1、电路干扰设计措施 大学生创新培训讲座 杨忠孝主讲电路产生电磁干扰的要素 干扰源 干扰途径 对电磁干扰敏感的电路电子电路抗干扰设计的依据 抑制干扰源 切断干扰途径 保护敏感器件抑制干扰源常用的方法抑制干扰源常用的方法(1)(1)消除线圈反向电动势的方法消除线圈反向电动势的方法 抑制干扰源常用的方法抑制干扰源常用的方法(2)(2)消除接点火花的方法消除接点火花的方法 抑制干扰源常用的方法抑制干扰源常用的方法(3)(3)减小电机电磁噪声的方法减小电机电磁噪声的方法 LI=L2=100HLI=L2=100H、C1=C2=4700pFC1=C2=4700pF、C3C30.01F0.01F左右左右C1C1
2、、C2C2接电机外壳。注意电容、接电机外壳。注意电容、电感的引线要尽量短。电感的引线要尽量短。抑制干扰源常用的方法抑制干扰源常用的方法(4)(4)减小高频噪声对减小高频噪声对ICIC干扰的方法干扰的方法每个每个ICIC并接一个并接一个0.010.01O.1FO.1F的高频滤波电容的高频滤波电容 抑制干扰源常用的方法抑制干扰源常用的方法(5)PCB(5)PCB板的正确布线板的正确布线 抑制干扰源常用的方法抑制干扰源常用的方法(6)(6)消除可控硅干扰的方法消除可控硅干扰的方法 一般一般C1=0.01 FC1=0.01 F、R1=100300R1=100300左右。左右。切断干扰传播路径切断干扰传
3、播路径 按干扰传播路按干扰传播路径可分为传导径可分为传导干扰和辐射干干扰和辐射干扰两类扰两类(1)(1)消除电源噪消除电源噪声的方法声的方法 切断干扰传播路径切断干扰传播路径 (2)(2)与噪声源隔离的方法与噪声源隔离的方法 L1=1.3HL1=1.3H左右（为磁珠电感器）。也可用左右（为磁珠电感器）。也可用1OO1OO左右的电阻代替。左右的电阻代替。C1=C2=1000pFC1=C2=1000pF左右左右 切断干扰传播路径切断干扰传播路径 (3)(3)晶振的正确安装晶振的正确安装切断干扰传播路径切断干扰传播路径 (4)(4)电路板的合理分区电路板的合理分区 设计设计PCBPCB板时分区要合理
4、，如强、弱信号，数板时分区要合理，如强、弱信号，数字、模拟信号要分开。尽可能把干扰源字、模拟信号要分开。尽可能把干扰源(如电机、如电机、继电器等继电器等)与敏感器件与敏感器件(如单片机等芯片如单片机等芯片)远离。远离。切断干扰传播路径切断干扰传播路径 (5)(5)数宇地与模拟地的分离数宇地与模拟地的分离 切断干扰传播路径切断干扰传播路径 (6)(6)功率器件的放置与接地功率器件的放置与接地 大功率大功率电路电路大功率大功率电路电路切断干扰传播路径切断干扰传播路径 (7)(7)关键连接线的处理关键连接线的处理 在单片机在单片机I Io o口或其它芯片输入输出端、口或其它芯片输入输出端、电源线、电
5、路板连接线等关键地方使用抗电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件。如磁珠、磁环、电源滤波器、干扰元件。如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩、光电隔离器等。可显著提高电路屏蔽罩、光电隔离器等。可显著提高电路的抗干扰性。的抗干扰性。提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能 (1)(1)减小关键相邻两线回路环面积减小关键相邻两线回路环面积 提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能 (2)(2)设置较宽大的电源线和接地线设置较宽大的电源线和接地线 布线时，电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，布线时，电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。更重要的是降低耦合噪声。(
6、3)(3)闲置管脚的处理方法闲置管脚的处理方法 对于单片机的闲置管脚，不要悬空。可根据电气对于单片机的闲置管脚，不要悬空。可根据电气性能要求接地或接电源。其它性能要求接地或接电源。其它ICIC的闲置端在不改的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。变系统逻辑的情况下接地或接电源。（4 4）使用电源看门狗电路）使用电源看门狗电路 对单片机等重要芯片要使用电源监控及看门狗电对单片机等重要芯片要使用电源监控及看门狗电路，对于一般芯片可接入去耦电容，可大幅度提路，对于一般芯片可接入去耦电容，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。高整个电路的抗干扰性能。提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能
