Uproszczenie projektowania precyzyjnych analizatorów impedancji dzięki wykorzystaniu modułów SoM (System-on-Module)

Wiele zastosowań, takich jak kalibracja paneli dotykowych, określanie charakterystyk półprzewodników, kwalifikacja wafli półprzewodnikowych i testowanie baterii, wymaga precyzyjnych pomiarów impedancji. Zautomatyzowane urządzenia pomiarowe (ATE) do tych zastosowań zwykle muszą mierzyć impedancję w szerokim zakresie częstotliwości z wysoką dokładnością i czułością.

Opracowanie niestandardowego urządzenia do pomiaru impedancji dla tych zastosowań wiąże się z licznymi wyzwaniami, np. w zakresie projektowania sprzętu, rozwoju oprogramowania oraz prób. Parametry te wymagają znacznej wiedzy z zakresu przetwarzania sygnałów analogowych i cyfrowych, a także mogą powodować opóźnienia, które mogą zagrozić harmonogramowi i budżetowi projektu.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą wybrać moduł SoM (System-on-Module), który integruje w sobie gotowy krytyczny sprzęt i oprogramowanie potrzebne do precyzyjnych pomiarów impedancji. Taki moduł pozwala projektantom skupić się na podstawowych kompetencjach i rozwoju konkretnego zastosowania, zamiast grzęznąć w zawiłościach technologii pomiaru impedancji.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono kluczowe wymagania dotyczące pomiaru impedancji w zautomatyzowanych urządzeniach pomiarowych (ATE). Następnie przedstawiono odpowiedni moduł SoM (System-on-Module) analizatora impedancji firmy Analog Devices Inc. (ADI) i zademonstrowano sposób użycia tego modułu z powiązaną z nim płytką ewaluacyjną.

Wymagania dotyczące precyzyjnego pomiaru impedancji w zautomatyzowanych urządzeniach pomiarowych (ATE)

Zautomatyzowane urządzenia pomiarowe (ATE) służące do takich zastosowań, jak kalibracja paneli dotykowych, określanie charakterystyk półprzewodników, kwalifikacja wafli półprzewodnikowych i testowanie baterii, stawia między innymi następujące wymagania:

• Szeroki zakres częstotliwości, często od poniżej 1Hz do megaherców (MHz)
• Wysoka dokładność i powtarzalność, zwykle 0,1% lub lepsza
• Wysoka czułość umożliwiająca pomiar małych zmian impedancji
• Duża szybkość pomiaru umożliwiająca testowanie o wysokiej przepustowości
• Możliwość obsługi szerokiego zakresu wartości impedancji, od mikroomów (µΩ) do megaomów (MΩ)
• Możliwość zautomatyzowanego przemiatania i złożonych sekwencji pomiarowych

Warto zauważyć, że wymagania mogą się znacznie różnić w zależności od zastosowania. Na przykład kalibracja panelu dotykowego może wymagać czułości na zmiany pojemności w zakresie femtofaradów (fF), podczas gdy czułość kwalifikacji wafli półprzewodnikowych może wymagać zakresu attofaradów (aF).

Wyzwania związane z projektowaniem układów do precyzyjnych pomiarów impedancji w zautomatyzowanych urządzeniach pomiarowych (ATE)

Rozwój zautomatyzowanych urządzeń pomiarowych (ATE) do omawianych zastosowań wymaga znacznej wiedzy fachowej i zasobów, co może prowadzić do długich cykli rozwojowych oraz wysokich jednorazowych kosztów inżynieryjnych. Wyzwania związane z niestandardowymi projektami do pomiaru impedancji to między innymi:

• Złożoność projektowania sprzętu: tworzenie precyzyjnych analogowych układów front-end zdolnych do dokładnych pomiarów w szerokim zakresie częstotliwości i impedancji wymaga wiedzy fachowej z dziedziny przetwarzania sygnałów analogowych i cyfrowych oraz zwrócenia szczególnej uwagi na układ płytki drukowanej i szczegóły ekranowania.
• Tworzenie zaawansowanego oprogramowania: implementacja algorytmów obliczania, kalibracji i kompensacji impedancji jest skomplikowana. Obsługa wielu formatów pomiarowych i zautomatyzowanego przemiatania dodatkowo zwiększa złożoność.
• Kalibracja i dokładność: osiągnięcie i utrzymanie wysokiej dokładności w różnych warunkach pomiarowych wymaga wyrafinowanych procedur kalibracji i technik kompensacji.

