单片机系统

在各种单片机应用系统中,芯片存储器的正常与否直接关系到该系统的正常工作。为了提高系统的可靠性,对系统的可靠性进行测试是十分必要的。通过测试可以有效地发现并解决因存储器发生故障对系统带来的破坏问题。

本文针对性地介绍了几种常用的单片机系统RAM测试方法,并在其基础上提出了一种基于种子和逐位倒转的RAM故障测试方法。

一、RAM测试方法回顾

方法1:一种测试系统RAM的方法是分两步来检查,先后向整个数据区送入#00H和#FFH,再先后读出进行比较,若不一样,则说明出错。

方法2:方法1并不能完全检查出RAM的错误,在参考文献中分析介绍了一种进行RAM检测的标准算法MARCH-G。MARCH一G算法能够提供非常出色的故障覆盖率,但是所需要的测试时间是很大的。MARCH-G算法需要对全地址空间遍历3次。设地址线为”根,则CPU需对RAM访问6×2n次。

方法3:一种通过地址信号移位来完成测试的方法。在地址信号为全O的基础上,每次只使地址线Ai的信号取反一次,同时保持其他非检测地址线Aj(i≠j)的信号维持0不变,这样从低位向高位逐位进行;接着在地址信号为全1的基础上,每次只使地址线Ai的信号取反一次,同时保持其他非检测地址线Aj(i≠j)的信号维持1不变,同样从低位向高位逐位进行。

因此地址信号的移位其实就是按照2K(K为整数,最大值为地址总线的宽度)非线性寻址,整个所需的地址范围可以看成是以全0和全1为背景再通过移位产生的。在地址变化的同时给相应的存储单元写入不同的伪随机数据。在以上的写单元操作完成后,再倒序地将地址信号移位读出所写入的伪随机数据并进行检测。设地址线为n根,则CPU只对系统RAM中的2n+2个存储单元进行访问。

二、基于种子和逐位倒转的RAM测试方法

基于种子和逐位倒转的测试方法是在方法3的基础上进一步改进获得的。方法3主要是使用全O和全1两个背景数来移位展开的,与MARCH-G算法相比获得的故障覆盖率稍微低些,但使用了较少的地址单元。这里我们把方法3中的背景数称为“种子”。以地址线为8根的RAM为例,种子分别取00000000和11111111两个数,取00000000、11111111、0000llll和llll0000四个数,以及取00000000、11111111、00001111、11110000、00110011、1100llOO、01010101和10101010八个数来移位展开测试,所达到的故障覆盖率是不一样的。

种子数为2的改进方法要低于MARCH-G算法的故障覆盖率,种子数为4的改进方法与MARCH-G算法相当,种子数为8的改进方法能够超过MARCH-G算法的效果。整体上基于种子和逐位倒转的改进方法是可以代替MARCH-G算法的,但是种子数目不同所需要的寻址次数也是不同的。设地址线为n根,种子数为2时需要访问RAM共计4”+4次,种子数为4时需要访问RAM共计8n+8次,种子数为8时需要访问RAM共计16n+16次,而MARCH-G算法需要访问RAM共计6×2n次。可见,基于种子和逐位倒转的改进方法比MARCH-G算法的测试时间开销大大降低。同时,故障覆盖率会随着种子数目的增加而提高,当然不同种子数时所需要的测试时间开销也不同。在实际测试应用中要根据测试时间和测试故障覆盖率的需求来选择合适的种子数目,才能达到满意的效果。

来源:网络
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围观 136

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容:一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路。二是系统的配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等,要设计合适的接口电路。

如何对单片机系统进行扩展和配置?

系统的扩展和配置应遵循以下原则:

1、尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。
2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便进行二次开发。
3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实殃,以简化硬件结构。但必须注意,由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间。
4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时,系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。
5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。
6、单片机外围电路较多时,必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不可靠,可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。
7、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多,器件之间相互干扰也越强,功耗也增大,也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来越强,真正的片上系统SoC已经可以实现,如ST公司新近推出的μPSD32××系列产品在一块芯片上集成了80C32核、大容量FLASH存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等等。

单片机系统硬件抗干扰常用方法实践

影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰,并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因素,常会导致单片机系统运行失常,轻则影响产品质量和产量,重则会导致事故,造成重大经济损失。

形成干扰的基本要素有三个:

(1)干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号,用数学语言描述如下:du/dt, di/dt大的地方就是干扰源。如:雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。
(2)传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
(3)敏感器件。指容易被干扰的对象。如:A/D、D/A变换器,单片机,数字IC, 弱信号放大器等。

1、干扰的分类

干扰的分类有好多种,通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分类。按产生的原因分:
可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。
按传导方式分:可分为共模噪声和串模噪声。
按波形分:可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。

2、干扰的耦合方式

干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。因此,我有必要看看干扰源和被干扰对象之间的传递方式。干扰的耦合方式,无非是通过导线、空间、公共线等等,细分下来,主要有以下几种:

(1)直接耦合:
这是最直接的方式,也是系统中存在最普遍的一种方式。比如干扰信号通过电源线侵入系统。对于这种形式,最有效的方法就是加入去耦电路。从而很好的抑制。

(2)公共阻抗耦合:
这也是常见的耦合方式,这种形式常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。为了防止这种耦合,通常在电路设计上就要考虑。使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。

(3)电容耦合:
又称电场耦合或静电耦合 。是由于分布电容的存在而产生的耦合。

(4)电磁感应耦合:
又称磁场耦合。是由于分布电磁感应而产生的耦合。

(5)漏电耦合:
这种耦合是纯电阻性的,在绝缘不好时就会发生。

常用硬件抗干扰技术

针对形成干扰的三要素,采取的抗干扰主要有以下手段。

1、抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt,di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

抑制干扰源的常用措施如下:
(1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加 续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可 动作更多的次数。
(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路,电阻一般选几K 到几十K,电容选0.01uF),减小电火花影响。
(3)给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。
(4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF~0.1μF高频电容,以减小IC对电源的 影响。注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电 容的等效串联电阻,会影响滤波效果。
(5)布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。
(6)可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。

2、切断干扰传播路径

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。

所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大,要特别注意处理。

所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距,用地线把它们隔离和在敏感器件上加 蔽罩。

切断干扰传播路径的常用措施如下:

(1)充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好,整个电路的抗干扰就 解决了一大半。

许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器,以减小电源噪声对单片机的干扰。比如,可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

(2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。

(3)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。

(4)电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。尽可能把干扰源(如电机、继电器)与敏感元件(如单片机)远离。

(5)用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则。

(6)单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。

(7)在单片机I/O口、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、屏蔽罩,可显着提高电路的抗干扰性能。

3、提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。

提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下:
(1)布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。
(2)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。
(3)对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
(4)对单片机使用电源监控及看门狗电路,如:IMP809,IMP706,IMP813, X5043,X5045等,可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
(5)在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。(6)IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。

4、其它常用抗干扰措施

交流端用电感电容滤波:去掉高频低频干扰脉冲。

变压器双隔离措施:变压器初级输入端串接电容,初、次级线圈间屏蔽层与初级间电容中心接点接大地,次级外屏蔽层接印制板地,这是硬件抗干扰的关键手段。

次级加低通滤波器:吸收变压器产生的浪涌电压。

采用集成式直流稳压电源:因为有过流、过压、过热等保护。I/O口采用光电、磁电、继电器隔离,同时去掉公共地。

通讯线用双绞线:排除平行互感。防雷电用光纤隔离最为有效。

A/D转换用隔离放大器或采用现场转换:减少误差。

外壳接大地:解决人身安全及防外界电磁场干扰。加复位电压检测电路。防止复位不充份,CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,复位不充份会改变EEPROM的内容。

印制板工艺抗干扰:
①电源线加粗,合理走线、接地,三总线分开以减少互感振荡。
②CPU、RAM、ROM等主芯片,VCC和GND之间接电解电容及瓷片电容,去掉高、低频干扰信号。
③独立系统结构,减少接插件与连线,提高可靠性,减少故障率。
④集成块与插座接触可靠,用双簧插座,最好集成块直接焊在印制板上,防止器件接触不良故障。
⑤有条件采用四层以上印制板,中间两层为电源及地。

本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

围观 46

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容:一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路。二是系统的配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等,要设计合适的接口电路。

系统的扩展和配置应遵循以下原则:

1、尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便进行二次开发。

3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实殃,以简化硬件结构。但必须注意,由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间。

4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时,系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

6、单片机外围电路较多时,必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不可靠,可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

