第6章 可靠性及抗干扰技术

1、周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室1第六章第六章 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：一、干扰噪声的认识（三要素）一、干扰噪声的认识（三要素） 干扰源干扰源 耦合途径耦合途径 接收器接收器 二、电磁耦合干扰分析方法二、电磁耦合干扰分析方法三、抑制技术与措施三、抑制技术与措施周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室2一、干扰噪声的认识一、干扰噪声的认识 干扰源：干扰源： 本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源 电磁干扰，光电干扰，机械干扰（摩擦起电、电磁干扰，光

2、电干扰，机械干扰（摩擦起电、导体在磁场中运动、压电效应、震颤效应），其它导体在磁场中运动、压电效应、震颤效应），其它噪声（电化学作用的化学湿电池，温度变化等）噪声（电化学作用的化学湿电池，温度变化等） 干扰源干扰源耦合通道耦合通道敏感接收器敏感接收器周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室3电子系统受到外部电磁干扰电子系统受到外部电磁干扰电力线电力线雷电雷电电台电台电视台电视台交流供电电路交流供电电路电动机电动机移动移动通信通信设备设备天体电磁辐射天体电磁辐射周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室4电子设备的干扰对其

3、它电路系统的影响电子设备的干扰对其它电路系统的影响传导传导噪声噪声周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室5 电子系统内部不同电路单元之间相互影响电子系统内部不同电路单元之间相互影响的几种形式的几种形式电场耦合电场耦合磁场耦合磁场耦合公共阻抗公共阻抗周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室6三种耦合途径三种耦合途径 传导耦合传导耦合：通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。 最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。 公共阻抗耦合公共阻抗耦合：来自不同电

4、路的电流流经一个公共阻来自不同电路的电流流经一个公共阻抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。 电磁场耦合电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元件、只要电荷发生移动，所有的电路元件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近场导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐射。时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐射。周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室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鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室

5、8二、电磁场耦合分析方法二、电磁场耦合分析方法电磁场麦克斯韦方程分析：三个空间变量电磁场麦克斯韦方程分析：三个空间变量（x，y，z）和时间（）和时间（t）的函数，复杂）的函数，复杂电路等效近似分析技术（集总参数元件）电路等效近似分析技术（集总参数元件）周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室9电容性耦合电容性耦合 ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU互感耦合互感耦合 NNMIjUUNMIN周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室10漏电耦合漏电耦合 NimiNEZRZUUNRmENBAZ

6、i周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室11低频电磁干扰的电路等效近似分析技术（集总低频电磁干扰的电路等效近似分析技术（集总参数元件参数元件,消除空间变量）消除空间变量）电场被限定在电容器内部：电场被限定在电容器内部：关注电压关注电压磁场被限定在电感器内部：磁场被限定在电感器内部：关注电流关注电流电路尺寸相对波长很小电路尺寸相对波长很小周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室12电流电流磁场磁场电磁感应电磁感应互感模型互感模型: v=Mdi/dt 周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电

7、科教研室13高频电磁辐射耦合高频电磁辐射耦合 电磁波波长电磁波波长:=波速波速V/频率频率f，波速与传播介质有关；，波速与传播介质有关； 在空气中大约在空气中大约3108m/s，1MHz信号的波长信号的波长300m， 1GHz， =0.3m. 近场和远场近场和远场: 源、介质、距离源、介质、距离r=/2为分界点为分界点近场近场感应场感应场远场远场辐射场辐射场周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室14 波阻抗：Z=E/H，在远场条件远场条件下，E/H大小等于介质的特性阻抗，如空气或自由空间E/H=ZO=377近场条件下：近场条件下：电场和磁场分电场和磁场分

8、别考虑，高电别考虑，高电压小电流以电压小电流以电场为主；低电场为主；低电压大电流以磁压大电流以磁场为主。场为主。电场占优：电场占优：E1/r3、H 1/r2磁场占优：磁场占优：E1/r2、H 1/r3周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室15三、抑制电磁干扰的主要技术三、抑制电磁干扰的主要技术o消除或抑制噪声源消除或抑制噪声源 o破坏干扰的耦合通道破坏干扰的耦合通道 o消除接收电路对干扰的敏感性消除接收电路对干扰的敏感性 o采用软件抑制干扰采用软件抑制干扰 周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室16电磁干扰噪声抑制

