第七章 智能仪器设计方法 班 级：测控技术与仪器 授 课：滕召胜.

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1 第七章 智能仪器设计方法 班 级：测控技术与仪器 授 课：滕召胜

2 本章内容： 智能仪器的低功耗设计 智能仪器的抗干扰设计 智能仪器的维修性设计 智能仪器的可靠性设计 智能仪器的工业设计

3 1 智能仪器的低功耗设计

4 1.1 智能仪器的低功耗设计的意义 智能仪器的低功耗设计可以： 提高仪器的可靠性，降低仪器干扰 降低仪器功耗，延长仪器寿命
1.1 智能仪器的低功耗设计的意义 智能仪器的低功耗设计可以： 提高仪器的可靠性，降低仪器干扰 降低仪器功耗，延长仪器寿命 减少能耗，利于环保 减少仪器产生的干扰 减少生产与使用成本

5 1.2 智能仪器低功耗设计原则 选用低功耗传感器 简化仪器功能 设计低功耗电路 采用低功耗器件 单电源、低电压供电 合理选用电池

6 1.3 智能仪器低功耗设计技术 硬件方法 （1）降低电源电压，压缩电路动态范围，降低功耗。 例如LM324的单电源电压工作范围为 5～30V
1.3 智能仪器低功耗设计技术 硬件方法 （1）降低电源电压，压缩电路动态范围，降低功耗。 例如LM324的单电源电压工作范围为 5～30V 电源电压为 5 V时，功耗约为 15 mW； 电源电压为 10 V时，功耗约为 90 mW； 电源电压为 15 V时，功耗约为 220 mW。

7 低电压供电还可以降低计算机的电流消耗。 以Micrichip公司生产的PIC16C71低功耗单片机为例，其单电源电压工作范围为3～6V，在时钟频率 4.0MHz 下： 当电源电压为 3 V时，功耗约为 3 mW； 当电源电压为 6 V时，功耗约为 12 mW。

8 （2）控制大电流器件的工作时间 有的电路设计不可避免地必须使用大电流器件时，这种情况下，应采用软件控制方式，设置开关电路，使大电流的电路单元仅仅在需要其工作的短时间内工作，其余时间处于断电状态。 这种电路设计时需要考虑电路的工作响应时间。

9 （3）降低计算机的时钟频率 权衡计算机的运算速度后，选用较低的时钟频率可以降低电流消耗。 例如，PIC16C71有4种振荡方式：标准晶体/陶瓷振荡器XT、高速晶体/陶瓷振荡器HS（4MHz以上）、低频低功耗振荡LP（32kHz）和低成本阻容振荡RC。当供电电压为5V时： 时钟频率为 4 MHz，功耗约为 10 mW； 时钟频率为 32 kHz，功耗约为 0.15 mW。

10 软件方法 （1） 睡眠方式 使用计算机睡眠方式可以减少计算机的工作时间，从而降低功耗。
智能仪器在不进行测量采样和数据处理时，可让单片机执行一条“SLEEP”指令，进入低功耗模式，此后看门狗定时器（WDT）被清零，重新开始计数，所有I/O口保持原来的状态，振荡停止，此时单片机系统的功耗极低。当有中断命令时，计算机即被“唤醒”，使智能仪器进入工作状态。

11 什么是看门狗（Watchdog Timer，WDT）？
单片机在工作时，都会或多或少的受到各种干扰，可能会使单片机系统的存储器、寄存器发生状态改变，而使其上存储的数据产生错误。 其中以程序计数器PC的情况最为严重，因为PC 每个时钟周期都要被激活一次（或顺序计数或改变整个计数值使程序发生跳转），受干扰的几率多于任何一个寄存器。 干扰的结果通常会导致程序执行的错误。而程序的错误往往会使执行的时间变长。

12 看门狗是一个可控定时器（软件的，硬件的；单片机自带的，外部的)，它的作用是在不受控制的情况下，每隔一段时间就给单片机一个作用信号（高、低电平），使单片机产生复位或中断。像一只狗一样帮你看好系统。
而使用看门狗的单片机系统，通常要在程序的一定位置加入控制看门狗的指令。这样，在程序正常执行时，每隔一段时间（不超过看门狗的定时时间），都会去“关照”看门狗，使看门狗不产生作用信号。

13 程序不正常执行时，看门狗在规定的时间内得不到程序的“关照”，就会在定时时间到的时候产生信号，使单片机复位或中断，转到相应的错误处理程序，继而恢复正常的程序执行
（1）硬件看门狗。就是一个能发出“复位”信号的计数器或定时器电路。 （2）软件看门狗。就是通常所说的软件陷井。在程序存储器的空余地址中全部填上1条跳转指令，一旦程序跑飞，只要程序指针指向这些地址，便立即被强行跳转至程序开头或其他指定地址处，从而使程序继续正常运行。

14 （2）完善软件设计 1）减少A/D转换工作时间； 2）尽量采用中断或DMA采样方式； 3）简化程序设计，减少程序执行时间。

15 2 智能仪器的抗干扰设计

16 2.1 干扰因素 对于智能仪器，干扰主要有： （1）空间辐射干扰； （2）仪器信号通道的干扰； （3）外接电源和仪器电源的干扰；
2.1 干扰因素 对于智能仪器，干扰主要有： （1）空间辐射干扰； （2）仪器信号通道的干扰； （3）外接电源和仪器电源的干扰； （4）仪器内部数字电路引起的干扰。

