ЭК12 2010

содержание

№12/2010 6 На своем пути

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 11 Петр Ильин Проблемы электромагнитной совместимости импульсных источников питания

ДАТЧИКИ 17 Валерий Жижин Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного применения 24 Павел Лагузов, Андрей Соколов Цифровой интеллектуальный датчик — новый подход в отечественном приборостроении 28 К Миронов, П Миронова Современные полупроводниковые термочувствительные элементы

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И УЧЕТ РАСХОДА РЕСУРСОВ 41 Сунил Махешвари Разработка типового счетчика для интеллектуальных электрических сетей 46 Геннадий Сурков Решения Microchip для счетчиков расхода ресурсов 49 Джеф Грюттер Фотогальванические элементы для энергосберегающих приложений

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ 54 Игорь Чихранов Встраиваемые платы VIA Technologies для автоматизации, мониторинга объектов, цифрового видео и обработки данных

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

32 Сачин Гупта, Уманат Камат Прецизионное измерение температуры в промышленных системах контроля

57 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Передача речевой информации через WPAN

37 Поль Тюрпен Новый класс датчиков переменного тока на основе катушек Роговского с магнитной защелкой петли

63 Омар Гасанов, Александр Губа, Расул Кишов Принципы построения радиоприемников с цифровой обработкой сигнала

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.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, прз. 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 согласия 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. Подписано в печать 21.12.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13..

Электронные компоненты

www. elcp.ru

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

66 Боб Золло Генерация помех в цепях питания постоянного тока

80 Сергей Ефименко, Сергей Шведов, Владимир Цымбал, Сергей Минько Микросхемы понижающих импульсных преобразователей напряжения для источников электропитания

70 Ирина Ромадина Контроллеры корректора коэффициента мощности ON Semi

АЦП И ЦАП

4

ИНЖЕНЕР ИНЖЕНЕРУ 84 Бони Бейкер Улучшение характеристик ИОН

СОДЕРЖАНИЕ

74 Анатолий Андрусевич Сигма-дельта АЦП компании MAXIM

85 Гюнтер Спаннер LTSpice — бесплатная среда проектирования

МК И DSP 77 Владимир Смерек, Игорь Потапов, Валерий Крюков, Владимир Горохов Первый отечественный 16-разрядный микроконвертер К1874ВЕ96Т на базе усовершенствованного ядра MCS-96

WWW.ELCOMDESIGN.RU

89

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

91

ГОДОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ

contents # 1 2 / 2 0 1 0 E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #12 2010 63 Omar Gasanov, Alexander Guba, Rasul Kishov Principles of DSP Radio Receivers Design

MARKET 6 On the way

POWER SUPPLIES

DESIGN AND DEVELOPMENT

66 Bob Zollo Noise Generation in DC Power Lines

11 Petr Il’in Electromagnetic Compatibility Aspects of Switched Mode Power Supplies

ADC & DAC

17 Valery Zhizhin Fiber-Optic Sensors: Industrial Applications Prospects 24 Pavel Laguzov, Andrey Sokolov Digital Smart Sensor — The New Approach in Domestic Instrument Engineering

74 Anatoly Andrusevitch Maxim Sigma-Delta ADCs

MCU & DSP 77 Vladimir Smerek, Igor Potapov, Valery Krukov, Vladimir Gorohov The First National 16-Bit Microconverter K1874BE96T Based on Advanced Core MCS-96

28 K. Mironov, P. Mironova Modern Semiconductor Thermosensitive Elements 32 Sachin Gupta, Umanath R. Kamath Using Precision Temperature Sensing in Industrial Monitoring Systems

POWER ICs 80 Sergey Efimenko, Sergey Shvedov, Vladimir Cymbal, Sergey Minko Buck Switching Converter ICs for Power Supplies

37 Pierre Turpin A New Class of Rogowski Coil-Split Core Current Transducers

ENERGY SAVING AND ENERGY ACCOUNTING

FROM ENGINEER TO ENGINEER 84 Bonnie Baker How to Improve Voltage Reference Performance

41 Sunil Deep Maheshwari Getting Basic Utility Meter Designs Ready for The Smart Grid

85 Gunter Spanner LTSpice – Free Design Environment

46 Gennady Surkov Microchip Energy Metering Solutions

89

49 Jeff Gruetter Small Photovoltaic Cells Find a Use in Energy Harvesting Applications

NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET

91

ANNUAL CONTENTS

EMBEDDED SYSTEMS 54 Igor Chihranov VIA Technologies Embedded Cards for Automation, Object Monitoring, Digital Video and Data Processing

WIRELESS TECHNOLOGIES 57 Galina Gaykovitch Wireless Technologies and Their Use in Industry. Voice Data Transfer in WPAN

Электронные компоненты №12 2010

5 СОДЕРЖАНИЕ

SENSORS

70 Irina Romadina ON Semi Power Factor Correction Controllers

НА СВОЕМ ПУТИ

Лауреат премии «Живая электроника России»

И дым Отечества нам сладок и приятен! А.С. Грибоедов, «Горе от ума» «Л Кард» — известная российская компания, которая более двадцати лет занимается проектированием и производством электронного оборудования для систем промышленной автоматизации. Мы встретились с генеральным директором компании — Валерием Царюком, чтобы лучше узнать о ней. Название интервью родилось в процессе общения — удивительно, что на российском рынке в наше прагматичное время работают компании, которые, несмотря на множество препятствий, связанных с организацией разработки и производства в России, остаются верны себе и продолжают заниматься любимым делом.

— Расскажите, пожалуйста, об истории создания компании.

— Компания была основана в 1989 г. Все началось с создания плат АЦП для самых первых компьютеров Apple, появившихся в России. От составления схемы и написания программы до продажи изделий — всё делали сами. Задача ввода аналоговой информации в ПК оказалась весьма востребованной в то время. Постепенно наладились каналы сбыта, благодаря рекламе в журналах и участию в выставках нам удавалось успешно продавать свои платы. Появились заказчики, в соответствии с требованиями которых мы разрабатывали новые измерительные платы и другое электронное оборудование. Проходили годы, а наши изделия, изначально созданные с хорошим соотношением цены и качества, продолжали надежно работать. Узнав об этом, к нам пришли новые заказчики. Так мы стали узнаваемы.

— Какую продукцию вы выпускаете?

— Продукцию компании можно разделить на несколько групп. Первая из них — наша традиционная продукция, хорошо известная на рынке измерительного оборудования. Это аналогоцифровые и цифро-аналоговые преобразователи с интерфейсами RS-485, РЫНОК

6

WWW.ELCOMDESIGN.RU

CAN, USB, Ethernet, PCI-express как в виде отдельных плат и модулей, так и в составе законченных программноаппаратных комплексов с крейтовой архитектурой. Выпускаемые изделия находят широкое применение в лабораторных исследованиях, энергетике, авиастроении, геофизике, на транспорте — всего более чем в трех тысячах организаций. Часть изделий внесена в Госреестр средств измерений. Второе направление нашей деятельности связано с компанией «АВП Технология» — крупным системным интегратором на рынке современного оборудования для железнодорожного транспорта. Более чем за десять лет успешного сотрудничества созданы уникальные системы автоматического ведения поезда, не имеющие российских и зарубежных аналогов. Для решения задач сбора и регистрации параметров движения, управления различным оборудованием выпускается широкая номенклатура блоков самого разнообразного функционального назначения. В частности, для тепловозов выпускаются ультразвуковые датчики топлива, позволяющие во время движения состава фиксировать изменение массы топлива в многотонном баке с точностью до килограммов, для систем коммерческого учета электроэнергии в железнодорожных сетях 27 кВ испытываются разработанные нами делители напряжения с классом точности 0,5%. Мы достаточно много производим и по другим заказным разработкам, а также выполняем работы по контракту. Сейчас мы активно развиваем собственные разработки, не относящиеся напрямую к первой группе продукции. Одной из них является новое изделие — измеритель параметров качества электрической энергии, задуманный как недорогой телеметрический прибор с высокими точностными и эксплуатационными характеристиками. Этому направлению мы посвятили

сайт: www.power-control.ru. Идея создания такого прибора получила высокую оценку на форуме «ЖЭР». Пользуясь случаем, отмечу, что это и очень приятно, и убеждает нас в правильности выбранного пути.

— Кто разрабатывает программное обеспечение (ПО) для плат и модулей АЦП, позволяющее удобно работать с данными на компьютере?

— Тем, кто может разрабатывать ПО самостоятельно, мы предоставляем набор функций на разных языках программирования с подробным описанием — это позволяет пользователю создать программу для сбора данных, адаптированную под его, часто уникальную, задачу. Для тех пользователей, которые не имеют возможности создавать собственное ПО, в комплект поставки включена наша бесплатная программа сбора данных LGraph2. Программа решает универсальные задачи сбора и обработки данных, и может дополняться специальными функциями. При этом по многим параметрам и возможностям LGraph2 превосходит коммерческое ПО. Помимо бесплатного программного обеспечения есть два варианта платных пакетов программ, поддерживающих наше измерительное оборудование. Они созданы нашими партнерами — Лабораторией Автоматизированных Систем и ООО «ДИСофт».

— Могли бы Вы оценить, какая доля продукции разрабатывается под заказ, а какая реализуется на свободном рынке?

— Меньше трети нашей продукции реализуется на свободном рынке. Это изделия первой группы — платы и модули АЦП/ЦАП. На наш взгляд, этот сегмент рынка в последнее время развивается довольно вяло. Поэтому мы все больше внимания уделяем разработкам в новых для нас областях: контроль качества электрической энергии, высоковольтные измерения, частотно-

— Что видится в компании как наиболее сильная сторона, и что хотелось бы значительно улучшить?

— Как наиболее сильное качество мы оцениваем нашу способность реализовать в короткие сроки сложный технический проект. Многие годы работы в отрасли электроники для железнодорожного транспорта дали нам необходимый опыт и знания для развития и сопровождения действительно крупных проектов. При этом у нас есть всё необходимое как для сложных разработок в разных областях электроники, так и для серийного производства широкого спектра изделий. Значительно улучшить хотелось бы, прежде всего, продвижение наших товаров и услуг. Маркетолог, который нам нужен, должен быть еще и неплохим инженером. Найти специалиста, в котором совмещались бы эти два качества, пока не удалось.

— Некоторые российские компании помимо разработки занимаются и дистрибуцией электронных компонентов. Вы не хотите последовать их примеру?

— Нет, мы не планируем заниматься продвижением электронных компонентов. Несмотря на то, что это экономически привлекательнее, мы остаемся на своем пути: разработка и производство.

— Какие у компании производственные возможности?

— Производственная база нашей компании была создана и развивалась для удовлетворения растущей потребности в выпуске качественной и сбалансированной по цене продукции собственной разработки. В отличие от других компаний, наше производство всегда было вынуждено ориентироваться на нужды средне- и мелкосерийного выпуска, с оперативной перестройкой производственных мощностей под быстро меняющиеся планы наших заказчиков. Сейчас на производстве занято около 200 человек, более 100 из которых работают в городе Боровичи Нижегородской области. В основном там делаются серийные «обкатанные» изделия. В распоряжении специалистов находятся современная линия поверхностного монтажа с оптическим контролем качества, отлично оснащенные кабельный, монтажный и сборочный участки, участки химии и настройки, покрасочная камера, полигоны для температурных испытаний. Предметом нашей гордости является

динамично развивающийся участок механической обработки, насчитывающий более двух десятков современных станков. Наличие электроискровых, электроэрозионного станков и небольшого термопластавтомата значительно расширило наши возможности по изготовлению оснастки, прецизионной обработке деталей и литью небольших изделий. В московском подразделении осваивается вся новая продукция. Несколько десятков высококвалифицированных программистов и инженеров разных направлений составляют коллектив Лаборатории — интеллектуальное ядро нашего производственного потенциала. В Москве у нас также развиты участки настройки и тестирования изделий, опытного производства. Здесь производится та часть продукции, которая требует пристального авторского сопровождения, когда разработчик должен быть поблизости.

— Занимаетесь ли вы контрактным производством?

— Разработанные и производимые нами изделия, даже если инициатором разработки является сторонний заказчик, считаются у нас собственной продукцией. Обычно мы сопровождаем такие изделия в эксплуатации, совершенствуем их вместе с инженерными службами заказчиков, осуществляем все виды ремонта, разрабатываем тестовое оборудование для их производства, калибровки, поверки, температурных и иных испытаний. Под контрактным производством мы понимаем выполнение не всего комплекса, а отдельных видов работ, таких, например, как поверхностный или навесной монтаж, изготовление кабелей, комплектование и т.д. Доля таких заказов в загрузке производственных мощностей относительно невелика. Однако, расширяя и совершенствуя производственный потенциал, мы всё больше внимания уделяем этому направлению, и его роль в компании возрастает.

— Вы производите средне- и мелкосерийную продукцию. Планируете ли выходить на крупные серии?

— Производить крупными сериями нам вряд ли удастся — то, что потребляется массово, уже успешно разработано и производится в основном за пределами нашей страны. И хотя идея создания принципиально нового рынка очень привлекательна, она настолько же и трудна. Ориентируясь на эту амбициозную цель, мы будем рады более скромным достижениям — создавать востребованные изделия с серийностью от нескольких сотен штук в год.

— Какую элементную базу вы используете?

— В основном, это самая современная импортная элементная база. Мы используем отдельные отечественные компоненты, например, прецизионные резисторы, моточные изделия. Более сложные российские компоненты, к сожалению, либо не могут конкурировать с импортными, либо российских аналогов просто нет. Некоторые наши военные заказчики перешли на процессоры Blackfin от Analog Devices. На них производится достаточно сложная обработка данных, при этом стоимость одноядерных процессоров составляет 3—4 долл.

— Какова специфика работы с государственными заказчиками? Насколько сильная конкуренция в этой сфере?

— Государственные заказчики бывают разные, и особенностей работы с ними немало. Одна из них — неритмичность работы. Например, к середине года появляются средства и понимание, что и в каком количестве нужно произвести до конца года. При таком подходе приходится за несколько месяцев с надрывом выполнять годовую программу, а потом мучительно думать, чем занять работников до следующего аврала. Конкуренция в государственном заказе для нас не является определяющим фактором. Коллективов, способных быстро разрабатывать, производить и поддерживать современную электронику, осталось не так много. Был бы заказ, а конкурировать можно.

— Как Вы оцениваете государственную политику в области электроники?

— Если и существует такая политика, то направленности ее на развитие отечественного производителя мы не видим. Возможно в силу ограниченности кругозора. Однако известно много фактов закупок на государственные средства дорогостоящего импортного оборудования, которое по разным причинам не доводится до эксплуатации или выходит из строя из-за отсутствия надлежащего сопровождения. В итоге и российский производитель «загнулся», и снова появляется необходимость инвестировать большие деньги в оборудование. Такими кругами можно ходить долго, обогащая отдельных лиц и превращая страну в колонию. Или другой пример: высокие таможенные пошлины на элементную базу оправдываются желанием защитить отечественного производителя элементов, однако за кадром остается тот факт, что по многим направлениям производства высокотехнологичных эле-

Электронные компоненты №12 2010

7 РЫНОК

управляемый привод, системы сигнализации и т.д.

ментов защищать уже некого. И, увы, у нас неоткуда взяться производителям, к примеру, современных микросхем АЦП или микроконтроллеров. В результате, комплектация электронных приборов в России обходится на 20—30% дороже за счет таможенных пошлин на импортные элементы. (В Китае, например, где по-настоящему заботятся о развитии собственной электронной промышленности, такие пошлины, насколько нам известно, отменены). Уже одно это делает продукцию отечественных производителей абсолютно неконкурентоспособной: можно успешно производить десятки и сотни изделий, однако, как только счет идет на тысячи — интереснее производить в Китае, несмотря на множество возникающих при этом логистических и иных проблем. Такая вот политика.

— У компании широкая номенклатура производимых изделий. Возможно, не всегда хватает собственных специалистов. Пробовали ли вы работать с фрилансерами?

— Все попытки работы с фрилансерами окончились неудачно. Разработка производится у нас в системе сквозно-

го проектирования в рамках единой базы данных. Фрилансеры в эту схему вписываются плохо, у нас работает коллектив — электронщик, программист, конструктор, технолог, если нужно, метролог или другие специалисты. Вынесение части процесса за рамки этой схемы получается нелогичным.

— Многие представители российских компаний полагают, что в экономическом кризисе были и положительные стороны. Каково Ваше мнение?

— Безусловно, были. Положительные стороны можно найти во всем, всё зависит от точки зрения. Ситуация с кадрами улучшилась. Хороших работников стало удерживать несколько легче. Надеюсь, что мы изменились в лучшую сторону. Стали организованнее, гибче, осмысленнее. Открыли для себя и внедрились сразу в несколько крупных новых направлений. Наконец, мы просто пережили это время.

— Как Вы решаете проблему с кадрами?

— С большим трудом. Ищем специалистов через интернет. Пробуем,

ошибаемся, и снова пробуем. Профессия инженера-разработчика в России становится редкой. Собст венно, одна из миссий нашей компании — сохранить ее.

— Что, по-Вашему, представляет собой современная российская электроника?

— Российская электроника переживает не самые лучшие времена. С одной стороны, в обозримом будущем нет и не предвидится появления отечественных производителей элементной базы, способных конкурировать, например, с Texas Intrsuments, Analog Devices или NXP. С другой стороны, отечественные разработчики, имея доступ к импортной элементной базе, могут создавать современные изделия, не уступающие, а порой и превосходящие импортные аналоги. Могут создавать изделия, не имеющие аналогов. Мы надеемся, что, вопреки сложившейся ситуации, России нужны такие люди. Поэтому смотрим в будущее с умеренным оптимизмом. Интервью подготовили Чанов и Владимир Фомичёв.

Леонид

СОБЫТИЯ РЫНКА | II ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «СОВРЕМЕННАЯ СВЕТОТЕХНИКА» | 9 декабря 2010 г. в Санкт-Петербурге прошла конференция «Современная светотехника», организованная медиагруппой «Электроника». Рынок светотехники переживает сегодня бум, у компаний-производителей и дистрибьюторов наблюдается постоянный рост продаж и производства, поэтому неудивительно, что конференция собрала более 200 участников со всех городов и весей России. Конференция привлекла ведущих участников российского рынка светотехники. С докладами выступили представители многих компаний, среди них: ЗАО «Светлана Оптоэлектроника», OSRAM OS, ЗАО «Компэл», PHILIPS Lumileds, «Контракт-Электроника», Rainbow Electronics, «Светотроника», ОАО «Осрам», Illuminator Group, «Диодные лампы», МИП «Информатика», НИИ Точной механики, «Риэлта», НТЦ «Микроэлектроника» РАН, «LED-эффект», ОАО «Петербургская сбытовая компания», а также белорусский НИИ «Системы энергоснабжения транспорта». Оживленную дискуссию вызвали выступления председателя «LED-форума» Евгения Долина, который говорил о вопросах стандартизации, и руководителя отдела ЗАО «Компэл» Игоря Елисеева, попытавшегося ответить на вопрос — покупать или разрабатывать источник питания? Было и много других тем для обсуждения, из-за чего пленарная часть длилась на час дольше запланированного. Затем работа конференции продолжилась в секциях «Разработка светотехнических приборов» и «Применение светотехнических изделий». В общей сложности на конференции прозвучало 22 доклада.

8 РЫНОК

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКИ | 100 ЛУЧШИХ ПРОДУКТОВ ПО ВЕРСИИ EDN. FAIRCHILD SEMICONDUCTOR ВЫВЕЛ НА РЫНОК ЦИФРОВОЙ 6-МГЦ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ FAN5365 | Его максимальная эффективность достигает 88%. Преобразователь отличается хорошими динамическими характеристиками, высокой эффективностью и занимает небольшое место на плате. Преобразователь предназначен для питания процессорных ядер в изделиях с аккумуляторным питанием от одного литий-ионного аккумулятора. Собственное потребление микросхемы не превышает 40 мкА. При малой нагрузке преобразователь работает в экономичном режиме ЧИМ, при возрастании нагрузке он переходит в режим ШИМ с фиксированной частотой 6 МГц. Выбор величины максимального тока (800 или 1000 мА) осуществляется либо посредством программирования через интерфейс I2C, либо подачей управляющего напряжения на внешние выводы. Величина выходного напряжения программируется в диапазоне 0,75…1,975 В с шагом 12,5 мВ. Диапазон входного напряжения составляет 2,3…5 В www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

СОБЫТИЯ РЫНКА | НОВОЕ УНИКАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ НА МОНТАЖНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ «АБРИС-ТЕХНОЛОДЖИ» | «Абрис-Технолоджи» сообщила об установке и запуске нового комплекса оборудования, приобретённого ею в конце 2010 г. и инсталлированного на монтажном производстве в Санкт-Петербурге. Речь идёт о серии оборудования, которое дополняет возможности трёх имеющихся линий автоматического монтажа принципиально новыми характеристиками, редкими даже в масштабах страны. Прежде всего, это касается парофазной печи Asscon VP800 уникальной комплектации: её вакуумная зона позволяет снизить объём пустот внутри пайки до 1—2%. Необходимость такой зоны обусловлена особыми требованиями к монтажу СВЧ электронных блоков, а также электронных блоков ответственного применения. Кроме того, отсутствует вероятность перегрева платы и компонентов, пайка происходит в инертной среде, имеется возможность демонтажа микросхем в корпусе BGA с использованием «щадящего профиля» и визуального наблюдения за процессом, есть и другие существенные преимущества по сравнению с обычными печами. Функция включения/выключения использования вакуума обеспечивает максимальную гибкость в работе. Помимо печи своё место на производственном участке заняли установщик SMD Fritsch PlaceALL 510, установка струйной отмывки печатных плат Riebesam 23-ОЗТ, ремонтный центр FinePlacer Core, новые сушильные шкафы. Установщик Fritsch PlaceALL 510 позволит выполнять мелкосерийное многономенклатурное производство изделий с поверхностным монтажом (серия от 1 блока), его производительность — до 4 тыс. компонентов в час. При этом печатные платы могут быть практически не подготовлены к монтажу, а компоненты — предоставлены в любом виде, при сохранении основных технических возможностей монтажа. Установка струйной отмывки печатных плат Riebesam 23-ОЗТ позволит проводить качественную отмывку в тех случаях, когда ультразвуковая отмывка неприемлема. Ремонтный центр Fineplacer CORE имеет характеристики, позволяющие решать задачи по ремонту электронных блоков с расширенной номенклатурой установленных компонентов, увеличенным диапазоном типоразмеров и высокой сложностью. Установленное оборудование предназначено, в основном, для закрытия ниши прототипного производства сложных изделий, его внедрение — качественный скачок в технологии серийного производства СВЧ ЭБ. www.rcmgroup.ru | ЗАО ПРЕДПРИЯТИЕ ОСТЕК — «ЛУЧШИЙ ПОСТАВЩИК АТОМНОЙ ОТРАСЛИ РОССИИ 2010» | 30 ноября 2010 г. в Москве, в Центре международной торговли прошел Международный форум поставщиков атомной отрасли «Атомекс2010», организованный госкорпорацией «Росатом». Основные цели форума — повышение эффективности закупочной деятельности организаций госкорпорации «Росатом», развитие конкурентной среды, налаживание коммуникаций между заказчиками и поставщиками. В рамках форума «Атомекс-2010» состоялась церемония награждения лучших поставщиков отрасли. Основными критериями при выборе номинантов являлись: качество продукции; соблюдение сроков поставок; объем сэкономленных средств; значимость выполняемых работ; отсутствие нареканий со стороны заказчиков в течение 5 лет. Диплом «Лучший поставщик атомной отрасли России 2010» генеральному директору ЗАО Предприятие Остек В. Гаршину вручил исполнительный директор дирекции по ядерному энергетическому комплексу К. Комаров. Награды получили также ОАО ОКБ «Гидропресс», ФГУП «Приборостроительный завод», ФГУП СНПО «Элерон» и ООО «ЭлектротяжмашПривод». На пленарном заседании форума с докладом выступил генеральный директор госкорпорации «Росатом» С. Кириенко, который отметил: «…Правительство России поставило перед «Росатомом» задачу максимально эффективного расходования государственных средств, выделяемых на развитие российского атомного энергопромышленного комплекса. Это накладывает особые обязательства по повышению эффективности нашей работы, и главная роль в этом процессе отведена организации закупочной деятельности, выстраиванию стройной системы взаимоотношений с поставщиками. Потому что именно от поставщиков во многом зависит качество возводимых нами атомных станций, надежность работы всех объектов атомной отрасли». www.elcomdesign.ru

| МЕДИАГРУППА «ЭЛЕКТРОНИКА» ОТКРЫЛА НОВЫЕ ИНТЕРНЕТ-ПОРТАЛЫ | Медиагруппа «Электроника» открыла новые интернет-порталы по направлениям «Современная светотехника» (www.lightingmedia.ru) и «Электронные компоненты» (www. elcomdesign.ru). Мы понимаем, что сегодняшний мир завален информацией, и поэтому не хотим множить число электронных СМИ, перепечатывающих с минимальными редакторскими правками пресс-релизы компаний-производителей, но постараемся, сделать наш портал информационно-аналитическим. Мы будем рассказывать о наших планах, и приглашаем вас к их обсуждению. В разделе «Новости» будут появляться наиболее интересные, на наш взгляд, пресс-релизы и информация о заслуживающих внимание событиях, но основной акцент мы постараемся сделать на обзорно-аналитическом материале, который вы найдете в разделах «Обзоры» и «Интервью». Авторами обзоров смогут стать и читатели. Равно как и авторами статей в журналах, и докладчиками на наших конференциях. Все предложения о сотрудничестве мы будем размещать в рубрике «Стать автором» в разделе «Журнал». www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №12 2010

НОВОС ТИ

НАШИ НОВОСТИ

9

ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ПЕТР ИЛЬИН, технический консультант ИД, «Электроника» В статье освещаются требования международных стандартов по обеспечению электромагнитной совместимости в системах, использующих импульсные источники питания, и допустимые нормы уровня электромагнитных помех. Рассмотрены виды помех, генерируемых в импульсных источниках питания, и предлагаются практические меры по снижению уровня помех блоков питания, используемых как в крупных системах, так и в качестве автономных приложений.

МЕЖДУНАРОДНЫЕ СТАНДАРТЫ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Для обеспечения электромагнитной совместимости и бесперебойной работы электронных систем приняты международные законодательные акты и стандарты, которые ограничивают уровни генерации и излучения различных видов электромагнитных помех. Кроме того, принимаются специальные меры для обеспечения необходимой устойчивости оборудования к воздействию электромагнитных помех. Наиболее важными международными стандартами в области электромагнитной совместимости являются: – Стандарт Федеральной комиссии по связи США (Federal Communications Commission — FCC), глава 15; – Стандарт Международного специального комитета по борьбе с радиопомехами (International Special Committee on Radio Interference — CISPR) или CISPR 22.

В этих стандартах цифровое электронное оборудование разделяется на два вида: оборудование класса A (Class A), которое можно использовать только в промышленных или других специально подготовленных зонах, и оборудование класса B (Class B), которое может использоваться только в жилых помещениях и офисах. Примерами устройств класса B являются персональные компьютеры, калькуляторы и другие подобные устройства для широкого использования. Нормы стандартов по электромагнитной совместимости являются более жесткими для устройств класса B, т.к. больше вероятности, что они располагаются поблизости от других электронных устройств, использующихся в доме. Допустимые уровни для оборудования класса B являются в три раза более жесткими (около 10 дБ), по сравнению с нормами, предусмотренными для оборудования класса A. Стандарты на излучение электромагнитных помех учитывают два вида излучений: – кондуктивные помехи на вводах электропитания; – напряженность электрического поля помех при их излучении в эфир. Нормами стандарта FCC установлено, что любой сигнал помехи частотой выше 10 кГц должен отвечать установленным в стандарте нормам. Кроме того, FCC определяет полосы частот, в пределах которых должно контролироваться паразитное излучение в зависимости от вида помех. Излучаемые помехи должны контролироваться в полосе частот 30…1000 МГц. Кондуктивные помехи, т.е. радиочастотные паразитные сигналы, которые содержатся в сети питания переменного тока, должны контролироваться в полосе частот 0,45…30 МГц. Стандарт CISPR 22 требует сертификации устройств в частотном диапазоне 0,15…30 МГц для кондуктивных помех. Требования стандартов FCC и CISPR 22 согласованы (гармонизиро-

ваны), и для сертификации цифрового электронного оборудования можно использовать тот или другой стандарт. Измерения электромагнитных помех на частоте выше 1000 МГц должны производиться в соответствии с правилами и нормами FCC, т.к. в CISPR 22 не установлены нормы для частот выше 1000 МГц. Нормы стандарта FCC даны в мкВ, а нормы CISPR — в дБмкВ, поэтому для прямого сравнения параметров нужен их перевод из одних единиц в другие. Предельные значения уровня кондуктивных помех по FCC определяются для диапазонов частот 0,45…1,6 МГц и 1,6…30 МГц. Предельные значения уровня излучаемых помех по FCC определяются для диапазонов частот 30…88 МГц, 88…216 МГц и 216…1000 МГц при фиксированном измеряемом расстоянии 3 м. Допустимые нормы кондуктивных и излучаемых помех для стандартов CISPR22 и FCC представлены в таблицах 1 и 2, соответственно. Тестирование оборудования на электромагнитную совместимость и соответствие требованием стандартов выполняется согласно методике, определенной в стандарте ANSI C63.42009 «Методы измерения радиопомех от низковольтового электрического и электронного оборудования в диапазоне частот от 9 кГц до 40 ГГц» (Methods of Measurement of Radio-Noise Emissions from Low-Voltage Electrical and Electronic Equipment in the Range of 9 kHz to 40 GHz). Следует отметить, что производится тестирование системы в целом, а не только блока питания. При использовании в системе внешних источников питания необходимо тестировать всю систему, даже если блок питания соответствует установленным нормам. ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

Электромагнитные помехи могут быть разделены на непрерывные (длительные) помехи и помехи от переход-

Электронные компоненты №12 2010

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

Импульсные источники питания являются источниками электромагнитных помех, поэтому в случае их применения вопросам электромагнитной совместимости уделяется особое внимание. Внутренние цепи импульсных источников питания, создающие нежелательное излучение с высоким содержанием гармоник, могут вызывать электромагнитные помехи как во внутренних узлах устройства, так и в другом электронном оборудовании, расположенном поблизости от источника помех. С другой стороны, импульсные источники питания сами подвержены воздействию электромагнитных помех различного вида. Помехи могут поступать из сети электропитания или наводиться внешними высокочастотными магнитными полями, поэтому импульсные источники питания должны быть помехоустойчивыми.

ного процесса. Непрерывные помехи появляются, когда источник помех излучает непрерывный сигнал, содержащий основную частоту источника и связанные гармоники. Непрерывные помехи можно, в свою очередь, разделить по полосе частот. Частоты от нескольких десятков Гц до 20 кГц являются звуковыми частотами. Источниками звуковых помех являются источники питания и связанные с ними провода, линии передач и подстанции, устройства обработки звука (аудиоусилители мощности и громкоговорители), а также демодуляция несущей высокой частоты, как например, при FM-радиопередаче.

Высокочастотные помехи возникают в частотном диапазоне свыше 20 кГц. Источниками высокочастотных помех являются радиотрансляция, телевизионные и радиоприемники, промышленное, научное и медицинское оборудование, а также высокочастотные схемы (микропроцессоры, микроконтроллеры и другие высокоскоростные цифровые устройства). Широкополосный шум, содержащий кратные частоты, можно распределить частично на оба частотных диапазона. Источниками широкополосного шума могут быть солнечная активность, непрерывно работающие электроразрядники (аппараты для

Таблица 1. Допустимые нормы для кондуктивных и излучаемых помех согласно CISPR Предельные уровни кондуктивных помех для устройств класса A Предельные уровни кондуктивных помех, дБмкВ Частота излучения, МГц Квази-пиковые Средние 0,15…0,50 79 66 0,50…30,0 73 60 Предельные уровни кондуктивных помех для устройств класса B Предельные уровни кондуктивных помех, дБмкВ Частота излучения, МГц Квази-пиковые Средние 0,15...0,50 От 66 до 56* От 56 до 46* 0,50...5,00 56 46 0,50...30,0 60 50 Предельные уровни излучаемых помех на расстоянии 10 м для устройств класса A Частота излучения, МГц Предельные уровни напряженности поля, дБмкВ/м 30...88 39 88...216 43,5 216...960 46,5 свыше 960 49,5 Предельные уровни излучаемых помех на расстоянии 3 м для устройств класса B Частота излучения, МГц Предельные уровни напряженности поля, дБмкВ/м 30...88 40,0 88...216 43,5 216...960 46,0 свыше 960 54,0 Таблица 2. Допустимые нормы для кондуктивных и излучаемых помех согласно FCC

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

12

Предельные уровни кондуктивных помех для устройств класса A Частота излучения, МГц Предельные уровни кондуктивных помех, мкВ 0,45...1,6 1000 1,6...30,0 3000 Предельные уровни кондуктивных помех для устройств класса B Частота излучения, МГц Предельные уровни кондуктивных помех, мкВ 0,45...1,6 250 1,6...30,0 250 Предельные уровни излучаемых помех на расстоянии 3 м для устройств класса B Предельные уровни напряженности поля, Частота излучения, МГц мкВ/м 30...88 100 88...216 150 216...1000 200 свыше 1000 200 Предельные уровни излучаемых помех на расстоянии 30 м для устройств класса A Предельные уровни напряженности поля, Частота излучения, МГц мкВ/м 30...88 30 88...216 50 216...1000 70 свыше 1000 70

WWW.ELCOMDESIGN.RU

дуговой сварки), а также мобильная связь. Электромагнитные помехи от переходного процесса возникают, когда источник излучает короткие импульсы, а не непрерывный сигнал. Источниками помех от переходного процесса являются импульсные электрические схемы, например, индуктивные нагрузки, реле, электромагниты и электромоторы. Другими источниками могут быть электростатический разряд, системы освещения, скачки напряжения в сети и т.д. Периодические помехи от переходного процесса могут быть вызваны работой электромоторов, систем зажигания бензиновых двигателей и непрерывным переключением цифровых схем. КАНАЛЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ В ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Воздействие электромагнитных помех может происходить путем кондуктивной связи через нежелательные (паразитные) цепи, посредством индукционной связи (как в трансформаторе) и путем излучения. Кондуктивная связь возникает, когда канал связи между источником помех и приемным устройством формируется путем непосредственного контакта. Прямой контакт может быть обеспечен через линию передачи, провод, кабель, проводник печатной платы или металлический корпус. Кондуктивные помехи могут появиться как в синфазном, так и в дифференциальном режимах на двух проводниках. Дифференциальные помехи возникают из-за дифференциальных токов в паре проводов: ток покидает источник по одной линии и возвращается по обратной линии дифференциальной пары. Дифференциальные токи протекают между импульсным источником питания и его источником или нагрузкой через выводы питания. На земляной шине дифференциальные токи отсутствуют. Синфазные помехи вызываются синфазными токами. В этом случае шумовой ток течет вдоль обеих линий в одном и том же направлении и попадает через паразитные цепи на системную земляную шину. Во многих случаях синфазные помехи поступают через паразитные емкости в схеме. Синфазный ток течет в одном направлении от импульсного источника питания через ввод питания и возвращается обратно к источнику по земле. Кроме того, синфазные токи могут передаваться через емкость между корпусом и землей. Кондуктивные электромагнитные помехи измеряются в диапазоне частот до 30 МГц. Токи частотой ниже 5 МГц в

нитным помехам, как излучаемым, так и кондуктивным, применимы ко всей электронной системе. Модули питания являются одними из многих компонентов системы. Поскольку требования к электромагнитным помехам применимы ко всей системе, необходимо приложить немало усилий для ограничения шума при её проектировании. ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕРЫ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ

В системах и схемах, которые используют импульсные источники питания, следует минимизировать проблемы, связанные с электромагнитными помехами и обеспечить соблюдение установленных норм. Важно отметить, что даже приложение с тщательно спроектированным импульсным источником питания может не соответствовать требованиям стандарта, если оно не оптимизировано с целью минимизации электромагнитных помех.

