Электронные компоненты №3/2009 by Oleg Polikarpov

содержание

№3/2009 8 Иван Покровский Новая электроника России 9 СОБЫТИЯ РЫНКА 82 НОВОСТИ СВЕТОТЕХНИКИ 82 НОВОСТИ АНАЛОГОВЫХ КОМПОНЕНТОВ

22 Шон Трэн, Бен Кропф Проектирование светодиодных систем белого и цветного освещения 29 Дэвид Кэри Белый свет в «зелёном» мире

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

83 НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

32 Геннадий Денисов Измерение слаботочных сигналов

РАЗРАБОТКА и КОНСТРУИРОВАНИЕ

37 Вальтер Бачаровский Вопросы применения прецизионного компаратора

11 Джон Галлахер, Фусюэ Дзинь Бусинковый дроссель для регуляции напряжения питания процессора

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА 15 Михаил Гладштейн Интеллектуальные системы управления электрическим освещением

41 Евгений Звонарёв Микросхемы Texas Instruments для нормализации и усиления сигналов датчиков

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ и DSP 49 Кентон Уиллистон Виды тестов и их использование в разработке приложений

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачева; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Иван Покровский; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; Марина Лихинина; распространение и подписка: Юрий Гонцов; Елена Кислякова; верстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Иван Покровский Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согла сия редакции. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз. Изготовлено ООО «Стратим».

электронные компоненты

www. elcp.ru

56 Джек Гэнссл Многоядерность: миф или реальность?

ПЛИС и СБИС 61 Владимир Стешенко, Александр Руткевич, Екатерина Гладкова, Григорий Шишкин, Алексей Бумагин, Алексей Гондарь Проектирование СБИС типа СнК. Маршрут проектирования. Топологическое проектирование. Синхронизация и тактовые деревья. Часть 2 содержание

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 68 Александр Губа, Артур Керимов Цифровая шкала радиоприемного устройства с амплитудной модуляцией

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ 71 Ник ван Дирдонк Сетевые стандарты беспроводных систем с малым энергопотреблением

www. elcp.ru

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 74 Дэвид Кац, Рик Джентайл Введение в проектирование систем с пониженным энергопотреблением 78 Трэвор Смит Измерения и анализ характеристик источников питания с помощью осциллографов Tektronix серий MSO/DPO

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА 84 Иван Самков Основы теории демодулирующих логарифмических усилителей 91 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

content # 3 / 2 0 0 9

E LEC TRO N IC COM PO N E NTS 20 0 9 #3 MARKET

9 MARKET EVENTS

FPGA and VLSIC 61 Vladimir Steshenko, Alexander Rutkevich, Ekaterina Gladkova, Grigory Shishkin, Alexey Bumagin and Alexey Gondar Designing VLSIC of SoC Type. Design Cycle. Topological Layout Design. Timing and Clock Trees. Part 2

82 LIGHTING NEWS 82 ANALOG NEWS 83 TECHNOLOGY NEWS

DESIGN and DEVELOPMENT 11 John Gallagher and Fuxue Jin Bead Inductor Meets CPU Power Challenges

WIRELESS 68 Alexander Guba and Arthur Kerimov Digital Scale of Receiver with Amplitude Modulation

LIGHTING and OPTOELECTRONICS 15 Michael Gladshtein Adding Intelligence to Lighting Applications 22 Shone Tran, Ben Kropf Understand LED-based White and Color-Mixing System Design 29 David Carey CFL and LED Lamps: White Light in a 'Green' World

NETWORKS and INTERFACES 71 Niek Van Dierdonck Making Sense of Low-Power Wireless Network Standards

POWER SAVING 74 David Katz and Rick Gentile Introduction to Low-Power System Design

ANALOG

78 Trevor Smith Power Supply Measurement and Analysis with the MSO/DPO Series Oscilloscopes

32 Gennady Denisov Measuring Low-Current Signals 37 Walter Bacharowski Understanding Precision Comparator Applications 41 Evgeny Zvonarev Current Transmitters with Sensor Excitation and Linearization from Texas Instruments

MCUS and DSP

THEORY and PRACTICE 84 Ivan Samkov Theory Basics for Demodulating Log Amplifiers

NEW COMPONENTS AT THE RUSSIAN MARKET

49 Kenton Williston Benchmarking Basics

электронные компоненты №3 2009

5 содержание

8 Ivan Pokrovsky New Russian Electronics

56 Jack Ganssle Is Multicore Hype or Reality?

Компании:

производите ли, дистрибьюторы, поставщики

содержание

www. elcp.ru

17 27 7 75 59 4-я обл. 50, 51,53 39 67 23 63 2 55 31 35

Agilent Analog Devices (AD)АД Консалтинг EEMB ELMA Farnell International Rectifier Москва IR/ Компэл Intersil Maxim Integreted Products Mean Well Microchip Technology Corp. Peak Electronics Renesas Technology Russia Rutronik Tektronix International, Inc. Treston

28 90 87 73 83 60 45 87 36 26 10 30 28 2-я обл. 85 88 4 90 3-я обл. 86 33 69 89 21 87 1, 13, 25

Александер Электрик Дон ООО Альбатрос Электроникс, ООО Альтекс ЗАО Альтоника, ООО Гранит-ВТ ЗАО Спб ГРПЗ ФГУП (Государственный рязанский приборный завод) Компэл, ЗАО Инконэкс, ООО Мастер Тул, ООО (Свемел, Группа компаний) Миландр МТ-Систем, ООО МЭЛТ, ООО Неон, ООО Петроинтрейд, ООО Примэкспо, ООО Радиокомплект, ООО Резонит, ООО Реом СПб, ЗАО Симметрон, ЗАО СМП, ООО Техносфера РИЦ УниверсалПрибор, ООО ЧипЭкспо, ЗАО Электроконнект, ООО Элитан, ЗАО Элтех, ООО

НОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА РОССИИ Иван Покровский, генеральный директор ИД «Электроника» Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов (АПЭАП) в эти дни исполняется два года. Кажется совсем небольшой срок, но за это время АПЭАП сумела завоевать авторитет и превратиться в дееспособный организм. Именно поэтому Ассоциация получила государственный заказ на разработку стратегии развития радиоэлектронной отрасли. Мы приглашаем вас к совместному решению этой задачи, требующей значительных знаний и усилий.

Рынок

Этот номер мы сдаем в печать в день проведения третьего форума руководителей предприятий отрасли «Новая электроника России 2009». Главная тема форума — стратегия развития отрасли и компаний в новых экономических условиях. Первый форум прошел в декабре 2006 г. в подмосковном пансионате «Заря». Каждый второй из выступавших тогда говорил о необходимости объединить усилия предприятий для лоббирования своих интересов, о необходимости создания отраслевой ассоциации. Не все поддерживали эту идею, многие были настроены скептически, а некоторые видели в ассоциации опасность — боялись манипуляций рынком и государственными заказчиками от имени отрасли. Потребовалось еще несколько организационных собраний, чтобы согласовать основные принципы деятельности ассоциации. 12-го апреля 2007 г. состоялось учредительное собрание, на котором был принят и подписан Устав Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов (АПЭАП). Что сделано за два года? Главное — построен мост между частными предприятиями отрасли и органами государственной власти. Начался и постоянно идет обмен информацией, потребностями, предложениями, идеями. Не менее важно то, что происходит внутри ассоциации: благодаря постоянному тесному общению первых лиц предприятий происходит сближение интересов, открываются новые возможности для сотрудничества, создаются бизнес-альянсы.

www. elcp.ru

Значительное оживление в деятельности ассоциации началось в IV кв. прошлого года, когда предприятия почувствовали влияние экономического кризиса. Ассоциация стала более востребованной не только предприятиями отрасли, но и государством. Встречи и консультации в Минпромторге и других государственных структурах с участием исполнительного директора и членов ассоциации стали регулярными, а в марте через отраслевой институт «ЦНИИ Электроника» ассоциации была заказана разработка стратегии развития радиоэлектронной отрасли. Основная задача стратегии — увеличение доли российской продукции на внутреннем рынке до 50% и расширение экспорта. Ставить подобную задачу еще год назад казалось невозможным, слишком прочными были позиции зарубежных поставщиков, слишком слабой была мотивация власти содействовать развитию высокотехнологичного бизнеса. А сегодня только такую задачу и нужно ставить. Непредсказуемость будущего связывает активность зарубежных компаний, которым не просто отказаться от планов и бюджетов, действовать, не просчитывая до конца решения. Для большинства российских компаний это естественная среда, в которой они были рождены. Но временное перераспределение рынка не является конечной целью. Доля рынка, отвоеванная после кризиса 1998 г., была растеряна в дальнейшем. Многие предприятия просто использовали преимущество дешевого труда. Не повысив эффективность производства,

они потеряли свой рынок, когда платежеспособный спрос в России поднялся на докризисный уровень. Разработка долгосрочной Стратегии развития отрасли — настоящий вызов для ассоциации. Способна ли ассоциация интегрировать интересы различных компаний, найти синергию их взаимодействия? Способна ли она предложить настройки экономических регуляторов на мотивацию инновационного предпринимательства и развитие массового высокотехнологичного производства? Способна ли ассоциация инициировать развитие инфраструктуры отрасли — отраслевых кадровых служб, курсов переподготовки специалистов, агентств по экспорту, отраслевых консалтинговых и информационных служб, института стандартизации и пр.? Думаю, способна. Если «Новая электроника России» собирает полный зал руководителей предприятий… И если Вы примите этот вызов вместе с нами. Сайт ассоциации: www.apeap.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

| Компания «Макро Групп» подписала дистрибьюторское соглашение с КБ «Навис» | Компания «Макро Групп» подписала соглашение о сотрудничестве с ЗАО «КБ Навис» — одним из ведущих отечественных разработчиков навигационных приемников ГЛОНАСС/GPS. Теперь «Макро Групп» является официальным дилером КБ «Навис» и предлагает весь спектр продукции конструкторского бюро и квалифицированную техническую поддержку. На сегодняшний день одним из наиболее перспективных решений КБ «Навис» является миниатюрный 24-канальный навигационный приемник СН-4706, который предназначен для интегрирования в различные системы в качестве навигационного датчика. СН-4706 обеспечивает определение текущих значений координат (широты, долготы, высоты), вектора скорости пользователя, а также текущего времени по сигналам СНС ГЛОНАСС, GPS и SBAS. Образцы приемников СН-4706 уже можно заказать со склада «Макро Групп». Дополнительная информация: Компания «Макро Групп» — официальный поставщик продукции КБ «Навис» на территории России. www.macrogroup.ru

| Компания «Абрис» открыла горячую линию техподдержки | Эксперты компании «Абрис» ответят на все ваши вопросы по проектироваию, трассировке, дизайну/редизайну печатных плат и подготовке их к монтажу. Тел.: (812) 234-09-24. ICQ 413 066 654. Интернет-адрес: www.rcmgroup.ru/Gorjachaja-linija-tekh-podderzhki.294.0.html www.npf-abris.ru

| Форум «Новая электроника России» | 26-го марта в Москве прошел 3-й Форум руководителей предприятий «Новая электроника России», организованный ИД «Электроника» совместно с Ассоциацией производителей электронной аппаратуры и приборов (АПЭАП). В Форуме приняли участие более ста руководителей предприятий. Среди участников были также и представители госструктур: Дмитрий Северов, заместитель министра Минкомсвязи РФ; Юрий Борисов, заместитель министра Минпромторга; Артем Шадрин, заместитель директора Департамента стратегического управления и бюджетирования Минэкономразвития. В своих выступлениях они призвали АПАЭП и всех участников конференции к совместной работе по программе «Стратегия развития радиоэлектронной отрасли до 2015 г.». Члены АПАЭП рассказали о деятельности ассоциации и кратко высказали свои суждения о стратегии развития российской электроники — основная работа по этой программе впереди. Как обычно, участники форума выбирали лауреатов национальной премии «Новая электроника России». На этот раз кроме традиционных номинаций — «Инновационный лидер», «Вызов года», «На острие технологий» и «Признание экспертов» — были вручены премии журналов «Встраиваемые системы», «Электронные компоненты» и «Производство электроники». В номинации «Инновационный лидер» лауреатом стала компания «Элекард». Компания «ЮникАйСиз» победила в номинации «На острие технологий». Лауреатом премии «Прорыв года» стал «Петрокоммерц». После долгого обсуждения совет экспертов вручил свою премию «Признание экспертов» предприятию «Микран». Лауреатом премии журнала «Встраиваемые системы» стала компания «ЭлеСи». Выбор журнала редакции «Электронные компоненты» пал на ООО «ПСБ Технолоджи» и, наконец, редколегия журнала «Производство электроники» присудила свою премию компании «Остек». www.russianelectronics.ru

www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №3 2009

9 н о в о сти

| Радиоэлектронный комплекс России: итоги 2008 года и задачи на 2009 | 24 марта 2009 г. состоялось расширенное совещание руководителей предприятий радиоэлектронной промышленности с повесткой: «Об итогах деятельности радиоэлектронной промышленности в 2008 г. и основных задачах на 2009 г.». С основным докладом выступил директор Департамента радиоэлектронной промышленности В.Н.Минаев. Он отметил, что в 2008 г. предприятия и организации радиоэлектронной промышленности (РЭП) сохранили положительные тенденции в финансово-экономической деятельности. Объем промышленного производства в целом по радиоэлектронной промышленности за 2008 г. на 17% превысил уровень прошлого года. Объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ вырос на 22%. Выработка на одного работающего в промышленности составила 550 тысяч рублей, в науке 847 тыс. рублей. Объем производства гражданской продукции увеличился на 6,7%. Общий объем полученной прибыли составил 13,8 млрд. рублей. На совещании выступил заместитель Министра промышленности и торговли Ю.И.Борисов. В прениях выступили руководители предприятий, НИИ, представители госзаказчика. Участники совещания осмотрели выставку новых разработок «НИИ Автоматики», на которой были представлены: устройства защиты информации «Букет», «Приз»; аппараты абонентского шифрования «Степь», «Гамма-М1»; изделие засекречивания телефонных разговоров «Круиз»; устройство шифрования потоков цифровой информации «Корд-КМ» и другие изделия.

Бусинковый дроссель в цепи напряжения питания процессора Джон Галлахер (John Gallagher), инженер по эксплуатации, Pulse Engineering Фусюэ Дзинь (Fuxue Jin), старший разработчик, Pulse Engineering

Ферритовые сетевые бусинки, являющиеся альтернативой тороидным дросселям, имеют меньшие размеры, обеспечивают больший КПД и лучшие допуски при использовании в регуляторах базового напряжения питания VCORE.

Требования к регулятору напряжения

Каждое последующее поколение процессоров требует снижения времени переходных процессов, что, в свою очередь, приводит к необходимости более быстрого изменения тока через дроссель. Такое изменение достигается за счет снижения индуктивности L. К сожалению, по мере снижения индуктивности нарастают пульсации тока, повышаются потери в дросселе. За несколько последних лет значения индуктивности упали в два раза. В ближайшие два года ожидается, что она еще снизится на ту же величину. В результате уменьшения индуктивности дросселя стали более заметны паразитные индуктивности участков цепи, например между дросселем и процессором. Для их устранения необ-

ходимо установить дроссель ближе к процессору. Кроме того, требование по размещению все большего числа компонентов ближе к процессору вызывает необходимость уменьшить площадь каждого из них. В настоящее время обычной практикой стало использовать сопротивление дросселя по постоянному току (DCR) в качестве токочувствительного элемента для защиты от тока перегрузки и спада выходного напряжения. Это делается путем измерения падения напряжения на дросселе и последующего выделения части этого перепада, не относящегося к эдс самоиндукции. Итак, допуск на DCR дросселя и величина индуктивности, которые прежде никогда не брались в расчет, в настоящее время непосредственно стали влиять на точность измерения тока. Традиционно КПД решений для VCORE принимался в расчет, только если возникали проблемы с тепловыделением. Однако в настоящее время повышение эффективности, требуемое стандартами Energy Star, и возросшее тепловыделение вынуждают снижать рассеиваемую мощность. Для приемлемого соотношения сигнал/шум сопротивление DCR нельзя делать слишком малым. Однако недавнее усовершенствование ШИМ-цепей позволяет использовать DCR с меньшими номинальными значениями. Для оптимизации КПД необходимо использовать дроссели с этими улучшенными параметрами. Все эти улучшения не должны достигаться за счет увеличения стоимости компонентов дросселя. Недостатки тороидальных дросселей

В прошлом тороидальные дроссели (см. рис. 1) были наименее доро-

гим решением VCORE. Изначально в них использовались недорогие порошковые сердечники из карбонильного железа с высокой магнитной проницаемостью (75 перм). Для снижения значений индуктивности потребовалось уменьшить количество витков, поскольку L ≈ N2витк.. Однако снижение числа витков приводит к увеличению рабочего значения магнитной индукции внутри сердечника (∆B ≈ 1/N), что, в свою очередь, ведет к повышению потерь в сердечнике в соответствии с формулой PCORE(W) ≈ (∆B)2x. По мере дальнейшего снижения значений индуктивности уменьшение числа витков сопряжено с возрастанием потерь сердечника. По этой причине стали использоваться более дорогие сердечники с меньшей проницаемостью (55 перм) и лучшими характеристиками потерь. Для обеспечения заданной величины индуктивности эти сердечники требуют большего числа витков. Несмотря на то, что у порошковых сердечников с малой магнитной проницаемостью небольшие потери, они относительно высоки по сравнению с потерями сердечников из других материалов. В результате такой подход повышает стоимость решений

Рис. 1. Тороидальный дроссель с недорогим порошковым сердечником из карбонильного железа с высокой магнитной проницаемостью

электронные компоненты №3 2009

11 Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

Введение

Дроссели с тороидальной обмоткой долгие годы использовались в регуляторах напряжения питания ядра процессора (VCORE). Исторически сложилось так, что на значительные размеры, допуски и потери мощности в дросселях не обращали внимания, пока обеспечивалась минимальная стоимость решения. Однако с течением времени ужесточившиеся требования выявили негативные стороны использования тороидального дросселя (размер, допуски и КПД). Его усовершенствование привело к повышению цены этого некогда недорогого устройства. Существующая альтернатива — проходной (through-hole technology — THT) дроссель бусинкового типа для цепей питания отвечает возрастающим требованиям к VCORE. В статье сравниваются характеристики сетевого бусинкового дросселя в приложении VCORE с аналогичными характеристиками тороида.

относительно большим количеством витков и меди. Затраты труда растут, цена меди и другого сырья остается сравнительно высокой. Эти основные ценовые факторы вкупе с более дорогими порошковыми сердечниками с малой магнитной проницаемостью и в дальнейшем будут повышать стоимость тороидальных дросселей. Сетевые проходные дроссели бусинкового типа

при относительно высоких потерях в сердечнике и обмотке из-за большего числа витков. На величину допуска DCR тороидального дросселя влияет допуск на размеры конкретного сердечника и плотность его обмотки, а также разброс в значениях ее сопротивления. Сопротивление проволоки с круглым сечением имеет строгий допуск в ±2%. Однако при использовании тороида невозможно без отбраковки, которая значительно повышает цену изделия, добиться допуска менее ±10%. К этой цифре следует добавить отклонения от номинальной величины индуктивности рассеяния. Несмотря на то, что отдельные результаты оказались в пределах установленных допусков, в целом полученные данные были неудовлетворительными. Так, при потребности обеспечить допуски менее ±10% возникает необходимость в ином типе дросселя. Тороиды неэффективно используют занимаемое место. Обычно в центре этого компонента — достаточно большое пустое пространство, тогда как обмотка выступает за сердечник, образуя незаполненные места между витками и увеличивая общую площадь. Требуется достаточно много времени на изготовление тороидов с

Желание сократить допуски, уменьшить размеры, повысить КПД и снизить стоимость компонентов привело к созданию нескольких альтернативных решений. Одно из них — проходной дроссель-бусинка (см. рис. 2), состоящий из ферритового одновиткового сердечника с зазором. Потери ферритовых сердечников примерно в 20 раз ниже таковых у порошковых сердечников при той же магнитной индукции и частоте. Кроме того, феррит, в отличие от порошкового железа, не подвержен термическому старению — процессу, при котором связующее вещество в порошковых сердечниках разрушается при повышенных температурах, что приводит к увеличению потерь сердечников. Одновитковая обмотка сетевых бусин позволяет задать минимально приемлемое значение DCR дросселя, которое можно использовать для измерения тока. Одновитковая обмотка также позволяет значительно уменьшить допуск на DCR. Выводы дросселя можно отформовать с малыми разбросами, т.к. в этом процессе не используется ручная сборка, а его результаты не зависят от допусков на сердечники. В итоге допуски на DCR составляют ±4%. Это значительный шаг по сравнению с допусками ±10% у тороидальных дросселей. Более того, индуктивность сетевых бусинок, в которых имеется физический зазор между половинами сердечника, почти полностью зависит от механических размеров этого зазора.

Рис. 3. Испытание двух 325-нГн дросселей в 250-кГц трехфазном регуляторе напряжения в установке VR11

Рис. 4. Испытание 220-нГн дросселей в 250-кГц трехфазном регуляторе напряжения в установке VR11

Рис. 2. Проходной бусинковый дроссель

Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

www. elcp.ru

Таким образом, довольно легко сохранить допуск на индуктивность равным ±10% и менее. Имеется только один недостаток в использовании ферритового сердечника с зазором. В дросселе энергия магнитного поля сосредоточена в воздушных зазорах. В порошковом сердечнике воздушные зазоры разных размеров распределяются по всему сердечнику. Когда магнитная индукция увеличивается при достижении пикового значения тока, каждый зазор насыщается в разные моменты времени. Совокупный эффект такой распределенной структуры зазоров приводит к медленному насыщению и постепенному спаду индуктивности в зависимости от пикового значения тока. В ферритовой структуре существует только один-два зазора, в результате чего насыщение сердечника и спад индуктивности при пиковых значениях тока наступают быстрее. Следовательно, при создании сетевой бусинки необходимо добиться того, чтобы этот компонент обеспечивал защиту приложения от пиковых переходных токов. Если бусинка правильно спроектирована, она обеспечит более высокий КПД, меньшие допуски и размеры, чем тороидальный дроссель. Экспериментальные результаты

Чтобы удостовериться в правильности приведенных соотношений, специалисты компании Pulse Engineering протестировали дроссели для трех случаев. Были проведены сравнительные испытания приложения с 325-нГн дросселями и с приложениями следующего поколения с двумя дросселями величиной 220 и 160 Гн соответственно. Испытывались дроссели с горизонтальным проходным тороидом с порошковым сердечником из карбонильного железа и сетевая проходная бусина с ферритовым сердечником. Во избежание возможного насыщения во время всплеска нагрузки сетевые

Рис. 5. Испытание 160-нГн дросселей и одной 160-нГн бусинки в 250-кГц трехфазном регуляторе напряжения в установке VR11

бусины были рассчитаны на номинальное значение пикового тока в 50 A, что в два раза превышает максимальный ток. Минимальное значение DCR поддерживалось равным 0,50 мОм, чтобы использовать все дроссели в токоизмерительных цепях. Во всех случаях допуски на DCR сетевой бусины составляли ±4%, что намного лучше показателя ±10% тороидальных компонентов. Следует подчеркнуть, что все испытываемые дроссели являлись реальными компонентами, а не теоретическими моделями. Эти дроссели были протестированы на реальной демонстрационной трехфазной плате, работающей в диапазоне 12...1,2 В при частоте 250 кГц и выходном токе 10...80 А. Кривые КПД представлены на рисунках 3—5. Заметим, что в целом измеренные КПД ниже по той причине, что плата не была оптимизирована для каждого случая изменения индуктивности. Однако относительные показатели эффективности для решений с использованием тороидального дросселя и бусины не меняются. Измеренные и расчетные значения сэкономленной мощности при использовании сетевых бусин вместо тороидальных дросселей представлены на рисунках 6 и 7 соответственно. Кроме того, на рисунке 8 показаны результаты сравнения относительного размера тороидального дросселя и бусины. 325-нГн дроссель

Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

В предлагаемом на рынке 325-нГн дросселе VCORE (модель Pulse PA1549NL) используется 35-перм порошковый сердечник с внешним диаметром 0,44 и четырьмя витками провода 2×18GA. Этот дроссель имеет размеры 14,5×14 мм; номинальное значение DCR — 0,76 мОм; расчетные потери сердечника — 560 мВт (12...1,2 В на частоте 250 кГц). Проходная бусина (модель Pulse PN PA2125NL) с той же индуктивностью имеет размеры 15,9×8,9 мм; номинальное значение DCR — 0,54 мОм; расчетные потери сердечника — 130 мВт (12...1,2 В на частоте 250 кГц). Как видно из рисунка 3, КПД бусины выше при всех нагрузках. Экономия мощности при малой (24 Вт) и большой (84 Вт) нагрузках составляет 1,2 и 1,6 Вт соответственно, что достаточно хорошо согласуется с прогнозировавшимися значениями 1,3 и 1,7 Вт (см. рис. 7). Общая площадь (см. рис. 8) сократилась на 31%. 220-нГн дроссель

Чтобы избежать чрезмерных потерь сердечника у низкоиндуктивно-

www. elcp.ru

го (220 нГн) тороидального дросселя, необходимо воспользоваться более дорогим порошковым сердечником с меньшей магнитной проницаемостью. Тороидальный 220-нГн дроссель (Pulse PA2164NL) использует 14-перм порошковый сердечник с внешним диаметром 0,44 и шестью витками провода 2×18GA. Этот дроссель имеет размеры 14,5×14 мм; номинальное значение DCR — 1,1 мОм; расчетные потери сердечника — 136 мВт. Сетевая бусина (Pulse PA1894NL) с той же индуктивностью имеет площадь 10×10 мм; номинальное значение DCR равно 0,51 мОм; расчетные потери сердечника — 130 мВт. Как видно из рисунка 4, КПД при полной нагрузке выше у бусины, но при небольших нагрузках показатели тороида с невысокой магнитопроницаемостью несколько лучше. Значение сэкономленной мощности при небольшой (24 Вт) нагрузке меньше расчетного на 0,4 Вт, а при большой (84 Вт) нагрузке — больше на 1,3 Вт (см. рис. 7). Расхождение в результатах может быть обусловлено различиями в монтаже компонентов или отклонениями действительных потерь сердечника от расчетных. В любом случае экономия, составляющая 1,3 Вт при больших нагрузках, вместе с уменьшившейся на 50% площадью компонента (см. рис. 8) говорит в пользу решения с бусиной.

Рис. 6. Измеренные значения сэкономленной мощности для бусинки и тороидального дросселя в регуляторе напряжения VR11 в зависимости от значения индуктивности и нагрузки

Рис. 7. Прогнозируемые значения сэкономленной мощности с использованием бусинки выше, чем измеренные значения при небольшой нагрузке (24 Вт), и меньше, чем измеренные значения при большой нагрузке (84 Вт)

160-нГн дроссель

В тороидальном 160-нГн дросселе (Pulse PA2142NL) также используется 14-перм порошковый сердечник с внешним диаметром 0,44 и пятью витками провода 17GA. Этот дроссель имеет размеры 14,5×14 мм; номинальное значение DCR — 0,7 мОм; расчетные потери сердечника — 202 мВт. Сетевая бусина THT (PA2080NL) с той же индуктивностью имеет размеры 10×7,5 мм; номинальное значение DCR — 0,5 мОм; расчетные потери сердечника — 150 мВт. Как видно из рисунка 5, КПД сетевой бусины минимально лучше при небольшой нагрузке и лучше — при большой. Следует заметить, что показатели тороидального дросселя, имеющего сердечник с высокой магнитной проницаемостью (35 перм), также были учтены в кривой КПД. Ясно, что даже если DCR у данного компонента относительно ниже, чрезмерные потери сердечника сводят на нет это преимущество. Экономия мощности при небольшой и большой нагрузках составляет, соответственно, 0,2 и 0,9 Вт (см. рис. 6). Эти результаты хорошо согласуются с расчетными значениями 0,2 и 0,5 Вт (см. рис. 7). Компонент не только позво-

Рис. 8. Площадь, занимаемая на плате бусинкой и тороидальным дросселем

ляет сэкономить мощность, но также имеет площадь, меньшую на 60% (см. рис. 8). Таким образом, использование порошковых сердечников с невысокой магнитной проницаемостью может избавить от проблем, связанных с недостаточно высоким КПД тороидальных дросселей. Однако из-за того, что в результате применения таких сердечников увеличивается DCR, сетевые проходные бусины все-таки являются более привлекательным решением. Эффективность вкупе со значительным снижением размеров компонента и сокращением допусков превращают сетевые бусины в оптимальное решение для низкоиндуктивных приложений VCORE.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОСВЕЩЕНИЕМ МИХАИЛ ГЛАДШТЕЙН, д.т.н., профессор, колледж ОРТ Брауде, г. Кармиэль, Израиль В статье анализируются основные требования к системам электрического освещения, рассматриваются разновидности структурного построения систем освещения. Автор описывает специализированные интерфейсы, сетевые протоколы и международные стандарты систем интеллектуального управления освещением, приводит примеры технических решений и интегральных электронных компонентов для систем управления светом, предлагаемые производителями микросхем. Также дается прогноз развития технологий управления электрическим освещением.

Главное требование, предъявляе мое к системе освещения — обеспече ние заданного уровня освещенности. Существенная роль отводится также санитарным требованиям, таким как спектральный состав света и частота мерцания. Все эти требования призваны создать максимальный комфорт для зре ния и, как следствие, обеспечить мак симальную эффективность и безопас ность производственных или учебных процессов. Следующим по значимости является требование экономической эффектив ности, т.е. минимум затрат на создание и эксплуатацию системы освещения. Следует подчеркнуть особую важность второй составляющей. Она напрямую связана с энергетической эффективно стью системы освещения. Последняя зависит не только от коэффициента полезного действия осветительных приборов, но и от интенсивности их использования как по уровню про изводимого света, так и по времени использования. Экономия электроэ нергии на освещение — не только экономическая, но и экологическая задача: чем меньше требуется электро энергии, тем меньше выделяется тепла от самих электроосветительных при боров, меньше сжигается топлива на электростанциях. В мировом масштабе это приводит к снижению угрозы гло бального потепления и уменьшению загрязнения атмосферы. Совершенно очевидно, что суще ствуют два направления технического прогресса в области электрического освещения: совершенствование элек трических осветительных приборов и

совершенствование систем управления электрическим освещением. Первое направление связано с появлением новых типов галогенных и флуоресцент ных ламп, а также т.н. белых осветитель ных светодиодов. Второе направление подробно рассматривается в настоящей статье. СТРУКТУРНОЕ ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Сфера применения систем освеще ния очень разнообразна. Для простоты можно рассмотреть построение систе мы освещения в отдельной комнате с окном [1], обеспечивающей заданный уровень освещенности с 6 утра до 22 часов. Колоколообразная кривая, показанная на рисунке 1, соответству ет естественному освещению. Согласно графику, с 9 часов утра до 17 часов (зона B) нет необходимости в искус ственном освещении. Более того, есть избыток естественного освещения

(показано пунктирной штриховкой), который необходимо устранить путем ограничения доступа естественного света в помещение. С 6 до 9 утра и с 17 до 22 часов естественного освеще ния недостаточно, необходимо включать искусственное освещение (зоны A). При этом существует потенциальная возмож ность экономии электроэнергии, если включать освещение не на полную мощ ность, а ровно на столько, чтобы вос полнить недостаток естественной осве щенности (см. области с вертикальной штриховкой). Естественно, что картина, показанная на рисунке 1, не является постоянной, а подвержена календарным и погодным изменениям. Таким образом, простейшая схема системы освещения с ручным управ лением будет иметь вид, показанный на рисунке 2. Она содержит испол нительные устройства (электрические светильники и жалюзи с электроприво дом) и управляющие устройства (элек

15 С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 1. Суточный цикл освещенности помещения

электронные компоненты №3 2009

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

трические выключатели), соединенные силовыми проводами с электриче ской сетью. Управление — открытие/ закрытие жалюзи, включение/выключе ние светильников — осуществляется человеком вручную на основе визу альной оценки уровня освещенности. Подобные системы используются в настоящее время на производстве и в быту. Главными недостатками такой системы являются непостоянство осве щенности, перерасход электроэнергии и цветных металлов на электропро водку. Первые два недостатка можно компенсировать, если осуществлять управление системой освещения автоматически. Возможный вариант системы с централизованным авто матическим управлением показан на рисунке 3. В такой системе постоян ный уровень освещения поддержи вается путем регулирования степени открытия жалюзи (в часы естественно го освещения) и регулирования силы света в светильниках (в часы искус ственного освещения) с помощью автоматического контроллера. Такая система требует применения датчика освещенности и датчика времени. Она гораздо более эффективна, однако не способствует сокращению длины силовых проводов. Построение системы освещения с распределенным сетевым автома тическим управлением [2], которое иллюстрирует рисунок 4, позво ляет избавиться от этого недостат ка. Система освещения строится на основе интеллектуальных актуато ров (actuator), управляющих испол нительными устройствами, и интел лектуальных сенсоров (sensor). Слово «интеллектуальный» подчеркивает тот факт, что в составе каждого устрой ства имеется искусственный интел лект — микроконтроллер. Сенсоры и актуаторы запитываются от общей электрической сети и могут обмени ваться сообщениями через локаль ную сеть на основе информационной шины, в соответствии с определен ным стандартным протоколом. Такая шина может быть реализована в виде витой пары проводников, виртуаль ного канала с частотным уплотне нием непосредственно в силовой сети или в виде радиоканала. Кроме экономии цветных металлов, такая система имеет дополнительно два очень существенных преимущества. Первое из них состоит в том, что очень просто реализуется подклю чение дополнительных устройств и, следовательно, расширение функций. Например, можно подключить дат чик присутствия людей в помещении, как это изображено на рисунке 4, и

www. elcp.ru

Рис. 2. Система освещения с ручным управлением

Рис. 3. Автоматическая система управления светом

Рис. 4. Система освещения с распределенным сетевым автоматическим управлением

отключать освещение полностью в случае, если людей нет в помеще нии. Нетрудно предположить, что за счет такой дополнительной функции можно получить существенную эко номию электроэнергии, особенно во вспомогательных помещениях: складах, коридорах, туалетах, лифтах и т.п. Второе преимущество состоит в возможности построения иерархиче ской сети, позволяющей объединить локальные сети отдельных помещений в систему освещения этажа, а систе мы управления этажей — в систему управления освещением всего здания и т.п. Подключение к такой иерархи ческой сети компьютера, связанного с интернетом, делает возможным дис танционное управление системой из любой точки мира.

