Санкт – Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”
Кафедра ИИСТ
Курсовая работа по дисциплине
«Надежность и качество средств ИИТ»
на тему:
«Расчет надежности блока проектируемого измерительного устройства»
Вариант 4-2
Выполнил:
группа
Проверила:
Санкт – Петербург
201
Цель работы: Закрепить изучаемый материал, полученный на лекционных занятиях. Привить навыки оценки надежности и качества проектируемых средств ИИТ. Выработать умение анализировать полученные результаты и принимать по ним обоснованные инженерные решения.
Задание на работу: Для заданной схемы блока измерительного устройства (генератора прямоугольных импульсов, рис. 1) обеспечить время безотказной работы (с учетом внезапных и постепенных отказов) в один год с вероятностью P=0.98. Режим работы блока непрерывный круглосуточный. Условия эксплуатации нормальные. В среде графического программирования LabVIEW реализовать блок расчета схемы генератора прямоугольных импульсов.
R1
R2
R3
C
Uвых
-
ОУ
+
Описание устройства:
Релаксационный генератор (мультивибратор) -генератор колебаний, в нашем случае генератор прямоугольных импульсов (меандра).
Данный генератор прямоугольных импульсов реализован по схеме Автоколебательного мультивибратора.
Активный элемент схемы – операционный усилитель , включенный (работающий) режиме компаратора. Данная схема имеет положительную обратную связь , с выхода через делитель R2 и R3 на положительный вход ОУ. Положительная связь используется как в триггере Шмитта для создания порога. На отрицательный вход подается напряжение так же с выхода, которое проходит через RC цепочку.
С и R1(RC – цепь) служат в схеме как времязадающий элемент. Каждый раз, когда напряжение на конденсаторе достигает порога (значения напряжения на отрицательном входе), напряжение на выходе изменяется на противоположное и процесс повторяется снова поменяв полярность
Такие генераторы используются для задания сигнала, определенной амплитуды и формы.
Расчет схемы
Основные формулы для расчета схемы:
(при заряде конденсатора)
После подставления исходных значений получим следующие результаты:
Рассчитаем схему с использованием LabView.
Результаты расчетов совпадают.
Рассчитаем минимальное и максимальное значения Частоты генерации F, считая, что указанная в задании относительная погрешность всей схемы, т. е. относительная погрешность F.
Выбор элементов:
Выбираем элементы C1, R1, R2, R3 и ОУ как элементы поверхностного монтажа.
Даная схема рассчитана на работу ОУ с двух полярным питанием. На выходе схемы образуется сигнал с амплитудой +Uпит до –Uпит.
Операционный усилитель TL072
В корпусе микросхемы находятся два ОУ, т.к у нас в схеме только один ОУ , будем использовать только один ОУ из микросхемы.
Расчет погрешности элементов с использованием LabView.
Резисторы и конденсаторы следует выбирать по номиналу из условия, что при подстановки в формулу для частоты генерации элементов с максимальной погрешностью, значение частоты не выйдет за границы и, так же следует учитывать нагрузку на них.
Исходная погрешность всей схемы
< <Гц
При погрешности элементов 1%
2113<<2200 Гц
Корпус резисторов и конденсаторов выберем самый распространенный 0805.
Резисторы в этом корпусе рассчитаны на 0.25 Вт
ERJ6BQF, 5.1 кОм 0,25 Вт 1% чип-резистор 0805
ERJ6BQF 8.2 кОм 0,25 Вт 1% чип-резистор 0805
ERJ6BQF, 18 кОм 0,25 Вт 1% чип-резистор 0805
Керамический конденсатор на предельное напряжение 50 В.
GRM216R71H273K 0.027мкФ 50В 1% Кер.ЧИП конд.
Разъемы
PLS-2, PLS-3
Расчет надежности при внезапных отказах аналитическим методом
Приведем основные формулы для расчета параметров схемы.
Общие интенсивности отказов вычисляются следующим образом:
Где - поправочный коэффициент;- Интенсивности отказов группы элементов.- количество элементов в группе
Что бы найти вероятность безотказной работы используем следующее выражение:
Найдем из справочника: «Сборник задач по теории надежности. Под ред. А.М. Половко и И. М. Маликова М., Изд-во Советское радио 1972» интенсивности отказов для каждой группы элементов и поправочные коэффициенты
Наименование
|
Количество |
, 1/ч E-6 |
,1/ч E-6 |
,1/ч E-6 | |
Резисторы |
3 |
0.03 |
0.07 |
0.13 | |
Конденсатор |
1 |
0.1 |
0.213 |
0.05 | |
Операционный усилитель |
0.5 |
0.84 |
0.18 | ||
Пайка |
18 |
0.015 |
0.12 |
1 | |
Разъемы |
2 |
0.25 |
0.4 |
1 |
Количество элементов и паек находим из сборочного чертежа, который приведен в приложении.
Введем найденные данный в разработанный ВИ в программе LabView.
Результат выполнения программы:
Расчет надежности по внезапным отказам методом статистического моделирования
Метод статистического моделирования надежности основан на методе Монте – Карло. Суть этого метода состоит в использовании данных предыдущего опыта для оценки возможных ситуаций в будущем. Принципиальная особенность метода состоит в том, что влияние различных случайных факторов в процессе опыта учитывается не расчетным, а игровым способом. В качестве универсального механизма случайного выбора используется совокупность случайных чисел, равномерно распределенных в интервале (0 – 1), которые вырабатываются датчиком случайных чисел. Случайные числа используются для получения дискретного ряда случайных переменных, имитирующих результаты, которые можно было бы ожидать в соответствии с вероятностным распределением, полученным на основании предыдущего опыта. При применении такого метода получаются результаты, типичные для фактического поведения исследуемой системы.
Если мы располагаем совокупностью равномерно распределенных случайных величин γi (i = 1, 2... , n) в интервале (0 – 1), вырабатываемых датчиком случайных чисел, и, если требуется реализовать случайную величину t, распределенную по экспоненциальному закону с известным значением λ:
Тогда, очевидно,
Методика решение задачи оценки надежности методом статистического моделирования системы сводится к следующему: заданный интервал времени T разбивается на равные промежутки
∆t=T/k
и для каждого ∆t определяется состояние каждого элемента системы в соответствии с принятыми законами распределения времени безотказной работы. Эта информация используется для определения рабочих состояний изделия, соответствующих рассматриваемому промежутку времени ∆t. Все состояния системы нумеруются в порядке убывания показателей надежности. Затем фиксируется состояние с наименьшим номером, т.е. выбирается состояние системы с наилучшей по надежности комбинацией исправных элементов. Аналогично этот процесс повторяется для следующего промежутка времени и так далее. Многократное повторение этого процесса для каждого ∆t позволяет получить оценку для вероятности исправного j-го состояния Pj (t) в момент времени t, принадлежащему T. В результате анализа процесса функционирования системы из множества различных M состояний выделяется только k состояний, удовлетворяющих требованиям нормального функционирования системы. Исходя из этого, определяется вероятность безотказной работы системы в течение времени t<T: