智能仪表与设计抗干扰和可靠性技术

1、智能仪表与设计智能仪表与设计 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v可靠性的基本概念可靠性的基本概念v提高智能仪表可靠性的设计方法及措施（硬件提高智能仪表可靠性的设计方法及措施（硬件/ /软件）软件）v抑制电磁干扰的主要方法和措施及抗干扰技术应用抑制电磁干扰的主要方法和措施及抗干扰技术应用一、可靠性概述一、可靠性概述 衡量一个实际系统的各种因素衡量一个实际系统的各种因素- 仪表性能的优劣仪表性能的优劣功能的强弱功能的强弱 成本的高低成本的高低可靠性可靠性最重要指标之一最重要指标之一 抗干扰能力抗干扰能力 可靠性可靠性是指产品在规定的条件和规是指产品在规定的条件和规定的时间内，完

2、成规定功能的能力。定的时间内，完成规定功能的能力。 智能仪表在研制阶段的可靠性技术可以从三智能仪表在研制阶段的可靠性技术可以从三个方面考虑个方面考虑- 系统自身的可靠性保障系统自身的可靠性保障; ; 抗干扰技术抗干扰技术; ; 系统的容错性设计系统的容错性设计; ; （1 1）可靠率）可靠率-在规定时间和规定条件下，在规定时间和规定条件下，系统完成规定功能的成功率。系统完成规定功能的成功率。记做记做R(t)R(t)1 1、可靠性基本概念、可靠性基本概念 （2 2）失效率和平均故障间隔时间）失效率和平均故障间隔时间- 失效率失效率是指系统运行到是指系统运行到t t时刻后的单位时间内时刻后的单位时

3、间内, ,发生故障的仪器和时刻发生故障的仪器和时刻t t时完好仪器的数目之比时完好仪器的数目之比, ,记做记做(t)(t) 取失效率的倒数来表示可靠性程度，称为取失效率的倒数来表示可靠性程度，称为平均平均故障间隔时间故障间隔时间记做记做MTBFMTBF (Mean Time Between (Mean Time BetweenFailureFailure）(3)(3)可维护性可维护性- 平均修复时间平均修复时间MTTRMTTR (Mean Time To Repair) (Mean Time To Repair)(4)(4)可用性可用性( (有效性有效性) ) - - 系统按照要求正常工作的概

4、率。系统按照要求正常工作的概率。A=MTBFMTBFMTBF+MTTRMTBF+MTTRX 100%(5)(5)可靠性分配方法可靠性分配方法均等分配法均等分配法 航空无线电公司分配法航空无线电公司分配法 达到的目标是满足下式：达到的目标是满足下式： 根据经验预计每个分系统的失效率根据经验预计每个分系统的失效率i i计算加权因子计算加权因子W Wr r。加权因子由下式计算：。加权因子由下式计算：对每一个分系统分配失效率对每一个分系统分配失效率i=Wi=Wr rnii1NiirW1二、可靠性保障基本技术二、可靠性保障基本技术v 系统方案设计时的可靠性原则系统方案设计时的可靠性原则v 元器件的合理选

5、用元器件的合理选用v 元器件的筛选元器件的筛选v 降额设计降额设计v 其他其他 系统方案设计时的可靠性原则系统方案设计时的可靠性原则v 简化方案简化方案v 避免片面追求高性能指标和过多的功能避免片面追求高性能指标和过多的功能v 合理划分软件、硬件功能合理划分软件、硬件功能v 尽可能用数字电路代替模拟电路尽可能用数字电路代替模拟电路v 变被动为主动变被动为主动返回返回 元器件的合理选用元器件的合理选用v 分立半导体器件的使用分立半导体器件的使用v 固定电阻和电位器固定电阻和电位器v 电容器电容器v 电感电感v 集成芯片的选择集成芯片的选择返回返回 分立半导体器件的使用分立半导体器件的使用v 电压

