ลดความซับซ้อนในการออกแบบเครื่องวิเคราะห์ค่าอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำด้วยแนวทางระบบบนโมดูล

การใช้งานจำนวนมากจำเป็นต้องมีการวัดค่าอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำ รวมถึงการสอบเทียบหน้าจอสัมผัส, การกำหนดคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์, การตรวจรับเวเฟอร์ และการทดสอบแบตเตอรี่ โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ (ATE) สำหรับการใช้งานเหล่านี้จำเป็นต้องวัดค่าอิมพีแดนซ์ในช่วงความถี่กว้างด้วยความแม่นยำและความไวสูง

การพัฒนาอุปกรณ์วัดค่าอิมพีแดนซ์แบบกำหนดเองสำหรับการใช้งานเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความท้าทายมากมาย รวมถึงการออกแบบฮาร์ดแวร์ การพัฒนาซอฟต์แวร์ และการทดสอบ โดยพารามิเตอร์เหล่านี้ต้องการความเชี่ยวชาญในการประมวลผลสัญญาณแอนะล็อกและดิจิทัลจำนวนมาก และอาจทำให้เกิดความล่าช้าซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อกำหนดการและงบประมาณของโครงการได้

เพื่อหลีกเลี่ยงความท้าทายเหล่านี้ นักออกแบบสามารถเลือกระบบบนโมดูล (SOM) ที่รวมฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่สำคัญที่จำเป็นสำหรับการวัดค่าอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำสูงไว้ล่วงหน้า โมดูลดังกล่าวช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถเน้นไปที่ความสามารถหลักและการพัฒนาเฉพาะ แทนที่จะมุ่งเน้นไปที่ความซับซ้อนของเทคโนโลยีการวัดค่าอิมพีแดนซ์

บทความนี้จะกล่าวถึงข้อกำหนดหลักสำหรับการวัดค่าอิมพีแดนซ์ใน ATE โดยย่อ จากนั้นจะแนะนำเครื่องวิเคราะห์ค่าอิมพีแดนซ์ SOM ที่เหมาะสมจาก Analog Devices Inc. (ADI) และสาธิตวิธีการใช้งานโมดูลกับบอร์ดประเมินผลที่เกี่ยวข้อง

ข้อกำหนดสำหรับการวัดค่าอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำใน ATE

ATE สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การปรับเทียบหน้าจอสัมผัส การกำหนดคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ การตรวจรับเวเฟอร์ และการทดสอบแบตเตอรี่ มีข้อกำหนดเฉพาะที่รวมถึง:

• ช่วงความถี่กว้าง มักจะมีค่าตั้งแต่ต่ำกว่า 1 เฮิรตซ์ (Hz) ถึงเมกะเฮิรตซ์ (MHz)
• ความแม่นยำและความสม่ำเสมอสูง โดยทั่วไป 0.1% หรือดีกว่า
• ความไวในการวัดการเปลี่ยนแปลงค่าอิมพีแดนซ์ค่าต่ำสูง
• ความเร็วในการวัดที่รวดเร็วสำหรับการทดสอบอัตราการรับส่งสัญญาณสูง
• ความสามารถในการจัดการค่าอิมพีแดนซ์ที่หลากหลาย ตั้งแต่ไมโครโอห์ม (µΩ) ถึงเมกะโอห์ม (MΩ)
• ความสามารถในการสแกนอัตโนมัติและลำดับการวัดที่ซับซ้อน

สิ่งที่น่าสังเกตคือข้อกำหนดอาจแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละการใช้งาน ตัวอย่างเช่น การสอบเทียบหน้าจอสัมผัสอาจต้องมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงความจุในช่วงเฟมโตฟารัด (fF) ขณะที่ความไวต่อการตรวจรับเวเฟอร์สามารถเข้าถึงช่วงแอตโตฟารัด (aF) ได้

ความท้าทายในการออกแบบการวัดค่าอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำสำหรับ ATE

การพัฒนา ATE สำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องเหล่านี้เกี่ยวข้องกับความเชี่ยวชาญและทรัพยากรจำนวนมาก ซึ่งอาจนำไปสู่วงจรการพัฒนาที่ยาวนานและต้นทุนทางวิศวกรรมที่ไม่เกิดขึ้นซ้ำสูง ความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบการวัดค่าอิมพีแดนซ์แบบกำหนดเองมีดังต่อไปนี้:

• การออกแบบฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อน: การสร้างฟรอนต์เอนด์แอนะล็อกที่มีความแม่นยำสูงซึ่งสามารถวัดค่าได้อย่างแม่นยำในช่วงความถี่และช่วงอิมพีแดนซ์ที่กว้างนั้นต้องอาศัยความเชี่ยวชาญในการประมวลผลสัญญาณแอนะล็อกและดิจิทัล รวมถึงการใส่ใจอย่างรอบคอบกับเค้าโครงของแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) และรายละเอียดการป้องกัน
• การพัฒนาซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อน: การใช้อัลกอริธึมการคำนวณ การสอบเทียบ และการชดเชยค่าอิมพีแดนซ์นั้นมีความซับซ้อน การรองรับรูปแบบการวัดหลายรูปแบบและการสแกนอัตโนมัติทำให้มีความซับซ้อนมากขึ้น
• การสอบเทียบและความแม่นยำ: การมีและรักษาความแม่นยำสูงในเงื่อนไขการวัดที่แตกต่างกันต้องอาศัยขั้นตอนการสอบเทียบและเทคนิคการชดเชยที่ซับซ้อน

โมดูลการประเมินที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า เช่น ADMX2001B ของ ADI สามารถลดความซับซ้อนของความท้าทายเหล่านี้ได้อย่างมาก SOM นี้รวมส่วนประกอบหลักของเครื่องวิเคราะห์ค่าอิมพีแดนซ์แม่นยำไว้ในขนาดกะทัดรัด 1.5 x 2.5 นิ้ว (นิ้ว) ตามที่แสดงในรูปที่ 1 โมดูลเสียบเข้ากับบอร์ดประเมินผล EVAL-ADMX2001EBZ ซึ่งมาพร้อมกับซอฟต์แวร์สำรวจการออกแบบและสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

รูปที่ 1: โมดูลวัดค่าอิมพีแดนซ์ ADMX2001B ที่เสียบเข้ากับบอร์ดประเมินผล EVAL-ADMX2001EBZ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

แม้ว่าโมดูลจะไม่ได้มีไว้สำหรับการออกแบบการผลิต แต่ก็มีแผนผัง, รายการวัสดุ (BOM), ไฟล์ Gerber และเฟิร์มแวร์ให้ใช้งาน ซึ่งช่วยให้บริษัทต่างๆ สามารถสร้างโมดูลเวอร์ชันของตนเองหรือรวมเข้ากับดีไซน์ขนาดใหญ่ได้ ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด การออกแบบล่วงหน้าจะช่วยลดภาระงานท้าทายต่าง ๆ ลง ทำให้บริษัทต่าง ๆ สามารถมุ่งเน้นไปที่ด้านที่ตนเชี่ยวชาญได้

การสร้างโมดูลถือเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจอย่างยิ่ง โดยให้ผู้พัฒนามีเส้นทางที่ตรงไปตรงมาและคุ้มต้นทุนในการปรับขนาดการออกแบบของพวกเขา เมื่อมีการเพิ่มคุณลักษณะหรือปรับเปลี่ยนการออกแบบสำหรับกรณีการใช้งานที่แตกต่างกัน นักพัฒนาสามารถคงโมดูลไว้เป็นแกนหลักในการออกแบบแทนที่จะเริ่มตั้งแต่ต้น

ภาพรวมคุณลักษณะและประสิทธิภาพของ ADMX2001B

ADMX2001B ผสมผสานวงจรสัญญาณผสมประสิทธิภาพสูงและอัลกอริทึมการประมวลผลขั้นสูงเพื่อการวัดค่าอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำ โมดูลนี้มีช่วงความถี่ที่หลากหลายตั้งแต่ DC ถึง 10 MHz และความแม่นยำในการวัดสูงถึง 0.05% ครอบคลุมช่วงความต้านทานที่กว้างตั้งแต่ 100 µΩ ถึง 20 MΩ ความจุตั้งแต่ 100 aF ถึง 160 F และความเหนี่ยวนำตั้งแต่ 1 นาโนเฮนรี (nH) ถึง 1600 เฮนรี (H) สามารถทำการวัดได้ด้วยอัตรา 2.7 มิลลิวินาที (ms) ต่อการวัดหนึ่งครั้ง และมีรูปแบบการวัดค่าอิมพีแดนซ์ 18 แบบที่รองรับการใช้งานและประเภทส่วนประกอบต่างๆ

คุณสมบัติอัตโนมัติ เช่น การสวีปแบบหลายจุดและแบบพารามิเตอร์ และการวัดความต้านทาน DC ทำให้ ADMX2001B สามารถดำเนินการซีเควนซ์ที่ซับซ้อนและกำหนดลักษณะส่วนประกอบอย่างละเอียดโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงด้วยตนเอง โปรแกรมการปรับเทียบอัตโนมัติ หน่วยความจำถาวร และคุณลักษณะการชดเชย ช่วยให้สามารถติดตามการวัดได้ เชื่อถือได้ และขจัดปัญหาโหลดแฝงของเครื่องมือวัดได้ ซึ่งขนาดกะทัดรัดของโมดูลพร้อมอินเทอร์เฟซ UART, SPI และ GPIO ช่วยให้สามารถรวมเข้ากับระบบทดสอบความหนาแน่นสูงและอุปกรณ์พกพาได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ยังรองรับการพัฒนาบนแพลตฟอร์ม Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi และ Arduino ทำให้ปรับให้เข้ากับระบบขนาดใหญ่หรือการใช้งานที่กำหนดเองได้

ความสามารถเหล่านี้ทำให้โมดูลนี้เหมาะสมกับการใช้งานที่ต้องการความหลากหลาย

ภาพรวมของบอร์ดประเมินผล EVAL-ADMX2001EBZ

นักพัฒนาสามารถใช้บอร์ดแยกการประเมินและการพัฒนา EVAL-ADMX2001EBZ เพื่อสำรวจแนวคิดการออกแบบด้วย ADMX2001B บอร์ดนี้ช่วยให้สามารถเข้าถึงฟังก์ชันการทำงานของโมดูลและคุณสมบัติต่างๆ ได้อย่างสะดวก:

• คอนเนคเตอร์ BNC ที่สามารถเชื่อมต่อกับโพรบและอุปกรณ์ทดสอบมิเตอร์เหนี่ยวนำ ความจุ ความต้านทาน (LCR) ทั่วไป
• อินเทอร์เฟซ UART ที่สามารถใช้กับสาย USB-to-UART เพื่อเชื่อมต่อกับพีซีโฮสต์
• สัญญาณการซิงโครไนซ์ทริกเกอร์และนาฬิกาที่มีให้ใช้ผ่านขั้วต่อ SMA ซึ่งช่วยให้การเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ทดสอบมาตรฐานง่ายขึ้น
• เฮดเดอร์สไตล์ Arduino ที่ให้ผู้ใช้พัฒนาโค้ดฝังตัวด้วยบอร์ดเช่น SDP-K1
• ปลั๊กไฟที่ยอมรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตต่างๆ จากอะแดปเตอร์ไฟ AC/DC ที่สามารถจ่ายไฟได้ 5 โวลต์ถึง +12 โวลต์

วัตถุประสงค์หลักของบอร์ดประเมินผลคือการสาธิตเครื่องวัด LCR ในการสาธิตนี้ จำเป็นต้องมีฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม:

• อุปกรณ์เสริมมิเตอร์วัด LCR เช่น อุปกรณ์ทดสอบ
• อุปกรณ์เสริมสำหรับการสอบเทียบ เช่น ชุดตัวต้านทานมาตรฐาน
• มิเตอร์วัด LCR แบบตั้งโต๊ะสำหรับตรวจสอบผลการสาธิต

การสาธิตยังต้องใช้ซอฟต์แวร์เพิ่มเติมด้วย:

• ไดรเวอร์พอร์ต COM เสมือน (VCP) ที่ทำให้อุปกรณ์ USB ปรากฏขึ้นเป็นพอร์ต COM เพิ่มเติมที่พร้อมใช้งานกับพีซี
• ADI Mbed code ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการพื้นฐาน เช่น การสอบเทียบได้โดยใช้แพลตฟอร์ม Arm® Mbed
• TeraTerm หรือโปรแกรมจำลองเทอร์มินัลที่คล้ายกันซึ่งรองรับรหัสหลบหนี ANSI ที่ใช้สำหรับการวางตำแหน่งเคอร์เซอร์และสีของข้อความ

