51c嵌入式~电路~合集8

地弹、振铃、串扰、信号反射······这几个在信号完整性分析中是分析的重点对象。初学者一看：好高深！其实，感觉高深是因为你满天听到“地弹”二字，却到处找不到“地弹的真正原理”。如果你认真读笔者的“噪声的起源”章节，其实你已经认识了地弹！地弹，就是地噪声！https://blog.51cto.com/whaosoft/12175265

whaosoft-143

1246人浏览 · 2025-06-25 00:15:00

whaosoft-143 · 2025-06-25 00:15:00 发布

我自己的原文哦~ https://blog.51cto.com/whaosoft/12175265

一、高频电路布线的十大绝招

1 多层板布线

高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须，也是降低干扰的有效手段。在PCB Layout阶段，合理的选择一定层数的印制板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，更好地实现就近接地，并有效地降低寄生电感和缩短信号的传输长度，同时还能大幅度地降低信号的交叉干扰等，所有这些方法都对高频电路的可靠性有利。有资料显示，同种材料时，四层板要比双面板的噪声低20dB。

但是，同时也存在一个问题，PCB半层数越高，制造工艺越复杂，单位成本也就越高，这就要求我们在进行PCB Layout时，除了选择合适的层数的PCB板，还需要进行合理的元器件布局规划，并采用正确的布线规则来完成设计。

2 高速电子器件管脚间的引线弯折越少越好 高频电路布线的引线最好采用全直线，需要转折，可用45度折线或者圆弧转折。这种要求在低频电路中仅仅用于提高铜箔的固着强度，而在高频电路中，满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。3 高频电路器件管脚间的引线越短越好 信号的辐射强度是和信号线的走线长度成正比的，高频的信号引线越长，它就越容易耦合到靠近它的元器件上去，所以对于诸如信号的时钟、晶振、DDR的数据、LVDS线、USB线、HDMI线等高频信号线都是要求尽可能的走线越短越好。4 高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好 所谓“引线的层间交替越少越好”是指元件连接过程中所用的过孔(Via)越少越好。据侧，一个过孔可带来约0.5pF的分布电容，减少过孔数能显著提高速度和减少数据出错的可能性。

5 注意信号线近距离平行走线引入的“串扰” 高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的“串扰”，串扰是指没有直接连接的信号线之间的耦合现象。

由于高频信号沿着传输线是以电磁波的形式传输的，信号线会起到天线的作用，电磁场的能量会在传输线的周围发射，信号之间由于电磁场的相互耦合而产生的不期望的噪声信号称为串扰(Crosstalk)。PCB板层的参数、信号线的间距、驱动端和接收端的电气特性以及信号线端接方式对串扰都有一定的影响。所以为了减少高频信号的串扰，在布线的时候要求尽可能的做到以下几点：

在布线空间允许的条件下，在串扰较严重的两条线之间插入一条地线或地平面，可以起到隔离的作用而减少串扰。当信号线周围的空间本身就存在时变的电磁场时，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅减少干扰。
在布线空间许可的前提下，加大相邻信号线间的间距，减小信号线的平行长度，时钟线尽量与关键信号线垂直而不要平行。如果同一层内的平行走线几乎无法避免，在相邻两个层，走线的方向务必却为相互垂直。
在数字电路中，通常的时钟信号都是边沿变化快的信号，对外串扰大。所以在设计中，时钟线宜用地线包围起来并多打地线孔来减少分布电容，从而减少串扰。对高频信号时钟尽量使用低电压差分时钟信号并包地方式，需要注意包地打孔的完整性。whao开发板商城测试设备www.143ai.com
闲置不用的输入端不要悬空，而是将其接地或接电源(电源在高频信号回路中也是地)，因为悬空的线有可能等效于发射天线，接地就能抑制发射。实践证明，用这种办法消除串扰有时能立即见效。

6 集成电路块的电源引脚增加高频退藕电容 每个集成电路块的电源引脚就近增一个高频退藕电容。增加电源引脚的高频退藕电容，可以有效地抑制电源引脚上的高频谐波形成干扰。7 高频数字信号的地线和模拟信号地线做隔离 模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流磁珠连接或者直接隔离并选择合适的地方单点互联。高频数字信号的地线的地电位一般是不一致的，两者直接常常存在一定的电压差，而且，高频数字信号的地线还常常带有非常丰富的高频信号的谐波分量，当直接连接数字信号地线和模拟信号地线时，高频信号的谐波就会通过地线耦合的方式对模拟信号进行干扰。所以通常情况下，对高频数字信号的地线和模拟信号的地线是要做隔离的，可以采用在合适位置单点互联的方式，或者采用高频扼流磁珠互联的方式。8 避免走线形成的环路 各类高频信号走线尽量不要形成环路，若无法避免则应使环路面积尽量小。9 必须保证良好的信号阻抗匹配 信号在传输的过程中，当阻抗不匹配的时候，信号就会在传输通道中发生信号的反射，反射会使合成信号形成过冲，导致信号在逻辑门限附近波动。

