威廉希尔官方网站 中常见的几种单片机抗干扰技术

　　对于提高单片机系统设计，提高系统的可靠性显得尤为重要。对单片机系统而言，干扰因素有两种，一是来源于系统外部环境和其它电气设备产生的干扰，通过传导和辐射等途径影响单片机系统正常工作;二是来源于系统内部，由系统结构、制造工艺等决定以及内部元器件在工作时产生干扰，通过地址、电源线、信号线、分布电容等传输，影响开关电源模块系统工作状态。

一. 什么是干扰源？

　　干扰源是指产生干扰的元件、设备或信号。产生的干扰包括：

　　(1)电磁干扰，如继电器开关启动、静电放电、电网电压波动等都可能引起不同程度的瞬变浪涌电压，会造成IC和半导体器件PN结烧毁、氧化层击穿等。

　　(2)人为干扰，如机械振动、继电器触点抖动、元器件安装和威廉希尔官方网站 板布线引起的电磁耦合、接插件接触不良、虚焊、放大器自激、电源纹波等。

　　(3)环境因素干扰，如噪声和环境温湿度、以及太阳黑子的变化，空间粒子辐射等。

　　每一个设备干扰造成的误操作，可能运行千次才出现一次，甚至是上万，百万才出现一次。时间上是一天，一个月，甚至是一年很多年。但是干扰出现所造成的严重后果，是我们无法想象到的。

　　在这里我先引用一个小插曲：

　　“原来我在镇江做焊机的时候，老是出现焊机在上电瞬间有信号输出，出现的频率很高，最严重的一次是差点将一个客户员工的手指压到。后来我想了个方法就是是在信号输出的I/O口上加上一个50k的上拉电阻，发现问题还是有，但是出现的频率降下来了，后来又改用15k的电阻，就彻底地把那个问题给解决了。”

　　干扰信号源也遵循欧姆定律，越存在干扰的场合，跟测试使用的上拉电阻也有联系。想知道他是怎么解决的，可以看下下面的文章：

　　[话题] 【MCU每周论点】如何提高单片机的抗干扰能力? 亲 你懂吗?

二. 干扰源产生的原因是什么？

　　下面回到正题，

        单片机干扰的原因还包括传播途径、敏感器件的使用，也会使单片机受到干扰。

　　干扰对单片机系统的影响主要通过三种途径传输，包括：

　　(1)输入系统。一般情况下，开关电源模块星载仪器的检测对象往往是微弱物理信号，通过放大的运放威廉希尔官方网站 和高精度A/D转换威廉希尔官方网站 组成。如串入干扰，会使输入的模拟信号失真，数字信号出错，从而导致采集的数据误差增大。

　　(2)输出系统。一旦受到干扰，将使各输出信号混乱，不能正常反应单片机系统的真实输出。但一般单片机输出威廉希尔官方网站 都具有较高的电平，不易受到干扰，需要注意的是其对其他威廉希尔官方网站 的干扰影响。

　　(3)CPU系统。该干扰主要是由CPU内部时钟和噪声引起的，它可使单片机系统总线上的数字信号错乱，CPU得到错误的地址信号，使程序跑飞或死循环，导致输出错误，并将这个错误一直传递，造成系统失败。

　　敏感器件

　　在星载仪器单片机系统中，通常会用到一些如A/D、D/A变换器、弱信号放大器等容易被干扰的器件，也是产生干扰的重要原因。

三. 单片机抗干扰技术与措施

　　单片机系统威廉希尔官方网站 复杂，产生干扰原因也很多，那我们平时应该如何去预防单片机干扰，提高单片机性能与抗干扰影响呢。下面有几种常用的抗干扰措施：

　　1、切断干扰的传播途径

　　1)增加干扰源(如电机、继电器)与敏感器件(如单片机)的距离，用地线把他们隔离或者在敏感器件加上屏蔽罩。

　　2)威廉希尔官方网站 板合理分区，将强信号、弱信号、数字信号、模拟信号威廉希尔官方网站 合理地分区域布置。

　　4)、单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小互相干扰。大功率器件要尽可能布置在威廉希尔官方网站 板的边缘。

　　5)、在单片机I/O口，威廉希尔官方网站 板连接线等关键地方，使用抗干扰元件可显著提高威廉希尔官方网站 的抗干扰性能。

　　6)、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。

　　2、尽量采用抗干扰性能强的单片机

　　1)、降低单片机内部的电源噪声

　　在传统的数字集成威廉希尔官方网站 设计中，通常将电源端和地端分别布置在对称的两边。例如左下角为地，左上角为电源。这使得电源噪声穿过整个硅片。改进方法将单片机的电源和地安排在两个相邻的引脚上，这样不仅降低了穿过整个硅片的电流，还便于印制板上设计电源退耦电容，以降低系统噪声。

