电路的可靠性设计范文

导语：如何才能写好一篇电路的可靠性设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：监控系统；硬件电路板；可靠性

中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）06-0097-02

常规意义上的监控系统主要有硬件部分以及软件部分所构成。同时，在现阶段的实际工作当中，各种电子装置与设备监控系统所设置的电路板装配方式仍然以印刷电路板为主。在印刷电路板的作用之下，电路板负担着完成电子设备大量应用功能的工作任务。由此，不难发现，即便电路原理图能够保障设计的正确与有效，但由于印制电路板设计的误差，也势必会对整个电子设备应用的可靠性产生极为不利的影响。从这一角度上来说，电子设备监控系统中硬件电路板的可靠性设计是至关重要的工作内容之一，本文试对其作详细分析与说明。

1 监控系统硬件可靠性指标

在整个监控系统硬件当中，系统所对应的可靠性指标主要涉及以下几个方面：

①可靠度以及可靠度函数。可靠度指标主要是指产品在（0，t）时间范围之内不发生失效反应的概率，而可靠度函数则是建立在既定工作时间、产品故障前运行时间基础之上的函数关系。

②故障分布函数以及故障密度。故障分布函数主要是指产品在运行条件以及运行时间均表现为恒定状态下，丧失规定功能的总概率函数，而故障密度所指的则是在t时刻后的一个单位时间内，出现故障产品数与总产品数之间的对应比值。

③失效率函数。该指标主要是指在条件既定状态下，产品在某时刻后单位时间内出现失效的概率。

④平均寿命指标。对于不可修复的产品而言，该指标是指在产品发生故障之前所对应的工作时间。而对于可修复的产品而言，该指标是指在产品前一次发生故障与本次故障之间的工作时间间隔。

⑤指数分布指标。主要是其寿命的指数分布的服从特征。

2 监控系统硬件电路板的可靠性分析

对于监控系统而言，寿命是衡量硬件电路板可靠性的关键指标之一。在现阶段的可靠性工程当中，针对监控板而言，比较常见的寿命分布模式可以分为以下几种类型：二项分布、泊松分布、指数分布、正态分布、对数正态分布。由于监控系统当中的监控板主要是由相关电子元器件所构成的。结合有关电子器件的失效理论可以得出：绝大部分电子设备与装置的寿命分布呈现出明显的指数分布状态，针对于监控系统监控板而言同样如此。

结合上述分析，在有关监控系统可靠性框图的构建过程当中，需要结合监控板所运行任务的差异性做出相应的考量，主要可以分为以下两种情况：首先，从基本任务的角度上来说，整个监控系统所对应的可靠性框图最为核心的思想在于保障监控系统整体运行的正常与规范。在剔除各种运行故障的基础之上，确保监控系统功率输出的正常与有效。其次，从特殊任务的角度上来说，整个监控系统所对应的可靠性框图最核心的思想在于保障整个监控系统的不停机性。对于监控系统监控板而言，即便当中的一部分出现了运行故障，但仍然需要将整个系统的输出功率限制在一定的允许范围当中，可适当允许系统的运行功能有所降低，但需要最大限度的避免因无功率输出而引发的停运事故。

对于我国而言，现阶段针对电子设备所采取的可靠性计算方法可基本概括为：首先对相关电子元器件所对应的失效率数值加以判定，进而计算得出各个模块分别对应的失效率数值，最后将可靠性框图当中所涵盖的模块所对应失效率进行统计，由此获取最为精确与全面的可靠性数值。

对于监控系统硬件电路板而言，首先，在有关监控系统硬件电路板分立元器件可靠性的计算过程当中，电阻装置、电容设备、以及二极管装置均属于监控系统硬件电路板中分立元器件的组成部分。以电容装置为例，其在正常运行状态下所对应的工作失效率模型可按照如下方式进行构建，如式（1）：

失效率（单位：10-6/h）=基本失效率×环境系数×质量系数×电容量系数×串联电阻系数×种类系数 （1）

在该计算模型当中，相关的失效率及系数取值大小均可通过对电路板所处工作环境的判定，以及相关元器件在出厂状态下的理论参数来进行判定，最终可计算得出电容器所对应的工作失效率数值。

其次，在有关监控系统硬件各模块电路的可靠度计算过程当中，首先需要完成对各个模块当中所涵盖电路工作失效率数值的计算，进而将所计算得出的电路失效率数值进行汇总处理，得到的是相对于单独运行模块而言的失效率。在此基础之上，通过对可靠度计算公式的应用，即可计算得出监控系统硬件电路板当中相关模块的可靠度取值情况。

3 监控系统硬件电路板（PCB）设计检查要点与布

线原则

①根据电子学设计的边界条件（空间真空环境），对重点发热元器件在印制电路板的位置和发热等情况，建立数学模型，进行EDA仿真热分析，计算元器件、印制板的温度，检验元器件工作温度范围是否满足要求，检验元器件的结温是否满足降额要求；发热量大的元器件通过热管等散热器件将热量引出，元器件的散热途径（导热散热途径和辐射散热途径）是否通畅和连贯，同时，应尽可能使导热路径最短；对于热功耗大的元器件，应在器件下面与电路板接地部分设计热过孔，填充金属材料，实现热传导功能。

②一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，它们的关系是：地线>电源线>信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3 mm，最细宽度可达0.05～0.07 mm，电源线一般为1.2～2.5 mm。

4 硬件电路板信号完整性设计

在监控系统硬件电路板设计的过程中，对于电路板信号的完整性设计也是影响其可靠性的关键因素，因此必须要注重电路板信号完整性的设计。其中应当遵循的准则包括以下几个方面：

①在进行正式的设计工作之前，必须要对所使用的元器件以及相关的工艺进行科学的选择，并且据此进行设计方案的确定，才能确保设计的科学性与合理性。

②预布线阶段是对电路板层叠误差和接地信号等问题进行处理的阶段，这一阶段主要是对各种可能出现的问题以及计算误差进行科学的处理，以此保证线路层叠的有效性。同时，尽可能让接地层与电源层成对布放，这样能够更加有效的保证信号的完整性。对于信号的完整性规划需要根据信号参数以及其必须的拓扑结构范围进行仿真模拟，才能从中找到最为理想的参数范围，并且将此范围作为布线的最终依据，成为PCB布线的主要约束条件。

③串扰是信号线之间不希望有的耦合，邻近信号线的耦合会导致串扰而且改变信号线的阻抗。我们必须减少串扰。比如我们可以根据相邻平行信号线的耦合分析来确定信号线间距或平行线长度。

④对于信号延迟以及其产生的影响是在布线时必须要充分考虑的关键问题，因此在实际的工作中，我们可以利用终端接线器的使用来对信号的完整性质量进行控制，从而有效的减少信号延迟所带来的不利影响。

⑤转换器是设计工作中常用的一种设备，转换器的转换速度越慢则信号完整性越好，同时利用不同的驱动技术也可以完成不同的转换任务，所以我们可以在设计过程中，利用新的可编程技术，充分利用不同驱动技术的优越性，使其作用能够充分发挥，以此来提升信号的完整性。

⑥当简单的布线以及装配工作完成之后，需要进行完整的电路板测试，将其测试结果与仿真结果进行对比，从中发现设计过程中存在的不足之处，以此作为依据，为后续的设计工作提供更充分的数据参考。

5 结 语

随着社会和经济的快速发展，集成电路和新型器件的应用也日渐广泛，从另一方面来说，这也使得电路板的设计日渐复杂，因此对于电路板设计的可靠性要求也越来越高。监控系统已经成为现代社会中必不可少的硬件设备，对于监控系统电路板的设计工作，必须要对其可靠性的相关因素进行充分的考虑，才能确保各项设计成果的有效性，从而保证产品性能的安全性和完整性，促进相关工作的持续开展。

参考文献：

[1] 李强.谈PCB电路板的设计[J].商情，2011，（1）.

[2] 曲利新.空间电子设备电路板可靠性可测试性设计检查[J].现代电子技术，2011，（19）.

[3] 孙林.电气安全智能监控系统设计[J].神州，2013，（3）.

