1.1 紧张性能
AD5933是一款高精度的阻抗丈量芯片，内部集成了带有12位，采样率高达1MSPS的AD转换器的频率发生器。这个频率发生器可以产生特定的频率来勉励外部电阻，电阻上得到的相应旗子暗记被ADC采样，并通过片上的DSP进行离散的傅立叶变换。傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的实部值R和虚部值I。这样就可以很随意马虎的打算出在每个扫描频率下的傅立叶变换的模和电阻的相角。个中模＝
，相角＝
。
AD5933紧张具有以下特性：
l 可编程的频率发生器，最高频率可达100KHz
l 作为设备通过
口和主机通讯，实现频率扫面掌握
l 频率分辨率为27位（<0.1Hz）
l 阻抗丈量范围为100Ω到10MΩ
l 内部带有温度传感器，丈量偏差范围为±2℃
l 带有内部时钟
l 可以实现相位丈量
l 系统精度为0.5%
l 可供选择的电源范围为2.7V到5V
l 正常事情的温度范围-40℃到+125℃
l 16脚SSOP封装
1.2 AD5933的引脚定义
图1给出了AD5933的封装图，表1给出了AD5933的引脚定义。建议在利用时把所有的电源脚9、10、11都连到一起，统一连接到电源上，同样所有的地引脚12、13、14也都连接到一起，统一连接到系统地上
图1 AD5933引脚排列
表1 AD5933引脚定义
引脚标号
引脚名称
引脚描述
1，2，3，7
NC
空引脚，没有定义
4
RFB
外部反馈电阻，连接在4和5之间来设置接管端电流电压转换放大器的增益
5
VIN
输入到接管阻抗转换放大器，存在VDD/2的参考地
6
VOUT
勉励电压输出脚
8
MCLK
芯片外部时钟输入，由用户供应
9
DVDD
数字电源
10
AVDD1
仿照电源1
11
AVDD2
仿照电源2
12
DGND
数字地
13
AGND1
仿照地1
14
AGND2
仿照地2
15
SDA
数据输入口，须要10kΩ的上拉电阻连接到VDD
16
SCL
时钟输入口，须要10kΩ的上拉电阻连接到VDD
1.3 紧张运用
AD5933可以广泛的运用在电化学剖析、生物电极阻抗丈量、阻抗谱剖析、繁芜阻抗丈量、堕落监视和仪器保护、生物医学和自动掌握传感器、无创检测、原材料性能剖析以及燃料和电池状态监测等浩瀚领域。为阻抗的丈量供应了很大的方便，单片集成技能大大的减小了仪器的体积，使得仪器利用更加方便。大略的I2C通讯办法，方便用户操作，减小了用户编程的困难。由于它给出的直接是变换后阻抗的实部和虚部数据，大大的简化了用户编程过程，节省了开拓韶光。
2 AD5933事情事理
2.1 AD5933的参数设置
AD5933片上带有一个27位的DDS来供应输出特定频率勉励旗子暗记。输入到DDS状态寄存器的数据由AD5933片上地址为82h、83h、84h的起始频率寄存器供应。只管状态寄存器供应27位的精度，但实在起始频率寄存器的高三位是被内部置零的，以是用户可以掌握的只有起始频率的低24位。AD5933可以实现0.1Hz的频率分辨率，频率分辨率是通过片上24位频率增量寄存器来掌握的。频率增量寄存器的地址为85h、86h、87h。起始频率和频率分量寄存器的代码的打算方法为哀求的起始频率值或者频率增量值除以四分之一的系统时钟再乘以227。系统时钟可以通过掌握寄存器来设置是选择外部时钟还是内部时钟，AD5933的内部时钟为16MHz。还可以在寄存器88h和89h中设置频率点个数。例如，如果用户想丈量150个频率点，则用户给88h和89h等分别存入00H和96H。当这三个参数都设置好之后，可以通过给掌握寄存器写入起始频率扫描命令来实现扫描初始化。当完成每个频率点的扫描后状态寄存器的第二位将自动置位，可以通过查询这位来判断是否丈量完成，用户可以自行掌握实现跳到下一个频率点。丈量结果的实部保存在94h和95h中，虚部保存在96h和97h中，这个结果该当在跳到下一个频率点之前读出。如果想要多次丈量同一个频率点的值，以使得丈量结果更加精确，只需在一次丈量完成之后在掌握寄存器中写入重复当前频率命令字即可。当所有的频率点都扫描完时，状态寄存器的第三位将被自动置位。一旦这位被置位后，将不能进一步实现频率扫描。
