9. Схемно-конструктивные факторы надежности. Отказы элементов электронных схем. Способы повышения надежности в процессе проектирования и производства аппаратнопрограммных систем.

Краткий анализ климатических и механических факторов, воздействующих на радиоаппаратуру и ее элементы, позволяет определить, каким видам испытаний их необходимо подвергать. Испытание радиоаппаратуры выполняют как в процессе ее разработки, так производства и эксплуатации. На стадии разработки и изготовлении макетов изделий проводятся лабораторные испытания, при которых проверяют соответствие расчетных и конструкторских параметре техническим заданиям. Опытные образцы радиоаппаратуры проходя предварительные испытания с целью проверки соответствия техническим требованиям. Предварительные испытания бывают стендовыми и полевыми.

Стендовые испытания проводятся в специально оборудованных лабораториях по всем параметрам согласно ТУ с помощью камер и стендов, имитирующих воздействие различных климатических и механических факторов. При этом уточняют правильность примененных материалов и покрытий, обнаруживают конструктивные дефекты, проверяют устойчивость параметров и общую работоспособность изделия, проводят регулировку и настройку аппаратуры.

Однако не всегда можно воспроизвести полный комплекс условий эксплуатации, поэтому приходится проводить полевые испытания в реальных условиях работы аппаратуры.

В условиях серийного производства проводят типовые, или периодические испытания, при которых контролируют качество продукции и соблюдение технологической дисциплины. Типовые испытания позволяют определить возможные отклонения, возникшие в процессе производства в течение определенного времени. Поэтому такие испытания выполняют периодически. Кроме того, типовые испытания также проводят, если необходимо внести изменения в технологический процесс и конструкцию аппаратуры.

Типовые испытания играют большую роль в обеспечении надежности радиоэлектронной аппаратуры. Наиболее надежной проверкой как конструкции аппаратуры, так и технологии ее изготовления являются комплексные испытания, которые наиболее полно имитируют действительные условия эксплуатации. Известно, что во многих случаях на аппаратуру в условиях эксплуатации од­новременно может воздействовать несколько климатических и механических факторов. Комплексные испытания в таких случаях весьма желательны.

При проведении климатических испытаний не безразлично, в какой последовательности следует их проводить. Наиболее тяжелой является последовательность испытаний на теплоустойчивость, влагоустойчивость и холодоустойчивость. Высушенные в камере материалы способны поглотить в капилляры наибольшее количество влаги. При понижении температуры вода в капиллярах замерзает и вследствие увеличения объема разрушает материал.

В процессе испытания работоспособность, аппаратуры должна проверяться при номинальном режиме работы. После каждого испытания производят осмотр изделий.

Технологическая тренировка представляет собой испытания, при которых аппаратура работает в определенных условиях с целью выявления и устранения отказов.

Начальный период работы аппаратуры, характеризующийся повышенным значением частоты отказов из-за неизбежных производственных дефектов сборки и монтажа, а также дефектов комплектующих.

Электрорадиоэлементов называют периодом приработки. Продолжительность периода приработки обычно лежит в пределах от 100 до 200 ч работы в зависимости от надежности, количества и типов комплектующих электрорадиоэлементов, а также технологии и культуры производства. Отказы, обнаруживаемые в период приработки, получили название приработочных отказов. В зависимости от причин возникновения их делят на отказы комплектующих элементов, схемно-конструктивные, технологические и производственные.

Приработочные отказы комплектующих элементов объясняются случайными нарушениями, возникающими в процессе производства элементов, транспортировки, хранения и т. д., и приводят к скрытым дефектам, трудно обнаруживаемым в процессе контроля.

Приработочные схемно-конструктивные отказы объясняются несовершенством аппаратуры, выражающимся критичностью схемы и конструкции к воздействию дестабилизирующих факторов в начальный период работы аппаратуры.

Приработочные технологические отказы являются следствием несовершенства технологического процесса, а производственные — результатом случайных нарушений технологического процесса.

Для того чтобы исключить приработку аппаратуры в период эксплуатации, необходимо, во-первых, на этапе производства вводить технологическую тренировку и во-вторых, правильно определять время технологической тренировки.

