Evitați zgomotul în proiectarea hardware analogică

Cele mai multe implicări includ mai multe convertoare analog-la-digitale (ADC) și convertoare digitale-la-analog (DAC), care vă permit să gestionați aplicații analogice fără hardware suplimentar. Pentru a adăuga puterea acestui hardware, API-ul imp include clase pentru eșantionare analogică și ieșire analogică cu frecvență fixă, permițând dispozitivului dvs. să înregistreze și să redea forme de undă analogice complete. Unele aplicații care utilizează această funcționalitate includ:

  • Citiri unice ale tensiunilor analogice, permițând proiectării dvs. să-și măsoare tensiunea bateriei sau să citească senzori analogici simpli, cum ar fi termistori
  • Eșantionare rapidă a senzorilor analogici. De exemplu, eșantionarea rapidă a unui accelerometru analogic pentru a detecta și caracteriza vibrațiile
  • Înregistrare și redare audio

Pentru mai multe informații despre dezvoltarea firmware-ului aplicației Electric Imp pentru înregistrarea și redarea formelor de undă analogice, consultați ghidul orientat spre software Cum se utilizează samplere și DAC-uri cu frecvență fixă.

În funcție de aplicație, integritatea semnalului devine foarte importantă pentru a obține performanțe bune din design. Este posibil ca unele aplicații mai simple, cum ar fi citirea unui senzor de precizie redusă precum un termistor, să nu necesite considerațiile acoperite în acest ghid. Pentru alții, cum ar fi senzorii audio sau electrochimici, câțiva mV de zgomot pot afecta grav performanța, provocând zgomot audibil într-o înregistrare audio sau introducând erori semnificative la citirea senzorului.

Dacă designul dvs. implică înregistrarea sau redarea formelor de undă complete sau dacă efectuați citiri analogice discrete care nu pot tolera zgomotul de 50mV, acest ghid conține informații importante care vă vor ajuta să vă optimizați designul rapid.

Povestea de putere pentru designul dvs. are cea mai mare influență asupra vulnerabilității la zgomot, astfel încât acest ghid petrece o perioadă destul de scurtă de timp asupra modului în care designul dvs. va fi alimentat. De asemenea, acoperă evitarea zgomotului cauzat de aliasing și diafragmă.

Alianta

Pentru a înțelege modul în care diferite surse de zgomot afectează un semnal pe care încercați să îl înregistrați, este important să înțelegeți aliasing-ul.

Când se prelevează orice formă de undă analogică, frecvența maximă care poate fi înregistrată fidel este de jumătate din frecvența de eșantionare (rata Nyquist). Dacă semnalele de frecvență mai mare sunt prezente în forma de undă eșantionată, acestea vor fi aliased la o frecvență mai mică; copia eșantionată a semnalului de înaltă frecvență nu se poate distinge de o copie a unui semnal de frecvență mai joasă.

dezvoltare

Aliasarea apare atunci când un semnal de înaltă frecvență este eșantionat la o frecvență mult mai mică,
care apare ca o frecvență mai mică decât semnalul original.
„AliasingSines” de Moxfyre este licențiat sub CC BY-SA 3.0

Aliasarea poate provoca probleme grave la înregistrarea formelor de undă analogice. De exemplu, luați în considerare o aplicație de înregistrare audio. Dacă un sunet cu frecvență ridicată este prezent în momentul înregistrării, acesta poate fi aliasat într-un sunet audibil, introducând zgomot.

Pentru a evita aliasing-ul, se recomandă un filtru anti-aliasing. Un filtru anti-aliasing este un filtru analogic, care filtrează semnalul primit înainte de eșantionare. Acest filtru ar trebui să încerce să blocheze orice frecvențe peste rata Nyquist a samplerului, asigurându-se că orice semnal prezent poate fi înregistrat de sampler.

Designul de referință Lala include un filtru low-pass Butterworth de ordinul doi pentru anti-aliasing. Acest filtru blochează în mod eficient frecvențe peste 8kHz. Dacă eșantionul este rulat la 16 kHz, acest filtru este eficient în prevenirea oricărui zgomot de înaltă frecvență care să fie aliasat în semnal.

Răspunsul în frecvență al filtrului anti-aliasing Lala. Complot generat de Expertul de proiectare a filtrelor Analog Devices

Chiar dacă aplicația dvs. nu se concentrează pe sunet, este important să luați în considerare aliasarea. Așa cum acest fenomen poate prelua zgomotul de frecvență înaltă inaudibil de la un microfon și îl poate muta în banda sonoră, poate, de asemenea, să deplaseze zgomotul de înaltă frecvență din ondulația sursei de alimentare sau să încarce tranzitorii și să îl mute în intervalul de frecvență de interes.

