STM32

论24位转换器AD7714在嵌入式STM32软硬件设计中注意点

2019-07-21 03:35发布

站内问答 / STM32/STM8
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 首先声明本人还是在校本科生，这里所说的纯粹是个人体会，不一定正确，仅仅是拿来交流，欢迎大家一起针对我的问题讨论！fficeffice" />   一直在学习PCB板的绘制技巧，因为平时接触的都是低速板，因而在PCB布局布线中没有太多体会，不多的收获就是把Altium 这个软件玩的越来越溜了。但是软件毕竟只是一种工具，真正的秘诀在于你怎么使用它完成一个完美的设计，就像PS会的人很多，但是能够使用它把凤姐那样的人变成美女的估计没有几个！板子画过几块之后，突然对它貌似失去了一种兴趣，反而觉得有点枯燥无聊，于是一直企盼能有一个机会，让我布布高精度板或者高速板，调试调试，学习经验！ 机会来了，这次BOSS接了个项目，测量传感器的信号，要求精度达到0.001mv！当他给我的那一刻，我就知道这是机遇也是挑战，毕竟要做这样一个高精度的测量仪器，以我目前的水平还真不一定够。但是BOSS很信任我，任我发挥！经过对项目了解，最后我选择了AD7714这样一款24位高精度的A/D转换器！          AD7714 是美国 AD公司采用 -  技术生产的 24 位串行模数转换器，主要应用于低频小信号的测量。有5通道输入 ，可根据需要采用,3路差分输入或4路伪差分输入，其通信采用简单的三线数据接口，不仅简化了对器件的操作 ，而且减少了对系统资源的占用 ，其通信时序类似于模拟SPI，相对来说比较简单！ 此次CPU采用的是STM32F107,用在这里确实有点浪费.只因为自己对此款芯片比较熟悉.本来是打算用103的,但是BOSS怕我的设计出问题故没有同意! 硬件设计:


 


  我每次用一个新的外设,基本上都是从网上COPY他的配置函数,但是这次没有找到.所以在写配置方面基本上没有经验.只知道按照时序逻辑去读写,但是最开始按照这个时序去写配置,一直读不出数,通过一步步的仿真,发现寄存器里面压根就没有写入状态字!反复查找也没有发现原因!最后查看这个时序时间才恍然大悟:


 原来我只注意了”序”却没有注意”时”,在数字电路中,高低电平的触发和保持都是需要一个时间的,并不是理想的那样!所以每一步你都得针对于这个时间去配置,因为STM32的精确延时只能达到1uS,而这里的很多时间都是以nS来计时的，故只能采用while(t--)这样的一个方法来达到延时的目的！ 这也是51单片机控制外设和STM32控制后外设的不同之处，因为51的主频低，一个时间周期就是1us，而STM32的主频可以到达72Mhz,有时候频率快也不一定是好事啊，因为在51里面，有些地方你无需采用while(t--)这样的方法，因为他执行一句话之后，肯定已经过了1uS了，那么这个时间足够AD7714的高低电平触发，但是STM32不同啊，他的执行速度竟然达到了1.25MIPS(Million Instructions Per Second)。所以这里提醒各位精通于51的朋友，千万不要让BUG出现在这个地方！ 下面来说我的PCB设计，因为之前或多或少的自学过一些高速板的知识，所以这次布局布线我可谓小心翼翼，下足了功夫！但是最后调试的时候还是出现了很大的问题！ 因为精度要求在0.001mv，但是读出来的数最后一位抖动的特别厉害，按理说，一款高精度的PCB板，最后一位从在0和1之间这样反复抖动是可以理解的，但是你要是从0突然跳动到5再从5跳到9再跳到2……这样无规律的抖动，那么这一款产品就是失败的！经过仔细思索，想到了很多引起抖动的原因： 1、  电源不稳定，引起AD7714的数字电源引脚的逻辑电平出现错误，但是这一般是不会出现的，电源的抖动不可能有那么大； 2、  参考电压的不稳定，导致转化后算出的结果出现了很大的偏差； 3、  布局布线的问题，导致模拟信号对数字信号的干扰太大； 4、  信号本身确实是很不稳定，抖动太大了； 因为我采用的是高精度的AD780输出作为参考电压，万用表测量的时候也是很稳定的，所以不可能是2.那会不会是第4呢？因为相对来说传感器的信号是比较稳定的，但是它上面可能会有许多高频的毛刺干扰信号，这样AD转换后肯定会不稳定！但是这样一个高频的毛刺相对来说是比较好处理的，只要设计一个一阶低通RC滤波器即可，f=1/(2*3.14*R*C)，选好截止频率，即可得到相应的RC的值，当然，这个RC的值肯定不止一个，所以很多时候你还得通过仿真或者不断地调试来选定最优值！但是奇怪的是，无论怎么滤波，效果没有丝毫的改善！现在我知道，激动人心的时刻来了，布线出了问题！于是仔细检查线路！ 我用万用表测量传感器经过滤波后的信号,基本上是没有波动的,比较稳定,可是当把万用表的正极放在AD7714的信号输入口,负极放在芯片模拟地上时候,就可以很明显的看到了0.008mv的波动了，把负极再移到板子的另外一个地点，恐怖的是这时候的波动竟然达到了0.02mv。所以我明白了测量出来的0.005mv的波动并不是来源于信号本身，而是来源于你的PCB布局布线不合理，导致模拟信号对数字信号产生很大的干扰，显然这是你无法通过滤波解决的！
   