17 2.2 干扰因素

18 空间辐射干扰 空间辐射干扰是通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰。主要有： 地球大气放电，如雷电； 宇宙干扰，如太阳无线电辐射；
地球大气辐射； 水蒸汽、雨雪、灰砂、烟尘作用的静电放电等自然干扰； 高压输电线、内燃机、荧光灯、电焊机等电气设备产生的放电干扰。

19 电荷如果静止，则为静电。 当电荷向某一方向移动时，便发生了静电放电，产生了电流，电流周围便产生了磁场。 如果电流的方向和大小持续不断变化，就产生了电磁波。 电以各种状态存在，把这些所有状态统称为电磁。

20 空间辐射干扰的特点： 空间辐射源产生的辐射波频率范围广，且无规律。譬如雷电干扰，其频率从 几kHz 到几百MHz 或更高频域。

21 GB 电磁波的波段划分： 100kHz~300kHz：长波或地波，主要沿地球表面绕射传播；

22 300kHz~3MHz：中波，沿地球表面绕射或经电离层反射传播；

23 3MHz~30MHz：短波或天波，主要由电离层反射传播，其次沿地球表面绕射传播；

24 30MHz~300MHz：超短波，主要是自由空间作直线式传播，其次是电离层反射传播和绕射传播 ；
300MHz~300GHz：微波，在自由空间作直线式传播，没有其他形式的传播。

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26 空间辐射干扰的传播途径： 以电磁感应的方式通过智能仪器的壳体、导线、敏感探头等形成接收电路，造成对仪器系统的干扰。

27 信号通道干扰 信号通道干扰主要有： （1）共模干扰：各种信号电流通过仪器电源内阻和公共地线阻抗，都会产生干扰电压，形成共模干扰；

28 数字电路1 数字电路2 模拟电路1 模拟电路2 I2 I1 Z1 Z2

29 （2）静电耦合干扰：电路之间的寄生电容使智能仪器内某一电路信号的变化影响其它电路，形成静电耦合干扰。只要电路中有尖峰信号和脉冲信号等频谱高的信号存在，就有静电耦合干扰存在。因此，智能仪器的计算机部分和高频信号模拟电路是产生静电耦合干扰的直接根源。 （3）传导耦合干扰：传导耦合是指电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线或集总元件（如电容器、变压器等）耦合至接受载体。

30 脉冲信号在传输过程中易出现延时、变形并接收干扰信号，形成传导耦合干扰。
小知识：集总元件 如果实际电路元件或部件的外形尺寸远比通过它的电磁波信号的波长小得多，可以忽略不计，这种元件和部件称为集总元件。 由集总元件构成的电路模型，称集总电路。

31 电源干扰 （1）外接电源干扰 智能仪器如果采用工业用电网络供电，工业系统中的某些大设备的启动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，通过电源内阻耦合到智能仪器的电路。 （2）仪器电源干扰 智能仪器如果采用开关电源，电源电路也会产生干扰信号。

32 数字电路引起的干扰 数字集成电路逻辑门引出的直流电流虽然只有mA级，但当电路处在高速开关时，就会形成较大的干扰。
若门工作时电流5mA，截止状态下为1mA，在5ns（毫微秒）的时间内其电流变化为4mA。如果在配电线上具有0.5μH的电感，当门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为0.4V。

33 2.3 干扰信号的区分 干扰源不同，干扰信号的频域不同，产生干扰的方式不同： 高电压小电流产生的干扰主要是电场干扰；
2.3 干扰信号的区分 干扰源不同，干扰信号的频域不同，产生干扰的方式不同： 高电压小电流产生的干扰主要是电场干扰； 低电压大电流产生的干扰主要是磁场干扰； 当电压或电流的频率较高时，产生辐射电磁场，电场干扰和磁场干扰都必须考虑。

34 2.4 智能仪器抗干扰设计方法 干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接受载体。 三个要素缺少任何一项，干扰都不会产生。 1）干扰源
2.4 智能仪器抗干扰设计方法 干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接受载体。 三个要素缺少任何一项，干扰都不会产生。 1）干扰源 产生干扰信号的设备被称作干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信号。 雷电、太阳和宇宙射线也是干扰源。

35 2）传播途径 传播途径是指干扰信号的传播路径。 电磁信号可在空中直线传播，并具有穿透性地传播——辐射；电磁信号也可借助导线传入设备的传播——传导。 传播途径是干扰扩散、干扰无时不在、无处不在的主要原因。 3）接受载体 接受载体是指受影响的设备的某个环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电气参数。

36 接受载体的接受过程即耦合。如前所述，耦合分为两类：辐射耦合、传导耦合。
辐射耦合指电磁干扰能量通过空间以电磁场形式耦合至接受载体。 传导耦合是指电磁能量以电压或电流的形式通过金属导线或集总元件（如电容器、变压器等）耦合至接受载体。 接受载体若不能感应干扰信号或弱化了干扰信号使其不被干扰影响，就提高了抗干扰的能力。

