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如何提高单片机系统的抗干扰性能

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earlmax|  楼主 | 2025-1-21 00:31 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
搞过产品的朋友都有体会,一个设计看似简单,硬件设计和代码编写很快就搞定,但在调试过程中却或多或少的意外,这些都是抗干扰能力不够的体现。
下面讨论一下如何让你的设计避免走弯路:
抗干扰体现在2个方面,一是硬件设计上,二是软件编写上。
这里重点提醒:在MCU设计中主要抗干扰设计是在硬件上,软件为辅。因为MCU的计算能力有限,所以要在硬件上花大工夫。
看看干扰的途径:
  1:干扰信号干扰MCU的主要路径是通过I/O口,一是影响了MCU的数据采集,二是影响内部其它寄存器。
解决方法:后面讨论。
  2:电源干扰:MCU虽然适应电压较宽(3-5。5V),但对于电源的波动却很敏感,比如说MCU可以在3V电压下稳定工作,但却不能在电压在3V-5。5V波动的情况下稳定工作。
解决方法:用电源稳压块,做好电源的滤波等工作,提示:一定要在电源旁路并上0。1UF的瓷片电容来滤除高频干扰,因为电解电容对超过几十KHZ的高频干扰不起作用。
  3:上下电干扰:但每个MCU系统在上电时候都要经过这样一个过程,所以要尤其注意。
MCU虽然可以在3V电压下稳定工作,但并不是说它不能在3V以下的电压下工作,当然在如此低的电压下MCU是超不稳定状态的。在系统加电时候,系统电源电压是从0V上升到额定电压的,比如当电压到2V时候,MCU开始工作了,但这时是超不稳定的工作,极容易跑飞。
解决方法:1让MCU在电源稳定后才开始工作。PIC在片内集成了POR(内部上电延时复位),这功能一定要在配置位中打开。
外部上电延时复位电路。有多种形式,低成本的就是在复位脚接个阻容电路。高成本的是用专用芯片。这方面的资料特多,到处都可以查找。
最难排除的就是上面第一种干扰,并且干扰信号随时可以发生,干扰信号的强度也不尽相同。
但它们也有相同点:干扰信号也遵循欧姆定律,干扰信号偶合路径无非是电磁干扰,一是电火花,二是磁场。
其中干扰最厉害的是电火花干扰,其次是磁场干扰。电火花干扰表现场合主要是附近有大功率开关、继电器、接触器、有刷电机等。磁场干扰表现场合主要是附近有大功率的交流电机、变压器等。
  解决方法:第一点:也是最经典的,就是在PCB步线和元件位置安排上下工夫,这中间学问很多,说几天都说不完^^。
二:综合考虑各I/O口的输入阻抗,采集速率等因素设计I/O口的外围电路。
一般决定一个I/O口的输入阻抗有3种情况:
A:I/O口有上拉电阻,上拉电阻值就是I/O口的输入阻抗。
一般大家都用4K-20K电阻做上拉,(PIC的B口内部上拉电阻约20K)。
由于干扰信号也遵循欧姆定律,所以在越存在干扰的场合,选择上拉电阻就要越小,因为干扰信号在电阻上产生的电压就越小。
由于上拉电阻越小就越耗电,所以在家用设计上,上拉电阻一般都是10-20K,而在强干扰场合上拉电阻甚至可以低到1K。
(如果在强干扰场合要抛弃B口上拉功能,一定要用外部上拉。)
B:I/O口与其它数字电路输出脚相连,此时I/O口输入阻抗就是数字电路输出口的阻抗,一般是几十到几百欧。
可以看出用数字电路做中介可以把阻抗减低到最理想,在许多工业控制板上可以看见大量的数字电路就是为了保证性能和保护MCU的。
C:I/O口并联了小电容。
由于电容是通交流阻直流的,并且干扰信号是瞬间产生,瞬间熄灭的,所以电容可以把干扰信号滤除。但不好的是造成I/O口收集信号的速率下降,比如在串口上并电容是绝不可取的,因为电容会把数字信号当干扰信号滤掉。
对于一些检测开关、干簧管、霍尔元件之类的是可以并电容的,因为这些开关量的变化是不可能有很高的速率的,并一个小电容对信号的采集是没任何影响的。

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沙发
kkzz| | 2025-2-4 16:29 | 只看该作者
地线足够粗,以降低地线阻抗,减少地线噪声。对于高速信号,采用多层PCB设计,设置专门的地平面和电源平面。

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板凳
timfordlare| | 2025-2-4 17:34 | 只看该作者
选择低噪声的电源器件和放大器,减少系统内部噪声。

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地板
maudlu| | 2025-2-4 19:51 | 只看该作者
在信号输入端添加RC低通滤波器,滤除高频噪声。

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5
houjiakai| | 2025-2-4 21:34 | 只看该作者
在电源入口处添加滤波电容,如电解电容和陶瓷电容,以滤除电源噪声。在每个IC的电源引脚附近放置去耦电容,通常为0.01μF和0.1μF。

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6
alvpeg| | 2025-2-4 22:07 | 只看该作者
把同一功能模块的元器件集中放置,例如将与数据采集相关的传感器接口电路、放大电路、A/D转换电路等放在一起,这样可以减少信号传输过程中的干扰,同时也便于布线和调试。

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7
louliana| | 2025-2-4 22:40 | 只看该作者
使用光耦、磁珠、电感等元件进行信号隔离。光耦可以实现光电隔离,将输入和输出信号完全隔离开来,防止电气干扰从一个电路传输到另一个电路。磁珠和电感则可以抑制高频信号的传输,只允许低频信号通过,常用于对电源线或信号线的滤波。

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8
1988020566| | 2025-2-5 07:43 | 只看该作者
合理分区,将强电、弱电、数字、模拟信号分开,减少相互干扰。
关键器件靠近放置,减少布线长度和交叉干扰。

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9
iyoum| | 2025-2-5 09:17 | 只看该作者
将模拟信号线和数字信号线分开布线,避免相互干扰。使用屏蔽线或差分信号传输敏感信号。

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10
robincotton| | 2025-2-5 09:49 | 只看该作者
使用专用复位芯片,提高复位电路的可靠性。

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caigang13| | 2025-2-5 10:12 | 只看该作者
MCU系统的抗干扰性能是一个综合设计,包括硬件,软件,结构等。

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12
updownq| | 2025-2-5 10:21 | 只看该作者
在信号输入输出端增加滤波电路,如低通滤波器、带通滤波器等,以滤除不需要的高频噪声或杂波。对于电源线,可采用π型滤波器,由两个电容和一个电感组成,能有效抑制电源中的高频干扰。

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13
febgxu| | 2025-2-5 10:52 | 只看该作者
采用良好的接地策略,如单点接地或多点接地,以减少地线干扰。

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14
sdCAD| | 2025-2-5 11:24 | 只看该作者
在单片机的I/O口与噪声源之间增加隔离措施,如光电耦合器或继电器。
使用屏蔽罩对敏感电路进行屏蔽,防止外部电磁干扰。

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15
elsaflower| | 2025-2-5 11:55 | 只看该作者
对单片机和其他IC器件的闲置I/O口,不应悬空,而应接地或接电源,以避免这些端口成为噪声的接收点。

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16
xiaoyaodz| | 2025-2-5 12:25 | 只看该作者
尽量减少电路板的回路环面积,以降低感应噪声。
电源线和地线应尽量粗,以减小压降和耦合噪声。
数字地与模拟地应分开,并在一点接地,避免地线干扰。

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17
hilahope| | 2025-2-5 13:26 | 只看该作者
选用外时钟频率低的微控制器,减少高频噪声。
降低系统时钟频率,减少电磁辐射。

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18
burgessmaggie| | 2025-2-5 14:24 | 只看该作者
在需要的地方使用光电耦合器、变压器或继电器等隔离器件,将不同部分的电路电气隔离,防止干扰传播。

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19
usysm| | 2025-2-5 14:53 | 只看该作者
对敏感元件如单片机芯片、A/D、D/A变换器等使用金属屏蔽罩,并将屏蔽罩良好接地,可以有效隔离空间辐射干扰。对于容易受干扰的部分,也可以增加局部屏蔽罩并接地。

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20
uytyu| | 2025-2-5 15:23 | 只看该作者
对敏感信号线使用差分信号传输,并添加瞬态电压抑制器(TVS)来保护信号线。

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