در مدارات میکروکنترلری در نظر گرفتن مسایل مربوط به نویز میکروکنترلر باید در نظر گرفته شود .خصوصا زمانی که در کنار این مدارات یک منبع تغذیه سوییچینگ در حال کار میباشد. مبدلهای قدرت سوئیچینگ با وجود مزیت های زیاد، یک عیب اساسی نیز در دارند و آن تولید نویز با فرکانس بالا است که بدلیل کلیدزنی سریع رگولاتورهای مبدل قدرت با توانهای فوق العاده زیاد، بوجود می آید.
مدارات دیجیتال در داخل و خارج میکرو ایجاد نویز میکروکنترلر کرده و ممکن است در صحت اندازهگیری ADC تاثیر بگذارند. اگر صحت و دقت قابل قبول نیست، با استفاده از تکنیکهای زیر میتوان نویز را کاهش داد.
- بخش آنالوگ چیپ و تمام قسمتهای آنالوگ باید دارای زمین جداگانه باشند. این زمینها با زمین دیجیتال به وسیله یک مسیر به هم متصل میشوند.
- مسیرهای آنالوگ را تامیتوانید کوتاه کنید و از تماس نداشتن، مسیرهای آنالوگ و زمینهای آنالوگ اطمینان پیدا کنید و آنها را از مسیرهای دیجیتال بافرکانس بالا دور کنید.
- پایه AVCC میکرو را به VCC با فیلتر پایین گذر نشان داده شده در شکل زیر وصل کنید.
- از مدهای SLEEP و حالت ADC NOISE CANCELER برای کاهش نویز القا شده توسط CPU استفاده کنید.
انواع نویز میکروکنترلر:
نویز الکترومغناطیسی:
از جمله مسائلی که در طراحی میکرو کنترلر ها باید در نظر داشت نویز الکترومغناطیسی و تاثیر عملکرد آن بر عملکرد این مدارات می باشد.بررسی و مطالعه عملکرد نویز الکترو مغناطیسی به دو دلیل حائز اهمیت است : اول آنکه تجهیزات بسیاری نظیر تلفنهای همراه , امواج رادیوئی فرکانس بالا تولید می کنند و اغلب سیستمهای الکترونیکی نیز از منابع تغذیه سوییچینگ استفاده می کنند و بر روی عملکرد مدار تاثیر نامطلوب می گذارد .
از دید طراحی مساله نویز به دو بخش تقسیم بندی می شود
۱- تاثیر محیط بر مدار الکتریکی و مصونیت مدار در برابر نویز محیط
۲- تاثیر مدار بر محیط و میزان ایجاد نویز و اغتشاش در محیط .
منبع تولید امواج الکترومغناطیسی که یکی از انواع نویز میکروکنترلر می باشد، تغییرات سریع میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی است. منابع مهم تولید تداخل امواج الکترومغناطیسی، موتورهای الکتریکی (خصوصاً موتورهای با جاروبک و همچنین تکفاز)، رله ها و کلیدهایی که با سرعت زیاد جریان الکتریکی را قطع و وصل می کنند، می باشند. منابع تغذیه سوئیچینگ نیز بدلیل عملکرد کلیدزنی آنها، یکی از منابع مهم بوجود آورنده تداخل امواج الکترومغناطیسی محسوب می شوند. در این منابع تغذیه سوئیچینگ، امواج الکترومغناطیسی بر اثر کلیدزنی سریع ترانزیستور و قطع و وصل سریع جریان ایجاد می شود. همچنین تلفات کلید زنی در زمان روشن کردن و یا خاموش کردن ترانزیستور ها نیز یکی از دلایل ایجاد امواج الکترومغناطیسی است، که در هوا منتشر شده و از آنجایی که دارای هارمونیک های با فرکانس بالایی هستند، بعنوان امواج الکترومغناطیسی مخرب عمل می کنند و روی سیستمهای مخابراتی اثرات نامطلوب می گذارند. منبع ایجاد نویز در منابع تغذیه سوئیچینگ، سیستم یکسوسازی آن می باشد. از آنجایی که یکسوسازها موج ورودی را بصورت گسسته قطع و وصل می کنند، دارای مقدار di/dt زیادی می باشند.