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【关键词】现代电子设备 可靠性 设计

在电子信息技术不断发展的过程中，高性能的元器件和超大规模的集成电路开始不断朝着微细化的方向发展，同时在信号电平和电源电压下降的情况下，导致电子设备对环境的干扰和外界应力变得越来越敏感，而且内部功率密度和电场强度的提高让电子设备需要更好的热耗散和功率耗散的途径。在这样的环境下，传统电子设备的可靠性设计技术已经不能有效满足现代电子设备的可靠性需求，所以就必须要去寻找更加适用、有效和系统的技术途径。在电子设备的设计阶段实施可靠性设计是保证电子设备可靠性最有效的手段，和生产阶段以及测试阶段相比它的成本低，可以采用的技术也很多。所以加强对现代电子设备可靠性设计的演讲具有非常重要的作用。

一、电子元器件的可靠性选用

电子元器件的可靠性是电子设备系统可靠性的基础。为了能够让电子设备的可靠性和使用寿命得到有效提高，最重要的环节就是要选择正确的电子元器件。

（一）选择质量和可靠性符合相关规范要求的电子元器件。研制生产企业可以制定出电子元器件的优选清单，而行业的主管部门也应该要制定出电子元器件的合格产品清单。电子设备的设计人员在选择电子元器件时就应该尽量从这两个清单上去选择。电子元器件产品要想列入到合格产品清单需要满足相关的条件，这样才能有效保证电子元器件的可靠性和质量。

（二）选择电子元器件型号和品种的原则。要尽量选择通用元器件和标准器件，对非标准元器件和新品种元器件的选择要谨慎。对元器件制造技术的成熟性也要重视；另外还需要对生产厂家的质量控制能力、产品质量信誉以及制造工艺水平进行考察。

（三）电子元器件封装形式的选择。对于集成电路和半导体分立器件来说，如果用封装材料来分主要就有塑料、金属以及陶瓷封装这几种形式。塑料封装的成本较低，但是耐湿性、耐久性以及耐热冲击能力不好，散热也不容许，所以在高可靠的应用场合要优先选择金属封装或者陶瓷封装。如果从封装形式来分就有插装和表面贴装这两种形式。从可靠性来分析的话，表面贴装要更有优势一些。

二、电子线路的可靠性设计分析

（一）简化设计。因为可靠性是电路的复杂性函数，所以让电路的复杂性下降则能够有效提高电路的可靠性。在满足规定功能的基础上，要对电力结构进行尽量的简化，最大程度的减少电子元器件使用的品种和类型，提高电子元器件的复用率。这也是让电路可靠性得到有效提高的一种比较简单和实用的措施。

（二）低功耗设计。电子系统正在向着高密度和小型化发展，这样就使得电子系统的内部热功率密度加大，可靠性则会降低。要让电子系统内部的温升减少，降低电路的功耗是最有效的措施。可以尽量选择低功耗的元器件；在规定功能有效完成的情况对逻辑电路进行最大程度的简化，同时可以尽量让软件来完成硬件的功能，这样系统的硬件数量就能有效减少。

（三）保护电路设计。电子系统在实际的运行中可能会受到外界干扰信号以及各种应力的影响，这样电路就不能正常工作，情况严重时还会损坏内部器件。所以在设计电路时，要根据实际情况设计一定的保护电路。

（四）灵敏度分析。电子元器件对电路可靠性的影响主要取决于这个元器件造成电路性能变化的灵敏度，和电子元器件本身的质量没有关系，所以在设计电路时，需要分析灵敏度，这样就能够确定出哪些电子元器件或者子电路会对电力的性能造成比较明显的影响，从而来对它进行重点的设计。通过现有的逻辑模拟器或者电路模拟器就能有效完成灵敏度的分析。分析灵敏度也是提高电路可靠性的一个比较有效和经济的方式。

（五）均衡设计。在对电子系统进行设计时，要先将电子系统分成多个电路块，这样才能够完成各种不同的功能。在对系统进行分割的时候，要注意电路结构和功能的均衡性。每一块电路的功能应该要比较完整，各个电路之间的连接应该要尽量减少，这样互连对电路可靠性的影响才会减小；电路中元器件的数量相差不能过大，如果局部元器件过多的话就可能会带来一些不可靠的因素。

（六）三次设计。三次设计主要包括参数设计、系统设计以及容差设计。参数设计主要利用正交设计法，结合着计算机辅助设计从而来找出稳定性比较好的合理参数组，它是三次设计的核心；系统设计就是一般的设计；而容差设计是当确定了系统的最佳参数组合后，和组成系统的各个元器件容差进行合理的规划，让产品能够实现物美价廉。采用此设计能够让产品具有很好的信噪比，而且元器件的忍受能力也比较强，系统能够在长时间内正常的工作。所以在元器件质量相同的情况下，采用三次设计的电路可靠性更好一些。

（七）降额和冗余设计。一般整机在使用器件的过程中，主要是根据产品手册中的电压、电流、功率的额定值以及散热条件来进行。如果电子系统是在比较恶劣的环境下工作或者要求使用寿命比较长，为了让这类电子设备的可靠性提高就需要对电子元器件进行降额使用。降额设计主要是通过线路设计让电子元器件在设备中承受的压力比规定的额定应力值低。而冗余设计主要是在系统或者设备的关键电路部位设计相关的功能通道，当其中一个功能通道发生故障时，也可以采用其他的来代替，这样系统或者设备就能正常工作，从而来提高系统或者设备的可靠性。

三、印制电路板的可靠性设计分析

现在很多电子设备基本上还是采用的以印制电路板为主的装配方式，经过相关的实践证明可以发现，如果电路原理图设计是正确的，但是印制电路板的布线设计却不适当，也可能会对器件的可靠性产生影响。设备中的印制电路板主要是通过空气流动来散热的，所以在实际的设计过程中要对空气流动途径进行研究，对印制电路板或者元器件进行合理的配置，这样才能提高电子设备的可靠性。

四、结束语

随着电子信息技术的不断发展，现代电子设备可靠性的要求也在不断提高，而通过可靠性设计则能够让电子设备的可靠性得到有效保证。在进行可靠性设计时，首先要选择合理和可靠的电子元器件，其次还需要对电子线路和印制电路板进行可靠性设计，这样才能够让电子设备的可靠性得到有效保证。

参考文献：

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关键词：时统；可靠性；比例组合法

Abstract：At present，the SB-123time unified equipment is used by us in our ship.This equipment is out of order frequently because it was in use for a long time and the components are ageing.In this paper ，I will introduce a way to design the reliability of the new time unified equipment and distribute the reliability of each modules. The design starts with actual demand of the experiment mission and on a basis of the reliability reliability of the SB-123 time unified equipment.

Key words：time；unified；reliability

1 前言

目前某型测量船使用SB-123时统系统，因使用时间过长、元器件老化加剧、海上特殊的自然环境等原因，系统可靠性退化严重。随着高密度试验任务要求的不断提高，该系统平均故障间隔时间800h的设计指标也已不能满足实际需要，设计新一代高可靠性时统系统成为亟待解决的问题。

2 系统可靠性模型

2.1 系统可靠性框图

SB-123时统系统的模块化设计已趋于成熟，新一代时统系统的物理模型与SB-123系统基本一致，分为频标单元、频标切换单元、时码产生单元、时码切换单元、时码放大单元及输出转接单元，其结构框图如图1所示。

考虑到各部件的相关性，电源系统为独立的单元，不计入本文的可靠性设计模型中。为提高可靠性，频标单元与频标切换单元对频率源进行三选二智能切换，为时码产生单元提供标准的工作频率。时码产生单元与时码切换单元对时码进行三选二智能切换，输出标准时间信号至时码放大单元，通过输出转接单元至全船各用户。该系统的可靠性框图如图2所示。

其中S1为频标单元的可靠性表征，G1表决器为频标切换单元的可靠性表征，S1与G1表决器构成三选二表决系统G1；S2为时码产生单元的可靠性表征，G2表决器为时码切换单元的可靠性表征，S2与G2表决器构成三选二表决系统G2；S3、S4分别为时码放大及输出转接单元的可靠性表征。由此可知，该系统是由三选二表决系统与串联系统构成的混合型系统。

2.2 系统可靠性数学模型

时统设备中的电路设计主要基于线性组件，并由可编程逻辑器件、接插件、电容电阻等组成。其故障原因大多由于偶然冲击引起系统失效，通常认为在很短的时间间隔内不会发生多次冲击，且在一定的时间间隔内每次冲击是彼此独立的。故系统可靠性基于指数分布建立数学模型，并取可靠度作为特征量对系统可靠性进行量化。

4 结束语

本文从某型测量船实际需求出发，以SB-123时统系统的可靠性表现为基础，通过比例组合法，对适应高密度试验任务的新一代时统系统的可靠性进行了设计并对各个单元的可靠度进行了重新分配。后续将对复杂电磁环境下及海上特殊自然环境下元器件的可靠性退化规律进行探讨，旨在为后续电路设计及元器件选型提供参考。

[参考文献]

[1]J.豪斯，D.V.摩根.可靠性与退化[M].半导体器件及电路的.北京：科学出版社，1989.

[2]李海泉，李刚.系统可靠性分析与设计[M].北京：科学出版社，2003.

[3]杨为民，盛一兴.系统可靠性数字仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.

[4]何国伟.可靠性设计[M].北京：机械工业出版社，1993.

[5]何水清，王善.结构可靠性分析与设计[M].北京：国防工业出版社， 1993.

[6]杨金林，薛兵.长电缆数字化传输系统的可靠性设计[J].现代电子技术，2006，27.

