Components & Technologies No.4' 2014 by Pro Media Services

Компоненты и технологии

C o m p o n e n t s

Te c h n o l o g i e s

www.kit-e.ru

№ 4 ’2014 (апрель)

ISSN 2079-6811

№ 4 ’2014

МЭМС-гироскопы и акселерометры Silicon Sensing

апрель Components & Technologies

Обработка радиолокационной информации

Миниатюрные соединители P‑SMP и SMP-MAX повышенной мощности

Тенденции развития

USB-осциллографов Pico Technology

4 (153) '2014

Содержание Рынок

Главный редактор Павел Правосудов | pavel@finestreet.ru

20 лет. Полет нормальный…

Заместитель главного редактора Ольга Зайцева | olga_z@finestreet.ru Выпускающий редактор Ксения Притчина | ksenia.pritchina@finestreet.ru Редактор Елена Якименко | elena.yakimenko@finestreet.ru Наталья Новикова | Natalia.Novikova@finestreet.ru Редакционная коллегия Александр Фрунзе, Иосиф Каршенбойм Светлана Муромцева, Виктор Лиференко

Алексей Славгородский Анализ спроса на электронные компоненты в 2013 году «ЭкспоЭлектроника 2014»: олимпийские достижения

Литературный редактор Мария Куликова

Компоненты

Дизайн и верстка Ольга Ворченко | olga@finestreet.ru

Александр Бекмачев МЭМС-гироскопы и акселерометры Silicon Sensing: английские традиции, японские технологии

Отдел рекламы Ирина Миленина | irina@finestreet.ru Отдел подписки Наталия Виноградова | podpiska@finestreet.ru Москва 105120, Нижняя Сыромятническая, д. 5/7, стр. 4, оф. 218 Тел./факс: (495) 987-3720 СанктПетербург 190121, Садовая ул., 122 Тел. (812) 4381538 Факс (812) 3460665 email: compitech@finestreet.ru, web: www.finestreet.ru

Республика Беларусь «ПремьерЭлектрик» Минск, ул. Маяковского, 115, 7й этаж Тел./факс: (10*37517) 2973350, 2973362 email: murom@premierelectric.com

Отдел распространения СанктПетербург: Виктор Золотарев | victor.zolotarev@finestreet.ru Подписные индексы Каталог агентства «Роспечать» Каталог «Почта России» полугодие год Агентство KSS (тел. в Киеве (044) 2706220, 2706222)

80743 60194 60195 10358

Подписано в печать 14.03.14 Тираж 6000 экз. Свободная цена Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован Министерством Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций. Свидетельство о регистрации ПИ № ТУ 78-00653 от 22 июля 2010 года. Учредитель ООО «Издательство Файнстрит» Адрес редакции 121351, Москва, ул. Ивана Франко, д. 40, к. 1, стр. 2 Издатель ООО «Издательство Файнстрит» 190121, г. СанктПетербург, наб. р. Фонтанки, д. 193Б Отпечатано ООО «Акцент Групп» 194044, Россия, Санкт-Петербург, Б. Сампсониевский пр., д. 60 лит. И.

Ли Ке (Li Ke), Колм Слэттери (Colm Slattery) Точные измерения расхода жидкости в промышленных системах при помощи электромагнитных расходомеров

Светлана Сысоева Разработка нового поколения автомобильных датчиков скорости и положения

Кива Джуринский Миниатюрные соединители P‑SMP и SMP-MAX повышенной мощности

Роман Устинов Клеммы и разъемы Weidmüller совместимые с технологией пайки оплавлением припоя

Микромощный стабилизатор напряжения 1342ЕН5Т

Александр Казакевич Новинки компании Texas Instruments — усилители и преобразователи данных

Энергонезависимая память будущего Fujitsu FRAM

Илья Ахроров Модули оперативной памяти и SSD от Apacer

Валерий Зотов Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на базе расширяемых процессорных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC в САПР Xilinx ISE Design Suite 106

Александр Симчук, Андрей Цыпленков, Олег Шуков, Николай Архипкин Типовые схемы подключения пьезоэлектрических датчиков на примере измерительной аппаратуры НПП «ГлобалТест» 49

Антон Висторовский Базовый маршрут разработки ПЛИС Altera Cyclone V SOC FPGA с аппаратной процессорной системой ARM Cortex-A9 на примере стартового отладочного комплекта SoCrates и референсного дизайна EBV Elektronik. Часть 1 121

Виктор Сафронов Теория и практика применения датчиков угла поворота на основе СКВТ

Майкл Паркер (Michael Parker) Обработка радиолокационной информации: ПЛИС или графические процессоры?

129

Ксения Кондрашова Ящерицы и микроконтроллеры EFM32 Gecko: что общего?

136

Алексей Голощапов Применение МЭМС-технологии в навигации

Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Издательство Файнстрит». Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

4 (153) '2014

Editorinchief Pavel Pravosudov | pavel@finestreet.ru Deputy of editorinchief Olga Zaytseva | olga_z@finestreet.ru

Содержание Блоки питания Николай Лишманов Эволюция и преемственность источников питания

139

Managing editor Ksenia Pritchina | ksenia.pritchina@finestreet.ru Editor Elena Yakimenko | elena.yakimenko@finestreet.ru Natalia Novikova | Natalia.Novikova@finestreet.ru Editorial staff Alexander Frunze Svetlana Muromtseva Victor Liferenko Joseph Karshenbojm Literary editor Maria Kulikova

Силовая электроника Мэтью Дотерайв (Matthew Dauterive) Перевод: Владимир Рентюк Специализированные DC/DC-преобразователи обеспечивают простое и эффективное решение для управления в IGBT-приложениях

146

Design and layout Olga Vorchenko | olga@finestreet.ru Advertising department Irina Milenina | irina@finestreet.ru Subscription department Natalia Vinogradova | podpiska@finestreet.ru Moscow Of. 218, 1 korp., 4, 5/7 Nizhnjaja Syromjatnicheskaja, 105120, Russia Tel. +7 (495) 987-3720 St. Petersburg 190121, Russia, Sadovaya str., 122 Tel. (812) 4381538 Fax (812) 3460665 email: compitech@finestreet.ru web: www.finestreet.ru

Belarus Republic Minsk, Premier Electric Tel./fax: (10*37517) 2973350, 2973362 email: murom@premierelectric.com

Circulation department St. Petersburg: Victor Zolotarev | victor.zolotarev@finestreet.ru Subscription index for Components & Technologies Rospetchat Agency catalogue subscription index 80743

Светотехника Иван Медведев Светодиоды нового поколения GaN-on-Si от Plessey

154

Проектирование Татьяна Колесникова Работа с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Часть 4

169

Владимир Дьяконов MATLAB 8.0 (R2012b) — схемотехническое моделирование в Simscape и SimElectronics

174

Технологии Ай-Ли Куан (Ai-Lee Kuan), Брайн Фец (Brian Fetz) Измерение сигналов DDR с помощью переходника от Agilent

185

Дмитрий Серков Тенденции развития USB-осциллографов АКИП от компании Pico Technology

189

Владимир Дьяконов Осциллографы высокой точности Teledyne LeCroy HDO4000/6000: каналы вертикального отклонения

196

Майя Артюхова, Валерий Жаднов, Сергей Полесский Оценка показателей надежности электронных средств с учетом многофакторного коэффициента качества производства

204

152

Автоматизация HEITEC: больше, чем «просто» корпус

Алексей Раевский, Владимир Бугров, Василий Малахов Проектирование компенсатора дисперсии высокоскоростной волоконно-оптической линии связи

158

Олег Соколов Моделирование и исследование блоков сотовых систем связи в среде MicroCap 9 165

KSS agency Tel. in Kiev: 0442706220, 2706222 subscription index 10358

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

рынок

20 лет. Полет нормальный… «Лихие 90‑е», как их теперь принято называть, были не только временем разрушения советской экономики, распада десятилетиями формировав‑ шихся связей и закрытия лишившихся заказов производств, но и временем возникновения новых предприятий, более приспособленных к новым эко‑ номическим условиям. Сегодня наиболее эффективные из них отмечают юбилеи своей деятельности. Наш корреспондент побывал в «ММП-Ирбис», отметившем в минувшем году свое 20‑летие, и побеседовал с и. о. руково‑ дителя отдела маркетинга Ниной Владимировной Борзиловой о том, как живет и развивается эта компания. — Нина Владимировна, ваше малое многопрофильное предприятие специализируется на разработке и производстве вторичных источников электропитания. В этой нише работают и другие производители — как российские, так и зарубежные. Что обеспечило вам прочные позиции на рынке, что помогло пережить сложные периоды экономических кризисов? — Наверное, самое главное — это наша ориентация на требования потребителей, на обеспечение высокого качества и надежности продукции. Компания создавалась энтузиастами — пятью инженерами-разработчиками, которые впоследствии стали ее основными акционерами. С самого начала они постави-

ли цель: работать на уровне лучших мировых достижений и заключили корпоративный договор с компанией AT&Power Systems, ведущим мировым производителем источников вторичного электропитания. Американцам был интересен российский рынок, нашим инженерам — американский опыт и технологии. Мы старались перенять все передовые наработки в организации разработок, производства, маркетинга. Американские коллеги высоко оценили профессиональный уровень наших инженеров и делились с ними своими знаниями и опытом. Отношения сложились добрые, доверительные: одно время даже рассматривался вопрос о создании совместного российско-американского предприятия.

Американские специалисты приезжали к нам, наши разработчики проходили стажировку в американской компании. Конечно, в то время, да и сейчас, невозможно было скопировать в точности модель американского предприятия здесь, в России, но мы старались реализовать в «ММП-Ирбис» все лучшее, наиболее эффективное, передовое. В любой стране покупатель хочет получать только качественный, надежный источник питания по разумной цене. На это и был сделан основной упор. Только качественными и надежными источниками питания мы смогли завоевать расположение покупателей на российском рынке. Нашу продукцию используют крупные приборостроительные заводы, НИИ. Среди наших заказчиков есть и военные предприятия, а это означает, что у нас четко отлажен весь процесс разработки, оформления технических условий, испытаний, изготовления техдокументации. И если наш ОТК проверил качество — этому можно доверять. — Надо полагать, что ваши конкуренты тоже стремятся обеспечить высокое качество. Чем еще вы привлекательны для заказчиков? — Один из ключевых факторов успеха предприятия на рынке — это гибкость про-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

рынок

изводства, возможность реализовать любое решение по техническому заданию заказчика. Если крупная компания должна для этого очень многое перестроить, то мы можем быстро доработать под нужды заказчика серийно выпускаемое нами изделие или даже разработать что-то совершенно новое. Наше оборудование можно быстро переналадить для выпуска малых серий продукции, а ведь заказчикам часто и требуются небольшие партии источников, точно соответствующие определенным условиям. Большое значение в последнее время имеет тот факт, что наше производство расположено в России. Многим заказчикам важно, чтобы продукция была доступна в короткие сроки, а внутри страны поставки обычно осуществляются быстрее. Кроме того, иногда заказчик (как правило, новый) хочет провести проверку нашего производства с целью убедиться в соблюдении технологий, обеспечении качества. Мы всегда доступны и открыты. Мы гордимся своим производством, хотя есть еще куда развиваться, расти. — Вы говорите, что готовы выпускать небольшие партии. А что для вас означает «небольшие»? — Небольшие партии — это значит от одной штуки. Все те модули и блоки питания, которые представлены в нашем каталоге, считаются «стандартными». Иногда клиенту нужно расширить входной диапазон или изменить выходные параметры, конструктив, длину выводов, цвет корпуса… Каких только требований нет! Мы идем навстречу заказчику. Трудно представить, что какойлибо крупный производитель источников питания в Азии будет прислушиваться к просьбам российского (не крупного) клиента. А мы готовы. И если источник, разработанный для одного заказчика, становится востребован многими другими — это удача.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Кроме модулей для монтажа в печатные платы и сетевых модулей, мы разрабатываем и производим системы бесперебойного питания. Иногда в этом случае выпуск «одной штуки» по техническому заданию (ТЗ) заказчика требует мобилизации нескольких разработчиков, конструкторов. Часто ТЗ выполняется на основе технических решений, ранее не использованных нигде. Это доставляет нам много хлопот, но мы можем себе это позволить. Это для нас элемент маркетинга. Заказчик берет один блок, ставит в макетный образец, испытывает, а уже потом думает о закупке партии. — Какая категория продукции приносит вам сегодня максимальный доход? — Продукция нового направления — источники для светодиодных светильников. Три года назад мы начали выпускать драйверы для светодиодов серии А220. Имея многолетний опыт разработки и производства источников вторичного электропитания, мы не могли остаться в стороне от этой потребности современного рынка. Многие «трудности роста» этого проекта мы уже преодолели: добились высокого качества и низкой цены этих источников, поддерживаем на складе достаточный запас самых покупаемых моделей, постоянно улучшаем технические характеристики драйверов. И конечно, следим за развитием рынка светодиодов и светодиодных светильников в России, чтобы предугадать потребности конечного потребителя. Что касается нашей традиционной номенклатуры, то наши модули питания для монтажа на печатные платы, AC/DCпреобразователи, инверторы и системы бесперебойного питания по-прежнему пользуются спросом у наших постоянных покупателей и применяются в новых разработках. Однако в 2013 году мы отметили некоторый спад продаж наших модулей (покупатели

называют их «Ирбисами») с приемкой «1». Часть заказчиков ссылается на спад отрасли в целом, на уменьшение объемов заказов конечных потребителей. Многие переходят на использование в своих проектах источников вторичного электропитания с приемкой «5» взамен комплектующих с приемкой ОТК. Мы не хотим упустить этот рынок, поэтому создали дочернее предприятие «Ирбис‑5», производящее изделия с приемкой «5». Наши источники вторичного электропитания серии ВР 24 и ВР 27 уже включены в ограничительный перечень МОП44 Министерства обороны. Но, конечно, на этапе завоевания рынка говорить о доходности этой продукции пока не приходится. — Как у вас обстоят дела с кадрами? — Штат у нас небольшой, особенно административный. На трех наших предприятиях — «ММП-Ирбис», «Инвертор» и «Ирбис‑5» — работает менее 300 человек. Используем людские ресурсы не только из Москвы и Подмосковья, но и из соседних областей: цеха дочернего общества «Инвертор» построили в 2000 году в 200 км от Москвы, в Калужской области. Там у нас два производства — моточное и сборочное, оба оснащены современным оборудованием, а весь персонал набран из местных жителей. Сотрудников стараемся беречь. Не жалеем средств на повышение квалификации и обучение, растим специалистов. С удовольствием берем на производственную практику студентов профильных вузов и колледжей. «Текучка» кадров у нас небольшая, люди работают подолгу. Было несколько случаев, когда специалисты уходили, а потом снова возвращались на предприятие. — Много ли у вас разработчиков? — Наш «мозговой центр» — около 10 человек, это наш золотой фонд. Наш генеральный директор Анатолий Владимирович Лукин — доктор технических наук, профессор, академик www.kite.ru

рынок

АЭН РФ. Само предприятие «ММП-Ирбис» является коллективным членом Академии электротехнических наук Российской Федерации с мая 2007 года. Среди наших разработчиков есть и кандидаты технических наук, и молодые специалисты. Каждый занимается своим направлением. Иногда проводим ротацию, стараясь учитывать интересы самого специалиста, потому что лучше всего человек делает ту работу, которая ему интересна. Берем к себе выпускников вузов, которые студентами проходили у нас практику. — На сегодня ваша основная продукция — модули вторичного электропитания для печатных плат. Почему заказчики берут ваши модули, а не зарубежные — китайские, например, которые выпускаются в огромных количествах и стоят дешево? — Для покупателя важна не только цена. За 20 лет работы на российском рынке мы, что называется, заработали себе имя. Важны качество, надежность источников, а также сложившиеся отношения между предприятиями. Тут все имеет значение — надежность поставок, гарантии, возможность быстро отреагировать на потребность заказчика, гибкая дебиторская политика, старые традиции, отношения между менеджерами. Конечно, мы не одни на рынке. У нас есть конкуренты в России. Но если конкурентов на вашем рынке нет, то, вероятно, вы занимаетесь тем, что никому не нужно! — Вернемся к рынку. Ощущаете ли вы давление китайских производителей? — Конечно. И с каждым днем все сильнее. У многих в головах отложилось, что китайское — это значит некачественное. Но на самом деле китайцы — это великая нация, с самой высокой в мире производительностью труда и железной дисциплиной. Они могут делать очень хорошие вещи, и у них есть разные компании: где-то продукцию делают «на коленке», а есть уже предприятия, которые давно наработали свое качество и действительно производят продукцию на мировом уровне. Так что важно работать с хорошими поставщиками. Конкурировать с китайцами в цене мы не можем. На передовых китайских предприятиях очень высокая производительность и очень высокая организация производства в плане экономии ресурсов: и свет, и вода, и помещение используются по максимуму. Если нужно оборудование, оно будет куплено, они к этому очень внимательно относятся. При этом зарплата у работников там невысокая: наши люди на такую зарплату не пойдут. К тому же государство им помогает на разных уровнях, предоставляет налоговые льготы для тех, кто начинает свой бизнес в области электроники… — Получается, что китайцы могут вас обойти? — Могут. Они могут делать очень качественную электронику по хорошей цене. Это наши наиболее серьезные конкуренты.

— За счет чего вы можете у них выиграть? Только за счет гибкости выполнения заказа, готовности выпускать малые партии и делать их быстро… — Да, благодаря всему перечисленному и тому, что мы все-таки работаем в России. Сейчас это очень много значит, заказчикам гораздо легче взаимодействовать с нами, особенно если дело касается разработки новых изделий, выполнения гарантий, надежности каналов поставки. — Вы сказали, что три года назад начали осваивать новую нишу — источники для светодиодных светильников. Насколько значительным был для вас этот шаг? — Чтобы обеспечить развитие предприятия, нужно держать руку на пульсе рынка, осваивать новые направления. Три года назад мы решили инвестировать силы и средства в производство источников для светодиодных светильников, поскольку наш опыт дает нам право рассчитывать на успех в этой перспективной области. Пришлось значительно увеличить штат, закупить оборудование, оборудовать дополнительные производственные площади. Мы сделали очень много модификаций светодиодных драйверов: принимали все заявки, какие были, чтобы понять, какие из типономиналов будут наиболее востребованы на российском рынке. Потом выделили из этой огромной массы те модели, которые стали серийно производить. Сейчас мы выпускаем 2500 источников в смену, и у нас еще есть производственные резервы: мы готовы увеличить объем в два раза в течение недели. — Сформировался ли уже этот рынок? — Нет, он еще только формируется. Это достаточно емкий рынок, молодой и быстрорастущий: рано или поздно на светодиодное освещение придется перейти всем. И в офисах, и в производственных цехах, и на улице. Это выгодно не только в плане экономии энергоресурсов и денег, которые потребитель платит за электроэнергию, но и в плане экономии затрат на сервис, на обслуживание. Могу сослаться на наш опыт: три года назад в нашем московском офисе и на производстве мы заменили все потолочные светильники на светодиодные (конечно, с нашими драйверами). С тех пор ни разу не меняли никаких ламп, светильников, не было нужды звать электриков со стремянками… А если все существующее уличное освещение, например, небольшого города заменить на светодиодные светильники — представляете, как можно разгрузить сервисные службы? — Каково это — работать на несформировавшемся рынке? Велика ли конкуренция? — Многие взялись за это направление, полагая, что там все очень просто: выбрать светодиоды, источник питания, корпус, рассеиватель — и вот тебе уже светильник. На самом деле должны быть проведены расчеты, технические испытания — по теплу, по свету. Должно быть учтено все: в каком

климате будет использоваться светильник, в помещении офиса или школы, в производственном цехе или на улице, к какой электрической сети будет подключаться, какую конструкцию будет иметь корпус светильника… Иногда мы наблюдаем, что в светильнике и светодиоды замечательные, и драйвер отличный, и схема правильная, и качество сборки хорошее, а светильник «неживой»: то светит недостаточно ярко, то не зажигается в нужном температурном диапазоне. Поэтому прежде чем запустить проект, мы вместе с разработчиками светильников стараемся испытать весь светильник в сборе, чтобы гарантировать его работу и дать рекомендации по монтажу на объекте. Среди наших заказчиков есть мощные заводы, которые наладили выпуск светильников, прочно стоят на ногах и ведут новые разработки. У них постоянно растут потребности, меняются номиналы, они просят новые образцы. Есть у нас и сеть дилеров. Такие великаны рынка радиоэлектронных компонентов, как Rainbow Electronics, «Микро-ЭМ» (Москва), «КОМПЭЛ», LiteSvet, не только продвигают нашу продукцию на рынке, но и создают проекты, в состав которых входят наши источники, ведут постоянную работу с потребителями. Есть еще много небольших предприятий, выпускающих в месяц одну-две тысячи светильников. У них широкая линейка продукции, в которую входят и светодиодные светильники. Рынок сложный — непонятно, что завтра потребуется покупателю. Сами светодиоды очень быстро меняются, повышается их качество: улучшается светоотдача, увеличивается долговечность и т. п. Сравнительный анализ продаж 2012‑го и 2013‑го годов показал, что самый быстрый рост у нас именно по светодиодным драйверам: в 2013 году продажи этой продукции увеличились в 2,8 раза. И это неудивительно, потому что сам этот рынок очень быстро растет. — Сказывается ли на вашем бизнесе стагнация рынка и общее замедление развития экономики? — В 2012‑м наш оборот составил порядка 700 млн рублей, итоги 2013 года еще не подведены. Конечно, кризисные явления вызывают у нас опасения. Но думать нужно не о кризисе, а о покупателе, о его проблемах, потребностях. Этим и будем заниматься в наступившем году — работать. — Что ж, ваше предприятие может послужить для других малых предприятий России вдохновляющим примером эффективной организации работы. Желаем вам успехов в наступившем году! — Спасибо вам за добрые слова, за интерес к нашей компании. Хочу воспользоваться случаем и поблагодарить наших покупателей за оказанное нам доверие. Это доверие обязывает нас развиваться, стремиться к новым достижениям. Интервью провел Юрий Курочкин

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

рынок

Анализ спроса на электронные компоненты в 2013 году

Алексей Славгородский, к. ф.-м. н. alexey@efind.ru

Мы продолжаем цикл статей [1, 2], посвященных анализу российского рынка электронных компонентов (ЭК) на основе статистики поисковой системы eFind.ru. Поисковые запросы к eFind.ru представляют собой наименования ЭК (партномера), а результатом поиска является инфор‑ мация о наличии и стоимости такого компонента на российском рынке. С помощью анализа этих запросов можно исследовать спрос на электрон‑ ные компоненты на отечественном рынке. В статье представлены результаты анализа спроса на ЭК в 2013 году.

Размер аудитории и географическая принадлежность посетителей На рисунке показаны изменения ежемесячного числа поисковых запросов и ежемесячного числа уникальных посетителей eFind.ru. Под уникальным посетителем подразумевался конкретный IP-адрес, с которого делались запросы.

Судя по приведенным на рисунке графикам, и количество запросов, и количество посетителей в 2013 году существенно не изменились, происходили только сезонные колебания. В таблице 1 приведены данные о региональной принадлежности пользователей eFind.ru. Как видно, распределение долей в первой десятке регионов за год практически не изменилось. Как и в 2012 году [1], интересная ситуация наблюдается в Санкт-Петербурге и Украине. Из СанктПетербурга приходит заметно меньше посетителей, чем из Украины, но эти посетители делают в 4–5 раз больше поисков. Есть предположение, что это связано с удовлетворенностью посетителей результатами поиска. Среди участников поиска eFind.ru не так много поставщиков из Украины, и этого количества, скорее всего, недостаточно для полноценной работы украинских потребителей ЭК с eFind’ом. С другой стороны, сравнение долей поисков и посетителей для Санкт-Петербурга может свидетельствовать о том, что в этом городе есть достаточное количество закупщиков ЭК, которые активно пользуются eFind.ru. Также повышенное количество поисков на одного пользователя, как следует из анализа таблицы 1, наблюдается в Чебоксарах и Томске.

Интересы аудитории

Рисунок. Динамика ежемесячного числа поисковых запросов и количества уникальных пользователей

Таблица 1. Доля посетителей (в%) из различных регионов Январь 2013 г.

Декабрь 2013 г.

Регион Москва Санкт-Петербург Беларусь Украина Новосибирск Екатеринбург Чебоксары Нижний Новгород Томск Воронеж

Поиски

Посетители

Поиски

Посетители

30 18,2 4,7 4 3,5 2,9 1,6 1,5 1,3 1,3

23,2 7,6 4 9,9 2,2 2,2 0,5 1,5 0,5 1,2

34,6 17,3 3,9 3,5 3,1 2,9 1,5 1,2 1,1 1,5

23,3 8 3,6 9,5 2,1 2,1 0,5 1,8 0,6 1,2

В таблице 2 приводятся 20 наиболее часто запрашиваемых в 2013 году производителей ЭК. Для каждого из них приводится его доля в поиске на eFind.ru (среднее значение за год). По сравнению с 2012 годом существенных изменений нет. В таблице 3 представлены 20 наиболее часто запрашиваемых товарных групп электронных компонентов. Для каждой группы приводятся ее относительная доля в поиске на eFind.ru и несколько наиболее часто запрашиваемых производителей компонентов этой группы. Основное отличие от аналогичного рейтинга за 2012 год [1] — существенный рост долей групп «Конденсаторы» и «Резисторы». Это связано с тем, что мы научились точнее классифицировать запросы по этим типам компонентов. Способам выделения запросов, посвященных пассивным компонентам, была посвящена отдельная статья [2]. Расчет, проведенный по старой методике, дает для конденсаторов долю, равную 2,2%, а для резисторов — 1,3%.

Переходы на сайты поставщиков и бренды Более точно об интересах пользователей можно судить по их обращениям к поставщикам, представленным на eFind.ru. Единственной, по сути, характеристикой, по которой мы можем судить о количе-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

рынок

Товарная группа

Доля в поисках, %

Таблица 3. Товарные группы ЭК, которые пользователи eFind.ru запрашивали чаще всего

Конденсаторы

3,62

Регуляторы напряжения

2,79

Усилители и компараторы

2,48

Резисторы

2,27

Микроконтроллеры

2,2

MOSFET, FET

2,15

Системы разработки

1,79

Транзисторы (BJT)

1,77

Выпрямители (Rectifiers)

1,75

Память

1,44

Интерфейсы: драйверы, приемники, трансиверы

1,42

DС/DСпреобразователи

1,4

Индукторы, катушки, дроссели

1,38

Сенсоры, датчики

1,24

Управление питанием: разное

1,2

Коннекторы: разное

1,03

Диоды Зенера

0,97

АЦП/ЦАП

0,91

TVS-диоды

0,89

Оптопары

0,86

Производители

Доля в группе, %

Murata 13 AVX 9 Kemet 7 Texas Instruments 28 Rochester Electronics 24 ON Semiconductor 10 Rochester Electronics 30 Texas Instruments 20 Analog Devices 18 Bourns 12 Yageo 11 Vishay 10 Atmel 36 Microchip 19 STMicroelectronics 11 International Rectifier 24 Vishay 12 Fairchild Semiconductor 10 Texas Instruments 31 Maxim Integrated 10 Analog Devices 7 Rochester Electronics 11 ON Semiconductor 10 NXP 9 Vishay 14 Diodes, Inc. 10 Rochester Electronics 10 Atmel 20 Micron 9 Ramtron 7 Rochester Electronics 25 Texas Instruments 17 Maxim Integrated 17 Texas Instruments 32 Traco Electronic 17 Rochester Electronics 7 Murata 27 Bourns 15 Sumida 14 Rochester Electronics 11 Honeywell 11 Analog Devices 8 Texas Instruments 33 Power Integrations 12 STMicroelectronics 11 Нет данных Нет данных Vishay 13 Micro Commercial 12 Components Diodes, Inc. 11 Rochester Electronics 34 Analog Devices 31 Texas Instruments 19 Littelfuse 12 Vishay 11 Taiwan Semiconductor 8 Avago 17 Fairchild Semiconductor 15 Analog Devices 12

Таблица 2. Производители, продукцию которых пользователи eFind.ru запрашивали чаще всего

Таблица 4. Производители, при поиске продукции которых пользователи eFind.ru чаще всего переходят на сайты поставщиков

Производитель

Доля в поисках, %

Производитель

Доля в общем числе переходов, %

Rochester Electronics Texas Instruments STMicroelectronics Analog Devices Vishay Fairchild Semiconductor ON Semiconductor NXP Maxim Atmel Diodes, Inc. Murata International Rectifier Micro Commercial Components Bourns Taiwan Semiconductor Microchip TE Connectivity Infineon Epcos

10,5 5,6 3,4 3,2 3 2,7 2,7 2,3 1,9 1,4 1,4 1,4 1,3 1,1 1,1 1 1 1 0,9 0,9

Texas Instruments STMicroelectronics Analog Devices Vishay ON Semiconductor NXP Maxim Atmel International Rectifier TE Connectivity Microchip Fairchild Semiconductor Murata Mean Well Bourns Infineon Kingbright Epcos Molex Linear Technology

3,93 2,42 2,09 1,74 1,48 1,41 1,37 1,17 0,95 0,92 0,9 0,89 0,89 0,75 0,68 0,68 0,61 0,6 0,43 0,43

вых результатов eFind.ru. Если основываться на информации о производителях компонентов, которую нам предоставляют поставщики, то можно определить производителей, по продукции которых пользователи eFind.ru чаще всего связываются с поставщиками (точнее, переходят на сайт поставщика). В таблице 4 приводятся первые 20 производителей. Если сравнить таблицы 2 и 4, то можно заметить явную корреляцию между двумя рейтингами производителей. Главное отличие — отсутствие в таблице 4 производителя Rochester Electronics. Объяснить это можно тем, что Rochester Electronics специализируется на производстве компонентов, на которые существует спрос, но которые либо существуют на рынке давно, либо даже уже сняты с производства изначальным производителем. Их линейка пересекается с линейками прочих производителей ЭК, так что, когда пользователь eFind.ru ищет, например, MAX232ECD, этому запросу соответствует не только компонент от Texas Instruments, но и от Rochester Electronics. Однако российские дистрибьюторы ЭК редко позиционируют поставляемые компоненты как произведенные RE, предпочитая указывать оригинальный бренд. Поэтому

в рейтинге из таблицы 4, который, как мы уже сказали, построен на основе информации от поставщиков, Rochester Electronics не попадает даже в первую сотню.

Выводы В 2013 году наблюдалось некоторое падение числа поисковых запросов. При этом интересы пользователей существенным образом не изменились. Чаще всего запрашивают продукцию Rochester Electronics, Texas Instruments, STMicroelectronics и Analog Devices. Из типов компонентов наибольший интерес российские компании проявляют к конденсаторам, регуляторам напряжения, усилителям и компараторам, резисторам и микроконтроллерам. n

Литература 1. Славгородский А. Анализ спроса на электронные компоненты в 2012 году // Компоненты и технологии. 2013. № 4. 2. Славгородский А. Анализ запросов, посвященных пассивным электронным компонентам // Компоненты и технологии. 2013. № 7.

стве обращений, является число переходов по ссылкам на сайты поставщиков, которые пользователи видят в результатах поиска. Телефонные звонки и письма по электронной почте мы контролировать, по понятным причинам, не можем, а запросов на уточнение условий поставки, которые пользователь может сделать с помощью специальной вебформы, поступает слишком мало (примерно 2000–3000 в месяц). В 2013 году пользователи около 350 000 раз переходили на сайты поставщиков из поиско-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

новости

рынок

«ВЕКТ» — официальный представитель и дистрибьютор Narda Microwave-East в России и странах СНГ Официальным представителем и дистрибьютором Narda Microwave-East в России и странах СНГ (Беларусь, Украина, Казахстан, Армения) стал Центр инженерно-технических решений (ООО «ВЕКТ»), специализирующийся на поставке СВЧ-компонентов и оказании различных инженерно-консультационных услуг. Являясь многолетним партнером Narda Microwave-East, «ВЕКТ» обеспечивает поставки и техническое сопровождение всего спектра продукции этого производителя, включая заказные разработки. Narda Microwave-East является одним из крупнейших и широко известных производителей высокочастотных электронных компонентов в мире. Компания начала свою деятельность в 1953 году и сейчас входит в состав L‑3 Communications (оборот группы в 2012 году составил $13 млрд).

Narda была одной из 10 формирующих компаний, вошедших в L‑3 Communications в 1997 году. Компания специализируется на производстве высококачественных СВЧ-продуктов: ответвителей, делителей мощности, аттенюаторов, терминаторов, фазовращателей, детекторов и адаптеров, электромеханических коммутаторов, коммутаторов на PIN-диодах, функционально законченных СВЧ-блоков, измерительного оборудования, а также оборудования для обеспечения безопасности при работе в электромагнитном поле. Продукция компании хорошо зарекомендовала себя в широком спектре аэрокосмических, оборонных и измерительных применений. www.etsc.ru

«ЭФО» — дистрибьютор JDGA жает антенну по качеству приема сигнала к спиральным антеннам. Антенны характеризуются широкой диаграммой направленности, устойчивостью характеристик вблизи тела человека и не требуют наличия земляного полигона. Антенны рекомендованы для портативных устройств, в том числе многофункциональных. В линейке продукции компании представлены антенны с разъемом SMA и с контактами для монтажа на плату, внешние и встраиваемые в корпус

устройства. Большое внимание компания уделяет вопросу монтажа антенны на плату. Предлагаются различные варианты: • контакты в виде усиков, за кромку платы; • контакты в виде ножек, перпендикулярно плате; • контакты в виде пластины, пайка на плату; • SMA-разъем. Для GPS-устройств, кроме пассивных антенн, разработаны модели с усилителем. www.efo.ru

Компания «ЭФО» заключила дистрибьюторское соглашение с американской компанией JDGA — производителем керамических квадрифилярных антенн для диапазонов GPS, ГЛОНАСС, Galileo, IRIDIUM, Wi-Fi. В линейку продукции компании входят керамические многодиапазонные Quad-V‑антенны, состоящие из керамического цилиндра и размещенных на нем четырех V‑образных проводников. Такое размещение обеспечивает линейную поляризацию по четырем направлениям и прибли-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

рынок

«ЭкспоЭлектроника 2014»: олимпийские достижения 15 апреля начнут свою работу 17‑я международная выставка электрон‑ ных компонентов и комплектующих «ЭкспоЭлектроника», 12‑я между‑ народная выставка технологического оборудования и материалов для производства изделий электронной и электротехнической промышлен‑ ности «ЭлектронТехЭкспо» и 4‑я международная выставка светодиодных решений, чипов и оборудования для их производства — LEDTechExpo. Организаторы — ООО «ПРИМЭКСПО» и группа компаний ITE — приглаша‑ ют всех желающих посетить павильоны столичного выставочного центра «Крокус Экспо», познакомиться с новинками отрасли и принять участие в насыщенной деловой программе.

ыставка «ЭкспоЭлектроника» пройдет в третьем зале павильона № 1, где соберутся представители более чем 330 компаний из 20 стран мира, чтобы продемонстрировать свои достижения. На стендах выставки будут представлены: полупроводниковые устройства, электромеханические компоненты и технологии соединений, встроенные системы, дисплеи, источники питания, печатные и другие платы для монтажа, пассивные компоненты, оборудование и ПО для тестирования измерений, узлы и подсистемы, встраиваемые и бортовые соединения, системы автоматизации управления предприятием и другие ИТ-решения в промышленности. А также: нанотехнологии для предприятий радио- и микроэлектроники, приборостроения, кабельной промышленности, электроэнергетики, ВПК, металлургии и автомобилестроения, нефтегазового сектора, авиа- и аэрокосмической отрасли, предприятий транспорта, фотовольтаики, телеком-сектора и связи, медици-

ны, научно-исследовательских организаций и образовательных учреждений. Впервые в «ЭкспоЭлектронике» примут участие компании «Авив Групп», «Альтелион ТД», «Вектор», «Дана-НН», «ДипКом», «Завод электрохимических преобразователей», СП «Интеграл СПб», «Лазерформ», ИЗАГРИ, «МостНИК-ЗИРАСТ», КОДО, «Sages электроникс», «Тронитек», «Источник Бэттэрис», «ЕвроЛюкс Групп», «Модуль НТЦ», «Русьсервис», «Руднев‑Шиляев», «Светодиодные решения», «Промтехкомплект», «Селифонтово КФХ», «Центр Перспективных Технологий и Аппаратуры», ЭМСИ, ГК «Этимарк», «Воздушные фильтры М», «Юста», «МФарм», «Фортэкс», ЭМСИ, ОЭЗ «Зеленоград», Stockmeier Urethanes GmbH, Cosmo Ferrites, Betlux Electronics Co., Reliance Technology Development, Kyocera, Rohm Semiconductor, Chipital Ltd., EA Elektro-Automatik GmbH & Co.KG, Tommy-Invest Elektronikai KFT, MLB Electronics Ltd. и многие другие.

Объединенные экспозиции департамента радиоэлектронной промышленности и ГК «Ростехнологии» представят свыше 60 российских производителей и разработчиков. Много интересного обещают национальные стенды Китая, Тайваня. В рамках деловой программы выставки состоятся круглые столы «Россия и Тайвань: возможности сотрудничества, инвестиций в высокотехнологичные компании и научные парки», «Фотовольтаика — новый вектор развития электроники», «Электроника в медицине». Представители компаний-экспонентов дадут исчерпывающие консультации по своей продукции и ее применению. Компания «ГАММА Санкт-Петербург» на стенде 3D01 покажет сразу несколько новинок: уникальную систему резервного питания для терминалов ЭРА-ГЛОНАСС с диапазоном рабочих температур –40…+85 °C от производителя VARTA Microbattery. Официальный дистрибьютор компании

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

рынок

Microchip Technology продемонстрирует драйверы управления бесколлекторным двигателем постоянного тока (БДПТ, BLDC), решения MCP8024 для использования в промышленных и автомобильных устройствах (позволяют управлять сразу шестью N‑канальными ключами, что значительно увеличивает эффективность и сокращает себестоимость приложения), расширенную серию микроконтроллеров dsPIC: новое семейство отличается от предшествующего dsPIC33EP расширенной до 512 кбайт программной и до 48 кбайт ОЗУ-памятью, четырьмя интегрированными операционными усилителями, расширенной аналоговой периферией. А новое семейство PIC32MZ, разработанное для современных встраиваемых применений, которым требуются высокая производительность, большой объем памяти и мощная периферия, позволяет разработчикам решать такие задачи, как работа с графикой, приложения реального времени и высоконадежные системы, используя один микроконтроллер (просто и недорого!). Наконец, новая серия транзисторов NXP Semiconductors N. V., и маршрутизаторы DIGITransportWR44RR класса Enterprise для применения на транспорте представит DIGI International. Компания АВИТОН на стенде 3F02 выставит новинки Mean Well: источники питания для медицинского применения серии MSP‑600 (обеспечивают КПД до 89%, что позволяет им работать с полной мощностью в диапазоне температур от –40 до +50 °C), а также конвертер DAP‑04 для управления светодиодным источником питания с ШИМвходом при помощи интерфейса DALI. Завод электрохимических преобразователей на стенде 3Е36 представит широкий ряд гипертеплопроводящих материалов, фильтров тонкой очистки газов, фильтрующих элементов ФЭН-С, ФЭН-ПР, ФЭН-ПА и высокоэффективных фильтров для очистки газов. Более 110 участников выставки «ЭлектронТехЭкспо» развернут свои экспозиции в павильоне № 1, залах 1 и 2. Среди них известные российские и международные бренды технологического оборудования и материалов для производства полупроводников, разработки микросистемных технологий, решений для обработки материалов, обработки кабелей, печатных плат и других носителей схем, технологии монтажа компонентов на поверхность плат, пайки, чистовой обработки изделий, оборудования для чистых помещений, контрольно-измерительных систем, сферы испытаний и измерений и др. Среди участников: «Абсолют Электроникс», Agilent Technologies, Pfarr Stanztechnik GmbH, «Миллаб», «Ай Ви Тек Электроник», «Базальт», «Вилком Холдинг», «Глобал Инжиниринг», «Дарском», «Диал», ГК «Диполь», «Евроинтех», «Икар», «Иммертехник», «Квант Минерал», КВС,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

«Клевер Электроникс», «Аргус-икс», «АСКРентген», «Ассемрус», «Инженерные технологии», ТПК, НТНК, «Лазерформ», «Лайнтест», «Ламинарные системы», «Лионтех», «Лекрой Рус», «Лассо-центр», «Мастер-тул», «Мостник-Зираст», National Instruments Russia, НИЦЭВТ, «Новые технологии», «Нордсон EFD», ГК «Остек», «Петрокоммерц», «Планар», «Прист», «Радуга КВП», НПП, РТС «Инжиниринг», ГК «Симметрон», «Синеркон», «Совтест АТЕ», «Спецтехоборудование, НПП, «Спринг Электроникс», «Тестприбор», «Виндэк», «Техно-Альянс Электроникс», «ТСК-инжиниринг», «Фармстронг», «ЭлекТрейд–М», «Эликс +», «Элма», «ЭлТех СПб», «Эм Эс Эйч Техно», ГК «Этимарк», «ЮЕ-Интернейшнл» и многие другие. В рамках выставки пройдет 35 технических семинаров и презентаций производителей и поставщиков оборудования и материалов для электронной и электротехнической промышленности. На многофункциональной демонстрационной площадке ПРОФ-АРЕНА состоятся мастер-классы монтажников. Новинки выставки «ЭлектронТехЭкспо»: ГК «Остек» в зале № 2 на стендах 2C02, 2B02, 2A04 представит всем категориям производителей широкий спектр возможностей для развития, в том числе решения для производства радиоэлектронной аппаратуры; по системному управлению качеством и планированием на предприятиях; для производства электронных компонентов и микросборок; для обработки и маркировки проводов; для изготовления жгутов и моточных изделий; для организации электрического контроля; для организации испытаний и тестирования; для производства печатных плат, гальванических и химических покрытий. А также решения в области технологических материалов, для оснащения рабочих мест и автоматизации складов. А в зале № 1 на стенде 1А01 ГК «Остек» покажет новейшие технологические решения для производства трехмерных схем на пластике и новые разработки в области печатной электроники. 3D-MID — эта технология переживает сегодня второе рождение. Решения такого уровня направлены на миниатюризацию продукции электроники, снижение ее себестоимости и повышение функциональности за счет применения пластиковых элементов конструкции для сборки электронных схем или организации системы соединений. Здесь же будут продемонстрированы результаты разработок в области печатной электроники (гибкие печатные электролюминесцентные и электрохромные дисплеи, солнечные батареи, антенны для различных частотных диапазонов, батарейки и др.), а также результаты совместного проекта с ИРЭ РАН по исследованию характеристик печатных излучателей на бумаге и полиамиде. В программе выставки три доклада о технологиях (обзор методов нанесения и сушки/спекания функциональ-

ных материалов) и потенциальной области применения изделий печатной электроники (включая системы освещения, солнечную энергетику, автоэлектронику, медицину, легкую промышленность, розничную торговлю, спецтехнику). Впервые участие в выставке (зал № 2, стенд 2С07) примет немецкий производитель заливочной массы Stobicast Stockmeier Urethanes. Этот изоляционный материал, предназначенный для различных электротехнических и электронных компонентов, может использоваться в производстве трансформаторов, конденсаторов, сетевых фильтров, преобразователей тока и напряжения, в печатных платах, а также для заливки сенсоров или LED. ГК «Диполь» на стенде 2А04 и 2А06 в зале № 2 продемонстрирует: 1. Оборудование компании Schleuniger для автоматизации производственных процессов, связанных с качественной подготовкой проводов и кабелей всех типов для последующего изготовления кабельных сборок и жгутов, а также модернизации действующих производств (основные заказчики — представители автомобильной, железнодорожной и промышленной отраслей). 2. Высокопроизводительные установщики компонентов MY200 производства MYDATA (Швеция) с новыми камерами линейного сканирования и скоростными монтажными головками HYDRA 4, еще больше повышающими точность монтажа. 3. Промышленную антистатическую мебель компании VIKING, напольные покрытия, средства ESD-мониторинга, антистатические принадлежности VKG-tools. Компания MFARM на стенде 1D10 продемонстрирует комплексные проекты и решения для электронной и фармацевтической промышленности и науки, в том числе для создания чистых помещений ISO 2–8 классов, комплексные услуги по автоматизации (от вентиляционной установки до завода), профессиональные решения по холодоснабжению вентиляции и технологического оборудования. ООО «ЕвроЛюкс Групп» — эксклюзивный представитель Klepp GmbH, KEMPER GmbH, REVEN GmbH на территории России и СНГ — на стенде 1Е09 в зале № 1 представит новейшие технологии в области www.kite.ru

рынок

фильтровентиляционной техники, предназначенные для повышения качества воздуха и охраны труда в различных видах производств. ГК «Воздушные фильтры» (на рынке с 2002 года) на стенде 1D03 представит под маркой PAFG (Products of Air Filters Group) фильтры очистки воздуха для систем вентиляции и аспирации. В 2011 году в компании аккредитована испытательная лаборатория «чистых помещений», сотрудники которой имеют большой опыт работы на предприятиях фармацевтической и электронной промышленности. Agilent Technologies на стенде 2F02 покажет новый недорогой анализатор цепей E5063A серии ENA для проведения испытаний в процессе производства. Продукт демонстрирует оптимальное сочетание характеристик и функциональных возможностей для тестирования простых пассивных ВЧ-компонентов, таких как антенны сотовых телефонов и базовых станций сотовой связи, ВЧ-кабели и фильтры. А кроме того, может использоваться в процессе исследо-

новости

ваний и разработок для определения параметров пассивных ВЧ-устройств и диэлектриков. В 4‑й международной выставке LEDTechExpo примут участие более 70 компаний из 10 стран мира. Они представят светодиоды и инновационные решения в области их разработки, светодиодные кластеры и сборки, источники и системы питания и управления, оборудование, материалы и компоненты для производства светодиодов, вторичную оптику, метрологию и испытания, методики и стандарты. В рамках выставки при поддержке НП ПСС пройдет 3‑я Международная конференция «Светодиоды: чипы, продукция, материалы, оборудование». n Подробную информацию о выставках и бесплатные пригласительные билеты можно получить на сайтах: • www.expoelectronica.ru • www.electontechexpo.ru • www.ledtechexpo.ru Добро пожаловать в «Крокус Экспо» 15–17 апреля!

события

Семинар «Нанотехнологии компании Beneq и электролюминесцентные дисплеи Lumineq для требовательных применений» Компания Beneq и Финско-Российская торговая палата (ФРТП) приглашают на семинар «Нанотехнологии компании Beneq и электролюминесцентные дисплеи Lumineq для требовательных применений». Время проведения: 23 апреля 2014 года, с 10:00 до 13:00. Место проведения: ФРТП (Представительство в Санкт-Петербурге), ул. Большая Конюшенная, д. 4-6-8. На семинар приглашаются профессионалы промышленных предприятий, применяющие функциональное покрытие и заинтересованные в передовых технологиях: руководящий состав, инженеры, конструкторы, технологи. Программа семинара: • Атомно-слоевое осаждение (область компетенций). Спикер — инженер-технолог Эдгар Майоров (Beneq). – Химия и нанесение покрытий: монослои, многослойные наноламинаты, заполнение трещин, сглаживание поверхности, барьеры, пассивация слоев, инкапсуляция и т. д. – Планирование промышленного производства: разработка процесса масштабирования партий, реакционных камер, носителей подложек, конвейеров и т. д. – Нанесение покрытий в зависимости от назначения. • Фотоэлектричество: CIGS-буферы и C‑Si пассивационные слои. • Стерлинговое серебро: антикоррозийное покрытие. • OLED: барьеры и устройства инкапсуляции. • ALD: покрытие порошков и частиц. • Атомно-слоевое осаждение (оборудование). Спикер — инженер-технолог Эдгар Майоров (Beneq).

– Установка TFS200 для исследований в ALD, включая технологию Particle ALD. – Установка TFS200R для исследований в ALD в продленном режиме. – Установка TFS500 для исследований в ALD и массовом производстве. – Установка TFS600 для промышленного применения в OLED. – Установка TFS1200 для работы со встроенными системами CIGS для буферных слоев солнечных батарей. – Установка TFS NX300 для автоматизированной пассивации поверхностей солнечных батарей. – Установки P400A и P800 для массового промышленного производства по ALD-технологии. – Установка WCS 500 для атомно-слоевого осаждения «ролл-ту-ролл» научно-производственных масштабов. • Электролюминесцентные дисплеи (демонстрация образцов). Спикеры — региональный менеджер Юрий Кочанов (Lumineq) и продукт-менеджер «Макро Груп» Мария Гусейнова. – Прозрачные электролюминесцентные дисплеи (TASEL). – Твердотельные электролюминесцентные дисплеи (TFEL). Участие в семинаре бесплатное. Обязательна регистрация на сайте ФРТП www.svkk.ru. Контактные лица: Наталия Большевикова (ФРТП) Тел. (812) 322-21-21 Наталья Лим (Beneq) Тел.: +7 (921) 564-61-70, +7 (812) 332-01-54 e‑mail: russia@beneq.com

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

новости

Новости сайта www.efo.ru Neoway

FTDI

Выпущены новые прошивки для GSM-модулей M660 и M680. В них добавлена поддержка протоколов HTTP, SMTP, POP3, а также команды, позволяющие взаимодействовать с системой экстренного реагирования при авариях eCall (российский аналог «ЭРА–Глонасс») согласно спецификации TS 26.267. Команды поддержки eCall позволяют предварительно записывать в модуль минимальный набор данных (МНД), инициировать экстренный вызов и передачу МНД, а также отображать информацию о процессе взаимодействия с системой экстренного реагирования при авариях.

Анонсированы два новых семейства специализированных микроконтроллеров — FT51 на базе 8‑разрядного ядра 8051 и FT900 на базе 32‑разрядного RISC-ядра. Ключевыми особенностями FT900 являются: параллельный интерфейс для подключения КМОП-камеры с разрешением VGA, 10/100 Base-T Ethernet MAC с интерфейсом MII, периферийный и хост-интерфейсы USB с поддержкой режима High-Speed. Кристалл FT51 имеет встроенный USB-хаб с одним входящим и одним исходящим портами. Эта особенность может быть использована, например, для каскадного подключения устройств к ПК или к другому хосту. *** Выпущен новый графический контроллер EVE — микросхема FT801. Отличием данного кристалла от FT800 является специализированный интерфейс для работы с контроллерами емкостных сенсорных экранов. Микросхема обеспечивает распознавание до пяти одновременных касаний и детектирование жестов. Подробная техническая информация по всем новинкам компании FTDI ожидается в конце II кв. 2014 г. Первые образцы микросхем и отладочных модулей будут выпущены в конце III кв.

IAR Systems На выставке Embedded world 2014 (25–27 февраля 2014, Нюрнберг) была представлена новая версия интегрированной среды разработки EWARM 7.10. Кроме традиционного расширения списка поддерживаемых микроконтроллеров, среда получила мощный механизм отладки решений на основе многоядерных микроконтроллеров, использующих ARM-архитектуру. Поддерживаются как симметричные (SMP), так и не симметричные (AMP) архитектуры. Кроме этого, компилятор расширен функциями генерирования векторных вычислений для технологии NEON непосредственно из C/C++ кода. NEON является расширением SIMD-инструкций (single instruction, multiple data). В части интерфейсов отладки в новой версии появилась поддержка XDS-ICDI от компании Texas Instruments.

Befact Technologies Прекращается серийное производство модулей для обеспечения питания встраиваемых устройств через линии Ethernet (PoE) серии THPD на все выходные напряжения. Это связано с малым интересом потребителей к маломощным модулям. В качестве замены производитель рекомендует применять РоЕ-модули AHPD‑12.

LEM Выпущены новые датчики тока LA 130-150 для промышленного применения. Ключевые особенности: • технология Closed-Loop Hall-effect (преобразование с обратной связью на элементе Холла); • измерение постоянных, переменных и пульсирующих токов в диапазоне частот до 150 кГц (по уровню –1 дБ); • при номинальном среднеквадратичном токе и рабочей температуре точность преобразования лучше 0,5%; • время отклика менее 500 нс; • максимальное значение температурного дрейфа величины смещения выходного сигнала в диапазоне температур –40…+85 °C составляет ±0,46% от номинального тока; • два исполнения датчика по способу съема тока: открытый вход, через который пропускается проводник с током, и вариант с интегрированным в датчик проводником, который подключается через выводы монтажной платы в разрыв линии с измеряемым током. Применение: двигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения, сервоприводы, статические преобразователи для приводов постоянного тока, контроль токов в аккумуляторных источниках питания, UPS, специальные источники питания (для сварочного оборудования), импульсные источники питания, другие промышленные, бытовые и высоковольтные применения переменного тока (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха).

Texas Instruments Выпущен 36‑В операционный усилитель OPA192 нового поколения. Новый усилитель сочетает высокую точность, быстродействие, низкие шумы и малое потребление. Кроме того, OPA192 обладает рядом уникальных свойств — входное синфазное и дифференциальное напряжения могут изменяться до значений напряжения на шинах питания, усилитель стабилен при работе на емкостную нагрузку до 1 нФ. Доступны образцы. Усилители выпускаются в стандартных корпусах, включая миниатюрные SOT23-5, SC‑70 и MSOP‑8.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Cypress Анонсировано новое семейство микросхем CY8CMBR3xxx для реализации емкостных сенсорных клавиатур, слайдеров и датчиков приближения. Алгоритм работы новых изделий базируется на технологии Smart-Sense, обеспечивающей автоматическую настройку и подстройку параметров детектирования касания. Этот алгоритм позволяет избежать настройки — самой трудоемкой части в разработке емкостного сенсорного интерфейса. Новые микросхемы не требуют программирования, конфигурирование их функций (назначение функций линиям ввода/вывода, конфигурация слайдеров и т. п.) осуществляется через регистры. Управление и обмен с хостконтроллером осуществляется по интерфейсу I2C. На базе контроллеров CY8CMBR3xxx могут быть реализованы: до 16 кнопок, до двух слайдеров, а также датчики приближения.

Skyworks Объявлено о выпуске новых мультистандартных модулей (MMMB), которые предназначены для приемопередатчиков мобильных телефонов стандартов 2.5G/3G/4G и CDMA. Модули обеспечивают передачу данных в стандартах EDGE, GPRS, GSM, WCDMA, HSPA и LTE. Микросхема SKY78021 содержит 2P19T переключатель, а SKY78022, SKY78025 и SKY78026 дополнительно поддерживают TDD-LTE режим и имеют встроенный переключатель SP16T.

Altera Компании Altera и Wind River объявили о совместной разработке и поставке программных средств для многоядерных процессоров ARM из состава СБИС ПЛ Altera SoC FPGA. Компания Wind River является одним из ведущих разработчиков операционных систем и средств программного проектирования для встраиваемых систем. Ее операционные системы: VxWorks (операционная система реального времени) и Wind River Linux, а также средства проектирования Wind River Workbench позволят разработчику реализовать весь потенциал Altera SoC FPGA на базе процессора ARM и построить на них высокопроизводительные вычислительные системы реального времени. *** Сообщается, что IP-ядро Altera Interlaken 120G и 150G будет использовано в терабитных маршрутизаторах компаниии Brocade серии MLX, используемых в центрах обработки данных. IP-ядро Interlaken реализовано в СБИС ПЛ Stratix V. Реализация интерфейса Interlaken в СБИС ПЛ Altera Stratix V позволяет достичь скорости взаимодействия между микросхемами на плате (chip-to-chip) свыше 100 Гбит/с. IP-ядро Interlaken реализует три уровня взаимодействия: MAC (Media Access Control), PCS (Physical Coding Sublayer), PMA (Physical Media Attachment). Санкт-Петербург, ул. Новолитовская, д. 15, лит. А, бизнес-центр «Аквилон», офис 441; (812) 327-86-54; e-mail: zav@efo.ru.

www.kite.ru

компоненты

датчики

МЭМС-гироскопы и акселерометры Silicon Sensing: английские традиции, японские технологии Александр Бекмачев, к. т. н. sensor@ranet.ru

История Компания Silicon Sensing Systems Ltd. была образована в 1999 году в Плимуте, Великобритания, как совместное предпри-

Статья посвящена инерциальным датчикам и измерительным системам совместного предприятия Silicon Sensing Systems Ltd., которые приме‑ няются для задач стабилизации и управления подвижными объектами, а также в пилотажном и навигационном оборудовании.

ятие BAE Systems UK и Sumitomo Precision Products (SPP, Амагасаки, Япония). К тому времени британский партнер имел весьма внушительное генеалогическое древо. История компании началась в 1913 году,

когда в лондонском районе Пимлико на мощностях фабрики Sperry Gyroscope Company Limited было налажено производство гироскопических приборов для нужд Британского королевского флота (рис. 1). Одной из первых

Рис. 1. Ранние модели гироскопов Sperry (источник: патент US1186856)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

серийных моделей, поставленных на поток в преддверии Первой мировой войны, стал гирокомпас MK1 конструкции инженера и изобретателя Элмера Сперри. Гирокомпасы и «механические рулевые» — автопилоты Metal Mike фирмы Sperry в ощутимых количествах применялись и на кораблях Российского императорского флота. Другие «прародители», обеспечившие компании значимое положение среди разработчиков и поставщиков оборудования для морских и авиационных систем навигации, — Kearfott, Singer, Plessey, GEC Marconi, British Aerospace. В настоящее время половиной активов совместного предприятия владеет UTC Aerospace Systems, в состав которой последовательно вошли Atlantic Inertial Systems и Goodrich. Японский партнер SPP с начала 1960‑х гг. также является одним из ключевых поставщиков национальной авиационной индустрии, владеет современными технологическими процессами и оборудованием для разработки и производства МЭМС-компонентов. Его собственные производственные мощности приближаются к 130 000 м2, а штат сотрудников достигает почти 1500 человек.

компоненты

Рис. 2. Внешний вид чувствительного элемента поколения VSG3

Эволюция технологий Silicon Sensing традиционно применяет для своих гироскопов кольцевые чувствительные элементы вибрационного типа. Первоначально это были сравнительно крупные и массивные цилиндрические керамические роторы с металлизацией на внешней поверхности — поколение VSG1, 1985 год. Тем не менее для своей эпохи микромеханическая конструкция была довольно прогрессивной. В 1995 году на смену керамике пришло металлическое кольцо поколения VSG2. Настоящий прорыв случился после того, как в 1998‑м появился первый достаточно стабильный чувствительный элемент индукционного типа, выполненный по технологии МЭМС, — VSG3. Диаметр кольца — 6 мм, толщина кремниевой структуры — 100 мкм, ширина каждого подвеса Z‑образной ножки — 60 мкм, на подвесе умещается три токоведущие дорожки (рис. 2). У поколения VSG3 оказался значительный потенциал для модернизации. Несмотря на то, что с 2001 года на базе этой технологии выпущено более 20 млн высокостабильных гироскопов семейства CRS с чувствительными головками SGH01 и SGH02, новейшие модели, такие как SGH03, используют ту же базовую технологию, но обеспечивают в несколько раз более высокую стабильность и устойчивость к температурным воздействиям. Минимальный размер такого гироскопа в плане — 2222 мм, герметичный металлический корпус, в котором кроме чувствительного элемента содержится контур возбуждения и формирования выходного

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 3. Гироскоп семейств CRS, СRH, SiRRS: а) конструкция; б) блок-схема

Рис. 4. Внешний вид гироскопа CRG20 без крышек

www.kite.ru

компоненты

датчики

Рис. 5. Гироскоп семейства CRG20: а) конструкция; б) блок-схема

Рис. 6. Конструкция гироскопа семейства CRM

аналогового сигнала, позволяет применять прибор в условиях различных внешних воздействий в расширенном диапазоне температур (рис. 3). В 2006 году потребители получили гироскопы очередного поколения — VSG4, на этот раз c вибрирующим кольцом емкостного типа. Элемент теперь помещался в 36‑выводном металлокерамическом корпусе, предназначенном для автоматизированного поверхностного монтажа. Так, наиболее известный гироскоп данного семейства CRG20 (рис. 4) занимал уже в 20 раз меньший объем в приборном отсеке по сравнению с самыми компактными гироскопами CRS. Повысилась вибрационная стойкость, расширился диапазон измеряемых угловых скоростей, благодаря встроенному специализированному микроконтроллеру (рис. 5а) и формирователю шины у пользователя появилась возможность получать не только аналоговый, но цифровой сигнал SPI. Новейшее поколение VSG5 представлено в 2010 году. Пьезокерамический чувствительный элемент диаметром 3 мм и схему управления и формирования сигнала удалось уместить в более компактном металлокерамическом корпусе, в очередной раз увеличилась вибрационная и ударная стойкость, расширилась полоса пропускания, уменьшились собственные шумы, появилась возможность измерять угловые скорости до 1200– 2700°/с. Существенным новшеством стало наличие в семействе Pinpoint CRM (рис. 6) и Orion CMS нескольких типов корпусов с различным положением чувствительного элемента — с поворотом на 90° или 30°, что позволило потребителю легко формировать прямо на печатной плате многокомпонентные сборки без применения дополнительных адаптеров. Немаловажное преимущество новых моделей — снижение в несколько раз цены гироскопа по сравнению с предыдущим поколением. К настоящему времени потребителям отгружено около 1 млн штук гироскопов поколения VSG5. На рис. 7 приведены сравнительные размеры чувствительных элементов поколений VSG1–VSG5 и гироскопов на их основе.

Продукция и рынки

Рис. 7. Эволюция гироскопов Silicon Sensing

Гироскопы Опыт показывает, что для решения конкретной технической задачи основными критериями при выборе гироскопа являются следующие параметры: диапазон измеряемых угловых скоростей, ширина полосы пропускания и уровень собственных шумов, тип интерфейса — аналоговый или цифровой, цена с учетом совокупных технических характеристик. Анализ линейки продукции и статистика продаж подтверждают, что Silicon Sensing успешно конкурирует на многих рынках благодаря грамотной технической и ценовой политике.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

Недорогие массовые изделия Это рынок, на который идеально «настроены» гироскопы Pinpoint CRM100/CRM200, CRM120, их вибростойкие версии CRM102/CRM202, а также гибридные сборки Orion CMS300/CMS390. Внешний вид гироскопов CRM100, CRM102, CRM200, CRM202 показан на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид гироскопов: а) CRM100, CRM102; б) CRM200, CRM202

Особенности гироскопов: миниатюрные, малопотребляющие, имеют невысокие собственные шумы, наличие двух типов корпусов для создания ортогональных трехосевых комплектов, устанавливаемые пользователем полоса пропускания и диапазон угловых скоростей, возможность конфигурации для работы с аналоговым или цифровым выходным сигналом, высокая устойчивость к ударам и вибрации. Основные области применения: • курсовертикали для малой авиации; • автомобильные системы стабилизации и курсовой устойчивости; • дистанционно управляемые модели вертолетов; • автономные напольные транспортные тележки; • измерительное оборудование; • ручной и стационарный электроинструмент; • системы распознавания жестов; • персональные системы навигации и ориентирования в сочетании с глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС); • системы стабилизации антенн, камер и подвесов. Гироскопы Pinpoint на протяжении многих лет применяются в системах управления знаменитых электросамокатов Segway, а также в некоторых серийных изделиях российских предприятий. Для ускорения ОКР и интеграции гироскопов в новые изделия Silicon Sensing выпускает макетные платы 400046-0100, 400046-0200, 400046-0300 (рис. 9) с установленными гироскопами, электронными компонентами, перемычками для формирования различных режимов работы и готовыми контактными площадками для подключения к внешним интерфейсам. Очень часто потребители используют такие платы в качестве OEM-компонентов для встраивания в собственные изделия.

компоненты

Таблица 1. Основные характеристики гироскопов PinPoint и макетных плат PinPoint CRM100, CRM102

Характеристики Тип корпуса/Размер, мм Способ подключения Дрейф нуля (систематическая ошибка), °/ч SPI Диапазон измерений, °/с аналоговый SPI Дрейф нуля на температурном диапазоне, °/c аналоговый Случайный угловой уход, °/√ч SPI, LSB/°/с Чувствительность (масштабный коэффициент) аналоговый, мВ/°/с Температурное смещение чувствительности, % Нелинейность чувствительности, %

SPI аналоговый SPI аналоговый SPI

Собственный шум (СКЗ), °/с Полоса пропускания, Гц Диапазон рабочих температур, °С Стойкость к ударам, g Стойкость к вибрации (СКЗ), g Время включения, с Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА Вес, г Макетные платы

PinPoint CRM200, CRM202

LCC17/5,7×4,8×1,2 LCC18/6,3×5,5×2,7 пайка 24–40; 80 ±75; ±150; ±300; ±900; ±1200; ±2700 ±3 0,28 96; 48; 24; 8 [0,012; 0,006; 0,003; 0,001] ×Vdd/3 В/°/с ±1–3; 36 0,16–0,2 0,06–0,2 0,018–0,025 5–160 –40…+105; –20…+85 500 (1 мс)/10 000 (0,1 мс) 12 (в полосе 10–5000 Гц) 0,25–1 2,7–3,6 5 0,1 400046-0100 (CRM100), 400046-0200 (CRM200), 400046-0300 (CRM100 и 2×CRM200)

прошедшие индивидуальную калибровку в заводских условиях для работы в расширенном диапазоне температур. Области применения: • недорогая авионика — курсовертикали и пр.; • автомобильные регистраторы параметров движения и системы навигации; • дистанционно управляемые модели вертолетов; • беспилотные летательные и подводные аппараты; • телеуправляемые наземные транспортные механизмы; • измерительное и указательное оборудование; • ручной и стационарный электроинструмент; • системы распознавания жестов; • персональные системы навигации и ориентирования в сочетании с ГНСС; • системы стабилизации антенн, камер и подвесов; • управление кранами, погрузчиками, сельскохозяйственной техникой и навесными приспособлениями для нее; • полигонное оборудование для испытания транспортных средств; • траекторные регистраторы, автопилоты; • биомеханические исследования. Для гироскопов семейства CRG20 доступны не только макетные платы CRG20‑xx‑0300 (рис. 11а), но и полноценные отладочные наборы USB01-00-0100 (рис. 11б) c преобразователем интерфейса и программным обеспечением для комфортной работы в среде Windows. Различные модификации CRG20 (табл. 2), как и инерциальный модуль DMU02, имеют стабильный сбыт на территории России.

Рис. 9. Внешний вид макетных плат: а) 400046-0100; б) 400046-0200; в) 400046-0300

б а

Рис. 10. Внешний вид гироскопа семейства CRG20

Средний ценовой диапазон, серийные изделия Здесь безусловным лидером является семейство гироскопов CRG20 (рис. 10) и инерциальный измерительный модуль на их основе DMU02. Основные параметры: миниатюрные, сравнительно недорогие, оснащенные аналоговыми и цифровыми интерфейсами, высокостабильные,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 11. а) Макетная плата CRG20‑xx‑0300; б) отладочный набор USB01-00-0100

www.kite.ru

компоненты

датчики

Таблица 2. Основные характеристики гироскопов семейства CRG20 и отладочных средств для них CRG20-01 CRG20-02 CRG20-22

Характеристики Тип корпуса/Размеры, мм Способ подключения Дрейф нуля (систематическая ошибка), °/ч SPI Диапазон измерений, °/с аналоговый SPI Дрейф нуля на температурном диапазоне, °/c аналоговый Случайный угловой уход, °/√ч SPI, LSB/°/с Чувствительность (масштабный коэффициент) аналоговый, мВ/°/с SPI Температурное смещение чувствительности, % аналоговый SPI Нелинейность чувствительности, % аналоговый SPI Собственный шум (СКЗ), °/c аналоговый Полоса пропускания, Гц Диапазон рабочих температур, °С Стойкость к ударам, g Стойкость к вибрации (СКЗ), g Время включения, с Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА Вес, г

CRG20-12

LCC36/9,5×9×3,4 пайка 5 ±300 ±75; ±300 <±0,4 <±1 0,3

±800 ±2,5 — 0,5–1

32 26,67; 6,67 2,5 <±0,7 ±2 ±0,9 — <±0,06 ±0,15 <±0,1 0,2 0,2 0,3 40; 75; 90 40 –40…+105 –40…+130 95 (полусинусоидальный, 2/20 мс) 9 (в полосе 20–2000 Гц) 0,5 +4,75…+5,25 60 0,8

Рис. 13. Внешний вид гироскопов серии CRS03: а) CRS03-01S и CRS03-05S; б) CRS03-02S и CRS03-04S; в) бескорпусного CRS03-11S

Рис. 14. Внешний вид гироскопов серии CRS07: а) CRS07-02S; б) бескорпусных CRS07-11S и CRS07-13S

Средства поддержки разработчиков макетная плата CRG20-xx-0300

отладочный набор USB01-00-0100

Особо ответственные применения Таким задачам в наибольшей степени соответствуют гироскопы с наивысшими среди продукции Silicon Sensing техническими характеристиками, максимально близкими к уровню волоконно-оптических гироскопов (ВОГ): CRS09, CRS39, CRH01, SiRRS01 (рис. 12). Основные параметры: высокие эксплуатационные характеристики, высокая точность, высокая стабильность, только аналоговый выход, встроенные температурные датчики, дополнительные порты для коррекции извне. Основные области применения: • высокоточное навигационное оборудование — курсовертикали;

в д Рис. 12. Внешний вид гироскопов: а) CRS09; б) SiRRS01; в) CRS39-01; г) CRS39-02; д) CRH01

Рис. 15. Отладочные комплекты: а) CG9230; б) СВ0026

• системы контроля и управления; • прецизионные измерения; • высокоточные системы стабилизации антенн, камер и подвесов; • беспилотные летательные и подводные аппараты; • геодезические системы; • системы контроля состояния рельсовых путей и стабилизации положения рельсовых транспортных средств. Специальные версии SiRRS01 успешно применяются в проектах Европейского космического агентства и имеют подтвержденный уровень радиационной стойкости, заявленный средний срок службы до отказа для этой модели составляет 300 000 часов по методике MIL-HDBK‑217F. Один из первых образцов новейшего гироскопа CRS39-01, созданного для геофизических работ, сразу после мировой премьеры был опробован отечественными специалистами и вскоре применен в измерительном оборудовании для нефтегазодобывающей отрасли. Кольцевые вибрационные гироскопы индукционного типа прежних серий — CRS03 (рис. 13, табл. 3) и CRS07 (рис. 14, табл. 3) ощутимо дешевле своих новых собратьев, но, даже уступая им по эксплуатационным характеристикам, по-прежнему пользуются стабильным спросом и массово применяются в системах стабилизации спутниковых антенн и промышленном, технологическом оборудовании. Для гироскопов семейств CRS03, CRS07, CRS09 (табл. 3) выпускаются отладочные комплекты CG9230 и СВ0026 (рис. 15). Акселерометры Стремясь быть лидером на рынке инерциальных датчиков и систем, компания Silicon Sensing не могла оставить без внимания компоненты

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

Таблица 3. Основные характеристики гироскопов семейств CRS, СRH, SiRRS

Характеристики

CRS03-01S CRS03-02S CRS03-05S CRS03-04S

Тип корпуса/ Размер, мм

защищенный корпус/ 29×29×18,4

CRS07-11S CRS07-13S (бескорпусный)

печатная плата/ печатная плата/ 27×27×9 22×22×13,2

CRS07-02S

CRS09-01 CRS09-02 CRS09-11 CRS09-12

защищенный корпус/ 24,5×24,2×18,3 кабель с розеткой

защищенный корпус/ 63×63×19

SiRRS01-01 SiRRS01-03 SiRRS01-05 SiRRS01-09

CRS39-01 (бескорпусный)

CRS39-02

CRH01

металлический корпус/ 31,8×31,8×17,3 штыревые выводы

печатная плата/ металлический корпус/ 75×24,5×21,5 96×28(42,5)×23 распайка кабель кабеля на плату

пластиковый корпус/ 47(33)×33,5×25,4

Способ подключения

штыревые выводы

Дрейф нуля (систематическая ошибка), °/ч Точность установки нуля, °/c

–

—

0,2

0,2–0,4; 0,4; 0,5; 1

<±3; <±4

<±3; <±6

<±30

<±30; <±3

<±3

<±1

—

±100; ±80 ±100; ±200

±573

±573; ±100

±100

±200

<±0,3 ±110; ±300; ±50; ±200

<±3; <±4

<±30

<±30; <±3

<±3

<±3; <±1

Диапазон измерений, °/c Дрейф нуля на температурном диапазоне, °/c Случайный угловой уход, °/√ч Чувствительность, мВ/°/с Температурное смещение чувствительности, % Нелинейность чувствительности, % Собственный шум (СКЗ), °/c Полоса пропускания, Гц Диапазон рабочих температур, °С Стойкость к ударам, g Стойкость к вибрации (СКЗ), g Время включения, с Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА Вес, г

20; 25

кабель с розеткой

CRS03-11S (бескорпусный)

распайка кабеля на плату

<±3; <±6

дрейф ±0,55°/с в любой период длительностью 30 с 20; 10 3,49 3,49; 20 ±3

для измерения параметров линейного движения, тем более что до недавнего времени была вынуждена в собственном инерциальном измерительном модуле применять акселерометры стороннего производителя. Итогом целенаправленной научной разработки и совершенствования собственной технологии МЭМС-компонентов стал выпуск семейства 2‑компонентных сборок прецизионных акселерометров емкостного типа Gemini CAS200 в компактных металлокерамических корпусах. Каждый чувствительный элемент представляет собой подпружиненную массу в виде гребенки, которая может совершать ограниченные перемещения внутри другой, неподвижной гребенки. Изменение емкости вследствие увеличения и уменьшения расстояния между «пальцами» гребенок пропорционально линейному ускорению (рис. 16).

розетка

<±3; <±1

<±3

—

<0,2 18,18

0,017 80

— ±25; ±100; ±200; ±400 ±0,2; ±0,2; ±0,25; ±0,5 0,02…0,04 —

<±1

<±3

±0,035

<±1

0,1 0,03 55

±1 <0,35 >50

0,006 0,006 25

– 0,2 90

–40…+85

–40…+75

–10…+110

–40…+85

250 — ≤120 +4,90…+5,25 60

95 (6 мс) — <0,5 +4,75…+5,25 50 40

±100

0,1 20

<±5

<±0,5 <1 мВ в полосе 3–10 Гц 10 55 30; 10 –30…+60 –40…+85 –40…+85 200 (полусинус., 1 мс) 2 (в полосе 20–2000 Гц) <0,2 +4,75…+5,25 <35 <18 10

розетка

— 60 (полусинус. 30 мс) 10 (в полосе 20–2000 Гц) <0,5 0,3 +4,75…+5,25 ±5; 0 100 <50 60 <35

±25

<50

—

Рис. 16. Чувствительный элемент 2‑осевого акселерометра семейства Gemini CAS200

Чувствительный элемент изготовлен по технологии «кремний-на-стекле», структура из кристаллического кремния расположена в полости между двух стеклянных пластин. Блок из двух ортогональных аксе-

лерометров вместе со специализированным управляющим контроллером помещен в наполненный азотом частично вакуумированный металлокерамический корпус размером 10,462,2 мм — такая конструкция лучше

Рис. 17. Конструкция 2‑осевого акселерометра семейства Gemini CAS200

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

компоненты

датчики

Рис. 18. Внешний вид 2‑осевых акселерометров семейства Gemini CAS200: а) CAS211–CAS215; б) CAS291–CAS295

противостоит конденсации влаги в корпусе в сравнении с пластиковыми корпусами, применяемыми другими производителями (рис. 17). Линейка акселерометров в настоящее время состоит из пяти моделей CAS211–CAS215 (рис. 18а), перекрывающих диапазон измерений от 0,85 до 96g. По аналогии с апробированным на миниатюрных гироскопах семейства CRM решением, для каждой из базовых моделей предусмотрена комплементарная пара с ортогональным расположением блока чувствительных элементов CAS291–CAS295 (рис. 18б). Этот набор компонентов позволяет не только создавать компактные измерительно-управляющие системы на плате, но и обеспечивать горячее резервирование или взаимную коррекцию показаний. Основные показатели: наличие аналогового и цифрового выхода, высокие линейность и стабильность, незначительные собственные шумы, широкая полоса пропускания, встроенный температурный датчик, расширенный диапазон рабочих температур, малая потребляемая мощность, низкая удельная стоимость. Основные области применения: • навигационное оборудование — курсовертикали и пр.; • системы курсоуказания; • геофизическое и буровое оборудование; • системы стабилизации камер, платформ и подвесов; • транспортное оборудование, беспилотные системы. Следуя концепции поддержки пользовательских разработок, для каждой из моделей семейства производитель предлагает макетную плату CAS2xx‑02-0300 размером 2436 мм с краевым многоконтактным разъемом для подключения к аппаратуре управ-

Рис. 19. Макетная плата CAS2xx‑02-0300

Таблица 4. Основные характеристики 2‑осевых акселерометров семейства Gemini CAS200 и отладочных средств

Характеристики Тип корпуса/Размер, мм Способ подключения Интерфейс Диапазон измерений, g Дрейф нуля на температурном диапазоне, мg Чувствительность LSB/g (масштабный мВ/g коэффициент)

Gemini CAS200 (CAS211/291, 212/292, 213/293, 214/294, 215/295) LCC14/10,4×6×2,2 пайка аналоговый; SPI ±0,85; ±2,5; ±10; ±30; ±96 ±50; ±50; ±50; ±150; ±500 33 500; 11 000; 2800; 1050; 300 1150; 375; 96; 36; 10

Температурное смещение чувствительности, % Нелинейность чувствительности (от полной шкалы), % Собственный шум (СКЗ), мкg√Гц Полоса пропускания, Гц Диапазон рабочих температур, °С

50; 150; 150; 350; 1200 170/250 –40…+125

Стойкость к ударам, g

1000 (полусинусоидальный, 1 мс)

Коэффициент сглаживания вибраций, мg/g2 Время включения, с Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА Вес, г Макетная плата

0,15; 0,15; 0,15; 0,1; 0,1 (случайный в полосе 20–20 000 Гц) 0,15 +2,7…+3,6 3–5 0,4 CAS2xx-02-0302

1,2 0,5; 0,5; 2; 2; 2

ления и сбора данных (рис. 19, табл. 4). Цена платы с компонентами весьма незначительно превышает стоимость самого датчика, что оказывается приятным сюрпризом для разработчика. Инерциальные измерительные модули Успехи в развитии технологий МЭМС привели к миниатюризации и радикальному удешевлению инерциальных датчиков, что, в свою очередь, вызвало лавинообразный рост спроса на них во множестве отраслей — от промышленности, транспорта и военной техники до бытовых приборов и индустрии развлечений. Многие производители, следуя потребностям рынка, начали предлагать комплексные решения — инерциальные измерительные модули, содержащие три оси гироскопа, три оси акселерометра, а также имеющие возможность интеграции в этот же блок электронного компаса — магнитометра, барометра и даже приемника ГНСС. В подавляющем большинстве приложений заказчику достаточно информации о линейной и угловой скорости в трехмерном пространстве.

