第7章 可靠性

1、第七章第七章 微機(jī)控制系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的 可靠性與抗干擾技術(shù)可靠性與抗干擾技術(shù) 7.1 7.1 可靠性與抗干擾技術(shù)的基本概念可靠性與抗干擾技術(shù)的基本概念 7.2 7.2 硬件的可靠性與抗干擾技術(shù)硬件的可靠性與抗干擾技術(shù) 7.3 7.3 軟件的可靠性與抗干擾技術(shù)軟件的可靠性與抗干擾技術(shù) 可靠性對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說至關(guān)重要可靠性對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說至關(guān)重要1 1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境往往比較惡劣、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境往往比較惡劣 環(huán)境溫度和濕度變化大，有粉塵、振動、腐蝕和電氣干擾，會影響到系統(tǒng)的正常工作，影響控制精度。2 2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通常要求長期連續(xù)工作，不能隨意、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通

2、常要求長期連續(xù)工作，不能隨意關(guān)機(jī)、復(fù)位或重新啟動。關(guān)機(jī)、復(fù)位或重新啟動。 系統(tǒng)應(yīng)能抑制干擾的影響；數(shù)據(jù)被破壞時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并能糾正；系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)能及時(shí)給出報(bào)警信息；抗干擾技術(shù)是提高可靠性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，一個(gè)沒有采取抗干擾措施的控制系統(tǒng)是根本不能投入實(shí)際使用的。 7.1 7.1 可靠性與抗干擾技術(shù)的基本概念可靠性與抗干擾技術(shù)的基本概念一、可靠性的概念一、可靠性的概念 1 1可靠性（可靠性（ReliabilityReliability）定義）定義 控制系統(tǒng)的可靠性通常是指：控制系統(tǒng)在一定條件下，在規(guī)控制系統(tǒng)在一定條件下，在規(guī)定時(shí)間段完成預(yù)定功能的能力。定時(shí)間段完成預(yù)定功能的能力。（

3、1）環(huán)境條件（如溫度、濕度、粉塵、氣體、振動和電磁干擾等）（2）工作條件（如電源電壓、頻率允許波動的范圍、負(fù)載阻抗、允許連接的用戶終端數(shù)等）（3）操作和維護(hù)條件（如開機(jī)關(guān)機(jī)過程、正常操作步驟、維修時(shí)間和次數(shù)等）。規(guī)定的時(shí)間：規(guī)定的時(shí)間：常以數(shù)學(xué)形式表示可靠性的基本參量，如可靠度、失效率、平均故障間隔時(shí)間（MTBF：Mean Time Between Failures）、平均維護(hù)時(shí)間（ MTTR：Mean Time to Repair）等。規(guī)定的功能：規(guī)定的功能：是指控制系統(tǒng)能完成任務(wù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 影響系統(tǒng)完成規(guī)定功能的干擾因素有多種，如溫度、濕度、震動、電磁干擾、誤操作及器件的失效、老化、

4、設(shè)計(jì)缺陷等。 2 2錯(cuò)誤（錯(cuò)誤（ErrorError）和故障（）和故障（FailureFailure） 在干擾信號下，系統(tǒng)會產(chǎn)生非正常的工作狀態(tài)，稱為異常狀態(tài)。 （1）瞬時(shí)性的、功能上出現(xiàn)偏差的異常狀態(tài)稱為錯(cuò)誤。 （2）固定性的、功能部件其必要操作能力消失的異常狀態(tài)，稱之為故障，故障只有通過修理才能恢復(fù)到正常狀態(tài)。 錯(cuò)誤的發(fā)生并不可怕，可怕的是發(fā)生了錯(cuò)誤，系統(tǒng)仍一無所知。因此，自動檢測、糾正和指示，對控制系統(tǒng)來說非常重要。 按故障其發(fā)生時(shí)期通常分為：早期故障、耗損故障和偶發(fā)按故障其發(fā)生時(shí)期通常分為：早期故障、耗損故障和偶發(fā)故障。故障。 （1）早期故障是由于元器件質(zhì)量差，軟件、硬件設(shè)計(jì)欠完善等原

5、因造成的，可通過系統(tǒng)試運(yùn)行，更換質(zhì)量不好的元器件、修改硬件電路、改正軟件錯(cuò)誤來排除。 （2）耗損故障的發(fā)生是由于元器件使用壽命已到所致。如果已知元器件使用壽命的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，預(yù)先更換元器件，就可防止耗損故障的發(fā)生。定期檢查或更換關(guān)鍵元件和部件，也可防止耗損故障的發(fā)生。 （3 3）偶發(fā)故障是隨機(jī)的，通常發(fā)生于早期故障和耗損故障之）偶發(fā)故障是隨機(jī)的，通常發(fā)生于早期故障和耗損故障之間，在故障發(fā)生后，需進(jìn)行應(yīng)急維修。間，在故障發(fā)生后，需進(jìn)行應(yīng)急維修。 由于偶發(fā)故障的發(fā)生難以預(yù)見又不可避免，為減少由于故障發(fā)生所造成的損失，盡快恢復(fù)系統(tǒng)正常工作，就需要采取故障恢復(fù)技術(shù)；要使系統(tǒng)仍然繼續(xù)運(yùn)行，需要采取特殊措