于是我自己仔细检查我的PCB设计：虽然有很多的基本注意点，每个信号都先滤波再进IC，数字电路和模拟电路分开设计了，连接点尽量靠近，并通过0R电阻相连；传感器模拟信号线到达AD7714的距离尽量短；同时对于重要信号还做了包地处理；每个IC采用单点接地，尽量减少串扰。可还有很多致命点！   1、在AD7714下面走了数字地线；


 2、由于前期布局不合理，在单点接地后，而导致形成了环路，无形中产生了电磁干扰；


 3、没有注意PCB中线宽的调整，导致阻抗突变； 当然还是有很多问题，只是我水平有限，仅仅发现这么一点！   这里我总结了数模布线的一些基本常识，分享给大家： 1、              低频电路对于模拟地和数字地要分开布线，不能混用 2、         如果有多个A/D转换电路，几个ADC尽量放在一起，只在尽量靠近该器件处单点接地,AGND和DGND都要接到模拟地,电源端子都要接到模拟电源端子； 3、         数字电路和模拟电路在同一块多层板上时，模拟地和数字地不需要排到不同的层上，但模拟电路和数字电路仍然要分开放置,   4、         数字地严禁设计在AD转换芯片下面，因为这样会把噪声耦合给芯片，从而影响ADC正常工作。但是应当使模拟地在芯片下面运行，因为这样能减少数字噪声的耦合。 5、         对于高分辨率的ad芯片，电源的耦合电路尤为重要，因此在印制电路板设计时，应对所有的模拟电源输入都加一级去耦电路，即用10μF钽电容和0．1μF陶瓷电容并联到地。这些去耦电路的元件应尽可能靠近芯片的电源引脚，这样才能获得更好的去耦效果和消除引线过长而带来的干扰 6、         数字器件和高频元器件应该靠近电源和插件放置;电源和地构成的环路尽量小.接地线应尽量加粗，若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。 7、          如果把模拟地和数字地大面积直接相连，会导致互相干扰。不短接又不妥，有四种方法解决此问题∶1、用磁珠连接(只对某个频点的噪声有抑制作用，如果不能预知噪点，就不知如何选择型号，况且，噪点频率也不一定固定，故磁珠不是一个好的选择。)；2、用电容连接；3、用电感连接(一般用几uH到数十uH)；
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