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综述单片机应用系统的抗干扰设计

作者:时间:2012-04-01来源:网络收藏

1 概述

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/171714.htm

在进行应用产品的开发过程中,我们经常会碰到一个很棘手的问题,即在实验室环境下系统运行很正常,但小批量生产并安装在工作现场后,却出现一些不太规律、不太正常的现象。究其原因主要是系统的不全面,导致的工作不可靠。本文主要分析出错的起因,并结合自己的工作经验,探讨一些解决的办法。

2 出错的主要现象和原因

2.1 单片机应用系统出错的主要现象和内因

大量的电源和磁场干扰,会造成以下各种系统内部出错。表1列出了单片机应用系统出 错的主要现象和内部原因。

2.2 单片机应用系统出错的外部原因

和制造的角度来看,造成应用系统容易受干扰的主要原因是:
  (1)系统电源的能力差或功率不足;
  (2)程序没有采取措施或措施不力;
  (3)器件间驱动功率不足,处在较临界状态;
  (4)远距离数据传输的电源、电压偏低;
  (5)没有采取屏蔽保护;
  (6)元件质量低。

针对以上出现的问题,我们分别从硬件和软件两个方面来探讨一些提高单片机应用系统 抗干扰能力的方法。

3 单片机应用系统的硬件抗干扰

3.1 选择时钟频率低的单片机

外时钟是高频的噪声源,除能引起对本应用系统的干扰之外,还可能产生对外界的干扰,使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高的应用系统中,选用频率低的单片机是降低系统噪声的原则之一。以8051单片机为例,最短指令周期1μs时,外时钟是12MHz。而同样速度的Motorola单片机系统时钟只需4MHz,更适合用于工控系统。

3.2 电源

(1)若系统空间允许的话,可使用现成的微电脑开关电源,它有4组输出,分别为+5V(18 A~25A)、-5V(0.5A)、+12V(6A~10A)、-12V(0.5A)。如果一个功率不够,可用多个分块供电,主机最好单独使用一个。电源的功率充足,就能减少电源本身所产生的纹波及谐波干 扰。这是解决电源干扰和电源功率不足的最好方法;

(2)采用开关电源设计;

(3)主机部分采用单独的稳压电路,一片7805稳压块,加上较好的滤波电路;外围电路 采用另外的电源供电。

3.3 提高输出信号的电源或电压

如果输入、输出连接线路超过80cm,最好提高传送的电压或电流,以减少信号的衰减和 受干扰而造成的信号失真。简单的方法可在传送端加一个1488,将电平提高到12V;接收端加一个1489,将电平回复到5V。

3.4 输入、输出隔离

输入、输出信号可加光电耦合器隔离,防止 外围器件动作时产生的回流冲击系统电路。

3.5 注意器件的驱动能力

一般1个TTL可推动8个TTL或10多个CMOS,而一个CMOS可推动1~2个TTL或20多个CMOS。如果输出负载过重,会降低输出电平,使电平处于或低于被驱动器件的输入门槛电平(TTL:高为2.4V,低为0.4V;CMOS;高为4.5V,低为1.4V),从而造成系统不稳定。

3.6 采取屏蔽保护

屏蔽可用来隔离空间辐射。对噪声特别大的部件(如开关电源),用金属盒罩起来,可减 少噪声源对单片机的干扰。对容易受干扰的部分,可加设屏蔽金属罩并接地,使干扰磁信号 被短路接地。

3.7 注意印制电路板的布线与工艺

印制电路板的设计对单片机系统能否抗干扰非常重要。要本着尽量控制噪声源,尽量减 小噪声的传播与耦合,尽量减小噪声的吸收这三大原则设计印制电路板和布线。

(1)印制电路板要合理分区。单片机应用系统通常可分三区,即模拟电路区(怕干扰)、 数字电路区(既怕干扰、又产生干扰)、功率驱动区(干扰源)。

(2)印制电路板要按单点接电源、单点接地的原则送电。三个区域的电源线、地线由该 点分三路引出。噪声元件与非噪声元件要离得远一些。

(3)时钟振荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来,让周围电场趋近于零。

(4)使用满足系统要求的最低频率的时钟,时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。 石英晶体振荡器外壳要接地,时钟线尽量短,且在石英晶体振荡器下面要加大接地的面积而 不应该走其它信号线。

(5)I/O驱动器件、功率放大器件尽量靠近印制板的边、靠近引出接插件。

(6)在单面板、双面板设计中,地线、电源线要尽量粗。信号线的过孔要尽量少。

(7)四层板比双面板噪声低20dB,六层板比四层板噪声低10dB。经济条件允许时尽量用 多层板。

(8)使用45°的折线布线,不要使用90°折线,以减小高频信号的发射。

(9)重要的信号线尽量短并要尽量粗,并在两侧加上保护地。将信号通过扁平电缆引出 时,要使用地线-信号-地线……的结构。

(10)时钟线垂直于I/O线比平行于I/O线干扰小,时钟线要远离I/O线。

(11)对A/D类器件,数字部分与模拟部分宁可绕一下也不要交叉。噪声敏感线不要与高 速线、大电流线平行。

(12)每个IC元件要加一个去耦电容,布线时去耦电容要真正接在芯片的电源、地上。要 选高频特性好的独石电容或瓷片电容作去耦电容。去耦电容焊在印制电路板上时,引脚要尽 量短。

(13)从高噪声区来的信号要加滤波。继电器线圈处要加放电二极管。可以用串一个电阻 的办法来软化I/O线的跳变沿或提供一定的阻尼。

(14)闲置不用的门电路输入端不要悬空。闲置不用的运算放大器正输入端接地,负输入 端接输出。单片机不用的I/O口定义成输出。单片机上有一个以上电源、地端的,每端都要 接上,不要悬空。

(15)尽量不要使用IC插座,把IC直接焊在印制板上,IC插座有较大的分布电容。


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