kit_112021

12+ Компоненты и технологии

C o m p o n e n t s www.kit-e.ru

&

Te c h n o l o g i e s

№ 11 ’2021 (ноябрь)

ISSN 2079-6811

№ 11 ’2021

Детекторы рентгеновского излучения компании BOE

ноябрь

Новый модуль Wiznet

W5100S-EVB-Pico — Raspberry Pi Pico

Components & Technologies

Оценки соответствия безэховых

Реклама

Реклама

экранированных камер для целей ЭМС

Переменный ток — начало начал

Реклама

Реклама

11 (244) '2021

11 (244) '2021

Главный редактор Правосудов Павел Викторович | pavel@fsmedia.ru Заместитель главного редактора Ольга Дорожкина (Зайцева) | olga_z@fsmedia.ru Выпускающий редактор Ксения Притчина | ksenia.pritchina@fsmedia.ru Редактор Наталья Новикова | Natalia.Novikova@fsmedia.ru Редакционная коллегия Александр Фрунзе, Иосиф Каршенбойм, Виктор Лиференко, д. т. н., профессор Владимир Махов, д. т. н. Дизайн и верстка Ольга Ворченко | olga@fsmedia.ru Отдел рекламы Ирина Миленина | irina@fsmedia.ru Отдел подписки podpiska@fsmedia.ru

Москва ул. Южнопортовая, д. 7, строение Д, этаж 2 Тел./факс: (495) 987-3720 СанктПетербург 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Тел. (812) 467-45-85 email: compitech@fsmedia.ru, web: www.kit-e.ru

Республика Беларусь «ПремьерЭлектрик» Минск, ул. Маяковского, 115, 7й этаж Тел./факс: (10*37517) 2973350, 2973362 Отдел распространения СанктПетербург: fps@fsmedia.ru

Подписные индексы Агентство «Урал-Пресс» «Почта России»

Содержание Компоненты Алексей Бычков Построение бесконтактных датчиков тока с использованием специализированной микросхемы К1382НУ01А5 Александр Самарин, Виктор Егоров Плоскопанельные детекторы рентгеновского излучения компании BOE: технология и применение Алексей Верещагин Улучшение функциональных характеристик защищенной измерительной аппаратуры при использовании соединителей компании Fischer Connectors Александр Самарин, Виктор Егоров МDR-соединители компании 3М: надежное решение для современных систем передачи данных

6

12

Тодд Филлипс (Todd Phillips) Защита низкоскоростных интерфейсов и источников питания

30

Перевод: Дмитрий Комолов Lattice SensAI 4.1: набор средств и инструментов для реализации алгоритмов AI/ML в ПЛИС с низким энергопотреблением

34

Сергей Долгушин Новый модуль Wiznet W5100S-EVB-Pico — Raspberry Pi Pico с аппаратной поддержкой Ethernet

38

На правах рекламы

20

Микросхема 5559ИН85Т быстродействующего приемопередатчика интерфейса RS485/422

43

Блоки питания

24

Владимир Рентюк Новые трехфазные блоки питания серии DRB мощностью 120 и 240 Вт на DIN-рейку от TDK-Lambda

44

80743 П4209

Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций по Санкт-Петербургу и Ленинградской области. Свидетельство о регистрации ПИ №ТУ 78-00653 от 23 июля 2010 года. Учредитель ООО «Издательство Файнстрит» Адрес редакции 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Издатель ООО «Медиа КиТ» 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4. Дата выхода в свет 26.11.21 Тираж 6000 экз. Свободная цена Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Медиа КиТ». Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе. Возрастное ограничение 12+

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ООО «ЭФО» — ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР IAR SYSTEMS

ЭКОСИСТЕМА СРЕДСТВ РАЗРАБОТКИ IAR SYSTEMS ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ IAR Embedded Workbench для ARM, AVR, 8051, STM32, STM8, MSP430, RISC-V • Компилятор C/C++ • Транслятор ассемблера • Компоновщик • Библиотечный модуль • Редактор • Менеджер проектов

• Отладчик C-SPY • Статический анализатор кода C-STAT (опционально) • Динамический анализатор кода C-RUN (опционально) • Примеры программ • Годовая техническая поддержка

www.iar.com Аппаратные отладчики I-jet и I-jet Trace • Поддержка внутрисхемного программирования • Интеграция со средой IAR Embedded Workbench • Поддержка ядер ARM7/ARM9/ARM11, ARM Cortex-A/R/M, RISC-V • Скорость загрузки до 1,89 Мбайт/с • Поддержка режима Power Debugging

Реклама

ПОСТАВКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ПЕРМЬ

Самый компактный и быстрый код на рынке Поддержка более 14000 типов микроконтроллеров Удобный пользовательский интерфейс Оценочные версии

11 (244) '2021

11 (244) '2021

Editorinchief Pavel Pravosudov | pavel@fsmedia.ru Deputy of editorinchief Olga Dorozhkina (Zaytseva) | olga_z@fsmedia.ru Managing editor Ksenia Pritchina | ksenia.pritchina@fsmedia.ru Editor Natalia Novikova | Natalia.Novikova@fsmedia.ru Editorial staff Alexander Frunze Victor Liferenko Joseph Karshenbojm Vladimir Mahov Design and layout Olga Vorchenko | olga@fsmedia.ru Advertising department Irina Milenina | irina@fsmedia.ru Subscription department

Содержание Проектирование

Технологии

Валерий Соловьев Использование в методике ASMD-FSMD операторов неблокирующего назначения для повышения быстродействия цифровых устройств 50

Андрей Смирнов, Константин Басалаев, Юрий Занин, Филипп Колдашов Развитие процедур оценки соответствия безэховых экранированных камер для целей ЭМС в различных отраслях применения

73

Николай Лемешко, Михаил Горелкин, Павел Струнин Измерения параметров широтно-импульсной модуляции с использованием автоматических измерений на осциллографах серии RTO6 компании Rohde & Schwarz

86

Сергей Курапов, Максим Давидовский Построение рисунка плоской части графа СЭП. Метод базисов

54

Махеш Фальке (Mahesh Phalke) Перевод: Михаил Русских Понимание и использование драйверов для работы без операционной системы и драйверов платформы 57

podpiska@fsmedia.ru

Moscow 7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str., Moscow, Russia Tel. +7 (495) 987-3720 St. Petersburg of. 321v., pom 1-H, b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb., St. Petersburg, 197046, Russia Tel. (812) 4381538 Fax (812) 3460665 email: compitech@fsmedia.ru web: www.kit-e.ru

Василий Филимонов, Алексей Давыдов Алгоритм оценки импульсной характеристики канала связи на основе цифровой обработки сигналов Владимир Макаренко, ADI Precision Studio от компании Analog Devices

История 62

66

Стив Робертс (Steve Roberts) Перевод: Владимир Рентюк Переменный ток — начало начал

98

Belarus Republic Minsk, Premier Electric Tel./fax: (10*37517) 2973350, 2973362 Circulation department St. Petersburg: Victor Zolotarev | victor.zolotarev@fsmedia.ru Subscription index for Components & Technologies Rospetchat Agency catalogue subscription index 80743 Age limit 12+

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

компоненты

6

датчики

Построение бесконтактных датчиков тока с использованием специализированной микросхемы К1382НУ01А5

Алексей Бычков bychkov@zntc.ru

В

Измерение больших токов в проводнике с помощью шунта предполагает две точки подключения в разрыве проводника с током. Однако более надежным и эффективным способом является бесконтактное измерение тока. Принцип действия бесконтактных датчиков тока основан на преобразовании напряженности магнитного поля проводника с током в электрический сигнал.

качестве магниточувствительного элемента бесконтактного датчика тока может применяться сенсор на магниторезистивных элементах или сенсор, использующий эффект Холла. Для повышения эффективности преобразования магнитного поля в электрический сигнал сенсоры соединяются по мостовой схеме. Конструктивно магниторезисторы ориентированы таким образом, что при воздействии внешнего планарного магнитного поля сопротивление резисторов в каждом плече моста изменяется в противоположные стороны. Выходной сигнал представляет собой дифференциальное напряжение, полярность которого зависит от направления протекания тока. Для преобразования дифференциального сигнала мостового сенсора в набор стандартных интерфейсов Зеленоградский нанотехнологический центр (ЗНТЦ) разработал и серийно выпускает микросхему К1382НУ01А5, выполненную в 24‑выводном металлокерамическом корпусе 5122.24-2 (рис. 1).

В первую очередь микросхема ориентирована на использование внешних магниторезистивных сенсоров, но имеет и встроенную сенсорную систему на элементах Холла. По сравнению с магниторезистивными элементы Холла менее чувствительны, имеют более высокий уровень собственного шума и температурную зависимость, но вместе с микросхемой могут применяться в тех случаях, когда важны габариты и вес (микросхема может поставляться в бескорпусном исполнении). Технология изготовления элементов на основе эффекта Холла совместима с КМОП-технологией производства микросхемы обработки сигналов, что позволило разместить их на одном кристалле. Оба типа чувствительного элемента могут служить источником сигнала для обработки микросхемой. Микросхема усиливает сигналы внешнего или встроенного сенсора и с помощью АЦП преобразует в 12‑битный код (таблица), который превращается в электрические сигналы стандартных выходных интерфейсов: • цифровой последовательный (SSI); • аналоговый линейный (ратиометрический); • логический (компаратор с программируемым порогом переключения); • выход широтно-импульсной модуляции (PWM). Таблица. Основные технические характеристики Программируемая крутизна преобразования сигнала: - внешнего сенсора (ZMY20M)

до 1100 мВ/А

- встроенного сенсора

до 170 мВ/А

Программируемый термостабилизированный ток питания внешнего сенсора (Rsens = 1,5 кОм)

до 2 мА

Программируемый коэффициент усиления дифференциального сигнала

до 34

Дискретность преобразования сигналов сенсора

12 бит;

Погрешность преобразования сигналов сенсора

±0,8%

Значение тока полной шкалы измеряемого тока (при максимальном усилении): - внешним сенсором (ZMY20M)

не менее ±1,5 A (DC); 2,2 A (AC)

- встроенным сенсором

не менее ±10 А (DC); 15 (AC)

Разрешающая способность измерения температуры кристалла Напряжение питания

Рис. 1. Внешний вид микросхемы К1382НУ01А5

Диапазон значений напряжения полной шкалы на аналоговом выходе Диапазон рабочих температур

не хуже 1,7 °С +5 B ±10%; (I < 25 мА) ±2 В (относительно UCC/2) –60…+125 °С

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

датчики

На рис. 2 можно видеть, как с ростом температуры увеличивается сопротивление магниточувствительных элементов. При формировании магнитного смещения сенсора стабилизированным напряжением зависимость чувствительности от температуры составит 0,35%/°C. Таким образом, чувствительность может меняться на 60% в диапазоне рабочих температур. Если магнитное смещение сенсора формировать стабилизированным током, то его чувствительность изменяется всего на 0,05%/°C. Микросхема содержит: • Термостабилизированный источник тока магнитного смещения внешнего сенсора. Значение тока задается 8‑разрядным ЦАП. При использовании внешнего источника тока внутренний источник можно отключить.

• Датчик температуры и канал формирования 7‑битного кода температуры для внутренней или внешней коррекции температурной зависимости выходного сигнала сенсора. Микросхема позволяет программировать настройки параметров преобразования и конфигурацию интерфейсов в соответствующие регистры и хранить их значения во встроенной энергонезависимой памяти (EEPROM). Для доступа к регистрам и области EEPROM организовано общее адресное пространство. Блок цифрового компаратора сравнивает значение кода входного сигнала с заданными минимальным и максимальным порогами и формирует логический сигнал на выходе типа «открытый коллектор» в зависимости от требуемой логики. Полярность логического сигнала и пороговые значения задаются при программировании настроек микросхемы. Во избежание остаточной намагниченности датчиков Холла производится переключение направления протекания тока смещения датчиков (модуляция полезного сигнала). Встроенная магнитная система не реагирует на ток 20 А в проводнике, удаленном на 13 мм от корпуса микросхемы. При использовании внешних магниторезистивных сенсоров (обладающих более высокой чувствительностью) в условиях электромагнитных полей рекомендуется применять магнитное экранирование сенсорной системы. Далее приведены различные варианты применения описываемой микросхемы.

компоненты

7

Рис. 2. Температурная зависимость сопротивления диагонали моста AMR-сенсора ZMY20M

лен датчик, на обратной стороне платы или во внутренних слоях многослойной платы в зависимости от необходимого расстояния до проводника с током. Стрелкой «Нх» показано направление тока, приводящее к положительному отклонению выходного сигнала на аналоговом выходе (относительно половины напряжения питания). Измеряемый ток не имеет гальванической связи с микросхемой: он подводится к про-

воднику печатной платы, расположенному под корпусом микросхемы. Сенсор ZMY20M обладает высокой чувствительностью и позволяет реализовать датчик малых токов (рис. 4). Поскольку при удалении проводника с током от чувствительного элемента уровень выходного сигнала датчика снижается, то для измерения больших токов проводник может быть размещен с обратной стороны или внутри многослойной платы.

Рис. 3. Расположение проводника с током под внешним сенсором ZMY20M

С использованием внешнего сенсора Чувствительность датчика тока зависит от расстояния до проводника. На рис. 3 показан вариант установки внешнего сенсора ZMY20M над проводником печатной платы с измеряемым током. Проводник может быть на той же стороне платы, где установ-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 4. Характеристика преобразования с использованием сенсора ZMY20M

www.kite.ru

8

компоненты

датчики

а

б

Рис. 5. Расположение проводника с током под встроенным сенсором

С использованием встроенного сенсора Проводник с измеряемым током должен размещаться под серединой корпуса микросхемы, чтобы протекающий в измерительной цепи ток создавал магнитное поле для двух пар чувствительных элементов Холла, развернутых относительно друг друга на 180°. Магнитный зазор у каждой пары датчиков 2 мм, поэтому для получения максимальной чувствительности ширина проводника должна быть 2 мм. На границах проводника условно показано расположение чувствительных элементов и направление силовых линий магнитного поля. На рис. 5 представлен вариант использования встроенных элементов Холла для измерения поля тока в проводнике печатной платы, расположенном под керамическим корпусом микросхемы. Измеряемый ток не имеет гальванической связи с микросхемой: он подводится к проводнику (рис. 6а) с обратной стороны платы (рис. 6б) через металлизированные отверстия. При ширине проводника 3 мм и толщине фольги 105 мкм можно пропускать ток до 10 А (до 15 А кратковременно). Характеристика преобразования показана на рис. 7. Для измерения больших токов расстояние между выводами корпуса позволяет увеличить ширину проводника до 4 мм, но при высоком напряжении это становится опасно, к тому же электрической проч-

Рис. 6. Вид: а) проводника со стороны установки микросхемы; б) обратной стороны платы

ности металлизации отверстий может не хватить. Если разместить проводник на обратной стороне платы (рис. 8) или закрепить плату с микросхемой на медную шину, то появляется возможность измерять большие токи. При ширине проводника 5,5 мм (толщиной 105 мкм) на обратной стороне платы толщиной 1,5 мм максимальная шкала измеряемого тока составляет 20 А (для каждой полярности) (рис. 9).

Рис. 8. Расположение проводника на обратной стороне платы

Рис. 7. Характеристика преобразования с использованием встроенного сенсора

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

датчики

компоненты

9

Рис. 9. Характеристика преобразования при расположении проводника на обратной стороне платы

Если уменьшить крутизну преобразования (усиление аналогового тракта) или использовать более толстую плату (увеличить магнитный зазор), то максимальные значения измеряемых токов могут быть еще больше.

Возможные выходные интерфейсы Аналоговый выходной сигнал формируется 12‑битным ЦАП из кода полезного сигнала в виде постоянного напряжения. Значение выходного напряжения будет уменьшаться или увеличиваться относительно UCC/2 в зависимости от направления протекания тока. ШИМ-сигнал формируется с коэффициентом заполнения периода, зависящим от величины полезного сигнала. При отсутствии измеряемого тока ШИМ-сигнал имеет скважность 50%, которая будет изменяться при появлении полезного сигнала в большую или меньшую сторону в зависимости от направления тока. Интерфейс SPI работает в двух режимах: в режиме считывания данных (по умолчанию) или в режиме настройки. Режим считывания предполагает два варианта представления данных: • 16‑битное представление только выходного кода токового АЦП.

• 48‑битное представление данных: – выходного кода токового АЦП; – выходного кода токового АЦП после термокорректировки; – выходного кода температурного АЦП. Режим настройки предусматривает две операции: чтение и запись в выбранную ячейку адресного пространства EEPROM.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Настройка параметров преобразования В аналоговом тракте микросхемы имеются необходимые настройки как по усилению входного сигнала (крутизне преобразования), так и по балансировке дифференциальных усилителей сигналов мостовых сенсоров. Микросхема может быть использована датчиками различного типа. Параметры пре-

образования необходимо подстраивать (программировать через SPI-интерфейс) под каждый датчик тока индивидуально после его установки на токовый проводник (шину), поскольку датчики даже одного типа имеют некоторый технологический разброс. В большинстве случаев встроенная температурная коррекция позволяет компенсировать температурную зависимость только для конкретного значения тока (рис. 10). n

Рис. 10. Температурная характеристика скорректированного напряжения на аналоговом выходе при измерении тока 1 А сенсором ZMY20M Примечание. Напряжение UAOUT на аналоговом выходе микросхемы указано на графиках относительно UCC/2.

www.kite.ru

10

новости

Новости сайта www.efo.ru Lattice Компания Lattice выпустила новую версию стека решений SensAI 4.1 для реализации алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта. Новые средства и возможности sensAI v4.1 включают: • обновленный компилятор нейронной сети, инструмент Lattice SensAI Studio с графическим интерфейсом для обучения, проверки и оптимизации моделей искусственного интеллекта, поддержку ПЛИС нового семейства CertusPro-NX; • отладочный набор для разработки приложений машинного обучения со встроенной камерой, двумя микрофонами с интерфейсом I2S и разъемами для подключения дополнительных датчиков; • примеры проектов обнаружения присутствия пользователя для автоматического включения/выключения клиентских устройств, уменьшение яркости экрана для экономии заряда батареи, когда пользователь не смотрит на экран, кадрирование лица для улучшения качества видео в приложениях для видео-конференцсвязи, обнаружение посторонних и размывание изображения на экране для обеспечения конфиденциальности информации.

SensAI 4.1 совместим с платформами машинного обучения, включая последние версии Caffe, Keras, TensorFlow и TensorFlow Lite.

IAR Systems Среда разработки IAR Embedded Workbench для микроконтроллеров на базе RISC-V получила обновление до V2.11.1. В текущей редакции появились опции настройки тем текстового редактора и подсказки для исправления синтаксических ошибок, добавлены дополнительные драйверы для режима отладки (GDB Server, Simplified Third Party Driver), расширен список поддерживаемых RISC-V устройств — NSI-TEXE NS31A, Codasip L30, L30F, L50, L50F. *** Обновлена среда разработки для ARM-микроконтроллеров — IAR Embedded Workbench for

ARM V9.20.1. В анонсированной редакции появилась поддержка дополнительных расширений GNU C, добавлены цветовые настройки тем в текстовом редакторе, в перечень поддерживаемых приборов впервые включены Cortex-M55‑микроконтроллеры на базе архитектуры ARMv8.1‑M: • Microchip: ATSAMHA0G17AB, ATSAMHA1G17AB, PIC32CM1216, PIC32CM2532, PIC32CM5164.

• NXP: LPC5534, LPC5536, LPC55S36, LS1046A, MKE12Z128xxx7, MKE12Z256xxx7, QN9083C, S32K312, S32K314, S32K324, S32K344.

• Renesas: R7FA2E2A3, R7FA2E2A5, R7FA2E2A7, R7FA4E10B, R7FA4E10D, R7FA6E10D, R7FA6E10F. • STMicroelectronics: STM32G050, STM32G051, STM32G061, STM32L496WG, STM32WB55MMG.

Infineon Компания Infineon представила новые модули в семействе EconoDUAL 3 с кристаллами TRENCHSTOP IGBT7. Более широкие диапазоны токов 300–900 А повышают гибкость при разработке инверторов, а также увеличивают плотность мощности и функциональность. Области применения: солнечная энергетика; приводы; коммерческие, строительные и сельскохозяйственные машины; бесперебойные источники питания (UPS). Основанные на новой микроканавочной (micro-pattern trench) технологии, IGBT-модули EconoDUAL3 с кристаллами TRENCHSTOP IGBT7 имеют значительно меньшие статические потери по сравнению с модулями на кристаллах IGBT4. Кроме того, напряжение насыщения во включенном состоянии уменьшено на 30% при той же площади кристалла. Это дает существенное сокращение потерь в приложениях, особенно в промышленных приводах, которые в основном работают на средних частотах. Также снижены колебательные выбросы при переключении и улучшена управляемость IGBT-ключа, а максимальная температура кристалла увеличена до +175 °C. Новые, уменьшенные размеры кристалла позволили сделать оптимальную разводку в модуле, что позволило снизить потери переключения. В результате, например, для модуля 600 А эти потери сократились на 24% по сравнению с предыдущим поколением кристаллов. Это в свою очередь упростило проектирование приложений с более высокими частотами преобразования. Более того, данные особенности облегчают модернизацию существующих инверторных систем в тех же габаритах. Наличие токовых версий 750 А и 900 А EconoDUAL 3 увеличивает мощности инверторов, а присутствие версии модулей в корпусе с выводами PressFIT снижает затраты на сборку при производстве. Санкт-Петербург, ул. Новолитовская, д. 15, лит. А, БЦ «Аквилон», офис 441; (812) 327-86-54; e-mail: zav@efo.ru.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Реклама

12

компоненты

датчики

Плоскопанельные детекторы рентгеновского излучения компании BOE: технология и применение

Александр Самарин Виктор Егоров

Одно из ключевых бизнес-направлений китайской компании BOE — смартмедицина. Объектами разработки компании являются медицинское оборудование, интеллектуальные системы, оборудование для здравоохранения, а также плоскопанельные датчики для цифровой радиографии (Digital Radiography, DR) [1]. В настоящее время плоскопанельные цифровые рентгеновские датчики широко применяются в современных компьютерных рентгеновских аппаратах и системах в стоматологии, ортопедии, аппаратах маммографии, флюорографии, рентгеноскопии и в кардиохирургии. Компактность современных рентгеноскопических аппаратов позволяет легко перемещать их в палатах и устанавливать в мобильных госпиталях. Эффективность применения и компактность современных рентгеновских аппаратов во многом определяется использованием плоскопанельных рентгенографических цифровых датчиков, которые также успешно применяются и в сфере промышленности и безопасности — например, для дефектоскопии материалов и устройств, в аппаратах рентген-контроля на вокзалах и аэропортах.

Рентгенография и рентгеноскопия Рентгенография считается самым распространенным рентгенологическим исследованием, поскольку предоставляет важную информацию о состоянии органов. В основе данного метода лежит рентгеновский снимок, благодаря которому можно выявить переломы костей, воспаление легких и другие заболевания. Для этого с помощью внешнего источника рентгеновского излучения выполняется прямая (обзорная) рентгенография. Если результаты прямой рентгенографии недостаточны, делается и боковая проекция, но такое исследование применяется реже. Обзорная рентгенография относится к наиболее распространенным способам исследований, однако бывают случаи, когда требуется провести и контрастную рентгенографию. При контрастной рентгенографии в организм до исследования должно быть введено специальное вещество, которое может распределяться по пищеводу, кишечнику, кровеносным сосудам, желудку или мочевому пузырю. Благодаря чему появляется возможность выявить различные нарушения, оценить структуру и проходимость органа. Именно введение такого вещества является особенностью контрастной рентгенографии, которая проводится в режиме реального времени. Если при рентгеновском исследовании изучаются показатели в динамике, такое исследование называется рентгеноскопией и выполняется как с использованием контрастного вещества, так и без него. История развития технологии рентгенографии История рентгенологии и рентгенографии начинается в 1895 году, когда Вильгельм Конрад Рентген впервые зарегистрировал затемнение фотопластинки под действием рентгеновского излучения. Первым рентгеновским снимком в конце 1985 года стал снимок ладони руки его жены Берты. В июне 1896 года военные врачи стали ис-

пользовать лабораторные рентгеновские аппараты для обнаружения положения пуль у раненых солдат. Интерес к рентгенографии быстро возрос во всем мире, а уже в 1896 году был сделан первый рентгеновский снимок и в России. В 1918 году в России была создана первая рентгенологическая клиника. В 1920 году разработан первый серийный рентгеновский аппарат для медицинского применения. В 1952 году для анализа рентгеновского изображения стала использоваться телевизионная камера. Начиная с появления первого рентгеновского снимка и до сих пор для фиксации и хранения рентгеновского изображения применяется рентгеновская фотопленка и сопутствующие технологии процесса проявления и фиксирования изображения. С 1981 года началась эпоха компьютерной радиографии. Для преобразования рентгеновского изображения в цифровое и ввода данных в компьютер использовалась ПЗС-камера и плоскопанельный детектор рентгеновского излучения. Изображение с пластины сцинтиллятора (это и был тогда DR-детектор) считывалось оптикой ПЗСкамеры. В 1992 году были разработаны первые образцы плоскопанельных DR-детекторов, в которых применялась матрица фотосенсоров на основе технологии аморфного кремния. Использование беспленочной радиографии позволило значительно сократить стоимость процедуры, повысить эффективность и оперативность анализа изображения и принятия правильного решения при диагностике.

Конструкция плоскопанельных DR-детекторов Плоскопанельные DR-детекторы конструктивно выполнялись в формате кассет рентгеновской пленки для совместимости с рентгеновскими аппаратами того времени, использующими пленочные кассеты.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

датчики

Рис. 1. Вариант конструктивного исполнения плоскопанельного цифрового рентгеновского детектора

Поэтому размеры любых серийно выпускаемых плоскопанельных DR-детекторов (рис. 1) во всем мире строго стандартизированы и исторически привязаны к форматам рентгеновских кассет. В названии любой модели детектора присутствует код производителя, серия изделия и размер корпуса детектора в дюймах. Например, модель детектора 1717 имеет размер 1717 дюймов. Основные характеристики плоскопанельных DR-детекторов: • размер активной области детектора; • фактор оптической восприимчивости поверхности детектора; • размер/шаг точки (пикселя) цифровых изображений; • предельное пространственное разрешение; • размер матрицы изображения; • градационная разрешающая способность; • вес. Производство плоскопанельных рентгеновских датчиков — один из секторов медицинского направления бизнеса BOE. Возможности технологии — работа с гибкими и жесткими подложками, базовые операции КМОП, аморфный кремний, нанесение толстых пленок, сборка с микросхемами на полиимидных носителях. Все это позволило компании наладить выпуск плоскопанельных детекторов. В настоящее время на этом рынке работают десятки компаний и, соответственно, существует довольно жесткая конкуренция. Форматы

компоненты

13

приборов, заданные в дюймах, определены необходимостью совместимости с ранее созданным рентгеновским оборудованием, рассчитанным на работу с фиксацией изображения на рентгеновской фотопленке. Однако такой метод уже устарел: материал дорогой, хранение объемных снимков и архивирование затруднительно. Для компьютерной обработки требуется цифровизация. Для компьютерного анализа современных методов диагностики такие носители не удобны. Беспроводная система цифровой радиографии предоставляет самые инновационные технологии для обработки рентгеновских изображений. Для передачи оцифрованного изображения в память ноутбука или на экран дисплея, для анализа, обработки и хранения используются стандартные интерфейсы — USB или Ethernet. В последнее время оба интерфейса стали дополняться беспроводным скоростным Wi-Fiинтерфейсом. Компьютерная рентгенографическая система имеет следующий состав: • источник питания (преобразователь) для рентгеновского излучателя; • источник рентгеновского излучения; • плоскопанельный DR-датчик со схемами считывания данных, АЦП и интерфейсом с компьютером; • компьютер (ноутбук); • программное обеспечение для визуализации, анализа, хранения снимков. Области применения плоскопанельных DR-детекторов: • отделения интенсивной терапии, операционные, реанимационные палаты; • рентгеновские аппараты для стоматологии; • зоны боевых действий и мобильные госпитали; • места аварий и катастроф; • ветеринария; • устройства неразрушающего контроля материалов; • лабораторные аппараты рентгеноскопии; • системы безопасности на вокзалах и аэропортах (радиационный контроль багажа).

Цифровые детекторы прямого и непрямого преобразования Энергия рентгеновского излучения, проходя через различные органы человеческого тела, поглощается по-разному. После прохождения через среду с разной плотностью и коэффициентами поглощения

Рис. 2. Архитектура рентгеновской аппаратуры на основе плоскопанельного DR-датчика

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

14

компоненты

исходный двумерный рентгеновский поток (условно равномерный) преобразуется в энергетический поток с распределением двумерного профиля. Пиксельный плоскопанельный детектор преобразует рентгеновское излучение (рис. 2), проходящее через человеческое тело, в электрические сигналы, считывает заряд каждого пикселя, превращает аналоговый сигнал в цифровой и отправляет его на FPGA. После обработки и фильтрации на экране дисплея формируется изображение, которое анализирует рентгенолог или врач. Плоскопанельные детекторы различаются по принципу преобразования энергии рентгеновского излучения. В детекторах с непрямым преобразованием рентгеновское излучение промежуточной пленкой сцинтиллятора сначала трансформируется в излучение видимого спектра, которое затем с помощью матрицы фотодетекторов конвертируется в двумерный профиль электрических сигналов. В качестве пиксельных сенсоров могут использоваться тонкопленочные транзисторы аморфного кремния или pin-фотодиоды, которые обеспечивают большее быстродействие и требуют меньшего времени экспозиции. Прямое преобразование — метод, который без промежуточного сцинтилляционного шага преобразует поглощенный рентгеновский луч в электрический заряд пропорционального размера. В детекторах прямого преобразования двумерного профиля рентгеновского изображения в электрические сигналы в качестве рентгеночувствительного материала, как правило, применяется пленка аморфного селена (aSe). Системы прямого преобразования стали доступны благодаря тому, что технологические достижения уменьшили эффекты задержки, вызванной захватом заряда в полупроводнике, и были реализованы схемы защиты от перезарядки. Рентгеновский луч не превращается в свет, поэтому нет паразитного рассеивания света на пути к фотосенсору. Это обеспечивает более четкое изображение и более высокий контраст, чем в случае с непрямым типом преобразования, позволяет конвертировать рентгеновское излучение напрямую в цифровой сигнал без помощи сцинтилляторов или фосфора. Из-за отсутствия влияния рассеяния и оптимального отношения сигнал/шум изображение достигает качества, характерного для среднезернистой пленки. Ограничением селенового детектора становится узкий диапазон рабочих температур. Как для работы, так и при хранении детектор нужно поддерживать в температурном диапазоне +5…+30 °C, чтобы избежать разрушения селенового слоя. Также при высоких энергиях (>180 кэВ) селен склонен к образованию фантомных изображений. Все эти ограничения делают допустимым применение aSe-панелей в очень специфичных приложениях, где можно строго кон-

датчики

Рис. 3. Принцип преобразования рентгеновского излучения в DR-детекторе c непрямым преобразованием энергии рентгеновских лучей

тролировать необходимые для этих панелей условия работы. Детекторная система прямого преобразования на основе CdTe свободна от ряда недостатков системы на основе aSe и может работать в гораздо более широком температурном диапазоне при энергиях рентгеновских квантов до 300 кэВ, обладая в несколько раз большей чувствительностью. На рис. 3 показана типовая структура DRдатчика. Источник рентгеновского излучения формирует тестовый поток, который, проходя через контролируемый объект (тело человека, материал, устройство), пропорционально ослабляется локальной плотностью поглощения энергии проходящих лучей. Таким образом, формируется двумерный образ тени, или профиля плотности, объекта. Сцинтиллятор преобразует энергию рентгеновского излучения в видимый спектр. Пленка радиационно чувствительных сцинтилляционных материалов наносится поверх матрицы фотосенсоров. Полученное изображение видимого спектра от пленочного слоя сцинтилляции далее конвертируется в сигнал напряжения массивом фотодатчиков. Технология производственных линеек BOE, используемых для формирования TFTматриц дисплеев, позволяет получать матрицы фотодатчиков для DR-детекторов большой площади и с большим разрешением.

Структура матрицы сенсоров В структуре каждого пикселя содержится чувствительный к излучению сенсор (фотодиод или транзистор), ключ адресации в строке матрицы и усилитель выходного сигнала. Сбор заряда в таком детекторе происходит относительно быстро и занимает около 100 нс. Двумерный массив фотосенсоров матрицы считывает каждый кадр с заданной частотой. Далее с помощью АЦП аналоговые значения профиля изображения преобразуются в цифровой код и через интерфейс компьютера (проводной USB или Ethernet или же беспроводной Wi-Fi) передаются в память управляющей программы. Программа обеспечивает предварительную

обработку для устранения артефактов и шумов изображения. Используется интегрирование нескольких последовательных кадров сканированного профиля, что позволяет значительно улучшить контраст и разрешение изображения. Рабочий цикл пикселя содержит три фазы — фазу сброса остаточного заряда на емкости сенсора, фазу интегрирования зарядов, образующихся при воздействии фотонов излучения, фазу передачи аналогового сигнала через ключ адресации. Считывание данных с запоминающего элемента происходит одновременно, последовательно, строка за строкой; 12‑битовый АЦП оцифровывает построчно аналоговый сигнал из каждого пикселя.

Конструкция модуля DR-детектора Конструктивно модуль DR-детектора (рис. 4, 5) выполнен в виде плоской кассеты, имеющей размеры, стандартизованные под кассеты рентгеновской пленки. В матрицах адресации может использоваться технология тонкопленочных транзисторов на основе аморфного кремния или же КМОП-технология. Сравнительный анализ этих технологий показывает, что у каждой из них есть преимущества и недостатки. Например, тонкопленочные транзисторные структуры фотоприемников на аморфном кремнии более радиационно стойкие, и по этой технологии легче изготовить панели больших размеров. У КМОП транзисторных или диодных фотоприемников меньше аддитивные шумы, они позволяют обеспечить высокое быстродействие. Важным преимуществом КМОП-фотопреобразователей является возможность выполнения цепей управления, усилителей и аналого‑цифровых преобразователей на одной подложке в рамках одной и той же технологии. IGZO (Indium gallium zinc oxide) — оксид индия, галлия и цинка. Этот полупроводниковый материал заменяет аморфный кремний, использующийся в транзисторных матрицах тонкопленочных фототранзисторов. Ключевым его преимуществом является ра-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

датчики

Рис. 4. Конструкция модуля DR-детектора

Конструкция современных рентгенографических компьютерных систем Вместо громоздкого рентгеновского оборудования, традиционная конструкция которых была разработана более 50 лет назад, сейчас применяются компактные недорогие, удобные компьютерные рентгеновские аппараты. Современный мобильный рентгеновский аппарат имеет малые габариты — весь аппарат может уместиться в удобном кейсе весом до 40 кг, который легко транспортировать или перемещать по зданию. Потребляемая мощность всей системы составляет порядка 300–500 Вт. Большая часть потребляемой мощности приходится на компактный блок источника рентгеновского излучения. Основа источника — формирователь высокого напряжения для питания катодной рентгеновской вакуумной трубки. Это напряжение примерно 100–300 кВ. Кассета плоскопанельного детектора, интерфейс сопряжения с компьютером и компьютер (обычный ноутбук) потребляют не более 100 Вт. Для питания рентгенографической компьютерной системы может использоваться сетевое напряжение 11–230 В, 50/60 Гц или же аккумуляторный источник, обычно требующийся для работы в полевых условиях, где нет сетевого питания или бензогенератора. Вся система может быть размещена на площади несколько квадратных метров в любом помещении. При необходимости даже в палатке полевого госпиталя. На рис. 6 показано рабочее место современного рентгенолога. На рис. 7 представлена аппаратура маммографа с кассетой цифрового ввода изображения.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

15

Рис. 5. Общий вид DR-датчиков

дикальное (до 40 раз) уменьшение времени отклика. При использовании транзисторов на IGZO можно значительно сократить время для экспозиции и тем самым снизить уровень радиационной нагрузки на пациента.

Рис. 6. Рабочее место современного рентгенолога

компоненты

Выбор материала для сцинтиллятора Сцинтилляторы — ключевой компонент рентгеновской визуализации. BOE выбирает оптимальные материалы сцинтилляторов для достижения наилучшего разрешения, чувствительности и скорости для конкретных приложений. Сцинтилляторы — это материалы, способные преобразовывать рентгеновские или гамма-фотоны в фотоны видимого света. Техника соединения сцинтилляторов с фотодиодами называется «сцинтилляция». Под сцинтиллятором находится датчик CMOS или CCD, который производит захват преобразованных видимых фотонов для создания изображений, выводимых из детекторов. В некоторых случаях сцинтилляторный материал бывает тонким и достаточно чувствительным, чтобы получать профильные изображения с высоким разрешением. По мере увеличения толщины сцинтиллятора больше проявляются эффекты светорассеяния и перекрестных помех — факторы, которые могут повлиять на четкость изображения и разрешение детектора. Некоторые характеристики сцинтилляторов: • световой выход — количество испускаемых фотонов на поглощенную энергию; • время затухания (с) — время, необходимое для того, чтобы сцинтилляционное излучение уменьшилось до е–1 максимум; • послесвечение — остаточный световой поток, возникающий после времени первичного затухания; • тормозная способность — коэффициент ослабления поглощенного излучения для заданной толщины материала; • Modulation Transfer Function (MTF) — передаточная характеристика, определяет эффективность преобразования энергии рентгеновского или протонного излучения в видимый спектр. Йодид цезия (CsI) представляет собой сцинтилляционный материал с высокой тормозящей способностью к гамма-лучам бла-

Рис. 7. Маммограф (тип C‑Arm) с кассетой цифрового ввода изображения

www.kite.ru

16

компоненты

датчики

Рис. 8. Технология производства DR-детекторов и варианты поставки компонентов датчиков для заказчиков

годаря своей относительно высокой плотности и атомному номеру. Нелегированный CsI имеет другие сцинтилляционные свойства по сравнению с более широко распространенными CsI (Tl) и CsI (Na), активированных таллием или натрием соответственно. Чистый CsI находит применение главным образом в физических экспериментах благодаря комбинации быстрого времени спада и относительно высокой плотности материала. Сцинтиллятор СsI имеет незначительную гигроскопичность, поэтому следует избегать контакта с водой и высокой влажностью. Нелегированный CsI имеет максимум излучения при 315 нм с интенсивностью 0,1 от интенсивности излучения легированных кристаллов CsI. При комнатной температуре световой выход очень низок, но при охлаждении до –77 °C увеличивается в 10 раз. Фотоэлектронный выход в комбинации с бищелочным фотокатодом ФЭУ составляет около 400 фотоэлектронов/МэВ при комнатной температуре. Для небольших кристаллов энергетическое разрешение составляет 17–18%, по линии 662 кэВ может быть использовано при изготовлении систем визуализации в компьютерных томографах. Сцинтилляционный материал содержит модифицированный оксисульфид гадолиния (GOS), в котором приблизительно 25–75% гадолиния (Gd) замещено лантаном (La) или приблизительно не более 50% гадолиния (Gd) замещено лютецием (Lu). Сцинтиллятор CsI: Tl имеет чувствительность 40% при 140,5 кэВ по сравнению с 54% у сцинтиллятора GOS. Собственное пространственное разрешение пиксельного детектора GOS составляло 1,09 мм, более чем в 4 раза беднее, чем для CsI: Tl. Также было обнаружено, что скорость счета значительно ниже, когда использовался сцинтиллятор GOS. Однородность была сопоставима для обоих сцинтилляторов. Чувствительность детектора со сцинтиллятором из Gadolinium Oxisulfide будет зависеть от толщины покрытия. Однако при увеличении толщины покрытия из-за рассеяния света ухудшается пространственное разрешение детектора. В какой-то степени от этого недостатка свободны панели с пленкой CsI. Компания BOE использует широкий диапазон сцинтилляторов в зависимости от пользовательских приложений. В детекторах малой энергии 25–130 кэВ, как правило, применяют порошкообразный оксисульфид гадолиния (GOS: Tb). Цезий, легированный таллием йодид (CsI: Tl), обычно используется там, где требуется толстый сцинтиллятор с высокой светоотдачей. Кристалл вольфрамата кадмия (CdWO4, CWO) имеет высокое эффективное Z-число, высокую плотность, обеспечивает более высокий световой поток и очень слабое послесвечение.

Детекторы прямого преобразования на основе аморфного селена или теллурида кадмия В детекторах прямого преобразования также используется активная матрица адресации фотосенсоров, которая содержит транзисто-

ры на основе аморфного кремния. В перспективных разработках для формирования транзисторов матрицы будет задействована технология LTPS, обеспечивающая большую подвижность носителей и, соответственно, большее быстродействие при сканировании всей матрицы. Вместо поликремния BOE планирует внедрить перспективный полупроводниковый материал IGZO. Высокая подвижность носителей этого материала позволит также увеличить частоту считывания кадров изображения. В детекторной матричной структуре прямого преобразования наносится пленка полупроводника — аморфного селена или теллурида кадмия, которая обеспечивает прямое преобразование рентгеновского излучения в электрический заряд. За время экспонирования под действием рентгеновского излучения происходит индукция заряда на обкладках фотопин-диода пикселя. Уровень заряда каждого пикселя считывается через транзисторный ключ строки и передается на АЦП. С выхода АЦП цифровой последовательный код строка за строкой передается в схему интерфейса, а затем и в память компьютерной системы. Данные проходят предварительную обработку для очистки от шумов, связанных с погрешностями преобразований. На последней стадии формируется файл кадра изображения для визуализации рентгеновского изображения.

Технология производства цифровых плоскопанельных рентгеновских детекторов BOE Для производства плоскопанельных рентгеновских детекторов компания BOE задействует те же технологические линейки, что и для выпуска TFT ЖК-дисплеев большого формата. На рис. 8 показаны основные технологические операции при изготовлении DR плоскопанельных детекторов BOE.

Детекторы на жесткой и гибкой основе Компания BOE выпускает DR-детекторы, используя различные несущие подложки — жесткие и гибкие (пленочные). То есть и пленка материала, и матрица фотодатчиков могут наноситься как на жесткую (как правило, стеклянную) подложку, так и на гибкую (рис. 9). В качестве гибкой подложки могут использоваться полимерные материалы, а также сверхтонкое гибкое стекло. К достоинствам детекторов на гибких подожках относится в первую очередь высокая механическая стойкость и надежность при эксплуатации. Детекторы непросто сломать во время транспортировки и монтажа. По сравнению с детекторами на жесткой подложке детекторы на гибкой подложке имеют меньший на 17% вес. Гибкость детектора для ряда применений имеет решающее значение, позволяя огибать поверхность исследуемого объекта.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

датчики

компоненты

17

Рис. 9. DR-детектор на гибкой пленке. На фото справа показана склейка фоточувствительной матрицы с пленкой сцинтиллятора и схемы развертки на гибких шлейфах для считывания аналогового фоторельефа изображения

Таблица. Сравнение основных параметров DR-детекторов на гибких и жестких подложках Конструкция детектора

Толщина

Вес детектора

Рабочие температуры

Механическая стойкость конструкции

Гибкая подложка

100 мкм

<2,5 кг

5–45 °С

устойчивая

Жесткая подложка

700 мкм

>3,5 кг

10–40 °С

хрупкая

Рис. 11. Моментальный рентгеновский снимок позвоночника (прямая и боковая проекции) за одно сканирование без длительной экспозиции

Сравнение параметров двух технологий демонстрирует полное превосходство и перспективность развития конструкции DRдетекторов на гибких подложках (таблица).

• High DQE > 12% при 5 lp/мм. Детектор данной серии может быть рекомендован для ортопедии, неразрушающего контроля и т. д.