امواج الکترومغناطیسی می توانند توسط هدایت کننده های الکتریکی در فضا منتشر می شوند. کوپلاژهای الکتریکی که توسط خازن، سلف و یا ترانسفورماتور ایجاد می شوند نیز می توانند از طریق فاصله هوایی، امواج الکترومغناطیسی را در فضای اطراف منتشر کنند.
افزودن خازن و سلف برای کاهش گرادیان جریان و ولتاژ بیشترین میزان تولید امواج الکترومغناطیسی در فضای اطراف ترانزیستور اصلی است که عمل کلیدزنی را انجام می دهد. پس می توان گفت که این ترانزیستور بعنوان یک منبع تولید نویز مخابراتی پرقدرت، عمل می کند. انتقال ناگهانی جریان و ولتاژ در مدار، نوساناتی را بصورت تحریک ضربه ای در مدل پارازیتی خازن و همچنین سلف ترانسفورماتور و سیم پیچ ها ایجاد می کند.
منبع مهم دیگر تولید نویز میکروکنترلر و تداخل امواج الکترومغناطیسی، زمان افت سریع جریان در دیودهایی که بایاس معکوس می شوند، است. معمولاً یک دیود با زمان بازیابی معکوس سریع، دارای زمان بازیابی حدود ۱۰ نانو ثانیه می باشد. پس این دیود می تواند، مقداری از نوسانات را (در صورتی که در رنج فرکانسی بالا در حال کار باشد) به فضا منتشر کند. زمان افت را در دیودها به این صورت می توان کنترل کرد که از دیودهایی که دارای تکنولوژی ساخت Soft recovery هستند، استفاده شود، یا در صورتی که از دیودهای با زمان بازیابی سریع استفاده می کنیم، یک خازن کوچک سرامیکی را مستقیماً با دیود موازی کنیم. همچنین می توان یک سلفRF را با ترانزیستوری که عملکرد کلیدزنی را انجام می دهد یا دیود سری کنیم تا با تغییرات ناگهانی جریان مخالفت کند و زمان خاموش شدن دیود را افزایش دهد و همچنین لبه تیز جریان که ناشی از کلیدزنی است را از بین ببرد. در صورتی که روشهای فوق امکان پذیر نباشد، می بایست که با یک پرده محافظت کننده فلزی (شیلد)، المان کلیدزنی را بپوشانیم. تا از تشعشع امواج الکترومغناطیسی به فضای اطراف تا حد ممکن جلوگیری کنیم. معمولاً در عمل در اکثر منابع تغذیه سوئیچینگ با استفاده از پوشش های فلزی تداخل امواج الکترومغناطیسی را کاهش می دهند.
الکتریسیته ساکن :
موضوع الکتریسیته ساکن توسط اکثر افراد تجربه شده است . الکتریسیته ساکن بارهای الکتریکی هستند که در بدن افراد ذخیره می شود . هنگام تماس فرد با یک شی متصل به زمین که دارای بار الکتریکی متفاوتی است . این بار تخلیه شده و می تواند ولتاژی در حدود چند ده کیلو ولت ایجاد نماید.
پرش های زودگذر ولتاژ :
پرش های ولتاژ خطوط تغذیه از طریق کو پلاژ خازنی و سلفی بر روی خطوط سیگنال تاثیر نامطلوب می گذارند. پرش های ولتاژ زمانی ایجاد می شوند که منبع تغذیه سوییچینگ با یک بار سلفی شروع به کار کند . با قطع جریان بار پرش های شدید ولتاژ بر روی خط تغذیه ایجاد می شود . پرش های ولتاژ در نگاه اول ممکن است مشابه الکتریسیته ساکن در نظر گرفته شود ولی تفاوتهای عمده ای با الکتریسیته ساکن دارند.از جمله اینکه توان اینگونه پرش ها خیلی بیشتر از الکتریسیته ساکن است.
تفاوت دیگری که بین این دو وجود دارد مقدار خازنهایی است که در لحظه اول شارژ می شوند.
