1、1 第第1414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 12第第14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14.1 干扰的来源干扰的来源14.2 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 14.2.1 电源噪声来源、种类及危害电源噪声来源、种类及危害 14.2.2 供电系统的抗干扰设计供电系统的抗干扰设计14.3 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 14.3.1 光电隔离的基本配置光电隔离的基本配置 14.3.2 光电隔离的实现光电隔离的实现14.4空间干扰及抗干扰措施空间干扰及抗干扰措施 14.4
2、.1 接地技术接地技术 14.4.2 屏蔽技术屏蔽技术2314.5 反电势干扰的抑制反电势干扰的抑制14.6 印刷电路板的抗干扰设计印刷电路板的抗干扰设计 14.6.1 地线及电源线设计地线及电源线设计 14.6.2 去耦电容的配置去耦电容的配置 14.6.3 印制板的布线的抗干扰设计印制板的布线的抗干扰设计14.7软件抗干扰措施软件抗干扰措施 14.7.1 软件抗干扰的一般方法软件抗干扰的一般方法 14.7.2 指令冗余和软件陷阱指令冗余和软件陷阱 14.7.3 软件滤波软件滤波 14.7.4 开关量输入开关量输入/输出软件抗干扰设计输出软件抗干扰设计14.8 看门狗定时器的使用看门狗定时器
3、的使用4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，其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要决定，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，提高单片机系统的抗干扰性能因素。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源、硬件、软件，是本章要研究的内容。本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
4、析并给出有效可行以及电源系统、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。的解决措施，同时还对软件的抗干扰措施进行了介绍。514.1 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，又称称干扰干扰。在单片机系统中，如果出现干扰，就会影响指令的正。在单片机系统中，如果出现干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵，在测量通道中产生干扰，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，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破就会使测量产生误差，电压的冲击
5、有可能使系统遭到致命的破坏。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，如系统的，干扰窜入单片机系统的渠道主要有三条，如图图14-1所示。所示。6图图14-1 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7(1)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；广播电台或通讯发射台发出逆变电源等发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
6、会引起干扰。这些空的电磁波；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工作。间辐射干扰会使单片机系统不能正常工作。(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压的压或过压常常达到额定电压的15%以上。这种状况有时长达以上。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，电机的启几分钟、几小时、甚至几天。由于大功率开关的通
7、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。干扰。8 (3)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至几千条，其长度往往达几百米或几千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机系统。当有大的电气设备米，因此不可避免地将干扰引入单片机系统。当有
8、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扎在直接串入干扰信号；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的信号与交流的信号与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中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干扰其表现形式仍然是通其干扰更为严重。这种彼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
9、生误差，重者道中形成干扰电压。这样，轻者会使测量的信号发生误差，重者89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。达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。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。来解决。14.2 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
10、引起了电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，在线路中不会建立起任何干扰电压。收，在线路中不会建立起任何干扰电压。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，在某些大功率耗电设备的电网中，经对电源检测发现，在50周正周正弦波上叠加有很多弦波上叠加有很多1000多伏的尖峰电压。多伏的尖峰电压。91014.2.1 电源噪声来源、种类及危害电源噪声来源、种类及危害 如
11、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的的大小可以把大小可以把电源干扰电源干扰分为分为：（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、电源调节器，对付暂短时间的停电则配置不间断各种稳压器、电源调节器，对付暂短时间
12、的停电则配置不间断电源（电源（UPS）。）。1011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（变化不大（1015），直接使用不一定会毁坏系统，），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，使得电压忽高忽低。如果有连往会在这些变化点附近产生振荡，使得电压忽高忽低。如果有连续几个续几个1015的浪涌或下陷，由此造成的振荡能产生的浪涌或下陷，由此造成的振荡能产生3040的电源变化，而是系统无法工作