37 2.4 智能仪器抗干扰设计方法 硬件抗干扰设计措施： 屏蔽 隔离与耦合 布线抗干扰设计 接地 软件抗干扰设计 数字滤波 睡眠与看门狗
2.4 智能仪器抗干扰设计方法 硬件抗干扰设计措施： 屏蔽 隔离与耦合 布线抗干扰设计 接地 软件抗干扰设计 数字滤波 睡眠与看门狗 指令冗余、标志判断

38 电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）包括传导干扰和辐射干扰两种。
传导干扰通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。 辐射干扰是干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。 在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。

39 屏 蔽 屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量的传播。
屏 蔽 屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量的传播。 屏蔽体是为了阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，它可以是导电的、导磁的、介质的或带有非金属吸收填料的。 （1）当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。 （2）当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。 （3）在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体

40 屏蔽前的场强E1 屏蔽后的场强E2 屏蔽体 屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) （dB）

41 屏蔽效能越高，每增加20dB的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要40dB左右的屏蔽效能，而军用设备的机箱一般需要60dB以上的屏蔽效能。
屏蔽效能与场强衰减的关系 屏蔽前场强 屏蔽后的场强 衰减量 屏蔽效能(dB) 1 0.1 0.9 20 0.01 0.99 40 0.001 0.999 60 0.0001 0.9999 80 100 120 屏蔽效能越高，每增加20dB的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要40dB左右的屏蔽效能，而军用设备的机箱一般需要60dB以上的屏蔽效能。

42 电屏蔽 具有空腔的金属导体在静电平衡状态下，不仅导体内部场强为零，且腔内场强也为零，因而置于腔内的物体不受外界电场的影响，这种作用叫静电屏蔽。 导体不接地 导体接地

43 静电屏蔽的一般方法是在电容耦合通道上插入一个接地的金属屏蔽导体。
由于金属屏蔽导体接地，其中的干扰电压为零，从而隔断了电场干扰的原来耦合通道。 C1s C1G C2G V1 Vs

44 载流导体或线圈周围都会产生磁场，如果电流是随时间变化的，则磁场也随时间变化，这变化的磁场会对其他元件或电路造成干扰；
磁屏蔽 载流导体或线圈周围都会产生磁场，如果电流是随时间变化的，则磁场也随时间变化，这变化的磁场会对其他元件或电路造成干扰； 磁场屏蔽，主要依赖高导磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用。 常规屏蔽对低频磁场是无效的，因为低频场的屏蔽取决于反射而不是吸收。由于磁场的波阻抗很低，因此反射损耗很小。因为仅仅是垂直于回路的磁通量分量才感应电压，所以改变源和回路的相对方向也许有一定效果。只有能提供高吸收损耗的材料才可能对磁场屏蔽，例如钢、(金属或玻莫合金。随着频率升高，这些材料的导磁率降低，从而使屏蔽效果降低，而非磁性材料，例如铜或铝变得更加有效。在100kHz附近，它们的屏蔽效能大致相等。高导磁率材料在高场强中还会饱和，经过加工还会损失磁导率。

45 SE = 1 + R0/RS 高导磁率材料的磁旁路效果 H0 Rs H1 R0 R0 Rs H0 H1
屏蔽体越小，屏蔽效能越高。因此在容积足够的前提下，屏蔽体的体积要尽量小。

46 磁屏蔽材料的频率特性 1 5 10 15 波莫合金 金属 镍钢 冷轧钢 kHz r 103

47 电磁屏蔽 电磁屏蔽是对于高频电磁场的屏蔽 电磁波在通过金属材料或对电磁波有衰减作用的阻挡层时，会受到一定程度的衰减，起到电磁屏蔽的作用。

48 趋肤深度

49 电磁屏蔽与静电屏蔽 电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽，而静电屏蔽指的是对静电场的屏蔽。 静电屏蔽要求屏蔽体必须接地。 影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接地与否，而是屏蔽体导电连续性。破坏屏蔽体的导电连续性的因素有屏蔽体上不同部分的接缝、开口等。 电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。

50 智能仪器机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙、通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线……
智能仪器屏蔽体的一些实际问题 智能仪器机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙、通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线…… 通风口 显示窗 键盘 指示灯 电缆插座 调节旋钮 电源线 缝隙 对于实际的屏蔽机箱，屏蔽效能在更大程序上依赖于机箱的结构，即导电连续性。 机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成机箱屏蔽效能下降的主要原因。解决机箱缝隙电磁泄漏的方法是在缝隙处使用电磁密封衬垫。 电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。 　　机箱上开口的电磁泄漏与开口的尺寸、辐射源的特性和辐射源到开口的距离有关。通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离能够满足屏蔽的要求。必要时可以使用截止波导管来达到即有开口又能阻挡电磁波的目的。 　　屏蔽机箱上绝不允许有导线直接穿过。当导线必须穿过机箱时，一定要使用适当的滤波器，或对导线进行适当的屏蔽。