Рис. 20. Внешний вид инерциального измерительного модуля DMU02

Решению таких задач в наибольшей степени соответствует концепция измерительного модуля с 6 степенями свободы, реализованная фирмой Silicon Sensing в модели DMU02 (рис. 20). Эта относительно недорогая сборка в защищенном корпусе размером 252525 мм построена на трех гироскопах CRG20 и 3‑осевом акселерометре, имеет цифровой интерфейс SPI и диапазон измерений ±300°/с для канала гироскопа и ±6g для канала акселерометра. Для обмена данными с модулем на этапе разработки системы производитель предлагает использовать отладочный набор USB01-00-0100. Основная область применения DMU02 — системы со средними ценовыми и техническими показателями, например системы стабилизации камер на БПЛА, системы контроля курса в дистанционно управляемых или беспилотных транспортных средствах. В 2012 году фирма представила комплементарную пару комбинированных датчиков семейства Orion CMS300/CMS390 (рис. 21). Удачно сочетая собственные ранее отработанные технические решения, производитель разместил в металлокерамическом корпусе размером 10,462,2 мм гироскоп с осью чувствительности Z и два акселерометра с осями чувствительности X и Y. Таким образом получился функционально законченный гибридный блок, способный выполнять функции системы курсовой устойчивости для наземного транспорта. Логичным продолжением этой концепции стал парный модуль — с ортогональным расположением аналогичного блока датчиков. Применение этой пары сделало возможным создание весьма недорогих многоосевых систем управления движением с горячим резервированием внутри блока. Компоновка чувствительных элементов в корпусе CMS300 показана на рис. 22. Основные показатели: только цифровой выход, высокая точность и стабильность, широкая полоса пропускания, высокая стойкость к влиянию ударов и вибраций, расширенный диапазон рабочих температур, возможность индивидуально конфигурировать диапазон измерений и полосу пропускания для каждого канала гироскопа и акселероме-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

Рис. 21. Внешний вид комбинированных датчиков семейства Orion: а) CMS300; б) CMS390

Рис. 22. Расположение датчиков в гибридной сборке CMS300

тра, малая потребляемая мощность, низкая удельная стоимость. Основные области применения: • экономичное навигационное оборудование; • измерительные системы; • роботизированное оборудование; • инклинометры для тяжелых условий эксплуатации. Макетные платы CMS300-02-0302 и CMS390-02-0302 (рис. 23, табл. 5) имеют уже привычный размер 2436 мм и позволяют транслировать сигнал датчика сразу после извлечения платы из заводской упаковки.

Рис. 23. Макетные платы: а) CMS300-02-0302; б) CMS390-02-0302

Новые изделия Особенностью команды Silicon Sensing является поддержание обратной связи с клиентами, это позволяет оперативно разрешать возникающие у потребителей технические проблемы, а сама компания приобретает глубокое понимание потребностей рынка, что

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

помогает концентрировать усилия на прорывных направлениях. В настоящий момент наиболее ожидаемое событие — анонс коммерческих изделий на основе самого современного чувствительного элемента индукционного типа SGH03 с увеличенной добротностью (поколение VSG3 QMAX). Предполагается, что гироскоп CRS39-03 c SGH03 «на борту» сможет обеспечить дрейф нуля не более 0,08–0,1°/ч, уже позволяющий реализовать функцию указания на Северный полюс; показатель случайного ухода не более 0,0083–0,015°/√ч (дисперсия Аллана) и собственный шум в состоянии покоя не более 0,01°/с, что вполне сопоставимо с характеристиками ВОГ (рис. 24). Еще одно событие, запланированное на 2014 год, — начало серийного выпуска нового семейства 6‑компонентных инерциальных измерительных модулей DMU10, которые призваны заместить «долгожителя» DMU02. В новом модуле применено три комбинированных датчика семейства Orion,

Рис. 24. Прототип гироскопа CRS 39-03

три оси гироскопа имеют диапазон измерения по ±300°/с, три оси акселерометра обеспечивают измерения в диапазоне ±10g. Заявленная точность гироскопов ±0,1–0,25°/с, акселерометров ±0,01g, полоса пропускания 117–190 Гц. Дополнительно в модуле установлено два независимых датчика температуры, отградуированных для измерений в диапазоне –55…+ 100 °C. Впервые в изделиях Silicon Sensing обмен данными организован по интерфейсу RS‑422. Благодаря новой компонентной базе, DMU10 будет отличаться низким уровнем энергопотребления — до 60 мА при напряжении питания 3,3–5 В. Модуль доступен в двух вариантах: бескорпусный DMU10-01 — OEM-плата с габаритными размерами 223711 мм и DMU10-02 — в прочном анодированном алюминиевом корпусе с габаритами 254516 мм (рис. 25). Кроме того, фирма сообщила о начале работ по созданию малогабаритного дешевого

Таблица 5. Основные характеристики инерциальных измерительных модулей, комбинированных датчиков и отладочных средств для них Характеристики

Orion CMS300

Orion CMS390

Состав

гироскоп + 2-осевой акселерометр

Тип корпуса/Размер, мм Способ подключения Интерфейс акселерометр, g Диапазон измерений гироскоп, °/с акселерометр, мg Дрейф нуля на температурном диапазоне гироскоп, °/c акселерометр, LSB/g Чувствительность (масштабный коэффициент) гироскоп, LSB/°/с акселерометр Температурное смещение чувствительности, % гироскоп акселерометр Нелинейность чувствительности, % гироскоп акселерометр, мg Собственный шум (СКЗ) гироскоп, °/c акселерометр Полоса пропускания, Гц гироскоп Диапазон рабочих температур, °С Стойкость к ударам, g Стойкость к вибрации (СКЗ), g Время включения, с Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА Вес, г

LCC12/10,4×6×2,2 LCC12/10,4×6,7×2,7 пайка SPI ±2,5; ±10 ±150; ±300 ±30; ±75 ±1,75; ±1 12 800; 3200 204,8; 102,4 <±2,5; ±1 <±2; ±1 <±0,5; <±0,12 <±0,17; <±0,10 2; 1 0,1; 0,06 45; 62; 95; 190 45; 55; 90; 117 –40…+125 95 (полусинусоид., 6 мс) 8,85 (в полосе 10–5000 Гц) 0,15–0,3 +3,15…+3,45 8 0,4; 0,6 макетная плата CMS300-02-0302 CMS390-02-0302

Средства поддержки разработчиков

DMU02 3-осевой гироскоп + 3-осевой акселерометр защищенный корпус/25×25×25 штыревые выводы SPI ±6 ±300 ±5,5 ±2,5 273 32 ±2 ±2,5 0,5 0,15 15 <0,5 400 >40 –40…+85 95 (полусинусоид., 6 мс) 8,8 (в полосе 10–2000 Гц) <0,5 +4,75…+5,25 ≤ 200 17 отладочный набор USB01-00-0100

www.kite.ru

компоненты

новости

датчики

анонсы

«Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения»

Рис. 25. Внешний вид инерциальных измерительных модулей: а) DMU10-01; б) DMU10-02

11‑компонентного модуля для измерения параметров движения, в котором планируется использовать компоненты семейств PinPoint, Orion и Gemini. Этот модуль также будет содержать электронный магнитный компас и барометрический датчик.

Производство заказных полупроводниковых кристаллов — foundry В 2013 году компания Silicon Sensing впервые объявила об открытии доступа к своим мощностям для желающих разместить в производство МЭМС-компоненты собственной разработки, такие как акселероме-

тры, головки струйных принтеров, микрофоны, микронасосы, гироскопы, зеркала, ультразвуковые датчики, радиочастотные компоненты, а также «сборщики энергии» — узлы преобразования различных видов энергии в электрическую. Разработчикам предоставляется набор для проектирования с технологическими нормами и библиотеками стандартных элементов. Размещение в производство производится как на мультипроектных полупроводниковых пластинах диаметром 4″, 5″, 6″ (кремний, КНИ), так и в составе малосерийного «инженерного» запуска. В одной из будущих публикаций мы постараемся осветить эту тему подробнее. n

www.infra-e.ru/products/uyazvmurz

Вышла в свет новая книга Владимира Гуревича «Уязвимости микропроцессорных реле защиты: проблемы и решения». В книге подробно рассмотрены проблемы уязвимости микропроцессорных устройств релейной защиты (МУРЗ) к естественным и преднамеренным деструктивным воздействиям, включающим кибернетические и электромагнитные воздействия. Описаны современные технические средства, с помощью которых могут осуществляться преднамеренные дистанционные деструктивные воздействия на МУРЗ. Рассмотрены как традиционные пассивные (экранированные шкафы, фильтры, кабели, специальные материалы и покрытия) средства защиты, так и новые, основанные на схемотехнических и аппаратных методах. Книга рассчитана на инженеров, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией релейной защиты, а также может быть полезна научным работникам, преподавателям, аспирантам и студентам соответствующих дисциплин средних и высших учебных заведений.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

новости

датчики

Три новые серии мембранных выключателей от Honeywell

упрощает процесс внедрения, исключает расходы на оснастку и сокращает затраты на производство и рабочую силу. Мембранные выключатели работают при температурах –40…+120 °C с точностью до ±2%. Электромеханические реле давления доступны в однополюсном однопозиционном нор-

мально-разомкнутом или нормально-замкнутом и в однополюсном двухпозиционном исполнении. Они могут использоваться в различных рабочих средах в производственной и транспортной отраслях. www.honeywell.com

Новые мембранные выключатели серий HP, HE и LE, разработанные подразделением датчиков и систем управления компании Honeywell, отличаются высокими значениями разрывного давления, продолжительным сроком службы и герметизацией со степенью защиты IP67, которая обеспечивает дополнительную надежность и долговечность. Мембранные выключатели зачастую используются в экстремальных условиях, которые требуют высокой производительности и комплексных конфигураций выключения. Высокое разрывное давление и срок службы до 2 млн рабочих циклов гарантируют эффективную и надежную работу выключателя в сложных условиях на протяжении долгого времени. Эти характеристики обеспечивают защиту критически важных систем и способствуют снижению расходов производителей оборудования и времени простоя на этапе эксплуатации. Мембранные выключатели зачастую используются в суровых условиях и, в силу специфики их применения, могут пострадать от воздействия воды. При изготовлении мембранных выключателей Honeywell использует герметизацию со степенью защиты IP67 в целях повышения надежности и устойчивости к воздействию воды. Широкий выбор портов и колодок и высокая совместимость обеспечивают возможность использования в различных рабочих средах, что

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

датчики

Точные измерения расхода жидкости в промышленных системах при помощи электромагнитных расходомеров

Ли Ке (Li Ke) ke.li@analog.com Колм Слэттери (Colm Slattery) colm.slattery@analog.com

В различных промышленных системах, от оборудования на заводах по переработке нефти до торговых автоматов, для управления простыми и сложными процессами необходимо точное измерение температуры, давления, а также расхода жидкости. Так, в пищевой промышленности точное управление расходом жидкости при наполнении бутылок и банок может напрямую влиять на прибыль, и очевидно, что ошибки измерения необходимо минимизировать. Аналогичным образом, высокая точность измерения необходима, например, в нефтяной промышленности при пе‑ ремещении сырой нефти и переработанного топлива из/в цистерну или танкер. В статье дается обзор технологий измерения расхода жидкости и детально обсуждаются электромагнитные расходомеры, которые явля‑ ются одним из наиболее точных средств измерения расхода жидкости.

Структура системы управления технологическим процессом На рис. 1 изображена базовая система управления технологическим процессом, в которой используется расходомер и исполнительный механизм, управляющий потоком жидкости. На самом нижнем

уровне системы осуществляется контроль переменных параметров процесса, таких как температура, расход жидкости и концентрация газов. Эту функцию реализует модуль ввода, который обычно входит в состав программируемого логического контроллера (ПЛК). Полученные показания подвергаются локальной обработке пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) регулятором. Используя эту информацию, ПЛК устанавливает уровни выходных сигналов, необходимые для стабилизации процесса. Значения переменных параметров процесса, диагностические и иные данные могут передаваться на эксплуатационный уровень, а команды, установочные и калибровочные данные — на самый нижний уровень, к датчикам и исполнительным механизмам.

Методы измерения расхода жидкости

Рис. 1. Базовая система измерения и управления расходом жидкости

Для измерения расхода используется множество различных технологий, включая технологии на основе дифференциального давления, эффекта Кориолиса, ультразвуковых и электромагнитных измерений. Расходомеры на основе дифференциального давления наиболее распространены, однако они чувствительны к изменениям давления в системе. Кориолисовые расходомеры потенциально обеспечивают наименьшую погрешность (до 0,1%), однако они дороги и имеют большие габариты. Ультразвуковые расходомеры достаточно малы и недороги, но их недостатком является ограниченная точность (типичное

Таблица 1. Технологии промышленных расходомеров Электромагнитные

На основе разности давления

Ультразвуковые

Кориолисовые

Метод измерения

Закон электромагнитной индукции Фарадея 0,2–1 300–1000 Отсутствуют подвижные части. Подходит для коррозионно-активных жидкостей. Измерение расхода в двух направлениях.

Кросс-корреляция, преобразование задержки в цифровой код, доплеровский 0,3–2 300–1000 Отсутствуют подвижные части. Универсальный, может применяться для анализа функционирования (post-installation).

Дифференциальный фазовый

Средняя погрешность, % Средняя стоимость, $

Дифференциальный: емкостный или на базе мостовых схем 0,5–2 300–1000 Отсутствуют подвижные части. Универсальный, может использоваться для жидкостей/газов.

Преимущества

0,1 3000–10000 Универсальный, может использоваться практически для любых жидкостей/газов. Не зависит от давления и температуры.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

значение 0,5%). В ультразвуковых расходомерах используется бесконтактный метод измерения, который повышает надежность и минимизирует деградацию чувствительного элемента со временем, однако они не подходят для работы с загрязненными жидкостями. Электромагнитные расходомеры также обеспечивают бесконтактное измерение. Их можно использовать для работы с кислотосодержащими, щелочными и ионизованными жидкостями, имеющими удельную электропроводность от 10 до 10–6 См/м, а также с чистыми, загрязненными, коррозионно- активными, эрозивными или вязкими жидкостями и растворами, но они не подходят для измерения расхода углеводородов или газа. Они способны поддерживать относительно низкую погрешность (0,2%) как для малых, так и для больших скоростей потока, при минимальном диаметре примерно 3,2 мм и максимальном объеме примерно 280 л. Показания сохраняют повторяемость даже при более низких скоростях. Датчики данного типа позволяют измерять скорость потока в обоих направлениях. Сравнение ряда распространенных технологий измерения расхода жидкости приведено в таблице 1. Электромагнитные расходомеры В электромагнитных расходомерах используется закон электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что движение проводника в магнитном поле порождает напряжение. В роли проводника в данном случае выступает жидкость, а магнитное поле порождается возбуждаемыми катушками с наружной стороны трубы, по которой эта жидкость протекает. Величина наводимого напряжения прямо пропорциональна скорости проводника, его типу, диаметру трубы и напряженности магнитного поля, как показано на рис. 2. Математически закон Фарадея может быть описан формулой:

E = k  B  L  V, где: V — скорость проводящей текучей среды; B — напряженность магнитного поля; L — расстояние между электродами, на которых наводится напряжение; E — напряжение на электродах; k — константа. B, L и k фиксированы или могут быть откалиброваны, поэтому формула упрощается до E ∝ V (E пропорционально V). Управляемое электромагнитное поле порождается током, протекающим через катушки электромагнита. Важным аспектом электромагнитных расходомеров является форма используемого сигнала возбуждения. На практике применяется множество различных типов сигналов возбуждения, включая низкочастотные прямоугольные колебания, синусоидальные сигналы на частоте сети питания, двухчастотные колебания и колебания с программируемой длительностью импуль-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

Таблица 2. Типы, формы и особенности сигналов возбуждения датчиков Тип сигнала возбуждения

Временная диаграмма

Особенности

Возбуждение постоянным током

Используется с 1832 г. Применяется для измерения расхода жидкого металла в атомной энергетике. Поляризация отсутствует.

Переменный синусоидальный сигнал

Используется с 1920 г. Коммерческое применение с 1950 г. Низкое напряжение поляризации, низкие электромагнитные помехи и малый дрейф нуля.

Низкочастотный меандр

Используется с 1975 г. Частота равна 1/16–1/2 частоты сети питания. Низкий дрейф нуля, менее чувствителен к серозным жидкостям с высоким уровнем шума.

Низкочастотный сигнал с тремя состояниями

Используется с 1978 г. Напряжение нуля требует калибровки в отсутствие тока возбуждения. Низкая мощность. Скважность равна 1/2 скважности меандра.

Двухчастотный сигнал

Модуляция сигнала на 1/8 от частоты сети питания сигналом большей частоты. Способна минимизировать шум серозных жидкостей. Малый дрейф нуля. Быстрый отклик. Сложность формирования.

Сигнал с программируемой шириной импульса

Используется микропроцессор для управления шириной и частотой импульсов возбуждения. Устойчив к шуму серозных жидкостей.

са. Примеры сигналов возбуждения катушек датчика приведены в таблице 2. В большинстве задач для возбуждения катушки датчика применяется низкочастотное прямоугольное колебание на частоте, равной 1/25, 1/16, 1/10, 1/8, 1/4 или 1/2 от частоты сети питания (50 Гц/60 Гц). Для поддержания близкого к нулю дрейфа при формировании низкочастотного возбуждающего колебания используется ток с постоянной амплитудой и переменным направлением. Переключением направления тока управляет транзистор или Н‑образная мостовая схема на полевых МОП-транзисторах (MOSFET). Когда ключи SW1 и SW4 замкнуты, а ключи

Рис. 2. Электромагнитный расходомер

SW2 и SW3 разомкнуты (рис. 3a), катушка датчика возбуждается в положительной фазе, а постоянный ток втекает в EXC+ и вытекает через EXC–. Когда SW1 и SW4 разомкнуты, а SW2 и SW3 замкнуты (рис. 3б), катушка датчика возбуждается в отрицательной фазе, а постоянный ток втекает в EXC– и вытекает через EXC+. По сравнению с другими методами измерения расхода, токи, используемые для возбуждения электромагнитных измерителей, довольно велики. В большинстве случаев в измерителях, питаемых от сети, применяется ток в диапазоне 125–250 мА. При больших диаметрах трубы может потребоваться ток до 500 мА или 1 A. На рис. 4 приведен пример схемы прецизионного генератора тока возбуждения 250 мА для катушки датчика. Опорное напряжение 1,2 В для задания тока формируется источником ADR3412 с дрейфом 8 ppm/°C. Комбинация источника опорного напряжения, усилителя и транзисторной схемы, используемая в этом традиционном методе формирования тока, обеспечивает высокую точность и низкий уровень шума. В то же время недостатком схемы являются значительные потери мощности из-за линейного падения большого напряжения при большом токе. Высокая рассеиваемая мощность требует применения теплоотвода, который увеличивает габариты и стоимость системы. Большую популярность в последнее время www.kite.ru

компоненты

датчики

Рис. 3. Управление фазами возбуждения катушки датчика при помощи Н‑образного моста: а) положительная фаза возбуждения; б) отрицательная фаза возбуждения

Рис. 4. Источник втекающего тока с линейной стабилизацией

приобретает формирование постоянного тока возбуждения с помощью импульсных источников питания. На рис. 5 изображен синхронный понижающий преобразователь постоянного напряжения ADP2441 в конфигурации, обеспечивающей постоянный

Рис. 5. Схема импульсного источника постоянного тока возбуждения

выходной ток. Данная схема позволяет избежать потерь, характерных для стандартных источников, и значительно повысить характеристики системы. В диагностических целях в системах с высокой мощностью производится измерение

Рис. 6. Измерение тока возбуждения с гальванической развязкой

тока возбуждения для отслеживания его изменений в зависимости от условий нагрузки, напряжения питания, температуры и во времени, а также детектирования обрывов в цепях катушек датчика. Для реализации данной функции может быть использован усилитель — датчик тока AD8219, обладающий коэффициентом усиления 60 В/В и погрешностью 0,3% в диапазоне синфазных напряжений 80 В. Схема измерения тока с гальванической развязкой показана на рис. 6. Кроме AD8219, она включает в себя изолированый Σ∆-модулятор AD7400A и фильтр нижних частот 4‑го порядка на базе усилителей AD8646, воссоздающий эквивалентное измеренному току аналоговое напряжение. Выбор измерительного элемента Еще один важный вопрос — выбор электрода или измерительного элемента. Основной метод измерения — емкостный, который имеет две разновидности: с электродами, монтируемыми с наружной стороны трубы, и, более широко распространен-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

ный, с электродами, помещаемыми в трубу и омываемыми жидкостью. Существует множество различных материалов электродов, каждый из которых обладает уникальным набором характеристик, включая температурный дрейф, скорость корродирования и потенциал электрода. Наилучший выбор заключается в применении материала с высокой рабочей температурой (>+100 °C) и низкой скоростью корродирования (<0,5 мм в год). В таблице 3 перечислены некоторые типичные материалы электродов и их стандартные потенциалы. Таблица 3. Материалы датчиков и потенциалы напряжения Металл

Стандартный потенциал, В

Металл

Стандартный потенциал, В

Магний

–2,34

Никель

–0,25

Бериллий

–1,7

Свинец

–0,126

Алюминий

–1,67

Медь

+0,345

Марганец

–1,05

Серебро

+0,8

Цинк

–0,762

Платина

+1,2

Хром

+0,71

Золото

+1,42

Хорошим примером высококачественного материала электрода является платина. Она обладает скоростью корродирования менее 0,005 мм в год и может работать при температурах среды до +120 °C. В то же время электроды из платины обладают сравнительно высоким потенциалом (1,2 В). Этот потенциал проявляется в виде синфазного напряжения, которое необходимо подавить. Синфазное напряжение, возникающее при использовании электродов из нержавеющей стали, составляет всего несколько сотен милливольт, и оно легко устраняется. Нержавеющая сталь широко используется для измерения расхода жидкостей с низкой коррозионной активностью. Если электроды изготовлены из одинакового материала и имеют одинаковые размеры и качество поверхности, на них будет появляться одинаковый потенциал. Однако на практике напряжение поляризации медленно флуктуирует из-за физического трения или электрохимических эффектов, возникающих между жидкостью и электродами. Любое рассогласование в параметрах электродов также будет проявляться в виде дифференциального шума. Напряжение смещения в сумме с потенциалом электрода дают синфазное напряжение в диапазоне от нескольких сотен милливольт примерно до 1 В на входе усилителя первого каскада, поэтому электронные схемы должны обладать адекватным коэффициентом ослабления синфазного сигнала. На рис. 7 приведена осциллограмма потенциала электрода в дифференциальной системе с постоянным напряжением смещения 0,28 В и шумом, имеющим размах 0,1 В. Данный рисунок относится к электродам из нержавеющей стали № 316, установленным в водопроводной трубе диаметром 50 мм.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 7. Потенциал электрода в дифференциальной системе с постоянным напряжением смещения 0,28 В и синфазным напряжением шума размахом 0,1 В

Роль инструментальных усилителей Типичный диапазон измеряемых скоростей потока составляет от 0,01 до 15 м/с (динамический диапазон измерений 1500:1). Типичный электромагнитный расходомер с питанием от сети имеет чувствительность от 150 мкВ/(м/с) до 200 мкВ/(м/с). Таким образом, датчик с чувствительностью 150 мкВ/(м/с) будет формировать напряжение с размахом 3 мкВ при измерении двунаправленного потока со скоростью 0,01 м/с. При отношении сигнал-шум 2:1 полный приведенный ко входу шум не должен превышать 1,5 мкВ. Скорость потока изменяется довольно медленно, с низкой частотой, поэтому критически важным параметром является уровень шума в полосе 0,1–10 Гц. Кроме того, датчик может иметь довольно высокое выходное сопротивление. Учитывая эти факторы, входной усилитель должен обладать низким шумом, высоким ослаблением синфазного сигнала и малым входным током смещения. Синфазное выходное напряжение датчика ослабляется на величину коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) входного (интерфейсного) усилителя. При КОСС, равном 120 дБ, постоянное напряжение смещения 0,28 В уменьшается до 0,28 мкВ. Это смещение может быть устранено калибровкой или использованием связи по переменному току. Динамическая составляющая проявляется в виде переменного шума на выходе усилителя, который

ухудшает минимальный детектируемый уровень. При КОСС, равном 120 дБ, шум с размахом 0,1 В уменьшается до 0,1 мкВ. Выходное сопротивление датчика может составлять от нескольких десятков Ом до 107 Ом, в зависимости от типа электрода и проводимости жидкости. Для минимизации потерь входной импеданс интерфейсного усилителя должен быть значительно выше выходного сопротивления датчика. Это требует применения компонентов с входным каскадом на КМОП-транзисторах или полевых транзисторах с управляющим p‑n‑переходом (JFET), которые имеют высокое входное сопротивление. Низкие входные токи смещения интерфейсного усилителя также крайне важны для поддержания минимальных значений шума тока и синфазного напряжения. Характеристики ряда рекомендуемых усилителей приведены в таблице 4. На рис. 8 изображен расходомер на базе прецизионного инструментального усилителя AD8228. Интерфейсный усилитель ослабляет синфазное напряжение и одновременно усиливает слабый сигнал датчика. Грамотно спроектированная топология и лазерная подгонка резисторов позволяют компоненту гарантированно поддерживать заявленные в спецификации значения погрешности коэффициента усиления, дрейфа коэффициента усиления и ослабления синфазного сигнала. В целях минимизации тока утечки выходной сигнал высокоимпедансного датчика можно окружить немаскирован-

Таблица 4. Характеристики некоторых инструментальных усилителей Модель

Коэффициент усиления

ZIN

КОСС (дБ, мин.) от нуля до 1 кГц, G = 0

Шум 1/f, мкВP-P

IBIAS, пА

Напряжение питания, В

AD620 AD8220 AD8221 AD8228 AD8421

1–10 000 1–1000 1–1000 10, 100 1–10 000

10 Ом || 2 пФ 1013 Ом || 5 пФ 1011 Ом || 2 пФ 1011 Ом || 2 пФ 3×1010 Ом || 3 пФ

100 100 110 100 114

0,55 0,94 0,5 0,5 0,5

500 10 200 400 100

от ±2,3 до ±18 от ±2,25 до ±18 от ±2,3 до ±18 от ±2,3 до ±18 от ±2,5 до ±18

www.kite.ru

компоненты

датчики

Рис. 8. Схема подключения входного усилителя к электромагнитному расходомеру

ным защитным проводником, как показано на рис. 8. Коэффициент усиления первого каскада обычно выбирается равным от 10 до 20, но не выше, поскольку, с одной стороны, слабый сигнал необходимо усилить перед постобработкой, а с другой — смещение постоянной составляющей должно поддерживаться на достаточно низком уровне во избежание насыщения последующих каскадов. Фильтрация шумов За входным каскадом следует активный полосовой фильтр, который устраняет по-

стоянную составляющую и устанавливает коэффициент усиления, позволяющий полностью использовать динамический диапазон следующего за ним АЦП. Частота сигнала возбуждения датчика выбирается в диапазоне 1/25–1/2 от частоты сети питания и определяет значения частот среза полосового фильтра. Схема полосового фильтра для электромагнитного расходомера изображена на рис. 9. Первый каскад фильтра представляет собой фильтр верхних частот с единичным коэффициентом усиления, связью по переменному току и частотой среза 0,16 Гц.

Передаточная характеристика первого каскада фильтрации имеет вид:

Совместно с последующими каскадами он образует полосовой фильтр с нижней частотой среза 0,37 Гц, верхней частотой среза 37 Гц, пиковым значением характеристики 35,5 дБ на частоте 3,6 Гц, скоростью спада ха-

Рис. 9. Полосовой фильтр

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

рактеристики –40 дБ на декаду и эквивалентной полосой шума 49 Гц. Выбираемый для данного каскада усилитель не должен вносить дополнительный шум в систему. При использовании малопотребляющего прецизионного операционного усилителя AD8622, обладающего уровнем шума 1/f, равным 0,2 мкВ (полный размах), и широкополосным шумом с плотностью 11 нВ/√Гц, приведенное ко входу среднеквадратическое напряжение шума составляет 15 нВ. Эквивалентный уровень шума, приведенный ко входу усилителя, равен 1,5 нВ (с. к.з.), и он пренебрежимо мал по сравнению с уровнем шума датчика (±1,5 мкВ при скорости потока 0,01 м/с). Сложение источников шума, включая синфазное напряжение, шум входного усилителя и шум полосового фильтра, по закону корня суммы квадратов дает среднеквадратическое напряжение шума, приведенное ко входу AD8228, равное 0,09 мкВ (размах приблизительно 0,6 мкВ). Выходной сигнал фильтра содержит информацию о скорости потока в амплитуде и направлении потока в фазе. Этот биполярный сигнал демодулируется при помощи аналоговых ключей, конденсаторов хранения и усилителя разностного сигнала, как показано на рис. 10. Аналоговые ключи должны обладать низким сопротивлением во включенном состоянии и умеренной скоростью коммутации. Микросхема ADG5412, содержащая четыре высоковольтных, устойчивых к эффекту «защелкивания» ключа типа SPST (однополюсный ключ на одно направление) с типичным RON = 9,8 Ом и частотной неравномерностью RON = 1,2 Ом, не вносит существенных погрешностей усиления и искажений в сигнал. Интерфейс с АЦП, имеющим диапазон полной шкалы входного сигнала 5 В, обеспечивается при помощи малопотребляющего, недорогого усилителя разностного сигнала с единичным коэффициентом усиления AD8276. Его вывод REF подключается к опорному напряжению 2,5 В для отображения биполярного выходного сигнала усилителя в однополярном диапазоне входных напряжений АЦП. Выходные напряжения выше 2,5 В соответствуют протеканию жидкости в прямом направлении, а ниже 2,5 В — в обратном.

компоненты

Рис. 10. Схема синхронного демодулятора

Таблица 5. Эффективное разрешение AD7192 при различных значениях коэффициента усиления и частоты выходных данных Слово конфигурации фильтра (десятичное значение)

Частота выходных данных, Гц

Время установления, мс

Усиление 1*

1023

4,7

852,5

640

7,5

533

480

96 80

Усиление 8*

Усиление 16*

Усиление 32*

Усиление 64*

Усиление 128*

24 (22)

24 (21,5)

23,5 (21)

22,5 (20)

24 (22)

24 (21,5)

23,5 (21)

23 (20,5)

22,5 (20)

400

24 (21,5)

23,5 (21)

23 (20,5)

22 (19,5)

22 (19.5)

22 (19,5)

21,5 (19)

21 (18,5)

66,7

22 (19.5)

22 (19,5)

21,5 (19)

20,5 (18) 20,5 (18)

120

33,3

22 (19.5)

21,5 (19)

21 (18,5)

150

26,7

21,5 (19)

21 (18,5)

20 (17,5)

300

13,3

21,5 (19)

21 (18,5)

20,5 (18)

19,5 (17)

960

4,17

20,5 (18)

20 (17,5)

19,5 (17)

19 (16,5)

2400

1,67

20 (17,5)

19,5 (17)

19 (16,5)

18 (15,5)

4800

0,83

19 (16,5)

18,5 (16)

17,5 (15)

Примечание: * — в скобках указано значение разрешения, полностью свободного от шума.

Выбор АЦП При анализе бюджета погрешностей системы основной вклад обычно дает датчик, погрешность которого может составлять 80–90% от общей погрешности. В соответствии с требованиями международного стандарта на электромагнитные расходомеры повторяемость измерений должна быть лучше, чем 1/3 от максимальной девиации системы при температуре +25 °C и постоянной скорости потока. При общем бюджете погрешности, равном 0,2%, повторяемость должна быть лучше 0,06%. Если 90% этого бюджета

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 11. Схема подключения АЦП

www.kite.ru

компоненты

датчики

Рис. 12. Электромагнитный расходомер

отнимает датчик, то максимальная допустимая погрешность электронных схем должна быть равна 60 ppm. Для минимизации погрешностей можно усреднить выходные отсчеты АЦП. Так, например, из каждых пяти отсчетов можно отбросить максимальный и минимальный и усреднить оставшиеся три. АЦП в этом случае должен выдавать пять отсчетов в течение каждого интервала стабилизировавшегося состояния сигнала (последние 10% периода возбуждения). Для этого частота дискретизации АЦП должна быть, по меньшей мере, в 50 раз больше частоты возбуждения датчика. То есть при максимальной частоте возбуждения 30 Гц минимально необходимая частота дискретизации составляет 1500 Гц. Дальнейшее повышение частоты дискретизации позволяет усреднить больше отсчетов данных и, как следствие, улучшить подавление шума и добиться большей точности. Перечисленным выше требованиям соответствуют АЦП на основе Σ∆-архитектуры, которые поддерживают превосходные характеристики шума и имеют умеренное быстродействие. Благодаря эффективному разрешению 16,5 бит без шумов при частоте выходных данных 4800 Гц Σ∆-АЦП AD7192 прекрасно подходит для применения в электромагнитных расходомерах. В таблице 5 приведены значения его эффективного разрешения в зависимости от коэффициента усиления и частоты выходных данных. На рис. 11 изображена схема подключения АЦП, которая включает выходной каскад демодулятора и микропотребляющий пре-

цизионный источник опорного напряжения 2,5 В ADR3425. В некоторых областях применения, например в задаче розлива напитков, необходимо применение более высоких частот сигнала возбуждения датчика. Возбуждение катушек датчика сигналом с частотой 150 Гц позволяет выполнять процесс розлива примерно за одну секунду. Требования к шуму в этом случае сохраняются, однако АЦП должен иметь большее быстродействие. Сигмадельта АЦП AD7176-2 обладает временем установления 20 мкс и поддерживает разрешение 17 бит без шума при частоте дискретизации 250 kSPS, а также обеспечивает подавление гармоник с частотой 50 Гц и 60 Гц на 85 дБ.

Тестирование аналоговой сигнальной цепочки Обсуждавшиеся в данной статье составные блоки были использованы для возбуждения и тестирования электромагнитного датчика расхода жидкости в калибровочной лаборатории. Полнофункциональный входной интерфейс, включающий в себя входной каскад с высоким КОСС, полосовой фильтр и усилительный каскад, также был испытан в составе реальной системы. При тестировании двух плат была достигнута точность ±0,2% в диапазоне измерения от 1 до 5 м/с при повторяемости 0,055%. Эти результаты хорошо коррелируются с международными стандартами. Сигнальная цепочка электромагнитного расходомера изображена на рис. 12.

Процессы возбуждения датчика и измерения напряжения определяют общие характеристики системы, поскольку сигнал с амплитудой, равной милливольтам, который формируется на электродах, в конечном итоге преобразуется в измеренное значение скорости потока. Полученные показания могут передаваться в системный контроллер при помощи ряда протоколов связи, включая RS‑485 и интерфейс токовой петли 4–20 мА. Ключевые преимущества токовой петли состоят в том, что данный интерфейс не подвержен влиянию падения напряжения в проводах, может использоваться для передачи информации на большие расстояния и более устойчив к шумам по сравнению с интерфейсами, в которых информация передается напряжением. В заводских системах автоматизации более распространены протоколы цифровых шин, которые обеспечивают высокую скорость связи на небольших расстояниях с использованием дифференциальных напряжений. На рис. 13 изображена схема передачи информации по токовой петле 4–20 мА с применением протокола HART. На рис. 14 показано решение для передачи данных при помощи интерфейса RS‑485 с гальванической развязкой. Для поддержания безопасных уровней напряжений на стороне пользовательского интерфейса и предотвращения передачи импульсных бросков напряжения от источника между каналом связи и системным контроллером обычно реализуется гальваническая развязка. В таблице 6 приведен перечень компонентов для различных стандартов связи, обладающих наивысшим уровнем интеграции.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

Рис. 13. Передача информации через интерфейс токовой петли 4–20 мА с использованием протокола HART

Рис. 14. Приемопередатчик RS‑485 с гальванической развязкой

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

новости

датчики

Таблица 6. Интегрированные схемы для промышленных систем сбора данных Выходной интерфейс

Решение

Описание

Достоинства

4–20 мА

AD5410/ AD5420

Одноканальный, 16-разрядный ЦАП с выходом тока.

4–20 мА

AD5412/ AD5422

Одноканальный, 16-разрядный ЦАП с выходом тока и напряжения, поддержка интерфейса HART.

4–20 мА

AD5750

Промышленный драйвер с выходом тока/напряжения, программируемый рабочий диапазон.

HART

AD5700

Малопотребляющий модем HART.

RS-232

ADM3251E

Диагностика короткого замыкания/обрыва цепи. Защита от перегрева. Управление скоростью фронтов сигнала. Программируемые диапазоны тока/напряжения. Диагностика короткого замыкания/обрыва цепи. Защита от перегрева. Управление скоростью фронтов сигнала. Программируемые диапазоны тока/напряжения. Диагностика короткого замыкания/обрыва цепи. Защита от перегрева. Управление скоростью фронтов сигнала. Программируемые диапазоны тока/напряжения. Проверка CRC. Диапазоны с отрицательным током. Максимальный потребляемый ток в режиме приема 115 мкА. Интегрированный полосовой фильтр. Минимальное количество необходимых внешних компонентов. Защита от электростатического разряда по выводам RIN и TOUT. ±8 кВ: контактный разряд. ±15 кВ: бесконтактный разряд.

CAN BUS

RS-485

Изолированный одноканальный драйвер/приемник RS-232. Приемопередатчик CAN с гальванической Функции ограничения тока и отключения ADM3053 развязкой сигнальных линий и питания, при перегреве для защиты от короткого замыкания по выходу. выдерживаемое напряжение 2,5 кВ (с.к.з.). Дуплексный/полудуплексный приемопередатчик Защита входов приемника от обрыва цепи с гальванической развязкой сигнальных линий ADM2582E RS-485 и короткого замыкания. и питания, выдерживаемое напряжение 2,5 кВ ср.кв., Защитное отключение при перегреве. защита от электростатического разряда до ±15 кВ.

Заключение Электромагнитные датчики являются одним из наиболее распространенных средств измерения расхода жидкости на сегодня. Они преобладают в задаче измерения жидкостей и приобрели особую популярность в Европе в области очистки сточных вод. Основными тенденциями при проектировании электромагнитных расходомеров являются уменьшение площади печатных плат и повышение точности измерения. Характеристики проектируемых систем определяются преимущественно аналоговым входным блоком, что требует применения малошумящего усилителя с высоким импедансом и высоким КОСС и сигма-дельта

АЦП с низким шумом и высоким разрешением. В будущем при создании электромагнитных расходомеров потребуются АЦП с еще большей производительностью. Компоненты семейства АЦП AD719x удовлетворяют требованиям современных систем, а преобразователи семейства AD7176 обладают достаточной производительностью для систем следующего поколения. Линейки преобразователей напряжения с высоким КПД, интегрированных интерфейсных компонентов, АЦП с высоким разрешением, прецизионных усилителей и источников опорного напряжения компании Analog Devices позволят разработчикам создавать новые проекты, отвечающие всем требованиям с запасом. n

датчики

Micropilot — новые радарные датчики уровня Американская компания Endress+Hauser представила обновленную серию радарных датчиков уровня Micropilot FMR5X, направленных на безопасное и точное измерение уровня жидкостей и сыпучих продуктов в химической, нефтяной, газовой и пищевой промышленностях. Датчики могут использоваться в сложных условиях, связанных с высоким давлением и высокой температурой. Micropilot FMR5Х разработаны в соответствии с IEC 61508 и имеют программное обеспечение с несколькими эхо-алгоритмами и функцией подавления помех от краев, сварных соединений или других инструментов, обеспечивая тем самым точность до ±2 мм. Жидкости и сыпучие продукты могут быть измерены в металлических или пластмассовых емкостях, а также в трубах или резервуарах судов. Кроме того, датчики могут быть использованы для фиксации минимальных или максимальных уровней в целях предотвращения непредвиденного переполнения или опустошения емкостей. FMR5X могут подключаться к питанию 4–20 мА по двухпроводной и четырехпроводной линии. Коммуникационные опции включают HART, Profibus PA и Foundation Fieldbus, в дополнение к которым можно заказать выходной выключатель. Дополнительный датчик доступен с двумя независимыми конфигурируемыми 4–20‑мА выходами. www.us.endress.com

компоненты

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

датчики

Разработка нового поколения автомобильных датчиков скорости и положения

Светлана Сысоева Dr._Gold@sysoeva.com

С 2013 года впервые стала доступной для разработчиков компонентная база датчиков скорости и углового положения на основе эффекта тун‑ нельного магниторезистивного (ТМР) эффекта, предложенная компанией MDT. В публикуемой ниже статье представлены новые разработки автомо‑ бильных датчиков скорости и положения с использованием данной базы, которые также частично или полностью могут применяться совместно с компонентной базой датчиков на основе ГМР- (гигантского магниторе‑ зистивного) или АМР- (анизотропного магнитного резистивного) эффекта, вертикальных и даже планарных датчиков Холла или вообще неинтеграль‑ ных типов датчиков. Технические области применения новинок включают в себя автоэлектронику (датчики частоты вращения, углового положения дроссельной заслонки, педали, угла рулевого колеса), переключение бес‑ коллекторных двигателей, джойстики, измерение тока.

Введение Туннельный магниторезистивный эффект характеризуется изменением магнитосопротивления под действием магнитного поля в так называемом магнитном туннельном переходе, сформированном посредством многослойных материалов. ТМР-эффект показывает высокие изменения удельного сопротивления под действием магнитного поля, вследствие чего датчики и преобразователи магнитного поля на его основе считаются сегодня одними из наиболее перспективных [1] для применения в потребительской и автоэлектронике, мобильных устройствах и других сегментах рынка. Так, автопром, будучи ключевым заказчиком этого вида датчиков как по объемам потребления, так и в технологическом плане, использует их для определения скорости автомобиля (датчик ферромагнитного зубчатого ротора выходного вала коробки передач, рис. 1), контроля положения дроссельной заслонки (датчик абсолютного углового положения дипольного диаметрально намагниченного магнита, рис. 2) [3, 4], педали акселератора, в магнито- управляемых ключах для контроля ремней безопасности или положения сиденья, бесконтактного переключения двигателей и пр. В автоэлектронике на сегодня доминируют датчики Холла с планарными элементами, чувствительные к перпендикулярному магнитному полю [2]. За пределами стандартных компонентов особый интерес представляют технологические разновидности гибридных датчиков Холла с интегрированными магнитоконцентраторами (ИМК), которые отличаются повышенной чувствительностью к параллельным компонентам поля, магнитной, механической и температурной стабильностью. Разработаны технологии вертикальных датчиков Холла, чувствительных к параллельным компонентам магнитного поля и полностью эмулирующих в этом плане датчики на основе эффекта анизотропного магнитосопротивления (АМР), гигантские магниторезисторы (ГМР), представляющие собой другие широко известные коммерческие технологии с высокой чувствительностью и стабильностью. ТМР-эффект чувствителен также к параллельным магнитным полям и превосходит по чувствительности, уровню первичного

сигнала и уникальному набору других преимуществ все вышеперечисленные коммерческие технологии. Итак, ТМР-эффект отличается высокой чувствительностью, высоким уровнем первичного сигнала без необходимости его усиления,

Рис. 1. Ключевой пример автомобильных датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла: датчик скорости автомобиля (датчик ферромагнитного зубчатого ротора выходного вала коробки передач) [3]: 1, 10, 100 — бесконтактный статор датчика ферромагнитного зубчатого ротора; 2 — ферромагнитный зубчатый ротор; 3 — вращающийся вал; 11 — корпус датчика (110) с контактами (111); 12 — модуль датчика Холла; 13 — печатная плата; 21 — кодовые элементы — зубья; 22 — кодовые элементы — пропуски зубьев; 121 — микросхема дифференциального датчика (TLE4921-5U Infineon); 122 — корпус интегрального модуля, включающий в себя обратносмещающий магнит (123)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

высокой температурной стабильностью, широким диапазоном доступных рабочих расстояний, способностью детектирования слабых магнитных полей, устойчивостью к механическим и магнитным смещениям и рядом других характеристик, что делает его интересным для использования в автоэлектронике. Первые специализированные ТМР-датчики скорости ферромагнитного зубчатого ротора и углового положения дипольного диаметрально намагниченного магнита выпущены MultiDimension Technology Co., Ltd. в виде магниточувствительных ТМР-элементов в корпусах интегральных микросхем [1]. ТМР-датчики зубчатого ротора MMGX45 способны детектировать роторы с малым шагом (меньшим, чем для других эффектов). Поскольку компоненты от MDT дают на выходе только первичные сигналы, они на данном этапе подходят и в качестве датчиков скорости автомобиля, и для обнаружения линейного и углового положения. В свою очередь, ТМР-датчики MMA253F, разработанные специально для бесконтактных измерений угла в 360‑градусном диапазоне, снабжены высокоамплитудными синусно-косинусными выходами напряжения и подходят для применения в качестве угловых датчиков положения (типа датчика положения дроссельной заслонки) и энкодеров.

Первые шаги в разработке следующего поколения датчиков скорости автомобиля

Доступная компонентная база ТМР-датчиков скорости MMGX45 (рис. 3) — первый мостовой ТМР-датчик зубчатого ротора MDT, доступный в шести стандартных вариантах (для шагов роторов в 0,25; 0,5; 0,75; 1; 2 и 3 мм) и одном из двух типов корпуса с малым форм-фактором (LGA, 330,9 мм и 360,9 мм). В зависимости от исполнения датчик скорости включает в себя один или два полных моста Уитстона с четырьмя или восемью неэкранированными высокочувствительными сенсорными ТМР-элементами. Мост Уитстона создает дифференциальный выход напряжения, соответствующий градиенту магнитного поля вдоль чувствительного направления, параллельного лицевой поверхности микросхемы. В двухмостовой конфигурации два ортогональных моста Уитстона обеспечивают синусный и косинусный сигналы напряжения, которые могут использоваться для измерения положения зубчатого ротора и направления движения. Датчики магнитного зубчатого ротора MMGX45, отличаясь высокой чувствительностью по отношению к градиенту магнитного поля, могут определять в нем малые изменения, а кроме того, демонстрируют хорошую температурную стабильность выходного сигнала. Исполнения датчиков проиллюстрированы в таблице. Таблица. Исполнения ТМР-датчиков скорости MMGX45 компании MDT Серийный номер MMG145F MMG245F MMG345F MMG245D MMG445D MMG845D MMGC45D

Исполнение одномостовое/ двухмостовое Одномостовое

Двухмостовое

Разделение между ТМР-элементами, мм

Диапазон среднего шага роторов

0,25 0,5 0,75 0,5 1 2 3

0,3–1 мм; оптимальный шаг — 0,5 мм 0,7–2 мм; оптимальный шаг — 1 мм 1–3 мм; оптимальный шаг — 1,5 мм 0,7–2 мм; оптимальный шаг — 1 мм 1,3–4 мм; оптимальный шаг — 2 мм 2,7–8 мм; оптимальный шаг — 4 мм 4–12 мм; оптимальный шаг — 6 мм

Формат корпуса LGA6L (3×3) LGA6L (3×3) LGA6L (3×6)

Рис. 2. Ключевой пример автомобильных датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла: датчик положения дроссельной заслонки (датчик абсолютного углового положения дипольного диаметрально намагниченного магнита) [4]: 1, 10, 100 — бесконтактный датчик-статор; 2 — магнитный ротор; 3 — вращающийся вал; 11 — корпус датчика (110) с контактами (111); 12 — интегральный датчик Холла (микросхема MLX90316 Melexis); 13 — печатная плата; 14 — конструктивная деталь для 3D-ограничения нежелательных степеней свободы перемещения ротора; 15 — пружина; 16 — крышка датчика; 21 — дипольный диаметрально намагниченный магнит; 22 — установочная втулка ротора

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Применение компонентной базы ТМР в измерительных системах датчиков скорости Применение в конструкциях и измерительных системах датчиков скорости ферромагнитного зубчатого ротора проиллюстрировано на рис. 4 [5]. Как видно из рис. 4а, второй тип корпусов (360,9 мм) и двухмостовое исполнение соответствующего типа MMGC45D могут быть использованы для простого замещения1 интегральных дат1 Обратим внимание, что питание ТМР-датчиков MDT осуществляется от 1‑вольтного источника. Рабочая температура — только до +125 °C, поэтому о прямом замещении данной компонентной базой коммерческих датчиков Холла в коробке передач речь пойдет после повышения рабочей температуры ТМР-компонентов до +150 °C.

www.kite.ru

компоненты

датчики

Формулы преобразования датчика положения дроссельной заслонки

Рис. 3. MMGX45 — первый магнитный ТМР-датчик зубчатого ротора от MDT: а) внешний вид; б, в) блок-диаграммы: б) одномостовая конфигурация; в) двухмостовая конфигурация; г–е) конфигурация выводов для различных исполнений и типов корпусов

чиков и модулей Холла вместе с сохранением существующего типа штампованного ротора диаметром 72 мм с 32 ферромагнитными зубьями (средний шаг порядка 7 мм). Двухмостовое исполнение MMG445D в корпусе первого типа (330,9 мм) позволит применять 256 кодовых элементов (по 128 зубьев и впадин) с шагом ротора порядка 1,75 мм (рис. 4б). А двухмостовое исполнение MMG845D в корпусе второго типа (360,9 мм) позволит вдвое увеличить число кодовых элементов (зубьев и впадин) — с 64 до 128, шаг ротора при этом также уменьшится вдвое — с 7 до 3,5 мм. Компьютерное моделирование позволило разместить до 512 ферромагнитных элементов (всего 1024 кодовых элемента) для ротора данного диаметра (72 мм), средний шаг при этом составил менее 0,5 мм. Это даже не предельное значение, допустимое для одномостового исполнения датчика MMG145F в корпусе размером 330,9 мм.

по размерам ферромагнитными и магнитными кодовыми элементами с большими рабочими расстояниями (воздушным зазором). ТМР-датчики скорости устойчивы к магнитным, механическим и температурным смещениям и дрейфам, поэтому способны и далее повышать точность и улучшать другие функциональные характеристики датчиков скорости. Исследования магнитной системы ТМРдатчиков скорости и разработка схемотехнического решения для датчика скорости, в том числе полностью высокоинтегрированного ASIC-решения для обработки выходного дифференциального сигнала, — ожидаются в ближайшей перспективе.

При достижении столь высокого разрешения отдельным пунктом встает вопрос замещения технологии изготовления: вместо штампованных ферромагнитных роторов могут начать применяться, например, пленочные — такие же, как ранее известные магнитные роторы с магнитными пленками (рис. 4в). Те же самые датчики скорости могут применяться не только для ферромагнитных зубчатых роторов, но и для магнитных роторов — без обратносмещающих магнитов, которые для них не требуются (рис. 4г). Перспективы применения ТМРкомпонентов в качестве датчиков скорости очевидны: их явные преимущества — в дальнейшей миниатюризации и упрощении конструкции датчиков скорости, а также в повышении разрешения и удешевлении технологии изготовления роторов. ТМРкомпоненты допускают работу с малыми обратносмещающими магнитами, меньшими

Доступная компонентная база ТМР-датчиков угла поворота Первый двухосевой ТМР-датчик MMA253F (рис. 5) угла поворота малого магнита вырабатывает на выходе сигналы напряжения, пропорциональные синусу и косинусу приложенного магнитного поля, параллельного поверхности датчика. MMA253F включает в себя два моста Уитстона, каждый из которых содержит по четыре ТМР-резистора в конфигурации push-pull. Датчик поставляется в компактном корпусе LGA8 размером 330,9 мм. MMA253F может использоваться для измерения ориентации магнитного поля магнита, вращающегося параллельно поверхности корпуса датчика. Магнитное поле детектируется в нем ТМР-элементами, состоящими из двух магнитных слоев. Один слой каждого является «приколотым» (pinned layer) и не подвержен действию магнитных полей, а другой слой — свободный и имеет намагниченность, которая выравнивается параллельно приложенному магнитному полю. Эффект ТМР производит сопротивление, пропорциональное синусу и косинусу относительной угловой разницы между направлениями намагничивания свободного и «приколотого» слоя. Выходные сигналы ТМР-датчиков представляют собой синусные и косинусные сигналы напряжения в зависимости от угла приложенного магнитного поля, посредством чего обеспечивается измерение ориентации магнита. На рис. 5в показаны синусно-косинусные напряжения, типичные для магнита диаметром 6 мм и высотой 2,5 мм, при уровне напряжения питания в 1 В. ТМР-мосты Уитстона вырабатывают пиковый сигнал практически на уровне 100% напряжения питания, что исключает необходимость его усиления. ТМР-мост способен самостоятельно компенсировать температурный дрейф напряжения.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

Рис. 4. Измерительная система датчика скорости автомобиля с использованием компонентной базы на основе ТМР-эффекта: а) простое замещение ТМР-компонентами для дифференциальных датчиков Холла в существующих измерительных системах; б) демонстрация возможности повышения разрешения ротора в четыре раза и более; в) демонстрация применения высокоразрешающих ферромагнитных зубчатых роторов следующего поколения, изготовленных по специальной технологии; г) демонстрация применения магнитных роторов следующего поколения на основе высокоразрешающих магнитных пленок, изготовленных по специальной технологии: 1, 10, 100 — бесконтактный статор датчика ферромагнитного зубчатого ротора; 3 — вращающийся вал; 11 — корпус датчика (110) с контактами (111); 12 — микросхема ТМР-датчика MMGX45; 13 — печатная плата; 14 — обратносмещающий магнит; 2 — ферромагнитный зубчатый ротор; 21 — кодовые элементы — зубья; 22 — кодовые элементы — пропуски зубьев

Применение ТМР-датчиков в конструкциях датчиков абсолютного углового положения Применение ТМР-датчиков в конструкциях и измерительных системах датчиков положения дроссельной заслонки проиллюстрировано на рис. 6 [6]. Как видно из рис. 6, ТМР-компоненты не только допускают замещение датчиков Холла, но и обеспечивают (за счет собственной высокой чувствительности к параллельным компонентам магнитного поля) большие рабочие расстояния (порядка 2–5 мм и выше) и более гибкое механическое размещение в 3D-пространстве датчика отно-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

сительно магнита с любой стороны платы. Применение ТМР-компонентов демонстрирует, во‑первых, дальнейшую миниатюризацию, во‑вторых — возможность гибкого подбора магнитов любой формы и намагниченности вместе с варьированием рабочих расстояний, в третьих — дальнейшее упрощение конструкции и монтажа. Рис. 6а иллюстрирует макетный образец датчика положения дроссельной заслонки на основе прототипа [4] с расположением ТМР-датчика, запаянного с обратной стороны платы, а минималистический пример технологичного исполнения того же датчика для серийного производства показан на рис. 6б.

Поскольку ТМР-компоненты представляют собой истинно двухосевые компоненты, снижение нежелательной чувствительности к вертикальным смещениям и наклонам ротора относительно датчика достигается на физическом уровне. Кроме того, применение ТМР-компонентов в конструкциях датчиков положения дроссельной заслонки обеспечивает снижение энергопотребления, повышение надежности и функциональной безопасности. Выход обычной микросхемы из строя приводит к полной неработоспособности любого датчика, что угрожает автомобильной функциональной безопасности, обеспечение которой актуализировано станwww.kite.ru

компоненты

датчики

Рис. 5. ТМР-датчики угла: а) измерительная конфигурация и внешний вид двухосевого первого ТМР-датчика угла MMA253F; б) иллюстрация измерительного принципа; в) типичные выходные сигналы; г) мостовая схема

дартом ISO26262 [7]. Рассмотренные конструкции легко допускают размещение двух ТМР-датчиков одновременно с обеих сторон платы и создание так называемой избыточной измерительной системы. Поскольку ТМР-компоненты, как уже говорилось, это истинно двухосевые датчики, имеющие в плоскости XY не только высокую рабочую, но и паразитную чувствительность, в конструкциях могут быть приняты специальные меры по уменьшению нежелательных горизонтальных смещений магнитной системы, эксцентриситета вращения и наклонов ротора относительно центра датчика. Малый эксцентриситет позволяет использовать меньшие по размерам в плоскости XY магниты, а больший эксцентриситет может быть скомпенсирован применением магнитов, более солидных по размерам и намагниченности. В данном устройстве применяются дипольные магниты (21) различной геометрии с одним обязательным условием: намагниченности в той плоскости, в которой ротор совершает рабочее угловое движение с двумя степенями свободы. Магнит (21) может иметь любую из следующих форм: сплошного цилиндра; цилиндра с централь-

Рис. 6. Датчик положения дроссельной заслонки (датчик абсолютного углового положения дипольного диаметрально намагниченного магнита) на основе компонентной базы магниточувствительных ТМР-датчиков угла: а) базовая конструкция с ТМР-датчиком, запаянным с обратной стороны платы, и центральным отверстием; б) базовая конструкция с ТМР-датчиком, запаянным с верхней стороны платы; в) избыточная измерительная конфигурация с двумя датчиками, запаянными с обеих сторон платы: 1, 10, 100 — бесконтактный датчик — статор; 11 — корпус датчика (110) с контактами (111); 12 — ТМР-датчик угла поворота в интегральном корпусе (MDT); 13 — печатная плата; 14 — центральная конструктивная деталь — вставка для точного позиционирования датчика (12) относительно ротора в 2D; 15 — пружина; 16 — крышка датчика; 2, 20 — магнитный ротор; 21 — дипольный диаметрально намагниченный магнит; 22 — установочная втулка ротора; 114 — крепежные элементы для вставки (14); 113 — крепежные элементы для платы (13); 12 — магниточувствительный измерительный элемент, состоящий из двух датчиков (121 и 122), размещенных по разные стороны платы

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

ным сквозным или несквозным отверстием (пазом) со стороны, примыкающей к магниточувствительному датчику при его установке в магнитодержатель; кольцеобразную (с широким сквозным отверстием); прямоугольного параллелепипеда или куба. Различные типы магнитов, подходящие для данного устройства, показаны на рис. 7. Для передовых ТМР-датчиков и многих других перечисленных выше типов могут использоваться малый дипольный диаметрально намагниченный магнит диаметром 6 мм и высотой 2,5 мм или сплошные цилиндрические магниты других размеров, подбор которых определяется требуемым рабочим полем и расстоянием между магнитом и датчиком. Кроме того, применение магнитов специальных размеров и форм может быть рекомендовано для компенсации большого рабочего зазора, эксцентриситета и невыравнивания центра магнитной системы от оптимального. На данный момент автором разработано порядка 50 исполнений датчика положения дроссельной заслонки и концептуальных устройств, иллюстрирующих специальные конструктивные меры и модификации магнитной системы для снижения погрешностей центрирования магнитной системы и эксцентриситета или их компенсации. Все эти меры сопутствуют достижению более высокой измерительной точности и представляют собой в основном дальнейшие шаги по совершенствованию устройства в плане минимизации нежелательной чувствительности к горизонтальным смещениям. Но они также оказались полезными и для устранения взаимных наклонов ротора и статора в корпусе датчика, а кроме того, позволили добиться одновременного снижения вертикальной чувствительности к погрешностям магнитной системы. В процессе разработки стало очевидно, что фундаментальные улучшения магнитной системы на основе дипольного магнитного ротора, достигнутые во вновь разработанных исполнениях, обеспечили значительное повышение точности, надежности и других характеристик устройств на основе не только ТМР-датчиков угла, а также ГМР- и АМРкомпонентов и вертикальных датчиков Холла, но даже на основе планарных элементов Холла с ИМК и без них. ТМР-датчики MDT работают также при 5‑В напряжении питания (максимальное значение составляет 7 В), а следовательно, они полностью пригодны для использования в датчиках положения дроссельной заслонки с соответствующей интерфейсной микро-схемой. Исследования магнитной системы ТМРдатчиков скорости и разработка схемотехнического решения для датчика углового положения, в том числе полностью высокоинтегрированного ASIC-решения для обработки выходного дифференциального

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

Рис. 7. Датчик положения дроссельной заслонки (датчик абсолютного углового положения дипольного диаметрально намагниченного магнита) с магнитами специальной формы: а, б) сплошной цилиндр; в) диск; г) цилиндр с центральным сквозным отверстием; д) диск с центральным сквозным отверстием; е) цилиндр или диск с центральным несквозным пазом со стороны, примыкающей к магниточувствительному датчику при его установке в магнитодержатель; ж) кольцеобразный магнит (с широким сквозным отверстием); з) магнит в форме прямоугольного параллелепипеда или куба

сигнала, обещают в недалекой перспективе коснуться и датчика скорости. В отличие от датчиков скорости, представляющих собой полностью бесконтактные устройства, для ТМР- и других истинно двухосевых датчиков абсолютного углового положения возникает немало вопросов в отношении того, какие конструкции совершеннее. Варианты для выбора включают в себя группу истинно двухосевых исполнений только с минимальным эксцентриситетом и осевым смещением либо истинно 3D-исполнения также и с минимальной вертикальной чувствительностью, которые очевидно предпочтительны для датчиков Холла. Но ТМР-компоненты — это устройства уже следующего за датчиками

Холла поколения, для которых ряд усовершенствований может стать избыточным.

Заключение Новые разработки датчиков демонстрируют повышение чувствительности и рабочих расстояний, разрешения, точности и надежности, миниатюризацию и упрощение конструкции, допускают гибкое размещение, варьирование рабочих расстояний, гибкий подбор магнитов, в том числе специальной формы, и, что важно, дальнейшее снижение потребления энергии и уменьшение цены. В настоящее время все исполнения новых датчиков положения и скорости наwww.kite.ru

компоненты

датчики

ходятся в стадии подготовки к патентованию, параллельно с которым автор готов предоставить их для использования на договорных условиях с последующим лицензированием. n

Литература 1. Сысоева С. С. ТМР-датчики MDT. Технология туннельного магниторезистивного (ТМР) эффекта и продукты на данной основе // Innovations Insight Magazine. 2013. № 1. www.innovationsinsightmag.com 2. Сысоева С. C. Датчики магнитного поля: ключевые технологии и новые перспективы. Часть 1. Датчики Холла // Компоненты и технологии. 2014. № 1. 3. Патент № 35441. Бесконтактный датчик скорости автомобиля. Сысоева С. С. и др. Заявка от 08.09.2003 г., дата публикации 10.01.2004 г.

новости

4. Патент № 2317522. Программируемый бесконтактный датчик углового положения с линейным угловым диапазоном в пределах 360°. Сысоева С. С. и др. Заявка от 30.01.2006 г., дата публикации 20.02.2008 г. 5. Сысоева С. С. Первые шаги в разработке следующего поколения датчиков скорости автомобиля. Innovations Insight Magazine. № 1. 2013. www.innovationsinsightmag.com 6. Сысоева С. С. Формулы преобразования датчика положения дроссельной заслонки. Innovations Insight Magazine. 2013. № 1. www. innovationsinsightmag.com 7. Сысоева С. С. Новые перспективы автомобильной функциональной безопасности. Innovations Insight Magazine. 2013. № 1. http://www. innovationsinsightmag.com/articles/novye-perspektivy-avtomobilnoyfunkcionalnoy-bezopasnosti-standart-iso‑26262‑urovni-asil-i

рынок

Программа долгосрочного выпуска микросхем Renesas Electronics

индустриальных, автомобильных и других рынков, требующих длительного срока производства компонентов. Программа долгосрочного выпуска микросхем устанавливает три периода гарантированного производства: первый для микросхем с гарантированным сроком минимум 10 лет, второй — 15 лет, третий — 20 лет или более. Данная программа запущена в январе 2014 г. и распространяется на микросхемы, уже находящиеся в массовом производстве, а также готовящиеся к выпуску в дальнейшем. Для каждого своего продукта компания предоставляет информацию о статусе, а также о планируемом минимальном периоде производства. Получить более подробную информацию о данной программе, а также о сроке производства конкретных компонентов можно на сайте www. renesas.com. www.eltech.spb.ru

Компания Renesas Electronics запустила программу долгосрочного выпуска микросхем, что гарантирует бесперебойные поставки и техническую поддержку в течение многих лет. Данная программа распространяется на более чем 5000 компонентов от Renesas Electronics, включающих в себя микроконтроллеры, силовые электронные компоненты и прочие микросхемы для

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

новости

элементы защиты

Защитные фильтры EClamp2357NQ компании Semtech для SD-карт и дисплеев

• интерфейсы Secure Digital (SD) карт памяти; • интерфейсы мультимедийных карт (MCI); • защита цветных панелей жидкокристаллических дисплеев; • сотовые телефоны и аксессуары. www.icquest.ru

Корпорация Semtech представила фильтры EClamp2357NQ, предназначенные для защиты SD-карт и портативных сенсорных и ЖК-дисплеев от воздействия электромагнитных помех и электростатических разрядов. Элементы EClamp2357NQ включают в себя шесть П‑фильтров, состоящих из TVS-диодов для защиты от электростатических разрядов, конденсаторов и резистора для фильтрации электромагнитных и радиочастотных помех. Номинал резистора — 100 Ом, а емкость каждого конден-

сатора составляет 10 пФ, что необходимо для обеспечения минимального затухания уровня 20 дБ в диапазоне 1–3 ГГц. Компонент также включает в себя четыре супрессора для защиты от электростатических разрядов. TVS-диоды обеспечивают подавление электростатических разрядов в соответствии с нормами IEC 61000-4-2, уровень 4. Фильтр EClamp2357NQ сертифицирован на соответствие классу 1 AEC-Q100 для автомобильных применений. Основные особенности EClamp2357NQ: • Шесть фильтров электромагнитных помех со встроенными TVS-диодами. • TVS-диоды для защиты от электростатического разряда. • Производительность фильтра: затухание >30 дБ на частоте 1,8 ГГц. • Рабочее напряжение TVS-диодов: 5 В. • Диапазон рабочих температур: от –40 до +125 °C. • 16‑контактный корпус форм-фактора QFN размерами 3×3×1 мм. Возможные применения: • интерфейсы сенсорных дисплеев;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

Типовые схемы подключения пьезоэлектрических датчиков на примере измерительной аппаратуры НПП «ГлобалТест»

Александр Симчук, к. т. н. Андрей Цыпленков Олег Шуков Николай Архипкин mail@globaltest.ru

Введение В настоящее время компания «ГлобалТест» выпускает полный спектр (более 300 типов) пьезоэлектрической датчиковой аппаратуры, включая вибропреобразователи с зарядовым выходом и со встроенной электроникой (широкого применения, промышленные и специального назначения), датчики давления, датчики силы, преобразователи акустической эмиссии, вибровыключатели, виброконтроллеры, автономные датчики мониторинга вибрации, калибраторы, усилители и согласующие электронные устройства. Их назначение — измерение и анализ механических колебаний и ударов, виброакустические исследования и испытания, непрерывный мониторинг и техническая диагностика промышленного оборудования, аттестация рабочих мест и промышленная санитария. Число заказчиков быстро растет и уже превышает 1000. Почти у каждого заказчика — свои специфические требования. Для разработчика это поиск новых технических решений, технологий, зачастую и поиск новых материалов. Но в конечном счете решение каждой новой задачи — это ступень в повышении квалификации разработчика и в его готовности к решению новых задач. В результате творческого сотрудничества с заказчиками был создан параметрический ряд измерительных датчиков, и НПП «ГлобалТест» п е р е ш ло к р а з р а б о т ке с о гл а с у ю щ и х устройств, позволяющих создавать «звенья» измерительных систем. Анализ имеющегося технического задела, производственных, технологических и ме-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

В статье даны рекомендации по подключению к регистрирующей аппа‑ ратуре пьезоэлектрических датчиков: вибропреобразователей, датчиков давления и силы, преобразователей акустической эмиссии, вибровыклю‑ чателей, виброконтроллеров, а также автономных датчиков мониторинга вибрации на примере измерительной аппаратуры научно-производствен‑ ного предприятия «ГлобалТест» [1]. Рассмотрены основные моменты при монтаже датчиков и соединительных кабелей, на которые необходимо обращать внимание при установке измерительной датчиковой аппаратуры на объект контроля.

трологических возможностей показал, что предприятие готово поставлять полный спектр услуг по комплектации измерительных испытательных комплексов и диагностических систем. Варианты этих систем и предлагаются в данной статье. Представлены решения для задач различной сложности, реализованные как на аппаратном, так и на программном уровне, чем теперь можно просто пользоваться. Для разработчиков систем технического диагностирования правильный выбор датчика и схемы его подключения в измерительном канале с множеством обратных связей является определяющим для получения достоверных результатов измерения параметров контроля с требуемой погрешностью без учета влияния внешних факторов (температуры окружающей среды, деформации основания, акустического поля и т. д.). Рассмотренные в статье типовые схемы подключения датчиков к регистрирующей аппаратуре призваны помочь разработчикам систем технического диагностирования решить следующие технические задачи: • согласование выходного сигнала датчика (по амплитуде, частоте, фазе или цифровому коду) с входными характеристиками (нагрузкой) регистрирующей аппаратуры; • выбор линии связи для передачи сигналов от датчика к регистрирующей аппаратуре; • минимизация вносимых в соединительную схему шумов, обусловленных электрическими и электромагнитными наводками от источников питания, радиостанций, механических ключей, а также

всплесками напряжения и тока, возникающими из-за процессов переключений в реактивных цепях; • исключение дополнительных паразитных сигналов, связанных с неправильным подсоединением заземления. Безусловно, в практике измерения механических величин и построения диагностических систем с пьезоэлектрическими датчиками уже сформулировано множество рекомендаций и существует много примеров и способов сочетаний комплектующих, но, к сожалению, сегодня так и не появилась возможность напрямую подключать пьезоэлектрические датчики к компьютеру. Авторы не претендуют на универсальность предложенных решений. Цель этой статьи — обобщить рекомендации по согласованию пьезоэлектрических датчиков с измерительной аппаратурой.

Рекомендуемые схемы подключения пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом Основным элементом измерительных цепей пьезоэлектрических датчиков с зарядовым выходом являются предусилители. Главная задача предусилителей — преобразование высокого выходного импеданса датчика в более низкий, допускающий непосредственное соединение датчика с относительно низкоимпедансной измерительной, анализирующей или регистрирующей аппаратурой (например, осциллографом с сопротивлением по входу Rвх = 1 МОм, анализатором спектра с сопротивлением по входу Rвх = 100 кОм и т. д.). www.kite.ru

компоненты

датчики

К другим задачам предусилителей относятся: • согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (по амплитуде, частоте, фазе или цифровому коду) используемой аппаратуры; • интегрирование пропорциональных ускорению сигналов пьезоэлектрических датчиков и, следовательно, получение сигналов, пропорциональных скорости или перемещению механических колебаний; • сигнализация о перегрузке по входу и выходу; • фильтрация обрабатываемых сигналов и, следовательно, исключение ненужных или нежелательных составляющих этих сигналов. Входной каскад усилителей заряда состоит из операционного усилителя с емкостью обратной связи. И, по существу, он является электронным интегратором поступающего на его вход электрического тока. Напряжение на выходе последнего (Uвых) определяется из выражения [2]: (1)

где Qg — электрический заряд датчика, пропорциональный виброускорению; А — коэффициент усиления операционного усилителя; Сос — емкость цепи обратной связи; Cg — емкость датчика; Cк — емкость соединительного кабеля; Свх — емкость входной цепи усилителя. С учетом присущего современным операционным усилителям большого значения коэффициента усиления (А ≈ 105), малой емкости входной цепи (Свх < 5 пФ) и при условии Ск < АСос выражение (1) принимает вид:

Uвых ≈ Qg /Сос. (2) Из выражения (2) следует, что выходное напряжение входного каскада усилителя заряда пропорционально емкости обратной связи, то есть коэффициент преобразования по заряду усилителя почти не изменяется при изменении емкости соединительного кабеля. Применение соединительных кабелей большой длины и, соответственно, большой емкости (Cк) оказывает влияние на общую чувствительность по заряду канала, уменьшает отношение сигнал/шум и обуславливает небольшой спад амплитудно-частотной характеристики (на ≈5%) в области высоких частот (>20 кГц). Определим максимальную длину соединительного кабеля, в результате применения которого общая чувствительность по заряду канала «датчик — усилитель» изменится не более чем на 1%. Предположив, что Сос = Cg = 1 нФ и А = 105, с помощью приведенного ранее выражения (1) вычислим:

Cк = 0,01(А+1)Сос = 0,01(105+1)1 = 103 нФ. Полученное значение соответствует длине кабеля 10 000 м при погонной емкости 100 пФ/м. Емкость цепи обратной связи Сос находится в пределах от 100 пФ до 10 нФ, что соответствует коэффициентам преобразования по заряду усилителя от 10 до 0,1 мВ/пКл. Применение соединительных кабелей большой длины и с малым значением коэффициента преобразования по заряду усилителя сопровождается увеличением собственного шума и, следовательно, уменьшением общего отношения сигнала к шуму. Это следует из выражения, определяющего эквивалентный шум по заряду [2]:

q = –Uш(Cк + Сос), (3) где Uш — среднеквадратическое значение шума, приведенное ко входу, мкВ; Cк — емкость кабеля, нФ; Сос — емкость цепи обратной связи, нФ. Перечисленные выше задачи решают [1]: • усилители заряда — АР5000, AQ02, AQ07, AQ07-01, АР5220-8, АР5220-16;

Рис. 1. Вибропреобразователи с зарядовым выходом

• усилители заряда дифференциальные — АР5001, AQ05, AQ08; • усилители заряда и напряжения — АР5020, АР5230-16; • измерительные усилители заряда и напряжения — АР5100, АР5200, АР5200-3, АР5200-4, АР5200-8-19″, АР5210-4; • усилители напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии — GT200A, GT200A‑01, GT400А; • усилители заряда преобразователей акустической эмиссии — GT500A, GT500A‑01, GT500B. Для передачи сигналов от датчиков с зарядовым выходом — вибропреобразователей (рис. 1), датчиков силы (рис. 2), датчиков динамического давления (рис. 3), преобразователей акустической эмиссии (рис. 4) — к усилителю заряда или непосредственно к регистрирующей аппаратуре, имеющей предусилитель заряда в своем составе, используется антивибрационный малошумящий кабель. Однако при измерении ускорений низкого уровня (единицы g) могут появляться эффекты, связанные с трибоэлектрическими явлениями в кабеле.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

Рис. 2. Датчики силы

Рис. 4. Преобразователи акустической эмиссии

При ударных нагрузках этот эффект пропорционален длине колеблющейся (незакрепленной) части кабеля и длительности ударной нагрузки. При длительности ударной нагрузки до 10–20 мс ее влияние на результат измерений незначительно. В то же время при низкочастотных колебаниях влияние трибоэлектричества на результат измерения может оказаться решающим.

Рис. 3. Датчики динамического давления

Рис. 5. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для вибропреобразователя с зарядовым выходом с разъемным соединением и усилителем заряда АР5000: АР — АР10, АР24, АР24-01, АР26, АР34, АР37, АР39, АР40, АР40-01, АР40-02, АР57, АР57-01, АР57-02, АР95, АР96, АP97, АР48, АР49, АР50; АР5000 — усилитель заряда; AS07 — блок питания; AS05 — блок питания; АК1 — антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07; АК2, АК3 — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура, например цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix

Рис. 6. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для вибропреобразователя с зарядовым выходом и неразъемной заделкой соединительного кабеля с усилителем заряда АР5000: АР — АР11, АР12, АР19, АР30, АР31, АР32, АР33, АР77, АР77 М, АР90, АР78; АР5000 — усилитель заряда; AG01 (AG02) — согласующее устройство; AS03 — блок питания; АК2, АК3 — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура, например цифровой анализатор спектра Siglab 50-21 SPECTRA DYNAMIC

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

компоненты

Поэтому при измерениях ускорений низкого уровня целесообразно: • Уменьшать длину участков кабеля, подвергающихся вибрационным или ударным возмущениям. • Уменьшать длину участка кабеля, расположенного между последней точкой крепления его на подвижном объекте и первой неподвижной точкой. • Производить крепление кабеля на объекте испытаний без натяжения и провисания при помощи хомутов, скоб, мастик и т. д. с шагом 200–300 мм и первой точкой крепления, отстоящей на 30–50 мм от датчика (2–5 мм для АР19). • Перед испытаниями (если возможно) определять уровень сигнала, обусловленного трибоэлектричеством, в кабельных линиях «вибропреобразователь – регистрирующая аппаратура», используя в процессе испытаний «фоновые» линии связи (или «фоновые» вибропреобразователи). • Для преобразователей акустической эмиссии, работающих в частотном диапазоне от 50 кГц, использование антивибрационного кабеля не обязательно. Выбор согласующих усилителей рекомендуется проводить исходя из: • обычного или дифференциального исполнения датчика; • необходимого коэффициента усиления и возможности его изменения; • необходимости управления и связи через компьютер; • количества каналов усиления; • требований по сертификации в Госреестре и по взрывозащите. Примеры схем подключения пьезоэлектрических вибропреобразователей, датчиков давления, датчиков силы, преобразователей акустической эмиссии с зарядовым выходом к регистрирующей аппаратуре (например, к цифровому осциллографу TDS3034B компании Tektronis, анализатору спектра Siglab SPECTRA DYNAMIC, анализатору спектра А17‑U2 (А19‑U2) ZETlab, высокочастотному анализатору спектра А23 ZETlab) приведены на рис. 5–16. В схеме подключения на рис. 5 блок питания AS07 осуществляет: • электропитание усилителя заряда АР5000; • усиление сигнала; • передачу сигнала по двухпроводной линии связи; • подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100 м; • снижение влияния переходных процессов, возникающих при переключении каналов, на результат измерения; • согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (в частности, чувствительности) используемой регистрирующей аппаратуры.

датчики

Рис. 7. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для трехкомпонентного вибропреобразователя с зарядовым выходом и неразъемной заделкой соединительного кабеля с измерительным усилителем напряжения и заряда АР5200-3: АР — АР20, АР1020, АР21, АР22, АР23, АР38, АР79 АР80, АР81; АР5200-3 — измерительный усилитель напряжения и заряда; AS05-01 — блок питания; АК — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура, например цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix

Рис. 8. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для трехкомпонентного и однокомпонентного датчиков с зарядовым выходом и разъемным соединением с четырехканальным измерительным усилителем напряжения и заряда АР5210-4: АР1 — АР26, АР38 Р; АР2 — АР10, АР24, АР24-01, АР26, АР34, АР37, АР39, АР40, АР40-01, АР40-02, АР57, АР57-01, АР57-02, АР95, АР96, АР47, АР48, АР50; АР5210-4 — измерительный усилитель заряда и напряжения; АК1 — антивибрационный соединительный кабель АК03, АК03-01, АК11; АК2 — антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07; АК3 — интерфейсный кабель USB; регистрирующая аппаратура, например персональный компьютер

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

Согласующее устройство AG01 (AG02) в схеме на рис. 6 осуществляет: • электропитание усилителя заряда АР5000, передачу сигнала по двухпроводной линии связи; • подключение к регистрирующей аппаратуре соединительным кабелем длиной до 100 м. Согласующее устройство AG02 снижает влияние переходных процессов, возникающих при переключении каналов, на результат измерения. Трехканальный измерительный усилитель заряда и напряжения АР5200-3 в схеме, представленной на рис. 7, обеспечивает измерение ускорения в режиме нормирования СКЗ одновременно по трем осям датчика и осуществляет согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов используемой регистрирующей аппаратуры.

