Colocación del sensor, ADC, maestro SPI: distancia de 1 metro con velocidades de 4 MHz

Tengo un sensor acelerómetro que debe colocarse a 1 m de mi microcontrolador. Puedo elegir si colocar el ADC cerca del sensor o del controlador.

Entiendo que las distancias más largas desde el sensor contribuyen a una mayor fluctuación de voltaje antes del ADC (ruido). Las distancias más largas desde el microcontrolador aumentan los errores de SPI y limitan mi velocidad de transferencia.

Si necesito sincronizar las transferencias SPI a 4 MHz, ¿dónde debo ubicar el ADC? ¿La distancia de 1 m limitará mi tasa de transferencia? ¿1 m de cable pre-ADC contribuirá con un ruido significativo?

Notas:

  • El ADC tiene un rango de entrada de 0 a 5 V, me importan los pasos en el rango de 10 mV (1/500 del rango). Si mis picos de ruido están por debajo de eso, la aplicación será exitosa.
  • Los cables entre el ADC y el sensor llevarán canales de salida de 3 V, tierra y 5 V.
  • El sensor, los cables y (según la ubicación) el ADC sufrirán impactos ya que la aplicación es la caracterización de impactos. Los impactos se deben a caídas con una fuerza g máxima estimada de 150 g durante 2 ms.

Especificaciones del acelerómetro

ingrese la descripción de la imagen aquí

Actualización: Decidí ejecutar el ADC cerca del pi (~6 pulgadas) y el sensor lejos del pi (~0,75 m) ya que el ruido analógico sonaba más fácil de solucionar que los errores digitales. Actualmente obtengo una línea de base de ~ 61 mV del sensor con una desviación estándar de 10 mV (según las lecturas de ADC). Los niveles de ruido de pico a valle son de aproximadamente 60 mV. Este es un comienzo decente, pero creo que tengo algunas mejoras que hacer en el diseño del circuito. Por ejemplo, sin un sensor conectado, obtengo una fluctuación de aproximadamente 100 mV en la escala de 1 Hz. Voy a mejorar mi esquema de conexión a tierra y Vref y ver si puedo eliminar algo de este ruido. Hasta ahora, no creo que mi problema principal sea el cableado, aunque se agradece la comprensión. También encontré esta útil referencia: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00688b.pdf

Actualizar:

Mi circuito final mejoró drásticamente desde el primero, por lo que será difícil decir exactamente qué cambios fueron los responsables de las mejoras. Mi diseño inicial no incluía condensadores de desacoplamiento, un voltaje de referencia dedicado y también tenía múltiples rutas a tierra. Eventualmente diseñé y conseguí fabricar una PCB por alrededor de 20 dólares + gastos de envío. Con este sistema, un cable IDC de 10 hilos de 0,75 m de longitud que lleva el voltaje analógico al ADC y los conectores IDC aquí es mi resultado:

ingrese la descripción de la imagen aquí

El eje derecho muestra la salida entera del ADC. La desviación estándar de esa varianza en y es de unas 3 unidades (mV) y en z es de unas 4,1 unidades. Pico a valle es de aproximadamente 20 unidades. Esta es una gran mejora con respecto al primer diseño y estoy muy feliz. Parece que los condensadores de desacoplamiento y un voltaje de referencia fueron críticos. Pasar por todo el proceso de fabricación de una tabla también fue muy divertido.

No puedo explicar el aumento de la varianza del canal z. Está más alejado de mis cables de alimentación/tierra. Es el último hilo del extremo del cable plano, así que podría ser ese.

