一、系統方案設計時的可靠性原則 ( j7 c, h4 W" B/ s. a/ |8 x7 @
　在研制一臺微機化儀表時, 首先是根據系統的性能指標和功能要求決定系統的結構形式、劃分軟硬件的分工、確定具體 電路形式及元器件選型等設計工作, 系統的設計方案在很大程度上也就決定了系統的可 靠性。 ; d5 j6 b! y* y4 l1 Q
在系統方案設計時應遵循如下原則： 5 a; A  H3 c+ y7 V5 i8 E7 q/ ~
　　1.簡化方案
: K' d. S2 e0 h) ^　　系統的可靠性是由組成系統的各個單元只到每個元件的可靠性決定的，所以應該盡量提高元器件或獨立單元的可靠性。 從失效率的角度, 系統的失效率是其所有組成元件的總和, 避免一個元件失效的最好方 法是在系統中省去這個元件。所以, 只要能滿足系統的性能和功能指標，就盡可能地簡化系統結構。當然，如果某種附加有 利于提高系統可靠性, 則是必要的,例如抗干擾設計、容錯設計、雍余設計等。
# c& y8 `6 m0 T! G( W　　2.避免片面追求高性能指標和過多的功能 ) n9 Z0 Y: _. e6 E% b6 c1 D: e
　　隨著技術的發展, 產品的性能和功能 應該是越來越強的，但在一定階段內和力所能及的技術條件下，應注意協調高指標 與可靠性的關系。如果給系統定下過高的指標，勢必使系統復雜化, 一方面使用過多的 元器件, 直接降低了系統的可靠性；另一方面增加了設計中的不合理、不可靠隱患的機 會。 & @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
　　這是微機化儀表特有的問題，由于微機的參與，軟件在 數據處理、邏輯用分析、通信和分時處理等方面具有硬件難以比 擬的功能，而且軟件在通過實踐的驗證后, 就不存在失效性的問題。在方案設計時, 能夠方便地用軟件完成的功能一定要堅 決地貫徹“以軟代硬＂的原則。另一方面就微機化儀表而言,功能再強大的軟件也需要硬 件的支持,如果軟件擔負的任務過多, 既增加開發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時間資源允許的 前提下進行。現在有很多可編程的集成芯片, 一方面簡化了硬件電路，提高了其可靠性 , 另一方面又促成了更進一步“以軟 代硬＂的可能。微機化儀表是由軟件和硬件構成的，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.盡可能用數字電路代替模擬電路 數字電路穩定性好、抗干擾能力強、可標準化設計、易于器件集成制造。數字式集 成電路代替模擬式是電子技術發展的 一個趨勢。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 、機械性能好、焊點少, 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.變被動為主動 影響系統可靠性的因素很多，在發生的時間和程度上的隨機性 也很大，在設計方案時,對易遭受不可靠因素干擾的薄弱環 節應主動地采取可靠性保障措施，以免在問題發生時被動地應付。抗干擾技術和容錯設 計是變被動為主動的兩個重要手段。
/ @) d4 I  [" W8 J" w二、元器件的合理選用 + N- [8 c1 A1 B& q
　　可以說, 系統的徹底失效都是以元器件的失效而告終的。所 以，在設計和研制微機化儀表時, 合理地使用元器件, 是保障系 統可靠性的基本技術。合理地使用一方面是指設計階段, 根據應用條件，選擇合適的器 件及其工作點; 另一方面是指研制階段對 器件進行篩選，使用可靠的器件。下面討論若干基本元器件的設計選用。 , Y# q# H& Y" P  E. K9 ^/ x
　　1.分離半導體器件的使用
4 p6 G# b: p0 S7 [% A% u; q# j　　 在電路設計時, 對分離器件主要從電應力、工作頻率、型號 互換等方面考慮。 9 [% b# J4 }0 Q1 H) I( V+ B- x  B
　　(1)電壓應力: 半導體器件均有其耐壓的極限值 , 如三極管、極 限值等。 當所加的電壓大于半導體器件的極限電壓值時,將會 出現瞬時擊穿或永久性擊穿, 前者引起器件電參數的變化，后者使之突發性失效。除明 顯的設計和調試錯誤外，器件性能的分散 性、連鎖反應、感性負載等都是造成器件意外擊穿的因素. $ p8 G  ]$ c7 J# r/ Y* `, L
　　(2)電流應力: 器件所承 受的最大電流 。半導體器件工作時， 因其自身電阻的存在，必然產生熱量，在溫度和電流的綜合作用下，器件內溫度超過極 限將導致失效。與電流應力密切相關的因 素是工作溫度，所以工作溫度較高時, 應考慮降低器件的參數等級, 或者采取良好的散 熱措施。對于功率器件, 功率、溫度、散熱始終是設計時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結的電容效應, 半導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, 那樣噪聲系數將 增大。