消除反射的根本办法是使传输信号的阻抗良好匹配，由于负载阻抗与传输线的特性阻抗相差越大反射也越大，所以应尽可能使信号传输线的特性阻抗与负载阻抗相等。同时还要注意PCB上的传输线不能出现突变或拐角，尽量保持传输线各点阻抗连续，否则在传输线各段之间也将会出现反射。

这就要求在进行高速PCB布线时，必须要遵守以下布线规则：

USB布线规则。要求USB信号差分走线，线宽10mil，线距6mil，地线和信号线距6mil。
HDMI布线规则。要求HDMI信号差分走线，线宽10mil，线距6mil，每两组HDMI差分信号对的间距超过20mil。
LVDS布线规则。要求LVDS信号差分走线，线宽7mil，线距6mil，目的是控制HDMI的差分信号对阻抗为100+-15%欧姆
DDR布线规则。DDR1走线要求信号尽量不走过孔，信号线等宽，线与线等距，走线必须满足2W原则，以减少信号间的串扰，对DDR2及以上的高速器件，还要求高频数据走线等长，以保证信号的阻抗匹配。

10 保持信号传输的完整性 保持信号传输的完整性，防止由于地线分割引起的“地弹现象”。

二、认识地弹（地噪声）

什么是地弹

1 地弹的概念

地弹、振铃、串扰、信号反射······这几个在信号完整性分析中是分析的重点对象。初学者一看：好高深！其实，感觉高深是因为你满天听到“地弹”二字，却到处找不到“地弹的真正原理”。如果你认真读笔者的“噪声的起源”章节，其实你已经认识了地弹！地弹，就是地噪声！

2 为何叫地弹

既然是地噪声，为啥叫“地弹”？为什么既然是一样的东西，却换了个名称，害的我苦苦思索不得其解。

低频时，地噪声主要是因为构成地线的导体有“电阻”，电路系统的电流都要流经地线而产生的电势差波动。

高频时，地噪声主要是因为构成地线的导体有“电感”，电路系统的电流快速变化地经过这个“电感”时，“电感”两端激发出更强的电压扰动，形象的称为“地弹”。

地弹，一般对IC而言。因为芯片内部的“电路地”和芯片的“地引脚”实际上是用一根很细很细的金线连接起来的，所以这个金线电感较大，所以可能会导致芯片内部电路的地和现实PCB的地有强烈的“电压差波动”——很强的地弹现象！这个地弹不像PCB板那样，可以通过增加去耦电容减弱。

假设你有一块B PCB板，一块A主板；B PCB板插在主板上使用。再假设A、B的地线连接点不够大，当A、B间有高速信号通讯时，B板上的“地平面”和A板上的“地平面”将有较大的“地间电压差波动”。这同样是一种PCB板上的“地弹效应”。

地弹其实是“地噪声”的别名而已，理解就好！

地弹形成的机理和危害

本来不想写地弹的机理，感觉与“噪声的起源”重复了。但思来想去，感觉这么经典的问题，还是不怕多提几下，所以又写了下来。

1 地弹形成的机理

如下图，红色框内代表数字电路。“噪声的起源”章节中已经讲述：当下图中S5在不断的向左右切换时，由于地线上E、A间的R14电阻的存在，E点将相对于A点产生电势差。在高频状态下，E、A电势差的主要起因不再是“E、A间的电阻”，而是“E、A间的电感”。

“E点的地”相对于“A点的地”的地噪声就是电路系统工作时的地弹现象。

2 地弹的危害

下图，也是“噪声的起源”章节的内容，地噪声（地弹）相当于在一个“拥有理想地”的电路中，被外部“输入地噪声”。那么，假设E点上存在着1MHz的地噪声，这会有什么危害？

2.1 地噪声使所有信号线上出现噪声

由“地环路的危害”分析可知，假设上图中框内的数字模块有20根信号线，那么地噪声将直接反应在20根信号线上，从而影响这些信号的波形质量，并通过这20根信号线向外辐射。

