单片机课件第13章.ppt

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第13章单片机应用系统抗干扰技术设计13.1概述13.2干扰源13.3模拟信号输入通道的抗干扰13.4单片机系统常用软件抗干扰习题与思考题第第13章章单片机应用系统抗干扰技术设计单片机应用系统抗干扰技术设计第13章单片机应用系统抗干扰技术设计13.1概概述述随着单片机应用的普及，采用单片机控制的产品与设备也日益增多，而某些设备所在的工作环境往往比较恶劣，干扰严重，这些干扰会严重影响设备的正常工作，使其不能正常运行。

因此，为了保证设备能在实际应用中可靠地工作，必须要周密考虑和解决抗干扰的问题。

抗干扰措施对于一个单片机系统的设计来说，具有非常重要的意义，也是设计单片机系统必须要考虑的重要问题之一。

对于产生的干扰，首先找出干扰源，剖析干扰的作用原因、路径及造成的后果，进而有的放矢，针对具体干扰采取相应措施。

抗干扰的措施有很多种，下面将分别从硬件抗干扰和软件抗干扰所采取的不同措施加以介绍。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计干扰对微机系统的作用部位可以分为三个：

（1）输入系统。

干扰使模拟信号失真，数字信号出错，微机系统根据这种输入信息作出的反应必然是错误的。

（2）输出系统。

干扰使输出信号混乱，不能正常反映微机系统的真实输出量，从而导致一系列严重的后果。

如果是监测系统，则其输出的信息不可靠，人们据此信息做出的决策也必然出差错；如果是控制系统，则其输出将控制一批执行机构，使其做出一些不正确的动作，轻者造成一批废次产品，重者引起严重事故。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计（3）微机系统的内核。

干扰使三总线上的数字信号错乱，从而引发一系列后果。

CPU得到错误的数据信息，使指令或操作数失真，导致结果出错，并将这个错误一直传递下去，形成一系列错误。

CPU得到错误的地址信息后，引起程序计数器PC出错，使程序运行离开正常轨道，导致程序失控。

程序失控后，有时几经周折，自己回到正常的轨道上来，但这时它可能已经做了几件“坏事”，造成一些明显的后果，也可能埋下了几处隐患，使后续程序出错，有时程序几经周折后便进入一个死循环，使系统瘫痪。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计由于程序失控，有可能不经调用指令就直接插入一个子程序，然后通过返回指令来破坏堆栈指针，使程序更加失控。

如果插入到中断子程序中，不但破坏堆栈指针，而且破坏中断嵌套关系，引起中断混乱。

失控的程序有可能破坏与中断有关的特殊功能寄存器，从而改变中断设置方式，关闭或打开某些中断，引起意外的非法中断。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计失控的程序还有可能修改片内RAM中的内容，使某些具有决定性的参数被破坏，引起系统决策失误。

也可能修改片外RAM中的内容（这些内容多为数据），使数据失实。

各种外围芯片大多统一编址，以外部RAM的身份出现，当修改外部RAM的内容时，又可能引起对外围芯片的非法操作，如改变外围芯片的工作方式，出现意外的I/O操作等。

对于80C51系列CPU如果失控的程序修改了专用寄存器PCON的内容，则又可能直接进入掉电工作方式，也有可能进入“睡眠”工作方式，进入“死睡”状态。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计13.2干干扰扰源源13.2.1形成干扰的基本要素形成干扰的基本要素

（1）干扰源：

指产生干扰的元件、设备或信号。

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。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计13.2.2干扰的耦合方式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，我们有必要了解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，主要有以下几种：

（1）直接耦合：

这是最直接的方式，也是系统中普遍存在的一种方式。

比如干扰信号通过电源线侵入系统，对于这种形式，最有效的方法就是增加去耦电路。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计

（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之间没有公共阻抗。

（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。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计13.2.3抑制干扰措施抑制干扰措施针对形成干扰的原因，采取的抗干扰主要有抑制干扰源、切断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能等手段。

1抑制干扰源抑制干扰源抑制干扰源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。

减小干扰源一般是通过在干扰源两端并联电容来实现，通过串联电感、电阻或增加续流二极管来实现。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计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，电阻一般选几千欧姆到几十千欧姆，电容选0.01F），以减小电火花影响。

