Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №8

Требования к разводке дорожки, соединяющей С3 с земляной ножкой микроконтроллера, такие же как для первого примера: никакие другие детали кроме С3 к этой дорожке подключать нельзя. Исключение составляют только конденсаторы обвязки кварца (С1 и С2 на фиг.5).

Пример 3

Обеспечить высокую помехоустойчивость устройства можно на этапе общей компоновки. Типичное устройство, при компоновке которого вопросы помехоустойчивости не были приняты во внимание, показано на фиг. 8. Для подключения внешних сигналов и питания в нем использованы все четыре кромки печатной платы. Микропроцессор расположен почти в центре печатной платы, то есть в месте максимально подверженном влиянию наносекундных помех. В случае использования сплошной земли, очень вероятно что такое устройство будет сбоить.

Не меняя компоновки, существенного улучшения помехоустойчивости в таком устройстве можно достичь, если разделить земли на чистую и грязную, как условно показано на фиг.8. Наружный контур земли является грязной землей, он специально предназначен для распространения наносекундных помех. К грязной земле нельзя подключать устройства, чувствительные к помехам.

Внутренний "полуостров" чистой земли соединен с грязной землей в одной точке. Во все сигнальные линии, проходящие между чистой и грязной землями, необходимо добавить резисторы или дроссели, чтобы преградить путь помехам (барьеры).

Дальнейшее улучшение помехоустойчивости достигается перекомпоновкой устройства, как показано на фиг.9. Видно, что все терминалы сосредоточены с одной "грязной" стороны платы. Тем самым путь распространения помех по земле платы значительно сокращен.

Барьеры

После того как внутренние земли устройства разделены на чистые и грязные, возникает вопрос — как предотвратить проникновение помех из грязной земли в чистую? Например, в устройстве фиг.4 узел 2 подключен к чистой земле, но он обменивается сигналами с узлом 3, который подвержен влиянию помех. В приведенном выше примере 3 было упомянуто, что сигнальные цепи, соединяющие узлы на чистой и грязной землях должны содержать помеховые барьеры — резисторы или дроссели. Практика показывает, что повсеместное использование барьеров обычно повышает помехоустойчивость устройства в несколько раз.

Пример 4

Рассмотрим микроконтроллер, управляющий мощной нагрузкой при помощи реле. Для управления реле используется биполярный транзистор.

Контакты реле являются источником наносекундных помех. Кроме того, внешние помехи достаточно легко проходят "сквозь" реле за счет его паразитной проходной емкости и емкостей монтажа. Вместе с тем, ни реле, ни транзистор Q1, сами по себе влиянию НП не подвержены.

Земляной вывод микроконтроллера VSS подключен к чистой земле, эмиттер транзистора Q1 — к грязной. Резистор R1, помимо своей основной функции, выполняет роль барьера, препятствующего распространению помех из грязной части в чистую. Проходная емкость резистора как правило мала, порядка 0.2…0.3 пФ, поэтому резисторы создают эффективный барьер для НП. В особо тяжелых случаях для уменьшения проходной емкости можно включать по два-три резистора последовательно.

Если бы вместо биполярного использовался полевой транзистор, то R1 пришлось бы поставить именно в качестве барьера, хотя для функционирования схемы он был бы и не нужен.

Пример 5

Другой типичный пример — подключение оптронов к микроконтроллеру. На фиг.11 представлен фрагмент входной и выходной оптронной развязки.

Эмиттер входного оптрона U1 подключен к грязной земле, т. к. за счет проходной емкости в 0.5 пФ оптрон полупрозрачен для НП. Сам низкоскоростной оптрон достаточно безразличен к НП, но надо заметить, что оптроны с подключенным выводом базы фототранзистора иногда "ловят помеху", поэтому предпочтительней использовать оптроны без вывода базы.

Резистор R1 может быть подключен как к грязному, так и к чистому питанию, поскольку сам резистор является барьером, препятствующим прохождению НП на чистое питание.

Резистор R2 величиной 1к…100к служит помеховым барьером между оптроном и микроконтроллером. Конденсатор С1 не является обязательным элементом, однако наличие этого конденсатора дополнительно улучшает помехоустойчивость, так как уменьшает помеховый ток, протекающий по земляной ножке микроконтроллера. С1 и микроконтроллер подключены к чистой земле.

Анод светодиода выходного оптрона U2 подключен к грязному питанию +5В. Токозадающий резистор R3 одновременно служит помеховым барьером. В особо тяжелой помеховой обстановке полезно зашунтировать светодиод оптрона конденсатором 1…10 нФ, или хотя бы резистором.

В случае когда невозможно или неудобно подключать оптрон к грязному питанию, можно разделить токозадающий резистор на два, как это показано для оптрона U3. Резистор R5 служит помеховым барьером между оптроном и чистой шиной питания +5В.

Емкостные связи

Часть помехового тока на фиг.1 протекает через емкость связи Сх. Вспомним, что при испытании устройства на помехоустойчивость оно должно находиться на изолирующей подставке на высоте 100 мм над сплошной земляной поверхностью. Иногда одной только емкости связи с землей бывает достаточно для сбоя устройства.

Разделение земель на чистую и грязную само по себе не уменьшает суммарную величину емкостной связи. Соотношение емкостей связи для чистой и грязной земель соответствует отношению их площадей.

Вполне очевидными методами борьбы с емкостными связями является перераспределение земель, уменьшение площадей проводников и частичное экранирование.

Обратите внимание на положение микроконтроллера на фиг.9. Он расположен в углу платы, поэтому за счет емкостной связи сквозь него будет течь сравнительно небольшой ток. На фиг.8 микроконтроллер расположен иначе. Большой полигон чистой земли справа от него имеет значительную емкостную связь с истинной землей, поэтому вероятность сбоя будет намного больше.

Пример 6

На фиг.12 показаны два варианта разводки земляного полигона под микроконтроллером. Вместо кварца и конденсаторов используется трехвыводной керамический резонатор для монтажа на поверхность X1. Разводка выполнена для гипотетического "правильного" микроконтроллера, разработчики которого позаботились о помехоустойчивости и расположили земляной вывод между выводами генератора. Это не утопия, микроконтроллеры семейства М16С фирмы Ренесас, которые являются одними из самых помехоустойчивых 16-битных микроконтроллеров, действительно имеют подобное расположение выводов.