Förenkla konstruktionen av en exakt analysator för impedans med ett tillvägagångssätt för systemmoduler

Många tillämpningar kräver exakta impedansmätningar, som t.ex. kalibrering av pekskärmar, karakterisering av halvledare, godkännande av kiselsubstrat (wafer) samt testning av batterier. Tillämpningar med automatiserad testutrustning (ATE) måste normalt mäta impedans i ett stort frekvensområde med hög noggrannhet och känslighet.

Att utveckla en anpassad impedansmätare för tillämpningarna innebär många utmaningar, bland annat hårdvarukonstruktion, mjukvaruutveckling och testning. Parametrarna kräver omfattande expertis inom analog och digital signalbehandling och kan orsaka förseningar som kan äventyra projektets tidsplan och budget.

För att kringgå utmaningarna kan konstruktörer välja systemmoduler (SOM) som förintegrerar den kritiska hård- och mjukvara som behövs för impedansmätningar med hög noggrannhet. Med en sådan modul kan konstruktörer fokusera på sin kärnkompetens och tillämpningsspecifika utveckling i stället för att ägna sig åt komplicerad teknik för impedansmätning.

Artikeln ger en kortfattad översikt över de viktigaste kraven för impedansmätning i automatiserad testutrustning. Därefter presenteras en lämplig systemmodul för analys av impedans från Analog Devices Inc (ADI) och visar hur man använder modulen med tillhörande utvärderingskort.

Krav på exakt mätning av impedans i automatiska testsystem

Automatiska testsystem för tillämpningar som t.ex. kalibrering av pekskärmar, karakterisering av halvledarer, godkännande av kiselsubstrat samt testning av batterier innebär särskilda krav som inkluderar:

• Kapacitet för stort frekvensområde, ofta från lägre än 1 Hz till MHz
• Hög noggrannhet och prestanda, typiskt 0,1 % eller bättre
• Hög känslighet för att kunna mäta små impedansförändringar
• Snabba mäthastigheter för testning med hög genomströmning
• Förmåga att hantera en stor mängd impedansvärden, från mikroohm (µΩ) till megaohm (MΩ)
• Möjlighet till automatiserade svepningar och komplexa mätsekvenser

Det är värt att notera att kraven kan variera avsevärt mellan olika tillämpningar. Kalibrering av pekskärmar kan exempelvis kräva känslighet för kapacitansförändringar i området för femtofarad (fF), medan känsligheten vid acceptans av kiselsubstrat kan nå området attofarad (aF).

Utmaningar vid utformning av exakt impedansmätning för automatiska testsystem

Att utveckla automatiska testsystem för tillämpningarna kräver omfattande expertis och resurser, vilket kan leda till långa utvecklingscykler och höga engångskostnader. Utmaningarna i samband med konstruktion av anpassade impedansmätningar är bland annat:

• Komplex hårdvarukonstruktion: För att skapa enheter för analog front-end med hög precision som kan utföra exakta mätningar i ett stort frekvens- och impedansområde krävs expertis inom analog och digital signalbehandling samt noggrannhet avseende kretskortslayout och skärmningsdetaljer.
• Sofistikerad mjukvaruutveckling: Det är komplicerat att implementera algoritmer för impedansberäkning, kalibrering och kompensation. Stöd för flera mätformat och automatiserade svepningar gör det hela ännu mer komplicerat.
• Kalibrering och noggrannhet: För att uppnå och bibehålla hög noggrannhet under olika mätförhållanden krävs sofistikerade kalibreringsförfaranden och kompensationstekniker.

En förkonstruerad utvärderingsmodul som t.ex. ADMX2001B från ADI kan förenkla utmaningarna avsevärt. Systemmodulen integrerar huvudkomponenterna för en exakt impedansanalysator i ett litet format med måtten 3,81 x 6,35 cm. Som framgår av figur 1 ansluts modulen till utvärderingskortet EVAL-ADMX2001EBZ som levereras med programvara för att utforska konstruktionen och möjliggöra snabb prototypframtagning.

Figur 1: Modulen ADMX2001B för impedansmätning ansluts till utvärderingskortet EVAL-ADMX2001EBZ. (Bildkälla: Analog Devices)

Även om modulen inte är avsedd för produktionskonstruktion är schemat, materiallistan (BOM), Gerber-filerna samt den inbyggda programvaran tillgängliga. Det gör det möjligt för företag att antingen bygga sin egen version av modulen eller integrera den i en större konstruktion. I vilket fall som helst förenklar den förkonstruerade konstruktionen många utmanande uppgifter, vilket gör att företagen kan fokusera på sina specialområden.

Att skapa en modul är ett särskilt intressant alternativ som ger utvecklare en enkel och kostnadseffektiv väg att skala upp sin konstruktion. När utvecklare lägger till funktioner eller anpassar konstruktionen för olika användningsfall kan de behålla modulen som sin konstruktionskärna i stället för att börja om från början.

Översikt över funktioner och prestanda för ADMX2001B

ADMX2001B kombinerar högeffektiva kretsar för blandad signal och avancerade bearbetningsalgoritmer för exakta impedansmätningar. Modulen har ett stort frekvensområde, från likström till 10 MHz, samt en hög mätnoggrannhet på 0,05 %. Den har ett stort resistansområde, från 100 µΩ till 20 MΩ, kapacitansområde från 100 aF till 160 F samt induktansområde från 1 nH till 1600 H. Den kan utföra mätningar med en hastighet på 2,7 ms per mätning och har 18 format för impedansmätning som passar olika typer av tillämpningar och komponenter.

