Wed. Aug 17th, 2022

¿Cómo se crea un esquema para un PCB personalizado? Este artículo discutirá los pasos para diseñar un esquema para un tablero usando el ejemplo de un subsistema de inclinómetro.

Recientemente diseñé un PCB personalizado para un subsistema de inclinómetro. En este artículo, veremos cómo diseñar un esquema funcional, el primer paso en cualquier proyecto exitoso.

En la mayoría de los diseños, las piezas se eligen en función de los requisitos de disponibilidad, costo, confiabilidad, etc. Es importante tener en cuenta, sin embargo, que los proyectos de AAC están diseñados para ser educativos e imparciales, por lo que su selección y diseño de piezas pueden variar según su necesidades y preferencias.

Vayamos a través de este gran diagrama esquemático, comenzando con el poder.

Poder

El proyecto se suministra con una potencia de 9-12 V CC de un conector de barril de CC conectado a una fuente de alimentación de pared-verruga. Si la fuente de la verruga de la pared es demasiado ruidosa, puedo reemplazarla con una fuente de alimentación de grado de laboratorio o una batería. Se seleccionó un conector de barril de CC de 3,5 mm de perfil bajo para el diseño porque es la altura aproximada de otros componentes altos en el tablero.

Hay tres LDO TPS709xx de Texas Instrument que suministran rieles digitales de 2.5V, 3.3V y 5.0V, mientras que el LT1027LS8 es el chip de referencia de voltaje utilizado para proporcionar el riel analógico de 5V.

Las referencias de voltaje no suelen alimentar directamente a los IC sin circuitos de soporte. Sin embargo, las demandas de este IC están bien dentro de sus capacidades de abastecimiento actuales con un factor de seguridad de 2-3. Soportará el SCA103T-DO4 (consumo máximo de 5 mA) y el IRef del LTC2380-24 (2.1 mA máx) y es capaz de abastecerse a 15 mA. Los valores máximos se proporcionaron en la hoja de datos y los valores típicos son ligeramente menores que los números enumerados anteriormente.

El LT1027 tiene un pin de reducción de ruido que se puede atar a un condensador mylar. Este condensador reducirá significativamente el ruido de banda ancha del LT1027LS8 en un ancho de banda de 10Hz a 1kHz. El condensador tiene un anillo de protección cuyo voltaje está determinado por un circuito divisor-resistor. Los condensadores se agregan a las entradas y salidas como se sugiere en las hojas de datos relevantes.

La porción de potencia del esquema. Click para agrandar.

Como nota, ahora que he completado este tablero, tengo el beneficio de la retrospectiva. Si tuviera que hacer otro giro de este circuito, probablemente elegiría un diseño VREF diferente que incluya un búfer entre VREF y el inclinómetro / ADC.

Convertidor de USB a UART

El convertidor de USB a UART CP2102N usado en este esquema es el mismo circuito que he usado en diseños anteriores. (Puede encontrar más información en estos artículos: Creación de una interfaz táctil capacitiva con el MSP430 de Texas Instruments, Problemas de solución de problemas de proyectos).

Recuerde cuando programe el CP2102N por primera vez desde una máquina con Windows para usar un puerto USB 2.0. Windows no enumera correctamente el dispositivo desde un puerto USB 3.0.

D2 proporciona protección ESD para la entrada de la placa USB, y D3 proporciona una indicación de que los datos UART se están moviendo entre el CP2102N y el MSP430. Las salidas CP2101N GPIO0 y GPIO1 deben ajustarse a su "Función alternativa" en Simplicity Studio para habilitar los LED indicadores D3. Condensadores de desacoplamiento y un divisor de resistencia se proporcionan según las recomendaciones de la hoja de datos.

Este es el IC que inició todo el proyecto. de muRata Ville Nurmiainen suministró amablemente el SCA103T para este proyecto. Click para agrandar.

El muRata SCA103T-D04 tiene un ADC de 11 bits incorporado que no utilicé. Aún así, podría ser interesante experimentar, así que incluí cuatro almohadillas de prueba para un posible uso futuro.

El IC tiene dos clavijas de autoprueba que controlan la funcionalidad de autoprueba de los dos sensores internos diferentes. Estos pines de autoprueba están conectados a los dos canales de detección separados en el SCA103T-D04. Cuando se activa, el IC genera una fuerza electrostática que desvía la masa de prueba dentro de cada elemento sensor. La fuerza desplaza la masa a su límite superior, y la salida de ese canal se aproxima a su valor máximo. La hoja de datos indica que ambos pines de autoprueba no deben activarse al mismo tiempo, por lo que incorporé el TI TS5A3357 IC SP3T para prevenirlo activamente. El diagrama lógico de este interruptor se muestra a continuación.