امواج رادیویی :
یکی دیگر از انواع نویز میکروکنترلر امواج رادیویی می باشد. عمل کلیدزنی در رگولاتورهای با فرکانس زیاد می تواند نویز با هارمونیکهای پرقدرت در رنج فرکانسی VHF تولید کند. بسته های قطعات مدار نمی توانند از تشعشع امواج با فرکانس بالای الکترومغناطیسی جلوگیری نمایند و فرکانسهای رادیویی که در فضا براحتی منتشر می شوند، در باندهای رادیویی و تلویزیونی و حتی ماکروویو ایجاد تداخل مخرب می کنند. برای از بین بردن این مشکل باید اطراف قطعات را با پرده های فلزی محافظ که دارای زمین الکتریکی هستند و کاملاً آب بندی شده اند پوشاند. تا از تشعشع امواج الکترومغناطیسی آنها جلوگیری شود و حتی هیت سینکهای قطعات نیز بایستی که زمین الکتریکی شوند.
انتشار امواج رادیوئی یکی از بزرگترین مشکلات به هنگام طراحی مدارات دیجیتال فرکانس بالا می باشد . در اینجا مشکل فقط تشعشع امواج به دنیای بیرون نیست بلکه اثر امواج رادیوئی بر روی خود مدارات میکرو کنترلر است .به منظور بررسی ساده تر – امواج رادیوئی به دو دسته فرکانس پایین (انتشار هدایتی ) و فرکانس بالا (انتشار تشعشعی ) تقسیم می شود.
امواج فرکانس بالا به طور مستقیم از روی مدار وقسمت های مختلف آن نظیر خطوط سیگنا ل و کابل ها به بیرون منتشر می شود.امواج فرکانس بالا توسط هارمونیکهای فرکانس اسیلاتور و سوییچینگ پایه های میکرو کنترلر ایجاد می شود . مسیرهای بلند سیگنال برای امواج رادیوئی به صورت یک آنتن عمل می کنند. اما اگر با روشهائی امواج فرکانس پایین تضعیف شوند امواج فرکانس بالا قابل صرفنظر خواهند بود به عبارت دیگر اکثر توان نویز مربوط به فرکانس های پایین است . به طور مشابه نویز هدایتی در فرکانس های بالا – دارای توان پایینی است و اگر نویز تشعشعی در این حالت تضعیف شود نیازی نیست توان امواج هدایتی برای فرکانس های بالا اندازه گیری شود.یعنی اینکه در فرکانس های بالا امواج با فرکانس پایین تضعیف می شوند و در فرکانس های پایین امواج با فرکانس بالا فیلتر می شوند .
روش های خنثی کردن نویز میکرو کنترلر:
خنثی کردن اثر امواج الکترو مغناطیسی :
در مرحله اول طراحی می بایستی منبع ایجاد کننده نویز الکترو مغناطیسی شناسائی شود.و از قسمتهای حساس مدار دور نگه داشته شود. در بسیاری از مدارات میکروکنترلی , خود میکروکنترلر سریعترین قسمت دیجیتالی مدار بوده و در نتیجه بزرگترین منبع ایجاد نویز است.در نتیجه منابع و مراحل محدود کننده نویز باید نزدیک خود میکروکنترلر قرار داده شوند .این نوع نویز تحت عنوان نویز انتقالی معروف است .
نو ع دیگر نویز میکروکنترلر , نویز دریافتی است که از دنیای بیرون به مدار اعمال می شود.این نویز به محیط – ورودی /خروجی ها و عوامل متعدد بستگی دارد.
مرحله دوم کنترل زمین مجازی است . انواع مختلف جریان نظیر AC , DC , توان بالا و توان پایین یا نویز سعی دارند همیشه بهترین مسیر به زمین را پیدا کنند.با توجه به این موضوع , نویزهای انتقالی قبل از تحت تاثیر قرار دادن قسمتهای دیگر مدار و تشعشع باید یک مسیر به زمین داشته باشند . در مقابل نویزهای دریافتی باید قبل از تحت تاثیر قرار دادن قسمتهای حساس مدار , به سمت زمین هدایت شوند. حل مشکل امواج الکترومغناطیسی به طور کامل مشکل است .به نظر می رسد تقسیم مدار به چندین قسمت کوچکتر و بررسی اثر نویز در هر قسمت به طور جداگانه . بهترین روش بررسی تاثیر نویز است .
