單片機應用系統(tǒng)電磁干擾與抗干擾技術

第1章 電磁干擾控制基礎
1.1 電磁干擾的基本概念1
1.1.1 噪聲與干擾1
1.1.2 電磁干擾的形成因素2
1.1.3 干擾的分類2
1.2 電磁兼容性3
1.2.1 電磁兼容性定義3
1.2.2 電磁兼容性設計3
1.2.3 電磁兼容性常用術語4
1.2.4 電磁兼容性標準6
1.3 差模干擾和共模干擾8
1.3.1 差模干擾8
1.3.2 共模干擾9
1.4 電磁耦合的等效模型9
1.4.1 集中參數(shù)模型9
1.4.2 分布參數(shù)模型10
1.4.3 電磁波輻射模型11
1.5 電磁干擾的耦合途徑14
1.5.1 傳導耦合14
1.5.2 感應耦合（近場耦合）15
1.5.3 電磁輻射耦合（遠場耦合）15
1.6 單片機應用系統(tǒng)電磁干擾控制的一般方法16
第2章 數(shù)字信號耦合與傳輸機理
2.1 數(shù)字信號與電磁干擾18
2.1.1 數(shù)字信號的開關速度與頻譜18
2.1.2 開關暫態(tài)電源尖峰電流噪聲22
2.1.3 開關暫態(tài)接地反沖噪聲24
2.1.4 高速數(shù)字電路的EMI特點25
2.2 導線阻抗與線間耦合27
2.2.1 導體交直流電阻的計算27
2.2.2 導體電感量的計算29
2.2.3 導體電容量的計算31
2.2.4 電感耦合分析32
2.2.5 電容耦合分析35
2.3 信號的長線傳輸36
2.3.1 長線傳輸過程的數(shù)學描述36
2.3.2 均勻傳輸線特性40
2.3.3 傳輸線特性阻抗計算42
2.3.4 傳輸線特性阻抗的重復性與阻抗匹配44
2.4 數(shù)字信號傳輸過程中的畸變45
2.4.1 信號傳輸?shù)娜肷浠?5
2.4.2 信號傳輸?shù)姆瓷浠?6
2.5 信號傳輸畸變的抑制措施49
2.5.1 最大傳輸線長度的計算49
2.5.2 端點的阻抗匹配50
2.6 數(shù)字信號的輻射52
2.6.1 差模輻射52
2.6.2 共模輻射55
2.6.3 差模和共模輻射比較57
第3章 常用元件的可靠性能與選擇
3.1 元件的選擇與降額設計59
3.1.1 元件的選擇準則59
3.1.2 元件的降額設計59
3.2 電阻器60
3.2.1 電阻器的等效電路60
3.2.2 電阻器的內部噪聲60
3.2.3 電阻器的溫度特性61
3.2.4 電阻器的分類與主要參數(shù)62
3.2.5 電阻器的正確選用66
3.3 電容器67
3.3.1 電容器的等效電路67
3.3.2 電容器的種類與型號68
3.3.3 電容器的標志方法70
3.3.4 電容器引腳的電感量71
3.3.5 電容器的正確選用71
3.3.6 電容器使用注意事項73
3.4 電感器73
3.4.1 電感器的等效電路74
3.4.2 電感器使用的注意事項74
3.5 數(shù)字集成電路的抗干擾性能75
3.5.1 噪聲容限與抗干擾能力75
3.5.2 施密特集成電路的噪聲容限77
3.5.3 TTL數(shù)字集成電路的抗干擾性能78
3.5.4 CMOS數(shù)字集成電路的抗干擾性能79
3.5.5 CMOS電路使用中注意事項80
3.5.6 集成門電路系列型號81
3.6 高速CMOS 54/74HC系列接口設計83
3.6.1 54/74HC 系列芯片特點83
3.6.2 74HC與TTL接口85
3.6.3 74HC與單片機接口85
3.7 元器件的裝配工藝對可靠性的影響86
第4章 電磁干擾硬件控制技術
4.1 屏蔽技術88
4.1.1 電場屏蔽88
4.1.2 磁場屏蔽89
4.1.3 電磁場屏蔽91
4.1.4 屏蔽損耗的計算92
4.1.5 屏蔽體屏蔽效能的計算99
4.1.6 屏蔽箱的設計100
4.1.7 電磁泄漏的抑制措施102