Использование распределенного сетевого управления позволяет интегри ровать систему управления освещением в интеллектуальную систему управления типа «Умный дом» [3]. Системы послед него типа, кроме функции управления освещением, включают также следую щие функции: – кондиционирование воздуха; – управление мультимедийной аппаратурой; – охрана от несанкционированного вторжения; – управление безопасностью техни ческих систем электро–, водо– и газо снабжения; – дистанционное управление всеми подсистемами. Нетрудно видеть, что для реализа ции всех указанных функций достаточ

но добавить в систему на рисунке 4 определенный набор интеллектуальных сенсоров и актуаторов, приведенный в таблице 1. Таким образом, весьма перспективно построить систему управления элек трическим освещением по принципу распределенного сетевого управления. С этой целью разработан целый ряд промышленных стандартов на интер фейсы и протоколы для построения таких систем. СТАНДАРТНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОМ

Одним из первых стандартных интерфейсов [4], разработанных после появления первых биполярных транзи сторов, является аналоговый стандарт 0-10V DC — управление уровнем света пропорционально величине постоян ного напряжения в диапазоне 0...10 В. В соответствии с этим стандартом до сих пор производятся актуаторы светильни ков: диммеры (dimmer — затемнитель, регулятор света) для ламп накалива ния и балласты (ballast) для регулиро вания свечения флуоресцентных ламп. Физический интерфейс этого типа, рас считанный на 6 каналов управления, использовал 8-контактный разъем типа DIN или XLR и многожильный кабель. В связи с распространенностью этого интерфейса в системах управления освещением, в 2001 г. Национальный институт стандартов США утвердил стандарт E1.3-2001. Дальнейшим развитием аналоговых интерфейсов явился стандарт AMX192 (Analog Multiplex Data Transmission). Предложенный впервые в 1975 г. фир мой Strand Lighting и получивший статус стандарта в 1985 г., он широко распро странен в США и Канаде. Интерфейс использует 4-контактный разъем XLR и 2 пары витых проводников: по одной передается мультиплексированный ана

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

логовый сигнал уровня света (0...5 В), по другой — синхроимпульсы разде ления каналов. На одной шине может быть установлено 96—192 приемниковдиммеров, преобразующих передавае мый сигнал к стандартному 0...10 В. Более сложный протокол аналогово го мультиплексирования используется в промышленном стандарте Microplex (MPX), или LMX-128. Физический интер фейс использует 3-контактный разъем XLR и микрофонный кабель. По линии данных передается аналоговый сигнал в диапазоне от 6—8 В. Отрицательная часть диапазона используется для передачи импульсов синхронизации (т.е. адресной информации), а положи тельная — для передачи аналогового сигнала уровня света (0 В — выключе но, 8 В — максимум, т.е. 100%). К одному кабелю можно подключать до 128 дим меров. Следующим по популярности является интерфейс DMX-512 (Digital MultipleX), обеспечивающий управление 512-ю устройствами. Система на основе DMX-512 предполагает наличие одно го передатчика и до 512-ти приемни ков. Физический интерфейс использует 5- или 3-контактный разъем типа XLR и 2 витых пары проводников (вторая пара является не обязательной, и в случае 3-контактного разъема не использует ся). Электрические параметры сигна лов в шине DMX-512 полностью соот ветствуют стандарту последовательных каналов RS-485. Данные передаются со скоростью 250 Кбит/с. Способ переда чи — асинхронный (СТАРТ — 1 бит, СТОП — 2 бита). Фрейм содержит стар товый байт и 512 байтов данных. Каждый байт данных несет информацию об уров не света соответствующего канала (0 — выключено, 255 — максимум, т.е. 100%), в порядке следования данных. Протокол не предусматривает каких-либо под тверждений приема и средств контроля ошибок. Впервые интерфейс был разра

Таблица 1. Сенсоры и актуаторы системы «Умный дом» Функция

Сенсоры

Освещенности Управление освещением Присутствия людей Реального времени Температуры воздуха Кондиционирование Влажности воздуха воздуха Метеорологических параметров Управление мультимедийной Пульт программирования аппаратурой Сенсоры охранной сигнализации Охрана от несанкциониВидеокамеры наблюдения рованного вторжения Сенсоры идентификации личности Управление Сенсоры состояния электроснабжения безопасностью Сенсоры затопления технических систем Сенсоры утечки газа Дистанционное Сенсоры пультов дистанционного управление управления (инфракрасными, радио и т.п.)

www. elcp.ru

Актуаторы Управление светильниками различных типов Управление жалюзи Управление системой отопления Управление кондиционерами Управление системой вентиляции Управление аудиоаппаратурой Управление видеоаппаратурой Управление светомузыкальной аппаратурой Управление замками Управление тревожной сигнализацией Связь с правоохранительными службами Управление аварийными отключениями Связь с ремонтными службами Управление информационными дисплеями

ботан Институтом театральных техноло гий США в 1986 г. для управления осве тительными приборами, затем улучшен в 1990 г. Современная версия DMX-512-A принята Институтом стандартов США под номером E1.11. Более продвинутым и современным интерфейсом для сетевых систем управ ления электрическим освещением явля ется DALI (Digital Addressable Lighting Interface). Этот интерфейс считается рас ширением международного стандарта IEC60929 и очень популярен у европей ских производителей. Он пригоден для применения как в отдельных комнатах, так и для иерархических систем боль ших зданий. Система управления светом DALI основана на принципе master-slave: пользователь системы через контрол лер, работающий в режиме master, отда ет команды контроллерам, работающим в режиме slave и управляющим диммера ми и балластами светильников. Каждый slave имеет свой индивидуальный 6-бит ный адрес, т.е. к одной линии связи DALI можно подсоединить до 64-х диммеров или балластов. Есть возможность разде ления управляемых устройств на группы по 16 устройств в каждой. Связь осущест вляется по двухпроводной линии диф ференциально: разность потенциалов более 9,5 В принимается за логическую 1, менее 6,5 В — за логический 0. Скорость передачи — 1200 бит/с. Полудуплексная передача осуществляется двухфазным (манчестерским) кодом. Формат пере дачи master содержит бит СТАРТ, 2 байта данных и 2 бита СТОП. Первый байт это адрес (индивидуальный или групповой), второй байт — команда. Стандарт опре деляет специальную систему команд, задающую режимы работы диммера или балласта (уровень свечения, режим уменьшения или увеличения уровня света и т.п.), а также команды для про верки статуса управляемого контролле ра и лампы. Последние требуют ответа. Формат сообщения slave содержит бит СТАРТ, 1 байт и 2 бита СТОП. И наконец, разработаны всеобъемлю щие системы стандартов для комплекс ной автоматизации зданий, поддержи вающие и управление электрическим освещением. Наиболее применяемые из них — это X10 и EIB. Стандарт домашней автоматики X10 [5] базируется на идее передачи управляющей информации непосред ственно по проводам питающей сети. Эта технология PLC (Power Line Carrier) была запатентована в начале 70-х гг. прошлого столетия фирмой PICO Electronics в Великобритании. Позднее команда инженеров этой фирмы пере ехала в США и продолжала работу. 9 экспериментов оказались неудачны ми, а 10-й дал положительный резуль тат. Отсюда и появилось название X10,

а процветающая и поныне фирма X10 USA является ведущей фирмой США в области домашней автоматизации. Стандартный фрейм передачи содержит уникальный 4-битный старткод (1110), 4-битный код дома (первая часть адреса приемника) и 5-битный код устройства. Последний может быть второй частью кода адреса приемника (5-й бит равен 0) или кодом функции команды (5-й бит равен 1). Одна из функ ций (Extended Data — расширенные дан ные) предусматривает присоединение дополнительных байтов, передаваемых без перерыва, причем первый из них содержит число передаваемых байтов. Биты кода дома и кода адреса устройства передаются двухфазным способом (бит и дополнение до 1). Из-за этого фрейм, содержащий 13 информационных бит, в действительности содержит 22 бита (4+9×2) и передается в течение 11-ти периодов частоты сети 60 Гц (каждые полпериода — 1 бит). Начало передачи каждого бита синхронизируется моментами пересе чения несущего напряжения через 0 (фаза 0 и 180°). Единичное значение бита передается путем посылки пакета из трех импульсов длительностью 1 мс, заполненных синусоидальным сигналом частотой 120 кГц и сдвинутых по фазе на 30°. Нулевое значение бита пере дается путем отсутствия пакета в соот ветствующий момент времени. Каждый фрейм для надежности передается дважды. Для передачи команды необ ходимо послать 2 двойных фрейма: адресный, содержащий код устройства, и командный, содержащий код функции. С учетом необходимого промежутка в 3 периода между двойными фреймами,

время передачи одной команды требу ет 47 периодов напряжения силовой сети (для частоты 60 Гц — 0,78 с, для адаптированного европейского вари анта с частотой 50 Гц — 0,96 с). Современный X10 допускает исполь зование также радиоканала с частотой 310 МГц (США) или 433 МГц (Европа), по которому передаются описанные выше фреймы. Европейский стандарт EIB (European Installation Bus) [6] рассчитан на построе ние управляющей сети с помощью витой пары, на основе передачи данных непо средственно по проводам силовой сети, на базе радиоканала или с использова нием оптического инфракрасного кана ла. Протокол передачи по всем видам связи идентичен. К каждой линии EIB можно подключить до 64-х устройств; иерархическая сеть может содержать до 65536-ти устройств. Способ передачи по витой паре — балансный, без моду ляции, асинхронный, скорость переда чи — 9600 бит/с. Снабжение устройств питающим напряжением и передача информации производится по тем же проводам, поэтому логический 0 переда ется двухполярным импульсом на уровне питания, а логическая 1 — отсутствием импульса. В системе может быть несколь ко устройств, инициирующих передачу, поэтому для разрешения конфликтов на шине используется стандартный алго ритм CSMA/CA. Согласно спецификациям EIB, сенсоры и актуаторы обмениваются телеграм мами. Сенсоры используют индивиду альные физические адреса, а актуато ры — групповые. Это дает возможность сенсору послать одну команду сразу многим актуаторам. Каждая телеграмма

содержит пакет данных и требует обя зательного подтверждения. Пакет дан ных содержит управляющее поле, поле адреса источника, поле адреса прием ника, байт длины пакета, блок данных сообщения и байт контроля ошибок. EIB поддерживает все принятые в вычисли тельных сетях типы данных и протоколы, что позволяет строить сложные системы управления электрическим освещени ем с управлением от компьютеров с использованием интернета. В мае 1999 г. ассоциация производи телей изделий EIB объединилась с двумя другими ассоциациями в ассоциацию Konnex, которая приняла единый рас ширенный стандарт KNX для автомати зации жилых и промышленных зданий. В его основу был положен стандарт EIB. Поэтому ссылки на этот стандарт в тех нической литературе часто обозначают ся как KNX/EIB. Основываясь на описанных стан дартах, производители оборудования и приборов предлагают потребителям ряд интегрированных технологий для построения сетевых систем автоматиче ского управления электрическим осве щением. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОМ

Современный уровень интеллекту альных технологий управления осве щением можно проследить на приме ре одной из крупнейших европейских фирм, поставляющей такие техноло гии на мировой рынок, — германской фирмы INSTA [7] (она представляет груп пу компаний, куда входят также ELKA,

Таблица 2. Интегрированные технологии систем управления освещением фирмы INSTA Наименование

Назначение

Примеры использования Базовая система Передача данных

Программирование

Преимущества

Instalight PROFI

Instalight PLUS

Instalight DALI

Instalight IP

Instalight DMX

Управление светом во Управление светом во множе- Управление светом Управление све- Мультисистемная мультимемножестве комнат для стве комнат с интеграцией в во множестве том в отдельных диа технология для сложных динамичных и комплекссистему управления зданием комнат комнатах систем ных применений Гостиницы Предприятия малоИллюминация фасадов Иллюминация фасадов Административные здания го бизнеса Конференц-залы зданий светодиодными зданий сложными светоПроизводственные здания Магазины и офисы панелями, аудиовизуальные диодными приборами, Банки Квартиры и видеоэффекты каскадная технология Торговые центры Instabus KNX/EIB Istafunk DALI IP-протокол DMX-512 Беспроводная, на Кабель CAT 5 или CAT7 2-проводная Стандартная KNX/EIB основе техники Оптический кабель 3-проводная линия линия радиосвязи Радиосвязь (WLAN) Ручное назначение Не требует проНеобходимо Программируемые компоНеобходимы программиро- адреса, предварительное граммного обопрограммное ненты вание и начальные установки программирование по рудования оборудование требованиям заказчика Высокая гибкость и произвоИнтеграция общих DMXПростой способ дительность Удобство использования передатчиков и актуаторов Простота монтажа подключения и Интеграция общих Прямая интеграция в техничеИнтеграция светодиодных и модификации выбора групп IP-компонентов скую систему здания применений в DMX-техно светильников Использование высокона логии дежной серверной технологии

Instalight LEDTRIX Управление светом в отдельных комнатах для динамичных светодиодных применений Декоративное или рекламное освещение Цветное освещение витрин LEDTRIX 3-проводная линия Автоматическая адресация, предварительное программирование по требованиям заказчика Простота подсоединения Реализация отдельных решений с помощью минальных усилий

электронные компоненты №3 2009

19 С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

Характеристика

Berker, Gira и Jung). Продукция этой фирмы — технологии и компоненты для реализации проектов освещения жилых домов и промышленных зданий. В табли це 2 приведено сравнение 6-ти инте грированных технологий, предлагаемых этой фирмой. Среди этих технологий особенно интересна Instalight PLUS — управле ние освещением с помощью техни ки радиосвязи. Система радиосвязи Istafunk работает на частоте 433 МГц с использованием узкой полосы частот. Разделение каналов осуществляется путем присвоения каждому передатчику индивидуального номера (до 16-ти млн возможных комбинаций). Каждый пере датчик может посылать сообщения груп пе приемников, каждый приемник может быть настроен на прием сигналов от 30-ти передатчиков. Повышению надеж ности передачи телеграмм в системе способствует многократное дублиро вание передачи. Дальность действия передатчика (без ретрансляции) состав ляет 100 м. При этом мощность его радиоизлучения в 100 тыс. раз меньше, чем у сотового телефона, что допускает безопасное использование системы в жилых помещениях. Номенклатура продукции систем освещения включает сенсоры (в т.ч. выключатели и потенциометры регу лирования уровня света), диммеры и балласты для разных типов ламп и све тодиодов, сетевые устройства, источни ки питания, контроллеры, программное обеспечение, установочные и тестирую щие инструменты и приборы. Для построения сенсоров и актуато ров интеллектуальных систем управле ния электрическим освещением требу ются специализированные электронные компоненты. Они занимают существен ный сегмент рынка, поддерживаемый ведущими производителями интеграль ных микросхем.

ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООСВЕЩЕНИЕМ

Примеры предлагаемых технических решений и компонентов для управле ния электроосвещением трех ведущих производителей интегральных схем Freescale Semiconductor, Microсhip Technology и STMicroelectronics пред ставлены в таблице 3. В частности, Freescale Semiconductor предлагает технологию построения управляемого балласта для флуорес центных ламп с коррекцией коэффи циента мощности [8] на базе 8-битного 20-выводного микроконтроллера (МК) MC68HC908LB8 (128 байт оператив ной памяти и 8 Кбайт программной). Особенностью МК является наличие двухканального ШИМ высокого разре шения для управления силовыми клю чами. Другое предлагаемое техническое решение — цифровой интерфейс DALI для осветительных сетей [9] — базирует ся на использовании того же МК, а также силового транзистора MLD1N06CL и инвертора MC74AC14. Определенный интерес для про ектировщиков систем электрическо го освещения представляет базовый проект беспроводных сенсоров [10]. Фирма предлагает использовать миниатюрный и дешевый 8-битный МК MC9RS08KA2, имеющий всего 6 внеш них выводов. На кристалле МК, кроме процессора RS08, размещены 63 байта оперативной памяти, 2 Кбайта памяти программ, таймер, аналоговый компа ратор и другие узлы. МК имеет всего 4 линии ввода/вывода. Большим пре имуществом этого МК является нали чие встроенной защиты в случае сбоя управления или обнаружения некор ректного кода операции, адреса и т.п. Для беспроводной передачи данных в проекте используется передатчик той

же фирмы — Tango MC33493, рабо тающий на частоте 315...434 МГц или 868 МГц. Microсhip Technology предлагает базовый проект управляемого балла ста, принимающего команды по интер фейсу DALI [11], на базе 8-битного 20-выводного МК PIC16F628P, микро схемы коррекции коэффициента мощ ности L6561D фирмы STMicroelectronics и микросхемы управляемого балласта IR2159 компании International Rectifier. Самое прямое отношение к систе мам освещения имеет техническое решение Microchip Technology, свя занное с программной реализацией интерфейса DMX-512 на 8-битном МК PIC18F24J10 [12]. Заслуживает внимания также выпущенный фирмой сборник технических решений для интеллекту альной светодиодной светотехники [13], где анонсированы новейшие компо ненты, такие как 6-выводной МК PIC10F для управления диммерами, MCP1630, преобразователь DC/DC для управле ния светодиодными панелями, датчик температуры для мощных осветитель ных светодиодов MCP9700 и др. новей шие компоненты. Фирма STMicroelectronics также предлагает технические решения и компоненты для систем электроосве щения. Техническое решение для дим мера [14] базируется на использовании малогабаритного 8-выводного 8-битно го МК ST7FLITEUS5B6. Фирма произво дит большое количество современных интегральных микросхем для управле ния различными типами ламп и све тодиодов, в т.ч. многофункциональных. Например, 20-выводная микросхема L6585D [15] обеспечивает коррекцию коэффициента мощности и прямое управление высоковольтными флуорес центными лампами. Анализируя данные таблицы 3, можно заключить, что главным компонентом

Таблица 3. Технические решения, интегральные микросхемы и программное обеспечение для систем управления освещением

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

Компания

Freescale Semiconductor

Microchip Technology

STMicroelectronics

www. elcp.ru

Техническое решение

Продукты Базовый микроконтроллер

Управляемый балласт для флуоресцентных ламп с коррекцией коэффициента мощности

MC68HC908LB8

Цифровой интерфейс DALI для осветительных сетей

MC68HC908KX8

Недорогие беспроводные сенсоры

MC9RS08KA2

Управляемый балласт DALI

PIC16F628P

Использование микроконтроллера PIC для связи по линии DMX-512

PIC18F24J10

Интеллектуальные решения для управления освещением

PIC10F PIC12F PIC16F

Использование микроконтроллера ST7ULTRALITE для управления семистором Коррекция коэффициента мощности и управление балластами

ST7FLITEUS5B6

Программное обеспечение Исходный код на языке С и языке ассемблера

Исходный код на языке С

Специальные компоненты

Источник [8]

MLD1N06CL MC74AC14 MC33493 L6561D IR2159

[9] [10] [11] [12]

MCP1630 MCP9700 Исходный код на языке С

[13] [14]

L6585D

[15]

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОСВЕЩЕНИЕМ

Охрана окружающей среды явля ется главным критерием совершен ствования систем управления элек трическим освещением. Загрязнение окружающей среды и угроза глобаль ного потепления в немалой степени связаны с недостаточной эффектив ностью систем электрического осве щения. Повысить ее можно, снизив энергетические потери на всем пути от источника электроэнергии до конечного преобразования электри ческой энергии в световое излучение. Исходя из этого, можно сформули ровать следующие направления раз вития технологий управления осве щением: – совершенствование полупрово дниковых осветительных приборов;

– разработка новых, более эффек тивных элементов систем автоматиче ского управления электроосвещением (сенсоров, микроконтроллеров, элемен тов силовой электроники, источников питания и т.п.); – создание систем аккумуляторов света, способных накапливать энергию во время светового дня, и отдавать ее для освещения в ночные часы. Несмотря на кажущуюся фанта стичность последнего направления, зачатки подобных систем просматри ваются в проектах «Зелёный свет» [16]. Такие системы пока еще достаточно громоздки и дороги. Однако другие примеры (сотовый телефон, компью тер и т.п.) подсказывают нам, что уже недалек тот день, когда световой аккумулятор будет в каждом доме и автомобиле. ЛИТЕРАТУРА 1. DiLouie C., Daylighting is the use of daylight as a primary source of general illumination in a space: Part 1//Automated Buildings, August 2007. (www.automatedbuildings.com). 2. Как сделать ваш дом по настоящему «умным». Merten. (www.merten.de). 3. «Умный дом»: идеология или технология?//www.intelkey.ru/system/for/articles/intelhouse.htm. 4. Control Protocols for Lighting Systems// http://rocketsciencecanada.com/.

5. http://www.smarthomeusa.com/info/. 6. EIBA Handbook Series. Release 3.0. Volume 1: Primer. Part 2: Introduction to the System, 19.04.1999. (www.knx.org). 7. http://www.insta.de/. 8. Dimmable Light Ballast with Power Factor Correction. Designer Reference Manual. Freescale Semiconductor, Inc., 2005. (www.freescale.com). 9. Digitally Addressable Lighting Interface (DALI) Unit Using the MC68HC908KX8. Designer Reference Manual. Freescale Semiconductor, Inc., 2002. (www.freescale.com). 10. Low Cost Wireless Sensors. Designer Reference Manual. Freescale Semiconductor, Inc., 2007. (www.freescale.com). 11. Digitally Addressable DALI Dimming Ballast. Application Note AN 809. Microchip Technology, Inc., 2002. (www.microchip.com). 12. Using a PIC® Microcontroller for DMX512 Communication. Application Note AN 1076. Microchip Technology, Inc., 2007. (www.microchip.com). 13. Adding Intelligence to Lighting Applications. LED Lighting Design Guide. Microchip Technology, Inc., 2008. (www.microchip.com). 14. Using an ST7ULTRALITE Microcontroller to Drive a TRIAC or an AC Switch for a Mains Supply. Application Note AN2425. STMicroelectronics, 2006. (www.st.com). 15. L6585D — Combo IC for PFC and ballast control. Data Sheet. STMicroelectronics, 2006. (www.st.com). 16. Sampath R. Green Lighting: Solar-based HBLED Lighting Solutions//Beyond Bits, Issue 3, 2008, pp. 10—12. (www.freescale.com).

21 С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

интеллектуальных систем управления электроосвещением являются мало выводные (6—20) малогабаритные 8-битные МК, которые выполняют все необходимые функции начиная от про токолов связи и заканчивая генери рованием ШИМ-сигналов для силовых драйверов, тем самым обеспечивая энергетическую эффективность систе мы освещения.

электронные компоненты №3 2009

Проектирование светодиодных систем белого и цветного освещения Шон Трэн (Shone Tran), менеджер продуктов, Cypress Semiconductor Corp. Бен Кропф (Ben Kropf), инженер по применению, Cypress Semiconductor Corp. Системы на основе светодиодов высокой яркости обеспечивают интеллектуальное управление освещением, гибкость и экологичность. В статье рассмотрены вопросы, связанные с построением светодиодных систем белого и цветного освещения, выбором топологии преобразования напряжения, отбором светодиодов по цвету, температурными эффектами, обеспечением точности передачи цвета и влиянием других характеристик светодиодов на параметры освещения. Статья представляет собой перевод [1]. Введение

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

Светоизлучающие диоды (СИД) высокой яркости позволяют разработчикам контролировать цветовую температуру и в то же время поддерживать высокое значение коэффициента цветопередачи (Color Rendering Index — CRI) 1 для приложений с белым светом. Эти же системы способны обеспечивать высокоточное цветное освещение широкого спектра. Несмотря на то, что визуально эти два типа освещения различны, большинство интеллектуальных светодиодных систем как белого, так и цветного освещения построено на основе контроллера смешанного сигнала, драйверов постоянного тока и СИД высокой яркости. В обоих случаях используется многоканальная система управления СИД и, следовательно, при проектировании таких систем разработчикам придется иметь дело с такими проблемами как тщательный отбор светодиодов по цвету (биннинг), температурные эффекты, процессы старения и поддержка общей точности передачи цвета. Использование контроллера смешанного сигнала — эффективный метод решения этих задач. В данной статье обсуждаются особенности проектирования приложений для белого и цветного освещения, проблемы разработки систем на основе СИД, а также некоторые доступные на сегодня мощные программные средства, которые помогают проектировщикам в решении этих задач.

Интеллектуальные системы освещения

Одной из важных особенностей таких систем является точная настройка параметров света. Раньше регулировка света была связана с затемнением или управлением площади рассеивания посредством оптической системы. В системах на основе СИД регулировка света связана с управлением различных характеристик света. При проектировании интеллектуальных систем освещения следует в первую очередь определить, какой тип света необходимо получить: белый, цветной или оба типа света. Для белого света разработчики должны предусмотреть возможность настройки цветовой температуры и коэффициент цветопередачи CRI. Для цветного света, в зависимости от числа каналов СИД в системе, можно создать спектральную комбинацию цветов на базе набора заданных каналов СИД. На основе смешения цветов с помощью одного и того же устройства возможно создать как белый, так и цветной свет. Такая гибкость сопровождается определенными сложностями и компромиссами в каждой системе освещения. Каждая интеллектуальная система освещения строится на базе структурной схемы, показанной на рисунке 1. В нее входят СИД высокой яркости, преобразователь системы питания и контроллер смешанного сигнала. Вначале следует выбрать

Рис. 1. Структурная схема интеллектуальной системы освещения

Коэффициент цветопередачи CRI утвержден международной комиссией по освещению CIE.

www. elcp.ru

светодиоды. Большинство поставщиков, включая компании Lumileds, Cree, Nichia и Osram, предлагает светодиоды с широким рядом параметров: номинальное значение тока и мощности, площадь рассеивания, цвет свечения, КПД, размеры посадочного места, тепловые характеристики, бин-код и т.д. Перечень параметров одинаков для белых и цветных светодиодов, однако для белых СИД необходимо также учитывать цветовую температуру и CRI. Оба эти параметра в большой степени зависят от люминофора покрытия СИД голубого цвета свечения. Технические и маркетинговые требования к проекту обычно помогают сузить выбор СИД. Часто разработчики вынуждены в первую очередь рассматривать тепловые характеристики СИД, особенно в компактных устройствах или в приложениях, где нельзя использовать крупные радиаторы для отвода тепла. Рассеиваемое тепло весьма важный фактор в приложениях, где используются СИД в компактных корпусах или в корпусах, содержащих несколько светодиодов. С помощью оптики можно скомпенсировать недостаточную площадь рассеивания, а контроллеры смешанного сигнала могут частично снять ограничения по рабочей температуре и цветовому оттенку (бин-коду). Контроллер смешанного сигнала — важнейшая часть системы управления освещением. Управляемость и гибкость систем на основе СИД высокой яркости во многом обеспечиваются именно контроллером, способным компенсировать проблемы, которые возникают при регулировке света СИД. Для большинства приложений достаточной вычислительной мощностью обла-

дают 8-разрядные микроконтроллеры, содержащие ОЗУ или флэш-память. Для цифровой периферии весьма важным является число специализированных каналов регулировки яркости свечения и их разрешение, а также способность реализации различных коммуникационных интерфейсов. Каналы регулировки яркости используются для управления понижающими преобразователями. Они могут быть также реализованы на основе программных счетчиков. Однако программные каналы регулировки яркости используют ресурсы процессора, которые могут обеспечивать выполнение других полезных функций. В интеллектуальных системах освещения обычно используется 8-разрядное разрешение для достижения хорошей точности передачи цвета, но в высококачественных системах может использоваться и 16-разрядное разрешение. Для большинства приложений 8-разрядное разрешение обеспечивает необходимую точность, и разработчики обычно используют более высокое разрешение для достижения лучшей линейности регулировки яркости при малых выходных уровнях. Некоторые специалисты обходят эту проблему с помощью применения схем интерполяции для сглаживания изменений выходного сигнала при низких уровнях. Контроллер обычно имеет популярные интерфейсы SPI, UART и I2C, но также является важным, чтобы контроллер смешанного сигнала поддерживал и специализированные интерфейсы для систем освещения, подобные DALI, протокол DMX512, РЧ-связь, а также связь по линиям электропередач (Powerline Communication). Что касается аналоговой периферии, разработчикам следует обратить внимание на наличие в контроллере АЦП, усилителя с программируемым коэффициентом усиления и компараторов. На основе АЦП можно обеспечить тем-

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

Рис. 2. Кривая излучателя Планка и цветовая температура

www. elcp.ru

пературную обратную связь, считывая показания внешнего датчика температуры, либо организовать взаимодействие системы освещения с какими-либо внешними аналоговыми сигналами. Компараторы и усилители с программируемым коэффициентом усиления позволяют реализовать простую топологию системы питания. Большинство поставщиков микроконтроллеров предлагает некоторые или все перечисленные виды периферии, однако необходимо учитывать, что при изменении системных требований набор нужной для реализации проекта периферии также можно изменить. Разработка интеллектуальной системы освещения на основе СИД высокой яркости является сложной задачей. Для систем, где требуется сверхвысокая производительность, за реализацию которой заказчик готов платить, хорошим решением было бы использование FPGA. Однако в системе на их основе, кроме того, должны использоваться дополнительные аналоговые компоненты. Наибольшую гибкость обеспечивают контроллеры с конфигурируемой периферией и настраиваемыми портами ввода/вывода. Как достичь высокого качества белого света?

Для систем белого света (даже если эта же система производит смешанный цветной свет) нужно учитывать цветовую температуру и коэффициент цветопередачи CRI. Цветовая температура — это цвет, соотнесенный с линией цветностей черного тела, или кривой излучателя Планка на цветовой шкале, утвержденной Международной комиссией по освещению CIE в 1931 г. (см. рис. 2). Например, черное тело, нагретое до температуры 2500 K, рассматривается как излучатель довольно теплого белого света, а нагретое до 7000 K — как излучатель холодного света. Системы на основе СИД высокой яркости в действительности не могут обеспечить цвета в соответствии с кривой излучателя Планка, и для измерения их характеристик используется относительная цветовая температура (Correlated Color Temperature — CCT). Коэффициент цветопередачи — параметр, используемый для описания качества белого света путем сравнения передачи различных цветов данным и эталонным источником света. С точки зрения неспециалиста, передача цвета отражает точность цвета поверхности, освещаемой источником света в единицах от 1 до 100 относительно эталонного источника света. Как цветовую температуру, так и коэффициент цветопередачи можно настроить путем выбора соответствующего СИД, используя нужный канал СИД и управляя этими каналами с помо-

щью контроллера смешанного сигнала. Система белого освещения, содержащая только белые СИД, имеет ограничения по цветовой температуре, однако обеспечивает достаточно высокой коэффициент цветопередачи при данной цветовой температуре белых светодиодов. Поскольку коэффициент цветопередачи сильно зависит от цветового спектра СИД, установленных в системе, следует руководствоваться общим правилом — чем больше число СИД (особенно разного цвета), тем выше коэффициент цветопередачи. В случае систем цветного освещения разработчики должны учитывать точность цвета, разрешение цвета и спектр смешанных цветов. Один из важных факторов — разрешение пределов регулировки яркости. Расширение спектра смешанных цветов зависит от цветовой гаммы, обеспечиваемой светодиодами в системе, что напрямую определяется количеством СИД различных цветов, составляющих цветовую гамму. Количество СИД и разрешение регулировки яркости также влияет на цветовое разрешение. Большинство систем цветного освещения имеет минимум три СИД обычно основных цветов: красного, зеленого и синего. Если с помощью интеллектуальной системы требуется получить какиелибо специфические цвета, разработчики могут определить, способны ли выбранные светодиоды обеспечить этот цвет с помощью цветовой шкалы CIE, соединяя точки цветовой гаммы. Если цветовая гамма не включает цвет, который нужно получить, разработчик может добавить новый цвет светодиода, который расширяет цветовую гамму (см. рис. 3). Системы белого и цветного освещения получают преимущества при использовании трех и более светодиодов, но это, кроме трудностей, связанных с применением оптики и поддержкой тепловых режимов, приводит к усложнениям алгоритмов управления. Проблемой является обеспечение требуемого числа каналов регулировки яркости с достаточным разрешением. В системах с четыремя и более СИД, кроме того, нужен более сложный алгоритм регулировки цветовой температуры, смешения цветов или увеличения коэффициент цветопередачи. Разумеется, для интеллектуальных систем освещения нужно предусмотреть возможность управления количеством рассеиваемого тепла и обеспечить сортировку СИД по различныим параметрам (биннинг). При увеличении температуры светодиода светосила определенных СИД падает (например, для красного светодиода это очень заметно), и немного смещается длина волны света на выходе.

Рис. 3. Пример расширения цветовой гаммы с помощью четырех светодиодов

Использование радиаторов для рассеивания тепла и активное охлаждение являются небходимыми мерами. Однако эти методы не всегда предсказуемы и поддаются измерениям. Некоторое количество тепла всегда существует в системе, и точность передачи цвета из-за этого будет меняться. Использование температурного датчика позволяет поддерживать точность передачи цвета на уровне Δu’v’ = 0,004. Эта оценка является общим требованием для систем, которые должны обе-

спечивать хороший уровень точности передачи цвета. Одним из входных данных для алгоритма расчета величины изменения яркости света является световой поток. Используя кусочно-линейную аппроксимацию кривой зависимости температуры от светового потока СИД, контроллер смешанного сигнала может управлять точностью передачи цвета посредством соответствующей регулировки светосилы СИД в системе. Сортировка по параметрам цветового оттенка (биннинг) необходима, т.к. СИД высокой яркости — это твердотельные приборы, и современный процесс их производства вносит разброс параметров, в частности, светосилы, длины волны и прямого напряжения. Из-за того, что световой поток является важной характеристикой при формировании смешанных цветов, отклонения этого параметра могут значительно влиять на результат. Однако в системах с низким качеством передачи цвета это может не приниматься во внимание. Разработчики, которым важно качество передачи цвета, могут либо приобрести СИД со специальным бин-кодом, которые стоят на 15—20% дороже обычных, либо компенсировать отклонения параметров путем программирования контроллера смешанного сигнала. Можно составить таблицу бин-кодов, в

которую вносятся возможные характеристики яркости светодиодов в системе. Затем в процессе производства, когда получены реальные СИД, программу контроллера смешанного сигнала можно обновить в соответствии с полученными бин-кодами. Заключение

Для многих инженеров, переходящих от традиционных систем освещения к твердотельным, выбор используемых в проекте компонентов является довольно серьезной проблемой. В настоящее время существуют инструментальные средства разработчика для проектирования интеллектуальных систем освещения на основе СИД высокой яркости, которые используют традиционные языки программирования, такие как С. Во многих случаях важнейшее значение имеют мощные программные средства разработки, оценочные платы и проекты разработчика. Такие преимущества систем освещения на основе СИД как интеллектуальность, гибкость и экологичность сопровождаются также и серьезными проблемами и возможными компромиссами. Литература 1. Understand LED-based white and colormixing system design, by Shone Tran and Ben Kropf//www.videsignline.com

Новости светотехники

| Все дело в поляризации | Ученые из Политехнического института им. Ренселаера совместно с коллегами из Samsung Electromechanics нашли решение одной из проблем, связанных с малой эффективностью светодиодов. Речь идет о явлении резкого снижения эффективности работы светодиодов при протекании тока с высокой плотностью. Причина данного явления пока не выяснена, однако существует гипотеза, согласно которой оно вызвано утечкой электронов. Пик эффективности передачи энергии наблюдается на низких плотностях тока. Ученые предположили, что утечка может быть обусловлена беспорядочной поляризацией в активном слое GaInN/GaN. Они заменили активное вещество на GaInN/GaInN. Слои стали согласованны по плоскостям поляризации, вследствие чего утечка электронов снизилась. Эффективность светодиодов на основе GaInN/ GaInN повысилась на 22%, а световой выход таких диодов на 18% больше, чем у обычных.

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

www.russianelectronics.ru

www. elcp.ru

Новости светотехники

| Светодиодам кризис не грозит | Несмотря на общий спад в полупроводниковой промышленности, сегмент светодиодной техники продолжит рост и в кризисном 2009 г. Такой прогноз представила корпорация iSuppli, отметив, что остальные сегменты рынка, наоборот, в текущем году будут убыточны. В 2008 г. спрос на светодиоды, подогреваемый производителями ЖК-телевизоров, вырос на 10,8%. Ожидаемый показатель текущего года составит 2,9%. Цифра, безусловна, мала. Однако на фоне того, что общий спад в полупроводниковой отрасли оценивается в 9,4%, она смотрится весьма достойно. Согласно оценкам iSuppli, в 2009 г. производители ЖК-телевизров потратят на светодиоды около 163 млн. долл., что на 221,9% больше, чем в 2008 г. (тогда был потрачен 51 млн. долл.). К 2012 г. объем продаж вырастет до 1,4 млрд. долл., почти в девять раз. Прогноз касается только светодиодов для ЖК-телевизоров. Однако при снижении цен на них или при разработке более ярких моделей сфера использования светодиодов может расшириться. www.russianelectronics.ru

| IST Lighting расширяет сеть стратегических партнеров | Компания IST Lighting активно взялась за развитие сети дистрибьюторов и служб поддержки в Европе и Китае. Передовые разработки компании, такие как светодиодные светильники iDrive, пользуются огромным спросом. Компания заключила договор с немецким дистрибьютором SchahlLED Lighting, который будет распространять продукцию IST Lighting в таких странах как Австрия, Бельгия, Великобритания, Голландия, Дания, Италия, Китай, Франция и Швейцария. Компания SchahlLED Lighting давно работает на рынке и имеет связи со всеми мировыми гигантами. Именно поэтому IST Lighting возлагает большие надежды на сотрудничество с ней. Второй контракт был заключен с румынской компанией Avolux, которая будет заниматься продажами продуктов IST Lighting и обеспечивать поддержку клиентов в Румынии. В Гонконге будет представлять Mix Technology, крупная компания, работающая в области освещения и энергосбережения. Одновременно IST Lighting выпускает новые продукты. Среди них можно отметить систему регулировки света MultiDIM, которая содержит не только стандартные затемнители, но и позволяет выбирать один из четырех уровней тока для каждого светодиода в отдельности. Кроме того, пополняются семейства экономичных светодиодных источников света. www.russianelectronics.ru

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

www. elcp.ru

Белый свет в «зелёном» мире Дэвид Кэри (David Carey), технический специалист, Portelligent Сегодня, когда об энергосбережении не говорит только ленивый, светодиодные источники света выглядят весьма привлекательной альтернативой традиционным лампам накаливания. И, действительно, если светоотдача ламп накаливания составляет примерно 10...15 лм/ Вт, то у серийно выпускаемых белых светодиодов уже сейчас этот показатель достигает 100 лм/Вт. В ближайшем будущем производители обещают увеличить его до 150 и даже 200 лм/Вт, а теоретически предел светоотдачи составляет 300 лм/Вт. Недостаток светодиодных источников света — довольно сложная система управления для получения приемлемого качества освещения. И все же считается, что в ближайшее время светодиоды вытеснят лампы накаливания. В настоящей статье, представляющей собой перевод [1], представлена точка зрения, заметно отличающаяся от общепринятой. Именно поэтому мы и публикуем ее. изводят больше света на ватт энергии, при этом нагреваясь слабее. КФЛ уже давно применяются в офисах, жилых домах и на производстве, однако вплоть до 1980-х гг. они были весьма габаритными, поэтому не могли потеснить лампы накаливания. В 1980-х гг. появились маленькие флюоресцентные лампы, которые имели такой же цоколь, как и вольфрамовые, и поэтому могли использоваться вместо них. КФЛ состоит из двух элементов: фосфорной трубки и электронной

пусковой схемы. На рисунке 1 показано устройство энергосберегающей лампы фирмы MaxLite. Данная модель потребляет всего 20 Вт, а по светимости эквивалентна лампе накаливания мощностью 75 Вт. Как и все другие флюоресцентные лампы, КФЛ MaxLite изготавливаются в виде стеклянной трубки, заполненной ионизированным газом. Газ испускает ультрафиолетовые лучи, которые в присутствии фосфора преобразуются в видимый свет. В старых лампах дневного света трубка была прямой, поэтому

Рис. 1. Устройство энергосберегающих и светодиодных ламп

электронные компоненты №3 2009

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

Вопрос энергосбережения с каждым годом становится острее. Несмотря на то, что много внимания уделяется поиску альтернативных источников энергии, не стоит забывать и об экономии, ведь важно не больше получать, а меньше тратить. Необходимо научиться эффективно сохранять накопленную энергию и экономно её тратить. Какие же средства помогают снизить потребление? В автомобильной отрасли, одной из самых ёмких по расходу энергии, усилия разработчиков сосредоточены на развитии гибридных двигателей, имеющих гораздо более высокий КПД. Вторая по потреблению область — это освещение. Согласно статистике, на долю бытового и промышленного освещения приходится 15—35% всей затрачиваемой энергии. Удивительно, что лампы накаливания не выходят из применения уже больше полутора столетий, хотя их КПД не дотягивает и до 5%. Причина такого парадокса скрывается в отсутствии достойных альтернатив. И все же вольфрамовые лампочки скоро выйдут из употребления, поскольку относительно недавно появились новые типы источников света. Имеются в виду компактные флюоресцентные (Compact Fluorescent Lamp, CFL) и светодиодные лампы. КФЛ, или энергосберегающие лампы, как их ещё называют, уже появились на рынке и завоевали прочные позиции. Светодиоды пока не получили широкого распространения, однако это вопрос времени. Они хорошо зарекомендовали себя в качестве источников яркого локального освещения, и это их основная область применения в настоящее время. Флюоресцентные лампы гораздо эффективнее вольфрамовых: они про-

