Contrôle qualité des réseaux de microphones MEMS numériques

MEMS Mic

Les microphones MEMS (MicroElectroMechanical System)numériques sont des composants utilisés dans divers appareils grand public ainsi que dans des applications automobiles et industrielles. Un microphone MEMS numérique combine un capteur acoustique ainsi qu'un convertisseur analogique-numérique sur une puce de silicium. Cela ne nécessite qu'un très faible encombrement sur un circuit imprimé (PCB) et permet de connecter les microphones directement à un processeur de signal.

En raison de l'utilisation croissante des applications de reconnaissance vocale, les microphones MEMS numériques sont souvent disposés en réseau. Pour garantir un fonctionnement sans faille, les valeurs absolues des spécifications et, plus important encore, les valeurs de tous les microphones du réseau doivent être testées les unes par rapport aux autres. Cette page explique comment interfacer des microphones MEMS numériques avec un système de test acoustique et comment mesurer les paramètres clés pertinents pour une démarche de contrôle qualité fiable.

D'un coup d'œil

  • Pour les mesures sur des composants individuels ou des réseaux de microphones MEMS numériques
  • Intégration transparente dans la solution de test de microphone NTi Audio
  • Fournit différentes tensions d'alimentation et fréquences d'horloge

Ce qu'il faut tester

Pour tester les paramètres acoustiques d'un microphone MEMS numérique, le signal numérique doit interfacer directement avec l'analyseur audio ou être converti dans un format différent, par exemple analogique. Les paramètres typiques d'un test de contrôle qualité sont les mêmes que pour la plupart des autres microphones : sensibilité, réponse en fréquence, distorsion et parfois rapport signal/bruit (SNR). Pour une caractérisation complète d'un microphone généralement réalisée en laboratoire, des paramètres tels que EIN (Equivalent Input Noise), PSR (Power Supply Rejection), PSRR (Power Supply Rejection Rate), et la plage dynamique sont mesurés ou calculés. Eventuellement, le comportement directionnel d'un microphone à différentes fréquences peut être mesuré à l'aide d'un plateau tournant.

Pour toutes les mesures absolues (celles qui ne sont pas exprimées en % ou en dB), les unités des microphones MEMS numériques sont différentes. Alors que la sensibilité des microphones analogiques est exprimée en mV/Pa ou dBV/Pa, celle des microphones numériques est exprimée en dBFs. Il s'agit de "décibel pleine échelle" et cela décrit la différence entre le niveau d'un microphone numérique à 94 dBSPL (1 Pa) et le niveau maximum à la sortie numérique de ce microphone. Ce point de sortie numérique maximale est également appelé AOP (Acoustic Overload Point) ou point de surcharge acoustique.

Comparaison acoustique/numérique

Tester des microphones MEMS individuels est très rare. Dans la plupart des cas, les microphones MEMS sont testés sur un circuit imprimé assemblé contenant plusieurs microphones MEMS. Pour caractériser les performances de ce module, il est intéressant de savoir comment les microphones MEMS assemblés se comportent les uns par rapport aux autres. Un paramètre typique est la "plage de sensibilité"( Sensitivity Span), la différence entre la sensibilité la plus élevée et la plus faible mesurée sur les microphones MEMS assemblés.

Particularités des microphones MEMS numériques

Les microphones MEMS numériques fournissent des données au format PDM ½ cycle. Le microphone nécessite une entrée CLK et délivre ses données sur une sortie DATA. De plus, deux microphones se partagent une ligne de données. Par conséquent, chaque microphone est configuré pour être un microphone "gauche" ou "droit". Cela est fait en cablant la broche d'entrée G/D à Vdd ou à la terre. Les microphones MEMS sont généralement alimentés avec une tension de 1.8V ou 3.3V.

En fonctionnement normal, le microphone "gauche" écrit un bit de données sur chaque front montant du signal d'horloge, tandis que le microphone "droit" écrit un bit de données sur chaque front descendant. Pendant qu'un microphone écrit des données, l'autre met sa sortie DATA en mode haute impédance. Sur le DSP qui reçoit les données, les données de signal gauche et droite sont ensuite séparées et regroupées en deux flux de signaux.

Fonctionnement normal de deux microphones MEMS numériques

Mais que se passe-t-il si l'un des deux microphones n'est pas assemblé correctement ou s'il manque?

