פשט תכנון מנתח עכבה מדויק עם גישת מערכת-על-מודול

יישומים רבים דורשים מדידות עכבה מדויקות, כולל כיול לוח מגע, אפיון מוליכים למחצה, אישור קבלה של פרוסות מוליך-למחצה ובדיקות סוללה. ציוד בדיקה אוטומטי (ATE) ליישומים אלה בדרך כלל חייב למדוד עכבה בתחום רחב של תדירויות, בדיוק רב ורגישות גבוהה.

פיתוח של התקן מדידת עכבה מותאם-במיוחד עבור יישומים אלה כרוך במספר אתגרים, כולל תכנון חומרה, פיתוח תוכנה ובדיקות. פרמטרים אלה דורשים מומחיות משמעותית בעיבוד אותות אנלוגיים ודיגיטליים ויכולים לגרום לעיכובים שעלולים לסכן את לוח הזמנים והתקציב של פרויקט.

כדי לעקוף אתגרים אלה, מתכננים יכולים לבחור‏ במערכת-על-מודול (SOM) המשלבת מראש את החומרה והתוכנה הקריטיות הדרושות למדידות עכבה ברמת דיוק גבוהה. מודול כזה מאפשר למתכננים להתמקד ביכולות הליבה שלהם ופיתוח ייחודי-ליישום במקום המורכבויות של‏ טכנולוגיית מדידת עכבה.

מאמר זה סוקר בקצרה את הדרישות העיקריות למדידת עכבה ב-ATE. לאחר מכן הוא מציג SOM מנתחת עכבה מתאימה מבית Analog Devices, Inc.‎ (‏ADI) ומדגים כיצד להשתמש במודול עם לוח ההערכה המשויך אליו.

דרישות למדידת עכבה מדויקת ב-ATE

ל-ATE עבור יישומים כגון כיול לוח מגע, אפיון מוליכים למחצה, אישור קבלה של פרוסות מוליך-למחצה ובדיקות סוללה יש דרישות מיוחדות הכוללות:

• תחום תדירויות רחב, לעתים קרובות ממתחת ל-1 הרץ (Hz) עד מגה-הרץ (MHz‏)
• דיוק ועקביות גבוהים, בדרך כלל של 0.1% או טובים יותר
• רגישות גבוהה למדידת שינויי עכבה קטנים
• מהירויות מדידה גבוהות לבדיקות בתפוקה גבוהה
• היכולת להתמודד עם מגוון רחב של ערכי עכבה, ממיקרו-אוהם (µΩ‏) עד מגה-אוהם (MΩ‏)
• רצף מדידות אוטומטי ויכולת ביצוע רצפי מדידה מורכבים

ראוי לציין כי הדרישות יכולות להשתנות במידה ניכרת בין יישומים. לדוגמה, כיול לוח מגע יכול לדרוש רגישות לשינויים בקיבול בתחום הפמטו-פאראד (fF‏), בעוד רגישות אישור קבלה של פרוסת מוליך-למחצה יכולה להגיע לתחום האטו-פאראד (aF).

אתגרים בתכנון מדידת עכבה מדויקת עבור ATE

פיתוח ATE עבור יישומים אלה כרוך במומחיות ומשאבים משמעותיים, שיכולים להוביל למחזורי פיתוח ארוכים ועלויות הנדסיות בלתי-חוזרות גבוהות. אתגרים הקשורים לתכנון מדידת עכבה מותאמת-במיוחד כוללים:

• תכנון חומרה מורכב: יצירת קצה-קדמי אנלוגי דיוק-גבוה המסוגל לבצע מדידות מדויקות על פני תחום רחב של תדירויות ועכבות דורשת מומחיות בעיבוד אותות אנלוגיים ודיגיטליים ותשומת לב רבה לפריסת לוח מעגל מודפס ופרטי סיכוך.
• פיתוח תוכנה מתוחכם: יישום חישובי עכבה, כיול ואלגוריתמים של קיזוז הם מורכבים. תמיכה בפורמטים מרובים של מדידה וברצף מדידות אוטומטי מוסיפה מורכבות נוספת.
• כיול ודיוק: השגת דיוק גבוה ושמירה עליו בתנאי מדידה שונים דורשת הליכי כיול מתוחכמים וטכניקות קיזוז.

