紅外線報(bào)警器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.doc

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1、1 緒論隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，人們對(duì)自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時(shí)刻留意那些不速之客?，F(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報(bào)警系統(tǒng)，因而大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民的人身財(cái)產(chǎn)安全。由于紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。為了防止各種偷盜和暴力事件的發(fā)生和危害,確保大廈的安全,生命和財(cái)產(chǎn)不受損害,智能保安系統(tǒng)的設(shè)置是必要的。隨著科技的發(fā)展,新的犯罪手段對(duì)保安系統(tǒng)也提出了新的要求,在信息時(shí)代的今天,對(duì)錢、財(cái)物、人身安全的保護(hù)是一方面,而對(duì)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里的大量的重要文件、數(shù)據(jù),更需要保護(hù)。在一個(gè)智能化大廈內(nèi),不僅

2、對(duì)外部人員要防范,對(duì)內(nèi)部人員也需要加強(qiáng)治理;對(duì)某些重要的地點(diǎn)、物品,以及重要的人物也需要非凡的保護(hù)。因此,對(duì)現(xiàn)代化的大廈,需要設(shè)置多層次、立體化的保安系統(tǒng)。防盜報(bào)警器的作用防盜報(bào)警系統(tǒng)就是用探測(cè)器對(duì)建筑物內(nèi)外重點(diǎn)區(qū)域、重要地點(diǎn)布防,在探測(cè)到非法入侵者時(shí),信號(hào)傳輸?shù)綀?bào)警控制器:聲光報(bào)警,顯示地址,有關(guān)值班人員接到報(bào)警后,根據(jù)情況采取措施,以控制事態(tài)的發(fā)展。智能建筑的防盜報(bào)警系統(tǒng),負(fù)責(zé)建筑內(nèi)各個(gè)點(diǎn)、線、面和區(qū)域的偵測(cè)任務(wù)。它一般由探測(cè)器、區(qū)域控制器和報(bào)警控制中心三部分組成。 (1)探測(cè)器探測(cè)器負(fù)責(zé)探測(cè)人員的非法入侵,有異常情況發(fā)出聲光報(bào)警,同時(shí)向區(qū)域報(bào)警器發(fā)送信息。光束遮斷式探測(cè)器:目前用得較多得

3、是紅外對(duì)射式,它由紅外線發(fā)射器和接收器組成。當(dāng)罪犯跨越門窗或其它防護(hù)區(qū)時(shí),遮斷紅外光而引發(fā)報(bào)警。為確保此類探測(cè)器的準(zhǔn)確需配置頻率和相位鑒別電路。2 產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)及原理2.1設(shè)計(jì)原理 這一臺(tái)紅外線防盜報(bào)警器。具有以下特點(diǎn)：用當(dāng)今最流行的AT89C2051單片機(jī)控制，體積小，成本低；用紅外線收發(fā)管進(jìn)行檢測(cè)，安裝隱蔽，不易被發(fā)現(xiàn)；探測(cè)信號(hào)采用脈沖信號(hào)，節(jié)能且抗干擾；當(dāng)有人試圖闖入室內(nèi)時(shí)，能自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警?，F(xiàn)將該報(bào)警器原理如下。2.1.1 硬件電路可將該電路分為以下三個(gè)部分a) 電源電路。220V交流市電經(jīng)變壓器T降壓，橋式整流器D1整流，電解電容C7濾波，三端穩(wěn)壓器78L05穩(wěn)壓，最后得到整機(jī)要

4、求的+5V穩(wěn)定直流電源。b) 單片機(jī)系統(tǒng)。U1為AT89C2051單片機(jī)。C1，R0，R1和復(fù)位按鈕RESET組成手動(dòng)電平復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位電路；C2，C3以及晶振JT1組成時(shí)鐘電路； C4，C5為+5V電源濾波電容。U2為CMOS6反相器CC4069，起驅(qū)動(dòng)作用。VD1VD6為紅外發(fā)射管，其負(fù)極端接與P1口，P1口設(shè)置為輸出狀態(tài)，當(dāng)P1口為“0”時(shí)，VD1VD6發(fā)紅外光。VD7VD12為紅外接收管，當(dāng)接收到紅外光時(shí)導(dǎo)通，+5V電源通過(guò)VD7VD12加到反相器CC4069的輸入端，經(jīng)反相為低電平，這時(shí)P3.0P3.5為低電平。發(fā)射管和接收管分別安裝在門和窗口的適當(dāng)位置，當(dāng)有人闖入時(shí)遮擋了紅外線

5、，接收管截止，反相器輸入端為低電平，這時(shí)U1的P3.0P3.5為高電平。當(dāng)在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到位于不同位置的光束被遮擋時(shí)，則由P3.7口輸出報(bào)警信號(hào)（高低電平間隔1S的脈沖信號(hào)）。驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，進(jìn)行聲光報(bào)警，直至按復(fù)位按鈕RESET或電源開關(guān)S1。由于紅外收發(fā)管之間沒有遮擋時(shí)為正常，有遮擋時(shí)為異常，則當(dāng)P1口輸出00H時(shí)，P3口的正常狀態(tài)數(shù)據(jù)為00H。c) 聲光報(bào)警電路。555定時(shí)器U4，揚(yáng)聲器BY，普通紅色發(fā)光二極管VD13等組成聲光報(bào)警電路。其中555定時(shí)器接成了一個(gè)低頻多諧振蕩器，其控制電壓輸入端5腳與單片機(jī)AT89C2051的P3.7腳相連，受P3.7腳輸出的高低電平間隔1S的脈沖信

6、號(hào)控制。當(dāng)P3.7為高電平時(shí)控制電壓Uco較高，閾值電壓UT+（=Uco）和UT-（=1/2Uco）也較高；當(dāng)P3.7為低電平時(shí)UT+和UT-也較低。當(dāng)UT+較高時(shí)，電容C9充、放電的電壓幅度較大，因而振蕩頻率較低。反之，當(dāng)UT+較低時(shí)，電容C9充、放電過(guò)程中電壓變化幅度較小，充、放電過(guò)程完成得較快，故振蕩頻率較高。即當(dāng)P3.7=1時(shí)，555輸出脈沖的振蕩頻率較低；當(dāng)P3.7=0時(shí)，555輸出脈沖的振蕩頻率高。該輸出脈沖經(jīng)過(guò)隔直電容C8加到揚(yáng)聲器上，揚(yáng)聲器將交替發(fā)出高、低不同的兩種叫聲。同時(shí)，P3.7腳輸出的高低電平間隔1S的脈沖信號(hào)經(jīng)電阻R8加到紅色發(fā)光二極管VD13上，VD13將閃爍發(fā)光。

