Kit#173(12) web all

Компоненты и технологии

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

№ 12 ’2015

Te c h n o l o g i e s

№ 12 ’2015 (декабрь)

ISSN 2079-6811

ПЛИС, ПАИС

декабрь

Радиочастотные соединители для поверхностного монтажа

Components & Technologies

Высоковольтные драйверы

пьезоэлектрических преобразователей

Реклама

Реклама

&

Знакомство с новыми МК Smart ARM компании Atmel

Реклама

Реклама

Реклама

12 (173) '2015

12 (173) '2015

Главный редактор Павел Правосудов | pavel@fsmedia.ru Заместитель главного редактора Ольга Зайцева | olga_z@fsmedia.ru Выпускающий редактор Марина Короткова | marina.korotkova@fsmedia.ru Редактор Елена Якименко | elena.yakimenko@fsmedia.ru Наталья Новикова | Natalia.Novikova@fsmedia.ru Редакционная коллегия Александр Фрунзе, Иосиф Каршенбойм Светлана Муромцева, Виктор Лиференко Дизайн и верстка Ольга Ворченко | olga@fsmedia.ru Отдел рекламы Ирина Миленина | irina@fsmedia.ru Отдел подписки Наталия Виноградова | podpiska@fsmedia.ru Москва 105120, Нижняя Сыромятническая ул., д. 10, стр. 4, офис 218 Тел./факс: (495) 987-3720 СанктПетербург 197101, Петроградская наб., д. 34, лит. Б Тел. (812) 4381538 Факс (812) 3460665 email: compitech@fsmedia.ru, web: www.kit-e.ru

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

Отдел распространения СанктПетербург: Виктор Золотарев | victor.zolotarev@fsmedia.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 27.11.15 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» 197101, СПб, Петроградская наб., д. 34, лит. Б Отпечатано ООО «Акцент Групп» 194044, Россия, Санкт-Петербург, Б. Сампсониевский пр., д. 60 лит. И.

Содержание ПЛИС, ПАИС

Компоненты

Александр Щерба Программируемые аналоговые схемы Anadigm. Использование виртуальных генераторов сигналов в САПР AnadigmDesigner2

Геннадий Штрапенин Микроэлектронные датчики состояния окружающей среды STMicroelectronics

47

Татьяна Колесникова Интегральные схемы магниторезистивных датчиков серии Nanopower компании Honeywell

52

Кива Джуринский, Юлия Черкашина Радиочастотные соединители для поверхностного монтажа. Часть 1. Субминиатюрные соединители. Справочные материалы

56

Владимир Рентюк Проверено временем: надежные индустриальные реле компании Omron

62

Константин Верхулевский Высоковольтные драйверы пьезоэлектрических преобразователей компании Apex Microtechnology

66

Александр Казакевич Новинки компании Texas Instruments. Импульсные преобразователи напряжения

74

Николай Артемов Знакомство с новыми микроконтроллерами Smart ARM компании Atmel: работаем с модулем ОРАМР микроконтроллера SAM L21

78

Сергей Долгушин Новые графические контроллеры FTDI FT81x

84

Владимир Викулин Опыт работы с ядром Ethernet ПЛИС Achronix Алексей Петров Реализация обмена данными между ПЛИС и процессорной системой в Cyclone V SoC на базе платы DE1‑SoC от Terasic Андрей Строгонов, Сергей Цыбин, Павел Городков Проектирование КИХ-фильтров в системе визуально-имитационного моделирования Matlab/Simulink с использованием Altera DSP Builder

6

10

16

25

Валерий Зотов Разработка программного обеспечения встраиваемых микропроцессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычислительных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 11 33

Рынок Компания «ЭЛТЕХ» получила статус официального дилера Microchip Technology

42

Конференция «Микроэлектроника‑2015»: прорыв в мире электроники 44

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

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

12 (173) '2015

12 (173) '2015

Editorinchief Pavel Pravosudov | pavel@fsmedia.ru Deputy of editorinchief Olga Zaytseva | olga_z@fsmedia.ru Managing editor Marina Korotkova | marina.korotkova@fsmedia.ru Editor Elena Yakimenko | elena.yakimenko@fsmedia.ru Natalia Novikova | Natalia.Novikova@fsmedia.ru Editorial staff Alexander Frunze Svetlana Muromtseva Victor Liferenko Joseph Karshenbojm Design and layout Olga Vorchenko | olga@fsmedia.ru Advertising department Irina Milenina | irina@fsmedia.ru Subscription department Natalia Vinogradova | podpiska@fsmedia.ru Moscow 10, b. 4, of. 218, Nijnyaya Syromyatnicheskaya str., Moscow, 105120, Russia Tel. +7 (495) 987-3720 St. Petersburg b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb., St. Petersburg, 197101, Russia Tel. (812) 4381538 Fax (812) 3460665 email: compitech@fsmedia.ru web: www.kit-e.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@fsmedia.ru Subscription index for Components & Technologies Rospetchat Agency catalogue subscription index 80743

Содержание Проектирование

Технологии

Руслан Домбровский, Александр Однолько, Михаил Павлюк, Александр Серебряков МОП-ключ с малым значением падения напряжения при малом токе утечки

Перевод: Владимир Рентюк Может ли диоксид ванадия увеличить мощность транзисторов?

126

Филиал «Камертон» холдинга «ИНТЕГРАЛ» Пластины монокристаллического кремния

128

Владимир Рентюк Гибкие абсорбирующие магнитные поля материалы от компании Crown Ferrite: широкие возможности и простота использования

129

Карло Канциани (Carlo Canziani) Беспроводные датчики IoT и проблемы малого времени работы от батарей

132

Владимир Дьяконов Новейшие цифровые осциллографы компании Keysight InfiniiVision серии 6000 X и Infiniium серии S: первым делом гигагерцы…

138

Владимир Дьяконов, Павел Струнин Отладка источников электропитания осциллографом высокой четкости R&S RTO

146

Перевод: Владимир Рентюк Вопросы надежности для DC/DC-преобразователей

158

Виктор Сафронов Фазовый преобразователь угла со статистическим контуром обратной связи для СКВТ высокой точности Татьяна Колесникова Работа с редактором штампа чертежа в Multisim 12.0

90

92

98

Максим Филатов Работа с микроконтроллерами AVR в программной среде Proteus 8.1. Часть 2.

103

Юрий Ёлшин Некоторые проблемы оптимизации выполнения проектов печатных плат в P‑CAD 200x

115

Александр Дымов, Сергей Кривандин Профессиональная работа в системе DesignSpark PCB. Часть 5. Проектирование печатной платы на примере светодиодного модуля: 3D-моделирование и заказ компонентов

122

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

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

6

Программируемые аналоговые схемы Anadigm. Использование виртуальных генераторов сигналов в САПР AnadigmDesigner2

Александр Щерба

К

омпания Anadigm — лидер в обла‑ сти разработки и производства про‑ граммируемых аналоговых микро‑ схем (ПАИС). Линейка продукции Anadigm состоит из динамически и статически про‑ граммируемых аналоговых микросхем. Динамически конфигурируемая схема по‑ зволяет полностью или частично изменять функциональную структуру в реальном времени в работающем устройстве. Для это‑ го в ПАИС предусмотрена так называемая теневая память, в которую во время работы аналоговой структуры можно с помощью микроконтроллера загрузить обновленную конфигурацию, а затем по команде мгновен‑ но ее активизировать [1].

Использование САПР AnadigmDesigner2 для проектирования и проверки работоспособности схем ПАИС Anadigm обладают высокой точно‑ стью, надежностью, работают в расширен‑ ном температурном диапазоне +40…+85 °C без снижения точности и позволяют компак‑ тно реализовать аналоговую схему с мини‑ мальным количеством внешних компонен‑ тов. Все эти достоинства позволяют вновь вернуться к аналоговой обработке аналого‑ вых сигналов, а значит, отказаться от исполь‑ зования для этого цифровых систем. Первоначальные (основные) конфигу‑ рационные данные, содержащие анало‑ говую структуру, создаются в программе AnadigmDesigner2 и загружаются в ПАИС с помощью внешней микросхемы памяти или микроконтроллера [1]. Программное обеспечение AnadigmDesigner2 представля‑ ет собой свободно распространяемую систе‑

В статье на примере создания генератора качающейся частоты представлен принцип создания сигналов сложной формы. Такие сигналы будут полезны разработчику на этапе проектирования схемы в программе AnadigmDesigner2 для программируемых аналоговых схем Anadigm.

му автоматизированного проектирования (САПР), которая предоставляет возмож‑ ность создавать новые или вносить изме‑ нения в уже имеющиеся программируемые аналоговые схемы (рис. 1). Проектировщик может разрабатывать схемы с помощью САПР AnadigmDesigner2, используя го‑ товый набор конфигурируемых аналого‑ вых модулей (КАМ), каждый из которых выполняет целый ряд аналоговых функ‑ ций [2]. AnadigmDesigner2 включает про‑ грамму функционального моделирования по времени — удобный инструмент для оценки схем без необходимости проведения физических измерений и макетирования. Интерфейс функциональной модели — ин‑ туитивно понятный и легкий в применении. Большинство этапов моделирования анало‑ гичны этапам обычного макетирования [3].

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема трехполосного эквалайзера в окне программы AnadigmDesigner2

Проверка работоспособности схем с помощью виртуальных осциллографов и генераторов сигналов Программное обеспечение AnadigmDesigner2 позволяет быстро и просто кон‑ струировать сложные аналоговые схемы путем выбора, размещения и соединения стандартных элементов — конфигурируе‑ мых аналоговых модулей [2]. В дальнейшем программируемая аналоговая схема ПАИС будет функционировать аналогично раз‑ работанной и отлаженной схеме (рис. 1). Результат разработки можно просмотреть сразу же, с помощью виртуального осцилло‑ графа (рис. 2). Важным аспектом при проектировании схемы является ее проверка на работоспособ‑ ность. Для измерения частотных характери‑ стик радиотехнических устройств использу‑ ют генераторы сигналов. Для удобства мо‑ делирования в программе AnadigmDesigner2 разработчик может применить виртуальные генераторы сигналов (рис. 3): • генератор синусоидального сигнала; • генератор сигналов прямоугольной формы; • генератор треугольного сигнала; • генератор пилообразного сигнала; • генератор импульсов; • генератор сигналов специальной формы. Первые четыре типа генераторов имеют стандартный набор пользовательских настро‑ ек: амплитуда, постоянная составляющая, на‑ пряжение смещения, фаза, частота и коэффи‑ циент заполнения для сигналов прямоуголь‑ ной формы. Генератор импульсов позволяет сформировать единичный импульс или по‑ следовательности импульсов с необходимой амплитудой, периодом и длительностью.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

Рис. 2. Виртуальный осциллограф в окне программы AnadigmDesigner2

Рис. 3. Диалоговое окно создания виртуального генератора сигнала специальной формы

Генератор сигналов специальной формы (рис. 3) формирует сигнал требуемой фор‑ мы [4]. Диалог выбора файла (Filename)

Рис. 4. Формат файла данных с расширением .csv для генератора сигналов специальной формы

предлагает выбрать файл с расширениями .csv или .txt. Каждая запись в файле .csv или .txt должна содержать пару данных: значение

7

времени (в секундах) и значение амплитуды (в вольтах). Поля в записи в файле .txt могут быть разделены либо пробелом, либо симво‑ лом табуляции. Разделителем для файла .csv является запятая (рис. 4). Программа моде‑ лирования синтезирует кусочно-линейную форму сигнала (рис. 2, фиолетовый луч). Пользователь имеет возможность приме‑ нить генератор в режиме как дифференциаль‑ ных (Differential), так и недифференциальных (Single-ended) сигналов (рис. 3). Такой вирту‑ альный генератор сигналов может быть при‑ соединен к входной ячейке, сконфигуриро‑ ванной в режиме входа (Input Cell), при этом режим работы (дифференциальный/недиф‑ ференциальный) у входной ячейки и генера‑ тора сигналов должен совпадать (рис. 1). Для наблюдения и исследования ампли‑ тудно-частотных характеристик усилителей, полосовых фильтров и других узлов радио‑ устройств в качестве основного инструмента используют генераторы качающейся часто‑ ты. Такой генератор изменяет частоту выход‑ ного сигнала плавно или ступенчато в задан‑ ном диапазоне, при этом амплитуда сигнала на всех частотах поддерживается постоян‑ ной. Генератор качающейся частоты заменя‑ ет ручную перестройку частоты генератора сигнала, необходимую при снятии частотной характеристики по точкам. Для расчета необходимых значений ампли‑ туды и времени используется формула:

y(i) = Asin(ai 2/2 = +bi), где y — амплитуда, i — целое число, A — пиковое значение амплитуды, a и b — перемен‑ ные, которые рассчитываются по формулам:

Рис. 5. Пример автоматического расчета данных для генератора сигналов специальной формы с помощью программы Microsoft Excel

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

ПЛИС, ПАИС

8

a = (2π(f2–f1))/n, b = 2πf1, где n — число выборок, f1 — начальная частота, f2 — конечная частота. Для того чтобы поддерживать плавность синусоиды, необходимо обеспечить не ме‑ нее 10 выборок на один цикл синусоиды при максимальной частоте сигнала. В случае если мы хотим обеспечить изменение частоты от 10 Гц до 10 кГц в течение времени, равного 2 с, нам потребуется делать 100 000 выборок в секунду, таким образом нам понадобится суммарно n = 200 000 выборок. Для автоматизации расчета нужных значе‑ ний времени и амплитуды сигнала можно вос‑ пользоваться готовой программой, написан‑ ной Martin Rowe [4] в Microsoft Excel (рис. 5). Пользователю необходимо задать начальные (f_start) и конечные (f_stop) значения частоты сигнала, время генерации (sweeptime), общее число выборок (samples) и амплитуду сигнала (ampl). Затем данные будут сгенерированы ав‑ томатически на втором листе (Sheet2) Microsoft Excel. Пользователю надо лишь сохранить по‑ лученные данные в формате .csv с разделителя‑ ми — запятыми (рис. 4). Загрузив полученные с помощью програм‑ мы данные в модуль генератора сигналов спе‑ циальной формы, с помощью виртуального осциллографа можно проверить прохождение сигнала на всем протяжении схемы (рис. 6). Разработчик имеет возможность создания более сложных негармонических сигналов, таких как электрический сигнал электри‑ ческой активности сердца (электрокардио‑ грамма). Подобный эмулированный сигнал (рис. 7) позволит значительно сократить вре‑ мя на подбор параметров схемы и общее вре‑ мя разработки электрокардиографа.

Заключение Программируемые аналоговые микросхе‑ мы способны стать незаменимым инстру‑ ментом в приложениях, для которых необ‑ ходимо низкое время отклика при обработке аналоговых сигналов с высокой точностью. Сложные аналоговые устройства, требую‑

Рис. 6. Прохождение сигнала с изменяющейся частотой через фильтр высоких частот (Баттерворта) в программе AnadigmDesigner2

Рис. 7. Эмуляция электрических сигналов сердца человека

щие точной обработки аналогового сигна‑ ла, удается полностью реализовать на одной микросхеме ПАИС Anadigm. Причем пара‑ метры схемы можно менять (в том числе в реальном времени) программно, без изме‑ нения топологии печатной платы. В САПР AnadigmDesigner2 разработчику предлагаются генераторы сигналов различ‑ ной формы. Используя генератор специ‑

альных сигналов, мы можем сэмулировать сигналы сложной формы, необходимые для проверки корректности схемы до этапа маке‑ тирования устройства. n

Литература 1. Щерба А. Динамическое программирование аналоговых схем Anadigm управляющим мето‑ дом // Компоненты и технологии. 2012. № 10.

2. Щерба А. Программируемые аналоговые ИС Anadigm: применение конфигурируемых аналоговых модулей в составе программы AnadigmDesigner2 // Компоненты и технологии.

2007. № 12.

3. Полищук А. Система автоматизированного проектирования программируемых аналоговых интегральных схем AnadigmDesigner2. Первый шаг: знакомство с интерфейсом // Компоненты и технологии. 2005. № 5–7.

4. Rowe M. Generate a Swept Sine Test Signal. October 2000. www.edn.com 5. Application Note. How to generate a swept frequency signal generator for AnadigmDesigner2.

AN231014‑U316. Anadigm, 2015.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

9

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

ПЛИС, ПАИС

10

Владимир Викулин vikulin@achronix.ru

Опыт работы с ядром Ethernet ПЛИС Achronix

Введение В цикле статей о ПЛИС Achronix [2–4] рассказывалось о том, как работать с аппаратными ядрами PCIe и DDR‑3. Пришло время опи‑ сать работу, пожалуй, с наиболее интересным ядром, имеющимся в составе ПЛИС Achronix семейства Speedster22i, — с ядром Ethernet, позволяющим работать с 100G Ethernet. ПЛИС семейства HD, в том числе Speedster22i HD1000, используе‑ мая в отладочном наборе Speedster22i HD1000 Development Kit, содер‑ жат по два ядра 100‑гигабитного Ethernet.

Краткое описание ядра Состав и характеристики Ядро реализует уровни MAC (Media Access Control), PCS (Physical Coding Sublayer) и PMA (Physical Media Attachment). Все уровни кон‑ фигурируются через шину SBUS либо статически, либо динамически. На MAC-уровне осуществляется работа с кадрами Ethernet. Главной задачей уровня PCS является перекодирование данных из параллельной формы в последовательную и обратно. Уровень PMA составляют последовательные приемопередатчики, которые могут напрямую работать с модулями SFP, SFP+ или же CFP. В частности, для 10‑гигабитного Ethernet доступны протоколы CAUI и XFI (рис. 1). Ядро Ethernet содержит полностью интегрированный 10/40/100‑Гбит MAC-уровень. Согласно документации оно имеет следующие характе‑ ристики: • Соответствует спецификации стандарта IEEE Std 802.3ba‑2010.

• Конфигурируется для работы в полнодуплексном режиме со ско‑ ростью 10/40/100 Гбит/с в одном из 5 режимов: – 1–12 каналов 10‑гигабитного Ethernet; – 1 канал 100‑гигабитного Ethernet, 1–2 канала 10‑гигабитного Ethernet; – 1–3 канала 40‑гигабитного Ethernet; – 1–4 канала 10‑гигабитного, 1–2 канала 40‑гигабитного Ethernet; – 1–8 каналов 10‑гигабитного, 1 канал 40‑гигабитного Ethernet.

• Обеспечивает доступ к статистике согласно рекомендации IEEE 802.3 (базовые, обязательные и рекомендованные информа‑ ционные и управляющие пакеты — clause 30, MIB, MIB-II, IETF RFC 2665, SNMP, RMON в соответствии с IETF RFC 2819).

• Обеспечивает счетчики, чтобы генерировать соответствующие базово‑информационные объекты управления (MIB, MIB-II) согласно IETF RFC 2665 (в том числе его обновления до 10 Гбит) для SNMP (простой протокол сетевого управления).

• Поддерживает фреймы с тэгами VLAN согласно 802.1q VLAN. • Дополнительное конфигурируемое поле FCS (Frame Check Sequence) как в передаваемых, так и в принимаемых фреймах.

• Автоматическое расширение коротких пакетов при передаче и вос‑ становление первоначальной длины при приеме.

• Каждый уровень PCS имеет обратную связь в MAC-ядре по интер‑ фейсам X/XL/CGMII для пересылки данных из передатчика непо‑ средственно в приемник, без передачи в блоки PCS. • Для интерфейса 10G Base-R PCS передает константу 0x00ff в ин‑ терфейс SerDes. • Для интерфейса 40G/100G Base-R PCS передает неизмененные дан‑ ные из MAC в SerDes (как определено в стандарте IEEE802.3ba).

• Шина для доступа к регистрам управления устройством (DCR) или шина управления хостом.

• Конфигурируемое управление потоком через фреймы управле‑ ния Ethernet MAC (PAUSE frames; symmetrically or asymmetrically enabled).

• Конфигурируемая поддержка сверхдлинных фреймов (jumboframes) любой длины.

• Каждый слой PCS реализует автоматическое согласование, но не включает в себя обнаружение параллельных каналов, кото‑ рое при необходимости реализуется в пользовательской логике.

• При работе в режиме 10G ядро может быть сконфигурировано для работы со скоростями 10/100/1000 по протоколу SGMII/1000 Base-X PCS (вместо протокола XGMII/10G Base-R PCS, используемого в ре‑ жиме 10G).

• Полностью конфигурируемый межпакетный интервал (IPG — Inter-Packet Gap).

• Опция проверки последовательности фреймов (FCS — Frame Check Sequence) (добавление и удаление).

• Вставка и удаление маркера лана (Lane Marker) на уровне PCS. • Уровень MAC поддерживает паузы для управления потоком (Link Pause Flow Control) и управление потоком с учетом приоритета (PFC — Priority Flow Control), до 8 классов трафика.

• Поддержка протокола синхронизации времени PTP IEEE1588 на уровне PCS.

Типовая схема подключения

Рис. 1. Ядро Ethernet ПЛИС семейства Speedster22i

Из списка, приведенного выше, очевидно, что это очень мощное ядро. Изображение ядра в виде компонента (рис. 2) свидетельствует о том же. Несмотря на огромное количество портов, работать с ядром несложно, так как его порты достаточно хорошо структурированы. Среди них можно выделить следующие группы: • глобальные сигналы. К этому типу относятся сигналы тактовой частоты и сброса; • сигналы управления и статуса;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

11

Регистровая структура Ядро управляется специальными регистрами, доступными через особые шины, а именно SBUS. Это стандартная шина, применяемая для конфигурирования всех аппаратных ядер, содержащихся в ПЛИС серии Speedster22i, она представляет собой последовательный канал, который может работать с данными разрядностью как 8, так и 32 бит. В ядре имеется 13 шин SBUS: одна 32‑разрядная шина, управляющая MAC-уровнем, и 12 8‑разрядных шин, управляющих отдельными ка‑ налами уровня PCS. Управляющих регистров огромное количество (больше 1000), но, к счастью, они отлично задокументированы. Опыт применения В этом разделе рассказывается об опыте освоения описываемого ядра на примере реализации демонстрационного проекта, который можно взять за основу для собственного проектирования. Несмотря на сложность и универсальность самого ядра, оказалось, что использовать его в своем проекте совсем несложно, в чем автор убедился на личном опыте. Сделать собственный проект было ре‑ шено после ознакомления с фирменным референс-дизайном. В этом референс-дизайне связь с компьютером шла через шину USB c эму‑ лятором Com-порта, а программное обеспечение было написано на языках PERL и TCL. Такой дизайн мог использоваться только для изучения ядра Ethernet, а нам хотелось иметь проект, на основе кото‑ рого можно было бы создавать собственные разработки с полезной функциональностью. Поэтому было решено подключить отладоч‑ ную плату через шину PCI. В качестве языка для написания тестпрограммы выбрали C++. Проект реализован на демонстрационной плате HD1000 Dev Kit, о которой рассказывалось ранее [2]. Ниже описываются этапы выполнения проекта.

Рис. 2. Ядро Ethernet в виде компонента

• шины управления. Через них доступны регистры, управляющие работой ядра; • интерфейс записи/чтения фреймов, использующий FIFO; • внешние линии последовательного ввода/вывода. Схема подключения ядра приведена на рис. 3. Светло-голубым цветом выделены модули, реализованные в программируемой логике ПЛИС.

Проектирование На этапе проектирования была разработана спецификация, вклю‑ чающая описание интерфейса и функциональности всех основных модулей. В конечном итоге тестовый проект обрел следующую структуру (рис. 4). Основная структурная единица проекта — контроллер, выполня‑ ющий определенные для него функции. Каждый контроллер управ‑ ляется через регистры, подсоединенные к шине PCI посредством аппаратного ядра PCI, входящего в ПЛИС HD1000. Пока реализован вариант на один канал, хотя в дальнейшем пред‑ полагается использовать четыре канала Ethernet 10G, а возможно, и больше. На рис. 3 показана упрощенная схема. Все использованные в проекте контроллеры перечислены ниже:

Рис. 3. Схема подключения ядра Ethernet

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

12

ПЛИС, ПАИС

Рис. 4. Упрощенная структура тестового проекта

• контроллер буфера передатчика; • контроллер буфера приемника; • контроллер сигналов подачи тактовой частоты и сброса; • контроллер шины SBUS; • контроллер шины MDIO (I2C); • контроллер чтения состояния ядра Ethernet. Кодирование Затем модули были закодированы на языке System Verilog. Также были сконфигурированы необходимые аппаратные ядра и сгенерированы вспомогательные модули — FIFO и внутренние

Рис. 5. Генерация компонента ядра Ethernet в конфигурации 1x10G

блоки памяти. Одновременно были написаны интегрированные тесты, а для отладки некоторых модулей и автономные тесты (рис. 5). Симуляция Далее с помощью пакета QuestaSim от MentorGraphics была осу‑ ществлена верификация сначала отдельных модулей, а затем и систе‑ мы в целом. Имплементация Имплементация проекта состояла из следующих шагов: • задание констрейнтов (ограничений); • синтез, выполняемый с помощью синтезатора Synplify Pro (рис. 6);

Рис. 6. Синтез

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

Рис. 7. Трассировка. Отчет об утилизации

• трассировка, реализуемая с помощью оболочки ICE, разработанной непосредственно Achronix (рис. 7).

Программное обеспечение Ядро работает под управлением PC и управляется им через шину PCIe. PC, как хост-компьютер, обеспечивает: • реализацию корректной последовательности подачи сигналов так‑ товой частоты и сброса; • передачу, прием и проверку корректности данных; • включение требуемых режимов (например, Loopback). Все эти задачи берет на себя программа-монитор, написанная в виде консольного приложения на языке С++ в среде разработки Microsoft Visual Studio. Управление выполняется командами, подава‑ емыми оператором с клавиатуры. В программе (рис. 8) предусмотре‑ ны команды как низкого уровня (запись, чтение отдельных регистров по конкретному адресу), так и функционально-ориентированные ко‑ манды (заполнение буфера, передача данных, сравнение переданных и принятых пакетов, вывод статистики и т. д.). Для работы данной программы необходим драйвер, входящий в состав референс-дизайна ядра PCI (дизайн доступен для зарегистри‑ рованных пользователей на сайте компании Achronix). С помощью описанного приложения тестовый дизайн сначала от‑ лажен, а затем проверен в режиме передачи и последующего приема данных в режиме loopback.

Результаты В результате вышеописанных усилий появился проект, который может стать основой реальных разработок — Ethernet-карт, ком‑ мутаторов, маршрутизаторов и т. д. Как обычно, все исходники проекта доступны не только нашим клиентам, но и просто заинте‑ ресованным специалистам [5]. Особенности, которые необходимо учитывать при проектировании: 1. Инициализация ядра. Поскольку ядро сложное, состоящее из раз‑ личных подсистем (MAC, PCS, PMA), ему требуется определенная инициализационная последовательность. Она включает очеред‑ ность снятия сигналов сброса, выдерживание интервалов между этими сигналами, а также инициализацию ядра через регистры. Впрочем, хост-компьютер легко справляется с этой задачей через программу-монитор.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

13

Рис. 8. Программа-монитор для управления и тестирования проекта Ethernet 10G

2. Для достижения высокой производительности системы требуется работа с шиной PCIe в режиме DMA. В описываемом тестовом проекте данный режим пока не используется, что ограничива‑ ет функциональность проекта только тестовыми функциями. Однако добавить режим DMA со стороны аппаратуры несложно. Основная работа при этом ложится на плечи программистов.

3. Подключение оптических модулей. Оптические модули на 10G напрямую электрически подключаются к ПЛИС. Но из-за при‑ мененного на отладочной плате разъема CFP напрямую под‑ ключить модули формата SFP+ невозможно. Данная задача сейчас находится в процессе решения. Модули стандарта CFP, разумеется, подключаются напрямую, но у нас, к сожалению, их не оказалось.

4. Несмотря на то, что реализованные в пользовательской логике модули выполняют достаточно сложные функции, они занимают очень немного ресурсов ПЛИС (отчет по утилизации приведен на рис. 7). Вообще, ПЛИС Speedster22i HD1000 оказалась чрезвы‑ чайно емкой, что позволяет реализовывать самые сложные про‑ екты, не беспокоясь о нехватке ресурсов.

Заключение • На основе аппаратных ядер Ethernet и PCI создан тестовый проект, который может быть взят за основу для проектирования реальных телекоммуникационных устройств.

• Тестовый проект проверен на отладочной плате в режиме loopback.

• Даже такой относительно сложный проект занял удивительно мало ресурсов ПЛИС Speedster 22i HD1000. n

Литература 1. Руководство по использованию контроллеров 10G/40G/100G Ethernet на Speedster22i (англ.). www.achronix.com/wp-content/uploads/docs/ Speedster22i_100GEthernet_User_Guide_UG029.pdf 2. Плис Achronix — опыт освоения. www.habrahabr.ru/post/231007 3. Ядро PCI-express в ПЛИС Achronix — быстрый старт: www.habrahabr.ru/post/244997 4. Викулин В. Аппаратное ядро DDR3 ПЛИС Achronix и его применение // Современная электроника. 2015. № 3.

5. Ссылка на архив описанного проекта. www.yadi.sk/d/FKg8N3MHjRXqW 6. Сайт представительства компании Achronix. www.achronix.ru

www.kite.ru

14

новости

события

Итоги Международного промышленного форума «Радиоэлектроника. Приборостроение. Автоматизация»

Большой интерес вызвали дебютанты выставок: «Micro Sensor» (Китай), «Phytec» (Германия), российские компании «Континент» и «Поларлайт» (Санкт-Петербург), «Микропривод» (Москва), «Нэкст Технолоджис» (Череповец), «СКБ Индукция» (Челябинск). Впервые в рамках выставок «Автоматизация» и «Промышленная электротехника и электроприводы» была представлена коллективная экспозиция предприятий города Томска — главного сибирского центра образования, науки, инноваций. Свою продукцию продемонстрировали: • «Инком» — аппаратно-программные системы сбора и обработки данных; • ООО «Сибтеплоэлектрокомплект» — теплотехническое и электротехническое оборудование, средства измерения и контроля, исполнительные устройства и механизмы; • ПК «Вертикаль» — корпусные изделия и двери специального назначения; • «НПФ Мехатроника-Про» — лидер СНГ в области систем управления электродвигателями. В рамках деловой программы выставок прошли семинары компаний-участников: «ДЕВЕСОФТ РУС», ОВЕН, «БРЕСЛЕР», «Мехатроника-ПРО». Международный промышленный форум «Радиоэлектроника. Приборостроение. Автоматизация» с 21 по 23 октября 2015 года посетили 4 192 человека, из них 98% — профессионалы данных отраслей.

Реклама

С 21 по 23 октября 2015 года в СКК прошел Международный промышленный форум «Радиоэлектроника. Приборостроение. Автоматизация». Организатор — выставочная компания «ФАРЭКСПО». В рамках Международного промышленного форума состоялись выставки «RADEL: Радиоэлектроника и приборостроение», «Автоматизация‑2015» и «Промышленная электротехника и приводы». Совместное проведение мероприятий позволило ознакомиться с технологиями и решениями смежных рынков, найти новых партнеров и разработать совместные проекты.

XV международная промышленная выставка «RADEL: Радиоэлектроника и приборостроение» — ведущая отраслевая площадка для установления деловых контактов и продвижения бизнеса. В выставке и деловой программе приняли участие 84 компании из России, Белоруссии, Германии, КНР, Сербии. В 2015 году состав участников обновился практически наполовину. Впервые приняли участие в мероприятиях: ОАО «НПО «ЭРКОН» (Россия), компания «АВТЭКС+» (Россия), Würth Elektronik (Германия), ОАО «Позитрон» (Россия), R&D Sentronis A. D. Nis (Сербия), ОАО «Кермет» (Россия), производственное унитарное предприятие «Завод СВТ» (Белоруссия), Eternalstarinnovation (КНР) и другие предприятия. В рамках деловой программы прошли семинары компаний «Завод полупроводниковых приборов», ООО «Новые Технологии», «АВТЭКС+», группы компаний «Остек», Keysight Technologies, ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания», ОАО «НИИЭТ», ООО «АЕДОН», АО «ПКК Миландр», «Rohde&Schwarz». В рамках форума была представлена объединенная экспозиция XVI Международной специализированной выставки «Автоматизация‑2015» и VIII Международной специализированной выставки «Промышленная электротехника и приводы». В 2015 году участники выставки «Автома-тизация» продемонстрировали инновационные решения, направленные на развитие и продвижение информационных и компьютерных технологий, автоматизированных систем, программных средств автоматизации, готовых отраслевых систем. Тематика выставки «Промышленная электротехника и приводы» включает вопросы проектирования, эксплуатации и модернизации электрохозяйств предприятий различных отраслей.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

ПЛИС, ПАИС

16

Алексей Петров apetrov@icgamma.ru

Введение Несмотря на то, что системы на кристал‑ ле от ALTERA появились больше года назад, многие инженеры-разработчики, имея же‑ лание освоить такие системы, сталкиваются с трудностями при изучении технической до‑ кументации, которая предоставлена на сайте производителя. Система на кристалле (или по-английски System on Chip, или SoC) от ALTERA пред‑ ставляет собой две самостоятельные функ‑ циональные части ПЛИС (или FPGA) и процессорную систему (по-английски Hard Processor System, или HPS), соеди‑ ненные между собой интерфейсом обмена данными, причем каждая часть имеет свои входы/выходы на корпусе. Процессорная система содержит микропроцессорный блок (Microprocessor unit, или MPU), состо‑ ящий из одного или двух ядер процессора ARM Cortex-A9, контроллер DMA, два кон‑ троллера Ethernet, два контроллера USB 2.0 OTG, контроллер NAND flash, контроллер Quad SPI, SD/MMC-контроллер, два SPIконтроллера, четыре I2C-контроллера, па‑ мять RAM 64 кбайт, два UART- и два CANконтроллера. Таким образом, данная система на кристалле способна решать различного рода задачи, в том числе цифровой обработ‑ ки сигналов, реализуемые в FPGA, а резуль‑ таты обработки, например, передавать в HPS, обрабатывать их процессором и обработан‑ ные данные направлять на устройства пери‑ ферии.

Рис. 1. Плата DE1‑SoC

Реализация обмена данными между ПЛИС и процессорной системой в Cyclone V SoC на базе платы DE1‑SoC от Terasic Поскольку система имеет множество воз‑ можностей, возникает вопрос, с чего начать, для того чтобы освоить данную систему и использовать ее для реализации инженер‑ ных задач. Напрашивается вывод, что про‑ стейшей задачей является передача данных из FPGA в HPS и наоборот. Поэтому цель данной публикации — по‑ казать пример реализации обмена данными между FPGA и HPS для того, чтобы инжене‑ ры могли использовать его при реализации своей задачи на SoC. Речь пойдет о проекти‑ ровании оригинального устройства, в кото‑ ром FPGA формирует посылку из 32 данных с разрядностью 16, такая посылка записы‑ вается в первую память внутри FPGA, HPS читает эти данные и записывает в другую па‑ мять внутри FPGA. Затем FPGA прочитывает эти данные из второй памяти. Именно здесь обрабатывается посылка данных, а не оди‑ ночная информация, так как интерфейс об‑ мена данными между FPGA и HPS предусма‑ тривает пакетную передачу данных. Внутри FPGA также используется двухпортовая ста‑ тусная память, в которую по своим адресам HPS и FPGA записывают статусную инфор‑ мацию, содержащую признаки, что опреде‑ ленная задача для FPGA или HPS выполнена. Записывается статусная информация по од‑ ному порту одним устройством (FPGA или HPS), по другому порту она может быть про‑ читана иным устройством (HPS или FPGA). Реализуется данный проект на плате DE1‑SoC от Terasic. Выбор платы основан на двух факторах: относительно недорогой стоимости и широких демонстрационных и отладочных возможностях, таких как на‑ личие достаточно большого числа светодио‑ дов и семисегментных индикаторов для на‑ глядного отображения информации. В дан‑ ном проекте используются семисегментные индикаторы только лишь для наблюдения за записываемыми и читаемыми данными. Индикаторы подключены к выводам FPGA, управление свечением сегментов осущест‑ вляется из FPGA, процессор не имеет готово‑ го интерфейса доступа к ним. На рис. 1 показана плата DE1‑SoC (фотогра‑ фия взята с сайта www.terasic.com). На пла‑ те установлен кристалл 5CSEMA5F31C6 c 85 000 логических элементов в FPGA, в кри‑

сталле HPS содержит двухъядерный про‑ цессор Cortex-A9. Конфигурация FPGA воз‑ можна через флэш EPCS128, интерфейс JTAG или из HPS. На плате предусмотрена память SDRAM 64 Mбайт со стороны FPGA и 1 Гбайт DDR3 SDRAM со стороны HPS. Есть socket для micro SD-карты, откуда можно загру‑ жать Linux. Со стороны HPS есть два порта USB 2.0, USB-to-UART для отладки через кон‑ соль приложений Linux, порт Ethernet 1Gb. Также на плате есть два разъема с 40 вывода‑ ми, разъем на 10 выводов на вход АЦП, разъ‑ ем LTC, есть выход VGA c 24‑битного ЦАП, 24‑битный аудиокодек, TV-декодер, 8‑ка‑ нальный 12‑разрядный АЦП со скоростью 1 MSPS. Cо стороны FPGA имеется четыре пользовательские кнопки, 10 переключате‑ лей, шесть семисегментных индикаторов, 10 светодиодов, один светодиод со стороны HPS. Кроме того, со стороны HPS есть две кнопки reset: HPS_RST и HPS_WARM_RST, G‑Sensor. Таким образом, мы имеем много‑ функциональную плату с большими воз‑ можностями для отладки различных задач. В данном случае будут использоваться се‑ мисегментные индикаторы, кнопка сброса FPGA, порт Ethernet, USB-to-UART, интер‑ фейс JTAG, SD-карта. Проект, описанный в данной статье, соз‑ дан в Quartus II версии 14.1, но его мож‑ но с небольшими отличиями реализовать и в версиях 12.1, 13.1. В версии 15.0 по‑ требуется дополнительно программным путем в С задать используемое семейство CycloneV/ArriaV, поскольку данная вер‑ сия подразумевает работу и с Arria 10, это можно сделать в заголовочном фай‑ ле, который находится в директории SoC_ installed_dir/embedded/ip/altera/hps/altera_ hps/hwlib/include/hwlib.h. В данном файле в са‑ мом верху прописать: #define soc_cv_av

при использовании Cyclone V или Arria V, или #define soc_a10

при использовании Aria 10.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

17

Также в версии 15.0 будет другой путь к некоторым заголовочным файлам, в теле программы эти файлы подключаются следу‑ ющим образом. Для Cyclone v: #include "soc_cv_av/socal/socal.h" #include "soc_cv_av/socal/hps.h" #include "soc_cv_av/socal/alt_gpio.h"

Для Aria 10: #include "soc_a10/socal/socal.h" #include "soc_a10/socal/hps.h" #include "soc_a10/socal/alt_gpio.h"

Для этого примера следует выставить на‑ стройки, соответствующие Cyclone V.

Часть 1. Описание проекта Текущая задача — передать данные из ПЛИС в процессор и обратно. Поскольку мост обмена данными — это всего лишь мост, то должны быть конечные устройства, куда по этому мосту необходимо обращаться. Так как у ALTERA есть интерфейс Avalon, который в QSys совмещается с AXI, то проще использовать память с Avalon, куда ПЛИС записывала бы данные по одному порту, а за‑ тем по второму порту процессор их читал. Вторая причина использования памяти в том, что передача по AXI происходит тран‑ закциями с handshake и пакетами, поэтому целесообразно в ПЛИС сформировать по‑ сылку данных и отправить ее на процессор, и наоборот — принять посылку данных из процессора. Существует еще два понятия — master и slave. Master инициирует запрос на переда‑ чу данных, slave — этот запрос обрабатывает. Поскольку цель работы — визуальная демонстрация передаваемых данных на от‑ ладочной плате, то в качестве данных, запи‑ сываемых в память, формируются сигналы, управляющие свечением семисегментных индикаторов. Можно было бы генериро‑ вать и другие данные, но для демонстрации и визуального наблюдения выбраны имен‑ но эти сигналы. Отсчитываемый временной интервал при формировании и записи дан‑ ных соответствует примерно 1 с для визуаль‑ ного наблюдения. Посылка данных состоит из 32 слов. Сначала опишем сигналы управления (рис. 2). Счетчик count задает временной ин‑ тервал, 26‑й разряд примерно соответствует интервалу 1 с, вся схема работает на частоте clock — 50 МГц. Следующая схема — select_ enable — формирует из 26‑го разряда сигнал, соответствующий длительности 1 такт сиг‑ нала clock, этот сигнал называется glb_enable. Он задает временной интервал работы части схемы, которая отвечает за формирование данных и запись этих данных в память.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 2. Схема формирования сигналов управления

Рис. 3. Схема формирования сигналов управления семисегментными индикаторами

Такой сигнал подается на разрешающий вход счетчика count_addr, который тоже с интервалом 1 с формирует адрес для записи в память данных. Счетчик считает от 0 до 31 и останавливается, при этом формируют‑ ся сигналы: wr_enable и wr_indicator. Когда происходит сброс счетчика, то wr_enable=‘1’, wr_indicator=‘0’, когда счетчик счита‑ ет, то wr_enable=‘1’, wr_indicator=‘1’, когда счетчик закончил счет, то wr_enable=‘0’, wr_ indicator=‘0’. Формируем также сигнал разрешения за‑ писи — log_enable, когда счетчик адреса окончил счет, данные в память не записыва‑ ются. Все сформированные сигналы задер‑ живаем на величину секундного интервала, чтобы записать данные по 0 адресу, получа‑

ем сигналы: count_addr_del, wr_enable_del, log_enable_del, wr_indicator_del. Сигналы управления семисегментными индикаторами (рис. 3) формируются следую‑ щим образом. Два счетчика от 0 до 9 соедине‑ ны между собой сигналом переноса, который появляется в младшем счетчике count_9_least при переходе счета с 9 на 0. Сигнал, разреша‑ ющий счет младшему счетчику, — log_enable. Сигналы с выхода старшего счетчика count_9_ most и младшего счетчика count_9_least по‑ даются на две одинаковые комбинационные схемы, работающие с использованием табли‑ цы истинности, которая задает соответствие выхода комбинационной схемы входному сигналу (табл. 1). Таким образом формиру‑ ются сигналы управления семисегментными www.kite.ru

ПЛИС, ПАИС

18

Таблица 1. Таблица соответствия выходных сигналов входным для комбинационной схемы Data_in

Data_out

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001

1000000 1111001 0100100 0110000 0011001 0010010 0000010 1111000 0000000 0010000

индикаторами — data_indicator, которые бу‑ дут записаны в память mem1, с добавлением двух нулевых старших разрядов до 16 раз‑ рядов, поскольку память можно сгенериро‑ вать на 16 разрядов данных. Эти же сигналы поступают на выход FPGA непосредственно на сами семисегментные индикаторы с други‑ ми названиями: data_least_ind, data_most_ind. Следует отметить, что на данной плате сег‑ менты индикатора загораются при подаче лог. ‘0’. Другие сигналы на память mem1 сформи‑ рованы ранее, необходимо задать дополни‑ тельные сигналы по требованию интерфейса Avalon — byte_enable = “11” и clk_enable = ‘1’. Сигнал byte_enable показывает, какой из бай‑ тов в записываемом или читаемом слове вер‑ ный, в данном случае — оба имеют значение. Таким образом, мы описали первый порт двухпортовой памяти mem1, через который ПЛИС записывает данные в память. Второй порт предназначен для чтения данных про‑ цессорной системой. Для того чтобы передавать текущее со‑ стояние ПЛИС для использования его про‑ цессором и наоборот — передавать текущее состояние процессора для ПЛИС, необходи‑ мы статусные регистры (рис. 4). Так как до‑ вольно проблематично соединить регистры с мостом обмена «в лоб», то здесь исполь‑ зуется память mem_status с интерфейсом Avalon-MM с разрядностью данных — во‑ семь, на четыре слова, поскольку это ми‑ нимум, который можно сгенерировать для ПЛИС. У данной памяти адрес = “00”— это адрес ПЛИС, адрес “01” — это адрес процес‑ сора. Слово stat_word_fpga = “00000001”, за‑ писанное по адресу “00”, означает признак, что FPGA записал данные в память mem1. Слово stat_word_hps = “00000010” по адресу “01” означает, что процессор записал данные в память mem2. То есть доступ к статусной памяти имеют и процессор, и ПЛИС на чте‑ ние и запись по обоим портам. Схема select_after формирует сигнал wr_ stat_word = ‘1’, длительностью 1 такт, по за‑ вершении wr_indicator_del и задерживает его на 1 такт. По сигналу wr_stat_word = ‘1’ в мультиплексоре выбирается адрес для за‑ писи “00” и по этому адресу записывается в статическую память слово stat_word_fpga = “00000001”. Далее, когда wr_stat_word = ‘0’,

Рис. 4. Схема управления статусной памятью

Рис. 5. Схема чтения памяти mem2

устанавливается режим чтения статусной па‑ мяти адреса процессора. Следующая часть схемы начинает выра‑ батывать периодический запрос на чтение статусной памяти. При переполнении счет‑ чик count_stat вырабатывает сигнал запро‑ са req_hps, который через логическое “ИЛИ” поступает на chip_select. Происходит перио‑ дическое чтение адреса “01”. Таким образом, ПЛИС обращается по одному порту к двух‑ портовой памяти mem_status, второй порт предназначен для доступа процессора. Далее стоит компаратор с защелкой (рис. 5). Как только слово stat_word_hps, прочитанное по адресу “01” статусной памяти, сравняет‑ ся с “00000010”, то на выходе схемы сфор‑ мируется сигнал enable_read_mem2 = ‘1’.

Cчетчик count_adrr1 начнет перебирать адреса памяти mem2, при этом будет вырабатывать сигнал read_mem = ‘1’, в результате из памяти будут читаться данные data_from_mem2.

Эти данные распределяются на data_from_ processor_least и data_from_processor_most, которые выводятся на выводы ПЛИС к се‑ мисегментным индикаторам, визуально ото‑ бражающим процесс чтения данных. Чтобы визуализировать процесс чтения (видеть чи‑ таемые данные на семисегментных индика‑ торах), необходимо сформировать разреша‑ ющий сигнал на счетчик, объединив по схеме “И” сигналы enable_read_mem2 и glb_enable. При этом signal_zero = ‘0’, byte_enable = “11”, clk_enable = ‘1’. В данном проекте исходный код написан на языке VHDL, здесь он не приводится, но по представленному выше описанию лю‑ бой инженер-разработчик легко напишет его на любом языке — Verilog или VHDL. Сама память подключается в системе QSys. После генерации в системе QSys части проекта, со‑ держащей память и подключение HPS, мож‑ но выполнить соединение остального проек‑

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

19

Таблица 2. Расположение портов ввода/вывода на выводах ПЛИС Название сигнала порта

Вывод ПЛИС

Тип

data_from_processor_least[6] data_from_processor_least[5] data_from_processor_least[4] data_from_processor_least[3] data_from_processor_least[2] data_from_processor_least[1] data_from_processor_least[0] data_from_processor_most[6] data_from_processor_most[5] data_from_processor_most[4] data_from_processor_most[3] data_from_processor_most[2] data_from_processor_most[1] data_from_processor_most[0] data_least_ind[6] data_least_ind[5] data_least_ind[4] data_least_ind[3] data_least_ind[2] data_least_ind[1] data_least_ind[0] data_most_ind[6] data_most_ind[5] data_most_ind[4] data_most_ind[3] data_most_ind[2] data_most_ind[1] data_most_ind[0] reset clock

PIN_AH28 PIN_AG28 PIN_AF28 PIN_AG27 PIN_AE28 PIN_AE27 PIN_AE26 PIN_AD27 PIN_AF30 PIN_AF29 PIN_AG30 PIN_AH30 PIN_AH29 PIN_AJ29 PIN_W25 PIN_V23 PIN_W24 PIN_W22 PIN_Y24 PIN_Y23 PIN_AA24 PIN_AA25 PIN_AA26 PIN_AB26 PIN_AB27 PIN_Y27 PIN_AA28 PIN_V25 PIN_Y16 PIN_AF14

out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out out in in

та к памяти путем подключения сгенериро‑ ванного модуля в QSys — как иерархического компонента проекта. Расположение портов ввода/вывода устройства на выводах ПЛИС показано в таблице 2. Таким образом, мы рассмотрели структу‑ ру проекта, следующая часть будет описы‑ вать построение системы в QSys.

Часть 2. Построение системы в QSys Далее будет рассказано о построении си‑ стемы в QSys в Quartus версии 14.1. Если вы предполагаете это делать в других версиях, то возможны небольшие отличия. Вызываем систему QSys, меню Tools/Qsys. Все компоненты находятся в окне слева. Ставим память on_chip_memory2_0 двой‑ ным щелчком мыши — Basic Functions/On Chip Memory/(RAM or ROM), в настройках выставляем двухпортовую память (Dual-port access), один clock (Single clock operation), Read During Write Mode — DONT_CARE, Block type — AUTO. Ставим размер данных (Data width) — 16 разрядов, размер памя‑ ти (Total memory size) — 64 байт, поля Read latency оставляем равными 1, Reset Request — Disabled, ECC Parameter — Disabled, в на‑ стройках Memory initialization не должно быть галочек. Нажимаем кнопку Finish. Подсоединяем reset и clock к источнику (правой кнопкой мыши щелкаем по назва‑ нию порта, в верхнем пункте Connections всплывающего окна к порту clk_0.clk_reset или clk_0.clk соответственно). Порт s1 дела‑

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 6. Настройки вкладки Peripheral Pins

Рис. 7. Настройки выходных сигналов clock для периферии

ем экспортом (для того чтобы ПЛИС обра‑ щалась к нему), для этого в столбце Export делаем двойной щелчок мыши напротив порта s1, переименовываем его в mem1_s1, другой порт, s2, будет соединен с мастером HPS. В эту память ПЛИС будет сбрасывать данные, а процессор — их читать; в первой части эта память называется mem1. Вызываем процессорную систему (двойным щелчком мыши по Processors and Peripherals/Hard Processor Systems/ Arria V/Cyclone V Hard Processor Systems) и выставляем настройки, описанные ниже. Настройки FPGA Interfaces сформированы исходя из задачи, остальные взяты из проек‑ та по плате Terasic. Сделано это потому, что надо сохранить работу периферии, то есть загрузить процессор из SD-карты, сохранить работу через кабель USB — последователь‑ ный интерфейс и т. д. Периферия тоже окон‑ чательно привязана к определенным выво‑ дам HPS. Все это свидетельствует о том, что требовалось сохранить данные настройки. Итак, настройки следующие. Вкладка FPGA Interfaces. Пункт General — отсут‑ ствуют все галочки. Пункт AXI Bridges — все разрядности должны быть равны 32.

FPGA-to-HPS SDRAM Interface — таблица должна быть пустой, если там что-то есть,

значит, необходимо убрать с помощью “–”, Resets — все галочки должны отсутство‑ вать, DMA Peripheral Request — в таблице везде должно стоять No. Interrupts — галоч‑ ка отсутствует. HPS-to-FPFA — все галочки отсутствуют. Вкладка Peripheral Pins — на‑ стройки показаны на рис. 6. Вкладка HPS Clocks — контролируем значение 25 МГц от EOSC1 и EOSC2, а также отсутствие га‑ лочек в FPGA-to-HPS PLL Reference Clocks. Остальные значения установлены по умолча‑ нию. Выходные сигналы clock должны соот‑ ветствовать сигналам, показанным на рис. 7. Вкладка SDRAM — здесь все настройки устанавливаются по отношению к внешней памяти, можно ничего не менять, поскольку мы все равно не используем внешнюю па‑ мять. Нажимаем кнопку Finish. Сигналы: h2f_axi_clock, f2h_axi_clock, h2f_lw_axi_clock подсоединяем к источнику clock, h2f_axi_master подсоединяем к пор‑ ту s2 памяти on_chip_memory2_0. Ставим память — on_chip_memory2_1 — Basic Functions/On Chip Memory/(RAM or ROM), выставляем те же самые настрой‑ ки, что и для памяти on_chip_memory2_0. Соединяем reset и clock с источником, порт s2 делаем экспортом (так же как и для памяти on_chip_memory2_0), переименовываем его www.kite.ru

ПЛИС, ПАИС

20

Рис. 8. Вид системы в QSys

на mem2_s2. Другой порт, s1, соединяем с ма‑ стером HPS — h2f_axi_master. В эту память процессор будет скидывать данные, а ПЛИС будет их читать, в первой части данная па‑ мять называется mem2. Далее нужно устранить конфликт адресов, для чего меняем начальный адрес для памя‑ ти on_chip_memory2_1 во вкладке Address Map (вверху) на 0х00000040, щелкнув двой‑ ным щелчком мыши напротив порта on_ chip_memory2_1.s1 по адресу 0x0000_0000. Система сама поставит орфографические разделители. Вызываем память RAM or ROM, ста‑ вим настройки как и для памяти on_chip_ memory2_0, только другими будут: размер слова — 8 бит (минимально возможное), ко‑ личество байт — 4 шт. (минимально возмож‑ ное). Сигналы clk1 и reset1 соединяем с clk и reset источника. Порт s1 делаем экспортом, переименовываем в status_s1, порт s2 соеди‑ няем с мастером интерфейса Lightweight — h2f_lw_axi_master. Переименовываем память в mem_status. Согласно описанию в первой части — это статусная память. Сохраняем систему. В меню File/Save as пишем имя commutator.qsys. Если в процес‑ се создания системы возникла ошибка в на‑ стройках, то, щелкнув двойным щелчком мыши по названию компонента, откроем вкладку Parameters, где можно отредактиро‑ вать любые настройки. На рис. 8 изображена система, полученная в QSys. Небольшой комментарий. В названии пор‑ тов встречаются сочетания h2f и f2h, кото‑ рые указывают, что к чему обращается. Если FPGA обращается к HPS, то это будет f2h — сокращение от FPGA — to (или 2) — HPS. И наоборот, если HPS обращается к FPGA, то это будет h2f, или сокращение от HPS — to (цифра 2) — FPGA. Сокращение lw соот‑ ветствует интерфейсу Lightweight, медленно‑

му и предназначенному для обмена статус‑ ной информации, передачи констант и т. п. После сохранения системы надо сгенери‑ ровать HDL, Testbench, чтобы использовать систему в файле верхнего уровня и для мо‑ делирования. Моделирование рассматривать не будем, это отдельная самостоятельная часть, а как встроить полученную систему в проект — опишем подробно. Нажимаем внизу кнопку Generate HDL. Появится окно Generation, в верхней ча‑ сти окна можно выбрать язык для синтеза проекта — например, VHDL. Далее га‑ лочка, если требуется синтезировать про‑ ект не в Quartus, а в других системах. Эту галочку не ставим. Блок-символ создавать необязательно, он нужен для тех, кто еще пользуется графическим редактором. Затем в окне предлагается выбор языка, в кото‑ ром будет описана система для моделиро‑ вания. Выбираем язык, если нужно — ста‑ вим галочку «Смешанное моделирование». Далее показана выходная директория, где будет находиться результат. Нажимаем кнопку Generate. После генерации системы можно войти в пункт меню Generate/HDL EXAMPLE и в окне выбрать язык. После этого в окне появится отображение пор‑ тов в выбранном языке для того, чтобы это можно было скопировать и вставить в файл верхнего уровня как иерархический ком‑ понент. Пункт меню Generate/Generate Testbench System предназначен для моде‑ лирования с использованием BFMs. Здесь мы не станем рассматривать моделирова‑ ние, а значит, не будем выполнять данный пункт. После генерации системы необходимо добавить ее к проекту. Для этого в Quartus в меню Project следует выбрать пункт Add/Remove Files in Project, найти файл commutator.qsys в папке проекта, нажав

на “…”, затем добавить, нажав кнопку Add. Затем нужно нажать кнопки Apply и OK. Папку commutator и все ее содержимое соз‑ дает QSys. Там можно найти нетлист в папке synthesis на VHDL или Verilog — это зависит от того, какой язык был выбран для синтеза. Можно использовать название компонента с портами, чтобы скопировать его и вставить в файл верхнего уровня как иерархический компонент. Далее вставляем commutator в файл верхнего уровня по всем прави‑ лам VHDL или Verilog, соединяем порты это‑ го компонента с сигналами остальной схемы и выводим порты компонента commutator (их мы не задавали), относящиеся к процес‑ сорной системе (HPS), к портам файла верх‑ него уровня всего проекта. Таким образом, мы подключили к проекту commutator, син‑ тезированный в QSys. Перед синтезом проекта необходимо за‑ пустить tcl-скрипт, чтобы указать развод‑ чику (Fitter), где находятся выводы HPSсистемы, отвечающие за память. (Вообще, это было обнаружено, когда возникли ошиб‑ ки на этапе Fitter во время синтеза, и такие ошибки указывали на порты памяти DDR.) Поэтому вы можете сначала синтезировать проект, а затем, проанализировав появив‑ шиеся ошибки и выяснив, на какой порт они указывают, вычислить, какой скрипт запускать. Для этого необходимо войти в пункт меню Tools/Tcl Scripts, найти в де‑ реве Commutator/synthesis/submodules файл hps_sdram_p0_pin_assignments.tcl, однократ‑ но щелкнуть по нему мышкой, чтобы вы‑ делить его, и нажать на кнопку Run. Затем в окне высветится сообщение, что скрипт выполнен, следует закрыть его, нажав ОК, и закрыть окно запуска скрипта. Далее нужно задать частоту входного сиг‑ нала clock. В версии Quartus 14.1 это делает‑ ся следующим образом. Открываем меню Tools/TimeQuest Timing Analyzer, в появив‑ шемся окне создаем новый файл, вписываем в поле строчку: create_clock -name "clock" -period 10.000ns [get_ports {clock}]

В текстовом редакторе сохраняем как (меню File/Save as) имя_головного_файла_проекта. sdc. Закрываем TimeQuest Timing Analyzer. Добавляем этот файл к проекту так же, как и добавляли файл с системой QSys. У нас задана частота 100 МГц, поскольку для синтеза лучше выбрать частоту с запа‑ сом, хотя FPGA будет работать на 50 МГц. Далее запускаем на синтез весь про‑ ект. Заходим в меню Processing и выбира‑ ем пункт Start Compilation, синтез должен пройти без ошибок. Итак, мы завершили проект в Quartus, и все, что касается FPGA, уже сделано. Следующая часть посвящена запуску про‑ граммы на ARM-процессоре под Linux и за‑ грузке проекта в кристалл.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

21

Часть 3. Работа с Linux, программирование на С++, загрузка проекта в кристалл и запуск платы Для работы с SoC ALTERA предлагается использовать опе‑ рационную систему Linux, которую можно скачать с сайта www.RocketBoards.org. На сайте есть инструкция по примене‑ нию ОС, а также другие полезные материалы. Для упрощения всей процедуры мы будем использовать Linux с сайта Terasic, поскольку для отработки принципа передачи дан‑ ных этого достаточно. Сама операционная система и документа‑ ция на плату расположена по ссылке: http://cd_de1‑soc.terasic.com. Инструкция, как портировать данную операционную систему, на‑ ходится в документе Getting Started Guide внутри DE1‑SoC CD-ROM. Для создания загрузочной SD-карты необходимо установить Win32DiskImager.exe — для работы с платой UART terminal и PuTTY terminal. Вся процедура установок и настроек подробно изложена в данной инструкции. Отметим лишь, что использовать Linux для SoC можно только с SD-карты. В данной работе применена Linux, скачанная с сайта Terasic по первой ссылке в таблице. Теперь требуется написать программу на С++, которая будет вы‑ полнять чтение и запись данных по определенным адресам, скомпи‑ лировать ее, получить исполняемый файл, записать его на SD-карту в директорию root и запустить исполняемый файл. За основу возьмем программу на С из проекта my_first_hps-fpga, предложенную Terasic, и ее проанализируем. Вначале происходит вызов драйвера памяти устройства dev/mem, что является стандартной процедурой. Далее идет вызов функции mmap, остановимся на ней более подробно. Описание ее работы есть во мно‑ жестве источников, например, подробная информация о ней предла‑ гается по ссылке: www.man7.org/linux/man-pages/man2/mmap.2.html. Саму функцию с параметрами можно представить в виде: void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int f lags, int fd, off_t offset);

Переменная addr определяет стартовый адрес для новой карты памяти в Linux, если ее значение NULL, то kernel выбирает адрес. Для нас это непринципиально, а потому зададим ее равной NULL. Важным параметром для выделения области памяти является раз‑ мер length, определяемый в байтах, и стартовый физический адрес offset, от которого отсчитывается область памяти, заданная в количестве байтов. Возвращаемся к анализу программы. Переменная length задана константой HW_REGS_SPAN = 0x04000000, начальный адрес offset — константой HW_REGS_BASE = ALT_STM_OFST, а значение ALT_ STM_OFST в заголовочном файле socal/hps.h равно ALT_STM_OFST = 0xfc000000. Согласно документации ALTERA (по ссылке www.altera.com/content/ dam/altera-www/global/en_US/pdfs/literature/hb/cyclone-v/cv_5v4.pdf) “Cyclone V Hard Processor System Technical Reference Manual”, в таблицах 1–2, базовый адрес FPGA slaves = 0xC0000000, базовый адрес периферии 0xFC000000, базовый адрес моста Lightweight FPGA slaves = 0xFF200000. В этой же документации следует обратить внимание и на рис. 9, где по‑ казана карта адресов так, как эти адреса видит процессор. Отсюда видно, что в данной программе выделена вся область памя‑ ти периферии, начиная с адреса 0xFC000000 до 0xFFFFFFFF с разме‑ ром 0x04000000. Далее, если разобрать математические действия при формировании адреса h2p_lw_led_addr, то мы заметим, что ((unsigned long) (ALT_LWFPGASLVS_OFST + PIO_LED_BASE) & (unsigned long) (HW_REGS_MASK)) — образует смещение 0x03200000 относительно адреса 0xFC000000, равное по величине, чтобы обращаться по на‑ чальному адресу моста Lightweight FPGA slaves = 0xFF200000. Здесь само смещение pio_led_base равно 0, задается в QSys. Итак, основные моменты с адресацией мы разобрали, можно дви‑ гаться дальше. Вернемся к рассматриваемой задаче. Листинг про‑ граммы показан на рис. 9.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 9. Листинг программы на языке С

www.kite.ru

ПЛИС, ПАИС

как по алгоритму, описанному в докумен‑ тации к плате от Terasic. Берем тот же са‑ мый Makefile из проекта my_first_hps-fpga, в переменной TARGET можно поменять на‑ звание на obmen_hps_fpga — это будет имя исполняемого файла. Запускаем Embedded_ Command_Shell.bat, находящийся в директо‑ рии с установленным программным обеспе‑ чением SOCEDS, в командной строке с помо‑ щью оператора cd переходим в директорию, где находится программа main.c и Makefile. В командной строке даем команду make, по‑ лучаем исполняемый файл obmen_hps_fpga. Далее мы должны перенести этот файл на SD-карту на плате. Для этого вставляем SD-карту с образом Linux на плату, соединя‑ ем ее кабелем Ethernet c компьютером. После запуска Putty.exe в окне нужно вве‑ сти команду: # ifconfig eth0 inet 192.168.10.15 netmask 255.255.255.0 # ifconfig eth0 up

Здесь inet — это адрес, который должен первыми тремя цифрами совпадать с IPадресом компьютера, последняя цифра лю‑ бая — от 0 до 255, netmask — должна совпа‑ дать с компьютером. Где взять эти цифры? Открыть Центр управления сетями и общим доступом, от‑ крыть «Подключение по локальной сети», нажать на «Cведения». Адрес ip — это Адрес IPv4, маска — Маска подсети IPv4. Последнюю цифру адреса присвоим рав‑ ную 10. Например, вводим: Ifconfig eth0 inet 192.169.0.10 netmask 255.255.255.0.

Далее с помощью проводника заходим в директорию, где установлен SOCEDS, директорию Embedded, запускаем файл Embedded_Command_Shell.bat. При помощи оператора cd заходим в директорию с ис‑ полняемым файлом. Пишем команду без кавычек: “scp obmen_hps_fpga root@192.169.0.10:/home/root”

Здесь scp — команда копирования файла, my_first_hps — название копируемого фай‑ ла, 192.169.0.10 — настроенный IP-адрес пла‑ ты. Далее будет сообщение “Are you sure you want to continued connecting (yes/no)?”, вве‑ сти “yes” без кавычек. Если менялся пароль на Terasic, ввести Terasic. Файл скопирован. Теперь загружаем конфигурационный файл по JTAG в FPGA. Затем в окне putty надо ввести команду “ls” без кавычек. Ввести команду: “chmod 777 obmen_hps_fpga” без кавычек, далее можно запустить исполняе‑ мый файл, при этом ввести команду: ./obmen_hps_fpga

Нажимаем на кнопку сброса FPGA, ко‑ торую обозначали, когда делали проект на FPGA. Наблюдаем за семисегментными индикаторами. Левая пара показывает счет от 0 до 32. По окончании на правой паре, спу‑ стя некоторое время, должны отобразиться те же самые значения.

Заключение В данной статье был приведен типич‑ ный пример, который может использовать‑ ся в любой задаче при разработке системы на кристалле. Здесь показан лишь принцип построения такой системы, данные мог‑ ли вырабатываться любой другой схемой, необязательно именно такой для семисег‑ ментных индикаторов, и количество дан‑ ных может быть иным. Однако показанный принцип может оказаться полезным для ин‑ женеров‑разработчиков, так как основные моменты, на которые следует обратить вни‑ мание, были отражены в статье. Любые от‑ зывы и замечания прошу присылать по элек‑ тронной почте. n

Литература 1. Cyclone V Hard Processor System Technical Reference Manual. www.altera.com 2. www.altera.com/content/dam/altera-www/global/ en_US/pdfs/literature/hb/cyclone-v/cv_5v4.pdf

Реклама

Выделяемая область памяти функци‑ ей mmap начинается с физического адре‑ са BRIDGE_H2F = 0xC0000000, с размером MEM_SPAN = 0x40000000. Таким образом подключается вся область, начиная с базово‑ го адреса FPGA slaves = 0xC0000000 по конеч‑ ный адрес периферии 0xFFFFFFFF. Затем мы формируем базовые (или на‑ чальные) адреса для памяти mem1, mem2, mem_status. Для памяти mem1 начальный адрес соответствует адресу FPGA slaves = 0xC0000000, для памяти mem2 начальный адрес соответствует адресу FPGA slaves плюс смещение, определенное в системе QSys или стартовый адрес mem2 в QSys. Для памяти mem_status задаем смещение OFST_LW = 0x3F200000 относительно 0xC0000000, таким образом попадая на начальный адрес моста Lightweight FPGA slaves = 0xFF200000, и до‑ бавляем смещение mem_status_base_ofst = 0x00000000, взятое из QSys. Поскольку оно нулевое, его можно не добавлять, но это сде‑ лано для наглядности. Далее следует очень важный момент, на который следует обратить внимание. Когда мы задавали настройки для памя‑ ти mem1, mem2 и mem_status, QSys просил задать разрядность данных и количество байт. Для памяти mem1 и mem2 была зада‑ на разрядность данных, равная 16, а коли‑ чество байт составляет 64. Таким образом, обе памяти были созданы для записи 32 слов по 16 разрядов. Со стороны FPGA QSys все сделал так, как мы и ожидаем. А вот со сто‑ роны HPS обращение должно быть побайт‑ ным, в системе QSys адресное пространство для памяти mem1 и mem2 создано на 64 сло‑ ва (см. address map в QSys). Поэтому пере‑ менные в программе value_mem1 и value_ mem2 имеют тип unsigned char (8‑разряд‑ ные), их количество равно 64, и адресное пространство в циклах перебирается начиная с сформированного базового адреса по ба‑ зовый адрес+63. Циклы записи и чтения обозначены комментариями. В конце про‑ граммы происходит освобождение области памяти функцией munmap. После того как программа написана, со‑ храняем ее как main.c. Далее делаем так же,

Реклама

22

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

24

новости

рынок

GS Nanotech выпустил 2 млн российских микропроцессоров по технологии SiP для потребительской электроники ве высокопроизводительный центральный процессор с интегрированным криптопроцессором GS Lanthanum (собственная разработка GS Nanotech), кристалл оперативной памяти DDR3 и NOR FLASHнакопитель. Ключевые преимущества данной микросхемы — высокая производительность, повышенная секьюрность, миниатюрность модуля и низкая себестоимость. Микропроцессор выполнен в пластиковом корпусе BGA с использованием современных материалов и имеет 761 изолированный вывод. Габариты готового изделия — 31×31 мм. Подобные характеристики соответствуют зарубежным аналогам от Toshiba, Renesas Electronics, SanDisk и Amkor Technology. Корпус GS Nanotech SiP Amber S2 максимально защищен от взлома, что обеспечивает безопасность данных, передаваемых между компонентами. Это позволяет использовать микропроцессор в качестве центральной части современных цифровых ТВ‑приставок General Satellite с поддержкой HDTV и повышенной криптозащитой спутникового сигнала. «Система-в‑корпусе» — это комбинация активных электронных компонентов разной функциональности в едином защищенном модуле, за счет чего компактная микросхема способна обеспечить

выполнение всех функций, необходимых для конкретного устройства и обычно осуществляемых целой системой. Данный способ корпусирования отличается высокой сложностью и трудоемкостью реализации. Массовое изготовление подобных микропроцессоров для потребительской электроники уникально для России и производится только предприятием GS Nanotech в Калининградской области. В проектировании и подготовке к запуску в серию продукта GS Nanotech SiP Amber S2 была задействована команда высококвалифицированных конструкторов и технологов в составе 15 человек. Компетенции GS Nanotech также позволяют предлагать на контрактной основе корпусирование микросхем по технологии SiP для применения в потребительской электронике любого типа, медицинских устройствах, оборудовании для систем безопасности. www.gs-group.com

Реклама

С августа 2014 по ноябрь 2015 года центр разработки и производства микроэлектроники GS Nanotech (предприятие в составе инновационного кластера «Технополис GS») выпустил 2 млн многокристальных микропроцессоров собственной разработки по технологии «система-в‑корпусе» (System-in-Package, SiP) — GS Nanotech SiP Amber S2. Это единственный полностью отечественный микропроцессор, массово производимый по данной технологии на территории нашей страны и используемый для потребительской электроники. Центр разработки и производства микроэлектроники GS Nanotech в «Технополисе GS» (инвестиционный проект холдинга GS Group в г. Гусеве Калининградской области) — единственное в России предприятие, массово выпускающее собственный микропроцессор по технологии «система-в‑корпусе» для потребительской электроники. GS Nanotech SiP Amber S2 создавался в течение 12 месяцев и запущен в массовое производство в августе 2014 года. К ноябрю 2015‑го предприятие вышло на плановый объем производства микросхем подобного типа — 2 млн единиц в год. Устройство представляет собой многокристальную сборку, имеющую в соста-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

25

Проектирование КИХ-фильтров в системе визуально-имитационного моделирования Matlab/Simulink с использованием Altera DSP Builder Андрей Строгонов, д. т. н. andreistrogonov@mail.ru Сергей Цыбин, к. т. н. tsybin@edc-electronics.ru Павел Городков gorodkoff@gmail.com

В статье продолжается рассмотрение методологии объектно-ориентированного проектирования цифровых устройств обработки сигналов [1] с использованием пакета расширения Altera DSP Builder ver. 12.1 системы визуально-имитационного моделирования Matlab/Simulink (версия 8.0.0.783 (R2012b)) для реализации в базисе ПЛИС Cyclone фирмы Altera [2, 3].

Р

ассмотрим вариант проектирования КИХ-фильтра с помощью транспонированной формы, которую можно считать разновид‑ ностью параллельного фильтра. Уравнение фильтрации запишем в следующем виде: y = C0x0+C1x1+ +C2x2+C3x3. Предположим, что коэффициенты фильтра известны: C0 = –2, C1 = –1, C2 = 7 и C3 = 6. На рис. 1 показана транспонированная реализация дискретного фильтра (direct transposed form II) на четыре отвода. Транспонированная схема позволяет эффективно распаралле‑ лить вычисления и поэтому применяется наиболее часто. Например, в САПР ПЛИС Xilinx ISE 14.4 функция FIR Compiler v6.3, входящая в состав генератора параметризированных ядер XLogiCORE IP [4], под‑ держивает такие структуры фильтров (рис. 2). Они получили название Transpose Multiply-Accumulate architecture (транспонированная струк‑ тура, основанная на операциях умножения и накопления). В работе [4] рассматривается проектирование односкоростного систолического КИХ-фильтра с конвейеризацией (прямая форма).

Рис. 1. Транспонированная форма КИХ-фильтра на четыре отвода

При реализации фильтра в транспонированной форме можно одновременно реализовать все операции умножения, но для по‑ лучения результата фильтрации необходимо дождаться оконча‑

Рис. 2. Генератор параметризированных ядер XLogiCORE IP FIR Compiler v6.3 САПР ПЛИС Xilinx ISE 14.4. Выбор архитектуры фильтра и настройка секций ЦОС-блоков

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

26

ПЛИС, ПАИС

ства копирования пользователем, если он за‑ хочет реализовать такой проект. На рис. 3 показан проект КИХ-фильтра на четыре отвода в САПР Quartus II ver.13.1 с применением кода языка VHDL (пример 1), а на рис. 4 представлена импульсная харак‑ теристика. Последовательно загружаются коэффициенты –2, –1, 7 и 6, далее подается единичный импульс на вход data, и на сле‑ дующем такте синхроимпульса на выходе фильтра наблюдаем импульсную характе‑ ристику.

Рис. 3. Проект КИХ-фильтра на четыре отвода в САПР Quartus II ver.13.1 с использованием кода языка VHDL (пример 1)

Рис. 4. Функциональное моделирование (импульсная характеристика КИХ-фильтра) с использованием встроенного векторного редактора

ния выполнения всех операций сложения. Такие фильтры предполагают использова‑ ние аппаратных умножителей, входящих в состав ЦОС-блоков ПЛИС. Мегафункция fir_compiler_v13_1 САПР ПЛИС Altera Quartus II поддерживает струк‑ туры фильтров на последовательной и па‑ раллельной распределенной арифметике, модификацию последовательной ариф‑ метики (Multibit Serial Structure, несколько КИХ-фильтров на последовательной рас‑ пределенной арифметике, объединенных склеивающей логикой) и структуры с ис‑ пользованием аппаратных умножителей (Multicycle variable, MCV). Генератор параметризированных ядер Xilinx XLogiCORE IP FIR Compiler v5.0 предлагает на выбор три структуры филь‑ тров: прямую форму систолического КИХфильтра, в котором операции умножения и сложения выполняются параллельно с кон‑ вейеризацией; транспонированную и на рас‑ пределенной арифметике [5]. В отличие от мегафункции Altera fir_compiler_v13_1 функция Xilinx FIR Compiler v5.0 в автома‑ тическом режиме определяет, какая структу‑ ра фильтра на распределенной арифметике наиболее эффективна (последовательная или параллельная) для конкретной серии ПЛИС в зависимости от соотношения частоты взя‑ тия входных отсчетов fs и частоты тактиро‑ вания системы fclk.

