1、計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件抗干擾技術(shù)常用元器件可靠性常用元器件可靠性1 1 元件的失效特征和失效機(jī)理元件的失效特征和失效機(jī)理2 2 元件的降額設(shè)計元件的降額設(shè)計3 3 數(shù)字集成電路的噪聲容限數(shù)字集成電路的噪聲容限硬件抗干擾技術(shù)原理與方法硬件抗干擾技術(shù)原理與方法1. 1. 無源濾波器無源濾波器2. 2. 有源濾波器有源濾波器3. 3. 去耦電路去耦電路4. 4. 屏蔽和雙絞線傳輸屏蔽和雙絞線傳輸5. 5. 隔離技術(shù)隔離技術(shù)6. 6. 接地技術(shù)接地技術(shù) CPU CPU模塊抗干擾技術(shù)模塊抗干擾技術(shù)1. 1. 總線的可靠性設(shè)計總線的可靠性設(shè)計2. 2. 芯片配置與抗干擾芯片配置與抗干擾3. 3. 譯碼電路可靠

2、性分析譯碼電路可靠性分析4. 4. 復(fù)位電路可靠性分析復(fù)位電路可靠性分析1 1 元件的失效特征和失效機(jī)理元件的失效特征和失效機(jī)理 電子元件的失效規(guī)律電子元件的失效規(guī)律-元件失效曲線元件失效曲線元件的實(shí)效特征，主要是指失效規(guī)律、失效形式元件的實(shí)效特征，主要是指失效規(guī)律、失效形式 元件的失效形式元件的失效形式q 突然失效：也叫“災(zāi)難性失效”；q 退化失效：也叫“衰變失效”；q 局部失效；q 整體失效。元件的失效直接受溫度、濕度、電壓、機(jī)械的影響元件的失效直接受溫度、濕度、電壓、機(jī)械的影響 溫度變化對半導(dǎo)體器件的影響溫度變化對半導(dǎo)體器件的影響1.1 1.1 溫度的影響溫度的影響溫度對二極管伏安特性的

3、影響溫度對二極管伏安特性的影響 溫度變化對電阻的影響溫度變化對電阻的影響1.1 1.1 溫度的影響（續(xù)）溫度的影響（續(xù)）q 溫度升高使電阻耗散功率下降，導(dǎo)致其壽命降低。q 溫度過高能使電阻噪聲增大。q 溫度變化使電阻阻值發(fā)生變化。 溫度變化對電容的影響溫度變化對電容的影響1.1 1.1 溫度的影響（續(xù)）溫度的影響（續(xù)）q 溫度變化引起介質(zhì)損耗變化，影響其使用壽命。q 溫度變化引起阻容時間常數(shù)等參數(shù)變化。q 溫度過高造成熱擊穿。1.2 1.2 濕度的影響濕度的影響q 密封性差元件容易受到腐蝕，造成退化失效。q 引起漏電耦合的主要原因。q 腐蝕焊點(diǎn)和接線處，引起接觸故障。1.3 1.3 電壓的影響

4、電壓的影響q 增加元器件熱損耗。q 造成電壓擊穿。1.4 1.4 振動、沖擊的影響振動、沖擊的影響q 使內(nèi)部有缺陷的元件加速失效，造成災(zāi)難性故障。q 使焊點(diǎn)、壓線點(diǎn)發(fā)生松動，導(dǎo)致接觸不良。2 2 元件的降額設(shè)計元件的降額設(shè)計 降額設(shè)計：降額設(shè)計： 使元件在低于其額定應(yīng)力情況下工作。使元件在低于其額定應(yīng)力情況下工作。 影響計算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的應(yīng)力有：影響計算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的應(yīng)力有： 溫度、濕度、電應(yīng)力（電壓、電流、功率、頻率）、溫度、濕度、電應(yīng)力（電壓、電流、功率、頻率）、機(jī)械應(yīng)力（直接負(fù)荷、振動、沖擊）、時間等。機(jī)械應(yīng)力（直接負(fù)荷、振動、沖擊）、時間等。2 2 元件的降額設(shè)計（續(xù)）元件的降