Портфолио DR-детекторов BOE

Highlight 4317 — перспективная серия DR-детекторов

Основные объемы продукции компании BOE ориентированы на рынок детекторов форматов 1717 и 1417 (рис. 10). Формат характеризует размер активной площади детектора в дюймах. Например, детекторы серии 1717 имеют размер активной площади 1717", или 432432 мм. Компания также планирует расширить линейку размеров детекторов для вывода на рынок оксидных IGZO и перспективных детекторов на гибких подложках. Основные характеристики DR-детекторов серии 1717: • размер активной площади детектора: 1717"; • формат матрицы: 43024302 пикселей (18,5 млн пикселей); • High MTF >10% при 5 lp/мм; • низкий уровень шума;

Сегодня эта серия сенсоров имеет самую большую в мире активную плоскость детектора размером 4317", или 4321092,2 мм. Такая площадь детектора в большинстве случаев обеспечивает сканирование объема грудной клетки без склейки нескольких изображений (рис. 11). Изображение получается за одну экспозицию (one shot), обеспечивая высокий уровень радиационной безопасности при исследовании. В матричном детекторе применяется транзисторная матрица фотодетекторов на аморфном кремнии. При использовании детектора стандартной квадратной формы для цифровой рентгенографии длинномерных объектов (например, всего позвоночника) приходится делать несколько снимков. Длинномерный детектор позволяет значительно улучшить рабо-

Рис. 10. Модельный ряд панелей DR-детекторов

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

18

компоненты

датчики

Рис. 12. Перспективный план разработки и выпуска новых моделей DR-детекторов

чий процесс рентгенографии, захватывая все изображение за одну экспозиционную дозу в несколько секунд. В итоге снижается вероятность возникновения артефактов изображения, вызванных движением пациента. Сокращается и время, в течение которого пациент должен сохранять неподвижность. Съемка с однократной экспозиционной дозой обеспечивает сокращение времени получения изображений по сравнению с устройствами для цифровой рентгенографии (DR) с несколькими экспозициями. Повышается безопасность и комфорт пациентов за счет более быстрого завершения обследования и уменьшения дозы, получаемой пациентом за время экспозиции.

Перспективы внедрения новых технологий Для успешной конкуренции на рынке плоскопанельных рентгенографических детекторов требуется обеспечить самое высокое качество и надежность на уровне самых последних достижений в данном секторе. А потому компания BOE намерена в ближайшие годы освоить и внедрить новейшие технологии производства плоскопанельных DR-детекторов. С этой целью компания BOE планирует: • Повышение разрешения датчиков за счет уменьшения размеров пикселей от 140 до 76 мкм.

• Переход на гибкие подложки.

• Уменьшение дозы излучения при экспозиции — использование новых материалов сцинтилляторов, а также технологии прямого преобразования с сенсорами на аморфном селене или теллуриде кадмия.

• Увеличение быстродействия для обеспечения регистрации динамических процессов при диагностике за счет использования перспективных материалов для пленок сцинтиллятора — например, CsI с повышенной чувствительностью, галогенидов или перовскита.

• Минерал перовскит, титанат кальция, обладает способностью преобразовывать свет в электричество и делает это эффективнее материалов, которые используют сейчас. Журнал Science включил перовскит в топ‑10 прорывов 2013 года как перспективный материал для солнечной энергетики.

• Повышение кадровой частоты сканирования матрицы плоскопанельных детекторов за счет использования полупроводниково-

го IGZO-материала в транзисторных ключах матрицы адресации и пин-диодных сенсоров. Материал обеспечивает существенно большее быстродействие транзисторных ключей. В настоящее время интенсивно используется в матрицах активной адресации ЖК-дисплеев. Пин-фотодиоды обеспечивают лучшую чувствительность, за счет чего можно сократить время экспозиции сенсора.

• Значительно улучшить эффективность детекторов BOE планирует и благодаря внедрению технологии активного пикселя (APS — Active Pixel Sensor) вместо PPS-технологии пассивного сенсора. Отличие состоит в том, что в APS в каждом пикселе для усиления слабого сигнала фотосенсора сформирован КМОП-усилитель. Эта технология сложнее, и датчики такого типа дороже. Ранее технология использовалась исключительно на кремниевых backplane в фотосенсорах цифровых камер. Матрицы APS-детекторов нового поколения будут реализованы на LTPS-технологии. BOE имеет технологические линейки, в которых используются данные технологии. Линейки LTPS изначально были предназначены для производства дисплейной продукции. Часть мощностей будет задействована для производства плоскопанельных DR-детекторов. На рис. 12 показан перспективный план BOE выпуска новых моделей плоскопанельных DR-детекторов.

Стратегия развития рынка применения DR-детекторов BOE Детекторы рентгеновского излучения распространены в различных областях медицины, ветеринарии, безопасности и промышленности, причем рынок медицинской визуализации является крупнейшим и наиболее развитым из них. Промышленные и ветеринарные приложения — это новые приложения, которые расширяют существующие разработки, благодаря чему их бизнес больше не ограничивается только медицинской промышленностью. На рис. 13 показан прогноз и тенденции развития мирового рынка плоскопанельных детекторов. В настоящее время в мире существуют десятки производителей как самих DR-детекторов, аналогичных по параметрам продуктам BOE, так и готовых рентгеновских аппаратов на их основе. В первую очередь

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

датчики

компоненты

19

Рис. 13. Прогнозы и тенденции развития мирового рынка плоскопанельных DR-детекторов

это крупные японские производители, которые вышли на рынок еще в 1990‑е годы. Выпускают DR-детекторы южнокорейские фирмы, компании в США и Европе. Конкуренция в этом секторе довольно жесткая. Тем не менее компания BOE намерена в ближайшее время значительно расширить рынок применения своей продукции в секторе датчиков DR и интегральных решений на их основе. Как показано на рис. 14, в первую очередь планируется освоить рынки России, Индии, США, Канады, Франции. А это очень большие и перспективные рынки сбыта. Бизнес BOE в настоящее время сосредоточен на китайском и корейском рынках, в то время как Европа и США вступили в стадию разработки и валидации продукта, Япония находится в процессе валидации технологий, а бизнес в области медицинской визуализации постепенно распространяется из Китая в зарубежные страны.

BOE планирует поставлять как готовые рентгеновские системы и DR-датчики, так и отдельные их компоненты в качестве полуфабрикатов для производителей аналогичных датчиков, а именно: • отдельные TFT-панели; • TFT-панель + пленка сцинтиллятора (заказной материал); • TFT-панель + сцинтиллятор + COF (микросхемы сканирования n и интерфейсный кабель) открытая ячейка.

Литература 1. Medical Imaging Business Introduction. Medical Image Business BOE. www.boe.com/en/Enterprise/MedicalImaging 2. Application Note: Scintillator Selection. Х‑scan Imaging, 2020.

Рис. 14. Потенциальные рынки потребления детекторов BOE

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

компоненты

20

установочные и коммутационные элементы

Улучшение функциональных характеристик защищенной измерительной аппаратуры при использовании соединителей компании Fischer Connectors

Алексей Верещагин, к. т. н. a.vereshchagin@intrasoft-spb.ru

Эффективность применения современной измерительной аппаратуры во многом зависит от характеристик ее подключения к источникам и потребителям информации, а также к электропитанию. При эксплуатации и обслуживании контрольно-измерительных приборов (КИП) разработчики и пользователи стремятся к повышению функциональности, точности, безопасности и надежности, более высокой скорости передачи данных и упрощению интеграции. Для решения этих задач компании-производители не только предлагают широкий выбор серийных соединителей различных размеров, дизайна и конфигурации контактов, но и готовы адаптировать существующие соединители или разработать индивидуальные решения для конкретного применения.

Н

адежные и достоверные результаты измерений в реальном времени имеют решающее значение для обеспечения безопасной и эффективной работы систем в робототехнике, медицинской технике и автомобильной промышленности. Особенно важными, требующими постоянного контроля являются результаты измерения сил и моментов, действующих по трем пространственным

Рис. 1. Трехосный тензодатчик K6D компании ME-Meßsysteme GmbH с соединителем Fischer серии MiniMax

осям, с помощью комбинации шести независимых тензометрических датчиков. Подобный трехосный тензодатчик K6D выпускает компания ME-Meßsysteme GmbH (рис. 1). Необходимо отметить, что к соединителям для датчиков предъявляются противоречивые требования: соединитель должен быть достаточно маленьким, чтобы его можно было легко интегрировать в датчики, но при этом он должен иметь минимум 24 контакта, быть устойчивым к жидкостям (cтепень защиты — до IP68), гарантировать быструю и стабильную передачу данных даже при высоких ускорениях и вибрациях. После многочисленных испытаний инженеры компании ME-Meßsysteme GmbH остановили свой выбор на соединителе MP11 серии MiniMax производства Fischer Connectors, отличающемся малым весом, очень компактными размерами, высокой виброустойчивостью и герметичностью (степень защиты IP68) [1]. Другим примером использования соединителя Fischer Connectors может служить тестер свайного эхо-сигнала компании Piletest, лидера в области создания приборов повышенной прочности, применяемый для проверки целостности свайного фундамента на строительных площадках (рис. 2). Соединитель другого производителя, который первоначально использовался в этом приборе, был недостаточно прочным как при эксплуатации, так и при транспортировании. Чтобы исключить отказы тестеров, специалисты Piletest в сотрудничестве с инженерами Fischer Connectors разработали экономичное решение, отвечающее строгим требованиям к характеристикам, надежности и удобству использования тестера. Был выбран прочный 7‑контактный соединитель Fischer LP360 серии Freedom из-за его долговечности (10 000 циклов соединения), герметичности со степенью защиты IP68, низкого профиля, бесключевого свободного сопряжения и немагнитного быстросъемного фиксатора [2]. Следует отметить, что инженеры компании Fischer Connectors постоянно работают над совершенствованием и расширением линейки защищенных соединителей. В последнее время компания существенно обновила серию сверхпрочных и компактных соединителей Fischer UltiMate [1].

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

установочные и коммутационные элементы

Соединители Fischer UltiMate нового размера 15 отвечают повышенным требованиям к мощности линий электропитания и высокоскоростной передаче данных с различными схемами расположения контактов (2, 4, 8, 16 или 27 сигнальных и силовых контактов) (рис. 3). Степень защиты от влаги и пыли IP68 новых соединителей Fischer UltiMate подтверждена испытаниями в соответствии со стандартом IEC 60529. Герметичность соединителей проверяют путем погружения на глубину до 120 м на 24 ч. Коррозионная стойкость благодаря стальному корпусу с покрытием никелем составляет не менее 1000 ч при воздействии агрессивных атмосферных условий. Кроме того, обеспечивается выдержка в течение 96 ч в соляном (морском) тумане (орошение 5%-ным раствором, температура + 35 °C). Соединители могут использоваться в широком диапазоне рабочих температур –55…+135 °C. В составе серии Fischer UltiMate также появились два соединителя (размера 13) для обеспечения силового электропитания: один имеет два контакта с допустимой силой тока 26 А каждый, а второй — три контакта с допустимой силой тока 16 А каждый (рис. 4). Оба варианта дополнительно содержат три сигнальных контакта, что обеспечивает большую гибкость и уменьшение массогабаритных характеристик за счет совместной передачи электропитания аппаратуры и информационных сигналов через одни и те же соединители.

компоненты

21

Рис. 2. Тестер эхо-сигнала компании Piletest для проверки целостности свайного фундамента на строительных площадках с соединителем Fischer LP360 серии Freedom

В серии Fischer UltiMate 80 (размера 08) [3], совместимой с другими соединителями, отвечающей требованиям стандарта STANAG 4695, кроме варианта с шестью сигнальными и силовыми контактами появился и вариант с семью контактами (рис. 5). Оба соединителя допускают монтаж к контактам провода с калибром до AWG 22 (площадью сечения до 0,326 мм2). Соединители Fischer UltiMate 80 представляют собой сверхпрочное, легкое и защищенное по IP68 решение для соединения электрических цепей в суровых внешних условиях. Конструкция соединителей отличается исключительной прочностью и соответствует стандартам MIL-STD‑810 и MIL-STD‑202, обеспечивая высокие эколо-

гические характеристики и параметры устойчивости к механическим и климатическим воздействиям. В настоящее время серия Fischer UltiMate 80 содержит вилки и розетки для монтажа на кабель и розетки для блочных панелей с пайкой проводов или с установкой на печатные платы (рис. 6). Соединители Fischer серий UltiMate и UltiMate 80 широко применяются в защищенной аппаратуре, предназначенной для сбора, коммутации, обработки и хранения различной информации (рис. 7). Высокие функциональные характеристики соединителей компании Fischer Connectors достигаются точностью их изготовления, а также плотностью упаковки контактов.

Рис. 3. Новые соединители Fischer UltiMate размера 15

Рис. 4. Новые соединители Fischer серии UltiMate для силового электропитания аппаратуры

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 5. Конфигурация блока контактов соединителей Fischer серии UltiMate 80

www.kite.ru

компоненты

22

установочные и коммутационные элементы

а

а

в

б Рис. 6. Варианты соединителей Fischer UltiMate 80: а) кабельная вилка UP81; б) кабельная розетка UR80; в) блочная розетка UR81

Для облегчения создания кабельных изделий компания Fischer Connectors совместно с авторизованными партнерами, среди которых российский дистрибьютор продукции Fischer Connectors — компания «ИнтраСофт» (Санкт-Петербург) [5], предлагают потребителям контрактное производство кабельных сборок на основе собственных соединителей по техническим требованиям конкретного заказчика (рис. 8). Следует отметить, что инновационный характер идей, реализованных инженерами компании Fischer Connectors в новых соединителях, нашел признание в международной профессиональной среде. В 2021 году компания Fischer Connectors выиграла престижную премию Red Dot Award в двух категориях: «Мобильные телефоны, планшеты и носимые устройства» и «Умные продукты» — за дизайн соединителей LP360 серии Freedom, ранее уже отмеченных на многочисленных отраслевых конкурсах. Соединители Fischer LP360 получили характеристику «умные соединители» за их многофункциональность и модульность при реализации подключения по принципу «подключи и используй». В 2019 году на основе защищенного низкопрофильного соединителя Fischer LP360 была создана универсальная технологическая платформа для носимых устройств, таких как биометрические датчики, коммуникационные системы, GPS, осветительные приборы и видеокамеры. Преимущества использования такой экипировки в полевых условиях очевидны: экипировка легкая, без спутанных кабелей, настройки более быстрые и понятные, нет проблем в обслуживании, она проста в очистке, соединение надежное, скорость передачи данных высокая для повышенной безопасности и лучшей производительности. Популярность защищенных соединителей швейцарской компании Fisсher Connectors объясняется воплощением в ее деятельности важных принципов: полной реализации технических требований заказчиков, высокого качества изделий, обеспечения их поставки в установленные сроки, длительного периода поддержки серийного производства. n

б

Рис. 7. Примеры электронных блоков с соединителями Fischer: а) UltiMate 80; б) UltiMate

а

б

в

Литература 1. Верещагин А. Миниатюрные соединители UltiMate и MiniMax компании Fisсher Connectors // Компоненты и технологии. 2017. № 12.

2. Верещагин А. Новые соединители серии Freedom компании Fischer Connectors для портативной электронной аппаратуры // Компоненты и технологии. 2019. № 4.

3. Верещагин А. Новые соединители компании Fischer Connectors для защищенных изделий и кабельные сборки на их основе // Компоненты и технологии. 2021. № 3.

4. www.fischerconnectors.com 5. www.intrasoft-spb.ru

г

Рис. 8. Примеры кабельных сборок с соединителями Fischer Connectors: а) кабель с соединителями Fischer серий MiniMax и UltiMate; б) кабель с соединителями Fischer LP360 серии Freedom; в) кабель Ethernet с соединителем Fischer серии MiniMax; г) кабель USB 3.0 с соединителем Fischer серии MiniMax

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Реклама

24

компоненты

установочные и коммутационные элементы

МDR-соединители компании 3М: надежное решение для современных систем передачи данных

Александр Самарин Виктор Егоров

История компании 3М Компания была основана в 1902 году в США в штате Миннесота пятью предпринимателями с целью организации добычи и использования минерала корунд в качестве абразивных кругов, наждачной бумаги и шлифовальных материалов. В дальнейшем компания расширила номенклатуру и сектора применения своей продукции. В первую очередь это были материалы и приспособления для организации быта: фильтры для очистки воды и воздуха, канцелярские товары для дома и офиса, бытовая химия и системы крепежа, кухонные моющие средства, автокосметика, полироли и т. п. Изобретение прозрачной ленты скотч принесло компании мировую известность. Бренд «Скотч» стал ключевым для компании. Потребители во всем мире стали широко использовать скотч для упаковки товаров, ремонта книг, мебели, бытовых приборов и техники. Из всех зарегистрированных торговых марок 3M Scotch является наиболее известной. По некоторым оценкам, данная торговая

Рис. 1. История изменения логотипа компании 3М

3M (бывшее название Minnesota Mining and Manufacturing Company) — американская химическая корпорация, работающая в области промышленных товаров, товаров повседневного спроса и для здравоохранения, а также многих других продуктов, имеющих регулярный спрос для жизнеобеспечения человека. Самый узнаваемый и традиционный продукт компании, несомненно, универсальная клеящая лента Scotch. Однако в настоящее время компания 3М существенно расширила сферы своей деятельности в сторону производства высокотехнологичных материалов и компонентов для электроники. Одним из успешных и развиваемых ее направлений стало производство электрических соединителей. Соединители типа MDR (Mini D Ribbon) компании 3М пользуются заслуженным доверием потребителей благодаря высокому качеству и надежности.

марка занимает 76‑е место в списке крупнейших брендов мира, а ее стоимость составляет $5413 млн. Общий объем продаж компании в мире в 2020 году превысил $33 млрд, что делает ее 95‑й в списке крупнейших корпораций США. По состоянию на 2021 год в компании работает более 94 000 человек в 70 странах мира. На рис. 1 показана эволюция логотипа компании в процессе развития начиная с момента образования компании и по настоящее время. В послевоенные годы компания освоила выпуск магнитной ленты для магнитофонов. В 1960–80-е годы 3М изготовляла аудиои видеокассеты, гибкие магнитные диски для компьютеров. Потеря рынка магнитных кассет, на котором стали доминировать японские производители TDK и Maxell, заставила 3M реструктуризировать бизнес. В результате образовались новые сектора, в частности производство электронных компонентов. На рис. 2 показаны ключевые сектора и ассортимент продукции компании 3М в настоящее время.

Изготовление электрических соединителей также стало успешным направлением компании 3М. Эти устройства пользуются заслуженным доверием потребителей и обеспечивают высокий уровень качества и надежности электронной аппаратуры. Соединители проводов, работающие по принципу U‑образного прокалывающего контакта, нашли самое широкое применение в практике электрического монтажа как силовых цепей (Scotchlock), так и электронной аппаратуры.

Ключевые технологии соединителей MDR Сегодня соединители типа MDR — это широко распространенный тип электрического разъема для различных приложений, например в компьютерном и телекоммуникационном оборудовании. Вилка и розетка разъемного соединения имеют два параллельных ряда контактов внутри корпуса характерной D‑образной формы, аналогичной той, что используется в сверхминиатюрных D‑разъемах. В качестве примера на рис. 3 показан общий вид 20‑контактной вилки MDR в исполнении с экранированным корпусом, а на рис. 4 — 14‑контактная розетка для поверхностного монтажа на печатную плату, исполненная в экранированном корпусе с защелкой. Контактами вилок и розеток являются небольшие плоские металлические полоски, называемые ленточными контактами.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

установочные и коммутационные элементы

компоненты

25

Рис. 2. Ассортимент продукции, выпускаемой компанией 3М

надежного соединения с розеткой (receptaсle). Для фиксации соединений также могут использоваться винты. Базовыми технологиями, определяющими характерные особенности данного соединителя, являются: • технология ленточного кабеля (Ribbon); • технология ленточных U‑образных подпружиненных контактов в разъемах; • технология IDC наколки вилки на ленточный кабель.

Рис. 3. Общий вид экранированной 20‑контактной MDR-вилки компании 3М

Номенклатура соединителей представлена вилками и розетками с различным числом контактов. Компания 3М выпускает MDR-разъемы с 14, 20, 24, 36, 40, 50, 64, 68, 80 и 100 контактами. Они могут быть установлены на печатных платах, приборных панелях или оконечных кабелях. Для кабельных вилок есть исполнения для монтажа (наколки) на ленточный кабель (Ribbon), а так-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 4. Гнездо (розетка) на 14 контактов для поверхностного монтажа с экранированием и защелкой

же для монтажа пайкой или опрессовкой. Для объемных (круглых) кабелей провода крепятся припоем или опрессовкой. А при монтаже на плоский ленточный кабель используется технология IDC — создание герметичного электрического контакта посредством смещения (пластического сдвига) изоляции многожильного провода. Вилки (plug) имеют защелкивающиеся замки для

История ленточного кабеля Ленточный кабель был изобретен в 1956 году компанией Cicoil Corporation. Инженеры компании предложили использовать силиконовую резину для формования плоского кабеля, содержащего несколько проводников одинакового размера. Цель этого изобретения — увеличение производительности, технологичности изготовления, а также надежности проводного кабельного монтажа. Ленточный кабель быстро обрел популярность у потребителей. В частности, позволил таким компаниям, как IBM и Sperry/Univac, заменить громоздкие жестwww.kite.ru

26

компоненты

установочные и коммутационные элементы

Покрытие контактных полосковых пар: золото (0,76 мкм) с буферным подслоем никеля для ограничения диффундирования атомов меди в золотое покрытие и препятствия процессу сульфидинизации меди контактов из агрессивной атмосферы. Гарантированный частотный диапазон сигналов, обеспечиваемый контактной парой, — до 1 ГГц.

История разработки MDR-соединителей Рис. 5. Ленточный 3М-кабель: плоский, шаг 1,27 мм, многожильный, Cu, 9×26 AWG, круглая ПВХ-оболочка

кие круглые кабели гладкими гибкими ленточными кабелями. Первые ленточные кабели использовались в компьютерной индустрии. Ленточные кабели производятся рядом различных компаний, в том числе и 3М. Были разработаны методы и материалы для упрощения и снижения стоимости ленточных кабелей за счет стандартизации конструкции и расстояния между проводами, а также толщины изоляции, чтобы их можно было легко подключить с помощью разъемов смещения изоляции (IDC). Простота кабелей, их низкий профиль и доступная стоимость обеспечили широкий спектр применений ленточных кабелей в компьютерах, принтерах и многих других электронных устройствах. На рис. 5 показан внешний вид типового ленточного кабеля компании 3М. Ленточные кабели обычно применяются для внутренних соединений в компьютерах, периферийных устройствах, таких как жесткие диски, приводы компактдисков и дисководы гибких дисков. Технология IDC Контакт смещения изоляции (IDC), также известный как контакт с прокалыванием изоляции (IPC), представляет собой электрический соединитель, предназначенный для подключения к проводнику или проводникам изолированного кабеля посредством продавливания заточенных V‑образных ножевых контактов через изоляцию соединяемого проводника. При этом ножевой контакт с усилием обжимает внутренний медный провод, без выполнения зачистки. Создается газонепроницаемое электрическое соединение без пайки, завинчивания или снятия изоляции (рис. 6). Технология IDC была разработана благодаря исследованиям Western Electric, Bell Telephone Labs и ряда других компаний. Первоначально технология IDC предназначалась только для соединения одножильных проводов, но со временем была расширена и для монтажа многожильных проводов. Сначала IDC-технология монтажа использовалась только в приложениях со слабо-

Рис. 6. Прокалывание изоляции ленточного кабеля, а затем фиксация пластиковой планкой зажима

Базовая технология и конструкция MDRсоединителей были изобретены компанией Amphenol. Продукция зарекомендовала себя в качестве высоконадежной и технологичной и вскоре стала широко применяться на рынке бытовой и промышленной электроники. Спрос на соединители данного типа постоянно растет. В настоящее время широкую номенклатуру соединителей типа MDR выпускают многие компании, такие как 3M, TE Connectivity (ранее Tyco Electronics), Hirose Electric Group, а также многочисленные китайские производители.

Серии 101 и 102 соединителей MDR компании 3М Рис. 7. Два способа монтажа плоского проводного шлейфа. Слева: разделка проводного шлейфа под пайку; справа: заделка шлейфа наколкой на UDC-разъем

точными сигналами низкого напряжения. Теперь технология широко распространена в бытовых и промышленных низковольтных (силовых) устройствах. На рис. 7 представлены два способа монтажа ленточного кабеля на разъем. Технология ленточных контактов Соединительная система MDR содержит ленточный контакт с шагом контакта 0,05" (1,27 мм). Как розетка, так и ответная вилка имеет подпружиненные контакты для надежного соединения во время циклов вставки и извлечения. В кабельных разъемах используется V‑образный ножевой контакт для сдвига (смещения) изоляции в зоне контакта с проводом. Контакт штампован из высококачественного медного сплава, что обеспечивает отличное сочетание механической прочности, электропроводности и коррозионной стойкости. Контактные пары соединителя — на вилке и розетке U‑образные полосковые подпружиненные. При соединении сначала происходит скольжение контактных полосковых пар (wiper-to-wiper) до фиксации с образованием надежного пятна контакта для электрического соединения. Максимальный ток для одной контактной полосковой пары — до 1 А. Материал контактов — пружинистая бронза.

Соединители этих серий имеют шаг выводов 1,27 мм (0,05"). На базе MDR-соединителей можно реализовать три типа соединений: • плата-плата (board-board); • кабель-кабель (wire-wire); • плата-кабель (board-wire). Вилка соединителей (серия 101) может монтироваться на кабель, на печатную плату или на приборную панель. Ответная часть соединителя — розетка (серия 102) — монтируется на плоский кабель или на печатную плату. В серии 101 есть модели с конструкцией вилки для монтажа как на плоский кабель (IDC), так и для обычного проводного объемного монтажа круглого кабеля. В номенклатуре серий 101 и 102 есть соединители с числом выводов 14–100. Допустимый ряд числа выводов для соединителей MDR производства 3М: 14, 20, 26, 36, 40, 50, 68, 80, 100. При выборе следует учитывать, что для разных конструктивных исполнений поддерживается не полный ряд типоразмеров по выводам.

101‑я серия MDR-соединителей (вилки) Кабельные вилки выпускаются в трех вариантах: для монтажа на плоский шлейф (вилка без экрана), монтаж на плоский шлейф (вилка с экранированным корпусом) и вилка, экранированная под объемный проводной монтаж круглого кабеля. На рис. 8 показаны три варианта конструкции кабельных вилок серии 101. Для самих проводных кабелей также возможно использование экранирования (рис. 9).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

установочные и коммутационные элементы

а

компоненты

27

в

б

Рис. 8. Варианты конструкции кабельных MDR-вилок серии 101

Рис. 9. Многожильный провод 3600B‑50 — кабель, 25×2×28 AWG, экранированный, в ПВХ-оболочке

102‑я серия MDR-соединителей (розетки) Возможны два варианта розеток — с монтажом непосредственно на печатную плату или на приборную панель. Во втором случае на контактную группу накалывается плоский проводной шлейф. Ответная часть кабельного шлейфа может соединяться как с разъемом, установленным на печатной плате, так и с другим внутренним модульным устройством прибора. Например, с накопителем на жестком диске. Для варианта с пайкой контактов розетки на плату есть исполнения под пайку выводов в отверстия и для поверхностного монтажа. Для обоих исполнений предусмотрены варианты монтажа с различной ориентацией контактируемой группы — вилка с вертикальным положением и вилка с конструкцией «прямой угол». На рис. 10 в качестве примера показан вариант конструкции экранированной розетки (серия 102) для монтажа на приборную панель. Со стороны прибора накалывается плоский IDC-шлейф. На рис. 11 приведен пример конструкции экранированной розетки,

а

Рис. 10. Розетка серии 102, монтаж на приборную панель, плоский IDC-кабель

монтаж в отверстия на плату, с вертикальной ориентацией (серия 102).

Соединители «плата-плата» Соединения электрических сигналов между двумя печатными платами могут быть реализованы применением серии MDRразъемов — вилок (серия 101) и розеток (серия 102). На рис. 12 показаны варианты сопрягаемых соединителей серий 101 и 102.

Области применения MDR-соединителей Соединители 3M MDR — отличное решение для высокоскоростных цифровых интерфейсов с использованием низковольтных дифференциальных сигналов, например для требовательных LVDS-интерфейсов. Типовые серийные применения MDRсоединителей: • 24‑выводный коннектор: IEEE 488 (GPIB) интерфейс; • 36‑выводный коннектор: IEEE 1284 параллельный интерфейс данных;

б

Рис. 11. Розетка вертикальная экранированная на плату, монтаж в отверстия (серия 102)

• 50‑выводный коннектор: SCSI‑1 интерфейс; • 50‑выводный коннектор: RJ21X telco connector для телефонных систем; • 20‑выводный VESA/DFP, MDR монтируется на устройстве хоста; • коннекторы Panel Link/TMDS-интерфейса ЖК-мониторов; • соединитель для цифровых дисплейных интерфейсов, сектора Datacom- и Telecomприложений; • коннектор для LVDS FP Link, Flat Link, Channel Link; • коннекторы интерфейсов дифференциальных сигналов с фольговым экраном; • внутренние приборные цифровые интерфейсы с экранированием и без; • кабельные MDR-шлейфы для жестких условий эксплуатации. Разъемы MDR можно увидеть на испытательном оборудовании Tektronix, таком как анализаторы спектра серии RSA, например RSA3408, RSA5103.

в

г

Рис. 12. Соединители для сочленения «плата-плата»: а) вилка экранированная на плату, прямой угол, монтаж в отверстия (серия 101); б) розетка экранированная на плату, прямой угол, монтаж в отверстия (серия 102); в) розетка неэкранированная на плату, прямой угол, монтаж в отверстия, бежевый пластик корпуса; г) розетка неэкранированная на плату, прямой угол, монтаж в отверстия, черный пластик корпуса

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

компоненты

28

установочные и коммутационные элементы

Рис. 13. Система обозначений MDR-соединителей при заказе

Таблица. Основные характеристики применяемых материалов в соединителях MDR Материал диэлектрика Огнестойкость Цвет пластика Материал контактов Буферный подслой контактов Зона сочленения Покрытие зоны облуживания Материал корпуса Покрытие корпуса Элементы крепления Температурный диапазон, типовой Рабочая температура

Пластик (полиэстер PBT или PCT с порошковым стеклонаполнителем, обеспечивающий высокие рабочие температуры) класс UL 94V-0 Черный (PBT) или бежевый (PCT) — высокотемпературное исполнение Пружинистая бронза Никель 2,5 мкм Золото 0,76 мкм Золото с подслоем никеля Цинковый сплав Никель Материал — сталь; покрытие — никель –20…+85 °C –55…+105 °C для кабельных вилок с пайкой проводов, например для серии 101

Выбор соединителей и система обозначений для заказа Для оптимального выбора пары соединителей и аксессуаров к ним в соответствии с назначением и конструктивными требованиями монтажа в приложении следует пользоваться руководствами [1, 2], специально разработанными компанией 3М. В первую очередь нужно учитывать наличие возможных вариантов конструктивного сочетания пар «вилка-розетка». В соответствии с рекомендациями выбирают каталожные номера вилок и розеток для каждого конкретного разъемного соединения. На рис. 13 показан вариант обозначения розетки MDR (серия 102). Первый индекс — тип диэлектрика (пластика) основы вилки или розетки. Возможные варианты (таблица) — используется PBT (стандартный вариант, индекс пустой) или более устойчивый при высокой температуре PCT — индекс N. PBT — полибутилентерефталат, он устойчив к ударам, износостоек, отличается высокой

прочностью и жесткостью. PСT — термопластичный полиэфир, аналог ПЭТ (или ПЭТФ, полиэтилентерефталата). ПЭТ — прозрачный материал, обладает высокой прочностью, хорошей пластичностью (как в нагретом состоянии, так и в холодном), химической стойкостью. Далее в обозначении стоит номер серии (тип) соединителя: 101 — это всегда вилка (plug); 102 — розетка (receptacle). После номера серии указано число контактов, например 24. Для числа контактов 100 используется обозначение А0. Следующая цифра — заводской номер модели. Отдельная позиция для выбора номинала резьбы крепежных винтов: 0 — резьба М2.6 (дюймовая) и 1 — стандартная метрическая М2.5.

Кожухи для кабельных вилок

Рис. 14. Общий вид пластикового кожуха для кабельной 14‑пиновой кабельной вилки с экранированием

3М есть кожухи для кабельных вилок с числом контактов 14–100. Предусмотрены на выбор конструкции с разной ориентацией выхода проводного кабеля — прямая или угловая. Для выбора подходящей модели кожуха следует руководствоваться материалами [1, 2]. На рис. 14 показан пример пластикового кожуха для 14‑контактной MDR кабельной вилки.

Инструмент для заделки шлейфов в MDR-соединители Качество и долговечность электрического соединения в зоне сочленения (наколки) IDCконтактов MDR-соединителей на проводной шлейф зависит от качества проведения операции кабельной заделки. Требуется обеспечить равномерность давления с заданным усилием. Без применения специального набора инструментов невозможно гарантировать высокую надежность IDC-соединения. Производители соединителей выпускают соответствующие наборы инструментов, обеспечивающих технологический регламент кабельной заделки. Инструменты для заделки контактов, также известные как IDC Tools, используются с разъемами IDC для снятия,

Кожухи для кабельных вилок поставляются и заказываются отдельно. Возможны варианты кожухов с экранированием и без. Материал кожуха — пластик или металл. В номенклатуре

Рис. 15. Состав инструментального набора 3829 для ручного монтажа кабелей MDR-вилок

Рис. 16. Заделочный кабельный пресс модели 10960 компании 3М

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

установочные и коммутационные элементы

обжима (соединения двух или более металлов вместе) или заделки (подключения кабелей к другим кабелям или устройствам) проводов, сетевых кабелей или электрических компонентов, которые подключены к разъему ICD. Базовым устройством является пресс (ручной или настольный). Устройство обжимное (Crimper) предназначено для обжима (наколки) разъемов (типа IDC, IDM, FDC, DIP, IDCC) на плоский кабель. Данное устройство может быть полезно для изготовителей крупных партий электронного оборудования, где используются плоские кабели с установленными одним, двумя и более разъемами. Компания 3М поставляет для монтажа соединителей и заделки кабелей набор для ручного монтажа типа 3829 (рис. 15), а также более серьезный инструмент на базе настольного заделочного пресса типа 10960. На рис. 16 показан заделочный пресс типа 10960 компании 3М. Инструкция по работе с прессом описана в [7].

Заключение

29

• Предварительно механически нагруженные ленточные контакты обеспечивают гарантированно надежное соединение.

• U‑образные контакты допускают большой ресурс циклов сопряжения.

• Широкая номенклатура соединителей с различным числом выводов, вариантов монтажа и форм-факторов обеспечивает гибкость применения соединителей для различных секторов приложений. Как одна из самых инновационных компаний в мире, 3M постоянно совершенствует свои продукты, чтобы удовлетворить текущие потребности рынка. n

новости

ВЧ/СВЧ-компоненты

Усилитель S‑диапазона выходной мощностью до 125 Вт от Qorvo

Литература 1. MDR Connector. Selection Guide. 3M Interconnect Products.

2. 3М Interconnect Solutions. Mating Guide.

3. www.3M.com/interconnects 4. 3M Mini D Ribbon (MDR) Connectors. 050" Boardmount Through-Hole Vertical Receptacle — Shielded 102 Series. Datasheet TS‑0427‑B. 5. 3M Mini D Ribbon (MDR) Connectors. 050" Solder Plug Connector — Shielded 101 Series. Datasheet TS‑0669‑С.

6. Руководство 3М. MDR Hand Tool Kit 3829 Instructions for the assembly of 3M Plug Connector 101XX‑6000XX Series onto 3M Round Jacketed Discrete Wire Cable 3600 or 3644 Series.

7. Руководство 3М. Instructions For the Assembly of the MDR 101XX‑6000 Wiremount Plug using the 10960-2000 MDR Assembly Press and Related Accessories.

Компания Qorvo, мировой лидер в разработке и производстве СВЧ-компонентов и модулей, представила усилитель S‑диапазона выходной мощностью до 125 Вт — QPA2513. Усилитель имеет два каскада внутри, согласован по входу и выходу на 50 Ом и обеспечивает 30 дБ усиления при 62% КПД. При этом достигается до 70% экономии в габаритах по сравнению с другим конкурирующим решением. Основные характеристики усилителя QPA2513: • частотный диапазон: 3,1–3,5 ГГц; • выходная мощность: 125 Вт; • коэффициент усиления: 30 дБ; • КПД: 62%; • напряжение питания: +50 В; • размеры корпуса: 25×12,5 мм. www.macrogroup.ru

Реклама

Компания 3М имеет более чем 20‑летний опыт работы на рынке соединителей и является надежным поставщиком высококлассной продукции в данном секторе. Соединители MDR компании 3М пользуются широким спросом благодаря отличному сочетанию конструктивных особенностей: • Экранированные корпуса обеспечивают защиту от электромагнитных и электростатических разрядов.

компоненты

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

компоненты

30

элементы защиты

Защита низкоскоростных интерфейсов и источников питания

Тодд Филлипс (Todd Phillips)

Введение В предыдущих частях серии мы рассмотрели защиту высокоскоростных интерфейсов Power-Over-Ethernet, USB, HDMI, Display Port и eSATA. В третьей части остановимся на низкоскоростных интерфейсах, а дополнительно рассмотрим защиту линий питания переменного тока AC, а также цепей питания постоянного тока DC. К числу низкоскоростных интерфейсов, описанных в настоящей статье, относятся цифровое аудио, аналоговое видео и клавиатура. Низкоскоростные интерфейсы восприимчивы к всплескам напряжения вследствие переходных процессов, а также к электростатическим разрядам (ESD). В то же время источники питания восприимчивы к всплескам напряжения и перегрузкам по току, индуцированным линиями питания. Разработка надежной схемы интерфейса, способной выдержать выбросы при переходных процессах, требует применения различных методов

Данная статья является третьей в серии публикаций о принципах построения защиты портов и интерфейсов. В ней мы рассмотрим низкоскоростные интерфейсы и источники питания, такие как DC/DC-преобразователи и другие изделия, приведем различные методы их защиты.

защиты разрабатываемой схемы. В статье даны рекомендации построения защиты интерфейсов и источников питания, обеспечивающих энергией в том числе и различные схемы интерфейсов.

Защита цифрового аудиоинтерфейса

• безопасное поглощение электростатического разряда ±15 кВ; • высокое быстродействие на уровне 1 нс; • сверхнизкий ток утечки порядка 0,5 мкА; • низкая емкость не более 6 пФ практически не вносит изменений в передаваемый сигнал. В дополнение существует версия диодной сборки, сертифицированной AEC-Q101 для

Схема аудиокодека, который обычно становится ключевым узлом цифровой аудиосхемы, приведена на рис. 1а. Аудиокодек может быть подвержен воздействию как переходных процессов, так и электростатических разрядов ESD. К счастью для разработчика, достаточно применения всего одного компонента для защиты выхода левого и правого канала. В данных сборках рекомендуется применение пары встречно соединенных TVS-диодов Зеннера, как показано на рис. 2. Преимущества TVS диодной сборки: • способность поглощения до 40 А быстрого переходного процесса;

Рис. 2. Двунаправленная сдвоенная диодная сборка для защиты от статических разрядов цифрового аудиоинтерфейса

Технология

Выполняемые функции

Серия

Преимущества

Особенности

I

TVS диодная сборка

Защита аудио кодека от электростатики ESD

SP1002

Поглощение повторяющихся разрядов ESD максимального уровня без деградации параметров схемы, компактное исполнение

Низкая емкость 5 пФ, малый ток утечки 0,5 мкА, миниатюрный корпус

II

TVS диодная сборка

Защита АЦП от повреждения электростатическими разрядами ESD

SP3019-04HTG

Поглощение повторяющихся разрядов ESD максимального уровня без деградации параметров схемы, компактное исполнение

Малая емкость 3 пФ, малый ток утечки

Рис. 1. Защита аудио- и видеоинтерфейсов от всплесков напряжения при переходных процессах: а) audio line; б) video line

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

элементы защиты

применения в автомобильной электронике. Стандарт AEC-Q101 использует разнообразные стресс-тесты для того, чтобы удостовериться в отказоустойчивости компонентов в автомобильных применениях. Рассматриваемые TVS диодные сборки доступны в корпусе SC70-3 для поверхностного монтажа. Таким образом, надежная защита аудиоинтерфейса может быть реализована с минимальными габаритами на печатной плате.

Защита видеоинтерфейса Подобно аудиоинтерфейсу видеоинтерфейс подвержен воздействию быстрых переходных процессов и электростатических разрядов. На рис. 1б приведен пример видеоинтерфейса с четырьмя линиями: Y, C, video и RF (синхронизация). Защита входа видео АЦП может быть реализована с помощью одного компонента. В данном применении рекомендуется применять 4‑канальнуюTVS диодную сборку, изображенную на рис. 3. Диодная сборка обеспечивает следующие характеристики: • поглощение быстрых переходных процессов до 40 А; • защита от статических разрядов до ±15 кВ по воздуху и ±10 кВ при прямом контакте;

• малый ток утечки порядка 10 нА; • малая собственная емкость вход-«земля» порядка 0,3 пФ; Также существуют версии данной сборки, сертифицированные по AEC-Q101 для автомобильных применений. Сборки доступны в корпусе SOT23-6 поверхностного исполнения для минимизации места на печатной плате. Четырехканальная TVS диодная сборка обеспечивает необходимую защиту видеопортов при минимальном воздействии на передаваемый сигнал.

Защита клавиатуры Клавиатура используется в качестве устройства ввода информации и контроля в различных промышленных и бытовых применениях. На рис. 4а показана типовая схема интерфейса клавиатуры. При работе с клавиатурой постоянно присутствует прямой контакт, вследствие которого может возникнуть электростатическое воздействие на клавиатурную схему. Для защиты линий интерфейса клавиатуры используют многослойные варисторы (MLV), которые обладают следующими характеристиками: • поглощение импульсов с током до 500 А при энергии 2,5 Дж; • широкий диапазон температуры: –40…+125 °C; • расширенный диапазон рабочих напряжений от 3,5 В. Многослойные варисторы помогают пройти тесты на соответствие директиве IEC 61000-4-2 и имеют малые габариты в корпусе 0402.

Защита блока аккумуляторных батарей Рис. 3. ЧетырехканальнаяTVS диодная сборка с диодами Зеннера

Технология I

MLV-варистор

II

Предохранитель

III

TVS диодная сборка

Блок аккумуляторных батарей предназначен для питания электрической схемы, поэтому ИС контроллера батареи требует защиты от пе-

Функции и область применения Защита ИС и других компонентов от электростатического разряда Защита от перегрузки по току в цепи питания Защита от статических разрядов в линиях питания и управления

Серия V5.5MLA0402 435 SP3019-04HTG

компоненты

31

регрузки по току и от всплесков напряжения. На рис. 4б приведена блок-диаграмма контроллера заряда батареи с управляющими сигналами. Поскольку аккумуляторная батарея служит источником постоянного тока, для защиты от перегрузки по току лучше всего использовать быстродействующий предохранитель. Быстродействующий предохранитель должен обеспечивать: • быстрое отключение порядка 0,2 с при перегрузке 300%; • диапазон тока: 0,25–5 А; • уровень отключения тока не менее 32 А при напряжении до 32 В. Для защиты от всплесков напряжения при переходных процессах рекомендуется применять TVS диодные сборки наподобие рассмотренной ранее 4‑канальной сборки для защиты видеоинтерфейса. Такая сборка обеспечит защиту ИС контроллера батареи от статических разрядов. Существуют варианты этих сборок для автомобильного применения, соответствующих требованиям AEC-Q101.

