Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теоретические основы конструирования и надежности электронных средств»

 Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
Методические указания к выполнению  
лабораторных работ по дисциплине  
«Теоретические основы конструирования  
и надежности электронных средств» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
УДК 621.396.6 
ББК 32.844 
        М54 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/244/book1444.html 
Факультет «Информатика и системы управления» 
Кафедра «Проектирование и технология производства  
электронной аппаратуры» 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний 
 
 
 
 
Методические указания к выполнению лабораторных  
М54 
 
работ по дисциплине «Теоретические основы конструирования и надежности электронных средств» / А. Е. Курносенко, 
С. Г. Семенцов, В. А. Соловьев, В. А. Шахнов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 66, [6] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4438-0 
 
Издание содержит четыре лабораторные работы, при выполнении которых студенты получают навыки применения методов 
оценки работоспособности электронной аппаратуры. 
Для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 
«Конструирование и технология электронных средств». 
 
 
УДК 621.396.6 
 
ББК 32.844 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 
 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4438-0                                             МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

Предисловие 
При разработке современной электронной аппаратуры большое внимание уделяется обеспечению ее работоспособности при 
воздействии окружающей среды и внешних дестабилизирующих 
факторов. В первую очередь к ним относятся: 
 температура среды; 
 внешние вибрационные и ударные воздействия; 
 электромагнитное излучение. 
Кроме того, необходимо обеспечить соответствие электронной аппаратуры требованиям по надежности. 
В издание включены четыре лабораторные работы, направленные на получение студентами практических навыков применения 
методов оценки надежности и работоспособности конструируемой 
аппаратуры. Каждая работа содержит теоретическую и экспериментальную части, контрольные вопросы по теме работы и образец бланка отчета о выполнении лабораторной работы. 
Цель лабораторных работ — освоение методов оценки работоспособности электронной аппаратуры при воздействии на 
нее внешних дестабилизирующих факторов, а также методов 
оценки характеристик надежности. 
После выполнения лабораторных работ студенты смогут: 
 применять методы решения задач анализа и расчета различных характеристик;  
 использовать основные приемы обработки и представления 
экспериментальных данных и базовые инструменты конструкторско-технологических систем; 
 оценивать характеристики надежности узла электронной 
аппаратуры при различных условиях эксплуатации; 
 определять перегрев компонентов, размещенных на печатной плате; 
 определять собственные частоты печатных плат при различных вариантах закрепления, а также приходящие на них виброускорения; 
 оценивать эффективность экранирования экранов из разных 
материалов, а также влияние на эффективность отверстий. 
Для бакалавров, обучающихся в МГТУ им. Н.Э. Баумана по 
направлению подготовки «Конструирование и технология электронных средств». 
 
3 

 
Лабораторная работа № 1 
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАДЕЖНОСТИ 
ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ 
Цель работы — освоение методов оценки надежности ячеек 
электронной аппаратуры (ЭА) при разных условиях эксплуатации. 
Теоретическая часть 
Основные понятия 
Надежность — свойство объекта сохранять во времени в 
установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных 
режимах и условиях применения, технического обслуживания, 
хранения и транспортирования. 
Надежность — сложное комплексное понятие, с помощью которого оцениваются такие важнейшие характеристики изделий, 
как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и т.д. 
Для количественной оценки надежности используют так 
называемые единичные показатели надежности (характеризуют 
только одно свойство надежности) и комплексные показатели 
надежности (характеризуют несколько свойств надежности). 
В любой момент времени ЭА может находиться в исправном 
и неисправном состоянии. 
Работоспособность — состояние ЭА, при котором она в 
данный момент времени соответствует всем требованиям в отношении основных параметров, характеризующих нормальное 
протекание вычислительных процессов. 
Отказ — случайное событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности ЭА. 
По характеру изменения параметров до момента возникновения различают внезапные (катастрофические) и постепенные (параметрические) отказы. 
Наработка — производительность или объем работы ЭА, измеряемые временем, циклами, периодами и т.п. 
Безотказность — свойство ЭА непрерывно сохранять работоспособность в заданных режимах и условиях эксплуатации без 
вынужденных простоев. 
4 

