单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术PDF电子书下载

第1章　电磁干扰控制基础 1

1.1　电磁干扰的基本概念 1

1.1.1　噪声与干扰 1

目录 1

1.1.2　电磁干扰的形成因素 2

1.1.3　干扰的分类 2

1.2　电磁兼容性 3

1.2.1　电磁兼容性定义 3

1.2.2　电磁兼容性设计 3

1.2.3　电磁兼容性常用术语 4

1.2.4　电磁兼容性标准 6

1.3.1　差模干扰 8

1.3　差模干扰和共模干扰 8

1.3.2　共模干扰 9

1.4　电磁耦合的等效模型 9

1.4.1　集中参数模型 9

1.4.2　分布参数模型 10

1.4.3　电磁波辐射模型 11

1.5　电磁干扰的耦合途径 14

1.5.1　传导耦合 14

1.5.2　感应耦合（近场耦合） 15

1.5.3　电磁辐射耦合（远场耦合） 15

1.6　单片机应用系统电磁干扰控制的一般方法 16

2.1.1　数字信号的开关速度与频谱 18

第2章　数字信号耦合与传输机理 18

2.1　数字信号与电磁干扰 18

2.1.2　开关暂态电源尖峰电流噪声 22

2.1.3　开关暂态接地反冲噪声 24

2.1.4　高速数字电路的EMI特点 25

2.2　导线阻抗与线间耦合 27

2.2.1　导体交直流电阻的计算 27

2.2.2　导体电感量的计算 29

2.2.3　导体电容量的计算 31

2.2.4　电感耦合分析 32

2.2.5　电容耦合分析 35

2.3.1　长线传输过程的数学描述 36

2.3　信号的长线传输 36

2.3.2　均匀传输线特性 40

2.3.3　传输线特性阻抗计算 42

2.3.4　传输线特性阻抗的重复性与阻抗匹配 44

2.4　数字信号传输过程中的畸变 45

2.4.1　信号传输的入射畸变 45

2.4.2　信号传输的反射畸变 46

2.5　信号传输畸变的抑制措施 49

2.5.1　最大传输线长度的计算 49

2.5.2　端点的阻抗匹配 50

2.6　数字信号的辐射 52

2.6.1　差模辐射 52

2.6.2　共模辐射 55

2.6.3　差模和共模辐射比较 57

第3章　常用元件的可靠性能与选择 59

3.1　元件的选择与降额设计 59

3.1.1　元件的选择准则 59

3.1.2　元件的降额设计 59

3.2　电阻器 60

3.2.1　电阻器的等效电路 60

3.2.2　电阻器的内部噪声 60

3.2.3　电阻器的温度特性 61

3.2.4　电阻器的分类与主要参数 62

3.2.5　电阻器的正确选用 66

3.3.1　电容器的等效电路 67

3.3　电容器 67

3.3.2　电容器的种类与型号 68

3.3.3　电容器的标志方法 70

3.3.4　电容器引脚的电感量 71

3.3.5　电容器的正确选用 71

3.3.6　电容器使用注意事项 73

3.4　电感器 73

3.4.1　电感器的等效电路 74

3.4.2　电感器使用的注意事项 74

3.5　数字集成电路的抗干扰性能 75

3.5.1　噪声容限与抗干扰能力 75

3.5.2　施密特集成电路的噪声容限 77

3.5.3　TTL数字集成电路的抗干扰性能 78

3.5.4　CMOS数字集成电路的抗干扰性能 79

3.5.5　CMOS电路使用中注意事项 80

3.5.6　集成门电路系列型号 81

3.6　高速CMOS 54/74HC系列接口设计 83

3.6.1　54/74HC系列芯片特点 83

3.6.2　74HC与TTL接口 85

3.6.3　74HC与单片机接口 85

3.7　元器件的装配工艺对可靠性的影响 86

第4章　电磁干扰硬件控制技术 88

4.1　屏蔽技术 88

4.1.1　电场屏蔽 88

4.1.2　磁场屏蔽 89

4.1.3　电磁场屏蔽 91

4.1.4　屏蔽损耗的计算 92

4.1.5　屏蔽体屏蔽效能的计算 99

4.1.6　屏蔽箱的设计 100

4.1.7　电磁泄漏的抑制措施 102

4.1.8 电缆屏蔽层的屏蔽原理 108

4.1.9　屏蔽与接地 113

4.1.10　屏蔽设计要点 113

4.2　接地技术 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　接地系统的布局 119

4.2.5　接地装置和接地电阻 120

4.2.6　地环路问题 121

4.2.7　浮地方式 122

4.2.8　电缆屏蔽层接地 123

4.3　滤波技术 126

4.3.1　滤波器概述 127

4.3.2　无源滤波器 130

4.3.3　有源滤波器 138

4.3.4　铁氧体抗干扰磁珠 143

4.3.5　贯通滤波器 146

4.3.6　电缆线滤波连接器 149

4.3.7　PCB板滤波器件 154