یکی از روشهای مهار کردن انواع نویز میکروکنترلر که امواج الکترومغناطیسی مخرب می باشد ، زمین کردن الکتریکی است. روش زمین کردن ساده ترین روش کاهش دادن نویز در منبع می باشد.
اما برای کم کردن هر چه بیشتر امواج الکترومغناطیسی و تداخل ناشی از آن باید به این نکته توجه شود که سیمهایی که برای اتصال زمین الکتریکی از آنها استفاده می شود از مقاومت الکتریکی خیلی کمی برخوردار باشند. تا حتی الامکان از افت ولتاژ روی مقاومت پارازیتی معادل سیم کاسته شده و نویز بطور کامل به زمین منتقل شود. روش زمین کردن الکتریکی برای کاهش دادن میزان نویز سیستمهایی که در فرکانسهای کم تا حد یک مگا هرتز کارمیکنند مناسب است. هر چقدر که فرکانس سیستم بالا رود، امپدانس سیمهای زمین هم بالا می رود و افت ولتاژ روی مقاومت پارازیتی سیمها، زیاد می شود و در نتیجه توان تداخل امواج الکترومغناطیسی نیز بیشتر می شود. سه پارامتر مهم را که در همه منابع تغذیه سوئیچینگ باید زمین شوند عبارتند از:
۱- سیستم انتقال سیگنالهای با توان کم.
۲- سیستم قدرت با نویز زیاد.
۳- جعبه فلزی منبع تغذیه سوئیچینگ.
۴- استفاده از پرده محافظ برای جلوگیری از تشعشع امواج الکترومغناطیسی
یکی از مسائل مهمی را که در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ باید به آن توجه کرد تشعشع امواج الکترومغناطیسی ازقطعات به فضای اطراف است. این مسأله در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ از اهمیت ویژه ای برخوردار است. حتی اگر به سیم کشی و زمین کردن اصولی توجه زیادی داشته باشیم ولی به تشعشع امواج الکترومغناطیسی از قطعات سیستم توجه نکنیم، خواهیم دید که هنوز نویز زیادی در فضای اطراف منبع تغذیهای که با روش سوئیچینگ کار می کند منتشر میشود و این میزان نویز می تواند در سیستمهای مخابراتی و الکترونیکی که در مسافت نزدیک در حال کار هستند بصورت مخرب ایجاد تداخل امواج الکترومغناطیسی کند.
خنثی کردن اثر امواج رادیوئی:
نوع دیگر نویز میکروکنترلر مربوط به امواج رادیویی می باشد. در مدارهای چاپی SHIELD نشده مسیرهای طولانی مانند یک آنتن عمل کرده ممکن است منجر به تقویت دامنه نویزهای موجود در سیستم شوند در نتیجه حفاظت مدار در برابر اینگونه امواج دارای اهمیت زیادی است . برای انجام اینکار از روشهای زیر استفاده می شود.
سلفها یا دانه های فریت میزان نویز فرکانس بالا را بر روی پایه های میکرو کنترلر کاهش می دهد .این المانها برای فرکانس های بالا دارای امپدانس بالائی بوده برای فرکانس های پایین دارای امپدانس پایین هستند.(سیگنال ورودی از I/O مانند آنتن است )
خازنهای قرار داده شده بر روی پایه های ورودی میکرو کنترلر نیز باعث هدایت امواج فرکانس بالا به زمین می شوند.این خازنها باید ESR پایینی داشته باشند.(مقاومت سری = ESR) این موضوع هنگام استفاده از خازنهایی با ظرفیت بالا اهمیت بیشتری پیدا می کند.
در صورتی که مدار SHIELD شده باشد خازن می تواند به طور مستقیم بهSHIELD متصل شده و از ورودی نویز به سیستم جلوگیری کند.
