設備可靠性設計幾點思考

林堅

摘要：在設備研制中，可靠性設計是確保設備任務完成的前提，是模擬系統設計的一個重要組成部分，本文從設計余度、電磁兼容等方面對設備可靠性設計進行了闡述。

關鍵詞：設備;可靠性;設計余度;電磁兼容

1 引言

在設計的過程當中，應該將系統的可靠性要求以及規定的約束條件，轉換為系統設計應該遵循的、具體而且是有效的可靠性技術設計細則，應該根據系統的類型、任要、求務、特點以及環境，將通用的標準和規范進行適當的剪裁，同時加進現有的產品研制的豐富經驗，專用、可靠的設計。

2 余度設計

余度設計就是在指在設計中系統設計了幾套具有能實現同樣功能的單元，這樣能保證了系統只要幾套單元不同時出現故障就能正常的工作。這種設計能確保任務完成，提高了可靠性，但是由于設計了多個同樣的單元，設備相應的成本，所占的空間以及重量也將隨之增加，因此要根據實際的需求對余度技術進行綜合的分析，衡量。經常應用于電路中的余度設計有以下三種類型：

2.1 旁聯模型

旁聯模型也稱之為非工作貯備模型。它有多個相同的單元組成，系統工作時除了一個單元接通電路正常工作之外，其余的單元置于都空置狀態，并對處于工作狀態的單元進行實時的監測，一旦工作中的單元出現故障不能正常運行時，那么系統就會自動通過啟用另外的備用來進行工作，使系統保持正常運轉。

2.2 并聯模型

并聯模型中所有單元同時工作，其中的一個或幾個出現故障都不能影響到設備的正常運行，除非所有的單元同時發生故障。

2.3 ?r/n模型

r/n模型，它是類似于電子電路中的串聯關系，把r個單元串聯在一起，所以必須要有r個單元正常工作，系統才能正常工作。

模擬系統的設計都是集成化，為了更容易的對故障進行快速準確，定位。系統可采用軟件對模塊的運行進行實時的監測，一旦模塊不能正常工作時，可馬上識別并接通備用模塊，保證測試能夠繼續運行。

綜上分析，采用旁聯模型更有利于保證系統的可靠性。旁聯模型如圖1所示。

3 電磁兼容設計

當設備中所產生的電磁干擾較弱時，可能只會降低設備的性能，但是如果電磁干擾超過了規定的范圍，將會導致設備的癱瘓。但電子設備測量多種跨度很大頻率是，并且工作在復雜的電磁壞境中，就會有可能產生的電磁輻射比較強。信號的轉接和傳輸也是一個復雜的過程，大功率的測試設備會產生不同強度的電磁。

因此設備進行接地和對信號進行屏蔽處理來減少電磁的干擾，保證了測試的精度和設備的穩定。

4 接地設計

4.1 地的概念

模擬系統中，采用統一的地線、布局、布線以及屏蔽設計措施，能夠減少不同的設備間的信號傳輸的差異，為系統的穩定可靠創造條件。不當的接地是噪聲信號的直接來源，甚至會危及到操作人員和測試設備的安全。

“地”是工程應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：①電流較大的功率地;②作為信號回路公共端的信號地;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 單點接地和多點接地

一般當系統中的頻率可以劃分為三個頻段小于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，低頻段單點接地，高頻段多點接地，中高頻段接地方式根據地線的長度來決定，當地線的長度大于波長的5%時采用多點接地，反之用單點接地。

（1）單點接地，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由于電流的耦合而產生壓降，因此電路中各個接地線是相互獨立的

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

（2）多點接地

多點接地電路中的電感會產生阻抗，并且會隨著信號頻率的增加而增加，電線與地線之間會形成電容耦合，輕度會對信號產生干擾，重則會有噪音發出，因此當頻率處于高頻段（10MHZ以上）時，應該用最短的接地線接到接底盤，如圖4所示。

通過對接地方式的分析結合系統的實際需求，系統有信號地、功率地及安全地，因此系統采用單點接地方法，讓各種地相互獨立，最終與接底盤相連，如圖5示。

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

通過以上對單點接地和多點接地的分析和比較，為了使屏蔽層的噪聲電流更小，系統在接地設計中為了能夠與信號電路的接地方式相同采用單點接地，在負載端，系統的屏蔽信號線與大地已經相連，因此，應該讓地線與屏蔽線和屏蔽層通過接口電纜相連，并最終和大地匯合。模擬系統中的所有電源、信號傳輸線都要進行屏蔽處理，并與箱體的安全地連接，實現單端接地，這樣可以減少交流電源在機柜中產生的噪聲干擾。

5 結束語

本文通過余度設計、電磁兼容、系統接地等進行了剖析，給出了采用旁聯模型更有利于保證系統的可靠性;進行接地和對信號進行屏蔽處理來減少電磁的干擾，能夠保證了測試的精度和設備的穩定;在模擬系統中的所有電源、信號傳輸線都要進行屏蔽處理，并與箱體的安全地連接，實現單端接地，這樣可以減少交流電源在機柜中產生的噪聲干擾等設計建議，能夠給設備設計提供一定的參考。