Memahami kabel pin AVCC di ArduinoLeonardo (filter low-pass?)

Arduino Leonardo memiliki perbedaan menarik dengan papan-papan sebelumnya: pin AVCC dari ATMEGA32U4 terhubung ke + 5V melalui manik - manik ferit MH2029-300Y dan ke GND melalui kapasitor 1uF.

Di ArduinoUno dan ArduinoMega2560, pin ini hanya terhubung ke VCC. Menurut datasheet atmel, pin ini harus terhubung ke filter Low-Pass saat ADC dikonversi digunakan.

Skema Arduino Leonardo

Apakah ini benar-benar filter low pass? Jika ya, bagaimana cara kerjanya? Bagaimana Anda memanggil jenis sirkuit itu? Bagaimana Anda memodelkannya?

Induktor plus kapasitor membentuk pembagi tegangan tergantung-frekuensi.

$\dfrac{V_{OUT}}{V_{IN}} = \dfrac{Z_C}{Z_C + Z_L}$

Untuk DC dan frekuensi rendah impedansi L1 ( ) rendah, dan C1 ( ) tinggi, sehingga tegangan input tidak akan dilemahkan banyak. Pada frekuensi tinggi, sebaliknya: tinggi, dan rendah. Redaman tinggi, dan semakin tinggi frekuensi semakin tinggi redamannya. Jadi ini memang filter low-pass.$Z_L$$Z_C$$Z_L$$Z_C$

Namun, induktor yang mereka gunakan tidak bagus. Ini adalah penekan EMI frekuensi tinggi, yang ditargetkan pada frekuensi puluhan MHz. (Jenis yang digunakan memiliki impedansi 30 Ω pada 100 MHz.)

Kurva impedansi menunjukkan kemiringan 0,5 Ω / MHz, sehingga pada 100 Hz bagian reaktif dari induktansi dapat diabaikan.

Apa yang sebenarnya dibutuhkan adalah penindasan kebisingan frekuensi rendah, seperti riak 100 Hz dari catu daya. Maka induktor ini sangat tidak berguna, dan rasanya seperti memiliki kapasitor.

Untuk frekuensi rendah, induktor dapat menjadi sangat besar, maka sebuah resistor, bukan induktor, akan menjadi pilihan yang lebih baik. Datasheet mengatakan AVCC tidak boleh lebih rendah dari VCC - 0,3 V, tapi saya tidak bisa menemukan berapa banyak penggunaan AVCC saat ini. Itu tidak akan banyak, katakanlah maksimum 10 μA. Frekuensi cutoff filter RC adalah

$f_C = \dfrac{1}{2 \pi RC}$

Jadi jika kita menggunakan resistor 15,9 kΩ dengan kapasitor 1 μF, kita memiliki frekuensi cutoff 10 Hz, dan respons frekuensi akan terlihat seperti ini:

10μA hingga 15,9 kΩ adalah penurunan 159 mV, jadi itu termasuk dalam spesifikasi. Riak 100 Hz akan dilemahkan oleh 20 dB, itu 1:10, yang tidak banyak, tetapi VCC seharusnya sudah dipisahkan dengan benar, jadi 20 dB hanya tambahan. Di atas 1 kHz noise akan berkurang setidaknya 40 dB, itu faktor 1: 100.

Beberapa jawaban yang sangat bagus. Menurut saya tujuan filter LC tidak menyaring riak catu daya. Itu paling baik dilakukan dengan penutup kaku (ESR rendah) pada saluran listrik / pesawat dan memilih bagian regulator yang tepat untuk memulai. Plus, jika Anda menyalakan Arduino Anda dari port USB, riak frekuensi rendah jenis kebisingan akan diabaikan. Dinding kutil yang lebih murah adalah switcher dalam rentang puluhan hingga ratusan KHz dan akan berisik secara elektrik tetapi regulator tegangan dan kapasitansi pada rel listrik digital akan membantu di sana.