7、達(dá)到聲光同時(shí)報(bào)警的效果。硬件電路原理圖見附錄。元件參數(shù)見表2.1。表2.1 元件列表元件名元件類型元件參數(shù)Y1晶振6.0MVD1 VD6紅外線發(fā)射管VD7 VD12紅外線接收管U274LS04U2274LS04U0274LS04U?274LS04UU74LS04UU2274LS04U1AT89C2051U378L05U4555T變壓器S1電鍵開關(guān)R0電阻270R1電阻1KR2R7電阻10KR8電阻470R9電阻10KR10電阻110KLS1揚(yáng)聲器F1保險(xiǎn)絲0.5AD1橋式整流器C1電容20uC2電容30pC3電容30pC4電容470uC5電容0.1uC6電容0.33uC7電容2000uC8電容

8、30uC9電容0.01u2.1.2 軟件設(shè)計(jì)我們的目標(biāo)是，當(dāng)檢測(cè)到有人闖入時(shí)就由P3.7口輸出高低電平間隔1S的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，產(chǎn)生聲光報(bào)警。這可通過(guò)使P3.7口每隔1S取反一次實(shí)現(xiàn)。而1S時(shí)間可通過(guò)讓定時(shí)器T0（工作于定時(shí)方式1）重復(fù)定時(shí)100ms十次實(shí)現(xiàn)。用工作寄存器R1作循環(huán)計(jì)數(shù)器，初值為10（0AH）。采用中斷方式編程，整個(gè)軟件由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分構(gòu)成。a)主程序主要功能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。看是否有人闖入。其程序流程圖如圖2.1所示。開始系統(tǒng)初始化啟動(dòng)定時(shí)等待時(shí)間到轉(zhuǎn)報(bào)警程序有人闖入？時(shí)間到嗎？NONOYSEYSE圖2.1程序流程圖程序清單如下： O

9、RG 0000H AJMP MAIN ；轉(zhuǎn)向主程序 ORG 000BH ；定時(shí)器T0中斷入口 LJMP BJ ；轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序 ORG 0030HMAIN：MOV SP，#50H ；設(shè)置堆棧棧底 MOV R1，#0AH ；設(shè)置循環(huán)計(jì)數(shù)器初值 MOV P3，#00H ；設(shè)置P3口為正常狀態(tài) MOV P1，#00H ；使VD1VD6發(fā)紅外光 MOV TMOD，#01H；設(shè)T0為定時(shí)方式1 MOV TH0，#3CH ；設(shè)置定時(shí)100ms初值 MOV TL0，#0B0H SETB EA ；CPU開中斷 SETB ET0 ；定時(shí)器0允許中斷 JS：MOV A，P3 ；監(jiān)視是否有人闖入 CJNE A，#

10、00H，LP AJMP JS LP：SETB TR0 ；啟動(dòng)T0定時(shí)100ms SJMP $ ；等待定時(shí)100ms完成b)中斷服務(wù)程序。主要功能是判斷定時(shí)1S是否完成，從而決定是否對(duì)P3.7口取反。其程序流程圖如圖2.2所示。P3.7取反NO保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)重設(shè)定時(shí)初值恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回1S到嗎？YSE圖2.2 中斷服務(wù)程序流程圖 程序清單如下： ORG0060HBJ：PUSH Acc ；現(xiàn)場(chǎng)保護(hù) PUSH PSW MOV TH0，#3CH ；重設(shè)定時(shí)初值 MOV TL0，#0B0H DJNZ R1，F(xiàn)H ；1S未到返回 MOV R1，#0AH ；重設(shè)計(jì)數(shù)器初值 CPL P3.7 ；P3.7口取反 FH

11、：POP PSW ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) POP Acc RETI ；中斷返回 END2.2電路主要原件介紹2.2.1 CC4069-六反相器a) 簡(jiǎn)要說(shuō)明CC4069 是由六個(gè)COS/MOS 反相器電路組成，此器件主要用作通用反相器，即用于不需要中功率TTL 驅(qū)動(dòng)和邏輯電平轉(zhuǎn)換的電路中。CC4069 提供了14 引線多層陶瓷雙列直插（D）、熔封陶瓷雙列直插（J）、塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4 種封裝形式。推薦工作條件：電源電壓范圍3V15V輸入電壓范圍0VVDD工作溫度范圍：M類55125E 類.4085極限值：電源電壓.0.5V18V輸入電壓0.5VVDD+0.5V輸入電流.10mA儲(chǔ)存溫

12、度65150b) 認(rèn)識(shí)CMOS六反相器CC4069CC4069是一種CMOS集成電路，內(nèi)部含有六個(gè)反相器，它們的輸入分別用1A6A表示，輸出分別用1Y6Y表示，邏輯表達(dá)式。外引線排列如圖4所示。引出端符號(hào)：1A6A 數(shù)據(jù)輸入端，VDD正電源，Vss 地，1Y6Y 數(shù)據(jù)輸入端圖2.3 CC4069外引線排列圖在該設(shè)計(jì)中由于在prtel元件庫(kù)中沒有該器件及其封裝所以采用了六個(gè)比較常見的74LS04反相器代替它，實(shí)現(xiàn)了相同的效果，但占用的體積較大，不利于集成。2.2.2 AT89C2051單片機(jī)a) 程序保密89C2051設(shè)計(jì)有2個(gè)程序保密位，保密位1被編程之后，程序存儲(chǔ)器不能再被編程除非做一次擦除

13、，保密位2被編程之后，程序不能被讀出。b) 軟硬件的開發(fā)89C2051可以采用下面2種方法開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。1）由于89C2051內(nèi)部程序存貯器為Flash，所以修改它內(nèi)部的程序十分方便快捷，只要配備一個(gè)可以編程89C2051的編程器即可。調(diào)試人員可以采用程序編輯-編譯-固化-插到電路板中試驗(yàn)這樣反復(fù)循環(huán)的方法，對(duì)于熟練的MCS-51程序員來(lái)說(shuō)，這種調(diào)試方法并不十分困難。當(dāng)做這種調(diào)試不能夠了解片內(nèi)RAM的內(nèi)容和程序的走向等有關(guān)信息。2）將普通8031/80C31仿真器的仿真插頭中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出來(lái)仿真205T,這種方法可以運(yùn)用單步、斷點(diǎn)的調(diào)試方法，但是仿真不夠真實(shí)，比如，20

