AD5933阻抗模块测量值校正

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tsinghuazhuoqing 发表于 2021/12/26 23:52:36 2021/12/26
【摘要】   ■ 前言 在博文 使用AD5933测量元器件的谐振特性 推导了测量阻抗校正公式。 为了简便起见,下面的分压电阻 ...

 

■ 前言


在博文 使用AD5933测量元器件的谐振特性 推导了测量阻抗校正公式。

为了简便起见,下面的分压电阻 R 1 , R 2 R_1 ,R_2 R1,R2取值相同,与待测元器件阻抗大体相同。

测量分为两步:

  • 第一步:先使用分压电路测量各个频率的测量值: R c + j ⋅ I c R_c +j\cdot I_c Rc+jIc
  • 第二步:将 R 2 R_2 R2替换成待测元器件( R t + j ⋅ I t R_t + j \cdot I_t Rt+jIt),测量结果 R m + j ⋅ I m R_m + j \cdot I_m Rm+jIm

▲ 测量实验电路基本结构

▲ 测量实验电路基本结构

根据第一步的分压,可以知道,输入交流复矢量:
U ˙ I N = 2 ⋅ U ˙ c = 2 ( R c + j ⋅ I c ) \dot U_{IN} = 2 \cdot \dot U_c = 2\left( {R_c + j \cdot I_c } \right) U˙IN=2U˙c=2(Rc+jIc)

根据第二步,可以知道待选器件复阻抗 X ˙ = R t + j ⋅ I t \dot X = R_t + j \cdot I_t X˙=Rt+jIt与测量结果 U ˙ m \dot U_m U˙m之间的关系为:

X ˙ R + X ˙ ⋅ U ˙ I N = U ˙ m      ⇒    X ˙ R + X ˙ = U ˙ m U ˙ I N = a ˙ {{\dot X} \over {R + \dot X}} \cdot \dot U_{IN} = \dot U_m \,\,\,\, \Rightarrow \,\,{{\dot X} \over {R + \dot X}} = {{\dot U_m } \over {\dot U_{IN} }} = \dot a R+X˙X˙U˙IN=U˙mR+X˙X˙=U˙INU˙m=a˙

那么,元器件的复阻抗为::

X ˙ = R a ˙ 1 − a ˙ = R ⋅ U ˙ m U ˙ I N − U ˙ m = R ⋅ ( R m + j ⋅ I m ) ( 2 R c − R m ) + j ⋅ ( 2 I c − I m ) \dot X = {{R\dot a} \over {1 - \dot a}} = {{R \cdot \dot U_m } \over {\dot U_{IN} - \dot U_m }} = {{R \cdot \left( {R_m + j \cdot I_m } \right)} \over {\left( {2R_c - R_m } \right) + j \cdot \left( {2I_c - I_m } \right)}} X˙=1a˙Ra˙=U˙INU˙mRU˙m=(2RcRm)+j(2IcIm)R(Rm+jIm)

复阻抗的的幅值和幅角计算公式如下:

X ˙ = x + j ⋅ y ,       ∣ X ˙ ∣ = x 2 + y 2 ,     ∠ X ˙ = arctan ⁡ ( y x ) \dot X = x + j \cdot y,\,\,\,\,\,\left| {\dot X} \right| = \sqrt {x^2 + y^2 } ,\,\,\,\angle \dot X = \arctan \left( {{y \over x}} \right) X˙=x+jy,X˙=x2+y2 ,X˙=arctan(xy)

a = R ⋅ R m ,    b = R ⋅ I m ,    c = 2 R c − R m ,    d = 2 I c − I m a = R \cdot R_m ,\,\,b = R \cdot I_m ,\,\,c = 2R_c - R_m ,\,\,d = 2I_c - I_m a=RRm,b=RIm,c=2RcRm,d=2IcIm

x = a c c 2 + d 2 + b d c 2 + d 2 ,    y = − a d c 2 + d 2 + b c c 2 + d 2 x = {{ac} \over {c^2 + d^2 }} + {{bd} \over {c^2 + d^2 }},\,\,y = - {{ad} \over {c^2 + d^2 }} + {{bc} \over {c^2 + d^2 }} x=c2+d2ac+c2+d2bd,y=c2+d2ad+c2+d2bc

 

01实验测量


1.测量校正数据

(1) 测量条件

  • R = 10 k R = 10k R=10k
  • 描频率范围: 500 H z    − 5000 H z 500Hz\,\, - 5000Hz 500Hz5000Hz
  • AD5933:工作频率: f o s c = 1 M H z f_{osc} = 1MHz fosc=1MHz
  • 扫描模式:SWEEEP(1)

