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1、课程主讲人：第第13章章 抗干扰及可靠性设计抗干扰及可靠性设计2 2 第第1 13 3章章 单片机应用系统抗干扰单片机应用系统抗干扰 与可靠性设计与可靠性设计 23 3第第13章章 单片机应用系统抗干扰与可靠性设计单片机应用系统抗干扰与可靠性设计13.1 干扰的来源干扰的来源13.2 供电系统干扰及其抗干扰措施供电系统干扰及其抗干扰措施 13.2.1 电源噪声来源、种类及危害电源噪声来源、种类及危害 13.2.2 供电系统的抗干扰设计供电系统的抗干扰设计13.3 过程通道干扰的抑制措施过程通道干扰的抑制措施隔离隔离 13.3.1 光电隔离的基本配置光电隔离的基本配置 13.3.2 光电隔离的实
2、现光电隔离的实现13.4空间干扰及抗干扰措施空间干扰及抗干扰措施 14.4.1 接地技术接地技术 14.4.2 屏蔽技术屏蔽技术34 413.5 反电势干扰的抑制反电势干扰的抑制13.6 印刷电路板的抗干扰设计印刷电路板的抗干扰设计 13.6.1 地线及电源线设计地线及电源线设计 13.6.2 去耦电容的配置去耦电容的配置 13.6.3 印制板的布线的抗干扰设计印制板的布线的抗干扰设计13.7软件抗干扰措施软件抗干扰措施 13.7.1 软件抗干扰的一般方法软件抗干扰的一般方法 13.7.2 指令冗余和软件陷阱指令冗余和软件陷阱 13.7.3 软件滤波软件滤波 13.7.4 开关量输入开关量输入
3、/输出软件抗干扰设计输出软件抗干扰设计13.8 看门狗定时器的使用看门狗定时器的使用5 5内容概要内容概要 目前，随着单片机应用系统的广泛应用，单片机系统的可靠性越来越受目前，随着单片机应用系统的广泛应用，单片机系统的可靠性越来越受到人们的关注。单片机系统的可靠性是由多种因素决定，其中系统的抗干到人们的关注。单片机系统的可靠性是由多种因素决定，其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要因素。因此，研究抗干扰技术，提扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要因素。因此，研究抗干扰技术，提高单片机系统的抗干扰性能，是本章要研究的内容。本章将从干扰源的来高单片机系统的抗干扰性能，是本章要研究的内容。本
4、章将从干扰源的来源、硬件、软件以及电源系统、接地系统等各个方面研究分析并给出有效源、硬件、软件以及电源系统、接地系统等各个方面研究分析并给出有效可行的解决措施，同时还对软件的抗干扰措施进行了介绍。可行的解决措施，同时还对软件的抗干扰措施进行了介绍。6 613.1 干扰的来源干扰的来源 一般把影响单片机测控系统正常工作的信号称为一般把影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声噪声，又称，又称干扰干扰。在单。在单片机系统中，如果出现干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故片机系统中，如果出现干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生干扰，就会使测量产生误差，电压的冲或控
5、制失灵，在测量通道中产生干扰，就会使测量产生误差，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。击有可能使系统遭到致命的破坏。 环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的，干扰环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的，干扰窜入单片机系统的渠道主要有三条，如窜入单片机系统的渠道主要有三条，如图图13-1所示。所示。7 7图图13-1 单片机测控系统的主要干扰渠道单片机测控系统的主要干扰渠道8 81. 空间干扰空间干扰 空间干扰来源于周围的电气设备如发射机、中频炉、可控硅逆变电源等发空间干扰来源于周围的电气设备如发射机、中频炉、可控硅逆变电源等发出的电干扰和磁干扰；广播电台或
6、通讯发射台发出的电磁波；空中雷电，甚出的电干扰和磁干扰；广播电台或通讯发射台发出的电磁波；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰会使单片机系统不能正常至地磁场的变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰会使单片机系统不能正常工作。工作。2. 供电系统干扰供电系统干扰 由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性负载设备启停会使得由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大感性负载设备启停会使得电网电压大幅度涨落（浪涌），工业电网电压的欠压或过压常常达到额定电电网电压大幅度涨落（浪涌），工业电网电压的欠压或过压常常达到额定电压的压的15% 以上。这种状况有时长达几分钟、几小时、甚至几天