14、51的內(nèi)部模擬比較器功能，P1口、P3口的增強(qiáng)下拉能力等等。c) 性能價(jià)格比1）與80C31系統(tǒng)相比較如果需要構(gòu)成一個(gè)80C31的最小系統(tǒng)的話，除了CPU之外，至少需要一片27C64,而系統(tǒng)的有效引腳和89C2051基本相同。從元器件的成本，電路板的面積和加密性來(lái)看，使用89C2051都是合算的。2） 與PIC單片機(jī)比較目前，國(guó)內(nèi)小型的單片機(jī)全勝較多的有PIC系列，89C2051與PIC相對(duì)應(yīng)芯片比較有如下特點(diǎn)：89C2051的價(jià)格高于PIC的OTP型號(hào)，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051片內(nèi)不含Watch Dog，這是89C2051的不足之處，中斷系統(tǒng)堆棧結(jié)構(gòu)、串等通訊筆定時(shí)器系

15、統(tǒng)都大大強(qiáng)于PIC系統(tǒng)。由于PIC芯片中無(wú)標(biāo)準(zhǔn)串等口，所以在單片機(jī)的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上面，PIC不太適合。與PIC相比2051更適合于較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，適合一些軟件需要多次修改的應(yīng)用。d) 應(yīng)用就目前中國(guó)市場(chǎng)的情況來(lái)看，89C2051有很大的市場(chǎng)。其原因有下列幾點(diǎn)：1）2051采用的是MCS51的核心，十分容易為廣大用戶所接受；2）2051內(nèi)部基本保持了80C31的硬件I/O功能；3）2051的Flash存貯器技術(shù)，可重復(fù)擦/寫1000次以上，容易解悶調(diào)試手段；4）更適合小批量系統(tǒng)的應(yīng)用，容易實(shí)現(xiàn)軟件的升級(jí)。89C2051適合于家用電器控制，分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，I/O量不足不是很大的應(yīng)用系統(tǒng)。3 硬件電路

16、的PCB設(shè)計(jì)流程用PROTEL99設(shè)計(jì)電路板的基本流程如下： a) 電路板設(shè)計(jì)的先期工作 1)、利用原理圖設(shè)計(jì)工具繪制原理圖，并且生成對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表。2)、手工更改網(wǎng)絡(luò)表將一些元件的固定用腳等原理圖上沒有的焊盤定義到與它相通的網(wǎng)絡(luò)上，沒任何物理連接的可定義到地或保護(hù)地等。將一些原理圖和PCB封裝庫(kù)中引腳名稱不一致的器件引腳名稱改成和PCB封裝庫(kù)中的一致。 b) 畫出自己定義的非標(biāo)準(zhǔn)器件的封裝庫(kù),將自己所畫的器件都放入一個(gè)自己建立的PCB 庫(kù)專用設(shè)計(jì)文件。 c) 設(shè)置PCB設(shè)計(jì)環(huán)境和繪制印刷電路的板框含中間的鏤空等 1)、進(jìn)入PCB系統(tǒng)后的第一步就是設(shè)置PCB設(shè)計(jì)環(huán)境，包括設(shè)置格點(diǎn)大小和類型，光標(biāo)

17、類型，板層參數(shù)，布線參數(shù)等等。 2)、規(guī)劃電路板，主要是確定電路板的邊框，包括電路板的尺寸大小等等。d)、打開所有要用到的PCB 庫(kù)文件后，調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表文件和修改零件封裝。 這一步是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)表是PCB自動(dòng)布線的靈魂，也是原理圖設(shè)計(jì)與印象電路板設(shè)計(jì)的接口，只有將網(wǎng)絡(luò)表裝入后，才能進(jìn)行電路板的布線。 在原理圖設(shè)計(jì)的過(guò)程中，ERC檢查不會(huì)涉及到零件的封裝問題。因此，原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，零件的封裝可能被遺忘，在引進(jìn)網(wǎng)絡(luò)表時(shí)可以根據(jù)設(shè)計(jì)情況來(lái)修改或補(bǔ)充零件的封裝。 e) 布置零件封裝的位置，也稱零件布局 Protel99可以進(jìn)行自動(dòng)布局,運(yùn)行Tools下面的Auto Place。布線的關(guān)鍵是布局

18、，多數(shù)設(shè)計(jì)者采用手動(dòng)布局的形式。用鼠標(biāo)選中一個(gè)元件，按住鼠標(biāo)左鍵不放，拖住這個(gè)元件到達(dá)目的地，放開左鍵，將該元件固定。注意：零件布局，應(yīng)當(dāng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)散熱、電磁干擾、將來(lái)布線的方便性等方面綜合考慮。先布置與機(jī)械尺寸有關(guān)的器件，并鎖定這些器件，然后是大的占位置的器件和電路的核心元件，再是外圍的小元件。 f) 根據(jù)情況再作適當(dāng)調(diào)整然后將全部器件鎖定 板上有重的器件或較大的接插件等受力器件邊上也應(yīng)加固定螺絲孔，有需要的話可在適當(dāng)位置放上一些測(cè)試用焊盤，最好在原理圖中就加上。g) 布線規(guī)則設(shè)置 布線規(guī)則是設(shè)置布線的各個(gè)規(guī)范（象使用層面、各組線寬、過(guò)孔間距、布線的拓樸結(jié)構(gòu)等部分規(guī)則，可通過(guò)Design-R

19、ules 的Menu 處從其它板導(dǎo)出后，再導(dǎo)入這塊板）這個(gè)步驟不必每次都要設(shè)置，按個(gè)人的習(xí)慣，設(shè)定一次就可以。 選Design-Rules 一般需要重新設(shè)置以下幾點(diǎn): 1)、安全間距(Routing標(biāo)簽的Clearance Constraint) 它規(guī)定了板上不同網(wǎng)絡(luò)的走線焊盤過(guò)孔等之間必須保持的距離。 2)、走線層面和方向（Routing標(biāo)簽的Routing Layers） 3）、走線線寬（Routing標(biāo)簽的Width Constraint） 它規(guī)定了手工和自動(dòng)布線時(shí)走線的寬度。整個(gè)板范圍的首選項(xiàng)一般取0.2-0.6mm，另添加一些網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)組（Net Class）的線寬設(shè)置，如地線、+5

20、 伏電源線、交流電源輸入線、功率輸出線和電源組等。 4）、敷銅連接形狀的設(shè)置（Manufacturing標(biāo)簽的Polygon Connect Style） 用Relief Connect 方式導(dǎo)線寬度Conductor Width 取0.3-0.5mm 4 根導(dǎo)線45 或90 度。 其余各項(xiàng)一般可用它原先的缺省值。 h) 自動(dòng)布線和手工調(diào)整 1)、點(diǎn)擊菜單命令A(yù)uto Route/Setup 對(duì)自動(dòng)布線功能進(jìn)行設(shè)置 選中除了Add Testpoints 以外的所有項(xiàng)。 2)、點(diǎn)擊菜單命令A(yù)uto Route/All 開始自動(dòng)布線 3)、對(duì)布線進(jìn)行手工初步調(diào)整 i) 切換到單層顯示模式下（點(diǎn)擊菜

