单片机方案开发硬件抗干扰设计方法

日期:2018-06-28 / 人气: / 来源:www.gycsjx.com

电气干扰影响单片机方案可靠安全运行,电气干扰有来自外部的因素,也有单片机方案自身的原因,并受系统结构设计、元器件选择和安装、制造工艺影响。这些干扰因素常会导致单片机方案运行失常,造成数据搓搓、控制失灵、程序失常等问题。

干扰


干扰对单片机的影响

电气干扰对单片机方案的影响,电气干扰会对单片机造成什么后果

增大数据误差

干扰侵入单片机方案的输入通道,使模拟信号失真,数字信号出错。系统采集到这些失真的输入信息,以此作出的反应必然是错误的。

控制状态失灵

一般控制状态的输出多半是通过单片机方案的后向通道。由于控制信号输出较大,所以不易直接受到外界干扰。但是在单片机控制系统中,控制状态输出常常是依据某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果。在这些环节中,由于干扰的侵入,都会造成条件状态偏差、失误,致使输出控制误差加大,甚至控制失常。

数据干扰变化

在单片机方案中,程序及表格、常数均存放在EPROM或EEPROM中,这样虽然避免了程序指令及表格、常数受干扰破坏,但片内RAM、外部扩展RAM以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受外来干扰而变化。根据干扰串入渠道,受干扰的数据性质不同,系统受损坏的状况不同,有的造成数值误差,有的使控制失灵,有的改变程序状态,有的改变某些部件(如串行端口等)的工作状态,还有的可能破坏与中断有关的专用寄存器内容,从而改变中断设置方式,关闭某些有用中断,打开某些未使用中断,引起意外的非法中断。

程序运行失常

单片机方案受到干扰后,使三总线上的数字信号错乱,从而引发一系列后果。CPU得到错误的数据信息,使运行操作数失真,导致结果出错,并将这个错误一直传递下去,形成一系列错误。CPU得到错误的地址信息后,引起程序计数器PC出错,使程序运行离开正常轨道,导致程序失控、程序出错、死循环、系统瘫痪。


产生对单片机干扰的因素

干扰源

指产生干扰的元器件、设备或信号。如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源

传播路径

指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射

敏感器件

指容易被干扰的对象,如A/D和D/A转换器、单片机、数字IC、弱信号放大器等。


单片机抗干扰方法

抑制干扰源

抑制干扰源是单片机方案开发抗干扰设计中最优先考虑和最重要的措施

继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

  • 在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路,电阻一般选几K到几十K,电容选0.01uF),减小电火花影响。
  • 给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。
  • 电路板上每个IC要并接一个0.01μF~0.1μF高频电容,以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电容的等效串联电阻,会影响滤波效果。
  • 布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。
  • 可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。

切断干扰传播路径

干扰按其传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大,要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离,用地线将它们隔离或者在敏感器件上加屏蔽罩。

干扰屏蔽箱

  • 采用粗导线作为电源连接线;
  • 地线应尽量短而直接走线;
  • 对于插件式线路板,应多给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀分布的插针;
  • 单片机电源加滤波电路或稳压器,以减小电源噪声对单片机的干扰;
  • 如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离;
  • 注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定;
  • 电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。尽可能把干扰源(如电机、继电器)与敏感元件(如单片机)远离;
  • 用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则;
  • 单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘;
  • 在单片机I/O口、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩,可显著提高电路的抗干扰性能。

提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施有:

  • 布线时,尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声;
  • 布线时,电源线和地线要尽量粗,降低耦合噪声;
  • 对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源,其他IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源;
  • 对单片机使用电源监控及看门狗电路;
  • 在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路;
  • IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座

印刷电路板采用抗干扰设计

单片机电路板抗干扰设计

印刷电路板是单片机方案中器件、信号线、电源线的高密度集合体。印刷电路板设计得好坏对抗干扰能力影响很大,故印刷电路板设计决不单是器件、线路的简单布局安排,还必须符合抗干扰的设计原则。

地线设计

  • 在工作频率小于1MHz的低频电路中,要单点接地;频率大于10MHz时,要多点接地;
  • 数字地和模拟地分开设计,在电源端与两种地线相连,且地线应尽量加粗。

电源线设计

电源线除了要根据电流的大小,尽量加粗导体宽度外,还应使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致,这将有助于增强抗噪声能力。

去耦电容配置

  • 在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容应视为印刷电路板设计的一项常规做法。
  • 电源输入端跨接10~100/µF的电解电容器。如有可能,接100µF以上更好;
  • 原则上每个集成电路芯片都应安置一个0.1~0.01µF的瓷片电容,如遇印刷电路板空隙小装不下时,可每4~10个芯片安置一个1~10µF的限噪声用电容器(钽电容器)。这种器件的高频阻抗特别小,在500kHz~20MHz范围内阻抗小于1?,而且漏电流很小(0.5µA以下);
  • 对于抗噪声能力弱、中断时电流变化大的器件和ROM、RAM存储器件,应在芯片的电源线(VCC)和地线(GND)间直接接入去耦电容;
  • 电容引线不能太长,特别是高频旁路电容不能带引线。

印刷电路板的尺寸与器件布置

  • 印刷电路板大小要适中。PCB板过大阻抗增加,抗干扰能力下降;过小易受邻近线条干扰;
  • 器件布局把相互有关的器件尽量放得靠近些,以获得较好的抗噪声效果;
  • 时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声,要相互靠近些;
  • 易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离计算机逻辑电路,如有可能应另做电路板;
  • 电路板要考虑在机箱中放置的方向,将放热量大的器件放置在上方。

其他常用抗干扰措施

交流端用电感、电容滤波,去掉高频、低频干扰脉冲;

变压器双隔离措施;

次级加低通滤波器,吸收变压器产生的浪涌电压;

采用集成式直流稳压电源;

I/O采用光电、磁电、继电器隔离;

通信线用双绞线,排除平行互感;

加复位电压检测电路;


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作者:单片机


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