計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)第一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行良好的一個(gè)實(shí)際計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)安裝到工業(yè)現(xiàn)場，由于強(qiáng)大干擾等原因，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重者造成不良后果，因此對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采取抗干擾措施是必不可少的。干擾可以沿各種線路侵入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也可以以場的形式從空間侵入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，供電線路是電網(wǎng)中各種浪涌電壓入侵的主要途徑。系統(tǒng)的接地裝置不良或不合理，也是引入干擾的重要途徑。各類傳感器、輸入輸出線路的絕緣不良，均有可能引入干擾，以場的形式入侵的干擾主要發(fā)生在高電壓、大電流、高頻電磁場（包括電火花激發(fā)的電磁輻射）附近。它們可以通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等方式在控制系統(tǒng)中形成干擾，表現(xiàn)為過壓、欠壓、浪涌、下陷、降出、尖峰電壓、射頻干擾、電氣噪聲、天電干擾、控制部件的漏電阻、漏電容、漏電感、電磁輻射等等。第二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.1電磁兼容性概述9.1.1電磁兼容技術(shù)的發(fā)展電磁兼容是通過控制電磁干擾來實(shí)現(xiàn)的，因此電磁兼容學(xué)是在認(rèn)識(shí)電磁干擾、研究電磁干擾、對抗電磁干擾和管理電磁干擾的過程中發(fā)展起來的。電磁干擾是一個(gè)人們早已發(fā)現(xiàn)的古老問題，1881年英國科學(xué)家希維塞德發(fā)表了《論干擾》一文，從此拉開了電磁干擾問題研究的序幕。此后隨著電磁輻射、電磁波傳播的深入研究以及無線電技術(shù)的發(fā)展，電磁干擾控制和抑制技術(shù)也有了很大的發(fā)展。顯而易見，干擾與抗干擾問題貫穿于無線電技術(shù)發(fā)展的始終。第三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一電磁干擾問題雖然由來已久，但電磁兼容這一新的學(xué)科確是到近代才形成的。在干擾問題的長期研究中，人們從理論上認(rèn)識(shí)了電磁干擾產(chǎn)生的問題，明確了干擾的性質(zhì)及其數(shù)學(xué)物理模型，逐漸完善了干擾傳輸及耦合的計(jì)算方法，提出了抑制干擾的一系列技術(shù)措施，建立了電磁兼容的各種組織及電磁兼容系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，解決了電磁兼容分析、預(yù)測設(shè)計(jì)及測量等方面一系列理論問題和技術(shù)問題，逐漸形成了一門新的分支學(xué)科——電磁兼容學(xué)。早在1993面IEC就成立了國際無線電干擾特別委員會(huì)（CISPR），后來又成立了電磁兼容技術(shù)委員會(huì)（TC77）和電磁兼容咨詢委員會(huì)（ACEC）。第四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一20世紀(jì)60年代以后，電氣與電子工程技術(shù)迅速發(fā)展，其中包括數(shù)字計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、測試設(shè)備、電信、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。在所有這些技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，電磁噪聲和克服電磁干擾產(chǎn)生的問題引起人們的高度重視，促進(jìn)了在世界范圍內(nèi)的電磁兼容技術(shù)的研究。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著通信、自動(dòng)化、電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁兼容學(xué)已成為十分活躍的學(xué)科，許多國家（如美國、德國、日本、法國等）在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，分析預(yù)測、設(shè)計(jì)、測量及管理等方面均達(dá)到了很高水平，有高精度的EMI及電磁敏感度（EMS）自動(dòng)測量系統(tǒng)，可進(jìn)行各種系統(tǒng)間的EMC試驗(yàn)，研制出系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的各種EMC計(jì)算機(jī)分析程序，有的程序已經(jīng)商品化，形成了一套較完整的EMC設(shè)計(jì)體系。第五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.1.2電磁干擾1.電磁干擾的定義⑴電磁騷擾（EMD，ElectroMagneticDisturbance）電磁騷擾是指“任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降級(jí)或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號(hào)或傳播媒介自身的變化”。⑵電磁干擾（EMI,ElectroMagneticInterference）

電磁干擾是指“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(jí)或損害，但不一定已經(jīng)形成后果。而電磁干擾是由電磁騷擾引起的后果。第六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2.電磁干擾源的分類

電磁干擾的分類可以有許多種分法。按傳播途徑分，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，其中傳導(dǎo)干擾的傳輸性質(zhì)有電耦合、磁耦合及電磁耦合；按輻射干擾的傳輸性質(zhì)分，有近區(qū)場感應(yīng)耦合和遠(yuǎn)區(qū)場輻射耦合；按頻帶分，有窄帶干擾和寬帶干擾；按實(shí)施干擾者的主觀意向分，可分為有意干擾源和無意干擾源；按干擾源性質(zhì)分，有自然干擾和人為干擾。

電磁干擾源的分類如圖9-1所示。

第七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一圖9-1電磁干擾源分類第八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一對于傳導(dǎo)干擾按其傳導(dǎo)模式分為串模干擾和共模干擾。⑴串模干擾所謂串模干擾是指疊加在被測信號(hào)上的干擾噪聲。這里的被測信號(hào)是指有用的直流信號(hào)或者變化緩慢的交變信號(hào)，而干擾噪聲是指無用的變化較快的雜亂交變信號(hào)，如圖9-2和圖9-3所示。

圖9-2串模干擾形式1圖9-3串模干擾形式2由圖9-2和圖9-3可知，串模干擾和被測信號(hào)在回路中所處的地位是相同的，總是以兩者之和作為輸入信號(hào)。第九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一⑵共模干擾被控制和被測試的參量可能很多，并且分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個(gè)地方，一般都用很長的導(dǎo)線把計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)傳送到現(xiàn)場中的某個(gè)控制對象，或者把安裝在某個(gè)裝置中的傳感器所產(chǎn)生的被測信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。因此被測信號(hào)的參考接地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)輸入端信號(hào)的參考接地點(diǎn)之間往往存在著一定的電位差，如圖9-4所示。圖9-4共模干擾示意圖第十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一3.電磁干擾的三要素所有的電磁干擾都是由3個(gè)基本要素組合而成的，它們是：電磁干擾源；對該干擾能量敏感的設(shè)備；將電磁干擾源傳輸?shù)矫舾性O(shè)備的媒介，即傳輸通道或耦合途徑。電磁干擾源作用于敏感設(shè)備的耦合途徑如圖9-5所示。

