ST16型示波器可靠性预计分析

摘要本文采用元件计数法和元件应力分析法对ST16型示波器进行了可靠性定量分析，对其平均无故障工作时间进行了理论预计及薄弱环节分析。针对确定出其控制系统的薄弱环节，给出了提高系统使用可靠性的几点建议。这将对示波器的使用、维修及管理有很大帮助。

中图分类号：TM935.37文献标识码：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

目前我国的电子示波器，由于生产技术的发展，生产工艺的改进，在质量及技术指标方面均得到较大的提高，生产及使用的数量也急剧增加。示波器得出的数据是否真实可靠，将直接影响着科研生产的结果。电子产品的可靠性已经成为了衡量电子产品质量及其综合性能的最重要指标之一，提高电子示波器的可靠性对于提高它在市场上的竞争力影响巨大。

1 ST16型示波器简介

笔者任职于大连的一所职业学校，从事机电专业的教学工作，在教学及科研工作过程中会经常用到示波器。我们学校实验室配备的示波器是ST16型示波器，它是一种通用的小型示波器，具有0~5MHz的频带宽度和20mv/div的垂直输入灵敏度，扫描时基系统采用触发扫描，最快扫速达100s/div。ST16型示波器非但能适用于一般脉冲参量的测量，特别对电视机、音频放大器、收音机等电子设备的维修调试十分方便，可供生产线使用，亦可作为程序控制机床等机械设备的监视器。

ST16型示波器的电路结构包括垂直放大系统，扫描时基系统的触发放大器、整形器、扫描发生器和水平放大器，以及高低压电源供给装置，示波管显示控制和增辉电路，此外还附有以使用电源放大削波后构成的100mv方波信号校准器。

2 可靠性分析方法

2.1 电气设备的基本可靠性指标

为了使可靠性定义中的“能力”这一抽象概念不致含糊不清，需要用概率论和数理统计的数学工具对可靠性进行定量的研究，定量地表示设备可靠性的数学特征量主要有以下指标：

（1）平均无故障运行时间(MTBF )：表示设备每次检修后，可以无故障地连续运行的平均时间。

（2）故障率()：故障率又称失效率，它是产品可靠度的重要指标。故障率定义为已工作到时刻t尚未失效的产品在时刻t后单位时间内发生失效的概率。当设备的工作寿命服从指数分布时，(t) = 1/MTBF——（1）。

2.2 可靠性预计方法

可靠性预计的方法有许多种，产品在不同的研制阶段，由于掌握的数据、资料的详尽程度不同、预计的目的不同，所采用的方法也不同。常用的可靠性预计的方法有数学模型法，上、下限法，元件计数法，应力分析法，故障树法等。

2.2.1 元件计数法

元件计数法，适用于电气设备的方案论证及初步设计阶段。需要已知通用元器件的种类和数量、元器件的质量等级、设备环境等。

其计算步骤是：先计算设备中各种型号和类型的元器件的数目，再乘以相应型号或相应类型元器件的基本失效率，最后将各乘积项相加，即可得到部件、系统的失效率。这种方法的优点是只使用现有的工程信息，不需要详尽的了解每个元器件的盈利及他们之间的逻辑关系就可以迅速地估计出系统的失效率，其通用公式为：s = Ni(qg)i—— （2）； s——系统总的失效率；q——第i种通用元器件的质量系数；g——第i种通用元器件的通用失效率；Ni——第i种通用元器件的数量；n——不同的通用元器件种类数。

上述表达式仅适用于在同一环境类别的设备。如果设备所包含的各个单元是在不同环境中工作的，则上式就应该分别按照不同环境考虑，然后，将这些“环境——单元”失效率相加即为设备的总失效率。

2.2.2 元器件应力分析法

元件应力分析法是通过分析元器件所承受的应力，计算元器件在该应力条件下的失效率来预计设备的可靠性。元器件应力分析法与元器件计数法的区别在于所需信息深度的差异。元器件应力分析法需要大量的详细信息，如详细的元器件清单、电应力比、环境温度等信息，这种方法预计的可靠性比采用计数法所得的结果要准确些。

元器件应力分析预计法的基础是元器件失效率的计算，应确定元器件失效率模型。元器件失效率模型是元器件失效率与影响元器件失效率因素之间的关系模型。大多数种类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仅计温度和电应力对元器件失效率的影响，而工作失效率模型，除反映温度和电应力对元器件失效率的影响以外，还包含其他多种的失效率影响因素。

工作失效率一般表示为，反映电应力（S）、温度应力（T）影响的基本失效率（）与其他影响失效率的质量因子、环境因子、工艺因子、结构因子以及应力因子等一系列修正因子（系数）的乘积，即：p = bi——（3）

2.2.3 本文采用的预计方法

本文综合运用前面述及的元件计数法和元器件应力分析法。在进行可靠性预计时，先采用应力分析计算元件的工作失效率p，然后再通过元件计数法计算系统总的失效率s =Nip，这样比直接运用通用失效率去计算系统失效率得出的数据要更加准确。

3 ST16型示波器控制系统可靠性预计

3.1 ST16型示波器控制系统可靠性框图与数学模型

本文采用框图法计算系统的可靠度。从控制系统工作原理分析，它是一个串联系统。所谓串联系统是指组成系统的任一单元失效均导致系统失效；反之，系统正常工作的条件是系统中所有单元均须正常工作。