13、，解决的办法的电源变化，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。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。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抑制能力的交流电源调节器、参数稳压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。器或超隔离变压器。12 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节低通滤节低通滤波器既可解决。波器
14、既可解决。14.2.2 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。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，譬如一条起注意，譬如一条0.1的电源线回路，对于的电源线回路，对于5A的供电系统，的供电系统，就会把电源电压从就会把电源电压从5V降到降到4.5V，以至不能正常工作。另一
15、方，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之一。一般电源线上的干扰是数字系统最常出现的问题之一。1213 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，地线应尽量短而直接走线；对于插件式线路板，应多连接线，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分
16、布的插针。给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀分布的插针。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，建议采用如图图14-2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，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，安装时外壳要加屏蔽并良好接地，进出线、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
17、耦合。低通滤波器仅允许要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许50Hz交流电交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。1314图图14-2 供电配置原理框图供电配置原理框图15（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）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，如提供正电源的多种，如提供正电源的7805、7812、7820、7824以及提供负以及提供负电压的电压的7
18、9系列稳压块，它们内部是多级稳压电路，采用两级稳系列稳压块，它们内部是多级稳压电路，采用两级稳压，效果好。例如主机电源先用压，效果好。例如主机电源先用7809稳到稳到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）交流电源线与其他线尽量分开，减少再度耦合干扰。如滤波器的输出线上干扰已减少，应使其与电源进线级滤波器外滤波器的输出线上干扰已减少，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壳保持一定距离，交流电源线与直流电
19、源线即信号线分开走线。1516（7）电源线与信号线一般都通过地板下面走线，而且不可把）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。两线靠得太近或互相平行，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的电解电容和一个的电解电容和一个0.011.0F的电容，以消除直流电源的电容，以消除直流电源与地线中的脉冲电流所造成的干扰。与地线中的脉冲电流所造成的干扰。14.3 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
20、的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。路径。过程通道的干扰主要采用光电隔离技术。14.3.1 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。其原理如原理如图图14-3所示。所示。1617图图14-3 光电耦合隔离的基本配置光电耦合隔离的基本配置 18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，光电耦合的主要优点是能有效抑制尖峰
21、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。从而使过程通道上的信噪比大大提高。14.3.2 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端端口均被隔离。但是，由于在口均被隔离。但是，由于在CPU数据总线上是高速（数据总线上是高速（S级）双级）双向传输，这就要求频率响应为向传输，这就要求频率响应为MHz级的隔离器件，这种器件目前级的隔离器件，这种器件目前价格较高。因此，这种方法采用的不多。价格较高。因此，这种方法采用的不多。通常用下列方法将通常用
22、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 1819 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，如果对12位位A/D、D/A变换器进行隔离，其隔离放大器要达到变换器进行隔离，其隔离放大器要达到13位，甚位，甚至至14位精度，如此高精度的隔离放大
23、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。数字量，对数字量进行隔离，然后再送入单片机。D/A变换时，变换时，先将数字量进行隔离，然后进行先将数字量进行隔离，然后进行D/A变换。这种方法的优点是方变换。这种方法的优点是方便、可靠、廉价，不影响便、可靠、廉价，不影响A/D、D/A的精度和线性度。缺点是速的精度和线性度。缺点是速度不高。如果用廉价的光电隔离器件，最大转
24、换速度约为每秒度不高。如果用廉价的光电隔离器件，最大转换速度约为每秒2030005000点，这对于一般工业测控对象（如温度、湿度、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。压力等）已能满足要求。图图14-4所示是实现数字隔离的一个例子。该例将输出的数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数字量被送到D/A变换器。但要注意的是，现场电源变换器。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及系统地及系统地SGND，必须分别
25、由，必须分别由两个隔离电源供电。还应指出的是，两个隔离电源供电。还应指出的是，光电隔离器件的数量不光电隔离器件的数量不能太多，能太多，由于光电隔离器件的发光二极管与受光三极管之间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，必须考虑将并联输出改为串存在分布电容。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，且保持很高的联输出的方式，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。抗干扰能力，但传送速度下降了。2021图图14-4 数字隔离原理图数字隔离原理图222.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