они были большими. В КФЛ диаметр трубы значительно меньше, и она изогнута в виде спирали или гармошки. За счёт этого её длина не меняется, зато сама лампа становится маленькой. При такой конструкции балласт (пусковое устройство) также должен иметь малый размер и помещаться в стандартный цоколь. Для этого производители обычно применяют упрощённый источник питания, показанный на рисунке 1. Входной каскад, в котором происходит выпрямление напряжения электросети, состоит из пары транзисторов, четырёх диодов, нескольких конденсаторов и индуктивностей. По отношению к остальной части схемы он образует резонансный инвертор, который генерирует мощные высокочастотные импульсы для зажигания лампы. Как видно, схема проста и недорога в изготовлении. Несмотря на более высокую цену, конечная стоимость энергосберегающих ламп сопоставима со стоимостью вольфрамовых. Дело в том, что лампы накаливания имеют низкую эффективность и малый срок службы, а КФЛ — наоборот, светят лучше и работают дольше. Таким образом, они оказываются не только экологически чистыми, но и более дешёвыми. Единственный недостаток КФЛ — старение фосфорного напыления и износ пускового устройства, который вызван постоянным нагревом схемы от вентиляционного отверстия, расположенного в основании цоколя. Тем не менее энергосберегающие лампы не снижают качества работы в течение многих месяцев и даже лет. Теперь обратимся к светодиодной технике. Перемены в этой области про-

С в е тот е х н и к а и о п тоэл е к т ро н и к а

www. elcp.ru

изошли совсем недавно. Если раньше светодиоды светились только одним цветом, а именно красным, оранжевым, жёлтым, зелёным или голубым, то сейчас они излучают все цвета сразу, образуя белый. На самом деле белые светодиоды — это голубые светодиоды с фосфорным напылением. Под действием лучей голубого цвета с фосфора начинается эмиссия электронов. Белые светодиоды применяются для локального освещения и являются главным элементом в лампах подсветки. Однако учитывая подъём в этой области, следует ожидать появления больших светодиодных ламп основного освещения. Впервые голубые светодиоды на основе карбида кремния были произведены компанией Cree, которая и до сих пор является лидером на рынке. В прошлом году она приобрела компанию LED Lighting Fixtures, чтобы контролировать большую часть стоимости ярких светодиодов. В результате сделки появился совместный продукт LR6, локальный светильник, который стоит 100 долл. без учёта налогов. Компактные флюоресцентные лампы стоят на порядок ниже, около 5 долл., следовательно, светодиодные лампы будут иметь весьма ограниченную область применения. Лампы LR6 по светимости эквивалентны лампам накаливания мощностью 65 Вт, зато их потребление гораздо ниже, всего 12 Вт. Таким образом, они оказываются на 80% более экономичными, чем вольфрамовые, и почти на 50% выгоднее КФЛ. Лампы LR6 имеют такой же цоколь, как и вольфрамовые, что позволяет вкручивать их взамен ламп накаливания. Однако внешне они сильно отлича-

ются: корпус практически полностью изготовлен из литого алюминия и имеет ребристую конструкцию. Из-за этого они очень дорогие, что сводит на нет все преимущества по экономичности. Рассмотрим структуру светодиодной лампы (см. рис. 1). В цоколе располагаются две печатные платы. Одна — AC/DC-преобразователь с входным напряжением 120 В, а на второй расположены 12 белых светодиодов. На рисунке видно, что в промежутках между белыми светодиодами расположены красные. Они добавлены для того, чтобы свет был более «тёплым». Их яркость регулируется с помощью фотодиода, размещённого слева на зелёной площадке. Подводя итоги, необходимо заметить, что переход на экономичные лампы — не самоцель. КФЛ имеют ограниченный срок службы, а светодиоды пока слишком дорогие, чтобы выйти на массовое применение. Эффективность, измеренная в люмен/ватт, обеих рассмотренных альтернатив, конечно, значительно выше, чем у вольфрамовой лампы. Кроме того, изготовление КФЛ или светодиодов безвредно для природы. Однако их недостатки пока перевешивают и не позволяют вытеснить лампы накаливания. Поэтому лично я до сих пор пользуюсь традиционной лампой накаливания, когда читаю или разгадываю кроссворд. Пока приходится признавать, что получение приятного глазу света — невыполнимая мечта. Литература 1. David Carey CFL and LED lamps: White light in a 'green' world// www.eetimes.com/showArticle. jhtml?articleID=210604761&pgno=1

ИЗМЕРЕНИЕ СЛАБОТОЧНЫХ СИГНАЛОВ Геннадий Денисов, ведущий специалист, ООО «ЛАД» В статье рассмотрены вопросы измерения сигналов малой величины. В этом случае на результаты измерения могут существенно повлиять не только электромагнитные помехи, но и собственные шумы компонентов электронной схемы. Последние далеко не всегда принимаются в расчет при проектировании и иной раз уже на стадии испытания готового изделия ошибочно причисляются к электромагнитным помехам, отчего методы борьбы с ними оказываются неэффективны. Введение

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

По ряду причин, например для уменьшения потребляемой мощности при питании от аккумуляторных батарей, во многих изделиях снижается напряжение питания. Соответственно уменьшается максимальная величина полезного сигнала и входная шкала АЦП, что, в свою очередь, приводит к уменьшению величины дискреты АЦП. Если при питании ±15 В входная шкала АЦП может составлять ±10 В, и величина дискреты 12-разрядного АЦП составляет 5 мВ, то при однополярном питании 2,5 В (что характерно для устройств, питающихся от аккумуляторных батарей) и входной шкале 12-разрядного АЦП — 2 В, цена дискреты уменьшится до 0,5 мВ. Однако при уменьшении напряжения питания шумы и помехи практически не уменьшаются. Любой компонент электрической схемы является генератором шума. Изменение тока или напряжения цепи порождает электромагнитные помехи. Таким образом, уменьшение напряжения питания влечет за собой уменьшение полезного сигнала, но собственные шумы схемы не снижаются, а электромагнитные помехи, как правило, уменьшаются не столь сильно, как напряжение питания. Следовательно, при проектировании схемы необходимо учитывать шумы и помехи, которым раньше можно было пренебречь. Шумы

Самый простой элемент электрической цепи — резистор является генератором теплового белого шума со спектральной плотностью: en =

, нВ/

(1)

где k = 1,374·10 –23 Дж/К — постоянная Больцмана; T — температура, выраженная в градусах Кельвина; R — величина сопротивления резистора. Запомнив, что резистор величиной 1 МОм при комнатной температуре 25°С или 298 К генерирует шум со

www. elcp.ru

спектральной плотностью 127 нВ/ и используя формулу (1), можно вычислить шум резистора с иным номиналом при другом значении температуры. Например, спектральная плотность шума, генерируемая резистором 10 кОм, составляет 12,7 нВ/ . Протекающий в цепи ток, в силу своей квантовой природы, порождает т.н. дробовой шум, спектральная плотность которого выражается формулой (2): in =

(2)

где q = 1,6·10 –19 Кл — заряд электрона; I — ток, протекающий в цепи. Полупроводниковый переход, смещенный в обратном направлении, генерирует шум Шоттки. Отметим также 1/f-шум, или, как его иногда называют, розовый шум. Он преобладает на низких частотах, и его природа до конца не ясна. Более подробные сведения о шумах можно получить, например, в [1]. Зная спектральную плотность шума, легко вычислить его среднеквадратичную величину Е в заданной полосе частот. En = en

(3)

где ∆f — полоса частот со спектральной плотностью en. При последовательном включении источников шума результирующий шум определится из (4): Еn =

(4)

где σ — коэффициент корреляции между шумами; обычно в электронных схемах σ = 0. Учитывая сказанное, понятно, что любой электронный компонент — операционный усилитель (ОУ), компаратор, АЦП и т.д. имеет собственные шумы по напряжению и по току. Обычно эти параметры приводятся производителем в технической документации.

Схематично типичная кривая спектральной плотности шума ОУ приведена на рисунке 1. Частота FC называется частотой перегиба: в спектральной плотности шума правее этой точки превалирует белый шум, величина которого не зависит от частоты. Левее частоты перегиба преобладает шум 1/f. Его спектральная плотность выражается формулой (5): en = K

(5)

где К — коэффициент пропорциональности; f — текущее значение частоты. Минимальное значение частоты f обычно задается производителем на графике спектральной плотности шумов, приводимом в документации, или в таблицах технических данных. Для получения величины шума в полосе частот (f2; f1), заметим, что f2 > f1. Проинтегрируем (5) и получим: En = en

(6)

Помимо спектральной плотности и среднеквадратичного значения, шум характеризуется максимальным значением выбросов от пика до пика Еp-p; этот выброс можно наблюдать на экране осциллографа в виде непериодических всплесков. Еp-p практически невозможно вычислить, и производители приводят экспериментальные значения, полученные в течение определенного времени наблюдения. Если это величина не задана, то с вероятностью 99,7% она не превысит значения 6,6Еn.

Рис. 1. Кривая спектральной плотности шума ОУ

ется с (7) по формуле (4) с учетом σ = 0. Окончательно получаем: (8)

Рис. 2. Пример вычисления шума

Из (3) следует, что для уменьшения среднеквадратичного значения шума необходимо ограничить полосу пропускания, для чего применяют фильтры. Если используется только переменная составляющая сигнала, крайне желательно применить фильтр высоких частот для уменьшения составляющей шума 1/f. Однако следует помнить, что полоса пропускания шума в 1,57 раза превышает полосу пропускания фильтром полезного сигнала. В зависимости от технологического процесса изготовления, ОУ имеют различные шумовые характеристики. В таблице 1 приведены их характерные значения [2] для ОУ компании ADI. Выбор ОУ для измерения малых сигналов — задача отнюдь не тривиальная. Рассмотрим вычисление шума в схеме, приведенной на рисунке 2. Для наглядности рядом с каждым компонентом схемы нарисован эквивалентный генератор шума: Vn; In–; In+ — шумовые параметры ОУ, при-

веденные изготовителем; VnR — шум резистора, вычисленный из (1). Обычно In– = In+. Шумы суммируются в соответствии с (4) исходя из того, что корреляция между ними отсутствует: σ = 0. Окончательно получаем величину шума, приведенного ко входу Еin [2]. Коэффициент усиления шума Кш = 1 + R2/ R1.

(7) , где BW — полоса пропускания ОУ с замкнутой обратной связью. Для получения шума на выходе ОУ выражение (7) следует умножить на Кш = 1 + R2/ R1 . Вычислениями (7) определение шума не заканчивается, т.к. в нем учтен только белый шум и не учтен шум 1/f. Его получают, используя выражения (5) и (6), а затем полученный результат суммиру-

При расчете шумов не следует ограничиваться рассмотрением только белого шума. Очень важен шум 1/f, особенно если необходимо измерять сигнал на низких частотах. В этом случае вполне может случиться, что ОУ, имеющий лучшие показатели на частоте от 0,01 Гц и выше, окажется непригоден для работы при более низких частотах. В таблице 2 приведены выбросы шумов от пика до пика для биполярного ОУ AD707 и ОУ с автоматической подстройкой нуля (чоппер) AD8551 [2]. Как видно из приведенного примера, выбор не всегда прост. Экранирование электромагнитных помех

Во многих случаях датчики расположены на довольно значительном расстоянии от основного оборудования, а расстояние по кабелю еще более, и часто значительно, увеличивает эту дистанцию. Поэтому для защиты от помех измерительные цепи датчика соединяют с оборудованием экранированным кабелем. Однако не все так просто, как может показаться на первый взгляд. На рисунке 3 [3] показана обычная схема использования экранированного кабеля. Видно, что земля образует замкнутый контур, протекая по которому, ток, попадающий на экран через паразитную емкость или наведенный внешними помехами, создает падение напряжения VCM. Последнее

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 3. Соединение датчика и приемника экранированным кабелем, заземленным с обеих сторон (а), и эквивалентная схема источника сигнала (б) Таблица 2. Шумовые параметры ОУ при различных частотах

Таблица 1. Параметры шума ОУ компании ADI Наименование en, нВ/

in, пА/

FC, Гц

Входной каскад

Частотный диапазон, Гц 0,1...10 0,01...1 0,001...0,01 0,0001...0,001

AD8599 AD8655

1 2,7

1,5 0,007

9 2000

Биполярный КМОП

AD8610

0,005

1000

Полевые транзисторы с p-n-переходом

www. elcp.ru

Величина шума пик–пик, мкВ AD707 AD8551/2/4 0,238 1,04 0,135 0,33 0,12 0,104 0,118 0,033

Рис. 4. Соединение датчика и приемника экранированным кабелем, заземленным с одной стороны (а), и эквивалентная схема источника сигнала (б)

не суммируется с источником сигнала, но добавляется в синфазную составляющую сигнала, что также вызывает дополнительную погрешность. Если источник сигнала плавающий (выход не привязан к общему выводу питания, или датчик не запитывается, например, термопара), и его нельзя заземлять, то в качестве приемника лучше использовать инструментальный усилитель, привязав оба его входа к земле резисторами с сопротивлением более 1 МОм. В этом случае желательно использовать ОУ с минимальными входными токами. Необходимо использовать прецизионные резисторы с допуском менее 1%, т.к. они вкупе с выходным сопротивлением источника сигнала образуют дели-

тель напряжения, и большой разброс приведет к увеличению ошибки измерения. Если же источник сигнала привязан к земле, то соединять входы усилителя с ней не следует. В случае когда есть выбор, наилучшее решение — привязка к земле источника сигнала, т.к. использование высокоомных резисторов ведет к возрастанию шумов (1). При дифференциальном источнике сигнала измерительный тракт должен быть сбалансирован: выходы источника сигнала, сигнальные линии и входы усилителя должны быть попарно симметричными — обладать одинаковым импедансом относительно земли. Ответ на вопрос, каким образом заземлять кабель, не всегда очевиден, т.к. зави-

электронные компоненты №3 2009

35 А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

суммируется с измеряемым сигналом и создает дополнительную погрешность (см. рис. 3б). На рисунке 4 показано решение этой проблемы — экран кабеля заземлен только с одной стороны, поэтому не образуется земляная петля с током, а разница потенциалов земли не суммируется с источником сигнала. К сожалению, в распределенных системах, особенно в промышленной автоматике, земля не эквипотенциальна — часто по правилам техники безопасности электрооборудование требуется заземлять, из-за чего по земле иной раз протекают значительные токи, которые и создают разницу потенциалов VCM между различными точками земли. При соединении кабеля в соответствии с рисунком 4 величина VCM

чрезмерной и приведет к насыщению усилителя, а, следовательно, к потере сигнала. В этом случае приходится использовать пассивные RC-цепочки (см. рис. 6). Полоса пропускания синфазного BWCM и дифференциального BWDM сигналов приведена в выражениях (9) и (10). Рис. 5. Экранированная витая пара, заземленная в двух точках

BWCM = 1/2π(R1||R2)(C1||C2)

(9)

BWDM = 1/2π(R1 + R2)(2C3 + C2||C1) (10) Необходимо отметить, что полосу пропускания фильтров следует выбирать много больше, нежели полосу пропускания полезного сигнала. В противном случае разброс элементов, особенно емкостей, приведет к сдвигу фазы на сигнальных линиях и погрешность измерения возрастет.

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 6. Фильтрация синфазных и дифференциальных помех

сит от электромагнитной обстановки. Например, результаты испытаний многих систем сбора данных показали эффективность схемы на рисунке 5. Ослабление помех в этом случае было примерно на 40 дБ больше, нежели при заземлении витой пары только в одной точке — около

www. elcp.ru

усилителя или около источника. Поэтому, если нет уверенности, какой из вариантов более подходит, следует экспериментальным путем выбрать наилучший. В [3] очень подробно рассмотрен этот вопрос. И все же, несмотря на экранирование, величина помех может оказаться

ЛИТЕРАТУРА 1. Буккингем М. Шумы в электронных приборах и системах — М.: Мир, 1986 с. 398. 2. Moghimi R. Understand noise optimization in sensor signal-conditioning circuits//www. planetanalog.com/showArticle.jhtml?articleID=21 1200322&cid=NL_planet. 3. Freeman J. Techniques to enhance op amp signal integrity in low-level sensor applications// www.planetanalog.com/showArticle.jhtml?article ID=212202250&cid=NL_planet.

Вопросы применения прецизионных компараторов Вальтер Бачаровский (Walter Bacharowski), инженер по применению, National Semiconductor Corporation Компараторы достаточно часто используются в широком ряде приложений. Во многих случаях точность сравнения уровня напряжения не является критичной и может варьироваться в пределах нескольких сотен милливольт, например, в схеме формирования прямоугольных импульсов. Однако существует множество приложений с очень строгими требованиями к сравнению напряжений. В статье обсуждается несколько проблем, связанных с применением обычных компараторов для прецизионного детектирования уровня напряжений, и рассматривается новый прецизионный компаратор. Статья представляет собой сокращенный перевод [1] точке переключения и генерирует два разных пороговых значения — одно для положительного, другое — для отрицательного входного сигнала. На рисунке 2 одно из этих значений обозначено как НПНС (Lower State Transition Voltage — напряжение переключения в нижнее состояние), другое — НПВС (Upper State Transition Voltage — напряжение переключения в верхнее состояние). Цепь гистерезиса позволяет исключить шум, амлитуда которого меньше ширины петли гистерезиса, и предовратить множественные переключения из одного состояния в другое. Обсуждение вопроса использования компараторов с цепью гистерезиса требует определить термин «напряжение переключения состояния». Это фактическая величина напряжения сигнала, которая влияет на переключение выходного состояния компаратора и имеет два различных значения, зави-

сящих от выходного напряжения этого устройства. V TH является пороговым напряжением, используемым для сравнения. – STV (State Transition Voltage) — напряжение переключения состояний (НПС), при котором выходной сигнал меняет одно из своих двух значений. – USTV — напряжение переключения в верхнее состояние (НПВС), которое больше порогового напряжения V TH. – LSTV — напряжение переключения в нижнее состояние (НПНС), которое меньше порогового напряжения V TH . Несмотря на то, что цепь гистерезиса устраняет выходные пульсации при переключении, действительное значение НПС становится менее точным. В отсутствие гистерезиса значения V TH, НПВС и НПНС те же самые. С использованием цепи гистерезиса на НПВС и НПНС оказывают влия-

37 а)

б)

в)

г)

Рис. 1. Передаточная функция неинвертирующего и инвертирующего компараторов

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Передаточная функция неинвертирующего и инвертирующего компараторов с цепью гистерезиса

электронные компоненты №3 2009

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Базовая схема компаратора

Компаратор представляет собой усилитель с большим коэффициентом усиления, который используется для усиления малого дифференциального сигнала на входе и управления выходным сигналом в однм из двух состояний. На рисунке 1 показана базовая схема компаратора в неинвертирующей и инвертирующей конфигурациях. Входной сигнал сравнивается с пороговым напряжением V TH, а выходной меняет свое состояние в зависимости от того, меньше или больше входное напряжение значения V TH. На рисунках 1б и 1г показана передаточная функция цепи компаратора. У неинвертирующего компаратора выходной сигнал принимает положительные значения, если входной сигнал больше, чем V TH. У инвертирующего компаратора выходной сигнал принимает отрицательные значения, если входной сигнал больше, чем V TH. Коэффициент усиления компаратора определяет дифференциальное входное напряжение, управляющее высоким или низким состоянием выходного сигнала. Например, если коэффициент усиления компаратора составляет 80 дБ (т.е. 10000), а напряжение питания — 5 В, для управления состоянием выходного сигнала требуется, чтобы входное дифференциальное напряжение было равным 0,5 мВ. Когда входной сигнал и пороговое напряжения близки, то из-за шумов и помех на этих сигналах выход компаратора постоянно переключается — дребезжит. Во избежание дребезга посредством положительной ОС — резисторы Rf и Ri на рисунке 2 — вводят гистерезис переключения (см. рис. 2б и 2г). Положительная обратная связь усиливает разность между сигналом напряжения и опорным напряжением V TH в

ние значение точности резисторов обратной связи, выходные напряжения насыщения, величина V TH и импеданс любого источника, связанного с источником сигнала или источником порогового напряжения. Напряжение на входе +IN неинвертирующего компаратора с цепью гистерезиса (см. рис. 2а) определяется в соответствии со следующим уравнением: +IN = VSRf /(Ri + Rf ) + V0R i /(Ri + Rf )

входного значения +IN. Эти параметры указаны в большинстве технических описаний. НПС зависит от входного сигнала VS, где +IN = V TH. Уравнение 2 описывает неинвертирующее напряжение НПНС: +IN = VTH = VSR f/(Ri + Rf) + V0HR i /(Ri + Rf) (2) Уравнение 3 описывает неинвертирующее напряжение НПВС:

(1)

+IN = VTH = VSR f/(Ri + Rf) + V0LR i /(Ri + Rf) (3)

Уравнение 1 не учитывает эффекты входного напряжения смещения и входные токи смещения. Выходное напряжение VO принимает два значения: низкое (VOL) и высокое напряжения насыщения (VOH), в зависимости от

На рисунке 2в показан инвертирующий компаратор с использованием цепи гистерезиса, а напряжение на входе +IN определяется уравнением 4: +IN = V TH R f /(Ri + Rf ) + V0R i /(Ri + Rf ) (4)

Рис. 3. Неинвертирующие напряжения переключения состояний компаратора

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 4. Рентгеновский дозиметр с программируемой экспозицией

www. elcp.ru

В уравнении 4 также не принимаются в расчет эффекты входного напряжения смещения и входные токи смещения. Уравнение 5 описывает инвертирующее напряжение НПНС: +IN = VS = V TH R f /(Ri + Rf ) +

(5)

+ V0HR i /(Ri + Rf ) Уравнение 6 описывает неинвертирующее напряжение НПВС: +IN = VS = V TH R f /(Ri + Rf ) +

(6)

+ V0LR i /(Ri + Rf ) В случае с неинвертирующим компаратором уравнения 2 и 3 используются для расчета семейства кривых, демонстрирующих влияние этого вида цепи гистерезиса на действительные значения НПС и положение петли вблизи V TH. На рисунке 3 представлен график зависмости НПС от V TH, изменяющегося в диапазоне 0...5 В. На этом графике имеются две точки пересечения. Черным цветом отмечен график +IN = V TH, показывающий напряжения на входах компаратора и значения, при которых его выходной сигнал меняет состояние. Красная (НПВС) и голубая линии (НПНС) отображают зависимость напряжений переключения верхнего и нижнего состояний от входного сигнала Vs неинвертирующего компаратора. Эти графики построены в соответствии с уравнениями 2 и 3 при условии, что +IN = V TH, R f = 100 кОм, Ri = 20 кОм, VOL = 0 В и VOH = 5,0 В. Большое значение положительной обратной связи было выбрано для наглядного представления этих результатов. Во время работы данной схемы выходной сигнал компаратора переключается в верхнее состояние, если Vs больше НПВС, и в нижнее состояние, если Vs меньше НПНС. Главный вывод заключается в наблюдаемой асимметрии гистерезиса по мере изменения V TH, т.е. положение кривой гистерезиса несимметрично относительно V TH, кроме одной точки, и зависит от V TH. Итак, мы выявили несколько существенных источников погрешностей, которые влияют на функционирование базового типа компаратора с внешней цепью гистерезиса. Для некоторых применений компаратора точность НПС не является критичной, однако в широком ряду применений требуется обеспечить точное и легко управляемое напряжение переключения. Одним из таких типов применений являются «дозирующие» приложения.

Рис. 5. Независимое управление гистерезисом у LMP7300

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рассмотрим, например, рентгенометрическое приложение по управлению экспозицией рентгеновской плёнки. Точный контроль над экспозицией во время диагностики позволяет минимизировать воздействие рентгеновского излучения на пациентов. Схема этого приложения показана на рисунке 4. Она выполняет две функции: детектирования рентгеновского излучения с помощью ионизационной камеры и генерации тока интерфейсной ИС, пропорционального интенсивности излучения, и усилителя напряжения, управляемого током, в состав которого входит собственно усилитель А1 и резистор R f, преобразующий ток ионизационной камеры в напряжение полученной дозы в соответствии с формулой Dose = IIC·Rf В качестве А1 используется усилитель LMP7721, работающий с очень низким входным током смещения величиной 3 фА и с сигналами высокоимпедансного источника, которым в данном случае является ионизационная камера. Усилитель А2 является интегратором

www. elcp.ru

для измерения суммарной мощности дозы: t

Dose = 2/RCINT∫ Dose_Rate dt 0

Компаратор LMP7300 используется для подачи сигнала о получении требуемой дозы, который возникает в тот момент, когда выходной сигнал интегратора, поступающий на вход 1, сравнивается с пороговым напряжением на входе 2. В этом типе приложения требуемая доза зависит от многих факторов, например от плотности тела пациента. В схеме рисунка 4 имеется 12-битный ЦАП для установки порогового напряжения компаратора. LMP7300 выдает точное и стабильное 2,048-В опорное напряжение, которое усиливается до 4,096 В усилителем А3 и является источником опорного напряжения для ЦАП, обеспечивающего программируемое пороговое напряжение для компаратора LMP7300. Другой особенностью этого приложения является использование LM2787 и LM285-2.5 для генерации отрицательного напряжения питания величиной 0,25 В для усилителей А1 и А2. Это небольшое напряжение позволяет сместить амплитуду выходного

сигнала усилителя до нулевого значения и избежать насыщения вблизи 0 В (питание однополярное!) усилителей А1 и А2. В данном приложении компаратор должен обеспечить точное пороговое напряжение, которое программируется для оптимизации времени экспозиции пленки. Это напряжение не должно зависеть от ширины гистерезиса, величины собственного порогового напряжения компаратора и допусков на выходное напряжение насыщения компаратора и резисторы обратной связи. Прецизионный компаратор, например LMP7300, обеспечивает эти требования. Из рисунка 4 видно, что у LMP7300 функции компаратора и управление гистерезисом независимы. Кроме того, положительный и отрицательный гистерезисы, управляющие НПВС и НПНС, соответственно, имеют независимые входы управления. Значение такого подхода становится понятным из рисунка 5, где изображена передаточная функция компаратора для комбинации входных сигналов и управления гистерезисом. Этот компаратор эффективно отделяет пороговое напряжение V TH, применяющееся для сравнения, от НПНС и НПВС, что позволяет выполнить задачу обеспечения точного сравнения сигналов с использованием гистерезиса. Гистерезис LMP7300 управляется разностью напряжений между опорным напряжением VREF и напряжением, приложенным к выводам HYSTP и HYSTN. Схемы а и б рисунка 5 показывают два варианта гистерезисного соединения. Если гистерезисный вывод подключить непосредственно к VREF, эта часть петли удалится. Из рисунка 4 находим, что амплитуда гистерезиса равна примерно 20 мВ: 2,048(1кОм/(1кОм + 100кОм)) = 0,0203 В силу того, что амплитуда гистерезиса вычитается из V TH, необязательно, чтобы R5 и R6 были прецизионными резисторами. Ширина петли гистерезиса может быть сколь угодно большой, при этом значение V TH не изменится. Таким образом, на примере прецизионного компаратора LMP7300 мы увидели, как он позволяет преодолеть взаимодействие между пороговым напряжением и гистерезисом, что обычно происходит в компараторах с внешними резисторами обратной связи. Литература 1. Bacharowski W. Understanding precision comparator//www.planetanalog.com/features/ showArticle.jhtml;?articleID=206901992 .

Микросхемы Texas Instruments для нормализации и усиления сигналов датчиков Евгений Звонарев, инженер-консультант, «Компэл»

В настоящее время выпускается большое количество датчиков. Наиболее популярные из них — датчики давления и температуры. Большинство датчиков имеет нелинейные характеристики и очень малые уровни выходных сигналов, поэтому необходима нормализация (существенное повышение линейности передаточной характеристики чувствительного элемента) и усиление выходных сигналов датчиков. Кроме того, во многих случаях выходной сигнал приводится к стандарту для передачи через конкретный тип интерфейса, например, с аналоговым выходом «токовая петля» 4–20 мА или с выходом по напряжению, дальнейшей цифровой обработкой и передачей сигналов по цифровому каналу. Температура относится к наиболее часто контролируемому физическому параметру, который можно измерить с помощью разных типов датчиков. Самые распространенные из них — термопары, резистивные детекторы температуры RTD (Resistance Temperature Detector) и NTC-термисторы (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления). Термопара — датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разных металлических проводников. Если контакты (спаи) проводящих элементов, образующих термопару, находятся при разных температурах, то в термопаре возникает термоЭДС, величина которой однозначно определяется температурой «холодного» и «горячего» контактов, а также типами материалов, примененных в качестве термоэлектродов. Поддерживая известную температуру на опорном «холодном» спае, по результатам измерения термоЭДС можно определить температуру другого спая. Преимущества термопар — малые размеры, низкая цена и большой диапазон измеряемых температур. RTD, или резистивные детекторы температуры — терморезистивные датчики температуры, работающие при прохождении через них электрического тока. Чаще всего используются в мостовых схемах. Самые стабильные и линейные датчики такого типа изготавливаются из платины, поэтому платиновые RTD прочно заняли свое почетное место в качестве международного эталона. Платиновые датчики температуры имеют более высокую стоимость по сравнению с термопарами и термисторами. NTC-термисторы имеют самую высокую чувствительность к измеряемой температуре, однако линейность их передаточной характеристики часто далека от желаемой. Основные свойства и некоторые параметры температурных датчиков для удобства сравнения сведены в таблицу 1. Texas Instruments выпускает специализированные микросхемы для коррекции нелинейности характеристики и усиления сигналов датчиков. Основные параметры микросхем для этих целей, рекомендуемые производителем, показаны в таблице 2. Большинство

микросхем серии XTR1xx содержат встроенный усилитель сигнала резистивного датчика с аналоговым интерфейсом на выходе «токовая петля» 4–20 мА. Микросхемы обладают широким диапазоном напряжений питания и позволяют легко согласовать датчик RTD с линией передачи и устройством регистрации или индикации. Интерфейс «токовая петля» особенно удобен при работе на стрелочный измерительный прибор, т.к. выходной сигнал рассматриваемых микросхем серии XTR1xx представляет собой ток, пропорциональный измеряемой физической величине. При этом отпадает необходимость в цифровой обработке сигнала (не нужны дополнительные АЦП, ЦАП). Кроме того, аналоговый интерфейс с токовым выходом обладает повышенной помехоустойчивостью по сравнению с линией передачи аналоговых уровней напряжения. Наиболее распространенный интерфейс «токовая петля» с диапазоном выходного тока 4...20 мА позволяет использовать начальный диапазон тока ниже 4 мА для питания внутренней схемы и самого датчика. Дополнительное преимущество «токовой петли» — использование всего двух проводников для организации линии связи с системой сбора данных и отсутствие аппаратных и программных средств, необходимых для реализации цифрового протокола. Несмотря на очень широкое использование цифровых сетей, аналоговые каналы передачи информации до сих пор не утратили своей актуальности. В системах промышленной автоматики аналоговые каналы передачи данных используют многие исполнительные устройства (насосы, клапаны) и регистрирующие устройства, например самописцы. Замена этого оборудования требует огромных средств. Полный быстрый перевод такого оборудования на цифровое управление практически невозможен, т.к. потребуется полная остановка всего

Табл. 1. Сравнение параметров датчиков температуры Критерии

Термопара низкая –267…2300 хорошая приемлемая средняя приемлемая низкая

RTD* высокая –240…650 отличная хорошая высокая отличная средняя

Термистор низкая –73…260

Стоимость Диапазон температур, °С Взаимозаменяемость плохая Долговременная стабильность Точность измерения средняя Повторяемость характеристик приемлемая Чувствительность (выходная) высокая Реакция на изменение темсредняя – средняя – быстрая средняя пературы быстрая Линейность характеристики приемлемая хорошая плохая Самонагрев нет очень низкий высокий Чувствительность в конечной отличная приемлемая хорошая точке Размер корпуса малый – большой средний – малый малый – средний * RTD (Resistance Temperature Detector) — резисторный детектор температуры.

электронные компоненты №3 2009

технологического процесса, что в большинстве случаев недопустимо. Часто в этом и нет острой необходимости, поэтому аналоговая передача данных еще долго будет мирно сосуществовать вместе с цифровыми интерфейсами. Двух-, трех- и четырехпроводные схемы включения датчиков

Во многих случаях невозможно разместить схему усиления и коррекции нелинейности датчика в непосредственной близости от самого чувствительного элемента. Это может быть связано с необходимостью размещения датчика в агрессивной среде или при очень высоких температурах (см. табл. 1 с диапазонами измерения температуры). Кроме того, сами соединительные проводники могут вносить недопустимую погрешность измерения физического параметра, что особенно заметно при низкоомном источнике сигнала. Более длинные проводники гораздо чувствительнее к наводкам (нередко поблизости находится частотный инвертор, который может создавать проблемы, связанные с электромагнитной совместимостью). Для снижения отрицательного влияния соединительных проводников, как это ни странно, необходимо увеличивать количество соединительных линий. Наиболее распространенные варианты включения — схемы из двух, трех или четырех соединительных проводников между датчиком и измерительной схемой. Типовые схемы таких вариантов включения показаны на рисунке 1 (в качестве примера взята микросхема XTR108). При двухпроводной схеме подключения резистивного датчика может появиться недопустимая ошибка измерения, поэтому такая схема применяется только при очень короткой длине соединительных проводников. Кроме того, в этой схеме часто невозможно обойтись без RC-фильтра для подавления помех. Резистор RZ необходим для более точного обеспечения равенства протекающих токов через RTD и RZ.

Трехпроводная схема подключения резистивного датчика позволяет существенно уменьшить ошибку измерения благодаря выбору встроенным мультиплексором оптимального значения резистора из пяти возможных (RZ1, RZ2, RZ3, RZ4 или RZ5). Выбор определенного резистора для конкретной температуры позволяет минимизировать ошибку измерения и обеспечить высокую точность в широком диапазоне рабочих температур. Однако для достижения высокой точности трехпроводная схема требует практически идеального равенства сопротивлений проводников. Добиться еще более высокой точности и стабильности измерений позволяет четырехпроводная схема включения резистивного датчика (см. нижнюю схему на рис. 1). На входе микросхемы XTR108 добавлен прецизионный операционный усилитель OPA277 (можно, конечно, использовать и другие современные ОУ с еще более высокими параметрами напряжения смещения, дрейфа и коэффициента ослабления синфазного сигнала). ОУ также компенсирует разницу суммарных сопротивлений в каждой линии. Четырехпроводная схема практически полностью исключает влияние соединительных проводников на точность измерения. Усиление и нормализация сигналов мостовых датчиков

Некоторые современные мостовые датчики состоят из чувствительного элемента и интегрированной схемы усиления и обработки сигнала, но такие функционально законченные датчики измеряют физические величины в относительно узких пределах и обычно в неагрессивных средах. Эти ограничения вынуждают размещать электронную схему обработки отдельно от чувствительного элемента. Мостовой датчик характеризуется чувствительностью, диапазоном выходного сигнала, нелинейностью, температурным дрейфом, начальным смещением выходного сигнала и другими параметрами, влияющими

Табл. 2. Параметры микросхем Texas Instruments для нормализации и усиления сигналов датчиков Описание

Uпит., В

Входной диа пазон

Выходной диапа Корпус(а) зон, мА

Двухпроводные передатчики 4…20 мА Нормализатор и усилитель сигнала RTD* (100 Ом) с линеаризацией 2×800 мкА 7,5…36 5…1000 мВ Усилитель сигнала мостового датчика с линеаризацией 5 или 2,5 В Усилитель сигнала RTD (10 Ом…10 кОм), 6-канальный мультиплекXTR108 2×500 мкА 7,5…24 5…320 мВ сор, линеаризация, внешняя EEPROM для калибровки XTR112 Усилитель сигнала RTD (1 кОм) с линеаризацией 2×250 мкА 4…20 5…1000 мВ XTR114 Усилитель сигнала RTD (10 кОм) с линеаризацией 2×100 мкА 7,5…36 XTR115 Vопор. = 2,5 В XTR116 Преобразователь тока датчика в стандартные уровни токовой петли Vопор. = 4,096 В 40…250 мкА 4…20 мА (коэффициент усиления задается внешним резистором) Vопор. = 5 В (от встроенноXTR117 7,5…40 го cтабилизатора ) Усилители и нормализаторы сигналов мостовых датчиков Усилитель сигнала мостового датчика с линеаризацией; выходной (0,05…4,9) В при PGA309 2,5 В; 4,096 В или Uпит. 1…245 мВ/В сигнал — напряжение; 1-/2-проводный интерфейс Vпит. = 5 В 2,7…5,5 Усилитель сигнала мостового датчика с однополярным питанием, (0,1…Vпит. –0,1 В) PGA308 Vопор. или Vпит. 0,2…4,1 В программируемым усилением и Auto-Zero при Iвых = 4 мА Драйверы-преобразователи напряжение/ток и ток/напряжение Преобразователь напряжение/ток с выбором входных и выходных XTR110 Vопор. = 10 В 13,5…40 0…5 В; 0…10 В диапазонов 0…20 мА; 4…20 мА; 5…20 мА Преобразователь напряжение/ток с выбором входных и выходных Vопор. oт встроенного стаXTR111 8…40 0…12 В диапазонов; встроенный стабилизатор напряжения билизатора (3…15 В) Драйвер-преобразователь ток/напряжение (возможность выбора XTR300 — ±5…±22 V(-)+3 В…V(+)-3 В ±17 В; ±24 мА типа выхода — ток или напряжение) Приемник токовой петли 4…20 мА RCV420 Вход 4…20 мА; выход 0…5 В Vопор. = 10 В –5/11,5…±18 4…20 мА 0…5 В XTR105 XTR106

Тип активации датчика

*RTD (Resistance Temperature Detector) — резистивный детектор температуры.

