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09/01/2017

Eliminación de interferencias de corta duración


Anthony Stram, de Microchip Technology, observa el efecto de la conmutación del canal de un convertidor A/D sobre las patillas de E/S
Al conmutar entre canales de un convertidor A/D en un microcontrolador pueden surgir a menudo muchos problemas a la entrada y a la salida. La funcionalidad analógica puede crear interacciones complejas con la parte digital de la circuitería y el firmware que se está ejecutando. Esto provoca que la aplicación pueda tener interacciones no deseadas a menos que se comprendan las funciones analógicas. La lógica digital controla el multiplexor del canal analógico (MUX). Al tratarse de un elemento que utiliza lógica digital que conmuta entre canales analógicos (convertidor A/D), se pueden conectar momentáneamente señales de diferentes patillas del dispositivo. Así, pueden conectarse dos patillas de E/S desvinculadas cuando se conmutan los canales de entrada del convertidor A/D. Las E/S se pueden conectar durante el tiempo que necesita la señal para propagarse por el MUX para activar un cambio en el canal del convertidor A/D. Esta conexión puede durar hasta 40ns, un tiempo superior a los tiempos mínimos de subida y bajada – 15 a 30ns – de la lógica de la patilla de E/S, provocando de este modo una señal de interferencia de corta duración (glitch) en las patillas conectadas. Los efectos de la interferencia pueden durar más de 40ns debido al tiempo que necesitan las patillas para cambiar su estado y recuperar el nivel anterior. A modo de ejemplo, al conmutar entre las entradas del convertidor A/D AN2 y AN5, RB4 y RC0 podrían conectarse durante el tiempo de conmutación.

Dado que RB4 está configurada como una entrada controlada a medias por lógica de nivel alto y de nivel bajo, una interferencia puede hacer que sea vea en RC0 como si fuera una salida. Cuando las dos patillas conectadas están al mismo nivel lógico, la interferencia se reduce a menos de 10mV. En el caso más extremo, donde ambas patillas se encuentran a niveles lógicos distintos, la interferencia puede superar los 160mV. Otra fuente de interferencias puede tener su origen en la conmutación de los canales del propio convertidor A/D. Estas interferencias pueden verse externamente si el canal de entrada del convertidor A/D también es una entrada a un comparador activo o un amplificador operacional en el dispositivo. Puede haber tres fuentes de interferencias diferentes: 1. La conmutación de canales del convertidor A/D varía la tensión en el condensador de muestreo y retención del propio convertidor, generando así interferencias debido a diferencias potenciales en el condensador. Dependiendo del nivel de la tensión externa aplicada al condensador, la interferencia puede ser positiva o negativa. 2. Se puede producir una segunda interferencia cuando aún se está recuperando la primera. Esta interferencia se debe
a la desconexión del condensador respecto a la electrónica de la patilla. 3. La tercera interferencia se produce cuando ha finalizado la conversión y el condensador se reconecta a la electrónica de la patilla.

Entradas digitales

Cuando se utilizan las patillas de E/S como entradas digitales, hay poco margen para evitar problemas de conmutación en el canal del convertidor A/D. Si se está consultando la patilla de entrada, una opción consiste en no conmutar los canales del convertidor A/D durante el ciclo de consulta. Si no se está consultando, no habría que comprobar un cambio de estado de la patilla de entrada tras conmutar un canal del convertidor A/D. Introduzca una instrucción NOP (no operation) tras el cambio de canal y a continuación compruebe el cambio de estado de la entrada. La mejor opción, al menos para manejar un cambio de estado, consiste en eliminar el rebote de señal de la entrada mediante software. Compruebe varias veces la entrada y cuente el número de veces que se registra un estado en concreto. Una vez registrado un número suficiente de cambios de estado, se puede cambiar la variable de estado. De esta forma se puede filtrar cualquier interferencia de conmutación de un canal del convertidor A/D frente a un posible cambio de estado.

Salidas digitales

Al utilizar la patilla digital como una salida se pueden generar interferencias espurias en la circuitería externa durante la conmutación de un canal del convertidor A/D. La patilla de salida, cuando pasa a nivel alto o bajo, puede ver una interferencia correspondiente a la dirección opuesta del estado deseado. Por ejemplo, si la salida se lleva a estado alto puede aparecer en la patilla una interferencia en sentido negativo de hasta 200mV por debajo del estado alto. Esta interferencia puede durar entre 15 y 40ns dependiendo del tiempo de estabilización de la lógica de conmutación. Las principales vías para reducir o eliminar el problema consisten en reducir la energía en la interferencia, haces circuitos externos inmunes a la interferencia o filtrar la interferencia por completo. En primer lugar, prueba añadir una resistencia a la patilla de salida para limitar la corriente en la interferencia de forma que no afecte de forma apreciable a los circuitos externos. Los circuitos externos con entradas de disparador Schmitt serían inmunes a la interferencia gracias a su histéresis inherente. Otra opción pasa por filtrar la interferencia. Un filtro RC paso bajo en la patilla de salida reducirá o incluso eliminará cualquier interferencia para que ésta no llegue a la circuitería externa. Hay que tener en cuenta varios factores a la hora de escoger los valores de los componentes R y C del filtro. La constante de tiempo RC debería ser mayor que la duración de la interferencia (t > 40ns) para filtrar ésta. La constante de tiempo de RC es igual a R x C. Tenga cuidado con la respuesta de frecuencia del filtro baso bajo RC para que éste no interfiera con la circuitería externa. La frecuencia de corte debería ser como mínimo una década de frecuencia más alta que la señal de frecuencia más alta que suministre la aplicación a esa patilla. La frecuencia de corte fc es igual a 1/(2πRC). A modo de aproximación, utilizando los tiempos de subida y baja de la interferencia de 15 a 40ns (tr) se obtendría una frecuencia de interés entre 8 y 24MHz (ancho de banda). Se consigue así una idea aproximada del componente de más alta frecuencia de la interferencia a partir de la ecuación que relaciona ancho de banda y tiempo de subida (el ancho de banda de la señal es igual a 0,35/tr). En este caso, tr es igual al 10 al 90 por ciento del tiempo de subida de una onda cuadrada.

Entradas analógicas

La primera y la segunda interferencia analógica se pueden reducir o eliminar cargando previamente el condensador de muestreo y retención mediante un convertidor D/A. Ajuste el convertidor D/A a un nivel de tensión cercano a la tensión prevista a la cual muestreará el convertidor A/D de forma que reduzca la interferencia. Hay que cargar el condensador de muestreo y retención antes de conmutar los canales del convertidor A/D externo. Si se conoce la tensión aproximada, el convertidor D/A se puede utilizar para cargar previamente el condensador hasta un potencial similar. La tercera interferencia analógica se elimina conmutando el convertidor A/D a un canal diferente una vez iniciada la conversión, pero antes de que haya finalizado.
Empiece por seleccionar el canal de conversión y a continuación inicie la conversión. Luego conmute el convertidor A/D al siguiente canal a convertir. Finalmente se completa la conversión y se puede iniciar de nuevo el proceso.

Conclusión

Tenga cuidado al conmutar entre canales del convertidor A/D ya que la lógica de conmutación puede conectar de manera accidental las patillas de E/S. Si se aplican las recomendaciones aquí indicadas se pueden mitigar muchos de los efectos provocados por la conmutación del canal. Los microcontroladores modernos con componentes digitales y analógicos cercanos entre sí pueden ser el origen de problemas nunca vistos con anterioridad, pero siguiendo unos pocos consejos sencillos se puede conseguir que la aplicación funcione correctamente.

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