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1、电子系统工程实现中的问题,1 概 述,2 电子系统的抗干扰设计,3 电子设备热设计,4 可靠性设计,1,6 印制电路板(PCB)的设计与装配,5 数字电路的可测试性设计,7 电子系统的调试,8 本章小结,19.1 概 述,一个电子系统，除需要达到预期的功能、指标外，还涉及到其他若干工程技术问题，如电磁兼容、可靠性等问题。实际上，这些也是系统设计时所应考虑的性能指标。在完成一个电子系统的方案设计与电路设计以后，接下来的工作是实物制作，涉及到的工作包括：搭建电路、测试功能与指标，部件与整体的结构设计及在所需工作条件下做运行试验等，这期间会遇到与计算机模拟结果不一致的许多问题，往往要对原方案及电路设
2、计不断做出修改。另外，还要更多地考虑到电子产品在以后付诸生产制造时所面临的各种工艺技术问题，乃至日后的使用维护、市场营销等诸多问题。因此可以说，电子系统的工程实现阶段，是处在承前启后的中伺地位，是一个理论与实践相结合的重要环节。,2,第19章 电子系统工程实现中的问题,19.1 概 述,19.2 电子系统的抗干扰设计,19.3 电子设备热设计,19.4 可靠性设计,3,19.6 印制电路板(PCB)的设计与装配,19.5 数字电路的可测试性设计,19.7 电子系统的调试,19.8 本章小结,电磁干扰与电磁兼容问题 干扰的类型 干扰传播的途径 抗干扰设计方法,4,19.2 电子系统的抗干扰设计,
3、19.2 电子系统的抗干扰设计,1.电磁干扰与电磁兼容问题电子设备的周围充满着自然的及人为的电磁干扰信号，而电子设备本身对于其他的设备而言又是一个干扰信号源。提高设备的抗干扰能力，同时降低电子设备本身对周围电磁环境的污染，这是近几十年来备受重视的电磁兼容(EMC)问题。已经制定了相应的国际、国家及行业标准和规范，这些标准包括对电磁干扰的控制要求、安全限值、测量方法等，在设计电子系统时应参照执行。 干扰对电子设备可形成不同程度的危害，轻则可使设备的性能指标下降，重则可使设备不能正常工作，甚至可使机内较为脆弱的半导体器件击穿或烧毁。,5,19.2 电子系统的抗干扰设计,1.电磁干扰与电磁兼容问题,
4、6,表19.1 常见半导体器件的静电放电易损值,19.2 电子系统的抗干扰设计,2. 干扰的类型（1）自然干扰源宇宙射线、太阳黑子、耀斑、雷电等伴随的电磁活动，这些干扰信号常常造成通信、广播的中断，甚至设备的损坏。各类噪声还有其时空分布。 （2）人为干扰源对电子设备本身无用的信号即可视为干扰信号，如电台发射的无线电波、可控硅电力电子装置对工业电源的污染、车辆的点火电火花污染等。在同一个电子设备内部，各部分之间产生相互干扰，使得设备不能按预期设计的性能工作。,7,19.2 电子系统的抗干扰设计,3. 干扰传播的途径干扰信号作用于电子设备，有传导和辐射两种途径。电子设备中的导线、元器件、结构体等都
5、能形成传导和辐射耦合通道。它们有时能起着天线的作用，能够发射和接收干扰电磁波。,8,图19.2 传导耦合和辐射耦合的划分,19.2 电子系统的抗干扰设计,4. 抗干扰设计方法干扰信号本身占据一定频带及空间方位，有的出现于一定时间段，有的有不同的传播途径，针对这些不同的特点，可采用不同的抗干扰方法：一种是将它拒之门外，常用电磁屏蔽技术阻隔干扰信号的传播通道，或设法在时域、频域及方位上使干扰信号与电子设备本身的工作信号分开，常用的载波技术就可以有效地从频率上将两者分开；另一种办法是“阻塞不如开导”，采用旁路、吸收等方法来消除干扰信号，这往往可获得很好的效果。,9,19.2 电子系统的抗干扰设计,4
6、. 抗干扰设计方法,10,表19.3 电磁兼容控制策略,19.2 电子系统的抗干扰设计,4. 抗干扰设计方法 屏蔽。采用良导体材料制成电及电磁屏蔽罩，其性能与材料种类及厚度等有关，应该进行专门的设计计算。通常用高导磁材料，如铍莫合金等制成磁屏蔽罩。屏蔽罩的散热孔大小应经过计算。常利用设备外壳做屏蔽，应注意与电路地实现良好的搭接。若采用塑料机箱，在必要时应在内层喷涂金属作为屏蔽层。 注意元件的安装位置与角度。特别是变压器、电感线圈等产生的磁场具有特定的方向性，应考虑它们对其他电路的影响。 采用双绞线、同轴电缆作为长距离信号的传导线(参见图19.3)。 采用变压器隔离(参见图19.4)。 采用光电