Apa yang dilakukan oleh filter LC L / P adalah menghilangkan tepi tajam dari sinyal digital yang menemukan jalannya ke saluran listrik digital dan jika terhubung langsung ke pin AVCC akan menemukan jalan mereka ke sirkuit konversi A / D.

Alasan papan tidak mau boot dengan resistor yang lebih besar (di sirkuit RC) adalah bahwa PLL di bagian ATMega adalah sirkuit analog dan menggunakan pin AVCC yang sama dengan konverter A / D dan tidak mendapatkan daya yang cukup. . Mungkin benar-benar tidak menggunakan kedua pin dengan cara yang sama di bagian tersebut, tetapi tidak ada perbedaan dalam lembar data (keduanya disebut AVCC). Layout-bijaksana itu menyakitkan untuk memiliki pin 24 dan 44 menjadi orang-orang yang pergi ke AVCC karena mereka berada di sisi yang berlawanan dari chip dan siapa yang akan repot-repot mencurahkan seluruh rencana daya kepada mereka? Anda akhirnya merutekan sinyal di seluruh bagian mungkin dengan vias di kedua sisi, dll. Menyakitkan. Lembar data nyaris tidak menyebutkan kenyataan yang buruk ini, hampir seperti pin tambahan adalah pemikiran kedua dari ATMEL.

Bagaimanapun, sinyal-sinyal berisik ini keluar dari Mikroprosesor sendiri ketika ia beralih secara internal dan mereka tidak merusak logika digital, tetapi mencoba untuk mendapatkan 10-bit presisi analog membutuhkan sedikit usaha lebih banyak di sisi catu daya. Tepi noise digital tersebut mungkin dalam rentang waktu puluhan nS (100 Mhz-ish) sehingga filter dengan karakteristik ini akan bekerja dengan cukup baik. Jika Anda bekerja melalui angka-angka, menggunakan AVCC = 5V dan 10-bit A / D setiap LSB adalah sekitar 5 mV. Sepertinya Anda harus memiliki kurang dari setengah itu sebagai aturan praktis untuk memiliki suara "rendah".

Lembar data MH2029-300Y menunjukkan 20 Ohm pada 100 Mhz. Jika orang yang mencoba filter RC telah menetapkan frekuensi lutut pada 1 Mhz itu mungkin akan bekerja lebih baik karena dia bisa memilih resistor yang jauh lebih kecil. Sesuatu seperti resistor 22 Ohm (untuk mencocokkan impedansi induktor pada 100 Mhz) dan topi .01uF akan memiliki penurunan tegangan DC yang cukup kecil karena pemuatan input (45uA x 22 Ohm = 1 mV atau lebih dari angka-angkanya). Dia akan turun 40 dB dalam frekuensi yang menarik.

Saya tidak akan bertaruh tata letak lulus di atasnya tetapi jika bagian-bagian memiliki beberapa jejak saya mungkin mencobanya (pilih jejak 0805 untuk keduanya?) Tetapi dengan induktor menjadi bagian $ 0,10 dari Mouser, mengapa tidak tetap dengan itu ?

Ya, ini adalah filter low pass. Manik ferit adalah komponen induktif lossy yang bertindak agak seperti resistor tergantung frekuensi, dengan L mendominasi pada frekuensi rendah dan R mendominasi pada frekuensi tinggi. Kapasitor memuntahkan frekuensi yang lebih tinggi ke ground. Gabungan mereka membentuk filter LC dengan Q rendah, yang tidak mengalami puncak resonansi tajam (selama cutoff berada di wilayah resistif manik) yang dapat menyebabkan masalah dalam filter LC "standar".
Namun seperti dicatat Steven bagian ini tidak terlalu cocok untuk aplikasi ini, karena ini adalah bagian frekuensi tinggi dan ADC adalah frekuensi yang relatif rendah. Ini akan berguna dalam sesuatu yang membutuhkan penyaringan pada frekuensi yang jauh lebih tinggi, seperti desain FPGA, ADC frekuensi tinggi, dll.