מודול הערכה מתוכנן מראש כמו ה-ADMX2001B של ADI יכול לפשט משמעותית אתגרים אלה. מערכת-על-מודול (SOM) זו משלבת את הרכיבים העיקריים של מנתח עכבה מדויק ב-‏1.5 x‏ 2.5 אינץ' (in.) קומפקטי. כפי שמוצג באיור 1, המודול נתקע בלוח ההערכה EVAL-ADMX2001EBZ, שמגיע עם תוכנת חקר תכנון ובנייה מהירה של אב טיפוס.

איור 1: מודול מדידת העכבה ADMX2001B נתקע בלוח ההערכה EVAL-ADMX2001EBZ. (מקור תמונה: Analog Devices)

למרות שהמודול אינו מיועד לתכנוני ייצור, השרטוט, מפרט החומרים (BOM), קבצי ה-Gerber‏ והקושחה הם זמינים. זה מאפשר לחברות לבנות גרסה משלהן של המודול או לשלב אותו בתכנון גדול יותר. בשני המקרים, התכנון המתוכנן מראש מסיר משימות מאתגרות רבות, מאפשר לחברות להתמקד בתחומים המיוחדים שלהן.

יצירת מודול היא אפשרות מעניינת במיוחד, מעניקה למפתחים נתיב פשוט וחסכוני למדרג את התכנון שלהם. בעת הוספת מאפיינים או התאמת התכנון לתרחישי שימוש שונים, מפתחים יכולים לשמור על המודול כליבת התכנון שלהם במקום להתחיל מאפס.

סקירה כללית של מאפיינים וביצועים של ה-ADMX2001B

ה-ADMX2001B משלב מעגלי אותות מעורבים ביצועים-עיליים ואלגוריתמים מתקדמים של עיבוד עבור מדידות עכבה מדויקות. המודול מציע תחום תדרים‏ רב-תכליתי מ-DC‏ עד ‎10 MHz‏‏ ודיוק מדידה גבוה של‏ 0.05%. הוא מכסה‏ תחום התנגדויות רחב מ-100‎ µΩ‏ עד ‎20 MΩ‏, קיבוליות מ-‎100 aF‏ עד ‏160‎ F‏, והשראות מ-‎1 nanohenry ‏(nH)‏ עד ‎1600 henrys‏ (H). הוא יכול לבצע מדידות בקצב של 2.7 מילי-שניות (ms) למדידה, ומספק 18 פורמטים למדידת עכבה המתאימים ליישומים וסוגי רכיב שונים.

מאפיינים אוטומטיים, כולל רצף מדידות רב-נקודתי ופרמטרי ומדידות התנגדות DC, מאפשרים ל-ADMX2001B לבצע סדרות מורכבות ואפיון רכיבים יסודי ללא התערבות ידנית. רוטינות כיול אוטומטיות, זיכרון לא נדיף ומאפייני קיזוז מבטיחים עקיבות מדידה, אמינות, ואת הסילוק של אפקטים פרזיטיים של המתקן. הגודל הקומפקטי של המודול עם ממשקי UART‏, SPI ו-GPIO‏ מאפשר אינטגרציה קלה במערכות בדיקה בצפיפות גבוהה וציוד נישא. נוסף לכך, הוא תומך בפיתוח על פלטפורמות Windows‏, macOS,‏ Linux,‏ Raspberry Pi‏, ו-Arduino‏, מה שהופך אותו לניתן להתאמה למערכות גדולות יותר או ליישומים מותאמים-במיוחד.

יכולות אלו הופכות את המודול מתאים למגוון רחב של‏ יישומים תובעניים.

סקירה כללית של‏ מודול ההערכה EVAL-ADMX2001EBZ

מפתחים יכולים להשתמש בלוח ההערכה והפיתוח עם פריסת מגעי מעגלים (breakout) ‏EVAL-ADMX2001EBZ כדי לחקור רעיונות תכנון עם ה-ADMX2001B. לוח זה מספק גישה נוחה לפונקציונליות של המודול ואת המאפיינים הבאים:

• מחברי BNC‏ שיכולים להתחבר לבחוני בדיקה (test probes) של מדי השראות, קיבוליות והתנגדות (LCR) מקובלים ומתקנים
• ממשק UART‏ שניתן להשתמש בו עם כבלי USB‏-ל-UART‏ כדי להתחבר ל-PC המארח
• אותות סנכרון ערור ושעון זמינים דרך מחברי SMA המפשטים את החיבור לציוד בדיקה סטנדרטי
• פסי-פינים בסגנון Arduino‏ המאפשרים למשתמש לפתח קוד משובץ עם לוחות כמו ה-SDP-K1
• שקע כוח המקבל מתחי כניסה שונים ממתאמי כוח AC/DC‏ היכולים לספק 5‏ וולט עד 12+ וולט

