單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)研究

單片機(jī)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于日常生活工作中，對(duì)其在各種環(huán)境下工作的穩(wěn)定性提出了更高的 要求。單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性在很大的程度上決定于系統(tǒng)的電磁兼容性。因此，電磁兼容設(shè)計(jì) 應(yīng)貫穿于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的始終。國(guó)際電工委員會(huì) IEC 對(duì)電磁兼容性的定義是[1]：電磁兼容 是設(shè)備的一種能力，是設(shè)備其在電磁環(huán)境中能完成它的功能，而不至于在其環(huán)境中產(chǎn)生不能 容忍的干擾。電磁兼容性對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出兩方面的要求：一方面單片機(jī)系統(tǒng)不能受 其他系統(tǒng)的干擾而影響工作；另一方面單片機(jī)系統(tǒng)不能干擾其他系統(tǒng)的工作。作者從某電力 負(fù)荷管理終端的設(shè)計(jì)及電磁兼容性測(cè)試對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性進(jìn)行了研究。

電磁干擾的形成必須具備三個(gè)條件：干擾源、影響通道、干擾電路（如圖 1 所示）。電 磁干擾主要的途徑是傳導(dǎo)耦合、輻射耦合，同時(shí) PCB 板的電磁兼容性決定了系統(tǒng)的電磁兼容性。因此，為提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力必須從影響通道和干擾電路兩個(gè)方面來(lái)綜合處理，具體來(lái)說(shuō)就是從元器件的選擇和布局、布線、公共線系統(tǒng)、濾波和屏蔽等的設(shè)計(jì)以及充分考慮 PCB 板的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

1  元器件的選擇和布局
1.1  元器件的選擇

圖 1  干擾的形成

單片機(jī)的時(shí)鐘發(fā)生器大部分都是外置的，外時(shí)鐘本身就是一個(gè)高頻噪聲源。在滿足工作 條件的情況下，單片機(jī)系統(tǒng)盡量采用時(shí)鐘頻率較低的時(shí)鐘基準(zhǔn)源。在相同的工作條件下，頻 率越高越容易輻射，3 倍于時(shí)鐘頻率相當(dāng)危險(xiǎn)。降低單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率是提高系統(tǒng)抗干擾的原則之一。當(dāng)然，選擇時(shí)鐘內(nèi)置更好，但這樣會(huì)提高系統(tǒng)的成本。合理使用電子元器件。電子元器件的制造材料和工作原理不同，在不同的工作條件下工

作性能有差異。電阻指在直流電路中導(dǎo)線對(duì)電流呈現(xiàn)阻抗特性；在交流電路中導(dǎo)線對(duì)電流的阻抗特性表現(xiàn)為電阻、電容、電感的阻抗和，且阻抗特性隨工作頻率的變化而變化。碳膜電 阻穩(wěn)定性好，受電壓和頻率影響較小，噪聲電動(dòng)勢(shì)較小，脈沖負(fù)荷穩(wěn)定，常用于高頻和脈沖電路中；金屬膜電阻穩(wěn)定性好，噪聲電動(dòng)勢(shì)很小，耐熱性能好，工作頻率范圍大，但脈沖負(fù)荷穩(wěn)定性較差，常用于數(shù)字電路中，也可用于高頻電路；繞線電阻噪聲電動(dòng)勢(shì)，幾乎無(wú)電流 噪聲，但在高頻電路中電感較大，一般用于數(shù)字電路中。

選擇邏輯狀態(tài)變化較慢的元器件。元器件邏輯狀態(tài)的變化時(shí)間越快，則邊沿變化越尖銳，諧波的頻率越高，輻射就越大。而且應(yīng)盡量選用中心引腳為電源和地引腳、相鄰的地引腳和 電源引腳的元器件，這樣可以減小電源供應(yīng)電流的電流環(huán)路面積及有助于濾波電容的設(shè)計(jì)。

