如何优化信号链来提高阻抗测量精度？

　　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（eechina）