單片機系統廣泛應用于日常生活工作中，對其在各種環境下工作的穩定性提出了更高的 要求。單片機系統的穩定性在很大的程度上決定于系統的電磁兼容性。因此，電磁兼容設計 應貫穿于單片機系統設計的始終。國際電工委員會 IEC 對電磁兼容性的定義是[1]：電磁兼容 是設備的一種能力，是設備其在電磁環境中能完成它的功能，而不至于在其環境中產生不能 容忍的干擾。電磁兼容性對單片機系統的設計提出兩方面的要求：一方面單片機系統不能受 其他系統的干擾而影響工作；另一方面單片機系統不能干擾其他系統的工作。作者從某電力 負荷管理終端的設計及電磁兼容性測試對單片機系統的電磁兼容性進行了研究。

電磁干擾的形成必須具備三個條件：干擾源、影響通道、干擾電路（如圖 1 所示）。電 磁干擾主要的途徑是傳導耦合、輻射耦合，同時 PCB 板的電磁兼容性決定了系統的電磁兼容性。因此，為提高單片機系統的抗干擾能力必須從影響通道和干擾電路兩個方面來綜合處理，具體來說就是從元器件的選擇和布局、布線、公共線系統、濾波和屏蔽等的設計以及充分考慮 PCB 板的電磁兼容性設計。

1 元器件的選擇和布局
1.1 元器件的選擇

圖 1 干擾的形成

單片機的時鐘發生器大部分都是外置的，外時鐘本身就是一個高頻噪聲源。在滿足工作 條件的情況下，單片機系統盡量采用時鐘頻率較低的時鐘基準源。在相同的工作條件下，頻 率越高越容易輻射，3 倍于時鐘頻率相當危險。降低單片機系統的時鐘頻率是提高系統抗干擾的原則之一。當然，選擇時鐘內置更好，但這樣會提高系統的成本。合理使用電子元器件。電子元器件的制造材料和工作原理不同，在不同的工作條件下工

作性能有差異。電阻指在直流電路中導線對電流呈現阻抗特性；在交流電路中導線對電流的阻抗特性表現為電阻、電容、電感的阻抗和，且阻抗特性隨工作頻率的變化而變化。碳膜電 阻穩定性好，受電壓和頻率影響較小，噪聲電動勢較小，脈沖負荷穩定，常用于高頻和脈沖電路中；金屬膜電阻穩定性好，噪聲電動勢很小，耐熱性能好，工作頻率范圍大，但脈沖負荷穩定性較差，常用于數字電路中，也可用于高頻電路；繞線電阻噪聲電動勢，幾乎無電流 噪聲，但在高頻電路中電感較大，一般用于數字電路中。

選擇邏輯狀態變化較慢的元器件。元器件邏輯狀態的變化時間越快，則邊沿變化越尖銳，諧波的頻率越高，輻射就越大。而且應盡量選用中心引腳為電源和地引腳、相鄰的地引腳和 電源引腳的元器件，這樣可以減小電源供應電流的電流環路面積及有助于濾波電容的設計。

1.2 元器件的布局

一個良好的布局可以有效的降低系統內部相互干擾，提高系統工作的穩定性。常規采用 的方法是電氣隔離和空間分離的方法。電氣隔離能避免干擾信號在電路中傳導，將干擾局部化，使得信號正常耦合傳遞；空間分離可以抑制、削弱干擾信號對敏感電路的影響。在設計中，一般遵循模擬電路與數字電路分開，強電與弱電分開，高速信號電路與低速信號電路分 開設計（如圖 2）。通常用接口器件或地線將它們隔離開，并且在受干擾較強的區域少布置元器件。

當一個系統的功能比較強大的時候，采用模塊化設計。在整體安裝時根據模塊的工作性 能及抗干擾能力的強弱進行合理的布局，提高系統整體的抗干擾能力。例如可以將一個系統設計成 CPU 與擴展的 RAM、ROM 模塊，鍵盤顯示模塊，電源大功率器件模塊，執行器件模塊。整體裝配時將 CPU 所在的模塊安裝在整個系統的中心，受外部干擾影響最弱。

2 布線設計[2]