4.4　隔离技术 155

4.4.1　光电隔离 156

4.4.2　继电器隔离 160

4.4.3　变压器隔离 161

4.4.4　布线隔离 161

4.4.5　共模扼流圈 162

4.5　电路平衡结构 164

4.5.1　双绞线在平衡电路中的使用 164

4.5.2　同轴电缆的平衡结构 165

4.5.3　差分放大器 165

4.6　双绞线的抗干扰原理及应用 166

4.6.1　双绞线的抗干扰原理 166

4.6.2　双绞线的应用 168

4.7　信号线间的串扰及抑制 169

4.7.1　线间串扰分析 169

4.7.2　线间串扰的抑制 173

4.8　信号线的选择与敷设 174

4.8.1　信号线型式的选择 174

4.8.2　信号线截面的选择 175

4.8.3　单股导线的阻抗分析 175

4.8.4　信号线的敷设 176

4.9　漏电干扰的防止措施 177

4.10　抑制数字信号噪声常用硬件措施 177

4.10.2　提高数字信号的电压等级 178

4.10.1　数字信号负传输方式 178

4.10.3　数字输入信号的RC阻容滤波 179

4.10.4　提高输入端的门限电压 181

4.10.5　输入开关触点抖动干扰的抑制方法 181

4.10.6　提高器件的驱动能力 184

4.11　静电放电干扰及其抑制 184

第5章　主机单元配置与抗干扰设计 186

5.1　单片机主机单元组成特点 186

5.1.1　80C51最小应用系统 186

5.1.2　低功耗单片机最小应用系统 187

5.2　总线的可靠性设计 191

5.2.1　总线驱动器 191

5.2.3　总线上拉电阻的配置 192

5.2.2　总线的负载平衡 192

5.3　芯片配置与抗干扰 193

5.3.1　去耦电容配置 194

5.3.2　数字输入端的噪声抑制 194

5.3.3　数字电路不用端的处理 195

5.3.4　存储器的布线 196

5.4　译码电路的可靠性分析 197

5.4.1　过渡干扰与译码选通 197

5.4.2　译码方式与抗干扰 200

5.5　时钟电路配置 200

5.6　复位电路设计 201

5.6.1　复位电路RC参数的选择 201

5.6.2　复位电路的可靠性与抗干扰分析 202

5.6.3　I/O接口芯片的延时复位 205

5.7　单片机系统的中断保护问题 205

5.7.1　80C51单片机的中断机构 205

5.7.2　常用的几种中断保护措施 205

5.8　RAM数据掉电保护 207

5.8.1　片内RAM数据保护 207

5.8.2　利用双片选的外RAM数据保护 207

5.8.3　利用DS1210实现外RAM数据保护 208

5.8.4　2KB非易失性随机存储器DS1220AB/AD 211

5.9　看门狗技术 215

5.9.1　由单稳态电路实现看门狗电路 216

5.9.2　利用单片机片内定时器实现软件看门狗 217

5.9.3　软硬件结合的看门狗技术 219

5.9.4　单片机内配置看门狗电路 221

5.10　微处理器监控器 223

5.10.1　微处理器监控器MAX703～709/813L 223

5.10.2　微处理器监控器MAX791 227

5.10.3　微处理器监控器MAX807 231

5.10.4　微处理器监控器MAX690A/MAX692A 234

5.10.5　微处理器监控器MAX691A/MAX693A 238

5.10.6　带备份电池的微处理器监控器MAX1691 242

5.11　串行E2PROM X25045 245

6.1　概述 255

第6章　测量单元配置与抗干扰设计 255

6.2　模拟信号放大器 256

6.2.1　集成运算放大器 256

6.2.2　测量放大器组成原理 260

6.2.3　单片集成测量放大器AD521 263

6.2.4　单片集成测量放大器AD522 265

6.2.5　单片集成测量放大器AD526 266

6.2.6　单片集成测量放大器AD620 270

6.2.7　单片集成测量放大器AD623 274

6.2.8　单片集成测量放大器AD624 276

6.2.9　单片集成测量放大器AD625 278

6.2.10　单片集成测量放大器AD626 281

6.3.1　V/I变换电路 283

6.3　电压／电流变换器（V/I） 283

6.3.2　集成V/I变换器XTR101 284

6.3.3　集成V/I变换器XTR110 289

6.3.4　集成V/I变换器AD693 292

6.3.5　集成V/I变换器AD694 299

6.4　电流／电压变换器（I/V） 302

6.4.1　I/V变换电路 302

6.4.2　RCV420型I/V变换器 303

6.5　具有放大、滤波、激励功能的模块2B30/2B31 305

6.6　模拟信号隔离放大器 313

