如何在定制PCB上設(shè)計(jì)精確的傾角計(jì)

該項(xiàng)目描述了如何設(shè)計(jì)能夠測(cè)量低至千分之三度的角度的定制傾斜計(jì)子系統(tǒng)。

這是我們?cè)?AAC 上設(shè)計(jì)的項(xiàng)目和子系統(tǒng)之一，旨在嘗試向您展示新的思想、想法和技術(shù)。

該項(xiàng)目創(chuàng)建了一個(gè)可用于精密儀器的測(cè)斜儀子系統(tǒng)。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，我可以記錄低至百分之一度的角度，并且知道它是準(zhǔn)確的。我可以將其到千分之一度，并以 99.999999% 的置信度知道它與實(shí)際傾斜值的千分之三度之內(nèi)。

項(xiàng)目的終構(gòu)建

該項(xiàng)目創(chuàng)建了一個(gè)用于科學(xué)儀器或機(jī)械的單軸數(shù)字機(jī)械傾斜儀。該電路板采用了來(lái)自不同制造商的 IC，并演示了您可以將其納入設(shè)計(jì)中的幾種不同技術(shù)。

一個(gè)非常簡(jiǎn)單的項(xiàng)目框圖

本文是系列文章中的篇，介紹了使用 muRata SCA103T-D04（一款基于 ±15° MEMS 的傾斜計(jì) IC）創(chuàng)建精密傾斜計(jì)電路所需的一些機(jī)械和電氣注意事項(xiàng)。未來(lái)的文章將更詳細(xì)地介紹原理圖設(shè)計(jì)、PCB 布局注意事項(xiàng)以及器件操作分析。

1. 選擇組件

以下是復(fù)制我的設(shè)計(jì)所需的主要組件的簡(jiǎn)化 BOM：

SCA103T-D04 ±15°傾角儀

MSP430 微控制器

AD8244單位增益放大器

LTC2380IDE SAR ADC

LT1027LS8 精密電壓基準(zhǔn)

CP2102N UART 至 USB 轉(zhuǎn)換器

設(shè)計(jì)如何運(yùn)作？

該設(shè)計(jì)以SCA103T-D04 ±15° 傾斜計(jì) IC為中心 。出于披露的目的，讓我提一下，為了本文的目的，muRata 向我發(fā)送了這個(gè)傾斜儀。遺憾的是，我得知（為時(shí)已晚）該特定組件將被停產(chǎn)。muRata 網(wǎng)站目前聲明 SCA103T-D04 的“購(gòu)買(mǎi)日期”是 2019 年 6 月 15 日。

傾斜計(jì)的傳感器輸出通過(guò) Analog Devices AD8244單位增益放大器發(fā)送至 Linear Technology（現(xiàn)屬于 Analog Devices）的LTC2380IDE 逐次逼近寄存器 （SAR） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）。我選擇了 24 位 SAR ADC 而不是 16 位器件，因?yàn)槲疑钪谖锢砩虾蛯?shí)際上不可能解析到 0.00000001°。我將目標(biāo)設(shè)為 17-18 位，即 0.0001°。這是一個(gè)有點(diǎn)昂貴的選擇，因此如果有人想稍后使用 16 位 ADC 重新創(chuàng)建此設(shè)計(jì)，您會(huì)很高興知道我選擇了具有可用引腳兼容的 16 位版本。

然而，我只會(huì)制作其中一塊板，所以我寧愿擁有比我懷疑我能夠使用的更多的分辨率，也不愿擁有太少的分辨率。此外，我選擇的 ADC 具有集成的數(shù)字平均濾波器，因此應(yīng)該可以通過(guò)重復(fù)測(cè)量從測(cè)斜儀中統(tǒng)計(jì)出超過(guò) 16 位的分辨率。

ADC 值由 TI MSP430 微控制器讀取。TI 的MSP430微控制器是我在過(guò)去幾個(gè)項(xiàng)目中選擇的 MCU。我本可以選擇MSP430FR2433來(lái)訪問(wèn)額外的 GPIO 線，但該項(xiàng)目不需要其他引腳。MSP430FR2633具有電容式觸摸引腳功能，允許在未來(lái)的控制板上實(shí)現(xiàn)外部校準(zhǔn)按鈕。