9、电磁干扰噪声抑制 屏蔽屏蔽 接地接地 平衡平衡 滤波滤波 隔离隔离 阻抗大小控制阻抗大小控制 电缆设计电缆设计 抵消技术抵消技术周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室171 1、屏蔽：、屏蔽： 静电屏蔽；电磁屏蔽；低频磁屏蔽静电屏蔽；电磁屏蔽；低频磁屏蔽 静电屏蔽+Q+Q+QAAABB周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室18电磁屏蔽电磁屏蔽ieeN低频磁屏蔽低频磁屏蔽 周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室19电磁兼容性（电磁兼容性（EMC）设计）设计周鹏周鹏 安徽工程大学

10、电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室20EMI EMI 滤滤 波波 器器lEMIEMI滤波器综述滤波器综述l常见的电磁兼容元件常见的电磁兼容元件周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室21重要的 必要的 可靠的 安静的周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室22与众不同的与众不同的EMIEMI滤波器滤波器EMIEMI滤波器难以进行阻抗匹配滤波器难以进行阻抗匹配EMIEMI滤波器出现饱和滤波器出现饱和无法用集总参数等效电路进行高频分析无法用集总参数等效电路进行高频分析要求能滤除共模干扰和差模干扰要求能

11、滤除共模干扰和差模干扰周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室23电 路 简 单 EMI滤波器的基本形式周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室24设计设计EMIEMI滤波器的注意点滤波器的注意点 频率特性频率特性 耐压性能耐压性能 额定电流额定电流 阻抗特性阻抗特性 屏蔽屏蔽 可靠性可靠性周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室25各各 式式 各各 样样 的的 电电 容容云母电容电解电容高压电容穿心电容法拉电容聚苯电容薄膜电容三端电容器钽电容校正CBB电容独石电容自热变阻电容器自

12、热变阻电容器周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室26电电 感感l线圈的品质因数为：线圈的品质因数为： Q=L/Rl电感的离散参数电感的离散参数l分布电容分布电容l直流电阻直流电阻功率电感模压线圈空芯线圈磁环线圈棒状线圈变压器周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室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板高频传导干板高频传导干扰扰夹式磁环：安装方便，夹式磁环：安装方便，用于设备用于设备EMIEMI结构优化结构优化 扁平吸收环用于数扁平吸收环用于数 据总线、数字信号线

13、滤据总线、数字信号线滤波波非晶材料非晶材料烧结铁氧体烧结铁氧体作为尖峰抑制器使用作为尖峰抑制器使用粉芯材料粉芯材料NiNiMnMn软磁软磁材料材料周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室28其他常用其他常用EMIEMI抑制元件抑制元件 压敏电阻压敏电阻 没有脉冲时呈高阻值状态，一旦响应脉冲电压，立即将电压限制没有脉冲时呈高阻值状态，一旦响应脉冲电压，立即将电压限制到一定值，阻抗突变为低值到一定值，阻抗突变为低值 1 1、高压型压敏电阻、高压型压敏电阻 2 2、高能型压敏电阻、高能型压敏电阻 3 3、纳米添加法、纳米添加法 气体放电管气体放电管 极间的电场强

14、度超过气体的击穿强度，引起间隙放电，限制极极间的电场强度超过气体的击穿强度，引起间隙放电，限制极间电压间电压 火花间隙火花间隙 电荷将穿过两个角型的空间打火放电，由此将过电流释放入地电荷将穿过两个角型的空间打火放电，由此将过电流释放入地周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室29介绍了这么多的硬件电路抗干扰措施介绍了这么多的硬件电路抗干扰措施, ,再来看看再来看看软软件上又有哪些好的措施件上又有哪些好的措施. .首先是在系统的输入输出通道中首先是在系统的输入输出通道中, ,采用某种计算方采用某种计算方法对通道的信号进行数字处理法对通道的信号进行数字处理,