¿Tienes que pasar las pruebas de emisiones? ¿O es este aficionado por naturaleza? ¿Qué implica "sufrir impactos"?
Ah, el sensor se caerá y espero una fuerza g máxima de 150 g durante 2 ms. Si el ADC se coloca cerca del sensor, sentirá las mismas fuerzas.
150g ?! Eso suena como un poco demasiado para la electrónica sensible.
Quiero decir, sí, la electrónica puede soportar eso, pero generalmente al estar encerrada en algo que absorbe una gran cantidad de las fuerzas resultantes.
Es una amplitud de 3 mm de vibración de 250 Hz. Cosas locas :)
Entonces, ¿cuál es el ancho de banda de la señal que desea observar? 200kHz? ¿Menos? ¿Cuál es la salida de su acelerómetro ? Con los que he trabajado son fuentes actuales, es decir. relativamente resistente contra largas tiradas de cable
@GregoryKornblum no ha hecho la vergüenza matemática , pero sí, loco
Tal vez sea un subwoofer :)
habitación; mi aplicación "en el pasado" era en realidad médica (con un sensor de vibración industrial literalmente pegado a las rodillas de las personas)
Gracias a todos por los comentarios. El propósito es caracterizar el impacto, por lo que cualquier absorción de las fuerzas anularía el propósito. Aunque probablemente aislaré el ADC. @MarcusMüller Mi acelerómetro tiene una respuesta de frecuencia plana de hasta 6 kHz. Planeo muestrear en el rango de 20kHz. En particular, la señal no oscila, por lo que no sé exactamente cómo encaja un "pico" en la terminología utilizada para describir las señales basadas en frecuencia. Calculo que el ancho de mi pico es del orden de 3 ms y 20 muestras a lo largo de ese pico deberían darme una estimación razonable de su altura. Comentarios bienvenidos
En cuanto a la salida, he agregado una imagen de la hoja de datos. Cabe destacar que es una salida de tensión (por desgracia así suena) con una sensibilidad de 0,62 mV/g. Lo ejecutaré a 5 V, así que espero que sea más como 1 mV/g.
¡Pero entonces su restricción de 4 MHz no tiene ningún sentido! Puede ejecutar su bus SPI a una velocidad mucho más baja (supongo que su microcontrolador es el maestro del bus SPI, por lo tanto, tiene el control total del reloj) y hacerlo mucho más robusto y mucho menos propenso a errores.
Por otro lado, creo que su ancho de banda de 6 kHz podría ser demasiado bajo. Piénselo así: un par de duración T tiene un ancho de banda de rotonda 1 T + . No sé exactamente qué estás planeando analizar de tu impacto, pero puedo imaginar que los aspectos físicos interesantes cambian más rápido que 1 6000  s !
@MarcusMüller A la tasa SPI. Aquí están mis cálculos: 3 canales * 20 ksps * 24 bits/lectura = 1,4 MHz. Estaba tratando de dejar algo de margen de maniobra, aunque tal vez esto era más confuso de lo necesario.
Ah cierto, me olvidé de los tres canales.
@MarcusMüller Me hubiera encantado tener más ancho de banda, desafortunadamente este era el sensor más rápido dentro de mi presupuesto. Lo admito, esta también fue una de las especificaciones más confusas: tratar de precisar la escala de tiempo y el ancho de banda necesario. En última instancia, si puedo caracterizar la aceleración máxima dentro del 10 %, será suficiente. (Gracias de nuevo por tus pensamientos).

Respuestas (2)

Las distancias de cable más largas no implican ruido a menos que:

  1. El cable está captando RFI (los cables blindados ayudan a mitigar esto)
  2. Hay diafonía adicional debido a la inductancia mutua entre los conductores del cable. (realmente depende del cable, el tamaño y la distancia del conductor y el esquema de cableado)
  3. Su corriente de retorno tanto de tierra analógica como de señal tiene una tierra común y crea un ruido de modo común (un plano de tierra tiene baja resistencia en comparación con un cable)

Personalmente, comenzaría a construir cables, haría uno corto y probaría el ruido. Luego pruebe con uno largo, si el ruido es más de lo que necesita, comience a buscar los efectos descritos y rediseñe el cable. También podría ser ventajoso colocar la referencia de voltaje y LDO con el ADC en el extremo del cable.

Construiré algunos cables este fin de semana. Hay algunas restricciones prácticas adicionales sobre la flexibilidad del cable, así que tendré que ver qué tipo de fluctuación termino teniendo.
¿Podría aclarar una cosa? La sugerencia de un LDO trae un buen punto. En cualquier ubicación de mi ADC, la referencia o el voltaje de la señal viajará 1 m y, por lo tanto, será susceptible al ruido. ¿Es correcto que el ruido debido a las fluctuaciones del voltaje de referencia será menor que el de la señal porque el voltaje promedio es mayor?
El LDO y la referencia garantizan que el voltaje entre la tierra y la salida sea constante. Si lo coloca en el cable, la impedancia de la fuente aumenta y el voltaje analógico y la referencia son más susceptibles al ruido. También sospecho que el ruido de fondo en modo común disminuiría, pero aún no he probado esa teoría. Sé desde el punto de vista del ruido solo que obtendrá un mejor resultado y potencialmente un cable menos para ejecutar como referencia. No estoy seguro de cuál es la pregunta sobre el ruido de referencia, pero las referencias tienen ruido y contribuyen a su presupuesto de errores de ADC.
No puedo decir qué aporta el ruido de referencia en relación con la señal, porque hay que saber cuál es el ruido de la señal.

