單片機復位電路的可靠性與抗干擾分析

1復位電路的數學模型及可靠性分析

1.1微分型復位電路

微分型復位電路的等效電路如圖3所示。以高電平復位為例。建立如下方程：

電源上電時，可以認為Us為階躍信號，即。其中U0是由於下拉電阻R在CPU復位端引起的電壓值，一般為0.3V以下。但在實際應用中，Us不可能為理想的階躍信號。其主要原因有兩點：（1）穩壓電源的輸出開關特性；（2）設計人員在設計電路時，為保證電源電壓穩定性，往往在電源的輸入端並聯一個大電容，從而導致了Us不可能為階躍信號特徵。由於第一種情況與第二種情況在本質上是一樣的，即對Us的上升斜率產生影響，從而影響了的URST的復位特性。為此假Us的上升斜率為k，從0V～Us需要T時間，即：

當T<<τ時，us上電時可等效為階躍信號。與前相同，當t>>τ時，令A=T/τ，則：

即此時的復位可靠性較前面的好。

另一種情況就是設計人員將一些開關性質的功率器件，如大功率LED發不管與單片機系統共享一個穩壓電源，而單片機系統的復位端採用微分復位電路，由此也將造成復位的不正常現象。具體分析如圖4所示。

將器件等效為電阻RL，其中開關特性即RL很小或RL很大兩種工作狀態。而穩壓電源的基本工作原理是：ΔRL→ΔI→ΔU→-ΔI→-ΔU。從中可以看出，負載的變化必然引電流的變化。為了分析簡單，假設R>RL，並且R>>R0.這樣，可以近似地鈄以上電路網絡看作兩個網絡的組合，並且網絡之間的負載效應可以忽略不計。

第一個電路網絡等效為一個分壓電路。當RL從RLmin→Rlmax時，使其變化為階躍性持，則U

一個賦的階躍信號。

UA（t）=[Rlmax/(Rlmax+R0)]Ut≥0

UA(t)=[Rlmin/(Rlmin+R0)]Ut<0

用此階躍信號作為第二個電路網絡，一階微分電路的輸入，則可得下式：

(d/dt)UA(t)=(1/RC)URST(t)+(d/dt)URST(t)

URST(0)=0

解之得：

從上式可以看出，由於負載的突變和穩壓電源的穩壓作用，將在復位端引入一個類脈衝，從而導致CPU工作不正常。

1.2積分型復位電路

此電路的等效電路如圖5所示。仍以高電平復位為例，同樣可以建立如下方程：

當系統上電時，假設Us(t)=AU（t）為階躍函數，U0=0，則：

當反相器正常工作後，Uc若仍能保持在VIL以下，則其輸出就可以為高電平；而且如果從反相器正常工作後開始，經過不小於復位脈衝寬度的時間TR後，Uc才能達到VIL以上，那麼上電覆位就能保證可靠。所以在實際應用中，設計人員常常將R、CF的值增大以提高時間常數，並且應用具有斯密特輸入的CMOS反相器以提高抗干擾性。然而此復位電路常常在二次電源開關相對較短的時間間隔情況下出現異常。這主要是由於放電迴路與充電迴路相同，導致放電時間常數較大，從而導致UC電壓下降過度。為此有文獻[2]介紹如圖6所示的改進電路。

從圖6可以看出放電迴路的時間常數一般遠遠小於充電時間常數。這時，上面所提到的重複開關電源而造成上電覆位不可靠的現象就可以得到控制。然而，由於放電時間常數過短，降低了此復位電路在工作中對電源電壓波動的不敏感性。例如，當電源電壓有波動時，此時由於放電過快，從而有可能造成Uc低於反相器的VIL電壓值，帶來不必要的復位脈衝。此現象在單片機工作於Sleep方式與Active方式切換，而電源輸出功率又相對較弱時可能出現。為此提出針對以上現象的改進積分型復位電路（如圖7所示）。圖7中，R1<<R2，適當調整R1值的大小就可避免以上情況發生。

1.3比較器型復位電路

比較器型復位電路的.基本原理如圖8所示。上電覆位時，由於組成了一個RC低通網絡，所以比較器的正相輸入端的電壓比負相端輸入電壓延遲一定時間。而比較器的負相端網絡的時間常數遠遠小於正相端RC網絡的時間常數，因此在正端電壓還沒有超過負端電壓時，比較器輸出低電平，經反相器後產生高電平。復位脈衝的寬度主要取決於正常電壓上升的速度。由於負端電壓放電迴路時間常數較大，因此對電源電壓的波動不敏感。但是容易產生以下二種不利現象：（1）電源二次開關間隔太短時，復位不可靠；（2）當電源電壓中有浪湧現象時，可能在浪湧消失後不能產生復位脈衝。為此，將改進比較器重定電路，如圖9所示。這個改進電路可以消除第一種現象，並減少第二種現象的產生。為了徹底消除這二種現象，可以利用數字邏輯的方法與比較器配合，設計如圖10所示的比較器重定電路。此電路稍加改進即可作為上電覆位與看門狗復位電路共同復位的電路，大大提高了復位的可靠性。

