【導(dǎo)讀】隨著電于技術(shù)的飛速發(fā)展,PGB的密度越來(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力影響很大.因此,在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí).必須遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則,并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)對(duì)于數(shù)字電路、單片機(jī)的抗干擾設(shè)計(jì)你也不能小瞧了!
PCB板繪制的抗干擾設(shè)計(jì)原則
一、地線布置:
1、數(shù)字地與模擬地分開。
2、接地線應(yīng)盡量加粗,致少能通過(guò)3倍于印制板上的允許電流,一般應(yīng)達(dá)2~3mm。
3、接地線應(yīng)盡量構(gòu)成死循環(huán)回路,這樣可以減少地線電位差。
二、電源線布置:
1、根據(jù)電流大小,盡量調(diào)寬導(dǎo)線布線。
2、電源線、地線的走向應(yīng)與資料的傳遞方向一致。
3、在印制板的電源輸入端應(yīng)接上10~100μF的去耦電容。
三、去耦電容配置:
1、去耦電容的引線不能太長(zhǎng),尤其是高頻旁路電容不能帶引線。
2、印制板電源輸入端跨接10~100μF的電解電容,若能大于100μF則更好。
3、每個(gè)集成芯片的Vcc和GND之間跨接一個(gè)0.01~0.1μF的陶瓷電容。如空間不允許,可為每4~10個(gè)芯片配置一個(gè)1~10μF的鉭電容。
4、對(duì)抗噪能力弱,關(guān)斷電流變化大的器件,以及ROM、RAM,應(yīng)在Vcc和GND間接去耦電容。
5、在單片機(jī)復(fù)位端“RESET”上配以0.01μF的去耦電容。
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四、器件配置:
1、時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端應(yīng)盡量靠近且遠(yuǎn)離其它低頻器件。
2、小電流電路和大電流電路盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。
3、印制板在機(jī)箱中的位置和方向,應(yīng)保證發(fā)熱量大的器件處在上方。
五、功率線、交流線和信號(hào)線分開走線
功率線、交流線盡量布置在和信號(hào)線不同的板上,否則應(yīng)和信號(hào)線分開走線。
六、其它原則:
1、布線時(shí)各條地址線盡量一樣長(zhǎng)短,且盡量短。
2、總線加10K左右的上拉電阻,有利于抗干擾。
3、PCB板兩面的線盡量垂直布置,防相互干擾。
4、去耦電容的大小一般取C=1/F,F(xiàn)為數(shù)據(jù)傳送頻率。
5、不用的管腳通過(guò)上拉電阻(10K左右)接Vcc,或與使用的管腳并接。
6、發(fā)熱的元器件(如大功率電阻等)應(yīng)避開易受溫度影響的器件(如電解電容等)。
7、采用全譯碼比線譯碼具有較強(qiáng)的抗干擾性。
為扼制大功率器件對(duì)微控制器部分?jǐn)?shù)字元元電路的干擾及數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾,數(shù)字地、模擬地在接向公共接地點(diǎn)時(shí),要用高頻扼流環(huán)。這是一種圓柱形鐵氧體磁性材料,軸向上有幾個(gè)孔,用較粗的銅線從孔中穿過(guò),繞上一兩圈,這種器件對(duì)低頻信號(hào)可以看成阻抗為零,對(duì)高頻信號(hào)干擾可以看成一個(gè)電感..(由于電感的直流電阻較大,不能用電感作為高頻扼流圈)。
當(dāng)印刷電路板以外的信號(hào)線相連時(shí),通常采用屏蔽電纜。對(duì)于高頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào),屏蔽電纜的兩端都接地,低頻模擬信號(hào)用的屏蔽電纜,一端接地為好。
對(duì)噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴(yán)重的電路,應(yīng)該用金屬罩屏蔽起來(lái)。鐵磁屏蔽對(duì)500KHz的高頻噪聲效果并不明顯,薄銅皮屏蔽效果要好些。使用鏍絲釘固定屏蔽罩時(shí),要注意不同材料接觸時(shí)引起的電位差造成的腐蝕。
七、用好去耦電容
集成電路電源和地之間的去耦電容有兩個(gè)作用:一方面是本集成電路的蓄能電容,另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1μF。這個(gè)電容的分布電感的典型值是5μH。0.1μF的去耦電容有5μH的分布電感,它的并行共振頻率大約在7MHz左右,也就是說(shuō),對(duì)于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果,對(duì)40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。
1μF、10μF的電容,并行共振頻率在20MHz以上,去除高頻噪聲的效果要好一些。
每10片左右集成電路要加一片充放電電容,或1個(gè)蓄能電容,可選10μF左右。最好不用電解電容,電解電容是兩層薄膜卷起來(lái)的,這種卷起來(lái)的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感。要使用鉭電容或聚碳酸酯電容。
去耦電容的選用并不嚴(yán)格,可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。
在焊接時(shí)去耦電容的引腳要盡量短,長(zhǎng)的引腳會(huì)使去耦電容本身發(fā)生自共振。例如1000pF的瓷片電容引腳長(zhǎng)度為6.3mm時(shí)自共振的頻率約35MHz,引腳長(zhǎng)12.6mm時(shí)為32MHz。
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八、降低噪聲和電磁干擾的經(jīng)驗(yàn)
印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)原則:
1. 可用串個(gè)電阻的辦法,降低控制電路上下沿跳變速率。
2. 盡量讓時(shí)鐘信號(hào)電路周圍的電勢(shì)趨近于0,用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來(lái),時(shí)鐘線要盡量短。