Cтруктуры КИХ-фильтров на основе рас‑ пределенной арифметики обладают рекорд‑

ным быстродействием, которое не снижает‑ ся с ростом числа отводов. Такие решения особенно эффективны в низкобюджетных сериях ПЛИС, где существует недостаточное число встроенных аппаратных ЦОС-блоков. Рассмотрим КИХ-фильтр транспониро‑ ванной формы с перегружаемыми коэф‑ фициентами (обозначения сигналов, ис‑ пользуемых в проекте, указаны на рис. 1). Исходный VHDL-код позаимствуем из рабо‑ ты [6]. Первый оператор process используется для загрузки коэффициентов фильтра и дис‑ кретных значений сигнала. При Load_x, рав‑ ном логическому нулю, происходит последо‑ вательная загрузка коэффициентов фильтра в регистр с (далее последующий сдвиг), а при Load_x, равном логической единице, проис‑ ходит загрузка сигнала, подлежащего филь‑ трации, в регистр x. Второй оператор process формирует сумму произведений (SOP). Для первого отвода фильтра устанавливается y<=a(0). Третий оператор process форми‑ рует произведения (p). Входной сигнал x_in и коэффициенты фильтра c_in представля‑ ются с 9‑битной точностью (W1), произве‑ дения (сигнал p, W2 = 2W1) вычисляются с точностью 18 бит, суммирование (сигнал a, W3 = W2+log2(L), где L = 4, L — число от‑ водов фильтра) осуществляется с точностью 19 бит с учетом возможного переполнения по формуле 9+9+log2(4)–1 = 19. Внутренние сигналы c, p и a представляют собой матрицы разной размерности. Коментарии сохранены в оригинальном обозначении [6] для удоб‑

LIBRARY ieee; -- Using predefined packages USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE ieee.std_logic_arith.ALL; USE ieee.std_logic_signed.ALL; -- -------------------------------------------------------ENTITY fir_gen IS ------> Interface GENERIC (W1 : INTEGER := 9; -- Input bit width W2 : INTEGER := 18;-- Multiplier bit width 2*W1 W3 : INTEGER := 19;-- Adder width = W2+log2(L)–1 W4 : INTEGER := 11;-- Output bit width L : INTEGER := 4 -- Filter length ); PORT ( clk : IN STD_LOGIC; -- System clock reset : IN STD_LOGIC; -- Asynchron reset Load_x : IN STD_LOGIC; -- Load/run switch x_in : IN STD_LOGIC_VECTOR(W1-1 DOWNTO 0); -- System input c_in : IN STD_LOGIC_VECTOR(W1-1 DOWNTO 0); -- Coefficient data input y_out : OUT STD_LOGIC_VECTOR(W4-1 DOWNTO 0)); END fir_gen; -- System output -- -------------------------------------------------------ARCHITECTURE fpga OF fir_gen IS SUBTYPE SLVW1 IS STD_LOGIC_VECTOR(W1-1 DOWNTO 0); SUBTYPE SLVW2 IS STD_LOGIC_VECTOR(W2-1 DOWNTO 0); SUBTYPE SLVW3 IS STD_LOGIC_VECTOR(W3-1 DOWNTO 0); TYPE A0_L1SLVW1 IS ARRAY (0 TO L-1) OF SLVW1; TYPE A0_L1SLVW2 IS ARRAY (0 TO L-1) OF SLVW2; TYPE A0_L1SLVW3 IS ARRAY (0 TO L-1) OF SLVW3; SIGNAL x : SLVW1; SIGNAL y : SLVW3; SIGNAL c : A0_L1SLVW1 ; -- Coefficient array SIGNAL p : A0_L1SLVW2 ; -- Product array SIGNAL a : A0_L1SLVW3 ; -- Adder array BEGIN Load: PROCESS(clk, reset, c_in, c, x_in) BEGIN ------> Load data or coefficients IF reset = '1' THEN -- clear data and coefficients reg. x <= (OTHERS => '0'); FOR K IN 0 TO L-1 LOOP c(K) <= (OTHERS => '0'); END LOOP; ELSIF rising_edge(clk) THEN IF Load_x = '0' THEN c(L-1) <= c_in; -- Store coefficient in register FOR I IN L-2 DOWNTO 0 LOOP -- Coefficients shift one c(I) <= c(I+1); END LOOP; ELSE x <= x_in; -- Get one data sample at a time END IF; END IF; END PROCESS Load; SOP: PROCESS (clk, reset, a, p)-- Compute sum-of-products BEGIN IF reset = '1' THEN -- clear tap registers FOR K IN 0 TO L-1 LOOP a(K) <= (OTHERS => '0'); END LOOP; ELSIF rising_edge(clk) THEN FOR I IN 0 TO L-2 LOOP -- Compute the transposed a(I) <= (p(I)(W2-1) & p(I)) + a(I+1); -- filter adds END LOOP; a(3) <= p(3)(W2-1) & p(3); -- First TAP has END IF; -- only a register y <= a(0); END PROCESS SOP; -- Instantiate L multipliers MulGen: FOR I IN 0 TO L-1 GENERATE p(i) <= c(i) * x; END GENERATE; y_out <= y(W4-1 DOWNTO 0); END fpga;

Пример 1. VHDL-код КИХ-фильтра транспонированной формы на четыре отвода

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

27

SIGNAL y_out : STD_LOGIC_VECTOR(10 DOWNTO 0); COMPONENT fir_gen PORT ( c_in : IN STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0); clk : IN STD_LOGIC; Load_x : IN STD_LOGIC; reset : IN STD_LOGIC; x_in : IN STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0); y_out : OUT STD_LOGIC_VECTOR(10 DOWNTO 0) ); END COMPONENT; BEGIN i1 : fir_gen PORT MAP ( -- list connections between master ports and signals c_in => c_in, clk => clk, Load_x => Load_x, reset => reset, x_in => x_in, y_out => y_out ); clk_process : PROCESS BEGIN clk <= '0'; wait for 40 ns; clk <= '1'; wait for 40 ns; END PROCESS clk_process;

Рис. 5. Настройки САПР Quartus II, меню EDA Tool Settings/Simulation

Рис. 6. Функциональное моделирование (импульсная характеристика) в системе цифрового моделирования ModelSim-Altera

Если применяется САПР Quartus II ver.12.1 без поддержки встроенного векторного ре‑ дактора или симуляция на уровне регистро‑ вых передач (RTL-симуляция) с исполь‑ зованием инструмента ModelSim-Altera, необходимо предварительно разработать ис‑ пытательный стенд на языке VHDL. Для это‑ го следует зайти в меню Processing/Start/Start Test Bench Template Writer и создать ша‑ блон испытательного стенда. В нашем слу‑ чае появится файл с именем проекта fir_gen с расширением vht, который в дальнейшем нужно отредактировать в ручном режи‑ ме. На рис. 5 показаны настройки САПР Quartus II меню EDA Tool Settings/Simulation для RTL-симуляции. Выбираем инструмент симуляции (ModelSim). Указываем выход‑ ной формат нетлиста (VHDL) для симуля‑ ции и каталог. Более подробно ознакомить‑ ся с системой цифрового моделирования ModelSim-Altera на примере проектирова‑ ния систолических КИХ-фильтров в базисе ПЛИС можно в работе [7].

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Пример 2 демонстрирует испытательный стенд для функционального моделирования импульсной характеристики КИХ-фильтра в системе цифрового моделирования ModelSimAltera. На рис. 6 показано функциональное мо‑ делирование в системе ModelSim-Altera.

-- ************************************************************ -- This file contains a Vhdl test bench template that is freely editable to -- suit user's needs. Comments are provided in each section to help -- the user fill out necessary details.

-- ************************************************************ -- Generated on "10/08/2015 15:29:30" -- Vhdl Test Bench template for design : fir_gen --- Simulation tool : ModelSim-Altera (VHDL) -LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all; ENTITY fir_gen_vhd_tst IS END fir_gen_vhd_tst; ARCHITECTURE fir_gen_arch OF fir_gen_vhd_tst IS -- constants -- signals SIGNAL c_in : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0); SIGNAL clk : STD_LOGIC; SIGNAL Load_x : STD_LOGIC:= '0'; SIGNAL reset : STD_LOGIC:= '1'; SIGNAL x_in : STD_LOGIC_VECTOR(8 DOWNTO 0);

res_process : process begin wait for 20 ns; reset <= '0'; end process res_process; ld : PROCESS BEGIN Load_x <= '0'; wait for 320 ns; Load_x <= '1'; wait; END PROCESS ld; coef : process begin c_in <= "000000000"; wait for 20 ns; c_in <= "111111110"; wait for 60 ns; c_in <= "111111111"; wait for 80 ns; c_in <= "000000111"; wait for 80 ns; c_in <= "000000110"; wait; END process coef; delta : process begin x_in <= "000000000"; wait for 320 ns; x_in <= "000000001"; wait for 80 ns; x_in <= "000000000"; wait; END process delta; END fir_gen_arch;

Пример 2. Испытательный стенд для функционального моделирования КИХ-фильтра в системе цифрового моделирования ModelSim-Altera

Проект может быть размещен в базис ПЛИС серии Cyclone III EP3C5F256C6, он занимает логических ячеек — 69, аппарат‑ ных умножителей с размерностью операн‑ дов 99 — 4, рабочая частота в наихудшем случае с использованием TimeQuest-анализа для модели slow 1100mV 85C оценивается ве‑ личиной 196,7 МГц.

Проектирование фильтров Добеши с использованием мегафункции FIR Compiler САПР Altera Quartus II Вейвлет-преобразование одномерного сиг‑ нала s(t) состоит в его разложении по базису, сконструированном из обладающей опре‑ деленными свойствами солитоноподобной www.kite.ru

ПЛИС, ПАИС

28

Рис. 7. Масштабирующая функциия ϕ(x) вейвлета и коэффициенты фильтра Добеши db2, а также весовые вейвлет-коэффициенты фильтров декомпозиции и реконструкции сигнала

функции посредством масштабных измене‑ ний и переносов [8, 9]:

где a — масштаб анализа; b — сдвиг вейв‑ лета по времени; W(a,b) — коэффициенты вейвлет-преобразования или двумерный массив амплитуд вейвлет-преобразования; t — время; R — множество действитель‑ ных чисел; ψ — локализованная по вре‑ мени и частоте, быстростремящаяся к нулю, двухпараметрическая вейвлет-функция; звездочка над ψ обозначает комплексное сопряжение. Варьируя значения параме‑ тров a и b, можно получить вейвлет-спектр (time-scale spectrum (масштабно-времен‑ ной спектр) или wavelet spectrum). Вейвлетпреобразование обеспечивает двумерную развертку сигнала s(t), при этом частота и координата рассматриваются как незави‑ симые переменные. На практике КИХ-фильтры с небольшим числом отводов могут быть использова‑ ны для проектирования фильтров Добеши второго порядка [6]. Для получения ин‑ формации о вейвлетах Добеши необхо‑ димо в командной строке Matlab набрать waveinfo('db'). Вейвлеты Добеши dbN отно‑ сятся к ортогональным вейвлетам с компакт‑ ным носителем. В системе Matlab вейвлеты Добеши задаются конечно-импульсной ха‑ рактеристикой — набором весовых вейвлеткоэффициентов. Рассмотрим четырехточечный фильтр Добеши db2. Графики вейвлетов Добеши db2 в системе Matlab можно увидеть следующим образом: [phi,psi,x]=wavefun('db2',10); subplot(121); plot(x,phi); title('y=\phi(x)'); axis square; grid on; subplot(122); plot(x,psi); title('y=\psi(x)'); axis square; grid on;

Рис. 8. Быстрый алгоритм Малла для трех уровней разложения сигнала

phi обозначает масштабирующую функ‑ цию — j(x); psi — материнский вейвлет — ψ(x); X — массив значений независимой переменной x; 10 — число итераций (степень итерационного уточнения). Функции j(x) и ψ(x) быстрозатухающие, имеют компакт‑ ный носитель и не имеют аналитических вы‑ ражений. С помощью команд можно также посмо‑ треть масштабирующую функцию j(x) вейв‑ лета Добеши db2 и весовые вейвлет-коэф‑ фициенты фильтров декомпозиции и рекон‑ струкции сигнала (рис. 7). Коэффициенты фильтра даются с учетом нормировки мно‑ жителя 1/√2. load db2; w = db2; iter = 10; wav = 'db2'; wn=sqrt(2)*w; [phi,psi,xval] = wavefun(wav,iter); subplot(321); plot(xval,psi); title('Wavelet'); subplot(322); stem(wn); title('Original scaling filter'); [Lo_D, Hi_D, Lo_R, Hi_R] = orthfilt(wn); subplot(323); stem(Lo_D); title('Decomposition low-pass filter'); subplot(324); stem(Hi_D); title('Decomposition high-pass filter'); subplot(325); stem(Lo_R); title('Reconstruction low-pass filter'); subplot(326); stem(Hi_R); title('Reconstruction high-pass filter');

Посмотреть графики вейвлетов Добеши можно и с помощью команды wavemenu и в появившемся окне с описанием разде‑ лов вейвлет-преобразования нажать кнопку Wavelet Display. Выводится следующее окно, в котором, выбрав имя wname, можно про‑ смотреть весовые вейвлет-коэффициенты фильтров декомпозиции (Lo _D — low-pass (ФНЧ), Hi _D — high-pass (ФВЧ)) и рекон‑ струкции (Lo _R, Hi_ R) сигнала. Низкочастотные (h) и высокочастотные (g) коэффициенты фильтра Добеши db2 зада‑ ются следующими коэффициентами [8, 9]:

h0 = (1+√3)/(4√2) = 0,483, h1 = (3+√3)/(4√2) = 0,8365, h2 = (3–√3)/(4√2) = 0,2241, h3 = (1–√3)/(4√2) = –0,1294, g0 = h3, g1 = –h2, g2 = h1, g3 = –h0.

Передаточную функцию фильтра Добеши db2 можно записать в виде [6]:

G(z) = ((1+√3)+(3+√3)z –1+(3–√3)z –2+ +(1–√3)z –3)/4√2, G(z) = 0,483+0,8365z –1+0,2241z –2– –0,1294z –3. После умножения на масштабный множи‑ тель 256 коэффициенты округлим до бли‑ жайшего целого числа:

G(z) = 124+214z –1+57z –2–33z –3. Для получения правильного результа‑ та фильтрации необходимо в дальнейшем предусмотреть деление на масштабный мно‑ житель 256:

y/256 = 124x0+214x1+57x2–33x3. Вейвлет-преобразование сигналов мо‑ жет быть представлено как банк фильтров. Быстрый алгоритм Малла (дискретное вейв‑ лет-преобразование) для трех уровней разло‑ жения сигнала s показан на рис. 8, где a1, a2, a3 — аппроксимирующие коэффициенты, а d1, d2 и d3 — детализирующие коэффици‑ енты, цифры 1, 2, 3 обозначают уровни раз‑ ложения сигнала. Верхняя часть схемы соот‑ ветствует процедуре декомпозиции, а ниж‑ няя — процедуре реконструкции сигнала. Для получения подробной информации сле‑ дует обратиться к работам [8, 9]. Рассмотрим проектирование односко‑ ростного (Single-Rate FIR) КИХ-фильтра Добеши в САПР Quartus II с использовани‑ ем мегафункции Altera fir_compiler_v13_1 (рис. 9). Коэффициенты фильтра возьмем целочисленными со знаком 124, 214, 57, –33. Предположим, что они считываются из тек‑ стового файла и не подвергаются масштаби‑ рованию (опция Coefficients Scaling None), так

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

Рис. 9. Настройки мегафункции Altera fir_compiler_v13_1. Показана импульсная характеристика КИХ-фильтра (коэффициенты загружаются целочисленными, предварительно умноженные на масштабный множитель 256)

Таблица. Анализ задействованных ресурсов ПЛИС серии Cyclone III EP3C5F256C6 при реализации КИХ-фильтра Добеши db2 на четыре отвода

Ресурсы ПЛИС Общее число логических элементов (Total logic elements) Выделенных триггеров (Dedicated Logic Registers) Логических элементов для реализации комбинационных функций (total combinational fuctions) Аппаратных умножителей с размерностью операндов 99 Рабочая частота в наихудшем случае с использованием TimeQuest-анализа для модели slow 1100mV 85C, МГц

Транспонированная форма (проект состоит из единственного VHDL-файла)

Мегафункция FIR Compiler (последовательная распределенная арифметика)

89 89

312 263

33

183

4

–

196,7

250

29

как эта операция была проделана ранее путем умножения на масштабный множитель 256. Выберем структуру фильтра на последо‑ вательной распределенной арифметике с од‑ ним уровнем конвейеризации. Предположим, что коэффициенты фильтра и отсчеты бу‑ дут храниться в логических ячейках ПЛИС и блочная память использоваться не будет. Спецификация по входу следующая: одноканальный фильтр, на вход фильтра посту‑ пают целые числа со знаком, точность пред‑ ставления которых в дополнительном коде — девять разрядов. Спецификация по выходу: полная точность представления результата фильтрации — 18 разрядов (определяется в автоматическом режиме по соответствую‑ щей нотации, основывается на методе Actual Coefficients). Таким образом для сигнала и ко‑ эффициентов фильтра используется формат с фиксированной запятой для целых чисел со знаком (Integer Fixed-Point Representation). На рис. 10 показан проект КИХ-фильтра Добеши db2 на четыре отвода в САПР Quartus II ver.13.1 с использованием мегафунк‑ ции FIR Compiler. Латентность фильтра со‑ ставляет 9 тактов синхроимпульсов (рис. 11). Анализ задействованных ресурсов ПЛИС се‑ рии Cyclone III EP3C5F256C6 при реализации КИХ-фильтра Добеши db2 на четыре отвода показан в таблице. Для учета влияния эффектов квантова‑ ния на импульсную характеристику филь‑ тра при переходе к формату с фиксирован‑ ной запятой для дробных чисел со знаком (Fractional Fixed-Point Representation известен как Q‑формат) необходимо загрузить коэф‑ фициенты из файла в виде дробных чисел со знаком 0,483, 0,8365, 0,2241, –0,1294 и вос‑

Рис. 10. Проект КИХ-фильтра Добеши db2 на четыре отвода в САПР Quartus II ver.13.1 с использованием мегафункции FIR Compiler

Рис. 11. Функциональное моделирование с использованием встроенного векторного редактора (импульсная характеристика КИХ-фильтра Добеши db2). Коэффициенты фильтра 124, 214, 57, –33

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

ПЛИС, ПАИС

30

а

б

Рис. 12. Представление чисел в формате с фиксированной запятой: а) формат Qm.n; б) формат FIX в System Generator

пользоваться опцией Signed Binary Fractional (нотация), при этом в поле «Битовая ширина» (Bit Width) выставим формат [10]: . В рассматриваемом случае на знак выделяется один разряд, а на дробную часть числа — восемь разрядов, при этом общая длина разрядной сетки будет девять разрядов. В качестве примера кратко рассмотрим нотацию Qm.n, наиболее часто применяемую для представления чисел в цифровых сигналь‑ ных процессорах, m — число разрядов целой части числа, n — число разрядов дробной части (рис. 12). Общее число разрядов N = m+n+1 для чисел со знаком. Для представления чисел со знаком в формате с фиксированной запятой Xilinx System Generator используем нота‑ цию FIX, а для беззнаковых — UFIX. Формат FIX можно рассматри‑ вать как пару чисел M.N, где M — общее число двоичных разрядов; N — число разрядов дробной части [11]. Для 16‑разрядного числа N=16 можно записать: Q2.13, где 2 — число разрядов целой части числа, 13 — число разрядов дробной части числа +1 разряд на знак (СЗР, старший значащий разряд). Для целых чисел со знаком N=16 и Q15.0, для дробных чисел со знаком N=16 и Q0.15 также известен как формат Q.15 или Q15. В отечественном учебном пособии по цифровой обработке сигналов (автор А. Б. Сергиенко), ос‑ нованном в большей части на документации системы Matlab, этот фор‑ мат известен как формат с фиксированной запятой 1,15 (целые числа необходимо делить на коэффициент 215 = 32 768, равный числу разрядов дробной части). Применительно к нашему случаю это будет формат Q8. В Altera ir_compiler в САПР Quartus II и в fir_compiler DSP Builder знак включен в целую часть числа. Из справочной документации можно узнать, что нотация Signed Binary Fractional представления дробных чисел со знаком в Altera fir_compiler следующая [10]:

Полная точность представления результата фильтрации в слу‑ чае, если сигнал и коэффициенты фильтра 9‑разрядные (x1=0, x2=0, ceil(log2(4))=2): <Знак><2+0+0>.<8+8 >,

cоставит 18 разрядов по методу Actual Coefficients (фактически задей‑ ствованные разряды) и 20 по методу Bit Width Only (только битовая ширина поля). Если же выбрать опцию Auto with Power 2 в поле Bit Width 9, то по‑ лучим следующие коэффициенты в формате с фиксированной запя‑ той: 123, 214, 57, –33, что приведет к потере точности.

Проектирование КИХ-фильтров Добеши с использованием мегафункции FIR Compiler в системе визуально-имитационного моделирования Matlab/Simulink Рассмотрим разработку имитационной модели КИХ-фильтра с ис‑ пользованием последовательной распределенной арифметики с приме‑ нением функционального блока fir_compiler_v12_1 пакета расширения Altera DSP Builder системы Matlab/Simulink (рис. 13). Функциональный блок fir_compiler_v12_1 является аналогом мегафункции FIR Compiler САПР Quartus II. Функциональный блок fir_compiler_v12_1 входит в со‑ став библиотеки Altera DSP Builder Standard Blokset/MegaCore Function.

<Знак><Число разрядов целой части>.<Число разрядов дробной части числа>

Формат представления сигнала, подлежащего фильтрации, и коэф‑ фициентов фильтра следующие: <Знак><x1 разрядов целой части>.<y1 разрядов дробной части числа> <Знак><x2 разрядов целой части>.<y2 разрядов дробной части числа>.

При этом полная точность представления результата фильтрации: <Знак><i разрядов целой части>.<y1+y2 разрядов дробной части числа>,

Рис. 13. Функциональный блок fir_compiler_v12_1 библиотеки Altera DSP Builder Standard Blokset/MegaCore Function

где i=ceil(log2(число коэффициентов))+x1+x2.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

31

Рис. 14. Имитационная модель КИХ-фильтра Добеши db2 на четыре отвода с использованием функционального блока fir_compiler_v12_1

Compiler v5.0) САПР Xilinx ISE, получаемой с помощью генератора параметризирован‑ ных ядер XLogiCORE IP [11]. На рис. 14 представлена модель КИХфильтра Добеши db2 на четыре отвода с использованием функционального блока fir_compiler_v12_1 библиотеки Altera DSP Builder, а на рис. 15 и 16 показано имитаци‑ онное и функциональное моделирование импульсной характеристики.

Выводы

Рис. 15. Имитационное моделирование импульсной характеристики в системе Matlab/Simulink КИХ-фильтра Добеши db2 на четыре отвода

Пакет расширения Altera DSP Builder систе‑ мы визуально-имитационного моделирова‑ ния Matlab/Simulink позволяет быстро и эф‑ фективно разрабатывать сложные устройства цифровой обработки сигналов. Так же как и пакет расширения Xilinx System Generator, обеспечивает поддержку работы со сложными функциональными блоками, являющимися аналогами мегафункций САПР ПЛИС, — например, мегафункция fir_compiler. Использование мегафункции fir_compiler при проектировании КИХ-фильтров в про‑ ектах пользователя представляется наиболее эффективным решением, так как при этом учитываются архитектурные особенности ПЛИС и влияние эффектов квантования при переходе к формату с фиксированной запятой на импульсную характеристику фильтра. n

Литература

Рис. 16. Функциональное моделирование импульсной характеристики КИХ-фильтра Добеши db2 на четыре отвода в Altera-ModelSim

Следует заметить, что в Simulink так‑ же существует функциональный блок FIR Compiler v6.3 (FIR Compiler v5.0, рас‑

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

пределенная арифметика) пакета рас‑ ширения System Generator, являющийся аналогом функции FIR Compiler v6.3 (FIR

1. Тарасов И. Проектирование для ПЛИС Xilinx: системные аспекты и уровень регистровых пере‑ дач // Компоненты и технологии. 2015. № 2.

2. Строгонов А., Цыбин С., Городков П. Проектирование последовательных КИХ-фильтров в системе визуально-имитационного моделиро‑ вания Matlab/Simulink с использованием Altera DSP Builder // Компоненты и технологии. 2015. № 11.

3. Altera DSP Builder Handbook.Volume 1: Introductio to DSP Builder. Versio № 13.1. November 2013.

www.kite.ru

ПЛИС, ПАИС

32

4. С т р о г о н о в А . , Ц ы б и н С . , Го р од ко в П . Проектирование КИХ-фильтров в САПР ПЛИС Xilinx ISE Desig Suite // Компоненты и технологии. 2014. № 11.

5. С т р о г о н о в А . , Ц ы б и н С . , Го р од ко в П . Проектирование КИХ-фильтров на распреде‑ ленной арифметике в САПР ПЛИС Xilinx ISE Desig Suite // Компоненты и технологии. 2015. № 2.

новости

6. Meyer-Baese U. Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays Fourth Edition.

Springer, 2014. www.springer.com/series/4748 7. Строгонов А., Быстрицкий А. Проектирование систолических КИХ-фильтров в базисе ПЛИС с помощью системы моделирования ModelSimAltera // Компоненты и технологии. 2013. № 9.

8. Яковлев А. Н. Введение в вейвлет-преобразования: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.

9. Шоберг А. Г. Современные методы обработки изображений: модифицированное вейвлет-пре‑ образование. Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2014.

10. Altera FIR Compiler. User Guide. Software Version: 11.0. Document Date: May 2011.

11. Строгонов А., Цыбин С., Городков П. Разработка КИХ-фильтров в системе Xilinx System Generator САПР ISE Desig Suite // Компоненты и технологии. 2015. № 5.

анонсы

Это должен знать каждый специалист …Наша уязвимость увеличивается ежедневно вместе с расширением нашего использования электроники и ростом нашей зависимости от нее в наших гражданских и военных секторах. Д‑р Вильям Грэхем, председатель комиссии Конгресса США по ЭМИ ЯВ Первые прямые эксперименты по созданию электромагнитного импульса ядерного взрыва (ЭМИ ЯВ) были проведены более 50 лет тому назад. В 1962 г. в США и в СССР были осуществлены серии высотных ядерных взрывов с целью изучения их воздействия на электрическую и электронную аппаратуру. В результате этих исследований было подтверждено разрушительное воздействие ЭМИ ЯВ не только на электронную аппаратуру того времени (на основе радиоламп), но и на силовое энергетическое оборудование. Однако еще каких-нибудь 20–30 лет тому назад упоминание об ЭМИ ЯВ можно было встретить в русскоязычной литературе лишь в брошюрках по гражданской обороне, которые выходили под грифом: «Это должен знать каждый». Причем это было именно краткое упоминание, не более того. Поэтому и воспринимается этот импульс как нечто весьма экзотическое и малопонятное. Военные, конечно, были хорошо осведомлены об этом эффекте ЯВ, но все сведения на эту тему тщательно засекречивали. В то время это было вполне оправданно, учитывая, с какими техническими сложностями и материальными затратами такие сведения добывались. Однако в результате такой политики гражданские специалисты в различных отраслях техники до недавнего времени понятия не имели (а некоторые и до сих пор не имеют) об этом явлении и опасности, которую оно представляет. Между тем современные тенденции развития техники, заключающиеся в расширяющемся повсеместном применении микроэлектроники, микропроцессоров, компьютеров, в тысячи раз более чувствительных к ЭМИ ЯВ, чем ламповая аппаратура 60‑х годов, быстром росте производительности микропроцессоров при увеличении количества микротранзисторов, приходящихся на единицу объема, снижением рабочих напряжений и уровней изоляции между внутренними элементами и слоями в кристалле, привели к резкому возрастанию уязвимости современной техники к ЭМИ ЯВ, с одной стороны, и к стимулированию

интереса военных к использованию ЭМИ ЯВ в качестве самостоятельного и очень эффективного вида оружия — с другой. Если в начале исследований в этой области электромагнитный импульс интересовал военных лишь с точки зрения надежного поражения электронных систем самолетов и ракет противника силами противовоздушной обороны (боевые части многих ракет различных систем ПВО, даже небольшой дальности, снабжались ядерными зарядами), то теперь пришло понимание того, что ЭМИ ЯВ является идеальным нелетальным оружием, позволяющим при подрыве ядерного заряда на большой высоте (в ионосфере) вывести из строя практически всю инфраструктуру противника без массового убийства людей. Это настолько воодушевило военных, что они заказали разработку специального ядерного заряда с усиленным эффектом электромагнитного импульса — так называемого «супер-ЭМИ». Параллельно ускоренными темпами началась разработка чисто электромагнитного оружия, в котором мощное электромагнитное излучение, поражающее современные микроэлектронные и микропроцессорные системы, формируется неядерными средствами. Электромагнитные бомбы, снаряды, гранаты, ракеты с электромагнитными боеголовками, передвижные установки на колесном и гусеничном ходу, обеспечивающие мощное направленное излучение, поражающее электронику на большом расстоянии, — все это уже давно не фантастика, а реалии нашего времени. С сожалением можно констатировать, что эти реалии по-прежнему остаются без достаточного внимания специалистов во многих гражданских областях техники, в частности в области электроэнергетики. А ведь электроэнергетика — это основа инфраструктуры страны, без которой невозможно функционирование ни водоснабжения, ни связи, ни других важнейших систем жизнеобеспечения. Особую опасность приобретает в последнее время тенденция снижения массо-габаритных показателей источников сверхмощных импульсных излучений и перевод их из разряда уникальных сооружений в изделия, практически свободно продаваемые на рынке по вполне умеренным ценам, что делает их доступными инструментами для террористических атак. В ряде предыдущих статей и книг к. т. н. Владимира Гуревича обращалось внимание специалистов на актуальность этой проблемы в связи с возрастанием опасности разрушения

электроэнергетической системы такими видами оружия. В его новой книге «Защита оборудования подстанций от электромагнитного импульса», которая недавно вышла из печати в издательстве «Инфра-Инженерия», сделан упор на практические рекомендации по защите электрооборудования подстанций от преднамеренных электромагнитных деструктивных воздействий, включая ЭМИ ЯВ. В книге подчеркивается, что защита электрооборудования подстанций (да и других объектов электроэнергетики) от таких воздействий — проблема не только самих энергетиков, но и промышленности, производящей микроэлектронную и микропроцессорную аппаратуру для энергетики. Поэтому рекомендации, приведенные в книге, предназначены не только для персонала, занимающегося эксплуатацией электрооборудования, но также и для производителей такого оборудования, в первую очередь микропроцессорных устройств релейной защиты, специалистов проектных организаций, руководителей электроэнергетической отрасли, а также преподавателей, аспирантов и студентов электроэнергетических специальностей вузов. Только совместными усилиями специалистов можно предотвратить надвигающуюся опасность. Книгу можно заказать непосредственно на сайте издательства «Инфра-Инженерия».

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

Окончание. Начало в № 2’2015

Валерий Зотов walerry@km.ru

П

одключение применяемого загру‑ зочного кабеля к соответствующему порту компьютера, на котором уста‑ новлена САПР серии Xilinx ISE Design Suite, и разъему JTAG-интерфейса инструменталь‑ ного модуля, выбранного для реализации проектируемой микропроцессорной систе‑ мы, целесообразно выполнять до активиза‑ ции программных средств iMPACT.

Активизация средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти, представленных в составе САПР серии Xilinx ISE Design Suite Для запуска средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти, входящих в состав САПР се‑ рии Xilinx ISE Design Suite, рекомендуется прежде всего в среде управляющей оболочки Project Navigator («Навигатора проекта») от‑ крыть созданный ранее проект аппаратной части разрабатываемой встраиваемой систе‑ мы, процесс формирования которого был подробно рассмотрен в [11]. Далее необхо‑ димо выделить пункт Tools основного меню «Навигатора проекта», а затем в появив‑ шемся одноименном всплывающем меню

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

33

Разработка программного обеспечения встраиваемых микропроцессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычислительных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 11 Процесс конфигурирования кристаллов программируемой логики, а также выполнение операций записи и чтения информационных и контрольных данных в микросхемах Flash ППЗУ осуществляется в САПР серии Xilinx ISE Design Suite с помощью программного модуля iMPACT и загрузочного кабеля. Для программирования микросхем Flash-памяти и обратного считывания записанных данных могут использоваться загрузочные кабели тех же типов, которые поддерживаются средствами разработки программного обеспечения встраиваемых микропроцессорных систем Xilinx SDK [21].

выбрать команду iMPACT, как показано на рис. 1. В процессе выполнения указанной команды в рабочей области основного окна управляю‑ щей оболочки САПР серии Xilinx ISE Design Suite отображается информационная панель с заголовком Warning, содержащая предупреж‑ дение об отсутствии сформированного про‑ екта для средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти. После закрытия информационной панели нажатием клавиши OK на экране разворачи‑ вается основное окно программного моду‑ ля iMPACT, чей вид представлен на рис. 2. Первоначально открывшееся основное окно средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flashпамяти САПР серии Xilinx ISE Design Suite не содержит никакой информации об исполь‑ зуемом кристалле расширяемой процессор‑ ной платформы и загрузочном ППЗУ из-за отсутствия сформированного проекта. Для создания нового проекта необходимо выде‑ лить пункт File главного меню программно‑ го модуля iMPACT, а затем в открывшемся одноименном всплывающем меню выбрать строку New Project, как демонстрирует рис. 3. После этого на экран выводится диалоговая панель с заголовком Automatically create and save a project, которая предоставляет возмож‑

ность выбора способа формирования ново‑ го проекта для средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти. Рекомендуется воспользоваться автоматическим способом создания и сохра‑ нения нового проекта — процедуру можно выполнить нажатием клавиши Yes («Да»), расположенной в нижней части открывшейся диалоговой панели. При таком способе новый проект для программного модуля iMPACT формируется автоматически на основе ин‑ формации, указанной при создании проекта аппаратной части разрабатываемой встраи‑ ваемой микропроцессорной системы в САПР серии Xilinx ISE Design Suite [11]. Если необхо‑ димо в ручном режиме создать новый проект для средств конфигурирования ПЛИС и про‑ граммирования микросхем Flash-памяти, то в диалоговой панели Automatically create and save a project следует воспользоваться кла‑ вишей No («Нет»). После выбора способа формирования но‑ вого проекта на экране появляется диалого‑ вая панель с заголовком Welcome to iMPACT, чей вид приведен на рис. 4. Открывшаяся ди‑ алоговая панель предназначена для выбора необходимого режима функционирования программного модуля iMPACT. Требуемый режим работы средств конфи‑ гурирования ПЛИС и программирования www.kite.ru

34

ПЛИС, ПАИС

Рис. 1. Активизация средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти в САПР серии Xilinx ISE Design Suite

микросхем Flash-памяти устанавливается с по‑ мощью группы кнопок с зависимой фикса‑ цией, представленных во встроенной панели Please select an action from the list below. При этом следует учитывать, что все выполняе‑

мые операции с микросхемами загрузочной Flash-памяти осуществляются в среде про‑ граммного модуля iMPACT не напрямую, а через кристалл расширяемой процессор‑ ной платформы, для которого предназначено

ППЗУ. Соответствующая конфигурационная информация для аппаратных ресурсов кри‑ сталла семейства Zynq‑7000 AP SoC автомати‑ чески загружается в режиме периферийного сканирования через порт JTAG-интерфейса

Рис. 2. Первоначальный вид основного окна средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти iMPACT

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

Рис. 3. Создание нового проекта средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти iMPACT

при запуске требуемой операции. Поэтому для программирования микросхем загрузочной Flash-памяти и обратного чтения записанных данных нужно зафиксировать в нажатом состоянии кнопку Configure devices using Boundary-Scan (JTAG). Затем с помощью поля выбора, расположенного под этой кнопкой, надо указать режим обнаружения загрузочного кабеля и цепочки периферийного сканирования инстру‑ ментального модуля, используемого для реализации разработанной микропроцессорной системы. В большинстве случаев рекомендуется установить режим автоматического обнаружения подключенного за‑ грузочного кабеля и цепочки периферийного сканирования. Для этого в выпадающем списке указанного поля выбора следует выделить строку Automatically connect to а cable and identify Boundary-Scan chain. В неко‑ торых ситуациях может понадобиться «ручной» способ определения состава цепочки периферийного сканирования. В частности, этот режим целесообразно использовать, когда в структуре применяемого инстру‑ ментального модуля представлены не только кристаллы программиру‑ емой логики и расширяемых процессорных платформ фирмы Xilinx, но и ПЛИС других производителей. Для установки режима «ручного» определения цепочки периферийного сканирования в выпадающем списке следует выбрать вариант Enter a Boundary-Scan chain manually. Если был установлен режим автоматической идентификации типа подключенного кабеля и цепочки периферийного сканирования, то далее средства конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти выполняют процедуру обнаружения загру‑ зочного кабеля. Ход этого процесса отображается на экране дисплея с помощью всплывающей панели индикации и сопровождается со‑ ответствующей информацией во встроенной панели регистрации

Рис. 5. Выполнение процедуры автоматического обнаружения загрузочного кабеля

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

35

Рис. 4. Выбор режима функционирования программного модуля iMPACT

консольных сообщений Console, находящейся в нижней части ос‑ новного окна программного модуля iMPACT, как демонстрирует рис. 5. Если не удается автоматически идентифицировать подклю‑ ченный загрузочный кабель (например, из-за отсутствия напряже‑ ния питания), то на экран выводится информационная панель с за‑ головком Warning, содержащая соответствующее предупреждение. Аналогичное предупреждение отображается и во встроенной панели регистрации консольных сообщений Console. В тех случаях, когда режим автоматического обнаружения не позво‑ ляет идентифицировать подключенный загрузочный кабель, можно указать его тип и основные параметры в «ручном» режиме. Для этого предназначена команда Cable Setup, представленная во всплывающем меню Output и контекстно-зависимом всплывающем меню, откры‑ ваемом щелчком правой кнопки мыши при расположении курсора на вкладке Boundary Scan, которая автоматически добавляется в рабо‑ чей области основного окна средств конфигурирования ПЛИС и про‑ граммирования микросхем Flash-памяти. В процессе выполнения этой команды на экране появляется диалоговая панель с заголовком Cable Communication Setup, чей вид изображен на рис. 6. В открывшейся диалоговой панели нужно в первую очередь указать тип применяемого загрузочного кабеля (соответственно вид интер‑ фейса, используемого для коммутации с персональным компьютером) с помощью группы кнопок с зависимой фиксацией, расположенных во встроенной панели Communication Mode. При использовании за‑ грузочных кабелей фирмы Xilinx JTAG Parallel Download Cable III и JTAG Parallel Download Cable IV, подключаемых к параллельному порту (LPT) персонального компьютера (ПК), необходимо зафиксировать в нажа‑

Рис. 6. Определение типа загрузочного кабеля и установка его параметров

www.kite.ru

36

ПЛИС, ПАИС

том состоянии кнопку Parallel Cable III или Parallel Cable IV соответ‑ ственно. В случае применения загрузочных кабелей фирмы Xilinx, под‑ ключаемых к универсальной последовательной шине USB ПК, Platform Cable USB и Platform Cable USB II в нажатое положение следует уста‑ новить кнопку Platform Cable USB/II. Если для программирования за‑ грузочного ППЗУ предполагается задействовать инструментальные средства загрузки, производимые компанией Digilent Incorporated, JTAGUSB Cable, JTAG HS1 Programming Cable for Xilinx FPGAs или JTAGHS2 Programming Cable for Xilinx FPGAs, то в нажатое состояние нужно переключить кнопку Digilent USB JTAG Cable. Чтобы использовать для программирования микросхемы загрузочной Flash-памяти и чтения записанной информации выделенный аппаратный сервер, необходимо зафиксировать в нажатом положении кнопку HW Server. После выбора типа загрузочного кабеля следует установить значе‑ ния основных параметров его подключения. В поле выбора значения параметра Port указывается номер порта ПК, к которому подключен используемый кабель. В выпадающем списке возможных значений этого параметра представлены условные обозначения доступных пор‑ тов компьютера, соответствующих типу применяемого загрузочного кабеля. Поле выбора значения параметра TCK Speed/Baud Rate предо‑ ставляет возможность установки требуемого варианта скорости пере‑ дачи конфигурационных данных. Чтобы использовать значение ско‑ рости, установленное по умолчанию для выбранного типа загрузочно‑ го кабеля, в качестве значения этого параметра следует указать вариант Default Speed. Если необходимо задействовать значение скорости пере‑ дачи конфигурационных данных, отличающееся от предлагаемого по умолчанию, то нужно в выпадающем списке допустимых значений поля выбора TCK Speed/Baud Rate выделить строку Select Speed. Вариант подключения загрузочного кабеля к персональному ком‑ пьютеру определяется с помощью двух кнопок с зависимой фикса‑ цией — Local и Remote, представленных во встроенной панели Cable Location. Если кабель присоединен к локальному компьютеру, на ко‑ тором развернуты средства конфигурирования ПЛИС и програм‑ мирования микросхем Flash-памяти САПР серии Xilinx ISE Design Suite, то в нажатое состояние нужно переключить кнопку Local. При подсоединении загрузочного кабеля к компьютеру с удаленным до‑ ступом следует зафиксировать в нажатом положении кнопку Remote. В этом случае становится доступным поле редактирования значения параметра Host Name, где нужно с помощью клавиатуры указать имя компьютера с удаленным доступом, к которому присоединен загру‑ зочный кабель, или его IP-адрес. Диалоговая панель Cable Communication Setup предоставляет также возможность использовать предопределенную совокупность пара‑ метров подключения загрузочного кабеля. Для этой цели предусмо‑ трены индикатор состояния параметра Open Cable Plug-in и поле вы‑ бора/редактирования значения параметра Select or enter a Plug-in from the list below, расположенные во встроенной панели Cable Plug-in. Чтобы воспользоваться предопределенным вариантом подключения инструментальных средств загрузки, нужно установить индикатор состояния параметра Open Cable Plug-in во включенное положение. При этом становится доступным поле выбора/редактирования зна‑ чения параметра Select or enter a Plug-in from the list below, в котором нужно указать требуемый вариант предопределенной совокупности параметров подключения загрузочного кабеля. Процедура выбора типа загрузочного кабеля и параметров его под‑ ключения завершается нажатием клавиши OK, находящейся в ниж‑ ней части диалоговой панели Cable Communication Setup (рис. 6). При успешной идентификации присоединенного загрузочного кабеля производится автоматический поиск и инициализация цепочки пе‑ риферийного сканирования кристаллов программируемой логики и расширяемых процессорных систем, подключенной к выбранному JTAG-порту. Информация о составе идентифицированной цепочки периферийного сканирования отображается в графической форме на вкладке Boundary Scan рабочей области основного окна программного модуля iMPACT и в текстовом виде во встроенной панели ре‑ гистрации консольных сообщений Console (рис. 7).

Рис. 7. Отображение информации о составе идентифицированной цепочки периферийного сканирования

Следует обратить внимание на то, что каждый кристалл расширя‑ емой вычислительной платформы представлен на указанной вкладке двумя условными графическими образами (УГО). Первый УГО со‑ ответствует процессорному блоку Processing System (PS) кристалла семейства Zynq‑7000 AP SoC, а второй — ресурсам программируемой логики Programmable Logic (PL). Под каждым условным графиче‑ ским образом указывается тип представляемых ресурсов и назва‑ ние файла, содержащего соответствующую конфигурационную ин‑ формацию. Условный графический образ микросхемы загрузочной Flash-памяти для кристалла расширяемой вычислительной платфор‑ мы первоначально отображается на вкладке Boundary Scan в виде прямоугольного контура, выполненного штриховой линией, внутри которого указано обозначение SPI/BPI. После определения состава идентифицированной цепочки пери‑ ферийного сканирования инструментального модуля, применяемого для реализации разработанной встраиваемой микропроцессорной системы, на экран выводится диалоговая панель с заголовком Auto Assign Configuration Files Query Dialog, как показано на рис. 7. В от‑ крывшейся диалоговой панели есть запрос на выполнение проце‑ дуры назначения файлов, содержащих конфигурационную инфор‑ мацию для каждого элемента, представленного в составе цепочки периферийного сканирования. Учитывая, что для программирования микросхемы загрузочного Flash ППЗУ эта процедура не является необходимой, рекомендуется отрицательно ответить на приведен‑ ный запрос, нажав клавишу No («Нет»), находящуюся в нижней ча‑ сти диалоговой панели Auto Assign Configuration Files Query Dialog. После закрытия этой панели на экране появляется очередная диа‑ логовая панель с заголовком Device Programming Properties, чей вид представлен на рис. 8. Данная диалоговая панель предоставляет возможность пооче‑ редного определения параметров программирования для каждого элемента, имеющегося в составе идентифицированной цепочки пе‑ риферийного сканирования. При осуществлении операций записи и чтения данных из Flash ППЗУ можно воспользоваться значениями, установленными по умолчанию для этих параметров, подтвердив их нажатием клавиши OK, представленной в нижней части диалоговой панели Device Programming Properties. Для выполнения операций программирования микросхемы загру‑ зочной Flash-памяти и последующего чтения информационных и кон‑ трольных данных необходимо расположить курсор на контурном изо‑ бражении ее УГО (SPI/BPI) и щелкнуть правой кнопкой мыши. Затем в открывшемся всплывающем меню нужно воспользоваться командой Add SPI/BPI Flash, как демонстрирует рис. 9. При выполнении этой команды на экране появляется диалоговая панель с заголовком Add PROM File, которая позволяет указать файл программирования для выбранной микросхемы загрузочного Flash ППЗУ.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

Рис. 8. Определение параметров программирования элементов, представленных в составе цепочки периферийного сканирования

Рис. 9. Выбор файла программирования для микросхемы загрузочной Flash-памяти

В открывшейся диалоговой панели следует найти раздел, где был записан сгенерированный файл прошивки микросхемы Flashпамяти, содержащий загрузочный образ для разработанной микро‑ процессорной системы, как показано на рис. 9. В этом разделе нуж‑ но выбрать идентификатор требуемого файла программирования для загрузочного Flash ППЗУ, имеющий расширение mcs. Процесс формирования файла «прошивки» микросхемы загрузочной Flashпамяти проектируемой встраиваемой системы, реализуемой на базе кристалла расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq‑7000 AP SoC, был подробно рассмотрен в [27]. Выбранный идентификатор файла прошивки микросхемы Flash-памяти, исполь‑ зуемой для загрузки конфигурации аппаратной части и программ‑ ного обеспечения разработанной микропроцессорной системы, надо подтвердить нажатием клавиши Open («Открыть»), расположен‑ ной в нижней части диалоговой панели Add PROM File. После этого на экран выводится следующая диалоговая панель, имеющая заголо‑ вок Select Attached SPI/BPI, чей вид приведен на рис. 10. В этой диалоговой панели необходимо указать тип применяемой микросхемы загрузочной Flash-памяти, а также определить значения основных параметров обратного чтения информации, записанной в ППЗУ. Тип микросхемы Flash-памяти, предназначенной для записи загрузочного образа проектируемой микропроцессорной системы, определяется с помощью поля выбора значения параметра Select the PROM attached to FPGA. Выпадающий список возможных значений этого параметра включает два варианта — QSPI и NOR, которые со‑ ответствуют микросхемам ППЗУ типов Quad-SPI Flash и NOR Flash. После выбора требуемого варианта значения параметра Select the

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

37

Рис. 10. Выбор типа микросхемы загрузочной Flash-памяти и определение параметров обратного чтения записанной информации

PROM attached to FPGA, соответствующего типу Flash-памяти, пред‑ ставленной в составе инструментального модуля, предназначенного для реализации разрабатываемой встраиваемой системы, нужно ука‑ зать режим подключения микросхем ППЗУ к кристаллу расширяемой вычислительной платформы. Требуемый режим подключения микро‑ схемы Flash-памяти к кристаллу семейства Zynq‑7000 AP SoC опре‑ деляется с помощью второго поля выбора (рис. 10). В частности, для программирования загрузочного ППЗУ микропроцессорной системы, реализуемой на базе отладочной платы ZedBoard, в перечисленных по‑ лях выбора надо указать варианты QSPI и Single соответственно. В случае необходимости выполнения операции чтения записанных информационных данных из микросхемы загрузочной Flash-памяти и сохранения их в виде файла на диске компьютера нужно определить значения основных параметров этого процесса. Для установки требуе‑ мых значений указанных параметров следует прежде всего переключить индикатор состояния параметра Readback to file Options в положение «Включено». После чего становятся доступными поля редактирования значений параметров Start Address (Hex) и Number of Bytes. Параметр Start Address (Hex) определяет значение стартового адреса, начиная с ко‑ торого будут считываться данные, записанные в Flash ППЗУ. Значение начального адреса указывается с помощью клавиатуры в соответству‑ ющем поле редактирования в шестнадцатеричном формате. Значение параметра Number of Bytes определяет количество байт считываемых данных. Все установленные значения параметров вступают в силу при нажатии клавиши OK, находящейся в нижней части диалоговой панели Select Attached SPI/BPI. После закрытия указанной диалоговой панели контурное изображение УГО микросхемы Flash-памяти, представленное на вкладке Boundary Scan, автоматически заменяется полноценным ус‑ ловным графическим образом (рис. 11). Для выполнения операций записи загрузочного образа разработан‑ ной микропроцессорной системы в Flash ППЗУ, а также для обрат‑ ного чтения записанных данных и контрольной информации необ‑ ходимо в первую очередь выделить УГО микросхемы Flash-памяти, поместив на него курсор и щелкнув левой кнопкой мыши. При этом во встроенной панели iMPACT Processes основного окна средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flashпамяти САПР серии Xilinx ISE Design Suite появится интерактивный список операций, доступных для выбранной микросхемы ППЗУ. Для выполнения требуемой операции следует расположить курсор на со‑ ответствующей строке этого списка и дважды щелкнуть левой кноп‑ кой мыши. Кроме того, активизация необходимой операции может осуществляться с помощью одноименных команд, представленных во всплывающем меню Operations и контекстно-зависимом всплыва‑ ющем меню (рис. 11). Последнее меню вызывается щелчком правой кнопки мыши при расположении курсора на условном графическом образе микросхемы Flash ППЗУ. www.kite.ru

38

ПЛИС, ПАИС

Рис. 11. Запуск и выполнение процесса программирования микросхемы загрузочной Flash-памяти

Рис. 12. Отображение информации об успешном завершении процесса программирования микросхемы загрузочной Flash-памяти

Программирование микросхемы загрузочной Flash-памяти в среде САПР серии Xilinx ISE Design Suite Запись конфигурационной последовательности аппаратной части проектируемой микропроцессорной системы и разработанного про‑ граммного обеспечения в микросхему загрузочной Flash-памяти, чей условный графический образ выделен на вкладке Boundary Scan, выполняется командой Program. В процессе исполнения команды Program производится копирование загрузочного образа разработан‑ ной встраиваемой системы из файла, указанного в диалоговой па‑ нели Add PROM File (рис. 9), в выбранную микросхему Flash ППЗУ. Краткие сведения о ходе выполнения этого процесса отображаются в наглядном виде в информационной панели Configuration Operation Status, чей вид представлен на рис. 11. Более подробные сообщения обо всех шагах программирования микросхемы загрузочной Flashпамяти выводятся в консольной области основного окна программ‑ ного модуля iMPACT. Длительность процесса программирования микросхемы загрузоч‑ ной Flash-памяти зависит от объема записываемых данных и может достигать нескольких минут. В случае успешного завершения запи‑ си загрузочного образа разработанной микропроцессорной системы в ППЗУ в рабочей области основного окна средств конфигурирова‑ ния ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти появляет‑ ся всплывающая панель, содержащая сообщение Program Succeeded (рис. 12). Соответствующее сообщение с указанием длительности про‑ цесса программирования микросхемы загрузочного Flash ППЗУ ото‑ бражается также в консольной области основного окна программного модуля iMPACT. В ряде случаев в текущем сеансе работы средств конфигурирова‑ ния ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти может воз‑ никнуть необходимость повторной записи загрузочной информации в ППЗУ, но уже из другого файла прошивки. Перепрограммирование микросхемы загрузочной Flash-памяти может потребоваться, напри‑ мер, для исследования функционирования разработанной встраивае‑ мой микропроцессорной системы с использованием различных вер‑ сий конфигурации аппаратной части и программного обеспечения. Чтобы назначить другой файл прошивки для загрузочного ППЗУ, нужно воспользоваться командой Assign Configuration File из всплы‑ вающего меню Edit (рис. 13). При выполнении этой команды от‑ крывается диалоговая панель с заголовком Add PROM File, которая предоставляет возможность выбора нового варианта файла про‑ граммирования для микросхемы загрузочной Flash-памяти. После определения требуемой версии файла загрузочного образа можно повторно воспользоваться командой программирования Flash ППЗУ, рассмотренной выше.

Рис. 13. Изменение файла прошивки микросхемы загрузочной Flash-памяти

Рис. 14. Отображение информации о текущем используемом файле прошивки загрузочного ППЗУ

Для получения информации о текущем используемом файле прошив‑ ки загрузочного ППЗУ достаточно поместить указатель мыши на соот‑ ветствующий условный графический образ, представленный на вкладке Boundary Scan основного окна средств конфигурирования ПЛИС и про‑ граммирования микросхем Flash-памяти. После этого в рабочей области отображается всплывающая панель, чей вид представлен на рис. 14.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

Рис. 15. Верификация информации, представленной в загрузочном ППЗУ

В открывшейся всплывающей панели содержатся сведения о теку‑ щем файле программирования микросхемы Flash-памяти с указани‑ ем полного пути доступа к нему. Кроме того, в этой же панели при‑ водится информация о типе используемой микросхемы Flash ППЗУ.

Верификация информации, содержащейся в загрузочном Flash ППЗУ Для контроля соответствия загрузочного образа разработанной микропроцессорной системы, представленного в Flash ППЗУ и со‑ держащегося в исходном файле прошивки, предусмотрена коман‑ да Verify. В процессе такого контроля выполняется чтение данных из запрограммированной микросхемы Flash-памяти и сравнение их с содержимым файла прошивки, который был назначен для со‑ ответствующего условного графического образа, представленного на вкладке Boundary Scan. Информация о результатах верификации выводится в рабочей области основного окна средств конфигуриро‑ вания ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти и встро‑ енной панели регистрации консольных сообщений Console. Если данные, записанные в загрузочном ППЗУ, совпадают с содержимым указанного файла прошивки, то в рабочей области основного окна программного модуля iMPACT появляется всплывающая панель с со‑ общением Verify Succeeded, как демонстрирует рис. 15. В противном случае отображается всплывающая панель, содержащая сообще‑ ние Verify Failed. Контроль достоверности информации, имеющейся в запрограм‑ мированной микросхеме Flash-памяти, может осуществляться и с по‑ мощью контрольной суммы. Для подсчета контрольной суммы дан‑ ных, представленных в загрузочном ППЗУ, предназначена команда Get Device Checksum. При успешном завершении процесса вычис‑ ления значения контрольной суммы в рабочей области основного окна средств конфигурирования ПЛИС и программирования микро‑ схем Flash-памяти появляется всплывающая панель с сообщением Checksum Succeeded (рис. 16). Результат суммирования данных загрузочного ППЗУ, полученный при выполнении команды Get Device Checksum, сравнивается со зна‑ чением контрольной суммы файла прошивки, который был указан для соответствующего условного графического образа, выделенного на вкладке Boundary Scan основного окна средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти. При совпаде‑ нии этих значений в консольной области основного окна программного модуля iMPACT появляется сообщение Calculated checksum matches expected checksum, сопровождаемое значением контрольной суммы. В противном случае отображается сообщение The Calculated checksum differs from the expected checksum с указанием ожидаемого и полученного значений контрольной суммы.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

39

Рис. 16. Вычисление контрольной суммы данных, представленных в загрузочном ППЗУ

Чтение загрузочной информации, содержащейся в запрограммированной микросхеме Flash-памяти Для чтения загрузочной информации, содержащейся в запро‑ граммированной микросхеме Flash-памяти, предназначена команда Readback. Считанный загрузочный образ разработанной встраивае‑ мой микропроцессорной системы сохраняется в виде файла на дис‑ ке в формате MCS, который может использоваться впоследствии для программирования других микросхем ППЗУ. Выполнение ко‑ манды Readback начинается с вывода диалоговой панели с заголов‑ ком Save Readback File, в которой необходимо указать идентифика‑ тор создаваемого файла и выбрать место его сохранения на диске (рис. 17). Выбрав требуемый раздел и определив название создаваемого фай‑ ла, нужно подтвердить их нажатием клавиши Save («Сохранить»), представленной в нижней части этой диалоговой панели. Сразу по‑ сле закрытия диалоговой панели Save Readback File начинается про‑ цесс чтения данных из загрузочного ППЗУ. Дальнейший ход этого процесса отображается с помощью соответствующей всплывающей панели индикации, которая появляется в рабочей области основ‑ ного окна средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти. При успешном окончании рассматривае‑ мого процесса на экран выводится всплывающая панель, содержа‑ щая сообщение Readback To File Succeeded, как показано на рис. 18. Соответствующая информация появляется также во встроенной па‑

Рис. 17. Запуск процесса считывания данных из запрограммированной микросхемы загрузочной Flash-памяти

www.kite.ru

40

ПЛИС, ПАИС

Рис. 18. Отображение информации о выполнении процесса чтения данных из запрограммированной микросхемы загрузочной Flash-памяти

Рис. 19. Отображение информации о состоянии микросхемы загрузочной Flash-памяти

нели регистрации консольных сообщений Console основного окна программного модуля iMPACT.

Удаление загрузочной информации из запрограммированной микросхемы Flash-памяти Для получения информации о состоянии микросхемы загрузочной Flash-памяти (запрограммирована она или нет) следует использо‑ вать команду Blank Check. Сведения о статусе загрузочного ППЗУ, полученные при выполнении этой команды, приводятся во всплы‑ вающей панели, отображаемой в рабочей области основного окна средств конфигурирования ПЛИС и программирования микросхем Flash-памяти. Если микросхема загрузочной Flash-памяти находится в незапрограммированном состоянии, то в этой панели представлено сообщение Part is Blank. При наличии записанных данных в загру‑ зочном ППЗУ во всплывающей панели отображается сообщение Part is not Blank, как демонстрирует рис. 19. Соответствующие со‑ общения выводятся также во встроенной панели регистрации кон‑ сольных сообщений Console основного окна программного моду‑ ля iMPACT. Для того чтобы очистить микросхему загрузочной Flash-памяти (перевести ее в незапрограммированное состояние), нужно восполь‑ зоваться командой Erase. В процессе ее выполнения осуществляет‑ ся стирание всех данных, записанных ранее в загрузочное ППЗУ. Об успешном окончании этого процесса информирует всплывающая панель, содержащая сообщение Erase Succeeded (рис. 20).

Подготовка инструментального модуля для загрузки конфигурации аппаратной части разработанной микропроцессорной системы и программного обеспечения из Flash ППЗУ Для осуществления загрузки конфигурации аппаратной части раз‑ работанной микропроцессорной системы и программного обеспече‑ ния из Flash ППЗУ необходимо на входы MIO2–MIO4 и MIO6 кристал‑ ла семейства Zynq‑7000 AP SoC подать сигнал низкого логического уровня. В то же время ко входу MIO5 кристалла расширяемой про‑ цессорной платформы должно быть приложено напряжение высоко‑ го логического уровня. При реализации разработанной встраиваемой системы на базе инструментального модуля ZedBoard [13] выбор тре‑ буемого режима загрузки достигается установкой коммутационных перемычек JP7–JP9 и JP11 в положение SIG-GND, а JP10 — в положе‑ ние SIG‑3V3. После установки указанной комбинации коммутацион‑ ных перемычек нужно подать напряжение питания на используемый инструментальный модуль. Дальнейший процесс загрузки конфигу‑

Рис. 20. Удаление информации, содержащейся в микросхеме загрузочной Flash-памяти

рации аппаратной части разработанной микропроцессорной системы и программного обеспечения из микросхемы Flash-памяти осущест‑ вляется таким же образом, как и при использовании карты памяти формата SD Card в качестве загрузочного устройства [27]. n

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.

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 раз‑ работки встраиваемых микропроцессорных систем на базе расширяемых процессорных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC // Компоненты и технологии. 2014. № 2–3.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ПЛИС, ПАИС

тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 4 // Компоненты и технологии. 2015. № 5.

20. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 5 // Компоненты и технологии. 2015. № 6.

21. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 6 // Компоненты и технологии. 2015. № 7.

22. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 7 // Компоненты и технологии. 2015. № 8.

23. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 8 // Компоненты и технологии. 2015. № 9.

24. Зотов В. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на ос‑ нове ПЛИС фирмы Xilinx. М.: Горячая линия – Телеком, 2006.

25. Зотов В. Инструментальный модуль компании Avnet для отладки проектов встраиваемых систем, разрабатываемых на базе нового семейства ПЛИС FPGA фирмы Xilinx Virtex-5 FXT // Компоненты и технологии. 2008. № 9.

26. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 9 // Компоненты и технологии. 2015. № 10.

27. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 10 // Компоненты и технологии. 2015. № 11.

Реклама

11. Зотов В. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на базе расширяемых процессорных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC в САПР Xilinx ISE Design Suite // Компоненты и технологии. 2014. № 4–12.

2015. № 1.

12. Зотов В. Аппаратные средства разработки и отладки встраиваемых ми‑ кропроцессорных систем, проектируемых на основе расширяемых вы‑ числительных платформ фирмы Xilinx семейства Zynq‑7000 AP SoC // Компоненты и технологии. 2013. № 1.

13. Зотов В. ZedBoard — эффективный инструмент разработки и отладки встра‑ иваемых микропроцессорных систем, проектируемых на основе расширяе‑ мых вычислительных платформ фирмы Xilinx семейства Zynq‑7000 AP SoC // Компоненты и технологии. 2013. № 6.

14. Зотов В. MicroZed — семейство унифицированных модулей для отладки и реализации встраиваемых микропроцессорных систем, проектируемых на основе платформ фирмы Xilinx серии Zynq‑7000 AP SoC // Компоненты и технологии. 2013. № 11.

15. Embedded System Tools Reference Manual. Xilinx, 2013.

16. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2015. № 2.

17. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2015. № 3.

18. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑ тельных платформ семейства Zynq‑7000 AP SoC фирмы Xilinx. Часть 3 // Компоненты и технологии. 2015. № 4.

19. Зотов В. Разработка программного обеспечения встраиваемых микро‑ процессорных систем, проектируемых на базе расширяемых вычисли‑

41

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

42

рынок

Компания «ЭЛТЕХ» получила статус официального дилера Microchip Technology Недавно компания Microchip Technology, один из ведущих мировых разработчиков и производителей микросхем и электронных компонентов для индустриальных, автомобильных, телекоммуникационных и потребительских применений, объявила «ЭЛТЕХ» своим официальным дистрибьютором в России. Мы попросили Дмитрия Тормашева, директора по развитию бизнеса компании «Элтех», прокомментировать это событие.

— Почему «ЭЛТЕХ» проявила заинтересованность в дистрибуции именно Microchip Technology?

— Постоянные инвестиции в разработку и производство новых микросхем, а также приобретение полупроводниковых компаний, имеющих уникальный опыт в своей области, позволяют Microchip Technology предложить своим клиентам наиболее современные и пе‑ редовые компоненты для решения их задач. С 2004 г. мы являемся официальным дистрибьютором Micrel Semiconductor, мирового лидера в производстве микросхем для пита‑ ния, связи и Ethernet. В 2015 г. компания Microchip приобрела Micrel и начала с нами переговоры о возможном продолжении совместной работы, уже в качестве официального дистрибьютора Microchip. Для нас было очевидно, что сотрудничество с этой компанией бу‑ дет успешным и взаимовыгодным, так как мы имеем очень похожие целевые рынки и бизнес-культуру генерации нового спроса на техни‑ чески сложные продукты, требующие технической поддержки.

— Какие преимущества предоставляет обеим компаниям такая договоренность?

— Слияние Microchip и Micrel позволяет нам предложить своим клиентам расширенный ассортимент продукции компании Microchip Technology и предоставить техническую поддержку для реализации различных задач в сфере разработки электронных устройств. Плюс ко всему прочему, линейка продуктов Microchip очень орга‑ нично дополняет уже существующую линейку поставок «ЭЛТЕХ»: к своей широкой номенклатуре аналоговых продуктов мы добавляем легендарно известные в России PIC-микроконтроллеры и широкий набор беспроводных решений. Это существенно расширяет наши возможности предложить заказчику оптимальное решение для его проекта как в аналоговой, так и в цифровой его части.

Microchip же в лице компании «ЭЛТЕХ» приобрела в России успешного и профессионального партнера, который на деле доказал свое лидерство на российском рынке, демонстрирует высокий уро‑ вень сервиса и способность создавать в России спрос на инновацион‑ ные, технически сложные продукты.

— Microchip Technology давно и хорошо известна на российском рынке. Какие у вас планы по продвижению их продукции? В чем выиграют ваши клиенты?

— Прежде всего, мы хотели бы улучшить доступность продуктов этой компании в России. С этой целью мы планируем сформировать широкий по номенклатуре склад, на котором будут представлены как популярные и хорошо известные в России наименования, так и самые последние новинки, которые Microchip рекомендует к при‑ менению в новых проектах.

Дмитрий Тормашев, директор по развитию бизнеса компании «Элтех»

Многие наши заказчики уже оценили удобство и высокий уровень сервиса при покупках через наш интернет-магазин, где любой же‑ лающий может приобрести с нашего склада товар без ограничений по количеству, со скидкой, с возможностью оплаты заказа по кредит‑ ной карте. Это делает весьма удобным и оперативным процесс за‑ купки компонентов в небольших количествах для новых разработок или пилотных партий. И что самое главное, покупая эти компоненты с нашего склада, заказчик получает все гарантии официального кана‑ ла поставки напрямую от производителя.

— Претерпит ли изменения в результате дистрибьюторского соглашения ваш стиль работы с регионами?

— Мы будем предоставлять техническую поддержку проектов ши‑ рокого круга региональных заказчиков, которым интересна продукция Microchip и которые готовы применять ее в своих разработках. При этом высокий уровень сервиса для нас всегда в приоритете. Россия — страна большая, и, на мой взгляд, очень сложно обеспечить такой уровень сервиса, оперируя только из центрального офиса в столице. Особенно если мы говорим о технической поддержке или прямом участии дистрибьютора в развитии новых проектов заказчика с само‑ го начала этапа разработки. «ЭЛТЕХ» имеет широкую сеть офисов во всех регионах России, а также в Белоруссии. Это позволит нам опе‑ ративно и эффективно реагировать на запросы наших заказчиков по продукции Microchip в регионах и предоставлять им такой же вы‑ сокий уровень поддержки их проектов, как и в Центральном регионе: от консультаций на стадии выбора компонентов и предоставления бесплатных образцов до надежного обеспечения регулярных поставок после выхода проекта в серийное производство. В первом квартале 2016 г. мы планируем провести во всех ре‑ гионах России и в Белоруссии серию бесплатных технических се‑ минаров с участием специалистов компании Microchip. На этих семинарах все участники смогут напрямую от производителя уз‑ нать о самых последних новинках продукции компании, в пря‑ мом общении обсудить волнующие их вопросы. n

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

44

рынок

Конференция «Микроэлектроника‑2015»: прорыв в мире электроники Эта осень стала знаковой для специалистов радиоэлектронной отрасли. С 28 сентября по 3 октября в Алуште с успехом прошла I Международная научная конференция «Микроэлектроника‑2015». Мероприятие было организовано ОАО «НИИМЭ и Микрон», АО «НИИМА «Прогресс» и НИУ «МИЭТ» при поддержке департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга РФ и АО «Росэлектроника».

Д

ля участия в работе конференции прибыли более 200 специ‑ алистов радиоэлектронной отрасли, ведущих ученых РАН и вузов, представивших 86 предприятий и образовательных учреждений из 23 регионов России, Республики Беларусь, Китайской Народной Республики. Сегодня одной из приоритетных задач является создание от‑ крытой площадки для конструктивного сотрудничества разра‑ ботчиков, производителей и дистрибьюторов микроэлектронной аппаратуры. В официальном обращении к участникам президент Международной конференции «Микроэлектроника‑2015» ака‑ демик РАН Геннадий Яковлевич Красников сформулировал ос‑ новной принцип научной работы конференции: «Интегральные схемы и микроэлектронные модули — проектирование, произ‑ водство и применение». «Проведение подобных мероприятий дает уникальную возможность для прямого общения специалистов, профессионального роста и обмена опытом», — отметил Геннадий Красников. За пять дней работы было проведено восемь тематических секций, заслушано более 150 докладов по следующим направлениям радио‑ электроники и микроэлектроники: • основные тенденции развития микро- и нанотехнологий; • навигационно-связные СБИС и модули; • интегральные схемы для аппаратуры космического назначения; • полузаказные СБИС, аналоговые и аналого-цифровые микросхемы, микропроцессоры и микроконтроллеры, системы на кристалле; • СВЧ-модули и интегральные схемы; • САПР СБИС;

• микросистемы на основе технологий микроэлектроники; • материалы микро- и наноэлектроники; • бортовые информационно-управляющие системы; • вопросы совершенствования нормативной базы создания и при‑ менения ЭКБ в современных условиях. Помимо секционной работы, научная программа конференции включала проведение круглых столов, где ведущие разработчики и производители смогли обсудить животрепещущие темы микро‑ электроники и перспективы развития отрасли.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

рынок

техники, системотехники и технологии микроэлектроники, а также стремление спе‑ циалистов в этих областях к организации взаимодействия и концентрации усилий для достижения синергетического эффекта в раз‑ витии своей отрасли. Успех мероприятия и заинтересованность лидеров отрасли побудили организаторов к созданию некоммерческой организации — Ассоциации разработчиков и производите‑ лей электронно-компонентной базы и радиоэлектронной аппаратуры.

Организация подобных мероприятий на‑ правлена на возрождение традиции прове‑ дения конференций по микроэлектронике, представляет собой сплав молодости и опы‑ та, способствует формированию российского научного сообщества в целом. В итоговом решении конференции обо‑ значен ряд мер по опережающему развитию отечественной микроэлектронной инду‑ стрии в части разработок, производства, а также организационно-технического и кадрового обеспечения. n

Реклама

Как отметил модератор конференции, вре‑ менный генеральный директор АО «НИИМА «Прогресс» Василий Викторович Шпак, «дан‑ ный формат как нельзя кстати подходит для обсуждения первостепенных задач развития отрасли. Важной особенностью является ор‑ ганизационный подход, основанный на соз‑ дании условий, приближенных к формату клубного общения». Результат работы конференции показал высокий уровень исследований и разрабо‑ ток в области отечественной микросхемо‑

45

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

46

новости

беспроводные технологии

Новое поколение устройств Bluetooth Low Energy от Microchip

Bluetooth SIG. В составе встроенного стека предусмотрены GAP, GATT, ATT, SMP и L2CAP, а также фирменный сервис для «прозрачного» UART. Все модули можно конфигурировать с помощью инструментов Microchip, базирующихся на Windows OS. К модулю BM70 Bluetooth Low Energy компания Microchip также анонсирует дочернюю плату PICtail/PICtail Plus. Этот новый инструмент позволяет разрабатывать код, используя для связи с ПК интерфейс USB или микроконтроллерные макетные платы от Microchip, например Explorer 16, PIC18 Explorer и PIC32 I/O Expansion Board. www.microchip.com

Реклама

Компания Microchip анонсирует новое поколение устройств Bluetooth Low Energy (LE), сертифицированных по новейшему стандарту Bluetooth 4.2, IS1870 и IS1871 Bluetooth LE RF ICs. Модуль BM70 расширяет портфолио Bluetooth и распространяет по всему миру нормативы и сертификацию Bluetooth Special Interest Group (SIG). Модуль отлично подходит для приложений «Интернета вещей» и Bluetooth Beacon. Он упрощает проектирование и использует преимущества малого энергопотребления и простоту Bluetooth LE connectivity. В состав новых модулей Bluetooth LE от Microchip входит сертифицированный по Bluetooth 4.2 стек прошивки. Разработчики вправе ожидать увеличения скорости передачи вплоть до 2,5 раза. Модуль базируется на федеральном стандарте обработки информации (FIPS), поэтому возрастает безопасность соединения. Передача и прием данных в соединении Bluetooth реализованы с использованием «прозрачного» режима UART, что заметно облегчает интеграцию с любым процессором и сотнями микроконтроллеров PIC от Microchip с интерфейсом UART. Модуль также поддерживает автономную работу без хоста в приложениях Bluetooth Beacon. Оптимизированный профиль энергопотребления новых устройств минимизирует ток потребления и увеличивает срок службы батарей. Компактный форм-фактор (размер микросхемы 44 мм, размер модуля 1512 мм) позволяет уменьшить место, занимаемое на плате. Возможны различные варианты поставки, сертифицированные или не сертифицированные (неэкранированные/без антенны) модули, варианты с малогабаритными и выносными антеннами, которые смогут пройти сертификационные испытания на электромагнитную совместимость. В состав Bluetooth LE входят собственно модуль, ПО и сертификаты, нужные проектировщику. Разработчики могут использовать конструктивный идентификатор (QDID), чтобы облегчить поиск их продукта в реестре

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

датчики

компоненты

47

Микроэлектронные датчики состояния окружающей среды STMicroelectronics

Геннадий Штрапенин, к. ф.-м. н. gshtrapenin@usurt.ru

Д

атчики состояния окружающей среды (температуры, атмосферного давле‑ ния, влажности, ультрафиолетового излучения, магнитного поля Земли, а также освещенности и шума) в настоящее время практически полностью заменили традици‑ онные физические приборы, используемые для мониторинга соответствующих параме‑ тров в различных условиях — на открытой местности, в жилых помещениях, на про‑ мышленных объектах и др. Мониторинг состояния окружающей среды позволяет обеспечить экологическую безопасность и поддерживать оптимальный микрокли‑ мат в жилых домах и производственных помещениях. Отметим, что стационарные промышленные датчики, применяемые для решения подобных задач, имеют довольно сложную объемную конструкцию, требуют периодической поверки, при этом их габари‑ ты, энергопотребление и стоимость обычно не имеют решающего значения. Появление и распространение всевозмож‑ ных персональных электронных устройств и последующее расширение их функцио‑ нальности, одним из направлений которо‑

Рис. 1. Схема подключения датчика температуры STTS751

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Микроэлектронные датчики — это специализированные интегральные микросхемы (ИМС), предназначенные для сбора различной информации и преобразования ее в электрические сигналы с целью их обработки аппаратными и программными средствами электронных устройств. Фирма STMicroelectronics является одним из ведущих мировых производителей микроэлектронных датчиков всех типов. В данной статье предлагается обзор последних моделей датчиков состояния окружающей среды (Enviromental Sensors), сочетающих передовые достижения микроэлектроники, высокое качество изготовления и адекватную стоимость.

