¡¿Qué es el ruido de aliasing?!
/article-271-sourcesandremediesofanalogcircuitnoise-Asia.html#
Fuentes y soluciones del ruido del circuito analógico
Fuentes y soluciones del ruido del circuito analógico
Microchip Technology Inc. Bonnie C. Baker
---La eliminación del ruido en circuitos analógicos se basa más en la experiencia que en la base científica. Lo que los diseñadores encuentran a menudo es que después de diseñar la parte de hardware analógico del circuito, descubren que el ruido en el circuito es demasiado grande y tienen que rediseñarlo y recablearlo. Este enfoque de diseño de "pruébalo y pruébalo" puede, en última instancia, tener éxito incluso después de muchos contratiempos. Sin embargo, una mejor manera de evitar problemas de ruido es seguir algunas pautas básicas de diseño y aplicar el conocimiento de los principios básicos relacionados con el ruido al tomar decisiones tempranas de diseño. Este artículo explorará las diferentes fuentes de ruido en un sistema de conversión A/D de 12 bits (incluido el ruido del dispositivo, el ruido de emisión y el ruido conducido) y sus métodos de eliminación.
-- -Diseñar una placa de circuito convertidor analógico a digital (ADC) de 12 o 10 bits de bajo ruido puede parecer relativamente fácil, pero solo si comprende y sigue algunos principios básicos de bajo ruido. conceptos y técnicas de diseño. Por ejemplo, se podría suponer que la mayoría de los componentes (como amplificadores y resistencias) se pueden usar de manera efectiva en un ADC de 12 o 10 bits, por lo que estos componentes generalmente se seleccionan en función de parámetros independientes del ruido. Además del ruido del dispositivo, otra fuente de ruido del circuito es el ruido conducido. El ruido conducido ya está presente en los rastros de la placa de circuito antes de que la señal llegue a la entrada del ADC. La fuente del ruido conducido es el ruido del dispositivo o el ruido de emisión. En algunos casos, los requisitos del propio circuito determinan que el ruido del dispositivo y el ruido de emisión sean inevitables. El ruido conducido puede provenir de dispositivos en la ruta de la señal analógica y de dispositivos de suministro de energía. Los dispositivos de alimentación más utilizados en los circuitos son las fuentes de alimentación de modo conmutado o incluso los "adaptadores de pared" que solo utilizan una regulación de voltaje simple. Estos dispositivos generarán el suministro de energía. ruido e inyección sensible en dispositivos analógicos. Una tercera fuente de ruido en los circuitos es el ruido irradiado. En términos generales, el ruido irradiado puede ocurrir debido al acoplamiento entre dos pistas paralelas y cercanas, o puede provenir de señales de interferencia electromagnética (EMI) externa.
---Si se considera el ruido del dispositivo, la selección del dispositivo se convierte en el factor principal que afecta el éxito o el fracaso del diseño del circuito. Este tipo de problema es común en la etapa de ganancia del amplificador/resistencia del circuito de conversión A/D. Para resolver estos problemas, el amplificador se puede reemplazar con un dispositivo de bajo ruido y se puede usar una resistencia de menor valor para reducir el ruido del sistema. Los problemas de ruido conducido se pueden solucionar mediante otros métodos. Si el ruido proviene de la ruta de la señal del ADC, agregar un filtro de paso bajo antes del ADC puede reducir efectivamente el ruido de alias. Como se mencionó anteriormente, otra fuente de ruido conducido es la fuente de alimentación. Para este problema, se pueden utilizar bobinas de choque o filtros de resistencia-condensador (R/C) para filtrar las líneas eléctricas. Además, para todos los dispositivos activos, se debe agregar un capacitor de derivación entre su pin de alimentación y tierra. Sin embargo, a través del plano de tierra, se puede eliminar la mayor parte del ruido conducido. Finalmente, para el ruido radiado debido al acoplamiento entre pistas, las dos pistas se pueden separar y el ruido externo se puede proteger o evitar mediante una disposición adecuada de la placa de circuito. Si se resuelven los problemas anteriores de ruido del dispositivo, ruido de conducción y ruido de emisión, el diseño de una placa de circuito ADC de 12 bits de bajo ruido será fácil.
-- -La Figura 1 es un ejemplo de un circuito ADC de 12 bits. Como se muestra, la señal proviene de una unidad de carga resistiva, número de pieza LCL816-G. El puerto de salida diferencial del LCL816-G está conectado a un amplificador de instrumentación de amplificador operacional dual discreto (A1, A2, R3, R4 y RG). Luego, la señal pasa a través de un filtro de paso bajo de segundo orden (A3, R5, R6, C1 y C2), que elimina el ruido de alias de frecuencia más alta y, por lo tanto, elimina los errores dañinos que ingresan al ADC. Finalmente, la señal se acopla a un ADC de 12 bits (A4, MCP3201 de Microchip). El convertidor puede aceptar señales de 0 a 5 V y la salida se envía al microcontrolador (Microchip PIC16C623).