21、單命令Tools/Preferences，選中對(duì)話框中Display欄的Single Layer Mode） 將每個(gè)布線層的線拉整齊和美觀。手工調(diào)整時(shí)應(yīng)經(jīng)常做DRC，因?yàn)橛袝r(shí)候有些線會(huì)斷開而你可能會(huì)從它斷開處中間走上好幾根線，快完成時(shí)可將每個(gè)布線層單獨(dú)打印出來(lái)，以方便改線時(shí)參考，其間也要經(jīng)常用3D顯示和密度圖功能查看。 最后取消單層顯示模式，存盤。 j) 如果器件需要重新標(biāo)注可點(diǎn)擊菜單命令Tools/Re-Annotate 并選擇好方向后，按OK鈕。 并回原理圖中選Tools-Back Annotate 并選擇好新生成的那個(gè)*.WAS 文件后，按OK 鈕。原理圖中有些標(biāo)號(hào)應(yīng)重新拖放以求美觀，全

22、部調(diào)完并DRC 通過(guò)后，拖放所有絲印層的字符到合適位置。 k) 對(duì)所有過(guò)孔和焊盤補(bǔ)淚滴 補(bǔ)淚滴可增加它們的牢度，但會(huì)使板上的線變得較難看。 l) 放置覆銅區(qū) 將設(shè)計(jì)規(guī)則里的安全間距暫時(shí)改為0.5-1mm 并清除錯(cuò)誤標(biāo)記，選Place-Polygon Plane 在各布線層放置地線網(wǎng)絡(luò)的覆銅（盡量用八角形，而不是用圓弧來(lái)包裹焊盤。 m) 最后再做一次DRC 選擇其中Clearance Constraints Max/Min Width Constraints Short Circuit Constraints 和Un-Routed Nets Constraints 這幾項(xiàng)，按Run DRC 鈕，

23、有錯(cuò)則改正全部正確后存盤。 n) Email 或拷盤給加工廠家，注明板材料和厚度、數(shù)量、加工時(shí)需特別注意之處等。 o) 產(chǎn)生BOM 文件并導(dǎo)出后編輯成符合公司內(nèi)部規(guī)定的格式。 p) 將邊框螺絲孔接插件等與機(jī)箱機(jī)械加工有關(guān)的部分（即先把其它不相關(guān)的部分選中后刪除），導(dǎo)出為公制尺寸的AutoCAD R14 的DWG 格式文件給機(jī)械設(shè)計(jì)人員。 q) 整理和打印各種文檔。如元器件清單、器件裝配圖（并應(yīng)注上打印比例）、安裝和接線說(shuō)明等。生成的PCB圖如圖3.1所示：圖3.1 PCB圖4 報(bào)警器電路PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn) 4.1 電磁兼容設(shè)計(jì) 目前電子器材用于各類電子設(shè)備和系統(tǒng)仍然以印制電路板為主要裝配方式。實(shí)踐

24、證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細(xì)平行線靠得很近，則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計(jì)印制電路板的時(shí)候，應(yīng)注意采用正確的方法。電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來(lái)的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設(shè)備本身對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。4.1.1 PCB布局印制電路板大小要適中，過(guò)大時(shí)印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過(guò)小，則散熱不好，同時(shí)易受臨近線條干擾。在器件布置

25、方面與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。如原理圖所示晶振和555定時(shí)器輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路，如有可能，應(yīng)另做電路板，這一點(diǎn)十分重要設(shè)計(jì)要求歸結(jié)如下：a) 對(duì)低電平模擬電路和數(shù)字邏輯電路要盡可能地分離。有助于降低線路板內(nèi)部的串?dāng)_、公共阻抗耦合和輻射發(fā)射。b) 在線路板上有模擬電路的情況。把數(shù)字電路和模擬電路分開，有條件時(shí)將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)。如果一定要安排在同層；可采用開溝、加接地線條、分隔等方法補(bǔ)救。模擬的和數(shù)字的地、電源都要分開，不能混用。數(shù)字信號(hào)有很寬的頻

26、譜，是產(chǎn)生干擾的主要來(lái)源。c) 數(shù)字電路的電磁兼容設(shè)計(jì)中要考慮的是數(shù)字脈沖的上升沿和下降沿所決定的頻帶寬而不是數(shù)字脈沖的重復(fù)頻率。方形數(shù)字信號(hào)的印制板設(shè)計(jì)帶寬定為1tr，通常要考慮這個(gè)帶寬的十倍頻。d) 時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源，一定要單獨(dú)安排、遠(yuǎn)離敏感電路。e) 要建立分布參數(shù)的概念，高于一定頻率時(shí)，任何金屬導(dǎo)線都要看成是由電阻、電感構(gòu)成的器件。所以，接地引線具有一定的阻抗并且構(gòu)成電氣回路，不管是單點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地，都必須構(gòu)成低阻抗回路進(jìn)入真正的地或機(jī)架。25mm長(zhǎng)的典型的印制線大約會(huì)表現(xiàn)15nH到20nH的電感，加上分布電容的存在，就會(huì)在接地板和設(shè)備機(jī)架之間構(gòu)成諧振電路。f

27、) 接地電流流經(jīng)接地線時(shí)，會(huì)產(chǎn)主傳輸線效應(yīng)和天線效應(yīng)。當(dāng)線條長(zhǎng)度為14波長(zhǎng)時(shí)，可以表現(xiàn)出很高的阻抗，接地線實(shí)際上是開路的，接地線反而成為向外輻射的天線。g) 接地板上充滿高頻電流和干擾場(chǎng)形成的渦流，因此，在接地點(diǎn)之間構(gòu)成許多回路，這些回路的直徑（或接地點(diǎn)間距）應(yīng)小于最高頻率波長(zhǎng)的1/20。專用零伏線和VCC的走線寬度應(yīng)1mm。要為模擬電路專門提供一根零伏線。h) 單面或雙面板的電源線和地線應(yīng)盡可能靠近，最好的方法是電源線布在印制板的一面，而地線布在印制板的另一面，上下重合，這會(huì)使電源的阻抗為最低。另外，整塊印制板上的電源和地線要呈“井”字分布，以便使布線的電流達(dá)到均衡。i) 印制線路設(shè)計(jì)中還要

