Proiectarea circuitelor analogice în aşa fel încât problemele de zgomot să fie mult diminuate este privită adesea mai mult ca o artă decât ştiinţă. Nu este ceva ieşit din comun pentru un inginer proiectant să dezvolte un circuit până în faza de prototip doar pentru a descoperi o problemă de zgomot ce poate cuprinde întreg procesul. Acest tip de lucru poate oferi soluţii de succes – dar poate că nu este foarte rapid. O metodă mai bună este aceea de a încerca să evităm problemele de zgomot chiar de la început utilizând o listă ce cuprinde tipuri de zgomote ce influenţează sistemul încă de la începutul ciclului de proiectare. Acest articol va explora diferite surse de zgomot într-un sistem de 12 biţi incluzând zgomotul dispozitivelor, zgomotul emis şi condus.
Puteţi crede că proiectarea plăcii de circuit a unui convertor analog-digital (ADC) de zgomot mic de 12 sau 10 biţi este o treabă uşoară. Este adevărat, dar fără să ignoraţi câteva concepte de bază a ceea ce înseamnă “low-noise”. De exemplu, vreţi să credeţi că multe dispozitive precum amplificatoarele şi rezistorii lucrează efectiv în medii de 12 sau 10 biţi. Uzual, aceste dispozitive sunt selectate conform anumitor specificaţii pentru a nu prezenta probleme de zgomot. Altă zonă care contribuie la zgomotul circuitului îl reprezintă zgomotul condus. Acesta există deja în traseele plăcii de circuit imprimat în momentul în care semnalul soseşte la intrarea convertorului ADC. Originea zgomotului condus pleacă fie de la zgomotul dispozitivului fie de la emisia de zgomot. În unele cazuri cerinţele circuitului consideră că zgomotul emis sau de dispozitiv trebuie să existe. Ca exemplu, zgomotul condus poate veni de la dispozitivele aflate în calea semnalului analogic sau de la dispozitivele surselor de alimentare. Un dispozitiv de putere foarte comun utilizat în circuite îl reprezintă sursa de putere în comutaţie sau mai rău, regulatoarele electronice. Aceste tipuri de dispozitive crează surse de zgomot care sunt injectate în dispozitivele analogice sensibile. A treia sursă de zgomot îl reprezintă zgomotul radiat. Tipic, acesta poate apărea datorită cuplării semnalelor capacitive ce provin de la două trasee paralele foarte apropiate de pe placa de circuit. Zgomotul radiat provine de asemenea, de la interferenţa semnalelor electromagnetice externe (EMI).
Dacă sunteţi preocupaţi de zgomotul dispozitivului, simpla selecţie a dispozitivului poate însemna reuşita sau, dimpotrivă, eşecul circuitului. Locul cel mai probabil unde apare acest tip de zgomot îl reprezintă etapa creşterii amplificării/rezistenţei. Ca soluţie de reducere a zgomotului sistemului se recomandă schimbarea amplificatoarelor cu dispozitive “low-noise” şi utilizarea unor rezistori cu valori mai mici. Problemele de zgomot condus/transmis sunt rezolvate utilizând alte tehnici. Dacă zgomotul se află pe traseul semnalului convertorului ADC, putem plasa în faţa convertorului un filtru trece-jos ce reduce efectiv zgomotul. Alte surse de zgomot transmis sunt sursele de putere aşa cum s-a menţionat mai devreme. În acest caz, linia de putere poate fi filtrată utilizând droseluri sau filtre R/C. În plus, toate componentele active trebuie să aibe condensatoare de trecere instalate între pinii lor de alimentare şi masă. Dar majoritatea surselor de zgomot transmis sunt eliminate foarte bine prin utilizarea unui plan de masă.
Dacă în schimb, zgomotul radiat este un rezultat al unor cuplaje capacitive provenite de la două trasee alăturate, acestea pot fi separate. Zgomotele externe pot fi evitate prin plasarea plăcii de circuit imprimat. Dacă problemele de zgomot condus, emis sau de dispozitiv, sunt cunoscute, atunci proiectarea unui convertor ADC de 12 biţi este facilă.
Un exemplu de circuit de 12 biţi este prezentat în figura 1. Aici se ilustrează originile semnalului de la puntea rezistivă LCL816-G. Porturile diferenţiale de ieşire ale punţii LCL816-G sunt conectate la două amplificatoare operaţionale discrete (A1, A2, R3, R4 şi RG). Semnalul trece apoi printr-un al doilea filtru trece-jos (A3, R5, R6, C1, şi C2). Acesta elimină erorile nedorite din convertorul ADC prin eliminarea zgomotului de înaltă frecvenţă. În final, semnalul se cuplează de convertorul ADC de 12 biţi (prin A4, MCP3201) produs de Microchip. Convertorul este configurat să accepte semnale cu valorile cuprinse între 0V şi 5V. Ieşirea convertorului “pleacă” spre microcontroler (Microchip PIC16C623). Traseul puterii este următorul: priza de perete şi apoi redresorul AC – DC numit “wall-wart”. Acesta livrează o ieşire de 9VCC. Sursa de putere este redresată şi coborâtă la 5V cu ajutorul circuitului LM7805. Şocul L1 reduce zgomotul şi oscilaţiile sursei de putere.
