採用系統模組方法，簡化精密阻抗分析儀設計

許多應用都需要精確的阻抗量測，包括觸控螢幕校正、半導體特性測定、晶圓允收測試和電池測試。這些應用的自動測試設備 (ATE) 通常需要以高精密度和高靈敏度量測寬廣頻率範圍內的阻抗。

為這些應用開發客製化阻抗量測裝置涉及許多挑戰，包括硬體設計、軟體開發、測試等。這些參數需要大量的類比和數位訊號處理專業知識，並且可能會導致延遲，進而危及專案的進度和預算。

若要規避這些挑戰，設計人員可以選用系統模組 (SOM)。其預先整合高精密度阻抗量測所需的關鍵軟硬體。此類模組讓設計人員能夠專注於其核心能力和應用特定的開發，而非複雜的阻抗量測技術。

本文簡要回顧 ATE 中阻抗量測的關鍵要求。接著介紹 Analog Devices Inc. (ADI) 的合適阻抗分析儀系統模組，並示範如何將此模組搭配相關的評估板。

ATE 中精密阻抗量測的要求

適用於觸控螢幕校正、半導體特性測定、晶圓允收測試、電池測試等應用的 ATE 具有特定要求，包括：

• 寬廣頻率範圍：通常從 1 Hz 到 1 MHz
• 高精密度和一致性：通常為 0.1% 或更高
• 高靈敏度，以量測微小的阻抗變化
• 快速量測速度，適合高傳輸率測試
• 能夠處理從微歐姆 (μΩ) 到百萬歐姆 (MΩ) 的各種阻抗值
• 自動掃描和複雜的量測序列功能

請注意，不同應用的要求可能有很大差異。例如，觸控螢幕校正可能需要對 fF 範圍內的電容變化具有靈敏度，而晶圓允收測試靈敏度可以在 aF 範圍內。

為 ATE 設計精密阻抗量測的挑戰

為這些應用開發 ATE 需要大量的專業知識和資源，這可能會導致開發週期長和高成本的單次工程。與客製化阻抗量測設計相關的挑戰包括：

• 複雜的硬體設計：建立能夠在寬頻率範圍和阻抗範圍內進行精確量測的高精密度類比前端，需要類比和數位訊號處理的專業知識，並需謹慎注意印刷電路板佈局和屏蔽細節。
• 複雜的軟體開發：實作阻抗計算、校正、補償演算法非常複雜。支援多種量測格式和自動掃描功能會進一步增加複雜性。
• 校正和準確度：在不同的量測條件下達成高精密度並予以保持，需要複雜的校正程序和補償技術。

採用 ADI 的 ADMX2001B 等經預先工程設計的評估模組，可以大幅簡化這些挑戰。此系統模組將精密阻抗分析儀的主要組件整合到緊湊的 1.5 x 2.5 in 尺寸中。如圖 1 所示，將此模組插入 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板，該評估板附帶設計探索和快速原型設計軟體。

圖 1：ADMX2001B 阻抗量測模組插入 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板。(圖片來源：Analog Devices)

儘管此模組非用於生產設計，但均提供線路圖、物料清單 (BOM)、光繪檔和韌體。這有助於讓公司自行建立模組版本或將其整合到更大型的設計中。無論哪種方式，預先工程設計都能減輕許多挑戰，讓公司得以專注於其專業領域。

打造模組是個特別值得一提的選項，可為開發人員提供一條直接、符合經濟效益的途徑來擴展其設計。在添加功能或針對不同使用案例調整設計時，開發人員可以保留模組為其設計核心，而無須從頭開始。

ADMX2001B 特點和效能總覽

ADMX2001B 結合高效能混合訊號電路和先進的處理演算法，可達到精準的阻抗量測。此模組提供從 DC 到 10 MHz 的各種頻率範圍以及 0.05% 的高量測準確度。涵蓋從 100 µΩ 到 20 MΩ 的寬廣電阻值、從 100 aF 到 160 F 的電容值以及從 1 nH 到 1600 H 的電感值。以每次量測 2.7 ms 的速率執行量測，並提供 18 種阻抗量測格式，可因應各種應用和組件類型的需求。

