Arduino Leonardo 与之前的电路板有一个有趣的区别:ATMEGA32U4 的 AVCC 引脚通过MH2029-300Y 铁氧体磁珠连接到 +5V,并通过 1uF 电容器连接到 GND。
在 ArduinoUno 和 ArduinoMega2560 中,这个引脚只是简单地连接到 VCC。根据 atmel 数据表,当使用 ADC 转换时,此引脚应连接到低通滤波器。
这真的是低通滤波器吗?如果是,它是如何工作的?你怎么称呼这种类型的电路?你如何建模?
Arduino Leonardo 与之前的电路板有一个有趣的区别:ATMEGA32U4 的 AVCC 引脚通过MH2029-300Y 铁氧体磁珠连接到 +5V,并通过 1uF 电容器连接到 GND。
在 ArduinoUno 和 ArduinoMega2560 中,这个引脚只是简单地连接到 VCC。根据 atmel 数据表,当使用 ADC 转换时,此引脚应连接到低通滤波器。
这真的是低通滤波器吗?如果是,它是如何工作的?你怎么称呼这种类型的电路?你如何建模?
电感加电容构成一个频率相关的分压器。
\$ \dfrac{V_{OUT}}{V_{IN}} = \dfrac{Z_C}{Z_C + Z_L} \$
对于直流和低频,L1 (\$Z_L\$) 的阻抗较低,C1 (\$Z_C\$) 的阻抗较高,因此输入电压不会衰减太多。在高频时则相反:\$Z_L\$ 为高,\$Z_C\$ 为低。衰减高,频率越高衰减越大。所以这确实是一个低通滤波器。
然而,他们使用的电感器并不是一个好的电感器。它是一种高频 EMI 抑制器,针对数十 MHz 的频率。(使用的类型在 100 MHz 时的阻抗为 30 Ω。)
阻抗曲线显示 0.5 Ω/MHz 斜率,因此在 100 Hz 时,电感的电抗部分可以忽略不计。
实际需要的是抑制低频噪声,例如来自电源的 100 Hz 纹波。那么这个电感就没什么用了,就跟电容一样。
对于低频电感器可能不切实际地大,那么电阻器代替电感器将是更好的选择。数据表说 AVCC 不应低于 VCC - 0.3 V,但我找不到 AVCC 使用了多少电流。这不会太多,比如最大 10 µA。RC滤波器的截止频率为
\$ f_C = \dfrac{1}{2 \pi RC} \$
因此,如果我们使用 15.9 kΩ 电阻和 1 µF 电容,我们就有 10 Hz 的截止频率,频率响应如下所示:
10µA 至 15.9 kΩ 是 159 mV 压降,因此在规格范围内。100 Hz 纹波将衰减 20 dB,即 1:10,这并不多,但 VCC 应该已经正确解耦,所以 20 dB 只是额外的。高于 1 kHz 的噪声将减少至少 40 dB,即 1:100 的系数。
一些非常好的答案。我的看法是 LC 滤波器的目标不是滤除电源纹波。最好使用电源线/平面上的硬(低 ESR)帽并选择正确的调节器部件开始。另外,如果您从 USB 端口为您的 Arduino 供电,则低频纹波噪声可以忽略不计。便宜的壁式疣是数十到数百 KHz 范围内的切换器,并且会产生电噪声,但电压调节器和电容数字电源轨应该会有所帮助。
LC L/P 滤波器正在做的是去除数字信号的尖锐边缘,这些信号会进入数字电源线,如果直接连接到 AVCC 引脚,则会进入 A/D 转换电路。
电路板无法使用较大的电阻器(在 RC 电路中)启动的原因是 ATMega 部分中的 PLL 是一个模拟电路,并且使用与 A/D 转换器相同的 AVCC 引脚并且它没有获得足够的功率. 也许它在零件中确实没有以相同的方式使用两个引脚,但是数据表中没有区别(两者都称为 AVCC)。布局方面,让引脚 24 和 44 成为 AVCC 的引脚是很痛苦的,因为它们位于芯片的相对两侧,谁会费心为它们投入整个电源计划?您最终可能会在零件上路由信号,可能在两侧都有过孔,等等。很痛苦。数据表几乎没有提到这个丑陋的现实,就像额外的引脚是 ATMEL 的第二个想法一样。
无论如何,这些噪声信号在微处理器内部切换时来自微处理器本身,它们不会损害数字逻辑,但要达到 10 位模拟精度需要在电源方面付出更多努力。这些数字噪声边缘可能在数十 nS 的时间范围内(100 Mhz-ish),因此具有此特性的滤波器可以很好地工作。如果您计算数字,使用 AVCC=5V 和 10 位 A/D,每个 LSB 约为 5 mV。作为粗略的经验法则,您似乎需要不到一半的“低”噪音。
MH2029-300Y 数据表显示 100 Mhz 时为 20 欧姆。如果尝试使用 RC 滤波器的人将拐点频率设置为 1 Mhz,它可能会更好,因为他可以选择更小的电阻器。由于输入负载(45uA x 22 Ohm = 1 mV 左右,从他的数字来看),像 22 Ohm 电阻器(以匹配电感器在 100 Mhz 的阻抗)和 0.01uF 电容的直流电压降会足够小。他感兴趣的频率会下降 40 dB。
我不会打赌它的布局通过,但如果零件有一些足迹,我可能会试一试(为两者选择 0805 足迹?)但是电感器是 Mouser 0.10 美元的零件,为什么不坚持下去?
是的,它是一个低通滤波器。铁氧体磁珠是一种有损电感元件,其作用有点像频率相关电阻器,L 在低频时占主导地位,R 在高频时占主导地位。电容器将较高的频率分流到地。它们结合起来形成了一个具有低 Q 值的 LC 滤波器,它不会经历可能在“标准”LC 滤波器中引起问题的尖锐谐振峰(只要截止点位于磁珠的电阻区域内)。
然而,正如 Steven 所指出的,这部分并不是特别适合这种应用,因为它是高频部分,而 ADC 的频率相对较低。它将用于需要以更高频率进行滤波的事物,例如 FPGA 设计、高频 ADC 等。