圖9-5電磁干擾源作用于敏感設(shè)備的耦合途徑第十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一對抑制所有電磁干擾的方法也應(yīng)由這三要素著手解決。電磁干擾源：指產(chǎn)生電磁干擾的任何元件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。耦合途徑（或稱傳輸通道）：指將電磁干擾能量傳輸?shù)绞芨蓴_設(shè)備的通道或媒介。敏感設(shè)備：指受到電磁干擾影響，或者說對電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備。

4.自然干擾（噪聲）

自然電磁干擾源存在于地球和宇宙，自然電磁現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。自然干擾主要分為宇宙干擾、大氣干擾、雷電干擾和熱噪聲。宇宙干擾是來自太陽系、銀河系及河外星系的電磁騷擾，主要包括太空背景噪聲和太陽、月亮、木星等發(fā)射的無線電噪聲。雷電干擾主要是由夏季本地雷電和冬季熱帶地區(qū)雷電放電所產(chǎn)生。

第十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一大氣干擾是指除雷電放電外大氣中的塵埃、雨點(diǎn)、雪花、冰雹等微粒在高速通過飛機(jī)、飛船表面時(shí)，由于相對摩擦運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電荷遷移從而沉積靜電，當(dāng)電勢升高到1MV時(shí)，就發(fā)生火花放電、電暈放電。熱噪聲是指處于一定熱力學(xué)狀態(tài)下的導(dǎo)體中所出現(xiàn)的無規(guī)則電起伏，它是由導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的。

5.人為干擾（噪聲）有意發(fā)射干擾源：是專用于輻射電磁能的設(shè)備，例如廣播、電視、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等發(fā)射設(shè)備，是通過向空間發(fā)射有用信號(hào)的電磁能量來工作的，它們對不需要這些信號(hào)的電子系統(tǒng)或設(shè)備將構(gòu)成功能性干擾，而且是電磁環(huán)境的重要污染源。無意發(fā)射干擾源：例如汽車的點(diǎn)火系統(tǒng)，各種不同的用電裝置和帶電動(dòng)機(jī)的裝置，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用設(shè)備以及接收機(jī)的本機(jī)震蕩輻射等都在無意地發(fā)射電磁能量。這種發(fā)射可能是向空間的輻射，也可能是沿導(dǎo)線的傳導(dǎo)發(fā)射，所發(fā)射的電磁能量是隨機(jī)的或是有規(guī)則的，一般占有非常寬的頻帶或離散頻譜，所發(fā)射的功率可從皮瓦到兆瓦量級(jí)。

第十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.2電磁兼容性設(shè)計(jì) 9.2.1電磁兼容的含義隨著各種電子電路和電力電子技術(shù)在家庭、工業(yè)、交通、國防領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，電磁干擾（ElectromagneticInterference-EMI）和電磁敏感度（ElectromagneticSusceptibility-EMS）已成為現(xiàn)代電氣工程設(shè)計(jì)和研究人員在設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題。電磁兼容性（EMC）包括兩方面的含義：電子設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)部件和子系統(tǒng)、一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的各臺(tái)設(shè)備乃至相鄰幾個(gè)系統(tǒng)，應(yīng)具有一定的電磁敏感度，以保證它們對電磁干擾具有一定的抗擾度（ImmunitytoaDisturbance）。該設(shè)備或系統(tǒng)自己產(chǎn)生的電磁噪聲（ElectromagneticNoise-EMN）必須限制在一定的電平，使由它所造成的電磁干擾不致對它周圍的電磁環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。第十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.2.2電磁兼容控制技術(shù)在控制技術(shù)上，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術(shù)，如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法以外，還可以采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理?？臻g分離法電磁屏蔽是電磁兼容控制的重要手段。電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)區(qū)域感應(yīng)和輻射傳播的方法。屏蔽一般分為兩種類型：一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響，另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。靜電屏蔽應(yīng)具有兩個(gè)基本要點(diǎn)，即完善的屏蔽體和良好的接地。電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導(dǎo)電連續(xù)性，對屏蔽體的導(dǎo)電性要求要比靜電屏蔽高得多。第十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一因而為了滿足電磁兼容性要求，常常用高導(dǎo)電性的材料作為屏蔽材料，如銅板、銅箔、鋁板、鋁箔、鋼板或金屬鍍層、導(dǎo)電涂層。頻率管理法頻率管理法是指運(yùn)用干擾抑制濾波技術(shù)來選擇信號(hào)和抑制干擾。電氣隔離法電源線是電磁干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑。通過電源線，電網(wǎng)上的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作。同樣，設(shè)備的干擾也可以通過電源線傳到電網(wǎng)上，對電網(wǎng)上其他設(shè)備造成干擾。為了防止這兩種情況的發(fā)生，必須在設(shè)備的電源入口處安裝一個(gè)低通濾波器，這個(gè)濾波器只允許設(shè)備的較低工作頻率（50Hz，60Hz，400Hz）通過，而對較高頻率的干擾有很大的損耗，由于這個(gè)濾波器專門用于設(shè)備電源線上，所以稱為電源線濾波器。第十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一傳輸通道抑制法在一個(gè)電子系統(tǒng)中，通道之間的信號(hào)輻射會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。如果是兩個(gè)圖像通道的信號(hào)干擾，會(huì)產(chǎn)生圖像疊加、背景虛像等現(xiàn)象。如果是兩個(gè)音頻通道的信號(hào)干擾，則會(huì)出現(xiàn)串音現(xiàn)象。在印刷電路板上，信號(hào)線長距離高密度平行，就有可能出現(xiàn)傳輸通道干擾。改善傳輸通道干擾的方法是在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，高頻信號(hào)之間的布線盡量少平行，有條件的要插入地線，傳輸通道干擾的抑制方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、改善布線等方法。時(shí)間分隔法讓電子設(shè)備工作在干擾源的時(shí)間間隙里，從而避免了電磁干擾。時(shí)間分隔法有雷達(dá)脈沖同步方法、主動(dòng)時(shí)間分隔方法、被動(dòng)時(shí)間分隔方法等。第十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.3干擾的耦合方式干擾源產(chǎn)生的干擾是通過耦合通道對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生電磁干擾作用的。因此，需要弄清干擾源與被干擾對象之間的傳遞方式和耦合機(jī)理。