6、施。綜上所述，可靠性的概念有兩層含義：綜上所述，可靠性的概念有兩層含義： 1 1、系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)盡可能減少故障和錯(cuò)誤的發(fā)生；、系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)盡可能減少故障和錯(cuò)誤的發(fā)生； 2 2、發(fā)生了故障和錯(cuò)誤后能迅速進(jìn)行維修，盡快恢復(fù)正常工、發(fā)生了故障和錯(cuò)誤后能迅速進(jìn)行維修，盡快恢復(fù)正常工作。作。 另外，若考慮人為的干擾因素，如控制系統(tǒng)中有關(guān)數(shù)據(jù)和程序的非法竊取、修改等，則安全性也屬于系統(tǒng)可靠性應(yīng)考慮的內(nèi)容。二、噪聲及干擾二、噪聲及干擾1 1、噪聲、噪聲定義：定義：噪聲是一種明顯不傳送信息的信號，它與信號疊加或組合，使有用信號發(fā)生畸變。分類：分類：（1 1）按噪聲產(chǎn)生的位置分類：）按噪聲產(chǎn)生的位置分

7、類：內(nèi)部噪聲和外部噪聲內(nèi)部噪聲和外部噪聲。 內(nèi)部噪聲是指裝置內(nèi)部或器件本身產(chǎn)生的噪聲。 外部噪聲是指從外部侵入裝置或系統(tǒng)的噪聲，主要有自然噪自然噪聲和人為噪聲聲和人為噪聲二類。 自然噪聲包括大氣噪聲、太陽噪聲等。大氣噪聲如雷電、自然噪聲包括大氣噪聲、太陽噪聲等。大氣噪聲如雷電、火花放電、臺風(fēng)、火山噴煙、黃砂、飛雪等火花放電、臺風(fēng)、火山噴煙、黃砂、飛雪等。其中雷電是經(jīng)常遇到的，它從較低頻率（數(shù)千赫茲）到VHF射頻段（30300MHZ）或更高的頻段內(nèi)產(chǎn)生干擾，并能傳到相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。 太陽噪聲是由于太陽黑子或磁暴發(fā)射出的電磁噪聲，其強(qiáng)度與黑子活動的激烈程度有關(guān)。 人為噪聲來自其他機(jī)器和設(shè)備的噪聲人為

8、噪聲來自其他機(jī)器和設(shè)備的噪聲，如： 有觸點(diǎn)的家用電器和民用設(shè)備：電冰箱、電熨斗、電磁開關(guān)、繼電器等； 使用整流子電動機(jī)的機(jī)器：電鉆、電動刮胡刀、電按摩器、吸塵器、電動攪拌機(jī)、牙科醫(yī)療器械； 家用電力半導(dǎo)體器件裝置：硅整流調(diào)光器、開關(guān)電源等； 工業(yè)用高頻設(shè)備：塑料熱合機(jī)、高頻加熱器、高頻電焊機(jī)等； 高頻醫(yī)療設(shè)備：甚高頻或超高頻理療裝置、高頻手術(shù)刀、電測儀、光機(jī)等； 電力傳動設(shè)備：各種直流、交流伺服電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥、接觸器等； 電力電子器件組成的變流裝置：可控整流器、逆變器、變頻器、斬波器、交流調(diào)壓器、USB電源、高頻開關(guān)電源等； 電力傳輸設(shè)備：高壓電力傳輸線、高壓斷路器、變壓器等；內(nèi)燃機(jī)

9、中的點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、電壓調(diào)節(jié)器、電刷等； 無線電發(fā)射和接收設(shè)備：移動通信系統(tǒng)、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備等； 高速數(shù)字電路設(shè)備：計(jì)算機(jī)及其相關(guān)設(shè)備等。（2 2）按噪聲產(chǎn)生的原因分類）按噪聲產(chǎn)生的原因分類 有放電噪聲、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲等。 放電噪聲主要由雷電、靜電、電機(jī)電刷和大功率開關(guān)觸點(diǎn)斷開等放電現(xiàn)象產(chǎn)生的。 高頻振蕩噪聲主要由感應(yīng)電爐、開關(guān)電源、逆變器、高頻加熱器、超聲波設(shè)備以及電路內(nèi)部反饋引起的高頻自激振蕩所產(chǎn)生。 浪涌噪聲是由大功率設(shè)備、晶閘管變流器和電動機(jī)啟動產(chǎn)生涌流所造成的。（3 3）按噪聲傳導(dǎo)模式分類）按噪聲傳導(dǎo)模式分類 按噪聲傳導(dǎo)模式可分為常模噪聲和共模噪聲常模噪聲和共模

