Problema de ruido de tierra y caída de tensión

Question

Tengo un dispositivo RC alimentado por una batería de poliéster de 3,7V, que incluye un motor y un sonar de 40KHz. El voltaje a través del sensor del sonar es amplificado y luego adc-ed. El motor es impulsado por un PWM de 2KHz.

Cuando el motor está apagado, todo funciona bien. Cuando el motor está encendido, tengo una caída de 0,5V a 2kHz en VBAT y es difícil deshacerse de esto - probablemente debido a los largos cables al motor. Tengo un diodo a través del motor de 2 hilos.

De todos modos, el gran problema es que también tengo un pico de 2kHz 10mV en el sensor. Esto crea un ruido que impide analizar las lecturas del sonar. La relación señal/ruido no es lo suficientemente grande.

ruido del sensor cuando el motor está apagado:

ruido del sensor cuando el motor está encendido:

Realmente no puedo cambiar el calibre de los cables del motor y la caída de VBAT no crea ningún otro problema. ¿Hay alguna manera de evitar ese ruido?

Answer 1

Yo empezaría por considerar su esquema de conexión a tierra. Su motor probablemente está siendo accionado por PWM, encendiendo y apagando rápidamente el voltaje, y probablemente a 50kHz. Esto significa que a veces tenemos una corriente bastante pesada que fluye a través del motor, y luego un corto momento después, no hay corriente. Esto causa un par de problemas.

Filtrado de la fuente de alimentación

El primer paso es asegurarse de que tiene condensadores de desacoplamiento entre los lados positivo y negativo de la batería cerca de cada componente. Estos proporcionan una vía de baja impedancia para las corrientes de alta frecuencia. Lo que es otra forma de decir, que proporcionan una reserva de energía cercana para suplir las demandas repentinas de corriente sin llegar hasta la batería.

Puesta a tierra

Considera estos circuitos:

Aquí, las resistencias R1, R2 y R3 no son realmente resistencias, sino que representan la resistencia en los cables. He modelado tu sensor de sonar como una fuente de tensión ideal V1, y he dibujado un op-amp U1 para representar tu amplificador. Tu circuito real es, por supuesto, más complicado, pero esto demostrará el problema.

Considere la BAD caso. Cuando el motor está en marcha, fluye una fuerte corriente en R1 y R2. Por la ley de Ohm, habrá una caída de tensión en estas resistencias, sobre todo en R2. Cuando el motor está encendido, la "tierra" en V1 es significativamente diferente de la "tierra" en U1. Estas diferencias son amplificadas por U1.

Si reordenamos el motor para que se parezca más al GOOD esquema, entonces las corrientes del motor seguirán causando una caída de tensión sobre R1, pero eso afectará al sensor y al amplificador por igual, así que no es tanto problema. Todavía existe la posibilidad de que R3 estropee las cosas, pero la corriente allí es probablemente pequeña.

En el BEST esquema, conectamos el amplificador y el sensor a un punto común para evitar también ese problema. Esto se llama tierra de la estrella . Probablemente las corrientes de tus sensores y amplificadores sean lo suficientemente pequeñas como para que esto no sea necesario, pero de todas formas ahí lo tienes.

Es importante recordar que sólo hemos considerado el lado de tierra de la batería, pero estas mismas preocupaciones pueden aplicarse igualmente al otro lado de la batería. La iluminación viene de considerar por dónde fluyen las corrientes, y cuando se mide un voltaje, considerar cuál es la referencia para ese voltaje.

Acoplamiento inductivo

La otra fuente de ruido puede ser el acoplamiento inductivo involuntario. Cuando la corriente fluye a través de su motor, la corriente fluye en un bucle. La corriente en este bucle crea un campo magnético. A medida que este campo crece y se encoge a través del encendido y apagado de su motor por el controlador PWM, todos los otros cables en su circuito experimentarán un cambio en el voltaje por el ley de inducción .

Para minimizar este efecto, hay que mantener pequeñas las inductancias parásitas. Considere la ruta física que la corriente debe fluir desde la batería, a través del circuito de conducción del motor, al motor, de vuelta al conductor, y de vuelta a la batería. Esto formará un bucle. Cuanto más grande sea este bucle, mayor será su inductancia. Haz que ese bucle sea lo más pequeño posible manteniendo las conexiones de tierra y del positivo de la batería lo más cerca posible.

Haga lo mismo con su sensor de sonar. Además, evite que los dos funcionen cerca el uno del otro, o en paralelo, ya que esto hace que su inductancia mutua sea más fuerte.

Si esto resulta insuficiente para resolver el problema, puede considerar la posibilidad de construir un amplificador diferencial . No lo describiré en detalle, ya que sospecho que estos otros cambios serán suficientes, y diseñar adecuadamente un sistema de amplificación diferencial es lo suficientemente complejo como para merecer una pregunta propia. Sin embargo, si se abordan las otras cuestiones, un amplificador diferencial bien diseñado puede rechazar el ruido tan bien que puede medir señales realmente minúsculas enterradas en el ruido, como los impulsos eléctricos generados por los nervios.