WWW.ELCP.RU

DIP14; SO14 SSOP24 SO14 SO8 MSOP8; DFN8 TSSOP16 MSOP10; DFN10 DIP16; SO16 MSOP10; DFN10 QFN20 (5×5 мм) DIP16

Рис. 1. Варианты двух-, трех- и четырехпроводного включения датчиков

на точность измерения. Наиболее популярны мостовые датчики на основе полупроводниковых резисторов. Для многих приложений, где необходима высокая точность измерения, необходима обязательная коррекция характеристики мостового сенсора. Типовые передаточные характеристики мостового чувствительного элемента представлены на рисунке 2. В верхней части этого рисунка показаны нескорректированная характеристика датчика и скорректированная кривая с помощью микросхемы XTR106. Коррекция нелинейности позволила уменьшить неравномерность коэффициента передачи датчика до 20 раз (см. зеленую кривую в верхней части рис. 2). Датчик может иметь положительную или отрицательную нелинейность. Средняя и нижняя части рисунка 2 иллюстрируют

Рис. 2. Типовые скорректированные и нескорректированные характеристики мостовых датчиков

положительную и отрицательную нелинейность мостового датчика при нормированных воздействиях на чувствительный элемент. Кроме коррекции нелинейности для достижения высокой точности измерений в широком диапазоне температур необходимо вводить температурную компенсацию мостового чувствительного элемента. Температурный дрейф нуля и выходного диапазона мостовых датчиков с полупроводниковыми резисторами настолько значителен, что обязательно приходится вводить дополнительные резисторы. На рисунке 3 для этой цели служат резисторы R1 и R2. В документации производителя для микросхем серии XTR1xx приведен подробный расчет для выбора номиналов электронных

электронные компоненты №3 2009

Рис. 3. Термокомпенсация мостового чувствительного элемента с помощью микросхемы XTR106 и дополнительных резисторов R1 и R2

Рис. 4. Схема подключения низкоомного мостового чувствительного элемента к микросхеме XTR106

компонентов для достижения необходимой точности измерения. В некоторых случаях приходится останавливать выбор на низкоомных мостовых датчиках, имеющих лучшие параметры по стабильности характеристик и точности измерения.

Напряжение и ток активации задаются встроенными генераторами тока или стабилизаторами напряжения микросхем серии XTR1xx. Например, для микросхемы XTR106 при формируемом опорном напряжении 5 В целесообразно задать ток через мостовой датчик не более 1 мА. На рисунке 4 приведена схема включения для мостового датчика с сопротивлением 350 Ом и током активации через него 700 мкА от источника напряжения 5 В. В этом случае приходится последовательно с датчиком включать внешние токоограничивающие резисторы 3.4 кОм. По этой причине выходной сигнал с мостового чувствительного элемента резко уменьшается, из-за чего приходится устанавливать дополнительные ОУ, например OPA2277, с коэффициентом усиления каждого усилителя около 50. Схема подключения мостового низкоомного датчика приведена на рисунке 4. Часто возникает необходимость в гальванической развязке между выходным сигналом датчика и входом схемы обработки сигнала приемной стороны после преобразования уровней тока токовой петли. Пример такой наиболее простой реализации схемы для передачи сигнала по аналоговой линии с изоляцией между входом и выходом показан на рисунке 5. В качестве усилителя и нормализатора сигнала от резистивного детектора температуры применены микросхемы XTR112 или XTR114. На приемной стороне установлен стандартный приемник «токовой

Рис. 5. Организация аналоговой линии передачи с гальванической развязкой с помощью изолирующего усилителя

WWW.ELCP.RU

Рис. 6. Вольт-температурные характеристики наиболее популярных термопар

петли» 4–20 мА RCV420, преобразующий входной ток 4...20 мА в напряжение 0...5 В. Изолирующий усилитель ISO124 обеспечивает гальваническую развязку аналогового сигнала. Выходной каскад ISO124 необходимо подключать к дополнительному двуполярному источнику питания, который должен быть гальванически развязан с источником питания датчика, схемы усиления/нормализации и токовой петли. Усиление и нормализация сигналов термопар

Термопара (термоэлектрический преобразователь) — один из самых распространенных датчиков температуры. Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматических системах управления и контроля благодаря своей простоте, низкой цене и возможности работы в широком диапазоне температур при высокой надежности. Термопара состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов с разными термоэлектрическими свойствами. Спаянное соединение проводников для подключения измерительной схемы называют рабочим спаем. Именно он размещается в измеряемой среде. Свободные концы проводников (холодный спай) подключаются ко входу измерительной схемы. Если температуры холодного и рабочего спаев отличаются, то термопара вырабатывает термоЭДС, пропорциональную разности температур спаев. ТермоЭДС зависит только от материалов термоэлектродов и раз-

ности температур между спаями. Для получения корректных измерений необходимо учитывать температуру холодного спая. Датчиком его температуры обычно служит полупроводниковый диод, который располагается в непосредственной близости от клеммной колодки для коммутации выводов термопары и соединительных проводников с измерительной схемой. Основные параметры и материалы (или сплавы) термоэлектродов наиболее распространенных термопар приведены в таблице 3. В таблице 3 представлены обозначения термопар по американскому стандарту ANSI (American National Standards Institute) и по ГОСТ соответственно. Материалы термоэлектродов у некоторых термопар изготовлены из сплавов двух или более металлов. Минимальная температура, измеряемая термопарами, составляет –270°С, максимальная температура достигает 2200°С и более (до 2300°С) при кратковременном режиме измерения. Термопары гораздо более линейны, чем многие другие датчики. Нелинейность термопар очень хорошо изучена и подробно описана в специальной литературе. Термопары вырабатывают термоЭДС в диапазоне от мкВ до мВ, но для высокой точности измерения необходимо обеспечить высокую стабильность усиления схемы нормализации сигнала. Вольттемпературные характеристики широкораспространенных термопар показаны на рисунке 6. Наилучшей линейностью обладают термопары типа K (ТХА). Они предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Термопары тип N (ТНН) имеют высокую стабильность термоЭДС (по сравнению с термопарами типов K, R и S) и обладают высокой стойкостью к окислению электродов, что очень важно при работе в агрессивных средах. Термопары A-1, A-2 (отечественное наименование ТВР) имеют самую высокую рабочую температуру измерений 2200°С (2300°С при кратковременном режиме) в неокислительных средах. Они устойчиво работают в азоте, гелии, аргоне, водороде. На рисунке 7 приведена схема усиления сигнала термопары типа K, рекомендуемая компанией Texas Instruments. Диод 1N4148 служит для измерения и компенсации температуры холодного спая термоэлектрического преобразователя. Нормализация сигналов датчиков с помощью усилителей с программируемым коэффициентом усиления

Одно из решений для нормализации сигналов датчиков давления или веса с очень высокой точностью — применение усилителей с программируемым коэффициентом усиления (PGA или Programmable Gain Amplifier) PGA308 и PGA309. В этих микросхемах аналоговый тракт передачи имеет цифровую коррекцию усиления и напря-

Табл. 3. Основные типы термопар и их характеристики в соответствии с международными стандартами Материал термоэлектродов

Обозначение по стан дарту ANSI

Тип по ГОСТ

J K T R S B E N A-1 A-2

ТЖК ТХА ТМК ТПП13 ТПП10 ТПР ТХКн ТНН

железо (Fe) хромель (Cr-Ni) медь (Cu) платина (87% Pt) — родий (13% Rh) платина (90% Pt) — родий (10% Rh) платина (70% Pt) — родий (30% Rh) хромель (Cr - Ni) никросил (Nicrosil = Ni-Cr-Si)

отрицательного константан (Cu-Ni) алюмель (Al-Ni) константан (Cu-Ni) платина (Pt) платина (Pt) платина (94% Pt) — родий (6% Rh) константан (Cu-Ni) нисил (Nisil = Ni-Si-Mg)

ТВР

вольфрам (95% W) — рений (5% Re)

вольфрам (80% W) — рений (20% Re)

WWW.ELCP.RU

положительного

Диапазон измеряемых темпера тур (°С) –210…1200 –270…1370 –270…400 –50…1760 –50…1760 0…1820 –270…1000 –270…1300 0…2300 0…1800

Рис. 7. Усиление и нормализация сигнала термопары с помощью микросхемы XTR106

Рис. 8. Включение PGA309 с XTR117 для получения выходного сигнала «токовая петля» 4…20 мА

жения смещения для корректировки температурной погрешности мостового датчика. Цифровая коррекция исключает необходимость применения потенциометров и ручной подстройки датчика. Усиление и смещение в PGA308 и PGA309 изменяется в соответствии с измеренной температурой окружающей среды и запрограммированными характеристиками чувствительного элемента. Для рабочего диапазона температур датчика для конкретных значений температуры рассчитываются необходимые коэффициенты усиления, которые хранятся в энергонезависимой памяти. Для PGA309 требуется внешняя микросхема энергонезависимой памяти. Новые программируемые усилители PGA308 имеют встроенные банки памяти для хранения температурных коэффициентов. Главная составная часть микросхем PGA308 и PGA309 — программируемый инструментальный усилитель на входе с автоматической коррекцией нуля (Auto-Zero PGA). Усилители имеет грубую и точную подстройку напряжения смещения для компенсации начального сдвига выходного напряжения мостового чувствительного элемента. Дополнительная регулировка усиления осуществляется с помощью встроенных ЦАП. Благодаря такому решению удается оптимальным образом согласовать выходной диапазон мостового датчика с полной выходной шкалой всех каскадов усиления. Встроенная схема

измерения температуры обеспечивает контроль внутренней температуры кристалла микросхем. Необходимо отметить, что измерение температуры с помощью встроенного температурного датчика не всегда обеспечивает желаемую точность из-за ощутимой разницы температур кристалла и окружающей среды. На точность измерения может влиять и инерционность температурных измерений из-за высокого температурного сопротивления между кристаллом усилителя и окружающей средой. В процессе эксплуатации происходит считывание значений температуры, по результатам которых в соответствующие регистры микросхем записываются требуемые температурные коэффициенты, по которым устанавливаются оптимальные коэффициенты усиления и напряжения смещения. Микросхемы PGA309 и PGA308 имеют автомобильный диапазон рабочих температур –40…125°С. На рисунке 8 показан вариант включения усилителя PGA309 совместно с интерфейсной микросхемой «токовая петля» 4…20 мА. Выходной аналоговый сигнал PGA309 находится в диапазоне 0,5…4,5 В. Этот выходной сигнал можно подать на вход АЦП и обрабатывать далее оцифрованные данные измерений. При необходимости передать сигнал по аналоговому интерфейсу производитель рекомендует ориентироваться на схему включения, приведенную на рисунке 8.

электронные компоненты №3 2009

Рис. 9. Структурная схема нового программируемого усилителя PGA308 повышенной точности

На рисунке 9 показана структурная схема нового более точного программируемого усилителя PGA309. Микросхема выпускается в корпусе TSSOP-16. Для этих микросхем PGA309 и PGA308 производитель выпускает отладочные наборы PGA309EVM-EU (EU — версия для Европы) и PGA308EVM, соответственно. Более подробную информацию о рассмотренных в статье микросхемах можно найти на сайте производителя

Texas Instruments www.ti.com или запросить у официального дистрибьютора — компании «КОМПЭЛ» www.compel.ru. Москва Тел.: +7 (495) 995-0901 Факс: +7 (495) 995-0902 С.-Петербург Тел.: +7 (812) 327-9404 Факс: +7 (812) 327-9403

События рынка

| Компания Trend Micro открыла в представительство в России и странах СНГ | Компания Trend Micro, разработчик систем защиты от веб-угроз, открыла представительство в России и странах СНГ. Новый офис открыт в Москве. Инвестиции в открытие нового офиса составили несколько млн долларов. Руководитель представительства будет назначен в ближайшее время. В офисе на данный момент работает 4 человека. На начальном этапе планируемый штат — 10 человек. Представительство Trend Micro в России и СНГ будет решать следующие задачи: – выстраивание стратегических отношений с ключевыми клиентами; – управление и развитие каналов сбыта продуктов и услуг Trend Micro; – техническая экспертиза и предпродажное консультирование клиентов, помощь, партнерам во внедрении и последующем сопровождении решений; – прямая техническая поддержка клиентов, заключивших договор на premium-support . Сейчас доля Trend Micro на российском рынке систем защиты от веб-угроз составляет около 5%. Компания планирует в ближайшее время сертифицировать свои продукты в Федеральной службе по техническому и экспортному контролю (ФСТЭК). Trend Micro в I квартале 2009 г планирует вывести на российский рынок несколько решений на русском языке. www.russianelectronics.ru | Фабрика AUO по производству TFT-LCD первой получила золотой сертификат LEED | Компания AU Optronics объявила о получении первого в мире золотого сертификата LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) в области TFT-LCD ее фабрикой поколения G8.5, расположенной в Central Taiwan Science Park. В мире существует еще три подобных производства, однако AUO G8.5 Fab является самой крупной и первой гибридной фабрикой TFT-LCD, состоящей из линеек G8.5 и G7.5. Получение награды такого уровня свидетельствует о возможности сбережения 21% потребляемой энергии и повторного использования до 90% воды, что соответствует 3 млн тонн сохранению в год. Кроме того, на фабрике перерабатывается 90% производственных отходов, таким образом уменьшая негативное влияние на окружающую среду. Благодаря данным улучшениям количество выделяемого в атмосферу углекислого газа фабрикой AUO G8.5 Fab снижается на 87 тыс. тонн в год. На ней ведется обработка стеклянных подложек габаритами 2200×2500 мм, которые могут быть точно разделены на шесть 52- или 55-дюймовых панелей, либо на восемь с длиной диагонали 46 дюйма. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

БЕНЧМАРКИНГ. ВИДЫ ТЕСТОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РАЗРАБОТКЕ ПРИЛОЖЕНИЙ Кентон Уиллистон (Kenton Williston), редактор, DSP DesignLine Бенчмарки (тесты) являются мощным инструментом разработки проекта. При корректном использовании тесты позволяют сократить время проектирования системы, снизить риски и облегчить принятие важных решений. В статье приведен обзор различных видов тестов, рассмотрены их достоинства и недостатки, а также рекомендации по их использованию. Подробно освещены наиболее известные методологии тестирования, предлагаемые такими организациями, как BDTI и EEMBC. Статья представляет собой сокращенный перевод [1-2]. Очевидно, что программные средства должны выполняться на аппаратуре, поэтому результаты тестирования программного обеспечения по определению зависят от производительности оборудования. – Инструменты разработки. Эти программные средства включают компиляторы, инструменты синтеза аппаратных средств и т.д. Инструменты разработки создают устройства или программные продукты, которые работают на оборудовании, поэтому его производительность также необходимо учитывать при анализе результатов тестирования. Тесты измеряют ряд параметров, среди которых основными являются следующие. – Производительность (быстродействие). Это наиболее широко распространенный параметр и его обычно легче всего измерить. Произво дительность измеряется в количестве циклов в секунду или времени выполнения задания. – Стоимость. Стоимость можно оценить в абсолютных или относительных (например, в расчете на канал) единицах. При оценке стоимости следует учитывать некоторые важные детали. Например, если два чипа имеют встроенную память разной емкости, различные интерфейсы ввода/вывода и т.д., то сравнивать их стоимость не совсем корректно. – Потребляемая мощнос ть. Под обн о стоимости, этот параметр можно оценить в абсолютных единицах или посредством определения эффективности потребления мощности. Мощность обычно весьма трудно точно измерить. Кроме того, в общем случае сложно отделить мощность, потребляемую тестируемым компонентом (например, процессором) от

мощности, потребляемой остальной частью системы (например, платой с установленным на ней процессором). – Другие системные параметры. С помощью тестов можно провести также оценку таких параметров как ресурсы памяти и физические размеры, однако эти показатели менее распространены. – Качественные показатели. С помощью тестов можно оценить различные качественные показатели, например качество предоставляемого сервиса, восприятия звука и видео. Такие тесты становятся все более специализированными. – Объем затраченной работы. Тесты помогают определить объем работы, необходимой для реализации определенного решения. Например, с помощью тестов оценивается количество человеко-часов, которое затрачивается на программирование теста для ЦП. Этот показатель чрезвычайно сложно оценить корректно — например, трудно определить типовую команду программистов для выполнения конкретной задачи, поэтому такие тесты используются редко. Виды тестов

Существует много разновидностей тестов. Рассмотрим некоторые из них. Синтетические тесты

Синтетические тесты (synthetic benchm arks) представляют собой наборы программ, с помощью которых воспроизводится типовая рабочая загрузка процессора. Основными тестами данного типа являются Whetstone и Dhrystone. Тест Whetstone оценивает производительность операций с плавающей запятой в MWIPS (миллион Whetstone-

электронные компоненты №3 2009

49 Микроконтроллеры и DSP

Зачем нужны тесты?

Выделяют две основные задачи бенчмаркинга (тестирования). – Выбор оптимального решения. Искомое решение может быть связано с аппаратным или программным обеспечением, инструментами разработки (например, компиляторами) или с любой их комбинацией. Разработчики обычно используют тестирование при выборе центрального процессора, однако оно может принести пользу и в других случаях. – Определение технических требований к приложению. Для иллюстрации рассмотрим следующий случай. У вас есть готовый продукт, и вы хотите добавить к нему функции. Требуется ли для этого модернизировать процессор? Если да, то насколько мощнее должен быть новый процессор? Нужно ли перейти на его новую архитектуру или добавить в систему сопроцессор? И т.д. Как было сказано, тестирование выполняется для выбора оптимального решения. Эти решения могут быть связаны с тремя областями. – Оборудование. Это может быть процессор (микроконтроллер, DSP, FPGA, многоядерный процессор и т.д.), подсистема (например, печатная плата или IP-блок) или целая система. Наиболее часто проводят тестирование процессора. Однако тесты, разработанные для оценки производительности процессора, могут включать в анализ и другие системные компоненты. Так, например, производительность процессора часто зависит от работы системы памяти. – Программное обеспечение (ПО). ПО может включать операционную систему (ОС), программные средства промежуточного уровня (middleware) и прикладные программы.

инструкций в секунду), а Dhrystone производит оценку производительности целочисленных операций в DMIPS (миллион операций в секунду по тесту Dhrystone). В области персональных компьютеров на смену тесту Dhrystone приходит тест SPECint, однако среди встраиваемых систем Dhrystone еще доминирует. Тест Dhrystone имеет следующий ряд положительных свойств: – он хорошо известен и широко применяется; – он компактен и удобен в реализации; – он универсален (в отличие от тестов для специфических приложений) и, следовательно, широко применя ется; – это тест с открытым кодом, который доступен бесплатно. Однако тест Dhrystone также имеет и серьезные недостатки. – Из-за своей простоты и компактности он не обеспечивает полную проверку системы памяти и интерфейса ввода/вывода. Это серьезно ограничивает возможности теста. – Тест не подходит для проверки компиляторов, т.к. предоставляет ограниченные возможности для оптимизации. – Тест подходит в основном для одноядерных процессоров. Он не работает удовлетворительно (или совсем не работает) при проверке многоядерных процессоров, FPGA и т.д. – Поскольку тест универсален, с его помощью сложно оценить производительность специфического приложения. Базовые алгоритмы

Базовые алгоритмы (kernel benchmarks) представляют собой небольшие программы, взятые из реального приложения или набора приложений. Базовые алгоритмы отвечают принципу 80/20, который утверждает, что 20% данного кода обеспечивает 80-% загрузку процессора, связанную с этим кодом. Базовые алгоритмы имеют следующие важные преимущества. – Они сравнительно небольшие по объему и, следовательно, в них легко разобраться и затем реализовать. – Базовые алгоритмы применимы для довольно широкого спектра приложений. Например, во многих DSP-приложениях используются КИХ-фильтры, поэтому тест реализации КИХфильтра является хорошим показателем общей производительности DSP-системы. – Поскольку базовые алгоритмы представляют собой существенную часть реального кода, эти тесты можно использовать для прогнозирования реальной производительности приложения. К числу недостатков базовых алгоритмов относятся следующие. – Они являются более специализированными, чем синтетические тесты. Следовательно, эти тесты применимы к меньшему числу приложений. – Иногда сложно связать базовые алгоритмы с производительностью приложения. Например, может потребоваться десяток базовых алгоритмов для того, чтобы обеспечить рабочую загрузку для конкретного приложения. Основной проблемой при этом станет объединение результатов всех этих тестов. – Базовые алгоритмы обычно не обеспечивают полную проверку системы памяти и интерфейса ввода/вывода, что серьезно ограничивает возможности теста. – Из-за своей простоты базовые алгоритмы не подходят для проверки компиляторов.

Микроконтроллеры и DSP

электронные компоненты №3 2009

– Базовые алгоритмы подходят в основном для оценки одноядерных процессоров. Они работают неудовлетворительно (или совсем не работают) при проверке многоядерных процессоров, FPGA и т.д. – В большинстве случаев базовые алгоритмы и условия тестирования (например, данные для тестирования) не являются широко доступными для пользователей, что затрудняет определение достоверности и надежности результатов тестов. Прикладные алгоритмы

Микроконтроллеры и DSP

Вместо того, чтобы создавать искусственный тест, можно использовать реальное приложение (application benchmarks). Такой подход исключает необходимость создания специального тестового кода, однако требует определенных усилий. Для получения существенных результатов необходимо определить условия тестирования, например используемые для теста исходные данные. В данном разделе понятие «прик ладной алгоритм» используется по отношению к тесту, реализуемому поставщиком какого-либо решения или независимой фирмой. Использование прикладного алгоритма в качестве теста, реализуемого конечным пользователем, будет обсуждаться ниже. Преимущества прикладных алгоритмов включают следующие. – Поскольку используются реальные программные коды, с помощью прикладных алгоритмов можно в полной мере оценить производительность разрабатываемой системы. Требуется лишь несложная обработка результатов теста для представления данных в реальных рабочих параметрах системы. – Прикладные алгоритмы обычно позволяют проверить различные компоненты системы, такие как подсистема памяти и интерфейс ввода/ вывода. – Прикладные алгоритмы применимы для тестирования компиляторов. – Прикладные алгоритмы применимы для любых видов аппаратных средств, включая многоядерные процессоры, FPGA и т.д. Недостатки прикладных алгоритмов включают следующие. – Прикладные алгоритмы могут быть недоступны для всех тестируемых решений. Разработка специального прикладного алгоритма лишь с целью тестирования обычно бывает нецелесообразна. – Результаты тестирования с помощью прикладного алгоритма

www. elcp.ru

применимы к довольно узкому спектру приложений. Например, тест реализации видеокодека H.264 может быть полезным средством для оценки подобного ему видеокодека, например VC-1. Однако тест H.264 даст лишь очень поверхностное представление о работе приложения при реализации совершенно другого кодека, например MPEG-2, и будет совершенно бесполезным для оценки производительности других приложений, не имеющих отношения к системам обработки видео. – В большинстве случаев тестовые условия (данные для теста) недоступны для широкого доступа, что затрудняет получение качественных и достоверных данных. Гибридные методы тестирования

Перечисленные типы тестов не являются единственно возможными. Например, имеется возможность построения теста, сочетающего базовые и прикладные алгоритмы. Примером такого подхода могут служить тесты реализации видеокодирования компании BDTI (BDTI Video Encoder and Decoder Benchmarks). Однако часто такой тип тестов обладает не самыми лучшими качествами базовых и прикладных алгоритмов: он довольно объемен, его сложно реализовать и, кроме того, возникают трудности при представлении его результатов в виде реальных рабочих показателей системы. И лишь одно свойство гибридных тестов является ценным — их можно применять ко многим типам процессоров, а не только к микроконтроллерам и DSP. Например, контрольный тест для оборудования связи компании BDTI — BDTI Communications Bench mark (OFDM) — применим к двум типам DSP, двум FPGA и одному многоядерному процессору. Тесты пользователя

Выше обсуждались тесты, реализуемые поставщиками или независимыми компаниями по тестированию. Конечно, пользователь может создать собственный тест. Преимущества такого подхода очевидны: используя собственный код и данные для теста, можно получить данные о производительности конкретного проекта. Однако тесты, разрабатываемые пользователем, имеют три существенных недостатка. – Разработка и реализация теста может занять много времени. – Пользователь может испытывать недостаток специальных знаний для разработки эффективного теста. Например, предположим, что произво-

дительность проектируемого приложения в значительной степени зависит от конфигурации кэш-памяти. Если разработчик не знает об этом, он может так ее сконфигурировать, что это приведет к искусственному увеличению или, наоборот, ограничению производительности системы. – Пользователь может не иметь достаточных знаний для разработки приложения. Например, инженерпрограммист может не иметь опыта реализации приложения на FPGA. В целях поддержки разработчиков пользовательских тестов компания TechInsights запустила сайт www.benchlab.com, на котором предлагается множество возможностей для отладки тестов. Используя интерфейс сайта, пользователь запускает код своего теста на различных платах разработчика, что позволяет проверить алгоритм теста на нескольких платах без необходимости их приобретения и установки. Наиболее широко известны тесты для встраиваемых систем компании BDTI и консорциума EEMBC. Рассмотрим их подробно. Тесты компании BDTI

BDTI (Berkeley Design Technology, Inc.) — частная консультационная компания, которая известна тестами DSP, а также рекомендациями по выбору процессоров. Компания BDTI предлагает ряд специализированных тестов для оценки параметров систем обработки сигналов. Тесты для DSP-приложений

Компания BDTI наиболее известна базовыми контрольными тестами для DSP-приложений (BDTI DSP Kernel Benchmarks), которые охватывают такие широко распространенные алгоритмы как КИХ-фильтры и БПФ. Результаты тестирования приводятся в отчете BDTImark2000, который доступен на сайте www.bdti.com. С тем чтобы детально ознакомиться с результатами теста, можно приобрести соответствующий отчет BDTI или подписаться на платную рассылку. Эти тесты оптимизированы (обычно ручным способом) и выполняются в изолированной среде, т.е. без запуска ОС или параллельного процесса. Такой подход хорош тем, что он отражает уровень оптимизации, применяемый в DSP-приложениях, и дает ясное представление о реальной производительности. С другой стороны, такие тесты могут оценить лишь производительность ядра центрального процессора и не измеряют производительность подсистемы памяти, интерфейса ввода/ вывода и т.д.

Наибольшим преимуществом таких тестов является их широкий охват типов тестируемых компонентов. Компания BDTI протестировала десятки DSP, микроконтроллеров и лицензируемых ядер. Эти тесты способны оценить широкий спектр параметров, например быстродействие, стоимость, эффективность потребления энергии и использования памяти. Другим их преимуществом является достоверность результатов из-за весьма строгого процесса сертификации, реализованного компанией BDTI. Кроме того, эти тесты сравнительно легко реализовать, т.к. в большинстве тестов применяются простые алгоритмы. Основным недостатком тестов является их ограниченное применение. Все они реализуют традиционные 1-D DSPалгоритмы, которые в основном применимы для телекоммуникационных приложений. Кроме того, их применение ограничено лишь одноядерными процессорами; их нельзя использовать для тестирования многоядерных процессоров, FPGA и т.д. К тому же следует учитывать фактор стоимости. Если краткий отчет о тесте предоставляется бесплатно, за получение детальной информации необходимо заплатить. Кроме того, исходный код теста распространяется также на платной основе, что является серьезным недостатком по двум причинам. 1. Краткий отчет содержит только данные по относительной производительности процессоров и ничего не сообщает об абсолютных значениях. 2. Краткий отчет дает информацию лишь об общей производительности DSP-приложения и не позволяет оценить производительность процессора, реализующего специфическое приложение. Наконец, BDTI не открывает свою методику сертификации, что затрудняет правильную интерпретацию результатов тестирования. Таким образом, тесты для DSP-приложений компании BDTI являются наилучшим средством для оценки DSP-систем, однако у них имеется несколько недостатков, о которых не следует забывать. Базовые тесты для видеоприложений

Базовые тесты для видеоприложений (BDTI Video Kernel Benchmarks) концептуально подобны DSP-тестам. Основное отличие в том, что тесты для видеоприложений включают алгоритмы обработки видео (например, компенсация движения) вместо обычных DSP-алгоритмов (например, БПФ). Преимущества и недостатки тестов для видеоприложений BDTI в основном те же, что и тестов для DSPприложений. Основная разница между ними состоит в следующем. – Тесты для видеоприложений наилучшим образом подходят для оценки системы обработки видео и изображений и имеют ограничения при их применении в тестировании других систем. – В настоящее время нет опубликованных данных по результатам тестирования. Однако компания BDTI утверждает, что доступны некоторые результаты как для DSP, так и для процессоров общего назначения.

Микроконтроллеры и DSP

Тесты прикладной задачи видеокодирования

Кроме базовых тестов для видеоприложений, BDTI предлагает тесты реализации видеокодеков. Вместо тестирования отдельных алгоритмов тесты реализации видеокодеков моделируют целую систему видеообработки. (Следует учитывать, что это именно модель кодека, а не стандартный кодек). Таким образом, данный тест позволяет реально оценить производительность всей системы видеокодирования.

электронные компоненты №3 2009

По сравнению с базовыми тестами для видеоприложений, преимущества и недостатки этого вида тестов следующие. – Преимущество: поскольку этот тест сложнее, он в большей степени учитывает производительность системных компонентов, например производительность системы памяти. – Преимущество: этот тест применим к гораздо более широкому спектру приборов, включая FPGA и многоядерные процессоры. – Преимущество/недостаток: данный тест наилучшим образом подходит для видеоприложений и имеет ограничения для других применений. – Недостаток: в настоящее время данный тест был использован для оценки лишь двух процессоров. – Недостаток: самостоятельное тестирование требует больших затрат ресурсов.

категории представлен только тест реализации декодирования стандарта H.264. Такой подход имеет много общего с тестами реализации видеокодеков BDTI. Основными отличиями являются следующие. – Преимущество. Этот подход позволяет оценить реальную производительность конкретного решения, а не использовать для этого искусственные алгоритмы. – Преимущество. Данные, полученные в результате тестирования, весьма подробные, что обеспечивает детальный анализ результатов тестирования. – Недостаток. Тест применим лишь к двум решениям. – Недостаток. При создании собственного теста разработчику потребуются существенные затраты ресурсов — необходимо создать полный алгоритм реализации декодера H.264.

Тест для оборудования связи OFDM

EEMBC (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) — некоммерческий консорциум производителей встраиваемых систем и инструментов разработки. EEMBC предлагает базовые алгоритмы для тестирования микропроцессоров для различных областей применения: – автомобильная электроника; – потребительская электроника; – цифровые устройства индустрии развлечений; – Java/CLDC-приложения; – информационные сети; – автоматизация управленческих работ; – телекоммуникации. Тесты EEMBC имеют в основном те же свойства, что и базовые алгоритмы для DSP- и видеоприложений компании BDTI. Разницей является то, что EEMBC предлагает более широкий выбор тестов. С точки зрения применяемости тестов, BDTI опережает EEMBC в отношении процессоров для DSPприложений (например, DSP компании TI), а EEMBC предлагает больше тестов для оценки процессоров других приложений (например, микроконтроллеров Freescale). Следует заметить, что тесты EEMBC не обеспечивают такой же уровень алгоритмов, что тесты BDTI. EEMBC распространяет результаты тестирования в двух видах: данные по результатам тестов без настроек (out-of-thebox), которые не оптимизированы на языке C, и данные тестов с оптимизированным кодом. Тесты out-of-the-box могут не отражать реальную картину, однако, по крайней мере, позволяют сравнивать результаты тестирования разных компонентов. Разные постав-

Тесты EEMBC

Микроконтроллеры и DSP

Компания BDTI предлагает также тест для оборудования связи OFDM (BDTI Communications Benchmark). Как следует из названия, тест ориентирован на приложения, в которых используется метод OFDM-модуляции (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением). Этот тест концептуально подобен тесту реализации видеокодеков и во многом имеет те же самые преимущества и недостатки. Основная разница состоит в следующем. – Преимущество/недостаток: тест наилучшим образом подходит для OFDM-приложений и имеет ограничения для других применений. – Преимущество: тест был использован для тестирования двух типов DSP, двух FPGA и одного многоядерного процессора, что вполне достаточно для сравнения и анализа полученных результатов. BDTI в ближайшее время планирует получить данные о тестировании еще нескольких типов приборов. Тесты, учитывающие аппаратную и программную реализацию

В то время как в большинстве тестов BDTI используется искусственная загрузка процессора, тесты, учитывающие аппаратную и программную реализацию (BDTI Solution Benchmarks) в качестве загрузки процессора используют приложения. Эти тесты проверяют существующие решения с помощью стандартных параметров, данных для тестирования и показателей производительности. На сегодняшний день в данной

www. elcp.ru

щики используют различные методы оптимизации, поэтому сравнивать результаты оптимизированного тестирования сколько-нибудь достоверно невозможно. Это проблема не только тестов EEMBC. Похоже, часто тесты выбирают, руководствуясь удобством их использования, а не с точки зрения достоверности результатов. Например, тесты по цифровым устройствам индустрии развлечений содержат алгоритм реализации декодера MPEG-2 с плавающей точкой. Насколько известно, ни в одном потребительском устройстве декодирование видео не реализовано с помощью вычислений с плавающей точкой, поэтому не совсем ясно, имеет ли данный тест какое-либо практическое значение. EEMBC использует две методологии, которые дополняют тесты: – EnergyBench — для оценки потребляемой мощности во время тестирования; – MultiBench — для запуск теста на многоядерной платформе. Многие пользователи являются поклонниками EnergyBench. Весьма трудно выбрать те значения мощности, потребляемой системой, на основе которых можно сделать сравнение компонентов. Данная методология позволяет это сделать. Однако существуют два ограничения. Во-первых, эта технология основана на алгоритмах, которые не позволяют полностью учитывать вклад мощности, потребляемой системой памяти, интерфейсом ввода/вывода и т.д. Во-вторых, методология EnergyBench оценивает энергопотребление лишь при полной загрузке процессора. Мощность, потребляемая в режиме холостого хода или при частичной загрузке, не измеряется, что является основной проблемой, т.к. большинство систем не функционирует постоянно в режиме максимальной загрузки. Это особенно верно для мобильных приложений, которые большую часть времени проводят в режиме ожидания. Технология MultiBench обеспечивает запуск некоторых тестов для сетевого оборудования и обработки изображений на многоядерной платформе. Несмотря на очевидные преимущества, MultiBench имеет существенные ограничения. Во-первых, данная методология основана на алгоритмах, которые по своей сути не подходят для тестирования многоядерных приложений. Например, работа реальных приложений часто зависит от данных, которые могут ограничить реализацию параллель-

ных процессов обработки. Методология MultiBench может не учитывать это. Во-вторых, базовые алгоритмы, которые были выбраны EEMBC для своих тестов, изначально были предназначены для многоядерной реализации. Например, методика MultiBench предлагает тест реализации поворота изображения на 90 градусов. При повороте на 90 градусов каждый пиксель изображения движется независимо от других. Таким образом, довольно просто разбить такое задание на независимые части, которые могут выполняться на отдельных процессорах. На практике, однако, редко удается сравнительно легко разделить загрузку между процессорами. Наконец, методология MultiBench применима только для симметричной архитектуры процессоров (symmetric multiprocessors — SMP). Она не предназначена для тестирования процессоров с ассимметричной архитектурой (asymmetric multiprocessors — AMP), процессоров с массовым параллелизмом (massively-parallel processors — MPP) или FPGA. Кроме перечисленных методик, EEMBC работает над пакетом тестов HyperBench, который ориентирован на тестирование т.н. менеджеров виртуальных машин (virtual machine managers). Рекомендации по использованию тестов

Разные виды тестов предназначены для различных целей и предоставляют разную информацию. По этой причине при выборе тестов необходимо рассмотреть возможность применения всех видов тестов для разрабатываемого приложения. Из синтетических тестов рекомендуется пользоваться Dhrystone. Несмотря на определенные недостатки, он широко распространен, и его код свободно доступен. Среди базовых алгоритмов наиболее технически совершенны тесты BDTI, поэтому предпочтительнее использовать их. Однако тесты EEMBC применимы для более широкого спектра приложений и обеспечивают более детальные результаты, чем BDTI. По этой причине полезно учитывать также результаты тестов EEMBC. Прикладные алгоритмы в настоящее время немногочисленны. BDTI предлагает тест реализации кодека H.264. Компания FutureMark предагает 3D-тесты для мобильных телефонов. Кроме них в настоящее время нет скольконибудь известных тестов для встраиваемых приложений. При самостоятельной разработке теста следует использовать ресурс www.benchlab.com. Как отмечалось, этот сайт обеспечивает запуск теста, разработанного пользователем, и снижает затраты на тестирование.

Заключение Микроконтроллеры и DSP

Хотя тесты являются мощным инструментом, ни одна из предлагаемых в настоящее время методик не совершенна. Чтобы получить максимальное преимущество от тестирования, необходимо учитывать их ограничения. Разработчики предпочитают пользоваться тестами различных организаций, однако и BDTI, и EEMBC предоставляют полезные ресурсы, которые позволяют выбрать тип процессора и определить технические требования к приложению. Литература 1. Benchmarking basics, part 1: Choosing and using benchmarks, Kenton Williston//www.dspdesignline.com. 2. Benchmarking basics, part 2: BDTI and EEMBC reviewed, Kenton Williston//www.videsignline.com.

электронные компоненты №3 2009

Многоядерность: миф или реальность? Джек Гэнссл (Jack Ganssle), консультант по встраиваемым системам В статье рассматривается развитие процессоров и памяти начиная с 1980-х гг., описываются проблемы создания систем на базе современных ЦП, анализируются преимущества использования многоядерных процессоров и даются практические рекомендации для разработчиков, в т.ч. и встраиваемых систем.

