第七章

智能儀器抗干擾技術與可靠性設計

智能儀器的干擾問題

7.1從耦合通道抑制干擾的主要技術7.2抗干擾的其他技術與措施

7.3首頁本章重點第七章智能儀器抗干擾技術與可靠性設計智能儀器可靠性概述7.4可靠性設計7.5首頁本章重點1.影響智能儀器可靠性和產生干擾的主要因素

3.為消減干擾因素的影響可以采取的抗干擾技術

重點：2.為提高儀器的可靠性采取的軟件、硬件措施

返回7.1智能儀器的干擾問題7.1.1干擾的定義與來源

干擾與噪聲是兩個不同性質的概念。一般來說，把那些來自信號外部、可以用屏蔽或接地的方法加以減弱或消除的影響稱為“干擾”；而把由于材料或器件內部的原因而產生的污染稱為“噪聲”。噪聲和干擾是儀器儀表的大敵，它混在信號之中會降低儀器的有效分辨能力和靈敏度，使測量結果產生誤差。在數字邏輯電路中，如果干擾信號的電平超過邏輯元件的噪聲容限電平，會使邏輯元件產生誤動作，導致系統工作紊亂。噪聲和干擾是不可避免的，隨著工業自動化技術的發展，許多儀器儀表需要在很強的現場運行，是智能儀器設計中必須考慮的問題。下頁上頁返回7.1.1干擾的定義與來源

一、噪聲的來源與特點噪聲是來自元器件內部的一種信號污染源。理論上任何電子線路都有電子噪聲，只是通常電子噪聲的強度很弱。在電子線路中，噪聲來源主要有兩方面：電阻熱噪聲和半導體管噪聲。例如，任何處于絕對零度以上的導電體都會產生熱噪聲；因電子的隨機作用會產生散粒噪聲等等。這些噪聲的形態大多是由一些尖脈沖組成的，其幅度和相位都是隨機的，因此常稱為隨機噪聲，隨機噪聲的產生降低了傳感器和儀器的分辨率，它混雜于信號之中，嚴重時甚至可把有用信號掩埋，給我們測試工作造成了巨大的困難。統計分析表明，隨機噪聲幅度的概率分布屬正態（高斯）分布。下頁上頁返回7.1.1干擾的定義與來源

二、干擾的來源與特點干擾的來源很多，性質也不一樣。干擾竄入儀器的渠道主要有三個：（1）空間電磁場。通過電磁波輻射竄入儀器，如雷電、無線電波等。（2）傳輸通道。各種干擾通過儀器的輸入輸出通道竄入，特別是長傳輸線受到的干擾更嚴重。（3）配電系統。如來自市電的工頻干擾，它可以通過電源變壓器分布電容和各種電磁路徑對測試系統產生影響。各種開關、可控硅的啟閉，元器件的機械振動等都會對測試過程引起不同程度的干擾。干擾的特點是來自測試系統外部，因此一般可以通過屏蔽、濾波或電路元器件的合理布局，通過電源線和地線的合理連接，引線的正確走向等措施加以減弱或消除。下頁上頁返回7.1.2干擾的分類干擾的類型通常按干擾產生的原因、干擾傳導模式和干擾波形的性質的不同進行劃分。一、按干擾產生的原因分類(1)放電干擾:主要是雷電、靜電、電動機的電刷跳動、大功率開關觸點斷開等放電產生的干擾。(2)高頻振蕩干擾:主要是中弧爐、感應電爐、開關電源、直流-交流變壓器等產生高頻振蕩時形成的干擾。(3)浪涌干擾:主要是交流系統中電動機啟動電流、電爐合閘電流、開關調節器的導通電流以及晶閘管變流器等設備產生涌流引起的干擾。這些干擾對智能儀器都有嚴重影響，必須認真對待，而其中尤其以各類開關分斷電感性負載所產生的干擾最難以抑制或消除。下頁上頁返回7.1.2干擾的分類

二、按干擾傳導模式分類傳導模式分為串模干擾（常模干擾）和共模干擾。串模干擾是指是指疊加在被測信號上的干擾，它串聯在信號源回路中，與被測信號相加輸入系統，如圖7.2所示。串模干擾與被測信號在回路中處于同樣的地位，也稱為常模干擾、差模干擾或橫向干擾。例如信號源本身固有的漂移、紋波和噪聲形成的干擾電壓，無法與信號源分離，必然疊加在一起。

下頁上頁返回7.1.2干擾的分類

共模干擾是指輸入通道兩個輸入端上共有的干擾電壓，也稱為縱向干擾。共模干擾電壓可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值可達幾伏甚至更高。如圖7.3所示，在智能儀器系統中，被測信號（信號源）的參考接地點和儀器系統輸入信號的參考接地點之間存在一定的電位差，這個電位差就是共模干擾電壓，等效為圖中的干擾源。通常，輸入輸出線與大地或機殼之間發生的干擾都是共模干擾，信號線受到靜電感應產生的干擾也多為共模干擾。7.1.2干擾的分類

三、按干擾波形及性質分類最為典型的是將干擾劃分為持續正弦波和各種形狀的脈沖波。(1)持續正弦波持續正弦波多以頻率、幅值等特征值表示。(2)偶發脈沖電壓波形多以最高幅值、前沿上升陡度、脈沖寬度以及能量等特征值表示。例如雷擊波、接點分斷電壓負載、靜電放電等波形。(3)脈沖列脈沖列多以最高幅值、前沿上升陡度、脈沖序列持續時間等特征值表示，如接點分斷電感負載、接地反復重燃過電壓等。下頁上頁返回7.1.3干擾的耦合通道

干擾源、耦合通道、接收載體是形成干擾的三個要素。產生干擾信號的設備被稱為干擾源，接收載體是指受影響的儀器設備的某個環節，該環節吸收了干擾信號，并轉化為對系統造成影響的電氣參數。耦合通道則是干擾信號能夠到達被干擾環節的途徑。干擾源產生的干擾是通過耦合通道對智能儀器發生電磁干擾的。因此，需要弄清干擾源與被干擾對象之間的耦合通道和耦合機理。為避免從電磁場的角度研究干擾傳遞的復雜性，可以采用簡化電路模型的處理方法。以下討論都采用集中參數回路分析，將耦合通道用集中參數的電容C、電感L及互感M表示。干擾的傳遞幾乎都是通過導線，或者通過空間和大地傳遞的。干擾傳播的途徑主要有三種：靜電耦合，磁場耦合，公共阻抗耦合，另外也有一些其他的傳播方式。下頁上頁返回7.1.3干擾的耦合通道一、靜電耦合：靜電耦合是指電場通過電容耦合途徑竄入其它線路。兩根并排的導線之間會構成分布電容，如印制線路板上印制線路之間、變壓器繞線之間都會構成分布電容。智能儀器中，元件之間、導線之間、導線與元件之間都存在著分布電容。如果某一個導體上的信號電壓通過分布電容使其他導體上的電位受到影響，這樣的現象就稱為靜電耦合，又稱為電場耦合或電容耦合。二、磁場耦合：磁場耦合干擾是指電流周圍磁場對儀器設備回路耦合而形成的干擾，又稱電磁感應耦合。磁場耦合是通過導體間的互感耦合進來的。在任意載流導體周圍空間中都會產生磁場，若磁場是交變的，則對其周圍閉合電路產生感應電勢。在設備內部，線圈或變壓器的漏磁是一個很大的干擾；在設備外部，普通的兩根導線平行架設時，也會產生磁場干擾。

下頁上頁返回三、公共阻抗耦合公共阻抗耦合是由于電流流過回路間的公共阻抗，使得一個回路的電流所產生的電壓降影響到另一回路，它是干擾源和信號源具有公共阻抗時的傳導耦合。公共阻抗普遍存在，例如，電源引線、印刷電路板上的地和公共電源線、匯流排等。常見的公共阻抗耦合有公共地和電源阻抗兩種。各類匯流排都具有一定的阻抗，對于多回路來說，就是公共耦合阻抗。當流過較大的數字信號電流時，其作用就像是一根天線，將干擾引入到各回路。同時，各匯流條之間具有電容，數字脈沖可以通過這個電容耦合過來。印刷電路板上的“地”實質上就是公共匯流線，由于它具有一定的電阻，各電源之間就通過它產生信號耦合。7.1.3干擾的耦合通道

