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最近一段時(shí)間被拉去支援哥們的一個(gè)微弱信號(hào)采集項(xiàng)目，解決關(guān)于藍(lán)牙干擾模擬信號(hào)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(hào)采集，目標(biāo)信號(hào)大約是uV級(jí)別，帶寬小于100Hz，前期調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)有一個(gè)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(gè)前端運(yùn)放、ADC和藍(lán)牙模塊組成，藍(lán)牙模塊是CC2640，微弱信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放放大之后，被ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過藍(lán)牙發(fā)送給電腦。
藍(lán)牙？我看到藍(lán)牙時(shí)，心里已經(jīng)有了懷疑方向，但咱以前也沒接觸過藍(lán)牙，還是慢慢分析吧。
復(fù)現(xiàn)
接手到問題后當(dāng)然是先復(fù)現(xiàn)現(xiàn)象。下圖是采集70uVpp@12Hz的正弦信號(hào)的時(shí)域和頻域圖，22Hz的干擾很明顯，竟然達(dá)到了16uVpp（諧波以及50Hz工頻干擾暫時(shí)不考慮；前期版本不穩(wěn)定，22Hz的頻率也有一點(diǎn)點(diǎn)變化，這里也不詳細(xì)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(yùn)放與ADC斷開，單獨(dú)用ADC采集時(shí)，基本沒有干擾，則干擾大概率和前端運(yùn)放有關(guān)，耐心搞耐心干。
降低前端運(yùn)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(dú)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(yùn)放放大后，被ADC采集到，進(jìn)而在頻譜上出現(xiàn)。
基于上述分析，恢復(fù)運(yùn)放放大倍數(shù)后，將前端運(yùn)放輸入短路，重新連接ADC測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在輸入為0時(shí)，也有22Hz干擾。
分析2
既然干擾和前端運(yùn)放強(qiáng)相關(guān)，就著重檢查了前端運(yùn)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(gè)可能的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：
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模擬信號(hào)缺乏屏蔽
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模擬電源缺乏屏蔽
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模擬地?cái)?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(lán)牙搞得鬼），咱不急，一點(diǎn)點(diǎn)來分析。
先測(cè)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(jìn)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?yàn)槲覀兿到y(tǒng)電源的架構(gòu)包含電荷泵以及BUCK，這個(gè)是一個(gè)懷疑的對(duì)象，但是對(duì)電荷泵的測(cè)試中沒有發(fā)現(xiàn)和22Hz有關(guān)的頻率，電源手冊(cè)中也沒有相關(guān)頻率介紹。
考慮到手頭沒有測(cè)電流以及高精度電壓測(cè)試儀器，為了進(jìn)一步對(duì)電源進(jìn)行測(cè)試，我嘗試抓模塊工作的電流，重點(diǎn)在抓藍(lán)牙工作時(shí)的電流，很懷疑是藍(lán)牙間歇性工作引起的干擾，如果猜測(cè)正確，應(yīng)該在軟件代碼中會(huì)找到證據(jù)。
話不多說，是騾子是馬咱拉出來溜溜。
測(cè)試原理如下圖，將一個(gè)電阻串聯(lián)到藍(lán)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(cè)量電阻兩端的電壓，就可以間接觀察藍(lán)牙工作時(shí)的電流情況。
對(duì)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(lán)牙無法正常工作，阻值計(jì)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(gè)示波器。。。。各位同學(xué)將就著看吧），電阻兩端的電壓存在22Hz的紋波，說明藍(lán)牙工作時(shí)有22Hz 的脈沖電流，結(jié)論：22Hz干擾大概率由藍(lán)牙引起。
需要進(jìn)一步驗(yàn)證藍(lán)牙的影響。我們的藍(lán)牙在工作時(shí)，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(gè)間歇性的頻率可調(diào)，我們項(xiàng)目就是22Hz，如下圖所示，這個(gè)間歇性工作期間，藍(lán)牙就會(huì)從電源抽一個(gè)比較大的電流，雖說CC2640是低功耗器件，然而這個(gè)功耗指的是平均功耗，并不是瞬時(shí)功耗。
我從來沒有搞過藍(lán)牙，憑直接感覺，這個(gè)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(shí)間有關(guān)。
我們修改了時(shí)間間隔，將其由22Hz改為33Hz，再次測(cè)量干擾的頻率同時(shí)串電阻測(cè)量藍(lán)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(lán)牙引起，根因鎖定。
對(duì)于EMC而言，有傳導(dǎo)和輻射兩種方式，那么這個(gè)屬于哪種呢？
回答這個(gè)問題之前，有同學(xué)會(huì)有這個(gè)疑問，低采樣率能采集到藍(lán)牙高頻信號(hào)嗎？
藍(lán)牙是2.4G（我這示波器帶寬才500Mhz，我缺個(gè)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(hào)嗎？
理論上是可以的，只是不滿足奈奎斯特采樣定理，會(huì)出現(xiàn)頻率失真。
而對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)而言，比如運(yùn)放，都有自己的帶寬，這個(gè)帶寬小于2.4G，實(shí)際上又是采集不到高頻信號(hào)。
那為什么還是會(huì)出現(xiàn)呢？（有點(diǎn)矛盾有點(diǎn)繞）這是因?yàn)閷?duì)于輻射而言，系統(tǒng)內(nèi)部有一些非線性器件，會(huì)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(shí)間再詳細(xì)介紹）。
多說一點(diǎn)，我們看下CC2640的電源架構(gòu)。
2640的主電源是VDDS，VDDS進(jìn)來后會(huì)通過一個(gè)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(diǎn)是功耗就大了，優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省面積。我實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)如果拆掉這個(gè)BUCK電感，2640其實(shí)也可以自動(dòng)開啟內(nèi)部LDO維持系統(tǒng)正常工作。
根據(jù)前面的判斷，藍(lán)牙工作時(shí)的大電流22Hz的脈沖干擾和RF回路有關(guān)，用示波器測(cè)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(lán)牙這個(gè)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(duì)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。