第8章 可靠性PPT讲稿.ppt

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1、第8章 可靠性第1页，共72页，编辑于2022年，星期一 智能仪表除了具有优良的性能智能仪表除了具有优良的性能(如精度、量程如精度、量程)、强大的功能、强大的功能(如显示、可操作性、信号输出如显示、可操作性、信号输出)及较低的成本外，从应用的角及较低的成本外，从应用的角度度可靠性是最重要的指标可靠性是最重要的指标。可靠性不高。可靠性不高-仪表故障维修、仪表故障维修、无法正常生产、损坏相关设备、危及人身安全。无法正常生产、损坏相关设备、危及人身安全。可靠性技术是涉及面广泛的综合性技术，可靠性可靠性技术是涉及面广泛的综合性技术，可靠性贯穿于产品的贯穿于产品的设计、制造、使用维护的整个过程。设计、制

2、造、使用维护的整个过程。研制阶段的可靠性研制阶段的可靠性从三个方面考虑：从三个方面考虑：a减少因设计和制造带来的不可靠因素；减少因设计和制造带来的不可靠因素；b抗干扰技术，干扰是影响系统可靠性主要因素；抗干扰技术，干扰是影响系统可靠性主要因素；c系统的容错性设计，当影响系统可靠性的事件发生时，系统系统的容错性设计，当影响系统可靠性的事件发生时，系统如何避免和减少损失。如何避免和减少损失。第2页，共72页，编辑于2022年，星期一8.1 8.1 可靠性设计基础可靠性设计基础一、可靠性的基本概念一、可靠性的基本概念 分析仪表的可靠性，用统计规律去描述系统随机出现分析仪表的可靠性，用统计规律去描述系

3、统随机出现的故障，统计方法来描述维修时间的长短，定量的可靠性的故障，统计方法来描述维修时间的长短，定量的可靠性指标。指标。1 1、可靠度、可靠度 可靠率指在可靠率指在规定条件下规定条件下和和规定时间内规定时间内智能仪表完成所规定智能仪表完成所规定任务的成功率。任务的成功率。可靠率可靠率R(t)：R(t)=S(t)/N 不可靠率不可靠率Q(t)：Q(t)=F(t)/N第3页，共72页，编辑于2022年，星期一 2 2、失效率、失效率（故障率）指智能仪表运行到指智能仪表运行到t时刻后单位时间内发生故障的仪表台数时刻后单位时间内发生故障的仪表台数与与t时刻完好仪表台数之比。时刻完好仪表台数之比。失效

4、率失效率(t)：(t)=NR(t)-R(t+t)/NR(t)*t 将上式写成微分形式得：将上式写成微分形式得：可见其符合指数规律。当某一时间的可靠性可见其符合指数规律。当某一时间的可靠性R(t)已知时已知时失效率可用下式计算：失效率可用下式计算：=/T，智能仪器的平均失效率与元，智能仪器的平均失效率与元器件失效有相同的变化规律，其器件失效有相同的变化规律，其“浴盆曲线浴盆曲线”如图。如图。对上式积分得：对上式积分得：第4页，共72页，编辑于2022年，星期一仪表系统典型的失效率曲线仪表系统典型的失效率曲线(a)(a)经典浴盆曲线经典浴盆曲线 (b)(b)新浴盆曲线新浴盆曲线 第5页，共72页，

5、编辑于2022年，星期一 只要知道产品的失效率，就很容易获得平均故障间隔只要知道产品的失效率，就很容易获得平均故障间隔时间时间MTBF。由上式可得到：由上式可得到：3 3、平均故障间隔时间、平均故障间隔时间 平均故障间隔时间平均故障间隔时间MTBF用来描述可修复的仪表；平均无故障用来描述可修复的仪表；平均无故障时间时间MTTF用于描述不可修复的仪表。它与可靠率用于描述不可修复的仪表。它与可靠率R(t)之间的关系为：之间的关系为：第6页，共72页，编辑于2022年，星期一可用性可用性-仪表能按要求正仪表能按要求正常工作的概率，也就是仪器常工作的概率，也就是仪器的使用效率。可用性的使用效率。可用性

6、A与与MTBF和和MTTR之间的关系之间的关系为：为：4 4、平均修复时间和可用性、平均修复时间和可用性 平均修复时间平均修复时间MTTR：第7页，共72页，编辑于2022年，星期一二、影响可靠性的因素二、影响可靠性的因素影响可靠性的因素统称为干扰，有外部和内部。影响可靠性的因素统称为干扰，有外部和内部。1 1、外部干扰、外部干扰 如图示。如图示。第8页，共72页，编辑于2022年，星期一 电网干扰：电网干扰：电网的高次谐波、尖峰脉冲，电压大幅波动等电网的高次谐波、尖峰脉冲，电压大幅波动等形成干扰。形成干扰。空间电磁干扰：空间电磁干扰：电场、磁场、电磁波、雷电、辐射射线通电场、磁场、电磁波、雷