51 缝隙的泄漏 低频起主要作用 高频起主要作用

52 缝隙处理 电磁密封衬垫 缝隙

53 电磁密封衬垫材料 金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的) 导电橡胶(不同导电填充物的) 指形簧片(不同表面涂覆层的)
螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的) 导电布 电磁密封衬垫有一个共同的特点：弹性和导电性。任何具备这个特性的材料都可以作为电磁密封衬垫使用。根据这个要求，现在有各种各样的电磁密封衬垫主要的几种如下： 　　a.导电橡胶：在橡胶中掺入导电颗粒，使这种复合材料既具有橡胶的弹性，又具有金属的导电性。但由于要具有良好的屏蔽性能，需要在橡胶中掺入重量达７５％以上的导电颗粒，这已经破坏了橡胶的结构，实际的导电橡胶已经没有了纯橡胶的弹性好、拉伸强度高等特性。 　　b.双重导电橡胶：与传统的导电橡胶的区别在于，它不是在橡胶所有部分掺入导电颗粒，而仅在橡胶的外层掺入导电颗粒，这样获得的好处是既最大限度地保持了橡胶的弹性，又保证了导电性，是一种新型的屏蔽材料。这种材料的另一个优点是价格低。 　　c.金属编织网套：用金属丝编织成的空心网套。这种材料具有弹性和导电性。 　　d.橡胶芯编织网套：以橡胶为芯的金属编织网套。这种材料由于以弹性很好的橡胶为芯，因此弹性很好并且很耐压。另外由于金属网套具有很好的导电性，因此这种复合材料具有很好的弹性和导电性。 　　e.螺旋管衬垫：用不锈钢或铍铜卷成的螺旋管，具有很好的弹性，同时由于不锈钢和铍铜都是较好的导体，因此满足弹性和导电性的要求。特别是用镀锡铍铜卷成的螺旋管具有很高的导电性，是目前屏蔽效能最高的屏蔽材料。 　　f.指形簧片：用铍铜作成的弹性簧片材料。 　　g.定向金属导电橡胶：在橡胶中填充方向一致的金属丝，利用橡胶的弹性和金属丝的导电性。

54 指形簧片 螺旋管电磁密封衬垫

55 静电屏蔽应具有两个基本要点：完善的屏蔽体、良好的接地。
屏 蔽 要 点 静电屏蔽应具有两个基本要点：完善的屏蔽体、良好的接地。 电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。 实际屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构，即导电的连续性。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。 在控制方法，除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、答接、合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等，有时这些回避和疏导技术简单而巧妙，可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施，收到事半功倍的效果。他们是精明的工程师们经常采用的控制方法。

56 电磁屏蔽材料的种类：导电橡胶、导电布、导电泡棉、导电布胶带、铍青铜指形簧片、金属网丝屏蔽条、金属导电屏蔽胶带、导电涂料、微波吸收材料。
屏 蔽 要 点 解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫、定向金属导电橡胶等。 电磁屏蔽材料的种类：导电橡胶、导电布、导电泡棉、导电布胶带、铍青铜指形簧片、金属网丝屏蔽条、金属导电屏蔽胶带、导电涂料、微波吸收材料。 在控制方法，除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、答接、合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等，有时这些回避和疏导技术简单而巧妙，可以代替成本费用昂贵而质量体积较大的硬件措施，收到事半功倍的效果。他们是精明的工程师们经常采用的控制方法。

57 隔离与耦合 仪器的的单片机与数字电路、脉冲电路、开关电路的接口，可用数字式光电隔离器进行隔离，以切断公共阻抗环路，避免长线感应和共模干扰。
较长的信号传输线可采用屏蔽与光电耦合配合使用的方法。 前级放大和后续放大电路之间可采用光电耦合进行隔离。

58

59 发送 接收 RL VG VS 光耦器件 Cp

60 不共地

61 电路板布线抗干扰 （1）走线原则 为防止长线传输中的窜扰，采用交叉走线。
长线传送时，功率线、载流线和信号线分开，电位线和脉冲线分开。在传送0~50mV小信号时，尤其注意。 电力电缆最好用屏蔽电缆，单独走线，且与信号线不能平行，更不能将电力线与信号线装在同一电缆中。

62 （2）元器件空余输入端的处理 把空余的输入端与使用输入端并联。这种方法简单易行，但增加了前级电路的输出负担。 把空余的输入端通过一个电阻接高电平。这种方法适用于慢速、多干扰的场合。 把空余的输入端悬空，用一反相器接地。这种方法适用于要求严格的场合，但多用了一个组件。

63 （3） 数字电路的去干扰 每个数字集成块的电源端，都要装设高频去耦电容（一般为0.01~0.02µF）。这些电容应充分靠近集成块。 每块印刷板上的电源引进端（输入端）应加10～100µF的去耦电容。 直流配电线的引出端应尽量作成低阻抗传输线。

64 （4）其他抗干扰措施 印制电路板要合理区分。通常可分三区：模拟电路区(怕干扰)，数字电路区(怕干扰、又产生干扰)，功率驱动区（干扰源）。 印刷板按单点接电源、单点接地原则送电。三个区域的电源线、地线由该点分三路引出。噪声元件与非噪声元件要离得远一些。 时钟振荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来。让周围电场趋近于零。

65 I/O驱动器件、功率放大器件尽量靠近印刷板的外边，靠近引出接插件。
能用低速的就不用高速的，高速器件只用在关键的地方。 使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。 石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线要尽量短，且不要引得到处都是。 使用45°的折线布线，不要使用90 °折线，以减小高频信号的发射。

66 单面板、双面板，电源线、地线要尽量的粗。信号线的过孔要尽量少。
4 层板比双面板噪声低20dB。6层板比4层板噪声低10dB。经济条件允许时尽量用多层板。 关键的线尽量短并要尽量粗，并在两边加上保护地。将敏感信号和噪声场带信号通过一条扁带电缆引出的话，要用地线-信号-地线......的方式引出。 石英振荡器下面、噪声敏感器件下面要加大地的面积而不应该走其它信号线。 任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小。

67 时钟线垂直于I/O线比平行于I/O线干扰小，时钟线要远离I/O线。
对A/D类器件，数字部分与模拟部分宁可绕一下也不要交叉。噪声敏感线不要与高速线、大电流线平行。 单片机及其它IC电路，如有多个电源、地端，每端都要加一个去耦电容。 单片机不用的I/O端口要定义成输出。 每个集成电路要加一个去耦电容，要选高频信号好的独石电容或瓷片电容作去耦电容。去耦电容焊在印制电路板上时，引脚要尽量短。

68 从高噪声区来的信号要加滤波。继电器线圈处要加放电二极管。可以用串一个电阻的办法来软化I/O线的跳变沿或提供一定的阻尼。
用大容量的钽电容或聚脂电容而不用电解电容作电路充电的储能电容。因为电解电容分布电感较大，对高频无效。使用电解电容时要与高特性好的去耦电容成对使用。 需要时，电源线、地线上可加用铜线绕制铁氧体而成的高频扼流器件阻断高频噪声的传导。 弱信号引出线、高频、大功率引出电缆要加屏蔽。引出线与地线要绞起来。

69 印刷板过大，或信号线频率过高，使得线上的延迟时间大于等于信号上升时间时，该线要按传输线处理，要加终端匹配电阻。
尽量不要使用IC插座，把IC直接焊在印刷板上，IC插座的引脚间有较大的分布电容。

70 接 地 （1）接地目的 消除仪器各电路电流经一公共地线阻抗时所产生的噪声电压； 避免磁场和地电位差的影响，不使其形成地环路； 避免噪声耦合。
接 地 （1）接地目的 消除仪器各电路电流经一公共地线阻抗时所产生的噪声电压； 避免磁场和地电位差的影响，不使其形成地环路； 避免噪声耦合。 地球是导体，体积非常大，其静电容量也非常大，电位比较恒定，它的电位可以作为基准电位，即零电位。

71 （2）接地分类 保护接地：保护接地是为了避免工作人员因设备的绝缘损坏、或下降时遭受触电危险和保证系统安全而采取的安全措施。 工作接地：工作接地是为了保证系统稳定可靠地运行，防止地环路引起干扰而采取的防干扰措施。 接地阻值应小于10Ω，最好在4～5 Ω之内。

72 地线电位示意图  2mV 10mV ~ 20mV 100mV ~ 200mV 200mV 20mV ~ 100mV 2mV ~ 10mV

73 （3）接地要求 一点接地和多点接地：低频电路中，元件间的电感影响不大，接地电路形成的环路干扰影响大，应以一点作为接地点。高频电路中，地线上具有电感因而增加了地线阻抗，同时各地线之间又产生电感耦合，容易形成干扰，应多点接地。 在超高频时，地线长度应小于25mm，且地线镀银。频率在1MHz以下，可用一点接地；高于10MHz时，应多点接地。在1～10MHz之间，如用一点接地，其地线长度不得超过波长的1/20。否则，应采用多点接地。

74 单点接地 串联单点接地 优点：简单 缺点：公共阻抗耦合 并联单点接地 优点：无公共阻抗耦合 缺点：接地线过多 1 2 3 1 2 3 I1
A B C R1 R2 R3 1 2 3 I1 I2 I3 A B C 串联单点接地 优点：简单 缺点：公共阻抗耦合 并联单点接地 优点：无公共阻抗耦合 缺点：接地线过多

75 串联单点、并联单点混合接地 模拟电路1 模拟电路2 模拟电路3 数字逻辑控制电路 数字信息处理电路 继电器驱动电路 马达驱动电路

76 线路板上的地线 噪声 模拟 数字

77 多点接地 电路1 电路2 电路3 R1 R2 R3 L2 L1 L3

78 混合接地 Rs ~ Vs 地电流 Rs ~ Vs 地环路电流 安全接地 安全接地

79 交流地与信号地：交流地和信号地不能共用 。
浮地：浮地就是将仪器与大地浮置起来，即浮空。仪器与地的绝缘电阻不能小于50MΩ。 数字地：印刷板中的数字地线应做成网状，其他布线不要形成环路，特别是环绕外周的环路。印刷板中的条状线不要长距离平行。 屏蔽地：电场屏蔽解决分布电容问题，接大地；电磁场屏蔽主要避免雷达、短波电台等高频电磁场辐射干扰，屏蔽材料要利用低阻金属材料，最好接大地；磁路屏蔽以封闭式结构为妥，并且接大地 ；

80 高增益放大电路最好用金属罩屏蔽起来。放大电路的寄生电容会使放大电路的输出端到输入端产生反馈通路，易使放大电路产生振荡。将屏蔽体接到放大电路的公共端，将寄生电容短路防止反馈，避免放大电路的振荡。
若电路有一个不接地的信号源和一个接地的（即使不是接大地）放大电路相连，输入端的屏蔽应接至放大电路的公共端。相反，若接地的信号源与不接地的放大器连接，即使信号源接的不是大地，放大电路的输入端也应接到信号源的公共端。

