Rauschende Signale mit 2-Lagen-Leiterplatte - Was stimmt nicht mit meinem Design?

Für meine Masterarbeit in Informatik muss ich einen linearen CCD-Sensor TCD1304AP auslesen. Ein STM32-Mikrocontroller mit der Schaltung auf einem Steckbrett erledigt die Aufgabe, aber um mein Projekt tragbarer zu machen, habe ich eine Leiterplatte bei elecrow entworfen und bestellt. Leider bekomme ich bei der hergestellten Leiterplatte beim Auslesen des Sensors viel Rauschen auf dem ADC.

Hier ist der Link zum Datenblatt des linearen CCD-Sensors. Den Schaltplan der erforderlichen Schaltung finden Sie auf Seite 12: Link

Ich habe das Layout meiner Leiterplatte mit einigen wichtigen Anmerkungen beigefügt:

Wie Sie sehen können, wird der Eingang von den E / A-Pins am Logik-Wechselrichter invertiert und geht dann zu den Pins des TCD1304-Sensors über. Einige Pins werden mit einer hohen Rate getaktet (z. B. Masterclock bei 4 MHz). Die Widerstände und Transistoren sind so angeordnet, wie es der Schaltplan ausnimmt. Außerdem wird ein LT1761 zur Spannungsregelung hinzugefügt. Der Ausgangswert, den ich vom ADC erhalte, sieht sehr laut aus, viel schlechter als der Ausgang, den ich von der Steckbrettschaltung erhalte.

Hoffentlich können mir einige von Ihnen die Hauptfehler in dieser Leiterplatte erklären, da ich so ziemlich ein Neuling in Elektronik und Leiterplattendesign bin!

BEARBEITEN:

Hier ist das vollständige Schema:

Die Pinbelegung ist für den Transistor 2SA105 falsch :

• Das quadratische Pad der Leiterplatte, Pin 1, ist die Basis auf der Leiterplatte und schematisch, wenn die Basis Pin 3 des Transistors ist.
• Das mittlere (und fälschlicherweise versetzte) Pad der Leiterplatte, Pin 2, ist der Emitter auf der Leiterplatte und schematisch, wenn der Emitter Pin 1 des Transistors ist.
• Das andere Pad der Leiterplatte, Pin 3, ist ein Kollektor auf der Leiterplatte und schematisch, wenn der Kollektor Pin 2 (Mitte) des Transistors ist.
  

Daher muss bei dieser Leiterplatte angenommen werden, dass der Transistor auf derselben Seite wie der 74HC04 (dh gegenüber dem TCD1304AD) montiert ist

• Versetzen Sie den Mittelstift des Transistors leicht in die der Ebene entgegengesetzte Richtung.
• Führen Sie den Transistor mit dem Mittelstift ein, der am weitesten vom quadratischen Loch der Leiterplatte entfernt ist, und drehen Sie ihn so, dass die anderen Stifte nicht zu unnatürlich passen.
• Vor dem Löten überprüfen.

Natürlich kann ich nicht sagen, wie die Dinge auf dem Prototyp sind. Wenn der Transistor jedoch falsch montiert wäre, würde der Emitter-Follower-Puffer am Ausgang des CCD nicht richtig funktionieren und (abhängig von der 5 falschen Montage des Transistors) den Betrieb verhindern oder das Ergebnis schrecklich verwischen.

Wie von anderen angemerkt: Die vorhandenen Entkopplungskondensatoren C2 C3 C4 sind schlecht geroutet. Und das Routing von Vcc ist unnötig lang, was zur schlechten Entkopplung beiträgt. Das ist meine entfernte zweite Hypothese zur Ursache des beobachteten Problems.

Die goldene Regel der Entkopplung von Kondensatoren wird offensichtlich ignoriert : Die Schleifenfläche, die Länge und (in geringerem Maße außer bei Hochleistungsanwendungen) der Widerstand der Schleife, die mit dem von ihnen entkoppelten IC gebildet wird, müssen minimiert werden .

Außerdem wäre es etwas schwierig, sie alle auf derselben Seite zu montieren: Der 10uF befindet sich auf engstem Raum.

Mit dieser Leiterplatte sollten Entkopplungskondensatoren direkt über dem, was sie entkoppeln , montiert werden, insbesondere ein 10uF-Kondensator über die Stifte 1 und 2 (+) und 22 (-) des TCD1304AD (auf der Lötseite davon, die zumindest auch die Komponentenseite ist das 74HC04); und 0,1 uF über die Stifte 7 und 14 des 74HC04. Es ist in Ordnung (vielleicht am besten), die vorhandenen Entkopplungskondensatoren nicht zu entfernen, wenn sie bereits gelötet sind.

Ich würde einen Kondensator am ungeregelten 5-V-Stromversorgungseingang hinzufügen , vielleicht 1 uF Tantal. Ein solcher Kondensator ist im Anwendungsschema des Reglers und unter Angabe des LT1761-Datenblattes dargestellt :

An diesem Pin ist ein Bypass-Kondensator erforderlich, wenn das Gerät mehr als 15 cm vom Haupteingangsfilterkondensator entfernt ist. Im Allgemeinen steigt die Ausgangsimpedanz einer Batterie mit der Frequenz an, daher ist es ratsam, einen Bypass-Kondensator in batteriebetriebene Schaltungen einzubauen.

Die LT1761-BYP-Pinbelegung sieht für mich in Ordnung aus (sie befindet sich auf der der Ansicht gegenüberliegenden Seite, wie dies beim 74HC04 der Fall ist, und einige der gelben Pixel unterbrechen die grünen Spuren). Die Ziel-Vcc von 4 V ist vernünftig und kann mit + 5 V bei -10% Toleranz erreicht werden.

