一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)的可靠性原則 ( j7 c, h4 W" B/ s. a/ |8 x7 @
　在研制一臺(tái)微機(jī)化儀表時(shí), 首先是根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和功能要求決定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、劃分軟硬件的分工、確定具體 電路形式及元器件選型等設(shè)計(jì)工作, 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案在很大程度上也就決定了系統(tǒng)的可 靠性。 ; d5 j6 b! y* y4 l1 Q
在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循如下原則： 5 a; A  H3 c+ y7 V5 i8 E7 q/ ~
　　1.簡(jiǎn)化方案
: K' d. S2 e0 h) ^　　系統(tǒng)的可靠性是由組成系統(tǒng)的各個(gè)單元只到每個(gè)元件的可靠性決定的，所以應(yīng)該盡量提高元器件或獨(dú)立單元的可靠性。 從失效率的角度, 系統(tǒng)的失效率是其所有組成元件的總和, 避免一個(gè)元件失效的最好方 法是在系統(tǒng)中省去這個(gè)元件。所以, 只要能滿足系統(tǒng)的性能和功能指標(biāo)，就盡可能地簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，如果某種附加有 利于提高系統(tǒng)可靠性, 則是必要的,例如抗干擾設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)、雍余設(shè)計(jì)等。
# c& y8 `6 m0 T! G( W　　2.避免片面追求高性能指標(biāo)和過(guò)多的功能 ) n9 Z0 Y: _. e6 E% b6 c1 D: e
　　隨著技術(shù)的發(fā)展, 產(chǎn)品的性能和功能 應(yīng)該是越來(lái)越強(qiáng)的，但在一定階段內(nèi)和力所能及的技術(shù)條件下，應(yīng)注意協(xié)調(diào)高指標(biāo) 與可靠性的關(guān)系。如果給系統(tǒng)定下過(guò)高的指標(biāo)，勢(shì)必使系統(tǒng)復(fù)雜化, 一方面使用過(guò)多的 元器件, 直接降低了系統(tǒng)的可靠性；另一方面增加了設(shè)計(jì)中的不合理、不可靠隱患的機(jī) 會(huì)。 & @2 v# i! p. T1 f# h
　　3.合理劃分軟硬件功能 * g) S5 x5 t$ J- y& Q0 |! J' g
　　這是微機(jī)化儀表特有的問(wèn)題，由于微機(jī)的參與，軟件在 數(shù)據(jù)處理、邏輯用分析、通信和分時(shí)處理等方面具有硬件難以比 擬的功能，而且軟件在通過(guò)實(shí)踐的驗(yàn)證后, 就不存在失效性的問(wèn)題。在方案設(shè)計(jì)時(shí), 能夠方便地用軟件完成的功能一定要堅(jiān) 決地貫徹“以軟代硬＂的原則。另一方面就微機(jī)化儀表而言,功能再?gòu)?qiáng)大的軟件也需要硬 件的支持,如果軟件擔(dān)負(fù)的任務(wù)過(guò)多, 既增加開(kāi)發(fā)的難度又不易保證軟件的可靠性。所以需要合理地劃分軟硬件功能, “ 以軟 代硬”至少要在CPU時(shí)間資源允許的 前提下進(jìn)行。現(xiàn)在有很多可編程的集成芯片, 一方面簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了其可靠性 , 另一方面又促成了更進(jìn)一步“以軟 代硬＂的可能。微機(jī)化儀表是由軟件和硬件構(gòu)成的，兩者必然相輔相成, 不能偏廢任何 一方。 3 H: F. l% r# N$ j6 A! C) `
　　4.盡可能用數(shù)字電路代替模擬電路 數(shù)字電路穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、可標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、易于器件集成制造。數(shù)字式集 成電路代替模擬式是電子技術(shù)發(fā)展的 一個(gè)趨勢(shì)。另外, 還要盡可能多地采用集成芯片且集成度越高越好，集成芯片密封性好 、機(jī)械性能好、焊點(diǎn)少, 其失效率比同樣功能的分離電路要低得多。 2 Z2 P& L: @8 j6 h! H% ~
　　5.變被動(dòng)為主動(dòng) 影響系統(tǒng)可靠性的因素很多，在發(fā)生的時(shí)間和程度上的隨機(jī)性 也很大，在設(shè)計(jì)方案時(shí),對(duì)易遭受不可靠因素干擾的薄弱環(huán) 節(jié)應(yīng)主動(dòng)地采取可靠性保障措施，以免在問(wèn)題發(fā)生時(shí)被動(dòng)地應(yīng)付。抗干擾技術(shù)和容錯(cuò)設(shè) 計(jì)是變被動(dòng)為主動(dòng)的兩個(gè)重要手段。
