Forenkle utviklingen av nøyaktige impedansanalysatorer ved å bruke en systemmodul-tilnærming

Mange utrustninger krever nøyaktige impedansmålinger, som omfatter berøringspanelkalibrering, halvlederkarakterisering, waferaksept og batteritesting. Automatisert testutstyr (ATE – automated test equipment) for disse utrustningene må vanligvis måle impedans over et bredt frekvensområde med høy nøyaktighet og følsomhet.

Utvikling av en tilpasset impedansmåleenhet for disse utrustningene innebærer mange utfordringer, deriblant maskinvarekonstruksjon, programvareutvikling og testing. Disse parameterne krever betydelig analog og digital signalbehandlingsekspertise, og kan forårsake forsinkelser som kan sette tidsplanen og budsjettet til et prosjekt i fare.

For å omgå disse utfordringene kan konstruktører velge en systemmodul (SOM – system-on-module) som forhåndsintegrerer den kritiske maskinvaren og programvaren som trengs for impedansmålinger med høy presisjon. En slik modul gjør det mulig for konstruktører å fokusere på kjernekompetanse og utrustningsspesifikk utvikling i stedet for vanskelighetene forbundet med impedansmålingsteknologi.

Denne artikkelen gjennomgår kort hovedkravene for impedansmåling i automatisert testutstyr (ATE). Den introduserer deretter en egnet impedansanalysatorsystemmodul fra Analog Devices Inc. (ADI) og demonstrerer hvordan modulen skal brukes med det tilknyttede evalueringskortet.

Krav til nøyaktig impedansmåling i automatisert testutstyr

Automatisert testutstyr for bruksområder som berøringspanelkalibrering, halvlederkarakterisering, waferaksept og batteritesting har spesifikke krav, deriblant:

• Kapasitet for bredt frekvensområde, ofte fra under 1 hertz (Hz) til megahertz-området (MHz)
• Høy nøyaktighet og konsistens, vanligvis 0,1 % eller bedre
• Høy følsomhet for måling av små impedansendringer
• Raske målehastigheter for testing med høy gjennomstrømning
• Evnen til å håndtere et bredt spekter av impedansverdier, fra mikroohm (µΩ) til megaohm (MΩ)
• Mulighet for automatiserte sveip (sweeps) og komplekse målesekvenser

Det er verdt å merke seg at kravene kan variere betydelig mellom ulike utrustninger. For eksempel kan berøringspanelkalibrering kreve følsomhet for kapasitansendringer i femtofarad-området (fF), mens waferakseptfølsomheten kan nå attofarad-området (aF).

Utfordringer forbundet med å utvikle presisjonsimpedansmåling for automatisert testutstyr

Utvikling av automatisert testutstyr for disse bruksområdene innebærer betydelig ekspertise og ressurser, noe som kan føre til lange utviklingssykluser og høye engangskostnader for produktutviklingsarbeidet. Utfordringer knyttet til tilpasset impedansmåling, omfatter følgende:

• Kompleks maskinvarekonstruksjon: Det å lage analoge frontinnganger (front-end) med høy presisjon, som er i stand til å nøyaktig måle over et bredt frekvensområde og impedansområde, krever ekspertise innen analog og digital signalbehandling og nøye oppmerksomhet rundt kretskortlayout og skjermingsdetaljer.
• Avansert programvareutvikling: Implementering av impedansberegning, kalibrering og kompensasjonsalgoritmer er en kompleks affære. Støtte for flere måleformater og automatiserte sveip legger til ytterligere kompleksitet.
• Kalibrering og nøyaktighet: For å oppnå og opprettholde høy nøyaktighet på tvers av ulike måleforhold, kreves avanserte kalibreringsprosedyrer og kompensasjonsteknikker.

