Sensor, ADC, colocación maestra SPI - 1 metro de distancia con velocidades de 4 MHz

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Tengo un sensor de acelerómetro que se debe colocar 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 pre-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 velocidad de transferencia? ¿Contribuirá 1 m de cable pre-ADC a un ruido significativo?

Notas:

  • El ADC tiene un rango de entrada de 0 a 5 V, me interesan los pasos en el rango de 10 mV (1 / 500o del rango). Si mis picos de ruido están por debajo, la aplicación tendrá éxito.
  • Los cables entre el ADC y el sensor transportarán 3 canales Vout, tierra y 5 V.
  • El sensor, los cables y (según la ubicación) el ADC sufrirá impactos, ya que la aplicación está caracterizada por el impacto. Los impactos serán debidos a la caída con una fuerza pico estimada de 150 g durante 2 ms.

Especificaciones del acelerómetro

Actualización:DecidíejecutarelADCcercadelpi(~6pulgadas)yelsensorlejosdelpi(~0.75m)yaqueelruidoanalógicosonabamásfácildesolucionarqueloserroresdigitales.Actualmenteobtengounareferenciade~61mVdelsensorconunadesviaciónestándarde10mV(segúnlaslecturasdeADC).Losnivelesderuidodepicoacanalsonaproximadamente60mV.Esteesuncomienzodecente,perocreoquetengoalgunasmejorasquehacereneldiseñodelcircuito.Porejemplo,sinunsensorconectado,obtengounafluctuacióndeaproximadamente100mVenlaescalade1Hz.VoyamejorarmiesquemaVrefylaconexiónatierrayversipuedoeliminaralgodeesteruido.Hastaahoranocreoquemiprincipalproblemaseaelcableado,aunquelainformaciónesbienvenida.Tambiénseencontróestareferenciaútil: enlace

Actualizar:

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

El eje derecho muestra la salida de entero del ADC. La desviación estándar de esa varianza en y es de aproximadamente 3 unidades (mV) y en z es de aproximadamente 4.1 unidades. El pico al canal 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 el voltaje de referencia eran críticos. Pasar por todo el proceso de fabricación de una tabla también fue súper divertido.

No puedo explicar el aumento de la varianza para el canal z. Está más lejos de mis cables de alimentación / tierra. Es el último cable en el extremo del cable plano, por lo que podría ser.

    
pregunta nate

2 respuestas

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

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

Personalmente, solo comenzaría a construir cables, haré uno corto y probaré el ruido. Luego pruebe con uno largo, si el ruido es más de lo que necesita para comenzar a analizar los efectos descritos y rediseñar el cable. También podría ser ventajoso colocar la referencia de voltaje y el LDO con el ADC en el extremo del cable.

    
respondido por el laptop2d
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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 1m de cable y la red eléctrica es suficiente para inyectar un modo común de un par de decenas de milivoltios, a veces 300 mV. ¿Estás seguro de que tu CMRR será lo suficientemente bueno? Nunca se sabe.

Pon el ADC lo más cerca posible. Pero SPI sobre 1m (cable o PCB) no es trivial, debe cuidarse de eso. Primero, use señales diferenciales, no quiere interferencias de modo común. Luego tenga en cuenta que los transmisores y receptores diferenciales tienen retrasos. En ocasiones, el retraso es lo suficientemente significativo como para desplazar los datos recibidos contra el reloj. Entonces, si muestras el ADC con FPGA no es un problema, pero en la CPU tienes que encontrar el modo correcto.

    
respondido por el Gregory Kornblum

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