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來源：DigiKey 作者：Kenton Williston 許多應用都要求準確的阻抗測量，這些應用包括觸摸屏校準、半導體表征、晶圓驗收和電池測試。用于這些應用的自動測試設(shè)備 (ATE) 通常需要以高精確度、高靈敏度的方式測量某個寬頻范圍內(nèi)的阻抗。 為這些應用開發(fā)定制型阻抗測量設(shè)備會面臨諸多挑戰(zhàn)，包括硬件設(shè)計、軟件開發(fā)和測試。這些參數(shù)要求設(shè)計人員擁有大量的模擬和數(shù)字信號處理專業(yè)知識，并且可能會造成延誤，進而影響項目的進度和預算。 為了規(guī)避這些挑戰(zhàn)，設(shè)計人員可以選擇預先集成了高精度阻抗測量所需的關(guān)鍵硬件和軟件的系統(tǒng)級模塊 (SOM)。有了這種模塊，設(shè)計人員就能專注于其核心能力和特定應用的開發(fā)，而不是解決阻抗測量技術(shù)的復雜性問題。 本文簡要回顧了 ATE 中阻抗測量的關(guān)鍵要求。然后介紹 Analog Devices (ADI) 推出的一款合適的阻抗分析儀 SOM，并演示如何將該模塊與相關(guān)評估板配套使用。 ATE 的精密阻抗測量要求 用于觸摸屏校準、半導體表征、晶圓驗收和電池測試等應用的 ATE 有一些特殊要求，具體包括： · 頻率范圍寬：通常從低于 1 Hz 到 MHz · 高精確度和一致性：通常為 0.1% 或更高 · 高靈敏度：可測量微小的阻抗變化 · 快速測量：可進行高吞吐量測試 · 能夠處理從微歐 (µΩ) 到兆歐 (MΩ) 的各種阻抗值 · 自動掃描和復雜測量序列功能 值得注意的是，不同應用之間的要求可能差別很大。例如，觸摸屏校準可能需要飛法拉 (fF) 范圍內(nèi)的電容變化靈敏度，而晶圓驗收靈敏度可達阿法拉 (aF) 范圍。 ATE 的精密阻抗測量設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn) 為這些應用開發(fā) ATE 需要大量的專業(yè)知識和資源，因此開發(fā)周期長，非重復性工程成本高。與定制阻抗測量設(shè)計有關(guān)的挑戰(zhàn)包括以下方面： · 復雜的硬件設(shè)計：創(chuàng)建能夠在寬頻率和寬阻抗范圍內(nèi)進行精確測量的高精度模擬前端就需要模擬和數(shù)字信號處理方面的專業(yè)知識，并要求仔細關(guān)注印刷電路板（PC 板）布局和屏蔽細節(jié)。 · 復雜的軟件開發(fā)：阻抗計算、校準和補償算法的實施非常復雜。支持多種測量格式和自動掃描，進一步增加了復雜性。 · 校準和精確度：要在不同的測量條件下達到并保持高精確度，需要復雜的校準程序和補償技術(shù)。 諸如 ADI 的 ADMX2001B 等預設(shè)計評估模塊可以大大簡化這些挑戰(zhàn)。該 SOM 將精密阻抗分析儀的主要組件集成在 1.5 x 2.5 英寸 (in.) 的小巧封裝中。如圖 1 所示，該模塊可插入 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板。該評估板附帶設(shè)計探索和快速原型開發(fā)軟件。 
圖 1：ADMX2001B 阻抗測量模塊插入 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板。（圖片來源：Analog Devices） 盡管該模塊并非用于生產(chǎn)設(shè)計，但其原理圖、物料清單 (BOM)、Gerber 文件和固件均可提供。這樣，公司就可以構(gòu)建自己的模塊版本，或?qū)⑵浼傻礁蟮脑O(shè)計中。無論哪種方式，預設(shè)計都能讓設(shè)計人員省去許多挑戰(zhàn)性任務(wù)，使公司能夠?qū)Ｗ⒂谧约旱膶I(yè)領(lǐng)域。 模塊構(gòu)建是一個特別有趣的選項，它為開發(fā)人員提供了一個直接的、經(jīng)濟高效的途徑來擴展設(shè)計。在增加功能或針對不同的使用案例調(diào)整設(shè)計時，開發(fā)人員可以將模塊保留為設(shè)計核心，而不必從頭開始。 ADMX2001B 功能和性能概述 ADMX2001B 結(jié)合了高性能混合信號電路和先進的處理算法，可實現(xiàn)精確的阻抗測量。該模塊的頻率范圍為從直流到 10 MHz，測量精確度可達 0.05%。該模塊的電阻范圍從 100 µΩ 到 20 MΩ，電容范圍從 100 aF 到 160 F，電感范圍從 1 納亨 (nH) 到 1600 亨利 (H)。該模塊能以每次 2.7 毫秒 (ms) 的速度進行測量，并提供 18 種阻抗測量格式，以滿足各種不同的應用和元器件類型的需要。 