En general, es mejor colocar el ADC lo más cerca posible de la fuente analógica (gracias, Jonas). Las señales digitales a piori son más inmunes al ruido que las analógicas. Solo como ejemplo: la capacidad entre 1 m de cable y la red eléctrica es suficiente para inyectar en modo común un par de decenas de milivoltios, a veces 300 mV. ¿Estás seguro de que tu CMRR será lo suficientemente bueno? Nunca sabes.

Así que pon ADC lo más cerca posible. Pero SPI de más de 1 m (cable o PCB) no es trivial, debe tener cuidado con eso. Primero, use señales diferenciales: no desea interferencia de modo común. Luego tenga en cuenta que los transmisores y receptores diferenciales tienen retrasos. A veces, el retraso es lo suficientemente significativo como para cambiar los datos recibidos contra el reloj. Entonces, si prueba el ADC con FPGA, no hay problema, pero en la CPU debe encontrar el modo correcto.

El punto es que OP dice que necesita una resolución de 9 bits (500 pasos); supongamos que eso implica un ADC de 10 bits. Entonces sabemos que tiene un reloj SPI de 4 MHz, lo que implica una frecuencia de muestreo máxima de 400 kHz, lo que implica un ancho de banda de señal máximo de 200 kHz. 200 kHz suena bastante factible para un cable de micrófono debidamente blindado de más de 1 m, tbh, con calidad de sonido de estudio (la gente de audio es extraña: usan ADC de 24 bits), especialmente si el acelerómetro realmente modula la corriente, no el voltaje.
lo más cerca posible de la fuente analógica. Siento que esto podría ser más claro en la respuesta.
Factible-sí. Pero mucho más difícil y requiere una mejor experiencia. Creo que podría hacerlo, pero no lo haría, porque si por alguna razón tuviera que ir a una frecuencia de muestreo más alta (por ejemplo, 20 MHz SPI), de repente tendría que repensar.
El punto de @GregoryKornblum es que probablemente estemos de acuerdo en que "lo mejor aquí es colocar el ADC cerca de la fuente de la señal y luego construir un transceptor digital robusto"; No estoy convencido de que garantizar que una señal digital de 4 MHz de ancho no se dañe sea mucho más fácil que usar un buen cableado con un acelerómetro que probablemente fue diseñado para usarse con 1 m de cable. que se suministró con polarización y en el que moduló la señal sin ninguna pérdida medible.
@MarcusMüller, reformulando lo que está diciendo: uno puede arruinar las señales analógicas y digitales. Si, esto es correcto. Aún así, para la comunicación digital existe una infraestructura lista: cables CAT5, conectores RJ45, transceptores, protección ESD, aislamiento. Analógico requeriría algunos cables de grado de video que también existen, pero creo que son menos comunes.
@GregoryKornblum ja! sí, de hecho, se pueden encontrar tornillos en todos los lugares :) Mi experiencia es que es probable que los acelerómetros OP (no los menciona, o estoy ciego) hablen son IEPE , que ya prácticamente dicta cables coaxiales (y esos no son tan poco comunes en esas aplicaciones), o sensores de fuente de corriente de 2-4 mA de grado de circuito de control industrial; ambos casos significan que nos estaríamos preocupando demasiado
Esperemos que nos cuente qué decidió y qué salió :)
Todos, su discusión fue muy perspicaz y exactamente el tipo de experiencia que estaba buscando. Voy a resumir lo que yo (el alumno) escuché. Diseño ideal: mantenga la calidad de la señal (digitalice temprano) porque no puede mitigar el ruido después de que esté en la señal. La transferencia digital de larga distancia puede ser sólida con el equipo adecuado. Aún así, con el cable adecuado se puede mitigar el ruido.
Mi plan. Comenzaré colocando el ADC a 1 m de mi sensor (podría estar más cerca de 0,5 m) y evaluaré el tipo de ruido de señal al que me enfrento. Esto es algo que me siento capaz de solucionar con mis habilidades actuales. Puede ser que esto revele que necesito digitalizarme antes, lo cual investigaré en ese momento. En particular, si supiera lo primero sobre cómo construir un transceptor para mi señal digital, podría adoptar un enfoque diferente, pero todavía estoy aprendiendo, así que creo que esto será informativo de cualquier manera.
No olvides contarnos cómo termina.
Colocación del sensor, ADC, maestro SPI: distancia de 1 metro con velocidades de 4 MHz
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v