電路中常見(jiàn)的幾種單片機(jī)抗干擾技術(shù)

　　對(duì)于提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要。對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)而言，干擾因素有兩種，一是來(lái)源于系統(tǒng)外部環(huán)境和其它電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾，通過(guò)傳導(dǎo)和輻射等途徑影響單片機(jī)系統(tǒng)正常工作;二是來(lái)源于系統(tǒng)內(nèi)部，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝等決定以及內(nèi)部元器件在工作時(shí)產(chǎn)生干擾，通過(guò)地址、電源線、信號(hào)線、分布電容等傳輸，影響開關(guān)電源模塊系統(tǒng)工作狀態(tài)。

一. 什么是干擾源？

　　干擾源是指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)。產(chǎn)生的干擾包括：

　　(1)電磁干擾，如繼電器開關(guān)啟動(dòng)、靜電放電、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等都可能引起不同程度的瞬變浪涌電壓，會(huì)造成IC和半導(dǎo)體器件PN結(jié)燒毀、氧化層擊穿等。

　　(2)人為干擾，如機(jī)械振動(dòng)、繼電器觸點(diǎn)抖動(dòng)、元器件安裝和電路板布線引起的電磁耦合、接插件接觸不良、虛焊、放大器自激、電源紋波等。

　　(3)環(huán)境因素干擾，如噪聲和環(huán)境溫濕度、以及太陽(yáng)黑子的變化，空間粒子輻射等。

　　每一個(gè)設(shè)備干擾造成的誤操作，可能運(yùn)行千次才出現(xiàn)一次，甚至是上萬(wàn)，百萬(wàn)才出現(xiàn)一次。時(shí)間上是一天，一個(gè)月，甚至是一年很多年。但是干擾出現(xiàn)所造成的嚴(yán)重后果，是我們無(wú)法想象到的。

　　在這里我先引用一個(gè)小插曲：

　　“原來(lái)我在鎮(zhèn)江做焊機(jī)的時(shí)候，老是出現(xiàn)焊機(jī)在上電瞬間有信號(hào)輸出，出現(xiàn)的頻率很高，最嚴(yán)重的一次是差點(diǎn)將一個(gè)客戶員工的手指壓到。后來(lái)我想了個(gè)方法就是是在信號(hào)輸出的I/O口上加上一個(gè)50k的上拉電阻，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題還是有，但是出現(xiàn)的頻率降下來(lái)了，后來(lái)又改用15k的電阻，就徹底地把那個(gè)問(wèn)題給解決了。”

　　干擾信號(hào)源也遵循歐姆定律，越存在干擾的場(chǎng)合，跟測(cè)試使用的上拉電阻也有聯(lián)系。想知道他是怎么解決的，可以看下下面的文章：

　　[話題] 【MCU每周論點(diǎn)】如何提高單片機(jī)的抗干擾能力? 親 你懂嗎?

二. 干擾源產(chǎn)生的原因是什么？

　　下面回到正題，

??????? 單片機(jī)干擾的原因還包括傳播途徑、敏感器件的使用，也會(huì)使單片機(jī)受到干擾。

　　干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的影響主要通過(guò)三種途徑傳輸，包括：

　　(1)輸入系統(tǒng)。一般情況下，開關(guān)電源模塊星載儀器的檢測(cè)對(duì)象往往是微弱物理信號(hào)，通過(guò)放大的運(yùn)放電路和高精度A/D轉(zhuǎn)換電路組成。如串入干擾，會(huì)使輸入的模擬信號(hào)失真，數(shù)字信號(hào)出錯(cuò)，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)誤差增大。

　　(2)輸出系統(tǒng)。一旦受到干擾，將使各輸出信號(hào)混亂，不能正常反應(yīng)單片機(jī)系統(tǒng)的真實(shí)輸出。但一般單片機(jī)輸出電路都具有較高的電平，不易受到干擾，需要注意的是其對(duì)其他電路的干擾影響。

　　(3)CPU系統(tǒng)。該干擾主要是由CPU內(nèi)部時(shí)鐘和噪聲引起的，它可使單片機(jī)系統(tǒng)總線上的數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂，CPU得到錯(cuò)誤的地址信號(hào)，使程序跑飛或死循環(huán)，導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤，并將這個(gè)錯(cuò)誤一直傳遞，造成系統(tǒng)失敗。