компоненты

Рис. 9. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с дифференциальным усилителем заряда AQ05: АР — АР62 В, АР62 В‑02, АР63 В, АР63 В‑01; АQ05 — дифференциальный усилитель заряда; AS05-04 — блок питания; регистрирующая аппаратура, например анализатор А17‑U2 ZETlab

Приведем пример измерения СКЗ ускорения измерительным усилителем АР5200-3 при ожидаемом значении ускорения α ≈ 50g

в частотном диапазоне 1–10 000 Гц. Коэффициент преобразования по заряду используемого датчика S равен 10,3 пКл/g.

Рис. 10. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с дифференциальным усилителем заряда AР5001: АР — АР62 В, АР62 В‑02, АР63 В, АР63 В‑01; АР5001 — дифференциальный усилитель заряда; AS07 — блок питания; АS05 — блок питания; АК — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура, например цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix

Рис. 11. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для промышленного датчика с симметричным зарядовым выходом с дифференциальным усилителем заряда AQ08: АР — АР62 В, АР62 В‑02, АР63 В, АР63 В‑01; АQ08 — дифференциальный усилитель заряда; AS05-04 — блок питания; АG15 — преобразователь интерфейса USB-RS485; АК1 — АК34-01; АК2 — интерфейсный соединительный кабель USB А‑В; регистрирующая аппаратура, например анализатор спектра А17‑U2 ZETlab

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

компоненты

Последовательность действий должна быть такой: • Установить датчик на объект согласно эксплуатационной документации на датчик. • Подключить выход датчика к входу усилителя. • Установить значение частоты среза фильтров верхних ФВЧ и нижних ФНЧ частот H1 и L10. • Установить коэффициент нормирования Кн, используя значение чувствительности S (в пКл/g) используемого датчика в соответствии с выражением:

Кн = S/10n, где n = 1, 2, ѕ для S > 9,99; n = 0 для 1 ≤ S ≤ 9,99; n = –1, –2, ѕ для S < 1; соот- ветственно, Кн = 10,3/10 = 1,03. • Установить коэффициент преобразования по заряду Кп [мВ/пКл] из ряда 1, 10, 100, 1000, руководствуясь соотношением:

Кп ≤ (UmaxКн)/(αS), где Umax — максимальное выходное напряжение усилителя (10 В); соответственно, Кп = 10. • Выполнить измерение виброускорения и определить СКЗ ускорения α согласно выражению:

α = (UизмКн)/(SКп), где Uизм — измеренное значение напряжения на выходе усилителя по показаниям дисплея. Управление режимом работы измерительного усилителя напряжения и заряда АР5210-4 в схеме представлено на рис. 8, включая питание. Нормирование (пример измерения в режиме нормирования —

датчики

Рис. 12. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для высокочувствительного датчика с симметричным зарядовым выходом с дифференциальным усилителем заряда AQ05‑Д.1: АР — АР06, АР47; AQ05‑Д.1 — дифференциальный усилитель заряда; AS05-04 — блок питания; АК — антивибрационный соединительный кабель АК20; регистрирующая аппаратура, например цифровой осциллограф TDS3034B Tektronix

на рис. 7) и визуализация измеренных значений осуществляются посредством компьютерного программного обеспечения с использованием интерфейса связи с компьютером USB 2.0. В схеме на рис. 9 дифференциальный усилитель заряда AQ05 преобразует высокоимпедансный сигнал заряда вибропреобразователя в низкоимпедансный сигнал напряжения и осуществляет согласование параметров, отображающих исследуемые механические величины, с параметрами сигналов (в частности, чувствительностью) используемой аппаратуры. AQ05 позволяет использовать длинные линии связи (до 100 м), практически не уменьшая чувствительность и не ограничивая область низких частот. В схеме на рис. 10 блок питания AS07 реализует те же функции и режимы, что и в схеме подключения, изображенной на рис. 5. В схеме подключения (рис. 11) промышленного датчика с симметричным зарядовым

выходом дифференциальный усилитель заряда AQ08 позволяет: • управлять режимом работы через интерфейс RS‑485; • использовать длинные линии связи (до 100 м). Преобразователь AG15 осуществляет прием и передачу сигналов на расстояние до 1000 м при подключении AQ08 к USBпорту компьютера. Особенности режима работы преобразователя AG15: • реализация интерфейса в соответствии со спецификацией MODBUS EIAITIA‑485; • гальваническая развязка интерфейса USB; • работа в 2‑проводной топологии; • USB-протокол Rev 2.0 (высокоскоростной); • питание от порта USB, не требующего внешнего питания; • поддержка Windows XP/VISTA/7; • встроенный преобразователь для питания подключаемых устройств (+5 В);

Рис. 13. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для датчика силы с разъемным соединителем с усилителем заряда и напряжения АР5020: АС — АС20, АС23; АР5020 — усилитель заряда и напряжения; AS05 — блок питания; АК1 — антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05; АК2 — соединительный кабель АК19; АК3 — интерфейсный кабель USB A‑B; АК4 — интерфейсный кабель USB; регистрирующая аппаратура, например анализатор спектра А17‑U2 ZETlab

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

Рис. 14. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для датчика динамического давления с зарядовым выходом и разъемным соединением с усилителем заряда AQ02: PS — PS01, PS01-01, PS01-03, PS02, PS02-01; АQ02 — усилитель заряда; AS05 — блок питания; АК1 — антивибрационный соединительный кабель АК02, АК04, АК05, АК06, АК07; АК2 — соединительный кабель АК19; регистрирующая аппаратура, например анализатор спектра А19‑U2 ZETlab

Рис. 15. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для преобразователя акустической эмиссии с зарядовым выходом с усилителем напряжения сигналов GT200A (GT200A‑01) или усилителем заряда сигналов преобразователей акустической эмиссии GT500A‑01: GT — GT200, GT205, GT200B, GT300, GT301; GT200A (GT200A‑01) — усилитель напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии; GT500A‑01 — усилитель заряда сигналов преобразователей акустической эмиссии; AG09 — согласующее устройство; AS05 (AS03, AS04) — блок питания; АК — соединительный радиочастотный кабель АК39; регистрирующая аппаратура, например высокочастотный анализатор спектра А23 ZETlab

Рис. 16. Пример схемы подключения (а) и ее реализация (б) для акустического датчика с трансформаторным выходом GT400 с усилителем напряжения сигналов преобразователей акустической эмиссии GT400A: GT — GT400; GT400A — усилитель напряжения сигналов; AG09 — согласующее устройство; AS05 (AS03, AS04) — блок питания; регистрирующая аппаратура, например высокочастотный анализатор спектра А23 ZETlab; генератор — генератор электрических импульсов для канала тестирования, например TGP110 Pulse Generator фирмы THURLBY THANDAR INSTRUMENTS

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

компоненты

• подключение до 128 устройств, имеющих интерфейс RS‑485. С помощью измерительного канала (схема на рис. 12) можно определять значение низкочастотных колебаний (от 0,01 Гц). Усилитель заряда и напряжения АР5020 в схеме подключения на рис. 13 позволяет реализовать режим нормирования (пример измерения в режиме нормирования — на рис. 7), индикацию перегрузки, управление режимом работы через порт USB. Особенностью работы усилителя AQ02 (рис. 14) является встроенный в корпус аккумулятор с подзарядкой от внешнего блока питания и индикацией контроля питания. AQ02 позволяет использовать длинные линии связи (до 100 м), практически не уменьшая коэффициент преобразования и не ограничивая область низких частот. В схеме на рис. 15 усилитель напряжения сигналов GT200A (GT200A‑01) и усилитель заряда сигналов GT500A‑01 осуществляют прием и усиление до нормированных значений сигналов преобразователей акустической эмиссии. GT200A (GT200A‑01) и GT500A‑01 работают на коаксиальную 50Ом линию связи длиной до 100 м. GT500A‑01 позволяет использовать длинные линии связи от датчиков GT до усилителя (до 10 м). Усилитель напряжения сигналов GT400A (рис. 16) осуществляет прием и усиление до нормированных значений сигналов преобразователя акустической эмис-

датчики

сии с трансформаторным выходом GT400. GT400A работает на коаксиальную 50‑Ом линию связи длиной до 100 м. В датчике GT400 предусмотрен канал тестирования, функционирующий от внешнего генератора электрических импульсов, подключаемого к выходу усилителя GT400A. n

Литература 1. Каталог фирмы «ГлобалТест» // www.globaltest.ru 2. Шарапов В. М., Мусиенко М. П., Шарапова Е. В. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006. 3. Архипкин Н. Ф., Редюшев А. А., Цыпленков А. Н. Электрические схемы подключения датчиков со встроенной электроникой // Вибрация машин. 2007. № 2 (9). 4. Кирпичёв А. А., Смирнов В. В., Редюшев А. А., Цыпленков А. Н. Виброконтрольная аппаратура ООО «ГлобалТест». Состояние и перспективы развития. В кн.: «Предотвращение аварий зданий и сооружений»: Сб-к научн. трудов. Магнитогорск, 2010. 5. Патент на изобретение № 2152621, Кл. С1 G01 R15/09. Архипкин Н. Ф., Кирпичёв А. А., Редюшев А. А, Шведов А. В. Опубл. 10.07.2000. 6. Патент на изобретение № 2097772, Кл. МКИ G01 H15/09. Архипкин Н. Ф., Кирпичёв А. А., Редюшев А. А. Опубл. 27.11.97. 7. Патент на изобретение № 2400867, Кл. Н01 2 41/08, G01P 15/09. Архипкин Н. Ф., Редюшев А. А., Симчук А. А., Цыпленков А. Н. Опубл. 27.10.2005.

новости

датчики

Новый малопотребляющий хаб датчиков от Microchip Компания Microchip упростила процесс сочетания показаний нескольких датчиков, выпустив новый хаб — SSC7102. Устройство позволяет без особых усилий совместить датчики от ведущих мировых производителей. Хаб SSC7102 разрабатывался Microchip совместно с такими компаниями, как Bosch и Movea. Цель — получить простое в применении, сертифицированное под Windows 8.1 HID-over-I2C решение с исключительно низким энергопотреблением. Потребление SSC7102 в режиме исполнения сложных мультисенсорных алгоритмов составляет всего 4 мА, что значительно про-длевает время работы устройства от батареи. Благодаря малому форм-фактору и низкой цене датчики пригодны к использованию практически в любом устройстве. Агентство IHS iSuppli прогнозирует, что к 2016 году в мобильные устройства будет установлено более 6 млн датчиков движения. Действительно, датчики получают все большее распространение и становятся неотъемлемой частью повседневной жизни, а вместе с тем растут и требования к считыванию показаний: от простого мониторинга до предоставления полной информации об окружающей среде и какой-либо активности. Эти данные необходимо обработать и совместить. www.microchip.com

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

датчики

Теория и практика применения датчиков угла поворота на основе СКВТ

Виктор Сафронов, к. т. н. vik.saf@yandex.ru

Введение СКВТ, изобретенные еще в 1930‑х годах, до сих пор остаются актуальными и успешно применяются в качестве датчиков угла поворота. Свою известность СКВТ обрели благодаря относительно простой конструкции, надежной работе в самых тяжелых условиях эксплуатации и очень высокой точности измерения (в двухотсчетном варианте) угла

Актуальные до сих пор датчики угла поворота типа СКВТ (синусно-коси‑ нусные вращающиеся трансформаторы) отличаются надежностью в рабо‑ те, стойкостью к воздействующим факторам окружающей среды и очень высокой точностью измерения. Однако они нуждаются в сложных элек‑ трических схемах подключения, управления и формирования данных. Предложенные новые схемотехнические решения существенно упрощают процесс получения данных из СКВТ и устраняют указанные недостатки. В них можно использовать как распространенные дешевые радиочастот‑ ные аналоговые, так и цифровые микросхемы.

поворота вала в следящих системах сервисных прецизионных приводов. Конструкция и принцип работы СКВТ изложены в литературе [1, 2]. Примеры внешнего вида показаны на рис. 1. Современные датчики угла поворота, использующие альтернативные физические принципы (фотоэлектрический, магнито- резистивный, эффект Холла, вибро-, гироскопический и др.), привлекательны, но, к сожалению, не могут конкурировать с СКВТ ни по диапазонам, ни по совокупности параметров условий эксплуатации. Поэтому именно СКВТ сегодня наиболее востребованы в специальной и военной аппаратуре: до сих пор им нет равных по указанным параметрам. Главные проблемы СКВТ, всегда сдерживавшие их широкое практическое примене-

ние, заключаются в необходимости разработки сложных схемотехнических приемов подсоединения и способов выделения результатов измерений. Напомним кратко, с привлечением временных диаграмм, суть известных способов применения СКВТ для измерения углов поворота выходного исполнительного вала.

Амплитудный способ получения данных СКВТ Этот способ традиционно используется чаще других и заключается в возбуждении первичной обмотки синусоидальным током, полученным от генератора высококачественного гармонического сигнала с частотой от 1 до 20 кГц в зависимости от типа СКВТ. Далее, для выделения данных, заложенных

б Рис. 1. Внешний вид синусно-косинусных вращающихся трансформаторов СКВТ: а) в корпусном варианте ВТ‑2.5; б) в бескорпусном варианте ВТ‑71

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений на обмотках СКВТ: 1. Красный график — сигнал модуляции на первичной обмотке возбуждения. 2. Синий график — ФКМ-сигнал на выходной синусной обмотке. 3. Зеленый график — ФКМ-сигнал на выходной косинусной обмотке. 4. Черный график — косинусный сигнал СКВТ на выходе фазового демодулятора. 5. Черный график — косинусный сигнал СКВТ после фильтрации модулирующей частоты

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

в амплитудах считанных сигналов с косинусной и синусной обмоток, необходимо их демодулировать. Временные диаграммы возбуждающего и выходных напряжений на обмотках СКВТ показаны на рис. 2. По виду сигналы на рис. 2 (второй и третий сверху) принято называть фазо-кодо-манипулированными (ФКМ). Они описываются известными формулами:

Usin(t) = U0sin(j(t))sin(wt)  , (1) Ucos(t) = U0cos(j(t))sin(wt)

где j(t) — угол поворота выходного вала СКВТ. (Показан случай равномерного вращения.) Функциональная схема формирования сигналов управления и обработки данных СКВТ показана на рис. 3а, а на рис. 3б приведена схема одного из главных узлов фазового демодулятора. Ведущий генератор меандра Gen2 синхронизирует генератор синусоидального тока Gen1 и, кроме того, передает этот меандр в фазовые демодуляторы. Фазовый демодулятор представляет собой повторитель напряжения с управляемой полярностью сигнала на выходе. Отфильтрованный выходной косинусный сигнал (пятый график на рис. 2) и есть результат работы СКВТ. Аналогично поступают с ФКМ-синусным сигналом. Ответственными узлами за точность полученных результатов работы, а потому и схемотехнически сложными, являются генераторы модуляции Gen1 и Gen2, формирующие меандр и высококачественный гармонический сигнал со стабилизированной амплитудой, фазовые демодуляторы и фильтры. Полная электрическая схема обработки сигналов СКВТ оказывается непростой и обычно вызывает у разработчиков желание поискать какой-нибудь датчик попроще…

б Рис. 3. а) Функциональная схема обработки сигналов СКВТ; б) схема фазового демодулятора

на угол поворота вала датчика относительно опорного сигнала, например относительно сигнала «синусной» обмотки. В качестве опорного можно использовать сигнал «косинусной» обмотки с соответствующими поправками в расчетах. Затем фазовый сдвиг, как правило, измеряют подсчетом заполняющих высокочастотных импульсов (рис. 4, четвертый график). Чем выше частота их следования, тем выше точность измерений СКВТ. Временные диаграммы возбуждающих и выходных напряжений на обмотках СКВТ показаны на рис. 4.

Видно, что выходной сигнал «меандр» счетных импульсов нужно синтезировать по формуле:

Y = f and (sin(ωt)>0) и (U0sin(ωt+j)<0), (2) где f — логический сигнал, формируемый высокочастотным генератором счетных импульсов с частотой, стабилизированной кварцем. Полная электрическая схема, построенная по этому способу, ничуть не проще схемы предыдущего варианта.

Способ фазового сдвига сигналов СКВТ Этот способ используют гораздо реже, чем первый, хотя бы из-за того, что в нем требуется не один, а два высококачественных гармонических сигнала: синусоидальной и косинусоидальной формы со стабилизированными амплитудами и с частотой от 1 до 20 кГц в зависимости от типа СКВТ. В отличие от первого способа возбуждение СКВТ производят гармоническими токами синусной и косинусной формы, подавая их на соответствующие «синусную» и «косинусную» обмотки. Они порождают в магнитопроводе СКВТ вращающееся магнитное поле, в которое помещена еще одна, выходная обмотка. В ней-то и индуцируется выходное напряжение, сдвинутое по фазе

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 4. Временные диаграммы возбуждающих и выходных напряжений на обмотках СКВТ: 1. Красный график Y = U0sin(ωt) — сигнал возбуждения, подаваемый на выходную «синусную» обмотку. 2. Синий график — сигнал возбуждения, подаваемый на выходную «косинусную» обмотку. 3. Зеленый график Y = U0sin(ωt+j) — выходной сигнал СКВТ на входной «возбуждающей» обмотке, сдвинутый по фазе на угол j поворота выходного вала. 4. Черный график — выходной сигнал «меандр», модулированный частотой генератора счетных импульсов

www.kite.ru

компоненты

датчики

Следящий способ выделения сигналов СКВТ Analog Devices — единственная в мире компания, которая для реализации этого способа выпускает серию AD2S аналого-цифровых микросхем, например AD2S90, применив в них следящий принцип. Стоимость этих микросхем сегодня немалая, в диапазоне от $50 до 300, но других фирм-конкурентов на рынке нет! В России есть компании (например, «Военмех», Санкт-Петербург), выпускающие с приемкой «5», под заказ, единичные изделия в виде одноплатных контроллеров в формате плат PC‑104 и Micro-PC со следящим принципом обработки, аналогичным применяемому в микросхемах AD2S90 фирмы Analog Devices. Стоимость этих плат еще выше и составляет от $200 до 700 при стоимости самого СКВТ от $500 до 1500. Способ реализуется «хитро» и достаточно сложно. Не будем на нем останавливаться, так как он подробно описан в литературе [3] и своему практическому применению, вероятно, обязан тем, что основные узлы следящей системы изготовлены в виде самодостаточного набора микросхем, приобретаемых у фирмы Analog Devices по монопольным ценам. На рис. 5 показан вариант построения такого преобразователя сигналов СКВТ по следящему способу [3]. Все описанные выше известные способы построения схем для управления и выделения данных СКВТ не вызывали у разработчиков большого энтузиазма их применения ни раньше, ни потом, когда на заводе «Фиолент»

Рис. 5. Вариант построения преобразователя сигналов СКВТ по следящему способу

(СССР, г. Симферополь, 1980–2000 гг.) было освоено изготовление по гибридной технологии микросхем специальных серий «Поле» и «Колос». В них использовался следящий алгоритм работы, как позже и в упомянутых микросхемах AD2S90 (США). Учитывая высокие цены на комплектующие детали и сложность схем, в этой статье автором предложены иные схемы подключения и способы выделения данных СКВТ, принципиально отличающиеся от известных способов.

Способ преобразования вида модуляции сигналов СКВТ из ФКМ в АМ Необычность предлагаемого способа заключается в предварительном преобразовании ФКМ-сигналов, формируемых СКВТ, в вид АМ (амплитудной модуляции) этих же сигналов. Напомним, что в общем виде АМ-сигнал описывается известной формулой: UAM = U0(1+lsin(j(t)))sin(ωt), причем l < 1. (3) При l ≥ 1 возникает так называемый эффект «перемодуляции» сигнала. Раскрыв скобки, перепишем (3) так:

UAM = U0sin(ωt)+(U0l)sin(j(t))sin(ωt), при l < 1. (4)

Рис. 6. Преобразование вида модуляции выходных сигналов СКВТ из ФКМ в АМ: 1. Синий график — сигнал модуляции, подаваемый в первичную обмотку возбуждения. 2. Красный график — ФКМ-выходной синусный сигнал. 3. Красный график — АМ-сигнал на выходной синусной обмотке. 4. Красный график — выходной синусный сигнал СКВТ после детектирования. 5. Зеленый график — ФКМ-выходной косинусный сигнал. 6. Зеленый график — АМ-сигнал на выходной косинусной обмотке. 7. Зеленый график — выходной косинусный сигнал СКВТ после детектирования

Сравнивая формулы (4) и (1), можно заметить, что первое слагаемое в формуле (4) имеет вид гармонического сигнала возбуждения (рис. 2, первый график). Второе слагаемое в формуле (4) имеет почти такой же вид, но дополнительно каждый из ФКМсигналов в формуле (1) умножен на l < 1. Таким образом, «синусный» и «косинусный» АМ-сигналы могут быть получены алгебраическим сложением сигнала возбуждения СКВТ с соответствующим ФКМ-сигналом, аттенюированным с помощью резистивного делителя, то есть умножением на l < 1. На рис. 6 приведены графики, показывающие реализацию этого способа. Последующие методы обработки АМсигналов хорошо известны радиоинженерам, так как АМ-модуляция давно применяется почти во всех радиоприемниках. По этому

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

способу были построены и проверены в работе несколько оригинальных электрических схем с использованием СКВТ типа ВТ‑2.5 и распространенных серий (например, 174) радиочастотных интегральных микросхем: АМ-детекторов, синхронных АМдетекторов, УВЧ и УНЧ.

Способ преобразования ФКМ в АМ и рефлексивного усиления сигналов СКВТ Этот, предлагаемый автором, способ отличается тем, что в схеме один и тот же усилитель выполняет сразу несколько операций: преобразования ФМ в АМ, детектирования, фильтрации и рефлексивного усиления выпрямленного выходного косинусоидального напряжения СКВТ, тем самым дополнительно уменьшается количество элементов в электрической схеме. Вариант функциональной схемы, работающей по этому способу, показан на рис. 7. Синусоидальное напряжение СКВТ следует подать на компаратор для определения знака синусного выходного напряжения. Номинал резистора R3 задает коэффициент усиления, а резистором R8 можно, при необходимости, регулировать глубину АМмодуляции. По этому способу были построены и проверены в работе несколько оригинальных электрических схем на базе СКВТ типа ВТ‑71 с использованием распространенных серий радиочастотных интегральных ми-

Рис. 7. Функциональная схема преобразователя ФКМ в АМ с детектированием, фильтрацией и рефлексивным усилением сигналов СКВТ на одном операционном усилителе

кросхем: АМ-детекторов, синхронных АМдетекторов, УВЧ и УНЧ.

Способ формирования сигналов СКВТ с возбуждением от генератора тока пилообразной формы Этот способ концептуально отличается от известного «амплитудного» способа тем, что вместо возбуждающего генератора гармонического напряжения в нем применен генератор периодического тока пилообразной формы. Идея основана на том, что полный магнитный поток в магнитопроводе СКВТ при та-

ком возбуждении будет также периодически линейно изменяться. СКВТ является дифференцирующим элементом. Поэтому напряжения на синусной и косинусной обмотках будут пропорциональны первым произ- водным по времени от их соответствующих нормальных проекций полного магнитного потока, то есть ЭДС на них пропорциональны, соответственно, sinj и cosj угла поворота выходного вала. На рис. 8 приведены временные диаграммы работы СКВТ по предложенному способу. С помощью этого способа можно непосредственно, без дополнительной обработки, формировать выходные синусные и косинусные сигналы СКВТ в виде импульсов прямоугольной формы с амплитудами, пропорциональными, соответственно, sinj и cosj поворота вала. Постоянное «плато» сигналов прямоугольной формы позволяет увеличить время их апертуры до полупериода и подавать их на входы АЦП для считывания без предварительного традиционного сохранения в устройстве выборки-хранения (УВХ).

Способ формирования данных СКВТ с возбуждением от гиратора

Рис. 8. Временные диаграммы работы СКВТ с возбуждением от генератора пилообразного тока (в эксперименте соответствовали j = 18°30′): • зеленый график — ток возбуждения СКВТ; • коричневый график — напряжение на выходной «косинусной» обмотке; • красный график — напряжение на выходной «синусной» обмотке

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Уникальность этого способа в том, что в электрической схеме вообще отсутствует генератор (генераторы) возбуждения. Вместо него (вместо них) в схему введены элементы положительной обратной связи по напряжению, образующие совместно с элементами СКВТ схему гиратора. Гиратором называют электронную схему, позволяющую с помощью положительной обратной связи перераспределить энергию в электрической цепи с целью преобразования импеданса (R‑L‑C, активно-реактивного сопротивления) присоединенного к ней элемента [5]. Кроме того, с помощью гиратора и дополнительного источника питания можно устранить влияние любого из элементов (R, L, C) на величину и форму протекающего в цепи тока. www.kite.ru

компоненты

Датчик тока, установленный в цепи обмотки возбуждения СКВТ, совместно с гиратором и импульсным источником питания компенсирует энергетические потери на активном сопротивлении (R) и преобразует активно-индуктивный (R‑L) импеданс обмотки возбуждения СКВТ в идеальное реактивное сопротивление индуктивности (L). При этом по обмотке возбуждения СКВТ станет протекать периодический ток пилообразной формы (а не экспоненциальной). Этот способ позволяет получить гораздо более качественное возбуждение СКВТ, не зависящее от параметров конкретного образца и даже его марки. А это, в свою очередь, повышает точность работы СКВТ. Графики, характеризующие работу СКВТ по этому способу, такие же, как на рис. 8. На рис. 9 показана функциональная схема способа формирования данных СКВТ с возбуждением от гиратора. Этот способ может быть описан следующими формулами (по рис. 9). Уравнение для цепи первичной обмотки СКВТ запишем в виде:

E+kαRдатi(t) = UL+rLi(t)+Rдат, (5) где E — импульсный разнополярный источник напряжения с амплитудой E; k = = (1+R3/R4) — коэффициент усиления усилителя OP1 (устанавливается указанными резисторами); α — глубина регулировки резистора R4, которая принимает значения от 0 до 1; Rдат — датчик тока, который на схеме имеет обозначение R4; i(t) — ток в первичной обмотке СКВТ; UL — индуктивная составляющая напряжения на обмотке СКВТ; rL — активное сопротивление обмотки СКВТ. При выполнении условия:

kαRдат = rL+Rдат (6)

новости

датчики

Рис. 9. Функциональная схема формирования данных СКВТ с возбуждением от гиратора

уравнение (5) станет таким:

E(t) = UL, а ему соответствует дифференциальное уравнение:

L(di/dt) = E(t). (7) Условие (6) можно выполнить подбором величин k, α, Rдат. Решением дифференциального уравнения (7) при разнополярном значении импульсного источника питания E(t) будет i(t) — периодический ток пило- образной формы (рис. 8, зеленый график).

Заключение Главный недостаток СКВТ — сложные электрические схемы подсоединения и дорогие способы выделения результатов измерений.

Применение предложенных новых способов управления и считывания данных СКВТ дадут им «вторую» жизнь, сделав их удобными для использования совместно с цифровыми микросхемами и микроконтроллерами, например, типов AVR и PIC со встроенными аналоговыми усилителями/компараторами и АЦП. n

Литература 1. Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств: Учеб. для студентов вузов, обучающихся по специальности «Электромеханика». М.: Высшая школа, 1988. 2. Арменский Е. В., Фалк Р. Б. Электрические микромашины. М.: Высшая школа, 1979. 3. High Performance, 10‑bit to 16‑bit Resolver to digital Convertor — www.analog.com/CN0276 4. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. М.: Мир, 1982.

ВЧ/СВЧ-элементы

Новый широкополосный преобразователь частоты от United Monolithic Semiconductors Компания United Monolithic Semiconductors (UMS) сообщила о выпуске нового широкополосного понижающего преобразователя частоты — CHR3763‑QDG, выполненного в виде монолитной СВЧ-микросхемы по технологии на основе GaAs. Данная модель является многофункциональным приемником, интегрирующим балансный смеситель, буфер гетеродина и радиочастотный малошумящий усилитель. Преобразователь выполнен в безвыводном SMD-корпусе. Основные характеристики устройства: • диапазон радиочастот 12–16 ГГц; • диапазон частот гетеродина 8,5–19,5 ГГц;

• • • • • • • • •

диапазон промежуточных частот DC–3,5 ГГц; коэффициент преобразования 12 дБ; коэффициент шума 2,3 дБ; подавление зеркального канала 20 дБн; обратные потери по входу РЧ/гетеродина 10/12 дБ; типовая мощность сигнала гетеродина 5 дБм; точка пересечения по интермодуляционным составляющим третьего порядка по входу 0 дБм; максимальная мощность сигнала гетеродина 10 дБм; максимальная импульсная входная мощность 15 дБм;

• напряжение питания 3 В; • диапазон рабочих температур –40…+85 °С; • тип и размеры корпуса — 24L-QFN; 4×4×0,9 мм. Новый понижающий преобразователь частоты компании UMS предназначен для оборудования коммерческих и специальных систем связи. www.radiocomp.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

новости

АЦП/ЦАП

Новые миниатюрные ЦАП AD568xR от Analog Devices

В таблице указаны основные характеристики устройств: Разрядность, бит Интегральная нелинейность, LSB Энергопотребление Потребление в режиме энергосбережения, мкА Диапазон рабочих температур, °С

AD5683R

AD5682R

16 ±2

AD5681R 12 ±1

1,2 мВт при 3,3 В до 2 –40…+105

Компания Analog Devices представила AD568xR — новые миниатюрные 12‑ и 16‑разрядные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) с SPI-интерфейсом и встроенным источником опорного напряжения. AD5683R, AD5682R и AD5681R — одноканальные ЦАП, обладающие минимальным энергопотреблением и выполненные в миниатюрных корпусах 2×2 мм (LFCSP) и 3×5 мм (MSOP). Они содержат встроенный источник опорного напряжения на 2,5 В с температурным дрейфом 2 ppm/°C. Выходной сигнал после преобразования буферизируется, а диапазон выходного напряжения может быть выбран как с единичным (до 2,5 В), так и с двукратным (до 5 В) усилением, при этом гарантируется монотонность выходного сигнала, и ошибка усиления не превысит 0,1% от выбранного диапазона. Данные в микросхему передаются через SPI-интерфейс с частотой до 50 МГц. AD5683R, AD5682R и AD5681R отлично подойдут для применения в промышленных автоматизированных системах, в системах управления технологическими процессами и сбора данных, в программируемых источниках питания. www.eltech.spb.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

компоненты

Применение МЭМС-технологии в навигации

Алексей Голощапов gol_a@aviton.spb.ru

Инерциальная навигация Инерциальная навигация — метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолетов и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел. Принцип заключается в измерении движений объекта, характеризуемых изменениями во времени его ускорения, скорости и координат, при помощи датчиков пространственного перемещения. Полученные от датчиков данные используются для решения задач навигации, управления и наведения. В датчиках, измеряющих пространственное перемещение, используются подвижные массы в качестве чувствительных элементов. Такая масса под действием сил инерции, возникающих при изменении параметров движения объекта, перемещается на определенную величину, которая измеряется и преобразуется в электронный вид. Датчики пространственного перемещения, называемые инерциальными датчиками, формируют системы инерциальной навигации (наведения), которые обеспечивают автономное измерение ускорений объекта (например, судна или летательного аппарата), определение его скорости, положения в пространстве и расстояния, пройденного им от исходной точки, и, таким образом, вырабатывают навигационную информацию и данные для управления объектом.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Появление микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволило соз‑ дать широкий спектр миниатюрных, надежных и недорогих устройств, востребованных практически во всех отраслях промышленности и на по‑ требительском рынке. А по мере совершенствования производственных технологий, повышения качества и характеристик МЭМС-изделия находят все более широкий спрос в оборонной, авиационно-космической, энер‑ гетической и других высокотехнологичных отраслях, в частности инерци‑ альной навигации. Применение в инерциальных навигационных систе‑ мах (ИНС) МЭМС-акселерометров и гироскопов позволяет реализовывать методы инерциальной навигации на новом уровне, когда миниатюрные датчики служат источниками данных о параметрах движения летательных аппаратов, транспортных средств и судов. В предлагаемой статье пойдет речь об инерциальных датчиках, выпол‑ ненных с использованием МЭМС-технологий производства компаний Sensonor и Colibrys, как примерах МЭМС-устройств, позволяющих в пол‑ ной мере использовать преимущества современных технологий в навига‑ ционных системах, обеспечивая их уменьшение, удешевление и возмож‑ ность более широкого внедрения.

Ускорение — векторный параметр, имеющий как численное значение, так и направление. Таким образом, для получения полной информации об ускорении требуются преобразователи, измеряющие оба эти показателя. В качестве датчиков в системах инерциальной навигации применяются акселерометры и гироскопы. Первые измеряют величину ускорения, вторые предоставляют информацию об угловой скорости, по которой определяется направление. Акселерометры, измеряя фактическое ускорение летательного аппарата, в то же время подвержены влиянию гравитационного поля Земли. Для реализации алгоритмов компенсации этого влияния необходима опорная система координат, которая обеспечит данными о текущем положении акселерометров. В классических ИНС с гироскопами вращения опорная система координат реализовывалась за счет установки акселерометров и гироскопов на стабилизированной платформе в кардановом подвесе. Такой подход позволяет изолировать датчики от поворотов летательного аппарата, делая пространственное положение акселерометров неизменным относительно земли при движении объекта. При создании современных ИНС чаще используются так называемые бесплатформенные системы (БИНС) — акселерометры и гироскопы в них жестко связаны с корпусом объекта. Измерения с выходов гироскопов

поступают непосредственно на компьютер, вычисляющий мгновенную ориентацию акселерометров в опорной системе координат и формирующий соответствующие сигналы, компенсирующие влияние гравитации. Учитывая, что опорная система координат в БИНС реализована на базе программной обработки данных от гироскопов и акселерометров, а также конструкции современных инерциальных датчиков, в таких системах нет вращающихся частей, они существенно проще по конструкции и дешевле в производстве, нежели классические ИНС. Основное достоинство ИНС — автономность. Работа таких систем не подвержена влиянию погодных условий и электромагнитного излучения, не требует внешних сигналов. Сами ИНС, будучи локальными системами, не требуют для своей работы организации канала обмена данными (например, между летательным аппаратом и землей). Недостатки же ИНС — необходимость их начальной настройки (выставки) и накопление ошибок со временем. Частным случаем современных БИНС являются системы определения курса и пространственного положения (AHRS, Attitude Heading and Reference System), более известные как курсовертикали. Содержащиеся в них многоосевые датчики выдают данные измерений для определения направления, углового и пространственного положения, поворотов в различных плоскостях самолета или иного www.kite.ru

компоненты

Рис. 1. Курсовертикаль в составе авиационных приборов

объекта, передвигающегося в пространстве. Курсовертикали пришли на смену традиционным механическим гироскопическим пилотажным приборам, обеспечивая несравнимо более высокую надежность и точность. Такие системы включают в себя твердотельные или МЭМС-гироскопы, акселерометры и магнитометры для всех трех осей. Некоторые курсовертикали используют приемники GPS для улучшения долговременной стабильности гироскопов. Фильтр Калмана используется для оптимальной оценки данных измерений. Инерциальные навигационные системы требуют инициализации, в ходе которой производится настройка системы по место- положению и пространственному положению (ориентация относительно зад а н н о й б а з ы , н а п р и м е р го р и з о н т а ) . Пространственное положение можно задать, пользуясь акселерометрами для определения направления вертикали и гироскопами для определения вращения Земли (этими векторами определяются оси опорной системы координат). Этот процесс называется выставкой и, как правило, требует, чтобы объект оставался неподвижным в течение некоторого времени, необходимого для определения начального положения. При выставке инерциальная система координат проходит через процедуру автонастройки, которая позволяет выровнять вертикальную ось локальной системы координат по измеренному ускорению и измерить горизонтальную скорость Земли для определения начального азимута. В случае если начальное положение объекта известно и гироскопы обеспечивают точные измерения, этих данных будет вполне достаточно для навигации.

Рис. 2. Внешний вид курсовертикали

датчики

Однако первоначальное положение известно в очень редких случаях, а гироскопы обычно выдают искаженные данные: и гироскопы, и акселерометры подвержены смещению и дрейфу нуля, несоосности, ошибкам ускорения (g‑чувствительность), нелинейным эффектам и погрешности масштабного коэффициента. Эти ошибки учитываются при настройке системы. Наибольшая погрешность в курсовертикалях связана со смещением нуля гироскопов. При работе ИНС ошибки со временем накапливаются в силу того, что система интегрирует все входные данные, включая ошибки. Так, скорость движения вычисляется интегрированием измеряемого акселерометрами ускорения, и постоянная ошибка в этих измерениях приводит к постоянно увеличивающейся ошибке скорости. Ошибки гироскопов обуславливают появление дополнительных искажений в определении направления при измерении ускорения и ускорения свободного падения, а постоянное интегрирование приводит к усугублению этих неточностей. Без применения алгоритмов фильтрации и раздельных независимых измерений акселерометров и гироскопов результат навигационных вычислений будет отличаться от истинной траектории. Так, коррекция на базе фильтра Калмана обеспечивает калибровку гироскопов в режиме онлайн, передавая значения корректировок в блок вычислений и определяя характеристики текущего смещения гироскопов. Акселерометры обеспечивают выдачу опорной информации о пространственном положении объекта, используя земную гравитацию. В основном роль акселерометров в курсовертикалях заключается в обеспечении опорной информации о начальном положении и коррекции пространственного положения путем компенсации дрейфа гироскопов во время движения. В настоящее время существуют различные типы курсовертикалей. Высокоточные системы используют кольцевые лазерные или волоконно-оптические гироскопы. К качеству таких систем предъявляются очень высокие требования, поскольку они используются в режиме автоматического полета и должны быть настолько точными, чтобы предотвратить, например, контакт крыльев крупных самолетов с землей во время взлета или посадки (особенно в тумане и других экстремальных погодных условиях). Для этого типа навигационных систем требуются акселерометры со стабильностью смещения не менее 2 mg при любых условиях, включая диапазон изменения температур, линейность, эффекты второго порядка и несоосность. Курсовертикали более низких классов не требуют такой высокой точности, поскольку используются в качестве вспомогательных систем ориентирования пилотов или как резервные навигационные системы,

в частности, в небольших гражданских самолетах и на некоторых беспилотных летательных аппаратах (БЛА). В этих случаях используются также МЭМС-гироскопы и акселерометры более низкого класса. Параметры инерциальных датчиков зависят от применения. Для курсовертикалей высокого и среднего класса обычно используются гироскопы с дрейфом 0,01–0,1°/ч и акселерометры с диапазоном 10–15 g. В приборах более низкого класса применяют гироскопы с дрейфом 1–10°/ч и акселерометры с диапазоном до 5g.

Датчики Sensonor и Colibrys для навигации Инерциальные навигационные системы входят в число самых требовательных к характеристикам датчиков и качеству измерений приложений. Основными параметрами датчиков, критичными для оптимальной работы навигационных систем, являются: стабильность смещения, стабильность масштабного коэффициента, несоосность и ее стабильность, а также чувствительность и компенсация вибрации. Изначальные отклонения большинства этих параметров от их ожидаемого значения могут быть легко откалиброваны и минимизированы обработкой. Тем не менее основными проблемами остаются их повторяемость и стабильность во времени при изменении температуры, при ударах и вибрации. Эти явления могут привести к непредсказуемым дрейфам, которые, в свою очередь, определяют класc гироскопов и акселерометров. Использование датчиков на базе МЭМСтехнологий позволяет сделать ИНС дешевле, меньше, легче и надежнее. Как, например, в описанных выше курсовертикалях, инерциальные данные от таких систем могут использоваться в основных и вспомогательных пилотажных дисплеях, системах управления полетом и стабилизации антенн. В некоторых случаях подобные системы сопрягаются с внешними GPS-системами, позволяя получить полную информацию о положении и курсе и обеспечивая выполнение операций нахождения географического положения цели и наведения на нее в процессе полета.

Гироскопы и модули Sensonor Компания Sensonor (Норвегия) работает на рынке кремниевых МЭМС-датчиков с 1985 года. Ею созданы уникальные технологии разработки и изготовления гироскопов и гироскопических модулей на основе МЭМС-технологий. В частности, технология изготовления чувствительного элемента гироскопа Sensonor представляет собой комбинацию монокристаллического кремния и боросиликатного стекла.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

Конструкция гироскопов Sensonor Чувствительный элемент гироскопического датчика изготавливается по собственной технологии Sensonor — ButterflyGyro — по схеме камертонного вибрационного гироскопа и характеризуется применением сдвоенной симметричной инерциальной массы, которая находится в полости низкого давления и выполнена из одного кристалла кремния. Одни и те же электроды служат для возбуждения колебаний инерциальной массы и измерения емкости, соответствующей входному вращению. Площадь чувствительного элемента всего 3,12,4 мм. Инерциальные массы соединены между собой стержнем, имеющим несимметричное поперечное сечение. Такая форма связи обеспечивает вращательные колебания возбуждения инерциальных масс при воздействии перпендикулярных (относительно плоскости

Рис. 3. Чувствительный элемент Butterflygyro

Рис. 4. Распределение электродов чувствительного элемента

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

Таблица 1. Параметры гироскопов SAR100 и SAR150 Модель

SAR100

SAR150

Диапазон, °/с ±400 ±250 ±100 ±250 ±100

Формат данных выходного интерфейса

Масштабный коэффициент, °/с/бит

SPI, 12 бит

0,25 0,25 0,1 0,25 0,1

Нестабильность смещения, °/ч 72

Угловой случайный уход, °/√ч

Частота дискретизации, выб./с

Рабочая температура, °С

1,8 1,8 1,2 0,8 0,65

2000

–40…+125

Таблица 2. Параметры компактных гироскопических модулей STIM202 и STIM210 Модель

Диапазон, °/с

Разрешение, °/ч

Масштабный коэффициент, ppm

Нестабильность смещения, °/ч

Угловой случайный уход, °/√ч

Частота дискретизации, выб./с

Рабочая температура, °С

STIM202 STIM210

±400

0,22

±500

0,5

0,2 0,15

2000

–40…+85

масс) электростатических сил, что приводит к появлению сил Кориолиса, вызывающих колебания масс, перпендикулярные оси возбуждения. Наведенные колебания измеряются емкостным принципом. Таким образом, в конструкции чувствительного элемента сочетаются относительная простота изготовления структуры инерциальных масс методом объемной микрообработки кремния и высокая гироскопическая чувствительность. Симметричная форма инерциальных масс и подключение электродов возбуждения и измерения крест-накрест обеспечивают работу в балансном противофазном режиме вибраций, который как по оси возбуждения, так и по оси измерения делает гироскоп малочувствительным к внешним вибрациям, ограничивая влияние смещения и повышая добротность. В настоящее время Sensonor выпускает МЭМС-гироскопы SAR100 и SAR150 (табл. 1), высокоточные гироскопические модули STIM202 и STIM210, а также инерциальные измерительные устройства STIM300. Ги р о с ко п и ч е с к и е д а т ч и к и SA R 1 0 0 и SAR150 представляют собой элементы Butterflygyro, схему обработки сигналов и датчик температуры, заключенные в герметичном корпусе LCC, способном проти-

Рис. 5. Гироскопический датчик SAR150

востоять ударам до 5000 g без деградации характеристик. Датчики SAR поставляются с различными диапазонами угловых скоростей; выходной сигнал — цифровой SPI-код; встроенная схема обработки реализует функции диагностики и цифровой фильтр нижних частот. Компактные гироскопические модули STIM202 и STIM210 (табл. 2) разработаны для реализации измерений угловых скоростей по одной, двум или трем ортогональным осям с выдачей данных по стандартному интерфейсу RS‑422. Такая конструкция обеспечивает простую интеграцию модулей в различные системы благодаря широким возможностям по настройке параметров и подключению напрямую к компьютеру. Высокие значения характеристик модулей позволяют применять их в различных ИНС и бортовых системах ориентации и стабилизации платформ. В н у т р е н н я я ко н с т р у к ц и я м од ул е й STIM202 включает в себя демпферы ударных нагрузок и вибраций для реализации измерений в приложениях, подверженным таким воздействиям. Цифровая обработка данных производится внутри модулей, давая пользователю возможность варьировать конфигурацию устройства, например менять настройки фильтров, частоту выборки, состав выходных данных, выходные форматы.

Рис. 6. Гироскопический модуль STIM210

www.kite.ru

компоненты

Инерциальное измерительное устройство STIM300 создано на базе модуля STIM210 для обеспечения такой же компактности и простоты интеграции при существенном расширении объема выдаваемой информации. Каждое устройство этого типа содержит в себе три гироскопа, три акселерометра и три инклинометра в одном корпусе и характеризуется малыми массогабаритными характеристиками и низким энергопотреблением. Характеристики устройства: • нестабильность смещения 0,5°/ч; • угловой случайный уход (шум) 0,15°/√ч — для гироскопов; • нестабильность смещения 5 g–3 — для акселерометров; • вес 55 г; • объем 35 см3. Благодаря своим параметрам STIM300 позволяет реализовать приложения, где размеры, вес и энергопотребление являются критическими при обеспечении высоких точностных характеристик и широкого функционала. Все изделия Sensonor проходят многоэтапную калибровку, которая включает в себя измерения среднеквадратичных отклонений при отсутствии вращения, измерения температурных зависимостей отклонений отдельно для каждой оси. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти микроконтроллера гироскопа и используются при обработке данных.

Акселерометры Colibrys для навигационных систем Компания Colibrys занимает особую позицию среди производителей МЭМСакселерометров, специализируясь на изделиях класса hi-end, применяемых в экстремальных условиях, а также критических по безопасности промышленных системах и приборостроении. Акселерометры Colibrys включают в себя высокостабильные инерциальные датчики, датчики наклона и датчики вибрации. Конструкция акселерометров Colibrys Конструкция акселерометров, получившая широкое распространение, представляет собой инерциальную массу, которая связывается с корпусом упругим подвесом — пружиной того или иного рода. Именно такой подход реализован в акселерометрах Colibrys. Чувствительный элемент формируется из трех кремниевых пластин, образующих трехслойную вертикальную структуру. Верхняя и нижняя пластины образуют соответствующие крышки элемента, на которых сформированы неподвижные электроды конденсаторов. В средней пластине методом объемной микрообработки кремния изготавливается инерциальная масса с упругим подвесом и формируются боковые стенки элемента. На верхней и нижней поверхности инерциальной массы формируются подвижные электроды конденсаторов. Все три пла-

датчики

Рис. 7. Схема конструкции чувствительного элемента акселерометра Colibrys

стины свариваются между собой при высокой температуре и низком давлении. Таким образом, создается система из двух емкостей с подвижными электродами, имеющая большее усиление за счет большего изменения емкости при смещении массы, что достигается небольшими зазорами и большой площадью электродов конденсаторов. Кроме того, эта конструкция имеет броуновское движение из-за большой массы. Принцип действия чувствительного элемента с дифференциальной емкостью основан на механической системе с упругим подвесом инерциальной массы. При нулевом ускорении инерциальная масса находится в центральном положении между двумя параллельными кремниевыми пластинами, а под воздействием ускорения смещается в одну из сторон, изменяя тем самым пропорционально ускорению величины емкости верхнего и нижнего конденсаторов. Большая емкость (235 пФ) обеспечивает достаточную величину выдаваемого сигнала в малошумящую и высокостабильную электронику для надежной обработки сигналов. Структура чувствительного элемента изготавливается из монокристаллического кремния, имеющего очень низкое остаточное напряжение, тем самым снижаются возможность ее изгиба и влияние на параметры измерений. Структура имеет очень высокую степень симметрии для обеспечения максимально низкого смещения и максимально высокой стабильности характеристик. Ключевое свойство обеспечения параметров датчика — газовое демпфирование МЭМС-элемента, которое необходимо очень тщательно контролировать не только для того, чтобы получить управляемую полосу пропускания, но и для снижения ошибок коррекции. Эта величина представляет порядок нелинейности и в результате приводит к смещению, когда датчик подвержен синусоидальной или случайной вибрации. Демпфирование особенно критично для инерциальной навигации. Электроника, считывающая полезный сигнал с чувствительного элемента (собственная разработка Colibrys), работает по принципу самоурав-

Рис. 8. Внутреннее устройство датчика MS8000

новешивающегося емкостного считывания. Схема реализована на базе высокостабильной ASIC с энергопотреблением ниже 390 нА при 5 В. Электронный блок имеет сброс по включению питания и защиту от снижения напряжения для обеспечения надежного выходного сигнала в самых жестких условиях. Акселерометр содержит PIC-микроконтроллер, используемый в процедурах запуска и сброса при снижении напряжения. Для обеспечения температурной компенсации в корпуса акселерометров устанавливаются датчики температуры. Практически все датчики производства Colibrys автономны, размещаются в керамических корпусах LCC20 (кроме MS7000 — корпус ТО8), рассчитаны на работу в диапазоне температур от –55 до +125 °C и имеют стойкость к ударам до 6000 g, при которых технические характеристики датчиков остаются в рамках спецификаций. Для работы датчиков требуется одна питающая цепь с напряжением 2,5–5,5 В и током <0,5 мA при 5 В. На выходе каждого акселерометра в качестве полезного сигнала — аналоговое напряжение, изменяющееся пропорционально ускорению в диапазоне 0,5–4,5 В (при напряжении питания 5 В).

Заключение Инерциальные навигационные системы позволяют автономно определять местоположение и ориентацию подвижных объектов без внешних источников информации. Применение в таких системах высокотехнологичных датчиков, выполненных

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

датчики

габаритным показателям и рабочим характеристикам, так и по экономическим соображениям. Инерциальные датчики производства компаний Sensonor и Colibrys демонстрируют хороший пример воплощения МЭМСтехнологий в устройствах класса hi-end, способных работать в приложениях с повышенными требованиями к характеристикам в жестких условиях различных рынков, таких как энергетический, оборонный, авиакосмический, промышленный и приборостроительный. n Реклама

по МЭМС-технологиям при общем повышении надежности, обеспечивает снижение габаритов и веса бортового навигационного оборудования, уменьшает затраты на его разработку и производство, а следовательно, и стоимость таких систем. Кроме того, МЭМС-датчики в ряде случаев позволяют применять оборудование в более жестких условиях эксплуатации, что, в свою очередь, расширяет спектр применений ИНС в различных приложениях, в которых до настоящего времени это было труднореализуемой задачей в силу ограничений как по массо-

компоненты

новости

кабели

Новый полужесткий СВЧ-кабель компании MegaPhase

• масса 0,0057 кг/м; • максимальная рабочая температура +150 °C. Внутренний проводник кабеля выполнен из меди, покрытой серебром, внешний — из меди, покрытой оловом. Диэлектрик изготовлен из фторопласта. С данным кабелем используются соединители типа «1 мм». www.radiocomp.ru

Компания MegaPhase выпустила новый полужесткий СВЧ-кабель SR047 с максимальной рабочей частотой 110 ГГц. Основные характеристики: • номинальное сопротивление 50 Ом; • скорость распространения 70% от номинальной; • временная задержка 3,84 нс/м; • напряжение, выдерживаемое диэлектриком, — 2000 кВ на частоте 60 Гц; • емкость 95,1 пФ/м; • ослабление 3,98 дБ/м (10 ГГц), 9,30 дБ/м (50 ГГц), 13,58 дБ/м (100 ГГц); • КСВН — 1,2 (10 ГГц), 1,4 (50 ГГц), 1,6 (100 ГГц); • внешний диаметр 1,194 мм; • статический радиус изгиба 1,27 см;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

новости

источники питания

Высоковольтные, высокотемпературные DC/DC-преобразователи компании IR для спускаемых в скважины инструментальных средств

• диапазон рабочих температур –20…+165 °C в длительном режиме и до +175 °C кратковременно. • габариты: 88,9×54,61×10,16 мм (HTH27022S), 101,6×54,61×10,16 мм (HTM27092S); • вес до 70 г (HTH27022S) и до 80 г (HTM27092S). www.prosoft.ru

Компания International Rectifier (IR) представила гибридные DC/DCпреобразователи HTH27022S и HTM27092S для применения в условиях окружающей среды с высокой температурой и ударными воздействиями, таких как исследовательские буровые платформы и турбинные генераторы. Характеризующиеся рабочей температурой корпуса +165 °C (кратковременно до +175 °C) и высоким значением номинального входного напряжения 270 В, модули HTH27022S и HTM27092S являются коммерческими стандартными преобразователями (Commercial Off The Shelf, COTS), которые могут значительно сократить время на проектирование, уменьшить габариты и затраты на конструкторские работы, связанные с высокотемпературными применениями. Модули HTH27022S и HTM27092S отличаются встроенным помехоподавляющим фильтром, трансформаторной токовой обратной связью в контуре регулирования, защитой от пониженного входного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания, перегрузки, наличием ограничителя повышенного выходного напряжения и входа для дистанционного включения/выключения. Дополнительными отличительными свойствами являются небольшие габариты, малый вес и высокая стойкость к воздействующим факторам внешней среды — таким как предельные повышенная и пониженная температура, сильные механические удары и вибрации. Отчеты с результатами квалификационных испытаний на воздействие внешних факторов и соответствия электрических параметров доступны по запросу. Технические характеристики модулей: • диапазон входных напряжений 190–400 В; • выходные параметры 22 В/2,5 A (HTH27022S) и 92 В/1 A (HTM27092S); • выходная мощность 55 Вт (HTH27022S) и 92 Вт (HTM27092S); • КПД 80% (min);

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

установочные и коммутационные элементы

Миниатюрные соединители P‑SMP и SMP-MAX повышенной мощности

Кива Джуринский, к. т. н. kbd.istok@mail.ru

Введение Способ межплатного и межмодульного соединения при помощи соединителей типа SMP — вилки с ограниченным или полным соединением; вилки со скользящим соединением и адаптера розетка–розетка (bullet) — в настоящее время широко применяется в СВЧ-изделиях микроэлектроники [1–3]. Это сравнительно простое, компактное соединение в диапазоне частот до 40 ГГц, которое позволяет миниатюризировать изделия и автоматизировать их производство. Использование bullet разной длины обеспечивает требуемое расстояние между платами и модулями, а также компенсацию несоосности соединителей, расположенных на платах или в модулях. Однако эти соединения не рассчитаны на сигналы повышенной мощности. Между тем для ряда применений (телеком, базовые станции, усилители и фильтры) не требуются такие высокие частоты, достаточно частоты до 10 ГГц, но необходим повышенный уровень допустимой мощности сигналов: до 200–300 Вт на частоте 2–3 ГГц. Поэтому потребовались соединители, сочетающие преимущества SMP-соединителей (расположение на платах с минимальным шагом при разном расстоянии между платами и удобство соединения) и стандартных соединителей SMA и QMA (повышенная мощность и высокие электрические параметры). Для этого были созданы соединители P‑SMP и SMP-MAX соответственно. При их конструировании была решена задача повыше-

Создание в 1980‑х годах серии микроминиатюрных соединителей SMP с предельной частотой 40 ГГц позволило решить проблему соединения плат и модулей «вслепую», даже при значительной аксиальной и радиальной несоосности установленных на них соединителей [1–3]. Но соединители SMP, работающие на высоких частотах, не обеспечивают пропускание сигналов такой же повышенной СВЧ-мощности, как широко применяе‑ мые соединители SMA и QMA. В свою очередь конструкция соединителей SMA и QMA не позволяет осуществить гибкость соединения и миниатю‑ ризацию СВЧ-изделий, достигаемую при применении соединителей SMP. Компании Rosenberger (Германия) и Radiall (Франция) создали соедини‑ тели повышенной мощности: P‑SMP (Power SMP) и SMP-MAX соответ‑ ственно, которые сочетают преимущества соединителей SMP, SMA и QMA. Рассмотрению соединителей P‑SMP и SMP-MAX и посвящена эта статья.

ния допустимой мощности при сохранении величины волнового сопротивления 50 Ом. Допустимая мощность (P) ограничена явлениями электрического и теплового пробоя и зависит от размеров коаксиальной линии соединителя [4]:

P ~ Emaxd 2 ln(D/d), (1) где E max — максимальная напряженность поля; d и D — диаметры внутреннего и наружного проводников коаксиальной линии соединителя. В то же время предельная частота соединителя также зависит от размеров коаксиальной линии соединителя:

fпред ~ 190,8/√ε(D+d), (2) где ε — диэлектрическая проницаемость изолятора. Кроме того, чтобы нежелательные высшие типы волн в коаксиальной линии соединителя находились в закритическом режиме, должно соблюдаться условие:

и приближены к размерам коаксиальной линии соединителей SMA и QMA, но в результате этого уменьшилась их предельная частота.

Соединители P‑SMP зарубежных компаний Rosenberger Hochfrequenztechnik (Rosenberger) Компания Rosenberger производит соединители более 2000 наименований: 50‑ и 75‑Ом ВЧ- и СВЧ-соединители, адаптеры, кабели и кабельные сборки для электроники и автомобильной промышленности, а также прецизионные СВЧ-элементы. В 2010 году компания Rosenberger представила новую серию радиочастотных соединителей P‑SMP [6]. В августе 2011 года United States Patent and Trademark Office зарегистрировал эти соединители под номером 79105528. В основу конструкции соединителей P‑SMP был положен тот же механизм защела

l > 0,5p(D+d), (3) где l — длина волны. Чтобы увеличить допустимую мощность, в соответствии с формулой (1) нужно увеличить размеры коаксиальной линии. Но при этом согласно формуле (2) уменьшается предельная частота соединителя. Поэтому размеры коаксиальной линии в соединителе с повышенной мощностью увеличены

Рис. 1. Интерфейс соединителей P‑SMP: а) вилка; б) розетка

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

установочные и коммутационные элементы

компоненты

Таблица 1. Основные параметры соединителей P‑SMP и SMP-MAX Параметры

Рис. 2. Соединители P‑SMP компании Rosenberger: а) прямая вилка для поверхностного монтажа; б) прямая вилка для поверхностного монтажа со скользящим соединением и расширенным входом — catchers mitt; в) прямая вилка для монтажа в отверстия платы; г) концевая вилка для поверхностного монтажа; д, е) bullets разной длины; ж) угловые кабельные розетки; з) прямая кабельная розетка; и) приборная вилка

кивания пары соединителей, как и в соединителях SMP [1–3]. Он обеспечивает простое и надежное соединение, при этом не требуется специальный инструмент. Интерфейс соединителя P‑SMP показан на рис. 1 [6, 7]. Компания Rosenberger разработала 119‑ю серию (42 типа) соединителей P‑SMP [6]: • Прямые и угловые вилки с ограниченным защелкиванием и со скользящим соединением для поверхностного монтажа и для монтажа в отверстия печатной платы. • Приборные вилки (с диаметром центрального проводника 1,27 мм) с ограниченным защелкиванием и со скользящим соединением. • Bullet с диаметром наружного проводника 4,5 мм и длиной от 10 до 38 мм. • Прямую и угловые кабельные розетки под полужесткий кабель ∅3,58 мм и гибкий кабель ∅3,1 мм. • Межканальные адаптеры P‑SMP — SMA с разным сочетанием вилка — розетка и адаптер P‑SMP (розетка) — N (розетка). Тип соединителя (вилка или розетка) компания Rosenberger обозначает по виду центрального проводника: розетка, если центральный проводник гнездовой, и вилка, если проводник штыревой. Внешний вид соединителей P‑SMP показан на рис. 2. Соединители P‑SMP, а также рассмотренные ниже соединители SMP-MAX имеют следующие параметры (табл. 1) [6–9]. Индивидуальные параметры каждого конкретного соединителя P‑SMP зависят от его назначения, конструкции, типа кабеля и способа изготовления кабельной сборки (для кабельных соединителей). Компания Rosenberger разработала большое количество прямых, угловых и концевых вилок с защелкиванием и со скользящим соединением для установки на платы и bullet разной длины для обеспечения требуемого расстояния между платами. Такое соединение применяют и в вилках SMP, однако допустимая несоосность в этом случае существенно меньше 0,25 мм. Созданы также приборные фланцевые проходные вилки (выводы энергии) с ограни-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ченным защелкиванием и со скользящим соединением, которые устанавливают в корпуса изделий. С приборными вилками стыкуются кабельные соединители розетка или bullet. Разработаны прямые и угловые кабельные соединители для работы с полужесткими — UT141, RG405, 0,085″ и формуемыми вручную кабелями тех же размеров, а также с гибкими кабелями RG174, RG316. Эти соединители обеспечивают вывод сигнала с печатной платы на радиочастотный кабель. Номенклатура соединителей P‑SMP, а также соединителей SMP-MAX, выпускаемых разными компаниями, приведена в таблице 2. О с о б о е в н и м а н и е уде л е н о в и л к а м со скользящим соединением, чтобы обеспечить надежное соединение с bullet даже при аксиальной несоосности до ±1 мм. При такой большой несоосности применены вилки с разновидностью скользящего соединения — Catchers Mitt, отличающегося широкой заходной фаской в области соединения с bullet (рис. 3).

P-SMP

SMP-MAX

Электрические параметры Волновое сопротивление, Ом Диапазон частот, ГГц Максимальный КСВН прямых кабельных розеток (в диапазоне частот, ГГц) Максимальный КСВН соединения двух плат и bullet при аксиальной (±1 мм) и радиальной (4°) несоосности (в диапазоне частот, ГГц) Максимальные высокочастотные потери прямых кабельных розеток, дБ, на частоте f (ГГц), не более Максимальные высокочастотные потери, дБ, соединения двух плат и bullet при несоосности аксиальной (±1 мм) и радиальной (4°) Сопротивление изоляции, МОм, более Сопротивление центрального проводника, мОм, менее Сопротивление наружного проводника, мОм, менее Рабочее напряжение, В Напряжение пробоя, В, не менее Рабочий ток, А, не менее Допустимая мощность, Вт (на частоте, ГГц), при температуре Уровень интермодуляций 3-го порядка, дБс Экранное затухание, дБ (на частоте) (при отсутствии аксиального смещения)

50 0–10

0–6

1,05 (0–3), 1,1 (3–6)

1,2 (0–3)

1,2 (0–3), 1,35 (3–6)

0,03√f

–

0,12

0,25 5000 3

1,5

480

330 1000

1,2 200 (2,2), +25 °C

– ≥300(2,7), +25 °C; ≥200(2,7), +85 °C ≤ –160 –70 (3)

Механические параметры полное защелкивание ограниченное защелкивание скользящее соединение полное защелкивание Усилие ограниченное рассоединения, защелкивание Н, менее скользящее соединение полное защелкивание Количество соединений ограниченное и рассоединений, защелкивание более скользящее соединение Минимальное расстояние между соединяемыми платами, мм Усилие соединения, Н, не более

Допустимая несоосность при соединении плат

аксиальная, мм

–

9–45

2,2

100

–

500

100

1000

–

12,6

±1

радиальная

3°

Допустимые температуры Диапазон рабочих температур, °C Максимальная температура пайки при установке на платы

–65…+165

–55…+165

+260 °C в течение 10 с

Материалы / покрытия

Рис. 3. Соединение bullet с вилкой Catchers Mitt

Созданы вилки с экранирующей насадкой для дополнительной защиты от просачивания СВЧ-энергии и повышения вибростойкости. Конструкции вилок со скользящим соединением Catchers Mitt для поверхностного монтажа на платы, а также одной из вилок с экранирующей пружинной насадкой из нержавеющей стали, приведены на рис. 4. Соединители P‑SMP применяют для межплатных соединений в базовых станциях и для кабельных соединений в мощных усилителях.

вилок для плат Центральный кабельных проводник соединителей и bullets вилок для плат Наружный кабельных проводник соединителей и bullets Втулка кабельного соединителя для заделки кабеля обжимом вилок для плат кабельных Изолятор соединителей и bullets

CuZn (латунь) / Optargen* CuBe (бериллиевая бронза) / AuroDur**, золото****, NPGR***** CuZn / Optargen CuBe / AuroDur, Optargen, NPGR Медный сплав / Optalloy*** PEEK, LCP PTFE (фторопласт)

Примечания. Составы (%) и толщина (мкм) покрытий разных компаний: * Optargen: Sucoplate 30 («Белая бронза»): Cu 55, Sn 25–30, Zn 15–20 (1–4), Ag2. ** AuroDur (Au-Ni-P): Au (0,15), Ni–P (2–3,5). *** Optalloy, BBR (Bright Bronze Radiall) — «Белая бронза»: Cu 55, Sn 25–30, Zn 15–20 (1–4). **** Твердое золото: Au (0,8) + Ni (2–3,5). ***** NPGR — (Ni-P) + золото.

www.kite.ru

компоненты

установочные и коммутационные элементы

ка — 1,28 мм) [7]. Покрытие центрального и наружного проводников соединителей — «белая бронза» + серебро. Номенклатура соединителей компании IMS приведена в таблице 2. Предельная частота приборной вилки 5026.PSMP.1014.195 — 18 ГГц, максимальный КСВН в диапазоне частот 0–10 ГГц — 1,12. Основное применение соединителей P‑SMP — мощные усилители базовых станций.

Соединители SMP-MAX зарубежных компаний

Рис. 4. Вилки со скользящим соединением Catchers Mitt для установки на печатные платы: а) стандартная; б) с увеличенным входом; в) с широким входом; г) с пружинной экранирующей насадкой

IMS Connector Systems (IMS) Несмотря на высокий уровень параметров, применение соединителей P‑SMP зарубежными потребителями затруднялось тем, что Rosenberger первое время был монополистом — единственным производителем этих соединителей. За рубежом широкое применение любого комплектующего изделия возможно только при наличии как минимум еще одного поставщика. Поэтому спустя небольшое время появился второй производитель и поставщик этих соединителей — немецкая компания IMS Connector Systems (IMS).

IMS — одна из старейших компаний (основана в 1863 году). Она специализируется на разработке и производстве высокочастотных соединений. IMS выпускает серию (17 типов) соединителей P‑SMP: вилки с ограниченным защелкиванием и со скользя- щим соединением для поверхностного монтажа на печатные платы, bullet длиной от 10 до 23,8 мм и, в отличие от компании Rosenberger, разнообразные приборные вилки (выводы энергии) с ограниченным защелкиванием и скользящим соединением (диаметр центрального проводни-

Рис. 5. Соединение bullet (гнездовой центральный проводник) с вилкой (скользящее соединение Catchers Mitt)

Radiall Для применения в телекоммуникационных системах и компактных базовых станциях и мобильных устройствах нового поколения компания Radiall в сжатые сроки разработала серию соединителей SMP-MAX в диапазоне частот 0–6 ГГц с повышенной допустимой мощностью (до 300 Вт на частоте 2,7 ГГц). Торговая марка соединителей SMP-MAX была зарегистрирована 23 ноября 2010 года. Эти устройства обеспечивают надежное соединение печатных плат при аксиальной несоосности установленных на платах соединителей до 2 мм и радиальной несоосности до 3°. Проблема несоосности была решена созданием изолятора оригинальной конструкции, компенсирующего погрешности рассогласования сочленяемых соединителей SMP-MAX (рис. 5) [8]. Компания Radiall выпускает серию соединителей SMP-MAX (19 типов). Номенклатура этих соединителей представлена в таблице 2, а их внешний вид — на рис. 6. В отличие от компании Rosenberger, различающей розетку и вилку по виду центрального проводника, Radiall называет вилкой подвижную часть соединения пары вилка–розетка, центральный проводник которой может быть как штыревым, так и гнездовым. Например, соединитель R222M80500 — SMP-MAX/Right angle female plug crimp type cable 2,6/50S — это кабельная вилка с гнездо-

Рис. 6. Соединители SMP-MAX: а) вилка с защелкиванием для установки в отверстия печатной платы; б) вилка со скользящим соединением для установки в отверстия платы; в) bullets разной длины; г) розетка кабельная прямая со штыревым центральным проводником; д) вилка кабельная угловая с гнездовым центральным проводником; е) адаптер SMP-MAX-вилка — SMA-розетка; ж) вилка кабельная прямая с гнездовым центральным проводником; з) адаптер SMP-MAX-розетка — SMA-розетка

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

установочные и коммутационные элементы

компоненты

Таблица 2. Номенклатура соединителей P‑SMP и SMP-MAX Типы соединителей

Р-SMP

SMP-MAX

Номенклатура соединителей, выпускаемых компаниями:

Rosenberger

IMS

Вилка прямая с ограниченным защелкиванием для поверхностного монтажа на печатную плату Розетка прямая с ограниченным защелкиванием для поверхностного монтажа на печатную плату

119 S101-40M5 119 S104-40ML5

5024 PSMP.1010.003* 5017 PSMP.1010.003

Вилка прямая со скользящим соединением для поверхностного монтажа на печатную плату

Вилка прямая с ограниченным защелкиванием для монтажа в отверстия печатной платы

Radiall

73420-0202 119 S141-40ML5 119 S144-40ML5 119 S146-40ML5 119 S147-40ML5 119 S148-40ML5 119 S64A-500N5 119 S106-40ML5* 119 S102-40ML5 119 S103-40ML5 119 S50A-40ML5* 119 S102-400ML5 119 S10C-40ML5*

5018 PSMP.1010.003

R222 M00 700 R222 M00 740

73420-0360

Вилка прямая со скользящим соединением для монтажа в отверстия печатной платы

119 S142-40ML5 119 S143-40ML5 119 S14D-40ML5

Угловая вилка с ограниченным защелкиванием для монтажа в отверстия печатной платы Концевая вилка с ограниченным защелкиванием для монтажа на печатную плату Концевая вилка со скользящим соединением для монтажа на печатную плату

119 S201-40 ML5 119 S203-40 ML5

119 S242-40 ML5

Вилка приборная проходная со скользящим соединением (вывод энергии)

5026 PSMP.9910.005 5040 PSMP.9910.005 5041 PSMP.9910.005 5030 PSMP.1018.095

Розетка угловая кабельная (полужесткий кабель) Розетка угловая кабельная (гибкий кабель)

P-SMP-вилка – SMA-вилка P-SMP-вилка – SMA-розетка P-SMP-розетка – SMA-вилка P-SMP-розетка – SMA-розетка

P-SMP-розетка — N-розетка SMP-MAX-розетка – SMP-розетка (длина, мм) SMP-MAX-розетка – MMBX-вилка (длина, мм) SMP-MAX-розетка – SMA-розетка (длина, мм) SMP-MAX-вилка – SMA-розетка (длина, мм) SMP-MAX-розетка – SMP-MAX-вилка (длина, мм)

73420-0370

119 S202-40 ML5

Вилка приборная проходная с ограниченным защелкиванием (вывод энергии)

Вилка угловая кабельная с гнездовым выводом (гибкий и полужесткий кабель)

Межсерийные адаптеры

R222 M00 720 R222 M00 730

119 K101-K00N5 (10) 119 K104-K00N5 (33,9) 5016 PSMP.9910.005 (18) R222 M40 010 (9,5) 119 K106-K00N5 (20,65) 5022 PSMP.9910.005 (10) R222 M40 050 (25,3) 119 K107-K00N5 (23,8) 5023 PSMP.9910.005 (17,55) R222 060 (12,15) 119 K108-K00N5 (31,2) 5036 PSMP.9910.005 (10,42) R222M40 M40 070 (14,9) 119 K109-K00N5 (19,7) 5037 PSMP.9910.005 (19,7) R222 M40 080 (13,8) 119 K111-K00N5 (17,55) 5038 PSMP.9910.005 (23,8) 119 K112-K00N5 (38) 119 K101-272 N5 R222 M20 700 (RG405) (UT141,RTK-FS141) R222 M20 710 (RG174 / RG316) R222 M80 400 (RG174 / RG316) R222 M80 500 (RG174 / RG316) R222 M80 517 (RG405) 119 K207-272N5 (UT141 и др.) 119 K207-271N5 (UT085 и др.) 119 K207-303N5 (RG316-d, RG179-d) 5019 PSMP.1018.095* 5039 PSMP.9910.005 119 S601-500N5 R222 M10 000 5020 PSMP.1018.095 5021 PSMP.1018.095

Розетка прямая кабельная (полужесткий кабель) Розетка прямая кабельная со штыревым выводом (гибкий кабель) Вилка прямая кабельная с гнездовым выводом (гибкий кабель)

73420-0002

R222 M00 080 R222 M00 090 R222 M10 090

Розетка прямая с ограниченным защелкиванием для монтажа в отверстия печатной платы

Bullets (длина, мм)

Molex

119 S64A-500N5 119 S641-500N5

R222 M10 700 (резьба М6×0,75) R222 M10 730 (прессовая посадка)

Соединители P‑SMP и SMP-MAX обеспечивают простое, надежное и компактное соединение печатных плат между собой и с радиочастотным кабелем при повышенном уровне допустимой мощности. Они сочетают достоинства стандартных соединителей SMA, QMA и SMP. Типичные основные параметры соединителей SMA, QMA, P‑SMP и SMP-MAX приведены в таблице 3 [6–9].

Заключение 73420-0320 73420-0790 (резьба М6×0,75) 73420-0390 (прессовая посадка)

Межплатные и межмодульные соединения с использованием двух вилок (с защелТаблица 3. Основные параметры соединителей SMA, QMA, P‑SMP и SMP-MAX Параметры соединителей

R191 996 110 (12,6) R191 996 130 (8,9) R191 560 000 (7,5) R191 553 000 (19) R191 552 000 (16) 73420-0210 (14,9) 73420-0380 (14,9)

Примечание. * Вилки с пружинной экранирующей насадкой.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

SMP-MAX. Molex производит сравнительно небольшую серию (семь типов) вилок с ограниченным защелкиванием и со скользящим соединением для поверхностного монтажа и монтажа в отверстия печатных плат и приборных вилок, а также два внутрисерийных адаптера SMP-MAX-розетка — SMP-MAXвилка [9]. Номенклатура соединителей приведена в таблице 2, а их внешний вид — на рис. 7.

Сравнительные параметры соединителей SMA, QMA, P‑SMP и SMP-MAX

119 S132-S00S5 119 S132-K00S5 119 K132-S00L5 119 K132-K00L5 119 K732-K0BS5 119 K153-K00L5

вым центральным проводником под кабель 2,6/50S, способ заделки кабеля — обжим. Центральный и наружный проводники соединителей SMP-MAX покрыты сплавом NPGR: (Ni–P) + золото, корпусы — сплавом BBR (Bright Bronze Radiall) — «белая (блестящая) бронза».

Рис. 7. Соединители SMP-MAX компании Molex

Molex Ситуация с применением соединителей SMP-MAX аналогична ситуации с соединителями P‑SMP. Поэтому в апреле 2011 года компании Radiall и Molex объявили о том, что Molex теперь лицензированный второй поставщик и изготовитель соединителей

Соединители SMA

QMA

Рабочий диапазон 0–18 0–18 частот (f), ГГц Максимальный КСВН 1,05 1,05 в диапазоне частот 0–3 ГГц Высокочастотные потери 0,03√f 0,06√f (на частоте f, ГГц), дБ 0,05 (3) 0,1 (3) Сопротивление центрального 3 3 проводника, мОм Сопротивление наружного 2 2,5 проводника, мОм Рабочее напряжение, В Допустимая мощность, Вт (на частоте, ГГц), при температуре +25 °C Уровень интермодуляций 3-го порядка, дБс, менее Соединение «вслепую» Соединение защелкиванием Соединение между платами Соединение с кабелем

P-SMP

SMP-MAX

0–10

0–6

1,1

1,2

0,12 (3)

0,25 (3)

1,5

480

330

200

200 (2,2)

300 (2,7)

–163

–130

–160

Нет

Да

Нет

Да

Нет

Да

Нет

Да

Нет

www.kite.ru

компоненты

киванием и со скользящим соединением) и адаптера bullet являются экономически эффективными, обеспечивают новые возможности конструирования изделий, их миниатюризацию и автоматизацию производства. Соединители SMP повышенной мощности с предельной частотой 6–10 ГГц созданы для систем телекоммуникации и базовых станций связи для применения наряду со стандартными соединителями SMA и QMA. Пока еще соединители SMP повышенной мощности производят всего четыре компании, но с расширением сферы применения вы-

новости

установочные и коммутационные элементы

пуск соединителей, по-видимому, освоят и другие зарубежные компании. n Автор выражает признательность М. В. Чебунину за полезные критические замечания, А. В. Калинину и Р. Гуре — за предоставлен‑ ную информацию.

Литература 1. Джуринский К. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. М.: Техносфера, 2006.

