第六章 智能仪器可靠性与抗干扰技术
第一节 可靠性概述
第二节 可靠性设计
第三节 智能仪器干扰源分析
第四节 抑制电磁干扰的主要技术及应用
第一节 可靠性概述
?可靠率 是指在规定条件下和规定时间内智能仪器
完成所规定任务的成功率。
R(t)= S(t)/N
?失效率 也称瞬时失效率或称故障率，是指智能仪
器运行到 t时刻后单位时间内发生故障的智能仪器
台数与 t时刻完好智能仪器台数之比。
λ(t)= N[R(t)-R(t+Δt)]/ NR(t)? Δt
或 λ=γ/T
一、可靠性的基本概念
早期故障期 耗损故障期
偶然故障期
λ(t
)(
失
效
率
)
使用寿命
规定的失效率
a b
t(时间 )
(a) 经典浴盆曲线
0
λ(t
)(
失
效
率 )
使用寿命期
0 t(时间 )
(b) 新浴盆曲线
初始期 衰老期
?平均故障间隔时间 MTBF或称为平均无故障时间
(亦称故障前平均时间 )MTTF。前者用来描述可修复
的仪器；后者用于描述不可修复的仪器。一般情况
下，都用 MTBF来表示，它与可靠率 R(t)之间的关系
为
??
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00 0 ??????
??? ? ?? ? TT eedttRM T B F
MT B Ft eetR /)( ?? ?? ?? )]([ln 1 tRtM T B F ????
?平均修复时间和可用性
?
?
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N
i
itNMTTR
1
1
M T T RM T B F
M T B FA
??
?可靠性与经济性
维修
费用
可靠率
费用
总费用
使用费用
可靠率与经济性的关系
二、可靠性的总体考虑
（一）设计过程
1．系统设计的进程
分析设计任务 分析提出可靠性
方案比较、确定
软件设计 硬件设计
测试、考验
试运行
设想措施
可靠性分析
软件措施硬件措施
故障评估分析
改进措施
系统设计进程 可靠性考虑
方案设想
2．生产及使用过程
（二）、可靠性的分配方法
★ 均等分配法
★ 航空无线电公司分配法
① 达到的目标是满足下式：
② 根据先验知识预计每个分系统的失效率 λ i
③ 计算加权因子 Wr。 加权因子由下式计算：
④对每一个分系统分配失效率
?
?
?
n
i
iRR
1
?
?
? N
i
i
r
rW
1
?
?
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n
i
i
1
第二节 可靠性设计
一、硬件可靠性设计
（一）影响仪器可靠性的因素
◇元器件的可靠性
◇工艺
◇电路结构
◇环境因素
◇人为因素
使用值
额定值
λ(t)
1 2
（二）提高仪器可靠性的措施
◆ 元器件的选择 （ 电阻器, 电容器, 集成电路芯片 ）
◆筛选
◆降额使用
◆可靠的电路设计
◆冗余设计包括并联系统和串联系统两种形式
并联、串联系统
并联系统的可靠度 Rp为
?
?
???
m
i
iP RR
1
)1(1
?
?
??
m
i
iS RR
1
1
串联系统的可靠度 RS为
11 12 1n…
…
21 22 2n…
m1 m2 mn…
… …
串并联系统
串并联系统的可靠度为
? ?
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m
j
n
i
ijPS RR
1 1
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11 12 1n
…
21 22 2n…
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… …
并串联系统
并串联系统的可靠度 RSP为
])1(1[
1 1
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???
n
j
m
i
ijSP RR
◆ 环境设计
?温度保护
?冲击振动保护
?电磁干扰保护
?其他环境方面的保护
◆人为因素设计
◆对仪器进行可靠性试验
二、软件可靠性设计
（一）软件的可靠性模型
▲时间模型
?可靠性增长模型
?公理模型
▲数据模型
如果
?
?
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1
0
iY 如果
)()( ii eFeF ?
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n
i
ii PYP
1
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（二）提高软件可靠性的方法
?认真地进行规范设计
?可靠的程序设计方法
?程序验证技术
?提高软件设计人员的素质
?消除干扰
?增加试运行时间
第三节 智能仪器干扰源分析
一, 干扰与噪声
① 噪声是绝对的, 它的产生或存在不受接收者的影响, 是
独立的, 与有用信号无关 。 干扰是相对有用信号而言的, 只
有噪声达到一定数值, 它和有用信号一起进入智能仪器并影
响其正常工作才形成干扰 。
② 噪声与干扰是因果关系, 噪声是干扰之因, 干扰是噪声
之果, 是一个量变到质变的过程 。
③干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下
，难以消除，只能减弱。
二, 分类
?干扰的类型
? 机械干扰
? 热干扰
? 光干扰
? 湿度干扰
? 化学干扰
? 电和磁干扰
? 射线辐射干扰
?电磁干扰的分类
?从噪声产生的来源分类
1)固有噪声源
2)人为噪声源
3)自然噪声源和放电噪声
?从干扰的表现形式分类
1)规则干扰
2)不规则干扰
3)随机干扰
?从干扰出现的区域分类
1)内部干扰
2)外部干扰
?从干扰对电路作用的形式分类
1)差模干扰
2)共模干扰
3)共模干扰抑制比
三、噪声形成干扰作用的三要素
噪声源 耦合通道 接收电路
噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即 噪声源,
有对噪声敏感的 接收电路 和两者之间的 耦合通道 。三要
素之间联系如下图所示。
四、噪声的耦合方式
◆ 电容性耦合
～ Zi
Cm
EN UN
A B
n
im
im
N EZCj
ZCjU
?
