MCU復(fù)位電路知多少？

什么是復(fù)位電路？

復(fù)位電路在單片機(jī)小系統(tǒng)中很常見，今天我們就探討下單片機(jī)阻容復(fù)位電路的構(gòu)成、特點(diǎn)和改進(jìn)方法，本文內(nèi)容選自龍順宇老師的新書 《深入淺出STC8增強(qiáng)型51單片機(jī)進(jìn)階攻略》 。

如果朋友們學(xué)習(xí)過《數(shù)字電子技術(shù)》這門課程的相關(guān)內(nèi)容就肯定知道觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路章節(jié)中必學(xué)的 初態(tài) 和 次態(tài) 問題，簡(jiǎn)單來(lái)說就是需要明確電路之前的狀態(tài)才能推導(dǎo)出后面的狀態(tài)，由此可見，在數(shù)字電路（特別是時(shí)序電路）中一個(gè)已知的初始狀態(tài)有多么重要。

我們學(xué)習(xí)的單片機(jī)其實(shí)就是個(gè)數(shù)字/模擬的混合系統(tǒng)，很多片內(nèi)資源和相關(guān)寄存器都需要一個(gè)默認(rèn)的起始狀態(tài)。

我們現(xiàn)在講的“復(fù)位”，其作用就是通過相關(guān)電路產(chǎn)生“復(fù)位信號(hào)”讓單片機(jī)能在上電后或者運(yùn)行中恢復(fù)到默認(rèn)的起始狀態(tài)。

“復(fù)位”動(dòng)作之后單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生一系列的重置操作，例如I/O口默認(rèn)的模式和狀態(tài)、相關(guān)寄存器的默認(rèn)取值、所有標(biāo)志位的狀態(tài)重置、通信/定時(shí)相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容設(shè)定等等。

由此可見， 復(fù)位的意義就是讓單片機(jī)相關(guān)單元進(jìn)行初始重置且程序從內(nèi)存起始地址重新執(zhí)行 。

要讓單片機(jī)正確復(fù)位就需要在RST引腳（等同于RESET引腳）上產(chǎn)生符合復(fù)位要求的有效信號(hào)，有的單片機(jī)需要高電平復(fù)位信號(hào)，有的則需要低電平復(fù)位信號(hào)。

我們以經(jīng)典51單片機(jī)高電平復(fù)位為例，單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)RST引腳應(yīng)保持低電平，當(dāng)需要復(fù)位時(shí)應(yīng)拉高RST引腳的電平，并維持“系統(tǒng)時(shí)鐘源、內(nèi)部電路單元穩(wěn)定周期+2個(gè)機(jī)器周期”的時(shí)間長(zhǎng)度（ 為保證有效復(fù)位，復(fù)位信號(hào)應(yīng)持續(xù)20至200ms為宜 ）。

我們知道，在12T型單片機(jī)中，1個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期其實(shí)就是振蕩周期，比如晶振頻率是12M，振蕩周期就是1/12000000秒，由此可見，在設(shè)計(jì)具體復(fù)位電路時(shí)需要考慮單片機(jī)工作時(shí)鐘頻率后再去匹配復(fù)位電路的相關(guān)參數(shù)。

在早期的51單片機(jī)產(chǎn)品中，復(fù)位信號(hào)一般是由外部復(fù)位電路產(chǎn)生，所以很多經(jīng)典的單片機(jī)原理類書籍將復(fù)位電路稱作最小系統(tǒng)的必要組成，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多單片機(jī)不再單獨(dú)拿出一個(gè)RST引腳僅做復(fù)位之用，而是在晶圓設(shè)計(jì)時(shí)集成了 片內(nèi)上電復(fù)位POR（Power On Reset）電路 ，很多單片機(jī)就都具備片上POR電路，POR電路在芯片上電后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部復(fù)位脈沖并使器件保持靜態(tài)，直至電源電壓達(dá)到穩(wěn)定閾值后再釋放復(fù)位信號(hào)。

