東北大學(xué)微機(jī)原理-9

第九章抗干擾設(shè)計(jì)

9.1硬件抗干擾9.2軟件抗干擾1/1/202419.1硬件抗干擾形成干擾的基本要素：

（1）干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，用數(shù)學(xué)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(jī)、高頻時(shí)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(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。

（3）敏感器件。指容易被干擾的對(duì)象。如：A/D、D/A變換器，單片機(jī)，數(shù)字IC，弱信號(hào)放大器等。

1/1/20242常用硬件抗干擾技術(shù)

針對(duì)形成干擾的三要素，采取的抗干擾主要有以下手段。抑制干擾源

切斷干擾傳播路徑

提高敏感器件的抗干擾性能

其它常用抗干擾措施

9.1硬件抗干擾1/1/20243

抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。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(shí)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)流二極管來實(shí)現(xiàn)。

抑制干擾源

9.1硬件抗干擾1/1/20244（1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。

（2）在繼電器接點(diǎn)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(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。

抑制干擾源常用措施

9.1硬件抗干擾1/1/20245

（4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1μF高頻去耦電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。

（5）布線時(shí)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(chǎn)生的噪聲（這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的）。

抑制干擾源常用措施

9.1硬件抗干擾1/1/20246

按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。

所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)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。

干擾傳播路徑9.1硬件抗干擾1/1/20247

（1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。

（2）如果單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）。

（3）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。

干擾傳播路徑措施9.1硬件抗干擾1/1/20248

（4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī)、繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)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(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。

（6）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)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(jī)I/O口、電源線、電路板連接線等關(guān)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。

干擾傳播路徑措施9.1硬件抗干擾1/1/20249

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少對(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。

常用措施如下：

提高敏感器件的抗干擾性能9.1硬件抗干擾

（1）布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。

（2）布線時(shí)，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。

1/1/202410常用措施如下：

（3）對(duì)于單片機(jī)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(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。

（5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)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。

提高敏感器件的抗干擾性能9.1硬件抗干擾1/1/202411有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、信號(hào)地、系統(tǒng)地、交流地和保護(hù)地。1．接地的設(shè)計(jì)方法（1）單點(diǎn)接地就是把需要接地的電路、單元及屏蔽體都接到設(shè)備接地面的同一個(gè)接地點(diǎn)上。單點(diǎn)接地方式試用于低頻電路。（2）多點(diǎn)接地就是把需要接地的電路、單元及屏蔽體用多條通路和設(shè)備接地面相連，多點(diǎn)接地降低了接地線的阻抗。多點(diǎn)接地方式試用于高頻電路。（3）懸浮接地就是把控制系統(tǒng)的地線與外殼或大地浮置，提高對(duì)電源、外殼引進(jìn)干擾的抑制。接地技術(shù)9.1硬件抗干擾1/1/202412（1）出現(xiàn)地線環(huán)路問題時(shí)，應(yīng)采用浮地隔離技術(shù)。（2）接地線應(yīng)盡量的短，并具有良好的導(dǎo)電性（3）對(duì)于那些出現(xiàn)較大突變電流的電路，要采用單獨(dú)接地的系統(tǒng)，以減小其它電路的瞬態(tài)耦合。（4）低電平接地線要和其它接地線隔離。（5）系統(tǒng)中數(shù)字地、模擬地應(yīng)一點(diǎn)相連。（6）信號(hào)線和電源線交叉的地方要使導(dǎo)線相互垂直。（7）采用平衡差分電路，以盡量減小接地電路的干擾。（8）低電平傳輸時(shí)要使用多層屏蔽。2．接地的設(shè)計(jì)原則9.1硬件抗干擾1/1/2024139.1硬件抗干擾單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位是單片機(jī)抗干擾技術(shù)的一種重要方法。當(dāng)單片機(jī)受到干擾后，可以按下人工復(fù)位按鈕，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。1．4060構(gòu)成的自動(dòng)復(fù)位電路自動(dòng)復(fù)位與電源的監(jiān)測(cè)技術(shù)1/1/2024149.1硬件抗干擾

2.MAX813L是MAX公司生產(chǎn)的μP監(jiān)控芯片。當(dāng)單片機(jī)由干擾引起的系統(tǒng)失控時(shí)，為單片機(jī)提供可靠的上、掉電復(fù)位、電源監(jiān)測(cè)、“看門狗”及電源管理功能。1/1/202415（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(jí)輸入端串接電容,初、次級(jí)線圈間屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地,次級(jí)外屏蔽層接印制板地,這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級(jí)加低通濾波器:吸收變壓器產(chǎn)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(hù)作用。

（4）I/O口采用光電、磁電、繼電器隔離，同時(shí)去掉公共地。其它常用抗干擾措施9.1硬件抗干擾1/1/202416

（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(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換:減少誤差。

（8）外殼接大地:解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。

（9）加復(fù)位電壓檢測(cè)電路。防止復(fù)位不充分,CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,復(fù)位不充份會(huì)改變EEPROM的內(nèi)容。其它常用抗干擾措施9.1硬件抗干擾1/1/202417①電源線加粗，合理走線、接地，三總線分開以減少互感振蕩。

②CPU、RAM、ROM等主芯片,VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，去掉高、低頻干擾信號(hào)。

③獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少接插件與連線，提高可靠性,減少故障率。

④集成塊與插座接觸可靠,用雙簧插座,最好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良故障。

⑤有條件的采用四層以上印制板,中間兩層為電源及地。其它常用抗干擾措施--印制板工藝抗干擾9.1硬件抗干擾1/1/2024181.軟件抗干擾措施指令冗余攔截技術(shù)軟件陷阱軟件看門狗軟件濾波2.自恢復(fù)程序9.2軟件抗干擾1/1/202419軟件冗余1．安插NOP指令

2．指令重復(fù)操作

軟件陷阱（1）未使用的中斷向量區(qū)

當(dāng)干擾進(jìn)入到中斷向量區(qū)時(shí)，并激活這些中斷時(shí)，就會(huì)進(jìn)一步引起混亂。（2）未使用的大片ROM空間

在剩余的沒有使用的程序存儲(chǔ)器空間，設(shè)置成陷阱，就能捕捉到跑飛的程序。（3）表格

為了不破壞表格的連續(xù)性，軟件陷阱只能在表格的最后安放。（4）程序區(qū)

安排陷阱，應(yīng)安放在如指令LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI等之后。