AD5933使用外部時鐘獲得更低的分析頻率

 

■ 前言

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在博文 AD5933不同頻率下轉換結果 中分析了 AD5933阻抗變換模塊 使用內部時鐘（fosc=16.776MHz）時，測量結果受到採集時間窗口的影響，所能夠達到的最低阻抗激勵正弦信號頻率。

那麼，在有些應用中，對象的帶寬和工作頻率會很低，那麼如果能夠使用AD5933對這些對象進行測量呢？

雖然，AD5933內部的DSS（數字信號合成 ）器可以輸出很低的頻率，但受到前面提到的數據採集窗口的窗口的影響，所以還是不能夠使用。

一種可行的方式就是利用AD5933外部時鐘，來降低內部ADC採樣的頻率，從而可以有效擴大數據採集時間窗口，減少因爲 頻譜泄漏 對於測量結果的影響。

• 通過實驗驗證MCLK對於AD5933的影響
• 驗證AD5933究竟是否可以達到很低的分析能力？

 

01使用STC8G1K08的T0輸出脈衝信號¹,²

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在 AD5933阻抗轉換器、網絡分析儀初步實驗 中給出了基於STC8G1K081K(SOP8)的實驗電路，完成對AD5933模塊的I2C總線命令的控制。實驗電路板還包括有T0/T1CLKO管腳輸出，這部分可以用來產生AD5933的MCLK的時鐘信號。

^{▲ 設置T1CLKO的STC8G相關寄存器}

在STC8G1K08的main程序初始化子程序中，定義如下命令，設置T1CLKO爲輸出信號。

^{▲ 實驗電路板 STC8G1K08}

#define T1CLKO_PIN      5,4
void MainInit(void) {
    PM_BIDIR(LED);
    AD5933Init();
    
    INTCLKO |= 0x2;
    PM_PP(T1CLKO_PIN);
    
}

測量P5.4(T1CLKO）管腳的波形如下。頻率爲：$f_{t1} = 921.3kHz$。

由於此時T1用於UART1的波特率（460800bps），所以它的頻率爲921.3Khz。

^{▲ STC8G1k的P5.4(T1CLKO)管腳的輸出波形}

 

02產生輸出信號

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1.設置輸出激勵正弦信號

在初始化AD5933中，選擇外部CLK。在設置SetSweep的時候，設置參數oscf=0.92。輸出3kHz。

ad5933.init(20, 1)
stm32cmd('reada')
startf = 2000
stepf = 100
numf = 10

ad5933.setsweep(startf, stepf, numf, oscf=0.9216)
ad5933.sweep(1)

下面是採集到的輸出波形。它的頻率爲3KHz。這說明AD5933的確是按照外部得始終產生激勵信號的。

^{▲ 輸出3KHz的正弦波形}

2. 測試新的最低工作頻率

內部工作頻率 $f_{in} = 16.776Mhz$時，按照AD5933不同頻率下轉換結果 中的結果，最低工作頻率大約是：$f_{\min } = 2kHz$左右。現在外部時鐘頻率爲：$f_{ext} = 0.9216MHz$。那麼對應的最低工作頻率：

下面是在不同的輸出工作頻率下，測量負載爲無窮大時，測到所得到的電流幅度。可以看到在頻率大約爲110Hz的時候，輸出接近於零。這與上述計算結果是相符合的。

^{▲ 在不同的工作頻率下測量結果，此時工作電阻爲無窮大}

3.修改模塊中的耦合電容

使用AD5933上的運放緩衝電路的時候，由於AD5933通過 0.01uF的電容耦合到AD8606運放。當輸出頻率很低的時候，會極大衰減輸出信號。

將該耦合電容修改到20uF；這樣對應的截止頻率爲：$C_0 = 20uF$，後期的分壓電阻爲$R_0 = 10k\Omega$。後期的截止頻率爲：

^{▲ 不同頻率下輸出激勵電壓}

^{▲ 不同頻率下輸出激勵電壓}

從上圖來看，輸出信號的截止頻率大約是10Hz左右。

爲了進一步降低截止頻率，將原來的分壓電壓的電阻從原來的22kΩ，修改成200kΩ.

^{▲ 修改緩衝運放}

經過改造之後，重新測量輸出電壓與激勵信號頻率之間的關係。可以看到截止頻率降低到1Hz左右。

^{▲ 不同頻率輸出激勵電壓幅值}

 

