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1、智能仪器第六章 智能仪器可靠性与干扰技术 可靠性设计可靠性概述智能仪器干扰源分析抑制电磁干扰的主要技术及应用智能仪器可靠性是和抗干扰能力是评价仪器系统质量的重要标志。可靠性是产品在规定条件下和规定时间内完成所规定 功能的能力。在仪器行业，导致产品不可靠的原一种，设计占70。元器件、制造工艺、环境、使用方法等其他因素约占30。智能仪器第一节 可靠性概述一、可靠性的基本概念 可靠率是指在规定条件下和规定时间内智能仪器完成所规定任务的成功率。设N台相同仪器,相同条件下工作t时间,有F(t)台仪器发生故障,其余S(t)台仪器仍正常工作,则仪器的可靠率为 R(t)=S(t)/N 仪器不可靠率 Q(t)=
2、F(t)/N R(t)+Q(t)=1 R(t)=1-Q(t)智能仪器失效率(瞬时失效率或称故障率)，是指智能仪器运行到t时刻后单位时间内发生故障的智能仪器台数与t时刻完好智能仪器台数之比。(t)=NR(t)-R(t+t)/NR(t)t 不随时间变化(t)=常数 R(t)=e-t =/T :仪器失效数、T=Nt智能仪器早期故障期耗损故障期偶然故障期(t)使用寿命规定的失效率abt(时间)(a)经典浴盆曲线 0(t)失效率使用寿命期0t(时间)(b)新浴盆曲线 初始期衰老期失效率智能仪器可靠性与经济性 维修费用可靠率费用总费用使用费用可靠率与经济性的关系 智能仪器二、可靠性的总体考虑（一）设计过程
3、 分析设计任务分析提出可靠性方案比较、确定软件设计硬件设计测试、考验试运行设想措施可靠性分析软件措施硬件措施故障评估分析改进措施系统设计进程可靠性考虑方案设想智能仪器（二）、可靠性的分配方法 均等分配法 每一部分可靠度分配 如:某系统有三个分系统组成,可靠性相同,要求系统可靠性为0729。分配每一个分系统的可靠度为。航空无线电公司分配法智能仪器达到的目标是满足下式：根据先验知识预计每个分系统的失效率i计算加权因子Wr。加权因子由下式计算对每一个分系统分配失效率 智能仪器第二节 硬件可靠性设计（一）影响仪器可靠性的因素 1.元器件的可靠性常用的元器件在额定条件下的平均失效率 元器件/h元器件/h
4、小信号硅二极管74系列IC 中小规模MOS整流二极管金属模电阻LED硅小信号三极管710-8510-7110-6510-7710-8210-7110-7继电器焊接点开关电源风扇印制板连接触点云母电容器变压器110-5210-9410-4210-4310-8110-8110-7智能仪器2.工艺3.电路结构4.环境因素：温度、湿度、振动5.人为因素(t)12使用值额定值当使用值大于额定值时平均失效率 D=D 降额因子 D=D智能仪器（二）提高仪器可靠性的措施 l元器件的选择(电阻器、电容器、集成电路芯片）l筛选 l降额使用 l可靠的电路设计 l冗余设计包括并联系统和串联系统两种形式智能仪器并联、串
5、联系统 并联系统的可靠度Rp为 串联系统的可靠度RS为 串并联系统 串并联系统的可靠度为 智能仪器11121n21222nm1m2mn并串联系统 并串联系统的可靠度RSP为 智能仪器l环境设计 温度保护 冲击振动保护 电磁干扰保护其他环境方面的保护l人为因素设计 l对仪器进行可靠性试验 智能仪器第三节 软件可靠性设计（一）软件的可靠性模型 时间模型 可靠性增长模型 公理模型 数据模型 智能仪器v认真地进行规范设计 v可靠的程序设计方法地跪v程序验证技术v提高软件设计人员的素质v消除干扰v增加试运行时间（二）提高软件可靠性的方法 智能仪器（三）软件抗干扰技术软件抗干扰技术主要任务：CPU抗干扰技
6、术 防止程序“跑飞”1.硬件看门狗技术 程序运行监视系统 WDT 不断监视程序循环运行时间 专用看门狗电路 程序中插入看门狗复位指令（即“喂狗”指令）智能仪器MAXIM：MAX705、MAX813XICOR：X5043、X5045 可编程看门狗 定时时间 200mS、600mS、114S,4KB EEPROMCS/WDI:片选/定时器触发脉冲RST:复位输出SO:数据串行输出 SI:串行输入SCK:串行时钟WP:写保护智能仪器CS/WDIRSTTCSTTWDOTRSTTCST:定时器触发脉冲TWDO:定时器溢出周期TRST:定时器溢出脉冲宽度X5045触发和溢出时序图智能仪器利用单片机片内定时
7、器主程序中按一定的间隔插入复位定时器指令中断程序返回时，转移到初始化程序的入口。3.软件陷阱一条引导指令强行捕获的程序引向一个指定的地址软件陷阱可安排在未使用的中断向量区、未使用的程序存储空间、表格、程序的“断裂处”。2.软件看门狗技术智能仪器第四节 智能仪器干扰源分析 一、干扰与噪声及其分类1.1.干扰与噪声干扰与噪声噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。干扰在满足一定条件时，可以
