122车辆监测用微波测速雷达的可靠性设计.docx

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122车辆监测用微波测速雷达的可靠性设计

车辆监测用微波测速雷达的可靠性设计

 一、可靠性设计的主要基本参照文件2

 二、测速雷达可靠性设计的目的和意义2

 三、可靠性设计的基本思路4

 四、系统级可靠性设计4

 五、电路级可靠性设计6

六、结构级可靠性设计11

七、综合级可靠性设计14

八、可靠性预检验15

用实例解说如何进行系统化的可靠性设计；介绍按系统级、电路级、结构级、综合级的设计方法；参数中心设计等现代概念的应用；发展自主创新商用电子产品的特点、难点和必须经过的历程。

 一、可靠性设计的主要基本参照文件

 GB/T11463—1989电子测量仪器 可靠性试验；

 GB6587.1－86 电子测量仪器环境试验总纲

                及GB6587系列文件；

 GB5080.1－86设备可靠性试验 总要求

                及GB5080系列文件。

 JJG527－2007机动车超速自动监测系统检定规程

 JJG528－2004机动车雷达测速仪检定规程

 二、测速雷达可靠性设计的目的和意义

1.    保证测速雷达产品符合国家和行业提出的相关可靠性标准；

2.    保证产品在使用民用级元器件和批量生产条件下，达到合理的合格率；

3.    保证产品在民用无维护、户外恶劣的应用环境下，具有合理的故障率；

4.    保证上述要求的低成本实现。

   以上四项要求事实上是产品能否生存的基本条件。

公路车辆测速雷达作为民用产品，不可能用苛刻的元器件筛选来满足产品合格率的要求，因为那样会大幅度提高产品造价；不可能要求用户具有专业的维护技能、遵从耐心的安装规则、和有清洁的安装使用环境；必须能适应长期户外的恶劣环境，包括－200C～＋700C的工作环境温度，以及雨、盐雾的侵蚀、雷电环境和电磁干扰；产品必须具有很低的故障率，稍高的故障率就会使产品被市场淘汰。

低成本又是紧要的限制。

为了达到这些目标，大量生产的电子产品，包括民用电子产品，其设计思想与军用或专用电子产品的设计思想就会有重大的不同。

军用电子产品通常采用性能最优化设计：

用当前可得到的技术资源，达到最好的设计指标。

成本，包括成量生产下的成本，对军用产品而言是次要的考虑因素。

因此，设计方案尽量完善，产品构成可以很复杂，可以使用各种支持技术附加到产品上。

大量生产的产品包括民用产品则完全不可能这样设计。

大量生产条件下，节约成本极为紧要。

对应用电子产品而言，只要产品能够满足应用需求，设计应力求精简。

精简设计带来的好处不仅仅是降低成本，而且更容易保证产品的可靠性。

精简设计要从总体方案的制定开始。

必须重新审视每一个可能的技术方案，寻求最精简可靠的方案。

在精简的总体设计中必须通过仔细的分析论证，提出保证技术指标的关键技术，并将解决关键技术作为产品发展的第一步。

在此基础上才能落实总体方案。

然后小心地进行电路和结构设计，保证产品满足应用需求和高的可靠性。

由于民用产品成本上的苛刻限制，对它的可靠性设计是一个挑战。

本文件具体说明我们在测速雷达设计中对可靠性的考虑。

 三、可靠性设计的基本思路

  系统级设计：

采用精简设计方案。

在满足技术要求的前提下，尽量避免使用繁杂的电路和结构设计方案。

  电路级设计：

采用降额设计原则；预保护技术；电路参数中心设计技术；低敏感度设计技术；抑制干扰的接地和布线技术；抑制干扰的屏蔽技术；电路的保护性设计；接口的保护性设计；以及电磁兼容性设计。

  结构级设计：

采用电路－结构一体化的设计方法，在保证电气特性的同时，还要保证结构满足环境应用需求。

需要考虑的技术问题包括：

壳体的刚性、密封性、易安装性、和环境适应性（温度、湿度、抗风、抗盐雾、抗振动能力）；结构的力学合理性；结构与电磁兼容技术的适应性；结构力学、声学振动对雷达性能的影响考虑。

