Cómo caracterizar el ruido en un PCB personalizado: Inclinómetro de precisión

Aprenda sobre el proceso de identificación y eliminación del ruido en la captura de datos.

En los artículos anteriores, traté las consideraciones mecánicas, el diseño esquemático, el diseño de PCB y el firmware.

Una de las mayores inquietudes de diseñar una PCB personalizada es la fase de prueba.

Diseñé un subsistema de inclinómetros de precisión y recibí mi nueva placa. En un "Hard-way Hughes" primero, el tablero trabajó en el primer giro. Ahora es el momento de crear un entorno de prueba adecuado y determinar la resolución de medición que la placa puede lograr.

Este artículo analiza varios aspectos del "ruido" en el dispositivo.

Si desea ponerse al día con la serie de inclinómetros de precisión en general, consulte los enlaces a continuación:

El Linear LTC2380IDE-24, un ADC de 24 bits, siempre fue conocido por ser una exageración para este proyecto (el LTC2380IDE-16 es un reemplazo compatible con pin). Mi esperanza inicial, y la estimación del orden de magnitud de "la mejor suposición" que discutí con el Director Técnico de AAC, Robert Keim, era que podía extraer estadísticamente del dispositivo de 17 a 18 bits de resolución. Estuvimos de acuerdo en que la mejor manera de construir esta placa única era ir con un ADC de mayor precisión, incluso si sabíamos que estaríamos desechando fragmentos de datos. Esta placa nunca entrará en producción, y el pequeño aumento en el precio de una sola pieza es insignificante en el contexto de una placa prototipo.

El ADC de 11 bits integrado en el SCA103T solo es realmente útil para la calibración en la fábrica. Un ADC de 16 bits hubiera estado bien para este proyecto, aunque es posible que en condiciones ideales el sensor pueda proporcionar más de 16 bits de resolución.

Comprensión de las especificaciones: por qué elegí un dispositivo de 24 bits

La hoja de datos SCA103T-D04 indica que la densidad de ruido es 0.0004 ° / √Hz. Si limitamos el ancho de banda a 8 Hz, una rápida multiplicación de la densidad de ruido por la raíz cuadrada del ancho de banda indica que la resolución de salida analógica está en el rango de 0.001 °.

$$ 0.0004 frac ° { sqrt {Hz}} sqrt {8 ; Hz} = 0.0011 ° $$

El ADC produce un valor de conversión de 24 bits, y ese valor cubre 30 ° del rango de medición, lo que significa que el LSB (bit menos significativo) es tan pequeño como 1.8×10-6 °. Entonces, ¿cuántos bits serán útiles antes de que el ADC encuentre el piso de ruido del inclinómetro?

$$ frac {30 °} {2 ^ n} = 0.0004 frac ° { sqrt {Hz}} sqrt {8 ; Hz} $$

$$ 2 ^ n = 26516.5% 0 $$

$$ n cdot Log (2) = Log (26516.5) $$

$$ n approx 14.7 ; text {bits} $$

Calcular la cantidad de bits que podemos usar antes de llegar al piso de ruido

Sobre la base de estas ecuaciones, un inclinómetro de 16 bits sería adecuado para este trabajo.

Sin embargo, un inclinómetro de precisión que se utiliza para calibrar un instrumento científico puede experimentar cambios muy lentos en la inclinación, lo que significa que podemos reducir el ancho de banda (por ejemplo, a 1 Hz) y, por lo tanto, disminuir el ruido de fondo.

$$ 0.0004 frac ° { sqrt {Hz}} sqrt {1 ; Hz} = 0.0004 ° $$

$$ frac {30 °} {2 ^ n} = 0.0004 frac {°} { sqrt {Hz}} sqrt {1 ; Hz} $$

$$ 2 ^ n = 75000 $$

$$ n cdot Log (2) = Log (75000) $$

$$ n approx 16.2 ; text {bits} $$

Los mismos cálculos con un ancho de banda reducido. Si cambiamos el ancho de banda, nuestras necesidades de bits también cambian.

En este ejemplo, un ADC de 16 bits sería insuficiente.

Al repetir y promediar varias mediciones, debería poder exprimir un poco más el rendimiento de mi diseño.

La predicción inicial de una resolución máxima de 17-18 bits provino de un cálculo de fondo de la envolvente al inicio del proceso de diseño basado en la incertidumbre de la medición. La incertidumbre de la medición indica el rango en el que se encuentra una medición. Por ejemplo, si sabemos que un objeto tiene una longitud entre 11 cm y 13 cm, podemos informar la medida como 12 cm ± 1 cm, donde 1 cm es la incertidumbre de la medida.

