智能仪器第六章课件.ppt

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1、第六章第六章 可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术主要内容：主要内容：一、干扰噪声的认识（三要素）一、干扰噪声的认识（三要素）干扰源干扰源 耦合途径耦合途径 接收器接收器 二、电磁耦合干扰分析方法二、电磁耦合干扰分析方法三、抑制技术与措施三、抑制技术与措施一、干扰噪声的认识一、干扰噪声的认识l干扰源：干扰源：本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源 电磁干扰，光电干扰，机械干扰（摩擦起电、导电磁干扰，光电干扰，机械干扰（摩擦起电、导体在磁场中运动、压电效应、震颤效应），其它噪体在磁场中运动、压电效应、震颤效应），其它噪声（电化学作用的化学湿电池，温度变化等）声（

2、电化学作用的化学湿电池，温度变化等）干扰源干扰源耦合通道耦合通道敏感接收器敏感接收器电子系统受到外部电磁干扰电子系统受到外部电磁干扰电力线电力线雷电雷电电台电台电视台电视台交流供电电路交流供电电路电动机电动机移动通讯移动移动通信通信设备设备天体电磁辐射天体电磁辐射电子设备的干扰对其它电路系统的影响电子设备的干扰对其它电路系统的影响传导传导噪声噪声电子系统内部不同电路单元之间电子系统内部不同电路单元之间相互影响的几种形式相互影响的几种形式电场耦合电场耦合磁场耦合磁场耦合公共阻抗公共阻抗三种耦合途径三种耦合途径l传导耦合传导耦合：通过导体（导线）将噪声耦合进电路通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。

3、中。最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。l公共阻抗耦合公共阻抗耦合：来自不同电路的电流流经一个公来自不同电路的电流流经一个公共阻抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。共阻抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。l电磁场耦合电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元只要电荷发生移动，所有的电路元件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐射。辐射。共共地地阻抗阻抗耦合耦合共共源源阻抗阻抗耦合耦合二、电磁场二、电磁场耦合耦合分析方法分析

4、方法电磁场麦克斯韦方程分析：三个空间变量电磁场麦克斯韦方程分析：三个空间变量（x，y，z）和时间（和时间（t）的函数，复杂的函数，复杂电路等效近似分析技术（集总参数元件）电路等效近似分析技术（集总参数元件）电容性耦合电容性耦合 ZiCmENUNAB互感耦合互感耦合 UNMIN漏电耦合漏电耦合 UNRmENBAZi低频电磁干扰的电路等效近似分析技术低频电磁干扰的电路等效近似分析技术（集总参数元件（集总参数元件,消除空间变量）消除空间变量）电场被限定在电容器内部：电场被限定在电容器内部：关注电压关注电压磁场被限定在电感器内部：磁场被限定在电感器内部：关注电流关注电流电路尺寸相对波长很小电路尺寸相对

5、波长很小AB导线是导线是50Hz的的220V电源线，电源线，Vi有效值有效值1.4mVC=2PFdu/dt=2V/s分布电容分布电容C=2PF近似可得近似可得IC du/dt=4ARi=10K,Vi=40mV电流电流磁场磁场电磁感应电磁感应互感模型互感模型:v=Mdi/dt 高频电磁辐射耦合高频电磁辐射耦合l电磁波波长电磁波波长:=波速波速V/频率频率f，波速与传播介质有关；波速与传播介质有关；在空气中大约在空气中大约3108m/s，1MHz信号的波长信号的波长300m，1GHz，=0.3m.近场和远场近场和远场:源、介质、距离源、介质、距离r=/2为为分界点分界点近近场场感应场感应场远远场场

6、辐射场辐射场l波阻抗：Z=E/H，在远场条件远场条件下，E/H大小等于介质的特性阻抗，如空气或自由空间E/H=ZO=377近场条件下：近场条件下：电场和磁场分电场和磁场分别考虑，高电别考虑，高电压小电流以电压小电流以电场为主；低电场为主；低电压大电流以磁压大电流以磁场为主。场为主。电场占优：电场占优：E1/r3、H 1/r2磁场占优：磁场占优：E1/r2、H 1/r3三、抑制电磁干扰的主要技术三、抑制电磁干扰的主要技术o消除或抑制噪声源消除或抑制噪声源 o破坏干扰的耦合通道破坏干扰的耦合通道 o消除接收电路对干扰的敏感性消除接收电路对干扰的敏感性 o采用软件抑制干扰采用软件抑制干扰 电磁干扰噪

7、声抑制电磁干扰噪声抑制l屏蔽屏蔽l接地接地l平衡平衡l滤波滤波l隔离隔离l阻抗大小控制阻抗大小控制l电缆设计电缆设计l抵消技术抵消技术1 1、屏蔽：、屏蔽：静电屏蔽；电磁屏蔽；低频磁屏蔽静电屏蔽；电磁屏蔽；低频磁屏蔽 静电屏蔽+Q+Q+QAAABB电磁屏蔽电磁屏蔽ieeN低频磁屏蔽低频磁屏蔽 电磁兼容性（电磁兼容性（EMC）设计设计EMI EMI 滤滤 波波 器器lEMIEMI滤波器综述滤波器综述l常见的电磁兼容元件常见的电磁兼容元件l设计实例设计实例重要的 必要的 可靠的 安静的与众不同的与众不同的EMIEMI滤波器滤波器lEMIEMI滤波器难以进行阻抗匹配滤波器难以进行阻抗匹配lEMIEM

