现代电子系统设计的课件.ppt

1、第7章 电子系统的实现1.电子系统的主要干扰形式2.常见的硬件及软件抗干扰措施3.电子系统的装配与调试。1.概述概述 o 从理论设计到符合要求的实际装置还要经过一系列的工作，在当前的实验室条件下，这一系列工作包括：模拟仿真模拟仿真部分电路的可编程器件实现部分电路的可编程器件实现硬件安硬件安排、印刷电路板设计排、印刷电路板设计部件的安装与调试部件的安装与调试修改、修改、重新审定某些部件的方案重新审定某些部件的方案系统联调系统联调修改、重修改、重新审定系统方案新审定系统方案指标测试指标测试撰写设计总结报告撰写设计总结报告o 对于准备投产的正式产品，还要进行：草样评审草样评审修改设计的技术要求和系统

2、方案修改设计的技术要求和系统方案重新进行电路板重新进行电路板的修改的修改安装、调试各部件安装、调试各部件系统联调系统联调进行进行各种例行试验，测试系统在极限条件下的各项指标各种例行试验，测试系统在极限条件下的各项指标完成正样评审设计报告完成正样评审设计报告正样评审正样评审小批量生小批量生产的技术准备产的技术准备小批量生产小批量生产大批量生产大批量生产 理论与实际出现偏差的重要原因o 理论与实际出现偏差的重要原因是：客观世界存在有电场、磁场和交变电磁场的干扰，其表现形式是以分布电容、分布电感，以及交扰（串扰）和空间干扰等形式表现，另外还有公共回路阻抗耦合造成的干扰，其表现形式主要是通过电源内阻、

3、电源线及地线阻抗上的耦合造成的干扰，以及信号传输时由于传输线特性引起的信号畸变、衰减、交抗以及延迟等影响。理论和实际的差别理论和实际的差别o 首先表现在理论计算中的公式有一些有近似或限制以及某些器件或电路的模型因简化而与实际不完全相符，从而得出的结果与实际不完全符合。o 其次是许多实际器件的参数与手册中的平均参数有一定差别。o 更重要的是因为客观世界的干扰与影响无处不在，它们对不同的电子系统、同一电子系统的不同部位影响也不一样，必须对具体问题进行具体分析与解决。7.2 电子系统的抗干扰设计电子系统的抗干扰设计o 一般在工作的开始就必须将干扰抑制措施设计进产品，这一般包含四个步骤的过程：n 了解

4、干扰的类型和来源；n 在设计电路时尽量消除或减少这些干扰对系统的影响；n 设计线路板、导线的结构尽量消除这些问题，必要时，使用干扰抑制器件；n 将系统分成模块调试，保证每个子系统组装正确无误、工作正常，在进行进一步组装前不会有任何问题。7.2.1 电子系统的主要干扰形式电子系统的主要干扰形式o 1.空间干扰空间干扰n 空间干扰主要指电磁场在线路、导体、壳体上空间干扰主要指电磁场在线路、导体、壳体上的辐射而引起的噪声吸收与调制。的辐射而引起的噪声吸收与调制。n 空间干扰都通过电磁波辐射窜入系统后传导于空间干扰都通过电磁波辐射窜入系统后传导于与系统相连接的导线。与系统相连接的导线。n 不过空间干扰

5、可用良好的屏蔽与正确接地、高不过空间干扰可用良好的屏蔽与正确接地、高频滤波加以解决，故电子系统中应重点防止供频滤波加以解决，故电子系统中应重点防止供电系统与过程通道的干扰。电系统与过程通道的干扰。7.2.1 电子系统的主要干扰形式电子系统的主要干扰形式o 2.过程通道干扰过程通道干扰 n 过程通道是电子系统利用前向通道、后向通道和相互通道进行信息传输的路径。n 在过程通道的设计中假设电阻、电容和电感是线性的。然而，在实际中所有的器件都有寄生电阻、寄生电容、寄生电感。这些寄生参数在低频时通常无关紧要，但是在高频时这些器件阻抗发生偏移从而产生自谐振。为了避免较大的阻抗偏移，我们要使这些器件的谐振频

6、率远高于电路的工作频率。7.2.1 电子系统的主要干扰形式电子系统的主要干扰形式o 2.过程通道干扰过程通道干扰 n在过程通道中长线传输的干扰是主要因素之一。随着系统主振频率愈来愈高，过程通道的长线传输愈来愈不可避免。例如，按照经验公式计算，当计算机主振频率为lMHz时，传输大于0.5m或主振为4MHz时，传输线大于0.3m，即作为长线传输处理。n电子系统中，传输线上的信息多为脉冲波，它在传输线上传输时会出现延时、畸变、衰减、与通道干扰耦合（交扰），还可能接收来自空间电磁场的干扰。为了保证长线传输的可靠性，主要措施有光电耦合隔离、双绞线传输等。7.2.1 电子系统的主要干扰形式电子系统的主要干