频率扫描的详细过程包括三部分：
（1） 进入标准模式，在写入开始频率扫描掌握字到掌握寄存器之前，首先要写入
标准模式掌握字到掌握寄存器，在这个模式中VOUT和VIN引脚被内部接到地，因此在外部电阻或者电阻和地之间没有直流偏置。
（2） 进入初始化模式。在写入开始频率掌握字到掌握寄存器后将进入初始化模式。
在这个模式下，电阻已经被起始频率旗子暗记勉励，但没有进行丈量。用户可以通过程序设置在写入频率扫描命令到掌握寄存器来启动进入频率扫描模式之前的韶光。
（3） 进入频率扫描模式。用户通过写入频率扫描掌握字。在这个模式中，ADC在
设定时间周期过去之后开始丈量。用户可以通过在每个频率点丈量之前设置寄存器8Ah和8Bh的值来掌握输出频率旗子暗记的周期数。
片上DDS输出的旗子暗记通过一个可编程增益放大器，通过掌握增益可以实现四个不同范
围的峰峰值输出。这个输出范围的掌握是在掌握寄存器的第9和第10位实现的。
在吸收过程中，从电阻上得到的旗子暗记首先进入电流电压转换放大器，后面紧跟的是一个可编程增益放大器，这个放大器的增益有5和1两个值，可以通过设置掌握寄存器的第8位来选择。经由可编程增益放大器之后的旗子暗记被ADC采样，采样得到的数据送DSP进行傅立叶变换。每个频率采样1024个点进行傅立叶变换，变换的结果存储在两个16位的寄存器中代表变换后的实部和虚部，每个16位的寄存器分别为两个8位的寄存器组成，这个将不才面的寄存器先容中专门给出。
AD5933的系统时钟可以通过两个路子给出。用户可以在外部时钟引脚MCLK接入一个高精度稳定的时钟。其余也可以利用AD5933内部16.776MHz的时钟。详细选择哪个时钟可以通过设置掌握寄存器的第3位来实现。系统上电默认为选择内部时钟。
2.2 内部寄存器定义及设置
AD5933片上有9个寄存器。这些寄存器分别实现不同的参数设置功能，表2中给出了它们的名称、地址和读写特性。
表2 内部寄存器
寄存器名称
地址
寄存器数据
读/写
掌握寄存器
80h
81h
D15到D8
D7到D0
读/写
读/写
起始频率寄存器
82h
83h
84h
D23到D16
D15到D8
D7到D0
读/写
读/写
读/写
频率增量寄存器
85h
86h
87h
D23到D16
D15到D8
D7到D0
读/写
读/写
读/写
频率点数寄存器
88h
89h
D15到D8
D7到D0
读/写
读/写
输出设定周期数寄存器
8Ah
8Bh
D15到D8
D7到D0
读/写
读/写
状态寄存器
8Fh
D7到D0
只读
温度数据寄存器
92h
93h
D15到D8
D7到D0
只读
只读
实部数据寄存器
94h
95h
D15到D8
D7到D0
只读
只读
虚部数据寄存器
96h
97h
D15到D8
D7到D0
只读
只读
个中大部分寄存器已经在上面提到过了。首先紧张先容一下掌握寄存器。掌握寄存器紧张实现AD5933各参数的设置以及事情状态的设定。表3给出了掌握寄存器各个位的功能定义。掌握寄存器由两个8位的寄存器组成，地址分别为80h和81h，在利用时，用户可以只改变个中一个寄存器的值，而其余一个寄存器的值不变。当给掌握寄存器写入复位命令时不会使得已经编程好的和频率扫描有关的设置复位，和频率扫描有关的值为起始频率，频率增量和频率点数。在复位命令之后，必须写入开始频率命令到掌握寄存器来重新开始频率扫描过程。上电之后掌握寄存器的缺省值为A000H。
表3 AD5933内部寄存器位定义
位
D15
D14
D13
D12
0
0
0
0
没故意义
0
0
0
1
用起始频率进行初始化
0
0
1
0
开始频率扫描
0
0
1
1
跳到下一个频率点
0
1
0
0
重复当前频率
1
0
0
0
没故意义
1
0
0
1
温度丈量
1
0
1
0
掉电模式
1
0
11
1
标准模式
1
1
0
0
没故意义
1
1
0
1
没故意义
D11
不做设置
D10
D9
输出电压范围
0
0
范围1（峰峰值2V）
0
1
范围4（峰峰值200mV）
1
0
范围3（峰峰值400mV）
1
1
范围2（峰峰值1V）
D8
可编程增益放大器增益掌握，0＝×5，1＝×1
D7
置零
D6
置零
D5
置零
D4
复位
D3
1
0
为1时选择外部时钟
为0时选择内部时钟
D2
0
必须为0
D1
置零
D0
置零
除了掌握寄存器外，须要把稳的还有状态寄存器，状态寄存器的地址是8Fh。状态寄存器来标志丈量的结束。D7到D0各位分别表示AD5933的不同功能状态，个中D0、D4、D7没有实际意义，不表示任何丈量状态。D1表示一个频率点的阻抗丈量，当完成当前频率点的阻抗丈量时，这位被置1，同时表明实部和虚部数据寄存器中已经存入丈量结果。在接到开始，跳到下个频率点，重复当前频率或复位等命令时该位被自动复位，在上电时这位也被复位。D2表示频率扫描完成，当所有的频率点都丈量结束时该位被置1，当接管到复位命令或上电时这位被复位。
2.3 AD5933与掌握系统的数据传输
AD5933与掌握系统的通讯是用
实现的，作为
设备利用，遵守
通讯的时序。它有一个七位的设备地址0001101。当掌握系统写入到AD5933时没有什么特殊解释的，当从AD5933读数据时，首先要写入B0h到AD5933，然后写入要读出数据的寄存器地址，读出寄存器的值。
2.4 温度丈量实现
AD5933片上的温度传感器是一个13位的数字温度传感器，第14位是一个标志位。温度传感器可以精确丈量周围器件的温度。温度传感器的丈量范围是-40℃到+125℃,当温度达到+150℃时，当事情在电压和温度的最大规格时，构造完全性将受到毁坏。丈量温度的精度为±2℃。
温度丈量过程的转换时钟由内部产生，只有从串口读取或写入数据才须要外部时钟。一样平常模式下，内部时钟自动完成转换过程。默认情形下温度传感器处于掉电状态，要启动温度丈量须要在掌握寄存器中写入温度丈量掌握字，在丈量完成后温度传感器自动关闭，直到下次接管到命令再启动。用户可以通过读取状态寄存器的值来检讨温度丈量是否结束，温度丈量的结果保存在92h和93h中。个中有14位是有用数据，最高两位没故意义。DB13是一个标志位。表4中给出了部分丈量数据与实际温度的对应关系。对付详细的温度丈量数据可以通过公式得到，如果丈量温度为正，则即是所得数据的十进制表示值除以32。如果丈量温度值为负，且把DB13的值也打算在内，则即是测得数据的十进制值减去16384后再除以32，若不把DB13的值打算在内，则即是丈量数据的十进制值减去8192后再除以32。
3 阻抗丈量过程实现
3.1 AD5933丈量阻抗模值打算
上面已经提到在频率扫描过程中，各个频率点上都可以得到实部值R和虚部值I两个值，通过它们可以打算傅立叶变换之后的模值，模值＝
。打算之前先把实部和虚部值用十进制表示。但这只是傅立叶变换后的结果，要想得到阻抗的实际值必须乘以一个校准系数，这里称这个系数为增益系数。
下面给出一个打算增益系数的例子。当输出电压范围为2V，标定电阻为200kΩ，可编程放大器设置为1，电流电压转换放大器增益电阻为200 kΩ，勉励频率为30kHz，在这个频率点上得到的实部和虚部值分别为F064、227E，转换为十进制分别为-3996、8830，则傅立叶变换后的模值＝
，则增益系数为标定电阻的倒数除以打算得到的模值，即(1/200kΩ)/9692.106＝515.819E-12。
