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[征文]+[原创]AD5933实现溶液电解率测量

xu_xiang@hrbeu.edu.cn 在 2013-5-14 詢問的問題

    溶液的电导率测量是衡量溶液性质的重要指标之一,传统的电导率测定方法从激励信号的角度来分,主要有直流电导测定法和交流电导测定法,考虑到化学极化效应的影响,一般都采用交流电导测定法。但传统的电导测试仪在采用交流电导测定方法时,需要设计交流激励电路,相敏检波电路,信号放大电路,信号采集电路等,使得电导率测试仪的设计较为复杂。随着大规模集成电路的发展,电导率测试仪也向着集成化,小型化的方向发展。本文采用的AD5933就是一款功能强大的复阻抗分析芯片,可分析未知网络的阻抗特性,减小交流测定法中电容效应的影响。并设计了调理电路,将AD5933输出的激励信号转换成交流激励,通过设计相关软件算法,实现AD5933对溶液电导率的测量。

   AD5933通过片内直接频率信号发生器(DDS),产生信号来激励外部复阻抗,外部阻抗响应信号由片上ADC进行采样,然后由片上DSP单元进行DFT处理。DFT算法在各扫描频率点上返回一个实部(R)数据字和一个虚部(I)数据字。测量模值与相位如下式。

             1.gif                                                                                   (3)

                         2.gif                                                                                        (4)

但上式计算的模值并非测量的阻抗值,实际阻抗值还需要通过增益因子进行校正,增益因子如下式。

                 3.gif                                                                                          (5)

式中为标准阻值的校准电阻,Magnitude为测量时得到的测量模值。AD5933外部硬件电路图如图5所示。

4.png

5 AD5933硬件电路图

由前文分析可知,在实际测量中需要减小化学极化效应对测试进度的影响,所以在电导电极上需要施加交流激励信号,但由于AD5933的工作特点,输出的激励信号中含有直流分量,故在测量过程中需要将激励信号进行隔直处理,使得输出的激励信号能够正负交替,减小极化效应影响,然后再对交流信号施加直流偏置,使得AD5933能够采样有效信号。整个信号调理电路执行框图如下图6所示。

4.png

6 信号调理框图

考虑到AD5933输出激励信号与输入采集信号的关系如下式。

                 4.gif                                                                                            (6)

式中AD5933激励输出信号,为内部模数转换输入信号,为内部可编程增益系数(PGA),为待测网络阻抗模值,为避免相差太大(一般),导致输入信号饱和或过小,在测量过程中通过外部模拟开关选择合适的反馈电阻可以提高系统的测量精度

为使AD5933的输入端能够接收到需要检测的信号,需在末级电路上再施加一个直流偏置。直流偏置电路如下图8所示。

4.png

8 直流偏置电路

信号在传输过程中会带来一定的阻抗失真。在实际系统中,根据AD5933的测试原理,通过软件校正计算补偿了一定的系统误差,使系统达到需要的测试精度。

    算法对测试样本仿真如下图所示:

4.png

    测试数据分析如下表所示:

4.png   

結果