7、。由于大功以上。这种状况有时长达几分钟、几小时、甚至几天。由于大功率开关的通断，电机的启停，电焊等原因，电网上常常出现几百伏，甚至几率开关的通断，电机的启停，电焊等原因，电网上常常出现几百伏，甚至几千伏的尖脉冲干扰。千伏的尖脉冲干扰。9 93. 过程通道干扰过程通道干扰 为了达到数据采集或实时控制的目的，开关量输入输出，模拟量输入输出为了达到数据采集或实时控制的目的，开关量输入输出，模拟量输入输出是必不可少的。在工业现场，这些输入输出的信号线和控制线多至几百条甚是必不可少的。在工业现场，这些输入输出的信号线和控制线多至几百条甚至几千条，其长度往往达几百米或几千米，因此不可避免地将干扰引入单片至
8、几千条，其长度往往达几百米或几千米，因此不可避免地将干扰引入单片机系统。当有大的电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量部件绝缘不好机系统。当有大的电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量部件绝缘不好，都会使通道中直接串入干扰信号；各通道的线路如果同出一根电缆中或绑，都会使通道中直接串入干扰信号；各通道的线路如果同出一根电缆中或绑扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是015V的信号的信号与交流与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中其干扰更为严重。这种彼的电源线同套在一根长达几百米的管中其干扰更为严重。这种彼此感应产生的
9、干扰其表现形式仍然是通道中形成干扰电压。这样，轻者会使此感应产生的干扰其表现形式仍然是通道中形成干扰电压。这样，轻者会使测量的信号发生误差，重者会使有用的信号完全淹没。有时这种通过感应产测量的信号发生误差，重者会使有用的信号完全淹没。有时这种通过感应产生的干扰电压会达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。生的干扰电压会达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。91010以上三种干扰以来自供电系统的干扰最甚，其次为来自过程通道的干扰。以上三种干扰以来自供电系统的干扰最甚，其次为来自过程通道的干扰。对于来自空间的辐射干扰，需加适当的屏蔽及接地来解决。对于来自空间的辐射干扰，需加适当的屏蔽及接地来解决。1
10、3.2 供电系统干扰及其抗干扰措施供电系统干扰及其抗干扰措施 任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰。如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，在线路中不会建立扰。如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，在线路中不会建立起任何干扰电压。起任何干扰电压。 单片机系统中最重要、危害最严重的干扰源来源于电源。在某些大功率单片机系统中最重要、危害最严重的干扰源来源于电源。在某些大功率耗电设备的电网中，经对电源检测发现，在耗电设备的电网中，经对电源检测发现，在50周正弦波上叠加有很多周正弦波上叠加有很多10
11、00多多伏的尖峰电压。伏的尖峰电压。 10111113.2.1 电源噪声来源、种类及危害电源噪声来源、种类及危害 如果把电源电压变化持续时间定义为如果把电源电压变化持续时间定义为t，那么，根据，那么，根据t的大小可以把的大小可以把电电源干扰源干扰分为分为：（1）过压、欠压、停电：）过压、欠压、停电：t1s;（2）浪涌、下陷：）浪涌、下陷：1st10ms;（3）尖峰电压：）尖峰电压：t为为s量级；量级；（4）射频干扰：）射频干扰：t为为ns量级；量级；（5）其它：半周内的停电或者过欠压。）其它：半周内的停电或者过欠压。 过压、欠压、停电的危害是显而易见的，解决的办法是使用各种稳压器过压、欠压、停