公共阻抗隨元件配置和實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形成公共阻抗；一個電源電路對幾個電路供電時，如果電源不是內阻抗為零的理想電壓源，則其內阻抗就成為接受供電的幾個電路的公共阻抗。只要其中某一電路的電流發生變化，便會使其他電路的供電電壓發生變化，形成公共阻抗耦合。四、其他耦合方式1.直接耦合方式電導性耦合最普遍的方式是干擾信號經過導線直接傳導到被干擾電路中而造成對電路的干擾。在智能儀器中，干擾噪聲經過電源線耦合進入計算機電路是最常見的直接耦合現象。7.1.3干擾的耦合通道

2.輻射耦合方式電磁場輻射也會造成干擾耦合。當高頻電流流過導體時，在該導體周圍便產生電力線和磁力線，并發生高頻變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波。處于電磁波中的導體便會感應出相應頻率的電動勢。3.漏電耦合方式漏電耦合干擾是因絕緣電阻降低而由漏電流引起的干擾，當相鄰的元件或導線間的絕緣電阻降低時，有些電信號便會通過這個降低了的絕緣電阻耦合到邏輯元件的輸入端而形成干擾。漏電耦合干擾多發生于工作條件比較惡劣的環境或器件性能退化、器件本身老化的情況下。7.1.3干擾的耦合通道

7.2從耦合通道抑制干擾的主要技術由于干擾源、耦合通道、接收載體是形成干擾的三個要素，相應地，抑制干擾也可以從消除或抑制干擾源、破壞干擾的耦合通道、消除接收電路對干擾的敏感性這三方面著手，這可以作為抑制干擾的基本思路，但在實際采取一些抗干擾措施時，未必能夠明確區分出針對的是哪一個要素采取的措施。本節從破壞干擾的耦合通道或傳播途徑這一角度對抑制干擾的一些主要硬件抗干擾技術加以介紹。從干擾的耦合通道來看，對于以“電路”的形式侵入的干擾，可采取諸如提高絕緣性能，采用隔離變壓器、光電耦合器等隔離技術切斷干擾途徑；采用退耦、濾波等手段引導干擾信號的轉移；改變接地形式切斷干擾途徑等。對于以“輻射”的形式侵入的干擾，一般采取各種屏蔽技術，如靜電屏蔽、電磁屏蔽、磁屏蔽等。下頁上頁返回7.2.1隔離技術信號的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現場僅保持信號聯系，但不直接發生電的聯系。隔離的實質是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現場干擾的目的。一般工業應用的智能儀器中的微機測控系統既包括弱電控制部分，又包括強電控制部分。為了使兩者之間既保持控制信號的聯系，又要隔絕電氣方面的聯系，即實現弱電和強電隔離，是保證系統工作穩定，設備與操作人員安全的重要措施。常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。下頁上頁返回一、光電隔離光電隔離是由光電耦合器件完成的。光電耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，其輸入端配置發光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。開關量輸入電路接入光電耦合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側。除此之外，還能起到很好的安全保障作用，因為光電耦合不是將輸入側和輸出側的電信號進行直接耦合，而是以光為媒介進行間接耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。光電耦合器可根據要求不同，由不同種類的發光元件和受光元件組合成許多系列的光電耦合器。目前應用最廣的是發光二極管與光敏三極管組合的光電耦合器。

