Low-cost impedance meter using a digital lock-in amplifier

Abstract

A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) é uma técnica de imagem não invasiva amplamente utilizada em aplicações biomédicas, como no monitoramento da ventilação pulmonar e no imageamento de culturas celulares, porém sua aplicação é comumente limitada pelo alto custo dos medidores de impedância necessários para seu funcionamento. Para facilitar o acesso a esta tecnologia, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um medidor de impedância de baixo custo utilizando um microcontrolador. A solução proposta utiliza o RP2040 em conjunto com um inovador algoritmo de amplificador lock-in digital (LIA) baseado em subtração. Essa abordagem elimina a necessidade de processadores de sinal digital (DSPs) caros ao substituir operações de ponto flutuante por simples subtrações. O sistema foi validado experimentalmente medindo capacitâncias na faixa de 2.2 nF a 47 μF, e comparando os resultados com um medidor LCR comercial devidamente calibrado. Os resultados demonstraram um erro relativo mínimo de 1, 21% na faixa de operação avaliada, com a maior precisão ocorrendo próximo ao ponto ideal projetado teoricamente de 32 nF. Embora a prova de conceito tenha sido bem-sucedida, o desempenho atual do dispositivo possui limitações em relação à resolução efetiva limitada (ENOB de 8,7 bits) do conversor analógico-digital (ADC) do RP2040 e ao atraso de fase na amostragem induzido pelo modo sequencial (round-robin). O trabalho conclui que, com a implementação de um ADC dedicado e o aumento da frequência de referência utilizada para o LIA, a arquitetura é altamente promissora para futuras aplicações na escala de picofarads.

Electrical Impedance Tomography (EIT) is a widely used noninvasive imaging technique in biomedical applications, such as lung ventilation monitoring and cell culture imaging, but its application is commonly hindered by the high cost of the impedance meters required for its operation. To facilitate access to this technology, this work presents the development of a low-cost impedance meter using a microcontroller. The proposed solution utilizes the RP2040 alongside an innovative subtraction-based digital lock-in amplifier (LIA) algorithm. This approach eliminates the need for expensive digital signal processors (DSPs) by replacing floating-point operations with simple subtractions. The system was experimentally validated by measuring capacitances ranging from 2.2 nF to 47 μF, and comparing the results with a properly calibrated commercial LCR meter. The results demonstrated a minimum relative error of 1.21% across the evaluated operating range, with the highest accuracy occurring near the theoretically projected optimal point of 32 nF. Although the proof of concept was successful, the current performance of the device has limitations regarding the limited effective resolution (8.7-bit ENOB) of the RP2040’s analog-to-digital converter (ADC) and the sampling phase delay induced by the sequential (round-robin) mode. The work concludes that, with the implementation of a dedicated ADC and an increase in the reference frequency used for the LIA, the architecture is highly promising for future applications on the picofarad scale.