Forenklet design af præcisionsimpedansanalysatorer med en system-på-modul-tilgang

Mange anvendelser kræver præcise impedansmålinger, herunder kalibrering af berøringspaneler, halvlederkarakterisering, waferaccept og batteritest. Automatiseret testudstyr (ATE) til disse anvendelser skal typisk måle impedans over et bredt frekvensområde med høj nøjagtighed og følsomhed.

At udvikle en brugerdefineret impedansmåler til disse anvendelser indebærer mange udfordringer, herunder hardwaredesign, softwareudvikling og testning. Disse parametre kræver stor ekspertise inden for analog og digital signalbehandling og kan forårsage forsinkelser, der kan bringe projektets tidsplan og budget i fare.

For at omgå disse udfordringer kan designere vælge et system-on-module (SOM), der præintegrerer den kritiske hardware og software, der er nødvendig for impedansmålinger med høj præcision. Et sådant modul gør det muligt for designere at fokusere på deres kernekompetencer og applikationsspecifik udvikling i stedet for de indviklede impedansmålingsteknologier.

Denne artikel gennemgår kort de vigtigste krav til impedansmåling i ATE. Derefter introduceres et passende impedansanalysator-SOM fra Analog Devices Inc. (ADI), og det demonstreres, hvordan man bruger modulet med det tilhørende evalueringskort.

Krav til præcisionsmåling af impedans i ATE

ATE til applikationer som kalibrering af berøringspaneler, halvlederkarakterisering, waferaccept og batteritest har specifikke krav, der inkluderer:

• Bredt frekvensområde, ofte fra under 1 hertz (Hz) til megahertz (MHz)
• Høj nøjagtighed og konsistens, typisk 0,1 % eller bedre
• Høj følsomhed til at måle små impedansændringer
• Hurtige målehastigheder til test med høj kapacitet
• Evnen til at håndtere en bred vifte af impedansværdier, fra mikroohm (µΩ) til megaohm (MΩ)
• Mulighed for automatiserede sweeps og komplekse målesekvenser

Det er værd at bemærke, at kravene kan variere betydeligt mellem forskellige applikationer. For eksempel kan kalibrering af touchpaneler kræve følsomhed over for kapacitansændringer i femtofarad (fF)-området, mens følsomheden ved waferaccept kan nå attofarad (aF)-området.

Udfordringer ved at designe præcisionsimpedansmåling til ATE

Udvikling af ATE til disse anvendelser kræver stor ekspertise og mange ressourcer, hvilket kan føre til lange udviklingscyklusser og høje engangsomkostninger. Udfordringer i forbindelse med design af brugerdefinerede impedansmålinger omfatter følgende:

• Komplekst hardwaredesign: At skabe analoge frontends med høj præcision, der er i stand til at foretage nøjagtige målinger over et bredt frekvensområde og impedansområde, kræver ekspertise i analog og digital signalbehandling og omhyggelig opmærksomhed på printkortets layout og afskærmningsdetaljer.
• Sofistikeret softwareudvikling: Implementering af impedansberegning, kalibrering og kompensationsalgoritmer er kompleks. Understøttelse af flere måleformater og automatiserede sweeps gør det endnu mere kompliceret.
• Kalibrering og nøjagtighed: At opnå og opretholde en høj nøjagtighed under forskellige måleforhold kræver sofistikerede kalibreringsprocedurer og kompensationsteknikker.

Et præfabrikeret evalueringsmodul som ADI's ADMX2001B kan forenkle disse udfordringer betydeligt. Denne SOM integrerer hovedkomponenterne i en præcisionsimpedansanalysator til en kompakt 1,5 x 2,5 tommer (in.). Som illustreret i figur 1 sættes modulet i EVAL-ADMX2001EBZ-evalueringskortet, som leveres med software til designudforskning og hurtig prototyping.

Figur 1: ADMX2001B-impedansmålemodulet sættes i EVAL-ADMX2001EBZ-evalueringskortet. (Billedkilde: Analog Devices)

Selvom modulet ikke er beregnet til produktionsdesign, er skemaet, materialelisten (BOM), Gerber-filer og firmware tilgængelige. Det gør det muligt for virksomheder enten at bygge deres egen version af modulet eller integrere det i et større design. Uanset hvad aflaster det præfabrikerede design mange udfordrende opgaver, så virksomhederne kan fokusere på deres specialiserede områder.

Oprettelse af et modul er en særlig interessant mulighed, som giver udviklere en enkel og omkostningseffektiv måde at skalere deres design på. Når udviklere tilføjer funktioner eller tilpasser designet til forskellige brugssituationer, kan de beholde modulet som deres designkerne i stedet for at starte helt fra bunden.

Oversigt over ADMX2001B's funktioner og ydeevne

ADMX2001B kombinerer højtydende blandede signalkredsløb og avancerede behandlingsalgoritmer til præcise impedansmålinger. Modulet har et alsidigt frekvensområde fra DC til 10 MHz og en høj målenøjagtighed på 0,05 %. Den dækker et bredt modstandsområde fra 100 µΩ til 20 MΩ, kapacitans fra 100 aF til 160 F og induktans fra 1 nanohenry (nH) til 1600 henrys (H). Den kan udføre målinger med en hastighed på 2,7 millisekunder (ms) pr. måling, og den har 18 formater til impedansmåling, som passer til forskellige anvendelser og komponenttyper.

