微機控制系統(tǒng)的可靠性

第10章微機控制系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù)第1頁，共73頁。概述第2頁，共73頁。n

計算機控制系統(tǒng)運行環(huán)境往往比較惡劣和復(fù)雜,不僅環(huán)境溫度變化大、濕度大,有粉塵、振動和腐蝕氣體,而且周圍還有電氣干擾,這些都會影響到系統(tǒng)的正常工作,輕則影響控制精度,重則使系統(tǒng)失靈癱瘓。n

計算機控制系統(tǒng)通常要求長期連續(xù)工作,不能隨意關(guān)機、復(fù)位或重新啟動。概述第3頁，共73頁。n

干擾信號出現(xiàn)時,系統(tǒng)應(yīng)能抑制干擾的影響;n數(shù)據(jù)被干擾破壞時,系統(tǒng)應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)并能糾正;n

系統(tǒng)內(nèi)部或外部出現(xiàn)異常情況時,應(yīng)能及時給出報警信息;n

當干擾導(dǎo)致程序脫離正常運行或進入"死循環(huán)",應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)并強制進入正常程序人口或進行系統(tǒng)復(fù)位。概述第4頁，共73頁。n

可靠性要求對計算機控制系統(tǒng)來說至關(guān)重要,而抗干擾技術(shù)是提高可靠性的一項關(guān)鍵技術(shù),可以說沒有采取抗干擾措施的控制系統(tǒng)是根本不能投入實際使用的。10.1可靠性與抗干擾技術(shù)基本概念第5頁，共73頁。n

10.1.1可靠性的概念1.可靠性(Reliability)定義第6頁，共73頁。n控制系統(tǒng)的可靠性通常是指在一定條件下,在規(guī)定時間段完成規(guī)定功能的能力。n

一定的條件：–包括環(huán)境條件(如溫度、濕度、粉塵、氣體、振動、電磁干擾等)–工作條件(如電源電壓、頻率允許波動的范圍、負載阻抗、允許連接的用戶終端數(shù)等)–操作和維護條件(如開機關(guān)機過程、正常操作步驟、維修時間和次數(shù)等)?？煽啃缘?頁，共73頁。n

規(guī)定的時間:是可靠性的重要特征,常以數(shù)學(xué)形式表示可靠性的基本參量,如可靠度、失效率、平均故障間隔時間

(MTBF:Mean

Time

Between

Failures)、平均維護時間(MTTR:Mean

Time

to

Repair)等n

規(guī)定的功能:是指控制系統(tǒng)能完成任務(wù)的各項性能指標。對于不同的系統(tǒng),規(guī)定的功能是不同的,如對溫度控制系統(tǒng),規(guī)定的功能有溫度控制范圍、控制精度和過渡過程時間等。可靠性第8頁，共73頁。n影響系統(tǒng)完成規(guī)定功能的干擾因素有多種–外部因素有溫度、濕度、振動、電源的波動、電磁干擾、操作失誤、維修時間超期等;–內(nèi)部因素有器件的偶發(fā)性失效、長時間使用后性能老化以及經(jīng)過試驗未能發(fā)現(xiàn)的軟件與硬件缺陷等2.錯誤(Error)和故障(Failure)第9頁，共73頁。n在干擾的作用下,系統(tǒng)會產(chǎn)生非正常工作狀態(tài),也稱異常狀態(tài)。n瞬時性的、功能上出現(xiàn)偏差的異常狀態(tài),稱之為錯誤,錯誤不經(jīng)停機修理也可恢復(fù)到正常工作狀態(tài);n固定性的、功能部件其必要操作能消失的異常狀態(tài),稱之為故障,故障只有通過修理才能恢復(fù)到正常狀態(tài)。錯誤(Error)和故障(Failure)第10頁，共73頁。n

