ST16型示波器可靠性預計分析

摘要本文采用元件計數法和元件應力分析法對ST16型示波器進行了可靠性定量分析，對其平均無故障工作時間進行了理論預計及薄弱環節分析。針對確定出其控制系統的薄弱環節，給出了提高系統使用可靠性的幾點建議。這將對示波器的使用、維修及管理有很大幫助。

中圖分類號：TM935.37文獻標識碼：A

ST16 Type Oscilloscope Reliability Prediction Analysis

YIN Meirong

(Dalian light industrial school， Dalian， Liaoning 116023)

AbstractThis paper adopts component count method and components of stress analysis method to quantitative analyse the reliability of ST16 type oscilloscope， and theory predict the average working time for trouble-free， as well as analyse its weak link. According to identify the weak link of the control system are given， and the author raises several suggestions to improve the reliability of the system. This will helps a lot to the using and maintenance of oscilloscope and management.

Key wordsreliability engineering; oscilloscope; components notation; stress analysis method

目前我國的電子示波器，由于生產技術的發展，生產工藝的改進，在質量及技術指標方面均得到較大的提高，生產及使用的數量也急劇增加。示波器得出的數據是否真實可靠，將直接影響著科研生產的結果。電子產品的可靠性已經成為了衡量電子產品質量及其綜合性能的最重要指標之一，提高電子示波器的可靠性對于提高它在市場上的競爭力影響巨大。

1 ST16型示波器簡介

筆者任職于大連的一所職業學校，從事機電專業的教學工作，在教學及科研工作過程中會經常用到示波器。我們學校實驗室配備的示波器是ST16型示波器，它是一種通用的小型示波器，具有0~5MHz的頻帶寬度和20mv/div的垂直輸入靈敏度，掃描時基系統采用觸發掃描，最快掃速達100s/div。ST16型示波器非但能適用于一般脈沖參量的測量，特別對電視機、音頻放大器、收音機等電子設備的維修調試十分方便，可供生產線使用，亦可作為程序控制機床等機械設備的監視器。

ST16型示波器的電路結構包括垂直放大系統，掃描時基系統的觸發放大器、整形器、掃描發生器和水平放大器，以及高低壓電源供給裝置，示波管顯示控制和增輝電路，此外還附有以使用電源放大削波后構成的100mv方波信號校準器。

2 可靠性分析方法

2.1 電氣設備的基本可靠性指標

為了使可靠性定義中的“能力”這一抽象概念不致含糊不清，需要用概率論和數理統計的數學工具對可靠性進行定量的研究，定量地表示設備可靠性的數學特征量主要有以下指標：

（1）平均無故障運行時間(MTBF )：表示設備每次檢修后，可以無故障地連續運行的平均時間。

（2）故障率()：故障率又稱失效率，它是產品可靠度的重要指標。故障率定義為已工作到時刻t尚未失效的產品在時刻t后單位時間內發生失效的概率。當設備的工作壽命服從指數分布時，(t) = 1/MTBF——（1）。

2.2 可靠性預計方法

可靠性預計的方法有許多種，產品在不同的研制階段，由于掌握的數據、資料的詳盡程度不同、預計的目的不同，所采用的方法也不同。常用的可靠性預計的方法有數學模型法，上、下限法，元件計數法，應力分析法，故障樹法等。

2.2.1 元件計數法

元件計數法，適用于電氣設備的方案論證及初步設計階段。需要已知通用元器件的種類和數量、元器件的質量等級、設備環境等。

其計算步驟是：先計算設備中各種型號和類型的元器件的數目，再乘以相應型號或相應類型元器件的基本失效率，最后將各乘積項相加，即可得到部件、系統的失效率。這種方法的優點是只使用現有的工程信息，不需要詳盡的了解每個元器件的盈利及他們之間的邏輯關系就可以迅速地估計出系統的失效率，其通用公式為：s = Ni(qg)i—— （2）； s——系統總的失效率；q——第i種通用元器件的質量系數；g——第i種通用元器件的通用失效率；Ni——第i種通用元器件的數量；n——不同的通用元器件種類數。