5、額設(shè)計（續(xù)）2.1 2.1 電阻器的降額使用電阻器的降額使用 電阻器按其功能可分為固定電阻器、電位器、熱敏電阻器等。 對于固定電阻器固定電阻器和電位器電位器而言，影響其可靠性的最重要應(yīng)力為功率功率、電壓電壓和環(huán)境溫度環(huán)境溫度； 對于熱敏電阻熱敏電阻而言，影響其可靠性的應(yīng)力則主要是功率功率和環(huán)境溫度環(huán)境溫度。 2 2 元件的降額設(shè)計（續(xù)）元件的降額設(shè)計（續(xù)）2.2 2.2 電容器的降額使用電容器的降額使用 影響電容器可靠性的最重要應(yīng)力是電壓電壓和環(huán)境溫環(huán)境溫度度。 對于固定紙/塑料薄膜電容器而言，在應(yīng)用時，交流峰值電壓與直流電壓之和不得超過其額定值。內(nèi)容：從室溫算起，溫度每升高10度，壽命減半。

6、應(yīng)用舉例：推算鋁電解電容壽命 105，壽命1000h（標(biāo)稱值） 55, 壽命1000X2E5=32000h 35， 壽命1000X2E7=128000h =128000/365/24=14.81年溫度應(yīng)力時間模型的簡化：十度法則溫度應(yīng)力時間模型的簡化：十度法則2 2 元件的降額設(shè)計（續(xù)）元件的降額設(shè)計（續(xù)）2.3 半導(dǎo)體器件降額使用半導(dǎo)體器件降額使用 可按GJB/Z35電子元器件降額準(zhǔn)則對半導(dǎo)體器件合理地降額使用。需要降額的主要參數(shù)是結(jié)溫結(jié)溫、電壓電壓和電流電流。 半導(dǎo)體器件的降額系數(shù)S取0.5以下，溫度低于50。鍺管還要低一點(diǎn)。不同的半導(dǎo)體器件，S的定義不一樣。2 2 元件的降額設(shè)計（續(xù)）元

7、件的降額設(shè)計（續(xù)）常用元器件的推薦降額范圍常用元器件的推薦降額范圍2 2 元件的降額設(shè)計（續(xù)）元件的降額設(shè)計（續(xù)）3 3 數(shù)字集成電路的噪聲容限數(shù)字集成電路的噪聲容限u0uiUOHUOLUILUIHuiu0UOHUOL典型非門、理想非門，施密特滯回電壓傳輸曲線可靠性比較？典型非門、理想非門，施密特滯回電壓傳輸曲線可靠性比較？3 3 數(shù)字集成電路的噪聲容限（續(xù)）數(shù)字集成電路的噪聲容限（續(xù)）3 3 數(shù)字集成電路的噪聲容限（續(xù)）數(shù)字集成電路的噪聲容限（續(xù)）各邏輯系列的電氣性能各邏輯系列的電氣性能74LS74LS系列和系列和74HC74HC系列可以直接互相驅(qū)動嗎？系列可以直接互相驅(qū)動嗎？硬件抗干擾技術(shù)

8、原理與方法硬件抗干擾技術(shù)原理與方法1. 1. 無源濾波器無源濾波器2. 2. 有源濾波器有源濾波器3. 3. 去耦電路去耦電路4. 4. 屏蔽和雙絞線傳輸屏蔽和雙絞線傳輸5. 5. 隔離技術(shù)隔離技術(shù)6. 6. 接地技術(shù)接地技術(shù)濾波器最重要的特性是其頻率特性頻率特性，一般用對數(shù)幅頻特性20lgA來表示，又稱為衰減系數(shù)衰減系數(shù)。1. 1. 無源濾波器無源濾波器)(jU)(jUlgio衰減系數(shù)根據(jù)阻帶和通帶的頻譜，又可將濾波器分為：低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器。1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.1 1.1 電容濾波器電容濾波

