第六章 智能仪器可靠性与抗干扰技术

第一节 可靠性概述

第二节 可靠性设计

第三节 智能仪器干扰源分析

第四节 抑制电磁干扰的主要技术及应用

第一节 可靠性概述

可靠率是指在规定条件下和规定时间内智能仪器完成所规定任务的成功率。

R(t)= S(t)/N

失效率也称瞬时失效率或称故障率，是指智能仪器运行到 t 时刻后单位时间内发生故障的智能仪器台数与 t 时刻完好智能仪器台数之比。

λ(t)= N[R(t)-R(t+Δt)]/ NR(t)• Δt

或 λ=γ/T

一、可靠性的基本概念

早期故障期 耗损故障期

偶然故障期

λ(t

)( 失 效 率 ) 使用寿命

规定的失效率

a b

t( 时间 )

(a) 经典浴盆曲线

0

λ(t

)( 失 效 率 )

使用寿命期

0t( 时间 )

(b) 新浴盆曲线

初始期 衰老期

平均故障间隔时间 MTBF 或称为平均无故障时间( 亦称故障前平均时间 )MTTF 。前者用来描述可修复的仪器；后者用于描述不可修复的仪器。一般情况下，都用 MTBF 来表示，它与可靠率 R(t) 之间的关系为

11

)( 00 0 TT eedttRMTBF

MTBFt eetR /)( )]([ln 1 tRtMTBF

平均修复时间和可用性

N

iitN

MTTR1

1

MTTRMTBF

MTBFA

可靠性与经济性

维修费用

可靠率

费用

总费用

使用费用

可靠率与经济性的关系

二、可靠性的总体考虑 （一）设计过程 1 ．系统设计的进程

分析设计任务 分析提出可靠性

方案比较、确定

软件设计 硬件设计

测试、考验

试运行

设想措施

可靠性分析

软件措施硬件措施

故障评估分析

改进措施

系统设计进程 可靠性考虑

方案设想

2 ．生产及使用过程

（二）、可靠性的分配方法

★ 均等分配法

★ 航空无线电公司分配法

① 达到的目标是满足下式：

② 根据先验知识预计每个分系统的失效率 λi

③ 计算加权因子 Wr 。加权因子由下式计算：

④ 对每一个分系统分配失效率

n

iiRR

1

N

ii

rrW

1

n

ii

1

第二节 可靠性设计 一、硬件可靠性设计

（一）影响仪器可靠性的因素

◇ 元器件的可靠性

◇ 工艺 ◇ 电路结构

◇ 环境因素

◇ 人为因素

使用值额定值

λ(t)

1 2

（二）提高仪器可靠性的措施

◆ 元器件的选择 （电阻器 、电容器 、集成电路芯片 ）

◆ 筛选

◆ 降额使用

◆ 可靠的电路设计

◆ 冗余设计包括并联系统和串联系统两种形式

并联、串联系统

并联系统的可靠度 Rp 为

m

iiP RR

1

)1(1

m

iiS RR

1

1串联系统的可靠度 RS 为

11 12 1n…

…

21 22 2n…

m1 m2 mn…

… …

串并联系统

串并联系统的可靠度为

m

j

n

iijPS RR

1 1

)1(1

11 12 1n

…

21 22 2n…

m1 m2 mn

… …

并串联系统

并串联系统的可靠度 RSP 为

])1(1[1 1

n

j

m

iijSP RR

◆ 环境设计

温度保护

冲击振动保护

电磁干扰保护

其他环境方面的保护

◆ 人为因素设计

◆ 对仪器进行可靠性试验

二、软件可靠性设计 （一）软件的可靠性模型 ▲ 时间模型 •可靠性增长模型

•公理模型

▲ 数据模型

如果

1

0iY 如果 )()( ii eFeF

)()(' ii eFeF

nn PRnR )1()( 11

nieE i ,,2,1:

)()(: 'jjjie eFeFEeeE 且

EEeP /1 EEePR /11 11

n

iii PYP

11 )(

（二）提高软件可靠性的方法

认真地进行规范设计

可靠的程序设计方法

程序验证技术

提高软件设计人员的素质

消除干扰

增加试运行时间

第三节 智能仪器干扰源分析

一、干扰与噪声

① 噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。

② 噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。

③ 干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。

二、分类

干扰的类型 机械干扰热干扰光干扰 湿度干扰 化学干扰电和磁干扰 射线辐射干扰

电磁干扰的分类从噪声产生的来源分类 1) 固有噪声源 2) 人为噪声源 3) 自然噪声源和放电噪声从干扰的表现形式分类 1) 规则干扰 2) 不规则干扰 3)随机干扰从干扰出现的区域分类 1)内部干扰 2)外部干扰从干扰对电路作用的形式分类 1)差模干扰 2)共模干扰 3)共模干扰抑制比

三、噪声形成干扰作用的三要素

噪声源 耦合通道 接收电路

噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即噪声源、有对噪声敏感的接收电路和两者之间的耦合通道。三要素之间联系如下图所示。

四、噪声的耦合方式

◆　电容性耦合

～Zi

Cm

EN UN

A B

nim

imN E

ZCj

ZCjU

1

NimN EZCjU

◆　互感耦合

NN MIjU UN

M

IN

◆　共阻抗耦合 •电源内阻抗的共阻抗耦合

•公共地线的耦合

•信号输出电路的相互干扰

◆　漏电耦合

Nim

iN E

ZR

ZU

UN～

Rm

EN

BA

Zi

◆　传导耦合

◆　辐射电磁场耦合

　　传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。

　　大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。

第四节 抑制电磁干扰的主要技术及应用

一、抑制电磁干扰的基本方法

o　消除或抑制噪声源

o　破坏干扰的耦合通道

o　消除接收电路对干扰的敏感性

o　采用软件抑制干扰

二、抑制电磁干扰的基本措施

1、屏蔽 ：静电屏蔽 ；电磁屏蔽 ；低频磁屏蔽 ★静电屏蔽

+Q +Q+QA A A

B B

★电磁屏蔽

ie

Φe ΦN

★低频磁屏蔽

2、接地 ★接地的目的与作用 ●保证人身和设备安全的需要 ●抑制干扰的需要 ★地线的种类 ●保安地线 ●信号源地线 ●信号地线 ●负载地线 ●屏蔽层地线 ★各种地线的处理原则 ●低频电路的一点接地原则 ●高频电路的多点接地原则 ●强电地线与信号地线分开设置 ●模拟信号地线与数字信号地分开设置★接地方法 ●埋设铜板 ●接地棒 ●网状 ( 辐射状 ) 地线

3 、浮置 又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的公共线 (即模拟信号地 ) 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。浮置的目的在于阻断干扰电流的通路。

显示测量RH

RLRS<0.1Ω

RC<0.1ΩEcm

1k

1k

～

C1C2

C3

4 、对称电路 RS1

RS2

US2

US1

RL1

RL2UN2

UN1

IN2

IN1

UL

IS

5 、隔离技术

电路 电路

隔离变压器

～Ucm

6 、滤波 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。滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤波，它主要应用于信号滤波和电源滤波。 7 、脉冲电路的噪声抑制 脉冲电路的噪声抑制，常采用的方法有利用积分电路、脉冲隔离门及削波器等。

三、抗干扰技术的应用 传输线引入干扰的抑制 印制电路板的抗干扰 A/D 转换中的抗干扰 •对差模干扰的抑制 •对共模干扰的抑制 •采用软件方法提高 A/D 抗干扰能力 传感器的抗干扰 负载干扰的抑制负载冲击电流的抑制 感性负载冲击电压的抑制 电源所致干扰的抑制 交流电源系统所致干扰的抑制直流供电系统干扰的抑制