第6章 電子系統(tǒng)綜合設(shè)計的工程問題.ppt

1、第6章 電子系統(tǒng)綜合設(shè)計的工程問題,第6章 電子系統(tǒng)綜合設(shè)計的工程問題,教學(xué)提示：在現(xiàn)代電子系統(tǒng)綜合設(shè)計中，要研制一個經(jīng)得起考驗的電子設(shè)備或產(chǎn)品，僅僅了解電子元器件，掌握電路原理和電子技術(shù)是不夠的，還必需充分考慮電子設(shè)備或產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，抵御可能受到的電磁干擾等實際工程問題。 教學(xué)要求：通過本章的學(xué)習(xí)，要求掌握電子系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計；理解電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計；學(xué)會電子系統(tǒng)的裝配與調(diào)試。,第6章 電子系統(tǒng)綜合設(shè)計的工程問題,6.1 電子系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計 6.2 電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計 6.3 電子系統(tǒng)的裝配與調(diào)試,6.1 電子系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計,6.1.1 電磁干擾帶來的危害: 1. 破

2、壞或降低電子設(shè)備的工作性能。 系統(tǒng)通信監(jiān)控與穩(wěn)定性的干擾破壞 2. 造成災(zāi)難性后果。 情報泄密 、重大事故等 3. 電磁場對人體的危害。 電磁輻射：繼水源、大氣和噪聲之 后的第四大環(huán)境污染源,6.1.2 電磁干擾的定義和三要素,電磁騷擾(EMD)是任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降級或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生作用的電磁現(xiàn)象。 電磁干擾(EMI)是“電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降”。電磁騷擾僅是電磁現(xiàn)象，即客觀存在的一種物理現(xiàn)象，它可能引起設(shè)備性能的降級或損害，但不一定已經(jīng)產(chǎn)生后果，而電磁干擾是由電磁騷擾引起的后果。 在實際分析電磁干擾問題時常與電磁騷擾聯(lián)系在一起討論，統(tǒng)稱為電磁干

3、擾。,6.1.2 電磁干擾的定義和三要素,電磁干擾的三要素： 所有的電磁干擾都是由電磁干擾源、傳輸途徑、敏感設(shè)備這三個基本要素組合而產(chǎn)生的。因此要抑制電磁干擾就應(yīng)該從這三個要素入手。,6.1.3 電磁干擾的類型,根據(jù)干擾源的性質(zhì)把電磁干擾分類為自然干擾和人為干擾。如圖6.1所示。,6.1.4 干擾傳播的(耦合)路徑,電磁干擾從干擾源傳進(jìn)敏感源的路徑，稱為耦合路徑，主要有傳導(dǎo)、感應(yīng)、輻射，以及其組合。 例如：,6.1.5 抗干擾設(shè)計的工程方法,電磁兼容的含義：電磁兼容(EMC)一般指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作又互不干

4、擾，達(dá)到“兼容”狀態(tài)。換句話說，電磁兼容是指電子線路、設(shè)備、系統(tǒng)相互不影響，在電磁環(huán)境中具有相容性的狀態(tài)。相容性包括設(shè)備內(nèi)電路模塊之間的相容性、設(shè)備之間的相容性和系統(tǒng)之間的相容性。,6.1.5 抗干擾設(shè)計的工程方法,電磁兼容性控制技術(shù)： (1)傳輸通道抑制：具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、合理布線。 (2)空間分離：地點位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向控制。 (3)時間分隔：時間共用準(zhǔn)則、雷達(dá)脈沖同步、主動時間分隔、被動時間分隔。 (4)頻譜管理：頻譜規(guī)劃/劃分、制定標(biāo)準(zhǔn)、頻率管制等。 (5)電氣隔離：變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、DC/DC變換。 (6)其他技術(shù)。,6.

5、1.5 抗干擾設(shè)計的工程方法,電磁兼容性分析與設(shè)計方法 磁兼容性設(shè)計的基本方法是指標(biāo)分配和功能分塊設(shè)計。 電磁兼容性測量與試驗技術(shù) 1) 電磁兼容性測試的意義 2) 電磁兼容性測量的主要內(nèi)容 3) 電磁兼容測量場地的要求,6.2 電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計 6.2.1 可靠性的定義與衡量指標(biāo),可靠性：指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。產(chǎn)品可靠性定義的要素是“三規(guī)”：規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能。 可靠度：系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率稱為可靠度。 R(t)可靠度函數(shù)； 產(chǎn)生故障前的工作時間； t 規(guī)定的時間。 衡量指標(biāo)： (1)平均故障前時間(Mean Tim

6、e To Failure ，MTTF)。 (2)平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure ，MTBF)。 (3)失效率(t)是指產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下使用到時刻t后，產(chǎn)品失效的概率，也稱為故障率。 (4) 浴盆曲線。產(chǎn)品的可靠性變化一般都有一定的規(guī)律，其特征曲線由于其形狀象浴盆，通常稱之為“浴盆曲線”。,6.2.2 可靠性設(shè)計,可靠性設(shè)計的基本任務(wù)：在現(xiàn)有元器件水平的基礎(chǔ)上，從設(shè)備或系統(tǒng)的總體設(shè)計、元器件選用、降額設(shè)計、散熱設(shè)計、穩(wěn)定性設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計、工藝設(shè)計以及維修性設(shè)計等各方面，采取各種措施，在質(zhì)量、體積、性能、費用、研制時間等因素的綜合權(quán)衡下，

7、實現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)既定的可靠性指標(biāo)。 可靠性設(shè)計的基本內(nèi)容：確定總體方案；應(yīng)用專門的可靠性設(shè)計技術(shù)實施專題可靠性設(shè)計；應(yīng)用專門的可靠性評價分析技術(shù)對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行定性和定量的評價分析。制定總體方案是實施專題可靠性設(shè)計的依據(jù)，專題可靠性設(shè)計則是總體方案的具體實現(xiàn)和保證，而可靠性評價分析則是對題可靠性設(shè)計的及時檢驗和反饋。,6.2.2 可靠性設(shè)計,2)可靠性評價分析技術(shù)： 1) 可靠性預(yù)計：在設(shè)計階段，根據(jù)設(shè)計中所選用的電路形式、元器件、可靠性結(jié)構(gòu)模型、工作環(huán)境、工作應(yīng)力以及過去積累的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，推測產(chǎn)品可能達(dá)到的可靠性水平。這里簡略介紹三種可靠性預(yù)計方法。 (1) 有源器件法。按設(shè)備為完成規(guī)定功能所

8、需的串聯(lián)有源器件的數(shù)目預(yù)計設(shè)備失效的方法。 (2) 元器件計數(shù)法。根據(jù)組成設(shè)備的各類元器件的通用失效率及其使用數(shù)量，來預(yù)計設(shè)備失效率的方法。 (3) 元器件應(yīng)力分析法。是考慮了溫度、電應(yīng)力、環(huán)境條件、元器件選用及電路等情況對元器件失效率的影響，先預(yù)計各個元器件在上述諸因素影響下的失效率，然后再預(yù)計設(shè)備總的失效率的一種方法，此方法較精確，可滿足工程設(shè)計精度要求。,6.2.2 可靠性設(shè)計,2) 可靠性分配:將可靠性指標(biāo)或預(yù)計所能達(dá)到的目標(biāo)值加以分解，用科學(xué)的方法，合理分配給分系統(tǒng)、設(shè)備、部件直至各元器件和每一個連接點、焊接點，以保證可靠性既定目標(biāo)得以實現(xiàn).一般分為兩大類，一類是無約束條件，單純從可

9、靠性指標(biāo)出發(fā)進(jìn)行分配；另一類是有約束條件，即以體積、質(zhì)量、成本等為約束條件進(jìn)行最優(yōu)化可靠性分配。我們介紹兩種無約束條件的可靠性分配方法。 (1) 等分配法。等分配法即是平均分配法是在設(shè)計初期，即方案論證階段，當(dāng)產(chǎn)品沒有繼承性，而且產(chǎn)品定義并不十分清晰時，所采用的最簡單的分配方法，適用于由完全相同的單元電路構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)。 (2) AGREE分配法。該方案考慮了組成系統(tǒng)的每個單元的復(fù)雜度和重要度。這種分配的基本觀點是：越是復(fù)雜的單元越容易失效，因此分配給它的失效率應(yīng)該大一些；越是重要的單元越不希望它失效，因此分配給它的失效率應(yīng)該小一些。 3) 故障模式、效應(yīng)與危害度分析。通過對所設(shè)計的系統(tǒng)的各組

