單片機(jī)系統(tǒng)硬件的抗干擾方法實(shí)踐

柳亮

[摘 要]多年的單片機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一直被系統(tǒng)硬件干擾問(wèn)題所困擾，影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

[關(guān)鍵詞]系統(tǒng)；硬件；抗干擾；方法

JS-161型單片機(jī)開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)系統(tǒng)成功解決了各種干擾問(wèn)題，結(jié)合多年的抗干擾實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)匯總了常用的抗干擾方法。

一、干擾的形成

干擾形成的基本要素有三個(gè)：

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(yǔ)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(guò)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。

二、干擾的耦合方式

干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)是通過(guò)一定的耦合通道才對(duì)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生作用的。因此，我們有必要看看干擾源和被干擾對(duì)象之間的傳遞方式。干擾的耦合方式，無(wú)非是通過(guò)導(dǎo)線、空間、公共線等等，細(xì)分下來(lái)，主要有直接耦合、公共阻抗耦合、電容耦合、電磁感應(yīng)耦合、漏電耦合幾種。

三、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。

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(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。 減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)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(lái)實(shí)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(kāi)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(kāi)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。

（4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1 μF高頻電容，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）。

2.切斷干擾傳播路徑

按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類(lèi)。

所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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。

切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：

（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(lái)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(lái)，晶振外殼接地并固定。

（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。

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。

提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：

（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。

（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(mén)狗電路，如： IMP809，IMP706，IMP813， X5043，X5045等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。

（5）在速度能滿(mǎn)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。

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(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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)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。

（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。