9、器uotOOtiDt1t2t3t4t5t6CVD1VD4Tru1u2abRLuouCa. 原理圖 b. 波形圖 原理圖和波形圖1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.1 1.1 電容濾波器電容濾波器 如何用電容濾波器抑制共模、串模干擾如何用電容濾波器抑制共模、串模干擾? ?1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.2 1.2 電感濾波器電感濾波器常模扼流圈常模扼流圈1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.2 1.2 電感濾波器電感濾波器共模扼流圈共模扼流圈1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.3 RC1.3 RC低通濾波器低通濾波器1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無

10、源濾波器（續(xù)）1.3 RC1.3 RC低通濾波器低通濾波器RCRiU oU 傳遞函數(shù)和幅頻特性？傳遞函數(shù)和幅頻特性？ioUU0 0.707 0截止頻率截止頻率11. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.3 RC1.3 RC低通濾波器低通濾波器截止頻率計算和設(shè)計？截止頻率計算和設(shè)計？1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.3 RC1.3 RC低通濾波器低通濾波器1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.4 LC1.4 LC低通濾波器低通濾波器傳遞函數(shù)和幅頻特性？傳遞函數(shù)和幅頻特性？1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.4 LC1.4 LC低通濾波器低通濾波器1. 1

11、. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.5 1.5 低通濾波器的結(jié)構(gòu)選擇低通濾波器的結(jié)構(gòu)選擇信號源信號源N N 阻抗低阻抗低信號源信號源N N 阻抗低阻抗低負(fù)載負(fù)載G G 阻抗低阻抗低負(fù)載負(fù)載G G 阻抗高阻抗高還有另外還有另外2 2種情況如何分析？種情況如何分析？1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.6 1.6 低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式為什么要使用對稱結(jié)構(gòu)？為什么要使用對稱結(jié)構(gòu)？1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.6 1.6 低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式傳遞函數(shù)和幅頻特性？傳遞函數(shù)和幅頻特性？1. 1.

12、 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.6 1.6 低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式傳遞函數(shù)和幅頻特性？傳遞函數(shù)和幅頻特性？1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.6 1.6 低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式低通濾波器的平衡結(jié)構(gòu)與串聯(lián)形式1. 1. 無源濾波器（續(xù)）無源濾波器（續(xù)）1.7 1.7 雙雙T T濾波器濾波器-帶阻濾波器帶阻濾波器等效電路和幅頻特性？等效電路和幅頻特性？R/22CRf2. 2. 有源濾波器有源濾波器無源濾波器的不足之處：無源濾波器的不足之處：1 1、帶負(fù)載能力差。、帶負(fù)載能力差。2 2、無放大作用。、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡

13、。特性不理想，邊沿不陡。2. 2. 有源濾波器（續(xù)）有源濾波器（續(xù)）2.1 2.1 一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器傳遞函數(shù)和幅頻特性？傳遞函數(shù)和幅頻特性？2. 2. 有源濾波器（續(xù)）有源濾波器（續(xù)）2.1 2.1 一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器傳遞函數(shù)和幅頻特性？傳遞函數(shù)和幅頻特性？3. 3. 去耦電路去耦電路數(shù)字電路電平轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生沖擊電流，在傳輸數(shù)字電路電平轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生沖擊電流，在傳輸線和公用電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大壓降，形成嚴(yán)重干線和公用電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大壓降，形成嚴(yán)重干擾。為了抑制這一干擾，在電路中適當(dāng)配置去耦擾。為了抑制這一干擾，在電路中適當(dāng)配置去耦電容，及去耦電路。電容，