ходы к решению проблемы для каждого вида шума. Реализованные решения для дифференциального шума не исключают синфазный шум в схеме и наоборот. Дифференциальный шум обычно можно подавить включением шунтирующего конденсатора непосредственно между силовой и обратной линиями импульсного источника питания. Силовые линии, которые требуют фильтрации, могут быть расположены на входе или выходе импульсного источника питания. Для наилучшей эффективности шунтирующие конденсаторы на этих линиях необходимо располагать

13

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ КОНДУКТИВНЫХ ПОМЕХ

Для того чтобы эффективно ослаблять негативное воздействие кондуктивных помех, необходимо отдельно рассматривать синфазный и дифференциальный шумы, т.к. различаются под-

Рис. 1. Дифференциальные и синфазные токи в системе

Электронные компоненты №12 2010

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

большинстве случаев являются дифференциальными, а выше 5 МГц — синфазными. Дифференциальные и синфазные токи в системе проиллюстрированы на рисунке 1. Индуктивная связь возникает там, где источник и приемник находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Индуктивная связь может быть вызвана электрической или магнитной индукцией. Электрическая индукция является следствием емкостной связи, а магнитная индукция обусловлена индуктивной связью. Емкостная связь возникает, когда имеется переменное электрическое поле между двумя соседними проводниками, что вызывает изменение напряжения на соседнем проводнике. Магнитная связь возникает, когда появляется переменное магнитное поле между двумя параллельными проводниками, что вызывает изменение напряжения вдоль принимающего излучаемое поле проводника. Излучаемая связь возникает, когда источник и приемник («жертва») действуют как радиоантенны. Источник излучает электромагнитную волну, которая распространяется по открытому пространству между источником и «жертвой» и принимается «жертвой». Индуктивная связь встречается реже, чем кондуктивная или излучаемая связь. Требования к электромаг-

зировать излучение. Это достигается размещением источника генерации помех внутри заземленного проводящего корпуса. Интерфейс с внешней средой осуществляется через проходные фильтры. Кроме того, нужно поместить синфазные шунтирующие конденсаторы между проводящим корпусом и земляной шиной. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕРЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОМЕХ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ Рис. 2. Уменьшение площади петлевой антенны снижает излучаемые помехи

Рис. 3. Пример исключения петель в шинах питания

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

14

вблизи выводов источника генерации помех. Расположение шунтирующего конденсатора критически важно для эффективного ослабления дифференциальных токов на высоких частотах. Ослабление дифференциальных токов на более низких частотах вблизи основной частоты переключения источника генерации помех может потребовать применения шунтирующего конденсатора намного большей емкости, чего нельзя достичь с помощью керамического конденсатора. Керамические конденсаторы емкостью до 22 мкФ могут подойти для фильтрации дифференциальных помех на низковольтных выходах импульсных источников питания, но их может быть недостаточно для применения на входах импульсных источников питания, где могут наблюдаться 100-В выбросы напряжения. Для таких приложений используются электролитические конденсаторы ввиду их высокой емкости и рабочего напряжения. Дифференциальный входной фильтр обычно состоит из комбинации электролитического и керамического конденсатора, что позволяет эффективно ослаблять дифференциальный ток как на более низкой основной частоте переключения, так и на частотах более высоких гармоник. Дополнительного подавления дифференциальных токов можно

WWW.ELCOMDESIGN.RU

достичь с помощью включенной последовательно с сетевым входом катушки индуктивности, которая совместно с шунтирующим конденсатором образует однокаскадный дифференциальный LC-фильтр нижних частот. Синфазные кондуктивные токи эффективно подавляются путем включения шунтирующего конденсатора между каждой силовой линией импульсного источника питания и землей. Эти силовые линии могут быть на входе и/или выходе импульсного источника питания. Дополнительного подавления синфазных токов можно достичь с помощью пары связанных дросселей, включенных последовательно с каждым сетевым входом. Высокий импеданс связанных дросселей к синфазным токам обеспечивает передачу этих токов через шунтирующий конденсатор. МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ИЗЛУЧАЕМЫХ ПОМЕХ

Излучаемые помехи можно подавить с помощью уменьшения высокочастотного импеданса и сокращения площади антенной петли, что обеспечивается путем минимизации площади замкнутой антенной петли, которая образуется силовой линией и ее обратным каналом (см. рис. 2). Индуктивность проводника печатной платы можно минимизировать, делая ее ширину как можно больше и прокладывая ее параллельно обратному каналу. Уменьшение площади между силовой линией и ее обратным каналом обеспечивает снижение ее импеданса. В пределах печатной платы эта область может быть сокращена путем размещения силовой и обратной линий — одной под другой — на соседних слоях платы. Земляной слой, расположенный на открытых поверхностях печатной платы, особенно если плата расположена прямо под источником генерации помех, значительно уменьшает излучаемые электромагнитные помехи. Для дополнительного уменьшения излучаемых помех можно использовать металлические экраны, чтобы канали-

Необходимо обеспечить надежное соединение проводов с импульсным источником питания. Провода должны быть как можно более короткими, а количество петель — минимизировано. Следует избегать прокладки входных или выходных проводов вблизи силовых устройств. Убедитесь, что все соединения с землей выполнены надежно. Заземляющие провода должны быть также как можно более короткими. Если при работе схемы или системы наводятся переходные токовые процессы, очень важно размещать развязывающие конденсаторы таким образом, чтобы импульсы тока не могли передаваться к источнику питания. В качестве таких конденсаторов следует использовать высокочастотные керамические конденсаторы и накопительные конденсаторы большой емкости. Если допускается режимом эксплуатации, то следует уменьшить частоту или увеличить длительность фронта/спада тактового сигнала. Схемы с более высокой тактовой частотой и более быстрым временем переключения следует располагать вблизи входа силовой линии для того, чтобы уменьшить переходные процессы в цепи питания. Рекомендуется, чтобы аналоговые и цифровые схемы были физически изолированы друг от друга, как по источнику питания, так и по сигнальным линиям. Следует избегать появления заземляющих контуров в системе, особенно когда система является сложной. Это можно обеспечить, используя одну точку подсоединения к земляной шине. На рисунке 3 показан пример подсоединения системы к земляной шине. Если в системе имеется множество схемных узлов, то их следует отделить между собой с помощью прокладки отдельных линий питания и/или путем включения катушек индуктивности в линиях питания, как показано на рисунке 4. При необходимости можно разместить на линиях DC-питания ферритовые шайбы для развязки системы и источника питания по переменному току. Эта мера может быть эффективной, когда имеется угроза нарушения работы системы из-за появления гар-

моник при переключении питания или для того, чтобы предотвратить попадание помех, сгенерированных в системе, в источник питания. Если для какоголибо приложения недостаточно встроенного фильтра электромагнитных помех, можно включить дополнительный фильтр перед источником питания. Ферритовая шайба может быть также размещена на земляном проводе между входом сети переменного тока и блоком питания. Хотя многие из методов уменьшения помех, рассмотренных выше, применимы как для AC/DC-, так и DC/DC-преобразователей в составе системы, имеются специфические меры, которые касаются только DC/DC-преобразователей. Импульсный режим работы большинства DC/DC-преобразователей подразумевает импульсный входной ток, который лучше всего передается через локальные конденсаторы, расположенные поблизости от импульсных устройств. Поскольку многие DC/DC-преобразователи имеют компактные размеры, они в большинстве случаев не содержат конденсаторов достаточной емкости. Разработчик системы должен разместить дополнительные конденсаторы на входе, чтобы снизить дифференциальные помехи. Для лучшей фильтрации можно использовать PI-фильтры, как показано на рисунке 5. Для снижения уровня синфазных помех можно использовать дополнительные конденсаторы. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОМЕХ НА СИСТЕМНОМ УРОВНЕ

РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

16

Как уже говорилось, при том, что большинство импульсных источников питания спроектировано в соответствии с требованиями стандартов по электромагнитным помехам, сама система тоже должна быть спроектирована таким образом, чтобы генерировать минимум помех и соответствовать допустимым нормам. Компонентами системы, при проектировании которых следует уделить особое внимание снижению помех, являются сигнальные линии, печатные платы и твердотельные компоненты. На сигнальных линиях следует использовать фильтры нижних частот

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 4. Разделение линий питания для отдельных узлов системы

Рис. 5. Типовая схема фильтрации для DC/DC-преобразователя

для уменьшения допустимой полосы частот до того минимума, при котором удается пропускать сигналы без затухания. Петли питания и обратного канала должны располагаться ближе к линиям широкополосных сигналов для минимизации излучаемых помех. Кроме того, сигнальные линии для передачи высокочастотных сигналов должны иметь корректную оконечную нагрузку для уменьшения отражений. «Звон» и выбросы на этих линиях могут быть также минимизированы за счет использования соответствующей оконечной нагрузки. Изменение импеданса печатной платы, при котором возможно усиление помех, можно минимизировать за счет использования более широких металлических проводников, что уменьшает импеданс силовых линий. Где это возможно, сигнальные проводники следует проектировать с учетом задержки распространения и времени нарастания и спада сигнала, а также использовать отдельные слои питания и земли. Следует избегать применения щелевых апертур в топологии печатных плат, особенно в слоях земли или около токовых дорожек для снижения нежелательных антенных эффектов.

Кроме того, необходимо по возможности минимизировать применение Т-образных ответвлений проводников, которые могут вызывать отражения сигнала и появление гармоник. Следует уменьшить число или совсем исключить резкие изгибы металлических проводников для того, чтобы снизить концентрацию поля. Плавающие проводящие области могут быть источниками излучаемых помех, поэтому следует избегать их появления, за исключением случаев, когда они необходимы для улучшения теплового режима на плате. Кроме того, твердотельные компоненты на плате должны быть развязаны как можно ближе к линиям питания кристалла — это нужно, чтобы уменьшить шум от элемента и переходные процессы в линиях питания.

ЛИТЕРАТУРА 1. Don Li, Jeff Schnabel. Electromagnetic Compatibility Considerations for Switched Mode Power Supplies//CUI Inc. 2. SMPS AC/DC Reference Design User’s Guide//Microchip Technology Inc. 3. Glenn Skutt. Application Note: Meeting Military Requirements for EMI and Transient Voltage Spike Suppression//VPT, Inc.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ВАЛЕРИЙ ЖИЖИН, ведущий инженер-разработчик систем сбора данных и управления, ЗАО «Криогенная технология» В статье рассматриваются принципы построения современных волоконно-оптических датчиков (ВОД) и возможность их применения в различных областях промышленного производства. Подробно рассмотрена современная элементная база оптоэлектроники, а также базовые алгоритмы последетекторной обработки сигналов, применяемые в ВОД. В работе приводятся описания конструкций волоконно-оптических датчиков, нашедших практическое применение в промышленности. Рассмотрены перспективные направления волоконно-оптической сенсорики. ских интегральных схем, где носителем информации служит свет, а логические операции выполняются оптическими элементами. В чем же преимущество применения волоконно-оптических датчиков по сравнению с традиционными полупроводниковыми датчиками в интегральном исполнении? Проведем анализ по отраслям промышленности. АВИОНИКА И АВТОЭЛЕКТРОНИКА

В этих областях проявляются такие преимущества ВОД, как устойчивость к ЭМ-помехам, способность работать в условиях пониженных (до –70°С) и повышенных (до 150°С) температур, малые габариты и масса. Здесь могут найти применение оптические датчики температуры, линейного и углового положения, акселерометры. В военной и гражданской авиации получили широкое распространение оптические гироскопы на основе кольцевого интерферометра, использующие эффект Саньяка. Так, например, они применяются в инерциальной системе навигации самолетов «Боинг-767», А320, А340, БПЛА «Predator» и др. ЭНЕРГЕТИКА

Преимущество использования ВОД в этой области обеспечивается их стабильными термо- и электроизоляционными характеристиками, помехозащищенностью и безынерционностью. В этой отрасли могут найти применение волоконно-оптические трансформаторы напряжения (эффект Поккельса), тока (магнитооптические датчики на эффекте Фарадея), датчики температуры. Подобные сенсоры могут быть использованы при создании системы диагностики высоковольтных трансформаторов без их выведения из эксплуатации.

ХИМИЧЕСКАЯ И НЕФТЕГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, МЕТАЛЛУРГИЯ

В этих отраслях востребованы ВОД с бесконтактными методами измерения (лучевые термометры, лучеводы изображения, оптические датчики измерения расхода газов, датчики ускорения и перемещения), которые могут устойчиво функционировать в условиях агрессивных и взрывоопасных сред, высоких температур, интенсивных электромагнитных помех. МЕДИЦИНА И БИОТЕХНОЛОГИИ

В этой специфической области особо проявляются такие преимущества волоконно-оптических датчиков, как гибкость и малый диаметр оптоволокна, химическая и биологическая стойкость, высокое пространственное разрешение. Лидером производства подобных датчиков в настоящее время является корпорация «Оmron». ТИПЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ И ПРИНЦИП ИХ РАБОТЫ

Прежде чем переходить к рассмотрению волоконно-оптических датчиков, рассмотрим функционирование оптического волокна. Современное оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой распространяется свет, и оболочки. Снаружи она закрыта полимерной пленкой. Сердцевина представляет собой нить из пластика или стекла с определенными добавками (как правило, германий) для повышения коэффициента преломления. Коэффициент преломления сердцевины n1 примерно на 0,01…0,02 превышает коэффициент преломления оболочки n2. Благодаря этому луч света, направленный в сердцевину, распространяется по ней, многократно отражаясь от границы раздела «сердцевина-оболочка».

Электронные компоненты №12 2010

17 Д АТ Ч И К И

В связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления во всех областях промышленности возрастает потребность в датчиках физических величин — температуры, давления, ускорения, перемещения, тока. Помимо высоких метрологических характеристик, датчики должны обладать большой надежностью, стабильностью, помехоустойчивостью, долговечностью и простотой интегрирования в микроконтроллерные системы управления. Особенно это относится к таким отраслям, как авионика, металлургия, автоэлектроника, теплотехника и энергетика, медицинская техника, высокоточные системы вооружений. Перечисленным требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики (ВОД). До недавнего времени развитие волоконно-оптических датчиков сдерживалось, в основном, двумя факторами. Во-первых, не было дешевых оптоэлектронных компонентов — малошумящих лазерных диодов, высокочувствительных p-i-n-фотодиодов, пассивных волоконно-оптических элементов. Во-вторых, из-за нелинейности оптического сигнала относительно измеряемой величины требуются специальные алгоритмы обработки сигнала (усреднение, нелинейная обработка, интегральные преобразования), а значит — нужен процессор обработки сигнала с высокой производительностью. С развитием микроэлектромеханики, оптоэлектронных компонентов на основе полупроводниковых гетероструктур, массовым внедрением DSP и сигнальных микроконтроллеров (MSP430, AVR и др.) ситуация на рынке стала улучшаться; появились даже опытные образцы чисто оптиче-

стью и могут быть использованы для бесконтактных измерений. ТРЕБОВАНИЯ К КОМПОНЕНТАМ ВОД Излучатели

Рис. 1. Распространение света в волоконном световоде

Важнейшей характеристикой оптоволокна является числовая апертура NA — максимально возможный угол, с каким свет, введенный в волокно, может распространяться в нем. Числовая апертура определяется коэффициентами преломлений сердечника и оболочки и выражается как: , где Δ = (n1/n2) – 1. Если угол ввода луча света в сердечник меньше NA , то он испытывает полное внутреннее отражение и распространяется только в нем (луч 1 на рис. 1). При нарушении этого условия часть вводимого излучения преломляется и уходит в оболочку, а часть — отражается внутрь сердечника (луч 2). С числовой апертурой связана нормированная частота. Она определяет, сколько мод (упрощенно — оптических лучей под разными углами) может распространяться в данном волокне. Нормированная частота F вычисляется по следующей формуле: F = (2π/λ).а.NA,

Д АТ Ч И К И

18

где а — диаметр сердечника; λ — длина световой волны. Для оптических волокон существует граничное значение Fc. Для рассмотренного оптического волокна со ступенчатым изменением показателя преломления Fc = 2,045. Если рассчитанное значение F превышает эту величину, то распространяется множество мод и волокно называется многомодовым. В противном случае распространяется одна мода и волокно является одномодовым. Многомодовые оптические волокна технологичны, легко соединяются с источниками и детекторами излучения, а также с другими волокнами. Недостаток многомодового волокна — нарушение когерентности источника, поэтому оно может быть использовано для передачи информации только об интенсивности оптического сигнала. В одномодовых волокнах может использоваться поляризация и фаза когерентного источника, например, полупроводникового лазера, и на его основе возможно построение датчиков с волокном в качестве чувствительного

WWW.ELCOMDESIGN.RU

элемента. Основной недостаток одномодового волокна — высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям и относительная сложность сопряжения с другими оптическими компонентами. Внешний диаметр многомодовых и одномодовых волокон одинаков и равен 125 мкм. Диаметр сердцевины у многомодового волокна — 50 мкм при Δ ≈ 1%, а у одномодового — 10 мкм при Δ ≈ 0,3%. Более подробно физические основы волоконной оптики изложены в [1]. Волоконно-оптические датчики можно разделить на две группы: датчики с волокном в качестве линии передачи и с одномодовым волокном в качестве чувствительного элемента. Наиболее отработаны в теоретическом и технологическом отношении и постепенно осваиваются в промышленном производстве волоконно-оптические датчики первого типа. Их можно условно поделить на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптическим зондом. Датчики с оптическим преобразователем представляют собой систему, которая содержит оптический элемент, чувствительный к воздействию измеряемой физической величины, излучатель и приемник. Оптический элемент (преобразователь) помещен между торцами передающего и приемного многомодового волокна. В качестве излучателя обычно используют малошумящий светодиод, а в качестве детектора света — p-i-n-фотодиод. Эти полупроводниковые элементы должны быть электро- и термостабильными. В датчиках с оптическим зондом зондирующий световой луч, отраженный или рассеянный объектом измерения, поступает в приемную оптическую систему, состоящую из объектива и волокна, выходной торец которого связан с p-i-n-фотодетектором. В датчиках этого типа могут быть использованы многомодовые или одномодовые оптические кабели, а также волоконно-оптические жгуты. В качестве источника света в зависимости от вида измеряемой величины (интенсивность, поляризация, фаза) используются светодиоды или лазеры. Волоконнооптические датчики на этом принципе отличаются высокой чувствительно-

Как отмечалось выше, в качестве оптических излучателей могут использоваться как когерентные (лазеры), так и некогерентные источники (светодиоды). В ВОД на основе одномодового волокна чаще всего используются арсенид-галлиевые полупроводниковые лазеры в диапазоне длин волн 1,3…1,55 и 0,8…0,95 мкм с выходной мощностью 1…10 мВт. Эти спектральные диапазоны хорошо согласуются с окнами пропускания одномодового волокна. С учетом специфики когерентных измерений лазерные источники должны иметь минимальные фазовые и амплитудные флуктуации (порядка 10 –5), и в идеале — одну пространственную моду (распределение вектора напряженности Е световой волны перпендикулярно направлению излучения). Поэтому для управления лазером необходима прецизионная система автоматического регулирования по току и оптическому сигналу, а также термостабилизация. Это влечет значительное удорожание одномодового ВОД. В многомодовых ВОД используются маломощные (1…10 мВт) светодиоды таких же длин волн с несложными электронными схемами стабилизации интенсивности оптического сигнала (драйверы тока), поскольку регистрируемым параметром является интенсивность. Фотодетекторы

В современных ВОД используются p-i-n-фотоприемники с минимальным темновым током (десятые доли наноампер), что позволяет достичь чувствительности обнаружения 0,5 мкВт (при отношении сигнал/шум = 1) в полосе 100 МГц. Чувствительность возрастает при уменьшении полосы частот. Данных характеристик вполне достаточно для большинства практических измерений, но в отдельных случаях, когда требуется регистрация слабых световых потоков, применяется метод счета фотонов с использованием фотоэлектронных умножителей — ФЭУ. При этом число фотоэлектронов, возникающих от каждого фотона, увеличивается, и с приходом каждого фотона на выходе ФЭУ появляются импульсы напряжения. При подсчете этих импульсов можно оценить число принятых фотонов. Оптические элементы

Для согласования активных компонентов ВОД (излучателей, приемников, преобразователей) с оптическим

Рис. 2. Принцип работы стержневой линзы

волокном необходимы пассивные элементы — стержневые линзы, поляризаторы, призмы, фазосдвигающие пластины. Принцип действия этих элементов подробно описан в [2]. Оптические элементы должны быть малогабаритными, термостабильными, легко интегрироваться в оптическую схему волоконно-оптического датчика. В качестве примера приведем специфический для ВОД элемент — стержневую линзу (см. рис. 2). В отличие от обычной линзы, поверхности которой криволинейны, стержневая линза имеет цилиндрическую форму с плоскими торцевыми поверхностями, а фокусировка излучения достигается за счет сформированного в линзе распределения коэффициента преломления симметрично оптической оси вдоль радиуса по квадратичному закону. Рис. 3. Датчик температуры ПОСЛЕДЕТЕКТОРНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛА В ВОД

Целью последетекторной обработки сигнала является компенсация дрейфа выходного сигнала датчика, который возникает в волоконнооптической схеме из-за колебаний интенсивности излучения источника, потерь передачи по оптоволокну, воздействия внешних шумовых факторов — температуры, давления, вибрации и др. При обработке сигнала в ВОД наибольшее распространение получили следующие способы компенсации дрейфа: способ двух лучей и метод двух длин волн [2]. Способ двух лучей

Д АТ Ч И К И

20

Этот метод применяется для датчиков, в которых регистрируемая величина модулирует поляризацию света. Промодулированый вектор поляризации с индексом m = sin φ (где φ — угол вращения поляризации) при помощи поляризационной призмы расщепляется на два луча с ортогональными векторами поляризации P и S. При этом напряжение выходных сигналов фотодетекторов U P и US, пропорциональных оптическим интенсивностям, будет соответственно равно: UP = U.(1 + m); US = U.(1– m), (1; 2), где U — напряжение, соответствующее немодулированному исходному лучу. Процессор схемы обработки вычисляет отношение:

WWW.ELCOMDESIGN.RU

(UP – US)/(UP+US),

(3)

и после цифровой фильтрации выходной сигнал пропорционален m и не зависит от флуктуаций световой мощности. Способ двух длин волн

В преобразователь датчика подается световой сигнал с длиной волны λ1, интенсивность которого модулируется, и с длиной волны λ 2, который не модулируется. Затем определяется отношение двух напряжений, соответствующих выходным сигналам фотодетекторов. Функционально этот метод аналогичен предыдущему. ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ Датчик температуры

Принцип работы датчика основан на эффекте флюоресценции. На внешний торец оптического волокна нанесено флюоресцентное вещество (см. рис. 3). Вторичное излучение, возникающее под воздействием зондирующего оптического луча ультрафиолетового диапазона, принимается этим же волокном. Для одной из составляющих флюоресцентного излучения (λ1 = 510 нм) характерна сильная зависимость от температуры измеряемой среды, а для другой (λ2 = 630 нм) — очень слабая. Температурный сигнал вычисляется как отношение соответствующих интен-

сивностей на λ1 и λ2 по методу двух длин волн. В качестве зондирующего источника используется ультрафиолетовый светодиод с λ = 300…400 нм. Диапазон измерения температур подобного датчика –50…200°С; точность — 0,1°С; время отклика — около 0,5 с. Зависимость отношения интенсивностей λ1 и λ2 от температуры показана на рисунке 4. Датчик давления

Датчик давления относится к отражательному типу; в нем используется изменение условия отражения света мембраной. Конструктивно датчик состоит из волоконно-оптического жгута, к одному из торцов которого через небольшой зазор (~100 мкм) подсоединена мембрана. В центре жгута размещаются приемные оптические волокна, а по краям — зондирующие. Коэффициент связи

Рис. 4. Передаточная характеристика датчика температуры

Магнитооптический датчик магнитного поля и тока

Для бесконтактных измерений сильных магнитных полей (свыше 10 Э) и соответствующих токов находит применение волоконно-оптический датчик на магнитооптическом эффекте Фарадея. Магнитооптический эффект заключается во вращении плоскости линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль силовых линий магнитного поля, проходящих через это вещество. Это открытие Фарадея явилось первым доказательством наличия прямой связи между магнетизмом и светом. Проходящее через среду линейно поляризованное излучение всегда может быть формально представлено как суперпозиция двух поляризованных по правому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения. Намагниченное внешним полем оптически прозрачное вещество в общем случае нельзя охарактеризовать единым показателем преломления n. Показатели преломления n+ и n– для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными (магнитная анизотропия). Различие n+ и n– приводит к тому, что поляризованные по правому и левому кругу компоненты излучения распространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретая разность фаз, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате на выходе из вещества плоскость поляризации монохроматической световой волны поворачивается на угол φ. При этом знак угла поворота плоскости поляризации не зависит от направления распространения света (по вектору магнитной индукции или против него). Важно лишь, чтобы вектор индукции был параллелен направлению распространения оптической волны.

Рис. 5. Датчик давления отражательного типа

Радианная мера угла фарадеевского вращения φ при магнитной индукции B и длине оптического пути в веществе L выражается как: φ =V.B.L,

(4)

где V — постоянная Верде, определяющая магнитооптическую активность для данного вещества (зависит от химического состава вещества, температуры и рабочей длины волны). Учитывая, что между величиной магнитной индукции B и протекающим в обмотке соленоида током существует однозначная связь, магнитооптический датчик можно использовать для измерения тока, который можно вычислить из формулы: В = 0,0126.N.I/L, (5) где N — количество витков соленоида; I — протекающий ток; L — длина намотки. В технике физического эксперимента для измерения магнитных полей получили распространение магнитооптические монокристаллы железоиттриевого граната (ЖИГ). Датчики на их основе обладают чувствительностью порядка 15% изменения интенсивности света на каждые 100 Гс магнитной индукции в частотной полосе ~15 кГц. При изменении температуры от –30 до 120°C изменение амплитуды выходного сигнала составляет около 2%. Рабочая длина световой волны равна 1,3 мкм. Фарадеевские датчики не содержат полупроводниковых компонентов, и поэтому нечувствительны к электромагнитным помехам. Применение магнитооптического датчика для измерения тока и вектора магнитной индукции соленоида мощного элек-

тромагнитного клапана иллюстрирует рисунок 6. Диапазон изменения тока — от 1 А в режиме удержания до 10 А — в стартовом режиме. Оптический датчик закреплен на оси измеряемого соленоида, на расстоянии около 5 мм от верхней плоскости силовой обмотки. Датчик представляет собой цилиндр, содержащий поляризатор, монокристалл ЖИГ и расщепитель выходного луча, к торцам которого подсоединены выходные оптические многомодовые волокна. Входной световод подключен с помощью стержневой линзы к верхнему торцу цилиндра. Для повышения помехозащищенности измерений в аппаратуре датчика используется алгоритм обработки сигнала по методу двух лучей. В данном случае прошедшая через магнитооптический кристалл световая волна с плоскостью поляризации, повернутой на угол φ, расщепляется на два луча, имеющие взаимно перпендикулярные плоскости поляризации P и S. Интенсивность каждой компоненты выражается по формулам (1, 2). Каждый луч детектируется отдельным фотодетектором, после чего DSP вычисляет величину m и далее, с учетом выражений (3—5) рассчитывается величина магнитной индукции В и соответствующий ей ток I соленоида. Данные измерений выводятся на индикатор.

Электронные компоненты №12 2010

21 Д АТ Ч И К И

между зондирующими и приемными волокнами изменяется в зависимости от давления, оказываемого на мембрану. Для повышения точности измерения давления на мембрану наносится фотолюминесцентный материал, обеспечивающий излучение опорного светового сигнала, интенсивность которого практически не зависит от величины давления, и обработка сигнала датчика проводится по методу двух длин волн. Структурная схема датчика давления показана на рисунке 5. В конструкции датчика используется волоконнооптический жгут из 100 волокон и чувствительная мембрана толщиной около 20 мкм. На практике такой датчик давления позволяет регистрировать давление жидких сред до 10 кПа.

никает разность фаз, то световая волна имеет на выходе кристалла круговую поляризацию [2]. Расположенная после фотоупругого элемента четвертьволновая пластина преобразует световые волны с круговой поляризацией в излучение с линейной поляризацией. После анализатора оптическая мощность детектируется фотодетектором. Она подчиняется закону: Р = Р0.(1 + sin(π.T/Tπ), где Tπ — величина давления, при котором разность фаз лучей на выходе кристалла равна π (полуволновое давление); T — текущее давление груза на фотоупругий кристалл. Зная массу груза, по величине Т можно оценить ускорение. С помощью волоконно-оптического акселерометра рассмотренного типа возможно измерение ускорений 0,1…30g с точностью до 1% в частотной полосе до 3 кГц.

Рис. 6. Магнитооптический датчик на эффекте Фарадея

Волоконно-оптический гироскоп Рис. 7. Датчик ускорения на эффекте фотоупругости

22 Д АТ Ч И К И

Рис. 8. Структурная схема волоконно – оптического гироскопа Волоконно-оптический ускорения

датчик

Принцип работы датчика основан на эффекте оптического двойного лучепреломления [3]. Существует целый класс кристаллов, в которых одному направлению распространения света соответствуют две пространственные моды с линейной поляризацией. В таких кристаллах коэффициент преломления для направления поляризаций каждой моды изменяется пропорционально приложенному воздействию, в данном случае — механическому со стороны груза, под действием ускорения (см.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

рис. 7). В этом состоит эффект фотоупругости. Груз прикреплен непосредственно к оптическому элементу, и при колебаниях груза на элемент действует сила, пропорциональная произведению массы на ускорение, что приводит к появлению двойного лучепреломления. Из-за этого на выходной торцевой поверхности оптического кристалла появляется разность фаз Ψ, пропорциональная разности оптических ходов лучей ΔL, которая зависит от разности коэффициентов преломления мод в кристалле. Если между оптическими модами воз-

Гироскоп является ключевым элементом инерциальной системы управления и навигации, который выполняет функцию измерения угловой скорости. К авиационным и космическим гироскопам предъявляются достаточно высокие требования: минимальное время запуска, высокая разрешающая способность, дрейф нуля не хуже 0,01 град/час, динамический диапазон измерения угловой скорости — 6 порядков, высокая помехозащищенность от спонтанных и регулярных электромагнитных помех. Во многих авиационных и робототехнических системах до сих пор применяются механические гироскопы, принцип действия которых основан на законе сохранения момента количества движения — удержании оси вращения тела в определенном направлении пространства. При производстве этих приборов требуется высокая точность формы тела вращения, обеспечение минимально возможного трения механических элементов гироскопа, система автоматического регулирования, обеспечивающая высокую степень стабилизации вращения вала гиромотора. Волоконно-оптические гироскопы кольцевого типа, основанные на эффекте Саньяка, выгодно отличаются от механических гироскопов отсутствием подвижных элементов, высокой чувствительностью и линейной характеристикой измерения, практически мгновенным временем запуска. Кроме того, данные гироскопы не чувствительны к электромагнитным помехам. Кольцевой волоконно-оптический гироскоп функционирует следующим образом (см. рис. 8). В кольцо из одно-

Φ = 4.(2π/λ).S.Ω/c, где с — скорость света в волокне; S — площадь круга внутри контура оптического кольца; λ — длина волны лазера. Из-за наличия разности фаз выходных лучей в плоскости зрачка фотоприемника возникает интерференционная картина, а интенсивность принимаемого сигнала выражается как [2]: Р = Р1 + Р2 + (

).соs Φ,

где Р1, Р2 — интенсивности встречных оптических волн.

После фотодетектирования, исходя из последних двух выражений, блок обработки сигнала рассчитывает угловую скорость вращения Ω. Специальная оптическая система обеспечивает условие Р1 = Р2, так как при этом чувствительность системы к изменениям фазы Φ оптимальна. Рассмотренный гироскоп позволяет измерять угловую скорость с высокой точностью изменения фазы (до 10 –6 рад). На этом принципе уже созда ны малогабаритные оптические гироскопы, имеющие катушку из одномодового волокна небольшого радиуса (3—5 см), на которую намотано несколько сотен метров оптоволокна. Они нашли применение в системах автоматического управления и навигации авиационной и космической техники, в появляющихся образцах военной робототехники. В настоящее время в Японии, России, США, Франции ведутся активные исследования в области создания интегральных оптических гироскопов на этом принципе. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными направлениями развития волоконно-оптических датчиков в настоящее время являются интегрально-оптические технологии, которые позволят объединить электронные схемы обработки и микрооптические компоненты в одном кристал-

ле или микромодуле. Это значительно снизит себестоимость волоконных датчиков и повысит их эксплуатационные характеристики. Другим перспективным направлением считается соединение возможностей уже созданной МЭМС-технологии и интегральной оптики. Это может привести к созданию целого класса устройств, реализация которых в макромасштабе крайне затруднительна или невозможна. Примером объединения оптики, механики и электроники могут служить микромеханические устройства, изготовленные с использованием микро- и нанотехнологий: например, DLP-процессор, основанный на технологии пьезоактуаторов, использует массив поворотных микрозеркал, модулирующих отраженный поток света по заданному алгоритму. Такая технология была разработана и запатентована фирмой Texas Instrument и на ее основе выпускаются проекционные DLP-телевизоры и проекторы. ЛИТЕРАТУРА 1. Гауер Д. «Оптическая связь», гл. 1–2// М, «Радио и связь», 1988 г.

2. Окоси Т. и др. «Волоконно-оптические датчики», пер с японского//Энергоатомиздат, 1990 г.

3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М., «Фейнмановские лекции по физике», т. 3, «Едиториал УРСС», 2004 г.

Электронные компоненты №12 2010

23 Д АТ Ч И К И

модового оптического волокна через оптические линзы (поз. 1, 2) и разделительную оптическую пластину, расположенную под углом 45 градусов относительно оптической оси источника, вводится лазерное излучение. Благодаря пластине световые волны в оптоволокне распространяются во встречных направлениях. Если система находится в покое относительно инерциального пространства, то оптические пути встречных волн одинаковы, и разность фаз между ними не возникает. При вращении оптической системы с угловой скоростью Ω из-за разности времен достижения разделительной пластины этими волнами возникает разность фаз Φ, выражаемая формулой [2]:

ЦИФРОВОЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДАТЧИК — НОВЫЙ ПОДХОД В ОТЕЧЕСТВЕННОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ ПАВЕЛ ЛАГУЗОВ, начальник отдела новой продукции, ООО «РТК Импекс» АНДРЕЙ СОКОЛОВ, зам. директора НПЦ-5, ФГУП НПП «Дельта»

ВВЕДЕНИЕ

Д АТ Ч И К И

24

Разработка аппаратуры газового контроля для целей промышленной безопасности и экологического контроля атмосферы основана на использовании газочувствительных сенсоров (датчиков в российской технической терминологии). Для преобразования химического сигнала в электрический в датчике используются самые разные физические принципы, и потому сенсоры значительно отличаются друг от друга по электрическим параметрам, конструкции и габаритам. Современное развитие микроэлектронных технологий позволяет производить датчики небольших размеров и с удобными для приборостроителей габаритами. Универсальная цифровая шина обеспечивает надежную связь сенсоров с измерительной электроникой прибора. Универсальность направлена, в первую очередь, на удобства пользователя и оперативной возможности замены стандартного блока — газочувствительного модуля. В настоящее время сотни фирм предлагают свою продукцию на российском рынке газоаналитических приборов. Каждая из них старается «привязать» покупателя к своей продукции и вводит собственный стандарт на газочувствительные датчики. Не секрет, что половину прибыли фирмы получают от продажи запас-

ных частей и датчиков к ранее поставленной аппаратуре. Учитывая значительную территорию нашей страны и не очень развитую сеть сервисных центров, потребитель вынужден длительное время дожидаться ремонта или технического обслуживания приборов, которые обычно отправляются на завод-изготовитель. В это время производство не обеспечено надлежащим контролем из-за отсутствия приборов на рабочем месте, и создаются условия для техногенных аварий. Если производство ответственное, то приобретается сменный комплект приборов, которые большую часть времени простаивают, увеличивая затраты. Учитывая общепринятый в России межповерочный интервал в 1 год и средний срок службы датчиков 3 года, расход на обслуживание парка приборов в стране превышает стоимость первоначальных приборов. Факт, что большинство комплектующих в отечественных приборах — импортного производства. Это значит, что газоаналитическое оборудование и системы безопасности на их основе являются в значительной мере импортозависимыми. Таким образом, стратегия государственного контроля производства газочувствительных датчиков, как и любых других датчиков, относится к разделу национальной технологической безопасности. Это не отрицает

стремления достичь единых международных стандартов в газоаналитике и приборостроении. Разработка единого стандарта для России на датчики позволит не только значительно снизить затраты на эксплуатацию газоаналитических приборов, но и снизит стоимость самих приборов. Это будет способствовать ускорению отечественных разработок датчиков или использованию взаимозаменяемых стандартных блоков. Открытый протокол обмена с сенсорным модулем позволит всем оперативно воспользоваться этим стандартом, что повысит качество газоаналитических приборов в стране. С открытым протоколом можно производить регулярную калибровку и техническое обслуживание приборов в России на стандартных отечественных, а не лицензионных зарубежных программных продуктах и создавать устройства для ремонта и настройки приборов на всей территории страны. При снижении стоимости приборов отечественных производителей увеличится спрос на них и количество используемых приборов в системах безопасности. Применение электронного сенсорного модуля упрощает метрологический контроль систем безопасности, поскольку поверяется только собственно модуль, легко снимаемый и заменяемый, а не прибор и система в целом. КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ДАТЧИКА DIS (DIGITAL INTELLECTUAL SENSOR) 1. Цель

Рис. 1. Структура системы с несколькими DIS

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Создание серии датчиков DIS, обладающих единым цифровым интерфейсом, протоколом обмена данными, унифицированным набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки. Датчики должны обладать возможностью «горячей замены» (PnP) и функцией идентификации и

та, а также сохранения настроек и калибровочных данных датчика.

4. Протокол обмена данными

Рис. 2. Датчик кислорода компании ALPHASENSE

конфигурации в системе при подключении.

2. Структура системы с DIS

На рисунке 1 приведена структура системы с несколькими DIS. Она состоит из управляющего процессора системы (MASTER) и нескольких DIS (SLAVE). Управляющий процессор посылает команды в DIS и принимает от DIS результат выполнения команд.

3. Цифровой интерфейс

Д АТ Ч И К И

26

Цифровой интерфейс — шина SPI. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с I2C или 1-wire. В нем предусмотрен аппаратный выбор адресата сигналом SS (Slave Select) и дуплексный синхронизированный обмен, что позволяет обеспечить надежную и быструю работу в системе с многочисленными датчиками на одной шине. Для работы шин I2C или 1-wire необходима предварительная установка уникального порядкового номера устройства на шине, что может потребовать изменения (перепрограммирования) этого номера при смене устройства (датчика). Считается нецелесообразным мультиплексирование различных типов цифровых шин цифрового интерфейса, т.к. это приводит к усложнению процедуры включения DIS в систему и, в итоге, снижает надежность идентификации датчика в системе. DIS должен содержать микроконтроллер, обеспечивающий функции обмена данными по SPI-шине, управления, преобразования сигнала чувствительного элемен-

Протокол обмена данными должен быть единым для всех DIS без исключения. Он состоит из запроса управляющего процессора системы и ответа датчика. Запрос состоит из поля стартового байта, байта команды, байтов данных и контрольной суммы. Ответ DIS состоит из стартового байта, байта состояния DIS, байтов данных и контрольной суммы. Состав набора команд может быть разным для разных типов DIS, но он должен быть унифицированным. Если, например, команда под номером 0х10 предписывает прочесть значение напряжения питания датчика, то эта команда для всех типов DIS должна быть под номером 0х10. Управляющий процессор системы постоянно запрашивает систему на предмет подключения новых DIS, управляет подключением новых датчиков и получает данные от уже подключенных DIS. 5. Техническая реализация системы

Следует отметить, что относительно недавно появились микроконтроллеры в миниатюрных корпусах, пригодных для использования в цифровых датчиках. Одним из них является микросхема С8051F520IM производства Silicon Labs. Этот микроконтроллер выполнен в корпусе QFN10 и имеет габариты 3×3 мм. Микроконтроллер построен на основе ядра 8051 с RISC-архитектурой, имеет 8 Кбайт FLASH ROM команд и данных с возможностью внутрисистемного программирования (нет необходимости в EEPROM), 256 байт RAM, 12-разрядный АЦП с временем преобразования 5 мкс, встроенный температурный датчик, аппаратную реализацию SPI-интерфейса, 3 таймера, монитор питания и WDT. Производительность — до 25 MIPS при тактовой частоте 25 МГц, напряжение питания 2,7…5,5 В. Этот микроконтроллер может обеспечить большинство вариантов исполнения DIS. При необходимости введения дополнительного числа портов используют-

Таблица 1. Основные технические характеристики датчика кислорода DIS.O2.01 Напряжение питания, В Потребляемый ток в рабочем режиме, не более, мкА Потребляемый ток в спящем режиме, не более, мкА Диапазон измерения концентрации кислорода, об. Погрешность преобразования, не более, % Время выхода в рабочий режим, не более, с Рабочий диапазон температуры, °С Межповерочный интервал, лет Срок службы, не менее, лет

WWW.ELCOMDESIGN.RU

+3 ± 0,3 1500 60 0…30% 10 60 –30…50 1 3

ся другие микроконтроллеры, например С8051F530-IM или С8051F300. У микроконтроллера ATtiny84 производства Atmel в корпусе QFN20 — примерно те же характеристики, что и у С8051F520-IM: габариты 4×4 мм, 8 Кбайт FLASH ROM, 512 байт EEPROM и 512 байт RAM, 10-разрядный АЦП, аппаратный интерфейс SPI, 2 таймера и WDT, монитор питания. Напряжение питания — 1,8…5,5 В. Производительность — 20 MIPS при частоте 20 МГц. В качестве управляющего контроллера системы можно применять любые серийные микроконтроллеры с аппаратным SPI-интерфейсом, необходимой производительностью и объемом памяти. ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВОГО ДАТЧИКА

Одним из самых простых, с точки зрения технической реализации, является датчик кислорода на основе электрохимического чувствительного элемента O2-A3 компании ALPHASENSE (см. рис. 2). В таблице 1 представлены технические характеристики датчика кислорода DIS.O2.01. РЕЖИМ РАБОТЫ SPI-ШИНЫ ДАТЧИКА

1. Максимальная частота сигнала CLK — 125 кГц.

2. Начальное состояние CLK — 0.

3. Считывание бита данных происходит при переходе сигнала CLK 0 -> 1.

4. При переходе CLK 1 -> 0 происходит смена данных, появляется новый бит.

5. Количество битов в пакете — 8. Первый бит — старший (MSB — first).

6. Обмен данными с выбранным DIS начинается при переходе SS 1 -> 0. Первый строб 0 –> 1 сигнала CLK должен появиться не ранее 10 мкс после этого перехода.

7. Обмен заканчивается при переходе SS 0->1. Схема датчика приведена на рисунке 3. Схема датчика выполнена на основе микроконтроллера ATTINY84-20MU фирмы Atmel в корпусе QFN20 с размерами 4×4 мм. Микросхема имеет 10-разрядный АЦП с дифференциальными входами и внутренним усилителем. Включение датчика по дифференциальной схеме удобно с точки зрения использования чувствительных элементов с токовым выходом, т.к. для получения выходного сигнала по напряжению выход датчика шунтируется резистором малой величины (около 100 Ом). Микроконтроллер содержит датчик температуры, точность которого невысока (±2°С после калибровки в диапазоне температур –40…80°С),

Д АТ Ч И К И

27

Рис. 3. Схема датчика DIS.O2.01

но вполне подходит для компенсации температурной зависимости чувствительного элемента. Также микроконтроллер постоянно отслеживает напряжение питание датчика. Для этого сигнал с делителя R2-R3 подается на вход АЦП ADC2.

