Simplifique o projeto do analisador de impedância de precisão com uma abordagem de sistema sobre módulo

Muitas aplicações exigem medições precisas de impedância, incluindo calibração de painéis sensíveis ao toque, caracterização de semicondutores, aceitação de lâminas de silício e testes de bateria. Os equipamentos de teste automatizados (ATE) para essas aplicações geralmente precisam medir a impedância em uma ampla faixa de frequência com alta precisão e sensibilidade.

O desenvolvimento de um dispositivo de medição de impedância personalizado para essas aplicações envolve vários desafios, inclusive o projeto de hardware, o desenvolvimento de software e os testes. Esses parâmetros requerem grande experiência em processamento de sinais analógicos e digitais e podem causar atrasos que podem comprometer o cronograma e o orçamento de um projeto.

Para contornar esses desafios, os projetistas podem selecionar um sistema sobre módulo (SOM) que pré-integra o hardware e o software essenciais necessários para medições de impedância de alta precisão. Esse módulo permite que os projetistas se concentrem em suas principais competências e no desenvolvimento de aplicações específicas, em vez de se preocuparem com as complexidades da tecnologia de medição de impedância.

Este artigo analisa brevemente os principais requisitos para a medição de impedância em ATE. Em seguida, apresenta um SOM de analisador de impedância adequado da Analog Devices Inc. (ADI) e demonstra como usar o módulo com sua placa de teste associada.

Requisitos para medição de impedância de precisão em ATE

O ATE para aplicações como calibração de painel sensível ao toque, caracterização de semicondutores, aceitação de lâminas e teste de bateria tem requisitos específicos que incluem:

• Capacidade de ampla faixa de frequência, geralmente de menos de 1 hertz (Hz) a megahertz (MHz)
• Alta precisão e consistência, normalmente 0,1% ou melhor
• Alta sensibilidade para medir pequenas alterações de impedância
• Velocidades de medição rápidas para testes de alta taxa de transferência
• A capacidade de lidar com uma ampla gama de valores de impedância, de micro-ohms (µΩ) a megaohms (MΩ)
• Capacidade de varreduras automatizadas e sequências de medição complexas

Vale a pena observar que os requisitos podem variar consideravelmente entre as aplicações. Por exemplo, a calibração do painel sensível ao toque pode exigir sensibilidade a alterações de capacitância na faixa de femtofarad (fF), enquanto a sensibilidade da aceitação de lâminas pode chegar à faixa de attofarad (aF).

Desafios do projeto de medição de impedância de precisão para ATE

O desenvolvimento de ATE para essas aplicações envolve experiência e recursos substanciais, o que pode levar a longos ciclos de desenvolvimento e altos custos de engenharia não recorrentes. Os desafios relacionados ao projeto de medição de impedância personalizada incluem o seguinte:

• Projeto de hardware complexo: A criação de front-ends analógicos de alta precisão capazes de fazer medições exatas em uma ampla faixa de frequência e impedância exige conhecimento especializado em processamento de sinais analógicos e digitais e atenção cuidadosa ao layout da placa de circuito impresso (pci) e aos detalhes de blindagem.
• Desenvolvimento sofisticado de software: A implementação de algoritmos de cálculo, calibração e compensação de impedância é complexa. O suporte a vários formatos de medição e varreduras automatizadas aumenta ainda mais a complexidade.
• Calibração e precisão: Atingir e manter alta precisão em diferentes condições de medição requer procedimentos de calibração sofisticados e técnicas de compensação.

Um módulo de avaliação pré-projetado, como o ADMX2001B da ADI, pode simplificar significativamente esses desafios. Esse SOM integra os principais componentes de um analisador de impedância de precisão em um formato compacto de 38,1 x 63,5 milímetros (mm). Conforme ilustrado na Figura 1, o módulo é conectado à placa de teste EVAL-ADMX2001EBZ, que vem com software de exploração de projeto e prototipagem rápida.

Figura 1: O módulo de medição de impedância ADMX2001B é conectado à placa de teste EVAL-ADMX2001EBZ. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Embora o módulo não seja destinado a projetos de produção, o esquema, a lista de materiais (BOM), os arquivos Gerber e o firmware estão disponíveis. Isso permite que as empresas criem sua própria versão do módulo ou o integrem em um projeto maior. De qualquer forma, o projeto pré-dimensionado elimina muitas tarefas desafiadoras, permitindo que as empresas se concentrem em suas áreas especializadas.

A criação de um módulo é uma opção particularmente interessante, pois oferece aos desenvolvedores um caminho direto e econômico para dimensionar seu projeto. Ao adicionar recursos ou adaptar o projeto para diferentes casos de uso, os desenvolvedores podem manter o módulo como seu núcleo de projeto em vez de começar do zero.

Visão geral dos recursos e do desempenho do ADMX2001B

O ADMX2001B combina circuitos de sinal misto de alto desempenho e algoritmos de processamento avançados para medições precisas de impedância. O módulo oferece uma faixa de frequência versátil de CC a 10 MHz e uma alta precisão de medição de 0,05%. Ele abrange uma ampla faixa de resistência de 100 µΩ a 20 MΩ, capacitância de 100 aF a 160 F e indutância de 1 nanohenry (nH) a 1600 henrys (H). Pode realizar cada medição a uma taxa de 2,7 milissegundos (ms) e oferece 18 formatos de medição de impedância que atendem a várias aplicações e tipos de componentes.