го является анализ состояния окружающей индивидуума среды, потребовали от разра‑ ботчиков создания недорогих малогабарит‑ ных датчиков с низким энергопотреблени‑ ем, не требующих калибровки и способных функционировать в составе различных, в том числе и мобильных, устройств — теле‑ фонов, планшетов, домашних метеостанций и т. п. Встроенные в мобильные устройства датчики приближения повышают безопас‑ ность, а также позволяют экономить энер‑ гию батареи питания за счет автоматического переключения режимов работы. Заданным требованиям в максимальной степени отвечают датчики состояния окру‑ жающей среды, выполненные в конструкти‑ ве интегральных микросхем, — микроэлек‑ тронные датчики. В статье приведен обзор последних моделей данного семейства одно‑ го из ведущих мировых производителей — фирмы STMicroelectronics (STM). В состав микроэлектронного датчика на‑ ряду с чувствительным элементом (сенсо‑ ром) входят схемы питания и сопряжения с последующими устройствами обработки выходного сигнала. Выходной сигнал датчи‑

ка может быть аналоговым или цифровым, аналоговые датчики обеспечивают высокую точность и быстродействие, в то же время датчики с цифровым выходом обладают по‑ вышенной помехоустойчивостью и легко со‑ прягаются с микроконтроллерами, для чего в них обычно встраивают управляющую ло‑ гику. Для портативных устройств с автоном‑ ным питанием необходимо минимизировать размеры корпусов ИМС и токопотребление, в связи с чем современные микроэлектронные датчики выполняются в сверхминиатюрных корпусах площадью несколько квадратных миллиметров и в активном режиме потребля‑ ют ток порядка единиц микроампер. Мы начнем обзор с последних моделей датчиков температуры, влажности, излуче‑ ния и приближения. Отметим, что в номен‑ клатуре термодатчиков STM присутствуют и широко известны отлично зарекомендо‑ вавшие себя ранее аналоговые датчики серий LMх34/35, например LM234 и LM335 в корпу‑ сах ТО‑92 и SO‑8, выполненные по биполяр‑ ной технологии и подробно описанные в [1]. Примером новейшего аналогового термодатчика является, в частности, интеграль‑ ный датчик STLM20, отличающийся мини‑ атюрным исполнением (корпуса SOT323-5L и UDFN‑4L) и сверхмалым током покоя — типовое значение 4,8 мкА при напряжении питания 2,4–5,5 В. Современные датчики температуры с циф‑ ровым выходом STTS751 также выполнены в миниатюрных шестивыводных корпусах SOT‑23 и UDFN. Точность измерения темпе‑ ратуры составляет ±1 °C в диапазоне 0…+85 °C и ±2 °C в диапазоне –40…+125 °C. Управление режимами работы и сбор данных производят‑ ся по двухпроводному интерфейсу SMBus 2.0 с возможностью установки частоты измерений (max 32 изм./с) и точности от 9 до 12 разрядов www.kite.ru

48

компоненты

датчики

Рис. 2. Функциональная схема датчика влажности HTS221

с соответствующим разрешением (максимум 0,06 °C). На дополнительных инверсных выхо‑ дах ИМС EVENT и Addr/Therm формируются сигналы прерывания и включения внешних устройств при достижении определенной тем‑ пературы, как показано на рис. 1. Ультракомпактный датчик влажности и температуры HTS221 выпускается в ше‑ стивыводном корпусе HLGA размером 220,9 мм и предназначен для применения в устройствах управления климатом — ото‑ пления, вентиляции, кондиционирования воздуха и т. п. В качестве чувствительного элемента используется конденсатор с поли‑ мерным диэлектриком. Функциональная схе‑ ма ИМС датчика приведена на рис. 2 и вклю‑ чает все аналоговые элементы схемы измере‑ ния влажности и температуры, а также АЦП с последовательным интерфейсом I2C и SPI. Датчик измеряет влажность воздуха с раз‑ решением 16 бит во всем диапазоне 0–100% с относительной погрешностью ±6%, в диапа‑ зоне 20–80% — ±4,5%. Время отклика не пре‑ вышает 10 с. Калибровка в течение всего срока эксплуатации не требуется. Напряжение пи‑ тания микросхемы 1,7–3,6 В, потребляемый ток 2 мкА при частоте 1 изм./с. Датчик ультрафиолетового излучения с цифровым выходом UVIS25 может най‑ ти применение в метеостанциях, носимых устройствах и современных гаджетах — «ум‑ ных» часах и очках. ИМС датчика выпускает‑ ся в 10‑выводном корпусе с окном LGA раз‑ мером 2,52,50,76 мм. Внешний вид датчи‑ ка приведен на рис. 3. Диапазон измерения ультрафиолетового ин‑ декса (UVI) от 0 до 15; отметим, что значение UVI = 11 является экстремально опасным для человека и требует специальных мер защиты. Таким образом, системы измерения ультрафи‑ олетового излучения на основе UVIS25 могут быть с запасом использованы в любых зем‑ ных условиях. Напряжение питания ИМС — 1,7–3,6 В, диапазон рабочих температур –20… +85 °C, выходной интерфейс последователь‑ ный, двух-, трех- и четырехпроводной I2C/SPI, имеется дополнительный вывод INT_DRDY прерывания/готовности данных. Особого внимания заслуживает уникаль‑ ный датчик приближения VL6180X, базирую‑ щийся на фирменной технологии STM Flight Sense. В отличие от пассивных датчиков при‑ ближения, определяющих расстояние до объ‑ екта по изменению отраженной внешней

Рис. 3. Датчик ультрафиолетового излучения UVIS25

световой энергии (при этом, очевидно, суще‑ ственную погрешность вносят параметры по‑ верхности), VL6180X является активным дат‑ чиком, своеобразным световым локатором, определяющим расстояние до объекта по вре‑ мени прохождения светового сигнала, излу‑ чаемого ИК-лазером, от излучателя к объекту и обратно. Благодаря встроенному датчику внешней освещенности VL6180X может быть использован и как измеритель освещенности со спектральной характеристикой, соответ‑ ствующей человеческому зрению, в диапа‑ зоне от 1 лк до 100 клк с разрешением 16 бит на восьми пределах, устанавливаемых через специальный регистр. В микросхему датчика VL6180X, выпу‑ скаемую в 12‑выводном корпусе с шагом выводов 0,75 мм размерами 4,82,81 мм, интегрированы ИК-излучатель (полупро‑ водниковый лазер с длиной волны 850 нм), ИК-фотоприемники излучаемого и отражен‑ ного сигнала, фотоприемник внешней осве‑ щенности видимого диапазона и схема об‑ работки данных с выходом на интерфейс I2C. Диапазон измерения расстояний составляет 0–100 мм, при этом точность измерений за‑ висит от многих факторов, в частности, мак‑ симальная шумовая погрешность равна 2 мм; типовое значение погрешности измерений во всем диапазоне температур (–20…+70 °С) не превышает 9 мм. Погрешность зави‑ сит также от внешней засветки и коэффи‑ циента отражения поверхности. Принцип измерения расстояния датчиком прибли‑ жения VL6180X показан на рис. 4. Фотоприемник излучаемого сигнала расположен

вблизи лазера и служит для измерения пада‑ ющей на объект мощности, фотоприемник отраженного сигнала расположен на неко‑ тором удалении. В процессе измерения рас‑ стояния возможна программируемая ком‑ пенсация внешних помех, связанных с от‑ ражением от покровного стекла и внешней засветкой. С целью экономии энергии изме‑ рения расстояния автоматически прекраща‑ ются, если в течение определенного времени отраженный сигнал отсутствует. На рис. 5 приведен внешний вид микросхе‑ мы VL6180X, а на рис. 6 показана функцио‑ нальная схема, включающая источник пита‑ ния лазера ИК-излучателя, схемы управления питанием лазера и фотоприемников, блоки измерения сигналов фотоприемников, а так‑ же микроконтроллер с интерфейсом управ‑ ления I2C и дополнительными программиру‑ емыми выводами общего назначения GPIO 0 и GPIO 1. Микросхема работоспособна при напряжении питания 2,5–3 В, токопотребле‑ ние в режиме измерения расстояния не пре‑ вышает 1,7 мА, освещенности — 300 мкА, в спящем режиме (UGPIO0 = 0) — менее 1 мкА. При использовании внешнего микрокон‑ троллера датчик VL6180X пригоден для рас‑ познавания жестов; при благоприятных ус‑ ловиях предел измерения расстояний может быть расширен до 40 см. Цифровой трехкоординатный магнито‑ метр LIS3MDL выполнен в миниатюрном 12‑выводном корпусе LGA и может быть ис‑ пользован самостоятельно как прибор для измерения магнитной индукции до 1,6 мТл и в составе различных навигационных при‑

Рис. 4. Принцип измерения расстояния датчиком приближения VL6180X

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

датчики

компоненты

49

Рис. 6. Функциональная схема датчика приближения VL6180X

Рис. 5. Датчик приближения VL6180X

Рис. 8. Датчик атмосферного давления LPS22HB

Рис. 7. Упрощенная функциональная схема цифрового компаса LSM303C

боров. В качестве магниточувствительного сенсора используется мостовая схема из че‑ тырех полупроводниковых резисторов (раз‑ работка компании Honeywell), у которых имеется зависимость величины сопротивле‑ ния от направления и индукции магнитного поля — анизотропный магниторезистивный эффект (AMR). Управление датчиком осу‑ ществляется по интерфейсам I2C и SPI, раз‑ решение по индукции составляет 0,16 мкТл в диапазоне ±0,4 мТл. Особенностью дат‑ чика является наличие режима самотести‑ рования (калибровка не требуется) и низкое энергопотребление — потребляемый ток в экономичном режиме (20 измерений в се‑ кунду, предел измерений ±1,6 мТл) состав‑ ляет 40 мкА, в режиме высокого разрешения на пределе ±0,4 мТл — 270 мкА при напряже‑ нии питания 1,9–3,6 В. На основе магнитометров LIS3MDL STM выпускает цифровые компасы (eCompass), представляющие собой комбинацию в од‑ ном корпусе магнитометра и МЭМС-акселерометра [2]; последний служит для ком‑ пенсации наклона компаса во время изме‑ рений индукции и направления магнитного поля — ситуация, актуальная для мобильных устройств. Цифровой компас в виде микро‑ сборки LSM303 выпускается в двух моди‑ фикациях: LSM303C с высококачественным акселерометром и LSM303E с акселероме‑ тром с пониженным энергопотреблением.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Упрощенная функциональная схема цифро‑ вого компаса (рис. 7) состоит из трехосевых МЭМС-акселерометра с емкостными датчи‑ ками и магнитометра, объединенных общим интерфейсом I2C и SPI. Предусмотрены до‑ полнительные выводы прерывания NT_XL и NT_MAG, которые можно настроить на об‑ наружение движения и скачок магнитного поля, а также вывод сигнала готовности дан‑ ных магнитометра DRDY_MAG. Микроэлектронные датчики атмосферного давления (микробарометры) STM отличаются ультракомпактным исполнением и обеспе‑ чивают измерение давления и высоты с вы‑ соким разрешением, позволяющим фикси‑ ровать даже подъем и спуск по ступеням лестницы. Новейшая патентованная техноло‑ гия VENSENS позволяет создавать микробаро‑ метры абсолютного давления со стабильны‑ ми параметрами, не требующие калибровки и выдерживающие очень высокую ударную нагрузку (до 20 000 g). Последняя модель микробарометра LPS22HB (рис. 8) предназна‑ чена для применения в портативных устрой‑ ствах и отличается крайне низким энергопотреблением (4,5 мкА в режиме высокого раз‑ решения при напряжении питания 1,7–3,6 В). Чувствительным элементом служит подве‑ шенная кремниевая мембрана, выходной сиг‑ нал формируется мостовой пьезорезистивной схемой. Напомним, что пьезорезистивный эффект состоит в изменении электропровод‑

ности полупроводников вследствие приложе‑ ния анизотропной деформации, в кремнии он выражен достаточно сильно. Диапазон изме‑ рения атмосферного давления 260–1260 мбар с разрешением 0,01 мбар подходит как для самых высоких на Земле гор, так и для са‑ мых глубоких шахт. В состав микросхемы, наряду с собственно измерительной схемой давления и устройством ее питания, входят термодатчик для температурной компенса‑ ции погрешностей, малошумящий высоко‑ чувствительный усилитель и 24‑разрядный сигма-дельта АЦП с интерфейсами I2C и SPI. В отличие от ранних моделей микробароме‑ тров, корпус которых закрыт металлической или пластиковой крышкой, технология, ис‑ пользуемая STM, позволила изготовить дат‑ чик в полностью формованном 10‑выводном корпусе HLGA, обеспечивающем пылеи влагостойкость, размерами 220,76 мм — это самый миниатюрный размер корпуса дат‑ чика давления в мире на сегодня. В микроэлектронных звуковых микро‑ фонах STM, которые имеют значительно меньшие размеры, чем электретные, изго‑ тавливаемые по традиционным технологи‑ ям, используется емкостный чувствительный элемент компании Omron. В ассортименте кампании имеются микрофоны различного назначения с аналоговым и цифровым вы‑ ходом. Благодаря малым размерам, высоким акустическим параметрам и низкой стоимо‑ сти микроэлектронные микрофоны нахо‑ дят применение в портативных мобильных устройствах различного назначения. Аналоговый микрофон MP33AB01H вы‑ пускается в шестивыводном корпусе RHLGA размерами 3,762,951 мм и при напряже‑ нии питания 2 В потребляет ток 250 мкА. Акустическая характеристика всенаправлен‑ ная, динамический диапазон 125 дБ при со‑ www.kite.ru

50

компоненты

датчики

Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика микроэлектронного микрофона MP33AB01H

Рис. 10. Микроэлектронный микрофон MP34DT04

отношении сигнал/шум 64 дБ. Амплитудночастотная характеристика (АЧХ) микрофо‑ на MP33AB01H, нормализованная к частоте 1 кГц, приведена на рис. 9. Неравномерность АЧХ в диапазоне 20 Гц–10 кГц не превышает 1 дБ, что позволяет эффективно применять данные микрофоны в аудиометрах и шумо‑ мерах.

Последняя модель микрофона с цифро‑ вым выходом MP34DT04 в пятивыводном экранированном корпусе HCLGA (рис. 10, вывод общего провода-экрана выполнен в виде кольца) имеет такие же акустические параметры. В микросхеме предусмотрен до‑ полнительный вывод L/R для возможности применения пары микрофонов в стереофонических устройствах как левый и правый с передачей цифрового звукового сигнала в формате PDM по одной линии.

Отладочные средства Отладочные средства выпускаемых STM устройств, в том числе и микроэлектронных датчиков, занимают значительное место в ас‑ сортименте продукции компании. Они по‑ зволяют проводить тестирование аппаратных

Рис. 11. Набор отладочных средств датчика приближения VL6180X

и программных компонентов устройств в раз‑ личных режимах. В качестве примера можно привести набор отладочных средств датчика приближения и освещенности VL6180X, со‑ стоящий из макетной платы VL6180X Shield с четырехразрядным цифровым дисплеем для измерения расстояния и освещенности и пла‑ ты микроконтроллера STM32 F401RE Nucleo board, соединяемых через коннектор Arduino UNO R3 (рис. 11). Необходимое программ‑ ное обеспечение имеется на сайте фирмы. Аналогичные отладочные платы и комплекты выпускаются и для остальных датчиков, рас‑ смотренных в обзоре. Широкая номенклатура и невысокая стои‑ мость микроэлектронных датчиков состояния окружающей среды от STM делает их весьма привлекательными для широкого круга разра‑ ботчиков РЭА. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте фирмы www.st.com. Рассмотренные датчики, а также другие компоненты производства STM мож‑ но приобрести в ЗАО «Промэлектроника» (www.promelec.ru), являющемся офици‑ альным дистрибьютором STM на террито‑ рии России. Компания «Промэлектроника» предоставляет информационные материалы, образцы, отладочные средства, а также ква‑ лифицированные консультации по техниче‑ ским вопросам и по приобретению продук‑ ции компании STM. n

Реклама

Литература 1. Штрапенин Г. Интегральные датчики темпе‑ ратуры и источники опорного напряжения National Semiconductor // Компоненты и техно‑ логии. 2007. № 11.

2. Юдин А. Новые акселерометры компании STMicroelectronics // Компоненты и технологии.

2009. № 2.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

52

компоненты

датчики

Интегральные схемы магниторезистивных датчиков серии Nanopower компании Honeywell

Татьяна Колесникова beluikluk@gmail.com

Введение Из известных эффектов магнитосопротивления (гигантский магниторезистивный эффект — GMR-эффект, магниторезистивный эффект спин-зависимого туннелирования — SDT-эффект, магниторезистивный эффект — AMRэффект) в настоящее время наибольшее распространение в области построения прецизионных магнитных датчиков полу‑ чил AMR-эффект. Такая ситуация в пер‑ вую очередь связана со следующими, при‑ сущими этим датчикам свойствами: • высокая разрешающая способность (∆B = 2,7 нТл); • высокий показатель чувствительности (γ = 4 мВ/В/Тл10–4); • относительно широкий частотный диапазон (f = 0–1000 Гц); • широкий диапазон рабочих температур (–55…+200 °C); • низкий средний потребляемый ток и на‑ пряжение питания ниже 1,65 В, что спо‑ собствует повышению энергоэффектив‑ ности. Хотя анизотропный магниторезистивный эффект известен достаточно давно, серийное производство датчиков на его основе (АМРдатчиков), с заявленными выше характери‑ стиками, освоено промышленностью чуть более десяти лет назад. Конкурентами АМР-датчиков в задачах измерений скорости, положения и тока яв‑ ляются датчики Холла. Если сравнивать эти датчики, окажется, что магниторезистивные имеют ряд основных преимуществ: • действует направление поля вместо вели‑ чины поля, как в эффекте Холла, — широ‑ кий выбор магнитов для измерений, неза‑ висимо от их остаточной намагниченности (но в пределах насыщающих значений поля);

В статье рассматриваются новые интегральные схемы магниторезистивных датчиков SM351LT и SM353LT серии Nanopower компании Honeywell, обеспечивающие самый высокий по сравнению с датчиками Холла уровень магнитной чувствительности (от 0,7 мТл) с энергопотреблением в диапазоне нанотока (360 нА).

• действие в зоне насыщенности напряжен‑ ности поля датчика означает независи‑ мость от магнитного дрейфа во времени и под действием температуры, независи‑ мость от механических допусков (рассто‑ яния между магнитом и датчиком), неза‑ висимость от температурных эффектов за счет вычисления функции арктангенса в угловых измерениях; • малое смещение мостовых магниторези‑ сторов; • магниторезистивные мостовые датчики после компенсации температурно стабиль‑ ны и имеют расширенный температурный диапазон; • АМР-элементы имеют более высокую чув‑ ствительность, чем элемент Холла. Анизотропные магниторезистивные дат‑ чики обеспечивают высокие уровни пер‑ вичного сигнала, широкий рабочий тем‑ пературный диапазон, точность работы и прочность. Кроме того, они отличаются малым смещением, которое можно убрать калибровкой, и значительной нечувстви‑ тельностью к магнитным и механическим допускам, что используется при создании разнообразных датчиков для различных сфер применения, в частности для автоэлектроники, промышленности и навига‑ ционных систем. Все перечисленное выгодно отличает этот тип магнитных датчиков от аналогичных устройств и значительно расширяет области и перспективы их применения. Анизотропные магниторезистивные дат‑ чики предназначены для бесконтактного из‑ мерения скорости и направления зубчатых колес и многополюсных магнитных роторов энкодеров, определения угла поворота или величины линейного перемещения, бескон‑ тактного измерения тока (мощности), а так‑ же для определения курса объекта по магнит‑ ному полю Земли в магнитометрии.

Принцип действия анизотропных магниторезистивных датчиков основан на при‑ менении анизотропного магнитного эффек‑ та, то есть на способности магниторезистив‑ ного материала, например пермаллоевой пленки, измерять сопротивление в зависи‑ мости от взаимной ориентации протекаю‑ щего тока и вектора преимущественной на‑ магниченности магнитных доменов пленки. Самую широкую номенклатуру на рынке магниторезистивных датчиков, включая дат‑ чики угла поворота и омниполярные датчи‑ ки для различных применений, представляет компания Honeywell International — миро‑ вой лидер в области технологий и промыш‑ ленного производства, крупная американ‑ ская корпорация, производящая электрон‑ ные системы управления и автоматизации. Компания известна во всем мире своими разработками в области аэрокосмического оборудования, технологий для эксплуатации зданий и промышленных сооружений, авто‑ мобильного оборудования, турбокомпрессо‑ ров и специализированных товаров, систем автоматизации и управления. В 1997 году Honeywell одной из первых сре‑ ди западных и российских компаний полу‑ чила сертификат ISO 9001 для деятельности в России. Компания включает 25 заводов, которые занимаются выпуском таких электронных компонентов сенсорного контроля, как элек‑ тромеханические реле, датчики (магниточув‑ ствительные, уровня, температуры, давления, влажности, веса, положения, тока, акселероме‑ тры, энкодеры, расходомеры), модульные пре‑ образователи питания (DC/DC модульные пре‑ образователи), автоматические выключатели. Продукция компании Honeywell ориен‑ тирована на производителей, стремящихся уменьшить стоимость конечных изделий, но в то же время сохранить высокие техниче‑ ские показатели и высокую надежность.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

датчики

компоненты

53

Магниторезистивные датчики SM351LT и SM353LT серии Nanopower Компания Honeywell представила первые в отрасли интегральные схемы (ИС) анизо‑ тропных магниторезистивных датчиков Nanopower, обеспечивающие самый высокий уровень магнитной чувствительности (типо‑ вое значение от 0,7 мТл) с энергопотреблени‑ ем в диапазоне нанотока (360 нА). По срав‑ нению с другими широко используемыми магнитными технологиями интегральные схемы магниторезистивных датчиков серии Nanopower имеют следующие преимущества: • сверхвысокую чувствительность, позволя‑ ющую расширить диапазон обнаружения; • применение датчиков в работающем от ак‑ кумуляторов оборудовании с чрезвычай‑ но низкими требованиями к потреблению энергии; • очень низкое энергопотребление (360 нА при 1,65 В, +25 °C), увеличивающее срок службы батареи; • омниполярность обеспечивает активацию как северным, так и южным полюсом, ис‑ ключая необходимость определения по‑ лярности магнита; • двухтактный выход (КМОП) не требует внешних резисторов, что упрощает экс‑ плуатацию и повышает ее рентабельность по сравнению с устройствами, использую‑ щими выход с открытым стоком; • твердотельная бесконтактная конструкция обеспечивает надежную долговечную аль‑ тернативу герконовым реле. Новые ИС магниторезистивных датчиков серии Nanopower меньше герконовых реле по размерам, но превосходят их по долго‑ вечности и надежности, обладая такой же чувствительностью и практически такой же стоимостью. Поэтому продукты серии Nanopower идеальны для устройств с пита‑ нием от батарей, в которых раньше было воз‑

Рис. 1. ИС магниторезистивного датчика серии Nanopower и ее габаритный чертеж

можно использовать только герконовые реле благодаря очень низкому энергопотреблению и необходимости в больших воздушных зазо‑ рах. ИС магниторезистивного датчика серии Nanopower и ее габаритный чертеж представ‑ лены на рис. 1. На рис. 2 показана структурная схема этого датчика. По сравнению с датчиками Холла чувстви‑ тельность новых ИС магниторезистивных датчиков серии Nanopower выше: они могут работать при воздушных зазорах, в два раза превышающих зазоры для датчиков Холла. Более высокая чувствительность увеличива‑ ет гибкость проектирования и позволяет до‑ биться существенного снижения стоимости устройств благодаря использованию более слабых или меньших по размерам магнитов. Устройства серии Nanopower срабатывают и от северного, и от южного полюса, прикла‑ дываемого параллельно датчику. Они не тре‑ буют определения полярности магнита, что упрощает установку и потенциально сокра‑ щает стоимость системы.

Рис. 2. Структурная схема магниторезистивного датчика серии Nanopower

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Технические характеристики ИС магниторезистивных датчиков серии Nanopower ИС магниторезистивных датчиков серии Nanopower доступны с двумя уровнями маг‑ нитной чувствительности: • SM351LT — датчик сверхвысокой чувстви‑ тельности: – типовое рабочее значение — 0,7 мТл, – наибольшее рабочее значение — 1,1 мТл, – очень низкий потребляемый ток (типичный — 360 нА). График зависимости потребления тока от температуры датчика SM351LT пред‑ ставлен на рис. 3а.

• SM353LT — датчик очень высокой чув‑ ствительности: – типовое рабочее значение — 1,4 мТл, – наибольшее рабочее значение — 2 мТл, – очень низкий потребляемый ток (типич‑ ный — 310 нА). График зависимости потребления тока от температуры датчика SM353LT пред‑ ставлен на рис. 3б. Датчики серии Nanopower предназначены для массового коммерческого применения и имеют следующие особенности: • диапазон напряжения питания: 1,65–5,5 В (1,65 В — минимальное, 1,8 В — типичное, 5,5 В — максимальное значения); • омниполярное считывание — активирует‑ ся любым полюсом магнита; • диапазон температур: –40…+85 °C; • двухтактный выход — не требует исполь‑ зования внешнего нагрузочного резистора; • конструкция со стабилизацией без инвер‑ тора; • материалы, соответствующие RoHS — соответствие требованиям директивы 2002/95/EC; • корпус: SOT‑23. Электрические характеристики интеграль‑ ных схем SM351LT и SM353LT представлены в таблицах 1 и 2. В таблице 3 показаны маг‑ нитные характеристики этих датчиков. www.kite.ru

компоненты

54

датчики

а

б

Рис. 3. График зависимости потребления тока от температуры датчиков: а) SM351LT; б) SM353LT

Таблица 1. Электрические характеристики интегральных схем SM351LT и SM353LT (Uпит = 1,65–5,5 В; Траб: –40…+85 °C; типовые при 1,8 В, +25 °C, если не указано иное) Характеристика

Состояние

тип.

Напряжение питания, В

Uпит относительно заземления

1,8

Ток пробуждения, мА: SM351LT SM353LT Время пробуждения, мкс Ток перехода в спящее состояние, мкА Время перехода в спящее состояние, мс Средний ток, нА: SM351LT SM353LT Выходное напряжение, В: нижнее (Uвых.н.) верхнее (Uвых.в.)

– –

1 0,8 15

– Uпит = 1,65 В Uпит = 1,8 В Uпит = 5,5 В DC

0,2 0,16 0,2 2,6

–

100

0,015% рабочего цикла, тип.

360 310

Ток нагрузки = 100 мкА

0,03 Uпит — 0,03

Таблица 2. Электрические характеристики интегральных схем SM351LT и SM353LT (Uпит = 1,8 В; Траб = +25 °C) Характеристика

Состояние

тип.

Ток пробуждения, мА: SM351LT SM353LT

–

1 0,8

Время пробуждения, мкс

–

15

Ток перехода в спящее состояние, мкА

–

0,2

Время перехода в спящее состояние, мс

–

100

Средний ток, нА: SM351LT SM353LT

0,015% рабочего цикла, тип.

350 350

Таблица 3. Магнитные характеристики интегральных схем SM351LT и SM353LT (Uпит = 1,65–5,5 В; Траб: –40…+85 °C) Характеристика

тип.

SM351LT, Гс: срабатывание (положительное) отпускание (положительное) гистерезис

7 5 2

SM353LT, Гс: срабатывание (положительное) отпускание (положительное) гистерезис

14 10 4

Примечание. При Uпит = 1,65 В и Т = –40 °C гистерезис может достигать 0,1 Гс.

ИС магниторезистивных датчиков серии Nanopower используют очень низкий сред‑ ний потребляемый ток и работают при ми‑ нимальном напряжении питания 1,65 В, что способствует повышению энергоэффектив‑ ности. Омниполярность позволяет задей‑ ствовать датчик как южным, так и северным полюсом, исключая необходимость опре‑ деления полярности магнита, что упроща‑ ет установку и дает возможность сократить системную стоимость. Двухтактный выход (КМОП) не требует внешних резисторов, что делает его эксплуатацию более легкой и рентабельной. Конструкция со стабили‑ зацией без инвертора исключает генерацию электрических помех датчиком. ИС SM351LT и SM353LT имеют сверхминиатюрный кор‑ пус SOT‑23 для поверхностного монтажа, поставляются в ленте на катушке (3000 еди‑ ниц на катушке) и компактнее большинства герконовых реле. Это позволяет использо‑ вать автоматизированные манипуляторы для установки и может сократить производ‑ ственные затраты. Применение ИС магниторезистивных датчиков серии Nanopower ИС магниторезистивных датчиков серии Nanopower разработаны для широкого диа‑ пазона устройств с питанием от батарей — среди них счетчики воды и газа, электриче‑ ства, промышленные сигнализаторы дыма, тренировочное оборудование, системы без‑ опасности, карманные компьютеры, ска‑ неры, бытовые приборы (посудомоечные и стиральные машины, микроволновые печи, холодильники и кофемашины), а так‑ же медицинское оборудование (больничные кровати, устройства дозирования лекарств, инфузионные насосы) и потребительская электроника (ноутбуки, планшеты и пере‑ носные громкоговорители). Рассматриваемые ИС магниторезистив‑ ных датчиков могут использоваться в следу‑ ющих сферах:

• В промышленности: – для определения состояния крышки устройств, работающих от батарей, — открыта крышка или закрыта (мобиль‑ ное оборудование, например перенос‑ ное компьютерное оборудование, ска‑ неры); – для обнаружения магнитного поля, при‑ кладываемого к коммунальному счет‑ чику с помощью мощного внешнего магнита для искажения показаний, за‑ медления или остановки процесса из‑ мерения (водяные, электрические и га‑ зовые коммунальные счетчики); – в водяных и газовых счетчиках для из‑ мерения объема использования воды или газа. Сегодня для этих целей часто применяют герконовые реле. Новые ин‑ тегральные схемы Honeywell (SM351LT и SM353LT) являются единственными доступными в настоящее время дат‑ чиками, которые можно использовать в таком оборудовании вместо герконо‑ вого реле. А низкое энергопотребление (менее 500 нА) позволит выполнить тре‑ бования к сроку службы батареи счетчи‑ ков (водяные и газовые коммунальные счетчики); – для определения состояния двери или окна (открыто или закрыто) в системах контроля доступа в здания. Сигнал пере‑ дается на беспроводной модуль, а отту‑ да — в центральный блок управления для обработки. ИС SM351LT и SM353LT заменяют герконовые реле в системах безопасности, работающих от батареи; – в качестве датчиков для проверки ава‑ рийного сигнала детектора дыма (про‑ мышленные детекторы дыма).

• В здравоохранении: – для удаленной блокировки и разбло‑ кировки шкафов с медикаментами в качестве датчика положения ящика, что позволяет повысить безопасность и минимизировать ошибки при выдаче медикаментов;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

датчики

– в качестве выключателей аварийной остановки, а также для измерения числа оборотов в минуту и угла наклона (спор‑ тивное оборудование); – как датчики положения ампулы для ин‑ фузии (инфузионные насосы); – для определения минимального и макси‑ мального положения больничных крова‑ тей, настраиваемого с помощью электро‑ привода.

• В бытовой технике: – в качестве счетчика расхода жидкости в кофеварках класса премиум; – в посудомоечных машинах, микро‑ волновых печах, стиральных машинах, холодильниках и т. д. в качестве датчика позиции люка, дверцы, ящика.

• В бытовой электронике средних размеров: – для обнаружения магнита, чтобы отклю‑ чать бытовую электронику (например, ноутбуки, планшеты, беспроводные ко‑ лонки и т. п.), а также для максимизации срока службы батареи (бытовая электро‑ ника средних размеров).

Заключение

55

Литература 1. www.honeywell.com 2. www.compel.ru 3. Воробьев А. В. Математическая модель анизо‑ тропного магниторезистивного датчика для инженерных расчетов // Вестник УГАТУ. 2012. № 1.

4. Honeywell представляет первые в отрасли ин‑ тегральные схемы анизотропных магниторезистивных датчиков Nanopower. Пресс-релиз. Компания Honeywell, 2014.

5. Борисов А. Современные АМР-датчики для детектирования скорости, положения и слабых магнитных полей // Компоненты и технологии.

2006. № 7.

6. Указания по применению ИС магниторези‑ стивных датчиков. Серия Nanopower. Honeywell International Inc., 2014.

7. Инструкции по установке для ИС магниторезистивных датчиков. Серия Nanopower. Вып. 1. Honeywell International Inc., 2014.

8. ИС магниторезистивных датчиков. Серия Nanopower. Спецификация. Honeywell International Inc., 2014.

9. Амеличев В. В., Гамарц И. А., Прокофьев И. В., Суханов В. С. Серия тонкопленочных магнито‑ резистивных датчиков магнитного поля. НПК Технологический центр МИЭТ. Москва, 2011.

Реклама

Реклама

На протяжении многих лет магниторези‑ стивный (МР) эффект в ферромагнитных

пленках используется при разработке датчи‑ ков магнитного поля и считывающих голо‑ вок, однако внедрение тонкопленочной тех‑ нологии открыло новые возможности перед разработчиками таких устройств и резко рас‑ ширило круг их применений. Применение МР-эффекта в тонких пленках и современной интегральной технологии позволяет создавать датчики предельно малых размеров с высокой чувствительностью. В настоящее время разра‑ боткой тонкопленочных МР-датчиков и при‑ менений на их основе занимаются практиче‑ ски во всех промышленно развитых странах мира, в том числе и в России. Интегральные схемы АМР-датчиков серии Nanopower реко‑ мендованы для применения в широком диа‑ пазоне устройств с батарейным питанием, в работающем от аккумуляторов оборудова‑ нии с чрезвычайно низкими требованиями к потреблению энергии. Высокая чувствитель‑ ность позволяет использовать АМР-датчики и для измерения слабых полей в навигаци‑ онных системах, где эффект Холла обычно не применяется. Кроме того, эти датчики могут быть полезны в автомобильных при‑ менениях, в условиях жесткой эксплуатации, которая характеризуется повышенной загряз‑ ненностью, перепадами температур, повы‑ шенными механическими вибрациями. n

компоненты

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

компоненты

56

разъемы

Радиочастотные соединители для поверхностного монтажа Часть 1. Субминиатюрные соединители. Справочные материалы

Кива Джуринский, к. т. н. kbd.istok@mail.ru Юлия Черкашина a.cherkashin@mail.ru

Применение cубминиатюрных соединителей для поверхностного монтажа позволяет создавать более миниатюрные изделия микроэлектроники СВЧ, используя высокотехнологичные автоматизированные процессы производства. В нашей стране эти соединители не разработаны и не выпускаются. Обзору зарубежных субминиатюрных соединителей с волновым сопротивлением 50 Ом для поверхностного монтажа посвящена данная статья, написанная по материалам каталогов и сайтов иностранных компаний.

Соединители для монтажа на печатную плату Важнейшим направлением развития микроэлектроники СВЧ яв‑ ляется микроминиатюризация и внедрение автоматизированных высокотехнологичных процессов производства. Это обусловлено все большим применением изделий микроэлектроники в быстро развивающихся системах мобильной и беспроводной связи и теле‑ коммуникаций, компьютерах и периферийных устройствах, военных и аэрокосмических системах, измерительной и медицинской технике. Для данной цели была разработана технология поверхностного мон‑ тажа (SMT — Surface Mount Technology), обеспечивающая групповые методы автоматизированной сборки и пайки (ИК-оплавление, конвек‑ ционная пайка, пайка в паровой фазе, двойной волной) [1]. От тради‑ ционной технологии монтажа в отверстия (Through-Hole Technology) она отличается монтажом компонентов непосредственно на поверх‑ ность печатной платы с использованием паяльных паст. В настоящее время для монтажа на печатную плату (PCB — Printed Circuit Board) применяют прямые (straight, vertical) и угловые (right angle) соединители розетки (jack, female) или вилки (plug, male) двух типов: • для поверхностного монтажа — Surface Mount Connector, или PCB Connector SMD (рис. 1а); • для монтажа в отверстия печатной платы — PCB Connector (рис. 1б). В рекламных материалах некоторых зарубежных компаний не де‑ лают различия между соединителями для поверхностного монтажа и для монтажа в отверстия платы, обозначая соединители обоих ти‑ пов как соединители для печатных плат (PCB Mount).

PCB-соединители имеют выводы (legs), а для их установки в печатной плате необходимы металлизированные отверстия, в которых выводы за‑

крепляются низкотемпературной пайкой. Находит применение и прес‑ совая посадка в отверстия платы специальных соединителей с пружиня‑ щими выводами (рис. 2). Основное преимущество соединителей для поверхностного мон‑ тажа в том, что для их установки не требуется сверление отверстий в печатной плате. Для образования наружного и внутреннего проводников на плате формируют систему контактных площадок (Footprint, Land Pattern, Pad Configuration, PCB Layout) c нанесенной на них при‑ пойной пастой, к которым припаивают проводники соединителя. Центральный проводник соединителя диаметром около 1 мм припа‑ ивают вертикально на контактную площадку. В случае более тонкого центрального проводника в конструкции соединителя предусматри‑ вают его изгиб на 90° для соединения с контактной площадкой в гори‑ зонтальной плоскости. Вследствие конструктивных особенностей па‑ раметры (КСВн и потери) соединителей для поверхностного монтажа хуже, чем у стандартных приборных и кабельных соединителей. Второе преимущество соединителей для поверхностного монта‑ жа — компактность. Их можно устанавливать по обеим сторонам печатной платы, что позволяет существенно уменьшить ее размеры. Третье важное преимущество — возможность применения груп‑ повых методов высокопроизводительного автоматизированного монтажа на печатные платы. К тому же соединители для поверхностного монтажа имеют луч‑ шую ремонтопригодность, и их применение позволяет снизить стои‑ мость изделий в серийном производстве.

б а

а

б

Рис. 1. Монтаж соединителей: а) поверхностный; б) в отверстия печатной платы

Рис. 2. а) Пружинящий вывод; б) прессовая посадка соединителя компании IMS в отверстия печатной платы

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

разъемы

Общие положения 1. Ряд компаний классифицируют соединители каждого типа по сери‑ ям. Например, компания Rosenberger обозначает соединители SMA всех модификаций как серию 32, соединители SMP — как серию 19. Другие компании в обозначение соединителя вводят его название: CONSMA001 — это прямая розетка SMA компании Linx Technologies. В большинстве же случаев соединителю присваивают цифровое обо‑ значение, и только техническая документация позволит определить его тип.

2. В технической документации ряда компаний (Radiall, Amphenol и других) один и тот же соединитель может иметь несколько обо‑ значений в зависимости от вида упаковки и количества содержа‑ щихся в ней соединителей. Так, один и тот же соединитель MCX компании Radiall обозначен как R223 434 00 в случае поставки в па‑ кете по 100 шт. и как R223 434 800, если упакован в ленту по 750 шт.

3. Большие и средние соединители: 7/16, UHF, Mini-UHF, F, N, QN, C, GR, DIN 4,1/9,5, 1,6/5,6 — и миниатюрные: BNC, TNC, BNO, BNT, MHV, SHV [2] — не предназначены для поверхностного монтажа. Это обусловлено не только занимаемой ими большой площадью на печатной плате, но и опасностью их отрыва от платы при ме‑ ханических воздействиях. Некоторые соединители — F, Mini-UHF и особенно BNC — предназначены только для монтажа в отверстия платы. Например, в номенклатуре компании Tyco имеется 16 пря‑ мых и 8 угловых соединителей BNC c разным покрытием корпуса соединителя (никель, серебро, золото, олово‑свинец). Компания Amphenol производит 39 типов прямых и более 40 типов угловых соединителей BNC для монтажа в отверстия печатных плат.

4. Прецизионные, миллиметрового диапазона и часть субминиатюрных соединителей также не предназначены для поверхностного монтажа.

5. Основная доля разъемов для поверхностного монтажа приходится на прямые или вертикальные (straight, vertical) и угловыe (right angle) соединители вилка (male) или розетка (female), а также ми‑ кроминиатюрные соединители: MCX, MMCX, SSMB, SMT, MMT, MMS, SMP (GPO), UMP, IMP, U.FL Hirose [2].

6. Для микроминиатюрных соединителей, в которых вилка и ро‑ зетка соединяются защелкиванием (snap-on, push-on), возникают трудности с определением типа соединителя: вилка или розетка? Законченная конструкция соединителя — это сочетание пары вилка и розетка, при этом вилка — подвижная часть пары, вне зависимости от того, гнездовой (socket) или штыревой (pin) у нее центральный контакт. С этой точки зрения все соединители для по‑ верхностного монтажа являются розетками. В то же время принято считать, что вилка — это соединитель со штыревым центральным контактом, а розетка — с гнездовым контактом. Некоторые ком‑ пании, например Rosenberger, называют вилками все соединители, в том числе и для поверхностного монтажа, имеющие штыревой центральный контакт. Другие же компании считают вилкой ка‑ бельный соединитель, сочленяемый с поверхностным соедините‑ лем розетка. Поэтому однотипные соединители для поверхност‑ ного монтажа разные компании называют и розетками, и вилками. Но, по нашему мнению, правильнее считать вилкой подвижную часть пары, указывая в названии ее центральный контакт — гнез‑ довой или штыревой. В данной статье использованы обозначения соединителей, данные им компаниями-производителями.

7. Многие компании в data sheet на соединители для поверхностного монтажа не приводят их основные параметры: КСВн и потери, ино‑ гда не указывают даже предельную частоту соединителей. Отсутствие данных по КСВн и потерям можно объяснить тем, что эти параметры в значительной степени определяются конструкцией разводки печат‑ ной платы и технологией установки на нее соединителя. Немногие данные по величинам КСВн и потерь следует рассматривать в качестве оценочных, так как неизвестны методика их измерения, конструк‑ ция и технология изготовления измеряемого образца (DUT — Device Under Test). Многие изготовители рекомендуют обращаться за инфор‑ мацией об этих и других параметрах непосредственно в компанию.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

компоненты

57

Субминиатюрные соединители для поверхностного монтажа Соединители SMA Соединители SMA достаточно велики для поверхностного монтажа, поэтому их номенклатура ограничена. Тем не менее соединители SMA розетки выпускают более десяти компаний. Предельная частота соеди‑ нителей прямых — 12,4 или 18 ГГц; угловых — 12,4 ГГц. На рис. 3 по‑ казаны прямые розетки SMA компании Rosenberger: 32K10A‑40ML5 для поверхностного монтажа и 32K101-400L5 для монтажа в отверстия печатной платы (для сравнения), а также угловая розетка 142-0711-301 компании Cinch Connectivity Solutions. Корпуса соединителей изготов‑ лены из латуни с покрытием золотом, никелем, серебром или сплавом олово‑свинец, центральные проводники — из бериллиевой бронзы с зо‑ лотым покрытием, материал изолятора — PTFE (фторопласт). Зарубежные соединители SMA для поверхностного монтажа пред‑ ставлены в таблице 1.

а

в

б Рис. 3. Соединители SMA: а) 32K10A‑40ML5; б) 32K101-400L5; в) 142-0711-301

Таблица 1. Соединители SMA для поверхностного монтажа Компании

SMA-розетки

Электрические параметры

Rosenberger, США, Германия

32K10A-40ML5, прямая

fпред. = 12,4; a ≤0,04√f; КСВн ≤1,05+0,0005f (DC — 8 ГГц), ≤1,3 (8–12,4 ГГц); Pдоп. = 200 (DC — 2 ГГц), 100 (2–10 ГГц)

Linx Technologies, США

Molex, США Cinch Connectivity Solutions Johnson, США Pasternack, США Multicomp, США

Lighthorse Tecnologies, США

Coax Connectors, Великобритания Adactus AB, Швеция Li Yeu Sheng Industries, Тайвань

CONSMA001, прямая

fпред. = 18; КСВн = 1,23 max

CONSMA002, угловая

fпред. = 12,4; КСВн = 1,23 max

73251-2630, угловая

fпред. = 12,4

72251-1350, 73251-1352, 73251-1351, 73251-1355, прямые

fпред. = 18

142-0711-301, прямая

fпред. = 18

РЕ4910, прямая

fпред. = 18

РЕ4911, угловая

fпред. = 12,4

19-46-2TGG, прямая

fпред.= 12,4, a ≤0,06√f

19-49-2TGG, угловая

fпред. = 12,4, a ≤0,06√f

LTI-SASF66GT, прямая, золотое покрытие корпуса; LTI-SASF66GTN, прямая, никелевое покрытие корпуса

a ≤0,04√f

LTI-SASF663GT, угловая, золотое покрытие корпуса; LTI-SASF663GTN, угловая, никелевое покрытие корпуса

a ≤0,06√f

30-467-D3, угловая

fпред. = 12,5

ADA-19462, прямая

fпред. = 18; КСВн ≤1,23

ADA-19492, угловая

fпред. = 12,4; КСВн = 1,23 max

SMA 701D-10.4, прямая

–

Примечание. В таблице и далее в тексте приняты следующие обозначения: DC (Direct Current) — постоянный ток; f — частота, ГГц; fпред. — предельная частота, ГГц; a — потери, дБ; Uраб. — рабочее напряжение, В; Pдоп. — допустимая пропускаемая мощность, Вт.

www.kite.ru

компоненты

58

а

разъемы

а

б

б

в

Рис. 4. Розетки QMA: а) 82.QMA‑50-0-3/111NH; б) 930-111J‑51P

Рис. 5. Соединители SMB: а) 1-1337604-0; б) 131-3711-201; в) SMB R003D00

Таблица 2. Соединители QMA зарубежных компаний

Таблица 3. Соединители SMB зарубежных компаний

Компании

Amphenol, США

QMA-розетки

Электрические параметры

Компании

SMB-розетки

Электрические параметры

Pasternack

PE44119, прямая; PE44121, угловая

930-111J-51P, угловая

fпред. = 6; КСВн = 1,05 max (DC — 3 ГГц), 1,08 max (3–6 ГГц)

fпред. = 4; КСВн ≤1,3

TE Connectivity,США

1-1337604-0, 5166-5006-09

fпред. = 4

Lighthorse Technologies

LTI-SBSF663GT, угловая

–

Huber+Suhner

82SMBS50-0-18/111NH

fпред. = 4

QMA 625A1-001-3GT30G-50, угловая Pasternack

PE44510, прямая PE44511, угловая

fпред. = 6 fпред. = 6

Anoison, США

ANO2612-4032, прямая

fпред. = 18; КСВн ≤1,25

Molex

73254-0020, 73254-0021, угловые

–

Field Components, США

FC14MTY-5, FC14MTY-TR100-59D (лента 100 шт.); FC14MTY-TR300-5 (лента 300 шт.), прямые, покрытие «белая бронза»

fпред. = 18

Huber+Suhner, Швейцария

82.QMA-S50-0-2/111NH, прямая

fпред. = 18

Radiall, Франция

85.QMA-S50-0-2/111NM, угловая

–

R123.427.803, R123.427.823, прямые R123.682.817, R123.682.827, угловые

fпред. = 6; КСВн = 1,06 max (DC — 3 ГГц), 1,12 max (3–6 ГГц)

Соединители QMA Соединители QMA (Quick-lock SMA) и SMA имеют одинаковую коаксиальную линию и, следовательно, один и тот же диапазон рабочих частот DC — 18 ГГц. Однако из-за применения в соеди‑ нителях QMA механизма соединения розетки и вилки quick-lock (вместо резьбового соединения в SMA) большинство компанийпроизводителей гарантируют оптимальный уровень КСВн на ча‑ стотах только до 6 ГГц [2]. По сравнению с SMA соединители QMA позволяют увеличить плотность компоновки печатной платы, по‑ скольку не требуют дополнительного места под ключ для соедине‑ ния и рассоединения розетки и вилки. Минимальное расстояние между осями соединителей QMA при установке в ряд — 12,4 мм (для SMA — 14 мм). Соединители QMA для поверхностного монтажа — прямая розет‑ ка 82.QMA‑50-0-3/111NH компании Huber+Suhner и угловая розетка 930-111J‑51P компании Amphenol показаны на рис. 4. Зарубежные компании разработали и выпускают следующие соединители-розетки QMA (табл. 2). Соединители SMB Cоединитель SMB представляет собой миниатюрный вариант соединителя SMA, но отличается механизмом соединения розет‑ ки и вилки: защелкивание (snap-on) вместо резьбового соединения в SMA [2]. Оптимальный КСВн соединителей SMB гарантирован только в диапазоне частот 0–4 ГГц, хотя его коаксиальная линия рас‑ считана на предельную частоту 11 ГГц. Прямые розетки SMB для поверхностного монтажа компаний: 1-1337604-0 (TE Connectivity), 131-3711-201 (Cinch Connectivity Solutions Johnson) и SMB R003D00 (JAE) — показаны на рис. 5. Соединители имеют квадратный фланец 6,356,35 мм и высоту не более 8,8 мм. Обращает на себя внимание конструкция японского соединителя с горизонтальным расположением центрального проводника, подобная конструкция характерна для более высокочастот‑ ных соединителей SMP и других типов. Зарубежные компании выпускают следующие розетки SMB (все прямые, за исключением угловой розетки PE44121 компании Pasternack), которые представлены в таблице 3.

Schmid-M, Германия

SMB-5204-TGG

a = 0,4√f

JAE (Japan Aviation Electronics)

SMB R003D00, SMB R004D00

fпред. = 4; КСВн ≤1,3

Chin Nan, Тайвань

24-14-3 TGG

fпред. = 4

Jyebao, Тайвань

SMB 84005-000

–

Соединители SMС Соединитель SMC имеет такую же коаксиальную линию, как и со‑ единитель SMB, но отличается резьбовым механизмом соединения розетки и вилки (резьба 0,190–32UNF). Предельная частота соедини‑ телей SMC составляет 10 ГГц, однако на частотах, близких к 10 ГГц, КСВн возрастает до 1,6. Конструкции соединителей SMC и SMA для поверхностного монтажа аналогичны. Номенклатура соединителей SMC ограниченна. Это можно объяснить тем, что их не так широко применяют в устройствах микроэлектроники СВЧ, как соединители SMA. К тому же соединитель SMC занимает на печатной плате та‑ кую же площадь, как и соединитель SMA (размеры фланца в обоих случаях 6,356,35 мм), высота соединителя 13,3 мм. Соединители SMC розетки прямая и угловая зарубежных компа‑ ний представлены в таблице 4. Таблица 4. Соединители SMC зарубежных компаний Компании Pasternack Schmid-M

SMC-розетки PE44120, прямая PE44122, угловая

Электрические параметры fпред. = 10

SMC-5203-TGG, прямая

a = 0,4 max

SMC-5204-TGG, угловая

a = 0,6 max

Chin Nan

26-10-4 TGG, угловая

–

Cinch Connectivity Solutions Johnson

131-6711-201, прямая

fпред. = 10

Микроминиатюрные соединители для поверхностного монтажа Соединители MCX Соединители MCX (OSX, Micro-Coax) предназначены для работы в диапазоне частот DC – 6 ГГц и являются более миниатюрными (приблизительно на 30%) аналогами соединителей SMB: в обоих соединителях использована одинаковая коаксиальная линия с фто‑ ропластовым заполнением. Соединители MCX компактны, имеют достаточно простую конструкцию и высокую надежность и потому широко применяются в устройствах беспроводной мобильной связи, системах GPS, PS/LAN, радио- и телекоммуникационных системах военного и гражданского назначения. На рис. 6 показаны прямая розетка 29K101-40ML5, угловая розетка 29K201-40ML5 и кабельный соединитель 29S111-102L5 компании Rosenberger. Соединители MCX для поверхностного монтажа выпускают многие зарубежные производители (табл. 5).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

разъемы

а

б

а

в

компоненты

б

в

59

г

Рис. 6. Соединители MCX: а) 29K101-40ML5; б) 29K201-40ML5; в) 29S111-102L5

Рис. 7. Соединители MMCX: а) MMCX.FSTY.SMT.HT; б) MSX-J-P-X-ST-SM1; в) 908-22101; г) 85.MMCX-S50-0-55/119OM

Таблица 5. Соединители MCX зарубежных компаний

Таблица 6. Соединители MMCX зарубежных компаний

Компании

Molex

Rosenberger

Huber+Suhner

Radiall

Соединители MCX

R113.664.000, R113.664.020, розетки угловые, отличаются видом упаковки TE Connectivity (серия Micro Min) Fairview Microwave, США Amphenol (серия Micro Mate)

Электрические параметры

73415-1690...1699, розетка прямая, размеры в плане 6×9,53 мм, 10 модификаций, КСВн = 1,3 (DC – 2 ГГц), отличающихся покрытием корпуса — 1,35 (2–6 ГГц) никель или золото и видом упаковки 73415-1110…1104, розетка угловая, размеры в плане 5,9×5,9 мм, 5 модификаций, fпред. = 6 отличающихся покрытием корпуса: никель или золото и видом упаковки 29K101-40ML5, розетка прямая, 2 модификации, отличающиеся по виду упаковки КСВн = 1,22 max; a = 0,04√f и количеству соединителей 29K10A-40ML5, 29K201-40ML5, розетки угловые, КСВн = 1,2 (DC – 6 ГГц) 3 модификации 82.MCX-50-0-29/111NE, 82.MCX-50-0-29/111NM, fпред. = 6 82.MCX-50-0-29/111NH, розетки прямые, размеры в плане 6,1×6 мм, отличаются видом упаковки 85.MCX-S50-0-25/111NH, 85.MCX-S50-0-25/111NM, fпред. = 6 розетки угловые, размеры в плане 6×9 мм, отличаются видом упаковки R113.424.000, R113.424.010, R113.424.020, КСВн = 1,05+0,05f; розетки прямые, отличаются видом упаковки; a = 0,03√f; Uраб. = 335 R113.424.000, розетка прямая, экологическая версия

1061002-1, розетка прямая (упаковка 200 шт.); 1061092-1, розетка прямая (упаковка в ленту 900 шт.); 1061035-1, розетка угловая (упаковка 200 шт.)

1061094-1 розетка угловая (упаковка в ленту 750 шт.)

КСВн = 1,25 max (DC – 6 ГГц); a = 0,03√f КСВн =1,35 max; a = 0,1 –

SC 9483, розетка прямая

fпред. = 6; КСВн = 1,25 max

919-118J-51P, 919-118J-51PT, розетки прямые

fпред. = 2; КСВн = 1,2 max fпред. = 6

Samtec, США

27-05-3TGG, розетка прямая; 27-09-1TGG, розетка угловая PE 4889, розетка прямая; PE 4890, розетка угловая; PE 44613, вилка прямая 133-3711-201, розетка прямая; 133-3711-301, розетка угловая MCX-5205-TGG, розетка прямая; MCX-5206-TGG, розетка угловая MCX 3410-0000, вилка прямая MCX 8401-0000, MCX 8401-0001, MCX 8401-0002, MCX 8401-0003, MCX 8404-0000, MCX 8410-0000, розетки прямые, отличаются наружным диаметром корпуса и видом упаковки MCX 8410-9000, MCX 8410A-9000, розетки угловые MCX-J-P-X-ST-SM1, розетка прямая; MCX-J-P-H-RA-SM1, розетка угловая

Delta Electronics, США Telegartner, Германия

9867-000-G001-504, розетка прямая

–

J01271A0031, J01271C0031, розетки прямые

fпред. = 6; КСВн = 1,22 max

Multicomp Pasternack Cinch Connectivity Solutions Johnson Schmid-M

Jyebao

Chin Nan IMS, Германия

Micon Precise Corp., Тайвань

27-13-2 TGG, вилка прямая; 27-09-1 TGG, розетка угловая; 27-19 TGG, вилка угловая 2017.01.2510.003, 2017.01.2510.003, розетки прямые, покрытие корпуса — золото или «белая бронза» 2046.01.2520.001, розетка угловая

fпред. = 6

Molex TE Connectivity

Huber+Suhner

Radiall

–

fпред. = 6

fпред. = 6; КСВн = 1,5 max

fпред. = 6 fпред. = 6 – fпред. = 4; КСВн = 1,35 max; Uраб. = 170

28103, 28109, розетки угловые

fпред. = 6; КСВн = 1,35 max; Uраб. = 170

Соединители MMCX Соединитель MMCX — Miniature MCX (его еще называют SSMCX, Micro Mate или MCX Micro-Mini) является более миниатюрным ана‑ логом соединителя MCX (компактнее на 30 и на 45% соединителя SMB). Особенность соединителя MMCX — snap-on-механизм со‑ единения вилки и розетки с применением защелкиваемого кольца на корпусе вилки и неразрезного (без ламелей) наружного проводни‑ ка розетки. Соединители MMCX применяют в микроэлектронных устройствах с высокой плотностью компоновки: в системах телеком‑ муникации и беспроводной связи, приемниках GPS и т. д.

Соединители MMCX

Электрические параметры

73415-2061, 73415-2063, розетки прямые, размеры фланца 2,6×2,6 мм, высота 3,32 мм, отличаются видом упаковки 1393757-6, розетка прямая; 1393757-7, розетка угловая

КСВн ≤1,3; a = 0,04√f

Samtec Linx Technologies Fairview Microwave Cinch Connectivity Solutions Johnson Telegartner Lighthorse Technologies Taoglas,Тайвань, США

–

82.MMCX-50-0-8/111OE, розетка прямая; 82.MMCX-50-0-8/111OМ, 82.MMCX-50-0-18/111OE, розетки прямые, отличаются видом упаковки; 82.MMCX-50-0-55/119OМ, розетка прямая; 85.MMCX-50-0-55/119OМ, розетка угловая горизонтальная; 90.MMCX-50-0-55/119OE, 90.MMCX-50-0-55/119OH, розетки как для вертикального, так и для горизонтального расположения

fпред. = 6; Uраб. = 335; КСВн ≤1,15 (DC – 4 ГГц), ≤1,4 (4–6 ГГц)

R110.427.810, R110.434.860, розетки прямые

fпред. = 6; Uраб. = 170; КСВн = 1,15+0,05f

R110.427.820, розетка прямая Amphenol

908-2210, розетка прямая MMCX-P-P-H-ST-SM1, вилка прямая MMCXV-J-P-H-ST-SM1, розетка прямая с повышенной вибрационной стойкостью CONMMCX001-SMD, розетка прямая CONMMCX002, розетка угловая SC9574, розетка прямая

fпред. = 6 КСВн = 1,15 (DC – 4 ГГц), 1,4 (4–6 ГГц) – – a = 0,2 max на f =1 ГГц a = 0,3 max на f =1 ГГц КСВн = 1,25 max

135-3711-201, розетка прямая

–

J01341A0071, розетка угловая LTI-MCSF66GT, розетка прямая

– –

MMCX.FSTY.SMT.HT, розетка прямая

fпред. = 6

Delta Electronics

2465.09.2020.001, 2466.09.2020.001, 2696.09.2020.001, 2697.09.2020.001, розетки угловые для вертикального расположения; 3780.09.2020.001, розетка угловая с горизонтальным центральным проводником 9567-000-G001-503, розетка прямая; 9569-000-G001-503, розетка угловая

fпред. = 6

Jyebao

MMCX8410-0000, розетка прямая

fпред. = 6

Micon Precise Corp.

Wellshow, Тайвань

M109-700A, розетка прямая C06AN30P00711, розетка прямая

– КСВн ≤1,3

IMS

fпред. = 6

X105-000A, розетка прямая

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Компании

fпред. = 6

Прямые соединители MMCX — розетка MMCX.FSTY.SMT.HT (Tao-glas), вилка MMCX-P‑P‑H‑ST-SM1 (Samtec), розетка 908-22101 (Amphenol), комбинированная розетка-вилка 85.MMCX-S50-055/119OM (Huber+Suhner) — показаны на рис. 7. Соединители MMCX c предельной частотой 6 ГГц и рабочим напряжением 170 В выпускают многие зарубежные производители (табл. 6). Соединители MMBX Микроминиатюрный 50‑омный соединитель MMBX (Micro-MBX, Micro Miniature Board Connector, SSMB, MMSX-Micro Miniature Spherical Connector, SSMB-Nano) был разработан для исполь‑ зования на частотах до 6 ГГц в телекоммуникационных системах GSM 900/1800/1900, PCS и др. Соединитель MMBX оснащен фикси‑ рующим механизмом с защелкой (snap-on) и является миниатюрной версией стандартного соединителя SMB. Соединители розетки на пе‑ чатных платах и адаптер вилка-вилка между ними обеспечивают быстрое и надежное соединение плат даже в случае радиального или осевого расхождения до 0,5 мм [2]. Внешний вид соединителей MMBX компании Huber+Suhner — розеток 82.MMBX-50-0-1/111NM, 82.MMBX-50-0-3/111NM, 82.MMBX-50-0-13/111NM, вилки 81.MMBX-50-0-1/111NM и адаптера вилка-вилка 32.MMBX-50-0-1/111NM — показан на рис. 8. www.kite.ru

60

компоненты

Число компаний, освоивших производство этих соединителей, сравнительно невелико: • Huber+Suhner (NE — индивидуальная упаковка, NH — пакет, 100 шт., NM — лен‑ та на катушке): – прямые розетки: • 82.MMBX-S50-0-1/111NE, 82.MMBX-S50-0-1/111NH, 82.MMBX-S50-0-1/111NM. Предельная частота — 12,4 ГГц, КСВн — 1,1 (DC – 2,5 ГГц), 1,12 (2,5–6 ГГц), 2,6 (6–12,4 ГГц), допустимая пропускаемая мощность на частоте 2,4 ГГц при температуре 20 °C — 260 Вт.

• 82.MMBX-S50-0-13/111NE, 82.MMBX-S50-0-13/111NH, 82.MMBX-S50-0-13/111NM, с широкой заходной фаской, предельная частота 12,4 ГГц.

– прямые вилки: • 81.MMBX-S50-0-3/111NE, 81.MMBX-S50-0-3/111NH, 81.MMBX-S50-0-3/111NM; • 81.MMBX-S50-0-3/111NM‑1, предельная частота 12,4 ГГц.

• Radiall: – прямые вилки: R.223.434.000 (пакет, 100 шт.), R223.434.800 (лента, 750 шт.); – прямые розетки: R223.424.000 (пакет, 100 шт.), R223.424.800 (лента, 720 шт.); – КСВн соединителей 1,065, потери 0,12√f, дБ.

• Shenzen Sinrui Technology, Китай: – прямая розетка MMXX-KTD. • Morethandall Co., Тайвань: – прямая розетка MMBX-PVC‑50; – прямая вилка MMBX-JVC‑50, рабочее напряжение — 250 В.

новости

разъемы

а

б

в

г

д

Рис. 8. Соединители MMBX: а) 82.MMBX‑50-0-1/111NM; б) 82.MMBX‑50-0-3/111NM; в) 82.MMBX‑50-0-13/111NM; г) 81.MMBX‑50-0-1/111NM; д) 32.MMBX‑50-0-1/111NM

а

б

Рис. 9. Сравнение угловых и прямых соединителей SSMB, SMB и SMA в паре с кабельными вилками: а) прямыми; б) угловыми

• AEP (Applied Engineering Products), США: – прямые розетки 7225-1512-015, 7242-1511-015; – прямые вилки 7209-1511-015, 7210-1511-015. Для сравнения на рис. 9 приведены раз‑ меры соединителей SSMB, SMB и SMA ком‑ пании Radiall, установленных на печатную плату, в паре с прямыми и угловыми кабель‑ ными вилками. Похожая картина наблюдается и при срав‑ нении соединителей SSMC, SMC и SMA.

Заключение При создании отечественных изделий ми‑ кроэлектроники СВЧ все шире применяют

технологию поверхностного монтажа с ис‑ пользованием зарубежных соединителей. В связи с программой импортозамещения отечественным производителям необходи‑ мо в ближайшее время предпринять усилия по созданию необходимых соединителей для поверхностного монтажа. n

Литература 1. Медведев А. Сборка и монтаж электрон‑ ных устройств. М.: Техносфера, 2007.

2. Джуринский К. Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры / Под редакцией д. т. н. Борисова А. А. СПб.: «Медиа Группа Файнстрит», 2014.

ВЧ-/СВЧ-элементы

Новое тестовое СВЧ-гнездо компании Ironwood Electronics Компания Ironwood Electronics, занимающаяся разработкой и производством специальных адаптеров, конвертеров и корпусов для тестирования микросхем, сообщила о выпуске высококачественного тестового СВЧ-гнезда — SG25‑BGA‑2016. Новая модель предназначена для микросхем в корпусах WLCSP. В тестовом гнезде используется высококачественный эластомерный контактор с очень малой индуктивностью. Основные параметры тестового СВЧ-гнезда: • диапазон рабочих частот: до 40 ГГц; • вносимые потери: не более 1 дБ; • сопротивление контакта: 20 мОм;

• собственная индуктивность контактов: 0,06 нГн; • взаимная индуктивность контактов: 0,019 нГн; • емкость контактов относительно «земли»: 0,129 пФ; • взаимная емкость контактов: 0,017 пФ; • максимальная сила тока на контакт: 2 А; • размеры тестируемых схем: 2,76×2,76 мм; • шаг контактной матрицы: 0,35 мм; • диапазон рабочих температур: –35…+100 °C. Тестовое гнездо устанавливается на печатной плате без использования пайки с помощью прилагаемого крепежа. Тестовое гнездо отличается минимальной площадью основания. Оно выпол-

нено с удобной подвижной крышкой и обеспечивает быструю установку и замену проверяемых микросхем. www.radiocomp.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

62

компоненты

реле

Проверено временем: надежные индустриальные реле компании Omron Владимир Рентюк rvk.modul@gmail.com

В

сем известно, что разработчикам всег‑ да хочется использовать что-то но‑ венькое, а вот инженеры, занятые экс‑ плуатацией и обслуживанием техники, как правило, более консервативны. Первые чаще склонны к риску и вполне естественно стре‑ мятся достичь новых возможностей, которые открываются с более совершенной элемент‑ ной базой. Это справедливо и правильно, по‑ скольку в противном случае техника в своем развитии так и топталась бы на месте и мы до сих пор применяли бы проверенные вре‑ менем радиолампы 6П3С или транзисторы типа П4. Задача же вторых — обеспечить прогнозируемую работу оборудования и иметь гарантии, что использованные в нем компоненты надежны и будут доступны до времени морального износа оборудова‑ ния, подчас достаточно дорогого, чтобы его менять просто в угоду модным тенденциям. Однако есть такие сферы, где интересы раз‑ работчиков и эксплуатационников совпада‑ ют. Это касается тех областей техники, где на первый план выходят проблемы обеспече‑ ния не просто абстрактной, пусть и высокой, надежности, но и точности прогнозирования безотказной, а главное, безопасной работы оборудования. Тут особое значение имеет принцип разумной достаточности. Молодой инженер, взглянув на платы ав‑ томатики, например, в оборудовании косми‑ ческих летательных аппаратов или АЭС, мо‑ жет испытать интеллектуальный шок, когда увидит там элементную базу чуть ли не кон‑ ца 1960‑х. А причина кроется в том, что эти платы испытаны временем и их поведение при эксплуатации досконально изучено, бла‑ годаря чему разработаны соответствующие регламенты по обслуживанию оборудова‑ ния. Это, хоть и в меньшей степени, касается и оборудования ряда предприятий. Почему мы начали разговор о какой-то особенной надежности, ведь надежность «старых» компонентов может быть невысо‑ кой? Согласен, но надежность «старых» ком‑ понентов точно прогнозируется, а зачастую именно она и оказывается решающим фак‑

В статье рассматриваются хорошо зарекомендовавшие себя в области промышленной автоматики электромеханические реле индустриального назначения компании Omron.

тором. Все спецификации радио-, электрон‑ ных и электромеханических компонентов содержат данные по времени безотказной работы (англ. MTBF — mean time between failures; буквально: среднее время между от‑ казами). Однако эти цифры — как правило, весьма внушительные — являются результа‑ том расчетов и допущений. У изготовителей часто нет времени для проведения длитель‑ ных испытаний больших партий новых из‑ делий, их задача — быстрее и с меньшими затратами вывести новые изделия на рынок, опередив дышащих в спину конкурентов. Реальную надежность дает только практика использования. Для этого даже введен специ‑ альный термин — «показанная надежность» (в принятой англоязычной терминологии — demonstrated MTBF), то есть та же наработка на отказ, но рассчитанная уже статистически‑ ми методами по результатам действительно выявленных отказов в условиях реальной эксплуатации [1]. Все сказанное относится к такому специфическому и неизбежному компоненту про‑ мышленного оборудования, как электро‑ механические реле. Несмотря на развитие полупроводниковой силовой коммутаци‑ онной электроники, данные изделия еще долгое время не утратят своей актуальности. Особенно это касается малогабаритных реле, которые могут коммутировать достаточно высокие значения токов и выдерживать при этом довольно большое количество комму‑ таций. Достоинствами электромеханических реле являются простота управления, вы‑ сокая стойкость к внешним воздействиям (как климатическим, так и механическим и радиационным); их легко интегрировать в конечные изделия, а при соответствующей конструкции — менять. Но для того, чтобы гарантировать себе — и как разработчику, и как эксплуатационнику, и как инженеру, занятому в обслуживании оборудования, — спокойную жизнь, необходимо на 100% быть уверенным в производителе этих важных компонентов. А именно в том, что их на‑ лаженное, даже можно сказать отлаженное,

производство обеспечит не только некий приемлемый уровень общей надежности, но и повторяемость параметров и мини‑ мальную дисперсию отклонений, причем это касается как электрических параметров изделия, так и его механических характери‑ стик в части количества срабатываний при подключенной и отключенной нагрузке. В конечном итоге это и определит надеж‑ ность работы уже вашего оборудования, да и функционирование вашего производства в целом. Как результат — минимизируются внеплановые простои и убытки из-за недо‑ пустимых отклонений в технологических процессах. Одним из таких проверенных и надеж‑ ных поставщиков является компания Omron Corporation Electronic (Япония). Эта компа‑ ния, безусловно, один из гигантов мировой индустрии. Ее офисы, исследовательские ла‑ боратории и производственные мощности расположены в 35 странах, а головные офи‑ сы находятся в крупнейших центрах элек‑ тронной промышленности мира: в Японии, Сингапуре, Гонконге, Амстердаме и Чикаго. Европейских потребителей обслужива‑ ет компания Omron Electronic Components Europe BV [2], представительство которой есть и в Российской Федерации. Специалистам в области электротехники и электроники компания Omron известна как разработчик и поставщик самых раз‑ нообразных реле, в частности для промыш‑ ленного и IT-оборудования, автоматизации и энергетики. Основа политики компании Omron — традиционно высокое качество и надежность, а также инновационный под‑ ход. Именно это позволяет ей выпускать и поставлять на мировой рынок прекрасно зарекомендовавшие себя в среде разработ‑ чиков и изготовителей самой разнообразной электроники высоконадежные механические реле (один пример из области инновацион‑ ных разработок компании был рассмотрен ранее в публикации [3]). Что же может предложить компания Omron разработчикам нового оборудования,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

реле

Рис. 1. Основные области применения и рекомендуемые для них типы промышленных реле компании Omron

компоненты

63

Рис. 2. Дополнительные области применения промышленных реле компании Omron

Таблица 1. Рекомендуемые основные типы промышленных реле компании Omron, типовые характеристики Серия

G6RL

G6DS

28,5×10×12,3

20,3×5,08×12,5

G2RL

G5RL

G2R

G6B

G6C

29×12,7×15,7

29×12,7×15,7

20×10×10

Конструкция (только как пример исполнения)

Внешние размеры, мм

10

5

12/16

16

29×13×25,5 на плату, винтами, терминалы 5/8/10/16

5/8

10 / 8

250

250

440

250

380

380

380

30

30

300

24

125

125

125

12 A/250 В 16 A/250 В 12 A/24 В 16 A/24 В

16 A/250 В 16 A/24 В

5/8/10/16 А — 250 В 5/8/10/16 А — 30 В 30/50

5 A/250 В 8 А/250 В 5 A/30 В 8 A/30 В

10 A/250 В 8 А/250 В 10 A /30 В 8 A/30 В

20 млн/50 тыс.

10 млн/50 тыс.

20 млн/100 тыс.

50 млн/100 тыс.

50 млн/100 тыс.

5/12/24/48 (DC) 24/110/230 (AC) Есть вариант с защелкой См. спецификацию 15 5/10 SPDT/SPST-NO/ SPST-NO/DPDT/DPST-NO

5/12/24 (DC)

3/5/12/24 (DC) Есть вариант с защелкой

200 10 10 SPST-NO/DPST-NC/ PST-NO + SPST-NC/PST-NO

200 10 10 SPST-NO/ SPST-NO + SPST-NC

Монтаж Ток контактов, А max Коммутируемое напряжение, В max (AC) Коммутируемое напряжение, В max (DC)

на плату

Нагрузка (АС)*

8 A/250 В

5 A/250 В

Нагрузка (DC)*

5 A/30 В

5 A/30 В

Сопротивление контактов, мОм Долговечность, срабатываний (тип.) без нагрузки/под нагрузкой

100 10 млн/50 тыс.

20 млн/100 тыс.

Напряжение обмотки, В

3/5/6/12/ 24/48 (DC)

5/12/24 (DC)

5/12/24/48 (DC)

5/12/24/48 (DC) 24/100/120/240 (AC)

Мощность обмотки, мВт Время срабатывания, мс Время отпускания, мс

220/240 для 48 В 10 5

180/120 10 5

Контакты

SPDT/SPST-NO

SPST-NO

400/430/250 15 5 SPDT/SPST-NO/ SPDT/DPST-NO

400/600/750/840 15 5/15/20 SPST-NO/SPDT/ SPST/SPDT

Рабочая температура окружающей среды, °C

–40...+85

–40...+70 (+85)

20×15×10

на плату, панелька

30

–25...+70

Примечание. * При активной нагрузке.