Wstępnie zaprojektowany moduł ewaluacyjny, taki jak ADMX2001B firmy ADI, może znacznie uprościć radzenie sobie z tymi wyzwaniami. Omawiany moduł SoM (System-on-Module) łączy w sobie główne komponenty precyzyjnego analizatora impedancji w kompaktowym urządzeniu o wymiarach 1,5 x 2,5 cala. Jak pokazano na ilustracji 1, moduł podłącza się do płytki ewaluacyjnej EVAL-ADMX2001EBZ, która jest dostarczana wraz z oprogramowaniem do eksploracji projektu i szybkiego prototypowania.

Ilustracja 1: moduł do pomiaru impedancji ADMX2001B podłącza się do płytki ewaluacyjnej EVAL-ADMX2001EBZ. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Chociaż moduł nie jest przeznaczony do projektów produkcyjnych, dostępne są schematy, wykazy materiałów (BOM), pliki Gerber i oprogramowanie układowe. Umożliwia to firmom zbudowanie własnej wersji modułu lub zintegrowanie jej z większym projektem. Tak czy inaczej, wstępnie przygotowany projekt odciąża firmy w wielu trudnych zadaniach, pozwalając im skupić się na specjalistycznych obszarach.

Szczególnie interesującą opcją jest stworzenie modułu. Daje ona deweloperom prostą i ekonomiczną drogę do skalowania projektu. Podczas dodawania funkcji lub dostosowywania projektu do różnych zastosowań, deweloperzy mogą zachować moduł jako główny element projektu, zamiast zaczynać od zera.

Omówienie funkcji i parametrów działania urządzenia ADMX2001B

Urządzenie ADMX2001B łączy w sobie wysokoparametrowe obwody sygnałów mieszanych i zaawansowane algorytmy przetwarzania umożliwiające precyzyjne pomiary impedancji. Omawiany moduł oferuje uniwersalny zakres częstotliwości od zera do 10MHz oraz wysoką dokładność pomiaru 0,05%. Obejmuje on szeroki zakres rezystancji od 100µΩ do 20MΩ, pojemności od 100aF do 160F oraz indukcyjności od 1nH do 1600H. Może wykonywać pomiary z częstotliwością 2,7ms na jeden pomiar i zapewnia 18 formatów pomiaru impedancji odpowiednich do różnych zastosowań i typów komponentów.

Zautomatyzowane funkcje, w tym wielopunktowe i parametryczne przemiatanie oraz pomiary rezystancji dla prądu stałego, pozwalają urządzeniu ADMX2001B wykonywać złożone sekwencje i dokładne określanie charakterystyk komponentów bez interwencji ręcznej. Zautomatyzowane procedury kalibracji, pamięć nieulotna i funkcje kompensacji zapewniają identyfikowalność pomiarów, niezawodność oraz eliminację elementów pasożytniczych. Niewielkie rozmiary modułu oraz uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik (UART), szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI) i wejście-wyjście ogólnego przeznaczenia (GPIO) pozwalają na łatwą integrację z systemami probierczymi o wysokiej gęstości i urządzeniami przenośnymi. Ponadto umożliwia on prowadzenie prac rozwojowych na platformach Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi i Arduino, dzięki czemu można go dostosować do większych systemów lub niestandardowych aplikacji.

Dzięki tym możliwościom omawiany moduł jest odpowiedni do szerokiej gamy wymagających zastosowań.

Omówienie płytki ewaluacyjnej EVAL-ADMX2001EBZ

Do zgłębiania pomysłów projektowych wykorzystujących urządzenie ADMX2001B, deweloperzy mogą wykorzystać odłamywaną płytkę ewaluacyjno-rozwojową EVAL-ADMX2001EBZ. Płytka ta zapewnia wygodny dostęp do funkcji i cech modułu, takich jak:

• Złącza BNC, które mogą współpracować z powszechnie stosowanymi sondami i uchwytami do pomiaru indukcyjności, pojemności i rezystancji (LCR)
• Uniwersalny asynchroniczny nadajniko-odbiornik (UART), który może być używany z kablami USB-UART do łączenia z komputerem hosta
• Sygnały wyzwalania i synchronizacji zegara dostępne za pośrednictwem złączy SMA, które upraszczają połączenie ze standardowym sprzętem pomiarowym
• Listwy Arduino, które pozwalają użytkownikowi pracować nad wbudowanym kodem za pomocą płytek takich jak SDP-K1
• Gniazdo zasilania, które przyjmuje różne napięcia wejściowe z zasilaczy prądu zmiennego/stałego i może dostarczać napięcie od 5V do +12V

