如何降低微控制器系統(tǒng)中的噪聲影響（2）

在本系列的前一篇文章中，我們研究了理想化的數(shù)字世界與我們必須設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)世界之間的差異，并研究了我們需要管理的各種類型的噪聲。本篇我們將看看我們可能遇到的一些典型的噪聲源。這些來源既可以是我們系統(tǒng)的外部，也可以是內(nèi)部的。

外部噪聲源通常是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的最大威脅之一，我們必須在環(huán)境中管理許多噪聲源。這些可能包括電源的開關(guān)噪聲；工業(yè)機(jī)械、電機(jī)等產(chǎn)生的火花引起的噪聲；繼電器、變壓器、蜂鳴器、熒光燈等的感應(yīng)噪聲；靜電放電，通常來自用戶身體，但也來自其他地方；當(dāng)然還有閃電。

圖1

內(nèi)部噪聲可能來自多種來源。PCB上的電流環(huán)路可能是輻射噪聲的重要來源。如下圖所示，如果電流在由MCU及其I/O信號(hào)形成的閉環(huán)中流動(dòng)，則該電流環(huán)路可以像天線一樣工作，并且可以輻射出顯著的噪聲，尤其是在電流很大的情況下。

圖2

如果您的接地層設(shè)計(jì)不當(dāng)，PCB不同部分的接地之間存在電壓差，則電流可以在這些接地點(diǎn)之間流動(dòng)；這就像天線一樣，噪聲也可以輻射。輻射噪聲的其他內(nèi)部來源還可能包括設(shè)計(jì)不良的振蕩器電路。我們始終建議您與振蕩器制造商討論使用合適的振蕩器，以確保它在您的系統(tǒng)中具有穩(wěn)定的性能，并遵循推薦的電路參數(shù)和接地設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)不良的振蕩器不僅會(huì)將噪聲注入電路的許多部分，尤其是接地，而且設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)恼袷幤麟娐芬踩菀讓?dǎo)致芯片故障。

圖3

另一個(gè)可能產(chǎn)生內(nèi)部噪聲的常見區(qū)域是I/O系統(tǒng)，尤其是在外部總線上使用多個(gè)高速設(shè)備時(shí)。設(shè)計(jì)不良的I/O系統(tǒng)如果不注意避免過沖或下沖，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備超出其電氣規(guī)格，這可能會(huì)隨著時(shí)間的推移損壞芯片，導(dǎo)致故障，并增加系統(tǒng)的功耗并將噪聲輻射到系統(tǒng)的其余部分。

雖然現(xiàn)在的微控制器（例如RA和RX微控制器系列中的器件）具有避免閂鎖的電路設(shè)計(jì)，但盡量避免發(fā)生這種情況仍然是很好的做法。噪聲會(huì)影響典型微控制器的任何引腳。并且，微控制器系統(tǒng)引腳對(duì)噪聲又特別敏感，因?yàn)檫@些引腳通?？刂菩酒幕静僮鳎颂幱稍肼曇鸬墓收峡赡軐?dǎo)致芯片故障。因此，應(yīng)該特別注意確保使噪聲干擾系統(tǒng)引腳正常工作的可能性降至最低。

圖4

典型微控制器上的系統(tǒng)引腳可以包括復(fù)位引腳、電源引腳、振蕩器引腳以及模式或特殊功能引腳。為了盡量減少噪聲干擾這些引腳的機(jī)會(huì)，我們應(yīng)該特別小心，確保電源引腳具有穩(wěn)定的電壓電平和所需的濾波，并且接地層中沒有任何電流環(huán)路；我們應(yīng)該確保振蕩器盡可能靠近芯片放置，布局遵循供應(yīng)商的建議；并且保護(hù)好復(fù)位引腳不受快速瞬態(tài)信號(hào)的影響。

在本系列的下一篇文章中，我們將介紹一些可用于最小化和保護(hù)基于微控制器的系統(tǒng)免受噪聲影響的設(shè)計(jì)技術(shù)。

作者：Graeme Clark，Jackie Chen