10、噪聲。 常模噪聲常模噪聲又稱差動噪聲、串模噪聲、橫向噪聲、線間感應(yīng)噪聲或?qū)ΨQ噪聲等，常模噪聲與有用信號串在一起，噪聲電流in與有用信號電流is在線路中的流向是一致的，噪聲電壓un始終迭加在信號電壓us，這種噪聲往往較難清除。 當(dāng)噪聲的頻率范圍與有用信號相差較大時(shí)，可采用濾波方當(dāng)噪聲的頻率范圍與有用信號相差較大時(shí)，可采用濾波方法來抑制。法來抑制。 共模噪聲共模噪聲又稱地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或不對稱噪聲。又稱地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或不對稱噪聲。噪聲電流in在一對信號線上各流過一部分，以地為公共回路，當(dāng)線路處于平衡狀態(tài)，兩根信號線對地阻抗一致（Z1=Z2），在兩根信號線間產(chǎn)生的噪聲電壓un基本為，共模噪

11、聲不會對有用信號產(chǎn)生影響。但線路不平衡，即兩根信號線對地阻抗不一致時(shí)，噪聲電壓un就不為，相當(dāng)于在兩根信號線存在常模噪聲。 通常輸入/輸出信號線與大地或機(jī)殼之間的噪聲都為共模噪聲，信號線受到靜電感應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲也多為共模噪聲。抑抑制共模噪聲的方法較多，如隔離、屏蔽、接地等。制共模噪聲的方法較多，如隔離、屏蔽、接地等。（4 4）按噪聲波形分類）按噪聲波形分類 有連續(xù)的正弦波、偶發(fā)和周期性的脈沖波。 對連續(xù)正弦波噪聲，可用幅值Um、持續(xù)時(shí)間tS 和振蕩頻率fn等特征值來描述； 對偶發(fā)脈沖波噪聲，可用最大幅度Um、上升時(shí)間tr、脈沖寬度tp等特征值來描述； 周期性脈沖波噪聲，可用最大幅度Um、脈沖寬

12、度tn、脈沖間隔時(shí)間ts等特征值來描述。根據(jù)噪聲波形與有用信號的特征值，才能確定采用具體消除噪聲的措施2 2、干擾、干擾 定義：定義：當(dāng)噪聲引起設(shè)備或系統(tǒng)性能下降甚至不能正常工作時(shí)，稱為干擾。 由噪聲（或電磁騷擾）干擾引起設(shè)備或系統(tǒng)性能下降現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須滿足個(gè)條件：（1）噪聲的發(fā)生（即有噪聲源的存在）（2）噪聲的接收（即有受擾體的存在）（3）噪聲的傳播（即有耦合途徑的存在）（4）上述三者在時(shí)間上的一致性。 噪聲源和受擾體通常是客觀存在的，只能通過減少噪聲源的發(fā)射能量，降低受擾體敏感度來達(dá)到消除干擾。切斷噪聲從噪聲源到受擾體的耦合途徑，調(diào)整噪聲的產(chǎn)生、傳播和接收的時(shí)間關(guān)系，有時(shí)也能起到事半功倍

13、的效果。干擾源：干擾源：能產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號；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。若用數(shù)學(xué)描述，則du/dt或du/dt較大的地方都可能是干擾源。受擾體：受擾體：指容易被干擾的對象。受擾體通常對噪聲有較高敏感性（susceptibility），如 A/D、D/A變換器、單片機(jī)、數(shù)字IC、弱信號放大器等，都可以是受擾體。傳播途徑：傳播途徑：指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。主要有導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 干擾的來源：干擾的來源：（1）從電源引線侵入的干擾；（2）從輸入/輸出通道引入的干擾；（3）空間電磁干擾；（4）靜電噪聲；（5）其他環(huán)境因素?？垢蓴_：抗干擾

14、： 抗干擾就是針對干擾產(chǎn)生的性質(zhì)、傳播途徑、侵入的位置和形式，采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ蓴_源，抑制耦合通道，減弱電路對噪聲干擾的敏感性。 耦合與耦合途徑耦合與耦合途徑 耦合泛指系統(tǒng)間或一個(gè)系統(tǒng)的各部分之間相互作用而彼此發(fā)生關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，此處主要指干擾源與受擾體之間通過電或磁產(chǎn)生聯(lián)系的現(xiàn)象，它通常決定了受擾體受到干擾的方式。 耦合途徑是指干擾源對受擾體發(fā)生作用時(shí)，電磁能量的傳輸介質(zhì)，亦稱耦合通道。耦合途徑主要有傳導(dǎo)、感應(yīng)和輻射。耦合途徑主要有傳導(dǎo)、感應(yīng)和輻射。（1 1）公共阻抗耦合）公共阻抗耦合 是噪聲源和信號處理電路具有公共阻抗時(shí)的傳導(dǎo)耦合。常見的情況是信號處理電路和信號輸出電路使用不是理想電壓源，電

15、源內(nèi)阻就成為了公共阻抗Zc，信號輸出電路中的電流變化會在公共阻抗上產(chǎn)生噪聲信號，并通過電源線干擾信號處理電路。為了防止公共阻抗耦合，應(yīng)使耦合阻抗趨近于零，通過去耦電為了防止公共阻抗耦合，應(yīng)使耦合阻抗趨近于零，通過去耦電路可減少公共阻抗耦合引起的干擾路可減少公共阻抗耦合引起的干擾 ( (圖圖7.3)7.3) 。（2 2）直接耦合）直接耦合 直接耦會通常是噪聲信號經(jīng)過導(dǎo)線直接傳導(dǎo)到被干擾電路中，形成常模干擾或共模干擾。（3 3）靜電耦合）靜電耦合( (圖圖7.5)7.5) 控制系統(tǒng)的元件之間、導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與元件之間都存在分布電容。如某一導(dǎo)體上的信號電壓變化通過分布電容影響到其他導(dǎo)體上的電位，這種

16、現(xiàn)象稱為電容性耦合，也稱靜電耦合或電場耦合。噪聲通過電容耦合的影響程度取決于分布電容大小和噪聲的頻率。（4 4）電磁感應(yīng)耦合）電磁感應(yīng)耦合( (圖圖7.67.6） 電磁感應(yīng)耦合又稱磁場耦合。載流導(dǎo)體周圍空間都會產(chǎn)生磁場，如磁場是交變的，則會對其周圍閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因此，電路中的線圈、變壓器甚至較長的導(dǎo)線都可能通過電磁感應(yīng)耦合來傳遞噪聲。 （5 5）漏電流耦合（圖）漏電流耦合（圖7.7)7.7) 漏電耦合是電阻性耦合方式。當(dāng)相鄰的元件或?qū)Ь€間絕緣電阻降低時(shí)，就會發(fā)生漏電耦合現(xiàn)象。 （6 6）輻射耦合）輻射耦合( (圖圖7.8)7.8) 輻射耦合主要由電磁場輻射引起。當(dāng)高頻電流通過導(dǎo)線時(shí)，就

17、會在導(dǎo)體周圍形成空間傳播的電磁波，一定長度的信號傳輸線既可作為發(fā)射無線，也可作為接收天線，這就是所謂的“天線效應(yīng)”。在一定強(qiáng)度的電磁場輻射條件下，由于天線效應(yīng)，噪聲經(jīng)輻射耦合入侵電路就難以避免。 干擾的傳播途徑（1）輻射干擾：輻射干擾主要來源于電磁場在空間的傳播，以干擾源的電源電路、信號的輸入輸出電路、控制電路等導(dǎo)線作為輻射天線。（2）導(dǎo)線干擾：如果干擾波的產(chǎn)生源與被干擾系統(tǒng)由同一電源線或其他傳輸線連接，則干擾波會通過該導(dǎo)線傳播。主要有：線間電壓干擾和對地電壓干擾、長線傳輸?shù)母蓴_、 電源系統(tǒng)的干擾 單片機(jī)切斷干擾傳播途徑的常用措施（1）減小電壓噪聲干擾，增加濾波電路；（2）IO口隔離；（3）晶

18、振靠近單片機(jī)，外殼接地固定；（4）電路板分布合理，干擾源和敏感元件分離；（5）數(shù)字地與模擬地分離；（6）單片機(jī)與大功率器件的地線要單獨(dú)接地，減少相互干擾；（7）在單片機(jī)IO口、電源線、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾器件。 3 3、電磁兼容性、電磁兼容性 （) )電磁兼容性的概念電磁兼容性的概念 電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）并非指電與磁之間的兼容，而是指在不損害信號所含信息的條件下，信號和干擾能夠共存的程度。 國際電工委員會（IEC）對EMC的定義是：設(shè)備或系統(tǒng)在其設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受電磁環(huán)境中

19、能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。的電磁騷擾的能力。 研究電磁兼容的目的是為了保證電器設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中具有正常工作的能力，以及掌握電磁波對社會生產(chǎn)活動和人體健康造成危害的機(jī)理和預(yù)防措施。 (2)(2)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) 國際上從事電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作的有兩個(gè)技術(shù)委員會：國國際上從事電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作的有兩個(gè)技術(shù)委員會：國際無線電干擾特別委員會和第際無線電干擾特別委員會和第7777技術(shù)委員會。技術(shù)委員會。 我國成立了全國無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會和電磁兼容全國無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會和電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合工作組，標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合工作組，促進(jìn)了EMC研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作

20、。(3)(3)電磁兼容性不等式電磁兼容性不等式 設(shè)備抗干擾能力大于干擾源強(qiáng)度*傳播衰減因子 4 4、控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的基本途徑、控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的基本途徑 控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的基本途徑可從個(gè)方面考慮。（1 1）提高元器件和部件的可靠性）提高元器件和部件的可靠性 系統(tǒng)的可靠性是建立在各組成部分可靠性基礎(chǔ)上的，選擇可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)的元件、器件和部件是提高系統(tǒng)可靠性的前提。 方法有：（1）查明失效的物理機(jī)理，分析失效的原因加以消除；（2）掌握元器件的性能，合理地規(guī)定使用條件，必要時(shí)可采用降額設(shè)計(jì)（使元器件在遠(yuǎn)低于額定條件下工作）；（3）建立器件的性能老化模型，提供有效的器件篩選方法；（4）

