電池操作型可攜式應(yīng)用的直流電源轉(zhuǎn)換

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。但某些傳感器系統(tǒng)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——用來確定到移動(dòng)物體的相對(duì)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(cè)量血液流速或者分析血壓或血液質(zhì)量。

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)掃描的交流激勵(lì)源。本文描述的設(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)，從而使它適合于需要高達(dá)約50 kHz激勵(lì)頻率的應(yīng)用。

傳感器工作原理

圖1顯示了一種具有感性或容性特性的傳感器模型。

圖1：具有復(fù)數(shù)阻抗特性的傳感器模型

根據(jù)傳感器的電感(L)或電容(C)的瞬態(tài)值，通過傳感器的激勵(lì)頻率將表現(xiàn)出一種幅度、頻率或相位上的變化。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)電路的諧振頻率。諧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，因此傳感器在諧振頻率處將具有最大阻抗。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)生了新的諧振頻率。通過監(jiān)測(cè)諧振頻率的變化(從而監(jiān)測(cè)阻抗)可以推斷移動(dòng)物體相對(duì)傳感器的距離。

計(jì)算諧振頻率

計(jì)算電路的諧振頻率需要一個(gè)交流(AC)激勵(lì)信號(hào)源，它在一段頻率范圍內(nèi)掃描以繪出頻率與阻抗關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2：由于相對(duì)距離變化導(dǎo)致接近傳感器的諧振頻率移動(dòng)

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。我們通過寫入代表所需頻率的數(shù)字代碼來改變輸出頻率。AD9833具有兩個(gè)頻率寄存器，從而允許用戶在對(duì)一個(gè)頻率寄存器設(shè)置的同時(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位，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，從而拓寬了傳感器選擇的靈活性。例如，有些傳感器具有較低的頻率范圍，但在該頻段內(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)算出傳感器的諧振頻率，并且可以利用該數(shù)據(jù)在許多應(yīng)用中提供傳感器檢測(cè)信息。

圖3顯示了實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量的系統(tǒng)框圖。

圖3：傳感器測(cè)量系統(tǒng)框圖

AD9833數(shù)字波形發(fā)生器可通過ADSP-218x 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自主時(shí)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(hào)用作傳感器的激勵(lì)信號(hào)。根據(jù)傳感器的阻抗，可能要將響應(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)頻率都被送進(jìn)AD7866 12位 1 Msps同步采樣雙ADC。再將ADC的輸出數(shù)據(jù)送給DSP，通過計(jì)算經(jīng)過傳感器的幅度和相位偏移做進(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其成本昂貴。單個(gè)分立元件會(huì)增加自身的誤差源，并且有源元件會(huì)增加必須校正消除的相位誤差。DSP必須處理復(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，有一種低成本的解決方案。AD5933/34 12位阻抗轉(zhuǎn)換器/網(wǎng)絡(luò)分析儀將上述主要處理模塊集成到單個(gè)IC中。圖4顯示了其功能框圖。

圖4：AD5933/34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引擎對(duì)ADC輸出進(jìn)行離散傅立葉變換(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(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。用戶可以設(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位(小于0.1 Hz)的頻率分辨率。

圖5：頻率與幅度的關(guān)系曲線

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(gè)開始命令開始掃描。在掃描的每一頻率點(diǎn)ADC都進(jìn)行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(gè)16位字的形式提供給用戶。

芯片具有內(nèi)置DSP處理引擎，意味著用戶不必處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。也無需存儲(chǔ)ADC原始數(shù)據(jù)，因?yàn)橹恍璺祷貎蓚€(gè)16位的字。還可以采用減少功能和降低成本的DSP解決方案，因?yàn)橐呀?jīng)顯著降低了對(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。內(nèi)置的ADC是一款3V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)鐘可通過MCLK端的參考時(shí)鐘從外部提供，該參考時(shí)鐘可由外部晶體振蕩器提供；或通過內(nèi)部PLL單元提供。

作者：Colm Slattery

應(yīng)用工程師

美國模擬器件公司