圖 2 電路布局

系統中布線一般遵循 3-W 原則，即兩條相鄰走線的中心距離大于或等于 3 倍的線寬。 當然，線間距離增大，耦合串擾影響就會減弱；另一方面同時也增大了信號的回路面積，就 會增大電磁干擾。控制電磁干擾最重要的原則是控制回路面積。而且，系統中不要出現短截線。當短截線的長度是噪聲信號波長λ的λ/4 奇數倍時，短截線很容易成為天線產生輻射。 因此，在電路設計完成后，要留出時間來檢查線路中的短截線。

避免相互平行走線。輸入輸出間的走線盡量避免相鄰或平行。根據“右手定則”，相鄰或平行走線會增加磁場耦合。高速信號線間可以用地線隔開，以減少線間串擾。信號線走差分線，差分線的長度相同，彼此靠近。差分線靠得近，它們回路面積小，對電磁干擾的控制 很有利。

在系統中，由于電路的分開設計，相應的地層也分開設計。當信號線布線跨過不相關的 區域時，信號線的回路容易耦合不同地層的噪聲。如果元器件的工作速率不同，電源線應該分開走線，防止元器件發生噪聲傳導耦合。尤其是電路中的一些基準電源線。例如橋式電路 中的基準電源，A/D、D/A 轉換器的基準電源。

3 地線的設計[3]

地線是信號流回源的低阻抗路徑，地線的阻抗不為零，當電流流過阻抗不為零的地線會 產生壓降，形成干擾。克服地線干擾的關鍵是處理好各回路的接地設計。在單片機系統中，模擬地與數字地應分開設計，最后在某一點處將模擬地與數字地連接，保證系統中所有的地線是相通的。系統中的局部電路根據工作頻率選取適合的接地方式可以提高系統的電磁兼容 能力。有三種接地方式：單點接地、多點接地、混合接地（如圖 3）。

圖 3 三種接地方式

單點接地就是各電路的地端連接在一點接地，各電路地回路的長度不相等，地線阻抗不 相等，一般用于低頻（1MHz）電路中。多點接地就是各地回路直接接地，一般采用小于0.1λ長度的短截線，常用于高頻（>10MHz）。介于高低頻之間常用混合接地。

4 濾波和屏蔽 濾波和屏蔽是單片機系統抑制電磁干擾的常用措施。干擾源產生的干擾信號通過空間感應傳播、輸入輸出通道及電源進入系統[4]。切斷干擾信號的空間感應傳播途徑主要是采取屏 蔽措施。當干擾信號通過輸入輸出通道和電源進入系統，一般采取隔離和濾波措施將干擾信號抑制在系統外。濾波分電源濾波和信號濾波。電源濾波主要是濾除電源線上的電磁噪聲。電源濾波利用電感在高頻的高阻抗，電容在高頻的低阻抗組成濾波器將電磁噪聲抑制在工作

區外。在系統的設計中各個芯片的電源引腳和地引腳之間放置一個 0.1μF 的電容。信號濾波用電阻、電容、電感構成的濾波電路，將信號線上的干擾信號釋放到地線。 單片機有三種總線，即數據總線、地址總線、控制總線。在單片機系統中，濾波主要是電源濾波和信號濾波。但是，在一定的情況下，對單片機的數據總線也需要進行濾波。在單片機系統中，芯片間的數據交換主要依靠數據總線。由于數據總線使用較頻繁，數據總線也 因此易受電磁干擾，導致數據交換出錯。所以有必要對數據總線濾波設計。數據總線的濾波電容要根據數據總線的波特率選取，電容的容值太小濾波效果不明顯，容值太大同樣會影響數據總線傳輸的信號。 屏蔽主要是針對電磁輻射，將電磁輻射屏蔽在系統外面，同時將系統的電磁輻射封閉在系統內部。一般采用金屬屏蔽板與系統的地層充分接觸構成等勢體，有必要還應該加上密封墊圈。在電磁輻射較強的環境中，還應該對芯片完全屏蔽。在電路中，重要的信號線用地線 屏蔽，PCB 板的外圍一般走地線和電源線，其主要作用也是屏蔽干擾信號。PCB 板中的敷銅的邊緣有大量的過孔，構成“法拉第柵欄”，其目的就是屏蔽干擾信號的串擾[2]。

5 結論

電磁兼容性是單片機系統走出實驗室，穩定工作的重要前提條件。PCB 板的電磁兼容 性決定了單片機系統得電磁兼容性，并且任何一個環節的電磁兼容性將影響整個單片機系統的電磁兼容性。因此，圍繞 PCB 板的電磁兼容設計，應充分考慮每一個環節的電磁兼容設 計，提高單片機系統的電磁兼容能力。