Содержание
Введение
1. Выбор иобоснование схемы электрической принципиальной
2. Основныеопределения теории надежности
3. Количественные характеристикитеории надежности
4. Расчеты надежностипри проектировании РЭА
Спецификация
Литература
Введение
Полупроводниковая электроника –прогрессирующая область науки и техники. Уже в первом десятилетии с моментаизобретение транзисторов полупроводниковые приборы нашли широкое применение всамой разнообразной аппаратуре, основательно потеснив вакуумные лампы. Это былосвязанно с их преимуществом перед последними, такими как малая потребляемаямощность, отсутствие цепей накала, миниатюрное конструктивное исполнение,высокая механическая прочность и практически мгновенная готовность к работе,что позволило коренным образом изменить внешний облик и функциональныевозможности аппаратуры. Существенно уменьшились ее габаритные размеры и энергоемкость.В частности, широкое распространение получили малогабаритные переносныерадиоприемники, магнитофоны, телевизоры с батарейным питанием. Неизмериморасширились возможности вычислительной техники: резко возросла вычислительнаямощь и быстродействие ЭВМ при значительном снижении габаритных размеров иэнергопотребления. Благодаря дискретным полупроводниковым приборам, аппаратурауверенно шагнула на борт самолета, ракеты, проникла в космос, все больше ибольше принимая на себя функции управления процессами и различными объектами,являющийся ранее безраздельной областью деятельности человека.
Наибольшеераспространение в первую очередь получили цифровые (логические) интегральныемикросхемы и схемы памяти, так как их схемотехника основывается на бистабильныхпереключательных элементах, которые сравнительно легко реализуются втвердотельном исполнении. Сложнее оказалось положение дел с линейнымиинтегральными схемами ввиду существенных ограничений, присущих монолитныминтегральным микросхемам, обусловленных наличием паразитных связей черезподложку, дискретностью сходных материалов, нестабильность усилительных ишумовых характеристик активных элементов схемы, ограниченным диапазономноминалов твердотельных резисторов, конденсаторов, а также отсутствием твердотельныхиндуктивностей.
Внедрениеполупроводниковых приборов и интегральных микросхем в радиоэлектроннуюаппаратуру проходило в условиях преодоления существенных трудностей. Одной изосновных при этом была проблема обеспечения высокой надежности функционированияприборов в аппаратуре. Теоретически долговечность идеального полупроводниковогоприбора исчислялась несколькими сотнями лет. И такое прогнозирование следуетсчитать обоснованием, так как оно базируется на том, что долговечность прибора,в котором отсутствует движущиеся механические части и в качестве активнойобласти используется твердый полупроводник, определяется в основномизносостойкостью конструкционных материалов и скорость деградационныхфизико-химических процессов, стимулируемых прохождением тока через прибор ифакторами внешних воздействий. На практике столь многообещающие прогнозы неподтвердились. Реальные полупроводниковые приборы, пришедшие на смену лампам,имели сравнительно низкую долговечность и выходили из строя.
Возникновение проблемынадежности в электроники относят к началу пятидесятых годов, когда развитиетехники привело к созданию сложной радиоэлектронной аппаратуры и передачи ейосновных функций управления. В этот период специалисты столкнулись с оченьчастыми отказами аппаратуры и, в первую очередь, за счет ее схемотехническогонесовершенства и некачественных элементов. Для преодоления создавшихсятрудностей необходим был научно обоснованный подход к обеспечению высокойработоспособности различной аппаратуры и приборов в нее входящих. Этот подход ивылился в создание нового научно направления – науки о надежности.
Основные положения общейтеории надежности являются фундаментом для разработки прикладных вопросовнадежности в различных областях техники, в том числе и в полупроводниковойэлектронике.
Большой объем работ,направленных на повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральныхмикросхем, у нас в стране и за рубежом, и достигнутые успехи в этой областиобеспечивают в большинстве случаев функционирование приборов в эксплуатации снадежностью, характеризуемой интенсивностью отказов. Однако постоянный ростсложности радиоэлектронной аппаратуры, расширение выполняемых ею управляющихфункций выдвигают все более жесткие требования к комплектующим изделиям. Это всвою очередь стимулирует расширение фронта работ в области надежности ивызывает необходимость периодического обобщения получаемых результатов.
Материальной основой всейсистемы является подсистема сбора данных о надежности и анализ отказов приборовна всех этапах их жизненного цикла. Согласованность всех составляющих системыобеспечения надежности, постоянное совершенствование организационных основсистемы должно идти в ногу с прогрессом в области полупроводниковойэлектроники.