การใช้ EVAL-ADMX2001EBZ สำหรับการสาธิตมิเตอร์ LCR

การตั้งค่าการสาธิตเป็นกระบวนการที่ตรงไปตรงมา มีขั้นตอนพื้นฐานมีดังนี้:

1. การตั้งค่าฮาร์ดแวร์ (รูปที่ 2):

• เชื่อมต่อโมดูล ADMX2001B เข้ากับบอร์ดประเมินผล EVAL-ADMX2001EBZ
• เชื่อมต่อสายเคเบิล USB-to-UART (ที่ให้มา) เข้ากับบอร์ดและคอมพิวเตอร์โฮสต์
• ใช้พลังงานโดยใช้อะแดปเตอร์ที่ให้มา

รูปที่ 2: แสดงแผนผังแบบบล็อกของการจัดบอร์ดประเมินผล EVAL-ADMX2001EBZ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

2. การตั้งค่าซอฟต์แวร์:

• ติดตั้งไดร์เวอร์ VCP
• ติดตั้ง TeraTerm (หรือโปรแกรมจำลองเทอร์มินัลที่คล้ายกัน)

3. การกำหนดค่าพื้นฐาน (รูปที่ 3):

• เปิดโปรแกรมจำลองเทอร์มินัลและตั้งค่าการเชื่อมต่อแบบอนุกรม
• ใช้คำสั่งในการตั้งค่าพารามิเตอร์การวัด เช่น ความถี่ แอมพลิจูด และไบอัส

รูปที่ 3: แสดงภาพหน้าจอของอินเทอร์เฟซเทอร์มินัล ADMX2001B (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

4. ขั้นตอนการสอบเทียบ:

• ADMX2001B ต้องใช้กระบวนการสอบเทียบสามขั้นตอน
• หลังจากใช้คำสั่ง “Calibrate open”, “Calibrate short” หรือ “Calibrate RT” นักออกแบบจะต้องทำตามคำแนะนำเพื่อดำเนินการวัดการเปิด ช็อต และโหลด ตามลำดับ
• ต้องใช้มาตรฐานการสอบเทียบคุณภาพสูงเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด
• หลังจากดำเนินการเสร็จสิ้นแล้ว ต้องบันทึกค่าสัมประสิทธิ์การสอบเทียบลงในหน่วยความจำถาวรบนบอร์ด

5. การชดเชยการติดตั้ง:

• นักออกแบบจะต้องทำการชดเชยอุปกรณ์เพื่อกำจัดผลกระทบจากโหลดแฝงเมื่อใช้อุปกรณ์ทดสอบ
• สามารถใช้ฟังก์ชันชดเชยอุปกรณ์ที่มีอยู่ในเฟิร์มแวร์ได้

6. การตรวจสอบ:

• หลังจากการสอบเทียบแล้ว จะดำเนินการวัดโดยใช้มาตรฐานที่ทราบเพื่อตรวจสอบความแม่นยำ

7. การวัดขนาด:

• ต้องใช้คำสั่ง “z” เพื่อดำเนินการวัดค่าอิมพีแดนซ์
• หากต้องการเปลี่ยนรูปแบบการวัด จะใช้ "การแสดงผล" (เช่น "การแสดงผล 6" สำหรับค่าอิมพีแดนซ์ในพิกัดสี่เหลี่ยม)
• จากนั้นนักออกแบบจะตั้งค่าโหมดการวัด ช่วงการวัด และพารามิเตอร์อื่นๆ ตามที่จำเป็นต่อการใช้งาน
• คำสั่งเช่น “ค่าเฉลี่ย” และ “นับ” สามารถกำหนดค่าการวัดหลายรายการได้

สรุป

การออกแบบอุปกรณ์วัดค่าอิมพีแดนซ์เกี่ยวข้องกับความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญ ตั้งแต่เค้าโครงแผงพีซีที่ซับซ้อนไปจนถึงซอฟต์แวร์ประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อน การใช้ SOM ที่ออกแบบไว้ล่วงหน้า เช่น ADMX2001B ของ ADI ช่วยให้นักออกแบบหลีกเลี่ยงความซับซ้อนเหล่านี้ได้ ซึ่งช่วยให้สามารถมุ่งเน้นไปที่มูลค่าที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัวได้ ในขณะที่ประหยัดเวลาและต้นทุน อีกทั้งยังเปิดเส้นทางที่ตรงไปตรงมาสำหรับการสร้างสรรค์การออกแบบในอนาคต