микроконтроллеры и DSP

В течение многих лет быстродействие процессоров и памяти развивалось одновременно. Ранние ЦП, например Z80, требовали выполнения определенного числа машинных циклов, даже за счет пустых команд. При обычных для того времени тактовых частотах в несколько мегагерц скорость процессора точно соответствовала временным циклам электрически стираемого программируемого ПЗУ (EPROM) и статической оперативной памяти с произвольным доступом (SRAM). Однако со временем скорость памяти превысила производительность ЦП. Процессоры 8088/6 имели устройство предвыборки, чтобы подстроить быструю память под медленный процессор. Очень небольшая (4…6 байт) очередь FIFO (First In, First Out) изолировала ядро от блока шинного интерфейса BIU (Buffer Interface Unit), который был свободен для предварительной выборки наиболее вероятной следующей команды, если ядро было занято выполнением какой-то операции, не требовавшей участия шины. Таким образом, блок шинного интерфейса помог поддержать приемлемое соответствие скоростей ЦП и памяти. Даже к концу 1980-х гг. процессоры были вполне хорошо согласованы с памятью. 386-й процессор, который, с точки зрения программиста (за исключением инструкций работы с плавающей точкой), очень схож с последними высокотехнологичными предложениями фирмы Intel, работал на частоте 16 МГц. Таким образом, трехцикловая пустая команда длилась 188 нс, что хорошо соотносилось с большинством устройств памяти с нулевым ожиданием. Однако тактовые частоты ЦП продолжили расти, в то время как быстродействие памяти начало отставать. 386-й процессор имел тактовую частоту 40, а 486-й — свыше 100 МГц. Некоторые основные положения архитектуры с уменьшенным набором команд (RISC), в особенности выполнение команд за

www. elcp.ru

один цикл, были приняты на вооружение сторонниками CISC-архитектуры, что еще больше усилило несоответствие. Производители воспользовались законом Мура, т.к. стало гораздо легче увеличить число транзисторов в процессорах, чтобы решить проблему недостаточно быстрой памяти. Конвейеры позволили перенести больше команд на кристалл, а дополнительная логика параллельно выполняла части многих инструкций. Процессор с тактовой частотой 100 МГц и выполнением команды в течение одного цикла выбирает одно слово из памяти каждые 10 нс, но даже сегодня это довольно высокая скорость для оперативной памяти, не говоря уже о флэш-памяти. Таким образом, появилась внутренняя кэшпамять, использующая дешевые транзисторы, интегрированные в кристалл. Ее появление, а также работа с плавающей точкой и некоторые другие ухищрения привели к увеличению количества транзисторов в 486-м процессоре более чем в четыре раза по сравнению с 386-м. В процессорах класса Pentium стали использоваться распараллеленные вычисления задолго до появления частот 2…3 ГГц. Устройства памяти со временем обращения 0,33 нс непрактичны по целому ряду причин, одна из которых — трудноразрешимая задача разводки сигналов между чипами микросхем памяти. Далеко не многие пользователи были бы довольны процессором с частотой 3 ГГц, который тормозился бы всякий раз при чтении или записи памяти, поэтому размеры кэша увеличились еще больше. Но даже встроенная в кристалл память с нулевым временем ожидания стоит дорого. По этой причине произошло разделение кэш-памяти на уровни: небольшая по объему и быстрая кэш-память первого уровня (L1), затем более медленная — второго уровня (L2) и, наконец, в некоторых случаях

даже кэш-память третьего уровня (L3). К тому же большее число транзисторов привело к усложнению алгоритмов предсказания ветвления, отслеживания кэша и т.д., что явилось следствием желания управлять кэшем и сократиь медленный по своей природе шинный трафик. Вот уже как 15 лет память гораздо медленнее процессоров и является основным узким местом. Не так давно рост скоростей ЦП прекратился из-за увеличившегося рассеяния мощности. Она рассеивается при коммутации транзистора, а также из-за небольших технологических дефектов, в результате которых через устройство протекают микротоки. Небольшие потери на одном транзисторе многократно увеличиваются в масштабе всего прибора, что приводит к его сильному нагреванию. Ситуация такова, что огромное число транзисторов в современных процессорах не используется большую часть времени. Постоянно активной остается только одна строка кэш-памяти, тогда как большая часть логики для обработки сотен различных команд простаивает между редкими моментами обращения к ней, и модули трансляции страницы, которые управляют гигабайтами памяти, обрабатывают одно слово в единицу времени. Эти неактивные транзисторы из-за токов утечки переводят часть энергии в тепло. Идея о непрерывном увеличении количества транзисторов столкнулась с проблемой ограничения мощности рассеяния. Столь ограниченные скорости памяти способствовали созданию чрезвычайно сложных ЦП, но из-за сильного нагрева прекратился рост тактовых частот, который позволял ежегодно создавать более мощные компьютеры. В мире суперкомпьютеров наблюдалсь схожая картина. Элементная база на основе арсенида галлия и другие экзотические компоненты позволяли достигать высоких частот, а от перегрева машины спасало водя-

Симметричная многопроцессорная обработка

Симметричная мультипроцессорная обработка (Symmetrical Multi Processing, SMP) определяется несколькими способами. В качестве определения я выбрал проект, в котором множество идентичных процессоров делят одну шину памяти, образуя систему SMP. Таким образом, многоядерные решения от Intel, AMD и некоторых других компаний являются устройствами SMP. SMP-обработка позволит увеличить производительность системы только (в лучшем случае) в той мере, в какой задачу можно распараллелить. Эмпирический закон Амдала дает численное значение выгоды от использования нескольких процессоров. Его суть в том, что ускорение вычислений, которое достигается за счет распараллеливания операций программы между процессорами, не может превысить значения , где f — часть программы, которую не представляется возможным распараллелить, а n — число процессоров. Рисунок 1 показывает зависимость возможного ускорения вычислений от доли задач, которые нельзя распараллелить, при бесконечном числе ядер и отсутствии других факторов. Существует целый класс задач, когда большое число вычислений происхо-

Рис. 1. Зависимость ускорения вычислений от доли нераспараллеливаемых задач

дит одновременно. Суперкомпьютеры наконец-то нашли свою нишу в этой области и стали использоваться для предсказания погоды, моделирования ядерных процессов и т.д. Возникает крайне важный вопрос: какую выгоду можно извлечь из параллелизации вычислительных процессов? По крайней мере, решение части многих задач можно доверить одновременной обработке на нескольких процессорах. Однако большинство задач имеет существенные взаимосвязи между компонентами, которые следует выполнять в определенной последовательности. При выборе процессора трудно понять сразу, насколько выгодно использовать его многоядерность. Производители многоядерных процессоров наперебой уверяют, что двухъядерные системы повышают производительность на 30—50% (для настольных приложений; как это утверждение соотносится со встраиваемыми системами — совсем другой вопрос, ответ на который зависит от типа приложения). Если рассмотреть наилучшее значение (50%) и вспомнить закон Амдала, то становится ясным — производители считают, что 1/3 программ можно распараллелить. Это значение достигается в самом лучшем случае, т.к. ПК одновременно обрабатывает и другие части приложения и может разделить выполняемые ветви программно. Однако, следуя этой логике и принимая во внимание, что существенное (на 50%) улучшение скорости достигается в случае выполнения одной программы, при неограниченном числе процессоров можно рассчитывать на трехкратное повышение производительности (за исключением особого случая, когда речь идет о параллельных программах).

А теперь поговорим об узком месте — шине. Каждое из ядер в двухпроцессорном чипе c SMP-обработкой имеет собственный кэш с нулевым временем ожидания доступа, который содержит моментально доступные для процессора инструкции и данные. Но это касается только кэша L1; кэш L2 является общим, достаточно быстрым. Тем не менее он требует нескольких состояний ожидания при каждом обращении. За пределами кэша L2 всего лишь единственная шина служит двум быстродействующим микропроцессорам, которые очень требовательны к циклам работы памяти. Они, в свою очередь, замедлены большим количеством состояний ожидания, что делает тактовую частоту процессора неприменимой для внешней деятельности. В этом-то вся ирония: многогигагерцовые ЦП, которые могут адресовать гигабайты памяти и имеют десятки миллионов транзисторов, предназначенных для ускорения операций, работают очень быстро только с кэшем L1, чей стандартный микроскопический размер не превышает 32…64 Кбайт. Пара процессоров Z80х справились бы с этим заданием столь же блестяще! В мире систем управления гораздо большее, чем в ПК, значение имеет выполнение программы в реальном времени. Некоторые фирмыразработчики нашли интересные решения более эффективного использования фактора многоядерности, например отнесение задач к отдельным ядрам. Я видел несколько удачных воплощений этой идеи. Если задача полностью обходится только кэшем L1 или даже захватывает кэш L2, следует ожидать огромного повышения производительности.

электронные компоненты №3 2009

57 микроконтроллеры и DSP

ное охлаждение. Однако достаточно давно исследователи осознали тщетность достижения технологических успехов путем увеличения тактовой частоты и начали создавать вычислительные машины параллельного действия. Многие разработчики теперь используют тысячи идентичных функциональных узлов, которые часто организованы на процессорах, предназначенных для обычных настольных компьютеров. Высокая производительность достигается в результате широкомасштабного параллельного решения задач и совершенствования аппаратных средств. Для повышения быстродействия производители ЦП для настольных ПК создали общую модель суперкомпьютера и предложили многоядерные устройства, которые представляют собой два или более стандартных процессора, расположенных на одном кристалле. В типичную конфигурацию входят два ЦП, у каждого из которых свой кэш L1 и общий кэш L2, который соединяется с внешними устройствами через единую шину. Имеются также встраиваемые варианты таких конфигураций, очень похожие на своих собратьев — ПК.

Любая программа, которая то подключается к кэшу, то отключается от него, может пострадать от принципа детерминизма. Как можно говорить о «реальном времени», когда промах кэша увеличивает время выполнения приложения на порядок и более? Понятно, что оно в очень большой степени зависит от использумого приложения, но утверждать при этом, что система реального времени работает детерминированно, в лучшем случае, трудно. Кэш, конвейеры, упреждающее исполнение команд, а теперь еще и двухъядерный ЦП используют ту же медленную шину, что очень усложняет задачу. По определению, жесткая система реального времени, не способная выполнять работу в срок, является такой же недееспособной, как и программа с дефектным кодом. Многоядерность действительно пытается решить очень важную проблему, а именно — энергопотребление. Некоторые производители подчеркивают, что их продукция имеет показатель свыше 1 MIPS/Вт. Сократите немного частоту ЦП, удвойте число процессоров — и общее энергопотребление резко снизится. При использовании последних моделей ЦП, потребляющих 100 Вт и выше, энергопитание становится трудной проблемой, особенно во встраиваемых системах.

микроконтроллеры и DSP

www. elcp.ru

Большинство известных методов SMPобработки все еще энергозатратно и не подходит для многих классов встраиваемых систем. Важно понять, позволит ли многоядерная технология с архитектурой 386-х процессоров без их прихотливой адресации и других особенностей управления шиной, требующих основательной поддержки со стороны кэша или, по крайней мере, быстрой ОЗУ, достичь лучшего соотношения MIPS/Вт/цена хотя бы в области встраиваемых систем, где гигантские приложения относительно редки? Наконец, заветной мечтой в использовании архитектуры SMP на протяжении 30 лет является автопараллельный компилятор, который мог бы разделить последовательную задачу между несколькими ядрами. Некоторые успехи в этом направлении уже достигнуты, но многое еще предстоит сделать. Например, во встраиваемых системах эту задачу пытаются решить на уровне ОС. ОСРВ QNX, Green Hills и другие снабжены самыми лучшими инструментальными средствами, позволяющими разделить задачи между ядрами как в статическом, так и в динамическом режимах. Однако возможны другие затруднения, которые усложнят процесс программирования многоядерных систем.

Заключение

Возможно, многим покажется, что эта статья призывает отказаться от технологии многоядерности, однако это совсем не так. Мне хотелось рассеять те страхи, которые сопровождают появление многоядерных процессоров, что обычно бывает при появлении любой новой технологии. Многоядерные процессоры уже получили широкое распространение, они действительно обладают некоторыми важными преимуществами, обеспечивающими внушительный рост производительности с помощью архитектуры SMP [1]. Большинство затруднений разрешается, если каждое ядро обрабатывает код из своей области памяти. Некоторые клиенты фирмы Tensilica получают потрясающий прирост производительности с помощью этой технологии. Также внушительны результаты компании Pichochip [2]. Однако в последнем примере не используется архитектура SMP. Как и всегда, требуется тщательно анализировать свои конкретные потребности перед серьезным переходом на новую технологию. Литература 1. www.embedded.com/design/ 205203908 2. www.insidedsp.com/Articles/tabid/64/ articleType/ArticleView/articleId/228/Default.aspx

Новости технологий

| ООО «Совтест АТЕ» представляет новинки 2009 г. производства компании TWS Automation | Компания ООО «Совтест — АТЕ» рада представить новые модели 2009 г. производства TWS Automation. Quadra Laser mono для автоматической установки поверхностно-монтируемых компонентов. SR-3100 автоматический трафаретный принтер. Автомат Quadra Laser Mono с одной установочной головкой и автоматическим дозатором паяльной пасты бюджетная версия хорошо известного автомата Quadra Laser. Автомат выполняет две операции: наносит пасту и устанавливает компоненты поверхностного монтажа. Производительность — до 2800 компонентов в час. В Quadra Laser mono применяется два типа центрирования компонентов: лазерное центрирование «на лету» и видеоцентрирование, что дает широкие возможности для центрирования большого диапазона корпусов от чипов 0402 до микросхем размером 36×36 мм с шагом выводов 0,5 мм, в том числе и BGA. Коррекция реперных знаков и смена насадок происходит автоматически. На автомате может быть одновременно размещено до 120 интеллектуальных ленточных питателей. Питатели совместимы со всеми автоматами модельного ряда Quadra. Автомат трафаретной печати SR-3100 расширяет существующий модельный ряд трафаретных принтеров серии SR и позволяет максимально автоматизировать процесс нанесения паяльной пасты. SR 3100 является недорогой, неконвейерной системой с боковой загрузкой платы, осуществляемой оператором. SR-3100 оснащен блоком с двумя металлическими ракелями с Управление рабочими процессами, такими как: совмещение трафарета и платы, скорость вертикального перемещения стола, скорость движения ракелей, давление ракелей и др. осуществляется через компьютер с операционным программным обеспечением LINUX, а автоматическая видеосистема совмещения обеспечивает высокую точность и повторяемость процесса трафаретной печати с выводом изображения на LCD-монитор. ООО «Совтест АТЕ» — официальный дистрибьютор фирмы TWS-Automation в России и СНГ

| ООО «Совтест АТЕ» представляет японские оптические системы фирмы MARANTZ | Новейшие системы японской фирмы Marantz серии HDL для автоматической оптической инспекции (AOI) позволяют осуществлять комбинированный контроль качества пайки и монтажа компонентов. Машины фирмы Marantz позволяют в автоматическом режиме инспектировать компоненты как поверхностного, так и навесного монтажа — включая пайку волной и ручную пайку. Новейшие AOI машины Marantz, к примеру, настольная система M22XHDL-460, имеет три подсветки (под углами в 45, 75 и 90 градусов), которые могут применяться одновременно. Окончательный результат представляет математический синтез изображений, выполненных при разных подсветках. Затем выполняется поиск дефектов. Метод сравнения изображений: сравнивается картинка эталонного изображения с реальным (тестируемым) изображением. Гистограммный метод (используется в основном для контроля качества пайки): изображение инспектируемого участка раскладывается на 4 цвета (красный, синий, зеленый и серый). Создается гистограмма интенсивности каждого из цветов. Оператор задает диапазон интенсивности конкретного цвета. Таким образом, задается критерий качества пайки. Marantz предусматривает возможность аппаратного и программного обновления таких систем до современнейших машин серии HDL. На сегодняшний день это актуальное предложение, поскольку производители электроники всегда заинтересованы в обновлении парка оборудования, но не всегда имеют достаточно средств на покупку нового. Предприятие ООО «Совтест АТЕ», являющееся эксклюзивным представителем японской фирмы Marantz, предлагает своим заказчикам модернизировать AOI системы Marantz предыдущих поколений до машин самого последнего поколения HDL.

новос ти

| 500 Мбит/сек по витой паре длиной более 500 метров | Компания Эрикссон впервые в мире продемонстрировал технологию на базе VDSL2, благодаря которой удалось добиться скорости передачи данных свыше 0,5 Гбит/с на линии более 500 метров. Новая технология на базе VDSL2 предполагает передачу данных по витой медной паре с использованием новейшей методов связывания каналов и компенсации перекрестных наводок. Эрикссон продолжает исследования в области технологий DSL, чтобы дать возможность операторам эффективнее использовать уже проложенный медный кабель — и при передаче данных клиентам, и в опорной сети мобильной широкополосной связи. Компенсация перекрестных наводок, также известная под названием «векторизованная VDSL2», обеспечивает высокие скорости сквозной передачи, повышая производительность VDSL2 за счет снижения помех со стороны других медных пар в одной связке кабелей. В результате повышается пропускная способность, увеличивается дальность связи и как следствие растет число абонентов, которых можно подключить к сети. Технология векторизации также обеспечивает разделение каналов в кабеле (с точки зрения помех), за счет чего существенно повышается эффективность управления питанием. Связывание каналов означает объединение нескольких каналов в один и предполагает, что на узле имеется несколько медных линий (обычно так и есть). В ходе демонстрации была достигнута совокупная скорость свыше 0,5 Гбит/с на линии протяженностью 500 м, объединяющей 6 каналов. Стандарты для VDSL2 и связывания каналов уже действуют, а работы по стандартизации векторизации пока идут, и ожидается, что они будут завершены к концу 2009 г. www.russianelectronics.ru

www. elcp.ru

Проектирование СБИС типа СнК. Маршрут проектирования. Топологическое проектирование. Синхронизация и тактовые деревья 1. Часть 2 Владимир Стешенко, к.т.н., начальник отдела, ФГУП «РНИИ КП» Александр Руткевич, генеральный директор, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» Екатерина Гладкова, ведущий инженер, НПП «Цифровые решения» Григорий Шишкин, главный конструктор, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» Алексей Бумагин, к.т.н., руководитель проекта, НПП «Цифровые решения» Алексей Гондарь, инженер, НПП «Цифровые решения» Во второй статье цикла рассматриваются вопросы разработки топологии СБИС типа СнК с учетом как ограничений технологий, так и особенностей архитектуры схемы. Особое внимание уделено вопросам синхронизации схемы. – доработка проекта согласно требованиям производства. В начале разработки топологии ССМ разработчик передает топологу файл после логического синтеза — Verilog нет-лист (*.v), временные ограничения (STA-скрипты), полученные на этапе синтеза ССМ, и ограничения на расположение компонентов проекта (P&R hints) (см. рис. 2). Для упрощения и систематизации процесса проектирования, на этапе разработки топологии вводится дополнительный этап создания физического виртуального прототипа. Физический виртуальный прототип микросхемы — это оценочная модель и предварительный топологический план кристалла микросхемы. Физический виртуальный прототип разрабатывается одновременно с функциональной моделью. На его основе рассчитываются размеры кристалла, уточняются требования к системам электропитания и синхронизации, делаются оценки потребляемой мощности и параметров линии связи. Прототип позволяет достаточно точно детализировать функциональную модель без трудоемкой разработки полной топологии кристалла. Задачей построения физического виртуального прототипа является оценка площади будущего кристалла микросхемы, оценка предварительного топологического размещения блоков, оценка разводки шин питания. При правильном выполнении расчетов при дальнейшем проектировании

топологии не потребуются изменения в первоначальном топологическом плане кристалла и функциональной модели. Если в состав СнК входят аналоговые блоки, то разработку топологии аналоговых блоков и их подключение к цифровой части необходимо осуществлять вручную. Важнейшая задача физического проектирования аналоговых блоков — снижение уровня помех — решается путем уменьшения плотности размещения элементов и сигнальных связей. Для трассировки используются только два-три слоя металлических соединений (металлов), на остальных слоях металлов размещают экраны и шины питания. Снижение подложечных шумов достигается введением охранных колец, соединенных (заземленных) с подложкой. Охранные кольца должны окружать каждый транзистор и каждый аналоговый блок [3,4]. Отдельное внимание стоит уделить толщине проводников, соединяющих элементы СнК. Тонкие проводники имеют большое сопротивление и вносят существенный вклад в задержку сигнала. Для длинных связей используется обратное масштабирование проводников — чем длиннее проводник, тем он шире. Правила выбора ширины рассчитываются из требуемого быстродействия линий связи и удельных параметров проводников. Для выравнивания задержек по сигнальным шинам используется буферизация с использованием регенераторов сигналов.

Первая часть была опубликована в ЭК № 1 2009 г.

электронные компоненты №3 2009

61 ПЛИС и СБИС

Целью топологического проектирования СБИС типа СнК является создание комплекта исходной информации и разработка сопроводительной документации, необходимой для производства кристалла на микроэлектронной фабрике. В процессе проектирования топологии основными критериями являются площадь предполагаемого кристалла, от которой зависит себестоимость производства микросхем на фабрике, и его быстродействие. На рисунке 1 представлен маршрут проектирования топологии СБИС. Далее мы рассмотрим основные этапы проектирования и верификации топологии СБИС. Для конструкторско-технологического проектирования топологии СБИС СнК используется специализированное программное обеспечение SoC Encounter, Olympus-SoC. Этапы разработки топологии можно свести к следующим: – импорт исходного списка цепей (Verilog net-листа); – задание временных ограничений (STA-скриптов); – задание ограничений на расположение компонентов проекта (P&R hints); – подключение к проекту технологических библиотек и СФ-блоков; – размещение компонентов проекта и шин питания и «земли» (floorplan); – размещение стандартных ячеек библиотеки фабрики (place); – трассировка сигнальных цепей (nanoroute);

Рис. 1. Маршрут разработки топологии

ПЛИС и СБИС

Рис. 2. Разработка топологии

Рис. 3. Пример Н-дерева — цепи распределения тактовых импульсов для 16 узлов-листьев

Специальные правила используются для линий связи аналоговых и высокочастотных сигналов. Обязательно экранирование сигнальных проводников шинами питания. Высокочастотные сигналы необ-

ходимо передавать по двум проводникам с противофазными уровнями напряжения. Для высокоскоростных цепей требуется согласование импедансов приемников, передатчиков и линий связи.

www. elcp.ru

Расфазировка и дрожание тактовых импульсов в цифровых схемах — серьезные проблемы, способные ограничить быстродействие цифровой системы. Поэтому цепь тактовых импульсов проектируется так, чтобы влияние обоих факторов было минимальным. Особое внимание уделяется рассеянию мощности. В большинстве высокоскоростных цифровых схем основным источником рассеяния мощности является цепь разводки тактовых сигналов. Для снижения рассеяния необходимо предусмотреть возможность выключения фрагментов цепи тактовых импульсов. Подобная селекция дополнительно увеличивает неопределенность тактовой частоты. При выборе структуры цепи тактовых импульсов доступно много степеней свободы, в т.ч. можно выбирать тип материалов проводников, топологию и иерархию схемы, относительные размеры проводов и буферов, время нарастания и спада, а также секционирование емкостей нагрузки. Схемы цепей тактовых сигналов обычно включают цепь, которая применяется для доставки глобального опорного сигнала в различные части кристалла и в последний каскад, отвечающий за локальное распределение тактовых сигналов с учетом локальных колебаний нагрузки. В большинстве схем распределения тактовых сигналов абсолютная задержка распространения от центрального источника тактовых импульсов несущественна, значение имеет лишь разность фаз между двумя синхронизируемыми точками. Следовательно, одним из наиболее распространенных подходов к распределению тактовых сигналов является использование сбалансированных путей (деревьев). Наиболее распространенным типом схемы распределения тактовых импульсов является Н-дерево (см. рис. 3). В первую очередь тактовый сигнал подается в центр кристалла. Затем по сбалансированным путям, включающим согласованные соединения и буферы, в различные узлы-листья распространяется эталонный сигнал. В идеальном случае, если путь отлично сбалансирован, расфазировка тактовых импульсов равна нулю. Хотя на распространение сигнала от центральной точки к каждому конечному узлу может требоваться несколько тактов, на все узлы тактовые сигналы поступают одновременно. В реальности из-за разбросов процесса и условий окружающей среды в схеме возникают расфазировка и дрожание. Конфигурация «Н-дерево» применяется в схемах, основанных на регулярных структурах, где все элементы идентичны и разводку тактового сигнала можно сделать в виде двоичного дерева. Описанную концепцию можно обобщить в согласованных RC-деревьях — компоновочном

плане, позволяющем так распространить тактовые сигналы, чтобы межсоединения, по которым проходят тактовые сигналы к функциональным субблокам, имели одинаковую длину. Таким образом, общий подход не предполагает наличие правильной физической структуры. Альтернативный подход к распределению тактовых сигналов представляет сетчатая структура, показанная на рисунке 4. Сети обычно используются в последнем каскаде цепи разводки тактовых импульсов для распределения тактовых сигналов синхронизируемым локальным нагрузкам. Данный подход полностью отличается от подхода с использованием сбалансированных RС-деревьев. Основное отличие заключается в том,

Рис. 4. Сетчатые структуры распределения тактового сигнала

ПЛИС и СБИС

Рис. 5. Фрагмент цепи тактовой синхронизации СнК ДЦТС (увеличено)

Рис. 6. Усиливающие буферы и элементы задержек, входящих в цепь тактовой синхронизации СнК ДЦТС (увеличено)

www. elcp.ru

что задержки оконечного усилителя, вызванные всеми нагрузками, не согласовываются. Вместо этого минимизируется абсолютная задержка в предположении, что размер сетки мал. Основным достоинством подобной сетчатой структуры является то, что она позволяет вносить в проект изменения на более поздних стадиях разработки, поскольку тактовый сигнал легко провести в любую точку кристалла. Благодаря этому происходит сравнительно большое рассеяние мощности, поскольку структура имеет много лишних межсоединений. Как правило, цепь тактовой синхронизации сложных СнК проектируется в виде древовидной структуры. Но в отличие от «классических» согласованных RC-деревьев, синхронизации добиваются не выравниванием длины проводников цепи (что затруднительно в сложных проектах), а согласованием задержек, возникающих при прохождении тактовых импульсов до потребителей, расположенных в различных местах кристалла. Разводчик автоматически определяет наиболее длинную цепь, и, вводя дополнительные усиливающие буферы и элементы задержки (имеются в библиотеке элементов) в более короткие цепи, добивается синхронного прихода тактовых импульсов. На рисунке 5 представлена часть цепи тактовой синхронизации СнК демодулятора цифрового телевизионного сигнала (ДЦТС), разработанного НПП «Цифровые решения». На рисунке 6 схематично изображены усиливающие буферы и элементы задержек. Цветом показано увеличение задержки сигнала, проходящего через буфер, относительно опорного тактового сигнала, который подается на вход. С увеличением яркости задержка увеличивается. Распределение тактового сигнала необходимо рассмотреть на начальных фазах разработки сложной схемы, поскольку это может повлиять на форму компоновочного плана кристалла. Если игнорировать цепь разводки тактовых сигналов на ранних фазах проекта и рассматривать ее только в конце цикла разработки, когда основная часть топологии кристалла уже зафиксирована, возникнут неоптимальные цепи разводки тактовых импульсов и множество временных условий, которые снижают быстродействие конечной схемы. При внимательном планировании можно избежать многих подобных проблем, и распространение тактовых сигналов становится вполне управляемой операцией. Основная сложность при проектировании цепей тактового сброса возникает на этапе схемотехники. Для синхронизации сигналов сброса всех субблоков проектируемого устройства и соблюдения минимального интервала време-

ни между приходом переднего фронта тактового импульса на вход триггерного элемента и моментом изменения сигнала на входе этого элемента используется конвейерная прокладка цепей сброса. При ней сигнал сброса подаётся на отдельные СФ-блоки СнК через триггерные элементы, что обеспечивает синхронный сброс всех СФ-блоков СнК, несмотря на разные пути к ним эталонного сигнала. При топологическом проектировании возможно равномерное размещение вспомогательных триггеров и усилительных буферов по площади всего кристалла, однако это является не обязательной процедурой и проводится только в исключительных случаях, когда разводчик не справляется со сложными схемами в автоматическом режиме и полученная топология кристалла не удовлетворяет требованиям ТЗ. Большинство СФ-блоков, реализованных в системе на кристалле, разрабатывается традиционным способом, не учитывающим сложную структуру проекта. Однако если они состоят из миллионов логических вентилей, то это может привести к ограничениям на память и к большому времени запуска. В связи с этим используется иерархический подход для уменьшения времени разработки больших проектов. Такие проекты можно разделить на более простые части; каждая часть может быть независимо привязана к различным группам проекта, которые разрабатываются независимо одна от другой. Методика разработки

Создание сложного проекта можно разделить на три основных этапа: планирование кристалла, реализация и сборка кристалла. 1. Планирование кристалла — разделение на блоки, которые реализуются отдельно. 2. Реализация состоит из двух подэтапов — реализация каждого блока и реализация верхнего уровня, основанная на временных моделях и абстракциях блоков в проекте. 3. Сборка кристалла — соединение блоков в итоговом кристалле. В соответствии с данной методикой имеются следующие способы выделения площади под отдельные части: «сверхувниз» и «снизу-вверх». Первая методика обычно состоит из этапов планирования «сверху-вниз», реализации и сборки кристалла. Такую методику используют для создания иерархической, или верхнеуровневой, топологии из общей топологии, основанной на отмеченных модулях. В данном подходе расположение блока или части зависит от его размеров, формы и размещения входных/выходных контактов.

сит от размера, формы и распределения выводов для блоков проекта. Сначала реализуется каждый блок в отдельности. В процессе реализации можно выделить прямоугольные и непрямоугольные площади под каждый блок. Происходит назначение и расположение выводов каждого блока. После блочной реализации создаются абстракции каждого блока, используемые в реализации верхнего блока. В подходе «снизу-вверх» создается топология верхнего блока проекта, в которой использованы абстракции внутренних. Сборка кристалла реализуется практически так же, как и в подходе «сверхувниз», т.е. объединяется информация по net-листу и разводке как каждого блока, так и верхнего. Трудозатраты на создание топологии, зависят от текущего уровня прототипирования проекта. Создание топологии кристалла начинается с загрузки текущего проекта и изучения его внутренней структуры и связей. Для создания общей топологии кристалла нужно создать минимальное число внутренних топологий, или их создание вообще может не понадобиться. При просмотре общей топологии кристалла объекты, расположенные слева от ядра, являются модулями верхнего уровня, их можно двигать и изменять их форму, а справа находятся блоки, которые можно двигать, не изменяя их форму. Можно посмотреть субмодули в иерархии каждого модуля в отдельности. На топологии общего вида (см. рис. 7) выделяются контакты, шины питания и соединения блоков между собой, после чего отображаются соединительные линии, а также число этих связей между выделенным блоком и остальными (см. рис. 8). Соединительные линии помогают сориентировать блоки таким образом, чтобы показать их контакты в направлении наименьшей плотности разводки. Трассировка сигнальных цепей производится автоматически при разводке кристалла. Однако в некоторых случаях

Рис. 8. Квадратурный демодулятор и его соединительные цепи, идущие на контактные площадки и другие СФБ, входящие в СнК ДЦТС

Рис. 7. Общий вид топологии СнК ДЦТС

возможно ручное редактирование сигнальных цепей: добавление, удаление, перенос в другой слой, объединение нескольких цепей, перемещение сигнальной цепи, увеличение ширины цепи. Пример трассировки сигнальных цепей СнК ДЦТС показан на рисунке 9. Трассировка выполнялась автоматически. Проводники, расположенные в различных слоях металла, изображены различными цветами. Трассировка цепей питания

Цепи питания проекта (см. рис. 10) разделяются на глобальные (электропитание ядер) и электропитание вентилей, называемое электрообвязкой. Глобальные цепи питания определяются оценкой потребления тока IP-ядер (например, память) и стандартных вентилей, что влияет на ширину колец цепей питания и число контактных площадок цепей питания. Электрообвязка — важная часть обычной области кристалла. Как правило, стандартные области кристалла являются слишком большими, чтобы гарантировать достаточное электропитание только через магистральные цепи питания. В зависимости от длины цепи питания, тактовой частоты, сопротивления шин питания и других параметров падение напряжения или увеличение потребления тока могут произойти по всей длине проводника. Чтобы предотвратить эти эффекты, следует руководствоваться следующи-

Рис. 9. Сигнальные цепи СнК ДЦТС

электронные компоненты №3 2009

65 ПЛИС и СБИС

Планирование кристалла в данной методике начинается с загрузки текущего проекта в среду разработки. Следующим шагом является ручное предварительное расположение всех модулей, которые станут отдельными частями, или «черными ящиками», и запуск трассировщика цепей питания. Затем необходимо определить модули и «черные ящики», которые станут частями кристалла. При этом можно задать размеры этих частей. Также, если необходимо, можно вставить буферы в каждую из частей для защиты электрических цепей. Запускается первоначальная разводка, после которой выполняется первичное выравнивание контактных площадок для отдельной части. В соответствии с назначенными видами происходит перегенерирование связей, после чего необходимо сбалансировать временные модели для блоков. Для каждого блока создается собственная директория, в которую записываются netлист, топология и различные ограничения. Для верхних уровней также создается своя директория, содержащая net-лист, топологию, простую временную модель и физическую абстракцию для каждой части проекта или черного ящика. После планирования кристалла осуществляется этап реализации каждого блока, которая проходит на основе ограничений по размеру и времени, а также расположению выводов, которые были определены на предыдущем этапе. В итоге получаем абстракции блоков, временные модели, DEF-файл, GDSIIфайл каждого блока, которые необходимы для реализации верхнего уровня и сборки кристалла. Следующим шагом является реализация верхнеуровневых проектов с помощью данных о модели блока (LEF-файл), временной, энергетической и шумовой модели. Сборка кристалла — последний этап в подходе «сверху-вниз», состоящий из объединения информации о верхнем и о внутренних блоках. Методика «снизу-вверх» состоит из этапов реализации и сборки. Топология верхнего уровня в этой методике зави-

няются с кольцами питания. Их максимальная токовая нагрузка около 50 мА. Основываясь на необходимости потребляемого тока устройства, вычисляется количество контактных площадок цепей питания, которые располагаются рационально с учетом необходимости в блоках. Во время разводки цепей питания необходимо проверять длину проводников, так чтобы падение напряжения не превышало 0,1 В. В противном случае необходимо добавлять усилительные буферы и подключать к шинам питания дополнительные контактные площадки. При разработке СнК ДЦТС были получены шины питания, представленные на рисунке 11 (общий вид). На рисунке 12 показано подключение шин питания к контактным площадкам. Таким образом, мы рассмотрели особенности проектирования топологии СБИС типа СнК. В следующей статье цикла мы рассмотрим вопросы верификации топологии СБИС и ее подготовки к производству.

Рис. 10. Цепи питания в кристалле

ПЛИС и СБИС

Рис. 11. Цепи питания в кристалле СНК ДЦТС

Рис. 12. Цепи питания в кристалле СНК ДЦТС (увеличенный фрагмент)

ми принципами для проектирования ячеек питания. 1. Установка электропар на краях и внутренних частях ячеек. Вначале и в конце стандартной ячейки всегда добавляется электропара — земля и питание (Vdd и Vss). Рекомендуется всегда проводить оба проводника рядом вокруг области кристалла, которую они питают. 2. Выбор ширины цепи питания. Выбор правильной ширины цепи питания всегда взаимосвязан с числом проводников, которые необходимо разместить. Чем шире проводники, тем меньше их требуется. Снижение числа проводников меньше необходимого минимума приводит к ухудшению энергообеспечения области между ними. Большое число проводников усложняет работу разводчика и увеличивает время топологического проектирования. Выбор правильной ширины цепи питания является эмпирическим. Но она должна равняться как минимум двой-

ной ширине стандартной ширины цепи питания вентиля. Для основных шин питания анализируется потребление тока на IP-ядрах (например, память) и стандартных вентилях, что влияет на ширину колец цепей питания и число контактных площадок цепей питания. В зависимости от технологии нанесения металлических слоев максимальный ток, проходящий через сечение проводника, может измениться в пределах 0,5...1 мА/мкм в первом слое металлизации (metal1). Ток в 0,8 мА/мкм может использоваться как основное значение. Поскольку толщина проводников в верхних слоях металлизации больше, их максимальные нагрузочные способности немного выше. В библиотеке имеются две контактных площадки для соединения колец цепей питания с ними. Контактная площадка PVDB присоединяет к ядру питание, а PVOB — землю. Оба соединения имеют размер 62,5 мкм и в третьем слое металла (metal3) соеди-

www. elcp.ru

Литература 1. Стешенко В.Б., Руткевич А.В., Бумагин А.В., Гулин Ю.Ю., Воронков Д.И., Гречищев Д.Ю., Евстигнеева Е.В., Синельникова М.В. Опыт разработки СБИС типа СнК на основе встроенных микропроцессорных ядер, Компоненты и технологии, 2008, № 9. 2. В. Немудров, Г. Мартин. Системы-накристалле. Проектирование и развитие. — М.: Техносфера, 2004. 3. Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования, 2-е издание.: Пер. с англ. — М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2007. 4. H. Chang, L. Cooke, M. Hunt, et al, Surviving the SOC revolution: A guide to platform-based design, Norwell. MA: Kluwer, 1999. 5. А. В. Бухтеев. Методы и средства проектирования систем на кристалле, Chip news, 2003 г., №4, стр. 4—14. 6. N. H. Weste, K. Eshraghian, Principles of CMOS VLSI design. A systems perspective, AddisonWesley publishing company, 1994. 7. S. Rubin, Computer aids for VLSI design, Addison-Wesley publishing company, 1994. 8. A. P. Chandrakasan, R. W. Brodersen, Low power digital CMOS design, Kluwer Academic publishers, 1998. 9. A. P. Chandrakasan, W. J. Bowhill, F. Fox, Design of high-performance microprocessors circuits, IEEE Press, 2001. 10. A. S. Abidi, P. G. Gray, R. G. Meyer, Integrated circuits for wireless communications, IEEE Press, 1999. 11. R. Doering, Y. Nishi, Limits of integrated circuit manufacturing, Proceedings of the IEEE, v. 89, №3, 2001, p. 375—393. 12. R. E. Bryant, K.-T. Cheng, A. B. Kahng, et al, Limitations and challenges of computer-aided design technology for CMOS VLSI, Proceedings of the IEEE, v. 89, №3, p. 341—362, 2001.

ЦИФРОВАЯ ШКАЛА РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА С АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ Александр Губа, к.т.н., доцент, зав. кафедрой электроники и микропроцессорной техники ДагГТУ, руководитель исследовательского центра СЭЭТ Артур Керимов, старший преподаватель, инженер исследовательского центра СЭЭТ ДагГТУ В статье проведен анализ вариантов построения цифровой шкалы радиоприемного устройства с амплитудной модуляцией. Описан пример схемной реализации отдельных функциональных узлов, выполненных на основе компонентов средней степени интеграции.