7、电、辐射射线通过各种耦合途径进入仪表，特别是大功率电动设备。过各种耦合途径进入仪表，特别是大功率电动设备。操作失误干扰：操作失误干扰：设计存在不足误操作可能造成严重后果，设计存在不足误操作可能造成严重后果，影响正常使用。影响正常使用。环境理化干扰：环境理化干扰：温度、湿度、压力、腐蚀气体、风沙尘土对仪温度、湿度、压力、腐蚀气体、风沙尘土对仪表性能和寿命的影响。表性能和寿命的影响。机械振动干扰：机械振动干扰：安装在塔、架、管道上及安装运输过程的仪表，安装在塔、架、管道上及安装运输过程的仪表，振动影响其性能和寿命。振动影响其性能和寿命。第9页，共72页，编辑于2022年，星期一2 2、内部干扰、内

8、部干扰 元器件失效：元器件失效：各种各样的元器件都有自己的失效率，是各种各样的元器件都有自己的失效率，是不可避免的。可不可避免的。可筛选元件、改善制造工艺筛选元件、改善制造工艺、选用大规模集成电路选用大规模集成电路降低失效率。降低失效率。内部电磁干扰：内部电磁干扰：内部各单元间、内部各单元间、信号线间、信号线与信号线间、信号线与电源、地间不可避免存在电磁干扰。电源、地间不可避免存在电磁干扰。电气互联故障干扰：电气互联故障干扰：器件、单元间电器上的互联，如焊、器件、单元间电器上的互联，如焊、接插件、信号线影响仪表可靠性，维修时应首先检查此类故接插件、信号线影响仪表可靠性，维修时应首先检查此类故障

9、。障。软件故障干扰：软件故障干扰：软件设计不周密使在某特殊情况下不能软件设计不周密使在某特殊情况下不能正确处理，电磁干扰和错误操作都以软件故障形式表现出来。正确处理，电磁干扰和错误操作都以软件故障形式表现出来。第10页，共72页，编辑于2022年，星期一四、方案设计时可靠性的原则四、方案设计时可靠性的原则 仪表系统的方案：仪表系统的方案：根据性能指标、功能要求确定系统根据性能指标、功能要求确定系统结构形式、软硬件分工、具体硬件形式等。结构形式、软硬件分工、具体硬件形式等。方案基本决定方案基本决定了系统的可靠性了系统的可靠性。遵循以下原则：遵循以下原则：1 1、简化方案：、简化方案：在满足性能指

10、标、功能的前提下，在满足性能指标、功能的前提下，减少元减少元器件、简化结构器件、简化结构就降低了失效率。但提高可靠性的如抗干扰、就降低了失效率。但提高可靠性的如抗干扰、容错、冗余设计是必要的。容错、冗余设计是必要的。2 2、避免片面高性能和多功能：、避免片面高性能和多功能：在现有技术条件下，注意处在现有技术条件下，注意处理好理好高指标、多功能和可靠性高指标、多功能和可靠性的关系。的关系。第11页，共72页，编辑于2022年，星期一 3 3、合理划分软硬件功能：、合理划分软硬件功能：软件具有硬件无法比拟的功能，不存软件具有硬件无法比拟的功能，不存在失效性，应在失效性，应以软代硬以软代硬。但软件负

11、担过重，。但软件负担过重，CPUCPU时间资源不允许，时间资源不允许，开发的难度增大不易保证软件的可靠性。可使用开发的难度增大不易保证软件的可靠性。可使用可编程芯片可编程芯片，简化硬件提高可靠性。简化硬件提高可靠性。4 4、数字代模拟电路：、数字代模拟电路：数字电路稳定性好、抗干扰能力强、数字电路稳定性好、抗干扰能力强、易集成制造、易标准化设计；多采用易集成制造、易标准化设计；多采用集成度高的数字芯片集成度高的数字芯片，密封，密封好、焊点少、失效率低。好、焊点少、失效率低。5 5、变被动为主动：、变被动为主动：方案设计时，方案设计时，对易遭受干扰的环节主动采对易遭受干扰的环节主动采取可靠性保障

12、措施取可靠性保障措施，以免出现问题时被动应付。抗干扰技术和容错，以免出现问题时被动应付。抗干扰技术和容错技术是重要的主动措施。技术是重要的主动措施。第12页，共72页，编辑于2022年，星期一一、元器件选用一、元器件选用 1 1、分立半导体器件的选用、分立半导体器件的选用 主要考虑电压应力、电流应力、工作频率、型号互换。主要考虑电压应力、电流应力、工作频率、型号互换。电压应力电压应力:指器件承受电压的极限值，如过压会出现指器件承受电压的极限值，如过压会出现瞬时击穿和瞬时击穿和永久性击穿永久性击穿。器件性能的分散性和感性负载易造成击穿。器件性能的分散性和感性负载易造成击穿。电流应力电流应力:指器

13、件承受的最大电流。电流大时器件指器件承受的最大电流。电流大时器件超过允许温度超过允许温度将将失效。对功率器件降低等级使用、散热措施。失效。对功率器件降低等级使用、散热措施。工作频率工作频率:器件频率应合适，工作频率超过上限频率则器件频率应合适，工作频率超过上限频率则性性能下降或失效能下降或失效，高频器件低频工作，高频器件低频工作噪声系数将增大噪声系数将增大。型号互换型号互换:器件互换性强，互换器件互换性强，互换参数应匹配参数应匹配。8.2 8.2 元器件的可靠性元器件的可靠性第13页，共72页，编辑于2022年，星期一 2 2、电阻和电位器选用、电阻和电位器选用 按材料分：按材料分：合金型、薄