Sursa de alimentare

Cheia înregistrării și redării formelor de undă analogice „curate” este de a furniza energie „curată” tuturor porțiunilor din designul analogic. Zgomotul sursei de alimentare a oricăror componente care ating semnalul analogic va fi transferat, într-o oarecare măsură, în semnalul analogic. Există multe surse de zgomot care afectează sursa de alimentare. Tranzitorii de încărcare și zgomotul la sol sunt două surse foarte dominante de zgomot care afectează fiecare proiectare.

Încărcați tranzitorii

Cea mai semnificativă sursă de zgomot în proiectarea dvs. va fi probabil tranzitorii de încărcare pe sursa de alimentare. Multe părți ale unui dispozitiv conectat la internet (radioul și procesorul WiFi, precum și alte componente pe care le poate include designul, cum ar fi un bliț SPI) trag curent de la sursa de alimentare în vârfuri mari și bruște, ceea ce face ca întreaga șină de alimentare să sune . Când acest sunet atinge porțiunile analogice ale designului dvs., acesta va provoca zgomot. Pentru a minimiza zgomotul de la tranzitorii de sarcină:

Utilizați condensatori de bypass și filtrare conform recomandărilor pentru toate componentele majore din proiectarea dvs. Condensatoarele de bypass filtrează zgomotul de înaltă frecvență. Pe dispozitivele care prezintă tranzitori substanțiali de încărcare, condensatoarele de by-pass ajută la prevenirea acestui zgomot de a ajunge la șina de alimentare. Pe alte dispozitive care nu cauzează tranzitorii, condensatorii de by-pass ajută la prevenirea zgomotului de pe șină să ajungă la componentă.

Separați-vă șina de alimentare într-un domeniu digital și un domeniu analog Porțiunile analogice ale unui design necesită adesea mult mai puțină energie decât porțiunile digitale sau de mare putere ale proiectului, deci este adesea posibil și practic să utilizați o sursă de alimentare separată pentru a conduce porțiunile analogice ale proiectului. Acest lucru poate oferi o izolare excelentă pentru dispozitivele din domeniul analog de tranzitorii de încărcare cauzate de dispozitivele de mare putere din domeniul digital. Acest lucru este tratat în detaliu în scurt timp.

Zgomot la sol

Atunci când curentul trece printr-o cale de alimentare sau de sol în proiectarea dvs., va provoca o diferență de potențial în acea urmă; aceasta este pur și simplu Legea lui Ohm: V = IR. Dacă există o diferență de potențial între conexiunea de masă la o parte și conexiunea la masă la alta, diferența este zgomotul. Măsurile care pot fi luate pentru a reduce acest zgomot includ:

Utilizarea domeniilor de alimentare analogice și digitale separate

Cel mai bun mod de a face față zgomotului de la tranzitorii de încărcare este să evitați tranzitorii de încărcare împreună. Pentru o izolare maximă între componentele digitale zgomotoase și componentele analogice sensibile, luați în considerare utilizarea șinelor de alimentare separate pentru aceste două domenii.

În modele care sunt mereu pornite, în care durata de viață a bateriei nu este un parametru critic, furnizarea de șine analogice și digitale separate poate fi foarte simplă. În acest caz, sursa de 3.3V pentru imp și alte componente de mare putere poate fi reglată cu un regulator de comutare DC/DC sau un LDO, în funcție de cerințele de putere și cost. Alimentarea analogică poate fi apoi generată cu o sursă de alimentare complet separată. Un LDO este o potrivire deosebit de bună pentru crearea unei șine analogice, deoarece nu generează o ondulație așa cum o face un regulator de comutare.


Exemplu diagramă bloc: consumabile analogice și digitale separate

În unele cazuri, este posibil să nu fie practic sau posibil să se obțină șine analogice și digitale separate așa cum se arată mai sus. Există încă opțiuni pentru izolarea componentelor analogice de zgomotul digital:

  • O șină analogică separată poate fi generată din șina digitală De exemplu, designul de referință Lala derivă o șină analogică de 2,8V din șina de sistem de 3,3V cu un LDO pentru a ajuta la eliminarea zgomotului procesorului și WiFi de la semnalele audio. Această metodă este mai puțin eficientă decât derivarea celor două consumabile separat de o sursă comună. Deoarece un LDO mic, cu un Iq scăzut poate fi utilizat pentru a obține șina analogică, această strategie poate fi foarte eficientă în proiectele în care durata de viață a bateriei este critică.