7、隔离(参见图19.5)。,11,19.2 电子系统的抗干扰设计,4. 抗干扰设计方法 滤波。采用滤波器使信号与干扰在频谱上分离。为了减少宽带噪声干扰，在可能的条件下，使电路的各个环节呈成窄带特性，以限制噪声。对来自电网中的干扰，可通过在进线处的LC低通滤波来抑制。特定频带的干扰信号采用陷波滤波器容易滤除。 接地。电子设备内部电路的地线与电源线是所有电路的公共部分。各部分电路的接地方式可归纳为如图19.6所示的几种。由于各部分电路的工作电流通过电源与引线而相互耦合，从而形成串扰，因此印刷板电路的地线与电源引线必须精心设计。,12,19.2 电子系统的抗干扰设计,4. 抗干扰设计方法,13,图19
8、.3 采用双绞线、同轴电缆作为长距离信号的传导线及接地方案,19.2 电子系统的抗干扰设计,4. 抗干扰设计方法,14,图19.4 采用变压器隔离,图19.5 采用光电隔离,19.2 电子系统的抗干扰设计,4. 抗干扰设计方法,15,图19.6 各种接地方式,19.2 电子系统的抗干扰设计,4. 抗干扰设计方法串联式单点接地因公共部分跨越的电路多，各部分电路工作信号通过公共地线部分的电路起到了相互耦合的作用。如果各部分电路呈由小信号至大信号逐级级联的形式，最好采用各部分电路分别并联接地。各部分电路与公共电源线相连时，其间应加电源去耦低通滤波，而使高电平、大电流的电路部分(往往是整个电路的输出部
9、分)最接近供电电源(参见图19.7)。数字电路与模拟电路应分别接地。在设计印刷板电路时，应将数字电路与模拟电路分别连至各自的地线上，再连到电源的地线上，如图19.8所示。,16,19.2 电子系统的抗干扰设计,4. 抗干扰设计方法,17,图19.7 多级电路的供电,图19.8 数字地与模拟地分开引出,第19章 电子系统工程实现中的问题,19.1 概 述,19.2 电子系统的抗干扰设计,19.3 电子设备热设计,19.4 可靠性设计,18,19.6 印制电路板(PCB)的设计与装配,19.5 数字电路的可测试性设计,19.7 电子系统的调试,19.8 本章小结,功率器件的散热 整机的散热,19,
10、19.3 电子设备热设计,19.3 电子设备热设计,电子系统内几乎都含有对温度敏感的半导体器件，温度对电子设备的影响包括：使性能下降，不能稳定可靠工作，直至器件受损或毁坏。热设计的目标，就是使设备的整机温度和内部各部分电路元件之间的温差分布保持在一个控制值之内。器件的工作温度范围只有几十或一百多摄氏度，温度太低，电路不能正常工作，通常允许经一定时间的预热升温，达到规定的性能指标才使用。而实际中遇到的更多的问题是，要解决因大规模芯片和大功率电路自身发热，以及高温环境下设备的散热降温问题。可以通过温度补偿，采用正负温度系数互补器件设计电路、设计恒温控制系统、选用宽温范围工作的器件等方法来改善电路的
11、温度特性。,20,19.3 电子设备热设计,1. 功率器件的散热对系统内主要的发热器件，多采用安装散热片或局部风冷的办法。应该对大的发热元件留有较大的周围空间，采用易于散热的安装形式，例如大功率的晶体管或大瓦数的电阻元件，不应该采取紧贴印刷板的方式安装。根据散热片的材料种类、形状、与发热器件的接触方式(直接贴紧或加绝缘层，常用云母片或硅脂等导热而不导电材料作为绝缘层)及不同器件的管型，可依据热设计的专用手册计算出合理的散热片大小(表面积)。在散热器上附加风扇能获得更好的效果。,21,19.3 电子设备热设计,1. 功率器件的散热 用于大型功率器件和设备的散热方法还有： (1) 冷板，即通过流体
12、作为热交换的装置，流体可使用空气(用风扇驱动)、水或其他冷剂。 (2) 相变冷却系统，利用介质相变(从液态变为汽态)时可吸收大量热量的原理工作。 (3) 利用半导体致冷器件散热。 这些散热方法常用于大功率发射管及大功率激光管的散热上。其中水冷法用于500A以上电流的器件，相变冷却系统具有最高的冷却效率。 通过EDA工具，可以根据所设计的PCB上的温度分布效果图，对元件排列位置和密度进行调整。元件发热，可形成自然对流，PCB竖立安装通常比横卧安装的散热效果要好。,22,19.3 电子设备热设计,2. 整机的散热常用的方法是机箱开通风孔，安装排风扇。在利用排风扇排热时，应注意风路的设计，使主要的发