12、电的危害是显而易见的，解决的办法是使用各种稳压器、电源调节器，对付暂短时间的停电则配置不间断电源（、电源调节器，对付暂短时间的停电则配置不间断电源（UPS）。）。111212浪涌与下陷是电压的快变化，如果幅度过大也会毁坏系统。即使变化不大浪涌与下陷是电压的快变化，如果幅度过大也会毁坏系统。即使变化不大（1015），直接使用不一定会毁坏系统，但由于电源系统中接有），直接使用不一定会毁坏系统，但由于电源系统中接有反应迟缓的磁饱和或电子交流稳压器，往往会在这些变化点附近产生振荡，反应迟缓的磁饱和或电子交流稳压器，往往会在这些变化点附近产生振荡，使得电压忽高忽低。如果有连续几个使得电压忽高忽低。如果有
13、连续几个1015的浪涌或下陷，由此造的浪涌或下陷，由此造成的振荡能产生成的振荡能产生3040的电源变化，而是系统无法工作，解决的办的电源变化，而是系统无法工作，解决的办法是使用快速响应的交流电源稳压器。法是使用快速响应的交流电源稳压器。尖峰电压持续时间很短，一般不会毁坏系统，但对单片机系统正常运行危尖峰电压持续时间很短，一般不会毁坏系统，但对单片机系统正常运行危害很大，会造成逻辑功能紊乱，甚至冲坏源程序。解决办法是使用具有噪声害很大，会造成逻辑功能紊乱，甚至冲坏源程序。解决办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器、参数稳压器或超隔离变压器。抑制能力的交流电源调节器、参数稳压器或超隔离变压器。
14、射频干扰对单片机系统影响不大，一般加接射频干扰对单片机系统影响不大，一般加接23节低通滤波器既可解决。节低通滤波器既可解决。131313.2.2 供电系统的抗干扰设计供电系统的抗干扰设计 单片机测控系统的供电，常常是一个棘手问题，单单一台高质量的电源单片机测控系统的供电，常常是一个棘手问题，单单一台高质量的电源不足以解决干扰和电压波动问题的，必须完整地设计整个电源供电系统。不足以解决干扰和电压波动问题的，必须完整地设计整个电源供电系统。 逻辑电路是在低电压、大电流下工作，电源的分配就必须引起注意，譬逻辑电路是在低电压、大电流下工作，电源的分配就必须引起注意，譬如一条如一条0.1的电源线回路，对
15、于的电源线回路，对于5A的供电系统，就会把电源电压从的供电系统，就会把电源电压从5V降降到到4.5V，以至不能正常工作。另一方面工作在极高频率下的数字电路，对，以至不能正常工作。另一方面工作在极高频率下的数字电路，对电源线有高频要求，所以一般电源线上的干扰是数字系统最常出现的问题电源线有高频要求，所以一般电源线上的干扰是数字系统最常出现的问题之一。之一。131414 电源分配系统首要的就是良好的接地，系统的地线必须能够吸收来自所有电源分配系统首要的就是良好的接地，系统的地线必须能够吸收来自所有电源系统的全部电流。应该采用粗导线作为电源连接线，地线应尽量短而直电源系统的全部电流。应该采用粗导线作
16、为电源连接线，地线应尽量短而直接走线；对于插件式线路板，应多给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀接走线；对于插件式线路板，应多给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀分布的插针。分布的插针。 在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，建议采用如在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，建议采用如图图13-2所示的供电配置并采取如下措施：所示的供电配置并采取如下措施： （1）交流近线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰）交流近线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网上大功率设备启，如电网上大功率设备启停造成的瞬间干扰。滤波器市场上的产品有一级、二级滤波器之分，安装时停造成的瞬间干扰
17、。滤波器市场上的产品有一级、二级滤波器之分，安装时外壳要加屏蔽并良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波外壳要加屏蔽并良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许器仅允许50Hz交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。 141515图图13-2 供电配置原理框图供电配置原理框图1616（2）要求高的系统加交流稳压器。要求高的系统加交流稳压器。（3）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。（4）采用集成稳压块两级稳压。目前市场上集成稳压块有许多种，如提供采用集成稳压