81 （4）接地方法 接地方法主要有埋设铜板法、接地棒法、网状接地法和水管接地法。 1）埋设铜板法 把面积约为1m2，厚为1～2mm的铜板埋在地下1m深处。铜板和导线连接处可以用焊接的方法，也可以在铜板一边剪开10mm左右宽的边条（但不切断），拉出地面作为引线。在铜板上下放上木碳，吸水，以减少接地电阻。埋好填土时，要使铜板正上方地面稍凹一些，这样可以保持雨水，使土质保持潮湿状态。

82 简单的接地用长30～40cm的一头尖的金属棒。除了临时作用外，一般不用这种地线。
2）接地棒法 简单的接地用长30～40cm的一头尖的金属棒。除了临时作用外，一般不用这种地线。 若要长期使用，则用立杆施工方法，钻一个10～30m、直径约6cm的坑洞，将接地导体埋入。由于接地棒和导线的接地部分会受雨露等的影响而氧化腐蚀，所以要求采取防腐措施，例如在铝上涂以阿酪丁（alodine）导电漆或酪酸盐等。对长期使用的接地导体来说，防腐处理是非常重要的。

83 3）网状地线法 将许多段直径为2mm的裸铜线，埋在挖掘成辐射状的沟道中，并且把每根线的一端集束在一起（焊接）作为接地电极。这种方法需要相当大的地方，而且施工量大。地沟约为1m深。这种接地方法适用于较为重要的智能系统。 4）利用给水排水管道作为地线 这种方法简便易行，而且接地电阻也小。但由于在接地线上时有电流流过，因此易引起电化腐蚀。有的水管不全是金属材料，而使用硬乙烯树脂管接头，这种水管就不能作为地线使用。

84 3 智能仪器的维修性设计

85 3.1 维修性设计的定义 维修性是产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到其规定状态的能力。
3.1 维修性设计的定义 维修性是产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到其规定状态的能力。 维修性指的是产品维修的难易程度，它是产品的一种质量特性，是产品设计所赋予的一种固有属性。

86 3.2 维修性设计的必要性 维修性设计具有巨大的经济价值
3.2 维修性设计的必要性 维修性设计具有巨大的经济价值 据美国仪器仪表行业统计，维修性设计的投入与产品的后期效益比约为150，即投入1美圆的改进维修性设计费用，可以取得50美圆的间接效益。 维修性设计是产品质量的重要保证 为保证产品质量，失效后的智能仪器必须具有便于维修，并能恢复产品性能的能力，即具有良好的维修性。

87 智能仪器维修性设计的任务是，一旦仪器发生故障，能尽可能地维修好，最好在出现故障前就能够预先发现故障隐患，通过预防维修消除隐患，从而提高仪器的可靠性。

88 维修性设计是工作效率的重要保证 智能仪器的正常与否，直接关系到使用单位和使用人员的工作效率。为保证用户的工作效率，智能仪器必须工作可靠，在发生故障后维修简便，能很快恢复正常工作状态。 维修性设计是保障仪器维修性的关键 智能仪器的设计一旦完成，其固有维修性便确定下来，生产、管理和售后服务都只能起保障作用。

89 因此，智能仪器的维修性设计重点应放在仪器的设计阶段，遵循预防为主、早期投入的原则，完善设计方案，改进、消除元器件、电路、材料、工艺的隐患与薄弱环节，保证和提高智能仪器的固有可靠性和维修性。

90 3.3 智能仪器维修性设计原则 （1）通用化、标准化、模块化设计原则
3.3 智能仪器维修性设计原则 （1）通用化、标准化、模块化设计原则 通用化、标准化、模块化设计有利于提高产品的互换性，降低产品成本，简化生产工艺，便于维修过程中的拆、拼、换、装，提高产品的维修速度和维修质量。 （2）简化电路设计原则 简化设计有利于智能仪器维修过程中的检查、分析、判断和故障排除。简化电路设计，尽量用软件实现仪器功能，可以大大降低智能仪器的生产成本，有效地提高仪器的可靠性，减少失效。

91 （3）维修可达性设计原则 所谓维修可达性，是指产品维修时，能够迅速方便地达到维修部位的特性。 进行巧妙、合理的结构设计，可以使智能仪器检查、装拆方便，维修迅速。因此，维修可达性设计是产品设计时应当考虑的内容。 （4）易损件的易换性设计原则 仪器中有一部分零部件（如电池、保险管等）属于易损件，需要经常代换。在仪器设计时，易损件应设法采用机壳外设加盖窗口的安装方法，使易损件在代换时不必打开仪器机壳，更换方便。

92 （5）贵重件的可修复性设计原则 仪器的关键零部件、贵重零部件如传感器、信号传输线、电路板等，具有其特殊性，使用失效后不易找到通用件或标准件代换。关键、贵重零部件应具有可修复性，失效后可调整、修复至正常状态，以便降低仪器的维修费用，减少维修时间，提高维修效率。

93 （6）测试性设计原则 智能仪器的测试性是指仪器能够及时而准确地确定其工作状态，并隔离其内部故障的一种设计特性。测试性设计有利于维修过程中故障检诊断，提高维修效率，为改进产品设计提供依据。