13、热元件处于风路上，此时机壳的通风孔并非越多越好，必须与风路设计统一考虑，同时兼顾通风孔对电磁干扰等问题的影响。许多电子设备带有金属外壳，常利用来兼做散热器，将功率器件直接安装在外壳上，但应注意电绝缘和安全问题。,23,第19章 电子系统工程实现中的问题,19.1 概 述,19.2 电子系统的抗干扰设计,19.3 电子设备热设计,19.4 可靠性设计,24,19.6 印制电路板(PCB)的设计与装配,19.5 数字电路的可测试性设计,19.7 电子系统的调试,19.8 本章小结,可靠性设计是指在设计电子系统时，不仅要关心系统的功能，还应将可靠性列为一项要达到的指标。设备的可靠性是指设备能在规定的
14、时间内完成规定的功能。设备的故障带有随机性，可用平均故障时间MTBF来描述：整机的可靠性与它所使用的元器件的可靠性、元器件的数量、电路的设计质量、系统的可靠性结构类型等有关。元器件的可靠性用失效率表示。失效率是指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为l，它也是时间t的函数，故也记为l(t)，称为失效率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。失效率的观测值是在某时刻后单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失效的产品数之比，即,25,19.4 可靠性设计,(19.2),(19.1),从可靠性角度来看，众多的元件在系统中处于串联和并联两种结构状态。若N个元件中任意一
15、个失效，都会引起整个系统的失效，则称它们处于可靠性串联，若N个元件全部失效，才会引起整个系统的失效，则称它们处于可靠性并联。对于可靠性串联，整机的MTBF与元器件的失效率及元器件数N的关系为对于可靠性并联，则有,26,19.4 可靠性设计,(19.3),(19.4),改进基本电路设计，合理选取元件的工作参数，对易损器件(半导体器件等)采取保护措施，对提高可靠性是必要的。工艺结构设计对提高可靠性也很重要，以下是一些要注意的问题。 (1) 隔振和缓冲 (2) 腐蚀与防护设计 (3) 防尘、防爆,27,19.4 可靠性设计,第19章 电子系统工程实现中的问题,19.1 概 述,19.2 电子系统的抗
16、干扰设计,19.3 电子设备热设计,19.4 可靠性设计,28,19.6 印制电路板(PCB)的设计与装配,19.5 数字电路的可测试性设计,19.7 电子系统的调试,19.8 本章小结,可测试性设计，就是以改善逻辑电路的可测性、易测性和可诊断性为目标的设计。对于规模较小、PCB走线密度不高的电路系统，可通过探针或设计专用的针床(位置与被测点相互对齐的一组探针)对电路实行在线的功能性测试，模拟电路各部分信号流向往往是很清楚的，可逐步测试各点信号。对于复杂的数字系统，电路的调试往往成为大的问题，甚至严重到无法测试和无法对故障进行检测修理。因此在数字电路及系统的设计阶段，更应考虑测试、调试和维修的
17、方便，即应具有可测性或易测性。,29,19.5 数字电路的可测试性设计,(1) 使用针床。针床是一组探床，其位置与被测PCB上的测点一一对应，可用来输入多个数据和获得多个输出数据； (2) 使用多路器，即多路分配器和多路选择器，它们可以由N个控制信号经译码，实现2N个节点的选择； (3) 使用串行移位寄存器，将欲增加的控制点和观测点接至附加的寄存器的输入和输出上，这些寄存器接成串行移位形式，这样通过很少的数据线和控制线，可以移入、移出大量的激励和响应数据； (4) 对闭环回路预留开断跳线点； (5) 应尽量将一个大电路分成若干个小电路，以减少总的测试矢量数(测试码以电路规模的平方和立方增加)； (6) 少用异步时序电路，少用单稳态电路； (7) 少用可调元件和少用非规范元件； (8) 设置状态复位功能； (9) 不同逻辑阈值电子电路分区排版，数字电路与模拟电路分区排版。,
