設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)幾點(diǎn)思考

林堅(jiān)

摘要：在設(shè)備研制中，可靠性設(shè)計(jì)是確保設(shè)備任務(wù)完成的前提，是模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，本文從設(shè)計(jì)余度、電磁兼容等方面對(duì)設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：設(shè)備;可靠性;設(shè)計(jì)余度;電磁兼容

1 引言

在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)該將系統(tǒng)的可靠性要求以及規(guī)定的約束條件，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的、具體而且是有效的可靠性技術(shù)設(shè)計(jì)細(xì)則，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的類(lèi)型、任要、求務(wù)、特點(diǎn)以及環(huán)境，將通用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨茫瑫r(shí)加進(jìn)現(xiàn)有的產(chǎn)品研制的豐富經(jīng)驗(yàn)，專(zhuān)用、可靠的設(shè)計(jì)。

2 余度設(shè)計(jì)

余度設(shè)計(jì)就是在指在設(shè)計(jì)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)了幾套具有能實(shí)現(xiàn)同樣功能的單元，這樣能保證了系統(tǒng)只要幾套單元不同時(shí)出現(xiàn)故障就能正常的工作。這種設(shè)計(jì)能確保任務(wù)完成，提高了可靠性，但是由于設(shè)計(jì)了多個(gè)同樣的單元，設(shè)備相應(yīng)的成本，所占的空間以及重量也將隨之增加，因此要根據(jù)實(shí)際的需求對(duì)余度技術(shù)進(jìn)行綜合的分析，衡量。經(jīng)常應(yīng)用于電路中的余度設(shè)計(jì)有以下三種類(lèi)型：

2.1 旁聯(lián)模型

旁聯(lián)模型也稱(chēng)之為非工作貯備模型。它有多個(gè)相同的單元組成，系統(tǒng)工作時(shí)除了一個(gè)單元接通電路正常工作之外，其余的單元置于都空置狀態(tài)，并對(duì)處于工作狀態(tài)的單元進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，一旦工作中的單元出現(xiàn)故障不能正常運(yùn)行時(shí)，那么系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)通過(guò)啟用另外的備用來(lái)進(jìn)行工作，使系統(tǒng)保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 并聯(lián)模型

并聯(lián)模型中所有單元同時(shí)工作，其中的一個(gè)或幾個(gè)出現(xiàn)故障都不能影響到設(shè)備的正常運(yùn)行，除非所有的單元同時(shí)發(fā)生故障。

2.3 ?r/n模型

r/n模型，它是類(lèi)似于電子電路中的串聯(lián)關(guān)系，把r個(gè)單元串聯(lián)在一起，所以必須要有r個(gè)單元正常工作，系統(tǒng)才能正常工作。

模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是集成化，為了更容易的對(duì)故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確，定位。系統(tǒng)可采用軟件對(duì)模塊的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，一旦模塊不能正常工作時(shí)，可馬上識(shí)別并接通備用模塊，保證測(cè)試能夠繼續(xù)運(yùn)行。

綜上分析，采用旁聯(lián)模型更有利于保證系統(tǒng)的可靠性。旁聯(lián)模型如圖1所示。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)備中所產(chǎn)生的電磁干擾較弱時(shí)，可能只會(huì)降低設(shè)備的性能，但是如果電磁干擾超過(guò)了規(guī)定的范圍，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的癱瘓。但電子設(shè)備測(cè)量多種跨度很大頻率是，并且工作在復(fù)雜的電磁壞境中，就會(huì)有可能產(chǎn)生的電磁輻射比較強(qiáng)。信號(hào)的轉(zhuǎn)接和傳輸也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，大功率的測(cè)試設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電磁。

因此設(shè)備進(jìn)行接地和對(duì)信號(hào)進(jìn)行屏蔽處理來(lái)減少電磁的干擾，保證了測(cè)試的精度和設(shè)備的穩(wěn)定。

4 接地設(shè)計(jì)

4.1 地的概念

模擬系統(tǒng)中，采用統(tǒng)一的地線、布局、布線以及屏蔽設(shè)計(jì)措施，能夠減少不同的設(shè)備間的信號(hào)傳輸?shù)牟町悾瑸橄到y(tǒng)的穩(wěn)定可靠創(chuàng)造條件。不當(dāng)?shù)慕拥厥窃肼曅盘?hào)的直接來(lái)源，甚至?xí)＜暗讲僮魅藛T和測(cè)試設(shè)備的安全。