21、利用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)，減少使用分立元件，以提高電路或子系統(tǒng)的可靠性等等。 （2）合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一個(gè)控制系統(tǒng)通常由若干個(gè)部分組成，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是適當(dāng)分解系統(tǒng)，然后建立相互的連接關(guān)系。分解系統(tǒng)除了按功能劃分外，還應(yīng)考慮噪聲源與受擾體盡可能分開，各組成部分盡可能采用成熟技術(shù)，各組成部分之間的連接要著重考慮便于維護(hù)和更換。 （3）采用抗干擾技術(shù)采用抗干擾技術(shù) 常見的硬件抗干擾措施有濾波與去耦、隔離與屏蔽、電源常見的硬件抗干擾措施有濾波與去耦、隔離與屏蔽、電源與接地、停電保護(hù)與熱插拔技術(shù)等；與接地、停電保護(hù)與熱插拔技術(shù)等； 軟件抗干擾措施有數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)、

22、開機(jī)自檢軟件抗干擾措施有數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)、開機(jī)自檢與故障診斷等。與故障診斷等。 （4）采用可靠性技術(shù)采用可靠性技術(shù) 控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)涉及的內(nèi)容還有：冗余技術(shù)、自動檢冗余技術(shù)、自動檢錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)、故障診斷和恢復(fù)技術(shù)、安全性技術(shù)以及軟件可靠錯(cuò)糾錯(cuò)技術(shù)、故障診斷和恢復(fù)技術(shù)、安全性技術(shù)以及軟件可靠性技術(shù)等。性技術(shù)等。 7.2 7.2 硬件的可靠性與抗干擾技術(shù)硬件的可靠性與抗干擾技術(shù)一、抑制干擾的一般措施一、抑制干擾的一般措施精選電子元件濾波去耦屏蔽隔離布線接地 二、元器件及其選擇二、元器件及其選擇 1 1、電子元器件的可靠性度量、電子元器件的可靠性度量 電子元器件的可靠性常用失效比例來測定。比

23、較容易理解的是所謂平均失效率，它可用公式表示如下： 平均失效率平均失效率 = = 失效產(chǎn)品的百分比工作時(shí)間失效產(chǎn)品的百分比工作時(shí)間 、元器件的選擇、元器件的選擇（1）深入了解元器件的電氣參數(shù)，特別是極限參數(shù)，不能超出極限條件下工作。如對于二極管，應(yīng)考慮最大反向電壓、最大正向電流、反向電流、正向壓降和工作頻率等電氣參數(shù)。（2）注意溫度對器件性能的影響，選擇溫漂小，穩(wěn)定性好的元器件。如工業(yè)級TTL集成電路的工作溫度為070C，CMOS集成電路的工作溫度為 -55+125C。（3）為提高整體可靠性、降低接觸不良故障、減少焊點(diǎn)數(shù)量，盡量選用大規(guī)模集成電路。 （4）盡量選用抗干擾性能好的元器件。 為了提

24、高噪聲容限，可選用CMOS器件； 為了抑制共模干擾，可選用測量放大器； 為了抑制工頻干擾，可選用積分型A/D； 為提高傳輸距離，應(yīng)采用電流傳輸器件等。 （5）有條件時(shí)，盡可能采用低功耗器件。對電池供電的場合，更應(yīng)選用功耗小的CMOS器件。 （6）多路轉(zhuǎn)換器：輸入易受到共模噪聲的干擾。在輸入端接入共模扼流圈，對抑制外部傳感器引入的高頻共模噪聲十分有效。多個(gè)輸入信號經(jīng)多路轉(zhuǎn)換器接至放大器或A/D轉(zhuǎn)換器的方法有單端法和差動接法，其中差動接法抗干擾能力強(qiáng)。（7）放大器的選擇。 在傳感器工作環(huán)境復(fù)雜和惡劣時(shí)，應(yīng)選擇測量放大器，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫度漂移、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定

25、增益等特點(diǎn)，因此，在微弱信號的監(jiān)測系統(tǒng)中廣泛用作前置放大器。 為了防止共模噪聲侵入系統(tǒng)，可以采用隔離放大器。隔離放大器具有線性和穩(wěn)定性好，共模抑制比高，應(yīng)用電路簡單，放大增益可變等特點(diǎn)。（）A/D轉(zhuǎn)換器。 逐次比較式ADC轉(zhuǎn)換速度較高，但抗干擾能力差。 雙積分ADC抗干擾能力強(qiáng)，尤其是對工頻干擾有較強(qiáng)的抑制能力，具有較高的轉(zhuǎn)換精度，但轉(zhuǎn)換速度較低。 V/F式ADC也具有較好的抗干擾性能、很好的線性度和高分辨率，其轉(zhuǎn)換速度適中。 （9）數(shù)字輸入端噪聲抑制是根據(jù)有用脈沖信號與無用脈沖噪聲之間的差別，來采取既保證有用脈沖信號不丟失，又有效地抑制無用脈沖噪聲的措施。 在數(shù)字電路的接口部位加入RC濾波環(huán)

