Hinweise beim Umschalten von Messungen mit geringer Kapazität

Ein automatisiertes Prüfsystem (ATS) für Messungen mit geringer Kapazität besteht wahrscheinlich aus folgenden Geräten:

• DMM oder Kapazitätsmessgerät wie ein LCR-Messgerät
• Schalter zur Signalführung von einer Prüfvorrichtung zum Messgerät
• Testvorrichtung für Ihre Prüflinge (DUTs)
• Verkabelung zum Anschließen der oben genannten Komponenten

Messsystemanforderungen wie Genauigkeit, Geschwindigkeit und Anzahl der Prüflinge bestimmen die Ausrüstung und Verkabelung, die innerhalb des ATS verwendet werden können. Mit zunehmenden Anforderungen können allgemeine Messtechniken und Schaltkonfigurationen nicht mehr die erforderliche Leistung erbringen. Die empfohlenen Techniken und speziellen Konfigurationen in dieser Anleitung können dann verwendet werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Bei der Planung einer Low-Level-Kapazitätsmessung sind viele Aspekte zu berücksichtigen. Im Folgenden werden die häufigsten Überlegungen behandelt.

Hardwareauswahl

Eine Option für das Kapazitätsmessgerät ist das NI PXI-4072 (NI 4072). Das NI 4072 ist ein 61⁄2-stelliges Digitalmultimeter (DMM) mit integriertem LCR-Messgerät zur Messung von Induktivität und Kapazität. Es hat eine Kapazität von 300 pF bis 10.000 μF und kann mit einer Auflösung von 0,05 pF messen. Weitere Informationen zur Durchführung von Kapazitäts- und Induktivitätsmessungen finden Sie unter Kapazitäts-/Induktivitätsmessungen.

Entscheiden Sie nach Auswahl eines Kapazitätsmessgeräts, wie die Testsignale an dieses Gerät geleitet werden. Ein kostengünstiger und standardisierter Ansatz ist die Integration von Switching am Frontend Ihres Systems.

Fast jede ATS-Anwendung verwendet eine Art von Schaltverhalten. Das Umschalten ermöglicht benutzerdefinierte Konfigurationen, schnelle Verbindungsgeschwindigkeiten und die Möglichkeit, eine hohe Anzahl von Kanälen programmatisch mit einer minimalen Anzahl von Testgeräten zu verbinden, wodurch die Systemleistung verbessert und gleichzeitig die Kosten für ein automatisiertes Testsystem gesenkt werden. Mit PXI- und SCXI-Schaltmodulen von NI mit hoher Dichte können Sie beispielsweise die Verbindung eines NI 4072 mit Hunderten von Prüflingen automatisieren. Die Verbindungsgeschwindigkeit kann geändert werden, um den Durchsatz oder die Genauigkeit zu maximieren, und die Konfiguration kann mit Software geändert werden, um nachfolgende Tests durchzuführen.

National Instruments bietet eine Vielzahl flexibler, kostengünstiger Schaltmodule.

Schaltmodule

Eine Schaltertopologie ist eine organisatorische Darstellung der Kanäle und Relais in einem Schaltmodul. Mindestens ein Schaltmodul, das in einer Vielzahl von Topologien konfiguriert ist, ist erforderlich, um die erforderlichen Verbindungspunkte und Funktionen Ihres Systems bereitzustellen. Weitere Informationen zu verfügbaren Topologien und deren jeweiligen Konfigurationen finden Sie in der NI Switches Help.

Es gibt drei gängige Topologien zum Schalten von Kapazitätsmessungen: MUX, Single-Pole Double-Throw (SPDT) und Matrix. 

Die MUX-Topologie wird oft für Messanwendungen mit mehreren Kanälen gewählt, bei denen jeweils mehrere Kanäle mit einem Messgerät verbunden sind. Diese Topologie kann für größere Kapazitätsmessungen verwendet werden. Bei mittleren und niedrigen Kapazitätsmessungen können jedoch parasitäre Offsets die Ergebnisse erheblich beeinflussen, und die MUX-Topologie ist möglicherweise nicht mehr die beste Option. 

SPDT- und Matrix-Topologien bieten Systemkonfigurationen, die helfen, parasitäre Offsets bei mittleren bis niedrigen Kapazitätsmessungen zu begrenzen. Diese Topologien und ihre nützlichen Konfigurationen werden im Abschnitt Fortgeschrittene Überlegungen dieser Anleitung behandelt.

