Considérations lors de la commutation de mesures de faible capacité

Un système de test automatique (ATS) utilisé pour effectuer des mesures de faible capacité sera probablement composé des équipements suivants :

• DMM ou périphérique de mesure de capacité comme un Vumètre LCR
• Commutateurs pour acheminer les signaux d’un appareil de test vers le périphérique de mesure
• Appareil de test pour vos périphériques sous test (DUT)
• Câblage pour connecter chacun des composants ci-dessus

Les exigences du système de mesure telles que la précision, la vitesse et le nombre de DUT dictent l’équipement et le câblage qui peuvent être utilisés dans l’ATS. À mesure que les exigences deviennent plus strictes, les techniques générales de mesure des cas d’utilisation et les configurations de commutation risquent de ne plus offrir des performances adéquates. Les techniques recommandées et les configurations spécialisées de ce tutoriel peuvent ensuite être utilisées pour obtenir les résultats souhaités.

Il y a plusieurs considérations à prendre en compte lors de la planification d’une mesure de capacité de bas niveau. Les informations suivantes traitent des considérations les plus courantes.

Sélection du matériel

Une option pour le périphérique de mesure de capacité est le NI PXI-4072 (NI 4072). Le NI 4072 est un multimètre numérique (DMM) à 6 chiffres et demi doté d’un vumètre LCR intégré pour mesurer l’inductance et la capacité. Il a des gammes de capacité de 300 pF à 10 000 uF et peut mesurer avec une résolution aussi basse que 0,05 pF. Pour en savoir plus sur la manière dont le NI 4072 effectue des mesures de capacité et d'inductance, reportez-vous à Mesures de capacité/inductance.

Après avoir sélectionné un périphérique de mesure de capacité, décidez comment acheminer les signaux de test vers ce périphérique. Une approche rentable et standardisée consiste à incorporer la commutation sur le frontal de votre système.

Presque toutes les applications ATS utilisent un type de commutation. La commutation permet des configurations personnalisables, des vitesses de connexion rapides et la possibilité de connecter par programmation un grand nombre de voies à un nombre minimal d’instruments de test, améliorant ainsi les performances du système tout en réduisant le coût d’un système de test automatisé. Par exemple, avec les modules de commutation NI PXI et SCXI haute densité, vous pouvez automatiser la connexion d’un NI 4072 à des centaines de DUT. La vitesse de connexion peut être modifiée pour maximiser le débit ou la précision, et la configuration peut être modifiée à l’aide d’un logiciel pour exécuter des tests ultérieurs.

National Instruments fournit une variété de modules de commutation flexibles et rentables.

Topologies switch

Une topologie de commutation est une représentation organisationnelle des voies et des relais d'un module de commutation. Un ou plusieurs modules de commutation configurés dans une variété de topologies sont nécessaires pour fournir les points de connexion et les fonctionnalités requis de votre système. Pour obtenir des informations complémentaires sur les topologies disponibles et leurs configurations respectives, reportez-vous à l'Aide NI Switches.

Il existe trois topologies courantes utilisées pour les mesures de capacité de commutation : MUX, Single-Pole Double-Throw (SPDT) et Matrice. 

La topologie MUX est souvent sélectionnée pour les applications de mesure à plusieurs voies, où de nombreuses voies se connectent une par une à un périphérique de mesure. Cette topologie peut être utilisée pour des mesures de capacité plus importantes. Cependant, avec les mesures de capacité de niveau moyen et bas, les offsets parasites peuvent affecter considérablement les résultats, et la topologie MUX peut ne plus être la meilleure option. 

Les topologies SPDT et Matrix fournissent des configurations système qui aident à limiter les offsets parasites lors des mesures de capacité de niveau moyen à bas. Ces topologies et leurs configurations utiles sont abordées dans la section Considérations avancées de ce tutoriel.

Compensation

Dans la plupart des applications ATS, le DMM sera connecté au DUT via des câbles, des commutateurs, des blocs de connexion et des appareils. Ces composants supplémentaires ajoutent une capacité parasite qui peut provoquer une erreur indésirable dans la mesure. La figure 1 montre un modèle pour les autres résidus qui peuvent exister dans votre système. Pour les mesures de capacité, nous nous intéressons principalement à la capacité parasite, Cp, mais les autres résidus peuvent devoir être pris en compte, en fonction de votre système de test. Cp peut facilement atteindre la gamme uF dans un grand système de commutation si certaines précautions ne sont pas prises en compte. 

^{Figure 1 : Modèle des résidus du dispositif d ' essai}

Une compensation peut être effectuée pour réduire l’erreur entre le DMM et le DUT. Deux méthodes de compensation couramment utilisées sont l’annulation d’offset et la compensation open/short. 