Głównym celem płytki ewaluacyjnej jest zademonstrowanie działania miernika LCR. Do przeprowadzenia demonstracji potrzebny jest dodatkowy sprzęt:

• Akcesoria do mierników LCR, np. uchwyty probiercze
• Akcesoria do kalibracji takie jak zestawy rezystorów standardowych
• Laboratoryjny miernik LCR do weryfikacji wyników demonstracji

Symulacja wymaga również dodatkowego oprogramowania:

• Sterowniki wirtualnego portu COM (VCP), dzięki którym urządzenie USB pojawia się jako dodatkowy port COM dostępny dla komputera PC
• Kod Mbed firmy ADI, który umożliwia wykonywanie podstawowych operacji, takich jak kalibracja przy użyciu platformy Mbed Arm®
• TeraTerm lub podobne emulatory terminali, które obsługują kody specjalne ANSI służące do pozycjonowania kursora i kolorowania tekstu

Wykorzystanie urządzenia EVAL-ADMX2001EBZ do demonstracji miernika LCR

Przygotowanie procesu demonstracji jest proste. Podstawowe etapy:

1. Konfiguracja sprzętowa (ilustracja 2):

• Podłącz moduł ADMX2001B do płytki ewaluacyjnej EVAL-ADMX2001EBZ.
• Podłącz kabel USB-UART (w zestawie) do płytki i komputera hosta.
• Podaj zasilanie używając dołączonego zasilacza.

Ilustracja 2: schemat blokowy konfiguracji płytki ewaluacyjnej EVAL-ADMX2001EBZ. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

2. Konfiguracja oprogramowania:

• Zainstaluj sterowniki VCP.
• Zainstaluj TeraTerm (lub podobny emulator terminala).

3. Konfiguracja podstawowa (ilustracja 3):

• Otwórz emulator terminala i skonfiguruj połączenie szeregowe.
• Użyj odpowiednich poleceń do ustawienia parametrów pomiarowych, takich jak częstotliwość, amplituda i odchylenie.

Ilustracja 3: zrzut ekranu interfejsu terminala ADMX2001B. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

4. Procedura kalibracji:

• Urządzenie ADMX2001B wymaga trzyetapowego procesu kalibracji.
• Po użyciu poleceń „calibrate open” (kalibruj przerwę), „calibrate short” (kalibruj zwarcie) lub „calibrate rt” (kalibruj rt) projektanci muszą postępować zgodnie z instrukcjami, aby wykonać odpowiednio pomiary przerwy, zwarcia i obciążenia.
• Aby uzyskać najlepsze wyniki, należy użyć wysokiej jakości wzorców kalibracyjnych.
• Po zakończeniu procesu współczynniki kalibracji muszą zostać zapisane we wbudowanej pamięci nieulotnej.

5. Kompensacja uchwytu:

• Projektanci muszą wykonać kompensację uchwytów, aby wyeliminować efekty pasożytnicze podczas korzystania z uchwytów probierczych.
• Można korzystać z funkcji kompensacji uchwytu dostępnych w oprogramowaniu układowym.

6. Weryfikacja:

• Po kalibracji wykonywane są pomiary przy użyciu znanych wzorców w celu weryfikacji dokładności.

7. Pomiary:

• Do wykonania pomiarów impedancji należy użyć polecenia „z”.
• Do zmiany formatu pomiaru używa się polecenia „display” (wyświetl) - na przykład „display 6” dla impedancji we współrzędnych prostokątnych.
• Następnie projektanci ustawiają tryby pomiaru, zakresy i inne parametry potrzebne do danego zastosowania.
• Polecenia takie jak „average” (średnia) i „count” (liczba) pozwalają konfigurować wiele pomiarów.

Podsumowanie

Projektowanie urządzeń do pomiaru impedancji wiąże się ze znacznymi wyzwaniami inżynieryjnymi - od skomplikowanych układów płytek drukowanych po złożone oprogramowanie do przetwarzania sygnałów. Korzystając ze wstępnie przygotowanego modułu SoM (System-on-Module), na przykład ADMX2001B firmy ADI, projektanci mogą uniknąć wielu z tych zawiłości. Pozwala im to skupić się na unikalnej wartości a jednocześnie oszczędzić czas i pieniądze oraz zapewnia prostą drogę tworzenia przyszłych projektów pochodnych.