8、I滤波器出现饱和滤波器出现饱和l无法用集总参数等效电路进行高频分析无法用集总参数等效电路进行高频分析l要求能滤除共模干扰和差模干扰要求能滤除共模干扰和差模干扰EMIEMI滤波器分类滤波器分类l反射式滤波器反射式滤波器 阻挡阻挡EMI信号，通过有用信号信号，通过有用信号l吸收式滤波器吸收式滤波器 吸收不需要的频率成分并将此成分的能量转换成热吸收不需要的频率成分并将此成分的能量转换成热 能耗散出去能耗散出去l滤波连接器滤波连接器 从无引线，通过式电容概念引申而来的，在连接器上从无引线，通过式电容概念引申而来的，在连接器上构成构成L型或者型或者型滤波器型滤波器电 路 简 单 EMI滤波器的基本形式设

9、计设计EMIEMI滤波器的注意点滤波器的注意点l频率特性频率特性l耐压性能耐压性能l额定电流额定电流l阻抗特性阻抗特性l屏蔽屏蔽l可靠性可靠性瞬态干扰抑制瞬态干扰抑制l电快速瞬变脉冲群电快速瞬变脉冲群 影响对象：数字逻辑电路，软故障影响对象：数字逻辑电路，软故障 l浪涌（浪涌（surgesurge）影响对象：传输或储存的数据，元器件，线路板影响对象：传输或储存的数据，元器件，线路板 l静电放电（静电放电（ESDESD）影响对象：髙输入阻抗电路，高压绝缘击穿，热失常影响对象：髙输入阻抗电路，高压绝缘击穿，热失常 什么曲线什么曲线 能干什么能干什么饱和电感特性饱和电感特性非晶磁环磁滞特性曲线非晶磁

10、环磁滞特性曲线 特特性性曲曲线线非非 理理 想想 的的 电电 容容l 电容主要分布参数ESL 等效串连电感ESR 等效串连电阻 EPR 等效并联电阻各各 式式 各各 样样 的的 电电 容容云母电容电解电容高压电容穿心电容法拉电容聚苯电容薄膜电容三端电容器胆电容校正CBB电容独石电容自热变阻电容器自热变阻电容器不同的电容 不同的效果 未加入滤波措施电电 感感l线圈的品质因数为：线圈的品质因数为：Q=L/Rl电感的离散参数电感的离散参数l分布电容分布电容l直流电阻直流电阻功率电感模压线圈空芯线圈磁环线圈棒状线圈变压器磁磁 性性 材材 料料 磁磁 性性 元元 件件 吸收磁珠用于抑制吸收磁珠用于抑制P

11、CB板高频传导干板高频传导干扰扰夹式磁环：安装方便，夹式磁环：安装方便，用于设备用于设备EMIEMI结构优化结构优化 扁平吸收环用于数扁平吸收环用于数 据总线、数字信号线滤据总线、数字信号线滤波波非晶材料非晶材料烧结铁氧体烧结铁氧体作为尖峰抑制器使用作为尖峰抑制器使用粉芯材料粉芯材料NiNiMnMn软磁软磁材料材料二极管不同的性能不同的应用TVS瞬变瞬变二极二极管管芯片热阻与脉冲持续时间关系图TVS伏安特性超快超软恢复二极管反向恢复时间肖特基二极管 用于各种脉冲吸收场合，trr4ns变阻二极管变阻二极管其他常用其他常用EMIEMI抑制元件抑制元件l压敏电阻压敏电阻 没有脉冲时呈高阻值状态，一旦

12、响应脉冲电压，立即将电压限制没有脉冲时呈高阻值状态，一旦响应脉冲电压，立即将电压限制到一定值，阻抗突变为低值到一定值，阻抗突变为低值 1 1、高压型压敏电阻、高压型压敏电阻 2 2、高能型压敏电阻、高能型压敏电阻 3 3、纳米添加法、纳米添加法 l气体放电管气体放电管 极间的电场强度超过气体的击穿强度，引起间隙放电，限制极极间的电场强度超过气体的击穿强度，引起间隙放电，限制极间电压间电压 l火花间隙火花间隙 电荷将穿过两个角型的空间打火放电，由此将过电流释放入地电荷将穿过两个角型的空间打火放电，由此将过电流释放入地EMIEMI滤波器成品滤波器成品EMIEMI滤波器特性曲线均在滤波器特性曲线均在50ohm50ohm源阻抗下获得，在源阻抗下获得，在选用选用EMIEMI滤波器时，不能滤波器时，不能单纯考虑给出的特性曲线单纯考虑给出的特性曲线。Murata EMI Filter Selection simulator设计实例设计实例发射线圈发射线圈接收线圈参考线圈开关桥路二次场信号一次场信号一次场信号锁定放大控制电路锁定放大24-bitADC24-bitADCppm值接口处理器工频干扰 滤波GPS显示设备TVS管超快恢复二极管非晶及铁氧体磁环信号滤波信号线滤波浪涌抑制 信号滤波系统电源电源滤波电源滤波浪涌防护电池