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如何分析自定義PCB傳感器子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

時(shí)間:2019-03-23 ??來源:敏創(chuàng)電子??編輯:熱敏電阻廠家??瀏覽:
最近設(shè)計(jì)了一種高精度測斜儀子系統(tǒng),它對環(huán)境力非常敏感,因此需要在花崗巖板上定制外殼才能正常工作。 
在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,我已經(jīng)列出了BOM,原理圖,PCB布局,外殼設(shè)計(jì)和固件。我還經(jīng)歷了測試和測量階段,以表征電路板產(chǎn)生的噪聲。
我在這個(gè)過程中的最后一步是分析我可以從子系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)。本文著眼于從電路板上捕獲的數(shù)據(jù),并展示了我如何選擇可視化數(shù)據(jù)。
 
數(shù)據(jù)分析
該集成數(shù)字濾波器時(shí),  逐次逼近寄存器(SAR)  模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),我選擇在我的設(shè)計(jì)中使用,集成了數(shù)據(jù)平均,很容易實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在內(nèi)部存儲器中,并與之前的結(jié)果結(jié)合,直到發(fā)生SPI事務(wù)。
要平均兩個(gè)結(jié)果,在讀取數(shù)據(jù)之前將CNV引腳切換為邏輯高兩次。要平均65,535個(gè)結(jié)果,在讀取數(shù)據(jù)之前將CNV引腳切換65,535次。
 
傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)長度為40位:24位用于傳感器讀數(shù),16位用于指示平均多少樣本(注意計(jì)數(shù)指數(shù)為0-即,值為0表示平均1個(gè)樣本,a值為1表示平均2個(gè)樣本,等等。如果查看本文檔末尾附帶的數(shù)據(jù)文件,您會注意到我在數(shù)據(jù)中添加了16位以跟蹤測量編號(這些編號未在分析中使用)。
我將數(shù)據(jù)作為ASCII'0'和'1'的序列從PCB傳輸出來,并在Mathematica的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。前24位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制表示法并乘以的比例因子。接下來的16位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù),并顯示在下面每個(gè)圖形的頁腳左側(cè)的括號中,作為重復(fù)測量的次數(shù)。每個(gè)試驗(yàn)由1023個(gè)樣品組成,每個(gè)樣品由n個(gè)平均讀數(shù)組成(1,2,4,8,......,32768)。15°223
所有試驗(yàn)在一次運(yùn)行中連續(xù)進(jìn)行,測量之間沒有明顯的暫停。
 
每個(gè)試驗(yàn)都使用相同的圖形和計(jì)算集。計(jì)算原始數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差,并用于創(chuàng)建概率密度函數(shù)。原始數(shù)據(jù)在箱中分組,也以直方圖顯示。散點(diǎn)圖顯示了通過n抽頭移動(dòng)平均(FIR)濾波器處理后的數(shù)據(jù)點(diǎn)。最后,彩色三角形用于表示三種不同尺度(100%,1%,0.01%)的最大值,平均值+標(biāo)準(zhǔn)偏差,平均值,平均值 - 標(biāo)準(zhǔn)偏差和最小數(shù)據(jù)點(diǎn)。
我們先來看看數(shù)據(jù),然后討論結(jié)果的重要性。





正如您將從統(tǒng)計(jì)類中回憶的那樣,平均值是所有測量的簡單平均值。標(biāo)準(zhǔn)差提供了傳播的指示。出于我們的目的,我們希望標(biāo)準(zhǔn)偏差盡可能小。

您將看到平均值在整個(gè)處理過程中保持不變,任何變化都很容易歸因于舍入誤差(如預(yù)期的那樣)。標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)表示數(shù)據(jù)的擴(kuò)展,隨著FIR抽頭數(shù)量的增加而減少 - 這這是因?yàn)橐苿?dòng)平均濾波器正在減輕外圍數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響。我還通過平均濾波器顯示數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,以便感興趣的讀者將ADC(數(shù)字平均濾波器)內(nèi)的平均效果與ADC外部的平均值(移動(dòng)平均濾波器)進(jìn)行比較。 

該數(shù)據(jù)集的平均值為0.6987°,沒有平滑或數(shù)據(jù)處理,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0025°。這提供了比平均值低3個(gè)數(shù)量級的標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)準(zhǔn)誤差甚至更小,為0.000078°。但是所有這些小數(shù)位真的重要嗎?這是一個(gè)非常小的標(biāo)準(zhǔn)偏差。6標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍(6σ)為0.015° - 給出了我從設(shè)備讀取的單個(gè)值在實(shí)際值的0.015°范圍內(nèi)的概率為99.999999%。該設(shè)備可能具有更高的分辨率,但我的實(shí)驗(yàn)設(shè)置或PCB設(shè)計(jì)引入了太多噪音。

現(xiàn)在 - 下一個(gè)問題。我可以做得更好嗎?據(jù)統(tǒng)計(jì),我可以收集更多的測量數(shù)據(jù)。但是,如果我不想坐在那里等待設(shè)備收集數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),并使用大量的處理器內(nèi)存和處理器能力,那么可接受的設(shè)備配置是什么?為此,讓我們看看另一個(gè)實(shí)驗(yàn) - 由32768次平均讀數(shù)的1023次試驗(yàn)組成。如果我在微控制器內(nèi)部存儲32768個(gè)32位測量值,我需要至少131 kB的內(nèi)存,并且知道處理累積數(shù)據(jù)的時(shí)鐘周期數(shù)。如果我想在ADC內(nèi)部平均32768次測量,我只需將轉(zhuǎn)換引腳切換32768次。

使用ADC內(nèi)部的數(shù)字平均濾波器可以將存儲和計(jì)算的負(fù)擔(dān)從微控制器轉(zhuǎn)移出去,從而將其釋放出去做其他事情。

 

 

在這里,32768次試驗(yàn)在ADC內(nèi)平均 - 平均為0.701°,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000547°。6σ范圍為0.003°,單次測量在0.688°和0.704°之間的可能性為99.999999%。

 

結(jié)論

也許我的測斜儀并不像我想要的那樣精確,但事實(shí)是我創(chuàng)造了一個(gè)比我需要的更精確的子系統(tǒng):我可以測量到百分之一度的傾角并知道測量值與實(shí)際值之間的差異可以忽略不計(jì)。在這一點(diǎn)上,我沒有計(jì)劃構(gòu)建,調(diào)整或表征任何需要更精確的東西。

您是否有任何可以從高精度測斜儀設(shè)計(jì)中受益的項(xiàng)目或系統(tǒng)?是否有您希望添加到此子系統(tǒng)的功能或功能?請?jiān)谙旅娴脑u論部分分享您的想法。

 所有數(shù)據(jù)集如下所示: