Для оценки системного быстродействия проведём анализ при переключении сигнала в конце линии из 0 в 1 (верхняя осциллограмма №1). Отметим на осциллограмме пороговый уровень U_пор. Как видно, сигнал пересекает порог в момент времени 3Т, что вызывает переключение микросхемы нагрузки. В более неблагоприятной ситуации возможно достижение порога в моменты 5Т и даже 7Т. В этих случаях увеличение системного быстродействия определяется разностью между моментом достижения порога и физической задержкой Т (например 3Т - Т = 2Т). Таким образом может быть внесена существенная погрешность во временные диаграммы, рассчитанные для идеализированных условий.



Другой случай - провал в уровне сигнала, который воспринимается как логический ноль (осциллограмма №2). Такие ошибки чреваты тем, что микросхема воспринимает два импульса вместо одного.

Ещё один случай - наличие значительных, отрицательных по амплитуде импульсов (осциллограмма №3). Это чрезвычайно опасно, особенно для входных каскадов МС поскольку эти отрицательные напряжения могут вывести их из строя.

26. Компоненты сигнала в несогласованной длинной линии в некоторый момент времени

Рассмотрим распространение сигнала в длинной линии. Представим эквивалентную схему длинной линии: U_г - генератор, обладающий выходным сопротивлением R_вых; далее - сама длинная линия, s - начало линии, r - конец линии; R_вх - входное сопротивление микросхемы, или другого четырёхполюсника.

Изобразим координатную плоскость: X - координата по длине линии, t - время. Время пробега электромагнитной волны от начала до конца линии:

Теперь мы можем провести анализ для конкретной линии с дискретами времени Т.

1. t = 0 - в точке s стартует фронт электромагнитной волны и начинает своё распространение по линии.

2. t = T - электромагнитная волна достигла точки r - конца линии. Мы можем определить положение волны в любой момент времени, поскольку скорость распространения ЭМВ на протяжении всей линии одинакова. По приходу волны к концу линии энергия ЭМВ частично поглощается нагрузкой и частично отражается. Количество отражённой энергии определяется коэффициентом отражения k_r. Отражённая волна начинает распространяться к началу линии, к точке 2Т по временной оси.

3. t = 2T - в точке s (начало линии) с коэффициентом отражения k_s отражается часть энергии электромагнитной волны.

4. t = 3T - отражённая от генератора волна достигла конца линии. И таким образом можно продолжать до полного затухания подающих и отражённых волн. А падающие и отраженные волны действительно затухают, поскольку в линии существуют потери и коэффициенты отражения всегда меньше 1.

В общем случае в линии существует совокупность падающих и отражённых волн. Информационный сигнал в линии будет определяться их суммой, которые существуют в данной точке линии в любой момент времени.

Формулу можно записать следующим образом:

27. Понятие коэффициента отражения для длинной линии. Формулы для его расчета

Коэффициент отражения в конце линии:

В случае согласования линии связи R_н = Z и стало быть k_r = 0! В зависимости от значения R_н и Z меняется знак соотношения: R_н > Z Ю k_r > 0; R_н < Z Ю k_r < 0. Знаки коэффициентов отражения определяют фазу отраженного сигнала. В согласованных линиях отсутствуют отражённые сигналы, поэтому информационный сигнал не искажается.

Коэффициент отражения в начале линии:

28. Аналитический метод расчета помех отражения в длинной линии

Метод применим только при линейных нагрузках. Раскрывая суть алгоритма, рассмотрим основные шаги.

Первый шаг - это расчёт коэффициентов отражения k_r и k_s.

Второй шаг - расчёт амплитуд падающих и отражённых волн:

Последний шаг - определение формы сигнала U(t) как суммы всех падающих и отражённых волн:

.

29. Графический метод (метод характеристик) расчета помех отражения в длинной линии

Метод применим для любых нагрузок (линейных или нелинейных), и отличается наглядностью и удобством применения в инженерной деятельности. Точность получаемых результатов определяется точностью задания исходных данных. Поэтому далее рассмотрим этот метод расчёта более подробно.