14、膜型、合成型。合金型、薄膜型、合成型。阻值稳定性：阻值稳定性：材料老化阻值缓慢变化，受温度影响阻值材料老化阻值缓慢变化，受温度影响阻值变化。精密电路中温漂系数很重要。变化。精密电路中温漂系数很重要。工作频率：工作频率：高频工作时，参数受分布电容、趋肤效应、介高频工作时，参数受分布电容、趋肤效应、介质损耗、引线电感等影响。质损耗、引线电感等影响。功率：功率：承受的功率超过额定值时，会因温度升高而失效，可降承受的功率超过额定值时，会因温度升高而失效，可降额使用。额使用。噪声：噪声：微弱信号电路中，噪声值得重视。微弱信号电路中，噪声值得重视。特点：特点：同类电位器比电阻的性能和可靠性差同类电位器比电

15、阻的性能和可靠性差，失效率大，失效率大10100倍，故少用、采取容错措施（开路、短路）；倍，故少用、采取容错措施（开路、短路）；性能为性能为：高高碳膜碳膜金属膜金属膜精密合金箔电阻精密合金箔电阻低低；绕线电阻稳定性最好绕线电阻稳定性最好，用于，用于精密测量中。精密测量中。第14页，共72页，编辑于2022年，星期一 3 3、电容器选用、电容器选用 介质不同分：无机、有机、电解介质三类。介质不同分：无机、有机、电解介质三类。频率范围：频率范围：电容工作在交流状态，存在固有的谐振频率（自身、电容工作在交流状态，存在固有的谐振频率（自身、引线电感），须引线电感），须工作频率小于谐振频率工作频率小于谐

16、振频率，介质限制了频率，没有高，介质限制了频率，没有高低频特性都好的电容器。低频特性都好的电容器。高频用瓷、云母介质高频用瓷、云母介质；中频用有机聚合物介中频用有机聚合物介质质；低频用电解介质低频用电解介质。容量稳定性：容量稳定性：温度和制造工艺影响稳定性。温度和制造工艺影响稳定性。聚苯乙烯最好聚苯乙烯最好；高高频云母优于瓷介质频云母优于瓷介质；低频胆介质优于铝电解低频胆介质优于铝电解。噪声性能：噪声性能：漏电产生噪声，损耗角正切值小的电容噪声小。漏电产生噪声，损耗角正切值小的电容噪声小。电解电容噪声最大电解电容噪声最大。电压负荷：电压负荷：随着频率增大承受的电压下降随着频率增大承受的电压下降

17、。承受电压。承受电压高高无机无机聚合物聚合物电解电解低低。承受功率：承受功率：电源滤波中应考虑功率问题。电源滤波中应考虑功率问题。电容对电路性能和可靠性影响大的多，容易失效电容对电路性能和可靠性影响大的多，容易失效。第15页，共72页，编辑于2022年，星期一 4 4、集成芯片选择、集成芯片选择 集成芯片性能优越、稳定性好、分散性小、可靠性高，所以应集成芯片性能优越、稳定性好、分散性小、可靠性高，所以应优先选用。分为模拟和数字芯片。优先选用。分为模拟和数字芯片。数字芯片：数字芯片：实现功能、速度、电压范围、信号状态与电平阈值、实现功能、速度、电压范围、信号状态与电平阈值、关门电阻、扇出系数、最

18、高工作功率、单门延时、噪声容限、工作温关门电阻、扇出系数、最高工作功率、单门延时、噪声容限、工作温度范围、功耗、封装形式。度范围、功耗、封装形式。选择：选择：首先是首先是合适级别合适级别的产品，其次重要指标是的产品，其次重要指标是速度和功耗速度和功耗。74LS器件速度较快，功耗较大；器件速度较快，功耗较大；CMOS器件电源范围宽，抗干器件电源范围宽，抗干扰性好，功耗低，速度较慢；扰性好，功耗低，速度较慢；74HC具有具有74LS高速和高速和CMOS低功低功耗。耗。超大规模超大规模芯片（芯片（CPU、可编程）应选用低功耗的、可编程）应选用低功耗的CMOS类。类。第16页，共72页，编辑于2022

19、年，星期一 模拟芯片：模拟芯片：实现功能、单电源实现功能、单电源/双电源、电压范围、功双电源、电压范围、功耗、输入电阻、输入信号电压幅值、输出电阻、输出功率、耗、输入电阻、输入信号电压幅值、输出电阻、输出功率、截至频率、增益、共模拟制比、线性度、噪声系数、温度漂截至频率、增益、共模拟制比、线性度、噪声系数、温度漂移、封装形式等。模拟芯片重点是移、封装形式等。模拟芯片重点是精度和稳定性精度和稳定性，影响因素特，影响因素特别多，故尽量选数字芯片。别多，故尽量选数字芯片。总的应遵循的原则：总的应遵循的原则：a.对品种、规格、型号、厂家要对品种、规格、型号、厂家要优选、定点优选、定点供应，减少分供应，