/ @) d4 I  [" W8 J" w二、元器件的合理選用 + N- [8 c1 A1 B& q
　　可以說(shuō), 系統(tǒng)的徹底失效都是以元器件的失效而告終的。所 以，在設(shè)計(jì)和研制微機(jī)化儀表時(shí), 合理地使用元器件, 是保障系 統(tǒng)可靠性的基本技術(shù)。合理地使用一方面是指設(shè)計(jì)階段, 根據(jù)應(yīng)用條件，選擇合適的器 件及其工作點(diǎn); 另一方面是指研制階段對(duì) 器件進(jìn)行篩選，使用可靠的器件。下面討論若干基本元器件的設(shè)計(jì)選用。 , Y# q# H& Y" P  E. K9 ^/ x
　　1.分離半導(dǎo)體器件的使用
4 p6 G# b: p0 S7 [% A% u; q# j　　 在電路設(shè)計(jì)時(shí), 對(duì)分離器件主要從電應(yīng)力、工作頻率、型號(hào) 互換等方面考慮。 9 [% b# J4 }0 Q1 H) I( V+ B- x  B
　　(1)電壓應(yīng)力: 半導(dǎo)體器件均有其耐壓的極限值 , 如三極管、極 限值等。 當(dāng)所加的電壓大于半導(dǎo)體器件的極限電壓值時(shí),將會(huì) 出現(xiàn)瞬時(shí)擊穿或永久性擊穿, 前者引起器件電參數(shù)的變化，后者使之突發(fā)性失效。除明 顯的設(shè)計(jì)和調(diào)試錯(cuò)誤外，器件性能的分散 性、連鎖反應(yīng)、感性負(fù)載等都是造成器件意外擊穿的因素. $ p8 G  ]$ c7 J# r/ Y* `, L
　　(2)電流應(yīng)力: 器件所承 受的最大電流 。半導(dǎo)體器件工作時(shí)， 因其自身電阻的存在，必然產(chǎn)生熱量，在溫度和電流的綜合作用下，器件內(nèi)溫度超過(guò)極 限將導(dǎo)致失效。與電流應(yīng)力密切相關(guān)的因 素是工作溫度，所以工作溫度較高時(shí), 應(yīng)考慮降低器件的參數(shù)等級(jí), 或者采取良好的散 熱措施。對(duì)于功率器件, 功率、溫度、散熱始終是設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮的因素。 www.可靠性．com
6 ]  n+ Y) v  }( ]　　(3)工作頻率：由于PN結(jié)的電容效應(yīng), 半導(dǎo)體器件有其工作頻率的限制，一般多考慮 上限頻率的影響，工作頻率超過(guò)該極限 則器件的性能將下降甚至失效。另外也不亦用高頻器件代替低頻器件, 那樣噪聲系數(shù)將 增大。
4 j8 ~3 H  j8 r/ T" G2 K' A$ O) g　　(4)型號(hào)互換: 器件互換性有利于減少M(fèi)TTR指標(biāo)。互換時(shí)主 要考慮參數(shù)的匹配, 如額定工作電壓、電流、功率、工作頻率范圍等。同樣功能的分離 電路要低得多。
2 r$ o* }7 O5 n& j: N' j　　2.固定電阻和電位器 7 A) b3 e! N' ?3 l
　　固定電阻和電位器可按照其制造材料分類，如合金型(線繞、 合金箔)、薄膜型(碳膜、金屬膜)和合成型(合成實(shí)芯、合 成薄膜、玻璃釉)等, 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型品種也不斷出現(xiàn)。 : }% Y8 i+ E3 W" n( n( I0 X% t+ C
　　在使用固定電阻和電 位器時(shí), 應(yīng)考慮下列事項(xiàng):
, m" L7 S+ @) x1 Z　　(1)阻值穩(wěn)定性: 電阻的阻值會(huì)因其材料的“老化”而變化, 這是個(gè)緩變的過(guò)程。電 阻值更經(jīng)常地受溫度的影響，因此 在精密電路中, 電阻的溫度漂移系數(shù)是個(gè)重要指標(biāo)。
. g% q( \. ^4 [$ a' f　　(2)工作頻率：當(dāng)電阻工作在高 頻時(shí), 其工作參數(shù)受分布 電容、趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗及引線電感等因素影響而變化。5 a: k$ |" W& P
      (3)功率負(fù)荷: 當(dāng)電阻器 件承受的功率超過(guò)額定值時(shí), 將因 溫度升高而失效。電阻器的額定功率也是與溫度關(guān)聯(lián)的指標(biāo)，如果工作溫度高于指定的 溫度, 則應(yīng)適當(dāng)降低額定指標(biāo)使用。
' D8 U' L1 c8 x4 F　　(4)噪聲：在設(shè)計(jì)微弱信號(hào)前置放大器時(shí), 電阻的噪聲系數(shù)是一個(gè)值得重視的指標(biāo)。 2 g3 {4 B% p# d. l$ }
