ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МИКРОСХЕМЫ AD5933

Основные технические параметры AD5933:

– программируемый уровень выходного напряжения возбуждения от 1 кГц до 100 кГц;

– возможность программируемой развертки по частоте с управлением через интерфейс I²C;

– разрешение настройки по частоте 27 бит (<0,1 Гц);

– способность производить измерения в диапазоне от 100 Ом до 10 МОм;

– внутренний датчик температуры (±2°C).[4]

Функциональная схема AD5933:

Функциональная схема AD5933 представлена на рис.1

Рисунок 1. Функциональная схема AD5933: АЦП-аналого-цифровой преобразователь, ФЧН-фильтр низкой частоты, ДПФ- дискретный преобразователь Фурье.

Как следует из этого рисунка, преобразователь импеданса включает три основных блока: передатчик (цифровой синтезатор, ЦАП, У1), приемник (У2, У3, ФНЧ и АЦП) и дискретный преобразователь Фурье (блок БПФ). Схема работает следующим образом. Синтезатор прямого цифрового синтеза и ЦАП формируют синусоидальный сигнал для возбуждения исследуемого двухполюсника в заданной полосе частот.

Усилитель У1 с программируемым коэффициентом усиления обеспечивает необходимый уровень выходного напряжения для исследования двухполюсника. Он имеет четыре программируемых значения коэффициента усиления. Приемник преобразователя импеданса включает трансимпедансный усилитель У2, предназначенный для преобразования тока, протекающего через исследуемый двухполюсник Z(jω), в напряжение.

Усилитель У3, коэффициент усиления которого изменяется от 1 до 5, усиливает напряжение до значения, необходимого для работы 12-разрядного АЦП. Формируемый на выходе АЦП код сохраняется в буферном регистре, рассчитанном на хранение его 1024 значений. Дискретный преобразователь Фурье (БПФ), производит вычисления действительной и мнимой составляющих импеданса двухполюсника Z(jω).

Следует отметить, что выходной усилитель У1, так же как и все другие узлы микросхемы, питается от однополярного источника питания 5 В или 3,3 В, следовательно, выходное синусоидальное напряжение Uвых должно быть смещено на некоторую постоянную составляющую Uпит/2. Измеряемый импеданс Z(jω) подключается между выходом Uвых усилителя У1 и входом Uвх входного усилителя У2 с передаточной функцией

,

где Rос – резистор обратной связи, подключаемый пользователем между точками Uвх и Rос.

Система требует начальной калибровки: в качестве измеряемой схемы ставится прецизионный резистор и вычисляется калибровочный коэффициент, который будет использоваться для последующих измерений. AD5933 может измерять импеданс в пределах от 100 Ом до 10 МОм с точностью 0,5% в полосе 1…100 кГц. Основные значения параметров калибровки для напряжения V_DD = 3,3В (V_DD- напряжение питания чипсета) приведены в таблице 1.1. [1-2]

Таблица 1.

Основные значения параметров

Напряжение на выходе усилителя У2 описывается выражением:

где φ – фазовый сдвиг между напряжением U_вых, приложенным к измеряемому импедансу (точка U_вх эквипотенциально заземлена по переменному току), и током                                   U_вых/|Z(jω)|.

Номиналы резистора R_ос и коэффициента усиления усилителя У3 выбираются, исходя из условия обеспечения работы АЦП в линейном диапазоне входных сигналов:

                                                    .

Для построения измерителя импеданса с использованием микросхемы AD5933 предлагается схема (рис.2).

Рисунок 2. Структурная схема измерителя импеданса.

Для измерения неизвестного импеданса Z нужно использовать калибровочное значение известного сопротивления. Это сопротивление (в дальнейшем Rкал) может быть представлено четырьмя различными способами:

1.R1 (только резистор), С1 (только конденсатор),

2.R1 + С1 (последовательное соединение резистора и конденсатора),

3.R1 || С1 (параллельное соединение резистора и конденсатора),

4.R1 || С1 = R2 (смешанное соединение элементов).[3]

В качестве примера было измерено сопротивление R=100кОм. Для этого были использованы резисторы с сопротивлениями R_FB=3.9 кОм, а R_кал=100кОм. Результат измерения представлен на рисунке 3.

Значение измеряемого сопротивления нестабильно. Это проявляется из-за того, что R_кал выше чем R_FB. Поэтому, в дальнейшем были выбраны другие значения сопротивлений.

Полученный результат для R_FB=100кОм, R_кал=100кОм представлен на рисунке 4. Отклонение на 0,2 % обуславливаются наличием допусков по номиналу у используемых в измерении резисторов

Рисунок 3. Результат измерения сопротивления R=100кОм.

Рисунок 4. Результат измерения при R_FB = 100 кОм, Rкал = 100 кОм.

Таблица 2.

Результаты измерений

В этой таблице: 1 – это диапазон измерений до 1 кОм, 2 –от 1 кОм до 10 кОм.

Список литературы:

1. Исследование принципа работы прецизионного преобразователя на микросхеме AD5933. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-printsipa-raboty-pretsizionnogo-preobrazovatelya-na-mikrosheme-ad5933
2. Образцов С. , Троицкий Ю. Прецизионный конвертор импеданса AD5933 //Современная электроника. – 2009, №9. С.12-15.
3. Оценка возможностей микросхемы AD5933 для измерения импеданса электродов в устройствах «ИНТЕРФЕЙС МОЗГ-КОМПЬЮТЕРА». URL: http://mcst.ru/files/57572a/b20cd8/50b93f/000001/bashirovbalovnevsmirnov-otsenka_vozmozhnostey_mikroshemy.pdf
4. Официальный сайт компании Analog Devices [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL:  http://www.analog.com/ru/rfif-components/direct-digital-synthesis-dds/ad5933/products/product.html