作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

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(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、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(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)計有關(guān)的挑戰(zhàn)包括以下方面：

• 復(fù)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(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(yù)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(xiàng)，它為開發(fā)人員提供了一個直接的、經(jīng)濟(jì)高效的途徑來擴(kuò)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(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(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)計人員在使用測試夾具時必須進(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(yán)峻的設(shè)計挑戰(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 SOM，設(shè)計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。

審核編輯 黃宇