AD5933阻抗测量系统精度问题

qiwan

AD5933阻抗测量系统精度问题 [复制链接]

 

大家好！

我用STM32系列单片机和AD5933设计阻抗测量系统，

硬件电路依照CN-0217设计，今天做了如下实验：

测试中，输出激励电压=2Vp-p,

                校准阻抗电阻Zcalibration= 51kΩ,

                PGA增益=×1，

                电源电压=3.3V,

                电流电压放大器增益电阻=51kΩ;

AD5933的时钟频率=1.024MHz(经16.384MHz的有源晶振经16分频获得)，

起始频率=29000,扫描点数=16,频率增量=62,5Hz。每个频点重复频率测量四次，

取其实部和虚部的平均值，然后求得相应幅度和相位，然后，递增至下一频点，

直至所有频点测量结束，则一轮扫频测量结束。

第一步：连接校准阻抗=51k，反馈阻抗=51k,获得不同频点的幅度和相位，

数据如下：可以看到，不同频点，其幅度和相位并不是相等的，

而是有一些波动的，幅度在9760~9766之间波动，相位在114.1~120.697°之间波动，

且相位的波动趋势是：随着扫描频率的增加而增加的。

（虽然理论上将，纯电阻的幅度和相位是不变的，即使激励频率不同。）

Header 1

幅度        相位        频率 9764 114.1 29000 9764 114.492 29062.5 9763 114.985 29125 9764 115.339 29187.5 9762 115.851 29250 9765 116.248 29312.5 9763 116.741 29375 9766 117.171 29437.5 9761 117.618 29500 9763 118.143 29562.5 9764 118.499 29625 9760 118.939 29687.5 9764 119.39 29750 9762 119.864 29812.5 9761 120.258 29875 9763 120.697 29937.5

第二步：将校准阻抗换下，连接上待测阻抗(已知待测阻抗=100k)，反馈阻抗=51k，获得不同频点的幅度和相位，
数据如下：同样幅度和相位都有数据波动，
幅度在5010~5012之间波动，相位在113.107~119.6399°之间波动,
相位随着频率的增加而增加。

Header 2

幅度          相位             频率 5012 113.107 29000 5012 113.6399 29062.5 5013 113.9985 29125 5009 114.3805 29187.5 5011 114.8622 29250 5014 115.2723 29312.5 5012 115.7061 29375 5012 116.1868 29437.5 5012 116.5957 29500 5011 117.0866 29562.5 5013 117.4748 29625 5011 117.9151 29687.5 5011 118.355 29750 5012 118.7482 29812.5 5012 119.2345 29875 5010 119.6399 29937.5

按照AD5933datasheet提供的阻抗和相位计算方法，

发现：在扫频的各频点上的阻抗误差在0.5%~0.6%范围内。

但是当待测阻抗一次换成151k,200k,251k时，

测量的误差开始逐渐上升，测251k的未知阻抗时，误差可达3%。

接下来，进行另外一组测量：

与第一组同样的测试条件:

                输出激励电压=2Vp-p,

                校准阻抗电阻Zcalibration= 251kΩ,//校准阻抗由51k换成了251k

                PGA增益=×1，

                电源电压=3.3V,

                电流电压放大器增益电阻=251kΩ;//反馈阻抗由51k换成了251k

第一步：连接上校准阻抗=251k，反馈阻抗=251k，经过一轮扫频，

获得如下数据：可以看到，幅度在9335~9309之间波动，

且幅度的波动趋势是：随着扫描频率的增加，幅度逐渐减少；

相位在118.295~125.01之间波动，且波动趋势是：随着扫描频率的增加，

相位逐渐增加；

Header 3

幅度          相位             频率 9335 118.295 29000 9329 118.65 29062.5 9328 119.173 29125 9330 119.659 29187.5 9327 120.045 29250 9328 120.482 29312.5 9322 120.948 29375 9321 121.368 29437.5 9319 121.857 29500 9319 122.351 29562.5 9315 122.719 29625 9314 123.226 29687.5 9316 123.632 29750 9314 124.069 29812.5 9314 124.489 29875 9309 125.01 29937.5