Dacă acest circuit este construit fără a se ţine cont de precauţiile de mai sus, este foarte uşor să se producă o ieşire similară cu cea prezentată în figura 2. Aici au fost luate 1024 de eşantioane la ieşirea convertorului ADC (MCP3201) la o viteză a datelor de 30ksps. Aceste eşantioane au un cod cu o lungime de 44 centrat în jurul codului 2982. De la această dată sistemul are o precizie de aproximativ 5.45 biţi. Este clar că acest circuit nu este destul de bun chiar şi pentru un sistem de 12 biţi.
Configuraţia tipică a circuitului este:
– R3 = 300kW
– R4 = 100kW
– RG = 4020W
– A1 = A2 = sursă simplă, CMOS op amp, MCP604 (Microchip)
– Nu este inclus nici un filtru trece-jos
– Nu sunt incluse condensatoare de trecere
– Nu este utilizat un plan de masă
– L1 (şoc) şuntat
Modificând schema electronică şi placa de circuit se va obţine o soluţie de precizie de 12 biţi. Ca prim pas, problemele zgomotului de dispozitiv sunt eliminate prin utilizarea unor amplificatoare şi rezistori de zgomot mic. De exemplu, când valorile rezistorilor sunt de 10 ori mai mici, câştigul rămâne acelaşi deoarece pentru această modificare zgomotul este redus de aproximativ 3 ori. În plus, amplificatoarele sunt înlocuite de la MCP604 la MCP6024. Densitatea tensiunii de zgomot a circuitului MCP604 la 1kHz este 29 nV/ ÖHz (tipic). Densitatea tensiunii de zgomot a circuitului MCP6024 la 10kHz este 8.7 nV/ ÖHz (tipic). Aceasta este mai bună decât o îmbunătăţire de 3 ori. Problemele de zgomot condus sunt rezolvate prin folosirea unui plan de masă pe partea inferioară a plăcii de circuit imprimat. Acest plan de masă este implementat astfel încât întreruperile din metal sunt paralele faţă de traseul orizontal al semnalului.
Performanţa plăcii se schimbă semnificativ datorită acestor modificări. Testele arată că diagrama de ieşire a convertorului ADC schimbă lungimea codului de la 44 ajungând la 9. Această modificare importantă transformă circuitul din figura 1 într-un sistem cu o precizie de aproximativ 9 biţi.
Semnele sunt bune, dar trebuie găsit pentru această aplicaţie un sistem de 12 biţi.
Dacă ne gândim la problemele zgomotului condus, adăugăm un al doilea filtru trece-jos înaintea convertorului ADC. Acesta reduce ondulaţiile semnalului în procesul de conversie al convertorului A/D. Acesta a fost proiectat folosind unealta software de filtrare analogică FilterLab®. În plus, zgomotul condus este micşorat prin introducerea condensatoarelor de trecere. În final, efectele zgomotului condus sunt minimizate prin filtrarea sursei de alimentare cu ajutorul şocului L1. Aceste trei modificări (suplimentare la cele trei de mai sus) transformă acest sistem într-unul cu o precizie sigură de 12 biţi. Acest lucru este ilustrat în figura 3 unde 1024 de eşantioane sunt colectate de la convertor la o viteză a datelor de 30 ksps şi toate cele 1024 corespund unui singur cod: 2941.
Proiectare “low-noise” – lista de verificare
Tehnicile de proiectare pentru un sistem performant de 12 biţi:
1. Examinarea componentelor în circuit şi verificarea lor dacă sunt de zgomot mic.
2. Totdeauna trebuie avut un plan de masă neîntrerupt într-un strat al plăcii de circuit imprimat.
3. Asiguraţi-vă că semnalele din circuitul de semnal mixt. sunt foarte bine filtrate cu ajutorul unui filtre trece-jos (de netezire).
4. Folosiţi condensatoare de trecere. Plasaţi condensatoarele cât se poate de aproape de pinii de alimentare ai dispozitivelor.
5. Filtraţi sursa de alimentare.
Este uşor să proiectezi un sistem ADC de 12 biţi performant ţinând cont de câteva reguli “de zgomot mic”. Mai întâi examinaţi componentele dumneavoastră (rezistori şi amplificatoare) pentru a vă asigura că sunt de zgomot mic. În al doilea rând, utilizaţi un plan de masă ori de câte ori este posibil. În al treilea rând includeţi un filtru trece-jos în calea semnalului atunci când transformaţi semnalul din analogic în digital. În al patrulea rând, includeţi condensatoare de trecere. Acestea nu numai că elimină zgomotul, dar de asemenea oferă circuitului stabilitate. Asiguraţi-vă în final că sursa de putere este bine filtrată.
Referinţe:
“Reading and Using Fast Fourier Transforms (FFTs)”, Baker, Bonnie C., AN681, Microchip Technology, Inc.
“Anti-Aliasing, Analog Filters for Data Acquisition Systems”, Bonnie C. Baker, AN699, Microchip Technology Inc.
Numele Microchip, logo-ul, şi Filterlab sunt mărci înregistrate ale companiei Microchip Technology Incorporated în U.S.A şi în alte ţări.
de Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc