Simplifier la conception d'un analyseur d'impédance de précision avec une approche de système sur module

De nombreuses applications exigent des mesures d'impédance précises, notamment l'étalonnage des écrans tactiles, la caractérisation des semi-conducteurs, la validation des plaquettes et le test des batteries. Les équipements de tests automatisés (ATE) pour ces applications doivent généralement mesurer l'impédance sur une large gamme de fréquences avec une précision et une sensibilité élevées.

Le développement d'un dispositif de mesure d'impédance personnalisé pour ces applications implique de nombreux défis, y compris la conception matérielle, le développement logiciel et les tests. Ces paramètres requièrent une expertise considérable en matière de traitement des signaux analogiques et numériques, et peuvent entraîner des retards susceptibles de compromettre le calendrier et le budget d'un projet.

Pour contourner ces défis, les concepteurs peuvent sélectionner un système sur module (SOM) qui pré-intègre le matériel et les logiciels critiques, requis pour les mesures d'impédance de haute précision. Un tel module permet aux concepteurs de se concentrer sur leurs compétences clés et sur le développement spécifique à l'application plutôt que sur les subtilités de la technologie de mesure d'impédance.

Cet article passe brièvement en revue les principales exigences en matière de mesure d'impédance dans les équipements ATE. Il présente ensuite un SOM d'analyseur d'impédance adapté d'Analog Devices Inc. (ADI) et montre comment utiliser le module avec sa carte d'évaluation associée.

Exigences relatives à la mesure précise de l'impédance dans les équipements ATE

Les équipements de tests automatisés pour les applications telles que l'étalonnage des écrans tactiles, la caractérisation des semi-conducteurs, la validation des plaquettes et le test des batteries présentent des exigences spécifiques, notamment les suivantes :

• Large gamme de fréquences, souvent de moins de 1 hertz (Hz) à plusieurs mégahertz (MHz)
• Précision et cohérence élevées, typiquement 0,1 % ou plus
• Haute sensibilité pour la mesure des petites variations d'impédance
• Mesures rapides pour tests à haut débit
• Capacité à gérer une large plage de valeurs d'impédance, des microohms (µΩ) aux mégaohms (MΩ)
• Capacité à effectuer des balayages automatisés et des séquences de mesure complexes

Il convient de noter que les exigences peuvent varier considérablement selon les applications. Par exemple, l'étalonnage d'un écran tactile peut nécessiter une sensibilité aux variations de capacité dans la plage femtofarad (fF), tandis que la sensibilité de validation des plaquettes peut atteindre la plage attofarad (aF).

Défis liés à la mesure d'impédance de précision pour les équipements ATE

Le développement d'équipements ATE pour ces applications implique une expertise et des ressources considérables, ce qui peut entraîner des cycles de développement longs et des coûts d'ingénierie non récurrents élevés. Les défis liés au développement de mesures d'impédance personnalisées incluent les suivants :

• Conception matérielle complexe : la création de circuits d'entrée analogiques de haute précision capables d'effectuer des mesures précises sur une large gamme de fréquences et d'impédances requiert une expertise dans traitement des signaux analogiques et numériques, et une attention particulière à la disposition des circuits imprimés et aux détails de blindage.
• Développement de logiciels sophistiqués : la mise en œuvre d'algorithmes de calcul, d'étalonnage et de compensation d'impédance est complexe. La prise en charge de plusieurs formats de mesure et de balayages automatisés ajoute une complexité supplémentaire.
• Étalonnage et précision : pour atteindre et maintenir une haute précision dans différentes conditions de mesure, des procédures d'étalonnage et des techniques de compensation sophistiquées sont requises.

Un module d'évaluation pré-développé tel que l'ADMX2001B d'ADI peut considérablement simplifier ces défis. Ce SOM intègre les principaux composants d'un analyseur d'impédance de précision dans un format compact de 38,1 millimètres (mm) x 63,5 mm. Comme illustré à la Figure 1, le module se branche sur la carte d'évaluation EVAL-ADMX2001EBZ, fournie avec un logiciel d'exploration de conception et de prototypage rapide.

Figure 1 : Le module de mesure d'impédance ADMX2001B se connecte à la carte d'évaluation EVAL-ADMX2001EBZ. (Source de l'image : Analog Devices)

Bien que le module ne soit pas destiné aux conceptions de production, le schéma, la nomenclature (BOM), les fichiers Gerber et le micrologiciel sont disponibles. Cela permet aux entreprises de créer leur propre version du module ou de l'intégrer dans une conception plus vaste. Dans tous les cas, la conception pré-développée libère les entreprises de nombreuses tâches exigeantes, ce qui leur permet de se concentrer sur leurs domaines de spécialisation.

La création d'un module est une option particulièrement intéressante, car elle offre aux développeurs un moyen simple et rentable de faire évoluer leur conception. Lors de l'ajout de fonctionnalités ou de l'adaptation de la conception à différents cas d'utilisation, les développeurs peuvent conserver le module comme cœur de la conception plutôt que de repartir de zéro.

Présentation des fonctionnalités et des performances de l'ADMX2001B

L'ADMX2001B combine des circuits à signaux mixtes hautes performances et des algorithmes de traitement avancés pour des mesures d'impédance précises. Le module offre une gamme de fréquences polyvalente de CC à 10 MHz et une haute précision de mesure de 0,05 %. Il couvre une large plage de résistances de 100 µΩ à 20 MΩ, une capacité de 100 aF à 160 F, et une inductance de 1 nanohenry (nH) à 1600 henrys (H). Il peut effectuer des mesures à une vitesse de 2,7 millisecondes (ms) par mesure, et fournit 18 formats de mesure d'impédance adaptés à diverses applications et types de composants.