15、,以削弱或滤除干扰噪声以削弱或滤除干扰噪声, ,这就是前面讨论过的这就是前面讨论过的数字滤波方法数字滤波方法. .这是一种廉价而有这是一种廉价而有效的软件程序滤波效的软件程序滤波, ,在在系统中被广泛采用系统中被广泛采用. .而对于那些可能穿过通道而进入而对于那些可能穿过通道而进入CPUCPU的干扰的干扰, ,可采取可采取指令冗余、软件陷阱以及程序运行监视等措施指令冗余、软件陷阱以及程序运行监视等措施来使来使CPUCPU恢复正常工作恢复正常工作. .软件抗干扰措施软件抗干扰措施周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室30 工业现场难免会出现瞬间的工业现场难

16、免会出现瞬间的尖峰高能脉冲干扰尖峰高能脉冲干扰, ,可能会长驱直入作用到可能会长驱直入作用到CPUCPU芯片上芯片上, ,使正在执行的程使正在执行的程序跑飞到一个序跑飞到一个临时构成的死循环临时构成的死循环中中, ,这时候的指令冗这时候的指令冗余和软件陷阱技术也无能为力余和软件陷阱技术也无能为力, ,系统将完全瘫痪系统将完全瘫痪. .此此时时必须强制系统复位必须强制系统复位, ,摆脱死循环摆脱死循环. .由于操作者不可能一直监视系统由于操作者不可能一直监视系统, ,这就这就需要一个需要一个独立于独立于CPUCPU之外的监视系统之外的监视系统, ,在程序陷入死循环时在程序陷入死循环时, ,能能及

17、时发现并自动复位系统及时发现并自动复位系统, ,这就是看守大门作用的程这就是看守大门作用的程序运行监视系统序运行监视系统, ,国外称为国外称为“Watchdog Timer”Watchdog Timer”, ,即即看门狗定时器看门狗定时器或或看门狗看门狗. .程序运行监视系统程序运行监视系统周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室31 看门狗看门狗实质上是一个实质上是一个监视定时器监视定时器, ,它的它的定时时间是定时时间是固定不变的固定不变的, ,一旦定时时间到一旦定时时间到, ,产生中断或产生溢出脉产生中断或产生溢出脉冲冲, ,使系统复位使系统复位(

18、(记忆记忆!)!). .在正常运行时在正常运行时, ,如果如果在在小于小于定时时间间隔内对其进定时时间间隔内对其进行刷新行刷新( (即重置定时器即重置定时器, ,称为喂狗称为喂狗),),定时器处于不断的定时器处于不断的重新定时过程重新定时过程, ,就不会产生中断或溢出脉冲就不会产生中断或溢出脉冲. .Watchdog TimerWatchdog Timer工作原理工作原理( (理解理解) )周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室32利用利用这一原理给单片机加一看门狗电路这一原理给单片机加一看门狗电路, ,在在执行程序中执行程序中在在小于小于定时时间间隔内

19、对其进行重定时时间间隔内对其进行重置置. .而当程序因干扰而跑飞时而当程序因干扰而跑飞时, ,因没能执行正常因没能执行正常的程序而的程序而不能在小于定时时间内对其刷新不能在小于定时时间内对其刷新. .当定时时间到当定时时间到, ,定时器产生中断定时器产生中断, ,在中断程在中断程序中使其返回到起始程序序中使其返回到起始程序, ,或利用溢出产生的或利用溢出产生的脉冲控制单片机复位脉冲控制单片机复位. .周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室33 为了保证程序运行监视系统的可靠性为了保证程序运行监视系统的可靠性, ,监视系统监视系统中中必须包括一定的硬件部分