6、应力电压应力v 电流应力电流应力 v 工作频率工作频率v 型号互换型号互换分立半导体器件有哪些分立半导体器件有哪些? ?意义：减少意义：减少MTTRMTTR指标指标原则：类型相同、特性相近、外形相似原则：类型相同、特性相近、外形相似 返回返回固定电阻和电位器固定电阻和电位器v 阻值稳定性阻值稳定性v 工作频率工作频率v 功率负荷功率负荷v 噪声噪声返回返回电容器的选用电容器的选用v 频率范围频率范围v 容量稳定性容量稳定性v 噪声性能噪声性能v 电压负荷电压负荷v 承受功率承受功率 返回返回非晶材料非晶材料烧结铁氧体烧结铁氧体粉芯材料粉芯材料NiNiMnMn软磁材料软磁材料电电 感感各各 种种

7、 磁磁 性性 材材 料料电电 感感返返 回回集成芯片的选择集成芯片的选择v 数字器件（数字器件（74LS74LS系列系列TTLTTL芯片芯片 速度快速度快 功耗大功耗大 cmoscmos器件器件 电源范围宽电源范围宽 抗干扰性能好抗干扰性能好 速度稍慢速度稍慢 74HS74HS系列系列TTLTTL芯片芯片 高速高速 低功耗低功耗）v 模拟器件（模拟滤波芯片）模拟器件（模拟滤波芯片）返回返回 元器件的筛选元器件的筛选v 元器件的失效特点元器件的失效特点v 元器件筛选的意义元器件筛选的意义元器件的失效特点元器件的失效特点经典浴盆曲线经典浴盆曲线经典浴盆曲线经典浴盆曲线失效率失效率(t)(t)使用寿

8、命期使用寿命期0时间时间 ( t)初始期初始期衰老期衰老期新浴盆曲线新浴盆曲线返回返回元器件的筛选元器件的筛选项目项目元器件筛选元器件筛选印制板调试印制板调试 整机调试整机调试用户使用用户使用民用民用2 25 55 55050工业用工业用4 425254545215215军用军用7 7505012012010001000元器件失效在各阶段造成的损失元器件失效在各阶段造成的损失 单位：美元单位：美元返回返回返回返回各种半导体器件各种半导体器件返回返回固定电阻和电位器固定电阻和电位器返回返回各种电容器各种电容器 降额设计降额设计v 电阻器电阻器v 电容器电容器v 半导体器件半导体器件晶体管晶体管二

9、极管和可控硅二极管和可控硅稳压管稳压管光电半导体器件光电半导体器件v 微处理器和数字电路的降额设计微处理器和数字电路的降额设计（1 1） 微处理器的工作主频微处理器的工作主频（2 2） 总线负载总线负载返回返回 系统可靠性保障的其他问题系统可靠性保障的其他问题v 热设计热设计v 容差与漂移设计容差与漂移设计v 瞬态过应力的防护设计瞬态过应力的防护设计v 可维护性设计可维护性设计v 电气互联的可靠性设计电气互联的可靠性设计v 机械防振设计机械防振设计v 气候环境防护设计气候环境防护设计NEXTNEXT热设计热设计v 加散热片加散热片v 合理安排元器件布局合理安排元器件布局v 开通风孔开通风孔v

10、不能单纯追求仪表体积的小型化不能单纯追求仪表体积的小型化v 尽量选择低功耗的器件尽量选择低功耗的器件返回返回三、智能仪表的抗干扰技术三、智能仪表的抗干扰技术 1. 1. 外部干扰外部干扰电网干扰电网干扰空间电磁干扰空间电磁干扰操作者失误操作者失误机械振动干扰机械振动干扰环境干扰环境干扰 2. 2. 内部干扰内部干扰(1)(1) 元器件失效元器件失效(2)(2) 内部电磁干扰内部电磁干扰(3)(3) 电气互联故障干扰电气互联故障干扰(4)(4) 软件故障的干扰软件故障的干扰3 3、电磁兼容性设计、电磁兼容性设计v 电磁干扰的基本分析电磁干扰的基本分析v 电源抗干扰设计电源抗干扰设计v 隔离、屏蔽