94 （7）其他设计原则 低功耗设计有利于延长电池供电时间，延长元器件的使用寿命，提高仪器的可靠性。 电路设计充分考虑温度、湿度等环境因素影响，保证一定的工作裕量和可靠性裕量，有利于提高仪器的维修性。 选择性能稳定、可靠性高、技术成熟、采购方便、供货周期短的零部件和元器件，是提高仪器维修性的重要原则。

95 3.4 智能仪器维修性设计方法 （1）硬件维修性设计方法 合理选用元器件 设置仪器故障自检功能 预留测试点 采用组合部件 给出预防维修提示
3.4 智能仪器维修性设计方法 （1）硬件维修性设计方法 合理选用元器件 设置仪器故障自检功能 预留测试点 采用组合部件 给出预防维修提示 增加仪器的自校功能

96 （2）软件维修性设计方法 智能仪器的程序存在弹飞、进入死循环、死机等故障现象，其可靠性设计是保证仪器可靠工作的重要内容。智能仪器可采用睡眠方式、看门狗定时器、标志设置等方法，提高软件运行的可靠性。 对于无法运行的软件故障，一般采用更换程序存储器件的方法排除。智能仪器中的程序存储器件宜采用插座安装，以便取拔、更换。

97 （3）简单故障用户排除指南 智能仪器的使用说明书中，可列出仪器可能出现的简单故障，给出排除（维修）方法，如更换电池、检查接地、清洁传感器等。 仪器的包装中，最好配备少量的易损件，如电池、灯泡等，方便用户更换。此外，要说明易损件的规格型号和质量要求。

98 4 智能仪器的可靠性设计

99 4.1 可靠性设计的必要性 可靠性是产品在规定条件下和规定时间内，完成所规定功能的能力。
4.1 可靠性设计的必要性 可靠性是产品在规定条件下和规定时间内，完成所规定功能的能力。 在导致产品不可靠的原因中，设计约占70%，元器件、制造工艺、环境、使用等因素约占30%。其中相当一部分还是由于设计不合理引起的。因此，产品的可靠性保障重点在设计阶段。 通过完善的设计，改进、消除隐患与薄弱环节，在技术指标与经济指标之间进行综合平衡，达到仪器的最佳设计。

100 4.2 智能仪器可靠性设计原则 （1）简洁化设计原则
4.2 智能仪器可靠性设计原则 （1）简洁化设计原则 在满足仪器必须功能的基础上，简化仪器功能，简化仪器电路，有利于提高产品的可靠性，而且有利于降低仪器的功耗。 将定型的仪器电路做成专用芯片或厚膜电路，可大大提高可靠性，简化生产工艺。

101 （2）低功耗设计原则 采用低功耗、微功耗器件、设计低功耗电路，有利于提高仪器的可靠性，减少失效。 （3）易操作设计原则 智能仪器在设计时，应根据仪器的使用环境和使用条件，考虑仪器的易操作设计，避免误操作，提高仪器的可靠性。

102 （4）抗干扰设计原则 抗干扰设计是提高仪器工作性能的重要内容，是保障仪器可靠性的关键环节。 （5）其他设计原则 元器件应选用时注意性能稳定、可靠性高、技术成熟、采购方便、供货周期短。 电路设计应考虑温度、湿度、粉尘、振动等环境影响，保证一定的工作裕量。

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105 维修 费用 可靠率 总费用 使用费用 可靠率与经济性的关系

106 4.3 智能仪器可靠性设计方法 （1）硬件可靠性设计方法
4.3 智能仪器可靠性设计方法 （1）硬件可靠性设计方法 电源设计：要求测量精度高的仪器可选用线性电源供电；要求电源适应范围宽的仪器可选用开关电源供电；便携式智能仪器应选用充电电池或干电池供电。 抗干扰设计

107 元器件的选用 固定电阻器尽量选用金属膜电阻，精度与稳定性要求高可选用线绕电阻； 电容主要选用陶瓷电容、独石电容和铝电解电容，精度与稳定性要求高可选用固体钽电容。 电位器可选用金属陶瓷多圈电位器。 显示器宜选用LCD

108 5 智能仪器的工业设计

109 国产电子天平

110 国产电子天平

111 进口电子天平

112 电子天平比较

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116 5.1 工业设计的定义 工业设计是产品技术功能设计和美学设计的有机结合与统一，是人机工程学、技术美学、经济学、心理学和现代科技发展的综合产物。 智能仪器的工业设计更应从人体工程学与技术美学的角度充分考虑，它与企业文化、产品特征、使用环境密切相关。

117 5.2 智能仪器工业设计的必要性 工业设计直接影响使用人员的操作舒适感、读数准确性和视觉疲劳度。
5.2 智能仪器工业设计的必要性 工业设计直接影响使用人员的操作舒适感、读数准确性和视觉疲劳度。 产品的市场竞争力取决于产品性能、外观创意、销售价格和售后服务等几方面因素。

118 5.3 智能仪器工业设计原则 智能仪器的工业设计应坚持实用、经济、美观的原则，使仪器在节省造价的前提下，实现悦目、精致、独特、雅观的外形设计。 （1）实用性设计原则 仪器的功能设计要体现出功能的科学性与先进性，同时要具有操作合理性、使用可靠性和维修可行性。 在满足仪器必需功能的基础上，简化设计，可以提高仪器的可靠性，有利于仪器的工业设计。