а также инженерам, связанным с его ремон‑ том и эксплуатацией, в рамках темы данной статьи? Поскольку номенклатура реле ком‑ пании Omron весьма обширна и разнообраз‑ на, то в качестве примера рассмотрим серии миниатюрных электромеханических реле промышленного назначения G6RL, G6DS, G2RL/G5RL, G2R, G6B и G6C, а также столь популярные в промышленной сфере реле, как G6M, G5Q, G8P и G6RN. Устройства пе‑ речисленных серий доступны в разных ва‑ риантах конструктивного исполнения, с раз‑ личными значениями коммутируемых токов и напряжений, имеются также исполнения, отличающиеся по управлению и организа‑ ции структуры коммутирующих контактов. Реле предназначены для самого широкого спектра применений, выпускаются в тече‑ ние нескольких лет и, следовательно, имеют

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

хорошо отлаженную технологию изготов‑ ления. Именно поэтому они могут быть ре‑ комендованы для таких критически важных приложений, как промышленное оборудо‑ вание, средства измерений и автоматизации. Если рассматривать области применения реле, представляющих интерес в рамках на‑ стоящей статьи, то можно выделить следу‑ ющие области их применения, которые для простоты восприятия проиллюстрированы на рис. 1 и 2. Основные характеристики базовых моди‑ фикаций рассматриваемых реле, позволяю‑ щие сориентироваться в представленной но‑ менклатуре, представлены в таблицах 1 и 2. В качестве своеобразного бонуса на рис. 3 приведена расшифровка обозначения систем коммутации, принятая для электромеханиче‑ ских реле (указано их «холодное» состояние).

Естественно, область распространения данных устройств не ограничивается лишь промышленным оборудованием. Ввиду взвешенной ценовой политики эти реле на‑ ходят применение и в бытовой технике. Еще раз обратим внимание на то, что все серии рассматриваемых реле обеспечивают высо‑ кую гибкость в части их применения. Это касается приведенных в таблицах конфигу‑ раций контактов и вариантов управления их обмотками. Но немаловажную роль играет и широкий выбор покрытий их контактов. Разработчики могут выбрать реле с разными вариантами покрытия на основе чистого сере‑ бра и его сплава (AgSnIn, AgNi, AgSnO2), име‑ ются версии и с позолоченными контактами, которые расширяют диапазон коммутируе‑ мых токов от десятков микроампер до ампер. В части исполнения корпусов реле рассматри‑ www.kite.ru

компоненты

64

реле

не считая вариантов исполнения реле в части управления и покрытия контактов. Если же рассматривать всю серию, вариантов для вы‑ бора окажется более ста. То же самое в боль‑ шей или меньшей степени касается и реле всех серий, упомянутых в настоящей статье. В составе ряда представленных серий есть реле с коммутацией напряжения переменного тока, реле, допускающие коммутацию с на‑ грузкой непосредственно на выпрямитель, реле с защелкой, реле с задержкой отключения до 200 мс. Все реле компании Omron имеют сертификаты соответствия требованиям без‑ опасности и в рамках представленных серий отвечают регламентам стандартов UL, CSA, EN (VDE), SEV, SEMKO, IEC (TÜV) и IEC (EN) и, естественно, директиве RoHS. Рассмотренные реле нормируются по дугостойкости (CTI), пробивным напряжениям и по клас‑ су изоляции. Для облегчения интегрирова‑ ния реле в различные устройства компания Omron предлагает и разнообразные аксессуа‑ ры. Более подробная информация по данным реле доступна на сайте компании Omron [2], по гиперссылкам в разделе Industrial руковод‑ ства по их применению в [4], через службу технической поддержки компании или через авторизованных дилеров. В заключение хотелось бы напомнить, что, кроме выбора изготовителя нужного вам компонента, необходимо не забывать и о важ‑ ности выбора его надежного непосредствен‑ ного поставщика; для этой цели рекоменду‑ ется пользоваться услугами исключительно авторизованных дилеров компании Omron. n Помните, скупой платит дважды!

Таблица 2. Рекомендуемые дополнительные типы промышленных реле компании Omron, типовые характеристики Серия

G6M

G5Q

G8P

G6RN

Внешние размеры, мм

20,3×5,08×17,7

Монтаж

на плату

20,3×10,3×15,8

см. спецификацию

28,5×20×15

на плату

на плату, терминалы

Ток контактов, А max

5

на плату

10

3

Конструкция (только как пример исполнения)

Коммутируемое напряжение, В max (AC)

270

8 250

Коммутируемое напряжение, В max (DC)

125

30

28

30

Нагрузка (АС)*

3 A/250 В

10 A/250 В

30 A/250 В

8 A/250 В

Нагрузка (DC)*

3 A/30 В

5 A/30 В

20 A/28 В

Сопротивление контактов, мОм Долговечность, срабатываний (тип.) без нагрузки/под нагрузкой Напряжение обмотки, В (DC)

20 млн/100 тыс.

5/12/24

5/12/24

5/12/24/48/110

Мощность обмотки, мВт

120

200/400

1000

Время срабатывания, мс

10 млн/100 тыс.

10 млн/50 тыс.

5/12/24 220 15

5

10

SPST-NO

Рабочая температура окружающей среды, °C

Нет данных

10

Время отпускания, мс Контакты

5 A/30 В

100

5

SPDT/SPST-NO –40...+85

–55...+105

–40...+85

Примечание. * При активной нагрузке.

Литература 1. Рентюк В. Вопросы надежности для DC/DCпреобразователей. Часть 2 // Компоненты и тех‑ нологии. 2015. № 12.

2. www.components.omron.eu 3. Рентюк В. Новая серия силовых малогабарит‑ ных реле постоянного напряжения компании Omron // Силовая электроника. 2015. № 1.

4. A Guide to Application using OMRON Components and Technologies. Application Guide 2015. www.omron.com/ecb/appli/app04-1.html 5. G2R PCB Power Relay. OMRON Corporation Electronic and Mechanical Components Company. www.omron.com/ecb/products/pdf/en-g2r.pdf

Рис. 3. Конфигурация контактов реле

ваемых серий предлагаются варианты с раз‑ ной степенью герметизации (негерметичные RTI, брызгозащищенные RTII и полностью герметичные RTIII). Кроме того, можно сде‑ лать выбор по вариантам крепления и под‑ ключения. Также доступны варианты испол‑ нения, допускающие ультразвуковую мойку,

а

что немаловажно в условиях серийного про‑ изводства. Варианты корпусирования одной из серий рассматриваемых реле, а именно G2R [5], которая по праву считается бестселлером компании Omron, представлены на рис. 4. Серия реле G2R содержит 38 только отдель‑ ных прямых конструктивных модификаций,

б

в

г

д

Рис. 4. Варианты корпусирования реле серии G2R: а) G2R‑1A-T; б) G2R‑1C; в) G2R‑1‑S; г) G2R‑1‑T; д) G2Rl‑1A

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

компоненты

66

усилители

Высоковольтные драйверы пьезоэлектрических преобразователей компании Apex Microtechnology

Константин Верхулевский info@icquest.ru

Компания Apex Microtechnology специализируется на разработке мощных усилителей с рекордными энергетическими показателями, ШИМ-усилителей и прецизионных источников опорного напряжения, спроектированных для коммерческого, авиационного и военного применений. Операционные усилители (ОУ) с высокими уровнями рабочих напряжений и скоростью нарастания выходного сигнала широко используются в драйверах пьезопреобразователей, которые на основе обратного пьезоэффекта позволяют решать задачи сверхточного позиционирования, генерации излучаемого сигнала в гидролокаторах, прецизионного управления подачей чернил в промышленных струйных принтерах и т. д. В статье на примере отдельных ОУ рассмотрены схемотехнические особенности управления пьезокристаллами, а также приведен краткий обзор основных характеристик усилителей, который поможет разработчику сделать обоснованный выбор.

Введение Пьезоэлектрический преобразователь, к достоинствам которого относятся высокая линейность характеристик, широкие динами‑ ческие и частотные диапазоны, простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации, представляет собой устройство, ос‑ нованное на использовании пьезоэффекта в кристаллах, керамике или пленках, открытого еще в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Исходя из физического принципа действия, различают пря‑ мой и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект связан с возникновением поляризации диэлектрика и, соответ‑ ственно, электрического поля между поверхностями деформиру‑ емого твердого тела под воздействием механических напряжений, а при обратном эффекте приложение электрического напряжения к образцу вызывает его деформацию. Прямой пьезоэффект ис‑ пользуется в приборах, осуществляющих измерение параметров механических процессов (вибрации, ударов), давления жидкостей и газа, акустических сигналов, в том числе ультразвуковых, линей‑

ных и угловых ускорений. Преобразователи с обратным пьезоэф‑ фектом находят применение в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, в преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле), отвечают за подачу чернил в промышленных струйных принтерах, работают в систе‑ мах сверхточного позиционирования: иглы в сканирующем тун‑ нельном микроскопе и головки жесткого диска. Поскольку в данной статье рассматриваются задачи управления, то нас, прежде всего, интересует обратный пьезоэффект. Приложение высокого напряжения к пьезопреобразователю ци‑ линдрической формы, изображенному на рис. 1а, вызывает при‑ ращение ΔL вдоль оси кристалла [1]. Обычно пьезоэлектрический материал выдерживает деформацию или изменение длины порядка 0,1%, то есть воздействие электрического поля на преобразователь размером 100 мм удлиняет его не более чем на 0,1 мм. Величина ΔL для случая ненагруженного однослойного преобразователя может быть определена из выражения:

ΔL = Ed33L0, где E — напряженность электрического поля, В/м, L0 — начальная дли‑ на пьезокристалла, м, а d33 — пьезоэлектрический коэффициент, м/В. Максимальная напряженность поля, которую большинство пьезоэлек‑ трических материалов способно выдержать, не превышает 2 кВ/мм. Для увеличения значения механического отклонения изготавливают сборку из нескольких тонких пластин, объединенных с помощью скле‑ ивания. При этом управляющее напряжение, подаваемое отдельно на каждый слой (рис. 1б), не превышает максимально допустимой ве‑ личины, а общее изменение длины ΔLtot легко рассчитать по формуле:

ΔLtot = NΔL,

Рис. 1. Подключение пьезоэлектрического преобразователя: а) однослойного; б) многослойного

где N — количество слоев.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

усилители

компоненты

67

При управлении, осуществляемом от ис‑ точника периодического сигнала с частотой ниже резонансной частоты преобразователя (типичный случай для драйверов в струйных принтерах), пьезокристалл можно предста‑ вить конденсатором, используемым в каче‑ стве нагрузки. Тогда работа усилителя анало‑ гична работе на емкостную нагрузку, а ее им‑ педанс ZC можно определить из выражения:

ZC = 1/(2πfCPA), где f — частота управляющего напряжения, а CPA — эквивалентная емкость пьезопреобразователя. Решение задачи управления пьезоэлек‑ трическими исполнительными механизма‑ ми требует применения высокоскоростных цепей с высокими уровнями рабочих на‑ пряжений. Такие цепи могут быть выпол‑ нены на основе мощных операционных усилителей Apex, сконфигурированных с учетом специализированных требований. Рассмотрим их основные характеристики, параллельно уделяя особое внимание схемо‑ техническим приемам проектирования схем управления.

ОУ компании Apex Microtechnology для управления пьезопреобразователями Мощные операционные усилители Apex Microtechnology представляют собой уни‑ кальные по своим параметрам высоко‑ функциональные устройства, сочетающие высокие уровни питающих напряжений, точность и максимальное быстродействие наряду с малыми токами покоя, низкими внутренними потерями и отличной линей‑ ностью [2, 3]. В настоящее время для раз‑ работчиков доступны компоненты в ги‑ бридном (серии PA и PB) и бескорпусном исполнении (серия MP). При производстве усилителя по традиционной гибридной тех‑ нологии применяются толстопленочные ре‑ зисторы, керамические конденсаторы и по‑ лупроводниковые микросхемы, расположен‑ ные на подложке из оксида бериллия (BeO), обладающей очень высокой теплопроводно‑ стью, что минимизирует размер и повышает эффективность (рис. 2). Сваренные ультра‑ звуком алюминиевые проводники обеспе‑ чивают надежное соединение для всего диа‑ пазона рабочих температур. Бескорпусные отличаются незначительным увеличением размеров, разработаны для снижения общей стоимости изделия и конструктивно вы‑ полняются в форм-факторе, соответству‑ ющем корпусам типа DIP (DIP‑30, DIP‑34 и DIP‑42). При их изготовлении использу‑ ются недорогие SMT-компоненты, а сум‑ марный выигрыш по стоимости достигает 75% по сравнению с гибридными изделиями с аналогичными параметрами. Усилители данной группы рекомендуются для обычных

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 2. Конструкция бескорпусных и гибридных изделий Apex

Таблица. Основные характеристики ОУ Apex Microtechnology, предназначенных для управления пьезопреобразователями

Модель

Напряжение питания, В (max)

Выходной ток, А (max)

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс

Ток потребления в режиме ожидания, мА (max)

Рассеиваемая мощность, Вт (max)

Тип корпуса

PA02 PA03 PA04 PA05 PA07 PA08 PA09M PA10 PA12 PA12A PA12H PA15 PA73 PA78DK PA79DK PA81J PA82J PA83 PA84 PA85 PA88 PA89 PA90 PA91 PA92 PA93 PA94 PA95 PA96 PA97 PA98 PA107DP PA119CE PA340 PA341CE PA341DF PA341DW PA343 PA441DF PA441DW PA443DF MP38CLA MP39CLA MP103FC MP108FDA MP111FD MP118FD MP400FC PB50 PB51 PB58 PB63

38 150 200 100 100 300 80 90 90 100 90 450 60 350 350 200 300 300 300 1000 450 1200 400 450 400 400 900 900 300 900 1000 200 900 350 350 350 350 350 350 350 350 200 100 200 200 100 200 350 200 300 300 175

5 30 20 30 5 0,15 3 5 10 15 1 0,2 5 0,15 0,15 0,03 0,015 0,075 0,04 0,2 0,1 0,075 0,2 0,2 4 8 0,1 0,1 1,5 0,01 0,2 5 4 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,6 0,6 1,2 (2 по 0,6 А) 8 11 30 (2 по 15 А) 11 15 10 0,2 2 1,5 1,5 2

20 8 50 100 4 30 200 3 4 4 4 20 2,6 350 350 20 20 30 180 450 30 30 300 300 50 50 700 30 250 8 450 3000 80 30 30 30 30 30 32 32 32 63 10 167 170 130 65 50 100 100 250 1000

40 300 90 120 30 8,5 85 30 50 50 100 3 5 2,5 2,5 8,5 8,5 8,5 7,5 25 2 6 14 14 14 14 24 2,2 18 1 25 35 120 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 24 24 19 65 157 26 2,5 25 18 35 20

48 500 200 250 67 17,5 78 67 125 125 6 30 67 23 26 11,5 11,5 17,5 17,5 30 15 40 30 30 80 125 30 30 83 5 30 60 78 14 12 12 12 12 12 9 12 125 125 59,3 (на канал) 100 170 100 14,2 35 83 70 35

TO-3 (8 выв.)

MO-127 (12 выв.)

MO-127 (12 выв.)

MO-127 (12 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

POWERSIP (10 выв.)

TO-3 (8 выв.)

PSOP (20 выв.)

PSOP (20 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

MO-127 (12 выв.)

POWERSIP (12 выв.)

POWERSIP (12 выв.)

POWERSIP (12 выв.)

POWERSIP (12 выв.)

POWERSIP (8 выв.)

POWERSIP (8 выв.)

TO-3 (8 выв.)

SIP-7 POWERSIP (12 выв.)

POWERSIP (12 выв.)

TO-3 (8 выв.)

D2Pak (7 выв.)

TO-3 (8 выв.)

PSOP (24 выв.)

POWERSIP (10 выв.)

PSOP (24 выв.)

PSOP (24 выв.)

SIP-10 PSOP (24 выв.)

DIP-30 DIP-30 DIP-42 DIP-34 DIP-34 DIP-34 DIP-42 TO-3 (8 выв.)

POWERSIP (12 выв.)

TO-3 (8 выв.)

POWERSIP (12 выв.)

Примечание

Высокоскоростной

Высокоскоростной

Высокоскоростной Высокоскоростной

Высокоскоростной Высокоскоростной

Высокоскоростной Высокоскоростной

Высокоскоростной Высокоскоростной Высокоскоростной Высокоскоростной Высокоскоростной

Высокоскоростной Высокоскоростной Высокоскоростной Высокоскоростной Высокоскоростной, усилитель мощности

www.kite.ru

68

компоненты

усилители

Рис. 3. Типовая схема применения ОУ MP400

условий эксплуатации, когда не требуется защита от жестких внешних механических и климатических воздействий. В конструк‑ ции бескорпусного устройства можно вы‑ делить алюминиевую подложку с лучшими по сравнению со сталью тепловыми ха‑ рактеристиками, изоляционный слой для электрической изоляции платы усилителя от основания, саму плату с расположенными на ней электронными компонентами, разъ‑ емами и дорожками [4]. Силовые транзисто‑ ры в стандартных корпусах D2Pak с медным радиатором, расположенным сзади, облада‑ ют очень низким тепловым сопротивлением. Все выпускаемые усилители условно под‑ разделяются производителем на высоковольт‑ ные, сильноточные и быстродействующие (с высокой скоростью нарастания выходного напряжения). В группу ОУ, предназначенных для управления пьезопреобразователями, в настоящее время входит 52 устройства (та‑ блица). Рассмотрим характеристики наиболее привлекательных из них. Высоковольтными считаются операци‑ онные усилители с полным диапазоном напряжения питания более 100 В при однополярном подключении (или более ±50 В при двухполярном). Гибридный усилитель PA89, являющийся старшим представите‑ лем линейки высоковольтных усилителей, характеризуется выходным пиковым на‑ пряжением 1200 В, максимальным рабочим током 75 мА (100 мА в импульсе), рассеива‑ емой мощностью 40 Вт (без радиатора при +25 °C), током покоя не более 6 мА и диа‑ пазоном рабочих температур –55…+125 °C. Выходной каскад на полевых транзисторах, работающий в режиме АВ, обеспечивает вы‑ сокую линейность [5]. Все внутренние сме‑ щения усилителя скомпенсированы встроен‑ ными источниками тока на зенеровских поле‑ вых транзисторах, что обеспечивает широкий диапазон питающих напряжений с низким

уровнем пульсаций. Усилитель отличается гибкостью применения: при помощи внеш‑ них цепей компенсации можно регулировать полосу пропускания и скорость нарастания выходного напряжения. Конструктивно PA89 изготавливается в герметичном электрически изолированном корпусе MO‑127, пригодном для жестких условий эксплуатации. Сверхвысоковольтный гибридный уси‑ литель PA94 помимо высокого питающего напряжения (900 В) имеет хорошее быстро‑ действие: скорость нарастания его выходно‑ го напряжения достигает 700 В/мкс. На вы‑ ходе обеспечивается максимальный посто‑ янный ток 100 мА, значение импульсного тока может увеличиваться до 200 мА (при емкостной нагрузке), максимальная рассеи‑ ваемая мощность составляет 30 Вт (без ра‑ диатора при +25 °C). Герметичный, электри‑ чески изолированный 8‑выводный корпус PowerSIP, занимающий на печатной плате площадь не более 5 см2, идеально подходит для устройств, критичных к габаритам при‑ меняемых электронных компонентов [6]. Отличительная черта компонентов чет‑ вертого поколения серии PA44x — высо‑ кое качество сигнала. Две одноканальные (PA441DF и PA441DW) и одна двухканальная (PA443DF) монолитные ИС обладают улуч‑ шенными характеристиками и выделяются на фоне остальных минимальным уровнем шумов выходного напряжения (средне‑ квадратичное значение 12 мкВ на частоте 20 кГц). Усилители работают в широком диапазоне напряжений питания до ±175 В, непрерывный выходной ток составляет 60 мА с пиковым значением 120 мА, двух‑ канальный вариант обеспечивает удвоенное значение тока выхода, потребляя при этом всего 2,2 мА [7]. Все три ИС имеют низкий показатель напряжения смещения 5 мВ при температуре +25 °C и не более 20 мВ в температурном диапазоне –40…+125 °C.

PA441DF и PA443DF поставляются в 24‑вы‑ водных пластиковых корпусах PSOP, тогда как PA441DW доступен в электрически изо‑ лированном 10‑контактном керамическом корпусе форм-фактора SIP. Среди бескорпусных высоковольтных из‑ делий разработчиков могут заинтересовать недорогой двухканальный малогабаритный ОУ MP103 с максимальным рабочим на‑ пряжением 200 В и общим выходным током 30 А, а также быстродействующий MP400 с встроенным повышающим импульсным преобразователем, позволяющим использо‑ вать для питания схемы источник со стан‑ дартными 12 или 24 В (диапазон входных на‑ пряжений 10–50 В) и упростить тем самым проектируемую схему (рис. 3) [8]. Группу сильноточных приборов образу‑ ют устройства, обеспечивающие выходной ток 1–50 А. Здесь привлекают внимание PA03 и PA05 — гибридные усилители с вы‑ ходным током 30 А, напряжением питания 150 и 100 В и максимальным значением рас‑ сеиваемой мощности 500 и 250 Вт соответ‑ ственно [9, 10]. Производятся они в герме‑ тически изолированных корпусах MO‑127, обладающих превосходной теплопроводно‑ стью. Встроенная цепь ограничения выход‑ ного тока, температурный датчик и наличие функции удаленного отключения обеспечи‑ вают надежное функционирование в области устойчивой работы (SOA). Входная цепь реа‑ лизована на основе высокоэффективных по‑ левых транзисторов, изготовленных с при‑ менением лазерной подгонки, выходной ка‑ скад содержит защитные диоды с быстрым восстановлением. Согласно классификации Apex Microtechnology, к высокоскоростным относятся уси‑ лители, скорость нарастания выходного на‑ пряжения которых превышает 100 В/мкс. По этому показателю вне конкуренции ока‑ зывается усилитель PA107DP с величиной значимого параметра 3000 В/мкс. Он может работать от источника питания с напряжени‑ ем до 200 В, характеризуется широкой поло‑ сой пропускания 180 МГц и выходным током 1,5 А (до 5 А в импульсе). Микросхемы выпу‑ скаются в корпусе PowerSIP, а для обеспечения SOA необходимо использовать радиатор [11]. Для увеличения выходной мощности, до‑ стижения минимального выходного сопро‑ тивления и обеспечения корректной работы на нагрузку с высокой емкостью успешно ис‑ пользуются широкополосные буферные уси‑ лители серии PB [12]. Типовое применение подразумевает соединение ОУ данной серии с малосигнальными операционными уси‑ лителями общего назначения, выбранными по усмотрению разработчика. Полученный в результате составной усилитель обладает оптимальной точностью, низким входным шумом и временем установки рабочего ре‑ жима, высокой выходной мощностью и де‑ лает возможным выполнение разработки без помощи более дорогих линеек изделий.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

усилители

компоненты

69

В настоящее время семейство PB представ‑ лено четырьмя компонентами, имеющими схожую внутреннюю структуру. Входные ка‑ скады выполняются на основе биполярных транзисторов, подключаемых по схеме с ОЭ, каскад усиления напряжения — на МОПтранзисторах с общим истоком, а выходной каскад — на двух комплементарных МОПтранзисторах. Усилитель PB50, рассчитан‑ ный на напряжение питания 200 В, выходной ток до 2 А и скорость нарастания напряже‑ ния 50 В/мкс, изготавливается в герметичном 8‑выводном корпусе TO‑3. Максимальной выходной мощностью обладают PB51 и PB58 с выходным током 1,5 А и напряжением пи‑ тания 300 В. Самый быстродействующий представитель серии — двухканальный уси‑ литель мощности PB63 со временем нарас‑ тания 1000 В/мкс работает при напряжениях питания ±(20–75) В и способен долговремен‑ но обеспечивать выходной ток до 2 А. Его двухканальность позволяет создавать печат‑ ные платы с высокой плотностью размеще‑ ния элементов.

Типовые схемы драйверов пьезоэлектрических преобразователей При разработке драйверов необходимо учесть несколько моментов. Они должны функционировать в области безопасной ра‑ боты (SOA), иметь цепь ограничения тока, достаточный теплоотвод, защитные диоды и соответствующие компенсирующие ем‑ кости. Не существует одной универсальной схемы, подходящей для управления всеми пьезоэлектрическими преобразователями. В одном приложении необходимо приводить в действие пьезоэлектрические печатающие головки, состоящие из сотен объединенных параллельно преобразователей и требующие высоких токов управления (десятки ампер). В случае прецизионных приложений необ‑ ходимо генерирование формы импульса, отличной от прямоугольной, с заданными временами фронта и спада. Поэтому по‑ нимание всех особенностей функциони‑ рования управляемого объекта становится неотъемлемой частью типового алгоритма разработки драйверов пьезоэлектрических преобразователей. Для типовых применений компанией Apex Microtechnology предлага‑ ются схемотехнические решения, многократ‑ но испытанные на практике. Мы рассмотрим три схемы, работающие на нагрузку с номи‑ нальными емкостями от единиц пикофарад (отклоняющие пластины) до 500 нФ (пьезоэлектрические актуаторы). Схема, изображенная на рис. 4, предна‑ значена для управления пьезоэлектриче‑ скими преобразователями, применяемыми в широкоформатных индустриальных прин‑ терах, печатающих материалы для рекламных щитов [13]. В этом устройстве эквивалентная емкость параллельно соединенных пластин

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 4. Типовая схема подключения ОУ PA84

составляет 500 нФ, требуемый выходной ток 10 А и скорость нарастания напряжения не менее 20 В/мкс. Такое значение имеет много усилителей из линейки Apex Microtechnology, возьмем для примера PA84 с номиналь‑ ной скоростью 180 В/мкс. Поскольку PA84 не способен выдавать требуемые 10 А, применяется пара внешних полевых МОПтранзисторов VT1 и VT2. Компенсирующая цепь, образованная конденсаторами C3 и C4 (емкость 4,7 пФ) и резисторами R3 и R4 (со‑ противление 3 кОм), контролирует скорость нарастания, которая в свою очередь регулиру‑ ет ток через транзисторы согласно формуле:

I = C(dU/dt). Номинальные значения пассивных ком‑ понентов корректирующей схемы выбира‑ ют из графиков, предлагаемых в справоч‑ ной информации на конкретный усилитель. Симметричные управляющие импульсы с размахом напряжения от –5 до +5 В, по‑ даваемые на неинвертирующий вход уси‑ лителя, могут генерироваться при помощи ПЛИС или других источников. Резисторы R5 и R6 с номиналом 10 Ом, включенные в за‑ творы транзисторов, предотвращают воз‑ можное появление «звона», обусловленно‑ го влиянием емкости затвора и паразитной индуктивности разводки печатной платы. Десятикратный коэффициент усиления, за‑ даваемый резисторами R1 и R2, обеспечива‑ ет на выходе усилителя сигнал с размахом напряжения –48…+48 В. Таким образом, в этой схеме PA84 выступает в качестве драй‑ вера затворов транзисторов. Резистор R7 (0,3 Ом) необходим для повышения стабиль‑

ности работы, нагрузка при его использова‑ нии становится не полностью реактивной. Керамические конденсаторы C2 и C5 (1 мкФ) и электролитические C1 и C6 с емкостью 220 мкФ осуществляют фильтрацию питаю‑ щего напряжения. Мостовая схема драйвера пьезоэлектри‑ ческого привода, показанная на рис. 5, слу‑ жит для удвоения выходного напряжения и применяется в случае, когда необходимо управляющее напряжение порядка сотен вольт и более [14]. Цепь драйвера состоит из ведущего (PA78‑A) и ведомого (PA78‑B) усилителей. Ведомый играет роль инвертора, напряже‑ ние к выводам пьезокристалла прикладыва‑ ется в противофазе, благодаря чему и про‑ исходит удвоение. Когда выход Vouta растет от 10 до 160 В, напряжение на выходе Voutb уменьшается со 160 до 10 В, итоговый раз‑ мах напряжения через нагрузку составляет 300 В (–150…+150 В). Подобная схема по срав‑ нению с одиночным усилителем также удва‑ ивает скорость нарастания выходного напря‑ жения и устраняет возможные нелинейные искажения. Входной источник V1 генерирует импульсы с напряжением 15 В (п‑п) и часто‑ той 80 кГц, эквивалентную схему нагрузки можно представить последовательно со‑ единенными конденсатором с емкостью 1 нФ и резистором с сопротивлением 1 Ом. Общий коэффициент усиления достигает 20. Для пи‑ тания применяется асимметричный источник с напряжениями шин +175 и –5 В. Величины +Vs и –Vs выбраны так, чтобы обеспечить достаточный размах выходных напряже‑ ний Vouta и Voutb. Любой пьезоэлектрический преобразователь способен успешно преобра‑ www.kite.ru

70

компоненты

усилители

Рис. 5. Мостовая схема включения двух усилителей PA78

зовывать как электрическую энергию в ме‑ ханическую, так и наоборот. Электрический сигнал, полученный в результате непред‑ намеренного механического воздействия на пьезокристалл, может привести к разру‑ шающим последствиям. Диоды VD1–VD4, подключаемые к шинам питания, осущест‑ вляют защиту выходов от этого паразитно‑ го импульса. В данной схеме применяются сверхбыстрые MUR160 с временем обратного восстановления не более 100 нс. Поскольку сам пьезопреобразователь в статическом режиме фактически ниче‑ го не потребляет, а рассеиваемая мощность в основном выделяется на ОУ, для обеспече‑ ния безопасной работы следует рассмотреть вопрос охлаждения схемы. Общий импеданс нагрузки складывается из активной и реак‑ тивной составляющих:

Тогда максимальная рассеиваемая мощ‑ ность не превышает:

Z = R+(1/(jωC)) = 1+(1/(j2π(80103)(110–9))) = = 1–j1989.

где θ JС — тепловое сопротивление PA78, θHS — тепловое сопротивление выбранного радиатора HS27, а TA — температура окру‑ жающей среды. Таким образом, реальная

PD (max) = (2Vs2)/(πZ) = = (2902)/(π994,5) = 5,18 Вт, где Z — половина от величины общего импе‑ данса нагрузки. Для каждого усилителя на сайте произ‑ водителя доступны руководства по приме‑ нению, позволяющие выбрать радиаторы, подходящие для того или иного изделия. Далее необходимо убедиться, что температу‑ ра перехода внутренних МОП-транзисторов каждого усилителя не превышает безопасной величины:

TJ = PD(θJС + θHS)+TA = 5,18(5,5+7,8)+25 = 93,9 °C,

температура перехода при данной нагрузке и использовании радиатора не превыша‑ ет +93,9 °C при максимально допустимой +150 °C. Схема высокоскоростного драйвера, пред‑ ставленная на рис. 7, предназначена для управления применяемыми в струйных принтерах отклоняющими пластинами, эк‑ вивалентная емкость которых не превышает 10 пФ. Капли чернил 50 или 60 мкм в диа‑ метре на высокой скорости выпускаются из специального резервуара и проходят че‑ рез электростатически заряженную область между двумя пластинами. Под воздействи‑ ем регулирующего сигнала каждая капля отклоняется в нужном направлении для того, чтобы сформировать требуемый сим‑ вол на поверхности печати. Входной сигнал, приходящий в цифровом виде на ЦАП, пре‑ образуется в последовательность прямоугольных импульсов с напряжением 0–3 В, подаваемую на быстрый предусилитель AD817, который в свою очередь являет‑ ся ведущим для мощного усилителя PA78. Периодические импульсы с амплитудой 0–300 В и частотой 100 кГц с выхода послед‑ него подаются непосредственно на пьезо‑ преобразователи. Следует также привести пример выбора конкретного ОУ, исходя из некоторых реко‑ мендаций компании Apex Microtechnology [15]. В общем случае при известных входных и выходных параметрах эта задача сводится к выполнению определенной последователь‑ ности действий. Исходные данные: • напряжение питания ±Vs = ±200 В DC; • максимальная частота управляющих им‑ пульсов 10 кГц; • входное напряжение Vin = ±10 В; • нагрузка: пьезоэлектрический преобразо‑ ватель с эквивалентной емкостью 10,6 нФ; • требуемое выходное напряжение 360 В (раз‑ мах), 180 В (амплитуда); • температура окружающей среды TA = +25 °С. Путем несложных расчетов получаем недостающие значения параметров схемы: 1. Расчет скорости нарастания выходного на‑ пряжения SR (slew rate):

SR = 2πfVO(p) = = 2π10 кГц180 В10–6 = 11,3 В/мкс.

Активная часть полученной величины пренебрежимо мала по сравнению с реактив‑ ным сопротивлением (1989 Ом), поэтому ее можно не учитывать. Для дальнейшего рас‑ чета воспользуемся эквивалентной схемой, где нагрузка условно разделена на две части (по числу усилителей), каждая из которых состоит из 2‑нФ конденсаторов и резисторов с сопротивлением 0,5 Ом (рис. 6). Приложенное к каждой половине экви‑ валентной схемы напряжение определяется из формулы:

Vs = 0,5[(+Vs)–(–Vs)] = = 0,5[(175)–(–5)] = 90 B.

Рис. 6. Эквивалентная схема нагрузки

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

усилители

компоненты

71

2. Расчет максимального значения выходного тока через сопротивление нагрузки: ZC = 1/(2πfC) = = 1/(2π10 кГц10,6 нФ) = 1,5 кОм, IO(p) = VO(p)/ZC = 180 B/1,5 кОм = 120 мА.

3. Расчет максимального уровня рассеивае‑ мой мощности для нагрузки емкостного типа: PD (max) = (4Vs2)/(2πZС) = = (4(200 В)2)/(2π1,5 кОм) = 17 Вт. Полученным значениям удовлетворяет усилитель PA85, воспользуемся его справоч‑ ными материалами. Из выходной характе‑ ристики на рис. 8а видно, что сигнал с на‑ пряжением 360 В (п‑п) и частотой 10 кГц находится в пределах кривых для любого значения компенсирующей емкости Cc . Так как напряжение входного сигнала схемы 10 В, а на выходе нужны импульсы с ампли‑ тудой 180 В, то требуемый коэффициент уси‑ ления составляет 18. Для такой величины но‑ миналы пассивных элементов компенсиру‑ ющей цепи Cc ~10 пФ и Rc ~330 Ом (рис. 8б). При Cc = 10 пФ максимальная скорость SR достигает 400 В/мкс, что значительно выше полученной при расчете (рис. 8в). На рис. 8г показана амплитудно-частотная характери‑ стика, согласно которой для коэффициента усиления 18 (25 дБ) ширина полосы рабочих

Рис. 7. Схема управления отклоняющими пластинами

частот fcl составляет не менее 2 МГц, которой для наших 10 кГц тоже достаточно с запасом. И наконец, из графика на рис. 8д видно, что для того, чтобы не превысить максимальную температуру корпуса усилителя при рассе‑ иваемой мощности 17 Вт, необходимо при‑ менять радиатор. Эту и другую информацию можно найти на официальном сайте компании. Вся про‑ дукция имеет отличную техническую под‑ держку. Помимо полной технической доку‑ ментации, для разработчиков предлагают‑ ся руководства по выбору и применению, SPICE-модели компонентов для схемотехни‑ ческого моделирования, демонстрационные

платы для оценки возможностей устройств, технические статьи от инженеров компании и материалы семинаров, а также программа расчетов параметров принципиальных схем и радиаторов.

Заключение Уникальные по своим параметрам ги‑ бридные и бескорпусные устройства ком‑ пании Apex Microtechnology уже несколько десятилетий занимают лидирующее поло‑ жение на рынке операционных усилителей. Быстродействующие, высоковольтные, вы‑ сокоточные — номенклатура каждого из се‑

а

Коэффициент усиления

CC, пФ

RC, Ом

1 20 100

68 10 3,3

100 330 0

б

в

г

д

Рис. 8. Характеристики усилителя PA85

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

компоненты

72

усилители

мейств достаточно широка для того, чтобы выбрать компоненты с требуемым значением ключевого параметра для различных об‑ ластей применения, в том числе и для управления пьезопреобра‑ зователями. Их использование позволяет значительно повысить надежность и сократить время разработки, снизить стоимость проекта в целом и найти решение, которое было нереализуемо по причине его дороговизны в дискретном исполнении или просто невозможно по техническим причинам. n

Литература 1. Robinson S. Driving piezoelectric actuators // Power electronics technology. 2006. № 4.

2. Верхулевский К. Мощные операционные усилители компании Apex Microtechnology // Силовая электроника. 2013. № 4.

3. Верхулевский К. Мощные усилители компании Apex Microtechnology и военного назначения // Силовая электроника. 2016. № 6.

4. Официальный сайт компании Apex Micro-technology. www.apexanalog.com 5. PA89: High voltage power operational amplifier. Datasheet. October, 2012. www.apexanalog.com

новости

6. PA94: High voltage power operational amplifier. Datasheet. October, 2012. www.apexanalog.com 7. PA441DF/PA441DW/PA443DF: 350V single, dual low-noise power amplifier.

Product overview. 2012. www.apexanalog.com 8. MP400: Power operational amplifier. Datasheet. September, 2012. www.apexanalog.com 9. PA03: Power operational amplifier. Datasheet. September, 2012. www.apexanalog.com 10. PA05: Power operational amplifier. Datasheet. September, 2012. www.apexanalog.com 11. PA107DP: Power operational amplifier. Datasheet. November, 2012. www.apexanalog.com 12. Power booster applications. Application note 14. October, 2012. www.apexanalog.com 13. Driving piezoelectric actuators. Application note 44. October, 2012. www.apexanalog.com 14. Bridge mode operation of power operational amplifiers. Application note 20.

October, 2012. www.apexanalog.com 15. Driving capacitive loads. Application note 25. October, 2012. www.apexanalog.com

ВЧ-/СВЧ-элементы

Новая 0,5‑Вт 13–26,5‑ГГц микросхема усилителя в бескорпусном исполнении от Mini-Circuits • • • •

Краткие характеристики: Частотная полоса: 13–26,5 ГГц. Выходная мощность: +27 дБм. Коэффициент усиления: 13 дБ. Равномерность усиления в полосе: ±1,1 дБ.

Схемы выпускаются в качестве отдельных чипов в гелевой упаковке по 10, 50, 100 штук, как часть полупроводниковой пластины и как целая полупроводниковая пластина. www.yeint.ru

Реклама

Компания Mini-Circuits выпустила новую 0,5‑Вт 13–26,5‑ГГц микросхему усилителя в бескорпусном исполнении AVM‑273HP-D+, которая представляет собой кристалл СВЧМИС, созданный по технологии PHEMT.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

компоненты

74

источники питания

Новинки компании Texas Instruments. Импульсные преобразователи напряжения Микросхемы управления питанием — самый востребованный сегмент продукции Texas Instruments. Данный сегмент постоянно пополняется новыми решениями, включая регуляторы напряжения различных топологий, чему и будет посвящена настоящая публикация, которая продолжает цикл статей, посвященных новинкам компании [1–3].

Александр Казакевич kaz@efo.ru

Введение Современная концепция организации пи‑ тания электронных устройств предполагает наличие необходимых источников напряже‑ ния непосредственно там, где оно потребля‑ ется, то есть на печатной плате, реализующей ту или иную функцию. Данная концепция имеет англоязычное название POL (point of load, точка нагрузки). Подобный подход имеет ряд преимуществ (снижение числа со‑ единений, потерь, уменьшение помех и т. д.), реализация его стала возможна во многом благодаря развитию рынка преобразовате‑ лей напряжения. Сегодня доля преобразова‑ телей (регуляторов) напряжения является, пожалуй, наибольшей в сегменте рынка ана‑ логовой полупроводниковой электроники. Компания Texas Instruments считается при‑ знанным лидером среди производителей микросхем управления питания в целом и преобразователей напряжения в частно‑ сти. Статья посвящена интересным с нашей точки зрения новым преобразователям Texas

Instruments, выпущенным в текущем году. Кроме того, будет проведено сравнение но‑ винок Texas Instruments с продуктами других производителей — там, где это представится возможным.

Понижающие импульсные регуляторы В 2015 году выпущен ряд новых сверхэко‑ номичных импульсных регуляторов серии TPS6274x, основные характеристики кото‑ рых приведены в таблице 1. Серия TPS6274x является развитием вышедшей ранее серии TPS6273x и отличается более высоким зна‑ чением выходного тока (0,3 А вместо 0,1), а также способами управления выходным напряжением. Динамическое управление выходным напряжением является особенно‑ стью данной серии, оптимизированной для использования в устройствах с автономным питанием, в том числе с наличием радиоканала. Все три новых регулятора имеют синхронное выпрямление и логический вход

для их отключения. Однако самой интерес‑ ной особенностью новинок является высо‑ кий КПД при очень малых нагрузках (рис. 1). Из представленной зависимости видно, что КПД (в качестве примера взят TPS62743) пре‑ вышает 50% при нагрузке всего 1 мкА. Это означает, что собственное потребление не превышает 1 мкА при работающем вы‑ ходном каскаде. Для сопоставления: ток са‑ моразряда популярного литиевого элемента 2032 составляет единицы микроампер. Отличие TPS62746 от TPS62743 заключа‑ ется в способе управления выходным напря‑ жением. В TPS62743 выходное напряжение управляется при помощи трех логических входов в диапазоне от 1,2 до 3,3 В, с шагом 0,3 В. В TPS62746 (рис. 2) при помощи логи‑ ческого вывода можно выбрать одно из двух напряжений — 1,2 или 1,8 В. Интересной особенностью TPS62746 представляется на‑ личие аналогового ключа, коммутирующе‑ го входное напряжение с дополнительным выводом. Таким образом можно, напри‑ мер, управлять питанием дополнительных

Таблица 1. Понижающие импульсные регуляторы Тип регулятора

TPS62743

Производитель

TPS62745

TPS62746

Texas Inst.

LTC3388 Linear Tech.

Входное напряжение, В

2–5,5

3,3–10

2–5,5

2,7–20

Выходное напряжение, В

1,2–3,3

1,8–3,3

1,2–3,3

1,2–2,5

1200

2500

Выходной ток, А Частота выходного каскада, кГц

0,3

Предельный ток ключей, А Ток покоя (типовой), мА

0,05 1200

0,6 0,0003

– 0,15

0,0004

Рабочий цикл (max), %

0,0003

0,0008

100

Плавный старт

Фиксирован

Компенсация

–

Внутренняя

Рабочие температуры, °С

–40…+85

–40…+125

–40…+85

–40…+125

Корпус

8DSBGA

12WSON

8DSBGA

10DFN

Цена, $*

0,88

1,29

0,93

3,58

* Здесь и далее приводится стандартная цена с сайта производителя [4, 5, 6] в партии от 1000 штук.

Рис. 1. Зависимость КПД регулятора TPS62743 от нагрузки

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

источники питания

Рис. 2. Типичное включение регулятора TPS62746

аналоговых цепей (датчиков, усилителей). Выходное напряжение TPS62745 задается так же, как у TPS62743, с той лишь разницей, что управляющих входов четыре, а не три. Выходное напряжение меняется с шагом 0,1 от 1,8 до 3,3 В (от 1,3 до 2,8 у TPS627451).

TPS62745 имеет повышенное напряжение пи‑ тания до 10 В. Топология регуляторов требу‑ ет минимального числа внешних компонен‑ тов, высокая частота коммутации (1200 кГц и больше) минимизирует номиналы исполь‑ зуемых емкостных и индуктивных элементов. Поиск конкурентов регуляторов серии TPS6274x оказался делом нелегким, что, в частности, демонстрирует уникальность вышедших компонентов. В итоге для срав‑ нения приводим характеристики регулятора Linear Technology LTC3388. Преобразователь Linear Technology имеет существенно боль‑ шее входное напряжение (до 20 В), тем не менее у него гораздо меньший выходной ток. Причем LTC3388 характеризуется вдвое большим потреблением на холостом ходу (а это, пожалуй, самый любопытный пара‑ метр в данном случае), более низким КПД, при этом его цена гораздо выше.

Повышающие преобразователи напряжения В текущем году выпущен также ряд ин‑ тересных повышающих преобразователей. Основные характеристики новинок пред‑ ставлены в таблице 2. Семейство TPS61098(x) имеет встроенный линейный регулятор (рис. 3), характеризуется высоким КПД в ши‑ роком диапазоне выходных токов. Тип вы‑ прямления — синхронный. Регулятор может использоваться в двух режимах — штатном и экономичном. В экономичном режиме КПД преобразователя достигает почти 70% при выходном токе 1 мкА. Состояние выхо‑

компоненты

75

Рис. 3. Упрощенная схема TPS61098(x)

Таблица 3. Напряжения на выходах регуляторов серии TPS61098(x), В Основной (VMAIN)

Выход Режим

Линейный регулятор (VSUB)

Штатный Экономичный Штатный Экономичный

TPS61098

4,3

2,2

3,1

Выключен

TPS610981

3,3

3,3

3

Выключен

TPS610982

3,3

3,3

2,8

2,8

дов TPS61098(x) в различных режимах при‑ ведено в таблице 3. Минимальное входное напряжение 0,7 В позволяет питать повыша‑ ющий преобразователь от одного элемента типа АА или ААА. Регулятор оптимален для источников питания малопотребляющих ав‑ тономных сенсоров, в том числе с радиокана‑ лом. Поиски конкурента серии TPS61098(x) успехом не увенчались. Нашлись единицы повышающих преобразователей с близкими значениями потребления на холостом ходу, среди них, однако, не удалось найти ни одного со встроенным линейным регулятором. Другая новинка — повышающий регуля‑ тор TPS61046 — продолжает серию TPS6104x. Основными отличиями новинки являют‑ ся высокий КПД в области малых нагрузок (>50% при нагрузке 1%), а также чрезвычай‑ но малый потребляемый ток в режиме покоя (100 нА). Достигается это «честным» отклю‑ чением входного напряжения от остальных

цепей регулятора. TPS61046 предназначен для широкого круга приложений, включая питание светодиодной подсветки дисплеев. Выпускается регулятор в компактном корпу‑ се 1,20,8 мм, требует при этом минималь‑ ной обвязки. Отметим и новый повышающий регулятор TPS61088, отличающийся максимальным вы‑ ходным током среди низковольтных преоб‑ разователей Texas Instruments. Максимальный ток ключа TPS61088 составляет 11,9 А. Новый регулятор имеет синхронное выпрямление и регулируемый максимальный ток ключа. К особенностям TPS61088 следует отнести вы‑ сокий КПД в широком диапазоне нагрузок (рис. 4). Выполнен преобразователь в ком‑ пактном корпусе 4,53,5 мм и тем самым обе‑ спечивает возможность создания источника питания с высокой удельной мощностью.

Преобразователи напряжения на переключаемых емкостях В текущем году обновилась и линейка пре‑ образователей напряжения на переключае‑ мых емкостях. Преобразователи подобного типа просты в разработке, недороги и требуют минимальной обвязки. Кроме того, эти пре‑ образователи в сравнении с конкурентами, ис‑ пользующими индуктивный элемент, дают значительно более низкий уровень электро‑

Таблица 2. Повышающие регуляторы Тип регулятора

TPS61098(х)

Входное напряжение, В Выходное напряжение, В Предельный ток ключей, А Ток покоя (типовой), мА Рабочие температуры, °С Корпус Цена, $

0,7–4,5 (табл. 3) 0,5 0,0003 6WSON 0,72

TPS61046 1,8–5,5 4,5–28 0,9 0,11 –40…+85 6DSBGA 0,7

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

TPS61088 2,7–12 4,5–12,6 11,9 0,11 20VQFN 2,3

Рис. 4. Зависимость КПД повышающего преобразователя TPS61088 от нагрузки (входное напряжение 3,6 В)

www.kite.ru

компоненты

76

источники питания

Таблица 4. Преобразователи напряжения на переключаемых емкостях Тип преобразователя

LM2775

LM2776

Входное напряжение, В 2,7–5,5 Выходное напряжение, В 4,8–5,2 –5,5…–2,7 Выходной ток, А 0,2 Частота выходного каскада, кГц 2000 2200 КПД (типовой) 75 90 Архитектура Повышающая Инвертирующая Ток покоя (типовой), мА 0,075 0,1 Ток в выключенном состоянии, мкА 0,5 0,1 Рабочие температуры, °С –40…+85 Корпус 8WSON 6SOT-23 Цена, $ 0,5 0,36

магнитных помех. Тем не менее разработчики зачастую незаслуженно забывают о них. В последнее время изготовлены два им‑ пульсных преобразователя, их основные параметры приведены в таблице 4. Общее достоинство обоих преобразователей — вы‑ сокие значения выходного тока для данного класса устройств — до 200 мА. Другое преи‑ мущество — высокая частота переключения, 2000 кГц и выше. Это позволяет экономить на внешних емкостных элементах и облегча‑ ет фильтрацию, если необходимо добиться низкого уровня шумов в цепях питания. Оба преобразователя имеют режим отключения, что позволяет использовать их в устройствах с автономным питанием. Преобразователь LM2775 — повышаю‑ щий регулятор (рис. 5), обеспечивающий на выходе стабилизированное напряжение 5 В. Источником питания может, в частно‑ сти, служить литий-ионный аккумулятор или батарея. LM2775 отличается умеренным током потребления, кроме того, имеет режим частотно-импульсной модуляции, способ‑ ный повысить КПД при малых нагрузках. Еще один выпущенный преобразователь, LM2776, имеет инвертирующую архитекту‑ ру. LM2776 — это одно из самых простых решений для организации биполярного пи‑ тания операционных усилителей и прочей

Рис. 5. Схема включения повышающего преобразователя LM2775

аналоговой периферии. Отметим также вы‑ сокий КПД преобразователя в достаточно широком диапазоне нагрузок (рис. 6).

Понижающие регуляторы серии SWIFT SWIFT — серия понижающих импульсных регуляторов Texas Instruments узнается по наи‑ менованию TPS54xxx. В отличие от понижаю‑ щих преобразователей серии TPS62xxx регуля‑ торы серии SWIFT обладают более широким диапазоном входных напряжений и выходных токов, а также большим набором функций и настроек. В текущем году изготовлен пре‑ образователь TPS54334 (табл. 5), на примере которого можно проследить тенденции раз‑ вития данного семейства. Новый регулятор синхронный, имеет функцию плавного запу‑ ска и внешнюю компенсацию. TPS54334 от‑ личается высоким значением КПД — свыше 90% при входном напряжении 12 и выходном 3,3 В (рис. 7). При этом цена преобразователя с входным напряжением до 28 В и выходным током до 3 А составляет менее $1. Для сравне‑ ния представлены характеристики регулятора MP2303 Monolithic Power — компании, которая вышла на рынок, демонстрируя один из луч‑ ших показателей соотношения цены и каче‑ ства. Из сравнения TPS54334 и MP2303 видно,

Рис. 6. Зависимость КПД инвертирующего преобразователя LM2776 от нагрузки (входное напряжение 5,5 В)

Таблица 5. Понижающие регуляторы серии SWIFT Тип регулятора

TPS54334

MP2303

Входное напряжение, В

4,2–28

4,75–28

Выходное напряжение, В

0,8–25

Выходной ток, А

3

Частота выходного каскада, кГц

684

340

Предельный ток ключей, А

5

6,3

Ток покоя (типовой), мА

0,6

1,3

Рабочий цикл (max), % Плавный старт

90 Фиксирован

Компенсация

Управляем

Внешняя

Рабочие температуры, °С

–40…+85

Корпус

10VSON 8SO PowerPAD

10QFN

Цена, $

0,9

2,32

что при практически идентичных параметрах представитель Texas Instruments в разы превос‑ ходит конкурента по цене.

Заключение В 2015 году компания Texas Instruments вы‑ пустила ряд интересных импульсных пре‑ образователей напряжения. Вышли в серию сверхэкономичные преобразователи — по‑ нижающие серии TPS6274x и повышающие TPS61098(x), ток потребления которых со‑ поставим с током саморазряда соответству‑ ющих элементов питания. Выпущены пре‑ образователи на переключаемых емкостях

Рис. 7. Зависимость КПД регулятора TPS54334 от нагрузки (Uвых = 3,3 В)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

компоненты

77

LM2775 и LM2776 с увеличенным выходным током. На их основе возможна реализация недорогих, несложных в разработке повыша‑ ющих и инвертирующих преобразователей напряжения. На примере нового понижаю‑ щего регулятора серии SWIFT прослеживает‑ ся тенденция удешевления преобразователей напряжения в сегменте средних напряжения и токов. В дальнейшем мы надеемся продолжить знакомство с очередными новинками компа‑ нии. Дополнительную информацию можно найти на [4, 7]. n

Литература

операционные усилители

Операционный усилитель с нулевым дрейфом и встроенным фильтром электромагнитных помех от Analog Devices Компания Analog Devices, Inc. представила первый компонент из новой серии высоковольтных, прецизионных операционных усилителей с низким шумом и нулевым дрейфом, которые позволяют уменьшить шум системы, сократить стоимость, площадь печатной платы и время проектирования за счет интеграции фильтра электромагнитных помех и избавления от необходимости во внешних схемах калибровки. Двухканальный операционный усилитель ADA4522-2 работает с напряжениями питания в диапазоне 4,5–55 В и обладает уровнем шума по меньшей мере на 35% ниже, чем у ближайших конкурентов. Этот новый компонент сочетает простоту применения прецизионного операционного усилителя и крайне низкие напряжение смещения/дрейф операционного усилителя с нулевым дрейфом. ADA4522-2 подходит для применения в широком спектре областей, включая измерение тока в цепях нагрузки, источниках питания и схемах управления электродвигателями, а также для коррекции смещения в составных усилителях, используемых в измерительных приборах и других устройствах. Ключевые особенности операционного усилителя с нулевым дрейфом ADA4522-2: • Низкий шум: 5,8 нВ/√Гц на 1 кГц (тип.).

• Низкое напряжение смещения: max 5 мкВ, при 25 °C.

• Малый дрейф напряжения смещения: max 22 нВ/°C. • Широкая полоса: произведение коэффициента усиления на ширину полосы 2,7 МГц.

• Рабочий диапазон напряжений питания: 4,5–55 В.

• Высокая частота прерывания — 800 кГц — позволяет расширить полосу при замкнутой цепи обратной связи и упростить фильтрацию.

• Диапазон входного напряжения включает напряжение «земли»; выход rail-to-rail. www.autexplus.ru

Реклама

1. Казакевич А. Обзор новых операционных усили‑ телей компании Texas Instruments // Компоненты и технологии. 2012. № 6.

2. Казакевич А. Новинки компании Texas Instruments — усилители и преобразователи данных // Компоненты и технологии. 2014. № 4.

3. Казакевич А. Модули питания серии LMZ3 ком‑ пании Texas Instruments // Компоненты и техно‑ логии. 2014. № 8.

4. Официальный сайт компании Texas Instruments. www.ti.com 5. Официальный сайт компании Linear Technology. www.linear.com 6. Официальный сайт компании Monolithic Power. www.MonolithicPower.com 7. Официальный сайт компании «ЭФО». www.efo.ru

новости

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

78

компоненты

микроконтроллеры

Знакомство с новыми микроконтроллерами Smart ARM компании Atmel: работаем с модулем ОРАМР микроконтроллера SAM L21 Николай Артемов anv@efo.ru

О

кружающий нас мир представлен в аналоговой форме, и мы вынужде‑ ны оцифровывать данные для того, чтобы они были пригодны для последующей обработки средствами цифровой вычисли‑ тельной техники. Обычно это приводит к ус‑ ложнению как аппаратного, так и программного обеспечения, а так же к увеличению необходимых вычислительных ресурсов си‑ стемы. Сегодня, в рамках борьбы за миниа‑ тюризацию и повышение энергоэффектив‑ ности, аналоговые узлы все чаще интегри‑ руются на кристаллы микроконтроллеров различного назначения. Подобное решение позволяет получить гибкую адаптивную систему, поскольку интеграция таких узлов в микроконтроллер обеспечивает уменьше‑ ние габаритов конечного устройства и созда‑ ет условия для эффективного использования как внутренних, так и внешних ресурсов. Новый кристалл Atmel SAM L21 являет‑ ся представителем сверхмалопотребляющих микроконтроллеров последнего поколения. Его разработчики учли все современные тен‑ денции на рынке микроэлектроники, поэтому SAM L21 снабжен богатым набором гибко на‑ страиваемых периферийных модулей различ‑ ного назначения, как аналоговых, так и цифро‑ вых. В данной статье мы познакомимся с пери‑ ферийным модулем операционного усилителя OPAMP и особенностями работы с ним. Модуль OPAMP микроконтроллера Atmel SAM L21 содержит три независимо конфи‑ гурируемых операционных усилителя, по‑ зволяющих программно реализовывать сле‑ дующие устройства: • повторитель напряжения; • инвертирующий усилитель; • неинвертирующий усилитель; * Ссылки на программы размещены по адресу www.kit-e.ru/artemov

Статья посвящена программированию модуля операционного усилителя ОРАМР микроконтроллера Atmel SAM L21. В ней мы рассмотрим функциональные возможности модуля и базовые принципы работы с ним.

• каскадный инвертирующий усилитель; • два дифференциальных усилителя; • инструментальный усилитель; • трансформатор импеданса; • драйвер аналого-цифрового преобразова‑ теля (ADC); • драйвер аналогового компаратора (AC); • выходной повторитель или усилитель циф‑ ро-аналогового преобразователя (DAC). Функциональная схема модуля OPAMP приведена на рис. 1. Операционные усилители модуля OPAMP могут использоваться по отдельности; возмож‑ но и каскадное включение усилителей. Входы и выходы операционных усилителей могут быть коммутированы на внешние выводы микроконтроллера или подключены к другим периферийным модулям на кристалле. Для конфигурирования модуля OPAMP используются пять регистров: • CTRLA — регистр общего управления мо‑ дулем OPAMP (включение/выключение модуля, сброс, выбор импеданса операци‑ онных усилителей); • STATUS — регистр статуса операционных усилителей модуля OPAMP (доступен только для чтения); • OPAMPCTRL0 — регистр конфигуриро‑ вания операционного усилителя 0 модуля OPAMP; • OPAMPCTRL1 — регистр конфигуриро‑ вания операционного усилителя 1 модуля OPAMP; • OPAMPCTRL2 — регистр конфигуриро‑ вания операционного усилителя 2 модуля OPAMP. Назначение битов регистров OPAMPCTRL0, OPAMPCTRL1, OPAMPCTRL2 приведено на рис. 2. Д л я о ц е н к и в о з м ож н о с т е й м од ул я OPAMP Atmel SAM L21 можно воспользо‑ ваться отладочной платой SMART SAM

L21‑XPRO (рис. 3) с модулем расширения OLED1 Xplained Pro (рис. 4) компании Atmel или другим модулем с установленным кри‑ сталлом из семейства SAM L21. Для демонстрации возможностей работы периферийного модуля OPAMP, как и любо‑ го другого аналогового модуля, потребуется источник аналогового сигнала и устройство визуализации данных. Например, перифе‑ рийные модули самого микроконтроллера: • цифро-аналоговый преобразователь для генерации синусоидального сигнала и по‑ дачи его на вход операционного усилителя; • аналого-цифровой преобразователь (ADC) для оцифровки сигнала, получаемого на выходе операционного усилителя мо‑ дуля OPAMP. Для визуализации данных воспользуемся бесплатной утилитой Data Visualizer* компа‑ нии Atmel. Работа с этой утилитой доступ‑ на из среды Atmel Studio как часть интегри‑ рованной среды разработки или из меню «Пуск» операционной системы в качестве независимой программы (при предваритель‑ ной установке). Реализуем тестовую программу, что‑ бы оценить возможности модуля OPAMP. Программа будет задавать два режима работы операционного усилителя в модуле. При пер‑ вом включении и переходе в первый режим операционный усилитель 0 модуля OPAMP конфигурируется как повторитель напряже‑ ния (рис. 5). При нажатии клавиши Button 1 на дочернем модуле OLED Xplained Pro про‑ грамма переходит во второе состояние. При этом операционный усилитель 0 конфигу‑ рируется как неинвертирующий усилитель напряжения с коэффициентом усиления 3. Повторное нажатие клавиши Button 1 перево‑ дит программу в первый режим. Изменения настроек будут отражаться на изменении ам‑ плитуды выходного сигнала.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

микроконтроллеры

компоненты

79

Рис. 1. Функциональная схема модуля OPAMP Atmel SAM L21

Рис. 3. Отладочная плата SMART SAM L21‑XPRO

Рис. 2. Назначение битов регистров OPAMPCTRL0, OPAMPCTRL1, OPAMPCTRL2

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Перед началом работы необходимо сконфигуриро‑ вать аппаратную часть, установив джамперы на отла‑ дочной плате, как показано на рис. 6. Для написания и компиляции программного кода удобно пользо‑ ваться средой Atmel Studio 7*. Интегрированная среда разработки Atmel Studio 7 в сочетании с обширным набором библиотек из рабочего окружения разра‑ www.kite.ru

80

компоненты

микроконтроллеры

Рис. 4. Модуль расширения OLED1 Xplained Pro

ботчика Atmel Software Framework (ASF)* значительно упрощает и ускоряет процесс создания и отладки приложений для микро‑ контроллеров Atmel. Среда ASF интегрирова‑ на с Atmel Studio 7. Общая структурная схема соединений функ‑ циональных блоков микроконтроллера SAM L21 в нашей программе показана на рис. 7. Для корректной реализации проекта нуж‑ но учитывать ряд ограничений: • утилита Data Visualizer позволяет отобра‑ жать данные с максимальной разрядно‑ стью 8 бит, поэтому и при формировании сигнала, и при обработке его амплитуда не должна превышать 255 отсчетов; • разрядность DAC микроконтроллера SAM L21 составляет 12 бит, поэтому для улучшения соотношения сигнал/шум исходный сигнал необходимо сдвинуть в большую сторону на несколько отсчетов. Исходя из указанных ограничений, сформи‑ руем исходные данные для нашего источника сигнала (таблица отчетов sine Wave table[]*):

Рис. 5. Диаграмма работы тестовой программы

Рис. 6. Конфигурация отладочного модуля SMART SAM L21‑XPRO с дочерним модулем OLED1 Xplained Pro

Angle steps: 256 — количество отсчетов на один период Full range: 256 — общее число отсчетов Waveform Zero: 32 — значение смещения нуля Half-Wave Amplitude: 16 — значение половины амплитуды

Для реализации нашей программы пона‑ добится настроить следующие периферий‑ ные модули: • модуль DAC (для формирования аналого‑ вого сигнала на основе отсчетов из массива sine Wave table[])*; • модуль OPAMP*; • модуль ADC (для оцифровки данных, по‑ ступающих с модуля OPAMP)*, • модуль таймера (формирует временные интервалы для передачи отсчетов в модуль DAC)*; • модуль внешних прерываний EXTINT (обрабатывает прерывания от клавиши Button 1)*; • модуль интерфейса SPI (обеспечивает связь между отладочной платой и про‑ граммной утилитой Data Visualizer)*. Мы сконцентрируем внимание на работе с модулем OPAMP, работа с остальными мо‑

Рис. 7. Подключение периферийных модулей SAM L21 в тестовой программе

дулями подробно описана в окружении ASF с примерами исходного кода. Для реализации нашей тестовой программы необходимо создать две функции, выполняю‑ щие конфигурацию модуля OPAMP. Сначала сконфигурируем операционный усилитель 0 модуля как повторитель напряжения — так будет конфигурироваться усилитель при на‑ хождении программы в режиме 1 (рис. 5). Создадим новую функцию conf igure_ follower_pga_opamp0(), которая будет выпол‑ нять указанную конфигурацию.

void configure_follower_pga_opamp0(void) { // тело функции }

Конфигурирование модуля OPAMP как повторителя напряжения выполняется за не‑ сколько шагов. Создадим структуру conf_opam для хранения настроек операционного усили‑ теля 0: struct opamp0_config conf_opam;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

микроконтроллеры

Рис. 8. Подключение программы Data Visualizer к целевой отладочной плате

Инициализируем модуль и считыва‑ ем настройки операционного усилителя 0 по умолчанию в нашу структуру: opamp_module_init(); opamp0_get_config_defaults(&conf_opam);

Корректируем настройки OPAMP, конфи‑ гурируем операционный усилитель 0 как по‑ вторитель напряжения. Для этого коммутиру‑ ем инверсный вход операционного усилителя на его выход, а прямой вход подключаем к вы‑ ходу DAC: conf.negative_input = OPAMP0_NEG_MUX_OUT0; conf_opam.positive_input = OPAMP0_POS_MUX_DAC;

Конфигурируем резистивный делитель: отключаем R1, отсоединяем R2 от выхода: conf_opam.r1_connection = OPAMP0_RES1_MUX_GND; conf_opam.config_common.r1_enable = false; conf_opam.config_common.r2_out = false;

Выход операционного усилителя подклю‑ чаем к входу ADC: conf_opam.config_common.analog_out = true;

Конфигурирование модуля OPAMP за‑ кончено. Записываем настройки в регистры микроконтроллера, включаем модуль, ждем, когда OPAMP будет готов к работе. opamp0_set_config(&conf_opam); opamp_enable(OPAMP_0); while (!opamp_is_ready(OPAMP_0));

На следующем шаге создадим конфигурацию операционного усилителя 0 модуля OPAMP как неинвертирующего усилителя (помним, что именно так операционный усилитель бу‑ дет конфигурироваться при нахождении про‑ граммы в режиме 2). Для этого создаем функ‑ цию configure_non_inverting_pga_opamp0(): void configure_non_inverting_pga_opamp0(void) { // тело функции }

Как и в предыдущем случае, формируем структуру для хранения настроек операцион‑

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

компоненты

81

Рис. 9. Выбор модуля графического отображения в программе Data Visualizer

ного усилителя 0, инициализируем модуль, считываем настройки в нашу структуру: struct opamp0_config conf; opamp_module_init(); opamp0_get_config_defaults(&conf);

Затем настраиваем входы операционного усилителя, инвертирующий вход коммути‑ руем на мультиплексор резистивного делите‑ ля, прямой вход подключаем к выходу DAC: conf.negative_input = OPAMP0_NEG_MUX_TAP0; conf.positive_input = OPAMP0_POS_MUX_DAC;

Следующим шагом настраиваем резистив‑ ный делитель, резистор R1 подсоединяем к «земле», включаем R1, отключаем R2 от пи‑ тания и подключаем его к выходу операци‑ онного усилителя: conf.r1_connection = OPAMP0_RES1_MUX_GND; conf.config_common.r1_enable = true; conf.config_common.r2_vcc = false; conf.config_common.r2_out = true;

Выход операционного усилителя, как и в первом случае, подключаем к входу ADC: conf.config_common.analog_out = true;

Устанавливаем номиналы резисторов ре‑ зистивного делителя: R1 = 4R и R2 = 12R: conf_opam.potentiometer_selection= OPAMP_POT_MUX_4R_12R;

При данных номиналах резисторов коэф‑ фициент усиления будет равен 12/4 = 3. Записываем настройки из нашей структу‑ ры в регистры микроконтроллера, активи‑ руем модуль OPAMP и ждем, когда модуль будет готов к работе: opamp0_set_config(&conf); opamp_enable(OPAMP_0); while(!opamp_is_ready(OPAMP_0));

После реализации двух функ‑ ций conf igure_follower_pga_opamp0() и conf igure_non_inverting_pga_opamp0(), конфигурирующих операционный усили‑

тель 0 в каждом из двух режимов работы программы, можно заняться написанием ос‑ новной программы. Определяем глобальную переменную opamp_conf типа extern volatile bool, в которой будет храниться событие «на‑ жатие клавиши Button 1». Состояние данной переменной меняется при обработке внеш‑ него прерывания, каждое нажатие клавиши меняет состояние. Создаем бесконечный цикл while (true), в котором оператор switch() в зависимости от значения глобальной пере‑ менной вызывает одну из двух функций: while (true) { { case false: configure_follower_pga_opamp0(); break; case true: configure_non_inverting_pga_opamp0(); break; default: break; }

Наша программа для микроконтроллера готова, можем запрограммировать ее в ми‑ кроконтроллер на отладочной плате. Для проверки программы необходимо запустить Data Visualizer, выбрать нашу отладочную плату в выпадающем списке и подключиться к ней (клавиша Connect) (рис. 8). В закладке Configuration выбираем модуль графического отображения данных Graph, модуль находится Configuration->Graph-> Graph (рис. 9). Выбираем SPI-интерфейс и направляем поток данных в модуль Graph, перетащив изображение разъема SPI на окно отображе‑ ния данных модуля. Запускаем обмен дан‑ ными, нажав на клавишу Start. Программа начинает отображать данные (рис. 10). При помощи клавиши Button 1 на от‑ ладочном модуле OLED1 Xplained Pro мы теперь можем переводить нашу програм‑ му из одного состояния в другое, наблюдая за амплитудой сигнала на экране программы Data Visualizer (рис. 11). Данная тестовая программа позволяет ра‑ ботать с сигналом от периферийных моду‑ лей. Если требуется обрабатывать внешний сигнал, то выводы операционного усилителя можно подключить к внешним выводам ми‑ кроконтроллера. Для подсоединения, напри‑ мер, прямого входа операционного усилите‑ ля к выводу микроконтроллера необходимо www.kite.ru

компоненты

82

микроконтроллеры

Рис. 11. Реакции программы на нажатие клавиши Button 1 на отладочном модуле OLED1 Xplained Pro

ния настроек мультиплексора портов, считать в него настройки по умолчанию: Рис. 10. Отображение результатов выполнения тестовой программы на экране модуля Graph

создать структуру для хранения настроек мультиплексора портов и считать в нее настройки по умолчанию:

Настроить вывод как выход, сконфигурировать вывод PA07 как выход операционного усилителя 0, записать настройки в регистры SAM L21: conf_opam_out.direction = SYSTEM_PINMUX_PIN_DIR_OUTPUT; conf_opam_out.mux_position = MUX_PA07B_OPAMP_OAOUT0; system_pinmux_pin_set_config(MUX_PA07B_OPAMP_OAOUT0, &conf_opam_out);

struct system_pinmux_config conf_opam_pin; system_pinmux_get_config_defaults(&conf_opam_pin);

Настроить вывод как вход, сконфигурировать вывод PA06 как пря‑ мой вход операционного усилителя 0, записать данную конфигура‑ цию в регистр микроконтроллера: conf_opam_pin.direction = SYSTEM_PINMUX_PIN_DIR_INPUT; conf_opam_pin.mux_position = MUX_PA06B_OPAMP_OAPOS0; system_pinmux_pin_set_config(PIN_PA06B_OPAMP_OAPOS0, &conf_opam_pin);

Для подключения выхода операционного усилителя к внешнему выводу микроконтроллера нужно создать структуру для хране‑

новости

struct system_pinmux_config conf_opam_out; system_pinmux_get_config_defaults(&conf_opam_out);

Итак, с помощью простой тестовой программы мы с вами смог‑ ли наглядно продемонстрировать возможности аналогового мо‑ дуля OPAMP микроконтроллера Smart ARM SAM L21 компании Atmel. Используя микроконтроллеры этого очень интересного се‑ мейства совместно с огромными информационными ресурсами Atmel Software Framework (ASF), можно в кратчайшие сроки соз‑ давать адаптивные высокоэффективные встраиваемые решения, отвечающие растущим потребностям современного рынка. В сле‑ дующих статьях мы продолжим знакомить читателей с особен‑ ностями работы периферийных блоков SAM L21. n

источники питания

Высоконадежные DC/DC-преобразователи MGDS‑155 от GAIA Converter мощностью 155 Вт Компания GAIA Converter представила новое семейство DC/DC-преобразователей MGDS‑155 с широким диапазоном входного напряжения, предназначенное для использования в высоконадежных разработках. Входное напряжение DC/DC-преобразователей серии MGDS‑155 находится в пределах 9–45 или 16–80 В, что позволяет выбирать их для высоконадежных разработок с напряжениями питания 24 или 28 В, соответствующих требованиям стандартов MIL-STD‑1275, MIL-STD‑704 и DO‑160. Семейство MGDS‑155 состоит из пяти модулей, имеющих одно выходное напряжение (3,3; 5; 12; 15; 24 или 28 В), которое может быть подстроено в диапазоне ±10%. DC/DC-преобразователи выполнены в корпусах промышленного стандарта размерами 57,9×36,8×12,7 мм. При выходной мощности 155 Вт КПД представленных устройств достигает 92%. Стандарт-

ный диапазон рабочих температур составляет –40…+105 °C, однако для заказа доступны компоненты и с температурой включения от –55 °C. Модули имеют интегрированные схемы защиты: от работы при пониженном/повышенном напряжении, от ограничения тока, отключения при превышении температуры допустимого максимального значения, а также постоянно работающую схему защиты от короткого замыкания. Преобразователи серии MGDS‑155 созданы для использования в разработках повышенной надежности и не используют в своей конструкции оптических развязок в цепях обратной связи, они действуют на фиксированной частоте коммутации 330 кГц. Модули могут устойчиво функционировать при отключенной нагрузке, содержат встроенную схему плавного пуска, которая ограничивает бросок пускового тока. Несколько DC/DC-преобразователей может быть синхронизировано прямым взаимным

подключением для работы на одной общей частоте коммутации или же подключено к внешнему источнику синхронизации. Для применений, требующих более высоких уровней выходной мощности, предлагается дополнительный вывод для объединения устройств в схему параллельной работы, гарантирующий корректное разделение выходной мощности между устройствами. www.icquest.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

компоненты

84

микроконтроллеры

Новые графические контроллеры FTDI FT81x

Начало в № 11’2013

Сергей Долгушин dsa@efo.ru

Базовые принципы работы графических контроллеров FTDI Прежде чем приступить к обзору воз‑ можностей новых графических контролле‑ ров FTDI серии FT81x, хотелось бы еще раз рассказать, что они представляют собой, для чего предназначены и в чем их отли‑ чия от популярного контроллера дисплея SSD1963 компании Solomon. На примере микросхем FTDI и контроллера Solomon на‑ помним об основных функциональных воз‑ можностях FT8xx. Контроллер дисплея SSD1963 и аналогич‑ ные ему микросхемы других производителей получили широкое распространение в при‑ ложениях с использованием TFT-дисплеев. Эти микросхемы в первую очередь предна‑ значены для реализации простого интерфейса между микроконтроллером (МК) и дисплеем. На рис. 1 представлена функциональная схе‑ ма контроллера дисплея SSD1963. Основными

В сентябре 2015 года компания FTDI объявила о начале производства второго поколения микросхем семейства EVE — серии графических контроллеров FT81x. За два с половиной года с момента выпуска первых графических контроллеров семейства EVE эти микросхемы вызвали значительный интерес у разработчиков. По сравнению с существующими решениями их основным конкурентным преимуществом стал встроенный графический процессор, который полностью избавляет управляющий микроконтроллер от задач, связанных с формированием изображения и выводом его на экран TFT-дисплея. Такое решение позволяет заменять монохромные ЖК-дисплеи цветными TFT, без перехода на более мощные микроконтроллеры, что не всегда возможно в случае альтернативных решений, например на базе контроллеров дисплеев SSD1963.

