单片机硬件抗干扰经验总结

2021-05-23
在研制带处理(lǐ)器的電(diàn)子产品时，如何提高抗干扰能(néng)力和電(diàn)磁兼容性？

　　一、下面的一些系统要特别注意抗電(diàn)磁干扰：


　　1、微控制器时钟频率特别高，总線(xiàn)周期特别快的系统。

　　2、系统含有(yǒu)大功率，大電(diàn)流驱动電(diàn)路，如产生火花(huā)的继電(diàn)器，大電(diàn)流开关等。

　　3、含微弱模拟信号電(diàn)路以及高精度A/D变换電(diàn)路的系统。

　　二、為(wèi)增加系统的抗電(diàn)磁干扰能(néng)力采取如下措施：

　　1、选用(yòng)频率低的微控制器

　　选用(yòng)外时钟频率低的微控制器可(kě)以有(yǒu)效降低噪声和提高系统的抗干扰能(néng)力。同样频率的方波和正弦波，方波中的高频成份比正弦波多(duō)得多(duō)。虽然方波的高频成份的波的幅度，比基波小(xiǎo)，但频率越高越容易发射出成為(wèi)噪声源，微控制器产生的最有(yǒu)影响的高频噪声大约是时钟频率的3倍。

　　2、减小(xiǎo)信号传输中的畸变

　　微控制器主要采用(yòng)高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入電(diàn)流在1mA左右，输入電(diàn)容10PF左右，输入阻抗相当高，高速CMOS電(diàn)路的输出端都有(yǒu)相当的带载能(néng)力，即相当大的输出值，将一个门的输出端通过一段很(hěn)長(cháng)線(xiàn)引到输入阻抗相当高的输入端，反射问题就很(hěn)严重，它会引起信号畸变，增加系统噪声。当Tpd＞Tr时，就成了一个传输線(xiàn)问题，必须考虑信号反射，阻抗匹配等问题。

　　信号在印制板上的延迟时间与引線(xiàn)的特性阻抗有(yǒu)关，即与印制線(xiàn)路板材料的介電(diàn)常数有(yǒu)关。可(kě)以粗略地认為(wèi)，信号在印制板引線(xiàn)的传输速度，约為(wèi)光速的1/3到1/2之间。微控制器构成的系统中常用(yòng)逻辑電(diàn)话元件的Tr（标准延迟时间）為(wèi)3到18ns之间。

　　在印制線(xiàn)路板上，信号通过一个7W的電(diàn)阻和一段25cm長(cháng)的引線(xiàn)，線(xiàn)上延迟时间大致在4~20ns之间。也就是说，信号在印刷線(xiàn)路上的引線(xiàn)越短越好，最長(cháng)不宜超过25cm。而且过孔数目也应尽量少，最好不多(duō)于2个。

　　当信号的上升时间快于信号延迟时间，就要按照快電(diàn)子學(xué)处理(lǐ)。此时要考虑传输線(xiàn)的阻抗匹配，对于一块印刷線(xiàn)路板上的集成块之间的信号传输，要避免出现Td＞Trd的情况，印刷線(xiàn)路板越大系统的速度就越不能(néng)太快。

　　用(yòng)以下结论归纳印刷線(xiàn)路板设计的一个规则：

　　信号在印刷板上传输，其延迟时间不应大于所用(yòng)器件的标称延迟时间。

　　3、减小(xiǎo)信号線(xiàn)间的交叉干扰

　　A点一个上升时间為(wèi)Tr的阶跃信号通过引線(xiàn)AB传向B端。信号在AB線(xiàn)上的延迟时间是Td。在D点，由于A点信号的向前传输，到达B点后的信号反射和AB線(xiàn)的延迟，Td时间以后会感应出一个宽度為(wèi)Tr的页脉冲信号。在C点，由于AB上信号的传输与反射，会感应出一个宽度為(wèi)信号在AB線(xiàn)上的延迟时间的两倍，即2Td的正脉冲信号。这就是信号间的交叉干扰。干扰信号的强度与C点信号的di/at有(yǒu)关，与線(xiàn)间距离有(yǒu)关。当两信号線(xiàn)不是很(hěn)長(cháng)时，AB上看到的实际是两个脉冲的迭加。