“地”是工程應(yīng)用中最容易混淆的概念，“地”按照它所起到的作用可以劃分為以下幾類(lèi)：①電流較大的功率地;②作為信號(hào)回路公共端的信號(hào)地;③能夠減少電磁干擾和噪聲的屏蔽地;④釋放電流的安全地。

4.2 單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地

一般當(dāng)系統(tǒng)中的頻率可以劃分為三個(gè)頻段小于1MHZ的低頻段，高于10MHZ的高頻段，還有處于兩者之間的中高頻段。按照一般的接地原則，低頻段單點(diǎn)接地，高頻段多點(diǎn)接地，中高頻段接地方式根據(jù)地線的長(zhǎng)度來(lái)決定，當(dāng)?shù)鼐€的長(zhǎng)度大于波長(zhǎng)的5%時(shí)采用多點(diǎn)接地，反之用單點(diǎn)接地。

（1）單點(diǎn)接地，有并行接地和串行接地兩種方式。

并行接地原理如圖2所示，圖中中不同的電路中會(huì)由于電流的耦合而產(chǎn)生壓降，因此電路中各個(gè)接地線是相互獨(dú)立的

串行接地原理如圖3所示，電路1、電路2、電路3進(jìn)行串行連接，每一路都存在有匯地電流I1、I2、I3，最終各電流進(jìn)行匯總，接地噪聲壓降由于總電流的存在而產(chǎn)生。因此在電線的布局上接近主接地點(diǎn)的電路應(yīng)為電流最大或地點(diǎn)位最敏感的電路。

（2）多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地電路中的電感會(huì)產(chǎn)生阻抗，并且會(huì)隨著信號(hào)頻率的增加而增加，電線與地線之間會(huì)形成電容耦合，輕度會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，重則會(huì)有噪音發(fā)出，因此當(dāng)頻率處于高頻段（10MHZ以上）時(shí)，應(yīng)該用最短的接地線接到接底盤(pán)，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)接地方式的分析結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際需求，系統(tǒng)有信號(hào)地、功率地及安全地，因此系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地方法，讓各種地相互獨(dú)立，最終與接底盤(pán)相連，如圖5示。

采用這種接地方式可以保證安全，皮面在機(jī)柜表面出現(xiàn)電壓;為模擬系統(tǒng)中靜電的釋放提供了回路，保護(hù)了設(shè)備的元器件不因靜電而受損;避免了交流電源線噪聲通過(guò)信號(hào)地耦合。

通過(guò)以上對(duì)單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的分析和比較，為了使屏蔽層的噪聲電流更小，系統(tǒng)在接地設(shè)計(jì)中為了能夠與信號(hào)電路的接地方式相同采用單點(diǎn)接地，在負(fù)載端，系統(tǒng)的屏蔽信號(hào)線與大地已經(jīng)相連，因此，應(yīng)該讓地線與屏蔽線和屏蔽層通過(guò)接口電纜相連，并最終和大地匯合。模擬系統(tǒng)中的所有電源、信號(hào)傳輸線都要進(jìn)行屏蔽處理，并與箱體的安全地連接，實(shí)現(xiàn)單端接地，這樣可以減少交流電源在機(jī)柜中產(chǎn)生的噪聲干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)余度設(shè)計(jì)、電磁兼容、系統(tǒng)接地等進(jìn)行了剖析，給出了采用旁聯(lián)模型更有利于保證系統(tǒng)的可靠性;進(jìn)行接地和對(duì)信號(hào)進(jìn)行屏蔽處理來(lái)減少電磁的干擾，能夠保證了測(cè)試的精度和設(shè)備的穩(wěn)定;在模擬系統(tǒng)中的所有電源、信號(hào)傳輸線都要進(jìn)行屏蔽處理，并與箱體的安全地連接，實(shí)現(xiàn)單端接地，這樣可以減少交流電源在機(jī)柜中產(chǎn)生的噪聲干擾等設(shè)計(jì)建議，能夠給設(shè)備設(shè)計(jì)提供一定的參考。