خنثی نمودن تاثیر الکتریسیته ساکن و پرش های ولتاژ :
نوع دیگر نویز میکروکنترلر الکتریسیته ساکن است که با توجه به اینکه پرش های ولتاژ فرکانس و ولتاژ بالائی دارند می توانند بر روی خطوط سیگنال که در نزدیکی آنها قرار دارند تاثیر نا مطلوب بگذارند.در نتیجه خنثی نمودن آنها از اهمیت خاصی برخوردار است .جبران اثر الکتریسیته ساکن در ساده ترین روش . اطمینان از عدم تماس قسمتهای حساس مدار توسط کاربر است . روش دیگر استفاده از مدارات محافظ ولتاژ خارجی ( دیود های که به صورت درونی بر روی پورت ها قرار دارند) بر روی پایه های میکرو کنترلر یا استفاده از فیلتر هائی است که در قسمت قبل بیان شد.
با توجه به سوییچینگ مدارات دیجیتال ممکن است پرشهای ولتاژ شدیدی بالاتر از مقدار مشخص شده در خطوط تغذیه ایجاد کند در نتیجه منابع تغذیه با فیلترهائی به میکرو وصل می شوند.
در این شکل خازن به فاصله زیادی از میکرو کنترلر قرار دارد و باعث ایجاد loop با جریان بالا می شود. در این مدار خط اصلی تغذیه و زمین جزئی از این loop می باشند.در نتیجه این عمل نویز قسمتهای دیگر مدار را تحت تاثیر قرار می دهد.همچنین در این حالت مسیر زمین مانند یک آنتن عمل کرده منجر به تقویت نویز می گردد.
شکل بعدی مدار بهتری است .
در این شکل سلف سری باید تا حد امکان کوچک باشد تا منجر به افت ولتاژ تغذیه نگردد زیرا سلف در مقابل تغییرات جریان از خود واکنش نشان داده و از خود ولتاژ در خلاف جهت منبع ساطع می کند . همچنین خازن بکار برده شده تا حد امکان به پایه های میکرو کنترلر نزدیک شده است . در نتیجه این عمل علاوه بر اینکه loop جریان کمتری ایجاد شده خطوط اصلی تغذیه تحت تاثیر پرش های جریان نخواهد بود زیرا خازن نیز در مقابل تغییرات ولتاژ از خود جریان منتشر می کند وبه همراه سلف یک مدار اسنابر را تولید می کند.
با توجه به اینکه جریان مصرفی میکرو پایین است می توان تنها از یک مقاومت استفاده کرد .در این حالت با بالاتر گرفتن ولتاژ منبع تغذیه, می توان افت ولتاژ روی مقاومت را جبران کرد. استفاده از مقاومت چندین مزیت نسبت به سلف دارد : یکی اینکه مقاومت بیشتر از سلف در دسترس است ثانیا اینکه سلف در فرکانس خاصی عمل کرده و می تواند به عنوان فیلتر عمل کند .
مسائل مربوط به مدار چاپی :
با توجه به اینکه LOOP های جریان نویز میکروکنترلر تولید می کنند و هر چه این LOOP بزرگتر باشد میزان این نویز تولیدی بیشتر خواهد بود لذا باید LOOP های جریان در کمترین حد ممکن بهینه شوند . بنابراین هر سیگنالی که می تواند نویز تولید کند باید یک مسیر برگشت به زمین داشته باشد .بهترین روش برای اطمینان از وجود مسیر بازگشت وجود یک مسیر زمین کامل در مدار چاپی است .در نتیجه این کار LOOP های بوجود آمده در مدار کوچک شده و میزان نویز نسبت به حالتی که مسیر زمین در سرتاسر مدار کشیده شود بسیار کاهش می یابد . سیستمهائی که دارای مدارهای آنالوگ و دیجیتال هستند بهتر است هر کدام دارای مسیر زمین جداگانه باشند تا روی عملکرد یکدیگر تاثیر نگذارند.
قسمتهای مولد نویز میکروکنترلر در سیستم های نظیر مدارهای دیجیتال و منابع تغذیه سوییچینگ باید جدا بوده و تا حد امکان کوچک باشد تا LOOP های جریان ایجاد شده کوچک شود و نویز تولیدی و دریافتی مدار را کاهش دهد . همچنین قسمتهای حساس مدار نظیر قسمتهای اندازه گیری آنالوگ باید تا حد امکان کوچک باشد.