28、特別注意電流流過(guò)電路中的導(dǎo)線環(huán)路尺寸，因?yàn)檫@些回路就相當(dāng)于正在工作中的小天線，隨時(shí)隨地向空間進(jìn)行輻射。特別是要注意時(shí)鐘部分的走線，因?yàn)檫@部分是整個(gè)電路中工作頻率最高的。信號(hào)走線要盡量短，因?yàn)樗鼈兪堑湫偷陌l(fā)射天線；晶振要盡量靠近IC，且布線要較粗；晶振外殼接地；PCB板上的線寬不要突變，導(dǎo)線不要突然拐角。j) 為了減少平行走線時(shí)的串?dāng)_，必要時(shí)可增加印刷線條間的距離；或在走線之間有意識(shí)地安插一根零伏線，作為線條之間的隔離；如有可能，在PCB板的接口處加RC低通濾波器或EMI抑制元件（如磁珠、信號(hào)濾波器等），以消除連接線的干擾；但是要注意不要影響有用信號(hào)的傳輸；PCB板的信號(hào)接口要盡可能多地分配一些

29、零伏線的連接腳，并均勻地將信號(hào)線分開。k) 設(shè)計(jì)印制板時(shí)經(jīng)常要在電路上加電容器來(lái)滿足數(shù)字電路工作時(shí)要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。電路中的電容可分為退耦電容、旁路電容和容納電容三類。退耦電容用來(lái)濾除高頻器件在電源板上引起的輻射電流，為器件提供一個(gè)局域化的直流，還能減低印制電路中的電流沖擊的峰值。旁路電容能消除高頻輻射噪聲。噪聲能限制電路的帶寬，產(chǎn)主共模干擾。平滑或容納電容是用來(lái)解決開關(guān)器件工作時(shí)電源電壓會(huì)產(chǎn)生突降的問題。l) 設(shè)計(jì)中最重要的是確定電容量和接入電容的地點(diǎn)。電容器的自諧振頻率是決定電容設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。電容器有引出線，就會(huì)給電容器附加了固有的電感和電阻，考慮這些因素，實(shí)際的電容可看成由電阻、

30、電感、電容組成的串聯(lián)諧振電路。因此，實(shí)際電容器都有自諧振頻率，在自諧振頻率以下，電容器呈電容性；高于自諧振頻率時(shí)，電容器呈電感性，阻抗隨頻率增高而增大，使旁路作用大大下降。4.1.2 PCB布線在PCB設(shè)計(jì)中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟，可以說(shuō)前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的，在整個(gè)PCB中，以布線的設(shè)計(jì)過(guò)程限定最高，技巧最細(xì)、工作量最大。PCB布線有單面布線、 雙面布線及多層布線。布線的方式也有兩種：自動(dòng)布線及交互式布線，在自動(dòng)布線之前， 可以用交互式預(yù)先對(duì)要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行， 以免產(chǎn)生反射干擾。必要時(shí)應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)

31、生寄生耦合。 自動(dòng)布線的布通率，依賴于良好的布局，布線規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定，包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式布經(jīng)線，快速地把短線連通， 然后進(jìn)行迷宮式布線，先把要布的連線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開已布的線。 并試著重新再布線，以改進(jìn)總體效果。 a) 電源、地線的處理既使在整個(gè)PCB板中的布線完成得都很好，但由于電源、 地線的考慮不周到而引起的干擾，會(huì)使產(chǎn)品的性能下降，有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對(duì)電、 地線的布線要認(rèn)真對(duì)待，把電、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 1）、眾所周知的是在電源、地線之間加上去耦電容。退藕電容的一般配

32、置原則是： 首先，電源輸入端跨接10100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。 第二、原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每48個(gè)芯片布置一個(gè)110pF的鉭電容。 第三、對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退藕電容。 第四、電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線。此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí)，操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來(lái)吸收放電電流。一般R取12K，C取2.247uF； CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，

33、因此在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。2）、盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線電源線信號(hào)線，通常信號(hào)線寬為：0.20.3mm,最經(jīng)細(xì)寬度可達(dá)0.050.07mm,電源線為1.22.5 mm 。3）、用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用?；蚴亲龀啥鄬影澹娫?，地線各占用一層。4）電源線設(shè)計(jì)根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。5）地線設(shè)計(jì)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用，可解決大部分干擾問題。電

34、子產(chǎn)品中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 第一、正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在110MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。 第二、 數(shù)字地與模擬地分開電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。

35、低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。要盡量加大線性電路的接地面積。第三、 接地線應(yīng)盡量加粗若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm。第四、接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗

36、細(xì)的限制，會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪能力下降，若將接地線構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。6）屏蔽電纜的接地將負(fù)載直接接地的方式是不合適的，這是因?yàn)閮啥私拥氐钠帘螌訛榇鸥袘?yīng)的地環(huán)路電流提供了分流，使得磁場(chǎng)屏蔽性能下降。在要求高的場(chǎng)合要為內(nèi)導(dǎo)體提供360的完整包裹，并用同軸接頭來(lái)保證電場(chǎng)屏蔽的完整性。 b) 信號(hào)線布在電（地）層上在多層印制板布線時(shí)，由于在信號(hào)線層沒有布完的線剩下已經(jīng)不多，再多加層數(shù)就會(huì)造成浪費(fèi)也會(huì)給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應(yīng)增加了，為解決這個(gè)矛盾，可以考慮在電（地）層上進(jìn)行布線。首先應(yīng)考慮用電源層，其次才是地層。因?yàn)樽詈檬潜Ａ舻貙拥耐暾浴

37、) 大面積導(dǎo)體中連接腿的處理在大面積的接地（電）中，常用元器件的腿與其連接，對(duì)連接腿的處理需要進(jìn)行綜合的考慮，就電氣性能而言，元件腿的焊盤與銅面滿接為好，但對(duì)元件的焊接裝配就存在一些不良隱患如：1) 焊接需要大功率加熱器。2) 容易造成虛焊點(diǎn)。所以兼顧電氣性能與工藝需要，做成十字花焊盤，稱之為熱隔離（heat shield）俗稱熱焊盤（Thermal），這樣，可使在焊接時(shí)因截面過(guò)分散熱而產(chǎn)生虛焊點(diǎn)的可能性大大減少。多層板的接電（地）層腿的處理相同。 d) 布線中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用在許多CAD系統(tǒng)中，布線是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)決定的。網(wǎng)格過(guò)密，通路雖然有所增加，但步進(jìn)太小，圖場(chǎng)的數(shù)據(jù)量過(guò)大，這必然對(duì)設(shè)備的存