[7]Mills，D.Improve algorithms for synchronizing com-puter network clocks[J].IEEE Transactions Networks，1995 June.

[8]黄睿芳.基于FPGA的时统模块可靠性设计[J].电子技术，2011.

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【关键词】机载同步；激光测距机；可靠性设计；分析和探究

1 引言

新形势下，随着科学技术的蓬勃发展，机载同步激光测距机的开发和应用也日益受到人们的广泛关注和重视。机载同步激光测距机，主要通过发送和接收激光回波信号来判断被测目标的具置距离，被广泛应用于高压电网架设、石油开采、道路建设及军事部门等多个领域。通过对机载同步激光测距机可靠性设计的分析和探讨，解决机载同步激光测距机关键技术中存在的问题，能够进一步推动机载同步激光测距机的普及应用，并发挥出更为重要的作用。

2 机载同步激光测距机的可靠性设计

2.1 机载同步激光测距机的设计要求

根据火控总体的主要技术指标规定，机载同步激光测距机的工作波长应该保持在1.06um，测程在200m～10km，并在最大测程时，能见度必须达到15km，测距精度为±10m，重复的频率最好设定在1Hz左右。机载同步激光测距机的连续工作时间，要求每工作10s，间隔30s，总共循环5次。在通讯方式上，可以选用RS422，工作温度稳定在-30℃～﹢55℃之间，并保证重量在2.5kg左右，MTBF达500h。

2.2 机载同步激光测距机的组成、功能及设计特点

机载同步激光测距机的功能组成，主要有激光器件、激光发射电源、激光接收放大器、距离信息处理器和光学系统，以及低压电源等几个部分。且在系统结构上，具有结构一体化、分舱隔离的设计特点，在系统电路上，具有高低压、强弱信号和信号与电源彼此之间相互隔离的设计特点。

（1）激光器件

激光器件是产生1.06um激光辐射的核心器件，通过在性能指标、刚性和绝缘性，以及体积、重量上，对激光器件实行优化设计，要求激光器件通过自然冷却的方式，选择非金属材料作为聚光腔的设计材料，选择染料片作为调Q元件，避免调Q软件的干扰。

（2）激光发射电源

包括工作时序控制电路、主高压形成电路和氙灯触发电路，以及放电电路等在电路内的激光发射电源的主要功能，是为激光器件提供电源，保证激光器件正常工作，除此之外，激光发射电源还能够提供复位信号给信息处理器。

（3）激光接收放大器

在探测到激光回波信号时，激光接收放大器还能够将其进行放大和处理，从而发出关门信号，在距离信息处理器接收后，按要求完成操作。激光接收放大器在集成对数放大器技术的应用基础上，不但促使其体积仅为常用电路1/4，同时也促使激光接收放大器的可靠性和抗干扰能力得到有效提高。

（4）距离信息处理器

距离信息处理器包括光取样电路、门控电路、计数电路和晶振电路等电路在内，主要用于处理和发送距离信息。在AMD可编程逻辑技术的基础上，距离信息处理器的高集成性、抗干扰性有了进一步提高，而且在功耗方面，也有所降低。

（5）光学系统

光学系统，包括发射和接收光学系统两个部分。发射光学系统主要用于压窄激光器件发射激光脉冲的发散角，促使机载同步测距机的能量密度得到提高，而接收光学系统，则能够通过会聚的形式，将反射回来的光束聚集在雪崩光电探测器的光敏面上。

（6）低压电源

低压电源主要由两个部分组成，即变压器和±12V直流电压与±5V直流电压形成的电路共同组成。通过低压电源，能够将单相电源、交流115V电源转换为机载同步激光测距机所需要的电源，维持激光测距机正常工作。

2.3 机载同步激光测距机的工作原理

机载同步激光测距机的工作原理，主要包括发射光束、接收并转换光束、关门信号和开门信号等几个步骤，大概分析如下。

（1）发射光束

在激光发射电源的基础上，Nd：YAG固体激光器能够产生工作波长为1.06um单脉冲激光束，并接受发射光学系统对发散角进行压窄和扩展，由导向光学系统发射给目标。

（2）接收并转换光束

由接收光学系统接收反射回来的单脉冲激光束，并在通过滤波后，再将单脉冲激光束会聚到雪崩光电探测器上实现光回波脉冲向电脉冲的转换。

（3）关门信号

经由激光接收放大器放大、处理，将回波关门信号发送给距离信息处理器。

（4）开门信号

在距离信息处理器发射激光脉冲的同时，距离信息处理器会从光取样电路上接收到到开门信号，并通过激光发射电源获取同步复位信号，让数字电路处于等待执行状态。当开门信号被执行，电子门打开，计时器开始测量间隔脉冲，直到回波关门脉冲返回，电子门关闭，计时器同时停止工作。

2.4 机载同步激光测距机的设计及关键技术

（1）电磁兼容性

电磁兼容性，是机载同步激光测距机可靠性设计中的关键技术之一。在1Hz激光测距机中，触发干扰经常出现，给整机其他电子线路造成了很大的电磁干扰。通过采取屏蔽触发变压器，控制辐射干扰范围，或是采取触发回路与其他电路电隔离，预防传导干扰，或是在布局上进行分区隔离、在易受干扰的元件上加设滤波等几种方式，能够有效降低触发干扰的发生。

（2）热设计

机载同步激光测距机是通过自然冷却的形式散发元件工作时产生的热量的，为了保证机载同步激光测距机能够长时间工作，防止温度过高损坏元件，在激光器件的通道设计上，需要注重其传导散热的良好性能。

（3）降额设计

在脉冲激光测距机的日常工作中，很多元件往往需要在超负荷的状态下工作，长此以往，很容易降低元件使用寿命，对元件造成损坏。为此，在进行可靠性设计时，应该注重元件的耐压、功耗及变化率等方面的设计。

（4）可靠性设计

根据《航空机载设备可靠性维修性工程应用手册》来看，有源器件与平均故障间隔时间主要呈曲线关系变化，激光测距机的平均无故障时间MTBF大概在900h，在手册的可靠性等级之中。

（5）连续无故障时间（MTBF）

机载同步激光测距机的可靠性设计，要求MTBF值达到500h。根据不同的情况，需要考虑分析的差异也不同。

例如：某激光测距机主要由A、B、C、D四个构件构成，连续无故障时间T=480h如下所示，现为提高该激光测距机的可靠性，要求将X材料换掉，由Y材料代替，预计改进后的连续无故障时间能否达到可靠性要求？

A.1100h B.2000h C.2050h D.6000h

根据分析，激光测距机主要是材料发生变化，对于只需对X、Y材料做抗拉试验、弹性模量、系统刚度、强度和热膨胀系数、导热系数，以及材料密度、伸长率等进行分析，得出Y材料可使D的T提高20%。因此，

新T（D）=6000×（1+20%）=7200h

改进后的整体产品T=1/（1/1000+1/2000+1/2050+1/6000）=504h

3 结束语

通过对机载同步激光测距机的可靠性设计的研究，能够在加深人们对机载同步激光测距机的认识和了解的同时，帮助提高机载同步激光测距机的抗干扰能力，降低能耗，延长其使用寿命，从而进一步推动机载同步激光测距机的普及应用。

参考文献：

[1]魏炳鑫.机载激光测距机光学系统设计中的几个问题[J].机载火控，2004（01）.

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关键词：单片机 可靠性 抗干扰 硬件 软件

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0011-01

1 引言

由于单片机灵活小巧、智能方便等特点，其在多个领域受到科技工作者的欢迎，如在工业控制、仪器仪表、测控等方面应用非常普遍。统计显示，以单片机作为核心的自动控制系在我国已占到所有微机测控系统的90%。

单片机系统运用如此之广，但其工作环境却相当恶劣，实时控制的现场工作环境相当复杂，自动控制系统需要全天满负荷地运行。这样的环境与需求对单片机控制系统的稳定性和可靠性提出了较高的要求，因此可靠性的设计是对单片机控制系统最基本、最重要的设计，也是现今单片机研究非常重要的一个方面。

2 单片机系统可靠性

可靠性的定义是产品在规定的条件下和时间内能够完成规定功能的能力。硬件的可靠性显示了设计者按照用户的要求来确定硬件系统的设计目标，从而体现其执行功能的正确程度；软件的可靠性则显示了设计者按照用户的要求来确定软件系统的设计目标，从而体现其执行功能的正确程度；硬件与软件综合起来的可靠性体现的就是系统的可靠性。