下頁上頁返回7.2.1隔離技術二、繼電器隔離繼電器的線圈和觸點之間沒有電氣上的聯系，因此，可利用繼電器的線圈接收電氣信號，利用觸點發送和輸出信號，從而避免強電和弱電信號之間的直接接觸，實現抗干擾隔離。常用的電磁繼電器、固態繼電器都可以用來實現隔離作用。用繼電器對開關量進行隔離時，要考慮到繼電器線包的反電動勢的影響，驅動電路的器件必須能耐高壓。為了吸收繼電器線包的反電動勢通常在線包兩端并聯一個二極管。下頁上頁返回7.2.1隔離技術三、變壓器隔離脈沖變壓器可實現數字信號的隔離。脈沖變壓器的匝數較少，而且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁芯的兩側，分布電容僅幾pF，所以可作為脈沖信號的隔離器件。脈沖變壓器隔離法傳遞脈沖輸入/輸出信號時，不能傳遞直流分量。智能儀器中微機使用的數字量信號輸入/輸出的控制設備不要求傳遞直流分量，所以脈沖變壓器隔離法在微機測控系統中得到廣泛的應用。對一般的交流信號，可以用普通變壓器實現隔離。下頁上頁返回7.2.1隔離技術四、布線隔離智能儀器中容易產生干擾的電路主要有以下幾種：（1）指示燈、繼電器和各種電動機的驅動電路，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、開關電源、大功率晶體管、開關器件等的線路。（3）供電線路、高壓大電流模擬信號的傳輸線路、驅動計算機外部設備的線路和穿越噪聲污染區域的傳輸線路等。將微弱信號電路與易產生干擾的電路分開布線，最基本的要求是信號線路必須和強電控制線路、電源線路分開走線，而且相互間要保持一定距離。配線時應區分開交流線、直流穩壓電源線、數字信號線、模擬信號線、感性負載驅動線等。下頁上頁返回7.2.1隔離技術配線間隔越大，離地面越近，配線越短，則噪聲影響越小。但是，實際設備的內外空間是有限的，配線間隔不可能太大，只要能夠維持最低限度的間隔距離便可。當高電壓線路中的電壓、電流變化率很大時，便產生激烈的電場變化，形成高強度電磁波，對附近的信號線有嚴重的干擾。近些年，大功率控制裝置普遍使用晶閘管，晶閘管是通過電流的通-斷來控制功率的。當晶閘管為非過零觸發時，會產生高次諧波，所以靠近晶閘管的信號線易受電磁感應的影響。因此，為使信號線路可靠工作，應使信號線盡量遠離高壓線路。如果受環境條件的限制，信號線不能與高壓線和動力線等離得足夠遠時，就得采用其他抑制電磁感應干擾的措施。下頁上頁返回7.2.1隔離技術濾波是一種只允許某一頻帶信號通過或只阻止某一頻帶信號通過的抑制干擾措施之一，它主要應用于信號濾波和電源濾波。信號通過濾波器，被濾除（或稱被衰減）的信號頻率稱為阻帶，被傳輸的信號頻帶稱為通帶。根據阻帶和通帶的頻譜，又可以將濾波器分為下面四種：（1）低通濾波器：允許低頻信號通過，但阻止高頻信號通過。（2）高通濾波器：允許高頻信號通過，但阻止低頻信號通過。（3）帶通濾波器：允許規定的某頻段信號通過，但阻止高于或低于該頻段的信號通過。（4）帶阻濾波器：只阻止規定的某頻段信號通過，但允許高于或低于該頻段的信號通過。下頁上頁返回7.2.2濾波技術信號濾波則主要用在抑制串模干擾上，由于對串模干擾的抑制很困難。在對干擾信號的頻帶了解比較清楚的情況下，采用濾波技術是比較好的一種選擇。濾波器按結構分為無源濾波器和有源濾波器，詳見第五章中的介紹。有源濾波器雖然可以獲得比較理想的頻率特性，但有源器件的共模抑制比一般難以滿足要求，其本身的噪聲也較大。在抗干擾領域，有源濾波器的使用不如無源濾波器多。下頁上頁返回7.2.2濾波技術屏蔽技術與雙絞線傳輸方式都可以起到抑制外部電磁感應的作用，但兩者工作原理有異。為了便于比較兩種抗干擾措施的使用方法，將兩種措施集中在一起介紹。一、屏蔽的一般原理屏蔽是指用屏蔽體把通過空間進行電場、磁場或電磁場耦合的部分隔離開來，割斷其空間場的耦合通道。良好的屏蔽是和接地緊密相連的，因而可以大大降低干擾耦合，取得較好的抗干擾效果。屏蔽的方法通常是用低電阻材料作成屏蔽體，把需要隔離的部分包圍起來。這個被隔離的部分可以是接收載體或系統中其他易受干擾的部分，也可以是干擾源。這樣，即屏蔽了被隔離部分接受外來的干擾，也屏蔽了被隔離部分向外施加干擾。下頁上頁返回7.2.3屏蔽技術與雙絞線傳輸根據干擾的耦合通道的性質，屏蔽可分為靜電屏蔽、電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類。1.靜電屏蔽從電學的基本知識可知，將任意形狀的空心導體置于任意電場中，電力線將垂直地終止于導體的表面，而不能穿過導體進入空腔，因此放在導體空腔內的物體將不受外界電場的影響。這種現象叫做靜電屏蔽。利用這一性質，可以屏蔽一些電子設備和信號傳輸導線，使其不受外界干擾。但是導體空腔不接地時，盡管腔內仍是等電勢的，但這個等勢的電勢值隨外電場而變化，若將導體接地，則腔內電勢值不變，內部電子設備產生的電場也不會影響外界。下頁上頁返回7.2.3屏蔽技術與雙絞線傳輸靜電屏蔽的方法一般是在電容耦合通道上插入一個接地的金屬屏蔽導體。由于金屬屏蔽導體接地，其中的干擾電壓為零，從而割斷了電場干擾的原來耦合通道。電源變壓器的初、次級間的屏蔽，在電源變壓器的初級與次級繞組之間，插入一個梳齒形導體，并將其接地，以此來防止兩繞組之間的靜電耦合，就是靜電屏蔽的具體例子。處于高壓電場中的高阻抗回路，電場干擾是一種主要的干擾形式，因而對靜電屏蔽技術應充分注意。2.電磁場屏蔽電磁場屏蔽主要是用來防止電磁場對受擾電路的影響。根據電磁理論，電磁場的變化頻率越高，輻射越強。因而在電磁場屏蔽中，既包括電磁感應干擾的屏蔽，也包括輻射耦合干擾的屏蔽。下頁上頁返回7.2.3屏蔽技術與雙絞線傳輸3.磁場屏蔽對于低頻磁場的干擾，用感生渦流所形成的屏蔽并不是很有效的。低頻磁屏蔽是用來隔離低頻(主要指50Hz)磁場或固定磁場(幅度、方向不隨時間變化，如永久磁鐵產生的磁場)耦合干擾的有效措施。一般采用磁鋼、坡莫合金、鐵等導磁率高的材料作屏蔽體，利用其磁阻較小的特點，給干擾源產生的磁通提供一個低磁阻回路，并使其限制在屏蔽體內，從而實現磁場屏蔽。由于頻率較低，渦流趨膚效應很弱，因此，屏蔽板厚些要比薄些的屏蔽效果好。從機器結構重量考慮，屏蔽板不易很厚，因此往往用高導磁率的材料制造，或采用具有一定間隔的兩層屏蔽或多層屏蔽，以滿足屏蔽效果要求。下頁上頁返回7.2.3屏蔽技術與雙絞線傳輸二、雙絞線和金屬屏蔽線的使用從現場信號開關輸出的開關信號，或從傳感器輸出的微弱模擬信號，最簡單的傳輸辦法是采用塑料絕緣的雙平行軟線或排線傳送。但由于平行線間的分布電容較大，抗干擾能力差，不僅靜電感應容易通過分布電容耦合，而且磁場干擾也會在信號線上感應出干擾電流。因此，在干擾嚴重的場所，一般考慮將信號線加以屏蔽，以提高抗干擾能力。屏蔽信號線的辦法，一種是采用雙絞線，將其中一根用作信號傳輸線；另一種是采用金屬網狀編織的屏蔽線，金屬編織網作屏蔽外層，芯線用來傳輸信號。一般的原則是抑制靜電感應干擾采用金屬網的屏蔽線，抑制電磁感應干擾應該用雙絞線。下頁上頁返回7.2.3屏蔽技術與雙絞線傳輸1.雙絞線的抗干擾原理及其使用雙絞線有抵制電磁感應干擾的作用，但兩股導線間的分布電容卻比較大，因而對靜電干擾幾乎沒有什么抵抗能力。對于兩組相鄰平行放置的雙絞線，為了抑制彼此的電磁感應干擾，可以采用彼此節距不同的絞線，或者增大兩組平行絞線的間距，也可以將它們分別穿于兩組鋼管中，以克服磁場的耦合干擾。2.金屬屏蔽線的抗干擾原理及使用在數字信號的長線傳輸中也可以選用金屬編織屏蔽線，金屬編織網作屏蔽層，內芯作信號線。屏蔽層要起到靜電屏蔽作用，必須正確接地。雙絞線有抵消電磁感應干擾的作用，但兩線間的分布電容較大，因而對靜電干擾幾乎沒有抵抗能力。抑制電磁感應干擾應該用雙絞線。下頁上頁返回7.2.3屏蔽技術與雙絞線傳輸屏蔽線對靜電干擾有很強的抑制作用，但對電磁感應干擾抑制能力不及雙絞線，尤其在低頻情況下，幾乎沒有屏蔽效果。因此，抑制靜電干擾用屏蔽線。在實際工程中，目前應用較多的金屬屏蔽線是單芯和雙芯兩種。如果屏蔽層編網裸露，裸露的外皮極易造成裝置的懸浮“地”與安全地——大地的短接。因此，對外皮導體裸露的金屬屏蔽線必須采取加套等絕緣措施。有的屏蔽線是使用聚乙烯作絕緣層，由于振動等原因，絕緣層因摩擦而產生靜電，可能造成新的干擾，因此屏蔽線必須固定牢靠。3.屏蔽雙絞線帶金屬屏蔽外層的雙絞線，綜合了雙絞線和屏蔽線兩者的優點，是較理想的信號線。在工程實踐中，可以將雙絞線穿在鋼管或金屬蛇皮管中，并將鋼管和金屬蛇皮管牢固地接地，這樣隊靜電干擾和電磁感應干擾都有抑制作用，就可以起到較好的抗干擾效果。下頁上頁返回7.2.3屏蔽技術與雙絞線傳輸

智能儀器和其他工業設備的干擾與系統接地方式有很大的關系。接地技術往往是抑制噪聲的重要手段。良好的接地可以在很大程度上抑制系統內部噪聲耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。反之，若接地處理的不好，反而會導致噪聲耦合，形成嚴重干擾。因此，在抗干擾設計中，對接地方式應予以認真考慮。一、電子測量系統中的多種地線電子設備的接地設計中的每一個環節、每一種接地方式都有專門的作用與用途。1.接地的含義電氣、電子設備中的“地”，通常有兩種含義：一種是“大地”，另一種是“工作基準地”。所謂“大地”，這里指電氣設備的金屬外殼、線路等通過接地線、接地極與地球大地相連接。這種接地可以保證設備和人身安全，提供靜電屏蔽通路，降低電磁感應噪聲。下頁上頁返回7.2.4接地技術

