可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)

1、可靠性和抗干擾設(shè)計(jì),小型智能電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作,可靠性設(shè)計(jì),?,可靠性定義及其定量描述,?,系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)任務(wù)與方法,元器件級(jí)可靠性措施,部件及系統(tǒng)級(jí)的可靠性措施,可靠性定義及其定量描述,?,可靠性的經(jīng)典定義：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和,規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。,?,描述可靠性的定量指標(biāo)：,?,1,、可靠度,?,2,、失效率,?,3,、平均壽命,各類產(chǎn)品常用的可靠性指標(biāo),使用條,件,連續(xù)使用,一次使用,可否,修復(fù),可修復(fù),不可修復(fù),可修復(fù),不可修,復(fù),維修,種類,預(yù)防維修,事,后,維修,用,到,耗,損期,一定時(shí)間,后報(bào)廢,預(yù)防維修,產(chǎn)品,示例,電子系統(tǒng)、計(jì),算機(jī)、通信機(jī)、,雷達(dá)、飛機(jī)、,生產(chǎn)設(shè)

2、備,家,用,電,器,、,機(jī),械裝置,電子元器,件、機(jī)械,零件、一,般消費(fèi)品,實(shí),行,預(yù),防,維,修,的,零,部,件,、,廣,播,設(shè),備,用,電子管,武,器,、,過,載,荷,繼,電,器,、,救,生,器具,保險(xiǎn)絲、,閃光燈雷,管,常用,指示,可靠度、有效,度、平均無故,障工作時(shí)間、,平均修復(fù)時(shí)間,平,均,無,故,障,工,作,時(shí),間,、,有,效,壽,命,、,有,效度,失效率、,平均壽命,失效率,更,換,壽,命,成功率,成功率,系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)任務(wù)與方法,?,可靠性設(shè)計(jì)的任務(wù),內(nèi)部：元器件本身的性能與可靠性,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),安裝與調(diào)試,外部：電氣條件,外部：空間條件,外部：機(jī)械條件,?,可靠性設(shè)計(jì)的一般方

3、法,元器件級(jí)可靠性措施,部件及系統(tǒng)級(jí)的可靠性措施,元器件,級(jí)可靠性措施,?,嚴(yán)格管理元器件的購(gòu)置、儲(chǔ)運(yùn)；,?,老化、篩選、測(cè)試,?,降額使用,?,選用集成度高的元器件,部件及系統(tǒng)級(jí)的可靠性措施,?,冗余技術(shù),?,電磁兼容性設(shè)計(jì),?,信息冗余技術(shù),?,時(shí)間冗余技術(shù),?,故障自動(dòng)檢測(cè)與診斷技術(shù),?,軟件可靠性技術(shù),?,失效保險(xiǎn)技術(shù),電磁兼容性設(shè)計(jì)概念,?,所謂電磁兼容性（,Electromagnetic,Compatibility, EMC,）是指電子裝置在預(yù)定,的工作環(huán)境條件下，既不受周圍電磁場(chǎng)的,影響，也不影響周圍的環(huán)境，不發(fā)生性能,變異或誤動(dòng)作，而按設(shè)計(jì)要求正常工作的,能力。,抗干擾設(shè)計(jì),?

4、,形成干擾的基本要素,?,干擾源與,ESD,?,干擾的耦合方式,?,系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的主要途經(jīng),?,單片機(jī)系統(tǒng)的幾點(diǎn)抗干擾技術(shù),形成干擾的基本要素,?,干擾源，指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，如：,雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可,能成為干擾源。,?,傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通,路或媒介。典型的干擾傳,播路徑是通過導(dǎo)線的傳,導(dǎo)和空間的輻射。,?,敏感器件，指容易被干擾的對(duì)象。如：,A/D,、,D/A,變換器，單片機(jī)，數(shù)字,IC,，,弱信號(hào)放大器等。,常見干擾源,雷電,脈沖電路,ESD,感性負(fù)載通斷,直流電機(jī)、變頻調(diào)速器,?,電子消費(fèi)類、數(shù)碼產(chǎn)品中專門的,靜電阻抗器,ESD

