單片機(jī)硬件抗干擾經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在研制帶處理器的電子產(chǎn)品時(shí)，如何提高抗干擾能力和電磁兼容性？

　　一、下面的一些系統(tǒng)要特別注意抗電磁干擾：

　　1、微控制器時(shí)鐘頻率特別高，總線周期特別快的系統(tǒng)。

　　2、系統(tǒng)含有大功率，大電流驅(qū)動(dòng)電路，如產(chǎn)生火花的繼電器，大電流開關(guān)等。

　　3、含微弱模擬信號電路以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。

　　二、為增加系統(tǒng)的抗電磁干擾能力采取如下措施：

　　1、選用頻率低的微控制器

　　選用外時(shí)鐘頻率低的微控制器可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同樣頻率的方波和正弦波，方波中的高頻成份比正弦波多得多。雖然方波的高頻成份的波的幅度，比基波小，但頻率越高越容易發(fā)射出成為噪聲源，微控制器產(chǎn)生的最有影響的高頻噪聲大約是時(shí)鐘頻率的3倍。

　　2、減小信號傳輸中的畸變

　　微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。信號輸入端靜態(tài)輸入電流在1mA左右，輸入電容10PF左右，輸入阻抗相當(dāng)高，高速CMOS電路的輸出端都有相當(dāng)?shù)膸лd能力，即相當(dāng)大的輸出值，將一個(gè)門的輸出端通過一段很長線引到輸入阻抗相當(dāng)高的輸入端，反射問題就很嚴(yán)重，它會(huì)引起信號畸變，增加系統(tǒng)噪聲。當(dāng)Tpd＞Tr時(shí)，就成了一個(gè)傳輸線問題，必須考慮信號反射，阻抗匹配等問題。

　　信號在印制板上的延遲時(shí)間與引線的特性阻抗有關(guān)，即與印制線路板材料的介電常數(shù)有關(guān)?？梢源致缘卣J(rèn)為，信號在印制板引線的傳輸速度，約為光速的1/3到1/2之間。微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)中常用邏輯電話元件的Tr（標(biāo)準(zhǔn)延遲時(shí)間）為3到18ns之間。

　　在印制線路板上，信號通過一個(gè)7W的電阻和一段25cm長的引線，線上延遲時(shí)間大致在4~20ns之間。也就是說，信號在印刷線路上的引線越短越好，最長不宜超過25cm。而且過孔數(shù)目也應(yīng)盡量少，最好不多于2個(gè)。

　　當(dāng)信號的上升時(shí)間快于信號延遲時(shí)間，就要按照快電子學(xué)處理。此時(shí)要考慮傳輸線的阻抗匹配，對于一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號傳輸，要避免出現(xiàn)Td＞Trd的情況，印刷線路板越大系統(tǒng)的速度就越不能太快。

　　用以下結(jié)論歸納印刷線路板設(shè)計(jì)的一個(gè)規(guī)則：

　　信號在印刷板上傳輸，其延遲時(shí)間不應(yīng)大于所用器件的標(biāo)稱延遲時(shí)間。

　　3、減小信號線間的交叉干擾

　　A點(diǎn)一個(gè)上升時(shí)間為Tr的階躍信號通過引線AB傳向B端。信號在AB線上的延遲時(shí)間是Td。在D點(diǎn)，由于A點(diǎn)信號的向前傳輸，到達(dá)B點(diǎn)后的信號反射和AB線的延遲，Td時(shí)間以后會(huì)感應(yīng)出一個(gè)寬度為Tr的頁脈沖信號。在C點(diǎn)，由于AB上信號的傳輸與反射，會(huì)感應(yīng)出一個(gè)寬度為信號在AB線上的延遲時(shí)間的兩倍，即2Td的正脈沖信號。這就是信號間的交叉干擾。干擾信號的強(qiáng)度與C點(diǎn)信號的di/at有關(guān)，與線間距離有關(guān)。當(dāng)兩信號線不是很長時(shí)，AB上看到的實(shí)際是兩個(gè)脈沖的迭加。

　　CMOS工藝制造的微控制由輸入阻抗高，噪聲高，噪聲容限也很高，數(shù)字電路是迭加100~200mv噪聲并不影響其工作。若圖中AB線是一模擬信號，這種干擾就變?yōu)椴荒苋萑?。如印刷線路板為四層板，其中有一層是大面積的地，或雙面板，信號線的反面是大面積的地時(shí)，這種信號間的交叉干擾就會(huì)變小。原因是，大面積的地減小了信號線的特性阻抗，信號在D端的反射大為減小。特性阻抗與信號線到地間的介質(zhì)的介電常數(shù)的平方成反比，與介質(zhì)厚度的自然對數(shù)成正比。若AB線為一模擬信號，要避免數(shù)字電路信號線CD對AB的干擾，AB線下方要有大面積的地，AB線到CD線的距離要大于AB線與地距離的2~3倍?？捎镁植科帘蔚?，在有引結(jié)的一面引線左右兩側(cè)布以地線。

　　4、減小來自電源的噪聲

　　電源在向系統(tǒng)提供能源的同時(shí)，也將其噪聲加到所供電的電源上。電路中微控制器的復(fù)位線，中斷線，以及其它一些控制線最容易受外界噪聲的干擾。電網(wǎng)上的強(qiáng)干擾通過電源進(jìn)入電路，即使電池供電的系統(tǒng)，電池本身也有高頻噪聲。模擬電路中的模擬信號更經(jīng)受不住來自電源的干擾。