而“工作基準地”是指信號回路的基準導體，又稱“系統地”、“信號地”。這時的所謂接地是指將裝置內部某個部分電路信號返回線與基準導體之間連接。這種接地的目的是為各部分提供穩定的基準電位，并以低的阻抗為信號電流回流到信號源提供通路。2.保護地線：根據用電法規，電氣設備的金屬外殼必須接地，稱為安全接地。3.信號地線：智能儀器中的地線除特別說明是接大地的以外，一般都是指作為電信號的基準電位的信號地線。信號地線分為模擬地和數字地兩種。4.信號源地線：傳感器本身的零電位基準公共線。5.負載地線：負載的電流一般較前級信號大得多，負載地線上的電流在地線中產生的干擾作用也大，因此負載地線和測量放大器的信號地線也有不同的要求。有時二者在電氣上是通過隔離技術相互絕緣的。下頁上頁返回7.2.4接地技術二、屏蔽接地智能儀器中廣泛采用屏蔽保護抑制變化電場的干擾，為了充分抑制靜電感應和電磁感應的干擾，屏蔽用的導體必須良好接地。1.信號電纜屏蔽層接地點的選擇信號電纜屏蔽層接地點的選擇，取決于外界干擾信號的強度以及地線安裝條件。（1）接地點選擇在信號源側。當信號源端存在較強的共模干擾電壓時，它會向信號線與屏蔽外層間的分布電容充電。若電纜的屏蔽層在接收側接地，往往共模干擾流過屏蔽層后入地，這會在芯線中感應出很大的干擾電壓。因此，為防止其對芯線的干擾，將屏蔽層在信號源側（即被測裝置處）接地，以使干擾電流直接入地。下頁上頁返回7.2.4接地技術2.雙絞線的接地方式在工程實踐中，有時用雙絞線中的一根當作信號線，另一根當作屏蔽線。根據前面的分析，干擾電壓在兩根導線上的感應電流流動方向相反，感應磁通引起的噪聲電流相互抵消。因此，雙絞線中當作屏蔽線的一根應采用雙端接地方式，為感應電流提供流動回路。3.變壓器的屏蔽層接地電源電壓器的靜電屏蔽層應接保護地。具有雙重屏蔽的電源變壓器的一次繞組的屏蔽層接保護地，二次繞組的屏蔽層接屏蔽地。下頁上頁返回7.2.4接地技術采取雙層屏蔽加浮地技術，即電子回路的工作不接地而呈現懸浮狀態，電子部件外圍附加一個保護屏蔽殼，且與機器外殼隔離，具有很高的絕緣電阻和很小的分布電容。在這個系統里，屏蔽層包括信號電纜的外皮金屬網，電子部件的外圍附加保護屏蔽罩和機器外殼。這些屏蔽體之間的接地問題應注意以下幾點：（1）屏蔽地線地配置。信號電纜的屏蔽層與電子部件外圍附加的保護屏蔽罩相連，變壓器二次側的屏蔽繞組也與電子部件外圍附加的保護屏蔽罩相連，然后將信號電纜屏蔽層與信號源側的現場地線相連。（2）保護地線的配置。變壓器一次繞組的屏蔽繞組與機器外殼相連，機殼連地，稱為保護地線。下頁上頁返回7.2.4接地技術三、單點接地與多點接地大型電子設備往往具有很大的對地分布電容，合理選擇接地點可以消弱分布電容的影響。低頻（1MHz以下）電路布線和元件間的電感較小，而接地電路形成的環路，對干擾的影響卻很大，因此應單點接地。單片機為核心的智能儀器的工作頻率大多較低，對它起作用的干擾頻率也大都在1MHz以下，故宜采用單點接地。高頻（10MHz以上）電路應多點就近接地。地線上具有電感，因為增加了地線阻抗，同時各地線之間產生了電感耦合。當頻率甚高時，特別是當地線長度等于1／4波長的奇數倍時，地線阻抗就會變得很高，這時地線變成了天線，可以向外輻射噪聲信號。單點接地也有多種具體接地方法，以下討論兩種。下頁上頁返回7.2.4接地技術1.獨立地線并聯一點接地獨立地線并聯一點接地方式的優點是各設備的電位僅與各自的電流和地線電阻有關，不受其他設備的影響，可防止各設備之間相互干擾和地回路的干擾。當然缺點也存在，若設備很多，需要很多根地線，使接地導線加長，阻抗增大，還會出現各接地導線間的相互耦合，不適用于高頻。2.共用地線串聯一點接地這種接地方法的優點是結構比較簡單，各電路的接地線短，電阻較小，在設備機柜中是常用的一種接地方式。缺點各接地點的電位不僅不為零，而且受其它電路的影響，從防止和抑制干擾的角度，這種接地方法不好。若設備很多，相互之間的影響更大。下頁上頁返回7.2.4接地技術3.多點接地高頻（10MHz以上）電路一般都采用多點接地，每一個設備、電路各自用接地線分別就近接地，為降低地電位，接地線應盡可能短，以便降低接地線的阻抗。多點接地的缺點是地線回路增多，會出現一些公共阻抗耦合。頻率在1MHz至10MHz之間的電路，如果單點接地，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應使用多點接地。如果比較復雜的設備中，既有高頻電路又有低頻電路，可采用混合接地。低頻電路用單點接地，高頻電路用多點接地。下頁上頁返回7.2.4接地技術四、浮地（浮空）與前面討論的如何良好接地不一樣，特殊情況下會采取浮地技術，此時模擬信號地不接機殼或大地。對于被浮空的儀器系統，儀器電路與機殼或大地之間無直流聯系。浮地實際上應該看作一種屏蔽技術。傳統上，可以全機浮空，即機器各個部分全部與大地浮置起來。這種方法有一定的抗干擾能力，但要求機器與大地的絕緣電阻不能小于50MΩ，且一旦絕緣下降便會帶來干擾；另外，浮空容易產生靜電，導致干擾。更常見的是機殼接地，其余部分浮空。浮空部分應設置必要的屏蔽，例如雙層屏蔽浮地或多層屏蔽。

下頁上頁返回7.2.4接地技術上節所介紹的隔離、屏蔽、接地、濾波等主要硬件抗干擾技術，雖然是從破壞干擾的耦合通道的角度發揮作用的，但對于消除或抑制干擾源、消除接收電路對干擾的敏感性來說，這些技術能夠發揮的作用又是共通的。例如，消除接收電路對干擾的敏感性，所采取的屏蔽措施看起來更針對儀器中的敏感器件而非耦合通道（這兩者本身并不太適合完全區分開），我們就認為此時這一措施主要是為了消除接收電路對干擾的敏感性。同樣，對于能夠明確位置的干擾源，在越靠近干擾源的地方采取措施，干擾抑制效果就越好，而我們采取的屏蔽、濾波等措施雖然是針對干擾源的，但與針對耦合通道的同樣措施，并無本質區別。下頁上頁返回7.3抗干擾的其他技術與措施如果我們換用干擾傳導模式的分類方式考慮抗干擾問題，同樣還是這些主要的抗干擾技術在發揮作用。對于共模干擾，我們會使用隔離技術，以隔離共模干擾的竄入途徑；采用雙層屏蔽——浮地輸入方式，減小進入回路的共模電流。對于串模干擾，我們盡早將被測信號放大，以提高電路中的信號噪聲比；或者盡可能早地完成A/D轉換后再進行長線傳輸；或者采用隔離和屏蔽等措施；最重要的是根據串模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性，選用對應的濾波器來濾除干擾信號。由于干擾問題還可以從來源、產生的原因、波形等角度進行考慮，針對特定的問題，可能在組合上述通用技術的情況下，采取一些特殊的措施來解決。本節針對這類情況作一些補充介紹。下頁上頁返回智能儀器系統的供電電源可以是交流或直流，交流占的比重更大。交流電網供電時，電網電壓與頻率的波動將直接影響到控制系統的可靠性與穩定性。實踐表明，電源的干擾是計算機控制系統的一個主要干擾，必須采取措施抑制這種干擾。一、交流電源系統理想的交流電應該是50HZ的正弦波。但事實上，由于負載的變動如電動機、電焊機、鼓風機等電器設備的啟停，甚至日光燈的開關都可能造成電源電壓的波動，嚴重時會使電源正弦波上出現尖峰脈沖。這種尖峰脈沖，幅值可達幾十甚至幾千伏，持續時間也可達幾毫秒之久，容易造成計算機的“死機”，甚至會損壞硬件，對系統威脅極大。在硬件上可以用以下方法加以解決。下頁上頁返回7.3.1電源系統的抗干擾措施1．選用供電品質好的電源：

系統的電源要選用比較穩定的交流電源，盡量不要接到負載變化大、晶閘管設備多或者有高頻設備的電源上。2.抑制尖峰干擾：在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設計的干擾控制器，將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性；在儀器交流電源輸入端加超級隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖；在儀器交流電源的輸入端并聯壓敏電阻，利用尖峰脈沖到來時電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。