Les fonctionnalités automatisées, telles que les balayages multipoints et paramétriques et les mesures de résistance CC, permettent à l'ADMX2001B d'effectuer des séquences complexes et une caractérisation approfondie des composants sans intervention manuelle. Les routines d'étalonnage automatisées, la mémoire non volatile et les fonctions de compensation garantissent la traçabilité des mesures, la fiabilité, et l'élimination des parasites des dispositifs. La taille compacte du module avec interfaces UART, SPI et GPIO permet l'intégration aisée dans des équipements portables et des systèmes de test haute densité. De plus, le module prend en charge le développement sur les plateformes Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi et Arduino, ce qui permet de l'adapter à des systèmes plus grands ou à des applications personnalisées.

Grâce à ces capacités, le module convient à un grand nombre d'applications exigeantes.

Présentation de la carte d'évaluation EVAL-ADMX2001EBZ

Les développeurs peuvent utiliser la carte Breakout d'évaluation et de développement EVAL-ADMX2001EBZ pour explorer des idées de conception avec l'ADMX2001B. Cette carte offre un accès pratique aux fonctionnalités du module et inclut les éléments suivants :

• Connecteurs BNC pouvant interfacer avec des dispositifs et des sondes de mesure d'inductance, de capacité et de résistance (LCR) standard
• Interface UART pouvant être utilisée avec des câbles USB vers UART pour interfacer avec le PC hôte
• Signaux de déclenchement et de synchronisation d'horloge disponibles via des connecteurs SMA qui simplifient la connexion à l'équipement de test standard
• Embases de style Arduino qui permettent à l'utilisateur de développer du code embarqué avec des cartes telles que la carte SDP-K1
• Un jack d'alimentation qui accepte différentes tensions d'entrée d'adaptateurs d'alimentation CA/CC pouvant fournir de 5 V à +12 V

L'objectif principal de la carte d'évaluation est de fournir une démonstration de l'appareil de mesure LCR. Pour réaliser cette démonstration, du matériel supplémentaire est nécessaire :

• Accessoires pour appareils de mesure LCR, tels que des dispositifs de test
• Accessoires d'étalonnage, tels que des kits de résistances standard
• Un appareil de mesure LCR de table pour la vérification des résultats de démonstration

La démo requiert également des logiciels supplémentaires :

• Pilotes de port COM virtuel (VCP) faisant apparaître le périphérique USB comme un port COM supplémentaire disponible pour le PC
• Code Mbed d'ADI permettant des opérations de base comme l'étalonnage à l'aide de la plateforme Mbed Arm®
• TeraTerm ou émulateurs de terminaux similaires prenant en charge les codes d'échappement ANSI utilisés pour le positionnement du curseur et la couleur du texte

Utilisation de l'EVAL-ADMX2001EBZ pour une démonstration de l'appareil de mesure LCR

La configuration de la démo est un processus simple. Les étapes de base sont les suivantes :

1. Configuration matérielle (Figure 2) :

• Connectez le module ADMX2001B à la carte d'évaluation EVAL-ADMX2001EBZ.
• Connectez le câble USB-UART (inclus) à la carte et à l'ordinateur hôte.
• Appliquez l'alimentation à l'aide de l'adaptateur secteur inclus.

Figure 2 : Schéma fonctionnel de la configuration de la carte d'évaluation EVAL-ADMX2001EBZ. (Source de l'image : Analog Devices)

2. Configuration logicielle :

• Installez les pilotes VCP.
• Installez TeraTerm (ou un émulateur de terminal similaire).

3. Configuration de base (Figure 3) :

• Ouvrez l'émulateur de terminal et configurez une connexion série.
• Utilisez les commandes pour définir les paramètres de mesure tels que la fréquence, l'amplitude et la polarisation.

Figure 3 : Capture d'écran de l'interface du terminal ADMX2001B. (Source de l'image : Analog Devices)

4. Procédure d'étalonnage :

• L'ADMX2001B requiert un processus d'étalonnage en trois étapes.
• Après avoir utilisé les commandes « calibrate open », « calibrate short » ou « calibrate rt », les concepteurs doivent suivre les invites pour effectuer des mesures de circuit ouvert, de court-circuit et de charge, respectivement.
• Des normes d'étalonnage de haute qualité doivent être utilisées pour obtenir les meilleurs résultats.
• Une fois la procédure terminée, les coefficients d'étalonnage doivent être enregistrés dans la mémoire non volatile embarquée.

5. Compensation des dispositifs :

• Les concepteurs doivent effectuer une compensation des dispositifs pour éliminer les effets parasites lors de l'utilisation des dispositifs de test.
• Les fonctions de compensation des dispositifs fournies dans le micrologiciel peuvent être utilisées.

6. Vérification :

• Après l'étalonnage, les mesures sont effectuées à l'aide de normes connues pour vérifier l'exactitude.

7. Mesures :

• La commande « z » doit être utilisée pour effectuer des mesures d'impédance.
• Pour modifier le format de mesure, « display » est utilisé (par exemple, « display 6 » pour l'impédance en coordonnées rectangulaires).
• Les concepteurs définissent ensuite les modes de mesure, les plages et d'autres paramètres selon les besoins de l'application.
• Des commandes telles que « average » et « count » permettent de configurer plusieurs mesures.

Conclusion

La conception d'équipements de mesure d'impédance implique des défis de développement considérables, s'étendant de la configuration difficile des circuits imprimés aux logiciels de traitement des signaux complexes. En utilisant un SOM pré-développé comme l'ADMX2001B d'ADI, les concepteurs peuvent éviter bon nombre de ces complexités. Ils peuvent ainsi se concentrer sur leur valeur unique tout en économisant du temps et de l'argent et en offrant une voie directe pour la création de futures conceptions dérivées.