Simplificați proiectarea analizatoarelor de impedanță de precizie cu o abordare bazată pe sistem pe modul

Multe aplicații necesită măsurători precise ale impedanței, inclusiv calibrarea panourilor tactile, caracterizarea semiconductorilor, acceptarea plăcuțelor și testarea bateriilor. Echipamentele de testare automatizate (ATE) utilizate în aceste aplicații trebuie, de obicei, să măsoare impedanța pe un interval larg de frecvențe, asigurând în același timp o precizie și o sensibilitate ridicată.

Dezvoltarea unui dispozitiv personalizat de măsurare a impedanței pentru aceste aplicații implică numeroase provocări, inclusiv proiectarea hardware-ului, dezvoltarea software-ului și testarea. Acești parametri necesită o expertiză substanțială în prelucrarea semnalelor analogice și digitale și pot provoca întârzieri ce ar putea afecta negativ calendarul și bugetul unui proiect.

Pentru a depăși aceste provocări, proiectanții pot alege un sistem pe modul (SOM) care pre-integrează hardware-ul și software-ul esențiale necesare pentru măsurătorile de impedanță de înaltă precizie. Un astfel de modul le permite proiectanților să se concentreze asupra competențelor lor de bază și asupra dezvoltării de aplicații specifice, mai degrabă decât asupra complexității tehnologiei de măsurare a impedanței.

Acest articol analizează pe scurt cerințele cheie pentru măsurarea impedanței în ATE. Apoi, prezintă un analizor de impedanță SOM adecvat de la Analog Devices Inc. (ADI) și demonstrează modul de utilizare a modulului cu placa de evaluare asociată.

Cerințe pentru măsurarea impedanței de precizie în ATE

ATE pentru aplicații precum calibrarea panourilor tactile, caracterizarea semiconductoarelor, acceptarea plăcuțelor și testarea bateriilor are cerințe specifice, printre care se numără:

• Capacitate de operare pe un interval larg de frecvențe, adesea de la sub 1 hertz (Hz) până la megahertzi (MHz)
• Precizie și consecvență ridicate, de obicei de 0,1 % sau mai mult
• Sensibilitate mare pentru a măsura mici variații ale impedanței
• Viteză mare de măsurare pentru testare de mare capacitate
• Capacitatea de a gestiona un interval larg de valori ale impedanței, de la microohmi (µΩ) până la megaohmi (MΩ)
• Capacitatea de a efectua scanări automate și secvențe complexe de măsurători

Este demn de remarcat faptul că cerințele pot varia considerabil de la o aplicație la alta. De exemplu, calibrarea panourilor tactile poate necesita o sensibilitate la schimbările de capacitate în intervalul femtofarazilor (fF), în timp ce sensibilitatea la acceptarea plăcuțelor poate ajunge la intervalul attofarazilor (aF).

Provocări legate de proiectarea măsurătorilor de impedanță de precizie pentru ATE

Dezvoltarea ATE pentru aceste aplicații implică o expertiză și resurse considerabile, ceea ce poate duce la cicluri lungi de dezvoltare și costuri mari de inginerie nerecuperabile. Printre provocările legate de proiectarea personalizată a măsurătorilor de impedanță se numără următoarele:

• Proiectarea hardware complexă: crearea unor front-end-uri analogice de înaltă precizie, capabile să efectueze măsurători precise pe un interval larg de frecvențe și impedanțe, necesită expertiză în procesarea semnalului analogic și digital, precum și o atenție deosebită la detaliile de dispunere a plăcii de circuite imprimate (PCB) și de protecție împotriva interferențelor.
• Dezvoltarea software sofisticată: implementarea algoritmilor de calcul al impedanței, de calibrare și compensare este un proces complex. Acceptarea formatelor multiple de măsurare și a scanărilor automate adaugă un grad suplimentar de dificultate.
• Calibrarea și precizia: obținerea și menținerea unei precizii ridicate în diferite condiții de măsurare necesită proceduri avansate de calibrare și tehnici de compensare.