При правильно выбранном времени технологической тренировки среднее время наработки на отказ аппаратуры в начальный период эксплуатации увеличивается в 2—3 раза. Определяют время технологической тренировки расчетным или графическим методом. Расчетный метод предполагает использование предварительно накопленной информации об отказах на этапе производства и эксплуатации радиоаппаратуры. Графический метод, применимый к этапу серийного производства, является дополнением к расчетному методу и позволяет вводить уточнения при определении периода приработки.

Технологическая тренировка занимает много времени. Сокращают время приработки аппаратуры, используя «жесткую тренировку» (тяжелые условия работы аппаратуры), т. е. токовую тренировку аппаратуры в камере тепла, холода и т. д.

Весьма эффективным методом сокращения времени технологической тренировки аппаратуры является циклический режим работы радиоаппаратуры. Известно, что увеличение числа включений и выключений приводит к увеличению числа отказов изделия. Хорошие результаты по сокращению времени технологической тренировки дает также метод совмещенных технологических испытаний, заключающийся в совмещении, например, вибрации и холода, циклического режима работы изделий при повышенном или пониженном напряжении питания.

При проектировании технологической тренировки радиоаппаратуры определяют:

• время проведения тренировки;

• последовательность технологических испытаний;

Одним из эффективных способов повышения надежности радиоаппаратуры в процессе производства является электрическая тренировка элементов. Электрическая тренировка должна проводиться на основании заранее определенного времени, включающего период приработки.

Структурные методы повышения надежности ЭВМ

Значительного повышения надежности ЭВМ достигают созданием новых элементов.

Разработка методов синтеза ЭВМ, обладающих заданной надежностью, сводится к нахождению оптимальной избыточности. При этом основное — согласование метода повышения достоверности с наиболее вероятными ошибками, появляющимися в различных устройствах ЭВМ. Полные и достоверные сведения об ошибках могут быть получены при эксплуатации ма­шин, но проведение подобных испытаний связано с большими затратами времени и не всегда возможно при эксплуатации. Кроме того, такие сведе­ния зависят от конкретного конструктивного выполнения ЭВМ и конкретных условий ее эксплуатации, в связи с этим они частично теряют свою ценность при проектировании новых вычислительных устройств. Поэтому на практике сведения об ошибках получают приближенно по результатам специальных статистических испытаний, проводимых на установках, которые содержат испытуемое устройство (контрольное устройство работает так же, как и испытуемое, однако в нем приняты специальные меры по повышению надежности) и устройство автоматической обработки результатов.

При обработке статистических данных определяют вероятностные характеристики ошибок как функции времени работы устройств. К этим характеристикам относят вид распределения, среднее время между отказами или сбоями, кратность ошибок, наличие пачек и др. Эти характеристики являются исходными данными для выбора метода введения избыточности и расчета надежности проектируемой ЭВМ. Так как увеличение надежности отдельных элементов есть предел, обусловливающий современный уровень развития технологии их изготовления, а сложность устройств стремительно возрастает, то введение схемной избыточности имеет все большее значение при построении надежных ЭВМ.

Один из видов схемной избыточности — структурное резервирование, предполагающее включение в схему устройства дополнительных элементов, которые позволяют скомпенсировать отказы отдельных частей устройств и обеспечить его надежную работу. Но резервирование эффективно только в том случае, когда неисправности являются статистически независимыми.

Функция решения — правило отображения входных состояний решающего элемента на множество его выходных состояний. Простейший и наиболее распространенный вид функции решения — «закон большинства», или мажоритарный закон. В таком случае решающий элемент обычно называют мажоритарным элементом. Работа мажоритарного элемента состоит в следующем: на входы элемента поступают двоичные сигналы от нечетного количества идентичных элементов; выходной сигнал элемента принимает значение, равное значению, которое принимает большинство входных сигналов. Наиболее широко используют мажоритарные элементы, работающие по закону «2 из 3». В этих элементах значение выходного сигнала равно значению двух одинаковых входных сигналов. Кроме того, известны мажоритарные элементы, работающие по закону «3 из 5», «4 из 7» и т. д. Схема мажоритарного элемента, работающего по закону «2 из 3» и построенного из логических элементов И и ИЛИ, основана на выражении z=х₁х₂+х₂х₃+х₁х₃ и имеет вид, изображенный на рис. 1.