■ 前言

在博文 AD5933不同频率下转换结果 中分析了 AD5933阻抗变换模块 使用内部时钟（fosc=16.776MHz）时，测量结果受到采集时间窗口的影响，所能够达到的最低阻抗激励正弦信号频率。

那么，在有些应用中，对象的带宽和工作频率会很低，那么如果能够使用AD5933对这些对象进行测量呢？

虽然，AD5933内部的DSS（数字信号合成）器可以输出很低的频率，但受到前面提到的数据采集窗口的窗口的影响，所以还是不能够使用。

一种可行的方式就是利用AD5933外部时钟，来降低内部ADC采样的频率，从而可以有效扩大数据采集时间窗口，减少因为 频谱泄漏 对于测量结果的影响。

通过实验验证MCLK对于AD5933的影响
验证AD5933究竟是否可以达到很低的分析能力？

01使用STC8G1K08的T0输出脉冲信号^1,²

在 AD5933阻抗转换器、网络分析仪初步实验 中给出了基于STC8G1K081K(SOP8)的实验电路，完成对AD5933模块的I2C总线命令的控制。实验电路板还包括有T0/T1CLKO管脚输出，这部分可以用来产生AD5933的MCLK的时钟信号。

^{▲ 设置T1CLKO的STC8G相关寄存器}

在STC8G1K08的main程序初始化子程序中，定义如下命令，设置T1CLKO为输出信号。

^{▲ 实验电路板 STC8G1K08}

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

测量P5.4(T1CLKO）管脚的波形如下。频率为：ft1=921.3kHzf_{t1} = 921.3kHzft1=921.3kHz。

由于此时T1用于UART1的波特率（460800bps），所以它的频率为921.3Khz。

^{▲ STC8G1k的P5.4(T1CLKO)管脚的输出波形}

02产生输出信号

1.设置输出激励正弦信号

在初始化AD5933中，选择外部CLK。在设置SetSweep的时候，设置参数oscf=0.92。输出3kHz。

ad5933.init(20, 1)
stm32cmd('reada')
startf = 2000
stepf = 100
numf = 10ad5933.setsweep(startf, stepf, numf, oscf=0.9216)
ad5933.sweep(1)

下面是采集到的输出波形。它的频率为3KHz。这说明AD5933的确是按照外部得始终产生激励信号的。

^{▲ 输出3KHz的正弦波形}

2. 测试新的最低工作频率

内部工作频率 fin=16.776Mhzf_{in} = 16.776Mhzfin=16.776Mhz时，按照AD5933不同频率下转换结果 中的结果，最低工作频率大约是：fmin⁡=2kHzf_{\min } = 2kHzfmin=2kHz左右。现在外部时钟频率为：fext=0.9216MHzf_{ext} = 0.9216MHzfext=0.9216MHz。那么对应的最低工作频率：

下面是在不同的输出工作频率下，测量负载为无穷大时，测到所得到的电流幅度。可以看到在频率大约为110Hz的时候，输出接近于零。这与上述计算结果是相符合的。

^{▲ 在不同的工作频率下测量结果，此时工作电阻为无穷大}

3.修改模块中的耦合电容

使用AD5933上的运放缓冲电路的时候，由于AD5933通过 0.01uF的电容耦合到AD8606运放。当输出频率很低的时候，会极大衰减输出信号。

将该耦合电容修改到20uF；这样对应的截止频率为：C0=20uFC_0 = 20uFC0=20uF，后期的分压电阻为R0=10kΩR_0 = 10k\OmegaR0=10kΩ。后期的截止频率为：

^{▲ 不同频率下输出激励电压}

从上图来看，输出信号的截止频率大约是10Hz左右。

为了进一步降低截止频率，将原来的分压电压的电阻从原来的22kΩ，修改成200kΩ.

^{▲ 修改缓冲运放}

经过改造之后，重新测量输出电压与激励信号频率之间的关系。可以看到截止频率降低到1Hz左右。

^{▲ 不同频率输出激励电压幅值}

03使用信号源产生工作频率

1.工作时钟频率

使用DS345产生AD5933的工作时钟信号。首先设置输出频率：100kHz，幅度：Vpp=2V；偏置：1V。

^{▲ 信号源DS345}

由于输出信号是按照负载为50Ω来设定的。带动AD5933工作时，由于负载远远大于50Ω，所以输出的幅值基本上是上述设置两倍。

下图是实际测量DS345输出的时钟信号。Vpp大约为2V，重心偏移量为2V。

^{▲ 工作时钟信号}

通过测试，需要将时钟的幅值设置为峰峰值2V才能够满足触发AD5933的工作。

^{▲ 设置信号的幅值和波形}

如果输入信号超过的3.3V，有可能导致电流回灌。

正确的设置方式：Vpp:1.5V，Vbias=1V，方波。

2.测试输出信号频率

在Vin,Vout之间连接Rload=300kΩR_{load} = 300k\OmegaRload=300kΩ。在不同的频率下测量的结果如下图所示。

工作频率：0.1MHz
^{▲ 不同频率下测量的结果}

根据在 AD5933不同频率下的转换结果 测量结果，在fosc=16.776MHzf_{osc} = 16.776MHzfosc=16.776MHz下，频率泄露所引起的最低工作频率为2000Hz。那么工作在f1=0.1Mhzf_1 = 0.1Mhzf1=0.1Mhz下的最低工作频率为：