錯誤的自動檢測、糾正和指示,對控制系統(tǒng)來說非常重要。n

為了消除錯誤對系統(tǒng)影響,可采用一些有效方法:–增設(shè)抗干擾電路,消除來自電源、信號、空間的電磁干擾;–通過附加冗余碼實現(xiàn)自動檢錯、糾錯等n

故障按其發(fā)生時期通常分為:–早期故障耗損故障偶發(fā)故障早期故障第11頁，共73頁。n由于元器件質(zhì)量差,軟件、硬件設(shè)計欠完善等原因所造成的,可通過系統(tǒng)試運行,

更換質(zhì)量不好的元器件、修改硬件電路、改正軟件錯誤來排除早期故障。耗損故障第12頁，共73頁。n

由于元器件使用壽命已到所致。n如果已知元器件使用壽命的統(tǒng)計分布規(guī)律,那么,預(yù)先更換元器件,就可防止耗損故障的發(fā)生。另外,定期檢查或更換關(guān)鍵元件和部件,也可防止耗損故障的發(fā)生。偶發(fā)故障第13頁，共73頁。n隨機的,通常發(fā)生于早期故障和耗損故障之間,在故障發(fā)生后,需進行應(yīng)急維修。說明第14頁，共73頁。n由于故障的發(fā)生(特別是偶發(fā)故障的發(fā)生)既難以預(yù)見又不可避免,為盡可能減少由于故障發(fā)生所造成的損失,盡快恢復(fù)系統(tǒng)正常工作,就需要采取故障恢復(fù)技術(shù),如要使系統(tǒng)仍然繼續(xù)運行,需要采取特殊措施,這也是可靠性技術(shù)應(yīng)研究的課題。綜上所述可靠性的概念有兩層含義:

一是系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)盡可能減少故障和錯誤的發(fā)生

二是發(fā)生了故障和錯誤后能迅速進行維修,盡快恢復(fù)正常工作。

若考慮人為的干擾因素,如控制系統(tǒng)中有關(guān)數(shù)據(jù)和程序的非法竊取、修改等,則安全性也屬于系統(tǒng)可靠性應(yīng)考慮的內(nèi)容。第15頁，共73頁。10.1.3電磁兼容性第16頁，共73頁。1.電磁兼容性的概念第17頁，共73頁。n

電磁兼容性(ElectromagneticCompatibility,EMC)是指在不損害信號所含信息的條件下,信號和干擾能夠共存的程度。n

國際電工委員會(IEC)對EMC的定義是:–設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。n研究電磁兼容的目的是為了保證電器設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中具有正常工作的能力,以及掌握電磁波對社會生產(chǎn)活動和人體健康造成危害的機理和預(yù)防措施。第18頁，共73頁。電磁兼容實際有兩方面的含義第19頁，共73頁。n一方面是設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁騷擾,不應(yīng)對周圍設(shè)備造成不能承受的干擾,也不應(yīng)對周圍環(huán)境造成不能承受的“污染”n一方面是設(shè)備或系統(tǒng)對來自周圍環(huán)境中的電磁干擾,應(yīng)具有足夠的抗御能力n

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)以及電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用,電磁兼容成為世界工業(yè)技術(shù)的熱點問題。n

電子產(chǎn)品在方便人們的同時,對社會生產(chǎn)活動和人體健康也帶來了一系列不利的影響。n

電子元件幾乎在所有的設(shè)備中都存在,而它們越來越趨于在極微弱的信號下工作,且信號工作頻率越來越高,動作時間越來越短,因而更容易受外界電磁場的干擾。n 電子產(chǎn)品的廣泛使用,也意味著電磁發(fā)射源也越來越多,而高能量、高頻率的發(fā)射源使干擾信號不斷增強,這些電磁輻射不僅對電子設(shè)備本身有干擾作用,更嚴重的是電磁輻射會對人體健康造成不良影響。第20頁，共73頁。討論第21頁，共73頁。n

