Методы борьбы с наводками в линиях с сосредоточенными параметрами
С учетом особенностей элементной базы можно сделать вывод о том, что для линий связи между логическими элементами КМОП-типа основное влияние оказывает емкостная взаимная связь (токи в сигнальных линиях малы), а для линий связи элементов ТТЛ-типа доминирует индуктивная связь, поскольку зарядовая составляющая помехи оказывает малое влияние из-за относительно больших значений собственной емкости «пассивной» линии.
Поэтому с точки зрения уменьшения взаимных емкостных помех в линиях связи элементов КМОП-типа монтаж рекомендуется выполнять с использованием двухсторонних печатных плат с перпендикулярным расположением проводников на их сторонах.
Для уменьшения взаимных индуктивных помех в линиях связи элементов ТТЛ-типа объемный и печатный монтажи рекомендуется выполнять над заземленной плоскостью или применяя многослойные печатные платы, в которых сигнальные слои чередуются со слоями «питание» и «земля».
Лекция 17
Помехи в электрически длинных линиях связи
План лекции
Введение
Распространение сигналов в ЭДЛС
Примеры расчета искажений сигналов
Нормативы помехоустойчивости сетевой аппаратуры
Как уже отмечалось в предыдущих лекциях, линии связи можно рассматривать как электрически короткие, либо как электрически длинные в зависимости от соотношения времени фронта сигнала и времени его распространения по линии. Если время распространения импульсного сигнала вдоль линии связи намного превышает длительность передаваемого по этой линии сигнала(фронта его импульса), то переходные процессы в различных точках такой линии, очевидно, будут различны. Например, сигнал, возникший в начале линии, успел перезарядить распределенную емкость начальной части линии, а на ее другом конце никаких изменений еще не произошло, поскольку скорость распространения электромагнитной волны – величина конечная. Такая линия рассматривается как электрически длинная и описывается системами с распределенными параметрами.
Полезный сигнал, формируемый передатчиком, по мере распространения по линии связи, претерпевает в общем случае существенные изменения, которые рассматриваются как помехи. В качестве примеров воздействия электрически длинной линии на передаваемый сигнал можно привести:
– задержку сигнала;
– затухание (ослабление) сигнала по амплитуде;
– искажение формы, вызываемое отражениями в линии;
взаимные помехи, наводимые в одной лини связи при передаче полезных сигналов по другой или другим линиям связи.
Распространение сигналов в ЭДЛС.
Аналитическое описание длинной линии должно учитывать распределенный характер индуктивных и емкостных импедансов. Для упрощения, при расчетах электрически длинные линии рассматриваются как однородные линии, которые можно представить эквивалентной схемой следующего вида (рис.17.1)
Рис.17.1. Эквивалентная схема ДЛС
При этом система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих ДЛС, имеет вид:
 ;  .
где C0, L0, r0, g0 – соответственно, удельная емкость, индуктивность, сопротивление и проводимость длинной линии связи. Считается, что ток i и напряжение u являются величинами, зависящими как от времени t, так и от координаты x, т.е. i = i(t, x), u = u(t, x). При этом физический смысл описанной выше системы уравнений очевиден: изменение напряжения на единице длины равно падению напряжения на активном сопротивлении и падению напряжения на индуктивности единицы длины.
При r0 0, g0 0 имеет место линия без потерь. При этом уравнения (телеграфные уравнения) принимают вид
 ; 
В общем случае решение системы этих дифференциальных уравнений записывается в виде:
где 
скорость распространения прямой и обратной волн;
– характеристическое сопротивление электрически длинной линии связи. Вид функций f1 и f2 определяется начальными (граничными) условиями на концах линии.
Если линия связи однородна, то сигнал, возникший в начале лини в виде прямой волны, будет распространяться вдоль нее без искажений со скоростью v, так как в промежуточных точках линии обратная волна не возникает.
При наличии неоднородностей в линии связи или несогласованности сопротивлений нагрузки на концах электрически длинной линии с волновым сопротивлением линии возникают прямая и обратная волны, которые в рассматриваемом случае обычно называют волной падающей и волной отраженной соответственно.
Величину и знак отраженной волны в однородной электрически длинной линии можно определить, зная знак и величину падающей волны и вычислив коэффициент отражения, зависящий только от величин характеристического (волнового) сопротивления линии и комплексного сопротивления нагрузки на конце однородной линии связи.
Комплексный коэффициент отражения по напряжению равен отношению отраженной волны  к падающей волне  ; в операторной форме имеет вид
В любой момент времени для нагрузки справедливы тождества:
или  .
Отсюда
 .
После исключения  получаем коэффициент отражения
 .
В общем случае форма напряжений и токов на концах ЭДЛС зависит от характера входного и выходного сопротивлений приемника и передатчика соответственно. Если сопротивление нагрузки строго равно волновому сопротивлению длинной линии, т.е. RН = Z0, то падающая волна напряжения через время  , где l – длина линии связи; v – скорость распространения падающей волны, достигнет приемного конца линии. Отраженная волна при этом не возникает, поскольку  .
В этом частном случае длинная линия связи вносит задержку, равную T0, поскольку нагрузочный элемент переключается лишь по истечении времени T0, если считать, что по линии связи передается импульсный сигнал с идеальным прямоугольным фронтом.