這樣一來(lái)，用戶就可以省略外部復(fù)位電路將RST引腳閑置或者當(dāng)做普通I/O使用。

如果讀者朋友們實(shí)際應(yīng)用的單片機(jī)不具備片上POR電路也沒事，我們可以搭建符合復(fù)位要求的外置電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。

一般來(lái)說，單片機(jī)復(fù)位電路主要有四種類型：微分型復(fù)位電路 、 積分型復(fù)位電路 、 比較器型復(fù)位電路 和 看門狗型復(fù)位電路 。接下來(lái)小宇老師就拿出相對(duì)簡(jiǎn)單的微分和積分型電路進(jìn)行講解，讓讀者朋友們能有一個(gè)直觀的感受。

常見的阻容式微分復(fù)位電路如圖1（a）所示，電路中的“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)連接至單片機(jī)“RST”引腳。該電路上電后的波形如圖（b），其波形在上電后先是高電平，經(jīng)過100ms后跌落到了1V以下最終保持低電平狀態(tài)，我們常將其稱為“高電平”復(fù)位電路。

（a）

（b）
圖1 微分型高電平復(fù)位電路原理圖

分析微分復(fù)位電路，該電路的組成十分簡(jiǎn)單，其核心實(shí)現(xiàn)僅有1個(gè)電阻和1個(gè)電容組成，外加的S1按鍵主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位功能，當(dāng)S1按下時(shí)“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)被強(qiáng)制拉高實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

在設(shè)計(jì)該電路時(shí)一定要先根據(jù)單片機(jī)工作的時(shí)鐘頻率去考慮阻容的取值，若系統(tǒng)選用12MHz石英晶振，則1個(gè)機(jī)器周期就是1us，復(fù)位信號(hào)的脈沖寬度最小也要2us以上，但是真正設(shè)計(jì)時(shí)最好不要貼近理論值去構(gòu)造電路，復(fù)位信號(hào)脈沖寬度最好是20至200ms為宜。當(dāng)晶振頻率大于或等于12MHz時(shí)，常見取值C1為10uF，R1為10k。

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)C1相當(dāng)于通路，“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)上電瞬間為高電平，隨著R1不斷泄放C1的電荷，“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)的電壓逐漸降低，最終降到低電平區(qū)間。在放電的過程中“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)的高電平持續(xù)了100ms左右才跌落到1V以下，這遠(yuǎn)大于2個(gè)機(jī)器周期的復(fù)位時(shí)間要求，即復(fù)位有效。

若將圖2中的電阻R1和電容C1互換位置就可以變成阻容式積分復(fù)位電路，電路原理圖如圖2（a）所示。該電路上電后的波形如圖（b）所示，其波形在上電后先是低電平，然后經(jīng)過50ms左右就超過了1.6V并繼續(xù)上升，最終保持在高電平電壓區(qū)間，我們常將該電路稱為“低電平”復(fù)位電路。

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)C1相當(dāng)于通路，故而“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)上電瞬間為低電平，隨著電源通過R1不斷的向C1充電，“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)的電位逐漸抬升并最終保持高電平。外加的S1按鍵主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位功能，當(dāng)S1按下時(shí)“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)被強(qiáng)制拉低實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

（a）

（b）
圖1 微分型高電平復(fù)位電路原理圖

阻容式復(fù)位電路非常簡(jiǎn)單，成本也很低，但是可靠性如何呢？可能有的讀者朋友會(huì)說：市面上的開發(fā)板都用這個(gè)電路，我在實(shí)驗(yàn)室也用這個(gè)電路，從來(lái)沒遇到過問題，而且這種經(jīng)典電路每本書都這么講的，你敢說不可靠？

