可靠性与电磁兼容性.ppt

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1、第七章 可靠性与电磁兼容性,提纲,可靠性,电磁兼容性,噪声的分类和耦合方式,可靠性设计,隔离与屏蔽技术,电源干扰的抑制与接地技术,Watchdog技术,数字滤波技术,可靠性,可靠性（Reliability）定义 是指在一定条件下，在规定时间段完成规定功能的能力。 干扰因素 外部因素有温度、湿度、振动、电源的波动、电磁干扰、操作失误、维修时间超期等 内部因素有器件的偶发性失效、长时间使用后性能老化以及经过试验未能发现的软件与硬件缺陷等。,可靠性,可靠性的概念有两层含义 一是系统在规定的时间内尽可能减少故障和错误的发生。 二是发生了故障和错误后能迅速进行维修，尽快恢复正常工作。,可靠性,故障分类

2、早期故障:由于元器件质量差，软件、硬件设计欠完善等原因所造成的，可通过系统试运行，更换质量不好的元器件、修改硬件电路、改正软件错误来排除早期故障。 耗损故障:由于元器件使用寿命已到所致。如果已知元器件使用寿命的统计分布规律，那么，预先更换元器件，就可防止耗损故障的发生。另外，定期检查或更换关键元件和部件，也可防止耗损故障的发生。 偶发故障:随机发生，通常发生于早期故障和耗损故障之间，在故障发生后，需进行应急维修。,提纲,可靠性,电磁兼容性,噪声的分类和耦合方式,可靠性设计,隔离与屏蔽技术,电源干扰的抑制与接地技术,Watchdog技术,数字滤波技术,可靠性设计,控制系统可靠性设计的基本途径 1

3、. 提高元器件和部件的可靠性 查明失效的物理机理，分析失效的原因加以消除 掌握元器件的性能，合理地规定使用条件，必要时可采用降额设计（使元器件在远低于额定条件下工作） 建立器件的性能老化模型，提供有效的器件筛选方法 利用大规模、超大规模集成电路技术，减少使用分立元件 2. 合理设计系统结构 适当分解系统，各组成部分尽可能采用成熟技术，各组成部分之间的连接着重考虑便于维护和更换 .,可靠性设计,控制系统可靠性设计的基本途径 3. 采用抗干扰技术 硬件抗干扰措施有滤波与去耦、隔离与屏蔽、电源与接地、停电保护与热插拔技术等 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. 采用

4、可靠性技术 控制系统可靠性技术涉及的内容还有：冗余技术、自动检错纠错技术、故障诊断和恢复技术、安全性技术以及软件可靠性技术等。,提纲,可靠性,电磁兼容性,噪声的分类和耦合方式,可靠性设计,隔离与屏蔽技术,电源干扰的抑制与接地技术,Watchdog技术,数字滤波技术,电磁兼容性,电磁兼容性（EMC：Electromagnetic Compatibility）的概念 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。,电磁兼容性,电磁兼容实际有两方面的含义 一方面是设备或系统对来自周围环境中的电磁干扰，应具有足够的抗御能力。 一方面是设备或系统产生的电磁干扰，不

5、应对周围设备造成不能承受的干扰，也不应对周围环境造成不能承受的“污染”。,电磁兼容性,常用名词说明 1). 噪声与干扰（Noise & Interfering） 噪声是一种明显不传送信息的信号，它可与有用信号叠加或组合，并使有用信号发生畸变。 噪声会损害有用信号的接收，并可引起装置、设备或系统性能降低，甚至不能正常工作，具有危害性的噪声称干扰。 “噪声”与“干扰”有时也不严格区分，一般在讨论对有用信号影响程度时，多用“噪声”一词，而讨论危害作用时，多用“干扰”一词。 (2). 电磁骚扰和电磁干扰（Electromagnetic disturbance & Electromagnetic int

6、erference） 电磁骚扰是泛指对装置、设备、系统或者有生命物体产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。 电磁干扰（简称EMI）是指由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能下降。,电磁兼容性,(3). 噪声源与受扰体（Noise source & Susceptor） 噪声源就是产生噪声的主体，也称干扰源，如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。 受扰体就是受到干扰危害的装置、设备或系统，受扰体亦称受干扰对象或干扰对象，受扰体通常对噪声有较高敏感性（susceptibility），如A/D、D/A变换器、单片机、数字IC、弱信号放大器