1. Выбор иобоснование схемы электрической структурной
Блок преобразования кодов предназначен для преобразованиядвоично-десятичного кода технологических программ в двоичный код и обратноепреобразование двоичного кода в двоично-десятичный с целью полученияоткорректированных перфолент и дубликатов с помощью перфоратора ПЛ.
Блок состоит изсубблоков:
SB-443 3.082.443 Э3 – интерфейс;
SB-442 3.082.442 Э3 – общая частьпреобразователя;
SB-441 3.082.441 Э3 – преобразование издвоичного кода в двоично-десятичный (2/2-10);
SB-440 3.082.440 Э3 – преобразование издвоично-десятичного кода в двоичный (2-10/2).
ЦП осуществляетуправление блоком через регистры, которые имеют адреса:
166620 –РС;
166622 – РД 1 слово;
166624 – РД 2 слово;
Формат РС, разряды:
21 –преобразование 2-10/2, пишется, читается ЦП;
22 –преобразование 2/2-10, пишется, читается ЦП;
Обмен данными между ЦП иблоком осуществляется посредством программных операций.
Поскольку блок БПК и блокумножения имеют один интерфейс, то обращение к блокам определяется разрядомадреса АО4. Для БПК разряд АО4 равен единице, для блока умножения – нулю.
Адреса регистров БПК,пройдя через шинные формирователи (микросхемы D1 — D4),расшифровываются в СА (микросхемы D9, D10, D15) и запоминаются в регистре адреса РА (микросхемы D11, D12 субблока SB-443).
Управляющие сигналы «А00– А04», «БАЙТ», «ВЫВОД» поступают на общую ячейку преобразователя кодов ииспользуются для записи информации в РД (микросхемы D5 – D11) иРС (микросхемы D13, D14).
Информация с регистров РДможет читаться ЦП.
Данные с РД поступают в преобразователи кодов, где взависимости от вида преобразования, определяемого состоянием разрядов РС,происходит преобразование кодов.
2. Основные определения теориинадежности
Вся промышленнаяпродукция, в том числе полупроводниковые приборы и интегральные микросхемыхарактеризуются таким параметром как качество, представляющий собойсовокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворятьопределенные потребности в соответствии с назначением.
Свойства продукцииделятся на простые и сложные. Надежность определяется одним из фундаментальныхсложных свойств продукции и определяется как свойство объекта сохранять вовремени, в установленных приделах, характеризующее способность выполнятьтребуемые функции в данных режимах и условиях применения техническогообслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.
Для описания конкретного приборапользуются понятиями исправного и работоспособного состояния. Под исправнымиподразумевается состояние прибора, при котором он соответствует всем требованиямнормативной или конструктивной документации.
Работоспособность такое состояние,при котором все параметры, которые характеризует способность прибора выполнятьзаданные функции соответствуют нормативно-технической или конструкторскойдокументации, способным выполнять основные функции в данном состоянии, либоповреждения, не влияющие на электрические параметры (нарушение маркировки,сколы, царапины, вмятины на корпусе).
Фундаментальным понятиемтеории надежности является определение отказа, как события, заключающегося внарушении работоспособного состояния. При этом под нарушением работоспособногосостояния понимается либо внезапное прекращение функционирования прибора, либозначительные изменения электрических параметров. Характеристикой прибора, связаннойс его эксплуатацией является наработка, представляющая собой продолжительностьобъема работы прибора. Наработка измеряется в часах. Наработка прибора в часахот начала эксплуатации до наступления предельного состояния называюттехническим ресурсом. Календарная продолжительность от начала эксплуатации донаступления предельного состояния называют сроком службы. Под безотказностьюпонимают свойство прибора непрерывно сохранять работоспособное состояние втечении некоторого времени или некоторой наработки.
Из этого следует, чтоданное свойство отражает основное содержание надежности, так как главноеназначение любого прибора, используемого по прямому назначению исправновыполнять предназначенные ему функции в течении определенного промежуткавремени.
Применительно к полупроводниковымприборам и микросхемам под безотказностью понимается способность непрерывносохранять исходные параметры при использовании в выпрямительном, усилительном,переключательном и других режимах, обусловленных схемами и условиямиэксплуатации.
3. Количественные характеристикитеории надежности
Для оценки аппаратуры используютсякритерии надежности.
Критерий надежности –признак, по которому оценивается надежность различных изделий, а характеристика– количественное значение критерия надежности конкретного изделия.
К критериям надежностиизделий, для невосстанавливаемой аппаратуры относятся: интенсивность отказов (t); вероятность безотказной работы втечение определенного времени Р(t);вероятность отказа в течение определенного времени Q(t); средняянаработка до первого отказа Тср.
