用AD5933做的阻抗测量仪设计--带完整程序资料

基于AD5933的阻抗测量仪

摘要：设计采用阻抗测量芯片AD5933,以低功耗高性能处理器LUMINARY615作为控制器，利用比例测量，DFT数字解调，软件校准和补偿等技术实现了对阻抗的高精度测量。通过外接模拟开关并通过软件设计实现了量程自动转换，并能在不同频率下进行测量，能通过良好的人机界面来实时控制与显示。测试结果表明，在一定范围内测量阻抗的幅值相对误差小于1%，实现了较高精度的阻抗测量。

关键词: 阻抗测量； AD5933 ；自动量程转换；Luminay615

目录1. 系统设计

1.1 设计要求

1.2 方案比较与论证

1.2.1 系统方案比较与论证

1.2.2 系统方案

2. 系统硬件电路设计

2.1 处理器电路设计

2.2 阻抗测量电路设计

2.2.1 AD5933 简介

2.2.2 AD5933工作原理

2.2.4 测量电路

3.软件设计

3.1 开发环境简介

3.2 I2C通行协议简介

3.2 软件设计

4.系统测试

4.1 测试仪器

4.2 测试方法及结果

4.3 误差分析

5.总结

6.参考文献

附录

1.系统设计

1.1设计要求

要求设计一个较高精度的阻抗测量系统，并实现对阻抗的自动测量。

1.2方案论证与比较

1.2.1系统方案比较与论证

方案一：电桥法

电桥法是指在桥式电路的某部分施加一电压，通过调节电桥内部标准，一直到接于电桥电路中的平衡指示器获得平衡指示。这时，位于电路未知端的器件和电桥电路的其它元件之间存在确定关系。一般来说，电桥法是传统阻抗测量中准确度最高方法，特别适于中值阻抗的测量。测量原理如图1.1所示。

图1.1 电桥电路原理图

图1.1中Z1，Z2，Z3，Z4为电桥的四臂的阻抗，E为电桥的信号源，G为电桥的平衡指示器。当电桥桥路平衡时，Uab=0，桥路平衡指示器上无电流流过，根据基尔霍夫定律，

I1=I2，I3=I4，

Uca=Ucb，Uad=Ubd。

故I1Z1=I3Z3；I2Z2=I4Z4；以上两式相比得：Z1/Z2=Z3/Z4。

这就是四臂电桥平衡的条件，当桥路中有3个桥臂为已知时，则未知量才可求得。因为阻抗包含电阻分量和电抗分量，在调节已知阻抗使电桥达到平衡时，至少需要调节两个。在直流电桥中，因为各臂皆由纯电阻组成，故不需要考虑相位问题。对于交流电桥，各臂阻抗都等效为电阻分量和电抗分量。为了使电桥的平衡调节简单化，这两个调节阻抗元件的选择是非常重要的。最理想的调节参数是能够分别平衡被测阻抗中的电阻分量和电抗分量。

因为阻抗电桥平衡的调节和相应的计算极为复杂，所以测量操作繁琐、费时，且测量范围受限，这给测量带来极大不便。

方案二：谐振法

谐振法是用电感和电容组成的串联或并联谐振电路，通过电压表或电流表来确定谐振点，而进行阻抗测量的一种方法。这种方法常用于测量电抗成分与电阻成分之比很大，并组成串联或并联电路的阻抗。图1.2为一谐振电路，当被测元件Cx 未连接时，电路谐振频率为：

（ C 0 为谐振时可调电容值)

图1.2 谐振法测量阻抗

当Cx 接入后，保持f 值不变，调节电容C 的值使电路重新谐振，设此时C 的值为C2，则

Cx=C0-C2

谐振法通常是测定回路的参量，而不是单个元件的参量。如果要用谐振法测定单个元件参量，只有在其它回路元件为已知或者它们对于回路的作用可以不予考虑的情况下才能实现，所以，谐振法不能用作高准确度阻抗测量，但谐振法具有宽频带 (1kHz 至1000MHz)，操作简单，适合于高Q 元器件测量。

方案三：矢量电压电流法

矢量电压电流法是将测试信号电压加到被测件，测量信号电流流过被测件，然后由电压和电流之比计算测试端的阻抗。这种方法可用多端测量结构，在电路中消除残余阻抗的影响同时测量电路比较简单、量程宽。电桥电路不需要使用通常的平衡控制，所以便于高速测量且操作容易。其工作原理如图1.3所示：

R

Z X

V 1

V 2

I

图1.3 矢量电压电流法

由精确的电阻R 值便可实现阻抗的测量，容易得到下式：

R V V I V Z X 2

1

1==

以上三种方案各有优缺，通过比较，结合设计要求，采用基于矢量电压电流法的阻抗测量芯片AD5933来实现阻抗测量，能达到高精度，高稳定度的要求，且容易实现。

1.3 系统方案

系统通过Luminary615作为控制器，对AD5933内部寄存器读写从而控制阻抗测量，外接模拟开关以实现不同量程范围内阻抗的测量。AD5933芯片内部集成了内置温度传感器，数模转换器和模数转换器，频率发生器.扫描激励信号通过被测物后，再经过放大、滤波、模数转换，使其变为数字信号后经过DFT 变换得到阻抗实部值与虚部值，通过与Luminary615进行I2C 通信便可实现数据处理最终实现阻抗测量。系统设计框图如图1.4所示。

图1.4 系统框图

2. 硬件电路设计

2.1 处理器电路设计

Luminary Micro Stellaris®系列微控制器是首款基于ARM® CortexTM -M3 的控制器，它将高性能的32 位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器应用中。这些堪称先锋的器件，价格与8 位和16 位器件相同，却能为用户提供32 位器件的性能，并且所有器件都是以小型封装的形式提供。Stellaris 系列的LM3S615微控制器拥有ARM 微控制器所具有的众多优点，如拥有广泛使用的开发工具，片上系统（SoC ）的底层结构IP 的应用，以及众多的用户群体。此外，控制器还采用了ARM 可兼容Thumb®的Thumb-2 指令集来降低内存的需求量，进而降低成本。Luminary615最小系统电路图见附录图1.1。