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1、第七章第七章 微机限制系统的微机限制系统的 牢靠性与抗干扰技术牢靠性与抗干扰技术 7.1 7.1 牢靠性与抗干扰技术的基本概念牢靠性与抗干扰技术的基本概念 7.2 7.2 硬件的牢靠性与抗干扰技术硬件的牢靠性与抗干扰技术 7.3 7.3 软件的牢靠性与抗干扰技术软件的牢靠性与抗干扰技术 牢靠性对计算机限制系统来说至关重要牢靠性对计算机限制系统来说至关重要1 1、计算机限制系统的运行环境往往比较恶劣、计算机限制系统的运行环境往往比较恶劣 环环境境温温度度和和湿湿度度变变更更大大，有有粉粉尘尘、振振动动、腐腐蚀蚀和和电气干扰，会影响到系统的正常工作，影响限制精度。电气干扰，会影响到系统的正常工作，
2、影响限制精度。2 2、计计算算机机限限制制系系统统通通常常要要求求长长期期连连续续工工作作，不不能能随随意意关机、复位或重新启动。关机、复位或重新启动。系系统统应应能能抑抑制制干干扰扰的的影影响响；数数据据被被破破坏坏时时，系系统统应应能能刚刚好好发发觉觉并并能能订订正正；系系统统出出现现异异样样状状况况时时，应应能能刚刚好好给给出出报报警警信信息息；抗抗干干扰扰技技术术是是提提高高牢牢靠靠性性的的一一项项关关键键技技术术，一一个个没没有有实实行行抗抗干干扰扰措措施施的的限限制制系系统统是是根根本不能投入实际运用的。本不能投入实际运用的。7.1 牢靠性与抗干扰技术的基本概念一、牢靠性的概念 1
3、牢靠性（Reliability）定义 限制系统的牢靠性通常是指：限制系统在确定条件下，在规定时间段完成预定功能的实力。（1）环境条件（如温度、湿度、粉尘、气体、振动和电磁干扰等）（2）工作条件（如电源电压、频率允许波动的范围、负载阻抗、允许连接的用户终端数等）（3）操作和维护条件（如开机关机过程、正常操作步骤、修理时间和次数等）。规规定定的的时时间间：常常以以数数学学形形式式表表示示牢牢靠靠性性的的基基本本参参量量，如如牢牢靠靠度度、失失效效率率、平平均均故故障障间间隔隔时时间间（MTBFMTBF：Mean Mean Time Time Between Between FailuresFail
4、ures）、平平均均维维护护时时间间（MTTRMTTR：Mean Time to RepairMean Time to Repair）等。）等。规规定定的的功功能能：是是指指限限制制系系统统能能完完成成任任务务的的各各项项性性能能指指标。标。影影响响系系统统完完成成规规定定功功能能的的干干扰扰因因素素有有多多种种，如如温温度度、湿湿度度、振振动动、电电磁磁干干扰扰、误误操操作作及及器器件件的的失失效效、老化、设计缺陷等。老化、设计缺陷等。2错误（Error）和故障（Failure）在干扰信号下，系统会产生非正常的工作状态，称为异样状态。（1）瞬时性的、功能上出现偏差的异样状态称为错误。（2）固
5、定性的、功能部件其必要操作实力消逝的异样状态，称之为故障，故障只有通过修理才能复原到正常状态。错误的发生并不行怕，可怕的是发生了错误，系统仍一窍不通。因此，自动检测、订正和指示，对限制系统来说特别重要。按按故故障障其其发发生生时时期期通通常常分分为为：早早期期故故障障、耗耗损损故故障障和和偶偶发发故障。故障。（1 1）早早期期故故障障是是由由于于元元器器件件质质量量差差，软软件件、硬硬件件设设计计欠欠完完善善等等缘缘由由造造成成的的，可可通通过过系系统统试试运运行行，更更换换质质量量不不好好的的元元器器件件、修改硬件电路、改正软件错误来解除。修改硬件电路、改正软件错误来解除。（2 2）耗耗损损
6、故故障障的的发发生生是是由由于于元元器器件件运运用用寿寿命命已已到到所所致致。假假如如已已知知元元器器件件运运用用寿寿命命的的统统计计分分布布规规律律，预预先先更更换换元元器器件件，就就可可防防止止耗耗损损故故障障的的发发生生。定定期期检检查查或或更更换换关关键键元元件件和和部部件件，也也可可防止耗损故障的发生。防止耗损故障的发生。（3 3）偶偶发发故故障障是是随随机机的的，通通常常发发生生于于早早期期故故障障和和耗耗损损故故障障之之间，在故障发生后，需进行应急修理。间，在故障发生后，需进行应急修理。由由于于偶偶发发故故障障的的发发生生难难以以预预见见又又不不行行避避开开，为为削削减减由由于于