11、与接地隔离、屏蔽与接地等等v 抗串模干扰的措施抗串模干扰的措施v 抗共模干扰的措施抗共模干扰的措施EMC(Electro Magnetic Compatibility )EMC(Electro Magnetic Compatibility )电磁干扰的基本分析电磁干扰的基本分析电容性耦合电容性耦合 ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU互感耦合互感耦合 NNMIjUUNMIN 电磁辐射干扰电磁辐射干扰 共阻抗干扰共阻抗干扰 直接传输干扰直接传输干扰返回电源抗干扰设计电源抗干扰设计v微机系统和产生干扰的系统分开供电微机系统和产生干扰的系统分开供电v设计抗干扰电源设计

12、抗干扰电源v供电电路上的抗干扰措施供电电路上的抗干扰措施返回返回LCLC低通滤波器低通滤波器隔离变压器隔离变压器滤波电容滤波电容返回返回供电电路上的抗干扰措施供电电路上的抗干扰措施1 1、模块之间实现单独供电；、模块之间实现单独供电；2 2、安排和布置电源线、地线和电路单元时的注意点。、安排和布置电源线、地线和电路单元时的注意点。退（去）耦电容退（去）耦电容DecoupleDecouple旁路电容旁路电容BypassBypass大功耗单元在紧靠电源的输出端，并按照功耗大小依次排开；大功耗单元在紧靠电源的输出端，并按照功耗大小依次排开；各级之间的电源线和地线要设置退耦电容；各级之间的电源线和地线

13、要设置退耦电容； 隔离、屏蔽与接地隔离、屏蔽与接地 隔离技术隔离技术（A A） 变压器隔离变压器隔离电路电路1电路电路2 隔离变压器隔离变压器Ucm（B） 光隔离光隔离二极管二极管- -三极管光电耦合器三极管光电耦合器光耦应用实例光耦应用实例采用交流电源的光电耦合器隔离电路采用交流电源的光电耦合器隔离电路 屏蔽技术屏蔽技术（A A）静电屏蔽）静电屏蔽+Q+QAABB+Q静电屏蔽静电屏蔽 仪器设备的屏蔽仪器设备的屏蔽外壳必须接地外壳必须接地带孔屏蔽板带孔屏蔽板各种静电屏蔽各种静电屏蔽自制的屏蔽罩自制的屏蔽罩通风屏蔽窗通风屏蔽窗 开关电源采用带孔的屏蔽开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又可防止

14、外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄。电磁干扰外泄。（B B）电磁屏蔽）电磁屏蔽i ie ee eN N 电磁屏蔽电磁屏蔽 镀铜电磁屏蔽盒镀铜电磁屏蔽盒军用屏蔽帐篷军用屏蔽帐篷导电纤维材料编织而成的导电纤维材料编织而成的军用电磁屏蔽器材军用电磁屏蔽器材 军用军用 电子方舱电子方舱屏蔽通信车屏蔽通信车屏蔽室屏蔽室 导电导电PVCPVC地板地板 用于防静电用于防静电 及底部屏蔽及底部屏蔽（C C）低频磁屏蔽）低频磁屏蔽接地的目的与作用接地的目的与作用 -保证人身和设备安全的需要保证人身和设备安全的需要 -抑制干扰的需要抑制干扰的需要 地线的种类地线的种类 -保安地线保安地线 -信号源地线信号源地线

15、 -信号地线信号地线 -负载地线负载地线 -屏蔽层地线屏蔽层地线 各种地线的处理原则各种地线的处理原则 -低频电路的一点接地原则低频电路的一点接地原则 -高频电路的多点接地原则高频电路的多点接地原则 -强电地线与信号地线分开设置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模拟信号地线与数字信号地分开设置接地方法接地方法 -埋设铜板埋设铜板 -接地棒接地棒 -网状网状( (辐射状辐射状) )地线地线 接地技术接地技术（A A）串联接地串联接地布置规则：布置规则：I1I2I3 （为什么？）（为什么？）（B）并联一点接地）并联一点接地返回返回（C）大面积多点接地）大面积多点接地接地

