Einfacheres Design von präzisen Impedanzanalysatoren mit einem SoM (System-on-Module)

Viele Anwendungen erfordern präzise Impedanzmessungen, darunter die Kalibrierung von Touchpanels, die Charakterisierung von Halbleitern, die Abnahme von Wafern und Batterietests. Automatisierte Testgeräte (ATE) für diese Anwendungen müssen in der Regel die Impedanz über einen großen Frequenzbereich mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit messen.

Die Entwicklung eines kundenspezifischen Impedanzmessgeräts für diese Anwendungen ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, einschließlich Hardwaredesign, Softwareentwicklung und Tests. Diese Parameter erfordern umfangreiche Kenntnisse in der analogen und digitalen Signalverarbeitung und können zu Verzögerungen führen, die den Zeitplan und das Budget eines Projekts gefährden können.

Um diese Herausforderungen zu umgehen, kann ein SOM (System-on-Module) verwendet werden, das die für hochpräzise Impedanzmessungen erforderliche Hardware und Software vorintegriert. Mit einem solchen Modul können sich Entwicklungsteams auf ihre Kernkompetenzen und die anwendungsspezifische Entwicklung konzentrieren, anstatt sich mit den Feinheiten der Impedanzmesstechnik zu beschäftigen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die wichtigsten Anforderungen an die Impedanzmessung in ATE. Anschließend wird ein geeignetes Impedanzanalysator-SOM von Analog Devices Inc. (ADI) vorgestellt und die Verwendung des Moduls mit dem zugehörigen Evaluierungsboard demonstriert.

Anforderungen an die Präzisionsimpedanzmessung in automatisierten Testgeräten

Automatisierte Testgeräte für Anwendungen wie die Kalibrierung von Touchscreens, die Charakterisierung von Halbleitern, die Abnahme von Wafern und Batterietests stellen besondere Anforderungen:

• Großer Frequenzbereich, oft von unter 1 Hertz (Hz) bis in den Megahertzbereich (MHz)
• Hohe Genauigkeit und Konsistenz, typischerweise 0,1 % oder besser
• Hohe Empfindlichkeit zur Messung kleiner Impedanzänderungen
• Schnelle Messgeschwindigkeiten für Testabläufe mit hohem Durchsatz
• Die Fähigkeit, eine breite Palette von Impedanzwerten zu verarbeiten, von Mikroohm (µΩ) bis Megaohm (MΩ)
• Fähigkeit zu automatisierten Sweeps und komplexen Messsequenzen

Es ist zu beachten, dass die Anforderungen je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein können. So kann beispielsweise die Kalibrierung von Touchpanels eine Empfindlichkeit gegenüber Kapazitätsänderungen im Femtofarad-Bereich (fF) erfordern, während die Empfindlichkeit bei der Abnahme von Wafern den Attofarad-Bereich (aF) erreichen kann.

Herausforderungen bei der Entwicklung von automatisierten Testgeräten für die Präzisionsimpedanzmessung

Die Entwicklung von automatisierten Testgeräten für diese Anwendungen erfordert umfangreiche Fachkenntnisse und Ressourcen, was zu langen Entwicklungszyklen und hohen einmaligen Entwicklungskosten führen kann. Zu den Herausforderungen bei der Entwicklung kundenspezifischer Impedanzmessungen gehören die folgenden:

• Komplexe Hardware-Entwicklung: Die Entwicklung hochpräziser analoger Frontends, die genaue Messungen über einen breiten Frequenz- und Impedanzbereich ermöglichen, erfordert Fachwissen in analoger und digitaler Signalverarbeitung sowie sorgfältige Beachtung des Leiterplattenlayouts und der Abschirmungsdetails.
• Anspruchsvolle Software-Entwicklung: Die Implementierung von Algorithmen zur Impedanzberechnung, Kalibrierung und Kompensation ist komplex. Die Unterstützung mehrerer Messformate und automatisierter Sweeps macht die Sache noch komplizierter.
• Kalibrierung und Genauigkeit: Um eine hohe Genauigkeit unter verschiedenen Messbedingungen zu erreichen und aufrechtzuerhalten, sind ausgefeilte Kalibrierungsverfahren und Kompensationstechniken erforderlich.