7、故故障障发发生生所所造造成成的的损损失失，尽尽快快复复原原系系统统正正常常工工作作，就就须须要要实实行行故故障复原技术；要使系统仍旧接着运行，须要实行特殊措施。障复原技术；要使系统仍旧接着运行，须要实行特殊措施。综上所述，牢靠性的概念有两层含义：综上所述，牢靠性的概念有两层含义：1 1、系统在规定的时间内尽可能削减故障和错误的发生；、系统在规定的时间内尽可能削减故障和错误的发生；2 2、发生了故障和错误后能快速进行修理，尽快复原正常工作。、发生了故障和错误后能快速进行修理，尽快复原正常工作。另另外外，若若考考虑虑人人为为的的干干扰扰因因素素，如如限限制制系系统统中中有有关关数数据据和和程程序序
8、的的非非法法窃窃取取、修修改改等等，则则平平安安性性也也属属于于系系统统牢牢靠靠性性应应考考虑虑的的内容。内容。二、噪声及干扰二、噪声及干扰1 1、噪声、噪声定义：噪声是一种明显不传送信息的信号，它与信号定义：噪声是一种明显不传送信息的信号，它与信号叠加或组合，使有用信号发生畸变。叠加或组合，使有用信号发生畸变。分类：分类：（1 1）按噪声产生的位置分类：内部噪声和外部噪声。）按噪声产生的位置分类：内部噪声和外部噪声。内部噪声是指装置内部或器件本身产生的噪声。内部噪声是指装置内部或器件本身产生的噪声。外部噪声是指从外部侵入装置或系统的噪声，主要外部噪声是指从外部侵入装置或系统的噪声，主要有自然
9、噪声和人为噪声二类。有自然噪声和人为噪声二类。自然噪声包括大气噪声、太阳噪声等。大气噪声自然噪声包括大气噪声、太阳噪声等。大气噪声如雷电、火花放电、台风、火山喷烟、黄砂、飞雪等。如雷电、火花放电、台风、火山喷烟、黄砂、飞雪等。其中雷电是常常遇到的，它从较低频率（数千赫兹）其中雷电是常常遇到的，它从较低频率（数千赫兹）到到VHFVHF射频段（射频段（3030300MHZ300MHZ）或更高的频段内产生干扰，）或更高的频段内产生干扰，并能传到相当远的距离。并能传到相当远的距离。太阳噪声是由于太阳黑子或磁暴放射出的电磁噪声，其强度与黑子活动的激烈程度有关。人为噪声来自其他机器和设备的噪声，如：有触点
10、的家用电器和民用设备：电冰箱、电熨斗、电磁开关、继电器等；运用整流子电动机的机器：电钻、电动刮胡刀、电按摩器、吸尘器、电动搅拌机、牙科医疗器械；家用电力半导体器件装置：硅整流调光器、开关电源等；工业用高频设备：塑料热合机、高频加热器、高频电焊机等；高频医疗设备：甚高频或超高频理疗装置、高频手术刀、电测仪、光机等；电力传动设备：各种直流、沟通伺服电动机、步进电机、电磁阀、接触器等；电力电子器件组成的变流装置：可控整流器、逆变器、变频器、斩波器、沟通调压器、USB电源、高频开关电源等；电力传输设备：高压电力传输线、高压断路器、变压器等；内燃机中的点火系统、发电机、电压调整器、电刷等；无线电放射和接
11、收设备：移动通信系统、广播、电视、雷达、导航设备等；高速数字电路设备：计算机及其相关设备等。（2 2）按噪声产生的缘由分类）按噪声产生的缘由分类 有放电噪声、高频振荡噪声、浪涌噪声等。有放电噪声、高频振荡噪声、浪涌噪声等。放电噪声主要由雷电、静电、电机电刷和大功率放电噪声主要由雷电、静电、电机电刷和大功率开关触点断开等放电现象产生的。开关触点断开等放电现象产生的。高频振荡噪声主要由感应电炉、开关电源、逆变高频振荡噪声主要由感应电炉、开关电源、逆变器、高频加热器、超声波设备以及电路内部反馈引起器、高频加热器、超声波设备以及电路内部反馈引起的高频自激振荡所产生。的高频自激振荡所产生。浪涌噪声是由大
12、功率设备、晶闸管变流器和电动浪涌噪声是由大功率设备、晶闸管变流器和电动机启动产生涌流所造成的。机启动产生涌流所造成的。（3 3）按噪声传导模式分类）按噪声传导模式分类 按噪声传导模式可分为常模噪声和共模噪声。按噪声传导模式可分为常模噪声和共模噪声。常常模模噪噪声声又又称称差差动动噪噪声声、串串模模噪噪声声、横横向向噪噪声声、线线间间感感应应噪噪声声或或对对称称噪噪声声等等，常常模模噪噪声声与与有有用用信信号号串串在在一一起起，噪噪声声电电流流inin与与有有用用信信号号电电流流isis在在线线路路中中的的流流向向是是一一样样的的，噪噪声声电电压压unun始始终迭加在信号电压终迭加在信号电压us
13、us，这种噪声往往较难清除。，这种噪声往往较难清除。当当噪噪声声的的频频率率范范围围与与有有用用信信号号相相差差较较大大时时，可可接接受受滤滤波波方方法来抑制。法来抑制。共模噪声又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。噪声共模噪声又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。噪声电流电流inin在一对信号线上各流过一部分，以地为公共回路，当线在一对信号线上各流过一部分，以地为公共回路，当线路处于平衡状态，两根信号线对地阻抗一样（路处于平衡状态，两根信号线对地阻抗一样（Z1=Z2Z1=Z2），在两），在两根信号线间产生的噪声电压根信号线间产生的噪声电压unun基本为，共模噪声不会对有用基本为，共模噪声不会