3 提高硬件可靠性

在单片机系统的硬件设计与制造过程中，设计者可采用如下的一些方法与措施来提高硬件系统可靠性，从而来增强整个系统抗干扰的能力。

（1）干扰源抑制。对于不同的干扰源，应采取不同的措施来起到抑制干扰的作用。如可以给电机加上滤波电路，给继电器接点两端并接火花抑制电路；如可以在控硅两端并接RC抑制电路，以减小可控硅所产生的噪声；如可以在继电器线圈增加续流二极管，以消除断开线圈时所产生的反电动势干扰；还可以在系统中加入气体放电管等元件，从而防止雷击干扰。（2）元器件选用。元器件的质量、性能与可靠性是提高硬件系统可靠性的基本保证，重点选择集成度高、可编程的逻辑器件，这样可以使得在保证元器件质量的同时尽量减少数量。另外在选择元器件的时候，在满足系统性能的情况下尽量选择外时钟频率低的芯片；并且所有的元器件应经过老化与高低温的测试，必须测试合格后再使用。（3）控制系统结构设计。控制系统结构的设计是影响系统可靠性非常重要的方面。在设计系统硬件的机构时，不仅要考虑各类的元器件工作速度是否匹配，高速与低速器件不应混用；还要考虑各类的器件工作温度特性是否匹配，若工作温度相差大，两者要分开使用；另外还要考虑在模拟输出的通道上加装调零电路，来提高测控的精度；以及数字I/O通道的加光电耦合器，要切断主机和前后通道的联系，将噪声排除在主机系统外。（4）接地设计。不同的电路接地方式不同。高频电路（高于10MHz）应采用就近多点接地的方式，避免各地线之间的耦合；低频电路（少于1MHz）应采用一点接地的方式，减少地环路的出现；频率在1MHz至10MHz之间时，以上两种接地方式均可采用。但若采用一点接地的方式，其地线的长度不应超过波长的1/20。另外，注意交流地与信号地不能共用；小信号前置放大电路本身应采用一点接地的方式；A/D前置放大电路则一般浮空；单片机与大功率器件之间的地线应单独接地。（5）屏蔽和去耦设计。屏蔽方面，应使用金属盒，对容易干扰与扰的部件、电路进行屏蔽，使干扰的电磁波短路接地。去耦方面，由于数字电路信号在电平转换的过程中会产生强大的冲击电流，同时在传输线与电源内阻上产生压降，从而对电路形成严重的干扰。设计者应在电路中配置去耦电容，一方面提供与吸收集成电路在开门瞬间所充放的电能量，另一方面则是滤掉集成电路中的高频噪声。

4 提高软件可靠性

在单片机系统的软件设计与制造过程中，设计者可采用如下的一些方法与措施来提高软件系统可靠性，从而来增强整个系统抗干扰的能力。

（1）数字滤波技术。在单片机系统的所有输入信号中，一般均会含有各种各样的噪声与干扰，它们分别来自被测信号源本身、传感器与外界干扰等。数字滤波技术可以将上述的噪声与干扰削弱或消除。所谓的数字滤波，即是通过某些计算与判断程序来减少干扰信号的比重，因此它是一种软件滤波。（2）指令冗余技术。当PC受到干扰出现错误时，原定程序就会脱离正常的轨道，出现“乱飞”的现象。如当乱飞至某双字节指令时，若取指令的时刻正好落在操作数上，则会误将操作数当作操作码，最终程序将出现混乱。这时应采用指令冗余技术，在一些双字节与三字节的指令后面插入两个单字节的指令NOP，或者在一些起到程序流向决定作用的指令前插入两条NOP指令，这样便能使乱飞的PC指针恢复正常。（3）软件容错技术。软件容错技术包括数据容错和程序容错两方面的技术。数据容错技术常采用的措施是在重要的数据上增加冗余位，从而加大数据和代码间的汉明距离，增强检错与纠错能力。程序容错技术则要是指指令容错，即为前面所述的指令冗余技术。（4）睡眠抗干扰技术。CPU在很多的情况下都是处于等待的状态的，此时它虽然没有工作，但是却是清醒的，很容易受到干扰。如果CPU在没有进行正常工作时休眠，在必要时由中断系统唤醒它，则可以大大降低其所受到的干扰，也大大降低功耗。

5 结语

单片机系统可靠性的设计是整个控制系统安全运行的基础保障，也是系统开发设计的重点环节。实践表明，我们的科技工作者必须要认真分析单片机的工作环境与性能要求，客观合理地对其系统的软件与硬件进行可靠性设计，使得系统能够最大限度避免外界干扰的影响以及干扰所引起的其他非正常运行，保证系统可以长期可靠地工作。本文从单片机可靠性分析入手，论述提高其可靠性的措施，并提出了增强单片机系统可靠性的硬件和软件的设计方法。本文旨在抛砖引玉，为读者提供思路，希望能在后期挖掘出更多的新的设计。

参考文献

[1]任晓荣.单片机系统可靠性设计[J].计算机测量与控制，2003，（11）.

[2]曲桂芳，野锦德.提高单片机测控系统可靠性的若干措施[J].天津通信技术.2001，（2）：20-24.

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【关键词】开关电源 可靠性 三防设计

随着科学技术的进步，开关电源已经应用于人们生活的方方面面，人们对开关电源的的可靠性要求也在不断的提高，开关电源的可靠性是保证设备正常运行的关键。为此如何设计出可靠性性能高的开关电源成为相关研究者重点研究的方向。

1 开关电源可靠性设计

1.1 供电方式的选择

集中式供电系统和分布式供电系统是开关电源主要两种供电方式，其中集中式供电系统会由于输出间和传输距离不同的偏差，容易造成压差，给整个供电的质量造成影响，另外，集中式供电系统采用一台电源集中供电，一旦该电源发生故障就会影响整个供电系统，分布式供电系统相比集中式供电系统供电质量具有一定的优势，其供电电源和负载距离比较近，能够有效改善动态响应特性，除此之外，还具有能源损耗小，传输效率高，节约能源的优点，因此分布式供电星相比集中式供电具有一定的可靠性。在设计开关电源时，出于可靠性的考虑，通常都应用分布式供电系统，

1.2 电路拓扑选择

开关电源的拓扑的结构非常多，有推挽式、半桥、全桥、单端正激式，单段反激式，双管正激式，双单端正激式、双正激式等八种拓扑结构，双桥或者半桥正激式电路开关能够满足电源最大的输入电压，所以在选择开关管时比较容易，单端反激式、单端正激式、推挽式双端正激式、电路拓扑，其开关管的承受电压大约是2倍的输入电压，给开关管选择带来很大的困难。全桥拓扑结构和推挽式拓扑结构容易出现单向偏磁饱和现象，容易造成开关管损坏，半桥电路本身具有自动抗不平衡的特点，可以有效改善开关管损坏的现象。所以根据拓扑结构的特点，为了保证开关电源的可靠性通常选用双管正激式电路或者半桥电路。

1.3 控制策略

电流型PWM控制主要是中小功率电源中应用的方法，其在电压控制方面具有以下优势：

（1）比电压型控制速度快，并且不出出现电流过大损坏开关管的现象，降低了短路故障和过载现象；

（2）比电压型纹波稳定；

（3）容易补偿，环路稳定；

（4）快速的瞬态响应和优良的电网电压调整率。经过实践证明50W开关电源采用电流控制，输出纹波大约为25mV，远远比电压控制型优良。

硬开关技术往往会受到开关损耗的影响，一般情况下，其开关频率都在350kHZ之下，利用谐振原理的软开关技术，可以将开关的损耗降低到零。软开关技术具有谐振变换器和PWM变换器的优点，可以应用于大功率带能源中。

1.4 元器件

元器件能够直接影响开关电源的可靠性，通常开关电源中元器件失效主要有以下几种原因。

1.4.1 质量问题

制造质量出现问题，解决的方法只有一个就是严格的选择元器件，避免不成熟、劣质的元器件投入使用，选择有知名度的厂家，最大限度的避免因元器件质量问题影响开关电源的可靠性。

1.4.2 器件可靠性问题

器件可靠性是常见的基本失效问题，主要和元器件的工作应力水平有关，因此需要选择可靠性良好的元器件，在选择元器件时将早期失效。密封性能不合格。稳定性差、电参数不合格、外观不合格的元器件剔除。在应用元器件之前进行非破坏性试验进行筛选，通过非破坏性试验可以明显降低元器件可靠性的问题，在进行非破坏性试验时需要让普通电容器和电阻在室温条件下，严格按照技术要求进行测试。

1.4.3 设计问题

为了有效降低设计问题导致的元器件失效，因此在选择元器件时最好选用硅半导体，尽量少用褚半导体或者避免使用褚半导体，；最好使用集成电路，尽可能降低分离器件的数目；尽量使用玻璃封装或者金属封装、陶瓷封装的器件，杜绝使用塑料封装的器件；设计的原则一般是不使用电位器，但是如果无法避免，就需要对电位器最好封装措施，对于在恶劣环境下。例如潮湿、烟雾等，在设计时不要选用率电解电容，由于铝电解电容自身的特性，导致其容易在恶劣的环境中发生腐蚀，进而影响设备的正常运行。在航天设备中应用的元器件因为常常受到空间粒子的影响，容易导致铝电解电容发生分解。因此在选择时尽量不要选用率电解电容。