?
?
?
1
NimN EZCjU ??
◆ 互感耦合
NN MIjU ?? UN
M
IN
◆ 共阻抗耦合
?电源内阻抗的共阻抗耦合
?公共地线的耦合
?信号输出电路的相互干扰
◆ 漏电耦合
N
im
i
N EZR
ZU
?
?
UN～
Rm
EN
BA
Zi
◆ 传导耦合
◆ 辐射电磁场耦合
传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它
传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方
式。
大功率的高频电气设备，广播、电视、通
信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪
器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁
场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路
就形成干扰。
第四节 抑制电磁干扰的主要技术及应用
一、抑制电磁干扰的基本方法
o 消除或抑制噪声源
o 破坏干扰的耦合通道
o 消除接收电路对干扰的敏感性
o 采用软件抑制干扰
二、抑制电磁干扰的基本措施
1、屏蔽, 静电屏蔽 ； 电磁屏蔽 ； 低频磁屏蔽
★ 静电屏蔽
+Q +Q+QA A A
B B
★ 电磁屏蔽
ie
Φe ΦN
★ 低频磁屏蔽
2、接地 ★ 接地的目的与作用●保证人身和设备安全的需要
●抑制干扰的需要
★ 地线的种类
●保安地线
●信号源地线
●信号地线
●负载地线
●屏蔽层地线
★ 各种地线的处理原则
●低频电路的一点接地原则
●高频电路的多点接地原则
●强电地线与信号地线分开设置
●模拟信号地线与数字信号地分开设置
★ 接地方法
●埋设铜板
●接地棒
●网状 (辐射状 )地线
3、浮置
又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的
公共线 (即模拟信号地 )不接机壳或大地，测量放大器
与机壳或大地之间无直接联系。浮置的目的在于阻
断干扰电流的通路。
显示测量
RH
RL
RS<0.1Ω
RC<0.1Ω Ecm
1k
1k
～
C1C2
C3
4、对称电路
RS1
RS2
US2
US1
RL1
RL2UN2
UN1
IN2
IN1
UL
IS
5、隔离技术
电路 电路
隔离变压器
～
Ucm
6、滤波
滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻
止某一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波
方式有 无源滤波, 有源滤波 和 数字滤波,它主要
应用于信号滤波和电源滤波。
7、脉冲电路的噪声抑制
脉冲电路的噪声抑制，常采用的方法有利用
积分电路, 脉冲隔离门 及 削波器 等。
三、抗干扰技术的应用
?传输线引入干扰的抑制
?印制电路板的抗干扰
?A/D转换中的抗干扰
?对差模干扰的抑制
?对共模干扰的抑制
?采用软件方法提高 A/D抗干扰能力
?传感器的抗干扰
?负载干扰的抑制
?负载冲击电流的抑制
?感性负载冲击电压的抑制
?电源所致干扰的抑制
?交流电源系统所致干扰的抑制
?直流供电系统干扰的抑制
第一节 可靠性概述
第二节 可靠性设计
第三节 智能仪器干扰源分析
第四节 抑制电磁干扰的主要技术及应用
第一节 可靠性概述
?可靠率 是指在规定条件下和规定时间内智能仪器
完成所规定任务的成功率。
R(t)= S(t)/N
?失效率 也称瞬时失效率或称故障率，是指智能仪
器运行到 t时刻后单位时间内发生故障的智能仪器
台数与 t时刻完好智能仪器台数之比。
λ(t)= N[R(t)-R(t+Δt)]/ NR(t)? Δt
或 λ=γ/T
一、可靠性的基本概念
早期故障期 耗损故障期
偶然故障期
λ(t
)(
失
效
率
)
使用寿命
规定的失效率
a b
t(时间 )
(a) 经典浴盆曲线
0
λ(t
)(
失
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使用寿命期
0 t(时间 )
(b) 新浴盆曲线
初始期 衰老期
?平均故障间隔时间 MTBF或称为平均无故障时间
(亦称故障前平均时间 )MTTF。前者用来描述可修复
的仪器；后者用于描述不可修复的仪器。一般情况
下，都用 MTBF来表示，它与可靠率 R(t)之间的关系
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?可靠性与经济性
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可靠率与经济性的关系
二、可靠性的总体考虑
（一）设计过程
1．系统设计的进程
分析设计任务 分析提出可靠性
方案比较、确定
软件设计 硬件设计
测试、考验
试运行
设想措施
可靠性分析
软件措施硬件措施
故障评估分析
改进措施
系统设计进程 可靠性考虑
方案设想
2．生产及使用过程
（二）、可靠性的分配方法
★ 均等分配法
★ 航空无线电公司分配法
① 达到的目标是满足下式：
② 根据先验知识预计每个分系统的失效率 λ i
③ 计算加权因子 Wr。 加权因子由下式计算：
④对每一个分系统分配失效率
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第二节 可靠性设计
一、硬件可靠性设计
（一）影响仪器可靠性的因素
◇元器件的可靠性
◇工艺
◇电路结构
◇环境因素
◇人为因素
使用值
额定值
λ(t)
1 2
（二）提高仪器可靠性的措施
◆ 元器件的选择 （ 电阻器, 电容器, 集成电路芯片 ）