Защита источников питания Источники питания подвержены воздействию как перегрузок по току, так и всплесков напряжения вследствие переходных процессов в линиях электропитания переменного тока. Так, защита линии питания переменного тока требует не только наличия предохранителя для защиты по току, но и варистора для защиты от всплесков напряжения. Некоторые применения предполагают использование других компонентов защиты, таких как TVSдиоды, защитных тиристоров SIDA Ctors или газоразрядников (GDTs). Более подробную информацию можно получить в документе IEC62368-1. На рис. 5 приведена типовая схема защиты линии питания. Для AC/DC-источников питания рекомендуются предохранители с «медленным сра-

Преимущества

Особенности

Гибкость при разработке за счет одноканального исполнения

Низкая емкость и соответствие требованиям AEC-Q200

Компактный корпус

Ток отключения 32 А при 32 В постоянного тока, компактное исполнение

Надежная защита при непрерывности режимов передачи сигналов

Низкая входная емкость, высокое быстродействие менее 1 нс, соответствие AEC-Q101

Рис. 4. Схемы защиты клавиатуры и блока аккумуляторных батарей: а) circuit protection for keypads; б) circuit protection for battery packs

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

компоненты

32

Технология I

Предохранитель

II

Варистор

элементы защиты

Функции Защита от короткого замыкания и перегрузки по току Защита от существенных всплесков напряжения

Серия 313

UltraMOV

Преимущества

Особенности

Защита от повреждения оборудования, компактные размеры, энергоэффективность

Соответствие стандартам, низкое сопротивление

Сокращение времени на испытания и сертификацию за счет соответствия стандартам безопасности

Способность поглощения большой энергии, небольшой корпус, высокая рабочая температура до +125 °С

Рис. 5. Рекомендуемая защита для линии питания переменного тока Примечание. * Мощные TVS-диоды серии AK могут быть альтернативным решением.

батыванием» в стеклянном корпусе. Такой вариант предохранителя не отключит цепь в случае индуктивных всплесков тока в линии питания переменного тока. Другие особенности данных предохранителей: • диапазон тока: 10 мА – 30 А; • напряжение: до 250 В AC и выше; • ток отключения: не менее 10 кА для схем 120 В AC. Данная группа предохранителей соответствует требованиям UL и CSA, что упрощает сертификацию оборудования со стороны контролирующих органов. Металлооксидные варисторы MOV обладают способностью поглощения существенной энергии на входе AC/DC-преобразователя, которая может возникать вследствие переходных процессов в линии питания AC, эффективно защищая схему AC/DC-преобразователя от их воздействия. Существуют версии MOV-варисторов, способных выдерживать ток до 10 кА в импульсе, с энергией поглощения 400 Дж в импульсном режиме. Кроме того, доступны высоконадежные версии MOV-варисторов, способные работать в широком диапазоне

Технология

Функции и область применения

температур –55…+125 °C. Так же как и в случае с предохранителями, рекомендуется использовать варисторы, соответствующие требованиям UL и CSA.

Защита источников постоянного напряжения В зависимости от рабочего напряжения, схемотехники и области применения требуются различные варианты защиты таких источников. Для различных схем существуют индивидуальные рекомендации. Для защиты входов с напряжением 12 и 24 В постоянного тока рекомендуется применять варистор MOV и TVS-диод (решение, аналогичное показанному выше для линии питания переменного тока AC). На рис. 6а представлена схема подключения варистора MOV параллельно линии питания постоянного напряжения DC. Такое решение способно защитить схему от бросков тока до 10 кА при температуре до +125 °C. Также варистор MOV обеспечивает долговременную защиту силовых схем.

Серия

Преимущества

Особенности

Улучшение надежности в течение длительного времени эксплуатации, способность поглотить выбросы с высокой энергией

Высокий импульсный ток, высокая рабочая температура до +125 °С

Сверхнизкий ток утечки на землю

Высокий импульсный ток, широкий диапазон рабочих напряжений

477, 505

Предотвращение повреждения оборудования, малые размеры

Малые размеры при высокой отключающей способности

Защита от короткого замыкания и перегрузки по току

LoRho

Быстрая реакция на перегрузку по току, компактные размеры, совместимость с портативным оборудованием

Сверхнизкое собственное сопротивление, широкий диапазон тока в миниатюрных SMD-корпусах

Защита от всплесков напряжения и статических разрядов

SP11xx

Защита оборудования от повторяющихся статических разрядов без воздействия на работу изделия

Сверхнизкий ток утечки порядка 100 нА, малые габариты, широкий выбор напряжения

Защита от всплесков напряжения вследствие переходных процессов

I

Варистор

II

Газоразрядник GDT

Защита изоляции на «землю»

CG

III

Предохранитель

Защита от перегрузки по току

IV

Самовосстанавливающийся предохранитель PPTC

V

TVS диодная сборка

CIII, LV Ultra MOV, LA

Рис. 6. Рекомендации по защите источников постоянного тока различной конфигурации: а) DC Input 12 V/24 V DC; б) DC Input 48 V DC; в) DC Input (PFC circuit); г) DC Input (portable devices)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

элементы защиты

Технология I

TVS-диоды

Функции Защита от всплесков напряжения

Серия SMBJ

компоненты

Преимущества Повышение надежности системы путем защиты чувствительных элементов схемы от переходных процессов в цепи питания

33

Особенности Великолепная ограничивающая способность

Рис. 7. Рекомендованная схема защиты выхода DC-источника питания

Для защиты входа источников постоянного тока 48 В и выше рекомендуется устанавливать TVS-диод в параллельном включении (рис. 6б). Газоразрядник способен выдержать импульсный ток до 20 кА и оптимален для защиты схемы от дрейфа «нулевой точки» до опасного уровня относительно «земли», при котором может произойти разряд. При собственном сопротивлении 10 ГОм газоразрядник потребляет менее 10 нА в нормальном режиме. Источники постоянного тока со схемой коррекции коэффициента мощности (ККМ) должны иметь предохранитель, установленный последовательно с варистором, для защиты от перегрузки по току и напряжению. На рис. 6в показан «медленный» предохранитель, который должен не отключать цепь при возникновении пусковых токов в импульсном источнике питания. Рекомендуется применять предохранители в керамическом корпусе на ток 10–30 А, способные отключить 20 кА при напряжении 500 В DC. Варистор, примененный в данной схеме, занимает минимальную площадь, поскольку выполнен в корпусе размером лишь 6,332 мм. Один и тот же тип варисторов рекомендован для напряжений 12, 24 и 48 В. Для защиты источника постоянного напряжения в портативных устройствах нужно учесть еще несколько факторов. Как и в остальных случаях, здесь требуется защита и от перегрузки по току, и от всплесков напряжения, но, тем не менее, лучше применять самовосстанавливающиеся предохранители с положительным температурным коэффициентом PPTC (рис. 6г). Самовосстанавливающийся предохранитель PPTC дает возможность не заменять его при возникновении перегрузки по току. Данный тип предохранителей имеет малое собственное сопротивление от десятков до сотен миллиом и малое время отключения — менее 5 с. Предохранители PPTC доступны в корпусах от 0402 для минимизации места, занимаемого на печатной плате, что особенно важно для портативной техники. В данном случае для защиты цепей постоянного тока от всплесков напряжения предпочтительны не варисторы MOV, а TVS-диоды. TVS-диоды Зеннера способны обеспечить защиту от статических разрядов ±30 кВ по воздуху, а также поглотить импульс до 80 А при разряде молнии. Выход источника питания постоянного тока требует и надежной защиты. Рекомендуется использовать TVS-диод, как показано на рис. 7, что защитит подключаемую схему от всплесков напряжения, вызванных переходными процессами, ограничивая их на допустимом уровне. Такие TVS-диоды доступны как в однополярном, так и в двухполярном исполнении.

буется много компонентов, а конфигурация их подключения достаточно проста для понимания и реализации. Как разработчику, вам доступно множество технологий защиты. При этом производитель компонентов защиты предоставляет техническую поддержку при выборе и проверке на соответствие множеству стандартов в ходе разработки электронных изделий. Некоторые производители предоставляют расширенное тестирование как для проверки заявленных параметров и режимов, так и на предмет расширенного тестирования на соответствие отраслевым и региональным стандартам. Включение компонентов защиты сократит затраты при гарантийном и сервисном обслуживании и создаст вашей компании репутацию производиn теля качественного и надежного оборудования.

Можно разработать надежную и устойчивую схему, включив в нее компоненты защиты на этапе проектирования. Для этого не потре-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Реклама

Заключение

www.kite.ru

34

компоненты

ПЛИС

Lattice SensAI 4.1: набор средств и инструментов для реализации алгоритмов AI/ML в ПЛИС с низким энергопотреблением

Перевод: Дмитрий Комолов dima@efo.ru

Стремительный рост периферийных устройств стимулирует разработку новых приложений, которые превращают огромные объемы необработанных данных в полезную информацию для принятия решений в реальном масштабе времени. Набор средств и инструментов SensAI 4.1 компании Lattice (IP-ядра, отладочные платы, готовые проекты, демонстрационные примеры и услуги по дизайну) позволяет быстро выводить на рынок такие устройства. Написание этой статьи спонсировалось компанией Lattice [1].

Введение Все больше периферийных устройств генерируют постоянно растущий поток данных. Среди них автономные транспортные средства, устройства «Интернета вещей» (IoT), бытовая электроника и даже ноутбуки и ПК. По многим оценкам, к 2025 году в эксплуатации будут десятки миллиардов подобных устройств, которые отправляют множество данных на разных скоростях в облако. Количество генерируемых необработанных данных со временем будет только увеличиваться. Камеры видеонаблюдения, автономные транспортные средства и ПК генерируют видеопотоки высокого разрешения с большой скоростью. Устройства IoT формируют данные со средней скоростью, которые затем собираются в большие информационные потоки. Многие датчики «Интернета вещей» (для измерения температуры, давления, положения, уровня освещенности и т. д.) генерируют потоки данных с низкой скоростью. Но скоро появятся миллиарды таких устройств, и перед отправкой в облако информацию от них придется объединять в большие высокоскоростные потоки. Новые технологии беспроводной связи 5G и другие высокоскоростные сетевые технологии, включая пикосоты, сети IoT увеличенного радиуса действия, такие как LoRaWAN, глобальная спутниковая система StarLink от SpaceX для высокоскоростной широкополосной связи и зарождающаяся спутниковая сеть «Интернета вещей» Swarm Technologies1, обеспечивают всеобъемлющий и быстрый доступ к облаку. Эти разнообразные коммуникационные и сетевые технологии ускоряют разработку новых периферийных (конечных) устройств и приложений. К таким устройствам можно отнести автономные транспортные средства, робототехнические системы, оборудование для автоматизации производства и удаленного мониторинга окружающей среды, логистические системы и устройства видеонаблюдения для обеспечения безопасности. Спрос на эти конечные устройства стремительно растет, потому что они повышают эффективность работы, сокращают эксплуатационные расходы и улучшают качество 1 Компания SpaceX приобрела Swarm Technologies в августе 2021 года.

жизни. Но независимо от того, сколько добавляется беспроводной или проводной коммуникационной инфраструктуры, огромные объемы данных угрожают переполнить и заблокировать все эти новые каналы, ведущие в облака.

Обработка информации в конечных устройствах позволяет избежать перегрузки каналов передачи данных Эти тенденции диктуют необходимость обработки гораздо большего объема данных на границе сети, как можно ближе к месту их генерации, чтобы уменьшить объем информации, которую необходимо отправить в облако. Стремительный рост «Интернета вещей» и других устройств, подключенных к сети, становится основной движущей силой для разработки новых приложений, преобразующих необработанные данные в полезную информацию, на основании которой можно принять решение в режиме реального времени и оперативно среагировать на изменение ситуации. На раннем этапе развития периферийных вычислений компании уделяли основное внимание затратам, связанным с передачей данных на большие расстояния в ЦОД. Изначально необходимость доступа к данным, хранящимся в облаке и на других компьютерах, подключенных к облаку, определяла требования к периферийным устройствам. Обычно для таких устройств не был нужен режим реального времени. Время отклика сотни миллисекунд или даже секунды было приемлемым. Внедрение устройств «Интернета вещей» и растущая потребность в обработке и анализе данных на периферийных устройствах, а также необходимость реакции в реальном масштабе времени способствовали бурному развитию новейших технологий, которые усложнили разработку таких устройств. Необходимость обработки информации в конечных устройствах приближает вычисления и хранение данных к системам, которые собирают эти данные, вместо анализа и принятия решения в центре обработки данных, который может находиться за тысячи километров. Обычно для устройств, работающих в реальном масштабе времени, очень важен быстрый отклик, поэтому обработка, анализ данных и принятие решений смещаются к конечному устройству (рис. 1).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ПЛИС

компоненты

35

Рис. 1. Смещение вычислений от ЦОД (облако) к периферийным (конечным) устройствам (источник: Lattice)

Смещение вычислений от ЦОД к периферийным устройствам Огромное количество смартфонов и IoT-устройств, которые должны подключаться к Интернету для отправки или получения информации из облака, стимулировало развитие периферийных вычислений. Некоторые устройства, например видеокамеры, в процессе своей работы генерируют огромные объемы данных. Другие устройства, например датчики температуры, по отдельности формируют небольшие объемы данных, но миллиарды таких датчиков создают множество данных для обработки облаком. В этой ситуации обработка на конечных устройствах стала просто необходимой для уменьшения затрат на связь с облаком и на облачные хранилища данных, а также для предотвращения возможной перегрузки каналов связи, ведущих в облако. Для разработки периферийных устройств и приложений все чаще используются алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения (AI/ML), которые сопоставляют объект с заданным образцом и производят его распознавание. Алгоритмы AI/ML рассматриваются как эффективный способ обработки первичных данных, потому что они позволяют идентифицировать и распознать сложные многомерные объекты, которые трудно выделить и идентифицировать с помощью обычного алгоритмического программирования. Приложения AI/ML способны обнаруживать, идентифицировать и определять количество людей и предметов, отслеживать состояние складских запасов, зондировать окружающую среду, обнаруживать различные звуки и голоса, проводить мониторинг работоспособности системы и планировать ее своевременное обслуживание. Устройства, у которых ограничена потребляемая мощность, могут извлечь максимальную выгоду от использования AI/ML. Обычно они должны работать от батареи и могут находиться на фабриках, фермах, в офисных зданиях, магазинах розничной торговли, больницах, на складах, улицах и в жилых помещениях. Как правило, эти устройства должны работать в течение длительного времени от одной зарядки аккумулятора или на собранной и накопленной энергии.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

В результате такое оборудование длительное время находится в спящем режиме, когда большая его часть переходит в режим низкого энергопотребления. Затем определенное событие запускает его при необходимости. В таких приложениях некоторая часть устройства, работающая с очень низким энергопотреблением, должна всегда оставаться активной, чтобы полностью включить прибор по мере необходимости.

Реализация алгоритмов AI/ML на ПЛИС позволяет снизить энергопотребление Может показаться, что снижение энергопотребления и реализация алгоритмов AI/ML, предполагающая наличие больших вычислительных ресурсов, являются противоположными требованиями к конструкции конечных устройств. Тем не менее они не должны противоречить друг другу. Новое семейство ПЛИС Lattice CertusPro-NX является маломощным, компактным, высокопроизводительным и специально разработано для удовлетворения основных требований к конструкции периферийных устройств с низким энергопотреблением. К этим ПЛИС можно подключить несколько датчиков и дисплеев, обрабатывать видео высокого разрешения, передавать данные с большой скоростью и реализовывать алгоритмы AI/ML. Последний выпуск стека решений SensAI версии 4.1 предлагает набор средств и инструментов для реализации алгоритмов AI/ML (рис. 3). Среди них IP-ядра, отладочные платы, примеры проектов (reference designs and demos), услуги по дизайну — все, что необходимо для разработки и быстрого вывода на рынок новых периферийных устройств. Последняя версия SensAI поддерживает ПЛИС нового семейства CertusPro-NX. Компания Lattice добавила графическую среду SensAI Studio (рис. 2), которая упрощает сквозной маршрут проектирования устройств, реализующих алгоритмы AI/ML, в том числе обучение, проверку и оптимизацию модели AI/ML. Устройства на базе ПЛИС iCE40 UltraPlus, CrossLink-NX, ECP5 и CertusPro-NX, созданные с помощью этих средств, могут в режиме реального времени выполнять алгоритмы AI/ML при потребляемой мощности 1 мВт – 1 Вт. www.kite.ru

36

компоненты

ПЛИС

Рис. 2. Графическая среда Lattice SensAI Studio упрощает обучение, проверку и оптимизацию модели AI/ML (источник: Lattice)

Поддержка нового семейства ПЛИС CertusPro-NX в стеке решений SensAI 4.1 позволила увеличить производительность вычислений и добавить возможность обнаружения, классификации и отслеживания нескольких объектов одновременно в режиме реального времени (рис. 3). Также был обновлен компилятор нейронных сетей (Neural Network compiler), совместимый с другими широко используемыми платформами машинного обучения, включая последние версии Caffe, Keras, TensorFlow и TensorFlow Lite.

IP-ядра в стеке Lattice SensAI 4.1 включают несколько ускорителей сверточных нейронных сетей (Convolutional Neural Network accelerator) — CNN, CNN Plus, CNN Compact и CNN Coprocessor.

CNN IP-ядра позволяют использовать многие широко распространенные сверточные нейронные сети, такие как Mobilenet v1/v2, Resent, SSD и VGG или собственные модели CNN. Ускорители сверточных нейронных сетей способны реализовать алгоритмы ИИ с низким энергопотреблением за счет параллельной обработки данных, встро-

Рис. 3. Стек решений Lattice SensAI позволяет разрабатывать устройства AI/ML на основе ПЛИС Lattice (источник: Lattice)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ПЛИС

енной распределенной памяти и DSP-блоков. Для реализации CNN с энергопотреблением в диапазоне мВт используются двоичные нейронные сети (Binary Neural Networks).

Lattice SensAI 4.1: примеры проектов Ячейки ввода/вывода ПЛИС Lattice можно настроить для поддержки различных сигналов и интерфейсов. Также предусмотрены аппаратные и синтезируемые IP-блоки для подключения датчиков разных типов и реализации протоколов связи. Стек SensAI 4.1 позволяет упростить операцию логического вывода модели AI/ML при использовании нескольких датчиков периферийным устройством. Предлагаются примеры проектов, демонстрирующие варианты интеллектуального объединения датчиков, которые могут работать одновременно, чтобы обеспечить более глубокое восприятие объекта. Примеры проектов включают: Обнаружение жеста Проект системы с низким энергопотреблением на основе искусственного интеллекта для обнаружения движения руки с помощью ИК-датчика. Предоставляются набор данных и скрипты для тренировки нейронной сети с использованием общих инструментов обучения NN и модель нейронной сети, в которую можно вносить изменения. Обнаружение ключевой фразы Этот проект непрерывно ищет ключевую фразу, произнесенную в цифровой пьезоэлектрический микрофон. Есть возможность добавить функцию пробуждения системы, внеся изменения в предоставляемый набор данных с помощью интернет-ресурсов глубокого обучения, таких как Caffe, Tensorflow или Keras. Предоставляются набор данных и скрипты для тренировки нейронной сети с использованием общих инструментов обучения NN и модель нейронной сети, в которую можно вносить изменения. Обнаружение человеческого лица С помощью сверточной нейронной сети этот проект идентифицирует человеческое лицо, используя изображение с камеры, и при внесении изменений в предоставляемый набор данных может быть модифицирован для обнаружения других типов объектов. Обнаружение присутствия человека Проект постоянно ищет присутствие человека, используя изображение с видеокамеры. Алгоритмы искусственного интеллекта, реализованные в этом проекте, обнаруживают и определяют местоположение любого представляющего интерес объекта путем обновления предоставляемой модели с помощью интернет-ресурсов глубокого обучения, таких как Caffe, Tensorflow или Keras. Предоставляется модель нейронной сети, обучающий набор данных и скрипты для обучения с помощью общих средств. Обнаружение, классификация, отслеживание и подсчет объектов Этот проект демонстрирует возможность обнаружения, классификации, отслеживания и подсчета объектов. Предоставляются FPGA RTL проекты для отладочных плат Lattice, модели нейронных сетей, обучающий набор данных и скрипты для модификации проекта.

Очевидные и неочевидные периферийные приложения, которые могут использовать алгоритмы ИИ Вполне очевидно применение алгоритмов AI/ML для повышения производительности многих периферийных устройств, таких как автономные роботы, системы мониторинга состояния окружающей среды и видеосистемы обеспечения безопасности. Но эти алгоритмы могут пригодиться и для другого оборудования — например, ПК

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

компоненты

37

и ноутбуков. Компания Lattice работает с партнерами и клиентами над тем, чтобы, используя интеллектуальное сочетание датчиков и методы ИИ, повысить удобство эксплуатации ПК/ноутбука, снизить их потребляемую мощность и увеличить время автономного функционирования до 28%. Интенсивность нагрузки на ПК и ноутбуки варьируется в течение суток, но, как правило, наибольшая производительность требуется днем. Однако даже в рабочее время, обычно в перерывах, бывают моменты, когда ПК или ноутбуки не используются, хотя и остаются включенными, чтобы сохранить на экране открытые приложения. Применяя AI/ML-анализ и интеллектуальное объединение встроенных камер и микрофонов, ПК или ноутбук может получать информацию о своем окружении и принять решение, когда он может отключить дисплей и ЦП, а когда снова их включить. Самый простой способ — использовать функцию обнаружения присутствия и выключить компьютер, когда никого нет вокруг. Функция «отслеживание внимания» позволит компьютеру затемнять экран и переходить в режим пониженного энергопотребления, когда пользователь в течение длительного периода не смотрит на экран. Компактная ПЛИС с низким энергопотреблением может принимать данные от датчиков компьютера и решать, какие устройства нужно включить с учетом ситуации. Обеспечение конфиденциальности и безопасности информации во время работы за компьютером Эти же функции могут повысить конфиденциальность и безопасность информации при работе на компьютере. Встроенная камера компьютера, предназначенная для конференц-связи, может наблюдать за тем, что происходит позади пользователя во время его работы, и определить ситуацию, когда кто-то смотрит через его плечо в экран. Если компьютер находится в конфиденциальном режиме, он предупредит владельца всплывающим сообщением или даже затемнением экрана, когда кто-то окажется позади пользователя, имеющего право доступа к определенной информации, и будет смотреть на экран компьютера. Дополнительные возможности для удобства работы с ПК С помощью алгоритмов AI/ML можно реализовать дополнительные функции для удобной работы с ПК. Например, функция «кадрирование лица» выделяет изображение пользователя со встроенной камеры высокого разрешения и помещает его в центре кадра во время сеанса видео-конференц-связи. Участник сессии может даже двигаться во время конференции, а его изображение останется в центре внимания других участников мероприятия. Аналогичным образом с помощью функции «распознавание жестов» можно добавить ноутбуку, ПК или любому другому IoT-устройству с поддержкой видео бесконтактные функции управления. Все эти функции, использующие алгоритмы AI/ML, помогут создавать более привлекательные для покупателей ПК и ноутбуки, и их можно реализовать с помощью стека решений SensAI 4.1 и ПЛИС Lattice с низким энергопотреблением.

Вывод: миллиарды периферийных устройств будут выполнять первичную обработку данных Благодаря семействам ПЛИС с низким энергопотреблением и стеку SensAI 4.1 Lattice ориентируется на использование технологий AI/ML в периферийных устройствах. По многим оценкам, рынок таких устройств может достигать десятков миллиардов штук. Стек решений SensAI 4.1 — это инновационный инструмент для разработки периферийных приложений для самых разных сегментов рынка. n

Литература 1. www.latticesemi.com/Search.aspx?&lcid=9&q=Lattice%20SensAI%20 4.1%3A&t=180

www.kite.ru

38

компоненты

микроконтроллеры

Новый модуль Wiznet W5100S-EVB-Pico — Raspberry Pi Pico с аппаратной поддержкой Ethernet

Сергей Долгушин dsa@efo.ru

В начале 2021 года компания Raspberry PI анонсировала новый микроконтроллер RP2040 и модуль Raspberry Pi Pico. Данный микроконтроллер интересен своими характеристиками, в частности наличием двух ядер Arm Cortex-M0+ с тактовой частотой 133 МГц. На волне быстро растущего интереса во всем мире к новой продукции Raspberry компания Wiznet представила два новых модуля: WIZnet Ethernet HAT и W5100S-EVB-Pico. Первый из них является платой расширения на основе Ethernet-моста W5100S для базового модуля Raspberry Pi Pico. Второй модуль представляет собой полнофункциональный аналог Raspberry Pi Pico с установленными на плате Ethernet-мостом W5100S и сетевым разъемом RJ‑45. В статье мы предлагаем познакомиться с Ethernet-мостом Wiznet W5100S и модулем W5100S-EVB-Pico.

К

Рис. 1. Блок-схема Ethernet-моста Wiznet

омпания Wiznet давно и успешно специализируется на разработке и производстве микросхем для Ethernetприложений, а также коммуникационных модулей на их базе. Основной особенностью микросхем Wiznet является аппаратная реализация стека TCP/IP. В популярных конкурентных решениях, например в распространенной микросхеме Microchip ENC28J60, аппаратно реализуются только MAC- и PHYуровни, а стек TCP/IP реализуется программно. В общих чертах, все Ethernet-мосты Wiznet, выпускаемые в настоящее время, имеют общую внутреннюю структуру (рис. 1). Основой моста служит аппаратный блок Ethernet, в который входят MACуровень и аппаратный стек TCP/IP с поддержкой протоколов TCP, UDP, IPv4/IPv6 (только W6100), ICMP, IGMP и PPPoE (может отсутствовать). Встроенный физический уровень PHY есть у всех современных мостов Wiznet и обеспечивает возможность работы с сетями Ethernet 10BaseT/100BaseTX. Из общего списка выделяется только микросхема W5300, которая, кроме встроенного PHY, имеет дополнительный внешний интерфейс MII (media independent interface) для подключения внешней микросхемы физического уровня. Это может быть полезно, если необходимо подключение к сети, например, по оптической линии. Наиболее популярными Ethernet-мостами, которые сейчас применяются в серийных изделиях, производимых в Росcии, являют-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

микроконтроллеры

компоненты

39

Рис. 2. Внешний вид и назначение выводов модуля W5100S-EVB-Pico

ся W5500, W5100, W5300. Про мосты W5500 и W5300 мы уже рассказывали в [1]. Микросхема W5100S, о которой пойдет речь ниже, и W6100, которая совместима по базовому функционалу и корпусам с W5100S, но поддерживает протокол IPv6, — это новые мосты Wiznet.

Ethernet-мост W5100S представляет собой обновленную и удешевленную версию микросхемы W5100. Принципиальное различие W5100 и W5100S — несовместимость по выводам. W5100S выпускается в меньших по габаритам корпусах 48 LQFP и 48 QFN. Маленький корпус — один из существенных факторов, позволивших снизить стоимость микросхемы (W5100 производится в корпусе 80 LQFP). Принципиальным отличием для разработчика также может стать отсутствие в новой микросхеме W5100S режима PPPoE, в остальном производитель обещает полную совместимость программного кода для W5100 и W5100S. У W5100S сохранена возможность выбора типа внешнего интерфейса между последовательным SPI и 8‑разрядным параллельным интерфейсом. При использовании последнего можно ожидать максимальной скорости передачи данных в 25 Мбит/с. Из новых функциональных возможностей моста W5100S следует отметить наиболее интересные в прикладном плане функции Socket-less, предназначенные для отправки ARP- и PING-запросов. Об этих функциях мы поговорим подробнее, когда будем рассматривать пример программы для модуля W5100S-EVB-Pico в конце статьи. Также добавлены регистры, обеспечивающие доступ к PHY-уровню. Например, теперь доступен статус физического соединения Caboff (cable off), за который отвечает старший бит регистра PHYSR0. Вместе со статусом наличия сетевого соединения Link (PHYSR [0]) он может

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

быть использован для тестирования канала связи в случае неполадок. Стоит отметить, что производитель не предусмотрел возможности использования данных регистров для принудительного закрытия сокета в случае пропадания соединения. Так что существенной пользы для типовых режимов работы данные нововведения не дают. В новых модулях Ethernet HAT и W5100S-EVB-Pico в качестве Ethernet-моста производитель применяет именно новую микросхему W5100S. Таким образом, предполагается популяризировать новый мост W5100S, используя большой интерес к новым микроконтроллерам Raspberry Pi RP2040 и модулям на их базе.

W5100S-EVB-Pico (рис. 2) представляет собой плату, которая включает узел на базе контроллера RP2040 (аналог фирменного модуля Raspberry Pi Pico) и узел, отвечающий за интерфейс Ethernet на базе моста W5100S и сетевого разъема RJ‑45. Модуль W5100S-EVB-Pico полностью совместим по выводам с оригинальным модулем Raspberry Pi Pico. Исключением стали только линии GPIO с 16‑й по 21‑ю, которые служат для подключения моста W5100S к RP2040. При использовании интерфейса Ethernet эти линии недоступны разработчику для других целей. Также имеется различие в функции линии GPIO 23: в оригинальном модуле Raspberry Pi Pico она управляет выбором режима работы регулятора напряжения (ШИМ или ЧИМ), тогда как в модуле W5100S-EVB-Pico реализован линейный регулятор, поэтому GPIO 23 не используется.

WIZnet Ethernet HAT (Hardware Attached on Top) представляет собой мезонинный модуль на базе Ethernet-моста W5100S (рис. 3). Модуль совместим по выводам с Raspberry Pi Pico, интерфейсом для подключения моста W5100S к RP2040 служит SPI. WIZnet Ethernet www.kite.ru

40

компоненты

микроконтроллеры

Рис. 4. Мезонинный модуль WIZ810SIO на базе моста W5100S

Рис. 3. Внешний вид и назначение выводов модуля WIZnet Ethernet HAT

HAT является простой платой расширения, которая добавляет интерфейс Ethernet к базовому модулю Raspberry Pi Pico. Аппаратно он полностью повторяет мезонинные модули WIS810SMJ и WIZ810SIO

(рис. 4) и отличается только форм-фактором. Устройство может получать питание 5 В по линии VBUS (вывод 40) или 3 В по линии 3V3 (вывод 36). Одновременно подавать напряжение на оба вывода нельзя. В целом, данный модуль может быть интересен тем, кто уже имеет в своем арсенале плату Raspberry Pi Pico и хотел бы добавить к ней поддержку интерфейса Ethernet. Для поддержки разработчиков компания Wiznet портировала стандартную библиотеку для работы со своими мостами на платформу RP2040. Библиотека WIZnet и ряд готовых примеров для W5100S на языках С/С++ и CursuitPyton доступны по ссылкам [2, 3]. На текущий момент компания Wiznet предлагает готовые примеры, демонстрирующие передачу по TCP/IP, использование DHCP/DNS, основные принципы реализации HTTP-сервера, передачу по протоколу IoT MQTT (издатель/подписчик), работу с SNTP и использование протокола шифрования SSL при передаче по TCP.

Рис. 5. Окно MS Code с открытыми примерами и библиотекой Wiznet

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

микроконтроллеры

Рис. 6. Процесс сборки проектов в MS Code

Базовые принципы работы с библиотекой на примере организации передачи данных по протоколу TCP/IP мы подробно описывали в [1] на примере моста W5500. В настоящей статье также было показано, как и что необходимо изменить на уровне HAL для обеспечения взаимодействия микроконтроллера SAM D21 и моста W5500. В версии библиотеки для RP2040 производитель дает готовый для работы HAL-уровень, что существенно упрощает первое знакомство с модулем W5100S-EVB-Pico или связкой из модулей Raspberry Pi Pico и WIZnet Ethernet HAT. Порядок добавления библиотеки и примеров Wiznet для RP2040 аналогичен описанному порядку установки фирменных примеров Raspberry Pi в разделе 9.2.

Building on MS Windows документа [4]. Открытая папка с библиотекой и примерами в Visual Studio Code будет выглядеть следующим образом (рис. 5). Сборку всех примеров можно запустить, нажав иконку Build (рис. 6) на нижней панели VS Code. После этого для всех примеров будут сгенерированы загрузочные файлы для RP2040. Теперь создадим свой небольшой пример работы с модулем W5100S-EVB-Pico, который будет отправлять ARP-запросы с помощью микросхемы W5100S. Отправка ARP-запроса выбрана для первого примера неслучайно. Функции отправки ARP- и PINGзапросов на аппаратном уровне и без открытия сокетов впервые была добавлена производителем именно в микросхеме W5100S. На сегодня эту возможность аппаратно поддерживает только мост W6100. Для остальных мостов такая функция была доступна лишь в режиме MACRAW, и она требовала самостоятельного формирования пакета.

PING-запросы могут быть полезны для тестирования целостности и быстродействия нашей сети, а ARP-запросы можно использовать, если назначение IP-адресов в сети производится вручную. Для примера воспользуемся готовым вариантом от Wiznet [6], в котором уже реализованы нужные нам функции. Для начала работы нам необходимо скопировать файлы ARP.c и ARP.h из данного примера в рабочую директорию. Затем на базе любого из приводимых Wiznet примеров для RP2040 создадим свой основной рабочий файл w5x00_arp.c (рис. 7). Базовая структура всех примеров одинакова и состоит из инициализации блоков RP2040, необходимых для работы с мостом W5100S, и инициализации самого моста W5100S. Все действия, требуемые для инициализации Ethernet-моста W5500, были подробно описаны в [1]. Для микросхемы W5100S они выполняются аналогично.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

компоненты

41

Рис. 7. Созданные файлы примера

В рабочем цикле в файле w5x00_arp.c реализуем отправку пакетов по ряду IP-адресов и выведем результат на терминал: while (dest_ip[3]<15) { printf(“Send ARP to : %d.%d.%d.%d\n”, dest_ip[0], dest_ip[1], dest_ip[2], dest_ip[3]); int8_t ret=arp_auto(dest_ip); // функция отправки ARP-запроса по указанному IP-адресу.

// Возвращает 1, если получен ответ.

// Возвращает 2, если за установленный период времени ответ не получен.

// Возвращает 0 во всех остальных случаях. if(ret==1) { printf(“ARP : successful\r\n”); get_arp_MacAddress(addr0); printf(“%.2x:%.2x:%.2x:%.2x:%.2x:%.2x\r\n”,addr0[0],addr0[1],addr0[2],addr0[3],addr0[4],addr0[5],addr0[6] ); } else printf(“ARP : failure\r\n”, ret); dest_ip[3] = dest_ip[3] +1; }

В функции arp_auto(addr) последовательно вызываются следующие функции: configure_arp_request(void) setSLIR(SLIR_TIMEOUT | SLIR_ARP); setSLRCR(ArpRCR); setSLRTR(ArpRTR);

В данной функции осуществляется сброс регистра прерываний для Socket-less команд SLIR, задаются значения периода повторений для повторных передач в регистре SLRTR и их количество в регистре SLRCR. В соответствии с этими параметрами W5100S будет продолжать отправлять ARP-запросы по заданному адресу до тех пор, пока количество передач не превысит указанное значение в регистре SLRCR, после чего в регистре SLIR будет установлен бит прерывания Timeout. Следующая функция отвечает за отправку ARP-запроса: send_arp_request(addr) setSLPIPR(addr); setSLCR(SLCMD_ARP);

Поскольку формирование пакета осуществляется микросхемой W5100S автоматически, от нас требуется только передать целевой IP-адрес и установить бит ARP регистра SLCR в 1. В результате мост сформирует и отправит запрос по указанному нами адресу. www.kite.ru

компоненты

42

микроконтроллеры

И остается только проконтролировать результат отправки запроса, что выполняется в функции: recv_arp_reply() if(getSLIR()&SLIR_ARP) { setSLIR(SLIR_ARP); return 1; } else if(getSLIR()&SLIR_TIMEOUT) { setSLIR(SLIR_TIMEOUT); return 2; } else return 0;

В данной функции опрашивается регистр прерываний SLIR. Бит ARP этого регистра, установленный в 1, говорит о том, что ответ получен. Бит Timeout этого регистра, установленный в 1, говорит о том, что ответ не получен и исчерпано количество заданных повторов передачи запроса. И если ответ получен, то выводим MAC-адрес устройства, имеющего указанный нами IP: void get_arp_MacAddress(uint8_t* addr) getSLPHAR(addr);

МАС-адрес из принятого пакета автоматически помещается в регистр SLPHAR. Таким образом, достаточно просто формируется ARP-запрос с помощью нового функционала в Ethernet-мосте W5100S. Наша тестовая программа отправит запросы по нескольким IP-адресам в своем сегменте сети и выведет на экран результаты. Загрузка скомпилированной программы в память модуля W5100S-EVB-Pico осуществляется по интерфейсу USB. Для перехода в режим загрузки необходимо выключить модуль, нажать на кнопку bootsel на модуле и подать питание. Модуль определится в ОС ПК как внешний накопитель. Файл прошивки копируем или переносим мышкой на этот носитель. После записи файла произойдет автоматическая перезагрузка микроконтроллера RP2040, и он начнет выполнение нашей программы. Результаты опроса будут выведены на экран терминала в следующем виде (рис. 8). На этом мы завершим первое знакомство с новыми модулями Wiznet W5100S-EVB-Pico и WIZnet Ethernet HAT, а также с мостом W5100S. Еще раз напомним, что данный Ethernet-мост является переработанной версией популярной микросхемы W5100, и на текущий

новости

Рис. 8. Результат выполнения примера отправки ARP-запросов

момент он самый дешевый из всей линейки аппаратных Ethernetмостов Wiznet. Новый модуль W5100S-EVB-Pico может послужить удобной и самодостаточной отладочной платой для знакомства с этим мостом, а также в качестве готовой платформы для решения широкого круга задач, где требуется Ethernet, благодаря большим функциональным возможностям двухъядерного микроконтроллера Raspberry Pi RP2040. n

Литература 1. Долгушин С. Перспективные Ethernet-мосты компании Wiznet. www.mymcu.ru/articles/perspektivnie-ethernet-mosti-kompanii-wiznet.html 2. Примеры и библиотека Wiznet на С/С++. www.github.com/Wiznet/RP2040‑HAT-C 3. Примеры и библиотека Wiznet на CircuitPyton. www.github.com/Wiznet/RP2040‑HAT-CircuitPython 4. Getting started with Raspberry Pi Pico. www.datasheets.raspberrypi.com/pico/getting-started-with-pico.pdf 5. SOCKET-less Command Application Note. www.docs.wiznet.io/img/products/ w5100s/application/w5100s_an_slc_v100e.pdf 6. Готовый пример от Wiznet. www.docs.wiznet.io/img/products/w5100s/ application/w5100s_evb_an_coide_slc_v100.zip

блоки питания

Модуль бесперебойного питания постоянного тока на DIN-рейку серии DUPS20/40 от Mean Well Компания Mean Well представляет экономичные решения для резервного питания постоянного тока — новое поколение серий DUPS20/40. Для обеспечения функции резервного питания модуль ИБП постоянного тока должен быть соединен с источником питания и внешней батареей. Новая серия — это усовершенствованная версия представленной на рынке 15 лет назад серии DR-UPS40. Основной функцией DUPS20/40 является мониторинг выходного напряжения постоянного тока, а также зарядка аккумулятора для обеспечения непрерывной работы всей системы (период резервного питания зависит от нагрузки и емкости аккумулятора). При пропадании или прерывании сети

переменного тока нагрузка будет немедленно подключена к батарейному блоку, чтобы избежать отключения системного оборудования и предотвратить потерю данных или финансовые потери. Продукт предназначен для использования в автоматизации производства, оборудовании для изготовления полупроводников, в системах безопасности, аварийных системах, центрах обработки данных и т. д., где требуется непрерывное питание конечных устройств. Особенности: • диагностика источника бесперебойного питания постоянного тока высокой надежности; • простая установка с параллельным подключением к шине постоянного тока;

• применим для 24‑В систем; • ток зарядки аккумулятора: 2 A; • удаленный мониторинг напряжения шины постоянного тока и состояния батареи; • защита от короткого замыкания, обратной полярности батареи, низкого напряжения при разряде батареи, превышения тока разряда батареи; • широкий диапазон рабочих температур: –30…+70 °C; • сертификаты безопасности: EAC, UKCA, CE; • гарантия: три года. www.eltech.spb.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

на правах рекламы

Микросхема 5559ИН85Т быстродействующего приемопередатчика интерфейса RS485/422 ОАО «ИНТЕГРАЛ» — управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ» провела освоение в серийном производстве микросхемы 5559ИН85Т категории качества «ВП», предназначенной для применения в аппаратуре специального назначения. Микросхема содержит один передатчик и один приемник последовательных данных интерфейса RS‑485/422, входы разрешения выходов передатчика и приемника и обеспечивает дуплексный режим приема и передачи данных. Микросхема изготавливается в металлокерамическом корпусе типа 402.16-32.01. Функциональным аналогом микросхемы 5560ИН85Т является микросхема ADM3491 компании Analog Devices. Технические условия — АЕНВ.431230.530 ТУ. Микросхема 5559ИН85Т имеет стойкость к воздействию специальных факторов 7.И, 7.К и 7.С по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с характеристикаТаблица 1. Электрические параметры микросхемы при приемке и поставке Наименование параметра, режим измерения

Норма

Буквенное обозначение параметра не менее

не более

Напряжение питания, В

UCC

3

Входное напряжение низкого уровня, В

UIL

0

0,8

Входное напряжение высокого уровня, В

UIH

2

UCC

Ток потребления без нагрузки, мА

ICC

–

2,2

Температура среды, °С

Время задержки распространения при включении/выключении, нс

UOL

–

ОАО «ИНТЕГРАЛ» — управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ» г. Минск, Республика Беларусь Тел.: (+375 17) 238–97–43.

E‑mail: ATitov@integral.by. Сайт: integral.by

ми 7.И1 — 4Ус; 7.И6 — 4Ус; 7.И7 — 4Ус; 7.С1 — 505Ус; 7.С4 — 55Ус; 7.К1 — 1,71К; 7.К4 — 0,081К; 7.К9 (7.К10) — является стойкой; 7.К11 (7.К12) — до уровня 60 МэВ см2/мг по катастрофическим отказам и тиристорному эффекту. Возможна поставка микросхемы в бескорпусном исполнении на общей пластине или в виде отдельных кристаллов, упакованных в кассеты. n Таблица 2. Назначения выводов микросхемы 5559ИН85Т Номер вывода

Обозначение

01

RO

Наименование вывода Выход приемника

02, 03, 10, 15

NC

Вывод свободный

04

RE

Вход разрешения выхода приемника (низкий уровень)

05

DE

Вход разрешения выхода передатчика

06

DI

Вход передатчика

07

NC

Вывод свободный

08, 09

GND

Общий вывод

11

Y

Прямой выход передатчика

12

Y

Инверсный выход передатчика

13

B

Инверсный вход приемника

14

А

Прямой вход приемника

16

VCC

Вывод питания от источника напряжения

3,6 25 ±10; –60; +125

0,4 25 ±10; –60; +125

UOH

UCC – 0,4

–

tPHLR/tPLHR

25

90

Таблица 3. Таблица истинности передатчика микросхемы 5559ИН85Т Входы

Электрические параметры приемника Выходное напряжение низкого уровня на выходе RO, В при UID = –200 мВ; IOL = 2,5 мА Выходное напряжение высокого уровня на выходе RO, В при UID = 200 мВ; IOH = –1,5 мА

43

25 ±10

Выходы

RE

DE

DI

Y

Y

X

Н

Н

L

Н

X

Н

L

Н

L

L

L

X

Z

Z

Н*

L*

X

Z

Z

Таблица 4. Таблица истинности приемника микросхемы 5559ИН85Т

Электрические параметры передатчика Дифференциальное выходное напряжение, В при UCC = 3 В; 3,6 В и RL = 54 Ом Разность амплитуд дифференциального выходного напряжения различной полярности, В при RL = 54; 100 Ом Выходное напряжение смещения относительно общего вывода, В при RL = 54; 100 Ом Разность выходных напряжений смещения различной полярности, В при RL = 54; 100 Ом Время задержки распространения при включении/выключении, нс при RL = 27 Ом; CL = 15 пФ; UCC = 3,3 В

UOD DUOD

1,5 –

0,2

UOC

–

3

DUOC

–

0,2

tPHLD/tPLHD

7

35

ST

12

–

Скорость передачи данных, Мбит/с при RL = 27 Ом; CL =15 пФ; UCC = 3,3 В

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Входы

–

25 ±10; –60; +125

25 ±10

Выход

RE

DE

A–B

RO

L

X

≥ +0,2 B

Н

L

X

≤ –0,2 B

L

L

X

Входы не задействованы

Н

Н*

L*

X

Z

Примечание к таблицам 3 и 4. Н — высокий уровень напряжения; L — низкий уровень напряжения; X — любой уровень напряжения (низкий или высокий); Z — выход в состоянии «Выключено». * — Режим с пониженным энергопотреблением.

www.kite.ru

44

блоки питания

Новые трехфазные блоки питания серии DRB мощностью 120 и 240 Вт на DIN-рейку от TDK-Lambda

Владимир Рентюк Rvk.modul@gmail.com

Введение Корпорация TDK — это ведущая электронная компания, имеющая штаб-квартиру в Токио, Япония. Основанная в 1935 году для производства и продажи феррита, компания сразу же оценила его как ключевой материал для электронных и индуктивных компонентов. В портфеле TDK представлены пассивные компоненты, в частности керамические, алюминиевые электролитические и пленочные конденсаторы, а также магнитные, высокочастотные, пьезоэлектрические и защитные устройства. В ассортименте продукции есть датчики и сенсорные системы — датчики температуры и давления, магнитные датчики и датчики MEMS. TDK фокусируется на требовательных рынках автомобильной, промышленной и бытовой электроники,

Корпорация TDK-Lambda пополнила серию экономичных блоков питания DRB [1] новой линейкой современных DIN-реечных модулей с трехфазным входом. Новинки с выходной мощностью 120 и 240 Вт и выходными напряжениями 12, 24 и 48 В способны отдавать 120% пиковой мощности и имеют низкие пусковые токи, что позволяет использовать их в широком спектре приложений, в том числе с емкостными и индуктивными нагрузками.