電磁輻射污染也已被世界衛(wèi)生組織列為必須嚴加控制的現(xiàn)代公害之一n

清潔電磁環(huán)境,保證電工、電子產(chǎn)品正常工作已受到世界范圍的普遍關(guān)注。n

解決電磁兼容問題應(yīng)從產(chǎn)品的開發(fā)階段開始,并貫穿于整個產(chǎn)品或系統(tǒng)的生產(chǎn)全過程。n電磁兼容設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是對電磁干擾機制的研究,從干擾源處限制電磁發(fā)射是治本的方法,切斷電磁噪聲的傳播途徑是提高抗干擾能力的重要手段。2.電磁兼容標準n

電磁兼容技術(shù)的迅速發(fā)展,也剌激了對電磁兼容標準化工作的需求。n

許多國家在EMC技術(shù)的研究、標準的制定、EMC測試及認證方面做了不少工作–歐共體成員國關(guān)于EMC法律性指令(89/336/EEC指令)要求所有投放市場的電工電子產(chǎn)品,均要求進行EMC認證,認證合格后,貼上CE標志。–美國聯(lián)邦通信委員會(Federal

communications

Commission,FCC)頒布了一系列有關(guān)EMC的法規(guī),并進行這方面的管理,對于通信發(fā)射機、接收機、電視機、計算機、各種醫(yī)療設(shè)備均有相應(yīng)的法律要求。任何想出口到美國的這些設(shè)備必須取得FCC的某種形式的認可。第22頁，共73頁。nEC專門從事電磁兼容標準化工作的有兩個技術(shù)委員會–國際無線電干擾特別委員會(CISPR)–第77技術(shù)委員會(TC77)第23頁，共73頁。我國的EMC測試及標準化第24頁，共73頁。n

我國的EMC測試及標準化工作是20世紀60年代起步的。–對應(yīng)于CISPR成立了全國無線電干擾標準化技術(shù)委員會–對應(yīng)TC77成立了全國電磁兼容標準化聯(lián)合工作組n

以促進電磁兼容EMC研究和標準化工作。n

隨著EMC標準化工作的進行,其認證工作作為市場經(jīng)濟發(fā)展到一個比較成熟的階段的產(chǎn)物,就如安全認證和環(huán)境保護的綠色認證一樣,EMC認證也將是產(chǎn)品的一個重要質(zhì)量標志。我國EMC的國家標準見表第25頁，共73頁。3.常用名詞說明第26頁，共73頁。1)噪聲與干擾(Noise

&

Interfering)第27頁，共73頁。n

噪聲是一種明顯不傳送信息的信號,它可與有用信號疊加或組合,并使有用信號發(fā)生畸變。n

噪聲會損害有用信號的接收,并可引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低,甚至不能正常工作,具有危害性的噪聲稱干擾。n"噪聲"與"干擾"有時也不嚴格區(qū)分,一般在討論對有用信號影響程度時,多用"噪聲"一詞,而討論危害作用時,多用"干擾"一詞。2)電磁騷擾和電磁干擾第28頁，共73頁。(Electromagnetic

disturbance

&

Electromagnetic

interference)n電磁騷擾泛指對裝置、設(shè)備、系統(tǒng)或者有生命物體產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號或傳播媒介自身的變化。n電磁干擾(簡稱EMI)是指由電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。3)噪聲源與受擾體(Noise

source

&

Susceptor)第29頁，共73頁。n

噪聲源就是產(chǎn)生噪聲的主體,也稱干擾源–如雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源,其用數(shù)學(xué)描述的特征是(du/dt)或(di/dt)較大的地方都可能是干擾源。n受擾體就是受到干擾危害的裝置、設(shè)備或系統(tǒng),受擾體亦稱受干擾對象或干擾對象,受擾體通常對噪聲有較高敏感性(susceptibility)–如A/D、D/A變換器、單片機、數(shù)字IC、弱信號放大器等,都可以是受擾體。4)耦合與耦合途徑