干擾的傳遞幾乎都是通過導(dǎo)線，或者通過空間和大地傳遞的，如表9-1所示。第十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一傳遞途徑傳遞方式?jīng)Q定因素噪聲表現(xiàn)方式導(dǎo)線傳導(dǎo)經(jīng)導(dǎo)線侵入傳導(dǎo)的模式串模干擾：疊加于往返兩線間的干擾共模干擾：疊加于線路和地線間的干擾侵入的線路電源線：從電源電路侵入的干擾信號(hào)線：從信號(hào)輸入線、輸出線侵入的干擾控制線：從控制線侵入的干擾空間輻射輻射電磁場距離輻射源的波長電磁波感應(yīng)平行配線和多芯電纜等近距離電磁場靜電感應(yīng)：高阻抗電場靜電耦合電磁感應(yīng)：低阻抗磁場電磁耦合大地和接地電路地線傳導(dǎo)地線感應(yīng)地線上出現(xiàn)的干擾電壓靜電耦合：由地線侵入的噪聲電導(dǎo)耦合：外電流流入裸線天線效應(yīng)：接地線成為天線，輻射出干擾接地干擾地電流共模干擾：接地點(diǎn)間的電位差表9-1干擾的傳遞方式第十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.3.1直接耦合方式

電導(dǎo)性耦合最普遍的方式是干擾信號(hào)經(jīng)過導(dǎo)線直接傳導(dǎo)到被干擾電路中而造成對電路的干擾。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，干擾噪聲經(jīng)過電源線耦合進(jìn)入計(jì)算機(jī)電路是最常見的直接耦合現(xiàn)象。對這種耦合方式，可采用濾波去耦的方法有效地抑制或防止電磁干擾信號(hào)的傳入。公共阻抗耦合方式是干擾源和信號(hào)源具有公共阻抗時(shí)的傳導(dǎo)耦合。公共阻抗隨元件配置和實(shí)際器件的具體情況而定。例如，電源線和接地線的電阻、電感在一定的條件下會(huì)形成公共阻抗；一個(gè)電源電路對幾個(gè)電路供電時(shí)，如果電源不是內(nèi)阻抗為零的理想電壓源，則其內(nèi)阻抗就成為接受供電的幾個(gè)電路的公共阻抗。只要其中某一電路的電流發(fā)生變化，9.3.2公共阻抗耦合方式第二十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一便會(huì)使其他電路的供電電壓發(fā)生變化，形成公共阻抗耦合。公共阻抗耦合一般發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路。常見的公共阻抗耦合有公共地和電源阻抗兩種。為了防止公共阻抗耦合，應(yīng)使耦合阻抗趨近于零，通過耦合阻抗上的干擾電流和產(chǎn)生的干擾電壓將消失。此時(shí)，有效回路與干擾回路即使存在電氣連接（在一點(diǎn)上），它們彼此也不再互相干擾，這種情況通常稱為電路去耦，即沒有任何公共阻抗耦合的存在。電容耦合方式是指電位變化在干擾源與干擾對象之間引起的靜電感應(yīng)。又稱靜電耦合或電場耦合。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電路的元件之間、導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與元件之間都存在著分布電容。如果某一個(gè)導(dǎo)體上的信號(hào)電壓（或噪聲電壓）通過分布電容使其他導(dǎo)體上的電位受到影響，這樣的現(xiàn)象就稱為電容性耦合。9.3.3電容耦合方式第二十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

電磁感應(yīng)耦合又稱磁場耦合。在任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會(huì)產(chǎn)生磁場。若磁場是交變的，則對其周圍閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢。在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁是一個(gè)很大的干擾；在設(shè)備外部，當(dāng)兩根導(dǎo)線在很長的一段區(qū)間架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生干擾。電磁場輻射也會(huì)造成干擾耦合。當(dāng)高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，在該導(dǎo)體周圍便產(chǎn)生電力線和磁力線，并發(fā)生高頻變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波。處于電磁波中的導(dǎo)體便會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)頻率的電動(dòng)勢。9.3.5輻射耦合方式9.3.4電磁感應(yīng)耦合方式第二十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

漏電耦合是電阻性耦合方式。當(dāng)相鄰的元件或?qū)Ь€間的絕緣電阻降低時(shí)，有些電信號(hào)通過這個(gè)降低了的絕緣電阻耦合到邏輯元件的輸入端而形成干擾。

干擾耦合到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要途徑有電源系統(tǒng)、傳導(dǎo)通路和空間電磁波的感應(yīng)三個(gè)方面，如圖9-6所示。9.3.6漏電耦合方式圖9-6干擾耦合到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的途徑第二十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)涉及到生產(chǎn)過程的多個(gè)方面，不僅與設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、安裝、維護(hù)有關(guān)，而且還與生產(chǎn)管理、質(zhì)量監(jiān)控體系、使用人員的專業(yè)技術(shù)水平與素質(zhì)有關(guān)。下面主要是從技術(shù)的角度介紹提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的最常用的方法。9.4.1可靠性設(shè)計(jì)任務(wù)影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的因素有內(nèi)部與外部兩方面。針對內(nèi)外因素的特點(diǎn)，采取有效的軟硬件措施，是可靠性設(shè)計(jì)的根本任務(wù)。內(nèi)部因素導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的內(nèi)部因素主要有以下三點(diǎn)：第二十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一(1)元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系統(tǒng)的基本單元，其特性好壞與穩(wěn)定性直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能與可靠性。(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行軟件設(shè)計(jì)。(3)安裝與調(diào)試。元器件與整個(gè)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，是保證系統(tǒng)運(yùn)行和可靠性的重要措施。盡管元件選擇嚴(yán)格，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)合理，但安裝工藝粗糙，調(diào)試不嚴(yán)格，仍然達(dá)不到預(yù)期的效果。外部因素外因是指計(jì)算機(jī)所處工作環(huán)境中的外部設(shè)備或空間條件導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的不可靠因素，主要包括以下幾點(diǎn)：(1)外部電氣條件，如電源電壓的穩(wěn)定性、強(qiáng)電場與磁場等的影響。(2)外部空間條件，如溫度、濕度、空氣清潔度等等。(3)外部機(jī)械條件，如振動(dòng)、沖擊等等。第二十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一為了保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠工作，必須創(chuàng)造一個(gè)良好的外部環(huán)境。如采取屏蔽措施、遠(yuǎn)離產(chǎn)生強(qiáng)電磁場干擾的設(shè)備，加強(qiáng)通風(fēng)以降低環(huán)境溫度，安裝緊固以防止振動(dòng)等等。元器件的選擇是根本，合理安裝調(diào)試是基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是手段，外部環(huán)境是保證，這是可靠性設(shè)計(jì)遵循的基本準(zhǔn)則，并貫穿于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行的全過程。為了實(shí)現(xiàn)這些準(zhǔn)則，必須采取相應(yīng)的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設(shè)計(jì)的根本任務(wù)。第二十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.4.2可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)1.元器件級(jí)元器件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本部件，元器件的性能與可靠性是整體性能與可靠性的基礎(chǔ)。因此，元器件的選用要遵循以下原則：(1)嚴(yán)格管理元器件的購置、儲(chǔ)運(yùn)元器件的質(zhì)量是主要由制造商的技術(shù)、工藝及質(zhì)量管理體系保證的。(2)老化、篩選和測試元器件在裝機(jī)前應(yīng)經(jīng)過老化篩選，淘汰那些質(zhì)量不佳的元件。(3)降額使用所謂降額使用，就是在低于額定電壓和電流條件下使用元器件，這將能提高元器件的可靠性。

第二十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一降額使用多用于無源元件（電阻、電容等）、大功率器件、電源模塊或大電流高壓開關(guān)器件等。降額使用不適用于TTL器件，因?yàn)門TL電路對工作電壓范圍要求較嚴(yán)，不能降額使用。MOS型電路因其工作電流十分微小，失效主要不是功耗發(fā)熱引起的，故降額使用對于MOS集成電路效果不大。(4)選用集成度高的元器件近年來，電子元器件的集成化程度越來越高。系統(tǒng)選用集成度高的芯片可減少元器件的數(shù)量，使得印刷電路板布局簡單，減少焊接和連線，因而大大減少故障率和受干擾的概率。2.部件及系統(tǒng)級(jí)部件及系統(tǒng)級(jí)的可靠性技術(shù)是指功能部件或整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)所采取的可靠性措施。元器件的可靠性主要取決于元器件制造商，部件及系統(tǒng)的可靠性則取決于設(shè)計(jì)者的精心設(shè)計(jì)?？煽啃匝芯抠Y料表明，影響計(jì)算機(jī)可靠性因素，有40%來自電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

第二十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一(1)冗余技術(shù)冗余技術(shù)也稱容錯(cuò)技術(shù)，是通過增加完成同一功能的并聯(lián)或備用單元數(shù)目來提高可靠性的一種設(shè)計(jì)方法。如在電路設(shè)計(jì)中，對那些容易產(chǎn)生短路的部分，以串聯(lián)形式復(fù)制；對那些容易產(chǎn)生開路的部分，以并聯(lián)的形式復(fù)制。冗余技術(shù)包括硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時(shí)間冗余等。硬件冗余是用增加硬件設(shè)備的方法，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，將備份硬件頂替上去，使系統(tǒng)仍能正常工作，硬件冗余結(jié)構(gòu)主要用在高可靠性場合。(2)電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容性是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，即能保持完成規(guī)定功能的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使系統(tǒng)既不受外部電磁干擾的影響，也不對其他電子設(shè)備產(chǎn)生影響。

第二十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一(3)信息冗余技術(shù)對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)而言，保護(hù)信號(hào)信息和重要數(shù)據(jù)是提高可靠性的重要方面。為了防止系統(tǒng)因故障等原因而丟失信息，常將重要數(shù)據(jù)或文件多重化，復(fù)制一份或多份“拷貝”，并存于不同的空間。一旦某一區(qū)間或某一備份被破壞，則自動(dòng)從其他部分重新復(fù)制，使信息得以恢復(fù)。(4)時(shí)間冗余技術(shù)為了提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，可以采用重復(fù)執(zhí)行某一操作或某一程序，并將執(zhí)行結(jié)果與前一次的結(jié)果進(jìn)行比較對照來確認(rèn)系統(tǒng)工作是否正常。(5)故障自動(dòng)檢測與診斷技術(shù)對于復(fù)雜系統(tǒng)，為了保證能及時(shí)檢驗(yàn)出有故障裝置或單元模塊，以便及時(shí)把有用單元替換上去，就需要對系統(tǒng)進(jìn)行在線的測試與診斷。這樣做的目的有兩個(gè)：一是為了判定動(dòng)作或功能的正常性；二是為了及時(shí)指出故障部位，縮短維修時(shí)間。

第三十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一(6)軟件可靠性技術(shù)計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟件是系統(tǒng)欲實(shí)行的各項(xiàng)功能的具體反映。軟件的可靠性主要標(biāo)志是軟件是否真實(shí)而準(zhǔn)確地描述了欲實(shí)現(xiàn)的各種功能。因此，對生產(chǎn)工藝的了解熟悉程度直接關(guān)系到軟件的編寫質(zhì)量。提高軟件可靠性的前提條件是設(shè)計(jì)人員對生產(chǎn)工藝過程的深入了解，并且使軟件易讀、易測和易修改。為了提高軟件的可靠性，應(yīng)盡量將軟件規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，盡可能把復(fù)雜的問題化成若干較為簡單明確的小任務(wù)。把一個(gè)大程序分成若干獨(dú)立的小模塊，這有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不合理部分，而且檢查和測試幾個(gè)小模塊要比檢查和測試大程序方便得多。

第三十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.5抗干擾的硬件措施

干擾對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的作用可以分為以下部位：

輸入系統(tǒng)，它使模擬信號(hào)失真，數(shù)字信號(hào)出錯(cuò)，控制系統(tǒng)根據(jù)這種輸入信息作出的反應(yīng)必然是錯(cuò)誤的。

輸出系統(tǒng)，使各輸出信號(hào)混亂，不能正常反應(yīng)控制系統(tǒng)的真實(shí)輸出量，從而導(dǎo)致一系列嚴(yán)重后果。如果是檢測系統(tǒng)，則其輸出的信息不可靠，人們據(jù)此信息作出的決策也必然出差錯(cuò)。如果是控制系統(tǒng)，其輸出將控制一批執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其作出一些不正確的動(dòng)作，輕者造成一批廢次產(chǎn)品，重者引起嚴(yán)重事故。

控制系統(tǒng)的內(nèi)核，使三總線上的數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂，從而引發(fā)一系列后果。CPU得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息，使運(yùn)算操作數(shù)失真，導(dǎo)致結(jié)果出錯(cuò)，并將這個(gè)錯(cuò)誤一直傳遞下去，形成一系列錯(cuò)

第三十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一誤。CPU得到錯(cuò)誤的地址信息后，引起程序計(jì)數(shù)器PC出錯(cuò)，使程序運(yùn)行離開正常軌道，導(dǎo)致程序失控。在與干擾作斗爭的過程中，人們積累了很多經(jīng)驗(yàn)，有硬件措施，有軟件措施，也有軟硬結(jié)合的措施。硬件措施如果得當(dāng)，可將絕大多數(shù)干擾拒之門外，但仍然有少數(shù)干擾竄入控制系統(tǒng)，引起不良后果。故軟件抗干擾措施作為第二道防線是必不可少的。

9.5.1抗串模干擾的措施

串模干擾通常疊加在各種不平衡輸入信號(hào)和輸出信號(hào)上，還有很多情況下是通過供電線路竄入系統(tǒng)的。因此，抗干擾電路通常便設(shè)置在這些干擾必經(jīng)之路上。第三十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一1.光電隔離在輸入和輸出通道上，采用光電隔離器進(jìn)行信息傳輸，它將控制系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來，很大一部分干擾（如外部設(shè)備和傳感器的漏電現(xiàn)象）將被阻擋。2.繼電器隔離繼電器的線圈和觸點(diǎn)之間沒有電氣上的聯(lián)系，所以可利用繼電器的線圈接收信號(hào)，通過觸點(diǎn)發(fā)送和輸出信號(hào)，從而避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)之間的直接接觸，達(dá)到了抗干擾的目的。3.變壓器隔離脈沖變壓器可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的隔離。脈沖變壓器的匝數(shù)較少，而且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁芯的兩側(cè)，分布電容僅幾pF，所以可作為脈沖信號(hào)的隔離器件。第三十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一4.布線隔離合理布線，滿足抗干擾技術(shù)的要求。控制系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾的電路主要有：(1)指示燈、繼電器和各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，電源線路、晶閘管整流電路、大功率放大電路等。(2)連接變壓器、蜂鳴器、開關(guān)電源、大功率晶體管、開關(guān)器件等的線路。(3)供電線路、高壓大電流模擬信號(hào)的傳輸線路、驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的線路和穿越噪聲污染區(qū)域的傳輸線路等。 信號(hào)線和動(dòng)力線之間應(yīng)保持的最小間距如表9-2所示。動(dòng)力線容量與信號(hào)線的最小間距125V10A30cm250V50A45cm440V200A60cm5KV800A120cm以上表9-2動(dòng)力線和信號(hào)線之間的最小間距第三十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一5.硬件濾波電路濾波是為了抑制噪聲干擾，在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。當(dāng)電路接通與斷開電感負(fù)載時(shí)，產(chǎn)生的瞬變噪聲干擾往往嚴(yán)重妨害系統(tǒng)的正常工作。所以在電源變壓器的進(jìn)線端加入電源濾波器，以消弱瞬變噪聲的干擾。濾波器按結(jié)構(gòu)分為無源濾波器和有源濾波器。由無源元件電阻、電容和電感組成的濾波器為無源濾波器；由電阻、電容、電感和有源元件（如運(yùn)算放大器）組成的濾波器為有源濾波器。在抗干擾技術(shù)中，使用最多的是低通濾波器，其主要元件是電容和電感。采用電容的無源低通濾波器如圖9-7所示。第三十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一圖9-7采用電容的無源低通濾波器圖9-7a結(jié)構(gòu)可抗串模干擾，圖9-7b結(jié)構(gòu)可抗共模干擾，圖9-7c結(jié)構(gòu)既可抗串模干擾，又可抗共模干擾。6.過壓保護(hù)電路

如果沒有采用光電隔離措施，在輸入輸出通道上應(yīng)采用一定的過壓保護(hù)措施，以防引入過高電壓，侵害控制系統(tǒng)。過壓保護(hù)電路由限流電阻和穩(wěn)壓管組成，限流電阻選擇要適宜，太大了會(huì)引起信號(hào)衰減，大小了起不到保護(hù)穩(wěn)壓管的作用。第三十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.5.2抗共模干擾的措施

共模干擾通常是針對平衡輸入信號(hào)而言的，抗共模干擾的方法主要有以下幾種：

1.平衡對稱輸入在設(shè)計(jì)信號(hào)源（通常是各類傳感器）時(shí)，盡可能做到平衡和對稱，否則有可能產(chǎn)生附加的差模干擾，使后續(xù)電路不易對付。

2.選用高質(zhì)量的差動(dòng)放大器高質(zhì)量差動(dòng)放大器的特點(diǎn)為高增益、低噪聲、低漂移、寬頻帶。由它構(gòu)成的運(yùn)算放大器將獲得足夠高的共模抑制比。

3.控制系統(tǒng)的接地技術(shù)

(1)浮地—屏蔽接地在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常是把數(shù)字電子裝置和模擬電子裝置的工作基準(zhǔn)地浮空，而設(shè)備外殼或機(jī)箱采用屏蔽接地。

(2)接地點(diǎn)的種類在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和其它電子設(shè)備中，安全接地一般均采用一點(diǎn)接地，工作接地分一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。第三十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.5.3采用雙絞線屏蔽信號(hào)線的辦法，一種是采用雙絞線，其中一根用作屏蔽線，另一根用作信號(hào)傳輸線；另一種是采用金屬網(wǎng)狀編織的屏蔽線，金屬編織作屏蔽外層，芯線用來傳輸信號(hào)。一般的原則是：抑制靜電感應(yīng)干擾采用金屬網(wǎng)的屏蔽線，抑制電磁感應(yīng)干擾應(yīng)該用雙絞線。

