Señales ruidosas con PCB de 2 capas - ¿Qué tiene de malo mi diseño?

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Para mi tesis de maestría en informática, necesito leer un sensor CCD lineal TCD1304AP. Un microcontrolador STM32 con el circuito dispuesto en una placa de pruebas hace el trabajo, pero para hacer que mi proyecto sea más portátil, diseñé y pedí una PCB de elecrow. Desafortunadamente, con el PCB fabricado recibo mucho ruido en el ADC al leer el sensor.

Aquí está el enlace a la hoja de datos del sensor CCD lineal, puede encontrar el esquema del circuito necesario en la página 12: enlace

Tengo el diseño de mi PCB adjunto con algunas observaciones importantes:

Comopuedever,laentradadelospinesIOseinvierteenelinversorlógicoyluegopasaalospinesdelsensorTCD1304.Algunospinestienenunavelocidadalta(porejemplo,masterclock@4MHz).Lasresistenciasylostransistoressecolocancomoelesquemalosexceptúa,tambiénhayunLT1761agregadoparalaregulacióndevoltaje.LalecturadesalidaqueobtengodelADCparecerealmenteruidosa,muchopeorquelasalidaquerecibodelcircuitodepruebas.

EsperoquealgunosdeustedespuedandecirmelosprincipaleserroresenestePCB,¡yaquesoyprácticamenteunnovatoenelectrónicaydiseñodePCB!

EDITAR:

Aquíestáelesquemacompleto:

    
pregunta christianPro

6 respuestas

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La asignación de pines es incorrecta para la Transistor 2SA105 :

  • La almohadilla cuadrada de la PCB, pin 1, es la base de la PCB y el esquema, cuando la base es el pin 3 en el transistor.
  • La almohadilla central (y, incorrectamente, desplazada) de la PCB, pin 2, es el emisor en la PCB y el esquema, cuando el emisor es la patilla 1 en el transistor.
  • El otro parche de la PCB, pin 3, es el colector en la PCB y el esquema, cuando el colector es el pin 2 (centro) en el transistor.

Por lo tanto, con ese PCB, asumiendo que el transistor está montado en el mismo lado que el 74HC04 (es decir, opuesto al TCD1304AD), uno debe

  • desplazar el pin central del transistor ligeramente en la dirección opuesta a la plana;
  • introduzca el transistor con el pin central más alejado del orificio cuadrado de la PCB, y gírelo para que los otros no encajen de forma poco natural;
  • vuelva a verificar antes de soldar.

Por supuesto que no puedo decir cómo están las cosas en el prototipo. Pero si el transistor se montó mal, el búfer emisor-seguidor en la salida del CCD no funcionará correctamente, y (dependiendo de cuál de las 5 formas incorrectas de montaje del transistor) podría evitar el funcionamiento o difuminar el resultado de manera horrible.

Como han señalado otros: los condensadores de desacoplamiento C2 C3 C4 existentes están mal encaminados. Y el enrutamiento de Vcc es innecesariamente largo, lo que contribuye al desacoplamiento deficiente. Esa es mi segunda hipótesis distante en la causa del problema observado.

Se ignora descaradamente la regla de oro de los condensadores de desacoplamiento: la resistencia, el área del bucle, la longitud y (en menor grado excepto para aplicaciones de alta potencia) del bucle formado con el IC que desacoplan deben minimizarse .

Además, sería un poco difícil montarlos todos en el mismo lado: el 10uF está en un espacio reducido.

Con ese PCB, uno debería montar los condensadores de desacoplamiento directamente a través de lo que se desacoplan , especialmente un condensador de 10uF a través de los pines 1 y 2 (+) y 22 (-) del TCD1304AD (en el lado de la soldadura de eso, que también es el lado componente para al menos el 74HC04); y un 0.1uF a través de los pines 7 y 14 del 74HC04. Está bien (quizás sea mejor) no quitar los condensadores de desacoplamiento existentes si ya están soldados.

agregaría un condensador a la entrada no regulada de la fuente de alimentación de 5V , quizás 1uF tantalio. Dicho condensador se muestra en el esquema de la aplicación del regulador, y se cita el Hoja de datos de LT1761 :

  

Se requiere un capacitor de derivación en este pin si el dispositivo está a más de seis pulgadas del capacitor del filtro de entrada principal. En general, la impedancia de salida de una batería aumenta con la frecuencia, por lo que es recomendable incluir un condensador de derivación en los circuitos alimentados por batería.

El pinout LT1761-BYP me parece bien (está en el lado opuesto a la vista, como lo está el 74HC04, y algunos de los píxeles amarillos interrumpen los trazos verdes). El Vcc objetivo de 4V es razonable y se puede alcanzar con el + 5V con una tolerancia del -10%.