Kompensierung

In den meisten ATS-Anwendungen wird das DMM über Kabel, Schalter, Anschlussblöcke und Vorrichtungen mit dem Prüfling verbunden. Diese zusätzlichen Komponenten fügen eine parasitäre Kapazität hinzu, die zu unerwünschten Messfehlern führen kann. Abbildung 1 zeigt ein Modell für die anderen Residuen in Ihrem System. Bei Kapazitätsmessungen beschäftigen wir uns hauptsächlich mit der parasitären Kapazität Cp, aber die anderen Residuen müssen möglicherweise berücksichtigt werden, abhängig von Ihrem Testsystem. Cp kann in einem großen Schaltsystem leicht den μF-Bereich erreichen, wenn bestimmte Vorsichtsmaßnahmen nicht beachtet werden. 

^{Abbildung 1: Modell der Prüfvorrichtungsreste}

Durch Kompensation kann der Fehler zwischen DMM und Prüfling reduziert werden. Zwei häufig verwendete Kompensationsmethoden sind der Nullabgleich und die offene/kurze Kompensation. 

Der Nullabgleich oder die offene Kompensation ist nützlich, wenn Sie davon ausgehen, dass Rs und Ls vernachlässigbar sind. Beim Nullabgleich werden zwei Messungen durchgeführt und subtrahiert, um den Effekt der parallelen Kapazitäten (Cp in Abbildung 1) in Ihrem Testsystem zu beseitigen. Eine anfängliche „Offset“-Messung wird bei ausgeschaltetem Prüfling (offen) und eine zweite Messung bei angeschlossenem Prüfling durchgeführt. Subtrahieren Sie den Anfangs-Offset von Ihrer Prüflingsmessung, um das genauere Ergebnis zu erhalten.

Eine offene/kurze Kompensation ist nützlich, wenn Sie davon ausgehen, dass Ihr Systemfehler eine Kombination aus vielen verschiedenen Testvorrichtungsresten ist. Die Offen/Kurz-Kompensation umfasst den Nullabgleich, misst aber auch, wenn die Verbindungen neben dem Prüfling kurzgeschlossen werden. Dieser Kurzschluss ermöglicht die Messung von Rs und Ls.

Hinweis: Der NI-DMM Treiber, der mit dem NI 4072 verwendet wird, kann alle nachfolgenden Messungen nach der Messung automatisch kompensieren.

Rauschen und Mittelwertbildung

Bei Messungen mit geringer Kapazität können Rauschen und andere Umwelteinflüsse zu Messfehlern führen. Daher sollten alle Anstrengungen unternommen werden, um Ihr System vor Lärmquellen zu schützen. Das NI 4072 hat eine voreingestellte Öffnungszeit, die es bei Kapazitätsmessungen verwendet. Wenn eine größere effektive Auflösung gewünscht wird, können mehrere Samples durch Modifizieren der Eigenschaft "Number of LC Measurements to Average" gemittelt werden. Durch Mittelwertbildung von mehr Samples im Treiber können Sie die Auswirkung von Rauschen auf Ihr Signal reduzieren.

Relais mit geringem Mindeststrom und geringem Pfadwiderstand verwenden

Das Digitalmultimeter NI 4072 erzeugt einen kleinen Teststrom zur Kapazitätsmessung. Schaltmodule mit geringen Mindeststromspezifikationen sollten verwendet werden, um eine einheitliche Signalintegrität zu gewährleisten. 

Schaltmodule mit geringem Leitungswiderstand sollten verwendet werden, um die Impedanz zwischen DMM und Prüflingen so gering wie möglich zu halten. Beachten Sie jedoch, dass Schalter mit höherem Leitungswiderstand verwendet werden können, solange eine kurze Kompensation durchgeführt wird.

Anschlussblockanbindung in Betracht ziehen

Vergewissern Sie sich, dass die ausgewählten Schalter sauber mit der Testvorrichtung verbunden werden können. NI-Switches haben verschiedene Anschlussoptionen, z. B. Frontanschlussblöcke und Kabel. NI bietet auch Artikelnummern für Steckverbinder, so dass Kunden und Drittanbieter ihre eigenen Anschlussmöglichkeiten erstellen können.

