■ 问题简介

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在博文 使用AD5933测量电子器件复阻抗 中，对于电容负载进行测量的时候，发现测量的结果与理论值严重不符。

除了出现了增大的测量输出值（与前面电阻相对比），还有一些非常不规则的输出结果。

计时在小信号下测量，比如下面使用扫描指令SWEEP(3)，也就是信号的峰峰值为200mV，接收回路的增益Gain=1时，扫描频率从50变化到2020Hz，所得到的电容（容值为222:2.2nF）测量结果曲线。

^{▲ 测量电容(222)的测量曲线}

阻抗幅值的倒数，即驱动电流值（Amplitude）与频率之间呈现严重的非线性关系。

通过测量 AD5933电路模块 运放（AD8606）缓冲的输出激励信号与I-V变换输出信号，可以看到，I-V输出信号在激励信号的阶跃下呈现了高频振荡的情况。这种情况导致了AD8606输出饱和。

^{▲ AD8606I-V变换输出（蓝色）与激励信号（青色）}

这种情况在输出激励信号大的时候（比如2Vpp），则振荡更加剧烈，使得AD8606出现过度的饱和。从而使得测量徐建国出现非常大的误差。

^{▲ AD8606的I-V变换输出（蓝色）与激励信号（青色）}

 

01原因分析

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通过前面波形可以看出，所产生的波形

0.问题原因假设

为了便于测量，使用了两条长度大约为20厘米的同轴电缆将AD5933模块的 Vin, Vout的端口引至面包板。这样便于在面包板上搭建各种实验电路。

猜测这是由于这两条引出的信号线所寄生的电感，与被测电容形成了R-L-C谐振电路，从而造成了前面的激励信号振荡。

^{▲ 实验测量电路及其外部引线}

1.验证上面的猜测

改变测量电容。下面使用两种电容的容值：分别是222,102（2.2nF, 1.0nF）测量振荡的波形，可以看到对应的振荡波形的频率有变化。但是并没有严格的两倍的关系。

下面的这组对比的波形是在输出激励信号的幅值为2Vpp的情况下测量的。

^{▲ 两种不同的测量电容下的振荡波形 左：测量电容222；右：测量电容102}

下面将激励信号的幅度减小到200mVpp，对应的频率变化就稍微明显了一些。

^{▲ 两种不同的测量电容下的振荡波形 左：测量点融222；右测量点融102}

通过上面的测量，可以看到该振荡波形的频率与被测量电容的容值有关系，呈现反比例关系。虽然不是特别的严格，可能这其中还有其它杂散电容在起作用。

2.RLC的元素

为了获得解决问题的方法，分析上述振荡形成中的RLC的元素，最主要是L,C的因素。

通过在输入线上绕制磁环，发现对于振荡 波形（幅度和频率）没有影响，这说明产生RLC振荡的磁力线没有到同轴电缆外面，而是在同轴电缆内部。

^{▲ 在输入线上绕磁环，测试对振荡波形的影响}

由此，也可以判断，对应的C也应该包括有同轴电缆屏蔽层与中间导线之间的分布电容。

使用手持RLC表，测量一段40厘米长的同轴电缆，读到相应的电容值：40pF左右。

^{▲ 40厘米长的同轴屏蔽电缆以及手持RLC表}

 

02消除振荡措施

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1.增加RLC震荡回路的阻尼系数

消除RLC振荡，一种方式可以通过增加电阻R的幅值，降低谐振回路的Q值。进而可以增加衰减的速度。

^{▲ R对于谐振回路的影响}

对于RLC串联谐振电路，电路的品质因子（Q）的计算公式如下：

当R增加的时候，Q降低，从而加快了振荡衰减的速度。

下面是在上述测量电路中，在Vin端分别串入100Ω,430Ω的电阻后，测量AD8606 I-V转换输出的波形。

^{▲ 在输入端串联100Ω电阻后的波形}

^{▲ 在输入端串联430Ω是的波形}

这种串联电阻的の方式可以减弱振荡，但是还是会出现脉冲，这是由于在激励信号中还是存在着阶跃的情况。

2.减少阶梯幅度

(1) 通过增加AD5933的工作频率来降低阶梯的幅度

下图是使用100kHz合成频率输出2050Hz的激励信号，可以看到其中输出信号的阶梯非常明显，经过RC串联负载之后，出现了比较明显的脉冲。

^{▲ 合成波形与振荡之间的关系}

将AD5933的工作频率提高到1MHz，产生同样的2050Hz的激励信号，则波形就非常平滑。经过RC（430Ω+222）之后的AD8606 I-V输出波形中就没有明显的脉冲信号了。

^{▲ AD5933工作频率提高到1MHz输出2050Hz的激励正弦信号波形}

提高工作频率可以有效改善激励信号的平滑性。但根据博文 使用AD5933分析复阻抗的时钟频率设置 中的讨论，此时对于负载的扫描频率的范围就只能是： $$300Hz<f_0<30kHz$$

(2) 对AD5933输出信号进行平滑

使用RC，或者LC电路对于AD5933进行低通滤波，降低输出信号中的谐波分量。

这种方式会对测量结果引入额外的衰减和相位。需要根据实际的电路对于测量结果进行理论修正。

 

※ 结论

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通过前面讨论，使用AD5933对纯容性负载进行测量的时候，需要考虑到AD5933输出的激励信号中的阶跃信号对于结果影响。

这其中最主要的原因就是在激励信号中的高频分量在电容负载下会产生比较大的高频电流，从而使得AD5933内部的 I-V转换电路饱和，同时和会引起后面的DFT的频率混叠与频率泄露现象，从而造成测量结果出现较大的偏差。

解决方式包括：

• 尽可能缩小对负载测量扫频范围，使用工作频率的上限（参见博文： 使用AD5933分析复阻抗的时钟频率设置 ）来提高输出信号平滑性。
• 可以适当在测量对象中增加R、L属性，减低负载电流中的高频分量。在计算结果中通过理论方式进行修正最终的结果。