беспроводные технологии

Удобство эксплуатации электронных устройств достигается во многом благодаря набору сервисных узлов, которые дают представление как о состоянии всего устройства, так и об отдельных его параметрах. Не исключение и приемное устройство с амплитудной модуляцией радиовещательного диапазона, одним из сервисных узлов которого является измеритель частоты радиостанции, более известный под названием «цифровая шкала». Процесс измерения частот принимаемых радиостанций предполагает выделение несущей частоты станций из спектра амплитудно-модулированных колебаний, поступающих на вход радиоприемного устройства, но поскольку параметры сигналов имеют существенные отличия, нужно нормализовать их по амплитуде, достаточной для функционирования цифровой шкалы. Такой метод вполне осуществим, но требует дополнительных схемотехнических затрат, которые приводят к увеличению стоимости функционального узла. При косвенном методе измерения частоты радиостанции в радиоприемном устройстве измеряется не несущая частота входного сигнала, а частота гетеродина смесителя (в случае двойного преобразования частоты — гетеродина первого смесителя), который характеризуется высокой стабильностью параметров во всем диапазоне рабочих частот, но его частота отличается от несущей на величину промежуточной частоты радиоприемного устройства. Из-за разности частот гетеродина и сигнала на входе радиоприемного устройства получение реального резуль-

Рис. 1. Структурная схема цифровой шкалы

www. elcp.ru

тата измерения достигается двумя вариантами. В случае если частота гетеродина меньше, чем частота входного сигнала, к полученному результату измерения следует добавить значение промежуточной частоты, но если частота гетеродина больше частоты входного сигнала, из результата измерения вычитается значение промежуточной частоты. Таким образом, цифровая шкала радиоприемного устройства представляет собой частотомер, измерение частоты в котором в ряде случае может начинаться не с нулевого значения, а с некоторой величины, определяемой выбранным вариантом. Представляемая цифровая шкала предназначена для работы с гетеродином [1], у которого частота колебаний выше несущей на значение промежуточной частоты, равной Fпр = 455 кГц. Есть два алгоритма вычитания этих частот. Первый в процессе счета предполагает обнуление пересчетного устройства частотомера по мере того, как достигается величина, соответствующая значению промежуточной частоты, а затем процесс продолжается с нулевого значения до полного завершения цикла счета. В этом случае информация, накопленная в пересчетном устройстве, представляет значение несущей частоты радиостанции. Но такой способ требует дополнительных аппаратных затрат, что усложняет схемотехнику устройства и, кроме того, из-за временного интервала, необходимого для обнуления пересчетного устройства, возникает переменная по величине систематическая погрешность. Величина погрешности зависит от частоты гетеро-

дина и достигает своего максимального значения при его наибольшей частоте. Второй способ лишен отмеченных недостатков, т.к. в этом случае для предустановки пересчетного устройства нужно использовать разность между максимально возможным объемом информации в пересчетном устройстве и значением промежуточной частоты. В процессе цикла счета при полном заполнении пересчетного устройства, что соответствует значению промежуточной частоты, устройство автоматически обнулится, а последующая записанная информация будет соответствовать значению несущей частоты принимаемой радиостанции. Проведенный анализ способов вычитания частот дает основание полагать, что второй способ является наиболее целесообразным. Это и определило его использование при разработке алгоритма функционирования цифровой шкалы радиоприемного устройства, структурная схема которой приведена на рисунке 1. В цифровую шкалу входит генератор опорной частоты, выход которого соединен с входом распределителя, предназначенного для формирования сигналов управления функциональными узлами, также входящими в состав устройства. В свою очередь, измеряемая частота с выхода гетеродина через коммутатор подается на вход счетчика, выполняющего в схеме функции пересчетного устройства, а с выхода счетчика через буферный регистр и дешифратор информация поступает на блок индикации для отображения текущего результата измерения.

Работа цифровой шкалы происходит по определенному циклическому алгоритму. На первом этапе следует обнуление счетчиков пересчетного устройства, затем производится их предварительная установка, т.е. запись в счетчики исходного кода, с которого требуется продолжить счет. Далее измеряется частота гетеродина, и результат измерения записывается в буферный регистр с последующим переносом информации в блок индикации. После этого следует возврат к началу алгоритма. Таким образом, процесс измерения частоты гетеродина длится в течение 10 мс, а отображение текущего результата измерения — в течение 40 мc. Схемотехника цифровой шкалы, работа которой основана на приведенном алгоритме, допускает возможность реализации практически на любой элементной базе, включая компоненты со средней степенью интеграции, микроконтроллеры, ПЛИС, а также различные элементы индикации. Тем не менее при выборе элементной базы необходимо учитывать не только функциональные возможности и параметры, но и экономическую целесообразность применения. В авторском варианте за основу взяты широко распространенные компоненты средней степени интеграции с отображением информации на индикации статиче-

ского типа. Выбор обоснован наличием у используемых компонентов требуемых функций, а также их низкой стоимостью и высокой надежностью. Фрагмент схемы цифровой шкалы, состоящей из генератора опорной частоты, распределителя и коммутатора, реализованной на компонентах средней степени интеграции, приведен на рисунке 2. Генератор опорной частоты состоит из задающего генератора на компоненте D1 и делителя частоты на компонентах D2 и D3. В цепи положительной обратной связи инверторов D1.1 и D1.2 типа 74HCT04 включен кварцевый резонатор с частотой 512 кГц. Дальнейшее уменьшение частоты задающего генератора до получения требуемого значения 100 Гц выполняется двоичным счетчиком D2 типа CD74НСТ4040 с коэффициентом деления равным 512 и двоичнодесятичным реверсивным счетчиком D3 типа 74LS192, функционирующим в режиме накопления информации. Выбор компонента типа CD74НСТ4040 неслучаен и обусловлен тем, что он является двенадцатиразрядным счетчиком с частотой переключения не ниже 20 МГц [3], но на электрической схеме (см. рис. 2) неиспользованные выводы компонента условно не показаны. В данном применении для получения необходимого коэффициента деления

электронные компоненты №3 2009

69 беспроводные технологии

Величина выходной частоты опорного генератора выбрана исходя из условий значения максимальной частоты гетеродина, составляющей 22,315 МГц, что соответствует 13-м поддиапазону коротковолнового диапазона, и полосы вещания радиопередающих станций с амплитудной модуляцией, не превышающей 10 кГц [2]. Поэтому для настройки радиоприемника на желаемую станцию достаточно выполнять измерение частоты гетеродина с точностью до 1 кГц. Эти же условия определяют начальную разрядность счетчика, буферного регистра и блока индикации, в котором необходимо отображать пятизначное число. Однако на практике при неизменной частоте гетеродина возникает нежелательный эффект периодического изменения показаний в младшем разряде блока индикации. Этот эффект обусловлен инструментальной погрешностью ±1 младшего разряда накопительного устройства, которая характерна для метода последовательного счета, положенного в основу функционирования пересчетного устройства. Одним из возможных вариантов устранения этого эффекта является измерение частоты с точностью до 100 Гц (что влечет за собой увеличение разрядности пересчетного устройства), но отображение результата измерения с точностью до 1 кГц.

Рис. 2. Схема генератора опорной частоты, распределителя и коммутатора

беспроводные технологии

с учетом частоты кварцевого резонатора использованы всего лишь девять разрядов, но счетчик предоставляет расширенные возможности для выбора кварцевых резонаторов с иными частотами. Последовательные колебания с частотой 100 Гц с выхода генератора опорной частоты поступают на вход распределителя сигналов, реализованного на компонентах D4 типа HEF4516, представляющего собой двоичный счетчик D5 типа CD4028 (двоичнодесятичный дешифратор), и инверторах D6.1 и D6.2 типа 74НСТ00. Пересчетное устройство цифровой шкалы (см. рис. 1) выполнено на двоичнодесятичных счетчиках, вход C у которых выполняет двойную функцию. Он предназначен для обеспечения записи информации в цикле предустановки, но и является входным для измеряемой частоты в цикле счета. Разнесением во времени выполнения этих функций управляет, в т.ч., и компонент D7 типа AD719, являющийся двухпозиционным аналоговым коммутатором с дискретным переключением и максимальной частотой канала fmax = 200 МГц [4]. В приведенной схеме в цикле предустановки коммутатор подключает выход элемента D6.4 к входу C счетчика, а в цикле счета в течение 10 мс обеспечивает соединение входа C с выходом гетеродина. Авторская конструкция цифровой шкалы модульного типа, в которой каждый функциональный узел расположен на отдельной печатной плате, изготовлена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Электрическая связь между узлами осуществляется посредством проводов. Чтобы устранить влияние

www. elcp.ru

цифровой шкалы на каскады радиоприемного устройства, шкала была помещена в защитный экран из латуни толщиной 0,5 мм. Габариты шкалы с учетом экрана составляют 88×58×32 мм. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В качестве основной задачи при проектировании цифровой шкалы ставилось создание устройства с заданными функциями на основе элементной базы средней степени интеграции. Были апробированы различные варианты схемной реализации функциональных узлов устройства, особое внимание при этом было уделено генератору опорной частоты как функциональному узлу, способному внести наибольшую погрешность в процессе измерения частоты гетеродина. В предлагаемой схеме применен кварцевый резонатор с частотой 512 кГц, но введенный в схему конденсатор C1 позволяет проводить коррекцию (затягивание) частоты в пределах ±20 кГц, поэтому положительные результаты были получены и с другими кварцевыми резонаторами, в частности, с частотами 500 кГц и 530 кГц. Возможное появление колебаний высших гармоник легко устранить путем подключения конденсатора емкостью 5…10 пФ между выводом 1 элемента D1.1 и общей шиной. Наличие в схеме двенадцатиразрядного счетчика CD74HCT4040, у которого использованы только девять разрядов, не является избыточным, т.к. все разряды размещены в одном корпусе компонента. Но при этом появляется возможность применения кварцевых резонаторов с частотами, которые совпадают с имеющимися дополнительными коэффициентами деления счетчика.

Пересчетное устройство отличается некоторой универсальностью, преду сматривающей изменение кода предустановки, что предполагает функционирование цифровой шкалы в составе радиоприемных устройств и с другими значениями промежуточной частоты. Алгоритм работы можно несколько упростить, исключив цикл обнуления счетчиков пересчетного устройства. Но авторы руководствовались одним из правил разработчика, в соответствии с которым обнуляется все, что подлежит обнулению. Очевидным недостатком цифровой шкалы авторского варианта является относительно большая потребляемая мощность, основная часть которой приходится на блок индикации, что несколько ограничивает области ее применения. Есть разные варианты улучшения этого параметра, предполагающие работу блока индикации в динамическом режиме или же замену светодиодных индикаторов на жидкокристаллические с известными схемотехническими дополнениями. Однако авторы изначально рассматривали введение шкалы в состав радиоприемного устройства с сетевым источником электропитания, в котором требования к потребляемой мощности не являются определяющими. ЛИТЕРАТУРА 1. Губа А.В. Стабилизация амплитуды напряжения гетеродина радиоприемного устройства//Электронные компоненты, №4, 2008, с. 88—92. 2. Straw R.D. The ARRL Handbook. The Standard in Applied Electronics and Communications. The American Radio Relay League, 1998. 3. www.ti.com 4. www.analog.com

Сетевые стандарты беспроводных сетей с малым энергопотреблением Ник ван Дирдонк (Niek Van Dierdonck), вице-президент отдела стратегий и управления продукцией, Greenpeak В статье рассматриваются стандарты беспроводных технологий Bluetooth, Wi-Fi и ZigBee с точки зрения их пригодности для использования в сетях датчиков. Поскольку в силу ряда причин ни один из них полностью не годится для использования в беспроводных датчиковых сетях, предлагается частный стандарт для использования в подобных сетях.

Сравнение технологий Wi-Fi, Bluetooth и IEEE 802.15.4

Опыт показывает, что в успешном продвижении технологии на глобаль-

ном рынке стандарты играют очень важную роль. Этот вывод справедлив и в отношении беспроводной интернеттехнологии Wi-Fi, или IEEE 802.11 a/b/g/n/, a также Bluetooth, которая основана на стандарте IEEE 802.15.1. Это утверждение распространяется и на сенсорные сети, работающие под управлением стандарта IEEE 802.15.4 (a/b) (Working Group for Wireless Personal Area — рабочая группа по беспроводным персональным сетям), который был принят в 2003 г. Эти технологии предназначены для разных приложений. Wi-Fi была разработана в качестве альтернативы проводной связи Ethernet для ПК и используется в сетях с высокой скоростью передачи с топологией «звезда». Для достижения высоких скоростей в локальных сетях требуется достаточно большое энергопотребление, обычно получаемое от батарей ноутбуков. Скорость передачи данных быстро падает по мере увеличения расстояния от базовой станции. Технология Bluetooth активно используется в мобильных телефонах — с ее помощью аппарат связывается с науш ником, GPS-устройством и ноутбуком. Предусмотренная скорость в 1 Мбит/с вполне подходит для передачи голоса, но, по крайней мере, на порядок ниже скорости технологии Wi-Fi. В свою очередь, энергопотребление ниже, в большинстве случаев источником питания является аккумулятор мобильного телефона. Диапазон связи Bluetooth также меньше, чем у Wi-Fi, т.к. обычно наушник, ноутбук и GPS-устройство находятся рядом с телефоном. Параметры сетей датчиков совершенно другие, особенно это касается потребляемой мощности: во многих случаях датчики должны работать в течение ряда лет, питаясь от плоского круглого аккумулятора, солнечной батареи или от вибрационного микрогенератора. Эти источники питания не перезаряжаются, как батареи ноутбука или мобильного телефона.

К сетям датчиков предъявляются и другие специфические требования: надежность, диапазон связи, большое количество узлов, поддержка которых может потребоваться в изолированной сети, а также организация автоматической сети. В то же время допускаются относительно низкие скорости передачи, т.к. большинство датчиков генерирует небольшое количество данных, которые, к тому же, поступают в прерывистом режиме. Для сенсорных трансиверов, пожалуй, единственным стандартом является спецификация IEEE 802.15.4. Ее первая версия была утверждена в 2003 г., а обновление последовало в 2006 г. Несколько поставщиков предлагает чипы-трансиверы с минимальными возможностями реализации этого стандарта. Другие поставщики предлагают дополнительные устройства, применяемые в отдельных приложениях. Например, трансивер GP-2000 компании GreenPeak обладает функциями по снижению потребления, которые оптимизированы для работы в системах с питанием от плоских круглых аккумуляторов и безбатарейных системах. В табл. 1 представлены основные параметры стандарта IEEE 802.15.4 и проводится его сравнение с Bluetooth. Были предприняты определенные усилия для того, чтобы использовать Bluetooth и Wi-Fi в сенсорных приложениях. В обоих случаях эти технологии применялись по сути с нарушением принципов IEEE 802.15.4.

Рис. 1. Базовая архитектура беспроводной сенсорной системы

электронные компоненты №3 2009

71 Сети и интерфейсы

Введение

Несмотря на активное развитие беспроводных технологий, организации, занимающиеся стандартизацией, и поставщики технологий пока не приняли мер, направленных на удовлетворение требований со стороны быстрорастущего числа решений и технологий. Многие компании внесли свой вклад в общую неразбериху, не потрудившись определить возможности своих приложений. Конечным пользователям и системщикам стандартизация требуется по многим причинам, к которым относятся совместимость с действующими во всем мире правилами, способность к взаимодействию с другими брендами, возможность замены производителей, ценовая конкуренция и использование больших ресурсов данных. Но существует и еще одно соображение. Разработка некоторых технологических компонентов обходится настолько дорого, что их рентабельно производить только большими объемами. Это, в свою очередь, означает, что необходимость в глобальном рынке становится первостепенной. Стандарты позволяют сделать продукцию узнаваемой и увеличить объемы ее продаж. Базовая архитектура беспроводной сенсорной системы состоит из трех уровней (см. рис. 1). Беспроводной трансивер преобразует цифровую информацию в электромагнитный сигнал, который транслируется передатчиком по беспроводной сети и восстанавливается на стороне приемника. В беспроводных сетях предыдущего поколения трансмиттер работал только на передачу, а ресивер — на прием. В настоящее время для повышения надежности и производительности системы сетевые устройства сочетают передающую и принимающую функции.

Рис. 2. Наиболее известные стандарты сетевого стека

В настоящее время принято считать, что IEEE 802.15.4 является наилучшим решением для беспроводных датчиковых сетей. Не все поставщики технологий придерживаются этого стандарта. Некоторые из них создали собственные трансиверы для того, чтобы уменьшить сложность системы и ее стоимость. Время покажет, смогут ли эти частные разработки достичь тех объемов продаж, которые действительно привели бы к снижению стоимости решения. Более того, упрощение устройства обычно сопровождается снижением производительности, что в итоге ограничивает диапазон применения этих приложений. Сетевой стек ПО

Сети и интерфейсы

Сетевой стек ПО формирует и поддерживает сеть. Стеки беспроводной сети, в частности, поддерживают беспроводное соединение между узлами, качество которого непрерывно меняется. Например, в приложениях по автоматизации зданий следует учитывать, что перемещение людей между узлами сети может существенно повлиять на качество канала передачи данных. Таким образом, сетевой стек должен учитывать возможность исчезновения каналов в любой момент, с тем чтобы своевременно изолировать узел или даже целую ветвь сети. При появлении помех набор сетевого ПО должен изменить маршрут следования данных и установить новые каналы для непрерывной связи между всеми частями сети. Кроме того, стек следит за тем, чтобы связь была надежной и эффективной. В данном случае эффективность означает соответствие реализуемых значений задержки требуемому уровню, а также возможность избежать критических параметров при выборе маршрута. Диапазон требований к беспроводным сенсорным приложениям достаточно широк, поскольку существует необходимость в том, чтобы эта технология связи обладала гибкостью. Одно только обору-

дование не в состоянии обеспечить такую гибкость — требуется программируемый стек, который позволил бы снизить вложенные инвестиции и получить достойную прибыль от более низких объемов продаж. В настоящее время на рынке появляется ряд стандартных сетевых наборов ПО, над другими же ведется работа, причем все они создаются на основе спецификации IEEE 802.15.4 (см. рис. 2). Влияние альянса ZigBee

Альянс ZigBee — независимая организация по поддержке и развитию стандарта, а также по обеспечению взаимной совместимости устройств в рамках IEEE 802.15.4. В нее входит большая группа поставщиков технологий и OEM-компаний. Например, в конце 2007 г. этому объединению удалось завершить работу над спецификацией для двух сетевых стеков: ZigBee и ZigBee PRO. С точки зрения пользователя, стек ZigBee хорошо подходит для работы в домашних сетях, обычно объединяющих от десяти до нескольких сотен устройств. ZigBee PRO — расширенный набор ZigBee, который увеличивает функциональность сетей, например, позволяет их масштабировать и бороться с помехами. Эти возможности делают ZigBee PRO пригодным для больших приложений, например, в сетях торговых зданий. В настоящее время такая функциональность требует большего объема памяти программы, что повышает стоимость и ограничивает применимость ZigBee PRO на многих потребительских рынках. Благодаря постоянному снижению стоимости кремния можно прогнозировать, что большинство приложений перейдет на технологию ZigBee PRO, поскольку разница между стоимостью ZigBee и ZigBee PRO в скором времени станет незначительной. Альянс ZigBee в явной форме не отказывается от поддержки промышленных приложений. Однако ряд больших компаний, занимающихся промышленной авто-

Табл. 1. Основные параметры стандарта IEEE 802.15.4 Параметр Частота Скорость передачи данных, Кбит/с Типичное среднее потребление, мкА Размер сети Радиус действия, м

www. elcp.ru

IEEE 802.15.4 2,4 ГГц/868 МГц/915 МГц 20...250 1 До 65536 устройств 10...100

Bluetooth 2,4 ГГц 1000 5000 До 8 узлов 10...100

матизацией, определил необходимость в дополнительных возможностях, не указанных в списке первоочередных приоритетов ZigBee. К числу таких наиболее важных параметров относятся детерминированная задержка и детерминированная надежность. Задержка — это время, необходимое для передачи сообщения от источника сигнала в пункт назначения. Если источником является программируемый контроллер, а пунктом назначения — компьютер, необходимо установить надежный контроль над временем задержки. Именно поэтому стандарты, явно предназначенные для приложений промышленной автоматизации, используют характеристику спецификации IEEE 802.15.4 Guaranteed Time Slots (гарантированные временные интервалы), суть которой заключается в том, что задержка передачи сообщения известна заранее даже в наихудшем случае. В настоящее время в ZigBee не используется эта характеристика. Функция детерминированной надежности позволяет установить гарантированный канал связи между двумя беспроводными устройствами. Главным препятствием в обеспечении надежности являются помехи от других устройств, работающих в том же частотном диапазоне. В случае с устройствами стандарта IEEE 802.15.4, работающими в полосе 2,4 ГГц, наиболее заметными источниками помех являются Wi-Fi-трансиверы. Большинство источников помех не в состоянии полностью нарушить работу устройств IEEE 802.15.4, однако из-за их воздействия теряются некоторые пакеты, независимо от работы сетевого стека. Чтобы снизить последствия этих потерь, беспроводные стандарты для промышленных приложений обеспечивают механизм равномерного распределения потерянных пакетов по времени. Это позволяет сделать передачу данных более предсказуемой и надежной. Стандарты ISA-100 и Wireless HART

ISA-100 и Wireless HART — два ведущих стандарта беспроводной промышленной автоматизации. ISA-100 — разработка общества ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society). Эта некоммерческая организация специализируется на промышленной автоматизации. Появление стандартной спецификации ISA-100 ожидается в течение 2008–2009 гг. Wireless HART — не полный протокол для промышелнных сенсорных приложений, а дополнение к старому, но очень популярному промышленному (проводному) стандарту на шину. По сути, Wireless HART является альтернативой протокола проводной передачи HART. Поскольку ISA-100 и Wireless HART решают практически одни и те же задачи, недавно появилась идея об их объединении. Первая версия стандарта,

Частные беспроводные технологии

Помимо стандартных беспроводных сенсорных технологий существуют разработки отдельных компаний. Частная спецификация, принадлежащая той или иной компании, не обязательно означает закрытость технологии, но указывает на то, что эта компания контролирует применение своего стандарта, стремясь стать монополистом. Собственные стандарты зачастую создаются для работы с одним приложением или ограниченным рядом приложений. На практике эти технологии разрабатываются намного быстрее стандартных, т.к. отсутствует необходимость в ее утверждении другими компаниями. Частные технологии могут также в чемто превосходить стандартные для ограниченного числа приложений.

Табл. 2. Некоторые характеристики стандартов для коммерческих и промышленных приложений Возможность Технология трансивера

ZigBee IEEE 802.15.4

ZigBee PRO ISA-100 Wireless HART IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4

Поддержка маршрутизации беспроводной сети

Да

Способность работать с очень крупными сетями

Нет

Да

Детерминированная задержка

Нет

Да

Детерминированная надежность

Нет

Да

Встроенные функции обеспечения безопасности

Да

К числу наиболее заметных частных беспроводных технологий для сенсорных приложений относятся Z-Wave и Wavenis компаний Zensys и Cornis соответственно. Z-Wave предназначена для применения в домашних приложениях — максимальное число поддерживаемых узлов составляет 237. Этого количества хватает для организации домашней сети, но не достаточно для коммерческого применения, например, для гостиничных и офисных сетей. Компания Wavenis получила заказ на разработку устройств учета расхода ресурсов. Заключение

Даже в пределах установленных стандартов существует множество модификаций. Например, компания GreenPeak предлагает IEEE 802.15.4-совместимые трансиверы и стеки, обеспечивающие дополнительную функциональность для приложений с ультранизким потреблением.

Эта технология позволяет беспроводным системам получать питание от плоского круглого аккумулятора или из окружающей среды. GreenPeak также разработала маломощную технологию маршрутизации LPR (low power routing), у которой наверняка есть будущее. В LPR-сети устройства, питающиеся от батареи, принимают сообщения от других устройств, расположенных поблизости, и направляют их далее по цепочке связи. Сегодняшние стандарты обеспечивают такие функциональные возможности только для устройств, питающихся от электросетей — они находятся в непрерывной готовности и потребляют значительное количество электроэнергии. Напротив, технология LPR снижает потребление за счет механизма временной синхронизации, позволяющего устройствам выходить из состояния спячки и немедленно устанавливать связь.

73 Сети и интерфейсы

вероятнее всего, не будет обеспечивать возможность взаимодействия между двумя системами, и потребуется сетевой мост — преобразователь. В следующей версии будет определен общий язык. Расширенные промышленные стандарты (см. табл. 2) могут использоваться и в приложениях по автоматизации торговых зданий. В целом они усовершенствованны незначительно, но повышают стоимость, которая ограничивает возможность реализации многих домашних и коммерческих приложений.

электронные компоненты №3 2009

Введение в проектирование систем с пониженным энергопотреблением Дэвид Кац (David Katz), технический специалист, Analog Devices Рик Джентайл (Rick Gentile), технический специалист, Analog Devices

В статье обсуждаются основные аспекты проектирования малопотребляющих систем. Рассматриваются вопросы, связанные с режимами ожидания, проектированием подсистемы памяти, системными тактовыми сигналами и применением часов реального времени, а также организацией питания от интерфейса USB.

Введение

Ни один проект встраиваемой системы не может быть завершен без тщательного анализа потребляемой мощности. Это относится не только к устройствам с питанием от аккумуляторов, но и к любым системам. Потребляемая мощность оказывает влияние на тепловые, массогабаритные и экономические характеристики проводных или беспроводных систем. В этой статье мы рассмотрим различные аспекты, влияющие на рассеиваемую мощность, и способы ее снижения. Мы сосредоточимся на процессоре и окружающей его аппаратной экосистеме, поскольку эти компоненты обычно вносят значительный вклад в суммарную потребляемую мощность. Знания, которые вы почерпнете из этой статьи, не только помогут сократить потребление мощности, но также будут полезны при выборе процессора. Что такое «малая потребляемая мощность»?

Э н е р го с б е р е ж е н и е

Разработчики систем обычно должны учитывать как полное рассеяние энергии, так и пиковое. С одной стороны, время работы аккумулятора определяется расходом энергии, а с другой стороны, аккумулятор должен обеспечивать достаточную мгновенную мощность для удовлетворения пиковых нагрузок. Мы в рамках данной статьи будем использовать термин «рассеяние мощности», поскольку он наиболее часто применяется в электронной индустрии, однако под мощностью мы будем подразумевать как мощность, так и энергию. Что же означает «малая потребляемая мощность»? С точки зрения встраиваемых систем, это понятие весьма относительно. На одном конце шкалы мощностей имеются устройства, рабо-

www. elcp.ru

тающие от часовой батарейки. На другом конце — системы, питающиеся от сети, где также требуется минимизировать потребляемую мощность для устранения издержек, связанных с применением теплоотводов, вентиляторов, стабилизаторов и т.д. Многие современные проекты, от автомобильных магнитол до измерительных плат для промышленных компьютеров, создаются на основе спецификаций, передаваемых разработчикам комплектного оборудования. Чтобы гарантировать совместимость оборудования разных производителей, в этих спецификациях часто прописываются жесткие параметры бюджета мощности. Таким образом, задача снижения потребляемой мощности актуальна не только для мобильных систем или систем с аккумуляторным питанием. Существует ряд способов, которые позволяют варьировать потребление мощности в зависимости от требований, предъявляемых в конкретной поставленной задаче. К ним относятся: – динамическое изменение частоты и напряжения; – грамотная работа с раздельными доменами напряжения питания процессора; – профилирование кода с учетом оптимизации потребления мощности; – использование различных режимов энергопотребления процессора; – учет вклада компонентов в потребляемую мощность на системном уровне. В этой статье мы рассмотрим два последних пункта. Подробное обсуждение остальных вопросов можно найти в источнике, ссылка на который дана в разделе «Литература». Режимы энергопотребления

Во многих задачах имеется сразу несколько рабочих режимов, которые

существенно различаются с точки зрения требований к производительности. Рассмотрим в качестве примера датчик с питанием от аккумулятора, в состав которого входит процессор для встраиваемых систем. Один из периферийных модулей процессора может быть использован для считывания параметров окружающей среды. Вероятен такой сценарий, когда во время сбора этим периферийным модулем определенного количества данных у процессора не будет никаких других задач, и он может отправиться в спящий режим. После того, как периферийный модуль считает достаточное количество данных, процессор входит в полнофункциональный режим, в котором он работает с максимальной скоростью. Процессор также может какое-то время находиться в режиме ультранизкого энергопотребления, в котором данные от датчика не требуются и никаких вычислений производить не нужно. Для выхода из этих режимов пониженного энергопотребления процессор должен получить некоторое пробуждающее воздействие. Оно может быть инициировано внешним сигналом (например, переключением флага) или внутренней деятельностью процессора (например, завершением пересылки в режиме DMA или обнулением таймера). Разные процессоры имеют разные наборы режимов энергопотребления, однако существует ряд распространенных режимов, которые являются общими для многих платформ. К ним относятся: – полнофункциональный (full-on) рабочий режим, – режим сна (sleep) или ожидания (standby), в котором для быстрого восстановления системы на внутреннюю память процессора продолжает подаваться питание, даже когда незадействованные компоненты процессора

обычно варьируется от сотен микроампер до нескольких миллиампер. К этой категории продуктов относятся мобильные телефоны и аксессуары с речевым управлением. В третью категорию попадают системы, которые либо находятся в полнофункциональном состоянии, либо полностью отключены. Примерами таких систем являются портативные мультимедийные плееры, GPS-навигаторы и цифровые фотокамеры. Для подобных устройств срок действия аккумуляторов целиком определяется мощностью, потребляемой в активном режиме. Ток в режиме ожидания в данном случае не важен, поскольку в отключенном состоянии устройство тока не потребляет (за исключением единиц микроампер в случае, если используются часы реального времени). Как и для второй категории, в зависимости от конкретного приложения, значение активного тока потребления может варьироваться от десятков до нескольких сотен миллиампер.

полнофункциональном режиме, с другой стороны: чем ниже ток, тем больше времени затрачивается на возврат в полнофункциональный режим. В данной статье для всей совокупности подобных режимов пониженного энергопотребления мы будем пользоваться термином «режим ожидания». Зачем нам регулярно переводить процессор в режим ожидания и выводить его из этого режима? Очень просто — так мы уменьшим рассеиваемую энергию и продлим срок работы аккумулятора. Во многих режимах ожидания процессор может сохранять весь свой внутренний контекст и содержимое памяти, поскольку на него продолжает поступать питание, однако значение потребляемого тока при этом значительно снижается. Кроме того, процессор может пробуждаться из этого состояния за доли микросекунды, что значительно меньше типичного времени загрузки процессора при холодном запуске. Режим спячки

Ток в режиме ожидания

Режимы ожидания включают в себя разнообразные режимы пониженного энергопотребления, в которых обеспечивается компромисс между потреблением тока, с одной стороны, и временем восстановления системы для работы в

Режим спячки можно рассматривать как крайний случай режимов ожидания. Он представляет особый интерес, поскольку в нем обеспечивается максимальное снижение энергопотребления за счет полного отключения ядра процессора, включая подсистему вну-

75 Э н е р го с б е р е ж е н и е

отключены в целях снижения энергопотребления и – режим спячки (hibernate), в котором для обеспечения максимального снижения энергопотребления возможно отключение питания даже внутренней памяти. Для удобства мы можем разделить малопотребляющие встраиваемые системы на три различные категории. Первая категория — малопотребляющие встраиваемые системы включает в себя устройства, которые постоянно находятся во включенном состоянии. Как правило, в таких системах потребляемый ток должен быть на уровне микроампер, что напрямую ограничивает достижимую производительность. К ним относятся, например, часы и некоторые портативные или имплантируемые медицинские устройства. Ко второй категории относятся системы, которые могут находиться либо во включенном (полнофункциональном) состоянии, либо в режиме ожидания. Для таких систем важны параметры потребления тока как в активном состоянии, так и в режиме ожидания. Значение активного тока потребления процессора может, в зависимости от конкретного приложения, составлять от десятков до нескольких сотен миллиампер. Значение тока в режиме ожидания

электронные компоненты №3 2009

тренней памяти. В отличие от других режимов ожидания, в режиме спячки внутренний контекст процессора не сохраняется, поэтому любая критическая информация, хранящаяся внутри этого устройства (содержимое памяти, регистров и т.д.), перед отключением питания должна быть записана в энергонезависимую память. Однако некоторые процессоры имеют функцию, которая позволяет поддерживать в режиме спячки память SDRAM «живой» даже при отключенном питании ядра. Если перед входом в режим спячки помещать SDRAM в режим саморегенерации и возобновлять управление ею при пробуждении, то контекст системы можно будет вместо энергонезависимой флэш-памяти системы хранить в энергозависимой DRAM. Этот подход позволяет намного сократить время восстановления контекста системы при пробуждении по сравнению с вариантом, когда процессор полностью перезагружает код из энергонезависимой памяти. Преимущества, которые дает применение режимов энергопотребления

Э н е р го с б е р е ж е н и е

Рассмотрим другую характерную ситуацию, в которой применение различных режимов энергопотребления процессора может давать существенное изменение в потребляемой мощности. Представим себе портативный MP3-плеер, который наполняет входной буфер, декодирует аудиоданные, записывает их в выходной буфер, хранящийся в SDRAM и затем переводит процессор в режим ожидания, в котором он находится до тех пор, пока не понадобятся новые данные. Декодирование формата MP3 отнимает лишь скромную часть производительности, поэтому процессор может выполнять декодирование пакетами и «спать» в оставшееся время. Например, устройство может работать по сценарию «25% — декодирование, 75% — сон». В течение интервала декодирования процессор формирует декодированные отсчеты во внешней памяти так быстро, насколько это возможно. Как только буфер желаемого объема сформирован, процессор может перейти в режим сна и находиться в нем до тех пор, пока не понадобится обновить содержимое буфера. В данном сценарии значение тока, потребляемого ядром, может составлять 30 мА в фазе декодирования и всего 15 мА — в остальное время. Другими словами, если для непрерывно-поточного декодирования формата MP3 обычно требуется тактовая частота 75 МГц, то мы можем вместо этого тактировать процессор с частотой 300 МГц. Это позволит нам быстро обработать буфер данных формата MP3 и затем

www. elcp.ru

вернуться в состояние сна. Обратите внимание на то, что данный подход целесообразен только в тех системах, где иногда необходимо использовать время сна для другой обработки. Например, этот подход можно использовать в портативном мультимедийном плеере, в котором иногда требуется обработка видеоизображений. Если же все, что необходимо — это декодирование MP3, то можно применить процессор с гораздо меньшей производительностью (и меньшим энергопотреблением). Как управлять частотой пробуждения процессора? В рассматриваемом примере для выходных аудиоданных может использоваться схема с двойной буферизацией. В ней процессор заполняет один буфер, пока контроллер DMA опустошает другой буфер. Каждый раз при опустошении буфера контроллером DMA генерируется прерывание. По этому прерыванию процессор начинает заполнять только что опустошенный буфер новыми данными. Сразу по завершении заполнения буфера процессор переходит в режим сна, и этот процесс повторяется. Следует отметить, что применение в рассматриваемом примере асинхронной SRAM-памяти вместо SDRAM позволяет достичь дополнительного снижения стоимости и энергопотребления. Память SRAM потребляет больше мощности, чем SDRAM при активном использовании, однако мощность, необходимая для поддержания целостности данных при нахождении процессора в режиме сна, у нее гораздо ниже. Таким образом, SRAM дает меньшее суммарное потребление мощности в системах, которые большую часть времени находятся в состоянии сна. Производительность памяти SRAM ниже, чем у SDRAM, однако для аудиоданных, обращение к которым осуществляется 16- или 32-битными словами, ее достаточно. Это вызвано тем, что пропускной способности при параллельных обращениях контроллера DMA (даже если они происходят на более низких скоростях) более чем достаточно, чтобы последовательный интерфейс не испытывал нехватки декодированных данных. Даже если применение SDRAM в системе является обязательным требованием из-за необходимости увеличения производительности или хранения большого объема кода, разумно предусмотреть в проекте также и небольшое количество статической памяти. Несмотря на то, что суммарная стоимость компонентов при этом возрастет, гармонично используя оба типа памяти, можно добиться максимального выигрыша в энергопотреблении. Память SDRAM можно использовать в тех фазах

работы приложения, где требуется максимальная производительность, а при входе процессора в режим сна ее можно перевести в режим саморегенерации. В интервалах активной обработки доминирующий вклад в потребление тока будут вносить процессор и SDRAM, поскольку SRAM, которая, хоть не настолько эффективна по сравнению с SDRAM по критерию мВт/бит, имеет меньший объем. Оптимизация потребления мощности в малопотребляющих системах. Пробуждение процессора

Для минимизации мощности недостаточно только выбрать компоненты с наименьшим потреблением. Мы также должны оптимизировать потребление мощности на системном уровне. Зачастую для этого требуется обеспечить гармоничное совместное функционирование компонентов системы. Например, когда мы помещаем процессор в режим пониженного энергопотребления, ряд компонентов системы должен быть способен пробуждать его. Пробуждающее событие может поступать через интерфейсы Ethernet и USB, от часов реального времени или даже являться следствием переключения сигнала на выводе флага. Чтобы продемонстрировать организацию пробуждения процессора на системном уровне рассмотрим систему, в которой к процессору через последовательный порт подключен внешний WiFi-чип. Когда процессор не используется, его можно поместить в состояние пониженного энергопотребления, оставив работающим только WiFi-чип. Микроконтроллер, интегрированный в чипе WiFi, потребляет в таком состоянии очень малый ток, поскольку он всего лишь просматривает пакеты на предмет совпадения с присвоенным ему MACадресом. Как только WiFi-чип принимает адресованный ему пакет, он сигнализирует процессору о необходимости пробуждения и возобновления работы. Входной тактовый сигнал

Процессоры формируют свою тактовую частоту из внешнего тактового сигнала путем умножения его частоты с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Внешний тактовый сигнал может поступать от кварцевого резонатора или от кварцевого генератора. Резонаторы обычно дешевле, однако готовые генераторы имеют буферизированный выход. Буферизация выхода генератора упрощает использование тактового сигнала также и другими компонентами системы. Например, генератор тактового сигнала частотой 27 МГц может служить не только в качестве

Часы реального времени

Если в системе необходимо поддерживать календарное время, то в дополнение к системному тактовому сигналу в ней могут использоваться часы реального времени (RTC, real-time clock). Основная функция модуля RTC — отслеживание даты и времени, однако он также полезен в задаче управления энергопотреблением. Большинство RTC позволяют организовать генерацию пробуждающих воздействий по расписанию в произвольно задаваемые моменты времени. Таким образом, система может переходить в режим ожидания в неактивные периоды и пробуждаться с периодическим интервалом времени для мониторинга, выполнения служебных действий или уведомления пользователя. Чтобы наглядно продемонстрировать, насколько полезен модуль RTC, рассмотрим в качестве примера GPS-приемник, в котором процессор необходимо пробуждать раз в секунду для получения информации о положении спутников. Модуль RTC, потребляющий 20 мкА, настраивается на пробуждение процессора раз в секунду. Процессор быстро пробуждается для определения нового положения и затем возвращается в режим наименьшего энергопотребления с током 50 мкА. При таком подходе процент времени нахождения во «включен-

Рис. 1. Организация резервного питания модуля RTC

ном» состоянии мал, и большую часть времени работы устройства потребление составляет всего 70 мкА. Независимо от того, входит модуль RTC в состав процессора или это отдельный кристалл, ему необходимо отдельное питание, чтобы он мог продолжать работать при отключении питания остальной части системы. Модуль RTC обычно работает от батарейки размером с мелкую монету, потребляя всего микроватты. Поскольку важно как можно больше продлить срок действия батарейки, разумно сделать так, чтобы модуль RTC работал от основного аккумулятора (или даже от сети) в те моменты времени, когда этот источник питания подключен. На рисунке 1 приведен пример схемы, которую можно применить для сокращения тока, потребляемого от батарейки RTC, когда остальная часть системы находится во включенном состоянии. Универсальная последовательная шина (Universal Serial Bus, USB)

Многие современные портативные устройства имеют возможность подключения по шине USB. Помимо того, что эта шина является повсеместным средством для подключения к ПК, она также зачастую используется для питания устройства. Когда устройство подключено к ПК, оно может использовать ПК в качестве источника питания. Это продлевает срок действия аккумулятора, а также обеспечивает возможность его подзарядки. Потребляемая устройством, питаемым от USB, мощность должна вписываться в бюджет, определенный в спецификации USB. В протоколах USB 1.1 и 2.0 мощность, «выдаваемая по шине» на каждое устройство, ограничена значением 2,5 Вт (0,5 А, 5 В). Для малопотребляющих устройств, таких как клавиатура или мышь, этого более чем достаточно. В стандарте USB также прописана поддержка устройств с большим потребляемым током, однако суммарное огра-

ничение по мощности для них также составляет 2,5 Вт. Для устройств с более высокой потребляемой мощностью, таких как принтеры или дисплеи, стандартное ограничение мощности стандарта USB обычно является неадекватным, поэтому они должны работать от внешнего источника питания. С системной точки зрения, когда устройство питается от USB и не используется в течение определенного интервала времени, оно должно входить в экономичное (suspend) состояние. В это время потребление тока не превышает 500 мкА. Работа с экономичным режимом может быть реализована в системе различными способами, один из которых заключается в применении режимов ожидания процессора. Периферийный модуль USB можно настроить на удержание состояния на выводах D+ и D– в момент, когда процессор входит в режим ожидания. Начиная с этого момента, процессор остается в режиме пониженного энергопотребления до тех пор, пока состояние на одном из выводов интерфейса USB не изменится. Это изменение состояния может использоваться для запуска внешнего стабилизатора. Затем можно подать питание на процессор, восстановить его внутренний контекст и возобновить исполнение программы с той точки, на которой оно прервалось. Заключение

Очевидно, что в любой встраиваемой системе имеется множество факторов, которые влияют на рассеиваемую мощность как на уровне отдельных устройств, так и на системном уровне. Поняв ключевые компоненты, вносящие вклад в энергопотребление, можно достичь значительного прогресса при минимизации рассеиваемой мощности в любом приложении. Литература 1. David Katz и Rick Gentile, Embedded Media Processing (глава 8). Newnes, 2005.