Работы, проводимые группой инженеров ФГУП НПП «Дельта», направлены на создание и развитие концепции цифровых датчиков с открытым протоколом. Реализация проекта намечена на 2011 г. Все необходимые условия для перехо-

да на цифровой датчик уже созданы. Планируется выпуск нескольких типов цифровых датчиков DIS с единым протоколом и форм-фактором, а также программаторов для калибровки и записи конфигурации датчика.

Электронные компоненты №12 2010

СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТАНТИН МИРОНОВ, аспирант, лаборатория cенсоров и сенсорных систем, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова (ИПУ РАН) ПОЛИНА МИРОНОВА, ст. инженер, аспирант, лаборатория сенсоров и сенсорных систем, ИПУ РАН

.

В результате рассмотрения параметров и особенностей включения полупроводниковых термочувствительных элементов — NTC-, PTCи Z-термисторов в статье делается вывод о предпочтительности использования Z-термисторов в промышленных системах управления. В сравнении с широко используемыми сегодня NTC- и PTC-термисторами Z-термисторы позволяют упростить схемы контроля и измерения температуры, повысить их эффективность и надежность, и, соответственно, сократить расходы на производство и обслуживание. Приоритетной задачей современных систем управления является контроль и измерение температуры. Для решения различных задач при проектировании систем управления предлагается широкий выбор термочувствительных элементов и устройств. В промышленности часто используются термопары или резистивные термопреобразователи. Они хорошо отвечают условиям, при которых требуется контролировать температуру в широком диапазоне. Однако высокая стоимость, сильная нестабильность (зависимость от влияния внешних факторов, не связанных с контролируемым параметром), слабый выходной сигнал и некоторые другие недостатки исключают их применение при производстве оборудования, где основными критериями являются быстродействие, точность, стабильность, а рабочий температурный диапазон составляет –60…150°С. Для решения подобных задач чаще всего используют полупроводниковые термочувствительные элементы, среди которых наибольшее распро-

Z-термисторы — полупроводниковые термочувствительные элементы, функционально реагирующие на изменение температуры и обладающие способностью первичной обработки информации на молекулярном уровне. График зависимости сопротивления от температуры и ВАХ Z-термистора изображены на рисунке 3а, б.

NTC-термисторы в настоящее время в огромных количествах выпускаются многими зарубежными и российскими фирмами и чаще всего применяются в промышленных системах управления, где стоит задача контроля температур в диапазоне: –60…150°С. Отдельно взятые NTC-термисторы не могут работать в качестве управляющих элементов в системах контроля и измерения температуры. Для получения сигнала управления должна быть использована дополнительная схема, преобразующая изменение сопротивления NTC-термистора в управляющий сигнал. Наиболее распространенной схемой включения NTC-термистора является мостовая схема, в которой одним из плечей моста сопротивле-

а)

б)

Д АТ Ч И К И

28

странение получили NTC- и PTC- термисторы, а наиболее перспективными с точки зрения применения в системах управления являются полупроводниковые термочувствительные элементы, получившие название Z-термисторов.

NTC-термистор (Negative Temperature Coefficient) — полупроводниковый термочувствительный элемент с отрицательным температурным коэффициентом. Это означает, что с ростом температуры происходит падение сопротивления элемента [1, 2]. Зависимость сопротивления от температуры и вольтамперная характеристика (ВАХ) NTC-термистора показаны на рисунке 1а, б.

PTC-термистор (Positive Temperature Coefficient) — полупроводниковый термочувствительный элемент с положительным температурным коэффициентом (позистор): с ростом температуры происходит увеличение сопротивления элемента [1, 2]. График зависимости сопротивления от температуры и ВАХ PTC-термистора показаны на рисунке 2а, б.

а)

б)

Рис. 1. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика NTC-термистора (б)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 2. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика PTCтермистора (б) [7]

а)

б)

Рис. 3. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика Z-термистора (б) [5]

Рис. 4. Мостовая схема включения NTC-термистора [6]

Д АТ Ч И К И

30

Рис. 5. Схема налогового и порогового режимов включения Z-термистора

ний является NTC-термистор (см. рис.

4). Мост сбалансирован при заданной температуре. При изменении температуры происходит разбаланс моста. После усиления напряжение разбаланса поступает на триггер Шмитта,

WWW.ELCOMDESIGN.RU

который вырабатывает управляющий сигнал. Для контроля температуры в произвольной точке пространства NTCтермистор должен быть вынесен в нее с помощью экранированного провода строго определенной длины, что является существенным недостатком, усложняющим схему включения. Это увеличивает стоимость системы и ограничивает диапазон ее применения. Точность измерения и контроля температуры NTC-термисторами составляет единицы градусов.

PTC-термисторы используются в основном для защиты электродвигателей. На определенном температурном уровне они резко увеличивают свое сопротивление. Применительно к двигателю речь идет о максимально допустимой температуре нагрева

обмоток статора для данного класса изоляции. PTC-термисторы соединяются последовательно и подключаются к электронному блоку защиты, который срабатывает на превышение суммарного сопротивления цепочки. [1] Z-термисторы — новый класс полупроводниковых термочувствительных элементов, принцип работы которых основывается на энергетических процессах, происходящих на молекулярном уровне в кристалле и, как следствие, вызывающих изменение сопротивления самого элемента. В отличие от наиболее распространенных в настоящее время NTC-термисторов Z-термисторы не нуждаются в дополнительных электронных схемах, т.к. реализуют функцию изменения сопротивления элемента на молекулярном уровне, имея на выходе управляющий сигнал достаточной мощности для дальнейшей его обработки. Несомненным преимуществом использования Z-термисторов в системах контроля и измерения температуры является гибкость этих систем с возможностью внесения корректировок в измерительный блок (изменение длины подводящих проводов, изменение количества Z-термисторов) без изменения блока управления (Z-термисторы не нуждаются в схемах балансировки). Обладая высокой помехозащищенностью, Z-термисторы могут быть использованы в блоках контроля и измерения температуры в системах с большими наводками, где до настоящего времени решение подобных задач было связано с необходимостью экранирования не только управляющего блока, но и самого термочувствительного элемента. Точность измерения и контроля температуры Z-термистором составляет сотые доли градуса. Существует несколько вариантов включения Z-термисторов. Аналоговый и пороговый режимы включения Z-термисторов показаны на рисунке 5. Обычно в качестве источника питания используется источник постоянного напряжения Uп, подключаемый в прямом направлении (+ к р-области) через нагрузочный резистор Rн, который служит для снятия выходного сигнала и ограничения тока термистора. Выходной сигнал составляет в среднем несколько вольт, что позволяет подвергать его дальнейшей обработке, не прибегая к схемам усиления сигнала.[4] Для реализации задачи непрерывного измерения температуры питающее напряжение выбирается на начальном участке вольт-амперной характеристики, т. е. до Uпор. В свою очередь реализация контроля заданного значения температуры (пороговый режим, термореле) требует выбора значения питающего напряжения непосредственно вблизи Uпор.

Рис. 6. Схема частотно-импульсного режима включения Z-термистора [5]

ратуры, повысить их эффективность и надежность и, следовательно, сократить расходы на производство и обслуживание готовых систем. ЛИТЕРАТУРА 1. Термочувствительное защитное устройство-термистор//www.meandr.ru, http://www.meandr.ru/products/pcrelay/ptc. html 2. Классификация электронных систем и их элементов//www.promti.ru, http://www. promti.ru/prom/023/92/index.html

3. Зотов В. Z-термисторы — новый класс температурных сенсоров//Chip News, №1, 1999.

4. Зотов В. Полупроводниковые многофункциональные сенсоры широкого применения (z-сенсоры)//Chip News , №4, 1998.

5. Зотов В., Кравченко А., Миронова П. Z-термисторы в режиме генератора импульсов//Chip News , №1, 2001.

6. NTC temperature sensors//Philips.

Electronic components and materials, 1985.

7. Шифтель И., Текстер-Проскурякова Г., Лейкина Б. Позисторы//Радио, №3, 1971.

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | КОМПАНИЯ AUSTRIAMICROSYSTEMS ПРЕДСТАВИЛА ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА AS1310 СО СВЕРХНИЗКИМ ТОКОМ СОБСТВЕННОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ | Устройство предназначено для работы с небольшими нагрузками (60 мА) и имеет высокий КПД, до 92%. Высокая эффективность работы (85%) сохраняется даже при очень малых нагрузках, порядка 100 мкА, что позволяет значительно увеличить срок службы батареи. Диапазон входного напряжении питания: 0,7…3,6 В. Выходное напряжение лежит в диапазоне 1,8…3,3 В. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №12 2010

31 Д АТ Ч И К И

Для реализации работы термистора в режиме автогенератора импульсов, частота которых зависит от температуры, параллельно Z-термистору подключается емкость (см. рис. 6). При такой схеме включения могут быть также реализованы пороговая функция и функция непрерывного измерения температуры, но с частотно-импульсным выходным сигналом, что в значительной степени расширяет возможности применения Z-термисторов. Мы рассмотрели известные полупроводниковые термочувствительные элементы, их параметры и особенности включения. Сравнение параметров позволяет сделать вывод о техникоэкономической целесообразности использования Z-термисторов в сравнении с широко используемым в настоящее время NTC- и PTC-термисторами. Это позволит упростить существующие схемы контроля и измерения темпе-

ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ САЧИН ГУПТА (SACHIN GUPTA), УМАНАТ КАМАТ (UMANATH KAMATH), инженеры по применению, Cypress Semiconductors .

Датчик температуры является составной частью любой промышленной системы контроля. В статье описывается, как создать систему прецизионного измерения температуры с помощью термодатчиков, диодов, термисторов и термопар. Мы обсудим, на что следует обратить внимание, проектируя такую систему. Прежде всего, для реализации возможности эффективного и точного измерения температуры следует выбрать правильные датчики, а также схемы формирования сигнала и его оцифровки. Прежде чем перейти к рассмотрению системы измерения температуры, давайте рассмотрим преимущества и недостатки каждого из часто употребляемых температурных датчиков. ТЕРМОПАРЫ

Д АТ Ч И К И

32

Для измерения температуры с помощью термопары используются два проводника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства. В результате разных температур между точкой соединения (горячим спаем) и другими точками (холодным спаем) возникает ЭДС, которую можно измерить с помощью соответствующей цепи. На рисунке 1 показана схема термопары. Фактическое напряжение, генерируемое термопарой, зависит от температуры и типа металлов, входящих в состав этого устройства. Диапазоны чувствительности и рабочей температуры термопары также зависят от сплавов, которые классифицируются следующим образом: тип В (платина/ родий), тип J (железо/константан) и тип К (хромель/алюмель). Тип термопары выбирается с учетом требований конкретного приложения. К основным преимуществам термопары относятся ее прочность, широкий диапазон рабочей температуры

Рис. 1. Исходная схема термопары

WWW.ELCOMDESIGN.RU

(–270…3 000°С), быстрое срабатывание, исполнение в нескольких типах корпусов и низкая стоимость. К числу недостатков можно отнести невысокую точность и большой шум. ТЕРМОДАТЧИКИ

Работа термодатчика основана на принципе изменения электрического сопротивления металла при изменении его температуры. Каждый металл однозначно характеризуется собственным удельным сопротивлением, которое прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально поперечной площади его сечения. Выбор металла для создания термодатчика определяет точность измерения температуры. В термодатчиках используются платина, никель или медь, причем с помощью платины достигаются наиболее точные и надежные измерения. Изготовленные из нее датчики также менее восприимчивы загрязнению окружающей среды, что влияет на их стабильность и воспроизводимость измерений. Широкий температурный диапазон (–250…900°С), высокая точность и линейная характеристика — главные преимущества термодатчиков. К числу их ограничений можно отнести высокую стоимость и медленное срабатывание.

Рис. 2. Блок-схема системы измерения температуры

ТЕРМИСТОРЫ

Как и термодатчики, термисторы работают по тому же принципу изменения сопротивления с температурой. Однако у термисторов, как правило, отрицательный температурный коэффициент. Основным преимуществом термисторов является их низкая стоимость и достаточно хорошая точность, а недостатком — небольшой температурный диапазон и нелинейность. Однако учитывая, что многие современные микроконтроллеры оснащены встроенной флэш-памятью, для частичной компенсации этого недостатка используется справочная таблица. При измерении температуры в диапазоне –100…300°С термисторы обеспечивают надежные и точные показания. СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Во всех системах контроля температуры датчик преобразует ее в электрический сигнал, который затем формируется и поступает в АЦП. Системе также требуются внешние устройства связи для интерфейса с другими системами и обеспечения обратной связи, а также встроенная флэш-память для регистрации полученных значений и дисплей. На рисунке 2 представлена базовая блок-схема системы измерения температуры.

Несмотря на то, что на рисунке 2 сигнал подвергается обработке перед АЦП, может понадобиться его последующая обработка в зависимости от того, какая система — аналоговая или цифровая. Суммарная точность зависит от шума, напряжения смещения и отклонения коэффициента усиления от идеального значения из-за цепи предварительной обработки сигнала и АЦП. В системах промышленной автоматизации используется сбор данных о температуре с удаленных узлов в реальном времени. Эти системы поддерживают протоколы последовательной связи UART и I2C для передачи данных в главный контроллер. Рис. 3. Измерительная система с использованием термопары ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ТЕРМОПАРЫ

Рис. 4. Два разных способа подключения вывода «–»

на основе термопары с использованием устройств PSoC3 и PSoC5 от компании Cypress Semiconductors. Эти устройства оснащены встроенным 20-разрядным АЦП DelSig, буфером с программируемым усилением и блоком цифрового фильтра (DFB). Данная измерительная система обладает высокой степенью интеграции, однако ей может понадобиться дополнительный каскад усиления на основе имеющейся в схеме термопары. Эта функция обеспечивается инструментальным усилителем, который реализуется с помощью встроенных усилителей с программируемым усилением (PGA). ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОГО КОНТРОЛЯ

В системе (см. рис. 3) аналоговые мультиплексоры AMuxCDS и AMuxCDS_1 используются для переключения положительного входа АЦП между отрицательным и положительным выводами выходного сигнала датчика для реализации метода CDS. Возникает вопрос, как установить ноль шкалы для обеих цепей датчика, если используется один и тот же АЦП. У термистора и термопары разные диапазоны рабочего напряжения и, следовательно, им требуется разное усиление. АЦП в устройствах PSoC3 и PSoC5 имеет несколько конфигураций, которые можно изменять в процессе эксплуатации. При разных параметрах усиления смещение разное. Требуется, чтобы метод CDS был реализован для обеих цепей датчика, чтобы устранить

смещение во всей цепочке аналогового сигнала. Мультиплексор AMux используется для выбора датчика между термопарой и термистором. DMA считывает значение АЦП и записывает его в блок цифровой фильтрации (DFB) для последующей фильтрации шума. ТЕРМОДАТЧИКИ И ТЕРМИСТОРЫ

Измерение температуры с помощью термодатчика и термистора требует измерения сопротивления, способ которого определяет точность системы. Для прецизионного измерения сигнала необходимо использовать дифференциальные входы, которые устраняют синфазный шум и обеспечивают чувствительность порядка мкВ (несимметричные входы позволяют добиться чувствительности величиной в несколько мВ). Рассмотрим два способа подключения вывода «–» АЦП в дифференциальном режиме (см. рис. 4). Схема, показанная в правой части рисунка 4, лучше схемы слева. Сигнал на вывод «–» в правой схеме непосредственно подается с резисторного делителя. Цепь справа уменьшает шум в измеренном сигнале и ошибки, связанные с определенным сопротивлением проводников платы и проводов. Система измерения температуры на основе термистора представляет собой расширенную комбинацию схем, представленных на рисунках 3 и 4. Рассмотрим измерительную систему с использованием термодатчика. Падение напряжения на нем измеряется, что и на термисторе, тем же способом, известном под названием двух-

Электронные компоненты №12 2010

33 Д АТ Ч И К И

Термопары наиболее широко применяются в системах промышленной автоматизации за счет очень большого диапазона рабочих температур. При этом предполагается, что температура холодного спая в точности равна 0°С. Однако в реальных приложениях такая температура недостижима. Для точного измерения требуется метод компенсации холодного спая. В этом методе система для точного измерения температуры оснащается дополнительным термодатчиком, который устанавливается на точку холодного спая. Наиболее часто применяемым датчиком в таких случаях является термистор, т.к. у него низкая стоимость и достаточно широкий диапазон рабочих температур. Для измерения напряжения с помощью этого метода прежде всего определяется температура холодного спая, а затем — ЭДС термопары. Суммарная величина ЭДС и напряжения холодного спая определяет соответствующую искомую температуру. По той причине, что ЭДС термопары составляет всего несколько микровольт, измерения с ее помощью чувствительны к шуму. Кроме того, прежде чем сигнал поступит в АЦП, его необходимо усилить, за счет чего возникают шум и напряжение смещения. Чтобы устранить НЧ-шум и смещение на этапе формирования сигнала, в прецизионном измерении используется метод коррелированной двойной дискретизации (Correlated Double Sampling, CDS). АЦП работает как НЧ-фильтр, отсекая ВЧ-шум. Однако фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) на выходе АЦП позволит далее ослабить шум в полосе пропускания АЦП. Предлагаемые на рынке контроллеры смешанного сигнала оснащены цифровыми фильтрами, которые выполняют фильтрацию аппаратными, а не программными методами и не требуют поддержки ЦП. На рисунке 3 показана схема системы контроля температуры

проводного метода. Если термодатчик и измерительная система соединены с помощью достаточно длинного кабеля, его сопротивление становится главным источником ошибки измерения. Она возникает в том случае, если в качестве схемы возбуждения применяется источник напряжения. На рисунке 5 показана разница между методами 2- и 4-проводного измерения. В 2-проводной схеме сопротивление термодатчика (Rтд) измеряется в соответствии с уравнением (1). Однако видно, что существует и другое сопротивление — Rпр, которое приводит к ошибке измерений:

Рис. 5. Схемы 2- и 4-проводного соединения

Rтд = (Rоп + Rпр)∙(V2 – V1)/(V – V2) (1) С другой стороны, сопротивление Rтд в 4-проводной схеме измерения определяется уравнением (2). Поскольку у измерительной системы очень высокий входной импеданс, по ней не протекает ток и потому наличие последовательных сопротивлений между каскадами резисторного делителя и измерительной системой никак не сказывается на точности измерений. Уравнение (2) получается путем приравнивания тока, протекающего через Rоп и сопротивление Rтд: Rтд = Rоп ∙ (V2 – V1)/(V4 – V3)

Рис. 6. Измерительная система на основе Rтд

помощью которой выполняется калибровка IDAC.

(2) ВЫВОДЫ

Д АТ Ч И К И

34

Исходя из этих уравнений, можно сделать вывод, что точность измерений зависит от точности измерения Rоп. Чтобы решить эту проблему, термодатчики возбуждаются с помощью источника постоянного тока, а не напряжения. При этом падение напряжения на Rтд зависит только от его сопротивления и величины постоянного тока. Однако точность измерений с использованием источника постоянного тока зависит от его точности. Для прецизионных измерений ток ЦАП должен быть откалиброван. На рисунке 6 показана возможная схема измерительной системы на основе термодатчика и устройств PSoC3 и PSoC5. Эти устройства имеют встроенный источник тока, который устраняет необходимость в другой аналоговой цепи на базе операционного усилителя. Кроме того, эти устройства имеют встроенную цепь, с

Для построения прецизионных систем измерения температуры необходимо учесть следующие соображения.

1. Каждое конкретное приложение диктует использование определенного датчика.

2. Метод коррелированной двойной дискретизации позволяет выполнить точные измерения с помощью датчика и избежать ошибок путем устранения НЧ-шума.

3. В системах на основе термопары для устранения шума используются фильтры.

4. Схема возбуждения током позволяет повысить точность системы, устранив из цепи неточно измеренное сопротивление Rоп.

5. При использовании источника напряжения в качестве схемы возбуждения необходима 4-проводная система измерений.

6. Суммарная точность системы определяется точностью и разрешением цепи сигнала. По этим причинам рекомендуется использовать дельтасигма АЦП высокой точности и разрешения.

7. Для того чтобы при изменении требованиям к проекту не происходило ухудшение точности измерений, рекомендуется использовать комплект базовых схем обработки смешанных сигналов. Блок измерения температуры является важной частью многих промышленных или встраиваемых систем. Мы обсудили вопросы прецизионного измерения и методы повышения точности, которые в равной мере можно применять и в других интерфейсах датчиковых цепей. ЛИТЕРАТУРА 1. w w w . e e t i m e s . c o m / d e s i g n / industrial-control/4209829/Using-precisiontemperature-sensing-in-industrial-monitoringsystems?cid=NL_IndustrialControl&Ecosystem =industrial-control.

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | КОМПАНИЯ МAXIM INTEGRATED PRODUCTS ВЫПУСТИЛА АВТОМОБИЛЬНЫЕ СИНХРОННЫЕ ПОНИЖАЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ MAX16903/MAX16904 МОЩНОСТЬЮ 1 А И 600 мА СООТВЕТСТВЕНН | На холостом ходу устройства потребляют 25 мкА. Частота MAX16903/MAX16904 составляет 2,1 МГц, входное напряжение изменяется в диапазоне 3,5…28 В, выходное напряжение может принимать два фиксированных значения: 3,3 и 5 В. Микросхемы выдерживают кратковременные скачки входного напряжения до 42 В и рассчитаны на работу при температурах –40…125°C. Преобразователи соответствуют стандарту AEC-Q100 и поставляются в 10-выводных корпусах TDFN-EP или 16-выводных TSSOP-EP. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

НОВЫЙ КЛАСС ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ КАТУШЕК РОГОВСКОГО ПЬЕР ТЮРПЕН (PIERRE TURPIN), менеджер проектов Energy & Automation, LEM Контроль потребления мощности становится ключевым фактором в управлении электросетями как в промышленном, так и в коммерческом секторах (промышленных зданиях, информационных центрах, пищевой промышленности, предприятиях торговли, медицинских и образовательных учреждениях). В статье подробно рассказывается о достигнутых преимуществах датчиков на основе катушек Роговского, которые по комплексу параметров могут успешно конкурировать с лучшими токовыми трансформаторными датчиками в секторе измерения электрической энергии.

ОТ ТЕОРИИ — К ПРАКТИКЕ

Конструкция и принцип работы катушки Роговского были впервые описаны в [1]. Катушка Роговского — это тороидальная катушка, расположенная вокруг первичного провода точно так, как вторичная обмотка в обычном трансформаторе тока, но только

без ферромагнитного сердечника (см. рис. 1). Напряжение сигнала на выходе датчика пропорционально производной тока: U = M∙di/dt, где M — взаимная индуктивность между проводником тока и катушкой. Значение тока можно вычислить или получить аппаратно с помощью аналогового интегратора. Вся трудность при использовании данного метода измерения заключается в обеспечении достаточной точности, поскольку вычисление основано на предположении абсолютной симметрии положения катушки относительно проводника с измеряемым током и идеальности геометрии самой катушки. Только при выполнении этих условий индуктивность M сохраняется постоянной. Однако на практике это недостижимо. Проиллюстрируем данный вывод, рассмотрев три фактора, влияющих на однородность индуктивности катушки. Плотность витков. Намотка катушки должна быть регулярной и однородной по всей длине. Витки, не эквидистантные по отношению к проводнику измеряемого тока, создают асимметрию, приводя к изменению коэффициента индуктивности M относительно проводника. Фактически это приводит к ошибке измерения в зависимости от положения катушки относительно измеряемой силовой шины или кабеля. Ошибка больше, чем ближе катушка к кабелю. Сечение катушки. Та же ситуация, что и с плотностью витков. Если сечение неоднородно вдоль длины катушки, окружающей проводник, индуктивность M не является постоянной, что приводит к ошибке измерения. Защелка катушки. Главное преимущество гибкой катушки Роговского состоит в том, что она обеспечивает бесконтактное измерение тока, но при

этом внутри нее присутствует проводник обратного тока. Разрыв однородности плотности витков катушки в месте защелки является главным источником асимметрии. Ошибка измерения вследствие этой неидеальности катушки является наибольшей из всех рассмотренных. РЕАЛЬНЫЕ ЦИФРЫ

До настоящего времени датчики на основе катушек Роговского обеспечивали погрешность измерения в зависимости от позиционирования проводника внутри петли не лучше 2%. На практике довольно часто возникают сложности с размещением проводника точно по центру петли. При смещении проводника в область замка петли погрешность может достигать 6%. По этой причине легко понять, почему производители измерительного оборудования для электрической энергии стараются избежать использования датчиков этого типа. Однако компания LEM доказала жизнеспособность этой технологии для измерения энергии. В настоящее время точность датчиков стала в большей степени зависеть от качества намотки самих катушек, а погрешность, обусловленная несимметричностью их обмотки, может быть менее 0,75%. Для того чтобы использовать датчик в измерителе энергии класса 1, требуется обеспечить суммарную погрешность лучше, чем 1%, включая погрешность

Рис. 1. Структура измерителя тока на базе катушек Роговского

Электронные компоненты №12 2010

37 Д АТ Ч И К И

Поначалу при разработке серии датчиков на основе катушек Роговского казалось, что требуемый диапазон измерения токов не превышает 100 A. Однако вскоре выяснилось, что этого недостаточно для сектора промышленных сетей, где в процессе мониторинга в исходных узлах сети требуется диапазон до 2000 A. Компания LEM разработала серию датчиков тока RT, учитывающих специфику данного применения и обеспечивающих такую же гибкость при монтаже, что и датчики тока на базе трансформаторов с разъемным сердечником. Кроме того, датчики серии RT обеспечивают точность измерений для оборудования класса 1, необходимую для сектора приложений с измерением токов среднего диапазона. Традиционные индуктивные трансформаторы тока и напряжения с ферромагнитным сердечником имеют определенные недостатки, вызванные самой природой таких трансформаторов: насыщение, гистерезис, резонанс, остаточное намагничивание. Катушка Роговского (Rogowski coil) является лучшим выбором при создании измерительных систем в электрических сетях, поскольку обеспечивает простоту применения для большинства базовых измерительных схем и отвечает всем требованиям как по диапазону измерения, так и по точности. Известные до недавнего времени конструкции датчиков на базе катушек Роговского имели недостаточную точность виду чувствительности к положению токовой петли относительно оси проводника.

тельно проводника составляет максимум 0,65% (для проводника с диаметром жилы 15 мм независимо от его расположения, даже если он находится непосредственно у защелки катушки). РАБОТА В ЖЕСТКИХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ Рис. 2. Конструкция защелки токовой петли датчика типа «магнитная муфта»

токового датчика, датчика напряжения и погрешность обработки данных. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Главной проблемой токового датчика на основе катушки Роговского является ошибка, связанная с несовершенством замка замыкания измерительной петли. Неоднократно предпринимались попытки решить эту проблему на основе электрической или механической концепций, однако успех был незначительным. Благодаря изучению магнитных явлений в системе «катушка-проводник» удалось разработать простое и эффективное решение — соединительную муфту для измерительной петли из ферромагнитного материала (см. рис. 2). С одной стороны, она обеспечивает электрическое соединение вторичных обмоток датчика, а с другой, позволяет создать внутреннюю зону вокруг катушки магнитно невидимой, и таким образом маскировать неоднородность индуктивности в области защелки петли. Муфта работает как магнитная перемычка (или, точнее, как магнитное сопротивление), «виртуально» соединяя две секции обмоток, находящихся на разных сторонах защелкиваемой токовой петли. Этот подход привел к успеху — ошибка, связанная с локальным разрывом в токовой петле датчика, стала ничтожно мала. СКРЫТАЯ ПРОБЛЕМА

Д АТ Ч И К И

38

Погрешность, связанная с конструкцией замка катушки измерительной системы скрывала другие проявления асимметрии датчика. Когда главная проблема с контактным замком для катушек Роговского была решена, появились и стали заметны проблемы другого порядка, которые несколько омрачили успех использования магнитной муфты. Специалисты LEM продолжили работу по совершенствованию датчика тока, разработав спустя два года технологию и оборудование, которые значительно уменьшили ошибку, связанную с асимметричностью конструкции. Во многом это стало возможным благодаря реализации непрерывности и однородности секций катушек на всей протяженности измерительной петли. Сегодня ошибка за счет асимметрии позиционирования катушки относи-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Характеристики катушки Роговского определяются в основном ошибкой, связанной с позиционированием проводника внутри измерительной петли датчика. Кроме того, хороший датчик не должен быть чувствителен к влиянию токов от других проводников, расположенных вне измерительного контура. Как правило, при корректной конструкции петли оба эти параметра в равной мере хороши и, наоборот, при неудачной конструкции токовой петли датчика происходят большие ошибки, связанные с позиционированием проводника внутри петли датчика и чувствительностью к помехам. Это обстоятельство является следствием теоремы Ампера, в соответствии с которой любые ошибки, вызванные асимметрией конструкции, одинаково проявляются как внутри токовой петли, так и вне ее. Например, проводник с током в 100 A, находящийся внутри токовой петли катушки Роговского в непосредственной близости от оболочки петли, вызовет индуцированную ошибку при измерении на уровне 0,5%. Следовательно, измеренное значение составит 100,5 A. Тот же проводник, расположенный вне охвата петлей, также вызовет ошибку сигнала на 0,5 A, но этот сигнал добавится к измеренному значению тока, который протекает по проводнику внутри петли. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ

Точность измерения токового датчика на основе катушки Роговского невысока т.к. коэффициент передачи, определяемый, в основном, значением индуктивности M, зависит от физических параметров, которые трудно контролировать при массовом производстве. В настоящее время технологический разброс параметров катушки Роговского составляет 2—5% в зависимости от технологии. Производить данный тип датчика с меньшим разбросом коэффициента передачи нереально. Для большей точности потребуются намоточные станки, в которых шаг витков контролируется с точностью до нескольких микронов. Это сильно усложнит технологию и скажется на цене датчика. Для более высокой точности следует выполнить калибровку датчика, используя активную или пассивную схемы. С другой стороны, калибровка гарантирует высокую стабильность параметров датчика, в част-

ности, по отношению к температуре, и позволяет предотвратить сдвиг уровня выходного сигнала датчика. При изменении температурных условий может проводиться перекалибровка и компенсация сдвига сигнала. Например, датчики LEM серии RT обеспечивают температурную стабильность во всем рабочем диапазоне измерения на уровне 30 ppm/°C. НАСЫЩЕНИЕ ДАТЧИКА

Одним из частых вопросов, связанных с проектированием измерительных систем, является вопрос о возможности насыщения датчика на границе допустимого диапазона токов. В случае с датчиками на базе катушек Роговского насыщение теоретически недостижимо, поскольку в их конструкции нет ферромагнитных сердечников. На практике диапазон измерения определяется диаметром измерительной петли датчика и номинальным значением тока в цепи измерения. В отдельных случаях при наличии импульсных сигналов с большой крутизной может происходить ограничение амплитуды сигнала на катушке датчика. ЛИНЕЙНОСТЬ

Наряду с точностью важна также линейность измерений. Датчик на основе катушек Роговского не имеет нелинейных элементов в своей конструкции, поэтому линейность измеряемых сигналов гарантирована во всем диапазоне. Если факты нелинейности все же обнаруживаются, следует разобраться, насколько подходящий метод измерения используется. В некоторых случаях вместо катушки Роговского следует выбрать для измерений другой тип датчика. ФАЗОВЫЙ СДВИГ

Фазовый сдвиг выходного сигнала является очень важным параметром при измерении энергии, которая вычисляется на основе измеренных значений тока и напряжения. Катушка Роговского в этом отношении является идеальным решением и не дает дополнительных фазовых сдвигов. Однако следует учесть фазовый сдвиг, который может произойти в цепи интегратора при усилении и нормировке сигнала. Фазовый сдвиг равен нулю при разомкнутой петле измерения, но как только она переходит в активный режим, интегратор вносит фазовый сдвиг. Однако эту ошибку можно легко компенсировать с помощью соответствующих вычислений или симуляцией эквивалентной RLC-цепи. ВЫБОР, СДЕЛАННЫЙ LEM

В настоящее время датчики на основе катушек Роговского по комплексу параметров могут успешно конкури-

ИНТЕГРАТОР ДЛЯ КАТУШКИ РОГОВСКОГО

Катушка Роговского обеспечивает напряжение, пропорциональное производной по изменению тока в проводнике. Следовательно, для преобразования полученного сигнала в сигнал, пропорциональный измеряемому току, необходим интегратор. Он является важным компонентом в системе измерения тока на основе катушки Роговского.

Интегратор определяет коэффициент передачи. От его свойств зависят линейность, фазовый сдвиг и полоса рабочих частот. Недостаток интегратора с вариантами возможных решений заключается в очень низком уровне входного сигнала — 20 мВ/кА для датчиков LEM серии RT. Для решения этой проблемы рекомендуется использовать малошумящие операционные усилители и минимизировать площадь печатной платы с элементами интегратора, чтобы снизить чувствительность к наводкам паразитных сигналов внешних полей. Для формирования полосы пропускания измерительного тракта датчика должны использоваться два типа частотных фильтров: высоких и низких частот. КАЛИБРОВКА: АКТИВНАЯ ПОДСТРОЙКА КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ

Коэффициент передачи катушки Роговского определяется конструкцией и не может быть точным из-за несовершенства технологического процесса. Поэтому, чтобы точно подстроить коэффициент передачи, необходимо проведение калибровки по отношению к опорному сигналу. Инженеры используют в основном каскад аналогового интегратора, в котором в цепи регулировки имеется подстроечный резистор. Лучшим решением является цифровая калибровка, которая реализуется на основе микроконтроллера в комбина-

ции с усилителем с программируемым коэффициентом усиления или цифровым потенциометром. КАЛИБРОВКА: ПАССИВНАЯ ПОДСТРОЙКА УСИЛЕНИЯ

Исторически катушка Роговского использовалась для измерения среднеквадратичных значений тока без фазовых ограничений. Большинство решений для калибровки датчика основано на использовании простых резистивных или резистивно-емкостных схем. Достоинство метода измерения — простота и экономичность. К сожалению, метод не подходит для измерения мощности из-за большого фазового сдвига, который может зависеть и от частоты измерения, если используется RC-схема. При разработке нового датчика на катушках Роговского компания LEM предложила базовый продукт, исходя из того, что технология интегратора, выбранного разработчиками измерительной системы, обеспечит оптимальные параметры, а сам метод хорошо известен. В результате было принято решение не калибровать датчики тока семейства RT на самом производстве. В состав датчика не входит каких-либо дополнительных электронных компонентов или крепежных приспособлений. ЛИТЕРАТУРА 1. Die Messung der magnetischen Spannung//Archiv für Elektrotechnik. 1912.

Электронные компоненты №12 2010

39 Д АТ Ч И К И

ровать с лучшими токовыми трансформаторными датчиками в секторе измерения электрической энергии. Их преимущества — высокие токи, дешевизна, малые размеры, вес, гибкость и легкость монтажа — могут стать определящими для ряда приложений. Поперечное сечение токовой петли датчиков LEM составляет всего 5 мм. Относительно объектов измерения можно сказать, что датчик имеет универсальные размеры. Размеры запатентованной конструкции защелки токовой петли датчика также очень малы (всего 28×30×16 мм) и обеспечивают надежное соединение петли коаксиального сигнального кабеля. Для передачи сигнала был выбран коаксиальный кабель, соответствующий низкому профилю поперечного сечения катушки. Для обеспечения временной и температурной стабильности параметров катушка RT заключена в полиуретановую оболочку.

НОВЫЕ ДАТЧИКИ | МОНОЛИТНЫЕ И ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СИГНАЛА | Компания Metallux SA, (Мендризио, Швейцария) в рамках расширения своей программы выпуска пьезорезистивных датчиков давления представляет новую разработку. Теперь предлагаются монолитные и пьезорезистивные датчики давления со встроенной схемой преобразования сигнала. Кроме хорошо известных преимуществ керамических датчиков давления, это обеспечивает также более высокий уровень интеграции обычного оборудования. Конструкция датчика В основе нового семейства лежат широко известные серии безфланцевых и монолитных датчиков: ME501/505 и ME662. Характеристики этих датчиков были оптимизированы. Для плат дополнительного преобразования сигнала использована трафаретная печать. Настройка датчиков теперь производится с помощью обрезки проводников, а не резисторов. Был усовершенствован процесс сборки и распайки выводов датчиков. Датчики серий ME75x и ME77x выпускаются для измерения относительного и абсолютного давления. Преобразование сигнала осуществляется на печатной плате посредством 4-выводных рамок, припаянных к чувствительному элементу. В датчиках реализована электронная калибровка по давлению и температуре с помощью встроенной специализированной ИС. Этот новый подход обеспечивает более высокую точность и стабильность параметров.

Рис. 1. Серия датчиков давления Серии датчиков Серия ME77x (см. рис. 1 и 2) построена на базе датчиков ME501/505 и подходит для измерения относительного, абсолютного и избыточного давления. Серия ME75x (см. рис. 1 и 3) построена на базе ME662. Обе серии датчиков предлагаются с тремя различными типами выходного сигнала. Для 3-проводного датчика с изменяющимся напряжением предусмотрены два выхода: Аналоговый логометрический выход 0,5…4,5 ВDC; Аналоговый выход 0,5…4,5 ВDC. Для 2-проводного датчика с изменяющимся током предусмотрен Аналоговый выход 4…20 мА.

Рис. 2. Датчики давления ME770-771-772

40

Рис. 3. Датчики давления ME750-751-752

НОВОС ТИ

Электронный блок датчиков испытан на электромагнитную совместимость и соответствует стандарту EN61000-4-6. Логометрической выход позволяет производить проверку полярности и обеспечивает защиту от перенапряжения. Особенности и преимущества датчиков Стабильность параметров: не менее 0,2% от полной шкалы в год. Точность: не менее 1% от полной шкалы. Температурная компенсация. Электромагнитная совместимость (в стальном корпусе). Возможность работы в агрессивной среде. Автоконтроль. Калибровка по индивидуальному заказу. Высокая линейность и малая величина гистерезиса.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

РАЗРАБОТКА ТИПОВОГО СЧЕТЧИКА ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СУНИЛ МАХЕШВАРИ (SUNIL MAHESHWARI), инженер-разработчик, Freescale Semiconductor Почему так много внимания уделяется электрическим счетчикам со стороны компаний, производящих оборудование и программное обеспечение? Ответ простой — производство этих устройств сулит большие прибыли. Чтобы стать участником грядущих революционных перемен в области интеллектуальных электросчетчиков, требуются некоторые базовые познания в этой обалсти. В статье рассматриваются требования к дизайну современных стандартных счетчиков, а также перспективы их совершенствования. Компании всего мира привлекают огромные возможности, таящиеся в области электросетей, по двум основным причинам. Во-первых, коммунальные предприятия США и Европы приступают к замене существующих 45% счетчиков, которая должна завершиться к 2015 г. Во-вторых, имеется огромный спрос на счетчики, связанный с увеличением числа потребителей, а также с ростом промышленности в таких развивающихся странах как Китай, Индия, Бразилия и т.д. Согласно оценке [1], за период 2010—2015 гг. объем поставок интеллектуальных счетчиков составит 200 млн шт., что в денежном выражении эквивалентно 19,5 млрд долл. На рисунке 1, заимствованном из другого источника, дается почти та же оценка этой потребности. В статье описывается архитектура системы на кристалле (СнК) типового

счетчика, которая, во-первых, предназначена для измерения потребляемой энергии, защиты от кражи электроэнергии, хронометрирования, отображения и передачи считанных данных, а, во-вторых, является основой построения будущих схем. Возможности и модули, которые обсуждаются в данной статье, определяют лишь начальный этап создания измерительной СнК. Такие периферийные устройства как USB, Ethernet и т.д. прокладывают путь следующему поколению измерительных СнК, или т.н. интеллектуальных счетчиков. В настоящее время счетчик выполняет не только функции измерения, защиты и пр., но и многие другие задачи, например, взаимодействие с потребителем с помощью сенсорного дисплея, уведомляя о количестве потребленной энергии. Счетчики также контролируют многие домашние или офисные приложения,

учитывая потребление каждого из них. Потребитель имеет возможность управлять бытовой техникой по сети Ethernet. Так, находясь вне дома, можно включить, например, отопление за некоторое время до своего возвращения домой. Технология автоматизации считывания показаний счетчиков проходит долгий путь развития. В настоящее время у пользователей появилась возможность устанавливать счетчики предварительной оплаты, считывать показания с помощью приемников IR/ ZigBee, Ethernet или GPRS. Технология умных электросетей (Smart Grid) позволит применять счетчики для передачи данных, обнаружения ошибок и т.д. Можно считать, что современные схемы счетчиков станут основой новых приложений интеллектуального учета расхода ресурсов.