Wie von anderen angemerkt: Die relative Platzierung von CCD, Puffertransistor und Stecker ist nicht ideal. Wenn mechanische Einschränkungen dies zulassen, ist es am besten, den Transistor (und die zugehörigen Widerstände) wie im logischen Schema dazwischen zu legen. Wir sprechen hier jedoch nicht sehr hochfrequent, und die Dinge sind nicht katastrophal.

Die Pinbelegung des Steckers unterscheidet sich je nach Schaltplan und Leiterplatte

Masse ist Pin 5 der Platine, Pin 1 im Schaltplan. Die PCB-Pinbelegung ist am besten geeignet, da sie dazu neigt, Masse als Abschirmung des Analogausgangs vor dem Einfluss digitaler Signale zu verwenden.

Erfahrung (und erstaunlicherweise meistens persönliche oder zumindest enge) lehrt dies

• Das sorgfältige Synchronisieren von Schaltplan und Leiterplatte dauert nur wenige Minuten, spart jedoch Wochen und viel Geld.
• ein Schaltplan- und PCB-Design von anderen überprüfen zu lassen, bevor es funktioniert; aber nicht annähernd so gut wie nach Problemen.

Darf ich die LT1761-Reglerschaltung mit empfohlenen Kondensatoren an den Ein- und Ausgängen vorstellen: -

Auf Ihrem PCB-Design sehe ich nur einen 10 nF-Kondensator. Ich sehe auch keinen Geräte-Footprint, der mit den im Datenblatt angegebenen Footprints übereinstimmt, aber ich könnte mich irren. Schauen Sie sich die Schaltung an, die Sie verbunden haben ....

Versuchen Sie zu lernen, Vias zu verwenden, und vermeiden Sie das Routing auf der Bodenschicht. Denken Sie zum Beispiel darüber nach: -

Die Bodenflut wird viel besser sein, nur um ein wenig über das Problem nachzudenken. Machen Sie Ihre Versorgungsleitungen (orange) auch viel dicker UND überlegen Sie, wie sie verlaufen - sehen Sie, wie sich Ihre sinnlos um den 10-nF-Kondensator aufteilt!

Wie in den Kommentaren erwähnt, ist Ihre Entkopplung / Energieverteilung abscheulich.

Bewegen Sie Ihren Regler nach oben auf die Platine. Die dem CCD Vcc am nächsten liegenden Komponenten sollten die Entkopplungskappen sein (mindestens die in Andy aka gezeigten 10 uF, und eine 0,1 wird auch nicht schaden). Die Leistungsspur sollte viel breiter sein - 0,1 Zoll wären ein guter Ausgangspunkt, und die Verbindung von den Entkopplungskappen zum CCD sollte so kurz wie möglich sein.

Zusätzlich sind weitere 0,1 uF am Vcc des Wechselrichters eine gute Praxis.

Wenn ich Sie wäre, würde ich auch Ihren E / A-Anschluss um 90 Grad drehen, mit dem Digital links und dem Ausgangspin rechts.

Für hohe Frequenzen und logische Flanken, die in diesem Zusammenhang definitiv zählen, ist das Schlimmste, was Sie tun können, die Kappen weit vom Verwendungsort entfernt zu platzieren. Spureninduktivität und Widerstand sind die großen Probleme, und die Antwort auf beide Probleme ist kurz und breit.

Neben dem Entkopplerkondensator würde ich versuchen, eine bessere Route für das ADC-Signal zu finden. Es liegt sehr nahe an den 4-MHz- und 200-kHz-Hochfrequenzleitungen, was zu Rauschen in Ihrem ADC-Signal führen kann.

Ich denke, Ihr Schaltplan (was ich mir zum Dekodieren vorgenommen habe) ist in Ordnung, aber die Entkopplungskappen sind viel zu weit vom CCD-Vcc-Pin entfernt und schlängeln sich durch die Wechselrichteranschlüsse.

Kleben Sie ein paar bleihaltige MLCC 1uF-Kappen auf die Unterseite, die Vcc und GND des Wechselrichters und des CCD (jeweils eine) verbinden, und prüfen Sie, ob es besser funktioniert.

Legen Sie die Kappen beim nächsten Mal so nah wie möglich an den Versorgungsstiften an. Am besten legen Sie zuerst die Stromanschlüsse und dann die Signalanschlüsse an.

Ich bin verwirrt, dass Sie sich nicht die Zeit genommen haben, sich das PCB-Layout in der Zip-Datei anzusehen, in der Sie den Schaltplan gefunden haben . Es ist vielleicht nicht perfekt, aber viele der Vorschläge, die Sie bereits erhalten haben, werden in diesem Layout tatsächlich berücksichtigt.

Wie bereits erwähnt, hat der Transistor im TO-92-Gehäuse eine andere Pinbelegung als im Schaltplan (für die SOT23-Version des Transistors), und Sie sollten vor dem LDO eine 1uF-Kappe über Vcc und GND hinzufügen ( Dies wird der neuesten Version (C5 im Bild unten) hinzugefügt, die noch nicht veröffentlicht wurde, da ich gestern erst die neuen Boards ab Werk erhalten habe.

Abschließend sollte ich erwähnen, dass ein Großteil des Rauschens, das Sie sehen, auf die Verbindung zwischen der tcd1304-Platine und der stm32-Platine zurückzuführen ist. Ich war in Kontakt mit einer Person in Schwitzerland, die die TCD1304-Platine als "Abschirmung" für die Nucleo-Platine herstellte, und die stark reduzierte Kabellänge reduzierte das Rauschen erheblich.

ps Ich hoffe, Sie werden daran denken, die Quelle des Schaltplans und / oder die Firmware für den stm32 in Ihrer Arbeit korrekt anzugeben.