◆筛选
◆降额使用
◆可靠的电路设计
◆冗余设计包括并联系统和串联系统两种形式
并联、串联系统
并联系统的可靠度 Rp为
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二、软件可靠性设计
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▲数据模型
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（二）提高软件可靠性的方法
?认真地进行规范设计
?可靠的程序设计方法
?程序验证技术
?提高软件设计人员的素质
?消除干扰
?增加试运行时间
第三节 智能仪器干扰源分析
一, 干扰与噪声
① 噪声是绝对的, 它的产生或存在不受接收者的影响, 是
独立的, 与有用信号无关 。 干扰是相对有用信号而言的, 只
有噪声达到一定数值, 它和有用信号一起进入智能仪器并影
响其正常工作才形成干扰 。
② 噪声与干扰是因果关系, 噪声是干扰之因, 干扰是噪声
之果, 是一个量变到质变的过程 。
③干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下
，难以消除，只能减弱。
二, 分类
?干扰的类型
? 机械干扰
? 热干扰
? 光干扰
? 湿度干扰
? 化学干扰
? 电和磁干扰
? 射线辐射干扰
?电磁干扰的分类
?从噪声产生的来源分类
1)固有噪声源
2)人为噪声源
3)自然噪声源和放电噪声
?从干扰的表现形式分类
1)规则干扰
2)不规则干扰
3)随机干扰
?从干扰出现的区域分类
1)内部干扰
2)外部干扰
?从干扰对电路作用的形式分类
1)差模干扰
2)共模干扰
3)共模干扰抑制比
三、噪声形成干扰作用的三要素
噪声源 耦合通道 接收电路
噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即 噪声源,
有对噪声敏感的 接收电路 和两者之间的 耦合通道 。三要
素之间联系如下图所示。
四、噪声的耦合方式
◆ 电容性耦合
～ Zi
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A B
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◆ 互感耦合
NN MIjU ?? UN
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◆ 共阻抗耦合
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◆ 传导耦合
◆ 辐射电磁场耦合
传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它
传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方
式。
大功率的高频电气设备，广播、电视、通
信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪
器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁
场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路
就形成干扰。
第四节 抑制电磁干扰的主要技术及应用
一、抑制电磁干扰的基本方法
o 消除或抑制噪声源
o 破坏干扰的耦合通道
o 消除接收电路对干扰的敏感性
o 采用软件抑制干扰
二、抑制电磁干扰的基本措施
1、屏蔽, 静电屏蔽 ； 电磁屏蔽 ； 低频磁屏蔽
★ 静电屏蔽
+Q +Q+QA A A
B B
★ 电磁屏蔽
ie
Φe ΦN
★ 低频磁屏蔽
2、接地 ★ 接地的目的与作用●保证人身和设备安全的需要
●抑制干扰的需要
★ 地线的种类
●保安地线
●信号源地线
●信号地线
●负载地线
●屏蔽层地线
★ 各种地线的处理原则
●低频电路的一点接地原则
●高频电路的多点接地原则
●强电地线与信号地线分开设置
●模拟信号地线与数字信号地分开设置
★ 接地方法
●埋设铜板
●接地棒
●网状 (辐射状 )地线
3、浮置
又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的
公共线 (即模拟信号地 )不接机壳或大地，测量放大器
与机壳或大地之间无直接联系。浮置的目的在于阻
断干扰电流的通路。
显示测量
RH
RL
RS<0.1Ω
RC<0.1Ω Ecm
1k
1k
～
C1C2
C3
4、对称电路
RS1
RS2
US2
US1
RL1
RL2UN2
UN1
IN2
IN1
UL
IS
5、隔离技术
电路 电路
隔离变压器
～
Ucm
6、滤波
滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻
止某一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波
方式有 无源滤波, 有源滤波 和 数字滤波,它主要
应用于信号滤波和电源滤波。
7、脉冲电路的噪声抑制
脉冲电路的噪声抑制，常采用的方法有利用
积分电路, 脉冲隔离门 及 削波器 等。
三、抗干扰技术的应用
?传输线引入干扰的抑制
?印制电路板的抗干扰
?A/D转换中的抗干扰
?对差模干扰的抑制
?对共模干扰的抑制
?采用软件方法提高 A/D抗干扰能力
?传感器的抗干扰
?负载干扰的抑制
?负载冲击电流的抑制
?感性负载冲击电压的抑制
?电源所致干扰的抑制
?交流电源系统所致干扰的抑制
?直流供电系统干扰的抑制