4.1.8 電纜屏蔽層的屏蔽原理108
4.1.9 屏蔽與接地113
4.1.10 屏蔽設計要點113
4.2 接地技術114
4.2.1 概述114
4.2.2 安全接地115
4.2.3 工作接地117
4.2.4 接地系統(tǒng)的布局119
4.2.5 接地裝置和接地電阻120
4.2.6 地環(huán)路問題121
4.2.7 浮地方式122
4.2.8 電纜屏蔽層接地123
4.3 濾波技術126
4.3.1 濾波器概述127
4.3.2 無源濾波器130
4.3.3 有源濾波器138
4.3.4 鐵氧體抗干擾磁珠143
4.3.5 貫通濾波器146
4.3.6 電纜線濾波連接器149
4.3.7 PCB板濾波器件154
4.4 隔離技術155
4.4.1 光電隔離156
4.4.2 繼電器隔離160
4.4.3 變壓器隔離 161
4.4.4 布線隔離161
4.4.5 共模扼流圈162
4.5 電路平衡結構164
4.5.1 雙絞線在平衡電路中的使用164
4.5.2 同軸電纜的平衡結構165
4.5.3 差分放大器165
4.6 雙絞線的抗干擾原理及應用166
4.6.1 雙絞線的抗干擾原理166
4.6.2 雙絞線的應用168
4.7 信號線間的串擾及抑制169
4.7.1 線間串擾分析169
4.7.2 線間串擾的抑制173
4.8 信號線的選擇與敷設174
4.8.1 信號線型式的選擇174
4.8.2 信號線截面的選擇175
4.8.3 單股導線的阻抗分析175
4.8.4 信號線的敷設176
4.9 漏電干擾的防止措施177
4.10 抑制數(shù)字信號噪聲常用硬件措施177
4.10.1 數(shù)字信號負傳輸方式178
4.10.2 提高數(shù)字信號的電壓等級178
4.10.3 數(shù)字輸入信號的RC阻容濾波179
4.10.4 提高輸入端的門限電壓181
4.10.5 輸入開關觸點抖動干擾的抑制方法181
4.10.6 提高器件的驅動能力184
4.11 靜電放電干擾及其抑制184
第5章 主機單元配置與抗干擾設計
5.1 單片機主機單元組成特點186
5.1.1 80C51最小應用系統(tǒng)186
5.1.2 低功耗單片機最小應用系統(tǒng)187
5.2 總線的可靠性設計191
5.2.1 總線驅動器191
5.2.2 總線的負載平衡192
5.2.3 總線上拉電阻的配置192
5.3 芯片配置與抗干擾193
5.3.1去耦電容配置194
5.3.2 數(shù)字輸入端的噪聲抑制194
5.3.3 數(shù)字電路不用端的處理195
5.3.4 存儲器的布線196
5.4 譯碼電路的可靠性分析197
5.4.1 過渡干擾與譯碼選通197
5.4.2 譯碼方式與抗干擾200
5.5 時鐘電路配置200
5.6 復位電路設計201
5.6.1 復位電路RC參數(shù)的選擇201
5.6.2 復位電路的可靠性與抗干擾分析202
5.6.3 I/O接口芯片的延時復位205
5.7 單片機系統(tǒng)的中斷保護問題205
5.7.1 80C51單片機的中斷機構205
5.7.2 常用的幾種中斷保護措施205
5.8 RAM數(shù)據(jù)掉電保護207
5.8.1 片內RAM數(shù)據(jù)保護207
5.8.2 利用雙片選的外RAM數(shù)據(jù)保護207
5.8.3 利用DS1210實現(xiàn)外RAM數(shù)據(jù)保護208
5.8.4 2 KB非易失性隨機存儲器DS1220AB/AD211
5.9 看門狗技術215
5.9.1 由單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)看門狗電路216
