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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(kāi)關(guān)等。
3、含微弱模擬信號(hào)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(hào)傳輸中的畸變
微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。信號(hào)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(guò)一段很長(zhǎng)線引到輸入阻抗相當(dāng)高的輸入端，反射問(wèn)題就很嚴(yán)重，它會(huì)引起信號(hào)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(wèn)題，必須考慮信號(hào)反射，阻抗匹配等問(wèn)題。
信號(hào)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)。可以粗略地認(rèn)為，信號(hào)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(hào)通過(guò)一個(gè)7W的電阻和一段25cm長(zhǎng)的引線，線上延遲時(shí)間大致在4~20ns之間。也就是說(shuō)，信號(hào)在印刷線路上的引線越短越好，最長(zhǎng)不宜超過(guò)25cm。而且過(guò)孔數(shù)目也應(yīng)盡量少，最好不多于2個(gè)。
當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間快于信號(hào)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(duì)于一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)通過(guò)引線AB傳向B端。信號(hào)在AB線上的延遲時(shí)間是Td。在D點(diǎn)，由于A點(diǎn)信號(hào)的向前傳輸，到達(dá)B點(diǎn)后的信號(hào)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(yè)脈沖信號(hào)。在C點(diǎn)，由于AB上信號(hào)的傳輸與反射，會(huì)感應(yīng)出一個(gè)寬度為信號(hào)在AB線上的延遲時(shí)間的兩倍，即2Td的正脈沖信號(hào)。這就是信號(hào)間的交叉干擾。干擾信號(hào)的強(qiáng)度與C點(diǎn)信號(hào)的di/at有關(guān)，與線間距離有關(guān)。當(dāng)兩信號(hào)線不是很長(zhǎng)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(hào)，這種干擾就變?yōu)椴荒苋萑獭Ｈ缬∷⒕€路板為四層板，其中有一層是大面積的地，或雙面板，信號(hào)線的反面是大面積的地時(shí)，這種信號(hào)間的交叉干擾就會(huì)變小。原因是，大面積的地減小了信號(hào)線的特性阻抗，信號(hào)在D端的反射大為減小。特性阻抗與信號(hào)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(duì)數(shù)成正比。若AB線為一模擬信號(hào)，要避免數(shù)字電路信號(hào)線CD對(duì)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。可用局部屏蔽地，在有引結(jié)的一面引線左右兩側(cè)布以地線。
4、減小來(lái)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(guò)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(hào)更經(jīng)受不住來(lái)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(guò)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(duì)高頻信號(hào)的反射，引線的分布電容會(huì)起作用，當(dāng)長(zhǎng)度大于噪聲頻率相應(yīng)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過(guò)引線向外發(fā)射。
印刷線路板的過(guò)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(duì)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(duì)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(wèn)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(hào)部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分（如繼電器，大電流開(kāi)關(guān)等）這三部分合理地分開(kāi)，使相互間的信號(hào)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(duì)于雙面板，地線布置特別講究，通過(guò)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(lái)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(kāi)分，是指布線分開(kāi)，而最后都匯集到這個(gè)接地點(diǎn)上來(lái)。與印刷線路板以外的信號(hào)相連時(shí)，通常采用屏蔽電纜。對(duì)于高頻和數(shù)字信號(hào)，屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號(hào)用的屏蔽電纜，一端接地為好。
對(duì)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(lái)。