Un ruido imparable de LC en un dispositivo alimentado por USB

EDITAR: descubrí la causa, mira mi respuesta. Me gustaría agradecer a los comentaristas.

Estoy haciendo un dispositivo alimentado por USB con un ADC de 12 bits, del cual quiero obtener una señal de 8 kHz con una precisión de unos 10 bits. Sin embargo, existe un ruido bastante complicado en la señal digital obtenida, de diferentes frecuencias en el rango de audio, lo que limita la precisión a unos 5 bits.

Resultó que también hay un ruido de ~ 100 mV, >= 1 MHz en la línea de alimentación USB, que supongo que es la causa de los problemas:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Entonces, esta es otra pregunta sobre un ruido USB, como este donde se recomienda un regulador de CC o este donde se sugiere una inductancia .

Parecía fácil. Después de una cerámica de 1 uF que estaba ahí desde el principio, probé la siguiente secuencia en serie:

  1. NCP380LSNAJAAT1G (corriente de carga límite a 500mA).
  2. Un condensador electrolítico grande, 3300 uF, demasiado grande pero estaba a la mano.
  3. L1117 para recortar el voltaje a 3,3 V.
  4. Un pequeño capacitor cerámico de 1 uF.

Redujo el ruido en la línea eléctrica en aproximadamente un 20%. El otro efecto del filtrado anterior fue que en los datos del ADC desaparecieron algunas frecuencias bajas ~ 50 Hz, pero quedó algo de ruido de tono más alto:

ingrese la descripción de la imagen aquí

La precisión ahora es de ~ 6 bits, un bit mejor que antes.

Todavía no probé una inductancia, pero este tipo lo hizo y redujo el ruido de 100 mV como en mi caso a unos escasos 50 mV. No estoy seguro de si esto ayudará a aumentar la precisión de 6 a 10 bits. Además, véase pág. 1 en la lista de abajo.

¿Puede ser que esta señal no provenga realmente de la línea eléctrica? Hay una placa de microcontrolador lista para usar con MK20DX256 en el mismo circuito, que funciona a ~ 100 Mhz, y el ruido de la línea de alimentación está presente solo si transmite la señal digital al host. Y, por lo tanto, puede haber alguna interferencia en el cable y/o en el dispositivo, recogida por la línea eléctrica pero también individualmente por diferentes partes del dispositivo.

Aquí está el circuito simplificado:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Las entradas de LM358 ahora están conectadas de la siguiente manera: más a un divisor de voltaje, menos a una señal analógica con una tierra flotante.

Como se ve, la placa del microcontrolador está conectada directamente a la alimentación USB, pero:

  1. La placa tiene un filtro LC y un regulador de 3,3 V, pero a pesar de eso, su Vout es casi tan ruidoso como el de mi filtro.
  2. Su ADC tiene Vref interna. No sé, sin embargo, si ayuda con tal línea eléctrica.
  3. Mi filtro de energía no es efectivo de todos modos.

Podría usar un ADC especial, externo y blindado junto con un LC más complejo que el del enlace anterior , pero solo quiero 10 bits de precisión. ¿Sería todo realmente necesario?

¿Existe una solución compacta al problema? ¿O debería alimentar el dispositivo desde otra fuente limpia?