1.雙絞線的抗干擾原理雙絞線對外來磁場干擾引起的感應(yīng)電流情況如圖9-8所示。雙絞線回路空間的箭頭表示感應(yīng)磁場的方向。圖9-8雙絞線間電路磁場感應(yīng)干擾情況第三十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2.雙絞線的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的長線傳輸中，雙絞線是比較常用的一種傳輸線。另外，在接指示燈、繼電器等時(shí)，也要使用雙絞線。但由于這些線路中的電流比信號(hào)電流大很多，因此這些電路應(yīng)遠(yuǎn)離信號(hào)電路。在數(shù)字信號(hào)的長線傳輸中，除對雙絞線的接地與節(jié)距有一定要求外，根據(jù)傳送的距離不同，雙絞線使用方法也不同。第四十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.5.4反射波干擾及抑制電信號(hào)（電流、電壓信號(hào)）在沿導(dǎo)線傳輸過程中，由于分布電感、電容和電阻的存在，導(dǎo)線上各點(diǎn)的電信號(hào)并不能馬上建立，而是有一定的滯后，離起點(diǎn)越遠(yuǎn)，電壓波和電流波到達(dá)的時(shí)間越晚。這樣，電波在線路上以一定的速度傳播開來，從而形成行波。反射噪聲干擾對電路的影響，依傳輸線長度、信號(hào)頻率高低、傳輸延遲時(shí)間而定。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)為矩形脈沖信號(hào)。當(dāng)傳輸線較長，信號(hào)頻率較高，以致于使導(dǎo)線的傳輸延遲時(shí)間與信號(hào)寬度相接近時(shí)，就必須考慮反射的影響。影響反射波干擾的因素有兩個(gè)：其一是信號(hào)頻率，傳輸信號(hào)頻率越高，越容易產(chǎn)生反射波干擾，因此在滿足系統(tǒng)功能的前提下，盡量降低傳輸信號(hào)的頻率；其二是傳輸線的阻抗，合理配置傳輸線的阻抗，可以抑制反射波干擾或大大削弱反射次數(shù)。第四十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.5.5正確連接模擬和數(shù)字地

1.地線連接方式A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路要特別注意地線的正確連接，否則干擾影響將很嚴(yán)重。A/D、D/A芯片及采樣保持芯片均提供了獨(dú)立的數(shù)字地和模擬地，分別有相應(yīng)的管腳。在線路設(shè)計(jì)中，必須將所有器件的數(shù)字地和模擬地分別相連，但數(shù)字地與模擬地僅在一點(diǎn)上相連。應(yīng)特別注意，在全部電路中的數(shù)字地和模擬地僅僅連在一點(diǎn)上，在芯片和其他電路中不可再有公共點(diǎn)。地線的正確連接方法如圖9-9所示。圖9-9正確的接地方式第四十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2.PCB布線原則

(1)應(yīng)盡量縮短傳輸導(dǎo)線長度。

(2)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)線盡量遠(yuǎn)離。

(3)電源線和地線的電流密度不應(yīng)太大，以減少電源線和地線引入的干擾。印刷電路中的導(dǎo)線寬度一般按2A/mm來確定。9.5.6電源的抗干擾措施在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了保證各部分電路的工作，需要一組或多組直流電源。直流電源是由交流電（如市電220VAC）經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后向控制系統(tǒng)提供的。由于直流電源的輸入直接接在電網(wǎng)上，因此電網(wǎng)上的各種干擾便會(huì)通過直流電源引入控制系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)內(nèi)部造成影響。同時(shí)，直流電源又是一個(gè)嚴(yán)重的干擾源，所以必須對電源采取抗干擾措施。第四十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一1.電源干擾的類型

(1)電源線中的高頻干擾供電電力線相當(dāng)于一個(gè)接收天線，能把雷電、開閉日光燈、啟停大功率的用電設(shè)備、電弧、廣播電臺(tái)等輻射的高頻干擾信號(hào)通過電源變壓器初級(jí)耦合到次級(jí)，形成對計(jì)算機(jī)的干擾。

(2)感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變噪聲切斷大容量感性負(fù)載時(shí)，能產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪聲干擾，成為電磁干擾的主要原因。

(3)晶閘管通斷時(shí)所產(chǎn)生的干擾晶閘管由截止到導(dǎo)通，僅在幾微秒的時(shí)間內(nèi)使電流由零很快上升到幾十甚至幾百安培，因此電流變化率

很大。這樣大的電流變化率，使得晶閘管在導(dǎo)通瞬間流過一個(gè)具有高次諧波的大電流，在電源阻抗上產(chǎn)生很大的壓降，從而使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口。這種畸變了的電壓波形含有高次諧波，可以向空間輻射，或者通過傳導(dǎo)耦合，干擾其他電子設(shè)備。第四十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

(4)電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降干擾當(dāng)啟動(dòng)如大電機(jī)等大功率負(fù)載時(shí)，由于啟動(dòng)電流很大，可導(dǎo)致電網(wǎng)電壓短時(shí)大幅度下降。這種下降值超出穩(wěn)壓電源的調(diào)整范圍時(shí)，也將干擾電路的正常工作。

(5)拉閘過程形成的高頻干擾當(dāng)計(jì)算機(jī)與電感負(fù)載共用一個(gè)電源，拉閘時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾電壓通過電源變壓器的初次級(jí)間的分布電容耦合到控制系統(tǒng)，再經(jīng)該裝置與大地間的分布電容形成耦合回路。

2.電源抗干擾的基本措施

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有大部分干擾是通過電源耦合進(jìn)來的。因此，提高電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量，對確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行是非常重要的。電源抗干擾的基本措施如下：

(1)采用交流穩(wěn)壓器。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍較大時(shí)，應(yīng)使用交流穩(wěn)壓器。若采用磁飽和式交流穩(wěn)壓器，對來自電源的噪聲干擾也有很好的抑制作用。

(2)電源濾波器。交流電源引線上的濾波器可以抑制輸入端的瞬態(tài)干擾。直流電源的輸出也接入電容濾波器，以使輸出電壓的紋波限制在一定范圍內(nèi)，并能抑制數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的脈沖干擾。第四十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一