14、对有用信号产生影响。但线路不平衡，即两根信号线对地阻抗不一样信号产生影响。但线路不平衡，即两根信号线对地阻抗不一样时，噪声电压时，噪声电压unun就不为，相当于在两根信号线存在常模噪声。就不为，相当于在两根信号线存在常模噪声。通常输入通常输入/输出信号线与大地或机壳之间的噪声都为共模输出信号线与大地或机壳之间的噪声都为共模噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑噪声，信号线受到静电感应时产生的噪声也多为共模噪声。抑制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、接地等。制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、接地等。（4 4）按噪声波形分类）按噪声波形分类 有连续的正弦波、偶发和周期性的脉冲波。
15、有连续的正弦波、偶发和周期性的脉冲波。对连续正弦波噪声，可用幅值对连续正弦波噪声，可用幅值UmUm、持续时间、持续时间tS tS 和振荡频和振荡频率率fnfn等特征值来描述；等特征值来描述；对偶发脉冲波噪声，可用最大幅度对偶发脉冲波噪声，可用最大幅度UmUm、上升时间、上升时间trtr、脉冲、脉冲宽度宽度tptp等特征值来描述；等特征值来描述；周期性脉冲波噪声，可用最大幅度周期性脉冲波噪声，可用最大幅度UmUm、脉冲宽度、脉冲宽度tntn、脉冲、脉冲间隔时间间隔时间tsts等特征值来描述。依据噪声波形与有用信号的特征等特征值来描述。依据噪声波形与有用信号的特征值，才能确定接受具体消退噪声的措施
16、值，才能确定接受具体消退噪声的措施2 2、干扰、干扰 定义：当噪声引起设备或系统性能下降甚至不能正常工作定义：当噪声引起设备或系统性能下降甚至不能正常工作时，称为干扰。时，称为干扰。由噪声（或电磁骚扰）干扰引起设备或系统性能下降现象由噪声（或电磁骚扰）干扰引起设备或系统性能下降现象的产生，必需满足个条件：的产生，必需满足个条件：（1 1）噪声的发生（即有噪声源的存在）噪声的发生（即有噪声源的存在）（2 2）噪声的接收（即有受扰体的存在）噪声的接收（即有受扰体的存在）（3 3）噪声的传播（即有耦合途径的存在）噪声的传播（即有耦合途径的存在）（4 4）上述三者在时间上的一样性。）上述三者在时间上的
17、一样性。噪声源和受扰体通常是客观存在的，只能通过削减噪声源噪声源和受扰体通常是客观存在的，只能通过削减噪声源的放射能量，降低受扰体敏感度来达到消退干扰。切断噪声从的放射能量，降低受扰体敏感度来达到消退干扰。切断噪声从噪声源到受扰体的耦合途径，调整噪声的产生、传播和接收的噪声源到受扰体的耦合途径，调整噪声的产生、传播和接收的时间关系，有时也能起到事半功倍的效果。时间关系，有时也能起到事半功倍的效果。干扰源：能产生干扰的元件、设备或信号；如雷电、继电器、干扰源：能产生干扰的元件、设备或信号；如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。若用数学描述，可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干
18、扰源。若用数学描述，则则du/dtdu/dt或或du/dtdu/dt较大的地方都可能是干扰源。较大的地方都可能是干扰源。受扰体：指简洁被干扰的对象。受扰体通常对噪声有较高敏感受扰体：指简洁被干扰的对象。受扰体通常对噪声有较高敏感性（性（susceptibilitysusceptibility），如），如 A/D A/D、D/AD/A变换器、单片机、数字变换器、单片机、数字ICIC、弱信号放大器等，都可以是受扰体。、弱信号放大器等，都可以是受扰体。传播途径：指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。主传播途径：指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。主要有导线的传导和空间的辐射。要有导线的传导
19、和空间的辐射。干扰的来源：干扰的来源：（1 1）从电源引线侵入的干扰；）从电源引线侵入的干扰；（2 2）从输入）从输入/输出通道引入的干扰；输出通道引入的干扰；（3 3）空间电磁干扰；）空间电磁干扰；（4 4）静电噪声；）静电噪声；（5 5）其他环境因素。）其他环境因素。抗干扰：抗干扰：抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播途径、侵入的位置抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播途径、侵入的位置和形式，实行适当的方法消退干扰源，抑制耦合通道，减弱电和形式，实行适当的方法消退干扰源，抑制耦合通道，减弱电路对噪声干扰的敏感性。路对噪声干扰的敏感性。耦合与耦合途径耦合与耦合途径 耦合泛指系统间或一个系统的各部
