单片机抗干扰PPT课件

.第1、8章单片机系统的抗干扰技术，本章学习目标：本章介绍了单片机系统的干扰源、主要干扰形式、种类、抗干扰措施。 通过本章的学习，读者应当达到以下目标：熟悉单片机系统的各种干扰源和形式，学习供电系统和过程通道的干扰对策，讲述印刷电路板设计中出现的干扰对策，学习设计软陷阱和监视电路2 例如听收音机的时候，汽车通过的话，扬声器会发出刺耳的噪音。 这就是噪音。 噪声是信号以外的噪声或带来不良影响的变化部分的总称。 在单片机应用产品的开发过程中，系统在实验室环境中工作正常，但少量生产并安装在现场后，常常发生不规则的异常现象。 其原因主要是系统抗干扰设计不完善，应用系统工作不可靠。 引起单片机控制系统干扰的主要原因有以下几种：3， (1)供电系统的干扰众所周知，电源开关的接通断开、电动机和大型电气设备的启动停止或供电电网变动，受这些因素的影响，电网始终出现数百伏特、甚至数千伏特的尖峰干扰，这是向同一电网供电的单片机这种干扰是危害最严重、最广泛的干扰形式。 (2)工艺通道干扰在单片机应用系统中，开关量输入、输出和模拟输入、输出通道是必不可少的。 这些信道必然会将各种干扰直接加入单片机系统中。 同时，这些输入/输出信道的控制线与信号线之间发生由于电磁感应的干扰，并且可能发生单片机应用程序错误，从而导致整个系统不能正常操作。4、(3)空间电磁波的干扰空间干扰主要是太阳和其他天体发射电磁波，广播站和通信发射站发射的电磁波和各种周边电气设备发射的电磁干扰等。 单片机应用系统在电磁波强的区域工作，如果不采取相关的防护措施，容易引起干扰。 然而，该噪声一般可以通过适当的屏蔽和接地措施来解决。 因此，针对以上问题，我们必须采取有效措施提高单片机应用系统的抗干扰能力。 5、8.2主要干扰信道和干扰对策，8.2.1供电系统的干扰和干扰对策1，设供电干扰的种类为电源电压变化的持续时间为t，则根据t的大小可以将电源干扰分为四种情况： (1)过电压、欠电压、停电：t1s时发生的干扰，解决方法为各种调节器、电源. 6、(2)突波、下沉、半周出现：1st10ms产生的噪声可通过高速响应的交流电源调节器克服。 (3)尖峰电压：t为s级时产生的噪声使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器、参数调节器或超绝缘变压器。 (4)可以将2到3节点的低通滤波器相加，以去除当t为ns级时出现的干扰。 7、2、抗干扰设计，为了提高供电系统的质量，防止入侵干扰，提出了(1)切断单片机系统输入电源和供电设备动力电源的措施。 (2)采用抗静电屏蔽和抗电磁干扰的绝缘电源变压器。 绝缘变压器的一次和二次之间采用绝缘屏蔽层(可以用漆包线和铜等非磁导率材料一次和二次缠绕，但不能电气地与一次、二次线圈短路，然后引出磁头接地)。 各一次、二次间的静电屏蔽与一次间的零电位线接触，通过电容耦合接地。 如图8-1所示。图8-1绝缘变压器、8、(3)在交流输入线端子上施加低通滤波器，可以去除高频噪声。外壳要屏蔽接地，滤波器的输入输出引线要相互隔离，防止感应辐射耦合。 直流输出部使用大容量电解电容器进行平滑滤波. (4)对于电力较少的小型或微机系统，为了抑制电网电压变动的影响，可以设置交流调节器。 (5)独立功能块单独供电，综合稳定块实现二级稳定。 例如，主板的电源在7809稳定为9V，在7805稳定为5V。 如图8-2所示。 (6)尽量提高接口设备的电源电压，提高接口的抗干扰性。 例如，在光电耦合器的输出端驱动直流继电器，选择直流24V继电器，比6V继电器更有效。 9、9、9,8.2.2过程信道干扰和抗噪声措施；图8-2中的供电系统结构图； 输入输出对象与单片机之间的连接线较长，容易发生干扰，必须采取隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等对策进行抑制。 10、(1)光隔离器的光电耦合器将发光二极管和光电晶体管放入一个壳体，光电耦合器的电路符号如图8-3所示。 输入信号使发光二极管发光，其光线使光电晶体管输出电信号，实现了信号的传输和电隔离。 对于起动或停止的负荷不太大的设备，多采用光电耦合器来抑制输出信道的干扰。 图8-4开关量输入光电分离电路、图8-3光电分离模式符号、1、开关量分离中常用的开关量隔离器有光电分离器、继电器、光电分离固态继电器(SSR )。 