Nagy pontosságú impedanciaelemzők tervezésének egyszerűsítése egykártyás rendszermodulok használatával

Sok felhasználási területen van szükség pontos impedanciamérésre. Ilyen például az érintőképernyők kalibrálása, a félvezetők jellemzőinek meghatározása, a félvezetőszeletek átvételi ellenőrzése és az akkumulátorok tesztelése. Az ilyen felhasználási területeken használt automatizált ellenőrző berendezéseknek (ATE, automated test equipment) jellemzően széles frekvenciatartományban kell impedanciát mérniük nagy pontossággal és érzékenységgel.

Az ezekre felhasználási területekre szánt egyedi impedanciamérő eszközök kifejlesztése számos nehézséggel jár, beleértve a hardvertervezést, a szoftverfejlesztést és a tesztelést. Ezek a feladatok jelentős analóg és digitális jelfeldolgozási szakértelmet igényelnek, és olyan késedelmeket okozhatnak, amelyek veszélyeztethetik a projekt ütemezését és költségvetését.

E kihívások megkerülése érdekében a tervezők választhatnak olyan egykártyás rendszermodult (SoM, System-on-Module), amely gyárilag egymáshoz illesztve tartalmazza a nagy pontosságú impedanciamérésekhez szükséges kritikus hardvert és szoftvert. Egy ilyen modul lehetővé teszi a tervezők számára, hogy az impedanciamérési technika bonyolultsága helyett az fő szakterületeikre és a felhasználási területhez szükséges egyedi fejlesztésre összpontosítsanak.

Ez a cikk röviden áttekinti az automatizált ellenőrző berendezésekkel végzett impedanciamérés legfontosabb követelményeit. Ezután bemutatja az Analog Devices Inc. (ADI) a célnak megfelelő egyik impedanciaelemző egykártyás rendszermodulját, és ismerteti, hogy hogyan kell használni a modult a hozzá való fejlesztőkártyával.

A nagy pontosságú impedanciamérés követelményei az automatizált ellenőrző berendezések esetében

Az olyan felhasználási területeken használt automatizált ellenőrző berendezésekre, mint az érintőképernyők kalibrálása, a félvezetők jellemzőinek meghatározása, a félvezetőszeletek átvételi ellenőrzése és az akkumulátorok tesztelése, egyedi követelmények vonatkoznak:

• széles, gyakran 1 Hz alatti frekvenciától a megahertzes (MHz) értékekig terjedő frekvenciatartományban kell működniük
• következetes mérések és nagy pontosság, jellemzően 0,1% vagy jobb
• nagy érzékenység a kis impedanciaváltozások méréséhez
• nagy mérési gyorsaság a nagy átviteli sebességek teszteléséhez
• az impedanciaértékek széles skálájának kezelése, a mikroohmoktól (µΩ) a megaohmokig (MΩ)
• képesség adott paramétertartományok automatikus végigsöprésére és összetett mérési sorrendek végrehajtására

Érdemes megjegyezni, hogy a követelmények felhasználási területenként jelentősen eltérhetnek. Például az érintőképernyő kalibrálásához a femtofarados (fF) tartományban lévő kapacitásváltozásokra való érzékenységre lehet szükség, míg a félvezetőszeletek átvételi ellenőrzésénél a szükséges érzékenység akár az attofarados (aF) tartományban is lehet.

A nagy pontosságú impedanciamérés tervezési nehézségei az automatizált ellenőrző berendezések esetében

Az ezekre a felhasználási területekre alkalmas automatizált ellenőrző berendezések fejlesztése jelentős szakértelmet és erőforrásokat igényel, ami hosszú fejlesztési ciklusokhoz és magas egyszeri mérnöki költségekhez vezethet. Az egyedi impedanciamérés tervezésével kapcsolatos kihívások a következők:

• Összetett hardvertervezés: A széles frekvenciatartományban és impedanciatartományban pontos mérésekre képes nagy pontosságú analóg bemeneti áramkörök létrehozása jelentős szakértelmet igényel az analóg és digitális jelfeldolgozás terén, valamint gondos odafigyelést az árnyékolás részleteire és az alkatrészek elrendezésére a nyomtatott áramköri lapon (nyák).
• Kifinomult szoftverfejlesztés: Az impedanciaszámítási, -kalibrálási és -helyesbítési algoritmusok megvalósítása meglehetősen bonyolult. A többféle mérési formátum és az adott paramétertartományok automatikus végigsöprése iránti igény tovább bonyolítja a helyzetet.
• Kalibrálás és pontosság: A nagy pontosság különböző mérési körülmények közötti elérése és fenntartása kifinomult kalibrációs eljárásokat és helyesbítési módszereket igényel.