18、块两级稳压。目前市场上集成稳压块有许多种，如提供正电源的正电源的7805、7812、7820、7824以及提供负电压的以及提供负电压的79系列稳压块，它们系列稳压块，它们内部是多级稳压电路，采用两级稳压，效果好。例如主机电源先用内部是多级稳压电路，采用两级稳压，效果好。例如主机电源先用7809稳稳到到9V，再用，再用7805稳到稳到5V。（5）直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。（6）交流电源线与其他线尽量分开，减少再度耦合干扰。如滤波器的输出交流电源线与其他线尽量分开，减少再度耦合干扰。如滤波器的输出161717线上干扰已减少，应使其与电源
19、进线级滤波器外壳保持一定距离，交流电线上干扰已减少，应使其与电源进线级滤波器外壳保持一定距离，交流电源线与直流电源线即信号线分开走线。源线与直流电源线即信号线分开走线。（7）电源线与信号线一般都通过地板下面走线，而且不可把两线靠得太近电源线与信号线一般都通过地板下面走线，而且不可把两线靠得太近或互相平行，以减少电源信号线的影响。或互相平行，以减少电源信号线的影响。（8）在每块印刷版的电源与地之间并接退耦电容。即在每块印刷版的电源与地之间并接退耦电容。即510F的电解电容的电解电容和一个和一个0.011.0F的电容，以消除直流电源与地线中的脉冲电流所造成的的电容，以消除直流电源与地线中的脉冲电流
20、所造成的干扰。干扰。 13.3 过程通道干扰的抑制措施过程通道干扰的抑制措施隔离隔离 过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传输的路径。过程过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传输的路径。过程通道的干扰主要采用光电隔离技术。通道的干扰主要采用光电隔离技术。171818图图13-3 光电耦合隔离的基本配置光电耦合隔离的基本配置 191913.3.1 光电隔离的基本配置光电隔离的基本配置 采用光电耦合器可以将单片机与前向、后向以及其他部分切断电路的联系采用光电耦合器可以将单片机与前向、后向以及其他部分切断电路的联系，能有效地防止干扰从过程通道进入单片机。其原理如，能有效地防止干扰
21、从过程通道进入单片机。其原理如图图14-3所示。光电耦所示。光电耦合的主要优点是能有效抑制尖峰脉冲以及各种噪声干扰，从而使过程通道上合的主要优点是能有效抑制尖峰脉冲以及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。的信噪比大大提高。13.3.2 光电隔离的实现光电隔离的实现1. ADC、DAC与单片机之间的隔离与单片机之间的隔离 对对CPU数据总线进行隔离是一种十分理想的方法，全部数据总线进行隔离是一种十分理想的方法，全部I/O端口均被隔离端口均被隔离。但是，由于在。但是，由于在CPU数据总线上是高速（数据总线上是高速（S级）双向传输，这就要求频率响级）双向传输，这就要求频率响应为应为MHz
22、级的隔离器件，这种器件目前价格较高。因此，这种方法采用的不级的隔离器件，这种器件目前价格较高。因此，这种方法采用的不192020多。通常用下列方法将多。通常用下列方法将ADC、DAC与单片机间的电气联系切断。与单片机间的电气联系切断。 （1）对）对A/D、D/A进行模拟隔离进行模拟隔离 对对A/D、D/A变换前后的模拟信号进行隔离，是常用的一种方法。通常采变换前后的模拟信号进行隔离，是常用的一种方法。通常采用隔离放大器对模拟量进行隔离。但所用的隔离型放大器必须满足用隔离放大器对模拟量进行隔离。但所用的隔离型放大器必须满足A/D、D/A变换的精度和线性要求。例如，如果对变换的精度和线性要求。例如
23、，如果对12位位A/D、D/A变换器进行隔离，其隔变换器进行隔离，其隔离放大器要达到离放大器要达到13位，甚至位，甚至14位精度，如此高精度的隔离放大器，价格昂贵位精度，如此高精度的隔离放大器，价格昂贵。 （2）在）在I/O与与A/D、D/A之间进行数字隔离之间进行数字隔离 这种方案最经济，也称数字隔离。这种方案最经济，也称数字隔离。A/D变换时，先将模拟量变为数字量，变换时，先将模拟量变为数字量，对数字量进行隔离，然后再送入单片机。对数字量进行隔离，然后再送入单片机。D/A变换时，先将数字量进行隔离变换时，先将数字量进行隔离，然后进行，然后进行D/A变换。这种方法的优点是方便、可靠、廉价，不
24、影响变换。这种方法的优点是方便、可靠、廉价，不影响A/D、D/A的精度和线性度。缺点是速度不高。如果用廉价的光电隔离器件，最大的精度和线性度。缺点是速度不高。如果用廉价的光电隔离器件，最大212130005000点，这对于一般工业测控对象（如温度、湿度、压力等）点，这对于一般工业测控对象（如温度、湿度、压力等）已能满足要求。已能满足要求。 图图13-4所示是实现数字隔离的一个例子。该例将输出的数字量经锁所示是实现数字隔离的一个例子。该例将输出的数字量经锁存器锁存后，驱动光电隔离器，经光电隔离之后的数字量被送到存器锁存后，驱动光电隔离器，经光电隔离之后的数字量被送到D/A变换变换器。但要注意的是