7、（5 5）尽量使用速度较低的芯片）尽量使用速度较低的芯片 在能满足电路性能要求的前提下，尽量降低单片在能满足电路性能要求的前提下，尽量降低单片机的晶振频率和选用低速数字电路。机的晶振频率和选用低速数字电路。（6 6）ICIC器件尽量直接焊接在电路板上，少器件尽量直接焊接在电路板上，少用用lClC插座，增加芯片的抗干扰性能插座，增加芯片的抗干扰性能 设计印刷电路板时，必须要考虑抗干扰问题。即设计印刷电路板时，必须要考虑抗干扰问题。即使电路原理图设计正确，而由于印刷电路板设计使电路原理图设计正确，而由于印刷电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响
8、。单片机控制系统的抗干扰技术单片机控制系统的抗干扰技术电磁干扰一般是以脉冲形式进入单片机系统，渠道主要有三条：空间干扰(场干扰)，电磁信号通过空间辐射进入系统。过程通道干扰，干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道进入。供电系统干扰，电磁信号通过供电线路进入系统。一般情况下空间干扰在强度上远小于其它两种，故微机系统中应重点防止过程通道与供电系统的干扰。硬件措施 光电隔离 过压保护电路 抗干扰电源 配置去耦电容 良好接地主要从系统硬件、软件和CPU上采取的 软件措施 单片机在输出信号时，外部干扰有可能使信号出错。如系统中单片机发出的驱动步进电机的信号经锁存器锁存后传送给驱动电
9、路，锁存器对干扰非常敏感，当锁存线上出现干扰时，会盲目锁存当前数据，而不管是否有效。因此应将锁存器与单片机安装在同一电路板上，使传输线上传送的是已经锁存好的控制信号。在软件上，最有效的方法就是重复输出同一个信号，只要重复周期尽可能短，锁存器接收到一个被干扰的错误信号后还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信号又来到，就可以及时防止错误动作的产生。CPUCPU抗干扰措施抗干扰措施 前面几项抗干扰措施是针对前面几项抗干扰措施是针对I/OI/O通道，干扰通道，干扰还未作用到单片机本身，这时单片机还能正还未作用到单片机本身，这时单片机还能正确无误地执行各种抗干扰程序，当干扰作用确无误地执行各种抗干扰程
10、序，当干扰作用到单片机本身时（通过干扰三总线等），单到单片机本身时（通过干扰三总线等），单片机将不能按正常状态执行程序，从而引起片机将不能按正常状态执行程序，从而引起混乱。如何发现单片机受到干扰，如何拦截混乱。如何发现单片机受到干扰，如何拦截失去控制的程序流向，如何使系统的损失减失去控制的程序流向，如何使系统的损失减小，如何恢复系统的正常运行，这些就是小，如何恢复系统的正常运行，这些就是CPUCPU抗干扰需要解决的问题。抗干扰需要解决的问题。人工复位人工复位 对于失控的对于失控的CPUCPU，最简单的方法是使其复位，程序自，最简单的方法是使其复位，程序自动从动从0000H0000H开始执行。为
11、此只要在单片机的开始执行。为此只要在单片机的RESETRESET端端加上一个高电平信号，并持续加上一个高电平信号，并持续10ms10ms以上即可。以上即可。掉电保护掉电保护 电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态，电网电压恢复正常后，微机系统难以恢复正常。状态，电网电压恢复正常后，微机系统难以恢复正常。对付这一类事故的有效方法就是掉电保护。掉电信号对付这一类事故的有效方法就是掉电保护。掉电信号由硬件电路检测到，加到单片机的外部中断输入端。由硬件电路检测到，加到单片机的外部中断输入端。软件中断将掉电中断规定为高级中断，使系统及时对软件中断
12、将掉电中断规定为高级中断，使系统及时对掉电作出反应。在掉电中断子程序中，首先进行现场掉电作出反应。在掉电中断子程序中，首先进行现场保护，保存当时重要的状态参数，当电源恢复正常时，保护，保存当时重要的状态参数，当电源恢复正常时，CPUCPU重新复位，恢复现场，继续未完成的工作。重新复位，恢复现场，继续未完成的工作。睡眠抗干扰睡眠抗干扰 CMOSCMOS型的型的5151系列单片机具有睡眠状态，此时只有定系列单片机具有睡眠状态，此时只有定时时/计数系统和中断系统处于工作状态。这时计数系统和中断系统处于工作状态。这时CPUCPU对对系统三总线上出现的干扰不会作出任何反应，从而系统三总线上出现的干扰不会
13、作出任何反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。大大降低系统对干扰的敏感程度。仔细分析系统软件后发现，仔细分析系统软件后发现，CPUCPU很多情况下是在执很多情况下是在执行一些等待指令和循环检查程序，由于这时行一些等待指令和循环检查程序，由于这时CPUCPU虽虽没有重要工作，但却是清醒的，很容易受干扰。让没有重要工作，但却是清醒的，很容易受干扰。让CPUCPU在没有正常工作时休眠，必要时再由中断系统在没有正常工作时休眠，必要时再由中断系统来唤醒它，之后又处于休眠。采用这种安排之后，来唤醒它，之后又处于休眠。采用这种安排之后，大多数大多数CPUCPU可以有可以有505095%95%的时间用于睡眠