20、减少分散性。散性。b.详细了解器件性能参数，保证工作在详细了解器件性能参数，保证工作在额定值内额定值内。c.尽可能压缩品种、规格，提高尽可能压缩品种、规格，提高复用率复用率。d.优先选用优先选用大规模、数字大规模、数字集成芯片。集成芯片。第17页，共72页，编辑于2022年，星期一 筛选：筛选：从一批元器件中选出可靠性高的，淘汰有潜在缺陷的从一批元器件中选出可靠性高的，淘汰有潜在缺陷的器件，提高仪表器件级的可靠性。器件，提高仪表器件级的可靠性。1 1、元器件失效的特点、元器件失效的特点 元器件在制造时，因材料、工艺、设备的波动和人为因素，元器件在制造时，因材料、工艺、设备的波动和人为因素，总有

21、部分成品存在总有部分成品存在二、元器件筛选二、元器件筛选潜在缺陷潜在缺陷，寿命远低于同批产，寿命远低于同批产品的平均寿命。品的平均寿命。实验得到实验得到失效率的分布曲失效率的分布曲线线：早期失效率高是潜在缺陷引：早期失效率高是潜在缺陷引起；正常使用失效率很低，大于起；正常使用失效率很低，大于MTBF；老化导致失效。；老化导致失效。第18页，共72页，编辑于2022年，星期一2 2、元器件筛选、元器件筛选 筛选是留用寿命长、离散性小的元器件。筛选是留用寿命长、离散性小的元器件。筛选方案：筛选方案：根据不同器件的失效模式和机理制定筛选项目、根据不同器件的失效模式和机理制定筛选项目、应力施加条件、筛

22、选尺度等。应力施加条件、筛选尺度等。筛选设备：筛选设备：专用设备专用设备价高、利用率低，难具备此条件。价高、利用率低，难具备此条件。基本基本条件条件高温存储、功率老化、关键指标测试、比较。高温存储、功率老化、关键指标测试、比较。委托筛选委托筛选可靠可靠性要求极高，无法完成可委托专门机构进行。性要求极高，无法完成可委托专门机构进行。效益：效益：筛选要付出人力、物力、财力、时间，淘汰等品又筛选要付出人力、物力、财力、时间，淘汰等品又增加成本，但增加成本，但统计表明统计表明：如工业品元器件筛选损失：如工业品元器件筛选损失30元，不筛选时，元，不筛选时，电路板调试时元件失效损失达电路板调试时元件失效损

23、失达190元、整机调试时元件的失效率损失达元、整机调试时元件的失效率损失达340元。可见筛选的重要。元。可见筛选的重要。第19页，共72页，编辑于2022年，星期一三、降额设计三、降额设计 降额设计：降额设计：器件的额定参数乘小于器件的额定参数乘小于1的系数后使用。降低元的系数后使用。降低元器件承受的应力，考虑了器件参数的分散性、工作环境变化等器件承受的应力，考虑了器件参数的分散性、工作环境变化等因素。根据不同器件失效模型对因素。根据不同器件失效模型对主要应力进行降额主要应力进行降额。1 1、电阻、电阻 对与工作环境温度相关的对与工作环境温度相关的功率降额功率降额。当低于。当低于65度时系数取

24、度时系数取0.10.6。小于。小于0.1反而不利驱潮气，失效率增大。反而不利驱潮气，失效率增大。2 2、电容器、电容器 对对电压降额电压降额。工作电压应是交流峰值与直流电压之和，一般。工作电压应是交流峰值与直流电压之和，一般系数小于系数小于0.6，温度低于，温度低于50度（特别是电解电容）。度（特别是电解电容）。第20页，共72页，编辑于2022年，星期一 3 3、半导体器件、半导体器件 一般要求温度低于一般要求温度低于50度，系数取度，系数取0.6。晶体管和稳压管：晶体管和稳压管：系数系数=实际功耗实际功耗/25度额定功耗。度额定功耗。二极管和可控硅：二极管和可控硅：系数系数=平均正向电流平

25、均正向电流/25度额定电流。度额定电流。光电器件：光电器件：系数系数=平均正向电流平均正向电流/25度额定正向电流，并乘以最度额定正向电流，并乘以最大允许结温的系数。大允许结温的系数。4 4、微处理器和总线、微处理器和总线 微处理器的主频：微处理器的主频：主频高工作速度高，但主频高功耗增加、传输主频高工作速度高，但主频高功耗增加、传输线不能太长、总线容性负载能力下降，接近最高主频时可靠性降低。故线不能太长、总线容性负载能力下降，接近最高主频时可靠性降低。故在满足要求时，对最高频率采取降额设计。在满足要求时，对最高频率采取降额设计。总线负载：总线负载：一般系统采用总线结构，考虑负载引起信号电平和

26、边沿变一般系统采用总线结构，考虑负载引起信号电平和边沿变化，负载和连线分布电容引起信号延迟和畸变，总线负载的降额系数应小化，负载和连线分布电容引起信号延迟和畸变，总线负载的降额系数应小于于0.6。加驱动器也要降额。加驱动器也要降额。第21页，共72页，编辑于2022年，星期一8.3 8.3 电磁兼容性设计电磁兼容性设计 智能仪表智能仪表最常见最直接的干扰是电磁干扰最常见最直接的干扰是电磁干扰，不管来自内部，不管来自内部还是外部，都会影响测量精度或系统无法正常工作。还是外部，都会影响测量精度或系统无法正常工作。消除或消除或减弱电磁干扰减弱电磁干扰，使仪表在电磁干扰环境中能正常工作，即，使仪表在电

27、磁干扰环境中能正常工作，即电磁兼电磁兼容设计容设计。一、电磁干扰的分析一、电磁干扰的分析 产生电磁干扰须具备三个产生电磁干扰须具备三个条件条件：干扰源干扰源、传输或耦合通道传输或耦合通道、敏感接受单元敏感接受单元。1 1、干扰种类、干扰种类 从干扰源和传播方式的不同分从干扰源和传播方式的不同分5类。类。第22页，共72页，编辑于2022年，星期一 静电干扰：静电干扰：通过通过电容效应耦合电容效应耦合的静电场干扰。如仪表周围设的静电场干扰。如仪表周围设备聚集电荷的泄放、电场通过寄生电容的耦合等。备聚集电荷的泄放、电场通过寄生电容的耦合等。磁场耦合干扰：磁场耦合干扰：仪表相邻的仪表相邻的电流线路产

28、生的磁场电流线路产生的磁场对仪表电路对仪表电路的耦合造成的干扰。如动力线、电机、继电器。的耦合造成的干扰。如动力线、电机、继电器。电磁辐射干扰：电磁辐射干扰：仪表所处仪表所处空间电磁波空间电磁波引起的干扰。如电器引起的干扰。如电器设备和开关产生的电火花、无线电磁辐射、闪电等。设备和开关产生的电火花、无线电磁辐射、闪电等。共阻抗干扰：共阻抗干扰：仪表内部电路各部分的仪表内部电路各部分的公共连线分布电阻、电公共连线分布电阻、电容、电感容、电感产生的附加噪声干扰。对高频瞬变信号影响很严重。产生的附加噪声干扰。对高频瞬变信号影响很严重。直接传输干扰：直接传输干扰：干扰信号直接通过干扰信号直接通过电源、

29、信号线传入电源、信号线传入电路引电路引起的干扰。通过传感器、执行机构、电源、单元间绝缘电阻下降产起的干扰。通过传感器、执行机构、电源、单元间绝缘电阻下降产生漏电流等。生漏电流等。第23页，共72页，编辑于2022年，星期一 2 2、常见干扰传播途径、常见干扰传播途径智能仪表的电磁干扰智能仪表的电磁干扰电磁辐射及磁场耦电磁辐射及磁场耦合合地回路电流地回路电流共共阻抗阻抗漏电流耦合漏电流耦合电网高次谐波电网高次谐波线线间寄生电容间寄生电容总线间总线间耦合耦合电源尖峰电源尖峰传输反射传输反射工作电流工作电流脉动脉动变压器漏磁变压器漏磁动力线分布电容耦合。动力线分布电容耦合。去掉干扰形成的条件去掉干扰

30、形成的条件之一，就消除电磁干扰。之一，就消除电磁干扰。第24页，共72页，编辑于2022年，星期一二、电源抗干扰设计二、电源抗干扰设计 供电线路是干扰主要入侵途径，微机对电源干扰又非常供电线路是干扰主要入侵途径，微机对电源干扰又非常敏感。设计抗干扰的直流稳压电源敏感。设计抗干扰的直流稳压电源常用措施常用措施：1 1、微机系统与产生干扰设备分开供电、微机系统与产生干扰设备分开供电 与大功率设备分开供电，避免动力线上电压波动、尖峰、与大功率设备分开供电，避免动力线上电压波动、尖峰、谐波干扰，照明线路相对干扰小些。谐波干扰，照明线路相对干扰小些。低功耗仪表用电池供电。低功耗仪表用电池供电。不能分开供

31、电的机电一体化设备，使用抗干扰性能良好的不能分开供电的机电一体化设备，使用抗干扰性能良好的电源。电源。第25页，共72页，编辑于2022年，星期一2 2、抗干扰电源设计、抗干扰电源设计 采取措施：采取措施：LC低通滤波：低通滤波：吸收电网尖峰电流和高次谐波；吸收电网尖峰电流和高次谐波；隔离变压器：隔离变压器：阻断初次级干扰；阻断初次级干扰；整流元件并电容：整流元件并电容：消弱通断时的消弱通断时的高频干扰，保护整流元件；高频干扰，保护整流元件；滤波电容：滤波电容：滤掉干扰（瓷片滤高频、滤掉干扰（瓷片滤高频、电解滤低频）。电解滤低频）。不必设计，不必设计，直接选用高性能电源直接选用高性能电源。第2