Isolation und Verkabelung

Ordnen Sie Schaltkanäle so an, dass die Kapazität reduziert wird, die durch das DMM kompensiert werden muss.  Die parallele Anordnung von Schaltkanälen ist eine einfache und häufig verwendete Konfiguration, führt jedoch zur Summe parasitärer Kapazitäten und einer höheren Messfehlerwahrscheinlichkeit. Statt Schaltkanäle parallel zu platzieren, besteht eine andere Konfigurationsmöglichkeit darin, die Schalter in einer Baumstruktur anzuordnen, um ein Aufsummieren der parasitären Kapazitäten zu verhindern. Dies wird im Abschnitt Fortgeschrittene Hinweise dieser Anleitung näher erläutert. 

Durch die Trennung der Schaltkanäle in verschiedene Abschnitte verringert sich auch die Kapazität, die durch das DMM kompensiert werden muss. Da die Gesamtkapazität geringer ist, können Sie einen niedrigeren Bereich am DMM verwenden, was die Auflösung der Messung erhöht. Bei dieser Technik ist es wichtig, unterschiedliche Kanalabschnitte voneinander abzuschirmen.

Abgeschirmte Kabel können für alle Kanäle verwendet werden, um die Auswirkung von Rauschen und Kanal-zu-Kanal-Kapazität zu reduzieren. Abgeschirmte Kabel haben jedoch eine gewisse Kapazität zwischen dem Leiter und der Abschirmung, wodurch sich die Kanalkapazität gegenüber Erde erhöhen würde. Diese Erhöhung der Kanalkapazität gegenüber Masse erzeugt eine größere Offset-Kapazität für das DMM. Dieser Kompromiss zwischen Rauschen und Offset-Kapazität sollte vor der Verwendung abgeschirmter Kabel für jeden Kanal berücksichtigt werden. Abgeschirmte Kabel sind in der Regel auch größer, was eine sperrigere Testvorrichtung schaffen kann.

Wenn Kabel gespannt, bewegt oder aneinander gerieben werden, können piezoelektrische und triboelektrische Effekte Potentiale erzeugen, die zu fehlerhaften Messwerten führen können. Vergewissern Sie sich, dass Kabel mit Kabelbindern sicher positioniert sind, so dass sie sich nicht bewegen.

Hinweis: Wenn es auf den individuellen Kabeldurchmesser ankommt, können Mikrokoaxialkabel eine Option für die Schnittstelle zwischen den Instrumenten und der Prüfvorrichtung sein, da sie immer noch eine Abschirmung bieten würden.

Ein Messsystem mit geringer Kapazität erfordert oft die Verwendung spezieller Konfigurationen und Kompensationstechniken, um den Einfluss parasitärer Kanal-zu-Kanal-Kapazitäten und benachbarter Prüflingskapazitäten zu minimieren.  

Benachbarte Kondensatoren und die Multiplexer-Topologie

Wenn kapazitive Prüflinge mit mehreren Kanälen in einer MUX-Topologie verbunden sind, wird die offene Kompensation bei Messungen mit geringer Kapazität komplizierter. Die MUX-Topologie eignet sich nicht gut für Messungen mit geringer Kapazität, wie nachfolgend erläutert wird.

Wenn ein einzelner kapazitiver Prüfling gemessen wird, kompensiert die offene Kompensation die Auswirkung paralleler Kapazitäten im System, wenn der Prüfling von der Prüfvorrichtung getrennt ist. Wenn jedoch mehrere Prüflinge mit einer Prüfvorrichtung verbunden sind, wird die offene Kompensation komplizierter, da die anderen Prüflinge durch parasitäre Kapazitäten in das System eingekoppelt werden, wenn ihre Schaltanschlüsse geöffnet sind. Daher muss die offene Kompensation durchgeführt werden, indem nur der Prüfling von der Prüfvorrichtung des zu messenden Kanals getrennt wird (nur Kanal, an dem das Schaltrelais geschlossen ist), während alle anderen Prüflinge mit der Prüfvorrichtung verbunden bleiben. Dies kann ein schwieriger Prozess sein, da für jeden Kanal eine offene Kompensation durchgeführt werden muss.

In Abbildung 2 ist ein Systemaufbau dargestellt, bei dem versucht wird, einen kapazitiven Prüfling in einem System zu messen, bei dem mehrere Prüflinge mit benachbarten Kanälen verbunden sind. Aufgrund der parasitären Kanal-zu-Kanal-Kapazität C _P2 und C _P3 ist jeder nicht gemessene Prüfling C ₂ und C ₃ parallel zum gemessenen Prüfling C ₁.