7、等。 (4). 耦合与耦合途径（Coupling & Coupling Paths） 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。 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。 耦合途径有传导、感应和辐射。,电磁兼容性,(5). 传导与辐射（Coduction & Radition） 传导是通过导线传播电磁能量的耦合方式，具体有电导耦合、电感耦合、电容耦合、公共阻抗耦合等。 辐射是通过自由空间传播电磁能量的耦合方式。 (6). 系统间干扰和系统内干扰（Intersystem interference & Intrasystem interfer

8、ence） 系统间干扰是指由其他系统对一个系统造成的电磁干扰。 系统内干扰是指系统中出现的由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。 (7). 内部抗扰性和外部抗扰性（Internal immunity & External immunity） 内部抗扰性是指装置、设备或系统在其输入或天线处存在电磁骚扰时能正常工作而性能没有降低的能力。 外部抗扰性是指装置、设备或系统在电磁骚扰经由除输入端或天线以外的途径侵入情况下，能正常工作而性能没有降低的能力。,电磁兼容性,由噪声干扰引起设备或系统性能下降现象的产生，必须满足4个条件： 噪声的发生（即有噪声源的存在） 噪声的接收（即有受扰体的存在） 噪声的传播（

9、即有耦合途径的存在） 以及上述三者在时间上的一致性。,提纲,可靠性,电磁兼容性,噪声的分类和耦合方式,可靠性设计,隔离与屏蔽技术,电源干扰的抑制与接地技术,Watchdog技术,数字滤波技术,噪声的分类和耦合方式,按噪声产生的位置分类 自然噪声 雷电、火花放电、台风、火山喷烟、黄砂、飞雪、太阳噪声等。其中雷电是经常遇到的，它从较低频率(数千赫兹)到VHF射频段(30300MHz)或更高的频段内产生干扰。 人造噪声 有触点的家用电器和民用设备：电冰箱、电熨斗、电磁开关、继电器等；使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

10、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、X光机等 电力传动设备：各种直流、交流伺服电动机、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 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、电压调节器、电刷等 无线电发射和接收设备：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。,噪声的分类和耦合方式,按噪声产生的原因分类 热噪声 接触噪声 放电噪声 高频振荡噪声 感应噪声 反射噪声 浪涌噪声 辐射

11、噪声,噪声的分类和耦合方式,(3). 按噪声传导模式分类 常模噪声 共模噪声,噪声的分类和耦合方式,常模噪声 又称差动噪声、串模噪声、横向噪声、线间感应噪声或对称噪声 常模噪声与有用信号串在一起，噪声电流In与有用信号电流Is在线路中的流向是一致的 采用滤波方法来抑制。,噪声的分类和耦合方式,共模噪声 又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。 抑制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、接地等。,提纲,可靠性,电磁兼容性,噪声的分类和耦合方式,可靠性设计,隔离与屏蔽技术,电源干扰的抑制与接地技术,Watchdog技术,数字滤波技术,隔离与屏蔽技术,隔离技术 隔离技术就是切断噪声源与受扰体之间噪声通道的

12、技术，其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。 控制系统中通常有弱电控制部分和强电控制部分，两者之间既有信号上的联系，又有隔绝电气的要求。 抑制信号之间的干扰、电源之间的干扰 保证设备和操作人员的安全,隔离与屏蔽技术,隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离和布线隔离。 (1). 光电隔离 光电隔离就是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，实现电气的隔离。 (2). 继电器隔离 继电器的线圈与触点之间没有电气上的联系，因此可通过驱动继电器线圈来控制触点的闭合或断开。,隔离与屏蔽技术,(3). 变压器隔离 利用变压器可隔离直流信号的特点，