小宇老師得站出來(lái)說：這電路確實(shí)簡(jiǎn)單，但可靠性確實(shí)不高。首先來(lái)說，阻容器件本身存在器件誤差，誤差會(huì)直接導(dǎo)致RC時(shí)間常數(shù)和充放電時(shí)間的差異，批量制造時(shí)難以保證產(chǎn)品的一致性。其次，阻容器件存在老化現(xiàn)象和溫漂問題，在長(zhǎng)期使用或者嚴(yán)苛溫度環(huán)境中容易造成較大誤差導(dǎo)致失效。

最后，簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位電路會(huì)有電容的遲滯充放電問題，導(dǎo)致復(fù)位信號(hào)可能不滿足復(fù)位電平閾值要求，且面對(duì)來(lái)自電源的波動(dòng)或者快速開關(guān)機(jī)情況會(huì)出現(xiàn)無(wú)法復(fù)位的問題。

朋友們可能會(huì)說，器件參數(shù)誤差、老化和溫漂在一般產(chǎn)品中都可以接受，一致性問題也沒有那么高要求，本著“能用就行”的原則，這個(gè)電路也湊合用吧！也不是不行，但是可以稍微改進(jìn)下，且看小宇老師做個(gè)實(shí)驗(yàn)。

以圖1（a）所示的阻容式微分復(fù)位電路為例，若將電源周期性通斷，其復(fù)位波形就不再完美了，實(shí)際波形如圖3（a）所示，復(fù)位波形由于電容的緩慢放電原因出現(xiàn)了下降遲緩且無(wú)法到達(dá)低電平閾值的問題（也就是復(fù)位電壓“下不去”的情況），這種復(fù)位信號(hào)就不能保證單片機(jī)系統(tǒng)的有效復(fù)位，若工業(yè)控制有關(guān)的板卡遇到電源波動(dòng)出現(xiàn)無(wú)法復(fù)位的情況，無(wú)疑是危險(xiǎn)的。

若將微分復(fù)位電路按圖3（b）改進(jìn)，在電阻R1的兩端并聯(lián)個(gè)D1，再次將電源周期性通斷，復(fù)位波形就會(huì)變成如圖3（c）所示的波形。從波形上看，電路改造后復(fù)位波形得到了明顯的改善，圖中波形下降迅速且可以下降到低電平閾值以下，不會(huì)出現(xiàn)頻繁上電時(shí)復(fù)位電壓“下不去”的情況。

（a）
（b）

（c）
圖3 微分型高電平不可靠復(fù)位及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

這個(gè)“不起眼”的D1為電容C1在掉電情況下提供了一條迅速泄放電荷的通道，這樣一來(lái)就可以保證在電源頻繁波動(dòng)或者周期性上電情況下的正常復(fù)位。有的朋友可能要說了，這個(gè)復(fù)位波形看起來(lái)還是很“怪異”?。‰m說是高電平復(fù)位波形，但是看起來(lái)和“毛刺”一樣，就不能通過什么電路把復(fù)位信號(hào)搞成類似于高低電平的波形樣式嗎？

當(dāng)然也是可以的，我們?cè)侔央娐穬?yōu)化一次。添加三極管和二極管進(jìn)去，最終搭建出一種閾值電壓比較型高電平復(fù)位電路如圖4（a）所示。電路的目的就是構(gòu)造一個(gè)“復(fù)位閾值電壓比較器”，電路中的穩(wěn)壓二極管D1（實(shí)際選用3.3V穩(wěn)壓管）和開關(guān)二極管D2（實(shí)際選用1N4148，導(dǎo)通壓降為0.6V左右）決定了復(fù)位信號(hào)的電平閾值，大致就是3.3V+0.6V=3.9V左右（朋友們也可以更替D1的穩(wěn)壓參數(shù)構(gòu)成更多復(fù)位閾值）。

電路中的三極管Q1及外圍電路構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器電路，當(dāng)電源波動(dòng)的時(shí)候也可以有效的根據(jù)閾值比較完成復(fù)位動(dòng)作。R2的大小可以改變輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，R1和C2一起決定了復(fù)位延時(shí)的長(zhǎng)度，C1是為了抑制和旁路電源中的高頻噪聲。該電路上電后的復(fù)位波形如圖4（b）所示，這樣的波形總算是“漂亮”了。