его элементами являются видеобуфер (frame buffer), контроллер дисплея (LCD controller) и внешний интерфейс для подключения дан‑ ной микросхемы к МК. Внешний интерфейс способен действовать в режимах 8080/6800. Разрядность шины данных в обоих режимах может быть 8, 9, 16, 18 или 24 бит. Контроллер дисплея SSD1963 обеспечивает все управляю‑ щие сигналы и сигналы синхронизации, тре‑ буемые для работы дисплея и вывода изобра‑ жения на экран. Текущее изображение хра‑ нится в видеобуфере, размер которого равен 1215 кбайт. Этого достаточно, чтобы обеспе‑ чить хранение изображения в максимальном поддерживаемом контроллером SSD1963 раз‑ решении 800480 точек. Соответственно, чтобы один кадр изображения был выведен на экран дисплея, МК должен его подготовить и записать в видеобуфер SSD1963. Также под‑ держивается режим записи в определенную область видеобуфера SSD1963, что позволяет обновлять небольшой участок изображения.

Рис. 1. Функциональная схема контроллера дисплея SSD1963

Таким образом, контроллер дисплея полу‑ чает полностью подготовленное для вывода на экран изображение и без участия МК под‑ держивает его на экране до тех пор, пока МК не запишет в его видеобуфер новое. Никаких действий с изображением контроллер дисплея выполнять не предназначен. Подготовка изо‑ бражения, формирование элементов пользо‑ вательского интерфейса (кнопок, слайдеров и т. п.), поддержка шрифтов и т. д. полностью лежит на управляющем МК. И конечно, кроме SSD1963, на рынке пред‑ ставлены более продвинутые контроллеры дисплеев, например RA8875 компании RAIO Technology. В нем аппаратно реализованы функции вывода геометрических фигур, ра‑ бота с двумя изображениями, наложением их друг на друга и т. д. Похожий на RA8875 функционал используется в МК STM32F4xx. Тем не менее базовые принципы работы остаются без изменений, основное изобра‑ жение формируется на МК, а затем помеща‑ ется в видеобуфер контроллера дисплея для дальнейших манипуляций и последующего вывода на экран. В противоположность микросхемам кон‑ троллеров дисплея типа SSD1963, микро‑ схемы серии FT8xx FTDI можно называть графическими контроллерами (рис. 2). Принципиальным отличием FT8xx является графический процессор с готовым набором функций и элементов. Получив от управ‑ ляющего МК набор инструкций, графиче‑ ский контроллер самостоятельно рассчиты‑ вает изображение и обеспечивает вывод его на экран дисплея. Такой принцип работы многократно снижает нагрузку на управля‑ ющий МК. В качестве наглядного примера может служить заливка экрана одним цве‑ том. Для вывода на экран дисплея с разре‑

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

микроконтроллеры

компоненты

85

Рис. 2. Функциональная схема графических контроллеров FT81x

шением 800480 точек и глубиной цвета 18 бит 8‑разрядному МК потребуется пере‑ дать в SSD1963 1152 кбайт из расчета, что ин‑ формация о цвете передается тремя байтами. Для того чтобы графический контроллер FTDI отобразил на экране дисплея равно‑ мерный фон, МК должен передать в него не более 20–30 байт. Это фактический объем 5–6 команд, которые мы должны записать в FT8xx, чтобы он сформировал изображе‑ ние и вывел его на экран. Описание похожих примеров можно посмотреть в статье [1]. Исходя из принципа действия графических контроллеров FT8xx, для них не требуются специализированные библиотеки наподобие графической библиотеки STM — STemWIN. Базовые элементы графического интерфейса пользователя реализованы аппаратно, неко‑ торые из них приведены на рис. 3. Аппаратно поддерживаются и различные эффекты на‑ ложения и прозрачности. Производитель дает достаточное количество примеров ра‑ боты со всем функционалом графических контроллеров. Примеры реализованы таким образом, что весь набор API-функций, необ‑ ходимый для работы, без особых трудностей переносится на различные платформы [2–5]. Кроме графических функций, микросхе‑ мы FTDI имеют встроенную аппаратную поддержку резистивных сенсорных экранов и поддержку на уровне команд и обработки информации внешних контроллеров емкост‑ ных сенсорных экранов Focaltech и Azotech. Главное достоинство такой поддержки состо‑ ит в том, что FT8xx самостоятельно обраба‑ тывают все события, связанные с сенсорны‑ ми экранами. Разработчик может привязать к элементу управления (например, кнопке) метку и по ее состоянию определять, было ли

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 3. Пример встроенных графических объектов FT8xx

касание сенсора в области данного элемен‑ та. Расчет координат выполняется графи‑ ческим контроллером автоматически [3]. Соответственно, с управляющего МК сни‑ мается задача опроса и обработки сенсорно‑ го экрана, а в случае отсутствия встроенного АЦП — нет необходимости в дополнитель‑ ной внешней микросхеме. Также миними‑ зируется количество требуемых линий вво‑ да/вывода. Полезным дополнением служит аудиосопроцессор со встроенной библиотекой зву‑ ков и эффектов. Сопровождение звуковыми

эффектами моментов активации элементов графического интерфейса поможет обеспе‑ чить дополнительную обратную связь от си‑ стемы к пользователю. Это желательно при работе с сенсорными экранами, поскольку в таком случае отсутствует тактильный эф‑ фект. Помимо встроенных эффектов, под‑ держивается работа с внешними аудиофай‑ лами в форматах 8 бит PCM, 8 бит uLAW и 4 бит IMA-ADPCM. Таким образом, графические контроллеры FT8xx обладают существенными преимуще‑ ствами перед распространенными типами www.kite.ru

86

компоненты

микроконтроллеры

контроллеров дисплеев. Если стоит задача по переходу с монохром‑ ного дисплея на цветной TFT без замены управляющего МК, то ми‑ кросхемы FTDI могут позволить это сделать, что успешно подтверж‑ дается в реальных проектах, в том числе и в России. Иногда существенно и то, что применение FT8xx позволяет вы‑ бирать МК в меньшем корпусе за счет использования интерфейса SPI или IIC и двух линий ввода/вывода для служебного сигнала PD и пре‑ рывания (последнее может и не использоваться). В случае SSD1963, в минимальном варианте, понадобится два порта МК и свободный блок АЦП для резистивного сенсора, когда нужна его поддержка.

Новые возможности микросхем серии FT81x Базовые возможности новых микросхем графических контрол‑ леров FTDI серии FT81x ничем не отличаются от FT80x. Главным отличием этой серии от FT80x является поддержка дисплеев с раз‑ решением до 800600 точек и глубиной цвета до 24 бит. На сегодня это типовые разрешения для TFT-дисплеев с диагональю от 5 до 7″. Подобные дисплеи получают все большее распространение, их ча‑ сто выбирают в качестве замены монохромных ЖК-дисплеев типа Winstar WG320240C, как близкие по физическим размерам видимой области экрана (рис. 4). Основные факторы такого перехода — мень‑ шая цена на TFT и более короткие сроки поставки, чем на монохром‑ ные дисплеи. Новая серия представлена четырьмя микросхемами: FT810, FT811, FT812 и FT813. Первые две производятся в корпусах VQFN‑48 и полно‑ стью совместимы по выводам с микросхемами FT800 (с поддержкой резистивного сенсорного экрана) и FT801 (с поддержкой емкостного сенсорного экрана) соответственно. Эти микросхемы обеспечивают работу с дисплеями по интерфейсу RGB 18 бит. FT812 (с поддержкой резистивного сенсорного экрана) и FT813 (с поддержкой емкостного сенсорного экрана) выпускаются в корпусе VQFN‑56. Они поддержи‑ вают работу с дисплеями по интерфейсу RGB 24 бит [7]. В новых микросхемах FTDI претерпел изменения и интерфейс для связи с МК. Производитель убрал поддержку IIC-интерфейса и доба‑ вил новые возможности интерфейсу SPI. Новый SPI может работать в трех режимах: 1) в стандартном одноканальном режиме, когда линии MISO и MOSI выполняют свои обычные функции; 2) в двухканальном режиме — линии MISO и MOSI служат для парал‑ лельной передачи данных от МК в FT81x. Чтение FT81x осущест‑ вляется в обычном режиме, т. е. линия MISO меняет направление; 3) в четырехканальном режиме на передачу данных от МК работа‑ ют линии MISO, MOSI и дополнительные — IO2 и IO3, чтение из FT81x производится в обычном режиме. Максимальная рабочая частота SPI в одноканальном и двухканальном режимах — 30 МГц, в четырехканальном — 25 МГц. Многоканальные режимы SPI необходимы, если предполагается ис‑ пользование новой функции проигрывания видео, и будут полез‑ ны для ускорения вывода на экран изображений в формате JPEG в максимальном разрешении. Для приложений, где эти функции не требуются, скорости обмена в обычном режиме более чем доста‑ точно. На примере реальных проектов с выводом и обработкой со‑ бытий пользовательского интерфейса успешно справляются МК типа Atmega 128, тактовая частота SPI которых не превышает 5 МГц. Увеличение разрешения в новых графических контроллерах не при‑ водит к увеличению нагрузки на SPI, если мы работаем с графиче‑ ским интерфейсом на базе встроенных функций. В связи с увеличением поддерживаемого разрешения и добавле‑ нием поддержки видео существенно увеличен размер графической памяти RAM_G новых контроллеров. Он составляет 1 Мбайт против 256 кбайт у микросхем FT80x. Эту область памяти нельзя сравни‑ вать с видеобуфером SSD1963. RAM_G используется для хранения в процессе работы пользовательских графических объектов (шрифтов, изображений и звуков) или в качестве временного буфера для видеои аудиофайлов. Пользовательские элементы, например набор шриф‑

Рис. 4. Монохромный графический дисплей Winstar WG320240CX (вверху) и TFT-дисплей Riverdi 7″ RVT70AQFFWR00 (внизу)

тов, могут храниться в ней сколь угодно долго, до сброса контроллера или перезаписи данной области. Кроме пользовательских элемен‑ тов, в этой области могут храниться часто применяемые наборы команд для построения сложных изображений с помощью встроен‑ ных функций графических контроллеров, подробно об этом было рассказано в [6]. Такой подход позволяет, однажды загрузив набор элементов в RAM_G, использовать их по мере необходимости, а их вывод на экран будет осуществляться одной функцией. Микросхемы FT8xx имеют аналог видеобуфера SSD1963, но он скрыт и не доступен разработчику. Причем FT8xx имеют два таких буфера для хранения текущего и следующего за ним кадров изображения. Микросхемы FT81x поддерживают аппаратное изменение ориен‑ тации экрана, чего не было в микросхемах предыдущей серии FT80x. Хотя в некоторых ситуациях эта функция может и пригодиться, сле‑ дует понимать, что изменение указанной производителем ориентации дисплея с матрицей TN может приводить к значительному искажению цветопередачи и снижению контрастности изображения. Дисплеи с матрицами IPS, у которых изменение ориентации дисплея не вы‑ зывает ухудшения качества картинки на экране, пока не получили распространения во встраиваемых приложениях вследствие более вы‑ сокой цены и меньшей доступности, чем дисплеи с матрицами TN. Энергопотребление микросхем новой серии изменилось незначи‑ тельно. В рабочем режиме потребляемый ток равен 22 против 24 мА у FT80x, в режиме Standby — 1,8 против 1,5 мА, в режиме Sleep — 0,76 против 0,25 мА, в режиме Powerdown — 0,17 против 0,001 мА. Повышение энергопотребления в энергосберегающих режимах, в частности, связано с тем, что у новых микросхем не прекращается опрос сенсорных экранов. Микросхемы FT810 и FT812 продолжают опрос сенсорного экрана в режимах Standby и Sleep, при детектирова‑

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

микроконтроллеры

нии касания на линию прерывания INT_N выставляется низкий уро‑ вень. Для микросхем FT811 и FT813 на линию INT_N транслируется состояние линии CTP_INT_N контроллера емкостного экрана во всех трех режимах энергосбережения. Напряжение питания новых микро‑ схем составляет 3,3 В, порты ввода/вывода могут работать в диапа‑ зоне 1,8–3,3 В и не совместимы с 5 В МК. С программной точки зрения кардинальных изменений не произо‑ шло. Приложения, ранее созданные для микросхем FT80x, полностью работоспособны на новых микросхемах. Изменений потребуют толь‑ ко адреса регистров и областей памяти, что связано с увеличением размера RAM_G. Данные изменения в готовом проекте осуществля‑ ются простой заменой заголовочных файлов, которые можно взять из примеров производителя. Кроме указанных выше нововведений, изменения коснулись и неко‑ торых внутренних алгоритмов работы с изображениями, добавлены дополнительные команды для работы со шрифтами и изображения‑ ми. Но эти изменения сложны в оценке их эффективности на осно‑ вании только документации. В будущем, если работа с ними действи‑ тельно даст ощутимый эффект, мы расскажем о них подробнее.

Средства разработки Что требуется для того, чтобы понять и оценить возможности гра‑ фических контроллеров FT80x и FT81x? Для этого производитель предлагает программные и аппаратные средства. В первую очередь имеет смысл ознакомиться с программными средствами и набором готовых примеров. Такие утилиты, как Screen Editor, Screen Designer и программный эмулятор, позволят оценить микросхемы FT8xx

компоненты

87

Рис. 6. Отладочный модуль VM810C50A-D

экраном и звуком. Внешние сигналы и линии интерфейса SPI выве‑ дены на разъем через буфер, что позволяет работать с 5‑В сигналами. На внешний разъем не выведены линии IO2 и IO3, что не позволяет протестировать работу SPI в четырехканальном режиме. Для первого знакомства с возможностями графических контрол‑ леров FTDI производитель предлагает примеры в том числе для MS Visual Studio. Примеры для MS Visual Studio можно тестировать на реальном «железе», например модулях VM810C50A, используя переходные кабели FTDI USB-MPSSE C232HM-EDHSL‑0 (5 В) или C232HMDDHSL‑0 (3,3 В).

Готовые TFT-дисплеи на базе FT81x

Рис. 5. Пример переноса программы с контроллера FT800 на FT812

без привлечения аппаратных средств. Их возможности, назначе‑ ние и принципы работы подробно рассмотрены в [9]. Отметим, что на момент написания статьи в новой версии программы EVE Screen Editor не активирована функция генерации кода для MS Visual Studio. Остальной функционал программы, включая конвертацию изобра‑ жений и шрифтов, действует корректно. Пока достаточно пользо‑ ваться предыдущей версией Screen Editor, которую можно скачать по ссылке [10]. В качестве примера на рис. 5 приведен снимок экрана дисплея RVT70AQFFWR00 с контроллером FT812, отображающий одно из состояний программы, описанной в [9]. Текст этой програм‑ мы, изображения и шрифт взяты из указанного выше примера для FT800 без изменений. В качестве аппаратного средства отладки производитель предла‑ гает модуль VM810C (рис. 6), который поставляется в двух вари‑ антах. В варианте VM810C50A-D в комплект входит плата с уста‑ новленным контроллером FT810 и дисплей с диагональю 5″, раз‑ решением 800×480 точек и резистивным сенсорным экраном. Вариант VM810C50A-N комплектуется только платой графического контроллера. С помощью данных модулей легко оценить все воз‑ можности микросхем серии FT81x — работу с графикой, сенсорным

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Одновременно с выходом новых графических контроллеров ком‑ панией Riverdi начат выпуск дисплеев, которые штатно поставляют‑ ся с установленными платами на базе контроллеров FT812 и FT813. Сегодня данная компания является единственным производителем TFT-дисплеев, который поставляет модели с контроллерами FTDI. В ноябре 2015 года уже доступны следующие модели дисплеев с диа‑ гональю 7″ и разрешением 800480 точек (таблица). Среди стандартных моделей выгодно отличается своим внешним оформлением линейка дисплеев серии uxTouch (рис. 10). Переднее защитное стекло емкостного сенсора имеет декоративную обработ‑ ку и серийно поставляется с окантовкой черного или белого цвета. Дисплей крепится в корпусе прибора с помощью скотча. И, что немаловажно, дисплеи данной серии являются серийными изделиями, ко‑ торые могут поставляться штучно. Возможны изменения формы защитного стекла, цвета окантовки, нанесение надписей и логоти‑

Рис. 7. Дисплей RVT70AQFNWC00

www.kite.ru

компоненты

88

микроконтроллеры

Рис. 8. Дисплей RVT70AQFFWR00

Рис. 10. Дисплей uxTouch без контроллера

Рис. 9. Дисплей RVT70UQFNWC0х в вариантах исполнения с декоративным стеклом черного и белого цвета

Таблица. Модели дисплеев Riverdi на базе контроллеров FT812/FT813 Модель RVT70AQFNWN00 RVT70AQFNWR00 RVT70AQFNWC00 (рис. 7) RVT70AQFFWN00 RVT70AQFFWR00 (рис. 8) RVT70AQFFWC00 RVT70UQFNWC0х (рис. 9)

Яркость, Видимая кд/м2 область, мм

Габаритные размеры, мм

Рабочий Сенсорная панель/ диапазон монтажная рамка температур, °C

164,8×99,8×9,15 164,8×99,8×10,65

Нет/нет Резистивная/нет

350

164,8×99,8×11,45

Емкостная/нет

400

165,6×100,6×9,68

Нет/да

165,6×100,6×11,18

Резистивная/да

350

165,6×100,6×12

350

179,96×119×7,8

Емкостная/да Емкостная/ декоративное стекло, крепление на скотч

400 320

320

154,08×85,92

Рис. 11. Демонстрационная плата Revelation Board

–20…+70

пов, замена стандартного стекла на ударопрочное стекло Dragontrail. Такие варианты делаются под заказ, с поставкой от 500 штук. Компания Riverdi также предлагает набор отладочных плат, тести‑ рующих возможности их дисплеев на базе контроллеров FTDI, а так‑ же оказывающих помощь в разработке. Демонстрационная плата Revelation Board (рис. 11) на базе МК STM32F0 показывает работу TFT-дисплеев на базе графических кон‑ троллеров FTDI. Производителем реализован ряд примеров, которые отображают базовые возможности по работе с графикой, резистив‑ ным и емкостным сенсорными экранами. Все исходные коды приме‑ ров для данной платы доступны на сайте производителя. Переходная плата Break Out Board 20 (рис. 12) представляет собой переход с разъема под плоский шлейф на стандартный штыревой разъем. Такая плата избавляет от проблемы подключения дисплея к различным отладочным средствам на этапах тестирования и раз‑ работки.

Рис. 12. Переходная плата Break Out Board 20

Аналог переходного кабеля FTDI C232HMDDHSL‑0 — плата Hermes Board (рис. 13). Функционально она выполняет аналогичную роль конвертера USB-SPI, но для подключения TFT-дисплеев с FT8xx на ней установлен 20‑контактный разъем под плоский шлейф.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

микроконтроллеры

компоненты

89

мощные МК, что позволит оставить без изменений основной рабо‑ n чий код программы.

Литература

Рис. 13. Отладочная плата Hermes Board

Заключение На текущий момент линейка графических контроллеров FTDI поддерживает самые востребованные разрешения распространен‑ ных дисплеев 3,5, 4,3, 5 и 7″. Дисплеи этих размеров наиболее часто рассматриваются для применения во встраиваемых приложениях. Микросхемы FT8xx сегодня являются наиболее удобным решени‑ ем для перехода с монохромных дисплеев на TFT-дисплеи. Во мно‑ гих случаях микросхемы FTDI помогут избежать перехода на более

новости

1. Долгушин С. Графический контроллер EVE FT800 компании FTDI // Компоненты и технологии. 2013. № 11.

2. Долгушин С. Начинаем работать с графическим контроллером FT800 FTDI // Компоненты и технологии. 2014. № 5.

3. Долгушин С. Графический контроллер EVE FT800 FTDI. Работа с пользо‑ вательскими шрифтами, кнопками и сенсорным экраном // Компоненты и технологии. 2014. № 6.

4. Долгушин С. Графический контроллер EVE FT800 FTDI и микроконтроллер SAMD21 Atmel. Работаем с графическими изображениями // Компоненты и технологии. 2014. № 8.

5. Долгушин С. Графический контроллер EVE FT800 FTDI и микроконтроллер SAMD21 Atmel. Работаем с графическими изображениями // Компоненты и технологии. 2014. № 10.

6. Долгушин С. Графический контроллер FT800. Вывод на экран изображения стрелочного индикатора и оптимальное использование ресурсов управля‑ ющего микроконтроллера // Компоненты и технологии. 2015. № 2.

7. FT81X Embedded Video Engine. Datasheet. www.ftdichip.com/Products/ICs/ FT81X.html 8. FT81x Series Programmers Guide. www.ftdichip.com/Products/ICs/FT81X.html 9. Долгушин С. Графический контроллер FT800. Программные средства раз‑ работки и отладки // Компоненты и технологии. 2015. № 6.

10. www.ftdichip.com/Support/Utilities/FTDI%20EVE%20Screen%20Editor%20 V1.17.zip

кварцевые генераторы

Новые тактовые кварцевые генераторы компании KVG с расширенным диапазоном рабочих температур • выходной сигнал: HCMOS; • стабильность частоты с учетом основных факторов для различных диапазонов рабочих температур: – ±50 ppm (–55…+125 °C), – ±50 ppm (–40…+125 °C), – ±40 ppm (–40…+105 °C); • среднеквадратическое значение джиттера (12 кГц – 20 МГц): <1 пс; • напряжение питания: 1,8; 2,5 или 3,3 В; • размеры корпуса: 2,5×2; 3,2×2,5 мм.

Новые генераторы предназначены для приложений, которым требуется высокостабильный эталонный тактовый сигнал в широком температурном диапазоне. К таким приложениям относится промышленное оборудование, а также оборудование для геотермальных и бурильных работ. Потенциальными областями применения новых генераторов являются авиационная и космическая аппаратура, а также автотехника. www.radiocomp.ru

Реклама

Реклама

Компания KVG выпустила новые тактовые кварцевые генераторы — XO‑25000E и XO‑32000E. Особенностью генераторов является расширенный промышленный диапазон рабочих температур. Новые модели также отличаются очень компактным исполнением. Основные характеристики генераторов XO‑25000E и XO‑32000E соответственно: • диапазон возможных рабочих частот: 1,25–100 МГц;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

проектирование

90

схемотехника

МОП-ключ с малым значением падения напряжения при малом токе утечки

Руслан Домбровский Александр Однолько Михаил Павлюк Александр Серебряков info@milandr.ru

В

системах с низким напряжением пи‑ тания и током потребления основная сложность разработки современного ключа заключается в двух нежелательных яв‑ лениях — утечка закрытого ключа и падение напряжения на открытом. Преодолеть эти затруднения легче с помощью полевых тран‑ зисторов, поскольку у них есть преимуще‑ ства перед ключами на биполярных транзи‑ сторах: малое сопротивление в открытом со‑ стоянии, высокое сопротивление в закрытом состоянии, незначительная мощность, по‑ требляемая от источника управляющего сиг‑ нала. На рис. 1 изображены классические схе‑ мы построения аналоговых ключей на МОПтранзисторах. Верхний уровень напряжения на затворе Uупр является открывающим для таких структур; при подаче нижнего уровня Uупр транзисторы закрыты. Архитектура, представленная на рис. 1а, представляет собой простейший вариант по‑ строения ключа, но для коммутации напряже‑ ний во всем диапазоне напряжений питания требует дополнительной схемы, создающей повышенное напряжение на затворе в от‑

а

Сегодня в мире электроники представлено огромное число разнообразных аналоговых ключей, реализованных на МОП-транзисторах. С момента появления их первых версий было создано множество специализированных схем. Современная электроника движется по пути увеличения скорости, а следовательно, и уменьшения размерности элементов интегральных схем. Это влечет за собой некоторые сложности, которые стоят перед разработчиком [1].

крытом состоянии. Комплементарная пара (рис. 1б) обладает некоторыми отличиями в сравнении с первой архитектурой: при па‑ раллельном соединении p‑ и n‑канальных транзисторов сопротивление в открытом состоянии (Rвх) меньше зависит от входно‑ го напряжения, если пренебречь влиянием температуры, напряжения питания, а также зависимостью сопротивления в открытом со‑ стоянии от входного аналогового напряже‑ ния. Третья архитектура (рис. 1в) имеет на‑ пряжение на кармане, зависимое от состоя‑ ния коммутации, что позволяет снизить ток утечки, но повысить входное сопротивление в открытом состоянии, а значит, и напряже‑ ние падения на ключе. В идеале следует стре‑ миться к минимизации сопротивления (Rвх) и тока утечки (Iут), что поможет сократить потери в ключе и задержку распространения сигнала. Простое уменьшение Rвх реализуется изменением отношения ширины (W) к длине (L) канала МОП-транзистора, что, в свою оче‑ редь, приведет к росту тока утечки закрытого состояния и паразитных емкостей, сужающих рабочую полосу частот ключа [2, 3].

На рис. 2 представлена архитектура пред‑ лагаемого ключа. Ключ построен на ос‑ нове схемы параллельно включенных p‑ и n‑канальных МОП-транзисторов с управ‑ ляемыми карманами посредством инверторов (VT3–VT4, VT5–VT6) c использованием ис‑ точников тока (I1, I2). На рис. 3 представлена структура p‑ и n‑канальных полевых транзисторов с то‑ ками, поясняющими принцип работы схе‑ мы, показанной на рис. 2. Главная задача схемы — обеспечить высокую проводимость транзисторов в открытом состоянии и низ‑ кую в закрытом. Это осуществляется инвер‑ тором Инв.1 на транзисторах VT3 и VT4 c ис‑ точником тока I1 для транзистора VT1 и ин‑ вертором Инв.2 на транзисторах VT5 и VT6 c источником тока I2 для транзистора VT2. Принцип работы левой части схемы диа‑ метрально противоположен правой за ис‑ ключением тока коммутации и представля‑ ет собой следующее. В открытом состоянии на затворе p‑канального транзистора VT1 (рис. 3а) формируется напряжение низкого уровня. Одновременно с этим напряжение

б

в

Рис. 1. Классические архитектуры аналоговых МОП-ключей: а) ключ на одном транзисторе; б) ключ с использованием комплементарной пары транзисторов; в) ключ с «плавающим карманом»

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

схемотехника

проектирование

91

на входе инвертора Инв.1 (рис. 2) имеет вы‑ сокий уровень. Транзистор VT4 переходит в открытое состояние, таким образом по‑ является ток источника I1, приложенный к выводу кармана транзистора (рис. 3) и до‑ полнительно повышающий проводимость. Высокая проводимость обеспечивается сме‑ щением напряжения кармана (Uкарм.) отно‑ сительно напряжения стока (Uc), истока (Uи). При этом выполняются следующие условия:

Uкарм. < (Uc, Uи), Uвх > Uвых, i.I1′ >> i.I1″, i.I1′ ≈ I1. В закрытом состоянии ключа, при фор‑ мировании напряжения высокого уровня на затворе транзистора VT1, инвертор Инв.1 формирует напряжение высокого уровня, тем самым переводя транзистор VT4 в за‑ крытое состояние и ограничивая ток I1, а транзистор VT3 — в открытое состояние, что снижает проводимость VT1 и умень‑ шает ток утечки в закрытом состоянии. Предложенная архитектура не может быть использована в технологиях с неизолирован‑ ным n‑канальным транзистором. В таблице приведены сравнения основ‑ ных параметров представленных клю‑ чей по результатам моделирования в среде Cadence на моделях транзисторов TSMC 40 нм. Сравниваемые ключи моделирова‑ лись при одинаковых условиях, общим при‑ знаком сравнения была площадь. Общий размер каждого ключа составлял 2000 мкм ширины к 600 нм длины, при равных раз‑ мерах транзисторов p‑ и n‑типов проводи‑ мости. Напряжение питания составляет 3,3 В,

Рис. 2. Аналоговый ключ с управляемым карманом

ток нагрузки в открытом состоянии задан 10 мА. Токи I1 = I2, эффект снижения про‑ водимости наступает при токах более 10 нА. Из таблицы видно, что при использова‑ нии всей доступной площади простейший ключ (рис. 1а) имеет наименьшее входное сопротивление при малом Uвх, но при этом наибольший ток утечки в закрытом состо‑ янии. В случае если входное напряжение равно управляющему, сопротивление клю‑ ча достигает 116 Ом, при условии Uвх = Uвх применять данный ключ нецелесообразно. Комплементарная пара (рис. 1б) решает про‑ блему ключа на одном n‑канальном тран‑ зисторе, также возможно уменьшить ток утечки. Комплементарный ключ с «плаваю‑ щим карманом» (рис. 1в) имеет малый ток

Литература

Таблица. Сравнения основных параметров представленных аналоговых ключей Параметр

Сопротивление в открытом состоянии Rвх, Ом Ток утечки в закрытом состоянии Iут, нА

утечки закрытого состояния, входное сопро‑ тивление в таком включении значительно увеличится в сравнении с комплементарной парой. Предложенная архитектура ключа с управляемым карманом (рис. 2), построен‑ ная на основе комплементарной пары, осно‑ вывается на ее свойствах (рис. 1б), но обла‑ дает меньшим сопротивлением и меньшим током утечки в закрытом состоянии. Предложенная архитектура отличается преимуществами, позволяющими исполь‑ зовать ее в быстродействующих системах c низким напряжением питания и высокими требованиями к току потребления. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки России (Соглашение № 14.576.21.0064 от 06.11.2014 г.). n

Uвх, В

Простейший ключ на одном транзисторе (рис. 1а)

Комплементарная Комплементарный ключ Предложенная архитектура пара с «плавающим карманом» ключа с управляемым карманом (рис. 1б) (рис. 1в) (рис. 2)

3,3

116,4

6,3

25,7

5,7

2

4,6

5,3

11,2

2,3

1,5

1,2

2,4

8

1,7

3,3

1,3

0,69

1,1

0,69

2

0,34

0,17

0,21

0,17

1,5

0,29

0,12

0,06

0,12

1. Munir U., Canny D. Selecting the Right CMOS Analog Switch. Elektronikpraxis, 2012.

2. Волович Г. И. Аналоговые коммутаторы // Схемотехника. 2001. № 5.

3. Бабаян Р. Р. Аналоговые коммутаторы и клю‑ чи / Труды конференция «Технические и про‑ граммные средства систем управления, контро‑ ля измерений». Москва, 2010.

а

б

Рис. 3. Структура полевого транзистора, демонстрирующая токи схемы рис. 2: а) для n‑канального; б) p‑канального типа проводимости

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

92

проектирование

схемотехника

Фазовый преобразователь угла со статистическим контуром обратной связи для СКВТ высокой точности

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

В

данной статье предложены новые ре‑ шения с использованием программноаппаратных средств для построения многофункциональных фазовых преобра‑ зователей угла, основы функционирования которых были описаны в отечественной ли‑ тературе еще в [3]. Один из ключевых моментов данной ста‑ тьи — замена элементарного разностного звена, традиционно используемого во всех без исключения структурных схемах авто‑ матического регулирования, на более «ин‑ теллектуальное» статистическое звено. Идеологически отличаясь от хорошо извест‑ ного фильтра Кальмана, звено такого типа позволяет в реальном времени формировать текущее значение ошибки управления с по‑ мощью математического регрессионного анализа всех ее предшествующих значений и тем самым устранить влияние случайных флуктуаций сигналов в контуре обратной связи на точность преобразования. Синтезирован цифровой следящий алго‑ ритм. Совместно со статистическим звеном регрессионной обработки он предоставляет возможность достоверно получить до 20 раз‑ рядов и более в двоичном коде измеряемого угла СКВТ.

На практике часто используют включение синусно-косинусного трансформатора (СКВТ) по схеме фазового вращателя [1, 2]. Теперь, с появлением новых электронных компонентов, в том числе микроконтроллеров, для повышения точности измерений угла поворота СКВТ можно применить такие методы, которые раньше реализовать было не на чем.

лировании СКВТ на ЭВМ и по результатам предварительно проведенных испытаний. Эти примеры, однако, лишь частично касаются вопросов разработки средств для повышения точности измерений следящей системой СКВТ при ее функционировании на объекте в реальном времени. В данной статье: • во‑первых, синтезирован компактный алгоритм следящей системы многофунк‑ ционального преобразователя угла фазо‑ вого типа, способный работать в реальном времени; • во‑вторых, новым техническим решени‑ ем является замыкание контура обратной связи следящей системы преобразователя с помощью статистического звена, устра‑ няющего влияние флуктуаций управля‑ ющего воздействия и сигнала обратной связи. Это решение позволяет повысить точность измерений. Аналитический обзор многочисленной литературы по классической теории автома‑

тического управления, например [7], позво‑ ляет утверждать, что замена традиционного разностного звена, применяемого во всех без исключения структурах следящих си‑ стем, на статистическое звено с программной математической регрессионной обработкой предшествующих значений ошибок, возник‑ ших на протяжении всего процесса управле‑ ния в масштабе реального времени, является новым техническим решением. Это важное структурное отличие отражено на рис. 1, где F(t) — входное воздействие (целеуказание); U1(t) — сигнал ошибки управления; U2(t) — выходной сигнал управления; U3(t) — сигнал датчика; U4(t) — сигнал канала обратной свя‑ зи; W(p) — передаточная функция прямого канала; K — передаточная функция канала обратной связи; R — статистическое (раз‑ ностное) звено. Известно, что в структурных схемах сле‑ дящих систем традиционно используют разностное звено, выполняющее операцию всего лишь элементарного алгебраического

Введение а

Результаты глубокого изучения влия‑ ния стационарных случайных флуктуаций на точность работы следящей системы (в том числе для преобразователя угла СКВТ) пред‑ ставлены, например, в работах [4, 5]. В них предложены методы парирования стацио‑ нарных случайных дискретных процессов с известным математическим ожиданием и корреляционной функцией. В [6] описаны способы расчета статистиче‑ ской методической погрешности измерений, получаемой в тестовом режиме при моде‑

б

Рис. 1. Две структуры следящих систем: а) традиционная структура содержит разностное звено (отмечено красным цветом); б) предложенная структура со статистическим звеном (отмечено красным цветом)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

схемотехника

Рис. 2. Включение СКВТ по схеме фазовращателя

вычитания. При этом ошибка управления U1(t) получается вычитанием из значения целеуказания F(t) значения сигнала обрат‑ ной связи U4(t), пропорционального сигна‑ лу, полученному от датчика исполняющего устройства. Далее эта ошибка вводится в зве‑ но с функцией передачи W(p), формирую‑ щее сигнал U2(t) для управления исполняю‑ щим устройством. При этом анализ динами‑ ки следящих систем выполняется без учета случайных вариаций ошибки управления. Однако на практике и сигнал целеуказания, и сигнал датчика исполняющего устройства имеют случайные (не методические!) флук‑ туации, связанные с реальными условиями эксплуатации. В структурной схеме невоз‑ можно придумать «звено» со сколь-нибудь детерминированной функцией передачи, чтобы заранее, в тестовом режиме, верифи‑ цировать, отстроить или настроить дина‑ мику от этих флуктуаций: они неминуемо приводят к ухудшению точности и воспро‑ изводимости результатов работы следящей системы. Эффективным, а часто и единственным «средством борьбы» в таких случаях счита‑ ют введение в структуру следящей системы фильтра Кальмана, способного работать в реальном времени.

Справедливости ради, для дальнейшего изложения с применением теории линейного автоматического регулирования, аксиома‑ тически примем, что абсолютные величины случайных возмущений не приводят к воз‑ никновению незатухающих переходных процессов, а сама система все время остается устойчивой и линейной. Этому способству‑ ют выбранные передаточные функции зве‑ ньев следящей структуры. При включении СКВТ по схеме фазовра‑ щателя (рис. 2) обе его первичные фазные обмотки должны возбуждаться генератором гармонических сигналов соответственно си‑ нусной и косинусной формы [1, 2]. Далее, с помощью компаратора сигнала «синусной»

проектирование

93

фазной обмотки возбуждения, компаратора сигнала выходной обмотки СКВТ и логиче‑ ской схемы последовательностного конечно‑ го автомата Log формируют сигналы Com1, Com2 и Gate, показанные на временной диа‑ грамме (рис. 3). Наиболее чувствительным к флуктуациям и при этом играющим большую роль в до‑ стижении точных результатов измерений является N‑разрядный CNTR-счетчик мер‑ ных импульсов, входящий в состав схемы (рис. 2) и управляемый сигналом Gate. В за‑ висимости от направления вращения вала СКВТ, вперед или назад, в обоих случаях счетчик CNTR мерных импульсов форми‑ рует цифровой N‑разрядный код, пропорци‑ ональный углу поворота СКВТ, причем для точных преобразователей N может достигать 20 разрядов и даже больше. Мерные импуль‑ сы должны иметь кварцевую стабилизацию частоты. Об особенностях построения логи‑ ческой схемы последовательностного конеч‑ ного автомата Log для процесса преобразова‑ ния длительности импульса в цифровой код с помощью квантизатора временных интер‑ валов рассказано в [8]. На рис. 1б этот код обозначен как входное воздействие F(t) (целеуказание) и использу‑ ется далее при синтезе следящего алгоритма.

Синтез цифрового следящего алгоритма с регрессионным статистическим звеном в контуре обратной связи Учитывая пожелания и результаты, полу‑ ченные при разработке многофункциональ‑

Рис. 4. Структура предлагаемого многофункционального цифрового следящего алгоритма с регрессионным статистическим звеном в контуре обратной связи

а

б

Рис. 3. Временные диаграммы сигналов при включении СКВТ по схеме фазовращателя, показаны два случая направления вращения вала СКВТ: а) прямое; б) реверсивное

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

94

проектирование

схемотехника

ного цифрового фазового преобразователя угла, описанного в [2], [3], введем в контур обратной связи регрессионное статистиче‑ ское звено в виде, показанном на рис. 1б, и, кроме того, создадим дополнительные вы‑ ходы, придающие многофункциональность фазовому преобразователю (рис. 4). Отобразим систему уравнений, описываю‑ щих эту структуру (рис. 5): (1)

(2)

Первое уравнение из системы (2) Ему соответствует математическая модель регрессионного статистического звена в кон‑ туре обратной связи. В фильтре Кальмана используют линей‑ ный регрессионный математический аппарат (иногда применяют и нелинейную регрес‑ сию). В данном случае в качестве передаточ‑ ной функции предложена альтернативная, целевая функция ошибки (ЦФО), напомина‑ ющая функцию фильтра Кальмана, но име‑ ющая взаимно независимые коэффициенты регрессии α и β:

Рис. 5. Блок-схема цифрового следящего алгоритма с регрессионным статистическим звеном в контуре обратной связи для высокоточного преобразователя угла СКВТ, включенного по схеме фазового вращателя

Решая систему (4), получим:

(3) где F(t) — сигнал целеуказания, рад; U5(t) — сигнал обратной связи, В; α (рад/В), β (рад) — размерные коэффициенты регрес‑ сии, в общем случае зависят от N; N — коли‑ чество точек измерения. По мере работы ал‑ горитма в реальном времени, количество то‑ чек, естественно, растет, а из-за сходящегося следящего процесса величина регрессионной ошибки очевидно имеет в пределе значение ЦФО = U1(t) = 0. Для процедуры программы статистиче‑ ской обработки необходимо в явном виде иметь формулы для вычисления коэффи‑ циентов α и β в (3). Математически эта за‑ дача сводится к нахождению минимума ЦФО, а потому следует записать и решить линейную систему уравнений, составленную из частных производных ЦФО по коэффи‑ циентам α и β. Приравняв уравнения к нулю, чтобы найти экстремум, после простых пре‑ образований получим:

(5)

где

(6)

Поскольку ЦФО (3) представлена четной функцией, то текущую ошибку следует вы‑ числять так:

U1(t) = F(t)–α0U5(t)+β0, (4)

(7)

подставляя значения α0 = α, β0 = β, вычис‑ ленные по (5).

Вычисления значений α и β в реальном масштабе времени потребуют определен‑ ных вычислительных ресурсов. Для это‑ го уравнения (5, 6 и 7) следует представить в рекуррентном виде, но эта несложная за‑ дача и выбор элементной базы легко реша‑ ются с применением современных микро‑ контроллеров (например, примененного Atmel Atmega‑328P или практически любо‑ го микроконтроллера из семейств PIC‑18 или PIC‑23). Теперь перейдем к остальным уравне‑ ниям системы (2), применяя к ним метод алгебраического Е‑операторного преоб‑ разования дифференциальных уравнений. Этот эффективный метод преобразования дифференциальных уравнений к виду алге‑ браических разностных уравнений описан в [9]. Напомним, что E‑оператор аналогич‑ но оператору Лапласа позволяет «заменить» операции дифференцирования на совокуп‑ ность алгебраических действий. Причем оператор p k надо заменить на выражение (1–E)k/Δt k и затем явно выписать выходную переменную в виде разностного алгебраиче‑ ского уравнения с параметром времени. Второе уравнение из системы (2) Физически оно выражает значение углово‑ го ускорения вращения вала СКВТ. С учетом (6) ему соответствует: (8)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

схемотехника

Используя Е‑метод [9] преобразования операторного уравнения в разностное алге‑ браическое уравнение, получим:

(9)

Третье уравнение из системы (2) Физически оно выражает значение угло‑ вой скорости вращения вала СКВТ. Опять используя Е‑метод, получим разностное ал‑ гебраическое уравнение:

U3(t) = U2(t)∆t+EU3(t).

(10)

Четвертое уравнение из системы (2) Физически оно выражает значение угла поворота вала СКВТ. Аналогично, используя Е‑метод, получим разностное алгебраическое уравнение:

U4(t) = U3(t)∆t+EU4(t).

(11)

Пятое уравнение из системы (2) Ему соответствует совсем простое алгебра‑ ическое уравнение:

U5(t) = U4(t)K2.

(12)

Полученные уравнения (7, 9, 10, 11, 12) очевидно полностью описывают структуру блок-схемы алгоритма, и теперь осталось только, строго (!) следуя полученным урав‑

новости

нениям, нарисовать блок-схему алгоритма цифрового фазового следящего преобразо‑ вателя угла СКВТ высокой точности с регрес‑ сионным статистическим звеном в контуре обратной связи (рис. 5). Напомним, что все коэффициенты — чис‑ ловые константы, вычисляемые в процессе программирования до момента прошивки в flash-память микропроцессора. Замечания к программной реализации ал‑ горитма: • для реализации формул (7, 9, 10, 11, 12) на практике можно использовать недо‑ рогой микроконтроллер, например из се‑ мейств PIC18F, AVR Atmega или Cortex M3; • в регистрах хранятся глобальные пере‑ менные типа Real (действительное число), адресуемые указателем стека.

Выводы 1. Синтез альтернативного алгоритма выпол‑ нен с учетом особенностей многофункцио‑ нального цифрового преобразователя угла, приведенного в отечественной литерату‑ ре [3].

2. Представленный алгоритм настолько ком‑ пактен, что позволяет реализовать его про‑ граммно-аппаратными средствами на ос‑ нове современных недорогих микрокон‑ троллеров, например PIC18F, AVR Atmega или Cortex M3.

3. Синтез алгоритмов проведен с примене‑ нием математического Е‑операторного метода, изложенного в [9], позволяющего получить компактные алгоритмические структуры для построения по ним реаль‑ ных вычислительных программ. n

проектирование

95

Литература 1. Сафронов В. Теория и практика применения датчиков угла поворота на основе СКВТ // Компоненты и технологии. 2014. № 4.

2. Смирнов Ю. С. Электромехатронные преобра‑ зователи / Под ред. А. Л. Шестакова. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2013.

3. Домрачев В. Г., Матвеевский В. Р., Смирнов Ю. С. Схемотехника цифровых преобразователей пе‑ ремещений. М.: Энергоатомиздат, 1987.

4. Черноруцкий Г. С., Сибрин А. П., Жабреев В. С. Следящие системы автоматических манипулято‑ ров / Под ред. Г. С. Черноруцкого. М.: Наука, 1987.

5. Смирнов Ю. С. Развитие метода Г. С. Черноруцкого для определения вероятности устой‑ чивости импульсной системы. Актуальные про‑ блемы автоматизации и управления / Научнопрактическая конференция. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ (НИУ), 2013.

6. Воронин Н. Н., Домрачеев В. М., Сигачев И. П. и др. Цифровые преобразователи угла с коррек‑ цией начальной погрешности преобразователя. Измерительная техника. М.: Изд-во стандартов, 2007. № 1.

7. Попов Е. П. Теория линейных систем автомати‑ ческого регулирования и управления. М.: Наука, 1989.

8. Сафронов В. В. Способ выделения пачек прямоугольных импульсов из непрерывной последо‑ вательности произвольным асинхронным стробсигналом // Компоненты и технологии. 2014. № 9.

9. Сафронов В. В. Синтез разностных алгоритмов управления цифровыми следящими электро‑ приводами мобильных роботов Е‑операторным методом // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектро‑ ника». 2015. Т. 15. № 2.

АЦП/ЦАП

Безлицензионный высокоскоростной АЦП LM15851 от Texas Instruments Компания Texas Instruments представляет микросхему LM15851 — интегральное устройство для применения в широкодиапазонных цифровых приемниках. Микросхема содержит целую систему аналоговой и цифровой обработки, модуль сверхширокополосного семплирования, цифровой фильтрации и подстройки частоты, а также современный интерфейс для последовательной передачи выходного цифрового потока данных. Устройство комбинирует системы для реализации AFE сверхскоростной с конфигурируемым цифровым блоком частотной настройки. Такая комбинация обеспечивает отличные характеристики для разработки гибких программно настраиваемых подсистем, цифровых тюнеров с широкой полосой для связных радиостанций различных приложений. Основные параметры микросхемы LM15851: • максимальная частота выборок: 4000 MSPS;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

• минимальная частота выборок: 1000 MSPS; • размер цифрового слова с выхода DDC: 30 разрядов (комплексное число I/Q); • малый уровень шума и высокая линейность вплоть до частот 3 ГГц; • конфигурируемый режим DDC; • программируемый фактор децимации от 4 до 32; • при 4000 MSPS и 4‑кратном факторе децимации достижима полоса полезного сигнала 800 МГц; • при 4000 MSPS и 32‑кратном факторе децимации достижима полоса полезного сигнала 100 МГц; • IMD3 (интермодуляционные искажения): –64 дБc (Fin = 2140 МГц + –30 МГц при –13 дБFS); • FPBW (–3 дБ) полный диапазон входного сигнала, при котором гарантируется преобразование с уменьшением мощности сигнала на 3 дБ: 3,2 ГГц;

• низкая величина джиттера выходного сигнала: менее 1,4 пс при 8000 МГц; • низкопрофильный интерфейс класса 1 JESD204B с малым числом выводов; • автоматический выбор и определение числа линий интерфейса JESD204B; • встроенный сигнал контроля уровня выходного сигнала с малой задержкой; • малое потребление: 2 Вт (при 4000 MSPS и факторе децимации 10); • в неактивном режиме: менее 50 мВт; • напряжение питания: 1,9 и 1,2 В; • корпус: низкопрофильный VQFN‑68 размером 10×10 мм; • рабочий температурный диапазон: –40…+85 °C; • температура хранения: –65…+150 °C. Доступен бесплатный отладочный набор. www.ptelectronics.ru

www.kite.ru

96

новости

сенсорные переключатели

Емкостный сенсорный переключатель CTS от «Дана Печатная Электроника» зовать любое количество независимых сенсорных переключателей CTS в одной системе, что не связано с применением жестких плат и не имеет ограничений в размерах. В базовом исполнении CTS оснащен шлейфом с тремя контактами. Подключение сводится к подаче питающего напряжения 5 В DC, после чего устройство активно и работает в заданном режиме. Переключатель CTS имеет промышленный клеевой слой, с помощью которого крепится на тыльную сторону той поверхности, которую нужно сделать активной. Чувствительность сенсора позволяет работать через различные диэлектрические материалы толщиной до 10 мм. Это может быть стекло, пластик, дерево и другие непроводящие материалы. Переключатель CTS действует в режиме «кнопка» или «триггер», каждый из которых, в свою очередь, может быть прямым или инвертированным. Кроме этого, переключатели производятся с двумя уровнями чувствительности, рассчитанными на материалы 3–5 и 5–10 мм. Исполнение должно быть определено при заказе.

В качестве опции предлагается встроенная светодиодная подсветка, а также нанесение любого графического изображения, что очень удобно при работе с прозрачными материалами. Из ограничений следует отметить невозможность использования CTS на проводящих поверхностях и необходимость ограничения амплитуды пульсаций питающего напряжения. Компания «Дана Печатная Электроника» разработает сенсорный переключатель по индивидуальным требованиям заказчика и произведет его в любом необходимом количестве. www.dana-nn.ru

Реклама

Нижегородская компания «Дана Печатная Электроника» представляет свою новую разработку — емкостный сенсорный переключатель CTS. Теперь достаточно взять необходимое количество переключателей CTS, соединить их с МК или управляемыми устройствами напрямую и наслаждаться новыми возможностями. Переключатель CTS представляет собой самодостаточное устройство, несущее на борту емкостный сенсор и одноканальный непрограммируемый контроллер, который по событию (прикосновению) формирует на выходе определенный логический уровень. Благодаря использованию пленочных технологий функционал реализован в толщине всего 2 мм. Поверхность не придется сверлить или иным образом портить ее изначальное состояние. Переключатель CTS не нужно программировать. Назначение переключателя CTS — формирование входных дискретных сигналов для МК или прямое управление SSR (или ключами на основе полевых транзисторов). Ток выходного канала ограничен 10 мА. Таким образом, можно исполь-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

98

проектирование

САПР

Работа с редактором штампа чертежа в Multisim 12.0 Татьяна Колесникова beluikluk@gmail.com

Для создания и редактирования основных надписей чертежей в программной среде Multisim предусмотрен специальный редактор штампа, работа с которым и будет рассмотрена в настоящей статье.

Введение Поскольку основные надписи чертежей, которые поставляются с системой Multisim, не отвечают ЕСКД, при подготовке конструк‑ торской документации инженеру необходи‑ мо самостоятельно вычертить их по форме 1 ГОСТ 2.104-2006, чтобы потом использовать при оформлении разрабатываемых проек‑ тов. В Multisim имеется большое количество инструментов для профессионального про‑ ектирования, один из них — редактор штам‑ па, предназначенный для создания углового штампа чертежа.

Обзор инструментов редактора штампа Редактор штампа — это специализиро‑ ванный графический редактор системы Multisim, применяемый для создания и ре‑ дактирования углового штампа чертежа. Для запуска редактора необходимо в Multisim в основном меню «Инструментарий» выбрать пункт «Редактор штампа», в результа‑ те чего будет открыто окно «Создание штампа» (рис. 1). Для создания текстовых надписей, полей и графики углового штампа, которая со‑ стоит из прямых линий, редактор предоставля‑ ет набор средств, размещенных на инструмен‑ тальных панелях, а также на вкладке «1 слой графики» (рис. 2). Число строк данной вкладки зависит от количества элементов в штампе. В каждой отдельной строке для каждого эле‑ мента могут быть указаны такие параметры: • для графических элементов штампа: наи‑ менование графики, стиль линии, ширина и цвет линии, узор и цвет заполнения; • для текстовых элементов и полей штампа: наименование, цвет текста, шрифт, стиль и размер текста. Редактор штампа содержит следующие инструментальные панели: • «Стандартная панель»; • «Панель масштаба»; • «Панель рисования»; • «Панель расположения».

Рис. 1. Окно редактора «Создание штампа»

Рис. 2. Угловой штамп чертежа и значения параметров его элементов на вкладке «1 слой графики»

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

«Панель масштаба» предназначена для масштабирования изображения штампа чер‑ тежа в рабочей области редактора и содержит следующие инструменты: • «Увеличение»; • «Масштаб 100%»; • «Уменьшение». При помощи инструментов «Стандартной панели» можно копировать, вставлять и уда‑ лять элементы штампа чертежа в рабочей об‑ ласти редактора. «Панель рисования» предназначена для рисования контура штампа чертежа и других элементов графики, добавления текстовых надписей и полей и включает следующие ин‑ струменты: • «Выделение»; • «Рисование прямоугольника»; • «Рисование линии»; • «Рисование окружности»; • «Рисование эллипса»; • «Рисование ломаной линии»; • «Рисование полигона»; • «Рисование эллипсной дуги»; • «Сегментная дуга»; • «Нанести кривую»; • «Нанесение текста»; • «Вставка изображения»; • «Установить элемент заголовка». Инструмент «Нанесение текста» исполь‑ зуется для добавления текстовых надписей в штамп чертежа. После нажатия левой кноп‑ кой мыши на пиктограмму данного инстру‑ мента открывается окно «Ввод текста» (рис. 3), в котором можно задать шрифт, стиль, размер, цвет текста. А в поле «Ввод текста» непосред‑ ственно ввести текст. В поле «Поворот» уста‑ новкой переключателя в необходимую пози‑ цию задается ориентация текстовой надписи: горизонтальная или вертикальная. Открыть окно «Ввод текста» также можно командой «Графика/Текст» основного меню редактора. Инструмент «Выделение» помогает вычленить элементы основной надписи чер‑ тежа в рабочей области редактора штампа. Нажав на пиктограмму инструмента, мож‑ но левой кнопкой мыши обособить и пере‑ местить графические и текстовые элементы штампа, а также поля. Инструмент «Вставка изображения» пред‑ назначен для того, чтобы поместить в рабо‑

Рис. 3. Окно «Ввод текста»

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

чую область редактора изображение, рас‑ положенное на диске компьютера. После нажатия на пиктограмму инструмента от‑ крывается окно проводника Windows, в ко‑ тором можно выбрать необходимый файл с расширением .bmp. Параметры полей, элементов графики и текста создаваемого штампа настраиваются на вкладке «1 слой графики». Причем каж‑ дый отдельный элемент вынесен на отдель‑ ную строку, что позволяет устанавливать для него свои параметры. «Панель расположения» предназначена для настройки размещения графических и текстовых элементов, а также полей отно‑ сительно друг друга и содержит следующие инструменты: • «Выравнивание по левому краю» — сме‑ щает выделенный графический/текстовый элемент или поле штампа чертежа по го‑ ризонтали таким образом, что его левая сторона выравнивается относительно ле‑ вой стороны самого левого из выделенных элементов. Пиктограмма данного инстру‑ мента становится активной только в том случае, когда выделено больше одного элемента штампа.

• «Выравнивание по правому краю» — сме‑ щает выделенный графический/текстовый элемент или поле штампа чертежа по го‑ ризонтали так, что его правая сторона вы‑ равнивается относительно правой стороны самого правого из выделенных элементов. Пиктограмма данного инструмента стано‑ вится активной только в том случае, когда выделено больше одного элемента штампа.

• «Выравнивание по верхнему краю» — сме‑ щает выделенный графический/текстовый элемент или поле штампа чертежа по вер‑ тикали таким образом, что его верхняя сто‑ рона выравнивается относительно верхней стороны самого верхнего из выделенных элементов. Пиктограмма данного инстру‑ мента активируется, только если выделено больше одного элемента штампа.

• «Выравнивание по нижнему краю» — сме‑ щает выделенный графический/текстовый элемент или поле штампа чертежа по вер‑ тикали так, что его нижняя сторона вырав‑ нивается относительно нижней стороны самого нижнего из выделенных элементов. Пиктограмма данного инструмента ста‑ новится активной, только когда выделено больше одного элемента штампа.

• «Привязать к сетке» — привязывает выде‑ ленные элементы штампа чертежа к сетке рисования.

• «Изменить границы контура» — измене‑ ние размера границы сетки рисования.

• «Распределить по горизонтали» — распре‑ деляет выделенные элементы штампа чер‑ тежа по горизонтали таким образом, чтобы расстояния между ними были равными. Пиктограмма инструмента становится ак‑ тивной, только если выделено больше двух элементов штампа.

проектирование

99

• «Распределить по вертикали» — распреде‑ ляет выделенные элементы штампа чер‑ тежа по вертикали таким образом, чтобы расстояния между ними были равными. Пиктограмма инструмента становится ак‑ тивной только в том случае, когда выделе‑ но больше двух элементов штампа.

• «Перенос объекта на передний план» — размещает выделенный элемент на перед‑ нем плане относительно других элементов создаваемого штампа чертежа.

• «Перенос объекта на задний план» — раз‑ мещает выделенный элемент на заднем плане относительно других элементов создаваемого штампа чертежа.

• «Поворот на 90° против часовой» стрел‑ ки — поворачивает выделенные элемен‑ ты штампа чертежа на 90° против часовой стрелки.

• «Поворот на 90° по часовой» стрелке — по‑ ворачивает выделенные элементы штампа чертежа на 90° по часовой стрелке.

• «Зеркально по горизонтали» отразить — отражает выделенные элементы штампа чертежа по горизонтали.

• «Зеркально по вертикали» отразить — от‑ ражает выделенные элементы штампа чер‑ тежа по вертикали.

• «Группирование объектов» — связы‑ вает выделенные графические/тексто‑ вые элементы или поля штампа чертежа в группу. Здесь необходимо отметить, что группированием называется операция, соединяющая отдельные объекты и/или ранее созданные совокупности в груп‑ пу. Связывание объектов в группу по‑ зволяет обращаться с ними как с единым целым. Для того чтобы сгруппировать элементы штампа чертежа в редакторе штампа, следует выделить их и щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме «Группирование объектов». Операция группирования обратима, и полученную в ее результате группу можно снова пре‑ вратить в отдельные элементы штам‑ па чертежа при помощи инструмента «Разделение группы».

• «Разделение группы» — разъединяет име‑ ющуюся группу. Для того чтобы разделить ранее созданную группу, преобразовав ее в совокупность выделенных элементов штампа чертежа и дочерних групп (если таковые входили в состав этой группы), необходимо выделить группу и щелкнуть левой кнопкой мыши на пиктограмме «Разделение группы». Для оформления основных надписей чер‑ тежей при создании форматов удобно ис‑ пользовать поля. В редакторе штампа под понятием «поле» подразумевается текстовый объект, связанный с проектом схемы, значе‑ ние которого может быть установлено вруч‑ ную на схеме. Необходимо понимать раз‑ ницу между объектами «поле» и «текстовая надпись» редактора штампа. Редактирование текстовых надписей штампа чертежа www.kite.ru

100

проектирование

САПР

Таблица. Список полей и их применение Код поля

Применение

#TITLE #DSCRPT #DESIGNED #CHECKED #APPROVED #DOC_N #DATE #SN

Заголовок Описание Разработано Проверено Утверждено Номер документа Дата Номер текущего листа Общее количество листов Исправлено Формат Выбрать поле 1 Выбрать поле 2 Выбрать поле 3 Выбрать поле 4 Выбрать поле 5

#TSN

Рис. 4. Список полей редактора штампа

#REV #FMT #CUSTOM_1 #CUSTOM_2 #CUSTOM_3 #CUSTOM_4 #CUSTOM_5

а

на схеме недоступно, это действие можно выполнить, вернувшись в редактор штампа. Значения полей в редакторе штампа не вводятся, они заполняются на схеме в проекте Multisim. В отличие от тексто‑ вых надписей поля в редакторе штампа по умолчанию подсвечены зеленым цветом. Список полей можно открыть, используя пункт «Поля» основного меню редактора штампа или нажав на пиктограм‑ му «Установить элемент заголовка» на панели рисования (рис. 4). Список полей, которые определены в редакторе штампа по умолча‑ нию, и их возможное применение в основной надписи при оформле‑ нии чертежей приведен в таблице. #CUSTOM_1 – #CUSTOM_5 пред‑ ставляют собой пользовательские поля, чьи значения разработчик может вводить произвольно по своему усмотрению (таблица).

Создание и редактирование углового штампа чертежа в редакторе штампа Создание углового штампа Создание основной надписи чертежа производится в рабочей об‑ ласти редактора штампа. При этом контур штампа не может выхо‑ дить за границу сетки рисования, размер которой можно изменить командой основного меню «Редактировать/Изменить границы» или кнопкой «Изменить границы контура», находящейся на панели ин‑ струментов «Панель расположения» редактора штампа. Угловой штамп чертежа состоит из прямых линий, для их рисо‑ вания в редакторе штампа применяется команда «Графика/Линия» основного меню, при помощи которой можно чертить прямые от‑ резки как ортогонально (перпендикулярно), так и под разными углами. Аналогом команды «Графика/Линия» является кнопка «Рисование линии» панели рисования. Концы линий всегда распо‑ лагаются в узлах сетки, поэтому длина и наклон линий определяются шагом установленной сетки (минимальная, маленькая, нормаль‑ ная, большая). В рабочем поле редактора штампа можно рисовать как прямые, так и ломаные линии. Точки изгиба этих линий также размещаются только в узлах сетки. Шаг сетки устанавливается ко‑ мандой «Вид/Размер сетки» основного меню редактора. Если при рисовании линий привязка к сетке не нужна, выберите в этом меню значение «Без сетки» — в таком случае линии в рабочем поле могут размещаться произвольным образом. Для рисования внешней рамки штампа чертежа можно воспользоваться инструментом «Рисование прямоугольника» панели рисования редактора штампа. Используя инструменты редактора штампа, нарисуем основные линии углового штампа чертежа (рис. 5а), разместим текстовые над‑ писи (рис. 5б) и поля (рис. 5в). Отметим, что после выбора в меню названия нужного поля будет открыто окно «Ввод данных в поле <Название поля>» (рис. 6), где можно задать шрифт, стиль, размер, цвет текста. В поле «Поворот» посредством установки переключа‑ теля в нужную позицию задается ориентация поля: горизонтальная

б

в Рис. 5. Создание основной надписи чертежа в редакторе штампа: а) рисование основных линий; б) размещение текстовых надписей; в) размещение полей

или вертикальная. Текст поля вводится непосредственно на чертеже в проекте Multisim. После того как значения параметров в этом окне установлены, нажмите на кнопку ОК, в результате окно будет закры‑ то, а контур поля прикреплен к курсору мыши, при помощи которо‑ го необходимо поместить поле в нужное место штампа (щелкнуть

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

проектирование

101

Рис. 6. Окно «Ввод данных в поле “Заголовок”»

в нужном месте штампа левой кнопкой мыши). Аналогичным образом размещаются и текстовые надписи. Все современные системы САD исполь‑ зуют шрифты операционной системы Windows (системные шрифты), находящиеся в папке C:\Windows\Fonts. Таким образом, если вы хотите добавить в редактор штам‑ па свои русские гостовские шрифты, кото‑ рые используются для нанесения надписей в схемотехнических документах, то вам необ‑ ходимо скопировать файлы этих шрифтов в папку C:\Windows\Fonts. Разработанный в редакторе угловой штамп можно сохранить на диск компьюте‑ ра с расширением *.tb7 при помощи коман‑ ды основного меню «Файл/Сохранить» и ис‑ пользовать в дальнейшем для оформления чертежей в программе Multisim. Затем при помощи команды «Файл/Выход» редактор штампа можно закрыть. Для того чтобы разместить созданный штамп чертежа в проекте Multisim, нужно в основном меню программы указать пункт «Вставить/Штамп» и в открывшемся окне проводника Windows выбрать файл штампа на диске компьютера (рис. 7), а затем нажать кнопку «Открыть». В результате окно про‑ водника Windows будет закрыто, а контур штампа прикреплен к курсору мыши, при помощи которого следует поместить штамп в правом нижнем углу рабочего поля проек‑ та (щелкнуть в нужном месте проекта левой кнопкой мыши).

а

б Рис. 8. Разработанный в редакторе штампа угловой штамп чертежа в рабочем поле проекта Multisim: а) до заполнения полей; б) после заполнения полей

Созданный штамп отобразится в рабочем поле чертежа программы Multisim. Однако (как видно на рис. 8а) в нем отображены лишь текстовые надписи, указанные в редакторе штампа, но не заполнены поля. Щелкните два раза левой кнопкой мыши в области штампа и откройте окно «Штамп» (рис. 9), в котором и вводятся значения полей основной надписи чертежа — имя разработчика и руководителя проекта, название проекта, дата последнего изменения, количество листов и другие све‑ дения. На рис. 8б показан разработанный штамп после заполнения полей.

Редактирование углового штампа Для внесения изменений в созданный ранее и уже размещенный в проекте схемы угловой штамп необходимо выделить его в рабочем поле программы Multisim кнопкой мыши, вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт «Редактировать символ/штамп». В ре‑ зультате будет открыто окно «Создание штам‑ па», в котором при помощи инструментов редактора штампа можно выполнить нуж‑ ные изменения, а затем сохранить штамп ко‑ мандой основного меню «Файл/Сохранить». После закрытия окна редактора штамп с вне‑ сенными изменениями отобразится в рабо‑ чем поле чертежа программы Multisim. n

Литература

Рис. 7. Выбор файла штампа в окне проводника Windows

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 9. Окно «Штамп»

1. NI Circuit Design Suite — Getting Started with NI Circuit Design Suite. National Instruments, January 2012.

2. NI Multisim — Fundamentals. National Instruments, January 2012.

3. PROFESSIONAL EDITION RELEASE NOTES NI Circuit Design Suite Version 12.0.1. National Instruments, 2012.

4. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 2.104-2006. Единая система конструкторской документации. Основные надписи. М.: Стандартинформ, 2006.

www.kite.ru

102

новости

блоки питания

TDK расширяет линейку программируемых источников питания Genesys 3U мощностью 15 кВт моделями 30, 40 и 50 В

Общими для всех моделей Genesys встроенными функциями являются запоминание последних настроек, функция безопасного/автоматического перезапуска и функции защиты. Защитные функции включают защиту от повышенного напряжения (OVP), от пониженного напряжения (UVL), от перегрузки по спадающей характеристике (FOLD) и от перегрева (OTP). Функция запоминания последних настроек сохраняет такие настройки, как выходное напряжение/ток, вкл./выкл. выхода, уровень защит OVP, UVL и установка защиты FOLD при каждом отключении прибора. При установке безопасного запуска после перезапуска питания происходит возврат источника питания к последним рабочим настройкам, но с отключенным выходом. В режиме автоматического перезапуска при включении питания происходит включение выхода с последними рабочими настройками источника питания. Серии источников питания GenesysTM 3U имеют маркировку CE согласно Директиве Евросоюза по низковольтному оборудованию. Они соответствуют стандартам EN55011A и FCC, часть 15J-A, по уровню кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех, а также регламентам безопасности UL60950-1 и EN60950-1. www.tdk-lambda.ru

Реклама

Корпорация TDK-Lambda объявляет о пополнении серии программируемых источников питания Genesys тремя новыми моделями. Теперь доступны выходные напряжения 30 В при токе 500 А, 40 В при 375 А и 50 В при 300 А с выходной мощностью 15 кВт. Эти сильноточные модули должны удовлетворить потребности производителей системного оборудования, промышленных предприятий, аэрокосмической отрасли и рынка систем автоматического испытательного оборудования, включая испытательное оборудование в полупроводниковой и автомобильной промышленности, устройства испытаний/приработки компонентов, электромагнитов и других систем. Сильноточные модели серии Genesys от TDK-Lambda отличают те же самые функции и компактные размеры (3U в высоту и 19″ (483 мм) в ширину), что и выпускаемые в настоящее время модели 60–600 В мощностью 15 кВт. На них предоставляется 5‑летняя гарантия. Данные блоки могут работать в режиме стабилизации тока или стабилизации постоянного напряжения, питаются от трехфазной сети номиналом 400 или 480 В AC и имеют пассивную коррекцию коэффициента мощности. В «расширенном» параллельном режиме работы можно сконфигурировать системы большей мощности по схеме «ведущий/ведомый». В этом режиме единственным узлом управления и индикации состояния системы служит ведущий модуль. Таким образом, четыре блока действуют как один источник питания 60 кВт, обеспечивая большую гибкость для разработчиков систем. Вся линейка Genesys оснащена встроенным 16‑битным многоканальным цифровым интерфейсом RS‑232/485. Наличие этого порта обеспечивает возможность управления соединенными в цепочку модулями в количестве до 31. К опциональным цифровым интерфейсам относятся многоадресный цифровой интерфейс LAN (соответствующий стандарту LXI класс C) и IEEE (соответствующий стандарту IEEE488.2 и SCPI), дополняемые комплектами программных инструментов NI LabVIEW и NI LabWindows. В наличии также опциональный порт изолированного аналогового управления/мониторинга с помощью сигналов в диапазонах 0–5/0–10 В или 4–20 мА.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

проектирование

103

Работа с микроконтроллерами AVR в программной среде Proteus 8.1. Часть 2

Максим Филатов beluikluk@gmail.com

Введение Программная среда Proteus предоставляет возможность ввода схемы в графическом редакторе, моделирования ее работы и раз‑ работки печатной платы, включая трехмер‑ ную визуализацию. Отличием среды Proteus от аналогичных программ симуляторов, заменяющих реальные радиодетали и при‑ боры виртуальными моделями, является возможность эффективного моделирова‑ ния работы микроконтроллеров разных се‑ мейств и отладки микропрограммного обе‑ спечения.

Proteus имеет огромную библиотеку элек‑ тронных компонентов, а при наличии опреде‑ ленной квалификации недостающие компо‑ ненты можно создать самостоятельно. Также предусмотрена поддержка SPICE-моделей, которые часто предоставляются производите‑ лями электронных компонентов. Создание электронного устройства в Proteus происходит в несколько этапов: • разработка схемы электрической принци‑ пиальной в графическом редакторе; • моделирование схемы с использованием виртуальных приборов; • разработка печатной платы, включая 3D-визуализацию. К преимуществам программы можно от‑ нести: • выполнение всех этапов разработки элек‑ тронного устройства на основе микрокон‑ троллера в единой среде; • возможность написания, отладки и тести‑ рования микропрограммного обеспечения еще до физического изготовления опытно‑ го образца системы;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

В Proteus можно разрабатывать как простейшие аналоговые устройства, так и сложные системы на микроконтроллерах. В статье рассматривается моделирование схем микроэлектронных устройств на базе однокристальных микроконтроллеров AVR семейства Mega. В частности, передача данных через последовательный интерфейс SPI между устройствами, которые сконфигурированы как Master и Slave, а также инструменты отладки программы инициализации микроконтроллера AVR в Proteus 8.1. Статья может быть интересна как профессиональным разработчикам, так и молодым специалистам.

• широкие отладочные возможности, в том числе доступ к содержимому регистров и памяти, задание точек останова програм‑ мы и ее пошаговое выполнение; • совместное моделирование работы микро‑ контроллера, исполняющего заданную программу, и окружающих его аналоговой и цифровой схем; • генерируемые диагностические сообще‑ ния (например, при выполнении непред‑ усмотренной инструкции) как со стороны центрального процессорного устройства, так и со стороны моделей устройств вво‑ да/вывода позволяют обнаружить слож‑ ные в поиске ошибки программирования; • поддержка нескольких семейств микро‑ контроллеров от разных производителей, в том числе и микроконтроллеров AVR. Несмотря на то, что микроконтроллеры AVR появились на рынке около 20 лет на‑ зад, сегодня их популярность очень высока и с каждым годом они занимают все новые ниши на рынке [5]. Не последнюю роль в этом играет соотношение показателей цена/бы‑ стродействие/энергопотребление, до сих пор являющееся едва ли не лучшим на рынке 8‑битных микроконтроллеров. Кроме того, постоянно растет число выпускаемых сторон‑ ними производителями разнообразных про‑ граммных и аппаратных средств поддержки разработок устройств на их основе. В про‑ граммной среде Proteus предусмотрена симу‑ ляция электронных устройств на базе следую‑ щих микроконтроллеров AVR: AT90USB1286, AT90USB646, ATmega128/1280/1281/1284P, ATmega16/162/164P/165. В рассматрива‑ емых в статье примерах используются микроконтроллеры AVR семейства Mega.

Микроконтроллеры этого семейства по срав‑ нению с семейством Tiny имеют наиболее раз‑ витую периферию и наибольшие объемы па‑ мяти программ и данных. Они предназначе‑ ны для мобильных телефонов, контроллеров различного периферийного оборудования (принтеры, сканеры, современные дисковые накопители, приводы CD-ROM/DVD-ROM), сложной офисной техники.