Automatiserade funktioner, inklusive svepning av flera punkter, parametris svepning och resistansmätning för likström, gör att ADMX2001B kan utföra komplexa sekvenser och noggrann karakterisering av komponenter utan manuellt ingripande. Automatiserade kalibreringsrutiner, icke-flyktigt minne och kompensationsfunktioner säkerställer spårbarhet för mätningen, tillförlitlighet och eliminering av parasiter i fixturerna. Modulens lilla storlek med gränssnitt för UART, SPI och GPIO gör den lätt att integrera i testsystem med hög densitet samt i portabel utrustning. Den har dessutom stöd för utveckling på plattformarna Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi och Arduino, vilket gör den anpassningsbar till större system eller anpassade tillämpningar.

Egenskaperna gör modulen lämplig för en mängd olika krävande tillämpningar.

Översikt över utvärderingskortet EVAL-ADMX2001EBZ

Utvecklare kan använda utvärderings- och utvecklingskortet EVAL-ADMX2001EBZ för att utforska konstruktionsidéer med ADMX2001B. Kortet ger enkel tillgång till modulens funktioner och egenskaper:

• Anslutningar för BNC som kan anslutas till vanliga testprober och fixturer för induktans-, kapacitans- och resistansmätare (LCR)
• UART-gränssnitt som kan användas med USB till UART-kablar för att ansluta till värddatorn
• Signaler för trigger och klocksynkronisering finns tillgängliga via kontaktdon för SMA som förenklar anslutningarna till vanligt förekommande testutrustning
• Stiftrader i Arduino-stil som gör det möjligt för användaren att utveckla inbäddad kod med kort som t.ex. SDP-K1
• En strömanslutning som accepterar olika inspänningar från strömadaptrar för lik-/växelström som kan leverera +5 till +12 V

Det primära syftet med utvärderingskortet är att tillhandahålla en demonstration av en induktans-, kapacitans- och resistansmätare. För att utföra denna demonstration krävs ytterligare hårdvara:

• Tillbehör för induktans-, kapacitans- och resistansmätare som t.ex. testfixturer
• Kalibreringstillbehör, som t.ex. uppsättningar av standardresistorer
• En bänkmodell av induktans-, kapacitans- och resistansmätare för verifiering av demonstrationens resultat

Demonstrationsversionen kräver även ytterligare programvara:

• Drivrutiner för virtuell COM-port (VCP) som gör att USB-enheten visas som en extra COM-port tillgänglig för datorn
• Mbed-kod från ADI som möjliggör grundläggande funktioner som t.ex. kalibrering med hjälp av plattformen Arm® Mbed
• TeraTerm eller liknande terminalemulatorer som stödjer escape-koder för ANSI som används för markörpositionering och textfärg

Användning av EVAL-ADMX2001EBZ för demonstration av induktans-, kapacitans- och resistansmätare

Det är enkelt att konfigurera demonstrationsenheten. De grundläggande stegen är följande:

1. Konfiguration av hårdvara (figur 2):

• Anslut modulen ADMX2001B till utvärderingskortet EVAL-ADMX2001EBZ.
• Anslut USB till UART-kabeln (medföljer) till kortet och värddatorn.
• Slå på strömmen med hjälp av den medföljande nätadaptern.

Figur 2: Här visas ett blockdiagram över installationen av utvärderingskortet EVAL-ADMX2001EBZ. (Bildkälla: Analog Devices)

2. Installation av programvara:

• Installera drivrutinerna för den virtuella COM-porten.
• Installera TeraTerm (eller en liknande terminalemulator).

3. Grundläggande konfiguration (figur 3):

• Öppna terminalemulatorn och upprätta en seriell anslutning.
• Använd kommandon för att ställa in mätparametrar såsom frekvens, amplitud och förspänning.

Figur 3: Här visas en skärmbild av terminalgränssnittet för ADMX2001B. (Bildkälla: Analog Devices)

4. Kalibreringsförfarande:

• ADMX2001B kräver en kalibreringsprocess i tre steg.
• Efter att ha använt kommandona "calibrate open", "calibrater short" eller "calibrate rt" måste konstruktören följa anvisningarna för att utföra mätningar för öppen, kortslutning respektive belastning.
• Högkvalitativa kalibreringsstandarder måste användas för bästa resultat.
• Efter processen måste kalibreringskoefficienterna sparas i det inbyggda icke-flyktiga minnet.

5. Fixturkompensation:

• Konstruktörer måste utföra fixturkompensation för att eliminera parasitära effekter vid användning av testfixturer.
• De funktioner för fixturkompensation som finns i den inbyggda programvaran kan användas.

6. Verifiering:

• Efter kalibreringen utförs mätningar med kända standarder för att verifiera noggrannheten.

7. Mätningar:

• Kommandot "z" måste användas för att utföra impedansmätningar.
• För att ändra mätformat används "display" (t.ex. "display 6" för impedans i rektangulära koordinater).
• Konstruktörer ställer därefter in mätlägen, mätområden och andra parametrar efter tillämpningens behov.
• Kommandon som t.ex. "average" och "count" kan konfigurera flera mätningar.

Sammanfattning

Att konstruera utrustning för impedansmätning innebär betydande tekniska utmaningar, från knepiga kretskortslayouter till avancerad programvara för signalbehandling. Med hjälp av en förkonstruerad systemmodul (SOM), som t.ex. ADMX2001B från ADI kan konstruktörer hoppa över många av dessa svårigheter. Det gör att de kan fokusera på sitt unika värde samtidigt som de sparar tid och pengar och får en enkel väg för att skapa framtida härledda konstruktioner.