上述表達式僅適用于在同一環境類別的設備。如果設備所包含的各個單元是在不同環境中工作的，則上式就應該分別按照不同環境考慮，然后，將這些“環境——單元”失效率相加即為設備的總失效率。

2.2.2 元器件應力分析法

元件應力分析法是通過分析元器件所承受的應力，計算元器件在該應力條件下的失效率來預計設備的可靠性。元器件應力分析法與元器件計數法的區別在于所需信息深度的差異。元器件應力分析法需要大量的詳細信息，如詳細的元器件清單、電應力比、環境溫度等信息，這種方法預計的可靠性比采用計數法所得的結果要準確些。

元器件應力分析預計法的基礎是元器件失效率的計算，應確定元器件失效率模型。元器件失效率模型是元器件失效率與影響元器件失效率因素之間的關系模型。大多數種類的元器件有基本失效率模型和工作失效率模型。基本失效率模型一般僅計溫度和電應力對元器件失效率的影響，而工作失效率模型，除反映溫度和電應力對元器件失效率的影響以外，還包含其他多種的失效率影響因素。

工作失效率一般表示為，反映電應力（S）、溫度應力（T）影響的基本失效率（）與其他影響失效率的質量因子、環境因子、工藝因子、結構因子以及應力因子等一系列修正因子（系數）的乘積，即：p = bi——（3）

2.2.3 本文采用的預計方法

本文綜合運用前面述及的元件計數法和元器件應力分析法。在進行可靠性預計時，先采用應力分析計算元件的工作失效率p，然后再通過元件計數法計算系統總的失效率s =Nip，這樣比直接運用通用失效率去計算系統失效率得出的數據要更加準確。

3 ST16型示波器控制系統可靠性預計

3.1 ST16型示波器控制系統可靠性框圖與數學模型

本文采用框圖法計算系統的可靠度。從控制系統工作原理分析，它是一個串聯系統。所謂串聯系統是指組成系統的任一單元失效均導致系統失效；反之，系統正常工作的條件是系統中所有單元均須正常工作。

本文建立的可靠性框圖與數學模型如圖（1）所示。其中：A——電源和校準信號單元，失效率1；B——示波管電路和增輝放大電路單元，失效率2；C——垂直放大器單元，失效率3；D——觸發電路單元，失效率4；E——掃描發生器單元，失效率5；F——掃描開關單元，失效率6；G——水平放大器單元，失效率7；

圖1 ST16型示波器控制系統可靠性框與數學模型

假設元器件失效分布為指數分布，串聯模型系統的失效率為單元失效率之和。即：s= q——（4）。式中：s——系統總失效率；q——系統第q單元失效率；各單元失效率i采用計數法預測，其通用數學表達式是：q= Ni(g·q)——（5）。為了提高預測的準確性，采用元器件的工作失效率p替代式中的通用失效率g，計算元器件的工作失效率p采用應力分析法。

3.2 各種元器件工作失效率的計算

采用應力分析法對各種元器件的工作失效率進行預測，預測的依據以美國軍用手冊MIL-HDBK-217E《電子設備可靠性預計手冊》和國家軍用標準GJB299-87《電子設備可靠性預計手冊》中的失效率數據和預計模型為基礎。首先進行電路分析，得出計算電應力比S所需的各種信息，然后代入基本失效率模型，求出b，再將代入工作失效率模型，求出p。

計算元件失效率前期處理原則：（1）環境分類都按“地面良好”，即環境系數E都按GB考慮。(2)環境溫度定為30℃。(3)質量系數Q都選用軍用級別所屬的數值。

以電源電路中-15V穩壓電源電路為例，電路如圖（2）所示。

圖（2）電路中二極管BG02-4—BG02-7的失效率計算如下：

首先，查《電子設備可靠性預計手冊》中分立半導體器件的分組，整流二極管屬于Ⅳ組。

從手冊中查得二極管的基本失效率模型為：

b = A·exp()·exp()P

——(6）

再通過手冊查表，確定基本失效率參數：A = 0.172，NT = -2138，T = 30，TM = 448，P = 17.7，T = 150，S = 平均正向工作電流/25℃時最大額定正向電流 = 5.2/0.3 =17.3，代入上式求得b = 0.77。