La incertidumbre de medición generalmente se toma como la relación de la desviación estándar a la raíz cuadrada del número de mediciones.

$$ u = frac { sigma} { sqrt {n}} $$

No sabré la desviación estándar real hasta que tenga datos, pero para obtener una aproximación, asumiré que está en el rango de 0,001 °, y elegiré arbitrariamente 1024 mediciones para obtener una estimación de mi incertidumbre de medición .

$$ u = frac {0.001 °} { sqrt {1024}} = 0.0001 ° $$

$$ Log ( frac {30 °} {0.0001 °}) / Log (2) = 18.2 bits $$

Incluso si no necesito los bits adicionales de resolución para la conversión, necesitaré los bits adicionales de resolución para el filtro de promediado digital. Y los ADC de 16 bits no vienen con filtros promedios digitales de 24 bits.

Para ser claros, 0.0001 ° es un estándar prácticamente inútil y totalmente irrazonable en la mayoría de las aplicaciones no científicas y no militares. En otras palabras, es un objetivo perfecto para Hughes de "modo difícil". Para poner en perspectiva este tipo de desplazamiento angular, 0.0001 ° corresponde a un cambio en la elevación de ~ 2 mm en una distancia de 1 km.

Un dispositivo que intente este nivel de precisión no puede sentarse en un escritorio porque la fuerza de una mano sobre el mouse desviará el escritorio lo suficiente como para ser detectado. El dispositivo no se puede sentar en el suelo en la oficina al lado del escritorio, porque el peso de una persona que se desplaza en una silla perturbará el piso, al igual que el movimiento de los ascensores en el edificio, el movimiento de los compañeros de trabajo mientras se mueven alrededor de la oficina. , etc. La PCB no se puede colocar de forma aleatoria en la habitación porque la fuerza de las corrientes de aire HVAC en los cables de conexión proporcionará la fuerza suficiente para perturbar de forma mensurable la PCB. En otras palabras, este es un objetivo inalcanzable y voy a dedicar innumerables horas y una cantidad incalculable de recursos de la empresa para lograrlo. No quiero que se diga que no pude encontrar una solución de cien dólares para un problema de veinte dólares.

Las cosas que puedo hacer para mitigar los efectos externos en el dispositivo incluyen agregar masa y rigidez.

Así que creé un soporte de PCB de aluminio de ~ 275 g (~ 1 cm de grosor para proporcionar rigidez y peso) con un mecanismo de tornillo diferencial ajustable.

El PCB se mantiene rígidamente en su lugar en el soporte de la placa, y el soporte de la placa hace puntos de contacto sobre tres puntos redondos pulidos (un tornillo diferencial y dos tuercas de bellota de 3 mm) que tocan una pieza de tierra de 4 "x 4" x 1 "- Placa de acero grueso que la soporta. La placa pulida se asienta sobre una pieza de neopreno de 1 mm de espesor. Todo el conjunto se coloca sobre una placa de superficie de granito de 9 ”x 12” x 2 ”que se asienta sobre otra pieza de neopreno de 1 mm de espesor. Finalmente, todo el conjunto se asienta sobre un piso de roble sobre una losa de concreto de 4 ″.

Si tuviera un pedazo de granito más grande, o un material de amortiguación de vibraciones más apropiado, lo habría usado.

El soporte de aluminio para PCB se colocó sobre un bloque de acero que estaba sobre una placa de superficie de granito.

Los cables USB que se conectan al dispositivo (uno para el programador JTAG, uno para el puerto de datos) se pegaron a la placa de superficie de granito aproximadamente a dos pulgadas del dispositivo. El dispositivo se encendió durante al menos 12 horas antes de la recopilación de datos, lo que permitió que cualquier variación térmica se estabilizara. Una cámara térmica FLIR TG130 no mostró puntos calientes de calor en la PCB. La temperatura de los circuitos integrados de referencia de voltaje e inclinómetro no se pudo medir debido a los envolventes reflectantes del paquete, pero los lados del circuito integrado parecían estar a la misma temperatura que el resto de la PCB.

Caracterización del ruido

La parte del circuito que más me preocupa es la referencia de voltaje, de modo que esa es la medida en la que me enfoqué primero. Esta es la parte del circuito que me gustaría rediseñar si rehace el PCB.

El sensor proporciona una salida radiométrica y el ADC tiene una medición radiométrica; dado que la misma señal de referencia de voltaje se envía a ambos circuitos integrados, cualquier ruido en la propia referencia debería ser, en teoría, autonegable. A primera vista, la señal parece estar bien.

Conclusión

Los puntos de prueba que sí incluí en la placa mostraron que el ruido en la PCB era bastante bajo. Si bien detecté un evento espurio en VREF, no pude localizar dónde se originó. Si tuviera que rediseñar el tablero, proporcionaría más toques y coaxiales para observar aspectos sensibles del tablero (como las salidas del inclinómetro y las entradas VREF).