單片機(jī)復(fù)位電路，隱藏著這么多門道

各位小伙伴們大家好，復(fù)位電路在單片機(jī)小系統(tǒng)中很常見。今天我們就探討下單片機(jī)阻容復(fù)位電路的構(gòu)成、特點(diǎn)和改進(jìn)方法。

本文內(nèi)容選自龍順宇老師的新書《****STC8增強(qiáng)型51單片機(jī)進(jìn)階攻略》。

我們現(xiàn)在講的“復(fù)位”，其作用就是通過相關(guān)電路產(chǎn)生“復(fù)位信號(hào)”， 讓單片機(jī)能在上電后或者運(yùn)行中恢復(fù)到默認(rèn)的起始狀態(tài)。

一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路主要有四種類型：

• 微分型復(fù)位電路；
• 積分型復(fù)位電路；
• 比較器型復(fù)位電路；
• 看門狗型復(fù)位電路；

常見的阻容式微分復(fù)位電路如圖1（a）所示，電路中的“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)連接至單片機(jī)“RST”引腳。

圖1（a）

該電路上電后的波形如圖1（b），其波形在上電后先是高電平，經(jīng)過100ms后跌落到了1V以下最終保持低電平狀態(tài)，我們常將其稱為“高電平”復(fù)位電路。

圖1（b）

分析微分復(fù)位電路，該電路的組成十分簡單，其核心實(shí)現(xiàn)僅有1個(gè)電阻和1個(gè)電容組成，外加的S1按鍵主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位功能，當(dāng)S1按下時(shí)“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)被強(qiáng)制拉高實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

在設(shè)計(jì)該電路時(shí)一定要先根據(jù)單片機(jī)工作的時(shí)鐘頻率去考慮阻容的取值，若系統(tǒng)選用12MHz石英晶振，則1個(gè)機(jī)器周期就是1us，復(fù)位信號(hào)的脈沖寬度最小也要2us以上，但是真正設(shè)計(jì)時(shí)最好不要貼近理論值去構(gòu)造電路，復(fù)位信號(hào)脈沖寬度最好是20至200ms為宜。

當(dāng)晶振頻率大于或等于12MHz時(shí)，常見取值C1為10uF，R1為10k。

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)C1相當(dāng)于通路，“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)上電瞬間為高電平，隨著R1不斷泄放C1的電荷，“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)的電壓逐漸降低，最終降到低電平區(qū)間。

在放電的過程中“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)的高電平持續(xù)了100ms左右才跌落到1V以下，這遠(yuǎn)大于2個(gè)機(jī)器周期的復(fù)位時(shí)間要求，即復(fù)位有效。

若將圖2中的電阻R1和電容C1互換位置就可以變成阻容式積分復(fù)位電路，電路原理圖如圖2（a）所示。

該電路上電后的波形如圖2（b）所示，其波形在上電后先是低電平，然后經(jīng)過50ms左右就超過了1.6V并繼續(xù)上升，最終保持在高電平電壓區(qū)間，我們常將該電路稱為“低電平”復(fù)位電路。

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)C1相當(dāng)于通路，故而“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)上電瞬間為低電平，隨著電源通過R1不斷的向C1充電，“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)的電位逐漸抬升并最終保持高電平。

外加的S1按鍵主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位功能，當(dāng)S1按下時(shí)“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)被強(qiáng)制拉低實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

圖2（a）圖2（b）

阻容式復(fù)位電路非常簡單，成本也很低，但是可靠性如何呢？

• 首先來說，阻容器件本身存在器件誤差，誤差會(huì)直接導(dǎo)致RC時(shí)間常數(shù)和充放電時(shí)間的差異，批量制造時(shí)難以保證產(chǎn)品的一致性。
• 其次，阻容器件存在老化現(xiàn)象和溫漂問題，在長期使用或者嚴(yán)苛溫度環(huán)境中容易造成較大誤差導(dǎo)致失效。
• 最后，簡單的阻容復(fù)位電路會(huì)有電容的遲滯充放電問題，導(dǎo)致復(fù)位信號(hào)可能不滿足復(fù)位電平閾值要求，且面對來自電源的波動(dòng)或者快速開關(guān)機(jī)情況會(huì)出現(xiàn)無法復(fù)位的問題。

朋友們可能會(huì)說，器件參數(shù)誤差、老化和溫漂在一般產(chǎn)品中都可以接受，一致性問題也沒有那么高要求，本著“能用就行”的原則，這個(gè)電路也湊合用吧！