（a）

（a）
圖4 一種閾值電壓比較型高電平復(fù)位電路原理圖

雖說圖4（b）所示波形的高電平末端有個(gè)向上的小“凸起”，但這并不影響復(fù)位信號(hào)的有效性，因?yàn)閺?fù)位電壓只要在1.6V以上就滿足高電平復(fù)位系列單片機(jī)的復(fù)位要求了，如果有朋友和小宇老師一樣是個(gè)“強(qiáng)迫癥”，那您也可以微調(diào)R1和C2的取值去優(yōu)化波形。

基于圖4（a）所示的高電平復(fù)位電路，我們也可以稍加變形做成如圖5（a）所示的“低電平復(fù)位電路”，該電路適用于低電平復(fù)位的單片機(jī)。該電路上電后的復(fù)位波形如圖5（b）所示，該波形相當(dāng)于圖4（b）的取反波形。

（a）

（a）
圖5 一種閾值電壓比較型低電平復(fù)位電路原理圖

由此可見，小電路也有很多講究。此處的改進(jìn)只是拋磚引玉，朋友們別被“拋出去的磚”砸暈了，復(fù)位電路還存在很多改進(jìn)電路和一些實(shí)際問題，希望讀者朋友們可以自行延展，單片機(jī)復(fù)位端口處還可并聯(lián)0.01至0.1uF的瓷片電容，以抑制電源高頻噪聲干擾或配置施密特觸發(fā)器電路，進(jìn)一步的提高單片機(jī)對(duì)串入噪聲的抑制。

可能有的朋友還是不滿意這種RC充放電電路產(chǎn)生的復(fù)位波形，能不能有什么電路或者器件使用簡(jiǎn)單又能產(chǎn)生類似方波一樣的復(fù)位波形呢？答案是肯定的，想要高可靠復(fù)位單元可以選擇專用的復(fù)位監(jiān)控芯片。如飛利浦半導(dǎo)體、美信半導(dǎo)體公司均有此類產(chǎn)品，這些芯片的體積小、功耗低、門檻電壓可選。

集成度的提高使抗干擾能力和溫度適應(yīng)性都得到了大幅提高，可以保證系統(tǒng)在不同的異常條件下進(jìn)行可靠的復(fù)位。其原理其實(shí)是通過確定的電壓閾值啟動(dòng)復(fù)位操作，同時(shí)排除瞬間干擾的影響，又有防止單片機(jī)在電源啟動(dòng)和關(guān)閉期間的誤操作效果，以保證程序的正常執(zhí)行。

我們以美信公司生產(chǎn)的MAX810這款高電平復(fù)位電路專用芯片為例，搭建如圖6（a）所示電路，上電后測(cè)量“Reset”電氣網(wǎng)絡(luò)可以得到如圖6（b）所示波形，這個(gè)波形就堪稱“完美”了。

（a）

（a）
圖6 專用復(fù)位芯片MAX810電路及復(fù)位波形

常見的低電平復(fù)位電路有MAX705、MAX706、MAX809、MAX811等器件。高電平復(fù)位電路有MAX810、MAX812等器件。而MAX707、MAX708、MAX813L等器件同時(shí)有高、低電平復(fù)位輸出信號(hào)和看門狗輸出，在實(shí)際產(chǎn)品中經(jīng)常會(huì)看到它們，需要注意的是，不同芯片的復(fù)位脈沖時(shí)間不一樣，但是一般都可以達(dá)到100至200ms左右，完全滿足常見處理器對(duì)復(fù)位時(shí)間的需求，有的芯片還支持復(fù)位閾值設(shè)定、備份電池切換、看門狗定時(shí)器、門限值檢測(cè)器、復(fù)位脈沖極性選擇等更為高級(jí)的功能，此處就留給讀者朋友們自行去研究了。

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審核編輯 黃宇