二極管的工作失效率模型為：p = b (EQAS2RC)——（7）

通過查手冊表格，確定各種系數數值：環境系數E=1，應用系數A=1.5，電壓應力系數S2=0.7，復雜度系數C=1，質量系數Q=1.5，額定系數R=1，再將求得的b和各種系數代入上式，求得工作失效率p =1.2。其余各元件的失效率計算依次類推。

3.3 各組成單元的可靠性預計

將各單元的元器件種類及工作失效率分別列表（表格清單略），并由此求出各單元的失效率。各單元的失效率及平均無故障工作時間如表2所示。

總的控制系統平均無故障工作時間的確定：

s=∑q=1+2+3+4+5+6+7=1513.403610-6（1/H）

MTBF=1/s =661（小時）=27.5（天）

4 ST16型示波器控制系統薄弱環節的確定及幾點建議

4.1 控制系統薄弱環節的確定

從各單元的分析結果看出，C單元垂直放大器和D單元觸發電路的失效率比其它單元電路明顯要高出很多，因此，垂直放大器是造成系統失效的首要單元，觸發電路次之。垂直放大器電路和觸發電路中同時含有波段開關、高頻插座這兩種元件，它們的失效率遠遠高于其它元件，是引起系統失效的首要元件。 電源和校準信號以及掃描開關電路中同樣含有波段開關，因此這兩個單元的失效率也較高。因此，對這些薄弱單元、元件在備件的數量及事先維修方面，應給予特別的重視。

4.2 對示波器控制系統的幾點建議

可靠性預計的真正價值不在于僅僅知道將來某個時刻系統發生某種失效的概率，而是在于為此所采取的必要措施和提供的科學的依據，從而避免或減少這種失效的發生。在這里，針對影響失效率的幾個因素，提出以下幾點建議：

（1）改善使用環境，降低環境修正因子。針對示波器調查結果表明，夏季元件（系統）處于高溫條件下，故障較其它季節成倍增長。因此，改進設備使用條件，降低E因子，如實驗室加裝空調、風扇等通風設備等，是降低失效率，提高系統使用壽命的一個重要方面。

（2）主要設備備件。在充分考慮經濟節省的基礎上，要想使STB16示波器安全可靠運行，就要對那些可靠性較低的元件應有充分的備件，如波段開關、高頻插座等，當其中某一元件出現故障時，可以及時有效的進行維修、更換。

（3）定期檢修。為保證系統處于最佳狀態，應當高度重視日常檢修、維護和保養，以防患于未然。

5 結束語

本文在分析過程中，沒有對所有元器件進行詳細的分析。但是，通過本文的可靠性預計分析，最后確定出了ST16型示波器控制系統薄弱環節，并總結出了幾點提高薄弱環節可靠性的建議，這對科學、合理地使用、維護管理該產品，提高產品的可靠性，都是十分有意義的工作，具有較高的實用價值。

參考文獻

[1]鄭丹玲，陳莉.電子可靠性工程研究.重慶郵電學院學報(自然科學版)，2006.

[2]陸廷孝，鄭鵬洲.可靠性設計與分析[M].北京:國防工業出版社，1997:78-106.

[3]韓慶田，劉夢軍.可靠性預計及其發展趨向[J].可靠性研究與應用，2001(5):23-26.

[4]吳志良.船舶、港口電氣系統可靠性工程及應用.大連:大連海事大學出版社，2006.1.

[5]黃詳瑞.可靠性工程.北京:清華大學出版社，1990.

[6]美國軍用規范——電子設備可靠性預計.電子工業部研究所，1986.10.27.