Рис. 12. Токи и напряжения в длинных линиях

Токи и напряжения в длинных линиях описываются системами дифференциальных уравнений в частных производных (так называемые телеграфные уравнения). Для звена линии без потерь эти уравнения имеют следующий вид:

Решение дифференциальных уравнений требует задания начальных и граничных условий. Начальные условия - это состояние системы при t = 0. Граничные условия - состояние системы на границе области: U_s, I_s в точке s; U_r, I_r в точке r.

Осн. Этапы.

Определение начальных условий,

Граничные условия,

Графическое решение телеграфных уравнений,

Процедура расчёта,

Определение осциллограммы сигнала

30. Области применения аналитического и графического методов расчета помех отражения в длинной линии

Аналитический Метод применим только при линейных нагрузках.

Графический Метод применим для любых нагрузок (линейных или нелинейных), и отличается наглядностью и удобством применения в инженерной деятельности.

31. Граничные условия и их представление при расчете помех отражения методом характеристик

Граничные условия для линий связи в точках s и r определяются вольтамперными характеристиками ИМС. Таким образом, мы всегда используем три вольтамперные характеристики: U¹_вых(I), U⁰_вых(I) и U_вх(I). Изобразим эти характеристики на рисунке.



Рис. 13. Граничные условия

Токи и напряжения на концах линии связи могут быть только такими, как предписано этими характеристиками.

Таким образом, граничные условия мы задали в графическом виде.

32. Последовательность решения задачи по определению помех отражения методом характеристик

Определение начальных условий

Граничные условия

Графическое решение телеграфных уравнений

Процедура расчёта

Процедура начинается с определения начальных условий для нелинейных сопротивлений нагрузок. В эквивалентной схеме присутствует нелинейное сопротивление R_вых поэтому решение задачи ищется графическим методом.

Определение осциллограммы сигнала

33. Методы и способы согласования длинных линий передачи

Согласование является основным средством устранения помех отражения. Суть согласования заключается в установлении нагрузки линии, равной волновому сопротивлению R_н = Z на конце линии, и (или) R_{вых генератора} = Z для начала линии.

Для линейных нагрузок отмеченные выше равенства, обеспечивают равенство нулю коэффициента отражения на входе и выходе линии: k_us = k_ur = 0. Для нелинейных нагрузок коэффициенты отражения равны нулю только в отдельных точках диапазона измерений токов и напряжений.

Основной способ согласования состоит в подключении на выход линии параллельного согласующего резистора, или на вход линии - последовательного согласующего резистора, сопротивление которого равно волновому. В любом варианте согласование связано с энергетическими потерями. Для их снижения используют более экономичную схему согласования с применением делителя напряжения.

Различают две основных практические схемы согласования:

1. Согласование по выходу линии (основной вариант).

2. Согласование по входу линии.

34. Согласование по выходу линии

Согласование по выходу линии заключается в установке на выходе линии параллельного согласующего резистора R_c.

Условие выбора согласующего резистора определяется равенством:

Z = R_н = R_c || R_вх.

Задача упрощается тем, что R_вх >> Z; поэтому принимают Rc @ Z.

При нелинейном входном сопротивлении строгое согласование возможно только на определённых участках ВАХ. Угол наклона касательной пропорционален R_вх.

В реальной ситуации входное сопротивление и согласующий резистор имеют некоторый допуск (разброс параметров).

В этом случае возможно рассогласование линии из-за погрешностей изготовления:

Тогда коэффициент отражения будет определяться предельными отклонениями, и не будет равен нулю:

Очевидно, чем больше погрешность изготовления линий связи и согласующего резистора, тем больше рассогласование линии.

35. Согласование по входу линии

Если выходное сопротивление меньше волнового сопротивления, то согласование сводится к установке последовательного резистора R_c на выход микросхемы. Тогда:

Z = R_н = R_вых + R_c.

