基于AD5933的復阻抗測量儀(MCU固件文件\硬件原理圖及PCB板圖及geber文件)

ID:247597 · 發表于 2017-11-9 10:29

1  簡介
目前，復阻抗測量的一般方式是，對未知阻抗施加一定頻率的激勵信號，對其響應信號進行采樣和數據分析，通常采用離散傅里葉變換（DFT），DFT 結果在對應頻率返回響應信號的模值和相位，再通過計算進而得到被測復阻抗的模值和相位信息。

復阻抗測試設備一般需要解決以下一些問題。
（1）測量的安全性，由于測試設備所處的系統環境多樣、且不確定，所以需要考慮在測試設備與主機之間加入隔離器件。
（2）從靈活性角度來講，由于目前阻抗分析的應用各不相同，所使用的激勵信號的模值和頻率，阻抗的測量范圍都有特定的測試范圍要求。
（3）考慮到被測阻抗網絡可能較為復雜，不能簡單用阻性模型分析，而需要對測量信號的模值和相位同時精確分析，所以對系統精度要求較高。
（4）如果需要便攜式的應用，則低功耗和小體積的設計也是尤為重要的設計因素。 ADI推出的基于AD5933的復阻抗測量儀即可解決上述的問題。

AD5933 是一款高精度的阻抗轉換器系統解決方案：
•  內部DDS產生激勵電壓信號
•  用戶可以調節激勵頻信號的頻率和模值
•  內部 12 位ADC 對響應信號進行采樣
•  內部集成DSP 在對應頻點進行DFT

目錄
1  簡介 1
2  硬件設計  1
21  系統工作原理  1
22  系統框圖  2
23  硬件電路  3
3  單片機固件設計  3
4  阻抗分析軟件的設計  4
5  阻抗分析系統快速使用手冊  4
51  阻抗分析系統的硬件連接  4
52  USB轉 UART 驅動安裝  7
53  ADuC7061 固件下載  9
54  阻抗分析系統軟件安裝  10
55  阻抗測量系統的操作  11

2  硬件設計
2.1  系統工作原理系統工作原理系統工作原理系統工作原理為了用電學的手段檢測物體的阻抗，可將被測物體的阻抗用RC阻抗網絡來建模。由于容性
阻抗在直流激勵的條件下，不能泄放電荷，從而影響測量的速度和精度。因此，通常需要使用一個頻率可變的交流信號來作為激勵信號。 ADI公司的AD5933 是一款高精度的阻抗轉換器，內部集成了 12位的ADC  和DDS可以產生交流掃頻激勵源為待測阻抗產生激勵信號。

本參考設計中，使用低功耗的 ADuC7061 作為 MCU，通過串口與 PC 通信。另一方面，ADuC7061 通過 I2C 總線對 AD5933 進行控制和寄存器讀寫。AD5933 的激勵源被配置成低頻 50Hz至 90Hz范圍。 AD5933的時鐘由外部的低頻晶振產生，從而提高AD5933 內部DFT的精度。AD5933 轉換輸出的數據通過 I2C 總線，被ADuC7061 接收后再發送至PC 端。

考慮到測量的安全性問題，本參考實際中應用了 ADI 公司的 iCoupler 磁耦隔離器件ADuM4160和ADuM5000，用于實現對測量系統電路板與PC 之間的隔離。阻抗測量儀是由 USB 供電的，并通過 RS232 橋接模塊實現 USB 到 ADuC7061 的串口之間的轉換。
2.2 系統框圖
阻抗測量儀的系統框圖如圖 2 所示。

2.3 硬件電路
阻抗測量儀的電路板實物圖如圖 3 所示。詳細情況請參考電路板的具體電路原理圖及 PCB設計。

本參考設計中采用ADuC7061  作為 MCU，采用keil UV4 作為開發工具。
ADuC7061  的 UART  經過板上的 UART 轉 USB 接口后與 PC  端的阻抗分析軟件進行通信，接收來自PC端的命令，然后根據命令的內容通過 I2C 總線實現對板上AD5933的控制和寄存器讀寫。固件的具體設計參見源代碼。
ADI 提供的復阻抗測量儀，為配合硬件系統測量和演示，提供了一個專門用于測量演示的阻抗分析軟件，具有人性化的圖形用戶界面，以便用戶準確而快捷地分析觀察被測阻抗的變化。

該軟件可以發送命令到 ADuC7061，從而對 AD5933 進行控制，同時可以接收 AD5933 輸出的 DFT 結果，并對數據進行處理。軟件界面可以實時顯示所計算出的阻抗大小和對應 RMS 電流的結果，并可以通過作圖來顯示測量得到的實際阻抗值。該軟件的具體功
能包括：
•  阻抗模值分析
•  RMS電流測量
•  測量模式配置
•  阻抗變化波形顯示

軟件讀取 AD5933 的 DFT 結果，即 AD5933 的實部寄存器和虛部寄存器的數據，通過計
算可以得到該信號的模值：

與該測量系統電路板連接的兩個探頭是用于與被測阻抗接觸的。兩個探頭如圖 6 所示連接至
測量系統電路板。一個為參考探頭，另一個是測量探頭。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；測量探頭（如圖 8 所示）與板上
的Vin 端口連接，用于測量不同被測的阻抗，從而分析其變化情況。

探頭應該根據具體的被測物體特征來選擇，本例中我們使用的探頭為如圖 7和圖 8所示：
•  兩個探頭與測量系統電路板的接插件需匹配，客戶可以根據自己的需要選擇適當的
接插件
•  參考探頭，用于與一定面積穩定接觸以產生穩定參考，所以需要接觸面積較大的探
頭，其導電部分可以是棒狀或是相對較大的平面
•  測量探頭，則用于模擬探針，由于測量接觸面積可能會很小，所以要求其導電部分
為針狀