10、成單元可能發(fā)生的各種故障模式對系統(tǒng)功能的影響及其危害程度的分析，盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時采取對策，改進(jìn)設(shè)計，以保證產(chǎn)品的可靠性。這是一種廣泛適用于電子、電器以及機(jī)械設(shè)備的可靠性評價分析技術(shù)。,6.2.2 可靠性設(shè)計,4) 故障樹分析。故障樹是一種樹狀的邏輯因果關(guān)系圖。它是一系列事件符號和邏輯門圖形符號，用于描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。邏輯門的輸入事件是輸出事件的“因”，而輸出事件是輸入事件的“果”。故障樹由頂事件、中間事件、底事件和邏輯或門、邏輯與門等圖形符號組成。圖6.8是一個簡單的故障樹描述形式。 5) 可靠性增長試驗.就是給樣機(jī)施加一定的應(yīng)力，強(qiáng)迫暴露設(shè)計缺陷，使缺陷變成故障，并對故障進(jìn)

11、行仔細(xì)分析，找出故障機(jī)理，通過進(jìn)行再設(shè)計，來系統(tǒng)地、永久地消除故障機(jī)理，阻止同樣的故障再度出現(xiàn)。,6.2.3 提高系統(tǒng)可靠性的措施,1. 降額設(shè)計。使元器件運用于在比額定值低的參數(shù)狀態(tài)下的一種設(shè)計技術(shù)。 2. 散熱設(shè)計.散熱設(shè)計包括散熱、加裝散熱器和制冷三類技術(shù)。 3. 冗余設(shè)計。是為了完成規(guī)定的功能而額外附加所需的裝置或手段，即使其中某一部分出現(xiàn)了故障，但作為整體仍能正常工作的一種設(shè)計。 4. 三防設(shè)計。指的是防潮濕、防鹽霧、防霉菌。 5. 維修性設(shè)計。 6. 電磁兼容性設(shè)計。電磁兼容性問題可以分為兩類：一類是電子電路、設(shè)備、系統(tǒng)在工作時由于相互干擾或受到外界的干擾使其達(dá)不到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)；

12、另一類是設(shè)備雖然沒有直接受到干擾的影響，但不能通過國家的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，如計算機(jī)設(shè)備產(chǎn)生超過電磁發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值，或在電磁敏感度、靜電敏感度上達(dá)不到要求。 7. 漂移設(shè)計技術(shù)。漂移設(shè)計是通過在設(shè)計階段根據(jù)線路原理寫出特性方程，然后通過收集元器件的分布參數(shù)來計算其漂移范圍以使漂移結(jié)果處在設(shè)計范圍內(nèi)來保證設(shè)備正常使用的一種設(shè)計方法。漂移設(shè)計的常用設(shè)計技術(shù)和方法有均方根偏差設(shè)計法、最壞情況設(shè)計法、蒙特卡羅法和正交優(yōu)化法等。,6.3 電子系統(tǒng)的裝配與調(diào)試 6.3.1 印制電路板和元器件的安裝,印制電路板的設(shè)計。 印制電路板的設(shè)計可分為設(shè)計準(zhǔn)備、網(wǎng)絡(luò)表輸入、規(guī)則設(shè)置、元器件布局、布線、檢查、復(fù)查和輸出

13、8個步驟。 1) 印制電路板設(shè)計準(zhǔn)備。 (1) 標(biāo)準(zhǔn)元件的建立。 (2) 特殊元件的建立。 (3) 具體設(shè)計文件的建立。 2) 網(wǎng)絡(luò)表輸入。 3) 規(guī)則設(shè)置。 4) 元器件布局和布線。 布局需要注意以下事項： 1、布局的首要原則是保證布線的布通率，移動器件時注意飛線的連接，盡量把有連線關(guān)系的器件放在起； 2、數(shù)字器件和模擬器件要分開、盡量遠(yuǎn)離； 3、去耦電容盡量靠近器件的電源引腳； 4、放置器件時要考慮將來焊接和裝配時的便利性，不要太密集； 5、多使用軟件提供的整體排列和編輯功能，以提高布局的效率。,6.3.1 印制電路板和元器件的安裝,布線的方式有兩種，手工布線和自動布線。這兩種方法通常混合

14、使用，可以提高布線的效率。常用的步驟是手工-自動-手工。 布線常遵循以下原則： (1) 元器件盡量布設(shè)在板的一面，每個引腳單獨占用一個焊盤。 (2) 元器件在整個板面上應(yīng)疏密一致，布設(shè)均勻、整齊美觀，以便于加工、安裝和維護(hù)。 (3) 元器件布設(shè)的位置應(yīng)避免相互影響，不可上下交叉和重疊排列，相鄰元器件間保持一定間距，并留出安全電壓間隙200V/mm；元器件放置的方向應(yīng)與相鄰印制導(dǎo)線交叉。 (4) 元器件安裝高度盡量低，以提高穩(wěn)定性和防止相鄰元器件碰撞。 (5) 根據(jù)在整機(jī)中安裝狀態(tài)確定元器件軸向位置，為提高元器件在板上的穩(wěn)定性，使元器件軸向在整機(jī)內(nèi)處于豎立狀態(tài)；大而笨重的元器件如變壓器等，可安裝

