最近一段時間被拉去支援哥們的一個微弱信號采集項目,解決關(guān)于藍牙干擾模擬信號采集的問題,硬件工程師也要有一定的軟件背景,看海采坑小課堂今天和大家分享下問題的經(jīng)過。
起因
哥們做的微弱信號采集,目標信號大約是uV級別,帶寬小于100Hz, 前期調(diào)試時發(fā)現(xiàn)會有一個22Hz的干擾 ,這是怎么回事呢?于是我就被安排了過去。
采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,主要由一個前端運放、ADC和藍牙模塊組成,藍牙模塊是CC2640,微弱信號經(jīng)過運放放大之后,被ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,通過藍牙發(fā)送給電腦。
藍牙?我看到藍牙時,心里已經(jīng)有了懷疑方向,但咱以前也沒接觸過藍牙,還是慢慢分析吧。
復(fù)現(xiàn)
接手到問題后當然是先復(fù)現(xiàn)現(xiàn)象 。 下圖是采集70uVpp@12Hz的正弦信號的時域和頻域圖,22Hz的干擾很明顯,竟然達到了16uVpp(諧波以及50Hz工頻干擾暫時不考慮;前期版本不穩(wěn)定,22Hz的頻率也有一點點變化,這里也不詳細介紹,我們都統(tǒng)一看22Hz)。
分析
首先要判斷干擾從哪里引入的,將運放與ADC斷開,單獨用ADC采集時,基本沒有干擾,則干擾大概率和前端運放有關(guān),耐心搞耐心干。
降低前端運放放大倍數(shù),將放大倍數(shù)修改為2倍,22Hz干擾也基本消失,和單獨使用ADC的結(jié)果接近,得出初步結(jié)論: 干擾很可能是被高放大倍數(shù)的運放放大后,被ADC采集到,進而在頻譜上出現(xiàn) 。
基于上述分析,恢復(fù)運放放大倍數(shù)后,將前端運放輸入短路,重新連接ADC測試,發(fā)現(xiàn)在輸入為0時,也有22Hz干擾。
分析2
既然干擾和前端運放強相關(guān),就著重檢查了前端運放的模擬、電源走線,以及電源分配和地回流的處理。
發(fā)現(xiàn)了幾個可能的風險點:
模擬信號缺乏屏蔽
模擬電源缺乏屏蔽
模擬地數(shù)字地隔離不干凈
接下來就是查找產(chǎn)生干擾的源(我懷疑是藍牙搞得鬼),咱不急,一點點來分析。
先測試了模擬電源的紋波,受限于示波器精度,只能分辨10mV, 沒發(fā)現(xiàn)異常,但這并不代表電源就是ok的,需要進一步排除 。
我甚至懷疑是模擬電源的開關(guān)噪聲被采集到了,因為我們系統(tǒng)電源的架構(gòu)包含電荷泵以及BUCK,這個是一個懷疑的對象,但是對電荷泵的測試中沒有發(fā)現(xiàn)和22Hz有關(guān)的頻率,電源手冊中也沒有相關(guān)頻率介紹。
考慮到手頭沒有測電流以及高精度電壓測試儀器,為了進一步對電源進行測試,我嘗試抓模塊工作的電流,重點在 抓藍牙工作時的電流,很懷疑是藍牙間歇性工作引起的干擾,如果猜測正確,應(yīng)該在軟件代碼中會找到證據(jù) 。
話不多說,是騾子是馬咱拉出來溜溜。
測試原理如下圖,將一個電阻串聯(lián)到藍牙電源線路中,根據(jù)歐姆定律,流過電阻的電流和電壓成正比,那么測量電阻兩端的電壓,就可以間接觀察藍牙工作時的電流情況。
對于電阻的選擇要注意,如果選擇的太小,那么微弱電流乘小電阻得到的電壓太小,無法被10mV的示波器看到。反之如果電阻太大,那么其分壓就大,使得藍牙無法正常工作, 阻值計算過程這里不做介紹。
鎖定
果不其然,電阻兩端的電壓波形如下(示波器不能存波形, 我缺個示波器 。。。。各位同學將就著看吧),電阻兩端的電壓存在22Hz的紋波,說明藍牙工作時有22Hz 的脈沖電流,結(jié)論:22Hz干擾大概率由藍牙引起。
需要進一步驗證藍牙的影響。我們的藍牙在工作時,并不是一刻不停的發(fā)送數(shù)據(jù),而是間歇性的發(fā)送數(shù)據(jù),這個間歇性的頻率可調(diào),我們項目就是22Hz,如下圖所示,這個間歇性工作期間,藍牙就會從電源抽一個比較大的電流,雖說CC2640是低功耗器件,然而這個功耗指的是平均功耗,并不是瞬時功耗。
我從來沒有搞過藍牙,憑直接感覺,這個連接間隔并不是固定的,大概率是可調(diào)的,聯(lián)系軟件哥們,找到了和22Hz有關(guān)的代碼,下面的代碼就是和連接間隔時間有關(guān)。
我們修改了時間間隔,將其由22Hz改為33Hz,再次測量干擾的頻率同時串電阻測量藍牙電流波形,均發(fā)現(xiàn)干擾和電流頻率從22Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?3Hz。
問題就是藍牙引起,根因鎖定。
對于EMC而言,有傳導(dǎo)和輻射兩種方式,那么這個屬于哪種呢?
回答這個問題之前,有同學會有這個疑問,低采樣率能采集到藍牙高頻信號嗎?
藍牙是2.4G( 我這示波器帶寬才500Mhz,我缺個示波器 ),模擬系統(tǒng)采樣頻率才幾百Hz,那么幾百Hz的采樣率可以采集到高頻信號嗎?
理論上是可以的,只是不滿足奈奎斯特采樣定理,會出現(xiàn)頻率失真。
而對于實際系統(tǒng)而言,比如運放,都有自己的帶寬,這個帶寬小于2.4G,實際上又是采集不到高頻信號。
那為什么還是會出現(xiàn)呢?(有點矛盾有點繞)這是因為對于輻射而言,系統(tǒng)內(nèi)部有一些非線性器件,會起到調(diào)制解調(diào)或整流的作用,最終在頻譜上出現(xiàn)(后面有時間再詳細介紹)。
多說一點,我們看下CC2640的電源架構(gòu)。
2640的主電源是VDDS,VDDS進來后會通過一個BUCK降壓產(chǎn)生VDDR給射頻RF回路使用,2640也可以通過設(shè)置選擇LDO給射頻使用,LDO和BUCK二選一,LDO缺點是功耗就大了,優(yōu)點是可以節(jié)省面積。我實測時發(fā)現(xiàn)如果拆掉這個BUCK電感,2640其實也可以自動開啟內(nèi)部LDO維持系統(tǒng)正常工作。
根據(jù)前面的判斷,藍牙工作時的大電流22Hz的脈沖干擾和RF回路有關(guān),用示波器測了下VDDR紋波,就是22Hz。如果分析傳導(dǎo)的話,就著重查VDDS和VDDR這兩路電,以及GND的處理。
藍牙這個干擾源是通過傳導(dǎo)、輻射引起的,不同的原因有不同的解決對策。
經(jīng)過處理后,22Hz干擾已經(jīng)可以降低到0.5uVpp以下了。
接下來就是重新修改原理圖,PCB走線,投板后希望一切正常。
審核編輯:劉清
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