Un modul de evaluare pre-proiectat precum ADMX2001B de la ADI poate simplifica în mod semnificativ aceste provocări. Acest SOM integrează principalele componente ale unui analizor de impedanță de precizie într-un format compact de 1,5 x 2,5 inch (in). Așa cum este ilustrat în Figura 1, modulul se conectează la placa de evaluare EVAL-ADMX2001EBZ, care vine cu software de explorare a proiectării și de prototipare rapidă.

Figura 1: Modulul de măsurare a impedanței ADMX2001B se conectează la placa de evaluare EVAL-ADMX2001EBZ. (Sursă imagine: Analog Devices)

Deși modulul nu este destinat proiectelor de producție, schemele, lista de materiale (BOM), fișierele Gerber și firmware-ul sunt disponibile. Acest lucru le permite companiilor să își construiască propria versiune a modulului sau să îl integreze într-un proiect mai amplu. Oricum ar fi, designul pre-proiectat descarcă companiile de multe sarcini dificile, permițându-le să se concentreze pe domeniile lor specializate.

Crearea unui modul este o opțiune deosebit de interesantă, oferind dezvoltatorilor o cale simplă și rentabilă de a-și scala designul. Atunci când adaugă funcționalități sau adaptează designul pentru cazuri de utilizare diferite, dezvoltatorii pot păstra modulul ca nucleu al designului lor, în loc să înceapă de la zero.

Prezentare generală a caracteristicilor și performanțelor ADMX2001B

ADMX2001B combină circuitele cu semnal mixt de înaltă performanță și algoritmii avansați de procesare pentru măsurători precise ale impedanței. Modulul oferă un interval versatil de frecvențe de la c.c. la 10 MHz și o precizie ridicată de măsurare de 0,05 %. Acesta acoperă un interval larg de rezistență de la 100 µΩ la 20 MΩ, capacități de la 100 aF la 160 F și inductanțe de la 1 nanohenry (nH) la 1600 henry (H). Acesta poate efectua măsurători la o viteză de 2,7 milisecunde (ms) pe măsurătoare și oferă 18 formate de măsurare a impedanței care răspund diferitelor aplicații și tipuri de componente.

Caracteristicile automatizate, inclusiv scanările parametrice și multipunct și măsurătorile rezistenței c.c., permit ADMX2001B să efectueze secvențe complexe și caracterizarea completă a componentelor fără intervenție manuală. Rutinele de calibrare automată, memoria nevolatilă și funcțiile de compensare asigură trasabilitatea măsurătorilor, fiabilitatea și eliminarea paraziților din dispozitivele de testare. Dimensiunea compactă a modulului cu interfețe UART, SPI și GPIO permite integrarea ușoară în sisteme de testare de înaltă densitate și echipamente portabile. În plus, acceptă dezvoltarea pe platforme Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi și Arduino, ceea ce îl face adaptabil la sisteme mai mari sau aplicații personalizate.

Aceste capacități fac modulul potrivit pentru o mare varietate de aplicații solicitante.

Prezentare generală a plăcii de evaluare EVAL-ADMX2001EBZ

Dezvoltatorii pot utiliza placa de evaluare și dezvoltare EVAL-ADMX2001EBZ pentru a explora idei de proiectare cu ADMX2001B. Această placă oferă acces convenabil la funcționalitatea modulului și la caracteristici:

• Conectori BNC care pot fi conectați la sonde și dispozitive de testare comune pentru contoare (LCR) pentru măsurarea inductanței, capacității și rezistenței
• Interfață UART care poate fi utilizată cu cabluri USB-la-UART pentru interfațarea cu PC-ul gazdă
• Semnale de declanșare și de sincronizare a ceasului disponibile prin conectori SMA care simplifică conectarea la echipamente de testare standard
• Căști de tip Arduino care îi permit utilizatorului să dezvolte cod încorporat cu plăci precum SDP-K1
• O mufă de alimentare care acceptă diferite tensiuni de intrare de la adaptoare de alimentare c.a./c.c., care pot furniza de la 5 volți la +12 volți

