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1、第八章第八章 电子系统工程实现中的问题电子系统工程实现中的问题8.1 8.1 电子系统的抗干扰设计电子系统的抗干扰设计 在工业测试现场存在着严重的干扰，在工业测试现场存在着严重的干扰，如声、电、光、磁、振动，以及化学腐如声、电、光、磁、振动，以及化学腐蚀、高温、高压等。这些干扰会对安装蚀、高温、高压等。这些干扰会对安装在工业现场的测量造成影响，轻则影响在工业现场的测量造成影响，轻则影响其精度，重则是系统无法工作。其精度，重则是系统无法工作。8.1 电子系统的抗干扰设计电子系统的抗干扰设计一、干扰源简介一、干扰源简介1、外部干扰、外部干扰（1）自然干扰自然干扰：只能对电子系统产生干扰：只能对电子
2、系统产生干扰的自然现象，如雷电、宇宙辐射、太阳的自然现象，如雷电、宇宙辐射、太阳黑子的活动及空间电离层的变化等，即黑子的活动及空间电离层的变化等，即主要来自天空。主要来自天空。 因此这种干扰主要影响通信设备等高频因此这种干扰主要影响通信设备等高频电子设备，对工业用的电子系统，虽然电子设备，对工业用的电子系统，虽然有一定影响，但影响不大。有一定影响，但影响不大。（2）人为干扰人为干扰：指由各种电器设备所产生：指由各种电器设备所产生的电磁场，电火花造成的干扰。的电磁场，电火花造成的干扰。 如电火花加热、电弧焊接、高频加热、如电火花加热、电弧焊接、高频加热、可控硅整流、开关电源等强电系统。这可控硅整
3、流、开关电源等强电系统。这些干扰源主要通过供电电源，以及向周些干扰源主要通过供电电源，以及向周围产生电磁场来影响电子系统。围产生电磁场来影响电子系统。二、内部干扰二、内部干扰热噪声热噪声：主要由导体内部自由电子无规则：主要由导体内部自由电子无规则的热运动所产生的。这种噪声除了在超的热运动所产生的。这种噪声除了在超低温外事不可避免的。温度越低噪声越低温外事不可避免的。温度越低噪声越小，所以要尽量抑制温度的上升。小，所以要尽量抑制温度的上升。接触不良引起的噪声接触不良引起的噪声：电路布线的连接不：电路布线的连接不牢或接触不良引起的噪声。牢或接触不良引起的噪声。感应噪声感应噪声：由于电路元件或布线间
4、的静电：由于电路元件或布线间的静电感应而造成的各电路的相互干扰所引起感应而造成的各电路的相互干扰所引起的噪声。的噪声。信号失真引起的噪声信号失真引起的噪声：信号波形在电路中：信号波形在电路中失真畸变而引起的噪声。失真畸变而引起的噪声。自激振荡自激振荡：具有放大功能的电路，其输出：具有放大功能的电路，其输出信号的一部分通过信号的一部分通过“寄生耦合寄生耦合”以正反馈以正反馈的方式加到电路的输入端而产生不需要的方式加到电路的输入端而产生不需要的自激振荡形成的噪声。的自激振荡形成的噪声。二、干扰的传输方式二、干扰的传输方式 干扰源对测量控制系统产生不良影干扰源对测量控制系统产生不良影响应具备三个因素
5、：响应具备三个因素：干扰源干扰源、测量系统测量系统对干扰具有敏感的接收电路对干扰具有敏感的接收电路、干扰源与干扰源与测量系统之间具有合适的传输方式测量系统之间具有合适的传输方式耦合耦合。 1、电容性干扰（电场耦合）、电容性干扰（电场耦合） 在电路板上所有相互绝缘的导线或支路都在电路板上所有相互绝缘的导线或支路都存在寄生电容，放大器输入引线和输出引线、存在寄生电容，放大器输入引线和输出引线、外界电力线等电器设备之间也存在着寄生电容。外界电力线等电器设备之间也存在着寄生电容。寄生电容的存在寄生电容的存在会使一条支路（或元件）上的会使一条支路（或元件）上的电荷通过寄生电容传送到另条支路上，通常称电荷