En forhåndsutviklet evalueringsmodul, for eksempel ADMX2001B fra ADI, forenkler disse utfordringene betydelig. Denne systemmodulen integrerer hovedkomponentene til en nøyaktig impedansanalysator i et kompakt format på 3,8 x 6,35 cm (1,5 x 2,5 tommer). Som illustrert i figur 1, kobles modulen til EVAL-ADMX2001EBZ-evalueringskortet, som leveres med programvare for konstruksjonsutforskning og rask prototyping.

Figur 1: ADMX2001B-modulen for impedansmåling plugges inn i EVAL-ADMX2001EBZ-evalueringskortet. (Bildekilde: Analog Devices)

Selv om modulen ikke er beregnet for produksjonsklare produkter, er den grafiske fremstillingen, materiallisten (BOM), Gerber-filene og fastvaren tilgjengelig. Dette gjør det mulig for bedrifter å enten bygge sin egen versjon av modulen eller integrere den i en større konstruksjon. Uansett vil den forhåndsutviklede konstruksjonen avlaste mange utfordrende oppgaver, slik at bedrifter kan fokusere på de spesialiserte områdene sine.

Å opprette en modul er et særlig interessant alternativ, og det gir utviklere en enkel og kostnadseffektiv måte å skalere konstruksjonene sine på. Når funksjoner legges til eller konstruksjonen skal tilpasses for ulike bruksområder, kan utviklere beholde modulen som en kjernekonstruksjon i stedet for å starte fra bunnen av.

Oversikt over funksjonene og ytelsen til ADMX2001B

ADMX2001B kombinerer høyytelses kretser med blandede signaler og avanserte behandlingsalgoritmer som gir nøyaktige impedansmålinger. Modulen tilbyr et allsidig frekvensområde fra DC til 10 MHz og en høy målenøyaktighet på 0,05 %. Den dekker et bredt motstandsområde fra 100 µΩ til 20 MΩ, en kapasitans fra 100 aF til 160 F og en induktans fra 1 nanohenry (nH) til 1600 henry (H). Den kan utføre målinger med en hastighet på 2,7 millisekunder (ms) per måling, og den gir 18 impedansmåleformater som imøtekommer ulike utrustninger og komponenttyper.

Automatiserte funksjoner, som omfatter flerpunkts og parametriske sveip og DC-motstandsmålinger, gjør ADMX2001B i stand til å utføre komplekse sekvenser og grundig komponentkarakterisering uten noen manuell intervensjon. Automatiserte kalibreringsrutiner, ikke-flyktig minne og kompensasjonsfunksjoner sikrer målingssporbarhet, pålitelighet og eliminering av parasittstrøm i innretninger (fixture parasitics). Modulens kompakte størrelse med UART-, SPI- og GPIO-grensesnitt gjør det enkelt å integrere den i testsystemer med høy tetthet og bærbart utstyr. I tillegg støtter den utvikling på Windows-, macOS-, Linux-, Raspberry Pi- og Arduino-plattformer, noe som gjør den tilpasningsdyktig til større systemer eller spesialtilpassede utrustninger.

Disse funksjonene gjør modulen egnet for et bredt spekter av krevende bruksområder.

Oversikt over EVAL-ADMX2001EBZ-evalueringskortet

Utviklere kan bruke EVAL-ADMX2001EBZ-utbrytningskortet for evaluering og utvikling til å utforske konstruksjonsideer med ADMX2001B. Dette kortet gir enkel tilgang til funksjonaliteten i modulen, og det kommer med følgende:

• BNC-kontakter som kan kobles til LCR-testprober, for fellesmåling av induktans, kapasitans og motstand, og innretninger
• UART-grensesnitt som kan brukes med USB-til-UART-kabler for å la seg kombinere med vertsdatamaskinen
• Signaler for utløsning (trigger) og taktsynkronisering tilgjengelig via SMA-kontakter som forenkler tilkoblingen til standard testutstyr
• Arduino-pinnelister som gjør det mulig for brukere å utvikle integrert kode med kort som SDP-K1
• Et strømuttak som tar ulike inngangsspenninger fra AC–DC-strømadaptere som kan forsyne fra 5 til 12 volt