L'annulation d'offset, ou compensation ouverte, est utile si vous supposez que Rs et Ls sont négligeables. L’annulation d’offset consiste à prendre deux mesures et à les soustraire pour supprimer l’effet des capacités parallèles (Cp dans la figure 1) qui existent dans votre système de test. Une première mesure d’« offset » est prise avec le DUT déconnecté (ouvert) et une seconde mesure est effectuée avec le DUT connecté. Soustraire l'offset initial de votre mesure de DUT produit le résultat plus précis.

La compensation Open/Short est utile si vous supposez que votre erreur système est une combinaison de nombreux résidus de dispositifs de test différents. La compensation d’ouverture/court-circuit intègre la suppression d’offset, mais mesure également lorsque les connexions à côté du DUT sont court-circuitées. Ce court-circuit permet de mesurer Rs et Ls.

Remarque : Le driver NI-DMM utilisé avec le NI 4072 peut automatiquement compenser toutes les mesures ultérieures après avoir pris les mesures ouvertes et courtes.

Bruit et moyennage

Lors de mesures de faible capacité, le bruit et d’autres facteurs environnementaux peuvent entraîner une erreur de mesure. Par conséquent, tout doit être fait pour supprimer ou protéger votre système des sources de bruit. Le NI 4072 a un temps d'ouverture prédéfini qu'il utilise lors des mesures de capacité. Si une résolution efficace plus élevée est souhaitée, plusieurs échantillons peuvent être moyennés en modifiant la propriété « Number of LC Measurements to Average ». En faisant la moyenne de plus d'échantillons ensemble dans le driver, vous pouvez réduire l'effet du bruit sur votre signal.

Utiliser des relais avec un courant minimal faible et des spécifications de résistance de chemin faible

Le DMM NI 4072 fournit un petit courant de test pour mesurer la capacité. Les modules de commutation qui ont de faibles spécifications de courant minimum doivent être utilisés pour maintenir une intégrité de signal cohérente. 

Des modules de commutation avec des spécifications de résistance de faible chemin doivent être utilisés pour maintenir l’impédance entre le DMM et les DUT aussi basse que possible. Cependant, gardez à l’esprit que les commutateurs à résistance de chemin plus élevée peuvent être utilisés tant qu’une compensation courte est effectuée.

Tenir compte de la connectivité des blocs de connexion

Vérifiez que les commutateurs que vous choisissez peuvent être connectés correctement à votre appareil de test. Les commutateurs NI ont plusieurs options de connectivité, y compris des blocs de connexion et des câbles à montage frontal. NI fournit également des numéros de référence de connecteur d'accouplement afin que les clients et les sociétés tierces puissent construire leurs propres interconnexions.

Isolation et câblage

Organisez les voies de commutation de manière à réduire la quantité de capacité qui doit être compensée par le DMM.  Positionner les voies de commutation en parallèle est une configuration simple et souvent utilisée, mais elle entraîne la somme des capacités parasites et une probabilité plus élevée d'erreur de mesure. Au lieu de placer les voies de commutation en parallèle, une autre option de configuration consiste à disposer les commutateurs dans une structure arbre pour empêcher les capacités parasites de s'additionner. Cela est abordé plus en détail dans la section Considérations avancées de ce tutoriel. 

Isoler les voies de commutation en différentes sections réduit également la quantité de capacité qui doit être compensée par le DMM. Étant donné que la capacité totale est plus faible, cela pourrait vous permettre d’utiliser une gamme plus faible sur le DMM, ce qui augmentera la résolution de la mesure. Lorsque vous utilisez cette technique, il est important de protéger différentes sections de canaux les unes des autres.

Les câbles blindés peuvent être utilisés pour toutes les voies afin de réduire l’effet du bruit et de la capacité voie à voie. Cependant, les câbles blindés ont une certaine capacité entre le conducteur et le blindage qui augmenterait la capacité voie-masse. Cette augmentation de la capacité voie-masse crée une capacité d’offset plus grande pour le DMM. Ce compromis entre le bruit et la capacité d’offset doit être pris en compte avant d’utiliser des câbles blindés pour chaque voie. Les câbles blindés sont également généralement plus grands, ce qui peut créer un appareil de test plus volumineux.

Lorsque des câbles sont sollicités, déplacés ou frottés les uns contre les autres, les effets piézoélectriques et triboélectriques peuvent créer des potentiels pouvant conduire à des lectures erronées. Assurez-vous que les câbles sont bien positionnés à l'aide d'enrouleurs pour qu'ils ne se déplacent pas.