5.9.2 利用單片機片內定時器實現(xiàn)軟件看門狗217
5.9.3 軟硬件結合的看門狗技術219
5.9.4 單片機內配置看門狗電路221
5.10 微處理器監(jiān)控器223
5.10.1 微處理器監(jiān)控器MAX703～709/813L223
5.10.2 微處理器監(jiān)控器MAX791227
5.10.3 微處理器監(jiān)控器MAX807231
5.10.4 微處理器監(jiān)控器MAX690A/MAX692A234
5.10.5 微處理器監(jiān)控器MAX691A/MAX693A238
5.10.6 帶備份電池的微處理器監(jiān)控器MAX1691242
5.11 串行E2PROM X25045245
第6章 測量單元配置與抗干擾設計
6.1 概述255
6.2 模擬信號放大器256
6.2.1 集成運算放大器256
6.2.2 測量放大器組成原理260
6.2.3 單片集成測量放大器AD521263
6.2.4 單片集成測量放大器AD522265
6.2.5 單片集成測量放大器AD526266
6.2.6 單片集成測量放大器AD620270
6.2.7 單片集成測量放大器AD623274
6.2.8 單片集成測量放大器AD624276
6.2.9 單片集成測量放大器AD625278
6.2.10 單片集成測量放大器AD626281
6.3 電壓/電流變換器（V/I）283
6.3.1 V/I變換電路283
6.3.2 集成V/I變換器XTR101284
6.3.3 集成V/I變換器XTR110289
6.3.4 集成V/I變換器AD693292
6.3.5 集成V/I變換器AD694299
6.4 電流/電壓變換器（I/V）302
6.4.1 I/V變換電路302
6.4.2 RCV420型I/V變換器303
6.5 具有放大、濾波、激勵功能的模塊2B30/2B31305
6.6 模擬信號隔離放大器313
6.6.1 隔離放大器ISO100313
6.6.2 隔離放大器ISO120316
6.6.3 隔離放大器ISO122319
6.6.4 隔離放大器ISO130323
6.6.5 隔離放大器ISO212P326
6.6.6 由兩片VFC320組成的隔離放大器329
6.6.7 由兩光耦組成的實用線性隔離放大器333
6.7 數(shù)字電位器及其應用336
6.7.1 非易失性數(shù)字電位器x9221336
6.7.2 非易失性數(shù)字電位器x9241343
6.8 傳感器供電電源的配置及抗干擾346
6.8.1 傳感器供電電源的擾動補償347
6.8.2 單片集成精密電壓芯片349
6.8.3 A/D轉換器芯片提供基準電壓350
6.9 測量單元噪聲抑制措施351
6.9.1 外部噪聲源的干擾及其抑制351
6.9.2 輸入信號串模干擾的抑制352
6.9.3 輸入信號共模干擾的抑制353
6.9.4 儀器儀表的接地噪聲355
第7章 D/A、A/D單元配置與抗干擾設計
7.1 D/A、A/D轉換器的干擾源357
7.2 D/A轉換原理及抗干擾分析358
7.2.1 T型電阻D/A轉換器359
7.2.2 基準電源精度要求361
7.2.3 D/A轉換器的尖峰干擾362
7.3 典型D/A轉換器與單片機接口363
7.3.1 并行12位D/A轉換器AD667363
7.3.2 串行12位D/A轉換器MAX5154370
7.4 D/A轉換器與單片機的光電接口電路377
7.5 A/D轉換器原理與抗干擾性能378
7.5.1 逐次比較式ADC原理378
7.5.2 余數(shù)反饋比較式ADC原理378
7.5.3 雙積分ADC原理380
7.5.4 V/F ADC原理382
7.5.5 ∑Δ式ADC原理384
7.6 典型A/D轉換器與單片機接口387