　　CMOS工艺制造的微控制由输入阻抗高，噪声高，噪声容限也很(hěn)高，数字電(diàn)路是迭加100~200mv噪声并不影响其工作。若图中AB線(xiàn)是一模拟信号，这种干扰就变為(wèi)不能(néng)容忍。如印刷線(xiàn)路板為(wèi)四层板，其中有(yǒu)一层是大面积的地，或双面板，信号線(xiàn)的反面是大面积的地时，这种信号间的交叉干扰就会变小(xiǎo)。原因是，大面积的地减小(xiǎo)了信号線(xiàn)的特性阻抗，信号在D端的反射大為(wèi)减小(xiǎo)。特性阻抗与信号線(xiàn)到地间的介质的介電(diàn)常数的平方成反比，与介质厚度的自然对数成正比。若AB線(xiàn)為(wèi)一模拟信号，要避免数字電(diàn)路信号線(xiàn)CD对AB的干扰，AB線(xiàn)下方要有(yǒu)大面积的地，AB線(xiàn)到CD線(xiàn)的距离要大于AB線(xiàn)与地距离的2~3倍。可(kě)用(yòng)局部屏蔽地，在有(yǒu)引结的一面引線(xiàn)左右两侧布以地線(xiàn)。

　　4、减小(xiǎo)来自電(diàn)源的噪声

　　電(diàn)源在向系统提供能(néng)源的同时，也将其噪声加到所供電(diàn)的電(diàn)源上。電(diàn)路中微控制器的复位線(xiàn)，中断線(xiàn)，以及其它一些控制線(xiàn)最容易受外界噪声的干扰。電(diàn)网上的强干扰通过電(diàn)源进入電(diàn)路，即使電(diàn)池供電(diàn)的系统，電(diàn)池本身也有(yǒu)高频噪声。模拟電(diàn)路中的模拟信号更经受不住来自電(diàn)源的干扰。

　　5、注意印刷線(xiàn)板与元器件的高频特性

　　在高频情况下，印刷線(xiàn)路板上的引線(xiàn)，过孔，電(diàn)阻、電(diàn)容、接插件的分(fēn)布電(diàn)感与電(diàn)容等不可(kě)忽略。電(diàn)容的分(fēn)布電(diàn)感不可(kě)忽略，電(diàn)感的分(fēn)布電(diàn)容不可(kě)忽略。電(diàn)阻产生对高频信号的反射，引線(xiàn)的分(fēn)布電(diàn)容会起作用(yòng)，当長(cháng)度大于噪声频率相应波長(cháng)的1/20时，就产生天線(xiàn)效应，噪声通过引線(xiàn)向外发射。

　　印刷線(xiàn)路板的过孔大约引起0.6pf的電(diàn)容。

　　一个集成電(diàn)路本身的封装材料引入2~6pf電(diàn)容。

　　一个線(xiàn)路板上的接插件，有(yǒu)520nH的分(fēn)布電(diàn)感。一个双列直扦的24引脚集成電(diàn)路扦座，引入4~18nH的分(fēn)布電(diàn)感。

　　这些小(xiǎo)的分(fēn)布参数对于这行较低频率下的微控制器系统中是可(kě)以忽略不计的；而对于高速系统必须予以特别注意。

　　6、元件布置要合理(lǐ)分(fēn)區(qū)

　　元件在印刷線(xiàn)路板上排列的位置要充分(fēn)考虑抗電(diàn)磁干扰问题，原则之一是各部件之间的引線(xiàn)要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分(fēn)，高速数字電(diàn)路部分(fēn)，噪声源部分(fēn)（如继電(diàn)器，大電(diàn)流开关等）这三部分(fēn)合理(lǐ)地分(fēn)开，使相互间的信号耦合為(wèi)最小(xiǎo)。

　　7、处理(lǐ)好接地線(xiàn)

　　印刷電(diàn)路板上，電(diàn)源線(xiàn)和地線(xiàn)最重要。克服電(diàn)磁干扰，最主要的手段就是接地。

　　对于双面板，地線(xiàn)布置特别讲究，通过采用(yòng)单点接地法，電(diàn)源和地是从電(diàn)源的两端接到印刷線(xiàn)路板上来的，電(diàn)源一个接点，地一个接点。印刷線(xiàn)路板上，要有(yǒu)多(duō)个返回地線(xiàn)，这些都会聚到回電(diàn)源的那个接点上，就是所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分(fēn)，是指布線(xiàn)分(fēn)开，而最后都汇集到这个接地点上来。与印刷線(xiàn)路板以外的信号相连时，通常采用(yòng)屏蔽電(diàn)缆。对于高频和数字信号，屏蔽電(diàn)缆两端都接地。低频模拟信号用(yòng)的屏蔽電(diàn)缆，一端接地為(wèi)好。

　　对噪声和干扰非常敏感的電(diàn)路或高频噪声特别严重的電(diàn)路应该用(yòng)金属罩屏蔽起来。