¿Ha considerado que publicar un esquema podría ser un poco útil?
Proviene de PSU para PC porque las PSU para PC son fuentes de alimentación conmutadas y, debido a la topología elegida (hacia adelante o medio puente con inductor de salida) y la rentabilidad, los diseñadores tienden a mantener la ondulación y el ruido en torno al %10. Entonces, 100mV es bastante aceptable para una línea de 5V. De todos modos, para la entrada de energía de su circuito, use primero un capacitor en la entrada (unas pocas decenas de pF o 100n), luego un filtro LC con L alto y C electrolítico (no olvide tener en cuenta la frecuencia de corte) luego un 100n justo en el VDD de su chip ADC. También recomiendo usar un chip ADC con una alta relación de supresión de ruido de suministro.
Creo que cualquier hoja de datos de ADC y µC recomienda un filtro LC en AVdd.
@Andy alias, publiqué el esquema.
@Rohat Kılıç, hay un enlace en la pregunta que muestra que un filtro LC simple no es tan efectivo, y tampoco estoy seguro de si el ruido proviene realmente de la línea eléctrica, consulte la pregunta actualizada; ¿Por qué ninguna capacitancia reduce considerablemente el ruido? Un ADC blindado externo posiblemente podría funcionar, pero ¿es necesaria tal complicación? Solo quiero 10 bits de precisión.
@Janka, el uC está en una placa lista para usar con un enchufe USB incorporado.
Seguro que tu placa µC tiene un AVdd. Si no es así, o si está conectado directamente a Vdd, esa placa es falsa.
@Janka, la placa tiene un filtrado Vin inductivo y una salida de 3,3 V, pero es tan ruidosa como los 3,3 V después de mi filtro. Probar otra placa es una opción, por supuesto.
A eso me refería. El filtrado inductivo de Vin no es suficiente ya que el propio µC produce ruido que no debería alcanzar AVdd. Es por eso que tiene una entrada AVdd separada.
¿Qué es el ADC? ¿Qué es el L358? ¿Quiere decir LM358? ¿A dónde se conecta la entrada? En este momento, tiene un pin de entrada vital flotando en su esquema. ¿Están todas sus conexiones de 0 V en un solo punto o podría estar fluyendo algún ruido digital a través de las conexiones de 0 voltios que unen las partes analógicas? ¿Sabe que un LM358 solo podrá generar un voltaje no superior a 1,8 voltios en esta configuración y tiene un rechazo de modo común pobre a 1 MHz o más?
@Andy alias, ADC en MK20DX256, sí LM358, su positivo está conectado a un divisor de voltaje, su negativo a una entrada analógica; las conexiones de 0V no son perfectas, 1 ... 5 cm en promedio ya que es un prototipo, pero ¿importa tanto ahora si hay un ruido de ~ 100 mV de todos modos?
Importa mucho si hay corrientes digitales a altas frecuencias que pasan por esas conexiones. Muestre el circuito completo y muestre cómo se conecta una entrada e indique si la entrada es flotante (es decir, alimentada por batería) o muestre qué se conecta con respecto a tierra. Me parece que un LM358 es una elección realmente mala.
Además, la especificación MK20DX256 parece decir que son ADC de 16 bits. ¿Puede explicar su insistencia de 12 bits? También parece que sus referencias de ADC también pueden estar sujetas a ruido: debe revelar lo que ha hecho para mantenerlas limpias. ¿También sabe que el LM358 probablemente solo podrá cubrir alrededor del 40% del rango de esos ADC?
@Andy alias, la entrada está flotando. ¿Por qué cree que LM358 no será suficiente para 8 kHz, 10 bits? Sí, el ADC es de 16 bits, pero efectivamente de 12 bits, de los cuales solo quiero 10 bits.
El rechazo de modo común (como se mencionó anteriormente) es muy pobre a 1 MHz. Esto significa que el ruido de 1 MHz en las líneas eléctricas LM358 se ve empujado a su salida. Colgar una fuente de señal flotante en las entradas produce capacitancia a tierra real y esto puede ser realmente problemático si el amplificador no está diseñado correctamente o es un amplificador pobre como el LM358. No usar condensadores que puedan manejar altas frecuencias significa que puede obtener una mierda en la salida. Por encima de varias decenas o cientos de kHz, un condensador electrolítico comienza a comportarse como un inductor.
¿Has probado con un filtro de modo común?
@winny, lo busqué después de leer tu comentario, gracias, es un concepto interesante. Sin embargo, en este caso, la razón fue bastante trivial, vea mi respuesta.

Respuestas (2)

El rango de entrada de ADC es de aproximadamente 2 V, quería 10 bits. Sin embargo, la señal analógica resultó ser tan débil que, como se ve en el esquema, necesitaba establecer la ganancia del amplificador operacional en 40x.

Se traduce en una diferenciación esperada de los niveles de entrada de aproximadamente 2000 mV/40/1024 = 0,05 mV. Al principio, sin darme cuenta de que es un valor tan pequeño, no protegí la fuente analógica .

La señal digital es bastante limpia cuando la fuente analógica se corta cerca del amplificador operacional, por lo que el ruido de la línea de alimentación de 1 MHz probablemente no afecte mucho el muestreo a una frecuencia mucho más baja de 8 kHz . Retiré el estabilizador de voltaje, ya que hacía que la parte analógica funcionara un poco peor y, por lo demás, no tenía ninguna función. Sin embargo, mantuve NCP380LSNAJAAT1G + el condensador electrolítico, ya que eliminan algunos ruidos de baja frecuencia, como se describe en la pregunta.

Probablemente tenga problemas con ;

  • 1) sondeo (retire el clip y el cable a tierra y use solo la punta y la manga)
  • 2) SRF de límites es demasiado bajo.
  • 3) ESR de Cap es demasiado alto
  • 4) OA está desequilibrado, por lo que la ganancia de CM es demasiado alta, elija Diff Amp con arreglos de 0.1% R para una ganancia de 40 o más.

He cubierto estos temas docenas de veces, así que haz algunos deberes.

Un ruido imparable de LC en un dispositivo alimentado por USB
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v