6、通过寄生电容传送到另条支路上，通常称这种传输方式为电容性耦合，亦称这种传输方式为电容性耦合，亦称电场耦合电场耦合。2、互感性耦合（磁场耦合）、互感性耦合（磁场耦合） 互感性耦合的实质是互感性耦合的实质是磁场耦合磁场耦合，因为互，因为互感的存在，会在被干扰电路产生干扰电感的存在，会在被干扰电路产生干扰电压，形成干扰。压，形成干扰。 3、漏电流耦合、漏电流耦合 由于元件支架、接线柱、印刷电路板、电由于元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质等都是有一定的绝缘电阻的，因此容内部介质等都是有一定的绝缘电阻的，因此流过绝缘电阻的流过绝缘电阻的漏电流也会耦合干扰漏电流也会耦合干扰。特别是。特别是当漏电流
7、流入高输入电阻放大器的输入级时，当漏电流流入高输入电阻放大器的输入级时，其影响特别严重。其影响特别严重。4、共阻抗耦合、共阻抗耦合 共阻抗是指两个（或两个以上）电路所共有阻抗。共共阻抗是指两个（或两个以上）电路所共有阻抗。共阻抗耦合是指当一个电路中的电流流过公共阻抗时，阻抗耦合是指当一个电路中的电流流过公共阻抗时，在公共阻抗上产生一定的压降，此时，共阻抗上的电在公共阻抗上产生一定的压降，此时，共阻抗上的电压就是其他电路的干扰电压。压就是其他电路的干扰电压。 共阻抗耦合干扰是电子系统中最常见的，如几个电路共共阻抗耦合干扰是电子系统中最常见的，如几个电路共用一个直流电源供电时，直流电源内部电阻就是
8、共阻用一个直流电源供电时，直流电源内部电阻就是共阻抗；在多级放大器中，各放大级会通过地线电阻产生抗；在多级放大器中，各放大级会通过地线电阻产生相互干扰。相互干扰。三、电子系统的抗干扰设计三、电子系统的抗干扰设计 1、抑制干扰的三种方法、抑制干扰的三种方法（1）消除干扰源）消除干扰源“灭灭”干扰的方法干扰的方法 一般情况下，干扰都应该消除。若一般情况下，干扰都应该消除。若不能消除，可采用其他方法。不能消除，可采用其他方法。（2）破坏干扰的传输途径）破坏干扰的传输途径“阻止阻止”干扰干扰的方法的方法 对于对于以以“路路”的形式传输的形式传输的干扰，如的干扰，如共阻共阻 抗耦合、漏电流耦合，可采用合
9、理抗耦合、漏电流耦合，可采用合理接地技术、提高绝缘性能、隔离变压器接地技术、提高绝缘性能、隔离变压器等。等。 以以“场场”的形式传输的形式传输的干扰，一般采的干扰，一般采用屏蔽和接地技术。用屏蔽和接地技术。（3）提高接收电路抗干扰能力）提高接收电路抗干扰能力“抗抗”的的方法方法 一般情况下一般情况下 高输入阻抗电路比低输入阻抗电路更高输入阻抗电路比低输入阻抗电路更容易受到干扰的影响。容易受到干扰的影响。 布局松散的电子装置比结构紧凑的电布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受外来干扰。子装置更易受外来干扰。 模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。 2、抗干扰设
10、计、抗干扰设计(1)屏蔽技术屏蔽技术 屏蔽技术的基本原理时把电路线和磁力线屏蔽技术的基本原理时把电路线和磁力线的影响限制在某一个范围，即隔离的影响限制在某一个范围，即隔离“场场”的耦合。的耦合。常用低电阻的金属材料（如铜和铝）制成一个常用低电阻的金属材料（如铜和铝）制成一个空腔的金属盒，将电路置于屏蔽盒，并将屏蔽空腔的金属盒，将电路置于屏蔽盒，并将屏蔽良好地接大地（静电屏蔽）；用高导磁材料，良好地接大地（静电屏蔽）；用高导磁材料，如坡莫合金，做屏蔽罩，使干扰磁场的磁力线如坡莫合金，做屏蔽罩，使干扰磁场的磁力线在屏蔽罩内构成磁通路，防止低频磁场干扰。在屏蔽罩内构成磁通路，防止低频磁场干扰。 常常