Таблица. Общие технические характеристики трехфазных блоков питания серии DRB, предлагаемых TDK Corporation под торговой маркой TDK-Lambda DRB120-12-3-XX

DRB120-24-3-XX

DRB240-24-3-XX

DRB240-48-3-XX

Выходное напряжение, В (DC)

Характеристики ном.

12

24

24

48

Выходной ток, A

ном.

10

5

10

5

Пиковый ток, А (2 с)

макс.

12

6

12

6

Частота электросети, Гц

ном.

50/60

Диапазон входного напряжения, В (АС)

макс.

Выходная мощность, Вт

ном.

120

120

240

240

Пиковая мощность, Вт (2 с)

макс.

144

144

288

288

Коэффициент полезного действия1, %

макс.

89,4/89,1

91,3/91,2

93,1/93,2

93,8/94

Срок службы1, ч

мин.

307 000/220 000

343 000/258 000

125 000/136 000

150 000/160 000

Диапазон рабочих температур, °C

ном.

Габариты (Ш×В×Г), мм

макс.

Вес, г Сертификаты (CB, UL, UR) Дополнительные стандарты безопасности

Три фазы, 350–575

–25…+70 (снижение мощности с +55) 55×129×138,2 660

780

IEC/EN/UL/CSA 61010-1, 61010-2-201, 62368-1 (Ed.2) IEC 60950-1, EN 60204-1, IEC/EN 62477-1, 61204-7, 61558-2-16

Примечание. 1 При 400/500 В переменного тока, нагрузке 100%, температуре окружающей среды +25 °C.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

блоки питания

45

Рис. 1. Трехфазные блоки питания серии DRB TDK-Lambda торговой марки TDK-Lambda

Рис. 2. Блок-схема трехфазных блоков питания серии DRB TDK-Lambda торговой марки TDK-Lambda

а также информационных и коммуникационных технологий. В 2021 финансовом году общий объем продаж TDK составил $13,3 млрд, а штат сотрудников по всему миру достиг 129 000 человек. Со своей системой менеджмента качества и в рамках собственной стратегии отсутствия дефектов, TDK Corporation постоянно совершенствует свои процессы, продукты и услуги.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Корпорация TDK-Lambda, c 2008 года входящая в TDK Corporation, является ведущей компанией мирового масштаба по производству высоконадежных источников питания самого различного назначения.

TDK-Lambda обеспечивает разнообразные запросы потребителей благодаря широкому диапазону своей деятельности — от исследований и разработок до производства, продаж и обслуживания, с основными пунктами

в пяти ключевых регионах, охватывающих Японию, Китай, другие страны Азии, а также Европу и Америку.

Трехфазные блоки питания мощностью 120 и 240 Вт В 2021 году TDK-Lambda объявила о добавлении к серии DRB для монтажа на DIN-рейку новых моделей в дополнение к однофазным www.kite.ru

46

блоки питания

а

б

Рис. 3. Передние панели трехфазных блоков питания серии DRB TDK Corporation, выпускаемые под торговой маркой TDK-Lambda, варианты исполнения: а) А0; б) А1

блокам питания [2]. Новые экономичные блоки питания, рассчитанные на подключение к трехфазной сети переменного тока номинальным напряжением 400 В, предназначены для непрерывной работы при мощности 120 и 240 Вт [3] и изготавливаются с выходными напряжениями 12, 24 и 48 В. Внешний вид трехфазных блоков новой линейки, дополняющей серию DRB, показан на рис. 1, а их блоксхема представлена на рис. 2. Общие технические характеристики трехфазных блоков питания серии DRB, выпускаемых под торговой маркой TDK-Lambda, приведены в таблице. Трехфазные блоки питания серии DRB выпускаются в металлических корпусах (алюминиевые корпус и крышка) с винтовыми клеммами — опция А0, или со вставными терминалами (клеммы типа Pushin) — опция А1, с небольшим различием по габаритам — глубина блока изменяется в пределах 135,67–138,2 мм. Передние панели обоих вариантов исполнения показаны на рис. 3. Терминал Push-in позволяет простым способом подключать провода сечением от 0,25 мм 2 напрямую и без инструмента, а рекомендованные сечения проводов и их терминация указаны в соответствующих выбранной модели спецификациях. Используемые для варианта А1 контактные пружины гарантируют простоту подключения, низкое сопротивление и высокую надежность контакта. Особенности и преимущества трехфазных блоков питания серии DRB TDK-Lambda: • Широкий диапазон входного переменного напряжения при питании от трехфазной электросети: 350–575 В.

• Работа на 120% мощности в течение 2 с (работа с емкостными нагрузками).

• Интеллектуальная защита Hiccup в режиме короткого замыкания.

• Переключатель параллельного режима для активации режима балансировки нагрузки.

• Дополнительные уровни защиты повышают стойкость блока питания к входным возмущающим воздействиям.

• Быстрое срабатывание защиты от превышения выходного напряжения OVP (Over Voltage Protection) защищает чувствительные к напряжению питания нагрузки.

• Очень низкий пусковой бросок энергии (I2t) снижает затраты на защиту входной линии электропитания.

• Два варианта исполнения выходных клемм.

• Высокий КПД и низкие потери в режиме ожидания способствуют более экономичному использованию электроэнергии.

• Высокая устойчивость к перегрузкам благодаря режиму стабилизации тока обеспечивает надежность работы блока питания в сложных условиях нагрузки.

• Наличие светодиодной и электрической сигнализации (выводы DC OK и реле Inhibit).

• Работоспособность с выходной мощностью до 100% при обрыве одной фазы.

• Разработаны в соответствии с требованиями семи наиболее признанных стандартов безопасности IEC. • Разработаны с солидным запасом от нормативных кривых стандарта по излучаемым ЭМП (класс B), устойчив к скачкам напряжения и быстрым переходным процессам. Примечание. Защита Hiccup (буквально: «икота») — это режим работы импульсного блока питания, при котором осуществляются лишь циклические кратковременные включения схемы коммутации, что позволяет исключить перегрев устройства питания и автоматически восстановить работоспособность системы после снятия условия перегрузки. Устойчивость к перегрузке по току (в течение 2 с модули DRB могут выдавать пиковые значения мощности 144 и 288 Вт соответственно), а также характеристика защиты с вертикальной токовой кривой позволяют блокам этой серии более стабильно работать с емкостными и индуктивными нагрузками. Кроме всего прочего, рассматриваемые в статье источники питания имеют очень короткий пульс пускового тока с низкой амплитудой и энергиями 0,3/0,8A2·с для моделей 240-Вт и 0,3/0,6 для 120‑Вт моделей (для входных номиналов 400/500 В AC соответственно), что снижает вероятность ложного срабатывания системы защиты электросети. В качестве примера на рис. 4 приведена временная диаграмма включения блока питания DRB240-24-3‑A0/А1. График зависимости КПД от выходной мощности блока питания DRB240-24-3‑A0/А1 приведен на рис. 5. Высокая эффективность работы с КПД до 93% и низкое энергопотребление без нагрузки, которое при переходе в режим ожидания может быть снижено менее чем до 2,3 Вт, способствуют экономии электроэнергии. Важным свойством серии

Рис. 4. Пусковой ток и энергия во время фазы запуска блока питания DRB240-24-3‑A0/А1

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

блоки питания

Рис. 5. Зависимость КПД блока питания DRB240-24-3‑A0/А1 от выходной мощности

Рис. 6. Зависимость КПД блока питания DRB240-24-3‑A0/А1 от температуры окружающей среды

также является двухфазная работоспособность. Трехфазные блоки питания серии DRB имеют конвекционное охлаждение и рассчитаны на работу при температуре окружающей среды –25…+70 °C со снижением номинальных характеристик начиная с +55 °C (рис. 6). Кроме того, более низкие потери мощности уменьшают внутренний нагрев и увеличивают срок службы электролитических конденсаторов, что крайне важно для повышения надежности [4] не только блока питания, но и конечной системы оборудования в целом (поскольку модуль питания является ключевым элементом надежности практически любой системы). Согласно данным спецификации на трехфазные блоки питания серии DRB, максимальный срок службы электролитических конденсаторов, как наиболее слабого звена всех блоков питания [4], составляет от 44 000 ч (5 лет) до 307 000 ч (35 лет) в зависимости от модели, температуры окружающей среды и тока нагрузки (расчет основан на данных, гарантированных

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

производителем использованных в них компонентов). Дополнительная надежность трехфазных блоков питания серии DRB и их устойчивость к входным воздействиям увеличены за счет установки металлооксидных варисторов (MOV) в сочетании с газовым разрядником (GDT) [5], а также встроенных предохранителей.

47

Блоки данной серии сертифицированы по требованиям IEC EN/UL CSA 61010-1, IEC EN/UL CSA 61010-2-201, IEC EN 62368-1 (Ed.2) E356563, UL CSA 62368-1 (Ed.2) E511889 и имеют маркировку CE/UKCA в соответствии с директивами по низковольтному оборудованию, электромагнитной совместимости, требованиями директивы RoHS и рядом дополнительных регламентирующих стандартов. Ток утечки на частоте 575 В, 50 Гц не превышает 0,8 мА, ток прикосновения (по IEC 60990) не более 40 мкА. Электрическая прочность изоляции, типовые испытания (60 с) по IEC 61010-1: • вход/выход: 3510 В (AC); • вход/защитное заземление (PE): 2210 В (AC); • вход/блокировка (INHIBIT): 3510 В (AC); • выход/защитное заземление (PE): 1390 В (AC); • выход/блокировка (INHIBIT): 1390 В (AC); Все модели имеют широкий диапазон регулировки выходного напряжения: 11,4–15 В (модель на 12 В), 22,5–29 В (модели на 24 В) и 45–56 В (модель на 48 В), что позволяет компенсировать падение напряжения в силовом кабеле, а также работать с нагрузками, требующими нестандартных выходных напряжений. Регулировка осуществляется однооборотным потенциометром (под шлиц), расположенным на передней панели. В дополнение к светодиодному индикатору флага DC OK для удаленного мониторинга состояния выхода доступен релейный контакт, а дистанционное включение/выключение возможно выполнить подачей на вход управления сигнала с порогами напряжения 4/6 В (рис. 7). Требования по управлению изложены в спецификациях на блок питания. Для более мощных или требующих резервирования нагрузок установленный на передней панели DIP-переключатель активирует более равномерное распределение тока между подсоединенными устройствами серии DRB при их параллельной работе. Также для увеличения выходного напряжения блоки могут быть включены последовательно. При необходимости может быть использовано и двухфазное включение. Все доступные варианты включения рассмотрены ниже.

Рис. 7. Подключение трехфазных блоков питания серии DRB TDK-Lambda для удаленного управления и мониторинга через программируемый логический контроллер (ПЛК)

www.kite.ru

48

блоки питания

Рис. 8. Блок-схема модуля DRM40 от TDK Corporation, используемого для создания схем с резервированием

Параллельное подключение Для увеличения мощности трехфазные источники питания серии DRB TDKLambda можно подключать параллельно. Кроме того, параллельное соединение может быть выполнено в целях ограниченного резервирования, чтобы устранить влияние неисправностей, возникающих на первичной (AC) стороне источников питания. Однако при этом необходимо учитывать и принимать во внимание следующее: • допускается параллельное подключение только источников питания одной серии и одинаковой мощности; • DIP-переключатель на передней панели источников питания должен быть переключен в положение PARALLEL (параллельно), как показано на рис. 2; • линии подключения нагрузки должны быть одинаковыми по длине и поперечному сечению; • выходное напряжение источников питания должно быть отрегулировано на одинаковые значения с допуском не более ±100 мВ;

• все подключенные параллельно источники питания должны работать в одинаковых условиях окружающей среды; • запрещается эксплуатировать источники питания при условиях, требующих снижения номинальной мощности, — например, высота над уровнем моря выше 3000 м, температура окружающей среды выше +55 °C; • если параллельно подключено более трех источников питания, каждый выход должен быть защищен модулем развязки (например, серии DRM), должен использоваться модульный автоматический выключатель, диод или предохранитель (дополнительная информация представлена в спецификациях).

DIN-реечные модули DRM40 могут применяться для создания схем с резервированием типа N+1 или для параллельного подключения двух источников питания с токами 20–40 A. DRM40 (рис. 8) имеет светодиодный индикатор балансировки уровня напряжений на обоих входах, два индикатора входов типа DC OK, а также два релейных изолиро-

Рис. 9. Параллельное подключение трехфазных блоков питания серии DRB TDK-Lambda

ванных сигнала рабочего состояния каждого источника питания. Внутреннее падение напряжения модуля DRM40 не превышает 200 мВ [6]. Доступен упрощенный вариант DRM40B без сигнализации. При параллельной работе необходимо учитывать возможное увеличение значений пусковых токов, электромагнитных помех, гармонических токов и токов утечки, а также рассмотреть возможность увеличения межмодульных промежутков. Схема подключения трехфазных блоков питания серии DRB в параллель показана на рис. 9. Дополнительная информация по параллельному подключению доступна в спецификациях. Двухфазный режим Устройство DRB способно работать непрерывно от двух фаз трехфазной электросети. При этом оно может выдавать полную мощность без снижения, если прочие критические параметры (такие как температура окружающей среды или высота эксплуатации прибора над уровнем моря) находятся вне зоны ограничения мощности. Также при работе с обрывом фазы необходимо принять во внимание следующие особенности: • КПД и потери мощности, соответствующие для стандартного режима, не гарантируются; • время задержки, указанное для трехфазного режима не гарантируется; • если блок постоянно работает при входном напряжении ниже 350 В переменного тока, может сработать защита OTP; • устройство может не соответствовать нормам стандарта по гармоническим токам IEC/EN 61000-3-2; • сертификаты безопасности по UL 61010-1, -2-201 и UL 62368-1 (Ed.2) при двухфазном режиме более не применяются. Схема с двухфазным подключением трехфазных блоков питания серии DRB показана на рис. 10. Дополнительная информация по последовательному подключению доступна в спецификациях.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

блоки питания

Рис. 10. Схема с двухфазным подключением трехфазных блоков питания серии DRB TDK-Lambda

Заключение

сок находится на сайте [9] в разделе «Местные дистрибьюторы»). Кроме приобретения продуктов, можно получить профессиональные консультации и всестороннюю техническую поддержку. В скором времени компания намерена представить версии трехфазных блоков питания серии DRB мощностью 480 и 960 Вт. n

Литература 1. Compact 120W and 240W three-phase input DIN rail power supplies feature +20% peak power capability and low energy inrush current // www.emea.lambda.tdk.com/ru/news/ article/17200 2. www.emea.lambda.tdk.com/ru/products/drb 3. www.emea.lambda.tdk.com/ru/products/ drb‑3‑phase-series 4. Рентюк В. Алюминиевые электролитические конденсаторы, или Еще раз про надежность // Силовая электроника. 2018. № 3.

5. Рентюк В. Комбинированный варистор компании BOURNS — эффективное решение проблемы защиты оборудования. Сборник «Электромагнитная совместимость в электронике». 2019.

6. DRM40 Модуль для создания схем резервирования на DIN-рейку // www.emea.lambda.tdk.com/ ru/products/drm40 7. www.emea.lambda.tdk.com/ru/products/ 8. www.emea.lambda.tdk.com/ru/news/article/ 17200 9. www.tdk-lambda.ru/com

Реклама

Трехфазные блоки питания серии DRB TDK-Lambda подходят для широкого спектра применений от обычных распределительных шкафов в энергетике до различных промышленных систем: • в линиях промышленной автоматики и управления процессами;

• в контрольно-испытательном оборудовании; • в оборудовании связи; • в системах возобновляемой энергетики; • в производстве полупроводников. Кроме того, они могут использоваться в сфере информационных и коммуникационных технологий. Рассмотренные в статье трехфазные блоки питания серии DRB от TDK-Lambda имеют регистрационный знак соответствия продукции техническим регламентам Евразийского таможенного союза и могут без ограничений использоваться на территории Российской Федерации, Беларуси, Армении, Казахстана и Кыргызстана. Благодаря многолетнему опыту и обширным знаниям о приложениях клиентов на рынке промышленных источников питания компания TDK является надежным партнером. В своих продуктах TDK Group делает акцент на качестве и надежности и проводит всесторонние, тщательные испытания компонентов, которые применяются в производстве на ее предприятиях по всему миру. Полный контроль над процессом изготовления позволяет добиваться высокого качества продукции. Приобрести необходимые источники питания компании TDK Corporation [7] можно через ее глобальную торговую сеть и доверенных партнеров. Офисы официальных представителей TDK-Lambda Russia имеются в Москве, Санкт-Петербурге, а также в ряде других городов России и СНГ (полный спи-

49

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

50

проектирование

схемотехника

Использование в методике ASMD-FSMD операторов неблокирующего назначения для повышения быстродействия цифровых устройств

Валерий Соловьев, д. т. н. valsol@mail.ru

Введение Традиционно проектируемое цифровое устройство принято представлять в виде операционного устройства (datapath) и устройства управления (controller или controlunit), которые обычно проектируются отдельно: операционное устройство — в виде совокупности стандартных функциональных узлов (регистров, шин, мультиплексоров и др.), а устройство управления — в виде конечного автомата (finite state machine, FSM). Благодаря своей наглядности блок-схемы автоматов (algorithmic state machine, ASM) получили широкое распространение для представления алгоритмов функционирования FSM. Впервые схемы ASM были рассмотрены в [1] как альтернатива графам автоматов. В [2] операционное и управляющее устройства предлагается объединить и представить как конечный автомат с трактом обработки данных (finite state machine with datapath, FSMD). В [3] показано, как схемы ASM использовать для описания поведения устройства управления и регистровых операций, выполняемых в операционном устройстве. Такая ASM получила название «блок-схема автомата с трактом обработ-

Методика ASMD-FSMD-проектирования цифровых устройств заключается в построении блок-схемы автомата с трактом обработки данных, описывающей поведение устройства, и создании кода проекта на языке Verilog в виде конечного автомата с трактом обработки данных. Одним из направлений развития методики ASMD-FSMD является использование особенностей языка описания аппаратуры. В статье выдвигается следующая гипотеза: в методике ASMD-FSMD возможно применение нескольких операторов неблокирующего назначения к одной и той же переменной в одном такте синхронизации, что приводит к увеличению быстродействия устройства по сравнению с традиционным подходом. Предложенная гипотеза исследовалась при проектировании синхронных умножителей, реализующих классические алгоритмы умножения c и d. Экспериментальные исследования подтвердили справедливость данной гипотезы, при этом быстродействие умножителей, реализующих алгоритм c, увеличилось почти в два раза, а умножителей, реализующих алгоритм d, увеличилось почти в три раза по сравнению с традиционным подходом.

ки данных» (algorithmic state machine with datapath, ASMD). Методика ASMD-FSMD-проектирования цифровых устройств впервые представлена в [4]. В методике ASMD-FSMD предложено код проекта описывать на языке Verilog непосредственно по схеме ASMD в виде FSMD. Сравнение методики ASMD-FSMD с традиционным подходом в случае использования в качестве устройства управления автоматов типа Мили и Мура приведено в [5]. В [6] рассматривается использование методики ASMD-FSMD для проектирования устройств цифровой обработки сигналов. Главным достоинством методики ASMDFSMD является значительное сокращение времени разработки проектов (в 5–7 раз). Кроме того, по сравнению с традиционным подходом методика ASMD-FSMD позволяет в большинстве случаев уменьшить стоимость реализации и увеличить быстродействие проектов. Одно из направлений развития данной методики — применение особенностей языка описания аппаратуры (hardware description language, HDL). В настоящей статье показано использование в методике ASMD-FSMD операторов неблокирующего назначения языка Verilog

[7] для увеличения быстродействия цифровых устройств. Статья организована следующим образом: • Кратко описывается методика ASMDFSMD. Представлена главная идея предлагаемого подхода и выдвигаемая гипотеза.

• На примере проектирования синхронного умножителя с помощью методики ASMDFSMD демонстрируется использование предлагаемого подхода.

• Описаны экспериментальные исследования.

• В заключение подводятся итоги, где поясняется верность выдвинутой гипотезы.

Методика ASMD-FSMD Разработка цифровых устройств с помощью методики ASMD-FSMD заключается в построении схемы ASMD поведения устройства и создании кода проекта в виде FSMD на языке Verilog. Схема ASMD состоит из блоков ASMD. Каждый блок ASMD описывает поведение FSMD в одном состоянии в течение одного такта синхронизации (рис. 1). Блок ASMD включает одну вершину состояния (прямоугольник) и может иметь несколько условных вершин (ромбов) и вершин выходов

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

схемотехника

Рис. 1. Блок ASMD

по условию (овалов), причем ромбы могут как предшествовать овалам, так и следовать после них. Блок ASMD имеет только один вход, который служит входом в вершину состояния, и может иметь один или несколько выходов. Входы и выходы вершин соединяются с помощью дуг. Обратные связи запрещены внутри блока ASMD. Циклы алгоритма и ждущие состояния в схеме ASMD реализуются с помощью внешних (по отношению к блоку ASMD) обратных связей. Вблизи вершины состояния записывается имя состояния FSMD. В случае FSMD типа Мура внутри вершины состояния (прямоугольника) записываются операции, выполняемые в данном состоянии FSMD. В случае FSMD типа Мили в вершинах выхода по условию (овалах) записываются операции, выполняемые на данном переходе FSMD. В условных вершинах (ромбах) записываются логические выражения. Выходы условной вершины обозначаются значениями «0» и «1», которые соответствуют переходам в случае ложного или истинного значения логического выражения. В качестве операций, записываемых в прямоугольниках и овалах, а также в качестве логических выражений могут использоваться любые операции и логические выражения, допустимые в HDL (в нашем случае в языке Verilog). Схема ASMD представляет собой композицию соединенных между собой блоков ASMD. При этом каждый выход любой вершины ASMD может быть соединен только с одним входом другой вершины, то есть ветвление алгоритма возможно только в условных вершинах. Код проекта на языке Verilog строится непосредственно по созданной схеме ASMD. Вначале выполняются необходимые объявления переменных (внутренних регистров устройства) и состояний FSMD. Каждый блок ASMD (состояние FSMD) описывается в виде процедурного блока begin…end. Условные

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

проектирование

51

Рис. 2. Операционное устройство синхронного умножителя c

вершины описываются с помощью операторов if. Присваивание значений переменным описывается с помощью операторов неблокирующего назначения (<=). Операции, выполняемые в прямоугольниках (для FSMD Мура), описываются в начале блока begin…end, а операции, выполняемые в овалах (для FSMD Мили), описываются в соответствующих местах операторов if (при этом возможно использование операторных скобок begin…end).

Суть предлагаемого подхода Очевидно, что для увеличения быстродействия проекта необходимо минимизировать число состояний FSMD в циклах алгоритма, то есть в цепях обратной связи ASMD. Пусть с данными, находящимися в регистре (то есть со значением переменной v), необходимо выполнить несколько последовательных действий. Например, сложить содержимое регистра v с содержимым другого регистра w, результат запомнить в исходном регистре (v = v+w), сдвинуть содержимое регистра влево или вправо на несколько разрядов (v = v<<1) и др. При традиционном подходе для хранения значения переменной необходимо использовать сдвиговый регистр. В этом случае, чтобы загрузить в сдвиговый регистр некоторое значение (результат сложения) и сдвинуть содержимое регистра, необходимо два такта синхронизации: один для загрузки в регистр внешних данных, а второй для сдвига содержимого регистра. Вопрос: а нельзя ли эти действия выполнить за один такт синхронизации? Предпосылкой для такого предположения является то, что в одном блоке ASMD можно использовать несколько вершин выходов по условию (овалов). Кроме того, язык Verilog предоставляет операторы неблокирующего назначения (<=), которые не препятствуют

выполнению других операторов в одном и том же процедурном блоке. Отметим также, что для FSMD Мили в одном блоке ASMD можно проверять несколько логических выражений и в зависимости от результатов этих проверок выполнять различные операции с одними и теми же переменными, записывая операции в различных овалах. Другими словами, можно ли несколько операций с одной и той же переменной выполнять в одном блоке ASMD? Гипотеза. Использование операторов неблокирующего назначения языка Verilog в методике ASMD-FSMD позволяет выполнить несколько операций с одной и той же переменной за один такт синхронизации, что приводит к увеличению быстродействия устройства по сравнению с традиционным подходом.

Пример использования методики ASMD-FSMD для проектирования синхронного умножителя Известны следующие классические методы умножения, по которым строятся синхронные умножители [8]: • алгоритм a, когда проверяется младший разряд множителя, множитель сдвигается вправо, а множимое — влево; • алгоритм b, когда проверяется старший разряд множителя, множитель сдвигается влево, а множимое — вправо; • алгоритм c, когда проверяется старший разряд множителя, множитель и частные произведения сдвигаются влево; • алгоритм d, когда проверяется младший разряд множителя, множитель и частные произведения сдвигаются вправо. Для проверки нашей гипотезы рассмотрим алгоритм умножения c. Операционное устройство и конечный автомат в случае традиционного подхода показаны на рис. 2, 3 соответственно. www.kite.ru

52

проектирование

схемотехника

чивается, иначе содержимое регистра rp сдвигается влево и цикл умножения повторяется. Заметим, что в одном блоке ASMD выполняется увеличение значения и сдвиг содержимого регистра rp, а также увеличение значения счетчика cnt и сравнение этого значения с величиной N–1. Таким образом, при использовании методики ASMD-FSMD умножение N‑битовых чисел A и B по алгоритму с выполняется за n = N+1 тактов синхронизации. Непосредственно по схеме ASMD на рис. 4 можно записать следующий код FSMD на языке Verilog проекта mult_c_Mealy_FSMD синхронного умножителя, реализующего алгоритм умножения c.

Рис. 3. Устройство управления синхронного умножителя c в виде графа конечного автомата типа Мили

Значения чисел A и B поступают на вход операционного устройства. На выходах операционного устройства формируется произведение P и сигнал done, указывающий на окончание процесса умножения. Значение множимого A (рис. 2) загружается в регистр ra, значение множителя B загружается в сдвиговый регистр rb; произведение P формируется в сдвиговом регистре rp. Сумматор выполняет сложение содержимого регистра rp с множимым A или с нулем. Мультиплексор служит для выбора второго операнда сумматора. Счетчик cnt формирует внутренний сигнал обратной связи roll, совпадающий с сигналом done, единичное значение которого указывает на окончание процесса умножения. Процесс умножения чисел A и B начинается с установки сигнала run. Конечный автомат FSM (рис. 3) на основании значений сигналов run и roll формирует необходимые значения следующих управляющих сигналов: • load — для загрузки в регистры значений умножаемых слов A и B; • load_p — для загрузки результата сложения в регистр rp; • clr — для сброса регистра rp и счетчика cnt; • ena — для разрешения операции сдвига содержимого регистра rb и увеличения значения счетчика cnt; • ena_p — для разрешения операции сдвига содержимого регистра rp. Умножитель также управляется сигналом синхронизации clk и сигналом сброса reset. В состоянии S0 конечный автомат ожидает прихода сигнала run, который запускает процесс умножения путем перехода в состояние S1, при этом формируются сигналы load и clr. Поскольку для загрузки результатов суммирования в регистр rp и сдвига содержимого регистра rp требуется два такта

Рис. 4. Схема ASMD алгоритма умножения c

синхронизации, одному циклу умножения соответствуют два состояния: S 1 и S2. При переходе из состояния S1 в состояние S2 в регистр rp по сигналу load_p загружается результат суммирования, а по сигналу ena выполняется сдвиг содержимого регистра rb. При переходе из состояния S2 в состояние S1 по сигналу ena_p содержимое регистра rp сдвигается влево. Процесс умножения заканчивается (FSM переходит в состояние S0) после формирования сигнала roll. Таким образом, при традиционном подходе умножение N‑битовых чисел A и B с помощью алгоритма с выполняется за n = 2N+1 тактов синхронизации. Схема ASMD алгоритма умножения c (рис. 4) состоит из двух блоков ASMD, соответствующих состояниям S0 и S 1 FSMD Мили. В состоянии S 0 ожидается единичное значение сигнала run, при его установке выполняется инициализация переменных. Состояние S1 соответствует циклу умножения. При rb[N–1] = 1 к содержимому регистра rp добавляется значение множимого (в противном случае ничего не добавляется). Затем увеличивается значение счетчика cnt и выполняется сдвиг влево содержимого регистра rb. В этом же блоке ASMD проверяется значение счетчика cnt. Если cnt = N–1, то устанавливается флаг done и процесс умножения закан-

Рис. 5. Результаты моделирования умножителя, спроектированного по методике ASMD-FSMD

module mult_c_Mealy_FSMD #(parameter N=4) // размер операндов (input clk, reset, run, // сигналы управления input [N–1:0] a,b, // множимое a и множитель b output reg [2*N–1:0] p, // произведение p output reg done); // флаг окончания умножения reg [2*N–1:0] rp; // объявление регистров reg [N–1:0] ra,rb; reg [N:0] cnt; // счетчик localparam [0:0] s0=0,s1=1; // состояния FSMD reg [0:0] state; // переменная состояний always @(posedge clk, negedge reset) // описание поведения FSMD if(!reset) state <= s0; // сброс FSMD else case (state) s0: if(run) begin // описание первого блока ASMD

rp = 0; cnt<= 0; done <= 0;

ra<= a;

rb<= b;

state<= s1; end else state <= s0; s1: begin // описание второго блока ASMD

if(rb[N–1])rp = rp+ra;

cnt<= cnt+1'b1;

rb<= rb<<1;

if (cnt == N–1) begin done<= 1'b1; p <= rp; state<= s0;

end

else begin rp = rp<<1; state<= s1;

end end default: state <= s0; end case end module

Результаты моделирования проекта mult_c_Mealy_FSMD в системе Quartus Prime приведены на рис. 5. На рис. 5 видно, что умножение 4‑битовых чисел действительно выполняется за пять тактов синхросигнала clk. Для сравнения на рис. 6 приведены результаты моделирования синхронного умножителя, реализующего алгоритм умножения c, который был спроектирован по традиционной технологии. На рис. 6 видно, что умножение 4‑битовых чисел выполняется за девять тактов синхронизации.

Рис. 6. Результаты моделирования умножителя, построенного по традиционной методике

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

схемотехника

проектирование

53

Таблица. Результаты исследования реализации алгоритмов умножения c и d Метод

LT

LA

LT/LA

tT

tA

mult_c_4

35

35

1

40,25

20,22

tT/tA 1,99

mult_c_8

60

65

0,92

93,11

47,82

1,95

mult_c_16

112

138

0,81

183,55

97,72

1,88

mult_c_32

208

270

0,77

452,46

238,75

1,98

mult_c_64

405

540

0,75

1267,69

639,39

1,98

mult_c_128

793

1006

0,79

8216,11

4200,59

1,96 2,02

mult_d_4

32

29

1,1

41,77

20,67

mult_d_8

58

48

1,21

82,48

36,41

2,27

mult_d_16

98

75

1,31

159,26

53,86

2,96

mult_d_32

176

141

1,25

410,87

158,33

2,59

mult_d_64

338

271

1,25

940,51

355,62

2,64

mult_d_128

663

528

1,26

4851,8

2178,69

2,23

Таким образом, наша гипотеза (использование операторов неблокирующего назначения языка Verilog в методике ASMD-FSMD позволяет выполнить несколько операций с одной и той же переменной за один такт синхронизации, что приводит к увеличению быстродействия устройства) полностью подтвердилась. Отметим, что возможность выполнения нескольких операций с одной и той же переменной за один такт синхронизации объясняется особенностями реализации компилятором языка Verilog операторов неблокирующего назначения.

Экспериментальные исследования Исследование эффективности методики ASMD-FSMD проводилось при реализации на FPGA семейства Cyclone IV E с помощью системы Quartus Prime версии 18.1 алгоритмов умножения c и d. При описании алгоритма d схемой ASMD в одном блоке ASMD выполняется добавление к содержимому регистра rp значения регистра ra, а также сдвиг вправо регистра rp. Алгоритмы умножения c и d были реализованы с помощью традиционного подхода в виде операционного устройства и устройства управления, а также с помощью методики ASMD-FSMD. Проекты исследовались с шириной входных слов 4, 8, 16, 32, 64 и 128 бит. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице, где mult_c_N и mult_d_N — проекты, реализующие алгоритмы умножения c и d соответственно; N — ширина входных слов умножителей в битах; LT и LA — число используемых логических элементов FPGA (стоимость реализации) в случае традиционного подхода и при использовании методики ASMD-FSMD соответственно; tT и tA — время выполнения операции умножения в наносекундах в случае традиционного подхода и при использовании методики ASMD-FSMD; LT/LA и tT/tA — отношения соответствующих параметров. Анализ таблицы показывает, что использование методики ASMD-FSMD позволяет в среднем увеличить быстродействие алгоритма c в 1,96 раза (для примера

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 7. Коэффициенты (число раз) увеличения быстродействия для каждого примера

mult_c_4 в 1,99 раза) и алгоритма d в 2,45 раза (для примера mult_c_16 в 2,96 раза). Кроме того, методика ASMD-FSMD позволяет в среднем для алгоритма d уменьшить стоимость реализации в 1,23 раза (для примера mult_c_16 в 1,31 раза). Увеличение быстродействия в результате применения методики ASMD-FSMD можно также видеть на рис. 7.

Заключение В рамках применения методики ASMDFSMD к реализации синхронных умножителей в статье исследована возможность использования в одном блоке ASMD нескольких операторов неблокирующего назначения языка Verilog к одной и той же переменной с целью увеличения быстродействия. Показано, что в одном блоке ASMD можно применять несколько операторов неблокирующего назначения к одной и той же переменной. При этом все действия в одном блоке ASMD выполняются за один такт синхронизации, что приводит к значительному увеличению быстродействия устройства. Экспериментальные исследования показали, что применение методики ASMD-FSMD для реализации алгоритмов умножения c и d позволило увеличить быстродействие алго-

ритма умножения c почти в два раза, а алгоритма d — почти в три раза. n

Литература 1. Clare C. R. Designing logic systems using state machines. N.Y., McGraw-Hill Book Company, 1973.

2. Gajski D. D., Dutt N. D., Wu A. C., Lin S. Y. HighLevel Synthesis: Introduction to Chip and System Design. Boston, MA, Kluwer, 1992.

3. Ciletti M. D. Advanced digital design with the Verilog HDL. New Delhi, PrenticeHallofIndia, 2005.

4. Salauyou V. Using ASMD-FSMD Technique for Digital Device Design. International Conference on Dependability and Complex Systems. Springer, Cham, 2021.

5. Salauyou V., Klimowicz A. Digital Device Design by ASMD-FSMD Technique. International Conference on Computer Information Systems and Industrial Management. Springer, Cham, 2021.

6. Solov’ev V. V. ASMD-FSMD Technique in Designing Signal Processing Devices on Field Programmable Gate Arrays // Journal of Communications Technology and Electronics. 2021. Vol. 66. No. 12.

7. Соловьев В. В. Основы языка проектирования цифровой аппаратуры Verilog. Изд 2‑е, испр. и доп. М.: Горячая линия – Телеком, 2021.

8. Соловьев В. В. Язык Verilog в проектировании встраиваемых систем на FPGA. М.: Горячая линия – Телеком. 2020.

www.kite.ru

проектирование

54

схемотехника

Построение рисунка плоской части графа СЭП. Метод базисов

Сергей Курапов, к. ф.-м. н. lilili5050@rambler.ru Максим Давидовский, к. ф.-м. н. m.davidovsky@gmail.com

Введение Рассмотрим несепарабельный неориентированный непланарный граф G(V,E) с множеством вершин card V = n и множеством ребер card E = m. Выделим множество изометрических циклов графа Cτ [1]. Из множества изометрических циклов Cτ выделим множество базисов, принадлежащих пространству суграфов £(G) Bτ = {bτ1, bτ2, …, bτp}, card Bτ = p, bτi ⊂ Cτ, card (bτi) = m–n+1 для всех i = 1, 2, …, p. Построение базиса будем осуществлять модифицированным алгоритмом Гаусса из множества изометрических циклов графа со случайным порядком расположения элементов. В качестве примера рассмотрим граф G1, представленный на рис. 1. Множество изометрических циклов графа G1 имеет вид: с1 = {e1, e2, e6} → {v1, v2, v3}; с2 = {e1, e3, e8} → {v1, v2, v5}; с3 = {e1, e4, e9} → {v1, v2, v6}; с4 = {e2, e3, e10, e12} → {v1, v3, v4, v5}; с5 = {e2, e4, e10, e13} → {v1, v3, v4, v6}; с6 = {e2, e5, e11} → {v1, v3, v7}; с7 = {e3, e4, e14} → {v1, v5, v6}; с8 = {e3, e5, e15} → {v1, v5, v7}; с9 = {e4, e5, e16} → {v1, v6, v7}; с10 = {e6, e7, e10} → {v2, v3, v4}; с11 = {e6, e8, e11, e15} → {v2, v3, v5, v7}; с12 = {e6, e9, e11, e16} → {v2, v3, v6, v7}; с13 = {e7, e8, e12} → {v2, v4, v5}; с14 = {e7, e9, e13} → {v2, v4, v6}; с15 = {e8, e9, e14} → {v2, v5, v6}; с16 = {e10, e11, e12, e15} → {v3, v4, v5, v7}; с17 = {e10, e11, e13, e16} → {v3, v4, v6, v7}; с18 = {e12, e13, e14} → {v4, v5, v6}; с19 = {e14, e15, e16} → {v5, v6, v7}.

Для выделения базиса пространства суграфов £(G), состоящего из изометрических

В публикации рассматривается метод построения рисунка плоской части непланарного графа схемы электрической принципиальной (СЭП) с одновременным построением математических структур для описания топологического рисунка плоского графа СЭП. В качестве математической модели используется подмножество изометрических циклов графа, обладающее определенным значением целевой функции; рассматривается дискретная задача нахождения такого подмножества. Представленный метод основан на случайном выделении базиса изометрических циклов модифицированным алгоритмом Гаусса. Далее выделение плоской части графа производится методом градиентного спуска. Полученная в результате работы алгоритма система простых циклов графа индуцирует вращение вершин для описания топологического рисунка плоской части графа СЭП.

циклов, воспользуемся модифицированным алгоритмом Гаусса для определения ранга системы [6]. Выделим множество базисов Bτ. Для графа G1 цикломатическое число графа v(G1) = m–n+1 = 10. В таблице представлены варианты базисов пространства суграфов £(G) графа G1. Так как процесс выделения

циклов модифицированным методом Гаусса чувствителен к расположению элементов во множестве Cτ, базисы формируются в результате расположения изометрических циклов Cτ в случайном порядке. Следующий шаг — выделение циклов из базиса методом наискорейшего спуска до достижения нулевого значения функционала Маклейна [2]: (1) Здесь коэффициент ai характеризует количество изометрических циклов, проходящих по ребру ei в подмножестве циклов. Каждый раз, исключая цикл из базиса, необходимо соблюдать выполнение условия Эйлера для количества оставшихся циклов kc в системе [3, 6]:

kc–m+n–1 = 0. Рис. 1. Граф G1

(2)

Рассмотрим несколько вариантов выделения плоской части графа G1. Вариант 1 — это подмножество независимых изометрических циклов с нулевым значением функционала Маклейна имеет вид:

Таблица. Варианты базисов пространства суграфов £(G) графа G1 №

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

1

c1

c2

c1

c2

Вариант 5 c2

2

c3

c3

c2

c5

c3

3

c4

c5

c5

c7

c6

4

c7

c6

c7

c8

c9

5

c8

c11

c9

c10

c10

6

c10

c13

c10

c12

c11

7

c12

c15

c12

c13

c13

8

c13

c16

c13

c16

c15

9

c14

c17

c17

c17

c17

10

c19

c18

c19

c19

c19

цикл 1: {e6, e7, e10} → {v3, v4, v2}; цикл 2: {e7, e8, e12} → {v4, v5, v2}; цикл 3: {e14, e15, e16} → {v6, v7, v5}; цикл 4: {e1, e2, e6} → {v2, v3, v1}; цикл 5: {e3, e4, e14} → {v5, v6, v1}; цикл 6: {e2, e3, e10, e12} → {v3, v4, v5, v1}; цикл 7: {e1, e4, e9} → {v2, v6, v1}.

Данное подмножество циклов описывает топологический рисунок плоской части графа с удалением ребер e5, e11, e13 (рис. 2). КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

схемотехника

проектирование

55

Вариант 4 — подмножество независимых изометрических циклов с нулевым значением функционала Маклейна имеет вид: цикл 1: {e3, e4, e14} → {v5, v6, v1}; цикл 2: {e10, e11, e12, e15} → {v4, v5, v7, v3}; цикл 3: {e14, e15, e16} → {v6, v7, v5}; цикл 4: {e1, e3, e8} → {v2, v5, v1}; цикл 5: {e6, e7, e10} → {v3, v4, v2}; цикл 6: {e6, e9, e11, e16} → {v3, v7, v6, v2}; цикл 7: {e7, e8, e12} → {v4, v5, v2}.

Топологический рисунок плоской части графа с удаленными ребрами e2, e5, e13 представлен на рис. 5. Вариант 5 — подмножество независимых изометрических циклов с нулевым значением функционала Маклейна имеет вид: Рис. 2. Топологический рисунок плоской части (вариант 1)

цикл 1: {e6, e8, e11, e15} → {v3, v7, v5, v2}; цикл 2: {e6, e7, e10} → {v3, v4, v2}; цикл 3: {e14, e15, e16} → {v6, v7, v5}; цикл 4: {e1, e4, e9} → {v2, v6, v1}; цикл 5: {e4, e5, e16} → {v6, v7, v1}; цикл 6: {e8, e9, e14} → {v5, v6, v2}; цикл 7: {e2, e5, e11} → {v3, v7, v1}.

Рис. 5. Топологический рисунок плоской части (вариант 4)

Топологический рисунок плоской части графа с удаленными ребрами e3, e12, e13 представлен на рис. 6. Вращение вершин топологического рисунка графа, изображенного на рис. 6, описывается следующей диаграммой [5]: v1: v2: v3: v4: v5: v6: v7:

Рис. 3. Топологический рисунок плоской части (вариант 2)

Вариант 2 — подмножество независимых изометрических циклов с нулевым значением функционала Маклейна имеет вид: цикл 1: {e1, e4, e9} → {v2, v6, v1}; цикл 2: {e12, e13, e14} → {v5, v6, v4}; цикл 3: {e8, e9, e14} → {v5, v6, v2}; цикл 4: {e10, e11, e12, e15} → {v4, v5, v7, v3}; цикл 5: {e2, e4, e10, e13} → {v3, v4, v6, v1}; цикл 6: {e1, e3, e8} → {v2, v5, v1}; цикл 7: {e2, e5, e11} → {v3, v7, v1}.

v2 v1 v1 v2 v7 v1 v1

v6 v4 v7 v3 v6 v2 v6

v7 v3 v2

v3 v5 v4

v2 v5 v5

v7 v3

v6

Естественно, что в процессе решения возможно получение различного количества удаленных ребер графа. Из множества полученных решений выбирают топологические рисунки плоской части графа с минимальным количеством удаленных ребер [4]. Вычислительная сложность данного метода в основном определяется сложностью выделения независимой системы циклов методом Гаусса o(p 3), где p — количество изометрических циклов. Программная реализация

Топологический рисунок плоской части графа с удаленными ребрами e6, e7, e16 представлен на рис. 3. Вариант 3 — подмножество независимых изометрических циклов с нулевым значением функционала Маклейна имеет вид: цикл 1: {e6, e7, e10} → {v3, v4, v2}; цикл 2: {e3, e4, e14} → {v5, v6, v1}; цикл 3: {e1, e2, e6} → {v2, v3, v1}; цикл 4: {e14, e15, e16} → {v6, v7, v5}; цикл 5: {e7, e8, e12} → {v4, v5, v2}; цикл 6: {e1, e3, e8} → {v2, v5, v1}; цикл 7: {e4, e5, e16} → {v6, v7, v1}.