(Coupling

&

Coupling

Paths)第30頁，共73頁。n耦合泛指系統(tǒng)間或一個系統(tǒng)的各部分之間相互作用而彼此發(fā)生關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象n此處主要指干擾源與受擾體之間通過電或磁產(chǎn)生聯(lián)系的現(xiàn)象,它通常決定了受擾體受到干擾的方式。n

耦合途徑是指干擾源對受擾體發(fā)生作用

時,電磁能量的傳輸介質(zhì),亦稱耦合通道。

–耦合途徑主要有傳導(dǎo)、感應(yīng)和輻射。5)傳導(dǎo)與輻射

(Conduction

&

Radiation)第31頁，共73頁。n傳導(dǎo)是通過導(dǎo)線傳播電磁能量的耦合方式,具體有電導(dǎo)耦合、電感耦合、電容耦合、公共阻抗耦合等。n輻射是通過自由空間傳播電磁能量的耦合方式。6)系統(tǒng)間干擾和系統(tǒng)內(nèi)干擾第32頁，共73頁。(Inter-system

interference

&

Intra-system

interference)n系統(tǒng)間干擾是指由其他系統(tǒng)對一個系統(tǒng)造成的電磁干擾。n系統(tǒng)內(nèi)干擾是指系統(tǒng)中出現(xiàn)的由本系統(tǒng)內(nèi)部電磁騷擾(Disturbance)引起的電磁干擾。7)內(nèi)部抗擾性和外部抗擾性(Internal

immunity

&

External

immunity)第33頁，共73頁。n內(nèi)部抗擾性是指裝置、設(shè)備或系統(tǒng)在其輸入或天線處存在電磁騷擾時能正常工作而性能沒有降低的能力。n外部抗擾性是指裝置、設(shè)備或系統(tǒng)在電磁騷擾經(jīng)由除常規(guī)輸入端或天線以外的途徑侵入情況下,能正常工作而性能沒有降低的能力。4.產(chǎn)生干擾的必要條件n

由噪聲(或電磁騷擾)干擾引起設(shè)備或系統(tǒng)性能下降現(xiàn)象的產(chǎn)生,必須滿足4個條件:<噪聲的發(fā)生(即有噪聲源的存在)<噪聲的接收(即有受擾體的存在)<噪聲的傳播(即有耦合途徑的存在)<以及上述三者在時間上的一致性n

只要破壞上述4個條件中時間上的一致性任何一個,干擾現(xiàn)象就能消除。n

上述4個條件也可看成EMC的4個要素第34頁，共73頁。EMC的4個要素如圖10-1所示第35頁，共73頁。n

由于噪聲源和受擾體通常是客觀存在的,很難消除,只能通過減少噪聲源的發(fā)射能量,降低受擾體敏感度來達到消除干擾的目的n

切斷噪聲從噪聲源到受擾體的耦合途徑是消除干擾的常用方法n

調(diào)整噪聲的產(chǎn)生、傳播和接收的時間關(guān)系,有時也能起到事半功倍的效果第36頁，共73頁。10.1.3噪聲的分類和耦合方式第37頁，共73頁。1.噪聲分類n

噪聲的種類繁多,下面按噪聲產(chǎn)生的位置、原因、傳導(dǎo)模式以及波形來分類第38頁，共73頁。1)按噪聲產(chǎn)生的位置分類n按噪聲產(chǎn)生的位置可分內(nèi)部噪聲和外部噪聲–內(nèi)部噪聲是指裝置內(nèi)部或器件本身產(chǎn)生的噪聲–外部噪聲是指從外部侵入裝置或系統(tǒng)的噪聲,主要有自然噪聲和人為噪聲二類第39頁，共73頁。n

