PCB设计中数字电路和单片机的抗干扰设计

PCB设计中数字电路和单片机的抗干扰设计

在电子系统设计中，为了少走弯路、节省时间，应充分考虑并满足抗干扰要求，避免设计完成后针对抗干扰采取补救措施。形成干扰的基本要素有3个：

(1)干扰源是指产生干扰的部件、设备或信号。用数学语言描述为：du/dt，其中di/dt较大，为干扰源。例如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

(2)敏感设备是指容易受到干扰的物体。如：A/D、D/A转换器、单片机、数字IC、弱信号放大器等。

(3)传播路径是指干扰从干扰源传播到敏感设备所经过的路径或介质。典型的干扰传播路径是通过电线传导并从空间辐射。

抗干扰设计的基本原则是抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。（类似传染病的预防）

1.抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能减少干扰源的du/dt、di/dt。 这是抗干扰设计中最优先、最重要的原则，往往可以达到事半功倍的效果。 降低干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现的。通过在干扰源电路中串联电感或电阻以及续流二极管来降低干扰源的di/dt。

抑制干扰源的常用措施有：

(1) 布线时避免使用90度折线，以减少高频噪声发射。

(2)继电器线圈加续流二极管，消除线圈断开时产生的反电动势干扰。仅增加续流二极管会延迟继电器的断开时间，并且增加稳压二极管后继电器可以在单位时间内动作更多次。

(3)在继电器触点两端并联火花抑制电路(一般为RC串联电路，电阻为K到几十K，电容为0.01uF)，以减少电火花的影响。

(4)给电机加滤波电路，注意电容、电感引线尽量短。

(5)电路板上的每个IC均需并联0.01μF～0.1μF高频电容，以减少IC对电源的影响。注意高频电容的接线。接线应靠近电源端子且尽可能短。否则会增大电容器的等效串联电阻，影响滤波效果。

(6)在晶闸管两端并联RC抑制电路，以降低晶闸管产生的噪声(噪声严重时，可能会击穿晶闸管)。根据干扰的传播路径，可分为传导干扰和辐射干扰。

所谓传导干扰是指通过导线传输到敏感设备的干扰。高频干扰噪声的频带与有用信号的频带不同。可以通过在线路上加滤波器来截断高频干扰噪声的传输。有时，可以添加隔离光耦来解决这个问题。电源噪声的危害性最大，因此应特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传输到敏感设备的干扰。一般的解决办法是增加干扰源与敏感器件之间的距离，用地线隔离，并在敏感器件上加屏蔽层。

2.切断干扰传播路径的常用措施有：

(1)充分考虑电源对MCU的影响。如果电源做得好，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非常敏感。为了减少电源噪声对单片机的干扰，应在单片机的电源中添加滤波电路或稳压器。例如，可以采用磁珠和电容器组成π形滤波电路。当然，条件不要求时也可以用100Ω电阻来代替磁珠。

（2）如果单片机的I/O口用于控制电机等噪声器件，则I/O口与噪声源之间应加隔离（应加π滤波电路）。控制电机等噪声设备时，I/O口与噪声源之间需加隔离（加π滤波电路）。

(3)注意晶振接线。晶振尽量靠近单片机引脚，时钟区域用地线隔离。晶振外壳应接地并固定。这项措施可以解决很多难题。

(4)电路板应合理分区，如强弱信号、数字信号和模拟信号等。 尽量使干扰源（如电机、继电器）远离敏感元件（如单片机）。

(5) 数字区与模拟区用地线隔离。数字地与模拟地分开，最后一点连接到电源地。A/D和D/A芯片的接线也是基于这个原理。制造商在分配A/D和D/A芯片的管脚排列时已经考虑到了这一要求。

(6)单片机与大功率器件的地线应分别接地，以减少相互干扰。大功率器件应尽量放置在电路板的边缘。

(7)单片机的I/O口、电源线、电路板连接线等关键区域采用磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩等抗干扰元件，可显着提高抗干扰能力。电路的抗干扰性能。

3.提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指尽量减少干扰噪声的拾取并从异常状态中恢复的方法。