Топологический рисунок плоской части графа с удаленными ребрами e9, e11, e13 представлен на рис. 4.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 6. Топологический рисунок плоской части (вариант 5)

изложенного метода выделения рисунка плоской части непланарного графа СЭП, близкого к максимально плоскому суграфу, состоит из следующих этапов: 1. Построение множества изометрических циклов со случайным местоположением элементов.

2. Выделение независимой системы изометрических циклов модифицированным методом Гаусса.

3. Выделение подмножества циклов с нулевым значением функционала Маклейна методом наискорейшего спуска, характеризующего плоскую часть графа.

4. Создание базы данных рисунков плоской части непланарного графа для проведения анализа и синтеза структур. n

Литература

Рис. 4. Топологический рисунок плоской части (вариант 3)

1. Курапов С. В., Давидовский М. В., Клиценко А. А. Изометрические циклы графа // Вісник ЗНУ: Збірник наук. статей. Фіз.-мат. науки. 2016. № 1.

2. Курапов С. В., Толок А. В. Методы построения топологического рисунка графа // Автоматика и телемеханика. 2013. № 9.

www.kite.ru

проектирование

56

схемотехника

3. Курапов С. В., Давидовский М. В., Толок А. В. Метод визуализации рисунка непланарного графа // Научная визуализация. 2019. Т. 11. № 2.

4. Курапов С. В., Давидовский М. В., Толок А. В. Генерация топологического рисунка плоской части непланарного графа // Научная визуализация. 2020. Т. 12. № 1.

новости

5. Курапов С. В., Давидовский М. В. Алгоритмы построения топологического и геометрического рисунков графа СЭП // Компоненты и технологии. 2017. № 6.

6. Kurapov S. V., Tolok A. V. Construction of a Topological Drawing of the Most Planar Subgraph of the Non-planar Graph // Automation and Remote Control.

2018. V. 79. No. 5.

датчики

Сверхвысокоскоростной сенсор GSPRINT4510 от Gpixel

Реклама

Компания Gpixel представила новинку, 4/3″ 10 Мп сверхвысокоскоростной сенсор GSPRINT4510 с кадровой частотой, достигающей 2000 Гц при полном разрешении. Новинка призвана дополнить линейку сенсоров серии GSPRINT

более доступной моделью с малым форм-фактором и меньшим разрешением. Сенсор совместим с другим прибором серии — GSPRINT4521.

GSPRINT4510 — это 10‑Мп (4608×2176) 4/3 дюйма (22,9 мм) высокоскоростной датчик, построенный на основе новейшего пикселя с кадровым затвором размером 4,5 мкм. Емкость пикселя достигает 30 000е– при шуме считывания менее 3е–. Кроме выдающихся скоростных характеристик, сенсор отличает значительный динамический диапазон и встроенная функция зарядового биннинга 2×2, что позволяет увеличить значение максимально накапливаемого сигнала до 120 000е– и в четыре раза поднять кадровую частоту.

GSPRINT4510 выпускается в двух вариантах. Первая версия предназначена для лазерного 3D-сканирования и поддерживает 144 пары sub-LVDSканалов со скоростью 1,2 Гбит/с каждый, что обеспечивает высокую скорость 2000 кадр/с при 8‑битной операции и 2048 строках, и более 3500 кадр/с с окном интереса (ROI) в 1024 строки в сочетании с несколькими режимами HDR. Для других применений, включая сверхвысокоскоростные промышленные задачи, требовательные научные применения и 4K-видео, датчик предлагается в монохромном, цветном исполнении и обеспечивает скорость до 500 кадр/с при 12 бит, 1008 кадр/с при 10 битах и 1928 кадр/с при 8 бит при полном разрешении. И все это без учета возможностей зарядового биннинга, дающего четырехкратный прирост производительности. www.gpixel.com

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

схемотехника

проектирование

57

Понимание и использование драйверов для работы без операционной системы и драйверов платформы

Махеш Фальке (Mahesh Phalke) Перевод: Михаил Русских tau68@rambler.ru

Д

ля поддержки процесса разработки с использованием прецизионных преобразователей ADI предоставляет примеры встраиваемого микропрограммного обеспечения, основанного на драйверах для работы без ОС, которые отвечают за настройку устройства, сбор данных, получаемых от преобразователя, выполнение калибровки и т. д. Примеры микропрограммного обеспечения, основанные на таких драйверах, облегчают организацию передачи данных на хост-компьютер для их отображения, хранения и дальнейшей обработки.

Что представляют собой драйверы для работы без ОС и драйверы платформы Как следует из названия, драйверы для работы без ОС могут присутствовать в системах на «голом железе», которые не имеют какой-либо встроенной ОС, или применяться с любыми (то есть не какими-либо конкретными) операционными системами. Эти драйверы предоставляют высокоуровневые API-интерфейсы для доступа к данным цифрового интерфейса конкретного прецизионного преобразователя. Драйверы для работы без ОС, применяющие эти API, могут взаимодействовать с устройствами для их настройки, чтения и записи данных, при этом они не будут иметь сведений об адресах регистров (карте памяти) и их содержимом. Драйверы для работы без встроенной ОС используют уровень драйверов платформы, что позволяет повторно устанавливать одни

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Чтобы упростить процесс проектирования современных технологических решений, требуется поддержка со стороны программного обеспечения (функции драйверов и примеры кода). В статье описывается использование драйверов для работы без ОС (операционной системы) и набор драйверов, необходимых для создания микропрограммного обеспечения для взаимодействия электронного устройства с прецизионными аналого-цифровыми преобразователями и цифро-аналоговыми преобразователями компании Analog Devices, которые характеризуются высокой скоростью, малым энергопотреблением, компактными размерами и высоким разрешением.

и те же драйверы на различных аппаратных/программных платформах, благодаря чему микропрограммное обеспечение можно легко портировать. Использование уровня драйверов платформы изолирует их для работы без ОС от низкоуровневых деталей интерфейсов, специфичных для платформы, таких как SPI, I2C, GPIO и т. д. (рис. 1), что позволяет повторно применять эти драйверы на различных платформах без внесения в них изменений.

Использование драйверов для работы без ОС На рис. 2 представлена стандартная структура кода драйверов для работы без ОС. Код драйвера для работы без ОС для прецизионных преобразователей, как правило, включается в два исходных файла, написанных

Рис. 1. Стек микропрограммного обеспечения прецизионных преобразователей

на языке C: adxxxx.c и adxxxx.h, где под xxxx подразумевается наименование устройства (например, AD7606, AD7124 и т. д.). Заголовочный файл устройства (adxxxx.h) содержит описание специфичных для него структур, перечислений, адресов регистров и битовых масок, предназначенных для общего доступа после включения этого файла в необходимые исходные файлы. Исходный файл устройства (adxxxx.c) содержит реализацию функций, предусмотренных для инициализации и удаления устройства, чтения/записи в регистры устройства, чтения данных с устройства, получения/установки параметров устройства и т. д. Типичные драйверы для работы без ОС основаны на стандартном наборе следующих функций: • Объявление адресов регистров конкретного устройства, макросов битовой маски, перечислений конфигурации устройства и структур для чтения/записи конкретных параметров устройства (таких как передискретизация, коэффициент усиления, напряжение опорного источника и т. д.).

• Инициализация/деинициализация физического устройства с помощью функций драйвера для инициализации/удаления устройства и специфичных для устройства структур инициализации и драйверов, а также дескрипторов.

• Доступ к карте памяти устройства или битам регистра с помощью функций чтения/записи в регистры устройства, таких как adxxxx_read_register() или adxxxx_write_ register(). www.kite.ru

58

проектирование

схемотехника

Рис. 2. Структура кода драйвера для работы без ОС

всех возможных значений для обоих полей, которые пользователь может выбрать. Функция adxxxx_set_adc_conf ig(), определенная в файле adxxxx.c, принимает передаваемые пользователем конфигурационные значения и параметры через структуру конфигурации и далее вызывает функцию adxxxx_spi_reg_write() для записи данных в регистр устройства ADXXXX_ REG_CONFIG с помощью цифрового интерфейса (в рамках предыдущего случая таким интерфейсом является SPI).

Рис. 3. Перечисления, структуры и API конфигурации устройства

Использование драйверов для работы без ОС Использование конкретных адресов устройства, битовых масок, а также структур и перечислений конфигураций параметров Как уже было сказано, заголовочный файл adxxxx.h содержит объявление всех специфичных для устройства перечислений и структур, которые передаются в специфичные для устройства функции или API с целью настройки или обеспечения доступа к параметрам устройства. Это показано на рис. 3. Структура adxxxx_config, представленная на рис. 3, позволяет пользователям выбирать канал мультиплексора и устанавливать

для него частоту передискретизации. Оба параметра этой структуры (afe_mux_channel и oversampling) являются перечислениями, присутствующими в том же заголовочном файле, содержащем числовые константы

Инициализация устройства с использованием функции инициализации и структур драйверов для работы без ОС Помимо структур и перечислений конфигурации, драйверы для работы без ОС предоставляют две дополнительные структуры: • структуру инициализации устройства; • структуру драйвера устройства. Структура инициализации устройства, именуемая также init, позволяет определять конкретные параметры и конфигурационные значения устройства в коде пользова-

Рис. 4. Объявление структур инициализации (init) и драйвера устройства

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

схемотехника

проектирование

59

Рис. 5. Определение структуры инициализации устройства (init) в пользовательском приложении

тельского приложения. Структура init (рис. 4) содержит элементы других структур параметров и перечислений, зависящих от устройства. На рис. 5 показано, как определяется структура инициализации устройства. Структура драйвера устройства загружает параметры инициализации устройства через функцию инициализации устройства adxxxx_init(). Структура драйвера устройства выделяется из пространства кучи и распределяется в динамической памяти. Параметры, объявленные в структуре драйвера устройства и структуре инициализации устройства, практически идентичны друг другу. Структура драйвера устройства является исполняемой версией структуры инициализации устройства. Следующие шаги описывают стандартную функцию инициализации устройства и процесс инициализации: • Шаг 1. Создайте определение (или экземпляр) структуры инициализации устройства (например, struct adxxxx_init_params) в вашем приложении, чтобы инициализировать определяемые пользователем параметры устройства и зависящие от платформы параметры драйвера. Параметры определяются во время компиляции. Примечание. Параметры, определенные в структуре init, могут различаться в зависимости от устройства.

• Шаг 2. Создайте экземпляр указателя (переменную) структуры драйвера устройства в коде приложения. В пользовательском приложении необходимо создать единственный экземпляр указателя структуры драйвера устройства. Этот экземпляр передается всем API и функциям драйверов для работы без ОС для доступа к параметрам устройства. Данный экземпляр указателя, определенный в коде приложения, указывает на область динамически выделяемой памяти в куче, реализуемой с помощью функции инициализации устройства, такой как adxxxx_init(), которая определена в драйверах для работы без ОС.

• Шаг 3. Инициализируйте устройство и другие периферийные модули для конкретной платформы, вызвав функцию инициализации устройства.

Функция adxxxx_init(), определенная в драйверах для работы без ОС, инициализирует устройство с пользовательскими параметрами, переданными через структуру adxxx_init_param. Экземпляр указателя структуры драйвера устройства и экземпляр структуры инициализации устройства передаются в эту функцию инициализации как два аргумента. Код пользовательского приложения может вызывать функцию adxxxx_init() несколько раз при условии, что вызов функции инициализации будет сопровождаться последующим вызовом функции удаления устройства. Доступ к карте памяти (содержимому регистров) с помощью функций чтения/записи регистров устройства Пользователи могут получить доступ к содержимому регистров устройства (например, идентификатору продукта, значению в оперативной памяти, регистру состояния выходных каналов и т. д.) с помощью присущих драйверам для работы без ОС специальных функций adxxx_read/write() (рис. 6). В большинстве случаев пользователи не применяют функции доступа к регистрам напрямую. Зависящие от устройства функции осуществляют вызов через функции доступа к регистрам, такие как adxxxx_spi_reg_read/write(). Для доступа к карте памяти устройства рекомендуется использовать API состояния и конфигурации устройства, а не функции прямого доступа к регистрам, поскольку благодаря этому обеспечивается синхронизация структур драйвера устройства с параметрами его конфигурации.

Драйверы платформы Драйверы платформы представляют собой один из уровней аппаратной абстракции (HAL), который охватывает специфичные для платформы API-интерфейсы. Они вызываются драйверами устройств для работы без ОС или функцией пользовательского приложения, чтобы обеспечить независимость от каких-либо аппарат-

Рис. 6. Доступ к содержимому регистров

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

60

проектирование

схемотехника

Рис. 7. Структура драйвера платформы для SPI

ных и программных платформ. Драйверы платформы охватывают низкоуровневые аппаратные функции, специфичные для конкретной платформы, такие как инициализация интерфейса SPI/I2C и чтение/запись в их регистры, инициализация блоков линий GPIO и чтение/запись в их регистры, инициализация интерфейса UART и прием/передача данных посредством UART, пользовательские задержки, прерывания и т. д. Стандартная файловая структура модуля драйвера платформы для SPI показана на рис. 7.

Использование драйверов платформы Программный код драйвера платформы, как правило, имеется в трех исходных файлах, написанных на языках C/C++.

• spi.h — это независимый от платформы файл, в котором содержатся перечисления и структуры устройства, необходимые для работы SPI. Написанный на языке C интерфейс программирования, определенный в данном заголовочном файле, не имеет зависимостей от платформы. Все параметры, объявленные в структурах инициализации init и структурах устройства, являются общими для интерфейсов SPI вне зависимости от платформы.

• Параметр void*extra, используемый в структуре инициализации устройства, позволяет передавать дополнительные параметры, которые могут быть специфичными для используемой платформы. Параметры, объявленные в структуре драйвера SPI

Рис. 8. Структуры инициализации и драйвера SPI

и структуре инициализации SPI, практически идентичны друг другу. Структура драйвера SPI — это исполняемая версия структуры инициализации SPI (рис. 8).

• spi.cpp/.c — файл содержит реализацию функций, объявленных в файле spi.h, которые используются для инициализации периферийного модуля SPI и чтения/записи данных с/в него для конкретной платформы (рис. 9). Термин «платформа» в более широком смысле обозначает комбинацию аппаратного микроконтроллера (целевого устройства) и программного обеспечения (например, RTOS или MbedOS). Содержимое данного файла зависит от платформы и должно быть изменено при переносе на другую платформу.

Примечание. Добавленный код для spi_init() и spi_write_and_read() является сокращенным кодом, то есть в данном случае для простоты понимания подробности были опущены.

• spi_extra.h — файл содержит дополнительные перечисления или структуры устройств, специфичные для конкретной платформы. Благодаря этому в коде пользовательского приложения могут предоставляться конфигурационные параметры, не включенные в стандартный файл spi. h. Например, номера выводов интерфейса SPI могут различаться в зависимости от платформы, поэтому они могут быть указаны как часть этих дополнительных структур для конкретной платформы (рис. 10).

Рис. 9. API-интерфейсы или функции модуля SPI

Рис. 10. Дополнительные структуры инициализации и драйвера SPI

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

схемотехника

проектирование

61

Рис. 11. Реализация процедуры инициализации SPI в Mbed

Рис. 12. Различия между драйверами платформ

Портирование драйверов платформы Драйверы платформы можно портировать (переносить) с одной платформы (микроконтроллера) на другую, создавая файлы .cpp/.c и _extra.h для конкретной платформы (рис. 11). Драйверы платформы располагаются на один уровень выше специфичного для конкретного устройства уровня аппаратной абстракции (HAL), предоставляемого производителем микроконтроллера. Таким образом, для портирования этих драйверов с одной платформы на другую потребуется внесение минимальных изменений в коде драйвера платформы, связанных с вызовом функций или API,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

имеющихся в HAL, предоставляемом производителем устройства. На рис. 12 показаны различия между драйверами платформы для SPI в среде Mbed и драйверами платформы для SPI микроконтроллера ADuCM410. Ссылки на репозиторий ADI с драйверами для работы без ОС и драйверами платформы доступны на страницах Wiki [2] и GitHub [3] компании Analog Devices.

Изменение драйверов для работы без ОС Драйверы ADI для работы без ОС распространяются по модели open source (с открытым исходным кодом) и размещены

на GitHub. Здесь представлены драйверы не только для прецизионных преобразователей, но и для многих других продуктов компании Analog Devices, таких как акселерометры, приемопередатчики, фотоэлектронные устройства и т. д. Любой, кто пожелает разобраться в исходном коде данных драйверов, сможет внести в них изменения, впоследствии подтвердив изменения (commit) и создав запрос на принятие изменений для их проверки. Здесь также представлено немало примеров проектов, которые можно запускать в средах Linux и/или Windows. Многие примеры проектов созданы с использованием языка описания аппаратуры (HDL) для работы на ПЛИС типа FPGA, выпускаемых компаниями Xilinx, Intel и т. д., и могут работать с процессорами от разных производителей. Написанные на языке C программные драйверы для систем без ОС доступны в отдельном репозитории GitHub (No-OS) компании Analog Devices [4]. На Wiki-странице Analog Devices [5] представлены разработанные для прецизионных преобразователей примеры для работы n с Mbed и платформой ADuCMxxx.

Литература 1. www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/ understanding-and-using-the-no-os-andplatform-drivers.html 2. www.wiki.analog.com/resources/no-os/drivers 3. www.github.com/analogdevicesinc/no-OS/tree/ master/drivers/platform 4. www.github.com/analogdevicesinc/no-OS 5. www.wiki.analog.com/resources/tools-software/ product-support-software

www.kite.ru

проектирование

62

схемотехника

Алгоритм оценки импульсной характеристики канала связи на основе цифровой обработки сигналов Василий Филимонов, к. т. н. Алексей Давыдов, к. т. н. awgn@yandex.ru

В

При прохождении по реальным каналам связи сигнал испытывает искажения, связанные с многолучевостью его распространения. Рассматривая канал связи с позиции ЦОС, можно оценить причины искажений сигнала с достаточной точностью. В статье дается обзор многолучевого канала связи и предлагается алгоритм оценки его импульсной характеристики на основе обращения матриц.

следствие отражений электромагнитных волн от разнообразных поверхностей сигнал передатчика приходит в точку приема различными путями (в общем случае — бесконечным числом). Например, в ДКМ-радиосвязи сигнал отражается от земной поверхности и слоев ионосферы, в сотовой связи — от дорог, домов, автомобилей, объектов городской инфраструктуры (рис. 1). В каждом из этих путей сигнал испытывает те или иные ослабления амплитуды (Am) из-за различий отражающих поверхностей и разные задержки (τm), связанные с длиной пути прохождения. В точке приема происходит сложение всех копий сигнала, достигших приемной антенны:

вызывает флуктуации амплитуды принимаемого сигнала (замирания) и наложение элементов сигнала друг на друга (межсимвольная интерференция). При этом копии сигнала могут сложиться в противофазе, что вызовет полные замирания принимаемого сигнала. Если передатчик, приемник и все отражатели неподвижны, то вследствие интерференции лучей в каждой точке пространства интенсивность сигнала будет разной, но постоянной. Можно сказать, что образуется некоторая интерференционная картина — карта интенсивности сигнала (рис. 2). Если приемник, передатчик или отражатели перемещаются друг относительно друга, то амплитуды и фазы приходящих в точку приема лучей изменяются во времени:

Эти копии сигнала называют лучами, а само явление — многолучевым распространением сигнала. Как известно, результатом сложения гармонических колебаний одной частоты будет гармоническое колебание той же частоты, но с измененной амплитудой и фазой. Поэтому сложение лучей в точке приема

В этом случае карта интенсивности сигнала будет постоянно меняться. Каждый луч будет иметь свой доплеровский сдвиг, вызванный частотой сигнала и скоростью перемещения передатчика, приемника и отражателей друг относительно друга. Суммирование множества лучей с различными доплеровскими сдвигами приводит к растеканию спектра сигнала.

Рис. 1. Пути распространения ЭМВ от передатчика к приемнику

Карта интенсивности сигнала зависит не только от расположения отражателей, но и от ширины спектра сигнала ΔF, так как на разных частотах лучи будут складываться с различными значениями начальных фаз. Модулированный сигнал всегда имеет ненулевую полосу частот ΔF, поэтому разные спектральные составляющие сигнала испытывают разные ослабления в точке приема. Если разброс времени прихода лучей Δτ << 1/ΔF, то ослабление всех составляющих спектра сигнала будет примерно одинаковым. Такой канал связи называют неселективным, или плоским (flat channel). Если выполняется обратное условие ΔF ≥ 1/Δτ, то различные спектральные составляющие сигнала будут испытывать разные замирания. В этом случае говорят, что канал является частотно-селективным (frequency selective channel) (рис. 3). От времени запаздывания между лучами Δτ зависит и размер краевых искажений, возникающих при наложении элементов сигнала друг на друга (МСИ). В случае, когда Δτ << 1/B, где B — скорость передачи (символов/с), принятый элемент сигнала

Рис. 2. Карта интенсивности сигнала [1]

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

схемотехника

проектирование

63

Рис. 4. Краевые искажения в условиях межсимвольной интерференции

а

б

Рис. 3. Оценка спектра и сонограмма сигнала ЦФМ‑8: а) без искажений; б) после частотно-селективного канала связи а

можно условно разделить на две части — полезную часть, значения которой зависят только от копий этого символа, и пораженную часть, чьи значения связаны еще и с предшествующим символом (рис. 4). Лучи, задержка между которыми Δτ ≤ 1/B, называют неразделимыми. Это связано с тем, что при выполнении корреляционного приема решение будет принято по всему символу, независимо от соотношения полезной и пораженной частей. Одним из способов борьбы с МСИ, вызываемой неразделимыми лучами, является сглаживание импульсов (использование формы манипулирующего импульса, отличной от прямоугольной). В случае, когда Δτ > 1/B, каждый принятый символ, независимо от формы манипулирующего импульса, представляет собой взвешенную сумму нескольких предшествующих символов. Невозможность разделения полезной и пораженной части в таких посылках («стирание» границ посылок) существенно усложняет символьную синхронизацию (выбор моментов принятия решения). Различные варианты распространения лучей (рис. 5) описываются соответствующими моделями каналов связи — каналом только с прямым лучом (АБГШ), каналом с прямым лучом и отраженными лучами (канал Райса) и каналом без прямой видимости, только с отраженными лучами (канал Релея). Эти модели каналов представлены в научно-технической литературе (например, [2]). Однако при использовании цифровой обработки сигналов (ЦОС) есть и другой способ представления многолучевого канала. Совокупность неразделимых лучей можно представить в виде одного рассеянного луча. Тогда коэффициент передачи такого луча g можно представить как сумму коэффициентов передачи gm неразделимых лучей со своими задержками τm. При дискретизации принятого сигнала с частотой 1 отсчет

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

в

б

Рис. 5. Варианты каналов связи: а) прямая видимость, отраженных сигналов нет (канал с АБГШ); б) прямая видимость, есть отраженные сигналы (канал Райса); в) прямой видимости нет, только отраженные сигналы (канал Релея)

на 1 элемент сигнала (символ) многолучевой канал можно рассматривать как некий трансверсальный фильтр (фильтр с конечной импульсной характеристикой), в котором элементы задержки выражают время запаздывания между отдельными лучами сигнала τm, а коэффициенты фильтра — ослабление отдельных лучей gm:

где n — номера отсчетов сигнала (дискретное время); m — сдвиг во времени (задержка распространения, измеряемая в целом числе периодов дискретизации); T — период дискретизации, равный длительности символа. Тогда принятый сигнал представляет собой результат свертки передаваемого сигнала с импульсной характеристикой такого фильтра (импульсной характеристикой канала связи).

Перейдем к стандартному обозначению импульсной характеристики из цифровой обработки сигналов и нормируем время к длительности символьного интервала (рис. 6). Знание импульсной характеристики канала связи позволило бы оценить все искажения (замирания и межсимвольную интерференцию), которым подвергается сигнал из-за многолучевого распространения. Длительность импульсной характеристики (порядок фильтра) зависит от среды распространения (в помещении, в городе, в открытой местности) и от длительности символьного интервала (скорости передачи):

Nh = int(τmax/T) = int(τmaxB), где τmax — максимальная задержка между лучами; Т — период дискретизации; int — целое число; В — скорость передачи в символах (посылок) в секунду.

Рис. 6. Структурная схема КИХ-фильтра (модели канала связи)

www.kite.ru

64

проектирование

схемотехника

Например, для скорости передачи 1200 бит/с и максимальной задержки в 0,01 с длительность импульсной характеристики составит:

Используя правила линейной алгебры, это выражение можно преобразовать для вычисления значений ИХ:

Nh = int(0,011200) = 12 символов (отсчетов).

· hT = s· –1s·ПРМ,

При этом в канале связи может не быть 12 разделимых лучей — это означает, что некоторые из коэффициентов импульсной характеристики фильтра равны нулю. Типичные значения разброса задержек зависят от условий распространения радиоволн [3]: • в помещении: 0,01–1 мкс (разность длин хода лучей 3–300 м); • в пригородах: 0,2–2 мкс (60–600 м); • в городской застройке: 1–30 мкс (3–9 км). Такая же модель канала связи будет справедлива и для обработки сигнала на нулевой частоте (комплексной огибающей сигнала), за исключением того, что отсчеты импульсной характеристики фильтра будут комплексными:

· где s·(n) — комплексная огибающая передаваемого сигнала; h(n) — импульсная характеристика комплексного фильтра (канала связи); s·ПРМ(n) — комплексная огибающая принятого сигнала. Комплексная огибающая принятого сигнала представляет собой результат свертки переданного сигнала и импульсной характеристики комплексного фильтра:

· s·ПРМ(n) = h(n) ⊗ s·(n). Поскольку частота дискретизации сигнала равна 1 отсчету на 1 символ, отсчетами комплексной огибающей сигнала будут сигнальные точки, отображаемые обычно в виде созвездия. Из формулы свертки видно, что для вычисления импульсной характеристики нужно знать не только принятый искаженный сигнал, но и переданный. То есть оценку импульсной характеристики можно производить по известному (тестовому, обучающему) сигналу. Частота подачи в канал тестового сигнала определяется скоростью изменения канала связи, а она, в свою очередь, зависит от того, как меняют свое положение друг относительно друга передатчик, приемник и все отражатели. Для любой среды распространения может быть определен интервал стационарности канала связи, в котором передатчик, приемник и отражатели считаются неподвижными друг относительно друга, а импульсная характеристика канала связи неизменной на этом интервале. Предлагаемый вариант вычисления ИХ канала связи значительно уменьшает информационную скорость вследствие периодической передачи через каждый интервал стационарности обучающих последовательностей, вместе с тем он имеет малую вычислительную сложность и простоту реализации. Операцию фильтрации на примере КИХ-фильтра 3‑го порядка для четырех принятых сигнальных точек можно представить в матричной форме:

где s· –1 — обратная матрица для s·. Не вдаваясь в особенности нахождения обратных матриц, отметим: • обратная матрица существует только для квадратной матрицы; • элементы матрицы могут быть как действительными, так и комплексными числами; • нахождение обратной матрицы является вычислительно сложной задачей, кроме того, не для всех квадратных матриц существуют обратные. Отметим, что вычислять значения обратной матрицы в режиме реального времени не требуется. Можно рассчитать обратные матрицы для тестовых последовательностей заранее и хранить их на приемной стороне. Следует также учесть, что на значение текущей принятой сигнальной точки оказывает влияние не только текущий символ передаваемого сигнала s(n), но и все предшествующие символы s(n–m). Для вычисления ИХ h(n) необходимы значения переданных символов и значения принятых сигнальных точек, на которые оказывали влияние только эти символы. Соответственно, принятые сигнальные точки, подвергавшиеся влиянию неизвестных символов, необходимо отбросить. Выполним программную реализацию алгоритма вычисления ИХ канала связи в среде MATLAB. Поставим обучающую последовательность после информационных символов, чтобы получить возможность учитывать влияние неизвестных информационных символов. Обратим внимание, что ее первые N–1 символов будут искажены, где N — длина импульсной характеристики канала связи. Для эксперимента возьмем длительность информационной и тестовой последовательностей в 20 символов и N = 7. clc, clear % Формирование блока сигнала ЦФМ-8 inf = [0 6 4 3 7 6 4 5 3 6 3 4 5 5 0 3 1 0 7 7]; % инф. символы test = [0 7 6 2 6 2 4 6 7 2 4 7 5 5 7 0 7 3 3 3]; % тест символы s = pskmod([inf test], 8); % перевод символов в ЦФМ-8 % ************************************************************************************************* % % % % %

% % % %

Моделирование канала связи Дополнительный уход частоты f_sdv = 0.05; % величина сдвига (в Гц) s = s.*exp(i*2*pi*f_sdv/1200*1:length(s)); % частотный сдвиг Многолучевость h = [0.8 (0.2+0.7i) 0.5 0.8i 0.3 0.5i (0.4+0.7i)]; % ИХ канала s_PRM = filter(h, 1, s); % прохождение сигнала через канал связи Дополнительный шум my_wgn = 0.01*wgn(length(s_PRM),1,0,'complex'); % уровень шума s_PRM = s_PRM + my_wgn'; % добавление шума plot(s_PRM, '*'), grid on, title('Сигнальное созвездие до компенсации МСИ') *************************************************************************************************

% Вычисление обратной матрицы test_matrix = zeros(10,10); % пустая матрица размером больше N for k = 1:10 % построчное заполнение test_matrix (k,:) = test(k:k+9); % строки сдвинуты на 1 символ end S = pskmod(test_matrix, 8); % перевод в значения ЦФМ-8 S_inv = inv(S); % вычисление обратной матрицы % ************************************************************************************************* % Вычисление ИХ канала связи signal_know = s_PRM(30:39); % вторая половина принятых тест символов h_otzenka = signal_know*S_inv; % вычисление ИХ канала связи h_otzenka = fliplr(h_otzenka) % верный порядок символов % ************************************************************************************************* % Сравнение оценки ИХ с истинной ИХ (в дБ) Oshibka = 20*log10(sum(abs(h – h_otzenka(1:7))))

Листинг 1

или в более компактной форме:

· s·ПРМ = s·hT.

Отметим, что рассмотренный в листинге 1 алгоритм получения ИХ канала связи является только общим принципом, а не работоспособным алгоритмом. Раскомментировав строки добавления шума, можно убедиться, что его значение сильно влияет на пра-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

схемотехника

вильность вычисления ИХ и, соответственно, на правильность компенсации МСИ. Учитывая нулевое среднее значение шума, можно предположить, что усреднение результата по нескольким обучающим последовательностям и увеличение их длительности приведут к более точной оценке ИХ канала связи. Если в качестве тестовых символов использовать последовательность Франка — Геймиллера (Frank — Heimiller), которая имеет уникальную особенность (ее периодическая автокорреляционная функция является идеальной), то исходя из значений обратной матрицы для такой последовательности видно, что при вычислении ИХ канала связи с использованием этой последовательности выполнение операций умножения не требуется. clc, clear % Последовательность Франка — Геймиллера в символах ЦФМ-8 F_G = [0 0 0 0 0 2 4 6 0 4 0 4 0 6 4 2]; x = pskmod(F_G, 8); % модуляция — значения символов s = [x x x x]; % повторяем несколько раз y = xcorr(s, x); % взаимная корреляция stem([real(y);imag(y)]'), grid on % ************************************************************** % вычисление обратной матрицы Xmatrix = zeros(16,16); % пустая матрица рангом 16 for k = 1:16 % построчное заполнение Xmatrix(k,:) = s(k:k+15); % каждая строка сдвинута на 1 символ end XmatrixInv = inv(Xmatrix)*16 % вычисление обратной матрицы

65

Рис. 7. Структура кадра в ДКМ-модеме с последовательной передачей данных (STANAG 4285)

Так в стандарте модема ДКМ диапазона STANAG 4539 (рис. 7) используется последовательность Франка — Геймиллера [4], хотя алгоритм работы компенсации влияния канала связи неизвестен. Работоспособность предложенного алгоритма оценки импульсной характеристики канала связи проверена на моделях и записях сигнала стандарта STANAG 4285. Более подробно это рассмотрено в [5]. n

2.

Литература

3.

1. IEEE Std 802.11b‑1999 (R2003) Supplement to IEEE Standard for Information technology — Telecommunications and information exchange between systems — Local and metropolitan area networks — Specific requirements — Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and

4.

5.

Physical Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band.

(ISBN 0-7381-1812-5 SS94788). Ермолаев В. Т., Флаксман А. Г. Теоретические основы обработки сигналов в системах мобильной радиосвязи. Нижегородский гос. ун-т им. Н. И. Лобачевского; Национальный исслед. ун-т. // www.studmed.ru/ermolaev-v‑t‑flaksmana‑g‑teoreticheskie-osnovy-obrabotki-signalovv‑sistemah-mobilnoy-radiosvyazi_45ef294ab3c. html Сергиенко А. Б. Цифровая связь: Учеб. пособие. СПб. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012.

MIL-STD‑188-110B. Department of defense interface standard. Interoperability and performance standards for data modem. 2000. Филимонов В. А. Теория электрической связи через цифровую обработку сигналов с примерами в Matlab. Вологда, Инфра-Инженерия, 2022.

Реклама

Листинг 2

проектирование

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

66

проектирование

Продолжение. Начало в № 10’2021

Владимир Макаренко, к. т. н. v.makarenko@vdmais.ua

Instrumentation Amplifier Diamond Plot Tool Компания Analog Devices предлагает программу Instrumentation Amplifier Diamond Plot Tool (кнопка In Amp на рис. 1), входящую в набор веб-инстументов ADI Precision Studio [1, 2], который поможет пользователям быстрее создавать схемы обработки и преобразования сигналов. В наборе предусмотрено семь программ (рис. 1). Рассмотрим основные возможности программы Instrumentation Amplifier Diamond Plot Tool, предназначенной для оценки диапазона выходных сигналов инструментальных усилителей при заданном уровне напряжения питания и коэффициенте усиления. Для анализа доступен 41 инструментальный усилитель, выпускаемый компанией Analog Devices, а также идеальный инструментальный усилитель, состоящий из трех операционных усилителей. При нажатии на кнопку In Amp открывается окно (рис. 2), в котором доступен для анализа инструментальный усилитель (по умолчанию AD8422), схема подключения усилителя, напряжение питания, а также параметры входного сигнала — напря-

Рис. 1. Набор веб-инструментов ADI Precision Studio

САПР

ADI Precision Studio от компании Analog Devices В статье приведена краткая информация о двух программах из набора веб-инстументов ADI Precision Studio — Instrumentation Amplifier Diamond Plot Tool и Photodiode Circuit Design Wizard. Подробно рассмотрена работа с этими программами. Первая из них позволяет за несколько минут выбрать инструментальный усилитель под заданные пользователем параметры, а вторая — получить схему трансимпедансного усилителя с низким уровнем шума для заданных параметров фотодиода и светового потока.

жение смещения Vcm и размах входного сигнала Vdiff. Внутри условного обозначения усилителя отображается коэффициент усиления, установленный для анализа. Его можно изменить, вручную вписав нужное значение. В правой части окна отображается несколько графических фигур, а при нажатии на кнопку Legend — обозначения цвета фигур (рис. 3). Серая зона на рис. 2, 3 соответствует диапазону входного и выходного напряжения, где работа усилителя невозможна. Оранжевым цветом обозначены пределы входного напряжения, синим — границы выходного напряжения, а зеленым — ограничения, обусловленные параметрами усилителя. Диапазон рабочих уровней очерчен красным прямоугольником. При нажатии на надпись How do I use this graph? выводится информация, которая объясняет, что отображается в этом окне. Краткое содержание сообщения приведено ниже. Рабочий диапазон В области, выделенной красным цветом, показан рабочий диапазон как входного, так и выходного напряжения. Пределы рабочего диапазона рассчитываются с учетом ам-

плитуды входного сигнала и коэффициента усиления усилителя. По вертикальной оси откладывается напряжение смещения (Vcm), а по горизонтальной — выходное напряжение (Vout). Ограничение устройства Остальные фигуры показывают операционные границы устройства. Каждая форма отображает границы определенного сигнала. При анализе рабочего диапазона выбранного усилителя доступны три варианта подключения входного сигнала: • биполярный (Differential); • только положительное напряжение (Singleended V+); • только отрицательное напряжение (Singleended V–). По умолчанию устанавливается биполярное входное напряжение. При изменении способа подачи входного сигнала изменяется отображение схемы. На рис. 4 приведен вид схемы при положительном входном напряжении. Для обеспечения расположения рабочей точки амплитудной характеристики на середине линейного участка на инвертирующий вход усилителя нужно подать отрицательное напряжение, которое на схеме обозначено как Vn. При отрицательном входном напряжении на неинвертирующий вход усилителя надо подавать положительное напряжение смещения (Vp). При попытке уменьшить напряжение питания ниже ±13 В выводится сообщение (на рис. 5 выделено красным цветом). В сообщении указаны пути исправления ситуации: • уменьшить уровень входного сигнала; • увеличить напряжение питания; • уменьшить коэффициент усиления; • прочитать рекомендации по использованию усилителя. При уменьшении коэффициента усиления до 50 (рис. 6) восклицательный знак в правой

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

САПР

проектирование

67

Рис. 2. Главное окно программы Instrumentation Amplifier Diamond Plot Tool

Рис. 3. Окно отображения допустимых значений напряжения на входе и выходе усилителя

части окна исчезает, сопротивление резистора Rg становится равным 404 Ом (вместо 200 Ом при коэффициенте усиления 100). Нетрудно проверить влияние изменения других параметров на результат. При нажатии кнопки Internal Circuitry в правой части окна выводится изображение внутренней схемы усилителя со значением постоянного напряжения в разных точках схемы. Снизу показаны

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 4. Отображение схемы подключения усилителя при положительном входном напряжении

два ползунка, которые позволят изменять напряжение смещения (Vcm) и входное напряжение (Vdiff). При изменении любого из этих параметров сразу отображается изменение напряжения в каждой из отображаемых точек. Это позволяет быстро исследовать поведение усилителя при изменении входного напряжения и напряжения смещения. www.kite.ru

68

проектирование

САПР

Рис. 5. Сообщение о недопустимых параметрах

Рис. 6. Окно программы при коэффициенте усиления усилителя 50 (AD8422)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

САПР

проектирование

69

Рис. 9. Фрагмент таблицы параметров инструментальных усилителей

Рис. 7. Отображение внутренней схемы усилителя и напряжения в различных точках схемы

Рис. 8. Фрагмент списка доступных для анализа инструментальных усилителей

При нажатии кнопки Recommended в верхней строке программы открывается список доступных инструментальных усилителей (рис. 7). Фрагмент этого списка со ссылками на страницу микросхемы на сайте компании Analog Devices приведен на рис. 8. При нажатии на стрелочку в квадратике (верхний левый угол на рис. 8) открывается таблица с основными параметрами инструментальных усилителей (рис. 9). Следовательно, использование программы Instrumentation Amplifier Diamond Plot Tool позволяет быстро исследовать свойства одного или нескольких инструментальных усилителей. Наличие таблицы с основными параметрами помогает оперативно выбрать подходящий по параметрам усилитель.

Photodiode Circuit Design Wizard Еще одна программа в составе ADI Precision Studio — Photodiode Circuit Design Wizard (кнопка Photodiode на рис. 1), предназначенная для быстрого выбора параметров трансимпедансного усилителя для усиления сигналов фотодиодов, характеристики которых задаются в процессе работы с программой [3].

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 10. Главное окно приложения Photodiode Circuit Design Wizard

www.kite.ru

70

проектирование

САПР

Рис. 11. Окно библиотеки фотодиодов

Рис. 12. Окно задания параметров выбранного фотодиода

Рис. 13. Принципиальная схема трансимпедансного усилителя с подключенным фотодиодом и основные параметры схемы

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

САПР

проектирование

71

Рис. 14. Импульсная переходная характеристика схемы, приведенной на рис. 13

Рис. 15. Частотная характеристика схемы, приведенной на рис. 13

Рис. 16. Зависимость спектральной плотности шума схемы, приведенной на рис. 13

Рис. 17. Зависимость уровня шума от частоты для схемы, приведенной на рис. 13

При выборе приложения Photodiode Circuit Design Wizard открывается окно (рис. 10), где приведены параметры фотодиода и схема его подключения к операционному усилителю (ОП). Параметры фотодиода можно задать вручную: • емкость фотодиода при обратном напряжении, равном нулю, — Capacitance (CD) at VR = 0V; • сопротивление шунтирующего диод резистора — Shunt Resistance (RSH); • пиковый ток через фотодиод — Peak Current (IP). Также фотодиод можно выбрать из списка, который открывается при нажатии кнопки Select Photodiode from Library. В библиотеке, чей фрагмент приведен на рис. 11, представлены фотодиоды многих

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

производителей и приведены их основные параметры. Если выбрать один из фотодиодов, представленных в библиотеке, то после этого надо нажать кнопку Select и в открывшемся окне (рис. 11) ввести максимальную интенсивность светового потока (Light Peak Intensity) и максимальный ток через фотодиод (Peak Photodiode Current). После чего нужно нажать кнопку Use this Peak Current (рис. 12). Вместо выбора фотодиода можно ввести его параметры вручную в главном окне программы. После выбора фотодиода надо нажать кнопку Go to Circuit Design, и в открывающемся окне Circuit Design (рис. 13) доступны основные параметры схемы в левой части окна. В правой части окна есть шесть вкладок: схема, импульсная переход-

ная характеристика, частотная характеристика, зависимость спектральной плотности шума от частоты, зависимость уровня шума от коэффициента усиления и частоты, а также рассчитанное значение отношения сигнал/шум при заданных параметрах фотодиода. Все эти вкладки показаны на рис. 13–18 в соответствии с приведенным перечнем. Для перехода к последнему окну программы Photodiode Circuit Design Wizard нужно нажать кнопку Go to Next Steps. В открывающемся окне (рис. 19) приведена схема трансимпедансного усилителя и указаны все параметры, необходимые для реализации схемы: • диапазон изменения напряжения питания при заданном программой операционном усилителе; www.kite.ru

72

проектирование

САПР

Рис. 18. Значение отношения сигнал/шум на выходе операционного усилителя при заданных параметрах фотодиода

Рис. 19. Последнее окно программы Photodiode Circuit Design Wizard

• значение емкости конденсаторов и сопротивления резисторов для усилителя и цепей питания. Программа установила сдвоенный операционный усилитель AD8676, и в окне на рис. 19, у второй половины этой микросхемы, сформирована надпись Why the spares? («При чем тут запасной усилитель?»). При нажатии на эту надпись выводится сообщение, показанное на рис. 20. В сообщении указано, что если в предложенной программе схеме применяется микросхема операционного усилителя с двумя или четырьмя ОУ в корпусе, то неиспользованные усилители отображаются для того, чтобы пользователь не забывал о наличии свободных ОП и мог бы их установить в другой схеме (или просто принял этот факт к сведению). В окне Order на рис. 19 можно оформить заявку на бесплатные образцы, нажав кнопку Samples, в области Get Files можно выбрать All Files или SPICE Files. Если выбрать загрузку All Files, то в архиве будут доступны файлы: • FrequencyResponse.csv — частотная характеристика; • NoiseGain.csv — зависимость уровня шума от частоты; • PulseResponse.csv — импульсная переходная характеристика; • SpectralNoiseDensity.csv — спектральная плотность шума; • Stability.csv — зависимость петлевого коэффициента усиления от частоты, что позволяет оценить стабильность схемы. Кроме того, загружается три файла моделей Spice: • ACAnalysis.cir — анализ работы модели пары фотодиод — трансимпедансный усилитель на переменном токе; • NoiseAnalysis.cir — анализ уровня шума модели пары фотодиод — трансимпедансный усилитель; • TransientAnalysis.cir — анализ переходных процессов модели пары фотодиод — трансимпедансный усилитель. В файле Design.pdf содержится вся информация по результатам моделирования и перечень элементов схемы. И наконец, в области Share вы можете поделиться копией своего проекта. После нажатия кнопки Mail to colleague откроется окно, в котором указывается название проекта и адрес электронной почты для отправки. Все эти процедуры подробно описаны в [4]. n

Литература

Рис. 20. Сообщение, которое выводится при нажатии кнопки Why the spares?

1. www.tools.analog.com/en/precisionstudio/ 2. www.tools.analog.com/en/diamond/#difL=0.1&d ifR=0.1&difSl=0.1&gain=100&l=8&pr=AD8422& r=8&sl=8&tab=1&ty=1&vn=15&vp=15&vr=0 3. www.tools.analog.com/en/photodiode/ 4. Макаренко В. ADI Precision Studio от компании Analog Devices // Компоненты и технологии.

2021. № 10.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ЭМС

технологии

73

Развитие процедур оценки соответствия безэховых экранированных камер для целей ЭМС в различных отраслях применения

Андрей Смирнов, д. т. н. Константин Басалаев Юрий Занин Филипп Колдашов

Общие положения Вполне естественно, что для оценки эмиссии излучаемых ИРП чрезвычайно важна среда, или, иными словами, измерительная площадка (ИП). К настоящему времени обоснованы и используются ИП различных типов. К ним относятся открытые ИП, альтернативные ИП (с защитой от нежелательных метеоусловий), полубезэховые камеры с пластиной заземления, полностью безэховые (экранированные) камеры (БЭК), TEMи GTEM-камеры, полосковые линии, реверберационные камеры. Сертификационный статус испытаний ЭМС определяет жесткую регламентацию характеристик ИП и конфигураций схем измерений, включая требования к геометрическим размерам ИП и ОИ, комплектующим элементам, к условиям размещения в них ОИ и измерительной антенны, а также устанавливает процедуры проверки соответствия используемых ИП требованиям стандартов и задачам испытаний. К числу ИП в диапазоне частот 30– 1000 МГц относятся открытые испытательные площадки (OATS), альтернативные измерительные площадки с защитой от осадков или полубезэховые камеры (SAC), полностью безэховые камеры (FAR). В диа-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Среди задач тестирования современных устройств по характеристикам электромагнитной совместимости (ЭМС) важное место занимает измерение уровня излучаемых индустриальных радиопомех (ИРП). Данные тесты объединяются в единую группу так называемых RE-тестов (radiated emission). Исторически это связано с тем, что указанные свойства характеризуют именно взаимодействие объектов испытаний (ОИ) как автономных самостоятельных устройств, зачастую подключенных к независимым системам питания и не содержащих коммуникационных межобъектовых линий. В настоящее время такие тесты являются сертификационными. Например, применительно к продукции общего назначения это подтверждается внедрением Технического регламента ТР ТС № 20. Вот почему чрезвычайно важно, с одной стороны, обеспечить соответствие конфигурации измерительной (испытательной) установки условиям целевого применения объекта. С другой стороны, критичным является соответствие регламентированных норм по излучаемым ИРП конфигурации измерений при проверке этих норм.

пазоне частот 1–18 ГГц используются полностью безэховые камеры (FSOATS — открытые испытательные площадки свободного пространства). GTEM- и реверберационные камеры используются частично в обоих указанных частотных диапазонах. Такое разнообразие ИП возникло не сразу. Оно стало следствием не только развития требований к характеристикам ЭМС в части RE-испытаний, но и необходимости повышения оперативности, снижения стоимости и широкой доступности данных тестов. Это создало возможности для проведения как сертификационных тестов в аккредитованных лабораториях, так и предквалификационных испытаний силами разработчика продукции на собственной производственной базе. Последние факторы послужили основой для развития концепции разделения испытаний на сертификационные и предквалификационные. Предквалификационные ЭМС-тесты аналогичны сертификационным испытаниям, но допускают небольшие отступления от стандартизованных условий испытаний, однако выполняются с более жесткими требованиями ЭМС к ОИ. Они осуществляются непосредственно разработчиком продукции для выявления слабых мест и их устранения на этапе проектирования либо опытного про-

изводства. Успешное проведение тестов позволяет увеличить шансы на положительный результат сертификационных испытаний или снизить финансовые затраты на привлечение аккредитованных лабораторий на этапе доведения характеристик продукции до требований ЭМС. Зарубежный опыт стандартизации в области ЭМС-испытаний показал, что развитие стандартов по требованиям ЭМС к продукции и регламентов в части методов и средств испытаний идет практически параллельно, но с некоторым опережением стандартов по методам/средствам испытаний. В результате к моменту появления новых требований к нормам эмиссии, получаемых в том числе и в новых измерительных средах, методически и нормативно уже готовы и отработаны методики испытаний на соответствие новым нормам, с однозначной привязкой к способу проведения испытаний. В этом смысле показательны методы измерений характеристик излучаемых ИРП с использованием TEMи реверберационных камер. В нашей стране, находящейся на этапе затянувшихся реформ, такое соответствие не соблюдается. Более того, разрыв увеличивается даже между отечественными стандартами, с одной стороны, по требованиям www.kite.ru

к уровням помех, а с другой — по методам измерений, в том числе по требованиям к средствам измерений и измерительным средам. Можно заметить, что в рамках Таможенного союза, а затем и ЕврАзЭС отечественные стандарты гармонизированы лишь с предпоследней версией международного стандарта. Поэтому имеет смысл оценить, насколько адекватны в настоящее время требования к нормам и методам измерений, а также требования к конфигурации ИП и методы контроля ее характеристик. В данной статье рассматриваются ИП, реализованные в безэховых камерах, полностью или частично покрытые радиопоглощающим материалом и предназначенные для измерений эмиссии излучаемых радиопомех в диапазоне частот не выше 1 ГГц, а также проанализированы методы измерений характеристик. Поскольку ИП — это элемент измерительного тракта, ее свойства естественно оказывают влияние на погрешность измерений уровней излучаемых ИРП. В общем, все характеристики ИП можно разделить на две группы: • группа характеристик, определяющих уровень внешних фоновых помех в месте измерений; эти показатели не связаны с ОИ и могут быть определены вне зависимости от типа, размеров, условий функционирования ОИ; • группа характеристик, в общем виде описывающих взаимодействие ОИ с ИП; эти характеристики также определяют дополнительные электромагнитные поля в месте размещения измерительной антенны, но эти поля являются продуктом отражений измеряемых ИРП от поверхностей ИП; для их оценки предполагается наиболее критичная модель взаимодействия объекта и ИП, чтобы гарантировать предельные погрешности измерений. Обеспечение выполнения требований по первой группе характеристик, определенных как уровень фоновых помех, достигается выбором размещения ИП в удаленном месте от промышленных объектов при использовании открытых ИП либо экранированных камер, содержащих ИП. Достижение требований по второй группе характеристик, описывающих показатели безэховости, обеспечивается необходимым отражением или поглощением внутренних поверхностей с помощью металлических пластин или поглотителем соответственно на открытых ИП или в безэховых камерах. С учетом обеих групп характеристик закрытые измерительные среды в условиях промышленных мегаполисов обычно строят как безэховые экранированные камеры. Перечень характеристик БЭК и количественные требования к ним, входящие в различные стандарты по измерениям эмиссии излучаемых ИРП, представлены в таблице 1. Поскольку измерения эмиссии излучаемых ИРП относятся к сертификационным испытаниям, проверка характеристик БЭК или ИП становится необходимым подгото-

ЭМС

Таблица 1. Регламентирование требований к характеристикам БЭК в различных отраслях (курсивом выделены характеристики ИП для тестов устойчивости) Свойство

Экранировка

технологии

Требование

Уровень внешних помех

Эффективность экранирования Отсутствие отражений (отклонение NSA SAC) Отклонение NSA OATS (SAC) Отклонение NSA FAR КСВН FSOATS

Безэховость

74

Вариации ДНА Однородность поля Вариации ДНА

ГОСТ по измерениям (диапазон частот) CISPR 16-2-3 (0,03–18 000) CISPR 16-1-4 (0,03–18 000) 30429-96 (0,009–1000) Особые условия (0,009–1000) Р 56529-2015 (0,01–18 000) КТ 160 (п. 21) (2–6000) PB 6601-002 (0,01–18 000) Р 51318.12-2012 (30–1000) Р 51318.25-2012 (0,15–2500) PB 6601-002 (2–18 000) PB 6601-002 (0,01–18 000) PB 6601-002 (2–18 000) 30429-96/Особые условия (0,009–1000, для 1/3/10 м) Р 51320-99 (30–1000, для 3/10/30 м) CISPR 16-2-3 (30–1000, ≥3 м) CISPR 16-2-3 (1–18 000) Р 56529-2015 (0,01–18 000) PB 6601-002 (0,01–18 000) PB 6601-002 (2–18 000) KT 160 (п. 20) (0,1–18 000) 61000-4-3 (80–6000)

Значения

НТД по методике проверки CISPR 16-2-3 (Приложение А)

<–6 дБ нормы (иногда не строгое требование или строго)

В стандартах не определены

<–10 дБ уровня 40 дБ

Р 50414-92

≤4 дБ

16842 (80–1000,3/10/30 м, SAC без пластины) заменен на Р 51320-99 (30–1000, 3/10/30, SAC) Р 51320-99 CISPR 16-1-4 CISPR 16-1-4 CISPR 16-1-4 Р 56529-2015 PB 6601-002 PB 6601-002 KT 160 (п. 20) 61000-4-3-2016 61000-4-3-2016

≤4 дБ ≤4 дБ ≤2 –3…0 дБ (>200)

Р 51318.12-2012 Соответствие CISPR 16-1-4 (30–1000, 3/10 м)

0–6 дБ 0...–3 дБ Неоднозначность площадки

Коэффициент отражения РПМ

Р 51318.25-2012 (0,15–2500) CISPR 25, ред. 4 (0,15–2500)

≥6 дБ (70–2500)

IEEE 1128-1998

Отклонение SA (ALSE)

CISPR 25, ред. 4 (0,15–2500)

≤6 дБ

CISPR 25, ред.4 (0,15–1000)

Поглощение поглотителя

Р 56529-2015 (0,01–18 000) PB 6601-002 (0,01–18 000) КТ 160 (п. 20)

6 дБ, 80(100)–250 10 дБ, >250

IEEE 1128-1998

CISPR 16-1-4

Таблица 2. Перечень определяемых характеристик ИП на базе БЭК (для проверки эмиссии) Свойство

Характеристика

Документ по методам измерений

Требование

Экранировка

Коэффициент экранирования (10 кГц – 40 ГГц)

ГОСТ Р 50414-92 ГОСТ Р 51320-99 CISPR 16-1-4 ГОСТ IEC 61000-4-3-2016 IEC 61000-4-3

Обычно не более –80 дБ

Отклонение NSA (30 МГц – 1 ГГц) Безэховость Вариации поля в зоне (80 МГц – 6 ГГц)

вительным этапом. Сложившаяся система оценки соответствия БЭК, как, впрочем, и других ИП, основана на формализации БЭК как испытательного оборудования (ИО) и, следовательно, внедрении единственной процедуры оценки соответствия в форме аттестации ИО [1]. Вероятно, в свое время в период строгого государственного регулирования такое решение было оправданно, так как принималось на основе анализа имеющейся нормативной базы процедур оценки соответствия и выбора наиболее подходящей. Выбор такой схемы оценки соответствия сложился естественным образом, поскольку ранее во время полного государственного регулирования в сфере метрологического обеспечения и безусловного государственного финансирования таких работ на предприятиях аттестация ИО для оценки характеристик БЭК и других ИП не была предметом какого-то принципиального спора. Более того, термин «аттестация» применительно к БЭК (или только экранированным камерам) широко использовался в других отраслях деятельности, касающихся вопросов защиты информации и ее утечки по побочным каналам. Хотя в последнем случае, например, свойство экранирования было обусловлено необходимостью уменьшения излучения

Модуль отклонения NSA не более 4 дБ Вариации отклонения не более 6 дБ

за пределы БЭК, а не наоборот, и ослабления внешних помех внутри БЭК, что важно для ЭМС. Однако, как сейчас представляется, анализ соответствия выбранных характеристик БЭК критериям или признакам ИО проведен не был. В итоге перечень технических характеристик (ТХ), определяемых сейчас в ходе аттестации БЭК или других ИП, предназначенных для испытаний ЭМС, в диапазоне частот 30–1000 МГц включает характеристики, указанные в таблице 2. Сейчас же действуют иные условия, и существует множество систем оценки соответствия. Поэтому предмет анализа должен однозначно отвечать регламентируемой сфере деятельности. Таким образом, имеет смысл уточнить правильность отнесения БЭК как категории к ИО и, следовательно, корректность выбора процесса аттестации как процедуры оценки соответствия. Как видно, содержание таблиц 1 и 2 различно. В связи с этим необходимо уточнить следующие аспекты: • насколько обоснованным в настоящее время представляется отнесение ИП к ИО и, соответственно, выбор процедуры оценки соответствия через аттестацию ИО, регламентированной [1] и другими связанными отраслевыми документами;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ЭМС

• насколько перечень ТХ, оцениваемых в настоящее время, действительно решает основную задачу аттестации, заключающуюся в определении возможного использования ИО для испытаний ТС. Как известно [2], аттестация ИО проводится для определения нормированных точностных характеристик оборудования, их соответствия требованиям нормативно-технической документации и установления пригодности оборудования к эксплуатации. Аттестации подлежит ИО, воспроизводящее нормированные внешние воздействующие факторы и/или нагрузки. К нормированным точностным характеристикам ИО относятся установленные НТД ТХ, определяющие возможность оборудования воспроизводить и поддерживать режим и условия испытаний в заданных диапазонах с требуемой точностью и стабильностью в течение установленного срока. Под условиями испытаний понимается совокупность воздействующих факторов и/или режимов функционирования объекта при испытаниях [1]. Из этих положений следует, что: • далеко не каждое ИО подлежит аттестации; • при аттестации должны оцениваться только нормированные ТХ, то есть те, которые важны для создания нормированных воздействий или имитации режимов работы ОИ, определяющие правильность и достоверность испытаний. Возвращаясь к БЭК, используемым для измерений эмиссии излучаемых ИРП в аспекте испытаний ЭМС в диапазоне частот 30–1000 МГц, определяемыми в настоящее время при аттестации ТХ являются: • эффективность экранирования или коэффициент экранирования (КЭ) [3]; • отклонение нормализованного затухания площадки (NSA) [4, 5]. Рассмотрим более подробно указанные характеристики и способы их оценивания.

Анализ подходов к нормированию и процедурам оценки соответствия характеристик экранирования БЭК ЭМС Как уже было отмечено, экранирование БЭК, используемых для испытаний ЭМС, имеет целью снижение уровня внешних помех, попадающих в рабочий объем извне. При этом взаимосвязь показателей экранирования и результатов испытаний ЭМС (в части эмиссии) характеризуется следующими факторами: • режим работы ОИ никак не изменяется в зависимости от значения коэффициента экранирования (КЭ), то есть КЭ не является тем воздействующим фактором, на который должен быть наложен допуск и точность измерения которого важна для применимости БЭК для измерений эмиссии ИРП, следовательно, КЭ не считается нормированной ТХ БЭК, как ИО; • основной стандарт по измерению эффективности экранирования [3] определяется областью своего распространения БЭК для испытаний ЭМС; однако на самом деле лишь формально вводит классы камер по уровням КЭ и не ограничивает применимость БЭК для испытаний ЭМС исходя из значений КЭ; иными словами, для ЭМС могут быть использованы БЭК с любой ЭЭ — и камеры 1‑го класса с эффективностью экранирования 80 дБ, и камеры 3‑го класса с эффективностью экранирования 30 дБ; • в целом, практически ни в одном стандарте, посвященном испытаниям на ЭМС, нет требований к КЭ; есть только два отраслевых стандарта по испытаниям ЭМС, определяющих требование к КЭ, причем на достаточно скромном значении, на уровне 40 дБ (а не минимум 80 дБ, как требует большинство заказчиков БЭК, выполняющих испытания ЭМС); • среди ИП для измерений эмиссии ИРП широко распространены открытые измерительные площадки типа OATS, или допускаются альтернативные площадки с укрытием от атмосферных осадков (с радиопрозрачными навесами); очевидно, что в этом случае понятие экранирования и введение требований к КЭ вообще теряет смысл;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

технологии

75

• сама по себе методика измерений КЭ достаточно проста, изложена в указанных стандартах, более того, к настоящему времени аттестована методика измерений КЭ; поэтому самостоятельно провести измерения КЭ могут любые квалифицированные специалисты либо же любая аккредитованная лаборатория с областью аккредитации, охватывающей измерения характеристик электромагнитных полей, без предъявления каких-либо дополнительных требований к лаборатории в рамках ее аккредитации или предоставления права на такие измерения; • эффективность экранирования оценивается в диапазоне частот, как правило 10 кГц – 40 ГГц, который значительно шире частотного диапазона измерений 30–1000 МГц, что вообще не является обоснованным с точки зрения испытаний ЭМС. Из этого следует, что отнесение КЭ к нормированным точностным характеристикам, определяющим возможность ИО воспроизводить и поддерживать режимы испытаний ТС по характеристикам эмиссии излучаемых ИРП, не является обоснованным. Вряд ли только возможность измерений КЭ служит достаточным основанием для того, чтобы включать КЭ в перечень характеристик, подлежащих измерениям в процессе проводимых в настоящее время аттестаций БЭК ЭМС. Уж если и выбирать для аттестации характеристики экранировки БЭК ЭМС, то логично брать уровень фоновых помех, собственно, для уменьшения которых и внедряется экранировка. Обычно данное стандартизованное требование определяется как напряженность электромагнитного поля внешних помех, которая не должна быть более –6 дБ (иногда –10 дБ) относительно контролируемых норм. Иногда стандарты допускают проведение измерений характеристик излучаемых помех даже в том случае, если уровень фоновых помех соизмерим с нормами по эмиссии. При этом существует требование протоколирования уровня помех при оформлении результатов испытаний. То есть фактически речь идет о протоколировании условий проведения испытаний (измерений) подобно тому, как при испытаниях любых ТС протоколируются температура, влажность, атмосферное давление и т. д., но никак не о создании нормированных воздействий или имитации режимов функционирования. Таким образом, оценка соответствия БЭК по показателям экранирования при аттестации ИО является избыточной в организационном и техническом плане, особенно для уровней коэффициента экранирования ниже –40 дБ. Достаточно провести простое измерение КЭ по методике стандарта [3]. Требование выполнить оценку характеристик коэффициента экранирования БЭК, используемых для испытаний ЭМС, или аттестация камер по характеристикам КЭ может рассматриваться только как инициатива заказчика работ или собственника БЭК, не подкрепленная никакими требованиями нормативно-технических документов. При этом в методическом плане процедура измерений и требования к средствам измерений детально описаны в стандартах, что делает излишним проведение метрологической экспертизы программ и методик аттестации в том случае, когда принято решение о проведении аттестации БЭК по показателям экранировки. Отказ от аттестации БЭК по КЭ не предусматривает отказа от проверки КЭ как технической характеристики БЭК. Речь в данном случае идет об отказе от значительного объема формальных процедур, никак не влияющих на достоверность измерений основных ТХ БЭК.

Анализ нормирования характеристик безэховости БЭК ЭМС Относительно характеристик безэховости также важны ответы на следующие вопросы: • во‑первых, насколько обоснованна аттестация ИО в качестве процедуры оценки соответствия БЭК и можно ли обойтись более простыми процедурами проверки БЭК (полу-БЭК) как вариантов ИП; • во‑вторых, насколько использованные методики измерений характеристик БЭК и получаемые характеристики БЭК адекватны методам (методикам) измерений уровней излучаемых ИРП реальных ТС, для которых разработана конкретная БЭК. www.kite.ru

76

технологии

ЭМС

а

б

Рис. 1. Минимальные требования к габаритным размерам ИП: а) ИП с поворотным столом; б) ИП для измерений ИРП от стационарных ОИ

Известно, что одна из целей измерений характеристик безэховости ИП — оценка возможности использования данной ИП для измерений уровней излучаемых ИРП. Для определения возможности применения ИП используется два критерия: • минимальные габаритные размеры ИП, в пределах которых не должны располагаться источники отражений, и свойства ИП (неровность, материал изготовления, возможные опциональные изменения); • допустимый относительный уровень отражений от ИП и ее элементов в рабочую зону. В отличие от рассмотренных ранее помеховых сигналов при анализе экранировки, данные помеховые сигналы связаны с потенциальным ОИ. Они проявляются через отражения излучаемых ИРП элементами ИП в место расположения приемной антенны. Поэтому для оценки таких отражений чрезвычайно важно соблюсти следующие условия: • передающие антенны, используемые для оценки ИП, должны быть адекватны наиболее критичному объекту испытаний, то есть иметь наиболее широкую диаграмму направленности в обоих сечениях, чтобы корректно сымитировать ОИ; • расположение приемной антенны при проверке ИП должно отражать положение приемной антенны при измерениях характеристик излучаемых ИРП; • расстояние между передающей и приемной антеннами определяется измерительным расстоянием, для которого нормируются требования к уровням ИРП; • наличие или отсутствие пластины заземления при проверке ИП определяется ее наличием при методе измерений и задаваемыми нормами к уровням ИРП. Первичным критерием применимости ИП служит проверка ее геометрических размеров. Большинство современных стандартов изначально задают требования к минимальным геометрическим размерам ИП, в пределах которых не должны находиться источники мешающих отражений. Типовые требования формулируются в виде схем ИП с указанием геометрических характеристик, изображенных на рис. 1. Полагается, что ИП, оснащенная поворотной платформой, должна быть по форме не меньше эллипса с полуосями соответственно 2R и 1,7R, где R — измерительное расстояние. Если же ИП не оснащена поворотной платформой, рекомендуемая форма ИП представляет собой круг такого диаметра, чтобы радиальное расстояние от контура испытуемого ТС до границы зоны было равно 1,5R (рис. 1). Такие габаритные размеры ИП, обеспечивающие длину пути распространения любого помехового сигнала от ОИ, будут не менее чем в два раза больше длины пути прямого измеряемого сигнала от ОИ. Тогда относительный уровень вносимых помех будет не более –6 дБ, что

фактически повторяет количественные требования к уровню рассмотренных ранее внешних помех, не связанных с ОИ. Следующий критерий применимости ИП для измерений излучаемых ИРП — экспериментальная проверка характеристик ИП, заключающаяся в экспериментальной проверке отсутствия отражений. В связи с этим целесообразно рассмотреть процедуры проверки ИП в развитии начиная с [6]. Данный стандарт важен в том смысле, что в нем наряду с нормами и методами испытаний содержится процедура проверки ИП на отсутствие отражений. При этом на данный стандарт (Приложение Г) ссылались и ссылаются до сих пор другие национальные, межгосударственные и отраслевые стандарты в части процедуры проверки ИП. Изначально экспериментальная проверка отсутствия отражений была необходима только в случаях, когда геометрические размеры ИП не соответствовали указанным ранее минимальным требованиям. Принцип методики измерений был основан на измерении коэффициента передачи между разъемами двух антенн и сравнении полученного значения (без учета коэффициента калибровки антенн) с табулированными значениями. В более поздних стандартах данная величина получила название «нормализованное затухание площадки» (NSA), а соответствующий метод проверки ИП — «метод NSA». В качестве измеряемого значения коэффициента передачи S21 для сравнения выбирался: • в диапазоне частот 80–300 МГц — результат измерений коэффициента передачи при расположении обеих антенн на высоте 3 м от земли; • в диапазоне частот 300–1000 МГц — максимальный коэффициент передачи при уменьшении высоты приемной антенны с 3 м (передающая антенна оставалась на высоте 3 м). По результатам измерений коэффициента передачи S21 вычисляли значение M1:

M1 = S21+K10lgRи–18,8, где K — коэффициент калибровки приемной антенны; Rи — сопротивление излучения передающей антенны, которое затем сравнивается со значением M2, чье значение выбрано согласно таблице 3. ИП признавалась годной для измерений, если отклонение между значениями M1 и M2 не превышало 3 дБ для горизонтальной поляризации и не более 4 дБ для вертикальной поляризации. Используемая процедура проверки ИП имела следующие особенности [6]: • формально была применима для любых измерительных расстояний начиная с 1 м, хотя реально измерения проводились начиная с 3 м;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ЭМС

Рис. 2. Значения величины M2, используемой при проверке ИП [6]

Таблица 3. Табулированные значения M2 для сравнения с результатом измерений Расстояние, м 3 10 30

Поляризация

Номер кривой (рис. 2) для M2 в полосе 80–300 МГц

Значение M2 в полосе 300–1000 МГц

Горизонтальная

1

–9,5

Вертикальная

2

–10,5

Горизонтальная

3

–18,5

Вертикальная

4

–20,5

Горизонтальная

5

–26

Вертикальная

6

–29

• охватываемый диапазон частот составлял 30–1000 МГц, хотя реальные измерения проводились в диапазоне 80–1000 МГц; • учитывала схему измерений уровней излучаемых ИРП только с фиксированной высотой приемной антенны; • для любых типов ИП с пластиной заземления проверка проводилась при единственном положении передающей антенны, то есть не учитывались размеры рабочего объема; • при проверке ИП убиралась пластина заземления, несмотря на ее наличие при измерениях ИРП; • в диапазоне частот 30–1000 МГц проверка ИП проводилась на высоте передающей и начальной высоте приемной антенны 3 м, в то время как собственно измерения проводились при фиксированной высоте 3 м или переменной высоте 1–4 м; • не включала процедуру экспериментальной проверки ИП для диапазона частот 10 кГц – 30 МГц. В результате существенными недостатками метода проверки, затрагивающими метрологическое обеспечение измерений излучаемых ИРП, являлись: • отсутствие учета особенностей OATS, SAC или FAR в методе проверки ИП; • отсутствие жестких требований к подстилающей поверхности, что при неизвестных амплитудных и фазовых характеристиках отражения приводит к существенному разбросу результатов оценки NSA; • несоответствие между заявляемым и реальным частотным диапазоном проверки ИП; • несоответствие между заявляемым и реальным измерительным расстоянием для измерительного расстояния менее 3 м; • отсутствие процедуры проверки ИП в диапазоне частот выше 1 ГГц. В развитие метрологического обеспечения испытаний ТС по характеристикам ЭМС в части измерений характеристик кондуктивных и излучаемых ИРП, а главное, в целях гармонизации отечествен-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

технологии

77

ных стандартов с зарубежными стандартами разработки был введен СИСПР [4]. В части измерений характеристик излучаемых ИРП и проверки ИП данный стандарт отличался следующим: • определял требования к ИП для измерений ИРП в диапазоне 30 МГц – 18 ГГц; • для диапазона частот 30–1000 МГц определял возможность применения только ИП с пластиной заземления, в частности OATS, альтернативные ИП с защитой от погодных условий и полубезэховые камеры SAC; • для диапазона частот 1–18 ГГц определял процедуры проверки ИП в виде полностью БЭК, данная процедура фактически представляла собой методику проверки ИП, впоследствии названную «метод КСВН»; • для ИП в диапазоне частот 30–1000 МГц (с пластиной заземления) вводил метод NSA проверки ИП с регламентированным диапазоном перемещения по высоте приемной антенны 1–4 м (а не от 3 м и ниже, как было ранее); • вводил понятие рабочего объема для ИП типа SAC и определял необходимость проверки ИП для нескольких точек рабочего объема в горизонтальной плоскости и различных высот передающей антенны. После окончания действия указанного стандарта с 1 января 2001 года ГОСТ Р 51320-99 стал основным стандартом в части методов и средств измерений характеристик излучаемых помех, который в отличие от рассмотренного ранее определял измерения характеристик излучаемых помех в диапазоне 10 кГц – 18 ГГц. При этом качество ИП проверялось следующим образом: • в диапазоне частот 30–1000 МГц для ОАТS и SAC (c перемещением антенны по высоте 1–4 м для измерительных расстояний 3, 10 и 30 м) — методом NSA; • в диапазоне частот 1–18 ГГц для полных БЭК — методом оценки вариации результатов измерений при локальном перемещении приемной антенны (методом, напоминающим используемый сейчас метод КСВН). Исключительно важным новшеством данного стандарта стало введение формы оценки соответствия ИП в виде обязательной аттестации ИП согласно [1]. Причем данное требование касалось только ИП для диапазона частот 30–1000 МГц. В диапазоне 1–18 ГГц было достаточно провести экспериментальную проверку по методике, вводимой стандартом. Данное обстоятельство выглядит несколько нелогичным. В частности, если согласиться с тем, что пластина заземления моделирует среду реальных условий применения в виде полупространства и тем самым подводит ИП под категорию ИО, то по аналогии следует считать, что полная БЭК модулирует свободное пространство и также должна рассматриваться как ИО с последующей необходимой аттестацией. Однако, как уже было сказано, аттестация ИП в диапазоне частот 1–18 ГГц не вводится данным стандартом. Вероятно, внедрение аттестации как формы оценки соответствия было в определенной степени оправдано методологически. При испытаниях ЭМС по показателям эмиссии излучаемых ИРП ранее и сейчас в основном оцениваются экстремальные уровни излучений ОИ, которые могли быть достигнуты только над идеально отражающей пластиной заземления. В этом смысле пластина заземления моделирует наиболее критичные с точки зрения возможных помех условия эксплуатации ОИ — например, пол как источник дополнительных отражений и создаваемых излучаемых помех при отражениях от него. Вполне возможно, что именно признак моделирования режима работы ОИ позволял рассматривать ИП с пластиной заземления как ИО. Проверка ИП — основная экспериментальная процедура при аттестации OATS или SAC — основана на измерении отклонения измеренного NSA от опорного теоретического NSA. Минимальное отличие обеспечивается при максимальном отражении от пластины заземления (модуль коэффициента отражения равен 1) и отсутствии отражений от других внутренних поверхностей БЭК (в данном случае полу-БЭК), что фактически ставит целью проверки оценку идеальности пластины заземления и единственности отражений от нее. Практически NSA — это коэффициент передачи сигнала между разъwww.kite.ru

78

технологии

ЭМС

емами двух антенн, размещенный на ИП, без учета коэффициентов калибровки обеих используемых антенн. Фактически принцип измерений остался неизменным. Но в данном случае в качестве оценки NSA принималось максимальное значение NSA при перемещении приемной антенны по высоте 1–4 м, что было обусловлено регламентируемой тогда методикой измерений характеристик излучаемых ИРП в условиях OATS или SAC. Теоретическое значение NSA было представлено в виде списка табулированных величин, рассчитанных для дискретных частот в диапазоне 30–1000 МГц [4]. К важным особенностям стандарта следует отнести и расширение диапазона перемещения приемной антенны до диапазона 1–4 м при проверке ИП. Это было связано с введением в том же документе метода измерений характеристик ИРП над пластиной заземлений и, соответственно, норм для ИРП, как наибольшее значение при перемещении приемной антенны по высоте в диапазоне 1–4 м. Расширение диапазона перемещения приемной антенны при проверке ИП представляется безусловным обеспечением гармонизированного подхода к выбору метода проверки ИП, в наибольшей степени повторяющего метод измерений ИРП в ходе тестирования ОИ. Однако почти одновременная отмена [3] и внедрение [4] привели к тому, что данный метод проверки оставался единственным для ИП любых типов и частот 30–1000 МГц, в том числе и для ИП с фиксированной высотой приемной антенны при тестировании ОИ. Как следствие, испытатели должны были строить высокие ИП типа SAC только для того, чтобы обеспечить возможность проверки ИП по единственной регламентированной методике. В связи с этим представляется, что простое тиражирование метода проверки с высотой приемной антенны 1–4 м для ИП с фиксированной высотой не является достаточно обоснованным, так как используемый метод проверки ИП должен быть адекватен методу измерений излучаемых ИРП для конкретной ИП. Вполне вероятно, что адекватный метод проверки ИП с фиксированной высотой приемной антенны может быть разработан на том же принципе метода NSA, но с меньшим диапазоном перемещения приемной антенны. Необходимость создавать высокие ИП для реализации метода измерений излучаемых ИРП с переменной высотой [4] обусловила появление методов измерений ИРП для фиксированной высоты приемной антенны, но с использованием полностью безэховых камер (FAR) [8]. В самом деле, при задании норм к уровням излучаемых ИРП при тестировании над пластиной заземления используется простая модель взаимодействия сигналов прямого и отраженного направлений. Учитывая, что диапазон частот измерений (30–1000 МГц) для большинства объектов (с размерами не более 1 м) определяет достаточно широкие диаграммы направленности излучения ИРП от ОИ, несложно связать уровень суммарного сигнала ИРП (с отражениями от идеальной пластины заземления) с уровнем ИРП только в прямом направлении. Иными словами, зная уровень собственных излучаемых ИРП, можно оценить максимальный уровень суммарного прямого и отраженного от пластины заземления при заданном диапазоне перемещения приемной антенны. Внедрение FAR для измерений эмиссии излучаемых ИРП давало ряд преимуществ: • сокращение времени измерений, так как достаточно провести измерения при одной высоте приемной антенны; • снижение погрешности пересчета результата измерений ИРП с одного расстояния на другое в случае различных задаваемых расстояний для норм и для измерений, так как обратно пропорциональная зависимость уровня излучаемой ИРП от расстояния для одного сигнала более корректна, чем для максимального значения суммы прямого и отраженного сигналов; • снижение затрат на строительство ИП, поскольку достаточно камеры высотой 3,5–4 м. Юридически возможность применения полных БЭК для измерений излучаемых ИРП возникла после стандартизации процедур проверки характеристик FAR [5,8] и введения норм к уровням ИРП для диапазона 30–1000 МГ при измерениях характеристик ИРП в условиях FAR. Поэтому введение стандарта [5] имело важное значение по следующим причинам.

Для проверки характеристик ИП типа SAC (30–1000 МГц) появились нововведения: • вместо используемой ранее процедуры аттестации ИП вводилась процедура валидации ИП; • вводился еще один из возможных методов валидации ИП — метод опорной испытательной площадки, так называемый RSM-метод; • конкретно указано, что приведенные табулированные значения NSA идеальной ИП для использования широкополосных антенн рассчитаны применительно к элементарным диполям Герца. Для проверки характеристик ИП типа FAR (30–1000 МГц): • впервые были нормативно определены процедуры валидации ИП типа FAR; • для валидации вводились две равноценные процедуры: NSA-метод и RSM-метод; • вместо табулированных дискретных значений NSA идеальной ИП типа SAC или OATS приводилось расчетное соотношение для NSA идеальной ИП типа FAR; • при применении NSA-метода для низкочастотной части указывалась необходимость использования дополнительных поправок к расчетному соотношению NSA идеальной FAR (для измерительного расстояния 3 м — поправки необходимы для частот менее 110 МГц, для измерительного расстояния 5 м поправки нужны для частот менее 60 МГц); • были строго указаны максимальные габаритные размеры излучающей антенны, используемой для валидации, они не должны превышать 45 см; • было строго указано, что приемная антенна для валидации ИП должна быть того же типа, что при измерении излучаемых ИРП; • было строго указано на взаимосвязь максимального габаритного размера рабочего объема и минимального измерительного расстояния, позволяющего обеспечить указанные размеры рабочего объема. Важным общим моментом для ИП любых типов стала процедура валидации ИП как форма оценки соответствия вместо используемой ранее процедуры аттестации. Были подробно изложены методические аспекты валидации с установленным порядком проведения, требованиями к средствам измерений, процедурами обработки результатов измерений и принятия решений о признании ИП пригодной для проведения измерений. Подробная детализация делает излишним проведение метрологической экспертизы программ и методик аттестации [4] и обеспечивает разработку типовых методик валидации, если такие методики необходимы. Таким образом, новый стандарт [5] гораздо шире старого [4]. Смысл использования документа [4] остается только один — проведение аттестации как процедуры оценки соответствия. Однако очевидно, что отказ от аттестации как формы оценки соответствия не снизит достоверность валидации, поскольку экспериментальная проверка характеристик ИП останется без изменений, но исключаются другие малозначимые формальные процедуры. В настоящее время существует много отраслевых стандартов, регламентирующих нормы к уровням ИРП и методы испытаний ТС на соответствие нормам. Зачастую это различные документы, и развитие каждого из них проходит отдельно и независимо. В итоге наблюдается некоторое несоответствие между версиями стандартов по уровням к ИРП и по методам испытаний. Поэтому для валидации ИП важен выбор именно тех технических характеристик ИП и методик их оценки, которые адекватны методам испытаний ТС по уровням ИРП на проверяемой ИП и условиям нормирования ИРП. Поэтому необходимо обеспечить соответствие конфигурации оценки характеристик ИП и конфигурации измерений уровней ИРП. Анализ такого соответствия приведен в таблице 4. При анализе таблицы 4 видно, что основным нормативным документом по валидации площадок для измерений эмиссии ИРП является [5]. При этом остается несколько нерешенных проблем, связанных с учетом области применения и назначения ИП при выборе методик проверки качества ИП. К ним, в частности, относятся: • возможное несоответствие конфигурации испытаний и конфигурации валидации (в диапазоне частот ниже 1 ГГц);

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

технологии

ЭМС

Таблица 4. Сопоставление конфигурации измерений и валидации ИП для ИРП Стандарт по измерениям (испытаниям RE)

Конфигурация при измерениях приемной антенны

Требования к площадке

Стандарт по методам проверки площадки

Особенности конфигурации и валидации

CISPR 16-2-3 (30–1000) CISPR 16-2-3 (30–1000)

OATS, 3/10/30 м Высота 1–4 м SAC, 3/10/30 м Высота 1–4 м

Отклонение NSA Отклонение NSA

CISPR 16-1-4 (метод NSA) CISPR 16-1-4 (метод NSA)

CISPR 16-2-3 (30–1000)

FAR, >3 м Высота 1,5 м

Отклонение NSA

CISPR 16-1-4 (метод NSA)

Одна точка. Антенны диполя Герца Рабочий объем. Антенны диполя Герца Рабочий объем. Приемная антенна того же типа, что и при измерениях

CISPR 16-2-3 (1–18) Особые условия (0,009–1000) 30429-96 (0,009–1000) РВ 6601-002-2008 (0,01–18 000) Р 56529-2015 (0,01–18 000) КТ 160 (2-6000)

FSOATS Высота 1,5 м

КСВН

CISPR 16-1-4

Рабочий объем

SAC (OATS), 1 м (иногда 3/10 м) Высота 1 или 2 м

Минимальные размеры или проверка отсутствия отражений

Метод по ГОСТ 16842 (метод NSA, для 3/10/30 м и высот 1–3 м, 80–1000 МГц)

ГОСТ 51320 (метод NSA, для 3/10/30 и высот 1–4 м, 30–1000 МГц)

1 м, допускаются SAC или FAR (факт. ALSE)

Требования к РПМ, размер зоны –3 дБ ДНА (>200 МГц)

Тот же стандарт, что по испытаниям

Процедура не определена

ALSE c ПЗ 1,6 м, высота стола OATS, 3/10 Высота 1,8/3 м ALSE (в тексте ошибочно указана FAR), 1 м Высота около 1 м

Только к РПМ, к размещению Размеры, БЭК может быть при корреляции с OATS

Тот же стандарт, что по испытаниям

Процедура не определена

CISPR 16-1-4

Процедура не определена, вероятно, метод RSM

Размеры, размещение, РПМ

IEEE 1128-1998

Калибровка антенн для 1 м по SAE ARP 958.1

ALSE

Размеры, размещение, РПМ

IEEE 1128-1998, СISPR 25 (ред.4)

Требования к антеннам

ALSE, 1 м Высота около 1 м

Размеры, размещение, РПМ, валидация ALSE

IEEE 1128-1998, СISPR 25 (ред.4)

RSM-метод (опорная площадка OATS или SAC, удовлетворяющая требованиям CISPR 16-1-4)

Р 51318.12-2012 Р 51318.25-2012 (CISPR 25, ред. 3) (0,15–2500) CISPR 25 (ред. 4) (0,15–2500) (для автомобилей) CISPR 25 (ред. 4) (0,15–2500) (для компонентов)

• отсутствие методик валидации для измерительного расстояния 1 м; • отсутствие методик валидации для частот ниже 30 МГц. Возможным путям решения указанных проблем посвящены следующие разделы. Совершенствование методик и подходов к валидации площадок для испытаний общепромышленной продукции Вероятно, валидация ИП не является самоцелью. Основная цель валидации состоит в подтверждении того факта, то измерения эмиссии ИРП на данной ИП проводятся с нормированной погрешностью, другими словами, ИП не вносит существенных погрешностей в измерения ИРП. Идеальной процедурой валидации могло бы быть использование некоторого эталонного излучателя с известными частотно-пространственными характеристиками излучения. Тогда процедура валидации могла бы со-

стоять в простом сравнении результатов измерений напряженности поля на заданном измерительном расстоянии от эталонного излучателя, установленного в рабочей зоне, с паспортным значением. Сегодня же нормативными документами определен иной подход. Суть его состоит в установке вместо эталонного излучателя некоторой стандартизованной излучающей антенны и измерении коэффициента передачи между разъемами излучающей и приемной антенн, размещаемых в точке измерений эмиссии излучаемых ИРП. Причем в зависимости от назначения или типа ИП измеряется максимальный коэффициент передачи при заданном диапазоне высот приемной антенны либо единственное значение при фиксированных высотах передающей и приемной антенн. Полученный коэффициент передачи сравнивается с расчетными либо табулированными значениями для идеальной ИП данного типа. Очевидно, процедура валидации должна учитывать назначение ИП и то, для

79

какой конфигурации измерений регламентируются нормы к уровням излучений ИРП, что в настоящее время не всегда соблюдается. Поэтому актуальной задачей становится уточнение методов валидации ИП, направленное на обеспечение адекватности методов измерений характеристик ИП и методов испытаний на них реальных ОИ. Среди ИП наиболее распространенными в настоящее время остаются SAC, работающие в диапазоне частот 30–1000 МГц. Являясь фактически элементом измерительной установки, SAC должны удовлетворять определенным требованиям. Принципиальный момент в испытаниях ЭМС — оценка максимального уровня излучаемых помех, который обеспечивается дополнительными отражениями от подстилающей земной поверхности или пола. Поэтому необходимыми элементами SAC и OATS являются наличие пластины заземления, имитирующей возможные отражения ИРП от пола, и антенной мачты, используемой для перемещения приемной антенны по высоте и поиска максимума уровня помех. Диапазон перемещения приемной антенны задается стандартом и составляет 1–4 м (в отдельном случае 2–6 м), что достаточно для обнаружения точки, обеспечивающей максимальный суммарный интерференционный сигнал. Соответственно, для этой конфигурации расположения приемной антенны и для конкретного измерительного расстояния определены стандартизованные требования к допустимому уровню ИРП от ОИ. В таком случае методика валидации ИП должна фактически имитировать процедуру измерений уровня эмиссии ИРП. В настоящее время для площадок типа OATS и SAC, используемых для стандартизованных измерений ИРП, процедура валидации так и выполняется (рис. 3). Только таким образом результаты измерений характеристик ИП позволяют оценить погрешность измерений ИРП и корректно сравнить результаты измерений с нормой. Причем для повышения достоверности валидации ИП типа SAC измерения проводятся для различных положений передающей антенны в пределах рабочего объема. Минимальное количество подобных измери-

а

б

Рис. 3. Конфигурация установки: а) при измерениях ИРП; б) при валидации для случая ИП типа SAC (адекватность соблюдена)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

www.kite.ru

технологии

80

ЭМС

Таблица 5. Изменения в конфигурации измерений при валидации SAC/OATS Поляризация ГП Тип площадки

ВП

ГП

ВП

Высота приемной антенны, м (при диапазоне высот передающей антенны 1–4 м, если не указано иное) Широкополосные антенны