(3)在要求供電質(zhì)量很高的特殊情況下，可以采用發(fā)電機(jī)組或逆變器供電，如采用在線式UPS不間斷電源供電。

(4)電源變壓器采用屏蔽措施。利用幾毫米厚的高導(dǎo)磁材料（如坡莫合金）將變壓器嚴(yán)密的屏蔽起來，以減小漏磁通的影響。

(5)在每塊印刷電路板的電源與地之間并接去耦電容，即5~10μF的電解電容和一個(gè)0.01~0.1μF的電容，這可以消除電源線和地線中的脈沖電流干擾。

(6)采用分立式供電。整個(gè)系統(tǒng)不是統(tǒng)一變壓、濾波、穩(wěn)壓后供各單位電路使用，而是變壓后直接送給各單元電路的整流、濾波、穩(wěn)壓。這樣可以有效地消除各單元電路間的電源線、地線間的耦合干擾，又提高了供電質(zhì)量，增大了散熱面積。

(7)分開供電方式。把空調(diào)、照明、動(dòng)力設(shè)備分為一類供電方式，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分為一類供電方式，以避免強(qiáng)電設(shè)備工作時(shí)對控制系統(tǒng)的干擾。第四十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.5.7壓敏電阻及其應(yīng)用壓敏電阻是一種非線性電阻性元件，它對外加的電壓十分敏感，外加電壓的微小變動(dòng)，其阻值會(huì)發(fā)生明顯變化。因此，電壓的微增量便可引起大的電流增量。壓敏電阻可分為氧化鋅（ZnO）壓敏電阻、碳化硅壓敏電阻和硅壓敏電阻等。ZnO壓敏電阻器的電氣特性曲線如圖9-10所示。圖9-10ZnO壓敏電阻I-V特性曲線第四十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一1.壓敏電阻的電氣參數(shù)(1)壓敏電壓壓敏電壓又稱標(biāo)稱電壓。當(dāng)幾何形狀一定時(shí)，1mA電流相對應(yīng)的電壓為壓敏電壓。(2)

殘壓比殘壓是指壓敏電阻器流過某一脈沖電流時(shí)元件兩端的電壓峰值。殘壓比是這個(gè)峰值電壓與壓敏電壓的比值。顯然，對同一脈沖電流而言，殘壓比越小，說明元件非線性強(qiáng)；反之，則元件非線性差。(3)

C值在一定電流下，C值大的壓敏電阻器所對應(yīng)的電壓值也高，所以有時(shí)稱C為非線性電阻值。對一定的材料來說，C值與器件的幾何尺寸有關(guān)。(4)

漏電流壓敏電阻在正常工作電壓下應(yīng)是高阻態(tài)，也即是使其漏電流越小越好。因此，習(xí)慣上把ZnO壓敏電阻器正常工作時(shí)流過的電流稱漏電流。第四十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一(5)通流容量又稱通流能力或通流量。把滿足V1mA要求下，壓敏電阻所能承受的最大沖擊電流（按規(guī)定波形）叫壓敏電阻器的通流容量。2.壓敏電阻的應(yīng)用ZnO壓敏電阻與被保護(hù)的設(shè)備或過壓源并聯(lián)，而且安裝部位應(yīng)盡可能靠近被保護(hù)的設(shè)備。壓敏電阻的主要作用是抑制浪涌電壓干擾。將壓敏電阻并聯(lián)在開關(guān)電源輸入端的電路如圖9-11所示。第四十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一圖9-11壓敏電阻應(yīng)用電路在圖9-11中，F(xiàn)U為保險(xiǎn)絲，RV1為壓敏電阻，L為共軛扼流圈，它與電容C1、C2、C3、C4組成濾波電路。當(dāng)L、N輸入電壓為220VAC時(shí)，可選RV1為TVR10471，直徑為10mm，壓敏電壓為470V。第五十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.5.8TVS瞬變電壓抑制器及其應(yīng)用瞬變電壓抑制器（TransientVoltageSuppressionDiode）又稱作瞬變電壓抑制二極管，是普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，一般簡稱TVS，也可簡稱TVP等。TVS對靜電、過壓、電網(wǎng)干擾、雷擊、開關(guān)打火、電源反向及電機(jī)/電源噪聲振動(dòng)保護(hù)尤為有效。TVS具有體積小、功率大、響應(yīng)快、無噪聲、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通信設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

1.TVS的特性

TVS瞬變電壓抑制器的V-I特性曲線如圖9-12所示。第五十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一圖9-12TVS的V-I特性曲線TVS按極性可分為單極性及雙極性兩種。單極性只對一個(gè)方向的浪涌電壓起保護(hù)作用，對相反方向的浪涌電壓它相當(dāng)于一只正向?qū)ǖ亩O管。雙極性可以對任何方向的浪涌電壓起鉗位作用。第五十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2.TVS的電氣參數(shù)

(1)最大反向漏電流IR和額定反向關(guān)斷電壓VR

VR是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，TVS在這個(gè)反向電壓作用下處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流IR。

(2)最小擊穿電壓VB和擊穿電流IT

VB是TVS最小的擊穿電壓（又稱雪崩電壓）。25℃時(shí)，當(dāng)TVS兩極間電壓小于VB時(shí)，保證TVS是不導(dǎo)通的。當(dāng)規(guī)定流過TVS的電流為1mA（IT）時(shí)，加于TVS兩極間的電壓定義為最小擊穿電壓VB。

(3)最大鉗位電壓VC和最大峰值脈沖電流IP-P當(dāng)脈沖峰值電流IP-P流過TVS持續(xù)20μs時(shí)，在其兩極間出現(xiàn)的最大峰值電壓VC稱為鉗位電壓，是在峰值電流

下測得的最大電壓值。VC

、IP-P反映了TVS的浪涌抑制能力。(4)最大峰值脈沖功耗PmPm是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散。在給定的最第五十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一大鉗位電壓下，功耗Pm越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗Pm下，鉗位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。