В этом случае даже, если на выходе линии имеет место рассогласование, то отраженная волна полностью гасится в согласованной нагрузке со стороны генератора и повторной падающей волны не существует. Таким образом, на выходе линии искажений сигнала нет, а на входе линии - искажения вызваны приходом отраженной волны.

36. Скорость распространения сигнала в линии передачи и её зависимость от параметров среды

Таким образом в линиях связи скорость электромагнитной волны снижается пропорционально корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости изоляционного материала в составе линии.

37. Понятие эффективной диэлектрической проницаемости и её влияние на параметры линии передачи

Интегральная оценка диэлектрической проницаемости сложных кусочно-однородных сред даётся эффективной диэлектрической проницаемостью e_эф. Для определения эффективной диэлектрической проницаемости можно воспользоваться выражением

e_эф= С_д/С_o,

где С_{д -} реальная ёмкость некоторого конденсатора (эталонного) при наличии исследуемого диэлектрика; С_o - ёмкость того же конденсатора при удалении диэлектрика и замене его воздухом (вакуумом).

Для эффективной проницаемости может быть получено малое значение. Все определяется объемной долей воздуха в составе диэлектрика: e_эф >= (1,1 … 1,7).

Используя e_эф можно определить время задержки распространения сигнала в линии связи:

,

где 3,3 нс/м - это удельная задержка электромагнитной волны в свободном пространстве (величина обратная скорости света).

38. Структурный метод проектирования МПП основа синтеза конструкции платы

Постановка задачи при структурном проектировании выглядит следующим образом: требуется назначить функции отдельных слоёв в МПП таким образом, чтобы все ЛС в составе платы отвечали бы заданным электрическим параметрам (задаётся обычно волновое сопротивление или погонная ёмкость).

Печатная плата содержит, как правило, три вида слоёв:

· Сигнальный слой;

· Слой питания с потенциалом Е;

· Слой земли (шина заземления) с потенциалом Е₀;

Ограничение на задачу заключается в том, что число сигнальных слоёв N_сигн определяется топологией платы, это вытекает из этапа топологического проектирования.

Исходные данные для задачи структурного проектирования:

1. Базовый метод изготовления платы - металлизация сквозных отверстий. Этот метод позволяет создавать МПП с числом слоёв до двадцати и более.

2. Результаты этапа топологического проектирования. Выясняется количество сигнальных слоёв N_сигн. В большинстве случаев достаточно бывает четырёх и менее слоёв.

3. Число слоёв шин питания и земли N_EN_E0. Число слоёв N_E0 земли должно быть не менее одного. Число слоёв шины питания определяется принципиальной схемой и зависит от количества источников питания. Для каждого потенциала должен быть хотя бы один слой.

4. Исходные электрические требования к линии связи. Как правило, это волновое сопротивление Z [Ом], и если необходимо, то может быть задана погонная ёмкость C[пФ/м].

5. Конструкции корпусов элементной базы (корпусов ИМС). Тип корпуса определяет ограничения на толщину платы, если выводы устанавливаются в отверстия платы.

Эта тема затрагивает следующие вопросы:

Сигнально-потенциальные звенья,

Методика расчета звеньев,

Граф набора структуры,

Таблица набора структуры,

Синтез структуры,

Ограничения на толщину,

Реализация МПП.

39. Помехи в шинах питания: механизм образования и способы подавления

Помехи отражения возникают в длинных линиях при рассогласованных нагрузках. При проектировании линии связи должны быть известны допустимые искажения сигнала. В основном они определяются допустимым снижением системного быстродействия и помехоустойчивостью элементной базы. При конструировании линии возможно управление параметрами сигнала путём изменения конструкции линии. При этом изменяются C, L и как следствие Z (волновое сопротивление линии), что тут же приводит к изменению коэффициента отражения k и соответственно формы сигналов.

