ОНИ / Они дневники 13 - 14 2011-12 / Материалы к ОНИ

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет

"Харківський політехнічний інститут"

Навчальна програма вибіркової дисципліни Основи наукових досліджень

для підготовки спеціалістів напрям підготовки 7.090803, 7.090804 спеціальності 07.090803 електронні системи, 07.090804 фізична і біомедична електроніка

РОЗГЛЯНУТО

На засіданні кафедри

Промислова і біомедична електроніка

Протокол № 14

Від «03»___07______2007 р.

В.о. Завідувача кафедри

Проф.Домнін І.Ф.

ЗАТВЕРДЖЕНО Вченою радою факультету ЕМБ

Протокол №

Від «___»__________200_ р.

Декан факультету

Воінов В.В.

Упорядник доц Івахно В.В.

Харків 2007

1. Передмова

1.1. На сучасному етапі розвитку електронної техніки приділяється велика увага поліпшенню якісних характеристик пристроїв електроніки, у тому числі забезпеченню достатньої надійності. Грамотне проектування пристроїв повинно здійснюватись з урахуванням, у тому числі, характеристик надійності. Обчислення характеристик надійності вимагає залучання математичного апарату теорії ймовірностей та математичної статистики. Цей же математичний апарат необхідно використовувати для проведення статистичної обробки результатів експериментування в ході проектування та експлуатації електронних систем, оптимізації проведення експериментів, здобутку оптимальних параметрів електронних систем.

Мета вивчення дисципліни - засвоєння принципів знаходження надійносних характеристик електронних систем, наукових принципів проведення та обробки результатів експериментів та знаходження оптимальних характеристик складних електронних та біомедичних систем.

1.2. В результаті вивчення дисципліни студент повинен Знати:

• основні принципи обчислення надійності електронних та біомедичних систем;

• способи підвищення та оптимізації надійносних характеристик таких систем;

• принципи статистичної обробки результатів вимірювання в електроніці, у тому числі знаходження відповідних характеристик об’єкта досліджень;

- принципи експериментального знаходження функціональних залежностей об’єктів , що досліджуються;

- методи оптимізації планування експериментів та знаходження оптимальних параметрів об’єктів , що досліджуються.

Вміти:

• проводити розрахунки надійносних характеристик електронних та біомедичних систем;

• формулювати рекомендації щодо поліпшення та оптимізації таких систем;

- проводити статистичну обробку результатів вимірювань та формулювати висновки за результатами цієї обробки;

- будувати плани експериментів, за цими планами знаходити емпіричні залежності.

1.3. Організаційно-методичні вказівки:

- проведення консультацій по розділам лекційного курсу;

- використання таблиць та графіків інтенсивносте й відмов електронних компонентів;

- використання статистичних таблиць та засобів обчислювальної техніки.

1.4. Система контролю знань студентів:

- проведення модульних контрольних робіт по лекційному та практичному матеріалу;

• поточний контроль в процесі проведення практичних занять;

• проведення заліку.

5. В розділі "Зміст дисципліни" вказані питання, які студент повинен також вивчити самостійно.

6. Відповідно навчального плану спеціальності загальний обсяг годин на вивчення дисципліни - 108, аудиторні заняття - 45 годин, у тому числі лекцій - 30 годин та практичних занять - 15 годин, самостійна робота студентів - 63 години. Дисципліна вивчається на 5-му курсі, у 9-му семестрі, кредитів – 3.

2. Зміст дисципліни

2.1. Завдання дисципліни - підготовка спеціаліста спеціальностей 7.090803 та 7.090804 до кваліфікованого вирішення технічних завдань, пов’язаних із розрахунком характеристик надійності електронних пристроїв, проведенням експериментальних

досліджень, обробки їх результатів. Вивчення курсу проводиться на базі дисциплін фізико-математичного циклу.

2.2. Зміст розділів і тем:

Розділ 1. Елементи теорії ймовірностей.

Тема 1. Вступ. Мета курсу. Загальні положення методології наукового пошуку. Детерміністський та ймовірнісний підходи. Основні методи проведення наукових досліджень.

Тема 2. Основні поняття теорії ймовірностей та математичної статистики. Властивості ймовірності, правила знаходження.

Тема 3. Випадкові величини та їх властивості. Щільність ймовірності. Основні закони розподілу дискретних та безперервних випадкових величин: Бернуллі, Пуассона, нормальний. Центральна гранична теорема Ляпунова. Ймовірність знаходження випадкової величини у зазначеному інтервалі.

