КАФЕДРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

АВТИ

КАФЕДРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К разработке изделия

по дисциплине «МЕХАНИКА»

Вариант 4.3.3.

ВЫПОЛНИЛ СТУДЕНТ ГРУППЫ А-6-10

Хаустов Я.В.

КОНСУЛЬТАНТ

доц., к.т.н.

Василькевич И.В.

Москва 2012

2.1. Заявка на разработку

Разработать изделие, пригодное для промышленного изготовления в составе серийной аппаратуры и удовлетворяющее требованиям заказчика.

Типовая принципиальная схема изделия приведена на рис.1. Это генератор прямоугольных импульсов (ГПИ).

Смонтаж. 50 пФ, 5 кОм R1, R2 50 кОм, 65 нс Tч, п 3 мкс

Рис. 1.

Требования заказчика приведены в таблице 1.

Требования заказчика Таблица 1.

Наименование параметра	Значение параметра
Номинальные значения параметров импульса ГПИ: длительность импульса Т1, нс длительность импульса Т2, нс
Максимально допустимая нестабильность периода ГПИ в заданном температурном интервале и в течение заданного времени безотказной работы, %	±15
Интервал рабочих температур, °С	от -30 до +60
Вероятность нахождения значений выходного параметра в поле допуска (не менее)	0, 96
Время безотказной работы, ч
Доверительная вероятность оценки	0, 96
Тип микросхемы	К155АГ3

К защите необходимо представить следующий комплект конструкторской документации:

1. Пояснительную записку.

2. Принципиальную электрическую схему изделия и перечень элементов к ней.

3. Спецификацию и сборочный чертеж изделия.

4. Чертеж печатной платы, на которой монтируются элементная база генератора.

Все документы должны быть оформлены в полном соответствии с требованиями ЕСКД.

В процессе проектирования изделия следует учесть, что изделие изготовляется серийно и должно обладать работоспособностью в заданных условиях эксплуатации и за указанное в заявке время. Поэтому выбор топологии схему и типов, номиналов и иных параметров электрорадиоэлементов должен вестись по критерию надежности с учетом влияния постепенных и внезапных отказов.

При синтезе изделий необходимо использовать математическое моделирование на ЭВМ. Следует провести матричные и статистические испытания для определения многомерной области работоспособности, выбора в ней оптимальной рабочей точки. Следует обосновать выбор всех радиоэлементов, входящих в состав принципиальной электрической схемы (номинальное значение, технологический допуск, температурные и временные изменения), доказать с заданной доверительной вероятностью правильность найденного решения.

Пояснительная записка должна содержать следующее:

1. Титульный лист.

2.1. Заявка на разработку.

2.2. Техническое задание на разработку.

2.3. Анализ технического задания.

2.4. Прогнозирование вероятности безотказной работы с учетом только постепенных отказов.

2.4.1. Отыскание многомерной области устойчивой работы методом матричных испытаний.

2.4.1.1. Идея, алгоритм матричных испытаний, критерий отыскания области устойчивой работы.

2.4.1.2. Создание адекватной математической модели.

2.4.1.3. Оценка значимости первичных параметров путем оценки коэффициентов влияний и интервалов возможных их изменений. Оценка возможного упрощения математической модели на основе полученной информации.

2.4.1.4. Реализация цикла матричных испытаний с целью нахождения наилучшей области устойчивой работы.

2.4.2. Статистические испытания.

2.5. Выбор типов и номиналов электрорадиоэлементов схемы

2.6. Прогнозирование вероятности работы изделия с учетом только внезапных отказов.

2.6.1. Обоснование потока внезапных отказов.

2.6.2. Оценка вероятности безотказной работы изделия с учетом только внезапных отказов

2.7. Заключение.

2.8. Список использованной литературы.

2.2. Техническое задание.

(По ГОСТ.15.001-73 «Разработка и постановка продукции на производство»).

Наименование продукции и область применения продукции.

Полное наименование – «схему генератора прямоугольных импульсов (ГПИ)». В дальнейшем будем использовать краткое название – «генератор». Область применения: генерирование прямоугольных импульсов для исследования переходных процессов.

Основание для разработки.

Разработка ведется на основании учебного стандарта 2005 года дисциплины «Механика». Индекс дисциплины СД.Ф.01.

Требования к монтажной пригодности.

Изделие «генератор», оформленное конструктивно в виде ТЭЗ, поставляется в собранном виде.

