单片机系统的电磁兼容设计研究

单片机系统广泛应用于日常生活工作中，对其在各种环境下工作的稳定性提出了更高的 要求。单片机系统的稳定性在很大的程度上决定于系统的电磁兼容性。因此，电磁兼容设计 应贯穿于单片机系统设计的始终。国际电工委员会 IEC 对电磁兼容性的定义是[1]：电磁兼容 是设备的一种能力，是设备其在电磁环境中能完成它的功能，而不至于在其环境中产生不能 容忍的干扰。电磁兼容性对单片机系统的设计提出两方面的要求：一方面单片机系统不能受 其他系统的干扰而影响工作；另一方面单片机系统不能干扰其他系统的工作。作者从某电力 负荷管理终端的设计及电磁兼容性测试对单片机系统的电磁兼容性进行了研究。

电磁干扰的形成必须具备三个条件：干扰源、影响通道、干扰电路（如图 1 所示）。电 磁干扰主要的途径是传导耦合、辐射耦合，同时 PCB 板的电磁兼容性决定了系统的电磁兼容性。因此，为提高单片机系统的抗干扰能力必须从影响通道和干扰电路两个方面来综合处理，具体来说就是从元器件的选择和布局、布线、公共线系统、滤波和屏蔽等的设计以及充分考虑 PCB 板的电磁兼容性设计。

1  元器件的选择和布局
1.1  元器件的选择

图 1  干扰的形成

单片机的时钟发生器大部分都是外置的，外时钟本身就是一个高频噪声源。在满足工作 条件的情况下，单片机系统尽量采用时钟频率较低的时钟基准源。在相同的工作条件下，频 率越高越容易辐射，3 倍于时钟频率相当危险。降低单片机系统的时钟频率是提高系统抗干扰的原则之一。当然，选择时钟内置更好，但这样会提高系统的成本。合理使用电子元器件。电子元器件的制造材料和工作原理不同，在不同的工作条件下工

作性能有差异。电阻指在直流电路中导线对电流呈现阻抗特性；在交流电路中导线对电流的阻抗特性表现为电阻、电容、电感的阻抗和，且阻抗特性随工作频率的变化而变化。碳膜电 阻稳定性好，受电压和频率影响较小，噪声电动势较小，脉冲负荷稳定，常用于高频和脉冲电路中；金属膜电阻稳定性好，噪声电动势很小，耐热性能好，工作频率范围大，但脉冲负荷稳定性较差，常用于数字电路中，也可用于高频电路；绕线电阻噪声电动势，几乎无电流 噪声，但在高频电路中电感较大，一般用于数字电路中。

选择逻辑状态变化较慢的元器件。元器件逻辑状态的变化时间越快，则边沿变化越尖锐，谐波的频率越高，辐射就越大。而且应尽量选用中心引脚为电源和地引脚、相邻的地引脚和 电源引脚的元器件，这样可以减小电源供应电流的电流环路面积及有助于滤波电容的设计。

1.2  元器件的布局

一个良好的布局可以有效的降低系统内部相互干扰，提高系统工作的稳定性。常规采用 的方法是电气隔离和空间分离的方法。电气隔离能避免干扰信号在电路中传导，将干扰局部化，使得信号正常耦合传递；空间分离可以抑制、削弱干扰信号对敏感电路的影响。在设计中，一般遵循模拟电路与数字电路分开，强电与弱电分开，高速信号电路与低速信号电路分 开设计（如图 2）。通常用接口器件或地线将它们隔离开，并且在受干扰较强的区域少布置元器件。

当一个系统的功能比较强大的时候，采用模块化设计。在整体安装时根据模块的工作性 能及抗干扰能力的强弱进行合理的布局，提高系统整体的抗干扰能力。例如可以将一个系统设计成 CPU 与扩展的 RAM、ROM 模块，键盘显示模块，电源大功率器件模块，执行器件模块。整体装配时将 CPU 所在的模块安装在整个系统的中心，受外部干扰影响最弱。

2  布线设计[2]

图 2  电路布局

系统中布线一般遵循 3-W 原则，即两条相邻走线的中心距离大于或等于 3 倍的线宽。 当然，线间距离增大，耦合串扰影响就会减弱；另一方面同时也增大了信号的回路面积，就 会增大电磁干扰。控制电磁干扰最重要的原则是控制回路面积。而且，系统中不要出现短截线。当短截线的长度是噪声信号波长λ的λ/4 奇数倍时，短截线很容易成为天线产生辐射。 因此，在电路设计完成后，要留出时间来检查线路中的短截线。