Розділ 2. Елементи теорії надійності.

Тема 4. Основні поняття та терміни теорії надійності. Показники надійності. Рівні надійності. Врахування умов експлуатації виробів.

Тема 5. Розрахунок основних показників електронних систем без резервування, попередній та уточнений з урахуванням впливу температури та коефіцієнта навантаження.

Тема 6. Способи підвищення надійності. Види та характеристики резервування. Вибір оптимальної структури.

Розділ 3. Елементи математичної статистики, обробка результатів експериментів та планування експериментів.

Тема 7. Роль вимірювань у наукових дослідженнях і техніці. Мета та задачі математичної статистики в теорії вимірювань. Генеральні та вибіркові сукупності. Роль нормального розподілу. Ймовірність заданого відхилення. Рівень значущості. Довірчий інтервал. Правило трьох та двох сигм.

Тема 8. Статистичні оцінки випадкових величин. Математичне очікування, дисперсія. Великі та малі вибірки. Знаходження довірчого інтервалу та необхідного числа вимірів при відомій дисперсії генеральної сукупності.

Тема 9. Розподіл Ст’юдента . Ступені свободи. Знаходження довірчого інтервалу та необхідного числа вимірів при невідомій дисперсії генеральної сукупності. Непрямі виміри.

Тема 10. Статистичні гіпотези, різновиди. Нульова гіпотеза. Критерії перевірки гіпотез: V-крітерій, Ст’юдента, Фішера, Кохрена. Перевірка гіпотез відтворності, несутт’євості розходжень середніх, дисперсій.

Тема 11. Апроксимація експериментальних даних. Метод найменших квадратів. Використання при відомому та невідомому вигляді функції. Апроксимація даних поліномом першого, другого порядку, перетворюванням факторного простору.

Тема 12. Багатофакторні експерименти, планування. Кодування. Перевірка на адекватність та значущість коефіцієнтів полінома першого порядку в ортогональних планах.

Тема 13. Постановка оптимізаційних задач. Метод Гауса - Зейделя, Вільямса - Бокса. Особливості машинних експериментів.

3. Перелік контрольних робіт.

Контрольна робота №1 проводиться за матеріалами теми 5 (розв'язання задачі).

Контрольна робота №2 проводиться за матеріалами тем 8-10 (розв'язання задачі).

Контрольна робота №3 проводиться за матеріалами тем 11-12 (розв'язання задачі).

4. Інформаційно-методичне забезпечення

1. Белый И.В., Клепиков В.Б, Власов К.П. Основы научных исследований и технического творчества. -К.: Вища школа, 1989. - 200 с.

2. Основы научных исследований. Под ред. В.И.Крутова. - М.: Высшая школа, 1977.-400 с.

3. Гмурман В.Е. Теория вероятности и математическая статистика. - М.: Высшая школа, 1977. -479 с.

4. Трифонюк В.В. Надійність пристроїв промислової електроніки. - К: Либідь, 1993 - 64 с.

4. Структурно-логічна схема вивчення дисципліни

6. Инструктивно-методические материалы

Таблица типовых значений интенсивностей отказов компонентов

№№	Наименование	010-6 ч-1
1	Резисторы	0,03 - 1,3
2	Конденсаторы	0,01 - 20
3	Конденсаторы электролитич.	До 160
4	Электровакуумн. приборы	0,1 - 100
5	Трансформаторы	0,05 - 2
6	Дроссели	0,02 - 1
7	Электродвигатели	1 - 130
8	Диоды	0,004 - 0,25
9	Транзисторы	0,012 - 2
10	Предохранители	0,1 - 10
11	Переключатели	0,005 - 0,5
12	ИМС	0,01 - 0,5
13	Реле	0,03 - 0,3
14	Разъемы	0,01 - 1
15	Соед. пайкой	0,007 - 0,13

З ависимость интенсивности отказов объемных резисторов от температуры при различных коэффициентах загрузки

Зависимость интенсивности отказов пленочных резисторов от температуры при различных коэффициентах загрузки

З ависимость интенсивности отказов керамических (верхний рисунок) и слюдяных (нижний рисунок) конденсаторов от температуры при различных коэффициентах загрузки

Зависимость интенсивности отказов печатных плат от количества n точек пайки

n, шт.	10	20	30	50	80	100	300	500	1000
	0,07	0,15	0,22	0,36	0,58	0,72	2,2	3,6	7,2

Критические точки распределения Фишера F= :k₁ – число степеней свободы дисперсии , k₂ – число степеней свободы дисперсии .