第二步：取下标准电阻，连接上待测(已知待测电阻的阻抗=300k)，
获得如下数据：同样幅度和相位都有数据波动。

Header 4

幅度          相位             频率 8014 109.5078 29000 8011 109.9226 29062.5 8011 110.3674 29125 8012 110.8442 29187.5 8014 111.239 29250 8012 111.6717 29312.5 8013 112.1448 29375 8011 112.5307 29437.5 8012 112.9791 29500 8009 113.36 29562.5 8009 113.8628 29625 8008 114.2939 29687.5 7999 114.7424 29750 8001 115.2486 29812.5 7999 115.6085 29875 7997 116.0274 29937.5

按照AD5933datasheet提供的阻抗和相位计算方法，

发现：在扫频的各频点上的阻抗误差在2%~3%范围内。

也就是说，当标准阻抗=反馈阻抗=251k时，测量300k的待测阻抗，

误差增大了，相比于之前的标准阻抗=反馈测量=51k，测量100k的待测阻抗。

而且，当标准阻抗=反馈阻抗=251k，

依次测量300k,351k,400k,451k，500k的待测阻抗时，误差依次为6%,9%13%,15%。

这么大的误差是不允许的。

所以，我想请问的是：如何降低误差？

对于AD5933datasheet中提到的单频点校准和两点校准，

对于这里的扫频测量都是不适用的，有机会能够和论坛里的坛友们交流一下，谢谢！

weizhongc

http://bbs.dzsc.com/space/viewspacepost.aspx?postid=99944
看下这个，会不会跟你选的标准电阻，测量范围有关系。

qiwan

把测量范围分成多个量程，于是用模拟开关来实现反馈电阻的切换，发现模拟开关对幅度的大小有影响，虽然模拟开关的导通电阻超小，仅仅为1欧姆一下。还得想办法消除模拟开关对阻抗精度带来的影响，或者通过软件修正的办法。

snoweaglemcu

老兄你是怎么校准的，阻抗测试这种东西要进行R、X校准的，也就是复数校准的方法

qiwan

snoweaglemcu 发表于 2015-1-9 11:42
老兄你是怎么校准的，阻抗测试这种东西要进行R、X校准的，也就是复数校准的方法

恩，对复阻抗，需要对实部和虚部进行校准。按照ad933 datasheet的校准，于是对阻抗幅度和相位进行校准。

qiwan

今天重新做了一下实验，实验很简单：扫描频率为29000Hz，Zcalibration=51k,RFB=51k,然后不断地重复频率
测量16次，取其平均值的幅度。
幅度波动，这个我能理解，但是波动大我就心塞了。
因为数据的不确定性实在让人觉得莫名其妙。
从最开始的9740到9624，重复上电，越往下测，数据就一直往下走。
在ADI官网的中文论坛里，也看到有坛友遇到和我之前一样的问题：
当被测阻抗在100k以下是，测量误差挺小的，大约在1%以下，但是当测量一个100k以上的
阻抗，误差就开始往上走了，而且，被测阻抗越大，误差就越来越大。即使将反馈电阻更换
至接近被测阻抗，误差也还是很大。
有坛友解决过AD5933这样的问题吗？SOS

eeworldupk

我以前用过这个芯片，效果和你差不多也没有好的方法，adi代理的技术都去现场了，也没有方法。

eeworldupk

最好还是分档，就是用模拟开关去切，在很窄的范围内还是可以的。我记得好像是标准值得1-3倍吧。
在产品上增加标准负载，在每次切换后测量标准负载，然后在测量真实负载，这样做还可以。

qiwan

eeworldupk 发表于 2015-1-10 19:55
最好还是分档，就是用模拟开关去切，在很窄的范围内还是可以的。我记得好像是标准值得1-3倍吧。
在产品上增加标准负载，在每次切换后测量标准负载，然后在测量真实负载，这样做还可以。

