Yksinkertaista tarkkuusimpedanssianalysaattorin suunnittelua System-on-Module -lähestymistavalla

Monet sovellukset vaativat tarkkaa impedanssimittausta, esimerkkeinä kosketuspaneelin kalibrointi, puolijohteiden karakterisointi, kiekkojen hyväksyntä ja akkujen testaus. Näissä sovelluksissa käytettävien automaattisten testauslaitteiden (ATE) on tyypillisesti mitattava impedanssi laajalla taajuusalueella korkealla tarkkuudella ja herkkyydellä.

Räätälöidyn impedanssimittauslaitteen kehittäminen näihin sovelluksiin sisältää lukuisia haasteita, kuten laitteiston suunnittelu, ohjelmistokehitys ja testaus. Nämä parametrit edellyttävät laajaa analogisen ja digitaalisen signaalinkäsittelyn tuntemusta, ja ne voivat aiheuttaa projektin aikataulun ja budjetin vaarantavia viivästyksiä.

Suunnittelijat voivat välttää nämä haasteet käyttämällä SOM (System-on-Module) -järjestelmämoduuleja, joihin on valmiiksi integroitu korkean tarkkuuden impedanssimittauksissa tarvittavat kriittiset komponentit ja ohjelmistot. Tämä moduuli mahdollistaa sen, että suunnittelijat voivat keskittyä ydinosaamiseensa ja erityissovellusten kehittämiseen impedanssimittaustekniikan yksityiskohtien sijaan.

Tämä artikkeli tarkastelee lyhyesti automaattisten testauslaitteiden impedanssimittauksen keskeisiä vaatimuksia. Se esittelee sen jälkeen Analog Devices Inc. -yritykseltä (ADI) sopivan SOM-impedanssianalysaattorimoduulin ja havainnollistaa, miten moduulia ja siihen liittyvää arviointialustaa käytetään.

Tarkkuusimpedanssimittauksen vaatimukset automaattisissa testauslaitteissa

Kosketuspaneelien kalibroinnin, puolijohteiden karakterisoinnin, kiekkojen hyväksynnän ja paristotestauksen kaltaisissa sovelluksissa käytettävillä automaattisilla testauslaitteilla on mm. seuraavia erityisvaatimuksia:

• käytettävyys laajalla taajuusalueella, usein alle 1 hertsistä (Hz) megahertsiin (MHz)
• korkea tarkkuus ja yhdenmukaisuus, tyypillisesti 0,1 % tai parempi
• korkea herkkyys pienten impedanssimuutosten mittaukseen
• korkea mittausnopeus korkeaa testausmäärää varten
• kyky käsitellä laajaa impedanssiarvoaluetta mikro-ohmeista (µΩ) megaohmeihin (MΩ)
• automaattisten pyyhkäisyjen ja kompleksisten mittausjaksojen mahdollisuus.

On syytä huomata, että vaatimukset voivat vaihdella huomattavasti eri sovellusten välillä. Esimerkiksi kosketuspaneelien kalibrointi voi vaatia herkkyyttä kapasitanssimuutoksille femtofaradin (fF) alueella, kun taas kiekkojen hyväksynnässä herkkyys voi olla attofaradin (aF) alueella.

Haasteet automaattisissa testauslaitteissa käytettävän tarkkuusimpedanssimittauksen suunnittelussa

Automaattisten testauslaitteiden kehittäminen näitä sovelluksia varten vaatii huomattavaa asiantuntemusta ja resursseja, mikä voi johtaa pitkiin kehityssykleihin ja korkeisiin kertaluonteisiin suunnittelukustannuksiin. Räätälöidyn impedanssimittauksen suunnitteluun liittyviä haasteita ovat mm.:

• Kompleksinen laitteistosuunnittelu: Sellaisten huipputarkkojen analogisten etuasteiden luonti, jotka pystyvät tarkkoihin mittauksiin laajalla taajuus- ja impedanssialueella, edellyttää analogisen ja digitaalisen signaalinkäsittelyn asiantuntemusta sekä huolellista perehtymistä piirilevyjen asettelun ja suojauksen yksityiskohtiin.
• Sofistikoitunut ohjelmistokehitys: Impedanssin laskenta-, kalibrointi- ja kompensointialgoritmien toteuttaminen on monimutkaista. Useiden mittausformaattien ja automaattisten pyyhkäisyjen tukeminen lisää kompleksisuutta entisestään.
• Kalibrointi ja tarkkuus: Korkean tarkkuuden saavuttaminen ja ylläpitäminen erilaisissa mittausolosuhteissa vaatii sofistikoituneita kalibrointimenettelyjä ja kompensointitekniikoita.