электронные компоненты №3 2009

77 Э н е р го с б е р е ж е н и е

источника входного тактового сигнала процессора, но и в качестве источника тактового сигнала кодера или декодера видеосигнала формата NTSC. Иногда сам процессор выдает на выход буферизированную копию входного тактового сигнала, поступающего на него от резонатора, тем самым устраняя необходимость приобретения генератора. При выборе резонатора разработчики сталкиваются с задачей поиска компромиссного решения по ряду параметров. Чем выше основная гармоника колебания, тем меньше размер корпуса резонатора. Однако высокочастотные резонаторы дороже, поскольку они намного тоньше и поэтому более хрупкие. Разработчик также должен учитывать электромагнитные помехи (ЭМП). Если резонатор работает на определенной частоте, то ее гармоники могут попадать в полосу пропускания фильтра или усилителя. В некоторых процессорах имеется возможность запрограммировать входной усилитель сигнала резонатора таким образом, чтобы он переставал выдавать сигнал при входе в режим пониженного энергопотребления. Это позволяет на несколько миллиампер сократить потребляемый ток, однако приводит к увеличению времени включения при возобновлении нормальной работы процессора (из-за задержки стабилизации тактового сигнала).

Измерения и анализ характеристик источников питания с помощью осциллографов Tektronix серий MSO/DPO Трэвор Смит (Trevor Smith), менеджер по развитию рынка, Tektronix В статье описываются особенности измерений характеристик импульсных источников питания с помощью осциллографов Tektronix. Обсуждаются вопросы подготовки к измерениям, входного анализа, анализ схемы переключения и выходного анализа. Рассматриваются программные средства осциллографов для измерения и анализа цепей питания. Статья представляет собой перевод [1]. ВВЕДЕНИЕ

Работа источников питания характеризуется изменением нагрузки в широких диапазонах: от холостого хода до максимально допустимой. Часто происходит внезапный наброс нагрузки (резкий скачок выходного тока). Нагрузка на устройство может меняться кардинально в течение очень короткого времени, и источники питания для аппаратуры широкого применения должны выдерживать пиковые нагрузки, которые намного превышают средний уровень. Инженеры, проектирующие источники питания или системы, в которых они используются, должны ясно представлять себе режимы работы источников питания в самых разных условиях: от состояния покоя до пиковых нагрузок. В этой статье описываются измерения параметров импульсного источника питания с помощью осциллографа Tektronix серий MSO/DPO4000 или DPO3000. Описываются также опциональные программные средства измерений и анализа цепей питания. ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ

В идеальном случае источник питания должен работать в точности как он был спроектирован и смоделирован. В реальности это не так: компоненты чаще всего не совершенны; нагрузка на систему может изменяться; в сетевом напряжении могут присутствовать искажения; условия окружающей среды влияют на характеристики устройства. Перед началом работы необходимо корректно подготовить измерительную систему для точного анализа сигналов

78 Рис. 1. Режим выборки

Рис. 2. Режим усреднения

Рис. 3. Режим высокого разрешения

WWW.ELCP.RU

и выявления неполадок. В связи с этим следует рассмотреть следующие важные вопросы: – режимы захвата данных осциллографа; – компенсация сдвига по фазе между пробником измерения напряжения и токовым пробником; – компенсация смещения пробника; – размагничивание токового пробника; – фильтры ограничения полосы пропускания. Режимы захвата данных осциллографа

Режимы захвата данных определяют способы выборки, обработки и отображения электрических сигналов. Выбор режима захвата данных может влиять на точность измерений. Важно понять, как эти режимы работают и какое влияние они оказывают на измерения сигналов и других характеристик в источниках питания. В каждом осциллографе предусмотрен самый простой режим захвата — режим выборки. Как показано на рисунке 1, в этом режиме осциллограф формирует точку сигнала через каждый интервал выборки (на рисунке интервалы выборки сигнала обозначены как 1, 2, 3 и 4). Режим выборки рекомендуется для таких измерений как анализ пульсаций и помех, который требует многократного захвата нерегулярных сигналов. Другим режимом захвата, который предлагается большинством производителей осциллографов, является режим усреднения. В режиме усреднения осциллограф запоминает одну точку выборки в течение каждого интервала сигнала, как и в режиме выборки. Однако в режиме усреднения соответствующие точки последовательных моментов захвата сигнала усредняются, и в результате формируется сигнал, изображенный на рисунке 2. Режим усреднения снижает шум без уменьшения ширины полосы пропускания, но используется только с регулярным сигналом. Режим усреднения особенно полезен при выполнении гармонического анализа или анализа качества электропитания, в частности при измерении активной, реактивной и полной мощности. Комапния Tektronix предлагает, кроме перечисленных выше режимов, режим высокого разрешения. В этом случае многократные последовательные выборки в пределах одного интервала сигнала усредняются, и формируется одна точка при каждом захвате сигнала, как показано на рисунке 3. В результате уменьшается ширина полосы пропускания и, следовательно, помехи, и, кроме того, улучшается разрешение по вертикали для медленных сигналов. Режим высокого разрешения особенно полезен при проведении анализа модуляции, когда происходит включение питания и сбор данных при отдельном захвате сигнала. Режим высокого разрешения может улучшить точность при таких измерениях как измерения потерь на переклю-

чение, при которых вычисляются значения мгновенной мощности. Компенсация сдвига по фазе между пробником измерения напряжения и токовым пробником

При проведении измерений характеристик источников питания с помощью цифрового осциллографа необходимо измерять напряжение и ток в различных узлах устройства. Для этого требуются два разных пробника: пробник измерения напряжения (иногда используют высоковольтный дифференциальный пробник) и токовый пробник. Каждый из этих пробников имеет собственный показатель задержки распространения сигнала. Разница в задержках токового пробника и пробника для измерений напряжения, известная как сдвиг по фазе, вызывает неточные измерения амплитуды и временных параметров. Важно понять влияние задержки распространения пробников на результаты измерения максимальной пиковой мощности, т.к. мощность зависит от напряжения и тока. Если сигналы напряжения и тока не идеально выровнены по времени между собой, то результат измерений будет некорректным. Компенсация сдвига по фазе между пробниками в современных осциллографах производится без труда (см. рис. 4). Путем выбора опции deskew (компенсация сдвига по фазе) можно отрегулировать значение сдвига по фазе пробников. Рекомендуемое значение сдвига выбирается на основе номинального значения задержки распространения пробника, которое хранится во встроенной памяти пробника. Для более точного согласования сигналов по времени служит генератор компенсации сдвига сигналов по фазе и специальная оснастка, показанные на рисунке 5. При подключении пробников к этой оснастке реальное значение сдвига по фазе можно вручную изменить так, чтобы точно выровнять сигналы.

Входной анализ

Реальные сети электропитания никогда не обеспечивают идеальную синусоидальную форму тока, и в линии всегда присутствуют искажения и нежелательные сигналы. Импульсный источник питания представляет собой нелинейную нагрузку для сети. Из-за этого формы сигналов напряжения и тока не идентичны. Потребление тока вызывает генерацию гармоник во входном сигнале тока. Основными характеристиками, которые необходимо про анализировать на входе источника питания являются гармоники и качество электропитания. Гармоники

Свойством импульсных источников питания является генерация в основном нечетных гармоник, которые попадают в конечном итоге обратно в электросеть. Чем больше импульсных источников питания подключаются к электросети (например, при появлении еще одного компьютера в офисе), тем больше суммарный процент гармонических искажений в сети. Эти искажения необходимо минимизировать, чтобы улучшить гармонический состав напряжения. Определение эффекта от этих искажений является важной задачей электроэнергетики; и преимущества в использовании осциллографа, а не мультиметра, при таких измерениях весьма значительны. Измерительная система должна быть способной фиксировать гармоники до 50-го порядка. Частота электросети составляет обычно 50 или 60 Гц, хотя в некоторых военных и авиационных системах она может быть и 400 Гц.

Компенсация смещения пробника

Свойством дифференциальных пробников является наличие в них незначительного смещения по напряжению. Это смещение может влиять на точность измерений и его необходимо устранить до начала процесса измерений. Большинство дифференциальных пробников для измерения напряжения имеет встроенную схему регулировки постоянного смещения, что значительно упрощает компенсацию смещения. Перед началом измерений может также возникнуть необходимость в регулировке токовых пробников. Компенсация смещения токовых пробников производится путем обнуления значения DC-баланса.

Рис. 4. Коррекция сдвига по фазе между пробником измерения напряжения и токовым пробником

Размагничивание токового пробника

Для токового пробника также должна быть предусмотрена возможность размагничивания. Оно позволяет устранить остаточное магнитное поле в сердечнике трансформатора, которое может быть вызвано большими токами на входе. Остаточное магнитное поле приводит к образованию выходной погрешности смещения, которую следует устранить для улучшения точности измерений. Фильтры ограничения полосы пропускания

Ограничение полосы пропускания осциллографа снижает шумы или нежелательные высокочастотные компоненты в исследуемом сигнале, что позволяет получить более чистую картину на дисплее. ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Традиционно измерения характеристик источников питания разделяют на три категории: входной анализ, анализ переключающих приборов и выходной анализ.

Рис. 5. Генератор компенсации сдига сигналов по фазе и специальная оснастка компании Tektronix

электронные компоненты №3 2009

Выполнить гармонический анализ так же просто, как и измерения обычного сигнала. Поскольку в этом случае сигнал является регулярным и периодическим, то не составит труда осуществить его синхронизацию и отобразить на дисплее. Чтобы получить хорошее разрешение по частоте, необходимо отобразить, по крайней мере, пять периодов сигнала; масштаб вертикальной шкалы должен быть установлен таким образом, чтобы сигнал занимал как можно больше вертикальных делений

на экране и оптимизировать динамический диапазон осциллографа. На рисунке 6 показаны результаты гармонического анализа тока источника питания. В меню дисплея осциллографа можно выбрать измерение определенной гармоники. В данном примере выбрана пятая гармоника. Качество электропитания

Качество электропитания не зависит лишь от производителя электроэнергии. Оно также зависит от источника питания и конечной пользовательской нагрузки. Показатель качества электропитания описывает «здоровье» источника питания и определяет влияние искажений, вызванных нелинейными нагрузками. Как показано на рисунке 7, программное средство осциллографа для измерения систем электропитания представляет результаты автоматического измерения в виде таблицы со следующими параметрами: V RMS и IRMS, амплитудные коэффициенты напряжения и тока, активная мощность, реактивная мощность, полная мощность и коэффициент мощности. Анализ переключающих приборов

Рис. 6. Гармонический анализ с помощью программного средства DPOxPWR

Импульсные источники питания с архитектурой SMPS (Switched Mode Power Supplies) превалируют сегодня на рынке. В них в качестве переключающих транзисторов используются MOSFET или IGBT. Эти транзисторы обладают малым временем переключения и способны выдерживать высоковольтные выбросы напряжения. В большинстве случаев переключающий транзистор определяет общие характеристики импульсного источника питания. Основными измеряемыми характеристиками для ключей являются: потери на переключение, область безопасной работы и скорость нарастания выходного сигнала. Потери на переключение

Рис. 7. Измерения показателей качества электропитания с помощью программного средства DPOxPWR

Рис. 8. Измерения потерь на переключение IGBT с помощью программного средства DPOxPWR

WWW.ELCP.RU

Схемы переключения обычно потребляют основную часть мощности во времы переходного процесса из-за того, что паразитные элементы схемы не позволяют транзистору переключиться мгновенно. Затраты энергии в таких приборах, как MOSFET или IGBT, когда они переходят из выключенного состояния во включенное определяются как потери при включении. Аналогично, потери при выключении — это затраты энергии, когда переключающий транзистор переходит из включенного состояния в выключенное. Транзисторные схемы тратят энергию во время переключения из-за потерь в паразитных емкостях и индуктивностях, а также заряда, накопленного в диоде. Надлежащий анализ этих потерь является необходимым при измерениях характеристик источника питания и оценки его эффективности. Измерения потерь на переключение осуществляются путем проведения нескольких законченных циклов (см. рис. 8). Основной проблемой при измерениях потерь при включении и выключении транзисторов является то, что потери происходят за весьма короткий промежуток времени. Это требует очень точного согласования по времени сигналов напряжения и тока, минимизации смещений в измерительной системе и обеспечения динамического диапазона, достаточного для точного измерения напряжений и токов во включенном и выключенном состоянии. Смещения пробника должны быть обнулены, токовый пробник должен быть размагничен для исключения остаточного магнитного поля в трансформаторе, а сдвиг по фазе между каналами должен быть минимизирован. Другой задачей является обеспечение широкого динамического диапазона, необходимого для корректных

измерений потерь на переключение. При переключении из выключенного во включенное состояние напряжение на транзисторе изменяется весьма существенно, что затрудняет измерения этих состояний с достаточной точностью при однократном захвате данных. Есть три общепринятых способа определения более точных значений параметров. – Измерение падения напряжения на переключающем транзисторе во время протекания тока через ключ. Поскольку это напряжение обычно очень мало по сравнению с падением напряжения на транзисторе в непроводящем состоянии, то обычно невозможно точно измерить оба напряжения при одинаковой вертикальной шкале осциллографа. – Установление величины RDS(on) (для MOSFET) на основе спецификации на прибор. Эта величина представляет собой расчетное значение сопротивления канала между истоком и стоком транзистора в проводящем состоянии. – Установление величины VCE(sat) (для BJT и IGBT) на основе спецификации на прибор. Эта величина представляет собой расчетное значение напряжения насыщения между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения.

выходной анализ. Такие измерения включают анализ модуляции и пульсаций. Анализ модуляции

Измерения модуляционных эффектов с помощью осциллографа не составляет труда. На рисунке 11 изображен модулированный сигнал замкнутой токовой цепи источника питания. Модуляция имеет важное значение

Область безопасной работы

Область безопасной работы транзистора определяет условия, при которых прибор может работать без повреждений, в частности, предельное значение тока через транзистор при данном напряжении. При превышении этих предельных значений транзистор может выйти из строя. Определение области безопасной работы является графическим методом, который учитывает предельные параметры транзистора, такие как максимальное напряжение, максимальный ток и максимальная мощность, и гарантирует, что транзистор работает в специфицированных условиях. В спецификациях производителей переключающих транзисторов приводятся предельные значения параметров. Целью измерений является подтверждение того, что прибор работает в допустимых условиях эксплуатации у конечного пользователя. Тестовые показатели области устойчивой работы могут включать различные условия нагрузки, значения рабочей температуры, высокое и низкое входное линейное напряжение и др. Как показано на рисунке 9, при измерениях на осциллографе может быть создана определяемая пользователем маска, которая гарантирует, что напряжение, ток и мощность транзистора находятся в пределах допустимых значений. Нарушения этих предельных величин фиксируются программой как сбои в работе.

Рис. 9. Использование маски при определении области безопасной работы транзистора с помощью программного средства DPOxPWR

Рис. 10. Измерения скорости нарастания сигналов с помощью программного средства DPOxPWR

Скорость нарастания выходного сигнала

Для того чтобы убедиться, что переключающий прибор работает с максимальной эффективностью, необходимо измерить скорость нарастания выходного напряжения и тока для проверки соответствия специфицированным значениям. При определении скорости нарастания сигналов с помощью осциллографа можно использовать курсоры для удобства измерений и возможность выбора между вычислениями dv/dt и di/dt (см. рис. 10). Выходной анализ

В идеальном случае выходное напряжение источника питания постоянного тока не должно содержать гармоники или другие шумовые компоненты. В реальности это невозможно. Для определения влияния помех во входном напряжении или нагрузки на выходное напряжение необходим

Рис. 11. Анализ модуляции сигнала управления затвором IGBT при включении питания с помощью программного средства DPOxPWR

электронные компоненты №3 2009

для управления замкнутой цепью в системах с обратной связью. Однако при определенных значениях модуляции замкнутая цепь может стать нестабильной. Красная линия на рисунке 11 соответствует математически вычисленному сигналу, показывающему тенденцию изменения ширины импульса сигнала управления затвором IGBT при запуске генератора источника питания. Поскольку вычисленный сигнал представляет собой значения измеренной ширины импульса (в единицах времени), то отклонения ширины импульса могут быть определены с помощью курсора. Вычисленные значения отражают тенденцию изменения модуляции захваченного сигнала. В данном случае эти значения отражают характеристику сигнала замкнутой цепи управления генератора в процессе его запуска. Такой анализ модуляции может быть также использован для исследования отклика сигнала замкнутой цепи управления источника питания на изменение входного напряжения («линейная стабилизация») или изменение нагрузки («стабилизация нагрузки»). Анализ пульсаций

Пульсации — это переменное напряжение, наложенное на выходное постоянное напряжение источника питания. Они выражаются в процентах от номинального выходного напряжения или в В (напряжение полного размаха). В

линейных источниках питания обычно наблюдаются пульсации, частота которых близка к удвоенной сетевой частоте (около 100 Гц), в то время как в импульсных источниках можно увидеть пульсации на частоте, близкой к рабочей частоте переключения — несколько сот килогерц. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Источник питания — неотъемлемая часть практически любого электронного устройства, питающегося как от электросети, так и от батарей, причем импульсный тип источника питания (SMPS) стал доминирующим во многих приложениях. Особенности функционирования одного импульсного источника питания или его отказ могут оказать влияние на работу целой сложной и дорогой системы. Для того чтобы гарантировать надежность, стабильность, высокие характеристики, а также соответствие новым стандартам импульсных источников питания, разработчики должны выполнить комплекс измерений. Осциллографы со встроенным программным обеспечением для анализа систем питания существенно упрощают этот процесс. ЛИТЕРАТУРА 1. Power Supply Measurement and Analysis with the MSO/DPO Series Oscilloscopes, Trevor

Новости аналоговых компонентов

| Аналоговую технику ждет перерождение | Американские инженеры разработали дифференциальный усилитель, который не подвержен радиационному воздействию и большому перепаду температур, поэтому пригоден для использования в космосе без каких-либо защитных мер. Усилитель поддерживает высокий коэффициент усиления и стабильность работы в широком диапазоне температур –18…125°С. Это первый дифференциальный усилитель для экстремальных сред. Однако его разработка является частью большой программы NASA по изготовлению кремнево-германиевой электроники, работающей даже при температуре –271°С. В программе участвуют технические институты США, а также мировые компании, такие как Boeing, BAE Systems, IBM и Lynguent. Цель программы – разработать электронные схемы, не требующие систем поддержания температуры и защиты от радиационного излучения. В рамках проекта уже разработана библиотека аналоговых и цифровых схем, АЦП и ЦАП, усилителей, транзисторов, переключателей и других блоков, работающих в расширенном температурном диапазоне.

www.russianelectronics.ru

Новости светотехники

| Повышена эффективность органических светодиодов | Ученым из университета во Флориде удалось поставить новый рекорд в эффективности голубых OLED — 50 лм/Вт. Как известно, из голубых светодиодов легко получить белые, поэтому достижение американских инженеров имеет большое значение. Разработки на этом не закончатся. Цель проекта — 100 лм/Вт. Органические светодиоды имеют преимущества перед неорганическими: лучшая передача цвета, более высокая яркость и широкий угол обозрения, легкая подстройка. www.russianelectronics.ru

События рынка

| Цифровое телерадиовещание | «Дженерал Саттелайт» открывает два предприятия по производству оборудования для цифрового ТВ В июле 2009 г. один из крупнейших в России производителей оборудования для цифрового телевидения, компания General Satellite (GS) намерена ввести в строй два предприятия по производству оборудования для цифрового ТВ. Оба завода по производству приемников разместятся в городе Гусеве Калининградской области, где будет создан специализированный технопарк. В настоящее время в этом городе уже работает принадлежащий GS завод, который выпускает около 100 тыс. цифровых приставок в месяц. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Новости технологий

| Найден способ охлаждения транзисторов на углеродных нанотрубках | Коммерческое использование транзисторов на углеродных нанотрубках пока не освоено, поскольку в них существует проблема накапливания тепла между проводящим каналом и подложкой. Канал образован углеродной нанотрубкой и не связан с подложкой, как в классических транзисторах. Именно поэтому тепловая энергия, проникая в канал, не рассеивается на колебания кристаллической решетки, а накапливается и выводит прибор из строя. Ученые из IBM нашли возможный путь решения данной задачи. Они сумели соединить электрические поля активной области и подложки. Эффект, который лег в основу метода, экспоненциально ослабевает на расстоянии, поэтому он бесполезен в обычных транзисторах, однако на наноуровне играет существенную роль. При включении питания в канале генерируются высокочастотные фононы. Рассеиваясь, они порождают колебания более низких частот. В результате устанавливается тепловое равновесие. Тем не менее ученые заметили, что в транзисторах на нанотрубках это равновесие не достигается: каждый фонон имеет свою температуру. В макромире такого не бывает. Колебания решетки диоксида кремния порождают электрическое поле. Инженерам удалось найти такой режим, когда оно взаимодействует с полем в канале, и начинается прямая передача энергии, т.е. охлаждение канала. В настоящее время методика изучается и стандартизуется. www.russianelectronics.ru | Пять технологических головоломок | Миниатюризация электроники в ближайшие годы будет продолжаться, при этом производителям придется решать все новые технологические проблемы. Директор по производству компании Intel Марк Бор (Mark Bohr) выделил пять основных проблем, которые нужно преодолеть при переходе на проектные нормы 32 нм и меньше. 1. Литография и нанесение рисунка. Длина волны превышает размер ИС. Сейчас производители стараются увеличить разрешение литографических установок. Однако для дальнейшей миниатюризации (22 и даже 16 нм) необходимо разработать технологии двойной печати и компьютерной литографии. 2. Уменьшение транзисторов. Утечки тока через затвор не позволяют уменьшить размер транзистора. Возможный ключ к решению данной проблемы лежит в использовании многозатворных транзисторов и переходе на материалы A3B4 (InSb, InAs и т.п.). 3. Межсоединения. Необходимы новые методы увеличения сопротивления проводников. Сейчас элементы ИС соединяются медными проводниками. Для дальнейшей миниатюризации будут разработаны объемные ИС, либо связи станут оптическими. 4. Малый объем встроенной памяти. Необходимо разработать более эффективные модули памяти, чем SRAM. 5. Системная интеграция. Уменьшать компоненты недостаточно, необходимо оптимизировать алгоритмы и принципы построения схем. В этом разработчики должны учиться у природы. www.russianelectronics.ru

Новости светотехники

| Переход на светодиодное освещение: экономия и новые возможности | Согласно исследованию, проведенному Политехническим институтом им. Ренселаера, переход с вольфрамовых и флуоресцентных ламп на твердотельные светодиоды, который будет происходить в ближайшее десятилетие, позволит сэкономить не только 1,8 трлн долл. и 1 млрд. баррелей нефти, но и выбросы углекислого газа (ориентировочно на 10 млрд. т за весь период). Кроме того, светодиодные лампы можно программировать, наделяя светильники новыми функциями. В американском Политехническом институте им. Ренселаера в настоящее время работа ведется по трем направлениям: подстройка спектра излучения, временная модуляция излучения и регулировка поляризации. Подстройка спектра подразумевает изменение цвета излучения в течение дня. Это может использоваться в медицинской практике для лечения болезней, связанных с неправильной освещенностью, а также для улучшения условий труда в офисах и положительного воздействия на настроение работников. Модуляция излучения, при условии, что мерцание не будет замечено глазом, позволит объединить лампы и точки беспроводного доступа. Информационные потоки будут передаваться световыми волнами, и улавливаться только тем устройством, которое настроено на данную частоту. При этом используемый в настоящее время спектр РЧ разгрузится. Функция регулировки поляризации света предназначена для ЖК-дисплеев. Сейчас в них применяются пассивные поляризационные светофильтры, от которых можно будет отказаться. При этом увеличится яркость изображения, а потребление энергии снизится. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №3 2009

Основы теории демодулирующих логарифмических усилителей Иван Самков, разработчик, МКБ «Компас» Подробно рассматриваются принципы и особенности функционирования демодулирующих логарифмических усилителей. Описываются особенности популярного среди разработчиков усилителя AD8307. Очерчен круг применения логарифмических усилителей.

т е о р и я и п ра к т и к а

Для правильной работы радиопередатчиков требуется применение схем измерения и контроля передаваемой мощности. Поскольку системные требования колеблются в широких пределах, схемы контроля мощности могут быть столь же простыми, как например узкодиапазонный диодный детектор. Назначение этого устройства — детектирование таких катастрофических событий как внезапный рост КСВн, который может случиться при поломке антенны. Но для более полного контроля мощности, как в передатчиках базовых станций GSM, в РЧ-детекторах мощности требуются точные измерения с погрешностью ±1 дБ при входном диапазоне мощности 60 дБ или более. Существует множество способов контроля мощности РЧ-сигнала, но больше всего решений построено на постоянно развивающейся технологии логарифмических усилителей (ЛУ). Доступные интегральные схемы логарифмических усилителей имеют значительно больший динамический диапазон (почти в 5 раз), лучшую температурную стабильность и меньшие размеры, по сравнению с диодными детекторами. ЛУ, как и диодные детекторы, чувствительны к напряжению, а не к мощности, хотя изготовители часто оперируют мощностными терминами (обычно — дБм). В результате и ЛУ, и диодные детекторы страдают от ошибок коэффициента амплитуды (пикфактор), но в случае ЛУ эта ошибка проявляется в смещении напряжения пересечения с осью. Логарифмические усилители могут совершать больший комплекс операций по сравнению с классическими линейными усилителями, и их схемы значительно отличаются. Наиболее важным назначени-

Рис. 1. Функция идеального ЛУ

www. elcp.ru

ем ЛУ является не усиление. Главная функция ЛУ — сжатие сигнала широкого динамического диапазона к его децибельному эквиваленту. Возможно, правильнее называть ЛУ логарифмическим преобразователем, т.к. его главным назначением является преобразование сигнала из одной области представления в другую через определённую нелинейную трансформацию. Для обычного случая, когда все переменные — напряжения, независимо от конструкции усилителя связь между переменными имеет следующий вид: ,

(1)

где VOUT — выходное напряжение, V Y — напряжение наклона (логарифм обычно имеет основание 10, поэтому V Y в этом случае берётся в вольтах на декаду), VIN — входное напряжение, VX — напряжение пересечения (напряжение VIN, при котором VOUT = 0). Все ЛУ косвенно требуют определения двух значений: VX и V Y. Выражение (1) математически неполно для описания демодуляции ЛУ, однако основные принципы просты, и мы будем опираться на них, исследуя работу ЛУ. График на рисунке 1 показывает передаточную характеристику идеального ЛУ в соответствии с уравнением (1). По оси х — логарифмический масштаб, охватывающий динамический диапазон больше 120 дБ (или 6 декад). Выходное напряжение равно нулю при единственном значении VIN = VX и становится отрицательным при входном напряжении ниже напряжения пересечения. В идеальном случае прямая VOUT(VIN) уходит в бесконечность в обоих направлениях. Штриховая линия показывает, что добавление напряжения смещения VSHIFT вызывает уменьшение напряжения пересечения VX. Точно такое же изменение может быть достигнуто повышением усиления (или уровня сигнала), т.е. изменением отношения VSHIFT/VY. Например, если VY =500 мВ на декаду (25 мВ/дБ), напряжение смещения величиной 150 мВ, добавленное на выход, уменьшит напряжение пересечения VX в 0,2 декады, т.е. на 6 дБ. Функция ЛУ, описанная уравнением (1), отличается от функции линейного усилителя тем, что мгновенное усиление ∂VOUT/∂VIN

в большой степени зависит от мгновенного значения VIN. Это видно при вычислении производной. Для случая, когда основанием логарифма является константа е: ∂VOUT/∂VIN = V Y/VIN.

(2)

Данное условие справедливо и для любого другого основания логарифма (которое в нашем случае выбрано равным 10 для связи со всеми величинами, измеряющимися в децибелах). Отсюда следует, что идеальный ЛУ должен иметь бесконечное усиление при малом сигнале (нулевой амплитуды). Этот результат показывает также, что какой бы способ ни использовался для релизации функции усиления, для точного отклика при малом сигнале (нижний край динамического диапазона) требуется обеспечить очень высокую эффективность усилителя. Следствием большого усиления является то, что в отсутствие входного сигнала даже самые малые величины теплового шума на входе ЛУ становятся причиной ограничения выхода. При этом линия передаточной характеристики отклоняется от идеальной, показанной на рисунке 1, и стремится к конечной линии, которая проходит выше или ниже пересечения с осью. Стоит отметить, что если линия VOUT(VIN) не проходит значение VOUT = 0, напряжение пересечения (VX ) можно получить экстраполяцией. Учитывая специфические особенности ЛУ, которые позволяют демодулировать входной синусоидальный сигнал, для них используется не выражение (1), а более удобная инженерная формула: VOUT = VSLOPE (PIN – P0),

(3)

где VOUT — демодулированный или фильтрованный немодулированный выходной сигнал; VSLOPE — логарифмический наклон, выраженный в В/дБ (обычно 15 мВ/дБ < < VSLOPE < 30 мВ/дБ); PIN — входная мощность (выраженная в дБ по отношению к некоторому отсчётному значению); P0 — логарифмический отрезок, отсекаемый на оси мощности (выраженный в дБ по отношению к тому же отсчётному значению). Наиболее часто в радиоэлектронике используется значение децибел при 1 мВт

Рис. 2. Каскад из нелинейных усиливающих ячеек

Рис.3. Усилительная функция А/1

Рис. 4. Первые три перехода кусочнологарифмической линии

на 50 Ом, выраженное в дБм. Отметим, что размерность величины (PIN – P0) в уравнении (3) — дБ. Логарифмическая функция исчезла из формулы, т.к. логарифм уже «сидит» в децибельных величинах. Вообще ЛУ, очевидно, пропорциональны не мощности, а напряжению, поэтому более точным было бы пользоваться размерностью дБВ (децибелы по отношению к среднеквадратичному значению 1 В). Однако в таком случае придётся учитывать также форму волны. По этой причине в основном используют дБм на 50 Ом. Прогрессивное сжатие

т е о р и я и п ра к т и к а

Для построения наиболее быстродействующих широкодиапазонных ЛУ используется кусочно-линейная техника — в основе ЛУ лежит каскад из нелинейных усиливающих ячеек (см. рис. 2). Такая конфигурация позволяет получить огромную эффективность усилителя

www. elcp.ru

(произведение коэффициента усиления на полосу пропускания). В главной сигнальной части логарифмических усилителей используется N таких ячеек, каждая из которых имеет своё усиление Ki, дБ, и полосу пропускания Δf. Общее усиление составляет примерно (N Ki), дБ, а общая полоса около 0,5…0,7Δf, что в результате обеспечивает большую эффективность усилителя — в сотни тысяч раз больше, чем у типичных ОУ. Такой высокий показатель является предпосылкой к прецизионному выполнению операций при малых сигналах и на высоких частотах. Зато, как видно из выражения (2), при увеличении VIN усиление быстро падает. Для лучшего понимания сначала рассмотрим упрощённую схему, слегка отличающуюся от реально используемых. Схема базируется на нелинейном усилительном блоке (т.н. ячейке А/1) с передаточной характеристикой показанной на рисунке 3. Мгновенное малосигнальное усиление ∂VOUT/∂VIN поддерживается равным А для всех входных напряжений, меньших порогового значения Eк. Если на входе напряжение больше Eк, коэффициент передачи падает до единицы. Функция симметрична: такое же падение усиления наблюдается и для значений VIN < –Eк. В ЛУ, базирующихся на такой усилительной функции, и напряжение наклона, и напряжение пересечения зависят от Eк. Соответственно, точность калибровки такого устройства зависит только от этого напряжения. На практике можно отделить друг от друга VY и VX — контролировать их разными источниками. Пусть входной сигнал каскада из N ячеек равен VIN, а выходной — VOUT. Для малых сигналов усиление каскада составит АN. Если число ячеек N = 6, малосигнальное усиление A = 5, то каскад будет усиливать в 56 = 15625 раз (или 84 дБ). Однако большое усиление малого сигнала при реализации логарифмической функции — это важный, но отнюдь не главный параметр при проектировании ЛУ. Теперь проанализируем нелинейное поведение каскада при реакции на простой постоянный входной сигнал VIN. Для малых значений сигнала на выходе первой ячейки будет V1 = A VIN, напряжение после второй ячейки V2 = A2 VIN и, соответственно, выходной сигнал каскада VN = AN VIN. При некотором напряжении VIN вход N-й ячейки будет равным пороговому напряжению: VN-1 = EK . Следовательно, при этом VOUT = A EK, а VIN = EK /AN-1. Эта

ситуация соответствует переходной точке, обозначенной на рисунке 4 символом . До этой точки каскад усилительных ячеек работает как обычный линейный усилитель, тогда как при большем входном сигнале получается серия линейных сегментов, которые можно аппроксимировать к логарифмической зависимости (см. штриховую прямую на рис. 4). Дальнейший анализ показывает, что следующий переход возникает, когда на входе N–1 ячейки будет напряжение EK, т.е. при VIN = EK /AN-2. Вход N-го звена в этом случае станет равным VN-1 = A EK и, как видно из графика рисунка 1, на выходе каскада получаем (2A – 1)EK (на рис. 4 это соответствует точке ). Таким образом, при увеличении VIN от значения EK /AN-1 до величины EK /AN-2 выход изменяется на EK. Следующая критическая точка достигается при увеличении входа ещё в А раз. На выходе в этом случае имеем VOUT = (3A – 2)EK, т.е. на (A – 1)EK больше, чем в предыдущей переходной точке. Несложно догадаться, что и при дальнейшем увеличении VIN в А раз VOUT меняется на (A – 1)EK. Такое поведение упрощённо можно выразить как lgA. Например, если А = 5, изломы в кусочно-линейной выходной функции будут наблюдаться через интервалы величиной 0,7 декады (что соответствует lg5, или 14 дБ/20 дБ). Напишем выражение для масштабирующего напряжения V Y, используя 10-логарифмический базис: (4) Следует отметить, что в выражение для VY входят только два параметра — A и EК, тогда как число ячеек N не влияет на наклон общей выходной характеристики. Для A = 5 и EК =100 мВ наклон составит примерно 572,3 мВ на декаду (28,6 мВ/дБ). Напряжение пересечения V X можно определить по двум переходным точкам выходной функции (см. рис. 4): (5) Если, например, число ячеек N = 6, A = 5 и EК = 100 мВ, то VX = 4,28 мкВ. Этот параметр следует использовать аккуратнее, т.к. он уже был ранее определён как входное напряжение, при котором имеется ноль на выходе (см. рис. 1). Но очевидно, что в отсутствие шумов и смещений выход усилительной ячейки на рис. 3 будет нулевым тогда и только тогда, когда и VIN =0. Эта «аномалия» происходит из-за конечного значения усиления. Напряжение, найденное из выражения (5), представляет собой не действительное, а экстраполированное значение.