38、貯空間有更高的要求。而有些通路是無(wú)效的，如被元件腿的焊盤占用的或被安裝孔、定位孔所占用的等。網(wǎng)格過(guò)疏，通路太少對(duì)布通率的影響極大。所以要有一個(gè)疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來(lái)支持布線的進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)元器件兩腿之間的距離為0.1英寸(2.54mm),所以網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)一般就定為0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍數(shù)，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。 e) 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）布線設(shè)計(jì)完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則，同時(shí)也需確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查有如下幾個(gè)方面： 1）、線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔

39、與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。 2）、電源線和地線的寬度是否合適，電源與地線之間是否緊耦合在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。 3）、對(duì)于關(guān)鍵的信號(hào)線是否采取了最佳措施，如長(zhǎng)度最短，加保護(hù)線，輸入線及輸出線被明顯地分開。 4）、模擬電路和數(shù)字電路部分，是否有各自獨(dú)立的地線。 5）、后加在PCB中的圖形（如圖標(biāo)、注標(biāo)）是否會(huì)造成信號(hào)短路。 6）、對(duì)一些不理想的線形進(jìn)行修改。4.2 PCB電路抗干擾4.2.1整體抗干擾措施在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性 的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。形成干擾的基本要素有三個(gè)： 干擾源，指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，

40、用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可 能成為干擾源。 傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳 播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 敏感器件，指容易被干擾的。如：?jiǎn)纹瑱C(jī)，數(shù)字IC， 弱信號(hào)放大器等。 抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的 抗干擾性能。（類似于傳染病的預(yù)防）具體措施如下： a) 抑制干擾源 抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu) 先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。 減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)

41、在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的 di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。 抑制干擾源的常用措施如下： 1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加 續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可 動(dòng)作更多的次數(shù)。 2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路（一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K 到幾十K，電容選0.01uF），減小電火花影響。 3）給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。 4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01F0.1F高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量

42、粗短，否則，等于增大了電 容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。 5）布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。b)切斷干擾傳播路徑 按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和 有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾 噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決。電源噪聲的危害最大，要特別 注意處理。所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。 切斷干擾傳播路徑的常用措施如下： 1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的

43、抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)電源加濾波電路 或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容 組成形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100電阻代替磁珠。 2）如果單片機(jī)的I/O口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加形濾波電路）。 控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之 間應(yīng)加隔離（增加形濾波電路）。 3）注意晶振布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。 4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī)，繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)

44、離。 5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則。 6）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。 7）在單片機(jī)I/O口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件 如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。 c) 提高敏感器件的抗干擾性能 提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲 的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下： 1）布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。 2）布線時(shí)，電源線和地線要盡

45、量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦 合噪聲。 3）對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置 端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。 4）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。 d) 采用信號(hào)隔離技術(shù)信號(hào)隔離使數(shù)字或模擬信號(hào)在發(fā)送時(shí)不存在穿越發(fā)送和接收端之間屏障的電流連接。這允許發(fā)送和接收端外的地或基準(zhǔn)電平之差值可以高達(dá)幾千伏，并且防止了可能損害信號(hào)的不同地電位之間的環(huán)路電流。信號(hào)地的噪聲可使信號(hào)受損。隔離可將信號(hào)分離到一個(gè)干凈的信號(hào)子系統(tǒng)地。1)隔離串行數(shù)據(jù)流隔離數(shù)字信號(hào)有很大選擇范圍。假若數(shù)據(jù)流是位串行的，則選擇方案范圍從簡(jiǎn)單光耦合器

46、到隔離收發(fā)器IC。主要設(shè)計(jì)考慮包括： 第一、所需的數(shù)據(jù)速率 第二、系統(tǒng)隔離端的電源要求 第三、數(shù)據(jù)通道是否必須為雙向 基于LED的光耦合器是用于隔離設(shè)計(jì)問題的第一種技術(shù)?，F(xiàn)在有幾件基于LED IC可用，其數(shù)據(jù)速率為10Mbps及以上。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮是LED光輸出隨時(shí)間減小。所以在早期必須為L(zhǎng)ED提供過(guò)量電流，以使隨時(shí)間推移仍能提供足夠的輸出光強(qiáng)。因?yàn)樵诟綦x端可能提供電很有限，所以需要提供過(guò)量電流是一個(gè)嚴(yán)重的問題。因?yàn)長(zhǎng)ED需要的驅(qū)動(dòng)電流可以大于從簡(jiǎn)單邏輯輸出級(jí)可獲得的電流，所以往往需要特殊的驅(qū)動(dòng)電路。 2） 模擬信號(hào)隔離 在很多系統(tǒng)中，模擬信號(hào)必須隔離。模擬信號(hào)所考慮的電路參量完全不同于數(shù)

47、字信號(hào)。模擬信號(hào)通常先要考慮： 第一、精度或線性度 第二、頻率響應(yīng) 第三、噪聲考慮電源要求，特別是對(duì)輸入級(jí)，也應(yīng)該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應(yīng)的應(yīng)用電路來(lái)改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級(jí)電源要求。4.2.2 防靜電設(shè)計(jì)為了便于對(duì)系統(tǒng)硬件解決進(jìn)行討論，將系統(tǒng)上的靜電放電效應(yīng)劃分成以下三個(gè)部分：一、 靜電放電之前靜電場(chǎng)的效應(yīng)；二、 放電產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)；三、 靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)盡管印刷線路板（通常也稱之為PCB）的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)上述三種效應(yīng)都產(chǎn)生影響，但是主要是對(duì)第三種效應(yīng)產(chǎn)生影響。通常，源與接收電路之間的場(chǎng)耦合可以通過(guò)下列方式之一減?。阂弧⒃谠炊耸褂脼V波器以衰減信號(hào)；二、

48、在接收端使用濾波器以衰減信號(hào)；三、增加距離以減小耦合；四、降低源和/或接收電路的天線效果以減小耦合；五、采用一致的、低阻抗參考平面（如同多層PCB 板所提供的）耦合信號(hào)，使它們保持共模方式在這個(gè)設(shè)計(jì)中，如電場(chǎng)占主導(dǎo)地位，靜電放電一般同時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。下面詳細(xì)闡述通過(guò)上述方法解決問題a)保持環(huán)路面積最小任意一個(gè)電路回路中有變化的磁通量穿過(guò)時(shí)，將會(huì)在環(huán)路內(nèi)感應(yīng)出電流。電流的大小與磁通量成正比。較小的環(huán)路中通過(guò)的磁通量也較少，因此感應(yīng)出的電流也較小，這就說(shuō)明環(huán)路面積必須最小。應(yīng)用這一經(jīng)驗(yàn)的困難之處是如何找到環(huán)路。但與其試著去找出所有可能的環(huán)路，還不如采取下列步驟來(lái)減小環(huán)路面積：1）電源線與地線應(yīng)緊