Ограничения на форму.

Форма ТЭЗ стандартна для наземной аппаратуры: параллелепипед с соотношением длины и ширины не более 2: 1.

2.2.5.1.6. Ограничение на абсолютный и удельный расход энергии: максимальное потребление тока 66 мА при напряжении питания 5 В.

2.2.5.1.7. Требования помехозащищенности и исключения помех, влияющих на другую продукцию: для защиты от помех по питанию предусмотреть фильтрацию высоко и низкочастотных помех на линии питания с помощью конденсаторов соответствующих типов и номиналов.

Требования к взаимозаменяемости продукции и её составных частей.

По геометрическим параметрам (габаритные, присоединительные и установочные размеры) взаимозаменяемость должна быть полной (Р=1).

По электрическим характеристикам допускается неполная взаимозаменяемость усилителя с вероятностью не ниже указанной в заявке (Р=0.9).

Показатели значения.

2.2.5.2.1 Номинальные значения параметров импульса: Длительность импульса Т1 - 700 нс, длительность импульса Т2 - 200 нс.

2.2.5.2.2 Нестабильность периода ГПИ: в заданном температурном интервале и в течение заданного времени безотказной работы - ±15%.

2.2.5.2.3 Используемые микросхемы: ГПИ должен быть построен на базе микросхемы К155АГ3. Тип операционного усилителя - 153УД4.

2.2.5.3. Требования к надежности изделия.

Оговаривается только аппаратурная надежность. Основной критерий – безотказность работы генератора. Численное значение безотказной работы - не менее 0, 96 за время 3000 часов. Доверительная вероятность оценок – 0, 96.

Требования к уровню унификации и стандартизации.

При оценке уровня стандартизации следует принимать во внимание входящие в состав ТЭЗ изделия, изготовляемые как по государственным, отраслевым так и стандартам предприятий. Общий уровень стандартизации ТЭЗ должен быть не менее 0, 99.

Требования к безопасности.

Нормы и требования по электробезопасности при монтаже и эксплуатации ТЭЗ должны соответствовать отраслевому стандарту по охране труда.

Требования к патентной чистоте разработки.

Требования отсутствуют, так как ТЭЗ усилителя на экспорт не поставляется.

Условия эксплуатации.

Для разрабатываемого усилителя в заявке на разработку регламентирован только диапазон рабочих температур: от -30°С до +60°С.

Требования к маркировке и упаковке.

2.2.5.8.1. Маркировка на ТЭЗ и печатной плате должна содержать:

- децимальные номера печатной платы и ТЭЗ;

- оцифрованные обозначения точек подключения (входные, выходные, питания);

- буквы, цифры, символы, позволяющие правильно устанавливать электрорадиоэлементы на плату;

- места для простановки штемпелей ОТК.

2.2.5.8.2. Маркировка должна быть нанесена металлизацией на печатной плате. Шрифт №6.

2.3. Анализ технического задания.

В заявке на разработку четко указано, что во главу деятельности должен быть поставлен критерий надежности. Иные критерии: минимум оборудования, стоимость – прямо не упоминаются. Однако в тексте заявки записано, что изделие должно изготавливаться серийно. Из этого можно уточнить критерий: изделие должно иметь уровень надежности не ниже предписанного в заявке при минимальной стоимости его изготовления. Иными словами критериев два: заданный уровень надежности и минимальная стоимость изделия.

Известно, что уровень надежности изделия определяют четыре вида отказов: постепенные, внезапные, накапливающиеся и сбои. Однако в заявке оговариваются лишь два из них: постепенные и внезапные. Правильно ли это?

Накапливающиеся отказы могут иметь место лишь в системах, где предусмотрено резервирование (полное или поэлементное). В нашей ситуации резервирование генератора не предусматривается.

Сбои могут иметь место, если на устройство воздействуют помехи электромагнитного происхождения: полевые, емкостные, индуктивные, гальванические. Заказчик не указал на необходимость борьбы с ними, ибо конструкция ТЭЗ является низшей в иерархии конструкций устройства. Защита от сбоев предусмотрена там. А на уровне ТЭЗ возможно лишь проникновение электромагнитных помех по цепям питания. Но здесь заказчик предусматривает защиту (см. п/п 2.6) и требует введения фильтров помех.