электронные компоненты №3 2009

Рис. 5. A/0 усилительные функции (идеальная и тангенциальная — th)

Рис. 6. ЛУ, использующий A/0-каскад и вспомогательные суммирующие ячейки Демодулирующие логарифмические усилители

т е о р и я и п ра к т и к а

ЛУ, базирующиеся на каскаде ячеек А/1, пригодны для использования в немодулированных передачах, т.к. они не демодулируют входной сигнал. Однако и немодулирующие и демодулирующие ЛУ можно построить с использованием другого типа усилительного каскада — на ячейках А/0. Их функция отличается от А/1 тем, что после прохождения значения VIN = EК усиление входного сигнала падает до нуля (см. рис. 5). Такое поведение похоже на ограничительную функцию, а цепь из N таких ячеек часто используется для построения выхода с жестким ограничением для восстановления сигнала при частотной и фазовой модуляции. Многие усилители фирмы Analog Devices, содержащие ЛУ промежуточной частоты, используют данную технику. Очевидно, что выход последнего каскада перестаёт быть логарифмическим после того, как входное напряжение превышает порог VIN = EК /AN-1. Логарифмический выход получается путём суммирования выходов каждой из ячеек. Полный анализ такого рода ЛУ немного сложнее предыдущего. Для практических целей выражение для V X идентично выражению (5), тогда как напряжение наклона (6) Преимущество использования функции A/0 перед А/1 базируется на следующих соображениях. Во-первых, ячейки А/0 легко конструируются. Их можно постро-

www. elcp.ru

ить на дифференциальных парах биполярных транзисторов с резистивными нагрузками RL и эмиттерным источником тока IE. Для этого случая можно выразить эквивалентное коленное напряжение EК = 2kT/q и малосигнальное усиление A = IERL/EK. Передаточная функция при большом сигнале превращается в гиперболический тангенс (см. штриховую линию на рис. 5). Эта функция очень точная, и отклонение от идеальной траектории А/0 не является большим. Фактически, округление колена функцией th приводит к сглаживанию идеальной A/0-функции, что ближе соответствует логарифму. Усилители, построенные на таких ячейках, по структуре полностью дифференциальны, и потому они маловосприимчивы к помехам в передающих линиях, а при хорошем исполнении — и к вариациям температуры. Выход каждой усилительной ячейки соединён с соответствующей транскондуктивной ячейкой (gm — крутизна), которая преобразует дифференциальное выходное напряжение ячейки в пару дифференциальных токов, которые суммируются путём объединения выходов всех gm-ячеек (детекторов, демодуляторов). Затем общий ток преобразуется обратно в напряжение трансрезистивной ячейкой для получения логарифмического выхода. Такая структура представлена на рисунке 6. Главное преимущество такого подхода в том, что напряжение наклона можно выразить из порогового напряжения EК = 2kT/q, т.е. оно пропорционально абсолютной температуре (PTAT). Простым суммированием выходов ячеек можно получить очень большой температурный коэффициент в напряжении наклона (см. выражение 6). Для этого детекторные ячейки gm смещаются токами, стабильными к температуре (на рисунке не показаны). Токи могут браться либо от внешнего источника питания либо от внутреннего опорного источника. Такая конфигурация позволяет установить контроль над величиной и температурным поведением логарифмического наклона, исключая использование EК. Далее следует обеспечить демодуляционную реакцию, требуемую в том случае, когда ЛУ преобразует изменяющийся входной сигнал в немодулированный выход «квазипостоянного» тока. Это достигается добавлением в gm-ячейки, использующиеся для суммирования, функции спрямления.

Можно смоделировать такие детекторы, которые по сути являются линейными gm-ячейками, но имеющими на выходе ток, не зависящий от знака напряжения на входе каждой ячейки. Это значит, что они реализуют функцию от абсолютного значения. Если выход последних ячеек близко приближается к амплитудно-симметричной прямоугольной волне, то даже для умеренных входных уровней (большинство ячеек усилительной цепочки работает в ограничительном режиме) выходной ток каждого детектора будет постоянным в течение каждого периода входного сигнала. Ранее детекторные каскады производили сигнал с краткими прерываниями, тогда как сегодняшние детекторы производят низкоуровневую, почти синусоидальной формы, волну с удвоенной (по сравнению с входным сигналом) частотой. Получаемый сигнал легче фильтруется, что приводит, в свою очередь, к низкой остаточной пульсации на выходе. Калибровка напряжения пересечения V X

При использовании конфигурации, изображенной на рис. 6, основное значение напряжения пересечения значительно отклоняется от расчётного. Однако истинное VX остаётся пропорциональным напряжению EK, которое, в свою очередь, прямо пропорционально температуре (см. выражение 5). Учитывая, что реакция от добавления напряжения смещения на выход малоразличима по сравнению с изменением положения VX, можно пресечь колебания VX, вызванные температурным изменением EK, путём добавления смещения с требуемым температурным поведением. Прецизионное температурное формирование позиции напряжения VX приводит к стабильности коэффициентов масштабирования ЛУ, что делает его точным измерительным устройством, пригодным для использования в качестве индикатора уровня принимаемого сигнала (RSSI). В этом применении наибольший интерес представляет уровень выходного напряжения для соответствующего входного сигнала, который неизменно имеет синусоидальную форму. Входной уровень также можно определить как эквивалентная мощность, в дБм, но в данном случае следует проявить осторожность. Очень важно знать импеданс нагрузки, при которой предполагается измерять эту мощность. В ВЧ-электронике, как правило, принимают опорный импеданс 50 Ом, при

Управление смещением

Расширение динамического диапазона

Теоретическое значение динамического диапазона (ДД) обычных ЛУ со структурой, изображенной на рисунке 6, составляет АN. При А = 5,2 (14,3 дБ) и N = 6 ДД равен 20000, или 86 дБ. Фактическая нижняя граница ДД в значительной степени определяется уровнем теплового шума на входе усилительной цепочки. Верхний край ДД поднят включением ограничивающих детекторов. Входной сигнал поступает на разветвляющий делитель (аттенюатор), и постепенно уменьшающиеся сигналы идут на три пассивные выпрямляющие gm-ячейки, выходы которых суммируются с выходами основных детекторов. При хорошем дизайне распространение ДД может быть непрерывным на всём частотном диапазоне. Для AD8307 эта величина достигает 27 дБ. Итоги

Современные логарифмические усилители могут принимать входные сигналы с частотой более 8 ГГц, замещая собой более традиционные диодные детекторы. Хорошее время отклика, исключительная температурная стабильность, поддерживающиеся на достаточно широком динамическом диапазоне, а также вожможность температурной компенсации делают этот тип устройств незаменимым измерителем мощности радиосигналов в таких системах как GSM, CDMA, WCDMA, TD-SCDMA и индикации принимаемого сигнала RSSI.

т е о р и я и п ра к т и к а

котором 0 дБм (1 мВт) отвечает синусоидальному напряжению амплитудой 316,2 мВ (среднеквадратичное значение = 223,6 мВ). Напряжение пересечения также можно выразить в дБм. Однако следует помнить, что ЛУ логарифмируют не мощность, а приложенное ко входу напряжение. Входной импеданс усилителей обычно значительно выше 50 Ом ( например, для усилителя AD8307 типичное значение Rвх на низких частотах равно 1,1 кОм). Простая согласующая схема на входе может значительно улучшить чувствительность ЛУ такого типа, что увеличит входной потенциал и, таким образом, изменит напряжение пересечения. Стоит отметить, что эффективное напряжение пересечения зависит от формы волны. К примеру, прямоугольная волна будет считываться на 6 дБ выше, чем синус такой же амплитуды, а нормальный (Гауссов) входной шум на 0,5 дБ выше, чем синус такого же среднеквадратичного значения.

В монолитных ЛУ часто применяется непосредственное соединение между каскадами. Во-первых, это избавляет от использования соединительных конденсаторов, которые обычно занимают площадь на кристалле, сопоставимую с площадью усилительной ячейки. Во-вторых, значение этих емкостей определяет нижнее значение частоты, при которой ЛУ будет функционировать (для средних значений конденсаторров нижняя частота может составлять более 30 МГц, значительно ограничивая диапазон применения). В-третьих, паразитные ёмкости снижают динамический диапазон ячейки, также ограничивая применение. Однако очень высокое усиление постоянного сигнала усилителей с непосредственными связями имеет свои недостатки. Напряжение смещения в начальных каскадах цепочки неотличимо от полезного сигнала. Например, если оно равно 400 мкВ, то это на 18 дБ больше, чем наименьший переменный сигнал (50 мкВ), что сужает потенциальный динамический диапазон. Такая проблема предотвращается использованием цепи общей обратной связи с последнего каскада в первый, что корректирует это напряжение смещения так же, как это происходит при ООС в обычном операционном усилителе. Высокочастотная составляющая сигнала ОС, несомненно, должна быть исключена, чтобы предотвратить уменьшение ВЧ-усиления в цепи прямой передачи. В AD8307 это достигается применением расположенного на кристалле фильтра, обеспечивающего подавление высоких частот ОС, достаточное для нормального функционирования на частотах выше 1 МГц. Для расширения диапазона путём понижения этой частоты предусмотрена возможность подключения внешнего конденсатора. Стоит отметить, что от этого конденсатора не будет толку на минимальной сигнальной частоте для входных уровней выше напряжения смещения; эта ситуация сохраняется вплоть до нулевой частоты (для сигнала, приложенного непосредственно к входным контактам).

Литература 1. Самков И.Ю. Логарифмические усилители для точного измерения мощности, Электронные компоненты, №3, 2008. 2. Datasheet for AD8703, Analog Devices, 2001. 3. Cory R., Halford P. Make Precise Base-Station Power Measurements, Microwawes&RF, November 2002. 4. Israelsohn J. Make short work of RF power measurment.

www. elcp.ru

Новые компоненты на российском рынке СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

напряжений питания 3…5,5 В и в расширенном температурном диапазоне -40…85°C. Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com Микросхемы интерфейсов RS-485/422 от Analog Devices с гальванической развязкой данных и питания

Новые трансиверы стандарта RS-485/422 расширяют линейку интерфейсных микросхем компании Analog Devices. Отличительной особенностью микросхем ADM2587E и ADM2582E является наличие на кристалле драйвера, ресивера, генератора, выпрямителя и стабилизатора, благодаря чему достигается изоляция как шины данных, так и цепей питания. Новые компоненты обеспечивают защиту от электростатического разряда до ±15 кВ и могут работать в тяжелых условиях промышленной среды. Основные особенности микросхем ADM2587E и ADM2582E: – скорость: ADM2587E — до 500 кБит/с, ADM2582E — до 16 Мбит/с; – компактные 20-выводные корпуса WSOIC; – изоляция до 2,5 кВ; – соответствие стандартам UL1577 и DIN VDE 0884-10. Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Аргуссофт Компани», ООО

Новые приемопередатчики RS-232 со встроенным транслятором логических уровней от Maxim

Компания Maxim Integrated Products представляет новое семейство приемопередатчиков RS-232 — MAX13234EMAX13237E. Обладая улучшенной функциональностью по сравнению с предыдущим поколением (MAX3224E-MAX3227E), эти устройства обеспечивают самую высокую в отрасли скорость передачи данных (до 3 Мбод), трансляцию логического уровня сигналов с низким напряжением, малый ток потребления (1 мкА) посредством функции автоматического отключения (AutoShutdown Plus™), а также обладают повышенной защитой от электростатики. Все выходы передатчиков и входы приемников защищены до ±15 кВ (разряд в воздушном зазоре) и ±8 кВ (разряд при прикосновении) согласно нормам IEC 1000-4-2. Уровень защиты по Human Body Model составляет ±15 кВ. Таким образом, MAX13234E-MAX13237E делают возможной высокоскоростную передачу данных без необходимости использовать внешнее преобразование логических уровней. Это семейство приемопередатчиков RS-232 идеально для применения в устройствах телематики, навигационных приемниках, POS-оборудовании, портативной, а также в промышленной электронике. Выпускаемые в миниатюрных корпусах TQFN и TSSOP, MAX13234E/MAX13235E имеют два приемника и два передатчика. MAX13236E/MAX13237E имеют один приемник и один передатчик и выпускаются в компактном корпусе TQFN. MAX13235E/MAX13237E гарантируют скорость передачи данных до 3 Мбод, в то время как скорость MAX13234E/MAX13236E составляет 250 кбод. Все устройства работают в диапазоне

Дополнительная информация: см. Maxim Integrated Products

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Новые энергоэффективные 1-Вт светодиоды для твердотельных источников света от Avago Technologies

Компания Avago Technologies анонсировала новую серию мощных 1-Вт светодиодов для применения в твердотельном освещении. Светодиоды серии ASMT-Jx1x отличаются малыми размерами (5×4×1,85 мм), широким углом излучения (165°), возможностью работы при повышенных температурах и надежностью. Серия ASMT-Jx1x отвечает самым строгим требованиям разработчиков к качеству цвета и однородности свечения, обеспечивая стабильную работу изделия при высоких температурах и большом управляющем токе. Создавая световой поток до 87 Лм при токе 350 мА, светодиоды характеризуются максимальной температурой перехода 150°C и защитой от электростатического разряда до 16 кВ, что делает их нечувствительными к любым электростатическим разрядам. Как следствие, исчезает необходимость использовать специализированное антистатическое оборудование при установке и пайке светодиодов. Более того, данная серия 1-Вт светодиодов выдерживает стандартную технологию пайки поверхностных компонентов методом оплавления припоя и позволяют заметно снизить стоимость разработки, обеспечивая разработчику значительную свободу и гибкость решения. Отличительные особенности: – доступные цвета: красный, янтарный, зеленый, голубой, холодный белый, нейтральный белый и теплый белый; – миниатюрный корпус; – высокая энергоэффективность; – прямая теплопередача от корпуса светодиода к печатной плате; – выдерживают стандартную технологию пайки оплавлением; – длительный срок службы; – широкий угол излучения; – силиконовая герметизация; – нечувствительность к электростатическому разряду (до 16 кВ); – соответствуют первому уровню чувствительности к влажности MSL 1. Области применения: – архитектурная подсветка; – декоративная подсветка; – уличное освещение; – электронные табло и знаки; – портативные осветительные приборы. Avago Technologies www.avagotech.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО Светодиодные драйверы ADDtek

ООО «НЕОН-ЭК» представляет новинку на российском рынке — светодиодные драйверы ADDtek. Эти микросхемы позволяют создавать недо-

электронные компоненты №3 2009

рогие эффективные светодиодные устройства для общего освещения, декоративной, рекламной и архитектурной подсветки; также они могут найти применение в мобильных устройствах для подсветки LCD дисплеев. Линейка продукции ADDtek содержит большое количество микросхем, различных по функциональному назначению: от простейших стабилизаторов тока для мощных светодиодов до ШИМгенераторов для работы с внешними MOSFET в светодиодных высоковольтных лампах. Отличительными особенностями светодиодных драйверов ADDtek являются: – низкий уровень создаваемых помех; – отсутствие катушки индуктивности; – высокий КПД; – малое количество внешних элементов; – «антикризисная» цена. На рисунке показана схема включения стабилизатора тока для мощных светодиодов AMC7135. ADDtek Corp. www.addmtek.com

Дополнительная информация: см. «НЕОН-ЭК», ООО

та и блокирует работу IGBT, если амплитуда напряжения на его затворе недостаточна для его полного открытия. Данный прибор вошел в семейство оптоизолированных драйверов затвора IGBT компании Avago Technologies, в котором уже представлены такие неавтомобильные драйверы, как ACPL-330J и ACPL-333J. Avago Technologies www.avagotech.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ Сдвоенный аналоговый ключ с возможностью коммутации сигнала отрицательной полярности от Intersil

Компания Intersil представляет новые микросхемы ISL54060 и ISL54061 — сдвоенные двунаправленные аналоговые клю чи с низким сопротивлением открытого состояния и низким рабочим напряжением. Они спроектированы для работы от однополярного питания напряжением 1,8…6,5 В и коммутируют сигналы с напряжением до 6,5 В больше питающего напряжения.

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Оптоизолированный драйвер для IGBT на ток 2,5 А от Avago Technologies

Драйвер ACPL-36JT компании Avago Technologies обладает возможностью блокировки при снижении напряжения на затворе и обеспечивает сигнализацию о срабатывании защиты от повреждения. Это позволяет реализовать более компактную, практичную и простую защиту от повреждения автомобильных IGBT и при этом выполнить требования автомобильного стандарта AEC-Q100.

Драйвер ACPL-36JT предназначен для повышения безопасности и усиления электрической изоляции в соответствии со стандартом IEC/EN 60747-5-5. Он представляет собой высокоинтегрированное устройство управления силовыми приборами в одном корпусе SO-16 и содержит все необходимые компоненты для реализации полнофункциональной схемы управления IGBT. TTL-совместимые логические входы ACPL-36JT можно напрямую подключать к микроконтроллеру, а оптически изо лированный выходной каскад способен управлять IGBT на токи до 150 А и напряжение до 1200 В. Встроенный быстродействующий оптический канал обеспечивает минимальную задержку распространения сигнала от микроконтроллера к IGBT и при этом делает возможной совместную работу двух, находящихся под существенно различающимися синфазными напряжениями, систем, что типично для промышленных электроприводов и других приложений с коммутацией силовых цепей. Выходной каскад ИС оснащен защитой IGBT от токовых перегрузок, а для сигнализации микроконтроллеру о срабатывания этой защиты предусмотрен дополнительный оптическиизолированный канал. В ИС драйвера встроена контрольная схема, которая следит за напряжением питания силового трак-

WWW.ELCP.RU

Микросхемы выпускаются в компактных 10-выводных корпусах μTQFN (1,8×1,4 мм) или TDFN (3×3 мм). Схемы аналоговых ключей в корпусе TDFN показаны на рисунке. Особенности микросхемы: – не содержит свинец (RoHS-совметима); – возможность коммутирования сигнала отрицательной полярности; – сопротивление открытого состояния: 0,52 Ом (V+ = +4,5 В), 0,65 Ом (V+ = +4,3 В), 0,9 Ом (V+ = +2,7 В), 1,8 Ом (V+ = +1,8 В); – рабочее напряжение: 1,8…6,5 В; – низкий ток потребления: 8 нА; – малое время переключения: tON = 43 нс, tOFF = 23 нс (V+ = +4,3 В); – защита от статического напряжения не менее 6 кВ; – совместимость с 1,8-В логикой (при напряжении питания 3 В); – 10-выводной корпус μTQFN или TDFN. Применение: – коммутация аудио-/видеосигналов; – портативное оборудование с батарейным питанием; – портативное измерительное оборудование; – медицинское оборудование. Intersil Corporation www.intersil.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

Миниатюрный токочувствительный усилитель для устройств с батарейным питанием от Maxim

Компания Maxim Integrated Products представляет MAX9610 — токочувствительный усилитель верхнего плеча для порта-

тивной электроники, обеспечивающий точный мониторинг тока. Разработанный для приборов с батарейным питанием, усилитель MAX9610 использует прецизионный входной каскад для работы в широком диапазоне входного синфазного напряжения 1,6…5,5 В (напряжение батареи). Такой входной диапазон прекрасно подходит для мониторинга тока одноэлементной литий-ионной (Li+) батареи, напряжение которой при полном заряде составляет 4,2 В, 3,6 В — при нормальной эксплуатации или менее 2,9 В, когда есть необходмость перезарядки. Кроме того, MAX9610 обладает ультранизким током потребления (1 мкА), что увеличивает время эксплуатации батареи, а также низким напряжением смещения (500 мкВ, max) и малой ошибкой усиления (±0,5%, max) для обеспечения максимальной точности. Поставляемый в миниатюрных корпусах µDFN и SC70, этот высокоточный усилитель идеален для мониторинга USB портов и одноэлементных Li+ батарей в портативных электронных устройствах. Выходной сигнал MAX9610 — напряжение. Усилители предлагаются в трех модификациях: с усилением 25 В/В, 50 В/В и 100 В/В. Для установки максимального напряжения, соответствующего полной величине нагрузочного тока батареи, может быть использован шунт. Например, ток 2 А и сопротивление шунта 25 мОм обеспечивают V SENSE = 50 мВ; при усилении 50 В/В выходное напряжение составит 2,5 В, что соответствует входному диапазону типового АЦП. Полностью специфицированные для работы в расширенном температурном диапазоне (–40…85°C), усилители MAX9610 поставляются в 6-выводном ультраминиатюрном корпусе µDFN размером 1×1,5×0,8 мм, а также в 5-выводном корпусе SC70. Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com

перехода питания с Vdd на Vbat и обратно. Особенности схемы: – отслеживание часов, минут, секунд, дней недели, дней, месяцев, лет; – встроенный генератор, тепловая компенсация; – 10-битный температурный датчик, точность ± 2°C; – программируемый переход на зимнее/летнее время; – 1 сигнал (устанавливается на секунду/минуту/час/день недели/день или месяц); – автоматическое резервирование питания на батарею или конденсатор; – работа при напряжении питания батареи Vbat = 1,8 В; – потребляемый ток: 1,0 мкА; – мониторинг состояния батареи; – обнаружение сбоя генератора; – шина I2C; – рабочая частота 400 кГц. Применение: – расходомеры; – POS-терминалы; – медицинское оборудование; – принтеры и копировальные аппараты; – цифровые фотоаппараты; – системы безопасности; – торговые аппараты. Intersil Corporation www.intersil.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Недорогие миниатюрные GSM/ GPRS модули с рабочим диапазоном температур до –40…85 °C от Waveсom

Дополнительная информация: см. Maxim Integrated Products

СТАНДАРТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ Высокоточные часы реального времени с низким энергопотреблением от Intersil

Компания Intersil представляет новую микросхему ISL12022M — часы реального времени со встроенным температурным датчиком и кварцевым генератором. Встроенные функции микросхемы включают: – компенсацию генератора; – часы и календарь; – слежение за неполадками питания и низким уровнем заряда батареи; – однократный и периодический сигнал; – интеллектуальный переход на батарейное питание; – функцию Battery Reseal и 128-байт СОЗУ с батарейным резервированием. Микросхема выпускается в 20-выводном корпусе SOIC, который содержит часы реального времени и кварцевый кристалл с рабочей частотой 32,768 кГц. Откалиброванный генератор обеспечивает допуск менее ±5 ppm во всем рабочем диапазоне температур –40…85°C.

Компания Wavecom объявила о выпуске новой серии GSM/GPRS модулей WISMO (WIreless Standard MOdem). Модули этой серии представляют собой компактное устройство (25×25×2,8 мм) с поддержкой наиболее часто используемых функций: GSM, SMS, GPRS. Модули серии WISMO построены на базе ядра ARM946 и обладают встроенной памятью. Основное отличие этих модулей — отсутствие поддержки OpenAT и встраиваемых приложений. Это выгодно влияет на их стоимость. Сегодня в этой серии представлены две модели: WISMO 218 — двухдиапазонный модуль (рабочий диапазон температур: –30…75 °C) WISMO 228 — четырехдиапазонный.модуль (рабочий диапазон температур: –40…85 °C) Основные параметры модулей приведены в таблице. Параметры Частотный диапазон, МГц Передача данных Управление Интерфейсы Кодеки Температурный диапазон, °C

WISMO 218 WISMO 228 900/1800 850/900/1800/1900 GSM, SMS, GPRS class10 До 11 GPIOs, 3 PWM, 1 SPI, 1 I2C, клавиатура 5×5 UART HR, FR, EFR, AMR, VDA2A –30…75 –40…85

Образцы модулей WISMO 218 будут доступны с марта этого года, а коммерческий запуск ожидается в мае. Начало серийного производства WISMO 228 ожидается в 3-м квартале текущего года. Функция слежения за напряжением питания и батареями дает возможность выбора пользователем уровня ошибки. Кроме того, функция Time Stamp позволяет сохранить время

Wavecom www.wavecom.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

электронные компоненты №3 2009

МК И DSP Новое семейство 8-разрядных контроллеров PIC18F87J90 для управления LCD от Microchip

Компания Microchip анонсировала новый 8-разрядный контроллер PIC18F87J90 со встроенной технологией энергосбережения nanoWatt, интегрированным контроллером LCD, модулем часов реального времени и календаря (RTCC) и блоком измерения времени заряда (CTMU — Charge Time Measurement Unit), позволяющего реализовывать на своей основе емкостные сенсоры (емкостная клавиатура) или точное измерение временных интервалов. Новый контроллер PIC18F87J90 расширяет популярное семейство устройств Microchip со встроенным контроллером LCD PIC18FxxJ90, предлагая разработчикам больший объем памяти: 64…128-Кбайт флэш-памяти и 4 Кбайт RAM. PIC18F87J90 полностью совместим по выводам с контроллером PIC18F85J90 и позволяет быстро портиро-вать приложение на контроллер с большим объемом памяти. Встроенный модуль управления LCD содержит программируемый контроллер контрастности, позволяющий регулировать контрастность LCD в зависимости от световых и температурных условий эксплуатации LCD. Уникальная система микропотребления nanoWatt допускает работу контроллера LCD и часов реального времени в режиме Sleep. Для знакомства с особенностями нового контроллера PIC18F87J90 компания Microchip предлагает своим разработчикам недорогой отладочный комплект PICDEMTM LCD 2 Demo Board (номер для заказа DM163030) и дополнительно к нему модуль MA180025 с двумя сенсорными кнопками. Семейство PIC18F87J90 работает в бесплатно предоставляемой среде MPLAB® ID, поддерживается компилятором MPLAB C Compiler для PIC18 и внутрисхемным отладчиком MPLAB ICD 3 (код заказа DV164035). Последняя версия среды MPLAB IDE содержит GUI для сегментных индикаторов и доступна на сайте www.microchip.com/ mplab. Microchip Technology Inc. www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

ДИСПЛЕИ

5,7-дюймовый TFT-LCD дисплей Sharp для промышленных применений

Компания Sharp расширяет ассортимент своих TFT-LCD дисплеев со светодиодной подсветкой для промышленных применений и представляет дисплей LQ057Q3DG01 с сенсорной панелью и диагональю 5,7 дюймов. В данной модели резистивная сенсорная панель встроена непосредственно в LCD-модуль и закрывает поверхность LCD-панели без воздушного зазора. Достоинствами данной модели являются превосходные оптические характеристики: яркость 320 кд/м² и контрастность 500:1. Данный модуль имеет slim-конструкцию с толщиной 13,8 мм, что всего на 1,4 мм толще версии панели (LQ057Q3DG02) без сенсорного экрана. Благодаря резистивной технологии с сенсорным экраном можно работать в перчатках или авторучкой. Дан ная особенность важна для низкотемпературных применений, например для тестеров и измерительного оборудования в контрольных приборах для строительства и сельского хозяйства, деревообработки, промышленного оборудования,

WWW.ELCP.RU

а также для диагностических и мониторинговых систем в медицине и службах спасения, работающих в тяжелых условиях внешней среды. LQ057Q3DG01 обладает повышенной устойчивостью к механическим нагрузкам и расширенным рабочим температурным диапазоном -30…70°C (обычные дисплеи с сенсорной панелью чаще всего работают в температурном диапазоне 0…50°C). LQ057Q3DG01 сочетает устойчивость к внешним воздействиям, необходимую для промышленных применений, со следующими преимуществами светодиодной подсветки: – быстрота срабатывания светодиодов даже при очень низких температурах; – возможность регулировки подсветки во всем диапазоне яркости светодиодов; – отсутствие высоковольтного инвертора. Характеристики LQ057Q3DG01 Размер дисплея

5,7 дюйма/14,5 см

Разрешение

320×RGB×240

Размеры, мм

144,0×103,8×13,8

Яркость, кд/м²

320

Контрастность

500:1

Цвета

262144

Температурный диапазон, °C

–30…70

Интерфейс

КМОП, 18-бит (6 бит/цвет)

Особенности

Сенсорный экран

Напряжение питания, В DC

3,3

Sharp Electronics Corporation www.sharpsme.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Импульсные источники питания мощностью 3000 Вт от Mean Well

Компания Mean Well предлагает новую серию импульсных источников питания в металлическом корпусе с активным корректором коэффициента мощности RSP-3000 (3000 Вт). Полная мощность отдается в нагрузку при окружающей температуре до 50°С. Возможность регулировки выходного напряжения в пределах 20—110% от номинального с помощью внешнего напряжения 1…5,5 В обеспечивает более широкие возможности при построении системы питания. Кроме стандартных функций в источниках питания предусмотрены следующие функции: – компенсация падения напряжения на выходных проводах; – внешнее включение/выключение; – дополнительный выход 12 В/0,1 А; – сигнализация о пропадании (уменьшении) выходного напряжения (реле и TTL-сигнал). RSP-3000 имеют такую полезную функцию, как ограничение выходного тока с задержкой отключения при перегрузке на выходе. Это позволяет использовать их для питания индуктивных и емкостных нагрузок. Области применения источников питания серии RSP-3000: промышленная автоматика, системы распределенного питания, телекоммуникационное оборудование, тестовое оборудование и др. Основные особенности: – КПД до 90%;

– диапазон входных напряжений: 180…264 В АС, 254…370 В DC; – коррекция коэффициента мощности: не менее 0,95; – электрическая прочность изоляции вход/выход: 3000 В AC; – рабочий диапазон температур: -20…70°С (хранение -40…85°С); – минимальное время наработки на отказ: более 104500 ч; – габариты: 278×177,8×63,5 мм. Стандартные функции: – активное ограничение пускового тока; – управляемые вентиляторы охлаждения; – параллельное подключение с распределением нагрузки; – Защита от превышения выходного напряжения, короткого замыкания и перегрузки на выходе (ограничение выходного тока), перегрева; – Соответствуют стандартам: UL60950-1, TÜV EN 60950-1 (по электробезопасности), EN55022 (CISPR22) (по уровню электромагнитных излучений), EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11, ENV50204, EN55024 критерий А (по устойчивости к воздействию электромагнитных помех). Mean Well www.meanwell.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО Новые недорогие блоки питания 450 и 1500 Вт от Mean Well

Компания Mean Well предлагает две новые серии источников питания с одним выходным напряжением 3,3…48 В без корректора коэффициента мощности: SE-450 (450 Вт) и SE-1500 (1500 Вт).

Новая серия миниатюрных AC/DC–преобразователей от MORNSUN

Компания Mornsun расширила свой модельный ряд миниатюрными AC/DC преобразователями серии DS03. Новые преобразователи с выходной мощностью до 3 Вт имеют миниатюрный корпус SIP12 (34×22,5×9,5 мм) для монтажа на печатную плату в отверстия, рабочий температурный диапазон –40…85°С, прочность изоляции вход–выход 2 кВ (в течение 1 мин). Наименование DS03-B03 DS03-B05 DS03-B09 DS03-B12 DS03-B15 DS03-B24

P, Вт 1,65 2,5

Uвых/Iвых 3,3 В/500 мА 5,0 В/500 мА 9,0 В/330 мА 12 В/250 мА 15 В/200 мА 24 В/125 мА

КПД, % 70 70 75 78 78 78

Серия DS03 рассчитана на входной диапазон напряжений 85...264 В переменного тока (или 100....400 В постоянного тока). Преобразователи имеют стабилизированный выход и снабжены защитой от короткого замыкания и перегрева. Данную серию отличает низкий уровень шумов на выходе (в полосе 20 МГц — не более 50 мВ для моделей с выходом 3,3, 5 В, не более 100 мВ для моделей с выходом 9, 12, 15, 24 В). Серия DS03 является оптимальным решением для промышленных приложений, в частности, беспроводных систем, АСУТП, средств УСПД в системах энергоучета. Гарантия производителя 3 года. Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО

Источники питания производятся в металлическом кожухе со встроенными вентиляторами с шариковыми подшипниками для принудительного охлаждения. Блоки питания снабжены защитой от превышения выходного напряжения, короткого замыкания и перегрузки на выходе и перегрева. Особенность этих источников питания — привлекательное соотношение цена/качество среди источников питания средней мощности (450…1500 Вт). Сфера применения: различные электронные устройства, системы промышленной автоматики, динамические световые табло и др. Основные характеристики: – Диапазон напряжения питания: SE-450 — 90…132/ 180…264 В АС (выбирается переключателем) 47…63 Гц, 254…370 В DC; SE-1500 –180…264 В АС 47…63 Гц, 254…370 В DC. – Активное ограничение пускового тока. – Высокий КПД: до 89%. – Электрическая прочность изоляции вход/выход 3000 В АC. – 100% тестирование при полной нагрузке. – Рабочий диапазон температур: –10…60°С (SE-450), –20…60°С (SE-1500); температура хранения: –40…85°С. – Среднее время наработки на отказ (по MIL-HDBK-217F при 25°С): 200000 ч (SE-450), 134500 ч (SE-1500).

DC/DC–преобразователи Mornsun с функцией регулировки выходного напряжения для поверхностного монтажа

Компания Mornsun расширила свой модельный ряд миниатюрными импульсными DC/DC преобразователями серии K78xxT. Новые преобразователи с выходными токами до 1000 мА имеют компактный корпус SMD (15,2×8,5×7,0 мм) для поверхн остного монтажа, рабочий температурный диапазон –40…85°С, без гальванической развязки вход/выход. Наименование Входной диапазон, В K7803T-500 4,5...28 K7805T-500 6,0...28 K7812T-500 14...28 K7815T-500 17...28 K7803T-1000 4,5...20 K7805T-1000 4,5...20

Uвых, В 1,8...5,5 2,5...8,0 4,5...13,5 4,5...15,5 1,8...5,5 2,5...8,0

Iвых, мА 500 1000

КПД, % 90 94 95 96 73 83

Серия K78xxT рассчитана на входной диапазон напряжений до 28 В DC и один стабилизированный выход. В серии K78xxT реализована функция регулировки выходного напряжения, а также есть функция дистанционного включения-выключения. Преобразователи снабжены защитой от короткого замыкания и перегрева. Серию K78xx отличает низкий уровень шумов на выходе (в полосе 20 МГц — не более 35 мВ (размах) и высокий КПД (до 96%).

Mean Well www.meanwell.com

Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО

электронные компоненты №3 2009

Понижающий регулятор со встроенным ключом на 5 А от Maxim

Maxim Integrated Products представляет MAX17083 — понижающий регулятор, работающий на фиксированной частоте в токовом режиме. Регулятор оптимизирован для применения в маломощных устройствах с низким напряжением. Мощные сдвоенные ключи на n-канальных полевых транзисторах, встроенные в регулятор, обеспечивают высокий КПД и уменьшают число внешних компонентов. Внешние диоды Шоттки не требуются. Внутренний вольтодобавочный ключ устраняет необходимость использовать внешний вольтодобавочный диод. Встроенный мощный MOSFET нижнего плеча с сопротивлением 25 мОм поддерживает непрерывный ток нагрузки величиной до 5 А. MAX17083 выдает регулируемое выходное напряжение в диапазоне 0,75…2,7 В, работая от входного напряжения питания системы 3,3 В или 5 В. Этот понижающий регулятор работает по схеме управления в режиме пикового тока (peak current-mode) для устранения дополнительной внешней компенсации, требуемой в схемах, работающих в режиме напряжения. Таким образом, при всей простоте реализации, переходные характеристики остаются на высоком уровне. В MAX17083 предусмотрена защита от пикового тока и работа в режиме пропуска импульсов для поддержки высокого значения КПД в условиях малых нагрузок. Независимый вход сигнала разрешения и выход powergood с открытым стоком обеспечивают гибкость при задании последовательности системного напряжения. Функция плавного запуска постепенно увеличивает выходное напряжение в течение определенного времени, эффективно ограничивая при этом броски пускового тока. MAX17083 имеет защиту от перегрева, а также защиту от недостаточного и избыточного напряжения на выходе. Ток в режиме shutdown — менее 1 мкА (typ). MAX17083 поставляются в 24-выводном корпусе TQFN (4×4×0,75 мм). Контактная площадка на основании корпуса улучшает температурные характеристики. Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com

Дополнительная информация: см. Maxim Integrated Products

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Новые высокочастотные малошумящие прецизионные кварцевые генераторы

ОАО «Морион» (г. Санкт-Петер бург) представляет качественно новые высокочастотные малошумящие прецизионные кварцевые генераторы. ГК218-ТС — это миниатюрный термостатированный кварцевый генератор в корпусе 25×25×10 мм. Поставляется с частотами от 48 МГц до 500 МГц, однако в дальнейшем планируется расширение этого диапазона до 1 ГГц. Характеризуется высокой температурной стабильностью частоты (до 5.10 –8) в широком интервале рабочих температур, высокой долговременной стабильностью частоты (до 2.10 –7 за год) и низким уровнем фазовых шумов: до –167 дБ/Гц для частоты 100 МГц при отстройке 10 кГц. ГК218-ТС имеет выходной сигнал SIN и напряжение питания 12 В. Со второго квартала 2009 г. планируется выпуск модификации кварцевого генератора с напряжением питания 5 В.

WWW.ELCP.RU

Характерной особенностью новой модели является малое время установления частоты — менее 60 с. Доступен вариант исполнения в корпусе с SMA-разъемом. ОАО «Морион» заканчивает разработку кварцевого генератора ГК219-ТС с теми же габаритно-присоединительными размерами, как и у описанного выше ГК218-ТС. Обладая схожими электрическими характеристиками, ГК219-ТС будет иметь существенно более высокую стойкость к внешним воздействующим факторам. Предназначен для специальных применений и будет поставляться в категории качества «ВП». Уникальные характеристики делают указанные генераторы эффективным решением для применения в различных типах радиолокационного оборудования, а также для любых видов синтезаторов частот. Образцы продукции будут представлены на стенде пред приятия (№18, павильон №3, зал №13) на выставке «ЭкспоЭлек троника 2009». ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

«Аргуссофт Компани», ООО 129085, Москва, пр. Мира, 95 Тел.: (495) 221-0130 Факс: (495) 221-0137 cmp@argussoft.ru www.argussoft.ru «Макро Групп», ЗАО 196105, С.-Петербург, ул. Свеаборгская, 12 Тел.: (812) 370-6070 Факс: (812) 370-5030 sales@macrogroup.ru, support@macrogroup.ru www.macrogroup.ru Maxim Integrated Products Тел.: + 7 911 791 5305 russia-feedback@maxim-ic.com www.maxim-ic.com/ru Microchip Technology sale@gamma.spb.ru www.microchip.com «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «НЕОН-ЭК», ООО 199178 С.-Петербург, ВО, 8-я линия, д.79 Тел./факс: (812) 335-00-65 www.e-neon.ru «ЭКО», ООО 107553, Москва, ул. Б. Черкизовская, 20, стр.1, оф.307 Тел.: (499) 161-9183 electron@e-co.ru www.e-co.ru «Элтех», ООО 198035, С.-Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: (812) 635-50-60 Факс: (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru