Zjednodušení návrhu přesného impedančního analyzátoru pomocí přístupu systému na modulu

Mnoho aplikací vyžaduje přesná měření impedance, včetně kalibrace dotykového panelu, charakterizace polovodičů, akceptace waferů a testování baterií. Automatizovaná testovací zařízení („automated test equipment“, ATE) pro tyto aplikace obvykle musí měřit impedanci v širokém frekvenčním rozsahu s vysokou přesností a citlivostí.

Vývoj vlastního zařízení pro měření impedance pro tyto aplikace zahrnuje řadu výzev, včetně návrhu hardwaru, vývoje softwaru a testování. Tyto parametry vyžadují značné zkušenosti v oblasti zpracování analogového a digitálního signálu a mohou způsobit zpoždění, které může ohrozit harmonogram a rozpočet projektu.

K tomu, aby se konstruktéři těmto problémům vyhnuli, mohou zvolit systém na modulu („system-on-module“, SoM), který předem integruje kritický hardware a software potřebný pro vysoce přesná měření impedance. Takový modul konstruktérům umožňuje zaměřit se na své klíčové kompetence a vývoj specifických aplikací spíše než na složitost technologie měření impedance.

V tomto článku jsou stručně shrnuty klíčové požadavky na měření impedance v ATE. Poté je zde představen vhodný modul SoM – impedanční analyzátor od společnosti Analog Devices Inc. (ADI) a ukázáno, jak modul používat s přidruženou vyhodnocovací deskou.

Požadavky na přesné měření impedance v ATE

ATE pro aplikace, jako je kalibrace dotykového panelu, charakterizace polovodičů, akceptace waferů a testování baterií, má specifické požadavky, mezi které patří:

• Široký frekvenční rozsah, často od méně než 1 Hz až po megahertz
• Vysoká přesnost a konzistence, obvykle 0,1 % nebo lepší
• Vysoká citlivost pro měření malých změn impedance
• Vysoká rychlost měření pro vysoce výkonné testování
• Schopnost zpracovat široký rozsah hodnot impedance, od mikroohmů po megaohmy
• Funkce automatizovaného rozmítání a komplexních sekvencí měření

Je třeba poznamenat, že se požadavky mohou mezi aplikacemi značně lišit. Kalibrace dotykového panelu může například vyžadovat citlivost na změny kapacity v rozsahu femtofaradů, zatímco citlivost akceptace waferů může dosáhnout rozsahu attofaradů.

Problémy při navrhování přesného měření impedance pro ATE

Vývoj ATE pro tyto aplikace vyžaduje značné odborné znalosti a zdroje, což může vést k dlouhým vývojovým cyklům a vysokým jednorázovým nákladům na inženýrství. Mezi problémy související s návrhem vlastního měření impedance patří následující:

• Složitý návrh hardwaru: Vytváření vysoce přesných analogových front-endů schopných přesných měření v širokém frekvenčním rozsahu a rozsahu impedance vyžaduje odborné znalosti v oblasti zpracování analogového a digitálního signálu a pečlivou pozornost věnovanou uspořádání desek plošných spojů (DPS) a detailům stínění.
• Sofistikovaný vývoj softwaru: Implementace algoritmů pro výpočet impedance, kalibraci a kompenzaci je složitá. Podpora více formátů měření a automatických rozmítání složitost dále zvyšuje.
• Kalibrace a přesnost: Dosažení a udržení vysoké přesnosti v různých podmínkách měření vyžaduje sofistikované kalibrační postupy a kompenzační techniky.

Tyto výzvy může výrazně zjednodušit předpřipravený vyhodnocovací modul, jako je zařízení ADMX2001B společnosti ADI. Tento modul SoM integruje hlavní součásti přesného impedančního analyzátoru do kompaktního rozměru 3,81 cm × 6,35 cm (1,5 palce × 2,5 palce). Jak je znázorněno na obrázku 1, modul se připojí k vyhodnocovací desce EVAL-ADMX2001EBZ, která se dodává se softwarem pro průzkum návrhů a rychlé prototypování.

Obrázek 1: Modul pro měření impedance ADMX2001B se připojuje k vyhodnocovací desce EVAL-ADMX2001EBZ. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Přestože modul není určen pro produkční návrhy, je k dispozici schéma, kusovník („bill of materials“, BOM), soubory Gerber a firmware. To umožňuje společnostem buď sestavit vlastní verzi modulu, nebo jej integrovat do většího návrhu. Ať tak, či onak, předpřipravený návrh ulehčuje mnoho náročných úkolů a umožňuje společnostem soustředit se na své specializované oblasti.

Vytvoření modulu je obzvláště zajímavou možností, která vývojářům poskytuje přímočarou a nákladově efektivní cestu ke škálování jejich návrhu. Při přidávání funkcí nebo přizpůsobování návrhu pro různé případy použití mohou vývojáři ponechat modul jako jádro svého návrhu, místo aby začínali od nuly.

Přehled funkcí a výkonu modulu ADMX2001B

Zařízení ADMX2001B kombinuje vysoce výkonné obvody smíšeného signálu a pokročilé algoritmy zpracování pro přesné měření impedance. Modul nabízí univerzální frekvenční rozsah od DC do 10 MHz a vysokou přesnost měření 0,05 %. Pokrývá široký rozsah odporu od 100 µΩ do 20 MΩ, kapacity od 100 aF do 160 F a indukčnosti od 1 nH do 1 600 H. Modul dokáže provádět měření rychlostí 2,7 ms na jedno měření a nabízí 18 formátů měření impedance, které vyhovují různým aplikacím a typům součástek.