然后該值被傳遞到 Silicon Labs CP2102N UART 至 USB 轉(zhuǎn)換器。

關(guān)于傾角儀

muRata SCA103T-D04 ±15°模擬高性能差分1軸傾角儀的模擬分辨率為0.001°（16位），輸出噪聲密度為0.0004°/√Hz，偏移溫度依賴(lài)性為±0.002°/° C。

集成的 11 位 ADC 通過(guò) SPI 引腳提供直接數(shù)字轉(zhuǎn)換輸出。每個(gè)內(nèi)部傳感元件提供 0.5-4.5VDC 范圍內(nèi)的單端輸出，并保留 0-0.5VDC 和 4.5-5.0VDC 來(lái)指示錯(cuò)誤情況。

數(shù)據(jù)表中的 SCA103T-D04 功能框圖

IC 內(nèi)部有兩個(gè)相同的加速度計(jì)，沿同一軸排列并指向相反的方向。輸出旨在為差分放大器或差分輸入 ADC 供電。這種差分測(cè)量技術(shù)有助于降低噪聲并消除共模測(cè)量誤差。

muRata 的數(shù)據(jù)表指出，該設(shè)備能夠以 0.001° 的分辨率識(shí)別角位移，相當(dāng)于約 14 位。低溫依賴(lài)性（可校正）和低噪聲密度（不可校正），以及 muRata 在設(shè)備的整個(gè)工作范圍內(nèi)發(fā)布差規(guī)格的政策，使我相信性能可能比在某些情況下指定的要好。

作為“艱難休斯”，如果可能的話(huà)，我想突破上限。

2、方案設(shè)計(jì)

成功項(xiàng)目的步是創(chuàng)建功能原理圖設(shè)計(jì)。這涉及研究所涉及 IC 的引腳排列并進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接。

我逐個(gè)組件地接觸我的董事會(huì)。

電源：?jiǎn)栴}包括電流源、LDO 和電容器的使用。

傾斜計(jì)：由于 SCA103T-D04 的自檢功能的設(shè)置方式，我在 BOM 中添加了另一個(gè) IC，以防止兩個(gè)引腳同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)。

信號(hào)緩沖器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器：我需要考慮如何通過(guò)各種濾波器和放大器路由信號(hào)以確保信號(hào)完整性。

微控制器：為 MSP430 分配引腳將在固件寫(xiě)入階段進(jìn)行。

您可以在有關(guān)如何設(shè)計(jì)功能原理圖的文章中閱讀這部分設(shè)計(jì)過(guò)程的更詳細(xì)說(shuō)明。

3. PCB 布局

將原理圖轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐钒宀季謺r(shí)需要考慮多種因素。在這種情況下，我特別需要確保電壓參考 IC 的機(jī)械隔離和熱隔離。我還決定采用保護(hù)環(huán)以限度地減少泄漏電流。

板的頂層

確定組件的布局、走線的長(zhǎng)度和路徑以及噪聲排除設(shè)計(jì)對(duì)于該設(shè)計(jì)都很重要。

我創(chuàng)建了一個(gè) 4 層板，其中兩層外層用于組件和信號(hào)，一層用于接地，一層用于混合電源。

板層按順序排列

可能產(chǎn)生大量熱量的組件（LDO、MCU）被放置在板的底部，組件的頂部可以機(jī)械連接到鋁制 PCB 載體上的突出部分。其想法是在 IC 產(chǎn)生的過(guò)多熱量有機(jī)會(huì)擴(kuò)散到 PCB 的其他部分之前通過(guò)金屬將其消散。

我在另一篇文章中詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)該 PCB 時(shí)的具體考慮因素。如果您想了解有關(guān)此過(guò)程的更多信息，包括我的電路板切口如何用于隔離電路板內(nèi)部免受熱和應(yīng)力損壞，請(qǐng)閱讀有關(guān)我如何將原理圖轉(zhuǎn)換為 PCB 布局的信息。

4. 燒寫(xiě)固件

對(duì)定制板進(jìn)行編程的步是考慮哪些引腳連接到哪些設(shè)備。

為了給自己提供盡可能多的信息，我在代碼中添加了 ASCII 連接圖。此步驟不是必需的，但我發(fā)現(xiàn)將圖表作為源代碼中的參考很有幫助。

我在代碼中包含的引腳分配表示以供參考

將我們的注意力轉(zhuǎn)向 MSP430，在配置之前您無(wú)法使用微控制器執(zhí)行任何操作。為此，您必須確定引腳、時(shí)鐘源、電源模式等。這就是使用高質(zhì)量評(píng)估套件值得您投入的每一分鐘和每一美元的地方。就我而言，我之前有足夠的 MSP430 經(jīng)驗(yàn)，使程序接近正確，并且論壇貢獻(xiàn)者的一些幫助使我能夠快速完成任務(wù)。