恩，谢谢您的提醒，我也是这样想的。刚刚修改了一下编程，其实程序也会影响精度测量，不仅仅和硬件有关。再次感谢，我会再试一下。

qiwan

eeworldupk 发表于 2015-1-10 19:52
我以前用过这个芯片，效果和你差不多也没有好的方法，adi代理的技术都去现场了，也没有方法。

我有看到淘宝上有人卖AD5933的阻抗测量的板子，它的量程切换用的是继电器，说是整体精度可以达到1%,部分测量精度可以达到千分之五。所以，我觉得应该还是有办法的。不过，还是很谢谢您的回复！

qiwan

eeworldupk 发表于 2015-1-10 19:55
最好还是分档，就是用模拟开关去切，在很窄的范围内还是可以的。我记得好像是标准值得1-3倍吧。
在产品上增加标准负载，在每次切换后测量标准负载，然后在测量真实负载，这样做还可以。

您好！我忽然想到一个问题：假如扫描范围是29000Hz~30000Hz,关于标准负载和真实负载的切换：
(1)在29000~30000这整个频率范围内测完标准负载，然后切换至真实负载，在29000~30000这整个频率范围内测完真实负载；
(2)在29000~30000这个扫描范围内，在每个频点上，测标准负载，然后切换至测真实负载，再递增至下一频点，直至整个频率范围测量完毕。
是（1）还是（2），目前我是按照（1）的方式进行的，不知道您有没有懂我的意思？

qiwan

看资料说，电源电压的稳定性也会影响到测量精度。这里，使用单片机的3.3V电压作为5933的VDD。
阻抗测量时，对单片机3.3V供电端电压进行测量，实测值为3.28V,ad5933VDD端的实测值是3.20V，电压偏置实测值为1.6V。也就说，5933VDD的3.2V≠单片机VDD的3.3V，后来多次重新上电复位，重新对5933的VDD进行测量，发现5933VDD端的电压并不稳定，有时3.2,有时3.1,有时3.0。可能，电源电压的稳定性对5933的阻抗测量影响挺大

jackfrost

没机会玩AD5933，不过前几年做过LCR电桥，我用的也是DFT方式，跟AD5933这类都是一样原理的，感觉AD5933要用好，外围电路很重要，有必要自己重新设计外围的IV电路以及缓冲等电路，还有是基准电压、参考地电压这些个，最起码得保证噪声、波动不大于1/3LSB的幅度不是？

jackfrost

另外，感觉AD5933这类只适合要求比较低的简单应用，精度要求别报太大希望了。它内置的运放这些性能受限，要再提高你得自己找好些的运放搭外围电路，还有它12BIT的分辨率，内部采样数据也大概也只有1K个吧，FFT/DFT这类运算你希望精度高些，最起码得多采样些才稳定吧？所以别对它要求过高了，你上面列出的数据基本上就可以了，跟官方AN上的准确程度差不多了。

qiwan

jackfrost 发表于 2015-1-13 08:47
没机会玩AD5933，不过前几年做过LCR电桥，我用的也是DFT方式，跟AD5933这类都是一样原理的，感觉AD5933要用好，外围电路很重要，有必要自己重新设计外围的IV电路以及缓冲等电路，还有是基准电压、参考地电压这些个，最起码得保证噪声、波动不大于1/3LSB的幅度不是？

恩，是的。采用新的IV电路取代了5933内部的IV转换电路，用运放构成缓冲电路消除5933输出端阻抗对阻抗测量的影响。5933的基准电压和参考地电压也需要专门设计。

qiwan

jackfrost 发表于 2015-1-13 08:58
另外，感觉AD5933这类只适合要求比较低的简单应用，精度要求别报太大希望了。它内置的运放这些性能受限，要再提高你得自己找好些的运放搭外围电路，还有它12BIT的分辨率，内部采样数据也大概也只有1K个吧，FFT/DFT这类运算你希望精度高些，最起码得多采样些才稳定吧？所以别对它要求过高了，你上面列出的数据基本上就可以了，跟官方AN上的准确程度差不多了。