Hovedformålet med evalueringskortet er å gi en demo på LCR-måleren. For å utføre denne demonstrasjonen, er det nødvendig med ekstra maskinvare:

• Tilbehør til LCR-målere, for eksempel testinnretninger
• Kalibreringstilbehør, for eksempel standard motstandssett
• En LCR-måler på arbeidsbenk for verifisering av demoresultatene

Demoen krever også ekstra programvare:

• VCP-drivere (VCP – virtuell COM-port) som gjør at USB-enheten vises som en ekstra COM-port som er tilgjengelig for datamaskinen
• ADI Mbed-kode som muliggjør grunnleggende handlinger som kalibrering ved å bruke Arm® Mbed-plattformen
• TeraTerm eller lignende terminalemulatorer som støtter ANSI-utgangskoder (ANSI escape codes) som brukes for markørposisjonering og tekstfarge

Bruke EVAL-ADMX2001EBZ for å gi en demo på LCR-måleren

Det er en enkel prosess å konfigurere demoen. De grunnleggende trinnene er som følger:

1. Maskinvareoppsett (figur 2):

• Koble ADMX2001B-modulen til EVAL-ADMX2001EBZ-evalueringskortet.
• Koble USB-til-UART-kabelen (kommer inkludert) til kortet og vertsdatamaskinen.
• Tilfør strøm ved å bruke den medfølgende strømadapteren.

Figur 2: Her vises et blokkskjema for et EVAL-ADMX2001EBZ-evalueringskortoppsett. (Bildekilde: Analog Devices)

2. Konfigurering av programvare:

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

3. Grunnleggende konfigurasjon (figur 3):

• Åpne terminalemulatoren og sett opp en seriellforbindelse.
• Bruk kommandoer til å angi måleparametere som frekvens, amplitude og bias (forspenning).

Figur 3: Her vises et skjermbilde av ADMX2001B-terminalgrensesnittet. (Bildekilde: Analog Devices)

4. Kalibreringsprosedyre:

• ADMX2001B krever en tretrinns kalibreringsprosess.
• Etter å ha brukt kommandoene «calibrate open», «calibrate short» eller «calibrate rt», må utviklere følge instruksjonene for å utføre henholdsvis «open»-, «short»- og «load»-målinger.
• Kalibreringsstandarder av høy kvalitet må brukes for å få de beste resultatene.
• Etter prosessen må kalibreringskoeffisientene lagres i det integrerte ikke-flyktige minnet.

5. Innretningskompensasjon:

• Konstruktører må utføre innretningskompensasjon for å eliminere parasittiske virkninger når de bruker testinnretninger.
• Funksjonene som tilbys i fastvaren for innretningskompensasjon kan brukes.

6. Verifisering:

• Etter kalibrering utføres målinger ved å bruke kjente standarder for å verifisere nøyaktighet.

7. Målinger:

• Kommandoen «z» må brukes til å utføre impedansmålinger.
• For å endre måleformatet, brukes «display» (f.eks. «display 6» for impedans i rektangulære koordinater).
• Utviklere angir deretter målemoduser, måleområder og andre parametere i henhold til behovene til utrustningen.
• Kommandoer som «average» og «count» kan konfigurere flere målinger.

Konklusjon

Utvikling av impedansmåleutstyr omfatter betydelige tekniske utfordringer, fra vanskelige kretskortlayouter til kompleks programvare for signalbehandling. Ved å bruke en forhåndsutviklet systemmodul (SOM), for eksempel ADMX2001B fra ADI, kan utviklere hoppe over mange av disse kompleksitetene. Dette gjør det mulig for dem å fokusere på sine unike verdier, samtidig som de kan spare tid og kostnader og skape en enkel rute for utvikling av fremtidige sekundære konstruksjoner.