避免相互平行走线。输入输出间的走线尽量避免相邻或平行。根据“右手定则”，相邻或平行走线会增加磁场耦合。高速信号线间可以用地线隔开，以减少线间串扰。信号线走差分线，差分线的长度相同，彼此靠近。差分线靠得近，它们回路面积小，对电磁干扰的控制 很有利。

在系统中，由于电路的分开设计，相应的地层也分开设计。当信号线布线跨过不相关的 区域时，信号线的回路容易耦合不同地层的噪声。如果元器件的工作速率不同，电源线应该分开走线，防止元器件发生噪声传导耦合。尤其是电路中的一些基准电源线。例如桥式电路 中的基准电源，A/D、D/A 转换器的基准电源。

3  地线的设计[3]

地线是信号流回源的低阻抗路径，地线的阻抗不为零，当电流流过阻抗不为零的地线会 产生压降，形成干扰。克服地线干扰的关键是处理好各回路的接地设计。在单片机系统中，模拟地与数字地应分开设计，最后在某一点处将模拟地与数字地连接，保证系统中所有的地线是相通的。系统中的局部电路根据工作频率选取适合的接地方式可以提高系统的电磁兼容 能力。有三种接地方式：单点接地、多点接地、混合接地（如图 3）。

图 3  三种接地方式

单点接地就是各电路的地端连接在一点接地，各电路地回路的长度不相等，地线阻抗不 相等，一般用于低频（<1MHz）电路中。多点接地就是各地回路直接接地，一般采用小于0.1λ长度的短截线，常用于高频（>10MHz）。介于高低频之间常用混合接地。

4  滤波和屏蔽 滤波和屏蔽是单片机系统抑制电磁干扰的常用措施。干扰源产生的干扰信号通过空间感应传播、输入输出通道及电源进入系统[4]。切断干扰信号的空间感应传播途径主要是采取屏 蔽措施。当干扰信号通过输入输出通道和电源进入系统，一般采取隔离和滤波措施将干扰信号抑制在系统外。滤波分电源滤波和信号滤波。电源滤波主要是滤除电源线上的电磁噪声。电源滤波利用电感在高频的高阻抗，电容在高频的低阻抗组成滤波器将电磁噪声抑制在工作

区外。在系统的设计中各个芯片的电源引脚和地引脚之间放置一个 0.1μF  的电容。信号滤波用电阻、电容、电感构成的滤波电路，将信号线上的干扰信号释放到地线。 单片机有三种总线，即数据总线、地址总线、控制总线。在单片机系统中，滤波主要是电源滤波和信号滤波。但是，在一定的情况下，对单片机的数据总线也需要进行滤波。在单片机系统中，芯片间的数据交换主要依靠数据总线。由于数据总线使用较频繁，数据总线也 因此易受电磁干扰，导致数据交换出错。所以有必要对数据总线滤波设计。数据总线的滤波电容要根据数据总线的波特率选取，电容的容值太小滤波效果不明显，容值太大同样会影响数据总线传输的信号。 屏蔽主要是针对电磁辐射，将电磁辐射屏蔽在系统外面，同时将系统的电磁辐射封闭在系统内部。一般采用金属屏蔽板与系统的地层充分接触构成等势体，有必要还应该加上密封垫圈。在电磁辐射较强的环境中，还应该对芯片完全屏蔽。在电路中，重要的信号线用地线 屏蔽，PCB  板的外围一般走地线和电源线，其主要作用也是屏蔽干扰信号。PCB  板中的敷铜的边缘有大量的过孔，构成“法拉第栅栏”，其目的就是屏蔽干扰信号的串扰[2]。

5  结论

电磁兼容性是单片机系统走出实验室，稳定工作的重要前提条件。PCB  板的电磁兼容 性决定了单片机系统得电磁兼容性，并且任何一个环节的电磁兼容性将影响整个单片机系统的电磁兼容性。因此，围绕 PCB 板的电磁兼容设计，应充分考虑每一个环节的电磁兼容设 计，提高单片机系统的电磁兼容能力。