26、电隔离器、光电隔离固态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（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线包两端并联一个二极管。其触点并联一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，容量可在个消火花电容器，容量可在0.10.047F之间选择，耐压视负之间选择，耐压视负荷电压而定。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
27、法抗干扰能对于开关量的输入，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为保护二极管为保护二极管和保护电阻。当外部开关闭合时，有电源和保护电阻。当外部开关闭合时，有电源E产生电流，产生电流，23图图14-5 开关量的电流传输原理图开关量的电流传输原理图 24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值以保证良好的干扰能值以保证良好的干扰能力。力。固态继电器代替机械触点的继电器是十分优越的。固态继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。当电器
28、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，可分为过零触发与非过零触发两大类。过零触触发方式不同，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，本身几乎不产生干扰，这对单片机控制是十发的固态继电器，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分有利的，但造价是一般继电器的510倍。倍。14.4空间干扰及抗干扰措施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、吸收空间干扰主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸
29、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，而在电网中有脉冲源工作时，它又是辐射天线，电波的媒介，而在电网中有脉冲源工作时，它又是辐射天线，25因而任一线路、导线、壳体等在空间均同时存在辐射、接收、因而任一线路、导线、壳体等在空间均同时存在辐射、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，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可在系统供电电源入口处接入WRY型微机干扰抑制器，观察干型微机干扰抑制器，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。
30、空间干扰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。设计，系统的屏蔽与布局设计。14.4.1 接地技术接地技术1.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电位参考点，这种地称为工作接地。路工作提供一个公共的电位参考点，这种地称为工作接
31、地。26（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，因此在材料及施工方面均有一定的要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，但实际上往往又为人们所忽视。求。外壳接地是十分重要的，但实际上往往又为人们所忽视。（2）工作接地）工作接地 工作接地是电路工作需要而进行的。在许多情况下，工作地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
32、外壳相连，因此工作地的零电位参考点（及工作地）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的。所以也把工作地称为相对地球的大地是浮空的。所以也把工作地称为“浮地浮地”。26272.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：以下几种接地：n 数字地（又称逻辑地），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
33、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。28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。以上这些地线如何处理，是浮地还是接地？是一点地接还是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？这些是单片机测控系统设计、安装、调试中的一个多点接地？这些是单片机测控系
34、统设计、安装、调试中的一个大问题。下面就来讨论。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50M，且一旦绝缘下降便会带来干扰；另外，浮空容易产生，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。静电，导致干扰。另一种，就是测控系统的机壳接地，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14-6所示。浮空部分应设置必要的
35、屏蔽，例如双层屏蔽浮地或所示。浮空部分应设置必要的屏蔽，例如双层屏蔽浮地或29多层屏蔽。这种方法干扰能力强，而且安全可靠，但工艺较复多层屏蔽。这种方法干扰能力强，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。杂。两种方法比较，后者较好，并为越来越多的人所采用。图图14-6 机壳接地机壳接地30（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，如图图14-7所所示。高频（示。高频（10MHz以上）电路应多点就近接地。因为，在低频以上）电路应多点就近接地。因为，在低频
36、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；对于高频电路，地线上具干扰的影响却很大，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，同时各地线之间产生了电感耦合有电感，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。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，这时地线变成了天线，可以向外辐射噪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。声信号。单片机测控系统的工作频率大
37、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31图图14-7 一点接地一点接地32率也大都在率也大都在1MHz以下，故宜采用一点接地。在以下，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。否则应该多点接地。该多点接地。（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平信号电路来说，这是一个非常严重的干扰,因