2. Джуринский К., Чебунин М. Соединители SMP. Новые возможности для микроэлектроники СВЧ // Компоненты и технологии. 2008. № 1. 3. Джуринский К. Миниатюрные радиочастотные соединители. СПб.: Компоненты и технологии, 2013. 4. http://www.microwavejournal.com/articles/996 5. Ефимов И. Е., Останькович Г. А. Радиочастотные линии передачи. М.: Связь, 1977. 6. www.rosenberger.de 7. www.imscs.com 8. www.radiall.com 9. www.molex.com

ВЧ/СВЧ-элементы

Коаксиальные переключатели от Dow-Key Microwave с жизненным циклом 5 млн Основные характеристики переключателей новой линейки: • диапазон рабочих частот: DC–4; 4–12,4; 12,4–18; 18–26,5 ГГц; • максимальный КСВН: 1,20:1; 1,35:1; 1,45:1; 1,70:1; • максимальная развязка 100, 80, 70, 65 дБ; • вносимые потери 0,3+(0,015×f в ГГц); • точка пересечения по интермодуляционным составляющим третьего порядка –120 дБн (две несущие по 20 Вт); • повторяемость вносимых потерь 0,03 дБ; • максимальное время переключения 15 мс; • максимальная пороговая непрерывная мощность 30 Вт (4 ГГц), 20 Вт (10 ГГц); • номинальное сопротивление 50 Ом; • диапазон рабочих температур –25…+75 °С; • управляющее напряжение 20–32 В;

• вес 250 г; • интерфейс управления — ленточный кабель HE10. www.radiocomp.ru

Компания Dow-Key Microwave сообщила о выпуске новой линейки двунаправленных коаксиальных СВЧ-переключателей 1×6 Reliant Switch. В современных условиях радиотехнические устройства и системы содержат множество трактов прохождения высокочастотных сигналов между входными и выходными портами. Для проверки подобных трактов требуются коаксиальные переключатели, позволяющие проводить многократное тестирование без постоянного разъединения и соединения радиочастотных кабелей. Новые переключатели Dow-Key Microwave в полной мере отвечают этим требованиям. Они обеспечивают превосходный жизненный цикл, при котором каждая позиция может быть включена не менее 5 млн раз. Это пятикратное улучшение по сравнению с типовыми многопозиционными переключателями.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

новости

источники питания

Маломощные AC/DC-преобразователи с ультрашироким диапазоном входного напряжения

Компания RECOM представила модернизированные AC/DC-преобразователи малой мощности RAC01–RAC10 (1–10 Вт), которые обладают

ультрашироким диапазоном входного напряжения (~80–305 В). Эта особенность позволяет использовать данные преобразователи практически в любых промышленных и бытовых сетях переменного тока. Модернизированные AC/DC-преобразователи дополнят хорошо зарекомендовавшую себя продукцию RECOM. Эти источники питания можно применять в сетях переменного тока, где могут иметь место значительные колебания напряжения или даже выход его за пределы стандартизованных значений. Примером может служить сеть переменного тока, когда напряжение подается напрямую от генератора. Все AC/DC-преобразователи RECOM серии RAC имеют встроенный EMI-фильтр, соответствующий стандарту EN55022 Class B. Это по-

зволяет использовать их в жилых помещениях. Преобразователи сертифицированы в соответствии со стандартами CE, EN и UL. Обобщенные технические характеристики: • диапазон входного напряжения: ~80–305 В; • частота входного напряжения: до 440 Гц; • ряд выходных напряжений: 3,3, 5, 9, 12, 15 и 24 В; • точность установки выходного напряжения: ±2%; • диапазон рабочих температур от –40 до +85 °C; • напряжение пробоя переменного тока: 3 кВ; • типовой КПД: до 80%; • соответствие стандартам: EN 55022/55024, UL‑60950-1; • возможность установки на DIN-рейку (опция). www.radiant.su

Новая серия WE миниатюрных импульсных AC/DC-преобразователей от ZETTLER Magnetics • • • • • • • • • • •

Диэлектрическая прочность: 3600 В AC. Защита от перегрузок и КЗ. Низкое потребление в режиме ХХ. Низкий ток утечки. Низкий уровень шумов и пульсаций. Встроенная EMC network. Диапазон рабочих температур: –25…+80 °C. Диапазон температур хранения: –40…+105 °C. MTBF > 300 000 ч. Компактные размеры: 23,6×22,6×17,6 мм. Сертификаты: IEC60950-1/EN60950-1, IEC61558-1/EN61558-1,

EN61558-2, EN91558-2-17. • EMI (уровень кондуктивных и излучаемых помех): согласно EN 55022 класс B. • EMS (помехоустойчивость): согласно EN55024, EN55014-1, EN55014-2, EN61000-3-2 класс A, EN61000-3-3. Миниатюрные источники питания ZETTLER Magnetics серии WE позволят быстро организовать схему питания конечного устройства с минимальным количеством внешних компонентов и затрат на собственную разработку. www.gamma.spb.ru

Компания ZETTLER Magnetics представляет новую серию миниатюрных источников питания для монтажа на плату. Новые AC/DC-преобразователи серии WE обладают следующими характеристиками: • Диапазон входных напряжений: 90–264 В AC 50/60 Гц. • Диапазон выходных напряжений: 3,3–24 В. • Частота: 100 кГц. • Корпус герметизирован, что предотвращает попадание пыли и влаги. • Высокая эффективность, низкий нагрев.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

установочные и коммутационные элементы

Клеммы и разъемы Weidmüller, совместимые с технологией пайки оплавлением припоя

Роман Устинов roman.ustinov@weidmueller.ru

Основные термины и определения • PCB (printed circuit board) — печатная плата. • SMD (surface mounted device) — компоненты для монтажа на поверхность. • SMT (surface mount technology) — технология монтажа на поверхность. • THR (through hole reflow) — комбинация сквозного монтажа компонентов и технологии пайки оплавлением припоя. • THT (through hole technology) — технология монтажа через сквозное отверстие. • ТКЛР — температурный коэффициент линейного расширения. В современной электронике прослеживается явная тенденция к переходу от выводных компонентов к SMD-компонентам — уменьшение размера и веса конечных

Ваша компания использует компоненты SMD на печатных платах, но клем‑ мы и разъемы приходится паять вручную или в лучшем случае волной при‑ поя? Использование клемм и разъемов Weidmüller, совместимых с техно‑ логией пайки оплавлением припоя, позволит сократить производственные расходы и повысить качество монтажа.

изделий давно является обязательным требованием рынка. Выводные компоненты используются при необходимости дополнительного механического крепления элемента к плате при большом собственном весе (в частности, трансформаторы) или возможных механических нагрузках (например, разъемы). Существуют три основных типа автоматического монтажа печатных плат: • пайка в конвекционной печи; • парофазная пайка; • пайка волной припоя. В настоящее время традиционный процесс монтажа печатных плат состоит из следующих этапов: • установка компонентов (рис. 1); • пайка оплавлением припойной пасты;

• нанесение клея и установка выводных компонентов; • пайка волной припоя. Как правило, в большинстве случаев при разработке устройств удается избежать применения выводных компонентов, за исключением клемм и разъемов. В связи с этим вынужденно удлиняется технологическая цепочка монтажа печатных плат. Компания Weidmüller разработала и производит целый ряд клемм и разъемов для печатных плат, совместимых с технологиями пайки оплавлением припоя — пайки в конвекционной печи и парофазной пайки, что позволяет применять выводные компоненты непосредственно в процессе поверхностного монтажа SMT. Появление таких компонентов стало возможным благодаря использованию компанией Weidmüller специального материала изолятора, а также ряда технических и конструктивных решений.

Преимущества использования

Рис. 1. Установка выводных компонентов

Преимущества использования клемм и разъемов компании Weidmüller, совместимых с технологией пайки оплавлением припоя: • исключаются дополнительные операции, связанные с выводными компонентами: нанесение клея, установка выводных элементов, сушка, пайка волной припоя — сокращение времени монтажа; • упаковка соответствует технологическому процессу — сокращение времени монтажа; • не требуется предварительная сушка — сокращение времени монтажа; • исключается ручная пайка — стабильность результатов технологического процесса; • дозированное нанесение паяльной пасты — экономное расходование материалов; • фланцы, запаиваемые в одном технологическом цикле с контактами разъема — сокращение времени на сборку.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

установочные и коммутационные элементы

Таблица 1. Основные характеристики материала LCP GF Характеристика

Значение

Удельное объемное сопротивление по IEC 60093

1015 Ом·см

Электрическая прочность по IEC 60243-1

35 кВ/мм

Трекингостойкость (A) по IEC 60112

175 CTI

Верхний предел допустимой температуры

+240 °C

Нижний предел допустимой температуры, статический

–50 °C

Класс горючести по UL 94

V-0

Кроме того, они соответствуют требованиям директивы RoHS, не содержат галогенов и пригодны для вторичной переработки.

Особенности клемм и разъемов, совместимых с технологией пайки оплавлением припоя Материал Именно благодаря применению специального материала стало возможным использование клемм и разъемов в технологическом процессе пайки оплавлением припоя. LCP GF — жидкокристаллический полимер, усиленный стекловолокном (liquid crystal polymer + glass fiber). Его основные особенности: высокое удельное объемное сопротивление, электрическая прочность и верхний предел допустимой температуры, а также стабильность размеров при изменении температуры. Термостойкий, не содержащий галогенов изоляционный материал LCP (жидкокристаллический полимер) имеет точку плавления +335 °C и, соответственно, хорошо выдерживает температуру пайки. Согласно европейской директиве RoHS, существует ограничение на содержание опасных для здоровья человека веществ (в частности, свинца) в электронном оборудовании. Но, как известно, температура пайки бессвинцовыми припоями выше, чем для припоев, содержащих свинец. Соединители SL-SMT из материала LCP готовы к работе с припоями, не содержащими свинец. Клеммы и разъемы, в которых в качестве изолирующего материала предусмотрен жидкокристаллический полимер LCP, усиленный стекловолокном, отличаются высокой стабильностью форм и размеров (в том числе при высоких температурах) и низким ТКЛР. Как следствие, достигается высокая точность шага даже при большом числе выводов и облегчается процесс установки компонентов на печатную плату. Благодаря тому, что ТКЛР материала LCP GF близок к этому параметру основного материала печатных плат — FR4, предотвращается изгиб платы после пайки. Компоненты из материала LCP GF имеют класс уровня чувствительности к влажности MSL 1: безопасное время хранения компонентов при температуре +30 °C и относительной влажности 85% не ограничено. Это означает, что подобные компоненты можно немедленно использовать в процес-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

се пайки оплавлением по технологии THR без дополнительной стадии сушки, не опасаясь появления вздутий или трещин (микротрещины особенно трудно поддаются обнаружению). Основные характеристики материала LCP GF приведены в таблице 1.

компоненты

Конструктивные особенности Запаиваемый фланец Как правило, для дополнительной механической фиксации разъема к печатной плате используется винтовое крепление. Дополнительные выводы под пайку (рис. 2, сноска 1) заменяют винтовое крепление и распаиваются в одном технологическом цикле с контактами разъема. Таким образом удается сократить время сборки и снизить затраты.

Обеспечение проникновения носителя тепла с двух сторон к точке пайки Для технологии пайки оплавлением припоя важен всесторонний и равномерный нагрев паяльной пасты. С этой целью конструкцией разъемов THR предусмотрен доступ теплоносителя к точке пайки со стороны корпуса разъема (рис. 2, сноска 2). Свободное пространство для образования мениска В отличие от пайки волной, при пайке оплавлением припоя мениск образуется со стороны установки элемента. Поэтому в конструкции разъема должно быть предусмотрено свободное пространство для образования качественного мениска (рис. 2, сноска 3).

Длина и форма запаиваемых контактов Доступно две длины запаиваемых контактов — 1,5 и 3,2 мм (3,5 мм для клемм). Контакты длиной 1,5 мм имеют следующие преимущества: • Уменьшение хода автомата при установке на плату — увеличение скорости монтажа. • Возможность двусторонней установки выводных компонентов. • Меньшие габариты — большее количество компонентов в упаковке. В сечении запаиваемый контакт представляет собой четырехугольник с фасками, его торец также имеет фаски (рис. 2, сноска 4). Это дает следующие преимущества: • Уменьшение диаметра отверстия в печатной плате и, как следствие, экономное использование паяльной пасты. • Меньше усилие, необходимое для вставки выводов компонентов в отверстия, заполненные паяльной пастой. • Повышение прочности пайки. • Лучшая распознаваемость в системах слежения (при автоматической оптической инспекции) благодаря большей отражающей поверхности.

Рис. 2. Конструктивные особенности: 1 — запаиваемый фланец; 2 — обеспечение доступа теплоносителя к точке пайки; 3 — свободное пространство для образования мениска; 4 — оптимальная форма запаиваемых контактов

Упаковка Компания Weidmüller поставляет компоненты в упаковке, учитывающей особенности автоматизированных технологических процессов: в ленте на катушке или в тубе (пенале) для соответствующих питателей, а также в лотке (поддоне) для крупных компонентов (рис. 3). Лента на катушке имеет стандартные значения ширины: 32, 44, 56, 72 и 88 мм. Компоненты размещены в лентах необходимой ширины — это позволяет оптимально использовать питатели и точно позиционировать компоненты на ленте для их уверенного захвата.

Особенности соединителей Weidmüller Несколько слов об особенностях, присущих всем разъемам и клеммам компании Weidmüller. www.kite.ru

компоненты

установочные и коммутационные элементы

Рис. 5. Маркировка по требованию

Рис. 3. Упаковка, соответствующая технологическому процессу

а Рис. 6. Фланец: а) винтовой; б) фиксатор-экстрактор

Кодировка Для всех разъемов Weidmüller предусмотрена установка кодирующих элементов. Может быть выполнено как предварительное кодирование на заводе (по согласованию с заказчиком), так и непосредственное — при использовании разъемов (рис. 4).

Разделительные элементы Разделительные элементы (рис. 8) позволяют гибко решать задачу введения исполнений или изменений в процессе модернизации в изделие — имея один общий разъем на печатной плате, можно путем установки разделителей получить необходимые варианты.

Маркировка На всех разъемах и клеммах компании Weidmüller есть место для нанесения или установки маркировки — это может быть сделано заказчиком самостоятельно или, по предварительному заказу, на производстве (рис. 5). Фланцы Как правило, для разъемов предлагается несколько вариантов фланцев на выбор — винтовое крепление частей разъема между собой (рис. 6а), «ласточкин хвост» для установки монтажных блоков, фиксатор или фиксатор-экстрактор (рис. 6б). Также разъемы могут поставляться с открытыми или закрытыми боковыми частями.

Рис. 4. Установленные кодировочные элементы

Световоды Для некоторых серий разъемов в качестве аксессуара предлагаются световоды — они обеспечивают передачу света от SMDсветодиодов, размещенных на печатной плате, до лицевой панели. Благодаря этому для пользователя легко и технологично решается задача вывода световой индикации (рис. 7).

Рис. 8. Разделительный элемент

Серия SL-SMarT Среди множества серий клемм и разъемов для печатных плат, пригодных для пайки оплавлением припоя, можно выделить серию SL-SMarT 5.0x (рис. 9). Ее харак-

Рис. 7: а) установленные световоды; б) конструкция световодов

Рис. 9. Серия разъемов SL-SMarT 5.0x

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

установочные и коммутационные элементы

компоненты

Рис. 10. Технология пайки компонентов THR: а) сквозное металлизированное отверстие; б) нанесение паяльной пасты; в) установка компонента; г) оплавление припоя (требуется доступ теплоносителя к точке пайки с двух сторон); д) паяное соединение

терная особенность в том, что в ней имеется только два разъема — на 2 и на 3 контакта в горизонтальном и вертикальном исполнении. Эти разъемы можно располагать в ряд без зазора и получить в итоге разъем с любым желаемым количеством контактов — меньше номенклатура, проще логистика. Основные преимущества серии SL-SMarT 5.0x: • минимальный вес; • компактные размеры; • максимальная скорость сборки; • требуется меньше пространства для фидеров (их ширина минимальна); • упрощение логистики. Благодаря малому весу и компактным размерам разъемов серии SLSMarT 5.0x автоматы сборки печатных плат способны работать с наименьшими затратами и на максимальной скорости, что нереально при использовании тяжелых компонентов. Комбинируя 2‑ и 3‑контактные разъемы, можно получить 23 стандартных разъема (от 2 до 24 контактов). Кроме того, не имеет значения, с каким шагом (5 или 5,08 мм) размещены отверстия на печатной плате — небольшое отклонение по шагу компенсируется разнесением от следующего модуля. С учетом этого количество заменяемых стандартных разъемов увеличивается до 46. И последнее: наличие двух направлений вставки — 90° и 180° — означает увеличение числа возможных вариантов до 92!

Компоненты SMD-THR и технологии SMT-THT Существуют два типа компонентов, совместимых с технологией оплавления припоя: SMD (компоненты для монтажа на поверхность) и THR (комбинация сквозного монтажа компонентов и технологии пайки оплавлением припоя). Если для компонентов на печатной плате предусматриваются механические нагрузки (как, например, к клеммам или разъемам), то THR-компоненты и технология THT (технология монтажа через сквозное отверстие) являются предпочтительными по сравнению с SMD-компонентами и технологией SMT (технология монтажа на поверхность), поскольку имеют более надежное соединение с печатной платой.

Технологии автоматического монтажа печатных плат Рассмотрим основные плюсы и минусы технологий автоматического монтажа печатных плат: • Конвекционная пайка: – плюсы: высокая производительность; – минусы: возможен градиент температуры в зоне нагрева; большие габариты и высокое потребление электроэнергии. • Парофазная пайка: – плюсы: отсутствие температурного градиента в зоне нагрева; малые габариты и электропотребление; – минусы: низкая производительность; наличие дополнительного расходного материала — теплоносителя. • Пайка волной припоя: – плюсы: высокая производительность; возможность селективной пайки; ниже требования к температурной стойкости компонентов, так как компоненты на печатной плате нагреваются в меньшей степени, чем при технологиях пайки оплавлением припоя; – минусы: при разработке топологии печатной платы необходимо учитывать направление движения платы относительно волны припоя. Несмотря на все преимущества технологии пайки оплавлением припоя, выводные компоненты в настоящее время используются, как правило, только в случае большого собственного веса или подверженности механическим нагрузкам. Соответственно, все преимущества данной технологии теряют свою актуальность. В целом технологический процесс пайки компонентов THR представлен на рис. 10.

Рис. 11. Параметры разъема и печатной платы: а) параметры разъема; б) поперечное сечение запаиваемого контакта; в) параметры печатной платы; г) параметры трафарета; д) оптимальная форма паяного соединения

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

компоненты

установочные и коммутационные элементы

Рекомендации по проектированию и технологическому процессу

Таблица 2. Рекомендации по проектированию и технологическому процессу

При нанесении паяльной пасты с помощью принтера ее объем и, следовательно, степень наполнения припойной пасты являются важными факторами для получения оптимального результата в процессе SMT. Наполнение и объем паяного соединения должны соответствовать требованиям IPC-A610 «Критерии приемки электронных сборок». Приведем в качестве примера рекомендации по проектированию и технологическому процессу автоматической установки и пайки для разъемов серии SL-SMT с запаиваемыми фланцами и длиной запаиваемых контактов 1,5 мм (табл. 2). Параметры разъема и печатной платы представлены на рис. 11. Для разъемов без запаиваемых фланцев с числом контактов от 2 до 8 необходимо уменьшить и принять следующие параметры: • диаметр монтажного отверстия dI = 1,4+0,1 мм; • минимальный объем паяльной пасты VP = 2,4 мм3; • минимальный уровень наполнения fP = 70%; • оптимальный объем паяльной пасты VP = 2,9 мм3; • оптимальный уровень наполнения fP = 90%.

Контроль качества

Значение

Разъем: Длина запаиваемого контакта L, мм Минимальная высота свободного пространства hL, мм Диаметр запаиваемого контакта d, мм Печатная плата: Толщина печатной платы H, мм Тип монтажного отверстия Диаметр монтажного отверстия dI, мм* Диаметр контактной площадки dA, мм Позиционный допуск согласно IEC 326-3 Трафарет: Толщина DS, мкм Диаметр отверстия dS, мм** Паяльная паста: Размер частиц, мкм Объем испарения, % Процесс: Метод нанесения паяльной пасты Минимальный объем паяльной пасты VP, мм3 Минимальный уровень наполнения fP, % Оптимальный объем паяльной пасты VP, мм3 Оптимальный уровень наполнения fP, % Способ установки компонентов Температурный профиль

1,5 0,3 1,2 1,6 металлизированное 1,5+0,1 2,3 очень точный 120–180 2,1 20–40 ≈50 ракелем 3,1 85 3,5 100 манипулятор согласно EN 61760-1

Примечания. * Необходимо учитывать допуски и точность компонентов, печатных плат и установок для автоматического монтажа. ** Диаметр отверстия трафарета приблизительно на 10% меньше диаметра контактной площадки dA.

а разрушающий контроль — оценить сопротивление вытягиванию вывода из печатной платы. Разумеется, разрушающий контроль n проводится только выборочно.

Завершающий этап технологического процесса пайки — контроль качества. Контроль качества для пайки выводных компонентов методом оплавления припоя аналогичен контролю качества пайки волной припоя. В настоящее время для этого существует несколько способов: оптическая инспекция, рентгеноскопия или разрушающий контроль. При оптической проверке могут быть оценены форма паяного соединения, цвет и коэффициент отражения поверхности. Рентгеноскопия позволяет выявить пустоты и трещины,

Параметр

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

на правах рекламы

Микромощный стабилизатор напряжения 1342ЕН5Т

икросхема стабилизатора напряжения в малогабаритном металлокерамическом корпусе для поверхностного монтажа 4601.3-1 (рис. 1) формирует положительное выходное напряжение UOUT = 5 В и предназначена для применения в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры специального назначения. Микросхема функционирует при температуре от –60 до +125 °C. Функциональный аналог микросхемы — ADM663A компании Analog Devices, США. Технические условия — АЕЯР.431420.836ТУ. В состав микросхемы входят (рис. 2): • источник опорного напряжения; • усилитель сигнала ошибки; Таблица 1. Значения электрических параметров микросхемы (TA = 25 °С, СIN = 1 мкФ, COUT = 1 мкФ) Параметры

Значение

Диапазон входного напряжения, В

6–16

Выходное напряжение, В

5 ±2%

Ток нагрузки, мА

0,01–100

Собственный ток потребления микросхемы, мкА (не более) – при отсутствии тока нагрузки – при токе нагрузки 2 мА – при токе нагрузки 100 мА

6 15 50

Температурный коэффициент выходного напряжения, мВ/°С (не более)

±1

Примечание. Нормы на электрические параметры приведены для условий TA = ТC = ТJ = 25 °С.

Рис. 1. Условное расположение выводов микросхемы в корпусе 4601.3-1

• блок ограничения тока короткого замыкания; • регулирующий элемент (в виде мощного выходного транзистора), обеспечивающий выходной ток до 100 мА; • выходной резистивный делитель напряжения. Схема стабилизатора напряжения — последовательного типа, она включается последовательно между нагрузкой и нерегулируемым источником питания. Внутренний источник опорного напряжения вырабатывает опорное напряжение UREF, слабо зависящее от температуры и входного напряжения питания. Для получения заданного выходного напряжения UOUT = 5 В используется подгонка выходного напряжения путем электрического пережигания металлических перемычек в выходном резистивном делителе напряжения. Усилитель ошибки сравнивает опорное напряжение и часть выходного напряжения UOUT, которое возвращается на его инвертирующий вход с выхода стабилизатора. Таблица 2. Назначение и нумерация выводов Номер вывода

Наименование вывода

Назначение вывода Вывод выходного напряжения

UOUT

GND

Общий вывод

UIN

Вывод входного напряжения

Последовательно включенный регулирующий элемент в виде мощного выходного PМОS-транзистора обеспечивает постоянство выходного напряжения и необходимый уровень выходного тока. Резисторы выходного резистивного делителя напряжения позволяют получить обратную связь, благодаря чему можно корректировать рабочую точку усилителя сигнала ошибки. Сочетание усилителя сигнала ошибки, последовательно включенного регулирующего элемента и резистивного делителя напряжения, с которого снимается часть выходного напряжения, образует усилитель с обратной связью. В схеме стабилизатора усилитель с обратной связью работает так, чтобы поддерживать часть выходного напряжения, которое возвращается на его инвертирующий вход, равной опорному напряжению, поступающему на неинвертирующий вход. Схема ограничения тока короткого замыкания предназначена для уменьшения уровня тока в нагрузке в случае КЗ. Датчиком тока ограничения является внутренний ПКК-резистор. n ОАО «Интеграл», ул. И. П. Казинца, д. 121 А, офис 327 г. Минск, 220108, Республика Беларусь. Тел. (+375-17) 398-7513 Факс (+375-17) 212-3051 E‑mail: market@integral.by www.integral.by

Рис. 2. Структурная схема микросхемы 1342ЕН5Т

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

новости

память

24‑нм flash-память BENAND SLC NAND объемом 8 Гбайт от Toshiba

перемещению механизма коррекции ошибок (ECC) в микросхему NAND. Это позволяет использовать устаревшие контроллеры с новейшей технологией NAND, снижая материальные затраты и сокращая стоимость разработки систем при сохранении высокой надежности памяти SLC NAND. Выпуск модуля объемом 8 Гбайт расширяет диапазон линейки устройств BENAND, доступных в виде корпусов TSOP и BGA и рассчитанных на использование при промышленных и бытовых рабочих температурах. www.toshiba-components.com

Компания Toshiba Electronics Europe (TEE) расширила линейку 24‑нм flashпамяти BENAND с одноуровневыми ячейками (SLC) NAND и встроенным восьмиразрядным механизмом коррекции ошибок (ECC). Новые 24‑нм модули SLC BENAND объемом 8 Гбайт позволяют производителям применять 24‑нм технологию в устройствах, рассчитанных на использование модулей 4xnm NAND. Это увеличивает срок службы бытовой электроники, мультимедийных устройств, интеллектуальных измерительных приборов и систем освещения, а также промышленного оборудования. Модуль BENAND освобождает главный процессор от нагрузки, связанной с коррекцией ошибок, и позволяет конструкторам использовать передовую технологию флэш-памяти NAND. Для облегчения перехода в новом модуле BENAND такие элементы, как размер страницы/блока, размер резервной области, команды, интерфейс и корпус, соответствуют устаревшим модулям 4xnm SLC NAND. Цена изготавливаемой с использованием современных функциональных узлов flash-памяти NAND снижена, но ячейки уменьшенного размера более уязвимы перед нагрузками при программировании и очистке. Вследствие этого для поддержания желаемых уровней надежности требуется более сложная коррекция ошибок. Например, для модуля малой плотности 4xnm SLC NAND требуется одноразрядный механизм коррекции ошибок (ECC), для модуля 3xnm SLC NAND — четырехразрядный, а для модуля 2xnm SLC NAND — восьмиразрядный. Традиционно механизм коррекции ошибок встраивался в главные контроллеры, что делало переход на более новые и дешевые модули NAND дорогостоящей и требующей существенных затрат времени задачей, так как для обеспечения требуемого уровня коррекции ошибок приходилось менять главный процессор. Модули BENAND изменяют эту парадигму благодаря

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

Новинки компании Texas Instruments — усилители и преобразователи данных Каждый год компания Texas Instruments выпускает сотни новых компо‑ нентов. Среди новинок, вышедших в наиболее популярных сегментах полупроводниковых устройств, — усилители и преобразователи данных, чему и будет посвящена настоящая статья.

Александр Казакевич kaz@efo.ru

Введение

Операционные усилители с напряжением питания до 5 В

Наиболее востребованными среди разработчиков полупроводниковых усилительных устройств являются операционные, а также инструментальные усилители. Прошедший год нельзя назвать особенно урожайным на усилители Texas Instruments (TI), тем не менее вышедшие новинки являются, c нашей точки зрения, вполне достойными внимания и, надеемся, будут интересны нашим читателям. Обзор новых усилителей будем по возможности сопровождать сравнением с продуктами основного конкурента — компании Analog Devices (ADI). Аналогичный подход будет использоваться при рассмотрении выпущенных в 2013 г. преобразователей данных. Основное внимание будет уделено аналого-цифровым преобразователям (АЦП) с архитектурой последовательного приближения, а также дельтасигма АЦП.

В прошедшем году завершен выпуск новой серии OPAy313: вышли одно- и четырехканальные версии после выпущенного ранее двухканального OPA2313 («y» в маркировке TI означает число каналов, в одноканальной версии отсутствует). Выпуск этого семейства можно рассматривать как усовершенствование популярного операционного усилителя (ОУ) общего назначения OPAy 348. В таблице 1 представлены характеристики нового усилителя в сравнении с конкурентом от Analog Devices AD8542. По существу, AD8542 является полным аналогом OPA2348, поэтому предшественника серии OPAy313 можно считать также участвующим в сравнении. Видно, что у OPAy313 заметно улучшена точность, уменьшен входной ток и шумы, а также значительно увеличен коэффициент ослабления синфазной помехи (КОСП). Расширен диапазон рабочих напря-

Таблица 1. Параметры ОУ со входом на полевых транзисторах (Vs = 5 В, Vc = Vs/2, T = +25 °С) Параметр

OPA2313

AD8542

OPA2317

AD8539

Производитель

ADI

Напряжение смещения (макс.), мкВ

2500

6000

Температурный дрейф напряжения смещения (тип.) мкВ/°С

0,05

0,03

Ток смещения (тип.), пА

0,2

155

Полоса пропускания (тип), МГц

0,3

0,43

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс

0,5

0,9

0,15

0,4

КОСС (мин.), дБ

104

100

Плотность шумов (f = 1 кГц), нВ/√Гц

Размах шумов в полосе 0,1–10 Гц, нВ

–

1,1

1,2

Напряжение питания Vs, В

1,8–5,5

2,7–5,5

1,8–5,5

2,7–5,5

Ток потребления покоя (макс.), мкА/канал

190

Диапазон рабочих температур, °С

–40…+150*

–40…+125

–40…+150*

–40…+125

Корпус

8MSOP, 8SOIC, 8SON

8MSOP, 8SOIC, 8TSSOP

8MSOP, 8SOIC

Цена (в партии 1000 шт.)**, $

0,38

0,75

0,72

Rail to Rail вход/выход

Вход/Выход

Примечания. * — диапазон температур, в котором гарантируются заявленные параметры, составляет –40…+125 °С. ** — здесь и далее приводится стандартная цена, указанная на сайте производителя [1, 2].

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

жений, традиционно для новых операционных усилителей TI верхний диапазон рабочих температур поднят до +150 °С. Основная идея нового ОУ OPAy 317 — недорогой сверхэкономичный усилитель, выполненный по топологии с нулевым температурным дрейфом. Его можно рассматривать как бюджетную версию известного усилителя OPA333. Ближайший конкурент от ADI потребляет почти на порядок больше, при этом имеет существенно меньшее напряжение смещения, сходный дрейф, несколько большее быстродействие и тот же уровень шумов. Ситуация с диапазоном напряжений питания и рабочих температур аналогична предыдущему сравнению.

Усилители с размахом напряжения питания 30 В и выше В 2013 г. компания TI продолжила развитие линейки ОУ с промышленным диапазоном напряжения питания, имеющих вход на полевых транзисторах с изоляцией p‑n‑переходом. Вышел одноканальный усилитель OPA172, отличительной чертой которого является, прежде всего, низкий температурный дрейф напряжения смещения наряду с невысокой стоимостью. Те же качества выделяют вышедшие ранее OPA170 и OPA171. Основное отличие OPA172 — повышенное быстродействие и низкие шумы (и, соответственно, возросшее энергопотребление). Конкурентом выступает ОУ ADA4610-2A, для сравнения приведены также параметры OPA2170. В предыдущей статье, посвященной усилителям TI, ADA4610-2A неплохо конкурировал с OPA2141 [3], опережая его в точности и несколько проигрывая по шумам. Сравнение усилителя ADI с OPA172 показывает несколько иную картину: усилитель TI значительно превосходит его в точности, уступая в уровне низкочастотного шума (табл. 2). Новый усилитель не позиwww.kite.ru

компоненты

Таблица 2. Параметры ОУ с размахом напряжения питания 30 В и выше (Vs = ±15 В, Vc = 0, T = +25 °С) Параметр Производитель Число каналов Напряжение смещения (макс.), мВ Температурный дрейф напряжения смещения (макс.), мкВ/°С Ток смещения (макс.), пА Полоса пропускания, МГц Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс КОСС (мин.), дБ Плотность шумов (f = 1 кГц), нВ/√Гц Размах шумов в полосе 0,1–10 Гц, нВ Rail to Rail вход/выход Однополярное питание Напряжение питания Vs, В Ток потребления покоя (макс.), мА/канал Диапазон рабочих температур, °С Корпус Цена (в партии 1000 шт.), $

OPA172

ADA4610-2A

OPA2170

OPA192

ADA4610-2B

TI ADI TI TI ADI 1 2 2 1 2 1 1 1,8 0,025 0,4 1,5 8 1,5 0,5 4 15 25 15 20 25 10 10 1,2 10 10 10 25 0,4 20 25 110 106 104 120 106 6 7,3 19 5,5 7,3 1200 450 2000 1300 450 Выход Выход Выход Вход/Выход Выход Да Нет Да Да Нет 4,5…36 ±4,5…±15 2,7…36 4,5…36 ±4,5…±15 1,8 1,85 0,145 1,2 1,85 –55…+150* –40…+125 –55…+150* –55…+150* –40…+125 8SOIC, SOT23-5, 8MSOP, 8SOIC, 8SOIC, 8MSOP, 8SOIC, 8MSOP, 8SOIC, 8MSOP 5SC70 8LFCSP 8VSSOP SOT23-5 0,65 1,43 0,6 1,35 3,47

Примечание. * — Диапазон температур, в котором гарантируются заявленные параметры, составляет –40…+125 °С.

Рис. 1. Зависимость напряжения смещения от синфазного входного напряжения (напряжение питания ±18 В)

ционируется производителем как rail-to-rail по входу. Однако строение входного каскада допускает входное синфазное напряжение до шин питания, при этом характеристики не гарантируются вблизи верхней шины питания. Многоканальные версии OPA172 ожидаются до конца 2014 г. Другой усилитель с промышленным диапазоном рабочего напряжения — OPA192 — позиционируется производителем как представитель нового поколения. Сочетание характеристик действительно внушает уважение, например типичное напряжение смещения для усилителя с полевым входом составляет всего 5 мкВ. При этом следует учесть, что тут не идет речь о технологии Zero Drift. OPA192 является продуктом усовершенствованной технологии e‑trim, основу которой составляет программируемая балансировка токов плечей входного каскада. Ближайший конкурент от ADI ADA4610-2B при заметно большей цене имеет на порядок меньшую точность. Входной каскад OPA192 обеспечивает как синфазное, так и дифференциальное (!) напряжение от шины

до шины. Особенности строения входного каскада хорошо иллюстрируются зависимостью напряжения смещения от синфазного напряжения (рис. 1). Видно, что передача управления от p‑канальных транзисторов к n‑канальным происходит при напряжении 2–3 В от верхней шины питания, при этом имеет место увеличение напряжения смеще-

ния до 50–70 мкВ. Кроме того, заметно, что p‑канальная пара сбалансирована гораздо лучше. Это следует учитывать при разработке прецизионных систем, тем более что поведение температурного дрейфа напряжения смещения совершенно аналогично. OPA192 характеризуется также отличным сочетанием быстродействия и потребления: при скорости нарастания выходного сигнала 20 В/мкс ток покоя составляет около 1 мА. Традиционно оба новых усилителя имеют преимущество перед конкурентами в диапазоне напряжений питания и рабочих температур.

АЦП последовательного приближения За прошедший год компания TI полностью обновила семейство 16‑битных одноканальных АЦП с однополярным питанием. Выпущены ADS8860/2/4/6 (АЦП с однополярным входом) и ADS8861/3/5/7 (с дифференциальным входом). Скорости преобразования составляют соответственно 1000, 680, 400 и 100 тыс. выборок в секунду. Новое семейство пришло на замену АЦП ADS831x/2x и отличается большей точностью и гораздо меньшим энергопотреблением. Кроме того, выпущена серия экономичных 18‑битных преобразователей ADS8881/3/5/7 с тем же набором скоростей преобразования и дифференциальным входом. Полезной особенностью всех новых АЦП является их совместимость по выводам. Аналогом новых АЦП выступает известное семейство PulSAR от компании Analog Devices. Результаты сравнения представлены в таблице 3. Представлены самые быстрые версии преобразователей, более медленные версии отличаются исключительно скоростью преобразования, остальные характеристики идентичны. Заметим, что не удалось найти конкурента для ADS8861, ADI в данном случае предлагает лишь версию с однополярным входом. Сравнение характеристик показывает, что преобразователи TI чуть превосходят конкурента по точности, заметно экономичнее

Таблица 3. Параметры одноканальных АЦП последовательного приближения (VИОН = 5 В, T = 25 °С) Параметр

ADS8860

AD7980B

ADS8861

ADS8881

AD7982

Производитель Разрядов Скорость преобразования (макс.), выб./с Напряжение питания, В (цифровое) Напряжение питания, В (аналоговое) Напряжение ИОН VИОН, В Тип входа Диапазон входных напряжений Отношение сигнал/шум (тип.) Fвх = 1 кГц, дБ Дифференциальная нелинейнасть (макс.), МЗР Потребляемая мощность (106 выб./с), мВт Интерфейс Диапазон рабочих температур, °С

TI 16 106 2,7–3,6 2,7–3,6

ADI 16 106 1,8–5,5 2,35–2,65

TI 16 106 2,7–3,6 2,7–3,6 2,5–5

TI 18 106 2,7–3,6 2,7–3,6

ADI 18 106 1,8–5,5 2,35–2,65

Дифференциальный ±VИОН 100 –0,99…1,5 5,5

99 –0,85…1,5 7

–40…+85 MSOP-10 SON-10 19,95

–40…+85 MSOP-10 QFN-10 23,28

Корпус Цена (в партии 1000 шт.), $

Однополярный 0–VИОН 93 –0,99…+1 5,5

92 –0,9…+0,9 7

–40…+85 MSOP-10 SON-10 10

–40…+125 MSOP-10 QFN-10 16,14

96,5 –0,99…+1 5,5 SPI –40…+85 MSOP-10 SON-10 11

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

Рис. 2. Блок-схема АЦП ADS1220/ADS1120

Таблица 4. Параметры ΔΣ-АЦП (T = +25 °С) Параметр

ADS1120

ADS1220

AD7782

Производитель Разрядов Скорость преобразования, выб./с Напряжение питания, В (цифровое) Напряжение питания, В (аналоговое) Встроенный ИОН, В Тип входа Диапазон входных напряжений, В Интегральная нелинейность, % (макс.) Температурный сенсор Встроенные источники тока Ток потребления (G = 32), мкА Интерфейс Диапазон рабочих температур, °С

TI 16

TI 24

ADI 24 19,79 (фиксированная) 2,7–5,25 2,7–5,25 Нет 2 дифференциальных ±2,56; ±0,16 0,001 Нет Нет 1300

Корпус Цена (в партии 1000 шт.), $

5–2000 2,3–5 2,3–5 2,048 2 дифференциальных/4 однополярных ±VИОН/G* ±VИОН/G* 0,002 0,0015 Есть 2 425 SPI –40…+125 TSSOP-16 TSSOP-16 QFN-16 QFN-16 3,15 3,95

TSSOP-16 4,3

Примечание. * G — коэффициент усиления входного усилителя.

Преобразователи с дельта-сигма архитектурой Семейство ΔΣ-АЦП пополнилось двумя новыми преобразователями ADS1120/1220 (рис. 2) с разрядностью 16/24 бита. Новые АЦП функционально близки к хорошо зарекомендовавшим себя преобразователям

ADS1147/1247, упрощена схема коммутаций входов/выходов, при этом добавлен прецизионный температурный сенсор. Результаты сравнения с ΔΣ-преобразователем ADI AD7782 представлены в таблице 4. При сопоставимой цене 24‑битный АЦП TI отличается гораздо большей функциональностью, предлагая дополнительно встроенный источник опорного напряжения, источники тока, усилитель с программируемым коэффициентом усиления и датчик температуры. Погрешность температурного сенсора не превышает 0,5 °С. При помощи программируемых источников тока можно питать внешние сенсоры, будь то мост или резистивный датчик температуры. Интересной особенностью является возможность коммутации аналоговой земли — например, для отключения питания моста. Встроенный источник опорного напряжения (ИОН) имеет температурный максимальный дрейф 40 ppm/°С, при необходимости возможно подключение внешнего ИОН.

Заключение Несмотря на небольшое количество новинок, компания TI выпустила ряд интересных усилителей, сочетание характеристик которых зачастую затрудняет поиск конкурирующего решения. Полностью обновлена линейка одноканальных 16‑битных и 18‑битных АЦП последовательного приближения, предлагается широкий выбор скоростей преобразования. Выпущены новые бюджетные ΔΣ-АЦП с расширенной функциональностью, оптимизированные для использования с датчиками температуры и мостовыми преобразователями. n

Литература 1. www.ti.com 2. www.analog.com 3. Казакевич А. Обзор новых операционных усилителей компании Texas Instruments // Компоненты и технологии. 2012. № 6.

и дешевле. Интересно отметить, что отношение сигнал/шум ADS8861 (96,5 дБ) достигло значения, очень близкого к теоретическому пределу (97,2 дБ). Новые АЦП отлично масштабируются по соотношению «энергопотребление–скорость». Так, при скорости преобразования 10 000 выб./с потребление составит всего 55 мкВт.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

новости

память

Твердотельные накопители нового поколения для высокопроизводительных пользовательских систем от Toshiba

Модели HG6 оснащены интерфейсом SATA 3.1 (6 Гбит/с) и используют технологию кэширования записи Adaptive Size SLC Write, а также опциональную функцию самошифрования, совместимую с TCG-Opal 2.0. В новых накопителях нашла свое воплощение

и надежная технология Quadruple Swing-By Code (QSBC) компании Toshiba. QSBC повышает стабильность работы и обеспечивает более эффективную коррекцию ошибок. www.toshiba-components.com

Компания Toshiba Electronics Europe (TEE) анонсировала новое поколение высокопроизводительных твердотельных накопителей (SSD) серии HG для использования в ноутбуках, рабочих станциях, корпоративных приложениях с высокой интенсивностью чтения и в качестве серверных загрузочных дисков. HG6 стали первыми накопителями для массового рынка на основе фирменной технологии A19nm (Advanced 19nm — усовершенствованная 19‑нм технология) Toggle 2.0 MLC (многоуровневые ячейки памяти) NAND, которая значительно повышает производительность и энергоэффективность. Накопители SSD серии HG6 представлены в вариантах емкостью от 60 до 512 Гбайт и обеспечивают высокие показатели: скорость последовательного чтения до 534 Мбайт/с и скорость последовательной записи до 482 Мбайт/с. Эти накопители кардинально повышают скорость загрузки компьютера и приложений, а также в целом улучшают работу с компьютером. Изделия серии HG6 более энергоэффективны по сравнению с моделями предыдущих поколений: благодаря им мобильные устройства могут работать без подзарядки еще дольше. Новые накопители представлены в различных формфакторах, включая компактный mSATATM, M.2 и стандартный вариант шириной 64 мм и высотой 7 и 9,5 мм.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

память

Энергонезависимая память будущего Fujitsu FRAM Свойства сегнетоэлектрической памяти FRAM уникальны: она сочетает в себе преимущества традиционных энергонезависимых ячеек и быстро‑ действующих ячеек оперативной памяти. С экономической точки зрения это весьма перспективная технология.

егнетоэлектрическая память FRAM, обеспечивая одновременно энергонезависимость и произвольный доступ, превосходит по характеристикам Flash и E2PROM (табл. 1). Дополнительные особенности, такие как низкое потребление и высокая износоустойчивость, позволяют использовать память FRAM для записи и хранения данных в устройствах промышленного и медицинского назначения.

Технология FRAM В отличие от традиционных микросхем энергонезависимой памяти Flash и E2PROM, содержимое ячейки FRAM хранится не в заряде на затворе. Информация, «лог. 0» или «лог. 1», содержится в поляризации сегнетоэлектрика — цирконат-титаната свинца PZT (Pb(ZrTi)O3). Тонкая пленка сегнетоэлектрика располагается между двумя электродами, как в конденсаторе. Ячейка памяти FRAM имеет такую же структуру, что и DRAM (состоит из транзистора и конденсатора), а отличается тем, что конденсатор содержит ферроэлектрический диэлектрик. Поскольку накопления большого заряда не происходит, отпадает необходимость использовать повышающие преобразователи напряжения. Таким образом, FRAM потребляет меньше энергии, чем Flash или E2PROM. Особенности и преимущества FRAM Содержимое ячейки сегнетоэлектрической памяти сохраняется при отсутствии питания. Соответственно, не требуется использовать батареи резервного питания, как в случае SRAM. Уменьшаются размер платы, расход материалов и стоимость обслуживания, а также энергопотребление конечного устройства. Поскольку FRAM работает на основе произвольного доступа, процесс записи, в отличие от энергонезависимой памяти других типов, производится без задержки. Время доступа для чтения и записи составляет десятки или сотни нс, как и в ОЗУ. В случае резкой потери питания FRAM успеет завершить за-

пись до полного отключения системы, сохранив целостность данных. Сегнетоэлектрическая память долговечна, выдерживает до 1013 циклов перезаписи (для сравнения, максимальное количество циклов перезаписи для ячеек Flash и E 2PROM составляет от 100 тыс. до 1 млн). Срок службы FRAM практически неограничен. Благодаря всем этим особенностям ячейки FRAM мож-

но использовать для записи данных в режиме реального времени. Во многих приложениях FRAM используется одновременно вместо SRAM и E2PROM, что упрощает архитектуру системы. И наконец, память FRAM обладает высокой стойкостью к радиоактивному излучению α-, β- и γ-частиц, что позволяет использовать ее в системах медицинского и аэрокосмическо-

Таблица 1. Сравнение FRAM с памятью другого типа Память

FRAM

EEPROM

Flash

SRAM

Тип

Энергонезависимая

Энергозависимая

Метод записи

Перезапись

Стирание байта, запись

Стирание сектора, запись

Перезапись

Цикл записи

150 нс

3 мс

1с

55 нс

Количество циклов перезаписи

1013

106

Бесконечно

Таблица 2. FRAM сочетает в себе достоинства Flash/E2PROM и SRAM/DRAM SRAM, DRAM

Flash, E2PROM

Fujitsu FRAM

Быстрый неограниченный произвольный доступ Энергозависимая. Требуется питание

Медленный доступ к блокам ПЗУ Энергонезависимая

Быстрый неограниченный произвольный доступ Энергонезависимая

Рисунок. Производственная линейка FRAM Fujitsu

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

память

го назначения, а также в оборудовании для пищевой промышленности, где излучение применяется для дезинфекции.

FRAM от компании Fujitsu Компании Fujitsu первой удалось успешно внедрить технологию FRAM в массовые продукты: с 1999 года ею выпущено уже более 2,3 млрд микросхем памяти (рисунок, табл. 2.).

новости

Особенности: • Высокая скорость записи. Вместо стирания производится перезапись. • Высокая износоустойчивость: выдерживает до 1013 циклов чтения/записи. • Низкое энергопотребление. • Безопасна для окружающей среды: не требует батареи резервного питания. • Стойкость к радиационному воздействию. Области применения: • запись данных;

компоненты

• хранение значений параметров; • резервная память; • запись данных в режиме реального времени. Сегменты рынка: • учет ресурсов; • автоматизация производства; • управление движением; • контрольно-измерительное оборудование; • офисная техника; • медицинское оборудование. n

разъемы

Защита для разъемов серии D‑SUB, применяемых в жестких условиях окружающей среды Для применений, требующих не только защиту IP, но и защиту от электромагнитных помех, CONEC предлагает металлизированную версию экранированного кожуха. Несмотря на небольшие габариты, данные кожухи подходят как для стандартных разъемов D‑SUB, так и для комбинированных D‑SUB, имеют герметичные кабельные вводы, встроенный в корпус защитный экран, контактирующий с проводником через кабельный зажим. Прочие особенности новых кожухов: • подходят для коаксиальных и силовых контактов;

• пластиковый кожух черный — PBT, UL 94 V‑0; • металлизированный кожух никелированный ABS, UL 94 V‑0; • встроенное уплотнительное кольцо; • крепление на короткие и длинные винты 4–40 UNC из нержавеющей стали. www.yeint.ru

Компания CONEC расширяет свою линейку защитных кожухов с уровнем защиты IP67 и экранированных кожухов с уровнем защиты IP67 для разъемов D‑SUB с числом контактов от 9 до 50. К системам соединения, применяемым в промышленности, предъявляются специальные требования по защите от воздействия внешней среды, а также по защите от электромагнитных помех. Пластиковая версия новых защитных кожухов фирмы CONEC со степенью защиты IP67 может применяться везде, где пыль и влага способны ухудшить работоспособность незащищенного разъема.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

новости

блоки питания

Усовершенствованная линейка источников питания AC/DC HWS от TDK-Lambda

тока (47–63 Гц), оснащены корректором коэффициента активной мощности и отвечают требованиям EN61000-3-2. Линейка HWS-A соответствует условиям SEMI F47 для входов с электрическими помехами промышленной частоты. Каждая из моделей на 15, 30, 50, 100 и 150 Вт может иметь номинальное выходное напряжение 3,3, 5, 12, 15, 24 и 48 В постоянного тока. По сравнению с предыдущей моделью увеличен диапазон рабочих температур, который сейчас находится в пределах от –10 до +50 °C под полной нагруз-

кой и до +70 °C при соответствующем снижении номинальных характеристик. Модели отвечают требованиям стандартов EN55011/EN55022, FCC и VCCI по кривой B для кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех. Серия сертифицирована по стандартам безопасности UL/CSA/EN 60950-1 и UL508 (с крышкой), имеет маркировку CE в соответствии с директивами LV и RoHS и выпускается с гарантией на весь срок службы. www.tdk-lambda.ru

Корпорация TDK объявила о начале продаж источников питания AC/DC серии TDK-Lambda HWS-A, каждая из пяти моделей которых имеет номинальную мощность от 15 до 150 Вт. Новые устройства представляют собой существенное обновление традиционной серии HWS, появившейся на рынке в 2005 году, и применяются для решения стандартных отраслевых задач, в том числе для автоматизации производства, управления технологическими процессами, создания светодиодных экранов, вывесок и рекламных указателей, выполнения контрольно-измерительных операций, осуществления вещания и связи. Источники питания HWS-A по форме, конфигурации и функциональному назначению полностью совместимы с блоками серии HWS. Это позволяет быстро и легко модернизировать оборудование, при этом уменьшив его вес на 12%. Кроме того, в новой серии достигнуто почти 3%-ное повышение эффективности работы под полной нагрузкой (КПД до 91%), при низких нагрузках оно увеличивается до 4%. Потребляемая мощность при работе без нагрузки также существенно снижена, что позволяет уменьшить влияние на окружающую среду. Модели HWS-A на 50, 100 и 150 Вт работают от универсального входа 85–265 В переменного

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

новости

Модуль высокоскоростной беспроводной локальной сети и flash-память NAND в одном устройстве Toshiba

Каждый процессор включает в себя блоки PowerVR SGX540 GPU, PowerVR VXD395 VPU и графический модуль, поддерживающий разрешение 1080 пикселей при 60 кадрах в секунду. Этот модуль содержит мультиформатный декодер и схему межпроцессного взаимодействия (IPC), а также поддерживает функции скаляра, ротатора и компоновщика. Для высокоскоростного ввода/вывода используются интерфейсы DDR3/3L/LP-DDR3, USB OTG, SDIO, HDMI, MIPI, CSI и DSI. www.toshiba-components.com

Компания Toshiba Electronics Europe (TEE) объявила о выпуске новой линейки прикладных процессоров, поддерживающих полосу частот IEEE802.11ac (стандарт для высокоскоростных беспроводных локальных сетей) и оснащенных flash-памятью NAND. Серия TZ5000 является последним пополнением семейства Toshiba ApP Lite и оптимально подходит для различных областей применения, от интернет-видеотюнеров (OTT1) и IP-медиаплееров до портативных устройств, цифровых систем оповещения и тонких клиентов. Прикладные процессоры серии TZ5000 объединяют в себе возможность подключения к беспроводной локальной сети, требуемую для распространения видео высокого качества, и встроенную flash-память NAND для сохранения пользовательских программ и хранения больших объемов данных в виде кэша. Это позволяет уменьшить количество внешних интегральных схем и сократить площадь монтажа, что способствует уменьшению размеров оборудования. В этой серии также используется оригинальная маломощная технология, позволяющая снизить потребление энергии и выделение тепла при обработке мультимедийных приложений, таких как HTML5, которые обычно серьезно нагружают центральный процессор. Устройства TZ5000MBG и TZ5001MBG созданы на основе двухъядерного процессора ARM Cortex-A9 MPCore с модулем обработки мультимедиа NEON, работающим на частоте до 1,2 ГГц. Встроенный модуль связи IEEE802.11a/ b/g/n/ac 2×2 MIMO (Ensigma C4500) обеспечивает высокоскоростное подключение к беспроводным хост-устройствам. 32 Гбит встроенной flash-памяти MLC NAND и выделенный контроллер памяти обеспечивают быструю загрузку ПО (например, операционной системы) и высокую скорость доступа к данным. Более того, благодаря встроенной в модуль программной зоне процессоры защищены от искажения данных и атак хакеров. Процессор TZ5001MBG поддерживает дополнительную защиту в виде обеспечения безопасной загрузки системы (Secure Boot System Control).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

память

компоненты

Модули оперативной памяти и SSD от Apacer

Илья Ахроров ahrorov@k‑t‑k.ru

Модули оперативной памяти В настоящее время компания выпускает модули памяти для промышленного сегмента (серверы, промышленные ноутбуки и компьютеры) и коммерческого применения. В каждой из этих групп Apacer представляет наиболее актуальные типы (DDR, DDR2, DDR3) и виды памяти (ECC RDIMM, FBDIMM, LRDIMM, в том числе и низкопрофильные для серверов, SO DIMM, SO ECC DIMM, Micro DIMM, SO ECC RDIMM — для ноутбуков, UDIMM для промышленных ПК) (рис. 1). Кроме этого, модули SO DIMM, благодаря малым габаритам, могут применяться в коммутаторах и маршрутизаторах, а наличие ЕСС (коррекции ошибок) позволяет улучшить передачу сигнала. В ряде продуктов используются термодатчики, контролирующие изменение температуры в процессе работы; наличие этой функции оптимизирует энергопотребление модулей. При производстве модулей компания использует компоненты известных мировых производителей (Micron, Hynix и пр). При этом модули памяти отвечают высоким требованиям по совместимости оборудования. Большой опыт в производстве модулей для промышленных компьютеров позволяет компании создавать модули с повышенными прочностными характеристиками, используемые в жестких условиях, при низких температурах, повышенной вибрации. При этом

Apacer Technology Inc. — мировой разработчик, производитель и постав‑ щик серийно выпускаемых и специализированных решений на основе flash-памяти. Производство компании находится на Тайване, однако ос‑ новными рынками сбыта являются Япония, США и Европа. Apacer имеет два подразделения, ориентированных соответственно на потребительский рынок и на спецприменения: промышленность, авиакосмическая отрасль, военный сектор.

модули памяти при производстве проходят 100%-ный контроль, что обеспечивает их высокую стабильность и отказоустойчивость. Несмотря на то, что модули памяти присутствуют на рынке уже на протяжении многих лет, Apacer не перестает совершенствовать продукты в данном сегменте. Для обеспечения полной совместимости и высокой производительности на разных платформах компания предлагает решения, изготавливаемые из высококачественных материалов. Память от компании Apacer позволяет пользователям добиться максимальной производительности и гарантирует качество, эффективность и стабильность работы. Apacer проверяет каждую ячейку микросхем всех модулей. Это наиболее полная проверка в данной отрасли. В производстве используются только самые надежные и качественные компоненты. Компания контролирует материалы для модулей в зависимости от типа систем, чтобы обеспечить оптимальную производительность и функциональность. Это гарантирует надежность в самых жестких условиях. Также поддерживается стандарт технологий производства модулей DRAM (JEDEC). Среди клиентов компании многие производители спецтехники индустриальных систем: Advantech, IEI, Kontron, Nexcom, Siemens, ABB, IBM, HL, DELL. Apacer — один из немногих производителей, которые предлагают память для тяжелого индустриального использования, гарантируя при этом неизменность компонентной базы модуля памяти на протяжении существования данного модуля. Прямая техническая поддержка позволяет сделать правильный подбор необходимого продукта и избежать возможных проблем с совместимостью.

SSD Apacer

Рис. 1. Динамическая память Apacer

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Первые твердотельные накопители на основе flash-памяти появились в 1995 году и быстро заняли лидирующие позиции

в производстве спецтехники, техники космического и авиационного назначения. Это было связано с высокой стойкостью к внешним воздействиям, широким температурным диапазоном и исключительной надежностью. Со временем стоимость SSD стала снижаться, и появились новые рынки сбыта: промышленный, корпоративный, потребительский. И хотя в линейке продукции есть решения практически для любого пользователя, традиционно наиболее сильной стороной остаются разработка и производство SSD для высоконадежных решений и жестких условий эксплуатации.

Secure SSD line — защита секретной информации Хранение информации неразрывно связано с необходимостью ее защиты от несанкционированного доступа. Эта задача актуальна и для обычных пользователей, но гораздо острее она стоит перед крупными предприятиями, производителями охранного оборудования, банковскими, силовыми и государственными структурами. Понимая важность этой задачи, Apacer предлагает свои решения. В сентябре 2013 года на выставке Defence Security and Equipment International (DSEi) в Лондоне Apacer продемонстрировала новые возможности своей продукции (рис. 2). В рамках Secure SSD Line предусмотрено несколько способов защиты информации. Технология CoreProtector CoreProtector — это технология, которая защищает диск от несанкционированного доступа: • Класс 1 (Data protect) — защита данных (рис. 3а). Каждый SSD имеет свой уникальный ключ безопасности длиной 512 байт. Доступ к информации будет возможен только при совпадении вводимого пользователем и уникального ключа безwww.kite.ru

100

компоненты

память

Рис. 2. Диаграмма возможностей, которые можно реализовать с помощью Secure SSD Line Apacer

опасности. Apacer применяет схему виртуальной записи, которая позволяет записывать команды через контроллер flash-памяти и сохранять их в памяти устройства. Так как процесс виртуальный, фактически данные не записываются во flash-память. Когда система перезагружается, все временные данные будут потеряны. Поскольку эта схема работает на аппаратном уровне, то не требуется никакого дополнительного программного обеспечения или установки драйвера. Также эта схема не зависит от типа используемой ОС. • Класс 2 (Write protect) — защита от записи (рис. 3б). Разработанная как более комплексная система защиты информации, Device protect совмещает в себе схему защиты от записи информации и защиту от чтения, которая предотвращает несанкционированный доступ к данным, хранящимся на устройстве. • Класс3 (Device protect) — защита устройства (рис. 3в). Когда опция защиты устройства активна, команды чтения проходят через контроллер flash-памяти, но никакие фактические данные не могут быть считаны. При попытке неавторизованного доступа будут выдаваться недействительные данные, отображаемые как FFH или OOh. Технология CoreEraser CoreEraser — это технология гарантированного удаления информации: • класс 1 (Quick Erase) — быстрое удаление информации (рис. 4а); • класс 2 (Full Erase) — полное удаление информации (рис. 4б); • класс 3 (MIL Erase) — удаление информации для SSD, которые используются в особо ответственных применениях. При использовании функции Quick Erase уничтожаются FAT (таблица размещения файлов) и MBR (главная загрузочная запись). Этот сертифицированный метод широко используется в военном оборудовании, обеспечивая уверенность в уничтожении секретных данных. Функция Full Erase предоставляет больше возможностей, чем функция быстрого удаления информации. При активации удаляются не только FAT и MBR, но также блоки пользователя и свободные блоки. Диск будет реинициализирован и после завершения операции будет вести себя как новый диск «из коробки».

Рис. 3. Механизм защиты технологии CoreProtector для: а) класса 1; б) класса 2; в) класса 3

Mil Erase включает в себя перечень глобально сертифицированных методов удаления информации, которые соответствуют военным и промышленным стандартам, таким как NSA 9-12. При запуске процесса стираются таблицы FAT и MBR, блоки пользователя и свободные блоки. В освобожденные блоки записываются случайные данные, а затем процесс повторяется. Технология CoreDestroyer CoreDestroyer — это технология полного удаления информации (рис. 5). На устройстве стираются все данные, в том числе FirmWare и таблица управления. После запуска процедуры остановить процесс уничтожения информации невозможно. Диск становится полностью неработоспособным. Система защиты информации Secure SSD line Apacer соответствует требованиям стандартов DoD 5220.22‑M, NSA Manual 130-2, USA AF AFFSSI 5020, USA Army 380-19, USA Navy NAVSO P‑5239-26IREC (IRIG) 106 and NSA 9-12. В настоящее время проводится сертификация ФСБ, возможно получение сертификатов ФСТЭК и МО РФ. В таблице 1 представлена продукция Apacer, для которой доступны опции Secure SSD line. Как показано в таблице, опции защиты информации доступны не только для накопителей 1,8″ и 2,5″, но и для миниатюрных модулей mSata, карт CFasat, SATA Disk Chip. Одной из первых моделей, в которой реализованы опции Secure SSD line, стал 2,5″ SSD-накопитель SAFD 25P (рис. 6), получивший награду Editor’s Choice от американского журнала для специалистов военной отрасли Military Embedded Systems в октябре 2012 года.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

память

компоненты

101

Рис. 6. 2,5″ SSD-накопитель SAFD 25P

Apacer SAFD 25P используется на боевых кораблях, в рамках программы арктической навигации. Усиленный алюминиевый корпус обеспечивает стабильную работу в тяжелых внешних условиях. Защитное покрытие позволяет исключить негативное влияние агрессивной внешней среды. Температурный диапазон, при котором гарантирована нормальная работа устройства, –40…+85 °C. Последовательная скорость чтения/записи составляет 265 и 230 Мбит/с. В завершение обзора продукции Apacer отметим несколько новинок, появившихся совсем недавно.

Рис. 4. Механизм удаления информации по технологии CoreEraser для: а) класса 1; б) класса 2

Micro SATA Disk Chip (μSDC Plus-M)

Рис. 5. Механизм удаления информации по технологии CoreDestroyer Technology

Таблица 1. Продукция Apacer, для которой доступны опции Secure SSD line CoreProtector Интерфейс

SATA SSD series

PATA SSD series

Модель

Quick Erase

Full Erase

CoreEraser MIL Erase

Core Destroyer

Data Protect

Write Protect

Device Protect

S/W

H/W

S/W

H/W

S/W

H/W

S/W

H/W

S/W

SAFD25P/-M

•

SAFD18P/-M

•

SAFD25M4/-M

•

SAFD18S4/-M

•

SDM4/-M (LP, Slim)

•

SDM4/-M (другие)

•

mSATA M4/-M

•

         

•

SDC4

•

AFD 257

•

AFD 187

•

ADM III

•

ADM4/-M

•

Flash Card Series

Cfast

USB SSD Series

UDM II Plus/-M

•

Примечания. — ключ безопасности. Δ — возможна кастомизация.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014



• •

Новый SSD от Apacer μSDC (рис. 7) выполнен по технологии SoC (System on chip)/SiP (System in chip). Корпус устройства выполнен в виде микросхемы BGA 156 Ball, при этом габариты составляют 16201,4 мм. Объем накопителя 8–64 Гбайт, скорость последовательной чтения/записи 515 и 165 Мбит/с, интерфейс SATA 3 (6 Гбит/с). SSD соответствует стандарту JEDEC MO‑276.

Рис. 7. Новый SSD от Apacer — Micro SATA Disk Chip

Особенностью новинки является объединение в одном корпусе контроллера, flashпамяти и DRAM. Столь высокие характеристики при минимальных габаритах делают μSDC интересной для использования в разработках для рынка телекоммуникаций, в промышленных приборах, а также в бортовых системах. www.kite.ru

компоненты

102

Рис. 9. Новый накопитель CSD

Рис. 8. Ультратонкий SSD — SFD 25A-M

Ультратонкий SFD 25A-M Популярность мобильных устройств (ультратонких PC, смартфонов, tablet) заставляет производителей искать пути для уменьшения массо-габаритных показателей при сохранении высоких технических параметров. Результатом решения этой задачи стал ультратонкий SSD SFD 25A-M Apacer (рис. 8). На данный момент SFD 25A-M — безусловный лидер среди промышленных ультратонких SSD. Толщина устройства составляет всего 5 мм, что почти на 50% меньше, чем у обычных SSD. Интерфейс устройства — SATA 3.0. В таблице 2 представлены основные технические характеристики. Таблица 2. Технические характеристики SFD 25A-M Используемый тип памяти

MLC

Емкость, Гбайт Установившаяся скорость чтения, Mбит/с Установившаяся скорость записи, Mбит/с Стандартная температура использования, °C Температура хранения, °C Ударные нагрузки, g Вибрации, g Размеры (Д×Ш×В), мм

До 256 До 480 До 350 0…+70 –40…+100 1500 50 100×69,8×5

CSD (Combo SATA Drive)

память

Новый накопитель CSD (Combo SATA Drive) был отмечен наградой на 22‑й выставке Taiwan Excellence в категории Industrial SSD Solutions. CSD фактически объединяет в одном корпусе два накопителя. CSD имеет два контроллера и два драйвера. Изделие поддерживает интерфейсы SATA 3.0 (6 Гбит/с) и SAS, RAID уровня 1 и 0. Тип используемой памяти также может отличаться: например, SLC для драйвера 1 и MLC для драйвера 2. Такая комбинация, по замыслу разработчиков, должна обеспечить надежность накопителя с SLC-ячейками, но при этом уровень цен сопоставим с SSD на основе MLC-ячеек. Скорость чтения для CSD может достигать 1024 Мбайт/с, установившаяся скорость записи — до 792 Мбайт/с. SSD произво-

дится в корпусе 2,5″, габариты устройства 100709,3 мм. На данный момент максимальная емкость достигает 512 Гбайт. Кроме выпуска серийной продукции, Apacer проводит адаптацию SSD по требованиям заказчика. Одной из дополнительных опций, которая весьма востребована для SSD, функционирующих в сложных условиях внешней среды, является применение специальных покрытий и заливок, что позволяет обеспечить дополнительную защиту от пыли, коррозии, грибка. При этом также обеспечивается защита от влаги и пыли вплоть до IP57. Как уже говорилось, Apacer уделяет особое внимание обеспечению надежной работы в экстремальных условиях. Достаточно отметить, что клиентами компании являются такие крупные производители оборудования, ориентированного на рынок промышленного и специального применения, как Advantech, Kontron, Siemens, а также государственные структуры. Например, SAFD25P и iSD card были использованы в некоторых программах NASA и ESA. В России в последние годы также можно отметить возрастающий интерес к высоконадежным решениям на основе flash-памяти Apacer. Среди компаний, доверяющих качеству продукции Apacer, находятся не только производители промышленного оборудования (систем связи, телекоммуникаций, энергетики и т. д.), но и производители спецоборудования (встраиваемых решений, бортовых систем для наземного и авиационного применения, защищенных ноутбуков, компьютеров и планшетов). n

Литература 1. http://us.apacer.com/products/SAFD‑25P/SSD/ 2. http://mil-embedded.com/news-id/?36936 3. http://us.apacer.com/products/SFD‑25A-M‑5mmSSD/SSD/ 4. http://www.apacereu.com/Sales_Docs/Embedded_ Brochure_2013Q3.pdf 5. Open NAND Flash Interface Specification. Rev.2.1. 01.14.2009. www.onfi.org 6. http://us.apacer.com/products/uSDC-plus-M 7. http://us.apacer.com/products/CSD-M/SSD/

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

104

новости

рынок

«ЭФО» — дистрибьютор Elektro-Automatik Компания «ЭФО» заключила дистрибьюторское соглашение с Elektro-Automatik (ЕА) — производителем инновационных программируемых источников питания и электронных нагрузок с функцией рекуперации энергии для промышленных систем и лабораторий, тестирующих различное оборудование. Источники питания и нагрузки имеют модульную структуру, что позволяет объединять их в большие сборки до 150 кВт и выше, при этом выходные напряжения могут достигать 12 кВ. При тестировании конечного оборудования системы EA позволяют во время работы изменять выходные характеристики и задавать специальные режимы работы. Продукция EA удовлетворяет всем современным требованиям, предъявляемым к источникам питания и электронным нагрузкам. Система менеджмента качества компании сертифицирована на соответствие требованиям ISO 9001. Основные линейки имеют сертификаты ГОСТ Р, что подтверждено сертификатами соответствия в системах сертификации. Основные преимущества устройств: • высокий КПД; • максимальная надежность; • широкий набор защитных и сервисных функций; • управление FPGA или микропроцессором; • гибкий автодиапазонный выход; • программирование при помощи встроенного аналогового интерфейса;

• слоты для цифрового интерфейса Plug’n play (RS232, USB, CAN, Ethernet, Profibus, Modbus и т. п.); • программная система управления с синтезированием и заданием значений (csv-файл); • модульная архитектура для параллельного включения и управления; • шина ведущий/ведомый с набором функций для последовательных и параллельных операций; • генератор функций задания форм волн (синусоидальная, трапецеидальная, прямоугольная, свободно программируемая); • различные стили исполнения — как Slim Tower (T), Desk Top (DT), 19″ (2, 3, 4, 6, 9U), водяное охлаждение; • размещение в стойке или на стене (R); • стандартные нагрузки и реверсивные (возврат энергии в питающую сеть); • разработка нестандартных систем под заказ. www.efo.ru

«Фотоника–2014» 9‑я Международная специализированная выставка «Фотоника. Мир лазеров и оптики» пройдет в ЦВК «Экспоцентр» на Красной Пресне с 25 по 27 марта 2014 г. В нынешнем году ожидается рекордное за все время существования выставки количество участников — 160, площадь выставки составляет почти 2000 м2. Выставка будет сопровождаться весьма насыщенной деловой программой. Мы предлагаем вам посетить конференции по темам: • Элементная база фотоники. • Фотоника в медицине и науках о жизни. • Контроль оптического излучения. • Лазерные технологии и методики в промышленности. • Лазерные информационные системы. • Оптическая связь и телекоммуникации. • Фотоника в навигации и геодезии. • Лазерные диоды, светодиоды, фотоника нанотехнологии. • Фотоника в сельском хозяйстве и природопользовании. • Оптико-электронные технологии. • Фотоника: научное приборостроение и др. Вниманию посетителей будут представлены практически все направления современной фотоники и ее применений: • Оптическая связь, телекоммуникации, оптоволоконная техника наряду с лазерными информационными системами и оптико-электронными технологиями.

• Оборудование технического зрения, сенсоры, детекторы, приборы ночного видения, оптические и лазерные прицелы, лазерно-оптическая аппаратура для обеспечения безопасности. • Технологические лазеры, оборудование для прецизионной лазерной обработки поверхностей, лазерное оборудование для резки, сварки и других технологий обработки материалов. • Фотоника в медицине и науках о жизни — биомедицинское оборудование, аппаратура для биотехнологии и химического анализа. Новинки оптико-электронных и оптико-цифровых систем новых поколений — световые и цифровые микроскопы для медицины, науки и техники; гибкие медицинские и технические эндоскопы, разнообразная аналитическая техника. • Дисплеи, системы подсветки и освещения, голографическое оборудование и материалы, лазерные технологии в рекламе. • Фотоника в навигации и геодезии. • Лазерно-оптическая аппаратура и оборудование для научных исследований. • Элементная база — источники лазерного излучения, оптические элементы, узлы и системы, оптоволоконная техника, приемники, детекторы и дозиметры излучения, блоки питания и системы охлаждения лазеров. • Оптические скамьи, столы, позиционеры и фиксаторы для лазерно-оптических лабораторий. Для бесплатного посещения выставки необходимо пройти регистрацию на сайте www.photonics-expo.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

106

компоненты

ПЛИС

Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на базе расширяемых процессорных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC в САПР Xilinx ISE Design Suite

Валерий Зотов walerry@km.ru

Этапы проектирования встраиваемых систем на базе расширяемых процессорных платформ Основными этапами процесса разработки встраиваемых микропроцессорных систем, реализуемых на основе кристаллов расширяемых вычислительных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC, в среде САПР Xilinx ISE Design Suite в общем случае (рис. 1) являются: • создание нового проекта аппаратной части разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы; • формирование спецификации аппаратной платформы проектируемой системы; • разработка HDL-описаний отдельных функциональных блоков аппаратной части встраиваемой системы; • подготовка файла временны′ х и топологических ограничений для аппаратной части; • создание тестовых модулей для верификации аппаратной части разрабатываемой системы; • установка параметров синтеза, размещения и трассировки в кристалле, а также генерации конфигурационной последовательности аппаратной части, реализуемой на базе ресурсов программируемой логики PL; • синтез описания аппаратной части встраиваемой системы, конфигурируемой на основе ресурсов программируемой логики PL;

Продолжаем цикл статей по вопросам практического использования кри‑ сталлов расширяемых процессорных платформ Extensible Processing Platform (EPP) семейства Zynq‑7000 AP SoC [1–9], выпускаемых фирмой Xilinx. В предыдущей публикации [10] были представлены основные этапы и средства автоматизированного проектирования встраиваемых микропро‑ цессорных систем, реализуемых на базе указанных кристаллов. В настоя‑ щей статье рассматривается поэтапное выполнение процесса разработки встраиваемых систем на основе расширяемых вычислительных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC с помощью САПР серии Xilinx ISE Design Suite.

• функциональное моделирование аппаратной части проектируемой системы, реализуемой на базе ресурсов программируемой логики PL; • размещение и трассировка в кристалле аппаратной части разрабатываемой системы, конфигурируемой на основе ресурсов программируемой логики PL; • полное временное моделирование аппаратной части встраиваемой системы, реализуемой на базе ресурсов программируемой логики PL; • генерация конфигурационной последовательности аппаратной части проектируемой системы, реализуемой на основе ресурсов программируемой логики PL; • создание нового проекта программной части разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы; • формирование пакета поддержки платы Board Support Packages (BSP); • генерация начального загрузчика First Stage Boot Loader (FSBL); • разработка исходного кода прикладного программного обеспечения; • компиляция исходного кода прикладного ПО; • генерация исполняемого кода прикладного ПО; • отладка прикладного ПО; • генерация загрузочного образа; • загрузка сгенерированного образа в кристалл расширяемой вычислительной плат-

формы семейства Zynq‑7000 AP SoC, установленный на плате инструментального модуля; • запись сгенерированного образа в энергонезависимую память, используемую для загрузки разработанной системы. Не все из перечисленных этапов являются обязательными. Например, этап разработки HDL-описаний отдельных функциональных блоков встраиваемой системы отсутствует, если для представления аппаратной части этой системы достаточно готовых IPкомпонентов, предоставляемых депозитарием применяемых средств проектирования или подготовленных ранее. Кроме того, к необязательным относятся этапы, связанные с моделированием аппаратной части встраиваемых систем. Подготовка тестовых модулей для верификации разрабатываемых систем в среде САПР Xilinx ISE Design Suite, а также выполнение процессов функционального и временного моделирования подробно представлены в [11], поэтому указанные этапы не рассматриваются в данной статье.