1.4.4 能源损耗问题

能源损耗问题和元器件的工作应力没有关系，主要和元器件的工作的时间有关，例如铝电解容易如果长时间运行，铝电解电容的电容液就会会被破坏，相应的电电容容量就会降低，电解液没损失40%，电容量就会下降20%。如果点容易的芯子出现干涸，就无法在继续运行，因此为了避免这种情况的发生，在设计开关电源时，最好注明率电解电容的更换时间，在使用达到更换时间时，强制对其进行跟换。

1.5 安全设计和三防设计

安全性是开关电源重要的一项性能指标，如果开关电源不具有安全性就不可能实现预定的功能，还特别容易发生安全事故，从而导致发生无法挽回的重大损失。因此开关电源必须要具有很高的安全性，那么在设计开关电源时，需做好防止触电烧伤的措施，对于防触电可以将输出端设计为空，对于防烧伤控制其暴露在外面的机壳以及散热性等零件不要让去其温度超过60度。在开关设计时，密封的要求也非常高，因此对于要求密封的器件做好相应的密封措施了对于暴露在空气中的结构，不要设计凹陷的结构，做好防潮防腐蚀措施，对于开关的电源结构可以应用密封或者半密封的形势隔绝不利的因素，在组建表面涂覆准用的防潮、防霉菌、防盐雾氢气，避免任何对开关电源不利的因素，保证开关电源的可靠性。

2 结束语

开关电源的可靠性和开关电源设备的性能息息相关，因此保证开关电源的可靠性保证开关电源的设备的正常运行，选择合适的元器件，合适的拓扑电路没做好安全设计和三防设计可以有效提高开关电源的可靠性。

参考文献

[1]姚洪平，刘亿文，薛晨光.开关电源可靠性设计研究[J].电子制作，2013，17：39.

[2]刘志雄.开关电源可靠性设计探讨[J].现代商贸工业，2010，09：325-326.

[3]黄永俊，张居敏，胡月来.开关电源可靠性的设计[J].农机化研究，2005，02：147-148.

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关键词：机电产品；可靠性；探讨

引言

随着技术的迅速发展，机电产品在国防、工业、农业、商业、科研和民用等方面的应用种类越来越多，而且都离不开电源技术和其它技术的应用。如果在其应用中忽略了可靠性管理，机电产品的质量也不会得到保证。可靠性是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。所以，可靠性是产品质量的时间指标，是产品性能能否在实际使用中得到充分发挥的关键之一。机电产品的可靠性是设计出来的、生产出来的。可靠性设计必须与机电产品的功能设计同步进行。因此，设计人员必须明确可靠性设计的目的并掌握可靠性设计的方法。

下面仅对机电产品的可靠性进行部分简要探讨。

1 可靠性设计

1.1 可靠性设计的目的

可靠性设计的目的一般包括以下几个方面：

——目的任何国家的产品的先进性和可靠性对其国际贸易、国际声誉和国际地位都有很大的影响，因此，各国政府都很重视产品的可靠性问题；

——经济目的对销售而言，产品的质量和可靠性水平是其占领市场份额和获得信誉的关键性因素；对生产而言，生产设备的可靠性故障会影响生产，造成经济损失；因此，各厂家和用户都很重视产品的可靠性问题；

——军事目的军用设备的可靠性直接关系到战斗的成败，人员的伤亡，甚至国家的安全，因此，各国都很重视军用产品的可靠性问题。

1.2 可靠性设计的指导思想

可靠性设计技术是在产品的设计中采取相应的措施，以提高产品的可靠性并达到可靠性指标的一门技术。为此应当充分注意以下几个方面：

——充分估计现有的技术水平，尽量采用成熟的、定型的、标准的原材料、元器件、电路和工艺来完成设计；

——准确掌握产品在运输、储存和使用中可能遇到的环境条件，采取相应的可靠性设计技术，以便使产品增强对环境的适应能力；

——应当充分满足设计与工艺制造、调试检测和维护使用的相互要求；

——可靠性定量活动应当贯穿于产品研制的全过程，包括可靠性分析、预计、论证、指标的确定和分配、设计、制造、调试检测和维护使用等；

——重视和加强设计阶段的可靠性管理，在设计中，必须贯彻和执行可靠性设计的技术标准和规范、产品可靠性要求事项、可靠性工作和可靠性审查程序等管理措施。

1.3 可靠性与维修性指标的论证和确定

可靠性与维修性指标的论证应当特别注意以下两个问题：

——被论证的机电产品应该具有哪些可靠性与维修性指标用来表征产品可靠性的数量特征有很多，对被论证的机电产品应该根据其用途选用适当的可靠性与维修性指标，例如对可修复的连续工作的机电产品，应以规定时间内的可靠度或平均无故障工作时间和平均维修时间作为主要可靠性指标；

——决定机电产品可靠性与维修性指标的高低应当根据使用要求、成本和研制进度来决定机电产品可靠性与维修性指标的高低，例如军用机电产品的可靠性与维修性指标过低，不仅会丧失战机，而且还将处于被动挨打状态；而可靠性与维修性指标过高，不仅会延长研制周期，而且还将增大研制经费。

1.4 可靠性指标和性能指标的关系

可靠性指标和性能指标的关系应当特别注意以下3点：

——可靠性是产品质量的时间指标；

——如果达不到可靠性指标的最低要求，性能指标再好也没有实际使用价值，反之亦然；

——性能指标的裕量是保证可靠性指标的必要条件。

1.5 可靠性增长

任何产品初期的可靠性不可能达到预期的水平，都需要一个经过不断地采取各种纠正措施的增长过程。可靠性增长应当把握以下3个主要因素：

——产品的反馈，特别应该重视用户的意见；

——产品可靠性故障的检测与分析；

——采取相应的纠正措施并进行试验验证。

2 元器件的选择与使用

元器件是机电产品可靠性的基础之一，很多机电产品的失效是由于元器件的性能和质量问题造成的。例如，国内某炼钢厂用中频炉熔炼钢铁，其中频电源是利用晶闸管全桥逆变获得的，每个桥臂上的晶闸管均并有阻容吸收电路。熔炼过程中，由于阻容吸收电路中的电容被击穿导致晶闸管失去保护而被击穿，从而造成直通故障和快速熔断器熔断，中频炉断电，正在熔炼的钢铁凝结在炉中，造成极大损失。由此可以看出元器件的选择与使用的重要性。

2.1 元器件的选用原则

元器件的选用要遵循下述原则：

——根据产品要实现的功能要求和环境条件，选用相应种类、型号规格质量等级的元器件；

——根据元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术选用元器件；

——根据产品要求的可靠性等级，选用与其适应的并通过国家质量认证合格单位生产的元器件；

——尽量选用标准的、系列化的元器件，重要的关键件应选用军用级以上元器件；

——对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准；

——根据国家或本单位的元器件优选手册选用。

2.2 器件封装结构和质量等级的选择

2.2.1 器件封装结构的选择

环氧树脂塑封器件为非气密性结构，易受潮气、盐雾和其它腐蚀性气体的侵蚀而失效。因此，对使用环境苛刻的产品，应当选用金属、陶瓷或低熔点玻璃封装的器件。

2.2.2 质量等级的选择

质量等级是指元器件装机使用前，在制造、检验和筛选过程中质量的控制等级。我国电子元器件分为a，b，c三个质量层次，每个质量层次包含几个质量等级，每个质量等级都有相应的质量系数。

质量等级的选择原则为：

——对可靠性要求高的产品，优先选用通过生产线军用标准认证并已上qpl（质量认证合格产品目录）表的元器件；

——关键件、重要件、分配可靠性高、基本失效率高的元器件应当选用质量等级高的元器件；

——其它元器件可按其生产执行标准，参照国标中质量等级顺序选用。

2.3 降额设计

2.3.1 降额设计的依据

电子元器件在使用或贮存过程中，总存在着某种比较缓慢的变化。这种变化发展到一定程度时，会使元器件的特性退化、功能丧失，即失效了。而这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。为此，应当对元器件实行降额设计。