Рис. 14. Расчёт помех отражения

Кроме того с помехами отражения борются на этапе схемотехнического проектирования. Один из возможных приёмов борьбы - установка согласующего резистора. При конструировании (на этапе конструкторского проектирования) необходимо обеспечить выполнение равенства R_C = Z. В данном случае Z есть функция конструкции. Если, например, в схеме указано, что R_C = 50 Ом, то конструктор обязан выполнить линию связи с волновым сопротивлением Z = 50 Ом. В любом случае изменяя конструкторские параметры линии варьируем значением волнового сопротивления с целью минимизации помех в линии.

40. Влияние индуктивности шины питания на образование помех в системе питания

На этапе схемотехнического проектирования производится введение дополнительных ёмкостей в шину питания (конденсаторов). Места установки конденсаторов - это точки непосредственного импульсного потребления тока.

На этапе конструкторского проектирования необходимо:

А) - уменьшить индуктивность шины питания посредством увеличения её площади сечения, уменьшения при этом длины шины и изменения её формы на более плоскую.

Б) - увеличить ёмкость шины питания С_шп относительно заземления, увеличив её площадь.

Следует помнить, что для системы “проводник-земля” L·C = const, поэтому увеличение ёмкости соответствует снижению индуктивности.

Снижение индуктивности может быть достигнуто с учётом следующих особенностей. При равных сечениях плоская шина имеет меньшую индуктивность. В целом, чем больше момент инерции проводника, тем меньше его индуктивность. Физически это объясняется более свободным распределением линий тока по сечению шины, в итоге чего снижается взаимная индуктивность между ними и в результате - индуктивность шины.

Шины питания в печатных платах и других конструкциях должны выполняться в виде совместного расположения проводников питания и заземления, как, например, в двусторонних печатных платах. Индуктивность рассчитывается с взаимным влиянием двух составляющих (сигнала и заземления). Поскольку направление токов в проводниках противоположное, то и электромагнитные поля вокруг них так же имеют противоположные направления. Происходит частичная компенсация этих полей, и чем ближе сигнальная линия к “земле”, тем полнее компенсация и меньше суммарная индуктивность. Это же соответствует увеличению ёмкости относительно “земли”.

41. Понятия ближней и дальней зоны при анализе экранирования. Структура поля в ближней зоне и в дальней зоне

Рецептор - объект, который находится под воздействием электромагнитных помех. Внутри РЭС рецепторами выступают маломощные чувствительные элементы и узлы на их основе. Чем выше быстродействие микросхемы, тем чувствительней она как рецептор. Электронное устройство в целом является рецептором помех для внешних источников.

Источники помех разделяют на источники естественного и искусственного происхождения.

ЭМС - это способность аппаратуры функционировать согласно требованиям ТУ одновременно с другими устройствами в реальной электромагнитной обстановке и не создавать при этом недопустимых помех другим потенциальным рецепторам - устройствам, аппаратам и пр.

Источники помех, модель которых может быть представлена в виде токовой петли. При этом возникает интенсивное магнитное поле и слабое электрическое. Эти источники имеют малое волновое сопротивление.

Рис. 15. Три зоны действия источников

Полученные относительные значения Z действительны для области, которая находится в непосредственной близости от излучателя. На значительных расстояниях основная составляющая поля - та, которая имеет большее значение, убывает быстрее дополнительной составляющей. И в конце концов волновое сопротивление Z становится равным 377 Ом, то есть волновому сопротивлению свободного пространства.

Для первого типа источников основная составляющая - электрическая - убывает пропорционально 1/r³. Дополнительная - магнитная - пропорционально 1/r². Для источников второго типа ситуация обратная. Магнитная составляющая убывает пропорционально 1/r³, а электрическая - пропорционально 1/r².

Можно выделить три зоны действия источников.

1. Ближняя зона. Здесь преимущественно действует механизм индукции с достаточно чётким разделением на магнитную и электрическую составляющие.

2. Переходная зона - зона формирования плоской электромагнитной волны.

3. Дальняя зона - зона действия плоской электромагнитной волны (Т-волны).

Таким образом, при анализе экранирования необходимо разделять задачи локализации электрического, магнитного и электромагнитного полей.

42. Требования к электростатическому экрану. Механизм работы электростатического экрана

Электрическое и магнитное поля рассматривают как квазистатические. Картины электрического и магнитного полей при соответствующих частотах, и картины статических полей совпадают. Поэтому выводы, полученные для статического случая пригодны для использования в определённом диапазоне частот. Итак, в ближней зоне проводим по сути экранирование статического поля. В ближней зоне действует закон электромагнитной индукции.

Где же ставить экран? Экран по возможности ставится как можно ближе к источнику. В конструкциях РЭС эта рекомендация может быть выполнена, когда источник находится в пределах устройства. Когда же источник находится вне пределов досягаемости, или, если невозможно экранировать источник, экранируют рецептор.

Обеспечение эффективной работы экрана. Первым делом его необходимо заземлить! При заземлённом экране происходит следующее: на экране индуцируются заряды, и за счёт заземления заряды нейтрализуются. Получается, что экран является препятствием для силовых линий электрического поля.

Требования к узлу заземления. В первую очередь это минимальное сопротивление. Поэтому основные способы его выполнения - посредством пайки или сварки. Все другие виды соединения - заклёпки, винты могут быть использованы только при гарантии долговременной надежности механического соединения и отсутствия коррозии в месте соединения. При отсутствии заземления экран может быть переизлучателем поля источника.

Материал экрана. Основное требование к экрану - максимальная проводимость. К толщине материала требований не предъявляется. Чаще всего используются медь, медные сплавы, алюминий.

Конструкция экрана

Экран не должен содержать щелей, отверстий, мест стыка и тому подобных неоднородностей, ориентировка которых препятствует протеканию тока в цепях заземления (1). Если необходимо выполнить отверстия или жалюзи, например, для охлаждения, то они должны быть расположены вдоль линий токов (2).

Электростатическое экранирование - самый простой способ экранирования аппаратуры.

Существенную проблему представляет выполнение экрана для аппаратуры в пластмассовых корпусах (например, мониторы компьютеров). Повышение эффективности экранирования в этом случае достигается: 1. Применением композиционных материалов (пластмасса с металлическим наполнителем); 2. Нанесением поверхностных слоёв металла (напыление металлов, нанесение специальной проводящей краски, оклейка корпуса фольгой и т. п.).

43. Требования к магнитостатическому экрану и механизм его работы

Механизм работы магнитостатического экрана заключается в шунтировании силовых линий магнитного поля.

Где поставить экран? по возможности вблизи источника.

Что сделать для обеспечения эффективной работы? Заземлять магнитный экран не надо. Эффективность экранирования прямо пропорциональна магнитной проницаемости m и толщине экрана t.

Какие материалы применять? Те, которые имеют максимальную магнитную проницаемость m. А это стали, различные пермаллои и соответствующие магнитные сплавы с высоким значением ?m.

А какова конструкция экрана ?Да такая же, как и конструкция для электростатического экранирования, но неоднородности не должны препятствовать силовым линиям магнитного поля.

Магнитное экранирование на низких частотах является самой сложной практической задачей. Оно существенно усложняет и утяжеляет конструкцию.

44. Требования к электромагнитному экрану и механизм его работы

Электромагнитное экранирование

Рассмотрим работу экрана при падении на него плоской электромагнитной волны.

1. - падающая ЭМВ

2. - проходящая ЭМВ

3. - отражённая ЭМВ

4. - снова отражённая ЭМВ

5. - прошедшая ЭМВ

Е₁- напряжённость поля без учёта экрана. Е₂ - напряжённость поля с учётом экрана; Е₁ > Е₂.