При расчете интенсивностиотказов изделия необходимо знать номенклатуру и количество входящих в схемуэлементов. При этом:
/>
где λ –интенсивность отказов элементов схемы;
n1, n2, n3,…, nn – количество элементов каждого типа в схеме.
Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что приопределенных условиях эксплуатации в заданном интервале времени не произойдетни одного отказа. Вероятность безотказной работы рассчитывается по следующейформуле:
/>
где e – основание натурального логарифма;
t – время нормальной работы изделия.
Отказ и безотказнаяработа являются событиями несовместимыми и противоположными, поэтому:
/>
Средняя наработка до первого отказа связана с интенсивностью отказовследующим соотношением:
/>
4. Расчеты надежности припроектировании РЭА
Требования к надежностиразрабатываемого изделия задаются в техническом задании на разработку. Наранних стадиях разработки изделия составляются план обеспечения надежности,который на последующих стадиях разработки детализируется и уточняется. Одним изэлементов этого плана является расчет надежности проектируемого изделия. Первыерасчеты делают на ранних стадиях разработки, а с уточнением сведений об изделииуточняются и расчеты надежности. Существующие методы расчета надежностипозволяют получить расчетным путем количественные характеристики надежностиразрабатываемого изделия и сопоставить эти характеристики с заданными втехническом задании. Все расчеты надежности в основном сводятся к определениювероятности безотказной работы P(t) и средней наработке до первогоотказа Tср по известным интенсивностям отказовэлементов схемы. В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на работуизделия и его надежность, последовательно проводят три расчета надежности:прикидочный, ориентировочный и окончательный.
Прикидочный расчет позволяет судить о принципиальнойвозможности обеспечения требуемой надежности изделия. Этот расчет используетсяпри проверке требований по надежности, выдвинутых заказчиком в техническомзадании, при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов выполненияизделия на ранних стадиях разработки. При прикидочном расчете делаетсядопущение, что все элементы схемы равнонадежны, так как принципиальныеэлектрические схемы на изделие и его составные части окончательно неразработаны. Соединения элементов с точки зрения надежности таково, что выходиз строя любого элемента приводит к отказу всего изделия. Интенсивность отказовэлементов берутся для периода нормальной работы, т.е. i(t)=const. Тогда:
/>
где λi — средняя интенсивность отказов равнонадежных элементовсхемы;
N – общее количество элементов.
Ориентировочный расчет проводится тогда, когда на изделие ивсе его составные части разработаны электрические принципиальные схемы. Приориентировочном расчете учитывается влияния на надежность изделия количества итипов применяемых в схемах элементов. При расчете делаются следующие допущения:все элементы схемы работают в нормальном режиме, предусмотренном техническимиусловиями на эти элементы; все элементы изделия работают одновременно;интенсивности отказов элементов берутся для периода нормальной работы, т.е. λi(t)=const. Интенсивностиотказов элементов каждого типа берутся по соответствующим таблицам изсправочников по надежности. Таким образом, ориентировочный расчет надежностипозволяет определить рациональный состав элементов в изделии и наметить путиповышения надежности.
Окончательный расчет проводится на этапе техническогопроектирования и учитывает влияние на характеристики надежности режимов работыэлементов в схеме и конкретные условия эксплуатации изделия. В общем случаеинтенсивности отказов элементов зависят от электрического режима работыэлемента в схеме, температуры окружающей среды, механических воздействий в видевибраций и ударов, влажности воздуха, давления, радиации и ряда другихвозможных факторов.
Расчет надежности.Наименование Тип элемента
Интенсивность отказов />
Средняя наработка
/> Интегральные микросхемы Полупроводниковые 0.01 – 2.5 100 Конденсаторы постоянной емкости Керамические 0.04 – 0.7 25 Элементы монтажа
Плата печатная
Разъемы
0.1
0.03 – 0.6
10
33 Пайка Волной 0.01
Расчет интенсивности отказов.
Микросхемы.
/>1/ч.
/>1/ч.
Конденсаторы.
/>1/ч.
/>1/ч.
Разъемы.
/>1/ч.
/>1/ч.
Плата.
/>1/ч.
Пайка.
/>1/ч.
Интенсивность отказов всего устройства.
/>1/ч.
/>1/ч.
/>1/ч.
Расчет вероятности безотказной работы.
/>,
где />часов
Вероятность отказа.
/>
Средняя наработка.
/>часов или />5.5 лет.
Наименование Обозначение Результат Средняя интенсивность отказов
/> 88.3 1/час Средняя вероятность безотказной работы
/> 0.55 1/час Средняя вероятность отказа
/> 0.45 1/час Средняя наработка
/> 5.5 лет
Литература
1. Методическоепособие для курсового проекта.