Создание нового проекта аппаратной платформы разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы в САПР Процесс разработки встраиваемой системы на базе кристалла расширяемой вычислитель-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

компоненты

107

Рис. 1. Поэтапное выполнение процесса разработки встраиваемых систем на базе кристаллов семейства Zynq‑7000 AP SoC в САПР Xilinx ISE Design Suite

ной платформы семейства Zynq‑7000 AP SoC в САПР серии Xilinx ISE Design Suite начинается с открытия управляющей оболочки — Project Navigator. Для этого можно воспользоваться ярлыком , расположенным на «Рабочем столе» компьютера, или соответствующей строкой в разделе Xilinx Design Tools списка программ, открываемого кнопкой «Пуск» операционной системы Windows XP/2000/7. Чтобы создать новый проект аппаратной части разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы в САПР серии Xilinx ISE Design Suite, необходимо выполнить команду File основного меню Project Navigator, а затем во всплывающем меню выбрать строку New Project, как показано на рис. 2.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

В результате указанных действий запускается «мастер» формирования нового проекта New Project Wizard. Работа этого «мастера» начинается с вывода на экран диалоговой панели, имеющей подзаголовок Create New Project, вид которой приведен на рис. 3. В указанной диалоговой панели должны быть определены следующие исходные данные, необходимые для создания нового проекта аппаратной части встраиваемой микропроцессорной системы: • название проекта; • имя диска и каталога, в котором должен располагаться формируемый проект; • полное имя и место расположения на диске рабочего каталога проекта;

• тип (способ описания) модуля верхнего уровня иерархии проекта. В первую очередь рекомендуется определить раздел (папку), в котором будет располагаться создаваемый проект. Целесообразно хранить все проекты встраиваемых микропроцессорных систем в специально созданном для этих целей каталоге, например C:\Project_Embedded_System. Каталог, в котором находятся все разрабатываемые проекты пользователя, должен располагаться вне раздела, содержащего средства проектирования серии Xilinx ISE Design Suite, чтобы при обновлении версии пакета САПР он не был случайно удален. Место расположения проекта на диске указывается в поле Location, www.kite.ru

108

компоненты

ПЛИС

Рис. 2. Создание нового проекта аппаратной части разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы в САПР

а рабочего каталога этого проекта — в поле Working Directory. По умолчанию в указанных полях редактирования предлагаются имена диска и каталога, которые использовались в предыдущем проекте. Изменить место расположения создаваемого проекта можно двумя способами: используя клавиатуру или стандартную панель навигации по дискам компьютера. В первом случае следует активизировать поле Location, поместив на него курсор и щелкнув левой кнопкой мыши, после чего ввести с клавиатуры имя диска и каталога. Если указываемый каталог отсутствует на диске, то он создается автоматически. Для выбора каталога, который уже существует, удобнее

Рис. 3. Определение названия и места расположения создаваемого проекта разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы

воспользоваться вторым способом, нажав кнопку с пиктограммой «…», расположенную справа от поля Location. В открывшейся диалоговой панели навигации следует с помощью мыши выбрать требуемый диск и каталог, а затем подтвердить выбор нажатием клавиши OK. Чтобы создать новый каталог, можно воспользоваться кнопкой «Создать папку» в нижней части диалоговой панели навигации. После закрытия последней выбранные параметры автоматически отображаются в полях Location и Working Directory. По умолчанию для записи создаваемого проекта и его рабочего каталога предлагается одна и та же папка. Чтобы задать имя создаваемого проекта аппаратной части встраиваемой микропроцессорной системы, необходимо активизировать поле Name, после чего ввести с клавиатуры соответствующее название, используя для этого только заглавные и строчные буквы латинского алфавита (A–Z, a–z), цифры (0–9) и символ подчеркивания (_). Рекомендуется задавать мнемонические имена проектов, отражающие назначение разрабатываемых систем, чтобы впоследствии было удобнее ориентироваться при поиске требуемого проекта. Введенное название проекта автоматически добавляется в полях Location и Working Directory. Тип (способ описания) модуля верхнего уровня иерархии проекта определяется с помощью поля выбора значения параметра Top-level source type. Выпадающий список, который открывается нажатием кнопки в правой части этого поля выбора, содержит четыре варианта: HDL, Schematic, EDIF и NGC/NGO. Для описания модуля, соответствующего верхнему уровню иерархии проекта аппаратной части встраиваемой микропроцессорной системы, используется один из языков высокого уровня — VHDL или Verilog, поэтому в качестве значения параметра Top-level source type нужно указать вариант HDL. Кроме перечисленных обязательных параметров создаваемого проекта аппаратной части, в поле Description диалоговой панели Create New Project можно также привести краткое описание разрабатываемой системы. Установка значений всех исходных параметров создаваемого

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

проекта завершается нажатием кнопки Next, которая находится в нижней части стартовой диалоговой панели «мастера» New Project Wizard. Следует обратить внимание, что эта клавиша становится доступной только после определения значений всех указанных выше обязательных параметров, в противном случае она остается в неактивном состоянии (ее название отображается серым цветом). После нажатия клавиши Next в панели Create New Project на экран выводится очередная диалоговая панель «мастера» — New Project Wizard с подзаголовком Project Settings, вид которой представлен на рис. 4. С помощью этой диалоговой панели нужно определить следующие параметры нового проекта аппаратной части разрабатываемой микропроцессорной системы: • тип инструментального модуля, применяемого для аппаратной отладки и реализации разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы; • категорию, к которой относится выбираемое семейство кристаллов расширяемых процессорных платформ; • семейство кристаллов, на базе которого разрабатывается проектируемая встраиваемая микропроцессорная система; • тип кристалла, выбираемого для реализации разрабатываемой встраиваемой системы; • тип корпуса выбранного кристалла расширяемой процессорной платформы; • категория быстродействия используемого кристалла; • применяемые средства синтеза и моделирования аппаратной части проектируемой встраиваемой системы. Все перечисленные параметры представлены в форме таблицы: в первом столбце — Property Name — отображаются названия параметров, а во втором — Value — значения этих характеристик. Каждая ячейка столбца Value представляет собой поле выбора значения соответствующего параметра. Чтобы установить требуемое значение какого-либо параметра в этой таблице, следует воспользоваться кнопкой управления выпадающим списком соответствующего поля выбора. При нажатии на нее отображается список всех возможных значений выбранного параметра. Установка требуемого значения осуществляется щелчком левой кнопки мыши на строке выпадающего списка, содержащей необходимый вариант. После этого представленное в данной строке значение автоматически отображается в поле выбора соответствующего параметра. Тип используемого отладочного модуля указывается в поле выбора значения параметра Evaluation Development Board. В выпадающем списке этого поля перечислены все инструментальные модули, поддерживаемые Project Navigator. Если название требуемой отладочной платы представлено в этом списке, то после его выбора значения всех параметров используемого кристалла расширяемой процессорной платформы будут установлены автоматически. При отсутствии требуемого инструментального модуля в списке поддерживаемых отладочных плат в поле выбора Evaluation Development Board следует указать вариант None Specified, после чего поочередно определить категорию, семейство, тип, корпусное исполнение и быстродействие кристалла, применяемого для реализации разрабатываемой встраиваемой системы. Выбор конкретной категории кристаллов позволяет существенно ограничить список возможных вариантов при определении требуемого семейства ПЛИС или расширяемых процессорных платформ. Фирма Xilinx классифицирует все выпускаемые семейства кристаллов в соответствии с областью их применения по следующим категориям: • General Purpose — семейства кристаллов общего назначения; • Automotive — семейства кристаллов, ориентированные на применение в автомобильной электронике; • Military/Hi-Reliability — семейства кристаллов повышенной надежности, предназначенные для использования в военной технике; • Radiation Hardened — семейства кристаллов, выпускаемые в радиационно-стойком исполнении. Чтобы указать категорию ПЛИС или расширяемой вычислительной платформы, к которой относится кристалл, выбираемый для реа-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

109

Рис. 4. Выбор кристалла, средств синтеза и моделирования для создаваемого проекта разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы

лизации проектируемой встраиваемой микропроцессорной системы, нужно в выпадающем списке значений параметра Product Category выделить название соответствующей группы. Если при этом необходимо отобразить список всех доступных семейств кристаллов (без деления по категориям), следует для параметра Product Category выбрать значение All. Для определения семейства кристаллов, на базе которого проектируется встраиваемая микропроцессорная система, следует воспользоваться полем выбора значения параметра Family. При нажатии на кнопку управления выпадающим списком, находящуюся в правой части этого поля, на экране отображается список семейств кристаллов, которые относятся к выбранной ранее категории. Если для параметра Product Category было установлено значение All, то в этом списке будут содержаться названия всех семейств ПЛИС и расширяемых процессорных платформ, поддерживаемых используемой версией средств проектирования серии Xilinx ISE Design Suite. В поле Device выбора типа кристалла для реализации проектируемой встраиваемой системы автоматически отображается вариант, установленный по умолчанию для выбранного семейства. Чтобы изменить предлагаемый вариант, необходимо в выпадающем списке поля выбора значения параметра Device выделить строку, содержащую условное обозначение требуемого типа кристалла. Тип корпуса кристалла, выбранного для реализации разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы, указывается в поле выбора значения параметра Package. Выпадающий список значений этого поля содержит условные обозначения только тех типов корпусов, в которых выпускается данный кристалл. Для определения категории быстродействия выбранного кристалла предназначено поле выбора значения параметра Speed. Выпадающий список этого поля отображает выпускаемый ряд градации по быстродействию для выбранного типа расширяемых процессорных платформ. Вид диалоговой панели Project Settings, приведенный на рис. 4, демонстрирует совокупность параметров кристалла, который установлен на отладочной плате ZedBoard [12]. Состав поддерживаемых средств синтеза зависит от используемой конфигурации системы проектирования серии Xilinx ISE Design Suite и применяемого семейства кристаллов расширяемых процессорных платформ. Чтобы просмотреть этот набор и при необходимости изменить средства синтеза, предлагаемые по умолчанию, следует воспользоваться полем выбора значения параметра Synthesis Tool. Project Navigator автоматически корректирует содержимое выпадающего списка инструментов синтеза в соответствии с конфигурацией САПР и выбранным семейством кристаллов. По умолчанию предwww.kite.ru

110

компоненты

ПЛИС

Рис. 5. Вид информационной панели Project Summary «мастера» New Project Wizard

лагаются встроенные средства синтеза САПР серии Xilinx ISE Design Suite — Xilinx Synthesis Technology (XST), которые можно использовать в большинстве проектов, выполняемых на базе кристаллов расширяемых процессорных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC. Для указания средств моделирования аппаратной части проектируемой встраиваемой микропроцессорной системы нужно воспользоваться полем выбора значения параметра Simulator. Все конфигурации системы проектирования серии Xilinx ISE Design Suite обладают собственными средствами моделирования ISE Simulator, а также поддерживают систему HDL-моделирования ModelSim [13]. В большинстве случаев рекомендуется использовать один из этих инструментов моделирования, выбрав одноименную строку в выпадающем списке значений параметра Simulator. После определения варианта применяемых средств моделирования следует в поле выбора значения параметра Preferred Language указать язык HDL, используемый для формирования фалов описаний промежуточных результатов и моделей аппаратной части разрабатываемой встраиваемой системы. В дальнейшем рассматривается проектирование систем, описание аппаратной части которых представлено на языке VHDL. При этом необходимо с помощью поля выбора значения параметра VHDL Source Analysis Standard определить вариант стандарта языка, в соответствии с которым будут формироваться модули исходного описания проектируемых встраиваемых систем. Выпадающий список возможных значений этого поля содержит два варианта: VHDL‑93 и VHDL‑200X. Значение первого соответствует варианту стандарта IEEE VHDL Std 1076-1993, а второго — варианту IEEE VHDL Std 1076-2000. Далее, воспользовавшись полем выбора Property Specification in Project File, следует определить состав параметров, сохраняемых в составе файла проекта аппаратной части разрабатываемой системы. При выборе варианта Store non-default values only в файл проекта записываются только значения параметров, которые отличаются от предлагаемых по умолчанию. В случае использования варианта Store all values в файле проекта сохраняются значения всех параметров. При необходимости изменения порядка компиляции модулей исходного описания проекта следует воспользоваться параметром Manual Compile Order. По умолчанию индикатор состояния этого параметра находится в выключенном положении, при котором компиляция модулей исходного описания осуществляется в соответствии с иерархической структурой проекта аппаратной части разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы. Для установки требуемого порядка компиляции нужно установить указанный индикатор в состояние «включено».

Для разрешения фильтрации сообщений, генерируемых программными средствами САПР серии Xilinx ISE Design Suite при выполнении всех этапов проектирования, следует установить индикатор состояния параметра Enable Message Filtering во включенное положение. После определения значений всех параметров в диалоговой панели Project Settings следует нажать кнопку Next в нижней части этой панели. В результате на экран выводится заключительная информационная панель «мастера» создания нового проекта New Project Wizard, имеющая подзаголовок Project Summary. В этой панели (ее вид представлен на рис. 5) отображаются установленные значения основных параметров создаваемого проекта аппаратной части встраиваемой микропроцессорной системы. Если необходимо изменить значение какого-либо параметра, то кнопка , расположенная в верхней части информационной панели, позволяет вернуться к предыдущей диалоговой панели. Для завершения процесса формирования нового проекта аппаратной части встраиваемой системы следует нажать кнопку Finish в нижней части информационной панели Project Summary. После этого созданный проект автоматически открывается в рабочей области Project Navigator. При этом в области расположения рабочих окон отображается подробная информация о новом проекте. Далее необходимо сформировать спецификацию аппаратной платформы проектируемой микропроцессорной системы MHS (Microprocessor Hardware Specification). Для этого следует включить в состав созданного проекта микропроцессорный блок кристалла расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq‑7000 AP SoC и требуемые IP-компоненты периферийных устройств, после чего выполнить их настройку и соединение. Прежде чем приступить непосредственно к осуществлению этого этапа проектирования, рассмотрим синтаксис спецификации аппаратной платформы MHS (Microprocessor Hardware Specification) встраиваемых микропроцессорных систем, разрабатываемых на базе кристаллов семейства Zynq‑7000 AP SoC.

Синтаксис спецификации аппаратной платформы разрабатываемой микропроцессорной системы Спецификация аппаратной платформы встраиваемой микропроцессорной системы MHS представляет собой файл с одноименным расширением, в котором в текстовом формате описываются конфигурация и параметры аппаратных средств проектируемой системы. Язык описания спецификации аппаратной платформы имеет много общего с языками описания аппаратуры HDL высокого уровня VHDL и Verilog. В частности, интерфейсные цепи разрабатываемой системы и ее компонентов описываются в виде портов. Как и в языках HDL высокого уровня, понятие сигнала соответствует физической цепи, которая соединяет компоненты микропроцессорной системы. Каждый компонент, включаемый в состав спецификации аппаратной платформы, описывается с помощью следующей конструкции (квадратными скобками выделены параметры команд, наличие которых зависит от типа команды и не является обязательным): BEGIN <идентификатор_компонента> Команда1 <параметр1_команды1> = <значение_ параметра1> [,<параметр2_команды1> = <значение_ параметра2>, …, <параметрM_команды> = <значение_параметраM>] … КомандаN <параметр1_командыN> = <значение_ параметра1> [,<параметр2_командыN> = <значение_ параметра2>, …, <параметрK_командыN> = <значение_ параметраK>] END

Ключевое слово BEGIN обозначает начало описания нового компонента встраиваемой микропроцессорной системы. Далее следует совокупность команд, с помощью которых указываются параметры компонента, включаемого в состав спецификации. При необходимости к данной совокупности добавляются команды, задающие границы диапазона адресного пространства, который используется описываемым компонентом. Кроме того, здесь же присутствует группа команд, определяющих подключение данного компонента к шинам и цепям разрабатываемой системы. Общее число команд N в этой конструкции об-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

условливается в первую очередь типом применяемого компонента. Количество параметров, указываемых в каждой команде, определяется типом этой команды. В дальнейшем параметры команд будем называть ключами, чтобы не путать с параметрами компонентов, включаемых в состав разрабатываемой системы. Блок описания компонента проектируемой системы завершается ключевым словом END. В текущей версии спецификации аппаратной платформы используются три команды: PARAMETER, PORT и BUS_INTERFACE. С помощью PARAMETER определяются значения различных параметров спецификации и применяемых компонентов. Кроме того, данная команда используется для указания диапазона адресного пространства, используемого компонентами разрабатываемой микропроцессорной системы. Все параметры, определяемые командой PARAMETER, можно разделить на две группы: глобальные и локальные. Глобальные относятся ко всей спецификации аппаратной платформы. Команды, которые определяют значения глобальных параметров, располагаются вне блоков описания компонентов BEGIN–END. Примером глобального параметра является VERSION, который указывает номер версии спецификации аппаратной платформы встраиваемой микропроцессорной системы. Значение этого параметра обычно задается в начале файла MHS. Формат команды, определяющей номер версии спецификации аппаратной платформы, выглядит следующим образом: PARAMETER VERSION = <номер_версии_MHS>

которая указывает на то, что в соответствующем блоке BEGIN–END описывается экземпляр компонента версии 1.00.a. С помощью параметра INSTANCE задается позиционное обозначение (идентификатор) описываемого экземпляра используемого IPкомпонента. Для определения значения этого параметра следует включить в состав соответствующего блока описания BEGIN–END командную строку, формат которой имеет следующий вид: PARAMETER INSTANCE = <идентификатор_экземпляра_IPкомпонента>

Например, командная строка: PARAMETER INSTANCE = uartn1

определяет идентификатор uartn1 для описываемого экземпляра IP-компонента, который представляет собой последовательный асинхронный приемопередатчик. Диапазон адресного пространства памяти, используемый описываемым экземпляром некоторого IP-компонента проектируемой системы, задается в виде базового и максимального значений адреса. Размер адресного пространства, выделяемого для компонента микропроцессорной системы, должен быть равен 2 в степени N. При этом последние N бит в значении базового адреса должны быть равны нулю. Значение базового адреса определяется с помощью параметра C_BASEADDR. Формат команды, определяющей значение этого параметра, выглядит следующим образом:

Например, в командной строке: PARAMETER C_BASEADDR = <значение_базового_адреса> PARAMETER VERSION = 2.1.0

указан номер версии спецификации MHS, принятый в САПР Xilinx ISE Design Suite 14.7. Локальные параметры относятся только к соответствующим компонентам проектируемой системы. Команды, определяющие значения локальных параметров, располагаются внутри блоков описания компонентов BEGIN-END. Значение параметра HW_VER указывает номер версии используемого IPкомпонента. Команда, с помощью которой определяется значение этого параметра, имеет следующий формат: PARAMETER HW_VER = <номер_версии_IP- компонента>

Номера версий соответствующего IPкомпонента указаны в файле документации для этого компонента. В качестве примера можно привести команду: PARAMETER HW_VER = 1.00.a,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Значения адреса, как правило, задаются в шестнадцатеричном представлении. Например, командная строка: PARAMETER C_BASEADDR= 0xFFFF0000

выделяет для описываемого экземпляра компонента диапазон адресного пространства, начинающийся с адреса FFFF0000. Верхняя граница адресного пространства памяти, используемого компонентом, указывается в виде значения параметра C_ HIGHADDR. Команда, предназначенная для определения значения этого параметра, имеет следующий формат: PARAMETER C_HIGHADDR = <значение_верхней_границы_выделяемого_адресного_пространства>

Примером использования команды, определяющей верхнюю границу адресного пространства памяти, выделяемого для экземпляра некоторого компонента, является строка:

компоненты

111

PARAMETER C_HIGHADDR= 0xFFFF00FF

Команда PORT предназначена для описания взаимосвязей между компонентами проектируемой системы, а также внешнего интерфейса системы. Эта команда может быть как глобальной, так и локальной. Глобальная команда PORT используется для описания внешних портов микропроцессорной системы, а также для определения значений постоянных сигналов. Глобальные команды PORT располагаются вне блоков описания компонентов BEGN–END. Для описания интерфейсных (внешних) портов разрабатываемой микропроцессорной системы наиболее часто используется следующий формат команды PORT: PORT <идентификатор_порта> = <идентификатор_цепи_ (сигнала)>, DIR=<тип_порта_(сигнала)>, VEC=[n:m], SIGIS=<категория_ порта(сигнала)>

С помощью ключа DIR указывается тип порта (сигнала), соответствующий направлению передачи данных. Для обозначения входного порта используется одно из следующих значений ключа DIR: INPUT, IN, I. В командах, описывающих выходные порты, ключ DIR должен принимать одно из трех значений: OUTPUT, OUT, O. При описании двунаправленного интерфейсного порта указывается одно из двух возможных значений ключа DIR: INOUT или IO. Необязательный ключ VEC позволяет описывать с помощью команды PORT многоразрядные порты, которые представляются в виде векторов (массивов). При использовании ключа VEC значения n и m задают начальный и конечный индексы вектора, которые определяют разрядность порта. Применение команды PORT для описания интерфейсных портов проектируемой системы иллюстрируют следующие примеры: • командная строка PORT Sys_reset = sys_rst, DIR=IN

описывает входной порт Sys_reset, с которым ассоциируется сигнал sys_rst; • командная строка PORT Gp_io = gpio_io, DIR=INOUT, VEC=[0:31]

определяет 32‑разрядный двунаправленный порт Gp_io, с которым ассоциируется сигнал векторного типа gpio_io. Ключ SIGIS применяется для указания категории, к которой относится сигнал, ассоциируемый с описываемым портом. В текущей версии спецификации MHS предопределены три категории сигналов и соответствующие им значения ключа SIGIS: • CLK соответствует группе сигналов синхронизации; www.kite.ru

112

компоненты

• INTERRUPT соответствует группе сигналов прерывания; • RST соответствует группе сигналов сброса. Например, командная строка: PORT Sys_clock = sys_clk, DIR=IN, SIGIS=CLK

описывает входной порт Sys_clock, с которым ассоциируется тактовый сигнал sys_clk. Для определения значений постоянных сигналов применяется формат команды PORT, который имеет следующий вид: PORT <идентификатор_постоянного_сигнала> = <значение_сигнала>, DIR=<тип_порта_(сигнала)>

Значение сигнала может задаваться в двоичном или шестнадцатеричном представлении. Например, в командной строке: PORT const1 = 0b1010, DIR=OUTPUT, VEC=[0:3]

значение постоянного сигнала const1 указывается в двоичном формате, а в команде: PORT const2 = 0xC, DIR=OUTPUT, VEC=[0:3]

в шестнадцатеричном. С помощью локальных команд PORT описывается подключение портов компонентов микропроцессорной системы. Эти команды не имеют параметров (ключей), определяющих тип и размерность сигналов. Локальные команды PORT располагаются внутри блоков описания компонентов BEGIN–END. Формат локальных команд PORT выглядит следующим образом:

ПЛИС

Команда BUS_INTERFACE используется для описания взаимосвязей компонентов, осуществляемых на основе шинной архитектуры. Для подключения к шинам различные компоненты микропроцессорной системы используют одни и те же группы цепей (сигналов). При использовании команды PORT для их описания потребовалось бы достаточно большое количество командных строк, которые повторялись бы для каждого компонента, что привело бы к существенному увеличению времени подготовки и объема файла спецификации аппаратной платформы. Избежать этого позволяет применение команды BUS_ INTERFACE для описания подключения компонентов к шинам проектируемой микропроцессорной системы. Формат команды BUS_ INTERFACE выглядит следующим образом: BUS_INTERFACE <тип_шинного_интерфейса> = <идентификатор_шины>

Тип шинного интерфейса в команде BUS_INTERFACE указывается в виде соответствующего условного обозначения. Для различных вариантов (режимов) подключения компонентов посредством интерфейса AXI (Advanced eXtensible Interface), применяемого во встраиваемых микропроцессорных системах, реализуемых на базе кристаллов семейства Zynq‑7000 AP SoC, зарезервированы следующие условные обозначения: • M_AXI соответствует варианту подключения компонента посредством интерфейса AXI в ведущем (Master) режиме; • S_AXI соответствует варианту подключения компонента посредством интерфейса AXI в подчиненном (Slave) режиме. Например, командная строка: BUS_INTERFACE S_AXI = axi_interconnect_1

PORT <идентификатор_порта_IP- компонента> = <идентификатор _цепи(сигнала)>

Если какой-либо порт IP-компонента должен оставаться неподключенным, то в соответствующей команде PORT вместо идентификатора цепи указывается пара двойных апострофов (““). Для обозначения цепей питания и земли зарезервированы идентификаторы net_vcc и net_gnd соответственно. Для многоразрядных портов, описываемых с помощью векторов, идентификаторы net_ vcc и net_gnd автоматически расширяются в соответствии с требуемой разрядностью. Использование локальной команды PORT демонстрируют приведенные ниже примеры: • Команда PORT Clk = sys_clk описывает подключение порта Clk некоторого IPкомпонента к цепи sys_clk. • Команда PORT In_reset = net_gnd описывает подключение порта In_reset некоторого IP-компонента к цепи «земля». • Команда PORT Out_en = ““ описывает порт Out_en, который находится в неподключенном состоянии.

описывает подключение компонента в подчиненном режиме к шине axi_interconnect_1, которая соответствует интерфейсу AXI. В тексте спецификации аппаратной платформы разрабатываемой микропроцессорной системы могут располагаться комментарии. Комментарием считается строка, начинающаяся с символа #. Комментарий может занимать отдельную строку или располагаться в командной строке. В последнем случае комментарием считается та часть строки, которая следует после символа #. Применение комментариев повышает информативность файла спецификации аппаратной платформы и облегчает поиск требуемых разделов или компонентов. В качестве примеров ниже приведен комментарий, занимающий полную строку, и комментарий, расположенный непосредственно в строке, содержащей команду: # --Assign constant signals -PARAMETER C_HAS_IPR = 1 # Interrupt Pending Register present

Типовая структура спецификации аппаратной платформы проектируемой микропроцессорной системы, как правило, содержит следующие разделы: • команда, указывающая номер версии спецификации MHS; • описание внешнего интерфейса (глобальных портов) разрабатываемой встраиваемой системы; • определение портов, подключаемых к цепям питания и земле; • декларация и определение значений постоянных сигналов; • блоки описания микропроцессорного ядра и IP-компонентов, включаемых в состав разрабатываемой системы. Процесс формирования спецификации аппаратной платформы встраиваемой микропроцессорной системы начинается с включения в состав нового проекта микропроцессорного блока кристалла семейства Zynq‑7000 AP SoC.

Включение в состав нового проекта блока кристалла семейства Zynq‑7000 AP SoC Чтобы включить в состав формируемого проекта аппаратной части встраиваемой системы микропроцессорный блок кристалла семейства Zynq‑7000 AP SoC, необходимо выполнить процедуру создания нового модуля исходного описания. Для этого следует воспользоваться командой New Source из раздела Project основного меню Project Navigator или контекстно-зависимого всплывающего меню, вызываемого щелчком правой кнопки мыши, или кнопкой , расположенной на оперативной панели управления. В результате выполненных действий активизируется «мастер» создания основы нового модуля исходного описания проекта New Source Wizard, стартовая диалоговая панель Select Source Type которого показана на рис. 6. В этой диалоговой панели нужно прежде всего в качестве типа создаваемого исходного модуля указать вариант Embedded Processor. Для этого следует в предложенном списке диалоговой панели Select Source Type выделить соответствующую строку, щелкнув по ней левой кнопкой мыши, как показано на рис. 7. Затем активизировать поле File Name и с помощью клавиатуры ввести текст имени файла, соблюдая те же правила, что и при определении названия проекта. Название создаваемого модуля должно начинаться с буквы. Расширение имени файла (.xmp) устанавливается автоматически в соответствии с выбранным типом модуля. Место расположения создаваемого модуля на диске указывается в поле Location диалоговой панели Select Source Type. По умолчанию предлагается рабочий каталог формируемого проекта аппаратной части встраиваемой микропроцессорной системы. Для всех

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

Рис. 6. Вид диалоговой панели Select Source Type «мастера» создания основы нового модуля исходного описания проекта New Source Wizard

создаваемых модулей исходного описания проекта рекомендуется использовать именно этот каталог. Особое внимание необходимо обратить на состояние индикатора автоматического включения модуля в состав проекта Add to project. Если флаг индикатора установлен (поле индикатора помечено маркером), то созданный модуль автоматически включается в состав формируемого проекта. По умолчанию флаг индикатора находится в установленном состоянии. Для модификации этого параметра достаточно щелкнуть левой кнопкой мыши, поместив курсор на поле индикатора. При этом состояние индикатора изменится на противоположное. Установка значений всех необходимых параметров основы создаваемого модуля процессорного блока завершается нажатием клавиши Next, которая находится в нижней части диалоговой панели Select Source Type. После этого открывается заключительная информационная панель Summary «мастера» New Source Wizard, вид которой представлен на рис. 7. В указанной информационной панели отображаются установленные значения основных параметров создаваемого модуля исходного описания процессорного блока. При необходимости внесения каких-либо изменений следует воспользоваться кнопкой в верхней части этой информационной панели. Если все значения параметров указаны верно, нужно нажать кнопку Finish в нижней части информационной панели Summary. В результате выполненных действий производится автоматический запуск средств разработки аппаратной платформы встраиваемых микропроцессорных систем Xilinx Platform Studio (XPS) с одновременным созданием соответствующего проекта в среде XPS. В рамках этого проекта осуществляется собственно формирование спецификации аппаратной платформы MHS разрабатываемой системы, в ходе которого производится

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

113

Рис. 7. Вид заключительной информационной панели Summary «мастера» создания основы нового модуля исходного описания проекта New Source Wizard

настройка конфигурации процессорного блока PS и включение IP-компонентов периферийных устройств и аппаратных ускорителей, конфигурируемых на базе ресурсов программируемой логики PL кристаллов семейства Zynq‑7000 AP SoC.

Включение в спецификацию аппаратной платформы MHS процессорного блока PS и настройка его конфигурации Поскольку спецификация MHS представляет собой текстовый файл, для его подготовки и модификации можно использовать текстовый редактор, который входит в состав средств Xilinx Platform Studio. Но создавать новую спецификацию аппаратной платформы с чистого листа в текстовом режиме сложно и трудоемко. При наборе текста команд файла MHS велика вероятность различных ошибок. Текстовый режим целесо- образно использовать в основном для редактирования значений отдельных параметров или в тех случаях, когда новая спецификация аппаратной платформы формируется на основе уже существующего файла MHS. Для создания новой спецификации аппаратной платформы удобнее всего воспользоваться интерактивным методом, предлагаемым по умолчанию. В этом случае состав аппаратной платформы проектируемой системы, взаимосвязи компонентов и значения всех параметров определяются в диалоговом режиме с помощью соответствующих панелей и вкладок основного окна средств Xilinx Platform Studio. Формирование новой спецификации MHS начинается с вывода на экран диалоговой панели, содержащей запрос разрешения включения ядра процессорной системы processing_system7 в состав вновь созданного проекта в среде XPS, вид которой приведен на рис. 8.

Рис. 8. Вид диалоговой панели запроса разрешения на включение ядра процессорной системы в состав вновь созданного проекта XPS

При утвердительном ответе на указанный запрос (нажатии клавиши Yes) на экране появляется основное окно среды разработки аппаратной платформы встраиваемых микропроцессорных систем XPS с открытой вкладкой Zynq, вид которого представлен на рис. 9. На указанной вкладке отображается интерактивная структурная схема процессорной системы PS кристаллов расширяемых вычислительных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC, на которой функциональные блоки процессорной системы, доступные для конфигурирования, выделены зеленым цветом. Для активизации и настройки параметров этих блоков достаточно расположить курсор мыши на их изображении и щелкнуть левой кнопкой. При этом появляется соответствующая диалоговая панель, в которой отображаются параметры настройки выбранного структурного блока. Используя интерактивную структурную схему, изображенную на рис. 9, рекомендуется прежде всего сконфигурировать периферию процессорного блока PS в соответствии с архитектурой разрабатываемой встраиваемой системы и выбрать тип загрузочной памяти. Для этого следует расположить указатель мыши на изображении структурного блока I/O Peripherals и щелкнуть левой кнопкой. После этого на экран выводится диалоговая панель Zynq PS MIO Configuration, вид которой показан на рис. 10. Указанная диалоговая панель содержит две интерактивные таблицы с заголовками Zynq www.kite.ru

114

компоненты

ПЛИС

Рис. 9. Вид основного окна среды XPS после включения ядра процессорной системы в состав созданного проекта

Рис. 10. Настройка периферии процессорной системы PS кристалла семейства Zynq‑7000 AP SoC

PS Configuration и MIO Configuration. В таблице Zynq PS Configuration отображается информация о периферийных устройствах процессорного блока PS, задействованных в составе разрабатываемой системы. Эта таблица в свою очередь содержит три колонки с заголовками Enable, Peripheral и IO. Каждая ячейка колонки Enable содержит индикатор, информирующий о текущем состоянии соответствующего периферийного устройства процессорного блока PS. Чтобы задейство-

вать в составе разрабатываемой системы контроллер требуемого периферийного интерфейса, следует установить соответствующий индикатор во включенное состояние, отмеченное маркером. Условные обозначения всех периферийных устройств процессорного блока PS представлены в колонке Peripheral. Информация о подключении выбранной периферии к мультиплексируемым выводам кристалла расширяемой процессорной платформы семейства Zynq‑7000 AP

SoC содержится в колонке IO. Каждая ячейка этой колонки представляет собой поле выбора, выпадающий список которого содержит условные обозначения допустимых вариантов мультиплексируемых выводов кристалла. Для ознакомления со всеми допустимыми вариантами сопряжения периферии процессорного блока PS с мультиплексируемыми блоками ввода/вывода рекомендуется нажать кнопку Show MIO Table в нижней части диалоговой панели Zynq PS MIO Configuration: на экране появляется информационная панель с заголовком MIO Table, вид которой демонстрирует рис. 11. Здесь в наглядной форме показаны все возможные варианты подключения сигналов периферийных устройств процессорной системы к мультиплексируемым выводам кристалла расширяемой вычислительной платформы. Таблица MIO Configuration предоставляет подробные сведения о параметрах и подключении мультиплексируемых выводов используемого кристалла расширяемой процессорной платформы. Эта таблица включает в себя семь колонок с заголовками IO, Peripheral, Signal, IO Type, Speed, Pullup и Direction. Колонка IO содержит условные обозначения всех мультиплексируемых выводов кристалла семейства Zynq‑7000 AP SoC. В колонке Peripheral отображаются условные обозначения периферийных устройств процессорного блока PS, с которыми сопряжены соответствующие выводы кристалла. В ячейках, составляющих колонку Signal, приведены условные обозначения сигналов периферий-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

Рис. 11. Таблица возможных вариантов подключения периферии процессорного блока PS к мультиплексируемым блокам ввода/вывода

ных интерфейсов, которые подключены к соответствующим выводам кристалла. Каждая ячейка колонки IO Type представляет собой поле выбора, позволяющее указать тип сигнального стандарта, в соответствии с которым конфигурируется соответствующий вход или выход кристалла. Колонка Speed содержит поля выбора, предоставляющие возможность установки требуемого варианта скорости переключения сигналов на выводах кристалла. Ячейки колонки Pullup позволяют разрешить или запретить подключение подтягивающего резистора к соответствующему мультиплексируемому выводу. В колонке Direction отображаются условные обозначения типов выводов в соответствии с направлением передачи сигнала (вход, выход или двунаправленный вход/выход). Для некоторых периферийных устройств ячейки этой колонки предоставляют возможность выбора требуемого типа для соответствующего мультиплексируемого вывода. Установка требуемых вариантов напряжений питания, используемых в выходных каскадах мультиплексируемых блоков ввода/вывода, осуществляется с помощью полей выбора значений параметров Bank 0 IO Voltage и Bank 1 IO Voltage, которые расположены в верхней части диалоговой панели Zynq PS MIO Configuration. Выпадающие списки этих полей выбора содержат допустимые значения напряжений питания для нулевого и первого банков ввода и вывода (Bank 0 и Bank 1) соответственно. Далее целесообразно проконтролировать и при необходимости установить требуемые параметры тактовых сигналов, формируе-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

мых блоком синхронизации процессорной системы PS. Для этого следует поместить курсор на изображение блока Clock Generation (рис. 9) и щелкнуть левой кнопкой мыши, в результате на экране появляется диалоговая панель Clock Wizard, вид которой изображен на рис. 12. В открывшейся диалоговой панели нужно в первую очередь уточнить значение ча-

компоненты

115

стоты внешнего тактового сигнала, используемого для синхронизации процессорного блока PS кристалла семейства Zynq‑7000 AP SoC. Это значение отображается в поле редактирования Input Frequency (MHz), справа от которого указан допустимый диапазон частот входного сигнала синхронизации. Информация обо всех внутренних тактовых сигналах, формируемых блоком синхронизации, представлена в форме таблицы, содержащей пять ячеек: Component, Clock Source, Requested Frequency (MHz), Actual Frequency (MHz) и Range (MHz). В колонке Component отображаются условные обозначения компонентов процессорной системы PS и программируемой логики PL, для которых формируются тактовые сигналы. Ячейки, образующие колонку Clock Source, содержат поля выбора источника формирования тактового сигнала для соответствующего компонента. Требуемые значения частоты таковых (в мегагерцах) указываются в полях редактирования, расположенных в ячейках колонки Requested Frequency (MHz). Реальные значения частоты формируемых тактовых сигналов отображаются в колонке Actual Frequency (MHz). Информация о допустимом диапазоне частот для каждого генерируемого сигнала синхронизации приводится в ячейках, составляющих колонку Range (MHz). После установки всех требуемых значений частот формируемых тактовых сигналов следует нажать кнопку Validate Clocks, расположенную в нижней части диалоговой панели Clock Wizard, и убедиться, что реальные значения частот соответствуют заявленным величинам. Установленные значения частот вырабатываемых сигналов син-

Рис. 12. Установка параметров тактовых сигналов процессорной системы PS

www.kite.ru

116

компоненты

ПЛИС

Рис. 13. Активизация и установка параметров настройки контроллера внешней оперативной памяти

хронизации вступают в силу только после нажатия кнопки OK, находящейся в нижней части этой диалоговой панели. Следующим шагом установки необходимой конфигурации процессорной системы PS является активизация и настройка контроллера внешней оперативной памяти, для выполнения которой следует расположить курсор на изображении блока DDR2/3, LPDDR2 Controller (рис. 9) и щелкнуть левой кнопкой мыши. При

этом открывается диалоговая панель с заголовком PS7 DDR Configuration, вид которой представлен на рис. 13. Чтобы активизировать контроллер внешней оперативной DDR-памяти, нужно в этой диалоговой панели установить индикатор состояния параметра Enable DDR Controller в положение «включено». Затем в поле выбора значения параметра Memory Type указать тип используемой оперативной

Рис. 14. Установка параметров настройки портов интерфейса AXI

памяти: DDR2, DDR 3 или LPDDR2. После этого в поле выбора значения параметра MemoryPart необходимо определить тип применяемых микросхем оперативной памяти. Далее, воспользовавшись полем выбора значения параметра Effective DRAM Bus Width, задать эффективную разрядность шины DDR-интерфейса. Если применяемые микросхемы оперативной памяти поддерживают контроль четности, то с помощью поля выбора значения параметра ECC нужно указать, будет ли он использоваться. Значение тактовой частоты для DDR-памяти, установленное при настройке блока синхронизации процессорной системы, отображается в поле Operating Frequency (MHz). При формировании необходимой конфигурации процессорной системы PS можно также проверить и при необходимости изменить параметры настройки портов интерфейса AXI. Для этого следует поместить курсор на изображение применяемого порта AXI-интерфейса и щелкнуть левой кнопкой мыши: на экран выводится диалоговая панель XPS Core Config-processing_system7_0, вид которой приведен на рис. 14. В открывшейся диалоговой панели нужно развернуть совокупность параметров соответствующего порта AXI-интерфейса и установить требуемые значения. Эти параметры будут рассмотрены при описании процедуры включения периферийных устройств, конфигурируемых на базе ресурсов программируемой логики. Каждый раз при создании новой специ- фикации аппаратной платформы MHS формировать конфигурацию процессорного блока PS с чистого листа достаточно трудоемко. Более эффективный способ — использование шаблонов конфигурации процессорной системы, которые предоставляются средствами проектирования Xilinx Platform Studio или заранее создаются разработчиком. Чтобы импортировать готовый вариант конфигурации процессорного блока PS, следует воспользоваться кнопкой с пиктограммой , которая находится в верхней части вкладки Zynq (рис. 9). В результате на экране появляется диалоговая панель Import Zynq Processing System Configurations, вид которой показан на рис. 15. В верхней части этой диалоговой панели в поле System Template (Configurations available in the installed area) отображается список шаблонов конфигурации процессорной системы, предоставляемых средствами Xilinx Platform Studio. Этот список содержит шаблоны конфигурации для поддерживаемых отладочных плат [12, 14]. В средней части диалоговой панели Import Zynq Processing System Configurations расположено поле UserTemplate (Configurations created by User), в котором представлен список вариантов конфигурации, сформированных разработчиком. Чтобы добавить подготовленный ранее шаблон в этот список, следует нажать кнопку

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

компоненты

117

ние выбранного варианта. В качестве примера на рис. 15 выбран шаблон конфигурации процессорной системы ZedBoard Development Board Template, предоставляемый средствами Xilinx Platform Studio для отладочной платы ZedBoard [12]. В этом варианте конфигурации задействованы контроллеры интерфейсов Ethernet (Enet0), Quad-SPI (QSPI), SD/SDIO (SD0), UART (UART1), USB (USB0), GPIO и таймер/счетчик TTC0. Сделанный выбор необходимо подтвердить нажатием кнопки OK в нижней части рассматриваемой диалоговой панели. После этого на экран выводится запрос на импортирование указанного шаблона конфигурации процессорного блока PS и внесения соответствующих изменений в спецификацию аппаратной платформы MHS разрабатываемой системы, вид которого демонстрирует рис. 16. При утвердительном ответе на этот запрос произойдет автоматическое обновление интерактивной структурной схемы, изображенной на вкладке Zynq. Все структурные блоки процессорной системы, задействованные в выбранном варианте конфигурации, будут выделены соответствующими цветами. На рис. 17 в качестве примера представРис. 15. Импортирование конфигурации процессорной системы

справа от указанного поля, после чего, используя стандартную панель поиска файлов, указать файл соответствующего варианта конфигурации процессорной системы. Для импортирования требуемого шаблона конфигурации процессорного блока PS необ-

ходимо выделить в соответствующем списке строку с его названием, в результате чего в поле Summary of selected Configuration, представленном в нижней части диалоговой панели Import Zynq Processing System Configurations, появится табличное описа-

Рис. 16. Запрос на импортирование выбранного варианта конфигурации процессорного блока PS

Рис. 17. Вариант конфигурации процессорной системы, записанный в шаблоне ZedBoard Development Board Template

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

лен вид структурной схемы процессорной системы после импортирования шаблона конфигурации ZedBoard Development Board Template. После настройки конфигурации процессорного блока PS нужно добавить в состав формируемой спецификации аппаратной платформы MHS периферийные устройства и аппаратные ускорители, реализуемые на базе ресурсов программируемой логики PL. n Продолжение следует.

Литература 1. Зотов В. Расширение семейства программируемых систем на кристалле Zynq‑7000 AP SoC // Компоненты и технологии. 2013. № 12. 2014. № 1. 2. Zynq‑7000 All Programmable SoC Overview. Advance Product Specification. Xilinx, 2013. 3. Zynq‑7000 All Programmable SoC (XC7Z010, XC7Z015, and XC7Z020): DC and AC Switching Characteristics. Xilinx, 2013. 4. Zynq‑7000 All Programmable SoC (XC7Z030, XC7Z045, and XC7Z100): DC and AC Switching Characteristics. Xilinx, 2013. 5. Zynq‑7000 All Programmable SoC Technical Reference Manual. Xilinx, 2013. 6. Zynq‑7000 All Programmable SoC: Concepts, Tools, and Techniques (CTT) A Hands-On Guide to Effective Embedded System Design. Xilinx, 2013.

ПЛИС

7. Zynq‑7000 All Programmable SoC Software Developers Guide. Xilinx, 2013. 8. Zynq‑7000 All Programmable SoC PCB Design and Pin Planning Guide. Xilinx, 2013. 9. 7 Series FPGAs and Zynq‑7000 All Programmable SoC XADC Dual 12‑Bit 1 MSPS Analog-to-Digital Converter User Guide. Xilinx, 2012. 10. Зотов В. Средства автоматизированного проектирования и этапы разработки встраиваемых микропроцессорных систем на базе расширяемых процессорных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC // Компоненты и технологии. 2014. № 2–3. 11. Зотов В. Моделирование цифровых устройств, проектируемых на основе ПЛИС фирмы Xilinx, средствами ISIM в САПР ISE Design Suite // Компоненты и технологии. 2013. № 2–3. 12. Зотов В. ZedBoard — эффективный инструмент разработки и отладки встраиваемых микропроцессорных систем, проектируемых на основе расширяемых вычислительных платформ фирмы Xilinx семейства Zynq‑7000 AP SoC // Компоненты и технологии. 2013. № 6. 13. Зотов В. ModelSim — система HDLмоделирования цифровых устройств // Компоненты и технологии. 2002. № 6. 2003. № 9. 14. Зотов В. Аппаратные средства разработки и отладки встраиваемых микропроцессорных систем, проектируемых на основе расширяемых вычислительных платформ фирмы Xilinx семейства Zynq‑7000 AP SoC // Компоненты и технологии. 2013. № 1.

новости

ХИТ

Система резервного питания для терминалов «ЭРА ГЛОНАСС» от VARTA Инициатива Европейского Союза, согласно которой система экстренного вызова при авариях, получившая название eCall, будет устанавливаться во все новые автомобили с 2016 года, подтолкнула одного из ведущих производителей элементов питания VARTA Microbattery GmbH к созданию аккумулятора нового уровня, предназначенного для работы в самых суровых условиях. Новое решение от VARTA обладает следующими особенностями и преимуществами: • Срок службы: до 10 лет. • Напряжение: 3,6 или 4,8 В, емкость: 500 мА·ч. • Большой импульсный ток: до 4 А. • Нижний предел рабочих температур: от –40 °С. • Верхний предел рабочих температур: до +85 °С без деградации. • При длительном отсутствии заряда аккумулятор разряжается на 40% в течение одного года при +25 °С, на 4% в год при температуре –40 °С. • Не боится постоянного перезаряда. • Нет эффекта памяти. • Состав: неопасные химические вещества (Ni-MH) по сравнению с литием. • Простой алгоритм заряда, реализуется при помощи простейшего МК. • Легко и быстро измерять остаточную емкость. • Встроенные системы защиты: терморезистор и самовосстанавливающийся предохранитель. • «Индикатор» конца срока службы. www.gamma.spb.ru

компоненты

118

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

120

новости

кварцевые генераторы

Компания Precision Devices Inc. обновила линейку миниатюрных кварцевых генераторов с LVDS- и PECL-выходами

±100 ppm в диапазоне рабочих температур –40…+85 °C. Кварцевые генераторы с LVDS- или PECL-выходами в корпусах 57 мм доступны для заказа также с расширенным диапазоном рабочих температур — –55…+125 °C. Напряжение питания

таких генераторов — 2,5 или 3,3 В. Иные значения стабильности частоты, температурных диапазонов и напряжения питания доступны по запросу. Кварцевые генераторы компании PDI с LVDSили PECL-выходами имеют малый уровень фазовых шумов и малый джиттер. Интегрированный джиттер (RMS от 12 кГц до 20 МГц) составляет 0,2 пс для LVDS и 0,3 пс для PECL-версии. Представленные кварцевые генераторы имеют невысокую стоимость, малые сроки изготовления и поставки. Более подробную информацию о продукции компании PDI можно будет получить на стенде № 6 компании «РСП», расположенном в зале 5, павильон 7 московского «Экспоцентра» на Красной Пресне, во время проведения выставки «Новая Электроника-2014» с 25 по 27 марта. www.rssp.ru

Компания Precision Devices Inc. (PDI), член Avrio Technology Group, мировой лидер в разработке и производстве электронных компонентов на основе кварца (кварцевых резонаторов, генераторов и фильтров), обновила линейку миниатюрных кварцевых генераторов с LVDSи PECL-выходами. Данные приборы оптимально подходят для систем и устройств, в которых используемые микросхемы и архитектура оказывают особое влияние на величину джиттера и малый размер генераторов. Кварцевые генераторы компании PDI с LVDSили PECL-выходами выпускаются в миниатюрных керамических корпусах для поверхностного монтажа размерами 3,25 или 57 мм. Могут изготавливаться на стандартные и нестандартные частоты вплоть до 200 МГц. Стандартные значения стабильности частоты составляют: ±25, ±50 или

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

компоненты

121

Базовый маршрут разработки ПЛИС Altera Cyclone V SOC FPGA с аппаратной процессорной системой ARM Cortex-A9 на примере стартового отладочного комплекта SoCrates и референсного дизайна EBV Elektronik. Часть 1

Антон Висторовский anton.vistorovsky@ebv.com

Введение Поскольку решение SOC FPGA ALTERA содержит аппаратную процессорную систему на базе ядер ARM Cortex-A9 (доступны версии как с одним, так и c двумя ядрами) и современный массив логики (20–28 нм, семейства Cyclone‑5/Arria‑5/Arria‑10 емкостью от 25 от 460 kLE), то используется две среды с соблюдением основных маршрутов разработки для процессора и ПЛИС — это пакет Quartus‑2 для ПЛИС и пакет ARM DS‑5 Altera edition для процессора ARM Cortex-A9. Помимо достаточно очевидных преимуществ интеграции аппаратной процессорной системы и ПЛИС, таких как высокая скорость обмена данными до 125 Гбит/с, меньший форм-фактор, потребление, пониженное потребление и упрощенная система питания, решение может привлекать внимание как некая точка входа в освоение новой технологии для специалистов, работающих с АРМ и интересующихся ПЛИС, и наоборот — работающих с ПЛИС, но интересующихся процессорами АРМ. Идея Altera заключается в следующем: условно разделить поля деятельности разра-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Цель данной статьи — продемонстрировать специалистам базовый марш‑ рут разработки решения на SOC FPGA от ALTERA при помощи бюджетного отладочного комплекта SoCrates, созданного ведущим официальным дис‑ трибьютором Altera в Европе — компанией EBV Elektronik. Статья будет интересна всем, кто желает рассмотреть возможности пакета Quartus для системной интеграции — среды Qsys (продолжение SOPC Builder), данные навыки будут полезными при работе с любыми IP-ядрами Altera или третьих фирм.

ботчика аппаратных средств и программиста. Для этого в маршруте проектирования создается механизм перехода от аппаратной разработки в пакете Quartus‑2 к разработке ПО через генерацию файлов перехода, которые будут созданы Qsys/Quartus и переданы среде ARM DS‑5 Altera edition. Момент генерации файлов перехода одной среды и передачи оных другой среде разработки является одним из ключевых в маршруте и будет подробно описан в статье. Заметим, что пакет ARM DS‑5 Altera edition — это совместная разработка компаний Altera и ARM, который, задействуя аппаратные возможности, заложенные в архитектуре решения SOC FPGA, позволяет производить взаимную отладку «cross-trigger» между процессором и ПЛИС через назначение точки останова в ПО ARM DS‑5 Altera edition и установление момента срабатывания логики в логическом анализаторе пакета Quartus‑2, Logic Analyser, и наоборот. Однако данный механизм предполагается подробно рассмотреть в другом материале. По мнению автора статьи, разработчикам, еще малознакомым с ПЛИС Altera, будут полезны следующие замечания:

1. S O C F P G A — од н о - и л и д в уя де р ная аппаратная процессорная система на базе ARM Cortex-A9 и последнего массива логики (28…20 нм) семейств Cyclone‑5/Arria‑5/Arria‑10 в одном корпусе. 2. HPS — hard processing system (ядро ARM Cortex-A9 + сопроцессор FPU/NEON (FPU — floating point unit, сопроцессор вычисления операций с плавающей точкой; NEON — акселератор ускорения SIMD (single instruction multiply data), например мультимедийной обработки) + кэш первого уровня, разделенный на инструкции и данные, + кэш второго уровня с модулем когерентности кэша для работы версии с двумя ядрами и модулем обеспечения когерентного доступа из ПЛИС + модуль для отладки межъядерного взаимодействия и взаимодействия с ПЛИС). 3. Quartus‑2 — основной пакет проектирования ПЛИС Altera, охватывающий весь маршрут проектирования ПЛИС, доступен в бесплатной версии для работы с SOC, скачиваемой с сайта Altera. 4. QSYS (SOPC) — часть пакета Quartus‑2 для системной интеграции. Автоматически устанавливается при инсталляции пакета Quartus‑2. www.kite.ru

122

компоненты

5. SOC EDS (ARM DS‑5 Altera edition) — software development suite, пакет проектирования процессора ARM Cortex-A9, выполненный на SOC Altera, имеет компилятор под Linux и компилятор Baremetal («голое железо», работа приложения без ОС на базе библиотеки абстракции от регистрового уровня HAL, документированной и предоставляемой Altera бесплатно). 6. Cross-trigger — механизм связывания ПО Quartus‑2 и ПО SOC EDS через аппаратный модуль, предназначен для отладки двустороннего взаимодействия «процессор-ПЛИС». Для рассмотрения маршрута разработки нам понадобится: 1. Установить пакет Quartus‑2 версии 13.0 или 13.1 с сайта Altera. Для работы с решением SOC FPGA подходит бесплатная версия Web edition с установленной библиотекой поддержки семейства Cyclone‑5. 2. Установить пакет SOC EDS (ARM DS‑5 Altera edition). Доступна 30‑дневная тестовая версия [1, 2]. 3. Linux или виртуальная машина, например WMware.

Отладочная плата SoCrates Для работы с решением SOC FPGA есть несколько отладочных комплектов от компании Altera и третьих фирм. В статье мы рассмотрим маршрут разработки на стартовом бюджетном комплекте, созданном ведущими инженерами компании EBV Elektronik совместно с немецкой компанией DevBoards. Стоимость такого комплекта в РФ с НДС составляет около 440 евро. Приведенный маршрут разработки будет также справедлив для других отладочных комплектов SOC FPGA Altera. Внешний вид платы приведен на рис. 1. Отладочная плата SoCrate позволяет работать со всей периферией процессорной системы: Ethernet, USB, SPI, I2C, UART, μSDCard и GPIO. На плате установлена ОЗУ-память 32 бит DDR3 и QSPI Flash как альтернатива загрузке процессорной системы из SD-карты.

Рис. 1. Внешний вид платы SoCrates

ПЛИС

Массив FPGA может быть конфигурирован из второй установленной QSPI Flash. Порты ввода/вывода 3.3 V IO и дифференциальные пары LVDS от ПЛИС выведены на разъемы. Имеется специальный дифференциальный LVDS-разъем для подключения видеосенсора EBV Observer CMOS Sensor Board. Внизу платы предусмотрен разъем для подключения TFT-дисплея через LVDS-интерфейс, также заметим, что доступен референсный дизайн для работы с графикой. Блок-диаграмма платы приведена на рис. 2. Подробное описание платы и datasheet находится по ссылке [3]. Основные параметры оценочной платы SoCrates: • ПЛИС 5CSEBA6U23C7N (110 K LEs/112 DSP Blocks/5,4 Мбит RAM/HPS). • EPCQ256 — конфигурационная память. • EPCQ256 — дополнительная конфигурационная память. • ОЗУ 128M32 DDR3. • Слот карты микро-SD. • Часы реального времени RTC. • Датчик температуры. • PHY11G 1 Gbit PHY, GMII. • Интерфейс USB 2.0. • Мост UART/USB. • Интерфейс CAN. • Выводы GPIO 3,3 В. • Дифференциальный LVDS-интерфейс. • LVDS TFT-интерфейс подключения дисплея. • 12 пользовательских светодиодов. • Клавиши навигации. • Встроенный программатор USB-Blaster II для конфигурации FPGA/HPS и отладки. • Система питания — 1,1/1,35/1,8/2,5/3,3 В. В статье показано, как при помощи пакета Quartus синтезировать новое IP-ядро по спецификации шины Altera Avalon (в данном случае это периферийное устройство

и память), интегрировать в систему, подключив к шине AXI процессорной системы и разместив в адресном пространстве при помощи среды Qsys. Тем самым описан механизм расширения набора уже имеющейся аппаратной периферии процессорной системы HPS посредством синтеза нового периферийного устройства на ресурсах ПЛИС, таких как внутренняя блочная память или логические элементы. Процессорная система HPS уже имеет аппаратный контроллер SDRAM, что позволяет, во‑первых, экономить до 20 000 логических элементов ресурса ПЛИС, эквивалентных $20‑снижению стоимости решения, а также предоставляет весьма удобный механизм получения калибровочных настроек физического уровня (PHY) интерфейса памяти для достижения эффективной работы SDRAM. Для этого в приложении Qsys пакета Quartus выбирается тот тип DDR-памяти, который установлен на плате (в примере статьи — SoCrates), пакет автоматически генерирует код с оптимальными калибровочными настройками и включает его в файл загрузчика preloader. В первой части статьи описан процесс генерации новой системы на кристалле, подключение и вывод портов ввода/вывода к светодиодам на плате для демонстрации корректной работы. Затронут процесс компиляции и разводки проекта по ресурсам FPGA и активация необходимых мостов взаимодействия между процессорной системой и периферийными устройствами на ресурсах ПЛИС, а также механизм установки корректных параметров аппаратного контроллера SDRAM. Далее показан процесс получения файлов перехода, необходимых для генерации пакета поддержки платы BSP и последующей разра-

Рис. 2. Блок-диаграмма платы SoCrates

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

ботки ПО (один из файлов, описывающий систему, предназначен для ОС, через него ОС узнает об имеющейся периферии, а другой файл используется загрузчиком preloader, через него передаются параметры для конфигурирования мультиплексирования портов ввода/вывода и настройки физического уровня SDRAM). В заключение рассмотрен механизм проверки работоспособности синтезированной периферии до процесса отладки на аппаратуре. Во второй части статьи при помощи ПО Altera SOC EDS (Embedded Development Suite) и передаваемых файлов перехода, описывающих аппаратуру создаваемой системы на кристалле, рассмотрен процесс создания пакета поддержки платы BSP, включая механизм генерации загрузчика preloader с настройками физического интерфейса SDRAM. В заключительной части второй статьи затронут процесс записи загрузчика preloader в определенный раздел форматированной SD-карты, уже содержащий U‑boot и ядро ОС Linux, момент запуска ОС Linux на плате SoCrates, компиляция при помощи компилятора gcc, программ helloworld.c и devmem.c (программа чтения записи в адресное пространство) для примера работы с синтезируемой периферией под ОС Linux. Заметим, что в процессе освоения маршрута разработки SOC Altera весьма целесообразно использовать интернет-ресурс, поддерживаемый компанией Altera и посвященный решению SOC FPGA [4]. Исходные коды программ, скрипты и сам референсный проект, описываемый в этой статье, можно найти по ссылке [5].

Сборка системы на кристалле в среде системной интеграции Qsys пакета Quartus под плату SoCrates Рассмотрение маршрута проектирования по шагам: 1. В ПО Quartus‑2 с помощью мастера по созданию новых проектов формируется новый проект с использованием ПЛИС, установленный на плате, — 5CSXFC6C6U23C8ES. Окно навигатора проекта открывается из меню View → Utility Windows → Project Navigator. 2. Запускается среда системной интеграции Qsys, предоставляющая удобный графический интерфейс (GUI), чтобы создать и настроить систему на кристалле. Вызов из меню Tools → Qsys или по иконке в верхнем меню. В запускаемом рабочем столе нужно удалить по умолчанию входной модуль тактирования и сброса CLK (clock и reset), поскольку системой используется внутренний источник HPS тактового импульса (ТИ) и сброса. 3. Для импорта библиотеки модуля аппаратной процессорной системы HPS в проект выбирается компонент Hard Processor System из группы Embedded Processors (окно библиотеки слева на рабочем поле).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

4. В открывшемся конфигурационном окне Hard Processor System выбирается вкладка FPGA Interfaces, содержащая информацию об имеющихся интерфейсах между HPS и FPGA. Референс-дизайн не использует сигналы обеспечения спящего режима процессорной системы, поэтому отключена опция Enable MPU standby и event signals. Для мостов передачи данных между процессорной системой и ПЛИС (AXI bridges) отключен мост FPGA-to-HPS interface, так как в референс-дизайне используется только коммуникация от процессорной системы к ПЛИС (заметим, что FPGA-to-HPS предусмотрена производителем) и выбрана ширина 32 бит для моста управления HPSto-FPGA (рабочее название: Lightweight, или LW bridge). В референс-дизайне также не применяется доступ из FPGA к внешней SDRAM (такая возможность имеется через специальный мост), поэтому мост FPGAto-HPS SDRAM interface также отключен (для работы с аппаратным контроллером памяти (HMC — hard memory controller) и памятью DDR имеются отдельные указания по применению Altera). Все остальные настройки оставлены по умолчанию. 5. Для управления и мультиплексирования портов ввода/вывода всей аппаратной периферией HPS предназначена вкладка HPS Peripherals/Peripheral Pin Multiplexing. Для начального определения корректных настроек мультиплексирования портов ввода/вывода (ВВ) периферии предусмотрена таблица с макросами от Altera: HPS_ pin_muxing_ver0_9_preliminary.xlsm с сайта производителя [6]. В референс-дизайне EBV Elektronik задействована следующая периферия: • Ethernet MAC 1 RGMII; • QPSI Set 0 with 1 SS; • SDMMC/SDIO Set 0 with 4bit Data; • USB 1 Set0, SDR; • SPIM0 Set0, single slave select; • SPIM1 Set0, single slave select; • UART0, Set0, No Flow Control; • I2C0 Set0; • I2C1 Set0; • CAN0 Set0; • GPIO: GPIO00, GPIO09, GPIO28, GPIO35, GPIO37, GPIO40, GPIO41, GPIO42, GPIO43, GPIO44, GPIO48, GPIO53 and GPIO54. Убедитесь в том, что все I/O‑ выводы назначены — хотя бы как порты GPIO. 6. Для настройки системы на кристалле, имеющей внутренние модули ФАПЧ (системная, периферийная и SDRAM PLL с подгонкой фазы) на выбранный источник тактирования, в GUI среды Qsys предусмотрено меню HPS-Clocks. В референсдизайне (далее РД) использован источник 50 МГц. Этот источник также предназначен для тактирования ПЛИС через установку параметра HPS-to-FPGA user 0 clock на 50 МГц.

компоненты

123

7. Для настройки аппаратного контроллера SDRAM системы на кристалле используется закладка в GUI Qsys под названием SDRAM, которая содержит четыре вкладки: • PHY Setting; • Memory Parameters; • Memory Timing; • Board Settings. На плате SoCrates установлена память DDR3L с питанием 1,35 В, поэтому в референс-дизайне переданы параметры: тип DDR3, частота работы 400 МГц (максимальная частота 533 MГц на семействе Arria‑5) и опорная частота PLL — 25 МГц. 8. Вкладка Memory Parameters применяется для проверки или установки настроек SDRAM по datasheet производителя памяти (если нет данного типа памяти в предустановленных настройках). В референсном дизайне установлены настройки в соответствии с даташитом производителя Micron (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Установка параметров DDR3 на закладке Memory Parameters

Рис. 4. Установка параметров DDR3 на закладке Memory Timing

www.kite.ru

124

компоненты

ПЛИС

Рис. 5. Cхема подключения синтезируемых компонент к мостам процессорной системы HPS

9. Для выхода из графического меню настройки компонента HPS и отображения его на рабочем поле для последующего соединения с остальными компонентами системы на кристалле используется клавиша Finish. Как уже упоминалось в п. 6, референсный дизайн использует внутренние модули ФАПЧ HPS-системы (h2f_user0_ clock). Поэтому источник тактирования основных мостов, моста данных h2f_axi_ clk и моста управления h2f_lw_axi_clock (п. 4) соединен с основным источником h2f_user0_clock через выбор узлового соединения или нажатием правой клавиши мыши: • h2f_axi_clk (h2f_user0_clock); • h2f_lw_axi_clock (h2f_user0_clock). Задача референсного дизайна сводится к синтезу дополнительных периферийных устройств на ПЛИС, таких как демонстрация идеологии гибкости ПЛИС путем расширения аппаратной периферии процессорной системы HPS и построения собственной системы на кристалле. Заметим, что среда Qsys автоматически решает вопросы соединения АРМ-шины спецификации AXI с шиной FPGA по специ- фикации Avalon. Таким образом, предоставляется возможность использовать компоненты, написанные под спецификацию Avalon ранее, и интегрировать их в новую систему. Еще раз заметим, что в системе SOC FPGA применяется несколько мостов для различных задач, что увеличивает пропускную способность системы и снижает время от-

клика: мост HPS2FPGA/FPGA2HPS — двусторонний, с настраиваемой шириной до 128 бит в каждую сторону, имеющий поддержку пакетных передач, служит для передачи данных. Мост LWHPS2FPGA — мост управления с низкой латентностью, разрядностью 32 бит. Также имеется дополнительный мост FPGA2SDRAM для доступа к DDR из FPGA. На рис. 5 приведена схема подключения синтезируемых в данном референсном дизайне компонент к мостам процессорной системы HPS. 10. В референсном дизайне добавлена (синтезирована) часть периферии на ресурсах ПЛИС, для демонстрации расширения уже имеющегося набора аппаратной периферии добавлена внутренняя память ОЗУ на блоках внутренней памяти ПЛИС, посредством вызова стандартного библиотечного компонента Qsys выполняется вызов On-Chip-Memory в секции Memory and Memory Controller. Выбран тип RAM, размером 64 К, и установлен как двупортовое ОЗУ. Port1 внутреннего ОЗУ соединен с мостом данных процессорной системы — HPS AXI Port: • on-chip memory.clk1 (h2f_user0_clock); • on-chip memory s1 (h2f_axi_master); • on-chip_memory reset1 (h2f_reset). Port2 (сигнал on-chip memory s1) задействован для проверки периферии через JTAG. Подробности подключения описаны в п. 14. Сигналы reset и clock соединены так же, как и Port 1 c соединен с мостом данных процессорной системы, — HPS AXI.

11. Для управления светодиодами LED от FPGA добавлен стандартный библиотечный компонент Qsys — компонент PIO (Parallel I/O) из группы Peripherals/Microcontroller Peripherals. Ширина шины установлена 8 бит и разрешение только на выход (output). Компонент переименован в рабочем поле как pio_0 в LED_Pio для сборки системы на верхнем уровне проекта. Компонент LED_Pio соединен с мостом управления HPS LW BRIDGE (LIGHTWEIGHT) указанным ниже образом. Для экспорта порта Pio Port из системы на кристалле двойным нажатием по колонке external connection установлен тип сигнала Export, и экспортируемый сигнал переименован как led_pio. Термин «экспорт» подразумевает, что данный проводник мы выводим наружу из нашей системы на кристалле, для соединения с внешним устройством на плате SoCrates: • LED_Pio clk (h2f_user0_clock); • LED_Pio_reset (h2f_reset); • LED_Pio s1 (h2f_lw_axi_master). 12. Для синхронизации работы аппаратуры и версии ПО (как правило, сверка .sopcфайла, описывающего компоненты системы с версией пакета поддержки платы) в референс-дизайне добавлен компонент System ID Peripheral из Peripherals/Debug and Performance. Этот компонент соединен с мостом управления HPS lightweight master следующим образом: •  sysid_qsys_0 clk (h2f_user0_clock); •  sysid_qsys_0 reset (h2f_reset); •  sysid_qsys_0 s1 (h2f_lw_axi_master).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

компоненты

125

Рис. 6. Создание нового периферийного компонента на основе файла HDL

13. Для демонстрации возможности создания собственной системы на кристалле в референсном дизайне синтезирован на ресурсах ПЛИС периферийный модуль ШИМ и добавлен как периферийный модуль HPS. Для этого взят исходный файл на языке аппаратуры — vhdl, описывающий 8‑канальный модуль ШИМ по спецификации Altera Avalon (исходный файл можно закачать по ссылке [5]), и добавлен в набор библиотечных функций Qsys через меню создания нового компонента (рис. 6). В м е н ю г р а ф и ч е с ко г о и н т е р ф е й с а Component Editor на вкладке Files добавлен и синтезирован новый библиотечный компонент PWM из исходного кода файла PWM_8channel.vhd. В меню Signals установлены параметры выхода ШИМ (PWM_out): выходной сигнал ШИМ назначен типом New Conduit и экспортирован из системы на кристалле (Signal Type = export). В меню Interfaces выбрана опция Remove Interfaces With No Signals и установлен сигнал Associates Reset для интерфейса s1 как источник сброса — reset. Компонент после процесса редактирования находится в библиотеке Qsys в папке Custom — 8 channel PWM и готов к использованию. Компонент ШИМ добавлен к системе на кристалле и соединен следующим образом с мостом управления LW HPS. Сигнал PWM_out (в колонке Export в рабочем поле) экспортирован из системы и переименован в pwm_out для корректного соединения на верхнем уровне проекта: • PWM_8channel_0 clk (h2f_user0_clock); • PWM_8channel_0 reset (h2f_reset); • PWM_8channel_0 s1 (h2f_lw_axi_master). 14. Для демонстрации возможностей работы по отладке создаваемых синтезируемых периферийных компонент на ресурсах ПЛИС (пп. 10–12) в референс-дизайне добавлен стандартный библиотечный модуль JTAG to Avalon Master Bridge из раздела Bridges → Memory-Mapped. Модуль соединен со всеми синтезируемыми компонентами периферии (slave — s1, кроме двухпортового ОЗУ slave — s2): • master_0 clk (h2f_user0_clock); • master_0 clk_reset (h2f_reset); • master_0 master (LED_Pio s1, sysid_ qsys_0 s1, onchip_memory2_0 s2, PWM_8channel_0 s1).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 7. Итоговый проект в среде системной интеграции Qsys Quartus

15. Базовые адреса в референс-дизайне назначены следующим образом, чтобы избежать конфликтов при последующей генерации системы. Несмотря на то, что компоненты onchip_memory2_0 и LED_ Pio имеют один и тот же базовый адрес, конфликта нет, поскольку эти компоненты (рис. 6) подключены к двум разным мостам: onchip_memory2_0 onchip_memory2_0 LED_Pio sysid_qsys_0 PWM_8channel

s1 s2 s1 s1 s1

0x0000_0000 0x0001_0000 0x0000_0000 0x0000_0010 0x0000_0100

16. Генерация системы на кристалле запускается с вкладки Generation среды Qsys. Тем самым генерируется код на языке аппаратуры, описывающий систему и файл проекта верхнего уровня. Файл сохраняется как SoC_System.qip. После успешной генерации системы работа в среде Qsys закончена, и дальнейшая работа ведется в основном пакете Quartus. 17. Среда Qsys (рис. 7) генерирует для пакета Quartus IP файлы (.qip). Для добавления в проект любых файлов используется верхнее меню Add → Remove Files пакета Quartus-Projects, генерированные средой Qsys файлы находятся в каталоге установки пакета Quartus в папке :\synthesis\SoC_ System.qip. 18. Для сборки проекта на верхнем уровне в проект добавлено рабочее поле через основное меню File, New, Block Diagram → Schematic File. Этот файл (SoCrates_lab1. bdf) добавлен в файлы проекта через основное меню Project → Add current File to project и сделан файлом верхнего уровня. Через символьный редактор Symbol Tool (правое нажатие мыши на рабочем поле) в рабочее поле помещен сгенерированный

компонент Qsys системы на кристалле в виде графического модуля SoC_System. 19. Для того чтобы автоматически назначить порты ввода/вывода к сигналам HPS, нужно правой кнопкой нажать на компоненте и выбрать опцию Generate Pins for Symbol ports. Вывод LED_Pio назначен как led_pio_export[7..0], поскольку эти порты расположены на ПЛИС и экспортированы из системы. Размещение этих выводов должно быть осуществлено вручную через утилиту пакета Pin planner/Assignment Editor (п. 24). 20. Для корректного соединения с светодиодиодами платы SoCrates с портами ввода/вывода системы на кристалле необходимо добавить дополнительный логический компонент NOR между шиной led_pio_ export [7..0] и выходом, поскольку LED управляется активным низким уровнем. Через меню Symbol выбран стандартный библиотечный компонент NOR2 и соединен с выводами led_pio_export в рабочем поле, как показано на рис. 8. 21. Как уже было отмечено, среда Qsys автоматически генерирует скрипт на языке Tcl для автоматической разводки подключения SDRAM, используя настройки того типа памяти, которые введены через графический интерфейс (пп. 7–8). Запуск скрипта осуществляется из меню Tools → Tcl Scripts. Исходный скриптовый файл hps_sdram_p0_pin_assignments.tcl находится в референс-дизайне. 22. В референс-дизайне назначения соединения портов ввода/вывода в меню Assignment Editor назначены в соответствии со схемой платы SoCrates: • led_pio_export [0] Location PIN_AH7; • led_pio_export [1] Location PIN_AH9; • led_pio_export [2] Location PIN_AF13; • led_pio_export [3] Location PIN_AG14; www.kite.ru

компоненты

126

ПЛИС

On-Chip memory и System ID. Для проверки функциональности этих устройств запускается скрипт SoCrates_verfication.tcl референс-дизайна [5]. Скрипт читает содержимое регистра System ID, записывает в регистры управления светодиодами значения, читает текущие и пишет инкрементированные значения в синтезированную область памяти. Рис. 8. Соединение со светодиодами на верхнем уровне проекта

• led_pio_export [4] Location PIN_AH16; • led_pio_export [5] Location PIN_AH18; • led_pio_export [6] Location PIN_AG21; • led_pio_export [7] Location PIN_AE22. 23. После успешной компиляции проекта подключается плата SoCrates Board и для конфигурирования ПЛИС вызывается опция Quartus Programmer из верхнего меню. Настройки программатора установлены (Hardware Setup) как USB-Blaster. Затем вызвана опция Auto Detect для установки JTAG-соединения, поскольку несколько подсемейств в Cyclone V используют один JTAG ID, соответственно, нужно выбрать конкретное подсемейство. Выбран тип ПЛИС, установ-

ленный на плате 5CSXFC6. Установлен образ конфигурации для части ПЛИС (5CSXFC6) — SoCrates_Lab1.sof из папки output_file, затем можно приступить к процессу конфигурации (рис. 9). 24. Altera предоставляет системную консоль для первичного тестирования параметров синтезируемой периферии (рис. 10), работающей через мастер-JTAG порт на шине Avalon. Для того чтобы воспользоваться этой возможностью, из библиотеки Qsys добавлен стандартный компонент JTAG_Master Component (п. 14) и соединен с синтезируемыми периферийными устройствами: LED_PIO,

Заключение Успешно пройдя предложенный маршрут разработки, вы приобретете навыки работы с IP-ядрами в пакете Quartus в среде системной интеграции Qsys. Надеемся, этот опыт будет полезен для создания собственной системы на кристалле, будь то синтезируемый процессор Nios или аппаратный ARM Cortex-A9. Забегая вперед, отмечу, что в 2014 году среду Qsys ждет новый этап развития и полученный опыт окажется полезным в дальнейшем. Вторая часть статьи, как уже упоминалось во введении, будет посвящена вопросам генерации в ПО Altera SOC EDS (Embedded Development Suite), пакета поддержки платы BSP и загрузчика preloader для последующего запуска операционной системы и приложений Linux на плате SoCrates. n

Литература

Рис. 10. Системная консоль проверки периферии

Рис. 9. Конфигурация ПЛИС

1. http://www.altera.com/products/software/ quartus-ii/web-edition/qts-we-index.html 2. https://www.altera.com/download/software/soceds 3. h t t p : / / w w w . e b v . c o m / p r o d u c t s / p r o d u c t details/5797/SoCrates?L=0 4. www.rocketboards.org 5. http://www.rocketboards.org/foswiki/Projects/ SoCratesHWReferenceDesign 6. http://www.altera.com/literature/lit-cyclone-v.jsp 7. Altera Cyclone V Device Handbook, Volume 3: Hard Processor System Technical Reference Manual. 8. Altera SoC Embedded Design Suite User Guide. 9. SoCrates Reference Design EBV ELEKTRONIK.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

128

новости

Система подключения аккумуляторных батарей BCC от Multi-Contact

Швейцарская компания Multi-Contact выводит на российский рынок новый продукт — систему подключения аккумуляторных батарей BCC. Она представляет собой совокупность специальных кабелей и разъемов, обеспечивающих простое, надежное и безопасное подключение различных типов батарей. При помощи ВСС можно подключать как стационарные, так и мобильные аккумуляторные батареи. Дополнительным преимуществом является компактный дизайн. Подключение батарей осуществляется с применением уникальной запатентованной технологии MC Multilam, обеспечивающей высокую надежность и повышенную производительность. В замкнутом состоянии разъемы и кабели обеспечивают класс защиты пользователя IP2X. Кроме того, для удобства и упрощения монтажа разъемы оснащены фиксаторами, позволяющими последовательно подключать батареи без специальных инструментов. Благодаря посеребрению контактных поверхностей разъемы устойчивы к коррозии. Оптимальное сочетание материалов, а также применение технологии специального обжима гарантируют стабильную и надежную работу на протяжении многих лет. Система подключения аккумуляторных батарей ВСС от Multi-Contact — лучший выбор для современных необслуживаемых аккумуляторных установок, шкафов оперативного тока и накопителей электроэнергии. www.staubli-russia.ru

Новый модуль дискретного ввода DIM766 Компания Fastwel представляет новый модуль дискретного ввода 24 В постоянного тока (low-side switching) с контролем целостности цепей и индикацией — FASTWEL I/O DIM766. Модуль имеет восемь каналов дискретного ввода, способных функционировать в режиме цифрового входа типа 1 и/или типа 2 в соответствии с ГОСТ Р 51841-2001. DIM766 обеспечивает возможность обнаружения обрыва цепи подключения источников сигнала: • Для датчиков типа «сухой контакт» в режиме цифрового входа типа 1 — при наличии резистора с сопротивлением от 1,8 до 33 кОм, включенного параллельно датчику. Номиналы используемых резисторов должны задаваться при конфигурировании модуля. • Для датчиков с ненулевым током утечки в выключенном состоянии в режиме цифрового входа типа 2 — при токе в цепи подключения датчика, не превышающем 200 мкА. Эти свойства критически важны для построения систем автоматизации в высокоответственных приложениях. При настройке каналов на работу в режиме цифрового входа типа 1 к ним могут подключаться механические контакты или электронные ключи с током утечки до 200 мкА. В режиме цифрового входа типа 2 могут использоваться электронные ключи с током утечки от 250 мкА до 1,5 мА. Шунтирующие резисторы при этом устанавливать не требуется. В модуле реализована фильтрация входных сигналов путем использования программно-задаваемых для каждого канала задержек включения и выключения из ряда от 1,4 до 300 мс. www.prosoft.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

компоненты

129

Обработка радиолокационной информации: ПЛИС или графические процессоры?

Майкл Паркер (Michael Parker)

Введение ПЛИС и процессоры (CPU) уже давно являются неотъемлемой частью устройств обработки радиолокационной информации. ПЛИС традиционно используют для первичной обработки информации, а процессоры (CPU) — для ее окончательной обработки. Радиолокационные системы (РЛС) наращивают свои возможности и усложняются, что приводит к резкому росту требований в области обработки информации. ПЛИС сохранили темпы увеличения производительности обработки информации и пропускную способность, в то время как процессоры отставали в обеспечении производительности обработки сигнала в РЛС нового поколения. Поэтому что бы обеспечить работу при столь больших нагрузках пришлось прийти к использованию процессорных ускорителей, таких как графические ускорители (GPU). За последние несколько лет GPU получили мощные платформы для операций с плавающей запятой, известные как GP-GPU, которые дают высокую пиковую производительность для операций с плавающей запятой в секунду (FLOPs). ПЛИС, традиционно использовавшиеся для обработки цифрового сигнала (DSP) с фиксированной

Хотя графические процессоры общего назначения дают высокую пиковую производительность для операций с плавающей точкой, ПЛИС обладают более привлекательными уровнями производительности для таких опера‑ ций. Более того, ПЛИС корпорации Altera теперь поддерживают стандарт OpenCL — используемый в графических процессорах.

точкой, теперь предлагают конкурирующие уровни производительности для операций с плавающей точкой, что делает их подходящими для быстрой конечной обработки информации с РЛС. Высокопроизводительные ПЛИС корпорации Altera следующего поколения будут иметь производительность как минимум 5 TFLOPs, используя ядро Intel 14 Нм TriGate. Можно ожидать получение производительности до 100 GFLOPs/Вт, используя эту передовую технологию изготовления полупроводниковых приборов. Более того, ПЛИС корпорации Altera теперь поддерживают язык OpenCL, используемый в графических процессорах.

Оценка ПЛИС с пиковой производительностью в GFLOPs Современные ПЛИС имеют производительность в 1+ пиковая TFLOPs [1], в то время как новейшие графические процессоры AMD и Nvidia обладают более высокой производительностью, примерно до 4 TFLOPs. Однако для ПЛИС с пиковой производительностью в GFLOPs или TFLOPs имеется мало информации о производительности данного устройства в конкретном применении. На нем просто указывается общее число теоретических

сложений и умножений с плавающей запятой, которые могут быть выполнены в секунду. Этот анализ показывает, что ПЛИС во многих случаях превышают пропускную способность GPU по алгоритмам и объемам данных при обработке информации РЛС. Общим алгоритмом средней сложности является быстрое преобразование Фурье (FFT). Поскольку РЛС зачастую выполняют большую часть обработки информации в частотной области, очень часто используется алгоритм FFT. Например, расчет FFT на 4096 точек может быть выполнен с помощью операций с плавающей запятой одинарной точности. Это дает возможность ввода и вывода четырех комплексных выборок за один временной цикл. Каждое ядро с алгоритмом FFT может работать с производительностью 80 GFLOPs, а большая ПЛИС, созданная по 28‑нм технологии, может заменить семь таких ядер. Однако, как показано на рис. 1, производительность алгоритма FFT на этой ПЛИС равна почти 400 GFLOPs. Этот результат основан на компиляции в среде OpenCL, без опробования на ПЛИС. При использовании логики блокирования и Design Space Explorer (DSE) при оптимизации семиядерная архитектура сможет достичь f max одноядерной архитектуры, повышая эту величину бо-

Рис. 1. Производительность ПЛИС с алгоритмом FFT Stratix V 5SGSD8 и плавающей запятой

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

130

компоненты

лее чем до 500 GFLOPs, то есть с более чем 10 GFLOPs/Вт при использовании ПЛИС, изготовленной по 28‑нм технологии. С точки зрения сравнения параметров графических процессоров, они не являются эффективными на этих длинах быстрого преобразования Фурье, и поэтому таблицы истинности здесь не представлены. Использование GPU становится эффективным с длинами быстрого преобразования Фурье на нескольких сотнях тысяч точек, когда оно может дать полезное ускорение для процессора. Однако короткие длины преобразования Фурье широко распространены при обработке радиолокационной информации, где длины 512– 8192 точек являются нормой. В целом полезная производительность в GFLOPs зачастую представляет собой долю пиковой или теоретической производительности. По этой причине для сравнения лучше всего использовать такой алгоритм, который дает корректное представление характеристик для типовых применений. Хотя алгоритм таблиц истинности и увеличивает сложность, но он дает более представительную фактическую производительность РЛС.

