Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1. Унификация и типизация конструкции

Под типизацией понимается сведение всего возможного многообразия конструктивных решений к небольшому числу. Унификация (от лат. unito - единство, facere - делать) означает использование одних и тех же конструкций для создания аппаратуры различного назначения, т. е. расширение области использования типовых решений.

2. Уровни IP-защиты телекоммуникационных шкафов

Защита телекоммуникационного оборудования от влияния окружающей среды характеризуется конструктивным исполнением шкафа и определяется уровнями IP-защиты согласно стандартам EN 60529 и IEC 529. Уровень IP-защиты имеет буквенное обозначение с двухзначным кодом, например IP 45. Первая цифра кода означает степень защиты человека для обеспечения безопасной эксплуатации оборудования и защиты самого оборудования от попадания внутрь посторонних предметов и пыли, вторая - степень защиты от попадания воды внутрь оборудования.

Защиту собственно конструктива от влияния окружающей среды обеспечивает покрытие. Наиболее распространенный вариант покрытия шкафов: порошковое на основе эпоксидных смол. Полный цикл обработки поверхности включает следующие этапы: обезжиривание, фосфатирование, анодную электрофорезную грунтовку, текстурную окраску напылением. Такое покрытие обеспечивает наилучшую антикоррозийную и ударопрочную защиту. Обработанная по полному циклу поверхность устойчива не только к воздействию воды, но также к минеральным маслам и смазкам, растворителям и слабым кислотам.

3. Параметрическая верификация, основное содержание и особенности

“Верификация” означает установление работоспособности.

Параметрическая верификация - это процедура установления работоспособности устройства с учётом всех его схемотехнических и конструкторских параметров. Она сводится к моделированию на ЭВМ конструкции устройства и исследованию всех режимов его работы.

Особенность процедуры верификации здесь заключается в модели, которая исследуется. Используется КОМПЛЕКСНАЯ МОДЕЛЬ, которая включает в себя:

· модель конструкции изделия;

· модель электрической схемы.

4. Процедура интерактивной оптимизации и её роль в проектировании ЭС

Целью этапа является поиск оптимального решения задачи с участием человека.

Результаты решения сравниваются с ограничениями задачи, с критериями, и при необходимости корректируются на данном этапе. Данный этап выполняется с применением ЭВМ. Следует отметить, что практически не существует интегрированных программ по комплексному учёту всех параметров и ограничений, поэтому здесь вычленяются отдельные задачи или их взаимоувязанные комплексы:

· Анализ принципиальной схемы;

· Анализ тепловых режимов;

· Анализ механических воздействий;

· Анализ электрических параметров;

· И прочие задачи, необходимые для выполнения данного этапа при проектировании конкретной аппаратуры определённого класса.

5. Сквозной ток при переключении цифровых микросхем: механизм образования и влияние на помехи в системе питания

Рис. 1. Сквозные токи выходных каскадов ТТЛ-схем

Наиболее существенными причинами значительных перепадов токов являются сквозные токи, которые существуют в выходных каскадах ЦИС (особенно в ТТЛ). Рассмотрим работу выходного каскада ТТЛ-схем (рис. 1). Выходной каскад включает в себя составной инвертор. На стадии переключения инвертора узловой момент состоит в том, что оба ключа в определенный момент оказываются замкнуты. Это объясняется невозможностью быстрого выхода транзисторных ключей из режима насыщения.

6. Статическая помехоустойчивость микросхем

Статическая помехоустойчивость - при воздействии постоянных напряжений.

Рассмотрим (рис. 2) временную диаграмму переключения ИМС из состояния логического 0 в состояние логической 1.



Рис. 2. Статическая помехоустойчивость

На графике можно отметить ряд характерных уровней напряжения:

· U_{пор -} пороговый уровень переключения микросхемы. При его достижении микросхема переходит из одного логического состояния в другое;

· U ⁰_{ст.пу -} уровень статической помехоустойчивости относительно уровня 0;

· U ¹_{ст.пу -} уровень статической помехоустойчивости относительно уровня 1.

Пороговый уровень рассчитывается через статические уровни 0 и 1:

U_пор = 0,5· (U ⁰ + U ¹).

Уровни статической помехоустойчивости при этом рассчитываются следующим образом:

U ⁰_ст.пу = U_пор - U ⁰; U ¹_ст.пу= U ¹ _- U_пор.

Как видно |U ⁰_ст.пу| = |U ¹_ст.пу| = U_ст.пу.

7. Динамическая помехоустойчивость микросхем

Динамическая помехоустойчивость - к воздействию импульсных помех различной формы.

Характеристика динамической помехоустойчивости графически описывает способность интегральных схем противостоять импульсным помехам, которые поступают на вход микросхем. Помехи в этом случае представляются импульсами произвольной формы. Измерения этой характеристики можно провести на установке, упрощенное изображение которой показано на (рисунке 3).

Рис. 3. Схема теста

В её состав входит:

· генератор испытательных сигналов

· микросхема, для которой определяется помехоустойчивость

Индикатор срабатывания микросхемы простейшее безинерционное устройство, например, светодиод, фиксирующее события переключения ИМС.

Генерирование импульсов с управляемыми параметрами является весьма сложной задачей. По этой причине, основное распространение при анализе помехоустойчивости получил прямоугольный импульс, хотя импульсы №2-4 имеют вид более близкий к форме реальных помех. При использовании прямоугольного импульса в качестве тестирующего возникает проблема исследования ИМС предельного быстродействия. При этом генератор сигналов должен быть построен на элементах, быстродействие которых на порядок выше быстродействия тестируемой микросхемы.

Переменными величинами здесь являются амплитуда импульса помехи Uп и длительность импульса помехи tп.

8. Базовые конструкции многослойных плат. Их возможности и ограничения по максимальной слойности

Рис. 4. Трёхслойная печатная плата

Многослойные печатные платы имеют ряд достоинств:

· В многослойных печатных платах формируется практически полностью экранированная ЛС.

· Обеспечивается максимальная локализация электромагнитного поля, а следовательно и максимальная точность расчетов электрических параметров через геометрию сечения.

· Наличие большого числа слоёв позволяет реализовать практически любую топологию.

Вывод: МПП является основным изделием, в котором реализуются соединения в виде ЛС для быстродействующей и сверхбыстродействующей аппаратуры.

Существует несколько методов изготовления многослойных печатных плат (МПП). Рассмотрим наиболее распространённые:

· Метод металлизации сквозных отверстий (МСО) - является базовым методом.

· Метод попарного прессования (ППр)

· Метод открытых контактных площадок (ОКП)

· Метод выступающих выводов (ВВ)

· Метод послойного наращивания (ПН) - имеет хорошую перспективу при изготовлении керамических плат.

Металлизация сквозных отверстий

Рис. 5. Металлизация сквозных отверстий

Число слоёв печатной платы, изготавливаемой данным способом, может доходить до сорока. Типовое количество слоёв для этого метода составляет двенадцать - шестнадцать. Суммарная толщина платы определяется механической прочностью, длиной выводов элементов и пр. Она не превосходит типовых толщин (2-3 мм). Применяемый диэлектрик имеет толщину десятки микрометров и может быть покрыт фольгой. В основе изготовления платы лежит изготовление отдельных слоёв известными методами с последующим прессованием, сверлением и металлизацией отверстий. Важный вопрос при проектировании МПП - это вопрос функционального назначения каждого слоя (сигнальный, потенциальный: питания, заземления).

Этапы изготовления платы

1. Изготовление рисунков отдельных слоёв без отверстий (фотохимическим методом).

2. Объединение слоёв в единую конструкцию; между слоями делаются изоляционные стеклотекстолитовые прокладки.

3. Сверление сквозных отверстий и их металлизация.

4. Соединение внутренних слоёв между собой производится с помощью полученных металлизированных отверстий. Контактные площадки слоёв, подлежащих соединению должны находиться в области отверстия. Если слой не соединяется с другими слоями, то в зоне отверстия нет металлизации проводников и контактных площадок. Например, если надо соединить слои №2 и №4, то послойный рисунок будет выглядеть так, как показано на рисунках.

Рис. 6. Послойный рисунок

Рассмотрим проблемы контактирования, которые могут возникать при изготовлении ПП таким способом:

1. Недостаточная точность оборудования и высокая погрешность изготовления могут привести к прорезанию контактной площадки в каком-либо слое при сверлении платы. D - суммарное смещение вышеприведенных параметров.

2. При металлизации отверстия сложно гарантировать высокое качество зоны контакта для внутренних слоёв.

Что же следует делать для разрешения этих проблем?

Во-первых - совершенствовать технологию, это известная задача.

Во-вторых, есть ещё один путь - изменить конструкцию.

Более совершенный приём изготовления и конструкция основаны на применении травящихся диэлектриков в качестве основания слоёв платы. Суть приёма заключается в следующем: перед металлизацией отверстия проводится травление (подтрав) диэлектрика. Далее следует гальванохимическое меднение внутренней поверхности этого фигурного отверстия. В результате появляется дополнительная зона контакта.

Попарное прессование

Исходная позиция - заготовки двустороннего фольгированного диэлектрика.

Рис. 7. Попарное прессование

Основная отличительная черта плат, изготовленных методом попарного прессования - отсутствие торцевой зоны контакта между металлизацией слоя и поверхностью отверстия. Все отверстия в плате выполняются гальванохимическим методом с зенковкой, что обеспечивает высокое качество соединения между слоями платы. Базовая технология - изготовление двух ПП гальванохимическим методом.

Первый этап: на каждой заготовке выполняется двусторонняя печатная плата с металлизированными отверстиями, но с рисунком только на одной стороне.

Второй этап: создание многослойной печатной платы, прессование заготовок, сверление и металлизация сквозных отверстий.

Итак, достоинство метода заключается в использовании хорошо отлаженной технологии изготовления двусторонних ПП и, как следствие - высокой надёжности соединения между слоями.

Среди недостатков следует назвать, во-первых ограниченное число слоёв (четыре, как правило), во-вторых - сложность коммутации между внутренними слоями платы, поскольку это требует дополнительной площади, дополнительных отверстии, и в целом дополнительных временных и материальных затрат.

Метод открытых контактных площадок

Исходным материалом является односторонний фольгированный диэлектрик.

Первый этап: получение рисунка слоёв и перфорирование заготовок (выбиваются отверстия в слоях).

