采用系统级模块方法简化精密阻抗分析仪的设计

作者：Kenton Williston

许多应用都要求准确的阻抗测量，这些应用包括触摸屏校准、半导体表征、晶圆验收和电池测试。用于这些应用的自动测试设备 (ATE) 通常需要以高精确度、高灵敏度的方式测量某个宽频范围内的阻抗。

为这些应用开发定制型阻抗测量设备会面临诸多挑战，包括硬件设计、软件开发和测试。这些参数要求设计人员拥有大量的模拟和数字信号处理专业知识，并且可能会造成延误，进而影响项目的进度和预算。

为了规避这些挑战，设计人员可以选择预先集成了高精度阻抗测量所需的关键硬件和软件的系统级模块 (SOM)。有了这种模块，设计人员就能专注于其核心能力和特定应用的开发，而不是解决阻抗测量技术的复杂性问题。

本文简要回顾了 ATE 中阻抗测量的关键要求。然后介绍 Analog Devices (ADI) 推出的一款合适的阻抗分析仪 SOM，并演示如何将该模块与相关评估板配套使用。

ATE 的精密阻抗测量要求

用于触摸屏校准、半导体表征、晶圆验收和电池测试等应用的 ATE 有一些特殊要求，具体包括：

· 频率范围宽：通常从低于 1 Hz 到 MHz
· 高精确度和一致性：通常为 0.1% 或更高
· 高灵敏度：可测量微小的阻抗变化
· 快速测量：可进行高吞吐量测试
· 能够处理从微欧 (µΩ) 到兆欧 (MΩ) 的各种阻抗值
· 自动扫描和复杂测量序列功能

值得注意的是，不同应用之间的要求可能差别很大。例如，触摸屏校准可能需要飞法拉 (fF) 范围内的电容变化灵敏度，而晶圆验收灵敏度可达阿法拉 (aF) 范围。

ATE 的精密阻抗测量设计所面临的挑战

为这些应用开发 ATE 需要大量的专业知识和资源，因此开发周期长，非重复性工程成本高。与定制阻抗测量设计有关的挑战包括以下方面：

· 复杂的硬件设计：创建能够在宽频率和宽阻抗范围内进行精确测量的高精度模拟前端就需要模拟和数字信号处理方面的专业知识，并要求仔细关注印刷电路板（PC 板）布局和屏蔽细节。
· 复杂的软件开发：阻抗计算、校准和补偿算法的实施非常复杂。支持多种测量格式和自动扫描，进一步增加了复杂性。
· 校准和精确度：要在不同的测量条件下达到并保持高精确度，需要复杂的校准程序和补偿技术。

诸如 ADI 的 ADMX2001B 等预设计评估模块可以大大简化这些挑战。该 SOM 将精密阻抗分析仪的主要组件集成在 1.5 x 2.5 英寸 (in.) 的小巧封装中。如图 1 所示，该模块可插入 EVAL-ADMX2001EBZ 评估板。该评估板附带设计探索和快速原型开发软件。

图 1：ADMX2001B 阻抗测量模块插入 EVAL-ADMX2001EBZ 评估板。（图片来源：Analog Devices）

尽管该模块并非用于生产设计，但其原理图、物料清单 (BOM)、Gerber 文件和固件均可提供。这样，公司就可以构建自己的模块版本，或将其集成到更大的设计中。无论哪种方式，预设计都能让设计人员省去许多挑战性任务，使公司能够专注于自己的专业领域。

模块构建是一个特别有趣的选项，它为开发人员提供了一个直接的、经济高效的途径来扩展设计。在增加功能或针对不同的使用案例调整设计时，开发人员可以将模块保留为设计核心，而不必从头开始。

ADMX2001B 功能和性能概述

ADMX2001B 结合了高性能混合信号电路和先进的处理算法，可实现精确的阻抗测量。该模块的频率范围为从直流到 10 MHz，测量精确度可达 0.05%。该模块的电阻范围从 100 µΩ 到 20 MΩ，电容范围从 100 aF 到 160 F，电感范围从 1 纳亨 (nH) 到 1600 亨利 (H)。该模块能以每次 2.7 毫秒 (ms) 的速度进行测量，并提供 18 种阻抗测量格式，以满足各种不同的应用和元器件类型的需要。