1.4看門狗型復位電路

看門狗型復位電路主要利用CPU正常工作時，定時復位計數器，使得計數器的值不超過某一值；當CPU不能正常工作時，由於計數器不能被複位，因此其計數會超過某一值，從而產生復位脈衝，使得CPU恢復正常工作狀態。典型應用的Watchdog復位電路如圖11所示。此復位電路的可靠性主要取決於軟件設計，即將定時向復位電路發出脈衝的程序放在何處。一般設計，將此段程序放在定時器中斷服務子程序中。然而，有時這種設計仍然會引起程序走飛或工作不正常[3]。原因主要是：當程序“走飛”發生時定時器初始化以及開中斷之後的話，這種“走飛”情況就有可能不能由Watchdog復位

電路校正回來。因為定時器中斷一真在產生，即使程序不正常，Watchdog也能被正常復位。為此提出定時器加預設的設計方法。即在初始化時壓入堆棧一個地址，在此地址內執行的是一條關中斷和一條死循環語句。在所有不被程序代碼佔用的地址儘可能地用子程序返回指令RET代替。這樣，當程序走飛後，其進入陷阱的可能性將大大增加。而一旦進入陷阱，定時器停止工作並且關閉中斷，從而使Watchdog復位電路會產生一個復位脈衝將CPU復位。當然這種技術用於實時性較強的控制或處理軟件中有一定的困難。

2專用復位芯片簡介（MAX813L）

目前，在市場上有許多流行的專用復位芯片，瞭解它們的工作原理對電路可靠性的分析及設計至關重要。以Maxim公司生產的MAX813L為例，解剖專用復位芯片的一般工作原理。對於其它芯片，可根據本文所提供的四種復位電路一一對其分析即可求得結論。

MAX813L具有上電覆位、Watchdog輸出、掉電電壓監視、手動復位四大功能。具體原理框圖如圖12所示。本文侷限於討論復位電路部分及看門狗定時器部分。從圖12中可以看出，WDI（WatchdogInput）主要是作為Watchdog計數器重定用的。在1.6秒內若CPU不觸發復位看門狗定時器，則WDO（WatchdogOutput）將輸出低電平。復位電路分為手工復位與上電覆位。從原理圖12中可以看出，上電覆位與本文圖10所提到的電路原理相同，即用比較器產生觸發信號觸發觸發器，以此產生復位信號。同時，對時基產生的脈衝進行定，當復位時間達140毫秒時，Reset發生器產生一脈衝使復位信號無效。上電覆位時，只要電壓低於4.63V，復位信號Reset就有效；當電源電壓超過4.63V時，Reset信號仍將繼續保持140毫秒左右，以保證CPU復位可靠後無效。手動復位時，MR（ManualReset）接地時間不小於150納秒，則可產生一個手動復位過程。即在復位端產生140毫秒的有效復位信號（高電平有效）。若將WDO端與MR連接，則可組成上電覆位及看門狗復位電路。

3復位電路設計時的注意點

本文所提到的各種復位電路中，微分復位電路簡單，但易引入干擾沒有監控CPU運行的能力；積分復位電路簡單可靠，但由於對電源電壓波動不敏感，從而有可能出現CPU由於電源電壓的瞬間過低而造成工作不正常的情況；比較器復位電路電路較複雜，工作可靠；Watchdog復位電路電路較複雜，工作可靠並且具有監控CPU運行的能力。在使用中應根據電路板的空間、電源電壓特性、系統運行現場等情況，綜合考慮而定。般有以下幾條可供參考：

（1）在使用微分型復位電路並且使用穩壓電源時，應考慮在電容輸入端加入適當的電感以減少負載突變而引起的干擾復位脈衝的產生。在電路板空間有限的情況下可以選用此復位電路。

（2）在使用積分型復位電路時，一方面應着重考慮上電覆位時電源電壓的上升率，特別在電源電壓上升率較小時，應考慮用較為複雜的比較型復位電路。另一方面應考慮電路是否有降壓舉措以降低功耗，若有則應考慮二極管的正向壓降對復位電路的影響。

（3）在設計比較器型復位電路時，應着重考慮電源電壓的波動性。當系統工作在惡劣環境下時，外界干擾的竄入可能引起毛刺電壓，從而導致不正常的復位。為此有必要根據手刺電壓的峯峯值以及脈寬採取以下措施：（a）當毛剌電壓峯峯值沒有達到電源電壓的正常值與系統正常工作所需最低電壓值之差時，可適當降低比較器的復位電壓下限；（b）當毛刺電壓峯峯值超過電源電壓的正常值與系統正常工作所需電壓之差時，一方面應採取措施降低毛刺電壓，另一方面應採用較為複雜的比較器型上電覆位電路（如圖10所示）。

（4）在選用或自己設計Watchdog型復位電路時，應注意輸入Watchdog的“喂狗”信號應該是沿信號，而不是電平信號，同時應考慮撤銷復位電壓的電源電壓值應大於系統最小正常電壓值。

摘要：總結了目前使用比較廣泛的四種單片機復位電路，為微分型、積分型復位電路建立了數學模型，並比較了它們在使用中的可靠性，同時介紹了專用復位芯片。最後提出了設計復位電路應注意的問題及提高抗干擾性的措施。