16、方法接地方法 -埋设铜板埋设铜板接地方法接地方法 -接地棒接地棒 浮置浮置 又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的公共线公共线( (即模拟信号地即模拟信号地) )不接机壳或大地，测量放大不接机壳或大地，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。阻断干扰电流的通路。 对称电路对称电路 滤波滤波 滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻止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。滤波方式某一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波方式有有无源滤波、有源滤波

17、和数字滤波无源滤波、有源滤波和数字滤波，它主要应用于，它主要应用于信号滤波和电源滤波。信号滤波和电源滤波。 串模干扰串模干扰 串模干扰串模干扰-它是由外界条件引起的，叠加它是由外界条件引起的，叠加在被测电压上的干扰信号。在被测电压上的干扰信号。 1 1 隔离技术隔离技术 2 2 硬件滤波电路硬件滤波电路 3 3 数字信号采用负逻辑数字信号采用负逻辑 共模干扰共模干扰 共模干扰共模干扰-同时叠加在两条被测信号线上同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号。的外界干扰信号。1 1 选用高质量的差分放大器；选用高质量的差分放大器；2 2 采用隔离技术采用隔离技术4 4 软件抗干扰技术软件抗干扰技术软件

18、抗干扰的工作主要集中在两个方面：软件抗干扰的工作主要集中在两个方面：CPUCPU抗干扰技术；抗干扰技术；输入输出的抗干扰技术；输入输出的抗干扰技术； CPUCPU抗干扰技术抗干扰技术1 1 程序运行监视系统程序运行监视系统Wathc Dog Timer Wathc Dog Timer 2 2 掉电保护掉电保护3 3 软件陷阱软件陷阱4 4 待机抗干扰待机抗干扰NEXTWDTWDT看门狗电路看门狗电路返回返回 掉电保护掉电保护发生干扰的原因发生干扰的原因- 电网瞬间断电或者电压突然下降电网瞬间断电或者电压突然下降造成的后果造成的后果- 实时数据丢失；实时数据丢失； 混乱的系统会执行混乱的动作；混

19、乱的系统会执行混乱的动作；针对后果的掉电保护措施针对后果的掉电保护措施- 保护现场实时数据；保护现场实时数据； 及时关闭微机系统。及时关闭微机系统。掉电保护系统掉电保护系统返回返回软件陷阱软件陷阱所谓陷阱，就是用来捕捉所谓陷阱，就是用来捕捉“跑飞跑飞”的程序。的程序。和和MCS-51MCS-51对应的软件陷阱：对应的软件陷阱： NOP 00NOP 00 NOP 00 NOP 00 LJMP ERROR 02 XX XX LJMP ERROR 02 XX XX 返回返回v数字信号的输入数字信号的输入v数字信号的输出数字信号的输出v数字滤波数字滤波 输入输出的抗干扰技术输入输出的抗干扰技术不同阶段

20、处理电磁兼容性问题所需要的费用不同阶段处理电磁兼容性问题所需要的费用返回返回 六、软件的可靠性设计六、软件的可靠性设计- 人机界面的容错技术人机界面的容错技术v 输入提示功能输入提示功能v 输入参数的容错输入参数的容错v 输入界面的安全性设计输入界面的安全性设计v 输出界面的容错设计输出界面的容错设计按键提示按键提示闪烁和信息音提示闪烁和信息音提示保证系统有一个基本正常的运行环境保证系统有一个基本正常的运行环境数据格式、参数取值数据格式、参数取值可以随时终止输入可以随时终止输入七、智能仪表的自动校准和自诊断技术七、智能仪表的自动校准和自诊断技术 智能仪表的两项基本技术指标：智能仪表的两项基本技术指标： 测量的准确度测量的准确度 测量的可靠性测量的可靠性校准校准自诊断自诊断仪表的系统误差及其校准仪表的系统误差及其校准 偶然误差偶然误差 概念：概念：主要是由于周围环境和仪器内部的偶然因主要是由于周围环境和仪器内部的偶然因素的作用造成的。素的作用造成的。 处理方法：处理方法：多次测量，再进行数据处理。多次测量，再进行数据处理。 系统误差系统误差 概念：概念：由于一些固定不变或者按照确定规律变化由于一些固定不变或者按照