單片機系統(tǒng)可靠安全運行的主要因素及抗干擾

1、單片機可靠運行的主要因素及抗干擾影響單片機系統(tǒng)可靠安全運行的主要因素主要來自系統(tǒng)內部和外部的各種電氣干擾,并受系統(tǒng)結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構成單片機系統(tǒng)的干擾因素,常會導致單片機系統(tǒng)運行失常,輕則影響產品質量和產量,重則會導致事故,造成重大經濟損失。  形成干擾的基本要素有三個：  （1）干擾源。指產生干擾的元件、設備或信號, 用數(shù)學語言描述如下：du/dt, di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。  （2）傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導線的

2、傳導和空間的輻射。  （3）敏感器件。指容易被干擾的對象。如：A/D、 D/A變換器,單片機,數(shù)字IC,弱信號放大器等。  1  干擾的分類  1.1 干擾的分類  干擾的分類有好多種,通?？梢园凑赵肼暜a生的原因、傳導方式、波形特性等等進行不同的分類。按產生的原因分：  可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。  按傳導方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。  按波形分：可分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等等。  1.2 干擾的耦合方式  干擾源產生的干擾信號是通過一定的耦合通道才對測控系統(tǒng)產生

3、作用的。因此,我們有必要看看干擾源和被干擾對象之間的傳遞方式。干擾的耦合方式,無非是通過導線、空間、公共線等等,細分下來,主要有以下幾種：  （1）直接耦合：  這是最直接的方式,也是系統(tǒng)中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號通過電源線侵入系統(tǒng)。對于這種形式,最有效的方法就是加入去耦電路。  （2）公共阻抗耦合：  這也是常見的耦合方式,這種形式常常發(fā)生在兩個電路電流有共同通路的情況。為了防止這種耦合,通常在電路設計上就要考慮。使干擾源和被干擾對象間沒有公共阻抗。  （3）電容耦合：  又稱電場耦合或靜電耦合。是由于分布電容的存在而產生

4、的耦合。  （4）電磁感應耦合：  又稱磁場耦合。是由于分布電磁感應而產生的耦合。  （5）漏電耦合：  這種耦合是純電阻性的,在絕緣不好時就會發(fā)生。  2  常用硬件抗干擾技術  針對形成干擾的三要素,采取的抗干擾主要有以下手段。  2.1 抑制干擾源  抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt, di/dt。這是抗干擾設計中最優(yōu)先考慮和最重要的原則,常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流

5、二極管來實現(xiàn)。  抑制干擾源的常用措施如下：  （1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管,消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。僅加續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間滯后,增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時間內可動作更多的次數(shù)。  （2）在繼電器接點兩端并接火花抑制電路（一般是RC串聯(lián)電路,電阻一般選幾K到幾十K,電容選0.01uF）,減小電火花影響。  （3）給電機加濾波電路,注意電容、電感引線要盡量短。  （4）電路板上每個IC要并接一個0.01F0.1 F高頻電容,以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線,連線應靠近電源端并盡量粗短,否則,等于增大了電容的等

6、效串聯(lián)電阻,會影響濾波效果。  （5）布線時避免90度折線,減少高頻噪聲發(fā)射。  （6）可控硅兩端并接RC抑制電路,減小可控硅產生的噪聲（這個噪聲嚴重時可能會把可控硅擊穿的）。  2.2 切斷干擾傳播路徑  按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。  所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同,可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大,要特別注意處理。  所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏

7、感器件的距離,用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。  切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：  （1）充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好,整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機對電源噪聲很敏感,要給單片機電源加濾波電路或穩(wěn)壓器,以減小電源噪聲對單片機的干擾。比如,可以利用磁珠和電容組成形濾波電路,當然條件要求不高時也可用100電阻代替磁珠。  （2）如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應加隔離（增加形濾波電路）。  （3）注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近,用地線把時鐘區(qū)隔離起來,晶振外殼接地并固定。 

8、（4）電路板合理分區(qū),如強、弱信號,數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機、繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。  （5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離,最后在一點接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。  （6）單片機和大功率器件的地線要單獨接地,以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。  （7）在單片機I/O口、電源線、電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩,可顯著提高電路的抗干擾性能。  2.3 提高敏感器件的抗干擾性能  提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減

9、少對干擾噪聲的拾取,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復的方法。  提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：  （1）布線時盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應噪聲。  （2）布線時,電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲。  （3）對于單片機閑置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。  （4）對單片機使用電源監(jiān)控及看門狗電路,如： IMP809,IMP706,IMP813, X5043,X5045等,可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。  （5）在速度能滿足要求的前提下,盡量降低

10、單片機的晶振和選用低速數(shù)字電路。  （6）IC器件盡量直接焊在電路板上,少用IC座。  2.4 其它常用抗干擾措施  （1）交流端用電感電容濾波:去掉高頻低頻干擾脈沖。  （2）變壓器雙隔離措施:變壓器初級輸入端串接電容,初、次級線圈間屏蔽層與初級間電容中心接點接大地,次級外屏蔽層接印制板地,這是硬件抗干擾的關鍵手段。次級加低通濾波器:吸收變壓器產生的浪涌電壓。  （3）采用集成式直流穩(wěn)壓電源: 有過流、過壓、過熱等保護作用。  （4）I/O口采用光電、磁電、繼電器隔離,同時去掉公共地。  （5）通訊線用雙絞線:排除平行互感。  （6）防雷電用光纖隔離最為有效。  （7）A/D轉換用隔離放大器或采用現(xiàn)場轉換:減少誤差。  （8）外殼接大地:解決人身安全及防外界電磁場干擾。  （9）加復位電壓檢測電路。防止復位不充分, CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,復位不充份會改變EEPROM的內容。  （10）印制板工藝抗干擾：  電源線加粗,合理走線、接地,三總線分開以減少互感振蕩。