25、，现场电源器。但要注意的是，现场电源F+5V，现场地，现场地FGND和系统电源和系统电源S5V及系及系统地统地SGND，必须分别由两个隔离电源供电。，必须分别由两个隔离电源供电。还应指出的是，还应指出的是，光电隔离器件的数量不能太多，光电隔离器件的数量不能太多，由于光电隔离器件的由于光电隔离器件的发光二极管与受光三极管之间存在分布电容。当数量较多时，必须考虑将发光二极管与受光三极管之间存在分布电容。当数量较多时，必须考虑将并联输出改为串联输出的方式，这样可使光电器件大大减少，且保持很高并联输出改为串联输出的方式，这样可使光电器件大大减少，且保持很高的抗干扰能力，但传送速度下降了。的抗干扰能力，
26、但传送速度下降了。 212222图图13-4 数字隔离原理图数字隔离原理图23232. 开关量隔离开关量隔离常用的开关量隔离器件有继电器、光电隔离器、光电隔离固态继电器（常用的开关量隔离器件有继电器、光电隔离器、光电隔离固态继电器（SSR）。）。用继电器对开关量进行隔离时，要考虑到继电器线包的反电动势的影响用继电器对开关量进行隔离时，要考虑到继电器线包的反电动势的影响，驱动电路的器件必须能耐高压。为了吸收继电器线包的反电动势通常在，驱动电路的器件必须能耐高压。为了吸收继电器线包的反电动势通常在线包两端并联一个二极管。其触点并联一个消火花电容器，容量可在线包两端并联一个二极管。其触点并联一个消火
27、花电容器，容量可在0.10.047F之间选择，耐压视负荷电压而定。之间选择，耐压视负荷电压而定。对于开关量的输入，一般用电流传输的方法。此方法抗干扰能力强，如对于开关量的输入，一般用电流传输的方法。此方法抗干扰能力强，如图图14-5所示。所示。R1为限流电阻，为限流电阻，D1、R2为保护二极管和保护电阻。当外部为保护二极管和保护电阻。当外部2424图图13-5 开关量的电流传输原理图开关量的电流传输原理图 2525开关闭合时，有电源E产生电流，使光电二极管导通，采用不同的使光电二极管导通，采用不同的R1, R2值值以保证良好的干扰能力。以保证良好的干扰能力。固态继电器代替机械触点的继电器是十分
28、优越的固态继电器代替机械触点的继电器是十分优越的。固态继电器是将发光二极管与可控硅封装在一起的一种新型器件。当发。固态继电器是将发光二极管与可控硅封装在一起的一种新型器件。当发光二极管导通时，可控硅被触发而接通电路。固态继电器视触发方式不同光二极管导通时，可控硅被触发而接通电路。固态继电器视触发方式不同，可分为过零触发与非过零触发两大类。过零触发的固态继电器，本身几，可分为过零触发与非过零触发两大类。过零触发的固态继电器，本身几乎不产生干扰，这对单片机控制是十分有利的，但造价是一般继电器的乎不产生干扰，这对单片机控制是十分有利的，但造价是一般继电器的510倍。倍。13.4 空间干扰及抗干扰措施
29、空间干扰及抗干扰措施 空间干扰主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收和解调。干空间干扰主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收和解调。干扰来自应用系统的内部和外部，市电电源线是无线电波的媒介，而在电网扰来自应用系统的内部和外部，市电电源线是无线电波的媒介，而在电网中有脉冲源工作时，它又是辐射天线，中有脉冲源工作时，它又是辐射天线，因而任一线路、导线、壳体等在空2626间均同时存在辐射、接收、调制。在现场解决空间干扰时，首先要正确判断间均同时存在辐射、接收、调制。在现场解决空间干扰时，首先要正确判断是否是空间干扰，可在系统供电电源入口处接入是否是空间干扰，可在系统供电电源入口处接入WR
30、Y型微机干扰抑制器，型微机干扰抑制器，观察干扰现象是否继续存在，如继续存在则可认为空间干扰。空间干扰观察干扰现象是否继续存在，如继续存在则可认为空间干扰。空间干扰不一定是来自系统外部，空间干扰的抗干扰设计主要是地线系统设计，不一定是来自系统外部，空间干扰的抗干扰设计主要是地线系统设计，系统的屏蔽与布局设计。系统的屏蔽与布局设计。13.4.1 接地技术接地技术接地种类接地种类有两大类接地。一类是为人身或设备安全目的，而把设备的外壳接地，这称有两大类接地。一类是为人身或设备安全目的，而把设备的外壳接地，这称之为外壳接地或安全接地；另外一类接地是为电路工作提供一个公共的之为外壳接地或安全接地；另外一