Долговечность — свойство ЭА сохранять работоспособность 
до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. 
Ресурс — наработка до предельного состояния, оговоренного 
в технической документации. 
Сохраняемость — свойство ЭА сохранять эксплуатационные 
показатели в течение заданного срока хранения и после него. 
Срок службы ЭА — календарная продолжительность эксплуатации ЭА вплоть до момента возникновения его предельного 
состояния. 
Выбор количественных характеристик надежности зависит от 
вида ЭА — восстанавливаемой или невосстанавливаемой. 
Невосстанавливаемая ЭА — в процессе выполнения своих 
функций не допускает ремонта. 
Восстанавливаемая ЭА — в процессе выполнения своих 
функций допускает ремонт. 
Время работы изделия или время, необходимое для восстановления его работоспособности, является непрерывной случайной величиной. 
Переход изделия из одного состояния в другое в теории 
надежности рассматривается как случайное событие. Следовательно, момент отказа и момент восстановления — случайные события. 
Случайные величины и случайные события подчиняются тому или иному закону распределения. 
Для оценки надежности ЭА необходимо определить показатели надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации  
изделия. Для расчета необходима логическая модель безотказной 
работы системы. При составлении такой модели предполагается, 
что отказы элементов системы независимы, а сама система и элементы могут находиться в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном. Элемент, при отказе которого 
выходит из строя вся система, считается последовательно соединенным на логической схеме надежности. Элемент, отказ которого никоим образом не сказывается на работоспособности устройства, является включенным параллельно. 
Показатели надежности неремонтируемых систем базируются 
на понятиях функции надежности P(t) и функции отказа Q(t), связанных зависимостью P(t) = 1 – Q(t). 
5 

Вероятность безотказной работы P(t) — вероятность того, 
что в заданном интервале времени при заданных режимах и условиях эксплуатации не произойдет ни одного отказа. 
Интенсивность отказов λ(t) — вероятность отказов изделия 
в единицу времени после данного момента времени при условии, 
что до этого момента отказ не возникал. 
Средняя наработка на отказ tcp — математическое ожидание 
M(t) случайной величины t: 



 
ср
0
( )
( ) .
t
M t
P t dt
Наиболее характерным законом распределения отказов для 
ЭА является логарифмическое распределение, поскольку интенсивность отказов λ(t) = const. Тогда 
ср
;
( )
e
1
.
t
P t
t



 
Методика определения надежности ЭА по π-факторам 
Эта методика применима, когда бóльшая часть проекта завершена и перечень комплектующих изделий, включающий их нагрузки, определен. Она может быть также использована на последующих стадиях проектирования для нахождения компромиссов по 
надежности в зависимости от выбора компонентов и их нагрузок. 
Экстраполяции любых базовых моделей интенсивности отказов свыше указанных в стандарте [1] значений, таких как высокие 
и отрицательные температуры, электрические нагрузки свыше 
1,0, или экстраполяции на другие связанные модификации моделей недопустимы. 
Базовые интенсивности отказов могут интерполироваться в 
диапазоне электрических нагрузок от 0 до 1. 
Основная процедура определения уровня интенсивности отказов платы (или системы) заключается в суммировании индивидуальных интенсивностей отказов каждого компонента. Эта сумма затем дополняется интенсивностью отказов печатной платы 
(которая включает эффекты паяного соединения компонентов с 
печатной платой). 
Качество компонентов. Качество компонентов непосредственно влияет на интенсивность отказов и представлено в моделях компонентов как фактор Q. Многие компоненты, включенные 
6 

в спецификации, имеют несколько уровней качества, следовательно, компоненты определены по уровню качества. Подробные требования к этим уровням ясно указаны в спецификациях по применению, за исключением микросхем. Микросхемы имеют уровни 
качества, которые зависят от значения отбраковки, которой они 
подвергаются. 
 
Компоненты с многоуровневой спецификацией качества 
Компонент 
Код качества 
Микросхемы ……………………………….......... S, B, D-1 (качество 
определяется уровнем 
отбраковки) 
Дискретные полупроводники ……………........... JANTXV, JANTX, JAN 
Конденсаторы, установленная надежность (ER)  D, C, S, R, B, P, M, L 
Резисторы, установленная надежность (ER) …... S, R, P, M 
Катушки, установленная надежность (ER) ……. S, R, P, M 
Реле, установленная надежность (ER) ………… R, P, M, L 
 
Некоторые компоненты, описанные в старых спецификациях, 
обычно упоминаются как с «Неустановленной надежностью» 
(Noneestablished Reliability) (Non-ER). Модели этих компонентов 
имеют два кода уровней качества — MIL-SPEC и Lower (пониженный). Если компонент используется в полном соответствии 
со спецификацией по применению, то должен использоваться 
фактор Q для MIL-SPEC. Если некоторые требования не выполняются или используются коммерческие компоненты, то должен 
использоваться фактор Q для Lower. 
Окружающая среда использования. Все надежностные модели компонентов учитывают эффект воздействия окружающей 
среды посредством фактора E, за исключением эффектов от 
ионизирующей радиации. Описания окружающих сред приведены в табл. 1.1. Фактор E количественно определен для каждой 
модели интенсивности отказов. Эти окружающие среды использования охватывают основные области применения оборудования. 
Некоторое оборудование в процессе нормальной эксплуатации 
может подвергаться воздействию более чем одного вида окружающей среды, как, например, оборудование космических аппаратов. 
В этом случае анализ надежности следует сегментировать — для 
этапов выведения и спуска использовать условия Missile Launch 
(ML), а для орбитального полета — условия Space Flight (SF). 
7 

Таблица 1.1. Символы окружающей среды и их описание 
GF 
Умеренно регулируемые факторы окружающей среды, такие как в установках в постоянных стойках с соответствующим воздушным охлаждением и в 
возможных установках в необогреваемых зданиях: постоянные установки 
радарных станций управления воздушным движением и предприятий связи 
AIC 
Типовые условия в грузовых отсеках, которые могут быть заняты экипажем. 
Воздействия давления, температуры, ударов и вибрации — минимальные, 
например, самолеты дальнего действия С130, С5, В52 и С141. Эта категория 
также применяется для обитаемых отсеков небольших самолетов, таких как 
Т38, с более низкими характеристиками 
Окружающая среда 
Е символ 
Описание 
Наземная мобильная 
GM 
Оборудование, устанавливаемое на колесных или гусеничных тележках, и 
оборудование ручной транспортировки: тактическое, пусковое и проверочное оборудование наземных комплексов, мобильное связное оборудование, 
тактические огневые установки и системы, носимое оборудование связи, 
лазерные прицелы и дальномеры 
Военно-морская 
закрытая 
NS 
Закрытые или подпалубные условия на надводных судах и оборудование, 
установленное на подводных лодках 
Военно-морская 
неукрытая 
NU 
Незащищенное палубное оборудование под воздействием погодных условий 
и оборудование, погруженное в соленую воду: гидрокатеры и оборудование, 
установленное на подводных крыльях судов 
Наземная фиксированная (закрепленная) 
Наземная благоприятная 
GB 
Немобильное, температура и влажность регулируемые, оборудование легко 
доступное для обслуживания: лабораторное измерительное и испытательное 
оборудование, медицинское электронное оборудование, деловые и научные 
компьютерные комплексы и пусковое и подготовительное оборудование в 
наземных бункерах 
Летательные аппараты обитаемые, 
грузовые  