Remarque : Si le diamètre de chaque câble pose problème, les microcâbles coaxiaux peuvent être une option d’interface entre les instruments et le dispositif d’essai, car ils fourniraient toujours un blindage.

Un système de mesure à faible capacité nécessite souvent l’utilisation de configurations spécialisées et de techniques de compensation pour minimiser l’effet de la capacité voie à voie parasite et des capacités DUT voisines.  

Condensateurs voisins et topologie du multiplexeur

Lorsque les DUT capacitifs sont connectés à plusieurs voies dans une topologie MUX, effectuer une compensation Open devient une procédure plus impliquée lorsque des mesures de faible capacité sont prises. La topologie MUX n’est pas bien adaptée aux mesures de faible capacité, comme expliqué ci-dessous.

Lorsqu’un seul DUT capacitif est mesuré, la compensation ouverte compense l’effet des capacités parallèles dans le système lorsque le DUT est déconnecté du dispositif de test. Cependant, lorsque plusieurs DUT sont connectés à un dispositif de test, la compensation Open devient plus compliquée car les autres DUT sont couplés au système par des capacités parasites lorsque leurs connexions de commutation sont ouvertes. Par conséquent, la compensation Open doit être effectuée en déconnectant uniquement le DUT du dispositif de test sur la voie mesurée (uniquement la voie où le relais de commutation est fermé), tout en gardant tous les autres DUT connectés au dispositif de test. Cela peut être un processus difficile à effectuer car une compensation Open doit être effectuée pour chaque voie.

La figure 2 représente une configuration de système où la tentative consiste à mesurer un DUT capacitif dans un système où plusieurs DUT sont connectés à des voies voisines. En raison de la capacité parasite voie à voie série, C_P2 et C_P3, chaque DUT qui n’est pas mesuré, C₂ et C_3, est en parallèle avec le DUT mesuré, C₁.

^{Figure 2 : Problèmes potentiels avec un MUX dus aux capacités parasites}

Une compensation Open correcte pour C₁ nécessite que C₂ et C₃ soient connectés. Pour cela, le MUX devrait ouvrir la voie 1 et fermer les voies 2 et 3.  La topologie MUX ne permet pas un tel état de configuration, et par conséquent la topologie ne devrait pas être utilisée lorsqu’une compensation Open de bas niveau précise est requise.

Bien que la topologie MUX ne fournisse pas une compensation Open de bas niveau précise, les topologies SPDT et Matrice le feront. De plus, ces deux topologies réduisent la capacité parallèle causée par les DUT voisins. 

Les condensateurs voisins et la topologie SPDT

Les modules relais SPDT (illustrés à la figure 3) peuvent être utilisés pour supprimer les offsets de capacité causés par des capacités voie à voie parasites. Pour ce faire, connectez le terminal normalement fermé (NC) à une référence commune. Comme toutes les voies qui ne sont pas mesurées seront connectées à NC, cela force 0 V aux bornes du condensateur. Cela évite aux DUT qui ne sont pas mesurés d’affecter la mesure puisqu’ils ne sont plus en série avec la capacité voie à voie. Les capacités parasites restantes peuvent être facilement supprimées du résultat de la mesure en utilisant une compensation.

^{Figure 3 : Utilisation d’une topologie SPDT pour réduire l’effet des capacités parasites}

Remarque : Une exigence de l’utilisation de cette technique est que les DUT capacitifs doivent être terminés au potentiel de référence.

Par exemple, une configuration DMM/commutateur conçue pour mesurer six condensateurs de 10 pF à l’aide du module de commutation SPDT NI PXI-2566 a permis d’atteindre une résolution sans bruit de 0,1 pF. Ce système SPDT peut être étendu pour utiliser plusieurs modules NI PXI-2566, chacun configuré pour former un MUX 16x1, et les casser pour créer un système de commutation à 256 voies. Plus il y a de voies ajoutées, plus la capacité d'offset peut être élevée. Cependant, si les modules de commutation sont mis en cascade en utilisant une structure arbre, cela limitera la capacité d’offset globale et permettra potentiellement d’utiliser une gamme plus faible sur le périphérique de mesure. La capacité d'offset est limitée car chaque branche de l'arbre est isolée des autres branches.

L’un des inconvénients de l’utilisation de relais SPDT est que les modules sont généralement moins denses, de sorte que la taille du système pourrait être plus grande.

Condensateurs voisins et topologie de matrice

Tout comme la méthode SPDT, une topologie matricielle (illustrée à la figure 4) peut être utilisée pour réduire l’erreur causée par d’autres DUT connectés au système. Cela se fait également en connectant une référence commune aux deux extrémités des DUT qui ne sont pas mesurées. 