Automatizované funkce, včetně vícebodového a parametrického rozmítání a měření stejnosměrného odporu, umožňují modulu ADMX2001B provádět složité sekvence a důkladnou charakterizaci součástek bez ručního zásahu. Automatizované kalibrační rutiny, nevolatilní paměť a kompenzační funkce zajišťují sledovatelnost měření, spolehlivost a eliminaci parazitních vlivů přípravku. Kompaktní velikost modulu s rozhraními UART, SPI a GPIO umožňuje snadnou integraci do testovacích systémů s vysokou hustotou a přenosných zařízení. Modul navíc podporuje vývoj na platformách Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi a Arduino, díky čemuž je přizpůsobitelný pro větší systémy nebo vlastní aplikace.

Díky těmto možnostem je modul vhodný pro širokou škálu náročných aplikací.

Přehled vyhodnocovací desky EVAL-ADMX2001EBZ

Vývojáři mohou k prozkoumávání nápadů na návrhy s modulem ADMX2001B použít vyhodnocovací a vývojovou rozvodnou desku EVAL-ADMX2001EBZ. Tato deska poskytuje pohodlný přístup k funkcím a vlastnostem modulu:

• BNC konektory, které mohou být propojeny s běžnými měřicími sondami a přípravky pro měření indukčnosti, kapacity, odporu („inductance, capacitance, resistance“, LCR)
• Rozhraní UART, které lze použít s kabely USB-UART k propojení s hostitelským počítačem
• Spouštěcí a taktovací synchronizační signály dostupné prostřednictvím konektorů SMA, které zjednodušují připojení ke standardnímu testovacímu zařízení
• Hlavičky ve stylu Arduino, které umožňují uživateli vyvíjet vestavěný kód s deskami, jako je např. model SDP-K1
• Napájecí konektor, který přijímá různá vstupní napětí z AC/DC napájecích adaptérů, které mohou dodávat napětí 5 V až +12 V

Primárním účelem vyhodnocovací desky je poskytnout demo měřiče LCR. K provedení této demonstrace je zapotřebí další hardware:

• Příslušenství měřiče LCR, jako jsou testovací přípravky
• Kalibrační příslušenství, jako jsou standardní sady rezistorů
• Stolní měřič LCR pro ověření výsledků dema

Demo také vyžaduje další software:

• Ovladače virtuálního portu COM („virtual COM port“, VCP), které způsobí, že se zařízení USB zobrazí jako další port COM dostupný pro počítač
• Kód Mbed společnosti ADI, který umožňuje základní operace, jako je kalibrace pomocí platformy Mbed Arm®
• TeraTerm nebo podobné emulátory terminálu, které podporují escape kódy ANSI používané pro umístění kurzoru a barvu textu

Použití desky EVAL-ADMX2001EBZ pro demo měřiče LCR

Nastavení dema je jednoduchý proces. Základní kroky jsou následující:

1. Nastavení hardwaru (obrázek 2):

• Připojte modul ADMX2001B k vyhodnocovací desce EVAL-ADMX2001EBZ.
• Připojte kabel USB-UART (součást dodávky) k desce a hostitelskému počítači.
• Připojte napájení pomocí přiloženého napájecího adaptéru.

Obrázek 2: Blokové schéma nastavení vyhodnocovací desky EVAL-ADMX2001EBZ. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

2. Nastavení softwaru:

• Nainstalujte ovladače VCP.
• Nainstalujte TeraTerm (nebo podobný emulátor terminálu).

3. Základní konfigurace (obrázek 3):

• Otevřete emulátor terminálu a nastavte sériové připojení.
• Pomocí příkazů nastavte parametry měření, jako je frekvence, amplituda a zkreslení.

Obrázek 3: Snímek obrazovky rozhraní terminálu ADMX2001B. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

4. Postup kalibrace:

• Modul ADMX2001B vyžaduje třístupňový proces kalibrace.
• Po použití příkazů „calibrate open“, „calibrate short“ nebo „calibrate rt“ musí konstruktéři postupovat podle pokynů k provedení měření otevření, zkratu a zátěže.
• K dosažení nejlepších výsledků je nutné použít vysoce kvalitní kalibrační standardy.
• Po tomto procesu musí být kalibrační koeficienty uloženy do vestavěné nevolatilní paměti.

5. Kompenzace přípravku:

• Konstruktéři musí provést kompenzaci přípravku, aby se eliminovaly parazitní efekty při použití testovacích přípravků.
• Lze použít funkce kompenzace přípravku, které jsou k dispozici ve firmwaru.

6. Ověření:

• Po kalibraci se provede měření pomocí známých standardů, aby se ověřila přesnost.

7. Měření:

• Pro měření impedance je nutné použít příkaz „z“.
• Pro změnu formátu měření se používá příkaz „display“ (např. „display 6“ pro impedanci v pravoúhlých souřadnicích).
• Konstruktéři pak nastaví režimy měření, rozsahy a další parametry podle potřeby aplikace.
• Příkazy jako „average“ a „count“ mohou konfigurovat více měření.

Závěr

Návrh zařízení pro měření impedance zahrnuje značné technické problémy, od složitého uspořádání desky plošných spojů po komplexní software pro zpracování signálu. Pomocí předpřipraveného modulu SoM, jako je zařízení ADMX2001B od společnosti ADI, mohou konstruktéři mnoho z těchto složitostí přeskočit. To jim umožňuje soustředit se na svou jedinečnou hodnotu a zároveň šetřit čas a náklady a získat přímou cestu pro vytváření budoucích odvozených návrhů.