Egy készen kapható fejlesztőkártya, például az ADI ADMX2001B jelentősen enyhítheti ezeket a nehézségeket. Ez az egykártyás rendszermodul egy kis, 38 mm × 64 mm méretű kártyán egyesíti egy nagy pontosságú impedanciaelemző fő összetevőit. Amint az 1. ábrán látható, a modul rádugható az EVAL-ADMX2001EBZ fejlesztőkártyára, amelyhez tervellenőrző és gyors prototípuskészítő szoftver tartozik.

1. ábra: Az ADMX2001B impedanciamérő modul rádugható az EVAL-ADMX2001EBZ fejlesztőkártyára (kép: Analog Devices)

Bár a modult nem mások általi gyártásra szánták, a kapcsolási rajz, a szükséges alkatrészek, a Gerber-fájlok és a firmware rendelkezésre állnak hozzá. Ez lehetővé teszi a vállalatok számára, hogy elkészítsék a modul saját verzióját, vagy beépítsék azt egy nagyobb készülékbe. Akárhogyan is, a készen kapható modul számos nagy nehézséget jelentő feladatot levesz a vállalkozások válláról, lehetővé téve, hogy a saját szakterületükre összpontosítsanak.

A modulok létrehozása különösen érdekes lehetőség, mivel a fejlesztők számára egyszerű és költségtakarékos megoldást kínál a saját készülékük méretezésére. Amikor új funkciókkal bővítik vagy különféle felhasználási területekhez igazítják a készüléket, a fejlesztők használhatják a modult a készülék magjaként, ahelyett, hogy a nulláról kezdenék a tervezést.

Az ADMX2001B funkcióinak és teljesítményének áttekintése

Az ADMX2001B nagy teljesítményű vegyes jelű áramköröket és fejlett feldolgozási algoritmusokat ötvöz a pontos impedanciamérések érdekében. A modul kiterjedt frekvenciatartományt kínál az egyenáramtól 10 MHz-ig, nagy, 0,05%-os mérési pontosságot. Széles mérési tartományokat fed le, ellenállást 100 µΩ-tól 20 MΩ-ig, kapacitást 100 aF-tól 160 F-ig, induktivitást 1 nH-től 1600 H-ig képes mérni. 2,7 ms/mérés sebességgel képes méréseket végezni, és 18, különböző felhasználási területeknek és alkatrésztípusoknak megfelelő impedanciamérési formátumot képes használni.

Az automatikus funkciók, beleértve a többpontos méréseket és adott paramétertartományok automatikus végigsöprését, valamint az egyenáramú ellenállásméréseket, lehetővé teszik, hogy az ADMX2001B kézi beavatkozás nélkül bonyolult mérési sorrendeket hajtson végre, és elvégezze az alkatrészek jellemzőinek részletes meghatározását. Az automatikus kalibrációs rutinok, a nem felejtő memória és a helyesbítési funkciók biztosítják a mérések nyomon követhetőségét, a megbízhatóságot és a tartozékok parazitaparamétereinek kiküszöbölését. A modul kis mérete, valamint UART-, SPI- és GPIO-csatlakozói lehetővé teszik a nagy sűrűségű ellenőrző rendszerekbe és hordozható berendezésekbe való könnyű beépítést. Emellett támogatja a Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi és Arduino platformra történő fejlesztést, így nagyobb rendszerekhez és egyedi készülékekhez is hozzáidomítható.

Ezek a képességek alkalmassá teszik a modult a legkülönbözőbb, magas követelményeket támasztó felhasználási területekre.

Az EVAL-ADMX2001EBZ fejlesztőkártya rövid ismertetése

A fejlesztők az ADMX2001B-vel kapcsolatos tervezési ötletekkel való kísérletezésre használhatják az EVAL-ADMX2001EBZ fejlesztőkártyát és a hozzá tartozó kivezetőkártyát. Ez a kártya kényelmes hozzáférést tesz lehetővé a modul funkcióihoz és jellemzőihez:

• BNC csatlakozók, amelyekkel csatlakoztathatók a szokásos induktivitás-, kapacitás- és ellenállásmérő (LCR) szondák és tartozékok
• UART-csatlakozó, amelyen át USB-UART-kábelekkel csatlakozni lehet a gazdaszámítógéphez
• az SMA csatlakozókon keresztül elérhető indítójel- és órajel-szinkronizáló jelek leegyszerűsítik a szabványos ellenőrző berendezésekhez való csatlakoztatást
• Arduino stílusú csatlakozók, amelyek lehetővé teszik a felhasználó számára, hogy beágyazott kódot fejlesszen olyan fejlesztőkártyákkal, mint az SDP-K1
• egy tápcsatlakozó, amely különböző bemeneti feszültségeket fogad 5 V és +12 V közötti feszültséget szolgáltató hálózati adapterektől