4 j8 ~3 H  j8 r/ T" G2 K' A$ O) g　　(4)型號互換: 器件互換性有利于減少MTTR指標。互換時主 要考慮參數的匹配, 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(合成實芯、合 成薄膜、玻璃釉)等, 隨著電子技術的發展，新型品種也不斷出現。 : }% Y8 i+ E3 W" n( n( I0 X% t+ C
　　在使用固定電阻和電 位器時, 應考慮下列事項:
, m" L7 S+ @) x1 Z　　(1)阻值穩定性: 電阻的阻值會因其材料的“老化”而變化, 這是個緩變的過程。電 阻值更經常地受溫度的影響，因此 在精密電路中, 電阻的溫度漂移系數是個重要指標。
. g% q( \. ^4 [$ a' f　　(2)工作頻率：當電阻工作在高 頻時, 其工作參數受分布 電容、趨膚效應、介質損耗及引線電感等因素影響而變化。5 a: k$ |" W& P
      (3)功率負荷: 當電阻器 件承受的功率超過額定值時, 將因 溫度升高而失效。電阻器的額定功率也是與溫度關聯的指標，如果工作溫度高于指定的 溫度, 則應適當降低額定指標使用。
' D8 U' L1 c8 x4 F　　(4)噪聲：在設計微弱信號前置放大器時, 電阻的噪聲系數是一個值得重視的指標。 2 g3 {4 B% p# d. l$ }
　　在常見的電阻器件中, 碳膜、金屬膜和精密合金箔電阻 的性能以次遞增; 線繞電阻溫度穩定性最好,常用于精密測量儀器中。在實際電路設計時 , 應參考國家技術標準和生產廠家 提供的資料, 按照上述事項進行取舍。另外選用時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 論是性能指標還是可靠性，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，同時對某些可能因電位器失效造成嚴重故障的電路應采取相應的容錯措施， 如開路、短路保護等。 4 m( r/ g- \6 G4 F) ]. v# F
　　3.電容器的選用 + P# C; b6 B, L5 b: W7 D
　　電容器根據其介質材料的不同可分為無機介質、有機介質和電解介 質三類，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的，所以應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， 介質的頻率特性也限制其應用的上限 頻率。沒有工作高、低特性皆好的電容器，瓷、云母介質的電容器是高頻段器件; 有機 高分子聚合物多為中頻段器件; 電解介質電容工作在低頻段。
; I/ L2 U: H7 O1 K) V6 E　　(2)容量穩定性: 溫度和制造工藝會影響電容器容量的穩定性, 在頻率諧振電路中, 對電容值的穩定性有較高的要求。在 高頻段，云母介質優于瓷介質; 在低頻段鉭介質電容器優于鋁電解電容器；單就穩定性 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: 電容器的漏電將產生噪聲, 對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)電壓負荷: 電容器承受直流電壓的能力較強，但對于交流和脈動的電壓則較弱, 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、無機介質電容器在這一指標上性能 遞增。 ( |6 X% f1 ^' e( j5 l
　　(5)承受功率：對于用于電源濾波這類場合的電容器, 應該 考慮其承受功率負荷的問題, 當電流脈動較大時, 電容器的溫度也會升高, 性能指標下 降, 最終導致被擊穿失效。 ; o7 B0 M( G! y" Z  o1 P* c# @0 |
　　電容器的選 用比電阻要復雜, 對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 、短路和開路等, 電容器的結構比電阻器復雜, 是失效率相對較高的器件。 ) ~  ^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的發展，在品種、規模、性能和電性能參數等方面已達到了很高的水平，是電子電路中應用最 為廣泛的器件。集成芯片是由成千上萬個半導體單元在一塊硅片上構成的電路，其專業化的設計充分考慮了電路的合理性和 可靠性，器件制造工藝先進、精密，所以集成芯片具有性能優越、穩定性好和分散性小等特點。另外，集成芯片封裝緊密, 不易受環境的干擾。所以由集成芯片構成的電路比相應的分離器件電路在性能和可靠性上具有無可比擬的優勢, 在儀表設計時應優先考慮使用集成芯片。 集成芯片可分模擬和數字兩大類，具體品種繁多, 其選擇應參考生產廠家提供的技術資料結合具體電路進行, 總的要求是外圍器件的參數選擇正確、整個電路工作在額定狀態和條件下。 ( C$ ^- G$ s, ^0 R5 v; b. G7 [2 p