13、可用于它对信号和电源进行隔离。交流电源变压器则是保障电气安全的重要措施。 (4). 布线隔离 对易产生噪声的电路，如电感性负载（如继电器驱动电路、电机驱动电路）、晶闸管整流电路、功率放大电路、开关电源、供电线路等，通过合理布线，抑制噪声源对微弱信号处理电路的干扰。 合理布线使微弱信号处理电路在空间距离上尽可能远离噪声源，但在有限的空间内，有时难以靠布线来隔离，这时就需要使用屏蔽技术。,隔离与屏蔽技术,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。 根据干扰的耦合通道性质，屏蔽可分为 电场屏蔽 磁场屏蔽

14、电磁屏蔽,隔离与屏蔽技术,(1). 电场屏蔽 处于高压电场的电阻抗回路，是电场干扰的主要形式。 任意形状的导体置于电场中，电力线将终止于导体表面，而不能穿过导体进入空腔，因此，置入在导体空腔内的物体将不受外界电场的影响。 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。 实际应用时，须将屏蔽层接地，使导体空腔内的电势值也不受外界电场影响，同时导体空腔内产生的电场也不影响外界。,隔离与屏蔽技术,隔离与屏蔽技术,隔离与屏蔽技术,2). 磁场屏蔽 使用高导磁率的材料作屏蔽体 如用铁皮包在变压器的侧面，为漏磁提供回路，以减小对外界的影响 如为抑制外界磁场对信号电路中受扰体（如脉冲变压器等）的

15、影响，可用导磁率高的材料将信号电路屏蔽起来。 一般来说磁场干扰以低频磁场干扰为主，高频磁场通常与电场并存，即以电磁场干扰形式出现。,隔离与屏蔽技术,(3). 电磁场屏蔽 采用低电阻材料、减小平行于导体电流的网孔大小则有利于屏蔽效果。 高频电磁场用金属层或金属编织网，利用高频电磁场中的金属会产生涡流，来消耗空透金属的电磁场能量。 低频电磁场得用高导磁率的铁、玻莫合金或铁氧体材料来进行屏蔽。 为了抑制电磁场对信号线的干扰，应避免使用平行电缆，而是应采用同轴电缆或双绞线，在控制系统中，信号传输更多地是采用双绞线。,提纲,可靠性,电磁兼容性,噪声的分类和耦合方式,可靠性设计,隔离与屏蔽技术,电源干扰的

16、抑制与接地技术,Watchdog技术,数字滤波技术,电源干扰的抑制与接地技术,1. 电源干扰的抑制 根据许多工程统计分析和经验可知，工业控制系统中大部分的干扰来源于电源的干扰，因此，抑制电源干扰是控制系统的最基本要求。 (1). 电源干扰的来源 切换感性负载产生的瞬变噪声干扰 电力线从空间引入的场型干扰 由启动大功率设备引起的瞬时电压下降的干扰 由晶闸管等设备引起电源波形畸变而产生的高次谐波干扰,电源干扰的抑制与接地技术,(2). 电源干扰的耦合途径 直接通过电源导线的耦合 经交流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,电源干扰的抑制与接地技术,(3).

17、电源干扰的基本抑制方法 使用电源滤波器 使用交流净化电源 采用电源去耦电路 采用电源变压器屏蔽措施 使用在线式UPS不间断电源 采用各单元电路分开方式供电 对不同类型用电设备（动力用电、照明用电、控制设备用电、信号处理用电等）采用分类供电方式,电源干扰的抑制与接地技术,2. 接地技术 电气设备中的接地有三类 安全接地：设备金属外壳与地球大地相连，以保证设备和人身安全。 信号接地：信号回路与基准导体相连，基准导体又称参考零电位、系统地，这种接地的目的是提供稳定的参考基准电位，同时也对抗干扰有重要影响。 屏蔽接地 ：为电缆、变压器等屏蔽层提供接地，以抑制电场、磁场的干扰。 电子设备的接地方式有三种

18、 浮地方式： 直接接地方式： 电容方式 ：,电源干扰的抑制与接地技术,浮地方式 将信号接地与大地隔离，使其处于悬浮状态。 浮地方式的特点是对地的电阻较大，对地分布电容很小，因此由共模干扰引起的干扰电流很小。 但当设备附近有高压时，由电场耦合引起的静电感应会影响人身安全。,电源干扰的抑制与接地技术,直接接地方式 将信号接地与大地相连，当设备体积较大时，采用直接接地方式可使系统的基准电位不易受静电干扰，但易受共模干扰。 电容方式 将信号接地与大地之间用电容相连。电容方式可抑制高频干扰通过分布电容对系统造成的影响。电容方式主要工作在信号地与大地之间存在直流或低频电位差的情况，所用的电容应具有良好的高