Э Н Е Р ГО С Б Е Р Е Ж Е Н И Е И У Ч Е Т РА С Х О Д А Р Е С У Р С О В

41

Рис. 1. Рост рынка счетчиков за период 2008—2012 гг. (Источник: ABS Energy Research [2])

Электронные компоненты №12 2010

Все указанные функции счетчика можно реализовать с помощью следующих составных блоков, показанных на рисунке 2: 1) внешнего аналогового интерфейса для измерения тока, напряжения (для счетчика электроэнергии) или тепла (для тепломера) или, возможно, выходного сигнала с аналоговых датчиков (для газомеров); 2) измерительного блока, в который поступает сигнал с датчиков расхода жидкости или газа; 3) защиты от кражи электроэнергии; 4) часов реального времени для хронометража; 5) периферийных устройств для внешней связи с трансиверами ZigBee, РЧ-трансиверами или другими СнК; 6) ядра для обработки данных и других задач; 7) памяти для хранения показаний счетчика, времени кражи и т.д. Рассмотрим подробнее каждый из этих блоков. ВНЕШНИЙ АНАЛОГОВЫЙ ИНТЕРФЕЙС

Счетчики электроэнергии измеряют входное напряжение, ток всех трех фаз и ток нейтрали для установления величины потребления. Эти значения

Э Н Е Р ГО С Б Е Р Е Ж Е Н И Е и У Ч Е Т РА С Х О Д А Р Е С У Р С О В

42

Рис. 2. Составные блоки типового счетчика

Рис. 3. Блок-схема аналогового интерфейса счетчика

WWW.ELCOMDESIGN.RU

измеряются с помощью современных трансформаторов и датчиков. Все эти показатели поступают в аналоговый интерфейсный блок, состоящий из усилителя с программируемым коэффициентом усиления (УПКУ) (который может находиться и вне СнК), фильтров и АЦП (см. рис. 3). В УПКУ поступают необработанные данные с трансформаторов тока или датчиков, которые, в свою очередь, далее отправляются в АЦП после мультиплексирования. Мультиплексор может и не входить в состав АЦП, которые измеряют указанные величины и передают результаты ядру. Следует заметить, что в ряде случаев выходные сигналы трансформаторов тока и датчиков не находятся в рабочем диапазоне напряжений АЦП, и потому требуемая точность преобразования не достигается. В таких случаях для изменения величины сигнала применяются УПКУ. В зависимости от нужд приложения и стоимости СнК эти усилители устанавливаются внутрь или вне СнК, поскольку у них относительно большое потребление и они генерируют шум внутри кристалла. Для устранения составляющей шума во входном сигнале используются фильтры. Центральная частота полосового фильтра в счетчиках составляет

50…60 Гц. В однофазном счетчике электроэнергии используются два АЦП на СнК — один для тока, другой — для напряжения. Количество АЦП увеличивается на один преобразователь с каждой дополнительной фазой. Выбор АЦП особенно труден в случае его использования в счетчике. Точность, потребление электроэнергии и скорость — главные факторы, определяющие этот выбор. Чаще всего выбирают между АЦП последовательного приближения (SAR) и сигма-дельта АЦП. Оба преобразователя имеют свои преимущества и недостатки. Выбор между ними зависит, главным образом, от конкретного приложения и бюджета, выделенного на СнК. АЦП последовательного приближения принимают входной сигнал в определенный момент времени и сравнивают его с выходным сигналом внутреннего ЦАП, аппроксимируя его согласно полученному значению входного сигнала. Соответствующая величина выходного сигнала ЦАП оцифровывается и сохраняется в регистре SAR. АЦП последовательного приближения характеризуются хорошим разрешением, малой задержкой преобразования и достаточно широким входным диапазоном. Они весьма чувствительны к изменению величины входного напряжения канала. У них также очень широкая пропускная способность входного канала. Однако недостаток этого типа АЦП — в погрешности из-за нелинейности, вызванной необходимостью повторного вычитания и сравнения. В современных сигма-дельта АЦП преобразование осуществляется с избыточной дискретизацией (передискретизацией), затем происходит фильтрация, усреднение и оцифровка сигнала. Время преобразования этих флэш-АЦП достаточно малое и составляет порядка нескольких наносекунд для 8-разрядных устройств. Однако выходной сигнал АЦП содержит большое количество ошибок. Для снижения шума преобразованный сигнал вычитается из входного [4]. Таким образом, у сигма-дельта АЦП лучшая шумовая характеристика, чем у АЦП типа SAR. Однако выбор АЦП типа SAR предпочтительнее в тех случаях, когда требуется быстрое срабатывание, малая задержка и многоканальная обработка данных. Сигма-дельта АЦП применяются тогда, когда необходима высокая точность и разрешение для преобразования сигнала в условиях большого шума [5]. Как правило, в недорогих счетчиках используются АЦП последовательного приближения, тогда как в СнК с высокой производительностью применяются сигма-дельта АЦП, обеспечивая преобразование с малым шумом.

Похоже, использование 7-сегментной панели ЖКД является наиболее распространенным методом отображения показаний счетчика. На ней указывается текущее показание, которое, например, записывается потребителем. Если драйвер ЖКД не входит в состав системы на кристалле, она передает ему данные с помощью внешних интерфейсов I2C, SPI, UART и т.д. Считанные данные также передаются по беспроводному каналу на удаленный драйвер ЖКД или в регистрирующую систему с помощью ZigBee, IR и т.д. В таких случаях необходимо модулировать передаваемые данные до их отправки передатчику, что осуществляется, например, с использованием ШИМ-модулятора. Рис. 4. Мгновенные значения напряжения, тока, мощности и прямая средней мощности РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЕ ДАННЫХ

Э Н Е Р ГО С Б Е Р Е Ж Е Н И Е и У Ч Е Т РА С Х О Д А Р Е С У Р С О В

44

Ресурсоемкие вычисления, включая расчет потребления, как правило, выполняются процессором. К этим вычислениям относятся измерение активной и реактивной мощности, коэффициента нагрузки и средней мощности (см. рис. 4). Активная мощность — это часть полной мощности, определяемая напряжением и током, фазы которых совпадают. Если эти две величины находятся не в одной фазе, их произведение определяет реактивную мощность. Сдвиг фаз между током и напряжением возникает из-за индуктивной или емкостной нагрузки. Реактивная мощность не выполняет полезной работы, но вызывает дополнительный нагрев проводников. Для ее компенсации требуются трансформаторы высокого качества и более толстые провода, выдерживающие высокие токи и тепловую нагрузку, что повышает стоимость передачи электроэнергии. Объем потребленной электроэнергии (полной мощности) при этом равен отношению активной мощности к коэффициенту нагрузки (косинусу угла сдвига фаз). После расчета коэффициента нагрузки вычисляется полная мощность. Активная мощность представляет собой произведение среднеквадратического значения токов и напряжений. Таблица 1. Интервал, через который ядро выполняет усреднение в различных приложениях Средний интервал времени Электроснабжение Газоснабжение Центральное отопление Водоснабжение Приборы для распределения тепла Учет электропотребления на нижестоящих ступенях распределения

Минуты

В приложениях по измерению ядро СнК в т.ч. вычисляет среднеквадратическое значение токов и напряжений, их произведение и производит усреднение. При создании измерительных систем выбирается ядро DSP, поскольку оно выполняет математические операции за очень малое время. Иногда ядро разгружается за счет дополнительного блока умножения с накоплением, который берет на себя наибольшую часть вычислений. При этом на ядро возлагаются такие функции как связь, отображение данных, мониторинг и т.д. Объем памяти кристалла также играет большую роль в стоимости конечной системы. Объем запоминающего устройства может колебаться в пределах 256 байт…26 Кбайт ОЗУ и 8…264 Кбайт флэш-памяти в зависимости от приложения. В некоторых наиболее современных системах требуется до 2 Мбайт флэш-памяти и 512 Кбайт ОЗУ [9]. ЛОГИЧЕСКИЙ БЛОК

В состав этого блока входят такие модули как программируемые счетные устройства, компаратор, широтноимпульсный модулятор и т.д. Скорость потока газа или жидкости измеряется с помощью цифровых или аналоговых датчиков вращения. В случае использования цифрового датчика его выходной сигнал поступает в модуль счетного устройства, которое регистрирует расход измеряемого ресурса. В случае аналогового датчика последовательность импульсов, поступающую в счетный модуль, генерируют компараторы.

15 60

1440

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ОТОБРАЖЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА ПОКАЗАНИЙ СЧЕТЧИКА

Еще одним важным аспектом измерительного приложения является отображение и передача считанных данных для учета потребления.

ЗАЩИТА ОТ КРАЖИ И ХРОНОМЕТРАЖ

Защита от взлома очень важна в системах измерения, т.к. предохраняет поставщика от кражи электроэнергии потребителями за счет изменения показаний счетчика. Функцию обнаружения кражи энергии можно установить в СнК несколькими способами, но одним из наиболее эффективных из них является интеграция этой функции с часами реального времени. Установление факта кражи, а также фиксация ее времени эффективно выполняется одним модулем. Любая попытка кражи записывается во внутреннюю память наряду с отметкой времени о происшедшем событии. Счетчик свидетельствует об этом факте мерцающим светодиодом или отображая информацию на ЖКД наряду с указанием времени, когда состоялась кража. В дальнейшем эти данные учитываются для коррекции показаний счетчика. Кроме того, хронометраж играет ключевую роль в усреднении показаний счетчика. С этой целью ядру СнК подаются периодические сигналы от часов реального времени. В соответствии со спецификациями OMS (Open Metering System) ядро СнК выполняет операции усреднения через определенные интервалы времени в зависимости от приложения (см. табл. 1). Часы реального времени оснащены механизмом авторизованного доступа к регистрам этого блока, чтобы предотвратить любую попытку их взлома для отключения функции обнаружения кражи. Кроме того, часы реального времени должны обладать способностью работать в автономном режиме при сбое в электропитании. Однако в этом случае также необходимо предусмотреть схему с очень малым потреблением. В первую очередь, такая схема требуется в системах измерения расхода жидкости или газа, в которых счетчики питаются только от батарей. Таким

образом, при разработке СнК необходимо предусмотреть: 1) автономное питание некоторых модулей в режиме останова системы; 2) время запуска ядра из режима останова; 3) обеспечение питания при выходе из режима останова. Стандартным значением тока в режиме останова является 0,5 мкА, а типовые значения рабочего тока достигают 4,3 мА [6]. ЛИТЕРАТУРА 1. www.pikeresearch.com/research/smart-meters.

2. www.absenergyresearch.com.

3. MCF51EM256 Reference Manual & Datasheet//www.freescale. com.

4. Analog to Digital Convertors//http://en.wikipedia.org/wiki/ Analog-todigital_converter.

5. Bonnie Baker. Choosing SAR vs High-Speed Sigma-Delta ADCs. EDN Article//www.edn.com/article/CA6313377.html.

6. Jin Zhu and Recayi Pecen. A Novel Automatic Utility Data Collection System using IEEE 802.15.4-Compliant Wireless Mesh Networks.

7. Metering Solutions from Freescale//www.freescale.com/metering.

8. KNX Smart Metering Solutions.

9. w w w . f r e e s c a l e . c o m / w e b a p p / s p s / s i t e / o v e r v i e w . jsp?nodeId=02430Z6A10.

СОБЫТИЯ РЫНКА | КОМПАНИЯ U.R.T. УДОСТОИЛА RUTRONIK ЗВАНИЯ ЛУЧШЕГО ЕВРОПЕЙСКОГО ДИСТРИБЬЮТОРА 2010 ГОДА (BEST EUROPEAN ACTING DISTRIBUTOR 2010) | Компания U.R.T. присвоила звание Best European Acting Distributor 2010 крупному дистрибьютору электронных компонентов Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH. Компания, специализирующаяся на разработке дисплеев, впервые присудила эту награду Rutronik за наивысший объем продаж и наилучшее развитие бизнеса в Европе. Компания Rutronik смогла увеличить объем продаж продуктов U.R.T. в 2010-м году на целых 100% по сравнению с 2008-м годом. Дистрибьютор достиг наивысшего роста в сфере продаж TFT-дисплеев. Основным целевым рынком сбыта компании стала промышленная электроника, главным образом, блоки управления и контроля для систем автоматизации. Для этого рынка компания U.R.T. поставляет продукты, рассчитанные на длительную эксплуатацию (от 3 до 5 лет), обладающие конкурентоспособной ценой и обеспечивающие высокую степень гибкости конструкции. «Наши дисплеи являются передовыми продуктами», подчеркнул Пер Жан Ван (Peir-Jang Wang), президент U.R.T. «Поэтому нам нужен был партнер с достаточным количеством хорошо подготовленных технических специалистов. Мы нашли его в лице компании Rutronik. Очень тесное профессиональное сотрудничество с этой компанией на всех уровнях также внесло свой вклад в эту удивительную историю успеха». С 2000-го года Rutronik занимается продажами TFT-, FSTN-, CSTN-дисплеев, сенсорных экранов и заказных LCD-дисплеев производства U.R.T. «Широкий портфель продуктов от U.R.T. является существенной составной частью наших предложений в области дисплеев, так как они охватывают экраны различного размера и механических параметров, и в то же время обеспечивают высокое качество и преимущества в оптических характеристиках», указывает Маркус Криг (Markus Krieg), директор по маркетингу компании Rutronik. «Кроме того, U.R.T. предлагает гибкие решения в сфере полузаказных TFTдисплеев и обеспечивает наилучшую техническую и коммерческую поддержку в кратчайшее время».

Э Н Е Р ГО С Б Е Р Е Ж Е Н И Е И У Ч Е Т РА С Х О Д А Р Е С У Р С О В

45

www.rutronik.com

Электронные компоненты №12 2010

Решения Microchip для счетчиков расхода ресурсов ГЕННАДИЙ СУРКОВ, технический консультант, медиагруппа «Электроника» В статье описаны семейства микроконтроллеров PIC16 и PIC18 компании Microchip, применяемых для построения счетчиков расхода ресурсов. Приведены их основные параметры.

ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ СЧЕТЧИКОВ

Электронные счетчики по сравнению с механическими обладают рядом преимуществ. Во-первых, благодаря компактному размеру и отсутствию подвижных частей они обладают повышенной надежностью и прочностью. Это позволяет работать при сложных условиях, например на улице. Электронные счетчики более безопасны. Они имеют защиту от несанкционированного доступа. Повышенная точность и возможность программной настройки параметров позволяет вести учет ресурсов наиболее эффективно и удобно для пользователя. Кроме того, упрощается процедура автоматического считывания показаний, становится возможной тарификация (например, автоматический перевод тарифа в зависимости от времени суток, определение размера предварительной оплаты и т.п.). Для электронных счетчиков энергии немаловажным достоинством является возможность работы с нелинейными нагрузками и нагрузками, имеющими маленький коэффициент мощности. Все больше устройств представляет собой реактивную нагрузку, в то время как механические счетчики, как правило, рассчитаны на работу с активной нагрузкой. Наконец, калибровка электронных счетчиков намного проще, чем механических. Электронный счетчик можно разделить на несколько функциональных частей: блок временных отсчетов, датчик, дисплей, модуль связи, управление энергопотреблением. Микроконтроллеры Microchip семейств PIC16 и PIC18 отлично подходят для применения в электронных счетчиках коммунальных ресурсов. Реализованная в них технология оптимизации энергопотребления nanoWatt позволяет не только сократить расход энергии, но и обезопасить работу, сохранив текущие параметры при внезапной потере питания. В подавляющем большинстве случаев источником питания для счетчиков коммунальных услуг является электросеть или источник постоянного тока (батарея, аккумулятор).

46

СЧЕТЧИКИ С ПИТАНИЕМ ОТ СЕТИ

Для счетчиков с питанием от сети задача управления энергопотреблением более сложна, особенно когда речь идет об отключении питания, которое может произойти, например, в момент записи в энергонезависимую память. Для рассматриваемого типа счетчиков существуют как трансформаторные, так и бестрансформаторные схемы питания. Бестрансформаторные схемы предпочтительны, поскольку они проще и меньше по размеру. Управление мощностью потребления счетчика помогает уменьшить массогабаритные показатели. В качестве резервного ИП может использоваться конденсатор большой емкости, ионистор или небольшой литиевый аккумулятор. Во всех новых семействах PIC-микроконтроллеров (PIC16 и PIC18) реализована технология управления потре-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

блением nanoWatt. Эта технология позволяет снизить потребление и повысить надежность счетчиков коммунальных ресурсов. Фактически устройства с nanoWatt не только обладают наименьшим в отрасли потреблением и широким диапазоном напряжений, но и предоставляют очень гибкий набор функций «умного» управления энергопотреблением. Технология nanoWatt предусматривает 7 режимов работы, каждый из которых что позволяет быстро переключаться на наиболее подходящий тактовый генератор в каждый момент времени. Стратегия достижения оптимального энергопотребления предполагает следующие действия: – переводить МК в режим ожидания во время простоя; – всегда держать включенным и активным таймер реального времени. Для других задач использовать дополнительный резонатор; – периодически выводить МК из режима ожидания для выполнения легких задач на низкой скорости. Процесс выхода из режима ожидания и выполнение задач, требующих высокоскоростной обработки, производится с использованием второго резонатора с частотой 32 кГц; – для выполнения более сложных и интенсивных задач допускается включать первичный тактовый генератор. Пользуясь оценочными значениями, можно рассчитать примерное потребление приложения путем взвешивания каждой задачи с учетом времени использования МК для ее выполнения и потребления в данном режиме работы. Принимая во внимание тот факт, что большинство PICмикроконтроллеров с технологией nanoWatt содержат до 9 опций выбора резонатора (в т.ч. 4 режима работы кварцевого резонатора, два режима внешних тактовых генератора, два варианта внешних часов реального времени, внутренний блок резонаторов, обеспечивающих несколько тактовых частот, выбираемых программно), гибкость тактирования получается практически безграничной. СЧЕТЧИКИ С ПИТАНИЕМ ОТ ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

К данному классу счетчиков относятся приборы для учета воды и газа. Как и для всех устройств с ограниченным источником питания, для них большое значение имеет ток в неактивном режиме. Как мы говорили выше, PIC-микроконтроллеры Microchip с технологией nanoWatt помогают оптимизировать производительность и сократить ток потребления. Широкий диапазон рабочих напряжений микроконтроллеров PIC, который составляет обычно 2,0…5,5 В, позволяет внести ряд упрощений в схему счетчика и увеличить срок службы батарей. Высокая надежность работы обеспечивается тремя функциональными блоками: сброс по провалу напряжения питания, детектирование низкого уровня напряжения питания и блоком мониторинга безопасного выключения.

Табл. 1. Рекомендуемые МК для учета расхода коммунальных ресурсов Модель PIC18F8490 PIC18F6490 PIC16F946 PIC16F917 PIC16F916 PIC16F877А PIC16F876А PIC16F77 PIC16F76 PIC16F72 PIC16F648A

Флеш-память, байт 16 384 16 384 14 336 14 336 14 336 14 336 14 336 14 336 14 336 3 584 7 168

Память данных Порты ввода-вывода ОЗУ, байт EEPROM, байт 768 – 66 768 – 50 336 256 53 352 256 36 352 256 25 368 256 33 368 256 22 368 – 33 368 – 22 128 – 22 256 256 16

Сброс по провалу напряжения (BOR — Brown-out Reset) используется для генерации сигнала сброса МК при падении напряжения питания ниже порога, устанавливаемого программным образом. Это предотвращает некорректную работу МК вне допустимого режима. Опция обнаружения низкого уровня питания (LVD — Low-Voltage Detect) генерирует сигнал прерывания, когда напряжение питания падает ниже предустановленного значения. Обычно оно чуть выше порога BOR. Это помогает прогнозировать срабатывание схемы сброса и вовремя сохранить важные рабочие параметры в энергонезависимой памяти для безопасного восстановления в будущем. В отличие от сторожевого таймера блок мониторинга безопасного выключения (FSCM — Fail-Safe Clock Monitor) содержит дополнительную схему, проверяющую правильное функционирование внешнего тактового генератора. В случае обнаружения неполадки схема тактирования МК быстро переключается на внутренний резонатор. Это обеспечивает сохранение работоспособности счетчика в тече-

10-разр.АЦП ШИМ 12 12 8 8 5 8 5 8×8 разр.

5×8 разр.

5×8 разр.

–

2 2 2 1 2 2 2 2 2 1 1

MSSP SPI MI2C 1 1 1 1 1 – 1 – 1 – 1 – 1 – 1 – 1 – 1 – – –

Таймеры 8/16 разр.

ЖКИ

1/3 1/3 2/1 2/1 2/1 1/2 2/1 2/1 2/1 2/1 2/1

4×48 (192) 4×32 (128) 4×42 (168) 4×24 (96) 4×15 (60) – – – – – –

ние некоторого времени, за которое приложение успевает закрыться в безопасном режиме, сохранив все важные параметры и оповестив пользователя о сбое. РЕШЕНИЯ MICROCHIP

Компания Microchip предлагает полный набор ИС для электронных счетчиков. Это микроконтроллеры семейства PIC16 и PIC18, а также все дополнительные элементы, необходимые для их работы: усилители, АЦП и ЦАП, цифровые потенциометры, сигнальные процессоры, контроллеры напряжения, схемы измерения энергии, интерфейсные ИС, в т.ч. ИС для подключения дисплея. Кроме того, имеется довольно обширная библиотека технической справочной документации, а также руководств по применению продуктов Microchip и решению наиболее распространенных задач, возникающих при проектировании. Все материалы разделены по категориям, что делает поиск быстрым и удобным. Характеристики микроконтроллеров для счетчиков газа, воды, тепла и электричества сведены в таблице 1.

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И УЧЕТА РАСХОДА РЕСУРСОВ | 100 ЛУЧШИХ ПРОДУКТОВ ПО ВЕРСИИ EDN. ПОВЫШАЮЩИЙ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ LINEAR TECHNOLOGY СО СВЕРХНИЗКИМ ВХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ LTC3108 | Минимальное входное напряжение преобразователя составляет 20 мВ, что позволяет ему работать от термоэлектрического генератора, термопар и малых солнечных батарей. В его состав входит вспомогательный 3-мА LDO-регулятор с выходным напряжением 2,2 В. LTC3108 обеспечивает комплектное решение для беспроводных сетей датчиков и систем сбора данных. 2,2-В LDO-регулятор предназначен для питания микропроцессора, а главный выход (запрограммированный на одно из напряжений ряда 2,35; 3,3; 4,1 и 5 В) предназначен для питания приемопередатчиков или датчиков. Собственный ток потребления преобразователя не превышает 6 мкА. www.elcomdesign.ru

48 СОБЫТИЯ РЫНКА | ПРОДАЖИ MЭMС-ДАТЧИКОВ БЬЮТ РЕКОРДЫ | Восстановление мирового автомобильного рынка позволит достичь рекордного уровня поставок специализированных МЭМС-датчиков по итогам текущего года. Аналитики iSuppli ожидают, что в 2010 г. продажи автомобильных MЭMС-сенсоров составят 662,3 млн, что на 32,1% больше, чем в прошлом году и даже превышает лучший докризисный результат — 640 млн в 2007 г. Особенным спросом будут пользоваться сенсоры, используемые в системах курсовой устойчивости (ESC) и системах контроля давления воздуха в шинах (TPMS). Все больше стран на законодательном уровне закрепляют обязательное наличие подобных решений в новых автомобилях. Кроме того, в числе относительно свежих применений MЭMС-датчиков, способных стимулировать высокие объемы продаж, аналитики называют сенсоры газа для контроля качества воздуха в салоне, инфракрасные термобатареи для мониторинга температуры, микроболометры для систем ночного видения и осцилляторы для камер заднего вида. Тем не менее, уже в 2011 г. возможно замедление динамики роста до 7,3%, что объясняется нормализацией рыночных тенденций. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Фотогальванические элементы для энергосберегающих приложений ДЖЕФ ГРЮТТЕР (JEFF GRUETTER), старший специалист по маркетингу, Linear Technology

В статье представлен энергосберегающий DC/DC-конвертер LTC3105 компании Linear Technology, разработанный для решения задач энергосбережения и управления мощностью альтернативных высокоимпедансных источников питания, рассчитанных на низкие напряжения (фотогальванических элементов, термоэлектрических генераторов и топливных батарей).

ВВЕДЕНИЕ

Устройства со сверхнизким потреблением энергии могут быть использованы в самых разнообразных беспроводных системах, включая транспортную инфраструктуру, медицинские приборы, измерители давления шин, промышленные датчики, автоматику зданий и аппаратуру слежения. Такие системы большую часть жизни проводят в режиме ожидания в спящем состоянии, потребляя при этом незначительное количество мкВт. При выходе из этого режима датчик измеряет такие параметры как давление, температуру или механическое отклонение и передает полученные данные беспроводным способом системе управления, расположенной на некотором расстоянии. На измерение, обработку и передачу данных требуется обычно порядка десяти миллисекунд, но за этот короткий промежуток времени может быть израсходовано несколько сотен мВт энергии. Поскольку такие приложения характеризуются небольшими коэффициентами заполнения рабочих циклов, средняя мощность потребления может также оказаться сравнительно низкой. Источником питания в этом случае может быть простая батарея, однако, после того, как она разрядится, потребуется ее замена. В некоторых приложениях бывает физически невозможно заменить батарею, поэтому более приемлемой альтернативой является использование внешнего источника питания. ПОЯВЛЕНИЕ МАЛОМОЩНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ

В автоматике зданий такие устройства как датчики присутствия, термостаты и выключатели освещения могут работать без традиционно применяемых силовых или управляющих проводов. Вместо этого можно использовать механические или энергосберегающие системы. Помимо отказа от прокладки проводов или регулярной замены батарей в беспроводных приложениях такой альтернативный подход снижает стоимость стандартной эксплуатации, рассчитываемой обычно для проводных систем. Беспроводная сеть, использующая энергосберегающие методы, может объединять любое количество датчиков, установленных в здании для управления системой нагрева, вентиляции и кондиционирования (HVAC), а также для уменьшения затрат на освещение путем отключения питания от второстепенных зон здания, где в данный момент нет людей.

Типовая энергосберегающая конфигурация или узел беспроводных датчиков состоит из четырех блоков, показанных на рисунке 1: – внешнего источника питания, например, солнечного элемента; – устройства преобразования энергии для питания всех компонентов узла; – чувствительного элемента для связи узла с физическим миром и расчетного блока, состоящего из микропроцессора или микроконтроллера, обрабатывающего измеренные данные и сохраняющие их в памяти; – коммуникационного блока, состоящего из радиоустройства коротковолнового диапазона для беспроводной связи с соседними узлами и внешним миром. Примерами систем с внешними источниками энергии могут служить термоэлектрические генераторы (TЭГ) или термоэлементы, соединенные с теплогенерирующим источником, например, с каналом HVAC; пьезоэлектрические преобразователи, прикрепленные к вибромеханическому источнику (оконному стеклу), а также панели с солнечными элементами. С помощью компактного термоэлектрического устройства (обычно называемого преобразователем) можно преобразовывать в электрическую энергию небольшой перепад температур. Для преобразования в электрическую энергию механических вибраций или напряжения используется пьезоэлектрический преобразователь. И, наконец, для преобразования света используются фотогальванические элементы, которые способны вырабатывать более 50 мВт электроэнергии на 1 см2 при прямом солнечном свете и до 100 мкВт — при комнатном освещении. Энергосберегающая схема преобразовывает электрическую энергию в тот вид, который пригоден для питания расположенных далее электрических схем. После этого микропроцессор может «разбудить» датчик, чтобы снять показания или провести измерения, которые затем будут преобразованы АЦП для передачи данных через беспроводной трансивер с ультранизким потреблением мощности. Каждый блок в этой цепи имеет определенные ограничения, которые до недавнего времени снижали их коммерческую ценность. Хотя недорогие и маломощные датчики и микроконтроллеры продаются довольно давно, на рынке только недавно появились трансиверы с ультранизким потреблением мощности, объединенные с микроконтрол-

Рис. 1. Основные блоки типовой энергосберегающей системы или узла беспроводных датчиков

Электронные компоненты №12 2010

49

лерами, что способствовало развитию направления маломощных беспроводных систем. Тем не менее, до сих пор наблюдается нехватка энергосберегающих интегральных схем (ИС). Существующие реализации блока: энергосберегающая схема и управляющее устройство — являются недостаточно эффективными дискретными системами, обычно состоящими из 30 и более компонентов. Такие устройства характеризуются низкой эффективностью преобразования энергии и высокими значениями токов покоя. Оба этих недостатка приводят к необходимости использовать дорогие и мощные батареи и солнечные элементы, что ухудшает характеристики системы в целом. Без больших накопительных элементов низкая эффективность преобразования приведет к увеличению времени на включение системы, что, в свою очередь, увеличивает временной интервал между снятием показаний датчика и их передачей. Большие токи покоя в схемах преобразования энергии могут серьезно сократить количество «полезной» энергии, которая могла бы быть сэкономлена и передана в схемы приложения. Для достижения низких рабочих токов покоя и высокой эффективности преобразования энергии также требуется высокоточная экспертиза импульсных источников питания, что редко бывает возможно. «Пропущенным» звеном был высокоинтегрированный DC/DC-конвертер, который мог бы сэкономить энергию сверхмаломощных источников питания и управлять освободившейся при этом энергией.

ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ НА КОНКРЕТНОМ ПРИМЕРЕ

В качестве примера рассмотрим энергосберегающую промышленную систему мониторинга трубопровода, проложенного в отдаленной безлюдной местности. Через каждые 50 м трубы требуется измерять скорость потока, температуру и давление в трубопроводе. Каждый узел снабжен датчиками температуры, давления и потока, встроенными в стенки трубопровода. Данные должны передаваться каждые 5 с. Поскольку длина трубопровода составляет сотни миль, прокладка силовых и информационных линий — это очень дорогостоящий проект, требующий к тому же постоянных затрат на эксплуатацию и ремонт с периодической заменой батарей в каждом узле. Необходим источник питания, способный вырабатывать достаточное количество энергии, простой и надежный в эксплуатации. Одними из наиболее популярных и простых в обслуживании источников энергии являются маленькие солнечные элементы, объединенные с накопительными устройствами (аккумуляторами или ионисторами (supercap)), которые служат для непрерывной доставки энергии в ночные часы и в плохих погодных условиях. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ИС

Linear Technology недавно выпустила ИС LTC3105 — повышающий преобразователь ультранизкого напряжения, специально разработанный для упрощения задачи энергосбережения и управления мощностью альтернативных высокоимпедансных источников питания, рассчитанных на низкие напряжения, таких как фотогальванические

Рис. 2. Зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора от одного фотогальванического элемента

50

Рис. 3. Типовая последовательность запуска LTC3105

WWW.ELCOMDESIGN.RU

элементы, ТЭГ и топливные батареи. Их работа в синхронном повышающем режиме начинается при входном напряжении 250 мВ, что делает их идеальными устройствами для экономии энергии даже в неидеальных световых условиях. Большой входной диапазон напряжений 0,2…5 В позволяет новым устройствам найти свое применение в большом ряду приложений. Интегрированный контроллер слежения за точкой максимальной мощности (MPPC) позволяет работать напрямую от высокоимпедансных источников (фотогальванических элементов), не допуская снижения входного напряжения источника питания ниже уровня, заданного MPPC. Пределы пикового тока автоматически настраиваются для получения максимальной мощности от источника питания, в то время как для оптимизации эффективности конвертера в режиме работы Burst Mode® ток покоя снижается только до 18 мкА. Показанная на рисунке 2 схема использует LTC3105 для зарядки одноэлементного литий-ионного (Li-Ion) аккумулятора от одного фотогальванического элемента. Эта схема обеспечивает постоянную подзарядку аккумулятора, когда есть солнечный свет, что, в свою очередь, обеспечивает возможность питания электрических схем приложения, например, узла беспроводных датчиков, и позволяет запасать энергию для работы приложения в отсутствии света.

LTC3105 позволяет начинать работу при напряжениях порядка 250 мВ. Во время запуска выход AUX первоначально заряжается при отключенном синхронном выпрямителе. Как только VAUX станет приблизительно равным 1,4 В, конвертер выходит из режима запуска и переходит в режим нормальной работы. MPPC в режиме запуска не подключен. Однако значения токов ограничиваются достаточно низкими уровнями, что и позволяет начинать работу даже от слабых входных источников. В то время как конвертер находится в режиме запуска, внутреннее соединение между AUX и VOUT остается разомкнутым, и выход LDO отключен. На рисунке 3 показан пример типовой последовательности запуска. Когда выходное напряжение больше входного и больше 1,2 В, включается синхронный выпрямитель. В этом

режиме N-канальный MOSFET, стоящий между SW и GND, будет работать до тех пор, пока ток, протекающий через катушку индуктивности, не достигнет предела пикового тока. Как только это произойдет, N-канальный MOSFET выключится, и включится P-канальный MOSFET между SW и управляемым выходом. Этот ключ остается открытым до тех пор, пока ток, протекающий через катушку индуктивности, не упадет ниже минимального предела пикового тока, затем цикл повторяется. Когда VOUT достигнет точки регулировки, N- и P-канальные MOSFET, соединенные с SW-выводом, выключаются, и конвертер входит в спящий режим. Для питания микроконтроллеров и внешних датчиков с выхода LDO обеспечивается подача регулируемого тока 6 мА. Интегрированный контроллер MPPC предоставляет возможность пользователям устанавливать для данного источника питания оптимальную рабочую точку входного напряжения. Более того, MPPC в динамике регулирует средний ток через катушку индуктивности, предотвращая падение входного напряжения ниже порога напряжения на выводе MPPC. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Управление энергопотреблением является ключевым аспектом создания беспроводных измерительных систем и должно учитываться при разработке концепции дизайна. Разработчики и проектировщики систем должны с самого начала уделять первостепенное внимание этому вопросу, чтобы создать эффективный проект, рассчитанный на успешную и долговременную работу. Энергосберегающий DC/DC-конвертер LTC3105 специально разработан для упрощения задачи энергосбережения и управления мощностью альтернативных высокоимпедансных источников питания (фотогальванических элементов, ТЭГ и топливных батарей), рассчитанных на низкие напряжения. Интегрированный контроллер слежения за точкой максимальной мощности оптимизирует энергию, извлекаемую из источников самого широкого диапазона.

НОВЫЕ ДАТЧИКИ

52

| КОМПАНИЯ SEMTECH ВЫПУСТИЛА СЕМЕЙСТВО КОНТРОЛЛЕРОВ SX863X ЕМКОСТНЫХ СЕНСОРНЫХ КЛАВИШ С ДИАПАЗОНОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИБЛИЖЕНИЯ ДО 10 СМ | Толщина покрывающего материала может достигать 5 мм. Контроллеры SX863x предназначены для управления сенсорными клавишами, слайдерами и системами Touch Wheel в таких устройствах, как телевизионные приставки, системы диспетчерской связи, домофоны и охранные системы, медицинские приборы и т.д. Контролеры SX863x содержат восемь светодиодных драйверов с индивидуальным управлением интенсивностью свечения (линейным или логарифмическим), оптимизированным для человеческого зрения. Это позволяет создавать клавиши, свечение которых автоматически плавно увеличивается, когда кнопка нажата, и уменьшается, когда кнопка отпущена. Скорость переключения, а также уровни интенсивности свечения устанавливаются разработчиком. Технические характеристики: Напряжение питания 2,7…3,6 В; Сверхнизкое энергопотребление:

8 мкA в режиме Sleep Mode; 80 мкA в режиме Doze Mode (период опроса 195 мс); 220 мкA в режиме Active Mode (период опроса 30 мс); Интерфейс I2C 400 кГц; Диапазон рабочих температур –40…+85°C. Выпускаются в корпусах 28-QFN и 32-QFN соответственно. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Встраиваемые платы VIA Technologies для автоматизации, мониторинга объектов, цифрового видео и обработки данных

ИГОРЬ ЧЕХРАНОВ, руководитель отдела бизнеса, «Компэл»

VIA Technologies, Inc. является ведущим разработчиком экономичных по питанию процессорных платформ архитектуры х86 для рынка компьютеров и мобильных приложений.

VIA предлагает заказчикам широкий спектр вычислительных и коммуникационных платформ, включая миниатюрные материнские платы. Главной особенностью при разработке новых решений являются энергосберегающие процессоры, мультимедийные процессоры, подсистемы проводной и беспроводной связи.

VIA предлагает богатейший набор решений от одного поставщика, поддерживающего весь спектр технологий x86: высокоскоростные интерфейсы передачи данных, дисплеи высокого разрешения и аудио. Современные процессоры VIA являются самыми экономичными, компактными и низкопрофильными процессорами.

VIA продолжает разрабатывать законченные и компактные платформы, использующие современные кремниевые материалы. Самыми известными форм-факторами у VIA являются материнские платы Mini-ITX, Nano-ITX и Pico-ITX серии VIA EPIA. Одним из примеров самой мощной в классе Pico-ITX плат является VIA EPIA-P820 (см. рис. 1). VIA анонсировала VIA EPIA-P820 в начале 2010 г. В этой плате использует-

ся процессор VIA Nano и шасси VIA AMOS-3001. Pico-ITX использует платформу 64-разрядных процессоров VIA Nano для нового поколения мультимедийных приложений. Плата обеспечивает поддержку новых мультимедийных технологий, программных средств по отображению информации, а также возможность использования в небольшом корпусе VIA AMOS-3001 для очень компактных приложений нового поколения встраиваемых систем. Размеры платы EPIA-P820 составляют 10×7,2 см — это действительно ультракомпактная платформа VIA, которая поддерживает 2-Гбайт энергосберегающую оперативную память DDR2, 1,2-ГГц процессор U2500 VIA Nano, обеспечивающий высокую производительность платформы Pico-ITX. VIA EPIA-P820 имеет отдельный встроенный процессор VIA VX855, обеспечивающий аппаратную поддержку мультимедийных приложений, видеокодеки формата HD, включая H.264, WMV, VC1 и MPEG 2/4 с возможностью отображения видео с разрешением 1080p и незначительными потерями качества. Контроллер VIA Chrome9™ HCM 3D — это встроенный графический ускоритель, поддерживающий DirectX 9.0 и 128-бит 2D-графику.