26、節(jié)，利用RC的延時(shí)作用來控制噪聲的影響，并在RC濾波器的輸出端接入施密特型集成電路。 抑制輸入噪聲的另一項(xiàng)措施是提高輸入端的噪聲容限，這可采取加上拉電阻、電源分散配置以及提高供電電源電壓等措施。3 3、濾波技術(shù)、濾波技術(shù)1 1、濾波器的類型、濾波器的類型按結(jié)構(gòu)形式分：一體化濾波器、分立式濾波器；按工作條件分：無源濾波器、有源濾波器；按頻率特性分：低通、高通、帶通、帶阻；按使用場合分：電源濾波器、信號濾波器、控制線濾波器；按濾波原理分：反射式濾波器、吸收式濾波器。 2 2、濾波電路類型、濾波電路類型 控制系統(tǒng)中有兩種濾波電路，一種用于抑制信號處理電路中的干擾，另一種用于抑制電源的干擾。 （1 1

27、）抑制信號處理電路中干擾的濾波電路）抑制信號處理電路中干擾的濾波電路 用于信號處理電路抗干擾的濾波電路通常為RC濾波器、LC濾波器、雙濾波器和開關(guān)電容濾波器等。 RC濾波器（圖7-10）按結(jié)構(gòu)可分為 型、型和 型，這三種RC濾波器的傳遞函數(shù)均為 。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，取0大于有用信號的S，小于噪聲信號的n。 RCSsG11)( LC低通濾波器按結(jié)構(gòu)也可分為型、型和型，這三種LC低通濾波器的傳遞函數(shù)均為，其中R為L的直流電阻；其近似對數(shù)幅頻特性，其中 。由于LC低通濾波器對大于0的衰減比RC低通濾波器快，因此其濾波效果相對較好，但需要使用電感元件（圖7-11）。 RC或LC濾波器的型、型和型結(jié)構(gòu)的選擇

28、主要取決于信號源和負(fù)載的阻抗，一般對高阻抗的信號源和負(fù)載直選用型結(jié)構(gòu)，對低阻抗的信號源和負(fù)載宜選用型結(jié)構(gòu)，其他情況可選用型結(jié)構(gòu)。211)(LCsRCssGLC10 還可利用運(yùn)放組成各種有源濾波器。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，還可利用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。 （2 2）抑制電源高頻干擾的濾波電路）抑制電源高頻干擾的濾波電路 電源中難以避免會引入高頻干擾，抑制電源高頻干擾通常在電源變壓器初次級兩端分別使用濾波電路。 4 4、去耦電路、去耦電路 許多數(shù)字電路在電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的尖峰電流，并在共用電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，形成干擾信號。為抑制這種干擾，可采用去耦電路，最簡單的去耦電路就是在各電路的供各電路的供電

29、端配上一定容量的電容電端配上一定容量的電容，去耦電容的取值與尖峰電流、持續(xù)時(shí)間和電源電壓變化范圍有關(guān)（圖7-14）。 去耦電路一方面提供或吸收電路尖峰電流的能量，濾除由此產(chǎn)生的高頻干擾，另一方面也可濾除電源中的交流紋波干擾。 去耦電容d的選用并不嚴(yán)格，為濾除高頻干擾，可選用濾除高頻干擾，可選用0.010.10.010.1 f f的陶瓷電容或薄膜電容，為濾除電源交流紋波干的陶瓷電容或薄膜電容，為濾除電源交流紋波干擾，可選用擾，可選用10-100010-1000F F的電解電容。的電解電容。有時(shí)，為改善去耦效果，還可在電源中串聯(lián)電感后，再并聯(lián)去耦電容Cd。 四、隔離與屏蔽技術(shù)四、隔離與屏蔽技術(shù) 、

30、信號隔離技術(shù)、信號隔離技術(shù) 隔離技術(shù)就是切斷噪聲源與受擾體之間噪聲通道的技術(shù)，其特點(diǎn)是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開來，切斷通過阻抗進(jìn)行耦合的可能。 控制系統(tǒng)中通常有弱電控制部分和強(qiáng)電控制部分，兩者之間既有信號上的聯(lián)系，又有隔絕電氣的要求。因此，隔離是為隔離是為了抑制信號之間的干擾和電源之間的干擾，了抑制信號之間的干擾和電源之間的干擾，保證設(shè)備和操作人員的安全。具體的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離及布線隔離。隔離及布線隔離。（1 1）光電隔離）光電隔離 利用光電耦合器件將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，從而實(shí)現(xiàn)了電氣上的隔離。（2 2）繼電