Valmis arviointimoduuli kuten ADI ADMX2001B voi yksinkertaistaa näitä haasteita merkittävästi. Tämä SOM integroi tarkkuusimpedanssianalysaattorin pääkomponentit kompaktiin 1,5 x 2,5 tuuman koteloon. Kuten kuva 1 näyttää, moduuli liitetään EVAL-ADMX2001EBZ-arviointialustaan, jonka mukana toimitetaan mallien testaukseen ja nopeaan prototyyppien luontiin tarkoitettu ohjelmisto.

Kuva 1: ADMX2001B-impedanssimittausmoduuli liitetään EVAL-ADMX2001EBZ-arviointialustaan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Vaikka moduulia ei ole tarkoitettu tuotantosuunnitteluun, sen kaaviot, osaluettelo (BOM), Gerber-tiedostot ja laiteohjelmisto ovat käytettävissä. Näin yritykset voivat joko rakentaa moduulista oman versionsa tai integroida sen osaksi suurempaa ratkaisua. Valmis ratkaisu joka tapauksessa vapauttaa yritykset monista haastavista tehtävistä, jolloin ne voivat keskittyä omaan erityisosaamiseensa.

Moduulin luonti on erityisen mielenkiintoinen vaihtoehto, sillä se tarjoaa kehittäjille helpon ja kustannustehokkaan tavan oman ratkaisunsa skaalaukseen. Kehittäjät voivat käyttää moduulia suunnittelun ytimenä lisäämällä siihen ominaisuuksia tai mukauttamalla ratkaisua erilaisia käyttötapauksia varten – ja välttää nollasta aloittamisen.

ADMX2001B-impedanssimittausmoduulin ominaisuuksien ja suorituskyvyn yleiskuvaus

ADMX2001B-impedanssimittausmoduuli yhdistää erittäin tehokkaan sekasignaalipiirin ja edistyneet prosessointialgoritmit tarkkoja impedanssimittauksia varten. Moduuli tarjoaa monipuolisen taajuusalueen DC – 10 MHz sekä korkean mittaustarkkuuden 0,05 %. Se kattaa laajan vastusalueen 100 µΩ – 20 MΩ, kapasitanssin 100 aF – 160 F ja induktanssin 1 nanohenrystä (nH) 1600 henryyn (H). Se voi suorittaa mittauksia 2,7 millisekunnin (ms) nopeudella mittausta kohti ja se tarjoaa 18 impedanssimittausformaattia, jotka sopivat erilaisiin sovelluksiin ja komponenttityyppeihin.

Automaattisten toimintojen, kuten monipiste- ja parametristen pyyhkäisyjen sekä DC-resistanssimittausten ansiosta ADMX2001B voi suorittaa kompleksisia sekvenssejä ja perusteellista komponenttien karakterisointia ilman manuaalisia toimenpiteitä. Automaattiset kalibrointirutiinit, haihtumaton muisti ja kompensointiominaisuudet takaavat mittausten jäljitettävyyden, luotettavuuden ja laitteen loisarvojen eliminoinnin. Moduulin kompakti koko sekä UART-, SPI- ja GPIO-rajapinnat mahdollistavat helpon integroinnin huipputiheisiin testausjärjestelmiin ja kannettaviin laitteisiin. Lisäksi se tukee kehitystä Windows-, macOS-, Linux-, Raspberry Pi- ja Arduino-alustoilla, joten se on mukautettavissa sekä suurempiin järjestelmiin että asiakaskohtaisiin sovelluksiin.

Näiden ominaisuuksien ansiosta moduuli sopii monenlaisiin vaativiin sovelluksiin.

EVAL-ADMX2001EBZ-arviointialustan yleiskuvaus

Kehittäjät voivat käyttää EVAL-ADMX2001EBZ-arviointi- ja koekytkentäalustaa erilaisten ideoiden kokeiluun ADMX2001B-impedanssimittausmoduulilla. Tämä alusta tarjoaa kätevän pääsyn moduulin toimintoihin ja tarjoaa seuraavat ominaisuudet:

• BNC-liittimet, joihin voidaan kytkeä tavalliset induktanssi-, kapasitanssi- ja vastusmittareiden (LCR) testausmittapäät ja laitteet
• UART-rajapinta, jonka ansiosta laite voidaan kytkeä USB-UART-kaapeleilla isäntätietokoneeseen
• laukaisu- ja kellosynkronointisignaalit käytettävissä SMA-liittimien kautta, jotka helpottavat liittämistä standardimallisiin testauslaitteisiin
• Arduino-tyyliset liittimet, joiden avulla käyttäjä voi kehittää sulautettua koodia sellaisille kehityskorteille kuten SDP-K1
• virtaliitin, johon voidaan kytkeä AC/DC-virta-adapterista 5–12 voltin tulojännite.

