CC2640蓝牙干扰运放的案例分享

原文来自公众号：工程师看海

最近一段时间被拉去支援哥们的一个微弱信号采集项目，解决关于蓝牙干扰模拟信号采集的问题，硬件工程师也要有一定的软件背景，看海采坑小课堂今天和大家分享下问题的经过。

起因

哥们做的微弱信号采集，目标信号大约是uV级别，带宽小于100Hz，前期调试时发现会有一个22Hz的干扰，这是怎么回事呢？于是我就被安排了过去。

采集系统结构并不复杂，主要由一个前端运放、ADC和蓝牙模块组成，蓝牙模块是CC2640，微弱信号经过运放放大之后，被ADC转换为数字信号，通过蓝牙发送给电脑。

蓝牙？我看到蓝牙时，心里已经有了怀疑方向，但咱以前也没接触过蓝牙，还是慢慢分析吧。

复现

接手到问题后当然是先复现现象。下图是采集70uVpp@12Hz的正弦信号的时域和频域图，22Hz的干扰很明显，竟然达到了16uVpp（谐波以及50Hz工频干扰暂时不考虑；前期版本不稳定，22Hz的频率也有一点点变化，这里也不详细介绍，我们都统一看22Hz）。

分析

首先要判断干扰从哪里引入的，将运放与ADC断开，单独用ADC采集时，基本没有干扰，则干扰大概率和前端运放有关，耐心搞耐心干。

降低前端运放放大倍数，将放大倍数修改为2倍，22Hz干扰也基本消失，和单独使用ADC的结果接近，得出初步结论：干扰很可能是被高放大倍数的运放放大后，被ADC采集到，进而在频谱上出现。

基于上述分析，恢复运放放大倍数后，将前端运放输入短路，重新连接ADC测试，发现在输入为0时，也有22Hz干扰。

分析2

既然干扰和前端运放强相关，就着重检查了前端运放的模拟、电源走线，以及电源分配和地回流的处理。

发现了几个可能的风险点：

模拟信号缺乏屏蔽

模拟电源缺乏屏蔽

模拟地数字地隔离不干净

接下来就是查找产生干扰的源（我怀疑是蓝牙搞得鬼），咱不急，一点点来分析。

先测试了模拟电源的纹波，受限于示波器精度，只能分辨10mV，没发现异常，但这并不代表电源就是ok的，需要进一步排除。

我甚至怀疑是模拟电源的开关噪声被采集到了，因为我们系统电源的架构包含电荷泵以及BUCK，这个是一个怀疑的对象，但是对电荷泵的测试中没有发现和22Hz有关的频率，电源手册中也没有相关频率介绍。

考虑到手头没有测电流以及高精度电压测试仪器，为了进一步对电源进行测试，我尝试抓模块工作的电流，重点在抓蓝牙工作时的电流，很怀疑是蓝牙间歇性工作引起的干扰，如果猜测正确，应该在软件代码中会找到证据。

话不多说，是骡子是马咱拉出来溜溜。

测试原理如下图，将一个电阻串联到蓝牙电源线路中，根据欧姆定律，流过电阻的电流和电压成正比，那么测量电阻两端的电压，就可以间接观察蓝牙工作时的电流情况。

对于电阻的选择要注意，如果选择的太小，那么微弱电流乘小电阻得到的电压太小，无法被10mV的示波器看到。反之如果电阻太大，那么其分压就大，使得蓝牙无法正常工作，阻值计算过程这里不做介绍。

锁定

果不其然，电阻两端的电压波形如下（示波器不能存波形，我缺个示波器。。。。各位同学将就着看吧），电阻两端的电压存在22Hz的纹波，说明蓝牙工作时有22Hz 的脉冲电流，结论：22Hz干扰大概率由蓝牙引起。

需要进一步验证蓝牙的影响。我们的蓝牙在工作时，并不是一刻不停的发送数据，而是间歇性的发送数据，这个间歇性的频率可调，我们项目就是22Hz，如下图所示，这个间歇性工作期间，蓝牙就会从电源抽一个比较大的电流，虽说CC2640是低功耗器件，然而这个功耗指的是平均功耗，并不是瞬时功耗。

我从来没有搞过蓝牙，凭直接感觉，这个连接间隔并不是固定的，大概率是可调的，联系软件哥们，找到了和22Hz有关的代码，下面的代码就是和连接间隔时间有关。

我们修改了时间间隔，将其由22Hz改为33Hz，再次测量干扰的频率同时串电阻测量蓝牙电流波形，均发现干扰和电流频率从22Hz转变为33Hz。

问题就是蓝牙引起，根因锁定。

对于EMC而言，有传导和辐射两种方式，那么这个属于哪种呢？

回答这个问题之前，有同学会有这个疑问，低采样率能采集到蓝牙高频信号吗？

蓝牙是2.4G（我这示波器带宽才500Mhz，我缺个示波器），模拟系统采样频率才几百Hz，那么几百Hz的采样率可以采集到高频信号吗？

理论上是可以的，只是不满足奈奎斯特采样定理，会出现频率失真。

而对于实际系统而言，比如运放，都有自己的带宽，这个带宽小于2.4G，实际上又是采集不到高频信号。

那为什么还是会出现呢？（有点矛盾有点绕）这是因为对于辐射而言，系统内部有一些非线性器件，会起到调制解调或整流的作用，最终在频谱上出现（后面有时间再详细介绍）。

多说一点，我们看下CC2640的电源架构。

2640的主电源是VDDS，VDDS进来后会通过一个BUCK降压产生VDDR给射频RF回路使用，2640也可以通过设置选择LDO给射频使用，LDO和BUCK二选一，LDO缺点是功耗就大了，优点是可以节省面积。我实测时发现如果拆掉这个BUCK电感，2640其实也可以自动开启内部LDO维持系统正常工作。

根据前面的判断，蓝牙工作时的大电流22Hz的脉冲干扰和RF回路有关，用示波器测了下VDDR纹波，就是22Hz。如果分析传导的话，就着重查VDDS和VDDR这两路电，以及GND的处理。

蓝牙这个干扰源是通过传导、辐射引起的，不同的原因有不同的解决对策。

经过处理后，22Hz干扰已经可以降低到0.5uVpp以下了。

接下来就是重新修改原理图，PCB走线，投板后希望一切正常。

如果你都看到这里了就点个赞、在看，或转发，祝我投板好运吧，我想早点回家过年呀。

审核编辑：符乾江