15、在主印制電路板外的輔助底板上，利用附件將其緊固，以利于加工與裝配。 (6) 元器件兩端跨距應(yīng)稍大于元器件軸向尺寸，彎腳處應(yīng)留出距離，以防止齊根彎曲損壞元器件。 5) 檢查、復(fù)查和印制電路板圖輸出,6.3.1 印制電路板和元器件的安裝,印制電路板基本知識 1) 基材。可分為剛性覆銅箔板、復(fù)合材料基板和特殊基板三種。,6.3.1 印制電路板和元器件的安裝,2) 過孔。從作用上看，過孔可以分成兩類：一是用做各層間的電氣連接；二是用做器件的固定或定位。如果從工藝制程上來說，這些過孔一般又分為三類，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。 盲孔位于印制

16、電路板的頂層和底層表面，具有一定的深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接，孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。 埋孔是指位于印制電路板內(nèi)層的連接孔，其不會延伸到電路板的表面。上述兩類孔都位于電路板的內(nèi)層。 通孔則穿過整個電路板，可用于實現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。,6.3.1 印制電路板和元器件的安裝,3) 導(dǎo)線 (1) 導(dǎo)線寬度。導(dǎo)線寬度應(yīng)盡可能選擇寬一些，至少要寬到足以承受所期望的電流負(fù)荷。 (2) 導(dǎo)線間距。選擇的最小間距應(yīng)適合所施加的電壓。這個電壓包括正常工作電壓、附加的波動電壓、過電壓和在正常操作或發(fā)生故障時重復(fù)或偶爾產(chǎn)生的過電壓或峰值電壓。 4) 焊盤。是穿線孔周圍的金屬

17、部分，供元器件引線穿孔焊接用。 (1) 焊盤的尺寸。焊盤的尺寸與穿線孔的尺寸有關(guān)并取決于穿線孔的尺寸。 (2) 焊盤的形狀。焊盤可以是圓形、島形、長方形、橢圓形、卵圓形、切割圓形等。,6.3.1 印制電路板和元器件的安裝,5) 印制電路板的尺寸 (1) 印制電路板的外形尺寸。 (2) 印制電路板的厚度。表6-4給出了常用的單面和雙面剛性印制電路板的標(biāo)稱板厚的優(yōu)選值。 印制電路板的翹曲度問題。應(yīng)控制在1以內(nèi) 。,6.3.1 印制電路板和元器件的安裝,印制電路板的制作工藝流程。 1) 單面的制作工藝流程 2) 雙面的制作工藝流程 元器件的安裝。從安裝工藝特點看，迄今為止，可以把安裝技術(shù)的發(fā)展分為五

18、代，如表6-5所示。,6.3.2 電子系統(tǒng)的調(diào)試,1. 調(diào)試與檢測儀器 1) 傳統(tǒng)電子測量儀器、儀表，電子測量儀器大體可分為專用儀器和通用儀器兩大類。 專用儀器為一個或幾個產(chǎn)品而設(shè)計，可檢測該產(chǎn)品的一項或多項參數(shù)。 通用儀器為一項或多項電參數(shù)的測試而設(shè)計，可檢測多種產(chǎn)品的電參數(shù)，一般按功能分為以下幾類：(1)信號發(fā)生器 (2)電壓表及萬用表 (3)信號分析儀器 (4)頻率、時間、相位測量儀器 (5)元器件測試儀 (6)電路特性測試儀 (7)其他儀器等。 虛擬儀器是將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電子測試領(lǐng)域，利用計算機(jī)實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的采集、存儲和快速處理，可以實現(xiàn)普通測試儀器難以達(dá)到的功能，通常把這種測量方式的設(shè)備稱為虛擬儀器。,6.3.2 電子系統(tǒng)的調(diào)試,調(diào)試方法和注意事項 (1) 調(diào)試前的直觀檢查。 (2) 元器件安裝情況。 (3) 電源供電與信號源連線 (4) 電源端對地是否存在短路。 若電路經(jīng)