引言

 

當(dāng)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(jì)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(dá)約達(dá) 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(jì)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(diǎn)，這也是頻率曲線上的最大阻抗處對應(yīng)的頻點(diǎn)。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(diǎn)將具有最大阻抗。當(dāng)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(jì)算共振頻率

 

計(jì)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(diǎn)：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(jì)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(shí)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(jìn)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(jì)算傳感器的幅度和相位變化做進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(dá) 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(shí)部（R）和虛部（I）數(shù)據(jù)字，從而允許方便地計(jì)算其阻抗。使用以下公式可以方便地計(jì)算阻抗的幅度和相位。

 

 

 

我們使用頻率掃描來確定實(shí)際的實(shí)部阻抗值 Z（ω）。我們可以在每一個頻點(diǎn)計(jì)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(fù)載的激勵源，并且可達(dá)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(diǎn)掃描頻率處 ADC 都完成 1024 點(diǎn)采樣并且計(jì)算 DFT 以為波形提供實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)。將該實(shí)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(jì)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?yàn)橐呀?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。