3.采用交流穩壓器穩定電網電壓：交流穩壓器是為了抑制電網電壓的波動，提高計算機控制系統的穩定性，交流穩壓器能把輸出波形畸變控制在5％以內，還可以對負載短路起限流保護作用。低通濾波器是為了濾除電網中混雜的高頻干擾信號，保證50HZ基波通過。下頁上頁返回7.3.1電源系統的抗干擾措施4.利用UPS保證不中斷供電電網瞬間斷電或電壓突然下降等掉電事件會使計算機系統陷入混亂狀態，是可能產生嚴重事故的惡性干擾。對于要求更高的系統，可以采用不間斷電源即UPS向系統供電。正常情況下由交流電網通過交流穩壓器、切換開關、直流穩壓器供電至計算機系統；同時交流電網也給電池組充電。所有的UPS設備都裝有一個或一組電池和傳感器，并且也包括交流穩壓設備。如果交流供電中斷，系統中的斷電傳感器檢測到斷電后就會將供電通路在極短的時間內（幾毫秒）切換到電池組，從而保證流入系統的電流不因停電而中斷。UPS中逆變器能把電池直流電壓逆變到正常電壓頻率和幅度的交流電壓，具有穩壓和穩頻的雙重功能，提高了供電質量。下頁上頁返回7.3.1電源系統的抗干擾措施二、直流電源系統在智能儀器系統中，無論是模擬電路還是數字電路，都需要低壓直流供電。為了進一步抑制來自于電源方面的干擾，一般在直流電源側也要采用相應的抗干擾措施。1．交流電源變壓器的屏蔽把高壓交流變成低壓直流的簡單方法是用交流電源變壓器。因此，對電源變壓器設置合理的靜電屏蔽和電磁屏蔽，就是一種十分有效的抗干擾措施，通常將電源變壓器的一、二次繞組分別加以屏蔽，一次繞組屏蔽層與鐵心同時接地。2.采用直流開關電源直流開關電源是一種脈寬調制型電源，具有體積小、重量輕、效率高、輸入電壓范圍大等優點，并且電網電壓變化時不會輸出過電壓或欠電壓。開關電源初、次級之間具有較好的隔離，對于交流電網上的高頻脈沖干擾有較強的隔離能力。下頁上頁返回7.3.1電源系統的抗干擾措施3．采用DC-DC變換器如果系統供電電網波動較大，或者對直流電源的精度要求較高，就可以采用DC-DC變換器，它可以將一種電壓的直流電源，變換成另一種電壓的直流電源。DC-DC變換器具有體積小、輸入電壓范圍大、輸出電壓穩定、性能價格比高等一系列優點。采用DC-DC變換器可以方便地實現電池供電，利于制造便攜式或手持式智能儀器。4．每塊電路板的直流電源分立當系統有幾塊功能電路板時，為了防止板與板之間的相互干擾，可以對每塊板的直流電源采取分散獨立供電環境。在每塊板上裝一塊或幾塊三端穩壓集成塊（如7805、7905等）組成穩壓電源，每個功能板單獨對電壓過載進行保護，不會因為某個穩壓塊出現故障而使整個系統遭到破壞，而且也減少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供電的可靠性，也有利于電源散熱。下頁上頁返回7.3.1電源系統的抗干擾措施5．集成電路塊的VCC加旁路電容集成電路的開關高速動作時會產生噪聲，因此無論電源裝置提供的電壓多么穩定，VCC和GND端也會產生噪聲。為了降低集成電路的開關噪聲，在印制線路板上的每一塊IC上都接入高頻特性好的旁路電容，將開關電流經過的線路局限在板內一個極小的范圍內。旁路電容可用0.01～0.1μF的陶瓷電容器，旁路電容器的引線要短而且緊靠需要旁路的集成器件的VCC或GND端，否則會毫無意義。下頁上頁返回7.3.1電源系統的抗干擾措施一、靜電放電干擾的抑制靜電的起因是兩種不同物質的物體互相摩擦時，正負電荷分別積蓄在兩種物體上。當它們與系統接觸時便會放電形成放電干擾。在電子控制設備外殼上放電是經常見到的放電現象，放電電流流過金屬外殼，產生電場和磁場，通過分布阻抗耦合到殼內的電源線、信號線等內部走線，引起誤動作。電子控制設備的信號線或地線上也可直接放電，如鍵盤或顯示裝置等接口處的放電，其干擾后果更為嚴重。智能儀器中廣泛使用的CMOS芯片，是最易受靜電干擾的器件。CMOS器件的結構顯著特點是輸入阻抗極高，內部的極間電容立即被充電到很高電壓，把氧化膜擊穿；放電電流流入器件內部，瞬間值高達幾十安的放電電流使器件發熱，迅速燒熔，導致損壞。盡管現在應用的大多數CMOS器件采取了一些保護措施來防止靜電干擾，下頁上頁返回7.3.2靜電放電干擾和漏電干擾的抑制抑制靜電放電干擾可以從兩方面著手：避免產生靜電；切斷靜電放電電流途徑。抑制靜電放電干擾的措施有如下幾種：（1）CMOS器件應在使用中注意防止靜電。其一是輸入引腳不能浮空。如果輸入引腳浮空，在輸入引腳上很容易積累電荷。盡管CMOS器件的輸入端都有保護電路，靜電感應一般不會損壞器件，但很容易使輸入引腳電位處于0-1V間的過渡區域。這時反向器上、下兩個場效應管均會導通，使電路功耗大大增加。其二是設法降低輸入電阻，可以將輸入引腳與電源之間或地之間接入一個負載電阻，為靜電電荷提供泄流通道。其三是當用CMOS器件與長傳輸線連接時，應通過一個TTL緩沖門電路之后再與長傳輸線相連。下頁上頁返回7.3.2靜電放電干擾和漏電干擾的抑制（2）環境太干燥時要適當提高環境濕度。靜電的生成與濕度有密切關系，環境越干燥，越容易產生靜電。（3）檢驗設備時，最好在操作臺上放置接地的金屬極，以使操作人員身上的靜電立刻入地。（4）操作人員工作時，不可穿容易帶靜電的化纖衣服和鞋帽等。焊接元器件時，務必使用烙鐵頭接地的電烙鐵。其他設備、測試儀器及工具也應有良好接地措施。（5）若難以營造不宜產生靜電的環境，則應從提高電子設備表面的絕緣能力著手。在可能發生靜電放電的部位或裝置加強絕緣或加以屏蔽，并良好接地。下頁上頁返回7.3.2靜電放電干擾和漏電干擾的抑制二、漏電干擾的防止措施漏電干擾的發生是因為絕緣層老化變質，絕緣能力下降，或者由于系統工作環境潮濕，導致塵埃落入印刷電路板或配電盤面之后形成導電層。漏電電流可能導致某些邏輯部件的輸入引入虛假信號而使控制失靈；或者強電壓通過漏電途徑而擊穿弱電器件。防止漏電流的產生可從兩方面入手：其一是保持優良的運行環境，防止漏電流產生；其二是切斷漏電流的流通通路，使漏電流不進入工作的元器件中。具體措施有：（1）保持智能儀器系統工作環境干燥、空氣流通，沒有嚴重的灰塵，并定期清理印刷線路板表面或配電盤面。這樣可以從根本上杜絕漏電流的產生。（2）對于強電設備和弱電設備，要分別安裝在不同的印刷線路板或配電板上。（3）測控系統中的某些靈敏部件，可以用接地環路將其包圍起來。下頁上頁返回7.3.2靜電放電干擾和漏電干擾的抑制一、線間竄擾問題智能儀器測控系統的輸入、輸出信號根據工藝要求，往往通過較長傳輸線與控制設備相接。由于導線很長，所處環境比較惡劣，導線成為引入干擾的主要渠道之一。長信號線的干擾主要包括長線反射干擾；信號線間的竄擾；外部的電磁干擾；長線分布電容而導致的信號電平轉換過程的過渡干擾。線間竄擾是當兩條或幾條較長的導線相平行而又靠得很近時，其中任一導線上的信號將對其他導線產生干擾。線間干擾大多發生在多芯電纜、束捆導線或印刷板上平行的導線之間。竄擾的強弱與相鄰兩信號線間互阻抗和信號線本身的阻抗有關。下頁上頁返回7.3.3線間串擾的抑制線間竄擾是一種近場耦合干擾，受擾線上的影響來源于傳輸線間的分布電感引起的電磁耦合。假定有兩條平行長線，由于每條線存在著寄生電容和寄生電感，相互之間也存在著寄生電容和互感，于是兩線之間就存在著互相耦合的可能性，一條線中的信號耦合到另一條線中去，就成為竄擾。二、線間竄擾的抑制在智能儀器中，廣泛使用扁平電纜做連接導線。扁平電纜使用方便，但很容易產生竄擾。扁平電纜的各導線間均分布電容。一般來說，每10cm長的相鄰導線間的分布電容約為3pF。信號頻率為100MHZ時，該傳輸線的耦合阻抗約為0.5kΩ，自然很容易發生竄擾。下頁上頁返回7.3.3線間串擾的抑制另外，用扁平電纜傳輸的微機數字信號含有100倍左右的高次諧波，這些高頻分量極易通過扁平電纜各導線間分布電容耦合到鄰近導線。當微機的輸入、輸出端口為數字邏輯電路時，由于數字信號線離得很近，會形成電容耦合干擾。抑制扁平電纜的竄擾的措施如下：（1）用一條扁平電纜傳輸多種電平信號時，必須按電平級別分組，不同組的導線間要保持一定的距離。（2）由于高頻成分都發生在脈沖的前、后沿，分組傳送時應把前沿時間相近的同級電平信號劃分為一組。（3）信號組的導線用一空閑導線分開，并把該空閑導線接地。這就把兩組相鄰導線間的耦合電容轉化為對地電容。（4）在配線時，應力求扁平電纜貼近接地底板。必要時，可專門給扁平電纜設置接地屏蔽底板，使導線之間的部分耦合電容轉化為對地電容。下頁上頁返回7.3.3線間串擾的抑制（5）如果干擾嚴重，可采用雙絞線結構的扁平電纜，并把其中一線接地。這種電纜對抑制靜電干擾和空間電磁干擾也有效果。信號線除采用扁平電纜外，還可采用單股導線、雙絞線和屏蔽電纜。為減少竄擾，應選用特性阻抗低的導線。屏蔽電纜的特性阻抗較低，竄擾最小。為了預防竄擾，可以從以下幾方面考慮：（1）用兩點接地的雙絞線做傳輸線，即可以顯著降低竄擾噪聲，又能起到靜電屏蔽作用，現場敷設比較方便。（2）控制柜中的信號線，應盡量靠近接地底板，以增大對地電容而減少竄擾。（3）設計印制板上的信號線時，應力求靠近地線，或用地線包圍之。（4）盡量加大信號線與其他地線間的距離，可采用分散走線的方式，尤其是強電和弱電的傳輸線一定要分開布設。下頁上頁返回7.3.3線間串擾的抑制7.4智能儀器可靠性概述目前智能儀器的使用條件已經從環境優良的機房向工廠、野外、水上、空中等復雜環境延伸，工作環境往往比較惡劣，而且系統組成日趨復雜，都使智能儀器出現故障的概率增大。另一方面，人們對自動化設備的依賴程度也越來越高，如果儀器在運行中經常發生故障，輕則影響產品的質量和產量，重則發生事故，造成巨大的經濟損失。因此，如何保證和提高智能儀器的可靠性和安全性，使其長期穩定、可靠地運行就成為一個非常突出的問題。下頁上頁返回可靠性是描述系統長期穩定、正常運行能力的一個通用概念，也是產品質量在時間方面的特征表示。可靠性又是一個統計的概念，表明在一時間內產品或系統穩定正常完成預定功能指標的概率。可靠性的定義是指產品或系統在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。相應地，產品或系統不能完成規定功能時，稱之為失效。可靠性最集中反映了某種產品或設備的質量指標。描述可靠性的定量指標常用可靠度、失效率、平均無故障時間這些特征量。下頁上頁返回7.4.1可靠性的基本概念（1）可靠度是指產品或系統在規定條件下和規定的時間內完成規定功能的成功概率。這里的規定條件包括運行的環境條件、使用條件、維修條件和操作水平等等。（2）失效率又稱故障率，是指工作到某一時刻尚未失效的產品，在該時刻后單位時間內發生失效的概率。數字電路以及其他電子產品，在其有效壽命期間內，如果它的失效率是由電子器件、集成電路芯片的故障所引起的，則失效率為常數。這是因為電子器件、集成芯片經過老化篩選后，就進入偶發故障期。在這一時期內，它們的故障是隨機均勻分布的，失效率為一常數。下頁上頁返回7.4.1可靠性的基本概念（3）平均壽命，是產品壽命的平均值。對于可修復系統，平均壽命用平均故障間隔時間表征，指“一個或多個產品在它的使用壽命期內某個觀察期間累積工作時間與故障次數之比”。對于不可修復的產品，平均壽命用平均無故障工作時間表征，當所有試驗樣品都觀察到壽命終了的實際值時，平均無故障工作時間是指產品壽命的算術平均值。當不是所有試驗樣品都觀測到壽命終了，試驗就終止時，是指試驗樣品累積試驗時間與失效數之比。平均故障間隔時間或平均無故障工作時間是最常用的描述可靠性的特征量，它比可靠度、失效率更直接形象地給出了一個產品的可靠性的參數指標。下頁上頁返回7.4.1可靠性的基本概念影響智能儀器可靠、安全運行的主要因素是來自系統內部和外部的各種電氣干擾，以及系統結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環境條件等。