54

Рис. 1. Плата VIA EPIA-P820

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 2. Новая плата VIA EPIA-M850

VIA EPIA-P820 поддерживает также I/O-плату расширения с дополнительными интерфейсами: HDMI-порт и дополнительно VGA-порт, порт Gigabit LAN и два порта USB 2.0. Аудиокодек VIA Vinyl HD обеспечивает дополнительно 6 каналов и DTS-совместимое аудио с поддержкой S/PDIF. Память предлагается на плате с 44-выводным разъёмом IDE и портом SATA. Встроенные разъёмы позволяют дополнительно подключить четыре порта USB 2.0, LPC, SMBus, PS/2, аудиоинтерфейс, LVDS, четыре пары DIO и два UART-порта. Новая плата VIA EPIA-M850 (см. рис. 2) стандарта Mini-ITX также поддерживает 64-битную платформу процессоров VIA Nano E со встроенным мультимедийным кристаллом VIA VX900 и обеспечивает использование новых технологий в коммерческих мультимедийных приложениях.

VIA EPIA-M850 оснащена процессором Nano E с тактовой частотой 1,6 ГГц или 1,2-ГГц SKU (без охлаждающих вентиляторов). Процессор VIA Nano E работает совместно с кристаллом VIA VX900 MSP, который поддерживает до 8 Гбайт системной памяти DDR3.

VIA VX900 поддерживает последнюю версию видеокодека ChromotionHD 2.0, а также обеспечивает ускорение работы кодеков последнего поколения VC1, H.264, MPEG-2 и WMV9 HD-формата с разрешением до 1080 пикселов без дополнительной загрузки основного процессора. Видеоинтерфейсы поддерживают цифровые стандарты HDMI и аналоговый VGA-порт, включая совместимость по интерфейсу 24-бит LVDS.

На тыльной стороне панели имеются: поддержка контактов ввода/вывода; порт Gigabit LAN; разъём PS/2; порт HDMI; порт VGA; четыре порта USB 2.0; разъём последовательного порта и три разъёма аудио. На борту слот PCIe x4 обеспечивает двухканальный 24-битный LVDS-интерфейс (в т.ч. управление подсветкой), три дополнительных COMпорта и четыре порта USB 2.0. С помощью широкой линейки продуктовых и технологических новинок VIA старается предугадать появление будущих технологий, реализуя их как в отдельных кремниевых кристаллах, так и интегрируя их в широкий диапазон целого семейства процессоров. Реализация поддержки памяти PC133 SDRAM, а затем и DDR SDRAM на всех платформах стала премьерой этих стандартов на рынке и сделала VIA локомотивом продвижения новых технологий на рынке.

VIA создала глобальную сеть, соединяющую IT-центры в Силиконовой долине и Техасе в Северной Америке с производственными мощностями Китая и Тайваня, а также с мощностями в Колоне, Германия. Данная сеть позволяет компании использовать возможности ведущих мировых исследовательских центров, а также своевременно реагировать на изменяющиеся потребности клиентов, осуществляя их поддержку на глобальной основе. Около 70% из более чем 2000 служащих компании составляют высококвалифицированные инженеры, работающие совместно в единой многоязыковой команде менеджеров с большим опытом работы в VIA и отличной технической поддержкой.

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | TEXAS INSTRUMENTS АНОНСИРОВАЛ ЧЕТЫРЕ ПРОЦЕССОРА С ARM-ЯДРОМ | Два из них относятся к семейству Sitara, а еще два — к Integra. Тактовая частота процессоров достигает 1,5 ГГц, они содержат опции DSP, графический ускоритель и предназначены для использования в приложениях, где требуется высокая производительность. Во все процессоры встроен модуль управления дисплеем и графический 3D-ускоритель SGX530 компании Imagination Technologies. Новые процессоры семейства Sitara — AM3892 и AM3894 — базируются на ARM-ядре CortexA8. В состав новых процессоров семейства Integra — C6A8167 и C6A8168 — входят ядро CortexA8 и DSP-ядро TMS320C674x с плавающей точкой. Периферия процессоров включает в себя gigabit Ethernet MACs, PCI Express (PCIe) Gen2, SATA 2.0 и DDR2/DDR3контроллер. Производятся процессоры по 40-нм топологическим нормам. Энергопотребление не превысит 5…7 Вт. Операции с плавающей точкой поддерживаются и со стороны ARM (блок NEON, поддерживающий SIMD), и со стороны TI — DSP-ядро с плавающей точкой. www.elcomdesign.ru

НОВЫЕ ДАТЧИКИ

56

| КОМПАНИЯ STMICROELECTRONICS ВЫПУСТИЛА ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ | С помощью LPS001WP можно определить давление в пределах от 300 до 1100 миллибар. Разрешение, составляющее 0,065 миллибар, позволяет определить перепад высот 80 см. В датчике применена технология VENSENS, обеспечивающая высокую устойчивость к сериям перепадов давления. Наличие встроенного датчика температуры позволяет компенсировать изменения температуры. Датчики LPS001WP проходят заводскую калибровку, что упрощает задачу разработчика. Поставки датчиков уже начались. Отпускная цена составляет $2,8 за штуку в партиях от 1000 штук. www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С НУЛЕВЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ПРИ ХОЛОСТОМ ХОДЕ | Переключатели Zero Switcher компании Power Integrations характеризуются тем, что при отсутствии нагрузки их потребление равно нулю. Компания завершила линию Zero Switcher выпуском ИС LinkZero-LP, предназначенной для зарядных устройств и преобразователей мощностью до 3,2 Вт для всевозможных портативных устройств. Расход энергии в режиме холостого хода прекращается за счет использования патентованной технологии EcoSmart, а не за счет механического переключателя. Как только обнаруживается присутствие нагрузки, ИС автоматически перезапускается. Рабочая частота переключателя 100 кГц. Имеется схема стабилизации частоты и защита от перегрева. Микросхема поставляется в корпусе SO-8C и отпускается по цене $0.32 за штуку в партиях от 10 000 штук. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. ПЕРЕДАЧА РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗ WPAN ГАЛИНА ГАЙКОВИЧ, член ISA, эксперт IEC, вед. специалист, ИППИ РАН Данная статья продолжает цикл публикаций (см. ЭК4, 10) на тему применения беспроводных технологий в промышленности. В этой части обсуждаются вопросы передачи речевой информации по беспроводным персональным сетям WPAN, которые определены в проекте стандарта ISA 100.15 по созданию единой беспроводной транспортной сети предприятия BACKHAUL.

БЕСПРОВОДНЫЕ ПЕРСОНАЛЬНЫЕ СЕТИ WPAN

Следует заметить, что с целью создания единой беспроводной транспортной сети предприятия BACKHAUL в разрабатываемом проекте стандарта ISA100.15 учтены практически все перечисленные выше категории беспроводных сетей (см. рис.1) [2]. Вполне определенная роль отведена сетям WPAN, которые в настоящее время исследуются с точки зрения их применения для решения прикладных задач, в т.ч. для передачи речевой информации. Вероятно, никто не будет возражать против предоставления персоналу новых видов мобильной связи на производстве, которая помимо сотовых сетей (WMAN) будет реализована в сетях WPAN? Как известно, характерной особенностью WPAN является их невысокое энергопотребление. Поэтому использование в радиоустройствах автономных источников электропитания позволяет отнести эти сети к мобильным средствам связи с ограниченным радиусом действия (в отличие от WMAN или WAN). Сети WPAN становятся незаменимыми внутри производственной инфраструктуры, особенно в тех местах, где отсутствует доступ по сотовой мобильной связи или ее нельзя использовать на территории предприятия.

C помощью мобильных приложений оператор не только может постоянно

отслеживать технологический процесс (АСУ ТП), но и обмениваться речевыми сообщениями по беспроводной корпоративной сети с персоналам, обслуживающим этот промышленный комплекс. В результате оператор всегда имеет возможность получить полную картину о состоянии производства за счет использования единой беспроводной сенсорной среды, которая может простираться на многие километры. Например, использование датчиков, объединенных беспроводной сетью ячеистой структуры, может обеспечить мобильность управления производственным процессом и предприятием в целом. В настоящее время сети WPAN представлены двумя классами: с укороченным радиусом действия (до 10 м) и с увеличенным радиусом действия (до 100 м), что позволяет им по своим функциональным возможностям находиться на стыке с WLAN. Персональные сети могут быть созданы на базе различных технологий, например: Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4)& 6loWPAN, WiMedia/ MBOA UWB (Ultra Wideband) стандарта ECMA368 (на базе IEEE802.15.3a) или DS-UWB Forum стандарта IEEE802.15.4a (см. рис. 1 и табл.1). Персональные сети WPAN укороченного радиуса действия в основном используются для беспроводного объ-

единения отдельных устройств между собой (включая компьютерную, бытовую технику и оргтехнику), а сети увеличенного радиуса действия применяются в виде Piconet-сетей (как вариант — сетей Scatternet) для обмена информацией, а также для ее обмена с сетями более высокого уровня, в т.ч. с выходом в интернет. Таким образом, основное назначение WPAN — либо создание беспроводных соединений (вместо кабелей) на небольших расстояниях (1…10 м) либо беспроводной транспортной среды для обмена информацией в некотором ограниченном пространстве, например, в зданиях административно-офисного типа с радиусом действия 10…100 м. Персональные сети в их классическом понимании, как правило, относятся к категории беспроводных самоорганизующихся сетей (ad-hoc). Это беспроводные (одноранговые) сети с децентрализованным управлением, где каждое устройство может выступать в качестве инициатора при попытке передать информацию другому устройству через ретрансляторы. Определение того, какому устройству пересылать данные, производится динамически либо на основе связности сети с переменным количеством мобильных узлов в некотором ограниченном пространстве (сети Piconet или Scatternet) либо на основе заранее созданной

57 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время существует большое разнообразие беспроводных сетей, которые нашли свое применение в промышленности. В зависимости от скорости, дальности и назначения их можно представить как беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Networks); беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Networks), а также беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks): WiMAX, MBWA, или 3GPP; сети WAN (Wide Area Networks), включающие в себя магистральную беспроводную связь между городами и регионами, а также спутниковую связь [1].

Рис. 1. Общий беспроводной транспортный интерфейс для промышленных сетей

Электронные компоненты №12 2010

Таблица 1. Сравнение стандартов семейств 802.15 и 802.11 Стандарт/ характеристика Приложения Преимущества Частота Макс. скорость

802.15.4 ZigBee™ Мониторинг, управление, сети датчиков, домашняя/промышленная автоматика Цена, энергосбережение, размеры сети, выбор частотных диапазонов, DSSS и PSSS 868 МГц 915 МГц 2,4 ГГц 20 Кбит/с

Выходная мощность, ном.

Дальность Чувствительность (спецификация) Размер стека Срок службы батареи (энергосбережение) Размер сети

40 Кбит/с

250 Кбит/с

От 0 дБм (1 мВт)

1—10 м (укороченный радиус действия) 10—100 м (увеличенный радиус действия) –92 дБм

–85 дБм

–70 дБм

–75 дБм

–

4…32 Кбайт

Более 250 Кбайт

100—1000+ дней

1—7 дней

65536 (16-битные адреса), 264 (64-битные адреса)

Мастер +7

(запрограммированной) связности сети с фиксированным количеством элементов, хранящих информацию о передаче данных по определенным вариантам маршрутов. Последний вариант беспроводной сети может достигать расстояния в несколько километров, представляя собой распределенную самоорганизующуюся структуру. Такие сети преимущественно используются на длинных трассах трубопроводов нефтеперегонных или химических предприятий. САМООРГАНИЗУЮЩАЯСЯ БЕСПРОВОДНАЯ WI-FI-СЕТЬ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ

К разряду ad-hoc можно отнести и соседствующую с WPAN Wi-Fi (WLAN) технологию, которая на скоростях от 1 Мбит/с (нижняя граница скоростного ряда стандартов IEEE802.11х) хорошо себя зарекомендовала в качестве

58

ECMA 368 (802.15.3a 802.15.4a for High Rate DS-UWB WPAN),WiMedia Chirp (CSS) (MB UWB OFDM) Голос, данные, замена кабелей (про- Потоковые мультимедийные данные, замена кабелей водного на беспроводной канал) аудио/видеосистем Цена, энергосбережение, передача Высокая скорость, энергосбережение голоса, FH 2,4 ГГц 3,1…10,6 ГГЦ 2,4 ГГц; 3,1…10,6 ГГЦ 53,3; 80; 106,7 МГц 250 Кбит/с, 1 Мбит/с (chirp); 1, 3, 24 Мбит/с (доп. 55 Мбит/с) Доп.: 160, 200, 320, 400, 110 Мбит/с (10 м), 200 Мбит/с 489 Мбит/с (4 м); (доп. 480 Мбит/с) 0 дБм (класс 3) <100 мВт (110 Мбит/с) 4 дБм (класс 2) 0 дБм <250 мВт (200 Мбит/с) –30…20 дБм (класс 1) 1— 5 м (класс 3 — 10 м (110 Мбит/с) укороченный радиус) 5…50 м 4 м (200 Мбит/с) до 15 м (класс 2) 2 м (480 Мбит/с) 100 м (класс 1) 802.15.1 Bluetooth

Нет статистики Теоретически более 1000 дней До 127/хост

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 2. Рекомендации H32X ITU-T Стандарт/ Пакетная характеристика сеть H.322 Год принятия Последняя редакция Сеть

Аудио

Телефонные Сеть мобильсети общего ной связи H.310 пользования H.324/C H.324 1996 1998 1996 –

Пакетная сеть H.323

1995

1.3 С негарантированной С гарантированпропускной способностью Аналоговая теленой пропускной (Ethernet, RadioEthernet — фонная система способностью Wi-Fi, WiMax) G.711, G.722, G.728

G.711, G.722, G.723, G.728, G.729

Данные Коммуникационный интерфейс

Мобильная связь

G.723

Ш-ЦСИО, ATM, LAN MPEG-2, G.711, G.722, G.728

T.120 I.400 и TCP/IP

WWW.ELCOMDESIGN.RU

TCP/IP

Модем V.34

AAI I.363, Мобильное радио ATM I.361, PHY I.432

Данные, голос, видео, LAN Большой диапазон по скорости, DSSS 2,4 ГГц 1 Мбит/с 2 Мбит/с 11 Мбит/с 20 дБм

10 м 100 м

–76 дБм –

транспортной среды не только для передачи данных, но и голосовых сообщений (см. табл. 1). Разработка утвержденного в 2007 г. стандарта IEEE802.11е в виде дополнения к IEEE802.11х, где были учтены все меры по обеспечению качества услуг QoS с расстановкой приоритетов по типу передаваемой информации, позволила решить проблемы передачи речевой информации по беспроводным сетям Wi-Fi. В этих сетях голосу присваивается наивысший приоритет, а также назначается необходимая полоса пропускания. Передача голоса по беспроводной сети Wi-Fi может быть организована с помощью протокола VoIP с учетом рекомендаций Н32.х ITU-T или МСЭ-Т (см. табл. 2). Стандарты H322&Н.323 (см. табл. 2) используют передачу информации (голос и видео) как с гарантией доставки по назначению (TCP), так и без нее

802.11b Wi-Fi

Больше 1 Мбайт 0,5—5 дней 32

(UDP). Передача речи в реальном масштабе времени осуществляется с помощью протокола RTP. Основными аспектами при передаче речи по пакетной сети (Ethernet и Radio Ethernet) являются: преобразование аналогового речевого сигнала в цифровой вид (АЦП и кодирование по определенному алгоритму); формирование пакетов; передача пакетов по пакетной сети (радиосети); восстановление речевого сигнала ЦАП и декодирование на приемном конце. Таким образом, для организации речевой связи помимо сетевой инфраструктуры необходимо иметь набор аппаратно-программных средств, которые осуществляют оцифровку/восстановление речи по определенным алгоритмам (см. табл. 3), выполняют, а также формируют пакеты и вводят их наряду с пакетами данных в сеть. Применение технологии Wi-Fi в качестве транспортной среды для передачи любой информации, представленной высокоскоростными стандартами (802.11b,g), с каждым днем становится все более привычным делом в местах массового пользования, в т.ч. в зданиях административно-офисного типа, где уже установлены базовые станции типа hot-spot [1]. Ее основными особенностями являются простота принципов построения и настроек мобильного абонента под беспроводную сеть.

Wi-Fi-технология позволяет строить беспроводные самоорганизующиеся сети инфраструктурного типа, т.е. создавать многоточечную топологию с беспроводной точкой доступа для подключения мобильных абонентов. Однако такая топология, скорее, является одним

ская компания ISP XS4All) даже начали предоставлять клиентам услуги VoIP. Но, несмотря на все свои преимущества, технология Wi-Fi существенно проигрывает беспроводным самоорганизующимся сетям WPAN по мобильности (см. табл. 1, 3). Особое место среди ad-hoc-сетей WPAN занимают беспроводные сенсорные сети. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Их основное назначение заключается не только в обмене данными между узлами по децентрализованной самоорганизующейся сети, но и в сборе передаваемой информации (в основ-

ном, данных) от датчиков (температуры, давления, влажности, уровня радиации, акустических колебаний) в центральный узел с целью ее последующего анализа или обработки. Востребованность беспроводных сенсорных сетей на рынке также тесно связана с концепцией интеллектуализации таких объектов как дом, офис и производственные помещения, где городской человек проводит до 90% своего времени, а также с концепцией создания кибернетических производств (полностью оснащенных роботами), первоочередной задачей которых является внедрение беспроводных технологий на уровне АСУ ТП [4, 5]. Что касается концепции «умного дома» и создания максимального ком-

Таблица 3. Основные параметры радиоканалов ZigBee (WPAN) IEEE802.15.4 250 Кбит/с TX: 30–35 мA Standby: <3 мкA 32…60 Кбайт памяти Удаленное управление и мониторинг

Bluetooth (WPAN) IEEE 802.15.1 версия 1.2 1 Мбит/с TX: 40 мA Standby: 200 мкA 100+ Кбайт памяти Telecom Audio, Small file Xfer

Wi-Fi (WLAN) 802.11b/g 1…54 Мбит/с TX: 400+ мA Ожидание: 20 мA 100+ Кбайт памяти Точка доступа АР, WLAN как дополнение к LAN

Ad-Hoc: точка-точка, точка-многоточ- Ad-Hoc: точка-точка, точка-многоточ- Ad-Hoc: точка-точка, точка-многоточка ка, фиксированная mesh-сеть c ограни- ка, Piconet, Scatternet (инфраструктура) 802.11s (фиксироченными функциями маршрутизатора ванная mesh-сеть) Возможно управление мощностью передатчика ERP Tx

Управление передатчика ERP Тх реали- Управление мощностью ERP-передатзовано для классов 1,2 (4–20 дБм) чика не реализовано Не реализовано при –30…1дБм)

Электронные компоненты №12 2010

59 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

из недостатков, если рассматривать ее как вариант самоорганизующейся сети — выход из строя базовой станции (точки доступа) приводит к падению мобильной радиосети в целом. Это замечание не относится к беспроводным сетям ячеистой структуры стандарта IEEE802.11s, которые находят применение в качестве беспроводных сетей фиксированной связи. Их узлы не имеют, как правило, автономных источников электропитания (аккумуляторных батарей). Вторым недостатком мобильных Wi-Fiсетей с точками доступа по-прежнему остается небольшой срок работы аккумуляторных батарей и высокий показатель EIRP. Поэтому для использования модулей Wi-Fi совместно с портативными устройствами мобильной связи в последних дополнениях к стандарту IEEE802.11 все же был предусмотрен энергосберегающий режим (sleep) [3]. Безусловно, WLAN Wi-Fi-класса — идеальная технология для организации передачи речевой информации по беспроводной инфраструктуре предприятия или внутри зданий административно-офисного типа. Начиная с 2005 г. уже появились компактные телефоны VoIP Wi-Fi, представленные такими фирмами как Zyxel, UT Starcomm, Samsung, Hitachi. ADSL ISP. В то же время некоторые поставщики интернет-услуг (например, нидерланд-

форта на работе, то в последнее время такие беспроводные технологии как Home RF (Shared Wireless Access ProtocolSWAP) и Bluetooth пришли на замену хорошо известным проводным решениям LonWork и HomePNA, завоевав свою нишу на рынке связи для домашней автоматизации и в современных зданиях административно-офисного типа [4]. Современные беспроводные сенсорные сети домашнего, офисного и промышленного применения, ориентированные в основном на передачу данных, представлены технологиями ZigBee и ZigBee Pro (их прежние названия HomeRF lite, Firefly и RF-EasyLink); Bluetooth; WHart (IEC) и ISA 100.11a. Следует особо отметить экономичную технологию ZigBee, которая имеет, скорее, домашнее и офисное применение, тогда как дорогостоящие технологии WHart и ISA 100.11a специально разработаны для сетей промышленного назначения. Разница в стоимости объясняется тем, что интеллектуализация жилых и офисных помещений предназначена обеспечить человеку максимальный уровень комфорта и характеризуется минимумом финансовых затрат на разработку беспроводных сенсорных сетей [4], в то время как концепция создания кибернетических производств, где роботы или исполнительные механизмы функционируют в совершенно иных условиях (повышенного давления и влажности или несовместимого с жизнью человека уровня радиации, а также с высокими требованиями к надежности и целостности передаваемой информации), требует совершенно иных финансовых затрат [4—7]. Однако следует отметить, что разработка дополнения к стандарту IEEE802.15.4 в виде IEEE802.15.4e все же позволила несколько приблизить ZigBee к промышленному сектору. СТАНДАРТ IEEE802.15.4 — ОСНОВА БЕСПРОВОДНЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

60

Перечисленные выше технологии представлены разными протоколами верхнего уровня модели OSI. Несмотря на разное назначение, все стеки протоколов этих технологий (за исключением Bluetooth) разработаны на базе единого стандарта LR WPAN IEEE802.15.4, который описывает протоколы нижнего уровня (PHY и MAC) модели OSI и предлагается в качестве единственного низкоскоростного энергосберегающего стандарта для беспроводных персональных сетей WPAN [8]. Позднее у международного стандарта IEEE802.15.4 появилось дополнение в виде IEEE802.15.4а, позволяющее на физическом уровне повысить ско-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

рость передачи данных с 250 Кбит/с до 1 Мбит/с в 2,4-ГГц ISM-диапазоне и выше, т.е. до 480 Мбит/с с радиусом действия до 2 м (DS UWB) в частотном диапазоне 3…10 ГГц [9]. В настоящее время в России уже реализованы некоторые проекты по созданию беспроводных сенсорных сетей с использованием chirp-технологий (CSS) и UWB [10]. Одновременно cо стандартом IEEE802.15.4а был создан еще один высокоскоростной стандарт — WPAN укороченного радиуса действия ECMA 368 (MB UWB) в виде ISO/IEC26907 (см. табл. 1) с учетом предложений WiMedia/ MBOA и решений по IEEE802.15.3а [11]. Над разработкой радиочипов UWB работают такие компании как Intel (технологии WiMedia и USB 2.0), WISAIR (MB UWB OFDM), Motorola (DS UWB), Freescale (MB-UWB и DS-UWB) [12–14]. Однако основное назначение стандарта IEEE802.15.4.а и ECMA — создание высокоскоростной транспортной среды в виде WPAN для пересылки высококачественных мультимедийных сообщений, в т.ч. для применения в некоторых «особых случаях» (см. табл. 1). В данном случае имеется ввиду пересылка данных со специальными требованиями ко времени отклика (Тз) в сенсорной сети, например, в специальных сетях заводской автоматики с Тз <10 мс или в сенсорных сетях с большим количеством узлов [15].

ZigBee

Последние достижения в области беспроводных технологий в виде энергосберегающих ad-hoc ZigBee и ZigBeeподобных технологий (IEEE802.15.4) (см. табл. 1) позволили создать низкоскоростные самоорганизующиеся сенсорные сети ячеистого типа (mesh). Отличительной особенностью сети топологии «ячейка» в сравнении с другими топологиями в том, что она состоит, как правило, из однородных элементов, каждый из которых выступает как независимый маршрутизатор. Mesh-cеть, в которой каждый узел может связаться с каждым другим узлом, представляет собой полносвязную систему. Для нее характерна избыточность с заранее определенным количеством узлов, которая, в свою очередь, существенно повышает надежность в сравнении с мобильной технологией Bluetooth. Как уже отмечалось, исключением из общего правила построения энергосберегающих беспроводных самоорганизующихся сенсорных сетей (IEEE802.15.4) является технология Bluetooth (IEEE802.15.1) [16].

BLUETOOTH

В настоящее время технология Bluetooth представлена различными версиями (от 1.1 до 4.х) и скоростны-

ми диапазонами (1…5 Мбит/с). Причем достижение высоких скоростей последних версий стало возможным не за счет архитектуры построения беспроводной «ad-hoc» сети, а за счет функции «colocation» (две в одном устройстве), реализуемой совместно с другими технологиями, например, совместно с Wi-Fi или UWB. Если говорить о преимуществах Bluetooth, то, прежде всего, следует отметить ее как высокоскоростную технологию, которую можно смело поставить в ряд с UWB или Wi-Fi (см. табл. 1). К ее недостаткам, скорее, можно отнести энергоемкость (по сравнению, например, с технологией ZigBee). Поэтому основная проблема, которая решалась на протяжении последних лет и решается в настоящее время в последних версиях Bluetooth, заключается в увеличении срока службы автономных источников электропитания. Вопросы по созданию технологии Bluetooth в качестве энергосберегающей решаются в т.ч. за счет специальных алгоритмов работы радиопередающих устройств, которые включаются в сеть лишь на момент пересылки данных (версии 4.0). Беспроводная сеть Bluetooth в классическом понимании — это беспроводная одноранговая динамическая сеть с переменным количеством мобильных узлов типа Piconet или Scatternet с децентрализованным управлением, которая может быть развернута в ограниченном пространстве (с количеством узлов до 80). Для организации беспроводной сенсорной сети необходима общая точка доступа в качестве центрального узла управления сетью и обработки информации. Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) в 1998 г. В нее вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии группа Bluetooth SIG и организация IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 [16]. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в безлицензионном ISM-диапазоне (2,4…2,4835 ГГц) со скоростями 1 Мбит/с (версия 1.2); 3 Мбит/с (версия 2.0); 24 Мбит/с (версия 3.0). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты FHSS. Метод FHSS прост и устойчив к помехам, а радиоустройства в основном недорогие. Начиная с версии 1.2, были добавлены возможности адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что частично решило проблемы сосуществования разных систем в одном частотном диапазоне. Топологии сети: slave, точка-точка; master-slave, точкаPiconet; multi-masters, Scatternet.

ПЕРЕДАЧА РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЯ BLUETOOTH

МОБИЛЬНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Из сказанного следует, что основными претендентами по созданию мобильной беспроводной транспортной среды для передачи речевой информации внутри инфраструктуры предприятия наряду с Wi-Fi являются также технологии Bluetooth и ZigBee (см. рис. 2). На рисунке 2 представлены два варианта (Mesh и Piconet) построения беспроводной сети, состоящие из узлов в виде приемо-передающих ретрансляторов радиосигналов, с возможностью подключения через интерфейс (например,

Рис. 2. Архитектура беспроводной сенсорной сети ad-hoc для передачи речевой информации

Рис.3. Блок преобразования речевой информации

RS-232, см. рис. 3) акустических датчиков (и датчиков телефонии). Каждое устройство должно включать в себя микропроцессорные модули с режимами энергосбережения, например: ARM, AVR (Atmel), PIC c RISC-подобной архитектурой или на базе Intel 8051 (Atmel, Maxim, IC, SiLab, TI, NXP). Каждая беспроводная транспортная среда, состоящая из узлов, может содержать дополнительные элементы избыточности с целью повышения ее надежности. Устройства беспроводной сети должны обладать способностью автоматически определять наиболее приемлемый вариант передачи информации по оптимальному маршруту. Точка радиодоступа, представленная на рисунке 2, должна осуществлять координацию, организацию и установку параметров беспроводной сети выбранной топологии. Возможно использование нескольких точек доступа, общее количество которых рассчитывается исходя из возможностей сети и количества акустических датчиков. В ее состав входит

шлюз с выходом в Ethernet. Кроме того, могут быть также реализованы дополнительные возможности беспроводной связи с помощью Wi-Fi или 3G. Шлюз, как правило, используется для пересылки информации от устройств беспроводной сети в многофункциональный ПК для ее последующей обработки. Совершенно очевидно, что применение в качестве базы беспроводных сенсорных сетей, которые традиционно были предназначены для передачи данных, будет связано с определенными трудностями. Блок воспроизведения речевой информации может находиться как в ПК, так и в точке доступа. С помощью обозревателя многофунк-

Электронные компоненты №12 2010

61 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Передача речевой информации для технологии Bluetooth также не является новой. В Bluetooth версии 1.2 предусмотрен профиль Hands Free для передачи монозвука (поток E0 = 64 Кбит/с). Возможно одновременное использование трех голосовых радиоканалов на один Piconet. Применение технологии eSCO (расширенных синхронных подключений) улучшило качество передачи голоса путем повторения поврежденных пакетов. Реальная скорость передачи информации (версия 1.2) составляет около 721 Кбит/с; используется также режим управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol). Таким образом, при передаче цифровых данных и речевой информации в виде звукового сигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования. Повторная передача речевой информации не предусмотрена, а цифровые данные в случае утери пакета информации передаются повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с с обратным каналом 57,6 Кбит/с, или 433,9 кбит/c в обоих направлениях В поздних версиях (начиная с 2.1) был разработан профиль Headset, позволяющий передавать даже стереозвук. Этот профиль был опробован стереогарнитурах. Для версий 2.х (скорость передачи от 3 Мбит/с) разработан профиль NFC (Network Field Connection) c одновременным использованием радиоканала под два или несколько радиоустройств. В классах 1, 2, которые характеризуют выходные мощности радиосигналов ERP-передатчиков, был решен вопрос об их управлении. Основные характеристики технологии Bluetooth, в т.ч. касающиеся энергопотребления, в сравнении с другими беспроводными технологиями представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 4. Основные параметры программно-аппаратных средств передачи речевой информации Тип кодирования; слож- Требуемая Задержка Задержка СтанРазмер кадра, ность алгоритма, MIPS; полоса пропу- накопле- при кодиродарт кол-во октетов качество речи, MOS скания, Кбит/с ния, мс вании, мс G.726 ADPCM; 8; 3,8 16; 24; 32; 40 1 10, 15, 20, 25 5 G.728 LD-CELP; 40; 3,6 16 3…5 10 G.729 CS-ACELP; 30; 2,68—3,92 8 10 10 Multi Rate Coder (ACELP/ G.723.1 5,3; 6,3 30 30 20, 24 MP-MLQ); 20/3,7—3,9 G.711 PCM; 8/4,1 48; 56; 64 5 0,75 30, 35, 40

ционального ПК, который используется в т.ч. в качестве системного менеджера, можно оперативно осуществлять настройку и управление всей системой в целом с помощью встроенного в точку доступа веб-интерфейса. Технология передачи речи должна быть похожа на VoIP, а голосовой трафик транслироваться в реальном времени. В случае низкоскоростной передачи по беспроводной сети (ZigBee) необходимо применение вокодеров/девокодеров, существенно снижающих скорость речевого потока (при монозвуке стандартный поток E0 = 64 Кбит/c) и восстанавливающих на приемной стороне, чтобы позволить передачу речи от других узлов радиосети (см. рис. 3). Возникает также проблема обеспечения безопасности переговоров. СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ BLUETOOTH И ZIGBEE В КАЧЕСТВЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

62

Уместно заметить, что для Bluetooth характерно стихийное создание мобильной сети массового пользователя, когда практически любой человек, владея таким радиоинтерфейсом, может к ней без труда подключиться, если, конечно, не будет грамотно решена политика безопасности от несанкционированного доступа. Это становится первостепенной задачей при использовании технологии Bluetooth для беспроводной сенсорной сети. Если говорить о ZigBee, то для этой технологии уже предусмотрены программно- аппаратные средства в виде AES-криптозащиты. Основное назначение ZigBee — беспроводные сенсорные сети. В отличие от Bluetooth, ZigBee-сеть представляет собой распределенную самоорганизующуюся беспроводную структуру, которая может простираться на многие километры и состоять из большого количества узлов. В ее архитектуре помимо возможностей подключения датчиков предусмотрено наличие центрального узла управления (в виде точки доступа с возможностью для подключения стационарного ПК или переносного компьютера, выполняющего функции управления и обработки информации). В настоящее время технология ZigBee, разработанная непосредственно для беспроводных сенсорных

WWW.ELCOMDESIGN.RU

сетей, является, по сути, единственной технологией, с помощью которой можно решить любые задачи мониторинга и контроля, которые в т.ч. критичны ко времени отклика (Тз) от датчиков. Для проектирования беспроводных сенсорных сетей на базе технологии ZigBee (в отличие от Bluetooth) выпущен большой ряд инструментальных наборов таких компаний-разработчиков как Telegesis, Ember, Freescale, Dust, TI и др. Альянс ZigBee также одобрил применение технологии UWB стандарта IEEE802.15.4a. Однако на рынке пока нет высокоскоростных ZigBee-решений (за исключением оригинальных решений [17]). Возможности технологии ZigBee, ее преимущества и недостатки в сравнении с Bluetooth и с другими беспроводными технологиями представлены в таблицах 1, 4. Что касается практического применения ZigBee как технологии для передачи речевой информации, то этот вопрос требует проведения дополнительных исследований, хотя уже известны схемотехнические решения в этой области, разработанные фирмой Jennic и CaliforniaLab [17,18]. ВЫВОДЫ

На предприятиях промышленного комплекса возможно использование беспроводных сенсорных сетей не только по их основному назначению (для сбора данных и передачи команд исполнительным механизмам полевого уровня АСУ ТП), но и в качестве создания мобильной беспроводной инфраструктуры для обмена речевой информацией. Наиболее подходящими для этой цели являются технологии Bluetooth и ZigBee, которые в соответствии с разрабатываемым проектом стандарта ISA100.15 BACKHAUL легко интегрируются в единую беспроводную среду промышленных предприятий и крупных производственных комплексов. ЛИТЕРАТУРА 1. Г.Ф. Гайкович. Обзор беспроводных технологий для современных мобильных устройств связи. Электронные компоненты. №1. С. 65. 2007.

2. Г.Ф. Гайкович. Стандартизация в области промышленных сетей. Развитие беспроводных стандартов для АСУ ТП. №1. С. 48. 2009.

3. www.microchip.com.

4. В.С. Барсуков. Новые технологии интеллектуальных объектов: комфорт плюс безопасность. Специальная техника №4. 2004//st.ess.ru/publications/4_2004/ barsukov/barsukov.htm.

5. Г.Ф. Гайкович. Беспроводная связь в сетях промышленной автоматики. Электронные компоненты. № 10. С. 64.

2007.

6. В.М. Вишневский, Г.Ф. Гайкович. Беспроводные сенсорные сети в системах промышленной автоматики. Электроника №1. 2008//www.electronics.ru/issue/ 2008/1.

7. Г.Ф. Гайкович. Новые беспроводные стандарты для сетей промышленной автоматики. Электронные компоненты. № 2. С.75. 2008.

8. IEEE Standard for Information technology.

Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for LowRate Wireless Personal Area Networks (WPANs).

Revision of 802.15.4-2003. July 2006//standards. ieee.org/getieee802/802.15.html.

9. IEEE Standard for Information technology. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Amendent 1: Add Alternate PHYs. 2007//standards.ieee.org/getieee802/802.15. html.

10. А.С.Дмитриев, Е.В. Ефремова и др. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53 №10. С.1278–1289.

11. ECMA368 или ISO/IEC 26907:2007.

Information technology. Telecommunications and information exchange between systems.

High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard.

12. Широкополосный беспроводный контроллер Intel Wireless UWB Link 1480 MAC// www.vsesmi.ru/news/140739.

13. Wisair и Intel считают, что UWB готов к внедрению//www.7wolf.ru/index_ list_news_ny_2004_nm_04_nd_09.zhtml.

14. Freescale nabs UWB design win, backs USB 2.0//www.commsdesign.com/news/tech_ beat/showArticle.jhtml?articleID=164902887.

15. Г.Ф. Гайкович. Беспроводные высокоскоростные, сверхширокополосные сети. Электронные компоненты. № 10. С.14. 2009.

16. IEEE Std 802.15.1-2005.

IEEE Standard for Information technology.

Telecommunications and information exchange between systems. Local and metropolitan area networks. Specific requirements Part 15.1: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks//ieeexplore.ieee.org/xpl/ freeabs_all.jsp?arnumber=1490827.

17. ZICM2410P0-1C @CEL//www.cel.com.

18. ZigBee-контроллер JN5139 для создания беспроводного аудиосигнала с телефонным качеством//www.gaw.ru/html.cgi/ txt/ic/Jennic/JN5139-EK0x0.htm.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОПРИЕМНИКОВ С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА ОМАР ГАСАНОВ, к.т.н., инженер, ОАО НИИ «Сапфир», ст. преподаватель, ДГТУ АЛЕКСАНДР ГУБА, к.т.н., зав. кафедрой электроники и микропроцессорной техники, ДГТУ РАСУЛ КИШОВ, студент 5 курса, ДГТУ В статье рассматриваются принципы разработки цифровых радиоприемных устройств, аппаратные и программные средства для их проектирования и вопросы применения различных видов цифровых фильтров в радиоприемных устройствах. В итоге можно отметить, что активные фильтры действительно могут применяться в качестве преселекторов в радиоприемных устройствах, однако их синтез и настройка требуют много времени, определенных практических и теоретических навыков как в схемотехнике, так и в проектировании топологии печатной платы, что затрудняет получение качественного, дешевого и простого в регулировке активного фильтра. С развитием цифровых технологий все большее внимание уделяется построению радиоприемных трактов с применением цифровой обработки сигналов (ЦОС), называемых в литературе SDR — software defined radio. Эта технология основывается на возможности оцифровки радиосигнала в реальном времени и последующей обработке программными или аппаратными цифровыми средствами — цифровыми сигнальными процессорами, ПЛИС и т.д. Технология SDR позволяет осуществлять прием и демодуляцию сигналов, в которых используются цифровые виды модуляции, такие как DPSK, QAM, GMSK и т.д. В зависимости от частоты и ширины спектра принимаемого сигнала цифровая обработка в приемнике может использоваться как по радиочастоте (см. рис. 1), так и после переноса сигнала на фиксированную промежуточную частоту — обработка по ПЧ (см. рис. 2). Радиоприемники с цифровой обработкой сигнала по ПЧ относятся к супергетеродинному типу и имеют ряд преимуществ перед приемниками прямого преобразования — возможность работы в большом диапазоне частот, хорошая селективность и чувствительность во всём диапазоне [1]. Приемники такого типа используются в профессио-

нальной связной аппаратуре, к которой предъявляются жесткие технические требования. В числе недостатков супергетеродинных приемников — относительно высокое энергопотребление и большие размеры из-за использования аналоговых элементов. К преимуществам приемников прямого преобразования относятся малое энергопотребление и возможность размещения всех элементов в небольшом портативном устройстве (в идеале в корпусе одной микросхемы), однако по избирательности, чувствительности и динамическому диапазону эти устройства уступают супергетеродинным приемникам. При обработке сигналов с частотами, не превышающими несколько десятков МГц, скорость современных АЦП (для АЦП последовательного приближения она составляет несколько сотен Мвыб/с при разрядности до 12 бит) позволяет использовать классический принцип дискретизации в соответствии с теоремой Котельникова, согласно которой частота выборок должна быть как минимум в два раза больше верхней частоты в спектре дискретизируемого сигнала. При этом оцифровке подвергается диапазон частот от постоянной составляющей до половины частоты дискретизации, и на входе АЦП достаточно использовать аналоговый ФНЧ для защиты от наложения спектров. Для высокочастотных сигналов используется полосовая дискретизация (under sampling), которая позволяет обойти ограничение, накладываемое теоремой Котельникова для обработки узкополосных сигналов, у которых ширина спектра много меньше абсолютного значения центральной частоты. Этому условию соответствуют практически все

Рис. 1. Структура приемника с ЦОС по радиочастоте

Электронные компоненты №12 2010

63 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В статье «Активные фильтры в приемных устройствах радиовещательного диапазона», опубликованной в ЭК №10, 2010, рассматривались различные варианты построения преселекторов радиоприемных устройств, среди которых схемы с использованием кварцевых фильтров, одно- и многоконтурных индукционных фильтров. Основное внимание было уделено применению активных безындукционных фильтров на основе высокочастотных операционных усилителей. Анализ, проведенный при проектировании и изготовлении полосового эллиптического фильтра 9-го порядка показал, что проектирование активных фильтров с применением современных программных средств (в примере использовалась программа Filter Solutions 2006) занимает минимум времени и предполагает только точные требования к спецификации фильтра, после чего программное обеспечение производит все необходимые расчеты и формирует соответствующую схему. Однако дальнейшая реализация полученной схемы и тестирование выявили ряд недостатков, которые могут распространяться и на другие виды аналоговых фильтров. В частности, номиналы элементов, используемые для получения требуемой характеристики, часто не входят в стандартные ряды сопротивлений и емкостей. Использование ближайших стандартных значений может привести к искажению характеристик фильтра, а комбинирование нескольких элементов или использование подстроечных вызывает увеличение массогабаритных характеристик и дополнительные сложности с подстройкой многоконтурной схемы. Кроме того, схемы, в которых используются элементы с малыми номиналами, более подвержены влиянию паразитных емкостей, сопротивлений и индуктивностей, что осложняет синтез фильтров высокого порядка, вызывает трудности в согласовании каскадов, подборе элементов и т.д.