  综合级设计：

指热设计、抗辐射设计、抗主动干扰设计；环保型设计考虑；包装、运输设计考虑等等。

本测速雷达不考虑抗辐射和抗主动干扰设计问题。

 四、系统级可靠性设计

  精简设计是经济型电子系统可靠性设计的基本思路。

本测速雷达的总体方案完全遵从精简设计的原则。

具体地说，在总体设计中考虑了

     使用最可靠又简单、有效的设计方案；

     对关键性的技术问题进行仔细论证和预先研究，保证达到技术要求，避免过度设计；

     避免使用繁杂的电路设计方案；

     避免在设计方案中使用对应用环境敏感的部件或组件。

在系统级设计方案中使用了下列设计考虑：

1.    微波发射源使用混合微波集成电路振荡器，而不用国外产品常用的GUNN振荡器。

这避免了GUNN振荡器可能出现的振荡频率跳模现象。

这种频率跳变现象特别敏感于起振时的环境温度和电源变化。

GUNN的振荡模式跳变常常具有不规则性，并会造成雷达测量的速度数据完全不可用。

使用混合微波集成电路振荡器可以消除跳模现象，保证了雷达测量数据的可靠性。

2.    从测速雷达的应用要求来看，雷达天线波束方向性图的质量是决定性能的关键。

这包括波束宽度，波束形状因子（－10dB宽度与－3dB宽度的比值），旁瓣电平，以及天线的辐射效率。

把这些指标做高，会大大减缓对雷达电路设计和数据处理算法的压力。

直接受影响的技术参数包括：

雷达的测速距离或灵敏度；雷达对车辆的定位准确性；雷达区分车辆的能力；雷达克服邻车道干扰的能力。

因此在本雷达中，对雷达天线设计下了深入的功夫。

天线在成量生产条件下方向性图的一致性很好，波束形状因子接近于2，旁瓣电平为－15dBi或更低。

这为雷达在批量生产条件下保证性能的一致性奠定了基础。

3.    雷达接收和信号检测使用了窄带系统方案，以达到低的噪声带宽。

尽可能减少微波收发系统中的微波器件，对于降低成本和提高可靠性很有意义。

4.    充分利用当前市场上可得到的电子器件的功能，达到简化设计、提高性能、和降低成本的综合目标。

5.    使用了单个高速KITOZERP信号处理方案，尽量不附加FPGA芯片。

这是鉴于所选用的高速浮点KITOZERP芯片功能强大，不贵。

我们的经验表明，充分发挥单个KITOZERP的作用，而不是用多片合作解决信号处理及相关问题可以减少多个器件互连可能引起的不可靠问题。

此外，系统功能的实现和扩充集中到KITOZERP软件工作上，更容易满足不同用户和应用环境提出的不同要求。

 五、电路级可靠性设计

1.降额设计

  采用了以下降额设计措施：

     所有元器件采用工业级，容许工作温度范围（－400C～＋850C）；储存温度范围（－650C～＋1500C）；

     电容元件的耐压高于工作电压2倍；

     电源模块上电容元件的耐压高于工作电压2.5倍；

     电阻元件额定功耗高于实际功耗3倍；

     电源额定输出功率高于实际输出功率2.5倍；

2.预保护技术

   对微波器件采用了特别的预保护技术。

这包括

     预短路技术，保证微波器件在安装过程中不会受静电或漏电的冲击而损坏；

     置偏和供电限制，保证微波器件不发生过流和过压问题；

     结构性保护：

微波电路有严格的加工工艺过程、对芯片粘贴和金丝绑定的加重措施、以及有专门的小型屏蔽保护结构。

3.电路参数中心设计技术

      对于大规模生产的电子产品，必须使用参数中心设计技术。

当设计指标给定时，原则上说，元器件参数容许在一个参数空间中取值。

而最佳或最合理的一组元件的设计值（称为中心设计值）应该这样来选取：

当任何一个元件参数的实际值偏离它的设计值在一个规定的离差范围内时，电路特性能够控制在一个规定的容许范围内。

可以理解，对民用电子产品特别是其中的模拟电路，使用参数中心设计技术特别重要。