Diagrama lógico del interruptor TS5A3357. Imagen de la ficha técnica.

Este IC proporciona tres salidas normalmente abiertas que se conectan a una línea común, por lo que el plan es usar dos pines GPIO del MSP430 para controlar el TS5A3357. El TSA5A3357, a su vez, controla la funcionalidad de autoprueba del SCA103T, así como un LED indicador de estado que se puede usar programáticamente para indicar una condición de aprobación o falla, tal vez con un LED fijo o parpadeante.

El inclinómetro tiene dos sensores de aceleración dispuestos en una línea, pero apuntando en direcciones opuestas que proporcionan una salida diferencial. Siguiendo la recomendación de la hoja de datos, se utiliza un filtro RC monopolar (fc = 3.1 kHz) "para minimizar el ruido del reloj" en cada salida.

Buffer de señal y convertidor analógico a digital

El buffer de señal y el filtro de paso bajo.

Después de que las señales del inclinómetro pasan por el filtro de paso bajo, ingresan al búfer de señal AD8244. Este amp op-amp de ganancia unitaria aísla las salidas SCA103T de las entradas del LTC2380.

Los sucesivos registros de aproximación pueden perturbar la señal que intentan cuantificar. La adición de este dispositivo permite que el inclinómetro proporcione una señal analógica al lado de alta impedancia de la memoria intermedia. El búfer de salida de baja impedancia es más que capaz de entregar el mismo voltaje de señal al ADC SAR, independientemente de las demandas actuales.

Se incluye un filtro adicional entre el búfer y el ADC por recomendación de hoja de datos.

MSP430FR2633

Esquema de la parte MSP430 del diseño.

He usado el MSP430FR2633 IC en los últimos proyectos y planeo continuar incluyendo algo en la familia de productos en proyectos futuros, mientras aprendo más sobre programación en Code Composer Studio.

Hay varios pines táctiles con capacidad capacitiva disponibles, así como múltiples GPIO. La salida SPI del ADC se alimenta al MSP430 y la salida SPI de la MCU alimenta el conector externo ya que el ADC no tiene un pin SPI MOSI. La funcionalidad futura podría incluir una exhibición de algún tipo.

S1 se utiliza durante la programación para seleccionar la referencia de voltaje para la MCU (programador o placa). Los valores de la resistencia de desacoplamiento del interruptor S2 son recomendados por Texas Instruments en la hoja de datos MSP430.

Programación de Firmware

El firmware para el dispositivo se tratará en un artículo futuro, pero el diseño esquemático determina qué pines se conectan a qué redes, y ahora es el mejor momento para incorporar las opciones de diseño en el firmware. El MSP430 usa registros de memoria para controlar los pines. Así que cada pin corresponde a un bit en un registro con el que interactuaré más adelante.

                    #define UART_RX_PIN BIT5 // P2.5 eUSCI_A1
#define UART_TX_PIN BIT6 // P2.6 eUSCI_A1

#define SPI_EN_PIN BIT0 // P1.0 eUSCI_B0 - no utilizado
#define SPI_CLK_PIN BIT1 // P1.1 eUSCI_B0
#define SPI_MOSI_PIN BIT2 // P1.2 eUSCI_B0 - todavía no se utiliza
#define SPI_MISO_PIN BIT3 // P1.3 eUSCI_B0

#define ADC24_RDL BIT0 // P3.0 establecido bajo siempre
#define ADC24_CNV BIT1 // P3.1 L-> H-> L (20 ns) para convertir
#define ADC24_BUSY BIT4 // P2.4 baja después de la conversión

#define ST_IN1 BIT0 // 3PST switch input 0
#define ST_IN2 BIT1 // 3PST switch input 1
                  

Esquema descargable

Este artículo está destinado a servir como información complementaria para mi proyecto más grande, pero también puede proporcionar información sobre cómo crear un esquema para un proyecto de tablero personalizado.

¿Qué más te gustaría saber sobre la creación esquemática? Si tiene alguna pregunta o información, compártala en los comentarios a continuación.

Puede descargar el esquema completo a continuación.

Esquema del inclinómetro

By Maria Montero

Me apasiona la fotografía y la tecnología que nos permite hacer todo lo que siempre soñamos. Soñadora y luchadora. Actualmente residiendo en Madrid.