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第一章 可靠性与抗干扰技术概述

谈英姿tanyz@seu.edu.cn

东南大学自控系工业自动化教研室

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本章主要内容 研究抗干扰技术的重要性 可靠性概念 微机测控系统可靠性设计任务与方法 电磁兼容性设计及常用术语 干扰的分类 干扰的耦合方式 单片机测控系统可靠性设计的主要途经

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可靠性概念 可靠性定义及其定量描述

– 可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。– 描述可靠性的定量指标：

• 可靠度• 失效率• 平均寿命

系统的可靠性模型– 串联结构模型– 并联结构模型– 混联结构模型– K/n 系统

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可靠度可靠度是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为 R 。它是时间的函数，故也记为 R （ t ） ,称为可靠度函数。 如果用随机变量 T表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，其概率密度为 f（ t）如上图所示，若用 t表示某一指定时刻，则该产品在该时刻的可靠度

)()( tTPtR

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失效率 失效率：失效率是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 λ, 它也是时间 t 的函数 ,故也记为 λ(t), 称为失效率函数 , 有时也称为故障率函数或风险函数 .

　　

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平均寿命 平均寿命：平均寿命是寿命的平均值，对不可修复产品常用失效前平均时间，一般记为 MTTP ，对可修复产品则常用平均无故障工作时间，一般记为 MTBF 。它们都表示无故障工作时间 T 的期望 E （ T ）或简记为 t. 当产品的可靠度为 R(t) 时，平均无故障时间可表示为：

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串联结构模型 串联系统可靠性：串联系统是组成系统的所有单元中任一单元失效就会导致整流器个系统失效的系统。假定各单元是统计独立的，则其可靠性数学模型为：

式中， Rs(t)—— 系统可靠度； Ri(t)—— 第 i 单元可靠度

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并联结构模型 并联系统可靠性：并联系统是组成系统的所有单元都失效时才失效的失效的系统。

并联系统对提高系统的可靠度有显著的效果

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混联结构模型 混联系统是由串联和并联混合组成的系统。 混联结构应用较多的是双重结构，又叫备份系统。有如图 1.2-7 所示的三种结构形式。

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混联结构模型

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混联结构模型

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K/n 系统 K/n 系统即 n 中取 K 表决系统。 对于一个 2 ／ 3 系统，只要任意两个模块正常或上均正常，系统的可靠度为： R2,3=3R2-2R3

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使用条件 连续使用 一次使用可否修复 可修复 不可修复 可修复 不可修复维修种类 预防维修 事 后维修 用到耗损期 一定时间后报废 预防维修   

产品示例 电子系统、计算机、通信机、雷达、飞机、生产设备家用电器、机械装置

电子元器件、机械零件、一般消费品

实行预防维修的零部件、广播设备用电子管

武器、过载荷继电器、救生器具保险丝、闪光灯雷管

常用指示 可靠度、有效度、平均无故障工作时间、平均修复时间

平均无故障工作时间、有效寿命、有效度

失效率、平均寿命失效率 ,更 换 寿命 成功率 成功率

各类产品常用的可靠性指标

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微机测控系统可靠性设计任务与方法 可靠性设计的任务– 元器件本身的性能与可靠性– 系统结构设计– 安装与调试– 外部电气条件– 外部空间条件– 外部机械条件

可靠性设计的一般方法– 元器件级可靠性措施– 部件及系统级的可靠性措施

外

内

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元器件级可靠性措施 严格管理元器件的购置、储运； 老化、筛选、测试 降额使用 选用集成度高的元器件

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部件及系统级的可靠性措施 冗余技术 电磁兼容性设计 信息冗余技术 时间冗余技术 故障自动检测与诊断技术 软件可靠性技术 失效保险技术

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电磁兼容性设计及常用术语 所谓电磁兼容性（ Electromagnetic Com

patibility, EMC ）是指电子装置在预定的工作环境条件下，既不受周围电磁场的影响，也不影响周围的环境，不发生性能变异或误动作，而按设计要求正常工作的能力。 EMC 不等式： 干扰源强度＊传播衰减因子 <设备抗干扰能力 电磁兼容标准的内容 EMC 常用术语

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电磁干扰现象

开关电源

数字脉冲电路

数字视频设备220AC

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形成干扰的基本要素 干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下： du/dt ， di/dt 大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。敏感器件，指容易被干扰的对象。如： A/D 、

D/A变换器，单片机，数字 IC ， 弱信号放大器等。

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常见干扰源无线通信雷电

脉冲电路 ESD

感性负载通断直流电机、变频调速器

电磁兼容标准的内容       电磁兼容标准

       干扰发射            敏    感    度     传     导      辐  射      传     导      辐   射电源线

信号/控制

线 天线端口

   电   场  磁    场 电源线 /信号线  射频

  瞬态天线端口

  电    场

  磁    场

  静 电放电    

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干扰的分类按噪声产生的原因分类

– 放电噪声– 高频振荡噪声– 浪涌噪声

按噪声传导模式分类– 常模噪声与共模噪声

按噪声波形及性质分类– 持续正弦波– 偶发脉冲电压波形– 脉冲列

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常模噪声与共模噪声

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干扰的耦合方式直接耦合（滤波去耦）公共阻抗耦合电容耦合电磁感应耦合辐射耦合漏电偶耦合

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公共阻抗耦合噪声源与干扰对象之间具有公共阻抗 常见的公共阻抗耦合有：– 公共地– 电源阻抗

电路去耦

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电容耦合 电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应，又称静电耦合或电场耦合。

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电磁感应耦合 磁场耦合

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辐射耦合天线效应 环天线 偶极天线 缝隙天线

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主板

电缆子板

PCB电缆

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漏电偶耦合

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噪声的传递方式

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单片机测控系统可靠性设计的主要途经

精心选择元器件 元部件要精密调整采用硬件抗干扰技术采用软件抗干扰技术– 数字滤波– 信息传送过程的自动检测– 系统运行状态监视与发生故障时的自动恢复