Layout PCB segnale misto per PSoC

Sto sviluppando un PCB per un'applicazione di rilevamento analogico. Utilizza l'ADC interno su una PSoC3. Come al solito, l'applicazione è molto limitata nello spazio (11 mm x 21 mm), quindi ho dovuto scendere a compromessi nel layout del PCB, cosa che non avrei fatto su un PCB più grande.

La scheda è fornita da 6 V regolati e contiene due regolatori lineari da 5 V. Un MCP1702 per l'alimentazione digitale e un MIC5205 per l'alimentazione analogica. La scheda rileva cinque sensori ad effetto Hall A1324 . Ogni segnale di uscita ad effetto Hall è filtrato da un filtro RC 100nF + 1k. Un sensore si trova sul PCB stesso (in basso a destra). Gli altri 4 si collegano al connettore a 6 pin destro.

Il chip agisce come uno slave SPI, ma i campioni ADC vengono sempre presi tra transazioni SPI, quindi l'SPI non dovrebbe interferire con i segnali analogici.

Purtroppo, sto ancora vedendo del rumore (circa 1,5 LSB a 12 bit) sui segnali analogici, e mi chiedo se ci sia qualcosa che avrei potuto fare diversamente nel layout per migliorarlo.

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Altri progetti di PCB che ho fatto utilizzando l' MCP3208 e gli stessi doppi alimentatori a 5 v , gli stessi sensori e gli stessi filtri RC non hanno prodotto alcun rumore evidente a 12 bit.

L'ADC su PSoC3 è di tipo delta sigma. Questa versione di PSoC è limitata a 12 bit, ma un altro numero di parte ha un ADC a 16 bit (sebbene con una frequenza di campionamento inferiore).

Mi interessa il rumore e vorrei davvero spingerlo un po 'più avanti verso 12 ENOB. Il motivo non è la precisione, ma la misurazione della velocità. Attualmente questo livello di rumore sta rendendo impossibile eseguire un controllo accurato della posizione e della velocità su un robot.

Inserito il:

Schematico. Mi dispiace che sia un po 'angusto, ma puoi leggere i valori.

Avrai sempre del rumore su un ADC, in particolare i tipi SA (Successive Approximation) sul die del microcontrollore. Sigma-delta ha prestazioni migliori per il rumore gaussiano, poiché lo integrano. Non aspettarti 12 ENOB da un ADC a 12 bit.

Il rumore del controller è un motivo per cui la maggior parte dei microcontrollori non offre una risoluzione superiore a 10 bit e l'AVR offre la possibilità di arrestare il microcontrollore durante l'acquisizione dell'ADC, il che dovrebbe confermare che almeno parte del rumore proviene dal controller .

Ma la domanda è: ti importa? 1,5 bit di rumore su un ADC a 12 bit lascia ancora più di 10 bit, o meglio dello 0,1%. Quanto è preciso il tuo sensore Hall? Altri componenti nel circuito?

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Sembra che tu usi l'oscillatore interno del PSoC, poiché non vedo alcun cristallo sullo schema. Sembra OK: hai il disaccoppiamento corretto. A parte l'orologio interno, l'unica parte ad alta velocità nel circuito sembra essere la SPI, ma tu dici che questo sarà silenzioso durante le misurazioni. Il resto della scheda è DC o probabilmente relativamente basso come i sensori ad effetto Hall. Ed è un Damn Small ™, che aiuta anche: tracce più brevi assorbiranno meno rumore. Certo, potrei puntualizzare MCP1702, che ruoterei di 90 ° in senso antiorario in modo che il condensatore di uscita possa essere posizionato ancora più vicino ai pin, ma ciò non risolverà i problemi.

Vedo solo un cambiamento nel layout che potrebbe migliorare il tuo rapporto S / N:

Nella scheda tecnica sono suggeriti i piani di massa analogici e digitali divisi per "Prestazioni analogiche ottimali" (pagina 10).

Per il resto: è una piccola tavola come ho detto, che significa brevi tracce e disaccoppiamento in pochi mm. Quindi vorrei dare un'altra occhiata alla fonte del rumore. Il principale sospettato è l'orologio del PSoC. Il PSoC può funzionare con una tensione di alimentazione molto bassa e ciò ridurrebbe il rumore. Naturalmente sarebbe di grande aiuto se anche VDDA dovesse essere abbassato, ma non ho letto da nessuna parte nel foglio dati che VDDA non dovrebbe essere più alto di VDDD.

Successivamente, l'ADC. A pagina 55 del foglio dati dice 66 dB SINAD, ovvero 11 bit, vicino a quello che ottieni ora. Il datasheet A1324 ci fornisce un rumore di 7 mVpp con una tensione di riposo di 2,5 V. Questo è anche molto meno del rapporto S / N di 72 dB che 12 bit potrebbe darti. Puoi migliorarlo un po 'con un filtro aggiuntivo.

Lei menziona le migliori prestazioni dell'MCP3208, ma questo è un ADC lontano dal microcontrollore e ciò può spiegare come un ADC SA può fare meglio di un sigma-delta con la stessa risoluzione.

Quindi, le opzioni che vedo: abbassare la tensione di alimentazione digitale e dividere i motivi analogici e digitali.

Sono d'accordo con quanto sopra. 1,5LSB di rumore sono abbastanza ragionevoli. http://www.cypress.com/?docID=39346 mostra un SINAD minimo di 66 dB in modalità 12 bit, suggerendo ENOB = 10.7.

So che questa non è una risposta diretta alla tua domanda, ma ho intenzione di interpretare la domanda come "come posso risolvere i miei problemi con il controllo della velocità?" e non "Come posso ottenere più di 10.5 ENOB?".

Come stai differenziando? Hai abbastanza quadranti di orologio per fare qualcosa di più liscio di una differenza centrale a due punti? Forse elaborare qualcosa di 5 campioni di larghezza, ottimizzato in Matlab?

Inoltre, potrebbe sembrare un po 'divertente, ma il rumore della velocità peggiora man mano che si campiona più velocemente

Non per essere offensivo, ma dai anche una rapida occhiata per assicurarti che non stia succedendo niente di stupido nel tuo controllo di velocità, come problemi con le conversioni tra numeri interi con o senza segno, e assicurati che i tuoi numeri siano abbastanza ampi da evitare errori di overflow quando fai la differenziazione . Le mie equazioni di controllo spesso diventano abbastanza complicate che a volte lancio esplicitamente ogni operazione.

Infine, anche se forse molto probabilmente, stai perdendo bit efficaci dalla parte superiore non amplificando a fondo scala? In tal caso, puoi amplificare o forse fornire un Vref più piccolo.