Research and development of the ways of hardware implementation of portable frequency impedance analyzers

2015;
: pp. 43-48
1
Lviv Polytechnic National University
2
Lviv Politecnic National University
3
Lviv Polytechnic National University, Department of Information-Measurement Technologies

Impedance spectroscopy is widely used to study biological, physical and chemical objects, for example in biomedical measurements, in study of the materials properties, particularly on micro- and nanoscale, for corrosion monitoring and diagnostics, for control of batteries, fuel cells. Often research is carried out on a objects under non-laboratory conditions. A good example of such research is the use of impedance spectroscopy for testing of corrosion-resistant coatings on various steel structures such as bridges, pipelines and other. This leads to the need for cheap, small portable measuring devices – impedance analyzers. A novel concept for design of portable impedance analyzers have been developed in the article. Themain idea is based on minimization of the analog part ofmeasurement channel, aswell as on the replacement of a number of functions to a personal computer. Three variants of design of portable impedance analyzers are described and analyzed in the article. The first option involves the use of single-chip converter AD5933, combined with universal processor Atmega16U2 and external operational amplifier. The hardware implementation is quite simple, but the main disadvantage is limited frequency band (maximum frequency converter AD5933 is 100 kHz). Also this approach has no possibility for tuning and optimization of measuring channel parameters. The second implementation of portable impedance analyzers is based on the STM32F4 digital signal controller with built-in DACs and ADCs, which makes it an extremely attractive in terms of flexibility and simplicity in the design. However, the drawback of this implementation includes limited frequency band (100 kHz). The third option involves the implementation of digital part of the impedance analyzer (CPU, DDS and DSP blocks) on FPGA in combination with external DAC and ADC. This method is the most flexible in terms of configuration, as the digital part enables optimization of measurement channel parameters and DAC and ADC specifications can be chosen according to current application needs. The main disadvantage of this approach is relatively high price and power consumption.

1. Grimnes S., Martinsen O.G. Bioimpedance & Bioelectricity Basics. – Second Edition: Academic Press, Elsilver, 2008. – 471 p.

2. Martinez F. S. Electrical Bioimpedance Cerebral Monitoring: Fundamental Steps towards Clinical Application: Thesis for the degree of doctor of philosophy / Chalmers university of technology,
Göteborg, Sweden, 2007. – 137 p.

3. Jaffrin M. Y., Morel H. Body fluid volumes measurements by impedance: A review of bioimpedance spectroscopy (BIS) and bioimpedance analysis (BIA) methods // Medical Engineering & Physics 30 (2008). – P. 1257–1269. 

4. Імпедансна спектроскопія: навч. посібник / І. І. Григорчак, Г. В. Понеділок. – Львів: Вид-во Львівської політехніки, 2011. – 352 с.

5. Barsoukov E., Macdonald J. R. Impedance spectroscopy: theory, experiment and application. – N.Y.: Willey, 2005. – 595 p. 

6. O’Hayre R., Lee M.,. Prinz F.B, Kalinin S.V. Frequency- Dependent Transport Imaging by Scanning Probe Microscopy // Scanning Probe Microscopy. Springer, 2007. – Р. 132–172.

7. Хома Ю.В. Перспективи використання імпедансної спектроскопії в нано-технологіях // ІХ Міжнародна науково-технічна конференція “Методи і засоби вимірювання фізичних величин” – “Температура 2012”: тези доповідей. – Львів, 25–28 вересня 2012 р. – С. 191–192.

8. Сафонов В. А. Импедансная спектроскопия для изучения и мониторинга коррозионных явлений // Электрохимия. – 1993. – Т. 29. – № 1. – С. 152–160.

9. Carullo A., Parvis M., Vallan A. Fast impedance analyser for corrosion monitoring // XVI IMEKO World Congress 2000. – Vienna, Austria 2000, Vol. VI, TC-10. – Р. 161–165.

10. Karden E., Buller S., De Doncker R.W. A method for measurement and interpretation of impedance spectra for industrial batteries // J. Power Sources. – 2000. – Vol. 85. – P. 72–78.

11. Goja J., Lentka G. A family of new generation miniaturized impedance analyzers for technical object diagnostics // Metrology and Measurement Systems, Vol. XX, (2013), No. 1. – Р. 43–52.

12. Хома Ю. В. Концепція побудови частотних аналізаторів імпедансу з покращеними метрологічними характеристиками // Електротехнічні та комп’ютерні системи. – 2012. – № 06(82). – С. 137–144.

13. Хома В. В. Цифрове оброблення сигналів у засобах вимірювання імітансу // Вісник Держ. ун-ту “Львівська політехніка”. – 1998. – № 324. – С. 125–130.

14. Хома Ю. В. Перспективи застосування прямого цифрового синтезу в частотних аналізаторах імпедансу // Вісник Нац. ун-ту “Львівська політехніка”. – 2010. – № 665. – С. 27–33.

15.AD 5933. 1 MSPS, 12 bit Impedance Converter, Network Analyzer. Preliminary Data Sheet / [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.analog.com/static/imported-files/data_ sheets/AD5933.pdf.

16. Evaluating the AD5933 1 MSPS, 12-Bit Impedance Converter Network Analyzer // UG Evaluation Board User Guide [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www. analog.com/ static/imported-files/user_ guides/UG-364.pdf.

17. Стадник Б., Хома Ю., Ліхновський І. Коригування динамічних похибок частотного аналізатора імпедансу // Вимірювальна техніка та метрологія. – 2010. – Вип. 71. – С. 19–24.

18. Стадник Б., Хома Ю. Дослідження ефективності віконного згладжування для покращення точності частотного аналізатора імпедансу // Вимірювальна техніка та метрологія. – 2012. – Вип. 73. – С. 3–11.

19. STM32F405xx/07xx, STM32F415xx/17xx, STM32F42xxx and STM32F43xxx advanced ARM-based 32-bit MCUs. RM0090 Reference manual / [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.st.com/web/en/resource/ technical/document/reference_manual/....

20. Cyclone FPGA Family, Altera Data Sheet /[Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.altera.com/ literature/ds/ds_cyc.pdf.

21. Quad, 16-/14-/12-Bit nanoDAC+ with 2 ppm/°C Reference, SPI Interface.AD5686R / AD5685R / AD5684R Data Sheet /[Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.analog.com/static/imported-files/data_ sheets/AD5686R_AD5685R_AD5684R.pdf.

22. Complete 12-Bit, 40 MSPS,Monolithic A/D Convertor. AD9224 Data Sheet /[Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9224.p