Алгоритм таблиц истинности Вместо того чтобы полагаться на приводимую производителем пиковую производительность в GFLOPs, в технологических устройствах обработки информации следует использовать альтернативу в виде сторонних оценок с использованием примеров достаточной сложности. Общим алгоритмом для обработки данных с пространственно-временной адаптацией (Space-Time Adaptive Processing, STAP) РЛС является разложение Холецкого. Этот алгоритм часто используется в линейной алгебре для эффективного решения множественных уравнений и может быть использован в корреляционных матрицах. Алгоритм Холецкого имеет высокую числовую сложность и почти всегда требует численного представления с плавающей запятой для получения корректных результатов. Необходимые вычисления пропорциональны N3, где N — размер матрицы. Поскольку РЛС обычно работают в режиме реального времени, обязательным требованием является высокая пропускная способность. Результат будет зависеть от размера матрицы и пропускной способности для требуемой обработки матрицы, что часто составляет более 100 GFLOPs. В таблице 1 представлены результаты сравнительного анализа графического процессора Nvidia с номиналом в 1,35 TFLOPs и использованием различных библиотек, и Xilinx Virtex6 XC6VSX475T, оптимизированной ПЛИС для обработки цифрового сигнала с фиксированной запятой (DSP) с плотностью распределения 475K LCs. Эти устройства схожи по плотности с ПЛИС корпорации Altera, использующими таблицы истинности

ПЛИС

Холецкого. Библиотеки LAPACK и MAGMA являются коммерческими библиотеками, в то время как ядро графического процессора с производительностью в GFLOPs использует язык программирования OpenCL, разработанный в университете штата Теннесси [2]. Приведенные ниже данные со всей очевидностью показывают больший уровень оптимизации на матрицах меньших размеров. Таблица 1. Ядро графического процессора и ПЛИС Xilinx с таблицами истинности Холецкого Матрица

Библиотека Библиотека Ядро графического ПЛИС, LAPACK «Магма», процессора, GFLOPs GFLOPs GFLOPs GFLOPs

512 (SP) 512 (DP)

19,49 11,99

22,21 20,52

58,4 57,49

19,23

768 (SP) 768 (DP)

29,53 18,12

38,53 36,97

81,87 54,02

20,38

1024 (SP) 1024 (DP)

36,07 22,06

57,01 49,6

67,96 42,42

2048 (SP) 2048 (DP)

65,55 32,21

117,49 87,78

96,15 52,74

–

Примечание. SP — одинарная точность; DP — двойная точность.

ПЛИС Stratix V корпорации Altera среднего размера (460K логических элементов (LEs)) сравнивалась с ПЛИС Altera с использованием алгоритма Холецкого на операциях с плавающей запятой одинарной точности. Как показано в таблице 2, производительность ПЛИС Stratix V с алгоритмом Холецкого намного выше, чем у Xilinx. Сравнительный анализ Altera также включает QR-разложение, представляющее собой алгоритм обработки другой матрицы разумной сложности. Алгоритм Холецкого и QRразложение используются как параметризуемые ядра от корпорации Altera. Таблица 2. ПЛИС Altera с таблицами истинности Холецкого и QR Алгоритм (комплекс, Размер одинарная точность) матрицы Холецкий

Векторное множество

fmax, МГц

GFLOPs 92

360×360

190

60×60

255

30×30

285

450×450

225

135

400×400

100

201

159

250×400

100

203

162

Следует отметить, что размеры матрицы для сравнительного анализа неодинаковы. Результаты, полученные в университете Теннесси, начинаются с размеров матрицы 512512, в то время как сравнительный анализ корпорации Altera начинается с размеров 360360 для алгоритма Холецкого и 450450 для QR-разложения. Причина в том, что ядро графического процессора очень неэффективно при меньших размерах матриц, поэтому нет смысла использовать его для ускорения процессора в этих случаях. Напротив, ПЛИС может эффективно работать с гораздо меньшим размером матрицы. Эта эффективность имеет решающее

значение, поскольку радиолокационным системам нужна довольно высокая пропускная способность, выражаемая в тысячах матриц в секунду. Таким образом, используются меньшие размеры матриц, даже за счет разделения большой матрицы на более мелкие с последующей обработкой. В дополнение ко всему сравнительный анализ корпорации Altera проводился по каждому ядру с алгоритмом Холецкого. Каждое параметризуемое ядро с алгоритмом Холецкого позволяет выбрать размер матрицы, векторное множество и глубину канала. Векторное множество примерно определяет ресурсы ПЛИС. Больший (360360) размер матрицы использует большее векторное множество, что позволяет использовать одно ядро в этом ПЛИС с 91 GFLOPs. Меньший (6060) размер матрицы использует меньше ресурсов, поэтому два ядра могут быть реализованы, в общей сложности, на 242 = 84 GFLOPs. Наименьший (3030) размер матрицы допускает использование трех ядер, в общей сложности 325 = 75 GFLOPs. ПЛИС гораздо лучше подходит для решения задач с меньшими размерами данных, что приемлемо для многих РЛС. Пониженная эффективность ядра графических процессоров связана с вычислительными нагрузками, увеличивающимися как N3, данными ввода/вывода, возрастающими как N2, и, в конечном счете, узкими местами ввода/вывода ядра графического процессора, создавая меньше проблем при увеличении набора данных. Кроме того, из-за увеличения размеров матрицы ее пропускная способность в секунду резко падает из-за увеличения времени обработки каждой матрицы. В какой-то момент пропускная способность становится слишком низкой и непригодной для работы в реальном времени в РЛС. При использовании преобразования Фурье нагрузка вычисления увеличивается до Nlog2N, в то время как данные ввода/вывода возрастают как N. Опять же, при очень больших объемах данных ядро графического процессора становится эффективной вычислительной системой. Напротив, ПЛИС является эффективным вычислительным устройством для всех размеров данных и лучше подходит для большинства радиолокационных операций, где размеры преобразования Фурье небольшие, а пропускная способность является основным параметром.

Методология проектирования графического процессора и ПЛИС Ядро графического процессора программируется с использованием либо собственного языка CUDA от Nvidia, либо открытого стандарта языка программирования OpenCL. Эти языки очень похожи по своим возможностям, с той единственной разницей, что CUDA может использоваться только на графических процессорах Nvidia.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

компоненты

131

Рис. 2. Основная блок-схема обработки сигнала РЛС

ПЛИС, как правило, программируются с помощью языков описания аппаратуры Verilog или VHDL. Ни один из этих языков полностью не подходит для поддержки программирования с плавающей запятой, хотя последние версии включают определение, пусть и не обязательного обобщения, чисел с плавающей запятой. Например, в языке описания Verilog простая вещественная переменная является аналогом числа одинарной точности стандарта IEEE, а вещественная переменная — аналогом числа двойной точности стандарта IEEE. Библиотека DSP Builder Advanced Blockset Синтез трактов данных с плавающей запятой в ПЛИС с использованием традиционных методов очень неэффективен, что подтверждено низкой производительностью ПЛИС фирмы Xilinx на алгоритме Холецкого, реализованного с помощью генератора параметризированных модулей Core Generator фирмы Xilinx с универсальным ядром, предназначенным для автоматизированной подготовки описаний элементов, выполняющих различные арифметические операции с плавающей запятой. Тем не менее корпорация Altera предлагает две альтернативы. Первая заключается в использовании библиотеки DSP Builder Advanced Blockset с технологией проектирования компании

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Mathworks на базе Model-Based Design. Этот инструмент поддерживает числа как с фиксированной, так и с плавающей запятой, а также семь различных уровней точности обработки с плавающей запятой, включая половинную, одинарную и двойную точность по стандарту IEEE. Он также поддерживает векторизацию, которая необходима для эффективного применения линейной алгебры. Самое главное заключается в его способности эффективно отображать цепи с плавающей запятой на сегодняшних архитектурах ПЛИС с фиксированной запятой, о чем свидетельствует их сравнительный анализ производительности в 100 GFLOPs на алгоритме Холецкого при среднем размере ПЛИС по 28‑нм технологии. Для сравнения, использование алгоритма Холецкого на тех же размерах ПЛИС фирмы Xilinx без этой возможности синтеза дает только 20 GFLOPs производительности по тому же алгоритму [2]. Язык программирования OpenCL для ПЛИС Язык программирования OpenCL сходен с языками программирования ядра графического процессора. Компилятор OpenCL [3] для ПЛИС означает, что код OpenCL, написанный для AMD или Nvidia GPU, может быть скомпилирован на ПЛИС. Кроме того, компилятор OpenCL корпорации Altera позволяет программам ядра графического про-

цессора использовать ПЛИС без необходимости разработки типового набора приемов проектирования ПЛИС. Использование OpenCL с ПЛИС дает несколько ключевых преимуществ по сравнению с ядром графического процессора. Важно, что ядра графических процессоров, как правило, ограничены по входу/выходу. Все входные и выходные данные должны быть переданы центральным процессором через интерфейс PCI Express (PCIe). Получаемые задержки могут привести к потере скорости обработки ядром процессора, что снижает производительность. Расширения языка программирования OpenCL для ПЛИС ПЛИС хорошо известны благодаря высокой пропускной способности ввода/вывода, что позволяет осуществлять поточную передачу данных в ПЛИС и из него через Gigabit Ethernet (GbE), Serial RapidIO (SRIO) или непосредственно через АЦП и ЦАП. Корпорация Altera определила специфическое для производителя расширение стандарта OpenCL для поддержки непрерывного режима передачи данных. Это расширение является важнейшей особенностью в РЛС, так как позволяет передавать данные непосредственно от формирования диаграммы направленности, с предварительной обработкой с фиксированной запятой, и цифроwww.kite.ru

132

компоненты

ПЛИС

Рис. 3. Реализация сопоставленного тракта данных в операции с плавающей запятой

вого преобразования с понижением частоты на стадии обработки с плавающей запятой для сжатия импульса. Эффект Доплера, пространственно-временная адаптация, индикатор типа сообщения (MTI) движущейся цели и другие функции показаны на рис. 2. Таким образом, поток данных избегает узких мест процессора перед передачей в ускоритель ядра графического процессора, так что в целом задержка обработки уменьшается. ПЛИС также может предложить гораздо более низкое время задержки обработки, чем ядро графического процессора, даже независимо от узких мест ввода/вывода. Хорошо известно, что ядра графических процессоров для эффективной работы должны обрабатывать многие тысячи потоков из-за чрезвычайно длинных задержек при вводе и выводе из памяти и даже между несколькими ядрами графического процессора. По сути, ядро графического процессора должно обработать множество операций, чтобы удержать ядра процессора от потери скорости обработки при ожидании данных, что приводит к очень длительному времени задержки для любой конкретной задачи.

ПЛИС использует вместо этого архитектуру «крупнозернистого параллелизма», с помощью которой создается множество оптимизированных и параллельных трактов данных, каждый из которых выдает один результат за один временной цикл. Количество трактов данных зависит от ресурсов ПЛИС, но, как правило, их гораздо меньше, чем количество ядер графического процессора. Тем не менее каждый тракт данных имеет гораздо более высокую пропускную способность, чем ядро графического процессора. Основное преимущество такого подхода заключается в низкой временной задержке, критическом значении для производительности во многих приложениях. Еще одно преимущество ПЛИС состоит в гораздо более низком энергопотреблении, в результате чего резко снижено соотношение GFLOPs/Вт. Измерения производительности ПЛИС с использованием прототипной платы показывают 5–6 GFLOPs/Вт для таких алгоритмов, как алгоритм Холецкого и QR-разложение, и около 10 GFLOPs/Вт для простых алгоритмов, таких как быстрое преобразование Фурье. Измерения энергоэф-

фективности графического процессора найти гораздо труднее, но с использованием ядра графического процессора с производительностью 50 GFLOPs с алгоритмом Холецкого и среднего потребления энергии в 200 Вт получается 0,25 GFLOPs/Вт, что в двадцать раз больше энергии, потребленной на полезный FLOPs. Для бортовой самолетной РЛС или станции, установленной на автомобиле, размер, вес и потребляемая мощность (SWaP) имеют первостепенное значение. Можно легко представить себе радиолокационный пеленг беспилотников производительностью в десятки TFLOPs в будущих системах. Доступная величина вычислительной мощности коррелирует с допустимым разрешением и охватом современной РЛС. Сопоставленный тракт данных OpenCL и DSP Builder используют технологию, известную как «сопоставленный тракт данных» (рис. 3), где операции с плавающей запятой осуществляются в целях резкого сокращения количества требуемых многорегистровых схем циклического сдвига, что, в свою очередь, позволяет осущест-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ПЛИС

компоненты

133

Эта неспособность обусловлена требованиями того, что разные ядра должны передавать данные через локальную память (для связи друг с другом), тем самым уменьшая гибкость в соединениях архитектуры ПЛИС. Подход «сопоставленный тракт данных» генерирует результаты, которые являются более точными, чем обычные результаты с плавающей запятой стандарта IEEE 754, как показано в таблице 3.

Рис. 4. Оптимизация скалярного произведения векторов

влять встраивание с использованием ПЛИС для крупномасштабного и высокопроизводительного программирования с плавающей запятой. Для уменьшения частоты реализации многорегистровой схемы циклического сдвига процесс синтеза ищет возможности компенсации потребности в частой нормализации и денормализации с помощью большей ширины мантиссы. Возможность использования фиксированных множителей 2727 и 3636 допускает бóльшие множители, чем 23 бит, необходимые для реализаций одинарной точности, а также создание множителей 5454 и 7272 допускает бóльшие множители, чем 52 бита, необходимые для реализаций двойной точности. Для реализации больших схем суммирования с фиксированной запятой, с включением встроенных схем ускоренного переноса, логика ПЛИС оптимизируется. Там, где требуется нормализация и денормализация, альтернативным способом является использование мультипликаторов, что позволяет избежать низкой производительности и чрезмерной маршрутизации. Для мантиссы одинарной точности в 24 бита (включая знаковый бит) множитель 2424 сдвигает ввод путем умножения на 2n. Опять же, возможность использования фиксированных множителей 2727 и 3636 позволяет применять расширенные размеры мантиссы в реализациях одинарной точности и может быть использована для создания размеров множителя для реализаций двойной точности. Скалярное произведение векторов является операцией, потребляющей основную часть производительности в FLOPs, и используется во многих алгоритмах линейной алгебры. Реализация скалярного произведения векто-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

ров одинарной точности длиной 64 потребует 64 множителя с плавающей запятой, с последующим суммированием на 63 сумматорах с плавающей запятой. Такая реализация потребует большого количества многорегистровых схем циклического сдвига. Вместо этого выходы 64 множителей можно денормализовать до общего показателя, самого крупного из 64‑х. Затем эти 64 выхода можно суммировать с помощью схемы суммирования с фиксированной запятой и окончательной нормализацией в конце. Эта операция с плавающей запятой в локализованном блоке обходится без промежуточной нормализации и денормализации, необходимой для каждого отдельного суммирования, и показана на рис. 4. Даже при операции с плавающей запятой стандарта IEEE 754 число с наибольшим показателем определяет показатель в конце, поэтому это изменение просто перемещает выравнивание показателя к более ранней точке в расчете. Однако при обработке сигнала лучшие результаты получаются при наиболее точном выполнении округления результатов в конце расчета. Такой подход компенсируется путем использования наибольшей ширины бита мантиссы сверх того, что требуется при операции с плавающей запятой одинарной точности, как правило, 27–36 бит. Расширение мантиссы выполняется множителями с плавающей запятой, чтобы устранить необходимость нормализации произведения на каждом этапе. Этот подход может также давать один результат за один временной цикл. Архитектуры ядра графического процессора могут производить все операции умножения с плавающей запятой параллельно, но не могут эффективно выполнять параллельное суммирование.

Размер комплексной входной матрицы (n×n)

Векторное множество

Ошибка при использовании MATLAB. Настольный компьютер

Ошибка при использовании DSP Builder Advanced Blockset с генерацией RTL

Таблица 3. Точность разложения Холецкого (одинарная точность)

360×360 60×60 30×30

50 100 100

2,1112×10–6 2,8577×10–7 1,5488×10–6

1,1996×10–6 1,3644×10–7 9,0267×10–8

Эти результаты были получены путем реализации обращения большой матрицы с использованием алгоритма разложения Холецкого. Этот же алгоритм был реализован тремя различными способами: • в MATLAB+Simulink при операции с плавающей запятой одинарной точности стандарта IEEE 754; • в RTL при операции с плавающей запятой одинарной точности, используя подход «сопоставленный тракт данных»; • в MATLAB при операции с плавающей запятой двойной точности. Реализация двойной точности точнее примерно в один миллиард раз (109), чем реализация одинарной точности. Сравнение ошибок, полученных в MATLAB с одинарной точностью, в RTL с одинарной точностью и в MATLAB с двойной точностью, подтверждает достоверность подхода сопоставленного тракта данных. Этот подход продемонстрирован для нормализованной ошибки во всех сложных элементах в выходной матрице и матричного элемента с максимальной погрешностью. Суммарная ошибка или норма рассчитывается с использованием нормы Фробениуса:

Поскольку норма включает ошибки всех элементов, то она часто бывает много больше, чем отдельные ошибки. Кроме того, инструменты потоков DSP Builder Advanced Blockset and OpenCL со всей очевидностью поддерживают и оптимизируют принятые методы расчета для архитектуры ПЛИС следующего поколения. Пиковую производительность в 100 GFLOPs/Вт можно ожидать благодаря архитектурным технологическим инновациям. www.kite.ru

компоненты

134

Заключение Высокопроизводительные РЛС получили теперь новые процессорные платформы. В дополнение к значительно улучшенному SWaP, ПЛИС может обеспечить меньшее время ожидания и более высокую производительность в GFLOPs, чем решения на базе процессоров. Эти преимущества будут еще более явными с введением нового поколения ПЛИС, оптимизированного для высокопроизводительных вычислений. Компилятор OpenCL корпорации Altera обеспечивает почти прямой путь программистам ядра графических процессоров для оценки достоинства этой новой архитектуры обработки сигнала. Язык программирования OpenCL 1.2 совместим с полным

новости

ПЛИС

набором математической библиотеки поддержки. Это позволяет абстрагироваться от традиционных проблем ПЛИС по времени свертывания, управления памятью DDR и сопряжения с хост-процессором PCIe. Для разработчиков безъядерных графических процессоров корпорация Altera предлагает инструмент потока DSP Builder Advanced Blockset, который позволяет разработчикам осуществлять DSP-программирование с высоким f max и фиксированной или плавающей запятой, сохраняя при этом преимущества моделирования на основе Mathworks и среды разработки. Этот инструмент использовался в течение многих лет разработчиками РЛС с использованием ПЛИС для более производительного рабочего процесса и модели-

рования, который дает ту же производительность fmax, как и ручное программирование в коде HDL. n

Литература 1. Получение одного TFLOPs на ПЛИС с технологией 28 нанометров. www.altera.com/literature/ wp/wp‑01142‑teraf lops.pdf 2. Depeng Yang, Junqing Sun, Jun Ku Lee, Getao Liang, David D. Jenkins, Gregory D. Peterson, and Husheng Li. Сравнение производительности разложения Холецкого на графическом процессоре и ПЛИС. http://saahpc.ncsa.illinois.edu/10/ papers/paper_45.pdf 3. Реализация программирования ПЛИС языком OpenCL Standard. www.altera.com/literature/wp/ wp‑01173‑opencl.pdf

источники питания

Радиационно-стойкие 120‑Вт DC/DC-преобразователи для систем электроснабжения космических аппаратов со 100‑В шиной напряжения Компания International Rectifier (IR) объявила о начале поставок радиационно-стойких DC/DCпреобразователей серии GHP, предназначенных для работы в системах электропитания космических аппаратов (КА) со стабилизированным промежуточным напряжением постоянного тока 100 В. Устройства планируются к применению в системе электроснабжения универсальной спутниковой платформы и будут использоваться для создания спутников нового поколения. Преобразователи серии GHP100 выполнены по однотактной прямоходовой структуре с фиксированной частотой переключения (450–550 кГц) силового транзистора и трансформаторной развязкой в контуре обратной связи; на входе установлен помехоподавляющий фильтр, в котором применяются многослойные керамические конденсаторы, прошедшие жесткий входной контроль для обеспечения оптимальной надежности. Применение двухзвенной фильтрации обеспечивает снижение уровня помех во входных и выходных шинах, генерируемых преобразователем. Функция дистанционного включения/отключения и вход/выход сигнала синхронизации позволяют легко объединять эти модули в более мощные энергетические системы. Основание корпуса выполнено из сплава AlSiC (алюминий с карбидом кремния), а кольцевой шпангоут — из железноникелевого справа (Alloy 48) для минимизации массы и обеспечения повышенной жесткости конструкции. Крышка выполнена из кобальт-никелевого сплава (ковар). Краткие технические характеристики серии GHP100: • диапазон входного напряжения 65–110 В; • предельная накопленная доза >100 крад (Si), типовое значение 150 крад (Si);

• гарантируется отсутствие одиночных эффектов при пороговых линейных потерях энергии (ЛПЭ) иона до 82 МэВ∙см2/мг; • выходная мощность до 120 Вт; • одно- и двухканальные модели с выходными напряжениями 5; 12; 15; ±12 и ±15 В; • КПД до 87%; • диапазон рабочих температур –55…+125 °C (рекомендуемая температура корпуса); • диапазон температур хранения –55…+135 °C; • гальваническая развязка между первичной и вторичной цепью 200 В (постоянный ток), сопротивление изоляции 100 МОм;

• масса преобразователя менее 110 г; • габаритные размеры корпуса (Ш×Г×В) — 76,2×50,8×12,07 мм. Сервисные функции модулей серии GHP100: блокировка при пониженном входном напряжении, защита от короткого замыкания и перегрузки, дистанционное включение/отключение, входы для сигнала синхронизации частоты преобразования, выход сигнала синхронизации, регулировка выходного напряжения (для одноканальных моделей), возможность подключения внешней обратной связи. www.prosoft.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

компоненты

136

микроконтроллеры

Ящерицы и микроконтроллеры EFM32 Gecko: что общего?

Ксения Кондрашова xk@efo.ru

Компания Silicon Labs предлагает на российском рынке микроконтрол‑ леры семейства EFM32 Gecko — несколько серий энергоэффективных кристаллов, построенных на базе ядер Cortex-M0, Cortex-M3 и Cortex-M4. Название Gecko («геккон») появилось не случайно. Что же объединяет семейство ящериц и микроконтроллеры EFM32 Gecko?

дея названия Gecko возникла у одного из ведущих менеджеров компании Energy Micro, на сегодняшний день входящей в состав Silicon Labs. В одной из телевизионных программ, посвященной жизни рептилий, он услышал об уникальных способностях ящериц сохранять энергию. По сравнению с млекопитающими того же размера, гекконы для поддержания жизнедеятельности потребляют в 10 раз меньше энергии, а энергопотребление микроконтроллеров Gecko в среднем составляет 25% от аналогичных показателей других 32‑разрядных микроконтроллеров с ARM-ядром. Благодаря замеченному сходству и появился бренд EFM32 Gecko. Между технологиями, заложенными в кристаллы EFM32 Gecko для снижения энергопотребления, и некоторыми особенностями строения ящериц можно провести интересные параллели. Подобно рептилиям, способным останавливать рост, регулировать собственные биоритмы, а также практически прекращать жизнедеятельность в неблагоприятных условиях, микроконтроллеры Gecko поддерживают различные режимы энергосбережения и комплекс технологий, направленных на оптимизацию энергопотребления кристалла. Таблица 1. Процессорное ядро и периферия в различных режимах энергосбережения EM0

EM1

EM2

EM3

EM4

Ток потребления*, мкА/МГц

114–200

45–67

0,9–1,1

0,5–0,9

Процессорное ядро

–

– высокочастотные тактовые генераторы; – регулятор напряжения; – интерфейс отладки; – интерфейс внешней памяти; – блок аппаратного шифрования; – интерфейсы UART/USART; – АЦП; – таймеры/счетчики.

–

– низкочастотные тактовые генераторы; – малопотребляющий интерфейс UART; – интерфейс USB; – Flash-память; – контроллер ЖКИ; – контроллер DMA.

–

– малопотребляющий таймер; – часы реального времени; – рефлексная система периферии.

опционально

–

– сохранение данных в ОЗУ; – интерфейс аналоговых датчиков; – аппаратный счетчик импульсов; – аналоговый компаратор; – сторожевой таймер; – контроллер внешних прерываний; – монитор питания; – интерфейс I2C; – токовый ЦАП.

–

– аппаратный сброс; – линия сброса; – сохранение состояний линий ввода/вывода; – часы реального времени блока Backup.

Режимы энергосбережения Для многих рептилий характерен анабиоз — временное состояние организма, при котором жизненные процессы существенно замедляются, а видимые признаки жизни отсутствуют. Ящерицы переходят в такое состояние при сильном ухудшении условий существования и практически не расходуют энергию, пребывая в состоянии «мнимой смерти», пока внешняя среда вновь не станет благоприятной для их жизнедеятельности. Весьма широкий спектр электронных устройств, реализованных с применением микроконтроллеров, предполагает, что управляющий контроллер значительную часть времени не задействован в работе системы, но должен начинать выполнять какие-либо действия при наступлении определенного события. Именно поэтому в борьбе за снижение энергопотребления устройства в различных типовых приложениях (бытовых счетчиках, измерительных приборах, в портативной технике и т. п.) от микроконтроллера требуется поддержка своеобразного анабиоза. Для оптимизации энергопотребления кристалла производители микроконтроллеров предусматривают различные режимы энергосбережения. Режим «самого глубокого сна» микроконтроллеров семейства EFM32 Gecko позволяет кристаллу потреблять не более 20 нА/МГц, работа всех периферийных модулей в этом режиме приостанавливается до получения внешнего прерывания, сигнала от монитора питания или до аппаратного сброса МК. Всего у микроконтроллеров EFM32 предусмотрено пять режимов энергосбережения, каждый из которых характеризуется определенными показателями энергопотребления и набором периферийных модулей, доступных для активации в данном режиме (табл. 1).

Время «пробуждения»

Примечание. * — ток потребления зависит от серии EFM32 Gecko.

Вы обращали внимание на скорость, с которой ящерицы захватывают добычу? Проводящим большую часть времени в неподвижном состоянии ящерицам требуются доли секунды для прыжка и поглощения жертвы. Подобно гекконам, микроконтроллеры EFM32 способны за предельно короткое время переключаться между режимами энергосбережения и режимом активной работы. Поскольку в критичных к энерго- потреблению приложениях переходы между различными режимами работы могут происходить довольно часто, а время переключения фактически тратится контроллером впустую, такой параметр, как время «пробуждения», может оказаться одним из определяющих при выборе кристалла. В таблице 2 представлены значения данного параметра для каждого из доступных режимов. Малое время «пробуждения» позволяет разработчику не экономить на переходах и наиболее эффективно использовать возможности режимов энергосбережения, предусмотренных в EFM32 Gecko.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

микроконтроллеры

компоненты

137

Таблица 2. Время пробуждения EFM32 из режимов сна Режим энергосбережения

Время на переход в активный режим, мкс

EM0

–

EM1

EM2

EM3

EM4

160

Рефлексная система периферии

Рисунок. Пример взаимодействия периферийных блоков через рефлексную систему периферии (PRS)

жет быть напрямую передан блокам АЦП, ЦАП, таймеру-счетчику, малопотребляющему интерфейсу датчиков, счетчику импульсов, UART или USART. Разработчику доступно до двенадцати каналов PRS, с использованием которых может быть реализован ряд алгоритмов для решения простых задач управления. Процессорное ядро используется только на этапе настройки рефлексной системы периферии и ее использование позволяет в дальнейшем экономить как энергию источника питания, так и память кристалла. Помимо «природных» свойств, унаследованных от гекконов, в кристаллах EFM32 реализован ряд специальных технологий для снижения энергопотребления. Среди них можно отметить интерфейс аналоговых датчиков и аппаратный счетчик импульсов, работа которых не требует участия процессорного ядра. Можно выделить также доступный в различных режимах сна модуль мониторинга напряжения питания и малое энергопотребление некоторых типовых периферийных модулей (последовательных интерфейсов, таймеров/счетчиков, АЦП и ЦАП).

«Эволюция» EFM32 Gecko, или Вместо заключения Сегодня науке известно несколько сот видов гекконовых ящериц. В процессе эволюции рептилии приобретали различные размеры, изменяли окрас, внутреннее строение тела и в результате приспособились к жизни в самых разных условиях: некоторые виды обитают в пустынях, другие в тропических лесах или даже в горах, на высоте до 4000 м над уровнем моря. В линейке EFM32 Gecko насчитывается более двухсот энергоэффективных микроконтроллеров, среди которых можно подобрать кристалл с необходимым для конкретной задачи набором периферии, подходящей производительностью и ценой. Направление активно развивается, уже в этом году ожидается выход новых серий Gecko. Представители линейки EFM32 Gecko эволюционируют вместе с потребностями рынка, последовательно расширяя круг задач, где использование этих кристаллов является оптимальным. n

Рассмотрим другое примечательное сходство представителей гекконовых ящериц с одноименными микроконтроллерами. В основе поведения рептилий преобладают безусловные рефлексы. Можно сказать, что чаще всего поведение ящериц в конкретной ситуации определяется не принятым в мозгу рептилии решением, а по заранее известному алгоритму при наступлении определенного события. Так в пустыне, в часы сильного нагрева песка, почувствовав изменение температуры поверхности, ящерицы всегда перемещаются в тень или на ветки кустарников, где температура значительно ниже. Ящерица не оценивает ситуацию, не принимает решения, ее действия продиктованы исключительно рефлексами. Как и в нервной дуге, по которой нервный импульс проходит от рецептора на лапках ящерицы к исполнительным органам, минуя головной мозг, в микроконтроллерах семейства EFM32 Gecko разработчик может настроить работу периферийных модулей без участия процессорного ядра. Для организации прямых связей между периферийными блоками служит рефлексная система периферии (Peripheral Reflex System, PRS) (рисунок). В качестве триггеров могут выступать аналоговый компаратор, АЦП, ЦАП, таймеры-счетчики, линии ввода/вывода, мало- потребляющий интерфейс датчиков, компаратор напряжения питания, интерфейсы USB, UART и USART. Сигнал, сгенерированный на одном из перечисленных блоков, мо-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

138

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

блоки питания

139

Эволюция и преемственность источников питания Для того чтобы оставаться лидером рынка промышленных источников питания, приходится развиваться и совершенствоваться вместе с ростом и усложнением требований индустрии. При этом существует важное и принципиальное отличие от потребительского или бытового сегмента.

Николай Лишманов Nikolay.l@tdk-lambda.ru

ромышленные проекты и системы предназначены для весьма длительного использования и предполагают периодическое обслуживание. Поэтому, если средний потребитель выбрасывает свой устаревший мобильный телефон через 2–4 года после покупки, то промышленные системы функционируют десятилетиями и по нескольку раз ремонтируются и модернизируются, пока окончательно не становятся непригодны для решения текущих задач и не доживают свой век в лабораториях технических вузов. Таким образом, существует определенный парадокс: система работает дольше, чем она работает. И ее компоненты, соответственно, тоже. Никто не торопится списывать или менять отжившее и пережившее все мыслимые сроки оборудование и порой искренне удивляется отказу того или иного его узла.

В то же время развитие полупроводниковых и пассивных компонентов значительно опережает темпы старения промышленных комплексов. То есть изготовитель отдельных составляющих просто не может продолжать выпускать оборудование, поскольку его ключевые элементы уже сняты с производства или заменены более современными, эффективными и, как правило, еще более дешевыми. Но каждые два года мало кто будет заново проектировать, скажем, систему управления молокозаводом или линию автоматического тестирования просто потому, что появились новые контроллеры, актуаторы, источники питания. Исходя из этих соображений, в области промышленных источников питания рождается такой важный аспект конструирования новых моделей и линеек, как преемственность. Другими словами, это способность полноценной за-

мены устаревшей линейки на обновленную, с минимальными изменениями и без потери в ключевых характеристиках устройства. Выход новых моделей не всегда связан с усложнением и внедрением новых функций источников. Часто, напротив, появление усовершенствованной элементной базы, быстрых транзисторов, эффективных ферритов и продвинутых методов расчета позволяет вернуться к более простой схемотехнике, применение которой на старых компонентах рождало больше проблем, чем преимуществ. Кроме того, в последние годы автор нередко получал запросы о возможности заменить вышедший из строя источник питания TDKLambda, настолько давно снятый с производства, что даже первоначально рекомендованные варианты тоже ушли в прошлое, уступив место более современным аналогам. Поэтому задача данной статьи — познакомить читателя с несколькими примерами преемственности поколений в линейке AC/DC-преобразователей производства TDK-Lambda. А в будущих материалах — регулярно информировать разработчиков систем и инженеров по ремонту и обслуживанию о развитии и рациональном переходе между сериями наиболее популярных и широко применяемых линеек блоков питания.

Источники питания для монтажа на DIN-рейку а

Рис. 1. Источники питания для монтажа на DIN-рейку: а) DLP75; б) DLP240; в) DPP120; г) DPP100; д) DPP240

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Самой массовой линейкой источников питания в ассортименте продукции TDKLambda являются источники питания для монтажа на DIN-рейку. Они находят широкое применение в промышленной автоматизации, системах безопасности, учета, «умных домах». Наиболее старая из выпускаемых сегодня серий для монтажа на DINрейку — классическая серия DLP. И несмотря на неширокий выбор моделей как по номинальной мощности, так и по выходному напряжению, она снискала заслуженную популярность благодаря своей надежности и безотказности. Тем не менее большинство номиналов серии DLP сегодня могут быть эффективно заменены моделями серии DPP, www.kite.ru

блоки питания

140

при большей мощности, чем у ближайшей модели DLP.

Таблица 1. Сравнение модели DLP, не имеющей прямых аналогов Модель

DLP75-24-1/E

DPP100-24

DPP120-24-1

Отличие DPP

Мощность, Вт Диапазон рабочих температур, °С Номинальный КПД, % Выход состояния DC-OK

100 –10…+71 87 Нет, только индикация Переключатель single-parallel

120 –40…+71 86 Есть, только 24 В Переключатель single-parallel

Рассмотрены более мощные модели Шире, особенно для DPP в металле Выше эффективность Дополнительная диагностика

Параллельный режим

75 –10…+60 83 Нет, только индикация Через дополнительный блок

Размеры, мм

50×97×110

73×97×75

64×116×125

Относительная разница в розничной цене

1×

0,7×

0,8×

У DPP100 на 36% выше плотность мощности Дешевле даже при большей мощности

Гибкость системы

Таблица 2. Сравнение аналогичных моделей серий DLP и DPP Модель

DLP240-24-1/E

DPP240-24-1

Отличие DPP

Мощность, Вт Диапазон рабочих температур, °С Номинальный КПД, % Выход состояния DC-OK Параллельный режим Размеры, мм Относительная разница в розничной цене

240 –10…+60 86 Нет, только индикация Через доп. блок 120×97×110 1×

240 –40…+71 89 Есть, только 24 В Переключатель single-parallel 83×116×125 0,5×

В полтора раза шире Выше эффективность Дополнительная диагностика Гибкость системы На 7% компактнее Почти вдвое дешевле

что позволит не только сэкономить (при прочих равных DPP дешевле), но и получить ряд технических преимуществ. Серия DLP Эта серия состоит (рис. 1а, г) исключительно из источников с выходным напряжением 24 В (с возможностью регулировки) и представлена номинальными мощностями 75, 100, 120, 180 и 240 Вт. Металлической корпус серии имеет 110 мм в высоту, 97 мм в глубину (от DIN-рейки). Ширина корпуса различна для разных мощностей и составляет 50 мм (75 Вт), 60 мм (100 и 120 Вт), 80 мм (180 Вт) и 120 мм (240 Вт). Номинальный КПД от модели к модели лежит в диапазоне 83–87% при 220 В AC напряжения питания, а диапазон рабочих температур составляет от –10 до +60 °C. Для включения в параллель используется дополнительный защитный блок DLP-PU. Серия DPP Данная серия (рис. 1б, в, д) в целом делится на три основные группы: • DPP в пластике — мощностью от 15 до 100 Вт; • DPP в металле, однофазные — мощностью от 120 до 480 Вт. • DPP в металле, трехфазные — мощностью от 120 до 960 Вт с питанием от трехфазной сети 380 В AC. Серия DPP также имеет варианты по номинальным выходным напряжениям — 5, 12, 15, 24 и 48 В. Но, безусловно, наиболее применимым является напряжение 24 В, несколько реже 12 и 48 В. Поскольку модели серии DLP не везде имеют прямое пересечение по номинальным параметрам c DPP, рационально привести в таблицах 1 и 2 сравнение двух моделей DLP — имеющей и не имеющей прямого аналога по мощности в серии DPP. Таким образом, можно рассмотреть вопрос обосно-

ванности использования для решения одних и тех же задач заведомо более мощных моделей из числа более современных источников. Подробное сравнение других номиналов читатель легко проведет самостоятельно, в таблицах 1 и 2 представлена лишь общая идея. Подводя итог, можно сказать, что при прочих равных DPP обладают меньшим тепловыделением, работают в значительно более широком диапазоне температур, компактнее, лучше оснащены и гораздо дешевле даже

AC/DC-преобразователи в экранирующем кожухе Одни из самых широко и повсеместно используемых типов источников питания — это AC/DC-преобразователи в экранирующем кожухе (рис. 2). Они находят применение в самых различных областях промышленности: от светодиодных линеек до термоядерных реакторов и от горнодобывающих комплексов до систем безопасности. Среди десятков серий, выпускаемых TDKLambda, с различными специфическими параметрами и уникальными особенностями, наиболее универсальными являются линейки SWS, LS и самая новая — CS. Серия LS Серия LS, выпущенная TDK-Lambda в ответ на потребность в источниках повышенной надежности для бюджетного сегмента, принципиально делится на две группы. Первая — от 25 до 150 Вт с фильтром гармоник и пассивным охлаждением, и вторая, LS200, — источники от 150 до 200 Вт с активным корректором, принудительным охлаждением и дополнительным функционалом — логическим включением/отключением и удаленной обратной связью. Источники выполнены в классической компоновке — Г‑образный

Рис. 2. AC/DC-преобразователи в экранирующем кожухе: а) новая серия CS; б) бюджетные источники серии LS; в) промышленные источники серии SWS

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

блоки питания

Таблица 3. Сравнение моделей серий CS и LS малой мощности Модель

LS35-24

CS35-24

Отличие CS

Мощность, Вт Диапазон рабочих температур, °С Ном. КПД, % Напряжение питания, В AC Выдерживает 300 В AC Корректор Размеры, мм Относительная разница в розничной цене

36 –25…+70 84 88–264 5c пассивный 99×82×36 1,4×

36 –30…+70 88 85–265, работоспособен до 280 длительно пассивный 99×80×36 1×

– Шире Ниже нагрев Шире Надежнее – Компактнее Дешевле

Таблица 4. Сравнение аналогичных моделей серий CS, SWS и LS Модель

LS150-24

SWS150-24

CS150-24

Отличие CS

Мощность, Вт Диапазон рабочих температур, °С Ном. КПД, %

156 –25…+70 84 88–132, 176–264, переключатель 5c пассивный 198×99×38 1,3×

151 –10…+60 85

156 –20…+70 88

– Шире SWS, близок к LS Наиболее эффективный

85–265

176–265

Нет диапазона 110 В AC

– активный 198×99×51 2,7×

длительно пассивный 159×97×40 1×

Надежнее – Значительно компактнее Дешевле

Напряжение питания, В AC Выдерживает 300 В AC Корректор Размеры, мм Относительная разница в розничной цене

Таблица 5. Сравнение моделей серий CS и SWS высокой мощности Модель

SWS600-24

SWS600-24/L

CS600-24

Мощность

600 Вт

–

Диапазон рабочих температур, °С

–10…+65

–20…+70

Шире SWS, уже SWS/L

Ном. КПД, % Напряжение питания, В AC Выдерживает 300 В AC Корректор

84 85–265 – активный

648 Вт –20…+74, запуск от –40 84 85–265 – активный

87 176–265 длительно пассивный

Размеры, мм

190×120×92

190×120×61

247×120×65

Относительная разница в розничной цене

2,6×

2,9×

1×

Наиболее эффективный Нет диапазона 110 В AC Надежнее – Объем на 9% меньше SWS, но больше SWS/L Дешевле

профиль из полированного алюминия (совмещающий роль шасси и теплоотвода) и защитный кожух из перфорированной никелированной стали. В торцевой части блока — клеммная колодка входов/выходов. Удобно, что все модули серии тоньше 1U, то есть хорошо подходят для встраивания в стоечные блоки. Номинальные мощности в серии — 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200 Вт. Доступные выходные напряжения (с возможностью подстройки) — 3,3; 5; 7,5; 12; 15; 24; 36 и 48 В DC. Серия SWS Широкая линейка промышленных источников мощностью от 50 до 1000 Вт предлагается с выходными напряжениями 3,5; 5; 7,5; 12; 15; 18; 24; 28; 36; 48 и 60 В. Модели SWS на 50 и 75 Вт оснащены входным фильтром гармоник, а все, что мощнее, — 100, 150, 300, 600 и 1000 Вт — активным корректором коэффициента мощности. Удаленная обратная связь и логическое управление доступны для SWS600 и SWS1000. Серия CS Самая свежая на сегодня линейка AC/DCпреобразователей данного форм-фактора была специально создана и оптимизирована для систем повышенной надежности, для которых, однако, цена является критически важным показателем. В серии было принято решение отказаться от активного ККМ, внешнего лоска

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Отличие CS

(кожух — оцинкованный, алюминий — только шлифовка) и переключения на 110 В (в моделях мощнее 100 Вт) в пользу повышения надежности и КПД, снижения цены и габаритов. Кроме того, линейка значительно облегчена. В нее вошли только самые популярные промышленные номиналы. Для блоков каждой типовой мощности 35, 50, 100, 150, 300 и 600 Вт доступно всего три номинала напряжения — 5, 12 и 24 В. Зато блоки гарантированно работают от –30 °C, компактны и способны длительно выдерживать 300 В AC на входе без повреждения. Напряжение, являющееся испытательным (на 2–5 с) для большинства аналогичных блоков на рынке, CS могут выдерживать неограниченное время, что особенно актуально для работы в сетях с плохим качеством электроэнергии. Для сравнения моделей CS (табл. 3–5) разумно выбрать три номинала: • малой мощности, аналогом которому будет только LS; • «стыковый» — популярный номинал по мощности и напряжению, присутствующий во всех трех линейках; • в диапазоне высоких мощностей, где CS может рассматриваться в качестве альтернативы модели SWS. Итак, серия CS в некоторых случаях лишена дополнительных функций, в некоторых случаях проигрывает отдельным параметрам предыдущих линеек. Но если данные факторы

141

не имеют критического значения в конкретном применении, то экономическая выгода значительно перевешивает частные недочеты. Кроме того, в ряде случаев CS выигрывает и по параметрам, а по значениям номинального КПД уверенно держится в лидерах.

AC/DC-преобразователи c горячей заменой Сегмент систем резервируемого питания все более востребован. В последнее десятилетие, с развитием элементной базы и технологий DC/DC-преобразователей, топология с промежуточной шиной питания постоянного напряжения используется все чаще. Причем растет потребление систем, возможности масштабирования, и вместе с тем снижаются габариты. Создание той самой промежуточной шины из сетевого напряжения и гарантированное ее поддержание независимо от внешних факторов — главная задача так называемых front-end-источников питания (рис. 3). А внешние факторы — это и взаимное влияние потребителей, работающих от общей шины, и изменения напряжения сети, и его аварийное пропадание, и температура окружающей среды. И если от полного пропадания напряжения в сети спасти может только аккумуляторная батарея, так или иначе сопряженная с этой шиной, то все остальные беды и напасти приходятся именно на AC/DCпреобразователь. Для увеличения надежности такие преобразователи параллельно собираются в массив, причем каждый из них может быть оперативно введен или выведен из системы без отключения питания общей шины. Отсюда и понятие «блоки с горячей заменой», или зарубежное — Hot-Swap. Серия FPS Некогда самая передовая серия блоков с горячей заменой на рынке была настолько популярна и сбалансирована, что нажила подражателей и даже почти полные копии (что касается совместимости, конечно, но никак не рабочих характеристик). Каждый блок FPS габаритной мощностью около 1 кВт выпускается с одним главным выходным напряжением 12, 24, 32 или 48 В. В специальное шасси (корзину), монтируемое в стойку 19″ и имеющее в высоту 1U, может быть установлено до трех блоков FPS. То есть блоки FPS (рис. 3а) позволяют получить приведенную мощность до 3 кВт/1U. Серия TH/TX Появившиеся в ответ на требования к системам особого применения, серии TH/TX (рис. 3б) хотя и демонстрировали принципиально иной уровень плотности мощности и более высокий КПД, все же оставались выбором инсталляторов с весьма специфическими требованиями и были достаточно дороги. Особенностью блоков TH/TX, например, является способность работать при темпераwww.kite.ru

блоки питания

142

турах от –40 °C. Однако практический опыт автора показывает, что, во‑первых, в 80% применений (информационные технологии) в серверной не бывает минусовых температур, а в оставшихся 20% — разница в цене позволяет не только звено питания, но и вообще всю систему установить в климатический шкаф, получив к тому же существенную экономию. Блоки TH выпускаются с габаритной мощностью 1200 Вт и номинальными напряжениями 12, 24 и 48 В и 2500 Вт с номинальным напряжением 48 В, позволяют устанавливать до четырех источников в корзину высотой 1U. Таким образом, система имеет характеристику плотности мощности порядка 4,8 кВт/U или 10 кВт/U. Блоки TX — более мощная линейка высотой 2U, выпускается с габаритной мощностью 3750 Вт (24 В), 5000 Вт (48 В) и 7500 Вт (48 В), позволяет устанавливать до трех блоков в корзину высотой 2U. То есть система имеет характеристику плотности мощности порядка 5,6 кВт/U, 7,5 кВт/U и 11,2 кВт/U. Серия HFE С а м а я с о в р е м е н н а я с е р и я AC / D C преобразователей c горячей заменой от TDKLambda (рис. 3в). Яркий пример того, как классическая топология получает второе рождение благодаря новым методам расчета и передовой элементной базе. Дело в том, что в серии HFE инженерам удалось стабилизировать двухфазный резонансный режим главного преобразователя за счет гибкой работы предыдущего и последующего каскадов в единой логически согласованной системе. В итоге получился исключительно высокоэффективный, компактный, надежный и недорогой блок. К тому же с очень низким уровнем электромагнитного излучения благодаря самой природе схемотехники, реализованной в нем. На сегодня в серии две основные габаритные мощности: HFE1600 — блоки с типовой мощностью 1600 Вт и номинальными напряжениями 12, 24, 32 и 48 В, позволяют устанавливать до пяти источников в корзину высотой 1U; HFE2500 — блоки с типовой мощностью 2500 Вт и номинальными напряжениями 12, 24 и 48 В, позволяют устанавливать до четырех источников в корзину высотой 1U. Таким образом, система имеет характеристику плотности мощности порядка 8 кВт/U и 10 кВт/U соответственно.

Рис. 3. AC/DC-преобразователи c горячей заменой серий: а) FPS; б) TH; в) HFE

Критически важными требованиями телекоммуникационной индустрии, как главного потребителя блоков с горячей заменой, на сегодня являются: • Высокий КПД. Если разница в тепловыделении каждого отдельного блока в несколько ватт — величина, зачастую малозаметная, то в случае с системами большой мощности возникают совершенно новые проблемы. Один серьезный дата-центр — это десятки, а то и сотни киловатт установленной мощности. Ведь, с одной стороны, система вентиляции и кондиционирования имеет свой предел, а с другой — такой предел есть и у самих стоек оборудования, система кондиционирования которых способна рассеять лишь определенное количество мощности. Кроме того, счета за электричество для владеющей компании — весомая часть затрат по содержанию серверного центра, и платить за теплый воздух, как правило, желания не возникает. В связи с этим даже появилась некоммерческая сертификация 80+, располагающая реальными испытаниями и собственной базой данных источников высокой эффективности для информационных технологий. На сегодня, к примеру, в этой базе всего один источник в мире с уровнем эффективности 80+ Titanium.

Таблица 6. Сравнение серий источников питания с горячей заменой Модель

FPS10048

TH250048

Удельная мощность системы, кВт/U Диапазон рабочих температур, °С

3 0...+70

10 –40…+70

Относительная разница в розничной цене

0,4×

1,7×

1×

–

Удельная стоимость за кВт

1,1

1,7

Высшая экономическая эффективность

Ном. КПД, % Напряжение питания, В AC Регулировка напряжения, В Токоограничение, % Управление

HFE2500-48

Отличие HFE

10 Втрое лучше FPS –10...+70 Шире FPS, но уже TH 93 Наивысший 88 93 80+ Platinum при всех нагрузках 85–265 180–264 85–265 Полный диапазон 43–58 42–56 38,4–58 Самый широкий диапазон 105–125, 120–125, 105–115, Возможность управления нерегулируемое нерегулируемое настраиваемое Аналоговое, Аналоговое, I2C — опция, Аналоговое, – внешняя сетевая карта — опция совместимая с PMBus I2C — опция

И далее, по нисходящей уровня эффективности, следуют классы Platinum, Gold, Silver, Bronze. Причем каждому классу соответствует предельная кривая эффективности, а не только единичное значение в оптимальном режиме. Таким образом, чтобы попасть в классификацию 80+, эффективность источника питания ни в одном режиме не должна быть ниже прописанных в стандарте предельных значений. • Управление. Сегодня системы становятся малообслуживаемыми, а то и вовсе необслуживаемыми, поэтому наличие интерфейса связи и возможность встраивания в систему — требование, необходимое для удаленного конфигурирования, управления, контроля и своевременного определения возможной неисправности. • Плотность мощности, о которой говорилось ранее. • Гибкость, то есть возможность настройки выходного напряжения в зависимости от требований системы. • Режим токоограничения — как залог, с одной стороны, абсолютной надежности при нештатных ситуациях, а с другой — возможности сопряжения с аккумуляторными массивами. • Температурный диапазон. • Цена. Исходя из этих критериев, попробуем сравнить по одному блоку из каждого семейства. Для этого возьмем номинальное напряжение 48 В как самое распространенное. К тому же на больших напряжениях возможно создание блоков с наивысшей эффективностью, соответственно, каждый из сравниваемых (табл. 6) сможет показать наилучший результат, обеспечиваемый в серии. Итак, для подавляющего числа задач в области резервируемого питания блоки серии HFE являются на сегодня оптимальным выбором по сочетанию как технических харак-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

блоки питания

143

теристик, так и экономической целесообразности среди всех решений от TDK-Lambda. Единственное же преимущество, предоставляемое блоками TH/TX, то есть их низкотемпературность, можно получить и значительно меньшей «кровью», применив, например, блоки серии HWS в общепромышленном исполнении.

Программируемые источники питания Программируемые источники питания для TDK-Lambda — предмет особой гордости, да и вообще, самая успешная часть бизнеса компании. Естественно, особое внимание уделяется развитию и совершенствованию в этой области. Не так давно свет увидела передовая линейка программируемых источников питания Z+, задавшая новые стандарты в скорости обработки команд, плотности мощности и возможностях программирования. Поначалу ее выход подразумевался в качестве следующего поколения, а в дальнейшем — замены популярной серии Zup, чье производство стартовало еще в 1999 году. Безусловно, по всем параметрам новое поколение Z+ на две головы выше более ранних серий, если бы не два «но». Во‑первых, серия Z+ оказалась дороже предшественницы. Во‑вторых, серия Zup настолько опережала свое время, что и сегодня для огромного количества задач ее возможности более чем достаточны. Таким образом, слухи о скором снятии серии Zup с производства не только оказались беспочвенными, но, напротив, продажи Zup ощутимо выросли в последнее время. Далее попробуем кратко разобраться, что же в итоге получает покупатель, сделав выбор в пользу классической или новой серии. Серия ZUP Серия ZUP (сокращенное от Zero-Up), представленная на рис. 4а, означает возможность программирования выходного напряжения и тока от нуля до верхнего значения, состоит из трех типовых номиналов по мощности — 200, 400 и 800 Вт. Импульсные источники Zup позволяют формировать «прямо- угольную» характеристику «напряжение-ток» внутри области предельных значений, установленных для каждой модели. Предел напряжения в серии — 120 В (блоки ZUP120-1.8 и ZUP120-3.6 мощностью 200 и 400 Вт соответственно), предел тока — 132 А при напряжении до 6 В (ZUP6-132). Источники серии ZUP выполнены в корпусах, позволяющих как настольное использование, так и монтаж в специальную корзину 19″ высотой 3U. Ширина блоков — 70 мм для 200 и 400 Вт, и 140 мм для 800 Вт. Опционально блоки могут оснащаться клеммами на передней панели, модулем для объединения двух блоков. Программирование осуществляется по встроенным цифровым интерфейсам RS‑232 и RS‑485, аналоговому интерфейсу или с передней панели.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 4. Программируемые источники питания: а) классическая серия ZUP; б) новейшая серия Z+

Серия Z+ Z+ — это новая серия программируемых источников (рис. 4б). Отличается от Zup по ряду параметров. Кроме интерфейса управления, блоки компактнее — высота всего 2U. Z+ имеет на порядок более высокую скорость обработки команд, более

совершенные ЦАП и АЦП, скорость передачи данных, встроенный USB-интерфейс в дополнение к аналоговому и двум последовательным — RS‑232 и RS‑485. Источник впервые имеет не только память настроек, но и память команд, позволяющую запоминать и воспроизводить запрограммиро-

Таблица 7. Сравнение номинальных характеристик ZUP и Z+ мощностью 400 Вт Модель

ZUP 36-12

Z 36-12

Отличие Z+

Выходное напряжение, В Выходной ток, А Номинальный КПД, % Размеры (Ш×В×Г), мм Точность установки напряжения, % Точность установки тока, % Относительная цена

0–36 0–12 84 70×124×350 <0,02 <0,4 1×

– – 85 70×83×350 <0,05 <0,1 2,1×

Эффективнее На треть ниже Точность по напряжению — того же порядка Точность режима CC выше Вдвое дороже

Таблица 8. Сравнение номинальных характеристик ZUP и Z+ мощностью 800 Вт Модель

ZUP 36-24

Z 36-24

Отличие Z+

0–36 0–24 84 140×124×350 <0,02 <0,4 1×

– – 85 70×83×350 <0,05 <0,1 1,6×

Эффективнее На треть ниже, вдвое уже Точность по напряжению — того же порядка Точность режима CC выше В полтора раза дороже

Таблица 9. Сравнение функциональных возможностей ZUP и Z+ Модель

ZUP

Z+

Отличие Z+

RS-232

Есть, задание/считывание всех параметров

–

RS-485

Есть, задание/считывание всех параметров

–

GPIB USB Максимальный Baud-rate LAN

Внешний модуль Нет 19 200 Нет

Опция Есть 57 600 Опция

Не требует внешнего контроллера – – –

Аналоговый

Задание напряжения и тока, вкл./выкл., параллельное включение, выход состояния

Задание и считывание напряжения и тока, режим CV/CC, два программируемых выхода

Есть аналоговое считывание и ряд дополнительных функций

Память состояния Память графиков Язык Параллельное включение Время спада, холостой ход, мс

Есть Нет Zup До 5 блоков 250–350

Есть 4 профиля по 12 точек + 4 состояния GEN, SCPI До 6 блоков 2–3 (Dynamic Preload)

– Полностью новый функционал Поддержка универсального языка – Динамика на 2 порядка лучше

www.kite.ru

144

блоки питания

ванные профили напряжения и тока, а также выдавать сигналы на два сухих контакта для активации внешних элементов системы. Опционально в источнике может быть установлен интерфейс GPIB (IEEE), LXIсовместимый LAN, изолированный аналоговый, а также клеммы на передней панели. Номинальные мощности в серии — 200, 400, 600 и 800 Вт, причем все они компонуются в одном и том же размере корпуса — шириной 70 мм, то есть до шести источников в 19″ корзине. Предельное напряжение в серии — 650 В. Сравнивать программируемые лабораторные источники только по электрическим и механическим параметрам — не очень

новости

интересно. Редко их размер или лишний милливольт является критичным для системы. Такое сопоставление сродни сравнению двух пластинок с музыкой Моцарта и Баха по качеству их упаковок. Куда важнее для данных источников — их функционал и предельные возможности. Поэтому следующее сравнение можно разбить на две части. Первая — для источников 400 и 800 Вт для их номинальных характеристик (табл. 7, 8), вторая — для функционального оснащения серий вообще (табл. 9). Для первой части рационально выбрать два абсолютных бестселлера по параметрам. Напряжение — самое популярное — 36 В, особенно востребованное как в военной, так

и в гражданской электронике. И мощности — 400 и 800 Вт. В общем, все достаточно очевидно: Z+ задает новый уровень функционального оснащения и возможностей работы с программируемыми источниками питания. И отличный задел на будущее, потенциал Z+ еще долго не будет исчерпан. Однако если в поставленные задачи не входит построение на базе такого блока системы «все-в‑одном», пользователь может значительно сэкономить, приобретя почти вдвое дешевле надежный и эффективный источник серии ZUP, проверенный годами эксплуатации и сотнями успешных промышленных проектов с его участием. n

силовая электроника

Радиационно-стойкие MOSFET от Microsemi, выполненные по технологии I2MOS технологиями. Транзисторы новой серии оценочно показывают уровень линейной потери энергии при единичных событиях от 85–90 МэВ. MOSFET-транзистор MRH20N22U3 на 200 В, выполненный по технологии I2MOS, прошел тестирование на эффект единичного события ионами золота при полном напряжении Bvdss 200 В и уровне напряжения Vgs –5 и –10 В. До конца 2014 г. запланирован запуск транзисторов семейства I2MOS в серийное производство. В дальнейшем эти компоненты будут выпускаться в корпусах форм-факторов TO‑39 и TO‑257. www.icquest.ru

Компания Microsemi объявила о начале поставок образцов радиационно-стойких MOSFET-транзисторов нового поколения для космических применений. Новая линейка MOSFET-транзисторов, выполненных по технологии I2MOS, предоставляет разработчикам последние технологические улучшения в области радиационно-стойких транзисторов, предназначенных для применения в космическом оборудовании. Предварительное тестирование транзисторов серии I2MOS показало существенные улучшения показателей стойкости к эффекту единичного события и суммарной накопленной дозы по сравнению с существующими

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

силовая электроника

146

Специализированные DC/DC-преобразователи обеспечивают простое и эффективное решение для управления в IGBT-приложениях Мэтью Дотерайв (Matthew Dauterive) Перевод: Владимир Рентюк

оскольку альтернативная энергетика сегодня находится в центре внимания, то вопрос повышения ее эффективности становится все более критическим. В последние годы одним из главных решений, позволяющих резко увеличить эффективность (КПД) преобразователей, было существенное усовершенствование характеристик мощных силовых транзисторов типа IGBT (Insulated-gate bipolar transistor, биполярный транзистор с изолированным затвором). Транзисторы этого типа могут быстро переключать высокие напряжения (до 1000 В и более) с чрезвычайно низкими коммутационными потерями, то есть потерями на переключение. Это позволяет проектировать на их

В статье рассматриваются модульные DC/DC-преобразователи с двойным асимметричным выходом, обеспечивающие положительное и отрицатель‑ ное напряжения для коммутации и гальваническую развязку, необходи‑ мые для IGBT-приложений.

основе эффективные инверторы и повышающие импульсные преобразователи. На рис. 1 приведены две типичные функции IGBT-транзисторов, которые эти приборы выполняют в схеме мощного силового преобразователя напряжения. Напряжение постоянного тока от солнечной батареи, как известно, не является стабильным и не приведено к некоторому максимальному уровню. Для устранения этого недостатка используется повышающий преобразователь, который поддерживает некий максимальный уровень напряжения на оптимальном уровне, а именно на уровне отслеживания точки максимальной мощности (Maximum power point tracking, MPPT). Это позволяет

обеспечить максимально возможную мощность на выходе солнечной батареи и тем самым улучшить ее характеристики. Однако в большинстве случаев напряжение постоянного тока не может быть использовано непосредственно. Чтобы возможна была его дальнейшая передача, необходимо преобразовать его в форму напряжения переменного тока. Для этого применяются две пары транзисторов типа IGBT, включенные противофазно в виде моста. Эти транзисторы управляются сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, в англоязычной литературе — pulse-width modulation, PWM), таким образом создается промодулированный выходной сигнал, показанный

Рис. 1. Преобразователь напряжения для солнечной панели

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

силовая электроника

на рис. 1. После фильтрации сигнала с ШИМ низкочастотным LC-фильтром выделенное переменное напряжение синусоидальной формы уже может быть включено в общую схему раздачи питания. Транзисторы типа IGBT служат не только для сбора и преобразования энергии от внешних источников, но и для управления нагрузками. Известно, что управление электродвигателями занимает приоритетное положение в мировой электротехнической индустрии, а частотно-регулируемые электроприводы часто являются наиболее экономичным вариантом управления их скоростью вращения. В типичном приложении (рис. 2) IGBTтранзисторы используются для того, чтобы иметь возможность регулировать частоту переменного напряжения в частотно-регулируемом электроприводе для трехфазного электродвигателя переменного тока, тем самым можно управлять скоростью вращения его ротора. Трехфазный шестиимпульсный драйвер с питанием от источника переменного напряжения состоит из мостового выпрямителя, шины напряжения постоянного тока и, собственно, инвертора. Шесть IGBTтранзисторов в инверторе обеспечивают регулируемое по частоте импульсное напряжение, которое подается непосредственно на трехфазный электродвигатель. Чтобы это решение было достаточно эффективным, транзисторы типа IGBT нуждаются в должном управлении для их коммутации. С тех пор как допустимая рабочая частота переключения для этих транзисторов повысилась до 300 кГц, обычная схема их управления стала неэффективной и технически непригодной. К счастью, были разработаны специальные управляющие драйверы, которые обеспечивают быстрое переключение транзисторов типа IGBT с минимальными потерями. Так, если драйвер на транзисторе подключен к плавающей по напряжению высоковольтной силовой цепи, то он должен быть изолирован от низковольтных цепей управления. Это достигается применением гальванической опторазвязки (оптрона), которая обеспечит разделение по цепи обратной связи. Таким образом, источник питания силового драйвера получается гальванически развязанным от DC/DC-преобразователя. Однако, чтобы удовлетворить все специфические требования по управлению IGBTтранзисторами, необходимо иметь два отдельных источника напряжения. Чтобы минимизировать коммутационные потери транзисторов типа IGBT, необходимо, чтобы их включение выполнялось максимально быстро. При этом скорость нарастания выходного напряжения будет зависеть от скорости заряда собственной емкости затвора транзистора. Фактически было установлено, что для надежного включения IGBT-транзистора достаточно иметь напряжение +15 В. Но, с другой стороны, если транзистор типа IGBT включать слиш-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

147

Рис. 2. Упрощенная схема драйвера на основе IGBT-транзисторов

ком быстро, то произойдет токовое пере- регулирование, которое вызовет паразитный токовый выброс. Это приведет не только к генерации электромагнитных помех, но и к повреждению самого транзистора и, соответственно, к выходу из строя подключенной к нему схемы. Чтобы сгладить этот выброс, необходимо увеличить время включения транзистора путем увеличения сопротивления в цепи затвора (рис. 3). Однако, если время включения увеличено, то это сразу же приведет к росту коммутационных потерь — это и есть одна часть дилеммы. Режим выключения IGBT-транзистора еще более усложняет решение проблемы. Скорость выключения определяется собственной емкостью затвора транзистора. Чем быстрее емкость затвора будет разряжена, тем быстрее транзистор будет выключен. Чтобы ускорить разряд собственной емкости затвора с целью уменьшения потерь на переключение, к нему прикладывается отрицательное напряжение. Логически рассуждая, можно считать приемлемым напряжение выключения –15 В. Таким образом, можно было бы использовать один DC/DC-преобразователь напряжения постоянного тока, который обеспечит выходное напряжение ±15 В. То есть один такой преобразователь будет использоваться для генерации как положительных, так и отрицательных импульсов.

Однако если транзистор будет выключен слишком быстро, то опять-таки из-за проблем перерегулирования будет иметь место паразитный токовый выброс. Предполагают, что такие выбросы уменьшают ожидаемый срок службы транзисторов типа IGBT. Поэтому необходимо уменьшить скорость выключения транзистора, и сделать это легче всего, уменьшая величину отрицательного напряжения на затворе. Фактически считается приемлемым иметь управляющее напряжение для выключения равным –9 В. Как полагают, это является хорошим компромиссным решением. Хотя время переключения немного увеличится, что приведет к некоторому росту коммутационных помех, паразитные выбросы становятся более управляемыми. Итак, имеется уже полная дилемма: или использовать преобразователь с выходными напряжениями ±15 или ±9 В и соглашаться на компромисс — увеличение коммутационных потерь, или иметь паразитные выбросы напряжения. Еще, как вариант, можно использовать два отдельных DC/DCпреобразователя на 15 В и на –9 В, чтобы выполнить описанную выше оптимизацию, но это неизбежно увеличит стоимость компонентов и конечные затраты по проекту. Однако есть третий путь — это использование асимметричного DC/DC-преобразователя с двумя оптимальными выходными напря-

Рис. 3. Цепь управления IGBT-транзистором

www.kite.ru

силовая электроника

148

Рис. 4. Характеристики переключения транзистора типа IGBT: а) включение; б) выключение

Источники питания для IGBT драйверов DC/DC преобразователи для IGBT драйверов Серии RxxPxx, RxxP2xx, RV, RP и RH с асимметричными выходными напряжениями +15 В/ 9 В КПД до 86% Повышенная прочность изоляции до 6,4 кВ DC Рабочая температура до +90 °С Сертифицированы по EN/UL, CSA и CB Гарантия 5 лет

ЭНЕРГИЯ ДЛЯ ВАШЕЙ ПРОДУКЦИИ

www.recom electronic.com

жениями, который был бы специально разработан и предназначен для IGBT-приложений. Именно такой преобразователь типа R05P21509D и именно по этой причине был выведен на рынок компанией RECOM. Асимметричное выходное напряжение этих DC/DC-преобразователей имеет идеальные уровни, которые оптимизируют характеристики переключения транзисторов типа IGBT. Но необходимо рассмотреть и учесть еще один важный момент для правильного выбора преобразователя. Мало того, что эти преобразователи необходимы для формирования оптимальных напряжений для включения и выключения, они также должны обеспечить и гальваническую развязку, которая предохраняет цепь управления от воздействия высоких напряжений силовой цепи. Без такой адекватной изоляции все устройство просто выйдет из строя. Но что такое адекватная изоляция? Прочность изоляции, характеризующаяся напряжением пробоя, обычно приводится в спецификациях на DC/DC-преобразователи. Инженерная практика говорит о том, что достаточным и приемлемым является напряжение пробоя, как минимум в два раза превышающее рабочее напряжение высоковольтной шины. Как отмечалось в начале статьи, IGBT-приложения могут иметь напряжение на высоковольтной шине постоянного тока 1000 В и более. Таким образом, можно было бы считать, что прочность изоляции в 2000 В для шины, например, в 1000 В была бы более чем достаточной. Однако важно помнить, что во время коммутации транзисторов типа IGBT имеются выбросы (рис. 4). Кроме того, есть еще и паразитные емкости, разряд которых определен характеристиками переключения транзисторов. Таким образом, фактические уровни напряжения при переключении реально могут быть намного выше. Главное препятствие для их определения — это сложность в проведении измерения этих выбросов в реальном изделии. Собственная индуктивность средств измерения фактически ставит это под угрозу, делая определение паразитных выбросов практически невозможным. Начиная с некоторых уровней напряжений, определение необходимой прочности изоляции уже не поддается точному прогнозированию. Поэтому наилучший выход — это иметь прочность изоляции макси-

мально возможной, насколько это приемлемо. Например, типичное значение прочности изоляции для DC/DC-преобразователя, работающего на высоковольтную шину напряжения постоянного тока напряжением в 1000 В, должно иметь показатели на уровне 6000 В. Это необходимо, чтобы обеспечить надежную изоляцию и, как результат, продлить срок службы конечного изделия в целом. В то время как прочность изоляции является, без сомнения, важным и критическим параметром, сам тип исполнения такой изоляции, определенный конструкцией трансформатора, одинаково важен и критичен. Обычно основная изоляция в DC/DC-преобразователях обеспечивается исключительно изоляционным покрытием проводов трансформатора. Однако возможные трещины этого изоляционного покрытия могут привести к пробою и последующему катастрофическому отказу конечного изделия. Наилучшим является вариант использования дополнительной основной изоляции, физически отделяющей первичную (входную) и вторичную (выходную) обмотки. В этом случае, даже если и имело место нарушение изоляции проводов, то электрическая прочность изоляции будет обеспечена зазором между первичной и вторичной обмотками. С тех пор как IGBT-приборы начали применять на очень высоких частотах, проблема обеспечения изоляции стала еще важнее. Поэтому рекомендуется, чтобы основная изоляция использовалась обязательно: это продлит срок службы системы в целом. Когда DC/DC-преобразователь выбран правильно, схема драйвера электродвигателя на базе транзисторов типа IGBT значительно упрощается. Дополнительно к этому увеличивается и жизненный цикл изделия, так как выбирается оптимальный режим включения/выключения транзистора. Это демпфирует силовые шины постоянного напряжения, что препятствует появлению паразитных выбросов. Кроме того, как указывалось выше, критическими являются как тип изоляции, так и ее электрическая прочность. Это также увеличивает надежность и срок службы конечного изделия. Компания RECOM недавно освоила и вывела на рынок семейство преобразователей для IGBT-применений, которые выполняют все изложенные требования для IGBTприложений. n

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

150

новости

силовая электроника

Драйвер силовых ключей XTR26010 компании X‑REL для экстремальных температур

Целевыми рынками ИС XTR26010 являются устройства управления электроприводом, силовые преобразователи, высоковольтные коммутирующие устройства для авиации, промышленности, электромобилей и ж/д транспорта, геотермальное оборудование и оборудование нефте- и газодобычи. www.icquest.ru

Компания X‑REL Semiconductor представила один из первых монолитных изолированных интеллектуальных силовых драйверов XTR26010 для карбидокремниевых, нитрид-галлиевых (GaN) и кремниевых силовых ключей, работающий в условиях экстремальных температур. Корректно работающий как с нормально включенными (JFET, MESFET), так и с нормально выключенными (MOSFET, JFET, BJT и SJT) транзисторами, драйвер XTR26010 обладает уникальными функциональными возможностями, позволяющими повысить уровень безопасности устройств и максимальную частоту коммутации. Эти особенности включают: • изолированное взаимодействие между драйверами низкой и высокой сторон, позволяющее исключить появление перекрестных связей в схеме; • независимый контроль выводов затвора, стока и истока для мониторинга неисправностей; • интегрированную схему активного подавления эффекта Миллера с настраиваемыми временными параметрами; • возможность импульсного управления для быстрого включения нормально выключенных транзисторов; • встроенный ключ плавного выключения. Как и любое другое изделие компании X‑REL Semiconductor, ИС XTR26010 в состоянии надежно работать при температуре от –60 до +230 °C с ожидаемым временем жизни около пяти лет при рабочей температуре +230 °C. Кроме того, все изделия компании X‑REL Semiconductor могут быть использованы в устройствах, работающих при более низких температурах (к примеру, от +100 до +200 °C), но требующих увеличенного времени жизни устройства или повышенной надежности. Например, ожидаемое время жизни изделий компании X‑REL Semiconductor при температуре Tj, равной150 °C, в схемах драйвера составляет более 35 лет.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

152

светотехника

Светодиоды нового поколения GaN-on-Si от Plessey

Иван Медведев LED@ranet.ru

онечно, утверждения о 15‑летнем ресурсе и энергоэффективности светодиодных ламп вызывают интерес. Такие лампы значительно превышают по этим показателям как люминесцентные лампы, так и лампы накаливания. Но, как показывает практика, большинство потребителей еще не готово приобретать светодиодные лампы по нынешней цене, они ждут, пока цена не упадет до эквивалента $10 или ниже. Цены на лампы начнут падать, только когда светодиодные чипы станут дешевле. Согласно «маршрутным картам» производителей светодиодных ламп, на сегодня стоимость комплекта светодиодов составляет больше половины от общей стоимости производства светодиодной лампы. Одним из наиболее перспективных вариантов для уменьшения расходов на светодиодное производство является переход на подложки из кремния, которые заменят дорогие сапфировые и карбид-кремниевые подложки. Кремниевая подложка не только дешевле, но и позволяет работать на линиях, которые были установлены много лет назад для создания приборов на основе кремния. Так что есть возможность создавать светодиодное производство с минимальными затратами или наладить его по конкурентным ценам. Экономия, связанная с созданием светодиодов на кремнии, очевидна, и некоторые компании подтверждают свои намерения разработать такую технологию для получения дешевых светодиодов. Но, как известно, высококачественный рост излучающих структур на кремнии — это сложный и трудоемкий процесс, и сложность, в первую очередь, связана с напряжениями и деформациями в пластине, которые приводят к ее изгибу. Но эти проблемы не являются непреодолимыми. Так, британская компания Plessey Semiconductors Ltd., основанная как производитель интегральных микросхем в 1957 году, после

В настоящее время стали очень востребованы светодиодные лампы и све‑ тильники, они используются чаще, чем другие источники света. Но чтобы купить светодиодную лампу с достойными фотометрическими параметра‑ ми и высокой световой эффективностью, по характеристикам аналогичную 60‑Вт лампе накаливания, нужно потратить немалую сумму денег. И, даже если сэкономить и пожертвовать этими преимуществами, то все равно ее стоимость останется значительной по сравнению с обычной лампой на‑ каливания или компактной люминесцентной лампой.

череды слияний и поглощений стала известна как фирма, которая является производителем полного цикла с собственным центром разработок и современной производственной базой, позволяющей выпускать компоненты по технологии КМОП 0,35 мкм. Plessey производит как ИМС общего назначения, датчики, так и высокотехнологичные инновационные светодиоды, применяемые в различных областях: это освещение офисных помещений, декоративное освещение, индикация, подсветка приборных панелей и др. Plessey занялась выпуском светодиодов благодаря приобретению компании CamGaN, отделившейся от Центра изучения GaN-on-Si при Кембриджском университете. В дальнейшем это позволило компании Plessey коммерциализировать производство GaN-светодиодов на 6‑дюймовых кремниевых подложках. По заявлению руководства Plessey, эта технология поставит ее в ряд первых компаний, которым удастся успешно освоить коммерческое производство мощных GaN-on-Si светодиодов по стандарту 6‑дюймовых подложек. Хотя Plessey не имеет опыта в светодиодном производстве, но ее руководство твердо убеждено, что компания имеет конкурентоспособную технологию. Прежде чем приступить к выпуску осветительных светодиодов, Plessey начала производство индикаторных светодиодов первого поколения линейки MAGIC, низкая цена которых нивелирует не самый высокий коэффициент полезного действия. Эти светодиоды излучают 2 лм при токе 20 мА. Они заключены в корпус PLCC‑2 размером 3,52,7 мм. По сути, стоимость таких светодиодов примерно на 80% ниже стоимости карбидкремниевых светодиодов. Эффективность сигнальных светодиодов со световым потоком 2 лм составляет 32 лм/Вт, что немного по сравнению с осветительными светодиодами нижней категории других компаний.

По словам доктора Кейта Стрикленда (Keith Strickland), главного инженера Plessey, его компания сделала большой шаг, усовершенствовав запатентованную технологию MAGIC и выпустив на рынок изделия на ее основе. Эта технология обеспечит более высокую эффективность излучения по сравнению со светодиодами на основе сапфира, что задает новую планку по соотношению лм/$. Светодиодные изделия на основе технологии MAGIC имеют ценовое преимущество над сапфировыми аналогами, поскольку выпускаются на основе 6‑дюймового автоматизированного кремниевого процесса с высоким выходом годных. «Когда мы достигнем эффективности 60 лм/Вт, мы представим нашу первую осветительную продукцию», — заявил Кейт Стрикленд. Однако компания действует верно, так как это первое производство светодиодов «нитрид галлия на кремнии», и Plessey, никогда не выпускавшая светодиодов, прошла путь к производству по новейшей технологии за 15 месяцев. В ноябре 2013 года компания Plessey анонсировала светодиоды PLW114050 и PLB114050 средней мощности следующего поколения, изготовленные по техноло-

Рисунок. Светодиод PLW114050 в корпусе PLCC типа 3020

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

светотехника

гии GaN-on-Si. Новое семейство источников света мощностью 0,2 Вт излучает до 12,3 лм светового потока с кристалла, что в два раза выше, чем у светодиодов первого поколения MAGIC, выполненных по технологии GaNon-Si и выпущенных в феврале 2013 года. Эффективность новых светодиодов составляет 61 лм/Вт. Цветовая температура светодиодов PLW114050 и PLB114050, выполненных в кор-

новости

пусе 3020 промышленного стандарта (рисунок), находится в диапазоне 6500–2700 К. Диаграмма пространственного распределения излучения этих светодиодов имеет ламбертово распределение. Прямое напряжение составляет 3,2 В при управляющем токе 60 мА. Эти светодиоды находят широкое применение в различных областях: в декоративном освещении, блоках индикации, системах подсветки приборных панелей и др.