Общие аспекты разработки электрических схем с использованием микроконтроллеров в программной среде Proteus Первым этапом проектирования узла пе‑ чатной платы в системе Proteus является раз‑ работка схемы электрической принципиаль‑ ной, которая выполняется в редакторе ISIS. На этой стадии проектирования производит‑ ся выбор нужных компонентов, их размеще‑ ние в рабочем поле чертежа, связь компонен‑ тов при помощи цепей и шин. При необхо‑ димости можно модифицировать свойства компонентов, добавлять текстовые надписи. После создания пустого листа схемы его следует заполнить символами необходимых компонентов из библиотеки. Создать новый проект схемы в Proteus можно при помощи команды File/New Project. Надо отметить, что по умолчанию при создании нового про‑ екта запускается мастер New Project Wizard. Более подробно работа с мастером была рас‑ смотрена в [2, 3]. Проект схемы электрической принципи‑ альной, в котором присутствует микрокон‑ троллер, можно создать и без использования www.kite.ru

104

проектирование

Рис. 1. Стартовая страница программы Proteus

Рис. 2. Вкладка Schematic Capture

мастера — при помощи кнопки ISIS верхней панели инструментов Proteus (рис. 1). В ре‑ зультате откроется новая вкладка Schematic Capture (рис. 2), в рабочем поле которой и будет выполняться разработка схемы. Выбор компонентов из базы данных для последующего их размещения в рабочей области программы производится в окне Pick Devices (рис. 3). Данное окно мож‑ но открыть командой контекстного меню Place/Component/From Libraries или по‑ средством нажатия на кнопку P на панели DEVICES (по умолчанию данная панель рас‑ положена в левой части программы и содер‑ жит список имеющихся в проекте компо‑ нентов). Открыть панель DEVICES можно нажатием кнопки Component Mode на левой панели инструментов редактора ISIS. Для того чтобы добавить микросхему микроконтроллера в рабочее поле проек‑ та, необходимо в левой верхней части окна Pick Devices в поле Category выбрать из спи‑ ска библиотеку Microprocessor ICs. Пакет Microprocessor ICs позволяет включать в эму‑ ляцию смешанной схемы определенные ми‑ кроконтроллеры с возможностью написания и отладки программного кода. Выбор библи‑ отеки из списка производится посредством

САПР

Рис. 3. Библиотека микроконтроллеров семейства AVR программы Proteus

щелчка левой кнопки мыши по строке с ее на‑ званием. Ниже поля Category находится поле Sub-category, в котором таким же способом задается семейство микроконтроллеров вы‑ бранной библиотеки. В поле Results отобража‑ ются все компоненты выбранного семейства. Выбор компонента производится выделением левой кнопкой мыши строки с его названи‑ ем в поле Results. В поле Manufacturer можно выбрать производителя микроконтроллера. Если производитель не имеет значения — ука‑ жите значение All Manufacturers в этом поле. Для ускорения поиска компонентов можно воспользоваться строкой фильтра Keywords, расположенной в верхнем левом углу окна Pick Devices. После того как выбор микро‑ контроллера сделан, его условное графиче‑ ское обозначение отобразится в поле предва‑ рительного просмотра Preview. Посадочное место компонента будет показано в поле PCB Preview. Если для выбранного микроконтрол‑ лера предусмотрено несколько посадочных мест, то все возможные варианты будут до‑ ступны для выбора из выпадающего меню, которое расположено под полем PCB Preview. Для того чтобы разместить выбранный ми‑ кроконтроллер на схеме, необходимо в окне Pick Devices нажать кнопку ОК. После чего данное окно будет закрыто, а символ ком‑ понента будет прикреплен к курсору мыши, при помощи которого необходимо поместить символ в соответствующее место на схеме (щелкнуть в нужном месте схемы левой кноп‑ кой мыши). Кварцевый резонатор, конденсаторы и элементы питания в данном случае в схему можно не добавлять, так как они эмулируют‑ ся программно. Однако если вы будете раз‑ рабатывать проект до его логического конца, то есть до изготовления печатной платы, эле‑ менты придется добавить. При необходимости параметры размещен‑ ного на схеме микроконтроллера можно ре‑ дактировать в окне Edit Component (рис. 4). Данное окно открывается двойным щелчком

Рис. 4. Окно настройки параметров микроконтроллера

левой кнопки мыши по уже размещенному в рабочем поле программы символу компо‑ нента. Открыть вкладку, на которой в процессе проектирования будет вноситься код про‑ граммы инициализации микроконтроллера, можно следующим образом. Выделите левой кнопкой мыши символ микроконтроллера в рабочем поле проекта, а правой кнопкой вы‑ зовите контекстное меню и выберите в нем пункт Edit Source Code. В результате в проект

Рис. 5. Вкладка Source Code

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

Рис. 6. Окно выбора микроконтроллера

будет добавлена вкладка Source Code (рис. 5) и открыто окно выбора микроконтроллера New Firmware Project (рис. 6), в котором мож‑ но задать семейство и модель микроконтрол‑ лера, выбрать компилятор, определить необ‑ ходимость создания заготовки программного кода для микроконтроллера. В проект можно также добавить и уже под‑ готовленный ранее .asm- или .c‑файл. Для этого на вкладке Source Code на панели дере‑ ва проектов Projects выберите левой кнопкой мыши проект, к которому необходимо доба‑ вить .asm- или .c‑файл, а правой — вызовите контекстное меню и выберите в нем пункт Add Files. В результате откроется окно про‑ водника Windows, в котором необходимо выбрать на диске компьютера нужный файл и нажать кнопку «Открыть». После того как в рабочей области проекта собрана схема, а на вкладке Source Code введен код программы, можно запускать моделиро‑ вание. Если компилятор в листинге програм‑ мы не обнаружит ошибок, на диске вашего компьютера в рабочей папке проекта будут созданы *.elf- и *.hex-файлы при компиляции программы инициализации микроконтрол‑ лера, написанной на языке С с помощью ком‑

Рис. 7. Схема подключения устройств по интерфейсу SPI

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

пилятора WinAVR, и *.obj- и *.asm-файлы при компиляции ассемблерного кода с помощью компилятора AVRASM. Для прошивки микроконтроллера можно использовать файл, скомпилированный при помощи стороннего компилятора. Для этого в рабочем поле проекта щелкните два раза левой кнопкой мыши по символу микро‑ контроллера на схеме и в открывшемся окне Edit Component в поле Program File нажми‑ те на кнопку Open. В результате откроется окно проводника Windows, в котором необ‑ ходимо выбрать на диске компьютера файл машинного кода, подготовленного для за‑ грузки в память программ, и нажать кнопку «Открыть». После выполненных действий в поле Program File окна Edit Component бу‑ дет прописан путь к этому файлу.

проектирование

105

Передача данных через последовательный интерфейс SPI в микроконтроллерах AVR в Proteus

троллера является выходом тактового сигна‑ ла, а ведомого микроконтроллера — входом. Одновременно с передачей данных от ве‑ дущего к ведомому устройству происходит прием данных ведущим устройством от ве‑ домого по кольцу. Таким образом, за один полный цикл сдвига всех разрядов регистра выполняется обмен данными между двумя устройствами. Ведомые устройства не могут обмениваться данными между собой. В модуле SPI имеется три регистра вво‑ да/вывода: • SPDR — регистр данных, содержит посы‑ лаемый или принятый байт данных; • SPCR — регистр управления, определяет функционирование модуля SPI; • SPSR — регистр состояния, отображает со‑ стояние модуля SPI. Включение/выключение SPI выполняет‑ ся установкой шестого бита (SPE) регистра SPCR, пятый бит (DORD) задает порядок передачи данных, а четвертый бит (MSTR) этого регистра задает выбор режима работы интерфейса.

Общие сведения об интерфейсе SPI Интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) является высокоскоростным синхронным по‑ следовательным интерфейсом и реализован во всех микроконтроллерах AVR семейства Mega. Он обеспечивает обмен данными между микроконтроллером и различными перифе‑ рийными устройствами, такими как АЦП, ЦАП, цифровые потенциометры, FLASH-ПЗУ, другие микросхемы и микроконтроллеры. При обмене данными по интерфейсу SPI микроконтроллер AVR может работать как ведущий (режим Master) либо как ведомый (режим Slave). Ведущий микроконтроллер можно связать с одним или несколькими ведомыми устройствами. Схема подключе‑ ния устройств по интерфейсу SPI показана на рис. 7. Связь между устройствами осу‑ ществляется с помощью следующих линий портов ввода/вывода общего назначения микроконтроллера: • MOSI — выход данных для ведущего или вход данных для ведомого устройства; • MISO — вход данных для ведущего или выход данных для ведомого устройства; • SCK — сигнал общей синхронизации ин‑ терфейса; — • SS — выбор ведомого устройства. Ведущее устройство формирует один или несколько сигналов SS (slave select) для выбора ведомых устройств. При этом количество фор‑ мируемых сигналов соответствует количеству ведомых устройств. Ведомое устройство полу‑ чит данные только в том случае, если оно было выбрано ведущим, то есть если на его выводе — SS присутствует низкий уровень. Передача данных осуществляется посред‑ ством линий MOSI и MISO. Процессом пере‑ дачи данных управляет ведущее устройство (Master), формируя тактовые импульсы через линию SCK. Вывод SCK ведущего микрокон‑

Передача данных через интерфейс SPI между двумя микроконтроллерами AVR Рассмотрим процесс передачи данных между двумя микроконтроллерами AVR на примере микросхемы ATmega16, для чего создадим новый проект ISIS и добавим в ра‑ бочее поле на вкладке Schematic Capture две микросхемы ATmega16, два светодиода, два резистора (100 Ом), два символа «земли» и со‑ единим компоненты, как показано на рис. 8. На языке программирования С напишем про‑ граммный код управления передачей данных. Необходимо отметить, что программа ини‑ циализации пишется как для ведущего, так и для ведомого микроконтроллера. Определим микроконтроллер DD1 как ведущий, а микро‑ контроллер DD2 как ведомый. При этом задача мастера — послать управляющий сигнал (ко‑ довую комбинацию), задача ведомого устрой‑ ства — принять его и последовательно вклю‑ чить и выключить оба светодиода. Для удоб‑ ства соединения можно отразить в рабочей области микросхему DD1. Для этого выделим ее при помощи левой кнопки мыши, а правой кнопкой вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт X-Mirror. В результате микросхема будет отражена по горизонтали в рабочем поле — проекта. В таком положении выводы PB4/ SS, PB5/MOSI, PB6/MISO, PB7/SCK обеих микро‑ схем соединить намного проще, при этом со‑ единительные линии на схеме будут короче. В окне настроек Edit Component для каж‑ дого микроконтроллера установим следую‑ щие параметры (рис. 9): • поле CKOPT (Oscillator Options) — (1) Unprogrammed; • поле BOOTRST (Select Reset Vector) — (1) Unprogrammed; • поле CKSEL Fuses — (0010) Int.RC 2 МГц; • поле Boot Loader Size — (00) 1024 words.

Starts at 0x1C00; www.kite.ru

проектирование

106

САПР

Рис. 8. Демонстрационная схема с использованием двух микроконтроллеров ATmega16 и светодиодов

• поле SUT Fuses — (01); • поле Advanced Properties — Clock Frequency (Default). Окно настроек можно открыть двойным щелчком левой кнопкой мыши по выбран‑ ному на схеме микроконтроллеру. Перед выполнением передачи данных необходимо прежде всего разрешить ра‑ боту модуля SPI. Для этого следует устано‑ вить в единицу шестой бит регистра SPCR. Режим работы определяется состоянием четвертого бита этого регистра: если бит установлен в 1, микроконтроллер работает в режиме Master, если сброшен в 0 — в ре‑ жиме Slave. Программно (на языке програм‑ мирования С) эти действия можно реализо‑ вать так: SPCR=0b01010000;

SPCR=0b01000000;

// установка битов регистра SPCR // ведущего микроконтроллера // установка битов регистра SPCR // ведомого микроконтроллера

Передача данных осуществляется следую‑ щим образом. При записи в регистр данных SPI ведущего микроконтроллера запускает‑ ся генератор тактового сигнала модуля SPI. Данные начинают побитно выдаваться на вывод MOSI устройства Master и соответ‑ ственно поступать на вывод MOSI устрой‑ ства Slave. Порядок передачи битов данных определяется состоянием пятого бита реги‑ стра SPCR. Если бит установлен в 1, первым передается младший бит байта, если же сбро‑ шен в 0 — старший бит. Частота тактового сигнала SCK и, соответ‑ ственно, скорость передачи данных по ин‑ терфейсу определяется состоянием первого и нулевого битов (SPR1: SPR0) регистра SPCR и нулевого бита (SPI2X) регистра SPSR веду‑ щего микроконтроллера (таблица), так как именно он является источником тактового сигнала. Для ведомого микроконтроллера со‑ стояние этих битов не имеет значения.

Рис. 9. Настройки параметров микроконтроллера ATmega16 при передаче данных между двумя устройствами через интерфейс SPI

Напишем на языке программирования С следующий код программы инициализации для ведущего микроконтроллера:

Таблица. Задание частоты тактового сигнала SCK SPI2X

SPR1

SPR0

0

0

0

fCLK/4

#include <inttypes.h> #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #include <avr/sleep.h> #include <util/delay.h>

0

0

1

fCLK/16

0

1

0

fCLK/64

0

1

1

fCLK/128

1

0

0

fCLK/2

int main() { PORTB=0b00000000; // инициализация порта PB микросхемы DD1 DDRB=0b10110000; // указываем направление передачи

// информации по линиям порта

// линии SS, MOSI, SCK установлены

// как выходы SPCR=0b01010011; // инициализация SPI SPSR=0b00000000; SPDR=0b11111110; // отсылаем кодовую комбинацию

// для ведомого микроконтроллера return 0; }

1

0

1

fCLK/8

1

1

0

fCLK/32

1

1

1

fCLK/64

Для ведомого микроконтроллера был на‑ писан следующий код программы инициа‑ лизации: #include <inttypes.h> #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #include <avr/sleep.h> #include <util/delay.h> int main() { PORTB=0b00000000; // инициализация порта PB микросхемы DD2 DDRB=0b00000000; // линии порта PB работают как входы PORTD=0b00000000; // инициализация порта PD DDRD=0b11111111; // линии порта PD работают как выходы SPCR=0b01000011; // инициализация SPI

Частота сигнала SCK

Примечание. fCLK — это тактовая частота микроконтроллера.

ющим образом. Выделите левой кнопкой мыши символ ведущего микроконтроллера в рабочем поле проекта, а правой — вызови‑ те контекстное меню и выберите в нем пункт Edit Source Code. В результате будет открыто окно New Firmware Project (рис. 10), в кото‑ ром устанавливаются следующие параметры: • Family — семейство микроконтроллера (в нашем случае AVR); • Controller — модель микроконтроллера (в нашем случае ATmega16); • Compiler — компилятор (в нашем случае WinAVR);

while (1) // бесконечный цикл { if (SPDR!=0b11111110) // если кодовая комбинация не получена PORTD=0b00000000; // посылаем на все линии порта PD - 0 else if (SPDR==0b11111110) // если кодовая комбинация получена {PORTD=0b00000001; // включить светодиод D1 _delay_ms(1000); // задержка в 1 секунду PORTD=0b10000000; // погасить светодиод D1

// и включить светодиод D2 _delay_ms(1000); } // задержка в 1 секунду }}

В Proteus программа инициализации ми‑ кроконтроллера вводится на вкладке Source Code. Открыть эту вкладку можно следу‑

Рис. 10. Окно New Firmware Project

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

проектирование

107

а

Рис. 12. Процесс моделирования проекта передачи данных между двумя микроконтроллерами ATmega16 через интерфейс SPI в программной среде Proteus

б

в

Рис. 11. Передача данных между двумя устройствами ATmega16 через интерфейс SPI. Вкладка Source Code: а) заготовка программного кода для микроконтроллера; б) код программы инициализации ведущего микроконтроллера; в) код программы инициализации ведомого микроконтроллера

• Create Quick Start Files — автоматическое создание заготовки про‑ граммного кода для микроконтроллера (установим флажок в поле). После того как все значения назначены, нажмем на кнопку ОК, в результате в проект будет добавлена вкладка Source Code (рис. 11а), на которой и необходимо ввести код программы (рис. 11б). Перейти на вкладку для написания программы инициализации ведомого микроконтроллера (рис. 11в) можно так же, как и для ве‑ дущего, однако в этом случае на вкладку будет добавлена отдельная закладка. После того как в рабочей области проекта собрана схема, а на вклад‑ ке Source Code введен код программы, можно начинать моделирование (рис. 12).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Процесс моделирования запускается при помощи кнопки Run the simulation, которая находится в левом нижнем углу окна про‑ граммы. Для того чтобы временно приостановить процесс симуля‑ ции, используйте кнопку Pause the simulation, or start up at time 0 if stopped (кнопка находится в левом нижнем углу окна программы). Остановить моделирование можно кнопкой Stop the simulation. В результате, если компилятор в листинге программы не обнару‑ жит ошибок, на диске вашего компьютера в рабочей папке проекта будут созданы *.elf- и *.hex-файлы. Для компиляции кода программы, написанного на языке про‑ граммирования С, в Proteus применяется компилятор WinAVR. Необходимо отметить, что по умолчанию в Proteus этот компиля‑ тор не установлен. Для запуска инсталляции WinAVR нужно в окне Compilers в строке WinAVR нажать кнопку Download и дождаться окончания загрузки (рис. 13а). После чего будет запущена программа установки, в процессе которой в диалоговом режиме пользователю будет предложено задать настройки устанавливаемого компилятора. Открыть окно Compilers, в котором отображается список установ‑ ленных в системе компиляторов, можно командой System/Compilers Configuration основного меню редактора ISIS (при этом необходимо находиться на вкладке Source Code). Компилятор установлен, если в поле Installed в строке с его названием указано значение Yes, иначе в этом поле находится кнопка Download, при помощи которой и вы‑ полняется инсталляция. Как видно на рис. 13б, в нашем случае ком‑ пилятор WinAVR уже установлен. Подробно процесс инсталляции компилятора WinAVR был рассмотрен в [3]. В том случае, если программный код для микроконтроллера AVR был написан на языке программирования ассемблер, для его ком‑ пиляции в Proteus необходимо использовать компилятор AVRASM, установленный в системе по умолчанию. Отчет об ошибках, полученных в результате компиляции про‑ граммного кода, отображается в нижней части вкладки Source Code на панели VSM Studio Output. Если компиляция прошла успешно, а файлы *.elf и *.hex не были созданы в рабочей папке проекта, то их расположение можно опре‑ делить следующим образом. Перейдите на вкладку Simulation Errors (рис. 14), которая будет добавлена в проект после окончания модели‑ рования, и найдите на ней строку [ELF] Loading AVR ELF file. В дан‑ ной строке и будет указан путь к директории размещения созданных файлов. В нашем случае будет две такие строки, поскольку в про‑ екте используются два микроконтроллера, для каждого из них после удачной компиляции программного кода будут созданы в отдельной директории *.elf- и *.hex-файлы (рис. 15). Проанализируем работу демонстрационной схемы, представленной на рис. 8. На вкладке Source Code программным путем были даны ука‑ www.kite.ru

108

проектирование

САПР

а

Рис. 13. Окно Compilers, компилятор WinAVR: а) не установлен; б) установлен

Рис. 14. Вкладка Simulation Errors

б

Рис. 15. Hex-файл машинного кода для микроконтроллера DD1, полученный в результате моделирования проекта передачи данных между двумя устройствами ATmega16 через интерфейс SPI

Передача данных через интерфейс SPI между тремя микроконтроллерами AVR Рассмотрим процесс передачи данных через интерфейс SPI меж‑ ду несколькими микроконтроллерами AVR на примере микросхем ATmega16, для чего создадим новый проект ISIS и добавим в рабочее поле проекта три такие микросхемы, два светодиода, два резисто‑ ра (100 Ом), два символа «земли». При этом микросхема DD1 бу‑ дет выполнять роль ведущего микроконтроллера, а микросхе‑ мы DD2 и DD3 — ведомых. Соединим компоненты, как показано на рис. 16, и напишем на языке программирования С программный код управления передачей данных. Необходимо отметить, что про‑ грамма инициализации пишется как для ведущего, так и для обоих ведомых микроконтроллеров. При этом задача мастера — послать управляющий сигнал (кодо‑ вую комбинацию) сначала первому ведомому устройству, а затем второму. Переключение между ведомыми устройствами выполняет‑ ся путем установки ведущим микроконтроллером логического нуля — на линии S S ведомых микроконтроллеров. При этом при передаче данных по интерфейсу SPI между тремя микроконтроллерами в на‑ шем примере данный сигнал выдается на линии PB0, PB1 порта PB ведущего микроконтроллера. Задача каждого ведомого устройства — принять кодовую комбинацию, после чего запустить цикл, в котором выполняется последовательное включение и выключение светодиода. Для удобства соединения в рабочей области проекта отразим по го‑ ризонтали микросхему DD1. В окне настроек Edit Component для каж‑ дого микроконтроллера установим следующие параметры (рис. 17): • поле CKOPT (Oscillator Options) — (1) Unprogrammed; • поле BOOTRST (Select Reset Vector) — (1) Unprogrammed;

Рис. 16. Процесс моделирования проекта передачи данных между тремя микроконтроллерами ATmega16 через интерфейс SPI в программной среде Proteus

зания ведущему микроконтроллеру через интерфейс SPI отправить ведомому микроконтроллеру кодовую комбинацию. Программа ве‑ домого микроконтроллера выводит на линии порта PD все нули, в ре‑ зультате чего два подключенных к порту светодиода будут погашены. Как только по интерфейсу SPI получена кодовая комбинация от веду‑ щего микроконтроллера, запускается подпрограмма, дающая указания ведомому микроконтроллеру вывести на линии порта PD0 и PD7 зна‑ чения логической 1 и 0 соответственно, которые удерживаются на этих линиях при помощи команды задержки. Затем на линии порта PD0 и PD7 выводятся значения логического 0 и 1 соответственно, затем, после задержки, выполнение этого фрагмента программы повторя‑ ется. После запуска моделирования при помощи двух светодиодов, подключенных к линиям порта PD0 и PD7, мы можем проверить пра‑ вильность работы программы — светодиоды подсвечиваются и гаснут поочередно (рис. 12).

Рис. 17. Настройки параметров микроконтроллера ATmega16 при передаче данных между тремя устройствами через интерфейс SPI

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

проектирование

109

• поле CKSEL Fuses — (0001) Int.RC 1 МГц; • поле Boot Loader Size — (00) 1024 words. Starts at 0x1C00; • поле SUT Fuses — (00); • поле Advanced Properties — Clock Frequency (Default). Окно настроек можно открыть при помощи двойного щелчка ле‑ вой кнопкой мыши по выбранному на схеме микроконтроллеру. Напишем на языке программирования С следующий код програм‑ мы инициализации для ведущего микроконтроллера: #include <inttypes.h> #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #include <avr/sleep.h> #include <util/delay.h>

а

int main() { PORTB=0b00000000; // инициализация порта PB микросхемы DD1 DDRB=0b10100011; // указываем направление передачи информации по линиям порта

// линии MOSI, SCK, PB0, PB1 установлены как выходы SPCR=0b01010011; // инициализация SPI SPSR=0b00000000; PORTB=0b00000010; // выбираем для передачи данных по SPI первый ведомый МК SPDR=0b11111110; // отсылаем кодовую комбинацию для первого ведомого МК _delay_ms(1000); // задержка PORTB=0b00000001; // выбираем для передачи данных по SPI второй ведомый МК SPDR=0b11111110; // отсылаем кодовую комбинацию для второго ведомого МК _delay_ms(1000); return 0; }

Для ведомого микроконтроллера DD2 был написан следующий код программы инициализации: б

#include <inttypes.h> #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #include <avr/sleep.h> #include <util/delay.h> int main() { PORTB=0b00000000; DDRB=0b00000000; PORTD=0b00000000; DDRD=0b11111111; SPCR=0b01000011;

// инициализация порта PB микросхемы DD2 // линии порта PB работают как входы // инициализация порта PD микросхемы DD2 // линии порта PD работают как выходы // инициализация SPI

while (1) // бесконечный цикл { if (SPDR!=0b11111110) // если кодовая комбинация не получена PORTD=0b00000000; // посылаем на все линии порта PD - 0 else if (SPDR==0b11111110) // если кодовая комбинация получена {PORTD=0b00000001; // включить светодиод D1 _delay_ms(1000); // задержка PORTD=0b10000000; // погасить светодиод D1 _delay_ms(1000); } // задержка }}

в

Код программы инициализации для ведомого микроконтроллера DD3: #include <inttypes.h> #include <avr/io.h> #include <avr/interrupt.h> #include <avr/sleep.h> #include <util/delay.h> int main() { PORTB=0b00000000; DDRB=0b00000000; PORTD=0b00000000; DDRD=0b11111111; SPCR=0b01000011;

Рис. 18. Передача данных между тремя устройствами ATmega16 через интерфейс SPI, вкладка Source Code: а) код программы инициализации ведущего микроконтроллера; б) код программы инициализации первого ведомого микроконтроллера; в) код программы инициализации второго ведомого микроконтроллера // инициализация порта PB микросхемы DD3 // линии порта PB работают как входы // инициализация порта PD микросхемы DD3 // линии порта PD работают как выходы // инициализация SPI

while (1) // бесконечный цикл { if (SPDR!=0b11111110) // если кодовая комбинация не получена PORTD=0b00000000; // посылаем на все линии порта PD - 0 else if (SPDR==0b11111110) // если кодовая комбинация получена {PORTD=0b00000001; // включить светодиод D2 _delay_ms(1000); // задержка PORTD=0b10000000; // погасить светодиод D2 _delay_ms(1000); } // задержка }}

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Код программы инициализации вводится на вкладке Source Code редактора ISIS на отдельной закладке для каждого микроконтроллера (рис. 18). После того как в рабочей области проекта собрана схема, а на вкладке Source Code введен код программы, можно запускать мо‑ делирование. В результате, если компилятор в листинге программы не обнару‑ жит ошибок, на диске компьютера в рабочей папке проекта будут созданы для каждого микроконтроллера *.elf- и *.hex-файлы (рис. 19). Проанализируем работу демонстрационной схемы, представленной на рис. 16. На вкладке Source Code программным путем были даны www.kite.ru

110

проектирование

а

б

в

Рис. 19. Hex-файлы машинного кода для микроконтроллеров: а) DD1; б) DD2; в) DD3, полученные в результате моделирования проекта передачи данных между тремя устройствами ATmega16 через интерфейс SPI

указания ведущему микроконтроллеру через интерфейс SPI отправить каждому ведомо‑ му микроконтроллеру кодовую комбинацию. Это действие выполняется последовательно. Сначала ведущий микроконтроллер через линию PB0 своего порта PB подает на ли‑ — нию S S микросхемы DD2 логический ноль, — а через линию PB1 на линию SS микросхемы DD3 логическую единицу, что оповещает первое ведомое устройство о том, что именно оно выбрано для обмена данными с мастером

Рис. 20. Осциллограмма работы светодиодов D1 и D2

САПР

по интерфейсу SPI, активизирует интерфейс SPI микросхемы DD2 и делает неактивным интерфейс SPI микросхемы DD3. После задержки ведущий микроконтроллер через линию PB1 своего порта PB подает на ли‑ — нию S S микросхемы DD3 логический ноль, — а через линию PB0 на линию SS микросхемы DD2 логическую единицу, что активизирует интерфейс SPI микросхемы DD3 и делает неак‑ тивным интерфейс SPI микросхемы DD2. Если ведомое устройство выбрано веду‑ щим, то программа ведомого микрокон‑ троллера выводит на линии порта PD все нули, и в результате подключенный к порту светодиод будет погашен. Как только по ин‑ терфейсу SPI получена кодовая комбинация от ведущего микроконтроллера, запускается подпрограмма, дающая указания ведомому микроконтроллеру запустить цикл, в кото‑ ром последовательно выводятся на линию порта PD0 значения логической 1 и 0. Эти значения удерживаются при помощи коман‑ ды задержки. После запуска моделирования при помо‑ щи двух светодиодов, подключенных к ли‑ ниям PD0 порта PD ведомых микроконтрол‑ леров DD2 и DD3, мы можем проверить пра‑ вильность работы программы — светодиоды подсвечиваются и гаснут поочередно, что на‑ глядно демонстрирует осциллограмма, пред‑ ставленная на рис. 20. В момент времени, когда на выводе PD0 микроконтроллера DD2 единица, на выводе PD0 микроконтроллера DD3 — ноль.

троллерами ATmega16 в процессе отладки будет открыто три такие вкладки: AVR Source Code DD1, AVR Source Code DD2, AVR Source Code DD3 (рис. 21). В верхней части каждой вкладки AVR Source Code расположено меню для выбора файла отладки, которое будет по‑ лезно при наличии в проекте двух или более файлов программного кода, и ряд кнопок: • Run Simulation — продолжить выполне‑ ние программы; • Step Over Source Line — шаг без входа в подпрограмму; • Step Into Source Line — шаг с входом в под‑ программу; • Step Out from Source Line — исполнять код до возврата из подпрограммы; • Run To Source Line — исполнять код, пока не будет достигнута выделенная строка; • Toggle Breakpoint — триггер точек оста‑ новки. Щелкнув правой кнопкой мыши в окне отладчика, можно настроить следующие его опции (рис. 22): • Dissassembly — дизассемблирование; • Goto Line — перейти на линию; • Goto Address — перейти на адрес; • Find — найти; • Toggle (Set/Clear) Breakpoint — устано‑ вить/очистить точку остановки;

Инструменты отладки Отладка программы инициализации ми‑ кроконтроллера AVR в Proteus выполняется на вкладке AVR Source Code, которую мож‑ но открыть при помощи команды основно‑ го меню редактора ISIS — Debug/Start VSM Debugging. При этом для каждого имеюще‑ гося в проекте микроконтроллера откроется своя вкладка. В проекте передачи данных че‑ рез интерфейс SPI между тремя микрокон‑

Рис. 22. Контекстное меню опций окна отладчика

Рис. 21. Окно отладки AVR Source Code DD2

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

• Enable All Breakpoints — разрешить все точки остановки; • Disable All Breakpoints — запретить все точки остановки; • Clear All Breakpoints — удалить все точки остановки; • Fix-up Breakpoints On Load — зафиксиро‑ вать точки остановки при загрузке проекта; • Display Line Numbers — показывать но‑ мера линий; • Display Addresses — показывать адреса команд; • Display Opcodes — показывать машинный код команд; • Set Font — настройка шрифта; • Set Colours — настройка цветовой схемы. Точка остановки — это прерывание хода выполнения программы при отладке в ме‑ сте ее установки. Причем выполнение про‑ граммы останавливается, но не завершается. Теперь, к примеру, можно просмотреть зна‑ чения переменных или продолжить выпол‑ нение программы пошагово. Для того что‑ бы установить точку остановки, необходи‑ мо левой кнопкой мыши выделить нужную строку программы и нажать кнопку Toggle Breakpoint в правом верхнем углу вкладки AVR Source Code, в результате в строке по‑ явится красная точка, символизирующая точку остановки.

Рис. 23. Окно AVR Variables — DD2

При отладке программного кода мож‑ но наблюдать за содержимым регистров микроконтроллера и значениями пере‑ менных программы инициализации, для чего можно воспользоваться окнами Watch Window и AVR Variables (рис. 23). Открыть эти окна можно командами основного меню Debug/Watch Window и Debug/AVR/Variables соответственно. В окне Watch Window (рис. 24) мож‑ но размещать регистры микроконтролле‑ ра и не только отслеживать их содержимое в ходе выполнения программы, но и зада‑ вать некоторые условия и действия при до‑

а

проектирование

111

Рис. 25. Окно Add Memory Item Рис. 24. Окно Watch Window

стижении этих условий (например, остано‑ вить симуляцию). Добавление регистра вы‑ полняется щелчком правой кнопки мыши в области окна Watch Window и выбором в открывшемся контекстном меню пункта Add Items (By Name) — добавить элементы по имени, в результате чего будет открыто окно Add Memory Item (рис. 25), содержа‑ щее список всех регистров микроконтрол‑ лера. Выбрать нужный элемент для добавле‑ ния в этом окне можно двойным щелчком левой кнопки мыши в поле Watchable Items, после чего этот элемент будет добавлен в окно Watch Window. Если схема проекта содержит несколько микроконтроллеров, то в меню Memory из выпадающего списка необходимо выбрать позиционное обозна‑ чение микросхемы микроконтроллера, со‑ стояние регистров которого мы хотим от‑ слеживать. По окончании добавления всех элементов нажмите кнопку Done в окне Add Memory Item. Добавить элементы в окно Watch Window можно по адресу, для чего вызовите в окне контекстное меню и выберите в нем пункт Add Items (By Address). Элементы в окне Watch Window распола‑ гаются в виде списка, который можно развер‑ нуть щелчком левой кнопки мыши по знач‑ ку «+», при этом станут доступными для просмотра адрес и значения функционально связанных битов регистра. При отладке программного кода можно задавать некоторые условия и действия при достижении этих условий. Для чего вызови‑ те в окне Watch Window щелчком правой

б

Рис. 26. Окно Watchpoint Condition

кнопки мыши контекстное меню и выберите в нем пункт Watchpoint Condition, в резуль‑ тате откроется одноименное окно (рис. 26). Рассмотрим данное окно более подробно, в его верхней части расположен ряд переклю‑ чателей: • Turn off (disable) watch points — запретить остановку по условию; • Suspend the simulation if ANY expressions is true — остановить симуляцию, если вы‑ полнено любое условие; • Stop the simulation only when ALL expressions are true — остановить симуляцию, если все условия выполнены. В поле Item Break Expression можно выпол‑ нить: • выбор регистра, для которого будет при‑ меняться условие (меню Item); • выбор маски и значения маски (меню Mask); • выбор условия (меню Condition); • установку значения, с которым будет срав‑ ниваться содержимое регистра (поле Value). К примеру, чтобы симулятор остановился, когда бит 0 порта PORTD микроконтролле‑

в

Рис. 27. Состояние: а) регистров процессора; б) памяти SRAM; в) памяти программ микроконтроллера

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

112

проектирование

САПР

ра DD2 будет равен 1, необходимо в окне Watchpoint Condition за‑ дать следующие значения: • установить переключатель в поле Global Break Condition в позицию Suspend the simulation if ANY expressions is true; • в меню Item из выпадающего списка выбрать пункт PORTD0; • в поле Mask установить значение 0х01, а в меню из выпадающего списка выбрать значение AND; • в меню Condition из выпадающего списка выбрать значение Equals (равно); • в поле Value установить значение 0х01. Состояние памяти и регистров процессора можно просмотреть при помощи следующих команд основного меню редактора ISIS: • Debug/AVR/CPU Registers (рис. 27а); • Debug/AVR/SRAM (рис. 27б); • Debug/AVR/Program Memory (рис. 27в). При этом для каждого микроконтроллера проекта в меню Debug будет добавлена отдельная строка. Необходимо отметить, что данное

новости

меню доступно, когда процесс симуляции проекта временно приоста‑ новлен, то есть нажата кнопка Pause the simulation, or start up at time 0 if stopped (кнопка находится в левом нижнем углу окна редактора ISIS). n

Литература 1. ISIS Help. Labcenter Electronics, 2014.

2. Филатов М. Проектирование схем электрических принципиальных с ис‑ пользованием микроконтроллеров в программной среде Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 7.

3. Филатов М. Работа с микроконтроллерами AVR в программной среде Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 11.

4. Мортон Д. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс. М.: ИД «Додэка-XXI», 2006.

5. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. М.: ИД «Додэка-XXI», 2007.

6. 8‑bit AVR Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash.

ATmega16, ATmega16L. Atmel Corporation. 2010.

встраиваемые системы

Новое поколение ультракомпактных бесшумных встраиваемых компьютеров серии BLOK от «РТСофт»

Компания «РТСофт» запустила в серию новое поколение ультракомпактных бесшумных отечественных встраиваемых компьютеров серии BLOK. Машины предназначены для создания широкого спектра решений при построении ответственных эргономичных систем с длительным жизненным циклом в атомной энергетике, в управлении воздушным движением, на транспорте, в специальных сегментах экономики. Компьютеры BLOK прекрасно подходят для создания сетевых мультимедийных человеко-машинных интерфейсов, в качестве встраиваемых компактных серверов, бортовых машин и коммуникационных шлюзов. Компьютеры BLOK обеспечены высоким уровнем сертификационной и лицензионной поддержки. Машины имеют сертификаты ГОСТ Р и Таможенного союза. Компания-производитель располагает самым широким перечнем сертификатов и лицензий для работы в различных сегментах экономики РФ и стран ТС: TUV ISO 9001-2008, ФСТЭК, Ростехнадзора, ФСБ, Минпромторга и т. д. Идеология машин основана на правильных R&D‑рецептах, делающих BLOK одной из основ успешной программы импортозамещения ЗАО «РТСофт»: • опора на собственные ресурсы с огромным опытом (свыше 22 лет) партнерства с ведущими российскими и зарубежными инженерными компаниями;

• производство на территории России на базе собственного комплекта КД. BLOK — не «отверточная» сборка, а полноценный проект НИОКР; • максимальная независимость и защищенность от действий поставщиков и производителей компонентов: все критически важные части BLOK имеют альтернативных поставщиков и производителей. Эмбарго и BLOK несовместимы; • поддержка актуальных мировых концепций в embedded-дизайне: SWaP, IoT, MiniTCO (необслуживаемость), 24×7, кондуктивное охлаждение; • опора на открытые международные стандарты: COM Express (PICMG COM.0), PCISIG MiniPCI Express и проверенные референсные дизайны; • ориентированный на будущее выбор стандартных цифровых технологий: сети, мультимедийность, процессоры, диски, архитектура расширений; • построение изменяемой архитектуры, гарантирующей заказ оптимальной конфигурации в части CPU, SDRAM, SSD/HDD, miniPCI Express I/O; • построение архитектуры BLOK, гарантирующей максимальную plug&play-совместимость с широким спектром готового системного ПО класса Linux, Windows, QNX, VxWorks, LynxOS и их отечественными клонами; • использование промышленных embeddedкомпонентов, имеющих длительный жизненный цикл и Е2‑исполнение (–40…+85 °C);

• универсальные возможности для встраивания и охлаждения: 19‑дюймовая стойка, стол, «холодная поверхность», стена, потолок; • возможность модернизации машин в будущем: переход на новые поколения микропроцессоров и операционных систем. Важное преимущество изделий BLOK — широкие возможности индивидуализации в соответствии с пожеланиями заказчика: изменение входных характеристик питания, расширение температурного диапазона, усиление механических и IP-свойств, портация ОС, интеграция с промышленным монитором GT777, отвечающим требованиям IV группы исполнения ТС АС-ЯРО, превращающая BLOK в готовый сетевой человеко-машинный интерфейс. Следуя современным требованиям рынка, изготовитель оснастил компьютеры BLOK четырьмя портами GEthernet, шестью портами USB 3.0/2.0 и двумя COM-портами, а также звуковой подсистемой Intel HD. Для расширения доступны два слота Mini PCI Express: обеспечена подготовка для работы в средах Wi-Fi и GSM, а также с модулями доверенной загрузки российских производителей. В базовой конфигурации используется двухъядерный ЦП Intel Core i5 Haswell с тактовой частотой 1,6 ГГц (может быть заменен другими ЦП серий Intel Core i7, Intel Atom и микропроцессорами отечественного производства), до 16 Гбайт памяти DDR3L‑1600 и два накопителя формата 2,5″, которые могут быть объединены в RAID-массив. Важное свойство платформы BLOK — поддержка вывода на три дисплея в разрешениях до 4K через три интерфейса DisplayPort. Малое тепловыделение ЦП позволяет системе быть безвентиляторной, что повышает надежность и обеспечивает нулевой уровень шума. Производитель предоставляет на BLOK гарантию до четырех лет, при этом средняя наработка на отказ составляет 70 000 ч. Базовая конфигурация в корпусе высоты 1U весит 4,4 кг, рассчитана на работу при температурах –10…+55 °C и монтируется в 19‑дюймовую стойку, на стену, на рейку DIN либо устанавливается на стол. www.rtsoft.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

Реклама

проектирование

САПР

Юрий Ёлшин

Введение Как справедливо отмечено в [1], «в рамках российских предприятий наиболее ответ‑ ственным этапом, порой даже более трудо‑ емким, чем формирование производствен‑ ных файлов, является процедура оформле‑ ния конструкторской документации (КД)». Однако снижение трудоемкости выполнения проекта при работе в конкретной САПР элек‑ тронных устройств (eCAD) возможно на всех основных этапах реализации проекта. К числу таких этапов следует отнести важнейшие: 1. Этап формирования описаний компонен‑ тов — схемного представления (УГО) и по‑ садочного места (pattern или Footprint), неграфических атрибутов компонента, элементов крепления как стандартных (винтов, гаек и т. п.), так и заимствованных деталей (держателей, хомутов, радиаторов и т. п.), 3D-описания, вид на сборочном чертеже с линиями-выносками. На этом же этапе происходит формирование описания типоразмера платы с запретными зонами, элементами крепления, зоны для плейнов (внутренних экранирующих слоев) на пе‑ чатной плате.

2. Этап формирования принципиальной схе‑ мы электронного модуля, формирования файла соединений (цепей), создание пе‑ речня элементов — то есть привязка УГО к корпусам (выбор варианта конструктив‑ ного выполнения компонента, указанного на принципиальной схеме) и контроль их наличия в базе данных САПР.

3. Этапы размещения компонентов на плате и трассировка печатных плат.

4. Этап выполнения конструкторской доку‑ ментации в соответствии с директивными документами и стандартами различного уровня.

5. Этап прохождения нормоконтроля и кон‑ троля заказчиком проекта, в том числе этап передачи проектных файлов в архив предприятия. Для оптимизации выполнения некоторых из перечисленных этапов процесса проекти‑ рования печатных плат в ПАО НПО «Алмаз» используется САПР ГРИФ‑4 — набор инфор‑ мационных таблиц, определений и приклад‑ ных программ, приближающих соответству‑

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

115

Некоторые проблемы оптимизации выполнения проектов печатных плат в P‑CAD 200x ющие понятия, предусмотренные в САПР P‑CAD 200x, к понятиям и определениям, при‑ нятым в практике инженерной деятельности в РФ (ГОСТам и стандартам отраслей и пред‑ приятий). При этом учитываются и необхо‑ димые зарубежные наработки в данном на‑ правлении. Вот почему авторы разработки ГРИФ‑4 определяют сам пакет как надстройку к САПР P‑CAD 200x, существенно повыша‑ ющую функционал этой САПР. Особенную актуальность разработке придает прекращение развития и сопровождения САПР P‑CAD 200x в 2007 году. Ниже приведены краткие характе‑ ристики некоторых информационных таблиц, определений и технических решений, реали‑ зуемых на первом из перечисленных этапов проектных работ. Эти данные нашли приме‑ нение в процессе работы с САПР P‑CAD 200x, но они представляют интерес и для пользова‑ телей других САПР. Сразу отметим, что объем журнальной статьи не позволяет достаточно подробно привести необходимые данные и на‑ работки в части оптимизации и других этапов работы в указанной САПР. Автор рассматри‑ вает настоящую статью как вариант обмена

опытом. Для лучшего понимания терминов и определений читателям можно рекомендо‑ вать предварительно ознакомиться со статья‑ ми в [2] и [3].

Обозначение контактных площадок (КП) и переходных отверстий (ПО) Именование контактных площадок (PAD) и переходных отверстий (VIA) в ГРИФ‑4 вы‑ полняется в соответствии с разработанной спе‑ циальной таблицей условных наименований КП и ПО. Уместно отметить, что при выборе способа именования важен не только синтак‑ сис, но и семантика имени. Поэтому принятые условные наименования КП позволяют бы‑ стро сориентироваться (по имени) в свойствах КП, не раскрывая таблицу его свойств, как это предусмотрено в САПР P‑CAD, что весьма удобно в практической работе. Условные обозначения КП заданы в со‑ ответствии (частично) с рекомендациями стандарта ODB++ (фирма Valor Computerized System Ltd, Version 6.1) — таблица 1.

Таблица 1. Обозначения контактных площадок (PAD) и переходных отверстий (VIA) Наименование КП

Условное обозначение

Примечание

Круглая КП планарная, на слое TOP (Round Top…) Круглая КП планарная, на слое Bottom (Round Bottom…)

R1 RB1.1

Круглая КП сквозная (Round… Hole…)

R1H0.6

Квадратная КП планарная, на слое Top (Square Top…) Квадратная КП планарная, на слое Bottom (Square Bottom…)

SB1.2

1 — диаметр КП ( в P-CAD задается как Ellipse) 1,1 — диаметр КП ( в P-CAD задается как Ellipse) 1 — диаметр КП, 0,6 — диаметр отверстия (в P-CAD задается как Ellipse) 1,2 — размер стороны квадрата (в P-CAD задается как Rectangle) 1,2 — размер стороны квадрата (в P-CAD задается как Rectangle) 1,4 — размер КП, 0,8 — диаметр отверстия (в P-CAD задается как Rectangle) 3,2 — размер по оси Х, 1,1 — размер по оси Y (в P-CAD задается как Rectangle) 3,2 — размер по оси Х, 1,1 — размер по оси Y (в P-CAD задается как Rectangle) 3,2 — размер по оси Х, 1,1 — размер по оси Y, 0,6 — диаметр отверстия (в P-CAD задается как Rectangle) 3,2 — размер по оси Х, 1,1 — размер по оси Y

S1.2

Квадратная КП сквозная (Square… Hole…)

S1.4H0.8

Прямоугольная КП планарная на слое Top (RectangleTop…x…) Прямоугольная КП планарная на слое Bottom (RectangleBottom…x…)

Rect3.2x1.1 Rest3.2x1.1

Прямоугольная КП сквозная (Rectangle…x… Hole…)

Recto3.2x1.1H0.6

Прямоугольная КП планарная с закруглениями, на слое Top Прямоугольная КП планарная с закруглениями, на слое Bottom

RRectB3.2x1.1

3,2 — размер по оси Х, 1,1 — размер по оси Y

Прямоугольная КП сквозная с закруглениями

RRrect3.2x1.1H0.6

Овальная КП планарная на слое Top Овальная КП планарная на слое Bottom

Oval1.5x0.7 OvalB1.5x0.7

Овальная КП сквозная

Oval1.5x0.7H0.3

3,2 — размер по оси Х, 1,1 — размер по оси Y, 0,6 — диаметр отверстия 1,5 — длина овала, 0,7 высота (ширина) овала 1,5 — длина овала, 0,7 высота (ширина) овала 1,5 — длина овала, 0,7 высота (ширина) овала, 0,3 — диаметр отверстия

Восьмиугольная КП без отверстия (полигон) Восьмиугольная КП с отверстием (полигон) КП в форме прицела, планарная Монтажное отверстие круглое (Mounting hole…) Виртуальная КП круглая, планарная

Oct4.0 Oct4.0H1.3 Target1.8 MH1.5 Vir0.1

1,5 — диаметр отверстия (в P-CAD задается как Mounting hole) диаметр всегда 0,1 мм (в P-CAD задается как Ellipse)

RRect3.2x1.1

www.kite.ru

Для формирования переходного отверстия программными модулями ГРИФ‑4 TanPCB и AltPCB создается стиль VIA (обозначение RxxHyy), где хх — диаметр контактной пло‑ щадки, yy — диаметр отверстия. Обозначение переходного отверстия зависит от толщины платы, при этом для ДПП диаметр отверстия рекомендуется вычислять по формуле: xx = Sпл/5, где Sпл — это толщина платы, а ширина пояска зависит от уровня сложности проекта платы 2-3-4-5 (0.35, 0.3, 0.2, 0.15). По умолча‑ нию программные модули ГРИФ‑4 форми‑ руют «кучу» компонентов с переходным от‑ верстием R1H0.5 c размерами R = 1,0, H = 0,5. При формировании библиотечных компо‑ нентов для базы данных (БД) вначале должна вводиться нумерация всех КП, начиная с 1 до n, при этом крепежные КП нумеруются в по‑ следнюю очередь, а первые номера получают активные сигнальные КП (для стрингеров это круглые или овальные переходные отверстия). Именование КП в библиотечном компоненте производится следующим образом: • планарные сигнальные состоят (как пра‑ вило) из текущего номера КП независимо от формы КП; • сквозные сигнальные состоят (как правило) из текущего номера КП независимо от фор‑ мы КП; • крепежные состоят из префикса К и теку‑ щего номера КП независимо от формы КП; • монтажные состоят из префикса М и теку‑ щего номера КП независимо от формы КП; • монтажными называют КП, от них отхо‑ дят фанауты, то есть, по сути, это сигналь‑ ные КП, которые не должны быть частью цепи в таблице связей. При формировании компонента с посто‑ янными стрингерами иногда следует вводить запретные зоны для них на слое TOP, что‑ бы исключить возможность автоматическо‑ го ввода трассировщиком дополнительных переходных отверстий (VIA) в эти зоны. При задании размеров КП и дополнитель‑ ных отверстий — рекомендуемая точность, которую следует указать, должна лежать в пределах десятых долей миллиметра.

Обозначения имен шрифтов Именование типа шрифтов текста в ГРИФ‑4 выполняется в соответствии с таблицей услов‑ ных наименований и всегда имеет тип Arial Narrow. Уместно отметить, что при выборе способа именования шрифта не столь важен синтаксис, как семантика имени. Поэтому при‑ нятые условные обозначения шрифта позво‑ ляют быстро сориентироваться (по его имени) в свойствах и размерах символов текста, не рас‑ крывая таблицу его свойств, как это предус‑ мотрено в САПР P‑CAD, что весьма удобно в практической работе (табл. 2). Представленный в таблице набор шриф‑ тов в основном соответствует требованиям ЕСКД «Шрифты чертежные ГОСТ 2.304-81», тип шрифта — А (без наклона и с наклоном),

САПР

приведенного в указанном ГОСТе (в табли‑ це 1 «Шрифт типа А», d = h/14, стр. 21). Эти шрифты сохраняют заданные размеры без изменения при масштабировании чертежей (в формате РСВ) с помощью программного модуля C:\Grif\exe\Zoom.exe. Шрифты аналогичных размеров и характе‑ ристик с префиксами G вместо А (например, G1.0, G1.2 …G100) являются приборной гар‑ нитурой (масштабируются в соответствии с изменением масштаба чертежа) и использу‑ ются для надписей на передних панелях, план‑ ках печатных плат и т. п. Высота этих шриф‑ тов задается в соответствии с ГОСТ 26.008-85 Группа П30 «Шрифты для надписей, наноси‑ мых методом гравирования. Исполнительные размеры». Префикс G в имени шрифта слу‑ жит признаком масштабируемого шрифта для прикладных программ обработки проектов (при масштабировании чертежей в формате РСВ это программа Zoom.exe). При нанесе‑ нии надписей на панелях и т. п. методом гра‑ вирования необходимо применять шрифты типа Stroke (векторный) с типом начертания Basic (набор кириллических символов). Области применения (наименование граф в штампе приведено в соответствии с ГОСТ 2.104-68 «Основные надписи»): • A1.2 и A1.7 — заполнение малоразмерных граф в штампе (в случае длинных текстов, где текст шрифта А2.5 не размещается); • A2.5 — заполнение малоразмерных граф форматки (номера 4–8, 10–13, 18–25), пози‑ ционные обозначения для компонентов ПП (как альтернатива тексту размером А3.5); • А3.5 — графа 9 (номер листа), текст в вы‑ носках, графа 3 (обозначение материала детали), комментарии к типоразмерам на слое Top Assy (только для экрана мони‑ тора компьютера), позиционные обозначе‑ ния для компонентов ПП (как альтернати‑ ва текста размером А5) и т. п.; • А5 — децимальный номер (обозначение документа по ГОСТ 2.104-68) в графе 1 и 2 штампа, шифр ячейки, номера позиций на планке (как альтернатива тексту разме‑ ром А3.5) и т. п.; Таблица 2. Шрифты и их размеры для формирования схемной и конструкторской документации в системе P‑CAD 2000-2006

A1.2 A1.7 A2.5 A3.5 A5 A7 A10 A14

Тип шрифта (TTF) для схем и печатных плат

Высота символов в пунктах (для TTF)

проектирование

Имя шрифта (Font name)

116

Фактическая высота в мм (h/c) для символов TTF

Arial — для SX3 ArialNarrow — для РСВ Arial — для SX3 ArialNarrow — для РСВ Arial — для SX3 ArialNarrow — для РСВ Arial — для SX3 ArialNarrow — для РСВ Arial — для SX3 ArialNarrow — для РСВ Arial — для SX3 ArialNarrow — для РСВ Arial — для SX3 ArialNarrow — для РСВ Arial — для SX3 ArialNarrow — для РСВ

6

1,3/1,1

8

1,7/1,5

11

2,5/1,9

16

3,5/2,5

22

5/3,6

32

7/5

45

10/7

63

14/10

• А7 — дополнительные надписи, требую‑ щие выделения текста (в обоснованных случаях). Для использования набора стандартных немасштабируемых шрифтов в конкрет‑ ном проекте необходимо перед вводом тек‑ стов произвести установку вновь вводимого шрифта методом, предусмотренным в до‑ кументации на работу с системой P‑CAD, то есть после вызова на экран монитора файла в формате PCB выдать команду Options>Text Style…>. Затем скопировать текст *(Default) командой Add…, после чего ввести на по‑ явившейся панели Add Text Style имя одного из указанных в таблице 1 шрифтов (в пустое поле Style name), например А2.5, и щелкнуть ОК. Затем ввести галочку в кнопку Allow TrueType и пометить круглую кнопку True Type Font, после чего нажать клавишу Font… На появившейся панели задать перечислен‑ ные в таблице 1 характеристики вводимого шрифта (например, для шрифта А2.5 Arial Narrow, «Обычный», 11 и т. д.). Для упрощения ввода набора шрифтов, перечисленных в таблице 1, можно исполь‑ зовать файл C:\Grif\Zag\Fonts.pcb, вызвав его на экран монитора. Пометить появившийся текст «Шрифты стандартных размеров введе‑ ны» и запомнить его в буфере обмена (коман‑ дой Ctrl+C). Затем перейти к новому проекту и ввести этот текст по команде Ctrl+V. После проверки наличия в системе стандартных шрифтов этот текст можно удалить.

Формовка выводов и создание библиотеки компонентов САПР ГРИФ‑4 является программной и ло‑ гистической надстройкой над системой проек‑ тирования печатных плат, основанной на базе форматов и процедур САПР P‑CAD 200x и содержащей значительное число дополни‑ тельных программных и информационных наработок, которые позволяют эффективно выполнять проекты печатных плат с учетом адаптации САПР P‑CAD к условиям оформ‑ ления проектов и конструкторской докумен‑ тации в соответствии с требованиями стан‑ дартов Российской Федерации. Технология монтажа микросхем на печат‑ ную плату существенно изменилась в по‑ следние годы. В прошлом практически все микросхемы выпускались со штыревыми выводами, которые запаивались в отвер‑ стия на печатной плате. Преимуществом этой технологии монтажа является ее про‑ стота, поскольку производство таких плат не требует оборудования и специальной подготовки. К недостаткам следует отнести то, что отверстие занимает на плате много места и расстояние между соседними выво‑ дами микросхемы должно быть существенно больше, чем при технологии поверхностного монтажа (SMT — Surface Mount Technology), когда все выводы микросхемы припаиваются к поверхности платы. На рис. 1 изображены

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

а

б

в

г

д

Рис. 1. Основные типы формовки выводов

Рис. 2. Вид выводов с формой «горб верблюда»

формы выводов, наиболее часто используе‑ мые при производстве корпусов. Для SMT-монтажа предусмотрены корпуса с двумя основными типами выводов: «крыло чайки» (gullwing) и J‑образные. Оба типа вы‑ водов имеют свои преимущества. Корпуса с выводами типа «крыло чайки» позволяют выполнять ручную пайку и обеспечивают более простой контроль паяных соединений. Применение корпусов с выводами типа J уменьшает площадь печатной платы. В насто‑ ящее время корпуса с выводами «крыло чайки» наиболее востребованы, так как позволяют ис‑ пользовать простое производственное обору‑ дование и обеспечивать переход к сверхплот‑

ному монтажу. Другой разновидностью «кры‑ ла чайки» являются выводы с формой «горб верблюда» (camel hump), которые характери‑ зуются более высокой устойчивостью к тепло‑ вому расширению и тепловому удару (рис. 2). Производители выпускают корпуса с тремя различными расположениями вы‑ водов: сверху, сбоку и снизу, как это пока‑ зано на рис. 3. Каждый вариант имеет свои особенности проектирования и свой способ формовки выводов. Следует отметить, что корпуса с верхним расположением выводов в большей степени подвержены эффекту упругих остаточных деформаций, чем кор‑ пуса с нижним и боковым расположением выводов, что связано с большей длиной вы‑ вода. Хотя данный фактор и не критичен при выборе корпуса, но в сочетании с толщиной выводов и высотой зазора это дает общее представление о занимаемой компонентом площади на плате и позволяет подобрать со‑ ответствующие контактные площадки. Пожалуй, главной задачей в процессе фор‑ мовки выводов становится разработка спецификации для каждого вида компонента. Часто у инженера-разработчика есть только чертежи из рекламных брошюр производи‑ теля. Обычно размеры в них указаны в широ‑ ком диапазоне допусков, и использовать эти данные в качестве параметров рабочей спецификации невозможно. На рис. 4 показаны ос‑ новные параметры SMD-компонентов, кото‑ рые необходимо учитывать. Другие, не менее важные размеры — шаг выводов (расстояние от одного вывода до центра следующего), радиус плеча, раз‑ мер ножки (лапки) и размеры самого кор‑ пуса. Для облегчения решения этих проблем был создан программный комплекс из спе‑ циальных калькуляторов, которые не только формируют чертеж установки компонента, но и производят расчет формы и координат планарных или сквозных контатных пло‑ щадок, формируя посадочное место компо‑ нента (pattern). В ГРИФ этот программный комплекс называется CompBox. На рис. 5 по‑ казан образец расчета данных для формиро‑ вания конфигурации изгиба.

Рис. 4. Схематичное изображение основных праметров выводов: 1 — зазор; 2 — ширина от края до края; 3 — длина ножки; 4 — толщина выводов; 5 — длина плеча

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

проектирование

117

а

б

в

Рис. 3. Примеры расположения выводов на корпусе компонента

Отметим, что при использовании кальку‑ ляторов для расчета посадочных мест и фор‑ мирования чертежа установки компонента следует учитывать некоторые основные эф‑ фекты, влияющие на форму выводов, ина‑ че может возникнуть несоответствие между габаритами корпуса и собственно выводов и размерами посадочного места. Ведь одной из проблем является тот факт, что многие изготовители компонентов не выполняют формовку выводов и поставляют покупате‑ лю выводы прямой формы. Однако конструктор должен указать на сборочном чертеже вариант уста‑ новки и распайки такого компонента. Теоретический расчет конфигурации выво‑ дов микросхемы может не совпадать с кон‑ фигурацией выводов, полученных после их формовки силами изготовителя платы. При этом оснастка проектируется для формов‑ ки под наибольшую толщину используемых выводов с фиксированным отклонением, а потому специалисту следует крайне внима‑ тельно задавать допуск ширины компонента от края до края. Так, если оператор пытается отформовать компонент с выводами мень‑ шего размера, чем предполагает инструмент, увеличится степень упругих деформаций и, следовательно, значительно увеличится ширина от края до края. Дополнительный эффект вносит и высота лапки: чем она длиннее, тем сильнее видно ее распрямление после снятия нагрузки.

Рис. 5. Расчет конфигурации выводов

www.kite.ru

проектирование

118

САПР

Рис. 6. Параметры CQFP-корпуса

Другая проблема, возникающая при ис‑ пользовании корпусов различных конструк‑ ций, — контроль высоты зазора, то есть вы‑ соты корпуса компонента над платой. Этот параметр критичен при монтаже корпуса на адгезив, а также для циркуляции воздуха, чистки внутреннего пространства или для визуальной инспекции. Например, извест‑ но, что производители металлокерамических корпусов не могут точно контролировать их толщину (С на рис. 6), при этом она может варьироваться в диапазоне 3,56–4,2 мм. Вот почему перед формовкой каждый корпус необходимо измерить и только после этого произвести ручную или автоматическую на‑ стройку инструмента под заданный зазор. Рассмотрим возможности существующего оборудования для формовки выводов ми‑ кросхем на примере универсальной установ‑ ки формовки и обрубки выводов компании Fancort (рис. 7). Системы для обрубки и формовки по од‑ ной стороне за один раз являются наиболее точными и универсальными для большин‑ ства компонентов. Приведем рекомендации при формовке выводов типа «крыло чайки»: 1. Допустимое распрямление вывода со‑ ставляет 0,31–0,41 мм для ножки высотой 2,54 мм. При формовке более длинной ножки эти значения будут выше.

2. Стандартный допуск ширины от края до края считается 0,13 мм.

3. Минимальная длина плеча 0,89 мм.

4. Минимальная длина лапки от пятки до ос‑ нования 0,89 мм.

5. Для ИК-пайки оплавлением лапка должна быть ровной или слегка приподнятой.

6. Для термокомпрессионной пайки лапка должна быть слегка опущенной.

7. Минимальный радиус изгиба составляет 1,5 размера толщины вывода.

Рис. 8. Установка Fancort

Рис. 7. Универсальный формовочный штамп имеет заменяемые вставки и микрометры, обеспечивающие гибкость настройки выводов

Данные размеры даны в соответствии с меж‑ дународным стандартом JEDEC, российским аналогом которого является ГОСТ 29137-91. На рис. 8 показан общий вид установки для формовки и обрубки выводов Fancort. Операции формовки и обрубки выводов микросхем особенно важны в технологиче‑ ском процессе изготовления электронных компонентов. На качество формовки влияет множество параметров, но современные ме‑ тоды выполнения данного процесса позволя‑ ют в минимальные сроки разработать новую конфигурацию компонента, настроить в со‑ ответствии с ней установку и отформовать компоненты. Благодаря этому уменьшается время, необходимое для внедрения новых устройств, и значительно повышается эф‑ фективность производства.

Посадочные места и стеки КП Многие посадочные места включены в ре‑ дактор РСВ, но вы должны уметь создать свой собственный проект. Ниже описывается инструментарий редактора РСВ, который ис‑ пользуется для проектирования посадочного места. ПМ для SMD (монтаж на поверхность) и THD (монтаж в отверстия) имеют значи‑ тельные различия, но требуют внимания к во‑ просам изготовления и сборки. ПМ в редак‑ торе РСВ содержит средства формирования стеков КП, элементов шелкографии и конту‑ ров компонента. В редакторе РСВ отсутствуют ограничения для размещения специфических компонентов, так как они указаны в ограни‑ чениях при трассировке. Проект посадочного места (размер контура корпуса) определяет зазоры и тем самым возможность максималь‑ ной плотности на плате (без ошибок в DRC). Согласно стандартам IPC имеется некоторое число ограничений по зазорам, которые зави‑ сят от платы и типов корпусов компонентов. ПМ в редакторе РСВ не обязательно соответ‑ ствуют проектным стандартам IPC. Поэтому при проектировании платы уровня С вам необходимо модифицировать старое или

создавать новое ПМ в соответствии со специфическим руководством. Или, если вы хотите создать ПМ, которое соответствует требова‑ ниям уровня А для увеличения качества и на‑ дежности, тогда вам, возможно, придется про‑ ектировать новое ПМ или модифицировать существующее. Ниже обсуждаются некото‑ рые проектные проблемы и ссылки на инду‑ стриальные стандарты.

Посадочные места для SMD Когда вы создаете шаблон платы и нужда‑ етесь в компоненте, отсутствующем в редак‑ торе РСВ, то можете прибегнуть к несколь‑ ким вариантам. Если редактор РСВ имеет ПМ, которое похоже на необходимое вам ПМ, но с другим количеством КП, вы мо‑ жете сохранить копию существующего ПМ с другим именем и использовать его как об‑ раз с добавлением КП и модифицировать его контур и шелкографию. Если же такого ПМ нет, следующим шагом может быть ознаком‑ ление с чертежом этого компонента от изго‑ товителя (Data Sheets), если он имеет подхо‑ дящее ПМ. Если это не дает вам необходимой информации, тогда можно найти параметры проекта из IPC Land Pattern Viewer. Если и это не поможет, необходимо создать про‑ ект по эскизу, используя конструктивную информацию из чертежей компонентов или один из стандартов JEDEC. В САПР ГРИФ‑4 есть специальный программный комплекс CompBox, который, в частности, автоматиче‑ ски формирует ПМ в соответствии с между‑ народными рекомендациями IPC. Чертеж компонента и данные из стан‑ дартов JEDEC предоставляют информацию о корпусе компонента, но обычно это не ПМ. Стандарты IPC представляют руководства по размерам ПМ, но предлагают способ, ко‑ торый требует дополнительных вычислений для конструирования стеков КП и ПМ в ре‑ дакторе РСB. При таком развитии событий вы нуждаетесь в знании размеров стека КП и дис‑ танции между центрами КП. Стандарты IPC

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

проектирование

119

Рис. 9. Чертеж с размерами корпуса (типичный вариант)

Рис. 10. Размеры JEDEC-корпуса (типичный образец)

Рис. 11. Размеры ПМ (типичный образец)

обычно содержат информацию о зазорах от‑ носительно габаритов КП. Тогда необходи‑ мо транслировать размеры корпуса из JEDEC непосредственно в размеры ПМ в редакторе РСВ для согласования со стандартами IPC. Из чертежа компонента видно, что разме‑ ры обычно связаны с корпусом. Например, микросхема имеет восемь небольших ножек (SOIC), как показано на рис. 9. Изготовитель компонента может также представить спецификацию JEDEC. Рис. 10 иллюстрирует пример JEDEC стандарта MS‑012 для кор‑ пуса SOIC. В соответствии с информацией изготовителя и регламентами стандартов мы должны определить стек КП и высоту и шаг между КП по осям Х и Y, как показано на рис. 11, чтобы создать новое ПМ в редак‑ торе РСB. Начнем с проектирования стека КП, после чего будем проектировать ПМ, используя го‑ товый стек КП. Хороший стек КП обеспечивает лучшие возможности пайки соединений между нож‑ ками компонента и РСB. Стек КП должен по‑ зволять вариативность размеров компонен‑ та, толерантность при изготовлении платы, толерантность к размещению и специфи‑ кации пайки. Приборы THD относитель‑ но большие, а потому более снисходитель‑ ны к этой толерантности, но SMD обычно имеют меньший размер и поэтому более

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 12. Требования к SMD-стеку КП

Таблица 3. Номинальная передняя полоска припоя (JT) для типовых корпусов

Таблица 4. Номинальная задняя полоска припоя (JH) для типовых корпусов

Тип посадочного места

мил

мм

Тип посадочного места

мил

мм

«Крыло чайки» (SOG) Тип вывода по форме символа J Безвыводный корпус типа 0603 и больше Безвыводный корпус типа меньше чем 0603 Плоский микрокорпус с двусторонним расположением выводов в форме крыла чайки (SO-микрокорпус) Танталовый конденсатор (TCAP) Бессвинцовый высокочастотный чип (Leadless chip carrier) Безвыводный цилиндрический корпус с торцевыми КП (MELF) Вывод для стыкового контакта (BUTT JOINTS)

14 14 14 4

0,35 0,35 0,35 0,1

«Крыло чайки» (SOG)

14

0,35

Тип вывода по форме символа J (SOJ)

–8

–0,2

Безвыводный корпус всех типов (Chip componenets)

–2

–0,05

12

0,3

6

0,15

22

0,55

Плоский микрокорпус с двусторонним расположением выводов в форме «крыла чайки» (SO-микрокорпус)

0

0

Танталовый конденсатор (TCAP)

20

0,5

6

0,15

4

0,1

31

0,8

16

0,4

Бессвинцовый высокочастотный чип (Leadless chip carrier) Безвыводный цилиндрический корпус с торцевыми КП (MELF)

31

0,8

Вывод для стыкового контакта (BUTT JOINTS)

чувствительны к вариациям при изготовле‑ нии и монтаже. IPC‑7351, заменивший IPCSM‑780/2, является стандартом для ПМ типа SMD, для стека КП и шаблона платы. Как видно на рис. 12, КП для пайки должна быть больше, чем размер ножки компонента, чтобы обеспечить подходящее присоедине‑ ние. Превышение размера КП отображено в IPC‑7353 (стр. 8–14), где термин JT определяет расстояние от конца КП до носка вывода, JH — расстояние от КП до задника вывода, а JS задает дистанцию от края КП до края ножки вывода. Значения JT, JH и JS зависят от типа ком‑ понента и требуемого уровня сложности (от А до С); номинальные значения приведе‑ ны в таблицах 3–5.

Таблица 5. Номинальная боковая полоска припоя (JS) для типовых корпусов Тип посадочного места

мил

мм

Крыло чайки (SOG), шаг ножек >0,625 мм Крыло чайки (SOG), шаг ножек <0,625 мм Тип вывода по форме символа J (SOJ) Безвыводный корпус типа 0603 и больше Безвыводный корпус типа меньше чем 0603 Плоский микрокорпус с двусторонним расположением выводов в форме крыла чайки (SO-микрокорпус) Танталовый конденсатор (TCAP) Бессвинцовый высокочастотный чип (Leadless chip carrier) Безвыводный цилиндрический корпус с торцевыми КП (MELF) Вывод для стыкового контакта (BUTT JOINTS)

1 –1 1 0 0

0,03 –0,02 0,03 0 0

–2

–0,04

–2

–0,05

–2

–0,05

2

0,05

8

0,2

Для создания стека КП в редакторе РСВ необ‑ ходимо знать ширину стека КП — WP и высо‑ www.kite.ru

проектирование

120

САПР

а

б

Рис. 13. Описание ПМ для SOIC (8 ножек) в соответствии с IPC‑7351

Таблица 6. Излишек габаритов посадочного места (добавочный контур) для плотной установки различных SMD-корпусов Класс точности (Courtyard Excess) Тип корпуса (package type) «Крыло чайки» (SOG) Вывод типа J (SOJ) SO-микрокорпус Безвыводный корпус (0603 и больше) Танталовый конденсатор MELF Высокочастотный чип Безвыводный корпус (меньше 0603) Вывод для стыкового контакта

Уровень А

Уровень B

Уровень С

мил

мм

мил

мм

мил

мм

20 20 20

0,5 0,5 0,5

10 10 10

0,25 0,25 0,25

4 4 4

0,1 0,1 0,1

20

0,5

10

0,25

4

0,1

20 20 20

0,5 0,5 0,5

10 10 10

0,25 0,25 0,25

4 4 4

0,1 0,1 0,1

8

0,2

6

0,15

4

0,1

59

1,5

31

0,8

8

0,2

ту HP, чтобы получить возможность вписать требуемые значения в Padstack Designer. Используя данные из чертежа компонента или из стандарта JEDEC (формула (1) и (2)), можно рассчитать максимальные размеры WP и HP:

WP(max) = Emin–(Emax–2Lmin)+ 2 +2JT +2JH +√(ETOL(∆))2+F 2+p 2,

(1)

где W P(max) — максимальная ширина КП (рис. 11); E(min и max) — это дистанция между окончаниями ножек — в терминах разме‑ ров JEDEC (рис. 10); ETOL(∆) — допуск для Е в единицах измерения размеров в JEDEC или вычислено из (Emax–Emin) (рис. 10); JT и JH — припойная галтель, как описано в таблицах 3 и 4, которые взяты из IPC‑7351; F — допуск изготовления (IPC‑2221A, обычно 0,1 мм, или 4 мила); p — допуск размещения на ма‑ шинах установки и пайки (в зависимости от машины, обычно 0,15 мм, или 6 мил); и

HP(max) = bmin+2JS+√(bTOL(∆))2+F 2+p 2, (2) где H P(max) — это максимальная ширина КП (рис. 11), bmin — минимальная ширина вывода, J S — допустимая припойная гал‑ тель, как описано в таблице 5; bTOL(∆) — до‑ пуск b в JEDEC-размерах или вычислено из (b max–b 1min) (рис. 11), а F и p описаны в формуле (1). Эти формулы были взяты из различных таблиц в IPC‑7351, но на самом деле стандарт также включает факторы округления, которые не учтены в формулах (1) и (2). Таблицы 3–5 тоже заимствованы из стандарта IPC‑7351, но подлинники стандартов содержат допол‑

Рис. 14. Сравнение ПМ в редакторе РСВ и в IPC

нительные данные для больших или меньших уровней сложности, в то время как номиналь‑ ная сложность (плотность) здесь включена. Для ознакомления с подлинниками для лучше‑ го понимания размерностей можно обратиться к IPC Land Pattern Viewer на веб-сайте IPC (де‑ моверсия доступна). После того как КП создана (например, вы определили ширину и высоту), можно использовать процедуру для формиро‑ вания КП с помощью CompBox [1]. После кон‑ струирования КП они должны быть корректно помещены в комплект ПМ. Это выполняет‑ ся автоматически в CompBox. Пример того, как IPC‑7351 определяет параметры ПМ для 8‑выводного корпуса SOIC, показан на рис. 13. Контур компонента (Component outline) зада‑ ет внутренний контур корпуса микросхемы, в том числе элементы контура корпуса и кон‑ цы выводов (ВКК). Затем следует внешний контур собственно посадочного места — КПМ (Courtyard outline). Этот контур обрамляет корпус и все подключенные КП компонента. Расширенный внешний контур (РВКПМ), так называемый Excess (расширение контура), определяет минимальное расстояние между компонентами при их взаимном размещении. При большом расширенном внешнем контуре компонента класс плотности платы уменьшается. Уровни плотности (в ГОСТах РФ этот показатель называют «Класс точно‑ сти») определяются категориями плотности от уровня A до уровня C, как это указано в таблице 6 для различных SMD-корпусов (взято из IPC‑7351, таблицы 2, 3–14). Уточним понятия уровня пригодности (или класса точности) для производства: • Уровень А — обычная конструкторскопредпочтительная сложность.

• Уровень B — средняя конструкторскостандартная сложность.

• Уровень С — высокая сложность пригод‑ ности для массового производства. В ГРИФ‑4 эти данные не введены в БД и не используются. Редактор РСВ также не ис‑ пользует концепцию контуров, предусмо‑ тренную в стандарте IPC‑7351 для своих ПМ SMD. Рис. 14 показывает внешний контур 8‑выводного SOIC. Отметим, что редактор РСВ не включает в контур дополнительное расширение к концам контура или вокруг вы‑ водов. Для большинства ПМ в редакторе РСВ, содержащихся в библиотеке компонентов и программ, расширение контура не суще‑ ствует. Также в PCB Editor’s Constraint Manager (САПР Allegro) отсутствуют подобные огра‑ ничения, которые вы можете установить. В свою очередь DRC фиксирует нарушения, только если имеется пересечение контуров компонентов. Поэтому для удовлетворения требований по классу точности вы можете либо модифицировать описание ПМ, либо установить подходящую координатную сетку и вручную проверять каждый компонент ин‑ дивидуально, с помощью соответствующих таблиц, приведенных выше. Стандартизация для компонентов THD, видимо, не столь хорошо известна, как для SMD. Возможно, это происходит потому, что имеется больше вариативности для THD, а также потому, что они имеют, как прави‑ ло, большие размеры и тем самым меньше влияют на конструкцию и производство, чем SMD. В результате стандарты или руковод‑ ства для THD более трудоемки для одних устройств и могут отсутствовать для других. Далее мы рассмотрим, как проектировать ПМ для THD-устройств. n При подготовке статьи использованы без ссылок материалы стандарта IPC‑7351 — Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard (февраль 2005 г.). Продолжение следует.

Литература 1. Сабунин А. Е. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010.

2. Елшин Ю. М. Программный комплекс форми‑ рования БД компонентов и обмена данными между участниками проектных работ в САПР. Комплекс CompBox // Компоненты и техноло‑ гии. 2015. № 6.

3. Елшин Ю. М. САПР RUS — CAD как вари‑ ант замещения импортных САПР печатных плат // Технологии в электронной промышлен‑ ности. 2015. № 6, 7.