　　敏感器件

　　在星載儀器單片機(jī)系統(tǒng)中，通常會(huì)用到一些如A/D、D/A變換器、弱信號(hào)放大器等容易被干擾的器件，也是產(chǎn)生干擾的重要原因。

三. 單片機(jī)抗干擾技術(shù)與措施

　　單片機(jī)系統(tǒng)電路復(fù)雜，產(chǎn)生干擾原因也很多，那我們平時(shí)應(yīng)該如何去預(yù)防單片機(jī)干擾，提高單片機(jī)性能與抗干擾影響呢。下面有幾種常用的抗干擾措施：

　　1、切斷干擾的傳播途徑

　　1)增加干擾源(如電機(jī)、繼電器)與敏感器件(如單片機(jī))的距離，用地線把他們隔離或者在敏感器件加上屏蔽罩。

　　2)電路板合理分區(qū)，將強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)電路合理地分區(qū)域布置。

　　4)、單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小互相干擾。大功率器件要盡可能布置在電路板的邊緣。

　　5)、在單片機(jī)I/O口，電路板連接線等關(guān)鍵地方，使用抗干擾元件可顯著提高電路的抗干擾性能。

　　6)、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。

　　2、盡量采用抗干擾性能強(qiáng)的單片機(jī)

　　1)、降低單片機(jī)內(nèi)部的電源噪聲

　　在傳統(tǒng)的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中，通常將電源端和地端分別布置在對(duì)稱的兩邊。例如左下角為地，左上角為電源。這使得電源噪聲穿過(guò)整個(gè)硅片。改進(jìn)方法將單片機(jī)的電源和地安排在兩個(gè)相鄰的引腳上，這樣不僅降低了穿過(guò)整個(gè)硅片的電流，還便于印制板上設(shè)計(jì)電源退耦電容，以降低系統(tǒng)噪聲。

　　2)、降低時(shí)鐘頻率

　　單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)鐘電路是一個(gè)調(diào)頻噪聲源，它不僅能干擾本系統(tǒng)，還對(duì)外界產(chǎn)生干擾，使其他系統(tǒng)的電磁兼容檢測(cè)不能達(dá)標(biāo)。在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，選用時(shí)鐘頻率低的單片機(jī)可降低系統(tǒng)的噪聲。以8051單片機(jī)為例，當(dāng)最短指令周其為1US時(shí)，時(shí)鐘是12MHZ。而同樣速度的MOTOROLA兼容單片機(jī)的廠商在不犧牲運(yùn)算速度的前提下，將時(shí)鐘頻率降低到原來(lái)的1/3。特別是MOTOROLA公司新推出的68HC08系列單片機(jī)、內(nèi)部采用了鎖相倍頻技術(shù)，將外部時(shí)鐘除至32KHZ，而內(nèi)部總線速度卻提高到8MHZ，甚至更高。

　　3)、EFT技術(shù)

　　隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)內(nèi)部的抗干擾技術(shù)也在不斷進(jìn)步。MOTOROLA公司新推出的68HC08系列單片機(jī)，采用EFT技術(shù)進(jìn)一步提高了單片機(jī)的抗干擾能力，當(dāng)振蕩電路的正弦波信號(hào)受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì)疊加一些毛刺。若以施密特電路對(duì)其整形時(shí)，這種毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘信號(hào)。但是交替使用施密電路和RC濾波可以使這類毛刺不起作用，這就是EFT技術(shù)。

　　3、單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的頻率抖動(dòng)技術(shù)

　　將頻率拉動(dòng)信號(hào)疊加到輸入信號(hào)的隨機(jī)噪聲上，雖然會(huì)增加轉(zhuǎn)換的總噪聲，但增加的噪聲是用來(lái)補(bǔ)償輸出數(shù)碼量化噪聲的，可使量化誤差不再輸入信號(hào)的函數(shù)而是抖動(dòng)噪聲瞬時(shí)值的函數(shù)。因此，利用頻率顫抖信號(hào)可去除量化噪聲與輸入信號(hào)之間的相關(guān)性。頻率拉動(dòng)信號(hào)的大小通常約為1/3LSB有效值。例如，在未加頻率拉動(dòng)的情況下，ADC輸出的量化噪聲是瞬時(shí)輸入信號(hào)幅度的函數(shù)，量化拉動(dòng)之后，因抖動(dòng)信號(hào)的幅度不依賴于輸入信號(hào)，故量化噪聲與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，從而消除了ADC輸出諧波分量，但這是以增加總噪聲為代價(jià)的。需要指出的是，并不一定在ADC輸入端實(shí)際施加顫抖噪聲，也可利用地轉(zhuǎn)換器的熱噪聲作為頻率抖動(dòng)信號(hào)，但ADC要有足夠的輸出位數(shù)以確保能夠去除輸入信號(hào)與量化噪聲的相關(guān)性。