7.6.18 位并行逐次比較式MAX 118387
7.6.28 通道12位A/D轉換器MAX 197394
7.6.3 雙積分式A/D轉換器5G14433399
7.6.4 V/F轉換器AD 652在A/D轉換器中的應用403
7.7 采樣保持電路與抗干擾措施408
7.8 多路模擬開關與抗干擾措施412
7.8.1 CD4051412
7.8.2 AD7501413
7.8.3 多路開關配置與抗干擾技術413
7.9 D/A、A/D轉換器的電源、接地與布線416
7.10 精密基準電壓電路與噪聲抑制416
7.10.1 基準電壓電路原理417
7.10.2 引腳可編程精密基準電壓源AD584418
7.10.3 埋入式齊納二極管基準AD588420
7.10.4 低漂移電壓基準MAX676/MAX677/MAX678422
7.10.5 低功率低漂移電壓基準MAX873/MAX875/MAX876424
7.10.6 MC1403/MC1403A、MC1503精密電壓基準電路430
第8章 功率接口與抗干擾設計
8.1 功率驅動元件432
8.1.1 74系列功率集成電路432
8.1.2 75系列功率集成電路433
8.1.3 MOC系列光耦合過零觸發(fā)雙向晶閘管驅動器435
8.2 輸出控制功率接口電路438
8.2.1 繼電器輸出驅動接口438
8.2.2 繼電器—接觸器輸出驅動電路439
8.2.3 光電耦合器—晶閘管輸出驅動電路439
8.2.4 脈沖變壓器—晶閘管輸出電路440
8.2.5 單片機與大功率單相負載的接口電路441
8.2.6 單片機與大功率三相負載間的接口電路442
8.3 感性負載電路噪聲的抑制442
8.3.1 交直流感性負載瞬變噪聲的抑制方法442
8.3.2 晶閘管過零觸發(fā)的幾種形式445
8.3.3 利用晶閘管抑制感性負載的瞬變噪聲447
8.4 晶閘管變流裝置的干擾和抑制措施448
8.4.1 晶閘管變流裝置電氣干擾分析448
8.4.2 晶閘管變流裝置的抗干擾措施449
8.5 固態(tài)繼電器451
8.5.1 固態(tài)繼電器的原理和結構451
8.5.2 主要參數(shù)與選用452
8.5.3 交流固態(tài)繼電器的使用454
第9章 人機對話單元配置與抗干擾設計
9.1 鍵盤接口抗干擾問題456
9.2 LED顯示器的構造與特點458
9.3 LED的驅動方式459
9.3.1 采用限流電阻的驅動方式459
9.3.2 采用LM317的驅動方式460
9.3.3 串聯(lián)二極管壓降驅動方式462
9.4 典型鍵盤/顯示器接口芯片與單片機接口463
9.4.1 8位LED驅動器ICM 7218B463
9.4.2 串行LED顯示驅動器MAX 7219468
9.4.3 并行鍵盤/顯示器專用芯片8279482
9.4.4 串行鍵盤/顯示器專用芯片HD 7279A492
9.5 LED顯示接口的抗干擾措施502
9.5.1 LED靜態(tài)顯示接口的抗干擾502
9.5.2 LED動態(tài)顯示接口的抗干擾506
9.6 打印機接口與抗干擾技術508
9.6.1 并行打印機標準接口信號508
9.6.2 打印機與單片機接口電路509
9.6.3 打印機電磁干擾的防護設計510
9.6.4 提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的措施512
第10章 供電電源的配置與抗干擾設計
10.1 電源干擾問題概述513
10.1.1 電源干擾的類型513
10.1.2 電源干擾的耦合途徑514
10.1.3 電源的共模和差模干擾515
10.1.4 電源抗干擾的基本方法516
10.2 EMI電源濾波器517
10.2.1 實用低通電容濾波器518