1.2  元器件的布局

一個(gè)良好的布局可以有效的降低系統(tǒng)內(nèi)部相互干擾，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。常規(guī)采用 的方法是電氣隔離和空間分離的方法。電氣隔離能避免干擾信號(hào)在電路中傳導(dǎo)，將干擾局部化，使得信號(hào)正常耦合傳遞；空間分離可以抑制、削弱干擾信號(hào)對(duì)敏感電路的影響。在設(shè)計(jì)中，一般遵循模擬電路與數(shù)字電路分開(kāi)，強(qiáng)電與弱電分開(kāi)，高速信號(hào)電路與低速信號(hào)電路分 開(kāi)設(shè)計(jì)（如圖 2）。通常用接口器件或地線將它們隔離開(kāi)，并且在受干擾較強(qiáng)的區(qū)域少布置元器件。

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的功能比較強(qiáng)大的時(shí)候，采用模塊化設(shè)計(jì)。在整體安裝時(shí)根據(jù)模塊的工作性 能及抗干擾能力的強(qiáng)弱進(jìn)行合理的布局，提高系統(tǒng)整體的抗干擾能力。例如可以將一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成 CPU 與擴(kuò)展的 RAM、ROM 模塊，鍵盤(pán)顯示模塊，電源大功率器件模塊，執(zhí)行器件模塊。整體裝配時(shí)將 CPU 所在的模塊安裝在整個(gè)系統(tǒng)的中心，受外部干擾影響最弱。

2  布線設(shè)計(jì)[2]

圖 2  電路布局

系統(tǒng)中布線一般遵循 3-W 原則，即兩條相鄰走線的中心距離大于或等于 3 倍的線寬。 當(dāng)然，線間距離增大，耦合串?dāng)_影響就會(huì)減弱；另一方面同時(shí)也增大了信號(hào)的回路面積，就 會(huì)增大電磁干擾?？刂齐姶鸥蓴_最重要的原則是控制回路面積。而且，系統(tǒng)中不要出現(xiàn)短截線。當(dāng)短截線的長(zhǎng)度是噪聲信號(hào)波長(zhǎng)λ的λ/4 奇數(shù)倍時(shí)，短截線很容易成為天線產(chǎn)生輻射。 因此，在電路設(shè)計(jì)完成后，要留出時(shí)間來(lái)檢查線路中的短截線。

避免相互平行走線。輸入輸出間的走線盡量避免相鄰或平行。根據(jù)“右手定則”，相鄰或平行走線會(huì)增加磁場(chǎng)耦合。高速信號(hào)線間可以用地線隔開(kāi)，以減少線間串?dāng)_。信號(hào)線走差分線，差分線的長(zhǎng)度相同，彼此靠近。差分線靠得近，它們回路面積小，對(duì)電磁干擾的控制 很有利。

在系統(tǒng)中，由于電路的分開(kāi)設(shè)計(jì)，相應(yīng)的地層也分開(kāi)設(shè)計(jì)。當(dāng)信號(hào)線布線跨過(guò)不相關(guān)的 區(qū)域時(shí)，信號(hào)線的回路容易耦合不同地層的噪聲。如果元器件的工作速率不同，電源線應(yīng)該分開(kāi)走線，防止元器件發(fā)生噪聲傳導(dǎo)耦合。尤其是電路中的一些基準(zhǔn)電源線。例如橋式電路 中的基準(zhǔn)電源，A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電源。

3  地線的設(shè)計(jì)[3]

地線是信號(hào)流回源的低阻抗路徑，地線的阻抗不為零，當(dāng)電流流過(guò)阻抗不為零的地線會(huì) 產(chǎn)生壓降，形成干擾?？朔鼐€干擾的關(guān)鍵是處理好各回路的接地設(shè)計(jì)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，模擬地與數(shù)字地應(yīng)分開(kāi)設(shè)計(jì)，最后在某一點(diǎn)處將模擬地與數(shù)字地連接，保證系統(tǒng)中所有的地線是相通的。系統(tǒng)中的局部電路根據(jù)工作頻率選取適合的接地方式可以提高系統(tǒng)的電磁兼容 能力。有三種接地方式：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地（如圖 3）。

