1. Общая часть Анализ аналогичной схемы

3.1 Микроконтроллеры AVR

Миниатюрные микроконтроллеры AVR семейства «tiny», показанные на рисунке 3.1, используются для построения следующих устройств:

– электронные игрушки;
– различные датчики в автомобильной промышленности;
– детекторы дыма и пламени, датчики температур;
– недорогие зарядные устройства, индикаторы напряжения и тока;
– пульты управления для разнообразной бытовой техники;



Рисунок 3.1. Микроконтроллеры AVR семейства «tiny»

Чипы семейства «mega», «xmega» и 32-bit AVR, показанные на рисунке 3.2, применяются в более сложных устройствах:

– спутниковые навигационные системы;
– функциональные разрядно-зарядные устройства с программированием;
– сетевые устройства;
– быстродействующие системы для передачи и обработки данных;
– другие многофункциональные устройства.



Рисунок 3.2. Микроконтроллеры AVR семейств «mega» и «xmega»


3.2 Микроконтроллер ATmega8

За основу устройства взят микроконтроллер ATmega8. ATmega8 – 8-ми битный CMOS микроконтроллер, основанный на расширенной архитектуре RISC разработанной в AVR. Выполняя большинство инструкций за один цикл, ATmega8 достигает производительности, достигающей 1 MIPS за МГЦ, оптимизирован разработчиками, чтобы оптимизировать силовое потребление в зависимости скорости обработки информации.

Ядро AVR представляет 32 универсальных обединенных регистра. Все 32 регистра непосредственно подключены к Арифметическому Логическому Устройству (ALU), состоят из двух независимых регистров, чтобы быть доступными в одной единственной инструкции выполненной за один такт. В результате архитектура более эффективная достигая производительности вплоть до десяти раз быстрее, чем стандартные микроконтроллеры CISC.
4. Расчет надежности

Основными качественными показателями надежности являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.

Для упрощения расчета принимаются два допущения:
– в схеме используется последовательное соединение элементов, то есть отказ изделия наступает тогда, когда откажет хотя бы 1 элемент;
– отказы носят случайный и независимый характер.
Условно расчет надежности разбивают на несколько этапов.
Этап 1. Находим коэффициенты электрической нагрузки элементов, пользуясь картами электрических режимов и эксплуатационными электрическими характеристиками элементов, используемых в модуле. Считаем, что полученные данные соответствуют значениям, указанным в таблице 4.1.
Этап 2. Определяем максимальную температуру элементов модуля при его работе в составе РЭУ. Для учёта влияния температуры на эксплуатационную интенсивность отказов элементов λЭ принято во внимание верхнее значение предельной рабочей температуры (tрабmax = + С), соответствующее РЭУ исполнения УХЛ2.1 по ГОСТ15150–69, и возможное увеличение предельной рабочей температуры назначение ∆ = C за счёт нагрева (солнечными лучами) РЭУ и, следовательно, модуля в составе РЭУ (см. п. 5.4 ГОСТ15150–69). Предельная рабочая температура tэл max тепло нагруженных элементов (ИМС, транзисторы, диоды, мощные резисторы) определена как:

tэл max = (tраб max + ΔtС) + ΔtЗ (4.1)

где ΔtЗ – перегрев в нагретой зоне конструкции РЭУ.

tэл max = (45 + 10) + 15 = 70°С.
Нагретая зона – это гипотетический объём, в котором условно рассеивается вся тепловая энергия, выделяемая элементами РЭУ.
Значение величины tэл max для нетеплонагруженных элементов (конденсаторы, слабонагруженные резисторы, соединитель, кварцевый резонатор) подсчитано как:

tэл max = (tраб max + ΔtС) + ΔtВ, (4.2)

где tВ – средний перегрев воздуха внутри конструкции РЭУ.

tэл max = (45 + 10) + 10 = 65°С
Этап 3. Находим справочные значения интенсивностей отказов элементов модуля. Полученные данные внесены в таблицу 4.1
Этап 4. Выбираем математические модели расчёта эксплуатационной интенсивности отказов элементов. Выбранные модели записаны в таблицу 4.1.
Этап 5. Определяем значения поправочных коэффициентов, входящих в выбранные модели расчёта эксплуатационной интенсивности отказов элементов .
Этап 6. Для каждого элемента находим произведение поправочных коэффициентов и значение эксплуатационной интенсивности отказов λЭ. Для удобства расчёта элементы одного функционального назначения с примерно одинаковыми электрическими режимами, конструктивно-технологическими и другими факторами объединены в одну группу. Значение суммарной эксплуатационной интенсивности отказов элементов группы получено как.


(4.3)

где λЭ j – эксплуатационная интенсивность отказов элементов j-й группы;

nj – количество элементов в j-й группе.
Если в группе один элемент ( = 1), то для неё .
Результаты расчётов этапа внесены в два последних столбца таблицы 4.1.
Этап 7. Определяем эксплуатационную интенсивность отказов печатной платы с учетом совместно с металлизированными отверстиями. Значения коэффициента Кt определяем по данному выражению при значении = 65°C.

Использованная для расчёта модель распространяется только на соединения (пайки) в металлизированных отверстиях. Пайки на печатной плате в неметаллизированных отверстиях должны учитываться отдельно.

Печатная плата как компонент конструкции модуля образует отдельную группу, для неё .
Этап 8. Подсчитываем эксплуатационную интенсивность отказов модуля
( _М). Для этого просуммируем значения приведённые в последнем столбце
_М = 8,17* 1/ч.
Этап 9. В предположении экспоненциального закона надёжности находим расчётные значения других показателей безотказности:
а) наработка на отказ:


=1/ (4.4)


8,17* 1/ч 1223 ч
б) вероятность безотказной работы за время =1000 ч:


(4.5)