▲ 校正电阻10kΩ测量数据

▲ 校正电阻10kΩ测量数据

2.测量电容阻抗

测量条件与上面相同,将R替换成电容:2.2nF。
▲ 电容222测量数据

▲ 电容222测量数据

由于测试是电容,上面的结果显示相角随着不同的频率呈现逐步变化的情况。并不是呈现基本上90°的超前特性。

之所以造成这个错误,主要是因为扫描电压过高了,超过了16238(0x4000)。

下面重新使用扫描模式SWEEP(7),也就是将输出激励信号幅值降低一倍,重新进行校正和测量,下面是测量后的结果。
结果显示相位基本上呈现90°。

▲ 使用SWEEP(7)扫描计算结果

▲ 使用SWEEP(7)扫描计算结果

电容 C C C在频率 f f f下的容抗公式为:
X c = 1 2 π j ⋅ f ⋅ C X_c = {1 \over {2\pi j \cdot f \cdot C}} Xc=2πjfC1

利用上面的电容阻抗模型计算出对应的容抗,与测量数值进行对比如下,可以看到它们基本上相符。
▲ 对比测量与计算模型

▲ 对比测量与计算模型

3.测量电感

电感使用GX913GX9/3型十进制电感箱测量。测量条件和上面相同。测量结果如下:
▲ 测量电感100mH的数据

▲ 测量电感100mH的数据

电感 L L L在频率 f f f下的感抗为:
X ˙ L = 2 π ⋅ f ⋅ L \dot X_L = 2\pi \cdot f \cdot L X˙L=2πfL
具体测量数值与计算感抗对比:
▲ 电感测量值与理论计算值之间的关系

▲ 电感测量值与理论计算值之间的关系

4.压电陶瓷片

▲ 带有谐振腔的压电陶瓷片的阻抗

▲ 带有谐振腔的压电陶瓷片的阻抗

▲ 不带有谐振腔的压电陶瓷片

▲ 不带有谐振腔的压电陶瓷片

▲ 大型带有谐振腔的压电陶瓷蜂鸣器

▲ 大型带有谐振腔的压电陶瓷蜂鸣器

▲ 低频压电陶瓷蜂鸣器

▲ 低频压电陶瓷蜂鸣器

5.高频测量

  • 高频校正数据
  1. AD5933工作频率:10MHz
  2. 频率范围:50k~500kHz

▲ 高频校正数据,R=10k

▲ 高频校正数据,R=10k

测量455kHz中周频率特性

▲ AM中周455kHz的测量特性

▲ AM中周455kHz的测量特性

▲ 时钟晶体校正数据

▲ 时钟晶体校正数据

▲ 时钟晶体测量数据

▲ 时钟晶体测量数据

▲ 时钟晶体测量数据,SettingTime=100

▲ 时钟晶体测量数据,SettingTime=100

▲ 时钟晶体测量数据,SettingTime=500

▲ 时钟晶体测量数据,SettingTime=500

▲ 时钟晶体测量数据,SettingTime=500

▲ 时钟晶体测量数据,SettingTime=500

▲ 时钟石英阻抗测量结果

▲ 时钟石英阻抗测量结果

▲ 时钟石英阻抗测量结果

▲ 时钟石英阻抗测量结果

 

※ 结论


通过实验结果,验证了通过分压方式测量复阻抗的公式。并对于一些具有典型特性的复阻抗元器件进行测量。

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2020-06-25
#
# Note:
#============================================================

from headm import *
import ad5933
from tsmodule.tsstm32       import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsdraw        import *

#------------------------------------------------------------
printf('Begin testing:\a')

calflag = 1
calname = 'clk32768'
SWEEP_MODE = 7

Resistor=10e3
fosc = 10

startf = 32760
stepf = 0.02
numf = 500

#------------------------------------------------------------
if calflag == 0:
    f1, R1, I1, A1 = tspload(calname, 'f', 'R', 'I', 'A')
    R1 = list(R1)
    I1 = list(I1)

    if len(f1) != numf+1:
        printf("NUMF is not equal to calibrate length:(%d,%d)"%(len(f1), numf))
        exit()

#------------------------------------------------------------
ad5933.init(500, 1)

while True:
    f = ad5933.setsweep(startf, stepf, numf, oscf=fosc)
    time.sleep(2)

    ad5933.sweep(SWEEP_MODE)

    while True:
        time.sleep(.5)
        val = stm32val()
        if val[12] > 0: break

    printf('\a')

    R,I = stm32memo(2)

    if len(R) == len(f): break

#------------------------------------------------------------
A = [sqrt(r**2+i**2) for r,i in zip(R,I)]

if calflag == 1:
    tspsave(calname, f=f, R=R, I=I, A=A)

#------------------------------------------------------------
if calflag != 0:
    plt.plot(f, R, label="Real")
    plt.plot(f, I, label="Imaginary")
    plt.plot(f, A, label='Amplitude')
    plt.xlabel("Frequency(Hz)")
    plt.ylabel("Value")
    plt.grid(True)
    plt.legend(loc="upper right")
    plt.show()
    exit()