Arviointialustan päätarkoitus on esitellä LCR-mittareita. Tähän tarvitaan lisälaitteistoa:

• LCR-mittarin tarvikkeet, kuten testilaitteet
• kalibrointitarvikkeet, kuten vakiovastussarjat
• pöytämallinen LCR-mittari esittelylaitteen tulosten tarkastamista varten.

Tämä vaatii myös lisäohjelmistoja:

• ohjaimet virtuaaliselle COM-portille (VCP), jotka saavat USB-laitteen näyttämään ylimääräiseltä COM-portilta, jota PC voi käyttää
• ADI Mbed -koodi, joka mahdollistaa perustoiminnot, kuten kalibroinnin Arm® Mbed -alustan avulla
• TeraTerm tai vastaava terminaaliemulaattori, joka tukee kursorin paikannukseen ja tekstin väriin käytettäviä ANSI escape -koodeja.

EVAL-ADMX2001EBZ-arviointialustan käyttäminen LCR-mittarin esittelyssä

Esittelyn valmistelu on suoraviivainen prosessi. Perusvaiheet ovat seuraavat:

1. Laitteiston asennus (kuva 2):

• Liitä ADMX2001B-moduuli EVAL-ADMX2001EBZ-arviointialustaan.
• Liitä USB-UART-kaapeli (sisältyy toimitukseen) korttiin ja isäntätietokoneeseen.
• Kytke virta mukana toimitetun virta-adapterin avulla.

Kuva 2: Lohkokaavio EVAL-ADMX2001EBZ-arviointialustan asennuksesta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

2. Ohjelmiston asennus:

• Asenna VCP-ajurit.
• Asenna TeraTerm (tai vastaava terminaaliemulaattori).

3. Peruskonfigurointi (kuva 3):

• Avaa terminaaliemulaattori ja luo sarjayhteys.
• Aseta mittausparametrit, kuten taajuus, amplitudi ja esijännite, komentojen avulla.

Kuva 3: Kuvakaappaus ADMX2001B-terminaalirajapinnasta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

4. Kalibrointimenettely:

• ADMX2001B vaatii kolmivaiheisen kalibrointiprosessin.
• Komentojen ”calibrate open”, ”calibrate short” tai ”calibrate rt” syöttämisen jälkeen suunnittelijoiden tulee seurata kehotteita avoimen, oikosulun ja kuorman mittausten suorittamiseksi.
• Parhaat tulokset saadaan käyttämällä korkealaatuisia kalibrointistandardeja.
• Kalibrointikertoimet on tallennettava prosessin jälkeen laitteen sisäiseen haihtumattomaan muistiin.

5. Laitekompensointi:

• Suunnittelijoiden on suoritettava laitekompensointi loisvaikutusten eliminoimiseksi testilaitteita käytettäessä.
• Laiteohjelmiston tarjoamia laitekompensointitoimintoja voidaan käyttää.

6. Tarkastus:

• Kalibroinnin jälkeen suoritetaan mittaukset tunnetuilla standardeilla tarkkuuden varmentamiseksi.

7. Mittaukset:

• Impedanssimittausten suorittamiseen täytyy käyttää komentoa ”z”.
• Mittausformaattia muutetaan komennolla ”display” (esim. ”display 6” impedanssin muuttamiseksi suorakulmaisiin koordinaatteihin).
• Tämän jälkeen suunnittelijat asettavat mittaustilat, mittausalueet ja muut sovelluksen vaatimat parametrit.
• Sellaisilla komennoilla kuten ”average” ja ”count” voidaan konfiguroida useita mittauksia.

Yhteenveto

Impedanssimittauslaitteiden suunnitteluun liittyy merkittäviä haasteita, jotka ulottuvat hankalista piirilevyasetteluista kompleksisiin signaalinkäsittelyohjelmistoihin. Suunnittelijat voivat ohittaa monet näistä haasteista ADI ADMX2001B -moduulin kaltaisella valmiilla SOM-moduulilla. Sen ansiosta he voivat keskittyä omaan uniikkiin lisäarvoonsa, säästää aikaa ja kustannuksia sekä saada suoraviivaisen tavan luoda tulevia johdannaismalleja.