Настраиваемые диполи

ГОСТ Р 51320-99 (СИСПР 1996) — метод NSA ГОСТ CISPR 16-1-4-2013 (СISPR 2012) — метод NSA и метод RSM OATS-3 OATS-10 OATS-30 OATS-30 SAC-3 SAC-10 SAC-30 SAC-30 SAC-3 SAC-5 SAC-10 SAC-30

1 1 1 1 1 1 1 (2–6 м) 1 (2–6 м) 1; 2 1; 1,5 1; 2 1; 1,5 1; 2 1 1; 2 1,5 (CISPR 16-1-4-2013) CISPR 16-1-4-2019 (в РФ пока отсутствует) 1; 2 1; 1,5 1; 2; 2,5 1; 1,5; 2 1; 3; 4 1; 1,5; 2,5; 3,5 1; 2 1; 1,5

2,75 (≥1–4 м) 2,75 (≥1–4 м) Не применяются 2 (2–6 м) 2,75 (≥2–6 м) 2 2

Данный тип антенн в методе NSA не используется

Данный тип антенн в методе NSA не используется

тельных положений увеличивается согласно изменениям в требованиях стандартов (табл. 5). Наибольшая распространенность ИП типа SAC обусловливает популярность процедуры валидации ИП типа SAC среди методов валидации различных ИП, не подпадающих под категорию ИП типа FAR. Применимость такой методики валидации логична и оправдана в ситуациях, когда используется методика измерений излучаемых помех от ОИ с перемещаемой антенной (рис. 3). Если же норма к ИРП установлена для других условий, то, вероятно, и методика проверки ИП должна учитывать это. В частности, для измерительных задач с фиксированной высотой приемной антенны проверка должна проводиться для фиксированной высоты приемной антенны или по крайней мере с ограниченным перемещением. Тем не менее это не всегда так. В качестве примера, показывающего несоответствие конфигурации при проведении измерений на ИП и конфигурации при валидации ИП, можно привести широко используемую измерительную установку (рис. 4), регламентированную одним из основных стандартов для тестирования как общепромышленной продукции, так и продукции специального назначения [7]. Высота измерительной антенны фиксирована и составляет 2 м, а измерения проводятся для измерительных расстояний 1, 3 или 10 м (в соответствии с регламентациями норм). Поводом к анализу являются следующие обстоятельства: • разработка стандарта пришлась фактически на 1980‑е годы, характеризующиеся увеличением частотно-территориальной плотности радиосредств и электронных средств, революционным внедрением цифровых методов и средств передачи и обработки сигналов и, как следствие, всплеском внимания к теме ЭМС; • данный стандарт очень давний, но еще действует и для некоторых сфер до сих остается доминирующим; • охватываемый диапазон частот, составляющий 10 кГц – 1 ГГц, является наиболее популярным и востребованным среди частот, на которых оцениваются уровни излучаемых ИРП; • перечень указанных в стандарте измерительных расстояний, для которых нормируются уровни помех, включает все возможные измерительные расстояния, установленные в стандартах других отраслей; • данный стандарт стал основой других отраслевых НТД по испытаниям, а в некоторых случаях фактически полностью был повторен в отраслевых или межведомственных нормативных требованиях. При этом ИП или БЭК должна была удовлетворять требованиям [6], что в силу указанных ранее изменений в стандартах стало со временем равносильным соответствию в [4]. В результате для реализации методики валидации ИП [4] понадобилось строить высокие БЭК, хотя собственно измерения ИРП проводятся на сравнительно низких высотах приемной антенны (обычно не выше 2 м). Таким образом, лишь воз-

можность валидации ИП согласно [4] приводила к значительным материальным и финансовым затратам на построение ИП с фиксированной высотой приемной антенны (с пластиной заземления или без нее). Ранее стандарты по тестированию ЭМС в части эмиссии ИРП, большинство которых относились к продукции общего назначения, включали как методики измерений ИРП, так и требования к ИП и методики (методы) проверки характеристик ИП. Ряд важных стандартов для специальной продукции содержал только методы измерений ИРП и требования к ИП в достаточно общем виде, при этом процедуры валидации ИП определялись ссылками на другие стандарты, детально описывающие процедуры валидации. Разделение стандартов на группу по методам измерений ИРП и группу по методам валидации ИП для измерений ИРП создавало ситуацию, когда происходило существенное изменение содержания одной группы стандартов, например по методам проверки характеристик ИП, без связи с изменениями содержания другой группы стандартов. В итоге к настоящему времени для некоторых ОИ наблюдается несоответствие между нормами ИРП и конфигурации измерений ИРП, с одной стороны, и методиками контроля ИП, с другой стороны, особенно в тех ситуациях, когда происходила отмена ссылочных стандартов по методам валидации ИП без согласованного заменяющего стандарта. Отсюда возникает потребность внести изменения в используемые сегодня методики валидации ИП, учитывающие особенности измерений ИРП и нормирования требований к допустимым ИРП для конкретных групп ОИ. В связи с этим наиболее критичными являются измерения ИРП в условиях полубезэховой камеры (над пластиной заземления), но с фиксированной высотой приемной антенны, например 2 или 3 м, и выбор адекватной методики валидации ИП. Наиболее распространенная методика проверки SAC основана на методе NSA, предполагающем сравнение теоретического и измеренных значений NSA. Фактически NSA представляет собой коэффициент передачи на выбранном измерительном расстоянии. В общем случае для произвольных положений передающей и приемной антенн и при наличии горизонтальной пластины заземления расчет теоретического затухания площадки SA в частотном диапазоне 30–1000 МГц основан на выражении: (1) где AF1, AF2 — коэффициенты калибровки антенн; k — волновое число; α1 = α(υ1), β1 = β(υ1), и α2 = α(υ2), β2 = β(υ2) — уровни ДНА

Рис. 4. Схема измерительной установки с фиксированной установкой приемной антенны: 1 — нагрузка, внешнее устройство; 2 — антенна; 3 — стенд для проведения измерений; 4 — испытуемое устройство; 5 — эквивалент сети; 6 — шина заземления эквивалента сети; 7 — соединительная шина; 8 — металлический лист; h — высота установки антенны; l — измерительное расстояние

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ЭМС

а

б

Рис. 5. Зависимость высоты достижения наибольшего NSA для различных высот передающей антенны и поляризаций для измерительного расстояния 3 м: а) ГП; б) ВП

а

б

Рис. 6. Зависимость высоты достижения наибольшего NSA для различных высот передающей антенны и поляризаций для расстояния 10 м: а) ГП; б) ВП

приемной α(υ) и передающей β(υ) антенн (по амплитуде) соответственно для угла прямого сигнала υ1 = arctg((h1–h2)/r0) и для угла отраженного сигнала υ2 = arctg((h1+h2)/r0); h1 и h2 — высоты приемной и передающей антенн; r1,2 = √r02+(h1±h2)2; r0 — измерительное расстояние; ρ — коэффициент отражения (по полю) пластины заземления. Стандарты рассматривают в качестве используемых антенн (передающей и приемной) диполи Герца. Поэтому в качестве теоретических NSA для различных поляризаций рассматриваются наибольшие значения в диапазоне перемещения приемной антенны 1–4 м:

для измерительного расстояния 3 м опорное значение NSA достигается на высоте 3 м и менее для всего частотного диапазона 30– 1000 МГц. Иными словами, проверку отсутствия отражений или валидацию SAC можно проводить при меньшем диапазоне перемещения приемной антенны. Более того, зависимость оценок максимального значения NSA от максимальной высоты приемной антенны (или диапазона высоты приемной антенны) носит слабозависимый характер. Поэтому диапазон перемещения приемной антенны может быть еще ниже,

технологии

81

оставляя незначительными возникающие дополнительные погрешности измерений NSA. В частности, результаты отличия NSA при полном (1–4 м) и сокращенном диапазоне перемещения (1–2,5 м) для различных измерительных расстояний (3, 5 и 10 м), высот передающей антенны (1, 1,5 и 2 м) и поляризаций (ГП и ВП) приведены на рис. 7–9. Таким образом, показаны предпосылки к изменению процедур оценки качества измерительных площадок для тестирования оборонной продукции. Предложена методика проверки отсутствия мешающих отражений, работоспособная в том числе и для невысоких помещений. Внедрение такой методики позволит использовать камеры небольших размеров, что особенно актуально для испытаний малогабаритных объектов. При этом их также можно просто проверить на отсутствие мешающих отражений. В общем, принцип методики остается неизменным, фактически речь идет лишь о развитии процедур для более широкого диапазона применений проверки измерительных площадок c пластиной заземления. Более того, как показывают расчеты, верхняя высота диапазона перемещения приемной антенны может быть еще уменьшена, так как возникающие при этом погрешности табулированных значений NSA не превышают 0,5 дБ лишь на отдельных частотах. Следует сделать еще одно замечание. До отмены ГОСТ 16842 и вступления в силу ГОСТ 51320 рекомендуемая процедура проверки отсутствия отражений также оценивалась по методу NSA с диапазоном высот приемной антенны до 3 м. Высота 3 м вполне приемлема для разработчиков БЭК и заказчиков БЭК, занимающихся тестированием эмиссии излучений объектов для фиксированных точек измерений. Таким образом, сохраняя основной принцип валидации ИП NSA-методом, можно сократить высоту перемещения приемной антенны. При этом для измерительного расстояния 3 м погрешность в оценке отклонения NSA не ухудшится, а для измерительных расстояний 5 и 10 м увеличится незначитель-

а

б

(2)

(3) На рис. 5, 6 представлены результаты расчетов высоты приемной антенны, при которых достигается максимум NSA, для различных поляризаций и измерительных расстояний 3 и 10 м. Из графиков видно, что

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 7. Отклонения расчетных NSA, соответствующих наибольшей высоте 2,5 м, от табулированных NSA для расстояния 3 м и различных высот передающей антенны: а) ГП; б) ВП

www.kite.ru

82

технологии

ЭМС

а

б

Рис. 8. Отклонения расчетных NSA, соответствующих наибольшей высоте 2,5 м, от табулированных NSA для расстояния 5 м и различных высот передающей антенны: а) ГП; б) ВП

а

б

Рис. 9. Отклонения расчетных NSA, соответствующих наибольшей высоте 2,5 м, от табулированных NSA для расстояния 10 м и различных высот передающей антенны: а) ГП; б) ВП

но. Тем самым становится возможным построение небольших ИП, высота которых определяется только высотой приемной антенны при измерениях ИРП, а не навязанной процедурой валидации (аттестации). Причем вполне допустимо реализовать NSAметод проверки (валидации) ИП без существенной потери точности оценок NSA или достоверности валидации ИП — например, для широко распространенного измерительного расстояния 3 м. Совершенствование методик и подходов к валидации площадок для испытаний специальной продукции (измерительное расстояние менее 3 м) В нашей стране методология валидации ИП в диапазоне частот выше 30 МГц и для измерительных расстояний не менее 3 м в целом отработана. Между тем для диапазона частот ниже 30 МГц и для измерительных расстояний порядка 1 м валидация площадок в РФ не проводится. Поэтому в настоящее время остаются нерешенными другие важные проблемы: • отсутствие методов валидации ИП для измерительного расстояния 1 м (менее 3 м); • отсутствие методов валидации ИП для частот ниже 30 МГц.

Сфера измерений эмиссии ИРП для измерительного расстояния 1 м чрезвычайно широка, и уже в ближайшее время в некоторых ее секторах ожидается появление методик валидации соответствующих ИП. Это ожидание в значительной степени связано с вводом RSM-метода валидации ИП [5]. Такой метод предполагает наличие определенной опорной ИП, где получают опорные значения NSA или SA, которые затем сравниваются с измеренными значениями затухания проверяемой площадки — NSA или SA. Данный метод более универсален, поскольку свободен от факторов погрешности, характерных для NSA-метода, в частности, таких как эффекты ближнего поля и влияние типа и габаритных размеров используемых антенн. В общем, основной стандарт вводит два равноценных метода валидации ИП типа SAC и типа FAR для частот ниже 1 ГГц: NSA-метод и RSM-метод. Поэтому, когда в нормативных документах по измерениям ИРП присутствует требование проверки ИП на соответствие ГОСТ CISPR 16-1-4, это не означает однозначное использование NSA-метода валидации с его особенностями, заключающимися в перемещении антенны в диапазоне 1–4 м. Иными словами, можно использовать RSM-метод, который позволя-

ет более детально учитывать конфигурацию измерений на данной ИП, например существенно снизить диапазон перемещения измерительной антенны для ИП с фиксированной по высоте точкой измерений. В настоящее время наиболее активно развивающимися стандартами по измерениям ИРП и, соответственно, валидации ИП являются стандарты в области автомобилестроения. Стандарты ЭМС в области автомобилестроения вводят в дополнение к ИП типа SAC и FAR третий тип ИП. Это так называемые экранированные камеры с радиопоглощающим материалом ALSE (Absorber Lined Shielded Enclosure). При этом считается, что радиопоглощающим материалом покрыты потолок и стены, про пол никаких замечаний нет. Иными словами, ИП типа ALSE — это нечто среднее между ИП в полубезэховых и полностью безэховых камерах. Следует отметить, что в некоторых национальных стандартах ИП типа ALSE ошибочно рассматривается как ИП в полностью безэховой камере (FAR). Последние национальные версии стандартов, гармонизированных с CISPR 12 и CISPR 25, содержат требования к ИП, идентичные регламентам к ИП из других стандартов для такого же измерительного расстояния (1 м). Поскольку задачи измерений схожи, можно развить единые подходы к валидации ИП независимо от сферы применения, если речь идет об измерениях ИРП на расстоянии 1 м. Вот почему весьма интересным представляется содержание ожидающей новой версии стандарта CISPR 25 (редакция 4, приложение J). В данной версии описывается два метода валидации ИП с измерительным расстоянием 1 м, работающих в диапазоне частот 150 кГц – 1 ГГц. Указанное приложение содержит две процедуры валидации ИП, любую из которых можно использовать для проверки ALSE (не требуется одновременная проверка по двум методам, заказчик вправе выбрать один из методов). Процедуры валидации площадок определены как методы валидации двух типов: метод опорной площадки (RSMметод) и метод моделирования проволочной антенны (LWA-метод). Общая характеристика методов состоит в следующем.

RSM-метод предполагает сравнение результатов измерений коэффициента передачи между передающей и приемной антеннами на некоторой опорной ИП и тестируемой ИП. Для измерений коэффициента передачи могут быть вместе использованы генератор и анализатор спектра (измерительный приемник) либо анализатор цепей. Каждый коэффициент передачи CT определяется выражением:

CT = MA–M0,

(4)

где M0 — показания анализатора спектра при прямом включении соединительных кабелей; MA — те же показания при включении в тракт передающей и приемной антенн.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ЭМС

Рис. 10. Устройство длиннопроволочного излучателя

Таблица 6. Требования к антеннам для валидации ИП с расстоянием 1 м (рекомендации) RSM-метод

Передающая антенна

Приемная антенна

LWA-метод

Ниже 30 МГц — короткая пассивная штыревая антенна длиной менее 50 см и диаметром не более 1 см (вертикальная поляризация); для 30 МГц и выше — малая биконическая антенна или укороченный диполь с габаритами не более 40 см (вертикальная и горизонтальная поляризация). Данные о калибровке не нужны.

Излучатель из латунного стержня диаметром порядка 4 мм, удерживаемого двумя металлическими уголками, разделенными 500 мм (рис. 10). Штырь расположен на высоте 50 мм над плоскостью заземления параллельно переднему краю (рис. 5).

Антенна, аналогичная используемой для измерений ИРП согласно CISPR 25. Данные о калибровке не нужны.

Антенна, аналогичная используемой для измерений ИРП на ИП, с известным коэффициентом калибровки.

При наличии анализатора цепей коэффициент передачи является результатом прямых измерений коэффициента передачи:

CT = S21.

(5)

Данный метод валидации имеет следующие аспекты: • в качестве передающей антенны целесообразно использовать малогабаритную монопольную, биконическую или укороченную дипольную антенну; • опорные (идеальные) измерения коэффициента передачи проводятся на открытой ИП (или в аналогичной среде) со стандартизованной конфигурацией, которая отличается от конфигурации, используемой в проверяемой ALSE; • измерения коэффициента передачи на тестируемой ALSE выполняются в конфигурации, идентичной конфигурации при измерениях ИРП в ALSE. LWA-метод не требует экспериментального получения опорных значений. Вместо них используются расчетные значения неко-

торой эквивалентной напряженности поля, создаваемой стандартизованным линейным излучателем (рис. 10) на выбранном расстоянии. Расчет эквивалентной напряженности поля Eeq выполняется в соответствии с выражением:

Eeq = 120+MA–M+kAF, Eeq = 120+S21+kAF,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

(7)

где kAF — коэффициент калибровки приемной антенны.

LWA-метод имеет следующие особенности: • линейный излучатель, образованный штырем между двумя угловыми металлическими пластинами, при измерениях на ALSE размещается в месте расположения связки кабелей ОИ; • опорные значения определяются путем числового моделирования; • измерения на ALSE выполняются в конфигурации, предписанной стандартом для выполнения измерений ИРП от ОИ.

а

Рис. 11. Конфигурация схемы измерений опорных значений для частот ниже 30 МГц

(6)

технологии

83

Особенности выбора антенн для реализации указанных методов валидации отражены в таблице 6. Применимость ИП для выполнения измерений ИРП определяется вычислением отклонений между измеренным коэффициентом передачи на опорной и проверяемой ИП для RSM-метода или между измеренной и расчетной эквивалентной напряженностью поля для LWA-метода. Приемлемым критерием применимости ИП является нахождение в допуске отклонений 6 дБ для не менее 90% частотных точек. Процедура получения опорных значений коэффициента передачи в RSM-методе иллюстрируется рис. 11 и 12. Для получения опорных значений в диапазоне частот ниже 30 МГц предпочтительно использование ИП OATS. Однако, учитывая быстрое ослабление поля в зависимости от расстояния на этих частотах, вместо опорной ИП типа OATS допустимо использование ИП типа ALSE, в качестве пластины заземления при этом применяется проводящего пола с участком не менее 1,51 м (сопротивление постоянному току не более 2,5 мОм). Дополнительно применимость ALSE для получения опорных значений проверяется анализом разбросов результатов парных измерений коэффициента передачи, выполненных в смещенных положениях — например, не менее 0,3 м от первоначального положения. Если разброс результатов измерений не превышает 2 дБ, то в качестве опорных значений может быть выбрано любое измерение коэффициента передачи. В противном случае ИП не может быть использована для получения опорных значений. Для получения опорных значений в диапазоне частот 30 МГц – 1 ГГц должна быть использована опорная ИП, в качестве которой может служить ИП типа OATS, альтернативная ИП с защитой от погодных условий, либо ИП типа SAC, удовлетворяющая требованиям CISPR 16-1-4:2010. Для опорных измерений в диапазоне 30 МГц – 1 ГГц дополнительно требуется приподнятая опорная пластина заземления. Приподнятая опорная пластина заземления для валидации должна

б

Рис. 12. Конфигурация схемы измерений опорных значений для частот 30–1000 МГц: а) вид сверху; б) вид сбоку

www.kite.ru

84

технологии

ЭМС

Frequency range 150 kHz to 30 MHz

Рис. 13. Конфигурация измерений коэффициентов передачи на проверяемой ALSE (до 30 МГц)

иметь стандартные размеры 2,51 м и быть прикреплена к пластине заземления опорной ИП заземляющим шлейфом с сопротивлением не менее 2,5 мОм. Измерения коэффициента передачи на проверяемой ИП типа ALSE должны выполняться с той же конфигурацией ALSE (физическая схема, размер пластины зазем-

Frequency range 30 MHz to 200 MHz

Frequency range 200 MHz to 1000 MHz

Frequency MHz

Eeq,maxREF dB(µV/m)

Frequency MHz

Eeq,maxREF dB(µV/m)

Frequency MHz

Eeq,maxREF dB(µV/m)

0,15

61,14

30

71,24

200

87,9

0,35

61,14

31

71,39

205

88,58

0,55

61,14

32

71,51

210

89,59

0,75

61,14

33

71,62

215

90,61

Рис. 14. Справочные данные расчетных значений напряженности поля (приведена только часть данных для примера)

ления, заземление опорной пластины заземления, поглощающие материалы и т. д.), которая будет использоваться во время измерений излучаемых ИРП от ОИ (рис. 13). По результатам измерений для каждой частоты оценивается отклонение ΔRSM измеренного коэффициента передачи на опорной площадке и на проверяемой ИП:

ΔRSM = CT_RSM –CT_ALSE.

(8)

При применении LWA-метода опорные значения находят как набор справочных данных, приведенных в стандарте (рис. 14). Эти количественные значения представляют собой числовые справочные данные, которые сравниваются с данными измерения эквива-

Рис. 15. Конфигурация измерений для эквивалентной напряженности поля LWA-методом: 1 — излучатель; 2 — нагрузка 50 Ом; 3 — аттенюатор 10 дБ; 4 — опорная пластина заземления; 5 — заземление; 6 — штыревая антенна (для примера); 7 — анализатор цепей

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

ЭМС

Рис. 16. Внешний вид линейного излучателя RAD 6000 (TESEQ)

Таблица 7. Сопоставление областей применений различных методов валидации ИП

Площадки типа OATS, SAC

Площадки типа FAR

RSM-метод

NSA-метод

LWA-метод

Измерительное расстояние не менее 3 м (OATS, SAC)

0,009–30

–

–

–

30–1000

CISPR 16-1-4

CISPR 16-1-4, 51320

–

Измерительное расстояние не менее 3 м (OATS, SAC)

0,009–30

–

–

–

30–1000

CISPR 16-1-4

CISPR 16-1-4

–

0,009–0,15

–

–

–

0,15–30

CISPR 25 (ред. 4)

–

CISPR 25 (ред. 4)

30–1000

CISPR 25 (ред. 4)

–

CISPR 25 (ред. 4)

Измерительное расстояние менее 3 м (ALSE)

лентной напряженности поля, полученными в проверяемой ИП ALSE. Справочные данные также применимы к проверке ИП ALSE и отличаются в своей настройке от конфигурации, на которой было основано моделирование. Следовательно, дальнейшее моделирование не требуется и пользователям не нужно выполнять собственное моделирование. Таким образом, можно проводить проверку любых ИП типа ALSE. При валидации ИП выбирают конфигурацию измерений, абсолютно идентичную конфигурации установки при измерении ИРП объектов испытаний (рис. 15). В результате проверки для каждой частоты и поляризации оценивается разность ΔLWA между измеренным значением эквивалентной напряженности поля E eq и табулированным значением EeqREF:

ΔLWA = Eeq –EeqREF.

(9)

После оценки результатов статистик отклонений принимается решение о применимости ИП для выполнения измерений. Очевидно, как и в случае валидации OATS и SAC, отклонения не могут быть использованы в качестве поправки к результатам измерений ИРП. Таким образом, можно проводить валидацию ИП в диапазоне частот 150 кГц – 1000 МГц для измерительного расстояния 1 м. Это существенно расширяет методологическую базу для проверки ИП, использование которых как по частотному диапазону, так и по измерительному расстоянию важно для широкой номенклатуры стандартов по испытаниям ЭМС. Ва жным моментом остается статус и правомочность выбора некой ИП в качестве опорной для реализации RSM-метода.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Подобная проблема отсутствует в LWAметоде. Поэтому представляется, что среди методов валидации ИП в диапазоне частот 150 кГц – 1000 МГц для измерительного расстояния 1 м LWA-метод окажется предпочтительным. Рациональность такого подхода связана и с тем, что ведущие производители испытательного оборудования для ЭМС уже выпускают готовые длиннопроводные излучатели, изготовленные согласно рис. 5. В частности, на рис. 16 представлен излучатель типа RAD 6000 производства AMETEK СTS (под торговой маркой TESEQ, Германия), полностью удовлетворяющий CISPR 25 (редакция 4).

Заключение Таким образом, применимость разных методов валидации для различных ИП (по диапазону частот и измерительному расстоянию) может быть отражена данными в таблице 7. Расширение возможностей различных процедур валидации позволит повысить достоверность оценки характеристик ИП с учетом конфигурации их использования, целевого назначения и области применения для измерений эмиссии излучаемых ИРП. n

85

ные. Классы, основные параметры, технические требования и методы испытаний.

4. ГОСТ Р 51320-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний технических средств — источников индустриальных радиопомех.

5. ГОСТ CISPR 16-1-4-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений. Часть 1–4. Аппаратура для измерения радиопомех и помехоустойчивости. Антенны и испытательные площадки для измерения излучаемых помех.

6. ГОСТ 16842-82. Радиопомехи индустриальные. Методы испытаний источников индустриальных радиопомех.

7. ГОСТ 30429-96. Межгосударственный стандарт. Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от оборудования и аппаратуры, устанавливаемых совместно со служебными радиоприемными устройствами гражданского назначения.

8. ГОСТ CISPR 16-2-3-2016. Требования к аппаратуре для измерения радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений. Часть 2–3. Методы измерения радиопомех и помехоустойчивости. Измерения излучаемых помех.

9. ГОСТ CISPR 16-1-1-2016. Требования к аппаратуре для измерения радиопомех и помехоустойчивости и методы измерения. Часть 1–1. Аппаратура для измерения радиопомех и помехоустойчивости. Измерительная аппаратура.

10. ГОСТ Р 51318.12-2012 (СИСПР 12:2009). Совместимость технических средств электромагнитная. Транспортные средства, моторные лодки и устройства с двигателями внутреннего сгорания. Характеристики индустриальных радиопомех. Нормы и методы измерений для защиты радиоприемных устройств, размещенных вне подвижных средств.

11. ГОСТ Р 51318.25-2012 (СИСПР 25:2008). Совместимость технических средств электромагнитная. Транспортные средства. Моторные лодки и устройства с двигателями внутреннего сгорания. Характеристики индустриальных радиопомех. Нормы и методы измерений для защиты радиоприемных устройств, размещенных на подвижных средствах.

Литература 1. ГОСТ Р 8.568-2017. Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения.

2. ГОСТ 24555-81. Система государственных испытаний продукции. Порядок аттестации испытательного оборудования. Основные положения.

3. ГОСТ 30373-95/ГОСТ Р 50414-92. Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование для испытаний. Камеры экранирован-

Реклама

Частотный диапазон, МГц

технологии

www.kite.ru

технологии

86

измерительная аппаратура

Измерения параметров широтно-импульсной модуляции с использованием автоматических измерений на осциллографах серии RTO6 компании Rohde & Schwarz

Николай Лемешко, д. т. н. nlem83@mail.ru Михаил Горелкин Mikhail.Gorelkin@rohde-schwarz.com Павел Струнин Pavel.Strunin@rohde-schwarz.com

В статье рассматриваются подходы к экспериментальному определению параметров сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с использованием функций автоматических измерений современных осциллографов. Представлена и проанализирована обобщенная классификация сигналов с ШИМ, проанализированы типовые способы их формирования и причины возникновения погрешностей модуляции, различающиеся для аналоговых и цифровых ее способов. Описана номенклатура параметров сигналов с ШИМ, подлежащих контролю с использованием средств измерений при отладке устройств, в которых применяется широтно-импульсная модуляция. Применительно к осциллографам RTO6 компании Rohde & Schwarz рассмотрены функции автоматических измерений, которые могут применяться для анализа сигналов с ШИМ. Представлен пример выполнения измерений параметров сигналов с ШИМ при синусоидальном законе, включая построение статистики распределения среднеквадратичных значений и длительности импульсов.

Введение Развитие цифровой электроники на текущем этапе определяется в основном двумя факторами. Первый состоит в совершенствовании компонентной базы, которая обеспечивает выполнение все более широких потребительских функций. Второй фактор связан с развитием алгоритмов цифровой обработки информации и подходов к их аппаратно-программной реализации. Частным вопросом здесь становится управление исполнительными устройствами (ИУ) на основе данных, представленных в цифровом формате [1]. Значительная часть ИУ требует использования непрерывных сигналов аналогового характера, и непосредственное применение двоичного кодирования здесь невозможно. Одно из решений такой проблемы состоит в применении цифро-аналоговых преобразователей [2], но это значительно повышает стоимость конечного изделия, усложняет схемотехнику цифровых устройств и ухудшает массогабаритные показатели. Наиболее простой альтернативой является изменение рабочих параметров ИУ за счет специальной импульсной последовательности, формируемой, например, контроллером. Именно с развитием микроконтроллеров появилась возможность широкого распространения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [3]. Управление ИУ обычно сводится к регулировке мощности, выделяемой для исполнения ими некоторого полезного действия. Важно отметить, что применение самой ШИМ не должно приводить к снижению качества исполнения их рабочих функций, то есть должно быть незаметно для конечного потребителя. Это означает необходимость «совмещения» ШИМ как с особенностями функционирования

ИУ, так и с психофизиологическими особенностями людей, если речь идет об отображении информации. Подходы к обеспечению такой совместимости зависят от характера ИУ. В настоящее время сигналы с ШИМ применяются, например, для следующих целей: • Регулировка яркости свечения LED-панели и отдельных светодиодов. Здесь незаметность импульсного характера управления обеспечивается за счет частоты импульсов, превышающей воспринимаемую глазами человека. Известно [4], что наибольшая восприимчивость к пульсации светового потока у человека проявляется на частоте 8,8 Гц, и, учитывая почти полное отсутствие собственной инерционности у светодиодов, частота мерцания 100 Гц уже не будет незаметной для человеческого глаза.

• Регулировка скорости вращения роторов двигателей. Здесь при выборе частоты управления важнейшую роль играет инерционность приводимого в движение объекта.

• Управление резистивными нагревателями. В этом применении ШИМ-управление реализуется за счет тепловой инерции нагревателей.

• Управление напряжением на нагрузке в зависимости от отбора мощности в импульсных блоках питания [5]. Здесь посредством ШИМ коммутируется силовой ключ, через который питается накапливающий энергию элемент, то есть реализуется своего рода следящая система управления выходным напряжением. Для перечисленных применений сигнал с ШИМ обычно формируется при помощи специальных контроллеров, которые иногда входят в состав компонентов с более широкой функциональностью. Еще

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

измерительная аппаратура

технологии

87

Рис. 1. Классификация сигналов ШИМ

одна область применения ШИМ — это радиосвязь [6]. Здесь ШИМ применяется в телефонии с расширенной полосой передачи для повышения помехоустойчивости, однако данное приложение рассматриваться далее не будет. Как и для сигналов с другими видами модуляции, преимущества использования ШИМ в конкретном практическом применении могут быть достигнуты только тогда, когда формирование ШИМ реализовано с приемлемой точностью. Поэтому целесообразно рассмотреть возможности современных приборов в части измерений параметров сигналов с ШИМ, ориентируясь на осциллографы передового уровня.

Классификация сигналов с ШИМ и принципы их формирования Как и для других видов модуляции, при ШИМ имеется некоторый модулирующий (информационный) сигнал, определяющий мгновенные параметры модуляции. В случае ШИМ под действием информационного сигнала изменяется длительность импульсов, а их амплитуда и частота следования в подавляющем большинстве случаев остаются неизменными. Мощность, отдаваемая в ИУ на некотором периоде функционирования, будет обратно пропорциональна корню из средней скважности импульсов ШИМ. Классификация ШИМ в виде схемы представлена на рис. 1 и включает следующие признаки: • по принципу формирования различают аналоговую и цифровую ШИМ; • по типу смещения границ импульсов относительно условных тактовых точек выделяют ШИМ со смещением только фронтов, только спадов и с их одновременным смещением (для аналогового формирования ШИМ методом сравнения); • по полярности ШИМ различают одно- и двухполярную модуляцию; • по количеству уровней выделяют двух- и трехуровневую ШИМ; • по частоте следования импульсов выделяют низкочастотную (до 10 кГц) и высокочастотную (свыше 10 кГц) ШИМ; • по вариации частоты следования импульсов различают ШИМ с постоянной и изменяющейся частотой; • по количеству формируемых сигналов выделяют однофазную и трехфазную ШИМ (последняя применяется для управления трехфазными двигателями в соответствии с принципами изменения мгновенной индукции, поясненными на рис. 4).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

При аналоговом способе формирования ШИМ наиболее часто встречаются схемы на основе компараторов, причем тип смещения границ импульсов зависит от характера опорного сигнала, в качестве которого в типовом случае используется последовательность пилообразных или треугольных симметричных импульсов. Аналоговая ШИМ в наиболее простом случае может быть реализована методом сравнения, при котором уровень выходного напряжения определяется простым сопоставлением модулирующего и опорного сигналов. Принцип такого подхода к формированию ШИМ с применением опорного сигнала разных форм пояснен на рис. 2, где красным цветом показан модулирующий сигнал, а синим — опорный с временными функциями UM (t ) и UOP (t )соответственно, причем высокий уровень ШИМ-сигнала соответствует UM (t) > UOP (t). Использование обратного условия также возможно. Во всех представленных случаях увеличение амплитуды модулирующего сигнала приводит к снижению длительности импульсов. Альтернативой рассмотренному является формирование ШИМ δ- и δσ-методами [7]. Здесь критерием смены уровня на выходе ШИМ-модулятора становится достижение какого-либо условия, обычно связанного с выходным сигналом устройства, включающего в свой состав ШИМ-модулятор. Этот же принцип положен в основу управления выходным напряжением импульсных источников электропитания [5]. При формировании ШИМ δ-методом (рис. 3а) для выходного сигнала, заданного вполне определенной функцией, устанавливаются границы допуска, и импульсы ШИМ меняют уровень при достижении этих границ. По такому принципу построены инверторные источники вторичного электропитания, осуществляющие DC/АС-преобразование с формированием синусоидального выходного сигнала. В представленном на рис. 3а примере изменение выходного напряжения при высоком и низком уровнях сигнала ШИМ происходит с разной скоростью, что и наблюдается в общем случае. Поэтому даже при малых изменениях выходного сигнала ШИМсигнал может быть не похож на меандр. При формировании δσ-методом ШИМ-сигнал обычно представлен в двухполярном варианте, и здесь смена уровней происходит при достижении сигналом ошибки границ допуска (рис. 3б). Функция ошибки рассчитывается как интеграл разности опорного и выходного ШИМ-сигнала, на рис. 3б она условно показана линейной. В данном случае ШИМ-сигнал двухполярный. В отличие от показанного на рис. 2 здесь ШИМ может приобретать непериодический характер, www.kite.ru

88

технологии

измерительная аппаратура

а

а

б

б Рис. 3. Аналоговое формирование ШИМ: а) δ-методом; б) δσ-методом

в

Рис. 2. Аналоговое формирование ШИМ методом сравнения, со смещением: а) только фронтов; б) только спадов; в) фронтов и спадов

поскольку условие смены уровня ШИМ-сигнала не связано с частотой опорного сигнала. Формирование ШИМ цифровым способом обычно осуществляется микроконтроллерами, способными реализовывать любой из рассмотренных алгоритмов программным или аппаратным способом. В последнем случае сигнал ШИМ, как правило, формируется счетчиком, сбрасываемым микроконтроллером по заданному условию. Цифровые методы формирования ШИМ не позволяют генерировать импульсы произвольной длительности, минимально возможный шаг перестройки здесь определяется частотой тактирования. Все способы ШИМ-модуляции, поясненные на рис. 2 и 3, дают двухуровневую ШИМ, которая, однако, непригодна для прямого управления электродвигателями [7]. Это связано с тем, что мгновенный вращающий момент определяется силой Лоренца, воздействующей на электроны, движущиеся в магнитном поле [8]. В свою очередь, она определяется индукцией, развиваемой током в обмотках машины переменного тока, которые всегда проектируются с учетом электропитания переменным синусоидальным током. При использовании ШИМ в таком приложении она должна быть трехуровневой, как показано на рис. 4, причем такой сигнал дол-

жен включать и нулевое значение. Тогда при достаточно высокой частоте повторения ШИМ индукция будет изменяться по квазисинусоидальному закону с необходимой частотой. При формировании трехфазного ШИМ-сигнала широко применяется метод опорных векторов [9], позволяющий приблизить временные функции индукции к соответствующим питанию двигателей классическим трехфазным напряжениям.

C точки зрения практического использования ШИМ обладает следующими особенностями [10]: • Чем выше частота, тем выше точность управления ИУ.

• Частота ШИМ не должна быть ниже времени реакции управляемого устройства, иначе возникнут заметные пульсации регулируемого параметра.

Рис. 4. Принцип управления вращающим моментом двигателя с использованием ШИМ

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

измерительная аппаратура

• Чем выше частота, тем выше коммутационные потери. Они возникают из-за ненулевого времени переключения силовых ключей. В запертом состоянии на ключевом элементе падает все напряжение питания, но ток почти отсутствует. В открытом состоянии через ключ протекает полный ток нагрузки, но падение напряжения невелико. Таким образом, каждый цикл ШИМ характеризуется практически одинаковыми потерями энергии, которые в совокупности пропорциональны частоте ШИМ.

• Для некоторых приложений выбор частоты ШИМ не может и не должен осуществляться произвольно. Это относится в первую очередь к тем устройствам, в которых ШИМ-сигнал используется для формирования магнитных потоков. Например, при управлении электродвигателями частоту необходимо уводить за пределы слышимого звукового диапазона, то есть задавать ее на уровне не менее 25–30 кГц. В противном случае от блока или устройства может исходить свист, ухудшающий его эргономику.

Основные источники погрешностей при широтно-импульсной модуляции Сигнал, получаемый в результате ШИМ, представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, характеризующуюся внутренними временными соотношениями. Погрешности ШИМсигналов могут быть разделены на следующие составляющие: • погрешности формы ШИМ; • амплитудные погрешности; • погрешности временных соотношений в ШИМ-сигналах. ШИМ-сигнал представляется как последовательность идеальных прямоугольных импульсов с предельной частотой следования до 1 МГц, что характерно, например, для DC/DC-преобразователей. Вне зависимости от способа формирования ШИМ погрешности формы в типовых случаях обусловлены резонансными явлениями в проводниках печатных узлов, а также перерегулированием [11], если для их проявления имеются условия. Первые из названных искажений проявляются в виде высокочастотного звона после фронтов и спадов импульсов. Если ШИМ используется для управления силовыми ключами, например, импульсного блока питания, то наличие таких колебаний увеличивает потери на переключение и повышает среднюю температуру ключа. Перерегулирование, проявляющееся в выбросах выше максимального и ниже минимального уровней ШИМ-сигнала, может возникать, когда он формируется на основе обратной связи, например δ-методом. Избежать таких нарушений формы ШИМ-сигналов позволяют рациональная топология печатных узлов [12] и настройка контуров обратной связи с добавлением приемлемой инерционности. Амплитудные погрешности играют значимую роль, если сигнал с ШИМ применяется для прямого управления мощностью или вращающим моментом без использования ключей. Обратившись к рис. 4, можно видеть, что изменение индукции пропорционально интегралу от импульсного воздействия. Если ШИМ имеет разброс по амплитуде, то для управляемого объекта это равносильно появлению высших гармоник в спектре питающего напряжения и на примере электродвигателя сопровождается повышенным тепловыделением, лишними механическими напряжениями, преждевременным износом. Основные причины амплитудных погрешностей состоят в изменении напряжения питания ШИМ-модулятора, а также в нелинейном характере его нагрузки, свойственном, например, некоторым типам полупроводниковых ключей. Снижение амплитудной погрешности для конкретного широтно-импульсного модулятора может быть достигнуто за счет стабилизации питающих напряжений и применения повторителей сигналов с достаточной полосой частот. Что касается временных погрешностей, их источники различны для аналоговых и цифровых методов формирования ШИМ. Метод на основе сравнения реализуется сопоставлением двух сигналов — опорного и модулирующего. Варьирование их частоты и формы приводит к нарушению требуемых временных соотношений в ШИМ-сигнале. Аналогичный эффект дают любые виды пара-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

технологии

89

зитной модуляции опорного сигнала, смещение нулевого уровня компаратора, нестабильность напряжения его электропитания. Для δ-модуляции к перечисленной номенклатуре факторов добавляется стабильность значения допуска для выходного сигнала, включая его зависимость от уровня выходного сигнала (рис. 3а), а для δσмодуляции — погрешность расчета интегральной ошибки, которая может накапливаться от периода к периоду опорного сигнала. Цифровые методы формирования ШИМ, скажем, на основе применения счетчиков обычно реализуются на элементной базе, использующей тактирование. Здесь выдержка временных соотношений в ШИМ не может быть точнее, чем период единичного такта. Тактовые частоты микроконтроллеров обычно исчисляются десятками мегагерц и намного превосходят характерные частоты ШИМ, однако для смены уровня сигнала с широтно-импульсной модуляцией в отдельном тактовом цикле микроконтроллер должен обладать соответствующей готовностью. Таким образом, если ШИМ формируется программным способом, а контроллер работает с нагрузкой выше рекомендуемой, то в некоторых случаях может наблюдаться смещение переключений в сигнале с ШИМ на несколько тактов. Отсюда следует необходимость использования, где это возможно, аппаратных модулей формирования ШИМ, которые функционируют с малой зависимостью от текущей загрузки ядра микроконтроллера. Для частот ШИМ, соизмеримых с тактовыми частотами микроконтроллера, будет наблюдаться явная дискретность длительностей высокого и низкого уровней ШИМ. В этом случае джиттер тактового сигнала будет транслироваться в ШИМ-сигнал, и для снижения связанных с ним случайных погрешностей необходимо использовать источники тактирования со стабилизированной частотой. Показано [13], что снизить уровень джиттера можно увеличением напряжения питания в границах допустимых значений. На основе изложенного, а также анализа схемотехники конкретного ШИМ-модулятора можно определить ключевые направления снижения погрешности его выходного сигнала. При этом погрешности ШИМ, вызванные случайными факторами, обычно имеют симметричное относительно нуля вероятностное распределение и при статистическом усреднении взаимно компенсируются. Если ШИМсигнал формируется на основе обратной связи, например δ-методом, а текущий его уровень лишь определяет направление изменения состояния объекта управления, то «списание» почти любых ошибок ШИМ-сигнала происходит автоматически при достижении условия переключения.

Измеряемые параметры ШИМ и требования к средствам измерений Исходя из назначения и принципов формирования ШИМ-сигналов, для них необходимо измерять: • амплитуду импульсов либо минимальное и максимальное установившееся значение; • среднеквадратическое значение сигнала ШИМ на периоде модулирующего сигнала (для приложений, в которых ШИМ применяется для прямого управления мощностью ИУ); • частоту следования импульсов при ее постоянстве либо статистику ее распределения; • среднюю длительность импульсов, статистику их распределения; • глубину ШИМ; • частоту (период) модулирующего сигнала, по которому осуществлялась ШИМ; • соотношение периода ШИМ и модулирующего напряжения, которое определяет коэффициент модуляции в В/Гц. Требования к средствам измерений параметров и к измерительной оснастке определяются структурой сигналов с широтно-импульсной модуляцией. В первую очередь они должны обладать необходимой рабочей полосой. Поскольку любая ШИМ представлена последовательностью сменяющих друг друга уровней сигнала, то, рассматривая длительности импульсов и пауз между ними, необходимо ориентиwww.kite.ru

90

технологии

измерительная аппаратура

роваться на наиболее короткие из них. Если обозначить наименьшую их длительность как τ, то для воспроизведения без существенных искажений средство измерений и оснастка должны обладать верхней граничной частотой не менее 3/τ. Практически все современные осциллографы и пробники отвечают этому требованию, если учесть, что частота ШИМ редко превосходит 1 МГц, а полоса такого сигнала в подавляющем большинстве случаев оказывается менее 30 МГц. Вторая группа требований относится к измерительным функциям самого осциллографа. Лучшим вариантом здесь считаются автоматические измерения, в особенности для статистических параметров, поскольку появляется возможность обработать широкую и потому репрезентативную выборку импульсов. Такие функции являются базовыми для современных цифровых осциллографов. Рассмотрим реализацию измерений перечисленных параметров на осциллографах компании Rohde & Schwarz новой серии — RTO6.