Второй этап: сборка МПП. Совокупность отверстий создаёт как бы колодец. Открытые контактные площадки - это уступы и дно колодца. Соединения между слоями на данном этапе нет. Соединение осуществляется либо заполнением колодца припоем, либо за счёт установки элемента и припайки вывода элемента к соответствующему слою. Элементы ставятся так, как показано на рисунке.

Достоинство метода - это предельная простота изготовления платы.

Недостатки: Чрезвычайная сложность в формовке выводов (на строго определённую длину).

· Невозможность автоматизации монтажно-сборочных работ (формовка выводов, установка элементов).

· Невозможность применения групповых методов пайки при установке элементов.

Метод выступающих выводов

Основное достоинство метода - отсутствие металлизированных отверстий и возможность пооперационного контроля качества соединения слоёв. Исходным материалом является односторонний фольгированный диэлектрик каждого слоя.

Первый этап: изготовление рисунков печатного монтажа на каждом слое (например, фотохимическим методом) и подтрав диэлектрика в соответствующих местах. При этом образуются выступающие выводы.

Второй этап: сборка платы из отдельных слоёв. Все слои спрессовываются через прокладки. На следующей операции поджимаются выводы слоёв, после чего места соединения выводов пропаиваются. Толщина всей платы составляет порядка двух миллиметров.

Основные недостатки метода это:

· Ограниченное число слоёв (рекомендуется - до шести);

· Усложнена топология рисунков;

· Потребность в большом количестве места для того, чтобы разместить эти выступающие выводы.

Метод послойного наращивания

Технологической основой является полированная стальная матрица.

Первый этап: наносится рисунок первого слоя на матрицу.

Второй этап: на медный рисунок наклеивается стеклоткань с перфорированными отверстиями.

Третий этап: гальванохимическое наращивание меди. При этом заполняются отверстия и далее - формируется рисунок второго слоя. Далее приклеивается очередной слой прокладки (изоляции) со своей системой отверстий. Количество этапов зависит от количества слоёв печатной платы.

Последний шаг - плата отрывается от полированной матрицы, что происходит довольно легко. Число слоёв МПП, изготовленной таким образом может доходить до двадцати.

Достоинства метода:

· Значительное число слоев (соизмеримое с МСО);

· Возможность применения сварки;

· Высокая надёжность многослойных соединений.

Недостатки метода:

· Относительно рыхлая структура проводника (гальванохимия);

· Процесс изготовления последовательный и, следовательно, занимает много времени.

9. Коммутационные платы альтернативных конструкций, отличных от печатных

Платы стежкового монтажа

Исходным материалом для изготовления платы служит односторонний фольгированный стеклотекстолит.

Основные операции получения платы следующие:

· Получают рисунок на металлизированной стороне и перфорируют отверстия в плате. Топология рисунка соответствует набору контактных площадок, содержит шины питания и земли (т. е. заземления).

· Стежковая прошивка платы изолированным проводом: 1 - провод; 2 - исходная заготовка - основание (фольгированный стеклотекстолит); 3 - диэлектрические прокладки (обычно полиэтиленовые), которые после тепловой обработки фиксируют провода; 4 - технологическая резиновая прокладка, которая при прошивки изделия за счёт своих упругих свойств удерживает петлю провода. После окончания процесса прокладка 4 снимается с петель.

· Пайка петель к контактным площадкам.

· Прессование двух плат в единую конструкцию.

Тканые коммутационные изделия

Тканые коммутационные изделия формируются из продольных нитей основы и поперечных нитей утка. Существует большое многообразие вариантов их переплетения. Системы переплетения позволяют формировать конструкции произвольной сложности, с большим числом слоёв, произвольной толщины и с произвольным набором исходных нитей.

Для изготовления тканых коммутационных изделий используют следующие элементы:

· Диэлектрические нити (лавсан и др.).

· Провода с изоляцией и без изоляции.

· Коаксиальные кабели, волоконно-оптические линии, экранированные провода, и пр.

· Возможно также использование витых пар.

Таким образом, комбинация диэлектрических и проводящих нитей позволяет реализовать коммутационные изделия высокой сложности. Технология позволяет формировать в процессе ткачества дополнительные элементы коммутации: петли, выводы, контактные площадки и прочее.

Достоинства тканых коммутационных изделий:

· Возможность практически полной автоматизации изготовления;

· Предельная дешевизна изделий;

· Экологическая чистота производства.

Недостатки:

· Ограниченная топологическая возможность создания сложных коммутационных плат (организация сложных поворотов, за счёт дополнительной пайки);

· Относительная сложность организации контактных площадок (путём расположения на поверхности платы ряда параллельных проводников).

РИТМ - платы

В основе метода изготовления этих плат лежит эффект раздельного воздействия определённых травителей на различные металлы. Для ряда металлов применяются травители, которые действуют избирательно по отношению к этому металлу. Примером комбинации металлов, для которых травители действуют избирательно является "Никель-медь".



Заготовка РИТМ-платы представляет собой чаще всего медную плату, покрытую никелем. Толщина никеля составляет несколько микрометров, толщине меди - доли миллиметра. Изготовление платы ведется следующим образом:

· Проводится травление окна в слое никеля. При этом используется травитель, воздействующий только на никель, и нейтральный по отношению к меди.

· Через окно вытравливается полость в медной пластине травителем, воздействующим только на медь. Никелевое покрытие платы остаётся нетронутым при травлении меди.

