第6章 可靠性與抗干擾技術

1、周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室1第六章第六章 可靠性與抗干擾技術可靠性與抗干擾技術主要內容：主要內容：一、干擾噪聲的認識（三要素）一、干擾噪聲的認識（三要素） 干擾源干擾源 耦合途徑耦合途徑 接收器接收器 二、電磁耦合干擾分析方法二、電磁耦合干擾分析方法三、抑制技術與措施三、抑制技術與措施周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室2一、干擾噪聲的認識一、干擾噪聲的認識 干擾源：干擾源： 本征噪聲源、人為噪聲源、自然界干擾源本征噪聲源、人為噪聲源、自然界干擾源 電磁干擾，光電干擾，機械干擾（摩擦起電、電磁干擾，光

2、電干擾，機械干擾（摩擦起電、導體在磁場中運動、壓電效應、震顫效應），其它導體在磁場中運動、壓電效應、震顫效應），其它噪聲（電化學作用的化學濕電池，溫度變化等）噪聲（電化學作用的化學濕電池，溫度變化等） 干擾源干擾源耦合通道耦合通道敏感接收器敏感接收器周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室3電子系統(tǒng)受到外部電磁干擾電子系統(tǒng)受到外部電磁干擾電力線電力線雷電雷電電臺電臺電視臺電視臺交流供電電路交流供電電路電動機電動機移動移動通信通信設備設備天體電磁輻射天體電磁輻射周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室4電子設備的干擾對其

3、它電路系統(tǒng)的影響電子設備的干擾對其它電路系統(tǒng)的影響傳導傳導噪聲噪聲周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室5 電子系統(tǒng)內部不同電路單元之間相互影響電子系統(tǒng)內部不同電路單元之間相互影響的幾種形式的幾種形式電場耦合電場耦合磁場耦合磁場耦合公共阻抗公共阻抗周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室6三種耦合途徑三種耦合途徑 傳導耦合傳導耦合：通過導體（導線）將噪聲耦合進電路中。通過導體（導線）將噪聲耦合進電路中。 最典型的例子是噪聲通過電源線傳入電路。最典型的例子是噪聲通過電源線傳入電路。 公共阻抗耦合公共阻抗耦合：來自不同電

4、路的電流流經一個公共阻來自不同電路的電流流經一個公共阻抗時，就會產生公共阻抗噪聲耦合。抗時，就會產生公共阻抗噪聲耦合。 電磁場耦合電磁場耦合：只要電荷發(fā)生移動，所有的電路元件、只要電荷發(fā)生移動，所有的電路元件、導線都會輻射電磁場，存在來自發(fā)射源的輻射。近場導線都會輻射電磁場，存在來自發(fā)射源的輻射。近場時，分別考慮電場和磁場；遠場時，電磁聯(lián)合輻射。時，分別考慮電場和磁場；遠場時，電磁聯(lián)合輻射。周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室7共地共地阻抗阻抗耦合耦合共源共源阻抗阻抗耦合耦合周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室

5、8二、電磁場耦合分析方法二、電磁場耦合分析方法電磁場麥克斯韋方程分析：三個空間變量電磁場麥克斯韋方程分析：三個空間變量（x，y，z）和時間（）和時間（t）的函數，復雜）的函數，復雜電路等效近似分析技術（集總參數元件）電路等效近似分析技術（集總參數元件）周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室9電容性耦合電容性耦合 ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU互感耦合互感耦合 NNMIjUUNMIN周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室10漏電耦合漏電耦合 NimiNEZRZUUNRmENBAZ

6、i周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室11低頻電磁干擾的電路等效近似分析技術（集總低頻電磁干擾的電路等效近似分析技術（集總參數元件參數元件,消除空間變量）消除空間變量）電場被限定在電容器內部：電場被限定在電容器內部：關注電壓關注電壓磁場被限定在電感器內部：磁場被限定在電感器內部：關注電流關注電流電路尺寸相對波長很小電路尺寸相對波長很小周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室12電流電流磁場磁場電磁感應電磁感應互感模型互感模型: v=Mdi/dt 周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電

7、科教研室13高頻電磁輻射耦合高頻電磁輻射耦合 電磁波波長電磁波波長:=波速波速V/頻率頻率f，波速與傳播介質有關；，波速與傳播介質有關； 在空氣中大約在空氣中大約3108m/s，1MHz信號的波長信號的波長300m， 1GHz， =0.3m. 近場和遠場近場和遠場: 源、介質、距離源、介質、距離r=/2為分界點為分界點近場近場感應場感應場遠場遠場輻射場輻射場周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室14 波阻抗：Z=E/H，在遠場條件遠場條件下，E/H大小等于介質的特性阻抗，如空氣或自由空間E/H=ZO=377近場條件下：近場條件下：電場和磁場分電場和磁場分

8、別考慮，高電別考慮，高電壓小電流以電壓小電流以電場為主；低電場為主；低電壓大電流以磁壓大電流以磁場為主。場為主。電場占優(yōu)：電場占優(yōu)：E1/r3、H 1/r2磁場占優(yōu)：磁場占優(yōu)：E1/r2、H 1/r3周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室15三、抑制電磁干擾的主要技術三、抑制電磁干擾的主要技術o消除或抑制噪聲源消除或抑制噪聲源 o破壞干擾的耦合通道破壞干擾的耦合通道 o消除接收電路對干擾的敏感性消除接收電路對干擾的敏感性 o采用軟件抑制干擾采用軟件抑制干擾 周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室16電磁干擾噪聲抑制

9、電磁干擾噪聲抑制 屏蔽屏蔽 接地接地 平衡平衡 濾波濾波 隔離隔離 阻抗大小控制阻抗大小控制 電纜設計電纜設計 抵消技術抵消技術周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室171 1、屏蔽：、屏蔽： 靜電屏蔽；電磁屏蔽；低頻磁屏蔽靜電屏蔽；電磁屏蔽；低頻磁屏蔽 靜電屏蔽+Q+Q+QAAABB周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室18電磁屏蔽電磁屏蔽ieeN低頻磁屏蔽低頻磁屏蔽 周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室19電磁兼容性（電磁兼容性（EMC）設計）設計周鵬周鵬 安徽工程大學

10、電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室20EMI EMI 濾濾 波波 器器lEMIEMI濾波器綜述濾波器綜述l常見的電磁兼容元件常見的電磁兼容元件周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室21重要的 必要的 可靠的 安靜的周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室22與眾不同的與眾不同的EMIEMI濾波器濾波器EMIEMI濾波器難以進行阻抗匹配濾波器難以進行阻抗匹配EMIEMI濾波器出現(xiàn)飽和濾波器出現(xiàn)飽和無法用集總參數等效電路進行高頻分析無法用集總參數等效電路進行高頻分析要求能濾除共模干擾和差模干擾要求能

11、濾除共模干擾和差模干擾周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室23電 路 簡 單 EMI濾波器的基本形式周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室24設計設計EMIEMI濾波器的注意點濾波器的注意點 頻率特性頻率特性 耐壓性能耐壓性能 額定電流額定電流 阻抗特性阻抗特性 屏蔽屏蔽 可靠性可靠性周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室25各各 式式 各各 樣樣 的的 電電 容容云母電容電解電容高壓電容穿心電容法拉電容聚苯電容薄膜電容三端電容器鉭電容校正CBB電容獨石電容自熱變阻電容器自

12、熱變阻電容器周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室26電電 感感l(wèi)線圈的品質因數為：線圈的品質因數為： Q=L/Rl電感的離散參數電感的離散參數l分布電容分布電容l直流電阻直流電阻功率電感模壓線圈空芯線圈磁環(huán)線圈棒狀線圈變壓器周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室27磁磁 性性 材材 料料 磁磁 性性 元元 件件 吸收磁珠用于抑制吸收磁珠用于抑制PCB板高頻傳導干板高頻傳導干擾擾夾式磁環(huán)：安裝方便，夾式磁環(huán)：安裝方便，用于設備用于設備EMIEMI結構優(yōu)化結構優(yōu)化 扁平吸收環(huán)用于數扁平吸收環(huán)用于數 據總線、數字信號線

13、濾據總線、數字信號線濾波波非晶材料非晶材料燒結鐵氧體燒結鐵氧體作為尖峰抑制器使用作為尖峰抑制器使用粉芯材料粉芯材料NiNiMnMn軟磁軟磁材料材料周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室28其他常用其他常用EMIEMI抑制元件抑制元件 壓敏電阻壓敏電阻 沒有脈沖時呈高阻值狀態(tài)，一旦響應脈沖電壓，立即將電壓限制沒有脈沖時呈高阻值狀態(tài)，一旦響應脈沖電壓，立即將電壓限制到一定值，阻抗突變?yōu)榈椭档揭欢ㄖ担杩雇蛔優(yōu)榈椭?1 1、高壓型壓敏電阻、高壓型壓敏電阻 2 2、高能型壓敏電阻、高能型壓敏電阻 3 3、納米添加法、納米添加法 氣體放電管氣體放電管 極間的電場強

14、度超過氣體的擊穿強度，引起間隙放電，限制極極間的電場強度超過氣體的擊穿強度，引起間隙放電，限制極間電壓間電壓 火花間隙火花間隙 電荷將穿過兩個角型的空間打火放電，由此將過電流釋放入地電荷將穿過兩個角型的空間打火放電，由此將過電流釋放入地周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室29介紹了這么多的硬件電路抗干擾措施介紹了這么多的硬件電路抗干擾措施, ,再來看看再來看看軟軟件上又有哪些好的措施件上又有哪些好的措施. .首先是在系統(tǒng)的輸入輸出通道中首先是在系統(tǒng)的輸入輸出通道中, ,采用某種計算方采用某種計算方法對通道的信號進行數字處理法對通道的信號進行數字處理,