31、器隔離）繼電器隔離 繼電器的線圈與觸點(diǎn)之間沒有電氣上的聯(lián)系，因此可通過驅(qū)動繼電器線圈來控制觸點(diǎn)的閉合或斷開。 繼電器隔離的主要電氣參數(shù)有： 線圈的額定電壓和電流； 觸點(diǎn)形式、觸點(diǎn)容量和觸點(diǎn)電阻； 吸合時(shí)間、釋放時(shí)間和工作頻率； 絕緣電阻和絕緣強(qiáng)度。（3 3）變壓器隔離）變壓器隔離 對交流信號和交流電源，可通過普通變壓器隔離。 高頻數(shù)字信號需用脈沖變壓器隔離。脈沖變壓器的匝數(shù)較少，初級和次級繞組分別繞在鐵氧體磁芯的兩側(cè)，分布電容極小(幾PF)。利用脈沖變壓器可傳輸頻率較高的多值電平信號，這是一般光電耦合器難以做到的，在許多通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。（4 4） 布線隔離布線隔離 在計(jì)算機(jī)控

32、制系統(tǒng)中，有許多易產(chǎn)生噪聲的電路，通過合理布線可抑制噪聲源對小信號處理電路的干擾。合理布線就是使小信號處理電路在空間距離上盡可能遠(yuǎn)離噪聲源。 、屏蔽技術(shù)、屏蔽技術(shù) 屏蔽主要運(yùn)用各種導(dǎo)電材料制造成各種殼體并與大地連接，以切斷通過空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。 根據(jù)干擾的耦合通道性質(zhì)，屏蔽可分為電場屏蔽、靜電屏屏蔽可分為電場屏蔽、靜電屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽三類。蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽三類。 （1 1）電場屏蔽）電場屏蔽 采用電場屏蔽的基本原理是基于靜電屏蔽原理。任意形狀的導(dǎo)體置于電場中，電力線將終止于導(dǎo)體表面，而不能穿過導(dǎo)體進(jìn)入空腔；導(dǎo)體空腔內(nèi)各點(diǎn)電勢相等，因此

33、，置入在導(dǎo)體空腔內(nèi)的物體將不受外界電場的影響。利用這一性質(zhì)，可用屏蔽屏蔽材料包繞在電子設(shè)備和信號傳輸線外層，形成導(dǎo)體空腔。材料包繞在電子設(shè)備和信號傳輸線外層，形成導(dǎo)體空腔。 （2 2）靜電屏蔽）靜電屏蔽 將完整的金屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來，并將金屬屏蔽體接地。（3 3）磁場屏蔽）磁場屏蔽 產(chǎn)生磁場的噪聲源需要采用磁場屏蔽措施，方法是使用導(dǎo)磁率高的材料作屏蔽體，如用鐵皮包在變壓器的側(cè)面為漏磁提供回路，以減小對外界的影響。 （4 4）電磁場屏蔽）電磁場屏蔽 電磁場變化頻率越高，輻射越強(qiáng)。電磁場干擾包括電磁感應(yīng)干擾，輻射干擾。 電磁場屏蔽可采用屏蔽罩，由于集膚效應(yīng)，屏蔽罩的厚度對屏蔽效果影響不大

34、，而采用低電阻材料。減小與導(dǎo)體電流方向平行的網(wǎng)孔大小，則有利于增強(qiáng)屏蔽效果。 五、電氣布線技術(shù)五、電氣布線技術(shù) 1 1、常用線型及應(yīng)用、常用線型及應(yīng)用 （1 1）雙絞線）雙絞線 為了抑制電磁場對信號線的干擾，應(yīng)避免使用平行電纜，可采用同軸電纜或雙絞線。在控制系統(tǒng)中，信號傳輸更多地是采用雙絞線。 雙絞線主要分為屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair, STP）和非屏蔽雙絞線（Unshilded Twisted Pair,UTP）。 STP的信號線外面包裹著一層金屬網(wǎng)，在屏蔽層外面是絕緣外皮，屏蔽層可以有效地隔離外界電磁信號的干擾。UTP是目前使用頻率最高的一種信號傳輸線，這種傳輸

35、線在塑料絕緣外皮里面包裹著根信號線，每兩根為一對相互纏繞，形成對。 雙絞線互相纏繞的結(jié)構(gòu)能夠利用銅線中電流產(chǎn)生的電磁場互相作用來抵消對鄰近線路的干擾，同時(shí)也能有效地抑制來自外界的電磁干擾。雙絞線越來越多地取代早期使用的、成本較高的同軸電纜。（2 2）屏蔽電纜）屏蔽電纜 防止外部干擾信號對芯線產(chǎn)生影響；阻止內(nèi)部信號向外輻射。（3 3）同軸電纜）同軸電纜 在處理低電平信號的場合中，特別是射頻信號，使用該電纜效果好。（4 4）光纖）光纖 光纖在幾種線纜中傳輸特性最好，具有傳輸信號頻帶寬、通信容量大、信號衰減小、傳輸距離長等優(yōu)點(diǎn)。 六、電源保護(hù)技術(shù)與接地技術(shù)六、電源保護(hù)技術(shù)與接地技術(shù) 、電源保護(hù)技術(shù)、