ADMX2001B 具有自动功能，包括多点和参数扫描以及直流电阻测量，因此无需人工干预即可执行复杂的序列和全面的元器件表征。自动校准程序、非易失性存储器和补偿功能确保了测量的可追溯性、可靠性，并消除了夹具寄生现象。该模块体积小巧，采用 UART、SPI 和 GPIO 接口，可轻松集成到高密度测试系统和便携式设备中。此外，该模块还支持在 Windows、macOS、Linux、Raspberry Pi 和 Arduino 平台上进行开发，因此可适用于更大的系统或定制应用程序。

这些功能使该模块可用于各种要求苛刻的应用。

EVAL-ADMX2001EBZ 评估板概述

开发人员可以使用 EVAL-ADMX2001EBZ 评估和开发分线板来探索 ADMX2001B 的设计思路。通过该电路板可以方便地访问模块的功能和特性：

· BNC 连接器：可与常见的电感、电容、电阻 (LCR) 测量仪的测试探头和夹具连接
· UART 接口：可与 USB 转 UART 电缆配合使用，连接主机电脑
· 通过 SMA 连接器提供触发和时钟同步信号，简化了与标准测试设备的连接
· Arduino 样式针座：让用户使用 SDP-K1 等电路板开发嵌入式代码
· 电源插孔：可接受来自 AC/DC 电源适配器的各种输入电压，可提供 5 V 至 +12 V 电压

评估板主要用于演示 LCR 测量仪。要进行演示，还需要一些其他硬件：

· LCR 测量仪附件，如测试夹具
· 校准附件，如标准电阻器组
· 台式 LCR 测量仪：用于验证演示结果

演示时还需要其他软件：

· 虚拟 COM 端口 (VCP) 驱动程序：将 USB 设备显示为 PC 可用的额外 COM 端口
· ADI Mbed 代码：让设计人员使用 Arm® Mbed 平台进行校准等基本操作
· TeraTerm 或类似终端模拟器：支持用于光标定位和文本颜色的 ANSI 转义码

使用 EVAL-ADMX2001EBZ 演示 LCR 测量仪

演示程序的设置非常简单。基本步骤如下：

1.硬件设置（图 2）：

· 将 ADMX2001B 模块连接到 EVAL-ADMX2001EBZ 评估板。
· 将 USB 转 UART 电缆（附带）连接到电路板和主机。
· 使用随附的电源适配器接通电源。

图 2：所示为 EVAL-ADMX2001EBZ 评估板设置框图。（图片来源：Analog Devices）

2.软件设置：

· 安装 VCP 驱动程序。
· 安装 TeraTerm（或类似的终端模拟器）。

3.基本配置（图 3）：

· 打开终端模拟器，建立串行连接。
· 使用指令设置频率、振幅和偏置等测量参数。

图 3：所示为 ADMX2001B 端子接口。（图片来源：Analog Devices）

4.校准程序：

· ADMX2001B 需要三步校准程序。
· 使用“校准开路”、“校准短路”或“校准 rt”指令后，设计人员必须按照提示分别执行开路、短路和负载测量。
· 为了获得最佳结果，必须执行高质量的校准标准。
· 校准过程结束后，必须将校准系数保存到板载非易失性存储器中。

5.夹具补偿：

· 设计人员在使用测试夹具时必须进行夹具补偿，以消除寄生效应。
· 可以使用固件中提供的夹具补偿功能。

6.验证：

· 校准结束后，使用已知标准进行测量，以验证准确性。

7.测量：

· 必须使用“Z”命令才能执行阻抗测量。
· 要更改测量格式，可使用“显示”（例如，“display 6”表示矩形坐标阻抗）。
· 然后，设计人员根据应用需要设置测量模式、量程和其他参数。
· “平均”和“计数”等命令可以配置多个测量值。

结束语

设计阻抗测量设备会面临各种严峻的设计挑战，从棘手的电路板布局到复杂的信号处理软件，不一而足。使用类似 ADI 的 ADMX2001B 预设计 SOM，设计人员可以忽略许多复杂的问题。这使他们能够专注于自己的独特价值，同时节省时间和成本，并为未来的衍生设计提供一条直接的途径。