下面再给出一个已知增益系数、被测电阻的实部和虚部值打算被测电阻阻值的例子。假设被测电阻为510kΩ，勉励频率为30kHz，丈量得到的实部和虚部值分别为－1473和3507，则打算得到的模值为3802.863。电阻值＝1/(增益系数×模值)=1/(515.819E-12×3802.863) =509.791kΩ。
对付不同的丈量频率点增益系数是不同的，以是在不同的频率点上要分别打算增益系数。
在丈量过程中可以通过限定电阻的丈量范围来优化丈量性能。表4给出6个不同的阻抗范围作为参考，它们所选择的输出电压范围均为2V，可编程增益放大器设置为1。
表4 丈量阻抗范围设定
丈量电阻范围
电流电压转换放大器增益电阻
标定电阻
0.1kΩ到1kΩ
100Ω
100Ω
1kΩ到10kΩ
1kΩ
1kΩ
10kΩ到100kΩ
10kΩ
10kΩ
100kΩ到1MΩ
100kΩ
100kΩ
1MΩ到2MΩ
100kΩ
100kΩ
9MΩ到10MΩ
9MΩ
9MΩ
3.2 相角打算及校准
在阻抗丈量过程中不仅仅要关注电阻的模值，还要知道相角的大小，相角值＝
。和模值一样相角也要进行校准。首先对标定电阻进行丈量，得到标定电阻的相角，丈量电阻的实际相角即是丈量打算得到的值减去标定电阻的相角值。值得把稳的是丈量时通过
得到的相角是在-90º到+90º之间的，以是要根据R和I所决定的象限来把相角变换到所在象限内。如果R<0，I>0则解释在第二象限，以是打算时要把相角加上180º；如果R<0，I<0则是在第三象限，打算时要把相角减去180 º。
4 单片机掌握的阻抗丈量系统
本文设计了一个用单片机掌握AD5933实现阻抗丈量的系统。单片机选择的ADI公司的ADμC848。单片机和AD5933通过
串口实现通讯，单片机掌握对AD5933的事情模式设置，掌握丈量过程，读取丈量结果，并通过串口传输到PC机。
4.1 硬件电路
系统采取电池供电，又MAX603实现把四节1.5V电池串联后的电压变到5V。在AD5933
的RFB和VIN之间接入电流电压转换电阻，这个电阻的值是可以按照上面提到的设置丈量电阻的范围的方法来设定的。在VIN和VOUT之间接入的是被测电阻，丈量之前先大致估计一下丈量电阻的范围，然后来选择相应电流电压转换电阻的大小。在丈量被测电阻之前，首先要用已知阻值的电阻进行标定，得到模值和相角的基准。单片机把从AD5933读到的阻抗丈量结果的实部和虚部通过串口传到上位机，又上位机根据上面提到的公式，打算得到阻抗值。图2中给出了电路连接的事理图。
图2 系统硬件电路图
4.2 系统软件设计
图3中给出了系统丈量的软件流程图。这是完成单个阻抗丈量的过程。丈量后得到的
实部和虚部结果都是十六进制表示。用单片机传输到上位机后进行后续的处理。每个频率点上都要首先对标定电阻进行丈量和打算，然后再以此为标准打算被测电阻。
图3 系统软件流程
5 小结
本文先容了阻抗丈量芯片AD5933，它是一款可以实现精确丈量的高集成度的芯片，大大简化了丈量系统的电路和数据处理过程。本文对其性能、参数设置和详细丈量实现进行了较为详细的先容，并设计实现了单片机系统对其掌握。为阻抗丈量供应了一个比较方便、利用的办理方案。
参考文献：
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[2] 董艳阳. 自动阻抗丈量仪事情事理及阻抗丈量方法[J]. 当代电子技能, 2002. 5: 24-26.
[3] 刘立新，赫建国. 基于DDS芯片AD9854的旗子暗记发生器设计[J]. 西安邮电学院学报，2004. 9（3）：64-68.
[4] http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD5933.pdf
[5] http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/30849145182541ADuC845_7_8
_a.pdf