6.6.1　隔离放大器ISO100 313

6.6.2　隔离放大器ISO120 316

6.6.3　隔离放大器ISO122 319

6.6.4　隔离放大器ISO130 323

6.6.5　隔离放大器ISO212P 326

6.6.6　由两片VFC320组成的隔离放大器 329

6.6.7　由两光耦组成的实用线性隔离放大器 333

6.7　数字电位器及其应用 336

6.7.1　非易失性数字电位器x9221 336

6.7.2　非易失性数字电位器x9241 343

6.8　传感器供电电源的配置及抗干扰 346

6.8.1　传感器供电电源的扰动补偿 347

6.8.2　单片集成精密电压芯片 349

6.8.3　A/D转换器芯片提供基准电压 350

6.9.1　外部噪声源的干扰及其抑制 351

6.9　测量单元噪声抑制措施 351

6.9.2　输入信号串模干扰的抑制 352

6.9.3　输入信号共模干扰的抑制 353

6.9.4　仪器仪表的接地噪声 355

第7章　D/A、A/D单元配置与抗干扰设计 357

7.1　D/A、A/D转换器的干扰源 357

7.2　D/A转换原理及抗干扰分析 358

7.2.1　T型电阻D/A转换器 359

7.2.2　基准电源精度要求 361

7.2.3　D/A转换器的尖峰干扰 362

7.3　典型D/A转换器与单片机接口 363

7.3.1　并行12位D/A转换器AD667 363

7.3.2　串行12位D/A转换器MAX5154 370

7.4　D/A转换器与单片机的光电接口电路 377

7.5　A/D转换器原理与抗干扰性能 378

7.5.1　逐次比较式ADC原理 378

7.5.2　余数反馈比较式ADC原理 378

7.5.3　双积分ADC原理 380

7.5.4　V/F ADC原理 382

7.5.5　∑-△式ADC原理 384

7.6　典型A/D转换器与单片机接口 387

7.6.1　8位并行逐次比较式MAX 118 387

7.6.2　8通道12位A/D转换器MAX 197 394

7.6.3　双积分式A/D转换器5G14433 399

7.6.4　V/F转换器AD 652在A/D转换器中的应用 403

7.7　采样保持电路与抗干扰措施 408

7.8　多路模拟开关与抗干扰措施 412

7.8.1　CD4051 412

7.8.2　AD7501 413

7.8.3　多路开关配置与抗干扰技术 413

7.9　D/A、A/D转换器的电源、接地与布线 416

7.10　精密基准电压电路与噪声抑制 416

7.10.1　基准电压电路原理 417

7.10.2　引脚可编程精密基准电压源AD584 418

7.10.3　埋入式齐纳二极管基准AD588 420

7.10.4　低漂移电压基准MAX676/MAX677/MAX678 422

7.10.5　低功率低漂移电压基准MAX873/MAX875/MAX876 424

7.10.6　MC1403/MC1403A、MC1503精密电压基准电路 430

第8章　功率接口与抗干扰设计 432

8.1　功率驱动元件 432

8.1.1　74系列功率集成电路 432

8.1.2　75系列功率集成电路 433

8.1.3　MOC系列光耦合过零触发双向晶闸管驱动器 435

8.2　输出控制功率接口电路 438

8.2.1　继电器输出驱动接口 438

8.2.2　继电器—接触器输出驱动电路 439

8.2.3　光电耦合器—晶闸管输出驱动电路 439

8.2.4　脉冲变压器—晶闸管输出电路 440

8.2.5　单片机与大功率单相负载的接口电路 441

8.3.1　交直流感性负载瞬变噪声的抑制方法 442

8.2.6　单片机与大功率三相负载间的接口电路 442

8.3　感性负载电路噪声的抑制 442

8.3.2　晶闸管过零触发的几种形式 445

8.3.3　利用晶闸管抑制感性负载的瞬变噪声 447

8.4　晶闸管变流装置的干扰和抑制措施 448

8.4.1　晶闸管变流装置电气干扰分析 448

8.4.2　晶闸管变流装置的抗干扰措施 449

8.5　固态继电器 451

8.5.1　固态继电器的原理和结构 451

8.5.2　主要参数与选用 452

8.5.3　交流固态继电器的使用 454

9.1　键盘接口抗干扰问题 456

第9章　人机对话单元配置与抗干扰设计 456

9.2　LED显示器的构造与特点 458

9.3　LED的驱动方式 459

9.3.1　采用限流电阻的驱动方式 459

9.3.2　采用LM317的驱动方式 460

9.3.3　串联二极管压降驱动方式 462

9.4　典型键盘／显示器接口芯片与单片机接口 463

9.4.1　8位LED驱动器ICM 7218B 463

9.4.2　串行LED显示驱动器MAX 7219 468

9.4.3　并行键盘／显示器专用芯片8279 482