8、消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。智能仪器2.分类干扰的类型 机械干扰：机械的振动或冲击热干扰：内部产生热量或环境温度变化 光干扰：半导体材料受光会激发电子-空穴对湿度干扰：绝缘电阻下降、漏电流增加 化学干扰：酸、碱、盐及腐蚀性气体电和磁干扰：电和磁的变化会产生感应电压射线辐射干扰：射线会使气体电离智能仪器电磁干扰的分类（EMI）（EMC-电磁兼容性）从噪声产生的来源分类 1)固有噪声源：热噪声、散粒噪声、接触噪声 2)人为噪声源：工频噪声、射频噪声、电子开关 3)自然噪声源和放电噪声：电晕放电、火花放电、放电管从干扰的表现形式分类 1)规则干扰：电源的波纹、放大器自激振荡 2)不规
9、则干扰：元器件 3)随机干扰：接触不良、空间电磁耦合智能仪器从干扰出现的区域分类 1)内部干扰 2)外部干扰从干扰对电路作用的形式分类 1)差模干扰 2)共模干扰 3)共模干扰抑制比 智能仪器二、噪声形成干扰作用的三要素与耦合方式 噪声源耦合通道接收电路1.噪声形成干扰作用的三要素噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即噪声源、有对噪声敏感的接收电路和两者之间的耦合通道。三要素之间联系如下图所示。智能仪器 2.噪声的耦合方式 电容性耦合（静电耦合）ZiCmENUNAB互感耦合（电磁耦合）UNMIN智能仪器 共阻抗耦合 电源内阻抗的共阻抗耦合 智能仪器公共地线的耦合 信号输出电路的相互干扰 ZL=
10、ZO+ZSZO为输出线路阻抗ZS为电路输出阻抗ZLZS 智能仪器 漏电耦合 UNRmENBAZi 传导耦合 传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。辐射电磁场耦合 大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪器第五节 抑制电磁干扰的主要技术及应用 一、抑制电磁干扰的基本方法 o消除或抑制噪声源 o破坏干扰的耦合通道 o消除接收电路对干扰的敏感性 o采用软件抑制干扰 智能仪器二、抑制电磁干扰的基本措施 1.屏蔽：静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽 静电屏蔽（防止静电耦合引起的干扰）+Q+Q+QAAABB智能仪器电磁屏蔽ieeN低
11、频磁屏蔽防止低频磁场的干扰采用高导磁材料 防止高频电磁场屏蔽金属内产生电涡流智能仪器接地的目的与作用 保证人身和设备安全的需要 抑制干扰的需要 地线的种类 安全地线 信号源地线 信号地线:模拟地、数字地 负载地线 屏蔽层地线 2.接地 智能仪器各种地线的处理原则 低频电路的一点接地原则智能仪器 高频电路的多点接地原则地线长度等于1/4波长的奇数倍时，地线电阻很高地线长度应小于信号波长的1/20 强电地线与信号地线分开设置 模拟信号地线与数字信号地分开设置 接地方法 埋设铜板 接地棒 网状(辐射状)地线智能仪器3.浮置 又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的公共线(即模拟信号地)不接机壳或大地
12、，测量放大器与机壳或大地之间无直接联系。浮置的目的在于阻断干扰电流的通路。显示测量RHRLRSRCEcm1k1kC1C2C3智能仪器4.对称电路 RSRS2US2US1RL1RL2UN2UN1IN2IN1ULIS5.隔离技术 电路电路隔离变压器Ucm电磁隔离智能仪器光耦合隔离控制系统光耦合隔离智能仪器6.滤波 滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤波，它主要应用于信号滤波和电源滤波。7.脉冲电路的噪声抑制 脉冲电路的噪声抑制，常采用的方法有利用积分电路、脉冲隔离门及削波器等。智能仪器积分电路脉冲隔离门削波器智能仪器三、抗
13、干扰技术的应用（一）传输线引入干扰的抑制 信号频率较高、传输距离远时，考虑传输线特性。电气性能要求：高频、音频:衰减、回路间相互干扰小，并抑制外界各种电磁干扰对直流、工频电压：导线直流电阻、绝缘电阻、耐压。智能仪器减小传输线干扰：不同频率、不同信号电平的导线尽量分设 避免平行和靠近采用结构合适的导线或电缆在印制电路板中，利用铜箔作为屏蔽层（二）印制电路板的抗干扰 l 合理分配抑制电路板插脚l 抑制电路板合理布线l 抑制电路板的屏蔽：屏蔽线 屏蔽环 屏蔽板 基板涂覆智能仪器（三）A/D转换中的抗干扰 对差模干扰的抑制：差模干扰严重时，采用双积分式A/D转换器对低频干扰，采用低通滤波传感器与A/D
14、距离较远时，采用电流传输对共模干扰的抑制采用三线采样双层屏蔽浮置技术采用隔离技术智能仪器采用软件方法提高A/D抗干扰能力 工业干扰中，主要工频、白噪声和脉冲干扰。对白噪声干扰，采用数字滤波对脉冲干扰，采用大量采集数据，取平均值对工频干扰，采用两次采样进行处理，获得有用信号智能仪器（四）传感器的抗干扰 微弱信号检测用传感器的抗干扰采取屏蔽措施输出阻抗高，解决绝缘问题 输入电路与传感器阻抗匹配，选低噪声器件 考虑信号线衰减和传输电缆分布电容 传感器结构的改进 抗共模干扰措施 抗差模干扰措施智能仪器（五）负载干扰的抑制负载冲击电流的抑制 感性负载冲击电压的抑制 （六）电源所致干扰的抑制 交流电源系统所致干扰的抑制直流供电系统干扰的抑制 电源纹波的抑制 交叉干扰的抑制