从前面的测量结果来看，的确最低的工作频率大约10Hz左右。

（1）工作频率0.01MHz：

下面显示了在不同的频率下的测量结果。

在工作频率为fosc=16.776MHzf_{osc} = 16.776MHzfosc=16.776MHz下，数据采样频率为1MHz。在工作频率f1=0.01MHzf_1 = 0.01MHzf1=0.01MHz时，对应的数据采样频率为：

^{▲ 不同频率下测量的结果}

^{▲ 普通频率下的测量结果}

下图显示了在596MHz下，对应的采集到的数据。其中存在两个奇怪的地方：

测量结果中存在一个线性相位
这可能是由于转换过程存在一个特定的时间延时tADt_{AD}tAD。从图像中可以看到该延迟大约是2ms。也就是在1000Hz的时候，相位相差了2个2π2\pi2π。
当频率大于550Hz长辈，结果中存在噪声
由于采集频率为596Hz，所以当信号的频率超过500Hz之后，实际上信号已经处于欠采样过程。所以这个过程存在着比较明显的噪声。
^{▲ 普通频率下的测量结果}

（2）工作频率：0.02MHz：

从测量结果来看：

存在着一个1ms左右的延迟
可以猜测，固定的延迟大约等于两个工作时钟信号周期。
^{▲ 普通频率下的测量结果}

下图显示了最低的工作频率大约在2.5Hz。

^{▲ 普通频率下的测量结果}

（3）工作频率：0.05MHz

最低的工作频率大约E座5.5Hz.

^{▲ 普通频率下的测量结果}

3. AD5933的工作频率对结果的影响

工作频率：0.01MHz

^{▲ 不同频率下的测量结果}
工作频率：0.02MHz

^{▲ 不同频率下的测量结果}

工作频率：0.05MHz
^{▲ 不同频率下的测量结果}

※ 结论

可以使用外部加入测MCLK信号，来改变AD5933的测量信号频率范围。

输入信号的幅度需要尽可能解决0~3.3V，可以使用正弦波，或者方波信号来驱动MCLK。

总结上述测量结果，可以近似得到如下的结果：: （1）AD5933存在一个固定的延迟tdelayt_{delay}tdelay，这与工作频率fMCLKf_{MCLK}fMCLK之间的关系为：tdelay=20fMCLt_{delay} = {20 \over {f_{MCL} }}tdelay=fMCL20。
（2）数据采样频率：fs=fMCL/16.776×106Hzf_s = f_{MCL} /16.776 \times 10^6 Hzfs=fMCL/16.776×106Hz。 fMCLf_{MCL}fMCL的单位MHz。输入信号的频率需要小于fs的一半。
（3）最低工作频率：fmin⁡=fMCL/16.776×2000f_{\min } = f_{MCL} /16.776 \times 2000fmin=fMCL/16.776×2000。 fMCLf_{MCL}fMCL的单位MHz。
（4）测量保证数据精确性，至少在采样数据中，正弦信号的周期：最小5个；最大的周期512（满足采样定理）。因此AD5933的测量信号的频率范围大约是100倍（两个数量级）。

#!/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: breakR,I = stm32memo(2)
printf(R, I)#------------------------------------------------------------#f = linspace(startf, startf + stepf * numf, len(R), endpoint=True)
f = freqnA = [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 modestm32cmd('writei 8a %x'%settletime)time.sleep(0.02)def temperature():data = stm32cmdata('readt', wait=200)if len(data) > 0:return data[0] / 32else: return 0def 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')        # Standbytime.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 fdimdef 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
#============================================================

实验STC8G1K08 Keil工程文件:C51\STC\Test\2020\AD5933\AD59338G1K\AD59338G1K.uvproj ↩︎
实验AD电路工程文件:AD\Test\2020\AD5933\AD59338G1K.SchDoc ↩︎

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1.工作时钟频率

2.测试输出信号频率

（1）工作频率0.01MHz：

（2）工作频率：0.02MHz：

（3）工作频率：0.05MHz

3. AD5933的工作频率对结果的影响

※ 结论

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