20、分之间相互作用而彼此耦合泛指系统间或一个系统的各部分之间相互作用而彼此发生关联的现象，此处主要指干扰源与受扰体之间通过电或磁发生关联的现象，此处主要指干扰源与受扰体之间通过电或磁产生联系的现象，它通常确定了受扰体受到干扰的方式。产生联系的现象，它通常确定了受扰体受到干扰的方式。耦合途径是指干扰源对受扰体发生作用时，电磁能量的传耦合途径是指干扰源对受扰体发生作用时，电磁能量的传输介质，亦称耦合通道。耦合途径主要有传导、感应和辐射。输介质，亦称耦合通道。耦合途径主要有传导、感应和辐射。（1 1）公共阻抗耦合）公共阻抗耦合 是噪声源和信号处理电路具有公共阻抗时的传导耦合。常是噪声源和信号处理电路具有
21、公共阻抗时的传导耦合。常见的状况是信号处理电路和信号输出电路运用不是志向电压源，见的状况是信号处理电路和信号输出电路运用不是志向电压源，电源内阻就成为了公共阻抗电源内阻就成为了公共阻抗ZcZc，信号输出电路中的电流变更会，信号输出电路中的电流变更会在公共阻抗上产生噪声信号，并通过电源线干扰信号处理电路。在公共阻抗上产生噪声信号，并通过电源线干扰信号处理电路。为了防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗趋近于零，通过去耦电为了防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗趋近于零，通过去耦电路可削减公共阻抗耦合引起的干扰路可削减公共阻抗耦合引起的干扰(图图7.3)7.3)。（2 2）干脆耦合）干脆耦合 干脆耦会通常是噪声
22、信号经过导线干脆传导到被干扰电路干脆耦会通常是噪声信号经过导线干脆传导到被干扰电路中，形成常模干扰或共模干扰。中，形成常模干扰或共模干扰。（3 3）静电耦合）静电耦合(图图7.5)7.5)限制系统的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在分限制系统的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在分布电容。如某一导体上的信号电压变更通过分布电容影响到其他布电容。如某一导体上的信号电压变更通过分布电容影响到其他导体上的电位，这种现象称为电容性耦合，也称静电耦合或电场导体上的电位，这种现象称为电容性耦合，也称静电耦合或电场耦合。噪声通过电容耦合的影响程度取决于分布电容大小和噪声耦合。噪声通过电容耦合的影响
23、程度取决于分布电容大小和噪声的频率。的频率。（4 4）电磁感应耦合）电磁感应耦合(图图7.67.6）电磁感应耦合又称磁场耦合。载流导体四周空间都会产生磁电磁感应耦合又称磁场耦合。载流导体四周空间都会产生磁场，如磁场是交变的，则会对其四周闭合电路产生感应电势，因场，如磁场是交变的，则会对其四周闭合电路产生感应电势，因此，电路中的线圈、变压器甚至较长的导线都可能通过电磁感应此，电路中的线圈、变压器甚至较长的导线都可能通过电磁感应耦合来传递噪声。耦合来传递噪声。（5）漏电流耦合（图7.7)漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或导线间绝缘电阻降低时，就会发生漏电耦合现象。（6）辐射耦合(图7.8)辐
24、射耦合主要由电磁场辐射引起。当高频电流通过导线时，就会在导体四周形成空间传播的电磁波，确定长度的信号传输线既可作为放射无线，也可作为接收天线，这就是所谓的“天线效应”。在确定强度的电磁场辐射条件下，由于天线效应，噪声经辐射耦合入侵电路就难以避开。干扰的传播途径（1）辐射干扰：辐射干扰主要来源于电磁场在空间的传播，以干扰源的电源电路、信号的输入输出电路、限制电路等导线作为辐射天线。（2）导线干扰：假如干扰波的产生源与被干扰系统由同一电源线或其他传输线连接，则干扰波会通过该导线传播。主要有：线间电压干扰和对地电压干扰、长线传输的干扰、电源系统的干扰 单片机切断干扰传播途径的常用措施（1）减小电压噪