радиосигналы. В этом случае теорема Котельникова звучит следующим образом: для сохранения информации о сигнале частота его дискретизации должна быть равной или большей, чем удвоенная ширина его полосы [4]. Математически условие, которое должна выполнять частота дискретизации, описывается выражением (1) [5]: (1) где: fc — центральная частота в спектре сигнала; fs — частота дискретизации; B — ширина спектра сигнала; m — произвольное целое число, выбираемое таким образом, чтобы выполнялось соотношение fS≥2B. При полосовой дискретизации оцифровке подвергается не вся полоса частот, а лишь небольшая ее часть. При этом для защиты от наложения спектра необходимо использовать полосовые аналоговые фильтры. Стоит также отметить, что полосовая дискретизация позволяет одновременно с оцифровкой сигнала произвести перенос его спектра на низкую частоту. В обоих случаях на входе преобразователя необходимо использовать аналоговые фильтры для защиты от наложения спектра. При этом, чем выше частота дискретизации, тем менее жесткие требования предъявляются к аналоговому фильтру. На практи-

ке разработчики стараются обеспечить такую частоту дискретизации, чтобы на входе АЦП было достаточно использовать трех- или четырехкаскадный пассивный фильтр. Для рассматриваемого в предыдущей статье диапазона частот (до 25 МГц) можно применить как схему с непосредственной дискретизацией сигнала по Котельникову, так и полосовую дискретизацию. Цифровые устройства в радиоприемнике решают следующие задачи: выделение требуемого канала, перенос спектра сигнала на низкую частоту и декодирование содержащихся в сигнале данных или детектирование. Для решения этих задач могут применяться различные устройства и их сочетания. Первичную, неинтеллектуальную обработку, включающую канальную фильтрацию, гетеродинирование, понижение частоты дискретизации (децимацию), чаще всего выполняют либо при помощи быстродействующей программируемой логики (FPGA), либо в специализированных микросхемах — цифровых приемниках (digital down converter — DDC). В качестве примера подобных микросхем можно привести AD6620 компании ADI и 1288ХК1Т производства ФГУП НПЦ «Элвис», структура которой изображена на рисунке 3. Подробно возможности данного устройства описаны в [2], отметим лишь некоторые из них:

Рис. 2. Структура приемника с ЦОС по промежуточной частоте

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

64

Рис. 3. Структура цифрового приемника 1288ХК1Т

WWW.ELCOMDESIGN.RU

– наличие 4-х независимых каналов для обработки 16-разрядных сигналов; – скорость входного потока данных до 100 МГц в каждом канале; – совместимость со многими типами АЦП; – возможность гибкой настройки внутренней структуры микросхемы для обработки как действительных, так и комплексных сигналов. Микросхема содержит CIC-фильтры для понижения частоты дискретизации, по два КИХ-фильтра 64 порядка в каждом канале, цифровые гетеродины для получения квадратурных сигналов и удобный выходной интерфейс для чтения данных. Коэффициенты фильтров, коэффициенты децимации каждого каскада, маршрутизация данных внутри чипа и многие другие параметры задаются программно. Все это делает микросхему 1288ХК1Т и ее аналоги удобными для применения в самых разных системах цифрового приема. Для окончательной обработки сигнала, декодирования данных, обработки декодированного битового потока и реализации протоколов более высокого уровня применяются цифровые сигнальные процессоры. После дискретизации задача выделения требуемого канала решается при помощи цифровых фильтров, которые представляют собой набор постоянных чисел — коэффициентов фильтра, количество и значения которых определяют его вид и крутизну характеристики. Различают два основных класса цифровых фильтров — нерекурсивные (КИХфильтры) и рекурсивные (БИХ-фильтры). КИХ-фильтры имеют известные преимущества перед рекурсивными, которые заключаются в их устойчивости, меньшей подверженности эффектам квантования и возможности получения

По сравнению с аналоговыми цифровые фильтры имеют следующие преимущества [3]: – возможность получения недоступных для аналоговых фильтров характеристик (как крутизны АЧХ, так и линейности ФЧХ). Увеличение порядка цифрового фильтра приводит лишь к увеличению количества математических операций, так что порядок фильтра ограничен только быстродействием цифровой системы; – цифровые фильтры не подвержены влиянию старения и температурного дрейфа параметров; – т.к. цифровой фильтр представляет собой набор чисел — коэффициентов, то для изменения характеристики достаточно изменить набор коэффициентов, что делает возможным создание адаптивных фильтров; – цифровые фильтры могут работать как с низкочастотными, так и с высокочастотными сигналами. Подводя итоги, хочется отметить, что появление радиоприемных устройств с цифровой обработкой сигналов стало логичным продолжением развития цифровой техники. Использование цифровой обработки сигналов позволило разрабатывать системы высокоскоростного обмена данными по радиоканалам с применением цифровых методов модуляции радиосигнала. В зависимости от стадии приема, на которой используется цифровая обработка, возможно получение

как недорогих, компактных и малопотребляющих устройств вплоть до систем на кристалле, так и изделий, отвечающих жестким требованиям по избирательности, динамическому диапазону, чувствительности и другим параметрам, что достигается правильным сочетанием аналоговой и цифровой частей приемного тракта. Наиболее вероятно, что в перспективе развитие «цифрового» приема будет идти по пути увеличения скоростей дискретизации и обработки, что позволит охватить все более широкий диапазон частот, и при этом будет уменьшаться доля аналоговой схемотехники в структуре приемника. ЛИТЕРАТУРА 1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. Пер с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.

2. Техническое описание СБИС четырехканального цифрового приемника 1288ХК1Т (www.MultiCore.ru).

3. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание. Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2004.

4. Аналого-цифровое преобразование. Под. ред. У. Кестера. Пер с англ. под ред. Е.Б. Володина. — М.: Техносфера, 2007.

5. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: 2-е изд. Пер. с англ. — М.: ООО «БиномПресс», 2006.

Электронные компоненты №12 2010

65 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

линейной фазовой характеристики, что особенно важно в системах связи. В этой связи в цифровых радиоприемных устройствах более широкое распространение получили именно нерекурсивные фильтры. Для проектирования цифровых фильтров, также как и для разработки аналоговых активных и пассивных фильтров, применяются разнообразные программные средства. Для расчета коэффициентов фильтра от разработчика требуется только определение требований к фильтру, но не знание алгоритмов и методов расчета коэффициентов. Широкое распространение для проектирования дискретных фильтров получил пакет Matlab, т.к. он позволяет провести расчет фильтра различными методами, с применением разных окон и т.д. Кроме того, для расчета коэффициентов фильтра можно использовать, как режим командной строки, так и графический интерфейс приложения Filter design and analysis tool (FDA Tool). После расчета, как правило, коэффициенты фильтра сохраняются в файле необходимого формата для дальнейшего использования в соответствующей программе, однако в возможности пакета Matlab входит также моделирование работы фильтра в цифровой системе при помощи приложения Simulink и загрузка в поддерживаемые отладочные комплекты.

Генерация помех в цепях питания постоянного тока БОБ ЗОЛЛО, специалист по продукту, Agilent Technologies

Для тестирования и оценки работоспособности систем, рассчитанных на питание постоянным током, потребуется имитация помех в цепи питания. В статье обсуждаются методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скачков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее. ПОСТОЯННЫЙ ТОК И ПОМЕХИ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

66

Постоянный ток не всегда постоянен. При разработке систем, рассчитанных на питание постоянным током, нужно учитывать наличие шума или воздействие иных помех на цепь питания. Попробуем обсудить методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скачков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее. (Нужно учитывать, что низкочастотные шумы (например, фон переменного тока 50/60 Гц), которые мы не будем рассматривать в этой статье, тоже могут создавать серьезные проблемы генерации в диапазоне от кГц до МГц или даже до ГГц). Причины помех могут быть самыми разными. Помехи от источника могут обуславливаться событиями, вызывающими изменение его параметров, например, изменение выходной мощности источника из-за изменения внешних условий (облако закрыло солнечную панель или автомобильный генератор изменил скорость вращения). Помехи могут возникать и из-за изменения нагрузки, например, в результате подключения к сети постоянного тока нового устройства или из-за включения/выключения подсистем, которые периодически отключаются для экономии энергии. Проектируя систему с питанием постоянным током, инженер должен учитывать влияние помех в цепи питания на общую работу системы. Конечно, обычные помехи в цепи питания постоянного тока, например, подключение нового устройства, не станут причиной полного нарушения работы схемы и не приведут к зависанию, сбросу, потере данных или отказу других устройств, подключенных к тому же источнику постоянного тока. Таким образом, тестирование систем, рассчитанных на питание постоянным током, потребует имитации помех в цепи питания для проверки работоспособности системы. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока приведены в таблице 1. ПРИМЕРЫ СИСТЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ВОЗМОЖНЫХ ПОМЕХ

Многие системы и устройства питаются от источников постоянного тока. Такая система будет работать нормально, если в линии питания поддерживается номинальное рабочее напряжение в пределах допустимого отклонения. Обычно мы считаем, что бортовая сеть автомобиля представляет собой сеть постоянного тока напряжением 12 В. Однако напряжение бортовой сети автомобиля подвержено различным колебаниям и помехам. Изменение скорости двигателя может вызвать флуктуации напряжения. Изменение нагрузки, например, включение стеклоподъемника, может вызвать просадку напряжения 12 В.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Сильные переходные процессы возникают в бортовой сети во время запуска двигателя. Автомобильная электроника, от блока управления двигателем до развлекательных систем и измерительных приборов, должна выдерживать эти переходные процессы — немногим понравится, если компьютер управления двигателем зависнет при нажатии на тормоз или газ. Если светодиодные осветительные приборы работают от распределительной сети постоянного тока, помехи в системе питания могут влиять на их видимое излучение. Помехи и переходные процессы могут вызывать нежелательное и неприятное мерцание светодиодов. Если от одного источника постоянного тока питается несколько устройств или подсистем, подключение или отключение одних устройств может порождать переходные процессы, влияющие на другие устройства. При первом подключении USB-устройства бросок тока может превышать номинальный рабочий ток и даже максимальный допустимый ток 5-В источника шины USB. Это особенно характерно для мощных устройств, таких как жесткие диски USB, которые потребляют большой пусковой ток в момент пуска двигателя. Пусковой ток просаживает напряжение 5 В шины USB, и если напряжение упадет достаточно сильно, может привести к сбросу всех других устройств на шине USB. Вполне понятно, что такое событие может привести к потере данных. Таблица 1. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока Характеристики источника питания

Требования к генерации помех постоянного тока

Достаточны ли значения напряжения, тока и мощности для номинального рабочего режима и генерации помех? Можно ли изменять выходное напряжение достаточно Время нарастания на выходе быстро для генерации помех? Имеется ли программатор снижения, который позволит Время спада на выходе быстро изменять напряжение для создания отрицательных перепадов? Имеется ли порт аналогового программирования, котоАналоговое программирорый позволит создавать помехи с помощью генератора вание сигналов произвольной формы в качестве источника и источника питания в качестве усилителя? Или Достаточно ли быстродействие источника питания, чтобы можно было передать последовательность комБыстрое программирование пьютерных команд и быстро перепрограммировать/ выхода изменить его выходное напряжение для создания помех нужной формы? Или Имеется ли в источнике питания режим программиВстроенный секвенсор выход- рования, который позволит загрузить сигнал помехи ного напряжения в источник питания и заставить его генерировать этот сигнал для создания помехи? Напряжение, ток и мощность

Аналогично и пусковые токи могут создавать проблемы даже в системах с фиксированной конфигурацией, в которой не происходит подключение или отключение устройств. Например, при первом включении программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) она может потреблять значительный стартовый ток. Эти броски стартового тока, превышающие ток обычного рабочего режима до 10 раз, могут легко посадить источник питания системы, вызвав мгновенное снижение напряжения, что может неблагоприятно повлиять на другие компоненты и подсистемы, работающие от этого же источника, и вызвать их сброс или отключение. И хотя влияние пускового тока можно свести к минимуму, применив более мощный источник питания, это не всегда приемлемо, поэтому многие подсистемы нужно тестировать на устойчивость к пусковым токам, вызывающим помехи в цепи питания. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕНЕРАЦИИ ПОМЕХ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ ТЕСТИРОВАНИИ

68

Конструкция системы должна обеспечивать стойкость к определенным типам помех в цепи питания постоянного тока. Это особенно важно для систем, которые должны обеспечивать совместимость с устройствами plug-nplay. Для среднестатистического пользователя важно, чтобы он мог включить новое устройство, и оно заработало бы, не оказывая влияния на другие устройства. Единственный способ добиться этого заключается в создании стандартов или технических условий на стабильность и качество питания постоянного тока и в последующей разработке устройств в соответствии с этими стандартами. При проведении научно-исследовательских работ или для проектирования инженерам нужен источник постоянного тока с управляемыми, воспроизводимыми помехами, который позволил бы тестировать новые устройства и гарантировать их соответствие стандартам или техническим условиям. Чтобы проверить стойкость устройства к помехам в цепи питания постоянного тока, нужен специальный тип источника питания. Этот источник должен не просто выдавать напряжение постоянного тока, но и генерировать на выходе переменную составляющую в виде изменяющегося во времени переходного процесса, который можно программировать, создавая помехи нужной формы. Инженеры давно пытаются (более или менее успешно) создать тестовый источник питания, который имитировал бы переходные процессы в цепи постоянного тока. В некоторых конструкциях использовался генератор сигналов произвольной формы, однако такой генератор может обеспечить достаточный ток питания лишь маломощных исследуемых устройств. Некоторые инженеры пытались усовершенствовать генератор, добавляя к нему усилитель мощности. В качестве такого усилителя мог использоваться усилитель специальной конструкции или серийно выпускаемый усилитель, например, автомобильный аудиоусилитель, который обладает большой выходной мощностью и широкой полосой пропускания. Но эти «радиолюбительские» решения нельзя считать универсальными, поскольку трудно добиться стабильности характеристик таких конструкций в широком диапазоне нагрузок. В результате источник приходится настраивать индивидуально для каждой нагрузки. Выбирая серийно выпускаемый источник питания постоянного тока, способный генерировать переходные процессы, нужно учитывать его динамические характеристики. Во-первых, мощный каскад источника питания должен иметь достаточную скорость для генерации быстрых изменений напряжения. Этот параметр часто называют временем нарастания источника питания или временем отклика на команду.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Кроме того, источник питания должен обладать возможностью программирования, чтобы можно было создавать быстрые изменения выходного напряжения. Один из методов заключается в использовании источника питания, программируемого аналоговым способом. В этом случае генератор сигналов произвольной формы создает помехи нужной формы, а выход генератора подается на вход источника питания, который выступает в роли усилителя мощности. Другой метод заключается в применении источника питания, достаточно быстрого, чтобы реагировать на последовательность отдельных компьютерных команд и в соответствии с ними изменять выходное напряжение для генерации помех нужной формы. Третий метод заключается в выборе источника питания постоянного тока, обладающего встроенной возможностью программирования, в память которого можно загружать формы сигналов переходных процессов и воспроизводить их для создания помех. Важным фактором, который нужно учитывать, является емкость цепи питания устройства, которая создает нагрузку на источник питания. Ток, необходимый для питания устройства, описывается уравнением I = C dv/dt. В результате с ростом скорости измерения напряжения растет и потребляемый ток. И если устройство имеет большую входную емкость, то при быстром измерении напряжения на входе тестируемого устройства может возникать очень большой ток. Поэтому надо учитывать ток, протекающий во время переходного процесса, а не только постоянный ток, потребляемый в нормальном рабочем режиме, и соответствующим образом выбирать мощность источника питания. И, наконец, последним фактором является скорость, с которой источник питания способен снижать напряжение. Эта характеристика называется временем спада. Многие имеющиеся на рынке источники питания постоянного тока не могут снижать напряжение с той же скоростью, с которой они его повышают. Другими словами, время спада значительно превышает время нарастания. В типичном случае время нарастания составляет 20 мс, а время спада — 200 мс. Если тестируемое устройство имеет большую входную емкость, то, однажды зарядившись, конденсатор сохраняет заряд и удерживает постоянное напряжение. Если вы хотите снизить напряжение на тестируемом устройстве, конденсатор следует разрядить. Некоторые источники питания оборудованы специальной цепью, называемой программатором снижения или активной нагрузкой, которая подключает небольшую электронную нагрузку для создания тока, разряжающего конденсатор. В таких источниках питания время спада соответствует или не сильно отличается от времени нарастания, позволяя создавать быстрые переходные перепады обеих полярностей. ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОМЕХ В ЦЕПИ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Поняв все практические моменты создания помех, давайте обратимся к имеющимся на рынке источникам питания. Многие предлагаемые источники питания могут обеспечить большой ток, необходимый во время переходных процессов, но большинство из них имеют большое время нарастания/спада, что делает их непригодными для генерации помех. Некоторые изготовители выпускают быстрые источники питания с малым временем нарастания и с программатором снижения или даже источники питания, работающие в двух квадрантах, позволяющие реализовать быстрый спад напряжения. Такие источники лучше приспособлены для генерации помех, но им все еще нужен способ программирования, достаточно быстрый для создания переходных

процессов. И снова потребуется аналоговое программирование, быстрое программирование выхода с компьютера или встроенный программатор выходного напряжения. Некоторые инженеры предпочитают 4-квадрантные источники питания или биполярные источники питания с усилителями. Как правило, такие источники имеют малую мощность (<50 Вт) и очень высокую точность (иногда их называют SMU) или большую мощность (1000 Вт), но значительную массу и размеры. В любом случае, 4-квадрантный источник питания обходится значительно дороже обычного источника питания постоянного тока при той же выходной мощности. И хотя такой источник гораздо быст-рее обычного источника питания постоянного тока, при выборе 4-квадратнтного источника питания все нужно обращать внимание на его скорость. Более того, в связи с ограниченным выбором, поиск 4-квадрантного источника питания все же с достаточной скоростью и необходимыми напряжением и током может оказаться непростой задачей. На рисунке 1 изображен анализатор питания постоянного тока компании Agilent Technologies — Agilent N6705A,

Рис. 1. Анализатор питания постоянного тока Agilent N6705A

который настроен на генерацию помех в цепи постоянного тока. Встроенный источник питания может генерировать переходные процессы мощностью до 600 Вт, со временем нарастания/спада менее 1 мкс и полосой 5 кГц. Встроенный генератор сигналов произвольной формы упрощает программирование помех. Встроенные измерительные функции позволяют инженерам визуализировать переходные процессы тока и напряжения.

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И УЧЕТА РАСХОДА РЕСУРСОВ | 100 ЛУЧШИХ ПРОДУКТОВ ПО ВЕРСИИ EDN. FREESCALE ДОПОЛНИЛА СЕМЕЙСТВО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЧЕТЧИКОВ РАСХОДА РЕСУРСОВ ЧИПОМ MC9S08GW64 | В него встроены модули счетчика расхода газа и воды. Микросхема базируется на 8-разрядном ядре S08 и включает в свой состав также счетчик электроэнергии, аналоговую периферию и два независимых 16-разрядных АЦП последовательного приближения программируемый блок задержки для компенсации ошибки сдвига фазы. Микросхема дополнила ряд измерителей расхода ресурсов, в который также входят MCF51EM256, с 32-разрядным процессорным ядром Coldfire V1 для измерения расхода электроэнергии в 3-фазных цепях и MC9S08LH64 с 8-разрядным ядром S08 для измерения электроэнергии в однофазных цепях.

Freescale не одинока в своем решение вывести на рынок новые микросхемы измерения расхода ресурсов. Аналогичную продукцию производят и ряд других компаний, среди которых: Accent, Analog Devices, Teridian и Texas Instruments. www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКИ | 100 ЛУЧШИХ ПРОДУКТОВ ПО ВЕРСИИ EDN. МИНИАТЮРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ENPIRION | 3-А EN6337QI и 4-А EN6347QI неизолированные синхронные понижающие преобразователи компании Enpirion, представляют собой так называемый «источник питания в корпусе» — power-supply-in package (PSiP). Оба модуля производятся в 38-выводном корпусе QFN размером 8×11×3 мм. 12-А модуль EN63A0QI выпускается в 76-выводном корпусе QFN размером 10×11×3 мм. Компания достигла рекордной плотности энергии: 17,6 Вт/см2. Надо отметить, что в корпусе модуля находятся и силовой ключ, и дроссель. Диапазон входных напряжения: 2,375–6,6 В. Максимальная эффективность: 95% для EN6337QI и EN6347QI и 96% для EN63A0QI. www.elcomdesign.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА | ОНЭКСИМ ЗАЙМЕТСЯ ПРОИЗВОДСТВОМ СИСТЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ | Промышленная группа ОНЭКСИМ планирует организацию производства систем мониторинга электросетей. «Роснано» одобрила проект создания производства волоконно-оптических датчиков (ВОД) для измерения тока и напряжения в силовых сетях. Новое производство планируется открыть через 1,5 года, а ожидаемая годовая прибыль от реализации специальных датчиков составит от 2 до 7 млрд руб к 2015 году. ВОД — это лишь первый этап освоения рынка. Директор департамента инвестирования в высокие технологии группы ОНЭКСИМ Валерий Кривенко считает, что следующим этапом может стать проект по созданию комплексных систем мониторинга инфраструктурных объектов и различных сооружений в режиме реального времени. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №12 2010

69

Контроллеры корректора коэффициента мощности ON Semi ИРИНА РОМАДИНА, менеджер по продукции ON Semiconductor, «Компэл» Применение технологии коррекции коэффициента мощности (ККМ) — один из ключевых аспектов в разработке эффективных и мощных сетевых источников питания. В статье рассказывается о новейших контроллерах коэффициента мощности компании ON Semi и содержатся полезные рекомендации по выбору базовых элементов схемы корректоров коэффициента мощности. В большинстве своем бытовые и промышленные потребители электроэнергии используют импульсные сетевые преобразователи, AC/DC-преобразователи. Типовая структура сетевого преобразователя содержит: диодный мост, емкостной фильтр, а также преобразователи выходных стабилизированных напряжений. При необходимости AC/ DC-преобразователи могут содержать и гальваническую развязку от сети. Эффективность преобразования определяется эффективностью базовых узлов — выпрямителя с фильтром и DC/DC-преобразователей. Слабым по части эффективности энергопередачи является звено «диодный мост — конденсатор». Заряд емкости, а, следовательно, и потребление энергии от сети, производится только в короткие фазы во время «верхушек» синусоид сетевого напряжения, а передача энергии из накопительной емкости в нагрузку может происходить неравномерно по времени. Для обеспечения требуемой токовой нагрузки емкость конденсатора должна выбираться довольно большой. По мере возрастания мощности преобразователя проблема становится критической. При зарядке большой накопительной емкости в короткий момент времени происходят броски тока в сети, которые в начальный момент подключения источника к сети могут достигать сотни ампер. Это приводит к искажению формы сетевого напряжения. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ

70

Для оценки эффективности передачи электрической энергии от сетевого источника в нагрузку используется коэффициент мощности (КМ), который определяется, как отношение активной мощности, потребляемой нагрузкой, к полной мощности. Коэффициент мощности сетевых источников питания с мощностями более 100 Вт без использования активных корректоров коэффициента мощности (ККМ) не превышает 0,7. Коэффициент мощности обычного выпрямителя не превышает 0,25—0,3, тогда как у хорошего ККМ он составляет не менее 0,92—0,95. КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ И СТАНДАРТЫ

Основная задача ККМ — уменьшить (в идеальным случаем до нуля) сдвиг фазы между потребляемыми током и напряжением в сети при сохранении синусоидальной формы тока. Для этого необходимо, чтобы сетевой ток протекал от сети в нагрузку не короткими интервалами во время зарядки накопительного конденсатора, а непрерывно. Мощность, отбираемая от источника, должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот. Со стороны сети блок питания будет выглядеть как чисто активное сопротивление. ККМ представляет собой преобразователь напряжения с индуктивным накопителем и передачей энергии на обратном ходу. Ступень ККМ в структуре мощного AC/DC-преобразователя (см. рис. 1) представляет собой промежуточный источник стабилизированного

WWW.ELCOMDESIGN.RU

напряжения, от которого питаются другие преобразователи напряжений. Во всех современных мощных источниках питания широко применяется активная коррекция коэффициента мощности. Использование ступени коррекции коэффициента мощности позволяет повысить КПД преобразования и уменьшить уровень сетевых помех. Необходимость ККМ в мощных сетевых источниках вторичного электропитания регламентируется требованиями по электромагнитной совместимости ГОСТ Р 51317-2000. Нормы по гармоническим составляющим потребляемого тока и коэффициенту мощности для систем электропитания мощностью более 50 Вт и всех типов осветительного оборудования определяет стандарт МЭК IEC 1000-3-2. Для устройств питания аппаратуры связи с марта 2001 г. введён Минсвязи РФ ОСТ 45.188-2001, в котором указано, что коэффициент мощности оборудования электропитания для устройств с коррекцией мощности должен быть не менее 0,95. КОНТРОЛЛЕР КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Модуль корректора коэффициента мощности (см. рис. 2) содержит микросхему контроллера ККМ, дроссель, MOSFET, мощный ключ, выпрямительный диод, цепи датчика обратной связи, выходную емкость. Регулирование и стабилизация выходного напряжения осуществляется ШИМ-сигналом. На схеме не показаны цепи питания и цепи управления режимами и порогами срабатывания защитных цепей. Схема практически ничем не отличается от классических схем импульсных преобразователей напряжения. Стоит отметить лишь несколько особенностей. Для соответствия требованиям стандартов по электромагнитной совместимости преобразование в корректорах всегда осуществляется на постоянной частоте. При мощностях свыше 200 Вт большинство ККМ организованы как бустерные преобразователи, работающие в режиме непрерывной проводимости (РНП, в англоязычной транскрипции: Continuous Current Mode (CCM)). Основным элементом корректора мощности является контроллер. Его структура и реализованный алгоритм управления определяют эффективность работы всего модуля. Первые микросхемы контроллеров корректоров мощности появились еще в 80-х гг., в одно время с микросхемами контроллеров импульсных источников питания. Сегодня микросхемы контроллеров выпускают десятки производителей, и уже долгие годы заслуженным доверием пользуется продукция компании ON Semi. ON Semi постоянно совершенствует структуру и алгоритм управ-

Рис. 1. Структура AC/DC-преобразователя с корректором коэффициента мощности

Рис. 2. Структура корректора коэффициента мощности

Рис. 3. Схема включения контроллера NCP1654

ления своих контроллеров FPC. Недавно выпущенные ею на рынок контроллеры FPC NCP1653\NCP1654 отражают последние достижения технологии ККМ. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНТРОЛЛЕРОВ NCP1653/1654

Микросхемы NCP1653/1654 спроектированы с учетом требований IEC61000-3-2 и полностью им соответствуют. Использование непрерывного режима для преобразования обеспечивает уменьшение бросков тока в цепях регулирования. Контроллер NCP1653 создавался как базовая модель.

NCP1654 считается более совершенным развитием структуры NCP1653. Несмотря на «родственные связи» структура и цоколевка, а также назначение выводов этих микросхем отличаются и не могут использоваться в качестве аналогов при заменах. Основной принцип организации обратной связи в NCP1654 унаследован от NCP1653. Главное отличие заключается в том, что NCP1654 обеспечивает по сравнению с NCP1653 более точное слежение и быструю реакцию на изменение входных, выходных сигналов в процессе регулирования. Базовые отличия между NCP1653 и NCP1654 будут представлены ниже (см. табл. 1), а пока рассмотрим структуру и параметры контроллера NCP1654. На рисунке 3 показана базовая схема применения контроллера NCP1654. Как видно, применение контроллера Таблица 1. Базовые отличия контроллеров NCP1653 и NCP1654 Параметр

NCP1653

Выбор частоты внутреннего генератора

67 кГц – NCP1653A 100 кГц – NCP1653

Диапазон питающих напряжений микросхемы, В

8,75…18

9…20

—

Есть (порог задается через пин Vbo-4). Дезактивация секции корректора при падении напряжения на линии питания

BrownOut Detection — обнаружение и отключение при падении сетевого напряжения на входе ниже порога

NCP1654 65/133/200 кГц задается в суффиксе NCP1654xxx

Порог защиты от перенапря- 107% от номинального 105% от номинального выходжения на входе выходного уровня ного уровня Защелка при падении напряжения с гистерезисом

8,7/13,25 В

9/10,5 В

требует минимального количества внешних компонентов, что значительно упрощает процесс реализации корректоров мощности. NCP1654 характеризуется быстрой реакцией на броски по питанию, что обеспечивает надежную работу устройства. Интегрированные функции защиты, включая защиту от провалов напряжения (brown-out), делают устройство защищенным и компактным решением для коррекции коэффициента мощности. В контроллере NCP1654 имеется встроенный генератор частоты преобразования. Выпускается несколько модификаций микросхемы, отличающихся различными частотами внутреннего генератора — 65, 133, 200 кГц. Для реализации корректоров большей мощности используется и большая частота преобразования, например 200 кГц. Нагрузочная способность выхода DRV для управления затвором MOSFET-транзистора: ±1,5 А. Потребление в режиме Shutdown — менее 400 мкА. Для увеличения надежности работы в микросхеме контроллера реализован ряд защит: – защита от перенапряжения на входе; – защита от пониженного напряжения на входе; – защитное ограничение тока при повышении мощности (по току в цепи индуктивности); – защита от неправильного функционирования при понижении напряжения питания микросхемы на входе Vcc (BrownOut); – защита от перегрева с гистерезисом для автоматического восстановления при случайном перегреве (порог срабатывания защиты и дезактивации выходного ключа — 150°С; при остывании корпуса ниже 120°С работа возобновляется). В контроллере NCP1654 реализован также режим мягкого старта при включении питания корректора. На базе контроллера можно реализовать режимы регулирования с использованием в цепи обратной связи как среднего так и пикового токовых значений. Выбор осуществляется установкой конденсатора CM на входе VM. При установленном конденсаторе будет использоваться слежение по среднему значению тока на выходе. Алгоритм слежения обеспечивает эффективное преобразование и точность как в цепи сетевого напряжения, так и в цепи нагрузки. ПРИМЕР РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ КОРРЕКТОРА МОЩНОСТИ

Ниже приведена последовательность шагов по выбору и расчету параметров активных и пассивных компонентов схемы на примере проектирования корректора с выходной мощностью 300 Вт. Исходные данные: – выходная мощность: 300 Вт; – диапазон входных напряжений сети: 85…265 В; – выходное номинальное напряжение: 390 В; – частота переключения: 65 кГц. На рисунке 4 показана принципиальная электрическая схема корректора с рассчитанными параметрами. ЦЕПИ ПИТАНИЯ КОНТРОЛЛЕРА

Во многих приложениях питание контроллера корректора мощности производится от источника напряжения преобразователя напряжения, стоящего после корректора, поэтому на приведенной схеме нет отдельного источника для питания микросхемы контроллера корректора мощности. На плате используется напряжение питания 15 В, которое подается от внешнего источника через клеммы TB3. Формат статьи не позволяет привести подробные расчеты компонентов. Более подробная спецификация на компоненты, используемые в данном проекте, представлена в [4].

Электронные компоненты №12 2010

71

Рис. 4. Принципиальная схема модуля корректора коэффициента мощности на основе NCP1654 ПЕРВЫЙ ШАГ: ВЫБОР БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ Выбор дросселя

Номинал индуктивности 650 мкГн выбран исходя из того, чтобы обеспечить снижение уровня пульсаций по отношению к пиковому напряжению на 36%. Выбор силовых элементов (MOSFET-ключа, диодов моста и выходного диода)

Выбор этих компонентов происходит по классической схеме, как при выборе компонентов АС/DC-преобразователя. Основные параметры — напряжение и ток. Диодный мост выбирается исходя из требуемых значений тока и напряжения с запасом. В данном проекте используется диодный мост VISHAY типа GBU8J на 600 В и 8,0 А. В качестве MOSFET-транзистора выбран SPP20N60C3 фирмы Infineon (рабочий ток 20 A, напряжение исток-сток — 600 В, Rds(on) — 0,19 Ом). Выпрямительный диод выходной цепи — MSR860G ON Semiconductor (8,0 A, 600 В). Емкости выходного фильтрующего конденсатора

Номинал емкости выбирается исходя из двух требований — обеспечение уровня пульсаций на двойной частоте сети ниже порога и времени удержания выходного напряжения при полной нагрузке в течение сетевого полупериода. Для того чтобы не срабатывала защита OVP по перенапряжению на входе, уровень пульсаций на конденсаторе С4 должен быть менее ±3% от номинального выходного напряжения.

72

ВТОРОЙ ШАГ: ОРГАНИЗАЦИЯ И РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

К цепям обратной связи относятся конденсатор фильтра CFB и резистивный делитель датчика сигнала обратной связи (RfbU1, R fbU2, R fbL). Конденсатор обычно выбирают в диапазоне от 100 пФ до 1 нФ. Два резистора вместо одного в верхней цепи делителя ставят исходя из соображений безопасности, поскольку в случае электрического пробоя единственного сопротивления напряжение 400 В пробьет вход сигнала обратной связи контроллера. Выбор конкретных номиналов резистивного делителя определяется исходя из выходного напряжения и значения опорного напряжения (2,5 В). Чем больше сопротивление делителя, тем меньше потребление этих цепей и больше эффективность корректора. Однако при очень больших номиналах будет уменьшаться помехоустойчивость преобразователя. Поэтому не рекомендуется делать ток через делитель

WWW.ELCOMDESIGN.RU

менее 100 мкА. В данном примере выбраны следующие параметры делителя: RfbU1 + RfbU2 = 3,6 мОм , RfbL = 23,2 кОм. ТРЕТИЙ ШАГ: РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ ДАТЧИКА ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Мониторинг входных цепей выпрямленного мостом напряжения осуществляется резистивными делителями RBOU1, RBOU2, RBOL. CBO вместе с резистором RBOL образует низкочастотный фильтр входного сигнала. Верхний резистор делителя, исходя из соображений безопасности, также составной. В данном случае он состоит даже из трех резисторов (один — перемычка с нулевым сопротивлением резервирует место для юстировочного резистора). Этот сигнал используется для отслеживания уменьшения входного напряжения ниже порога (BrownOut), а также для мониторинга отбираемой из сети входной мощности (OPL — Over Power Limitation) ЧЕТВЕРТЫЙ ШАГ: РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ ДАТЧИКА ТОКА И МОЩНОСТИ

Датчиком тока является резистор RSENSE. RCS устанавливает порог ограничения тока. RM — подстройка порога защиты по превышению мощности. На рисунке 5 показана конструкция платы модуля корректора мощности на 300 Вт. РАСЧЕТ БЮДЖЕТА МОЩНОСТИ

Все силовые полупроводниковые компоненты (диодный мост DV1, MOSFET-транзистор Q1, выпрямительный диод D1), на которых в процессе работы происходит выделение тепла, размещены на одном общем радиаторе. При выходном напряжении 390 В и мощности 300 Вт получим значение протекающего тока = 0,77 А. Потери на выпрямительном диоде D1 составят 0,77 Вт (Uf = 1 В). Мощность, выделяемая на диодном мосте, равна 6,9 Вт. Потери на ключе зависят от Rds(on) сопротивления в открытом состоянии и максимального тока. Не стоит забывать и том, что при максимально допустимой температуре корпуса транзистора сопротивление удваивается. Например, для ключа с сопротивлением канала Rds(on) = 0,19 Ом и при повышенной температуре потери составят около 4,1 Вт. Общая тепловая мощность, выделяемая на радиаторе, составит, таким образом, около 11,77 Вт.

Рис. 6. Эффективность преобразования корректора в зависимости от входного напряжения Рис. 5. Конструкция платы корректора коэффициента мощности на 300 Вт

73

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРРЕКТОРА МОЩНОСТИ

На рисунке 6 показан график зависимости эффективности преобразования и коэффициента мощности от величины входного напряжения, а на и рисунке 7 — зависимость коэффициента мощности от мощности в нагрузке при разных напряжениях сети. Коэффициент мощности повышается при приближении к номинальной мощности (300 Вт) и уменьшается при высоких сетевых напряжениях. ЛИТЕРАТУРА 1. NCP1653, NCP1653A Compact, Fixed-Frequency, Continuous Conduction Mode PFC Controller//Datasheet ON Semiconductor.

2. NCP1654 Power Factor Controller for Compact and Robust, Continuous Conduction Mode Pre-Converters//Datasheet ON Semiconductor.

3. Turchi J. AND8321/D Compensation of a PFC Stage Driven by the NCP1654//Application Note ON Semiconductor.

Рис. 7. Зависимость коэффициента мощности от мощности в нагрузке при разных напряжениях сети

4. Wang P. AND8324/D 300 W, Wide Mains, PFC Stage Driven by the NCP1654//Application Note ON Semiconductor.

5. Васильев А., Худяков В., Хабузов В. Анализ современных методов и технических средств коррекции коэффициента мощности у импульсных устройств//Силовая электроника №2, 2004.