32、6页，共72页，编辑于2022年，星期一 3 3、供电线路抗干扰、供电线路抗干扰 消除供电线路和芯片产生的次生电源干扰。消除供电线路和芯片产生的次生电源干扰。模块级独立供电：模块级独立供电：对模拟单元、数字单元、功能模块独立供电，对模拟单元、数字单元、功能模块独立供电，减少公共阻抗间的耦合干扰及模块间电源形成的耦合干扰，功耗分减少公共阻抗间的耦合干扰及模块间电源形成的耦合干扰，功耗分散提高稳压性能。散提高稳压性能。布设电源、地线：布设电源、地线：布线及安排各单元时，把大功率单元紧邻电布线及安排各单元时，把大功率单元紧邻电源输出，按功率由大到小排开。源输出，按功率由大到小排开。电源与地线间设退耦

33、电容：电源与地线间设退耦电容：各级电源与地线间、数字芯片电源各级电源与地线间、数字芯片电源与地线间均设退耦电容，消除数字芯片工作时脉动电流通过电源内阻与地线间均设退耦电容，消除数字芯片工作时脉动电流通过电源内阻和线路产生的高频干扰，选用和线路产生的高频干扰，选用0.010.1的瓷片或独石电容。的瓷片或独石电容。第27页，共72页，编辑于2022年，星期一 4 4、接地、接地 合理的接地可拟制干扰，否则产生干扰甚至损坏仪表。合理的接地可拟制干扰，否则产生干扰甚至损坏仪表。一点接地：一点接地：实际地线存在分布电阻实际地线存在分布电阻，产生压降，造成干扰。产生压降，造成干扰。当各单元电流不太大、频率

34、不高时，若当各单元电流不太大、频率不高时，若I1 I2 I3按图示单元布按图示单元布置，用置，用串联一点接地方式串联一点接地方式；各单元电流很大，用；各单元电流很大，用并联一点接地方并联一点接地方式式。第28页，共72页，编辑于2022年，星期一 模拟与数字地分开：模拟与数字地分开：在接近电源处连接，避免数字电路工在接近电源处连接，避免数字电路工作时突变电流通过地线对模拟量的干扰。作时突变电流通过地线对模拟量的干扰。交直流地分开：交直流地分开：交流工作地线当地线使用后果严重。交流工作地线当地线使用后果严重。弱电的接地悬浮于机柜：弱电的接地悬浮于机柜：浮地使弱电部分免受其它的干扰，浮地使弱电部分

35、免受其它的干扰，机柜接地电磁屏蔽作用好。机柜接地电磁屏蔽作用好。高频多点接地：高频多点接地：电路频率大于电路频率大于10MHz的高频信号，地线太长感抗大，的高频信号，地线太长感抗大，信号向外辐射形成干扰，单元就近接地，信号向外辐射形成干扰，单元就近接地，抑制干扰。抑制干扰。地线加宽：地线加宽：加宽大面积地线，加宽大面积地线，分布阻抗小，同时起屏蔽作用拟制干分布阻抗小，同时起屏蔽作用拟制干扰。空隙处布设地线、容易耦合的信扰。空隙处布设地线、容易耦合的信号线中间布地线。号线中间布地线。第29页，共72页，编辑于2022年，星期一 三、屏蔽与接地三、屏蔽与接地 屏蔽：屏蔽：将仪表或部分单元用导电或导

36、磁材料包围起来将电将仪表或部分单元用导电或导磁材料包围起来将电磁干扰屏蔽在外，将屏蔽层接地而不形成干扰。主要有静电屏蔽磁干扰屏蔽在外，将屏蔽层接地而不形成干扰。主要有静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。、磁屏蔽、电磁屏蔽。1 1、静电屏蔽：、静电屏蔽：把仪表或单元和外部电路把仪表或单元和外部电路因分布电容泄漏的能量因分布电容泄漏的能量而产生的干扰，由屏蔽层短接入地，屏蔽材料必须用导电性能良而产生的干扰，由屏蔽层短接入地，屏蔽材料必须用导电性能良好的铜、铝、钢板。好的铜、铝、钢板。2 2、磁屏蔽：、磁屏蔽：把仪表或单元用导磁材料包围起来，屏蔽层接地，把仪表或单元用导磁材料包围起来，屏蔽层接地，消除消除低

37、频磁场干扰低频磁场干扰。材料用高导磁率的铁镍合金、钢、铁，可双层。材料用高导磁率的铁镍合金、钢、铁，可双层屏蔽，要密封连接好。屏蔽，要密封连接好。第30页，共72页，编辑于2022年，星期一 3 3、电磁屏蔽：、电磁屏蔽：把仪表或单元和外部把仪表或单元和外部高频磁场的辐射干扰高频磁场的辐射干扰源用源用金属材料屏蔽，屏蔽材料要按照吸收损耗、界面反射损耗、内金属材料屏蔽，屏蔽材料要按照吸收损耗、界面反射损耗、内部反射损耗之和最大的原则确定材质和厚度。部反射损耗之和最大的原则确定材质和厚度。4 4、屏蔽传输：、屏蔽传输：弱信号必须采用屏蔽传输，拟制弱信号必须采用屏蔽传输，拟制静电感应干扰静电感应干扰