Таким образом, можно формировать произвольные рисунки, например изготовить линию связи в составе РИТМ-платы для сверхбыстродействующих ЭВМ, выполнить двухслойную плату без отверстий и т.п.

10. Содержание задач топологического проектирования

Типовыми задачами топологического проектирования являются задачи разбиения, размещения и трассировки.

Задача разбиения

Исходным материалом здесь является принципиальная электрическая схема, при этом:

· В схеме указаны некоторые элементы с определённым количеством выводов;

· Схема обладает связностью элементов.

Задача: Необходимо разбить исходный граф на заданное число “кусков” с заданным числом вершин в каждом куске, при этом общее число вершин в исходном графе и в графе после разбиения на куски должно быть одинаковым (вершины лишь перераспределяются по кускам).

КРИТЕРИЙ: минимальное число соединений между кусками (платами).

ОГРАНИЧЕНИЯ: число вершин, заданных для каждого куска, X₁₁, X₂₂,..., которое в сумме остаётся неизменным.

Задача размещения

В этой задаче оперируем графом, который является куском исходной схемы. При решении данной задачи появляется понятие коммутационного поля, в котором есть некоторое число строго фиксированных позиций. Для задач проектирования это может быть прежде всего печатная плата или задняя стенка шкафа (блока и т. д.).

Задача: Необходимо разместить вершины графа на позициях коммутационного поля так, чтобы удовлетворялся заданный критерий.

ОГРАНИЧЕНИЯ: число вершин не должно быть больше числа позиций, (это очевидно).

КРИТЕРИЙ. Для этой задачи самостоятельного критерия не существует. В данном случае такой критерий опирается на критерий следующего шага трассировки. Удачное размещение (рациональное) существенно улучшает ситуацию при трассировке.

Трассировка

Исходным для этой задачи являются результаты размещения (все вершины расположены на фиксированных позициях).

ОГРАНИЧЕНИЯ: здесь связаны с возможностью и невозможностью проведения трасс (проводников), наличием на поверхности печатных плат (коммутационных полей) запрещённых для прокладки проводников участков поля, возможностью или невозможностью изготовления двусторонних и многослойных печатных плат.

КРИТЕРИЙ №1: минимальная суммарная длина всех проводников.

КРИТЕРИЙ №2: длина максимального проводника должна быть минимальна.

В результате выполнения этапа трассировки получают исходные данные по взаимному расположению проводов, которые дальше используются на этапе параметрической верификации и при решении вопросов внутриаппаратурной электромагнитной совместимости.

11. Порядок решения топологических задач и их основное содержание

Решение топологических задач начинается с этапа графо-теоретического описания принципиальной схемы. Один из приемов состоит в том, что радиоэлемент представляется в виде вершины графа. Всё как будто бы просто, но здесь есть подводные камни, которые связаны с представлением многовыводных элементов.

Существует большое количество алгоритмов решения топологических задач. Подавляющее большинство из них оперируют матрицами, и оно делятся на два больших класса: параллельные алгоритмы (в которых преобразования ведутся над графом в целом), и итерационные (ведутся пошаговые изменения графа). Эти изменения могут быть целенаправленными и случайными с последующими оценками результатов.

Алгоритм последовательного разбиения предполагает разбиение графа на куски с заданным количеством вершин в каждом куске. Алгоритм направлен на реализацию критерия разбиения - минимум числа соединительных рёбер. Следовательно, число рёбер внутри кусков графа должно быть максимальным. Поэтому в основе алгоритма лежит последовательное формирование кусков графа путем наращивания кусков по принципу связности вершин.

Следующий шаг - решение задачи размещения. Для её решения используется ряд алгоритмов, среди которых выделяется простотой и эффективностью параллельный алгоритм обратного размещения. Он может быть использован в ручном варианте решения даже нетривиальных задач размещения.

Для реализации алгоритма задаётся матрица соединений и матрица расстояний для коммутационного поля. Далее ранжируются вершины по возрастанию их степени:

r(X₁) < r(X₂) < r(X₃) <... < r(X_N).

В данном случае индексы 1, 2, 3,..., N обозначают не номера вершин в графе, а их порядок в соответствии с возрастанием степени вершины.

На следующем шаге ранжируются позиции коммутационного поля в порядке убывания их характеристик:

d₁ > d₂ > d₃ >... >d_N,

где d_N - центральная позиция.

В данной записи смысл нижних индексов аналогичен отмеченному выше.

В большинстве случаев число вершин задаётся равным числу позиций коммутационного поля (в любом случае не больше).

Само размещение проводится следующим образом: вершина X₁ ставится в позицию d₁, вершина X₂ в позицию d₂ и так далее. Таким образом осуществляется одновременное размещение вершин графа на позициях коммутационного поля.

Существует достаточно много различных алгоритмов трассировки, которые имеют различную эффективность. Одни алгоритмы более приемлемы на начальных этапах трассировки при свободном от трасс коммутационном поле. Другие алгоритмы более эффективны при уже заполненном трассами коммутационном поле. Уяснение сущности алгоритмов трассировки будет рассмотрено на примере базового - волнового алгоритма.