#------------------------------------------------------------
Xabs = []
Xphase = []
for Rc,Ic,Rm,Im in zip(R1,I1,R,I):
    a = Resistor * Rm
    b = Resistor * Im
    c = 2*Rc - Rm
    d = 2*Ic - Im
    ccdd = c*c+d*d
    x = a*c/ccdd + b*d/ccdd
    y = -a*d/ccdd + b*c/ccdd

    Xabs.append(sqrt(x*x+y*y))
    Xphase.append(arctan2(y, x)*180/pi)

tspsave('Impedance',f=f, xabs=Xabs, xphase=Xphase)

#------------------------------------------------------------
plt.subplot(311)
plt.plot(f, R, label="Real")
plt.plot(f, I, label="Imaginary")
plt.plot(f, A, label='Amplitude')
plt.xlabel("Frequency(Hz)")
plt.ylabel("Value")
plt.grid(True)
plt.legend(loc="upper right")

plt.subplot(312)
plt.plot(f, Xabs)
plt.xlabel("Frequency(Hz)")
plt.ylabel("Amplitude(ohm)")
plt.grid(True)

plt.subplot(313)
plt.plot(f, Xphase)
plt.xlabel("Frequency(Hz)")
plt.ylabel("Phase")
plt.grid(True)

#------------------------------------------------------------
plt.show()

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
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#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
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# AD5933.PY                    -- by Dr. ZhuoQing 2020-06-25
#
# Note:
#============================================================

from head import *
from tsmodule.tsstm32       import *

#------------------------------------------------------------

def init(settletime=100, extclock=0):
    if extclock > 0:
        stm32cmd('writeb 81 8')
    else:
        stm32cmd('writeb 81 0')

    time.sleep(0.02)
    stm32cmd('writeb 80 b1')    # Enter standby mode
    stm32cmd('writei 8a %x'%settletime)
    time.sleep(0.02)

def temperature():
    data = stm32cmdata('readt', wait=200)
    if len(data) > 0:
        return data[0] / 32
    else: return 0

def setsweep(startf, incf, num=100, oscf=16.557):
    startn = int(startf * (2**27) * 4 / (oscf*1e6))
    incn   = int(incf * (2**27) * 4 / (oscf*1e6))

#    printff('%x %x %x'%(startn, incn, num))

    stm32cmd('writel 82 %x'%startn)
    time.sleep(.02)
    stm32cmd('writel 85 %x'%incn)
    time.sleep(.02)
    stm32cmd('writei 88 %x'%num)
    time.sleep(.02)

#    stm32cmd('writeb 81 0')         # D3: 0:Internal system clock 1:External
#    time.sleep(.02)
    stm32cmd('writeb 80 b1')        # Standby

    time.sleep(.02)
    stm32cmd('writeb 80 11')
    time.sleep(.02)

    fdim = []
    for n in linspace(startn, startn + incn * num, num+1, endpoint=True):
        fdim.append(n * oscf * 1e6/4/(2**27))

    return fdim

def startf(resultflag = 0):
    if resultflag > 0:
        stm32cmd('writeb 80 21 1')
    else:
        stm32cmd('writeb 80 21')

def incf(resultflag = 0):
    if resultflag > 0:
        stm32cmd('writeb 80 31 1')
    else:
        stm32cmd('writeb 80 31')

def repeatf(resultflag = 0):
    if resultflag > 0:
        stm32cmd('writeb 80 41 1')
    else:
        stm32cmd('writeb 80 41')

def readdata():
    return stm32cmdata('readd', wait=100)

def sweep(code=0x1):
    stm32cmd('CLEAR')
    time.sleep(.02)

    stm32cmd('sweep %x'%code)

#------------------------------------------------------------

if __name__ == '__main__':

    tdim = []

    for i in range(10):
        data = temperature()
        tdim.append(data)
        time.sleep(.1)

    printf(tdim)

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#        END OF FILE : AD5933.PY
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提问与回答


师您好,我还想请教您一个关于AD5933的问题,就是我从数据寄存器中读取到了实部和虚部,但是非常大,短接的时候差不多是20000,但是我把一个100K的带测电阻放上之后还是很大,变成了19000左右,请问老师您遇到过这种问题吗?

1.这种情况我并没有碰到过。2. 猜测的AD5933的接受端的运放已经饱和了。

好,就是关于这个量程的问题,为什么最大值不是65535呢?

▲ d

▲ d

于AD5933内部的DSP引擎的细节,在其数据手册上也没有透露的特别清楚,所以有些结论我只能根据实际读出的数据进行测测。其中0x4000(16384)就是根据读出猜测其内部在不饱和情况下实际输出的最大值; 猜测原因:1)内部使用了二的补码表示测量的整数数据,所以正弦波的不失真的峰值只能是0x7fff;2)经过内部DFT变换的时候,又将有效范围减少了一半(这个原因不知道为何?),最终确定下来该芯片表示正弦波最大值对应的输出结果为0x4000左右。

文章来源: zhuoqing.blog.csdn.net,作者:卓晴,版权归原作者所有,如需转载,请联系作者。

原文链接:zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107014827

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