圖 3  三種接地方式

單點(diǎn)接地就是各電路的地端連接在一點(diǎn)接地，各電路地回路的長(zhǎng)度不相等，地線阻抗不 相等，一般用于低頻（<1MHz）電路中。多點(diǎn)接地就是各地回路直接接地，一般采用小于0.1λ長(zhǎng)度的短截線，常用于高頻（>10MHz）。介于高低頻之間常用混合接地。

4  濾波和屏蔽 濾波和屏蔽是單片機(jī)系統(tǒng)抑制電磁干擾的常用措施。干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)空間感應(yīng)傳播、輸入輸出通道及電源進(jìn)入系統(tǒng)[4]。切斷干擾信號(hào)的空間感應(yīng)傳播途徑主要是采取屏 蔽措施。當(dāng)干擾信號(hào)通過(guò)輸入輸出通道和電源進(jìn)入系統(tǒng)，一般采取隔離和濾波措施將干擾信號(hào)抑制在系統(tǒng)外。濾波分電源濾波和信號(hào)濾波。電源濾波主要是濾除電源線上的電磁噪聲。電源濾波利用電感在高頻的高阻抗，電容在高頻的低阻抗組成濾波器將電磁噪聲抑制在工作

區(qū)外。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中各個(gè)芯片的電源引腳和地引腳之間放置一個(gè) 0.1μF  的電容。信號(hào)濾波用電阻、電容、電感構(gòu)成的濾波電路，將信號(hào)線上的干擾信號(hào)釋放到地線。 單片機(jī)有三種總線，即數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。在單片機(jī)系統(tǒng)中，濾波主要是電源濾波和信號(hào)濾波。但是，在一定的情況下，對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線也需要進(jìn)行濾波。在單片機(jī)系統(tǒng)中，芯片間的數(shù)據(jù)交換主要依靠數(shù)據(jù)總線。由于數(shù)據(jù)總線使用較頻繁，數(shù)據(jù)總線也 因此易受電磁干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換出錯(cuò)。所以有必要對(duì)數(shù)據(jù)總線濾波設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)總線的濾波電容要根據(jù)數(shù)據(jù)總線的波特率選取，電容的容值太小濾波效果不明顯，容值太大同樣會(huì)影響數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)男盘?hào)。 屏蔽主要是針對(duì)電磁輻射，將電磁輻射屏蔽在系統(tǒng)外面，同時(shí)將系統(tǒng)的電磁輻射封閉在系統(tǒng)內(nèi)部。一般采用金屬屏蔽板與系統(tǒng)的地層充分接觸構(gòu)成等勢(shì)體，有必要還應(yīng)該加上密封墊圈。在電磁輻射較強(qiáng)的環(huán)境中，還應(yīng)該對(duì)芯片完全屏蔽。在電路中，重要的信號(hào)線用地線 屏蔽，PCB  板的外圍一般走地線和電源線，其主要作用也是屏蔽干擾信號(hào)。PCB  板中的敷銅的邊緣有大量的過(guò)孔，構(gòu)成“法拉第柵欄”，其目的就是屏蔽干擾信號(hào)的串?dāng)_[2]。

5  結(jié)論

電磁兼容性是單片機(jī)系統(tǒng)走出實(shí)驗(yàn)室，穩(wěn)定工作的重要前提條件。PCB  板的電磁兼容 性決定了單片機(jī)系統(tǒng)得電磁兼容性，并且任何一個(gè)環(huán)節(jié)的電磁兼容性將影響整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性。因此，圍繞 PCB 板的電磁兼容設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮每一個(gè)環(huán)節(jié)的電磁兼容設(shè) 計(jì)，提高單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容能力。