单片机复位电路隐藏着这么多门道

各位小伙伴们大家好,复位电路在单片机小系统中很常见。今天我们就探讨下单片机阻容复位电路的构成、特点和改进方法。

本文内容选自龙顺宇老师的新书《****STC8增强型51单片机进阶攻略》。

我们现在讲的“复位”,其作用就是通过相关电路产生“复位信号”, 让单片机能在上电后或者运行中恢复到默认的起始状态。

常见的阻容式微分复位电路如图1(a)所示,电路中的“Reset”电气网络连接至单片机“RST”引脚。

该电路上电后的波形如图1(b),其波形在上电后先是高电平,经过100ms后跌落到了1V以下最终保持低电平状态,我们常将其称为“高电平”复位电路。

分析微分复位电路,该电路的组成十分简单,其核心实现仅有1个电阻和1个电容组成,外加的S1按键主要实现手动复位功能,当S1按下时“Reset”电气网络被强制拉高实现复位。

在设计该电路时一定要先根据单片机工作的时钟频率去考虑阻容的取值,若系统选用12MHz石英晶振,则1个机器周期就是1us,复位信号的脉冲宽度最小也要2us以上,但是真正设计时最好不要贴近理论值去构造电路,复位信号脉冲宽度最好是20至200ms为宜。

当晶振频率大于或等于12MHz时,常见取值C1为10uF,R1为10k。

当系统上电时C1相当于通路,“Reset”电气网络上电瞬间为高电平,随着R1不断泄放C1的电荷,“Reset”电气网络的电压逐渐降低,最终降到低电平区间。

在放电的过程中“Reset”电气网络的高电平持续了100ms左右才跌落到1V以下,这远大于2个机器周期的复位时间要求,即复位有效。

若将图2中的电阻R1和电容C1互换位置就可以变成阻容式积分复位电路,电路原理图如图2(a)所示。

该电路上电后的波形如图2(b)所示,其波形在上电后先是低电平,然后经过50ms左右就超过了1.6V并继续上升,最终保持在高电平电压区间,我们常将该电路称为“低电平”复位电路。

当系统上电时C1相当于通路,故而“Reset”电气网络上电瞬间为低电平,随着电源通过R1不断的向C1充电,“Reset”电气网络的电位逐渐抬升并最终保持高电平。

外加的S1按键主要实现手动复位功能,当S1按下时“Reset”电气网络被强制拉低实现复位。

首先来说,阻容器件本身存在器件误差,误差会直接导致RC时间常数和充放电时间的差异,批量制造时难以保证产品的一致性。

其次,阻容器件存在老化现象和温漂问题,在长期使用或者严苛温度环境中容易造成较大误差导致失效。

最后,简单的阻容复位电路会有电容的迟滞充放电问题,导致复位信号可能不满足复位电平阈值要求,且面对来自电源的波动或者快速开关机情况会出现无法复位的问题。

朋友们可能会说,器件参数误差、老化和温漂在一般产品中都可以接受,一致性问题也没有那么高要求,本着“能用就行”的原则,这个电路也凑合用吧!

以图1(a)所示的阻容式微分复位电路为例,若将电源周期性通断,其复位波形就不再完美了。

实际波形如图3(a)所示,复位波形由于电容的缓慢放电,出现了下降迟缓,无法到达低电平阈值的问题。

若将微分复位电路按图3(b)改进,在电阻R1的两端并联个D1,再次将电源周期性通断,复位波形就会变成如图3(c)所示的波形。

从波形上看,电路改造后复位波形得到了明显的改善,图中波形下降迅速且可以下降到低电平阈值以下,不会出现频繁上电时复位电压“下不去”的情况。

这个“不起眼”的D1为电容C1在掉电情况下提供了一条迅速泄放电荷的通道,这样一来就可以保证在电源频繁波动或者周期性上电情况下的正常复位。有的朋友可能要说了,这个复位波形看起来还是很“怪异”啊!

虽说是高电平复位波形,但是看起来和“毛刺”一样,那能不能通过什么电路把复位信号搞成类似于高低电平的波形样式呢?

添加三极管和二极管进去,最终搭建出一种阈值电压比较型高电平复位电路如图4(a)所示。

电路的目的就是构造一个“复位阈值电压比较器”,电路中的稳压二极管D1(实际选用3.3V稳压管)和开关二极管D2(实际选用1N4148,导通压降为0.6V左右)决定了复位信号的电平阈值,大致就是3.3V+0.6V=3.9V左右(朋友们也可以更替D1的稳压参数构成更多复位阈值)。

电路中的三极管Q1及外围电路构成了一个简单的比较器电路,当电源波动的时候也可以有效的根据阈值比较完成复位动作。

R2的大小可以改变输出信号的驱动能力,R1和C2一起决定了复位延时的长度,C1是为了抑制和旁路电源中的高频噪声。

基于图4(a)所示的高电平复位电路,我们也可以稍加变形做成如图5(a)所示的“低电平复位电路”,该电路适用于低电平复位的单片机。该电路上电后的复位波形如图5(b)所示,该波形相当于图4(b)的取反波形。

由此可见,小电路也有很多讲究。此处的改进只是抛砖引玉,朋友们别被“抛出去的砖”砸晕了,复位电路还存在很多改进电路和一些实际问题,希望读者朋友们可以自行延展,单片机复位端口处还可并联0.01至0.1uF的瓷片电容,以抑制电源高频噪声干扰或配置施密特触发器电路,进一步的提高单片机对串入噪声的抑制。

我们以美信公司生产的MAX810这款高电平复位电路专用芯片为例,搭建如图6(a)所示电路,上电后测量“Reset”电气网络可以得到如图6(b)所示波形,这个波形就堪称“完美”了。

而MAX707、MAX708、MAX813L等器件同时有高、低电平复位输出信号和看门狗输出,在实际产品中经常会看到它们,需要注意的是,不同芯片的复位脉冲时间不一样,但是一般都可以达到100至200ms左右,完全满足常见处理器对复位时间的需求。

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