مدارهای چاپی تک لایه :
مدارهای چاپی تک لایه در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند .اما از دید مسائل نویز امواج الکترومغناطیسی و مسیر زمین طراحی مدارهای چاپی تک لایه مشکل است . زیرا در طراحی مدارهای چاپی تک لایه باید مساله SHIELD کردن رعایت شود و نیاز به یک سری المان اضافه برای حذف نویز به خصوص در فرکانس های بالا خواهد بود .در نتیجه طراحی مدارهای چاپی تک لایه نیاز به مهارت زیادی در مورد در نظر گرفتن مسائل نویز و امواج الکترومغناطیس دارد. در مدارهای چاپی تک لایه با توجه به محدودیت کشیدن مسیرها , LOOP های بزرگ جریان ایجاد شده و منجر به افزایش نویز تولیدی و دریافتی می شود . در این روش برای کاهش نویز و کشیدن مسیر از سیمهای SHIELD دار و با رعایت اصول مربوطه استفاده می شود هر چند در این روش نویز به طور کامل حذف نمی شود.
مدارهای چاپی دو لایه :
در مدارهای چاپی دو لایه در صورت امکان , یک لایه به عنوان زمین در نظر گرفته می شود در اینصورت مسیر سیگنال از یک لایه وارد و از لایه دیگر یا زمین برمی گردد. این روش نیاز د ارد تا تک تک مسیرها آنالیز شده و مسائل خاص آنها در نظر گرفته شود .
روش بهتر مطابق شکل زیر استفاده از هر دو لایه هم برای مسیر سیگنال هم برای مسیر زمین است . در این روش هر مسیر سیگنال یک مسیر زمین نزدیک خود دارد که منجر به کوچک شدن LOOP های جریان می شود . در کاربرد فرکانس بالا باید مسیر ها پهن و سلول ها کوچک باشد. روش دیگر برای طراحی مدار زمین پر کردن فضای استفاده نشده در دو طرف مدار چاپی و متصل کردن آنها از طریق Via است در این روش به منظور برقراری بهتر اتصال از چندین Via ودر جاهای مختلف مدار چاپی استفاده می شود.ترکیب این روش با روش قبل منجر به ایجاد یک شبکه زمین بسیار مناسب می شود . برای انجام اینکار ابتدا شبکه زمین رسم می شود سپس مسیر سیگنالهای مختلف رسم و محل المان ها مشخص می شود . در نهایت فضای استفاده نشده مدار چاپی پر و به شبکه زمین متصل می شود.
لازم به ذکر است که اکثر پایه های میکرو کنترلر AVR دارای دیود های محافظ داخلی در برابر الکتریسیته ساکن می باشند.برای محافظت پایه Reset در مقابل الکتریسیته ساکن و جلوگیری از نویز میکروکنترلر بعد از برنامه ریزی میکرو می توان از یک دیود با یک مقاومت ۴٫۷ کیلو موازی که به Vcc و خازن ۱۰ نانو که به زمین متصل می شود استفاده کرد. حساسترین پایه به نویز و الکتریسیته ساکن پایه های مرتبط با اسیلاتور می باشد. راه حل رفع این مشکل بسیار ساده است و حتما باید رعایت شود . برای رفع این مشکل باید کریستال یا رزناتور تا حد امکان نزدیک پایه ها یا چسبیده به آنها قرار داده شود . خازنهای مربوطه به طور مستقیم به زمین متصل شوند. همچنین هنگام استفاده از منبع پالس خارجی این منبع نباید در فاصله زیادی از میکرو باشد تا نویز میکروکنترلر را کاهش دهد. زیرا مسیر پالس منجر به تولید و دریافت نویز شده بر روی عملکرد مدار تاثیر نامطلوب می گذارد.در این حالت می توان از بافر و در ورودی آن از فیلتر استفاده نمود. هنگام استفاده از کریستال یا رزناتور باید به نکات خاصی توجه کرد در غیر اینصورت ممکن است مشکلات خاصی نظیر از نوسان افتادن یا نوسان نکردن اسیلاتور رخ دهد .