ADMX2001B 的自動化功能 (包括多點和參數掃描以及直流電阻量測) 有助於執行複雜的序列和完整的組件特性測定，而無需手動干預。自動校正常式、非揮發性記憶體和補償功能可確保量測具備可追溯性、可靠性，並且消除夾具寄生效應。此模組尺寸緊湊，配備 UART、SPI 和 GPIO 介面，可輕鬆整合到高密度測試系統和可攜式設備中。此外，還支援在 Windows、macOS、Linux、Raspberry Pi、Arduino 平台上進行開發，因此能夠適應更大型的系統或客製化應用。

有了這些功能，此模組適合各種高要求的應用。

EVAL-ADMX2001EBZ 評估板總覽

開發人員可以使用 EVAL-ADMX2001EBZ 評估和開發分接板，探索 ADMX2001B 的設計概念。此板件可輕鬆存取模組的功能和特性：

• BNC 連接器可介接常見的電感值、電容值、電阻值 (LCR) 儀表測試探頭和夾具
• UART 介面可搭配 USB 對 UART 纜線，連接到主機 PC
• 透過 SMA 連接器提供觸發和時脈同步訊號，簡化與標準測試設備的連接
• Arduino 樣式排針座可讓使用者使用 SDP-K1 等板件開發嵌入式程式碼
• 電源插孔可接受來自 AC/DC 電源配接器的各種輸入電壓，提供 5 V 至 +12 V 的電壓

此評估板的主要用途是展示 LCR 儀表。若要進行示範，還需要額外的硬體：

• LCR 儀表配件，如測試夾具
• 校正配件，例如標準電阻組
• 用於驗證展示結果的桌上型 LCR 儀表

此外，還需要額外的軟體：

• 虛擬 COM 連接埠 (VCP) 驅動程式可讓 USB 裝置顯示為 PC 可用的附加 COM 連接埠
• ADI Mbed 程式碼，支援使用 Arm® Mbed 平台進行校正等基本操作
• TeraTerm 或類似的終端模擬器，支援用於遊標定位和文字顏色的 ANSI 跳脫碼

使用 EVAL-ADMX2001EBZ 展示 LCR 儀表

設定示範的過程非常簡單。基本步驟如下：

1.硬體設定 (圖 2)：

• 將 ADMX2001B 模組連接到 EVAL-ADMX2001EBZ 評估板。
• 將 USB 對 UART 纜線 (隨附) 連接至板件和主機。
• 使用隨附的電源配接器供電。

圖 2：EVAL-ADMX2001EBZ 評估板設定的方塊圖。(圖片來源：Analog Devices)

2.軟體設定：

• 安裝 VCP 驅動程式。
• 安裝 TeraTerm 或類似的終端模擬器。

3.基本配置 (圖 3)：

• 開啟終端模擬器並設定串聯連接。
• 使用命令設定頻率、振幅、偏移等量測參數。

圖 3：ADMX2001B 終端介面的螢幕截圖。(圖片來源：Analog Devices)

4.校正程序：

• ADMX2001B 需要進行三步驟校正程序。
• 使用 calibrate open、calibrate short 或 calibrate rt 命令後，設計人員必須依照提示分別執行開路、短路和負載量測。
• 唯有使用高品質的校正標準才能獲得最佳結果。
• 完成程序後，必須校正係數儲存至板載非揮發性記憶體中。

5.夾具補償：

• 設計人員在使用測試夾具時須進行夾具補償以消除寄生效應。
• 使用韌體中提供的夾具補償功能。

6.驗證：

• 校正後，使用已知標準進行量測以驗證準確度。

7.量測：

• 必須使用 z 命令執行阻抗量測。
• 若要變更量測格式，請使用 display 命令 (如 display 6 用於直角座標系中的阻抗)。
• 接著，設計人員依據應用需求，設定量測模式、範圍、其他參數。
• average 和 count 等命令可以配置多個量測。

結論

設計阻抗量測設備涉及重大的工程挑戰，從棘手的印刷電路板佈局到複雜的訊號處理軟體。設計人員若使用 ADI ADMX2001B 等經預先工程設計的系統模組，可以跳過許多複雜的問題。這能讓他們專注於其獨特價值，同時節省時間和成本，並且為未來的衍生設計提供直接的途徑。