單片機(jī)硬件抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考

1、單片機(jī)硬件抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考 一、系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則： 1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng) 的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 2、系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的功能 要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 3、硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方 案會(huì)產(chǎn)生相互影響， 考慮原則是： 軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟 件實(shí)殃，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。 但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能， 一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用 CPU 時(shí)間。 4、系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS 芯 片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)， 系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)

2、盡可能選擇低 功耗產(chǎn)品。 5、可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分，它包括 芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線(xiàn)、通道隔離等。 6、單片機(jī)外圍電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不 足時(shí)， 系統(tǒng)工作不可靠， 可通過(guò)增設(shè)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或減 少芯片功耗來(lái)降低總線(xiàn)負(fù)載。 7、盡量朝 “單片 ”方向設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間 相互干擾也越強(qiáng)， 功耗也增大， 也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。隨著單片機(jī)片內(nèi)集成的功能越來(lái)越強(qiáng)， 真正的片上系統(tǒng) SoC 已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，如 ST公司新近推出的 卩PSD3N系列產(chǎn)品在一 塊芯片上集成了 80C32核、大容量FLASH存儲(chǔ)器、SR

3、AM、A/D、 I/O、兩個(gè)串口、看門(mén)狗、上電復(fù)位電路等等。 二、單片機(jī)系統(tǒng)硬件抗干擾常用方法實(shí)踐 影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部 和外部的各種電氣干擾， 并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 元器件選擇、安裝、 制造工藝影響。 這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素， 常會(huì)導(dǎo)致單 片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常， 輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量， 重則會(huì)導(dǎo)致事故， 造成重大經(jīng)濟(jì)損失。 1. 形成干擾的基本要素有三個(gè)： 1）干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描 述如下： du/dt， di/dt 大的地方就是干擾源。 如：雷電、繼電器、 可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可 能成為干擾源。 （2）傳播路徑。指干擾

4、從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。 典型的干擾傳 播路徑是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的傳導(dǎo)和空間的輻射。 （3）敏感器件。指容易被干擾的對(duì)象。如： A/D 、D/A 變換器， 單片機(jī)，數(shù)字 IC， 弱信號(hào)放大器等。 2. 干擾的分類(lèi) 1 干擾的分類(lèi) 干擾的分類(lèi)有好多種， 通常可以按照噪聲產(chǎn)生的原因、 傳導(dǎo)方式、 波形特性等等進(jìn)行不同的分類(lèi)。按產(chǎn)生的原因分： 可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。 按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。 按波形分：可分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等等。 3 干擾的耦合方式 干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)是通過(guò)一定的耦合通道才對(duì)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn) 生作用的。 因此， 我有必要看看干擾源和

5、被干擾對(duì)象之間的傳遞 方式。干擾的耦合方式，無(wú)非是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)、空間、公共線(xiàn)等等， 細(xì)分下來(lái)，主要有以下幾種： 1）直接耦合： 這是最直接的方式， 也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。 比如干 擾信號(hào)通過(guò)電源線(xiàn)侵入系統(tǒng)。 對(duì)于這種形式， 最有效的方法就是 加入去耦電路。從而很好的抑制。 （ 2）公共阻抗耦合： 這也是常見(jiàn)的耦合方式， 這種形式常常發(fā)生在兩個(gè)電路電流有共 同通路的情況。為了防止這種耦合， 通常在電路設(shè)計(jì)上就要考慮。 使干擾源和被干擾對(duì)象間沒(méi)有公共阻抗。 （ 3）電容耦合： 又稱(chēng)電場(chǎng)耦合或靜電耦合 。是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的耦 合。 4）電磁感應(yīng)耦合： 又稱(chēng)磁場(chǎng)耦合。是由于分布電磁感應(yīng)

6、而產(chǎn)生的耦合 （ 5）漏電耦合： 這種耦合是純電阻性的，在絕緣不好時(shí)就會(huì)發(fā)生。 4. 常用硬件抗干擾技術(shù) 針對(duì)形成干擾的三要素，采取的抗干擾主要有以下手段。 1 抑制干擾源 抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的 du/dt，di/dt 。這是抗干擾 設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則， 常常會(huì)起到事半功倍的效果。 減小干擾源的 du/dt 主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。 減小干擾源的 di/dt 則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加 續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。 抑制干擾源的常用措施如下： （1）繼電器線(xiàn)圈增加續(xù)流二極管，消除斷開(kāi)線(xiàn)圈時(shí)產(chǎn)生的反電 動(dòng)勢(shì)干擾。僅加 續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開(kāi)時(shí)間滯后，