Эффективность экранирования:

S = 20 Ч lg(E₁/E₂), дБ.

Коэффициент экранирования:

К_экр = Е₂/Е₁;

S = 20 Ч lg(1/К_экр).

Для расчета эффективности через параметры экрана существует формула:

S = R + A + B, дБ.

R- составляющая, определяющая отражение от границы раздела при входе волны в экран.

A - определяет эффективность экранирования за счёт поглощения электромагнитной волны в толще экрана.

B- характеризует потери за счёт многократных отражений в толще экрана.

B мало - 2ё3 дБ. Эту величину можно приравнять к нулю.

Имеем три среды: воздух, металл и снова воздух. По сути, имеем структуру диэлектрик-металл-диэлектрик.

Волновое сопротивление среды:

Для металла, поскольку удельная проводимость? s << jw e, выражение будет иметь вид:

Для диэлектрика:

Знак ±--описывает падающую и отражённую волны. В нашем случае, для воздуха:

Одна из возможных моделей для анализа экрана - это модель длинной линии. Коэффициент прохождения электромагнитной волны через экран:

К_пр = 1 - К_отр.

Суммарный коэффициент прохождения через экран:

КS_пр = К_1прЧ К_2пр.

При этом потери отражения оцениваются:

R = 20 Ч lg(1/ КS _пр).

Для металлического экрана

Z₁ >> Z₂ Ю КS_пр = 4 Ч Z₂/Z₁.

При электромагнитном экранировании имеют место быть потери на поглощение экраном электромагнитной энергии. На поверхности экрана возникает скин-слой.

На определённой частоте толщина скин-слоя:

t - толщина экрана.

Рис. 16. Зависимость суммарной потери от частоты

Суммарная потеря:

S = R + A

В точке А эффективность электромагнитного экранирования минимальна.

Для электрических составляющих в целом справедливы ранее указанные правила, но добавляется эффект отражения электрического поля.

Для магнитной составляющей основной вклад вносят потери на поглощение, и с повышением частоты в большей степени проявляется эффект вытеснения магнитного поля. Это происходит за счёт генерации вихревых токов на поверхности экрана, поле которых и вытесняет подающую электромагнитную волну.

45. Модели источника помех и структура поля в ближней зоне

1. Источники с высоким волновым сопротивлением. Для них эквивалентная схема или модель может быть представлена в виде штыря (антенна-штырь). В окрестностях этого штыря формируется относительно интенсивное электрическое поле (ЭП), и слабое магнитное поле (МП). Как мы помним, Z = U_п/I_п. Поскольку электрическое поле вызывает напряжение, а магнитное - вызывает ток, получается, что большое ЭП и малое МП обеспечивает высокое волновое сопротивление Z (Z = Е/Н).

2. Источники помех, модель которых может быть представлена в виде токовой петли. При этом возникает интенсивное магнитное поле и слабое электрическое. Эти источники имеют малое волновое сопротивление.

Рис. 17. Три зоны действия источников

Полученные относительные значения Z действительны для области, которая находится в непосредственной близости от излучателя. На значительных расстояниях основная составляющая поля - та, которая имеет большее значение, убывает быстрее дополнительной составляющей. И в конце концов волновое сопротивление Z становится равным 377 Ом, то есть волновому сопротивлению свободного пространства.

Для первого типа источников основная составляющая - электрическая - убывает пропорционально 1/r³. Дополнительная - магнитная - пропорционально 1/r². Для источников второго типа ситуация обратная. Магнитная составляющая убывает пропорционально 1/r³, а электрическая - пропорционально 1/r².

Можно выделить три зоны действия источников.

1. Ближняя зона. Здесь преимущественно действует механизм индукции с достаточно чётким разделением на магнитную и электрическую составляющие.

2. Переходная зона - зона формирования плоской электромагнитной волны.

3. Дальняя зона - зона действия плоской электромагнитной волны (Т-волны).

Размещено на Allbest.ru