11、输出开关量控制大负荷的设备时，必须通过继电器隔离输出。 继电器触点的负载能力远大于光电分离的负载能力，因此可以直接控制动力回路。 在使用继电器进行开闭量隔离输出的情况下，在单片机的输出侧的锁存器74LS273和继电器之间设置OC门驱动器。 用于提供高驱动电流。 如图8-5所示。 图8-5开关量继电器隔离电路、(2)继电器、12、双向晶闸管是基于普通晶闸管而发展的，它们都是一般的大功率半导体装置，具有弱电控制、强电输出的特征，仅需要较小的功率，就能够控制较大的电流。 图8-6(a )表示一般的小功率双向晶闸管的外形和管脚排列。 (a )通常小功率双向晶闸管的外形(b )结构记号图8-6双向晶闸管的外形和结构记号、(3)双向晶闸管、13、双向晶闸管的结构记号如图8-6(b )所示。 三个电极分别是T1、T2和g。 其特征在于，相对于T1的g极和T2极的电压都为正时，T2为阳极，T1为阴极。 相反，相对于T1，g极和T2极的电压都为负的情况下，T1为阳极，T2为阴极。 (4)光电隔离固态继电器(SSR )、图87SSR的内部结构框图、图88SSR基本单元电路、14、固态继电器是封装有发光二极管和三端双向可控硅开关元件的新电子开关。 其内部结构框图如图8图7所示。 发光二极管接通后，晶闸管被触发，电路接通。 固态继电器有交流固态继电器和直流固态继电器2种。 其基本单元接口电路如图88所示。 (1)单片机与图87SSR的内部框图、图88SSR基本单元电路、15、2、A/D、D/A之间的隔离措施；(1)模拟隔离是常用于隔离A/D、D/A转换之前和之后的模拟信号的方法。 通常，模拟通过隔离型放大器隔离。 但是，所使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。16、图8-9用数字电容隔离器、多个锁存器锁存高速的地址信号、控制信号、数据，通过该信号操作A/D、D/A芯片，完成复用器的栅极，进行A/D、D/A变换。 换句话说，在A/D转换的情况下，模拟量被转换成数字量来进行隔离，并被传送给单片机。在D/A变换的情况下，在分离数字光量后，进行D/A变换。 如图8图9所示。 (2)数字电容隔离、17、双绞线是常用的传输线。 与同轴电缆相比，波阻抗高，抗共模噪声强，对电磁场有一定的抑制效果。 双绞线的使用方法因传输距离而异，如表8-1所示。 在双绞线电缆传输中与光电耦合器并用时，可如图810所示进行连接。 图中(a )是集电极开路驱动器和光电耦合器的一般情况。 (b )开关触点通过双绞线电缆与光电耦合器连接时。 在光电耦合器的光电晶体管的基极连接电容器(12pF0.01F )和电阻(1020M )，然后连接施密特集成电路驱动器，则如图(c )所示，抗干扰性大幅增强。 3、利用双绞线来抑制长线传输干扰的18、表8-1双绞线的使用方法：将、19、图8-10双绞线与光耦合器并用的20、4、机械接点与交流电路的噪声抑制、(1)机械接点的抗噪开关、按钮、继电器接点等在操作时常所述装置可使用图8到图11中所说明的方法以获得未振荡的逻辑信号。21、(a )滤波器抖动电路(b )单稳态电路(c )触发抖动电路(d )施密特电路811机械接点的抗干扰措施、22、(2)抑制反电动势的抗干扰措施、电动机、变压器、继电器、电磁阀等工业电气设备的感应负载较多，接通时可能产生较高的反电位， 这不仅可能损坏器件，而且高频电磁波干扰其它电路，通过电源直接侵入单片机。 因此，在输入输出通道中使用此类设备时，必须在继电器线圈或开关触点的两端连接抗干扰电路。 但是，(a)(b )用于抑制直流电流噪声的(c )图的电路用于交叉、适用于直流噪声的(d)(e )接触器和继电器接触器的两端。 23、(a )二极管浪涌抑制电路(b )电阻-二极管抑制电路(c)R-C电阻抑制电路(d)(e )开关触点两端的反电位抑制电路812反电位抑制电路、24、8.3印刷基板与电路的抗噪声设计，在单片微系统中，印刷基板的设计良好印刷电路板是支撑电路元件并提供电路元件与设备之间的电连接的重要组件。 为了降低噪声，在印刷电路板的设计过程中，尽量控制噪声源，尽量减小噪声的传播和耦合尽量增加噪声的吸收。 25，8.3.1印刷电路板的尺寸和元件的选择，1 .印刷电路板的大小如果不合适，印刷电路板过大，线路的阻抗和成本会增加，抗干扰能力降低过小，散热会变差，线路间的干扰也会大幅度增加。 