基于AD5933的復(fù)阻抗測(cè)量?jī)x(MCU固件文件\硬件原理圖及PCB板圖及geber文件)

ID:247597 · 發(fā)表于 2017-11-9 10:29

1  簡(jiǎn)介
目前，復(fù)阻抗測(cè)量的一般方式是，對(duì)未知阻抗施加一定頻率的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)其響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)分析，通常采用離散傅里葉變換（DFT），DFT 結(jié)果在對(duì)應(yīng)頻率返回響應(yīng)信號(hào)的模值和相位，再通過(guò)計(jì)算進(jìn)而得到被測(cè)復(fù)阻抗的模值和相位信息。

復(fù)阻抗測(cè)試設(shè)備一般需要解決以下一些問(wèn)題。
（1）測(cè)量的安全性，由于測(cè)試設(shè)備所處的系統(tǒng)環(huán)境多樣、且不確定，所以需要考慮在測(cè)試設(shè)備與主機(jī)之間加入隔離器件。
（2）從靈活性角度來(lái)講，由于目前阻抗分析的應(yīng)用各不相同，所使用的激勵(lì)信號(hào)的模值和頻率，阻抗的測(cè)量范圍都有特定的測(cè)試范圍要求。
（3）考慮到被測(cè)阻抗網(wǎng)絡(luò)可能較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單用阻性模型分析，而需要對(duì)測(cè)量信號(hào)的模值和相位同時(shí)精確分析，所以對(duì)系統(tǒng)精度要求較高。
（4）如果需要便攜式的應(yīng)用，則低功耗和小體積的設(shè)計(jì)也是尤為重要的設(shè)計(jì)因素。 ADI推出的基于AD5933的復(fù)阻抗測(cè)量?jī)x即可解決上述的問(wèn)題。

AD5933 是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案：
•  內(nèi)部DDS產(chǎn)生激勵(lì)電壓信號(hào)
•  用戶可以調(diào)節(jié)激勵(lì)頻信號(hào)的頻率和模值
•  內(nèi)部 12 位ADC 對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣
•  內(nèi)部集成DSP 在對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)進(jìn)行DFT

目錄
1  簡(jiǎn)介 1
2  硬件設(shè)計(jì)  1
21  系統(tǒng)工作原理  1
22  系統(tǒng)框圖  2
23  硬件電路  3
3  單片機(jī)固件設(shè)計(jì)  3
4  阻抗分析軟件的設(shè)計(jì)  4
5  阻抗分析系統(tǒng)快速使用手冊(cè)  4
51  阻抗分析系統(tǒng)的硬件連接  4
52  USB轉(zhuǎn) UART 驅(qū)動(dòng)安裝  7
53  ADuC7061 固件下載  9
54  阻抗分析系統(tǒng)軟件安裝  10
55  阻抗測(cè)量系統(tǒng)的操作  11

2  硬件設(shè)計(jì)
2.1  系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理為了用電學(xué)的手段檢測(cè)物體的阻抗，可將被測(cè)物體的阻抗用RC阻抗網(wǎng)絡(luò)來(lái)建模。由于容性
阻抗在直流激勵(lì)的條件下，不能泄放電荷，從而影響測(cè)量的速度和精度。因此，通常需要使用一個(gè)頻率可變的交流信號(hào)來(lái)作為激勵(lì)信號(hào)。 ADI公司的AD5933 是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了 12位的ADC  和DDS可以產(chǎn)生交流掃頻激勵(lì)源為待測(cè)阻抗產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。

本參考設(shè)計(jì)中，使用低功耗的 ADuC7061 作為 MCU，通過(guò)串口與 PC 通信。另一方面，ADuC7061 通過(guò) I2C 總線對(duì) AD5933 進(jìn)行控制和寄存器讀寫(xiě)。AD5933 的激勵(lì)源被配置成低頻 50Hz至 90Hz范圍。 AD5933的時(shí)鐘由外部的低頻晶振產(chǎn)生，從而提高AD5933 內(nèi)部DFT的精度。AD5933 轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)通過(guò) I2C 總線，被ADuC7061 接收后再發(fā)送至PC 端。