Заказчик предписывает и алгоритм разработки: имитационное моделирование. И это понятно. Проверенный тысячелетиями метод проб и ошибок более невозможен. Ведь для доводки изделия этим методом требовались годы, а то и века. Ныне же на разработку даже сложного комплекса отводятся месяцы, иногда годы. Высокая стоимость и надежность разрабатываемой техники ограничивает число натурных испытаний (экспериментов).

Поэтому имитационное моделирование позволяет в некоторой степени компенсировать возможности или ограничения проведения натурных испытаний (экспериментов). Хотя и не может в полной мере заменить их. Ибо модель есть продукт нашего воображения. А критерием истины остается по-прежнему практика (т.е. натурные испытания).

Оценка значимости первичных параметров путем оценки коэффициентов влияний и интервалов их возможных изменений первичных параметров. Оценка возможного упрощения математической модели на основе полученной информации.

Коэффициенты влияния характеризуют реакцию выходного параметра на изменение того или иного первичного параметра.

Для определения коэффициентов влияния надо выбрать исходные значения параметров. Выберем их исходя из следующих соображений:

1. Возьмем такие значения номиналов сопротивлений, которые дают наиболее близкий к требуемому результат, но при этом встречаются в наиболее популярных рядах Е24, Е12. Исходя из этих соображений, выберем сопротивления из ряда Е24:

С1 = 51 пф

R1 = 27 кОм

С2 = 47 пф

R2 = 24 кОм

2. Температурный коэффициент сопротивления резисторов. Возьмем такое значение, которому удовлетворяет большое количество резисторов разных типов:

α ₁= ±5*10^-4

3. Возьмем такой коэффициент старения резисторов, которому удовлетворяет большое количество резисторов разных типов:

β ₁= ±6.6*10^-6

4. Температурный коэффициент ёмкости: α ₂= ±3.3*10^-5

5. Коэффициент старения конденсаторов: β ₂ = ±1.9*10^-7

6. Температуру возьмем T = +30°C

7. Внешний первичный параметр время указан в заявке на разработку, он может изменяться в пределах от 0 до 3000 часов. Возьмем максимальное значение t = 3000 ч.

8. и возьмем равными 40 нс.

Будем искать коэффициенты влияния в двух наихудших рабочих точках, в которых отклонение выходного параметра от номинального значения является максимальным.

Первый случай:

Второй случай:

С помощью коэффициентов влияния можно оценить степень влияния изменений каждого из аргументов на нестабильность выходных параметров. Оценим степень влияния по формуле:

, где нормированный коэффициент влияния первичного параметра х_i на значение выходного параметра y= .

Программа вычисляет все возможные коэффициенты влияния: абсолютный, нормированный, относительный. Мы будем использовать для оценок значимости нормированный коэффициент влияния. Ибо погрешность выходного параметра задана в безотносительных единицах (проценты), а первичные параметры имеют размерность ( , , час, °С, Ом).

Для параметров X1, X2, Х3, Х4 отклонение ∆ _Xопределяется технологическим разбросом действительных значений сопротивления и емкости от номинальных для выбранного ряда:

∆ X1 = 27*10³- 24*10³= 3*10³Ом

∆ X2 = 24*10³- 22*10³= 2*10³Ом

∆ X3 = 51*10^-12- 47*10^-12= 4*10^-12Ф

∆ X4 = 47*10^-12- 43*10^-12= 4*10^-12 Ф

Параметры Х5 и Х6 соответствуют температурным коэффициентам сопротивления резисторов (имеют значение ±5*10^-4 ) и параметры X9 и X10 соответствуют температурным коэффициентам ёмкостей конденсаторов (имеют значение ±3.3*10^-5 ). Номинальное значение параметров Х5, Х6, X9 и X10 равно нулю, следовательно отклонения от номинального значения равны:

∆ X5 = 0 - (-5*10^-4) = 5*10^-4 ;

∆ X6 = 0 - (-5*10^-4) = 5*10^-4 ;

∆ X9 = 0 - (-3.3·10^-5) = 3.3·10^-5 ;

∆ X10 = 0 - (-3.3·10^-5) = 3.3·10^-5 ;

Параметры Х7 и Х8 соответствуют коэффициентам старения резисторов (имеют значение ±6.6*10^-6 ) и параметры Х11 и Х12 соответствуют коэффициентам старения конденсаторов (имеют значение ±1.9*10^-7 ). Номинальное значение параметров Х7, X8, X11 и Х12 равно нулю, следовательно отклонения от номинального значения равны:

∆ X7 = 0 – (-6.6*10^-6) = 6.6*10^-6 ;

∆ X8 = 0 – (-6.6*10^-6) = 6.6*10^-6 ;

∆ X11 = 0 – (-1.9*10^-7) = 1.9*10^-7 ;

∆ X12 = 0 – (-1.9*10^-7) = 1.9*10^-7 ;

Параметр Х13 соответствует температуре, нормальное значение температуры 20˚ С, поэтому отклонение

∆ X13= 20 – 30 = -10 °С;

Параметр Х14 соответствует времени работы изделия

X14 = 3000 ч;

Параметры Х15 и Х16 соответствуют значениям задержки в тракте микросхемы К155АГ3, 40 нс.

Подставив полученные значения в формулу, определим суммарную степень влияния всех первичных параметров на значение выходного параметра для случая, когда числитель принимает наименьшее значение, а знаменатель наибольшее:

a_y = 1.85*10^-5*3*10³+1.71*10^-5*2*10³+ 9.8*10⁹*4*10^-12+8.7*10⁹*4*10^-12+

+4.88*5*10^-4+ 4.0* 5*10^-5+1.46*10³*6.6*10^-6+1.2*10³*6.6*10^-6+5*3.3*10^-5+

+4.1*3.3*10^-5+1.5*10³*1.9*10^-7+1.23*10³*1.9*10^-7+4, 75*10^-4*10+

+6*10^-6*3000+1, 1*10⁴*40*10^-9+1, 1*10⁴*40*10^-9= 4, 4*10⁴.

Найдем степень влияния каждого параметра в отдельности.

a_i= k_i*100 / a_y

Х1: a1=26.4% Х2: a2=16.3%

Х3: a3=18.6% Х4: a4=16.6%

Х5: a5=1.16% Х6: a6=0.95%

Х7: a7=4.6% Х8: a8=3.8%

Х9: a9=0.08% Х10: a10=0.06%

Х11: a11=0.14% Х12: a12=0.11%

Х13: a13=2.26% Х14: a14=8.6%

Х15: a15=0.21% Х16: a16=0.21%

Проведем аналогичные расчеты для второго наихудшего случая:

Х1: a1=26.4% Х2: a2=16.3%

Х3: a3=18.6% Х4: a4=16.6%

Х5: a5=1.2% Х6: a6=0.91%

Х7: a7=4.3% Х8: a8=4.1%

Х9: a9=0.12% Х10: a10=0.02%

Х11: a11=0.1% Х12: a12=0.15%

Х13: a13=2.36% Х14: a14=8.5%

Х15: a15=0.21% Х16: a16=0.21%

Результаты очень близки.

Видно, что наибольшее влияние на значение выходного параметра оказывают изменения значений технологического разброса сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов, следовательно, при проведении матричных испытаний для определения области устойчивой работоспособности в первую очередь следует подбирать именно эти параметры. Диапазон изменения этих параметров имеет смысл разбить на максимально возможное количество квантов, т.е. на восемь.

Следующими по значимости влияния являются коэффициенты старения резисторов и конденсаторов. При проведении матричных испытаний диапазон изменения этих параметров разобьем на пять квантов.

Наименее значимыми являются температурные коэффициенты сопротивления резисторов и емкостей конденсаторов. Их диапазон разобьем на два кванта.

Значения времени работы, температуры, и изменяться не будут.

Опыт №1

Берем узкий диапазон допуска резисторов(±2%), и конденсаторов(±5%) для попадания внутрь рабочей области

Опыт №2

Возьмем для резисторов допуск 10%, для конденсаторов - 20%

Статистические испытания.

Статистические испытания – это численный метод решения вероятностных задач, при котором искусственно имитируются нужные законы распределения первичных параметров, и проводится серия опытов. В каждом опыте вычисляется значение выходного параметра для случайной реализации аргументов. Статистическая обработка серии опытов позволяет получить оценку выходного параметра, достоверность которой при увеличении числа опытов повышается.

Для статистических испытаний исходными данными являются законы распределения первичных параметров и их численные характеристики. Произведем анализ и выбор законов распределения для исследуемых первичных параметров.