15、,以削弱或濾除干擾噪聲以削弱或濾除干擾噪聲, ,這就是前面討論過的這就是前面討論過的數字濾波方法數字濾波方法. .這是一種廉價而有這是一種廉價而有效的軟件程序濾波效的軟件程序濾波, ,在在系統(tǒng)中被廣泛采用系統(tǒng)中被廣泛采用. .而對于那些可能穿過通道而進入而對于那些可能穿過通道而進入CPUCPU的干擾的干擾, ,可采取可采取指令冗余、軟件陷阱以及程序運行監(jiān)視等措施指令冗余、軟件陷阱以及程序運行監(jiān)視等措施來使來使CPUCPU恢復正常工作恢復正常工作. .軟件抗干擾措施軟件抗干擾措施周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室30 工業(yè)現(xiàn)場難免會出現(xiàn)瞬間的工業(yè)現(xiàn)場難

16、免會出現(xiàn)瞬間的尖峰高能脈沖干擾尖峰高能脈沖干擾, ,可能會長驅直入作用到可能會長驅直入作用到CPUCPU芯片上芯片上, ,使正在執(zhí)行的程使正在執(zhí)行的程序跑飛到一個序跑飛到一個臨時構成的死循環(huán)臨時構成的死循環(huán)中中, ,這時候的指令冗這時候的指令冗余和軟件陷阱技術也無能為力余和軟件陷阱技術也無能為力, ,系統(tǒng)將完全癱瘓系統(tǒng)將完全癱瘓. .此此時時必須強制系統(tǒng)復位必須強制系統(tǒng)復位, ,擺脫死循環(huán)擺脫死循環(huán). .由于操作者不可能一直監(jiān)視系統(tǒng)由于操作者不可能一直監(jiān)視系統(tǒng), ,這就這就需要一個需要一個獨立于獨立于CPUCPU之外的監(jiān)視系統(tǒng)之外的監(jiān)視系統(tǒng), ,在程序陷入死循環(huán)時在程序陷入死循環(huán)時, ,能能及

17、時發(fā)現(xiàn)并自動復位系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并自動復位系統(tǒng), ,這就是看守大門作用的程這就是看守大門作用的程序運行監(jiān)視系統(tǒng)序運行監(jiān)視系統(tǒng), ,國外稱為國外稱為“Watchdog Timer”Watchdog Timer”, ,即即看門狗定時器看門狗定時器或或看門狗看門狗. .程序運行監(jiān)視系統(tǒng)程序運行監(jiān)視系統(tǒng)周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室31 看門狗看門狗實質上是一個實質上是一個監(jiān)視定時器監(jiān)視定時器, ,它的它的定時時間是定時時間是固定不變的固定不變的, ,一旦定時時間到一旦定時時間到, ,產生中斷或產生溢出脈產生中斷或產生溢出脈沖沖, ,使系統(tǒng)復位使系統(tǒng)復位(

18、(記憶記憶!)!). .在正常運行時在正常運行時, ,如果如果在在小于小于定時時間間隔內對其進定時時間間隔內對其進行刷新行刷新( (即重置定時器即重置定時器, ,稱為喂狗稱為喂狗),),定時器處于不斷的定時器處于不斷的重新定時過程重新定時過程, ,就不會產生中斷或溢出脈沖就不會產生中斷或溢出脈沖. .Watchdog TimerWatchdog Timer工作原理工作原理( (理解理解) )周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室32利用利用這一原理給單片機加一看門狗電路這一原理給單片機加一看門狗電路, ,在在執(zhí)行程序中執(zhí)行程序中在在小于小于定時時間間隔內

19、對其進行重定時時間間隔內對其進行重置置. .而當程序因干擾而跑飛時而當程序因干擾而跑飛時, ,因沒能執(zhí)行正常因沒能執(zhí)行正常的程序而的程序而不能在小于定時時間內對其刷新不能在小于定時時間內對其刷新. .當定時時間到當定時時間到, ,定時器產生中斷定時器產生中斷, ,在中斷程在中斷程序中使其返回到起始程序序中使其返回到起始程序, ,或利用溢出產生的或利用溢出產生的脈沖控制單片機復位脈沖控制單片機復位. .周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室33 為了保證程序運行監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性為了保證程序運行監(jiān)視系統(tǒng)的可靠性, ,監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)中中必須包括一定的硬件部分

20、必須包括一定的硬件部分, ,且應完全獨立于且應完全獨立于CPUCPU之之外外, ,但又要與但又要與CPUCPU保持時時刻刻的聯(lián)系保持時時刻刻的聯(lián)系. .因此因此, ,程序運程序運行監(jiān)視系統(tǒng)是行監(jiān)視系統(tǒng)是硬件電路與軟件程序硬件電路與軟件程序的巧妙結合的巧妙結合. .圖圖5-5-3030給出了給出了Watchdog TimerWatchdog Timer的工作原理的工作原理. . CPUCPU可設計成由程序確定的定時器可設計成由程序確定的定時器1,1,看門狗被看門狗被設計成另一個定時器設計成另一個定時器2,2,它的計時啟動將因它的計時啟動將因CPUCPU的定時的定時訪問脈沖訪問脈沖P1P1的到來而

21、重新開始的到來而重新開始, ,定時器定時器2 2的定時到脈的定時到脈沖沖P2P2連到連到CPUCPU的復位端的復位端. .兩個定時周期必須是兩個定時周期必須是T1T1T2T2,T1,T1就是就是CPUCPU定時訪問定時器定時訪問定時器2 2的周期的周期, ,也就是在也就是在CPUCPU執(zhí)行的應用程序中執(zhí)行的應用程序中每隔每隔T1T1時間安插一條訪問指令時間安插一條訪問指令. .周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室34CPU (T1)定時器(T2)定時訪問脈沖 P1重新啟動復位定時到脈沖 P2圖圖 5-30 Watchdog Timer 工作原理工作原理

22、P1P2T2應用程序訪問指令訪問指令訪問指令T1T1T1死循環(huán)T1周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室35 在正常情況下在正常情況下, ,CPUCPU每隔每隔T1T1時間便會定時訪時間便會定時訪問定時器問定時器2,2,從而使定時器從而使定時器2 2重新開始計時而不重新開始計時而不會產生溢出脈沖會產生溢出脈沖P2P2；而；而一旦一旦CPUCPU受到干擾陷入受到干擾陷入死循環(huán)死循環(huán), ,便不能及時訪問定時器便不能及時訪問定時器2,2,那么定時器那么定時器2 2會在會在T2T2時間到達時產生定時溢出脈沖時間到達時產生定時溢出脈沖P2P2, ,從而從而引起引起

23、CPUCPU的復位的復位, ,自動恢復系統(tǒng)的正常運行程自動恢復系統(tǒng)的正常運行程序序.(.(理解理解) )周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室36Watchdog TimerWatchdog Timer實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法以前的以前的Watchdog TimerWatchdog Timer硬件部分是用單穩(wěn)硬件部分是用單穩(wěn)電路或自帶脈沖源的計數器構成電路或自帶脈沖源的計數器構成, ,一是電路有一是電路有些復雜些復雜, ,二是可靠性有些問題二是可靠性有些問題. .美國美國XicorXicor公司生產的公司生產的X5045X5045芯片芯片(datasheet),

24、(datasheet),集集看門狗功能、電源監(jiān)測、看門狗功能、電源監(jiān)測、EEPROMEEPROM、上電復位等四功能為一體、上電復位等四功能為一體( (記憶記憶!)!), ,使使用該器件將大大簡化系統(tǒng)的結構并提高系統(tǒng)的用該器件將大大簡化系統(tǒng)的結構并提高系統(tǒng)的性能性能. .周鵬周鵬 安徽工程大學電氣工程學院電科教研室安徽工程大學電氣工程學院電科教研室37X5045X5045(1)CS(1)CS* *(Chip Select):(Chip Select):片選信號片選信號, ,低電平時低電平時X5045X5045工作工作, ,變?yōu)楦唠娖綍r變?yōu)楦唠娖綍r將使看門狗定時器重新開始計時將使看門狗定時器重新開

25、始計時(7)RESET:(7)RESET:復位復位, ,高電平有效高電平有效. .用于電源檢測和看門狗超時輸出用于電源檢測和看門狗超時輸出(6)SCK(Serial Clock):(6)SCK(Serial Clock):串行串行時鐘時鐘(2)SO(Serial Output):(2)SO(Serial Output):串行輸出串行輸出, ,時鐘時鐘SCKSCK的下降沿同步輸出數據的下降沿同步輸出數據(5)SI(Serial Input):(5)SI(Serial Input):串行輸入串行輸入, ,時鐘時鐘SCKSCK的上升沿鎖存數據的上升沿鎖存數據(3)WP(3)WP* *(Write Protect):(Write Protect):寫保護寫保護, ,低低電平時寫操作電平時寫操作被禁止被禁止, ,高高電平時所電平時所有有功能正常功能正常(4)Vss:(4)Vss:地地(8)Vcc:(8)Vcc:電源電壓電源電壓周鵬周鵬 安徽工程大學電氣