Simplifique el diseño de analizadores de impedancia de precisión con un enfoque de Sistema en módulo

Muchas aplicaciones requieren mediciones precisas de la impedancia, como la calibración de paneles táctiles, la caracterización de semiconductores, la aceptación de obleas y las pruebas de baterías. Los equipos de pruebas automatizados (ATE) para estas aplicaciones suelen tener que medir la impedancia en una amplia gama de frecuencias con gran precisión y sensibilidad.

El desarrollo de un dispositivo de medición de la impedancia personalizado para estas aplicaciones implica numerosos retos, como el diseño del hardware, el desarrollo del software y las pruebas. Estos parámetros exigen grandes conocimientos de procesamiento de señales analógicas y digitales y pueden provocar retrasos que pongan en peligro el calendario y el presupuesto de un proyecto.

Para superar estas dificultades, los diseñadores pueden elegir un sistema en módulo (SOM) que preintegre el hardware y el software necesarios para realizar mediciones de impedancia de alta precisión. Este módulo permite a los diseñadores centrarse en sus competencias básicas y en el desarrollo de aplicaciones específicas, en lugar de en los entresijos de la tecnología de medición de la impedancia.

Este artículo repasa brevemente los requisitos clave para la medición de la impedancia en ATE. A continuación, presenta un analizador de impedancia SOM adecuado de Analog Devices Inc. (ADI) y demuestra cómo utilizar el módulo con su placa de evaluación asociada.

Requisitos para la medición precisa de la impedancia en ATE

ATE para aplicaciones como calibración de paneles táctiles, caracterización de semiconductores, aceptación de obleas y pruebas de baterías tiene requisitos específicos que incluyen:

• Amplia gama de frecuencias, a menudo desde menos de 1 hertzio (Hz) hasta megahertzios (MHz).
• Alta precisión y consistencia, normalmente 0.1% o mejor
• Alta sensibilidad para medir pequeños cambios de impedancia
• Mediciones rápidas para pruebas de alto rendimiento
• La capacidad de manejar un amplio rango de/una amplia gama de valores de impedancia, desde microohmios (µΩ) hasta megaohmios (MΩ).
• Barridos automatizados y secuencias de medición complejas

Cabe señalar que los requisitos pueden variar considerablemente de una aplicación a otra. Por ejemplo, la calibración de paneles táctiles puede requerir una sensibilidad a los cambios de capacitancia en el rango de los femtofaradios (fF), mientras que la sensibilidad de aceptación de obleas puede alcanzar el rango de los attofaradios (aF).

Retos del diseño de la medición de impedancia de precisión para ATE

El desarrollo de ATE para estas aplicaciones requiere conocimientos y recursos considerables, lo que puede dar lugar a largos ciclos de desarrollo y elevados costes de ingeniería no recurrentes. Entre los retos relacionados con el diseño personalizado de mediciones de impedancia se incluyen los siguientes:

• Diseño de hardware complejo: La creación de front-ends analógicos de alta precisión capaces de realizar mediciones exactas en una amplia gama de frecuencias e impedancias requiere conocimientos especializados en el procesamiento de señales analógicas y digitales y una cuidadosa atención al diseño de la placa de circuito impreso (pc board) y a los detalles de blindaje.
• Sofisticado desarrollo de software: La implementación de algoritmos de cálculo, calibración y compensación de impedancias es compleja. La compatibilidad con múltiples formatos de medición y barridos automatizados añade más complejidad.
• Calibración y precisión: Conseguir y mantener una alta precisión en diferentes condiciones de medición requiere sofisticados procedimientos de calibración y técnicas de compensación.

Un módulo de evaluación prediseñado como el ADMX2001B de ADI puede simplificar significativamente estos retos. Este SOM integra los principales componentes de un analizador de impedancias de precisión en un tamaño compacto de 1.5 x 2.5 pulgadas (in). Como se ilustra en la Figura 1, el módulo se conecta a la placa de evaluación EVAL-ADMX2001EBZ, que incluye software de exploración de diseños y prototipado rápido.

Figura 1: El módulo de medición de impedancia ADMX2001B se conecta a la placa de evaluación EVAL-ADMX2001EBZ. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Aunque el módulo no está pensado para diseños de producción, el esquema, la lista de materiales (BOM), los archivos Gerber y el firmware están disponibles. Esto permite a las empresas crear su propia versión del módulo o integrarlo en un diseño más amplio. En cualquier caso, el diseño prediseñado descarga a las empresas de muchas tareas difíciles, permitiéndoles centrarse en sus áreas de especialización.

La creación de un módulo es una opción especialmente interesante, ya que ofrece a los desarrolladores una vía sencilla y rentable para ampliar su diseño. Al agregar características o adaptar el diseño a diferentes casos de uso, los desarrolladores pueden conservar el módulo como núcleo de diseño en lugar de empezar desde cero.

Características y prestaciones del ADMX2001B

El ADMX2001B combina circuitos de señal mixta de alto rendimiento y algoritmos de procesamiento avanzados para realizar mediciones de impedancia precisas. El módulo ofrece un versátil rango de frecuencias de CC a 10 MHz y una elevada precisión de medida del 0.05%. Abarca una amplia gama de resistencias de 100 µΩ a 20 MΩ, capacitancias de 100 aF a 160 F e inductancias de 1 nanohenrio (nH) a 1600 henrios (H). Puede realizar mediciones a una velocidad de 2.7 milisegundos (ms) por medición y ofrece 18 formatos de medición de impedancia que se adaptan a diversas aplicaciones y tipos de componentes.