7、增加 穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可 動(dòng)作更多的次數(shù)。 2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路（一般是RC 串聯(lián)電 路，電阻一般選幾 K到幾十K，電容選O.OluF），減小電火花 影響。 （ 3 ）給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線(xiàn)要盡量短。 （4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01 卜0.1 高頻電容，以 減小 IC 對(duì)電源的 影響。注意高頻電容的布線(xiàn)， 連線(xiàn)應(yīng)靠近電源 端并盡量粗短，否則，等于增大了電 容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影 響濾波效果。 （ 5）布線(xiàn)時(shí)避免 90 度折線(xiàn)，減少高頻噪聲發(fā)射。 （ 6）可控硅兩端并接 RC 抑制電路， 減小可控硅產(chǎn)生的噪聲 （這 個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅

8、擊穿的）。 2 切斷干擾傳播路徑 按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類(lèi)。 所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳播到敏感器件的干擾。 高頻干擾噪 聲和有用信號(hào)的頻帶不同， 可以通過(guò)在導(dǎo)線(xiàn)上增加濾波器的方法 切斷高頻干擾噪聲的傳播， 有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決。 電源噪 聲的危害最大，要特別注意處理。 所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾。 一般的 解決方法是增加干擾源與敏感器件的距， 用地線(xiàn)把它們隔離和在 敏感器件上加 蔽罩。 切斷干擾傳播路徑的常用措施如下： （1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的 抗干擾就 解決了一大半。 許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感 ,要給單片機(jī)電源

9、加濾波電路或穩(wěn) 壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和 電容組成n形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Q電阻 代替磁珠。 （2）如果單片機(jī)的 I/O 口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件， 在 I/O 口與 噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加 n形濾波電路）。 （ 3）注意晶振布線(xiàn)。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線(xiàn)把時(shí) 鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。 4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可 能把干擾源（如電機(jī)、繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。 （5）用地線(xiàn)把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離， 最后在一點(diǎn)接于電源地。 A /D 、D/A 芯片布線(xiàn)也以此為原則。

10、（ 6）單片機(jī)和大功率器件的地線(xiàn)要單獨(dú)接地， 以減小相互干擾。 大功率器件盡可能放在電路板邊緣。 （ 7）在單片機(jī) I/O 口、電源線(xiàn)、電路板連接線(xiàn)等關(guān)鍵地方使用 抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩，可顯著提高電 路的抗干擾性能。 4 提高敏感器件的抗干擾性能 提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少 對(duì)干擾噪聲 的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下： 1）布線(xiàn)時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。 2)布線(xiàn)時(shí)，電源線(xiàn)和地線(xiàn)要盡量粗。除減小壓降外，更重要 的是降低耦 合噪聲。 ( 3)對(duì)于單片機(jī)閑置的 I/O 口，不要懸空，要接

11、地或接電源。 其它 IC 的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。 (4)對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路，女口： IMP809 ,IMP706 , IMP813， X5043，X5045 等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾 性能。 ( 5)在速度能滿(mǎn)足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選 用低速數(shù)字電路。 (6) IC 器件盡量直接焊在電路板上，少用 IC 座。 5 其它常用抗干擾措施 交流端用電感電容濾波 :去掉高頻低頻干擾脈沖。 變壓器雙隔離措施 :變壓器初級(jí)輸入端串接電容 ,初、次級(jí)線(xiàn)圈間 屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地,次級(jí)外屏蔽層接印制板地 這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級(jí)加低通濾波器:吸收變壓器產(chǎn) 生的浪涌電壓。 采用集成式直流穩(wěn)壓電源 :因?yàn)橛羞^(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)。 I/O 口采用光電、磁電、繼電器隔離，同時(shí)去掉公共地。 通訊線(xiàn)用雙絞線(xiàn) :排除平行互感。 防雷電用光纖隔離最為有效。 A/D 轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換 : 減少誤差。 外殼接大地 :解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。 加復(fù)位電壓檢測(cè)電路。防止復(fù)位不充份 ,CPU 就工作 , 尤其有 EEPROM 的器件