11、利用设备外壳做屏蔽利用设备外壳做屏蔽，应注意与电路地，应注意与电路地实现良好的搭接。若采用塑料机箱，在实现良好的搭接。若采用塑料机箱，在必要时，应在内部喷涂金属作为屏蔽层。必要时，应在内部喷涂金属作为屏蔽层。（2）注意元件的）注意元件的安装位置安装位置与与角度角度。特别是。特别是变压器、电感线圈等产生的磁场具有特变压器、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它电路的影定的方向性应考虑它们对其它电路的影响。响。（3）采用双绞线、同轴电缆作为长距离信）采用双绞线、同轴电缆作为长距离信号的传导线号的传导线.（4）采用变压器隔离）采用变压器隔离（5）采用光电耦合器隔离）采用光电耦合器隔离
12、（6）滤波）滤波 采用滤波器使信号与干扰在频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，在谱上分离。为了减少宽带噪声干扰，在可能条件下，使电路的各个环节做成窄可能条件下，使电路的各个环节做成窄带，以限制噪声。带，以限制噪声。（7）接地）接地 电器设备的安全地线电器设备的安全地线：在电器设备中，为了确保：在电器设备中，为了确保安全，把三相四线制电网的零线、机壳底盘及安全，把三相四线制电网的零线、机壳底盘及人易接触的导电部分接大地，以防漏电造成人人易接触的导电部分接大地，以防漏电造成人身事故。身事故。 电子装置的信号地电子装置的信号地：一般指与电信号的基准电位：一般指与电信号的基准电
13、位相连的导线。相连的导线。模拟信号地线模拟信号地线：指模拟信号电位为零的公共线。：指模拟信号电位为零的公共线。数字信号地线数字信号地线：数字信号零电平的公共线。：数字信号零电平的公共线。 电路的接地准则电路的接地准则：为防止电路中的公共：为防止电路中的公共地线电阻引起干扰，采用地线电阻引起干扰，采用一点接地一点接地。即。即把电路按其功能及信号强弱分为若干子把电路按其功能及信号强弱分为若干子电路，每个子电路在一点接地，然后把电路，每个子电路在一点接地，然后把这些子电路的地线又在一点接地组成系这些子电路的地线又在一点接地组成系统地。统地。 温度对电子设备的影响温度对电子设备的影响：使性能下降，不能
14、：使性能下降，不能稳定可靠工作，直至器件受损至毁坏。稳定可靠工作，直至器件受损至毁坏。 热设计的目标热设计的目标：使设备的整机温度和内部各：使设备的整机温度和内部各部分电路元件之间的温度分布保持在一个控部分电路元件之间的温度分布保持在一个控制值之内，对于一般器件的器件工作温度范制值之内，对于一般器件的器件工作温度范围只有几十或一百多摄氏度，温度太低时，围只有几十或一百多摄氏度，温度太低时，需要进行需要进行预热升温预热升温，达到器件工作温度后方，达到器件工作温度后方可正常工作。主要解决的问题是可正常工作。主要解决的问题是大规模芯片大规模芯片和大功率电路自身发热和大功率电路自身发热，要对其进行散热
15、降，要对其进行散热降温。温。 这里指的热设计是对设备的发热器件及整个这里指的热设计是对设备的发热器件及整个设备的温度进行控制而采取的措施。设备的温度进行控制而采取的措施。一、功率器件的散热一、功率器件的散热 系统内主要的发热器件对多采用系统内主要的发热器件对多采用安装散热片安装散热片，或或局部风冷局部风冷的办法。的办法。 对大的发热元件应留有较大的周围空间，采用对大的发热元件应留有较大的周围空间，采用易于散热的安装形式。易于散热的安装形式。 通过通过EDA工具，可以根据所设计的工具，可以根据所设计的PCB上的温上的温度分布效果图，对元件排列位置和密度进行调度分布效果图，对元件排列位置和密度进行
16、调整。整。PCB竖立安装通常比横卧安装的散热效果竖立安装通常比横卧安装的散热效果好。好。 二、整机的散热二、整机的散热 常用的方法是常用的方法是机箱开通风孔机箱开通风孔，安装排气，安装排气扇，尽量使主要发热的元件处于风路上。扇，尽量使主要发热的元件处于风路上。 通常电子设备的金属外壳，常利用兼做通常电子设备的金属外壳，常利用兼做散热器，将功率器件直接安装在外壳上，散热器，将功率器件直接安装在外壳上，但注意电绝缘和安全问题。但注意电绝缘和安全问题。8.3 可靠性设计可靠性设计 可靠性设计可靠性设计使指在设计电子系统时，不仅使指在设计电子系统时，不仅要关心系统的功能，还应将可靠性列为要关心系统的功
17、能，还应将可靠性列为一项可达到的指标。即在规定的时间内一项可达到的指标。即在规定的时间内完成规定的功能。完成规定的功能。在系统实现中，器件处于两种可靠性结构状态在系统实现中，器件处于两种可靠性结构状态：可靠性串联结构可靠性串联结构：N个元件中任何一个失个元件中任何一个失效，都会引起整个系统的失效。效，都会引起整个系统的失效。可靠性并联结构可靠性并联结构： N个元件全部失效，才个元件全部失效，才会引起整个系统的失效。会引起整个系统的失效。 大多数民用产品采用可靠性串联结大多数民用产品采用可靠性串联结构，除了选用构，除了选用失效率低的器件失效率低的器件外，应尽外，应尽量采用量采用集成度高的器件集成
18、度高的器件，以减少器件的，以减少器件的总数。对于重要的系统，部件和电路可总数。对于重要的系统，部件和电路可采用采用可靠性并联结构设计可靠性并联结构设计或或两种结构混两种结构混合合的设计方法。的设计方法。8.4 数字系统可测试性设计数字系统可测试性设计8.5 PCB知识模拟电路的调试（1）晶体管电路，若不正常工作，首先断开级联与反馈，检查工作点。（2）运放电路着重检查差分输入端电位。 排除自激故障，可断开反馈，逐级将输入端交流短路接地，针对自激原因，采用旁路电容、负反馈等措施改善。（3）模拟电路输入阻抗的测量；采用电阻分压法测量。（4）输入短路等效噪声测量。（5）网络频率响应特性的测量：用扫频仪
19、幅频特性，用矢量网络分析仪或信号源加信号分析仪测试其幅频或相频特性。（6）失真度测量：采用失真度仪直接测量模拟电路的调试应逐级跟踪控制调试，主要难点：排除自激和降低系统的噪声。数字电路系统的调试主要调试仪器：中小规模数字集成电路：万用表、逻辑笔和示波器大规模的复杂时序逻辑的系统：逻辑分析仪数字系统常见的问题：（1）因电路延时或逻辑设计带来的竞争冒险（2）组合逻辑电路输出中的“毛刺”脉冲（3）负载过重等原因导致的数字信号幅度达不到要求的电平竞争冒险产生原因：由于延迟时间的存在，当一个输入信号经过多条路径传送后又重新会合到某个门上，由于不同路径上门的级数不同，或者门电路延迟时间的差异，导致到达会合点的时间有先有后，从而产生瞬间的错误输出。 消除方法 1.接入滤波电容； 2.引入选通脉冲； 3.修改逻辑设计； 4.利用可靠性编码； 5.引入封锁脉冲。 毛刺的处理：可以加一适当大小的对地旁路滤波电容，来滤除或降低其脉冲幅度。