Scopul principal al plăcii de evaluare este de a oferi o demonstrație de măsurare cu un contor LCR. Pentru a efectua această demonstrație, este nevoie de hardware suplimentar:

• Accesorii pentru contorul LCR, cum ar fi dispozitivele de testare
• Accesorii de calibrare, cum ar fi seturi de rezistențe standard
• Un contor LCR de banc pentru verificarea rezultatelor demonstrației

Demonstrația necesită, de asemenea, software suplimentar:

• Drivere pentru port COM virtual (VCP) care fac ca dispozitivul USB să apară ca un port COM suplimentar disponibil pentru PC
• Cod ADI Mbed care permite operațiuni de bază precum calibrarea utilizând platforma Arm® Mbed
• TeraTerm sau emulatoare de terminal similare care acceptă codurile de escape ANSI utilizate pentru poziționarea cursorului și schimbarea culorii textului

Utilizarea EVAL-ADMX2001EBZ pentru o demonstrație de măsurare cu un contor LCR

Configurarea demonstrației este simplă. Etapele de bază sunt următoarele:

1. Configurare hardware (Figura 2):

• Conectați modulul ADMX2001B la placa de evaluare EVAL-ADMX2001EBZ.
• Conectați cablul USB-la-UART (inclus) la placă și la computerul gazdă.
• Aplicați alimentarea cu ajutorul adaptorului de alimentare inclus.

Figura 2: Este prezentată o diagramă bloc a configurației plăcii de evaluare EVAL-ADMX2001EBZ. (Sursă imagine: Analog Devices)

2. Configurare software:

• Instalați driverele VCP.
• Instalați TeraTerm (sau un emulator de terminal similar).

3. Configurare de bază (Figura 3):

• Deschideți emulatorul de terminal și configurați o conexiune serială.
• Utilizați comenzile pentru a seta parametrii de măsurare, cum ar fi frecvența, amplitudinea și polarizarea.

Figura 3: Este prezentată o captură de ecran a interfeței terminalului ADMX2001B. (Sursă imagine: Analog Devices)

4. Procedură de calibrare:

• ADMX2001B necesită un proces de calibrare în trei etape.
• După utilizarea comenzilor „calibrate open” (calibrare deschidere), „calibrate short” (calibrare scurtcircuit) sau „calibrate rt” (calibrare rt), proiectanții trebuie să urmeze indicațiile pentru a efectua măsurătorile de deschidere, scurtcircuit și sarcină, după caz.
• Pentru cele mai bune rezultate, trebuie utilizate standarde de calibrare de înaltă calitate.
• După proces, coeficienții de calibrare trebuie salvați în memoria nevolatilă integrată.

5. Compensare pentru dispozitive de testare:

• Proiectanții trebuie să efectueze compensarea dispozitivelor de testare pentru a elimina efectele parazite introduse de aceste dispozitive în timpul măsurătorilor.
• Funcțiile de compensare pentru dispozitive de testare furnizate în firmware pot fi utilizate în acest scop.

6. Verificare:

• După calibrare, măsurătorile sunt efectuate folosind standarde cunoscute pentru a verifica precizia.

7. Măsurători:

• Comanda „z” trebuie utilizată pentru a efectua măsurători de impedanță.
• Pentru a schimba formatul de măsurare, se utilizează „display” (de exemplu, „display 6” pentru impedanța în coordonate dreptunghiulare).
• Proiectanții definesc apoi modurile de măsurare, intervalele și alți parametri necesari pentru aplicație.
• Comenzile precum „average” (medie) și „count” (numărare) pot configura mai multe măsurători.

Concluzie

Proiectarea echipamentelor de măsurare a impedanței implică provocări semnificative pentru inginerie, de la aspectul complicat al plăcilor de circuite până la software-ul complex de procesare a semnalului. Folosind un SOM pre-proiectat precum ADMX2001B de la ADI, proiectanții pot evita multe dintre aceste dificultăți. Acest lucru le permite să se concentreze pe valoarea lor unică, economisind timp și costuri și oferind o cale simplă pentru crearea viitoarelor proiecte derivate.