數(shù)字波形發(fā)生器為傳感器阻抗測量提供靈活的頻率調(diào)節(jié)

引言

當今許多工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用都涉及到傳感器測量技術(shù)。傳感器的功能是監(jiān)測系統(tǒng)的變化，然后將數(shù)據(jù)反饋給主控制單元。對于簡單的電壓或電流測量，傳感器可以呈阻性。但在某些傳感器系統(tǒng)中它卻呈感性或容性，這意味著傳感器在其工作范圍內(nèi)的阻抗變化呈非線性。

這種復(fù)數(shù)傳感器的典型例子是接近傳感器——用來確定相對移動物體的距離；以及容性傳感器或感性傳感器——在醫(yī)學(xué)行業(yè)中用來測量血液流速以及分析血壓或血質(zhì)。

測量這些“復(fù)數(shù)傳感器”的阻抗需要一個在傳感器頻率范圍內(nèi)掃描的激勵源。本設(shè)計思想表明如何能夠方便地使用單芯片數(shù)字波形發(fā)生器提供這種大于10 MHz的頻率掃描。本文也將介紹一種集成激勵源、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和信號處理的完整單芯片阻抗轉(zhuǎn)換器（IDC），從而使它適合需要高達約達50 kHz激勵頻率的應(yīng)用。

傳感器：工作原理

圖1示出一種具有感性阻抗或容性阻抗特性的傳感器模型。
通過傳感器的激勵頻率根據(jù)其電感（L）或電容（C）的瞬態(tài)值變化將表現(xiàn)出一種幅度、頻率或相移變化。例如，超聲波液體流量計通常表現(xiàn)為相移變化，而接近傳感器則是幅度變化。

跟蹤這種阻抗變化的最常用的方法就是監(jiān)測電路的共振頻率。共振頻率是指電容值等于電感值時對應(yīng)的頻點，這也是頻率曲線上的最大阻抗處對應(yīng)的頻點。例如，考慮圖2所示的接近傳感器的情況。在正常工作模式下，即靜態(tài)條件下，傳感器的L、R和C具有唯一的值，這種情況在共振頻點將具有最大阻抗。當移動物體接近傳感器時，傳感器的L和C值會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了新的共振頻率。如果監(jiān)測共振頻率的變化（從而監(jiān)測阻抗）可以預(yù)測移動物體相對傳感器的距離。

計算共振頻率

計算電路的共振頻率需要一個交流（AC）激勵信號源，它在一段頻率范圍內(nèi)掃描以繪出如圖2所示的頻率與阻抗關(guān)系曲線。AD9833單芯片數(shù)字波形發(fā)生器可提供一種產(chǎn)生這種掃描輸出的簡單、低成本方法。我們通過寫入代表所需頻率的數(shù)字碼字來改變輸出頻率。AD9833具有兩個頻率寄存器，從而允許用戶在對一個頻率寄存器編程的同時輸出第二個頻率寄存器。

AD9833具有許多優(yōu)點：輸出頻率的分辨率是28 bit，所以用戶能夠以小于0.1 Hz的步幅增加輸出頻率。其輸出頻率范圍是0～12.5 MHz，從而提供很寬的傳感器選擇靈活性。例如，有些傳感器具有很低的頻率范圍，但在該頻率范圍內(nèi)需要很高的分辨率；而另外一些傳感器則需要以較低的分辨率調(diào)節(jié)很寬的頻率范圍。

使用頻率掃描方法，可以很容易地計算出傳感器的共振頻率，并且可以利用該數(shù)據(jù)提供許多應(yīng)用的傳感器檢測信息。

系統(tǒng)框圖

圖3示出實現(xiàn)這種測量的系統(tǒng)框圖。AD9833數(shù)字波形發(fā)生器可通過ADSP-218x數(shù)字信號處理器（DSP）對其設(shè)置。首先必須對AD9833的正弦輸出電壓波形進行低通濾波以去除來自主時鐘（MCLK）、鏡像頻率和高階頻率的饋通。然后將經(jīng)過濾波的信號用作傳感器的激勵信號。根據(jù)傳感器的阻抗變化，將響應(yīng)信號放大以使其適合ADC的動態(tài)范圍。傳感器的輸出和激勵頻率都饋送到AD7866 12 bit 1 Msps同步采樣雙ADC。在將ADC的輸出數(shù)據(jù)饋送到DSP，以便通過計算傳感器的幅度和相位變化做進一步的分析。

完整的集成傳感器解決方案

圖3所示的分立解決方案雖然有助于各種通用傳感器的阻抗測量，但使用的寬帶元件使該其成本昂貴。單個分立元件會增加其自身的誤差源，并且有源元件會增加相位誤差，所以必須經(jīng)過校正將這些誤差消除掉。一定需要DSP處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，并且還可能需要外部存儲器來存儲ADC的原始數(shù)據(jù)，這樣會進一步增加成本。

如果僅需低頻傳感器分析，我們可提供一種低成本的解決方案。AD5933/34 12 bit IDC和網(wǎng)絡(luò)分析器將上述主要處理框圖集成到一顆單芯片集成電路（IC）。圖4示出其功能框圖。

頻率發(fā)生器允許使用高達50 kHz的已知頻率激勵100 Ω～20 MΩ范圍的復(fù)數(shù)阻抗。響應(yīng)信號由內(nèi)置ADC采樣。內(nèi)置DSP引擎完成ADC輸出的離散傅立葉變換（DFT）。然后DFT算法返回實部（R）和虛部（I）數(shù)據(jù)字，從而允許方便地計算其阻抗。使用以下公式可以方便地計算阻抗的幅度和相位。

我們使用頻率掃描來確定實際的實部阻抗值Z(ω)。我們可以在每一個頻點計算阻抗，并且可以建立頻率與幅度的關(guān)系曲線。

用戶可以設(shè)置2 V、1 V、500 mV或200 mV的峰峰值正弦信號作為外部負載的激勵源，并且可達到27 bit（小于0.1 Hz）的頻率分辨率。

為了完成頻率掃描，用戶首先必須設(shè)置掃描所需的工作條件：起始頻率、頻率步幅以及步數(shù)，然后需要一個啟動命令開始掃描。在每一點掃描頻率處ADC都完成1024點采樣并且計算DFT以為波形提供實部和虛部數(shù)據(jù)。將該實部和虛部數(shù)據(jù)通過I2C接口以兩個16 bit字的形式提供給用戶。如果其內(nèi)置DSP有處理引擎，則意味著用戶不必處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。它也無需存儲ADC原始數(shù)據(jù)，僅需返回兩個16 bit的字。還可以采用降低功能和降低成本的DSP解決方案，因為已經(jīng)顯著地降低了對處理能力的要求。階躍響應(yīng)的增益可設(shè)置為1或5倍。其ADC是一款3 V電源供電的低噪聲、250 ksps或1 Msps采樣率的高速ADC。系統(tǒng)時鐘通過MCLK端的參考時鐘從外部提供，MCLK可從外部晶體振蕩器或通過內(nèi)部PLL單元提供。