　　在常見(jiàn)的電阻器件中, 碳膜、金屬膜和精密合金箔電阻 的性能以次遞增; 線繞電阻溫度穩(wěn)定性最好,常用于精密測(cè)量?jī)x器中。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí) , 應(yīng)參考國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)廠家 提供的資料, 按照上述事項(xiàng)進(jìn)行取舍。另外選用時(shí)還要考慮器件的體積、安裝形式等因 素的影響。
9 N" T, u9 k7 T7 [' n- k　　必須注意的是, 電位器無(wú) 論是性能指標(biāo)還是可靠性，都比同類的固定電阻要差很多，一般其失效率比固定電阻要 大10~100倍。所以, 在電路中盡量少 用電位器，同時(shí)對(duì)某些可能因電位器失效造成嚴(yán)重故障的電路應(yīng)采取相應(yīng)的容錯(cuò)措施， 如開(kāi)路、短路保護(hù)等。 4 m( r/ g- \6 G4 F) ]. v# F
　　3.電容器的選用 + P# C; b6 B, L5 b: W7 D
　　電容器根據(jù)其介質(zhì)材料的不同可分為無(wú)機(jī)介質(zhì)、有機(jī)介質(zhì)和電解介 質(zhì)三類，若考慮具體的材料則種類眾多、性能各異，電容器的選用可從以下方面考慮。 ) U1 H1 N% r3 K6 L9 [1 {. w& V
　　(1)頻率范圍：電容器是工作在交流狀態(tài)的，所以應(yīng)首先考慮其頻率特性。電容器由 于自身電感、引線電感的影響，存 在一個(gè)固有的諧振頻率。為保證其容抗特性，必須使工作頻率小于該諧振頻率; 另外， 介質(zhì)的頻率特性也限制其應(yīng)用的上限 頻率。沒(méi)有工作高、低特性皆好的電容器，瓷、云母介質(zhì)的電容器是高頻段器件; 有機(jī) 高分子聚合物多為中頻段器件; 電解介質(zhì)電容工作在低頻段。
; I/ L2 U: H7 O1 K) V6 E　　(2)容量穩(wěn)定性: 溫度和制造工藝會(huì)影響電容器容量的穩(wěn)定性, 在頻率諧振電路中, 對(duì)電容值的穩(wěn)定性有較高的要求。在 高頻段，云母介質(zhì)優(yōu)于瓷介質(zhì); 在低頻段鉭介質(zhì)電容器優(yōu)于鋁電解電容器；單就穩(wěn)定性 而言, 聚苯乙烯電容器最好。
8 L$ Z# p" L% Z8 S# A5 a　　(3)噪聲性能: 電容器的漏電將產(chǎn)生噪聲, 對(duì)于低噪聲電路的電容器要選用損耗角正 切值小的電容器。常用的電解電容的噪聲最大。 7 b2 K- i: O" S7 }# M7 s
　　(4)電壓負(fù)荷: 電容器承受直流電壓的能力較強(qiáng)，但對(duì)于交流和脈動(dòng)的電壓則較弱, 一般隨著頻率的增大, 所能承受的額 定電壓要下降。電解電容器、高分子聚合物電容器、無(wú)機(jī)介質(zhì)電容器在這一指標(biāo)上性能 遞增。 ( |6 X% f1 ^' e( j5 l
　　(5)承受功率：對(duì)于用于電源濾波這類場(chǎng)合的電容器, 應(yīng)該 考慮其承受功率負(fù)荷的問(wèn)題, 當(dāng)電流脈動(dòng)較大時(shí), 電容器的溫度也會(huì)升高, 性能指標(biāo)下 降, 最終導(dǎo)致被擊穿失效。 ; o7 B0 M( G! y" Z  o1 P* c# @0 |
　　電容器的選 用比電阻要復(fù)雜, 對(duì)電路性能和可靠性的影響也更直接更大。電容器的失效形式為漂移 、短路和開(kāi)路等, 電容器的結(jié)構(gòu)比電阻器復(fù)雜, 是失效率相對(duì)較高的器件。 ) ~  ^8 n/ p* |, F" n
　　4.集成芯片的選擇
  S5 k' V' e0 x, X2 T6 {　　集成芯片隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，在品種、規(guī)模、性能和電性能參數(shù)等方面已達(dá)到了很高的水平，是電子電路中應(yīng)用最 為廣泛的器件。集成芯片是由成千上萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體單元在一塊硅片上構(gòu)成的電路，其專業(yè)化的設(shè)計(jì)充分考慮了電路的合理性和 可靠性，器件制造工藝先進(jìn)、精密，所以集成芯片具有性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好和分散性小等特點(diǎn)。另外，集成芯片封裝緊密, 不易受環(huán)境的干擾。所以由集成芯片構(gòu)成的電路比相應(yīng)的分離器件電路在性能和可靠性上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì), 在儀表設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮使用集成芯片。 集成芯片可分模擬和數(shù)字兩大類，具體品種繁多, 其選擇應(yīng)參考生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)資料結(jié)合具體電路進(jìn)行, 總的要求是外圍器件的參數(shù)選擇正確、整個(gè)電路工作在額定狀態(tài)和條件下。 ( C$ ^- G$ s, ^0 R5 v; b. G7 [2 p