導致智能儀器系統運行不穩定的內部因素主要有以下三點：（1）元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系統的基本單元，其特性好壞與穩定性直接影響整個系統性能與可靠性。因此，在可靠性設計當中，使其在長期穩定性、精度等級方便滿足要求。下頁上頁返回7.4.2可靠性的總體考慮（2）系統結構設計。包括硬件電路結構設計和運行軟件設計。元器件選定之后，根據系統運行原理與生產工藝要求將其連成整體，并編制相應軟件。電路設計中要求元器件或線路布局合理，以消除元器件之間的電磁耦合相互干擾；優化的電路設計也可以消除或消弱外部干擾對整個系統的影響，如去耦電路、平衡電路等等；也可以采用冗余結構，當某些元器件發生故障時也不影響整個系統的運行。軟件是智能儀器中微機測控系統區別于其他通用電子設備的獨特之處，通過合理編制軟件可以進一步提高系統運行的可靠性。（3）安裝與調試。元器件與整個系統的安裝與調試，是保證系統運行和可靠性的重要措施。盡管元件選擇嚴格，系統整體設計合理，但安裝工藝粗糙，調試不嚴格。仍然達不到預期的效果。下頁上頁返回7.4.2可靠性的總體考慮

影響智能儀器可靠性的外因是指智能儀器所處工作環境中的外部設備或空間條件導致系統運行的不可靠因素，主要包括以下幾點：（1）外部電氣條件，如電源電壓的穩定性、強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）外部機械條件，如振動、沖擊等。為了保證智能儀器可靠工作，必須創造一個良好的外部環境。例如：采取屏蔽措施、遠離產生強電磁場干擾的設備；加強通風以降低環境溫度；安裝緊固以防止擺動；等等。

下頁上頁返回7.4.2可靠性的總體考慮7.5可靠性設計系統可靠性設計的目的是在設計過程中挖掘、分析和確定系統或設備中的薄弱環節及其隱患，采取設計預防和改進措施，提高可靠性。針對影響智能儀器可靠性的各種因素的特點，必須采取相應的硬件或軟件方面的措施，這是智能儀器可靠性設計的根本任務。下頁上頁返回7.5.1硬件可靠性設計下頁上頁返回元器件的選擇是根本，合理安裝調試是基礎，系統設計是手段，外部環境是保證，這是可靠性設計遵循的基本準則，并貫穿于系統設計、安裝、運行的全過程。一、元器件級可靠性措施元器件是儀器系統的基本部件，元器件的性能與可靠性是系統整體性能與可靠性的基礎。由于大規模集成技術的進步，大規模數字電路以及模擬集成芯片的可靠性也大大提高，這就為設計高性能、高可靠性的智能儀器奠定了基礎。電子元器件故障率的降低主要由生產廠家來保證。為了保證所選用的元器件的質量或可靠性指標符合設計要求，必須采取下列措施：