Fonctionnement avec un microphone MEMS non fonctionnel ou manquant

Dans cet exemple, il manque le microphone droit, donc seul le microphone gauche écrit sur la ligne de données. Sur les fronts montants, le microphone gauche met sa ligne DATA en état de haute impédance. La ligne DATA conserve donc son état tel qu'il était précédemment écrit par le microphone gauche. Ainsi, du point de vue du DSP de réception, le microphone droit semble fournir exactement les mêmes données que le microphone gauche. Les deux flux de données sont identiques ! Ce problème doit être traité par le système de test, car la détection d'un microphone manquant est un élément fondamental lors du test d'une carte MEMS.

Les fréquences d'horloge utilisées pour faire fonctionner les microphones MEMS numériques varient généralement entre quelques centaines de kHz, jusqu'à 3MHz. Une fréquence d'horloge plus faible signifie une consommation d'énergie plus faible, mais aussi une qualité audio inférieure.

Pour assurer l'intégrité du signal numérique, il est recommandé de maintenir les distances entre les microphones MEMS numériques et le système de test audio aussi courtes que possible. Ces microphones ne sont tout simplement pas conçus pour supporter un long cable à haute capacitance.

La solution NTi Audio recommandée

Le système de mesure de base pour tester les réseaux de microphones MEMS numériques se compose d'un analyseur audio, d'un boîtier d'interface MEMS NTi Audio, d'un haut-parleur de référence et d'un microphone de référence. Le système est contrôlé par un logiciel PC.

Sound Insulation Measurement

Configuration du test pour la mesure d'un PCB avec un réseau de 6 microphones MEMS

L'analyseur audio FX100

Le FX100 génère les signaux de test pour le haut-parleur de référence et analyse les signaux provenant des microphones MEMS ainsi que d'un microphone de référence. Selon le nombre de microphones MEMS et les contraintes de temps, il est possible d'utiliser des canaux parallèles ou des sélecteurs d'entrée supplémentaires.

NTi Audio MEMS Mic Interface box

MEMS Mic Test Box

MEMS Microphone Text Box

Fournit une interface pour connecter jusqu'à 8 microphones MEMS numériques en parallèle. Chaque signal de microphone MEMS est converti et acheminé vers une sortie audio symétrique. Le boîtier fournit une alimentation de 1,8V ou 3,3V aux microphones et permet de choisir entre différentes fréquences d'horloge. Les microphones MEMS non connectés ou inutilisables sont détectés et visualisés de manière fiable par des LEDs sur le boîtier.Le boîtier communique avec le PC via une interface USB.

Le haut-parleur de référence

Il s'agit de fournir une largeur de bande et une pression acoustique suffisantes pour couvrir les conditions d'essai requises. Il est recommandé d'utiliser un haut-parleur coaxial (source ponctuelle) pour éviter une distribution sonore non uniforme.

Le microphone de référence

Il s'agit de mesurer le signal vrai provenant du haut-parleur lors de chaque mesure. Cette information permet de compenser toute déviation ou dérive par rapport au haut-parleur de référence.

Le logiciel PC

Le logiciel RT-Mic est le choix idéal pour le test de fin de ligne des circuits imprimés de réseaux de microphones MEMS numériques. Il offre une configuration facile à manipuler,un étalonnage guidé, l'acquisition de données de référence et le calcul des limites. Chaque microphone est mesuré et jugé selon les critères BON/MAUVAIS. Les résultats des différents microphones MEMS sont résumés en un résultat global.

Logiciel RT-Mic EOL QC

Options et accessoires

Un capteur d'environnement peut mesurer et enregistrer la température, l'humidité relative et la pression atmosphérique parallèlement aux données de mesure.

Un lecteur de code-barres peut être utilisé pour lire le numéro de série de l'objet testé. Un plateau tournant est utilisé pour déterminer la caractéristique directionnelle d'un seul microphone MEMS.

Avantages

  • Connectez jusqu'à 8 microphones MEMS. Cela permet de traiter toutes les cartes de circuits imprimés de réseaux MEMS utilisées pour les dispositifs intelligents, les applications automobiles, etc.
  • Mesure rapide et précise de tous les paramètres acoustiques importants.
  • Evaluation des differents microphones MEMS individuellement et du circuit imprimé complet.
  • Détection intégrée des microphones MEMS inutilisables ou manquants.
  • Solution clé en main pour les applications de test de fin de ligne.
  • Alimentation du microphone MEMS et fréquence d'horloge sélectionnables.

Configuration

Analyseur audio Flexus FX100

Système de test de microphones MEMS numériques

contient

  • Analyseur audio Flexus FX100
  • Microphone de mesure M2010
  • Logiciel RT-Microphone pour Flexus
  • MEMS Mic Interface Box

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