03使用信號源產生工作頻率

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1.工作時鐘頻率

使用DS345產生AD5933的工作時鐘信號。首先設置輸出頻率：100kHz， 幅度：Vpp=2V；偏置：1V。

^{▲ 信號源DS345}

由於輸出信號是按照負載爲50Ω來設定的。帶動AD5933工作時，由於負載遠遠大於50Ω，所以輸出的幅值基本上是上述設置兩倍。

下圖是實際測量DS345輸出的時鐘信號。Vpp大約爲2V，重心偏移量爲2V。

^{▲ 工作時鐘信號}

通過測試，需要將時鐘的幅值設置爲峯峯值2V才能夠滿足觸發AD5933的工作。

^{▲ 設置信號的幅值和波形}

如果輸入信號超過的3.3V，有可能導致電流回灌。

• 正確的設置方式：Vpp:1.5V，Vbias=1V，方波。

2.測試輸出信號頻率

在Vin,Vout之間連接$R_{load} = 300k\Omega$。在不同的頻率下測量的結果如下圖所示。

• 工作頻率：0.1MHz
▲ 不同頻率下測量的結果

根據在 AD5933不同頻率下的轉換結果 測量結果，在$f_{osc} = 16.776MHz$下，頻率泄露所引起的最低工作頻率爲2000Hz。那麼工作在$f_1 = 0.1Mhz$下的最低工作頻率爲：

從前面的測量結果來看，的確最低的工作頻率大約10Hz左右。

（1）工作頻率0.01MHz：

下面顯示了在不同的頻率下的測量結果。

在工作頻率爲$f_{osc} = 16.776MHz$下，數據採樣頻率爲1MHz。在工作頻率$f_1 = 0.01MHz$時，對應的數據採樣頻率爲：

^{▲ 不同頻率下測量的結果}

^{▲ 普通頻率下的測量結果}

下圖顯示了在596MHz下，對應的採集到的數據。其中存在兩個奇怪的地方：

• 測量結果中存在一個線性相位
  這可能是由於轉換過程存在一個特定的時間延時$t_{AD}$。從圖像中可以看到該延遲大約是2ms。也就是在1000Hz的時候，相位相差了2個$2\pi$。
• 當頻率大於550Hz長輩，結果中存在噪聲
  由於採集頻率爲596Hz，所以當信號的頻率超過500Hz之後，實際上信號已經處於欠採樣過程。所以這個過程存在着比較明顯的噪聲。
  ^{▲ 普通頻率下的測量結果}

（2）工作頻率：0.02MHz：

從測量結果來看：

• 存在着 一個1ms左右的延遲
  可以猜測，固定的延遲大約等於兩個工作時鐘信號週期。
  ^{▲ 普通頻率下的測量結果}

下圖顯示了最低的工作頻率大約在2.5Hz。

^{▲ 普通頻率下的測量結果}

（3）工作頻率：0.05MHz

最低的工作頻率大約E座5.5Hz.

^{▲ 普通頻率下的測量結果}

3. AD5933的工作頻率對結果的影響

• 工作頻率：0.01MHz
  

  ^{▲ 不同頻率下的測量結果}

• 工作頻率：0.02MHz

^{▲ 不同頻率下的測量結果}

• 工作頻率：0.05MHz
▲ 不同頻率下的測量結果

 

※ 結論

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可以使用外部加入測MCLK信號，來改變AD5933的測量信號頻率範圍。

輸入信號的幅度需要儘可能解決0~3.3V，可以使用正弦波，或者方波信號來驅動MCLK。

總結上述測量結果，可以近似得到如下的結果：

（1）AD5933存在一個固定的延遲$t_{delay}$，這與工作頻率$f_{MCLK}$之間的關係爲：$t_{delay} = {20 \over {f_{MCL} }}$。
（2） 數據採樣頻率：$f_s = f_{MCL} /16.776 \times 10^6 Hz$。 $f_{MCL}$的單位MHz。 輸入信號的頻率需要小於fs的一半。
（3）最低工作頻率：$f_{\min } = f_{MCL} /16.776 \times 2000$。 $f_{MCL}$的單位MHz。
（4）測量保證數據精確性，至少在採樣數據中，正弦信號的週期：最小5個；最大的週期512（滿足採樣定理）。因此AD5933的測量信號的頻率範圍大約是100倍（兩個數量級）。

#!/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 *

#------------------------------------------------------------
printf('\a')
ad5933.init(2, 1)

startf = 5
stepf = 2
numf = 200

#------------------------------------------------------------
freqn = ad5933.setsweep(startf, stepf, numf, oscf=1)
#printf(freqn)

#------------------------------------------------------------
ad5933.sweep(1)

while True:
    time.sleep(.5)
    val = stm32val()

    if val[12] > 0: break

R,I = stm32memo(2)
printf(R, I)

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

#f = linspace(startf, startf + stepf * numf, len(R), endpoint=True)
f = freqn

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

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()

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# 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) / (oscf*1e6/4))
    incn   = int(incf * (2**27) / (oscf*1e6/4))

#    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)

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : AD5933.PY
#============================================================

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1. 實驗STC8G1K08 Keil工程文件:C51\STC\Test\2020\AD5933\AD59338G1K\AD59338G1K.uvproj ↩︎

2. 實驗AD電路工程文件:AD\Test\2020\AD5933\AD59338G1K.SchDoc ↩︎