12. Кусок графа: его определение и топологические свойства

телекоммуникационный микросхема плата граф

Кусок получается разделением исходного графа путём "перерезания" рёбер. При разделении графа на куски не происходит образования новых вершин, которые распределяются по кускам. Ребра в этом случае разделяются на внутренние ребра кусков и на соединительные ребра (которые были "разрезаны"), соединяющие куски. Их число минимизируется при выполнении задачи разбиения.

13. Способы задания графа и их особенности

Существуют три способа задания графов:

1. Аналитический способ задания. Граф задаётся с помощью формул в виде G = (X,Y). Этот способ мало информативен и носит академический характер. Подобное представление бывает полезным приформальных описаниях графа при решении математических задач.

2. Задание графа с помощью рисунка. Способ очень наглядный, даёт максимум информации, однако имеет существенный недостаток: плохо формализован, поэтому неудобен для формальной реализации алгоритмов решения задач топологического проектирования.

3. Матричное задание графа. Этот способ менее нагляден, чем предыдущий, однако несёт всю информацию о графе, хорошо формализован и используется во всех алгоритмах как основной. Матричный способ задания графов представляется в виде двух основных типов матриц: матрицы смежности (матрицы соединений) и матрицы инциденций

14. Алгоритм Ли: содержание и применение при топологическом проектировании

Волновой алгоритм

Алгоритм Ли применяется для трассировки печатных проводников. Предположим есть коммутационное поле, есть точки А и В, которые нужно соединить, и есть препятствия, которые следует обойти. Необходимо найти трассу минимальной длины в ортогональной метрике.

Алгоритм содержит следующие основные шаги:

1. Формируем условную числовую волну от источника к приёмнику (от начала трассы к её концу). Обозначаем ячейку с точкой А как ячейку №0, соседние ячейки - №1, соседние к этим - №2 и т. д. до достижения конечной точки (в данном случае - В). Соседними ячейками являются те, которые граничат ребрами.

2. Строим трассу. Трасса строится от приёмника к источнику по фронтам числовой волны, в порядке уменьшения значения фронта. Направление трассы меняем только при необходимости.

Алгоритм требует огромных вычислительных затрат, и поэтому имеются различные модификации ускоренной трассировки. Например - построение ортогональных лучей на первых этапах трассировки (лучевой алгоритм - рис. 8).

Рис. 8. Лучевой алгоритм

Этот алгоритм хорошо работает только когда на плате имеется мало запрещённых для трассировки зон. Поэтому в реальных системах используется комплексный алгоритм. На первых шагах применяются быстрые способы трассировки (лучевой, канальный и т. д.),а на последующих шагах - более тонкие, но медленные алгоритмы (типа алгоритма Ли).

15. Понятия подграфа, куска графа, дерева, цикла, Гамильтонова цикла

Подграф получают разбиением исходного графа по его вершинам. В этом случае вершины, по которым происходит разбиение, дублируются в подграфах, а ребра распределяются по ним.

Кусок получается разделением исходного графа путём "перерезания" рёбер. При разделении графа на куски не происходит образования новых вершин, которые распределяются по кускам. Ребра в этом случае разделяются на внутренние ребра кусков и на соединительные ребра (которые были "разрезаны"), соединяющие куски. Их число минимизируется при выполнении задачи разбиения.

Цикл - цепь, в которой совпадает начальная и конечная вершины. Простой цикл - это простая цепь, с совпадающими начальной и конечной вершинами.

Деревья - особый тип графов. Дерево представляет из себя связный граф без циклов. Во многих задачах проектирования монтажных соединений ставится задача поиска дерева на совокупности вершин с минимальной суммарной длиной рёбер. Формула для определения числа деревьев, которые можно построить на N вершинах, выглядит следующим образом:

d = N ^N-2.

16. Модель линии передачи без потерь

Под линией связи будем понимать систему прямых и обратных проводников, расположенных в непосредственной близости друг от друга, формирующих единое электромагнитное поле, которое распространяется в этой системе от источника к приёмнику. Сумма токов прямых проводников равна сумме токов обратных проводников. Линия связи - направляющая система для электромагнитного поля.

В большинстве практических случаях ЛС рассматривают без потерь, т. е. принимают R = 0; G = 0. Погонная ёмкость С и погонная индуктивность L, определяют волновое сопротивление (вторичный электрический параметр) Z = (L/C)^1/2. Размерность волнового сопротивления - [Ом]. Типовое значение волнового сопротивления для ЛС лежи в диапазоне 40 ё 120 Ом.

17. Модель линии передачи с потерями

Модель элементарного отрезка линии представлена на (рисунке 9). Как видно, она состоит из последовательно соединенных сопротивления R и индуктивности L и параллельного соединения проводимости G и ёмкости C. Совокупность этих параметров называется первичными электрическими параметрами линии. Рассмотрим их более подробно.

Рис. 9. Модель линии связи

Сопротивление R характеризует активные потери в линии, представляющие собой сопротивление постоянному току, или токам низкой частоты. На высоких частотах добавляется сопротивление скин-слоя R_s.

Индуктивность L - определяется конструкцией линии и применяемыми материалами. Для снижения индуктивности линии в ней не должны применяться магнитные материалы. Кроме этого, наличие магнитных материалов приводит к нежелательному снижению скорости распространения электромагнитной волны в линии.

Электрическая емкость C определяется также конструкцией линии и применяемыми материалами. Для шин питания эта емкость должна быть по возможности больше, а для сигнальных линий - по возможности ниже.