25、声干扰，增加滤波电路；（2）IO口隔离；（3）晶振靠近单片机，外壳接地固定；（4）电路板分布合理，干扰源和敏感元件分别；（5）数字地与模拟地分别；（6）单片机与大功率器件的地线要单独接地，削减相互干扰；（7）在单片机IO口、电源线、电路板连接线等关键地方运用抗干扰器件。3 3、电磁兼容性、电磁兼容性 （)电磁兼容性的概念电磁兼容性的概念 电电磁磁兼兼容容性性（Electromagnetic Electromagnetic CompatibilityCompatibility，EMCEMC）并并非非指指电电与与磁磁之之间间的的兼兼容容，而而是是指指在在不不损损害害信信号所含信息的条件下，信号和干
26、扰能够共存的程度。号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存的程度。国国际际电电工工委委员员会会（IECIEC）对对EMCEMC的的定定义义是是：设设备备或或系系统统在在其其电电磁磁环环境境中中能能正正常常工工作作且且不不对对该该环环境境中中任任何何事物构成不能承受的电磁骚扰的实力。事物构成不能承受的电磁骚扰的实力。探探讨讨电电磁磁兼兼容容的的目目的的是是为为了了保保证证电电器器设设备备或或系系统统在在电电磁磁环环境境中中具具有有正正常常工工作作的的实实力力，以以及及驾驾驭驭电电磁磁波波对对社社会会生生产产活活动动和和人人体体健健康康造造成成危危害害的的机机理理和和预预防防措措施。施。(2)(2)
27、电磁兼容标准电磁兼容标准 国际上从事电磁兼容标准化工作的有两个技术委员会：国国际上从事电磁兼容标准化工作的有两个技术委员会：国际无线电干扰特殊委员会和第际无线电干扰特殊委员会和第7777技术委员会。技术委员会。我国成立了全国无线电干扰标准化技术委员会和电磁兼容我国成立了全国无线电干扰标准化技术委员会和电磁兼容标准化联合工作组，促进了标准化联合工作组，促进了EMCEMC探讨和标准化工作。探讨和标准化工作。(3)(3)电磁兼容性不等式电磁兼容性不等式 设备抗干扰实力大于干扰源强度设备抗干扰实力大于干扰源强度*传播衰减因子传播衰减因子 4 4、限制系统牢靠性设计的基本途径、限制系统牢靠性设计的基本途
28、径 限制系统牢靠性设计的基本途径可从个方面考虑。限制系统牢靠性设计的基本途径可从个方面考虑。（1 1）提高元器件和部件的牢靠性）提高元器件和部件的牢靠性 系系统统的的牢牢靠靠性性是是建建立立在在各各组组成成部部分分牢牢靠靠性性基基础础上上的的，选选择择牢牢靠靠性性好好、抗抗干干扰扰实实力力强强的的元元件件、器器件件和和部部件是提高系统牢靠性的前提。件是提高系统牢靠性的前提。方法有：方法有：（1 1）查明失效的物理机理，分析失效的缘由加以消退；）查明失效的物理机理，分析失效的缘由加以消退；（2 2）驾驾驭驭元元器器件件的的性性能能，合合理理地地规规定定运运用用条条件件，必必要要时时可可接接受受降
29、降额额设设计计（使使元元器器件件在在远远低低于于额额定定条条件件下下工工作）；作）；（3 3）建建立立器器件件的的性性能能老老化化模模型型，供供应应有有效效的的器器件件筛筛选选方方法法；（4 4）利利用用大大规规模模、超超大大规规模模集集成成电电路路技技术术，削削减运用分立元件，以提高电路或子系统的牢靠性等等。减运用分立元件，以提高电路或子系统的牢靠性等等。（2）合理设计系统结构 一个限制系统通常由若干个部分组成，合理设计系统结构就是适当分解系统，然后建立相互的连接关系。分解系统除了按功能划特别，还应考虑噪声源与受扰体尽可能分开，各组成部分尽可能接受成熟技术，各组成部分之间的连接要着重考虑便于
30、维护和更换。（3）接受抗干扰技术 常见的硬件抗干扰措施有滤波与去耦、隔离与屏蔽、电源与接地、停电爱护与热插拔技术等；软件抗干扰措施有数字滤波、数据检错和纠错、开机自检与故障诊断等。（4）接受牢靠性技术 限制系统牢靠性技术涉及的内容还有：冗余技术、自动检错纠错技术、故障诊断和复原技术、平安性技术以及软件牢靠性技术等。7.2 7.2 硬件的牢靠性与抗干扰技术硬件的牢靠性与抗干扰技术一、抑制干扰的一般措施一、抑制干扰的一般措施精选电子元件精选电子元件滤波滤波去耦去耦屏蔽屏蔽隔离隔离布线布线接地接地 二、元器件及其选择二、元器件及其选择 1 1、电子元器件的牢靠性度量、电子元器件的牢靠性度量 电电子子
31、元元器器件件的的牢牢靠靠性性常常用用失失效效比比例例来来测测定定。比比较较简洁理解的是所谓平均失效率，它可用公式表示如下：简洁理解的是所谓平均失效率，它可用公式表示如下：平均失效率平均失效率=失效产品的百分比工作时间失效产品的百分比工作时间 、元器件的选择（1）深化了解元器件的电气参数，特殊是极限参数，不能超出极限条件下工作。如对于二极管，应考虑最大反向电压、最大正向电流、反向电流、正向压降和工作频率等电气参数。（2）留意温度对器件性能的影响，选择温漂小，稳定性好的元器件。如工业级TTL集成电路的工作温度为070C，CMOS集成电路的工作温度为-55+125C。（3）为提高整体牢靠性、降低接触
