Comment une seule connexion de masse a pu gâcher une centaine de lecteurs MP3

La technologie présente des avantages indéniables et elle a vraiment simplifié pas mal de choses dans notre vie. Cependant, lorsque vous jonglez entre vos obligations de parents, le codage, la conception électronique et, à l'occasion, la rédaction d'un article comme celui-ci, même la plus géniale des applications ne peut pas diminuer la quantité de stress à gérer au quotidien. Ce matin par exemple, j'ai confondu le sel avec le sucre par inadvertance en préparant le petit-déjeuner de mon enfant. Il a suffi de cette seule erreur pour que mon petit de 5 ans devienne aussi virulent que Gordon Ramsay.

De la même manière, la moindre erreur peut parfois ruiner un très beau concept. Si vous avez de la chance, cette erreur ne prendra pas plus de 10 minutes à régler, comme le caprice de mon enfant. Malheureusement, dans le monde des circuits imprimés, commettre une erreur revient généralement devoir corriger par la suite des centaines de défauts de conception. Je sais de quoi je parle, j'ai vécu ce scénario précis il y a cinq ans. Une petite erreur de conception a provoqué une défaillance du système audio sur le canal gauche dans exactement 100 lecteurs MP3. Ce fut un tel casse-tête à résoudre que je me souviens encore aujourd'hui de chaque détail.

Lorsque les masses sont les mêmes... mais différentes

Avant que vous ne commenciez à concevoir des circuits imprimés pour lecteurs MP3 ou tout autre produit audio, vous devez vous concentrez sur ce qui est important, et parfois ce n'est pas vraiment clair. Ce matin, par exemple, je pensais que ma mission était de préparer le petit-déjeuner de mon enfant, mais l'élément important était en fait d'utiliser le bon type d'assaisonnement. De la même manière, vous pouvez être complètement obnubilé par le type de circuit intégré spécialisé (CI) que vous allez utiliser alors que la clé réside en vérité dans l'étude des diverses masses qui composeront dans votre circuit électronique. À l'université, on nous parle de masse puissance, de masse numérique et de masse analogique dans la conception de circuits.

Toutes les masses ne sont pas identiques.

Lorsque vous concevez des lecteurs audio, vous êtes confronté aux masses analogiques et numériques. Ces masses apparaissent sur les schémas et sont représentées par différents symboles ; cependant, elles semblent être connectées l'une à l'autre sur un schéma de circuit imprimé. Lorsque vous vous référez à certaines des meilleures pratiques dans le domaine du placement de masse, vous remarquerez que la plupart vous conseillent de les raccorder à un seul point, en suivant par exemple une connexion en étoile.

Ne pas tenir compte de ce conseil est impardonnable, mais le pire que vous puissiez faire est d'avoir un seul plan de masse pour l'intégralité de votre conception audio. Si vous raccordez la masse audio et la masse numérique via un seul point de connexion, vous aurez à coup sûr des problèmes d'interférence sur le canal audio.

Quant à moi, j'ai failli perdre des dizaines de milliers de dollars en reprenant tout depuis le début avant que je ne découvre que l'interférence était causée par des signaux d'interface périphérique série (SPI) qui reliaient le circuit intégré audio au microcontrôleur (MCU). Cependant, cela n'a pas empêché mon équipe de passer de nombreuses heures à réparer manuellement ces erreurs qui affectaient précisément une centaine de lecteurs MP3.

Pourquoi l'endroit où vous connectez les masses est important

De ce fiasco, j'ai tiré deux de mes plus grandes leçons en termes de conception électronique. Premièrement, toujours étudier le guide utilisateur technique dans son intégralité. Deuxièmement, l'endroit où vous connectez les différents plans de masse a de l'importance. J'aurais pu éviter cette catastrophe si j'avais respecté la première règle. Voilà l'erreur que j'ai commise dans ma conception initiale :

Se tromper dans le plan de masse peut être catastrophique.
 

Le lecteur MP3 que j’ai conçu se compose d’un microcontrôleur (MCU) et d'un circuit intégré audio. Le microcontrôleur se connecte au circuit intégré audio par l’intermédiaire de l'interface périphérique série. Les données MP3 doivent être transmises en continu pour que le circuit intégré audio puisse décoder les données en signaux audio. L’erreur que j’ai faite a été de placer un plan de masse analogique sous l’ensemble du circuit intégré audio, et de relier la masse analogique et la masse numérique du microcontrôleur entre les deux composants.

Cela a obligé les signaux numériques de l'interface périphérique série (SPI) à fonctionner étroitement, et en parallèle, avec une partie de la masse analogique, ce qui a provoqué des interférences sur le couplage SPI à la chaîne audio. Désormais, nous traitons souvent les signaux et la masse comme deux entités différentes en conception. Cependant, en physique pure, les impulsions des zéros et des uns sont composées d'une boucle de courant complète. Dans ce cas, le routage des signaux SPI traversait la masse analogique qui était censée être exempte de tout bruit numérique.

Comment l'augmentation de l'espace entre la masse numérique et la masse audio peut éliminer le bruit parasite

Je n'ai pris aucun risque lors de la deuxième révision : j'ai lu le guide technique trois fois. Certains circuits intégrés auront des masses analogiques et numériques en dehors du boîtier. Ces termes sont trompeurs, car ils font souvent référence aux systèmes internes de la puce, et ils devraient être reliés ensemble immédiatement sur l'extérieur du boîtier. La connexion de ces deux masses devrait alors devenir le seul point auquel les masses analogiques et numériques sont connectées. Ainsi, les circuits de retour du courant pour les deux plans de masse ne se croiseront pas et n'interféreront avec aucun signal.

Après avoir réalisé le circuit de retour des signaux numériques de l'interface périphérique en prenant soin de les définir clairement sur la masse numérique, j’ai allumé un cierge et j'ai produit la version révisée de mon deuxième lot de lecteurs MP3. Heureusement, la production de ces nouvelles unités s'est passée sans accrocs.

Vous êtes perdu entre les divers plans de masse de votre conception ? Les experts d'Altium sont là pour vous aider. Afin d'éviter de répéter mes erreurs, adressez-vous à nos experts. Vous voulez concevoir d'excellents circuits audio ? CircuitStudio est le logiciel de conception professionnelle dont vous avez besoin pour commencer.