14、，从而的时间用于睡眠，从而使使CPUCPU受到随机干扰的威胁大大降低，同时降低了受到随机干扰的威胁大大降低，同时降低了CPUCPU的功耗。的功耗。指令冗余指令冗余 当当CPUCPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。这时我们首先要令码来执行，引起程序混乱。这时我们首先要尽快将程序引入正轨尽快将程序引入正轨(执行真正的指令系列执行真正的指令系列)。MCS-51MCS-51系统中所有指令都不超过个字节，系统中所有指令都不超过个字节，而且有很多单字节指令。当程序弹飞到某一条而且有很多单字节指令。当程序弹飞到某一条单字节指令上时，便自动纳入正轨
15、。当弹飞到单字节指令上时，便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节或三字书指令上时，有可能落到其某一双字节或三字书指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。因此，我们应多采操作数上，从而继续出错。因此，我们应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令（些单字节指令（NOPNOP），或将有效单字节指令），或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余技术。重复书写，这便是指令冗余技术。指令冗余指令冗余 在双字节和三字节指令之后插入两条在双字节和三字节指令之后插入两条NOPNOP指令，可保指令，可保护其后的指令不被拆散。或者说，某指令前如果插入护其后
16、的指令不被拆散。或者说，某指令前如果插入两条两条NOPNOP指令，则这条指令就不会被前面冲下来的失指令，则这条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散，并将被完整执行，从而使程序走上正轨。控程序拆散，并将被完整执行，从而使程序走上正轨。但不能加入太多的冗余指令，以免明显降低程序正常但不能加入太多的冗余指令，以免明显降低程序正常运行的效率。因此，常在一些对程序流向起决定作用运行的效率。因此，常在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条的指令之前插入两条NOPNOP指令，以保证弹飞的程序迅指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。此类指令有：速纳入正确的控制轨道。此类指令有：RETRET、RET
17、IRETI、LCALLLCALL、SJMPSJMP、JZJZ、CJNECJNE等。在某些对系统工作状态等。在某些对系统工作状态至关重要的指令至关重要的指令(如如SETB EASETB EA之类之类)前也可插人两条前也可插人两条NOPNOP指令，以保证被正确执行。上述关键指令中，指令，以保证被正确执行。上述关键指令中，RETRET和和RETIRETI本身即为单字节指令，可以直接用其本身来代替本身即为单字节指令，可以直接用其本身来代替NOPNOP指令，但有可能增加潜在危险，不如指令，但有可能增加潜在危险，不如NOPNOP指令安指令安全。全。软件陷阱软件陷阱 指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的，
18、指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的，首先弹飞的程序必须落到程序区，其次必须执首先弹飞的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。当弹飞的程序落到非程序区行到冗余指令。当弹飞的程序落到非程序区(如如EPROMEPROM中未使用的空间、程序中的数据表中未使用的空间、程序中的数据表格区格区)时前一个条件即不满足，当弹飞的程序时前一个条件即不满足，当弹飞的程序在没有碰到冗余指令之前，已经自动形成一个在没有碰到冗余指令之前，已经自动形成一个死循环，这时第二个条件也不满足。对付前一死循环，这时第二个条件也不满足。对付前一种情况采取的措施就是设立软件陷阱，对于后种情况采取的措施就是设立软件陷阱，对于后
19、一种情况采取的措施是建立程序运行监视系统一种情况采取的措施是建立程序运行监视系统(WATCHDOG)(WATCHDOG)。软件陷阱软件陷阱 所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向对程序出错进行处理的程序。如获的程序引向对程序出错进行处理的程序。如果我们把这段程序的入口标号称为果我们把这段程序的入口标号称为ERRERR的话，的话，软件陷阱即为一条软件陷阱即为一条LJMP ERRLJMP ERR指令，为加强其指令，为加强其捕捉效果，一般还在它前面加两条捕捉效果，一般还在它前面加两条NOPNOP指令，指令，因此，真正的软件陷阱由三条指令构成：因此，真正的软件陷阱由三条指令构成：NOPNOPNOPNOPLJIMP ERRLJIMP ERR 软件陷阱软件陷阱 软件陷阱安排在下列四种地方：软件陷阱安排在下列四种地方：(1)(1)未使用的中断向量区未使用的中断向量区(2)(2)未使用的大片未使用的大片ROMROM空间空间 (3)(3)表格表格(4)(4)程序区程序区 程序运行监视技术程序运行监视技术(WATCHDOG(WATCHDOG看门狗技看门狗技术术)