153

В ближайшее время Plessey планирует начать выпуск осветительных светодиодов. По словам Кейта Стрикленда, первый осветительный светодиод, вероятно, будет иметь потребляемую мощность 1 Вт. Таким образом, доступные и высокоэффективные светодиоды производства Plessey на основе инновационной технологии GaNon-Si позволят кардинально изменить весь рынок светодиодов. n

источники питания

Радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи для применения в системах электропитания космических аппаратов Компания International Rectifier (IR) выпустила высоконадежные маломощные 5‑Вт радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи серии ARA28, предназначенные для применения в аппаратуре спутников для геостационарных орбит, автоматических научно-исследовательских станций дальнего космоса и коммуникационных космических системах. Основными особенностями модулей серии ARA28 являются небольшие габариты, высокое значение КПД, малый вес и высокая стойкость к воздействию суммарной накопленной дозы радиации, высокоэнергетических протонов и тяжелых заряженных частиц, а также таким воздействующим факторам среды, как предельные температуры, механический удар и вибрационные воздействия. Преобразователи серии выполнены по однотактной обратноходовой структуре (наиболее радиационно-стойкая структура из-за высокой индуктивности рассеяния трансформатора, включенного в цепь стока силового транзистора) с фиксированной частотой преобразования (400 кГц), в контуре обратной связи используется трансформаторная развязка. Во встроенном на входе помехоподавляющем фильтре используются многослойные керамические конденсаторы, квалифицированные в соответствии с требованиями MIL-PRF‑49470. Все модели серии ARA28 оснащены входом дистанционного включения/отключения. Компоненты заключены в герметичном корпусе с размерами 30,48×30,48×7,87 мм, вес гибридной сборки составляет не более 15 г. В конструкции корпуса применяются выводы с медной жилой, упрочненные керамическими уплотнителями, корпус герметизирован шовно-роликовой сваркой. В случае какой-либо неисправности нагрузки выходной ток преобразователей ARA28 ограничивается на уровне 140% от номинального значения. При возникновении аппаратной перегрузки преобразователь начинает работать в режиме генератора тока, при этом выходное напряжение снижается до значения ниже номинального. Преобразователь возобновит нормальную работу, как только ток нагрузки снизится до значения ниже предельной точки. Это защищает преобразователь как от кратковременных коротких замыканий, так и от перегрузок. В схеме защиты преобразователя от чрезмерной нагрузки по току не применяются элементы, переходящие в режим защелкивания, что устраняет возможность ложного срабатывания схемы защиты в случае воздействия протонов или ионов. Умеренное ограничение допустимых значений радиационно-стойких мощных MOSFET практически исключает возможность возникновения эффекта пробоя подзатворного диэлектрика в структуре транзистора (Single Event Gate Rapture, SEGR) и вторичного пробоя транзистора в результате перехода в состояние высокого потребления тока и перегрева (Single Event Burnout, SEB). Всесторонние исследования конструкции включают отчеты по исследованию радиационной стойкости (Radiation Susceptibility), изменению эксплуатационных показателей изделия при воздействии наихудшего сочетания внешних факторов (Worst Case, Stress, Thermal, Failure Modes и Effects (FMEA)) и Reliability (MTBF) (в документе приводится такой анализ показателя надежности изделия, как среднее время наработки на отказ).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Технические характеристики устройств: • предельная накопленная доза >100 крад (Si), типовое значение 150 крад (Si); • пороговые линейные потери энергии (ЛПЭ) ионов >82 МэВ∙см2/мг (минимальные линейные потери энергии иона, при которых наблюдаются одиночные эффекты SEU, SEL, SEGR, SEB; отклонение выходного напряжения менее ±5% от номинального значения); • вес <15 г; • диапазон входного напряжения 18–50 В; • выходная мощность до 5 Вт; • одноканальные и двухканальные модели с выходными напряжениями 3,3; 5; 12; 15; ±5; ±12 и ± 15 В; • КПД до 80%; • диапазон рабочих температур –55…+85 °C (рекомендуемые рабочие условия); • гальваническая развязка между первичной и вторичной цепью 100 В (постоянный ток), сопротивление изоляции 100 МОм; • блокировка при пониженном входном напряжении, защита от короткого замыкания и перегрузки, дистанционное включение/отключение, регулировка выходного напряжения, возможность подключения внешней обратной связи (для одноканальных моделей); • значение MTBF, рассчитанное согласно MIL-HDBK‑217F2 для условий применения в аппаратуре КА на орбитальном участке полета (SF) при температуре корпуса +35 °C, — 1,5×106 ч. www.prosoft.ru

www.kite.ru

автоматизация

154

HEITEC: больше, чем «просто» корпус При разработке электроники необходимо не только наличие передовых ноухау, что позволяет компаниям оставаться успешными в этой динамичной от‑ расли, но и компетентность в области реализации и сопровождения крупных комплексных проектов, а также оптимизации баланса между технической осуществимостью и эффективностью затрат. Более того, следует помнить, что стадия производства вовсе не означает, что разработка остановлена окончательно. Все этапы — от создания концепции и проектирования до из‑ готовления, поставок и управления жизненным циклом — должны пред‑ ставлять собой единый согласованный процесс. При этом нужно учитывать постоянный рост сложности приложений и областей их применения.

Области компетенции HEITEC

пециалисты компании — производителя электроники HEITEC (Германия), благодаря ее многопрофильной деятельности, обладают разноотраслевыми профессиональными знаниями, которые подкрепляются накопленным за десятки лет опытом в области разработки, проектирования и производства сложных электронных систем. При комплексном подходе к проекту риски сводятся к минимуму с самого начала, так как охватываются все этапы: проектирование микросхем, разработка аппаратного, микропрограммного

и программного обеспечения, производство, изготовление корпусов, создание документации, испытания, сертификация, управление жизненным циклом и, собственно, управление рисками. Вот причины, объясняющие, почему широкая линейка корпусных решений и знания, связанные с построением приложений высокой степени интеграции, будут иметь решающее преимущество при проектировании полноценных систем. Для размещения электроники HEITEC применяет продуманную номенклатуру

корпусных систем и их элементов. В зависимости от назначения систем эти корпуса могут быть созданы согласно конкретным требованиям клиентов (customer design). Если речь идет о применении в сложных условиях с высоким уровнем контроля продукции, то строгие правила сертификации пред- усматривают точное выполнение всех накладываемых требований, полное документирование закупок компонентов, изготовление в соответствии с утвержденными процессами, 100%-ный непосредственный контроль процессов, а также подтверждаемое в любой момент соблюдение действующих директив. Кроме того, например, уже на стадии подбора комплектующих должна учитываться их доступность в долгосрочной перспективе. Причина проста: на рынке изготовителей комплектного оборудования конечные продукты должны в неизменном виде надежно работать у клиента долгие годы. Изменения программного либо аппаратного обеспечения и повторная сертификация в связи с этими изменениями более чем нежелательны,

Индустриальные ПК

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

автоматизация

155

Платформы VME/CompactPCI/mTCA

Разработка и производство электронных модулей

так как они влекут за собой необходимость тщательного регрессионного тестирования и дополнительные затраты. Однако на деле управление жизненным циклом оказывается чрезвычайно сложной задачей, поскольку необходимо, чтобы и закупку компонентов, и ревизии, и эффективное руководство проектом в течение долгих лет осуществлял надежный поставщик, который хорошо понимает требования клиентов как с технической, так и с коммерческой точки зрения, и может их выполнять, тесно сотрудничая с заказчиками. Такой партнер, как компания HEITEC с ее богатым опытом работы и ассортиментом корпусной техники, значительно облегчает эту задачу. При разработке концепции комплексной системы следует сначала точнейшим образом проанализировать множество параметров, начиная с требований рынка и технического задания клиента и заканчивая архитектурой системы, ее техническими спецификациями (такими как защита IP от пыли/влаги или устойчивость к большим перепадам температур), высокой отказоустойчивостью, оптимизацией аппаратного и программного обеспечения и т. д. То, что кажется технически простым и свободно реализуемым в краткосрочной перспективе, не обязательно будет наилучшим решением с коммерческой точки зрения в средне- и долгосрочном плане. Залог технологического и коммерческого успеха часто заключается в продуманном сочетании стандартных компонентов при удовлетворении индивидуальных требований конкретного клиента. Пример: когда корпусная «оболочка» не подходит, встраиваемую электронику

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Сложные промышленные системы

нередко приспосабливают под нее с большими затратами сил и средств. Очевидно, что такого быть не должно. В этом случае можно сэкономить массу времени и денег посредством небольшой модификации корпуса или замены его компонентов. Но это предполагает наличие ноу-хау, а также широкого спектра продуктов и возможность быстрой замены, желательно в одном и том же месте, то есть «из одних рук». Благодаря широкому ассортименту корпусных решений и разветвленной сети сбыта компания HEITEC гарантирует близость к клиенту, надежность поставок, обширный портфель предложений и максимально быстрое время реакции. Задуманная в определенной степени как модульный конструктор, номенклатура евромеханики включает в себя электронные крейты, настольные и встраиваемые в шкаф корпуса, промышленные компьютеры, а также системы VME (VPX), CompactPCI (PXI) и MicroTCA, в том числе все необходимые для них комплектующие. Наряду с ин-

Инструментальный корпус RiCase

дивидуальными решениями в области промышленной корпусной техники, создаваемыми в соответствии с требованиями клиента (проекта), компания поставляет продукцию из актуальных и, для обеспечения долгосрочной доступности, прошлых каталогов корпусов для электроники фирмы Rittal. И, конечно, весь ассортимент продукции непрерывно расширяется и совершенствуется. n Контактное лицо: Алексей Сергеевич Катютин, менеджер по продукции ООО «РИТТАЛ» Тел. +7 (495) 775-02-30 (доп. 1243) e‑mail: a.katyutin@rittal.ru www.kite.ru

156

новости

дисплеи

2,8″ графический дисплей OLED с разрешением 256×64

• • • • • • •

размер пиксела 0,27×0,27 мм; шаг пиксела 0,248×0,248 мм; яркость 80 кд/м2; контрастность 2000:1; пассивно-матричная адресация; коэффициент мультиплексирования строк 1/64; диапазон рабочих температур –40…+80 °C. www.prosoft.ru

Компания Raystar Optronics, Inc. начала поставки графического дисплея OLED RET025664A c синим цветом свечения экрана, выполненного с применением технологии монтажа драйвера на трехслойной полиимидной подложке-ленте (Tape Automatic Bonding, TAB). Данный процесс обеспечивает полную автоматизацию монтажа интегральной схемы драйвера на непрерывной полиимидной ленте-носителе и обеспечивает небольшую толщину конструкции носитель + кристалл. Направление дисплейной технологии, основанное на органических светодиодах, позволяет создать прибор отображения, который работает в расширенном диапазоне температур, имеет хорошее контрастное изображение, оптимальное потребление энергии и компактную конструкцию. Дисплей имеет встроенную микросхему драйвера SSD1322. Контроллер содержит управление контрастом, ОЗУ и генератор, что уменьшает число внешних компонентов и потребляемую мощность. Основные параметры RET025664A: • разрешение 256×64 точек; • размеры 84×25,8×2,05 мм; • рабочее поле 69,098×17,258 мм;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

158

проектирование

САПР

Работа с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim 12.0. Часть 4

Татьяна Колесникова

Введение Кратко напомним принцип работы с виртуальными приборами в Multisim. Для того чтобы добавить виртуальный прибор в рабочее поле программы, необходимо нажать на его пиктограмму на панели инструментов «Приборы» и разместить ее с помощью мыши в необходимом месте на схеме. Для того чтобы отобразить лицевую панель прибора, следует дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме прибора на схеме. Пиктограмма прибора используется для его подключения к схеме, а лицевая панель — для настройки и наблюдения за результатами измерений. Принцип соединения виртуальных инструментов с элементами схемы такой же, как и для других компонентов схемы. В каждой схеме можно использовать много приборов, в том числе и копии одного и того же прибора. Кроме того, у каждого окна схемы может быть свой набор приборов. Каждая копия прибора настраивается и соединяется отдельно. Программная среда Multisim предоставляет большое количество виртуальных инструментов. Со многими из них мы уже ознакомились в предыдущих статьях данного цикла. В этой статье будет рассмотрена более подробно работа со следующими приборами: • плоттер Боде; • измерительный пробник; • пробник-индикатор напряжения. Плоттер Боде Плоттер Боде предназначен для анализа амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик и представления их в ли-

Мы продолжаем серию публикаций о работе с виртуальными приборами в программной среде NI Circuit Design Suite — Multisim. Виртуальные инструменты в Multisim представляют собой программные модели кон‑ трольно-измерительных приборов, соответствующие реальным приборам, и могут быть использованы для измерений и исследования поведения разрабатываемых электрических схем. Они дают возможность инженеру проверить, соответствует ли спроектированное устройство требованиям технического задания при использовании реальных компонентов с харак‑ теристиками, отличающимися от идеальных. Для всех приборов доступны изменения режимов их работы и настроек.

нейном или логарифмическом масштабе. Наиболее полезен этот инструмент для анализа схем фильтров. Плоттер Боде имеет четыре вывода: два вывода IN и два вывода OUT. Подключение прибора к исследуемой схеме осуществляется при помощи выводов, отмеченных значком «+» (вывод IN «+» подключается к входу схемы, вывод OUT «+» — к выходу), выводы «–» подключаются к общей шине. В левой части лицевой панели плоттера Боде расположен графический дисплей, который предназначен для графического отображения формы сигнала. Также прибор оснащен курсором для проведения измерений в любой точке графика, курсор при необходимости можно перемещать при помощи левой кнопки мыши. Управлять положением курсора можно и при помощи стрелок перемещения вертикального курсора, которые расположены в нижней левой части лицевой панели плоттера Боде под графическим дисплеем. Между стрелками находятся два информационных поля, в которых отображаются значения частоты и фазы (или коэффициента передачи), полученные на пересечении вертикального курсора и графика. В правой части расположена панель управления, предназначенная для настройки параметров плоттера Боде. В ее верхней части находится поле «Режим», в котором есть две кнопки: «Амплитуда» и «Фаза». При нажатой кнопке «Амплитуда» прибор работает в режиме анализа амплитудно-частотных характеристик. При нажатой кнопке «Фаза» — в режиме анализа фазо-частотных характеристик. В полях «По горизонтали»

и «По вертикали» можно задать параметры горизонтальной и вертикальной осей координат при логарифмической или линейной шкале. Логарифмическая шкала используется в том случае, если сравниваемые значения имеют большой разброс, как, например, при анализе амплитудно-частотной характеристики. Переключение шкалы производится при помощи кнопок Log (логарифмическая) и «Лин» (линейная). Масштаб горизонтальной (ось Х) и вертикальной (ось Y) осей определяется начальным («I» — initial) и конечным («F» — final) значениями. На экране графического дисплея плоттера Боде по оси Х всегда отображается частота. При измерении коэффициента передачи на оси Y отображается отношение выходного напряжения схемы к его входному напряжению. Для логарифмической шкалы единицы — децибелы. В том случае если измеряется фаза, вертикальная ось всегда показывает угол фазы в градусах. При анализе амплитудно-частотной характеристики диапазон значений по вертикальной оси может быть задан в линейном масштабе от 0 до 109, в логарифмическом масштабе — от –200 до 200 дБ. При анализе фазо-частотной характеристики диапазон значений по вертикальной оси может быть задан от –720° до +720°. Пример подключения плоттера Боде к схеме фильтра и лицевая панель этого прибора представлены на рис. 1. В поле «Управление» расположены три кнопки: • «Экран» — эта кнопка предназначена для инверсии цвета графического дисплея (черный/белый).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

САПР

Рис. 1. Пример подключения плоттера Боде к схеме фильтра и лицевая панель этого прибора

Рис. 2. Диалоговое окно «Установки»

• «Сохранить» — эта кнопка предназначена для сохранения результатов измерений в файл на диск в формате .bod (формат плоттера Боде) или .tdm (двоичный файл). • «Уст…» — эта кнопка предназначена для выбора разрешающей способности плоттера Боде. После нажатия на кнопку «Уст…» открывается диалоговое окно «Установки» (рис. 2), в котором в поле «Разрешающая способность» можно задать необходимое количество точек разрешения в диапазоне от 1 до 1000 и, для того чтобы изменения вступили в силу, нажать на кнопку «Принять». В нижней части панели управления плоттера Боде расположено четыре переключателя («Вх +», «Вх –», «Вых +», «Вых –»), которые отображают наличие подключения выводов плоттера Боде к исследуемой схеме. Измерительный пробник При проектировании устройства на этапе разработки принципиальной схемы может возникнуть необходимость осуществить проверку постоянного (переменного) напряжения или тока на участке цепи или же измерение частоты сигнала в разных точках схемы. Для этого в программе Multisim можно использовать измерительный пробник. Этот прибор может быть размещен в рабочем проекте Multisim до запуска процесса симуляции схемы или во время симуляции. Для размещения измерительного пробника до запуска процесса симуляции необходимо на панели

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

инструментов «Приборы» выбрать при помощи левой кнопки мыши пиктограмму этого прибора (при этом курсор примет вид желтого значка со стрелкой), подвести курсор к месту размещения пробника и щелкнуть левой кнопкой мыши по проводнику. Результаты измерения (напряжение, ток, частота) будут отображены после запуска симуляции схемы в окне результатов измерительного пробника. Для размещения измерительного пробника на схеме во время симуляции необходимо выполнить такую последовательность действий: 1. На панели инструментов «Приборы» выбрать при помощи левой кнопки мыши пиктограмму этого прибора. (При этом курсор примет вид окна результатов.) 2. С помощью мыши переместить измерительный пробник на схему. 3. Щелкнуть левой кнопкой мыши на схеме в местах измерения столько раз, сколько измерительных пробников вам нужно разместить.

проектирование

159

4. Для выхода из режима размещения пробника необходимо щелкнуть на схеме правой кнопкой мыши или нажать на клавиатуре на клавишу Esc. Измерительный пробник, добавленный в проект во время симуляции схемы, отображает не все параметры измерения. Однако после запуска повторной симуляции схемы измерительный пробник, размещенный во время предыдущей симуляции, будет воспринят программой Multisim как пробник, который был размещен до запуска симуляции, и будет отображать все результаты измерений, которые можно провести с его помощью. Во время симуляции измерения при помощи измерительного пробника можно осуществлять и без его размещения на схеме. Для этого необходимо на панели инструментов «Приборы» выбрать при помощи левой кнопки мыши пиктограмму этого прибора и, после того как курсор примет вид окна результатов, подвести курсор к месту измерения на схеме. Результаты измерения (значения мгновенного напряжения, напряжения от пика до пика (p‑p), действующего напряжения (rms), постоянного напряжения (dc), частоты) будут отображены в специальном окне. После того как результаты получены, можно подвести курсор мыши к следующей цепи схемы, в которой необходимо провести измерения. В окне результатов будет отображен новый набор результатов измерений. Это окно отображает результаты только в том случае, если запущена симуляция схемы и курсор расположен на проводнике. Таким способом можно измерять только напряжение и частоту. Пиктограмма измерительного пробника на схеме, а также его подключение к проводнику показаны на рис. 3. Зеленая стрелка на пиктограмме отображает полярность подключения пробника, которую можно изменять следующим образом: щелкните на пробнике правой кнопкой мыши и в открывшемся контекстном меню выберите пункт

Рис. 3. Пиктограмма измерительного пробника на схеме, а также его подключение к проводнику

www.kite.ru

проектирование

160

«Полярность подключения». Изменить полярность можно и при помощи команды меню «Моделирование/Полярность подключения». Окно настроек измерительного пробника можно открыть при помощи команды меню «Моделирование/Параметры динамического пробника» или же следующим образом: выделите левой кнопкой мыши этот виртуальный прибор на схеме и вызовите при помощи правой кнопки мыши контекстное меню, в котором выберите пункт «Свойства». В результате, независимо от выбранного способа, откроется окно «Параметры пробника», которое разделено на три вкладки: • «Экран»; • «Шрифт»; • «Электрические». В случае открытия окна «Параметры пробника» при помощи пункта «Свойства» контекстного меню в этом окне будет доступна также вкладка Triggers. На вкладке Triggers можно создать триггер — средство, позволяющее задавать выполнение определенного действия по достижении выбранным параметром определенного условия. Вкладка Triggers представлена на рис. 4. В верхней части этой вкладки находится окно «Переключатель панели описания», которое содержит список и описание уже назначенных триггеров. Для создания или удаления триггера используются кнопки «Новый» и «Удалить». Для того чтобы создать новый триггер, необходимо нажать на кнопку «Новый», в результате чего в окне «Переключатель панели описания» появится новая строка с описанием только что созданного триггера. Для удаления триггера выделите при помощи левой кнопки мыши строку с его описанием и нажмите на кнопку «Удалить». В строке «Условия» можно задать условие для таких параметров измерительного пробника, как: • напряжение; • напряжение (p‑p);

Рис. 4. Вкладка Triggers

САПР

• напряжение DC; • напряжение rms; • частота; • ток; • ток (p‑p); • ток dc; • ток rms. При этом в выражении условия могут быть использованы следующие операторы: =, <, >, < =, > =, < >, AND, OR, XOR, NOT и функции: cos, sin, tan, abs. Представим пример выражения условия. Предположим, что нам необходима пауза в моделировании схемы всякий раз, когда действующее напряжение rms меньше 6 В и больше или равно 0 В. В таком случае выражение условия может иметь следующий вид:

Vrms < 6 AND Vrms >= 0. Для облегчения ввода в выражении условия параметров и операторов можно в строке «Условия» использовать кнопку со стрелкой. После нажатия на нее открывается контекстное меню, из которого можно выбрать необходимые операторы, функции и параметры. В строке «Действие» из выпадающего списка можно выбрать действие, которое будет выполняться по достижении заданного условия. При этом в поле «Параметр» нужно установить параметры для заданного действия. К примеру, если при выборе в поле «Действие» была задана «Пауза моделирования», то в поле «Параметр» необходимо ввести время паузы в секундах, а при выборе такого действия, как «Перейти к метке», в поле «Параметр» необходимо ввести метку листа описания. Следует отметить, что выбор такого действия, как «Остановить прокрутку», не требует ввода параметров. Установка (снятие) флажка в чекбоксе «Разрешено» позволяет разрешать или запрещать работу созданного триггера во время симуляции схемы. Поле «Подсказка» содержит пояснения относительно возникших ошибок создания триггера. Для вступления в силу произведенных действий используйте кнопки «Применить» и ОК, которые расположены в нижней части вкладки Triggers. Рассмотрим вкладку «Электрические» (рис. 5). В верхней части вкладки посредством установки флажка в чекбоксе «Использовать опорным» и выбора из выпадающего списка названия пробника можно задать нужную привязку настраиваемого пробника. В выпадающем списке отображаются названия уже размещенных на схеме измерительных пробников, за исключением настраиваемого. В результате измерения, произведенные для текущей пробы, будут сделаны со ссылкой на выбранную привязку пробника, что позволит отображать в окне результатов такие дополнительные параметры измерений, как коэффициент усиления по напряжению или фазовый сдвиг. При выборе этой опции возле позиционного обозначения настраивае-

Рис. 5. Вкладка «Электрические»

мого измерительного пробника отобразится значок треугольника, а в окне результатов измерений дополнительно будет отображена строка, в которой будет указано название опорного пробника. В центральной части вкладки «Электрические» размещена таблица параметров измерений. Отображение каждого из этих параметров в окне результатов измерений на схеме задается в колонке «Показывать» посредством переключения значения «Да»/«Нет». Произвести переключение можно при помощи щелчка левой кнопкой мыши по уже установленному в колонке значению. Установить одновременно все значения этой колонки в позицию «Да» можно посредством установки флажка в чекбоксе «Показывать», соответственно установить все значения этой колонки в позицию «Нет» можно путем снятия флажка в этом же чекбоксе. Колонки «Минимум» и «Максимум» таблицы параметров измерений предназначены для установки диапазона изменений параметров. В колонке «Знаков» можно задать количество значащих цифр для отображения параметров. Для вступления в силу произведенных изменений используйте кнопки «Применить» и ОК, которые расположены в нижней части вкладки «Электрические». На вкладке «Шрифт» (рис. 6) можно настроить параметры шрифта для отображения позиционного обозначения измерительного пробника и результатов измерений на схеме. На этой вкладке расположено четыре поля: • «Шрифт» — выбор шрифта; • «Стиль» — выбор стиля шрифта (жирный, курсив, нормальный, жирный курсив); • «Размер» — выбор размера шрифта; • «Выравнивание» — выравнивание текста (по левому краю, по центру, по правому краю). В центральной части вкладки расположено поле «Просмотр», которое позволяет предварительно просмотреть созданный шрифт.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

САПР

Рис. 6. Вкладка «Шрифт»

Рассмотрим вкладку «Экран» (рис. 7). В левой верхней части вкладки находится окно «Цвет», в котором посредством установки переключателей в позицию «Установленный» или «Выбрать» можно задать цвет фона окна результатов измерений и цвет текста отображаемых в этом окне параметров. Выбрать необходимый цвет можно при помощи кнопки «Палитра». После нажатия на эту кнопку откроется одноименное окно, в котором на вкладке «Стандарт» можно задать цвет, для чего следует щелкнуть левой кнопкой мыши по ячейке с нужным цветом. Новый цвет отобразится в правой нижней части окна в поле «Новый цвет». Если выбранный цвет подходит, нажмите на кнопку ОК. Для выбора цвета можно также использовать вкладку «Выбор» диалогового окна «Палитра». В правой верхней части вкладки «Экран» находится окно «Размер», в котором в полях «Ширина» и «Высота» посредством ввода с клавиатуры можно задать размер окна результатов измерительного пробника в пикселях. Также рассматриваемое окно содержит чекбокс «Автоматически». В случае установки флажка в этом чекбоксе параметры ширины и высоты окна результатов измерений будут изменяться автоматически в зависимости от количества отображаемых параметров. В окне «Обозначение» путем установки переключателя в необходимое положение можно выбрать для позиционного обозначения измерительного пробника одну из следующих опций: • «Скрыть обозначение» — позиционное обозначение не будет отображаться на схеме. • «Показать обозначение» — позиционное обозначение будет отображаться на схеме. • «Использовать правила проекта» — отображение позиционного обозначения будет зависеть от правил проекта. Название позиционного обозначения при необходимости можно изменить в поле «Обозначение».

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 7. Вкладка «Экран»

В окне «Отображение» посредством установки/снятия флажка в чекбоксе «Отображать постоянно» можно задать видимость окна результатов измерений на схеме для выбранного измерительного пробника. В поле «В слое» можно выбрать слой, на котором будет отображаться окно результатов. Предопределенным слоем является Static Probe, но вы можете при необходимости выбрать другой слой. Следует отметить, что для каждого измерительного пробника, который используется в проекте схемы, задаются свои настройки. На панели инструментов «Приборы» возле пиктограммы измерительного пробника находится значок стрелки, нажатие на который приводит к открытию выпадающего меню (рис. 8). В этом меню при помощи левой кнопки мыши можно выбрать один из следующих пробников: • «С параметрами динамического» — размещаемый на схеме пробник будет отображать в окне результатов измерений следующие параметры: мгновенное напряжение (V), напряжение от пика до пика

проектирование

161

(Vp-p), действующее напряжение (Vrms), постоянное напряжение (Vdc), частоту, мгновенный ток (I), ток от пика до пика (Ip-p), действующий ток (Irms), постоянный ток (Idc). • «Напряжение АС» — размещаемый на схеме пробник будет отображать в окне результатов измерений следующие параметры: напряжение от пика до пика (Vp-p), действующее напряжение (Vrms), постоянное напряжение (Vdc), частоту. • «Ток АС» — размещаемый на схеме пробник будет отображать в окне результатов измерений следующие параметры: ток от пика до пика (Ip-p), действующий ток (Irms), постоянный ток (Idc), частоту. • «Мгновенные значения напряжения и тока» — размещаемый на схеме пробник будет отображать в окне результатов измерений следующие параметры: мгновенное напряжение (V), мгновенный ток (I). • «Относительного напряжения» — после выбора этого пункта меню откроется диалоговое окно «Опорное напряжение», в котором из выпадающего списка «Выбрать Uоп» необходимо выбрать нужную привязку и нажать на кнопку ОК. Настраиваемый пробник будет отображать в окне результатов измерений следующие параметры: коэффициенты усиления по напряжению (Кус(dc), Кус(ac)), фазовый сдвиг. При выборе этого измерительного пробника возле его позиционного обозначения отобразится значок треугольника, а в окне результатов измерений дополнительно будет отображена строка, в которой будет указано название опорного пробника. Внешний вид окна результатов и измеряемые параметры для каждого из описанных пробников представлены на рис. 8. Пробник-индикатор напряжения На панели инструментов «Виртуальные измерительные компоненты» (эту панель можно добавить в проект при помощи команды меню «Вид/Панель инструментов»)

Рис. 8. Внешний вид окна результатов и измеряемые параметры измерительных пробников

www.kite.ru

проектирование

162

САПР

На рис. 9 представлен пример подключения нескольких пробников‑индикаторов к исследуемой схеме, а также окно настроек зеленого пробника.

Заключение

Рис. 9. Пример подключения нескольких пробников‑индикаторов к исследуемой схеме, а также окно настроек зеленого пробника

находятся пиктограммы пяти цветных пробников‑индикаторов напряжения: бесцветный, синий, зеленый, красный и желтый. Принцип работы этих индикаторов одинаков, различие состоит лишь в цвете. Пробник-индикатор напряжения определяет напряжение в конкретной точке схемы и, если исследуемая точка имеет напряжение равное или большее значения напряжения срабатывания, которое указано в настройках этого пробника-индикатора, то индикатор загорается. Установить необходимое пороговое значение срабатывания пробника-индикатора можно в окне настроек этого прибора на вкладке «Параметры», установив в поле

новости

«Пороговое напряжение (VT)» необходимое значение напряжения. Для вступления в силу произведенных изменений нужно нажать на кнопку ОК. Окно настроек можно открыть с помощью двойного щелчка левой кнопки мыши на пиктограмме этого прибора на схеме. Название окна настроек соответствует названию цвета настраиваемого пробника-индикатора. К примеру, для зеленого пробника-индикатора окно настроек будет иметь название PROBE_GREEN, а для желтого — PROBE_YELLOW. На схеме пороговое напряжение срабатывания пробника-индикатора отображается рядом с его пиктограммой.

Использование виртуальных инструментов в Multisim позволяет сравнивать теоретические данные с реальными непосредственно в процессе создания схемы, что снижает количество проектных итераций, число ошибок в прототипах и ускоряет выход продукции на рынок. Однако для эффективного применения виртуальных инструментов в программе Multisim необходимо понимать алгоритмы, реализованные в программе, знать принципы работы используемых инструментов и принципы построения моделей электронных компонентов. Неправильное применение моделей компонентов, ошибки в настройке виртуальных приборов и использовании вычислительных алгоритмов могут привести к получению неверных результатов моделирования. n

Литература 1. NI Circuit Design Suite — Getting Started with NI Circuit Design Suite. National Instruments. Jan. 2012. 2. Технология виртуальных приборов компании National Instruments. National Instruments, 2013. 3. N I M u l t i s i m — F u n d a m e n t a l s . N a t i o n a l Instruments. Jan. 2012. 4. Professional Edition Release Notes NI Circuit Design Suite Version 12.0.1. National Instruments, 2012.

блоки питания

Недорогие 12‑ и 25‑Вт драйверы для светодиодов от Mean Well Компания Mean Well предлагает серию недорогих AC/DC-драйверов для светодиодов PLM‑12/25 на 12 и 25 Вт. Имеются модели с выходными токами от 350 до 1050 мА. Наличие корректора коэффициента мощности (ККМ) позволяет драйверам соответствовать требованиям, предъявляемым к светотехническому оборудованию. Блок контактов защищен изолирующими крышками, что, в совокупности с пластиковым корпусом, исключает возможность поражения электрическим током. Также присутствует защита от короткого замыкания. Краткие технические характеристики устройств: • диапазон входных напряжений 110–295 В АС/47–63 Гц, 156–416 В DC; • диапазон выходных напряжений 7–72 В DC; • изоляция вход/выход — 3750 В AC; • коэффициент мощности ≥0,95 при 100%-ной нагрузке, 230 В AC; • конвекционное охлаждение; • диапазон рабочих температур –30…+50 °C для PLM‑12 и –30…+45 °C для PLM‑20;

• • • •

КПД до 87%; габариты 145×38×22 мм; защита от короткого замыкания; соответствие международным стандартам UL/CUL/ENEC/CB/CE. Драйверы для светодиодов серий PLM‑12/25 найдут применение в офисном, рекламном и декоративном освещении. www.eltech.spb.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

проектирование

165

Моделирование и исследование блоков сотовых систем связи в среде MicroCap 9

Олег Соколов, к. т. н.

адикальным решением проблемы дальнейшей эволюции сотовых систем связи в настоящее время стало применение нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии цифровых шумоподобных сигналов и кодового разделения каналов — CDMA (Code Division Multiple Access, множественный доступ с кодовым разделением). При CDMA-технологии каждый из каналов системы полностью использует весь выделенный частотно-временной ресурс, поскольку радиоканалы систем CDMA перекрываются как по времени, так и по частоте. Разделение сигналов отдельных каналов осуществляется за счет того, что каждый канал имеет свою «поднесущую» — адресную кодовую последовательность, сформированную, в частности, по закону одной из 64 функций Уолша [1]. Иначе говоря, сигналы различных абонентов существенно отличаются по форме.

В 1990‑х годах были разработаны и получили широкое применение сото‑ вые системы второго поколения, основанные на цифровых методах фор‑ мирования и обработки сигналов при частотном и временном принципах разделения каналов абонентов сети.

При таком способе разделения передаваемая информация снабжается адресом, роль которого выполняют выделенные сигналы. Наличие адресов позволяет реализовать асинхронный режим совместной работы многих абонентов. При кодовом разделении имеют место взаимные помехи, которые являются следствием одновременной работы абонентов в общей полосе частот. Однако при этом можно так выбрать параметры сигналов, что уровень взаимных помех будет сколь угодно малым, то есть обеспечить заданную помехоустойчивость. Особенности и характеристики блоков, моделирующих функции Уолша, а также построение генераторов этих функций на уровне структурных схем рассматриваются, например, в работах [2, 3]. При этом отсутствует описание синтеза этих устройств в широко используемой программе MicroCap 9 [4].

Представляет интерес моделирование блоков, синтезирующих сигналы Уолша, а также возможность исследовать их характеристики в программе моделирования электронных средств. В этой статье описывается создание модели, синтезирующей 16 сигналов Уолша в среде MicroCap 9, исследование функций автокорреляционных и функций взаимной корреляции синтезируемых фазоманипулированных сигналов по Уолшу, а также их спектральных характеристик. Схема блоков, синтезирующих сигналы Уолша, приведена на рис. 1. Слева показана цифровая схема, на выходах которой воспроизведены сигналы Радамахера. В этой схеме система функций Уолша определяется через функции Радамахера. Система функций Радамахера в модификации Пэли на интервале [0, 1] описывается следующими соотношениями [1, 2]:

Рис. 1. Схема модели, синтезирующей 16 сигналов Уолша в среде MicroCap 9

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

166

проектирование

моделирование работы

Рис. 2. Осциллограммы четырех сигналов Радамахера

Рис. 4. Формирователь сигналов Уолша: а) первого типа; б) второго типа

Рис. 3. Схема цифровых и буферных блоков формирователей сигналов Радамахера

1, при 0 ≤ t ≤ 0,5 j0(t) =  –1, при 0,5 ≤ t ≤ 1

Вне интервала [0, 1] функция j0(t) продолжается периодически — j0(t+1) = j0(t). Функция Радамахера jn(t) с номером n, где n — целое положительное число, образуется сжатием j0(t) вдоль оси t в 2nt раз — jn(t) = j0(2nt). Осциллограммы цифровых сигналов Радамахера приведены на рис. 2. Характерной особенностью рассматриваемых цифровых сигналов Радамахера в программе MicroCap 9 является то, что значения сигналов, превышающие верхний порого-

Рис. 5. Осциллограммы 15 сигналов Уолша W1–W15

вый уровень, соответствуют «лог. 1», а значения сигнала, которые меньше, чем нижний пороговый уровень, соответствуют «лог. 0». Этот способ кодирования сигналов носит название «позитивная логика». Для получения сигналов Уолша, которые принимают значения ±1, необходимо перейти к аналоговым сигналам. Поэтому цифровые выходы формирователей сигналов Радамахера через буферные блоки U6–U9 подсоединены к аналоговым блокам формирователя сигналов Уолша (рис. 3).

Рис. 6. Модель цифрового блока, блока «Уолш Maсros» и блоков формирования сигналов, фазоманипулированных по сигналам Уолша

На основе функций Радамахера определяется полная ортонормированная система функций Уолша:

w0(t) = 1, wn(t) = jn1(t)jn2(t)ѕjnn(t), где n = 2n1+2n2+ѕ+2nn; ni — старший разряд по отношению к ni+1. Запишем первые 16 функций Уолша как произведения функций Радамахера:

w0000(t) = w0(t) = 1, w0001(t) = w1(t) = j0(t), w0010(t) = w2(t) = j1(t), w0011(t) = w3(t) = j1(t)j0(t), w0100(t) = w4(t) = j2(t), w0101(t) = w5(t) = j2(t)j0(t), w0110(t) = w6(t) = j2(t)j1(t), w0111(t) = w7(t) = j2(t)j1(t)j0(t), w1000(t) = w8(t) = j3(t), w1001(t) = w9(t) = j3(t)j0(t), w1010(t) = w10(t) = j3(t)j1(t), w1011(t) = w11(t) = j3(t)j1(t)j0(t), w1100(t) = w12(t) = j3(t)j2(t), w1101(t) = w13(t) = j3(t)j2(t)j0(t), w1110(t) = w14(t) = j3(t)j2(t)j1(t), w1111(t) = w15(t) = j3(t)j2(t)j1(t)j0(t). Формирователь сигналов Уолша состоит из блоков первого типа, выполняющих формирование сигналов Уолша, — W1, W2, W4, W8 (рис. 4а), и из блоков второго типа, выпол-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

Рис. 7. Осциллограммы шести фазоманипулированных сигналов

Рис. 8. Амплитудный спектр сигнала, фазоманипулированного по Уолшу

няющих формирование сигналов Уолша, — W3, W5, W6, W7, W9–W15 (рис. 4б). На рис. 5 приведены осциллограммы 15 сигналов Уолша W1–W15. Красным цветом выделена осциллограмма сигнала W8. Осциллограмма сигнала W0 представляет

собой постоянное напряжение +1 В и здесь не приводится. Фазовая манипуляция формируется на частоте примерно 39 МГц. Для этого в схеме (рис. 6) используются несколько блоков (один из них выделен эллипсом), состоящих

проектирование

167

из генератора синусоидальных колебаний и умножителя (выделен прямоугольником в увеличении). На рис. 7 представлены фрагменты осциллограмм шести сигналов, фазоманипулированных по закону одной из 15 функций Уолша. На рис. 8 приведен амплитудный спектр сигнала, фазоманипулированного по закону W11 функции Уолша. Как видно, спектр содержит множество гармоник, занимает полосу частот от примерно 30 до 46 МГц и сходен со спектром шумового сигнала. Блок (КОРР) представляет собой модель оптимального приемника сигнала, который для сигнала с известными параметрами вычисляет корреляционный интеграл. Корреляционная обработка сложных сигналов позволяет добиться энергетического выигрыша при приеме, величина которого определяется базой сигнала. Схема блока оценки корреляционных функций (КОРР) приведена на рис. 9. На входы умножителя (Х33) подается один фазоманипулированный сигнал по закону функции Уолша (при оценке автокорреляционной функции) (рис. 10a) или различные фазоманипулированные сигналы по Уолшу (при оценке функции взаимной корреляции) (рис. 10б). Выход умножителя (Umn) соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого, в свою очередь, соединен с последовательно включенными двумя апериодическими операционными усилителями. На рис. 10 две верхние осциллограммы — это фазоманипулированные сигналы на входах умножителя (Х33), а третьи сверху осциллограммы отображают сигналы на выходе умножителя (Х33). Нижние осциллограммы красного цвета представляют колебания на выходе блока (КОРР). Эти колебания в одинаковом масштабе отображают функцию автокорреляции и функцию взаимной корреляции. Как видно на рис. 10, максимальное значение функции автокорреляции сигналов, фазоманипулированных по закону функции Уолша, равно примерно 5,3 В, что больше чем на порядок превышает пиковые значения (около 0,22–0,4 В) функции взаимной корреляции.

Рис. 9. Схема блока оценки корреляционных функций

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

проектирование

168

моделирование работы

Рис. 10. Осциллограммы на входах и выходах блоков: а) автокорреляционной функции; б) функции взаимной корреляции фазоманипулированных сигналов по Уолшу

Разработанная модель дает возможность проводить широкий круг исследований как сигналов Уолша, так и сигналов, фазоманипулированных по закону функции Уолша. Сегодня на базе цифровых систем разрабатываются и уже находят широкое применение сотовые системы связи третьего поколения, использующие широкополосные сигналы с кодовым разделением каналов. Поэтому

новости

данная модель актуальна для разработчиков соответствующей аппаратуры и студентов радиотехнических специальностей. n

Литература 1. Никитин Г. И. Применение функций Уолша в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов: Учеб. пособие. СПб.: СПбГУАП, 2003.

2. А. с. № 1483444. Устройство для моделирования функций с помощью частных сумм сигналов Уолша. Соколов О. Л. Опубл. 30.05.89. Бюл. № 20. 3. А. с. № 1741121. Устройство для моделирования функций с помощью частных сумм сигналов Уолша. Соколов О. Л. Опубл.15.06.90. Бюл. № 22. 4. Амелина М. А. Компьютерный анализ и синтез электронных устройств. Ч. 1: конспект лекций. Смоленск: МЭИ (ТУ), 2005.

ВЧ/СВЧ-элементы

Полностью интегрированное Plug-N‑Play GaN-решение Integra Technologies для радарных применений S‑диапазона Компания Integra Technologies первой на рынке представила полностью интегрированное Plug-N‑Play GaN-решение для радарных применений S‑диапазона. Новый усилительный субмодуль (паллета) IGNP2729M1KW-GPS представляет собой готовое устройство для встраивания в 50‑Ом тракт. Паллета питается от однополярного источника питания напряжением 50 В и обеспечивает импульсную выходную мощность 1 кВт при длительности импульса 300 мкс и коэффициенте заполнения 10%. Особенностями этой паллеты являются наличие цепей автоматического включения питания, а также подача напряжения смещения при появлении ВЧ-сигнала на входе. Это позволяет уменьшить уровень выходных шумов и упростить интеграцию усилителя в систему (достаточно подключить питающее напряжение и подать сигнал на вход). Все производимые паллеты проходят перед отгрузкой тщательное ВЧтестирование. www.etsc.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

проектирование

169

Проектирование компенсатора дисперсии высокоскоростной волоконно-оптической линии связи

Алексей Раевский, д. ф.-м. н. Владимир Бугров, к. т. н. Василий Малахов, к. т. н. bug@rf.unn.ru

Введение Хроматическая дисперсия наряду с затуханием в волоконном световоде является фактором, ограничивающим длину регенерационного участка волоконно-оптических линий связи [1, 2]. Данные по линии обычно передаются одновременно на нескольких частотных каналах и кодируются последовательностью коротких световых импульсов, генерируемых волоконным или полупроводниковым лазером. Влияние дисперсии приводит к расширению или даже полному перекрытию этих импульсов, несущих полезную информацию. Степень расширения возрастает с уменьшением длительности, а точнее — с неизбежным возрастанием крутизны фронтов импульсов при уменьшении их длительности [3]. Особенно сильно дисперсионные эффекты сказываются на работе высокоскоростных оптоволоконных линий со скоростью передачи информации более 1 Гбит/с в одном оптическом канале (на одной оптической несущей). Для компенсации дисперсии ис-

В статье рассматриваются вопросы моделирования важного компонента тракта высокоскоростной волоконно-оптической линии связи — компен‑ сатора дисперсии волны, реализованного на базе неоднородной брэг‑ говской волоконной решетки. Приводится постановка и решение задачи многофункционального синтеза компенсаторов дисперсии численными методами нелинейного математического программирования. Рассмотрен пример решения задачи многофункционального синтеза компенсатора дисперсии волоконно-оптической линии связи на базе волоконного све‑ товода SMF 28 (фирмы Corning). Приведена оценка его характеристик.

пользуют брэгговские волоконные решетки (БВР) с переменным вдоль длины волоконного световода периодом [4, 5], способные вносить необходимую временную задержку между спектральными компонентами передаваемого импульса, восстанавливая таким образом его исходную форму. На рис. 1 показан пример такого устройства — компенсатора дисперсии на неоднородной БВР, включенной в волоконно-оптический тракт через оптический циркулятор. При проектировании компенсатора дисперсии на БВР необходимо обеспечить совокупность определенных функциональных требований. Это, прежде всего, обеспечение заданной формы дисперсионной характеристики в частотной области компенсации, а также обеспечение высокого уровня (не менее 0,9) коэффициента отражения БВР в этой полосе при минимальной его неравномерности. Наиболее эффективно осуществлять такой многофункциональный синтез компенсатора методами нелинейного математического программирования [6–9], общая идея которого состоит в привязке искомого про-

ектного решения к четкому инвариантному математическому признаку — экстремуму функции качества компенсатора (функции цели) F(X), где Х — вектор искомых параметров. В компьютерном пакете синтеза такую функцию формирует функциональный редактор в виде аддитивной свертки (1) частных целевых функций f i(X), которые определяют выполнение функциональных требований по той или иной характеристике компенсатора дисперсии либо их фрагменту: (1) Коэффициент bi задает значимость (вес) характеристики (i‑го частотного окна). Сами частные целевые функции f i(X) функциональный редактор формирует по критерию минимума среднеквадратичного отклонения: • ненормированная форма:

• нормированная форма:

• форма минимаксного критерия:

Рис. 1. Компенсатор дисперсии

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

где Yn(X) — текущее значение дисперсионной характеристики на n‑ой дискретной частоте диапазона определения; YnТ — требуемое значение частотной характеристики. www.kite.ru

проектирование

170

моделирование работы

При наличии такой целевой функции (1) решение задачи синтеза компенсатора дисперсии сводится к процедуре минимизации F(X), то есть к отысканию координат глобального экстремума (оптимальных параметров компенсатора XО), что обычно делается поисковыми методами [8, 9].

Используемые модели Моделирование спектральных характеристик компенсаторов дисперсии на БВР осуществляется с применением теории связанных мод [10], в рамках которой предполагается, что на заданной длине волны лишь для двух определенных мод выполняется условие фазового синхронизма, и только эти моды могут обмениваться энергией друг с другом. Брэгговские решетки связывают основную моду, распространяющуюся в прямом направлении по волоконному световоду, с основной модой, распространяющейся в противоположном направлении, на резонансной (брэгговской) длине волны lБр, задаваемой соотношением:

Рис. 3. Структура неоднородной БВР

— доля потока мощности основной волны, приходящейся на сердцевину световода; Er, Hj* — поперечные компоненты электромагнитного поля волны HE11 в цилиндрической системе координат. На определенной длине волны l взаимодействие мод, распространяющихся в противоположных направлениях, на брэгговской решетке описывается системой уравнений связанных мод [12]:

2nэфΛ = lБр, где nэф — эффективный показатель преломления основной моды; Λ — период решетки. Методика расчета эффективного показателя преломления основной моды световода с записанной в его сердцевине БВР описана в [11]. Наведенное при записи решетки изменение показателя преломления в сердцевине световода вдоль его оси определяется следующим образом:

(2) где R(z) и S(z) — медленно меняющиеся на масштабе длины волны амплитуды волн, распространяющихся в прямом и обратном направлениях соответственно. Спектральная отстройка от строгого резонанса определяется:

на решетку с обратной стороны), можно получить элементы матрицы передачи четырехполюсника, поставленного в соответствие однородной БВР. Комплексный коэффициент отражения S(λ,0) и коэффициент передачи R(λ,L) регулярной решетки длиной L без учета потерь в световоде связаны через закон сохранения энергии:

|R(λ,L)|2 + |S(l,0)|2 = 1. Неоднородная БВР (рис. 3) — это решетка, состоящая из N однородных решеток (звеньев). Ее матрица передачи может быть представлена как матрица передачи каскадного соединения [13] однородных БВР. Каждое i‑oe звено при этом характеризуется четырьмя параметрами (периодом Λi и длиной решетки Li, амплитудой наведенного показателя преломления Dnмодi и его средним значением Dnсрi). Любой из этих параметров при синтезе решетки может варьироваться. Комплексный коэффициент отражения неоднородной решетки представим в виде:

S(λ) = |S(λ)|e jj(λ). (3) где Dnср и Dnмод — среднее значение и амплитуда модуляции наведенного показателя преломления соответственно (рис. 2). Усредненный период решетки Λ0 удобно выбирать так, чтобы он соответствовал центральной длине волны λ0 в спектре отражения решетки:

λ0 = 2(Dnэф + ηDnср)Λ0, где Dnэф = ηDnнав;

Коэффициент связи решетки равен:

Тогда время групповой задержки и дисперсия неоднородной решетки будут, соответственно, определяться следующими соотношениями:

Для случая однородных БВР s(z) = s = = const и k(z) = k = const. Система линейных однородных дифференциальных уравнений первого порядка (2) имеет постоянные коэффициенты. Ее решение:

Таким образом, вектор варьируемых параметров компенсатора дисперсии на неоднородной решетке из N однородных звеньев имеет 4N параметров:

Рис. 2. Наведенный показатель преломления

где ; С1, С2 — произвольные постоянные. Решая систему (2) при граничных условиях: R(λ,0) = 1 и S(λ,L) = 0 (что соответствует падающей на БВР волне с единичной амплитудой и отсутствию излучения, падающего

X(Λ1,Dnср1,Dnмод1,L1,ѕ, Λi,Dnсрi,Dnмодi,Li,ѕ,ΛN,DnсрN,DnмодN,LN), что при достаточно больших N (N > 10) позволит, очевидно, реализовать требуемые формы спектральных характеристик компенсатора только при его синтезе на ЭВМ.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

Синтез компенсатора дисперсии Рассмотрим решение конкретной задачи многофункционального синтеза компенсатора дисперсии волоконно-оптической линии связи длиной 50 км, использующей в качестве среды передачи волоконный световод SMF 28 (фирмы Corning), хроматическая дисперсия которого в диапазоне 1309–1311 нм соответствует графику 1 на рис. 4. Таким образом, для компенсации дисперсии волны в световоде дисперсионная характеристика компенсатора должна соответствовать пунктирному графику 2 на рис. 4. В качестве базовой структуры компенсатора выберем нерегулярную БВР из 31 звена (N = 31), характеризуемую комплексным коэффициентом отражения (3). Задачу параметрического синтеза компенсатора дисперсии при этом можно записать так:

F О(XО) = minF(X), X∈E 93, (4) —1, (5) 410 ≤ Λi ≤ 470, 10–5 ≤ Dnмодi ≤ 0,008, 20 ≤ Li ≤ 200, при i = 1,3 Dnэф = 1,47, η = 0,8, (6) λБр = 1310 нм. (7) Минимизация целевого функционала (4) осуществляется на 93‑мерном вещественном пространстве параметров компенсатора в допустимой области (5) при заданных параметрах волоконного световода (6) и (7). Варьировались периоды Λi и длины Li решеток, а также амплитуды наведенного показателя преломления Dnмодi. Целевой функционал данной задачи F(X) = b1f1(X)+ b2f2(X) формировался в двух частотных окнах по дисперсионной характеристике f1(X) с весом b1 = 1 (рис. 4) при требовании постоянства модуля коэффициента отражения f2(X) по уровню не ниже 0,95 в диапазоне компенсации 1309–1311 нм с весом b2 = 0,5.

Рис. 4. Дисперсионные характеристики: 1 — линии связи; 2 — компенсатора

Рис. 5. Дисперсионная характеристика компенсатора в полосе компенсации

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

проектирование

171

Указанные характеристики графически вводили в соответствующее окно функционального редактора пакета синтеза, а затем они оцифровывались. Поисковое итеративное решение экстремальной задачи (4) в заданном пространстве параметров осуществлялось с помощью программного алгоритмического комплекса минимизации многомерных полимодальных функций [8, 9] путем обращения к модельному блоку программы для расчета текущих функциональных характеристик компенсатора. Вектор XО, минимизирующий скалярную целевую функцию F(X) на множестве допустимых решений (5), является эффективным решением задачи параметрического синтеза компенсатора дисперсии. Время решения задачи синтеза на ЭВМ не превышало 20 минут, причем начальное значение целевого функционала (4) составляло 913, а его значение в точке оптимума было равно 0,0062. Общая длина компенсатора из 31 звена при этом составила 2,33 мм. На рис. 5, 6 представлены графики функциональных характеристик синтезированного компенсатора дисперсии. Как видно на приведенных рисунках, все требования по функциональным характеристикам компенсатора дисперсии в процессе синтеза были выполнены с высокой точностью. При этом нелинейность дисперсионной характеристики компенсатора в полосе компенсации не превышала 5%, а нелинейность модуля коэффициента отражения составляла 0,045 при среднем его значении 0,98.

Заключение Методы нелинейного программирования в приложении к задачам проектирования компенсаторов дисперсии волоконно-оптических линий связи являются современной и весьма перспективной альтернативой традиционным аналитическим подходам. Принципиальное отличие в данном случае состоит в прямом поиске требуемых параметров компенсатора на многомерном пространстве допустимых решений. Критерием поиска при этом является соответствие совокупного текущего функционирования компенсатора его требуемому функционированию. Современные алгоритмические комплексы минимизации позволяют решать такую задачу весьма надежно и эффективно при выполнении всех внешних требований и ограничений к работе проектируемого устройства [6–9]. Это дает возможность существенно повысить качество компенсатора дисперсии и сократить время его разработки. Судя по материалам, приведенным в статье, ясно, что в сравнении с традиционными классическими подходами синтез компенсаторов методами нелинейного программирования позволяет: 1. Осуществлять синтез компенсатора по совокупности требуемых его характеристик, причем можно легко управлять приоритетом функциональных характеристик в процессе синтеза фильтра. 2. Форма характеристик может быть произвольная. 3. Возможна широкая фрагментация характеристик, когда важные их участки выделяются в отдельное функциональное окно для обеспечения их детальной проработки в ходе синтеза.

Рис. 6. Коэффициент отражения компенсатора в полосе компенсации

www.kite.ru

172

проектирование

моделирование работы

Целевые функции в задачах многофункционального синтеза имеют весьма сложный, полимодальный характер. Минимизация таких функций является непростой задачей. Тем не менее разработанный программно-алгоритмический комплекс успешно справился с ней, показав высокую надежность и эффективность. n

Литература 1. Беланов А. С., Дианов Е. М. Предельные скорости передачи информации по волоконным световодам // Радиотехника. 1982. № 2. 2. Беланов А. С., Белов А. В., Дианов Е. М. и др. О возможности компенсации материальной дисперсии в трехслойных волоконных световодах в диапазоне λ<1,3 мкм // Квантовая электроника. 2002. № 5. 3. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика / Пер. с англ. С. В. Черникова. М.: Мир, 1996. 4. Васильев С. А., Медведков О. И., Королев И. Г., Дианов Е. М. Волоконные решетки показателя преломления и их применение // Квантовая электроника. 2005. Т. 35, № 12. 5. Kersey A. D., Davis M. A., Patrick H. J., et al. Lightwave Technoloies. 1997. V. 15, No 8.

6. Бугров В. Н., Малахов В. А., Раевский А. С. Анализ и синтез узкополосных фильтров на брэгговских волоконных решетках // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т. 13, № 4. 7. Мину М. Математическое программирование. Теория и алгоритмы. М.: Наука, 1990. 8. Воинов Б. С., Бугров В. Н., Воинов Б. Б. Информационные технологии и системы: поиск оптимальных, оригинальных и рациональных решений. М.: Наука, 2007. 9. Раевский А. С., Бугров В. Н., Малахов В. А. Моделирование и синтез узкополосных оптоволоконных фильтров // Компоненты и технологии. 2014. № 1. 10. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. М.: Мир, 1980. 11. Раевский А. С., Раевский С. Б. Комплексные волны. М.: Радиотехника, 2010. 12. Медведков О. И., Королев И. Г., Васильев С. А. Запись волоконных брэгговских решеток в схеме с интерферометром Ллойда и моделирование их спектральных свойств. М.: НЦВО при ИОФ РАН им. А. М. Прохорова, 2004. 13. Будурис Ж., Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот. М.: Советское радио, 1979.

новости

Кварцевые генераторы Microsemi для космических применений Корпорация Microsemi, поглотившая в 2013 г. компанию Symmetricom, производит более 670 моделей кварцевых генераторов и 70 цезиевых атомных источников тактовых сигналов для космических программ. Генераторы 9600B, 9700B и 9800B обеспечивают предоставление сигнала с частотой 1–200 МГц, обладающего исключительными значениями стабильности частоты, фазового шума и температурного коэффициента. Устройства производятся в малогабаритных корпусах и отличаются низким уровнем потребляемой мощности. Генераторы являются радиационно-стойкими компонентами с уровнем стойкости более 100 крад (Si), стабильно работают в условиях нейтронного излучения и устойчивы к воздействию ТЗЧ. Семейство ультрастабильных кварцевых генераторов 9500B имеет наивысшие характеристики,

доступные для кварцевых генераторов, — показатель уровня девиации Аллана составляет менее 1×10–13 для интервала 1–100 с. Изделия серии 9500 обеспечивают генерацию выходных частот со значениями до 600 МГц. Доступны компоненты с несколькими выходами и цифровым управлением значением выходной частоты. Генераторы протестированы в различных условиях окружающей среды, включая электромагнитные помехи, случайные и синусоидальные вибрации и воздействие радиационных излучений. Генераторы серии 9500B имеют опцию интеграции источника питания для работы от первичного или вторичного ИП. В серии 9900 используются гибридные схемы, которые уменьшают размеры управляемых напряжением и/или температурно-компенсированных кварцевых генераторов. Максимальная выходная частота данных генераторов состав-

ляет 600 МГц с синусоидальной формой сигнала либо с сигналом стандартов ТТЛ, КМОП, PECL или CML. Генераторы серии 9900 показывают превосходные характеристики уровня фазовых шумов, температурной стабильности и времени работы. Производство и тестовая лаборатория сертифицированы на соответствие требованиям класса K DLA. www.icquest.ru

Высоконадежные стабилитроны Microsemi с рабочим напряжением от 1 до 2,4 В Корпорация Microsemi представила новое семейство стабилитронов SLZ с рабочим напряжением от 1 до 2,4 В и обратным током утечки менее 50 нА. Новые высоконадежные стабилитроны предназначены для низковольтного регулирования и защиты от переходных процессов военного, авиационного, промышленного и медицинского оборудования. Низкая емкость и малый ток утечки позволяют применять эти стабилитроны как в устройствах с высокоскоростными и высокочастотными процессами, так и в переносных приборах: SLZ обеспечивают более длительное время работы от батареи.

Стабилитроны серии SLZ выполнены в прочных герметичных корпусах для поверхностного монтажа форм-фактора UB, разработанных с учетом требований при эксплуатации в жестких условиях окружающей среды, ударов и вибрации, и проходят отбор на соответствие требованиям JANTXV. Microsemi планирует расширить эту категорию компонентов стабилитронами с различными уровнями рабочего напряжения в корпусах нескольких форм-факторов. Основные особенности стабилитронов серии SLZ: • Напряжение стабилизации от 1 до 2,4 В. • Рабочий ток: 250 мкА.

• Максимальный импульсный ток: 25 А. • Обратный ток утечки: менее 50 нА. • Соответствуют требованиям IEC 61000-42 и IEC 61000-4-4. • Отбор на соответствие стандарту MIL-STD‑19500. www.icquest.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

174

проектирование

моделирование работы

MATLAB 8.0 (R2012b) — схемотехническое моделирование в Simscape и SimElectronics

Владимир Дьяконов, д. т. н., профессор vpdyak@yandex.ru

Библиотека электрических компонентов пакета Simscape Toolbox Пакет расширения Simscape Toolbox ориентирован на математическое и физическое блочное моделирование в конкретных, но довольно широких областях науки и техники — электричестве, электронике, механике, электромагнетизме, пневматике, гидравлике и термодинамике [2–5]. Моделирование происходит скорее на уровне фундаментальных физических процессов, чем конкретных технических устройств. Библиотека паке-

Рис. 1. Окно браузера библиотек Simulink с открытым списком разделов библиотек пакета расширения Simscape

Новая матричная система компьютерной математики MATLAB 8.0 (R2012b) превратилась в удобную систему блочного схемотехнического моделиро‑ вания электрических и электронных схем с открытым программным кодом и понятной математической и физической ориентацией. Этим она выгод‑ но отличается от известных программ схемотехнического моделирования PSPICE, MicroCAP, Electronics Workbench и других. Средства схемотехни‑ ческого моделирования вошли в пакеты расширения Simulink, Simscape и SimElectronics, последние реализации которых впервые описаны в статье на многих примерах их практического применения. Автор благодарит кор‑ порацию The MathWorks Inc. [1] за предоставленную систему MATLAB 8.0 + Simulink 8.0, использованную для подготовки данной серии материалов.

та Simscape находится в библиотеке пакета блочного имитационного моделирования Simulink (рис. 1). На рис. 1 открыт раздел фундаментальных блоков электрических элементов, в число которых входят наиболее распространенные электрические элементы; резистор R, конденсатор C, индуктивность L, идеальный и насыщающийся трансформаторы, гиратор, порты открытия схемы и «земли», идеальный ключ, диод и др. Активные (усиливающие сигналы) устройства представлены лишь идеальным операционным усилителем. Все они описываются уравнениями теоретических основ электротехники [6–9]. Основная задача пакета Simscape заключается в переходе от безразмерных Simulinkблоков к размерным. Например, входами виртуального осциллографа при моделировании электрических схем должны быть токи или напряжения, тогда как блоки Simulink-осциллографов воспринимают безразмерные сигналы. Поэтому в разделе

Electrical Sensors представлены лишь два блока — сенсор тока и сенсор напряжения. В разделе источников (рис. 2) показаны неуправляемые и управляемые источники напряжения и тока (в Simulink источники тоже безразмерные).

Моделирование простейших электрических цепей Даже такой скромный набор позволяет моделировать простые электрические и электронные цепи. На рис. 3 показан демонстрационный пример моделирования переходного процесса в RC-цепи при заряде конденсатора через резистор от источника единичного перепада Step. Сенсор напряжения превращает этот перепад в перепад напряжения. Окно параметров конденсатора представлено в левом нижнем углу окна диаграммы. Виртуальный Simulinkосциллограф показывает график заряда (экспоненту с начала перепада) благодаря при-

Рис. 2. Окно с разделом библиотеки по источникам

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

проектирование

Рис. 3. Диаграмма моделирования RC-цепи, питаемой от перепада напряжения

Рис. 4. Управление зарядом/разрядом литиевой аккумуляторной батареи

Рис. 5. Моделирование нелинейной индуктивности

Рис. 6. Контроль магнитного потока в нелинейной индуктивности

менению сенсора преобразования напряжения в безразмерную величину. Хотя сенсоры немного усложняют моделируемую схему, она вполне понятна специалисту-электрику. И набирается по правилам, принятым в Simulink. Спецификой математического моделирования электротехнических и электронных устройств является дополнение дифференциальных уравнений алгебраическими уравнениями для расчета статического режима работы схем. Этот процесс автоматизирован, но требуется специальное указание на его применение. Такое указание задается включением особого блока Solver Configuration с надписью f(x)=0 внутри блока. Этот блок может подключаться к любой точке схемы, чаще всего к «земле». На рис. 4 показана диаграмма моделирования процесса заряда и разряда литиевой аккумуляторной батареи импульсным током различной полярности (положительной при заряде и отрицательной при разряде). Под диаграммой показано окно раздела библиотеки с блоками моделей литиевых батарей. Моделирование других типов батарей также предусмотрено. Моделирование нелинейных компонентов и устройств основано на решении нелинейных дифференциальных уравнений с помощью имеющегося в MATLAB набора их решателей численными методами. Простейший пример моделирования нелинейной индуктивности дан на рис. 5. Через индуктивность пропускается синусоидальный ток от источника AC Current Sours. Напряжение на катушке индуктивности, показанное виртуальным осциллографом, резко отличается от синусоидального. Для контроля магнитного потока в катушке индуктивности использована субмодель этого компонента, показанная на рис. 6. Нетрудно заметить, что магнитный поток меняется во времени также по несинусоидальному закону, но характер нелинейности иной, чем для временной зависимости напряжения на индуктивности. Эта зависимость описана на языке системы MATLAB в описании примера. Простые электрические и электронные схемы также могут моделироваться при задании их блоков из библиотеки электрических

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

175

компонентов пакета Simscape. На рис. 7 показана диаграмма моделирования типовой схемы мостового выпрямителя с трансформатором. Эта широко распространенная схема состоит из четырех диодов и работает на резистивную нагрузку и сглаживающий конденсатор. Окно блока параметров одного из диодов представлено на рис. 7. На осциллограмме выходного напряжения виртуального осциллографа отчетливо виден участок роста при подаче на выпрямитель переменного напряжения и почти пилообразные пульсации его выходного напряжения с удвоенной частотой сети. Используя имеющиеся в библиотеке блоки, можно создавать субмодели различных устройств, которые затем могут включаться в состав библиотеки и расширять ее возможности. На рис. 8 показана диаграмма работы схемы прерывателя тока в нагрузке и результаты его моделирования. Субмодель открывается двойным щелчком правой клавиши мыши на модели основного блока и создается с окном установки параметров (рис. 8).

Рис. 7. Диаграмма моделирования мостового двухфазного выпрямителя

www.kite.ru

176

проектирование

моделирование работы

Рис. 8. Диаграмма моделирования блока прерывателя

Реальный операционный усилитель имеет конечные уровни выходного напряжения, обычно не превышающие 15 В. В данном примере на вход усилителя подано большое напряжение (10 В) и амплитуда выходного сигнала достигает нереальной величины 110 В. Это говорит об идеализации модели операционного усилителя и отсутствии у него амплитудных искажений. Нетрудно проверить модель и на отсутствие частотных искажений. Другой пример применения идеального операционного усилителя — построение инвертирующего дифференцирующего устройства — представлен на рис. 10. Осциллограммы подтверждают правильность моделирования — дифференцирование синусоиды дает инвертированную косинусоиду. Каждый блок диаграммы имеет свои характеристики, которые устанавливаются в окне его параметров. Оно вызывается указанием блока мышью и двойным щелчком ее левой клавиши. На рис. 10 показано окно установки параметров блока сенсора напряжения. Если блок субмодель, то открывается окно ее диаграммы.

Моделирование схемы ШИМ и пуска трансформатора В источниках питания с высоким КПД и в схемах управления двигателями и другими электрическими аппаратами часто используются схемы широтно-импульсных модуляторов (ШИМ). Диаграмма моделирования асинхронного источника напряжения PWM Voltage Source с широтно-импульсной модуляцией представлена на рис. 11. Работа этого блока вполне очевидна. Окно установки параметров блока находится справа от диаграммы. Диаграмма моделирования включения идеального трансформатора представлена на рис. 12. Полученные результаты здесь также очевидны.

Рис. 9. Диаграмма моделирования не инвертирующего усилителя на идеальном операционном усилителе

Возможно моделирование и типовых устройств, выполненных на идеальном интегральном операционном усилителе. Например, на рис. 9 показана схема не инвертирующего усилителя, построенного на основе идеального операционного усилителя. Такой усилитель не имеет амплитудных и частотных искажений и обладает бесконечным коэффициентом усиления и бесконечным входным сопротивлением. С учетом охвата усилителя отрицательной обратной связью коэффициент усиления будет равен (R1+R2)/R1 (в данном примере 11).

Рис. 10. Диаграмма моделирования дифференцирующего устройства на идеальном операционном усилителе

Рис. 11. Диаграмма моделирования асинхронного источника напряжения с широтно-импульсной модуляцией

Рис. 12. Диаграмма моделирования включения трансформатора

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

проектирование

177

Моделирование электродвигателей Моделирование переходных процессов при включении и выключении маломощных двигателей рассматривается во многих демонстрационных примерах пакета расширения Simscape R2012. На рис. 13 показана диаграмма модели запуска электродвигателя с переменным магнитным сопротивлением. Двигатель запускается перепадом тока, создаваемым генератором перепада Step с преобразованием его в перепад тока. Поскольку сопротивление двигателя имеет индуктивную компоненту и он проявляет резонансные механические свойства, то как угол поворота, так и магнитный поток содержат колебательную компоненту. На рисунке представлены осциллограммы виртуального осциллографа и окно параметров двигателя.

Рис. 15. Диаграмма моделирования переходных процессов шунтового электродвигателя

Рис. 13. Запуск двигателя с переменным магнитным сопротивлением перепадом напряжения

С позиций моделирования одним из самых простых является электродвигатель постоянного тока с постоянным магнитом. Переходные процессы его включения и выключения носят экспоненциальный характер, что показано на рис. 14. Отсутствие перерегулирования явно относится к достоинствам такого двигателя.

Рис. 16. Диаграмма моделирования пневматического двигателя

этого представлен диаграммой рис. 16. Приведенные осциллограммы свидетельствуют о сложных и довольно специфических процессах работы пневматического двигателя.

Библиотека электронных компонентов пакета SimElectronics

Рис. 14. Диаграмма моделирования включения/выключения электродвигателя постоянного тока с постоянным магнитом

Таким же достоинством обладает шунтовый электродвигатель постоянного тока. Диаграмма его модели, показанная на рис. 15, иллюстрирует процесс включения двигателя с его работой на переменную во времени нагрузку. Нетрудно заметить, что при скачкообразном изменении нагрузки переходные процессы остаются строго монотонными. Пакет расширения Simscape позволяет моделировать и двигатели другой физической природы, в частности пневматические. Пример

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Гораздо больше возможностей в моделировании электрических и электронных схем предоставляет пакет расширения SimElectronics, входящий в пакет Simscape. Это обусловлено значительным расширением библиотеки его блоков и их ориентацией на моделирование электронных схем и устройств широкого применения. На протяжении последних лет библиотека компонентов SimElectronics постоянно совершенствовалась и пополнялась от одной версии системы MATLAB+Simulink к другой, постепенно превращая пакет SimElectronics во вполне полноценный пакет схемотехнического моделирования общего характера [3–10]. Последняя реализация SimElectronics R2012b впервые представлена в данной статье. Она содержит новые блоки нелинейной индуктивности и нелинейного трансформатора, новый блок термистора, ряд новых блоков преобразования неэлектрических величин в электрические, новый блок DC/DC-конвертера, новые примеры применения и т. д. Окно с блоками пассивных элементов библиотеки пакета расширения SimElectronics (рис. 17) содержит модели переменных линейных резистора, конденсатора и катушки индуктивности, модели нелинейных индуктора и трансформатора, модели кварцевого резонатора, лампы накаливания, термистора, ключей и трехобмоточного трансформатора. Особо следует отметить модель линии передачи на основе LC-секций и с распределенными постоянными (например, на основе www.kite.ru

178

проектирование

моделирование работы

Рис. 20. Окно SPICE-совместимых пассивных компонентов

Рис. 17. Окно с блоками пассивных элементов библиотеки пакета SimElectronics

Математическое описание блоков базируется на широко распространенных моделях, например Эберса — Молла для биполярных транзисторов. В первом поколении моделей не учитывались тепловые эффекты, но затем их учет был введен и в полной мере присутствует в последней версии пакета SimElectonics R2012b. Все параметры моделей указываются в окнах установки параметров. Между тем в области схемотехнического моделирования классикой являются программы класса SPICE и PSPICE, модели которых стали стандартными в полупроводниковой электронике. Учитывая это, в последних реализациях системы MATLAB+Simulink 7.хх (и, естественно, в новой реализации 8.0) библиотека компонентов была рас-

Рис. 18. Окно библиотеки Simulink R2012b с блоками полупроводниковых приборов общего применения пакета SimElectronics

отрезка коаксиального кабеля или микрополосковой линии). Она позволяет моделировать десятки устройств на линиях передачи [10]. Окно с блоками моделей полупроводниковых приборов общего применения пакета расширения SimElectronics показано на рис. 18. Представлены модели диода, n‑ и p‑канальных полевых транзисторов с управляющим переходом и MOSFET-типа, p‑n‑p‑ и n‑p‑n‑биполярных транзисторов, тиристора и даже оптопары светодиод-фототранзистор. Есть также множество моделей цифровых интегральных микросхем.

Рис. 19. Окно браузера библиотек с открытым разделом SPICE-совместимых моделей полупроводниковых приборов

Рис. 21. Окно установки параметров SPICE-модели NMOS-транзистора

Рис. 22. Окно раздела SPICE-моделей источников

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

проектирование

179

вида, но выбором их параметров можно задать любой тип конкретного компонента, даже если его выпуск лишь планируется. Другим мощным полупроводниковым прибором является биполярно-полевой транзистор IGBT. Его модель была существенно улучшена, в частности, предусмотрены учет температуры внешней среды и саморазогрев прибора. Теперь модель характериографа IGBT позволяет получать семейства выходных ВАХ при разных температурах и сравнивать работу прибора при любой температуре (рис. 23б). Возможно моделирование сильноточных приборов с токами в сотни ампер. Снятие ВАХ возможно для диодов (в том числе диодов Шоттки), биполярных транзисторов и полевых транзисторов с управляющим переходом.

Моделирование маломощных усилителей во временной и частотной областях б

Рис. 23. Снятие семейств выходных ВАХ при двух значениях температуры: а) мощного n‑канального MOSFET; б) мощного n‑канального IGBT

ширена блоками SPICE-совместимых моделей. На рис. 19 можно видеть окно библиотеки Simulink R2012b с открытым разделом SPICEмоделей диода и транзисторов. Существуют SPICE-совместимые модели и для пассивных компонентов. Окно с ними для пакета расширения SimElectronics показано на рис. 20. Таких компонентов немного — SPICE-резистор и управляемые током и напряжением ключи. В этот раздел они попали явно по недоразумению, поскольку ключи обычно реализуются на активных приборах. SPICE-модели характеризуются рядом новых величин, которые включены в окна установки параметров блоков (рис. 21). Усложнение системы параметров SPICE-блоков моделей вряд ли стоит относить к их достоинству, но иногда это позволяет повысить точность моделирования — особенно для схем, лежащих в основе интегральных микросхем. Окно раздела SPICE-источников показано на рис. 22. Всего здесь присутствует 20 блоков SPICE-моделей, включая источники постоянного, переменного и импульсного тока и напряжения, источники с широтно-импульсным управлением и с частотной модуляцией.

Элементарной ячейкой многих электронных устройств является усилительный каскад — схема на 1–3 транзисторах, которую нельзя разделить на более мелкие части. В каскад входят элементы стабилизации рабочей точки, отделения переменной составляющей сигналов от постоянной составляющей и другие цепи. Моделирование каскадов на различных полупроводниковых приборах — одна из задач, решаемых пакетом расширений SimElectronics. На рис. 24 показана диаграмма модели типового усилительного каскада на полевом транзисторе с управляющим переходом (схема с общим истоком). На вход каскада подан достаточно большой синусоидальный сигнал, и диаграмма иллюстрирует появление заметных нелинейных искажений на выходе. Если уменьшить амплитуду входного сигнала, то каскад переходит практически в линейный режим, характерный для его нормальной работы. Наряду с моделированием во временной области (рис. 24) часто требуется оценка работы каскадов в частотной области. Она определяется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) каскада и его фазочастотной характеристикой (нередко их называют логарифмическими из-за логарифмического масштаба характеристик по частоте). Анализ линейных систем в частотной области, на основе решения их уравнений состояния, имеется в базовой системе MATLAB. Его можно использовать и для анализа линеаризованных моделей SimElectronics. Для этого в окне командного режима работы MATLAB надо исполнить простые команды: >> [a,b,c,d] = linmod('имя_файла_ схемы'); >> bode(a,b,c,d)

Первая команда создает в рабочем пространстве матрицы уравнений состояния (они указаны в квадратных скобках), а вторая строит по этим матрицам графики АЧХ и ФЧХ с логарифмической шкалой

Моделирование характериографа полупроводниковых приборов У некоторых программ схемотехнического моделирования в библиотеку включены серийно выпускаемые компоненты, например транзисторы или диоды. Это резко увеличивает размеры библиотек и их приходится часто модернизировать по мере появления новых компонентов. Это особенно досаждает пользователям из России и стран СНГ, где изготавливается множество своих приборов, отсутствующих в библиотеках. В системе MATLAB + Simulink пошли по иному пути [6–9]: в библиотеку включены компоненты общего

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Рис. 24. Диаграмма модели усилительного каскада на полевом транзисторе

www.kite.ru

180

проектирование

моделирование работы

Рис. 28. Диаграмма моделирования трехкаскадного усилителя-формирователя, работающего в нелинейном режиме Рис. 25. Логарифмическая амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики каскада рис. 24

Рис. 29. Диаграмма модели дифференциального каскада на биполярных транзисторах Рис. 26. Диаграмма модели двухкаскадного усилителя на биполярных транзисторах

частот — диаграммы Бодэ. На рис. 25 показаны эти характеристики для каскада рис. 24. Аналогичным образом моделируются двухкаскадные усилители (рис. 26) и другие устройства. Усилитель на рис. 26 имеет сложную структуру с двумя цепями частотно-зависимой обратной связи. Его поведение без моделирования является далеко не очевидным и характеризуется длительным процессом установления стационарного режима. Однако, выделив мышкой небольшую область желтой полоски сигнала, нетрудно получить осциллограмму сигнала в этой области (рис. 27). Можно заметить ограничения сигнала сверху и снизу, связанные с учетом нелинейности транзистора (отсечкой коллекторного тока закрытого и насыщением открытого транзистора). Они исчеза-

ют при уменьшении уровня сигналов на входе и с переходом усилителя в линейный режим работы. Диаграмма моделирования резко нелинейного трехкаскадного усилителя-формирователя с гальваническими связями между транзисторами показана на рис. 28. В диаграмме этого усилителя использованы SPICE-модели всех компонентов, вплоть до резисторов. Выходной транзистор работает в резко нелинейном режиме, обеспечивая размах выходного напряжения почти от 0, при насыщении включенного транзистора, до напряжения питания 15 В в режиме отсечки. Для моделирования используется метод с фиксированным шагом. Переходный процесс установления выходного напряжения обусловлен наличием разделительного конденсатора на входе усилителя. Основа интегральных операционных усилителей — дифференциальные каскады, усиливающие разность входных напряжений и позволяющие строить усилители постоянного тока с нулевой нижней граничной частотой. Диаграмма модели типового дифференциального каскада на биполярных транзисторах представлена на рис. 29. Осциллограммы выходного сигнала показывают, что модель является также нелинейной из-за нелинейности транзисторов. Но степень нелинейности в этой схеме обычно невелика.

Моделирование управляемого LC-генератора и мультивибратора

Рис. 27. Осциллограмма сигнала в стационарном режиме работы усилителя рис. 26

Нелинейные устройства с положительной обратной связью также могут моделироваться в пакете SimElectronics. На рис. 30а показана диаграмма модели управляемого напряжением генератора синусоидальных колебаний. Специфика таких схем состоит в медленном

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

проектирование

181

Рис. 30. Диаграмма модели: а) управляемого напряжением генератора синусоидальных колебаний с PI-контроллером; б) симметричного автоколебательного мультивибратора на биполярных транзисторах

процессе установления колебаний — в данном случае это вызвано высокой добротностью колебательного контура. Блок Average Magnitude позволяет получить зависимость от времени магнитуды сигнала генератора. Определенные трудности вызывает моделирование импульсных устройств с положительной обратной связью — типа мультивибраторов. Описывающие их работу дифференциальные уравнения часто оказываются жесткими и требуют применения решателей таких уравнений. Они есть в составе решателей MATLAB+Simulink. На рис. 30б приведена диаграмма модели симметричного автоколебательного мультивибратора, осциллограммы переходных процессов модели и окно параметров блока питания.

фа и графиков, полученных при активизации синего прямоугольника Plot Characteristics. Они строятся средствами MATLAB.