5、,（靜電保,護(hù)元件）：電壓范圍為,24V,，極間電容有,2.5pf,的，響,應(yīng)速度小于,1ns,，極低的漏電流，封裝主要為,0603,和,0402,。,工作原理是：在電器正常工作過程中，,ESD,只是表現(xiàn)為容,值極低的,(,一般,5pf),容抗,特性，不會(huì)對(duì)正常的電器特性產(chǎn),生影響,且不會(huì)影響到電子產(chǎn)品的信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)器,件兩端的過電壓達(dá)到預(yù)定的崩潰電壓時(shí)，迅速（納秒級(jí)）,做出反應(yīng)，以幾何級(jí)數(shù)的量放大極間漏電流通過，從而達(dá),到吸收、減弱靜電對(duì)電路特性的干擾和影響。,?,注意：,壓敏電阻,的電容高（最低都在,100f,以上），使它,在很多情況下,不能在信號(hào)傳輸線路中使用,。電容和導(dǎo)線電,感形

6、成一個(gè)低通電路，會(huì)使信號(hào)極大地衰減。但頻率大約,在,30kHz,以下的衰減可以忽略不計(jì)。但是,對(duì)于要求通過,USB,端口與計(jì)算機(jī)連接的大多數(shù)碼產(chǎn)品來說，一旦連接端,口的電容值大于,5pf,時(shí)，往往會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)或失敗。,干擾的耦合方式,?,干擾的耦合方式：直接耦合、公共阻抗耦合、,電,容耦合、電磁感應(yīng)耦合,、輻射耦合、漏電偶耦合,磁場(chǎng)耦合,系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)的主要途經(jīng),?,精心選擇,元器件,?,元部件要精密調(diào)整,?,采用,硬件抗干擾,技術(shù),?,采用軟件抗干擾技術(shù),?,1,、數(shù)字濾波,?,2,、信息傳送過程的自動(dòng)檢測(cè),?,3,、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時(shí)的自動(dòng)恢復(fù),抗干擾的措施,?,硬件抗干擾

7、：,1,、,屏蔽,?,2,、,隔離,?,3,、,濾波,?,4,、,接地,?,軟件抗干擾：,1,、,軟件濾波,?,2,、,陷阱,?,3,、,看門狗,硬件抗干擾的措施,?,屏蔽,?,屏蔽是指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪?或殼狀屏蔽體，將干擾源或干擾對(duì)象包圍,起來，從而割斷或削弱干擾場(chǎng)的空間耦合,通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽,的干擾場(chǎng)的性質(zhì)不同，可分為電場(chǎng)屏蔽、,磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。,?,電場(chǎng)屏蔽是為了消除或抑制由于電場(chǎng)耦合,引起的干擾。,?,隔離,（光電、變壓器、繼電器）,?,1.,?,光電隔離是以光作為媒介在隔離的兩端之間進(jìn),行信號(hào)傳輸?shù)?，所用的器件是光電耦合器。由?光電耦合器在傳輸

8、信息時(shí)，不是將其輸入和輸出,的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是借助于光作為媒介,物進(jìn)行耦合的，因而具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾能,力。在控制系統(tǒng)中，它既可以用作一般輸入,/,輸出,的隔離，也可以代替脈沖變壓器起線路隔離與脈,沖放大作用。由于光電耦合器具有二極管、三極,管的電氣特性，使它能方便地組合成各種電路；,又由于它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強(qiáng)的抗,電磁干擾的能力，因而在機(jī)電一體化產(chǎn)品中獲得,了極其廣泛的應(yīng)用。,?,2.,?,對(duì)于,交流信號(hào)的傳輸,一般使用變壓器隔離干,擾信號(hào)的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，,用來阻斷交流信號(hào)中的直流干擾和抑制低頻干擾,信號(hào)的強(qiáng)度，也就是把模擬地和數(shù)字地?cái)嚅_。傳,輸

9、信號(hào)通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不,形成回路而被抑制。,?,當(dāng)含有直流或低頻干擾的交流信號(hào)從一次側(cè)端,輸入時(shí)，根據(jù)變壓器原理，二次側(cè)輸出的信號(hào)濾,掉了直流干擾，且低頻干擾信號(hào)幅值也被大大衰,減，從而達(dá)到了抑制干擾的目的。,?,3.,?,繼電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系，,而沒有直接的電的聯(lián)系，因此可利用繼電,器線圈接收電信號(hào)，而利用其觸點(diǎn)控制和,傳輸電信號(hào)，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔,離（如下圖所示）。同時(shí)，繼電器觸點(diǎn)較,多，且其觸點(diǎn)能承受較大的負(fù)載電流，因,此應(yīng)用非常廣泛。,?,濾波,?,濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干,擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號(hào),的頻譜寬得多，