19、频特性和耐压性能，容量一般可选2.210F。,电源干扰的抑制与接地技术,机壳与安全接地相连常采用一点接地形式，屏蔽接地与安全接地相连也常采用一点接地形式 信号接地形式有一点接地和多点接地。 在一点接地形式中应使用并联一点接地，因为串联的一点接地易引起各单元电路接地电位的差异，造成相互干扰。 对高频信号处理单元为避免过长的连线，可采用多点接地形式，即各电路以最短的距离分别接到就近的低阻抗接地排上。,电源干扰的抑制与接地技术,提纲,可靠性,电磁兼容性,噪声的分类和耦合方式,可靠性设计,隔离与屏蔽技术,电源干扰的抑制与接地技术,Watchdog技术,数字滤波技术,Watchdog技术,CPU受到干扰

20、时，会使程序执行混乱，甚至使程序进入“死循环”。通常采用Watchdog技术（即程序监视技术），使程序脱离“死循环”。Watchdog常需要硬件与软件的配合。 一种方法是采用单片机内的一个定时器单元接收内部时钟提供的稳定脉冲，当定时器溢出时提出中断请求，对应的中断服务程序使CPU回到初始化程序的第一行，从而实现强制性“软复位”。 一种方法是采用专门的Watchdog芯片，使得每隔一定的时间会自动地发出复位信号到CPU，只有在主程序中定时地访问Watchdog芯片，才可撤消复位信号的出现，一旦CPU受到干扰而失控，无法定时地访问Watchdog芯片，则在规定时间内Watchdog芯片将会强制CP

21、U复位，从而脱离“死循环”。,印制板的抗干扰措施,1. 电源和去耦电容 由于负载电流大，电源线和地线要加粗，走线尽量短。 由于开关噪声严重，要在电源入口处，以及每片存储芯片的Vcc 与GND之间接入去耦电容。 2. 存储器布线 数据线、地址线、控制线尽量短，以减少对地电容。 印制板两面的三总线互相垂直，以防止总线之间的电磁干扰。,印制板的抗干扰措施,3. 匹配电阻 总线和时钟线的始端和终端要配置合适的上拉电阻，以提高高电平噪声容限，增加存储器端口在高阻状态下抗干扰能力和削弱反射波干扰。 4. 接插件 印制板接插件除了要考虑插拔方便，还应考虑输入端悬空造成的影响。,提纲,可靠性,电磁兼容性,噪声

22、的分类和耦合方式,可靠性设计,隔离与屏蔽技术,电源干扰的抑制与接地技术,Watchdog技术,数字滤波技术,数字滤波技术,平均法 平均法的基本原理是通过对某点数据连续采样多次，取其算术平均值作为该点采样结果。这种方法可以减少周期性干扰对采集结果的影响。 （1） 基本算术平均法 算术平均法对信号y的m次测量值进行算术平均，作为时刻n的输出，其数学表达式为：,数字滤波技术,（2） 递推平均滤波法 一般的平均滤波法会降低实际采样频率，如每采样5次取平均，则会使实际采样频率降低5倍。如每采样一次，只舍去最早的1个采样值，与保留下来的前(m-1)次采样值作平均，这样就可不降低采样频率。,数字滤波技术,（3）递推加权平均值滤波法 在递推平均滤波法的基础上提高新采样值在平均值中的比重，其数学表达式为： 其中ri（i=1，2，m）为加权系数,数字滤波技术,（4） 抑制脉冲的算术平均法 抑制脉冲的算术平均法通过对某点数据连续采样多次，先去掉最大值和最小值，然后再取平均值作为该点采样结果。如采样3次，去掉最大值和最小值后，剩下的中值作为采样结果，可抑制脉冲干扰。,本节结束 谢谢！,