4. Mitzner K. Complete PCB Design Using OrCAD Capture and PCB Editor. Newnes, 2009.

5. Coombs C. F. Coombs’ Printed Circuit Handbook (McGraw Hill). 5th ed. NY, 2001.

6. IPC‑2222. Sectional Design Standard for Rigid Organic Printed Boards. Northbrook, IL: IPC / Association Connecting Electronic Industries. February, 1998.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

122

проектирование

САПР

Профессиональная работа в системе DesignSpark PCB. Часть 5. Проектирование печатной платы на примере светодиодного модуля: 3D-моделирование и заказ компонентов

Александр Дымов dap1355@mail.ru Сергей Кривандин sergey.krivandin@rsrussia.ru

Введение. Задача проектирования Читателям, впервые открывшим этот цикл статей, напомним стоящую перед нами задачу — создать принципиальную схему и развести печатную плату устройства сред‑ ствами САПР DesignSpark PCB на примере светодиодного модуля [8–10]. Модуль может использоваться в светильнике декоративного или служебного освещения или интерьерной подсветки. Наш модуль состоит из несколь‑ ких светодиодов популярной серии Duris E5 производства компании Osram [11] и само‑ го распространенного в светотехнике кон‑ нектора Wago 2060-402 [12]. Обычно платы со светодиодами реализуются на алюмини‑ евом основании, следовательно, они одно‑ сторонние. Поскольку светодиоды Duris E5 не очень мощные, можно разместить их на стеклотекстолите. В учебных целях пе‑

В десятой статье цикла, подготовленного глобальным дистрибьютором товаров для инженеров RS Components Russia [1] и посвященного комплексу САПР DesignSpark [2–10], визуализируем итог проектирования: получаем 3D-модель платы с установленными на ней компонентами и заказываем эти компоненты онлайн в RS Components Russia. Все шаги иллюстрированы на примере печатной платы светодиодного модуля.

чатную плату мы сделали двусторонней. Мы не рассматриваем вопросы проектирования модуля с точки зрения светотехнических па‑ раметров, расчета отвода тепла от светодио‑ дов и т. п., эти вопросы остаются за рамками статьи, а мы приводим пример, иллюстриру‑ ющий возможности программы DesignSpark PCB. Печатная плата модуля имеет круглую форму диаметром 40 мм с крепежным отвер‑ стием диаметром 2,5 мм в центре (рис. 1) [9]. В предыдущих статьях были рассмотре‑ ны пользовательская настройка DesignSpark PCB [6], создание библиотек компонентов и принципиальной схемы [8], редактирование технологического файла, трансляция принци‑ пиальной схемы в редактор печатной платы, автоматическое и ручное размещение компо‑ нентов на плате [9], варианты автоматической и ручной трассировки, проверка проектных правил, подготовка Gerber-файлов, вывод ри‑ сунка платы на печать [10]. В настоящей ста‑ тье рассмотрим следующие вопросы: • создание и загрузка 3D-моделей компонен‑ тов и библиотек 3D-моделей; • 3D-визуализация печатной платы на экране компьютера и ее печать на 3D-принтере; • поиск и заказ компонентов на сайте RS Components Russia; • создание перечня компонентов.

скачать с сайта RS Components Russia [1], сай‑ та DesignSpark.com [13] или создать самосто‑ ятельно. Для хранения 3D-моделей применя‑ ются отдельные библиотеки.

Cамостоятельно создадим 3D-модели ис‑ пользуемых компонентов. Сначала запишем новую библиотеку. В верхнем меню Libraries откройте библиотечный менеджер и щелкните табулированную закладку 3D View. Для хране‑ ния 3D-моделей оптоэлектронных компонен‑ тов создайте новую библиотеку — Opt_3d.pkg. Созданная нами ранее PCB-модель светодиода называется Duris_1. Имя 3D-модели этого же компонента должно иметь ту же основную часть, добавим к нему в конце символ «*». Откройте пустое окно только что созданной 3D-библиотеки, нажмите New Item и в окне New Package в строке PCB Symbol Name введи‑ те имя 3D-компонента — Duris_1*.

Создание или загрузка 3D-моделей компонентов

Рис. 1. Внешний вид проектируемого светодиодного модуля

САПР DesignSpark PCB позволяет про‑ сматривать объемное изображение печатной платы в виде, очень близком к реальному.

3D-модели корпусов компонентов можно

Рис. 2. Задание параметров 3D-модели компонента на примере светодиода

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

В окне Edit 3D Package определите параметры 3D-модели свето‑ диода в соответствии с чертежами и таблицами из даташита [11] на прибор: это тип корпуса Box, его размеры, цвет Gold, стиль выво‑ дов Gullwing и их цвет Chocolate (рис. 2).

3D-модель можно рассмотреть со всех сторон, вращая ее в любом направлении. Для этого поместите на нее курсор и нажмите левую кнопку мыши. Кнопками Zoom можно приближать и удалять мо‑ дель, чтобы просмотреть общий вид или мелкие детали компонен‑ та. Здесь нужно отметить, что возможности системы не позволяют получить детализированное 3D-изображение компонентов, однако, задавая форму компонента и его размеры, удается получить при‑ ближенную 3D-модель компонента и платы в целом с точностью, достаточной для эскизного проектирования и объемного прототи‑ пирования. Для 3D-моделей разъемов создайте отдельную библиотеку Con_3d.pkg. Запишите в нее имя 3D-модели разъема Wago_2*. В окне Edit 3D Package задайте ее параметры в соответствии с чертежами и таблицами из дата‑ шита [12]. При создании модели компонента можно выбрать его фор‑ му из вариантов Axial, Bead, Box, Can, Chip, DIL, DILSwitch, LED, LEDDisplay, MELF, Quad, Shape, форму выводов — из вариантов Ball, DIL, Gullwing, JLead, Pin, Wire. Для освоения инструмента создания 3D-моделей рекомендуется зайти в библиотеку Default и поэкспе‑ риментировать с параметрами записанных в ней готовых моделей компонентов. В ней имеются 3D-модели корпусов типа SOIC, QFN, TSQFP и многих других. Вы можете модифицировать эти модели для своих компонентов в соответствии с их даташитами и применять модифицированные 3D-модели в других проектах. Компания RS Components располагает обширной библиотекой инженерных моделей компонентов на сайте Designspark.com [13], которую непрерывно дополняет и развивает (рис. 3). В карточке ком‑ понента можно рассмотреть 3D-модель со всех сторон. Она также содержит партномер и наименование производителя компонента, RS-номер, краткое описание компонента. Формат модели для разных САПР можно выбрать в выпадающем меню справа.

проектирование

123

При поиске компонента по техническим параметрам из предложен‑ ного сайтом [1] списка выбирайте компоненты с 3D-моделями для экономии времени на разработку изделия.

3D-просмотр печатной платы Для установки параметров 3D-изображения печатной платы в ос‑ новном меню выберите пункт 3D>3D Settings.

а

б

Рис. 5. Задание параметров 3D-отображения печатной платы: а) установка цветов; б) отключение некоторых слоев

В закладке Colors (рис. 5а) установите цвета печатной платы (Board), медных частей (Copper), компонентов (Components), их вы‑ водов (Pins) и неэлектрических объектов (Non-electrical). Желательно задавать их в соответствии с реальными цветами материалов, состав‑ ляющих печатную плату. Не забудьте сформировать и установить та‑ кую деталь, как отверстие в центре печатной платы, для ее крепления к арматуре светильника. Для этого можно применить технологию создания вырезов путем установки внутренних границ печатной пла‑ ты. В основном меню выберите пункт Add>Board>Circle и нарисуйте круг диаметром 2,5 мм. Затем выделите круг, переместите мышью в центр печатной платы и установите. Для создания окна 3D-просмотра в основном меню выберите 3D>3D View. Для уточнения деталей просмотра слева выберите ин‑ струментальное средство Settings и в окне 3D View Settings отключи‑ те некоторые слои печатной платы, как показано на рис. 5б. Результат 3D-изображения печатной платы с установленными на ней компонентами приведен на рис. 6. Вращать печатную плату в любом направлении и масштабировать ее 3D-изображение можно так же, как 3D-модель компонента.

Рис. 3. Бесплатная библиотека 3D-моделей на сайте DesignSpark.com

Кроме того, 3D-модель компонента можно скачать прямо со страницы изделия на сайте RS Components, ее наличие отмечено объемным красным символом «3D». Пример приведен на рис. 4.

Рис. 6. 3D-изображение печатной платы с установленными на ней компонентами

Рис. 4. Карточка товара на сайте RS Components Russia со значком 3D-модели

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Полученную объемную модель печатной платы с установлен‑ ными на ней компонентами можно загрузить в САПР DesignSpark Mechanical и на 3D-принтере напечатать пластиком механический прототип платы. Это очень востребовано на этапе создания про‑ тотипа проектируемого изделия. Объемная пластмассовая модель позволяет физически представить плату, поместить ее в корпус и оптимизировать компоновку прибора — таким образом удается значительно сократить время проектирования и ускорить вывод нового изделия на рынок. www.kite.ru

124

проектирование

САПР

Поиск и заказ компонентов на сайте www.rsrussia.ru Поскольку САПР DesignSpark PCB создана по заказу компании RS Components, в программу встроен поиск компонентов, который позволяет оценить стоимость проектов. Испытаем эту функцию на нашем простом проекте. В верхнем меню выберите Libraries и за‑ кладку Components. Откройте библиотеку Opt_dev.cml, укажите ком‑ понент DURIS_E5 и нажмите Edit. В окне рабочей области редакти‑ рования компонента выберите Properties и Search. Откроется сайт RS Components Russia (рис. 7). Поиск по строке DURIS E5 дает множество вариантов, поскольку мы задали лишь название серии светодиодов.

а

б

Рис. 9. Окна обновления компонента: а) окно Update Component; б) окно Update Components Summary

Рис. 7. Главная страница сайта RS Components Russia с введенным поисковым запросом

Выберите тип с длинным названием Osram Opto GW JDSRS1.CCFQFS‑5R8T-L1N2-120‑R18. Откроется окно с кратким описанием этого светодиода (рис. 8). Описание включает наименование, фото внешнего вида, партномер, наименование и логотип производителя, RS-номер для заказа, а также градацию цен в зависимости от коли‑ чества. Цены на сайте указаны в рублях без НДС с учетом доставки до России. В этом же окне сайта можно оперативно проверить нали‑ чие компонента на складе в Великобритании.

Рис. 10. Карточка разъема Lite-Trap от Molex на сайте www.rsrussia.ru

его свойств. Проделайте аналогичную операцию в рабочем окне ре‑ дактора печатной платы, обновив свойства светодиодов. К сожалению, на сайте RS Components разъем типа Wago 2060 об‑ наружить не удалось, зато имеется очень близкий по параметрам и идентичный по размерам разъем типа Lite-Trap от Molex. Найдите его по запросу Molex Lite-Trap и выберите из списка Lite-Trap SMT PCB Connector 2 circuit (рис. 10). Обновите свойства разъема в проекте аналогично обновлению свойств светодиодов. Рекомендуется заменить прежний разъем Wago на новый Molex и сохранить его в соответствующих библиотеках.

Заказ компонентов Для заказа компонентов щелкните BOM Quote в в верхнем меню про‑ граммы DesignSpark PCB. Откроется окно сайта RS Components (рис. 11) Рис. 8. Краткое описание светодиода DURIS E5 на сайте RS Components Russia

Зададим параметры конкретной модели светодиода в DesignSpark PCB. Откроем окно редактирования компонента и в разделе Properties введем RS-номер, наименование производителя (бренд) и но‑ мер производителя в строки RS Part Number, Manufacturer_Name и Manufacturer_Part_Number соответственно. Сохраним сделанные изменения. Применим в нашем светильнике все светодиоды этого типа, задав его параметры каждому светодиоду проекта. Откроем рабочее окно схемы, выделим любой светодиод, в меню правой кнопки мыши вы‑ берем пункт Update Component (рис. 9а), нажмем OK, а затем в окне Update Components Summary (рис. 9б) — кнопку Perform Update. Изменения свойств будут произведены во всех светодиодах на схеме, в чем можно убедиться, выделяя любой светодиод и открывая окно

Рис. 11. Окно заказа компонентов в RS Components прямо из программы DesignSpark PCB

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

САПР

проектирование

125

со списком компонентов, используемых в проекте, и вы сразу же можете оформить заказ. Кнопка PCB Quote предназначена для по‑ иска компаний, изготавливающих печатные платы. Поискать их можно и независимо от программы DesignSpark PCB. В России ра‑ ботает много контрактных производителей печатных плат. Для заказа изготовления пе‑ чатной платы нужно прислать Gerber-файлы [3, 10]. Многие производители отправляют заказчику готовые платы почтой.

Вывод перечня компонентов Для вывода перечня компонентов Bill Of Materials (BOM) используется пункт ос‑ новного меню Output>Reports (рис. 12). Нажмите Run, и программа сгенерирует спи‑ сок компонентов проекта в формате Excel (рис. 13). Сохраните его в папке проекта.

Заключение

Рис. 13. Перечень компонентов, сгенерированных программой DesignSpark PCB

поиска и заказа компонентов на сайте RS Components Russia и на основе заказа создали перечень компонентов. Результатами про‑ ектирования являются: принципиальная схе‑ ма, перечень компонентов, чертеж печатной платы, Gerber-файлы. Этим материалом мы завершаем цикл ста‑ тей о проектировании светодиодного модуля в САПР DesignSpark PCB. Мы рассмотрели основные этапы проектирования и освои‑ ли данную программу, простую в обуче‑ нии и эффективную в работе. Рассмотрены далеко не все возможности DesignSpark PCB, дальнейшее освоение свойств и воз‑ можностей программы интересно прово‑ дить самостоятельно. n

Литература 1. www.rsrussia.ru 2. Кривандин C. Что такое DesignSpark? Комплекс бесплатных САПР! // Компоненты и техноло‑ гии. 2014. № 12.

3. Савиль Р. Разработка печатной платы с по‑ мощью бесплатной САПР DesignSpark PCB // Электронные компоненты. 2015. № 5.

4. Грибовский А. Трехмерное моделирование сред‑ ствами DesignSpark Mechanical // Компоненты и технологии. 2015. № 3.

5. Лысенко А. DesignSpark Mechanical: проектируем свой первый объект // Компоненты и техноло‑ гии. 2015. № 5.

6. Дымов А. Профессиональная работа в САПР DesignSpark PCB. Часть 1. Установка и пользо‑ вательская настройка // Компоненты и техно‑ логии. 2015. № 7.

7. Лысенко А. Второй проект в DesignSpark Mechanical: тело вращения с внешними ребрами. Что это будет? // Компоненты и технологии.

2015. № 8.

8. Дымов А., Кривандин C. Профессиональная работа в системе DesignSpark PCB. Часть 2. Создание принципиальной схемы и собствен‑ ной библиотеки компонентов на примере све‑ тодиодного модуля // Компоненты и техноло‑ гии. 2015. № 9.

9. Дымов А. Профессиональная работа в системе DesignSpark PCB. Часть 3. Проектирование пе‑ чатной платы на примере светодиодного моду‑ ля // Компоненты и технологии. 2015. № 10.

10. Дымов А. Профессиональная работа в систе‑ ме DesignSpark PCB. Часть 4. Проектирование печатной платы на примере светодиодного модуля: трассировка и выходные файлы // Компоненты и технологии. 2015. № 11.

11. www.osram.ru 12. www.wago.ru 13. www.designspark.com

Реклама

В результате выполненной работы мы научились настраивать САПР DesignSpark PCB [6] для решения наших задач и спроек‑ тировали светодиодный модуль на восьми светодиодах с одним разъемом на круглой двустронней печатной плате [8–10]. В про‑ цессе проектирования модуля мы созда‑ ли библиотеки компонентов, нарисовали принципиальную схему [8], отредактиро‑ вали технологический файл, транслировали принципиальную схему в редактор печатной платы, тестировали варианты автоматиче‑ ского и ручного размещения компонентов на плате [9], а также варианты автоматиче‑ ской и ручной трассировки, проверили про‑ ектные правила, подготовили Gerber-файлы, вывели рисунок платы на печать [10]. В настоящей статье мы создали 3D-модели светодиода и разъема, записали их в библи‑ отеки 3D-моделей. Важным шагом проек‑ тирования является объемная визуализа‑ ция печатной платы на экране компьютера и в пластике. Мы опробовали эти функции САПР. Кроме того, протестировали процесс

Рис. 12. Окно генерации отчетов и перечня компонентов в САПР DesignSpark PCB

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

технологии

126

материалы

Может ли диоксид ванадия увеличить мощность транзисторов?

Перевод: Владимир Рентюк

«Т

рудно заменить текущую техно‑ логию транзисторов, потому что в области полупроводников про‑ делана уже просто фантастическая работа, — пояснил Роман Энгель-Герберт (Roman EngelHerbert), доцент кафедры материаловедения и инженерии. — Но есть определенные ма‑ териалы, например, такие как диоксид вана‑ дия (IV), добавив которые вы сможете сделать работу существующих устройств еще лучше». Исследователи уже знали, что диоксид ванадия (IV) имеет необычное свойство, именуемое «фазовый переход металл-диэлектрик». В металлическом состоянии элек‑ троны движутся свободно, чем обусловлена проводимость тока, а в состоянии диэлек‑ трика (изолятора) электроны течь не могут. Такое включение/выключение перехода, присущее диоксиду ванадия, может исполь‑ зоваться как основа для компьютерной логи‑ ки и ячеек памяти.

Рис. 1. Схема кристаллической структуры диоксида ванадия VO2: показано (черные стрелки) движение ванадия (V) по отношению к ионам кислорода (O) через переход металл-диэлектрик

Ученые-материаловеды Университета штата Пенсильвания (Penn State, США) обнаружили путь, позволяющий увеличить производительность транзисторов, — он состоит в использовании нового технологического приема, основанного на включении диоксида ванадия (IV) в качестве функционального диоксида в эти электронные устройства.

Специалисты посчитали, что если бы они смогли добавить диоксид ванадия (IV) к кри‑ сталлу такого полупроводникового прибора, как транзистор, это повысило бы его произ‑ водительность. Кроме того, путем добавле‑ ния диоксида ванадия (IV) в ячейку памяти удалось бы увеличить стабильность и эф‑ фективность использования энергии в ре‑ жимах чтения, записи и удержания инфор‑ мационного состояния конкретной ячейки. Основная проблема, с которой столкнулись исследователи, заключалась в том, что ди‑ оксид ванадия (IV) достаточно высокого ка‑ чества еще никогда не был выращен в виде тонкой пленки в масштабах, необходимых для применения в промышленности, то есть в масштабе полупроводниковых пластин. Несмотря на то, что диоксид ванадия (IV) как соединение выглядит достаточно просто, его трудно синтезировать. Для того чтобы создать резкий фазовый переход металл-ди‑ электрик, отношение ванадия к кислороду нужно тщательно контролировать. Когда оно выверено совершенно точно, сопротив‑ ление материала увеличится более чем на че‑ тыре порядка, чего вполне достаточно для эффективной ответной реакции на включе‑ ние/выключение проводимости. При низ‑ ких температурах VO2 действует как изоля‑ тор, но его поведение становится похожим на поведение металла уже при температуре, близкой к комнатной. Изображение (рис. 1) предоставлено Национальной лабораторией Лоренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory). Исследовательская группа Университета штата Пенсильвания представила доклад в интернет-журнале Nature Communications, подтверждающий, что она является первой, кому удалось добиться роста тонких пленок диоксида ванадия (IV) на 3‑дюймовых сапфи‑ ровых пластинах с совершенным отношени‑ ем один к двум ванадия к кислороду по всей поверхности пластины [1]. Данный мате‑ риал может быть использован для изготов‑ ления гибридных полевых транзисторов — так называемых hyper-FET-транзисторов, что может привести к разработке еще более

энергоэффективных устройств подобного типа. Ранее в этом же году в журнале Nature Communications исследовательская группа, которую возглавляет Суман Датта (Suman Datta), профессор электрического и электрон‑ ного машиностроения Университета штата Пенсильвания, сделала сообщение о том, что добавка диоксида ванадия (IV) обеспечивает резкое и обратимое обратное переключение при комнатной температуре, уменьшает по‑ следствия самонагрева и снижает общие энер‑ гетические потребности транзистора. Имплементация диоксида ванадия (IV) мо‑ жет также найти применение и в существую‑ щих технологиях изготовления элементов памяти. Поиски в этом направлении иссле‑ дователи Университета штата Пенсильвания активно проводят в настоящее время. «Свойство диоксида ванадия (IV) в виде его фазового перехода металл-диэлектрик может идеально улучшить современный технический уровень энергонезависимой па‑ мяти. Это возможно с помощью введения указанного материала в качестве дополнения в ее конструкцию. Весьма интересно, что в некоторых архитектурах памяти он может служить и в качестве селектора», — сказал Сумит Гупта (Sumeet Gupta), доцент кафе‑ дры электротехники и руководитель группы лаборатории интегральных схем и устройств Университета штата Пенсильвания. Такой селектор гарантирует, что чтение или запись информации на чипе памяти делает‑ ся строго в пределах одной ячейки памяти, без какого-либо влияния на соседние ячей‑ ки. Селектор работает, изменяя сопротивле‑ ние ячейки, что диоксид ванадия (IV) делает весьма эффективно. Кроме того, изменение удельного сопротивления диоксида ванадия (IV) может быть использовано для повыше‑ ния надежности операции считывания. «Для того чтобы определить правильное соотношение ванадия к кислороду, мы при‑ менили нетрадиционный подход, в котором на сапфировую пластину одновременно на‑ носились диоксид ванадия (IV) с разным соотношением ванадия к кислороду, — ска‑ зал Хай-Тян Чжан (Hai-Tian Zhang), доктор

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

материалы

философии и студент группы профессора Энгель-Герберта. — С помощью созданной нами «библиотеки» соотношений ванадия к кислороду мы можем выполнить все необ‑ ходимые вычисления для определения их оптимального сочетания. Такой подход дает нам идеальное соотношение ванадия к кис‑ лороду в полученной пленке, равное один к двум. Новый метод позволит быстро опре‑ делить оптимальные условия роста пленки для ее промышленного применения, а также избежать долгих и нудных серий экспери‑ ментов, идя путем проб и ошибок». В сотрудничестве с группой профессора Датта из Университета штата Пенсильвания и Университетом Нотр-Дам (Notre Dame, штат Индиана, США), этим методом были выращены тонкие пленки диоксида вана‑ дия (IV), которые впоследствии были ис‑ пользованы для изготовления сверхвысо‑ кочастотных переключателей, технология изготовления которых чрезвычайно важна для систем связи. Переключатели с диокси‑ дом ванадия (IV) показали предельные ча‑ стоты коммутации на порядок выше, чем у обычных устройств. Результаты этой ра‑ боты будут представлены на международной

новости

Рис. 2. Покрытие 3‑дюймовой сапфировой пластины атомами ванадия (синий) и молекулами, содержащими диоксид ванадия (IV) (оранжевый)

конференции по электронным приборам Института инженеров по электротехнике и электронике — IEEE. На этом ведущем фо‑ руме, который состоится в декабре 2015 года, специалисты обычно делают доклады о тех‑ нологических прорывах в области полупро‑ водниковых и электронных приборов.

технологии

127

«Мы начинаем понимать, что класс мате‑ риалов, обладающих этой реакцией в виде включения/выключения, может быть весьма полезным в различных применениях в об‑ ласти информационных технологий, таких как повышение надежности и энергетической эффективности циклов чтения/записи и вы‑ числительных операций в памяти, логики, а также в устройствах связи, — сказал ЭнгельГерберт. — Если удастся нанести высоко‑ качественный диоксид ванадия (IV) по всей поверхности в масштабе целой пластины, то можно будет предложить множество пре‑ красных идей о том, как это использовать». Рис. 2 иллюстрирует идею, использован‑ ную для отработки технологии нанесения слоя диоксида ванадия с заданным соотноше‑ нием ванадия и кислорода. Здесь атомы вана‑ дия (синий) и молекулы, содержащие диок‑ сид ванадия (IV) (оранжевый), покрывают 3″ сапфировую пластину [2]. n

Литература 1. w w w . n a t u r e . c o m / n c o m m s / 2 0 1 5 / 1 5 0 8 0 7 / ncomms8812/full/ncomms8812.html 2. www.mri.psu.edu/news/2015/power-boost.asp

измерительная аппаратура

Клещи для измерения больших токов от АО «НИИЭМ»

Реклама

Реклама

Компания АО «НИИЭМ» (г. Истра Московской области) представляет свою разработку — аналоговые клещи КЭИ‑5 кА, позволяющие бесконтактно измерять постоянный и переменный ток в диапазоне до 5 кА. Клещи представляют собой накидной (разъемный) датчик с питанием от встроенной батареи типа «Крона». Устройство дополняет линейку электронных токовых клещей и адаптеров (фото), которые давно выпускаются АО «НИИЭМ».

Клещи больших токов КЭИ‑5 снабжены переключателем и способны работать в трех диапазонах. При необходимости такими клещами можно измерять и малый ток, протекающий по шине большого диаметра. Действующее значение измеряемого тока выводится на 3-, 5‑разрядный ЖК-индикатор. Дополнительными преимуществами клещей являются увеличенный до 160 мм диаметр разъемных губок и усиленная конструкция корпуса клещей. Основные параметры клещей КЭИ‑5 кА: • Диапазоны измеряемых токов: 0–200, 0–2000, 0–5000 А.

• Основная приведенная погрешность на диапазонах 2000 и 5000 А: 3%.

• Диапазон рабочих температур: –10…+40 °C. • Питание — батарея «Крона» 6F22: 9 В.

• Диаметр отверстия под токовую шину: 160 мм.

• Габаритные размеры: 130×60×30 мм.

• Масса: 2 кг. www.niiem46.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

на правах рекламы

128

Филиал «Камертон» холдинга «ИНТЕГРАЛ» Пластины монокристаллического кремния

П

ластины монокристаллического кремния1 изготавливают по ТУ РБ 200181967.026-20022, ТУ РБ 200181967.151-20103 или согласованным с заказчиком спецификациям из слит‑ ков монокристаллического кремния по ТУ 48-4-295, ГОСТ 19658 или согласованным с заказчиком спецификациям конкретной мар‑ ки и группы4. Пластины монокристаллического кремния могут использоваться в качестве рабочих и тестовых, или контрольных. Тестовые образцы изготавливаются из монокристаллического кремния или путем реставрации некондиционных пластин кристального производства. n

Таблица 1. Краткие характеристики слитков кремния монокристаллического Легирующие элементы

Фосфор, бор, мышьяк, сурьма

Тип проводимости

п, р

Ориентация слитков

(111), (100), (110)

Удельное сопротивление, Ом·см

0,003–80

Радиальный градиент удельного электрического сопротивления, % Концентрация атомов междоузельного кислорода, см–3 Радиальный градиент концентрации атомов междоузельного кислорода, %

Определяются ТУ 48-4-295, ГОСТ 19658 или согласованными с заказчиком спецификациями

Концентрация атомов замещения углерода, см–3

1 Пластины монокристаллического кремния имеют закругленный край (фаску), ориентированную базовую метку (лунку или срез), маркировку в виде лазерных маркировоч‑ ных надписей или дополнительного (маркировочного) среза. Рабочая сторона пластин монокристаллического кремния полирована суспензиями диоксида кремния.

2 ТУ РБ 200181967.026-2002 — распространяются на рабочие и контрольные пластины монокристаллического кремния диаметром 76, 100, 150 мм.

3 ТУ РБ 200181967.151-2010 — распространяются на пластины диаметром 100, 150, 200 мм для изделий с проектными нормами 1,2; 0,8; 0,5; 0,35 мкм.

4 По согласованию изготовителя и заказчика отдельные параметры пластин монокри‑ сталлического кремния, методы контроля, не ухудшающие качества изделия, могут быть изменены, что находит отражение в договоре или протоколе на поставку.

Филиал «Камертон» Ул. Брестская, д. 137, г. Пинск, Бестская обл., 225710, Республика Белорусь Тел.: приемная (+375 165) 34-32-94, бюро маркетинга и сбыта (+375 165) 34-98-33, Факс (+375 165) 34-60-61 E-mail: kamerton_sby@tut.by, Kamerton-40@mail.ru

Таблица 2. Основные технические характеристики

Технические условия на пластины монокристаллического кремния, спецификации Рабочие пластины ТУ РБ 200181967.026-2002 СП1 Диаметр, мм

СП2

76

СП3

СП4

100

Толщина, мкм

ТУ BY 100386629.151-2010

СП6

СП7

150

Ориентация поверхности пластины, предельное отклонение, град.

Контрольные пластины

СТ1 100

СТ2

СТ3

СТ4

150

Клин (TTV), мкм, не более

460 ±20

20

76

7

725 ±20 5

–

30

40

Прогиб, мкм, не более Характер поверхности нерабочей стороны

шлифовано-травленая или полированная алмазными пастами

STIR — 3,8

–

–

40 шлифовано-травленая

СП10R 150

340 380

3

440; 460; 500; 525

100

СТ10Т

СТ10М

150

СТ10R

200

40

655; 675; 695 50

±30

±40

±50

50

60

100

600; 660; 690

725 10

25 ±30

– SFQR — 0,35

–

9

SFQR — 0,5

Отклонение от плоскостности на локальном участке, мкм, не более

–

STIR — 3,8

–

100

ТУ BY 100386629.151-2010

0 ±2, 4 ±2

Предельное отклонение толщины, мкм Общее отклонение от плоскостности (TIR), мкм, не более

СП10

0 ±0,5

460 ±20

15

СТ5 200

0 ±0,5; 4 ±0,5

380 ±20

ТУ РБ 200181967.026-2002

40

SFQR — 0,5

Технические характеристики

шлифовано-травленая полированная резано-травленая

50

100

65

шлифовано-травленая

Примечание. Пример записи при заказе, термины и определения, методы контроля приведены в соответствующих технических условиях.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ЭМС

технологии

129

Гибкие абсорбирующие магнитные поля материалы от компании Crown Ferrite: широкие возможности и простота использования

Владимир Рентюк rvk.modul@gmail.com

К

омпания Crown Ferrite Enterprise (Тайвань) пока не так широко извест‑ на на рынке Российской Федерации. Но история ее существования начинается с 1991 года, и на мировом рынке она доста‑ точно успешно позиционирует себя как по‑ ставщик самого широкого ассортимента про‑ дукции из материалов, поглощающих маг‑ нитные поля. Кроме того, компания Crown Ferrite производит поглощающие магнитные плитки диапазонов VHF (30–300 МГц) и UHF (0,3–3 ГГц), двухслойные плитки для диапа‑ зона частот 30 МГц – 2 ГГц, широкодиапазон‑ ные пирамидальные ферритовые поглотите‑ ли WPA, пластиковые ячеистые поглотители PGA, широкополосные пирамидальные по‑ глотители BPA, а также гранулы для изго‑ товления продукции данного направления. Более подробная информация представлена на сайте компании [1]. Что касается гибких абсорбирующих магнитные поля материа‑ лов, то в одной из предыдущих публикаций [2] уже рассматривался принцип их работы, особенности использования аналогичных ма‑ териалов и области их применения на при‑ мере продукции компании Würth Elektronik. Что же может предложить компания Crown Ferrite и чем именно интересна ее продукция для разработчиков и потребителей? Во‑первых, продукция компании Crown Ferrite отличается значительно более широ‑ ким и гибким с точки зрения выбора и при‑ менения ассортиментом. Во‑вторых, более широким диапазоном рабочих частот погло‑ щения магнитных полей (до 18 ГГц). Помимо обычных гибких листовых материалов, Crown Ferrite поставляет трубки и шайбы (рис. 1), что значительно облегчает и упрощает при‑ менение ее продуктов в конечных изделиях.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

В статье рассматриваются материалы от компании Crown Ferrite Enterprise, которые абсорбируют магнитные поля и предназначены для самых разных областей применения — от защитного экранирования путем поглощения магнитных полей и выполнения требований по электромагнитной совместимости до использования в таких массовых решениях, как системы радиочастотной идентификации RFID.

Согласно данным, приведенным на сай‑ те компании Crown Ferrite [3], к особенно‑ стям гибких абсорбирующих материалов типа FAM (англ. FAM — Flexible Absorbent Material) относятся: • возможность обеспечить эффективное подавление электромагнитных помех в широком диапазоне частот от 1 МГц (0,001 МГц) до 18 ГГц (табл. 1); • изменение пути магнитного потока, чтобы избежать наложения помех на другие ком‑ поненты и исключить влияние внешних помех, к примеру, на критически важный участок схемы; • уменьшение образования вихревых токов в случае, когда переменный магнитный по‑ ток находится близко к металлу; • предлагаемые материалы сверхтонкие и гибкие и могут быть легко расположены в пространстве; • материалы доступны на непроводящей клеевой основе в виде самоклеящейся ленты; • соответствуют требованиям по пожаро‑ стойкости, что подтверждено сертифика‑ том UL;

• эффективно подавляют паразитные ре‑ зонансы и нежелательную магнитную связь; • высокое поверхностное сопротивление, 106–109 Ом; • легко поддаются обработке; • все предлагаемые материалы можно ре‑ зать, легко придавая им нужную форму. Материалы компании Crown Ferrite, по‑ глощающие магнитные поля, находят при‑ менение в следующих областях: • системы радиочастотной идентифика‑ ции RFID (англ. RFID — Radio Frequency Identification); • системы со связью в области ближнего поля NFC (англ. NFC — Near Field Communication); • беспроводные зарядные устройства (WPC/Qi); • компьютеры (ноутбуки, настольные, план‑ шетные) и периферийные устройства; • цифровая аппаратура; • мобильные телефоны, смартфоны, фаблеты; • оборудование на основе беспроводной связи; • экранирование корпусов аппаратуры.

Рис. 1. Образцы изделий компании Crown Ferrite и примеры их использования

www.kite.ru

технологии

ЭМС

Рис. 2. Эффект магнитного экранирования с применением магнитопоглощающих материалов

Рис. 3. Изменение диаграммы электромагнитного поля

Рис. 4. Структура магнитных абсорбционных материалов компании Crown Ferrite

Диапазон рабочих частот для использования, ГГц Относительная магнитная проницаемость (m′ на 1 МГц)

FAM5

FAM7

–40…+85 1–18 25

Материал

50

FAM8

–30…+120 0,001–3 115

140

Резина с ферритовым наполнителем

450

Спеченный феррит

Толщина, мм

0,12–2,5

0,25/0,5/0,75

0,05–0,5

Максимальный размер, мм

400×400

400×400

210×297 (A4)

130×130

Поверхностное сопротивление, Ом

106

109

106

109

Удельная плотность, г/см3

3,6

4,8

2,7

3,8

Соответствие RoHS 2.0

0,08/0,12

0,12/0,22

2011/65/EU

Безгалогенный

Нет

Да

Экономические показатели

Наилучшие

Хорошие

Область применения

RFID/NFC

ЭМС, RFID/NFC

Удовлетворительные

Средние

ЭМС, RFID/NFC Беспроводные зарядные устройства

Примечания.

1. Данные для материалов FAM1, FAM3 и FAM5 приведены без учета влияния клейкой ленты и защитного бумажного слоя.

2. Данные для материалов FAM7, FAM8 приведены для варианта: ПЭТ + спеченный ферритовый лист + самоклеящаяся лента (без учета влияния защитного бумажного слоя).

3. Под выражением «беспроводные зарядные устройства» подразумеваются беспроводные зарядные устройства не трансформаторного типа.

Таблица 2. Типы трубок на базе материала FAM компании Crown Ferrite Тип Внешний диаметр, мм Внутренний диаметр, мм

3 2

5 4

7 5

9 6

FT1510

FAM3

FT1107

FAM1

FT1309

Параметр Диапазон рабочих температур, °С

FT0906

Таблица 1. Основные характеристики листовых материалов FAM компании Crown Ferrite

Одна из самых важных областей приме‑ нения магнитных абсорбционных материа‑ лов — радиочастотная идентификация. Здесь проблема заключается в том, что на токо‑ проводящих поверхностях эффективность считывания метки резко падает практически до полной ее блокировки (рис. 5). Компания Crown Ferrite провела исследова‑ ние использования своих материалов разных марок с целью повышения эффективности меток RFID, работающих на металлических поверхностях (табл. 3). Для этого испытыва‑ лись три варианта меток. Метки имели стан‑ дартный размер ISO-карты с различными чи‑ пами. По итогам тестирования выяснилось, что, хотя считыватели разных типов показали различные расстояния надежного считывания информации, использование магнитных аб‑ сорбирующих материалов оказалось весьма эффективным решением.

FT0705

зины с наполнителем из ферритового по‑ рошка, так и из спеченного ферромагнитного материала на пленке ПЭТ с нарезкой для при‑ дания ему необходимой гибкости. Как уже отмечалось, кроме листов доступ‑ ны и трубки, предназначенные для использо‑ вания на кабелях (табл. 2).

FT0504

Поскольку использование материалов та‑ кого типа уже было подробно рассмотрено в недавней публикации [1], остановимся только на основных моментах, которые про‑ иллюстрируем рисунками из описания дан‑ ных материалов (рис. 2, 3) [3]. Как видно из рис. 2 и 3, материалы, абсор‑ бирующие магнитные поля, препятствуют образованию вихревых токов, предохраняя от воздействия переменных электромаг‑ нитных полей чувствительные к ним части устройств, и повышают эффективность ан‑ тенн, располагаемых вблизи металлических поверхностей. В публикациях [2] были рас‑ смотрены некоторые решения, предложен‑ ные в этой области. Однако сегодня самая массовая область применения таких мате‑ риалов — системы радиочастотной иденти‑ фикации RFID (RFID — от Radio Frequency IDentification) [3] и устройства, выполнен‑ ные на основе стандарта NFC (англ. NFC — Near field communication, «коммуникация ближнего поля», «ближняя бесконтактная связь»). Технология NFC, анонсированная в 2004 году, представляет собой систему бес‑ проводной высокочастотной связи малого радиуса действия, которая позволяет обме‑ ниваться данными между устройствами, на‑ ходящимися на расстоянии около 10 см. Она является расширением стандарта бескон‑ тактных карт (ISO 14443) и объединяет ин‑ терфейс смарт-карты и считывателя в единое устройство. В свете возможностей, которые нам предоставляют материалы компании Crown Ferrite, остановимся более подробно именно на этом вопросе. Для начала отметим, что номенклатура маг‑ нитных абсорбционных материалов компа‑ нии Crown Ferrite несколько шире, чем у ком‑ пании Würth Elektronik, и более современ‑ ная, нежели у компании t‑Global Technology. Это касается и конструктивного исполнения (рис. 4), основных технических характеристик и доступных толщин (табл. 1) [3]. Материалы типа FAM выпускаются как в варианте из ре‑

FT0302

130

11 7

13 9

15 10

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ЭМС

технологии

131

Таблица 3. Результаты испытаний материалов типа FAM для проверки эффективности их использования с метками радиочастотной идентификации FAM1, мм

FAM3, мм

FAM5, мм

FAM7, мм

FAM8, мм

Тип метки

Только метка, мм

Метка на металле, мм

0,2

0,25

0,33

0,6

1

1,5

2

2,5

0,25

0,5

0,75

0,05

0,1

0,2

0,3

0,5

0,08

0,12

0,12

0,22

Icode2

110

0

55

65

65

80

75

70

70

70

60

65

70

45

80

70

65

60

65

60

55

60

TI 2048

140

0

40

50

55

90

70

70

60

60

45

85

90

55

70

70

55

50

70

55

50

55

EM4100

190

45

80

90

95

120

75

50

40

40

95

120

90

110

120

40

40

30

60

45

35

30

Как видно из приведенной таблицы 3, по‑ добрать подходящий материал достаточно просто, и выбор вариантов весьма широк. Однако может возникнуть ряд закономер‑ ных вопросов — например, почему материал FAM, предназначенный для частот гигагерце‑ вого диапазона, может быть использован для меток низкочастотного и среднечастотного диапазонов 125/134,2 кГц и 13,56 МГц? Ответ прост. Материал FAM обладает высоким электрическим сопротивлением и низкими магнитными потерями. Он хорошо работает для подавления электромагнитных эффек‑ тов в области ближнего поля применитель‑ но к системам RFID, NFC и беспроводным зарядным устройствам, поскольку матери‑ ал типа FAM обеспечивает низкие потери мощности на частотах ниже 10 МГц. Однако подобные материалы подходят только для нескольких типов меток, работающих в об‑ ласти ультравысоких частот (UHF). Это вы‑ звано тем, что такие UHF-метки имеют весь‑ ма разнообразный дизайн и конструктивное исполнение антенн, а их характеристики ва‑ рьируются в очень широком диапазоне. Особый интерес для разработчиков и из‑ готовителей может представлять материал FAM8, обладающий уникальными характе‑ ристиками. В частности, это касается такого параметра, как магнитная проницаемость μ = μ′–jμ″. График зависимости данного па‑ раметра от частоты представлен на рис. 6. Дополнительная информация по рассмо‑ тренным в данной статье материалам до‑ ступна на сайте компании Crown Ferrite [1].

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 6. График зависимости составляющих магнитной проницаемости μ′ и μ″ материалов FAM5, FAM7 и FAM8

При самостоятельном поиске информации и принятии решения о приобретении опи‑ сываемых материалов необходимо иметь в виду, что материалы под маркой FAM вы‑ пускаются еще одной компанией — t‑Global Technology (тоже Тайвань). Но ее ассорти‑ мент в области магнитных абсорбционных материалов ограничен всего тремя марка‑ ми: FAM1, FAM2 и FAM3. Материалы FAM1 и FAM3 практически полностью идентичны рассмотренным выше материалам в номен‑ клатуре компании Crown Ferrite. Однако они выпускаются по устаревшей технологии и имеют меньший диапазон рабочих тем‑ ператур (до +80 °С), а материал FAM2, хотя и близок по показателям к материалу FAM3 от компании Crown Ferrite, полного аналога не имеет и поставляется компанией только

под заказ оптовыми партиями. Кроме того, отличие материалов t‑Global Technology за‑ ключается и в их магнитной проницаемости, впрочем, сама компания почему-то не при‑ водит в своих спецификациях таких данных. Подробности смотрите на сайте компании n www.tglobaltechnology.com.

Литература 1. www.cfe.com.tw/2‑absorber/menu-absorbers.htm 2. Рентюк В. Решение проблемы магнитного экра‑ нирования на примере материалов компании Würth Elektronik // Компоненты и технологии.

2015. № 8.

3. Flexible Absorbent Material (FAM), www.cfe.com. tw/2‑absorber/crown-ferrite-absorber-f lexibleabsorbent-material-fam.pdf

Реклама

Рис. 5. Повышение эффективности считывания меток RFID при использовании магнитных абсорбционных материалов типа FAM от компании Crown Ferrite

www.kite.ru

технологии

132

измерительная аппаратура

Беспроводные датчики IoT и проблемы малого времени работы от батарей

Карло Канциани (Carlo Canziani)

Р

аспространенный способ снижения энергопотребления заключается в ис‑ пользовании импульсного режима работы устройства, в котором короткие пе‑ риоды активности сменяются длительными периодами покоя. Инженеры стараются сде‑ лать периоды активности как можно короче, а периоды покоя как можно длиннее. Долгие годы инженеры борются за продление вре‑ мени работы устройств с батарейным пита‑ нием. Необходимые для этого схемы измере‑ ния, включающие осциллографы, цифровые мультиметры, источники питания, токовые пробники и токоизмерительные шунты, очень сложны и не могут детально регистри‑ ровать динамическое изменение тока. Новые патентованные технологии безразрывного переключения диапазонов измерения тока в сочетании с долговременной регистрацией данных с высоким разрешением помогают инженерам за один измерительный цикл визуализировать потребляемый ток в диа‑ пазоне от наноампер до ампер и достичь ис‑ ключительно длительного времени работы батарей в беспроводных датчиках и других устройствах с автономным питанием. Беспроводные датчики дают существен‑ ные преимущества в таких приложениях, как мониторинг окружающей среды или контроль параметров оборудования на про‑ мышленных предприятиях, поскольку от‑ сутствие проводных соединений позволяет использовать их во множестве ситуаций. В ближайшие годы с широким распростране‑ нием «Интернета вещей» мы увидим взрыв‑ ной рост новых применений беспроводных датчиков. Но одним из основных факторов, сдерживающих их распространение, являет‑ ся ограниченное время автономной работы подобных устройств. Если работоспособ‑ ность беспроводного датчика полностью зависит от встроенной несъемной батареи, а батарея разрядилась, он становится просто ненужным мусором.

Беспроводные датчики должны в корне изменить подход к мониторингу параметров окружающей среды и промышленных установок. Сегодня проводное подключение датчиков сдерживает их широкое распространение. С появлением устройств с автономным питанием «Интернет вещей» (IoT) может стать реальностью — как только время работы от батарей окажется достаточно продолжительным, чтобы не беспокоить пользователя.

Разрабатывая беспроводные датчики с ав‑ тономным питанием и стремясь заставить устройство функционировать в течение при‑ емлемого времени, вы сталкиваетесь с многочисленными проблемами. Типичный под‑ ход заключается в том, чтобы расходовать энергию только на полезные операции, а за‑ тем переводить устройство в режим малого энергопотребления. Работу беспроводного датчика можно разделить на серию перио‑ дов активности, каждый из которых требу‑ ет определенного уровня энергии в течение определенного интервала времени. К наибо‑ лее распространенным операциям относятся: • Пробуждение, выполнение измерений и преобразование данных в сообщение.

• Включение ВЧ-усилителя, передача со‑ общения и отключение ВЧ-усилителя.

• В датчиках с двунаправленной передачей данных (передающих и принимающих): пробуждение, включение приемника, при‑ ем, обработка данных, выполнение опи‑ санных в сообщении операций и отклю‑ чение питания. Нетрудно заметить, что вклад в разрядку батареи вносят несколько операций. Простейший способ продления времени работы от батареи заключается в увеличении размера и, следовательно, емкости батареи. Однако ваши заказчики рассчитывают, что датчик окажется маленьким и будет обладать хорошими характеристиками (сможет пере‑ давать много данных и иметь локальную си‑ стему их обработки). Ясно, что ожидания по‑ требителей диаметрально противоположны простейшему решению.

Как инженеры оценивают время работы от батареи? Как разработчик, вы должны идти на ком‑ промисс и стремиться к достижению баланса между размером батареи и функционально‑ стью беспроводного датчика, чтобы полу‑

чить максимально высокие характеристики от малой батареи при достаточно длитель‑ ном сроке ее работы. Процесс оптимизации начинается с фор‑ мирования требований к энергопотребле‑ нию. И первым шагом на пути к измерению параметров устройства становится сбор дан‑ ных о расходе энергии. Батарея содержит определенный запас энергии, выражаемый в ватт-часах (Вт·ч), и обладает емкостью, выражаемой в амперчасах (A·ч). Если известна мощность, потре‑ бляемая устройством, то время работы от ба‑ тареи можно рассчитать по формуле:

Время работы батареи (ч) = Энергия батареи (Вт·ч)/ Средняя потребляемая мощность (Вт). С другой стороны, энергия батареи равна произведению номинального на‑ пряжения (В) на емкость батареи (А·ч). Номинальным напряжением считается эм‑ пирически полученное среднее значение на кривой разряда батареи, корректно свя‑ зывающее энергию батареи с ее емкостью. В соответствии с этим время работы батареи можно выразить и такой формулой:

Время работы батареи (ч) = Емкость батареи (А·ч)/ Средний потребляемый ток (А). Однако в реальных условиях время ра‑ боты батареи обычно оказывается меньше расчетного. Обычно это объясняют плохим качеством батареи. Впрочем, известные про‑ изводители батарей могут предоставить де‑ тальные спецификации и пояснить, что сре‑ ди батарей одного типа наблюдается разброс емкости в пределах 5–10%. Но даже при кон‑ сервативной оценке емкости батареи время ее реальной работы все равно, как правило, оказывается меньше. Устройство перестает

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

технологии

133

Таблица. Типовые уровни тока и длительности режимов Передача Активность Сон

Рис. 1. Уровни потребляемого тока беспроводного датчика в трех основных режимах

работать раньше, чем ожидалось. Почему же это происходит? Может, мы неверно оцени‑ ли расход энергии? Скорее всего, да. Давайте исследуем эту проблему.

Сложность измерения динамического энергопотребления Для экономии энергии в устройствах с ав‑ тономным питанием, таких как беспровод‑ ные датчики, подсистемы включаются лишь тогда, когда нужно. Инженеры проектиру‑ ют устройство так, чтобы большую часть времени оно проводило в спящем режиме с минимальным потребляемым током. В спя‑ щем режиме функционируют только часы реального времени (таблица). Периодически устройство просыпается для выполнения из‑ мерений, а затем выполняет передачу данных в приемный узел (рис. 1). В разных режимах работы потребляется разный ток, охватывающий широкий ди‑ намический диапазон от долей микроампер до 100 мА, что соответствует отношению по‑ рядка 1:1 000 000.

Традиционные методы измерения и их недостатки Хорошо известный метод измерения тока заключается в использовании функции ам‑ перметра цифрового мультиметра. Точность измерения тока современных цифровых муль‑ тиметров достаточно высока, но эти характе‑ ристики указаны для фиксированных изме‑ рительных диапазонов и сравнительно стати‑ ческих уровней сигнала, что не соответствует режиму работы беспроводного датчика из-за динамического характера потребляемого тока. Для измерения тока цифровой мультиметр включается последовательно между батареей и исследуемым устройством. Время от времени мы наблюдаем некоторую нестабильность показаний, вызванную активными циклами работы датчика или даже режимом передачи. Мы знаем, что мультиметр имеет несколь‑ ко измерительных диапазонов и с помощью функции автоматического выбора диапазона может выбрать наилучший диапазон для до‑ стижения максимальной точности. Однако

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

цифровой мультиметр не идеален. Функции автоматического выбора диапазона требуется некоторое время, чтобы переключить диапа‑ зон и стабилизировать результаты измерения. Автоматический выбор диапазона занимает обычно от 10 до 100 мс, а это превышает дли‑ тельность режима передачи или активного ре‑ жима датчика. Вот почему функцию автомати‑ ческого выбора диапазона нужно отключить, и пользователь должен вручную выбирать наиболее подходящий диапазон. Для измерения тока цифровой мульти‑ метр использует шунт, включаемый в из‑ меряемую цепь, и измеряет падение напря‑ жения на этом шунте. Обычно для измере‑ ния малого тока выбирают малый диапазон с большим сопротивлением шунта, а для из‑ мерения большого тока — большой диапа‑ зон с малым сопротивлением шунта. В связи с падением напряжения на шунте к беспро‑ водному датчику прикладывается не все на‑ пряжение батареи. На самых точных малых диапазонах для измерения тока спящего ре‑ жима создается такое падение напряжения во время пиковых скачков тока, которое мо‑ жет даже вызвать сброс устройства. На прак‑ тике мы пошли на компромисс и использо‑ вали большие диапазоны измеряемого тока, которые обеспечивают работоспособность устройства во время пиков потребления. Такой компромисс позволяет справляться с пиковым током и измерить ток спящего режима, но дорогой ценой. Поскольку по‑ грешность прибора выражается в процентах от полной шкалы, это сильно влияет на из‑ мерение малых токов. В измерительном диа‑ пазоне 100 мА погрешность может достигать 0,005% (или 5 мкА), что дает погрешность 50% при измерении тока 10 мкА или по‑ грешность 500% при измерении тока 1 мкА. А именно при таком уровне тока устройство проводит большую часть времени, и соот‑ ветственно, такая погрешность оказывает значительное влияние на оценку времени ра‑ боты от батареи. После измерения малого тока, потребляемо‑ го датчиком в спящем режиме, мы должны из‑ мерить импульсы потребляемого тока в актив‑ ном режиме и в режиме передачи. Измеряться должно как значение тока, так и время, в те‑

20–100 мА 100 мкА – 10 мА 500 нА – 50 мкА

1–100 мс 10–100 мс 100 мс – несколько минут

чение которого датчик работает в этом ре‑ жиме. Для регистрации изменений сигналов во времени отлично подходят осциллографы. Однако нам нужно измерять ток на уровне де‑ сятков миллиампер, а токовые пробники плохо работают в этом диапазоне из-за ограниченной чувствительности и дрейфа. Хорошие токовые клещи имеют среднеквадратическое значение шума 2,5 мА и требуют частого повторения процедуры компенсации нуля. Токовые проб‑ ники измеряют электрическое поле вокруг провода, поэтому для повышения чувстви‑ тельности нужно пропустить через них про‑ вод несколько раз, чтобы умножить магнитное поле и, следовательно, уровень сигнала. Такой прием позволяет немного улучшить измере‑ ние тока и регистрировать импульсы в режи‑ ме активности и в режиме передачи. Но даже во время активности и передачи уровень тока может меняться: импульсы тока выглядят как последовательность высоких и низких уров‑ ней. Для точного расчета среднего тока нужно экспортировать сигнал и проинтегрировать все измеренные точки для получения среднего значения. Осциллографы отлично справляются с за‑ хватом одного пакета. Однако если мы хотим узнать, сколько раз активизировался датчик в заданный интервал времени и сколько раз он выполнял передачу, то измерения услож‑ няются. Осциллографы легко справляются с измерениями за короткий промежуток вре‑ мени, но датчики могут иметь рабочие циклы длительностью несколько минут или даже ча‑ сов, что очень сложно захватить и измерить.

Инновации в области измерений Источники питания/измерители (SMU) Keysight N6781A и N6785A для анализа тока, потребляемого от батарей, решают все про‑ блемы традиционных измерений за счет двух инноваций: безразрывного переключе‑ ния диапазонов измерения тока и долговре‑ менной непрерывной регистрации данных. Источник питания/измеритель представляет собой модуль, который можно использовать с низкопрофильной модульной системой питания Keysight N6700 или с анализатором питания постоянного тока N6705. Безразрывное переключение диапазонов измерения тока — это патентованная техно‑ логия, которая позволяет менять диапазон измерения, не нарушая стабильности вы‑ ходного напряжения и не создавая провалов во время переключения диапазонов. Эта функция предназначена для измерения пи‑ ковых токов на больших диапазонах и токов спящего режима в диапазоне 1 мА, который имеет погрешность смещения 100 нА. Столь www.kite.ru

134

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 2. Источник питания/измеритель Keysight N6781A позволяет выполнять точные измерения в широком диапазоне токов

Рис. 3. Регистратор данных: все выборки интегрируются в последовательные периоды дискретизации. Ни одна выборка не теряется. В каждый период дискретизации определяются минимальные и максимальные значения

Рис. 4. Записанный потребляемый ток за 200 с работы позволяет по-новому взглянуть на динамику энергопотребления устройства

низкая погрешность смещения (100 нА, или 10% от 1 мкА, или 1% от 10 мкА) на порядки меньше погрешности традиционных цифро‑ вых мультиметров (рис. 2). Функция безразрывного переключения диапазонов измеряемого тока используется двумя дигитайзерами, одновременно изме‑ ряющими напряжение и ток с частотой дис‑ кретизации 200 000 выб./с (с разрешением по времени 5 мкс). Оцифровку можно вы‑ полнять в течение 2 с и отображать с полным разрешением по времени или пропорцио‑ нально увеличить время оцифровки за счет снижения разрешения. Однако для долго‑ временных измерений встроенный регистра‑ тор данных модульного анализатора цепей питания Keysight N6705B интегрирует изме‑ рения, выполненные с частотой дискретиза‑ ции 200 квыб./с, за указанный пользователем период интегрирования (от 20 мкс до 60 с) без потери выборок между периодами инте‑ грирования. Поскольку регистратор данных работает непрерывно, все выборки попада‑ ют либо в один период интегрирования, либо в следующий — ни одна выборка не теряется. С помощью такого регистратора инженеры могут измерять ток и энергопотребление бес‑ проводных датчиков за 1000 ч работы (рис. 3). Для измерения тока спящего режима надо просто расставить маркеры и непосредствен‑ но прочесть их показания. Измерение, по‑ казанное на рис. 4, выполнено за один захват в течение большого периода времени. В ре‑ зультате мы получаем полную картину по‑ требления тока, а также точное значение тока спящего режима — 599 нА. Функция прокрутки и масштабирова‑ ния позволяет увидеть уровень тока и вре‑ мя для каждого уровня мощности. Теперь можно увидеть и измерить детали, недо‑ ступные традиционным измерительным приборам. Хорошим примером являются последовательные импульсы, обозначенные на рис. 4 как «???». Программа выявила такой сюрприз: устройство потребляет ток импуль‑ сами с уровнем ~90 мкА в течение 500 мс, что соответствует среднему току 3,3 мкА. Если сложить этот ток с током спящего режима 599 нА, мы получим 730 нА, что на 22% боль‑ ше, чем ожидалось. Подобные сюрпризы мо‑ гут быть одной из причин превышения пла‑ нируемого энергопотребления и сокращения времени работы от батареи до меньшего зна‑ чения, чем ожидалось. Стремясь оптимизировать энергопотре‑ бление беспроводных датчиков, инженеры должны уделять внимание даже мелким дета‑ лям. Знать количество энергии, затрачивае‑ мое на отправку одного пакета информации, очень важно для того, чтобы сбалансировать ожидания пользователя в отношении вре‑ мени работы от батареи и ответить на важ‑ ные вопросы, такие как: «Как часто нужно отправлять информацию — раз в секунду, раз в 5 или раз в 10 секунд?» Инженеры мо‑ гут точно оценить энергопотребление для

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

технологии

135

каждой версии микропрограммного обеспе‑ чения и проверить его за приемлемое время в ходе реальных измерений.

Простое измерение энергии Энергия очень полезна для оценки времени работы от батареи, поскольку каждая опера‑ ция потребляет определенную порцию энер‑ гии. Кроме того, можно сравнивать произво‑ дительность устройств, выражая ее в джоулях на один бит переданной информации. Но спе‑ циалисты редко используют энергетические показатели, так как их надо рассчитывать по напряжению, току и времени. С помощью ПО управления и анализа Keysight 14585A можно непосредственно из‑ мерять энергию в джоулях. Например, энер‑ гию, потребляемую во время передачи пакета (рис. 5), захваченного в ходе синхронных из‑ мерений. Это одно из преимуществ наличия двух одновременно работающих дигитай‑ зеров тока и напряжения, которые позволя‑ ют поточечно измерять энергию. Энергию в джоулях можно легко измерить между мар‑ керами или пойти еще дальше, определив ко‑ личество джоулей на один переданный бит.

Заключение Инженеры, проектирующие устройства с автономным питанием для IoT, исполь‑ зуют сложные методы управления энергопотреблением для продления времени работы от батареи. Традиционные методы измерения

новости

Рис. 5. С помощью ПО Keysight 14585A можно измерять энергию непосредственно в джоулях

сложны, занимают много времени и не обе‑ спечивают точность, необходимую для оп‑ тимизации и проверки потребляемого тока, что зачастую приводит к недооценке энерго‑ потребления устройства. Источники пита‑ ния/измерители компании Keysight для ана‑ лиза тока потребления от батарей предостав‑ ляют точные значения потребляемого тока за один измерительный цикл, что дает полное и детальное представление о потребляемом токе и энергии. Программное обеспечение для последующего анализа упрощает работу ин‑

женеров, предлагая визуальное представление с невиданной раньше детализацией. С выпуском нового прибора семейства источников питания/измерителей Keysight N6785A возможности тестирования расши‑ рились до 80 Вт, а измеряемый ток — от еди‑ ниц наноампер до 8 А. Эти новинки нахо‑ дят применение в тестировании широкого круга устройств — от смартфонов и план‑ шетов до автомобильных контроллеров, беспроводных датчиков и чипсетов для IoT (www.keysight.com/find/N6781A-EU). n

дисплеи

10,1″ TFT-панели с интерфейсом LVDS для планшетных компьютеров

Компания Raystar Optronics, Inc. предлагает 10,1″ TFT-панели серии RFH101ZA с разрешением 1024×600 пикселей, предназначенные для при-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

менения в планшетных компьютерах. Использование низковольтных дифференциальных сигналов (LVDS) позволяет уменьшить размеры, энергопотребление и стоимость контроллеров. В качестве источника излучения предусмотрены массивы светодиодов белого свечения, которые обеспечивают яркость свечения экрана 160 кд/м2, контрастность 600:1. Диапазон рабочих температур –10…+60 °C, диапазон температур хранения –20…+70 °C: применение дисплея в планшетных компьютерах не требует более широкого диапазона температур. Рабочий угол обзора 12:00 ч соответствует направлению наблюдения сверху (вертикальное положение). Предлагается базовая модель RFH101ZA-ACW-LNN без установленного сенсорного экрана. Для упрощения ввода данных и взаимодействия с пользователем планируется предлагать модели дисплеев с сенсорным экраном (резистивным или емкостным). Добавление антиотражающей пленки улучшает оптические характеристики панели. Размер активной области 222,72×125,28 мм. Габаритные размеры дисплейного модуля 235×143×3 мм. Применение TFT-панелей RFH101ZA позволяет сделать законченное электронное устройство компактным, надежным, экономичным, функциональным и удобным. www.prosoft.ru

www.kite.ru

136

новости

Новости сайта www.efo.ru VICOR

Выпущен новый DC/DC-конвертер DCM3714VD2H53E0T01 в металлическом корпусе 3714 VIA с габаритными размерами 95,1×35,5×9,3 мм. Новый модуль предназначен для построения вторичных источников электропитания с номинальным выходным напряжением 48 В и выходной мощностью до 500 Вт. Допустимые пределы изменения входного напряжения: 200–420 В. Максимальный выходной ток: 10,42 А. Коэффициент полезного действия достигает 93,6%. Рабочий температурный диапазон: –40…+100 °C. Металлический корпус модуля изолирован от всех его электрических цепей и имеет выводы под винт, что предельно упрощает монтаж на шасси источника питания или радиатор системы охлаждения.

Peregrine Выпущен предделитель на 4 для полосы частот 3–13,5 ГГц PE35400. Он изготовлен по процессу UltraCMOS и работает от одиночного питания +2,8 В, потребляя всего 16 мА. Рабочий диапазон частот задается одиночным резистором. Вносимые шумы делителя: –135 дБн/Гц на отстройке 100 кГц в одиночной боковой полосе (SSB). Предусмотрена защита от электростатики HBM 250 В по всем выводам, температурный диапазон составляет –40…+85 °C. Изделие выпускается в виде кристалла с размерами 886×736 мкм. *** Представлен монолитный контроллер амплитуды и фазы PE46120 для полосы частот 1,8–2,2 ГГц, изготовленный по процессу UltraCMOS с применением технологии HaRP. Контроллер содержит делитель мощности пополам со сдвигом второго канала по фазе на –90° относительно первого; два управляемых фазовращателя с шагом 2,8° и диапазоном регулирования 87,2° в обоих каналах; управляемый аттенюатор с шагом 0,5 дБ и диапазоном регулирования 7,5 дБ в первом канале; цифровой интерфейс. Микросхема обладает высокой линейностью, которая характеризуется как P0.1 дБ = +35 дБм вместо привычного параметра P1dB, и IIP3 = +60 дБм. PE46120 имеет защиту от электростатики HBM 1000 В по СВЧ-выводам, расширенный температурный диапазон –40…+105 °C и выпускается в корпусе QFN‑32 размерами 6×6 мм. Высокая интеграция микросхемы позволяет оптимизировать характеристики синхронных двухканальных систем, одновременно снижая затраты на их производство.

Atmel

Texas Instruments

Выпущен Atmel Start — новый онлайн-инструмент для работы с ARM-микроконтроллерами компании Atmel, который позволяет быстро ознакомиться с их возможностями и начать работу над проектом без установки программного обеспечения на компьютер. На сайте start.atmel.com с помощью графических утилит можно выбрать наиболее подходящий кристалл, сконфигурировать низкоуровневые драйверы и линии ввода/вывода, загрузить готовые примеры программ. *** Новые 5‑вольтовые микроконтроллеры серии ATSAMC20/C21 добавлены в список поддерживаемых устройств библиотеки Atmel QTouch (поддержка сенсорных устройств ввода — кнопок, колес прокрутки и слайдеров). Микроконтроллеры серии ATSAMC20/C21 на базе ядра ARM Cortex-M0+ имеют встроенный блок сенсорного ввода (Peripheral Touch Controller) и поддерживают до 32 каналов с собственной (self capacitance) и до 256 каналов с взаимной (mutual capacitance) емкостью. Программная поддержка функций емкостного ввода обеспечивается бесплатными приложениями QTouch Library 5.7 и QTouch Composer 5.7. Оба инструмента доступны в каталоге приложений Atmel Gallery и через интегрированную среду разработки Atmel Studio. Микроконтроллеры серии ATSAMC20/C21 успешно прошли тест IEC/EN 61000-4-6 level 3 (10 В) с уровнем до 15 В. Для микроконтроллеров ATSAMC20/C21 доступен оценочный комплект ATSAMC21‑XPRO, функциональность которого может быть расширена при использовании дополнительной платы QT3 Xplained Pro, а также набор SAM C20 QTouch Robustness Demo. *** Вышло обновление Atmel Studio 7 — интегрированной среды разработчика IDE для микроконтроллеров Atmel. Основные изменения версии 7.0.594 заключаются в обновлении интерфейса программы и в исправлении ряда ошибок: • сбой конфигураций отладчика (Debug configuration settings) при открытии проектов, созданных в Atmel Studio 6; • ошибки при деинсталляции некоторых расширений Atmel Studio; • некорректная работа раздела Help на 32‑разрядных системах Windows. *** Анонсированы микроконтроллеры ATmegaS128, устойчивые к воздействию радиации и пригодные для аэрокосмического приборостроения. Это специальное исполнение широко распространенного 8‑битного микроконтроллера ATmega128 семейства AVR. Основные характеристики: • рабочий температурный диапазон: –55…+125 °C; • напряжение питания: 3–3,6 В; • флэш-память объемом 128 кбайт, EEPROM — 4 кбайт, ОЗУ — 4 кбайт; • тактовая частота: до 8 МГц; • керамический корпус CQFP 64; • радиационная стойкость: SEL LET > 62,5 МэВ·см2/мг, SEU LET > 3 МэВ·см2/мг, TID до 30 крад (Si).

Изготовлен новый одноканальный 18‑разрядный АЦП последовательного приближения ADS9110 со скоростью преобразования 2000 тыс. выб./с. Новый преобразователь отличается высокой точностью и малым энергопотреблением. ADS9110 имеет дифференциальный вход; передача данных производится при помощи SPI-интерфейса. АЦП выпускается в корпусе VQFN‑24, доступна отладочная плата.

KEMET

Расширен ассортимент полимерных конденсаторов с герметичным уплотнением. Представлены новые серии танталовых конденсаторов M550 и M551, собранных из параллельно соединенных T550 или T551. Конденсаторы этих серий созданы для работы в приложениях, где требуется очень большая емкость и высокое напряжение. Области применения: телекоммуникационное оборудование, компьютеры, военное и аэрокосмическое оборудование. Преимущества: • очень низкое и стабильное эквивалентное последовательное сопротивление ESR (около 15 мОм); • стабильность емкости на повышенных частотах и при низких температурах; • максимальный переменный ток: 17 500 мА; • выдерживают значительные импульсные токи; • высокая устойчивость к пусковым токам; • механически прочная конструкция, заполненная эпоксидной смолой; • рабочее напряжение: 80% от номинального; • максимальная рабочая температура: +105 °С (М550) и +125 °C (М551); • возможны заказные решения; • доступны исполнения выводов, соответствующие RoHS.

Maxtena Анонсирована активная спиральная GPSантенна M1575HCT‑15A-SMA, выполненная по запатентованной технологии Helicore. Эта технология обеспечивает идеальную форму диаграммы направленности, чистоту круговой поляризации и высокую эффективность антенны в миниатюрном корпусе. Антенна крепится на разъем SMA и имеет влагозащищенный корпус со степенью защиты IP67. Двухступенчатый усилитель обеспечивает антенне коэффициент усиления 28 дБик. Компактные размеры (38×18,5 мм) и малый вес (10,6 г) позволяют использовать антенну в портативных устройствах. Санкт-Петербург, ул. Новолитовская, д. 15, лит. А, БЦ «Аквилон», офис 441; (812) 327-86-54; e-mail: zav@efo.ru.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

новости

137

Новости сайта www.efo.ru Altera

Quartus Prime будет выпускаться в трех вариантах: • Quartus Prime Lite Edition (аналогичен Quartus II Web Edition); • Quartus Prime Standard Edition (аналогичен Quartus II Subscription Edition); • Quartus Prime Pro Edition, предназначенный исключительно для работы с семейством Arria 10 (и в будущем — Startix 10). В Quartus Prime v15.1 расширена поддержка семейств MAX 10 и Arria 10. Для большинства микросхем имеются финальные временные модели и модели энергопотребления. В целом поддержка семейств СБИС ПЛ Altera в Quartus Prime v15.1 не изменилась по сравнению с Quartus II v15.0. С точки зрения пользовательского интерфейса Quartus Prime не имеет существенных отличий от Quartus II. Санкт-Петербург, ул. Новолитовская, д. 15, лит. А, бизнес-центр «Аквилон», офис 441; (812) 327-86-54; e-mail: zav@efo.ru.

Реклама

Версия 15.1 средств проектирования Altera начинает новое поколение САПР серии Quartus — Quartus Prime. Ядром Quartus Prime стало программное средство Spectra-Q Engine, позволяющее значительно упростить и ускорить процесс проектирования: • в несколько раз уменьшить время компиляции за счет использования усовершенствованных алгоритмов, инкрементальной оптимизации и распределенной компиляции; • на порядок сократить количество итераций при проектировании за счет применения новых средств и иерархических маршрутов проектирования; • значительно ускорить ввод проекта за счет применения средств высокоуровневого проектирования.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

www.kite.ru

138

технологии

измерительная аппаратура

Новейшие цифровые осциллографы компании Keysight InfiniiVision серии 6000 X и Infiniium серии S: первым делом гигагерцы…

Владимир Дьяконов, д. т. н., профессор

С

овременный осциллограф — один из самых массовых и широко распро‑ страненных приборов. Зачастую он в состоянии заменить множество устройств. В настоящее время развитие осциллографов идет по нескольким важным направлениям: • Расширение диапазона частот исследуемых сигналов и частот дискретизации.

• Повышение разрядности цифровых ос‑ циллографов, уменьшение за счет этого разности уровней ступеней квантования, повышение четкости и точности и, что не менее важно, увеличение динамическо‑ го диапазона.

• Расширение функциональных возмож‑ ностей путем включения в них других приборов: логического анализатора, ана‑ лизатора спектра, цифрового вольтметра, генератора и т. д.

• Повышение эксплуатационных характери‑ стик приборов — сенсорное управление, уменьшение габаритов, веса и потребляе‑ мой мощности.

• Снижение стоимости каждого гигагерца полосы частот приборов. Очевидно, что эти взаимно противоречи‑ вые требования нельзя удовлетворить одина‑ ково хорошо. Например, недавно появились осциллографы Teledyne LeCroy c 12‑битовой разрядностью (4096 ступеней дискретизации), высочайшей четкостью и высокой точностью, но их полоса пропускания ограничена 1 ГГц [1, 2]. Другой путь избрала компания Keysight. Ее новейшие осциллографы Infiniium серии S высокой четкости имеют более скромную разрядность в 10 бит (1024 ступени дискрети‑

Едва пользователи успели ознакомиться с высокоинтегрированными осциллографами Agilent 4000 X [3], как за несколько месяцев до официального выделения группы электронных измерений Agilent в самостоятельную компанию — Keysight Technologies — фирма объявила о выпуске двух серий новейших 10‑разрядных осциллографов. Это приборы Infiniium серии S высокой четкости (14 моделей) и устройства среднего класса InfiniiVision серии 6000 X (16 моделей) с резко расширенной полосой частот при сниженной цене. Данное поколение измерительной аппаратуры задает новые стандарты осциллографии — как по цене, так и по своим характеристикам.

зации, 12‑битовое разрешение поддерживает‑ ся на программном уровне — high res mode), но максимальная полоса частот доведена до 8 ГГц, а осциллографы серии 6000 X при умеренной стоимости и частотном диапазоне до 6 ГГц имеют традиционную для семей‑ ства InfiniiVision высокую степень интегра‑ ции: шесть приборов в одном [4, 5].

Общие характеристики осциллографов Keysight серии 6000 X и серии S В осциллографы серии 6000 X может быть встроено сразу шесть приборов: • собственно широкополосный (до 6 ГГц) цифровой запоминающий осциллограф реального времени; • анализатор спектра на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ);

• анализатор логических состояний устройств с параллельной передачей данных (у прибо‑ ров MSO); • анализатор большого числа протоколов последовательных шин; • цифровой 3‑разрядный вольтметр DVM с входами осциллографа; • цифровой 10‑разрядный частотомер с сум‑ матором. Серия S (рис. 1) представляет собой при‑ боры, предназначенные для лабораторных измерений и имеющие высокое разреше‑ ние (разрядность АЦП — 10 бит аппаратно) и открытую архитектуру. Они задают новый стандарт для высококачественных запоми‑ нающих осциллографов типа DSO (только с аналоговыми входами) и MSO (смешан‑ ных сигналов), полоса частот достигает 8 ГГц (табл. 1) [4]. По вертикали чувстви‑ Таблица 1. Классификационные характеристики осциллографов Keysight серии S

Рис. 1. Внешний вид осциллографов высокой четкости серии Infiniium S

Тип

Полоса

Каналов

DSOS054A DSOS104A DSOS204A DSOS254A DSOS404A DSOS604A DSOS804A MSOS054A MSOS104A MSOS204A MSOS254A MSOS404A MSOS604A MSOS804A

500 МГц 1 ГГц 2 ГГц 2,5 ГГц 4 ГГц 6 ГГц 8 ГГц 500 МГц 1 ГГц 2 ГГц 2,5 ГГц 4 ГГц 6 ГГц 8 ГГц

4 4 4 4 4 4 4 4/16 4/16 4/16 4/16 4/16 4/16 4/16

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

технологии

139

Таблица 2. Модели и основные технические характеристики осциллографов серии 6000 X

а

б

в

Рис. 2. Вид на осциллограф Keysight 6000 X: а) вид спереди; б) вид сбоку; в) внешний вид осциллографа

тельность составляет от 1 мВ/дел. до 5 В/дел. (при 50‑омном входе до 1 В/дел.). Уровень собственного шума — 90 мкВ при чувстви‑ тельности 1 мВ/дел. и полосе 1 ГГц. Во всей полосе частот чувствительность до 2 мВ/дел. поддерживается аппаратно. Диапазон вре‑ мен развертки от 5 пс/дел. до 20 с/дел. Потребляемая мощность 375 Вт, вес 12 кг, размеры корпуса 334323 см. В стандартной комплектации устрой‑ ства имеют глубину памяти осциллограмм 50 Мточек (100 Мточек при объединении ка‑ налов) и 800 Мточек (при дополнительной опции расширения памяти). Предусмотрен сегментированный режим захвата данных, что создает еще большую эффективную глубину памяти. Осциллографы серии S об‑ ладают усовершенствованной архитектурой на базе материнской платы с 4‑ядерным про‑

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

цессором Intel i5 и тактовой частотой 3 ГГц. Объем оперативной памяти 8 Гбайт с опера‑ ционной системой Windows 7. Поддерживают высочайшую скорость обработки данных и снабжены твердотельным жестким диском (более 250 Гбайт) для хранения встроенных и внешних программ и ускоренной загрузки. Впечатляющий экран (12″, или 31,8 см, по ди‑ агонали) с разрешением 1024768 точек отли‑ чается высокой достоверностью визуализации осциллограмм и удобным сенсорным управ‑ лением. Приборы оснащены шестью порта‑ ми (два на передней панели) универсальной последовательной USB 2.0/3.0 со скоростью 200 Мбит/с, портом 1000Base-T Ethernet ло‑ кальной сети и т. д. Золото-платиновые пре‑ цизионные BNC-разъемы осциллографа име‑ ют гарантированную полосу частот, превы‑ шающую 8 ГГц.