10、因而當(dāng)接收器接收有用信號(hào)時(shí)，,也會(huì)接收到那些不希望有的干擾。,?,下圖所示為計(jì)算機(jī)電源采用的一種,LC,低通濾,波器的接線圖。含有瞬間高頻干擾的,220V,工頻電,源通過截止頻率為,50Hz,的濾波器，其高頻信號(hào)被,衰減，只有,50Hz,的工頻信號(hào)通過濾波器到達(dá)電源,變壓器，保證正常供電,?,圖,(a),所示為開關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng)抑制電路，用于,觸點(diǎn)抖動(dòng)所引,起的干擾,。圖,(b),所示電路是交流信號(hào)抑制電路，主要用,于抑制電感性負(fù)載在切斷電源瞬間所產(chǎn)生的,反電勢(shì),。圖,(c),所示電路是輸入信號(hào)的阻容濾波電路，可作為直流電,源的,輸入濾波器,，也可作為模擬電路輸入信號(hào)的阻容濾波,器。,?,接地,?,

11、下圖所示是,并聯(lián)一點(diǎn)接地,方式。這,種方式在,低頻,時(shí)是最適用的，因?yàn)楦麟娐?的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗,有關(guān)，不會(huì)因地電流而引起各電路間的耦,合。這種方式的缺點(diǎn)是需要連很多根地線，,用起來比較麻煩。,并聯(lián)一點(diǎn)接地,?,?,多點(diǎn)接地所需地線較多，一般適用,于低頻信號(hào)。若電路工作,頻率較高,，電感,分量大，各地線間的互感耦合會(huì)增加干擾。,如下圖所示，,各接地點(diǎn)就近接于接地匯流,排或底座、外殼等金屬構(gòu)件上,。,多點(diǎn)接地,軟件抗干擾的措施,1.,?,用軟件來識(shí)別有用信號(hào)和干擾信號(hào),并濾除干擾信號(hào)的方法稱為軟件濾波。識(shí),?,（,1,）時(shí)間原則。,?,（,2,）空間原則。,?,（,3,）屬性原

12、則。,?,2.,軟件“陷阱”,?,從軟件的運(yùn)行來看，瞬時(shí)電磁干擾可能會(huì)使,CPU,偏離,預(yù)定的程序指針，進(jìn)入未使用的,RAM,區(qū)和,ROM,區(qū)，引起,一些莫名其妙的現(xiàn)象，其中死循環(huán)和程序“飛掉”是常見,的。為了有效地排除這種干擾故障，常采用軟件“陷阱”,法。這種方法的基本指導(dǎo)思想是，把系統(tǒng)存儲(chǔ)器（,RAM,和,ROM,）中沒有使用的單元用某一種重新啟動(dòng)的代碼指令,填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序。一般,當(dāng),CPU,執(zhí)行該條指令時(shí)，程序就自動(dòng)轉(zhuǎn)到某一起始地址，,從這一起始地址開始存放一段使程序重新恢復(fù)運(yùn)行的熱啟,動(dòng)程序，該熱啟動(dòng)程序掃描現(xiàn)場(chǎng)的各種狀態(tài)，并根據(jù)這些,狀態(tài)判斷程序應(yīng)該轉(zhuǎn)到

13、系統(tǒng)程序的哪個(gè)入口，使系統(tǒng)重新,投入正常運(yùn)行。,?,3.,軟件“看門狗”,?,“看門狗”（,WATCHDOG,）就是用硬件（或,軟件）的辦法使用監(jiān)控定時(shí)器定時(shí)檢查某段程序,或接口，當(dāng)超過一定時(shí)間系統(tǒng)沒有檢查這段程序,或接口時(shí)，可以認(rèn)定系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)（干擾發(fā)生），,可通過軟件進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位或按事先預(yù)定的方式運(yùn),行。“看門狗”是工業(yè)控制機(jī)普遍采用的一種軟,件抗干擾措施。當(dāng)侵入的尖峰電磁干擾使計(jì)算機(jī),程序“飛掉”時(shí)，,WATCHDOG,能夠幫助系統(tǒng)自,動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。,系統(tǒng)抗干擾能力的措施,?,1,、邏輯設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單可靠,?,對(duì)于一個(gè)具體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在滿,足生產(chǎn)工藝控制要求的前提下，邏輯設(shè)計(jì),應(yīng)盡