除了引腳分配等之外，考慮到該子系統(tǒng)能夠收集多少數(shù)據(jù)，我還需要考慮如何管理數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我選擇以二進(jìn)制值的形式查看串行監(jiān)視器中的數(shù)據(jù)，以便快速評(píng)估我的設(shè)備是否遇到噪音。

如果您想了解有關(guān)此主題的更多信息，包括寄存器是什么以及如何使用它們等信息，請(qǐng)查看我關(guān)于MSP430 固件設(shè)計(jì)的文章。

5. 機(jī)械考慮：設(shè)計(jì)外殼

0.001° 的分辨率意味著 PCB 一側(cè)的高度改變約 1 ？m（接觸點(diǎn)之間的距離約為 9.5 cm）。這是一個(gè)非常小的位移，基本上保證了每次調(diào)整板固定器內(nèi)的板后都必須執(zhí)行數(shù)字校準(zhǔn)。

我沒(méi)有在板支架內(nèi)調(diào)整板，而是選擇將板牢固地固定到板支架上并調(diào)整支架。

如果我選擇按照數(shù)據(jù)表的建議使用簡(jiǎn)單的數(shù)字校準(zhǔn)，我可能會(huì)失去辦公室里“Hard-way Hughes”的綽號(hào)。由于我的“街頭信譽(yù)”受到威脅，我選擇通過(guò)安裝在板一端的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺桿機(jī)構(gòu)將機(jī)械調(diào)節(jié)納入板支架中，并在板的另一端安裝兩個(gè)額外的 M3 拋光蓋形螺母。董事會(huì)持有人。

您可以在以后的文章中看到我對(duì)設(shè)計(jì)外殼的機(jī)械考慮因素的完整分解。

6. 開(kāi)始生產(chǎn)

請(qǐng)記住，AAC 板用于教育目的，因此我們通常只對(duì)每個(gè)板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。您對(duì)制造要求和原型訂單的體驗(yàn)會(huì)有所不同。

您可以在下面我的設(shè)計(jì)文件：

測(cè)斜儀_201809131600.zip

7. 表征器件

現(xiàn)在我們的傾角計(jì)已經(jīng)完成制造，我們可以開(kāi)始表征我們的設(shè)備。

我們閃亮的新板（顯示在其板架中）

噪音

我關(guān)心的電路部分是電壓參考，所以這是我首先關(guān)注的測(cè)量。這是如果我重新制作 PCB 的話(huà)我會(huì)重新設(shè)計(jì)的電路部分。我將電路板連接到示波器并開(kāi)始測(cè)試。

在測(cè)試過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“問(wèn)題”——重復(fù)的異?，F(xiàn)象。

示波器捕獲顯示有問(wèn)題的偷偷摸摸的“打嗝”

如果該板用于大規(guī)模生產(chǎn)，這肯定是我需要解決的一個(gè)問(wèn)題，特別是因?yàn)槲夷壳盁o(wú)法判斷噪音是良性的還是表明存在更嚴(yán)重的情況。然而，這種特殊的噪聲事件似乎并未對(duì)設(shè)備的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

這是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明設(shè)計(jì)的下迭代將包括更多測(cè)試點(diǎn)，包括同軸測(cè)試連接，以實(shí)現(xiàn)更完整的測(cè)試和測(cè)量。

有關(guān)我如何創(chuàng)建測(cè)試環(huán)境以及噪聲密度如何影響組件選擇的更多信息，請(qǐng)查看我以后關(guān)于該主題的文章。

8. 數(shù)據(jù)分析

總而言之，我需要一種方法來(lái)查看和分析傾角儀收集的數(shù)據(jù)。我在固件部分提到了這一點(diǎn)，但下一步是處理數(shù)據(jù)。我選擇使用 Mathematica 來(lái)創(chuàng)建此設(shè)置：

然后我進(jìn)行了試驗(yàn)以確定我是否可以解釋和表示數(shù)據(jù)集。

如果您熱衷于統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)建模，您可以在我即將發(fā)表的文章中詳細(xì)了解我在數(shù)據(jù)分析方面的冒險(xiǎn)經(jīng)歷，我在其中描述了這些試驗(yàn)。