原创 从实例看单片机输入阻抗设计的重要性

从实例看单片机输入阻抗设计的重要性

<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

Dragn

                                                                9/18/08 

摘要: 长线, 线路板本身老化, 或环境变化等因素会导致单片机接口阻抗发生变化. 一旦阻抗变化超出容许的极限值, 单片机会发生状态逆转, 出现非用户操纵的状态. 降低接口电路的输入阻抗可以抗此类干扰.

关键次: 单片机, 输入阻抗,

引言

单片机的数字出入口按有效电平分一般有两种类型:

高侧: 传感器动作时输入高电平, 即高电平有效,

低侧: 传感器动作时输入低电平, 即低电平有效.

而不动作时的电平必须为对应相反的电平. 如果在设计时没有充分考虑到长线, 线路板本身老化, 或环境变化等因素的影响, 则无法保证这些电平的正确性.

例一, 某国产品牌汽车车窗电控管理器

故障: 用户经常投诉, 下雨或洗车后, 车窗玻璃升降失控 – 开关不能开或关车窗, 或能动作但非目标窗.

分析: 该车型采用一片CD4069及Microchip PIC16F74单片机完成车窗的电控管理, 位于四门的开关组合连接至CD4069, 可线控车窗玻璃的升降, 并有电流检测, “一键降”, 遥控自动锁窗功能, 是该车型一个高档的配置.

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />

图1 CD4069原理图

从车窗升降开关到单片机有3 到5 个线对线连接器, 其中的两个在下雨或洗车是会有水侵的. 开关的一端接地, 因而开关信号为低电平有效.

经过实际测量，输入端输入电阻较大，为800K左右，估计是偏置电阻太大了。沾上水后 (水的电阻有几十到几百K), 导致功能紊乱.

修理: 短期应烘干和包扎易进水的连接器. 长期的话, 应更改设计, 降低下拉电阻的组值, 从而可容许的线路电阻下降. 经试验(将连接器泡在污水中) 6.8K也是可以工作的. 加下拉电阻后, 该型车再没有出过类似的故障. 后来厂家的升级板上也加上了下拉电阻.

注: 6.8K为后加电阻

图2 开关与CD4069之间的电路

例二, 某国外品牌门铃

图2门铃用单片机端口方框图

故障:某一键需很大压力才能动作.

分析: 该键开关一端与Microchip单片机16F73-I/SO直接相连, 另一端接地, 是低平动作型. 单片机端口上拉电阻为6.8K, 而其他开关的则是200K. 该门铃为硅胶键盘, 其接触电阻与按压力度承反比, 电阻值从几十欧到几十K不等.

因上拉电阻不同, 低电平所需的最小电阻不同, 从而在相同的条件下, 该键与其他键相比需更大的力, 才能触发.

修理: 加大上拉电阻至200K, 降低了最小触发电阻值. 升级板已经更改了设计.

例三, 某合资品牌洗衣机

图3 洗衣机用单片机端口方框图

故障: 不上水, 不摔干.

分析: 检查水位开关良好, 测量线路无短路或断路. 该传感器一端与电源相接属于高电平动作型; 另一端接P20/SCK, 该端口已经设置为输入. 单片机采用Mitsubishi M34513M4的. 断开单片机的外接线路, 测端口对电源约有2M左右电阻值. 正是它造成高电平被送至端口.

正常情况下, 该阻值应为无穷大. 但洗衣机是处于高湿度环境下, 虽然电路板已经封胶, 估计胶还是有一定的吸水性, 并将水汽传到电路板上, 时间长了, 会导致绝缘阻抗下降; 另一方面单片机本身的参数可能也有变化, 手头无新的器件, 未加对比测试.

从线路板上看, 与上述传感器类似的还有一个安全开关, 线路长出0.3米, 该端口上有一个5.6K下拉电阻; 而水位开关在电路板上则没有5.6K下拉电阻.

维修: 在P20/SCK上加焊5.6K下拉电阻, 修复. 没有机会见到后续的升级产品, 不知道厂家的升级版情况. 该电路设计无下拉电阻, 应是一个设计缺陷, 建议厂家增加此下拉电阻.

结论

设计人员要重视输入口的阻抗设计. 电路设计不是通过了实验室测试就可以验证的, 还必须通过应用测试. 单片机的接口阻抗一般较高, 如单片机内部无合适的上拉或下拉电阻, 则需外加. 确保电路可在极端环境下可靠工作. 产品具有良好的可靠性和耐久性往往是影响企业品牌口碑的大事, 也是检验硬件工程师设计水平的一个杠杆.