本文建立的可靠性框图与数学模型如图（1）所示。其中：A——电源和校准信号单元，失效率1；B——示波管电路和增辉放大电路单元，失效率2；C——垂直放大器单元，失效率3；D——触发电路单元，失效率4；E——扫描发生器单元，失效率5；F——扫描开关单元，失效率6；G——水平放大器单元，失效率7；

图1 ST16型示波器控制系统可靠性框与数学模型

假设元器件失效分布为指数分布，串联模型系统的失效率为单元失效率之和。即：s= q——（4）。式中：s——系统总失效率；q——系统第q单元失效率；各单元失效率i采用计数法预测，其通用数学表达式是：q= Ni(g·q)——（5）。为了提高预测的准确性，采用元器件的工作失效率p替代式中的通用失效率g，计算元器件的工作失效率p采用应力分析法。

3.2 各种元器件工作失效率的计算

采用应力分析法对各种元器件的工作失效率进行预测，预测的依据以美国军用手册MIL-HDBK-217E《电子设备可靠性预计手册》和国家军用标准GJB299-87《电子设备可靠性预计手册》中的失效率数据和预计模型为基础。首先进行电路分析，得出计算电应力比S所需的各种信息，然后代入基本失效率模型，求出b，再将代入工作失效率模型，求出p。

计算元件失效率前期处理原则：（1）环境分类都按“地面良好”，即环境系数E都按GB考虑。(2)环境温度定为30℃。(3)质量系数Q都选用军用级别所属的数值。

以电源电路中-15V稳压电源电路为例，电路如图（2）所示。

图（2）电路中二极管BG02-4—BG02-7的失效率计算如下：

首先，查《电子设备可靠性预计手册》中分立半导体器件的分组，整流二极管属于Ⅳ组。

从手册中查得二极管的基本失效率模型为：

b = A·exp()·exp()P

——(6）

再通过手册查表，确定基本失效率参数：A = 0.172，NT = -2138，T = 30，TM = 448，P = 17.7，T = 150，S = 平均正向工作电流/25℃时最大额定正向电流 = 5.2/0.3 =17.3，代入上式求得b = 0.77。

二极管的工作失效率模型为：p = b (EQAS2RC)——（7）

通过查手册表格，确定各种系数数值：环境系数E=1，应用系数A=1.5，电压应力系数S2=0.7，复杂度系数C=1，质量系数Q=1.5，额定系数R=1，再将求得的b和各种系数代入上式，求得工作失效率p =1.2。其余各元件的失效率计算依次类推。

3.3 各组成单元的可靠性预计

将各单元的元器件种类及工作失效率分别列表（表格清单略），并由此求出各单元的失效率。各单元的失效率及平均无故障工作时间如表2所示。

总的控制系统平均无故障工作时间的确定：

s=∑q=1+2+3+4+5+6+7=1513.403610-6（1/H）

MTBF=1/s =661（小时）=27.5（天）

4 ST16型示波器控制系统薄弱环节的确定及几点建议

4.1 控制系统薄弱环节的确定

从各单元的分析结果看出，C单元垂直放大器和D单元触发电路的失效率比其它单元电路明显要高出很多，因此，垂直放大器是造成系统失效的首要单元，触发电路次之。垂直放大器电路和触发电路中同时含有波段开关、高频插座这两种元件，它们的失效率远远高于其它元件，是引起系统失效的首要元件。 电源和校准信号以及扫描开关电路中同样含有波段开关，因此这两个单元的失效率也较高。因此，对这些薄弱单元、元件在备件的数量及事先维修方面，应给予特别的重视。

4.2 对示波器控制系统的几点建议

可靠性预计的真正价值不在于仅仅知道将来某个时刻系统发生某种失效的概率，而是在于为此所采取的必要措施和提供的科学的依据，从而避免或减少这种失效的发生。在这里，针对影响失效率的几个因素，提出以下几点建议：

（1）改善使用环境，降低环境修正因子。针对示波器调查结果表明，夏季元件（系统）处于高温条件下，故障较其它季节成倍增长。因此，改进设备使用条件，降低E因子，如实验室加装空调、风扇等通风设备等，是降低失效率，提高系统使用寿命的一个重要方面。

（2）主要设备备件。在充分考虑经济节省的基础上，要想使STB16示波器安全可靠运行，就要对那些可靠性较低的元件应有充分的备件，如波段开关、高频插座等，当其中某一元件出现故障时，可以及时有效的进行维修、更换。

（3）定期检修。为保证系统处于最佳状态，应当高度重视日常检修、维护和保养，以防患于未然。

5 结束语

本文在分析过程中，没有对所有元器件进行详细的分析。但是，通过本文的可靠性预计分析，最后确定出了ST16型示波器控制系统薄弱环节，并总结出了几点提高薄弱环节可靠性的建议，这对科学、合理地使用、维护管理该产品，提高产品的可靠性，都是十分有意义的工作，具有较高的实用价值。

参考文献

[1]郑丹玲,陈莉.电子可靠性工程研究.重庆邮电学院学报(自然科学版),2006.

[2]陆廷孝,郑鹏洲.可靠性设计与分析[M].北京:国防工业出版社,1997:78-106.

[3]韩庆田,刘梦军.可靠性预计及其发展趋向[J].可靠性研究与应用,2001(5):23-26.

[4]吴志良.船舶、港口电气系统可靠性工程及应用.大连:大连海事大学出版社,2006.1.

[5]黄详瑞.可靠性工程.北京:清华大学出版社,1990.

[6]美国军用规范——电子设备可靠性预计.电子工业部研究所,1986.10.27.