3. 時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小。
4. I/O驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印制板邊。
5. 閑置不用的門電路輸出端不要懸空,閑置不用的運(yùn)放正輸入端要接地,負(fù)輸入端接輸出端。
6. 盡量用45°折線而不用90°折線, 布線以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。
7. 元件的引腳要盡量短。
8. 石英晶振下面和對(duì)噪聲特別敏感的元件下面不要走線。
9. 弱信號(hào)電路、低頻電路周圍地線不要形成電流環(huán)路。
10. 需要時(shí),線路中加鐵氧體高頻扼流圈,分離信號(hào)、噪聲、電源、地。
印制板上的一個(gè)過(guò)孔大約引起0.6pF的電容;一個(gè)集成電路本身的封裝材料引起2pF~10pF的分布電容;一個(gè)線路板上的接插件,有520μH的分布電感;一個(gè)雙列直插的24引腳集成電路插座,引入4μH~18μH的分布電感。
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數(shù)字電路、單片機(jī)的抗干擾設(shè)計(jì)
在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間,應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性 的要求,避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。形成干擾的基本要素有三個(gè):
(1)干擾源,指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào),用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下:du/dt, di/dt大的地方就是干擾源。如:雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可 能成為干擾源。
(2)敏感器件,指容易被干擾的對(duì)象。如:A/D、D/A變換器,單片機(jī),數(shù)字IC, 弱信號(hào)放大器等。
(3)傳播路徑,指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳 播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射?! ?/div>
抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是:抑制干擾源,切斷干擾傳播路徑,提高敏感器件的 抗干擾性能。(類似于傳染病的預(yù)防)
1、 抑制干擾源
抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt,di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu) 先考慮和最重要的原則,常常會(huì)起到事半功倍的效果。 減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
抑制干擾源的常用措施如下:
(1)布線時(shí)避免90度折線,減少高頻噪聲發(fā)射?!?/div>
(2)繼電器線圈增加續(xù)流二極管,消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加 續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后,增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。
(3)在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯(lián)電路,電阻一般選幾K 到幾十K,電容選0.01uF),減小電火花影響?! ?/div>
(4)給電機(jī)加濾波電路,注意電容、電感引線要盡量短?! ?/div>
2、切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:
(5)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF~0.1μF高頻電容,以減小IC對(duì)電源的 影響。注意高頻電容的布線,連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短,否則,等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻,會(huì)影響濾波效果。
(6)可控硅兩端并接RC抑制電路,減小可控硅產(chǎn)生的噪聲(這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的)?!“锤蓴_的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。
所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和 有用信號(hào)的頻帶不同,可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決。電源噪聲的危害最大, 要特別注意處理。所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾。 一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離,用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。
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2、切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:
(1)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好,整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感, 要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器,以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如,可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。