（3）给电机加滤波电路。

注意，电容、电感引线要尽量短。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计（4）电路板上每个集成片的电源和地之间要并接一个0.010.1F的高频电容，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。

布线时避免90折线，减少高频噪声发射。

双面板布线尽量做到电路板两面不要平行布线，以减小分布电容的影响。

（5）可控硅两端并接RC抑制电路，以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）。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计2切断干扰传播路径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。

所谓辐射干扰，是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。

一般的解决方法是用地线把它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩，以增大干扰源与敏感器件的距离。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计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形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100电阻代替磁珠。

（2）选用频率低的微控制器。

（3）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（增加形滤波电路）。

（4）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。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计（5）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）隔开。

（6）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。

（7）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。

（8）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，可显著提高电路的抗干扰性能。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计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干扰。

主要措施如下：

（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。

（2）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。

其他IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下也要接地或接电源。

（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。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计（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。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计13.3模拟信号输入通道的抗干扰模拟信号输入通道的抗干扰模拟信号输入通道是数据采集和单片机、传感器之间进行信息交换的渠道，对这一信息渠道侵入的干扰主要是因公共地线所引起的，其次当传输线较长时，也会受到静电和电磁波噪声的干扰，这些干扰将严重影响采样信号的准确性和可靠性，因此必须予以消除或抑制。

13.3.1采用隔离技术隔离干扰采用隔离技术隔离干扰所谓隔离干扰，就是从电路上把干扰源与敏感电路部分隔离开来，使它们不存在电的联系，或者削弱它们之间点的联系。

隔离技术从原理上可分为光电隔离和电磁隔离。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计1光电隔离光电隔离光电隔离是利用光电耦合器件实现电路上的隔离，其工作原理如下：

（1）光电隔离器的输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管，输入与输出端之间通过光传递信息，而其又是在密封的条件下进行的，故不受外界光的影响。

光电耦合器的结构如图13-1所示。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计图13-1二极管三极管型的光电耦合器第13章单片机应用系统抗干扰技术设计

（2）光电耦合器的输入阻抗很低，一般在1001000之间，而干扰源的内阻一般很大，通常为105106，根据分压原理可知，这些能够馈送到光电耦合器输入端的噪声很小。

（3）由于干扰源的内阻一般很大，尽管它能提供较大幅度的干扰电压，但是能够提供的能量很小，即形成微弱的电流，而光电耦合输入端的发光二极管，只有当流过的电流超过其阈值时才能发光。

输出的光敏三极管只在一定光强度下才能工作，因此即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量而不能使发光二极管发光，从而被抑制掉。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计（4）光电耦合器件的输入端与输出端之间的寄生电容极小，一般仅为0.52pF，而绝缘电阻又非常大，通常为10111013，因此输出端的各种干扰很难反馈到输入端中。

由于光电耦合器件的以上优点，使得光电耦合在系统与外界以及系统内部电路之间的隔离方面有着广泛的应用。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计2电磁隔离电磁隔离电磁隔离是在传感器与输入通道之间加入一个隔离放大器，利用隔离放大器的电磁耦合，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。

美国AD公司的Model277隔离放大器的结构如图13-2所示，这是既具有一般放大器的特性，又在其输出和输入端之间无直接耦合通路的一类放大器，其信息传送通过磁路来完成。

隔离放大器在系统中的使用如图13-3所示。

由图13-3可知，外界的模拟信号由隔离放大器进行隔离放大，然后以高电平低阻抗的特性输出至多路开关。

为抑制市电频率对系统的影响，电源部分由变压器隔离。

第13章单片机应用系统抗干扰技术设计图13-2Model277结构图第13章单片机应用系统抗干扰技术设计图13-3隔离放大器隔离图第13章单片机应用系统抗干扰技术设计13.3.2采用滤波器滤除干扰采用滤波器滤除干扰滤波是一种只允许某一频带信号通过的抑制干扰措施之一，特别适用于抑制经导线传导耦合到电路中的噪声信号。

从现场采集到的信号，是经过传输线送入采集电路或微机接口电路的，因此在信号传输过程中可能引入干扰信号，为使信号在进入采集电路或微机接口电路之前就消除或减弱这种干扰，可在信号传输线上加上滤波器。

图13-4为热电偶测温系统信号滤波原理图，Z为热