המטרה העיקרית של לוח ההערכה היא לספק הדגמה של מד LCR. כדי לבצע הדגמה זו, יש צורך בחומרה נוספת:

• אביזרי מד LCR, כגון מתקני בדיקה
• אביזרי כיול, כגון סטים של נגדים סטנדרטיים
• מד LCR שולחני לאימות תוצאות ההדגמה

ההדגמה דורשת גם תוכנה נוספת:

• מנהלי-התקנים ל-Virtual COM port‏ (VCP) הגורמים להתקן ה-USB להיראות כיציאת COM נוספת הזמינה ל-PC
• ADI Mbed code המאפשר פעולות בסיסיות כמו כיול תוך שימוש בפלטפורמת ה-Arm® Mbed‏
• TeraTerm או אמולטורים של מסוף (terminal emulators) דומים התומכים בקודים של ANSI escape המשמשים למיקום הסמן וצבע טקסט

שימוש ב-EVAL-ADMX2001EBZ עבור הדגמת מד‏ LCR

הכנת ההדגמה היא תהליך פשוט. הצעדים הבסיסיים הם כדלקמן:

1. הכנת החומרה (איור 2):

• חבר את‏ מודול ה-ADMX2001B ללוח ההערכה EVAL-ADMX2001EBZ.
• חבר את כבל ה-USB‏-ל-UART‏ (כלול) ללוח ולמחשב המארח.
• הפעל מתח באמצעות מתאם אספקת-הכוח המצורף.

איור 2‏: מוצגת‏ דיאגרמת מלבנים של‏ מערך לוח ההערכה EVAL-ADMX2001EBZ. (מקור תמונה: Analog Devices)

2. ארגון תוכנה:

• התקן את מנהלי-ההתקנים VCP.
• התקן TeraTerm (או אמולטור מסוף‏ (terminal emulator) דומה).

3. תצורה בסיסית (איור 3):

• פתח את אמולטור המסוף וחבר חיבור טורי.
• השתמש בפקודות כדי להגדיר פרמטרים של מדידה כגון תדירות, אמפליטודה ומקדם (Bias).

איור 3: מוצג צילום מסך של ממשק המסוף ADMX2001B. (מקור תמונה: Analog Devices)

4. הליך כיול:

• ה-ADMX2001B דורש תהליך כיול של שלושה צעדים.
• לאחר שימוש בפקודות “calibrate open”,‏ “calibrate short” או “calibrate rt”, מתכננים חייבים לפעול בהתאם להנחיות כדי לבצע מדידות open,‏ short ו-load, בהתאמה.
• יש להשתמש בסטנדרטים של כיול באיכות גבוהה עבור התוצאות הטובות ביותר.
• לאחר התהליך, יש לשמור את מקדמי הכיול בזיכרון הבלתי נדיף על הלוח.

5. קיזוז מתקן:

• מתכננים חייבים לבצע קיזוז מתקן כדי למנוע השפעות פרזיטיות כשמשתמשים במתקני בדיקה.
• ניתן להשתמש בפונקציות קיזוז מתקן בקושחה.

6. אימות:

• לאחר כיול, מתבצעות מדידות תוך שימוש בסטנדרטים ידועים כדי לוודא דיוק.

7. מדידות:

• יש להשתמש בפקודת ה-“z‏” כדי לבצע מדידות עכבה.
• כדי לשנות את פורמט המדידה, משתמשים ב-“display” (למשל, “display 6” עבור עכבה בקואורדינטות קרטזיות).
• לאחר מכן, מתכננים מגדירים אופני מדידה, תחומים ופרמטרים אחרים כנדרש עבור היישום.
• פקודות כמו “average” ו-“count” יכולות להגדיר מדידות מרובות.

סיכום

תכנון ציוד למדידת עכבה כרוך באתגרים הנדסיים משמעותיים, החל מפריסות לוח מעגל מודפס מסובכות וכלה בתוכנות מורכבות לעיבוד אותות. על ידי שימוש במערכת-על-מודול (SOM)‏ מתוכננת מראש, כמו ה-ADMX2001B של ADI, מתכננים יכולים לדלג על רבות מהמורכבויות האלה. זה מאפשר להם להתמקד בערך הייחודי שלהם תוך חיסכון בזמן ובעלויות ולספק מסלול פשוט ליצירת תכנים נגזרים עתידיים.