單芯片AD593/4提供完整的傳感器激勵和測量解決方案

引言

　　當今的許多工業(yè)和儀器儀表應用都涉及傳感器測量。傳感器的功能就是監視系統中的變化，然后將此數據反饋給主控制器。用于簡(jiǎn)單的電壓或電流測量的傳感器可能是電阻性的。但是，有些傳感器系統可能是電感性或電容性的，就是說(shuō)在傳感器頻率范圍內阻抗變化是非線(xiàn)性的。

　　這類(lèi)復阻抗傳感器的典型例子就是接近傳感器——用于檢測一個(gè)運動(dòng)物體的相對距離；另外，容性傳感器或感性傳感器——在醫用設備中用于測量血流或者分析血壓或血質(zhì)。

　　為了用這些“復阻抗傳感器”實(shí)現測量，必須提供一種交流（AC）激勵頻率源在傳感器的頻率范圍內進(jìn)行掃描。本文試圖說(shuō)明如何采用單芯片數字波形發(fā)生器輕松實(shí)現這種高達10 MHz的頻率掃描。還介紹了一種帶集成激勵、響應和數字信號處理器（DSP）功能完整的單芯片傳感器解決方案，它適合要求高達近50 kHz激勵頻率的應用。

傳感器：工作原理

　　圖1示出一種具由感抗和容抗特性組成的復阻抗傳感器模型。

　　通過(guò)傳感器的激勵頻率信號會(huì )根據傳感器的L或C瞬時(shí)值表現出相應的幅度、頻率或者相位的改變。例如，超聲波液流計會(huì )表現出相位偏移，而接近傳感器會(huì )引起幅度改變。

　
圖1. 具有復阻抗特性的傳感器模型

　　跟蹤這種變化阻抗的最常用方法就是監視電路的諧振頻率。諧振頻率就是電容值等于電感值所在的頻率點(diǎn)。這也是頻率曲線(xiàn)上最大阻抗值對應的頻率點(diǎn)。例如，考慮如圖2所示的接近傳感器情況。在正常情況下，例如在靜態(tài)條件下，傳感器的L，R和C都具有一個(gè)唯一值，在諧振頻率Fo處具有最大阻抗值。當一個(gè)運動(dòng)物體接近傳感器時(shí)，那么傳感器的L和C值就會(huì )改變，并且產(chǎn)生一個(gè)新的諧振頻率。通過(guò)監測諧振頻率的變化（從而導致阻抗的變化），就有可能推測出運動(dòng)物體相對傳感器的移動(dòng)距離。

　
圖2 . 接近傳感器的諧振頻率隨移動(dòng)距離的變化。

計算諧振頻率

　　計算電路的諧振頻率需要測量頻率和阻抗的關(guān)系（如圖2所示），尤其是需要一個(gè)能夠在一定頻率范圍內具有掃描能力的波形發(fā)生器。一種簡(jiǎn)單、低成本的實(shí)現方法就是采用AD5930波形發(fā)生器。AD5930具有在一組預設置的頻率范圍內提供線(xiàn)性?huà)呙璧哪芰?。一旦條件設定，就無(wú)需進(jìn)一步的控制，除了一個(gè)用于啟動(dòng)頻率掃描的觸發(fā)器。

　　AD5930具有許多優(yōu)點(diǎn)：輸出頻率的分辨率為28 bit，所以用戶(hù)能以小于0.1 Hz的控制精度輸出頻率。其輸出頻率范圍為0～10 MHz，從而對選擇傳感器具有很大的靈活性。例如，有些傳感器的頻率范圍很窄，但是要求在此頻率范圍內具有很高的分辨率。還有些傳感器可能需要很寬的調頻范圍，但是分辨率要求較低。
采用這種方法很容易計算出傳感器的諧振頻率。

系統框圖

　　這種系統的典型框圖如圖3所示。通過(guò)BF-535 DSP處理器設置AD5930數字波形發(fā)生器。需要對從AD5930產(chǎn)生的正弦波輸出電壓波形進(jìn)行低通濾波和放大以便消除主時(shí)鐘（MCLK）、鏡像頻率和高頻噪聲產(chǎn)生的饋通。經(jīng)過(guò)濾波的信號可用作傳感器的激勵頻率源。根據傳感器的阻抗響應信號可能需要進(jìn)行放大以便使其進(jìn)入模數轉換器（ADC）的動(dòng)態(tài)范圍內。傳感器的輸出和激勵頻率源都輸入到AD7266——一種12 bit、2 MSPS的同步采樣雙ADC。將ADC輸出的數據保存在存儲器中以便做進(jìn)一步的分析以計算出傳感器的相位和幅度偏移。

　
圖3. 系統框圖

完整的集成傳感器解決方案

　　上面介紹的分立解決方案是一種常用的傳感器阻抗測量解決方案。該方案可能需要許多分立元件，所以是一種高成本的傳感器分析解決方案。這些單獨的元件還會(huì )增加自身的誤差源。設計中的有源元件還會(huì )增加相位誤差，這也是需要校正。另外，還需要DSP處理一些復雜的數學(xué)計算，這樣可能需要外部存儲器來(lái)存儲原始的ADC數據，從而會(huì )進(jìn)一步增加成本。

　　解決上述低頻率傳感器分析問(wèn)題的解決方案是AD5933/4器件，它將上述主要處理模塊都集成到一顆芯片中。該芯片的內核包括3個(gè)主要單元：用于提供頻率掃描的直接數字頻率合成器（DDS）波形發(fā)生器； 用于測量傳感器的響應的12 bit、1 MSPS ADC；以及最后能夠對ADC測量數據進(jìn)行1024點(diǎn)離散傅立葉變換（DFT）運算的DSP引擎。

　　DFT運算結果提供一個(gè)實(shí)部（R）和一個(gè)虛部（I）數據，從而可以方便地計算出阻抗。采用下面的公式很容易計算出阻抗的幅度和相位：

　　為了確定實(shí)際的實(shí)數阻抗值Z(ω)，通常需要進(jìn)行頻率掃描?？梢杂嬎愠雒總€(gè)頻率點(diǎn)的阻抗，從而可以得出一條頻率與幅度的關(guān)系曲線(xiàn)。這樣就很容易測量出100 Ω～20 MΩ范圍內的阻抗。該系統允許用戶(hù)設置一個(gè)2 V峰峰值（PK-PK）的正弦信號作為外部負載的激勵頻率源。輸出范圍還可以設置為1V，500 mV和200 mV。頻率分辨率可以達到27 bit（< 0.1 Hz）。

實(shí)現頻率掃描：

　　為了實(shí)現頻率掃描，用戶(hù)必須首先設置頻率掃描所需要的條件：需要一個(gè)起始頻率、頻率間隔和掃頻點(diǎn)數。然后需要一個(gè)啟動(dòng)命令開(kāi)始掃描。在每個(gè)掃描頻點(diǎn)，ADC先完成1024個(gè)采樣，然后進(jìn)行DFT計算以便提供該波形的實(shí)部和虛部數據。此實(shí)部和虛部數據通過(guò)I2C接口以?xún)蓚€(gè)16 bit字形式提供給用戶(hù)。片內DSP處理單元的優(yōu)點(diǎn)是用戶(hù)不必進(jìn)行復雜的數學(xué)計算，也無(wú)需存儲ADC原始數據，只需提供兩個(gè)16 bit的數據。因此，它還允許選擇更便宜的DSP解決方案，因為大大降低了對最終處理能力的要求。

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