Las características de automatización, como los barridos multipunto y paramétricos y las mediciones de resistencia de CC, permiten al ADMX2001B realizar secuencias complejas y una caracterización exhaustiva de los componentes sin intervención manual. Las rutinas de calibración automatizadas, la memoria no volátil y las características de compensación garantizan la trazabilidad de las mediciones, la fiabilidad y la eliminación de las parásitas de los dispositivos. El tamaño compacto del módulo con interfaces UART, SPI y GPIO permite una fácil integración en sistemas de pruebas de alta densidad y equipos portátiles. Además, admite el desarrollo en plataformas Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi y Arduino, por lo que es adaptable a sistemas más grandes o aplicaciones personalizadas.

Estas capacidades hacen que el módulo sea adecuado para una amplia variedad de aplicaciones exigentes.

Visión general de la placa de evaluación EVAL-ADMX2001EBZ

Los desarrolladores pueden utilizar la placa de evaluación y desarrollo EVAL-ADMX2001EBZ para explorar ideas de diseño con el ADMX2001B. Esta placa permite acceder cómodamente a las funciones y características del módulo:

• Conectores de BNC que pueden conectarse a sondas y dispositivos de prueba de medidores comunes de inductancia, capacitancia y resistencia (LCR).
• Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) que se puede utilizar con cables USB a UART para conectarse al PC.
• Señales de disparo y sincronización de reloj disponibles a través de conectores SMA que simplifican la conexión a equipos de prueba estándar.
• Cabeceras estilo Arduino que permiten al usuario desarrollar código embebido con placas como la SDP-K1.
• Un conector de alimentación que acepta varios voltajes de entrada de adaptadores de corriente CA/CC que pueden suministrar de 5 voltios a +12 voltios.

El objetivo principal de la placa de evaluación es proporcionar una demostración de medidores de LCR. Para realizar esta demostración, se necesita hardware adicional:

• Accesorios para medidores de LCR, como bancos de pruebas
• Accesorios de calibración, como juegos de resistencias estándar
• Un medidor LCR de sobremesa para verificar los resultados de la demostración

La demo también requiere software adicional:

• Controladores de puerto COM virtual (VCP) que hacen que el dispositivo USB aparezca como un puerto COM adicional disponible para el PC.
• Código Mbed de ADI que permite operaciones básicas como la calibración utilizando la plataforma Arm® Mbed.
• TeraTerm o emuladores de terminal similares que admitan códigos de escape ANSI utilizados para el posicionamiento del cursor y el color del texto.

Uso del EVAL-ADMX2001EBZ para una demostración de medidores de LCR

Configurar la demo es un proceso sencillo. Los pasos básicos son los siguientes:

1) Configuración del hardware (Figura 2):

• Conecta el módulo ADMX2001B a la placa de evaluación EVAL-ADMX2001EBZ.
• Conecte el cable USB a UART (incluido) a la placa y a la computadora.
• Enchúfalo con el adaptador de corriente incluido.

Figura 2: Se muestra un diagrama de bloques de la configuración de la placa de evaluación EVAL-ADMX2001EBZ. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

2. Configuración del software:

• Instale los controladores del puerto COM virtual (VCP).
• Instale TeraTerm (o un emulador de terminal similar).

3. Configuración básica (Figura 3):

• Abra el emulador de terminal y establezca una conexión serie.
• Utilice comandos para ajustar parámetros de medición como la frecuencia, la amplitud y la polarización.

Figura 3: Se muestra una captura de pantalla de la interfaz del terminal ADMX2001B. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

4. Procedimiento de calibración:

• El ADMX2001B requiere un proceso de calibración en tres pasos.
• Tras utilizar los comandos "calibración abierta", "calibración corta" o "calibración rt", los diseñadores deben seguir las indicaciones para realizar las mediciones de abierto, corto y carga, respectivamente.
• Deben utilizarse patrones de calibración de alta calidad para obtener los mejores resultados.
• Tras el proceso, los coeficientes de calibración deben guardarse en la memoria no volátil integrada.

5. Compensación de la fijación:

• Los diseñadores deben realizar una compensación de los dispositivos para eliminar los efectos parásitos al utilizar dispositivos de prueba.
• Se pueden utilizar las funciones de compensación de fijos incluidas en el firmware.

6. Verificación:

• Tras la calibración, se realizan mediciones utilizando patrones conocidos para verificar la precisión.

7. Medidas:

• El comando "z" debe utilizarse para realizar mediciones de impedancia.
• Para cambiar el formato de medición, se utiliza "display" (por ejemplo, "display 6" para la impedancia en coordenadas rectangulares).
• A continuación, los diseñadores configuran los modos de medición, los rangos y otros parámetros necesarios para la aplicación.
• Comandos como "promedio" y "recuento" pueden configurar múltiples mediciones.

Conclusión:

El diseño de equipos de medición de la impedancia implica importantes retos de ingeniería, desde complicados diseños de placas de PC hasta complejos programas informáticos de procesamiento de señales. Con un SOM prediseñado como el ADMX2001B de ADI, los diseñadores pueden saltarse muchas de estas complejidades. Esto les permite centrarse en su valor único al tiempo que ahorran tiempo y costes y les proporciona una vía directa para crear futuros diseños derivados.