在安放去耦电容时需要注意以下几点:
在印制电路板的电源输入端跨接100uF左右的电解电容,如果体积允许的话,电容量大一些则更好。
原则上每个集成电路芯片的旁边都需要放置一个0.01uF的瓷片电容,如果电路板的空隙太小而放置不下时,可以每10个芯片左右放置一个1~10的钽电容。
对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的元件和RAM、ROM等存储元件,应该在电源线(Vcc)和地线之间接入去耦电容。
电容的引线不要太长,特别是高频旁路电容不能带引线。
逻辑地和模拟地要分开布线,不能合用,将它们各自的地线分别与相应的电源地线相连。在设计时,模拟地线应尽量加粗,而且尽量加大引出端的接地面积。一般来讲,对于输入输出的模拟信号,与单片机电路之间通过光耦进行隔离。
在设计逻辑电路的印制电路版时,其地线应构成闭环形式,提高电路的抗干扰能力。
地线应尽量的粗。如果地线很细的话,则地线电阻将会较大,造成接地电位随电流的变化而变化,致使信号电平不稳,导致电路的抗干扰能力下降。在布线空间允许的情况下,要保证主要地线的宽度至少在2~3mm以上,元件引脚上的接地线应该在1.5mm左右。
要注意接地点的选择。当电路板上信号频率低于1MHz时,由于布线和元件之间的电磁感应影响很小,而接地电路形成的环流对干扰的影响较大,所以要采用一点接地,使其不形成回路。当电路板上信号频率高于10MHz时,由于布线的电感效应明显,地线阻抗变得很大,此时接地电路形成的环流就不再是主要的问题了。所以应采用多点接地,尽量降低地线阻抗。
电源线的布置除了要根据电流的大小尽量加粗走线宽度外,在布线时还应使电源线、地线的走线方向与数据线的走线方身一致在布线工作的,用地线将电路板的底层没有走线的地方铺满,这些方法都有助于增强电路的抗干扰能力。
数据线的宽度应尽可能地宽,以减小阻抗。数据线的宽度至少不小于0.3mm(12mil),如果采用0.46~0.5mm(18mil~20mil)则更为理想。
由于电路板的一个过孔会带来大约10pF的电容效应,这对于高频电路,将会引入太多的干扰,所以在布线的时候,应尽可能地减少过孔的数量。再有,过多的过孔也会造成电路板的机械强度降低。
系统的扩展和配置应遵循以下原则:
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。
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。
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,考虑的原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实现,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。
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。
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。
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。
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 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:
形成干扰的基本要素有三个:
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。
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。
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。
干扰的耦合方式:
直接耦合:这是直接的方式,也是系统中存在普遍的一种方式。比如干扰信号通过电源线侵入系统。
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。
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。
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。
漏电耦合:这种耦合是纯电阻性的,在绝缘不好时就会发生。
采取的抗干扰主要手段:
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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。
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)。
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。
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。
用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离,在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则。
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。
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。
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布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。
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。
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。
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。
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。
IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。
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印制板工艺抗干扰:
电源线加粗,合理走线、接地,三总线分开以减少互感振荡。
CPU、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。
独立系统结构,减少接插件与连线,提高可靠性,减少故障率。
集成块与插座接触可靠,用双簧插座,集成块直接焊在印制板上,防止器件接触不良故障。
有条件采用四层以上印制板,中间两层为电源及地。
来自:电子产品世界