32、不良故障、削减焊点数量，尽量选用大规模集成电路。（4）尽量选用抗干扰性能好的元器件。为了提高噪声容限，可选用CMOS器件；为了抑制共模干扰，可选用测量放大器；为了抑制工频干扰，可选用积分型A/D；为提高传输距离，应接受电流传输器件等。（5）有条件时，尽可能接受低功耗器件。对电池供电的场合，更应选用功耗小的CMOS器件。（6）多路转换器：输入易受到共模噪声的干扰。在输入端接入共模扼流圈，对抑制外部传感器引入的高频共模噪声特别有效。多个输入信号经多路转换器接至放大器或A/D转换器的方法有单端法和差动接法，其中差动接法抗干扰实力强。（7）放大器的选择。在传感器工作环境困难和恶劣时，应选择测量放大器，
33、它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰实力、低温度漂移、低失调电压和高稳定增益等特点，因此，在微弱信号的监测系统中广泛用作前置放大器。为了防止共模噪声侵入系统，可以接受隔离放大器。隔离放大器具有线性和稳定性好，共模抑制比高，应用电路简洁，放大增益可变等特点。（）A/D转换器。逐次比较式ADC转换速度较高，但抗干扰实力差。双积分ADC抗干扰实力强，尤其是对工频干扰有较强的抑制实力，具有较高的转换精度，但转换速度较低。V/F式ADC也具有较好的抗干扰性能、很好的线性度和高辨别率，其转换速度适中。（9）数字输入端噪声抑制是依据有用脉冲信号与无用脉冲噪声之间的差别，来实行既保证有用脉冲信号不丢失，
34、又有效地抑制无用脉冲噪声的措施。在数字电路的接口部位加入RC滤波环节，利用RC的延时作用来限制噪声的影响，并在RC滤波器的输出端接入施密特型集成电路。抑制输入噪声的另一项措施是提高输入端的噪声容限，这可实行加上拉电阻、电源分散配置以及提高供电电源电压等措施。3 3、滤波技术、滤波技术1 1、滤波器的类型、滤波器的类型按结构形式分：一体化滤波器、分立式滤波器；按结构形式分：一体化滤波器、分立式滤波器；按工作条件分：无源滤波器、有源滤波器；按工作条件分：无源滤波器、有源滤波器；按频率特性分：低通、高通、带通、带阻；按频率特性分：低通、高通、带通、带阻；按按运运用用场场合合分分：电电源源滤滤波波器器
35、、信信号号滤滤波波器器、限限制制线线滤波器；滤波器；按滤波原理分：反射式滤波器、吸取式滤波器。按滤波原理分：反射式滤波器、吸取式滤波器。2 2、滤波电路类型、滤波电路类型 限限制制系系统统中中有有两两种种滤滤波波电电路路，一一种种用用于于抑抑制制信信号号处处理理电电路路中的干扰，另一种用于抑制电源的干扰。中的干扰，另一种用于抑制电源的干扰。（1 1）抑制信号处理电路中干扰的滤波电路）抑制信号处理电路中干扰的滤波电路 用用于于信信号号处处理理电电路路抗抗干干扰扰的的滤滤波波电电路路通通常常为为RCRC滤滤波波器器、LCLC滤波器、双滤波器和开关电容滤波器等。滤波器、双滤波器和开关电容滤波器等。R
36、CRC滤滤波波器器（图图7-107-10）按按结结构构可可分分为为 型型、型型和和 型型，这三种这三种RCRC滤波器的传递函数均为滤波器的传递函数均为 。实实际际应应用用时时，取取 0 0大大于于有有用用信信号号的的 S S，小小于于噪噪声声信信号号的的 n n。LC低通滤波器按结构也可分为型、型和型，这三种LC低通滤波器的传递函数均为，其中R为L的直流电阻；其近似对数幅频特性，其中 。由于LC低通滤波器对大于0的衰减比RC低通滤波器快，因此其滤波效果相对较好，但须要运用电感元件（图7-11）。RC或LC滤波器的型、型和型结构的选择主要取决于信号源和负载的阻抗，一般对高阻抗的信号源和负载直选用
37、型结构，对低阻抗的信号源和负载宜选用型结构，其他状况可选用型结构。还可利用运放组成各种有源滤波器。在计算机限制系统中，还可利用软件实现数字滤波。（2）抑制电源高频干扰的滤波电路 电源中难以避开会引入高频干扰，抑制电源高频干扰通常在电源变压器初次级两端分别运用滤波电路。4、去耦电路 很多数字电路在电平转换过程中会产生很大的尖峰电流，并在共用电源的内阻上产生压降，形成干扰信号。为抑制这种干扰，可接受去耦电路，最简洁的去耦电路就是在各电路的供电端配上确定容量的电容，去耦电容的取值与尖峰电流、持续时间和电源电压变更范围有关（图7-14）。去耦电路一方面供应或吸取电路尖峰电流的能量，滤除由此产生的高频干