36、電源保護(hù)技術(shù) 從工程統(tǒng)計(jì)分析和經(jīng)驗(yàn)可知，工業(yè)控制系統(tǒng)中大部分的干擾來源于電源，因此，抑制電源干擾是控制系統(tǒng)的最基本要求。 （1 1）電源干擾的來源）電源干擾的來源 電源干擾的來源主要有：切換感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變噪聲干擾、電力線從空間引入的場型干擾、由啟動大功率設(shè)備引起的瞬時(shí)電壓下降的干擾、由晶閘管等設(shè)備引起電源波形畸變而產(chǎn)生的高次諧波干擾等。 （2 2）電源干擾的耦合途徑）電源干擾的耦合途徑 主要有：直接通過電源導(dǎo)線的耦合、經(jīng)交流變壓器產(chǎn)生的電磁耦合、由分布電容產(chǎn)生的電容耦合、由電源內(nèi)阻產(chǎn)生的公共電阻耦合。（3 3）電源干擾的基本抑制方法）電源干擾的基本抑制方法 電源干擾的抑制方法主要有：使用電

37、源濾波器；使用交流凈化電源；采用電源去耦電路；采用電源變壓器屏蔽措施；使用在線式UPS不間斷電源；采用各單元電路分開方式供電；對不同類型用電設(shè)備（動力、照明、控制設(shè)備等），采用分類供電方式；采用壓敏電阻和瞬變電壓抑制器等保護(hù)器件。（4 4）壓敏電阻器的應(yīng)用）壓敏電阻器的應(yīng)用 壓敏電阻器是一種非線性電阻性元件，它的電阻值會隨外加電壓而變化，壓敏電阻器可用于交流電路的過壓保護(hù)。（5 5）瞬變電壓抑制器的應(yīng)用）瞬變電壓抑制器的應(yīng)用 瞬態(tài)電壓抑制器也稱瞬變電壓抑制二極管（Transient Voltage Supperessor，TVS），是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種產(chǎn)品。當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間

38、的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度將其兩端的阻抗降低，吸收一個(gè)大電流，把其兩端間的電壓箝制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，保護(hù)后面的電路元件不因瞬態(tài)高電壓沖擊而損壞。 、接地技術(shù)、接地技術(shù) 接地的目的：抑制干擾、保護(hù)設(shè)備及操作人員安全。 電氣設(shè)備中的接地有三類：安全接地、工作接地和屏蔽接地。安全接地、工作接地和屏蔽接地。 安全接地是指設(shè)備金屬外殼與地球大地相連，以保證設(shè)備和人身安全； 工作接地是指信號回路與基準(zhǔn)導(dǎo)體相連，基準(zhǔn)導(dǎo)體又稱參考零電位或系統(tǒng)地，這種接地的目的是提供穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)電位，同時(shí)也對抗干擾有重要影響； 屏蔽接地是為電纜、變壓器等屏蔽層提供接地，以抑制電場、磁場的干擾； 屏蔽接地方式有三種：屏

39、蔽電纜接地、系統(tǒng)屏蔽體接地及屏蔽電纜接地、系統(tǒng)屏蔽體接地及靜電屏蔽接地。靜電屏蔽接地。 機(jī)殼與安全接地、屏蔽接地與安全接地相連常采用一點(diǎn)接地形式，信號接地形式有一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。 在一點(diǎn)接地形式中應(yīng)使用并聯(lián)的一點(diǎn)接地，盡量避免串聯(lián)的一點(diǎn)接地，因?yàn)榇?lián)的一點(diǎn)接地易引起各單元電路接地電位的差異并通過公共接地電阻的耦合，會造成相互干擾。 對于高頻信號處理單元，為避免過長的連線，可采用多點(diǎn)接地形式，即各電路以最短的距離分別接到就近的低阻抗接地排上，低阻抗接地排可以是有較大截面積的鍍銀導(dǎo)體，也可以是印制板上的加寬地線。 七、七、WatchdogWatchdog技術(shù)技術(shù) CPU受到干擾時(shí)，可能使程序進(jìn)入“死循環(huán)”。指令的冗余技術(shù)、軟件陷講技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，通常采用Watchdog技術(shù)（看門狗），使程序脫離“死循環(huán)”。 Watchdog方法是采用定時(shí)器單元接收內(nèi)部時(shí)鐘提供的穩(wěn)定脈沖，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)提出中斷請求，對應(yīng)的中斷服務(wù)程序使CPU回到初始化程序的第一行，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制性“軟復(fù)位”。 程序正常運(yùn)行時(shí)，主程序每隔一定的時(shí)間（小于定時(shí)器的溢出周期）給定時(shí)器清零或置數(shù)，即可預(yù)防溢出中斷而引起的誤復(fù)位。 另一種方法是采用專門的Watchdog芯片，由軟件對其初始化，使得每隔一定的時(shí)間會自動地發(fā)出復(fù)位信號到CPU。 只有在