Ein vorgefertigtes Evaluierungsmodul wie das ADMX2001B von ADI kann diese Herausforderungen erheblich vereinfachen. Dieses SOM integriert die Hauptkomponenten eines Präzisions-Impedanzanalysators in einem kompakten Gehäuse von 1,5 x 2,5 Zoll (in). Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird das Modul in das Evaluierungsboard EVAL-ADMX2001EBZ eingesteckt, das mit Software für Design Exploration und Rapid Prototyping geliefert wird.

Abbildung 1: Das Impedanzmessmodul ADMX2001B wird in das Evaluierungsboard EVAL-ADMX2001EBZ eingesteckt. (Bildquelle: Analog Devices)

Obwohl das Modul nicht für Produktionsdesigns vorgesehen ist, sind der Schaltplan, die Stückliste (BOM), die Gerber-Dateien und die Firmware verfügbar. Dies ermöglicht es Unternehmen, entweder ihre eigene Version des Moduls zu bauen oder es in einen größeren Entwurf zu integrieren. In jedem Fall entlastet die vorgefertigte Konstruktion die Unternehmen von vielen anspruchsvollen Aufgaben, so dass sie sich auf ihre Spezialgebiete konzentrieren können.

Die Erstellung eines Moduls ist eine besonders interessante Option, die einen unkomplizierten und kostengünstigen Weg zur Skalierung eines Designs bietet. Bei der Hinzufügung von Funktionen oder der Anpassung des Designs für verschiedene Anwendungsfälle kann das Modul als Designkern beibehalten werden.

Überblick über Merkmale und Performance des ADMX2001B

Das ADMX2001B kombiniert leistungsstarke Mischsignalschaltungen und moderne Verarbeitungsalgorithmen für präzise Impedanzmessungen. Das Modul bietet einen vielseitigen Frequenzbereich von DC bis 10 MHz und eine hohe Messgenauigkeit von 0,05%. Es deckt einen breiten Widerstandsbereich von 100 µΩ bis 20 MΩ, eine Kapazität von 100 aF bis 160 F und eine Induktivität von 1 Nanohenry (nH) bis 1600 Henrys (H) ab. Es kann Messungen mit einer Geschwindigkeit von 2,7 Millisekunden (ms) pro Messung durchführen und bietet 18 Impedanzmessformate, die auf verschiedene Anwendungen und Komponententypen abgestimmt sind.

Automatisierte Funktionen, einschließlich Mehrpunkt- und parametrischer Sweeps und DC-Widerstandsmessungen, ermöglichen dem ADMX2001B die Durchführung komplexer Sequenzen und eine gründliche Bauteilcharakterisierung ohne manuelle Eingriffe. Automatische Kalibrierroutinen, ein nichtflüchtiger Speicher und Kompensationsfunktionen gewährleisten die Rückverfolgbarkeit der Messungen, die Zuverlässigkeit und die Eliminierung von Parasiten in der Halterung. Die kompakte Größe des Moduls mit UART-, SPI- und GPIO-Schnittstellen ermöglicht eine einfache Integration in hochkompakte Testsysteme und tragbare Geräte. Darüber hinaus unterstützt es die Entwicklung auf Windows-, macOS-, Linux-, Raspberry-Pi- und Arduino-Plattformen, wodurch es an größere Systeme oder kundenspezifische Anwendungen angepasst werden kann.

Dank dieser Eigenschaften eignet sich das Modul für eine Vielzahl von anspruchsvollen Anwendungen.

Übersicht über das Evaluierungsboard EVAL-ADMX2001EBZ

Für die Entwicklung können das Evaluierungs- und Entwicklungs-Breakout-Board EVAL-ADMX2001EBZ verwendet werden, um Design-Ideen mit dem ADMX2001B zu untersuchen. Dieses Board bietet einen bequemen Zugang zu den Funktionen des Moduls und bietet:

• BNC-Anschlüsse für den Anschluss an gängige Induktivitäts-, Kapazitäts- und Widerstandsprüfspitzen (LCR) und -vorrichtungen
• UART-Schnittstelle, die mit USB-zu-UART-Kabeln zur Verbindung mit dem Host-PC verwendet werden kann
• Über SMA-Stecker verfügbare Trigger- und Taktsynchronisationssignale, die den Anschluss an Standardprüfgeräte vereinfachen
• Steckleisten im Arduino-Stil, die es dem Benutzer ermöglichen, eingebetteten Code mit Boards wie dem SDP-K1 zu entwickeln
• Eine Netzbuchse, die verschiedene Eingangsspannungen von AC/DC-Netzadaptern akzeptiert, die 5 bis +12 Volt liefern können