　　4、防止漏電流的技術(shù)

　　應(yīng)當(dāng)在清潔、干燥、通風(fēng)、環(huán)境溫度適宜的條件下使用智能化單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)受潮后導(dǎo)致絕緣電阻下降，會(huì)產(chǎn)生漏電流。輕測(cè)使測(cè)量誤差增大，控制不靈;重則會(huì)造成適中故障，損壞元器件。例如，當(dāng)印制板受潮時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器輸入阻抗下降，讀數(shù)不準(zhǔn)，并且伴有跳數(shù)現(xiàn)象。這也是一些數(shù)字電壓表在雷雨季節(jié)無(wú)法正常工作的主要原因。對(duì)于受潮的印制板，可用無(wú)水酒精擦凈表面，然后用電吹風(fēng)烘干，以消除漏電。

　　有些精密集成電路，專門設(shè)置了防止極間漏電用的保護(hù)環(huán)。例如由美國(guó)哈里斯公司生產(chǎn)的ICL7650型斬波自穩(wěn)零式精密運(yùn)算放大器，HI7195A型帶微處理器的5 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，均設(shè)置了兩個(gè)保護(hù)環(huán)引出端。設(shè)計(jì)電路時(shí)將兩個(gè)保護(hù)環(huán)接地，即可消除印制板上輕微漏電對(duì)測(cè)量所造成的影響。

　　5、濾波技術(shù)

　　濾波是指從混有干擾或噪聲的信號(hào)中獲取有用信號(hào)的方法，能實(shí)現(xiàn)上述功能的部件叫濾波器。在數(shù)字儀表中常見(jiàn)的濾波器主要有三種：無(wú)源濾波器，有源濾波器，數(shù)字濾波器。

　　1)無(wú)源濾波器

　　無(wú)源濾波器是由R、L、C元件構(gòu)成的，根據(jù)干擾信號(hào)的特點(diǎn)，可選低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器。此外還有帶阻濾波器等類型。對(duì)于50HZ電磁場(chǎng)干擾，可在測(cè)控系統(tǒng)輸入端加一級(jí)雙T濾波器。

　　2)有源濾波器

　　有源濾波器是包含有源器件(例如晶體管、運(yùn)算放大器)的各種濾波器。與單純使用R、L、C元件的無(wú)源濾波器相比，能省去體積龐大的電感元件，便于實(shí)現(xiàn)小型化、集成化。有源濾波器適用于較低頻率的濾波。二階有源帶通濾波器的典型電路參見(jiàn)下圖。

　　6、隔離技術(shù)

　　所謂隔離技術(shù)，是指將噪聲源與信號(hào)線相互隔離開的技術(shù)。在單片機(jī)系列中經(jīng)常采用光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器與輸入通道的隔離、I/O接口的隔離及內(nèi)部電路的隔離。此外，在遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)時(shí)，也需要采用光電隔離技術(shù)。一種采用光電隔離技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通信接口電路如下圖所示。在對(duì)被傳輸?shù)哪M信號(hào)進(jìn)行隔離時(shí)，宜選用線性光耦合器，其電流傳輸比接近于常數(shù)。

　　此外，在測(cè)試系統(tǒng)中還經(jīng)常用變壓器隔離，繼電器隔離，貝母隔離等技術(shù)。

　　7、抵制傳輸線上的干擾

　　傳輸線宜選用雙絞線或同軸電纜屏蔽線，盡管雙絞線的頻帶較窄，但其波阻抗高，抗共模干擾能力強(qiáng)，雙絞線上的每個(gè)小環(huán)路的電磁感應(yīng)用干擾能相互抵消，并且其分布電容較大，可起到積分電容的效果，因此對(duì)電磁場(chǎng)具有一定的抵制作用。使用長(zhǎng)傳輸線時(shí)需要注意阻抗匹配問(wèn)題。否則傳輸線上會(huì)產(chǎn)生反射波，造成信號(hào)失真。

　　8、正確選擇接地點(diǎn)