14、量簡(jiǎn)單，以便節(jié)省元件，方便操作。,?,2,、,?,由于干擾引起的誤動(dòng)作多是偶發(fā)性的，,因而應(yīng)采取某種措施使這種偶發(fā)的誤動(dòng)作,不致直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，在總體,設(shè)計(jì)上必須設(shè)法使干擾造成的這種故障能,夠盡快恢復(fù)正常。通常的方式是在硬件上,設(shè)置某些自動(dòng)監(jiān)測(cè)電路,這主要是為了對(duì)一,些薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)控，以便縮小故障范圍，,增強(qiáng)整體的可靠性。,?,3,、從安裝和工藝,?,a,合理選擇接地,?,b,合理選擇電源,合理選擇電源對(duì)系統(tǒng)的,抗干擾能力也是至關(guān)重要的,;,?,c,合理布局,系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行合理的,布局，能有效地防止電磁干擾的危害。,單片機(jī)系統(tǒng)的幾點(diǎn)抗干擾技術(shù),?,單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì),?,印制

15、電路板及電路的抗干擾設(shè)計(jì),單片機(jī)抗干擾設(shè)計(jì),?,在單片機(jī)系統(tǒng)中，為了提高供電系統(tǒng)的質(zhì)量，防止竄入干擾，建議采,用如下措施：,?,（,1,）單片機(jī)輸入電源與強(qiáng)電設(shè)備動(dòng)力電源分開。,?,（,2,）采用具有靜電屏蔽和抗電磁干擾的隔離電源變壓器。,?,（,3,）交流進(jìn)線端加低通濾波器，可濾掉高頻干擾。安裝時(shí)外殼要加,屏蔽并使其良好接地，濾波器的輸入、輸出引線必須相互隔離，以防,止感應(yīng)和輻射耦合。直流輸出部分采用大容量電解電容進(jìn)行平滑濾波。,?,（,4,）對(duì)于功率不大的小型或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為了抑制電網(wǎng)電壓起,伏的影響，可設(shè)置交流穩(wěn)壓器。,?,（,5,）采用獨(dú)立功能塊單獨(dú)供電，并用集成穩(wěn)壓塊實(shí)現(xiàn)兩級(jí)穩(wěn)壓

16、。例,如主板電源先用,7809,穩(wěn)壓到,9V,，再用,7805,穩(wěn)壓到,5V,。,?,（,6,）盡量提高接口器件的電源電壓，提高接口的抗干擾能力。例如,用光耦合器輸出端驅(qū)動(dòng)直流繼電器，選用直流,24V,繼電器比,6V,繼電器,效果好。,?,過程通道是系統(tǒng)輸入、輸出以及單片機(jī)之,間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂?。由于輸入輸出?duì),象與單片機(jī)之間的連接線長(zhǎng)，容易串入干,擾，必須采用隔離技術(shù)、雙絞線傳輸、阻,抗匹配等措施抑制。,利用雙絞線抑制長(zhǎng)線傳輸干擾,?,雙絞線是較常用的一種傳輸線。與同軸電,纜相比，其波阻抗高、抗共模噪聲能力強(qiáng)，,對(duì)電磁場(chǎng)具有一定抑制效果。,?,根據(jù)傳送距離不同，雙絞線使用方法不同，,見下表

17、：,距,離,使用方法,示意圖,5,米以下,發(fā)送、接收端都接有,負(fù)載電阻。,若發(fā)射側(cè)為集電極開,路驅(qū)動(dòng)，則接收側(cè)的,集成電路用施密特型,電路，抗干擾能力更,強(qiáng)。,10,米左右,使用平衡輸出的驅(qū)動(dòng),器和平衡輸入的接收,器,數(shù)十米,發(fā)送和接收信號(hào)端都,要接匹配電阻。,印制電路板及電路的抗干擾設(shè)計(jì),?,在單片機(jī)系統(tǒng)中，印制電路板的設(shè)計(jì)好壞對(duì)抗干,擾能力影響很大。印制電路板是用來支撐電路元,件，并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要,組件。為了減少干擾，在印制電路板設(shè)計(jì)過程中,必須遵循以下三大原則：,?,盡量控制噪聲源；,盡量減小噪聲的傳播與耦合；,盡量增加噪聲的吸收。,1,、印制電路板大小,?,印制電