Проводимость G определяется утечками в изоляционном материале линии. Для современных изоляционных материалов токи утечки весьма малы, что позволяет пренебречь этим параметром.

Модели для линий связи различных устройств также различны. Так для напыленных линий связи в кристалле интегральной микросхемы существенную роль играют только сопротивление и емкость (см. рисунок). Для протяженных линий телекоммуникационных систем следует учитывать сопротивление, индуктивность и емкость. Для широкого круга изделий радиоэлектроники (платы, межплатный монтаж и т. п.) наиболее употребима модель линии без потерь. Она имеет в своём составе только ёмкость и индуктивность (см. рисунок 9).

18. Понятие электрически короткой и электрически длинной линии передачи. Определение типа линии в частотной и временной области

Электрически короткой будем считать линию, у которой погонная длина l будет существенно меньше минимальной длины волны в спектре сигнала. l << l_min.

Электрически длинной назовём линию, у которой погонная длина не меньше минимальной длины волны. l і--l_min.

19. Модели электрически длинной и электрически короткой линии передачи

Анализ линии в частотной области

Итак, максимальная частота сигнала определяет минимальную длину электромагнитной волны в спектре сигнала.



Электрически короткая линия

Обозначим l_к.л - погонную длину короткой линии. Для короткой линии характерно постоянство напряжений и токов во всех точках по длине линии.

Короткие линии моделируются сосредоточенными элементами, и её типовая модель представляет собой электрическую ёмкость или индуктивность и иногда (редко) используется комплексная модель.

Модель в виде ёмкости рекомендуется при анализе схем, в которых управление ведётся напряжением и относительно малы токи в цепях.

Модель в виде индуктивности используется в цепях с достаточно большими токами (биполярные транзисторы).

В случае анализа быстродействующих систем (в основном цифровых) предпочтительной моделью является ёмкостная модель. Комплексная же модель предпочтительна для шины питания.

Электрически длинная линия

Погонная длина электрически длинной линии не меньше минимальной длины волны в спектре сигнала l і--l_min. Для длинной лини характерно непостоянство напряжений и токов вдоль линии. Моделируется длинная линия набором элементарных звеньев. Таким элементарным звеном является звено LC. Набор этих звеньев есть модель линии с распределёнными параметрами.

Каково же должно быть число звеньев n? С повышением числа звеньев повышается точность моделирования и соответственно результатов расчёта. Однако при этом увеличивается потребность в вычислительных ресурсах (время, память, …).

Посмотрим внимательно на звено LC, которое фактически представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ). Получается, что параметры L и C элементарного звена определяются как LC-параметры фильтра нижних частот, у которого частота среза f_ср равна максимальной частоте f_max в спектре сигнала, распространяющегося по линии: f_ср = f_max.

В любом случае для моделирования длинной линии число звеньев на единицу длины (1 м) должно быть больше трёх n > 3.

Конкретное число n определяется следующим образом:

С_лс - суммарная ёмкость линии связи (по всей длине).

С_фнч - ёмкость элементарного звена, рассчитанная как элемент ФНЧ из вышеуказанных условий.

Таким образом, зная ёмкость линии связи и ёмкость одного звена мы определяем число звеньев для модели. С повышением частоты количество звеньев в модели увеличивается, поскольку ёмкость фильтра уменьшается, а ёмкость линии связи остаётся неизменной, т. к. она определена конструкторскими параметрами.

Анализ линии во временной области

Рассмотрим распространение информационного сигнала по линии связи.

Рис. 10. Прямой и отраженный сигналы

Суммарная задержка сигнала будет определяться длиной всей линии:

T = l·t'_зд.р.лс, с.

В этой формуле t'_зд.р.лс - удельная задержка распространения сигнала в линии, нс/м. Через интервал Т электромагнитная волна достигает конца линии, где она частично поглощается нагрузкой и частично отражается (в общем случае). К передатчику через интервал времени 2Т придет отражённый импульс. Совместив посылочный импульс с отражённым сигналом, можно получить три варианта суммарного сигнала:

1. Отраженный сигнал совпал с окончанием фронта информационного импульса.

t⁰¹ = 2Т = 2l·t_зд.р.лс

t_зд.р.лс - обычно задано и определено, l - параметр, которым можно управлять. Данное соотношение справедливо для критической длины линии l_кд. Откуда получаем погонную длину линии критической длины.

.

Линия критической длины имеет определённое значение для конкретного сигнала, который распространяется в линии и ее материала.

2. Для электрически коротких линий, длина которых меньше критической длины линии:

l_к < l_кд - в нашем случае менее 62,5 мм, получаем, что 2Т < t⁰¹. Это означает, что отражённый сигнал пришёл быстрее, чем закончился фронт. Искажения фронта в этом случае есть типичные искажения для короткой линии, и проявляется в затягивании фронта.

3. Для электрически длинных линий длина больше или равна длине критической линии: l_д > l_кд - в нашем случае более 62,5 мм, получаем 2Т > t⁰¹. Это означает, что искажения сигнала в длинной линии попадают на плоскую часть импульса. Этот вид искажений является наиболее опасным искажением и может привести к серьезным последствиям: сбоям, нарушениям работоспособности и т. п.

20. Диэлектрические и магнитные параметры среды распространения сигнала в линиях передачи и их влияние на распространение сигнала. Численные значения для основных материалов, применяемых в конструировании ЭС

Скорость света:

.