2.2 地弹使地线产生辐射

也许你会问：地线也会产生辐射？也许你阅读了某些讲PCB布线的书籍上描述到：不正确的铺地将产生“地线辐射”，加重干扰！——但是你不明白其原理，甚至怀疑书本作者有没有写错！那我告诉你，地线真有可能存在辐射！下图是一个单面PCB板的布线示意图。蓝色线代表从E点连出来的地线，细长地走单独分布在PCB板边缘，不和任何电子模块连接。由于该例子中，E点相对于A点存在1MHz的地噪声，那么整条蓝色的地线都相对于A点存在1MHz的噪声。而由于这条地线长长地拉在PCB板的边缘，这条线像一根发射天线那样（长长的形状、上面有1MHz的“将要发射的信号”），不断地发射“地噪声”。

如何减弱“PCB地弹效应”

1 增加恰当的去耦电容

实际上，为了减小1MHz对整个电路的干扰，我们在D、E点间加入去耦电容C7。如图示。那么，这个电容的作用是什么？

其等效电路分析如下（注意，该等效电路不是非常准确，但是能说出大致原理，精确的模型请读者在技术上进阶后自行思考分析）：由于C的容抗为：Zc=1/（2πfc），故对于电源和地的1MHz的噪声而言，等效为下图的R34。

由于R34的阻抗远远小于（R32 + R33 + R35），而“噪声信号源”（即：图中的数字电路模块）又有相当大的“内阻”，所以会产生2个效果：

“噪声信号源”的大部分能量将通过R34——因而大部分噪声能量通过图中的“（1）”环路构成较小的环流路径而消失掉，这部分能量虽然强，但是不会干扰“（1）”以外的电路；只有小部分能量“逃出”“（1）”环路，以较弱的能量干扰其他电路。
“噪声信号源”的1MHz方波干扰将不复存在，将被C7滤成图中实线表示的类似正弦波的变化平滑的波形。

这样的好处是：

环路面积减小，高频的辐射能量减轻，EMC干扰将大大减小；
方波干扰变成正弦波干扰，其高次谐波分量将大大减小，所以其干扰能力也大大减弱！哈哈，太和谐了！

现在，你是否明白了：为什么数字芯片电源端一般要得接一个电源去耦电容？为什么很多讲PCB布线的书籍上都会出现“要添加电源去耦电容”？

2 用粗短的“地线”

由于地线存在电阻、电感而产生地噪声。所以，我们要减小地线的“电阻、电感”。

当地线增大、长度减短时，其电阻和电感会减小，从而成功减小地噪声。这样，地弹将大大减小！

所以在PCB Layout布线时，能用粗的地线就不要用细的地线。能用短的地线就不要用长的地线。

注意：不要为了减短一点点地线而盲目地加长N倍的电源线，电源与地都是非常重要的，必须具体问题具体分析。所以还是那句——得注重原理，而不是具体的“减短地线”的做法。

总结

地弹，就是地噪声
地弹使地线产生辐射
增加恰当的去耦电容可减弱模块间的地弹效应
注重原理，而不是具体的做法

三、差分、单端信号的区别

差分放大电路的应用很多，简单介绍差分信号、单端信号的概念及差分放大电路的作用，方便大家对差分放大电路相x关知识有所了解。
什么是单端信号？什么是差分信号？
单端传输是指用一根信号线和一根地线来传输信号，信号线上传输的信号就是单端信号。

优点是简单方便，缺点是抗干扰能力差。

差分传输是指在两根线上都传输信号，这两个信号的大小相等，极性相反，这两根线上传输的信号就是差分信号(差模信号)。

优点是抗干扰能力强，缺点是电路比单端传输的复杂。

差分放大电路有什么作用？ 差分放大电路又称为差动放大电路，当该电路的两个输入端的电压有差别时，输出电压才有变动，因此称为差动。差分电路原理解析。差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号，那么什么是共模信号呢？

当两输入端所接信号大小相等，极性相反时，称为差模输入信号；

当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。

实际应用中，温度的变化各种环境噪声的影响时共模噪声，也称为对地噪声，指的是两根线分别对地的噪声。
差分放大电路时直接耦合放大电路的基本组成单元，对于共模信号起到很强的抑制作用，未对差模信号起到放大租用，并且电路的放大能力与输出方式有关。