7、扰形式o 3.供电系统干扰供电系统干扰n任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声于扰。如果没有内阻存在，无论何种噪声都会被电源短路吸收，在线路中不会建立起任何干扰电压。n过压、欠压、停电的危害是显而易见的轻则使系统运行异常，重则损坏系统。解决的办法是电源中加人交流稳压器，用来保证供电的稳定性，防止电源系统的过压与欠压，有利于提高整个系统的可靠性。对付省短时间的停电则配置不间断电源UPS。n供电系统干扰问题可以通过稳压、隔离、滤波等措施加以解决。7.2.2 电子系统抗干扰设计电子系统抗干扰设计o 电子系统的抗干扰设计可以从硬件和软件两方面着手。o 软件抗干扰措施虽然使用灵活、

8、成本低廉，但增加了软件编程工作量和CPU运行时间，而且对于某些干扰也难以消除，因此在系统抗干扰设计时应将软、硬件抗干扰措施有机地结合起来。7.2.2.1硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施（1）切断来自电源的干扰n 交流稳压、隔离、滤波、直流稳压及各种去耦（2）切断来自过程通道的干扰n 模拟信号用隔离放大器n 数字信号用光电耦合器隔离n 模拟地和数字地分开n 用电流传输代替电压传输n 采用双绞线或同轴电缆传输n 长线传输的阻抗匹配（3）抑制空间干扰n 加大印刷板间的间隔，加大导线间、元器件间的间隔，导线之间添加接地线等n 敏感部件远离开关功率源n 长线传输使用同轴电缆或屏蔽线n 使用金属机壳并接地屏蔽

9、（4）印刷电路板的抗干扰设计o 正确的接地与屏蔽可以解决大部分的干扰问题。n(a)单点接地与多点接地选择。在低频电路中，导线与元器件问的电感影响较小，而接地电路中的环流引起的干扰对系统影响较大，因而采用一点接地；在高频电路中，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地法。n(b)数字信号地与模拟信号地分开连接，最终单点相连，消除地电路经过公共阻抗而产生的干扰。n(c)接地线尽量加粗，尽可能减小地线阻抗，从而减小因公共阻抗耦合而产生的干扰。n(d)将数字地做成闭合的网格，可以降低各元器件之间的地线电位差，能明显提高抗干扰能力 o 电源线布置n 除了要根据电流的大小尽量加大线条宽

10、度外，还可以利用电源线高频阻抗小的特点，将它与逻辑信号线平行布线平行布线，以起到与地线相似的隔离作用，但电源线应远离敏感信号线电源线应远离敏感信号线，以减少干扰。o 配置去耦电容n 在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容是印刷电路板设计的一项常规做法，它包括以下几个方面：o(a)在电路板电源输入端跨接一个0100F(或更大)的电解电容，消除电源中的低频干扰。o(b)在每个关键集成电路芯片的电源输入端跨接一个0.01F的陶瓷电容或钽电容，消除电源中的高频干扰。o(c)去耦电容的引线不能太长，特别是高频旁路电容不能有长引线。o 印刷电路板尺寸与器件布置n 印刷电路板过大时，印刷线条长，阻抗增加，不

11、仅抗干扰能力下降，而且成本提高；过小，则散热不好，且易受邻近线条干扰。因此，印刷电路板尺寸要适中。器件布置应遵循以下原则：器件布置应遵循以下原则：o(a)相关器件应尽量放得靠近些。例如晶振晶振和和CPU的时钟信号输入端应相互靠近些的时钟信号输入端应相互靠近些。o(b)远离易产生噪声的器件。例如信号线与信号线与其他器件应尽量远离晶振其他器件应尽量远离晶振。o(c)逻辑电路应远离大电流噪声电路。例如控制电路与驱动电路应分板制作控制电路与驱动电路应分板制作。7.2.2.2软件抗干扰措施软件抗干扰措施o 软件抗干扰问题的研究已愈来愈引起人们的重视。在电子系统中常用的软件抗干扰措施有以下几种：n数字滤波