Фазовая скорость распространения электромагнитных волн (ЭМВ) в произвольной среде:

,

где m--=--m_{_}·m_r,--e--=--e_{_}·e_r, абсолютные магнитная и диэлектрическая проницаемости соответственно.

Абсолютные проницаемости определяются магнитной? m_{_} = 1,256 мкГн/м и диэлектрической? e_{_} = 8,86 пФ/м постоянными. Относительные проницаемости (магнитная m_r и диэлектрическая e_r) определяются применяемыми материалами.

Например, для немагнитных материалов mr?= 1, для стали mr?= 10...100.

Для диэлектриков er равно: для воздуха 1, для полихлорвинила и т. п. - 2,8...3,2, для влагозащитных лаков - примерно 4, для оснований печатных плат (гетинакс, стеклотекстолит) - 5,6...6,0.

Учитывая изложенное, скорость электромагнитной волны можно записать

.

Для линий связи необходимо применение только немагнитных материалов, при этом mr = 1 и скорость распространения электромагнитной волны Vj будет максимально возможной для данного случая. При введении магнитного материала в конструкцию линии скорость падает поскольку металл корпуса имеет значение mr больше единицы. Расположенные рядом с линией магнитные материалы (например корпус РЭС) снижают фазовую скорость Vj. Если от магнитных материалов можно избавиться, то от диэлектрика мы избавиться не можем. Поэтому в конструкции всегда er больше 1.

Положим mr = 1, тогда

,

где er)^1/2 = z?- коэффициент укорочения длины волны, который показывает, во сколько раз уменьшается скорость распространения волны в линии связи; для коаксиальных кабелей этот коэффициент приводится в справочных данных;

V_{c -} скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве (скорость света). Окончательно получаем

V_j--=?V_c/z?

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

Интегральная оценка диэлектрической проницаемости сложных кусочно-однородных сред даётся эффективной диэлектрической проницаемостью e_эф.

21. Понятие волнового сопротивления длинной линии. Его зависимость от параметров линии

В быстродействующих системах волновое сопротивление должно иметь некоторое оптимальное значение. Критерий оптимизации в данном случае - минимум системной задержки.

Рис. 11. Работа генератора

На выбор волнового сопротивления Z влияют два основных параметра:

· Выходное сопротивление генератора.

· Ёмкостные параметры нагрузки (ёмкости линии связи, ёмкости монтажа, входные и выходные ёмкости).

В чём проявляется влияние генератора? При подключении нагрузки падает уровень сигнала, появляется увеличение системной задержки Dt. Функция Dt(Z) имеет возрастающий характер, как показано на графике зеленой линией.

Второе слагаемое - значение ёмкости. Чем больше ёмкость линии, тем больше затягивается фронт. Но при увеличении емкости линии уменьшается ее волновое сопротивление. В этом случае возникает дополнительная задержка, как показано на рисунке. Функция Dt(Z) имеет ниспадающий характер, как показано на графике красной линией.

Учитывая обе составляющие, можно изобразить на графике суммарную зависимость Dt от значения волнового сопротивления (синяя лини). Наименьшее значение Dt лежит в пределах 80…120 Ом. Это оптимальное значение Z, при котором задержка минимальна.

22. Методы расчета электрической емкости базового параметра линии передачи

Расчёт электрической ёмкости представляет весьма сложную физико-математическую задачу. В инженерной практике используются справочные данные, готовые программные продукты, но как правило крайне редко самостоятельно решаются новые задачи по определению ёмкости. Если эта задача нетривиальная, то она является предметом научного исследования.

Все методы расчета электрической ёмкости можно классифицировать следующим образом:

· Строгие аналитические методы.

· Аналитические на основе метода конформных преобразований (МКП).

· Численный метод граничных элементов (МГЭ).

· Численный метод конечных элементов (МКЭ).

Первые два метода относятся к аналитическим, последующие - численные методы, требуют при реализации программных средств.

23. Основные численные методы расчета электрической емкости. Их области применения и принципиальные различия

Строгие аналитические методы

Методы основаны на строгом решении уравнений электростатического поля (уравнений Лапласа или Пуассона).

Задача решается только для тривиальных случаев (однородная среда и простейшая форма электродов в виде пластин, ёмкости между двумя шарами или цилиндрами и т. п.). В результате получают некоторую аналитическую формулу, которую можно использовать.

Метод конформных преобразований

Метод построен на конформных преобразованиях (раздел теории функции комплексного переменного). Суть метода заключается в существовании двух систем координат, определённым образом связанных между собой. Эта связь определяется некоторой функцией преобразования F. Если такая функция имеется, то мы всегда можем сопоставить некоторую точку в одной системе координат некоторой точке в другой системе координат.

Поясним суть метода. Основная область применения - это расчёт электростатических полей, электрической ёмкости для системы электродов произвольной формы (трёхмерная или двумерная задача с бесконечно удалёнными границами и преимущественно в однородной диэлектрической среде).

Но и в случае применения численных методов имеются определенные ограничения, связанные с принятым методическим обеспечением. Поэтому при выборе конкретных методов и программных продуктов необходимо ориентироваться в фундаментальных ограничениях и возможностях, присущих тем или иным численным методам. Одним из таких методов является метод граничных элементов.