Un rectificador/convertidor de CA a CC (adaptador de pared) convierte la entrada de CA del tomacorriente de CA a la fuente de alimentación de CC requerida de 9 V, y un LM7805 regula la fuente de alimentación a 5 V. La función del estrangulador L1 es reducir aún más la ondulación y el ruido de la fuente de alimentación.
---Si el diseño del circuito no toma las medidas de bajo ruido mencionadas anteriormente, es fácil producir una salida similar a la Figura 2. En la Figura 2, la salida del ADC (MCP3201) adquiere 1024 muestras a una velocidad de datos de 30 ksps. Alrededor de la palabra clave 2982, el ancho de código de estas muestras es 44. Según estos datos, la precisión del sistema es de aproximadamente 5,45 dígitos. Evidentemente, la precisión de este circuito no es suficiente para un sistema de 12 bits.
---La configuración de parámetros específicos de la placa de circuito es:
---R3 = 300kΩ;
---R4 = 100kΩ;
---RG = 4020Ω;
---A1 = A2 = Amplificador operacional CMOS de suministro único MCP604 (Microchip);
---Sin paso bajo Filtro antialiasing;
---Sin condensador de derivación;
---No se utiliza plano de tierra;
---Cortocircuito L1 (estrangulador) .
---Los circuitos y placas de circuito avanzados con medidas de bajo ruido pueden producir una solución precisa de 12 bits. En primer lugar, los problemas de ruido de los dispositivos se solucionan mediante el uso de amplificadores y resistencias de menor ruido. Por ejemplo, cuando el valor de la resistencia se reduce en un factor de 10, la ganancia sigue siendo la misma, pero el ruido se reduce aproximadamente en un factor de 3. Además, es necesario cambiar el amplificador de MCP604 a MCP6024. El MCP604 tiene una densidad de ruido de voltaje de 29 nV/√Hz (típico) a 1 kHz, mientras que el MCP6024 tiene una densidad de ruido de voltaje de 8,7 nV/√Hz (típico) a 10 kHz, una mejora de más de 3 veces. Los problemas de ruido conducido se pueden resolver proporcionando un plano de tierra en la parte posterior de la placa de circuito impreso (PCB). Debido a la implementación del plano de masa, la interrupción de la capa metálica y la ruta de la señal se encuentran en dos planos paralelos en lugar de en el mismo plano. Después de estas modificaciones, el rendimiento de la placa mejoró significativamente. La prueba muestra que el ancho del código del histograma de distribución del código de salida del ADC se reduce de 44 a 9 palabras de código.
-- -Este gran cambio lleva el rendimiento del circuito de la Figura 1 aproximadamente al nivel de un sistema de 9 bits, pero de hecho también puede alcanzar el rendimiento de un sistema de 12 bits. Para resolver el problema del ruido conducido, se puede agregar un filtro de paso bajo de segundo orden antes del ADC para reducir el aliasing de las señales durante el proceso de conversión A/D. El filtro se diseñó utilizando la herramienta de software de filtrado analógico FilterLab. Además, el ruido conducido se puede reducir aún más mediante el uso de condensadores de derivación. Finalmente, la fuente de alimentación se filtra mediante el uso de una bobina de estrangulación L1 para minimizar el impacto del ruido conducido. Estas mejoras hacen que el sistema sea un verdadero sistema preciso de 12 bits. Como se muestra en la Figura 3, la salida del convertidor analógico a digital recopila 1024 muestras a una velocidad de datos de 30 ksps, todas las muestras equivalen a un código: 2941.
---Siempre que siga las siguientes pautas clave de diseño de bajo ruido, no será difícil dominar buenas habilidades de diseño de ADC de 12 bits.
● Verifique los componentes utilizados en el circuito y asegúrese de que sean componentes de bajo ruido.
● Siempre proporcione un plano de tierra ininterrumpido en una capa de la placa de circuito.
● Para señales en circuitos de señal mixta, utilice filtros anti-aliasing de paso bajo para un filtrado correcto.
● Lleve a cabo un diseño de derivación adecuado para todos los dispositivos; el condensador debe estar lo más cerca posible del pin de alimentación del dispositivo.
● Filtrar adecuadamente la fuente de alimentación.
Referencias
1 Bonnie C. Baker. Lectura y uso de transformadas
rápidas de Fourier (FFT) Microchip
Technology Inc. .
2 Bonnie C. Baker. Filtros analógicos anti-aliasing
para sistemas de adquisición de datos AN699.