38、，材，材料用双绞线、双绞屏蔽线。料用双绞线、双绞屏蔽线。5 5、注意：、注意：屏蔽层必须且只能与信号的屏蔽层必须且只能与信号的参考点一处接地参考点一处接地；相相同接地参考点的电路单元必须全部在同接地参考点的电路单元必须全部在同一个屏蔽层内同一个屏蔽层内；不同接不同接地参考点地参考点 的电路单元必须分别的电路单元必须分别屏蔽层屏蔽层。第31页，共72页，编辑于2022年，星期一四、抗串模干扰措施四、抗串模干扰措施 1 1、隔离技术、隔离技术 光电隔离器光电隔离器是智能仪表中最常用的隔离器件，是发光器件和光敏器是智能仪表中最常用的隔离器件，是发光器件和光敏器件组成的件组成的能量传输器件能量传输器件

39、，一般，一般传输通道串入传输通道串入系统的干扰尽管幅值大但系统的干扰尽管幅值大但能量小，具有较好的能量小，具有较好的抗感应干扰抗感应干扰能力。用于输入、输出通道将微机与能力。用于输入、输出通道将微机与传感器、开关、执行器隔离。传感器、开关、执行器隔离。电磁隔离器件电磁隔离器件体积大、自身消耗功率大，使用受到限制如继电体积大、自身消耗功率大，使用受到限制如继电器、脉冲变压器等。器、脉冲变压器等。第32页，共72页，编辑于2022年，星期一 使用光电隔离器时使用光电隔离器时注意注意：光隔器件的前后通道须光隔器件的前后通道须用相互隔离的电源用相互隔离的电源，达到完全隔离；，达到完全隔离；普通光隔速度

40、远小于微机总线，普通光隔速度远小于微机总线，不能用总线直接连接进行不能用总线直接连接进行隔离隔离，用其它，用其它I/O口或选昂贵的超高速光隔；口或选昂贵的超高速光隔；被隔离设备应被隔离设备应与与CPU全部隔离全部隔离（数据、地址、控制线），为（数据、地址、控制线），为减少隔离器件则选串行输出、串行总线设备，如减少隔离器件则选串行输出、串行总线设备，如V/F、PWM、串行串行A/D、D/A等。等。注意具体细节：前、后信号传输是注意具体细节：前、后信号传输是同相位还是反相位同相位还是反相位，发光管，发光管是是常量还是常量还是常灭常灭，接受端是接受端是常高还是常高还是常低常低等。等。模拟信号用模拟信

41、号用线性光电隔离线性光电隔离器件，比数字隔离器减少，无法器件，比数字隔离器减少，无法实现高精度隔离，成本高。实现高精度隔离，成本高。第33页，共72页，编辑于2022年，星期一 2 2、硬件滤波电路、硬件滤波电路 RC低通滤波低通滤波是智能仪表经常使用的。一般采样信号是低频缓变、是智能仪表经常使用的。一般采样信号是低频缓变、干扰是高频交变，干扰是高频交变，RC消弱高频干扰消弱高频干扰，同时，同时保护信号处理电路保护信号处理电路不受不受冲击。冲击。增加了硬件，元件参数决定其通过信号的频率，灵活性差。所增加了硬件，元件参数决定其通过信号的频率，灵活性差。所以智能仪表中以智能仪表中硬件滤波和软件滤波

42、配合硬件滤波和软件滤波配合使用。使用。第34页，共72页，编辑于2022年，星期一 3 3、过压保护电路、过压保护电路 过压保护过压保护是限制输入输出通道产生是限制输入输出通道产生较高幅值的干扰信号较高幅值的干扰信号。保护。保护输入输出单元的器件和系统。输入输出单元的器件和系统。限流电阻：限流电阻：阻值太大信号衰减，太小保护不了稳压管；阻值太大信号衰减，太小保护不了稳压管；稳稳压管：压管：电压略高于传输电压，太大保护有漏洞，太小信号限幅电压略高于传输电压，太大保护有漏洞，太小信号限幅失真。失真。根据要求根据要求组成过压限幅组成过压限幅电路，如图（电路，如图（-0.75.7V）。）。第35页，共

43、72页，编辑于2022年，星期一 4 4、用高性能、用高性能A/DA/D 双积分、电荷平衡时双积分、电荷平衡时A/D对交变的串模对交变的串模干扰拟制效果好干扰拟制效果好，特别，特别是是A/D的积分周期为串模干扰周期的整数倍时效果最好。的积分周期为串模干扰周期的整数倍时效果最好。5 5、调制解调技术、调制解调技术 有效信号与干扰信号的频谱相互交错，硬件滤波无法分离。有效信号与干扰信号的频谱相互交错，硬件滤波无法分离。调制解调制解调：调：把把有效信号的频谱有效信号的频谱调制成调制成远离干扰信号的频谱远离干扰信号的频谱，在传输中混入的，在传输中混入的干扰信号容易被滤掉，再解调恢复原有效信号。干扰信号

44、容易被滤掉，再解调恢复原有效信号。6 6、数字信号用负逻辑、数字信号用负逻辑 负逻辑：负逻辑：定义定义低电平为有效信号低电平为有效信号，减少干扰引起的误动作。数字，减少干扰引起的误动作。数字电路输出低电平时内阻小，干扰对低阻抗影响小。电路输出低电平时内阻小，干扰对低阻抗影响小。第36页，共72页，编辑于2022年，星期一 共模干扰很容易作用于不对称单元，转化为串模干扰。拟共模干扰很容易作用于不对称单元，转化为串模干扰。拟制共模干扰由制共模干扰由测量通道引入的措施测量通道引入的措施：1 1、高质量差分放大器、高质量差分放大器 差分放大器差分放大器的输入对地平衡对称，高质量差放共模拟制比又的输入对