31、类接地是为电路工作提供一个公共的电位参考点，这种地称为工作接地。电位参考点，这种地称为工作接地。2727（1）外壳接地）外壳接地 外壳接地是真正的与大地连接，以使漏到机壳的电荷能及时泄放到地球外壳接地是真正的与大地连接，以使漏到机壳的电荷能及时泄放到地球上去，这样才能确保人身和设备的安全。外壳接地的接地电阻应当尽量低上去，这样才能确保人身和设备的安全。外壳接地的接地电阻应当尽量低，因此在材料及施工方面均有一定的要求。外壳接地是十分重要的，但实，因此在材料及施工方面均有一定的要求。外壳接地是十分重要的，但实际上往往又为人们所忽视。际上往往又为人们所忽视。（2）工作接地）工作接地 工作接地是电路工
32、作需要而进行的。在许多情况下，工作地不与设备外工作接地是电路工作需要而进行的。在许多情况下，工作地不与设备外壳相连，因此工作地的零电位参考点（及工作地）相对地球的大地是浮空壳相连，因此工作地的零电位参考点（及工作地）相对地球的大地是浮空的。所以也把工作地称为的。所以也把工作地称为“浮地浮地”。2728282. 接地系统接地系统 正确、合理接地，是单片机应用系统抑制干扰的主要方法。正确、合理接地，是单片机应用系统抑制干扰的主要方法。 在单片机应用系统中，前述两大类地按单元电路的性质又可分为以下在单片机应用系统中，前述两大类地按单元电路的性质又可分为以下几种接地：几种接地：n 数字地（又称逻辑地）
33、，为逻辑电路的零电位。数字地（又称逻辑地），为逻辑电路的零电位。n 模拟地，为模拟地，为A/D转换、前置放大器或比较器的零电位。转换、前置放大器或比较器的零电位。n 信号地，通常为传感器的地。信号地，通常为传感器的地。n 小信号前置放大器的地。小信号前置放大器的地。n 功率地，为大的电流网络部件的零电位。功率地，为大的电流网络部件的零电位。n 交流地，交流交流地，交流50Hz地线，这种地线是噪声地。地线，这种地线是噪声地。n 屏蔽地，为防止静电感应和磁场感应而设置的地。屏蔽地，为防止静电感应和磁场感应而设置的地。2929以上这些地线如何处理，是浮地还是接地？是一点地接还是多点接地？这以上这些地
34、线如何处理，是浮地还是接地？是一点地接还是多点接地？这些是单片机测控系统设计、安装、调试中的一个大问题。下面就来讨论。些是单片机测控系统设计、安装、调试中的一个大问题。下面就来讨论。（1）机壳接地与浮地的比较）机壳接地与浮地的比较 全机浮空，即机器各个部分全部与大地浮置起来。这种方法有一定的抗全机浮空，即机器各个部分全部与大地浮置起来。这种方法有一定的抗干扰能力，但要求机器与大地的绝缘电阻不能小于干扰能力，但要求机器与大地的绝缘电阻不能小于50M，且一旦绝缘下降，且一旦绝缘下降便会带来干扰；另外，浮空容易产生静电，导致干扰。便会带来干扰；另外，浮空容易产生静电，导致干扰。 另一种，就是测控系统
35、的机壳接地，其余部分浮空，如另一种，就是测控系统的机壳接地，其余部分浮空，如图图13-6所示。浮所示。浮空部分应设置必要的屏蔽，例如双层屏蔽浮地或多层屏蔽。这种方法干扰能空部分应设置必要的屏蔽，例如双层屏蔽浮地或多层屏蔽。这种方法干扰能力力3030强，而且安全可靠，但工艺较复杂。两种方法比较，后者较好，并为越来强，而且安全可靠，但工艺较复杂。两种方法比较，后者较好，并为越来越多的人所采用。越多的人所采用。 图图13-6 机壳接地机壳接地3131（2）一点接地与多点接地的应用原则）一点接地与多点接地的应用原则 一般而言，低频（一般而言，低频（1MHz以下）电路应一点接地，如以下）电路应一点接地，
36、如图图13-7所示。高频（所示。高频（10MHz以上）电路应多点就近接地。因为，在低频电路中，布线和元件间的以上）电路应多点就近接地。因为，在低频电路中，布线和元件间的电感较小，而接地电路形成的环路，对干扰的影响却很大，因此应一点接地电感较小，而接地电路形成的环路，对干扰的影响却很大，因此应一点接地；对于高频电路，地线上具有电感，因为增加了地线阻抗，同时各地线之间；对于高频电路，地线上具有电感，因为增加了地线阻抗，同时各地线之间产生了电感耦合。当频率甚高时，特别是当地线长度等于产生了电感耦合。当频率甚高时，特别是当地线长度等于1/4波长的奇数倍时波长的奇数倍时，地线阻抗就会变得很高，这时地线变
37、成了天线，可以向外辐射噪声信号。，地线阻抗就会变得很高，这时地线变成了天线，可以向外辐射噪声信号。 单片机测控系统的工作频率大多较低，对它起作用的干扰频单片机测控系统的工作频率大多较低，对它起作用的干扰频率也大都在1MHz以下，故宜采用一点接地。在1MHz100MHz之间，如用一点接地，其地线长度不得超过波长的1/20。否则应该多点接地。3232图图13-7 一点接地一点接地3333（3）交流地与信号地不能共用）交流地与信号地不能共用因为在一段电源地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏电压，对低电平信号因为在一段电源地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏电压，对低电平信号电路来说，这是一个非常严重的干扰电
38、路来说，这是一个非常严重的干扰,因此，交流地和信号地不能共用，因此，交流地和信号地不能共用，图图13-8为一种不正确的接法。为一种不正确的接法。（4）数字地和模拟地）数字地和模拟地数字地通常有很大的噪声而且电平的跳跃会造成很大的电流尖峰。所有的数字地通常有很大的噪声而且电平的跳跃会造成很大的电流尖峰。所有的模拟公共导线（地）应该与数字公共导线（地）分开走线，然后只是一点汇模拟公共导线（地）应该与数字公共导线（地）分开走线，然后只是一点汇在一起。因此，要把各芯片所有的在一起。因此，要把各芯片所有的模拟地和数字地分别相连，然后模拟（公模拟地和数字地分别相连，然后模拟（公3434图图13-8 不正确
39、的接地不正确的接地3535共）地与数字（公共）地仅在一点相连接，在此连接点外，在芯片和其他地与数字（公共）地仅在一点相连接，在此连接点外，在芯片和其他电路中且不可再有公共点，见电路中且不可再有公共点，见图图13-9。但在。但在ADC和和DAC电路中，要注意地电路中，要注意地线的正确连接，否则转换将不准确。线的正确连接，否则转换将不准确。ADC和和DAC电路地线的正确接法是，电路地线的正确接法是，先将先将ADC和和DAC芯片上的模拟地引脚与数字地引脚尽可能短的连接，然后芯片上的模拟地引脚与数字地引脚尽可能短的连接，然后再接到模拟地上。再接到模拟地上。 图图13-9 数字地和模拟地正确的地线连接数
40、字地和模拟地正确的地线连接 3636（5）微弱信号模拟地的接法）微弱信号模拟地的接法 A/D转换器在采集转换器在采集050mV微小信号时，模拟地的接法极为重要。为提高微小信号时，模拟地的接法极为重要。为提高抗共模干扰的能力，可用三线采样双层屏蔽浮地技术。这种三线采样双层屏抗共模干扰的能力，可用三线采样双层屏蔽浮地技术。这种三线采样双层屏蔽技术是抗共模干扰最有效的方法。蔽技术是抗共模干扰最有效的方法。（6）功率地）功率地 这种地线电流大，地线应粗些，且应与小信号分开走线。这种地线电流大，地线应粗些，且应与小信号分开走线。13.4.2 屏蔽技术屏蔽技术 高频电源、交流电源、强电设备产生的电火花甚至
41、雷电，都能产生电磁波高频电源、交流电源、强电设备产生的电火花甚至雷电，都能产生电磁波，从而成为电磁干扰的噪声源。当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电，从而成为电磁干扰的噪声源。当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电感耦合到信号回路而形成电磁干扰；当距离较远时，电磁波则以辐射形式感耦合到信号回路而形成电磁干扰；当距离较远时，电磁波则以辐射形式3737构成干扰。构成干扰。单片机使用的振荡器，本身就是一个电磁干扰源，同时也由于它又极易单片机使用的振荡器，本身就是一个电磁干扰源，同时也由于它又极易受其他电磁干扰的影响，破坏单片机的正常工作。受其他电磁干扰的影响，破坏单片机的正常工作。屏蔽可分为以下屏
42、蔽可分为以下三类三类：（1）电磁屏蔽）电磁屏蔽，防止电磁场的干扰；，防止电磁场的干扰；电磁屏蔽电磁屏蔽主要是防止高频电磁波辐射的干扰，以金属板、金属网或金属主要是防止高频电磁波辐射的干扰，以金属板、金属网或金属盒构成的屏蔽体能有效地对付电磁波的干扰。屏蔽体以反射方式和吸收方盒构成的屏蔽体能有效地对付电磁波的干扰。屏蔽体以反射方式和吸收方式来削弱电磁波，从而形成对电磁波的屏蔽作用。式来削弱电磁波，从而形成对电磁波的屏蔽作用。（2）磁屏蔽）磁屏蔽，防止磁场的干扰；，防止磁场的干扰；磁场屏蔽磁场屏蔽是防止电极、变压器、磁铁、线圈等的磁感应和磁耦合，使用是防止电极、变压器、磁铁、线圈等的磁感应和磁耦合
43、，使用高导磁材料做成屏蔽层，是磁路闭合，一般接大地。当屏蔽低频磁场时，高导磁材料做成屏蔽层，是磁路闭合，一般接大地。当屏蔽低频磁场时，3838选择磁钢、坡莫合金、铁等导磁率高的材料；而屏蔽高频磁场则应选择选择磁钢、坡莫合金、铁等导磁率高的材料；而屏蔽高频磁场则应选择铜、铝等导电率高的材料。铜、铝等导电率高的材料。 （3）电场屏蔽，）电场屏蔽，防止电场的耦合干扰。防止电场的耦合干扰。电场屏蔽电场屏蔽是为了解决分布电容问题一般是接大地，这主要是指单层屏蔽是为了解决分布电容问题一般是接大地，这主要是指单层屏蔽。对于双层屏蔽，例如双变压器，原边屏蔽接机壳（即接大地），副边屏蔽。对于双层屏蔽，例如双变压