Возможности осциллографов R&S RTO6 по измерению параметров ШИМ Согласно руководству пользователя [14], осциллографы серии R&S RTO6 имеют весьма широкие возможности по измерению амплитудных и временных параметров, которые перекрывают приведенную выше номенклатуру для сигналов ШИМ. Автоматические измерения в интерфейсе прибора разбиты на четыре категории: • амплитудные измерения; • измерения временных параметров; • измерения электрической площади сигнала на периоде либо по заданному пользователем уровню; • счет импульсов и/или перепадов. Для определения параметров ШИМ-сигналов следует использовать амплитудно-временные измерения, а также математическую обработку, к результатам которой также применимы автоматические измерения. Максимальное и минимальное значения напряжения для ШИМсигнала измеряются как усредненные показатели по соответствующим частям сигнала — импульсам или паузе между ними, амплитуда измеряется как разность между ними. При измерении среднеквадратического значения ШИМ-сигнала на периоде необходимо помнить, что на этом интервале укладывается большое количество импульсов, а функция расчета среднеквадратичного значения обычно привязана к периоду импульсного сигнала. Ясно, что для ШИМ в смежных периодах среднеквадратичное значение меняется незначительно. Учитывая классическое определение среднеквадратического значения [15], а также математические свойства интегрирования, для его определения для ШИМ-сигналов следует использовать вероятностное распределение, гистограмма которого может быть построена на осциллографах R&S RTO6. Точка симметрии такой гистограммы будет характеризовать текущее среднеквадратичное значение, причем объем выборки, используемой для ее построения, должен быть кратен отношению периодов модулирующего и ШИМ-сигнала. Прочие параметры ШИМ из перечисленных в предыдущем разделе относятся к временным. Как было показано выше, в зависимости от способа формирования сигнал ШИМ может иметь постоянный период, либо он может меняться. В зависимости от этого и выбирают конкретный измеряемый параметр, причем в первом случае частота импульсов ШИМ измеряется непосредственно, а во втором строится статистическое распределение. Для длительности импульсов должны применяться только статистические измерения с построением гистограммы распределения, по которой, как правило, можно оценить среднее ее значение. В некоторых случаях по такому распределению можно судить и о форме модулирующего сигнала. Глубина ШИМ M определяется пределами изменения длительности импульсов в пределах периода модулирующего сигнала. Если считать, что она изменяется в интервале [τmin, τmax], который определяется непосредственно по гистограмме вероятностного распределения, то M = (τmax–τmin)/T, где T — период импульсов ШИМ.

В предельном случае M = 1, и тогда τmax = T; τmin = 0. Соответственно, если модуляции нет, то M = 0, и тогда τmax = τmin, и любые колебания длительности импульсов обусловлены случайными факторами. Измерения периода модулирующего сигнала TM оказываются несколько сложнее, но и они могут быть реализованы на осциллографах серии R&S RTO6. Наиболее простой и очевидный вариант — это прямые измерения частоты модулирующего сигнала, если к нему имеется доступ. В противном случае о его периоде можно судить только по характеристикам сигнала ШИМ, и здесь оказывается полезным интегральный метод обработки, который лучше реализовывать в специальных математических пакетах. Для его применения сигнал ШИМ, представленный зависимостью U(t ), вначале должен быть нормирован в пределах значений ±1 В путем перехода к функции:

где A1 и A2 — низкий и высокий уровни ШИМ. На произвольном i‑м периоде формирования ШИМ интеграл от такой функции составит:

где τi — длительность импульса в i‑м периоде. Таким образом, мы получаем парциальное интегральное значение, линейно связанное с τi . При этом значение ISHIMi < 0 для импульса со скважностью Q = T/τi менее двух и больше нуля в противном случае. Для определения периода модулирующего сигнала следует использовать функцию:

(1) Формула справедлива для t ≥ 0, в ней функция trunc(*) отбрасывает дробную часть аргумента. Представленные соотношения могут показаться чрезмерно сложными, поскольку уравнение (1) может быть записано куда проще:

и математически это будет верно. Однако, как показали численные эксперименты, прямое вычисление по такой формуле сопровождается накоплением погрешностей, что приводит к расхождению результатов при численном интегрировании. Чтобы избежать этого, приходится увеличивать допуск сходимости, что влечет за собой снижение точности определения периода модулирующего сигнала и появление выбросов на графике интегральной функции, не имеющих никакого отношения к свойствам обрабатываемого ШИМ-сигнала. В то же время уравнение (1) за счет интегрирования в малых интервалах обеспечивает сходимость практически при любых отношениях TM /T, если первичные данные, полученные на средства измерений, обеспечивают достаточное количество выборок на периоде T. Рассмотрим пример вычисления по уравнению (1) для ШИМ-сигнала, синтезированного методом сравнения для значений TM = 1 c и T = 1 мс. Опорный сигнал с функцией OP(t ) представлял собой последовательность пилообразных импульсов с медленным нарастанием и быстрым спадом в интервале значений –1,1…+1,1 В. Модулирующий сигнал описывался уравнением MOD(t) = sin(2πt/TM). Функция ШИМ-сигнала рассчитывалась так:

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

измерительная аппаратура

технологии

91

Рис. 5. Графики функций OP(t), MOD(t), SHIM(t) в пределах десяти периодов опорного сигнала

Рис. 6. Графики функций MOD(t) и ISHIM(t) в пределах трех периодов модулирующего сигнала

Таким образом, в результате синтеза получался сразу нормированный сигнал. Графики функций OP(t), MOD(t), SHIM(t) показаны на рис. 5 для интервала времени от 0–10T. На рис. 6 представлены графики функций MOD(t ) и ISHIM(t ) в пределах трех периодов модулирующего сигнала. Как видим, функция ISHIM(t ) позволяет определить не только период модулирующего сигнала, но и его форму с точностью до масштаба и постоянной составляющей. Такой метод действует только для сигналов ШИМ с постоянным периодом управляющего сигнала. Далее рассмотрим пример измерений параметров сигнала с широтно-импульсной модуляцией с использованием осциллографов серии R&S RTO6.

а

Пример измерений параметров сигналов с ШИМ-модуляцией Измерительное оборудование и оснастка В качестве средства измерений, на котором были получены описываемые ниже результаты, использовался осциллограф R&S RTO6 с опцией R&S RTO6‑B96, соответствующей полосе рабочих частот до 4 ГГц при наличии четырех каналов. При измерениях, как следует из схемы на рис. 7, был задействован только один из них. Многие современные осциллографы комплектуются модулями с дополнительными функциями, упрощающими проведение измерений за счет сокращения необходимой номенклатуры оборудования. Не стали исключением и приборы R&S RTO6, в которых двухканаль-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

б

Рис. 7. Измерительная установка: а) схема; б) внешний вид

www.kite.ru

92

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 8. Внешние интерфейсы генератора R&S RTO6‑B6

ный генератор аналоговых сигналов и восьмиканальный паттерн-генератор реализованы как опция R&S RTO6‑B6 (рис. 8). При этом ШИМ для R&S RTO6‑B6 является одним из типовых видов модуляции и не требует пользовательского программирования. Учитывая, что при формировании аналоговых сигналов осуществляется прямой цифровой синтез, такая опция предоставляет возможность создавать ШИМ с любыми формами модулирующего сигнала, в том числе непериодического характера. В качестве объекта исследований был выбран ШИМ-сигнал с частотой следования импульсов 1 МГц, глубиной модуляции M = 0,8. Модуляция осуществлялась при помощи синусоидального сигнала с частотой 1 кГц. Амплитудные параметры сигнала выбирались в зависимости от текущей изме-

а

б

Рис. 9. Окна конфигурирования генератора R&S RTO6‑B6: а) для задания вида и характеристик модуляции; б) для задания амплитудных параметров и нагрузки

рительной задачи так, как это описано ниже. Во всех случаях запуск развертки осуществлялся по уровню, соответствующему половине размаха сигнала ШИМ. Настройка генератора R&S Настройка RTO6‑B6 осуществлялась установкой параметров ШИМ-сигнала в окнах, показанных на рис. 9. В первом окне устанавливаются частота импульсов ШИМ, глубина и частота модуляции, тип модулирующего сигнала. Во втором окне задаются амплитудные параметры: размах импульсов ШИМ,

смещение и значение нагрузки на выходе генератора. Выходной сигнал поступал на вход осциллографа с сопротивлением 1 МОм, однако при необходимости его можно установить равным 50 Ом. Поэтому в настройках генератора R&S RTO6‑B6 пользовательская нагрузка была определена как Hi Z. При проведении всех описываемых ниже измерений, за исключением определения периода модулирующего сигнала, амплитуда и смещение сигнала с ШИМ устанавливались равными 2 и 1 В соответственно, что и показано на рис. 9б.

Рис. 10. Реализация автоматических измерений амплитуды сигнала с ШИМ

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

измерительная аппаратура

технологии

93

Рис. 11. Результат измерений среднеквадратичного значения напряжения ШИМ на периоде модулирующего сигнала

Измерения амплитудных параметров сигнала ШИМ Измерения выполнялись с использованием функций автоматических измерений. На рис. 10 показан результат автоматического определения амплитуды импульсов, которая составляет 1,976 В. Следует обратить внимание на наличие выбросов на осциллограмме измеряемого сигнала, к которым, однако, алгоритм измерения амплитудного значения проявляет толерантность за счет использования усреднения. Измерения среднеквадратичного значения и его статистического распределения Измерения среднеквадратичного значения и его статистического распределения на осциллографах серии R&S RTO6 выполняются для заданной области на осциллограмме. Среднеквадратичное значение ШИМ должно определяться на периоде модулирующего сигнала, то есть охватывать интервал времени около TM = 1 мс. Согласно определению, среднеквадратичное значение сигнала U(t) за время TM рассчитывается как:

ний A2 = 0, T = 1 мкс, а вероятностное распределение длительностей импульсов симметрично в силу формы модулирующего сигнала, и поэтому t = 0,5 мкс. С учетом этого расчетное значение U 2 = 1,4 В. Этот же результат получается при измерениях (рис. 11). На рис. 12 представлена гистограмма вероятностного распределения среднеквадратичных значений (с. к. з.) отдельно взятых импульсов в составе ШИМ, построенная по результатам автоматических измерений. С учетом свойств модулирующего сигнала распределение среднеквадратичных значений должно быть симметричным, но, как видно из рисунка, это не так. Для проверки правильности построения вероятностного распределения необходимо вывести соответствующее соотношение. Общий подход к такому выводу изложен в [16], поэтому далее только приведем результаты его применения к рассматриваемой частной задаче. Длительность импульсов ШИМ меняется по закону τ(t) = 0,5T(1+Msin(2πf Mt)), где f M = 1/TM. Пусть А2 = 0, тогда c учетом малого изменения модулирующего сигнала на периоде ШИМ значение с. к. з. проявляет следующую зависимость от частоты:

Un2(t) = A1√0,5√1+M sin(2pf Mt). Если импульсы ШИМ характеризуются уровнями A1 и A2, причем:

A1 > A2, то

(2)

Ясно, что значение плотности вероятности будет обратно пропорционально скорости изменения с. к. з. при вариации времени либо эквивалентного влияющего параметра. Таким образом, оказывается, что p(Un2) ~ 1/(dUn2(t)/dt). Расчет производной dUn2(t)/dt по времени дает результат:

(3)

где t и (T–t) — усредненные на периоде сигнала ШИМ длительности импульсов и пауз между ними. В представляемом примере измере-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Функция плотности вероятности должна зависеть только от параметров модуляции и значения с. к. з. как ее аргумента. Для приведения уравнения (3) к приемлемому виду из уравнения (2) может быть получено, что: www.kite.ru

94

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 12. Гистограмма вероятностного распределения среднеквадратичных значений отдельно взятых импульсов в составе ШИМ

пропорциональности 4/πMA12. Отсюда окончательно имеем функцию вероятности распределения:

Рис. 13. Расчетный график функции p(Un2)

окончательной математической строгости необходимо обеспечить выполнение условия нормировки вероятности, согласно которому с. к. з. в любой произвольный момент времени гарантированно лежит в интервале значений: Из этого следует, что с точностью до коэффициента пропорциональности:

[A1√0,5√1–M; A1√0,5√1+M]. Это определяется выражением:

(4) Выражение (4) уже достаточно для качественного построения вероятностного распределения с. к. з., но для обеспечения

Используя справочник [17], можно показать, что последнее равенство соблюдается, когда в уравнение (4) введен коэффициент

График этой функции, построенный для заданных выше значений параметров, приведен на рис. 13 для определенного выше интервала возможных значений с. к. з. Анализ формы полученной кривой указывает на ее несимметрию относительно среднего значения с. к. з. Таким образом, результаты измерений плотности распределения, представленные на рис. 12, верны. Несимметрия статистического распределения определяется тем, что значения с. к. з. находятся в степенной зависимости от длительности импульсов, которая должна иметь симметричное распределение. Измерения частоты следования и вероятностного распределения длительности импульсов Эти измерения на приборах серии R&S RTO6 выполняются для заданного участка осциллограммы. Их результаты показаны на рис. 14. Как видим, частота ШИМ практически неизменна и равна номинальной, заданной в настройках генератора R&S RTO6‑B6. Согласно статистическим данным, представленным под гистограммой, минимальное и максимальное значения

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

измерительная аппаратура

технологии

95

Рис. 14. Результаты измерений частоты импульсов ШИМ и построения гистограммы вероятностного распределения их длительности

длительности импульса, зарегистрированные прибором, составляют τmin = 99,89 нс и τ max = 900,07 нс при среднем значении 500,82 нс. Это свидетельствует о симметричности статистического распределения, которую можно наблюдать и на гистограмме на рис. 14. В [16] показано, что длительность импульсов для выбранного закона ШИМ будет иметь арксинусоидальный закон распределения. Опуская промежуточные выкладки, включая получение нормировочного коэффициента, определим, что для интервала возможных значений длительности импульсов ШИМ [0,5T(1–M); 0,5T(1+M)] плотность вероятности p(τ) описывается уравнением: Рис. 15. Расчетный график функции p(τ)

График такой функции для указанных выше настроек ШИМ изображен на рис. 15. В данном случае распределение оказывается симметричным относительно среднего значения длительности импульсов, равного 0,5τ. Частота следования импульсов ШИМ, результаты измерений которой представлены на рис. 14 в левом нижнем углу, изменяется в пределах 0,99988–1,0001 МГц, то есть ее можно считать постоянной и равной номиналу, заданному в настройках генератора. Глубина ШИМ, как это отмечалось ранее, может быть оценена на основе измеренных значений τmax, τmin, а также периода следования импульсов T = 1 мкс. Исходя из этого, M = 0,80018.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Измерение периода модулирующего сигнала интегральным методом Для реализации измерений в соответствии с изложенным выше алгоритмом необходимо иметь достоверные априорные данные о том, что модулирующий сигнал действительно является периодическим. Описанные выше проблемы сходимости при численном интегрировании могут быть свойственны и математической обработке на осциллографах. Ясно, что массив первичных измеренных данных представляется дискретными значениями, и для численного интегрирования здесь, по-видимому, применяется простейшая ступенчатая аппроксимация. Для того чтобы она весьма точно повторяла первоначальный сигнал, необходимо, чтобы пе-

риодичность выборки была много меньше, чем минимальная длительность импульса ШИМ. Для выполнения этого условия пользователь осциллографов серии R&S RTO6 может менять частоту выборки. Как отмечалось выше, для выполнения измерений TM описанным выше интегральным методом используется математическая обработка осциллограмм и необходимо выполнить нормирование сигнала. В представляемом случае нормирование было осуществлено установкой нулевого смещения на генераторе, в результате чего сигнал с ШИМ приобрел значения A 1 = –1 В и A2 = 1 В. Аналогичная нормировка может быть выполнена применением к осциллограмме математической функции масштаwww.kite.ru

96

технологии

измерительная аппаратура

а

б

Рис. 16. Результаты измерений fM интегральным методом: а) при использовании нормировки; б) без использования нормировки

бирования вида y = kx+b, коэффициенты которой в рассматриваемом случае составляют k = 1; b = –1. На рис. 16а показаны результаты измерений TM, выполненных на утроенном периоде модулирующего сигнала. Как видим, функция автоматических измерений приме-

нима и к интегральной кривой. Измеренное значение частоты f M = 1,0002 кГц, периода — TM = 0,9998 мс. С другой стороны, как и ожидалось, отсутствие нормировки приводит к почти непрерывному нарастанию интегральной кривой, что делает невозможным определение периода и частоты модулирую-

щего колебания ШИМ. Теоретически по углу наклона такой кривой может быть рассчитана корректирующая функция, но применение нормировки любым из возможных способов значительно упрощает измерения. Таким образом, мы рассмотрели измерения всех параметров сигналов с широт-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

но-импульсной модуляцией из заявленной выше номенклатуры.

Заключение Измерения всех наиболее важных амплитудно-временных параметров сигналов с ШИМ могут быть выполнены с использованием функций автоматических измерений современных осциллографов. Аналогичные измерения можно реализовать и для сигналов с другими — во многом родственными — видами модуляции, например частотно-импульсной, для которой в зависимости от управляющего сигнала варьируется частота выдачи импульсов. В заключение следует отметить, что разработчики осциллографов серии R&S RTO6 значительно улучшили их эргономику за счет увеличения размеров экрана и повышения его разрешающей способности. Таким образом, осциллографы серии R&S RTO6 являются не специфической модификацией приборов R&S RTO, а их следующим поколением.n

Литература 1. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб: БХВ — Санкт-Петербург, 2000.

2. Ратхор Т. С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. М.: Техносфера, 2006.

новости

3. Широтно-импульсная модуляция. www. ledjournal.info/spravochnik/shirotnoimpulsnaya-modulyaciya.html 4. ГОСТ Р 51317.4.15-2012 «Совместимость технических средств электромагнитная. Фликерметр. Функциональные и конструктивные требования». М.: Стандартинформ, 2014.

5. Шрайбер Г. 300 схем источников питания. Выпрямители, импульсные источники питания, линейные стабилизаторы и преобразователи. М.: ДМК, 2000.

6. Ширман Я. Д., Багдасарян С. Т., Маляренко А. С. и др. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Под ред. Ширмана Я. Д. М.: Радио-техника, 2007.

7. Широтно-импульсная модуляция — Pulse-width modulation. www.wikichi.ru/wiki/Pulse-width_ modulation 8. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1990.

9. Широтно-импульсная модуляция. www. ru.wikipedia.org/wiki/ 10. Что такое ШИМ — широтно-импульсная модуляция. www.odinelectric.ru/knowledgebase/ chto-takoe-shim 11. Воронов А. А. Элементы теории автоматического регулирования. М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1954.

12. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.

технологии

97

13. Лемешко Н. В., Струнин П. А. Современные возможности анализа джиттера в высокоскоростных цифровых устройствах на примере опции R&S RTO-K12 // Контрольноизмерительные приборы и системы. 2019. № 2.

14. R&S RTO6 Oscilloscope. User Manual.

15. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 2003.

16. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1983.

17. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1974.

Реклама

измерительная аппаратура

кварцевые генераторы

Ультрапрецизионный кварцевый генератор с двойным термостатированием ГК209‑ТC АО «МОРИОН» (Санкт-Петербург) — ведущее предприятие России и один из мировых лидеров в области разработки и серийного производства кварцевых приборов стабилизации и селекции частоты — представляет новые варианты исполнения ультрапрецизионного кварцевого генератора с двойным термостатированием ГК209‑ТС. Генератор ГК209 является устройством с очень высокой температурной стабильностью в широком интервале температур: • интервалы рабочих температур: –40…+70 °C; • температурная стабильность частоты до ±1×10–10; ±5×10–11. Напряжение питания генератора 12 или 5 В, габаритные размеры 36×27×19 мм. Генератор ГК209‑ТС обладает низкой G‑чувствительностью 1×10–9 и хорошей долговременной стабильностью до ±1×10–8 в год. Добавлены новые варианты исполнения генераторов в корпусах 40×50 и 50×50 мм высотой 19 мм. Для реализации температурной стабильности ±1×10–10 или ±5×10–11 (особенно для варианта с питанием 5 В) основное ограничение падения напряжения на «земляном» выводе. Оно изменяется в интервале температур, так как потребляемая генератором мощность изменяется.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Для того чтобы уйти от этого паразитного падения напряжения и для надежной реализации температурной стабильности такого высокого уровня, предлагаются варианты с отдельным «земляным» выводом для управления частотой либо вариант генератора с ЦАПом. Вариант с ЦАПом (LTC2606, 16 бит) реализован в стандартных «пятиногих» корпусах. Данная разработка превосходит по параметрам и предлагается в качестве замены выпускавшихся генераторов ГК89, ГК142, ГК180. С аналоговым

управлением в варианте без дополнительной «земли», новый генератор полностью совместим со старыми пин в пин. Дополнительная информация о новом изделии доступна на сайте АО «МОРИОН». АО «МОРИОН» Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-92-43 Факс: (812) 332-50-25, (812) 350-15-59 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru

www.kite.ru

история

98

Переменный ток — начало начал

Стив Робертс (Steve Roberts) Перевод: Владимир Рентюк

Рис. 1. Технический директор компании Recom Стив Робертс, специалист, автор книг [1, 2] и популяризатор знаний из области AC/DC- и DC/DC-преобразователей

В

ы когда-нибудь задумывались, почему переменное напряжение сети составляет 115 или 230 В, а частота 50 или 60 Гц? Кто вообще выбрал такие значения? В данной статье объясняется история развития сети переменного тока. В зависимости от того, в какой стране вы находитесь, номинальное напряжение электросети в розетке будет составлять около 120 или 230 В переменного тока с часто-

* Публикация переводов из книги [1] осуществляется с эксклюзивного разрешения ее автора Стива Робертса (Steve Roberts M. Sc. B. Sc.), технического директора компании Recom, предоставленного переводчику.

Вниманию читателей предлагаются главы из книги “AC/DC Book of Knowledge Prac tical tips for the User” [1] («Книга знаний AC/DC: практические советы для пользователя») Стива Робертса (рис. 1), технического директора компании Recom. В книге, кроме проблем AC/DC-преобразования, затронуты темы, которые не рассматривались в его предыдущей книге “DC/DC Book of Knowledge Prac tical tips for the User” [2] («Книга знаний DC/DC: практические советы для пользователя»). Не ставя задачу написать фундаментальный труд, автор смог провести тонкую грань между предоставлением полезной для большинства читателей информации и чрезмерной многословностью. Книга основана на собственном опыте автора, его коллег и специалистов отрасли, которые представили свои идеи, концепции, проекты или результаты экспериментов. Первая статья серии касается истории переменного тока и его базовых принципов*.

той сетевого напряжения 50 или 60 Гц. Если вы не подключаете фен, чайник или лампу, то вам понадобится некий адаптер для преобразования напряжения переменного тока высокого в постоянный ток низкого напряжения, который необходим, например, для зарядки телефона или питания ноутбука. Учитывая, что все электронное оборудование изначально работает от постоянного тока, вы можете подумать, почему сетевое напряжение переменного тока? И кто все-таки выбрал 50/60 Гц или 120/230 В переменного тока в качестве «правильных» значений для питания от электросети? Еще в XIX веке, когда только-только начали развиваться общественные распределительные электрические сети, выбор был гораздо шире. Предлагались источники питания как переменного, так и постоянного тока со стандартной частотой переменного тока в диапазоне 16⅔–133 Гц. Электронные приборы еще не были изобретены, а потому электричество чаще всего использовалось для освещения или обогрева. Эти задачи одинаково хорошо решались с источниками как переменного, так и постоянного тока, соответственно, частота переменного тока не имела большого значения. Наиболее распространенная частота переменного тока составляла 42 Гц. Продвижением переменного тока занимался Никола Тесла при поддержке Джорджа Вестингауза — американского промышленника, инженера и предпринимателя, основателя компании Westinghouse Electric Corporation (обанкротилась и прекратила свое существование в 2000 году). При этом Томас Эдисон запатентовал в США схему распределения мощности постоянного тока, которая включала три провода: нулевой,

+110 и –110 В (это снижало материалоемкость при тех же потерях энергии), и активно продвигал его как более безопасный и надежный, чем переменный. В определенной степени это было правдой, поскольку первые электрические генераторы не отличались высокой надежностью и для поддержания напряжения в электросети использовались батареи. Они стабилизировали выходное напряжение и устраняли любые кратковременные сбои генератора. Иначе дело обстоит с генераторами переменного тока, которые для поддержания правильного выходного напряжения при изменении нагрузки не имеют (не имели на то время) возможности резервного питания в случае отказа генератора. Кроме того, они нуждаются в очень хороших регуляторах скорости. Томас Эдисон, отстаивая свои идеи и убеждения, как известно, вел беспощадную войну с Николой Тесла (рис. 2) и размещал в газетах рекламу, в которой объяснял, что недавно изобретенный электрический стул использовал переменный ток для приговоренных к смертной казни, бессердечно намекая, что его система постоянного тока более безопасна. История этой «войны» ярко показана, например, в документальном фильме «Гении» (оригинальное название “American Genius”, “Edison vs Tesla”), а прочитать об этой битве можно, например, по ссылке [3]. В конечном итоге переменный ток (общепринятое сокращение AC, alternating current) победил распределенные сети постоянного тока (общепринятое сокращение DC, direct current, буквально «однонаправленный ток»; в русском языке под «постоянный» подпадает два разных понятия, что иногда приводит к путанице) по трем основным причинам:

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

история

99

Рис. 2. Три великих американца, которые дали нам электричество: Джордж Вестингауз, Никола Тесла и Томас Алва Эдисон, — и афиша «матча тяжеловесов» электричества на международной выставке в Сан-Франциско

простота первых генераторов переменного тока, которая привела к быстрому повышению надежности; легкость, с которой напряжение можно было повышать или понижать с помощью трансформаторов; преимущества многополюсных генераторов переменного тока, что позволило снизить скорость вращения для более мощных генераторов. Простые электрические генераторы, использовавшиеся в то время, преобразовывали механическую энергию в электрическую, вра-

Рис. 3. Принцип работы генератора переменного тока

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Рис. 4. Принцип работы коммутатора

www.kite.ru

100

история

Рис. 5. Коммутатор с разрезанным контактным кольцом

щая магнит внутри катушек с проволокой (рис. 3). Обратите внимание на отсутствие скользящих электрических контактов. Устройство, показанное на рис. 3, называют генератором переменного тока, потому что по мере вращения магнита ток течет поочередно, то в одном направлении, то в другом. Если желателен выход не переменного тока, необходим механический переключатель, называемый коммутатором. Его задача — каждые полпериода менять местами соединения (рис. 4). В этом устройстве вместо вращения магнита катушка с проволокой движется в постоянном магнитном поле, но эффект генерации такой же. Переключение обычно выполняется разрезным контактным кольцом на валу генератора, которое меняет местами соединения каждые пол-оборота (рис. 5). По мере развития сети распределения электроэнергии и увеличения спроса на электроэнергию ток, протекающий через щетки коммутатора, увеличивался, что делало систему постоянного тока более ненадежной, чем используемые в то время даже простые генераторы переменного тока, которые не нуждались в контактных кольцах и щетках.

Рис. 6. Трехфазный сигнал (сумма токов всех трех фаз всегда равна нулю)

Второй причиной отказа от схемы передачи электроэнергии постоянного тока были возрастающие потери по мере того, как к системе подключалось все больше зданий. Потери мощности в кабеле с сопротивлением R равны квадрату тока I, протекающего через него (потери I 2R), и если напряжение увеличить вдвое, то это позволяет уменьшить ток вдвое, поскольку Power = VI. Соответственно, при тех же потерях кабель питания может передать ток в четыре раза дальше. Этот принцип применяется к передаче мощности как постоянного, так и переменного тока, но для передачи напряжения на большие расстояния и его последующего понижения на дальнем конце было намного проще использовать трансформаторы. Томас Эдисон пытался вести конкуренцию, предлагая свою систему постоянного тока и для повышения или понижения напряжения питания используя генераторные установки (двигатель постоянного тока, подключенный к динамо-машине). Но, хотя низковольтный двигатель постоянного тока для повышающей части было относительно легко изготовить, высокопроизводительный двигатель постоянного тока для понижающей части получался не на-

столько надежным, и система часто выходила из строя. В конце концов Эдисон отказался от концепции распределения постоянного тока и перешел к распределению мощности переменного тока. Впрочем, датой окончательной победы переменного тока считается 2007 год, когда Нью-Йорк полностью перешел с постоянного тока на переменный [3]. Завершающий этап войны ознаменовал переход к современной структуре мирового электроснабжения на базе трехфазной системы Доливо‑Добровольского. Однако в Сан-Франциско, по состоянию на 2012 год, оставалось 97 островков постоянного тока, обслуживающих от семи до десяти зданий каждый, где к ним подключены раритетные лифты. При этом в работе сохраняются и оригинальные кабели, проложенные около 100 лет назад. Хотя большинство сетевых розеток однофазные, электрические станции переменного тока генерируют три фазы, расположенные под углом 120° друг к другу. Преимущество этого в том, что 3120 = 360°. Другими словами, фазы вычитаются при их подключении к одной общей точке (рис. 6). Это означает, что в отличие от распределения мощности постоянного тока, где ток

Рис. 7. Схематическое изображение трехфазной системы распределения электроэнергии (нейтральный провод не будет пропускать ток, если нагрузка на каждой фазе сбалансирована)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

история

Рис. 8. Принцип работы трехфазного двигателя (когда каждая фаза достигает пика, ротор подтягивается, чтобы выровняться по этим обмоткам, затем ротор следует за вращающимся магнитным полем)

течет одинаково в положительном и отрицательном кабелях, которые, следовательно, должны быть одинаково массивными, распределительная сеть переменного тока может быть сделана с тремя мощными фазовыми кабелями и нейтральным проводом (нейтраль, или нулевой провод) небольшого сечения, необходимым для переноса тока дисбаланса, если нагрузки на трех фазах не полностью равны. В нормальных условиях в нейтральном проводе нет тока. Если ток течет от какой-либо фазы к «земле», это происходит из-за неисправности и защитное устройство должно отключить питание. Приведенная на рис. 7 упрощенная диаграмма иллюстрирует городскую трехфазную электрораспределительную сеть. Почему три фазы, а не две? Что ж, двухфазное распределение (именно его предложил сначала Никола Тесла) электроэнергии все еще используется в некоторых регионах США. В них электрическая сеть построена на двух фазах по 120 В переменного тока при сдвиге фаз на 180°. При этом в 120‑В системе может использоваться такое бытовое оборудование, как духовки и стиральные машины, запитанные на сеть 240 В переменного тока. Но большое преимущество асимметричного числа фаз появляется при использовании с двигателями переменного тока. Не имеет значения, где находится ротор, трехфазный двигатель всегда запускается в одном направлении, а поскольку нагрузка одинаково сбалансирована на всех трех фазах, нулевой провод не требуется — достаточно только трех фаз А, В, С и заземления (рис. 8). А вот двигатель переменного тока с симметричным числом фаз мог либо не запуститься, если ротор был точно на одной линии с полюсами, либо, что еще хуже, запуститься в обратном направлении вращения. Широкое распространение электродвигателей потребовало мощных и больших генераторов. Эти генераторы были очень тяжелыми, и чем медленнее мог вращаться очень

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

101

Рис. 9. Пример многополюсного генератора переменного тока

массивный ротор генератора, тем меньшей была нагрузка на подшипники и каркас. Вот почему изначально использовалось так много разных частот переменного тока. Меньший генератор, вращающийся со скоростью 2500 об./мин, давал частоту 42 Гц, в то время как больший, вращающийся со скоростью 1000 об./мин, создавал выходную частоту 16⅔ Гц (обратите внимание, что чаще применялось «хорошее целое число» оборотов в минуту) — это свидетельствует о том, что их разрабатывали и строили инженеры-механики, а не инженеры-электрики. Однако если нить в лампе накаливания не дает сильного мерцания на частоте 42 Гц, то на частоте 16 Гц мерцание будет раздражающим. Еще более оно выражено при дуговом освещении, которое в то время использовалось в театрах, на открытых пространствах и для уличного освещения. Мерцание крайне неприятный фактор освещения, влияющий на самочувствие человека, подробно о проблемах освещения в [4]. Применение многополюсных генераторов переменного тока стало решением для высокочастотного выхода переменного тока с более низкими скоростями вращения. В таких генераторах вместо двух обмоток можно было использовать четыре обмотки, соединенные последовательно. Тогда вместо одного цикла переменного тока на оборот будут генерироваться два цикла. При той же выходной частоте переменного тока скорость ротора можно уменьшить вдвое, что значительно снижает нагрузку на генератор. Таким образом механические проблемы с контактными кольцами были решены, и на роторе можно было разместить несколько обмоток с несколькими магнитными полюсами, встроенными в статор. Это означало, что для физического размера генератора можно было установить оптимальную скорость вращения, а при выборе соответствующего количества обмоток ротора и полюсов статора — сгенерировать почти

любую выходную частоту. Пример многополюсного генератора переменного тока приведен на рис. 9. Первоначальная электростанция Ниагарского водопада в США для генерации переменного тока частотой 25 Гц использовала 12‑полюсные низкоскоростные (250 об./мин) генераторы, но позже, простой перестановкой обмоток при сохранении исходной низкой частоты вращения, это значение было удвоено до 50 Гц, оптимально согласованных с турбинами гидроэлектростанции. К тому времени (середина 1850‑х годов) ведущим производителем электрического оборудования в Европе была немецкая компания AEG, специализировавшаясявобластиэлектроэнергетики,машиностроения, а также товаров для дома. Частота 50 Гц была якобы выбрана в качестве стандартной частоты переменного тока в Европе, потому что это было четное число 100 пиков в секунду, что привлекло внимание тевтонцев. В Америке Джордж Вестингауза выбрал частоту 60 Гц, предположительно потому, что мерцание на частоте 50 Гц при дуговом освещении было все еще несколько заметным. Поэтому Никола Тесла (который лицензировал свои патенты на генерацию переменного тока компании Westinghouse) рекомендовал более высокую частоту сети. Но по всей вероятности, это было сделано, чтобы защитить внутренний рынок от иностранных конкурентов. В любом случае, коммерческие интересы привели к тому, что в одних регионах стандартная частота тока в электросети составляла 50 Гц, а в других — 60 Гц. Сравнение волновых форм этих двух однофазных систем приведено на рис. 10. Эффективное или действующее (пунктирная линия на рис. 10) напряжение переменного тока — это напряжение, которое численно равно такому значению напряжения постоянного тока, при котором тепловое действие (выделяемое количество теплоты) этого напряжения на активном сопротивлении www.kite.ru

102

история

Рис. 10. Формы сигналов однофазных источников питания 230 В/50 Гц и 120 В/60 Гц

за один период синусоиды равно тепловому действию данного синусоидального тока за тот же период. Для более конкретного представления часто используется такое понятие, как «среднеквадратичное значение напряжения переменного тока», или RMS (Root Mean Square). Оно учитывает возможное искажение формы волны напряжения. В общем случае это корень квадратный из среднеарифметического значения квадратов мгновенных значений величины напряжения, измеренных в течение установленного интервала времени и в установленной полосе частот. Для чистой синусоиды все три представленные выше определения тождественны и равны амплитудному значению напряжения, деленному на корень квадратный из двух. Почему в одних странах сеть переменного тока работает на частоте 50 Гц и 60 Гц в других, можно объяснить протекционизмом. Но почему разные напряжения питания: 120 или 230 В переменного тока? Первоначально 110–120 В переменного тока было в значительной степени универсальным стандартом (также и в довоенной Европе), поскольку влиятельный Томас Эдисон использовал 110 В для своей системы распределения постоянного тока. Поэтому его конкуренты для того, чтобы любое отопительное или осветительное оборудование, предназначенное для работы в системе Эдисона, могло также использоваться с их собственной сетью электроснабжения, выбрали аналогичные напряжения. Это было вполне логично.

Однако по мере увеличения количества бытовых приборов на одно домохозяйство потери I 2R источника питания 120 В переменного тока становились все более значительными. Причем послевоенный рост благосостояния граждан США привел к тому, что появилось так много холодильников, кондиционеров и телевизоров с питанием от сети 120 В переменного тока, что повышение сетевого напряжения в США было просто нецелесообразным. Европа, напротив, в тот период оправлялась от войны, и до таких проблем, как переизбыток потребляемой бытовой техникой электроэнергии, ей было далеко. Но понимая, что спрос на электроэнергию в дальнейшем будет только расти, она решила удвоить напряжение 110/120 В переменного тока до 220 В переменного тока в континентальной Европе и до 240 В переменного тока в Великобритании, что позволило вдвое уменьшить ток в линиях и вчетверо сократить потери. В конце концов, в 1994 году ЕС решил согласовать во всей Европе стандарт 230 В переменного тока, что находилось в пределах рабочего диапазона для оборудования как 220 В, так и для 240 В переменного тока. На практике, однако, допустимые пределы напряжения были достаточно широкими, причем настолько, чтобы Великобритания могла оставаться на уровне 240 В, а вся Европа — на 220 В, и обе заявляли, что используют номинальное напряжение 230 В переменного тока. Типичное европейское решение проблемы! Тем временем все электростанции были отрегулированы для подачи в среднем 230 В переменного тока. Но в мире есть еще ряд стран, которые по тем или иным причинам имеют «нестандартные» сетевые напряжения. Карта используемых в разных странах частот и напряжений приведена на рис. 11. Многие страны бывшего Содружества все еще используют исходное британское напряжение питания 240 В переменного тока. Япония выбрала источники питания 100 В переменного тока из соображений безопасности, но поскольку южный остров был снабжен генераторами от компании Westinghouse, а северный остров от компании AEG, они имеют частоту электросети 60 или 50 Гц соответственно. В настоящее время построены четыре подстанции с преобразователем частоты, чтобы уравновесить нагрузку между островами, передавая напряжение частотой 50 и 60 Гц. В США во многих крупных зданиях используются сплит-блоки питания 115/277 В переменного тока. Более высокое напряжение в основном предназначено для освещения, чтобы повысить общую эффективность строения, поскольку

Рис. 11. Карта используемых в мире сетевых напряжений и частот

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

история

90–110 В

141 В

173 В

156–190 В

245 В

108–132 В

170 В

208 В

187–229 В

360 В

230 В (АС)

207–253 В

325 В

400 В

360–440 В

693 В

240 В (АС)

216–264 В

340 В

415 В

373–457 В

588 В

277 В (АС)

249–305 В

392 В

480 В

432–528 В

831 В

Амплитудное значение

Допустимый диапазон ±10%

100 В (АС)

Амплитудное значение

Номинальное напряжение

Напряжение между фазами

120 В (АС)

Номинальное напряжение

Допустимый диапазон ±10%

Напряжение между фазой и нейтралью

Примечание. В таблице представлено современное распределение электроэнергии.

в крупном офисном здании на освещение приходится до 40% общего энергопотребления. В СССР вплоть до 60‑х годов XX века эталоном бытового напряжения считались 127 В. Это значение обязано своим появлением талантливому инженеру русско-польского происхождения Михаилу Доливо‑Добровольскому, разработавшему в конце XIX века трехфазную систему передачи и распределения переменного тока, отличную от двухфазной, ранее предложенной Николой Тесла. Поскольку изначально в трехфазной системе Добровольского линейное напряжение (между двумя фазными проводниками) составляло 220 В, то фазное напряжение (между нейтральным и фазным проводником) меньше линейного на «корень из трех» — соответственно, получаем 127 В. Кроме того, были сети с напряжением 110 В. Это приводило к тому, что, например, в радиоаппаратуре и некоторых бытовых электроприборах приходилось устанавливать переключатель сети на три напряжения 110/127/220 В или на 127/220 В, как минимум. В Москве одновременно действовали две электросети, на 127 и 220 В. Сколько при этом сгорело бытовой техники, можно только догадываться. Переход на 230 В растянулся до 80‑х годов прошлого века. Согласно действующему на территории Российской Федерации межгосударственному стандарту ГОСТ 293222014 «Напряжения стандартные» [6], значение напряжения электросети 230 В является результатом эволюции систем 220 и 240 В, которые перестали использовать в Европе и во многих других странах. Однако такие системы до сих пор продолжают действовать. Кроме того, нормируется и качество электрической энергии (отклонение напряжения, частоты, уровни гармоник и пр.). В Российской Федерации за это отвечает ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [7], который относится к стандартам по электромагнитной совместимости технических средств (подробно по этой проблеме в серии статей [8]).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 11 '2021

Для современного разработчика AC/DCисточников питания все сказанное означает, что универсальный однофазный источник питания с универсальным входом должен обеспечивать диапазон входного напряжения переменного тока 90–264 В (включая допуск ±10%) переменного тока для использования во всем мире (охват 100/120/230/240 В переменного тока номинально) или 90–305 В переменного тока для подключения источников питания 277 В переменного тока, которые иногда используются в США. Диапазоны сетевого напряжения приведены в таблице. Сегодня существуют технологии, которые позволяют преобразовывать переменный ток в постоянный в любом направлении, причем с очень высокой мощностью и эффективностью. Хотя сетевое напряжение переменного тока останется стандартным в ближайшем будущем, возврат к системам распределения энергии на основе напряжения постоянного тока дает сразу несколько преимуществ. Одна из причин — наша растущая зависимость от электроэнергии. Чтобы гарантировать снабжение, распределение энергии осуществляется не только от одного генератора к потребителю, но и от многих источников, соединенных вместе, позволяя сформировать надежную энергосистему. Эффективнее и дешевле передавать мощность на большие расстояния (менее 500 км), используя высоковольтный постоянный ток, поскольку отсутствуют потери импеданса и нет необходимости синхронизировать все генераторы на одной частоте или на одном напряжении. Например, высоковольтная линия постоянного тока мощностью 2000 МВт уже соединяет Англию и Францию, чтобы обе страны могли обмениваться электроэнергией в соответствии с их внутренним спросом. В доме распределительная сеть постоянного тока, которая связывает фотоэлектрические солнечные элементы на крыше со стационарной батареей или батареей в электромобиле, обеспечивает надежное, высокоэффективное и низкое энергопотребление, которое может быть независимым от сети, так называемое off-grid («вне электросети»). Соединение групп домов для совместного использования

источников энергии (фотоэлектрические, домашняя батарея или внешняя электросеть) дает много преимуществ, что позволяет создать очень эффективную локализованную электрическую сеть электроснабжения. Одна из концепций такой электросети представлена на юбилейной выставке РейнскоВестфальского технического университета г. Ахена (RWTH Aachen University) [5].

Заключение В следующей части мы перейдем от истории к практике. В ней будет рассмотрен вопрос, есть ли в современном мире место для линейных AC/DC-источников или импульсные являются единственно возможным выбором? n

Литература 1. Roberts S. AC/DC BOOK OF KNOWLEDGE Practical tips for the User. RECOM Engineering GmbH & Co.KG. Austria, 2018. www.recompower.com/ru/support/resource-library/bookof-knowledge/book-of-knowledge.html?1 2. Roberts S. DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE. Practical tips for the User. Second Edition RECOM Enginnering GmbH & Co.KG. Austria, 2015. www. recom-power.com/ru/support/resource-library/ book-of-knowledge/book-of-knowledge.html?1 3. Микеров А. Война токов и победа переменного тока // Control Engineering Россия. 2017. № 2.

4. Рентюк В. Энергосберегающие лампы и их влияние на здоровье, или Потребитель на распутье. Часть 2 // Электрик. 2017. № 1, 2.

5. 150‑year exhibition of the RWTH with contributions from ISEA. www.isea.rwth-aachen.de 6. ГОСТ 29322-2014. «Межгосударственный стандарт. Напряжения стандартные». www.docs. cntd.ru/document/1200115397 7. ГОСТ 32144-2013. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». www.docs.cntd.ru/document/1200104301 8. Рентюк В. Электромагнитная совместимость: проблема, от которой не уйти. Сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2018.

Реклама

Таблица. Диапазоны сетевого напряжения

103

www.kite.ru

Реклама

12+ Компоненты и технологии

C o m p o n e n t s www.kit-e.ru

&

Te c h n o l o g i e s

№ 11 ’2021 (ноябрь)

ISSN 2079-6811

№ 11 ’2021

Детекторы рентгеновского излучения компании BOE

ноябрь

Новый модуль Wiznet

W5100S-EVB-Pico — Raspberry Pi Pico

Components & Technologies

Оценки соответствия безэховых

Реклама

Реклама

экранированных камер для целей ЭМС

Переменный ток — начало начал