作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

許多應用都要求準確的阻抗測量，這些應用包括觸摸屏校準、半導體表征、晶圓驗收和電池測試。用于這些應用的自動測試設備 (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的阻抗。

為這些應用開發定制型阻抗測量設備會面臨諸多挑戰，包括硬件設計、軟件開發和測試。這些參數要求設計人員擁有大量的模擬和數字信號處理專業知識，并且可能會造成延誤，進而影響項目的進度和預算。

為了規避這些挑戰，設計人員可以選擇預先集成了高精度阻抗測量所需的關鍵硬件和軟件的系統級模塊 (SOM)。有了這種模塊，設計人員就能專注于其核心能力和特定應用的開發，而不是解決阻抗測量技術的復雜性問題。

本文簡要回顧了 ATE 中阻抗測量的關鍵要求。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評估板配套使用。

ATE 的精密阻抗測量要求

用于觸摸屏校準、半導體表征、晶圓驗收和電池測試等應用的 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
• 自動掃描和復雜測量序列功能

值得注意的是，不同應用之間的要求可能差別很大。例如，觸摸屏校準可能需要飛法拉 (fF) 范圍內的電容變化靈敏度，而晶圓驗收靈敏度可達阿法拉 (aF) 范圍。

ATE 的精密阻抗測量設計所面臨的挑戰

為這些應用開發 ATE 需要大量的專業知識和資源，因此開發周期長，非重復性工程成本高。與定制阻抗測量設計有關的挑戰包括以下方面：

• 復雜的硬件設計： 創建能夠在寬頻率和寬阻抗范圍內進行精確測量的高精度模擬前端就需要模擬和數字信號處理方面的專業知識，并要求仔細關注印刷電路板（PC 板）布局和屏蔽細節。
• 復雜的軟件開發： 阻抗計算、校準和補償算法的實施非常復雜。支持多種測量格式和自動掃描，進一步增加了復雜性。
• 校準和精確度： 要在不同的測量條件下達到并保持高精確度，需要復雜的校準程序和補償技術。

諸如 ADI 的 [ADMX2001B] 等預設計評估模塊可以大大簡化這些挑戰。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。該評估板附帶設計探索和快速原型開發軟件。

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設計，但其原理圖、物料清單 (BOM)、Gerber 文件和固件均可提供。這樣，公司就可以構建自己的模塊版本，或將其集成到更大的設計中。無論哪種方式，預設計都能讓設計人員省去許多挑戰性任務，使公司能夠專注于自己的專業領域。

模塊構建是一個特別有趣的選項，它為開發人員提供了一個直接的、經濟高效的途徑來擴展設計。在增加功能或針對不同的使用案例調整設計時，開發人員可以將模塊保留為設計核心，而不必從頭開始。

ADMX2001B 功能和性能概述

ADMX2001B 結合了高性能混合信號電路和先進的處理算法，可實現精確的阻抗測量。該模塊的頻率范圍為從直流到 10 MHz，測量精確度可達 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) 的速度進行測量，并提供 18 種阻抗測量格式，以滿足各種不同的應用和元器件類型的需要。

ADMX2001B 具有自動功能，包括多點和參數掃描以及直流電阻測量，因此無需人工干預即可執行復雜的序列和全面的元器件表征。自動校準程序、非易失性存儲器和補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和便攜式設備中。此外，該模塊還支持在 Windows、macOS、Linux、Raspberry Pi 和 Arduino 平臺上進行開發，因此可適用于更大的系統或定制應用程序。

這些功能使該模塊可用于各種要求苛刻的應用。

EVAL-ADMX2001EBZ 評估板概述

開發人員可以使用 EVAL-ADMX2001EBZ 評估和開發分線板來探索 ADMX2001B 的設計思路。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 UART 電纜配合使用，連接主機電腦
• 通過 SMA 連接器提供觸發和時鐘同步信號，簡化了與標準測試設備的連接
• Arduino 樣式針座：讓用戶使用 [SDP-K1] 等電路板開發嵌入式代碼
• 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
• 校準附件，如標準電阻器組
• 臺式 LCR 測量儀：用于驗證演示結果

演示時還需要其他軟件：

• 虛擬 COM 端口 (VCP) 驅動程序：將 USB 設備顯示為 PC 可用的額外 COM 端口
• ADI [Mbed 代碼] ：讓設計人員使用 [Arm?] Mbed 平臺進行校準等基本操作
• [TeraTerm] 或類似終端模擬器：支持用于光標定位和文本顏色的 ANSI 轉義碼

使用 EVAL-ADMX2001EBZ 演示 LCR 測量儀

演示程序的設置非常簡單。基本步驟如下：

1.硬件設置（圖 2）：

• 將 ADMX2001B 模塊連接到 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板。
• 將 USB 轉 UART 電纜（附帶）連接到電路板和主機。
• 使用隨附的電源適配器接通電源。

圖 2：所示為 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板設置框圖。（圖片來源：Analog Devices）

2.軟件設置：

• 安裝 VCP 驅動程序。
• 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。
• 使用指令設置頻率、振幅和偏置等測量參數。

圖 3：所示為 ADMX2001B 端子接口。（圖片來源：Analog Devices）

4.校準程序：

• ADMX2001B 需要三步校準程序。
• 使用“校準開路”、“校準短路”或“校準 rt”指令后，設計人員必須按照提示分別執行開路、短路和負載測量。
• 為了獲得最佳結果，必須執行高質量的校準標準。
• 校準過程結束后，必須將校準系數保存到板載非易失性存儲器中。

5.夾具補償：

• 設計人員在使用測試夾具時必須進行夾具補償，以消除寄生效應。
• 可以使用固件中提供的夾具補償功能。

6.驗證：

• 校準結束后，使用已知標準進行測量，以驗證準確性。

7.測量：

• 必須使用“Z”命令才能執行阻抗測量。
• 要更改測量格式，可使用“顯示”（例如，“display 6”表示矩形坐標阻抗）。
• 然后，設計人員根據應用需要設置測量模式、量程和其他參數。
• “平均”和“計數”等命令可以配置多個測量值。

結束語

設計阻抗測量設備會面臨各種嚴峻的設計挑戰，從棘手的電路板布局到復雜的信號處理軟件，不一而足。使用類似 ADI 的 ADMX2001B 預設計 SOM，設計人員可以忽略許多復雜的問題。這使他們能夠專注于自己的獨特價值，同時節省時間和成本，并為未來的衍生設計提供一條直接的途徑。

審核編輯 黃宇