范围内具有转折频率的简单高通滤波器。消除发射级的直流偏置,并将交流信号重新偏置至VDD/2,在整个信号链中保持直流电平恒定。

选择针对接收级优化的I-V缓冲器

AD5933/AD5934的电流-电压(I-V)放大级还可能轻微增加信号链的不准确性。I-V转换级易受放大器的偏置电流、失调电压和CMRR影响。通过选择适当的外部分立放大器来执行I-V转换,用户可挑选一个具有低偏置电流和失调电压规格、出色CMRR的放大器,提高I-V转换的精度。该内部放大器随后可配置成一个简单的反相增益级。

高精度阻抗测量的优化信号链

图1所示为测量低阻抗传感器的建议配置。交流信号先经过高通滤波并重新偏压,之后利用一个超低输出阻抗放大器进行缓冲。在外部完成I-V转换后信号返回至AD5933/AD5934接收级。决定所需缓冲器的关键规格有超低输出阻抗、单电源供电能力、低偏置电流、低失调电压及出色的CMMR性能。一些推荐器件包括ADA4528-1, AD8628/AD8629、AD8605和AD8606。根据电路板布局可使用单通道或双通道放大器,偏置电阻(50 kΩ)和增益电阻(20 kΩ和RFB)两者均使用精度0.1%的电阻以降低不准确性。

图1所示的原理图可用来改善阻抗测量精度,并采取一些示例性措施。AD8606双通道放大器在发射路径上缓冲信号,并将接收信号从电流转换成电压。对于所示的三个示例,每次递增频率来计算增益系数,以消除频率相关误差。有关此解决方案的完整设计包,包括原理图、材料清单、布局和Gerber文件,

图3、图4及图5所示为低阻抗测量的结果。图5表示10.3 Ω测量并在扩展纵坐标上显示。

图3 低阻抗幅度测量结果

图4 低阻抗相位测量结果

图5 10.3 Ω幅度测量结果(扩展坐标)

示例1:低阻抗范围

精度实现水平很大程度上取决于未知阻抗范围相对于校准电阻RCAL的大小幅度。因此,在此示例中,10.3 Ω的未知阻抗测量测得10.13 Ω,误差约2%。选择接近未知阻抗的RCAL可实现更精确的测量,即以RCAL为中心的未知阻抗范围越小,测量精度越高。因此,对于更大未知阻抗范围,可在各种RCAL电阻中切换以使用外部开关分解未知阻抗范围。在RCAL增益系数计算期间可通过校准消除开关的RON误差。使用开关选择各种RFB值可优化ADC所示的信号动态范围。

还应注意,要实现更大范围的测量,还可使用200 mV p-p范围。如果未知Z范围较小,可使用更大的输出电压范围来优化ADC动态范围。

示例2:kΩ阻抗范围

使用99.85 kΩ的 RCAL ,根据表2所示的设置条件可测得更宽的未知阻抗范围。图6至8记录精度结果。要提高整体精度,请选择更接近未知阻抗的 RCAL 值。如果未知阻抗范围较大,请使用多个 RCAL 电阻。

图6 ZCCAL = 99.85 kΩ时的幅度结果



图7 ZC = 47 pF、RCAL = 99.85 kΩ时的相位结果

设置和测试

EVAL-CN0217-EB1Z软件和EVAL-AD5933EBZ应用板上所用的相同。有关电路板设置的详情,参见光盘内技术笔记。注意原理图有改动。EVAL-CN0217-EB1Z板上的链接如表4所示。还应注意,RFB在评估板上位于R3,而 ZUNKNOWN 位于C4。

常见变化

电路中可使用其他运算放大器,例如ADA4528-1、AD8628、AD8629、AD8605和AD8608。


图 8 ZC = 8.21 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ

系统应用的切换选项

对于这个特定电路,ZUNKNOWN 和 RCAL 可手动互换。但在生产中应使用低导通电阻开关,开关的选择取决于未知阻抗范围的大小以及所需测量结果精度。此文件中的示例仅使用一个校准电阻,故可如图9所示使用ADG849 等低导通电阻开关。还可使用四通道ADG812 等多通道开关解决方案。ZUNKNOWN 上的开关电阻所引起的误差在校准期间消除,但通过选择超低RON开关,可进一步充分降低这些效应。

图9 使用ADG849超低RON SPDT开关切换RCAL和未知Z(原理示意图,未显示所有连接和去耦)

应用

• 电子测试和测量

 

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