(2)如果單片機(jī)的I/O口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)。 控制電機(jī)等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)。
(3)注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近,用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái),晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問(wèn)題。
(4)電路板合理分區(qū),如強(qiáng)、弱信號(hào),數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源 (如電機(jī),繼電器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離。
(5)用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離,數(shù)字地與模擬地要分離,最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則,廠家分配A/D、D/A芯片 引腳排列時(shí)已考慮此要求。
(6)單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地,以減小相互干擾。 大功率器件盡可能放在電路板邊緣。
(7)在單片機(jī)I/O口,電源線,電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件 如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器,屏蔽罩,可顯著提高電路的抗干擾性能。
3、提高敏感器件的抗干擾性能
提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲 的拾取,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。
提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下:
(1)布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,以降低感應(yīng)噪聲?!?/div>
(2)布線時(shí),電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲。
(3)對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源。其它IC的閑置 端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源?! ?/div>
經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
(4)對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路,如:IMP809,IMP706,IMP813,X25043,X25045等,可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。
(5)在速度能滿足要求的前提下,盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字 電路。
(6)IC器件盡量直接焊在電路板上,少用IC座。
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經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
軟件方面:
1、習(xí)慣將不用的代碼空間全清成“0”,因?yàn)檫@等效于NOP,可在程序跑飛時(shí)歸位;
2、在跳轉(zhuǎn)指令前加幾個(gè)NOP,目的同1;
3、在無(wú)硬件WatchDog時(shí)可采用軟件模擬WatchDog,以監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行;
4、涉及處理外部器件參數(shù)調(diào)整或設(shè)置時(shí),為防止外部器件因受干擾而出錯(cuò)可定時(shí)將參數(shù)重新發(fā)送一遍,這樣可使外部器件盡快恢復(fù)正確;
5、通訊中的抗干擾,可加數(shù)據(jù)校驗(yàn)位,可采取3取2或5取3策略;
6、在有通訊線時(shí),如I^2C、三線制等,實(shí)際中我們發(fā)現(xiàn)將Data線、CLK線、INH線常態(tài)置為高,其抗干擾效果要好過(guò)置為低。
硬件方面:
1、地線、電源線的布線
2、線路的去偶;
3、數(shù)、模地的分開;
4、每個(gè)數(shù)字元件在地與電源之間都要104電容;
5、為防I/O口的串?dāng)_,可將I/O口隔離,方法有二極管隔離、門電路隔離、光偶隔離、電磁隔離等;
6、在有繼電器的應(yīng)用場(chǎng)合,尤其是大電流時(shí),防繼電器觸點(diǎn)火花對(duì)電路的干擾,可在繼電器線圈間并一104和二極管,在觸點(diǎn)和常開端間接472電容,效果不錯(cuò)!
7、當(dāng)然多層板的抗干擾肯定好過(guò)單面板,但成本卻高了幾倍。
8、選擇一個(gè)抗干擾能力強(qiáng)的器件比之任何方法都有效,我想這點(diǎn)應(yīng)該最重要。因?yàn)槠骷焐牟蛔闶呛茈y用外部方法去彌補(bǔ)的,但往往抗干擾能力強(qiáng)的就貴些,抗干擾能力差的就便宜,正如臺(tái)灣的東東便宜但性能卻大打折扣一樣!主要看各位的應(yīng)用場(chǎng)合.
印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件.它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電于技術(shù)的飛速發(fā)展,PGB的密度越來(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力影響很大.因此,在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí).必須遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則,并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。
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