Электронные компоненты №12 2010

Сигма-дельта АЦП компании MAXIM АНАТОЛИЙ АНДРУСЕВИЧ, инженер по применению, Maxim Integrated Products Прецизионные измерения, а также измерения в широком динамическом диапазоне довольно часто ассоциируются с сигма-дельта аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). Компания Maxim предлагает широкий ассортимент преобразователей для решения самых разнообразных задач при построении приборов — от батарейных переносных до составных частей больших индустриальных систем. В статье приведены краткие описания, характеристики и примеры использования новейших микросхем. РАЗРЕШЕНИЕ БЕЗ ШУМОВ ДО 21 РАЗРЯДА ПРИ РЕКОРДНО НИЗКОМ ПОТРЕБЛЕНИИ

Одним из ключевых параметров АЦП для измерения широкого диапазона входных сигналов является эффективное разрешение или разрешение без шумов. На рынке имеется ряд преобразователей с различным количеством разрядов. Из таблицы 1 можно определить количество битов, свободных от шумов, для указанной скорости сэмплирования, и таким образом легко выбрать АЦП для требуемого динамического диапазона измерений. Все микросхемы с интерфейсом SPI имеют 4 цифровых универсальных порта, которые работают как на ввод, так и на вывод, при этом управление осуществляется через SPI-интерфейс. Эти порты можно использовать для управления внешними мультиплексорами и/или для изменения коэффициента усиления внешнего малошумящего прецизионного инструментального или операционного усилителей. Таким образом, используя основной последовательный интерфейс, можно выбрать канал и управлять масштабированием входного сигнала для дополнительного расширения динамического диапазона. Имеются преобразователи со встроенным усилителем с программируемым коэффициентом усиления. Входы всех АЦП и выводы для подключения источника опорного напряжения (ИОН) являются дифференциальными. Большинство преобразователей оснащены входными буферизирующими усилителями для работы с высокоомными источниками сигнала. Кроме того, все микросхемы имеют встроенный генератор импульсов и отличаются рекордно низким потреблением (300 мкА — макс.). Напряжение питания аналоговой части: 2,7…3,6 В (AVdd), цифровой: 1,7…3,6 В (DVdd). ИСТИННОЕ ОДНОВРЕМЕННОЕ СЭМПЛИРОВАНИЕ

Применение четырехканального 24-разрядного АЦП MAX11040 открывает большие возможности для решения задач оцифровки с одновременным сэмплированием нескольких каналов. Количество каналов легко наращи-

74

вается до 32, в этом случае все микросхемы имеют общий последовательный SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP-совместимый интерфейс, один кварцевый генератор, один общий сигнал Chip Select и один синхронизирующий сигнал SYNC для одновременного сэмплирования всех входов (см. рис. 1). Реализация истинного одновременного сэмплирования достигается за счет плавного регулирования фазы сэмплирования индивидуально для каждого канала, тем самым компенсируется разница в фазовых сдвигах во входных трансформаторах и/или фильтрах. Задержка может составлять от 0 до 333 мкс с шагом регулирования 1,33 мкс. Микросхема оснащена встроенным источником опорного напряжения и имеет дифференциальные входы с возможностью подачи отрицательного напряжения, при этом напряжение питания однополярное: 3…3,6 В (аналог., AVdd) и от 2,7 В до AVdd (цифр., DVdd). АЦП способен работать с дифференциальным напряжением, максимальная магнитуда (размах от пика до пика) которого составляет ±2,2 В (при напряжении источника опорного напряжения 2,5 В). Входы оснащены двухуровневой системой сигнализации и защиты от перегрузки. Первый уровень срабатывает при превышении указанной максимальной магнитуды ±2,2 В на любом из входов. При этом происходит ограничение выходного кода минимальным (все «нули») или максимальным (все «единицы») значением. Флаг ошибки OVRFLW и соответствующий выход становятся активными. Если входной сигнал превышает уровень ±2,5 В на любом из входов, срабатывает защита входа, флаг ошибки FAULT и соответствующий выход становятся активными. Микросхема выдерживает подачу на входы напряжения до ±6 В как относительно «земли», так и между дифференциальными входами. Следует отметить, что состояние перегрузки на одном из входов никак не влияет на работу остальных.

KISS

Попробуем реализовать принцип простоты и прямолинейности разработки, известный как KISS (keep it simple

Таблица 1. АЦП MAX11200 MAX11201 MAX11202 MAX11210 MAX11206 MAX11207 MAX11208 MAX11209 MAX11211 MAX11212 MAX11203 MAX11205 MAX11213

Разрядность 24 24 24 24 20 20 20 18 18 18 16 16 16

Разрядность без шумов (скорость выб./с) 20,9 (10), 19 (120) 20,6 (13,75), 19,1 (120) 20,5 (13,75), 19 (120) 20,9 (10), 19 (120) 20 (10), 19 (120) 20 (10), 19 (120) 20 (13,75), 19 (120) 18 (10), 18 (120) 18 (10), 18 (120) 18 (13,75), 18 (120) 16 (10), 16 (120) 16 (13,75), 16 (120) 16 (10), 16 (120)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

PGA – – – 1…16 1…128 – – 1…128 – – – – 1…128

Входной буфер ДА ДА ДА ДА ДА ДА ДА ДА ДА

Подавление 50 Гц, тип. (дБ) 144 144 80 144 144 144 80 144 144 80 144 80 144

Цифр. входы/ выходы 4

4 4 4 4 4 4 4

Интерфейс SPI 2-пров.

2-пров.

SPI SPI SPI 2-пров.

SPI SPI 2-пров.

SPI 2-пров.

SPI

Диапазон входного напряжения 0…+ Vref, –Vref…+Vref –Vref…+Vref –Vref…+Vref 0…+ Vref, –Vref…+Vref 0…+ Vref, –Vref…+Vref 0…+ Vref, –Vref…+Vref –Vref…+Vref 0…+ Vref, –Vref…+Vref 0…+ Vref, –Vref…+Vref –Vref…+Vref 0…+ Vref, –Vref…+Vref –Vref…+Vref 0…+ Vref, –Vref…+Vref

Рис. 1. Cхема совместного использования нескольких АЦП MAX11040

Рис. 2. Гальванически изолированный прецизионный измеритель сигнала токовой петли

and straightforward), с использованием АЦП с двупроводным интерфейсом. Для гальванической развязки данных и напряжения питания, традиционного для промышленной электроники, используем микросхему MAX3535E, а для стабилизации изолированного напряжения питания и генерации опорного напряжения — микросхему MAX6033A30 (см. рис. 2). В качестве АЦП используем 16-разрядный преобразователь МАХ11205. С прецизионным резистором R1 схема обеспечит измерение сигнала токовой петли 0…20 мА или 4…20 мА, а микросхема твердотельного реле ASSR-1410 реализует простейшую защиту резистора от повреждения при монтаже системы и отключенном напряжении питания. Резисторы R5 и R6 ограничивают логический уровень сигнала для микросхемы MAX11205, поскольку максимальное напряжение вывода Y составляет 4 В. Резистор R5, кроме этого, гарантирует уровень логического нуля на входе SCLK преобразователя в момент включения (в этот момент выход Y находится в третьем состоянии). Отключенный вход B имеет потенциал, равный приблизительно половине напряжения

питания, благодаря чему обеспечивается нормальная передача данных через неинвертирующий вход A. Максимальная частота сигнала CLK не должна превышать 250 кГц. Для измерения температуры с помощью платинового резистивного датчика Pt100, потребуется изменить измерительную часть (см. рис. 3). При использовании четырехпроводного подключения совсем не обязательно использовать отдельный источник тока. Точного источника опорного напряжения также не требуется. Можно ограничиться прецизионным резистором (R2), а в качестве регулятора напряжения питания использовать малошумящий регулятор с низким падением (LDO) MAX8510. Изменения напряжения питания и изменения тока возбуждения (200 мкА при 0°С) при изменении температуры полностью компенсируются. 24-разрядный преобразователь MAX11201B имеет входные буферные каскады, для нормальной работы которых используются резисторы R1 и R6. Они ограничивают абсолютную величину входного и опорного напряжений относительно земли в пределах от 150 мВ до AVdd –150 мВ.

Электронные компоненты №12 2010

75

Рис. 3. Гальванически изолированный прецизионный измеритель температуры ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компания Maxim предлагает широкий выбор сигма-дельта-преобразователей, с помощью которых можно решать самые разнообразные задачи, в осо-

бенности связанные с прецизионными измерениями. Дополнительную информацию запрашивайте у официальных дистрибьюторов Maxim в России (russia.maxim-ic. com/sales).

НОВОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ | AGILENT TECHNOLOGIES ПРЕДСТАВЛЯЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ПО | Agilent Technologies представила восемь новых программных пакетов для анализаторов сигналов РХА серии Х. Программное обеспечение (ПО) охватывает ряд стандартов сотовой связи, беспроводных сетей, цифрового видео и других приложений общего назначения. Кроме того, добавлены три новых пакета для анализаторов сигнала Agilent серии MXA и EXA, а пакеты для приложений LTE FDD, LTE TDD и EDGE Evolution были обновлены. Новое измерительное ПО облегчает процессы тестирования физического уровня сотовых сетей 3G/3.5G/3.9G, беспроводных сетей и цифровых видеоприложений, а также ВЧ-тестирования в приложениях общего назначения. Среди новых программных продуктов серии X для PXA:

пакеты для беспроводных сетей, включая технологии 802.16 OFDMA и Bluetooth®. Новое измерительное ПО N9081A Bluetooth (совместимое также с MXA/EXA), поддерживающее стандарт Bluetooth версии 2.1+ EDR и технологию с низким потреблением энергии (LE), позволяет серии Х стать единственными анализаторами сигнала с поддержкой стандарта Bluetooth LE; пакеты для различных стандартов сотовой связи, в том числе GSM/EDGE/EDGE Evolution и TD-SCDMA; пакеты для цифрового видео, включая DTMB и CMMB; пакеты общего назначения, в том числе для аналоговой демодуляции и для дистанционного управления, совместимого с командами SCPI. Новые пакеты для EXA и MXA, включая Bluetooth, обеспечивают поддержку SCPI и имеют опцию управления внешним источником. www.elcomdesign.ru

76

| ADS 2011 ОТ AGILENT TECHNOLOGIES ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЧ-УСТРОЙСТВ | Agilent Technologies анонсировала новую версию системы автоматизированного проектирования ADS 2011 для разработки ВЧ-устройств.

«ADS 2011 призвана решать наиболее сложные проблемы проектирования и интеграции и предназначена для передовых компаний, работающих в сфере беспроводной связи, аэрокосмической и оборонной промышленности, — прокомментировал Марк Пирпоинт, вице-президент и генеральный менеджер Agilent. — Эта версия, на разработку которой ушло почти два года, позволяет проектировать радиочастотные SiP-модули (системы в корпусе), основанные на применении нескольких технологий, и выполнять сложное электромагнитное (ЭМ) моделирование, причем проще и быстрее. Революционный прорыв в ADS 2011 поднимает планку автоматизации проектирования ВЧ-устройств». Новые возможности ADS 2011:

совместное проектирование ВЧ-схем с учетом устройств, выполненных по различным технологиям (плата, многослойная подложка, корпус, модуль и кристалл); использование готовых модулей, созданных пользователем и добавленных в библиотеку САПР, что существенно упрощает ЭМ-моделирование (с помощью Momentum и FEM); усовершенствованные технологии ЭМ-моделирования, позволяющие повысить скорость, точность и сходимость; возможность эмуляции переменной нагрузки, обеспечивающая быстрое и лучшее согласование разрабатываемых схем по результатам измерений; инструменты для работы с топологиями, существенно упрощающие физическое проектирование в ADS; множество дополнительных возможностей и усовершенствований для всех пользователей ADS. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ПЕРВЫЙ ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ 16-РАЗРЯДНЫЙ МИКРОКОНВЕРТЕР НА БАЗЕ MCS-96 ВЛАДИМИР СМЕРЕК, нач. лаборатории, ФГУП «НИИЭТ» ИГОРЬ ПОТАПОВ, к.т.н., нач. отдела, ФГУП «НИИЭТ» ВАЛЕРИЙ КРЮКОВ, к.т.н., нач. отделения, ФГУП «НИИЭТ» ВЛАДИМИР ГОРОХОВ, к.т.н., зам. главного инженера, ФГУП «НИИЭТ» Представлены характеристики и особенности применения новой отечественной микросхемы — 16-разрядного аналогового микроконвертера К1874ВЕ96Т с усовершенствованной архитектурой MCS-96. Наличие на одном кристалле высокопроизводительного процессорного ядра, АЦП и ЦАП высокой разрядности, встроенного модуля отладки OCDS, а также ряда периферийных устройств позволяет создавать на основе микросхемы К1874ВЕ96Т законченные системы сбора и обработки информации, интеллектуальные датчики, устройства с автономным питанием и различные средства измерений, автоматизации и контроля. микроконвертеров занимаются ЗАО ПКК «Миландр» (Москва, Зеленоград) и ФГУП «НИИЭТ» (Воронеж). В ПКК «Миландр» разработаны 8-разрядный микроконтроллер 1886ВЕ6 на базе 8-разрядного RISC-процессора [4] и 32-разрядный микроконтроллер 1986ВЕ91 на базе процессора ARM Cortex-M3 [5]. В состав микроконтроллера 1886ВЕ6, предназначенного для построения различных аналоговых систем, входят память программ 12-разрядный АЦП и 12-разрядный ЦАП, блок ШИМ, компаратор, USART. Микроконтроллер 1986ВЕ91 также содержит большинство из названных устройств и, кроме того, содержит интерфейсы CAN, USB, SPI, I2C. В этой статье представлен первый российский 16-разрядный микроконвертер К1874ВЕ96Т, разработанный в 2009 г. во ФГУП «НИИЭТ» на базе нового процессорного ядра с усовершенствованной архитектурой MCS-96. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ К1874ВЕ96Т

Микроконвертер К1874ВЕ96Т представляет собой однокристальную высокоинтегрированную систему сбора и обработки данных, и предназначен для выполнения вычислительных инструкций с повышенным быстродействием и точных аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразований. К1874ВЕ96Т ориентирован на обработку аналоговых сигналов от различных датчиков в системах управления специальной техники, автомобильной и авиационной электроники, в удаленных системах сбора информации и инструментальных средствах. Основные технические характеристики микроконвертера К1874ВЕ96Т представлены в таблице 1.

Высокая производительность ядра позволяет использовать микроконвертер К1874ВЕ96Т при решении задач обработки сигналов (для этого имеются умножитель и делитель, выполняющие операции за один и два машинных цикла при длительности цикла, равного двум периодам тактового сигнала). Средства инструментальной отладки и встроенный отладочный модуль OCDS обеспечивают как эффективное проектирование систем на основе микроконвертера, так и возможность смены алгоритма работы при модификации систем. Возможность гибкого управления энергопотреблением микроконверте-ра (три режима пониженного потребления и возможность отключения неиспользуемых периферийных блоков) позволяют использовать эти микросхемы в критичных к потреблению приложениях. ОСОБЕННОСТЬ АРХИТЕКТУРЫ

Микроконвертер К1874ВЕ96Т имеет общую архитектуру и набор инструкций с другими микроконтроллерами серии 1874 [6], но базируется на новом ядре разработки ФГУП «НИИЭТ». Модель ядра была создана на языке описания аппаратуры Verilog и отличается увеличенной производительностью по сравнению с другими микросхемами серии 1874 (в среднем на 35—40% при работе на одинаковой частоте). Это достигается за счет введения конвейеризации процесса выборки — выполнения команд, полной оптимизации процесса выполнения инструкций, наличия быстрых сдвигателей, умножителя, делителя и других конструктивных особенностей. Увеличенная очередь команд (с 4 байт до 9 команд по 7 байт) и независимость процесса выполнения команд от их выборки (и наоборот) позволили уменьшить время

Электронные компоненты №12 2010

77 МК И DSP

Микроконвертеры представляют собой отдельный класс микроконтроллеров, а именно специализированных аналоговых микроконтроллеров, в которых интегрированы стандартные процессорные ядра, флэш-память, высокоразрядные АЦП и ЦАП, модули генерации ШИМ, сторожевой таймер и другие многочисленные периферийные блоки. Объединение в одной микросхеме аналоговых и цифровых программируемых устройств упрощает проектирование электронных систем, особенно тех, где требуется выполнение прецизионных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований. Появление микроконвертеров на рынке электронных компонентов связывают, прежде всего, с фирмой Analog Devices (США). Первое семейство микроконвертеров серии ADuC8xx на базе классического 8-разрядного ядра 8052 было создано этой фирмой более 10 лет назад [1]. Это семейство включает как 12-разрядные АЦП последовательного приближения (ADuC812, ADuC841), так и прецизионные 16- и 24-разрядные АЦП с сигма-дельта модуляцией (ADuC816, ADuC824, ADuC834 и др.) В 2004 г. Analog Devices представила на рынок новое семейство микроконвертеров серии ADuC7000 (ADuC702x) на базе 16/32-разрядного RISC-ядра ARM7TDMI [2], [3]. Ядро обеспечивает производительность до 45 Mвыб/c и имеет встроенные средства отладки — EmbeddedICE и JTAG-интерфейс. Микроконвертеры серии ADuC702x имеют также мощную периферию — АЦП, ЦАП, порты I2C, UART, SPI, компаратор, ИОН и ряд других устройств (в зависимости от модификации). В отечественной электронной промышленности разработкой и выпуском

Рис. 1. Структурная схема микроконвертера К1874ВЕ96Т

простоя, как ЦПУ, так и внутренней или внешней шины выборки команд. При общем адресном пространстве команд Таблица 1. Основные технические характеристики микроконвертера К1874ВЕ96Т № Параметр (характеристика) п/п 1. Архитектура и система команд

МК И DSP

78

2. Разрядность данных, бит 3. Тактовая частота, МГц Динамически конфигурируемая шина 4. данных, бит Встроенная память программ типа 5.

EEPROM, бит 6. Регистровое ОЗУ, бит 7. Расширенное ОЗУ, бит 8. Объем адресуемой памяти, бит 9. Число источников прерываний Число параллельных 8-разрядных портов 10. ввода/вывода 11. Число команд 12. Разрядность сторожевого таймера (WDT) 13. Число 16-разрядных таймеров/счетчиков Универсальный последовательный порт 14.

(UART) Синхронный последовательный интер15. фейс SPI 16. Интерфейс I2C 17. Число разрядов АЦП 18. Количество АЦП Максимальное количество используемых 19. АЦП при дифференциальном включении входов Минимальное время аналого-цифрового 20. преобразования, мкс 21. Число разрядов ЦАП Время установки токовых выходов 22. ЦАП, нс 23. Блок ШИМ сигналов (PWM) Блок высокоскоростного ввода/вывода 24.

(HSIO) 25. Сервер периферийных транзакций (PTS) Встроенный модуль отладки On-Chip 26.

Debug System (OCDS) Число режимов пониженного энергопо27. требления 28. Напряжение питания, В

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Значение MCS-96 (Intel) 16 до 40 8 или 16 16 К×16 2024×8 2 К×8 64 К×8 31 5 112 16 2 2 1 1 16 8 4 16 14 10 3 1 1 1 3 3,3

и данных выборка команд осуществляется по своей независимой шине. Это означает, что при работе схемы происходит одновременное считывание/ запись данных в ОЗУ или регистры и загрузка команд (как при гарвардской архитектуре). Все нововведения позволяют ЦПУ микроконвертера вплотную приблизиться по производительности к схемам с конвейерными архитектурами и использовать К1874ВЕ96Т в DSPприложениях. На рисунке 1 приведена структурная схема микроконвертера К1874ВЕ96Т. Микроконвертер обладает ОЗУ 2024×8 бит, доступным быстрым способам адресации, и расширенным (отключаемым) ОЗУ 2048×8 бит, доступным косвенным способам. Интегральная микросхема (ИС) имеет встроенную энергонезависимую память программ (ПЗУ) типа EEPROM емкостью 32 Кбайт с коррекцией ошибок по коду Хемминга и защитой записи/ считывания, а также удобный для пользователя механизм программирования с возможностью аппаратного управления параметрами программирующего импульса. Фабрика, на которой производятся кристаллы микроконвертера, гарантирует хранение информации во внутреннем EEPROM в течение 10 лет и сто тысяч циклов стирания/записи. В состав микроконвертера входит сервер периферийных транзакций PTS, позволяющий передавать данные в момент простоя шины данных. Это обеспечивает прямой доступ к памяти без остановки ЦПУ, что повышает общее быстродействие системы. ИС имеет возможность запуска программ с трех различных стартовых адресов в зависимости от состояния входных сигналов. Это позволяет организовывать различные тестовые и сервисные режимы работы аппаратуры. Кроме того пользователи могут создавать собственные алгоритмы программирования и размещать их в сервисных адресных пространствах.

Для выполнения высокоточных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований в микросхеме имеются восемь 16-разрядных сигма-дельта АЦП с возможностью одновременного преобразования и 14-разрядный высокоскоростной ЦАП с токовым выходом (2…20 мА). Особенностью АЦП является возможность организации дифференциального режима включения входов. При этом могут одновременно работать четыре преобразователя. Имеется также возможность буферизированной выдачи высокостабильного опорного напряжения на вывод порта микроконвертера. ИС имеет четыре порта последовательного ввода-вывода информации: два порта UART, один синхронный последовательный интерфейс (SPI) и интерфейс I2C. Подсистема высокоскоростного ввода/вывода представлена блоком HSIO с разрешающей способностью в один машинный цикл. Он позволяет фиксировать события на входах блока и генерировать сигналы с необходимыми временными параметрами на соответствующих выходах. Отличием микроконвертера К1874ВЕ96Т от всех других ИС серии 1874 является наличие встроенного модуля (системы) отладки OCDS. Помимо выполнения стандартных функций (формирование событий по заданному адресу операнда, данным на шине данных, значению счетчика команд) эта система позволяет реализовать аппаратную защиту от выполнения кода из внешней области команд — так называемый режим защищенного микроконтроллера. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

Микроконвертер имеет два независимых 16-разрядных многофункциональных таймера-счетчика. В одном из таймеров используется внутренняя синхронизация (режим работы — таймер реального времени), в другом — внешняя (счетчик внешних событий). Содержимое таймеров может быть в любое время считано или программно модифицировано, а также сброшено программно или внешним сигналом. Подсистема высокоскоростного ввода/вывода импульсных сигналов HSIO включает устройства высокоскоростного ввода HSI и устройство высокоскоростного вывода HSO. HSI может записывать время внешних событий с разрешающей способностью в один машинный цикл, а HSO может инициализировать события в определенные моменты, базирующиеся на значениях таймера 1 или таймера 2. В целом подсистема HSIO может измерять ширину импульсов, вырабатывать импульсную последовательность и вызывать периодические прерывания с незначительным использованием ЦПУ. Встроенный блок ШИМ (PWM) предназначен для

реализованных в микроконвертере, построены на основе методики сигмадельта преобразования, реализующей алгоритм сверхвыборки, когда норма осуществления выборки во много раз превышает требуемую частоту. Такая реализация позволяет значительно уменьшить шумы и гарантирует стабильно высокие динамические параметры преобразователя. Блок-схема АЦП представлена на рисунке 2. Аналого-цифровые преобразователи конвертируют аналоговые напряжения на входе в цифровой эквивалент. Минимальное время преобразования составляет 16 мкс. Особенностью организации АЦП является возможность работы как с однополярными, так и с дифференциальными сигналами. Поскольку каждый преобразователь управляется независимо, то можно реализовать различные варианты включений, например:

два АЦП — в режиме дифференциального включения, четыре — в режиме однополярных сигналов или один АЦП — в режиме дифференциального включения, шесть — в режиме однополярных сигналов и т.д. Единственное условие, чтобы общее количество выводов, с которыми работают преобразователи, не превышало восьми. ИС имеет блок цифровых компараторов, позволяющих сравнивать результаты непрерывного аналого-цифрового преобразования с граничными условиями без использования ресурсов централь-

79 МК И DSP

генерации широтно-модулированного сигнала на выходе микросхемы без участия процессора и имеет три выхода PWM. Скважность импульса на выходе PWM является переменной величиной, импульсы повторяются каждые 256 или 512 тактов. PWM может использоваться в различных применениях. Различные типы моторов требуют использования PWM — формирователя импульсов для наиболее эффективной работы. Кроме того, фильтрация этой ШИМпоследовательности будет создавать постоянный уровень, который изменяется с изменением скважности. Последовательные порты UART имеют по одному синхронному режиму и по три асинхронных. Асинхронные режимы полностью дуплексные, т.е. они могут передавать и принимать данные одновременно. Приемники портов ИС буферизованы так, что прием вторых байтов может начаться до считывания первых. Передатчики также дважды буферизованы. Последовательный периферийный SPI-интерфейс предназначен для быстрого синхронного обмена информацией между микроконтроллером и периферией или между двумя микроконтроллерами. Кроме того, его можно использовать для программирования ПЗУ или отладки программы при использовании отладочного модуля. Обмен информацией через интерфейс может быть полностью дуплексным и осуществляться с использованием трех линий. Максимальная частота, на которой происходит передача, равна четверти значения частоты генератора (для 40-МГц частоты микроконтроллера — 10 МГц). Интерфейс поддерживает режим как ведомого, так и ведущего. Блок I2C обеспечивает полную поддержку двупроводного последовательного синхронного интерфейса I2C/SMBus. Результат такой совместимости — легкое соединение со многими запоминающими устройствами и устройствами ввода-вывода, включая EEPROM, SRAM, счетчики, АЦП, ЦАП, периферийные устройства. Функциональные возможности модуля: – совместимость с SMBus (Version 1.1 и 2.0), ACCESS.Bus, I2C (Version 2.1); – поддержка стандартного, скоростного и высокоскоростного режимов; – работа в режиме ведущего или ведомого; – возможность подключения к шине нескольких ведущих устройств; – один определяемый программно 7/10-разрядный адрес для Slave; – возможность одновременного обращения ко всем устройствам шины, так называемый «общий вызов». Восемь 16-разрядных аналогоцифровых преобразователей (АЦП),

Рис. 2. Блок-схема подсистемы аналого-цифровых преобразователей

Электронные компоненты №12 2010

МК И DSP

80

ного процессора. Блок вырабатывает прерывания, если: результат преобразования больше заданной границы; результат преобразования меньше заданной границы; результат преобразования выходит за границы заданного диапазона; результат преобразования попадает в границы заданного диапазона. Все границы указываются в соответствующих регистрах. Цифровые компараторы объединены в группы по четыре, и каждый имеет свой приоритет. Для срабатывания компаратора с меньшим приоритетом необходимо, чтобы условие с большим приоритетом не сработало. Это позволяет на аппаратном уровне реализовывать сложные следящие алгоритмы (например, прерывание вырабатывается, когда значение первого датчика превышает заданное значение, второго — выходит за пределы заданного диапазона, третьего — попадает в диапазон и т.д.). При такой реализации ядро может большую часть времени быть отключено (находится в режиме IDLE) и включаться только в короткие промежутки для обработки прерываний.

14-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) конвертирует цифровой код в аналоговый эквивалент. После записи кода в управляющий регистр на выходах ИС появляется ток, соответствующий этому коду. Время установки тока составляет 10 нс. Возможен перевод ЦАП в режим пониженного энергопотребления. Микроконвертеры имеют отдельный вход FSADJ для подстройки тока преобразователя. Как уже отмечалось, в состав микроконвертера К1874ВЕ96Т входят сервер периферийных транзакций PTS и модуль отладки OCDS (Debug Unit). Блок PTS предназначен для аппаратной обработки прерываний. Он содержит набор встроенных алгоритмов, исходные данные для которых должны быть размещены программой пользователя, как в памяти кристалла, так и во внешней памяти. Алгоритмы PTS охватывают пересылки данных. Прерывания, обслуживаемые PTS, отрабатываются параллельно работе ЦПУ в моменты простоя шины данных, тем самым не мешая выполнению основной программы. Пересылка может осуществляться и в режиме IDLE без вывода ИС из этого режима. Сервер периферийных транзакций поддерживает обработку запросов на прерывание на микропрограммном уровне, не требуя вмешательства процессора. Модуль отладки OCDS предназначен для упрощения процесса отладки программного обеспечения пользователей. По выбранному типу события (требуемые данные на шине данных, требуемый адрес операнда на шине адреса, значение счетчика команд, выход в область внешнего ПЗУ) этот блок генерирует следующие виды действий:

WWW.ELCOMDESIGN.RU

– немаскируемое прерывание; – режим IDLE (режим ожидания, выход по прерыванию или сбросу); – аппаратный сброс. Аппаратный сброс вместе с настройкой контроля выхода в область внешнего ПЗУ может использоваться для контроля выполнения программ и защиты от несанкционированного доступа к внешней памяти. Следует отметить, что в микроконвертере реализовано несколько механизмов восстановления после ошибок программного обеспечения и аппаратных средств. Микроконвертер К1874ВЕ96Т содержит многократно программируемое ПЗУ типа EEPROM емкостью 32 Кбайт. В ПЗУ могут храниться как команды, так и данные. Возможна запись содержимого ПЗУ во время работы пользовательских программ, при этом нет необходимости размещать программирующий алгоритм в области внутреннего ОЗУ или внешней памяти. Пользователи могут переписать встроенное ПО ИС К1874ВЕ96Т и реализовать свои алгоритмы. ПЗУ может быть защищено от несанкционированного чтения или перезаписи, но биты защиты могут сниматься пользователями вместе с уничтожением всех данных ПЗУ. Микросхема К1874ВЕ96Т поддерживает три специальных (энергосберегающих) рабочих режима: IDLE (холостой ход), POWERDOWN (низкое энергопотребление) и SLOW (уменьшение внутренней частоты). Существует также возможность перевода АЦП и ЦАП в режимы пониженного потребления, а для цифровых периферийных блоков — отключения тактирования. В режиме IDLE работают только встроенные функциональные устройства, а микроконвертер находится в режиме ожидания разрешенного прерывания от внешнего или внутреннего устройства. В режиме POWERDOWN вся внутренняя синхронизация замораживается в состоянии логического нуля, генератор отключается, а блоки АЦП и ЦАП переводятся в режим SLEEP. Энергопотребление падает — ток потребления составляет всего несколько сот микроампер. Если напряжение питания сохраняется, то регистры ОЗУ и регистры специальных функций сохраняют данные. В режиме SLOW внутренняя частота уменьшается в два раза, и длительность машинного цикла становится равной четырем тактам сигнала XTAL. Работа ЦПУ и периферийных устройств замедляется. В микроконвертере реализован также режим ONCE. Это режим тестирования, который электрически изолирует ИС от других устройств на печатной плате. При этом микроконвертер автоматически переводится в режим POWERDOWN. Этот режим может применяться в аппаратуре с резервированием компонентов.

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ

Микросхема К1874ВЕ96Т поддерживает режим программирования через последовательный порт. В этом случае для ее программирования не требуются специальные программаторы. Программирование выполняется с использованием COM-порта персонального компьютера и специальной программы. Программное обеспечение работает в среде Windows. В процессе программирования осуществляется самотестирование, обеспечивается контроль правильности установки микросхемы. Названные программные средства и схема подключения ИС для программирования доступны на www. niiet.ru. Что касается отладочных средств, то может быть использована макетноотладочная плата разработки ФГУП «НИИЭТ». С ее помощью возможно программирование микроконвертера, подключение внешних элементов к выводам, оценка работы прикладных программ. В разработке находится отладочная система (модуль) для К1874ВЕ96Т с более широкими функциональными возможностями. Она будет построена с использованием встроенного в микросхему модуля отладки OCDS и обеспечит возможность отладки прикладных программ в режиме реального времени. Имеется также возможность применения отладчикасимулятора PDS-96 ООО «ФИТОН» (Москва), который представляет собой интегрированный комплекс программных средств для разработки систем на основе микроконтроллеров семейства 196, программно совместимых с микросхемой К1874ВЕ96Т. ЛИТЕРАТУРА 1. Зайцев О., Троицкий Ю. Аналоговые микроконтроллеры ADuC83x и ADuC84x// Электронные компоненты, № 1, 2005.

2. Торопов Д. Новые микроконверторы с ядром ARM7 компании Analog Devices// Электронные компоненты, № 7, 2004.

3. Власенко А. Микроконверторы серий ADuC702x на базе ядра ARM7TDMI//Электроника: Наука, Технология, Бизнес, № 7, 2004.

4. Гусев С., Шумилин С., Реализация многозадачных приложений на МК серии 1886// Электроника: Наука, Технология, Бизнес, №6, 2009.

5. Шумилин С. Новая серия отечественных 32-разрядных высокопроизводительных микроконтроллеров семейства 1986 на базе процессорного ядра ARMCortex-M3// Компоненты и технологии, № 10, 2008.

6. Ачкасов В., Медведев Н., Потапов И., Горохов В., Хорошунов В. Новые отечественные 16-разрядные микроконтроллеры серии 1874 для встраиваемых систем управления//Chip News, № 10, 2007.

МИКРОСХЕМЫ ПОНИЖАЮЩИХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СЕРГЕЙ ЕФИМЕНКО, к.т.н., главный конструктор, филиал «Завод полупроводниковых приборов», ОАО «ИНТЕГРАЛ» СЕРГЕЙ ШВЕДОВ, директор, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «ИНТЕГРАЛ» ВЛАДИМИР ЦЫМБАЛ, главный инженер, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «ИНТЕГРАЛ» СЕРГЕЙ МИНЬКО, ведущий инженер, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «ИНТЕГРАЛ»

.

В статье рассказывается о новых разработках ОАО «ИНТЕГРАЛ» – двух типах микросхем понижающих импульсных преобразователей напряжения IZ1412 (2 А, 23 В, 380 кГц) и IZ2307 (3 А, 23 В, 340 кГц), изготавливаемых по БиКДМОП-технологии. Микросхемы характеризуются низким током потребления (как во включенном, так и в выключенном состояниях), низким сопротивлением в открытом состоянии мощного выходного NДМОПтранзистора, высоким коэффициентом полезного действия (КПД). микросхем преобразователей напряжения, большинство из которых изготовлено по биполярной технологии. Описываемые в данной статье микросхемы понижающих импульсных регуляторов изготавливаются по БиКДМОПтехнологии. В числе основных преимуществ БиКДМОП импульсных регуляторов можно назвать: – низкий ток потребления (порядка 1 мА), который примерно в десять раз меньше такового для микросхем классических биполярных преобразователей напряжения; – низкое сопротивление в открытом состоянии мощного выходного NДМОП-транзистора, что уменьшает рассеиваемую микросхемой мощность. На рисунках 1 и 2 приведены структурные схемы преобразователей напряжения IZ1412 и IZ2307

соответственно. В состав каждой микросхемы входят блок генератора, ШИМ-компаратор, усилитель сигнала ошибки, компаратор блокировки, компаратор настройки частоты, компаратор выключения, внутренние регуляторы, формирующие опорные напряжения, ограничитель тока внутри циклов, сумматор, буферы, мощный выходной NДМОП-транзистор. В таблице 1 приведены основные параметры микросхем преобразователей напряжения IZ1412 и IZ2307. Понижающие DC/DC-преобразователи делятся на две группы: преобразователи с синхронным выпрямлением и с внешним диодом Шоттки. Микросхема IZ2307 относится к первой группе, а IZ1412 — ко второй. Преимуществом микросхем с синхронным выпрямлением по сравнению с микросхемами с асинхронным выпрямлением являет-

81

Рис. 1. Структурная схема преобразователя напряжения IZ1412

Электронные компоненты №12 2010

М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

Одним из важнейших современных направлений развития производства являются разработка и освоение энергосберегающей аппаратуры, где высокая эффективность, малые габариты и малая рассеиваемая мощность имеют принципиальное значение. Ни один современный источник питания не обходится без использования интегрированных компонентов. Применение ИС в источниках питания делает аппаратуру более компактной и экономичной. Развитие источников питания на базе интегральных микросхем (ИС) позволяет ускорить процесс разработки, повысить технологичность и надежность средств электропитания аппаратуры. Источники питания формируют стабилизированные напряжения питания, необходимые для устойчивой работы электронной аппаратуры. Понижающие импульсные преобразователи напряжения — это микросхемы, преобразующие постоянное нестабилизированное высокое входное напряжение в пониженное стабилизированное выходное напряжение. Область применения их весьма обширна. Это — распределенные системы электропитания, сетевые системы, зарядные устройства, ноутбуки, изделия экономичной электроники, системы питания программируемых вентильных матриц, цифровых сигнальных процессоров и прикладных ИС, DSL-модемы, предварительные регуляторы напряжения для линейных стабилизаторов и т.д. В настоящее время отечественная промышленность выпускает ряд

через N-канальный ключевой транзистор сверх величины тока ограничения. После устранения КЗ все режимы автоматически возвращаются в исходное состояние, как только напряжение обратной связи (ОС) возрастет до уровня 0,92 В. В микросхемах имеется тепловая защита, отключающая регуляторы при увеличении температуры кристалла свыше 160°С, и функция отключения при пониженном входном напряжении. Выходное напряжение в этих микросхемах является регулируемым: вход усилителя сигнала ошибки (УСО) выведен напрямую на вывод FB. Установка требуемого выходного напряжения осуществляется внешним резистивным делителем в диапазоне 0,925…20 В для IZ2307 и в диапазоне 0,92…16 В для IZ1412. Поскольку для управления верхним транзистором требуется напряжение выше входного, в микросхемах имеется бустерная схема питания драйвера [2] с внутренним диодом и внешним накопительным конденсатором С5 (см. рис. 3 и 4). В преобразователях предусмотрена схема плавного запуска, длительность которого устанавливается с помощью конденсатора С4 (см. рис. 3 и 4). Благодаря встроенной функции программируемого «плавного запуска» ток потребления и перегрузка выходного каскада при запуске сводятся к минимуму, что приводит к экономии энергопотребления и повышению надежности. Высокая частота преобразования позволяет минимизировать площадь компонентов на печатной плате. Температурный диапазон микросхем IZ1412 и IZ2307 составляет –40… 85°С. Микросхемы IZ1412 и IZ2307 обеспечивают постоянный выходной ток (до 2 и 3 А соответственно) для широкого диапазона напряжений питания (4,75…23 В).

Рис. 2. Структурная схема преобразователя напряжения IZ2307

Рис. 3. Типовая схема применения IZ1412

Рис. 4. Типовая схема применения IZ2307

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

82

ся рост КПД [1] и, следовательно, снижение рассеиваемой мощности, что позволяет обойтись без принудительного охлаждения, либо уменьшить размеры аппаратуры.

В обоих типах микросхем реализована функция защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке. В режиме КЗ частота преобразования уменьшается, чтобы не допустить увеличения тока

ЛИТЕРАТУРА: 1. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. — М.: СОЛОНПресс, 2005.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, т. 2. — М.: ДМК Пресс, 12-е изд-е., 2007.

Таблица 1. Типовые характеристики понижающих импульсных преобразователей напряжения IZ1412, IZ2307 Напря- Ток потребТок Макс. Типо- Входное Выходное жение ления потреб- Часвыходноми- напрянапряобратной в выкл. ления во тота, ной нал жение, В жение, В связи состоя- вкл. состо- кГц ток, А (тип.), В нии, мкА янии, мА С внешним диодом Шоттки

IZ1412

С синхронным выпрямлением IZ2307

Дополнительные функции

0,92…16 ±3%

2

0,92

36

1,3

Ограничение тока КЗ, тепловая защита, про380 граммируемый «плавный запуск», отключение при пониженном входном напряжении

4,75…23 0,925…20 ±3%

3

0,925

3

1,5

Ограничение тока КЗ, тепловая защита, про340 граммируемый «плавный запуск», отключение при пониженном входном напряжении

4,75…23

WWW.ELCOMDESIGN.RU

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИОН БОНИ БЕЙКЕР (BONNIE BAKER), инженер по применению, Texas Instruments

Выбор источника опорного напряжения (ИОН) для аналого-цифровых схем с высоким разрешением является сложной задачей. Существует несколько способов ее решения, один из которых рассматривается в этой статье.