2.3.2 降额等级

对不同的元器件，应用在不同的场合，实行不同的降额等级：

——Ⅰ级降额，是最大降额，应用于最关键设备；

——Ⅱ级降额，是中等降额，应用于重要设备；

——Ⅲ级降额，是最小降额，应用于一般设备。

2.3.3 降额注意事项

降额注意事项如下：

——有些元器件的应力是不能降额的，如电子管的灯丝电压、继电器线圈的吸合电流；

——有些元器件应力的降额是有限度的，如薄膜电阻器的功率减到10％以下时，二极管的反向电压减到60％以下时，失效率将不再下降；

——有些电容器的降额可能发生低电平失效，即当电容器两端电压过低时呈现开路失效。

2.3.4 降额系数

降额系数是依靠试验数据和使用的环境来确定的。确定降额系数的方法如下：

——模型及基本失效率与温度、降额系数之间的关系曲线；

——减额曲线给出了为保证元器件可靠工作所选择的降额系数与温度之间的函数关系，当在该减额曲线上工作的半导体结温达到其最高结温时，其失效率仍然较高；

——应用减额图，即在减额曲线的下方，通过试验找到一条半导体结温较低的减额曲线；

——各种元器件的减额因子参见国家标准。

3 三防设计

任何机电产品都是在一定的环境下工作的，而潮湿、盐雾和霉菌会降低材料的绝缘强度，引起漏电，从而导致故障。因此，必须采取防止或减少环境条件对机电产品可靠性影响的各种方法，以保证机电产品工作中的性能。例如，国内某厂家生产的ups，由于没有采用三防设计，在沿海和潮湿地区应用时多次发生故障，致使该厂家的维修费用过高，几乎到了无利可图的地步。由此可以看出采用三防设计的重要性。为此应当充分注意以下几个方面。

3.1 防潮设计

防潮设计的原则如下：

——采用吸湿性小的元器件和材料；

——采用喷涂、浸渍、灌封、憎水等处理；

——局部采用密封结构；

——改善整机使用环境，如采用空调、安装加热去湿装置。

3.2 防霉设计

防霉设计的原则如下：

——采用抗霉材料，例如无机矿物质材料；

——采用防霉剂进行处理；

——控制环境条件来抑制霉菌生长，例如采用防潮、通风、降温等措施。

3.3 防盐雾设计

防盐雾设计的原则如下：

——采用防潮和防腐能力强的材料；

——采用密封结构；

——岸上设备应当远离海岸。

4 抗震设计

任何机电产品都要经过从厂家到用户的装运过程，特别是在振动场合下应用的机电产品，必须采取防止或减少振动环境条件对机电产品可靠性影响的各种方法，以保证机电产品工作中的性能。例如，国内某个着名研究所在上世纪60年代购入一台几十万元的真空熔炉设备，在厂家验收合格后运往北京。然而经过多次调试，其高压电源均调不到额定值，只好丢弃在库房中。后来被另一个研究所以废品的价格买走，打开高压电源的油箱后发现高压变压器的初级绕组三相进线中有一根断裂。这很可能是该产品从厂家到北京的装运过程中发生的。由于冲击和振动会引起材料的机械强度降低，甚至会发生材料断裂，从而导致故障。为此应当充分注意以下几个方面：

——印制板上各元器件引脚线长应当尽量短，以增加抗振动能力；

——印制板应当竖放并进行加固；

——较重的器件应当进行加固；

——悬空的引线不宜拉的过紧，以防振动时断裂；

——运输机电产品时，应当加强防震措施；

——振动场合应用的机电产品，应当采用防震措施。

5 电磁兼容性设计

电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备中的某些元器件损害。因此，对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意电子设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要注意电子设备本身不对周围其他设备产生电磁骚扰，影响其他设备正常运行。

例如，国内某厂家生产的二氧化碳激光器刻标机，由于对电磁兼容性设计重视不够，每当二氧化碳激光器刻标机运行时，其周围的计算机等电子设备便无法工作。这主要是因为二氧化碳激光器刻标机运行时产生的空间电磁辐射干扰所致。为此应当充分注意以下几个方面。

5.1 电磁兼容性控制

电磁兼容性控制主要包括以下各项：

——落实电磁兼容性管理机构的职责、权限和实施；

——电磁兼容性的预测和分析；

——制定项目的电磁兼容性标准；

——进行项目的频谱管理；

——制定电源、结构、工艺、布局等电磁兼容性的要求；

——拟制电磁兼容性试验大纲。

5.2 电磁兼容性设计指标

电磁兼容性设计指标可以参照相应的国家标准。

5.3 电磁兼容性设计方法

电磁兼容性设计方法主要包括以下各项。

5.3.1 抑制骚扰源

抑制骚扰源的主要方法如下：

——限制骚扰源的电压、电流变化率；

——限制骚扰源的电压、电流幅?；

——限制骚扰源的频率；

——直流电源的去耦；

——交流电源变压器的电磁屏蔽；

——对感性负载的骚扰源采取相应措施；

——采用独立电源。

5.3.2 切断干扰的耦合通道

切断干扰的耦合通道的主要方法如下：

——完整的电磁屏蔽以切断空间干扰的耦合通道；

——合适频谱的滤波以切断线路传导干扰的耦合通道；

——适当的接地以降低地线干扰的耦合通道；

——采用适当的导线以传输不同性质的信号；

—

—注意元器件的布局，以降低干扰耦合；

——应用布线技术，以降低干扰耦合；

——采用电磁、光电、机械等隔离技术，切断干扰的耦合通道。

5.3.3 提高敏感电路的抗干扰能力

提高敏感电路的抗干扰能力的主要方法如下：

——选用具有高抗干扰能力的元器件；

——采用完整的电磁屏蔽；

——采用合适的滤波技术；

——限制电路的带宽；

——采用合理的去耦措施；

——采用合理的接地。

5.4 电磁兼容性试验验证

电磁兼容性试验验证可以参照相应的国家标准进行。

6 安全性设计

安全性是保证机电设备能够可靠地完成其规定功能，同时保证操作和维护人员的人身安全的重要特性。例如，国内某厂家生产的ups有两个性能和参数不同的端口，但是却采用了两个相同的电连接器。操作人员匆忙中插错了电连接器，造成该电源烧毁。对此如有防差错的安全性设计，就不会发生这种灾难性后果。安全性设计主要有以下几项内容。

6.1 防止电危险的安全性设计

防止电危险的安全性设计主要包括：

——设计操作方便的电源开关，以便能及时切断电源；

——全部外露金属件都要可靠接地；

——设置过压、过流和漏电保护装置；

——设置高压电容器自动放电装置；

——电源和高压部位应当设置明显标志，如电源进出线的‘火’‘零’‘地’，蓄电池的‘正’‘负’，以防误操作；

——特别要注意高压部件的绝缘设计；

——露天使用的机电产品应设置避雷装置；

——多个电连接器，应有防差错设计。

6.2 防止机械危险的安全性设计

防止机械危险的安全性设计主要包括：

——运动部件应当加防护和限位装置以保证人身安全；

——设备的边角应当导圆以防伤人；

——门、抽屉以及其它运动部件，应当加连锁装置以防意外脱落；

——有危险的部位，应当设置明显标志。

6.3 防止火灾和爆炸危险的安全性设计

防止火灾和爆炸危险的安全性设计主要包括：

——有爆炸危险的物资，对其使用、运输和存储都应有相应的安全措施；

——有易燃危险的物资，应有相应的防范措施；

——对电气设备，应当加强维护和检修，以防引起火灾；

——尽量采用阻燃性好的材料；

——设置灭火装置。

6.4 防止辐射危险的安全性设计

防止辐射危险的安全性设计主要包括：

——微波辐射功率密度大于10mw/cm2，应当加装防护衰减装置；

——磁通量大于0.1t，应当加装防护衰减装置；

——因为激光进入人眼的密度不能大于

5×10－6j/cm2，因此，产生激光的部位应设置明显标志；

——x射线每周累计照射量一般不能大于5.58×10－2c/kg。

7 使用与定期维护

最后，正确使用与定期维护也是提高机电产品可靠性的重要内容。为此应当充分注意以下几个方面。

7.1 机电产品

使用机电产品时，首先应当了解它的工作原理，其次应当严格遵循它的使用程序，最后应当对其进行定期维护，这样才能提高机电产品的可靠性。

7.2 电源

移动机电产品的电源是油机和蓄电池，它们的性能好坏是整个机电产品可靠工作的前提。为此，应当对油机和蓄电池正确使用与定期维护。

7.3 电器

电器是供电系统中的重要元器件。电器触头的烧蚀和绝缘性能的下降，往往导致重大事故。为此，应当对电器进行定期维护。

7.4 活动连接件

在振动场合下使用的机电产品，其活动连接件易松动，特别是导电的活动连接件松动时，会导致事故的发生。为此，应当对活动连接件进行定期维护。

7.5 供电线缆

供电线缆是电能传递的路径，电能的主要参数是电流和电压。电流在供电线缆中流动时会发热，发热将导致供电线缆绝缘强度降低，严重的会引起供电线缆火灾。电压对供电线缆的绝缘形成应力，应用中的供电线缆绝缘性能在不断下降，一旦电压的应力超过绝缘的承受能力，会造成绝缘击穿而发生故障。特别是位于金属走线槽口处的线缆应当增加保护套，以防长期磨损而可能发生对地短路的故障。

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【关键词】：单片机; 抗干扰; 控制状态; 冗余技术

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机控制技术的迅速发展和广泛应用。中小规模的单片机控制系统在工业生产及日常生活中的智能机电一体化产品得到了广泛的应用。在单片机控制系统的设计开发过程中，我们不单要突出设备的自动化程度及智能性，另一方面也要重视控制系统的工作稳定性，否则就无法体现控制系统的优越性。