5933测低阻抗和很高的阻抗误差都挺大的，按照datasheet的说法，需要另外加附加电路，比如，测低阻抗，需要串联；测很高阻抗，需要并联，这样将阻抗测量范围往下延伸或往上扩展，当然，这样肯定又会给阻抗测量的误差带来很多不确定性。您说的我能理解，谢谢您！

qiwan

今天做了一组实验，对比之下，模拟开关带来的误差也太大了点吧。
测试条件：标准阻抗=反馈阻抗=151k                 待测阻抗（阻抗已知=251k）,阻抗的精度均为0.1%。
如下面两张图片所示，一张是：手动切换标准阻抗和待测阻抗；
                               另一张是：通过模拟开关切换标准阻抗和待测阻抗；
可以看到，模拟开关带来的影响是非常大的。就像我在前面提到，模拟开关的导通电阻虽然非常小，但是却影响如此之大。想到模拟开关的结电容了。

qiwan

模拟开关选用的是TI公司的低电压单电源双路导通开关，TS3A4741,看TS3A4741的datasheet，3V供电时，导通电阻只有0.9Ω，导通电阻的最大平坦度为0.4Ω。设计里采5片TS3A4741，均采用的是3.3V供电，但竟然对阻抗测量会产生这么大的影响，我还真是有点纳闷了

qiwan

今天做了这么一组实验，实验一：如图片“没有另外加导线”，有三根导线，导线编号依次为：1,2和3。其中1,2之间连接的是反馈电阻=151k;
                                                                                                                              2,3之间连接的是标准电阻=151k或待测电阻(200k);
             阻抗和相位的测量值如图1所示；
实验二：如图片"另外加了一根导线，导线电阻为0.5Ω”，图中多了一根编号为4的导线，4和2是连接在一起的。
                                                                                                                      其中1,2之间连接的是反馈电阻=151k;
                                                                                                                             4,3之间连接的是标准电阻=151k或待测电阻(200k)
实验一和实验二的区别就是，“另外加的导线电阻”会对"AD5933引脚VIN和VOUT之间实际连接的阻抗，即标准阻抗或待测阻抗"产生影响。   
                                               (其实我自己也不太理解，0.5Ω怎么会对151k或200k这样的阻抗测量产生影响,只是实验结果确实证明了这一点。)   
             实验二的阻抗和相位的测量值如图2所示；
实验一和实验二都是通过手动更换标准阻抗和反馈阻抗的；
实验三：用模拟开关自动切换标准阻抗和待测阻抗，自动切换选择合适量程，如图片3“模拟开关控制”  。
所以，可以理解，虽然模拟开关的导通电阻最大只有0.9Ω，但其对阻抗测量的影响还是很大的。实验虽然证明了这一点，但是还是让人很不解，
1Ω以下对151k或200k电阻的影响竟然会这么大。那有些朋友用继电器来实现量程切换的，又是怎么做到较高精度测量的呢？

jackfrost

     模拟开关很麻烦很复杂，各种不平坦各种漏电各种分布电容，不知道你用模拟开关具体怎么个电路接法，可以试试类似4线测量的方式，可以减少模拟开关导通电阻等带来的问题。
      另外，你有没有测试过你的面包板相邻导通的孔之间的电阻？我最近刚刚买了个面包板(以前都是直接洞洞板)，发现接触电阻非常大，2个孔间的接触电阻竟然要超过1欧姆，1排5个孔，最远的2个接触电阻竟然有6欧姆，而且整块板都是这样，应该是它的金属簧片用得很低劣的材质。真是无语了，感觉对面包板再也不会有爱了，不知道天朝的是不是都是这个样子，到底有没有质量好点可以信赖的面包板啊