 
АIF 
То же самое, что и AIC, но оборудование, установленное на самолетах с высокими характеристиками (на истребителях и перехватчиках). Например, 
самолеты F15, F16, F111, F/A18 и А10 
AUF 
То же, что и AUC, но оборудование, установленное на истребителях и перехватчиках, например, самолеты F15, F16, F111 и A10 
AUC 
Отсеки с неконтролируемой внешней средой, которые недоступны для экипажа. Воздействия давления, температуры и ударов могут быть сильными, 
например, необитаемые отсеки самолетов дальнего действия С130, С5, В52 и 
С141, а также необитаемые отсеки небольших самолетов типа Т38 
Космические аппараты летающие 
SF 
Околоземные орбиты. Приближаются к благоприятным наземным условиям. 
Аппараты с неработающими двигателями и не входящие в плотные слои 
атмосферы, включающие спутники и шаттлы 
Снаряды запускаемые (стреляемые) 
ML 
Жесткие условия, относящиеся к запускаемым (стреляющим) снарядам (воздушным, наземным и морским), космическим орбитальным ракетоносителям 
и аппаратам, спускаемым и приземляющимся на парашюте. Также применяется к активному полету твердотопливных ракет, торпедам и снарядам, запускаемым с подводных лодок 
Пушки стреляющие 
CL 
Чрезвычайно жесткие условия, относящиеся к стрельбе из пушек 155-мм 
и 5-дюймовыми снарядами. Условия, воздействующие на снаряд от момента 
выстрела до попадания в цель 
Снаряды (ракеты) 
летающие 
MF 
Условия, относящиеся к активному полету воздушно-реактивных снарядов, 
маршевых снарядов и снарядов в свободном полете 
Летательные аппараты обитаемые, 
истребители 
Летательные аппараты необитаемые, 
грузовые 
Летательные аппараты необитаемые, 
истребители 
Летательные аппараты винтокрылые 
ARW 
Оборудование, установленное на вертолетах. Применяется для монтируемого оборудования как внутри, так и снаружи (лазерные прицелы и связное 
оборудование) 
4 

Модели интенсивности отказов компонентов. Модели интенсивности отказов для микроэлектронных компонентов значительно отличаются от моделей других компонентов. Типовым 
примером модели, используемой для большинства других видов 
компонентов, является следующая модель для дискретных полупроводников: 
P = bTARSCQE, 
где P — интенсивность отказов компонента; b — базовая интенсивность отказов, обычно выраженная моделью отношения к 
влиянию электрических и температурных нагрузок на компонент; 
T…E — базовые интенсивности отказов для категорий окружающей среды применения и других параметров, которые влияют 
на надежность компонентов. 
Факторы E и Q используются для большинства моделей, 
остальные -факторы — только для специальных моделей. Применимость -факторов определяется для каждого компонента*. 
Для определения надежности необходимо учитывать температурный перегрев, которому подвергаются компоненты. Поскольку надежность компонентов сильно зависит от температуры, то температурный анализ любого устройства должен достоверно точно определить окружающую температуру, необходимую для использования в моделях компонентов. 
Экспериментальная часть 
Оборудование 
Для проведения лабораторной работы используются персональные компьютеры, на которые установлена программа для расчета надежности. Главное окно программы приведено на рис. 1.1  
Порядок проведения лабораторной работы 
В качестве задания студентам выдается схема электрическая 
принципиальная устройства. Расчетная часть выполняется с помощью программы для определения характеристик надежности. 
Порядок выполнения лабораторной работы следующий. 
1. Проанализировать компоненты, используемые в схеме. 
2. Запустить программу для расчета характеристик надежности. 
3. Ввести исходные данные о компонентах. 
____________ 
* Камышная Э.Н., Маркелов В.В., Соловьев В.А. Конструкторско-технологические расчеты электронной аппаратуры. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 
10