45、地平衡对称，高质量差放共模拟制比又高，有效消除共模干扰。高，有效消除共模干扰。2 2、平衡对称输入、平衡对称输入 输入正负端的对地阻抗不对称，用补偿措施使输入回路平衡对称，输入正负端的对地阻抗不对称，用补偿措施使输入回路平衡对称，共模干扰无法转变成串模干扰。共模干扰无法转变成串模干扰。3 3、线性光电耦合器、线性光电耦合器 线性光耦线性光耦把放大、采集通道隔离，切断共模干扰。把放大、采集通道隔离，切断共模干扰。五、抗共模干扰措施五、抗共模干扰措施第37页，共72页，编辑于2022年，星期一 智能仪表采用的是三总线结构，可靠性非常重要。智能仪表采用的是三总线结构，可靠性非常重要。1 1、线间串扰

46、、线间串扰 电路板上相邻线间因感应、地电流耦合、分布电容会影响相邻的电路板上相邻线间因感应、地电流耦合、分布电容会影响相邻的传输线。传输线。措施：措施：控制线间距离，不要过长平行布线，重要线间布地线，正控制线间距离，不要过长平行布线，重要线间布地线，正反面垂直布线。反面垂直布线。2 2、信号反射、信号反射 信号反射：信号反射：传输线上的负载与传输线特性阻抗不匹配时，信号在负传输线上的负载与传输线特性阻抗不匹配时，信号在负载上震荡，发生畸变。载上震荡，发生畸变。实验表明实验表明：信号：信号频率越高反射越严重频率越高反射越严重；频率为；频率为1M1M距离为距离为0.50.5米以上米以上时须考虑反射

47、的影响。时须考虑反射的影响。六、总线可靠性设计六、总线可靠性设计第38页，共72页，编辑于2022年，星期一 措施：措施：用总线驱动器用总线驱动器，首先，首先增加驱动电流增加驱动电流，反射不致影响负载的，反射不致影响负载的电平；其次虽然从寻址空间和理论上总线的驱动能力来说，总线上电平；其次虽然从寻址空间和理论上总线的驱动能力来说，总线上可以挂接很多设备，但一般采取可以挂接很多设备，但一般采取降额设计或增加驱动器降额设计或增加驱动器，提高总线，提高总线的驱动能力。的驱动能力。使总线终端负载匹配使总线终端负载匹配，消除反射现象。首先，消除反射现象。首先测传输阻抗测传输阻抗：加上信号调整加上信号调整

48、R R，输出波形畸变最小的电阻即特性阻抗；其次采用，输出波形畸变最小的电阻即特性阻抗；其次采用总线总线负载匹配电路负载匹配电路，使总线终端负载匹配，消除反射现象。，使总线终端负载匹配，消除反射现象。第39页，共72页，编辑于2022年，星期一双电阻终端负载匹配电路双电阻终端负载匹配电路参数用于总线阻抗为参数用于总线阻抗为90150 欧。欧。RC串联负载匹配电路串联负载匹配电路对高电平抗干扰能力不强。对高电平抗干扰能力不强。钳位二极管电路钳位二极管电路，对，对低电平有效。低电平有效。总线负载匹配电路总线负载匹配电路第40页，共72页，编辑于2022年，星期一8.4 8.4 软件抗干扰技术软件抗干

49、扰技术 CPU受干扰后，增强自身的抵御能力方面的措施；受干扰后，增强自身的抵御能力方面的措施；提高输入输出通道抗干扰能力。提高输入输出通道抗干扰能力。一、程序运行监视系统一、程序运行监视系统 即即看门狗看门狗WDTWDT（Watch Dog TimerWatch Dog Timer），是不断监视程序循环运），是不断监视程序循环运行时间，发现程序超过循环设定的时间，则强迫程序返回到复位行时间，发现程序超过循环设定的时间，则强迫程序返回到复位时的入口。时的入口。软硬件结合的抗程序跑飞、死循环或中断被干扰关闭的措施，软硬件结合的抗程序跑飞、死循环或中断被干扰关闭的措施，但有以软件为主、硬件为主、软硬

50、结合的措施。但有以软件为主、硬件为主、软硬结合的措施。第41页，共72页，编辑于2022年，星期一 1 1、硬件、硬件“看门狗看门狗”电路电路 单稳态型：单稳态型：采用采用74LS123双可再触发单稳态多谐振荡器组双可再触发单稳态多谐振荡器组成看门狗电路。功能表成看门狗电路。功能表看出看出：在清除端为：在清除端为1，A端负调变时，端负调变时，Q端由稳态端由稳态0变为变为1且一段时间后又进入稳态且一段时间后又进入稳态0，即输出一个，即输出一个正脉正脉冲冲。宽度由宽度由外外接的定时元件接的定时元件RC决定。当决定。当C 1000pF，脉，脉冲宽度为：冲宽度为：tw=0.45RC第42页，共72页，