自然噪聲包括大氣噪聲、太陽噪聲等。–大氣噪聲如雷電、火花放電、臺風(fēng)、火山噴煙、黃砂、飛雪等。其中雷電是經(jīng)常遇到的,它從較低頻率(數(shù)千赫茲)到VHF射頻段(30?300MHz)或更高的頻段內(nèi)產(chǎn)生干擾,并能傳到相當遠的距離。–太陽噪聲是由于太陽黑子或磁暴發(fā)射出的電磁噪聲,其強度與黑子活動的激烈程度有關(guān)第40頁，共73頁。人為噪聲來自其他機器和設(shè)備的噪聲,如:①有觸點的家用電器和民用設(shè)備電冰箱、電費斗、電磁開關(guān)、繼電器等;②使用整流子電動機的機器電鉆、電動刮胡刀、電按摩器、吸塵器、電動攪拌機、牙科醫(yī)療器械;③家用電力半導(dǎo)體器件裝置硅整流調(diào)光器、開關(guān)電源等;④工業(yè)用高頻設(shè)備塑料熱合機、高頻加熱器、高頻電焊機等;⑤高頻醫(yī)療設(shè)備甚高頻或超高頻理療裝置、高頻手術(shù)刀、電測儀、X光機等;⑥電力傳動設(shè)備各種直流、交流伺服電動機、步進電機、電磁閥、接觸器等;⑦電力電子器件組成的變流裝置可控整流器、逆變器、變頻器、斬波器、交流調(diào)壓器、UPS電源、高頻開關(guān)電源等第41頁，共73頁。⑧電力傳輸設(shè)備高壓電力傳輸線、高壓斷路器、變壓器等;內(nèi)燃機中的點火系統(tǒng)、發(fā)電機、電壓調(diào)節(jié)器、電刷等;⑨無線電發(fā)射和接收設(shè)備移動通信系統(tǒng)、廣播、電視、雷達、導(dǎo)航設(shè)備等;⑩高速數(shù)字電路設(shè)備計算機及其相關(guān)設(shè)備等第42頁，共73頁。2)按噪聲產(chǎn)生的原因分類n噪聲產(chǎn)生的原因非常多,按其分類有熱噪聲、接觸噪聲、放電噪聲、高頻振蕩噪聲、感應(yīng)噪聲、反射噪聲、浪涌噪聲、輻射噪聲等第43頁，共73頁。①熱噪聲是由導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電阻中電子熱騷動所形成的電子噪聲,由于電子熱運動具有隨機性質(zhì),所以熱噪聲電壓也具有隨機性質(zhì),而且它幾乎覆蓋整個頻譜。第44頁，共73頁。②接觸噪聲是由兩種材料之間的不完全接

觸,形成電導(dǎo)率的起伏而產(chǎn)生的。它發(fā)生

在兩個導(dǎo)體連接的地方,如繼電器的接點、電位器的滑動接點以及接線柱和虛焊處。第45頁，共73頁。③放電噪聲主要由雷電、靜電、電機電刷和大功率開關(guān)觸點斷開等放電現(xiàn)象產(chǎn)生的。第46頁，共73頁。④高頻振蕩噪聲主要由感應(yīng)電爐、開關(guān)電源、逆變器、高頻加熱器、超聲波設(shè)備以及電路內(nèi)部反饋引起的高頻自激振蕩所產(chǎn)生。第47頁，共73頁。⑤感應(yīng)噪聲是由于器件布局、配線或接地不當所產(chǎn)生的靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)噪聲。第48頁，共73頁。⑥工頻噪聲是由電源整流電路濾波不佳、變壓器漏磁通感應(yīng)分量,以及大地漏電等導(dǎo)致有用信號中混入交流分量所產(chǎn)生的交流噪聲。第49頁，共73頁。⑦反射噪聲是高速電路長線傳輸時,由于阻抗不匹配,發(fā)生信號傳輸反射,引起信號波形畸變所形成的。⑧浪涌噪聲是由大功率設(shè)備、晶閘管變流器和電動機啟動產(chǎn)生涌流所造成的。第50頁，共73頁。⑨輻射噪聲是由大功率發(fā)射裝置、接收裝置

