1引言
隨著微電子技術(shù)的不斷進步,超大規(guī)模集成電路不斷涌現(xiàn),,微處理器及其外圍芯片也得到了迅速的發(fā)展,。微電子技術(shù)的最新進展之一是將CPU和外圍芯片,如程序存儲器,,數(shù)據(jù)存儲器,,并行及串行I/O接口,定時器/計數(shù)器,,中斷控制器等部件集成在一個芯片里,,制造成單片計算機(簡稱單片機" title="單片機">單片機)(Single-ChipMicrocomputer)。
近年來推出的一些高檔單片機還包含有許多特殊功能單元,,如A/D及D/A轉(zhuǎn)換器,、調(diào)制解調(diào)器、通信控制器,、鎖相環(huán),、DMA、浮點運算單元等,。這樣,,只要外加一些擴展電路及必要的通道接口,,就可以構(gòu)成各種計算機應用系統(tǒng),如工業(yè)控制系統(tǒng),、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),、自動測試系統(tǒng)、智能儀表,、智能接口,、功能模塊等,,而系統(tǒng)電源設(shè)計是單片機所有功能得到充分發(fā)揮的重要保證,。
2基本功能結(jié)構(gòu)框圖
目前,在國際上流行的單片機主要有INTEL公司的MCS(如MCS51八位機和MCS96十六位機)和MOTOROLA公司的M68(如M6805,,M68HC11)兩大系列,。由于片內(nèi)含有的功能電路不同,各種型號單片機的基本結(jié)構(gòu)以及管腳功能和排列順序均不相同,,下面以MC68HC05C8為例,,對其基本結(jié)構(gòu)加以介紹。MC68HC05C8基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,,每個管腳功能均已標出,。
3對系統(tǒng)電源設(shè)計的技術(shù)要求
圖1MC68HC05C8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖2集中供電和分布式供電電源示意圖
系統(tǒng)電源設(shè)計是單片機應用系統(tǒng)設(shè)計中的一項極其重要的工作,它對整個單片機系統(tǒng)是否正常運行起著至關(guān)重要的作用,。電源設(shè)計時應該同時考慮功率,、電平及抗干擾" title="抗干擾">抗干擾等問題,電源功率必須能滿足全系統(tǒng)的需要,。單片機系統(tǒng)的絕大多數(shù)器件以脈沖方式工作,,對較小的系統(tǒng),功率消耗的脈沖特性更為突出,,而較大的系統(tǒng)由于器件功耗的分散性,,使得系統(tǒng)整體的功率消耗比較平穩(wěn)。因此,,單片機系統(tǒng)的電源必須有足夠的耐沖擊性,,這就要求電源設(shè)計時留有充分的余量,一般大系統(tǒng)按實際功率消耗的1.5倍~2倍設(shè)計,,小系統(tǒng)按實際功率消耗的2倍~3倍設(shè)計,。
電平設(shè)計指的是直流電壓幅度和電源在最不利(滿載)情況下的紋波電壓峰峰值設(shè)計。這兩項指標都關(guān)系到單片機系統(tǒng)能否實現(xiàn)正常運行,。因此,,必須按系統(tǒng)中對電平要求最高的器件條件進行設(shè)計。
各種形式的干擾一般都是以脈沖的形式進入單片機的,,干擾竄入單片機系統(tǒng)的渠道主要有3條:空間干擾(場干擾),,通過電磁波輻射竄入系統(tǒng),;過程通道干擾,通過與主機相連的前向通道,、后向通道及其它與主機相互連接的通道進入,;供電系統(tǒng)干擾,通過供電線路竄入,。對于上述3種干擾必須采用行之有效的措施和具體電路加以消除,,確保單片機系統(tǒng)正常運行和工作。
4分布式電源" title="分布式電源">分布式電源設(shè)計技術(shù)
分布式電源設(shè)計技術(shù)是單片機應用系統(tǒng)和現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)中最常使用的一種電源技術(shù),。所謂分布式電源是指單片機系統(tǒng)中不同部件的電源相對獨立,,必要時還可采用完全電隔離技術(shù)。分布式電源使電源功率分散,,這對降低電源成本,、提高電源效率、減少紋波系數(shù),、提高電源穩(wěn)定度都有利,。
分布式供電電源系統(tǒng)的設(shè)計應遵循“三分離”原則:系統(tǒng)中大功率部分和小功率部分分離,高頻部分和低頻部分分離,,精密電路和一般電路分離,。
圖2是集中供電和分布式供電的電源連接示意圖,其中圖2(a)是集中供電方式,,圖2(b)是分布式供電,,電路1~電路4是同一系統(tǒng)中的4個部分。圖(a)中4個部分共用1個電源,,而圖(b)中4個電路用了3個電源,,其中Vcc1和Vcc3由系統(tǒng)電源提供,Vcc2是系統(tǒng)電源之外的單獨電源,。