1. 系统受到干扰的主要原因和现象

由于单片机控制系统应用系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。单片机控制系统应用必须长期稳定、可靠地运行，否则将导致控制误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大的损失。

影响单片机控制系统应用的可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结果设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。这些因素对控制系统造成的干扰后果主要表现在下述几个方面。

（1） 数据采集误差加大。干扰侵入单片机控制系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在有用信号之上，会使数据采集误差加大，特别是当传感器输出弱信号时干扰更加严重。

（2） 控制状态失灵。微机输出的控制信号常依赖某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信号，将导致输出控制误差加大，甚至控制失常。

（3） 数据受干扰发生变化。单片机控制系统中，由于RAM存储器是可以读/写的，故在干扰的侵害下，RAM中的数据有可能被窜改。在单片微机系统中，程序及表格、常数存于程序存储器中，避免了这些数据受到干扰破坏，但对于内RAM、外扩RAM中的数据都有可能受到外界干扰而变化。根据干扰窜入的途径、受干扰数据的性质不同，系统受损坏的情况也不同．有的造成数据误差．有的使控制失灵，有的改变程序状态，有的改变某些部件（如定时器/计数器，串行口等）的工作状态等。

（4） 程序运行失常。单片机控制系统中程序计数器的正常工作，是系统维持程序正常运行的关键所在。如果外界干扰导致计数器的值改变，破坏了程序的正常运行。由于受到干扰后计数器的值是随机的，因而导致程序混乱。通常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指令，最后进入"死循环"，这将使输出严重混乱或系统失灵。

2. 系统可靠性设计的分析和方法

单片机控制系统应用的可靠性技术涉及到生产过程的方方面面，不仅与设计、制造、检验、安装、维护有关，还与生产管理、质量监控体系、使用人员的专业水平与素质有关。这里主要是从技术角度分析提高系统可靠性的最常用方法。

导致系统运行不稳定的内部因素主要有以下三点：

（1） 元器件本身的性能与可靠性。元器件是组成系统的基本单元，其特性好坏与稳定性直接影响整系统性能与可靠性。因此，在可靠性设计当中，首要的工作是精选元器件，使其在长期稳定性、精度等级方面满足要求。随着微电子技术的发展，电子元器件的可靠性不断提高，现在小功率晶体管及中小规模IC芯片的实际故障大约为10×10-9/h。这为提高系统性能与可靠性提供了很好的基础。

（2） 系统结构设计。包括硬件电路结构和运行软件设计。电路设计中要求元器件或线路布局合理以消除元器件之间的电磁耦合相互干扰，优化的电路设计也可以消除或削弱外部干扰对整个系统的影响，如去耦电路、平衡电路等。同时也可以采用冗余结构，也称容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联或备用单元〔包括硬件单元或软件单元〕数目来提高系统可靠性的一种设计方法。当某些元器件发生故障时也不影响整个系统的运行。对于消减外部电磁干扰，可采用电磁兼容设计，目的是提高单片机系统在电磁环境中的适应性，即能保持完成规定功能的能力。常用的抗电磁干扰的硬件措施有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等。

软件是微机系统区别于其它通用电子设备的独到之处，通过合理编制软件可以进一步提高系统运行的可靠性。常用的软件措施主要有：一是信息冗余技术，对单片机控制系统应用而言，保持信号信息和重要数据是提高可靠性的主要方面。为防止系统故障等原因而丢失信息，常将重要数据或文件多重化，复制一份或多份"拷贝"，并存于不同空间，一旦某一区间或某一备份被破坏，则自动从其它部分重新复制，使信息得以恢复。二是时间冗余技术，为提高单片机控制系统应用的可靠性，可采用重复执行某一操作或某一程序，并将执行结果与前一次结果进行比较对照来确认系统工作是否正常。只有当两次结果相同时，才被认可，并进行下一步操作。

若两次结果不相同，可再次重复执行一次，当第三次结果与前两次之中的一次相同时，则认为另一结果是偶然故障引起的，应剔除。若三次结果均不相同，则初步判定为硬件永久性故障，需进一步检查。这种办法是用时间为代价来换取可靠性，称为时间冗余技术，也称为重复检测技术。三是故障自动检测与诊断技术，对于复杂系统，为了保证能及时检测出有故障装置或单元模块，以便及时把有用单元替换上去，就需要对系统进行在线测试与诊断。这样做的目的有两个：一是为了判定动作或功能的正常性；二是为了及时指出故障部位，缩短维修时间。四是软件可靠性技术：单片机控制系统运行软件是系统要实行的各项功能的具体反映。软件的可靠性主要标志是软件是否真实而准确地描述了要实现的各种功能。因此对生产工艺过程的了解程度直接关系到软件的编写质量。提高软件可靠性的前提条件是设计人员对生产工艺过程的深入了解，并且使软件易读、易测和易修改。五是失效保险技术：有些重要系统，一但发生故障时希望整个系统应处于安全或保险状态。此外，还有常见的数字滤波、程序运行监视及故障自动恢复技术等。

（3） 安装与调试。元器件与整个系统的安装与调试，是保证系统运行与可靠性的重要措施。尽管元器件选择严格，系统整体设计合理，但安装工艺粗糙，调试不严格，仍然达不到预期的效果。

导致系统运行不稳定的外因是指单片机控制系统所处工作环境中的外部设备或空间条件导致系统运行的不可靠因素，主要包括以下几点：一是外部电气条件，如电源电压的稳定性、强电场与磁场等的影响；二是外部空间条件，如温度、湿度，空气清洁度等；三是外部机械条件，如振动、冲击等。

为保证系统可靠工作，必须创造一个良好的外部环境。例如：采取屏蔽措施、远离产生强电场干扰的设备；加强通风以降低环境温度；安装紧固以防振动等。

元器件的选择是根本，合理安装调试是基础，系统设计是手段，外部环境是保证，这是可靠性设计遵循的基本准则，并贯穿于系统设计、安装、调试、运行的全过程。为实现这些准则，必须采取相应的硬件或软件方面的措施，这是可靠性设计的根本任务。

中小规模的单片机控制系统在开发过程中，结合实际应用中的工作环境，采用以上的系统抗干扰优化设计的措施与方法，基本能有效地提高单片机系统的工作稳定性，充分地体现单片机控制系统在不增加控制成本的情况提高机电设备的自动化性能与智能性的优越所在。

参考文献

[1] 胡连柱， 姜宝山. 简析单片机软硬件的抗干扰设计技术， 安徽电子信息职业技术学院学报， 2005，01.

[2] 徐明龙， 王赤虎. 利用单片机实现的模拟信号和数字信号单线混合传输， 电子设计应用， 2004， 1.

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蒙特卡罗方法是容查分析方法的一种,被大量应用于电路防真分析。蒙特卡罗方法的本质思想是假定所研究问题是若干已知概率分布的随机变量的函数,并据此建立一个数学模型;对随机变量进行反复抽样,并根据模型计算每次抽样下的相关统计量,当抽样足够大的时候,统计量的平均值可作为问题的近似解,而解的可能覆盖范围可用统计量的标准偏差来计算。

关键词:电源可靠性容差分析仿真

容差分析实例:

以下以一车载电源为例,展开蒙特卡罗分析,蒙特卡罗分析是容差分析的一种具体方法。

如图是由LM317等构成的充电器电路。它是采用LM317的恒流充电电路,其输入电压Ui为+17～+30V,输出电压U。最大为13.8V,电流为1A。输出电压与被充电电池的充电终止电压一致,由分压电阻R1和R2进行设定。用R6检测输出电流,再通过Q1和Q2自动调整LM317使其输出电压与电池端子电压一致,输出约0.35A的恒定电流。R6阻值可按下式确定,即R6=UBE/1A=0.7V/0.35A≈2Ω,电路中选用2Ω。

对于电源电路,输出电压的稳定值是电路设计最为关心的指标。输出电压的稳定值由R1和R2电阻所决定,因此对R1和R2两个参数进行分析,他们实际电路取值为240Ω和1.9KΩ,选择电阻精度为1%,输出电压要求为5.0V +/-0.2。如果电阻R1和R2公差精度等级由1%放宽到5%,输出电压要求仍然为5.0V +/-0.2。

根据传统电路设计经验,无法对电路参数和稳定性之间的影响做定量的分析,因此工程师一般就采用低公差高稳定性的高成本元器件,虽然对性能没有影响,稳定性也有所保证,但是元器件成本较高,这样做势必造成产品成本提高,制造困难。

蒙特卡罗分析利用一种统计分析方法,分析电路元件的参数在一定数值范围内在按照指定的误差分布变化时对电路特性的影响。对电路进行蒙特卡罗分析时,一般要进行多次仿真分析。首先按电路元件标称值进行仿真,然后在电路元件参数标称值基础上加减一个δ值进行仿真分析,所去的值取决于所选择的δ概率分布类型。