考慮到測(cè)量的安全性問(wèn)題，本參考實(shí)際中應(yīng)用了 ADI 公司的 iCoupler 磁耦隔離器件ADuM4160和ADuM5000，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)電路板與PC 之間的隔離。阻抗測(cè)量?jī)x是由 USB 供電的，并通過(guò) RS232 橋接模塊實(shí)現(xiàn) USB 到 ADuC7061 的串口之間的轉(zhuǎn)換。
2.2 系統(tǒng)框圖
阻抗測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

2.3 硬件電路
阻抗測(cè)量?jī)x的電路板實(shí)物圖如圖 3 所示。詳細(xì)情況請(qǐng)參考電路板的具體電路原理圖及 PCB設(shè)計(jì)。

本參考設(shè)計(jì)中采用ADuC7061  作為 MCU，采用keil UV4 作為開(kāi)發(fā)工具。
ADuC7061  的 UART  經(jīng)過(guò)板上的 UART 轉(zhuǎn) USB 接口后與 PC  端的阻抗分析軟件進(jìn)行通信，接收來(lái)自PC端的命令，然后根據(jù)命令的內(nèi)容通過(guò) I2C 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)板上AD5933的控制和寄存器讀寫(xiě)。固件的具體設(shè)計(jì)參見(jiàn)源代碼。
ADI 提供的復(fù)阻抗測(cè)量?jī)x，為配合硬件系統(tǒng)測(cè)量和演示，提供了一個(gè)專門(mén)用于測(cè)量演示的阻抗分析軟件，具有人性化的圖形用戶界面，以便用戶準(zhǔn)確而快捷地分析觀察被測(cè)阻抗的變化。

該軟件可以發(fā)送命令到 ADuC7061，從而對(duì) AD5933 進(jìn)行控制，同時(shí)可以接收 AD5933 輸出的 DFT 結(jié)果，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。軟件界面可以實(shí)時(shí)顯示所計(jì)算出的阻抗大小和對(duì)應(yīng) RMS 電流的結(jié)果，并可以通過(guò)作圖來(lái)顯示測(cè)量得到的實(shí)際阻抗值。該軟件的具體功
能包括：
•  阻抗模值分析
•  RMS電流測(cè)量
•  測(cè)量模式配置
•  阻抗變化波形顯示

軟件讀取 AD5933 的 DFT 結(jié)果，即 AD5933 的實(shí)部寄存器和虛部寄存器的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)
算可以得到該信號(hào)的模值：

與該測(cè)量系統(tǒng)電路板連接的兩個(gè)探頭是用于與被測(cè)阻抗接觸的。兩個(gè)探頭如圖 6 所示連接至
測(cè)量系統(tǒng)電路板。一個(gè)為參考探頭，另一個(gè)是測(cè)量探頭。參考探頭（如圖 7所示）連接到板
上的 Vout 端口，用于與參考源良好接觸，提供參考電平；測(cè)量探頭（如圖 8 所示）與板上
的Vin 端口連接，用于測(cè)量不同被測(cè)的阻抗，從而分析其變化情況。

探頭應(yīng)該根據(jù)具體的被測(cè)物體特征來(lái)選擇，本例中我們使用的探頭為如圖 7和圖 8所示：
•  兩個(gè)探頭與測(cè)量系統(tǒng)電路板的接插件需匹配，客戶可以根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)?br /> 接插件
•  參考探頭，用于與一定面積穩(wěn)定接觸以產(chǎn)生穩(wěn)定參考，所以需要接觸面積較大的探
頭，其導(dǎo)電部分可以是棒狀或是相對(duì)較大的平面
•  測(cè)量探頭，則用于模擬探針，由于測(cè)量接觸面積可能會(huì)很小，所以要求其導(dǎo)電部分
為針狀