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感測器/MEMS  

數位波形產生器為感測器阻抗測量提供靈活頻率調節

上網時間: 2006年08月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:感測器  諧振頻率  阻抗轉換器  頻率掃描  阻抗測量 

目前許多工業和儀器儀表應用都涉及到感測器測量技術。感測器的功能是監測系統的變化,然後將數據反饋給主控制單元。對於簡單的電壓或電流測量,感測器可以呈阻性。但某些感測器系統卻呈感性或容性,這意味著感測器在其工作範圍內的阻抗變化呈現非線性。

這種複數感測器的典型例子是接近感測器─用來確定到行動物體的相對距離;以及容性感測器或感性感測器─在醫學產業中用來測量血液流速或者分析血壓或血液品質。

測量這些‘複數感測器’的阻抗需要一個在感測器頻率範圍內掃描的交流激勵源。本文將描述如何方便地使用單晶片數位波形產生器提供這種大於10MHz的頻率掃描,並介紹一種整合激勵源、類比數位轉換器(ADC)和訊號處理的完整單晶片阻抗轉換器(IDC),因而使它適合於需要高達約50kHz激勵頻率的應用。

感測器工作原理

圖1顯示了一種具有感性或容性特性的感測器模型。


圖1:具有複數阻抗特性的感測器模型

根據感測器的電感(L)或電容器(C)的瞬態值,透過感測器的激勵頻率將表現出一種幅度、頻率或相位上的變化。例如,超音波液體流量計通常表現為相移變化,而接近感測器則是幅度變化。

追蹤這種阻抗變化的最常用的方法就是監測電路的諧振頻率。諧振頻率是指電容器值等於電感值時對應的頻點,這也是頻率曲線上的最大阻抗處對應的頻點。例如,考慮圖2所示的接近感測器的情況。在正常工作模式下,即靜態條件下,感測器的L、R和C具有唯一的值,因此感測器在諧振頻率處將具有最大阻抗。當行動物體接近感測器時,感測器的L和C值會產生變化,因而產生了新的諧振頻率。透過監測諧振頻率的變化(因而監測阻抗)可以推斷行動物體相對感測器的距離。

計算諧振頻率

計算電路的諧振頻率需要一個交流(AC)激勵訊號源,它在一段頻率範圍內掃描以繪製頻率與阻抗關係曲線,如圖2所示。


圖2:由於相對距離變化導致接近感測器的諧振頻率行動

AD9833單晶片數位波形產生器可提供一種產生這種掃描輸出的簡單、低成本方法。透過寫入代表所需頻率的數位程式碼來改變輸出頻率。AD9833具有兩個頻率暫存器,因而允許用戶在對一個頻率暫存器設置的同時輸出第二個頻率暫存器。

AD9833的輸出頻率解析度為28位元,因此用戶能以小於0.1Hz的步幅增加輸出頻率。其輸出頻率範圍是0~12.5MHz,因而拓寬了感測器選擇的靈活性。例如,有些感測器具有較低的頻率範圍,但在該頻段內需要很高的解析度;而另外一些感測器則需要以較低的解析度調節很寬的頻率範圍。

使用頻率掃描方法,可以很容易地計算出感測器的諧振頻率,且能利用該數據在許多應用中提供的感測器檢測資訊。

圖3顯示了實現這種測量的系統結構圖。


圖3:感測器測量系統結構圖

AD9833數位波形產生器可透過ADSP-218x DSP對其設置。首先必須對AD9833的正弦輸出電壓波形進行低通濾波以去除來自主時脈(MCLK)、鏡像頻率和高階頻率的饋通。然後將通過濾波的訊號作為感測器的激勵訊號。根據感測器的阻抗,可能要將響應訊號放大以使其適合ADC的動態範圍。感測器的輸出和激勵頻率都被送進AD7866 12位元1Msps同步採樣雙ADC。再將ADC的輸出數據送給DSP,透過計算經過感測器的幅度和相位偏移做進一步的分析。

圖3所示的分離式解決方案雖然有助於各種通用感測器的阻抗測量,但使用的寬頻元件使其成本昂貴。

單個分離元件會增加自身的誤差源,且主動元件會增加必須校正消除的相位誤差。DSP必須處理複雜的數學運算,還可能需要外部記憶體來儲存ADC的原始數據,這樣會進一步增加成本。

如果僅需低頻感測器分析,有一種低成本的解決方案。AD5933/34 12位元阻抗轉換器/網路分析儀將上述主要處理模組整合在單個IC中。圖4顯示了其功能結構。


圖4:AD5933/34功能結構圖


圖5:頻率與幅度的關係曲線

頻率產生器允許使用高達50kHz的已知頻率激勵100Ω∼20MΩ範圍的複數阻抗。響應訊號由內建ADC採樣。內建DSP引擎對ADC輸出進行離散傅立葉轉換(DFT)。然後DFT演算法返回實部(R)和虛部(I)數據字,因而允許方便地計算其阻抗。使用以下公式可以方便地計算阻抗的幅度和相位。




我們使用頻率掃描來確定實際的實部阻抗值Z(ω)。我們可以在每一個頻點計算阻抗,並且可以設立頻率與幅度的關係曲線。用戶可以設置2V、1V、500mV或200mV的峰值正弦訊號作為外部負載的激勵源,可達到27位元(小於0.1Hz)的頻率解析度。

為了完成頻率掃描,用戶首先必須設置掃描所需的工作條件:起始頻率、頻率步幅以及步數,然後需要一個開始命令開始掃描。在掃描的每一頻率點ADC都進行1,024點採樣並計算DFT以為波形提供實部和虛部數據。將該實部和虛部數據透過I2C介面以兩個16位元字的形式提供給用戶。

晶片具有內建DSP處理引擎,意味著用戶不必處理複雜的數學運算。也無需儲存ADC原始數據,因為只需返回兩個16位元的字。還可以採用減少功能和降低成本的DSP解決方案,因為已經顯著降低了對處理能力的要求。階躍響應的增益可設置為1或5倍。內建的ADC是一款3V電源供電的低噪音、250ksps或1Msps採樣率的高速ADC。系統時脈可透過MCLK端的參考時脈從外部提供,該參考時脈可由外部晶體振盪器提供;或透過內部PLL單元提供。

作者:Colm Slattery

colm.slattery@analog.com

ADI公司




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