9.4.4　串行键盘／显示器专用芯片HD 7279A 492

9.5.1　LED静态显示接口的抗干扰 502

9.5　LED显示接口的抗干扰措施 502

9.5.2　LED动态显示接口的抗干扰 506

9.6　打印机接口与抗干扰技术 508

9.6.1　并行打印机标准接口信号 508

9.6.2　打印机与单片机接口电路 509

9.6.3　打印机电磁干扰的防护设计 510

9.6.4　提高数据传输可靠性的措施 512

第10章　供电电源的配置与抗干扰设计 513

10.1　电源干扰问题概述 513

10.1.1　电源干扰的类型 513

10.1.2　电源干扰的耦合途径 514

10.1.3　电源的共模和差模干扰 515

10.1.4　电源抗干扰的基本方法 516

10.2　EMI电源滤波器 517

10.2.1　实用低通电容滤波器 518

10.2.2　双绕组扼流圈的应用 518

10.3　EMI滤波器模块 519

10.3.1　滤波器模块基础知识 519

10.3.2　电源滤波器模块 521

10.3.3　防雷滤波器模块 531

10.3.4　脉冲群抑制模块 532

10.4　瞬变干扰吸收器件 532

10.4.1　金属氧化物压敏电阻（MOV） 533

10.4.2　瞬变电压抑制器（TVS） 537

10.5　电源变压器的屏蔽与隔离 552

10.6　交流电源的供电抗干扰方案 553

10.6.1　交流电源配电方式 553

10.6.2　交流电源抗干扰综合方案 555

10.7　供电直流侧抑制干扰措施 555

10.7.1　整流电路的高频滤波 555

10.7.2　串联型直流稳压电源配置与抗干扰 556

10.7.3　集成稳压器使用中的保护 557

10.8　开关电源干扰的抑制措施 559

10.8.1　开关噪声的分类 559

10.8.2　开关电源噪声的抑制措施 560

10.9　微机用不间断电源UPS 561

10.10　采用晶闸管无触点开关消除瞬态干扰设计方案 564

第11章　印制电路板的抗干扰设计 566

11.1　印制电路板用覆铜板 566

11.1.1　覆铜板材料 566

11.1.2　覆铜板分类 568

11.1.3　覆铜板的标准与电性能 571

11.1.4　覆铜板的主要特点和应用 583

11.2　印制板布线设计基础 585

11.2.1　印制板导线的阻抗计算 585

11.2.2　PCB布线结构和特性阻抗计算 587

11.2.3　信号在印制板上的传播速度 589

11.3.1　降低接地阻抗的设计 590

11.3　地线和电源线的布线设计 590

11.3.2　减小电源线阻抗的方法 591

11.4　信号线的布线原则 592

11.4.1　信号传输线的尺寸控制 592

11.4.2　线间串扰控制 592

11.4.3　辐射干扰的抑制 593

11.4.4　反射干扰的抑制 594

11.4.5　微机自动布线注意问题 594

11.5　配置去耦电容的方法 594

11.5.1　电源去耦 595

11.5.2　集成芯片去耦 595

11.6.1　芯片选用指南 596

11.6　芯片的选用与器件布局 596

11.6.2　器件的布局 597

11.6.3　时钟电路的布置 598

11.7　多层印制电路板 599

11.7.1　多层印制板的结构与特点 599

11.7.2　多层印制板的布局方案 600

11.7.3　20-H原则 605

11.8　印制电路板的安装和板间配线 606

第12章　软件抗干扰原理与方法 607

12.1　概述 607

12.1.1　测控系统软件的基本要求 607

12.1.2　软件抗干扰一般方法 607

12.2　指令冗余技术 608

12.2.2　重要指令冗余 609

12.3　软件陷阱技术 609

12.3.1　软件陷阱 609

12.2.1　NOP的使用 609

12.3.2　软件陷阱的安排 610

12.4　故障自动恢复处理程序 613

12.4.1　上电标志设定 614

12.4.2　RAM中数据冗余保护与纠错 616

12.4.3　软件复位与中断激活标志 617

12.4.4　程序失控后恢复运行的方法 618

12.5　数字滤波 619

12.5.2　中位值滤波法 620

12.5.1　程序判断滤波法 620

12.5.3　算术平均滤波法 621

12.5.4　递推平均滤波法 623

12.5.5　防脉冲干扰平均值滤波法 624

12.5.6　一阶滞后滤波法 626

12.6　干扰避开法 627

12.7　开关量输入／输出软件抗干扰设计 629

12.7.1　开关量输入软件抗干扰措施 629

12.7.2　开关量输出软件抗干扰措施 629

12.8　编写软件的其他注意事项 630

附录　电磁兼容器件选购信息 632

参考文献 633