38、扰，另一方面也可滤除电源中的沟通纹波干扰。去耦电容d的选用并不严格，为滤除高频干扰，可选用0.010.1f的陶瓷电容或薄膜电容，为滤除电源沟通纹波干扰，可选用10-1000F的电解电容。有时，为改善去耦效果，还可在电源中串联电感后，再并联去耦电容Cd。四、隔离与屏蔽技术四、隔离与屏蔽技术 、信号隔离技术、信号隔离技术 隔隔离离技技术术就就是是切切断断噪噪声声源源与与受受扰扰体体之之间间噪噪声声通通道道的的技技术术，其其特特点点是是将将两两部部分分电电路路的的地地线线系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。限限制制系系统统中中通通常常有有弱弱电电限限制
39、制部部分分和和强强电电限限制制部部分分，两两者者之之间间既既有有信信号号上上的的联联系系，又又有有隔隔绝绝电电气气的的要要求求。因因此此，隔隔离离是是为为了了抑抑制制信信号号之之间间的的干干扰扰和和电电源源之之间间的的干干扰扰，保保证证设设备备和和操操作作人人员员的的平平安安。具具体体的的隔隔离离方方式式有有光光电电隔隔离离、继继电器隔离、变压器隔离及布线隔离。电器隔离、变压器隔离及布线隔离。（1 1）光电隔离）光电隔离 利用光电耦合器件将电信号转换为光信号，然后再将光信利用光电耦合器件将电信号转换为光信号，然后再将光信号转换为电信号，从而实现了电气上的隔离。号转换为电信号，从而实现了电气上的
40、隔离。（2 2）继电器隔离）继电器隔离 继电器的线圈与触点之间没有电气上的联系，因此可通过继电器的线圈与触点之间没有电气上的联系，因此可通过驱动继电器线圈来限制触点的闭合或断开。驱动继电器线圈来限制触点的闭合或断开。继电器隔离的主要电气参数有：继电器隔离的主要电气参数有：线圈的额定电压和电流；线圈的额定电压和电流；触点形式、触点容量和触点电阻；触点形式、触点容量和触点电阻；吸合时间、释放时间和工作频率；吸合时间、释放时间和工作频率；绝缘电阻和绝缘强度。绝缘电阻和绝缘强度。（3 3）变压器隔离）变压器隔离 对沟通信号和沟通电源，可通过一般变压器隔离。对沟通信号和沟通电源，可通过一般变压器隔离。高
41、频数字信号需用脉冲变压器隔离。脉冲变压器的匝数较高频数字信号需用脉冲变压器隔离。脉冲变压器的匝数较少，初级和次级绕组分别绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容微少，初级和次级绕组分别绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容微小小(几几PF)PF)。利用脉冲变压器可传输频率较高的多值电平信号，。利用脉冲变压器可传输频率较高的多值电平信号，这是一般光电耦合器难以做到的，在很多通信和网络系统中得这是一般光电耦合器难以做到的，在很多通信和网络系统中得到了广泛的应用。到了广泛的应用。（4 4）布线隔离布线隔离 在计算机限制系统中，有很多易产生噪声的电路，通过合在计算机限制系统中，有很多易产生噪声的电路，通过合理布线可抑制
42、噪声源对小信号处理电路的干扰。合理布线就是理布线可抑制噪声源对小信号处理电路的干扰。合理布线就是使小信号处理电路在空间距离上尽可能远离噪声源。使小信号处理电路在空间距离上尽可能远离噪声源。、屏蔽技术 屏蔽主要运用各种导电材料制造成各种壳体并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。依据干扰的耦合通道性质，屏蔽可分为电场屏蔽、静电屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽三类。（1）电场屏蔽 接受电场屏蔽的基本原理是基于静电屏蔽原理。随意形态的导体置于电场中，电力线将终止于导体表面，而不能穿过导体进入空腔；导体空腔内各点电势相等，因此，置入在导体空腔内的物体将不受外界电
43、场的影响。利用这一性质，可用屏蔽材料包绕在电子设备和信号传输线外层，形成导体空腔。（2 2）静电屏蔽）静电屏蔽 将完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，并将金属屏将完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，并将金属屏蔽体接地。蔽体接地。（3 3）磁场屏蔽）磁场屏蔽 产生磁场的噪声源须要接受磁场屏蔽措施，方法是运用导产生磁场的噪声源须要接受磁场屏蔽措施，方法是运用导磁率高的材料作屏蔽体，如用铁皮包在变压器的侧面为漏磁供磁率高的材料作屏蔽体，如用铁皮包在变压器的侧面为漏磁供应回路，以减小对外界的影响。应回路，以减小对外界的影响。（4 4）电磁场屏蔽）电磁场屏蔽 电磁场变更频率越高，辐射越强。电磁场干扰