14、及去耦電路。3. 3. 去耦電路（續(xù)）去耦電路（續(xù)）3.1 3.1 尖峰電流產(chǎn)生的原因尖峰電流產(chǎn)生的原因q 輸出級晶體管或MOS管瞬時同時導(dǎo)通。q 負(fù)載電容充電的影響。dtduCiLC0統(tǒng)計表明：由負(fù)載電容充電引起的尖峰電流占主導(dǎo)位置。統(tǒng)計表明：由負(fù)載電容充電引起的尖峰電流占主導(dǎo)位置。3. 3. 去耦電路（續(xù)）去耦電路（續(xù)）3.2 3.2 去耦電容的配置去耦電容的配置q 合理布線，降低雜散電容。q 降低供電電源的內(nèi)阻，減少尖峰電流在內(nèi)阻上的電壓波動。q 在門電路的電源線與底線端加去耦電容。去耦電容估算：假定尖峰電流的變化為去耦電容估算：假定尖峰電流的變化為 ，持續(xù)時間，持續(xù)時間 ，要求電源端電

15、壓的跳動，要求電源端電壓的跳動 ，則去耦電容的，則去耦電容的大小為？大小為？mAi50nSt20VeC1 . 0FteiCC01. 01 . 010201050/934. 4. 屏蔽技術(shù)與雙絞線傳輸屏蔽技術(shù)與雙絞線傳輸q 雙絞線有抵消電磁感應(yīng)干擾的作用，但兩股導(dǎo)線間的分布電 容卻比較大，因而對靜電干擾幾乎沒有抵抗力。q 屏蔽層接地的屏蔽線能有效抵抗靜電干擾，但對外界交變磁 場產(chǎn)生的感應(yīng)干擾的抑制能力較差。工程中：將雙絞線穿在鋼管或金屬蛇皮管中，并將管子接地。工程中：將雙絞線穿在鋼管或金屬蛇皮管中，并將管子接地。5. 5. 隔離技術(shù)隔離技術(shù)5.1 5.1 光電隔離光電隔離q 光電耦合器輸入阻抗很

16、低100到1K歐姆，而干擾源的內(nèi)阻一 般都比較大105到106歐姆。q 干擾源產(chǎn)生的干擾電壓大，但能量小，只能形成微弱的電 流，無法驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光。q 光電耦合器電容很小，絕緣電阻很大。q 光電耦合在密閉的管殼內(nèi)進(jìn)行，不受外界光干擾。 光電隔離具有較高抗干擾能力的原因分析光電隔離具有較高抗干擾能力的原因分析5. 5. 隔離技術(shù)（續(xù)）隔離技術(shù)（續(xù)）5.1 5.1 光電隔離光電隔離 光電耦合器的結(jié)構(gòu)與特性光電耦合器的結(jié)構(gòu)與特性q 輸入特性-發(fā)光二極管伏安特性。 正向死區(qū)（管壓降）較大，反向擊穿電壓小。q 輸出特性-光敏三極管伏安特性。 分飽和、線性和截止區(qū)，注入電流If為參變量。q 傳輸特性。

17、 電流傳輸比一般總是小于1，以百分?jǐn)?shù)表示。%100fCII5. 5. 隔離技術(shù)（續(xù)）隔離技術(shù)（續(xù)）5.1 5.1 光電隔離光電隔離 光電耦合應(yīng)用設(shè)計計算光電耦合應(yīng)用設(shè)計計算注意：光耦器件輸入輸出端要嚴(yán)格電氣隔離。注意：光耦器件輸入輸出端要嚴(yán)格電氣隔離。q 圖中繼電器線圈工作電流小于500mA，光耦的最小電流傳輸比為40%，晶體管放大倍數(shù)為100，其基極對地電壓為0.6V，試設(shè)計R1的阻值以保證系統(tǒng)可靠工作。圖中二極管D的作用是什么？若Vcc的電壓范圍是5-30V，可否將其與5V電源共用一個電源？6. 6. 接地技術(shù)接地技術(shù)q 串聯(lián)一點(diǎn)接地q 并聯(lián)一點(diǎn)接地q 多點(diǎn)接地 CPU CPU模塊抗干擾技

