【導(dǎo)讀】許多應(yīng)用都要求準(zhǔn)確的阻抗測量，這些應(yīng)用包括觸摸屏校準(zhǔn)、半導(dǎo)體表征、晶圓驗(yàn)收和電池測試。用于這些應(yīng)用的自動(dòng)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(gè)寬頻范圍內(nèi)的阻抗。
許多應(yīng)用都要求準(zhǔn)確的阻抗測量，這些應(yīng)用包括觸摸屏校準(zhǔn)、半導(dǎo)體表征、晶圓驗(yàn)收和電池測試。用于這些應(yīng)用的自動(dòng)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(gè)寬頻范圍內(nèi)的阻抗。
為這些應(yīng)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(jì)、軟件開發(fā)和測試。這些參數(shù)要求設(shè)計(jì)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(jìn)而影響項(xiàng)目的進(jìn)度和預(yù)算。
為了規(guī)避這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以選擇預(yù)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(jì)人員就能專注于其核心能力和特定應(yīng)用的開發(fā)，而不是解決阻抗測量技術(shù)的復(fù)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(zhǔn)、半導(dǎo)體表征、晶圓驗(yàn)收和電池測試等應(yīng)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(jìn)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(dòng)掃描和復(fù)雜測量序列功能
值得注意的是，不同應(yīng)用之間的要求可能差別很大。例如，觸摸屏校準(zhǔn)可能需要飛法拉 (fF) 范圍內(nèi)的電容變化靈敏度，而晶圓驗(yàn)收靈敏度可達(dá)阿法拉 (aF) 范圍。
ATE 的精密阻抗測量設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)
為這些應(yīng)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(fù)性工程成本高。與定制阻抗測量設(shè)計(jì)有關(guān)的挑戰(zhàn)包括以下方面：
· 復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì)：創(chuàng)建能夠在寬頻率和寬阻抗范圍內(nèi)進(jìn)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(xì)關(guān)注印刷電路板（PC 板）布局和屏蔽細(xì)節(jié)。
· 復(fù)雜的軟件開發(fā)：阻抗計(jì)算、校準(zhǔn)和補(bǔ)償算法的實(shí)施非常復(fù)雜。支持多種測量格式和自動(dòng)掃描，進(jìn)一步增加了復(fù)雜性。
· 校準(zhǔn)和精確度：要在不同的測量條件下達(dá)到并保持高精確度，需要復(fù)雜的校準(zhǔn)程序和補(bǔ)償技術(shù)。
諸如 ADI 的 ADMX2001B 等預(yù)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)，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(jì)中。無論哪種方式，預(yù)設(shè)計(jì)都能讓設(shè)計(jì)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(gè)特別有趣的選項(xiàng)，它為開發(fā)人員提供了一個(gè)直接的、經(jīng)濟(jì)高效的途徑來擴(kuò)展設(shè)計(jì)。在增加功能或針對不同的使用案例調(diào)整設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)人員可以將模塊保留為設(shè)計(jì)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(jìn)的處理算法，可實(shí)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(dá) 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(jìn)行測量，并提供 18 種阻抗測量格式，以滿足各種不同的應(yīng)用和元器件類型的需要。
ADMX2001B 具有自動(dòng)功能，包括多點(diǎn)和參數(shù)掃描以及直流電阻測量，因此無需人工干預(yù)即可執(zhí)行復(fù)雜的序列和全面的元器件表征。自動(dòng)校準(zhǔn)程序、非易失性存儲器和補(bǔ)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(jìn)行開發(fā)，因此可適用于更大的系統(tǒng)或定制應(yīng)用程序。
這些功能使該模塊可用于各種要求苛刻的應(yīng)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(jì)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(jī)電腦
· 通過 SMA 連接器提供觸發(fā)和時(shí)鐘同步信號，簡化了與標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)附件，如標(biāo)準(zhǔn)電阻器組
· 臺式 LCR 測量儀：用于驗(yàn)證演示結(jié)果
演示時(shí)還需要其他軟件：
· 虛擬 COM 端口 (VCP) 驅(qū)動(dòng)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(jì)人員使用 Arm? Mbed 平臺進(jìn)行校準(zhǔn)等基本操作
· TeraTerm 或類似終端模擬器：支持用于光標(biāo)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(jī)。
· 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(dòng)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(zhǔn)程序：
· ADMX2001B 需要三步校準(zhǔn)程序。
· 使用“校準(zhǔn)開路”、“校準(zhǔn)短路”或“校準(zhǔn) rt”指令后，設(shè)計(jì)人員必須按照提示分別執(zhí)行開路、短路和負(fù)載測量。
· 為了獲得最佳結(jié)果，必須執(zhí)行高質(zhì)量的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。
· 校準(zhǔn)過程結(jié)束后，必須將校準(zhǔn)系數(shù)保存到板載非易失性存儲器中。
5.夾具補(bǔ)償：
· 設(shè)計(jì)人員在使用測試夾具時(shí)必須進(jìn)行夾具補(bǔ)償，以消除寄生效應(yīng)。
· 可以使用固件中提供的夾具補(bǔ)償功能。
6.驗(yàn)證：
· 校準(zhǔn)結(jié)束后，使用已知標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量，以驗(yàn)證準(zhǔn)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(biāo)阻抗）。
· 然后，設(shè)計(jì)人員根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)置測量模式、量程和其他參數(shù)。
· “平均”和“計(jì)數(shù)”等命令可以配置多個(gè)測量值。
結(jié)束語
設(shè)計(jì)阻抗測量設(shè)備會面臨各種嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，從棘手的電路板布局到復(fù)雜的信號處理軟件，不一而足。使用類似 ADI 的 ADMX2001B 預(yù)設(shè)計(jì) SOM，設(shè)計(jì)人員可以忽略許多復(fù)雜的問題。這使他們能夠?qū)Ｗ⒂谧约旱莫?dú)特價(jià)值，同時(shí)節(jié)省時(shí)間和成本，并為未來的衍生設(shè)計(jì)提供一條直接的途徑。
（作者：Kenton Williston）
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