ADMX2001B 具有自動功能，包括多點和參數(shù)掃描以及直流電阻測量，因此無需人工干預即可執(zhí)行復雜的序列和全面的元器件表征。自動校準程序、非易失性存儲器和補償功能確保了測量的可追溯性、可靠性，并消除了夾具寄生現(xiàn)象。該模塊體積小巧，采用 UART、SPI 和 GPIO 接口，可輕松集成到高密度測試系統(tǒng)和便攜式設(shè)備中。此外，該模塊還支持在 Windows、macOS、Linux、Raspberry Pi 和 Arduino 平臺上進行開發(fā)，因此可適用于更大的系統(tǒng)或定制應用程序。 這些功能使該模塊可用于各種要求苛刻的應用。 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板概述 開發(fā)人員可以使用 EVAL-ADMX2001EBZ 評估和開發(fā)分線板來探索 ADMX2001B 的設(shè)計思路。通過該電路板可以方便地訪問模塊的功能和特性： · BNC 連接器：可與常見的電感、電容、電阻 (LCR) 測量儀的測試探頭和夾具連接 · UART 接口：可與 USB 轉(zhuǎn) UART 電纜配合使用，連接主機電腦 · 通過 SMA 連接器提供觸發(fā)和時鐘同步信號，簡化了與標準測試設(shè)備的連接 · Arduino 樣式針座：讓用戶使用 SDP-K1 等電路板開發(fā)嵌入式代碼 · 電源插孔：可接受來自 AC/DC 電源適配器的各種輸入電壓，可提供 5 V 至 +12 V 電壓 評估板主要用于演示 LCR 測量儀。要進行演示，還需要一些其他硬件： · LCR 測量儀附件，如測試夾具 · 校準附件，如標準電阻器組 · 臺式 LCR 測量儀：用于驗證演示結(jié)果 演示時還需要其他軟件： · 虛擬 COM 端口 (VCP) 驅(qū)動程序：將 USB 設(shè)備顯示為 PC 可用的額外 COM 端口 · ADI Mbed 代碼：讓設(shè)計人員使用 Arm® Mbed 平臺進行校準等基本操作 · TeraTerm 或類似終端模擬器：支持用于光標定位和文本顏色的 ANSI 轉(zhuǎn)義碼 使用 EVAL-ADMX2001EBZ 演示 LCR 測量儀 演示程序的設(shè)置非常簡單。基本步驟如下： 1.硬件設(shè)置（圖 2）： · 將 ADMX2001B 模塊連接到 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板。 · 將 USB 轉(zhuǎn) UART 電纜（附帶）連接到電路板和主機。 · 使用隨附的電源適配器接通電源。
圖 2：所示為 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板設(shè)置框圖。（圖片來源：Analog Devices） 2.軟件設(shè)置： · 安裝 VCP 驅(qū)動程序。 · 安裝 TeraTerm（或類似的終端模擬器）。 3.基本配置（圖 3）： · 打開終端模擬器，建立串行連接。 · 使用指令設(shè)置頻率、振幅和偏置等測量參數(shù)。
圖 3：所示為 ADMX2001B 端子接口。（圖片來源：Analog Devices） 4.校準程序： · ADMX2001B 需要三步校準程序。 · 使用“校準開路”、“校準短路”或“校準 rt”指令后，設(shè)計人員必須按照提示分別執(zhí)行開路、短路和負載測量。 · 為了獲得最佳結(jié)果，必須執(zhí)行高質(zhì)量的校準標準。 · 校準過程結(jié)束后，必須將校準系數(shù)保存到板載非易失性存儲器中。 5.夾具補償： · 設(shè)計人員在使用測試夾具時必須進行夾具補償，以消除寄生效應。 · 可以使用固件中提供的夾具補償功能。 6.驗證： · 校準結(jié)束后，使用已知標準進行測量，以驗證準確性。 7.測量： · 必須使用“Z”命令才能執(zhí)行阻抗測量。 · 要更改測量格式，可使用“顯示”（例如，“display 6”表示矩形坐標阻抗）。 · 然后，設(shè)計人員根據(jù)應用需要設(shè)置測量模式、量程和其他參數(shù)。 · “平均”和“計數(shù)”等命令可以配置多個測量值。 結(jié)束語 設(shè)計阻抗測量設(shè)備會面臨各種嚴峻的設(shè)計挑戰(zhàn)，從棘手的電路板布局到復雜的信號處理軟件，不一而足。使用類似 ADI 的 ADMX2001B 預設(shè)計 SOM，設(shè)計人員可以忽略許多復雜的問題。這使他們能夠?qū)Ｗ⒂谧约旱莫毺貎r值，同時節(jié)省時間和成本，并為未來的衍生設(shè)計提供一條直接的途徑。 |