18、術(shù)模塊抗干擾技術(shù)1. 1. 總線的可靠性設(shè)計總線的可靠性設(shè)計2. 2. 芯片配置與抗干擾芯片配置與抗干擾3. 3. 譯碼電路可靠性分析譯碼電路可靠性分析4. 4. 復(fù)位電路可靠性分析復(fù)位電路可靠性分析1. 1. 總線的可靠性設(shè)計總線的可靠性設(shè)計q 總線驅(qū)動器-提高負(fù)載能力，改善信號波形q 總線的負(fù)載平衡q 總線上拉電阻的配置2. 2. 芯片配置與抗干擾芯片配置與抗干擾q 配置去耦電容-滿足跳變電流和允許電壓前提下，越小越好q 數(shù)字輸入端噪聲抑制保證有用脈沖、抑制脈沖噪聲；提高輸入端噪聲容限；q 總線上拉電阻的配置數(shù)字電路不用端處理不使用端固定在高電平；不使用端與有用信號輸入端并聯(lián)；3. 3.

19、譯碼電路可靠性分析譯碼電路可靠性分析q 過渡干擾與譯碼選通q 譯碼方式與抗干擾4. 4. 復(fù)位電路可靠性分析復(fù)位電路可靠性分析q 復(fù)位電路的可靠性與抗干擾分析電路結(jié)構(gòu)形式與抗干擾分析；復(fù)位按鈕傳輸線的影響；供電電源穩(wěn)定過程對復(fù)位的影響；q I/O接口芯片的延時復(fù)位上機(jī)訓(xùn)練：上機(jī)訓(xùn)練：RCRC和和RCRC兩級濾波電路頻率特性兩級濾波電路頻率特性要求：要求：設(shè)計阻容低通濾波器，使設(shè)計阻容低通濾波器，使1KHz1KHz信號衰減信號衰減100100倍，電阻、倍，電阻、電容要采用標(biāo)稱值。電容要采用標(biāo)稱值。測試：測試：1.1.用用ACAC掃頻分析電路的頻率特性，驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果。掃頻分析電路的頻率特性，驗(yàn)證設(shè)

20、計結(jié)果。2.2.將將5V5V的的50Hz50Hz信號和信號和1KHz1KHz信號疊加，通過所設(shè)計的低通信號疊加，通過所設(shè)計的低通濾波電路，用示波器觀察衰減效果。濾波電路，用示波器觀察衰減效果。上機(jī)訓(xùn)練：電源信號雙上機(jī)訓(xùn)練：電源信號雙T T帶阻濾波帶阻濾波要求：要求：設(shè)計雙設(shè)計雙T T帶阻濾波器，濾除帶阻濾波器，濾除50Hz50Hz交流信號中的交流信號中的6 6次諧波次諧波（300Hz300Hz），電阻、電容要求采用標(biāo)稱值。），電阻、電容要求采用標(biāo)稱值。 測試：測試：1.1.用用ACAC掃頻分析電路的頻率特性，驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果。掃頻分析電路的頻率特性，驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果。2.2.將將5V5V的的50Hz5

21、0Hz信號和信號和300Hz300Hz信號疊加，通過所設(shè)計的低信號疊加，通過所設(shè)計的低通濾波電路，用示波器觀察衰減效果。通濾波電路，用示波器觀察衰減效果。上機(jī)訓(xùn)練圖例：電源信號雙上機(jī)訓(xùn)練圖例：電源信號雙T T帶阻濾波帶阻濾波附：電源信號雙附：電源信號雙T T帶阻濾波效果帶阻濾波效果附：雙附：雙T T帶阻濾波電路及頻率特性帶阻濾波電路及頻率特性附：精度為附：精度為5 5的碳膜電阻的碳膜電阻, ,以歐姆為單位的標(biāo)稱值：以歐姆為單位的標(biāo)稱值：1.05.6331608203.9K20K100K510K2.7M1.16.2361809104.3K22K110K560K3M1.26.8392001K4.7K24K120K620K3.3M1.37.5432201.1K5.1K27K130K680K3.6M1.58.2472401.2K5.6K30K150K750K3.9M1.69.1512701.3K6.2K33K160K820K4.3M1.810563001.5K6.6K36K180K910K4.7M2.011623301.6K7.5K3