Automatiserede funktioner, herunder flerpunkts- og parametriske sweeps og DC-modstandsmålinger, gør det muligt for ADMX2001B at udføre komplekse sekvenser og grundig komponentkarakterisering uden manuel indgriben. Automatiserede kalibreringsrutiner, ikke-flygtig hukommelse og kompensationsfunktioner sikrer målingernes sporbarhed, pålidelighed og eliminering af parasitstrømme i armaturet. Modulets kompakte størrelse med UART-, SPI- og GPIO-grænseflader gør det nemt at integrere i testsystemer med høj densitet og bærbart udstyr. Derudover understøtter det udvikling på Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi og Arduino-platforme, hvilket gør det muligt at tilpasse det til større systemer eller brugerdefinerede applikationer.

Disse egenskaber gør modulet velegnet til en lang række krævende anvendelser.

Oversigt over evalueringskortet EVAL-ADMX2001EBZ

Udviklere kan bruge EVAL-ADMX2001EBZ evaluerings- og udviklings-breakoutkortet til at udforske designideer med ADMX2001B. Dette kort giver nem adgang til modulets funktionalitet og funktioner:

• BNC-stik, der kan kobles til almindelige induktans-, kapacitans- og modstandsmålere (LCR) samt testprober og armaturer.
• UART-grænseflade, der kan bruges med USB-til-UART-kabler til at forbinde til værts-pc'en
• Trigger- og klokkesynkroniseringssignaler er tilgængelige via SMA-stik, der forenkler tilslutningen til standardtestudstyr
• Arduino-lignende headere, der giver brugeren mulighed for at udvikle indlejret kode med kort som SDP-K1
• Et strømstik, der accepterer forskellige indgangsspændinger fra AC/DC-strømadaptere, der kan levere 5 volt til +12 volt.

Det primære formål med evalueringskortet er at give en demo af en LCR-måler. For at udføre denne demonstration er der brug for ekstra hardware:

• Tilbehør til LCR-målere, f.eks. testfiksturer
• Kalibreringstilbehør, f.eks. standardmodstandssæt
• En LCR-måler på bordet til verificering af demo-resultaterne

Demoen kræver også ekstra software:

• VCP-drivere (Virtual COM port), der får USB-enheden til at fremstå som en ekstra COM-port, der er tilgængelig for pc'en
• ADI Mbed-kode, der muliggør grundlæggende operationer som kalibrering ved hjælp af Arm® Mbed-platformen
• TeraTerm eller lignende terminalemulatorer, der understøtter ANSI escape-koder, der bruges til markørpositionering og tekstfarve

Brug af EVAL-ADMX2001EBZ til en LCR-måler-demo

Det er nemt at sætte demoen op. De grundlæggende trin er som følger:

1. Opsætning af hardware (figur 2):

• Tilslut ADMX2001B-modulet til evalueringskortet EVAL-ADMX2001EBZ.
• Tilslut USB-til-UART-kablet (medfølger) til kortet og værtscomputeren.
• Sæt strøm til ved hjælp af den medfølgende strømadapter.

Figur 2: Her ses et blokdiagram over opsætningen af evalueringskortet EVAL-ADMX2001EBZ. (Billedkilde: Analog Devices)

2. Opsætning af software:

• Installer VCP-driverne.
• Installer TeraTerm (eller en lignende terminalemulator).

3. Grundlæggende konfiguration (figur 3):

• Åbn terminalemulatoren, og opret en seriel forbindelse.
• Brug kommandoer til at indstille måleparametre som frekvens, amplitude og bias.

Figur 3: Her ses et skærmbillede af ADMX2001B's terminalinterface. (Billedkilde: Analog Devices)

4. Kalibreringsprocedure:

• ADMX2001B kræver en kalibreringsproces i tre trin.
• Efter brug af kommandoerne "calibrate open", "calibrate short" eller "calibrate rt" skal designere følge anvisningerne for at udføre henholdsvis åben-, kort- og belastningsmålinger.
• Der skal bruges kalibreringsstandarder af høj kvalitet for at opnå de bedste resultater.
• Efter processen skal kalibreringskoefficienterne gemmes i den indbyggede ikke-flygtige hukommelse.

5. Kompensation af inventar:

• Designere skal udføre fixturkompensation for at eliminere parasitære effekter, når de bruger testfiksturer.
• Kompensationsfunktionerne for armaturet i firmwaren kan bruges.

6. Bekræftelse:

• Efter kalibrering udføres målinger med kendte standarder for at verificere nøjagtigheden.

7. Målinger:

• Kommandoen "z" skal bruges til at udføre impedansmålinger.
• For at ændre måleformatet bruges "display" (f.eks. "display 6" for impedans i rektangulære koordinater).
• Designere indstiller derefter måletilstande, områder og andre parametre efter behov til applikationen.
• Kommandoer som "average" og "count" kan konfigurere flere målinger.

Konklusion

Design af impedansmåleudstyr indebærer betydelige tekniske udfordringer, lige fra vanskelige printkortlayouts til kompleks signalbehandlingssoftware. Med en præfabrikeret SOM som ADI's ADMX2001B kan designerne springe mange af disse kompleksiteter over. Det giver dem mulighed for at fokusere på deres unikke værdi, samtidig med at de sparer tid og penge og får en ligefrem vej til at skabe fremtidige afledte designs.