Semplificare la progettazione di analizzatori di impedenza di precisione con un approccio System-on-Module (SoM)

Molte applicazioni richiedono misurazioni di impedenza precise, tra cui la calibrazione dei pannelli tattili, la caratterizzazione dei semiconduttori, l'accettazione dei wafer e i test delle batterie. Le apparecchiature di test automatico (ATE) per queste applicazioni devono in genere misurare l'impedenza in un ampio campo di frequenza, con precisione e sensibilità elevate.

Lo sviluppo di un dispositivo di misurazione dell'impedenza personalizzato per queste applicazioni comporta numerose sfide, tra cui la progettazione dell'hardware, la programmazione del software e il collaudo. Questi parametri richiedono una notevole esperienza nell'elaborazione dei segnali digitali e analogici e possono causare ritardi con conseguenze sulla tempistica e sul budget di un progetto.

Per aggirare queste sfide, i progettisti possono scegliere un System-on-Module (SoM) che integra a priori l'hardware e il software critici necessari per le misurazioni dell'impedenza ad alta precisione. Questo modulo consente ai progettisti di concentrarsi sulle loro competenze principali e sullo sviluppo di applicazioni specifiche, piuttosto che sulle complessità della tecnologia di misurazione dell'impedenza.

Questo articolo passa brevemente in rassegna i requisiti chiave per la misurazione dell'impedenza in ATE. Viene quindi presentato un SoM analizzatore dell'impedenza di Analog Devices, Inc. (ADI) e ne viene illustrato l'utilizzo con la scheda di valutazione associata.

Requisiti per la misurazione di precisione dell'impedenza in ATE

L'ATE per applicazioni come la calibrazione dei pannelli tattili, la caratterizzazione dei semiconduttori, l'accettazione dei wafer e i test delle batterie ha requisiti specifici che includono:

• Ampio campo di frequenza, spesso da meno di 1 Hz a vari MHz
• Elevata accuratezza e coerenza, tipicamente 0,1% o superiore
• Alta sensibilità per misurare piccole variazioni di impedenza
• Velocità di misurazione per test ad alto throughput
• La capacità di gestire un ampio intervallo di valori di impedenza, dai µΩ ai MΩ
• Possibilità di eseguire passate automatiche e sequenze di misurazione complesse

Vale la pena notare che i requisiti possono variare notevolmente da un'applicazione all'altra. Ad esempio, la calibrazione dei pannelli tattili può richiedere una sensibilità alle variazioni di capacità nell'intervallo dei femtofarad (fF), mentre la sensibilità all'accettazione dei wafer può raggiungere l'intervallo degli attofarad (aF).

Le sfide insite nella progettazione di misurazioni dell'impedenza di precisione per ATE

Lo sviluppo di ATE per queste applicazioni richiede competenze e risorse sostanziali, che possono comportare lunghi cicli di sviluppo ed elevati costi di progettazione non ricorrenti. Le sfide legate alla progettazione di misurazioni di impedenza personalizzate sono le seguenti:

• Progettazione hardware complessa: la creazione di front-end analogici ad alta precisione in grado di effettuare misurazioni accurate in un ampio campo di frequenza e di impedenza richiede competenze nell'elaborazione dei segnali digitali e analogici e un'attenta cura del layout dei circuiti stampati (schede CS) e dei dettagli di schermatura.
• Sviluppo di software sofisticato: l'implementazione degli algoritmi di calcolo, calibrazione e compensazione dell'impedenza è complessa. Il supporto di più formati di misurazione e di passate automatiche aggiunge ulteriore complessità.
• Calibrazione e accuratezza: il raggiungimento e il mantenimento di un'elevata accuratezza in diverse condizioni di misurazione richiede sofisticate procedure di calibrazione e tecniche di compensazione.

Un modulo di valutazione pre-ingegnerizzato come ADMX2001B di ADI può semplificare notevolmente queste sfide. Questo SoM integra i componenti principali di un analizzatore di impedenza di precisione in un formato compatto di 38 x 89 mm. Come illustrato nella Figura 1, il modulo si collega alla scheda di valutazione EVAL-ADMX2001EBZ, corredata dal software di esplorazione e prototipazione rapida.

Figura 1: Il modulo di misurazione dell'impedenza ADMX2001B si inserisce nella scheda di valutazione EVAL-ADMX2001EBZ. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sebbene il modulo non sia destinato a progetti di livello di produzione, sono disponibili lo schema, la distinta base, i file Gerber e il firmware. Ciò consente alle aziende di creare la propria versione del modulo o di integrarlo in un progetto più ampio. In ogni caso, la progettazione pre-ingegnerizzata evita molti compiti impegnativi, consentendo alle aziende di concentrarsi sulle proprie aree di specializzazione.

La creazione di un modulo è un'opzione particolarmente interessante, che offre agli sviluppatori un percorso semplice ed economico per scalare il proprio progetto. Quando si aggiungono funzionalità o si adatta il progetto a casi d'uso diversi, gli sviluppatori possono utilizzare il modulo come il nucleo centrale del progetto, anziché ricominciare da zero.

Panoramica delle caratteristiche e delle prestazioni di ADMX2001B

ADMX2001B combina circuiti a segnale misto ad alte prestazioni e algoritmi di elaborazione avanzati per misurazioni precise dell'impedenza. Il modulo offre un campo di frequenza versatile da c.c. a 10 MHz e un'elevata precisione di misurazione dello 0,05%. Copre un ampio intervallo di resistenza da 100 µΩ a 20 MΩ, capacità da 100 aF a 160 F e induttanza da 1 nH a 1600 H. Può eseguire le misurazioni alla velocità di 2,7 ms per ciclo e offre 18 formati di misurazione dell'impedenza che si adattano a varie applicazioni e tipi di componenti.