Для описания явления технологического разброса сопротивлений резисторов МЛТ постулируется усеченный нормальный закон. Нормальное распределение возникает в результате перемешивания малых влияний отдельных факторов. Как правило, нормальное распределение может быть использовано для описания явления технологического разброса параметров элементов конструкций ЭВА, если в технологическом цикле не предусмотрены операции контроля и отбраковки. Усеченное нормальное распределение может быть использовано для описания явлений технологического разброса параметров изделий, когда имели место операции контроля и разбраковки. Такие операции всегда имеют место при массовом изготовлении резисторов. Технологическое оборудование здесь настраивается на изготовление изделия с определенным номинальным значением параметра и вводится отбраковка элементов, параметры которых выходят за пределы установленного класса точности.

Для усеченного нормального закона распределения указываются: ХМ – математическое ожидание первичного параметра, XD – дисперсия. Для резисторов и конденсаторов математическое ожидание равно номинальному значению сопротивления или емкости, дисперсия вычисляется по формуле:

D = (DELTA / 3)²,

где DELTA имеет значение половины поля допуска (в абсолютных единицах).

Таким образом, для параметра Х1 (номинал резистора R1):

· ХМ = 2, 7000E+004

· XD =20, 25000E+004

Для параметра Х2 (номинал резистора R2):

· ХМ = 2, 40000E+004

· XD = 16, 00000E+004

Для параметра Х3 (номинал резистора С1):

· ХМ = 5, 100000E-011

· XD = 0, 007200E-022

Для параметра Х4 (номинал резистора С2):

· ХМ = 4, 700000E-011

· XD = 0, 024600E-022

Эти значения заносятся в файл входных данных для проведения статистических испытаний.

При описании закономерностей технологического разброса температурного коэффициента и коэффициента старения резисторов и конденсаторов, информация о физике явлений и приоритетах влияний различных факторов отсутствует, поэтому из-за отсутствия достоверной информации о закономерностях этих изменений постулируется закон равномерной плотности. В файл входных данных заносятся минимальное и максимальное значения параметров.

Для параметров, характеризующих температурный коэффициент сопротивления и емкости имеем: для параметров Х5 и Х6 (ТКС резистора R1 и R2) минимальное и максимальное значения соответственно равны -5, 00000E-004 и 5, 00000E-004. Для параметров Х9 и Х10 (ТК конденсатора С1 и С2) минимальное и максимальное значения соответственно равны - 3, 30000E-005 и 3, 30000E-005.

Для параметров Х7 и Х8, Х11 и Х12, характеризующих соответственно коэффициенты старения резисторов R1 и R2, конденсаторов С1 и С2, также принят равномерный закон распределения. Минимальное и максимальное значения параметров соответственно равны -6, 60000E-006и 6, 60000E-006 для резисторов; -1, 90000E-007 и 1, 90000E-007 для конденсаторов.

Параметр Х13 описывает возможные изменения температуры окружающей среды. Так как температура – внешний первичный параметр, то для него рекомендуется имитировать ситуацию “наихудший случай”, т.к. исключение отказов при наихудших ситуациях дает определенные гарантии (запас) работоспособности. В файл входных данных записываются минимальное и максимальное значения изменения диапазона параметра, соответственно равные –30 и +60.

Параметр Х14 описывает возможные изменения времени работы изделия. Так как время – внешний первичный параметр, то для него рекомендуется имитировать ситуацию “наихудший случай”, минимальное значение параметра 0, максимальное – 3000.

Параметры Х15 и Х16 описывают значения задержки в тракте микросхемы. Они являются константами.

В процессе статистического моделирования было реализовано 1000 опытов, что существенно меньше идеала – бесконечного числа опытов, поэтому указанные в распечатке значения вероятности нахождения в заданном интервале Y1-Y2 следует считать лишь оценкой Р^*. Истинное значения вероятности исправной работы лежит в интервале Р₁–Р₂: Р₁≤ Р^*≤ Р₂, где Р₁, Р₂– границы доверительного интервала вероятностей, определяемые по формуле:

Где

P^* = 0.98 – найденная вероятность попадания выходного параметра внутрь заданного интервала;

= 1, 98 – коэффициент, соответствующей заданной доверительной вероятности β =0, 96;

N = 1000 – число опытов, сделанных в цикле статистических испытаний.

P1=0.967, P2=0.983

В результате статистического моделирования получили, что в заданных условиях эксплуатации в течение 3000 часов вероятность исправной работы с учетом постепенных отказов для разработанного изделия составляет не менее 0.96.

Список использованной литературы

12 3 4 5 6