蒙特卡罗参数仿真器参数设置主要有以下几个部分:

1、蒙特卡罗分析次数。最小值必须大于等于2

2、模型参数公差设置。即选择公差范围百分比

3、输出节点选择

Multisim 软件在蒙特卡罗性能参数设置:电阻R1和R2为电路中需要进行蒙特卡罗仿真的双参数,电阻值分别为240Ω和1.9KΩ。本例仅以选择电阻精度等级角度(精度等级由1%放宽到5%)来说明Multisim 仿真方法在定量进行容差分析中的蒙特卡罗分析中的应用。蒙特卡罗分析精度与仿真次数(抽样次数)直接相关,抽样次数直接在“分析参数”中按照需要设定。假设本例中30次已经能够满足统计精度要求,则在运行次数中设定30次.在对该电路仿真前同时按照要求设定公差,此例中电阻R1和R2公差设置为5%。

输出波形是仿真后得到的30条输出电压响应曲线,如图(Car Power Supplier Monte Carlo Analysis)所示。

根据图示蒙特卡罗分析,可以得出:基于Multisim仿真方法,对电路参数进行定量分析,证明该电路电阻R1和R2公差精度等级由1%放宽到5%完全能够满足系统工作的要求。

结论:

容差分析作为电路系统可靠性设计与分析的一个重要环节,提供了同时研究多个变量对一个输出变量的效应的方法。这些实验有一系列运行或检验组成,其中对输入变量进行有目的更改,并在每次运行后收集数据。特别是在开发阶段通过防真软件(Saber, Multisim)的容差分析技术和方法的应用研究,可以实现在电路设计阶段中对元器件公差选择和最终电路的输出特性分布做出预测,并得到批量生产时产品的系统性能可靠性以及电路参数变化对系统性能的影响,由此为电路可靠性设计和研究提供了一种有效的方法。

参考文献:

[1]熊伟、侯传教、梁青、孟涛. 电路设计及仿真应用. 清华大学出版社.

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随着科学技术的不断发展，人们的生活变得越来越便利。现下一些电子产品逐渐融入了人们的生活中，那么我们在进行电子产品设计的时候就需要进行一定的可行性分析，以及生产过程中的可靠行设计。换言之，可靠性设计就是在生产前期进行测试，通过实验，总结出这件产品的质量和可能遇到的问题。总之，任何一件电子产品的生产过程都要有可靠性设计以及可靠性测试的过程。鉴于此，本文是对电子产品的可靠性测试进行了分析，仅供参考。

【关键词】电子产品 可靠性设计 测试

随着我国经济的快速发展，人们生活舒适度逐渐提高，电子产品逐渐成为人们日常生活中的重要产品。电子产品种类逐渐增多，功能更加实用化，普通大众已经对电子产品具有一定的依赖性，电子产品使用率逐渐提升。人们对电子产品的使用性能要求不断提高，这就要求电子产品可靠性必须要提升。在未来电子产品的可靠性工作也会越来越重要。

1 电子产品可靠性设计概述

1.1 电子产品可靠性定义

电子产品的可靠性就是指电子产品在固定的时间以及环境下，能否达到设计之初的目标以及设计的要求，它是检验电子产品是否合格的一个标准，更是评估一件产品的可靠性水平的固定值。我们在进行可靠性测试的时候，就需要对电子产品的寿命以及重要零件的进行试验，通过实验的到的数据对电子产品的可靠性进行检测和对比，这样我们就能够对电子产品进行对比，根据数据反应的问题进行改进，打造出符合时展以及市场需要的产品。可靠性试验更能够使研发者了解生产出来的产品与设计之初的差距，使其存在的差距进行不断的缩小。

1.2 电子产品可靠性技术指标

电子产品的可靠性我们可以使其以数学中的函数表达出来，换言之，可靠性就是电子产品的使用能力与时间变化或环境变化之间的对比。就目前而言我们在进行可靠性测试的时候大多数是以产品的使用寿命、失败率等等一系列数据进行分析，然后通过专门的方法和仪器进行对比，这样我们就能够在产品大批量生产之前对产品进行全方位综合性的评价。总的来说，可靠性测试就是我们进行产品升级和研发的重要指标。

1.3 电子产品可靠性设计注意问题

（1）选择固定的电路或者具有一定标准的使用结构；

（2）在试验的时候，要着重简化路和相关产品的结构；

（3）在进行相关试验和技术检测的时候，应该在以往的试验中继承其优点；

（4）在分析试验数据的时候，站在全局的观念以及在多方面进行考虑；

（5）我们在试验的过程中，要采用最新的检测技术还有，我们需要不断的创新，改进试验的技术。

2 电子产品可靠性测试

可靠性测试是通过我们在一定的条件下以及固定的环境下，使用专门的试验方法对相关的数据进行试验，通过试验得到的数据进行相关产品的性能评估。通过可靠性测试，我们能够得出相关的产品信息以及在日后大批量生产的时候提供有用的数据和信息。还有我们能够通过测试了解相关产品的漏洞，还有就是知晓其存在的问题。最后，我们能够其存在的优缺点进行优点放大和缺点规避。我们针对此类问题的解决方法有如下三种：

2.1 “测试――问题记录――再测试”模式

这种当时较为常见，就是这件产品经过研究和生产出来，直接进行测试，然后在测试的时候发现问题，把相关的问题进行一定的记录，然后进行一次性的试验，最后总结发现的问题，进行一次性的修复。把相关的问题解决后在进行测试。

2.2 “测试――改进――再测试”模式

这种相比第一种方法就比较复杂和麻烦，但是这种方法最有效。我们将生产出来的产品记性试验，当第一次发现问题的时候，就停止试验解决相关的问题，然后在进行试验，在整个试验的过程中我们分析发生问题的原因，然后根据相关问题进行解决。增长产品的可靠性，这种方法具有一定的局限性，只适用于发生问题较少的情况。当然，解决问题的效率也比较大。

2.3 “含延缓改进的测试――改进――再测试”模式

此方法是集一、二之长处，也就是说在试验的时候更够，总结其中的问题以及对产生问题的原因进行分析，在集中改进问题的时候，能够有针对性的解决问题，既提高产品的质量，有提高了产品的可靠性。此类方法能够使这些优点进行集中。

我们在记性可靠性试验的时候大多数是通过上述的三种方法进行试验，通过测试能够增强我们产品的质量，也提高了电子产品的可靠性。我们在进行标准的试验后，还需要进行多方位的试验。下面我们就对类似相关的试验记性了分析和改进。

（1）依据不同的目的。我们在进行相关产品研究的时候，应该本着破坏小的试验先进行，把破坏性严重的放到后期。还有我们不断的改进试验方法，不断的缩短试验的时间，我们应该在最快的情况下得到相关的数据，最初的数据不能够符合测试结果，就需要我们放弃后续的试验工作，这样能够有效的节约试验的成本。

（2）依据实际遇到的环境因素。我们在试验的时候，要模拟出电子产品遇到的多种因素，更要充分表现出更加真实的环境。我们应该确保这件产品的试验过程更加真实。

（3）依据能对产品产生的最大影响。这个就是对产品试验的过程进行研究，我们应该充分的研究这个过程中的每种因素。举个例子，当我们进行防水试验的时候，会在产品内滞留一些湿气，当进行低温测试的时候，潮湿的水汽遇冷就会凝结成水，对产品造成了巨大的影响。所以造成的危害就会加剧。

3 可靠性的改进

可靠性就是产品的相关的质量，可靠性的试验就显得十分重要，我们需要在试验的过程总不断的进行相关的改进工作，通过试验，我们能够发现产品中存在的问题，我们为了是产品的质量符合市场的需要没就需要对相关的质量进行改进，其次我们可以通过可靠性的试验，总结相关的问题和相类似的原因，我们能够通过对产生相关问题的原因进行改造。我们就可以依据试验的结果进行产品相关的质量提升。

4 结束语

随着电子产品越来越广泛的应用到社会各个领域，其使用条件变得越来越严酷，电子产品的可靠性测试在其产品质量的提高上发挥了重要的作用，随着人们对电子产品性能要求的逐渐提高，电子产品必须要经过严格的可靠性测试，避免后续出现各类故障，降低故障发生率，提升产品可靠性。

参考文献

[1]郭祥辉.电子封装结构超声显微检测与热疲劳损伤评估[D].北京：北京理工大学，2015.

[2]强楷雯.军工电子产品有铅无铅混装工艺的可靠性研究[D].吉林：北华航天工业学院，2015.

[3]臧甲杰.基于Vague集思想的电子产品可靠性评价[J].数学的实践与认识，2015（04）：221-226.

[4]王佐.电子产品在焊接过程中的可靠性探究[J].电子测试，2015（04）：128-130.