單片機(jī)系統(tǒng)可靠性技術(shù)及發(fā)展

4.防雷擊器件

　　室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或電源線、信號(hào)線從室外架空引入室內(nèi)的，要考慮系統(tǒng)的防雷擊問題。常用的防雷擊器件有：氣體放電管，TVS(Transient Voltage Supervention)等，氣體放電管是當(dāng)電源電壓大于某一值時(shí)，通常為數(shù)十伏或數(shù)百伏，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地，TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)電兩端電壓高于某一額定值時(shí)導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃至上千安培的電流。這類元器件要和抗共模和抗差模干擾的電感配合使用以提高抗干擾效果。

　　提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段

1.接地

　　這里的接地指接大地，也稱作保護(hù)地。為單片機(jī)系統(tǒng)提供良好的地線，對(duì)提高系統(tǒng)的抗干擾能力極為有益。特別是對(duì)有防雷擊要求的系統(tǒng)，良好的接地至關(guān)重要。上面提到的一系列抗干擾元件，意在將雷擊、浪涌式干擾以及快脈沖群干擾去除，而去除的方法都是將干擾引入大地，如果系統(tǒng)不接地，或雖有地線但接地電阻過大，則這些元件都不能發(fā)揮作用。為單片機(jī)供電的電源的地俗稱邏輯地，它們和大地的地的關(guān)系可以相通、浮空、或接一電阻，要視應(yīng)用場(chǎng)合而定。不能把地線隨便接在暖氣管子上。絕對(duì)不能把接地線與動(dòng)力線的火線、零線中的零線混淆。

2.隔離與屏蔽

　　典型的信號(hào)隔離是光電隔離。使用光電隔離器件將單片機(jī)的輸入輸出隔離開，一方面使干擾信號(hào)不得進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，另一方面單片機(jī)系統(tǒng)本身的噪聲也不會(huì)以傳導(dǎo)的方式傳播出去。屏蔽則是用來隔離空間輻射的，對(duì)噪聲特別大的部件，如開關(guān)電源，用金屬盒罩起來，可減少噪聲源對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾。對(duì)特別怕干擾的模擬電路，如高靈敏度的弱信號(hào)放大電路可屏蔽起來。而重要的是金屬屏蔽本身必須接真正的地。

3.濾波

　　濾波指各類信號(hào)按頻率特性分類并控制它們的方向。常用的有各種低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。低通濾波器用在接入的交流電源線上，旨在讓50周的交流電順利通過，將其它高頻噪聲導(dǎo)入大地。低通濾波器的配置指標(biāo)是插入損耗，選擇的低通濾波器插入損耗過低起不到抑制噪聲的作用，而過高的插入損耗會(huì)導(dǎo)致“漏電”，影響系統(tǒng)的人身安全性。高通、帶通濾波器則應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)的處理要求選擇使用。
印制電路板的布線與工藝

　　印制電路板的設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)能否抗干擾非常重要。要本著盡量控制噪聲源、盡量減小噪聲的傳播與耦合，盡量減小噪聲的吸收這三大原則設(shè)計(jì)印制電路板和布線。當(dāng)你設(shè)計(jì)單片機(jī)用印制電路板時(shí)，不仿對(duì)照下面的條條檢查一下。

　　·印制電路板要合理區(qū)分，單片機(jī)系統(tǒng)通常可分三區(qū)，即模擬電路區(qū)(怕干擾)，數(shù)字電路區(qū)(即怕干擾、又產(chǎn)生干擾)，功率驅(qū)動(dòng)區(qū)（干擾源）。

　　·印刷板按單點(diǎn)接電源、單點(diǎn)接地原則送電。三個(gè)區(qū)域的電源線、地線由該點(diǎn)分三路引出。噪聲元件與非噪聲元件要離得遠(yuǎn)一些。

　　·時(shí)鐘振蕩電路、特殊高速邏輯電路部分用地線圈起來。讓周圍電場(chǎng)趨近于零。

　　·I/O驅(qū)動(dòng)器件、功率放大器件盡量靠近印刷板的邊，靠近引出接插件。

　　·能用低速的就不用高速的,高速器件只用在關(guān)鍵的地方。

　　·使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時(shí)鐘的器件。

　　·石英晶體振蕩器外殼要接地，時(shí)鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。

　　·使用450的折線布線，不要使用900折線,以減小高頻信號(hào)的發(fā)射。

　　·單面板、雙面板，電源線、地線要盡量的粗。信號(hào)線的過孔要盡量少。

　　·4 層板比雙面板噪聲低20dB。6層板比4層板噪聲低10dB。經(jīng)濟(jì)條件允許時(shí)盡量用多層板。

　　·關(guān)鍵的線盡量短并要盡量粗，并在兩邊加上保護(hù)地。將敏感信號(hào)和噪聲場(chǎng)帶信號(hào)通過一條扁帶電纜引出的話，要用地線-信號(hào)-地線......的方式引出。

　　·石英振蕩器下面、噪聲敏感器件下面要加大地的面積而不應(yīng)該走其它信號(hào)線。

　　·任何信號(hào)線都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)盡量小。

　　·時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小，時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離I/O線。

　　·對(duì)A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可繞一下也不要交叉。噪聲敏感線不要與高速線、大電流線平行。

　　·單片機(jī)及其它IC電路，如有多個(gè)電源、地端的話，每端都要加一個(gè)去耦電容。

　　·單片機(jī)不用的I/O端口要定義成輸出。

　　·每個(gè)集成電路要加一個(gè)去耦電容，要選高頻信號(hào)好的獨(dú)石電容式瓷片電容作去耦電容。去耦電容焊在印制電路板上時(shí)，引腳要盡量短。

　　·從高噪聲區(qū)來的信號(hào)要加濾波。繼電器線圈處要加放電二極管?？梢杂么粋€(gè)電阻的辦法來軟化I/O線的跳變沿或提供一定的阻尼。

　　·用大容量的鉭電容或聚脂電容而不用電解電容作電路充電的儲(chǔ)能電容。因?yàn)殡娊怆娙莘植茧姼休^大，對(duì)高頻無效。使用電解電容時(shí)要與高特性好的去耦電容成對(duì)使用。

　　·需要時(shí)，電源線、地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件阻斷高頻噪聲的傳導(dǎo)。

　　·弱信號(hào)引出線、高頻、大功率引出電纜要加屏蔽。引出線與地線要絞起來。

　　·印刷板過大、或信號(hào)線頻率過高，使得線上的延遲時(shí)間大于等于信號(hào)上升時(shí)間時(shí)，該線要按傳輸線處理，要加終端匹配電阻。

　　·盡量不要使用IC 插座，把IC直接焊在印刷板上，IC座有較大的分布電容。