лентное последовательное сопротивление (ЭПС) C4 составляет 2 мОм. Стабильность усилителя определяется коэффициентом усиления ОУ. Соответственно, ею можно управлять с помощью конденсатора С4 и выходного сопротивления ОУ при разомкнутой ОС (Ro). В общем случае схема считается стабильной, если коэффициент усиления при разомкнутой и замкну-

той ОС спадает со скоростью 20 дБ (см. рис. 2). Частоты полюса fp и нуля f z для стабильной схемы вычисляются по формулам:

Рис. 1. Принципиальная схема ИОН

83 ИНЖЕНЕР – ИНЖЕНЕРУ

Источник опорного напряжения должен обладать высокой стабильностью и вносить мало шумов. Избавиться от широкополосного и низкочастотного шумов помогает пассивный фильтр R1, C2 и С3 на выходе ИОН (см. рис. 1). Угловая частота фильтра равна 1,59 Гц. Включение дополнительной RC-цепи позволит получить уровень шума, приемлемый для АЦП с 20-разрядной точностью. С другой стороны, к каждому биту прибавляется падение напряжения на резисторе R1, ухудшая качество преобразования. В схеме на рисунке 1 для развязки ФНЧ от вывода опорного напряжения АЦП используется операционный усилитель (ОУ). Входной ток смещения OPA350 зависит от температуры. При 25°С он составляет 10 пА, а при 125°С — около 10 нА. Создаваемое им падение напряжения на резисторе R1 мало и не влияет на точность преобразования АЦП с разрядностью не более 23. При расчетах его следует учитывать как слагаемое погрешности ИОН. Предположим, что исходная погрешность ИОН равна ±0,05%, а температурный коэффициент составляет 3 ppm/°С. Пусть опорное напряжение равно 4,096 В, тогда погрешность при комнатной температуре составляет 2,05 мВ, а при 125°С — на 1,23 мВ больше. Таким образом, собственная погрешность ИОН превышает погрешность напряжения смещения ОУ и входного тока смещения. АЦП «видит» общую погрешность ИОН, R1 и OPA350 как погрешность коэффициента усиления. К выходу ОУ подключается АПЦ и конденсатор С4 емкостью 10 мкФ. Заряд на обкладках С4 обеспечивает стабильность напряжения на опорном выводе АЦП во время преобразования. Типичная емкость вывода — от 2 до 50 пФ. Выходное сопротивление ОУ при разомкнутой ОС равно 50 Ом, эквива-

Рис. 2. АЧХ операционного усилителя

Электронные компоненты №12 2010

LTSpice — БЕСПЛАТНАЯ СРЕДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГЮНТЕР СПАННЕР (GÜNTER SPANNER), инженер, Elektor

Средства моделирования позволяют проверить работоспособность и испытать схему прежде, чем будут заказаны элементы. Среда LTSpice —мощный и бесплатный инструмент, выполняющий все основные функции распространенных САПР.

Создание проектов уже невозможно без использования САПР, которая позволяет сократить время разработки и снизить расходы на перепроектирование. В этой статье мы рассмотрим среду моделирования LTSpice от Linear Technology, которая распространяется бесплатно и содержит все основные инструменты для построения и анализа схем. Конечно, LTSpice имеет гораздо более скромные возможности, чем, например, OrCAD. Однако ее функционал позволяет протестировать разрабатываемую схему. В основе вычислительного ядра программы лежит симулятор Spice с некоторыми улучшениями, главным образом в части моделирования импульсных преобразователей. ОПИСАНИЕ

Редактор схем (см. рис. 1) имеет простой и удобный интерфейс. Встроенная библиотека содержит два набора элементов: основной и расширенный. Есть возможность выбора стандарта графических обозначений

(европейский или американский). Следует отметить, что в библиотеке содержатся продукты не только Linear Technology, но и других производителей. При необходимости можно создавать собственные элементы и добавлять их в основной набор. Как и во всех САПР, в LTSpice есть возможность поворота и зеркального отображения элементов, чтобы сделать схему наглядной. С помощью соответствующих виртуальных щупов симулятор позволяет отобразить напряжение или ток в заданной точке схемы, рассеиваемую мощность на выбранном элементе и другие параметры. Результаты моделирования выводятся в виде графика в отдельном окне. Для удобства анализа поведения схемы предусмотрена возможность одновременного построения нескольких графиков и выполнения основных математических операций над ними, например, нахождения среднеквадратичного значения, сложения двух графиков, преобразования Фурье и т.д. ПРИМЕРЫ

В качестве простейшего примера анализа поведения схемы в среде LTSpice возьмем генератор прямоугольных импульсов, схема которого при-

ведена на рисунке 2. В данной схеме использован операционный усилитель 741 из библиотеки, однако можно создать собственный. На рисунке 3 показаны осциллограммы для трех точек: на обоих входах и выходе ОУ. Как и следовало ожидать из технических характеристик ОУ 741, выходной сигнал на 20% меньше напряжения питания. Скорость нарастания моделированного выходного сигнала составляет 0,2 В/мкс, что также согласуется с фактическими характеристиками усилителя. Напряжение на неинвертирующем входе (точка b) имеет прямоугольную форму с амплитудой, равной половине величины выходного сигнала. Рассмотрим другой пример (см. рис. 4). Работа генератора полностью определяется номиналом резистора R2 в контуре обратной связи. Верхняя осциллограмма на рисунке 5 получена при величине R2 больше критического значения (около 17 кОм). Выходной сигнал имеет синусоидальную форму с экспоненциально затухающей амплитудой. Если сопротивление R2 меньше критического, амплитуда выходного сигнала схемы экспоненциально возрастает до максимальной величины выходного напряжения ОУ.

ИНЖЕНЕР — ИНЖЕНЕРУ

84

Рис. 1. Рабочая среда LTSpice

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 2. Электрическая схема генератора прямоугольных импульсов

Рис. 3. Параметры сигнала на инвертирующем (а), неинвертирующем входе (b) и выходе усилителя (out)

Инструменты моделирования позволяют получить и другие характеристики схемы, например, зависимость какоголибо параметра от внешних условий или величины другого параметра. На рисунке 6 виден фазовый сдвиг между напряжениями в точке b и на выходе схемы. ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Кроме анализа переходных процессов LTSpice позволяет провести все остальные основные типы анализа: по постоянному и переменному току, параметрический, частотный анализ и т.д. Частотная характеристика контура ОС в схеме из рисунка 4 показана на рисунке 7. Средняя кривая показывает поведение схемы в случае, когда сопротивление R2 равно критическому значению.

Рис. 4. Электрическая схема генератора

ИНЖЕНЕР — ИНЖЕНЕРУ

85

Рис. 5. Выходной сигнал генератора при различных R2

Электронные компоненты №12 2010

Рис. 6. Зависимость выходного напряжения от напряжения в точке b

Рис. 7. Частотная характеристика контура ОС

Мы рассмотрели работу простых схем, однако среда LTSpice позволяет моделировать работу сколь угодно сложных устройств, все зависит от мощности компьютера. Результаты компьютерного моделирования очень близки к результатам реальных испытаний. Однако не следует забывать об ограничениях, связанных с виртуальным тестированием. Работа реальной схемы может отличаться в силу множества факторов, которые сложно или невозможно предусмотреть при моделировании. К таким факторам относятся электромагнитные и высокочастотные помехи, шумы элементов схемы, разброс параметров и т.д.

ЛИТЕРАТУРА 1. Spanner G. Simulation Beats Trial and Error//Elektor №9, 2010.

2. http://www.linear.com.

3. Руководство по работе в LTSpice.

ИНЖЕНЕР — ИНЖЕНЕРУ

86

СОБЫТИЯ РЫНКА | «СИТРОНИКС-НАНО» ПОЛУЧИТ ОБРАЗЦЫ ТЕСТОВЫХ ЧИПОВ С ТОПОЛОГИЧЕСКИМ РАЗМЕРОМ 90 НМ | Совместный проект ОАО «Ситроникс» и ГК «Роснано» оценивается в 16,5 млрд. руб. Как сообщили в прессслужбе «Ситроникса», серийное производство чипов по проектным нормам 90 нм начнется в III кв. 2011 г., а серийный выпуск микросхем 90 нм стартует с 2012 г., после прохождения сертификационных процедур со стороны STMicroelectronics и других поставщиков оборудования для новой фабрики. Согласно договоренности «Роснано» инвестирует в проект 6,5 млрд руб., «Ситроникс» на ту же сумму предоставляет «чистую комнату» и инфраструктурное оборудование 180 нм, а недостающие 3,5 млрд. руб. стороны намеревались привлечь в виде кредита. Срок окупаемости проекта — 8—10 лет в зависимости от рыночной ситуации. Трехстороннее соглашение с STMicroelectronics о передаче технологии 90 нм «Роснано» и «Ситроникс» подписали в марте 2010 г. «Ситроникс» получил лицензию на производство и продажу продукции по технологии 90 нм, а также доступ к правилам проектирования. Специалисты завода «Микрон» прошли обучение проектированию интегральных схем по технологии 90 нм на площадках STMicroelectronics. Карина Абагян, директор по маркетингу ОАО «НИИМЭ и Микрон» сообщила, что на новой фабрике 90 нм «Микрон» будет производить промышленные микроконтроллеры, которые можно использовать в счетчиках или в системах автоматизации технологических процессов. Чипсеты для ГЛОНАСС тоже будут выпускаться на основе технологии 90 нм. Помимо этого «Микрон» будет работать в режиме foundry — оказывать производственные услуги сторонним дизайн-центрам. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Новые компоненты на российском рынке ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ Компактный промышленный компьютер с широким температурным диапазоном от Avalue

Компания Avalue, один из крупнейших производителей промышленных компьютеров и встраиваемых систем, сообщила о выпуске нового промышленного компьютера, рассчитанного на работу в широком температурном диапазоне –40…80°C. Данный компьютер обладает большим набором интерфейсов, в том числе и обязательными в промышленных сетях интерфейсами RS-232, RS-422 и RS-485. Краткие характеристики компьютера: – встроенный центральный процессор AMD Geode LX800 @ 0,9 Вт, 500 МГц с 128-КБ L2; – до 1 ГБ DDR 333/400 МГц SODIMM SDRAM; – разъемы: 3xRS-232, 1xRS-232/422/485, 4xUSB 2.0, 2 Gigabit LAN, 2xSATA, 1xLPT, 16-разрядов цифровых входов и выходов, 1xPC/104; – 18/24-разрядный LVDS, поддержка двух мониторов (CRT + LVDS, CRT + TTL). Благодаря широкому набору интерфейсов, данный компьютер идеально подходит для использования в качестве промышленного контроллера в системах АСКУЭ и «Умный дом». Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО Компактный компьютер от Avalue на новом процессоре Intel Atom серии E6хx с CAN-шиной

Компания Avalue выпустила первый компактный одноплатный компьютер форм-фактора 3,5” (146×101 мм), разработанный на новой x86-совместимой архитектуре Intel Tunnel Creek и поддерживающий шину CAN. Архитектура Intel Tunnel Creek, представляет собой систему-на-чипе с совмещенным северным мостом и процессором. Таким образом, графический контроллер и процессор (серии Intel Atom E6xx) выполнены на одном чипе, а связь с северным мостом осуществляется по высокоскоростной шине PCI Express. Это увеличивает производительность на 50% в графических приложениях по сравнению с другими компьютерами на основе платформы Menlow (процессор серии Intel Atom Z5xx). Свое обозначение — ECM-QB — данный промышленный компьютер получил по названию комплекта микросхем Queens Bay для нового процессора Intel Atom. Благодаря наличию шины CAN, малым размерам, а также встроенным драйверам для поддержки ЖК-панелей, данный компактный компьютер идеально подходит для применения в качестве основы для консоли оператора, работающей совместно с устройствами, передающими данные по шине CAN. Основные характеристики нового компьютера ECM-QB: – процессор семейства Intel Atom серии E620/640/660/680; – системный контроллер (южный мост) Intel EG20T; – припаянное ОЗУ DDR2 объемом 1 ГБ; – 1 CAN-интерфейс; – 2 разъема SATA; – 3 COM-порта;

– 4 порта USB; – цифровые КМОП-входы и выходы GPIO (16-разрядов); – 1 разъем MicroSD; – 1 разъем Compact Flash; – 1 слот для PCIe Mini Card. Образцы доступны для заказа. Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Интеллектуальные драйверы светодиодов от Semtech

Компания Semtech выпустила первые в отрасли токовые драйверы светодиодной подсветки SC667 и SC668 со встроенной интеллектуальной технологией ADP (Automatic Dropout Prevention — Автоматическое Предотвращение Отключения). Применение токовых драйверов светодиодов с технологией ADP в портативных устройствах обеспечивает высококачественную подсветку экрана без использования импульсных стабилизаторов или генераторов подкачки заряда, что не только уменьшает общее число применяемых компонентов, но также увеличивает срок службы аккумулятора. До появления технологии ADP применение токовых драйверов в портативных устройствах не было оптимальным, так как большие нагрузки (например, радиочастотная передача, работа камеры или вспышки, доступ в Интернет) вызывали переходные процессы в линии, вследствие чего происходило незапланированное отключение светодиодов. В токовых драйверах с интеллектуальной технологией ADP такие проблемы отсутствуют, т.к. постоянный автоматический контроль над каждым светодиодом исключает изменение яркости при включении или отключении системных нагрузок. Наличие интерфейса I2C позволяет управлять такими функциями, как включение/отключение светодиодов, программирование тока через светодиоды, включение и установление значений выходного напряжения LDOстабилизатора. Кроме того, в данных микросхемах реализована возможность управления световыми эффектами без внесения изменений во встроенное ПО. Еще одной особенностью новых драйверов Semtech является наличие входа датчика освещенности, в зависимости от которой автоматически регулируется яркость подсветки. Основные технические характеристики: – точность по току ±1,5%; – ШИМ интерфейс со встроенным фильтром нижних частот; – 4 малошумящих LDO-стабилизатора для питания периферийных устройств; – минимальное количество внешних компонентов; – сверхтонкий корпус 20MLPQ 3× 3×6 мм.

Semtech www.semtech.ru

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

«Элтех», ООО 198035, С.-Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

Электронные компоненты №12 2010

87

Содержание журнала «Электронные компоненты» за 2010 г. РЫНОК

№1, 8 Xilinx два года спустя: хорошие продажи, обнадеживающие перспективы №1, 11 «ЭлектронТехЭкспо-2010» — выбирай надежных партнеров! №2, 8 Михаил Симаков, Леонид Чанов, Евгений Андреев, Константин Прилипко Конференция «Новая электроника России — 2010»

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ

№1, 14 Владимир Кондратьев Методы теплового расчета микросхем и дискретных устройств силовой электроники. Часть 2 №1, 18 Илья Усанин Программаторы для серийного производства компании Elnec №3, 16 Валерий Жаднов, Александр Гаршин, Иван Жаднов Дифференцированная оценка влияния ВВФ припроектных исследованиях надежности электронных компонентов

№2, 9 «Юник Ай Сиз» — уникальные микросхемы и опыт

№3, 12 Александр Хабаров Знакомьтесь — производственный альянс «Контракт Электроника» №4, 6 «Контракт Электроника» — продолжение знакомства №4, 10 Выставки «ЭкспоЭлектроника» и «ЭлектронТехЭкспо» празднуют успех! №4, 11 Электроника-Транспорт 2010» — подведем итоги! №5, 6 1-я Всероссийская конференция «Датаком» №5, 9 16 ГГц Agilent Technologies!!! №6, 6 «КБ Навис»: серийность, мультисистемность, конкурентоспособность №6, 6 9 Знакомьтесь: ОАО «Завод полупроводниковых приборов» №7, 6 Promwad. Исповедь №8, 6 Бежать изо всех сил вперед №9, 6 Леонид Чанов Форум «Живая электроника России» №9, 8 Энди Гроув Как создать рабочие места в Америке №10, 6 ГК «Азимут»: устойчивый курс на совершенствование №10, 9 «ЭкспоЭлектроника»: цели наших участников — наши цели №11, 7 «Ангстрем» сегодня и завтра. Интервью №11, 10 «Российская неделя электроники-2010». Итоги

№3, 24 Владимир Бродин Модульная микроконтроллерная система с разделением функций управления и отображения информации №3, 27 Александр Сидоров Особенности нанесения фоторезиста при производстве МЭМС-устройств №4, 16 Алексей Иванов Ключевые моменты тестопригодной разработки №4, 19 Николай Клюквин Современный подход к организации контроля полупроводниковых устройств №5, 14 Александр Щеглов Снижение электромагнитных помех в системе с помощью тактовых генераторов с распределенным спектром №5, 19 Роман Кондратюк Применение полимерных клеев и стеклянных припоев в сборке и герметизации ИС и оптоволоконных приборов №7, 13 Станислав Гафт Современные методы обеспечения качества и надежности электронных модулей и блоков №8, 11 Жен Му Целостность питания при разработке систем №8, 15 Владимир Бродин, Сергей Чернов Конфигурация среды Eclipse/GCC для разработки программ STM32 №9, 13 Питер Блит Третья редакция IEC 60601-1. Изменение требований к источникам питания №10, 11 Станислав Гафт Оптимизация сборочного электронного производства №11, 13 Иван Горяев Между строк datasheet, или как расширить возможности ИС №12, 11 Петр Ильин Проблемы электромагнитной совместимости импульсных источников питания

№12, 6 На своем пути

Электронные компоненты №12 2010

89 С О Д Е Р Ж А Н И Е Ж У Р Н А Л А З А 2 0 1 0 г.

№3, 9 Без стереотипов

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

№2, 56 Марк Фортунато Разработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденсаторов в сигнальном тракте. Часть 1 №3, 31 Марк Фортунато Разработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденсаторов в сигнальном тракте. Часть 2 №3, 38 Геннадий Денисов Шумы в электрических схемах с операционными усилителями №3, 42 Пол Рако Повышение линейности и эффективности РЧ-усилителей №3, 48 Рон Уилсон Создание аналоговой системы с помощью программируемых кристаллов №3, 52 Андрей Никитин Линейные регуляторы компании STMicroelectronics №5, 68 Наталья Кривандина Микро- и маломощные операционные усилители компании Maxim №6, 72 Дейв Коулман, Майкл Мирмак Моделирование компонентов шины Intel QPI

№4, 54 Сергей Игнатов CC430 — лучшее из двух миров №7, 82 Олег Пушкарев GSM-модем AirLink GL6100/GL6110: большие возможности в маленьком корпусе №8, 75 Николай Авдеев, Анатолий Белоус, Виктор Зайцев, Александр Колб Микросхема радиочастотной идентификации с протоколом обмена ISO-15693 №9, 72 Артур Копылов Новинка от Sierra Wireles. GSM-модуль SL6087 №10, 17 Валентин Самсонов Преодоление ограничений скорости передачипо беспроводному каналу №10, 21 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применениев промышленности: сосуществование разных радиосистем №10, 28 Даниил Петров Стандарты беспроводной связи диапазона ISM №10, 33 Алексей Павлов Адресация и профили ZigBee №10, 36 Фрэнк Райал Физический уровень LTE

АЦП И ЦАП

№2, 40 Александр Щеглов Как синхронизировать выборку высокоскоростных АЦП и ЦАП в современных системах связи №2, 44 Ноэл О’Риордан Конвейерные или сигма-дельта АЦП для телекома

№10, 46 Виктор Александров Как высокоскоростные АЦП позволяютреализовывать эффективные SDR-решения

№2, 47 Наталья Кривандина Многоканальные АЦП с синхронной выборкой фирмы MAXIM для промышленных систем сбора и обработки данных

№10, 50 Пробир Саркар Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт усовершенствования протокола MAC. Часть 1

№3, 78 Наталья Кривандина Микросхемы ЦАП фирмы Maxim Integrated Products

№10, 54 Алексей Лезинов Автоматизация тестирования систем связи с использованием оборудования JFW Industries

№3, 83 Андрей Никитин Цифровые потенциометры компании On Semiconductor №5, 73 Эндрю Сиска, Менг Хе Состязание двух архитектур преобразователей: АЦП последовательного приближения против сигма-дельта АЦП

С О Д Е Р Ж А Н И Е Ж У Р Н А Л А З А 2 0 1 0 г.

90

№10, 43 Александр Губа, Омар Гасанов, Расул Гишов Активные фильтры в приемных устройствахрадиовещательного диапазона

№5, 77 Агнес Фейн, Вольфганг Мерик Реализация интрефейса беспроводной сети на FPGA №9, 78 Реза Могими Расчет шумовых параметров АЦП №12, 74 Анатолий Андрусевич Сигма-дельта АЦП компании MAXIM БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

№1, 53 Юлий Крылов, Владимир Тихонов, Нина Шарук Беспроводной доступ последней мили №4, 46 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применение в промышленности

WWW.ELCP.RU

№11, 42 Пробир Саркар Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт усовершенствования протокола MAC. Часть 2 №12, 57 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Передача речевой информации через WPAN №12, 63 Омар Гасанов, Александр Губа, Расул Кишов Принципы построения радиоприемников с цифровой обработкой сигнала ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

№5, 22 Александр Колаев Виртуализованное проектирование встраиваемых электронных систем №5, 28 Дмитрий Прыгунов Процессоры Intel Core: новое наступление x86архитектуры на рынке встраиваемых систем

№5, 31 Майкл Паркер Увеличение пропускной способности промышленных приложений с помощью сопроцессора на FPGA

№9, 64 Стивен Голдман Выбор устройств защиты: TVS-диоды против металлоксидных варисторов

№5, 35 Сергей Тихонов Ключевые направления развития процессорных систем

№9, 70 Бенджамен Джексон Силовые MOSFET нового поколения для транспортных средств нового поколения

№5, 42 Акбер Казми USB и PCI Express: перспективные интерфейсы для встраиваемых систем №5, 46 Леонид Акиншин О новизне процессоров Intel Core i3/i5/i7 №6, 58 Леонид Акиншин О новизне процессоров Intel Core i3/i5/i7. Часть 2 ГЕНЕРАТОРЫ И СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ

№1, 70 Джеймс Уилсон Выбор системы синхронизации: кварц или тактовый генератор? ДАТЧИКИ

№2, 67 Геннадий Сычев 3-осевые микромеханические акселерометры ADXL345 и ADXL346 с микропотреблением и детектором событий №5, 87 Павел Усачев Современные технологии MEMS открывают путь для новых приложений №12, 17 Валерий Жижин Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного применения

№11, 74 Евгений Маркелов Преимущества биполярных транзисторов перед полевыми №11, 76 Максим Соломатин Эволюция IGBT International Rectifier ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА и СИСТЕМЫ

№2, 79 Крис Рехорн Интерполяция sin(x)/x: важный аспект проведения точных измерений с помощью осциллографа №4, 80 Дэвид Балло Новый подход к тестированию конверторов со встроенным гетеродином №5, 50 Валерий Жижин Проектирование измерительной системы для контроллера электромагнитного клапана ИНЖЕНЕР ИНЖЕНЕРУ

№9, 97 Измерение КПД силовых схем №12, 84 Бони Бейкер Улучшение характеристик ИОН №12, 85 Гюнтер Спаннер LTSpice — бесплатная среда проектирования ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

№12, 24 Павел Лагузов, Андрей Соколов Цифровой интеллектуальный датчик — новый подход в отечественном приборостроении

№2, 53 Крис Янг Интеллектуальные преобразователи энергии нового поколения

№12, 28 К Миронов, П Миронова Современные полупроводниковые термочувствительные элементы

№3, 74 Илья Плоткин, Игорь Твердов, Сергей Слепов Источники бесперебойного питания для стационарных и подвижных объектов

№12, 32 Сачин Гупта, Уманат Камат Прецизионное измерение температуры в промышленных системах контроля

№8, 21 Хван-Бон Ку Повышение эффективности импульсных источников питания

№12, 37 Поль Тюрпен Новый класс датчиков переменного тока на основе катушек Роговского с магнитной защелкой петли

№8, 28 Пол Лэйси Расчет цепи поглощения высоковольтного выброса для обратноходового источника питания

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

№2, 72 Олег Стариков Новые низковольтные MOSFET International Rectifier с ультранизким значением сопротивления открытого канала

№8, 32 Ли Кох Цифровое управление источниками питания: оправдание надежд №8, 36 Пол Рако Цифровое управление питанием. Реальность и вымысел

№3, 87 Евгений Силкин Силовые оптотиристоры для преобразователей и регуляторов с фазовым управлением

№8, 42 Александр Соколов Выбор емкостного фильтра для трехфазных мостовых выпрямителей

№9, 59 Джохан Страйдом Как максимально расширить диапазон рабочих параметров силовых GaN-транзисторов

№8, 45 Слободан Кук Безмостовой преобразователь корректора коэффициента мощности с КПД до 98% и КМ 0,999

Электронные компоненты №12 2010

91 С О Д Е Р Ж А Н И Е Ж У Р Н А Л А З А 2 0 1 0 г.

№5, 40 Стефен Олсен Станет ли 2010 г. поворотной точкой для многоядерных СнК?

№8, 51 Сергей Кривандин, Андрей Конопельченко Источники питания Mean Well 2010. Курс прежний: энергосбережение №8, 56 Евгений Рабинович Ультракомпактные DC/DC-преобразователи серии СС -E с дистанционным управлением №8, 60 Олег Сергеев Источники питания Mean Well для промышленной автоматики №8, 65 Евгений Звонарев Батареи и аккумуляторы компании EEMB. Год 2010 №8, 69 Сергей Кривандин Источники питания PEAK для портативной электроники №8, 72 Евгений Рабинович Катодная защита объектов с применением программируемых источников питания TDK-Lambda №11, 46 Слободан Кук Безмостовой ККМ-преобразователь с КПД выше 98% и коэффициентом мощности 0,999.Часть 2 №12, 66 Боб Золло Генерация помех в цепях питания постоянного тока №12, 70 Ирина Ромадина Контроллеры корректора коэффициента мощности ON Semi МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ и DSP

№1, 66 Павел Осипенко Микропроцессоры для космических применений №3, 93 Джозеф Ю Почему стоит переходить на 32-разрядную архитектуру микроконтроллеров №3, 99 Анатолий Тарасов Как увеличить эффективность встраиваемых процессоров №3, 101 Сергей Ковалев Процессоры Samsung + операционная система Linux = простое и эффективное решение для технологии Digital Signage

С О Д Е Р Ж А Н И Е Ж У Р Н А Л А З А 2 0 1 0 г.

92

№7, 55 Виктор Охрименко OMAP35ХХ: возможности и особенности №7, 60 Виктор Никонов Мобильные процессоры Samsung №7, 67 Росендо Бракомонте Дель Торо Создание интерфейса между ПЛИС и МК №7, 73 Лорен Хоббс Увеличение эффективности встраиваемых систем за счет вычислительных блоков №7, 76 Ли Кох Ярче, лучше, меньше №7, 79 Алексей Пантелейчук Управление щеточным двигателем при помощи ARMмикроконтроллеров Stellaris №8, 83 Роман Попов, Джафер Меджахед STM8 — новый игрок на рынке 8-ми битных МК №10, 66 Владимир Егоров Архитектурные инновации в многоядерных ИКМ QorIQ №11, 52 Владимир Трасковский, Юрий Трухан ИС передатчика и приемника последовательных данных стандарта LVDS №11, 61 Хилад Шейнер Сетевая и хост-обработка данных: что лучше? №12, 77 Владимир Смерек, Игорь Потапов, Валерий Крюков, Владимир Горохов Первый отечественный 16-разрядный микроконвертер К1874ВЕ96Т на базе усовершенствованного ядра CS-96 МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

№2, 74 Ирина Ромадина Микросхемы импульсных преобразователей ON Semi с широким диапазоном входных напряжений №4, 73 Тива Буссараконс DC/DC-преобразователи для работы в условиях высоких температур и жестких вибраций

№7, 18 Ким Роу Как избежать убытков при программировании МК

№6, 12 Максим Соломатин Применение компонентов International Rectifier для синхронного выпрямления

№7, 22 Артур Лавриков Архитектуры малопотребляющих процессоров и способы оптимизации энергопотребления

№6, 21 Брайан Кинг Управление синхронными выпрямителями с помощью гальванической развязки для цифровых сигналов

№7, 30 Сухел Данани Новая архитектура ЦПОС с изменяемой разрядностью

№6, 25 Бригитта Хауке Расчет силового каскада повышающего преобразователя

№7, 34 Эрик Кармс Многоядерные архитектуры преображают проводные и беспроводные IP-сети

№6, 28 Валерий Иванов Преобразователь напряжения 1273ПН1Т для стабилизированных источников питания бортовых систем

№7, 40 Братин Саха Модель программирования для гетерогенных платформ на базе архитектуры Intel x86 № 7, 47 Аддикам Санджей, Прашант Паливал Как перейти на Intel Atom с другой процессорной архитектуры

WWW.ELCP.RU

№6, 30 Хеннинг Хауэнштайн Высоковольтные ИС для надежных платформ управления электроприводом №6, 32 Универсальный высоковольтный LED-драйвер IL9910 ОАО «Интеграл»

№6, 34 Стив Нос Обеспечение электрического питания ПЛИС с помощью мощных линейных LDO-стабилизаторов №9, 81 Том Рибарих Проектирование электронного пускорегулирующего устройства для 250-Вт газоразрядной лампы высокой интенсивности №12, 80 Сергей Ефименко, Сергей Шведов, Владимир Цымбал, Сергей Минько Микросхемы понижающих импульсных преобразователей напряжения для источников электропитания МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

№3, 56 Кен Мараско Интеллектуальные драйверы уменьшают энергопотребление и упрощают разводку печатных плат в портативных системах №3, 59 Сергей Кривандин, Андрей Конопельченко DC/DC-преобразователи PEAK в SMD-корпусах для портативных и мобильных приборов

ПЛИС и СБИС

№1, 20 Владимир Шалтырев, Игорь Шагурин Структурная модификация процессорных СФ-блоков для систем на кристалле, реализуемых на базе FPGA №1, 25 Дженифер Стефенсон Решение проблемы метастабильности в цифровых системах на базе FPGA №1, 30 Гленн Штайнер, Дэн Айсаакс Встраиваемые FPGA-платформы для обработки данных №1, 35 Алексей Бумагин, Алексей Гондарь, Михаил Куляс, Александр Руткевич, Владимир Стешенко, Аль-Мехди Тайлеб, Григорий Шишкин Самосинхронные схемы. Особенности и преимущества №1, 39 Илья Тарасов Применение новых семейств FPGA Virtex-6 и Spartan-6 фирмы Xilinx №9, 85 Константин Макаренко Углубление в нано или Softsilicon?

МУЛЬТИМЕДИА и ТЕЛЕКОМ

№4, 23 Александр Пронин Основы построения аудиосетей AoIP №4, 27 Валерий Никифоров 3D-технологии №4, 31 Роберт Боутрайт Новые стандарты IEEE 802.1: единая сеть для всех типов данных №4, 35 Антон Жуковский Мультимедийные возможности процессора Samsung S3C6410 №4, 40 Валерий Жижин Перспективы использования электромагнитного оружия в информационной борьбе и методы защиты от него ОБСУДИМ?

№4, 13 Сергей Осипов Особенности применения отечественных микросхем

№9, 88 Евгений Котельников Программируемая логика Actel №11, 64 Майкл Паркер Как достичь скорости 1 триллион операций в секунду с плавающей запятой на FPGA? ПОСЛЕ РАБОТЫ

№1, 72 Александр Каменский Цифровой запоминающий USB-осциллограф ВМ8021 №1, 75 Клеменс Валенс Как подключить внешнее устройство к ПК №2, 86 Штеффен Граф Подключение внешних устройств к ПК через Bluetooth №2, 88 Андрей Щедрин, Юрий Колоколов Импульсный металлоискатель №3, 109 Андрей Щедрин, Юрий Колоколов Двухчастотный металлоискатель BM8043 — «КОЩЕЙ»

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

№6, 42 Борис Больщиков, Алексей Халявин, Василий Барган Наноконденсатор: новый подход к получению унифицированных керамических емкостных элементов №6, 46 Павел Усачев Современные инновационные решения для высококачественных разъемов №6, 52 Кендал Кастор-Перри Полосовой фильтр: не пренебрегайте катушкой №6, 56 Константин Калаев Линейность и шумовые характеристики резисторов Vishay, изготовленных по технологии Bulk Metal® Foil №11, 81 Владимир Кондратьев Преимущества и недостатки резисторов стандартного типа

№3, 111 Тон Гисбертс Заехать в гараж? Легко! №4, 85 Юрий Колоколов, Андрей Щедрин Универсальный импульсный микропроцессорный металлоискатель ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ №4, 87 Дэниэл Госс Эффективный преобразователь напряжения 5 В №5, 90 Александр Каменский Блок обеспечения доступа на основе RFID-технологии BM3420 №5, 92 Томас Шерер Балансировочное устройство для заряда аккумуляторов LiPo №6, 85 Сергей Слепнев Цифровой USB-термометр BM1707 с мониторингом температуры через интернет

Электронные компоненты №12 2010

93 С О Д Е Р Ж А Н И Е Ж У Р Н А Л А З А 2 0 1 0 г.

№6, 39 Боладжи Оджо Не такие уж и пассивные компоненты

№6, 87 Тон Гисбертс, Тейс Бэкерс Альтернативный источник питания для Hi-Fi-систем №7, 85 Виктор Чистяков Тестирование инжекторных двигателей при помощи USBадаптера BM9213 «МАСТЕР КИТ» №7, 87 Гаральд Шад Контроллер уличного освещения №7, 88 Михаэль Хелцл Предусилитель с удаленным управлением №8, 93 Дирк Герке, Кристиан Хернитшек Модуль дистанционного управления № 10, 76 Гарри Багген Аудио DSP своими руками № 11, 88 Крипасагар Венкат Датчик разбития стекла — всё под контролем СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

№1, 58 Том Рибарих Применение схем электронного балласта в резонансных источниках питания №2, 14 Виктор Александров Выбор оптимального драйвера светодиодной системы. Часть 1 №2, 18 Цзяньчжонг Цзяо Стандартизация светодиодов и твердотельных систем освещения №2, 22 Екатерина Самкова Физический интерфейс передачи данных FC-PI-5

С О Д Е Р Ж А Н И Е Ж У Р Н А Л А З А 2 0 1 0 г.

№1, 43 Виктор Охрименко Широкополосная PLC-технология: проблемы и решения. Часть 1 №1, 50 Сергей Пономарев Повышение точности синхронизации с помощью прозрачных часов №2, 62 Виктор Охрименко Узкополосная PLC-технология. Часть 1 №4, 58 Дзянь У, Роберт Пелокуин Временная синхронизация нескольких устройств по стандарту IEEE1588 при помощи процессоров Blackfin №4, 65 Виктор Охрименко Узкополосная PLC-технология. Часть 2 № 6, 6 62 Виктор Охрименко FSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты №6, 6 68 Грэг Лара Создание периферийных устройств с поддержкой PCI Express на основе FPGA №8, 79 Виктор Охрименко DCSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты №9, 16 Виктор Александров Базовые принципы построения IP-сетей для встраиваемых систем №9, 24 Ян Верхаппен Вопросы безопасности и разработки стандартов для промышленных беспроводных сетей

№2, 27 Разработка надежных развязывающих цепей

№9, 27 Дрю Гисласон Приложения ZigBee: обмен данными, API и PAN

№2, 31 Сергей Миронов Новая продукция и новая система биннинга компании CREE

№9, 30 Николай Кандарацков Сенсорные сети на основе программного комплекса ISON для удаленных объектов

№2, 36 Андрей Конопельченко Новые источники питания Mean Well для светодиодной техники

№9, 33 Дэн Хэрмон USB 3.0: больше, чем просто увеличение скорости

№3, 64 Виктор Александров Выбор оптимального драйвера светодиодной системы. Часть 2

94

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ

№3, 70 Антон Булдыгин Истинные параметры мощных светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel №5, 56 Ирина Ромадина Новинки микросхем светодиодных драйверов ON Semi №9, 75 Ирина Ромадина NUD4700 — электронный шунт для светодиодов от ON Semiconductor №10, 61 Ё Сёк Бин Влияние динамического и статического подавления синфазной помехи на целостность сигнала №10, 63 Марджери Коннер Осветительные системы будущего

WWW.ELCP.RU

№9, 37 Лес Бакстер Шина FireWire без ограничений на расстояние передачи данных №9, 42 Виктор Охрименко Узкополосная PLC-технология: OFDM-модуляция №9, 47 Сэм Дэвис Система на кристалле использует технологию связи по сетям электропитания для управления встраиваемым приложением №9, 52 Дэвид Йе Передача сигнала Ethernet по оптическим сетям со скоростями 10, 40 и 100 Гбит/с №9, 55 Джордж Но Применение усовершенствованных эквалайзеров и 20-м медных кабелей в линиях связи №10, 73 Владимир Трасковский, Олег Рукаль ИС интерфейсных приемопередатчиков с устойчивостью к статическому электричеству на уровне 15 кВ

№11, 69 Виктор Охрименко OFDM-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты СТАНДАРТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ и ПАМЯТЬ

№4, 77 Леонид Авгуль, Борис Иванов, Виктор Кряжев, Сергей Курносенко, Сергей Терешко Микросхема быстродействующего параллельного ЭСППЗУ со встроенным секвенсором адреса 5861РР1Т №5, 81 Леонид Авгуль, Виктор Кряжев, Сергей Курносенко, Сергей Терешко, Леонид Шумов Микросхемы высокочастотных делителей 5861ПЦ1У, 5861ПЦ2У №6, 6 78 Леонид Авгуль, Борис Иванов, Виктор Кряжев, Сергей Курносенко, Сергей Терешко Микросхема быстродействующего восьмиразрядного буферного формирователя 5861АП1У № 12, 82 Павел Максимов Память на фазовых переходах: проблемы и перспективы ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА

№4, 69 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов, Лев Макаров, Андрей Зайцев, Дмитрий Гаронин Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 4. Разработка КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «РУСЭЛПРОМ» №5, 63 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов, Лев Макаров, Андрей Зайцев, Дмитрий Гаронин Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 5. Разработка КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «Русэлпром» № 11, 17 Дмитрий Изосимов, Николай Гнездов,Сергей Журавлев Проектирование асинхронных тяговых электродвигателей и синтез векторного управления тяговыми приводами № 11, 23 Анатолий Виноградов, Дмитрий Изосимов,Станислав Флоренцев, Александр Коротков Станция автономного электроснабжения № 11, 30 Байонгчул Чо, Сангил Йонг Вентильно-индукторные двигатели в «зеленых» системах № 11, 32 Майк Брогли Программируемые ИС смешанного сигнала для управления приводом

№5, 83 Нарасимхан Венкатеш Принципы беспроводного подключения встраиваемых систем по стандарту 802.11n

№ 11, 35 Роберт Калман, Алексей Глубоков SH2A — новое слово в промышленной автоматизации

№6, 6 80 Владимир Кондратьев OLED-технология — перспективное решение для систем освещения?

№ 11, 38 Олег Сергеев Решения на основе электропривода maxon motor и Harmonic Drive для космического применения

№8, 88 Евгений Зыкин ЦАП. Так ли все просто? №9, 94 Филипп Пичо Основы проектирования с помощью силовых ключей MOSFET №11, 84 Михаил Смирнов Современные методы передачи данных ЭЛЕКТРОПРИВОД

№1, 62 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов, Иван Усс, Лев Макаров, Андрей Зайцев Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 3

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ и УЧЕТ РАСХОДА РЕСУРСОВ

№11, 57 Тони Армстронг Системы с накоплением энергии. Информация для начинающих №12, 41 Сунил Махешвари Разработка типового счетчика для интеллектуальных электрических сетей №12, 46 Геннадий Сурков Решения Microchip для счетчиков расхода ресурсов №12, 49 Джеф Груэттер Фотогальванические элементы для энергосберегающих приложений

96

| НА ОСНОВНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМПАНИИ НИТОЛ ПРОИЗВЕДЕНА ПЕРВАЯ ПАРТИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ | Впервые в России это вещество получено на крупномасштабном производстве, общая проектная мощность которого через несколько лет составит 5 тыс. тонн в год. Производственный комплекс по получению поликремний создан в городе Усолье-Сибирское Иркутской области компанией НИТОЛ при участии РОСНАНО, Сбербанка и Евразийского банка развития. К середине 2011 г. мощности производства будут доведены до 3,5 тыс. тонн в год. «Первый в стране поликремний на крупномасштабном производстве — это результат большой и напряженной работы не только всей команды специалистов НИТОЛа. Этот успех был бы невозможен без участия в проекте наших основных российских партнеров — РОСНАНО, Сбербанка и Евразийского банка развития», — прокомментировал событие Председатель Совета директоров компании Дмитрий Котенко. Новый производственный комплекс создает материальную базу для развития российской микроэлектроники. Кроме того, он играет важную роль в формировании новой отрасли российской промышленности — солнечной энергетики. Проект будет способствовать увеличению доли возобновляемых источников в общем производстве электроэнергии и обеспечению рационального использования энергетических ресурсов. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №12 2010

С О Д Е Р Ж А Н И Е Ж У Р Н А Л А З А 2 0 1 0 г.

СОБЫТИЯ РЫНКА