44、器，原边屏蔽接机壳（即接大地），副边屏蔽接到浮地的屏蔽盒。接到浮地的屏蔽盒。当一个接地的放大器与一个不接地的信号源相连时，连接电缆的屏蔽层当一个接地的放大器与一个不接地的信号源相连时，连接电缆的屏蔽层应接到放大器公共端。反之，应接信号源的公共端。高增益放大器的屏蔽层应接到放大器公共端。反之，应接信号源的公共端。高增益放大器的屏蔽层应接到放大器的公共端。应接到放大器的公共端。 为了有效发挥屏蔽体的屏蔽作用，还应注意屏蔽体的接地问题。为了消为了有效发挥屏蔽体的屏蔽作用，还应注意屏蔽体的接地问题。为了消除屏蔽体与内部电路的寄生电容，屏蔽体应按除屏蔽体与内部电路的寄生电容，屏蔽体应按“一点接地一点接地
45、”的原则接地。的原则接地。393913.5 反电势干扰的抑制反电势干扰的抑制在单片机应用系统中，常使用较大电感量的元件或设备，如继电器、电在单片机应用系统中，常使用较大电感量的元件或设备，如继电器、电动机、电磁阀等。当电感回路的电流被切断时，会产生很大的反电势而形动机、电磁阀等。当电感回路的电流被切断时，会产生很大的反电势而形成噪声干扰。这种反电势甚至可能击穿电路中晶体管之类的器件，反电势成噪声干扰。这种反电势甚至可能击穿电路中晶体管之类的器件，反电势形成的噪声干扰能产生电磁场，对单片机应用系统中的其它电路产生干扰形成的噪声干扰能产生电磁场，对单片机应用系统中的其它电路产生干扰，这时可采用如下
46、措施来抑制反电势干扰：，这时可采用如下措施来抑制反电势干扰：（1）如果通过电感线圈的是直流电流，可在线圈两端并联二极管和稳如果通过电感线圈的是直流电流，可在线圈两端并联二极管和稳压管，如压管，如图图13-10(a) 所示。所示。在稳定工作时，并联支路被二极管在稳定工作时，并联支路被二极管D阻断而不起作用；当三极管阻断而不起作用；当三极管T由通道由通道变为截止时，在电感线圈两端产生反电势变为截止时，在电感线圈两端产生反电势e。此电势可在并联支路中流通，。此电势可在并联支路中流通，因此因此e的幅值被限制在稳压管的幅值被限制在稳压管DW的工作电压范围之内，并被很快消耗掉的工作电压范围之内，并被很快消
47、耗掉,4040从而抑制了反电势的干扰。使用时从而抑制了反电势的干扰。使用时DW的工作电压应选择得比外加电源高些的工作电压应选择得比外加电源高些。如果把稳压管换为电阻，同样可以达到抑制反电势的目的，如。如果把稳压管换为电阻，同样可以达到抑制反电势的目的，如图图13-10（b）所示，因此也适用于直流驱动线圈的电路。在这个电路中，电阻的阻值所示，因此也适用于直流驱动线圈的电路。在这个电路中，电阻的阻值范围可以从几欧到几十欧。阻值太小，反电势衰减得慢；而阻值太大又会范围可以从几欧到几十欧。阻值太小，反电势衰减得慢；而阻值太大又会图图13-10 反电势的抑制电路反电势的抑制电路 4141增大反电势的幅值
48、。增大反电势的幅值。（2）反电势抑制电路也可由电阻和电容组成，见反电势抑制电路也可由电阻和电容组成，见图图13-11。适当选择。适当选择R、C参数，也能获得较好的耗能效果。这种电路不仅适用于交流驱动的线圈参数，也能获得较好的耗能效果。这种电路不仅适用于交流驱动的线圈，也适用于直流驱动的线圈。，也适用于直流驱动的线圈。（3）反电势抑制电路不但可以接在线圈的两端，也可以接在开关的两反电势抑制电路不但可以接在线圈的两端，也可以接在开关的两端，例如继电器，接触器等部件在操作时，开关会产生较大的火花，必须端，例如继电器，接触器等部件在操作时，开关会产生较大的火花，必须利用利用RC电路加以吸收，如电路加以
49、吸收，如图图13-12所示。对于图所示。对于图13-12（b），一般），一般R取取12K，C取取2.24.7F。4242图图13-11 由由RC组成的抑制电路组成的抑制电路 图图13-12 开关两端的反电势抑制电路开关两端的反电势抑制电路 434313.6 印刷电路板的抗干扰设计印刷电路板的抗干扰设计印刷电路板（也称印制版）是单片机系统中器件、信号线、电源线的高密印刷电路板（也称印制版）是单片机系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设计决不单是器件、线路的简单布局安排，还
50、必须符合抗干扰的设计原则。计决不单是器件、线路的简单布局安排，还必须符合抗干扰的设计原则。13.6.1 地线及电源线设计地线及电源线设计1. 地线宽度地线宽度加粗地线能降低导线电阻，是它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有加粗地线能降低导线电阻，是它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，地址宽度应在可能，地址宽度应在23mm以上。以上。2. 接地线构成闭环路接地线构成闭环路接地线构成闭环路能明显地提高抗噪声能力。闭环形状能显著地缩短接地线构成闭环路能明显地提高抗噪声能力。闭环形状能显著地缩短4444线路的环路，降低线路阻抗，从而减少干扰。但要注意环路所包围的线路的环路，降低线路阻抗，从而减