1.元器件選擇和篩選（1）元器件選擇原則：在經濟條件允許時，應盡可能選用失效率λ小的器件，否則，首先要考慮滿足可靠性指標的要求。盡量選用集成度高的元器件。（2）篩選的基本思想：選擇若干典型環境因素，施加適當的熱、電、機械和其他環境應力于電子硬件，把其中的所有缺陷盡可能徹底地激發出來，然后再加以更換，同時又不使良好的硬件受到損傷或性能衰退。2.降額技術絕大部分元器件的失效率隨環境應力的降低而下降，這是降額設計提高系統可靠度的依據。降額包括熱、電、機械和其他環境應力。一般都取額定值的60%~70%。7.5.1硬件可靠性設計二、部件及系統級的可靠性措施下頁上頁返回部件及系統級的可靠性技術是指功能部件或整個系統在設計、制造、檢驗等環節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、部件及系統的可靠性取決于設計的精心設計。可靠性資料表明，影響計算機可靠性因素，有40%來自電路及系統設計。1.環境保護（1）熱設計把熱量輸入降到最小，提供良好的熱傳導、熱輻射和通風條件，最大限度的降低機內的溫升；正確安排元器件，發熱元器件的位置安排應盡可能分散；使主要發熱器件遠離電解電容、LSI芯片等。（2）防潮設計潮濕、鹽霧、霉菌和灰塵對系統可靠性的影響主要表現在使系統設備的絕緣性能降低、霉爛腐蝕和其他性能惡化或斷路失效。（3）抗沖擊、振動設計為減少沖擊、振動等機械應力的影響，在設計時應盡可能提高整個機箱或整機的固有頻率。由于機器固有頻率與結構剛度成正比，與構件重量成反比。因此，設計時應提高結構的剛度和減輕機箱或整機的重量。對于電子元器件，應當注意防止在沖擊下出現斷線、斷腳或拉脫焊點等故障。因此，對較重的元器件及印制板都應采用固定結構。可采用環氧樹脂粘接、加卡或緊固螺釘；導線、線束及電纜應進行綁扎，分段固定。（4）其他環境保護對于防爆、防核輻射等保護，在對該類影響比較敏感或者需要進行該類保護時，遵循相關標準，采取相應的措施。7.5.1硬件可靠性設計下頁上頁返回2.系統的簡化和標準化系統在性能設計之后，應對其進行簡化和標準化。包括硬件簡化、標準化以及軟件優化和固化。系統的簡化和標準化對于提高設備部件的互換性、可靠性和可維修度都是非常必要的。所以，盡量朝“單片”方向設計硬件系統，系統器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，不可避免地降低了系統的穩定性。7.5.1硬件可靠性設計下頁上頁返回3．電磁兼容設計電磁兼容性是指計算機系統在電磁環境中的適應性，即能保持完成規定功能的能力。電磁兼容性設計的目的，使系統既不受外部電磁干擾的影響，也不對其他電子設備產生影響。電磁兼容性的依據標準主要是國際電工委員會IEC801-1到6，IEC1000-4-1到12；國際無線電干擾特別委員會CISPR11-23。智能儀器常用的抗電磁干擾的軟、硬件措施在7.2、7.3節已經介紹。再次強調，系統的可靠性是由多種因素決定，其中系統的抗電磁干擾性能的好壞是影響系統可靠性的極其重要因素。7.5.1硬件可靠性設計下頁上頁返回4．冗余技術冗余技術也稱容錯技術或故障掩蓋技術，它是通過增加完成同一功能的并聯備用單元（包括硬件單元或軟件單元）數目來提高系統可靠性的一種設計方法。如在電路設計中，對那些容易產生短路的部分，以串聯形式復制；對那些容易產生開路的部分，以并聯的形式被復制。冗余技術包括硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時間冗余等。硬件冗余是用增加硬件設備的方法，當系統發生故障時，將備份硬件頂替上去，使系統仍能正常工作。信息冗余是將重要數據復制一份或多份，存放于不同空間。冗余技術與系統的簡化和標準化的要求并不沖突，系統的簡化和標準化既針對整個系統，也針對模塊、單元、部件，冗余技術所增加的單元，單獨來看，也希望它是簡化的、標準化的。7.5.1硬件可靠性設計5．故障自動檢測與診斷技術對于復雜的系統，設計了系統在線的測試與診斷模塊。這樣做的目的有兩個：一是為了保證能及時檢驗出有故障裝置或單元模塊，以便盡快把有用單元替換上去，一般通過及時、正確地對各種異常狀態或故障狀態做出診斷，判定動作或功能的正常性以及及時指出故障部位來實現。二是通過檢測監視、故障分析、性能評估等，為設備（系統）結構修改、優化設計、合理制造及生產過程提供數據和信息。7.5.1硬件可靠性設計7.5.2.軟件可靠性設計及軟件抗干擾措施下頁上頁返回智能儀器運行軟件是系統欲實行的各項功能的具體反映，設計人員高級腦力勞動的結晶。軟件的可靠性主要標志是軟件是否真實而準確地描述了欲實現的各種功能。因此，對生產工藝的了解熟悉程度直接關系到軟件的編寫質量。提高軟件可靠性的前提條件是設計人員對生產工藝過程的深入了解，并使軟件易讀、易測和易修改。為了提高軟件的可靠性，應盡量將軟件規范化、標準化和模塊化，盡可能把復雜的問題化成若干較為簡單明確的小任務。把一個大程序分成若干獨立的小模塊，這有助于及時發現設計中的不合理部分，而且檢查和測試幾個小模塊要比檢查和測試大程序方便很多。軟件抗干擾技術是當系統受到干擾后使系統恢復正常運行或輸入信號受到干擾后去偽求真的一種輔助方法。在智能儀器系統中，只要認真分析系統所處環境的干擾源以及耦合通道，采用硬件、軟件相結合的抗干擾措施，就能保證長期穩定可靠地運行。以下從抗干擾的角度,對軟件可靠性設計及軟件抗干擾措施加以介紹。軟件抗干擾相對硬件抗干擾是一種被動措施，但由于軟件設計靈活，節省硬件資源，所以軟件抗干擾技術越來越引起人們的重視。軟件抗干擾技術所研究的主要內容，其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲的影響，如數字濾波器技術；其二是用軟件的方法對于輸入的數字信號進行抗干擾處理；其三是由于干擾而使運行程序發生混亂，導致程序亂飛或陷入死循環時，采取使程序納入正規的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術。這些方法可以用軟件實現，也可以采用軟硬件相結合的方法實現。一、數字濾波疊加在系統被測模擬輸入信號上的噪聲干擾，導致較大的測量誤差。但由于這些噪聲的隨機性，可以通過數字濾波技術剔除虛假信號，求得真值。數字濾波是一種軟件算法，它實現從采樣信號中提取出有效信號數值，濾除干擾信號的功能。1．算術平均濾波法對一點數據連續取n個值進行采樣，然后算術平均。適用于具有隨機干擾的信號。當n值較大時，信號的平滑度高，但是靈敏度低；當n值較小時，平滑度低，但靈敏度高。2．滑動平均濾波法把n個采樣值看成一個隊列，隊列的長度為n，每進行一次采樣，就把采樣值放入隊尾，而扔掉原來隊首的一個采樣值，這樣在隊列中始終有n個“最新”采樣值。對隊列中的n個采樣值進行平均，就可以得到新的濾波值。滑動平均濾波法對周期性干擾有良好的抑制作用，但不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值的偏差。因此不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，而適用于高頻振蕩系統。3．中位值濾波法對某一被測參數接連采樣n次（一般n取奇數），然后把n次采樣值按大小排列，取中間值為本次采樣值。中位值濾波法能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾。適用于溫度等變化緩慢參數測量；但不宜用于快速變化的參數測量。7.5.2.軟件可靠性設計及軟件抗干擾措施4．去極值平均值濾波法連續采樣n次后累加求和，同時找出其中的最大值與最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按n-2個采樣值求平均，即可得到有效采樣值。去極值平均值濾波法主要用于脈沖干擾嚴重的場合。由于數字濾波采用程序實現濾波，無需硬件器件，不受外界的影響，也無參數變化等問題，所以可靠性高，穩定性好；數字濾波可以實現對頻率很低（如0.01Hz）信號的濾波，克服了模擬濾波器的不足；數字濾波可以根據信號和干擾的不同，采用不同的濾波方法和濾波參數，具有靈活、方便等優點。數字濾波在智能儀表系統中得到了廣泛的應用，其不足之處在于濾波速度比硬件濾波要慢。7.5.2.軟件可靠性設計及軟件抗干擾措施二、開關量輸入／輸出的軟件抗干擾數字信號是用高低電平表示的兩態信號，即“0”、“1”。在數字信號的輸入、輸出中，由于操作或外界等的干擾，會引起狀態變化，造成誤判。對于輸入的數字信號，可以通過重復檢測的方法，將隨機干擾引起的虛假輸入狀態信號濾除掉。干擾信號相對數字信號來說，多呈毛刺狀，作用時間短。利用這一特點，在采集某一數字信號時，可多次重復采集，直到連續兩次或兩次以上采集結果完全一致方為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，給出報警信號。對數字信號的采集不能采用多次平均方法，而要比較兩次或多次采集結果是否相同。對于輸出的數字信號，可以通過重復輸出以及采用抗干擾編碼的方法，減少干擾對輸出信號的影響。由于干擾的影響，可能使計算機輸出了正確的數字信號，在輸出設備中得到的卻是錯誤信號。在滿足實時控制的要求前提下，重復輸出同一數據，重復周期盡可能短些。外部設備接受到一個被干擾的錯誤信號后，還來不及作出有效的反應，一個正確的輸出信息又來到，就可及時防止錯誤動作的產生。采用抗干擾編碼則是按一定規約，將需傳輸的數據進行編碼，在智能接收端，再按規約進行解碼，并完成檢錯或糾錯功能。智能儀器測控系統的輸入、輸出信號根據工藝要求，往往通過較長傳輸線與控制設備相連接。當系統受到干擾后，可能使可編程的輸出端口狀態發生變化，因此可以通過反復向這些端口定期重寫控制字、輸出狀態字，來維持既定的輸出端口狀態。例如，8255芯片常用來擴展輸入輸出功能，很多外設通過它們來獲得單片機的控制信息。由初始化編程，確定各端口的功能。由于干擾的作用，有可能改變芯片的編程方式。為了確保輸出功能正確實現，輸出功能模塊在執行具體的數據輸出之前，應該先執行對芯片的初始化編程指令，再輸出有關數據。三、軟件程序的抗干擾竄入智能儀器的干擾作用于CPU部位時，后果更加嚴重，將使系統失控。最典型的故障是破壞程序記數器PC的狀態，導致程序從一個區域跳到另一個區域，或者程序在地址空間內“亂飛”，或者陷入“死循環”。工業應用中，因PC受到干擾而引起程序失控的后果是嚴重的，因此，必須盡可能早地發現并采取補救措施。對于失控的CPU，最簡單的方法是使其復位，程序自動從頭開始執行。為完成復位功能，在硬件電路上應設置復位電路。復位方式有上電復位、人工復位、自動復位三種。上電復位是指計算機在開機上電時自動復位，此時所有硬件都從其初時狀態開始，程序從第一條指令開始執行；人工復位是指操作員按下復位按鈕時的復位；自動復位是指系統在需要復位的狀態時，由特定的電路自動將CPU復位的一種方式。在智能儀器系統運行時，有可能會發生電源意外掉電。在軟件中，應設置掉電保護中斷服務程序，該中斷為最高優先級的非屏蔽中斷，使系統能對掉電作出及時的反應。系統應首先檢測到電源的變化，通過切換電路把備用電池接入系統，迅速進行現場保護，把當時的重要狀態參數、中間結果，甚至某些片內寄存器的內容一一存入具有后備電池的RAM中。其次是對有關外設作出妥善處理，如關閉各輸入輸出口，使外設處于某一非工作狀態等。最后必須在片內RAM的某一個或兩個單元存入特定標記的數字，作為掉電標記，然后，進入掉電保護工作狀態。當電源恢復正常時，CPU重新復位，復位后應首先檢查是否有掉電標記，如果有，則說明本次復位為掉電保護之后的復位，應按掉電中斷服務程序相反的方式恢復現場，以一種合理的安全方式使系統繼續未完成的工作。下頁上頁返回（一）、時間冗余技術為了提高智能儀器的可靠性，可以采用重復執行某一操作或某一程序，并將執行結果與前一次的結果進行比較對照來確認系統工作是否正常。只有當兩次結果相同時，才被認可，并進行下一步操作。如果兩次結果不一樣，可以再重復一次，當第三次結果與前兩次之中的一次相同時，則認為另一結果是偶然故障引起的，應當剔除。如果三次結構均不相同時，則初步判定為硬件永久性故障，需進一步檢查。這種方法是用時間為代價來換取可靠性，稱為時間冗余技術，俗稱重復檢測技術。它的優點是不用增加設備的硬件投資，簡單易行。其不足之處是減慢了運行速度。因而只能用在執行時間比較寬余，操作步驟又是比較重要的情況。下頁上頁返回（二）、指令冗余技術CPU取指令是先取操作碼，再取操作碼數。當CPU受到干擾，程序“跑飛”后，往往將一些操作數當作指令代碼來執行，從而引起整個程序的混亂。采用指令冗余技術是使程序從“跑飛”狀態，恢復正常的一種有效措施。所謂的指令冗余，就是在程序的關鍵地方人為地加入一些單字節指令NOP，或將有效單字節指令重寫，當程序“跑飛”到某條單字節指令時，就不會發生將操作數當作指令來執行的錯誤。7.5.2.軟件可靠性設計及軟件抗干擾措施1.NOP的使用

