单片机复位电路的可靠性分析（上）

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    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，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)]U t≥0


UA(t)=[Rlmin/(Rlmin+R0)]U t<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：






         
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