Численный метод граничных элементов

в случае применения численных методов имеются определенные ограничения, связанные с принятым методическим обеспечением. Одним из таких методов является метод граничных элементов.

Поясним суть метода. Основная область применения - это расчёт электростатических полей, электрической ёмкости для системы электродов произвольной формы (трёхмерная или двумерная задача с бесконечно удалёнными границами и преимущественно в однородной диэлектрической среде).

Характерные ограничения решаемых задач:

· Область бесконечна,

· Форма электродов произвольна,

· Среда однородна.

Метод конечных элементов

Метод конечных элементов является одним из самых мощных методов, пригодных для анализа самых разнообразных технических и научных задач. Он основан на разбиении всей расчетной области (в двумерной или трехмерной) на конечные элементы. Причем, чем мельче эти элементы, тем точнее описание процессов и явлений, но тем больше затраты вычислительных ресурсов.

24. Расчет емкости методом конформных преобразований. Особенности метода

Метод построен на конформных преобразованиях (раздел теории функции комплексного переменного). Суть метода заключается в существовании двух систем координат, определённым образом связанных между собой. Эта связь определяется некоторой функцией преобразования F. Если такая функция имеется, то мы всегда можем сопоставить некоторую точку в одной системе координат некоторой точке в другой системе координат.

Для этого достаточно выполнить условие, что точка может быть описана радиус-вектором, и в новой системе этот радиус-вектор будет иметь другой модуль и другой угол.

Используя представление радиус-вектора (см. ТФКП), можно менять модуль радиуса, угол поворота радиуса по определённым законам.

Таким образом, исходная фигура в системе координат XY преобразуется к некоторой другой фигуре (подобной) в другой системе координат--h--z.

Важное свойство конформных преобразований! При конформных преобразованиях изменяется конфигурация линий, их размер, ориентировка, НО УГЛЫ между пересекающимися линиями ОСТАЮТСЯ НЕИЗМЕННЫМИ.

Изобразим на рисунке фрагмент электрического поля: эквипотенциали (обозначены зеленым цветом), по нормали к которым ориентированы силовые линии (вектора электрического поля - показаны красным цветом). Некоторым образом, с помощью функции F преобразуем исходную систему. Однако в любом случае ортогональность будет соблюдаться. Это важное свойство позволяет сделать следующий вывод.

Параметры электрического поля при конформных преобразованиях не изменяются (изменяется только внешний вид)! Поэтому электрическое поле некоторой системы электродов полностью сохраняет свои интегральные показатели после конформных преобразований, но конфигурация электродов и, соответственно, поля видоизменяются.

Этот вывод позволяет наметить определённую стратегию решения задачи. Метод расчёта сводится к следующему:

1. Формируется некоторое число базовых систем электродов, для которых известна формула расчёта ёмкости (например две параллельные пластины).

2. Для произвольной исходной системы, подлежащей расчёту, ищется функция преобразования, которая сводит эту исходную систему к базовой системе.

3. На основании функции преобразования находят выражения для пересчета параметров исходной системы в параметры базовой системы.

4. Производят расчет базовой системы с новыми параметрами; полученный результат является искомым.

Особенности метода:

1. Задача может быть решена в случае, если известна функция преобразования (из справочной литературы).

2. Метод применим только для решения электростатических задач. Для этого необходимо провести электродинамическую оценку задачи (см. условия существования Т-волны).

3. Метод применим только для однородных диэлектрических сред. Кусочно-однородные среды могут быть рассчитаны только в отдельных частных случаях.

4. Метод конформных преобразований как правило оперирует с пластинами (бесконечно тонкими элементами), поэтому исходная система электродов должна быть представлена в виде некоторой модели, содержащей бесконечно тонкие элементы.

Наличие диэлектрика и воздуха - это дополнительная трудность для расчета, ибо нарушаются условия однородности среды. Поэтому первым делом избавляемся от кусочно-однородной среды. Помещаем пластины в однородную среду и при этом оговариваем параметры среды путем задания ее эффективной диэлектрической проницаемости: e_эф = f (er₁, e_r2). Поскольку метод оперирует бесконечно тонкими пластинами, приводим наш конденсатор к виду, где толщина пластин равна нулю (h_ф = 0). Теперь есть надежда на расчёт данной ёмкости методом конформных преобразований. Формулы для расчета приведены в упомянутой выше литературе.

Замечание: рассчитываются наиболее успешно фрагменты, имеющие хотя бы одну ось симметрии.

25. Типовые искажения сигнала в длинной линии передачи, присущие только им

В зависимости от фазы и амплитуды отражённого сигнала, погонной длины линии, удельной задержки распространения возможны различные варианты типовых искажений сигнала.

Начнём с анализа приёмника, на который приходит сигнал. Волны, которые распространяются от передатчика к приёмнику, называются падающими. Волны, распространяющиеся от приёмника к передатчику - отражёнными. Сигнал в любой точке линии есть сумма всех падающих и отражённых волн (принцип суперпозиции), которые существуют к данному моменту в линии. Если рассмотреть нагрузку линии, то видно, что в конце линии уровень сигнала меняется с дискретностью 2Т. При наблюдении подобного сигнала осциллографом мы увидим типичное ступенчатое напряжение. Сдвиг начала сигнала на значение Т определяется временем распространения сигнала по линии связи.