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(cè)量技術(shù)。傳感器的功能是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的變化，然后將數(shù)據(jù)反饋給主控制單元。對(duì)于簡(jiǎn)單的電壓或電流測(cè)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(xiàn)性。

 

這種復(fù)數(shù)傳感器的典型例子是接近傳感器——用來(lái)確定相對(duì)移動(dòng)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(lái)測(cè)量血液流速以及分析血壓或血質(zhì)。

 

測(cè)量這些“復(fù)數(shù)傳感器”的阻抗需要一個(gè)在傳感器頻率范圍內(nèi)掃描的激勵(lì)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(lì)源、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和信號(hào)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(lì)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(guò)傳感器的激勵(lì)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(cè)電路的共振頻率。共振頻率是指電容值等于電感值時(shí)對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)，這也是頻率曲線(xiàn)上的最大阻抗處對(duì)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(dòng)物體接近傳感器時(shí)，傳感器的 L 和 C 值會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了新的共振頻率。如果監(jiān)測(cè)共振頻率的變化（從而監(jiān)測(cè)阻抗）可以預(yù)測(cè)移動(dòng)物體相對(duì)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(gè)交流（AC）激勵(lì)信號(hào)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(xiàn)。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(jiǎn)單、低成本方法。我們通過(guò)寫(xiě)入代表所需頻率的數(shù)字碼字來(lái)改變輸出頻率。AD9833 具有兩個(gè)頻率寄存器，從而允許用戶(hù)在對(duì)一個(gè)頻率寄存器編程的同時(shí)輸出第二個(gè)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(hù)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(cè)信息。

 

系統(tǒng)框圖

 

圖 3 示出實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量的系統(tǒng)框圖。AD9833 數(shù)字波形發(fā)生器可通過(guò) ADSP-218x 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)其設(shè)置。首先必須對(duì) AD9833 的正弦輸出電壓波形進(jìn)行低通濾波以去除來(lái)自主時(shí)鐘（MCLK）、鏡像頻率和高階頻率的饋通。然后將經(jīng)過(guò)濾波的信號(hào)用作傳感器的激勵(lì)信號(hào)。根據(jù)傳感器的阻抗變化，將響應(yīng)信號(hào)放大以使其適合 ADC 的動(dòng)態(tài)范圍。傳感器的輸出和激勵(lì)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(guò)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(cè)量，但使用的寬帶元件使該其成本昂貴。單個(gè)分立元件會(huì)增加其自身的誤差源，并且有源元件會(huì)增加相位誤差，所以必須經(jīng)過(guò)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(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ) ADC 的原始數(shù)據(jù)，這樣會(huì)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(lì) 100 Ω～20 MΩ范圍的復(fù)數(shù)阻抗。響應(yīng)信號(hào)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(lái)確定實(shí)際的實(shí)部阻抗值 Z（ω）。我們可以在每一個(gè)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(xiàn)。

 

 

 

用戶(hù)可以設(shè)置 2 V、1 V、500 mV 或 200 mV 的峰峰值正弦信號(hào)作為外部負(fù)載的激勵(lì)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(hù)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(gè)啟動(dòng)命令開(kāi)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(guò) I2C 接口以?xún)蓚€(gè) 16 bit 字的形式提供給用戶(hù)。如果其內(nèi)置 DSP 有處理引擎，則意味著用戶(hù)不必處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。它也無(wú)需存儲(chǔ) ADC 原始數(shù)據(jù)，僅需返回兩個(gè) 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(duì)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(shí)鐘通過(guò) MCLK 端的參考時(shí)鐘從外部提供，MCLK 可從外部晶體振蕩器或通過(guò)內(nèi)部 PLL 單元提供。