　　2)、降低时钟频率

　　单片机测控系统的时钟威廉希尔官方网站 是一个调频噪声源，它不仅能干扰本系统，还对外界产生干扰，使其他系统的电磁兼容检测不能达标。在保证系统可靠性的前提下，选用时钟频率低的单片机可降低系统的噪声。以8051单片机为例，当最短指令周其为1US时，时钟是12MHZ。而同样速度的MOTOROLA兼容单片机的厂商在不牺牲运算速度的前提下，将时钟频率降低到原来的1/3。特别是MOTOROLA公司新推出的68HC08系列单片机、内部采用了锁相倍频技术，将外部时钟除至32KHZ，而内部总线速度却提高到8MHZ，甚至更高。

　　3)、EFT技术

　　随着超大规模集成威廉希尔官方网站 的发展，单片机内部的抗干扰技术也在不断进步。MOTOROLA公司新推出的68HC08系列单片机，采用EFT技术进一步提高了单片机的抗干扰能力，当振荡威廉希尔官方网站 的正弦波信号受到外界干扰时，其波形上会叠加一些毛刺。若以施密特威廉希尔官方网站 对其整形时，这种毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟信号。但是交替使用施密威廉希尔官方网站 和RC滤波可以使这类毛刺不起作用，这就是EFT技术。

　　3、单片机测控系统中的频率抖动技术

　　将频率拉动信号叠加到输入信号的随机噪声上，虽然会增加转换的总噪声，但增加的噪声是用来补偿输出数码量化噪声的，可使量化误差不再输入信号的函数而是抖动噪声瞬时值的函数。因此，利用频率颤抖信号可去除量化噪声与输入信号之间的相关性。频率拉动信号的大小通常约为1/3LSB有效值。例如，在未加频率拉动的情况下，ADC输出的量化噪声是瞬时输入信号幅度的函数，量化拉动之后，因抖动信号的幅度不依赖于输入信号，故量化噪声与输入信号无关，从而消除了ADC输出谐波分量，但这是以增加总噪声为代价的。需要指出的是，并不一定在ADC输入端实际施加颤抖噪声，也可利用地转换器的热噪声作为频率抖动信号，但ADC要有足够的输出位数以确保能够去除输入信号与量化噪声的相关性。

　　4、防止漏电流的技术

　　应当在清洁、干燥、通风、环境温度适宜的条件下使用智能化单片机测控系统。系统受潮后导致绝缘电阻下降，会产生漏电流。轻测使测量误差增大，控制不灵;重则会造成适中故障，损坏元器件。例如，当印制板受潮时，A/D转换器输入阻抗下降，读数不准，并且伴有跳数现象。这也是一些数字电压表在雷雨季节无法正常工作的主要原因。对于受潮的印制板，可用无水酒精擦净表面，然后用电吹风烘干，以消除漏电。

　　有些精密集成威廉希尔官方网站 ，专门设置了防止极间漏电用的保护环。例如由美国哈里斯公司生产的ICL7650型斩波自稳零式精密运算放大器，HI7195A型带微处理器的5 1/2位A/D转换器，均设置了两个保护环引出端。设计威廉希尔官方网站 时将两个保护环接地，即可消除印制板上轻微漏电对测量所造成的影响。

　　5、滤波技术

　　滤波是指从混有干扰或噪声的信号中获取有用信号的方法，能实现上述功能的部件叫滤波器。在数字仪表中常见的滤波器主要有三种：无源滤波器，有源滤波器，数字滤波器。

　　1)无源滤波器

　　无源滤波器是由R、L、C元件构成的，根据干扰信号的特点，可选低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。此外还有带阻滤波器等类型。对于50HZ电磁场干扰，可在测控系统输入端加一级双T滤波器。

　　2)有源滤波器

　　有源滤波器是包含有源器件(例如晶体管、运算放大器)的各种滤波器。与单纯使用R、L、C元件的无源滤波器相比，能省去体积庞大的电感元件，便于实现小型化、集成化。有源滤波器适用于较低频率的滤波。二阶有源带通滤波器的典型威廉希尔官方网站 参见下图。