2 .去耦电容器(1)直流电源输入端以横跨10100F以上的电解电容器的方式合理配置。 (2)原则上，在各集成电路芯片的Vcc端子上设置0.01F的陶瓷电容器。 也可以每410个芯片设置110F的钽电容器。 在芯片的电源线(Vcc )和地线(GND )之间连接有对于噪声耐受性弱、在关断时电流变化较大的设备、ROM、RAM等存储设备的去耦电容。 (4)电容器引线不得过长，特别是高频旁路电容器不得带引线。 (5)选择用于电路充电的蓄电容量时，采用尽量大容量的钽电容器或聚酯电容器，不使用电解电容器。 使用电解电容器时，与高频特性良好的去耦电容器成对使用。 图813表示去耦电容的安装位置图。 27、图813 .去耦电容器的安装位置图，28、3 .选择时钟频率低的单片机和外部时钟部件。 4 .设备的选择尽量采用低速设备。 5 .对进入电路板的信号源和来自高噪声区域的信号进行滤波，在继电器线圈中加入回流二极管。6 .尽量不使用IC插座而将IC直接焊接在印刷电路板上，能够减少IC插座之间的大的分布容量。 7 .电源连接器和信号连接器应尽量远离。 最好在主要信号的连接器之外有屏蔽。 当安排引脚信号时，某些引脚作为接地引脚，均匀地分布在各个信号引脚之间，并且发挥隔离干扰信号的作用。 信号针和接地针的理想比例是1:1。29、1 .元件布置应合理划分。 单片机的应用系统通常分为三个区域：模拟电路区域(害怕干扰)、数字电路区域(害怕干扰、产生干扰)、功率驱动区域(干扰源)。 这三个区域要合理划分，使彼此的信号耦合最小。 2 .印刷电路板应按单点电源、单点接地原则输电。 三个区域的电源线、地线从这一点分成三条路引出。 3 .噪声元件和非噪声元件必须相距很远。 容易产生干扰的元件、小电流电路、大电流电路等尽可能远离计算机的逻辑电路，如果可能，请另行制作电路基板。 4 .请尽量靠近时钟发生器、晶体振子和CPU的时钟输入端，远离I/O线和连接器。 8.3.2印刷电路板的合理布局，30，5.I/o驱动装置，功率放大器部件尽量靠近印刷电路板的边缘，靠近引出连接器。 6 .设备的布置也必须考虑散热。 ROM、RAM、时钟发生器等发热多的设备优选配置在印刷基板的上方(垂直设置印刷基板的情况下)和容易通风散热的场所。 单片机的参考布局如图814所示。 图814单片机的位置分配图像，31，1 .正确处理电源线的印刷电路板的电流大小，尽可能加大电源线的宽度，减小环路电阻。 同时，使电源线、接地线的方向和数据的传输方向一致。 电源线和接地线应分别设计成不同的布局，以免垃圾短路。 8.3.3印刷电路板合理布线，32，图815接地三种方式，(1)正确选择单点接地和多点接地。 在信号频率不足1MHz的情况下，尽可能单点并联地接地，在实际的布线困难的情况下，在部分串联连接后能够并联地接地的频率超过10MHz的情况下，优选采用多点串联地接地的信号频率在110MHz之间的情况下，如果接地线的长度在波长的1/20以下，则为单点串联地接地三种接地方式如图815所示。 2 .正确处理接地线，将33、(2)数字地址、模拟地址、电源地址等分开，在一点进行可靠连接。 如图8图16所示。图816数字式地与模拟地正确连接，34、(3)接地线应尽量加粗，以便能够通过印刷电路板上的容许电流的3倍。 一般接地线的宽度应在23mm以上。 接地线、电源线与信号线的关系为接地线电源线信号线。 (4)使数字电路的接地线成为闭环。 (5)高频部分采用尽可能大面积的包围式接地线。35、(1)敷地线包围时钟振荡电路，使周围的电场接近零。 (2)晶体振荡器外壳接地，时钟线尽量缩短，在晶体振荡器下增大接地面积，不走其他信号线。 (3)时钟线垂直于I/O线，必要时请远离I/O线。 此外，在时钟振荡器电路的处理36、数字电路中，空闲栅极输入端子不能悬空。 对于运算放大器，空闲状态的正输入端被接地，而空闲状态的负输入端被连接到输出端。 将单片机中未使用的I/O端口定义为输出。 单片机有一个以上的电源、接地端子，各自的端子连接，不能悬浮在空中。 如图8图17所示。 另外，不使用图817的空闲侧的处理方法，4 .空闲侧的引脚必须处理，37、(1)尽量使用多层板，过孔必须尽量减少。 (2)基板铜膜线的配线尽量使用45条折线，不使用90条折线来减少高频信号的辐射。 其布线方式如图818所示。图818铜膜线的布