7、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多,器件之间相互干扰也越强,功耗也增大,也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来越强,真正的片上系统SoC已经可以实现,如ST公司新近推出的μPSD32××系列产品在一块芯片上集成了80C32核、大容量FLASH存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等等。

单片机系统硬件抗干扰常用方法实践

影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰,并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因素,常会导致单片机系统运行失常,轻则影响产品质量和产量,重则会导致事故,造成重大经济损失。

形成干扰的基本要素有三个:

(1)干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号,用数学语言描述如下:du/dt, di/dt大的地方就是干扰源。如:雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。

(2)传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

(3)敏感器件。指容易被干扰的对象。如:A/D、D/A变换器,单片机,数字IC, 弱信号放大器等。

干扰的分类

1干扰的分类

干扰的分类有好多种,通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分类。按产生的原因分:

可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。

按传导方式分:可分为共模噪声和串模噪声。

按波形分:可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。

2 干扰的耦合方式

干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。因此,我有必要看看干扰源和被干扰对象之间的传递方式。干扰的耦合方式,无非是通过导线、空间、公共线等等,细分下来,主要有以下几种:

(1)直接耦合:

这是最直接的方式,也是系统中存在最普遍的一种方式。比如干扰信号通过电源线侵入系统。对于这种形式,最有效的方法就是加入去耦电路。从而很好的抑制。

(2)公共阻抗耦合:

这也是常见的耦合方式,这种形式常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。为了防止这种耦合,通常在电路设计上就要考虑。使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。

(3)电容耦合:

又称电场耦合或静电耦合 。是由于分布电容的存在而产生的耦合。

(4)电磁感应耦合:

又称磁场耦合。是由于分布电磁感应而产生的耦合。

(5)漏电耦合:

这种耦合是纯电阻性的,在绝缘不好时就会发生。

常用硬件抗干扰技术

针对形成干扰的三要素,采取的抗干扰主要有以下手段。

1 抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt,di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

抑制干扰源的常用措施如下:

(1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加 续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可 动作更多的次数。

(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路,电阻一般选几K 到几十K,电容选0.01uF),减小电火花影响。

(3)给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。

(4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF~0.1μF高频电容,以减小IC对电源的 影响。注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电 容的等效串联电阻,会影响滤波效果。

(5)布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。

(6)可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。

2 切断干扰传播路径

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。

所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大,要特别注意处理。

所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距,用地线把它们隔离和在敏感器件上加 蔽罩。

切断干扰传播路径的常用措施如下:

(1)充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好,整个电路的抗干扰就 解决了一大半。

许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器,以减小电源噪声对单片机的干扰。比如,可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

(2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。

(3)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。

(4)电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。尽可能把干扰源(如电机、继电器)与敏感元件(如单片机)远离。

(5)用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则。

(6)单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。

(7)在单片机I/O口、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、屏蔽罩,可显着提高电路的抗干扰性能。

3 提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。

提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下:

(1)布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。

(2)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。

(3)对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

(4)对单片机使用电源监控及看门狗电路,如:IMP809,IMP706,IMP813, X5043,X5045等,可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

(5)在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。(6)IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。

4 其它常用抗干扰措施

交流端用电感电容滤波:去掉高频低频干扰脉冲。

变压器双隔离措施:变压器初级输入端串接电容,初、次级线圈间屏蔽层与初级间电容中心接点接大地,次级外屏蔽层接印制板地,这是硬件抗干扰的关键手段。

次级加低通滤波器:吸收变压器产生的浪涌电压。

采用集成式直流稳压电源:因为有过流、过压、过热等保护。I/O口采用光电、磁电、继电器隔离,同时去掉公共地。

通讯线用双绞线:排除平行互感。防雷电用光纤隔离最为有效。

A/D转换用隔离放大器或采用现场转换:减少误差。

外壳接大地:解决人身安全及防外界电磁场干扰。加复位电压检测电路。防止复位不充份,CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,复位不充份会改变EEPROM的内容。

印制板工艺抗干扰:

①电源线加粗,合理走线、接地,三总线分开以减少互感振荡。

②CPU、RAM、ROM等主芯片,VCC和GND之间接电解电容及瓷片电容,去掉高、低频干扰信号。

③独立系统结构,减少接插件与连线,提高可靠性,减少故障率。

④集成块与插座接触可靠,用双簧插座,最好集成块直接焊在印制板上,防止器件接触不良故障。

⑤有条件采用四层以上印制板,中间两层为电源及地.