^{Figure 4 : Utilisation d'une topologie matricielle pour réduire l'effet des capacités parasites}

Certains modules Matrice ne permettent pas de connecter chaque voie car ils ne peuvent fournir qu’une puissance suffisante pour actionner un certain nombre de relais. Si seule une sous-section des relais de la matrice peut être fermée, les capacités voie à voie parasites entre la route de signal désirée et les relais non fermés provoqueront une erreur, et une compensation Open inexacte en résultera. Considérons donc uniquement les modules Matrice qui permettent de fermer chaque relais simultanément (voir la section Recommandations ci-dessous).

Compensation

Lorsque vous compensez un système de commutation, gardez à l’esprit que toutes les voies de votre système peuvent ne pas être égales. Par conséquent, prendre une valeur de compensation et l’utiliser pour chaque voie peut être suffisant ou non en fonction de vos exigences de mesure. Il peut être nécessaire de compenser chaque voie individuellement et de stocker ces valeurs de compensation dans un logiciel. La rémunération doit être effectuée sur une base régulière et aussi près que possible du DUT pour obtenir le meilleur rendement.

Lors de la mesure d’une petite capacité à travers une capacité système importante, la compensation peut toujours donner de très bons résultats. Cependant, la capacité du système peut provoquer l’utilisation d’une gamme de mesure plus grande avec le DMM, ce qui réduit la résolution de la mesure finale. 

Essayez toujours de réduire la capacité d’offset du système, et cela est particulièrement vrai avec les mesures de capacité de bas niveau. Si le NI 4072 est utilisé dans un ATS pour mesurer un DUT de 100 pF, la gamme de 300 pF devrait idéalement être utilisée pour atteindre une résolution de 0,05 pF. Cependant, si la capacité du commutateur, du câblage et du dispositif est de 2 nF, la gamme de 10 nF du DMM est requise pour mesurer et compenser l'offset, et cette gamme permet une résolution de seulement 1 pF. En bref, réduisez la capacité d’offset, permettez au DMM de mesurer dans une gamme plus étroite et obtenez une meilleure résolution.

Lors de la configuration d’un système de mesures de faible capacité, suivez les directives ci-dessous pour de meilleures performances. 

Recommandation du module de commutation

Selon les exigences de précision de mesure de capacité, utilisez une des topologies de commutateur suivantes

• Commutateur SPDT
• Matrices qui permettent la fermeture simultanée de tous les relais. 

Les modules de commutation multiplexeur ne doivent être utilisés que pour mesurer des capacités plus élevées lorsque les offsets parasites n’affectent pas la mesure.

Les commutateurs SPDT peuvent être utilisés pour créer des systèmes nécessitant les exigences de résolution les plus strictes car la capacité d’offset qui doit être compensée est généralement plus faible, en particulier si vous utilisez une structure arbre. Une capacité d'offset plus faible permet généralement d'utiliser une gamme de mesure plus faible qui a une meilleure résolution. 

Les modules matriciels sont rentables pour les systèmes à grand nombre de voies. Les modules matriciels denses tels que les NI PXI-2529, NI SCXI-1129 ou NI PXI-2535 sont recommandés car ces modules permettent la fermeture simultanée de tous les relais, et plusieurs modules peuvent être étendus au nombre approprié de lignes et de colonnes.

Recommandation de câble blindé

Les câbles blindés peuvent créer un appareil de test encombrant. Si le diamètre individuel des câbles pose problème, envisagez des microcâbles coaxiaux pour une interface blindée entre les instruments et le dispositif de test. Un blindage doit être utilisé si vous isolez les voies de commutation en différentes sections.

Le NI 4072 fournit des mesures de capacité très précises à un prix très abordable. La flexibilité de la plate-forme PXI vous permet de choisir les commutateurs qui répondent le mieux à vos besoins. Pour un système de mesure de capacité de bas niveau, vous devriez choisir un commutateur SPDT ou matrice, qui permet une connexion à la masse aux voies qui ne sont pas mesurées. Cela empêche les DUT sur ces voies de provoquer une erreur supplémentaire. 

Des capacités parasites indésirables existent dans chaque système de test, mais une compensation peut être effectuée pour minimiser leurs effets. Une compensation appropriée nécessite un dispositif de test et une topologie de commutateur capables d’effectuer au moins une compensation ouverte. Pour minimiser les sources d’erreur dues au dispositif de test, concevez des câbles sécurisés, minimisez la longueur des câbles, utilisez un blindage et isolez différentes parties de commutation.

En suivant les recommandations décrites dans ce tutoriel, vous devriez être capable de concevoir et de construire un système capable de mesurer avec précision de très faibles capacités.