Уровень значимости  = 0,05
k2	k1
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	161	200	216	225	230	234	237	239	241	242	243	244
2	18,5	19,00	19,16	19,25	19,30	19,33	19,36	19,37	19,38	19,39	19,40	19,41
3	10,13	9,55	9,28	9,12	9,01	8,94	8,88	8,84	8,81	8,78	8,76	8,74
4	7,71	6,94	6,59	6,39	6,26	6,16	6,09	6,04	6,00	5,96	5,93	5,91
5	6,61	5,79	5,41	5,Г9	5,05	4,95	4,88	4,82	4,78	4,74	4,70	4,68
6	5,99	5,14	4,76	4,53	4,39	4,28	4,21	4,15	4,10	4,06	4,03	4,00
7	5,59	4,74	4,35	4,12	3,97	3,87	3,79	3,73	3,68	3,63	3,60	3,57
8	5,32	4,46	4,07	3,84	3,69	3,58	3,50	3,44	3,39	3,34	3,31	3,28
9	5,12	4,26	3,86	3,63	3,48	3,37	3,29	3,23	3,18	3,13	3,10	3,07
10	4,96	4,10	3,71	3,48	3,33	3,22	3,14	3,07	3,02	2,97	2,94	2,91
11	4,84	3,98	3,59	3,36	3,20	3,09	3,01	2,95	2,90	2,86	2,82	2,79
12	4,75	3,88	3,49	3,26	3,11	3,00	2,92	2,85	2,80	2,76	2,72	2,69
13	4,67	3,80	3,41	3,18	3,02	2,92	2,84	2,77	2,72	2,67	2,63	2,60
14	4,60	3,74	3,34	3,11	2,96	2,85	2,77	2,70	2,65	2,60	2,56	2,53
15	4,54	3,68	3,29	3,06	2,90	2,79	2,70	2,64	2,59	2,55	2,51	2,48
16	4,49	3,63	3,24	3,01	2,85	2,74	2,66	2,59	2,54	2,49	2,45	2,42
17	4,45	3,59	3,20	2,96	2,81	2,70	2,62	2,55	2,50	2,45	2,41	2,38

Критические точки  - -распределения при уровне значимости  = 0,05, n – объем выборки

n	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	
max	1,41	1,69	1,87	2,00	2,09	2,17	2,24	2,29	2,34	2,39	2,43	2,46	3

Критические точки распределения Стьюдента t_кр(k) при уровене значимости  = 0,05, k – число степеней

свободы

k	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	
tкр(k)	12,7	4,30	3,18	2,78	2,57	2,45	2,36	2,31	2,26	2,23	2,20	2,18	2,16	2,14	1,96

Критические точки распределения Кохрена G_кр(k,l) при уровене значимости  = 0,05; k - число степеней

свободы в выборке; l – число выборок

Уровень значимости =0,05
l	k
	1	2	3	4	5	6	7
2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 20 24 30 40 60 120 	0,9985 9669 9065 0,8412 7808 7271 0,6798 6385 6020 0,5410 4709 3894 0,3434 2929 2370 0,1737 0998 0000	0,9750 8709 7679 0,6338 6161 5612 0,5157 4775 4450 0,3924 3346 2705 0,2354 1980 1576 0,1131 0632 0000	0,9392 7977 6841 0,5981 5321 4800 0,4377 4027 3733 0,3624 2758 2205 0,1907 1593 1259 0,0895 0495 0000	0,9057 7457 6287 0,5440 4803 4307 0,3910 3584 3311 0,2880 2419 1921 0,1656 1377 1082 0,0765 0419 0000	0,8772 7071 5895 0,5063 4447 3974 0,3595 3286 3029 0,2624 2195 1735 0,1493 1237 0968 0,0682 0371 0000	0,8534 6771 0,5598 4783 4184 3726 0,3362 3067 2823 0,2439 2034 1602 0,1374 1137 0887 0,0623 0337 0000	0,8332 6530 5365 0,4564 3980 3535 0,3185 2901 2666 0,2299 1911 1501 0,1286 1061 0827 0,0583 0312 0000