也不是不行，但是可以稍微改進(jìn)下。

以圖1（a）所示的阻容式微分復(fù)位電路為例，若將電源周期性通斷，其復(fù)位波形就不再完美了。

實(shí)際波形如圖3（a）所示，復(fù)位波形由于電容的緩慢放電，出現(xiàn)了下降遲緩，無法到達(dá)低電平閾值的問題。

這種復(fù)位信號(hào)就不能保證單片機(jī)系統(tǒng)的有效復(fù)位，無疑是危險(xiǎn)的。

若將微分復(fù)位電路按圖3（b）改進(jìn)，在電阻R1的兩端并聯(lián)個(gè)D1，再次將電源周期性通斷，復(fù)位波形就會(huì)變成如圖3（c）所示的波形。

從波形上看，電路改造后復(fù)位波形得到了明顯的改善，圖中波形下降迅速且可以下降到低電平閾值以下，不會(huì)出現(xiàn)頻繁上電時(shí)復(fù)位電壓“下不去”的情況。

圖3（a）圖3（b）圖3（c）

這個(gè)“不起眼”的D1為電容C1在掉電情況下提供了一條迅速泄放電荷的通道，這樣一來就可以保證在電源頻繁波動(dòng)或者周期性上電情況下的正常復(fù)位。有的朋友可能要說了，這個(gè)復(fù)位波形看起來還是很“怪異”??！

雖說是高電平復(fù)位波形，但是看起來和“毛刺”一樣，那能不能通過什么電路把復(fù)位信號(hào)搞成類似于高低電平的波形樣式呢？

我們再把電路優(yōu)化一次。

添加三極管和二極管進(jìn)去，最終搭建出一種閾值電壓比較型高電平復(fù)位電路如圖4（a）所示。

電路的目的就是構(gòu)造一個(gè)“復(fù)位閾值電壓比較器”，電路中的穩(wěn)壓二極管D1（實(shí)際選用3.3V穩(wěn)壓管）和開關(guān)二極管D2（實(shí)際選用1N4148，導(dǎo)通壓降為0.6V左右）決定了復(fù)位信號(hào)的電平閾值，大致就是3.3V+0.6V=3.9V左右（朋友們也可以更替D1的穩(wěn)壓參數(shù)構(gòu)成更多復(fù)位閾值）。

電路中的三極管Q1及外圍電路構(gòu)成了一個(gè)簡單的比較器電路，當(dāng)電源波動(dòng)的時(shí)候也可以有效的根據(jù)閾值比較完成復(fù)位動(dòng)作。

R2的大小可以改變輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，R1和C2一起決定了復(fù)位延時(shí)的長度，C1是為了抑制和旁路電源中的高頻噪聲。

該電路上電后的復(fù)位波形如圖4（b）所示，這樣的波形總算是“漂亮”了。

圖4（a）圖4（b）

基于圖4（a）所示的高電平復(fù)位電路，我們也可以稍加變形做成如圖5（a）所示的“低電平復(fù)位電路”，該電路適用于低電平復(fù)位的單片機(jī)。該電路上電后的復(fù)位波形如圖5（b）所示，該波形相當(dāng)于圖4（b）的取反波形。

圖5（a）圖5（b）

由此可見，小電路也有很多講究。此處的改進(jìn)只是拋磚引玉，朋友們別被“拋出去的磚”砸暈了，復(fù)位電路還存在很多改進(jìn)電路和一些實(shí)際問題，希望讀者朋友們可以自行延展，單片機(jī)復(fù)位端口處還可并聯(lián)0.01至0.1uF的瓷片電容，以抑制電源高頻噪聲干擾或配置施密特觸發(fā)器電路，進(jìn)一步的提高單片機(jī)對串入噪聲的抑制。

我們以美信公司生產(chǎn)的MAX810這款高電平復(fù)位電路專用芯片為例，搭建如圖6（a）所示電路，上電后測量“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)可以得到如圖6（b）所示波形，這個(gè)波形就堪稱“完美”了。

圖6（a）圖6（b）

常見的低電平復(fù)位電路有MAX705、MAX706、MAX809、MAX811等器件。高電平復(fù)位電路有MAX810、MAX812等器件。

而MAX707、MAX708、MAX813L等器件同時(shí)有高、低電平復(fù)位輸出信號(hào)和看門狗輸出，在實(shí)際產(chǎn)品中經(jīng)常會(huì)看到它們，需要注意的是，不同芯片的復(fù)位脈沖時(shí)間不一樣，但是一般都可以達(dá)到100至200ms左右，完全滿足常見處理器對復(fù)位時(shí)間的需求。