Le funzioni automatizzate, tra cui le passate multiple e parametriche e le misurazioni di resistenza c.c., consentono al modulo ADMX2001B di eseguire sequenze complesse e una caratterizzazione approfondita dei componenti senza intervento manuale. Le routine di calibrazione automatizzate, la memoria non volatile e le funzioni di compensazione garantiscono la tracciabilità delle misurazioni, l'affidabilità e l'eliminazione delle correnti parassite del dispositivo. Le dimensioni compatte del modulo con interfacce UART, SPI e GPIO ne semplificano l'integrazione nei sistemi di test ad alta densità e nelle apparecchiature portatili. Inoltre, supporta lo sviluppo su piattaforme Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi e Arduino, rendendolo adattabile a sistemi più grandi o ad applicazioni personalizzate.

Queste capacità rendono il modulo adatto a un'ampia gamma di applicazioni complesse.

Panoramica della scheda di valutazione EVAL-ADMX2001EBZ

Gli sviluppatori possono utilizzare la scheda di breakout di valutazione e sviluppo EVAL-ADMX2001EBZ per esplorare idee di progettazione con il modulo ADMX2001B. Questa scheda consente di accedere comodamente alle funzionalità e alle caratteristiche del modulo:

• Connettori BNC in grado di interfacciarsi con le comuni sonde di misurazione di induttanza, capacità e resistenza (LCR) e con i dispositivi di misurazione
• Interfaccia UART che può essere utilizzata con cavi USB-UART per interfacciarsi al PC host
• Segnali di trigger e di sincronizzazione del clock disponibili tramite connettori SMA che semplificano il collegamento alle apparecchiature di test standard
• Basette stile Arduino che consentono all'utente di sviluppare codice embedded con schede come SDP-K1
• Una presa di alimentazione che accetta varie tensioni di ingresso da adattatori di alimentazione c.a./c.c. in grado di fornire da 5 a +12 V

Lo scopo principale della scheda di valutazione è quello di fornire una demo del misuratore LCR. Per eseguire la demo, è necessario hardware aggiuntivo:

• Accessori per misuratori LCR, come le attrezzature di collaudo
• Accessori di calibrazione, come set di resistori standard
• Un misuratore LCR da banco per la verifica dei risultati della demo

La demo richiede anche software aggiuntivo:

• Driver per porta COM virtuale (VCP) che fanno sì che il dispositivo USB appaia come una porta COM aggiuntiva disponibile al PC
• Codice Mbed di ADI per eseguire operazioni di base come la calibrazione utilizzando la piattaforma ARM® Mbed
• TeraTerm o emulatori di terminale simili che supportano i codici di escape ANSI utilizzati per il posizionamento del cursore e il colore del testo

Utilizzo della scheda EVAL-ADMX2001EBZ per la dimostrazione di un misuratore LCR

L'impostazione della demo è semplice. Le fasi fondamentali sono le seguenti:

1. Impostazione dell'hardware (Figura 2):

• Collegare il modulo ADMX2001B alla scheda di valutazione EVAL-ADMX2001EBZ.
• Collegare il cavo USB-UART (in dotazione) alla scheda e al computer host.
• Alimentare la scheda mediante l'adattatore in dotazione.

Figura 2: Diagramma a blocchi della scheda di valutazione EVAL-ADMX2001EBZ. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

2. Impostazione del software:

• Installare i driver VCP.
• Installare TeraTerm (o un emulatore di terminale simile).

3. Configurazione di base (Figura 3):

• Aprire l'emulatore di terminale e impostare una connessione seriale.
• Utilizzare i comandi per impostare i parametri di misurazione, come frequenza, ampiezza e polarizzazione.

Figure 3: Una schermata dell'interfaccia terminale ADMX2001B. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

4. Procedura di calibrazione:

• ADMX2001B richiede un processo di calibrazione in tre fasi.
• Dopo aver utilizzato i comandi "calibra apertura", "calibra corto" o "calibra rt", i progettisti devono seguire le istruzioni per eseguire rispettivamente le misurazioni di apertura, corto e carico.
• Per ottenere risultati ottimali è necessario utilizzare standard di calibrazione di alta qualità.
• Al termine di questo processo, i coefficienti di calibrazione devono essere salvati nella memoria non volatile sulla scheda.

5. Compensazione dell'attrezzatura:

• I progettisti devono eseguire la compensazione per eliminare gli effetti parassiti quando utilizzano attrezzature di collaudo.
• È possibile utilizzare le funzioni di compensazione fornite dal firmware.

6. Verifica:

• Dopo la calibrazione, le misurazioni vengono eseguite utilizzando standard noti per verificare l'accuratezza.

7. Misurazioni:

• Per eseguire le misurazioni dell'impedenza è necessario utilizzare il comando "z".
• Per cambiare il formato di misurazione, si usa "display" (ad esempio, "display 6" per l'impedenza in coordinate rettangolari).
• I progettisti possono quindi impostare le modalità di misurazione, gli intervalli e gli altri parametri necessari per l'applicazione.
• Comandi come "media" e "conteggio" possono configurare più misurazioni.

Conclusione

La progettazione di apparecchiature per la misurazione dell'impedenza comporta notevoli sfide ingegneristiche, dal complicato layout delle schede CS al complesso software di elaborazione dei segnali. Utilizzando un SoM pre-ingegnerizzato come ADMX2001B di ADI, i progettisti possono evitare molte di queste complessità. Ciò permette loro di concentrarsi sulle loro competenze uniche, risparmiando tempo e costi e fornendo un percorso diretto per la creazione di futuri progetti derivati.