5便攜式和節(jié)能要求高的電源設(shè)計
單片機系統(tǒng)的一大特點是自身耗能低,,因此被廣泛地用于便攜式電子設(shè)備中。便攜系統(tǒng)對電源的要求與其他系統(tǒng)不同之處在于:
(1)要求在允許的有效使用期間內(nèi)輸出電壓,、電流均能滿足系統(tǒng)正常工作的要求,。
(2)電源種類越少越好。
(3)更換容易或有充電功能,。
解決這些問題是便攜式單片機系統(tǒng)電源設(shè)計的主要任務,。在實際設(shè)計系統(tǒng)電源時可采取以下措施保證系統(tǒng)電源正常工作:
(1)合理選擇系統(tǒng)電路,盡量降低系統(tǒng)功耗,。
這是一個十分重要又不易引起注意的問題,。一般地說,人們設(shè)計單片機應用系統(tǒng)時最容易忽視的一個問題就是功率損耗設(shè)計。對一般系統(tǒng)來說這并不算大問題,,但對大系統(tǒng),、特大系統(tǒng)(例如千門以上的程控交換機、大型建筑的保安控制系統(tǒng))以及便攜式單片機系統(tǒng)來說,,能耗就是一個大問題,。因此在這種系統(tǒng)的設(shè)計中要始終考慮功率消耗問題,設(shè)計中也應把功率消耗作為具體指標,,特別是便攜式單片機系統(tǒng),,功率消耗對設(shè)計能否達到指標有著決定性的意義。
(2)采用高能電池和低耗高效的高性能穩(wěn)壓電路,。
當系統(tǒng)功率消耗的指標確定之后,,系統(tǒng)電源的指標(確切地說是系統(tǒng)電池的安時數(shù))也就確定了。對便攜式單片機系統(tǒng)有時是采用與此相反的做法,,先確定電池,,再根據(jù)電池的安時數(shù)設(shè)計系統(tǒng)電路。因此,,選擇高能電池是系統(tǒng)電源設(shè)計的基本指標。目前多用鎘鎳電池或高能堿性電池作為便攜式單片機系統(tǒng)的電源,。
為確保系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)電源電壓能滿足使用要求,,除要求系統(tǒng)集成電路芯片能適應一定的電壓變化范圍外,一般還要求電源采取一定的穩(wěn)壓措施,,并有電源監(jiān)視報警電路,。
(3)選擇電源要求一致的芯片組成系統(tǒng),以減少系統(tǒng)電源種類,。
6系統(tǒng)電源的抗干擾設(shè)計
為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾,,單片機系統(tǒng)可采取圖3所示的供電配置。
(1)交流穩(wěn)壓器,。用來保證供電的穩(wěn)定性,,防止電源系統(tǒng)的過壓或欠壓,有利于提高整個系統(tǒng)的可靠性,。
圖3系統(tǒng)電源的抗干擾供電配置
圖4雙T濾波器
(2)隔離變壓器,。考慮到高頻噪聲通過變壓器時主要不是靠初,、次級線圈的互感耦合,,而是靠初、次級間寄生電容耦合的,。因此隔離變壓器的初級和次級之間均用屏蔽層隔離,,減少其分布電容,以提高抗共模干擾的能力。
(3)低通濾波器,。由諧波頻譜分析可知,,電源系統(tǒng)的干擾大部分是高次諧波,因此采用低通濾波器使50Hz基波通過,,濾去高次諧波,,以改善電源波形。在低壓下,,當濾波電路載有大電流時,,宜采用小電感和大電容構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡;當濾波電路處于高壓下工作時,,則應采用小電容和允許的最大電感構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡,。
在整流電路之后可采用圖4所示的雙T濾波器,以消除50Hz工頻干擾,。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,,對固定頻率的干擾濾波效果好,其頻率特性為:當
將電容C固定,,調(diào)節(jié)電阻,,當輸入50Hz信號時,使出電壓u0=0,。
另外,,還可采用如下措施:如分散獨立功能塊供電,高抗干擾穩(wěn)壓電源及干擾抑制器等,。
7結(jié)語
以上對單片機電源設(shè)計技術(shù)進行了闡述,。有的系統(tǒng)還要考慮掉電后的數(shù)據(jù)保護問題,這就要求適當?shù)脑O(shè)置掉電保護電路和采用不間斷電源技術(shù)。
另外,抗干擾電路多種多樣,,應根據(jù)不同性質(zhì)的干擾采用相應的對策,。單片機系統(tǒng)電路的特點以數(shù)字電路為主,因此,對電壓穩(wěn)定性和耐電流沖擊性有一定的要求,故選擇電源器件時要注意留有充分的余量。