10.2.2 雙繞組扼流圈的應用518
10.3 EMI濾波器模塊519
10.3.1 濾波器模塊基礎知識519
10.3.2 電源濾波器模塊521
10.3.3 防雷濾波器模塊531
10.3.4 脈沖群抑制模塊532
10.4 瞬變干擾吸收器件532
10.4.1 金屬氧化物壓敏電阻（MOV）533
10.4.2 瞬變電壓抑制器（TVS）537
10.5 電源變壓器的屏蔽與隔離552
10.6 交流電源的供電抗干擾方案553
10.6.1 交流電源配電方式553
10.6.2 交流電源抗干擾綜合方案555
10.7 供電直流側抑制干擾措施555
10.7.1 整流電路的高頻濾波555
10.7.2 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源配置與抗干擾556
10.7.3 集成穩(wěn)壓器使用中的保護557
10.8 開關電源干擾的抑制措施559
10.8.1 開關噪聲的分類559
10.8.2 開關電源噪聲的抑制措施560
10.9 微機用不間斷電源UPS561
10.10 采用晶閘管無觸點開關消除瞬態(tài)干擾設計方案564
第11章 印制電路板的抗干擾設計
11.1 印制電路板用覆銅板566
11.1.1 覆銅板材料566
11.1.2 覆銅板分類568
11.1.3 覆銅板的標準與電性能571
11.1.4 覆銅板的主要特點和應用583
11.2 印制板布線設計基礎585
11.2.1 印制板導線的阻抗計算585
11.2.2 PCB布線結構和特性阻抗計算587
11.2.3 信號在印制板上的傳播速度589
11.3 地線和電源線的布線設計590
11.3.1 降低接地阻抗的設計590
11.3.2 減小電源線阻抗的方法591
11.4 信號線的布線原則592
11.4.1 信號傳輸線的尺寸控制592
11.4.2 線間串擾控制592
11.4.3 輻射干擾的抑制593
11.4.4 反射干擾的抑制594
11.4.5 微機自動布線注意問題594
11.5 配置去耦電容的方法594
11.5.1 電源去耦595
11.5.2 集成芯片去耦595
11.6 芯片的選用與器件布局596
11.6.1 芯片選用指南596
11.6.2 器件的布局597
11.6.3 時鐘電路的布置598
11.7 多層印制電路板599
11.7.1 多層印制板的結構與特點599
11.7.2 多層印制板的布局方案600
11.7.3 20H原則605
11.8 印制電路板的安裝和板間配線606
第12章 軟件抗干擾原理與方法
12.1 概述607
12.1.1 測控系統(tǒng)軟件的基本要求607
12.1.2 軟件抗干擾一般方法607
12.2 指令冗余技術608
12.2.1 NOP的使用609
12.2.2 重要指令冗余609
12.3 軟件陷阱技術609
12.3.1 軟件陷阱609
12.3.2 軟件陷阱的安排610
12.4 故障自動恢復處理程序613
12.4.1 上電標志設定614
12.4.2 RAM中數(shù)據(jù)冗余保護與糾錯616
12.4.3 軟件復位與中斷激活標志617
12.4.4 程序失控后恢復運行的方法618
12.5 數(shù)字濾波619
12.5.1 程序判斷濾波法620
12.5.2 中位值濾波法620
12.5.3 算術平均濾波法621
12.5.4 遞推平均濾波法623
12.5.5 防脈沖干擾平均值濾波法624
12.5.6 一階滯后濾波法626
12.6 干擾避開法627
12.7 開關量輸入/輸出軟件抗干擾設計629
12.7.1 開關量輸入軟件抗干擾措施629
12.7.2 開關量輸出軟件抗干擾措施629
12.8 編寫軟件的其他注意事項630
附錄 電磁兼容器件選購信息632
參考文獻633