四、遥控器背光照明电路

想通过红外发射管取信号。拆开看了下，红外发射管一端直接接地，另一端通过一个三极管接VCC。

因为遥控器不带背光，晚上开遥控器的时候需要开灯才可以看清，所以想自己加个背光，用起来方便点。

要求是：

供电为两个AA电池（3V）。
待机低功耗。
延时5秒左右关闭，关闭时“干脆利落”，因为自己之前做过锂电池供电单按键的开关，延时后有一段时间会微亮，过很久才会完全关闭，用在这里肯定不合适了。
不干扰发射管正常工作自己有常见的容阻，三极管只有8050和8550，电路是越简单越好。

电路效率无所谓，只要低待机功耗就好。另外想把遥控器改锂电池，手头有不少100MAH的小锂电池，想改到遥控器上，不知道能不能做一个低待机功耗的锂电池降压电路，吧锂电池降压到2个1.5V电池的电压范围内？

如果把原来的干电池换成使用锂电池，电路会比较简单：

注意红外发射管最好串联一个限流电阻，锂电池的内阻比较小，放电电流较大。

今天实际测试了一下，使用10uF 延时电容，大概在3秒，换成22uF电解，延时时长约8 ~ 10秒。

如果还是使用普通AA 电池供电，白光二极管会亮度不足，需要增加升压驱动电路。

升压电路使用节能灯小磁环自制的升压变压器：

可以驱动两只或三只白光LED 串联。

或者使用成品电感制作：

把上面的电路组合以后的背光延时驱动电路：

五、详解数码管使用方法

数码管是嵌入式开发中比较常用的一个模块，本篇文章根据查阅的资料以及学习笔记整理成文，尽可能详尽的讲解常用数码管原理和使用方法。有不足和疏忽的地方，请不吝指正。

1 工作原理

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。能显示4位数字的叫四位数码管，当然也有多位和只有一位的数码管，他们的电气原理相同。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

2 电气特性

单位数码管有十个管脚，其中有8根是用来点亮a,b,c,d,e,f,dp 共8个发光二极管（原理中有介绍），3，8两个管脚为公共COM脚，它们相连通且作用相同，可接任意一根。为了更清楚介绍，贴图如下

共阴数码管脚位对应图

3 驱动方式

静态驱动也称直流驱动

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

动态驱动

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

4 开发实例

下面讲解一下四位数码管的动态驱动显示，首先看一下接线引脚图如下。

接下来用51单片机设计目标：通过编写c语言程序经编译连接后下载到单片机中，使四位数码管依次显示1，2，3，4。

#define uchar usigned char
#define uint  usigned int


//位选控制端口
sbit p20=P2^0;
sbit p21=P2^1;
sbit p22=P2^2;
sbit p23=P2^3;


//数码管段选编码数组，分别为显示：1，2，3，4的编码
uchar code BianMa[] ={0x7,0xb,0xd,0xe};


//延时1ms函数（用于数码管动态刷新）
voidDelay1ms(int time);


voidmain()
{
while(1)
{
  p20 =0; //共阴极数码管低位选有效,表示已选中第一位数码管
  P0 =BianMa[0];//通过I/O口P0向数码管送段选编码
  Delay1ms(500);//第一位数码管显示0.5秒，然后换到第二位，依次下去，由于视觉停留和数码管余辉，所以感觉四位都在显示
  p20 =1;


  p21 =0;  //第二位亮
  P0 =BianMa[1];
  Delay1ms(500);
  p21 =1;


  p22 =0;  //第三位亮
  P0 =BianMa[2];
  Delay1ms(500);
  p22 =1;


  p23 =0;  //第四位亮
  P0 =BianMa[3];
  Delay1ms(500);
  p23 =1;
}


//延时函数体
voidDelay1ms(int time
{
int i,j;
for(i =time;i>0;i--)
for(j =110;j>0;j--)
}

5 关于亮度和锁存器

一般来说静态驱动的亮度要高于动态驱动的亮度，但不影响使用。实际使用中为了达到更好的效果，会配合锁存器如74HC573一起使用，可以记忆先前状态数据直到有新数据覆盖。对做51单片机应用开发来说，相对LCD液晶，液晶模块编程更方便，样式更多样，但是其缺点亮度不够。这也恰恰是数码管的优势，如果做简单的计数显示，数码管是最好选择。

6 使用中注意事项

数码管的基本组成是发光二极管，因此其可以通过的电流只有几mA，接5V直流电源做测试的时候一定要串上一个几十K大小的电阻。否则，很容易烧掉，此外用万用表的测电阻档就可将其点亮，足以说明其电流之小。