Тип

Полоса

Опция

Каналов

DSOX6002A

1 ГГц

По умолчанию

2

DSOX6002A

2,5 ГГц

DSOX6B10T252BW

2

DSOX6002A

4 ГГц

DSOX6B10T402BW

2

DSOX6002A

6 ГГц

DSOX6B10T602BW

2

DSOX6004A

1 ГГц

По умолчанию

4

DSOX6004A

2,5 ГГц

DSOX6B10T254BW

4

DSOX6004A

4 ГГц

DSOX6B10T404BW

4

DSOX6004A

6 ГГц

DSOX6B10T604BW

4

MSOX6002A

1 ГГц

По умолчанию

2/16

MSOX6002A

2,5 ГГц

DSOX6B10T252BW

2/16

MSOX6002A

4 ГГц

DSOX6B10T402BW

2/16

MSOX6002A

6 ГГц

DSOX6B10T602BW

2/16

MSOX6004A

1 ГГц

По умолчанию

4/16

MSOX6004A

2,5 ГГц

DSOX6B10T254BW

4/16

MSOX6004A

4 ГГц

DSOX6B10T404BW

4/16

MSOX6004A

6 ГГц

DSOX6B10T604BW

4/16

Осциллографы Keysight 6000 X (рис. 2а, б) внешне очень напоминают приборы серии 4000 X [3], также имеют закрытую архитек‑ туру со встроенной операционной системой и удобный форм-фактор — глубина всего 15 см. Они занимают мало места на рабочем столе, оснащены емкостным сенсорным дис‑ плеем с размером диагонали 12,1″ (31 см) и разрешением 800600 точек (рис. 2в). У но‑ вых приборов есть голосовое управление, в том числе и на русском языке. Габариты приборов 425288148 мм, вес 6,8 кг (в упа‑ ковке 11,3 кг), потребляемая мощность сни‑ жена до 200 Вт. Слева (рис. 2) имеется панель с разъемами для подключения внешних устройств: вхо‑ да/выхода вспомогательных сигналов Aux и 10 МГц опорного сигнала Ref, последо‑ вательной шины USB (еще два разъема на‑ ходится на передней панели), локальной сети LAN, низкоскоростной последователь‑ ной шины RS‑232 (LINE) и внешнего дис‑ плея VGA. Осциллографы имеют максимальную ско‑ рость обновления до 450 000 осцилл./с и па‑ мять осциллограмм 4 Мбайт c возможно‑ стью сегментированного захвата. В базовых моделях полоса приборов составляет 1 ГГц и расширяется опциями до 6 ГГц. В конце апреля 2014 года вышли достаточ‑ но подробные Data Sheet (технические описа‑ ния) по приборам серий S и 6000 X [4, 5].

Параметры аналоговых каналов Приборы серии 6000 X имеют 2 или 4 идентичных канала аналоговых сигналов, се‑ рии S — только 4 канала. Так, у последних каждый оснащен входом, регуляторами чув‑ ствительности и смещения, аттенюатором, функциями ограничения рабочей полосы частот и новым сверхбыстродействующим 10‑битовым аналого-цифровым преобразо‑ вателем (АЦП) в виде специализированной интегральной микросхемы с высокой часто‑ той дискретизации: до 20 Гбит/с при объеди‑ www.kite.ru

140

технологии

измерительная аппаратура

Просмотр аномалий сигнала

Рис. 3. Компоненты двух аналоговых каналов S на печатной плате Рис. 4. Реакция осциллографа серии 6000 X на меандр с фронтами 130 пс

нении двух каналов и 10 Гбит/с при незави‑ симой работе всех каналов (рис. 3). Поскольку каналы могут работать с различными типами входов (50 Ом иди 1 МОм), разными фильтрами и пробни‑ ками, полоса пропускания каналов мо‑ жет принимать разнообразные значения. Предусмотрено специальное окно для вы‑ бора полосы пропускания. Благодаря высо‑ кой максимальной полосе частот (до 6 или 8 ГГц) осциллографы имеют уникально малое для категории массовых приборов время нарастания аналоговых каналов — примерно вплоть до 50 пс. Это частично подтверждают осциллограммы меандра с длительностью фронтов 130 пс, представ‑ ленные на рис. 4. Использована техника создания опорных осциллограмм, сохраня‑ емых на модуле флэш-памяти. От широкополосных трактов каналов ана‑ логовых сигналов естественно ожидать вы‑ сокого уровня собственных шумов. Однако Keysight 6000 X имеют довольно низкий уро‑ вень собственных шумов (около 115 мкВ СКЗ при коэффициенте отклонения 1 мВ/дел., а у серии S даже 90 мкВ СКВ при часто‑ те сигнала 1 ГГц и входном сопротивлении 50 Ом) — рис. 5. Предшествующие модели серии 4000 X не имели функции построения

В осциллографах серий S и 6000 X (тради‑ ционно для приборов Keysight и Agilent) зна‑ чительное внимание уделено обнаружению различных аномалий в исследуемых сигна‑ лах. Сложные сигналы, в том числе с анома‑ лиями, удобно рассматривать с помощью функции растяжения Zoom. Она особенно эффектна на большом экране осциллогра‑ фов серии S (рис. 6). Многие виды аномалий, например связан‑ ные с изменением амплитуды или длитель‑ ности импульса, удается обнаружить, при‑ меняя запуск развертки по особым условиям. На рис. 7 показано окно поиска по длительно‑ сти импульса. Выделяются первые импульсы пачек, имеющие максимальную длительность.

Рис. 5. Собственный шум канала вертикального отклонения и микрогистограмма его распределения осциллографов серии 6000 X Рис. 7. Поиск удлиненного импульса в пачке

гистограмм распределения шумов и джитте‑ ра. Такие функции всегда были свойственны более высокопроизводительным осцилло‑ графам, например семейству Infiniium и но‑ вой серии S. Теперь и новая серия приборов 6000 X из семейства InfiniiVision дополнена столь важной и полезной опцией. Так, гисто‑ грамма на рис. 5 наглядно показывает, что распределение шума близко к нормальному распределению.

Рис. 8. Выделение зоны (места) осциллограммы для запуска касанием пальца или курсором мыши

Рис. 6. Экран осциллографа серии S с функцией Zoom

Рис. 9. Окно анализа джиттера с построением его гистограмм, спектра и таблицы автоматических измерений

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

Система запуска осциллографов рассчитана на обнаружение всевозможных аномалий. Осциллографы позволяют выделять прямо‑ угольником так называемые зоны запуска — например, аномальные или просто особые участки осциллограмм и запускать с них раз‑ вертку простым касанием пальца руки (рис. 8). Таким образом реализуется быстрая иденти‑ фикация и отображение таких участков. В осциллографах серии 6000 X c помо‑ щью опции DSOX6JITTER возможен базо‑ вый анализ джиттера. Кнопка Jitter вызывает появление окна анализа джиттера (рис. 9). Возможны и другие опции расширенного анализа тестируемых устройств и сигналов.

Автоматические измерения и математические функции К отличиям новых осциллографов следует отнести расширенные возможности выпол‑ нения автоматических измерений и матема‑ тической обработки осциллограмм. Приборы серии 6000 X имеют 56 типов автоматических измерений (рис. 10) с одновременным вы‑ водом до 10 измерений. Есть около двух де‑ сятков математических операций и функций, включая быстрое преобразование Фурье, диф‑ ференцирование, интегрирование и другие. На рис. 11 показано окно анализа и мате‑ матической обработки осциллограмм от ис‑ точника электропитания. Внизу представ‑ лена таблица автоматических измерений (в том числе статистических).

технологии

141

Предусмотрено измерение основных па‑ раметров джиттера, глазковых диаграмм, сигналов последовательных шин и т. д. По каждому измеряемому параметру могут выводиться данные статистических измере‑ ний и гистограммы (горизонтальные и вер‑ тикальные).

Послесвечение и цветовая градация сигналов В осциллографах серии 6000 X заметно усилена роль аналогового послесвечения — персистенции или «цифрового фосфора». Предусмотрено монохромное и цветное по‑ слесвечение (рис. 12). Время послесвечения может быть нулевым, регулируемым или бесконечным. Его выбирает пользователь в зависимости от решаемой задачи.

Рис. 14. Просмотр телевизионного сигнала с монохромным послесвечением

развертки для сигналов типовых стандартов NTSC, PAL, SECAM, PAM-M. Развертка осу‑ ществляет просмотр любых линий четного и нечетного полукадров. Расширенные воз‑ можности развертки и опция Enhanced video Trigger позволяют детально наблюдать линии и полуполя как стандартного, так и HDTVизображения высокой четкости (480p/60, 567p/50, 720p/50, 720p/60, 1080p/24, 1080p/25, 1080p/30, 1080p/50, 1080p/60, 1080i/50, 1080i/60).

Построение и применение масок

Рис. 12. Автоматические и статистические измерения импульсов с меняющейся скважностью с применением цветного послесвечения

Послесвечение часто применяется для об‑ наружения коротких и нестационарных ано‑ малий сигналов (рис. 13).

Рис. 10. Выбор метода автоматических измерений

При проведении допускового контроля различных процессов широко используются маски — геометрические фигуры, показы‑ вающие допустимые области экрана, в ко‑ торые не должны попадать осциллограммы сигналов. Например, при контроле глазковых диаграмм эффективно применяются маски из шестиугольников (рис. 15) и других геоме‑ трических фигур. Большое число типов масок создается с помощью опции задания масок, по существу являющейся редактором масок. Маски могут строиться и перемещением осциллограмм. Так, на рис. 16 показано по‑ строение маски импульса перемещением его осциллограммы. В процессе задания маски осциллограмма импульса смещается, зада‑ вая вид и размеры маски. Нельзя не обратить внимания на четкость построения глазковых диаграмм. Попадание осциллограммы в маску фик‑ сируется окраской соответствующего участка

Рис. 13. Анализ джиттера переднего фронта импульсов с применением цветного послесвечения и построением гистограммы

Рис. 11. Окно анализа и обработки сигналов от источника электропитания с выводом таблицы автоматических измерений (снизу)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Цветное послесвечение не всегда полезно, так как часто демонстрирует несуществую‑ щие особенности сигналов. В некоторых слу‑ чаях, в частности при просмотре телевизион‑ ных сигналов, более полезным оказывается монохромное послесвечение (рис. 14). Осциллографы серии 6000 X имеют хоро‑ шо проработанный режим телевизионной

Рис. 15. Построение глазковых диаграмм с маской и цветной персистенцией

www.kite.ru

142

технологии

Рис. 16. Построение маски по осциллограмме импульса

осциллограммы в красный цвет, формирова‑ нием сигнала ошибки и остановкой работы осциллографа.

Реализация БПФ и анализ спектра В осциллографах серии 6000 X и серии S применено стандартное БПФ для получения частотного спектра исследуемых сигналов (рис. 17). Оно находится в разделе математи‑ ческих операций и функций. БПФ корректно в диапазоне частот до половины частоты дис‑ кретизации fs. Необычно высокое для массовых приборов максимальное значение fs = 20 ГГц означает автоматическое расширение вверх диапазона частот спектрального анализа. Уменьшение этого диапазона оказывает филь‑ трующее действие и приводит к снижению уровня шумов при спектральном анализе. При спектральном анализе возможны кур‑ сорные и автоматические измерения. Пики спектра могут автоматически находиться и помечаться маркерами (до 11 маркеров). При БПФ используются четыре распро‑ страненных типа окон: Ханнинга, с плоской вершиной, прямоугольное и Блэкмана — Харриса (у приборов серии S добавлено окно Хамминга и возможность автоматической

измерительная аппаратура

Рис. 18. Спектральный анализ с применением цветовой градации (осциллограф серии 6000 X)

маркировки пиков (рис. 17), есть возмож‑ ность вывода 2D- и 3D-спектрограмм). Возможности 6000 X при анализе спектра более скромные. Разрешающая способность БПФ Span определяется отношением часто‑ ты дискретизации к числу точек осцилло‑ граммы, которая не может превышать 1 млн. Поэтому рассчитывать на очень высокое разрешение у осциллографов 6000 X не при‑ ходится. Тем не менее при допустимой по‑ лосе разрешения спектральные линии могут иметь вид вертикальных отрезков прямых. Возможно применение цветовой града‑ ции и спектра (рис. 18). Она полезна в том числе для выделения режимов отображе‑ ния спектра: max hold, min hold, average. Предусмотрено построение гистограммы выделенного участка спектра.

Интеграция шести приборов в одном — следование славной традиции семейства InfiniiVision Работа с логическим анализатором параллельных шин Работа с логическим анализатором в ос‑ циллографах серии 6000 X подобна работе с этим средством осциллографов Keysight

Рис. 17. Построение спектра стандартным методом быстрого преобразования Фурье (серия S)

Рис. 20. Окно с осциллограммами аналоговых (сверху) и 8‑разрядных цифровых (снизу) сигналов

4000 X, а именно моделей MSO. К прибо‑ ру необходимо подключить кабель многоканального пробника цифровых (логических) сигналов (рис. 19). К тестируемому устрой‑ ству подключается до 16 входов логических сигналов. Максимальная тактовая частота пробника 400 МГц. Входное сопротивление каждого канала 100 кОм, емкость менее 8 пФ. Осциллограф используется для раздельно‑ го или совместного отображения аналоговых и цифровых сигналов (рис. 20), а также для по‑ строения сигналов цифро-аналогового преоб‑ разователя (без фильтра и с фильтром) с раз‑ рядами тестируемой параллельной шины. Тестирование по стандартным протоколам последовательных шин С опцией декодирования последовательных данных возможно наблюдение сигналов дан‑ ных и контроль их на соответствие большому числу протоколов: I2C/SPI, UART, CAN/LIN, FlexRay, I2S, MIL-STD1553/ARINC429, USB 2.0. Некоторые шины используют высокоско‑ ростные дифференциальные сигналы с малы‑ ми перепадами напряжения. Такие сигналы лучше обычных защищены от помех, и шины с ними меньше излучают. Однако они ши‑ рокополосные и требуют для просмотра ос‑

Рис. 19. Подключение к осциллографу многоканального пробника логических сигналов

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

Рис. 21. Осциллограммы дифференциальных сигналов последовательных данных

циллографы с большой полосой. Данную по‑ лосу обеспечивают приборы серий S и 6000 X (рис. 21). Наряду с дифференциальными пробниками для наблюдения дифференци‑ альных сигналов можно использовать попар‑ но обычные аналоговые входы с операцией вычисления разности сигналов.

Рис. 22. Анализ последовательной шины CAN

Для более полного анализа необходимо приобретение соответствующей опции, как правило, для каждой используемой шины (рис. 22). Естественно, это заметно удорожает тестирование устройств с последовательными шинами. Но надо отметить, что на практике применяются 1 или 2 шины и с сигналами раз‑ личных шин можно ознакомиться по справке или с помощью специального USB-модуля. На рис. 23 показано окно анализа широко распространенной последовательной шины USB 2.0. Эта шина использует дифференци‑

Рис. 23. Анализ последовательной USB-шины

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 24. Анализ последовательной шины по протоколу FlexRay

альные сигналы данных отдельно для пере‑ дачи и приема данных. Окно анализа еще одной современной шины — FlexRay — представлено на рис. 24. Из приведенных примеров видно, что при‑ ложения тестирования обеспечивают нагляд‑ ное представление данных и проверку фор‑ мы и параметров их осциллограмм на соот‑ ветствие заданным протоколам. Отклонения от протокола фиксируются и выделяются красным цветом. Сравнив эти данные с ра‑ нее опубликованными для других моделей осциллографов, нетрудно убедиться в высо‑ кой точности и достоверности результатов, получаемых от приборов описываемых здесь серий с повышенной полосой пропускания и более высокой четкостью. Построение глазковых диаграмм и масок Опция построения глазковых диаграмм позволяет строить такие четкие диаграммы для сигналов в расширенном диапазоне ча‑ стот и скоростей передачи последовательных данных. На рис. 25 показано построение глаз‑ ковой диаграммы скоростной линии переда‑ чи данных и микрогистограммы этой диа‑ граммы в месте пересечения (построенный белыми линиями прямоугольник). Справа представлены данные автоматических изме‑ рений параметров глазковой диаграммы. На рис. 26 показано специальное приложе‑ ние для тестирования качества USB-сигнала, составляющей частью которого является

Рис. 25. Глазковая диаграмма скоростной линии последовательной передачи данных на осциллографах серии 6000 X

технологии

143

Рис. 26. Глазковая диаграмма последовательной шины USB

глазковая диаграмма. Она отличается высо‑ кой четкостью и наглядностью. Встроенный двухканальный генератор стандартных и произвольных сигналов Особенно полезной оказалась интегра‑ ция многокомпонентного осциллографа с генератором сигналов в серии 6000 X. Остальные пять компонентов осциллогра‑ фа являются получателями информации. Генератор принципиально отличен от них тем, что представляет собой источник ин‑ формации (сигналов) и дополняет дру‑ гие компоненты. Это превращает прибор в мощную систему по исследованию разнообразных устройств. Фактически в осциллографах серий 6000 X применены два генератора с прямым цифро‑ вым синтезом формы сигнала (DDS), работа‑ ющие от одного сигнала опорной. Генераторы имеют независимые установки основных параметров выходных сигналов: частоты, пе‑ риода, амплитуды, фазы и т. д. Включаются генераторы кнопками Gen1 и Gen2 панели. Все установки генераторов цифровые и обе‑ спечиваются прямо с экрана осциллографа. Предусмотрены следующие типовые формы сигналов: sine, square, ramp, pulse, DC, noise, sine cardinal (sinc), exponential rise, exponential fall, cardiac, Gaussian pulse и arbitrary (произвольный — устанавлива‑ емый пользователем (рис. 27). Возможны многочисленные типы модуляции одного сигнала другим сигналом.

Рис. 27. Окно установки и редактирования сигнала произвольной формы осциллографа 6000 X

www.kite.ru

144

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 28. Окно цифрового вольтметра и частотомера вместе с осциллограммой Рис. 31. Токовый пробник для малых токов

Рис. 30. Активный пробник с подсветкой места подключения (поставляется с полосой частот 0,5–6 ГГц)

Рис. 29. Аудиосредства осциллографа серии 6000 X

Опции цифрового вольтметра и частотомера С помощью опций можно оснастить ос‑ циллографы цифровым вольтметром DVM и 10‑разрядным частотомером. На рис. 28 их окно показано справа от осциллограммы сигнала от генератора произвольных сигна‑ лов (рис. 29). Цифровой вольтметр измеряет среднеквадратическое значение напряжения от выбранного источника сигнала. Аудиосредства осциллографов Внимательно присмотревшись к передней панели 6000 X, можно заметить отверстие для микрофона и небольшую решетку для динамика в правом верхнем углу (рис. 29). Благодаря встроенному микрофону и дина‑ мику осуществляется речевое (голосовое) управление осциллографом, в том числе на русском языке.

Рис. 32. Трехмерная цветная MATLAB-диаграмма сегментированной памяти

Пробники и другие средства Обычно осциллографы комплектуются пассивными пробниками N2873A с полосой частот до 500 или 700 МГц. Поставляется свыше 100 типов активных пробников (ши‑ рокополосных — рис. 30, дифференци‑ альных, высоковольтных, токовых и т. д.). Некоторые из них оснащены средствами «свободные руки» и существенно расширяют возможности приборов. Для 10‑разрядных осциллографов высо‑ кой четкости, таких как серия S, специально разработан токовый пробник N2820A (для малых токов — от 50 мкА до 5 А), особенно удобный для измерения токов интегральных микросхем (рис. 31).

Осциллографы могут оснащаться разно‑ образным программным обеспечением, как фирменным, так и сторонних организаций. Они могут работать с программами ком‑ пьютерной математики, например мощной матричной системой MATLAB [6] (рис. 32). Особый интерес представляет установка MATLAB на встроенный в осциллографы от‑ крытой архитектуры серии S твердотельный диск (SSD). Это обеспечивает естественную интеграцию MATLAB с прибором и суще‑ ственное повышение скорости работы, осо‑ бенно при имитационном моделировании с помощью пакета Simulink. Осциллографы допускают работу с раз‑ личным внешним оборудованием — настоль‑ ными и переносными компьютерами, прин‑ терами, клавиатурой, мышью, внешними дисплеями и др. К ним можно подключать раз‑ личные демоплаты — в том числе с питанием от USB-шины. При работе с внешними диспле‑ ями можно наблюдать разные осциллограммы и разные домены на каждом из дисплеев, вклю‑ чая дисплей осциллографа (рис. 33).

Рис. 33. Работа с внешним дисплеем большого размера

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

Заключение Выпуском новейших широкополосных, высокочастотных и многокомпонентных ос‑ циллографов 6000 X и 10‑разрядных осцил‑ лографов высокой четкости серии S компа‑ ния Agilent Technologies, накануне переиме‑ нования в Keysight Technologies, подтвердила свою позицию лидера в разработке и про‑ изводстве самых современных осциллогра‑ фов. По существу, приборы вводят новый высочайший стандарт качества современ‑ ных цифровых осциллографов. Это новые технологии и новые приборы следующего

новости

поколения в удобных корпусах и по доступ‑ ной цене. Они найдут широкое применение в тестировании современных электрон‑ ных компонентов и устройств. n

Литература 1. Дьяконов В. Осциллографы высокой точности Teledyne LeCroy HDO4000/6000: каналы вертикального отклонения // Компоненты и технологии. 2014. № 4.

2. Дьяконов В. Новые генераторы и осцилло‑ графы LeCroy и их взаимное тестирование // Компоненты и технологии. 2014. № 3.

технологии

145

3. Дьяконов В. Осциллографы премиумкласса InfiniiVision 4000 X Series корпора‑ ции Agilent // Компоненты и технологии.

2014. № 3.

4. InfiniiVision 6000 X‑Series Oscilloscopes.

Data Shift. Agilent Technologies, Inc. 2014. Published in USA, May 2, 2014.

5991-4087EN. 5. Agilent Ininiium S‑Series High-Definition Oscilloscopes. Data Shift. Agilent Technologies, Inc. Published in USA, April 28, 2014. 5991-3904EN. 6. Дьяконов В. П. MATLAB и Simulink для радиоинженеров. М.: ДМК-Пресс, 2011.

измерительная аппаратура

Новая серия осциллографов АКИП‑4127 от «ПриСТ»

Компания «ПриСТ» аносировала новую серию цифровых осциллографов АКИП‑4127 (АКИП) в составе четырех моделей, которые отличаются полосой пропускания и наличием встроенного генератора сигналов. Максимальная частота дискретизации при сборе данных составляет 1 ГГц и делится между активными входными каналами осциллографа. Модели имеют 2‑канальное исполнение с полосами пропускания 100 и 200 МГц. Разрядность АЦП по вертикали составляет 8 бит (до 11 бит в режиме увеличенного разрешения HiRes), память на каждый канал 7 Мбайт (14 Мбайт при объединении). Серия АКИП‑4127 относится к осциллографам эконом-класса, однако при этом обладает техническими новациями старших линеек, например технологией SPO (Super Phosphor Oscilloscope). Технология SPO, реализующая скорость захвата до 60 000 осциллограмм/с и 256 уровней интенсивности свечения луча (обеспечивает при отображении яркостную или цветовую градацию частоты разверток в зависимости от частоты их повторе-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

ния), позволяет обнаружить редкие события, аномалии и вариации в сигнале (модуляция яркости). Как результат — максимально достоверное отображение сигнала на экране. Осциллографы имеют самый минимальный в своем классе коэффициент отклонения (К откл.), от 500 мкВ/дел, усовершенствованную аппаратную схему синхронизации, а также высокую стабильность запуска системы сбора данных с ультранизким уровнем собственного джиттера. Модели АКИП‑4127 с индексом G оснащены встроенным функциональным генератором до 25 МГц с возможностью формирования сигналов произвольных форм (AWG). Осциллографы АКИП‑4127G полностью совместимы с ПО EasyWave, которое позволяет создавать собственные формы в оболочке управляющего софта, с дальнейшей передачей на прибор для формирования этих сигналов на выходе генератора. Сбор данных осуществляется в следующих режимах: выборка, пиковый детектор, усреднение (до 1024 раз) и высокое разрешение (HiRes).

Осциллографы имеют большой цветной TFTдисплей с диагональю 20 см (SVGA, разрешение 800×480, 8×14 делений), широкий набор инструментов измерения и анализа (автоматические измерения, математические преобразования, курсорные вычисления), удобный пользовательский интерфейс. Предусмотрены интерфейсы внешнего управления: USB (host/device), LAN, выход «синхр.» (BNC), выход «годен/негоден» (BNC). Опционально доступен GPIB в виде коммуникационного USB-кабеля-адаптера. Особенности и ключевые преимущества: • Высокая скорость сбора данных: 60 000 осциллограмм/с.

• Два входных каналов для всех моделей.

• Полоса пропускания: – от 0 до 100 МГц для моделей АКИП‑4127/1 и АКИП‑4127/1G; – от 0 до 200 МГц для моделей АКИП‑4127/2 и АКИП‑4127/2G. • Расширенное меню синхронизации и запуска сбора данных (9 видов, в том числе HDTV).

• Сегментированная память: до 1000 сегментов (с отображением межсегментного времени).

• Режим HISTORY — запись и обратное воспроизведение осциллограмм для обнаружения предыдущих аномалий (прокрутка назад во времени).

• Автоизмерения (36 параметров) и курсорные измерения (ΔU; ΔT; 1/ΔT) • Расширенные функции математики: сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование (d/dt), интегрирование (∫dt), извлечение квадратного корня (√).

• Статистическая обработка результатов измерений.

• Цифровая растяжка (zoom), допусковый контроль (тест по маске).

• Интерполяция SinX/x, режим Х‑Y. • Синхронизация и декодирование (опция DeCode/DC): I2C, SPI, UART/RS‑232, CAN, LIN. www.prist.ru

www.kite.ru

технологии

146

измерительная аппаратура

Отладка источников электропитания осциллографом высокой четкости R&S RTO Владимир Дьяконов, д. т. н., профессор Павел Струнин pavel.strunin@rohde-schwarz.com

Вторичные источники электропитания малой и средней мощности являются, пожалуй, самыми массовыми компонентами и законченными устройствами. Они применяются в качестве зарядных устройств мобильных телефонов, смартфонов и ноутбуков, для питания разнообразного радиоэлектронного оборудования.

Б

урное развитие получили импульсные источники питания (ИИП) с высоким КПВ с коммутатором на мощных поле‑ вых транзисторах [1–3] с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Для тестирования источников питания нужно специальное измерительное оборудование и приборы. В статье описано приме‑ нение для этого новейших цифровых осциллографов высокой точ‑ ности R&S RTO от компании Rohde & Schwarz [4, 5]. Разработка, исследование и тестирование источников электро‑ питания занимает важное место в деятельности компании Rohde & Schwarz (рис. 1). Для этого она использует приборы собственного производства, например универсальные осциллографы высокой чет‑ кости R&S RTO со специальной опцией R&S RTO-K31 для отладки и анализа источников электропитания любого типа — от простей‑

ших с диодным выпрямителем до источников с импульсным (клю‑ чевым) преобразователем с ШИМ-модуляцией и высоким КПД [5]. Первичными источниками электропитания являются силовые сети постоянного и переменного тока, гальванические и аккумуляторные батареи и другие устройства, прямо отдающие электроэнергию в на‑ грузку или множеству потребителей электроэнергии. Вторичные источники электроэнергии доводят уровни их напряжения и тока до нужных величин и обеспечивают необходимые потребителям па‑ раметры электрической энергии. Вторичные источники электропитания компании Rohde & Schwarz имеют различное оформление — от одноплатных модулей до ти‑ пичных лабораторных программируемых источников с цифровой регулировкой напряжений в широких пределах (рис. 2). Для питания особо точной аппаратуры компания выпускает источники/измерители (калибраторы) с цифровой высокоточной установкой значений напряжения и тока (рис. 3). Данные приборы объединяют высокоточный источник напряжения и тока с цифро‑ вым управлением с прецизионным измерителем этих параметров.

Пример построения интегрального преобразователя с ШИМ

Рис. 1. Рабочее место компании Rohde & Schwarz для тестирования импульсных источников питания

В настоящее время наиболее распространенными стали импульс‑ ные источники питания (ИИП) с преобразователями напряжения постоянного тока с ключевым управляющим регулятором (комму‑ татором) на мощных транзисторах — в основном полевых [1–3]. Все узлы таких преобразователей (за исключением катушки индук‑ тивности, конденсаторов на выходе и на входе и нескольких дру‑ гих элементах) интегрированы в интегральной схеме. Типичная функциональная схема преобразователя с импульсным регулятором

а Рис. 2. Лабораторный источник питания HMP4040 компании Rohde & Schwarz (4 канала, 384 Вт, 40–32 В/0–10 А)

б

Рис. 3. Источники питания/измерители компании Rohde & Schwarz

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

а

технологии

147

б

Рис. 4. Функциональная схема понижающего преобразователя с импульсным регулированием и контрольные точки: а) для измерения напряжений; б) для измерения токов

Рис. 5. Упрощенная схема модуля TPS62090 EVM с указанием добавленных контрольных точек для измерения тока и напряжения

и ШИМ-модулятором показана в упрощенном виде на рис. 4. На ней видны основные контрольные точки для измерения напряжений (рис. 4а) и токов (рис. 4б) преобразователя. Полная принципиальная схема понижающего напряжение преоб‑ разователя, взятого в качестве примера тестирования [5], приведена на рис. 5. Преобразователь выполнен на специализированной мощ‑ ной интегральной микросхеме, размещенной на печатной плате, и оснащен охлаждающим радиатором.

Основные приборы для тестирования источников питания Для тестирования источников питания могут применяться раз‑ личные приборы — от обычных вольтметров и амперметров до вы‑ сокоточных цифровых мультиметров/калибраторов, осциллографов и анализаторов спектра (особенно для источников с импульсным преобразователем). Осциллограф с полосой частот 500 или 100 МГц обеспечивает тестирование даже при исследовании наиболее высоко‑ частотных импульсных преобразователей. Рекомендуется использо‑ вать четырехканальный осциллограф, поддерживающий одновре‑ менное отображение нескольких ключевых сигналов. Вполне подходящим является цифровой запоминающий осцил‑ лограф высокой четкости R&S RTO [4], оснащенный опцией анализа электропитания R&S RTO-K31 (рис. 6а). Прибор снабжен удобным и четким сенсорным экраном (рис. 6б). Он обеспечивает удобное ручное управление прибором и простое управление размещением осциллограмм и диаграмм на экране (рис. 6а).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Для надежных и точных измерений с высокой степенью безопас‑ ности рекомендуется работа осциллографа со специальными типами пробников: • один широкополосный токовый пробник-клещи для безразрыв‑ ного измерения тока (RT-ZC20 или аналогичный); • два пассивных пробника (RT-ZP10 или аналогичных) с проводом заземления и пружинным зажимом для подключения к контроль‑ ным точкам и выводам интегральных схем; • активный несимметричный пробник (RT-ZS10 или аналогичный) с малой (менее 1 пФ) входной емкостью; • активный дифференциальный пробник (RT-ZD10 или аналогичный). Источник питания должен поддерживать уровни напряжений и токов, требуемых для проведения испытаний ИИП; это значит,

а

б

Рис. 6. Осциллограф R&S RTO: а) передняя панель; б) сенсорное управление

www.kite.ru

148

технологии

что источник питания должен обеспечивать работу в полном диапазоне напряжений и токов, необходимых в ходе проведения испытаний, с высоким уровнем стабиль‑ ности и точности по выходу. Применение источника/измерителя (рис. 2) позволяет исключить потребность в дополнительных измерительных устройствах и предоставля‑ ет возможность записи полученных резуль‑ татов измерений. Цифровой мультиметр (ЦММ) обеспечи‑ вает возможность точного задания или кон‑ троля статических напряжений и токов в ходе тестирования. Кроме того, он может исполь‑ зоваться для подтверждения уровней точ‑ ности и стабильности напряжений и токов, измеряемых осциллографом с помощью со‑ ответствующих пробников. Для этих целей вполне подходит 5‑разрядный ЦММ Hameg HMC8012 или 6‑разрядный ЦММ HM8112-3. Цифровой функциональный генератор Hameg HMF2525 компании Rohde & Schwarz поддерживает работу в диапазоне частот до 25 МГц и обладает 14‑разрядным разреше‑ нием сигналов произвольной формы со ско‑ ростью дискретизации 250 млн отсчетов/с. Он предоставляет полный спектр встроен‑ ных сигналов и импульсов, например для за‑ пуска коммутатора. В качестве нагрузки можно использовать мощные резисторы, управляемые высокоско‑ ростными мощными полевыми транзистора‑ ми, или специальные электронные нагрузки. Надо проследить, чтобы уровни входных на‑ пряжений ключевых приборов и управляю‑ щих ими микросхем были согласованы.

Основные типы измерений В целях обеспечения безопасности и ис‑ правности работы понижающего преобразо‑ вателя постоянного тока необходимы следу‑ ющие основные типы измерений: • характеристики при включении питания: пуск в ходе циклов переключения, линей‑ ное нарастание выходного напряжения Vout и линейное нарастание при мягком пуске; • параметры тока катушки индуктивности при наличии номинальной нагрузки, пуск и установление; • переходный режим при изменении на‑ грузки; • пульсации и спектр выходного напряжения. Контрольные точки для измерения напря‑ жений и токов были представлены на функ‑ циональной схеме рис. 4. Ключевыми дина‑ мическими параметрами, которые измеряют‑ ся в точке Vin, являются падение напряжения и уровень пульсаций напряжения Vin в ходе пуска и в режиме эксплуатации. Параметры выходного напряжения необ‑ ходимо отслеживать в процессе холодного запуска для подтверждения корректности до‑ стигнутого и поддерживаемого выходного напряжения. Если контроллер импульсно‑ го источника питания оснащен управляю‑

измерительная аппаратура

щим выводом Enable, параметры Vout также необходимо отслеживать в ходе процедуры включения/выключения Enable, когда при‑ бор выполняет переход из ждущего режима в режим работы, и наоборот. Значение входного тока I in измеряется между источником питания и входным кон‑ денсатором. Значение Iin необходимо отсле‑ живать в процессе холодного запуска для подтверждения получения ожидаемых дина‑ мических характеристик. Значение входного тока Iin измеряется между источником пита‑ ния и входным конденсатором. Его следует измерять с выбранными нагрузками для под‑ тверждения нахождения токов в ожидаемых пределах. Динамические характеристики входного тока необходимо проверить в различных ре‑ жимах пуска (холодный запуск, горячий за‑ пуск, оперативное периодическое включение и выключение питания) для обнаружения непредвиденных импульсов, глитчей или об‑ ратного тока. Ток катушки индуктивности IL измеряется между коммутирующим узлом и катушкой индуктивности. Значение IL следует изме‑ рять при всех режимах пуска для подтверж‑ дения получения ожидаемых характеристик и для того, чтобы убедиться в отсутствии на‑ сыщения катушки индуктивности, а также в наличии строгого контроля тока и любых ожидаемых событий, связанных с обратным током. Частью измерения значения IL являет‑ ся определение степени линейности кривой тока при работе на пиковых уровнях тока (катушка индуктивности не должна нахо‑ диться в режиме насыщения). Измерение IL также может быть использовано для кон‑ троля значения коэффициента заполнения ШИМ-модуляции и последующего сравне‑ ния с ожидаемыми значениями. Выходной ток I out измеряется между выходным конденсатором и нагрузкой.

Значение Iout может быть измерено в ходе цикла пуска (холодного, горячего, с управ‑ лением посредством сигнала вывода Enable) для подтверждения получения ожидаемых характеристик. Выходной ток следует прове‑ рить на наличие непредвиденных импульсов или глитчей.

Интерфейс анализа мощности осциллографов R&S RTO Осциллограф R&S RTO обладает всеми необходимыми возможностями для ана‑ лиза источников электропитания любого типа. Однако это требует большой работы по выбору пробников и сопутствующих приборов, измерительных схем и по уста‑ новке нужных параметров. Для облегче‑ ния данного процесса создана специальная опция R&S RTO-K31, которая в Windowsменю осциллографа открывается активи‑ зацией позиции Power в разделе анализа Analysis (рис. 7). Виртуальная панель опции R&S RTO-K31 открывается при активизации позиции Power меню анализа (рис. 8).

Рис. 7. Позиция анализа Windows-меню

Рис. 8. Основная виртуальная панель Power

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

Рис. 9. Виртуальная панель контроля входного напряжения

технологии

149

Рис. 10. Виртуальная панель контроля пускового тока

Панель содержит множество темных виртуальных кнопок, каж‑ дая из которых открывает виртуальную панель измерения того или иного параметра с легко понятными пояснениями по сути из‑ мерения, установке нужных приборов и параметров измерений. По умолчанию они заданы типовыми для источников электропитания. На рис. 9 для примера представлена виртуальная панель контроля входного напряжения типичного источника без громозд‑ кого низкочастотного трансформатора с ключным мощным поле‑ вым транзистором. Панель для контроля временной зависимости потребляемого тока при пуске источника питания показана на рис. 10. Панель установки измерения напряжения и тока индуктивности показана на рис. 11. Эти характеристики имеют важное значение для работы импульсных преобразователей. Если преобразователь не содержит выпрямитель и питается от пер‑ вичного источника постоянного напряжения, то для его включения надо использовать простую схему, показанную на рис. 12.

Работа и контроль преобразователя в стационарном режиме

Рис. 11. Панель установки измерения напряжения и тока индуктивности

В установившемся (стационарном) режиме работы она проис‑ ходит в две стадии — заряда и разряда индуктивного накопителя. Типичные осциллограммы процессов представлены на рис. 13 с вы‑ делением стадий цветом: желтым для первой стадии и светло-голу‑ бым для второй. В первой фазе коммутации ток источника напряжения (Vin) про‑ текает (в направлении красных стрелок) через замкнутый ключ SW1, поступая в катушку индуктивности (L), выходной конденсатор (С) и нагрузку (Z). Ток катушки индуктивности увеличивается со скоро‑ стью, определяемой ее напряжением (Vin – Vout). Крутизна фронта тока при этом также остается постоянной; лю‑ бые отклонения от постоянной крутизны фронта тока катушки индуктивности могут указывать на повышенный уровень пуль‑ саций напряжения Vin, насыщение катушки индуктивности или чрезмерное значение сопротивления по постоянному (DCR) или переменному (ACR) току катушки. Поскольку коммутирующее устройство обладает ненулевым сопротивлением в замкнутом со‑ стоянии, напряжение на этом устройстве будет возрастать с увели‑ чением тока катушки индуктивности. Значение ACR характеризует частотно-зависимые потери в катушке индуктивности, включаю‑ щие: поверхностный эффект в обмотке катушки, эффект близости (взаимное влияние электромагнитных полей токов соседних витков катушки), потери на вихревые токи и явление гистерезиса в матери‑ але сердечника.

Рис. 12. Схема запуска преобразователя при его питании от батареи

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Во второй фазе коммутации ключ SW2 коммутирует катушки ин‑ дуктивности на «землю». При этом заряд, накопленный при работе на первой фазе в катушке индуктивности и выходном конденсато‑ ре, формирует ток, протекающий в направлении нагрузки (зеленые стрелки). В ходе этой фазы, вследствие разряда катушки индуктив‑ ности, напряжение на катушке противоположно напряжению, при‑ сутствующему на первой фазе, определяясь (в идеальном случае) разностью Vout — «земля». Поскольку коммутирующее устройство обладает ненулевым сопротивлением, в точке подключения комму‑ тирующего устройства к катушке индуктивности будет наблюдаться www.kite.ru

150

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 14. Осциллограмма пускового тока и ручного измерения характеристик при пуске/мягком пуске (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (зеленый) — Iin)

Рис. 13. Осциллограммы в стационарном режиме работы

отрицательное напряжение, уменьшающееся в направлении «земли» при снижении тока катушки индуктивности; при использовании диода в ходе работы на второй фазе возникнет дополнительное отри‑ цательное «смещение» напряжения, представляющее собой прямое напряжение используемого диода. Как и прежде, крутизна фронта тока катушки индуктивности должна оставаться постоянной; зна‑ чительное отклонение от линейной кривой указывает на насыщение катушки индуктивности или на чрезмерное значение сопротивления DCR или ACR.

Тестирование переходного процесса включения питания При тестировании переходного процесса включения источников электропитания может использоваться как обычный способ запуска осциллографа (ручной), так и запуск при работе с опцией тестирова‑ ния источников электропитания. Начнем с ручного запуска в режиме холодного запуска, при котором включение прибора выполняется из выключенного состояния (OFF) с полностью разряженными вход‑ ными и выходными конденсаторами. Сигналом запуска является входное напряжение. Для проведения анализа характеристик при включении питания ИУ должно быть оборудовано контрольными точками для изме‑ рения значений Vin, Iin, IL и Vout. Как правило, этот тип тестирова‑ ния (рис. 14) рекомендуется выполнять при использовании не ме‑ нее трех каналов, подключенных к ИУ, как описано в индивиду‑ альных процедурах тестирования. Применение второго токового

Рис. 15. Увеличение масштаба отображения осциллограммы ручного измерения пускового тока и измерения характеристик при пуске/мягком пуске (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (зеленый) — Iin)

пробника позволяет уменьшить общее число этапов процедуры тестирования. Переходный процесс пуска довольно сложен, так как преобразова‑ тель содержит индуктивность и емкости, создающие выброс с коле‑ баниями. Можно увеличить масштаб развертки для получения более детальной осциллограммы переходного процесса (рис. 15). В ходе выполнения этой процедуры необходимо отслеживать воз‑ никновение непредвиденных изменений значения тока, отмечая уро‑ вень Vin, на котором они возникают. При отсутствии чрезмерных выбросов тока и непредвиденных значений вольт-амперной характе‑ ристики можно безопасным образом продолжить выполнение тести‑ рования при включении питания с проведением более подробного анализа динамических характеристик при пуске.

Тестирование преобразователя в режиме мягкого пуска В преобразователях постоянного тока, поддерживающих управле‑ ние по напряжению, мягкий пуск зачастую реализуется с помощью шунтирования опорного стабилитрона конденсатором большой емкости, делающим нарастание опорного напряжения достаточно плавным. В современных преобразователях постоянного тока, под‑ держивающих управление по току, мягкий пуск зачастую реализует‑ ся простым изменением предельного диапазона токов в ходе пуска.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

технологии

151

а напряжение Vout все еще находится ниже 0,8 В. Конструктивные особенности этого преобразователя постоянного тока (и преоб‑ разователей других типов) базируются на предположении, что они управляют кремниевыми микросхемами, которые вносят сла‑ бую нагрузку при напряжениях ниже 0,7 и до 0,8 В; следовательно, если Vout не превышает 0,8 В, ограничение по току устанавливается на наименьшее значение, поскольку прибор сначала разряжает вы‑ ходной конденсатор, не осуществляя управление нагрузкой. Тем са‑ мым предотвращается возникновение высокоуровневого входного тока на этапе первоначального пуска преобразователя в указанных условиях.

Анализ пуска с использованием опции R&S RTO-K31

Рис. 16. Мягкий пуск модуля TPS62090 при 10%-ной нагрузке, Vin = 5 В (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

Измерение и анализ характеристик при мягком пуске могут прово‑ диться вручную или быть частью опции анализа электропитания при проведении анализа пускового тока. Если измерение пускового тока выполняется в нормальном режиме, пусковой ток заряда конденса‑ тора может «скрыть» характеристики при мягком пуске. Это можно устранить, выбрав более низкое значение максимального тока, при‑ мерно равное пиковому току при мягком пуске, что приведет к зада‑ нию соответствующего масштаба по вертикальной оси. Время запуска/остановки измерения можно задать по завершении начального заряда конденсатора; если пусковой ток конденсатора слишком велик, существует возможность перегрузки входного уси‑ лителя, однако это явление сойдет на нет при переходе преобразова‑ теля постоянного тока в фазу мягкого пуска (рис. 16). На рис. 16 наблюдается колебательный выброс входного тока тестируемого модуля TPS62090, который возникает при переходе из фазы мягкого пуска в режим полной эксплуатационной готовно‑ сти. Этот выброс довольно мал и кратковременен (примерно 220 мА и <150 мкс). Разные модели преобразователей постоянного тока об‑ ладают различными характеристиками при мягком пуске.

Опция анализа электропитания R&S RTO-K31 поддерживает уста‑ новку, выполнение, просмотр результатов анализа и протоколиро‑ вание. В этом разделе приводится описание анализа характеристик при включении с помощью измерительной функции InrushCurrent (пусковой ток) опции K31. Выполнение протоколирования основных параметров при пуске преобразователя постоянного тока «одним нажатием» может быть осуществлено выбором следующих дополни‑ тельных каналов и настроек.

• Подключите пассивные пробники напряжения к точкам, выбран‑ ным для Vin и Vout.

Характеристики тока катушки индуктивности Характеристики тока катушки индуктивности имеют особое зна‑ чение, поэтому анализ уровней тока катушки индуктивности должен проводиться в наихудших условиях. Пиковый ток может возникнуть в ходе пуска (рис. 16), на этапах подключения положительных на‑ грузок или при работе преобразователя постоянного тока с внешним ШИМ-сигналом, поступающим на вход Enable (наиболее часто встре‑ чается в светодиодных драйверах питания). В случае, показанном на рис. 17, разрешающая способность осциллографа по горизонтали достаточна для использования функции масштабирования, обеспе‑ чивающей более подробное отображение участка осциллограммы сигнала катушки индуктивности. На рис. 17 показано несколько первых циклов коммутации модуля TPS62090, включая характеристики при пуске с использованием огра‑ ничения по току, которое в данном случае имеет гораздо более низкое значение, чем в процессе эксплуатации. Частота переключения при этом меньше стандартной, что является частью алгоритма мягкого пуска для данного прибора. Характеристики других приборов могут отличаться. На рис. 18 показаны характеристики при пуске модуля TPS62090 с нагрузкой, эквивалентной 50% от максимального номинального тока при номинальном выходном уровне напряжения 1,8 В. Можно заметить, что преобразователь постоянного тока начинает процедуру запуска, но прекращает выполнение переключения, если ток катушки индуктивности возрастает приблизительно до 750 мА,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Рис. 17. Мягкий пуск модуля TPS62090 при 10%-ной нагрузке, Vin = 5 В; масштаб отображения нескольких первых циклов коммутации увеличен (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (синий) — Iin)

Рис. 18. Модуль TPS62090 не запускается при больших нагрузках и напряжении ниже 0,8 В (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (синий) — Iin)

www.kite.ru

152

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 19. Осциллограммы при пуске и таблица результатов, полученных с использованием функции измерения пускового тока; осциллограмма Vswitch не показана, поскольку при данном масштабе по горизонтальной оси она будет выглядеть как «сплошная стена», простирающаяся от уровня «земли» до Vin. Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin

Рис. 20. Осциллограмма при пуске преобразователя постоянного тока с указанием пикового тока катушки индуктивности в конце интервала мягкого пуска (Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

• Подключите дифференциальный пробник, например RT-ZD10, между Vin и Vswitch (Vin к (–), Vswitch к (+)); если пробник RT-ZD10 недоступен, подключите пробник RT-ZS10 или пассивный пробник к Vswitch, уделяя особое внимание длинам заземляющего и других проводников, поскольку это может оказывать влияние на фронты импульсов, обладающие высокой крутизной.

• Установите опорную линию для всех каналов, отступив примерно на одно деление от нижней части экрана, что позволит отслеживать возникновение выбросов отрицательной полярности.

• Определите масштаб по вертикальной оси канала, подключенного к Vin, чтобы отображение напряжения Vin занимало 50–80% от пол‑ ной высоты экрана.

• Определите масштаб по вертикальной оси канала, подключенного к Vout, чтобы отображение напряжения Vout занимало примерно 80% от полной высоты экрана. В ходе тестирования при включении питания появится возможность измерения сигналов во всех контрольных точках в одном цикле сбора данных, поэтому в первый набор измеряемых характеристик следует включить Vin, Iin, Vswitch и Vout. При наличии двух токовых пробников следует подключить второй пробник для осуществления контроля тока катушки индуктивности IL в ходе второго цикла сбора данных.

Рис. 21. Искаженные осциллограммы тока катушки индуктивности при использовании другой микросхемы контроллера и других компонентов при пиковом значении тока (красный овал определяет область увеличения масштаба) (Ch 3 (голубой) — Iin)

Рис. 22. Пошаговое изменение нагрузки в диапазоне от 1 до 100% модуля TPS62090 указывает на отсутствие видимых искажений осциллограммы тока катушки индуктивности при пиковом значении тока в процессе перехода (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

На рис. 19 показаны осциллограммы и результаты измерения пу‑ скового тока, полученные с использованием опции RTO-K31. Левая кривая (голубого цвета) представляет начальный пусковой ток при заряде конденсатора, а синяя кривая — линейное нарастание Vin. Красная кривая, расположенная в нижней части экрана, представ‑ ляет «ступенчатую» характеристику Vout, являющуюся результатом начала поступления энергии в выходной конденсатор в ходе циклов коммутации преобразователя постоянного тока. При превышении пусковым током размеров экрана следует изменить масштаб по вер‑ тикальной оси для этого канала, затем нажать аппаратную клавишу RUN Nx/SINGLE осциллографа и вновь подать питание. При необ‑ ходимости эту процедуру можно повторить без нажатия кнопки Execute, что позволит получить корректный масштаб/диапазон и тре‑ буемый вид экрана. Характеристики тока катушки индуктивности имеют особое значе‑ ние при протекании пикового тока через катушку, поэтому данный анализ уровней тока катушки индуктивности должен проводиться в наихудших условиях. Пиковый ток может возникнуть в ходе пу‑ ска (рис. 20), на этапах подключения положительных нагрузок или при работе преобразователя постоянного тока с внешним ШИМсигналом, поступающим на вход Enable (наиболее часто встречается

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

в светодиодных драйверах питания). В случае, показанном на рис. 16, разрешающая способность по горизонтали достаточна для исполь‑ зования функции масштабирования, обеспечивающей более под‑ робное отображение участка осциллограммы сигнала катушки ин‑ дуктивности. Процедура измерения с использованием опции R&S RTO-K31 включает: • измерение пускового тока для проведения анализа параметров на‑ сыщения катушки индуктивности; • пульсации выходного напряжения; • спектр выходного напряжения. На рис. 21 показаны характеристики другой микросхемы контрол‑ лера постоянного тока и соответствующей катушки индуктивности. В пиковой точке осциллограммы тока катушки индуктивности при пуске наличие радиуса кривизны обоих скатов кривой осциллограм‑ мы тока указывает на то, что катушка индуктивности работает в ре‑ жиме частичного насыщения. Это может приводить к возникнове‑ нию значительного сопротивления DCR или ACR. В отличие от осциллограммы, показанной на рис. 21, на осцил‑ лограмме тока катушки индуктивности модуля TPS62090, приве‑ денной на рис. 22, оба фронта кривой линейны, то есть не обладают радиусом кривизны. Это указывает на то, что катушка индуктивно‑ сти не находится в близком к насыщению режиме, а значит, имеет низкие значения сопротивлений DCR и ACR на этой частоте и при этом токе.

Переходный режим при изменении нагрузки Характеристики переходного режима при изменении нагрузки необходимо измерять как для вариаций нагрузок в широком диа‑ пазоне (например, от 1 до 100%), так и для менее значительных из‑ менений (в частности, от 10 до 90% и от 50 до 60%). Характеристики переходных режимов преобразователей постоянного тока, в за‑ висимости от алгоритма управления, могут в значительной сте‑ пени отличаться из-за различий в значении (Vin–Vout). Поскольку разность (Vin–Vout) определяет максимальную крутизну измене‑ ния тока катушки индуктивности, более низкое значение разности (Vin–Vout) уменьшает способность преобразователя поддерживать токи большой силы, так как приводит к увеличению нагрузки, тем самым увеличивая время отклика. На рис. 23 и 24 показаны харак‑ теристики напряжения Vout для двух значений Vin (красный цвет, Channel 4 (канал 4)), связь по переменному току) и тока катушки индуктивности (синий цвет, Channel 3 (канал 3)) при изменении на‑ грузки. Обратите внимание на более высокую разницу в значениях пикового тока и коэффициента заполнения по сравнению с резуль‑ татами, приведенными на рис. 23, при 5 В.

Рис. 24. Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 1–100% при Vin = 3,3 В; приблизительно 9 мкс до начала полной стабилизации

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

технологии

153

Рис. 23. Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 1–100% при Vin = 5 В; < 4 мкс до начала полной стабилизации

Наличие значительных биений в ходе коммутации или выпол‑ нение ручных подключений для добавления/вычитания нагрузок может затруднить выделение «полезного» изменения нагрузки. Достаточный объем памяти и высокая частота дискретизации при‑ бора RTO позволяют захватывать несколько событий коммутации и предоставляют возможность увеличения отображения отдельного события, обеспечивая полный обзор характеристик при изменении нагрузки. Поскольку понижающие преобразователи постоянного тока, как правило, не уменьшают ток, их способность адаптироваться к уменьшению нагрузки в значительной степени зависит от ча‑ стоты коммутации и выходной емкости; более высокая частота коммутации и более низкая выходная емкость обычно приво‑ дят к уменьшению времени отклика при уменьшении нагрузки. На рис. 25 показан график со значительно более медленным от‑ кликом при снижении нагрузки по сравнению с откликом по‑ нижающего преобразователя постоянного тока при увеличении нагрузки.

Пульсации, шумы и их спектр Выходное напряжение источников питания имеет шумовую ком‑ поненту и пульсации, вызванные работой выпрямителя и ШИМкоммутатора. Они могут оказаться причиной сильных помех для высокочувствительных устройств — радиоприемников и усилите‑ лей. Поэтому необходим спектральный анализ выходного напряже‑ ния в частотной области. Режим Power обеспечивает (в дополнение к стандартному анализу) получение «быстрого» спектра при параме‑ трах, характерных для источников питания.

Рис. 25. Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 100–1%; приблизительно 90 мкс до достижения точки стабилизации

www.kite.ru

154

технологии

измерительная аппаратура

Рис. 26. Виртуальная панель контроля выходного напряжения

Рис. 27. Осциллограмма пульсаций выходного напряжения импульсного преобразователя

Рис. 28. Быстрый спектр выходного напряжения преобразователя и его дескриптор Output Spectrum Result

Рис. 29. Окно отображения спектра пульсаций выходного напряжения; осциллограмма усреднена по 20 измерениям

Для тестирования осциллограф подклю‑ чается к выходу источника (рис. 26) и обыч‑ но используется с закрытым входом для отделения пульсаций и шумов от постоян‑

ной составляющей выходного напряжения (рис. 27). На рис. 27 показаны характерные пульса‑ ции выходного напряжения преобразовате‑

ля с ШИМ. Они имеют форму пилы с малой амплитудой. При активизации кнопки Spectrum на рис. 8 строится быстрый спектр пульсаций и шумов в заранее установленном опцией масшта‑ бе. Для анализа спектра тока активизирует‑ ся кнопка Harmonic. На дескрипторе Output Spectrum Result кратко отображаются резуль‑ таты спектрального анализа (рис. 28). После активизации дескриптора, включе‑ ния усреднения (Average) и подбора полосы разрешения можно получить спектр в доста‑ точно четком виде (рис. 29). В преобразователях с ШИМ наблюдаются сигналы различной формы — треугольные, пилообразные, прямоугольные и т. д. Их ча‑ сто удобно исследовать в частотной области (рис. 30). Здесь применен линейный масштаб спектра и выведена виртуальная панель уста‑ новки параметров спектра. На рис. 31 показан спектр симметрично‑ го треугольного сигнала в логарифмическом масштабе. Теоретически он имеет только нечетные гармоники. Но высокая чувстви‑ тельность в логарифмическом масштабе по‑ зволяет легко обнаруживать и четные гармо‑ ники реального спектра. Импульсы на коммутаторе обычно имеют прямоугольную форму. Их спектр в линей‑ ном масштабе показан на рис. 32. Спектр близок к теоретическому, а вид пиков за‑ висит от выбора окна спектрального ана‑ лиза и полосы частот разрешения RBW. При малых RBW пики спектра превраща‑ ются в вертикальные отрезки прямой (как на рис. 28). Спектр с более высоким динамическим диапазоном обеспечивает логарифмический масштаб его представления (рис. 33).

Подготовка отчета по тестированию Опция R&S RTO-K31 содержит ряд функ‑ ций для задания формата и содержимого

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

измерительная аппаратура

Рис. 30. Спектр несимметричного пилообразного сигнала в линейном масштабе с выводом панели установок спектрального анализа

Рис. 31. Спектр треугольного сигнала в логарифмическом масштабе

создаваемых отчетов. Документация может выводиться в форматах RTF или PDF, что обеспечивает простоту обмена отчетами; RTF

Рис. 34. Панель настроек отчета Layout (формат)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

технологии

155

Рис. 32. Спектр прямоугольного сигнала в линейном масштабе

Рис. 33. Спектр прямоугольного сигнала в логарифмическом масштабе с выводом панели установок спектрального анализа

предоставляет возможность дополнительной «персонализации» содержимого и формата отчетов (рис. 34, 35). В один отчет может

Рис. 35. Панель выбора содержимого формирователя отчета

www.kite.ru

технологии

156

измерительная аппаратура

новости

усилители

Серия наномощных операционных усилителей STMicroelectronics с ультранизким энергопотреблением во всем рабочем диапазоне температур

Выходная линейная мощность Pout, дБм

31

LX5509 3,3

5

28

LX5532

5

5

31

LX5533

5

2,4

31

23 M9 27 M0 19 M9 20 M7 23 M9 28 M0 23 M9 28 M0

LX5518

5

2,4

30

+26 M9

–35

460

LX5535

5

2,4

32

+25 M7

–30

230

LX5531

5

5

Current при 1,8% EVM, мA

1. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. / Под ред. проф. Дьяконова В. П. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН, 2002.

2. Дьяконов В. Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспек‑ тивы. Аналитический обзор // Силовая электроника. 2011. № 3.

3. Бачурин В. В., Дьяконов В. П., Левин А. Б., Смердов В. Ю. Мощные высоко‑ вольтные ключевые МДП-транзисторы для бестрансформаторных источ‑ ников питания // Электричество. 1986. № 3.

4. Осциллографы цифровые R&S RTO. Руководство по эксплуатации. Rohde & Schwarz, 2014. www.rohde-schwarz.com 5. Роланд Б. Предварительный анализ характеристик импульсного источника питания постоянного тока. Указания по применению. Rohde & Schwarz, 2014. www.rohde-schwarz.com

Корпорация Microsemi Corporation представляет новую линейку усилителей мощности для применений IEEE802.11a/b/g/n/ac на частоты 2,4 и 5 ГГц. Новая линейка состоит из шести микросхем, выполненных в корпусе QFN. Краткие технические характеристики представлены в таблице: EVM, дБ

Литература

Усилители мощности для WLAN от компании Microsemi

Усиление, дБ

Осциллограф R&S RTO — прекрасный пример инструмента, хо‑ рошо подходящего для тестирования источников электропитания в основном малой и средней мощности, включая импульсные источ‑ ники с ШИМ. Опция R&S RTO-K31 упрощает тестирование и иссле‑ дование таких источников. n

Vcc, В

Заключение

Частота, ГГц

быть включено несколько экземпляров каждого типа тестирования; из всех сохраненных в сеансе тестирования результатов могут быть выбраны отдельные результаты тестирования. На рис. 36 показана страница отчета формата RTF, сформирован‑ ная с применением опции R&S RTO-K31 при тестировании преоб‑ разователя (рис. 6). Отчет достаточно подробно отражает результаты тестирования.

Наименование

Рис. 36. Пример страницы отчета

Компания STMicroelectronics представляет TSU101 — серию наномощных операционных усилителей с ультранизким энергопотреблением во всем рабочем диапазоне температур. Операционные усилители серии TSU101, потребляя ток, меньший тока саморазряда типовой Li-Ion-батареи, обеспечивают продолжительную работу устройств от небольших кнопочных элементов питания и технологий сбора энергии. Благодаря собственному энергопотреблению этих операционных усилителей (около 600 нА/канал) теоретически достижимый срок автономной работы устройств на их основе составляет: • 42 года работы от литиевой батареи CR2032 3 В, • 28 лет работы от двух алкалиновых элементов LR44 1,5 В. Кроме применения небольших источников питания, серия TSU101 позволяет уменьшить габариты системы за счет миниатюрности корпусов типа QFN и DFN. Загрузите одно из доступных руководств application notes с полной информацией по применению, включая готовые примеры электрических схем: • AN4348: Электрохимические датчики, применяемые для мониторинга качества воздуха с целью детектирования присутствия токсичных газов в промышленности и дома.

• AN4368: Пироэлектрические пассивные инфракрасные датчики (PIR), способные детектировать движение или присутствие человека, для применения в системах безопасности, автоматических дверях или системах с автоматическим управлением освещением. www.ptelectronics.ru

–38 –25 –38 –36 –35 –25 –35 –25

300 305 300 340

Harmonics, дБм/MГц

Корпус, мм

–50 при 27 дБм –45 при 27 дБм –50 при 27 дБм –50 при 27 дБм –50 при 27 дБм –50 при 27 дБм

20 pin QFN 4×4×0,8 20 pin QFN 4×4×0,9 20 pin QFN 4×4×0,9 16 pin QFN 3×3×0,9 16 pin QFN 3×3×0,8 16 pin QFN 3×3×0,8

Статус

Производится

Доступны образцы

Производится

www.ptelectronics.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Реклама

158

технологии

Продолжение. Начало в № 9’2015

Перевод: Владимир Рентюк

Использование значений MTBF (среднего времени безотказной работы) Значения среднего времени безотказной работы MTBF (англ. MTBF — mean time between failures, буквально: среднее время между отказами) могут вызвать большую путаницу, потому что они часто неправиль‑ ны, а иногда и сознательно искажены недо‑ бросовестными производителями. Время на‑ работки на отказ, равное 1 млн ч, не означает, что продукт имеет срок службы, равный:

1 000 000/(24365) = 114 лет! Наработка на отказ здесь просто определя‑ ется как величина, обратная фактической ин‑ тенсивности отказов. Так, если один DC/DCпреобразователь из 100 имел отказ после 10 000 ч работы, то значение MTBF составит:

MTBF = 10 000/(1/100) = 1 млн ч! И наоборот, если интенсивность отказов в данной области применения должна быть меньше, чем 1% в год для определенного установленного количества, то необходимое значение наработки на отказ MTBF такого источника питания должно быть:

Требуемая MTBF = (36524)/1% = = 876 000 ч. При правильном использовании значение MTBF может определить время для техни‑ ческого обслуживания устройства при его эксплуатации, но значения MTBF в тысячи или миллионы часов приводят к путанице для тех, кто недостаточно знаком с ними. Если мы возьмем первый пример, приведен‑ ный выше, то действительно преобразова‑ тели имеют значение MTBF, равное 1 млн ч (что эквивалентно 114 годам), но один оди‑ ночный преобразователь из множества мо‑ жет отказать уже после первых 13 месяцев использования. Возможно, более понятный пример, касающийся жизни человека, помо‑ жет объяснить этот кажущийся «просчет». Средняя интенсивность «отказов» для чело‑ века в возрасте 25 лет составляет 0,1%, то есть

надежность

Вопросы надежности для DC/DC-преобразователей Данная статья продолжает цикл материалов, посвященный вопросам надежности DC/DC-преобразователей.

вероятно, что один 25‑летний человек из ты‑ сячи может умереть. Делая расчет надежно‑ сти, мы получаем наработку на отказ MTBF для людей, равную 800 годам! Причина столь высоких (и столь изменя‑ емых) значений при расчете MTBF заклю‑ чается в том, что частота отказов в плоской средней части, то есть в периоде нормаль‑ ной эксплуатации изделия, очень и очень низка. При масштабировании с учетом более длительного периода времени это означает, что небольшие изменения в ин‑ тенсивности отказов, составляющие дель‑ ту (скорость изменения интенсивности отказов во времени), дадут большие изме‑ нения в расчетной MTBF. Это также объяс‑ няет и тот факт, почему мы, люди, не мо‑ жем жить по 800 лет. В 25‑летнем возрасте большинство людей достаточно здоровы, и основной причиной их смерти являются несчастные случаи. Если бы мы не старели и не страдали от болезней, то могли бы жить до 800 лет (если бы в нашем случае все смер‑ ти происходили из-за несчастного случая и носили исключительно случайный харак‑ тер). С другой стороны, если бы для расчета был выбран другой возраст, скажем 45 лет, тогда бы мы увидели совсем иные значения MTBF для человека. Это связано с тем, что люди начинают «изнашиваться» уже в от‑ носительно раннем возрасте. Поскольку интенсивность отказов во вре‑ мя последней фазы периода нормальной экс‑ плуатации изменяется по экспоненциально‑ му закону, то вероятность безотказной рабо‑ ты может быть рассчитана с использованием значения MTBF по следующей формуле:

Вероятность безотказной работы = = e –T/MTBF. Если время (Т) равно значению среднего времени наработки на отказ (MTBF), то урав‑ нение сводится к значению e –1, или к веро‑ ятности 37%. Это можно интерпретировать так: при Т = MTBF будет по-прежнему рабо‑ тать 37% всех преобразователей, или (аль‑ тернативно) вероятность, что все преобразо‑ ватели будут по-прежнему работоспособны к концу периода времени T, равного MTBF, составляет только 37%.

Показанная MTBF Большинство производителей источни‑ ков питания не могут ждать годами, чтобы получить цифровые значения реальной ско‑ рости изменения интенсивности отказов и приращения отказов в единицу времени (дельта для своей продукции). Наиболее практичный способ получения сведений по надежности — использовать эмпириче‑ ские результаты для отдельных компонен‑ тов в соответствии с такими базами данных, как руководство MIL HDBK 217, и предпо‑ ложить, что частота отказов увеличивается монотонно. Разумеется, результат не идеаль‑ ный, но это намного лучше, чем просто га‑ дать или десятилетиями ждать более досто‑ верных данных. Однако если уже было продано значи‑ тельное количество продуктов или прове‑ дены долгосрочные испытания на большой выборке, то мы имеем возможность более точно измерить надежность. Это можно на‑ звать «показанная надежность» (в принятой английской терминологии — demonstrated MTBF), которая основана не на расчет‑ ных, а на реально зафиксированных отка‑ зах. Поскольку и размер выборки, и время наблюдения ограничены по практическим соображениям, то число фактических отка‑ зов может быть низким, поэтому для ана‑ лиза распределения необходимо использо‑ вать инструменты из области статистики. Например, такие как критерий распределе‑ ния χ2, который дает возможность рассчи‑ тать значения для показанной MTBF с раз‑ умной точностью, например в 95%:

Показанная MTBF = 2T/χ2(0,05, ν), где T — время, ч; 0,05 — минимально прием‑ лемая точка отсечения, равная 95%; ν — сте‑ пень свободы χ2‑функции. Есть также и другие базы данных, и дру‑ гие статистические модели, которые могут применяться для получения значений ве‑ роятности интенсивности отказов. Наряду с MIL 217F HDBK наиболее распространенны‑ ми являются Bellcore/Telcordia TR-NWT‑332 и IEC61 709. Результаты этих методик от‑ личаются друг от друга, потому что при

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

надежность

Надежность уменьшается с увеличени‑ ем рабочей температуры, так что указанный в спецификации параметр MTBF, как пра‑ вило, соответствует значению только при комнатной температуре окружающей среды, и это следует принять во внимание. Причина, почему надежность настолько зависит от тем‑ пературы, связана с энергией активации химических процессов. Это известно еще с 1898 года, когда шведский химик Аррениус доказал, что скорость химической реакции за‑ висит от температуры и что на каждые 10 °K увеличения температуры скорость реакции возрастает примерно в два раза:

Таблица 4. Коэффициенты ускорения для разных температур окружающей среды TAMB TAMB, °C

где TREF — опорное значение температуры; TAMB — температура окружающей среды. Для большинства технических специфи‑ каций в качестве опорной температуры TREF берется номинальная температура в поме‑ щении, или +25 °C. Это дает нам следующие факторы ускорения в зависимости от тем‑ пературы окружающей среды TAMB (табл. 4). Из этих простых соотношений можно ви‑ деть, что удвоение температуры окружаю‑ щей среды +25…+50 °C увеличивает эффект старения на коэффициент, равный шести. А если температура увеличена еще на +25 °C, то есть до +75 °C, то эффект старения увели‑ чится уже примерно в 30 раз. Такое же соотношение работает и в обрат‑ ном направлении. Снижение температуры повышает надежность электронных компо‑ нентов. Тем не менее при очень низких тем‑ пературах (ниже –20 °C) уже другие факто‑ ры, такие как механические напряжения изза разницы в коэффициентах расширения разных материалов или то, что при низких температурах паяные соединения становят‑ ся хрупкими, могут вызвать более высокую скорость интенсивности отказов. Таким об‑ разом, соотношения Аррениуса не могут быть экстраполированы без установки долж‑ ного предела. Помимо эффектов старения, для расчета MTBF существуют и другие стрессовые фак‑ торы, влияние которых необходимо учиты‑ вать, но расчеты показывают явное умень‑ шение надежности с увеличением роста тем‑ пературы (табл. 5).

Особенности конструирования для обеспечения надежности где k — скорость реакции; А — коэффици‑ ент, который зависит от природы реагентов и характеризует частоту столкновений реа‑ гирующих молекул; EA — энергия актива‑ ции; Т — температура, °К; kB — постоянная Больцмана. За пределами чистой химии уравнение Аррениуса нашло много применений, в част‑ ности, и при оценке срока службы электрон‑ ных компонентов, в которых многие из эф‑ фектов старения являются по своей природе химическими (например, эффект коррозии, старение материалов, изменение дислокации в полупроводниковых кристаллических ре‑ шетках и т. п.). Уравнение Аррениуса также может быть модифицировано путем выде‑ ления коэффициента ускорения, который зависит от температуры. Для электронных компонентов энергия активации составляет 0,6 эВ и дает нам коэффициент ускорения, который может быть вычислен по следую‑ щей формуле как:

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2015

Проблема обеспечения надежности име‑ ет большое значение при разработке общей конструкции блока питания. Имеется в виду выбор соответствующих коэффициентов на‑ грузок для компонентов, топологий и эле‑ ментов, в спецификации которых указаны длительные сроки службы. Поэтому к ос‑ новным критериям, которые следует при‑ нимать во внимание при конструировании таких блоков, относится выбор правильных компонентов, использование проверенных и испытанных топологий схем с учетом всех ожидаемых электрических и тепловых на‑ грузок, а также влияние окружающей среды. Все эти моменты должны быть предусмотре‑ ны на этапе проектирования изделия. При конструировании необходимо пом‑ нить и о том, чтобы блок питания был лег‑ ким в изготовлении, как в сборке, так и в его проверке при производстве. То есть при раз‑ работке должна быть учтена возможность физического доступа к прибору для провер‑

Коэффициент ускорения

+25

1

+30

1,5

+40

3

+50

6

+60

12

+70

22

+80

40

Таблица 5. Пример изменения MTBF с учетом воздействия температуры (для DC/DC-преобразователя RECOM 2 Вт) Температура окружающей среды, °C

MTBF (MIL-HDBK-217F) (при полой нагрузке), ч

+25

1 368 813

+50

711 033

+85

226 072

Таблица 6. Максимально приемлемые температуры элементов при конструировании изделия

Компонент

SMD-резистор SMD-конденсатор SMD-диод Полевой транзистор (температура перехода) Трансформатор Оптрон Печатная плата (стеклотекстолит марки FR4)

Рекомендуемая максимальная температура (наихудший случай), °C

Связь между MTBF и температурой

159

Максимально допустимая рабочая температура (согласно спецификации изготовителя), °C

вычислениях они используют различные допущения и различные уровни воздей‑ ствий. Так, в MIL 217F HDBK использует‑ ся 100%-ная нагрузка, тогда как в методике Bellcore/Telcordia только 50%-ная. По той же причине DC/DC-преобразователь, рассчи‑ танный на мощность 30 Вт, согласно мето‑ дике MIL 217F HDBK (условия 2, без обледе‑ нения) покажет наработку на отказ 435 000 ч. По методике Bellcore/Telcordia TR‑332 его среднее время безотказной работы превысит 3 млн ч, а по методике IEC 61709 его MTBF составит около 80 млн ч. Впрочем, если два продукта имеют анало‑ гичные критерии эффективности и характе‑ ризуются разными значениями MTBF и при расчетах для определения их MTBF исполь‑ зовались одинаковые модели и факторы на‑ грузки, изделие с более высоким значением MTBF и на практике окажется более надеж‑ ным. И это не зависит от выбранной методологии.

технологии

+125 +125 +125

+115 +115 +115

+155

+140

+130 +110

+120 +100

+140

+130

ки формы сигналов, напряжения и темпера‑ туры, это позволит гарантировать, что ис‑ точник питания работает точно в пределах заданных границ его эксплуатации. Любые значения, находящиеся вблизи границ допу‑ сков или формы сигналов, которые выглядят не так, как должны, могут означать, что даже если преобразователь удовлетворяет требо‑ ваниям технической спецификации, срок его службы будет менее ожидаемого. Как уже упоминалось в предыдущем разделе, высокие температуры — это враг для долгой жизни и надежности изделия. Каждый компонент конструкции может иметь некоторую максимальную рабочую температуру в рамках, определенных его из‑ готовителем, но хорошо выполненная еще на стадии разработки конструкция позво‑ лит сделать так, чтобы ни один из компо‑ нентов никогда не достигал пределов своей максимальной рабочей температуры. В таблице 6 приведен ряд типичных максималь‑ ных рабочих температур и рекомендуемые температуры для некоторых компонентов DC/DC-преобразователей. n Продолжение следует. www.kite.ru

Реклама

Реклама

Реклама

Компоненты и технологии

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

№ 12 ’2015

Te c h n o l o g i e s

№ 12 ’2015 (декабрь)

ISSN 2079-6811

ПЛИС, ПАИС

декабрь

Радиочастотные соединители для поверхностного монтажа

Components & Technologies

Высоковольтные драйверы

пьезоэлектрических преобразователей

Реклама

Реклама

&

Знакомство с новыми МК Smart ARM компании Atmel