ADuCM350是一款超低功耗集成混合信號(hào)計(jì)量解決方案，包含一個(gè)微控制器子系統(tǒng)用于處理、控制和連接。 該處理器子系統(tǒng)基于低功耗ARM？ Cortex-M3處理器，由數(shù)字外設(shè)、嵌入式SRAM和閃存、一個(gè)提供時(shí)鐘、復(fù)位和功耗管理功能的模擬子系統(tǒng)組成。

本應(yīng)用筆記說明如何設(shè)置ADuCM350以利用雙線測(cè)量方法最優(yōu)地測(cè)量RC傳感器的阻抗。為了優(yōu)化阻抗測(cè)量的精度，用戶必須最大程度地使用16位ADC范圍。為此，峰峰值激勵(lì)輸出電壓、RTIA/CTIA組合和校準(zhǔn)電阻全都需要計(jì)算。 控制該計(jì)算的是流入負(fù)載的最大容許電流。

如果沒有限制，則用戶可以使跨阻放大器（TIA）輸入ADC的信號(hào)擺幅最大，以獲得盡可能好的SNR。

然而，如果負(fù)載電流有限制，例如在雙線生物阻抗應(yīng)用中為了滿足IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)，則用戶應(yīng)計(jì)算最大容許電流，并在電路中采取防范措施。

詳細(xì)說明 傳感器配置

在本應(yīng)用筆記所述的例子中，用戶想要利用圖1所示配置測(cè)量一個(gè)RC型傳感器在1 kHz激勵(lì)信號(hào)下的阻抗。

傳感器詳情如下：

圖1. 傳感器RC配置

計(jì)算傳感器的最小理想阻抗

第一步是計(jì)算傳感器的最低未知阻抗。 由此可以計(jì)算輸入TIA的最高電流信號(hào)。

對(duì)于圖1中的傳感器，當(dāng)CP = 600 nF時(shí)，傳感器阻抗處于最小值。

為了計(jì)算總阻抗ZT，第一步是計(jì)算CP電容的阻抗。

RCAL計(jì)算

為了計(jì)算RCAL值以校準(zhǔn)系統(tǒng)，需使用最低未知阻抗Z。 如果RCAL等于最小阻抗的幅度，進(jìn)入DFT的信號(hào)將很大， 這會(huì)改善可重復(fù)性和精度。

因此，本例使用大約1041 ？的RCAL。

情況1： 負(fù)載電流無限制

當(dāng)負(fù)載電流無限制時(shí)，可以使用最大信號(hào)擺幅來使ADC結(jié)果的SNR最大。

·最大信號(hào)擺幅為600 mV峰值。

·流入TIA的最高信號(hào)電流 = 600 mV峰值/1041 ？ = 0.576 mA峰值。

·TIA輸出端的峰值電壓（ADuCM350允許的最大值）= 750 mV峰值。

·對(duì)于峰值信號(hào)電流，產(chǎn)生750 mV峰值電壓的RTIA電阻：

750 mV/0.576 mA = 1.302 kΩ

為了提高接收通道的抗混疊性能和穩(wěn)定性，將一個(gè)抗混疊電容與RTIA并聯(lián)。 選擇80 kHz的3 dB點(diǎn)（這是系統(tǒng)的最大帶寬）。

圖2. 負(fù)載電流無限制情況下的信號(hào)擺幅

情況2： 負(fù)載電流有限制

當(dāng)負(fù)載電流有限制時(shí)，應(yīng)采取不同的方法。 本例中，IEC 60601身體浮空標(biāo)準(zhǔn)允許的最大漏電流為100 μA rms。 因此，本例假設(shè)50 μA rms/70.7 μA峰值為最大電流是安全的。