Como han señalado otros: la ubicación relativa del CCD, el transistor de búfer y el conector no es ideal. Si las restricciones mecánicas lo permiten, sería mejor colocar el transistor (y las resistencias asociadas) en el medio, como en el esquema lógico. Sin embargo, aquí no estamos hablando con mucha frecuencia, y las cosas no son desastrosas.

La asignación de pines del conector difiere en el esquema y la PCB

La tierra es el pin 5 de PCB, el pin 1 en el esquema. El pinout de la PCB es el mejor, ya que tiende a usar tierra como un escudo de la salida analógica de la influencia de las señales digitales.

La experiencia (y sorprendentemente, en su mayoría personal o al menos cercana) enseña que

  • mantener el esquema y el PCB en sincronización toma solo unos minutos, pero ahorra semanas y mucho dinero;
  • tener un esquema y un diseño de PCB revisados por otros antes de que funcione; pero no tanto como después de experimentar problemas.
respondido por el fgrieu
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Puedo presentar el circuito regulador LT1761 completo con los condensadores recomendados en las entradas y salidas: -

EneldiseñodesuPCBsoloveouncapacitorde10nF.Tampocoveounahuelladeldispositivoquecoincidaconlashuellasquesemuestranenlahojadedatos,peropodríaconfundirmealrespecto.Mirandoelcircuitoquehasenlazado....

Pruebeyaprendaausarlasvíasyseainteligenteenevitarenrutamientosenlacapadebase.Pienseenesto,porejemplo:-

La inundación del terreno será mucho mejor solo por pensar un poco sobre el problema. Haga que sus líneas de suministro (naranja) también sean más gruesas Y piense cómo se enrutan. ¡Mire cómo el suyo se divide sin sentido alrededor del capacitor de 10 nF!

    
respondido por el Andy aka
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Como se ha mencionado en los comentarios, su desacoplamiento / distribución de energía es abominable.

Mueve tu regulador a la parte superior del tablero. Los componentes más cercanos al CCD Vcc deberían ser las tapas de desacoplamiento (al menos las 10 uF que se muestran en la figura de Andy aka, y una 0.1 tampoco afectará). La traza de potencia debería ser mucho más amplia: 0,1 pulgadas sería un buen punto de partida, y la conexión desde las tapas de desacoplamiento al CCD debería ser lo más corta posible.

Además, otra buena práctica de 0.1 uF en el Vcc del inversor es una buena práctica.

Si fuera usted, también giraría su conector IO 90 grados, con el digital a la izquierda y el pin de salida a la derecha.

Para frecuencias altas, y los límites lógicos definitivamente cuentan en este contexto, lo peor que puedes hacer es colocar los límites lejos del punto de uso. La inductancia del rastreo y la resistencia son los grandes problemas, y la respuesta a ambos problemas es breve y amplia.

    
respondido por el WhatRoughBeast
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Además del condensador de desacoplamiento, trataría de encontrar una mejor ruta para la señal ADC, está muy cerca de las líneas de alta frecuencia de 4 MHz y 200 MHz, lo que podría inducir un poco de ruido en su señal ADC.

    
respondido por el Jose
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Creo que su esquema (lo que me molesté en decodificar) está bien, pero las tapas de desacoplamiento están muy alejadas del pin CCD Vcc y serpentean a través de las conexiones del inversor.

Pegue un par de tapas de MLCC 1uF con plomo en la parte inferior que une el Vcc y la GND del inversor y el CCD (uno cada uno) y vea si funciona mejor.

Y la próxima vez, coloque las tapas lo más cerca posible de las clavijas de suministro. Es mejor colocar primero las conexiones de alimentación y luego las conexiones de señal.

    
respondido por el Spehro Pefhany
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Estoy sorprendido de que no se haya tomado el tiempo de mirar el diseño de PCB en el archivo zip donde encontró el esquema . Puede que no sea perfecto, pero muchas de las sugerencias que ya ha recibido se tienen en cuenta en este diseño.

Como ya se señaló, el transistor en el paquete TO-92 tiene un pin-out diferente al esquemático (que es para la versión SOT23 del transistor), y debe agregar un límite de 1uF a través de Vcc y GND antes el LDO (esto se agrega a la última revisión (C5 en la imagen de abajo), que aún no se publicó, porque recién recibí los nuevos tableros de fábrica ayer):

Finalmente,debomencionarquegranpartedelruidoqueseestáviendoprovienedelaconexiónentrelapcbtcd1304ylaplacastm32.HeestadoencontactoconunapersonaenSchwitzerlandquehizoelTCD1304-pcbcomoun"escudo" para la placa del núcleo, y la longitud muy reducida del cable redujo significativamente el ruido.

ps Espero que recuerdes citar correctamente la fuente del diagrama del circuito y / o el firmware para el stm32 en tu tesis.

    
respondido por el esbenrossel

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