Моделирование DC/DC-преобразователей Наличие в библиотеке SimElectronics блоков моделей мощных диодов, полевых и биполярных транзисторов, IGBT и тиристоров открывает обширные возможности в простом и физически понятном блочном имитационном моделировании DC/DC-преобразователей

Моделирование фильтров Блоки моделей SimElectronics позволяют моделировать различные типы фильтров. На рис. 33 показана модель резонансного фильтра на трехобмоточном трансформаторе (рис. 31), на вход которого подается частотно-модулированный сигнал со средней частотой, близкой к частоте резонанса фильтра. В результате на выходе получается сигнал, похожий на амплитудно-модулированный. Диаграмма модели активного НЧ-фильтра на двух операционных усилителях представлена на рис. 32а. Показана его реакция на короткий импульс и построенные в MATLAB сравнительные АЧХ идеального и реального фильтров. Диаграмма модели фазосдвигающего устройства на двух операционных усилителях и результаты его моделирования представлены на рис. 32б в двух видах — осциллограмм виртуального осциллогра-

Рис. 31. Диаграмма работы пассивного резонансного фильтра на основе трехобмоточного трансформатора

Рис. 32. Диаграмма модели: а) НЧ-фильтра на двух операционных усилителях; б) фазосдвигающего устройства на операционных усилителях

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

проектирование

182

моделирование работы

Рис. 33. Диаграмма модели: а) стабилизатора (регулятора) на составном транзисторе, работающего на циклическую нагрузку; б) повышающего однотактного преобразователя на мощном полевом транзисторе

Рис. 34. Диаграмма работы понижающего преобразователя на мощных полевых транзисторах

(постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня). На рис. 33а показана диаграмма модели простого аналогового стабилизатора напряжения с регулирующим элементом на составном транзисторе (приборы типа n‑p‑n). Мощный транзистор оснащен термодатчиком, а регулятор работает на циклическую нагрузку. Осциллограммы одного виртуального осциллографа показывают временные зависимости выходного напряжения и тока нагрузки. Видно, что у такой простой схемы регулятора стабилизация выходного напряжения не высокая и напряжение заметно «проседает» при большом токе нагрузки. Осциллограммы второго осциллографа показывают временные зависимости температуры. Для повышения КПД преобразователей в них используется ключевой метод регулирования с применением ключей на мощных полупроводниковых приборах. В преобразователях умеренной мощности перспективны ключи на быстро переключающихся мощных MOSFET без присущего биполярным транзисторам эффекта накопления зарядов при включении. На рис. 33б показана диаграмма модели типичного повышающего однотактного преобразователя на мощ-

Рис. 35. Графическая иллюстрация работы преобразователя рис. 34

ном полевом транзисторе. Преобразователь моделируется при циклической нагрузке с учетом температурных эффектов (нагрева при включении мощного полевого транзистора и его остывания при выключении). Осциллограммы дают наглядное представление о физике работы преобразователя. На другой диаграмме (рис. 34) можно видеть модель понижающего напряжение преобразователя на двух мощных полевых транзисторах. Преобразователь работает на непрерывную и циклическую нагрузки. С помощью базовой системы MATLAB можно получить дополнительные графические зависимости, описывающие работу моделируемых схем. Такой прием использован в модели рис. 34 (полученные зависимости приведены на рис. 35). При активизации синего прямоугольника Open Plot File в редакторе открывается файл-график, показанный на рис. 35.

Моделирование усилителей мощности с высокочастотной ШИМ Высокая частота переключения мощных полевых транзисторов открывает перспективы построения на них усилителей мощности с ШИМ. Диаграмма модели одной из таких

схем с частотой преобразования около 1 МГц показана на рис. 36а. На вход схемы подан двухкомпонентный звуковой сигнал, биения которого похожи на амплитудную модуляцию. Он воспроизводится на выходе почти без искажений, что указывает на достаточно большой динамический диапазон усиливаемых сигналов. Наряду с временными зависимостями сигналов на входе и на выходе показан сигнал ошибки (практически горизонтальная линия) и частотный спектр сигнала. Ключевой режим работы с высоким КПД (до 0,95) лежит также в основе класса E усилителей мощности. На рис. 36б показана диаграмма модели такого трансформаторного двухтактного усилителя мощности, выполненного на двух мощных MOSFET. Усилитель работает на частотах 80‑метрового диапазона, выделенного для связи. Виртуальный осциллограф отображает входной сигнал (меандр), выходной сигнал (довольно чистая синусоида), а также временные зависимости напряжений на стоках и токов стока. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала применяется фильтр на резонансных контурах и втором трехобмоточном трансформаторе (первый такой трансформатор используется в схеме самого усилителя).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

моделирование работы

проектирование

183

Рис. 36. Диаграмма модели: а) ключевого усилителя мощности звукового сигнала с частотой преобразования 1 МГц; б) усилитель мощности 80‑метрового диапазона класса E

Рис. 37. Диаграмма модели: а) полосового фильтра на основе трехобмоточного трансформатора; б) диодного кольцевого демодулятора и результаты его моделирования

Моделирование некоторых схем коммуникационных устройств В коммуникационных устройствах применяются некоторые из описанных выше устройств, например усилители, фильтры и др. Добавим к ним еще пару примеров. На рис. 37а показана диаграмма модели полосового фильтра на основе трехобмоточного трансформатора. Обмотки трансформатора и подключенные к ним конденсаторы обра-

зуют резонансные контуры, формирующие АЧХ с плоской вершиной (в отличие от фильтра на рис. 31). Намного более плавной получается и ФЧХ-фильтра. Это имеет важное значение в ряде коммуникационных устройств. Диаграмма модели кольцевого диодного демодулятора показана на рис. 37б. Здесь интересно спектральное представление работы демодулятора с помощью спектров, получаемых от базовой системы MATLAB. Они видны на рисунке и помогают понять работу демодулятора.

Сенсоры температуры на основе термистора В тексте и демонстрационных примерах SimElectronics довольно много внимания уделено описанию моделей различных сенсоров. Ограничимся примерами моделирования сенсоров температуры на основе термистора. Диаграмма модели сенсоров с термисторным мостом показана на рис. 38а. Работа сенсора вполне очевидна: выходной сигнал моста

Рис. 38. Диаграмма модели: а) термисторного моста на входе операционного усилителя; б) управляемого термистором вентилятора

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

проектирование

184

моделирование работы

усиливается усилителем на операционном усилителе. Второй операционный усилитель используется в схеме реального интегратора, снижающего шумы и задающего постоянную времени сенсора. Другая диаграмма — модели управляемого термистором двигателя для охлаждающего вентилятора — представлена на рис. 38б. Здесь скорость двигателя управляется так, чтобы обеспечить постоянство температуры.

го назначения, в частности электромеханических и пневматических. Это достигается обширной библиотекой моделей компонентов — пассивных, источников, сенсоров, диодов, биполярных и полевых транзисторов и т. д. Круг моделируемых устройств довольно обширен и иллюстрируется большим количеством примеров, в том числе описанных n и в данной статье.

Заключение

1. www.mathworks.com 2. Дьяконов В. П. MATLAB R2006/2007/2008 + Simulink 5/6.7. Основы применения, 2‑е издание, дополненное и переработанное. М.: СОЛОНПресс. 2008. 3. Дьяконов В. П. MATLAB. Полный самоучитель. М.: ДМК-Пресс. 2012.

Благодаря пакетам расширения Simscape и SimElectonics система MATLAB+Simulink R2012b приобрела основные возможности систем схемотехнического моделирования электрических и электронных схем обще-

новости

Литература

4. Дьяконов В. П. MATLAB и Simulink для радиоинженеров. М.: ДМК-Пресс.- 2011. 5. Дьяконов В. П., Пеньков А. А. MATLAB и Simulink в электроэнергетике. М.: Горячая линия – Телеком. 2009. 6. Дьяконов В. П. Моделирование в MATLAB+ Simulink электронных компонентов и систем // Компоненты и технологии. 2011. № 4. 7. Дьяконов В. П. MATLAB и Simulink 2011a: что нового? // Компоненты и технологии. 2011. № 12. 8. Дьяконов В. П. MATLAB 2011b в обработке сигналов и моделировании электронных устройств // Компоненты и технологии. 2012. № 2. 9. Дьяконов В. П. Особенности новой реализации и Simulink 2012a // Компоненты и технологии. 2012. № 1. 10. Дьяконов В. П. Моделирование линий передачи в MATLAB 2012a // Компоненты и технологии. 2012. № 6.

события

9‑я Международная выставка «ВакуумТехЭкспо 2014» Международная выставка вакуумной техники, материалов и технологий «ВакуумТехЭкспо» пройдет 15–17 апреля 2014 года в Москве, КВЦ «Сокольники», в павильоне № 2. Здесь каждый специалист отрасли сможет найти необходимое оборудование, узнать о новых технологиях, приобрести технику по особой выставочной цене, оценить продукты конкурентов, узнать о тенденциях следующего года. Участники выставки «ВакуумТехЭкспо» — ведущие российские и зарубежные компании — производители и дистрибьюторы вакуумного оборудования, техники и технологий. Выставка объединяет шесть направлений: • Вакуумная техника и технологии в промышленности. Участники продемонстрируют: – источники питания для ионно-плазменных технологий, круглые и протяженные магнетроны, ионные источники, установки для нанесения покрытий; – вакуумные электропечи сопротивления; вакуумное ионно-плазменное оборудование; вакуумные плавильные печи; – оборудование для микро- и наноэлектроники — вакуумно-плазменное, физико-термическое, для получения сверхчистых материалов; – специальную высоковакуумную технику, средства измерения вакуума, высокотемпературные вакуумные печи, СВЧ-технику. • Средства получения и измерения вакуума. Компании представят посетителям: – насосы: низковакуумные, высоковакуумные, форвакуумные, бустерные, механические, пластинчато-роторные, жидкостно-кольцевые, кулачково‑зубчатые, спиральные, турбомолекулярные, центробежные, жидкостно-струйные, пароструйные, фракционные диффузионные, диффузионно-эжекторные, ионные, сорбционные, адсорбционные, геттерные, сублимационные, геттерно-ионные, испарительно-ионные, магнитные электроразрядные вакуумные; – безмасляные спиральные компрессоры; – концевые уплотнения, фильтры, линии предварительной откачки, вакуумметры, масс-спектрометры. • Комплектующие вакуумной техники и материалы: – вакуумные клапаны и затворы, приводы для вакуумных камер; – регуляторы давления, клапаны; – насосы, трубопроводы и соединения для «влажной химии»; – регулирующую и запорную арматуру, трубопроводы; – измерители расхода и давления для газов и жидкостей, регулирующие клапаны, газовые обвязки, системы очистки и осушки газов; – техническую керамику; магнитные жидкости; – решения для вакуумных насосов, фильтров, глушителей, сепараторов; – вакуумные камеры, затворы и аксессуары.

• Криогенное оборудование и комплектующие: – термовакуумные камеры (имитаторы космоса); – криогенные системы и элементы; – арматуру с вакуумной изоляцией. • Течеискатели и аналитическое оборудование, работающее в вакуумной среде: – оборудование неразрушающего контроля; – приборы контроля герметичности; – гелиевые течеискатели; – системы измерения, анализа и регулирования; – вакуумметры; – квадрупольные масс-спектрометры; – клапаны и шиберы. • Оборудование и технологии для нанесения функциональных покрытий: – оборудование для нанесения, травления и осаждения различных материалов; – вакуумные установки для нанесения покрытий; – установки ионно-плазменной обработки и электронно-лучевого переплава, термовакуумных испытаний; – оборудование и технологии для осаждения тонких пленок и электровакуумной обработки оптических приборов; – вакуумно-плазменное и высоковакуумное оборудование. Получить бесплатный электронный билет для посещения выставки можно на официальном сайте www.vacuumtechexpo.com.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

измерительная аппаратура

технологии

185

Измерение сигналов DDR с помощью переходника от Agilent

Ай-Ли Куан (Ai-Lee Kuan) Брайн Фец (Brian Fetz)

Введение В процессе проверки современных систем памяти основной проблемой по-прежнему остается съем сигнала. Как указано в специ- фикациях JEDEC, исследуемый сигнал должен измеряться на шариковых выводах модуля DRAM, однако в практических реализациях шариковые выводы корпуса BGA недоступны (по крайней мере, для физического подключения пробника), поскольку располагаются между интегральной схемой и печатной платой или (в компактных конструкциях) между тесно расположенными интегральными схемами. Но даже в тех случаях, когда выводы находятся на печатной плате, редко когда имеются переходные отверстия, обеспечивающие доступ к ним с нижней стороны платы.

Обзор систем памяти DDR В архитектуре DDR используется синхронный тактовый сигнал для выборки данных с помощью двунаправленного строба — сигнала DQS. Сигнальные цепи тактовой частоты, управления и адреса имеют одинаковую топологию, что позволяет минимизировать сдвиг фаз между выводами. Упрощенная система памяти DDR3 состоит из контрол-

Рис. 1. Типовая схема передачи сигнала DDR

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

В статье описываются применение переходника пробников для тестирова‑ ния микросхем BGA (в дальнейшем — «переходник») и связанные с этим проблемы, рассказывается о физической реализации переходника и его влиянии на тестируемую систему, а также об анализе сигналов с помощью ПО исключения элементов схемы. Касаясь методологии проектирования, авторы выделяют важные аспекты, которые надо учитывать для получения наилучших результатов измерений, выполняемых с помощью пробников BGA и обрабатываемых с помощью ПО исключения элементов.

лера памяти, подающего сигнал на устройство DRAM, которое выступает в роли приемника. В качестве сигнального интерфейса применяется SSTL класса 15 (Stub Series Termination Logic — дифференциальный интерфейс передачи данных с согласующими резисторами, напряжение 1,5 В) с напряжением на оконечной нагрузке VTT = 0,75 В. Рабочее напряжение сигналов адреса, управления и данных VDDQ составляет 1,5 В, при этом опорное напряжение VREF равно 0,75 В. RS представляет собой согласующее сопротивление на выходе контроллера памяти, а сопротивление оконечной нагрузки RT может изменяться в зависимости от схемотехники системы. Сопротивления соединены дорожкой печатной платы, которая представляет собой линию передачи с характеристическим импедансом Z0. Важно отметить, что для простоты мы рассматриваем идеальную линию, поэтому реальную дорожку следует соответствующим образом спроектировать и проверить на соответствие полосе передаваемого сигнала.

жению энергопотребления, конструкции становятся более компактными, а скорости передачи данных растут. Это стимулирует уменьшение размера печатных плат встроенных устройств. В компьютерных системах все большее число DRAM устанавливается на модули DIMM, что позволяет увеличить емкость памяти. Ограниченный размер печатной платы чрезвычайно затрудняет проектирование площадок или выводов, используемых для отладки и измерений, что создает большие проблемы для специалистов‑схемотехников, перед которыми встает сложный вопрос — откуда и как снять измеряемый сигнал? Решение проблемы — пробник DDR BGA Добраться до труднодоступных сигналов DDR можно с помощью переходника. Но за это приходится платить тем, что, во‑первых, сам по себе переходник BGA является нагрузкой на выход контроллера памяти, а во‑вторых — следует учитывать потери сигнала в ответвлении от основной линии передачи. В последней ситуации можно ис-

Проблемы снятия сигнала DDR Поскольку развитие систем памяти сопровождается тенденцией к уменьшению размеров их корпуса, повышению емкости и сни-

Рис. 2. Ограниченный размер платы не позволяет размещать выводы или контактные площадки на платах и модулях DIMM с плотной компоновкой

www.kite.ru

технологии

186

измерительная аппаратура

пробников) встроен в переходник и имеет сопротивление ~80 Ом. Линия передачи переходника DDR BGA обычно определяется шагом выводов корпуса BGA и маршрутом прохождения сигнала: как правило, она имеет характеристический импеданс 50–100 Ом и длину около 1 см. И наконец, пробник осциллографа нагружает линию передачи переходника импедансом Zпроб. а

Рис. 3. a) пробник BGA, припаянный в месте соединения микросхемы DRAM с печатной платой; б) припаянные к плате для съема сигнала (головке InfiniiMax ZIF) кабели с разъемами для подключения к осциллографу

пользовать специальное ПО для исключения влияния элементов цепи, которое позволяет корректно выделить нужные сигналы. Но влияние переходника может быть настолько сильным, что станет вредным для системы, поэтому его надо четко представлять для каждой ситуации. Переходник DDR BGA решает проблему не только ограниченного места на печатной плате, но и позволяет снимать сигнал с DRAM в соответствии со спецификациями JEDEC. Пробник имеет небольшой размер и может припаиваться непосредственно к печатной плате или модулю DIMM с помощью стандартной паяльной станции для корпусов BGA. Сигналы поступают из DRAM на площадки пробника и затем в осциллограф (рис. 3). Реализация переходника DDR BGA Посмотрим представленную на рис. 4 упрощенную структуру с контроллером и памятью DRAM: переходник подключается в месте соединения ИС DRAM с платой. Поскольку скорость передачи сигналов находится в гигабитном диапазоне, нас серьезно волнует влияние переходника на работоспособность системы. На рис. 4 показана физическая конфигурация с применением переходника, а на рис. 5 — ее электрическая схема. При моделировании, помимо учета скорости передачи данных и длительности фронтов в вашей системе, следует учитывать влияние линии передачи между контроллером памяти и ИС DRAM, а также влияние переходника. Линия передачи TLVia представлена длиной переходного отверстия (поперечного сечения) платы переходника. Для современных скоростей передачи (1866) эту длину можно считать равной нулю (составляет приблизительно четверть волны сигнала частотой ~50 ГГц). Показанный на схеме резистор RI (он называется демпфирующим и является неотъемлемым элементом современных высокочастотных

Эффект, оказываемый пробником DDR BGA как нагрузкой Очень важно отметить, что комбинация переходник/пробник создает эффект нагрузки. Независимо от способа обработки сигнала, снятого с помощью проводника, его физическая структура вызывает некоторое ухудшение сигнала, а это означает, что система памяти, будучи на пределе своих характеристик, может перестать работать или внутренняя диагностика покажет ухудшение ее параметров. Ниже приведен пример модели пробника W2635A DDR3 BGA с применением модели нагрузки, показанной на рис. 6.

Рис. 6. Модель пробника W2635A DDR3 BGA как нагрузки

Емкость переходного отверстия моделируется равной 0,12 пФ, а сопротивление переходника — 75 Ом. Пробник осциллографа подключен к выводу через переходное отверстие, которое моделируется как конденсатор емкостью ~0,12 пФ, а внутренняя линия переходника характеризуется импедансом Z0 (~90 Ом), длиной и коэффициентом замедления переходника. Эффект, оказываемый этой моделью нагрузки, проиллюстрирован на рис. 7, где сравниваются напряжения Vs, Vi и Vo. Мы выполнили оценку, используя значения скорости передачи данных 1867 Мбит/с и длительности фронта 150 пс по уровню 20/80. Vs — напряжение в точке съема сигнала до момента прикладывания нагрузки переходника, Vi — напряжение в точке съема сигнала с приложенной нагрузкой переходника, Vo — напряжение на наконечнике дифференциального пробника (N5381A, головка пробника Infiniium). На рис. 7 показаны результаты моделирования сигналов с помощью идеального источника с импедансом 25 Ом (параллельное сопротивление передатчика и приемника).

Рис. 4. Переходник BGA и подключение пробника осциллографа

Рис. 5. Модель системы DDR с переходником

Рис. 7. Модель, показывающая падение напряжения на пробнике BGA (W2635A), равное 0,023 В (Vs – Vi)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

измерительная аппаратура

Рис. 8. Блок-схема системы для анализа исключения элементов

Показанное на рис. 7 падение напряжения на нагрузке равно 23 мВ (разность между идеальным Vs и реальным Vi). Появление сбоев системы памяти в этой точке показывает, что здесь могут присутствовать другие неоднородности канала (неравномерности характеристик, потери, отражения и т. п.), не относящиеся к пробнику BGA и не учтенные в процессе проектирования системы. Как говорилось выше, если линия передачи между контроллером памяти и DRAM имеет плохие характеристики или выходной импеданс контроллера памяти и входной импеданс DRAM значительно отличаются от смоделированных значений, то реальная характеристика будет хуже, то есть значения Vo и Vi уменьшатся. Напряжение Vo на выходе переходника снижается примерно на 7%. Эта разница вполне приемлема до тех пор, пока предсказуема: она может измеряться и применяться к алгоритму исключения элементов для улучшения измерения Vi. Измерение сигналов с помощью переходника DDR BGA После того как с помощью программ моделирования учтено влияние переходника BGA как нагрузки, а проверка дала хорошие результаты, можно переходить к оценке сигналов. Осциллограф может захватить сигнал, поступающий с пробника (показанного на рис. 4). Для моделирования съема сигнала с выводов ИС DRAM начнем с блочной модели используемых элементов — она представлена на рис. 8, где с целью упрощения отсутствует линия передачи между контроллером памяти и ИС DRAM. Кроме блока переходника BGA, здесь показан и еще один блок — головка пробника Infinimax, которая его нагружает. Для последнего компания Agilent предлагает модели нагрузки всех высокоскоростных пробников, поэтому вы можете выбрать одну из них в соответствии с используемым дифференциальным пробником. Нас интересует блок переходника, показанный на рисунке как «модель переходника DDR». Этот блок можно определить файлом s‑параметров или смоделировать его с помощью дискретных элементов, как показано на рис. 6. Одно из преиму-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

технологии

187

Рис. 9. График s‑параметров, сравнивающий измеренные s‑параметры с полученными из модели

ществ дискретной модели заключается в том, что изменение величины резистора или длины линии от одного вывода до другого можно учитывать не измеряя s‑параметры для каждой интересующей нас линии DDR. Другое преимущество — отсутствие таких паразитных факторов, как шум или низкочастотный дрейф. Усиление (S21) показано на рис. 9 как для измеренной, так и для дискретной модели. С помощью ПО преобразования осциллограмм InfiniiSim (для осциллографов Agilent Infiniium) мы можем представить систему, приведенную на рис. 8, девятью блоками общего назначения, как показано на рис. 10 (изменены для экономии места). Не зная точных значений выходного сопротивления передатчика и выходного сопротивления приемника, будем полагать их равными 50 Ом. Обратите внимание: для повышения точности моделирования нужно знать все значения импедансов в модели. Продолжая предыдущее обсуждение, можно заключить, что блок P привязан к файлу s‑параметров, относящемуся к нагрузке используемого пробника; блоки E и D представляют собой модель переходника; блок D соответствует шунтирующей емкости пере-

Рис. 10. Модель DDR в Infiniisim с описаниями

ходного отверстия переходника, а встроенный резистор, линия передачи и емкость наконечника пробника представлены блоком E. И наконец, блок C является дополнительным: будучи «проходным», он обладает нулевыми потерями и нулевой задержкой (идеальная перемычка). Дублирующиеся имена каждого блока указывают на реальные (выделены синим фоном) и смоделирован-

Рис. 11. Успешное исключение элементов схемы обеспечивает хорошее представление сигнала на переходном отверстии

www.kite.ru

технологии

ные (выделены коричневым фоном) значения. В данном случае нас интересует только узел, в котором присутствует S, а не отличия смоделированной схемы измерения от фактической. Обратите внимание, что если выбрать для модели блока E значение Open («Разомкнуто»), то это будет соответствовать идеальному пробнику — его влияние не учитывается. ПО Infiniisim создает передаточную функцию между точкой измерения (где установлен пробник) и узлом, который вы хотите проанализировать (точкой моделирования). На рис. 10 эти точки обозначены символами M и S. Передаточная функция получена в частотной области и преобразована во временнýю область. Получив импульсную характеристику во временнóй области, мы применяем свертку реального времени в осциллографе Infiniium, в результате чего захваченный сигнал мгновенно преобразу-

измерительная аппаратура

ется в соответствии с сигналом в интересующем нас узле (в данном случае на переходном отверстии или шариковом выводе BGA). Примерные результаты показаны на рис. 11.

Заключение В связи с нарастающей потребностью в уменьшении размеров носителей и повышении быстродействия памяти ее проверка становится чрезвычайно трудной, а подчас и невозможной без специальных устройств, обеспечивающих доступ к сигналам DRAM. К числу последних относится решение Agilent для тестирования DDR, в состав которого входит переходник W2635A. Следует понимать, что такие устройства представляют собой некоторую нагрузку, которую надо учитывать на этапе проектирования, чтобы оценить влияние топологии и параметров

компонентов на эффективность проверки. Используя эти устройства от Agilent, необходимо учитывать такие системные параметры, как выходное сопротивление источника сигнала и входное сопротивление приемника, длину линии, потери и характеристические импедансы, которые могут серьезно влиять на измеряемые характеристики. Измерение сигналов с помощью пробников и переходников, особенно в высокоскоростных системах, требует применения ПО исключения элементов схемы, такого как Agilent InfiniiSim (набор инструментов для преобразования сигналов). В настоящей статье рассмотрен вариант применения такой программы. S‑параметры, ранее применявшиеся в основном для беспроводных систем, теперь используются и для отображения сигналов DDR, снимаемых в труднодоступных местах. n

188

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

измерительная аппаратура

технологии

189

Тенденции развития USB-осциллографов АКИП от компании Pico Technology

Дмитрий Серков info@prist.ru

Введение Британская компания Pico Technology была основана в далеком 1991 году и состояла на первых порах всего из четырех человек. Но это не помешало ей к 1992 году выпустить первый осциллограф с 12‑битным АЦП, работающий под управлением операционной системы DOS (рис. 1). Успешные продажи новинки позволили постепенно увеличить штат, чтобы начать разработку новых приборов и совершенствовать программное обеспечение. Уже через год выходит следующая версия ПО, работающая под Windows 3.0. А в 1995‑м стартует первый двухканальный осциллограф и вместе с ним несколько регистраторов данных и регистраторов температуры. Сегодня Pico Technology входит в число крупнейших в Европе компаний по раз-

Рис. 1. Окно первого ПО осциллографа Pico Technology, работающего под управлением операционной системы DOS

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Мир электроники стремительно развивается. Какие-то 10 лет назад мы и представить не могли, что маленький телефон сможет практически пол‑ ностью заменить настольный компьютер, а сегодня это уже будничная реальность. Не меньший скачок произошел и в сфере осциллографии: цифровой компактный осциллограф начального уровня с легкостью обой‑ дет любую из громоздких электронно-лучевых моделей 70–80‑х и при этом доступен каждому. А осциллограф в виде USB-приставки к компьютеру имеет практически безграничные возможности благодаря постоянно об‑ новляемому программному обеспечению и набору разработчика (SDK), который позволяет конечному пользователю, имеющему навыки програм‑ мирования, вносить изменения или создавать собственное ПО.

работке и производству осциллографов и регистраторов. В Россию ее модели поставляются под торговой маркой АКИП: они полностью адаптированы под местный рынок, имеют русскоязычное программное обеспечение и его описание, внесены (или вносятся) в Госреестр СИ РФ. Продуктовый портфель компании насчитывает несколько десятков моделей, скомпонованных в серии. За последние два года произошел заметный качественный скачок в развитии USB-осциллографов и появилось несколько серий, на которые стоит обратить особое внимание.

Серия АКИП‑72200A Эта серия объединила в себе самые компактные и легкие (до 200 г) модели двухка-

нальных осциллографов Pico Technology, реализовав в них принцип оmnia mea mecum porto — «все свое ношу с собой» (рис. 2). Легко помещаясь в сумку и даже в нагрудный карман, любой из пяти представителей серии АКИП‑72208A послужит прекрасной альтернативой современным настольным коллегам: полосы пропускания — от 10 до 200 МГц, максимальная дискретизация — до 1 ГГц, временнóе разрешение — до 1 нс. Осциллографы имеют интерфейс USB 2.0 для связи с ПК, встроенный анализатор спектра по всей полосе частот, функциональный (до 100 кГц) и произвольных форм генератор. Аппаратная часть выполнена на базе 8‑битного АЦП (на такой же архитектуре выпускается большинство современных настольных приборов). Осциллографы АКИП‑72208A относятся

Рис. 2. Внешний вид модели АКИП‑72208A

www.kite.ru

190

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 3. Осциллограф АКИП‑4108/3 и кабель USB 3.0 а

к начальному и среднему уровню и подойдут как для радиолюбителей (им будет достаточно моделей с полосами 10/25 МГц), так и для разработчиков современного электронного оборудования (им предлагается до 200 МГц). Будучи идеальным решением для измерений в полевых условиях, осциллографы АКИП‑72208A незаменимы для специалистов по диагностике оборудования, выполняющих работу в режиме частых поездок на объекты. Привлекательные параметры и ключевые особенности этих устройств дают им все шансы быть востребованными в таких сферах, как электронный дизайн, исследования и тестирование, техническое проектирование и отладка, образование, эксплуатационное обслуживание и ремонт. Появление интерфейса USB 3.0 не осталось незамеченным среди производителей USBосциллографов, и соответствующие новинки не заставили себя долго ждать. Первый осциллограф с поддержкой интерфейса USB 3.0 производства Pico Technology появился в начале 2013‑го, продолжив популярную серию АКИП‑4108 под собственным наименованием — АКИП‑4108/3 (рис. 3). За последний год интерфейс USB 3.0 стал неотъемлемой частью практически всех современных компьютеров, а скорость передачи данных по нему возрастает до 10 крат, что

Рис. 5. Осциллограф серии АКИП‑75000

Рис. 4. Схемы включения восьми АЦП: а) последовательно (дискретизация 1 ГГц, 8 бит, один канал); б) параллельно (дискретизация 125 МГц, 14 бит, четыре канала)

позволяет увеличить объем и скорость передаваемых данных с осциллографа на компьютер. При этом интерфейс USB 3.0 полностью совместим с USB 2.0 и с USB 1.0. АКИП‑4108/3 — это 2‑канальный осциллограф с полосой пропускания 250 МГц, частотой дискретизации 1 ГГц и объемом памяти 256 Мбайт, имеющий встроенный функциональный генератор. А его модернизированную версию — АКИП‑4108/3G — отличают увеличенная до 512 Мбайт память, а также встроенный генератор сигналов произвольной формы с частотой дискретизации 100 МГц и возможностью создания сигнала длиной 32 000 точек. Стартовавшая в мае 2013 года серия АКИП‑75000 по праву может называться революционной. Это первые осциллографы с возможностью выбора разрешения АЦП: переключение происходит на аппаратном уровне и позволяет выбрать от 8 до 16 бит, а с режимом программного увеличения разрешения — до 20 бит. АЦП в новой серии представляет собой единую мультиплексорную плату сбора дан-

ных и при этом является многоядерным. Для 4‑канальных моделей USB-осциллографов характерно наличие восьми ядер дискретизации, а у 2‑канальных моделей четыре ядра. Это позволило реализовать в осциллографах АКИП‑75000 инновационную технологию объединения нескольких ядер АЦП последовательно или параллельно для увеличения частоты дискретизации или реального разрешения по вертикали (рис. 4). Наличие режимов объединения обеспечивает пользователю гибкость в выборе приоритета требуемого параметра, а также высокую адаптивность в решении конкретной измерительной задачи. Например, при последовательном объединении ядер АЦП обеспечивается максимальная частота дискретизации, которая в 1‑канальном режиме достигает 1 ГГц при разрешении 8 бит. Для обеспечения требований по минимизации ошибок квантования и достижения максимальной дискретности измерений по вертикали применяется параллельное объединение ядер АЦП. В этом случае разрешение каждого из активных каналов

Рис. 6. Осциллограф АКИП‑74824 с восемью каналами

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

измерительная аппаратура

увеличивается до 14 бит с дискретизацией 125 МГц. При использовании двух каналов вертикальное разрешение увеличивается до 15 бит, а в 1‑канальном режиме разрядность АЦП составит 16 бит при максимальной частоте дискретизации 62,5 МГц (режим объединения всех входов). Серия АКИП‑4108/3 включает в себя 12 моделей USB-осциллографов с полосами пропускания 60, 100 и 200 МГц, которые отличаются числом входных каналов (2/4) и набором режимов. Модели с индексом В, помимо встроенного функционального генератора, имеют возможность формирования сигналов произвольной формы (СПФ). В 2013 году осциллографы серии АКИП‑75000 (рис. 5) получили награду как лучший продукт года по версии британского журнала Electronics Weekly. До 2014 года компания Pico Technology выпускала USB-осциллографы только в 2‑ или 4‑канальном исполнении, не считая моделей смешанных сигналов. И вот в конце нынешнего февраля представлена первая 8‑канальная модель, получившая наименование АКИП‑74824 (рис. 6). Этот осциллограф построен на базе 12‑битного АЦП и относится к моделям высокого разрешения. Полоса пропускания — 20 МГц, частота дискретизации — до 80 МГц, а общая длина памяти — 256 Мбайт — делится между активными каналами. Кроме того, на задней панели осциллографа предусмотрен выход функционального и СПФ-генераторов. Встроенный генератор может работать одновременно с осциллографом, имея полосу частот 1 МГц, частоту дискретизации — до 80 МГц и 14‑битный ЦАП. Максимальная длина памяти генератора — 16 кбайт. АКИП‑74824 имеет широкий спектр сфер применения, среди которых тестирование многоканальных источников питания, 7‑канальных аудиосистем, мультисенсорных систем, многофазных приводов и систем управления, а также создание и разработка сложных многоуровневых встроенных систем и проведение тестов общего назначения с высокой точностью.

Программное обеспечение PicoScope 6 Все представленные выше модели USBосциллографов имеют прекрасные технические характеристики, но, чтобы они проявили себя по максимуму, необходимо качественное программное обеспечение, без которого эти приборы мало кому были бы интересны. В этой связи собственное ПО компании Pico Technology — PicoScope 6, разработка и модернизация которого ведутся уже более 10 лет, — совместимо со всеми моделями USB-осциллографов Pico, освобождая от необходимости установки иного ПО при использовании нескольких моделей осциллографов.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

технологии

191

Рис. 7. Окно ПО PicoScope 6 в многооконном режиме

Полностью русифицированный управляющий софт PicoScope 6 даже в отсутствие прибора позволяет эмулировать оболочку меню, что дает возможность ознакомиться с управлением и функциональностью осциллографа. Системные требования: полная совместимость с ОС Windows XP, Vista, Windows 7 и 8 (кроме Windows RT), 32‑ или 64‑битные версии. Программное обеспечение поддерживает многооконный режим работы с возможностью одновременного отображения осциллографа, анализатора спектра, допускового контроля, окна декодирования, комбинации различных сигналов и др. (рис. 7). Анализатор спектра Одним кликом мыши в меню функций можно открыть новое окно для отображения частотного спектра выбранных каналов (FFT) — от заданного диапазона вплоть до полной полосы пропускания в зависимости от модели USB-осциллографа (рис. 8). Максимальное число точек для спектрального анализа — от 128 до 1 М. К услугам пользователя широкое меню настроек параметров для оценки гармоник и управления частотным анализом, а также (на выбор) восемь типов окон отображения и три режима обработки спектрограмм при выводе на дисплей: • амплитуда; • усреднение; • пиковое значение. Есть возможность отображать несколько спектрограмм выбранных каналов, использовать растяжку (zoom) и анализировать эти

Рис. 8. Меню параметров в режиме «Анализатор спектра»

данные одновременно с наблюдением входного сигнала во временной области (time domain). На дисплей может быть выведено любое частотно-временнóе автоизмерение из большого перечня (всего 11 параметров), в том числе THD, THD+N, SINAD, SNR и IMD. Генератор Кроме входных каналов, осциллографы PICO имеют разъем BNC, служащий выходом встроенного генератора AWG для выдачи функциональных сигналов или генерации колебаний произвольной формы (характеристики генератора зависят от конкретной модели). Функциональный генератор имеет различные предустановленные формы сигналов, среди которых синус, треугольник, прямоугольник, шум, псевдослучайная последовательность и др. Генератор сигналов произвольной формы имеет разрешение по вертикали 12 или 14 бит в зависимости от модели; максимальная длина произвольного сигнала также зависит от модели осциллографа (например, для серии АКИП‑72000A может достигать 20 000 точек). К выходным сигналам может быть применена функция свипирования (качание частоты/ГКЧ). Закон и направление качания определяются пользователем: нарастание, убывание (логарифмическое или линейное). Режимы запуска качания: однократный или непрерывный цикл. Функция генератора свипирования с одновременной активацией в одном из каналов режима анализа спектра позволяет быстро проанализировать частотную характеристику фильтров и усилителей. Управляющий софт имеет возможности импорта сигналов произвольной формы из файлов данных или позволяет легко нарисовать требуемые эпюры с помощью графического редактора СПФ (рис. 9). www.kite.ru

192

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 10. Меню расширенной синхронизации

Рис. 9. Формирование сигнала произвольной формы

Графический мини-редактор отличают высокая производительность по формированию и удобство видоизменения различных кривых. Всего несколько минут потребуется на создание выходного сигнала в виде пачки радиоимпульсов с синусоидальной формой заполнения, например «звукового стимулятора» для различных акустических систем

Рис. 11. Режим «Декодирование последовательных данных»

Рис. 12. Схема «потоковой» оцифровки

(громкоговоритель, электроакустический преобразователь, динамик, спикер). Сигнал подобной формы применяется при тестировании фильтров звукового диапазона с целью анализа частотной характеристики. Данный пакетный сигнал представляет определенные трудности для устойчивой синхронизации и удержания осциллографа

в режиме непрерывного сбора данных, так как в моменты отсутствия пакета импульсов изображение на экране нестабильно (все время «прыгает»). Тем не менее даже в этом случае прибор позволяет быстро найти необходимые настройки в меню расширенной синхронизации (рис. 10), что обеспечит стабильную работу. Декодирование последовательных данных Дополнительный ресурс тестирования, доступный для всех серий осциллографов, — возможности анализа сигналов последовательной передачи (синхронизация и декодирование). Программное обеспечение PicoScope 6 предоставляет возможности декодирования данных различных последовательных шин: CAN, LIN, I2C, UART/RS‑232, SPI, I2S, FlexRay. В отличие от обычных логических анализаторов, USB-осциллограф позволяет увидеть исходные электрические сигналы с высоким разрешением и одновременным отображением данных (рис. 11). В режиме декодирования доступна настройка условий фильтрации для отображения только интересующих кадров, поиск кадров по заданным условиям, а также определение стартового шаблона для вывода списка данных. Кроме того, возможно создать свою электронную таблицу для декодирования пользовательских данных. Потоковая оцифровка Все USB-осциллографы АКИП поддерживают режим «потоковой» оцифровки данных (рис. 12), обеспечивая «безразрывный» захват и непрерывную передачу данных через USBпорт непосредственно в ОЗУ и далее на жесткий диск ПК со скоростью 1 Мвыб./с и более *. Драйверы и комплект для разработки программного обеспечения (SDK) позволяют написать собственный софт (ПО) и управлять интерфейсом при использовании популярных сторонних программных пакетов, таких как LabVIEW и др. * Скорость выборки в режиме «потоковой» оцифровки данных определяется спецификациями ОС, параметрами ПК, а также загруженными и активированными приложениями.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

измерительная аппаратура

технологии

193

Программное обеспечение Picoscope 6 обеспечивает 15 видов автоматических измерений параметров входного сигнала, курсорные измерения (ΔU; ΔT; 1/ΔT), математическую обработку (сложение, вычитание, умножение, инверсию с возможностью создания собственных функций на каждом из входных каналов), а также позволяет проводить испытание сигнала по условиям «Годен/Не годен» («Тест по маске»).

Рис. 13. Окно программы в меню «Тест по маске/Годен — не годен»

«Тест по маске» «Тест по маске» позволяет определить выход осциллограммы за пределы допуска, который задается пользователем. Программа обеспечивает автоматическое построение масок «Годен/Не годен» (рис. 13) по захваченному сигналу либо формирование маски вручную. Тест по маске удобен для визуального наблюдения периодических ошибок и глитчей при отладке РЭА, а также для поиска дефектов в процессе тестирования готовой продукции. Программное обеспечение позволяет при необходимости увеличить интересующий участок во много раз (вплоть до 50 000, в зависимости от модели), что дает возможность исследовать захваченный сигнал во всех деталях (рис. 14). Для подавления шумов в меню программного обеспечения можно включить фильтрацию нижних частот. Эта функция полезна при анализе зашумленных сигналов. После включения фильтра исчезают высокочастотные шумы, а форма сигнала остается неизменной (рис. 15: участок кривой слева — до фильтрации, справа — после фильтрации).

Автомобильные осциллографы

Рис. 14. Меню «Цифровая растяжка»/Zoom

Рис. 15. Фильтрация участка осциллограммы (в выделенном окне)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

На базе USB-осциллографов высокого разрешения были созданы специальные комплекты, представляющие собой специализированное диагностическое автомобильное оборудование. Автомобильные

Рис. 16. Расширенный комплект осциллографа PicoScope 4423

www.kite.ru

194

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 18. Подключение электроизмерительных клещей для измерения силы тока в цепи топливного насоса

Рис. 17. Проверка компрессии шестицилиндрового двигателя с помощью осциллографа PicoScope

Рис. 19. Измерение силы тока, полученное при тестировании топливного насоса

Наконец, еще один привлекательный момент: пользователь осциллографа PicoScope имеет возможность сравнить форму сигнала, полученную при проведении измерений, с опорной формой — появляется соответствующий шаблон при включении каждого из режимов измерений.

Заключение Осциллографы компании Pico Technology являют собой образец современного и доступного всем измерительного оборудования. Широкий модельный ряд способен удовлетворить самого взыскательного и требовательного инженера, разработчика, испытателя. USB-осциллографы Pico Technology еще не раз удивят своих пользователей новыми возможностями и любопытными решениями. n

что позволяет использовать прибор для комплексной диагностики или поиска плавающих неисправностей. Кроме того, в отличие от сканеров и мотор-тестеров, осциллографы PicoScope не привязаны к конкретной автомобильной марке и могут работать практически с любым автомобилем. Интуитивно понятный интерфейс включает в себя подробную справочную информацию по каждому из режимов измерений — это главная особенность автомобильных осциллографов PicoScope, которая выгодно выделяет их из всего многообразия аналогов. К примеру, необходимо протестировать топливный насос: измерить ток (рис. 19) и проанализировать полученную в результате измерения форму сигнала. После выбора соответствующего пункта в меню прибора пользователь сразу получает справочную информацию, включая текстовое описание процесса измерений и фотографии, наглядно демонстрирующие, на каком конкретно участке цепи, с помощью каких аксессуаров (в данном случае это электроизмерительные клещи (рис. 18)) и каким образом необходимо подключиться для тестирования выбранного узла.

осциллографы получили наименование PicoScope 4423 и PicoScope 4223 и поставляются в нескольких вариантах комплектации. Базовые комплекты содержат основной набор аксессуаров, необходимых для наиболее распространенных тестов. Стандартный и расширенный комплекты позволяют произвести полную диагностику (существует комплект со специализированным набором аксессуаров). Автомобильные осциллографы Pico могут быть использованы для диагностики и тестирования практически любых электрических и электронных компонентов и цепей современного автомобиля, в том числе: • систем зажигания; • форсунок и топливных насосов; • систем запуска и зарядки; • аккумуляторов, генераторов, стартеров; • датчиков воздуха, детонации, абсолютного давления (MAP) и лямбда-зондов; • свечей накаливания, реле; • шин CAN, LIN и FlexRay. Таким образом, с помощью данного осциллографа можно получить полную информацию об автомобиле, которую не дают автомобильные сканеры или мотор-тестеры,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

196

технологии

измерительная аппаратура

Осциллографы высокой точности Teledyne LeCroy HDO4000/6000: каналы вертикального отклонения

Владимир Дьяконов, д. т. н., профессор vpdyak@yandex.ru

Новейшие осциллографы высокой точности HDO4000/6000 (Teledyne LeCroy Inc., США) имеют существенно усовершенствованные каналы вертикального отклонения. Эта статья продолжает серию материалов, посвященных применению данных приборов, и предназначена широкому кругу пользователей.

Общие данные о приборах Осциллографы HDOP4000/6000 4‑канальные, и все их аналоговые каналы практически идентичны. Новейшие осциллографы HDO4000/6000‑MS, анонсированные 13 ноября 2013 года обрели разъем для подключения многоканального пробника логических сигналов, что превратило приборы в полноценные осциллографы смешанных сигналов. Старшая модель HDO6000‑MS (рис. 1) имеет полосу частот аналоговых сигналов 1 ГГц и время нарастания 0,35 нс при погрешности измерения в каждом канале амплитуды 0,5%. Режимы развертки осциллографа: автоматический, ждущий, однократный. Режимы синхронизации: основная (фронт, длительность, ТВ), интеллектуальная (глич, рант, длительность, скорость нарастания, интервал и т. д.), по шаблону, по логической последовательности, каскадная (каскадная, по качеству, по подтвержденному первому), по результатам измерений. Режим TriggerScan обеспечивает поиск аномалий в исследуемых сигналах. Для работы с цифровыми сигналами к осциллографу прилагается пробник логических сигналов, показанный на рис. 2. Пробник имеет на выходе один разъем для подключения к осциллографу и два кабеля с восьмью входными зажимами для подсоединения к цифровым устройствам (всего 16 цифровых каналов). Входное сопротивление каж-

Рис. 1. Новейший 4‑канальный 1 ГГц осциллограф HDO6104‑MS стал еще и анализатором логических сигналов

дого цифрового канала 100 кОм параллельно с емкостью 45 пФ, время нарастания 2 нс, задержка между каналами 350 пс. Включается осциллограф в режим просмотра цифровых сигналов нажатием кнопки Digit. У осциллографов, не относящихся к классу MS, эта кнопка не работает. Регуляторы двойного действия имеют функциональность, обеспечивающую выбор основных действий нажатием: регулировка уровня синхронизации осциллографа, выбор оптимального уровня запуска, установка в нулевое положение (смещение и задержка).

Показатели каналов вертикального отклонения Аналоговые каналы осциллографа имеют чувствительность от 1 мВ/дел. до 1 В/дел. (с шагом 1, 2, 5) при входном сопротивлении 50 Ом, которое применяется при исследовании сигналов, работающих на согласованную нагрузку. В других случаях рекомендуется использовать пробники PP117 (250 МГц) и РР118 (500 МГц) и работать с входным сопротивлением 1 МОм. Чувствительность на этом входе: от 1 мВ/дел. до 10 В/дел. (с пробником до 100 В/дел.). Пробники дают деление уровня сигнала в 10 раз и обеспечивают входное сопротивление 10 МОм при входной емкости 10 пФ. Комплект из четырех пробников с аксессуарами для них входит в штатную поставку осциллографа. При 12‑битовой дискретизации аналоговые каналы обеспечивают погрешность на постоянном токе ±0,5%, что втрое меньше, чем у 8‑битовых осциллографов. Динамический диапазон вырос до 72 дБ против 48 дБ у 8‑битовых осциллографов. Малый уровень шумов каналов позволяет получать очень четкие осциллограммы. Память осциллограмм

Рис. 2. Пробник логических сигналов для осциллографов смешанных сигналов

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

измерительная аппаратура

каждого канала составляет 50 Мбайт и расширяется аппаратными опциями 150 и 250 Мбайт/канал. Логические каналы имеют максимальную тактовую частоту входных сигналов 250 МГц, частота дискретизации 1,25 ГГц, максимальная. Память 50 Мбайт (опции: 100 Мбайт и 125 Мбайт) делится между активными каналами. При работе с осциллографом решающая роль отводится показателям его каналов вертикального отклонения. Важнейшим параметром здесь становится время нарастания переходной характеристики каждого канала. Она оценивается известной формулой 0,35/fвс, где fвс — верхняя частота среза, практически равная полосе частот. Эта оценка предполагает, что амплитудно-частотная (АЧХ) характеристика имеет медленный спад за пределами полосы частот (проверено ниже). В распоряжении автора был осциллограф HDO6054 с полосой частот 500 МГц, соответственно приведены данные об этом приборе. У приборов с полосой 1 ГГц время нарастания переходной характеристики около 0,35 нс. На рис. 3 показаны осциллограммы импульсов от двух головок калибратора осциллографов И12. Головки выполнены на туннельных диодах и имеют собственное время нарастания около 50 пс. Автоматические измерения показывают, что перепады обеих головок дают времена фронтов чуть менее 0,7 нс. Большое значение имеет вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), в том числе и за пределами полосы частот. Слишком резкое ограничение полосы частот ведет к значительным выбросам переходной характеристики прибора. В Datasheet прибора сведения об АЧХ не приводятся, кроме того что дается полоса частот при спаде АЧХ на –3 дБ или до относительного уровня 0,707. АЧХ каналов снималась с помощью треккинг-генератора анализатора спектра, который использовался как генератор качающейся частоты в диапазоне частот от 50 кГц до 3 ГГц. Время качания было установлено в 1 с, такое же время выбиралось у развертки осциллографа. На рис. 4а приведен вид изображения на экране осциллографа при совмещении начала генерации с левым краем экрана.

технологии

197

Рис. 3. Осциллограммы импульсов от калибратора И1-12

Развертка во времени 1000 мс в этом случае соответствует частоте 3 ГГц. Осциллограф синхронизируется по фронту сигнала в момент начала генерации. Из изображения на экране можно сделать несколько интересных выводов. Прежде всего видно, что сигнал воспроизводится как широкая полоса с довольно равномерной окраской. Ее ширина определяется двойной амплитудой синусоиды с медленно меняющейся частотой. Это говорит о том, что осциллограф использует большую память осциллограмм. АЧХ является верхней огибающей осциллограммы. Падение АЧХ до уровня 0,707 происходит на частоте несколько большей, чем 500 МГц, а спад АЧХ происходит медленно и плавно вплоть до частоты 3 ГГц. Небольшой подъем АЧХ в пределах полосы частот, скорее всего, связан с неравномерностью АЧХ самого треккинг-генератора.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика: а) первого канала 500‑МГц осциллографа; б) второго канала 500 МГц осциллографа; в) осциллографа при ограничении полосы на уровне 200 МГц; г) осциллографа при ограничении полосы на уровне 50 МГц

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

198

технологии

измерительная аппаратура

Просмотр синусоидальных сигналов

Рис. 5. Осциллограмма множества периодов синусоидального сигнала выявляет ступенчатость, связанную с дискретизацией сигнала

Синусоидальный сигнал — один из самых простых. Самым простым сигналом является сигнал постоянного тока — его осциллограмма просто горизонтальная прямая. Длина линии синусоидального сигнала увеличивается с ростом его частоты и амплитуды. Очень высокочастотные сигналы выглядят как сплошная линия, а при умеренных частотах, когда осциллограф воспроизводит десятки периодов, на нем отчетливо просматриваются ступеньки, вызванные дискретизацией (рис. 5). Разрядность дискретизации 12 бит существенно снижает этот эффект в сравнении с разрядностью в 8 бит, но принципиально его не устраняет. Если на экран выводятся всего несколько периодов (рис. 6), осциллограмма обычно имеет идеальную форму — если она не засорена шумами и помехами. Методы борьбы с ними были описаны в первой статье по осциллографам данного типа. При просмотре синусоидального сигнала может быть включен режим растяжки Zoom, что приводит к появлению окна со своим дескриптором (рис. 7). Установки в этом окне очевидны. Осциллограмму на экране можно перемещать по вертикали ручкой вертикального смещения. Можно менять масштаб осциллограммы вплоть до выхода за пределы окна (рис. 8). Что происходит при этом с пиками синусоиды — неизвестно. Смещением осциллограммы по вертикали можно вывести верхушки синусоиды в рабочую область экрана и судить об их искажении. Если размеры осциллограммы незначительно превышают размеры экрана, сигнал практически не искажается (рис. 9).

Рис. 6. Простое сокращение числа периодов позволяет добиться почти идеальной осциллограммы

Для оценки идентичности каналов были сняты АЧХ всех каналов. Они оказались практически одинаковыми. В качестве примера на рис. 4б показана АЧХ второго канала — она, естественно, сменила цвет с желтого на красный (это цвета осциллограмм соответствующих каналов). Каждый канал имеет фильтры, сужающие его полосу до 200 и 50 МГц. На рис. 4в показана AЧХ второго канала при включении фильтра на 200 МГЦ. АЧХ при включении фильтра на 50 МГц представлена на рис. 4г. Включение и выключение фильтров осуществляется с панели настроек каналов.

Рис. 7. Обзор синусоидального сигнала и его выделенной части

Рис. 8. Демонстрация выхода осциллограммы синусоидального сигнала за пределы экрана

Рис. 9. Смещение сигнала позволяет рассмотреть его часть, выходящую за пределы экрана

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

измерительная аппаратура

технологии

199

сделать какие-либо замечания. Это говорит о том, что осциллографы с высокой точностью прекрасно подходят для тестирования и исследования функциональных генераторов. Некоторые генераторы имеют набор из 50–100 стандартных и специальных форм сигналов. Все их можно просматривать с помощью осциллографа. К примеру, на рис. 12а показано получение осциллограммы ступенчатого сигнала с растяжкой той части, где формируется главный перепад. Поскольку ступенчатый сигнал имеет множество малых перепадов (ступенек), их также желательно детально просматривать. Для этого достаточно переместить выделенную зону на основной осциллограмме на область перепада, интересующего пользователя (рис. 12б).

Математические операции с сигналами Рис. 10. Импульс и синусоида при 8‑кратном усреднении

Важным достоинством осциллографов высокой точности класса HDO является обширный набор операций математических вычислений с одной или двумя осциллограммами и удобное задание математических операций (рис. 13). На рис. 13 показано выполнение стандартной операции быстрого преобразования Фурье (БПФ). Осциллограф имеет специальную опцию расширенного анализа спектра, которая будет описана в следующей статье серии. К данному примеру работа с этой опцией отношения не имеет. Проиллюстрируем выполнение математических операций на ряде характерных примеров. На рис. 14 показана осциллограмма синусоиды и ее абсолютного значения. Форма сигнала типична для двухполупериодного выпрямления сигналов, и результирующий сигнал может использоваться для моделирования двухполупериодного выпрямителя.

Рис. 11. Осциллограммы треугольного сигнала и меандра при 8‑кратном усреднении

Наблюдение импульсных сигналов от генераторов Достаточно полную картину качества осциллографирования можно получить, только просматривая различные сигналы от генератора стандартных сигналов или функций. Сейчас выпускается немало генераторов сигналов произвольной формы типа AFG или AWG. Приведем несколько примеров наблюдения сигналов стандартной формы от таких генераторов. На рис. 10 показана осциллограмма синусоидального сигнала и прямоугольного импульса при включении 8‑кратного усреднения. Осциллограммы треугольного сигнала и меандра показаны на рис. 11. Осциллограммы выглядят безупречно, и по ним трудно

Рис. 13. Окно с математическими функциями и БПФ меандра

Рис. 12. Осциллограмма ступенчатого сигнала: а) его главного перепада; б) одной из его ступенек

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

200

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 14. Осциллограмма синусоиды и ее абсолютного значения

Осциллограмма треугольного сигнала и результат ее интегрирования представлены на рис. 15. Из них видно, что возможны не только простейшие операции над сигналами разного вида (например, взятие от него элементарных функий), но и операции высшей математики, в том числе дифференцирования, интегрирования, сглаживания и интерполяции. Все это резко расширяет возможности осциллографа. Возможны различные математические операции и над осциллограммами двух каналов. На рис. 16, в частности, показана операция вычисления и построения разности синусоидального и треугольного сигнала. Разумеется, могут использоваться сигналы любой другой формы.

Рис. 17. Высокочастотная синусоида и низкочастотный треугольный сигнал и функция их произведения

Интересный пример показан на рис. 17. Здесь высокочастотная синусоида моделируется по амплитуде умножением на другой (треугольный) сигнал. Это позволяет легче понять суть амплитудной модуляции. На рис. 18 можно видеть синусоиду с частотой 1 МГц, полученную при использовании опции анализа джиттера. Помимо осциллограммы здесь выводятся гистограмма джиттера, спектр синусоиды (практически единственный пик), таблица результатов автоматических измерений и некоторые другие данные. Осциллограмма прямоугольного импульса от измерительного генератора и гистограмма амплитудного распределения показаны на рис. 19.

Рис. 15. Треугольный сигнал и интеграл от него

Рис. 18. Синусоида с частотой 1 МГц и анализ ее джиттера

Рис. 16. Синусоидальный и треугольный сигналы и функция их разности

Рис. 19. Импульс и гистограмма его амплитудной нестабильности

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

измерительная аппаратура

технологии

201

Рис. 20. Пример декодирования последовательности на соответствие протоколу USB2

Рис. 23. Применение функции WaveScan для просмотра аналоговых сигналов

Рис. 21. Пример декодирования сигнала последовательной шины

Рис. 24. Применение функции WaveScan для просмотра цифровых сигналов

Опция анализа ключевых источников питания также входит в состав штатных опций осциллографов HDO6000. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности ключевого элемента показаны на рис. 22. Нетрудно заметить, что значительная мощность выделяется в моменты переключения ключевого элемента, когда одновременно наблюдаются большие напряжения и токи. Функция WaveScan имеет обширные возможности в наблюдении аналоговых сигналов и результатов их статистической и математической обработки. Пример работы с функцией показан на рис. 23. Хорошо видны различные типы гистограмм, таблицы измерения параметров и дескрипторы различного типа. Большинство характеристик и параметров сохраняется и при работе с цифровыми сигналами. На рис. 24 можно видеть работу системы WaveScan с цифровыми сигналами. Показана работа системы расширения осциллограмм и действия функции Zoom. Рис. 22. Осциллограммы напряжения и тока ключа в импульсном регуляторе и осциллограмма мгновенной мощности

Осциллографы HDO6000 имеют встроенные средства для декодирования последовательных данных и проверки их на соответствие протоколам большого числа шин: I2C, SPI, UART/RS‑232, CAN, LIN, FlexRay, SENT, Audio (I2S, LJ, RJ, TDM), DigRF3G, DigRFv4, DPHY, ARINC429, MIL-STD 1553, USB 1.0/1.1/2.0, USB-HSIC. Пример проверки соответствия сложного сигнала протоколу последовательной шины USB2 показан на рис. 20. Другой пример представлен на рис. 21. Работа с анализатором последовательных шин требует хорошего знания тематики этого вопроса и представляет интерес для достаточно опытных пользователей.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

Специальные типы пробников Как уже отмечалось, осциллографы комплектуются штатными типами пробников с коэффициентом деления 10 и входным сопротивлением 10 МОм. Однако при решении специальных задач требуются некоторые специальные типы пробников. Так, при работе с опцией анализа ключевых источников питания обычно применяются дифференциальный пробник тока (до 700 А) и высоковольтный пробник для снятия осциллограмм тока и напряжения (рис. 22). Корпорация Teledyne LeCroy выпускает несколько типов специальных пробников, предназначенных для осциллографов высокой точности и приобретаемых как опции. Несколько таких пробников представлено на рис. 25. Применение специальных пробников расширяет возможности осциллографов. С их характеристиками можно познакомиться с помощью описаний к пробникам Datasheet. www.kite.ru

технологии

202

новости

измерительная аппаратура

Осциллограф с анализатором спектра Tektronix MDO3000: шесть функций в одном

Рис. 25. Специальные пробники для осциллографов высокой точности

Заключение Исследование каналов вертикального отклонения осциллографов высокой точности HDO4000/6000 показало, что каналы практически идентичны и укладываются в нормы значений времени нарастания переходной характеристики и полосы пропускания. АЧХ аналоговых каналов имеет медленный спад за пределами рабочей полосы частот до частот порядка 3 ГГц. Высокая разрядность дискретизации (12 бит) и точность (0,5%), а также малый уровень шумов каналов вертикального отклонения являются залогом получения четких осциллограмм, обычно без заметных ступенек. Это справедливо как для осциллограмм стандартных форм сигналов от измерительных генераторов, так и осциллограмм, созданных опциями осциллографов. Большое число автоматических измерений и математических операций с сигналами каналов расширяет возможности и сферы применения осциллографов высокой точности. n

Литература 1. Корнеев С. Осциллографы высокого разрешения HDO4000 и HDO6000. Компоненты и технологии. 2012. № 11. 2. Дьяконов В. Как потратить миллион рублей на покупку цифрового осциллографа и что из этого выйдет? Компоненты и технологии. 2013. № 12.

Компания Tektronix объявила о выпуске комбинированных осциллографов серии MDO3000. Осциллограф MDO3000 в полной комплектации выполняет также функции анализатора спектра, логического анализатора, анализатора цифровых протоколов, генератора сигналов произвольной формы и цифрового мультиметра. При необходимости можно приобрести осциллограф серии MDO3000 в минимальной комплектации и в дальнейшем активировать любую требуемую комбинацию функций и расширить значения параметров, в том числе полосу пропускания осциллографа, диапазон частот анализатора спектра, число дополнительных цифровых каналов. Теперь инженеры могут выполнять анализ во временной и в частотной областях с помощью одного прибора. Устройства серии MDO3000, единственные в мире осциллографы со встроенным анализатором спектра, реализуют эти функции без ущерба для технических характеристик. Основные технические характеристики MDO3000: • число аналоговых каналов 2 или 4; • верхняя граница полосы пропускания осциллографа 100 МГц–1 ГГц; • частота дискретизации аналоговых каналов 2,5 или 5 ГГц на канал; • размер анализируемой выборки до 10 Мотсчетов; • диапазон частот анализатора спектра 9 кГц–1 ГГц; • диапазон частот радиочастотного канала 9 кГц–3 ГГц; • максимальное число цифровых каналов 16. Благодаря новой функции FastAcq, осциллографы серии MDO3000 обеспечивают скорость захвата более 280 000 осциллограмм в секунду. Данные выводятся на отчетливый дисплей с цифровым люминофором, облегчающим поиск редко появляющихся аномалий сигнала. Более 125 условий запуска, автоматический анализ сигналов последовательных и парал-

лельных шин, инновационная система управления Wave Inspector и опциональные автоматические измерения силовых цепей выгодно дополняют традиционные функции и предлагают полный набор инструментов для каждого этапа отладки. Эта функциональность может быть расширена путем активации девяти дополнительных опций для анализа сигналов последовательных шин — I2C, SPI, RS‑232, USB 2.0, CAN, LIN, FlexRay, MIL-STD‑1553 и Audio. Интегрированный генератор сигналов произвольной формы с частотой до 50 МГц более чем в два раза превосходит по скорости существующие аналоги и обладает по сравнению с ними в восемь раз большим объемом памяти сигнала. Встроенный цифровой вольтметр позволяет измерять среднеквадратическое значение переменного напряжения, постоянное напряжение и их сумму с разрешением 3,5 разряда, а также измерять частоту с разрешением 5 разрядов, причем результаты измерений выводятся на большой четкий дисплей, позволяющий мгновенно замечать изменения показаний. После регистрации MDO3000 функция цифрового вольтметра активируется бесплатно. В стандартный комплект поставки осциллографов с полосой пропускания 1 ГГц входят уникальные 1‑ГГц пассивные пробники напряжения для высокоскоростных цифровых приложений с входной емкостью 3,9 пФ. www.rodnik.ru

Книга об X‑параметрах, написанная инженерами Agilent Компания Agilent Technologies объявила о выходе книги «X‑параметры: моделирование, проектирование и измерение характеристик нелинейных ВЧ- и СВЧ-компонентов», посвященной нелинейным X‑параметрам — революционной технологии, которая предназначена для измерения и моделирования. В этой книге изложена полная теория X‑параметров, а также приведены практические примеры ее применения. Книгу написали ученые и инженеры компании Agilent — Дэвид Е. Рут (David E. Root), Ян Верспех (Jan Verspecht), Джейсон Хорн (Jason Horn) и Михай Марку (Mihai Marcu) — четыре изобретателя и разработчика этой новой мощной парадигмы для нелинейных ВЧ- и СВЧкомпонентов и систем. Книга описывает основы технологии X‑параметров и содержит практические примеры, на-

глядно иллюстрирующие теорию. Эти примеры показывают, как можно существенно снизить сложность измерений, моделирования и проектирования компонентов и систем, работающих в нелинейном режиме. Кроме того, авторы знакомят читателей с применением X‑параметров для решения сложных задач, возникающих при разработке нелинейных ВЧ- и СВЧ-устройств. Книга содержит анализ некоторых специфических проблем, определения стандартных символов и обозначений, детальное описание источников и практические задачи с решениями. Благодаря столь обширному содержанию она будет отличным справочным пособием для исследователей, инженеров, ученых и студентов, желающих усовершенствовать свое мастерство в проектировании ВЧ- и СВЧ-устройств. www.agilent.com КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

технологии

204

надежность

Оценка показателей надежности электронных средств с учетом многофакторного коэффициента качества производства Майя Артюхова sightblinder@mail.ru Валерий Жаднов, к. т. н., профессор vzhadnov@hse.ru Сергей Полесский, к. т. н. spolessky@hse.ru

Авторы статьи рассматривают основные аспекты современного подхода к прогнозированию надежности электронных средств ответственного на‑ значения, показывая, что при расчетной оценке интенсивности отказов таких изделий следует учитывать не только технические и программные средства, но и факторы, характеризующие систему менеджмента надеж‑ ности предприятия. Данное научное исследование (№ 14-05-0038) выпол‑ нено при поддержке программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2014 году.

принятых в настоящее время методиках расчета интенсивности отказов электронных средств (ЭС) уровень требований к разработке и изготовлению аппаратуры (отработанность техпроцесса и уровень организации производства аппаратуры) учитывается с помощью «коэффициента качества производства аппаратуры» [1, 2]:

ΛЭС = КАΛΣ, где ΛЭС — интенсивность отказов ЭС; КА — коэффициент качества производства аппаратуры; ΛΣ — суммарная интенсивность отказов комплектующих элементов. Коэффициент КА отражает среднестатистическую разницу в интенсивности отказов элементов в аппаратуре, разрабатываемой и изготовляемой по требованиям различной нормативной документации (НД). Так, в справочнике [1] приведены следующие значения коэффициента КА в зависимости от НД: • по комплексу стандартов «Мороз-…» — КА = 1; • по положению «РК-…» — КА = 0,2. Однако наряду с требованиями НД при проектировании ЭС действуют и требования системы менеджмента качества (СМК), в состав которых входят системы менеджмента надежности (СМН). Поэтому для определения значения КА при наличии аттестованной СМН сле-

Рис. 1. Типовое распределение отказов ЭС по категориям

дует применять не только чисто статистические, но и экспертные оценки, рекомендованные RIAC-HDBK‑217Plus [3], в основу которых положена следующая классификация категорий отказов ЭС: 1. Конструктивные отказы (design). 2. Производственные отказы (manufacturing). 3. Эксплуатационные отказы (induced). 4. Деградационные отказы (wearout). 5. Отказы комплектующих элементов (parts). 6. Отказы программного обеспечения (software). 7. Отказы, обусловленные несовершенством системы управления (system management). 8. Отказы, обусловленные несовершенством методов контроля (no defect). Определения первых четырех видов отказов приведены в ГОСТ 27.002 [4], а для остальных приведем пояснения. Отказы комплектующих элементов — отказы, возникающие по причине таких изменений параметров элемента, при которых он не может выполнять свои функции. Отказы программного обеспечения — отказы, возникающие по причине проявления таких ошибок в коде программы, при которых она не может выполнять свои функции. Отказы, обусловленные несовершенством системы управления, — отказы, вызванные неправильной трактовкой требований технического задания, несовершенством мероприятий программы обеспечения надежности и(или) недостаточностью ресурсов, выделенных для ее выполнения. Отказы, обусловленные несовершенством методов контроля, — отказы, возникающие по причине невозможности выявления латентных дефектов существующими методами тестирования и контроля. В справочнике [3] также приведено типовое процентное распределение отказов ЭС по каждой из рассмотренных выше категорий, которое показано на рис. 1. Как следует из рис. 1, доля отказов ЭС, вызванных отказами комплектующих элементов, достигает 22%, что лишний раз подтверждает необходимость повышения точности и достоверности оценки их интенсивностей. Кроме того, доля конструктивных и производственных отказов в сумме составляет 24%, что также свидетельствует о целесообразности повышения точности и достоверности оценки значения коэффициента КА. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

надежность

технологии

205

Необходимо понимать, что для различных классов ЭС распределение отказов может быть иным, но при отсутствии таких данных приведенное распределение (рис. 1) может использоваться для расчета коэффициента КА по математической модели, приведенной в справочнике [3]:

КА = ПPПIMПE+ПDПG+ +ПMПIMПEПG+ПSПG+ПI+ПN+ ПW, (1), где ПP — коэффициент, учитывающий отказы комплектующих элементов; ПIM — коэффициент, учитывающий отказы в начальный период (в течение гарантийного срока); ПE — коэффициент, учитывающий отказы из-за влияния внешней среды; ПD — коэффициент, учитывающий конструктивные отказы; ПG — коэффициент, учитывающий отказы, обусловленные несовершенством управления повышением надежности; ПM — коэффициент, учитывающий производственные отказы; ПS — коэффициент, учитывающий отказы, вызванные несовершенством системы управления; ПI — коэффициент, учитывающий эксплуатационные отказы; ПN — коэффициент, учитывающий отказы, обусловленные несовершенством методов контроля; ПW — коэффициент, учитывающий деградационные отказы. Как следует из выражения (1), КА представляет собой не интегральную, как в справочнике [1], а многофакторную оценку качества производства ЭС. На рис. 2 приведена типовая гистограмма влияния коэффициентов модели (1) на значение КА, по данным статистики с сайта Reliability Information Analysis Center (RIAC) [5]. Из рис. 2 хорошо видно, что наибольший вклад в значение КА вносят коэффициенты ПD, ПM, ПP и ПS, а коэффициенты ПN, ПI и ПW — наименьший. Значение коэффициента ПIM модели (1) рассчитывается по формуле: (2) где t — гарантийный срок (наработка, ч); SSESS — коэффициент обнаружения латентных дефектов. Значение коэффициента SSESS в выражении (2) рассчитывается по формуле:

SSESS = SS/ESS, где S — число обнаруженных дефектов; ESS — общее число латентных дефектов. Значение коэффициента ПE модели (1) рассчитывается по формуле:

Рис. 2. Типовая гистограмма влияния коэффициентов математической модели КА

На рис. 3а приведен вид зависимости ПE от G. Значение ΔT в выражении (3) рассчитывается по формуле:

ΔT = Tраб – Tож, где Tраб — температура в рабочем режиме; Tож — температура в режиме ожидания. На рис. 3б приведен вид зависимости ПE от ΔT. Значения коэффициентов ПP, ПD, ПM, ПS, ПN, ПI и ПW модели (1) рассчитываются по формуле: (4) где αi и βi — постоянные коэффициенты i‑й категории отказов; Ri — экспертная оценка i‑й категории отказов. Рекомендуемые значения коэффициентов αi и βi приведены в таблице 1. Таблица 1. Значения коэффициентов αi и βi

(3) где ΔT — изменение температуры; G — среднеквадратичное ускорение случайной вибрации.

Коэффициент

Пi ПP

ПD

ПM

ПS

ПI

ПN

ПW

αi

0,3

0,12

0,21

0,06

0,18

0,29

0,13

βi

1,62

1,29

0,96

0,64

1,58

1,92

1,68

Рис. 3. Зависимость ПE от: а) G; б) ΔT

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

www.kite.ru

206

технологии

надежность

Значение Ri в выражении (4) рассчитывается по формуле:

(5)

где Gij — значение j‑го критерия i‑й категории отказа; Wij — весовой коэффициент j‑го критерия i‑й категории отказа; ni — количество критериев i‑й категории отказа. Значения коэффициентов Gij и Wij модели (5) определяются по вопроснику, приведенному в [3]. В таблице 2 в качестве примера приведен фрагмент таблицы, содержащей вопросы и соответствующие ответам на эти вопросы значения коэффициентов Gij и Wij. Значение коэффициента ПG модели (1) рассчитывается по формуле:

Рис. 4. График типовой зависимости Пi от Ri

Таблица 2. Фрагмент таблицы для определения значений коэффициентов Gij и Wij Значение Вопросы Gij

(6) где a — константа роста надежности (a = Ri). Значение R i в выражении (6) рассчитывается по формуле (5) для категории «Повышение надежности». На рис. 4 приведен типичный вид зависимости Пi от Ri по формуле (4). Следует отметить, что в идеальном случае значения коэффициентов Пi будут равны 0 (рис. 4) и, в соответствии с (1), значение КА также будет равно 0. Другими словами, идеальная СМН позволяет создать абсолютно надежное ЭС, что едва ли достижимо на практике. Несмотря на это ограничение, применение модели (1) может оказаться полезным для уточнения прогнозной оценки интенсивностей отказов ЭС на ранних этапах проектирования [6]. На рис. 5 приведена укрупненная функциональная модель процесса прогнозирования надежности ЭС с учетом факторов СМК. На вход блока А1 (рис. 5) поступает техническое задание (ТЗ) на разработку ЭС. Ограничения накладываются на СМК, СМН и программы обеспечения надежности (ПОН) проекта разработки ЭС. Также на основе ТЗ при использовании ПК АСОНИКА-К проводится анализ надежности. Результаты А1 поступают в блок А3, где происходит формирование исходных данных, поступающих в блок А4 для расчета значений коэффициентов Пi. В блоке А5 выводятся значения коэффициентов Пi, которые передаются в блок А6 для расчета КА. В блоке А7 на основе отчета по анализу надежности (значения ΛΣ) из блока А2 и значения КА рассчитывается значение ΛЭС. В блоке А7 происходит проверка полученного значения ΛЭС на соответствие требованиям ТЗ, и в случае положительного результата данные передаются в блок А8 для выпуска

Какой процент занятых в проекте инженеров имеет соответствующие дополнительные знания (порог в 10, 20%)? Какой процент членов проектной группы имеет соответствующий опыт производства (порог в 25, 50%)? Какой процент членов проектной группы прежде разрабатывал подобные изделия (порог в 20, 40%)? Какой процент разработчиков имеет степень бакалавра по техническому направлению (порог в 20, 40%)? Какой процент разработчиков имеет высшее техническое образование либо степень магистра техники и технологии (порог в 10, 20%)? Какой процент инженеров участвовал в научно-технических конференциях, симпозиумах, научно-технических советах в прошлом году; имеет патенты; авторы/соавторы статей; имеет ученые звания или состоит в научных профессиональных объединениях национального уровня (порог в 10, 20%)? Какой процент инженеров проходил курсы повышения квалификации в прошлом году (порог в 10, 20%)? Достаточна ли квалификация кадров в таких областях, как: оптоэлектроника, микроэлектроника, интеллектуальные системы управления, проектирование заказных интегральных микросхем и т. д., чтобы осуществлять грамотное руководство проектом и его корректное выполнение? Достаточно ли квалификации у инженеров для работы над проектом с использованием современных программных средств, таких как CAD/СAM/CAE-системы, симуляторы и т. д.? Сколько этапов разработки аналогичных проектов, которые вел руководитель, успешно выполнены? Например, стоимость проекта, сроки, надежность и др. (0, 1, 2, 3)

конструкторской документации. В противном случае происходит возврат на начальный этап (блок А1) для корректировки процессов СМК, СМН и мероприятий ПОН [7]. В заключение следует отметить, что не всегда расчет многофакторного коэффициента качества производства по модели (1) приводит к такому снижению значения КА, которое обеспечивает требуемый уровень ΛЭС. В таких случаях требуется детальный разбор отчета по анализу, оценке и прогнозированию надежности, а также разработка мероприятий по снижению интенсивности отказов комплектующих элементов [8]. n

Литература 1. Справочник «Надежность ЭРИ». М.: МО РФ, 2006. 2. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. 3. RIAC-HDBK‑217Plus. Handbook of 217PlusTM reliability prediction models. USA: RIAC, 2006. 4. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

<10 — 0 10–20 — 0,5 >20 — 1 <25 — 0 25–50 — 0,5 >50 — 1 <20 — 0 20–40 — 0,5 >40 — 1 <20 — 0 20–40 — 0,5 >40 — 1 <10 — 0 10–20 — 0,5 >20 —1 <10 — 0 10–20 — 0,5 >20 — 1 <10 — 0 10–20 — 0,5 >20 — 1

Wij 5 5 4 3 3 2 2

Да — 1 Нет — 0

Да — 1 Нет — 0 3—1 2 — 0,5 1 — 0,25 0—0

6 10

5. Документация по анализу показателей надежности RIAC. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.theriac.org/informationresources 6. Zhadnov V. V. Applying the methodology 217Plus in predicting the reliability of on-board equipment. / V. V. Zhadnov. // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. Материалы международной научно-практической конференции. / Научн. ред. А. Н. Тихонов. Общ. ред. С. У. Увайсов. Отв. ред. И. А. Иванов. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. 7. Artyukhova M. A. Prediction of equipment multifactor quality. / M. A. Artyukhova, S. N. Polesskiy // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. Материалы международной научно-практической конференции. / Научн. ред. А. Н. Тихонов. Общ. ред. С. У. Увайсов. Отв. ред. И. А. Иванов. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. 8. Абрамешин А. Е. Информационная технология обеспечения надежности электронных средств наземно-космических систем: научное издание. / А. Е. Абрамешин, В. В. Жаднов, С. Н. Полесский. Екатеринбург: Форт ДиалогИсеть, 2012.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

надежность

технологии

207

Рис. 5. Укрупненная функциональная модель процесса прогнозирования надежности ЭС

новости

измерительная аппаратура

Анализатор цепей серии ENA, оптимизированный для тестирования ВЧ-компонентов

Компания Agilent Technologies представила новый недорогой анализатор цепей E5063A серии ENA, предназначенный для проведения испытаний в процессе производства. Он обеспечивает оптимальное сочетание характеристик и функциональных возможностей для тестирования простых пассивных ВЧ-компонентов, таких как антенны сотовых телефонов и базовых станций сотовой связи, ВЧ-кабели и фильтры. Кроме того, его можно использовать КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2014

в процессе исследований и разработок для определения параметров пассивных ВЧ-устройств и диэлектриков. Анализатор E5063A обеспечивает наилучшее соотношение цены и производительности. Он имеет оптимальные ВЧ-характеристики, включая низкий уровень зашумленности трафика (0,002 дБ среднеквадратичного значения) и высокую температурную стабильность (0,005 дБ/°C), что помогает сократить затраты на тестирование без ущерба качеству продукции. Использование анализатора E5063A совместно с коаксиальным коммутатором с шиной USB U1810B дает возможность создать экономичное испытательное решение для тестирования нескольких устройств одновременно. Это позволяет с помощью одного прибора измерять характеристики сразу четырех антенн, что также способствует снижению расходов на испытания. Благодаря широким возможностям по калибровке и анализу данных, включая функцию моделирования влияния тестовой оснастки, анализатор E5063A обеспечивает высокую производительность измерений, сопоставимую со ставшим отраслевым стандартом анализатором цепей Agilent E5071C серии ENA. В сочетании с комплектом диэлектрического пробника 85070E анализатор E5063A представляет собой недорогое решение для определения характеристик диэлектриков, поэтому он подходит для лабораторий по исследованию новых материалов с ограниченным бюджетом. www.agilent.com

www.kite.ru

Компоненты и технологии

C o m p o n e n t s

Te c h n o l o g i e s

www.kit-e.ru

№ 4 ’2014 (апрель)

ISSN 2079-6811

№ 4 ’2014

МЭМС-гироскопы и акселерометры Silicon Sensing

апрель Components & Technologies

Обработка радиолокационной информации

Миниатюрные соединители P‑SMP и SMP-MAX повышенной мощности

Тенденции развития

USB-осциллографов Pico Technology