可在雙字節指令和三字節指令之后插入兩個單字節NOP指令，這可保證其后的指令不被拆散。因為“亂飛”的程序即使落在操作數上，由于兩個空操作指令NOP的存在，不會將其后的指令當操作數執行，從而使程序納入正規。對程序流向起決定作用的指令（如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等）和某些對系統工作狀態起重要作用的指令（如SETB、EA等）之前插入兩條NOP指令，可保證亂飛程序迅速納入軌道，確保這些指令正確執行。7.5.2.軟件可靠性設計及軟件抗干擾措施下頁上頁返回2.重要指令冗余在對于程序流向起決定作用的指令（如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等）和某些對系統工作狀態起重要作用的指令（如SETB、EA等）的后面，可重復寫上這些指令，以確保這些指令的正確執行。指令冗余會降低系統的效率，但確保了系統程序很快納入程序軌道，避免程序混亂，適當的指令冗余不會對系統的實時性和功能產生明顯的影響。由以上可看出，采用冗余技術使PC納入正確軌道的條件是：跑飛的PC必須指向程序運行區，并且必須執行到冗余指令。7.5.2.軟件可靠性設計及軟件抗干擾措施（三）、軟件陷阱技術下頁上頁返回當亂飛程序進入非程序區（如EPROM未使用的空間）或表格區時，采用冗余指令使程序入軌條件便不滿足，此時可以設定軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其迅速引向一個指定位置，在那里放一段專門對程序運行出錯進行處理的程序。(1)軟件陷阱軟件陷阱，就是用引導指令強行將捕獲到的亂飛程序引向復位入口地址0000H，在此處將程序轉向專門對程序出錯進行處理的程序，使程序納入正規。軟件冗余可采用兩種形式，如下：形式一：軟件陷阱形式：NOPNOPLJMP0000H對應入口形式：0000H：LJMPMAIN；運行程序

下頁上頁返回形式二：軟件陷阱形式：LJMP0202HLJMP0000H對應入口形式：0000H：LJMPMAIN；運行主程序┆