Analog Rail derivat din Digital Rail cu LDO; LDO acționează ca un filtru. Rețineți că acest lucru nu este posibil cu unele implicări.

  • Un filtru LC pe sursa de alimentare dintre domeniile analogice și digitale poate oferi o oarecare izolare Această metodă este cea mai eficientă la eliminarea zgomotului de înaltă frecvență; tranzitorii de încărcare lungă de la evenimente precum transmisia WiFi vor genera în continuare zgomot pe partea analogică a filtrului. Această strategie poate fi încă adecvată în cazul în care un anumit zgomot poate fi tolerat pentru a obține un număr mai mic de componente și un cost BoM, cum ar fi un interfon simplu sau un senzor analogic care poate fi citit de mai multe ori și mediatizat.


Un filtru Pi

VDD și VDDA

imp-urile au mai multe domenii de putere separate la nivel intern, care sunt împărțite diferit în funcție de tipul de imp utilizate. Pentru majoritatea aplicațiilor, este cel mai simplu să legați aceste domenii împreună extern. În aplicații care utilizează o șină de alimentare analogică separată. Cu toate acestea, sursa analogică poate fi utilizată și pentru alimentarea tensiunii de referință pentru imp. Cerințele electrice specifice pentru fiecare tip de imp. Ar trebui luate întotdeauna din fișa tehnică pentru acel tip de imp.

Domeniile interne de putere ale imp:

DC/DC Ripple

O sursă de comutare DC/DC funcționează prin comutarea curentului printr-un inductor. Comutarea convertoarelor DC/DC creează în mod firesc o undă pe măsură ce inductorul din sursa de alimentare este comutat și condensatorul de ieșire este încărcat și descărcat. În timp ce această ondulare este de obicei de înaltă frecvență (în zeci de megahertz), acest zgomot va fi aliasat în jos la intervale de frecvență mai mici atunci când este prelevat. Mai rău, deoarece acest zgomot afectează chiar componentele utilizate pentru a implementa un filtru anti-aliasing, filtrul anti-aliasing nu va proteja împotriva acestuia.

  • Urmați aspectul recomandat pentru sursa de alimentare cu comutare Acest lucru implică de obicei utilizarea urmelor scurte pentru semnale de pe fiecare parte a inductorului și dirijarea sursei de alimentare de ieșire printr-un condensator de ieșire înainte de a o transmite către alte părți ale proiectului dvs.


Aspectul recomandat pentru TPS62172, o sursă de alimentare DC/DC utilizată în mod obișnuit, din foaia de date a TI

Păstrați componentele vulnerabile la distanță de inductor Inductorul dintr-o sursă de alimentare cu comutare se poate cupla magnetic cu alte componente din circuitul dvs., în special cu cele cu inductanță ridicată, cum ar fi urmele lungi. Când doi inductori se cuplează magnetic, circuitul rezultat este efectiv un transformator, permițând zgomotului să se deplaseze între două plase neconectate electric. Pentru a evita acest lucru, țineți componentele sensibile la distanță de sursa de alimentare de comutare, urmați schema recomandată a sursei de alimentare și asigurați-vă că utilizați condensatori de decuplare pe tot parcursul proiectării.

Dacă este posibil, utilizați un LDO pentru a furniza sursa analogică Deoarece un LDO nu funcționează prin comutarea curentului printr-un inductor, produce mai puțină ondulare și elimină vulnerabilitatea la cuplarea inductivă.

Crosstalk

Crosstalk apare atunci când două plase electrice se cuplează inductiv, determinând semnalul de pe o plasă să curgă în cealaltă. Semnalele de înaltă frecvență sunt mai susceptibile de a provoca diafragma, deoarece cuplarea inductivă se întâmplă mai ușor la frecvență înaltă. Pentru a minimiza riscul de cuplare inductivă și diafragmă, păstrați plasele de înaltă frecvență separate fizic de urmele analogice sensibile.

Primele versiuni ale diagramei includ o pereche de ace care sunt deosebit de susceptibile la diafragme. Pentru fiecare dintre aceste perechi, dacă unul dintre pini este utilizat pentru semnalizare de mare viteză sau analogică, celălalt nu ar trebui să fie.

imp Tip Pin Pair
imp001 1 și 2
imp002 1 și 2
imp003 A și B

Imps ulterioare (imp004m și mai sus) nu sunt afectate în acest fel.