Os recursos automatizados, incluindo varreduras multiponto e paramétricas e medições de resistência CC, permitem que o ADMX2001B execute sequências complexas e caracterização completa de componentes sem intervenção manual. As rotinas de calibração automatizadas, a memória não volátil e os recursos de compensação garantem a rastreabilidade e a confiabilidade da medida, além da eliminação de efeitos parasitas. O tamanho compacto do módulo com interfaces UART, SPI e GPIO permite fácil integração em sistemas de teste de alta densidade e equipamentos portáteis. Além disso, oferece suporte ao desenvolvimento nas plataformas Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi e Arduino, o que o torna adaptável a sistemas maiores ou aplicações personalizadas.

Esses recursos tornam o módulo adequado para uma ampla variedade de aplicações exigentes.

Visão geral da placa de teste EVAL-ADMX2001EBZ

Os desenvolvedores podem usar a placa breakout de avaliação e desenvolvimento EVAL-ADMX2001EBZ para explorar ideias de projeto com o ADMX2001B. Essa placa fornece acesso conveniente à funcionalidade do módulo e aos recursos:

• Conectores BNC que podem fazer interface com sondas e acessórios de teste de medidores comuns de indutância, capacitância e resistência (LCR)
• Interface UART que pode ser usada com cabos USB para UART para fazer a interface com o PC host
• Sinais de sincronização de gatilho e clock disponíveis por meio de conectores SMA que simplificam a conexão com equipamentos de teste padrão
• Barras de pinos no estilo Arduino que permitem ao usuário desenvolver código embarcado com placas como a SDP-K1
• Um jack de alimentação que aceita várias tensões de entrada de adaptadores de energia CA/CC que podem fornecer de 5 volts a +12 volts

O objetivo principal da placa de teste é fornecer uma demonstração do medidor de LCR. Para realizar essa demonstração, é necessário hardware adicional:

• Acessórios para medidores de LCR, como dispositivos de teste
• Acessórios de calibração, como conjuntos de resistores padrão
• Um medidor de LCR de bancada para verificação dos resultados da demonstração

A demonstração também requer software adicional:

• Drivers de porta COM virtual (VCP) que fazem com que o dispositivo USB apareça como uma porta COM adicional disponível para o PC
• Código Mbed da ADI que permite operações básicas, como calibração, usando a plataforma Arm® Mbed
• TeraTerm ou emuladores de terminal semelhantes que suportam códigos de escape ANSI usados para posicionamento do cursor e cor do texto

Usando a EVAL-ADMX2001EBZ para uma demonstração de medidor de LCR

A configuração da demonstração é um processo simples. As etapas básicas são as seguintes:

1. Instalação do hardware (Figura 2):

• Conecte o módulo ADMX2001B à placa de teste EVAL-ADMX2001EBZ.
• Conecte o cabo USB para UART (incluído) à placa e ao computador host.
• Ligue a alimentação usando o adaptador de energia incluído.

Figura 2: É mostrado um diagrama de blocos da instalação da placa de teste EVAL-ADMX2001EBZ. (Fonte da imagem: Analog Devices)

2. Instalação do software:

• Instale os drivers VCP.
• Instale o TeraTerm (ou um emulador de terminal semelhante).

3. Configuração básica (Figura 3):

• Abra o emulador de terminal e configure uma conexão serial.
• Use comandos para definir parâmetros de medição, como frequência, amplitude e polarização.

Figura 3: É mostrada uma captura de tela da interface do terminal ADMX2001B. (Fonte da imagem: Analog Devices)

4. Procedimento de calibração:

• O ADMX2001B requer um processo de calibração em três etapas.
• Depois de usar os comandos "calibrate open", "calibrate short" ou "calibrate rt", os projetistas devem seguir as instruções para realizar medições de circuito em aberto, curto e com carga, respectivamente.
• Padrões de calibração de alta qualidade devem ser usados para obter os melhores resultados.
• Após o processo, os coeficientes de calibração devem ser salvos na memória não volátil da placa.

5. Compensação de acessórios:

• Os projetistas devem realizar a compensação de acessórios para eliminar os efeitos parasitas ao usar dispositivos de teste.
• As funções de compensação de acessórios fornecidas no firmware podem ser usadas.

6. Verificação:

• Após a calibração, as medições são realizadas usando padrões conhecidos para verificar a precisão.

7. Medidas:

• O comando "z" deve ser usado para realizar medições de impedância.
• Para alterar o formato de medição, "display" é usado (por exemplo, "display 6" para impedância em coordenadas retangulares).
• Em seguida, os projetistas definem os modos de medição, faixas e outros parâmetros conforme necessário para a aplicação.
• Comandos como "average" (média) e "count" (contagem) podem configurar várias medições.

Conclusão

O projeto de equipamentos de medição de impedância envolve desafios significativos de engenharia, desde layouts complicados de pci até softwares complexos de processamento de sinais. Usando um SOM pré-dimensionado, como o ADMX2001B da ADI, os projetistas podem ignorar muitas dessas complexidades. Isso permite que eles se concentrem em seu valor exclusivo e, ao mesmo tempo, economizem tempo e custos e forneçam um caminho direto para a criação de futuros projetos derivados.