　　在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部，大致有6種地線：信號(hào)線、模擬地、數(shù)字地、功率地、交流地和屏蔽地。

　　設(shè)計(jì)整機(jī)電路時(shí)應(yīng)根據(jù)技術(shù)條件和實(shí)際情況來(lái)決定究竟是浮地還是接地，需要采用哪種地線，選擇單點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地。

　　9、傳感器的屏蔽

　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用集成溫度傳感器時(shí)，很容易引入干擾。為提高信噪比，可以給傳感器加上屏蔽。有些溫度傳感器，采用TO-52型金屬殼封裝，并且專有一個(gè)管腳接管殼。使用時(shí)將此腳接地，即可由管殼起來(lái)屏蔽作用。對(duì)于塑料封裝的集成溫度傳感器，必要時(shí)可用薄銅管做外屏蔽，把傳感器裝入后再用環(huán)氧樹脂封固，二者保持絕緣。這種全密封式傳感器特別適合測(cè)量液體和蒸氣的溫度。

　　10、塑料機(jī)的屏蔽

　　目前，采用ABS工程逆料制成的塑料機(jī)箱以其造型美觀，攜帶輕便等優(yōu)點(diǎn)，深受人們的青睞。為使機(jī)箱具有屏蔽作用，可用噴涂、真空、沉積等方法在機(jī)箱內(nèi)表面覆蓋一層導(dǎo)電膜。也可以自己加工屏蔽層，在機(jī)箱內(nèi)表面粘粘一層鋁箔，再與公共地連通。

　　11、元器件的選擇

　　為降低元器件的噪聲，應(yīng)盡量采用金屬膜電阻和低噪聲的有源器件。為了減小溫度漂移，全部元件需經(jīng)過(guò)高、低溫老化處理。必要時(shí)，前級(jí)放大器、有源濾波器要加溫度補(bǔ)償電路。A/D轉(zhuǎn)換器的積分電容應(yīng)選漏電小、介質(zhì)損耗因數(shù)低的聚丙烯或聚苯乙烯電容。ICL7650型精密運(yùn)放和IC7660型DC/DC轉(zhuǎn)換器泵電容，均應(yīng)采用鉭電容。

　　能用低速器件就不用高速器件，高速器件只用在關(guān)鍵的地方。

　　12、消噪電路

　　帶隙基準(zhǔn)電壓源是一種作為電壓基準(zhǔn)的高穩(wěn)定度電壓源，目前正廣泛用于數(shù)字儀表、智能儀器及測(cè)試系統(tǒng)中。在基準(zhǔn)電壓輸出端并聯(lián)一只0.1UF的消噪電容，能濾除高頻噪聲。

　　當(dāng)電路的輸出狀態(tài)維持不變時(shí)允許加到輸入端的噪聲電壓最大值，稱為電壓噪聲容限。噪聲容限愈高，說(shuō)明器件的抗干擾能力，應(yīng)盡量CMOS電路來(lái)代替TTL電路。CMOS電路的噪聲容限可達(dá)電源電壓的40%,而TTL電路大約只有電源電壓的16%。

　　13、電源即耦電容

　　單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中許多電路都是公用一個(gè)直流電源的。這就要求電源線不得在各電路之間引入干擾，并且當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)直流電源線上不應(yīng)產(chǎn)生波動(dòng)。但實(shí)際上很難做到，因?yàn)橹绷麟娫吹膬?nèi)阻抗，并且當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)直流電源線上不應(yīng)產(chǎn)生波動(dòng)。但實(shí)際上很難做到，因?yàn)橹绷麟娫吹膬?nèi)阻抗和電源引線的交流阻抗不可能為零。利用退耦電容不僅能降低直流電源的內(nèi)阻抗，還能避免各電路之間通過(guò)電源線相互干擾。

　　在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中使用了大量的數(shù)字IC，而每片數(shù)字IC本身都是一個(gè)脈沖干擾源，它們也會(huì)通過(guò)電源線相互干擾。解決辦法是在印制板電源進(jìn)線端并聯(lián)一只10UF~100UF鉭電容進(jìn)行電源退耦，同時(shí)在每個(gè)芯片的電源進(jìn)線端再并聯(lián)一只高頻、低分布的電感的陶瓷電容，容量一般取0.1UF，當(dāng)頻率超過(guò) 15MHZ時(shí)，可取0.01JF，電路如圖所示。退耦電容的引腳要盡量短。