基于AD8302的阻抗测量系统设计

牟光红，李廷军

(电子科技大学电子工程学院，四川成都 611731)



基于AD8302的阻抗测量系统设计

牟光红，李廷军

(电子科技大学电子工程学院，四川成都 611731)

为了满足宽频、宽量程阻抗测量需求，设计了一种激励源灵活可调的复阻抗测量系统。该系统采用DDS技术提供宽频激励，通过可控参考阻抗电路和AD8302实现阻抗信息提取，提出了一种模拟移相的方法来鉴别相位极性。数据采集和整个系统控制由STM32控制器完成。结果表明：测量系统可在100 Hz～10 MHz工作正常，在宽阻抗范围内具有较高精度。

阻抗测量; 直接数字合成; 相位检测; AD8302; STM32

0 引言

电阻抗测量最初是为了分析电子器件或未知网络电参数特性，而当前更多应用在电化学分析、生物阻抗测量、阻抗谱分析中[1]，例如在医学领域，血液分析和人体阻抗测量都会用到电阻抗测量技术。与X射线计算机断层(CT)和核磁共振(MRI)检测手段相比，电阻抗测量具有对人体无创、测量设备简单、操作方便等优点。电阻抗成像已成为21世纪医学成像研究的热点，而且电阻抗测量在工业监测、无损探伤等方面也引起了工业界的极大关注。因此，对于宽范围、高精度的阻抗测量方法的研究有着重要意义。

1 测量原理及系统方案

1.1 测量原理

阻抗测量方法主要有电桥法、谐振法和矢量伏安法[2]。电桥法虽测量精度高，但往往需要多次调整桥臂参数使桥平衡，难以实现自动化。谐振法要求在谐振频率下推算出电参数，谐振点不确定，对测量频率要求过高且精度低。因此本文采用矢量伏安法实现阻抗测量。矢量伏安法是直接来源于阻抗定义的一种时域测量方法。其原理如图1所示，被测阻抗两端的矢量电压与流过的矢量电流之比即为所求的复阻抗值。由于难以直接测获取电流幅相参数，可将已知参考阻抗将电流转化为电压，通过电压比与参考阻抗大小来计算待测阻抗。

(a) 直接测量

(b) 比值测量

计算式如下：

(1)

(2)

式中：|ZX|为阻抗模值;φz为阻抗相位。

1.2 系统总体方案

根据测量原理设计了如图2所示的测量方案。

图2 测量系统框图

测量系统主要由激励源电路、阻抗信息获取电路、信号采集处理模块等组成。其中，电流电压转换由可变的参考阻抗电路完成，ADI检波芯片AD8302实现待测阻抗模值和相位信息提取[3]。为了方便进行阻抗谱分析，通过串口将测量数据上传。系统还可监控当前测量环境温度，可用于实现温度补偿。

2 测量系统设计

2.1 激励源电路

为满足宽频要求，选用AD9834为频率源，该芯片是一款低功耗DDS器件，能够产生高性能正弦波输出。频率寄存器为28位，时钟速率为75 MHz时可以实现0.28 Hz的分辨率。在DDS输出后插入低通滤波器可减小杂散，得到更好的输出波形。滤波器指标[4]：类型为5阶椭圆低通滤波器；通带fc为10 MHz；带内纹波ε为0.5；衰减fs为13 MHz;阻带为40 dB;输入输出匹配阻抗为200 Ω。

滤波器后为放大电路，有隔离和增强驱动能力的作用。AD8615是一款高精度，低噪声、低功耗、单位增益稳定且轨到轨输入输出放大器，可提供高达150 mA的电流输出。激励源电路如图3所示。

图3 激励源电路

2.2 可控参考阻抗及幅相检测电路

传统参考阻抗测量如图1(b)所示，通过固定值电阻Rr来实现电流电压转换，然后将两路电压信号送入检波器AD8302。虽AD8302有宽检波范围(-30～+30 dB)，可当待测阻抗ZX阻抗变化范围很大时，与参考阻抗比可能超过这个范围，则造成误差大或无法测量。采用PGA或运放对信号进行调理，让两路信号在检波范围内，但这又使两路信号间插入损耗或相位偏移不同而引入不平衡误差。为了实现宽范围测量并保证两路电压经过相同链路进入检波器，设计了如图4所示的可变的参考阻抗电路和幅相测量电路。

图4 可变参考阻抗及幅相检测电路

参考阻抗Rn(n=1,2…N)选用精密电阻，为了方便计算，选值为10倍程间隔(10 Ω,100 Ω…10 MΩ)，开关闭、合实现参考阻抗选择。开关矩阵电路采用低导通电阻，高关断隔离度的模拟开关ADG1607来实现。纵向开关SYn导通则横向开关SXn同时导通，其它开关断开，B-信号来自纵向开关与参考阻抗之间，B+与B-差模电压恰好为参考阻抗上的电压信号，而横向开关引入B-端的导通阻抗对于高输入阻抗的仪表放大器可忽略不计。

仪表放大器AD8421BRZ用于前端信号获取。该器件一款低功耗、极低噪声、超低偏置电流、高速仪表放大器，特别适合前端信号调理和数据采集应用。带宽为10 MHz，可满足宽频测量；CMRR(G=1)最低值为94 dB，可以在宽温度范围内将高频共模噪声中的低电平信号提取出来；输入阻抗高达30 GΩ，可满足高阻抗测量。

激励源电压可预先调节，避免超过AD8302检波范围最大值(0 dBm,Re为50 Ω或-13 dBV)，通过改变参考阻抗大小使A、B两路信号很好地落入检波幅值曲线线性范围内，AD8302检波原理见参考文献[3]。由于两路信号经过链路相同，中间滤波、调理等电路插入损耗和相移可认为相等，在检波芯片中抵消。测量模式下，幅度相位计算式如下：