(5)鉗位時(shí)間tC

tC是從零到最小擊穿電壓VB的時(shí)間。單極性TVS小于1×10－12s；而雙極性TVS小于1×10－9s。3.TVS選取原則選取TVS應(yīng)遵循以下原則：(1)若TVS有可能承受來自兩個(gè)方向的浪涌電壓沖擊，就應(yīng)當(dāng)選用雙極性的，否則就選用單極性的。(2)所選用的TVS的VC值應(yīng)低于被保護(hù)元件的最高電壓。(3)TVS在正常工作狀態(tài)下不要處于擊穿狀態(tài)，最好處于VR以下，綜合考慮VR和VC兩方面的要求，選擇合適的TVS。(4)如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IP-P，可以利用VC·IP-P來確定功率；如果無法確定IP-P的大致范圍，可選擇功率大些的TVS為好。第五十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一4.TVS的應(yīng)用

TVS的應(yīng)用電路如圖9-13所示。圖9-13所示電路為智能測控節(jié)點(diǎn)常用電源電路，采用24V供電，通過DC-DC模塊B2405S-2W變成隔離+5V電源。其中24CA為雙極性TVS二極管，IN4001二極管為防止接反電源極性損壞DC-DC模塊。圖9-13TVS的應(yīng)用電路第五十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.6抗干擾的軟件措施9.6.1數(shù)字信號(hào)輸入輸出中的軟件抗干擾措施

如果CPU工作正常，干擾只作用在系統(tǒng)的I/O通道上，可用如下方法減少干擾對數(shù)字信號(hào)的輸入輸出影響。1.數(shù)字信號(hào)的輸入方法干擾信號(hào)多呈毛刺狀，作用時(shí)間短，利用這一特點(diǎn)，在采集某一數(shù)字信號(hào)時(shí)，可多次重復(fù)采樣，直到連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全一致方為有效。若多次采集后，信號(hào)總是變化不定，可停止采集，給出報(bào)警信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)主要是來自各類開關(guān)型狀態(tài)傳感器，如限位開關(guān)和操作按鈕等，對這些信號(hào)的采集不能用多次平均法，必須絕對一致才行。第五十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一2.數(shù)字信號(hào)的輸出方法計(jì)算機(jī)的輸出中，有很多是數(shù)字信號(hào)。例如顯示裝置、打印裝置、通信、各種報(bào)警裝置、步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)、各種電磁裝置（電磁鐵、電磁離合器、中間繼電器等）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即便是模擬輸出信號(hào)，也是以數(shù)字信號(hào)形式給出的，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后才形成的。計(jì)算機(jī)給出正確的數(shù)據(jù)輸出后，外部干擾有可能使輸出裝置得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。不同的輸出裝置對干擾的耐受能力不同，抗干擾措施也不同。首先，各類輸出數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和CPU安裝在同一電路板上，使傳輸線上傳送的都是已鎖存好的電位控制信號(hào)。有時(shí)這一點(diǎn)不一定能做到，例如用串行通信方式輸出到遠(yuǎn)程顯示器，一條線送數(shù)據(jù)，一條線送同步脈沖，這時(shí)就特別容易受干擾。其次，對于重要的輸出設(shè)備，最好建立檢測通道，CPU可以通過檢測通道來檢查輸出的結(jié)果是否正確。在軟件上，最為有效的方法就是重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)。只第五十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一要有可能，其重復(fù)周期盡可能短。外部設(shè)備接收到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信息后，還來不及作出有效的反應(yīng)，一個(gè)正確的輸出信息又傳送到，因此可及時(shí)防止錯(cuò)誤的動(dòng)作產(chǎn)生。另外，由于帶有復(fù)位端的可編程芯片復(fù)位，周期比CPU長，所以在初次上電時(shí)，不要立即對這些可編程芯片初始化，延時(shí)幾個(gè)ms即可。9.6.2CPU的抗干擾技術(shù)CPU的抗干擾技術(shù)除指令冗余，設(shè)置軟件陷阱外，主要是建立程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，這便是常說的看門狗電路（WatchDogTimer）——簡稱WDT。這種電路有些已做在CPU內(nèi)部，有些CPU內(nèi)部沒有這種電路，因此需要外加。每一種CPU均有一個(gè)復(fù)位引腳，有些是低電平有效，有些是高電平有效。當(dāng)外加WDT電路時(shí)，可采用前面介紹的MAX705、MB3773等專用集成電路。第五十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一為了保證系統(tǒng)出故障后WDT電路工作，必須采取軟硬件相結(jié)合的方法。由微控制器或微處理器內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)鐘中斷。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，WDT電路工作后，系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)，如果RAM區(qū)內(nèi)容沒有丟失，要保留現(xiàn)在運(yùn)行參數(shù)，必須跳過RAM區(qū)初始化程序。判斷RAM區(qū)內(nèi)容是否丟失，設(shè)置五個(gè)單元，不妨設(shè)為7F00H、7F01H、7F02H、7F03H、7F04H，在系統(tǒng)初始化之前，用程序判斷這五個(gè)單元內(nèi)容是否為“0”，如果為全“0”，則跳過RAM區(qū)初始化。另外設(shè)置一計(jì)數(shù)單元7F05H，在中斷服務(wù)程序內(nèi)對時(shí)鐘中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)值乘以中斷時(shí)間常數(shù)T0等于T3。在鍵盤掃描主程序中，判7F05H單元計(jì)數(shù)值，是否大于等于T3所對應(yīng)的計(jì)數(shù)值，即是否時(shí)鐘到，如到，發(fā)出一脈沖，重復(fù)觸發(fā)WDT。其程序框圖如圖9-14所示。第五十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一圖9-14WDT軟件流程圖第六十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一這樣，當(dāng)固化的軟件停止執(zhí)行或鍵鎖時(shí)，此時(shí)不論定時(shí)器是否發(fā)中斷，由于停止執(zhí)行主程序，不進(jìn)行WDT再觸發(fā)，經(jīng)暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間T1后，WDT回到穩(wěn)態(tài)，WDT電路工作。當(dāng)定時(shí)器不發(fā)中斷，7F05H停止計(jì)數(shù)，其內(nèi)容保持不變，主程序一直認(rèn)為時(shí)鐘T3不到，也不再觸發(fā)WDT，同樣，經(jīng)T1后，WDT電路也開始工作，上數(shù)情況都使系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)。第六十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期一9.7計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)