单片机复位电路的可靠性分析

单片机复位电路的可靠性分析

摘要：总结了目前使用比较广泛的四种单片机复位电路，为微分型、积分型复位电路建立了数学模型，并比较了它们在使用中的可靠性，同时介绍了专用复位芯片。最后提出了设计复位电路应注意的问题及提高抗干扰性的措施。关键词：复位死机可靠性单片机目前已被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机。无论用户使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。图1是一个单片机与大功率LED八段显示器共享一个电源，并采用微分复位电路的实例。在这种情况下，系统有时会出现一些不可预料的现象，如无规律可循的“死机”、“程序走飞”等。而用仿真器调试时却无此现象发生或极少发生此现象。又如图2所示，在此图中单片机复位采用另外一种复位电路。在此电路的应用中，用户有时会发现在关闭电源后的短时间内再次开启电源，单片机可能会工作不正常。这些现象，都可认为是由于单片机复位电路的设计不当引起的。目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。另外，Maxim等公司也推出了专用于复位的专用芯片[1]。1复位电路的数学模型及可靠性分析1.1微分型复位电路微分型复位电路的等效电路如图3所示。以高电平复位为例。建立如下方程：电源上电时，可以认为Us为阶跃信号，即。其中U0是由于下拉电阻R在CPU复位端引起的电压值，一般为0.3V以下。但在实际应用中，Us不可能为理想的阶跃信号。其主要原因有两点：（1）稳压电源的输出开关特性；（2）设计人员在设计电路时，为保证电源电压稳定性，往往在电源的输入端并联一个大电容，从而导致了Us不可能为阶跃信号特征。由于第一种情况与第二种情况在本质上是一样的，即对Us的上升斜率产生影响，从而影响了的URST的复位特性。为此假Us的上升斜率为k，从0V～Us需要T时间，即：当T<<τ时，Us上电时可等效为阶跃信号。与前相同，当T>>τ时，令A=T/τ，则：即此时的复位可靠性较前面的好。另一种情况就是设计人员将一些开关性质的功率器件，如大功率LED发不管与单片机系统共享一个稳压电源，而单片机系统的复位端采用微分复位电路，由此也将造成复位的不正常现象。具体分析如图4所示。将器件等效为电阻RL，其中开关特性即RL很小或RL很大两种工作状态。而稳压电源的基本工作原理是：ΔRL→ΔI→ΔU→-ΔI→-ΔU。从中可以看出，负载的变化必然引电流的变化。为了分析简单，假设R>RL，并且R>>R0.这样，可以近似地钭以上电路网络看作两个网络的组合，并且网络之间的负载效应可以忽略不计。第一个电路网络等效为一个分压电路。当RL从RLmin→Rlmax时，使其变化为阶跃性持，则UA为一个赋的阶跃信号。UA（t）=[Rlmax/(Rlmax+R0)]Ut≥0UA(t)=[Rlmin/(Rlmin+R0)]Ut<0用此阶跃信号作为第二个电路网络，一阶微分电路的输入，则可得下式：(d/dt)UA(t)=(1/RC)URST(t)+(d/dt)URST(t)URST(0)=0解之得：从上式可以看出，由于负载的突变和稳压电源的稳压作用，将在复位端引入一个类脉冲，从而导致CPU工作不正常。1.2积分型复位电路此电路的等效电路如图5所示。仍以高电平复位为例，同样可以建立如下方程：当系统上电时，假设Us(t)=AU（t）为阶跃函数，U0=0，则：当反相器正常工作后，Uc若仍能保持在VIL以下，则其输出就可以为高电平；而且如果从反相器正常工作后开始，经过不小于复位脉冲宽度的时间TR后，Uc才能达到VIL以上，那么上电复位就能保证可靠。所以在实际应用中，设计人员常常将R、CF的值增大以提高时间常数，并且应用具有斯密特输入的CMOS反相器以提高抗干扰性。然而此复位电路常常在二次电源开关相对较短的时间间隔情况下出现异常。这主要是由于放电回路与充电回路相同，导致放电时间常数较大，从而导致UC电压下降过度。为此有文献[2]介绍如图6所示的改进电路。从图6可以看出放电回路的时间常数一般远远小于充电时间常数。这时，上面所提到的重复开关电源而造成上电复位不可靠的现象就可以得到控制。然而，由于放电时间常数过短，降低了此复位电路在工作中对电源电压波动的不敏感性。例如，当电源电压有波动时，此时由于放电过快，从而有可能造成Uc低于反相器的VIL电压值，带来不必要的复位脉冲。此现象在单片机工作于Sleep方式与Active方式切换，而电源输出功率又相对较弱时可能出现。为此提出针对以上现象的改进积分型复位电路（如图7所示）。图7中，R1<

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