38、此，交流地和因此，交流地和信号地不能共用，信号地不能共用，图图14-8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。所有的模拟公共导线（地）应该与数字公共导线（地）分开走线，然后只是一点汇在一起。因此，要把各芯片所有的线，然后只是一点汇在一起。因此，要把各芯片所有的 33图图14-8 不正确的接地不正确的接地34模拟地和数字地分别相连，然后模拟（公共）地与数字（公共模拟地和数字地分别相连，然后模拟
39、（公共）地与数字（公共）地仅在一点相连接，在此连接点外，在芯片和其他电路中且）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，见不可再有公共点，见图图14-9。但在。但在ADC和和DAC电路中，要注意电路中，要注意地线的正确连接，否则转换将不准确。地线的正确连接，否则转换将不准确。ADC和和DAC电路地线的电路地线的正确接法是，先将正确接法是，先将ADC和和DAC芯片上的模拟地引脚与数字地引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。脚尽可能短的连接，然后再接到模拟地上。图图14-9 数字地和模拟地正确的地线连接数字地和模拟地正确的地线连接 35（5）
40、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蔽技术是抗共模干扰最有效的方法。这种三线采样双层屏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。14.4.2 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雷电，都高频电源、交流电源、强电设备产生的电
41、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感耦合到信号回路而形成电磁干扰；当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构成干扰。距离较远时，电磁波则以辐射形式构成干扰。36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。它又极易受其他电磁干扰的影响，破坏单片机的正常工作。屏蔽可分为以下屏蔽可分为以下三类三类：（1）电磁屏蔽，防止电磁场
42、的干扰；）电磁屏蔽，防止电磁场的干扰；（2）磁屏蔽，防止磁场的干扰；）磁屏蔽，防止磁场的干扰；（3）电场屏蔽，防止电场的耦合干扰。）电场屏蔽，防止电场的耦合干扰。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式来削弱电磁波，从而形成对电磁波的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。屏蔽作用。37 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是防止电极、变压器、磁铁、线圈等
43、的磁感应和磁耦合，使用高导磁材料做成屏蔽层，是磁路闭合，一般接大地。耦合，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，选择磁钢、坡莫合金、铁等导磁率高的材当屏蔽低频磁场时，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。料；而屏蔽高频磁场则应选择铜、铝等导电率高的材料。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），副边屏蔽接到浮地的屏蔽盒。（即接大地），副
44、边屏蔽接到浮地的屏蔽盒。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的公共端。高增益放大器的屏蔽层应接到放大器的公共端。38 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，屏蔽体应按题。为了消除屏蔽体与内部电路的寄生电容，屏蔽体应按“一一点接地点接地”的原则接地。的原则接地。14.5 反电势干扰的抑
45、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成噪声干扰。这种反电势甚至可能击穿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，反电势形成的噪声干扰能产生电磁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，这时可采用如场，对单片机应用系统中的其它电路产生干扰，这时可采用如下措施来抑制反电势干扰：下措施来抑制反电势干
46、扰：39（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）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，如管和稳压管，如图图14-10(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；当三极阻断而不起作用；当三极管管T由通道变为截止时，在电感线圈两端产生反电势由通道变为截止时，在电感线圈两端产生反电势e。此电势。此电势可在并联支路中流通，因此可在并联支路中流通，因此e的幅值被限制在稳压管的幅值被限制在稳压管DW的工作的工作电压范围之内，并被很快消耗掉电压范围之内，并被很快消耗掉,从而抑制了反电势的干扰。使从而抑制了反电势的干
47、扰。使用时用时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，如如图图14-10（b）所示，因此也适用于直流驱动线圈的电路。在所示，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，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，40图图14-10 反电势的抑制电路反电势的抑制电路 41反电势衰减得慢；而阻值太大又会增大反电势的幅值。反电势衰减得慢；而阻值太大又会增大反电势的幅值。（2）反电势抑制电路也可由电阻和电容组成
48、，见）反电势抑制电路也可由电阻和电容组成，见图图14-11。适。适当选择当选择R、C参数，也能参数，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，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）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，必须利用生较大的火花，必须利用RC电路加以吸收，如电路加以吸收，如图图14-12所示。所示。对于图对于图14-12
49、（b），一般），一般R取取12K，C取取2.24.7F。42图图14-11 由由RC组成的抑制电路组成的抑制电路 图图14-12 开关两端的反电势抑制电路开关两端的反电势抑制电路 4314.6 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、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，故印刷电路板设计决不单是器件、线路的简单布局安排，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，还必须符合抗干扰的设计原则。
50、还必须符合抗干扰的设计原则。14.6.1 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，地址宽度应在许电流。如有可能，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44缩短线路的环路，降低线路阻抗，从而减少干扰。但要注意环缩短线路的环路，降低线路阻抗，从而减少干扰。但要注意环路所包围的面积越小越好。路所包围的面积越小越好。3.印刷电路