18、路板大小要適中,如果印制電路板太大，會(huì)增加線路的阻,抗及成本，降低抗干擾能力；太小，則散,熱不好，而且線路間干擾也會(huì)大大增加。,2,、去耦電容,1,?,合理配置去耦電容,（,1,）直流電源輸入端應(yīng)跨接,10100F,以上的,電解電容器。,?,（,2,）原則上每個(gè)集成電路芯片的,Vcc,引腳都應(yīng),安置,個(gè),0.01F,的陶瓷電容器。也可每,410,個(gè)芯,片安置一個(gè),110F,的鉭電容器。,?,（,3,）對(duì)于抗噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的,器件和,ROM,、,RAM,等存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源,線,?,（,Vcc,）和地線（,GND,）間直接接入去耦電容。,2,、去耦電容,2,?,（,4,）電容

19、引線不能太長(zhǎng)，特別是高頻旁路,電容不能帶引線。,?,（,5,）在選用作為電路充電的儲(chǔ)能電容時(shí)，,盡量采用大容量的鉭電容或聚脂電容，而,不用電解電容。若使用電解電容則要與高,頻特性好的去耦電容成對(duì)使用。如下圖所,示為去耦電容的安裝位置圖。,?,3,選擇時(shí)鐘頻率低的單片機(jī)及外部時(shí)鐘部件。,?,4,元件的選擇盡量采用低速器件。,?,5,對(duì)進(jìn)入電路板的信號(hào)源及從高噪聲區(qū)來的信號(hào),要加濾波，繼電器線圈處要加續(xù)流二極管。,?,6,盡量不使用,IC,插座，而把,IC,直接焊在印制板上，,這樣可減少,IC,插座間較大的分布電容。,?,7,電源插接件與信號(hào)插接件要盡量遠(yuǎn)離，主要信,號(hào)的插接件外面最好帶有屏蔽。,

20、?,在安排插針信號(hào)時(shí)，用一部分插針為接地針，,均勻分布于各信號(hào)針之間，起到隔離干擾的作用。,信號(hào)針與接地針理想的比例為,1,：,1,。,印制電路板的合理布局,?,1,元件布置要合理分區(qū)。,?,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常可分三區(qū)，即模擬電路區(qū)（怕干擾）、,數(shù)字電路區(qū)（既怕干擾、又產(chǎn)生干擾）、功率驅(qū)動(dòng)區(qū)（干,擾源）。應(yīng)將這三個(gè)區(qū)合理分開，使它們相互間的信號(hào)耦,合最小。,?,2,印制電路板要按,單點(diǎn)接電源、單點(diǎn)接地,的原則送電。,三個(gè)區(qū)的電源線、地線由該點(diǎn)分三路引出。,?,3,噪聲元件與非噪聲元件要離得遠(yuǎn)一些。,?,易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn),離計(jì)算機(jī)邏輯電路，如有可能，應(yīng)另做電路板

21、。,?,4,時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和,CPU,的時(shí)鐘輸入端要盡量靠近，,并遠(yuǎn)離,I/O,線及接插件。,?,5,I/O,驅(qū)動(dòng)器件、功率放大器件盡量靠近印,制電路板的邊緣、靠近引出接插件。,?,6,器件的布置上也應(yīng)考慮到散熱。,?,最好把,ROM,、,RAM,、時(shí)鐘發(fā)生器等發(fā)熱,較多的器件布置在印制板的偏上方部位,（當(dāng)印制板豎直安裝時(shí)）或易通風(fēng)散熱的,地方。單片機(jī)組件的參考布局如圖所示。,印制電路板的合理布線,?,1,正確處理電源線,?,根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量,加,粗電源線寬度,，減少環(huán)路電阻。同時(shí)，使,電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一,致。電源線和地線最好分別設(shè)計(jì)在,不同的,版面上,，以防雜物引起短路。,?,2,、正確處理地線,?,（,1,）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào),頻率小于,1MHz,時(shí)，應(yīng),盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,，實(shí)際布線有困難時(shí)，可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接,地；當(dāng),頻率大于,10MHz,時(shí)，宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地,；當(dāng)信號(hào)頻率在,110MHz,之間時(shí)，如地線長(zhǎng)度不超過波長(zhǎng)的,1/20,，可用單點(diǎn)接地。,3,種接地方