44、包括电磁感电磁场变更频率越高，辐射越强。电磁场干扰包括电磁感应干扰，辐射干扰。应干扰，辐射干扰。电磁场屏蔽可接受屏蔽罩，由于集肤效应，屏蔽罩的厚度电磁场屏蔽可接受屏蔽罩，由于集肤效应，屏蔽罩的厚度对屏蔽效果影响不大，而接受低电阻材料。减小与导体电流方对屏蔽效果影响不大，而接受低电阻材料。减小与导体电流方向平行的网孔大小，则有利于增加屏蔽效果。向平行的网孔大小，则有利于增加屏蔽效果。五、电气布线技术五、电气布线技术 1 1、常用线型及应用、常用线型及应用 （1 1）双绞线）双绞线 为为了了抑抑制制电电磁磁场场对对信信号号线线的的干干扰扰，应应避避开开运运用用平平行行电电缆缆，可可接接受受同同轴轴
45、电电缆缆或或双双绞绞线线。在在限限制制系系统统中中，信号传输更多地是接受双绞线。信号传输更多地是接受双绞线。双双绞绞线线主主要要分分为为屏屏蔽蔽双双绞绞线线（Shielded Shielded Twisted Twisted Pair,Pair,STPSTP）和和非非屏屏蔽蔽双双绞绞线线（Unshilded Unshilded Twisted Twisted Pair,UTPPair,UTP）。）。STP的信号线外面包袱着一层金属网，在屏蔽层外面是绝缘外皮，屏蔽层可以有效地隔离外界电磁信号的干扰。UTP是目前运用频率最高的一种信号传输线，这种传输线在塑料绝缘外皮里面包袱着根信号线，每两根为一对
46、相互缠绕，形成对。双绞线相互缠绕的结构能够利用铜线中电流产生的电磁场相互作用来抵消对邻近线路的干扰，同时也能有效地抑制来自外界的电磁干扰。双绞线越来越多地取代早期运用的、成本较高的同轴电缆。（2 2）屏蔽电缆）屏蔽电缆 防止外部干扰信号对芯线产生影响；阻挡内部信号向外辐防止外部干扰信号对芯线产生影响；阻挡内部信号向外辐射。射。（3 3）同轴电缆）同轴电缆 在处理低电平信号的场合中，特殊是射频信号，运用该电在处理低电平信号的场合中，特殊是射频信号，运用该电缆效果好。缆效果好。（4 4）光纤）光纤 光纤在几种线缆中传输特性最好，具有传输信号频带宽、光纤在几种线缆中传输特性最好，具有传输信号频带宽、
47、通信容量大、信号衰减小、传输距离长等优点。通信容量大、信号衰减小、传输距离长等优点。六、电源爱护技术与接地技术六、电源爱护技术与接地技术 、电源爱护技术、电源爱护技术 从从工工程程统统计计分分析析和和阅阅历历可可知知，工工业业限限制制系系统统中中大大部分的干部分的干扰扰来来源源于于电电源源，因因此此，抑抑制制电电源源干干扰扰是是限限制制系系统统的的最最基本要求。基本要求。（1 1）电源干扰的来源）电源干扰的来源 电电源源干干扰扰的的来来源源主主要要有有：切切换换感感性性负负载载产产生生的的瞬瞬变噪声干变噪声干扰扰、电电力力线线从从空空间间引引入入的的场场型型干干扰扰、由由启启动动大大功功率率设
48、设备引起的备引起的瞬瞬时时电电压压下下降降的的干干扰扰、由由晶晶闸闸管管等等设设备备引引起起电电源源波波形形畸变而产畸变而产生的高次谐波干扰等。生的高次谐波干扰等。（2）电源干扰的耦合途径 主要有：干脆通过电源导线的耦合、经沟通变压器产生的电磁耦合、由分布电容产生的电容耦合、由电源内阻产生的公共电阻耦合。（3）电源干扰的基本抑制方法 电源干扰的抑制方法主要有：运用电源滤波器；运用沟通净化电源；接受电源去耦电路；接受电源变压器屏蔽措施；运用在线式UPS不间断电源；接受各单元电路分开方式供电；对不同类型用电设备（动力、照明、限制设备等），接受分类供电方式；接受压敏电阻和瞬变电压抑制器等爱护器件。（
49、4 4）压敏电阻器的应用）压敏电阻器的应用 压敏电阻器是一种非线性电阻性元件，它的电阻值会随外压敏电阻器是一种非线性电阻性元件，它的电阻值会随外加电压而变更，压敏电阻器可用于沟通电路的过压爱护。加电压而变更，压敏电阻器可用于沟通电路的过压爱护。（5 5）瞬变电压抑制器的应用）瞬变电压抑制器的应用 瞬态电压抑制器也称瞬变电压抑制二极管（瞬态电压抑制器也称瞬变电压抑制二极管（Transient Transient Voltage SupperessorVoltage Supperessor，TVSTVS），是在稳压管工艺基础上发展起），是在稳压管工艺基础上发展起来的一种产品。当来的一种产品。当TV
50、STVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度将其两端的阻抗降低，吸取一个大电流，把其两端极高的速度将其两端的阻抗降低，吸取一个大电流，把其两端间的电压箝制在一个预定的数值上，爱护后面的电路元件不因间的电压箝制在一个预定的数值上，爱护后面的电路元件不因瞬态高电压冲击而损坏。瞬态高电压冲击而损坏。、接地技术 接地的目的：抑制干扰、爱护设备及操作人员平安。电气设备中的接地有三类：平安接地、工作接地和屏蔽接地。平安接地是指设备金属外壳与地球大地相连，以保证设备和人身平安；工作接地是指信号回路与基准导体相连，基准导体又称参考零电位或系统地，这种接地的目的是供