(3)

式中：|VA|、|VB|为进入检波器两路电压信号幅度；|ZX|、Rn为待测阻抗模值和参考阻值；Phdif为两路信号相位差；Vmag、Vphs为AD8302输出幅度和相位电压。

将输出Vmag、Vphs滤波、调理送入ADC，通过计算可以得到待测阻抗的模和相位信息。

2.3 相位极性鉴别电路

由式(3)中的相位计算式中可知，AD8302只可检测出两路信号相位差，却无法判断是超前还是落后，即存在相位模糊问题，造成的后果是被测阻抗的容、感特性无法区分。为了兼顾测量速度和鉴别的准确度，采用数字和模拟相结合的方法进行相位极性判别。

数字鉴别的方法采用高速过零比较器和触发器来实现，鉴别原理如图5所示。

图5 数字相位极性判别

数字法在频率不高(小于1 MHz)且两路信号相位差不小于10°时，可以快速准确得到相位极性信息。如果不满足条件则可能造成触发器输出亚稳态问题[5]，因此设计了模拟极性鉴别电路。

如图6所示的移相位电路，输入到检波器的两路信号可等效为内阻大小为RA和RB的信号源。由于信号采集前端电路相同，则两个内阻值相同，即RA=RB=R0。在信号进入检波器前加入与可控开关串接的电容CA和CB，为了让电路对称使CA=CB=CX。当开关断开时后续电路正常进行幅度、相位差测量，如果其中一个开关闭合，例如当SA闭合时电容CA与RA形成RC移相电路。

图6 模拟相位极性鉴别原理

假设正常测量(移相开关断开)时，A、B两路信号相位差为Δφ=5°，开关闭合对信号产生附加相移，大小通过下式计算：

φM=arctan(ωR0CX)

(4)

若A路相位超前，相位电压输出在图6中P点位置，开关SA闭、合后P点的移动情况如表1所示。

通过调控开关SA和SB的通、断，可得到检波输出相位电压Vp+

若A路相位落后，P点会在以相位差为0°对称的上升线上，采用相同顺序闭、合开关会得到相反的结果，从而完成相位极性鉴别。

数字法可直接得到极性结果，但在相位差较小时鉴别困难，而模拟法需要两次开关切换，检测效率不高。实际工作时由控制器判断选用其中一种判别方案，若正常测量相位差小于10°则采用模拟法，否则直接采用数字法鉴别结果。

表1 不同条件下P点移动情况

2.4 STM32控制模块

选用低功耗、接口丰富、性能优越的STM32F105作为测量系统的主控制器。SPI1的SCK时钟最高达36 MHz，可实现激励源频率的快速切换。两个独立12 bit分辨率ADC在Vref=3.3 V时可实现幅度比分辨率为0.027 dB，相位分辨率为0.081°，单次转换时间为1.17 μs(系统时钟为72 MHz时)，满足幅度相位信息获取需求。带有片上FLASH存储器，可将配置数据保存。程序流程图如图7所示，中断服务程序实现激励源配置的随时更改。

图7 控制程序及中断服务流程图

3 系统测试

系统校准后，采用如图8所示RC串并联模型对系统进行测试验证，其中R=1 MΩ，C=0.01 μF。

ADC决定了幅度相位分辨率，测量结果中相位取1位小数，而模值取4位有效数字。测量的模值中幂的次数与选择的参考电阻值是相关的，同时这也便于测量结果显示。测试结果如表2所示。

4 结束语

结果表明系统对于高阻值测量也有较高的精度。由于采用了功能强大的STM32F105作为主控器，该系统还具有集成度高、测量速度快、配置灵活等优点。频率可控的激励源与高输入阻抗的信号获取电路使测量系统可服务于电化学分析、阻抗谱分析、生物阻抗测量、腐蚀监控、液体阻抗测量等应用。

[1] ANGRISANI L,BACCIGALUPI A.A digital signal-processing instrument for impedance measurement.lEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1996,45(6):930-934.

[2] 陈棣湘，孟祥贵.复数阻抗参数的4种测量方法.实验科学与技术， 2008,6(4):1-2.

[3] Analog Devices Inc.AD8302 Datasheet [DB/OL]．[2014-04-23].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8302.pdf.

表2 测试结果

[4] WILLIAMS A B,TAYLOR F J.电子滤波器设计手册.宁彦卿，姚金科，译.北京:科学出版社,2008.

[5] CILETTI M D.Advanced digital design with the Verilog HDL.张雅绮，李锵，译.北京:电子工业出版社，2008.

Design of Impedance Measurement System Based on AD8302

MU Guang-hong,LI Ting-jun

(School of Electronic Engineering,UESTC,Chengdu 611731,China)

A complex impedance measurement system with flexible excitation source was designed to meet the demand of wide measurement range.It utilized DDS technology as broadband excitation source and extracted impedance information using controllable reference resistor circuit and AD8302.A phase shift circuit was presented to identify the phase polarity.Data acquisition and system management task was accomplished by STM32 controller.The results show that this system works properly from 100Hz to 10 MHz and has high accuracy in a wide range of impedance value.

impedance measurement; DDS; phase detection; AD8302; STM32

2014-05-01 收修改稿日期：2014-11-03

TP216

A

1002-1841(2015)04-0061-04

牟光红(1989—)，硕士研究生，研究方向为仪表仪器电路设计与嵌入式测量系统。E-mail：mingtian0410@126.com