49、靠在一起以減小電源和地間的環(huán)路面積。2）多條電源及地線應(yīng)連接成網(wǎng)格狀。PCB 的一面布垂直線，而另一面則布水平線?？梢栽陔p面板上添加一些連接線以減小環(huán)路面積，網(wǎng)格構(gòu)成的環(huán)路面積小得多，這將使感應(yīng)電流很低，出現(xiàn)問題的可能性也較小。插在底板（或母板）PCB 上的PCB 板，應(yīng)該有多個(gè)地線和電源線節(jié)點(diǎn)，且在連接器長(zhǎng)度方向上均勻布置。這將有利于減小整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)路面積。上述步驟1)和2)既可減小電源與地之間的環(huán)路面積，同時(shí)也可減小環(huán)路天線的效能，步驟3)和4)將降低環(huán)路天線及信號(hào)線的效率。3) 并聯(lián)的導(dǎo)線必須緊緊地放在一起，最好僅使用一條粗導(dǎo)線。這就是說(shuō)，地平面不應(yīng)有大的開口，因?yàn)檫@些開口如同平行導(dǎo)線一

50、般，其作用等同于環(huán)路天線。4) 信號(hào)線應(yīng)與地線應(yīng)緊挨著放在一起。在每根信號(hào)線的旁邊安排一條地線。不過(guò)，這也許會(huì)產(chǎn)生很多平行地線。為了避免這個(gè)問題，如前所述，可采用地平面或地線網(wǎng)格，而不采用單條地線?？稍谂c信號(hào)線相對(duì)的一面上布置地線面 。5) 特別敏感的器件之間的較長(zhǎng)的電源線或信號(hào)線應(yīng)每隔一定間隔與地線的位置對(duì)調(diào)一下。對(duì)調(diào)的含義是將一 根導(dǎo)線從上移到下面，或從左邊移到右邊，另一根導(dǎo)線則做相反的調(diào)整。這種方法與減小環(huán)路面積 的等同效果：對(duì)調(diào)有關(guān)導(dǎo)線后，只有較小的環(huán)路存在。6) 在電源線與地線間安裝高頻旁路電容。因?yàn)樵陟o電放電較低的頻率段，旁路電容的阻抗較低，在這些頻率處，旁路電容能有效減小電源與地

51、間的環(huán)路面積。然而，在靜電放電較高的頻率段，由于寄生電感的影響，即使是高頻電容，其作用也很有限。 當(dāng)然，電源線與地線彼此靠得越近，濾波電容的效果就越不明顯。因?yàn)榄h(huán)路面積已經(jīng)足夠小了b) 使導(dǎo)線長(zhǎng)度盡量短。即使將電源線與地線并列分布，較長(zhǎng)的導(dǎo)線仍會(huì)導(dǎo)致較大的環(huán)路面積。這就是說(shuō)，較長(zhǎng)的導(dǎo)線將有利于接收靜電放電脈沖產(chǎn)生的更多的頻率成份；而較短的導(dǎo)線只能接收較少的頻率成分。因此，短導(dǎo)線從靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中接收并饋入電路的能量較少。 使導(dǎo)線盡可能短是一個(gè)比是環(huán)路面積盡量小更容易實(shí)現(xiàn)的措施。因?yàn)樗幌笮盘?hào)環(huán)路那樣不容易識(shí)別，環(huán)路面積的盡可能小不可能立即看到，而導(dǎo)線的長(zhǎng)短則是很顯然的。有關(guān)設(shè)計(jì)步驟如下：

52、1) 使所有元件緊靠在一起，應(yīng)將元件過(guò)于分散而占用更多的面積； 2)在相關(guān)的元件組，相互之間具有很多互連線的元件應(yīng)彼此靠得很近。例如，I/O 器件是與I/O 連接器盡量靠得近些； 前述的各種步驟都有助于減小各種PCB 回路的阻抗差異。例如，步驟4) 特別有用，因?yàn)檫@樣處理會(huì)使信號(hào)線與相關(guān)地線的回路阻抗幾乎相等。因此，串入到這兩條路徑中的共模噪聲在幅度上也很接近，產(chǎn)生的差模噪聲極小。另外，PCB 設(shè)計(jì)也能采取措施減小由于靜電場(chǎng)和電荷注入所帶來(lái)的問題。下面的規(guī)則就與這個(gè)問題有關(guān)c) 盡可能在PCB 上使用完整的地線面前面已提到過(guò)，地線面有助于減小環(huán)路面積，同時(shí)也降低了接收天線的效率。地線面作為一個(gè)

53、重要的電荷源，可抵消靜電放電源上的電荷，這有利于減小靜電場(chǎng)帶來(lái)的問題。PCB 地線面也可作為其對(duì)面信號(hào)線的屏蔽體（當(dāng)然，地線面的開口越大，其屏蔽效能就越低）。另外，如果發(fā)生放電，由于PCB 板的地平面很大，電荷很容易注入到地線面中，而不是進(jìn)入到信號(hào)線中。這樣將有利于對(duì)元件進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)樵谝鹪p壞前，電荷可以泄放掉。（然而，即使泄放到地的電荷也可能損壞器件，應(yīng)采取措施加以避免） d) 加強(qiáng)電源線和地線之間的電容耦合 電源線與地線間的耦合通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這在前面已經(jīng)提到過(guò)。 1）使電源線與地線靠得很近，或采用多層PCB 板。這將在電源線和地線間產(chǎn)生更多的寄生電容。2）在電源線與地線之間接入

54、高頻旁路電容（電容組合方式可適用于靜電放電頻率較低和較高的場(chǎng)合）。電源線與地線間的耦合將有助于減小電荷注入問題。兩個(gè)物體之間由各個(gè)物體上電荷量的差異造成的電壓取決于兩者（V=Q/C）間的電容。如果X庫(kù)侖的電荷注入到電源線中，就會(huì)在電源線和地線間產(chǎn)生Y 伏的電壓。如果電源線與地線間的電容增加一倍，X 庫(kù)侖的電荷將僅僅產(chǎn)生Y/2 伏的電壓。當(dāng)然，這個(gè)較小的電壓造成損壞的可能性也相應(yīng)減小。e) 隔離電子元件與靜電放電電荷源在靜電放電效應(yīng)的討論中，曾指出注入到電子儀器中的電荷可通過(guò)隔離來(lái)解決。對(duì)于PCB 設(shè)計(jì)，這主要指將電子儀器與可能的電荷源隔離開，也與連接器端口或感應(yīng)電流趨于集中的信號(hào)線相隔離?？刹?/p>

55、取以下兩個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行隔離：1) 使電子元件與PCB 走線遠(yuǎn)離會(huì)暴露在靜電放電中的PCB 部分（例如，操作人員可直接觸摸到的地方）。2) 使電子元件和PCB 走線遠(yuǎn)離會(huì)暴露在靜電放電中的任意一個(gè)金屬物體（包括螺釘、機(jī)架、連接器外殼等）。f) PCB 上的機(jī)殼地線的阻抗要低，隔離要好盡管PCB 軌線上的阻焊層有利于隔離PCB走線，但阻焊層可能會(huì)導(dǎo)致插針孔發(fā)生電弧。 1) 隔離機(jī)殼地線的最好方法是使之遠(yuǎn)離電子儀器。另外，如果機(jī)殼地線的阻抗很低，靜電放電電流易于通過(guò)，就不會(huì)發(fā)生電弧。當(dāng)然，如此迅速的電荷泄放會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的場(chǎng)，但這比電荷通過(guò)電弧直接注入到電路中好得多。 2) 機(jī)殼地線的長(zhǎng)度不能超過(guò)其寬度的

56、四或五倍。比這個(gè)比例更寬的地線僅能使其阻抗（電感）稍微減小，但是更窄的地線卻會(huì)使其阻抗大幅度增加。這個(gè)長(zhǎng)寬比例意味著機(jī)殼地線必須很短才行，否則當(dāng)?shù)鼐€增長(zhǎng)時(shí)，其寬度要很寬。4.3 熱設(shè)計(jì)從有利于散熱的角度出發(fā)，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則：a) 對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備，最好是將集成電路（或其它器件）按縱長(zhǎng)方式排列，對(duì)于采用空氣冷卻的變壓器，最好是將集成電路（或其它器件）按橫長(zhǎng)方式排列。c) 在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑；在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些

57、器件工作時(shí)對(duì)其它器件溫度的影響。d) 對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域（如設(shè)備的底部），千萬(wàn)不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局。e) 設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑，合理配置器件或印制電路板?？諝饬鲃?dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng)，所以在印制電路板上配置器件時(shí)，要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域。整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制電路的溫升，從而使器件及設(shè)備的故障率明顯下降。以上所述只是印制電路板可靠性設(shè)計(jì)的一些通用原則，印制電路板可靠性與具體電路有著密

58、切的關(guān)系，在設(shè)計(jì)中不還需根據(jù)具體電路進(jìn)行相應(yīng)處理，才能最大程度地保證印制電路板的可靠性。 5 電路板制作工藝要求5.1 PCB材料選擇印刷電路板基材主要有二大類：有機(jī)類基板材料和無(wú)機(jī)類基板材料，使用最多的是有機(jī)類基板材料。層數(shù)不同使用的PCB基材也不同，比如34層板要用預(yù)制復(fù)合材料，雙面板則大多使用玻璃環(huán)氧樹脂材料。無(wú)鉛化電子組裝過(guò)程中，由于溫度升高，印刷電路板受熱時(shí)發(fā)生彎曲的程度加大。表面組裝技術(shù)中用PCB要求高導(dǎo)熱性，優(yōu)良耐熱性（150，60min）和可焊性（260，10s），高銅箔粘合強(qiáng)度（1.5104Pa以上）和抗彎強(qiáng)度（25104Pa），高導(dǎo)電率和小介電常數(shù)、好沖裁性（精度0.02m

59、m）及與清洗劑兼容性，另外要求外觀光滑平整，不可出現(xiàn)翹曲、裂紋、傷痕及銹斑等。印制電路板厚度有0.5mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.6mm、（1.8mm）、2.7mm、（3.0mm）、3.2mm、4.0mm、6.4mm，其中0.7mm和1.5mm板厚的PCB用于帶金手指雙面板的設(shè)計(jì)，1.8mm和3.0mm為非標(biāo)尺寸。印制電路板尺寸從生產(chǎn)角度考慮，最小單板不應(yīng)小于250200mm，一般理想尺寸為（250350mm）（200250mm）。表面組裝技術(shù)對(duì)厚度為1.6mm基板彎曲量的規(guī)定為上翹曲0.5mm，下翹曲1.2mm。通常所允許的彎曲率在0.065%以下。5.2 PCB導(dǎo)通

60、孔及元器件布局5.2.1導(dǎo)通孔布局a）避免在表面貼裝焊盤以內(nèi)或距表面貼裝焊盤0.6mm以內(nèi)設(shè)置導(dǎo)通孔。b）無(wú)外引腳的元器件焊盤，其焊盤之間不允許有通孔(即元件下面不開導(dǎo)通孔；若用阻焊膜堵死可以除外)，以保證清洗質(zhì)量。c）作為測(cè)試支撐用的導(dǎo)通孔，在設(shè)計(jì)布局時(shí)，需充分考慮不同直徑的探針進(jìn)行自動(dòng)在線測(cè)試時(shí)的最小間距。d）導(dǎo)通孔徑與元件引線的配合間隙太大易虛焊。一般導(dǎo)通孔徑比引線直徑大0.050.2mm，焊盤直徑為導(dǎo)通孔徑的2.53倍時(shí)，易形成合格焊點(diǎn)。e）導(dǎo)通孔與焊盤不能相連，以避免因焊料流失或熱隔離。如導(dǎo)通孔確需與焊盤相連，應(yīng)盡可能用細(xì)線（小于焊盤寬度1/2的連線或0.3mm0.4mm）加以互連，

61、且導(dǎo)通孔與焊盤邊緣間距離大于1mm。5.2.2元器件布局進(jìn)行再流焊工藝時(shí)，元件排列方向應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a) 板面元件分布應(yīng)盡可能均勻（熱均勻和空間均勻）； b) 元器件應(yīng)盡可能同一方向排列，以便減少焊接不良的現(xiàn)象； c) 元器件間的最小間距應(yīng)大于0.5mm，避免溫度補(bǔ)償不夠； d) PLCC、QFP等大器件周圍要留有一定的維修、測(cè)試空間； e) 功率元件不宜集中，要分開排布在PCB邊緣或通風(fēng)、散熱良好位置； f) 貴重元件不要放在PCB邊緣、角落或靠近插件、貼裝孔、槽、拼板切割、豁口等高應(yīng)力集中區(qū)，減少開裂或裂紋。5.3 PCB線路及焊盤設(shè)計(jì)5.3.1線路工藝設(shè)計(jì)要求a) 印制電路板工藝夾持邊最小為5mm。b) 避免導(dǎo)線與焊盤成一定角度相連，力求導(dǎo)線垂直于元器件的焊盤，且導(dǎo)線應(yīng)從焊盤的長(zhǎng)邊中心與焊盤相連。