12、o 程序判断滤波o 中值滤波o 算术平均滤波法o 比较舍取法o 一阶递推数字滤波o 加权平均滤波o 复合滤波其他软件抗干扰措施o 设置自检程序o 软件冗余o 设置监视定时器o 设置软件陷阱o 利用复位指令o 软件抗干扰措施，它与硬件抗干扰措施相比，可以可以不增加任何硬件设备，一既降低了系统成本又提高不增加任何硬件设备，一既降低了系统成本又提高了系统的可靠性了系统的可靠性。同时，由于软件抗干扰措施增减增减方便方便，并且可以随时改变选择的算法或改变参数可以随时改变选择的算法或改变参数，因此在电子系统中得到了广泛使用。但是，由于软件抗干扰措施需要增加需要增加CPU的运行时间的运行时间，因此在某些对速

13、度要求较高的应用场合往往不能采用或很对速度要求较高的应用场合往往不能采用或很少采用少采用。同时，软件抗干扰措施对于某些干扰也难以奏效，不可能完全取代硬件抗干扰措施，o 因此设计者应根据实际情况权衡利弊，选择使用各种软、硬件抗干扰措施。7.3 电子系统的装配与调试电子系统的装配与调试 o 7.3.1 电子系统的装配电子系统的装配o 电子系统的装配包括系统的硬件安排、印刷电路板设计、元件焊接、整机连接等工作。n1 硬件安排硬件安排o 硬件安排包括系统整机结构(框架或机架)、面板配置、印刷电路板分配、连接方法等。n2印刷电路板设计印刷电路板设计o 核心问题是正确地进行印刷电路板的布局n3元器件焊接元

14、器件焊接o 元器件焊接首要的是防止虚焊及错焊。n4整机连接与过流过压保护整机连接与过流过压保护7.3.2 电子系统的调试电子系统的调试o调试的目标是将装配好的电子系统运行起来，使它的功能基本达到要求。n1电路板、连接线与元器件检查电路板、连接线与元器件检查n2静态检查静态检查o静态检查的目的是保证全机各电路板及整机直流电路处于正常状态。n3动态检查与调试动态检查与调试o动态检查与调试的目的是使全机各子系统处于正常运行状态，主要技术指标基本达到预定要求(但并未全部达标)，以保证尔后进行的系统联调及指标测试顺利实现。n4系统功能联试系统功能联试o系统功能联试的目的是使整个系统正常运行起来，并能达到

15、预定要求，同时各项技术指标基本上满足要求，为指标测试提供条件。7.3.3 指标测试指标测试o 指标测试是在系统功能联试之后，技术指标与功能基本满足要求条件下进行的。指标测试的目标是正确测量出系统的各项指标，并与设计要求相对比，以检查系统是否达到设计要求。7.4设计报告与总结报告的编写设计报告与总结报告的编写 o 设计报告与总结报告的编写是培养学生的科学性、系统性及正确表达与概括能力的不可缺少的过程，是科技论文写作训练的重要环节。设计报告是设计工作的起点，又是设计全过程的总结；是设计思想的归纳，又是设计结果的总汇。它全面反映了设计人员的设计思路、设计深度、广度以及优劣情况。从设计报告中可以看出设

16、计人员的知识水平和层次。所以，对一个设计来讲，设计报告的编写是一个至关重要的问题。从另一个方面来讲，通过设计报告的编写还可以进一步发现前一阶段设计中的缺点及错误，从而找到进一步提高设计质量的途径。7.4.1 设计报告的编写设计报告的编写o 设计报告是设计全过程的总结，因此设计报告编写的内容次序应与设计过程相一致。它们可能是：审审题，选方案，细化方框图，设计关键单元电路，画题，选方案，细化方框图，设计关键单元电路，画出受控模块框图，设计控制电路，编写应用程序及出受控模块框图，设计控制电路，编写应用程序及管理程序，全机时序设计、关键部位波形分析以及管理程序，全机时序设计、关键部位波形分析以及计算机

17、辅助设计成果，画出整机电路图、面板图以计算机辅助设计成果，画出整机电路图、面板图以及必要的波形图，列出参考资料目录。及必要的波形图，列出参考资料目录。根据不同设计内容可编写不同报告，如对于纯硬件电路就不必编写有关软件内容。再譬如整个电路的速度较低时，则可以不作时序设计等。7.4.2 总结报告的编写总结报告的编写 o 总结报告是在完成样机测试并合格后进行的工作总结，是理论与实际相结合的产物。因此总结报告与设计报告的主要差别是它应概括实际测试的全过程。总结报告的内容包括：测试方法的选择，测试数据及结果分析与处理，电路或系统方案修改的说明，最后结果(电路图、文字、图表、曲线、程序及测试结论)，系统功能改进方向，等等。