　　6、隔离技术

　　所谓隔离技术，是指将噪声源与信号线相互隔离开的技术。在单片机系列中经常采用光耦合器来实现传感器与输入通道的隔离、I/O接口的隔离及内部威廉希尔官方网站 的隔离。此外，在远距离传输信号时，也需要采用光电隔离技术。一种采用光电隔离技术的网络通信接口威廉希尔官方网站 如下图所示。在对被传输的模拟信号进行隔离时，宜选用线性光耦合器，其电流传输比接近于常数。

　　此外，在测试系统中还经常用变压器隔离，继电器隔离，贝母隔离等技术。

　　7、抵制传输线上的干扰

　　传输线宜选用双绞线或同轴电缆屏蔽线，尽管双绞线的频带较窄，但其波阻抗高，抗共模干扰能力强，双绞线上的每个小环路的电磁感应用干扰能相互抵消，并且其分布电容较大，可起到积分电容的效果，因此对电磁场具有一定的抵制作用。使用长传输线时需要注意阻抗匹配问题。否则传输线上会产生反射波，造成信号失真。

　　8、正确选择接地点

　　在单片机测控系统内部，大致有6种地线：信号线、模拟地、数字地、功率地、交流地和屏蔽地。

　　设计整机威廉希尔官方网站 时应根据技术条件和实际情况来决定究竟是浮地还是接地，需要采用哪种地线，选择单点接地还是多点接地。

　　9、传感器的屏蔽

　　在工业现场使用集成温度传感器时，很容易引入干扰。为提高信噪比，可以给传感器加上屏蔽。有些温度传感器，采用TO-52型金属壳封装，并且专有一个管脚接管壳。使用时将此脚接地，即可由管壳起来屏蔽作用。对于塑料封装的集成温度传感器，必要时可用薄铜管做外屏蔽，把传感器装入后再用环氧树脂封固，二者保持绝缘。这种全密封式传感器特别适合测量液体和蒸气的温度。

　　10、塑料机的屏蔽

　　目前，采用ABS工程逆料制成的塑料机箱以其造型美观，携带轻便等优点，深受人们的青睐。为使机箱具有屏蔽作用，可用喷涂、真空、沉积等方法在机箱内表面覆盖一层导电膜。也可以自己加工屏蔽层，在机箱内表面粘粘一层铝箔，再与公共地连通。

　　11、元器件的选择

　　为降低元器件的噪声，应尽量采用金属膜电阻和低噪声的有源器件。为了减小温度漂移，全部元件需经过高、低温老化处理。必要时，前级放大器、有源滤波器要加温度补偿威廉希尔官方网站 。A/D转换器的积分电容应选漏电小、介质损耗因数低的聚丙烯或聚苯乙烯电容。ICL7650型精密运放和IC7660型DC/DC转换器泵电容，均应采用钽电容。

　　能用低速器件就不用高速器件，高速器件只用在关键的地方。

　　12、消噪威廉希尔官方网站

　　带隙基准电压源是一种作为电压基准的高稳定度电压源，目前正广泛用于数字仪表、智能仪器及测试系统中。在基准电压输出端并联一只0.1UF的消噪电容，能滤除高频噪声。

　　当威廉希尔官方网站 的输出状态维持不变时允许加到输入端的噪声电压最大值，称为电压噪声容限。噪声容限愈高，说明器件的抗干扰能力，应尽量CMOS威廉希尔官方网站 来代替TTL威廉希尔官方网站 。CMOS威廉希尔官方网站 的噪声容限可达电源电压的40%,而TTL威廉希尔官方网站 大约只有电源电压的16%。

　　13、电源即耦电容

　　单片机测控系统中许多威廉希尔官方网站 都是公用一个直流电源的。这就要求电源线不得在各威廉希尔官方网站 之间引入干扰，并且当负载发生变化时直流电源线上不应产生波动。但实际上很难做到，因为直流电源的内阻抗，并且当负载发生变化时直流电源线上不应产生波动。但实际上很难做到，因为直流电源的内阻抗和电源引线的交流阻抗不可能为零。利用退耦电容不仅能降低直流电源的内阻抗，还能避免各威廉希尔官方网站 之间通过电源线相互干扰。

　　在单片机测控系统中使用了大量的数字IC，而每片数字IC本身都是一个脉冲干扰源，它们也会通过电源线相互干扰。解决办法是在印制板电源进线端并联一只10UF~100UF钽电容进行电源退耦，同时在每个芯片的电源进线端再并联一只高频、低分布的电感的陶瓷电容，容量一般取0.1UF，当频率超过 15MHZ时，可取0.01JF，威廉希尔官方网站 如图所示。退耦电容的引脚要尽量短。