　　5、注意印刷線板與元器件的高頻特性

　　在高頻情況下，印刷線路板上的引線，過孔，電阻、電容、接插件的分布電感與電容等不可忽略。電容的分布電感不可忽略，電感的分布電容不可忽略。電阻產(chǎn)生對高頻信號的反射，引線的分布電容會(huì)起作用，當(dāng)長度大于噪聲頻率相應(yīng)波長的1/20時(shí)，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過引線向外發(fā)射。

　　印刷線路板的過孔大約引起0.6pf的電容。

　　一個(gè)集成電路本身的封裝材料引入2~6pf電容。

　　一個(gè)線路板上的接插件，有520nH的分布電感。一個(gè)雙列直扦的24引腳集成電路扦座，引入4~18nH的分布電感。

　　這些小的分布參數(shù)對于這行較低頻率下的微控制器系統(tǒng)中是可以忽略不計(jì)的；而對于高速系統(tǒng)必須予以特別注意。

　　6、元件布置要合理分區(qū)

　　元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題，原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上，要把模擬信號部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分（如繼電器，大電流開關(guān)等）這三部分合理地分開，使相互間的信號耦合為最小。

　　7、處理好接地線

　　印刷電路板上，電源線和地線最重要。克服電磁干擾，最主要的手段就是接地。

　　對于雙面板，地線布置特別講究，通過采用單點(diǎn)接地法，電源和地是從電源的兩端接到印刷線路板上來的，電源一個(gè)接點(diǎn)，地一個(gè)接點(diǎn)。印刷線路板上，要有多個(gè)返回地線，這些都會(huì)聚到回電源的那個(gè)接點(diǎn)上，就是所謂單點(diǎn)接地。所謂模擬地、數(shù)字地、大功率器件地開分，是指布線分開，而最后都匯集到這個(gè)接地點(diǎn)上來。與印刷線路板以外的信號相連時(shí)，通常采用屏蔽電纜。對于高頻和數(shù)字信號，屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號用的屏蔽電纜，一端接地為好。

　　對噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴(yán)重的電路應(yīng)該用金屬罩屏蔽起來。
　8、用好去耦電容。

　　好的高頻去耦電容可以去除高到1GHZ的高頻成份。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計(jì)印刷線路板時(shí)，每個(gè)集成電路的電源，地之間都要加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容為0.1uf的去耦電容有5nH分布電感，它的并行共振頻率大約在7MHz左右，也就是說對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用，對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。

　　1uf，10uf電容，并行共振頻率在20MHz以上，去除高頻率噪聲的效果要好一些。在電源進(jìn)入印刷板的地方和一個(gè)1uf或10uf的去高頻電容往往是有利的，即使是用電池供電的系統(tǒng)也需要這種電容。

　　每10片左右的集成電路要加一片充放電電容，或稱為蓄放電容，電容大小可選10uf。最好不用電解電容，電解電容是兩層溥膜卷起來的，這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感，最好使用膽電容或聚碳酸醞電容。

　　去耦電容值的選取并不嚴(yán)格，可按C=1/f計(jì)算；即10MHz取0.1uf，對微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)，取0.1~0.01uf之間都可以。

　　三、降低噪聲與電磁干擾的一些經(jīng)驗(yàn)。

　　能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在關(guān)鍵地方。

　　可用串一個(gè)電阻的辦法，降低控制電路上下沿跳變速率。

　　盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼。

　　使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時(shí)鐘。

　　時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近到用該時(shí)鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地。

　　用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來，時(shí)鐘線盡量短。

　　I/O驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印刷板邊，讓其盡快離開印刷板。對進(jìn)入印制板的信號要加濾波，從高噪聲區(qū)來的信號也要加濾波，同時(shí)用串終端電阻的辦法，減小信號反射。

　　MCD無用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。

　　閑置不用的門電路輸入端不要懸空，閑置不用的運(yùn)放正輸入端接地，負(fù)輸入端接輸出端。 （10） 印制板盡量使用45折線而不用90折線布線以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。

　　印制板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)一些。

　　單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源和單點(diǎn)接地、電源線、地線盡量粗，經(jīng)濟(jì)是能承受的話用多層板以減小電源，地的容生電感。

　　時(shí)鐘、總線、片選信號要遠(yuǎn)離I/O線和接插件。

　　模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號線，特別是時(shí)鐘。

　　對A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可統(tǒng)一下也不要交叉。

　　時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行I/O線干擾小，時(shí)鐘元件引腳遠(yuǎn)離I/O電纜。

　　元件引腳盡量短，去耦電容引腳盡量短。

　　關(guān)鍵的線要盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地。高速線要短要直。

　　對噪聲敏感的線不要與大電流，高速開關(guān)線平行。

　　石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

　　弱信號電路，低頻電路周圍不要形成電流環(huán)路。

　　任何信號都不要形成環(huán)路，如不可避免，讓環(huán)路區(qū)盡量小。

　　每個(gè)集成電路一個(gè)去耦電容。每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。

　　用大容量的鉭電容或聚酷電容而不用電解電容作電路充放電儲(chǔ)能電容。使用管狀電容時(shí)，外殼要接地。