Der Hauptzweck der Evaluierungsplatine besteht darin, ein LCR-Messgerät vorzuführen. Zur Durchführung dieser Demonstration ist zusätzliche Hardware erforderlich:

• Zubehör für LCR-Messgeräte, z. B. Prüfvorrichtungen
• Kalibrierungszubehör, wie z. B. Standardwiderstandssätze
• Ein LCR-Tischmessgerät zur Überprüfung der Ergebnisse der Demo

Für die Demo ist außerdem zusätzliche Software erforderlich:

• Treiber für virtuelle COM-Ports (VCP), die das USB-Gerät als zusätzlichen COM-Port erscheinen lassen, der dem PC zur Verfügung steht
• ADI Mbed-Code, der grundlegende Operationen wie die Kalibrierung mit der Arm®-Mbed-Plattform ermöglicht
• TeraTerm oder ähnliche Terminalemulatoren, die ANSI-Escape-Codes für die Cursorpositionierung und Textfarbe unterstützen

Verwendung des EVAL-ADMX2001EBZ für eine LCR-Messgerätedemo

Die Einrichtung der Demo ist ein unkomplizierter Prozess. Die grundlegenden Schritte sind:

1. Hardware-Einrichtung (Abbildung 2):

• Verbinden Sie das Modul ADMX2001B mit dem Evaluierungsboard EVAL-ADMX2001EBZ.
• Verbinden Sie das USB-zu-UART-Kabel (im Lieferumfang enthalten) mit dem Board und dem Host-Computer.
• Schließen Sie den mitgelieferten Netzadapter an.

Abbildung 2: Das Blockdiagramm zeigt die Einrichtung des Evaluierungsboards EVAL-ADMX2001EBZ. (Bildquelle: Analog Devices)

2. Software-Einrichtung:

• Installieren Sie die VCP-Treiber.
• Installieren Sie TeraTerm (oder einen ähnlichen Terminalemulator).

3. Grundkonfiguration (Abbildung 3):

• Öffnen Sie den Terminalemulator und stellen Sie eine serielle Verbindung her.
• Verwenden Sie Befehle, um Messparameter wie Frequenz, Amplitude und Vorspannung einzustellen.

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt einen Screenshot der Terminalschnittstelle ADMX2001B. (Bildquelle: Analog Devices)

4. Kalibrierverfahren:

• Das ADMX2001B erfordert einen dreistufigen Kalibrierungsprozess.
• Nach der Verwendung der Befehle „calibrate open“, „calibrate short“ oder „calibrate rt“ muss den Aufforderungen zur Durchführung von Leerlauf-, Kurzschluss- bzw. Lastmessungen gefolgt werden.
• Um beste Ergebnisse zu erzielen, müssen hochwertige Kalibrierstandards verwendet werden.
• Nach dem Vorgang müssen die Kalibrierkoeffizienten im nichtflüchtigen Speicher des Geräts gespeichert werden.

5. Kompensation für die Vorrichtung:

• Es muss eine Kompensation der Vorrichtungen vorgenommen werden, um parasitäre Effekte bei der Verwendung von Prüfvorrichtungen zu eliminieren.
• Die in der Firmware enthaltenen Funktionen zur Kompensation von Vorrichtungen können verwendet werden.

6. Verifizierung:

• Nach der Kalibrierung werden Messungen mit bekannten Standards durchgeführt, um die Genauigkeit zu überprüfen.

7. Messungen:

• Zur Durchführung von Impedanzmessungen muss der Befehl „z“ verwendet werden.
• Um das Messformat zu ändern, wird „display“ verwendet (z. B. „display 6“ für Impedanz in rechtwinkligen Koordinaten).
• Dann werden die Messmodi, Messbereiche und andere Parameter so eingestellt, wie sie für die jeweilige Anwendung benötigt werden.
• Mit Befehlen wie „average“ und „count“ können mehrere Messungen konfiguriert werden.

Fazit

Die Entwicklung von Impedanzmessgeräten ist mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden, vom komplizierten Leiterplattenlayout bis zur komplexen Signalverarbeitungssoftware. Mit einem vorgefertigten SOM wie dem ADMX2001B von ADI kann diese Komplexität gemindert werden. So können Zeit und Kosten gespart werden und ein unkomplizierter Weg für die Erstellung zukünftiger abgeleiteter Designs gefunden werden.