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围观 9

随着单片机系统越来越广泛地应用于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域,单片机系统面临着电磁干扰(EMI)日益严重的威胁。电磁兼容性(EMC)包含系统的发射和敏感度两方面的问题。

如果一个单片机系统符合下面三个条件,则该系统是电磁兼容的:
① 对其它系统不产生干扰;
② 对其它系统的发射不敏感;
③ 对系统本身不产生干扰。

假若干扰不能完全消除,但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的(通过导体、公共阻抗耦合等),就是间接的(通过串扰或辐射耦合)。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射,很多电磁发射源,如光照、继电器、DC电机和日光灯都可引起干扰;AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中,时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源,这些电路可产生高达300 MHz的谐波失真,在系统中应该把它们去掉。另外,在单片机系统中,最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。

1 干扰的耦合方式

(1) 传导性EMI
一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声并把噪声送到其它电路引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声和在噪声引起干扰前,用去耦办法除去噪声。最普通的例子是噪声通过电源线进入电路。若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源,则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

(2) 公共阻抗耦合
当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定,来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制,噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。

(3) 辐射耦合
经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场,而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。

(4) 辐射发射
辐射发射有两种基本类型:差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的,它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言,CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小,必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

2 影响EMC的因数

① 电压。电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。
② 频率。高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。
③ 接地。在所有EMC问题中,主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1 MHz时,可采用单点接地方法,但不适于高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。
④ PCB设计。适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。
⑤ 电源去耦。当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt 产生大范围高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

3 印刷电路板(PCB)的电磁兼容性设计

PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大,实践证明,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如,如果印刷板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印刷电路板的时候,应注意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求。

3.1 PCB设计的一般原则

要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、成本低的PCB,应遵循以下一般性原则。

(1) 特殊元器件布局
首先,要考虑PCB尺寸的大小:PCB尺寸过大时,印刷线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后,再确定特殊元器件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元器件的位置时要遵守以下原则:
① 尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。
② 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
③ 重量超过15 g的元器件,应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印刷板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。
④ 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局,应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印刷板上方便调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

(2) 一般元器件布局
根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:
① 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。
② 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
③ 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列,这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。
④ 位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm&TImes;150 mm时,应考虑电路板所受的机械强度。

(3) 布线
布线的原则如下:
① 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,最好加线间地线,以免发生反馈耦合。
② 印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5 mm、宽度为1~15 mm时,通过2 A的电流,温升不会高于3℃。因此,导线宽度为1.5 mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3 mm导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小于0.1~0.2 mm。
③ 印刷导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

(4) 焊盘
焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2) mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0) mm。

3.2 PCB及电路抗干扰措施

印刷电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施作一些说明。

(1) 电源线设计
根据印刷线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻;同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。kx6电子技术吧

(2) 地线设计
在单片机系统设计中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。单片机系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:
① 正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1 MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10 MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地法。
② 数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地;高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗。高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔,要尽量加大线性电路的接地面积。
③ 接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条,则接地电位会随电流的变化而变化,致使电子产品的定时信号电平不稳,抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印刷电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3 mm。
④ 接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时,将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于:印刷电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地线上产生较大的电位差,引起抗噪能力下降;若将接地线构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

(3) 退耦电容配置
PCB设计的常规做法之一,是在印刷板的各个关键部位配置适当的退耦电容。退耦电容的一般配置原则是:
① 电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的更好。
② 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01 pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10 pF的钽电容。
③ 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAM、ROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。
④ 电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。
此外,还应注意以下两点:
① 在印刷板中有接触器、继电器、按钮等元件时,操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1~2 kΩ,C取2.2~47μF。
② CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时,对不用端要接地或接正电源。

(4) 振荡器
几乎所有的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上,要求外接电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜在的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外,石英晶体的外壳要接地。

(5) 防雷击措施
室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导入大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃至上千A的电流。

结语

为了提高单片机系统的电磁兼容性,不仅要合理设计PCB板,而且要在电路结构上及软件中采取相应的措施。实践表明,在单片机系统的设计、制造、安装和运行的各个阶段,都需要考虑其电磁兼容性,只有这样,才能保证系统长期稳定、可靠、安全地运行。

来源: 21ic

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