20、必须包括一定的硬件部分, ,且应完全独立于且应完全独立于CPUCPU之之外外, ,但又要与但又要与CPUCPU保持时时刻刻的联系保持时时刻刻的联系. .因此因此, ,程序运程序运行监视系统是行监视系统是硬件电路与软件程序硬件电路与软件程序的巧妙结合的巧妙结合. .图图5-5-3030给出了给出了Watchdog TimerWatchdog Timer的工作原理的工作原理. . CPUCPU可设计成由程序确定的定时器可设计成由程序确定的定时器1,1,看门狗被看门狗被设计成另一个定时器设计成另一个定时器2,2,它的计时启动将因它的计时启动将因CPUCPU的定时的定时访问脉冲访问脉冲P1P1的到来而

21、重新开始的到来而重新开始, ,定时器定时器2 2的定时到脉的定时到脉冲冲P2P2连到连到CPUCPU的复位端的复位端. .两个定时周期必须是两个定时周期必须是T1T1T2T2,T1,T1就是就是CPUCPU定时访问定时器定时访问定时器2 2的周期的周期, ,也就是在也就是在CPUCPU执行的应用程序中执行的应用程序中每隔每隔T1T1时间安插一条访问指令时间安插一条访问指令. .周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室34CPU (T1)定时器(T2)定时访问脉冲 P1重新启动复位定时到脉冲 P2图图 5-30 Watchdog Timer 工作原理工作原理

22、P1P2T2应用程序访问指令访问指令访问指令T1T1T1死循环T1周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室35 在正常情况下在正常情况下, ,CPUCPU每隔每隔T1T1时间便会定时访时间便会定时访问定时器问定时器2,2,从而使定时器从而使定时器2 2重新开始计时而不重新开始计时而不会产生溢出脉冲会产生溢出脉冲P2P2；而；而一旦一旦CPUCPU受到干扰陷入受到干扰陷入死循环死循环, ,便不能及时访问定时器便不能及时访问定时器2,2,那么定时器那么定时器2 2会在会在T2T2时间到达时产生定时溢出脉冲时间到达时产生定时溢出脉冲P2P2, ,从而从而引起引起

23、CPUCPU的复位的复位, ,自动恢复系统的正常运行程自动恢复系统的正常运行程序序.(.(理解理解) )周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室36Watchdog TimerWatchdog Timer实现方法实现方法以前的以前的Watchdog TimerWatchdog Timer硬件部分是用单稳硬件部分是用单稳电路或自带脉冲源的计数器构成电路或自带脉冲源的计数器构成, ,一是电路有一是电路有些复杂些复杂, ,二是可靠性有些问题二是可靠性有些问题. .美国美国XicorXicor公司生产的公司生产的X5045X5045芯片芯片(datasheet),

24、(datasheet),集集看门狗功能、电源监测、看门狗功能、电源监测、EEPROMEEPROM、上电复位等四功能为一体、上电复位等四功能为一体( (记忆记忆!)!), ,使使用该器件将大大简化系统的结构并提高系统的用该器件将大大简化系统的结构并提高系统的性能性能. .周鹏周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室安徽工程大学电气工程学院电科教研室37X5045X5045(1)CS(1)CS* *(Chip Select):(Chip Select):片选信号片选信号, ,低电平时低电平时X5045X5045工作工作, ,变为高电平时变为高电平时将使看门狗定时器重新开始计时将使看门狗定时器重新开

25、始计时(7)RESET:(7)RESET:复位复位, ,高电平有效高电平有效. .用于电源检测和看门狗超时输出用于电源检测和看门狗超时输出(6)SCK(Serial Clock):(6)SCK(Serial Clock):串行时钟串行时钟(2)SO(Serial Output):(2)SO(Serial Output):串行输出串行输出, ,时钟时钟SCKSCK的下降沿同步输出数据的下降沿同步输出数据(5)SI(Serial Input):(5)SI(Serial Input):串行输入串行输入, ,时钟时钟SCKSCK的上升沿锁存数据的上升沿锁存数据(3)WP(3)WP* *(Write Protect):(Write Protect):写保护写保护, ,低电平时写操作被禁止低电平时写操作被禁止, ,高电平时所高电平时所有功能正常有功能正常(4)Vss:(4)Vss:地地(8)Vcc:(8)Vcc:电源电压电源电压周鹏周鹏 安徽工程大学电气