從單一故障校正角度看，考慮到身體浮空標(biāo)準(zhǔn)，各分支包括以下元件：

·1 μF CS隔直電容

·一個(gè)代表某種形式引腳的串聯(lián)電阻（RLEAD）

將一個(gè)200 ？的額外限流串聯(lián)電阻RLIMIT連接到驅(qū)動(dòng)分支。

圖3. 單一故障外部保護(hù)情況下的傳感器

傳感器的最小阻抗仍為1041 Ω。 ADuCM350 TIA看到的這個(gè)最小阻抗現(xiàn)在要加上串聯(lián)元件。

計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中額外電路的阻抗：

200 Ω+ 100 Ω +100 Ω + 1 μF + 1 μF

假設(shè)激勵(lì)頻率為1 kHz。

電容為串聯(lián)，因此

TIA看到的最小阻抗為傳感器最小阻抗加上額外電路阻抗轉(zhuǎn)換器的最小阻抗。

這就是ADuCM350看到的最小阻抗。出于安全原因，將此值降低20%以免ADC結(jié)果超范圍。

因此，假設(shè)最小阻抗為1218.4 Ω。 Cortex-M3將任何低于此值的阻抗測(cè)量結(jié)果標(biāo)記為無效結(jié)果。 應(yīng)檢查連接，因?yàn)樵摌?biāo)志說明ADC發(fā)生超范圍情況或遇到其他錯(cuò)誤。

因此，對(duì)于1218.4 Ω的最小阻抗，為了支持最大70.7 μA峰值的電流，需要一個(gè)正弦波幅度。

注意：當(dāng)DAC衰減器使能時(shí)（DAC_ATTEN = 1）時(shí)，最大允許的正弦波幅度為15 mV峰值。 由于86 mV峰值超過此值，因此有兩個(gè)選擇。 第一個(gè)選擇是使用15 mV峰值，但信噪比會(huì)降低。 第二個(gè)選擇是禁用DAC衰減器，在無衰減模式下選擇86.5 mV峰值。 該選擇的缺點(diǎn)是LSB大小會(huì)提高40倍。

LSB越大，則測(cè)量的分辨率越低，因而產(chǎn)生正弦波并測(cè)量響應(yīng)時(shí)的量化噪聲就越多。

繼續(xù)討論本例，使用15 mV峰值正弦波并使能衰減（DAC_ATTEN = 1）。

計(jì)算TIA看到的電流：

15 mV峰值/1218.4 Ω = 12.3 μA峰值信號(hào)

然后計(jì)算RTIA和CTIA以優(yōu)化ADC范圍，其中RTIA電阻給出750 mV峰值電壓信號(hào)電流。

750 mV/12.3 μA = 60.98 kΩ

為了提高接收通道的抗混疊性能和穩(wěn)定性，將一個(gè)抗混疊電容與RTIA并聯(lián)。 選擇80 kHz的3 dB點(diǎn)（系統(tǒng)的最大帶寬）。

圖4. 負(fù)載電流有限制情況下的信號(hào)擺幅

LabVIEW中的阻抗測(cè)量示例

ADuCM350 LabVIEW GUI可以測(cè)量阻抗并快速給出傳感器測(cè)量原型。

圖5. LabVIEW阻抗測(cè)量AFE控制

圖6. LabVIEW阻抗測(cè)量結(jié)果

軟件開發(fā)套件中的阻抗測(cè)量示例

基于IAR嵌入式工作臺(tái)的軟件開發(fā)套件包括一個(gè)ImpedanceMeasurement_2Wire示例。 本例驗(yàn)證ADuCM350上阻抗轉(zhuǎn)換器的性能。

示例步驟是測(cè)量三個(gè)未知雙線阻抗。

·AFE3至AFE4

·AFE4至AFE5

·AFE5至AFE6

在代碼中很容易設(shè)置激勵(lì)頻率、激勵(lì)電壓和RCAL的值。 可以將測(cè)量的其他變更寫入測(cè)量序列中。 本示例項(xiàng)目的readme部分提供了更多信息。

圖7顯示了一個(gè)測(cè)量示例。 實(shí)部和虛部均進(jìn)行了計(jì)算。

圖7. 負(fù)載電流有限制情況下的信號(hào)擺幅