(如廣播設(shè)備、雷達、發(fā)報機、電視機、調(diào)頻機、調(diào)幅機等)產(chǎn)生的噪聲,并通過空間輻射形式影響裝置或設(shè)備。第51頁，共73頁。3)按噪聲傳導(dǎo)模式分類n

按噪聲傳導(dǎo)模式可分為:–常模噪聲–共模噪聲第52頁，共73頁。常模噪聲n又稱差動噪聲、串模噪聲、橫向噪聲、線間感應(yīng)噪聲或?qū)ΨQ噪聲等n

常模噪聲與有用信號串在一起,噪聲電流iN與有用信號電流is在線路中的流向是一致的,噪聲電壓uN始終疊加在信號電壓us上,如圖(a)所示,這種噪聲往往較難清除。n

當噪聲的頻率范圍與有用信號相差較大時,可采用濾波方法來抑制。第53頁，共73頁。共模噪聲n

又稱地感應(yīng)噪聲、縱向噪聲或不對稱噪聲。n

噪聲電流iN在一對信號線上各流過一部分,以地為公共回路,只要線路處于平衡狀態(tài),即兩根信號線對地阻抗一致時(Z1=Z2),則在兩根信號線間產(chǎn)生的噪聲電壓uN基本為0n

共模噪聲不會對有用信號產(chǎn)生影響,如圖(b)所示。第54頁，共73頁。n

線路不平衡,即兩根信號線對地阻抗不一致時(Z1≠Z2),噪聲電壓uN就不為0,相當于在兩根信號線存在常模噪聲,如圖(c)所示。n

通常輸入/輸出信號線與大地或機殼之間的噪聲都為共模噪聲,信號線受到靜電感應(yīng)時產(chǎn)生的噪聲也多為共模噪聲。n

抑制共模噪聲的方法較多,如隔離、屏蔽、接地等。第55頁，共73頁。4)按噪聲波形分類n

圖10-3所示為典型的噪聲波形有:–連續(xù)的正弦波–偶發(fā)的脈沖波–周期性的脈沖波第56頁，共73頁。n對連續(xù)正弦波噪聲,可用幅值

Um、持續(xù)時間ts和振蕩頻率fn等特征值來描述第57頁，共73頁。n對偶發(fā)脈沖波噪聲,可用最大幅度Um、上升時間tr、脈沖寬度tp等特征值來描述;第58頁，共73頁。n周期性脈沖波噪聲,可用最大幅度Um、脈沖寬度tp、脈沖間隔時間ts等特征值來描述。第59頁，共73頁。n根據(jù)噪聲波形與有用信號的特征值,才能確定采用具體消除噪聲的措施。第60頁，共73頁。2.噪聲的藕合方式n

噪聲的耦合方式主要有–公共阻抗耦合–直接耦合–電容耦合–電磁感應(yīng)耦合–漏電耦合–輻射耦合第61頁，共73頁。1)公共阻抗耦合n公共阻抗耦合是噪聲源和信號處理電路具有公共阻抗時的傳導(dǎo)耦合。n

常見的情況是信號處理電路和信號輸出電路使用公共電源,而電源不是內(nèi)阻為零的理想電壓源,電源內(nèi)阻就成為了公共阻抗Zc,信號

輸出電路中的電流變化就會在公共阻抗上產(chǎn)生噪聲信號,并通過電源線干擾信號處理電路,如圖10-4所示。第62頁，共73頁。n為了防止公共阻抗耦合,應(yīng)使耦合阻抗趨近于零,通過去耦電路可減少公共阻抗耦合引起的干擾。第63頁，共73頁。2)直接耦合n直接耦合通常是噪聲信號經(jīng)過導(dǎo)線直接傳導(dǎo)到被干擾電路中。n

圖(a)中噪聲信號uN串接到有用信號us回路中,形成常模干擾;第64頁，共73頁。n圖(b)中噪聲信號均對有用信號us形成共模干擾。