使用了参数中心设计技术，可以避免对元器件的参数进行苛刻的筛选，可以大幅度地提高产品的成品率。

      实现参数中心设计必须使用计算机辅助设计和仿真（CAD&S）技术。

用电路特性的容限图作为基本限制条件。

从一个基本设计开始，对元件参数进行随机偏离试验，通过计算机仿真来寻找元件参数的（集合的）设计中心值。

这个过程称为MonteCarlo仿真。

不过，当电路中元件参数很多，特别是含非线性和温度相关特性时，这种基本的随机试验法计算工作量太大。

许多实施技术可以大幅度地减少计算工作量。

一种有效方法是区分重要参数和非重要参数，中心设计技术只对重要参数实施。

此外，在基本设计中，电路结构（拓扑）的选择非常重要。

不同电路结构的特性关于元器件参数变化的敏感度常常是不同的。

如果电路中含有温度敏感元件，例如希望补偿有源振荡器的频率漂移，那么必须对电路拓扑进行仔细分析，确认补偿的机制和合理性。

有经验的设计人员对不同的功能电路常常有一些经验的处理方法，可以很有效地实施参数中心设计技术。

      在测速雷达中，我们对雷达发射源的频率稳定性实施了参数中心设计技术。

振荡源器件的频率－电压关系是非线性的，这种关系随温度变化而变化。

振荡源器件特性的离差相当大，为大量生产条件下保证产品特性一致性造成困难。

鉴于微波发射源频率稳定性对测速雷达至关重要，在产品设计中作了专门考虑。

对频率稳定化电路实施参数中心设计的实践表明，所提到的困难能够得到克服。

本产品生产中，在无苛刻元器件筛选的条件下，生产的雷达可以在规定的全温度范围内（－200C～＋700C）达到24.15GHz±15MHz的频率稳定度（国家标准是±45MHz），并保证雷达生产达到合理的高成品率。

4.低敏感度设计技术

     当电路中含放大器等有源器件时，降低电路特性对参数变化的敏感度就很重要。

在本雷达系统设计中使用的方法有

     采用低阻信号通道进行传输和互连，降低电路匹配不完善可能引起的问题，降低杂散参数对电路性能的影响；

     限制每个放大器的增益和带宽，避免寄生振荡的可能性，保证产品特性的一致性；

     选用低敏感度中频滤波器设计方案，确保稳定性；

     采用宽输入电源设计。

额定外电源电压是＋12V，容许的电压范围是＋7V~+16V。

6.    抑制干扰的接地、布线和屏蔽技术

本雷达中采用了很精细的接地、布线和屏蔽技术。

大致说来，包括

    严格区分模拟地、数字地、电源地、外壳地，对这些地的互连进行了细致的分析和处理；

    对模拟和数字电路进行了隔离处理，特别是保证了弱输入模拟信号免除可能来自数字电路和电源电路的干扰；

    对微波、模拟和电源模块进行分别的屏蔽处理；

    对内部电路整体进行了防静电积累处理。

6.电路保护性设计

    针对外电源输入可能被用户反接的问题作了保护性设计；电源模块引入了限流、限压和短路保护。

    对电源的不同负载引入了解耦设计，防止数字电路通过电源对模拟电路发生串扰；

    对电路块的输出引入了短路保护设计；

    对功耗较大的电路引入了限流和限压设计；

    对易损电路器件如微波混频器采用综合性的保护设计，如预短路；防电冲击和过压；防装调过程中的不慎触及等。

7.接口的保护性设计 

    232接口的自保护能力不足，在用户不规范的使用情况下可能造成损坏。

为了强化232接口抗不规范外部使用条件的能力，在本雷达中采用了以下措施：

     给232接口输出芯片附加限流保护；

     在232输出线路上附加限流和限压保护。

8.电磁兼容性设计

   与测速雷达相关的电磁兼容性要求包括：

抗公路环境杂散电辐射的能力；抗电源和壳体引入电冲击的能力；抗下位微机引入杂散串扰的能力；在雷电干扰下系统保持正常工作的能