^{Abbildung 2: Mögliche Probleme mit einem MUX aufgrund von} parasitärer Kapazitäten

Für eine ordnungsgemäße Offen-Kompensation für C ₁ müssen C ₂ und C ₃ verbunden sein. Dazu müsste der MUX Kanal 1 öffnen und Kanäle 2 und 3 schließen.  Die MUX-Topologie lässt einen solchen Konfigurationszustand nicht zu. Daher sollte die Topologie nicht verwendet werden, wenn eine genaue Low-Level-Open-Kompensation erforderlich ist.

Obwohl die MUX-Topologie keine genaue Low-Level-Offensive-Kompensation liefert, werden SPDT- und Matrix-Topologien dies tun. Darüber hinaus reduzieren beide Topologien die parallele Kapazität, die durch die benachbarten Prüflinge verursacht wird. 

Benachbarte Kondensatoren und die SPDT-Topologie

SPDT-Relaismodule (siehe Abbildung 3) können zum Entfernen von Kapazitätsoffsets verwendet werden, die durch parasitäre Kanal-zu-Kanal-Kapazitäten verursacht werden. Dazu wird der normalerweise geschlossene Anschluss mit einer gemeinsamen Referenz verbunden. Da alle Kanäle, die nicht gemessen werden, mit NC verbunden sind, wird 0 V über den Kondensator gedrückt. Dadurch werden Prüflinge, die nicht gemessen werden, von der Messung ausgeschlossen, da sie nicht mehr in Reihe mit der Kanalkapazität liegen. Die verbleibenden parasitären Kapazitäten können durch Kompensation leicht aus dem Messergebnis entfernt werden.

^{Abbildung 3: Verwenden einer SPDT-Topologie zum Reduzieren der Auswirkung von paraasitischen Kapazitäten}

Hinweis: Voraussetzung für diese Methode ist, dass die kapazitiven Prüflinge auf das Bezugspotential gelegt werden müssen.

So konnte beispielsweise mit einem DMM/Schaltmodul zur Messung von sechs 10-pF-Kondensatoren mit dem SPDT-Schaltmodul NI PXI-2566 eine rauschfreie Auflösung von 0,1 pF erzielt werden. Dieses SPDT-System kann auf mehrere PXI-2566-Module von NI erweitert werden, die jeweils zu einem 16x1-MUX konfiguriert sind, und diese zu einem 256-Kanal-Switching-System kaskadieren. Je mehr Kanäle hinzugefügt werden, desto höher kann die Offset-Kapazität sein. Werden die Schaltmodule jedoch in Baumstruktur kaskadiert, begrenzt dies die gesamte Offset-Kapazität und ermöglicht möglicherweise einen geringeren Bereich auf dem Messgerät. Die Offset-Kapazität ist begrenzt, da jeder Zweig des Baumes von den anderen Zweigen isoliert ist.

Ein Nachteil der Verwendung von SPDT-Relais ist, dass die Module in der Regel weniger dicht sind, so dass die Systemgröße größer sein könnte.

Benachbarte Kondensatoren und die Matrixtopologie

Wie bei der SPDT-Methode kann eine Matrixtopologie (siehe Abbildung 4) verwendet werden, um den Fehler zu reduzieren, der durch andere mit dem System verbundene Prüflinge verursacht wird. Dies geschieht auch durch Verbinden einer gemeinsamen Referenz mit beiden Enden von Prüflingen, die nicht gemessen werden. 

^{Abbildung 4: Verringern der Auswirkung von paraasitischen Kapazitäten mit Hilfe einer Matrixtopologie}

Bei einigen Matrixmodulen können nicht alle Kanäle verbunden werden, da sie nur eine bestimmte Anzahl von Relais ansteuern können. Wenn nur ein Teil der Relais in der Matrix geschlossen werden kann, verursachen die parasitären Kanal-zu-Kanal-Kapazitäten zwischen dem gewünschten Signalweg und den nicht geschlossenen Relais einen Fehler und es kommt zu einer ungenauen Offen-Kompensation. Betrachten Sie daher nur Matrixmodule, mit denen jedes Relais gleichzeitig geschlossen werden kann (siehe Abschnitt Empfehlungen unten).

Kompensierung

Beachten Sie beim Ausgleich eines Schaltsystems, dass möglicherweise nicht alle Kanäle in Ihrem System gleich sind. Daher kann es je nach Messanforderungen ausreichend sein, einen Kompensationswert für jeden Kanal zu verwenden. Es kann notwendig sein, jeden Kanal einzeln zu kompensieren und diese Kompensationswerte in der Software zu speichern. Die Kompensation sollte regelmäßig und so nah wie möglich am Prüfling durchgeführt werden, um die beste Leistung zu erzielen.

Bei der Messung einer kleinen Kapazität durch eine große Systemkapazität kann die Kompensation dennoch sehr gute Ergebnisse liefern. Die Systemkapazität kann jedoch die Verwendung eines größeren Messbereichs mit dem DMM verursachen, was die Auflösung der Endmessung verringert. 

Versuchen Sie immer, die Offset-Kapazität des Systems zu reduzieren, was besonders bei Low-Level-Kapazitätsmessungen der Fall ist. Wenn das NI 4072 in einem ATS zur Messung eines 100 pF Prüflings verwendet wird, sollte idealerweise der 300 pF Bereich verwendet werden, um eine Auflösung von 0,05 pF zu erzielen. Wenn die Kapazität des Schalters, der Kabel und der Vorrichtung jedoch 2 nF beträgt, wird der 10-nF-Bereich des DMMs benötigt, um den Offset zu messen und zu kompensieren, und dieser Bereich ermöglicht eine Auflösung von nur 1 pF. Kurz gesagt, verringern Sie die Offset-Kapazität, ermöglichen Sie dem DMM Messungen in einem engeren Bereich und erzielen Sie eine bessere Auflösung.

Beachten Sie beim Einrichten eines Systems für Messungen mit geringer Kapazität die nachstehenden Richtlinien für beste Leistung. 

Schaltmodulempfehlung

Je nach Anforderung an die Genauigkeit der Kapazitätsmessung verwenden Sie eine der folgenden Schaltertopologien:

• SPDT-Schaltmodul
• Matrizen, die das gleichzeitige Schließen aller Relais ermöglichen. 

Multiplexer-Schaltmodule sollten nur verwendet werden, wenn höhere Kapazitäten gemessen werden, bei denen die parasitären Offsets die Messung nicht beeinflussen.

SPDT-Schalter können für Systeme verwendet werden, die höchste Auflösungsanforderungen erfordern, da die Offset-Kapazität, die kompensiert werden muss, typischerweise geringer ist, insbesondere bei Verwendung einer Baumstruktur. Eine geringere Offset-Kapazität ermöglicht typischerweise einen niedrigeren Messbereich, der eine bessere Auflösung aufweist. 

Matrixmodule sind kostengünstig für große Kanalanzahlsysteme. Module mit dichter Matrix wie NI PXI-2529, NI SCXI-1129 oder NI PXI-2535 werden empfohlen, da diese Module das gleichzeitige Schließen aller Relais ermöglichen und mehrere Module auf die entsprechende Anzahl von Zeilen und Spalten erweitert werden können.

Abgeschirmtes Kabel (empfohlen)

Abgeschirmte Kabel können eine sperrige Testvorrichtung schaffen. Wenn der Durchmesser einzelner Kabel ein Problem ist, sollten Sie Mikrokoaxialkabel für eine abgeschirmte Schnittstelle zwischen den Geräten und der Testvorrichtung in Betracht ziehen. Bei der Trennung der Schaltkanäle in verschiedene Abschnitte sollte eine Abschirmung verwendet werden.

Das NI 4072 bietet sehr genaue Kapazitätsmessungen zu einem sehr günstigen Preis. Die Flexibilität der PXI-Plattform ermöglicht es Ihnen, die Schalter auszuwählen, die Ihren Anforderungen am besten entsprechen. Bei einem Low-Level-Kapazitätsmesssystem sollten Sie entweder SPDT- oder Matrixschalter wählen, die eine Masseverbindung zu den nicht gemessenen Kanälen ermöglichen. Dadurch wird verhindert, dass die Prüflinge an diesen Kanälen zusätzliche Fehler verursachen. 

In jedem Testsystem sind unerwünschte parasitäre Kapazitäten vorhanden, deren Auswirkungen jedoch durch Kompensation minimiert werden können. Eine ordnungsgemäße Kompensation erfordert eine Testvorrichtung und Schaltertopologie, die zumindest eine offene Kompensation durchführen kann. Um Fehlerquellen aufgrund der Testvorrichtung zu minimieren, entwerfen Sie sichere Kabel, minimieren Sie die Kabellänge, verwenden Sie eine Abschirmung und isolieren Sie verschiedene Schaltabschnitte.

Durch Befolgen der Empfehlungen in dieser Anleitung sollten Sie in der Lage sein, ein System zu entwerfen und zu bauen, das in der Lage ist, sehr niedrige Kapazitäten genau zu messen.