119 考虑仪器的易操作设计，避免误操作，提高产品的使用可靠性。
智能仪器的外观应反映仪器精确的计量性能，切忌方头大脑、粗糙笨拙的外观设计。 （2）造型美设计原则 智能仪器的美观是仪器的形式美、结构美、工艺美、材质美和风格美的协调统一。 设计人员通过实际操作和学习、交流，逐渐具有创造美、创造价值的能力。 设计人员应有敏锐的视觉判断力，在仪器的造型设计中，充分考虑工艺可行性和市场流行需求。

120 （3）低成本设计原则 必须用价值工程理论来指导智能仪器的工业设计，在满足产品性能要求的前提下，降低制造成本，以尽量少的财力、人力和物力支出，产生尽量大的利润空间。 低成本设计的一个重要措施就是产品的通用化、标准化设计。尽可能采用通用、标准部件与元器件，有利于降低产品成本，简化生产工艺，提高产品的可靠性与维修性。

121 （4）绿色设计原则 要充分考虑到环境效益，尽量减少对环境的破坏。材料选择与工艺过程既要考虑尽量减少物质和能源消耗，减少三废排放，又要使不合格产品、报废产品能够方便地拆卸并分类回收，实现废旧材料的再生利用。 国际上目前掀起追求极端简单的工业设计热潮。将智能仪器的造型化简到极致，创造简洁、实用、自然、充满人情味和个性的产品。

122 5.4 智能仪器工业设计方法 （1）色彩选定 智能仪器的色彩表现要与仪器的功能及使用环境协调，配色与视觉效果的需求应一致，给操作者以精致、典雅、舒适的感觉。 智能仪器应尽量采用低纯度冷色。低纯度冷色给人以雅致、沉静、温柔感。

123 不同国家和地区对色彩的偏爱和禁忌 在中国、东南亚、非洲和欧洲的大部分国家，智能仪器最好不采用黑色； 摩洛哥、瑞典偏爱黑色；
在中东地区，智能仪器不能采用灰色； 北欧洲和南美一些国家喜欢红色； 中东地区的国家、多哥、乍得、土耳其、罗马尼亚等国喜欢白色； 日本人禁忌绿色。

124 不同国家和地区对色彩的偏爱和禁忌 法国人视鲜艳色彩为高贵，认为蓝色是“宁静”和“忠诚”的色彩，粉红色是积极向上的色彩，厌恶墨绿色；
荷兰人视橙色为活泼色彩，橙色和蓝色代表国家的色彩； 丹麦人视红、白、蓝色为吉祥色； 意大利人视紫色为消极色彩，喜好用浅淡色彩、鲜明色彩； 大多数美国人喜欢白色 。

125 （2）商标设计 商标主要由文字或图案设计而成，设计应新颖、简洁，有优美的动感，让人产生悦目感，印象深刻。 商标设计应符合生产企业的环境、历史、特点、企业文化、产品特征和商标选材与制造工艺。商标要处于智能仪器面板的显要位置，印刷、镶嵌、粘贴均可，目前常在加工仪器塑料外壳时丝印而成。

126 商标设计中的禁忌 伊斯兰教地区禁忌猪的图案 ；《古兰经》讲：“人们啊，你们应食地面上合义的、清洁的食物”，又说：“禁止你们吃自死物、血液、猪肉，以及诵非真主之名而宰割之动物。” 日本禁忌使用荷花图案，喜欢樱花、松、竹、梅、鸭子、乌龟等，对装饰有狐狸、獾图案的东西甚为反感； 英国商标上忌用人物肖像、大象、山羊图案，却喜好白猫；视孔雀为恶鸟，视马为勇敢的象征。 东南亚偏爱大象。

127 商标设计中的禁忌 瑞士人忌讳猫头鹰； 荷兰人钟爱郁金香； 德国禁用类似纳粹军团符号做标记；
法国禁忌使用菊花图案，视马为勇敢的象征；忌讳核桃，厌恶墨绿色，忌用黑桃图案，商标上忌用菊花。法国人还视孔雀为恶鸟，并忌讳仙鹤、乌龟，认为杜鹃花、纸花不吉利。 瑞士人忌讳猫头鹰； 荷兰人钟爱郁金香； 德国禁用类似纳粹军团符号做标记； 阿拉伯国家禁用六角星图案，因为六角星与以色列国旗上的图案相似； 利比亚禁止使用猪的图案和女性人体图案。

128 商标设计中的禁忌 欧洲除比利时视猫为不祥之物外，大都喜欢黑色猫； 国际上视三角形为警告性标志，所以忌用三角形做出口产品的商标；
美国人偏爱山楂花与玫瑰花；大多喜欢狗；驴代表坚强，象代表稳重，分别是共和党和民主党的标志；白头雕是美国人最珍爱的飞禽，还是美国国徽的主要图案；蝙蝠被视为吸血鬼与凶神，令美国人反感；美国的国石是蓝宝石。

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130 （3）人机工程学设计 智能仪器人机工程学设计的目的是根据人的特征进行仪器的造型设计，使仪器符合人体功能要求和环境条件，能舒适、方便地进行操作使用。 “人”即仪器的操作使用者；“机器”即仪器；“环境”则是智能仪器的工作环境，包括温湿度、气压、照明、辐射、振动、噪声、粉尘、有毒气体等。

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135 多谢！