A fejlesztőkártya elsődleges célja, bemutatóeszközként szolgáljon az LCR-mérő szondához. A bemutató elvégzéséhez további hardverekre van szükség:

• tartozékok az LCR-mérőkhöz, például mérőtartozékok
• kalibrációs tartozékok, például szabványos ellenálláskészletek
• egy asztali LCR-mérő a bemutatókészülék eredményeinek ellenőrzéséhez

A bemutatóeszközhöz további szoftverekre is szükség van:

• Virtuális COM port- (VCP-) illesztő programok, amelyek az USB-eszközt a számítógép számára elérhető további COM portként jelenítik meg.
• ADI Mbed kód, amely lehetővé teszi az olyan alapvető műveleteket, mint például a kalibrálás az ARM® Mbed platform használatával.
• TeraTerm vagy hasonló terminálemulátorok, amelyek támogatják a kurzor beállításához és a szöveg színéhez használt ANSI kilépőkódokat.

Az EVAL-ADMX2001EBZ használata LCR-mérő bemutatóeszközhöz

A bemutatóeszköz beállítása egyszerű folyamat. Az alapvető lépések a következők:

1. A hardver beállítása (2. ábra):

• Csatlakoztassa az ADMX2001B modult az EVAL-ADMX2001EBZ fejlesztőkártyához.
• Csatlakoztassa az USB-UART-kábelt (tartozék) a kártyához és a gazdaszámítógéphez.
• Kapcsolja be a készüléket a mellékelt hálózati adapterről táplálva.

2. ábra: Az ábrán az EVAL-ADMX2001EBZ fejlesztőkártya összeállítási blokkvázlata látható (ábra: Analog Devices)

2. A szoftver beállítása:

• Telepítse a virtuális COM port-illesztő programokat.
• Telepítse a TeraTerm (vagy egy hasonló) terminálemulátort.

3. Alapbeállítás (3. ábra):

• Nyissa meg a terminálemulátort, és hozzon létre egy soros kapcsolatot.
• A parancsok segítségével beállíthatja a mérési paramétereket, például a frekvenciát, az amplitúdót és az előfeszítő feszültséget.

3. ábra: A képen az ADMX2001B terminálillesztőjének képernyőképe látható (ábra: Analog Devices)

4. Kalibrálási eljárás:

• Az ADMX2001B háromlépcsős kalibrálási folyamatot igényel.
• A „calibrate open” (szakadásos kalibrálás), „a calibrate short” (rövidzáras kalibrálás), illetve a „calibrate rt” (terheléses kalibrálás) parancs használata után a szakadásos, rövidzáras és terheléses mérések elvégzéséhez a tervezőknek követniük kell az utasításokat.
• A legjobb eredmények eléréséhez kiváló minőségű kalibrációs szabványokat kell használni.
• A folyamat lefutása után a kalibrációs együtthatókat menteni kell a beépített nem felejtő memóriába.

5. Tartozékhelyesbítés:

• Amikor mérőtartozékokat használnak a mérésekhez, a tervezőknek tartozékhelyesbítést kell végezniük, hogy kiküszöböljék a parazitaparaméterek hatásait.
• Ehhez használhatják a firmware-ben (belső vezérlőprogramban) található tartozékhelyesbítési funkciókat.

6. Ellenőrzés:

• A kalibrálás után a pontosság ellenőrzése érdekében ismert szabványok segítségével végeznek méréseket.

7. Mérések:

• Az impedanciamérések elvégzéséhez a „z” parancsot kell használni.
• A mérési formátum megváltoztatásához a „display” (megjelenítés, pl. az impedancia derékszögű koordinátarendszerben való megjelenítéséhez a „display 6”) parancsra van szükség.
• A tervezők ezután az adott felhasználási területhez szükséges mérési módokat, tartományokat és egyéb paramétereket állítják be.
• Az olyan parancsokkal, mint az „average” (átlag) és a „count” (számlálás), több mérést is be lehet állítani.

Összegzés

Az impedanciamérő berendezések tervezése jelentős mérnöki kihívásokkal jár, a nyomtatott áramköri lapok trükkös alkatrész-elrendezésétől kezdve a bonyolult jelfeldolgozó szoftverekig. Az ADI ADMX2001B-hez hasonló készen kapható egykártyás rendszermodulok használatával a tervezők számos ilyen bonyolult feladatot átugorhatnak. Ez lehetővé teszi számukra, hogy saját egyedi értékeikre összpontosítsanak, miközben időt és költséget takarítanak meg, és egyszerű lehetőséget kapnak arra, hogy a jövőben az erre az egykártyás rendszermodulra épülő készülékeket hozhassanak létre.