В общем случае, когда сопротивление нагрузки отличается от волнового сопротивления линии, т.е.  , то когда падающая волна достигает конца линии, возникает отраженная волна. Ее амплитуда
 .
Она начинает распространяться к началу линии связи и, достигнув начала линии связи через время 2T0 с начала рассмотрения переходных процессов, может либо, в свою очередь, вызвать отраженную волну, если выходное сопротивление генератора отлично от волнового сопротивления линии, т.е.  ,
либо совсем исчезнуть, если  .
Так как напряжение в любой точке длинной линии в любой момент времени нужно рассматривать как сумму всех падающих и отраженных волн, то даже в простейшем случае, когда на передающем конце отражений не возникает, переходные процессы в линии закончатся не ранее времени 2T0.
Примеры расчета искажений сигналов
Рассчитаем прохождение сигнала в ДЛС с омической нагрузкой. Эквивалентная схема ДЛС (рис.17.2а):
 а)
Рис.17. ДЛС с активной нагрузкой
Рис.17.2 (продолжение). ДЛС с активной нагрузкой
На рис. 17.2б показана временная диаграмма ДЛС при согласованной нагрузке (Т0 – время распространения сигнала). На рис 17.2в показан случай несогласованной нагрузки, когда Zн>Z0 и Zг>Z0. В противоположном случае получаем диаграмму, представленную на рисунке 17.2 г. В общем случае в электрически ДЛС, несогласованной по нагрузке на концах, переходный процесс продолжается до тех пор, пока помеха, вызванная отражением, не уменьшится до нуля в результате потерь на распределенных параметрах линии r и g.
Пусть нагрузка чисто емкостная, а линия согласована на передающем конце. Если падающая волна равна половине амплитуды логического перепада, тогда:
где 
откуда получим  .
Временная диаграмма для этого случая представлена на рисунке 17.3:
Рис.17.3 .Сигналы в ДЛС с ёмкостной нагрузкой
Нормативы помехоустойчивости сетевой аппаратуры
Рассмотрим типовые нормативы IEEE, предусматривающие выполнение помехоустойчивых соединений в сетях ЭВМ.
Аппаратура Ethernet, в которую входят кабели, разъемы, Т-коннекторы, сетевые адаптеры, терминаторы. Скорость передачи до 10 Мбит/с.
А) «толстый» кабель 0,4”, волновое сопротивление 50 Ом (спецификация 10BASE5 – базовая частота до 10 МГц).
Рабочие станции подключаются через трансивер.
Максимальная длина сегмента – 500 м;
Максимальное количество сегментов, объединенных через репитеры – 5 (max длина сети – 2,5 км).
Максимальное количество рабочих станций (и репитеров) на сегменте – 100.
Максимальная длина трансиверного кабеля – 30 м.
Минимальное расстояние между точками подключений – 2,5 м.
Б) «тонкий» кабель 0,2”, волновое сопротивление 50 Ом (спецификация 10BASE2). Обозначение RG58A/U (отечественный аналог – РК-50).
Рабочие станции подключаются через трансивер.
Максимальная длина сегмента – 185 м; (до 300 м 3COM)
Максимальное количество сегментов, объединенных через репитеры – 5 (max длина сети – 925 м).
Максимальное количество рабочих станций (и репитеров) на сегменте – 30.
Максимальная длина трансиверного кабеля – 30 м.
Минимальное расстояние между точками подключений – 2,5 м.
Витая пара (спецификация 10BASE-Т). Топология сети “звезда”, объединяющая рабочие станции через концентратор (хаб).
Максимальное количество рабочих станций на концентраторе –12;
Максимальное расстояние от концентратора до рабочей станции – 100…200 м (Скорость передачи - до 10 Мбит/с). При снижении скорости до 1 Мбит/с допустимо увеличение длины до 1000 м.
Характеристики сетевого адаптера: разрядность 8, 16, 32 бит, DMA.
Сеть Arcnet. Основное средство для образования линий – коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом. Топология сети – дерево, образуемое через разветвления на концентраторах (типа Passive Hub или Active Hub на 4, 8, 16 или 32 рабочие станции).
Максимальная скорость передачи данных 2,44 Мбит/с;
Максимальная длина кабеля до активного хаба – 300 м;
Минимальное расстояние между рабочими станциями на кабеле – 0,9 м;
Максимальная общая длина сети – 6 км;
Минимальное расстояние между рабочими станциями и пассивным хабом – 30 м;
Минимальное расстояние между активным и пассивным хабом – 30 м;
Максимальное расстояние между активными хабами – 600 м.
Сеть Token Ring. Топология – радиальная.
Скорость передачи данных – 4 – 16 Мбит/с;
Максимальное количество концентраторов 8228 в сети - 12;
Максимальное количество рабочих станций в сети –96;
Максимальная длина кабеля между концентраторами – 45 м;
Максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы – 120 м.
Fast Ethernet - скорость до 500 Мбит/с.
FDDI - - скорость до 100 Мбит/с.
Лекция 18
Наводки в линиях связи с распределенными параметрами
План лекции
Математическая модель
Меры по обеспечению помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной техники
Меры по уменьшению помех в линиях связи цифровых устройств
Математическая модель
Рассмотрим две электрически длинные линии без потерь, связанные распределенными взаимными емкостью и индуктивностью (рис.18.1).
Рис.18.1. Эквивалентная схема наводок в ДЛС
Будем также считать, что линии идентичны, т.е. имеют одинаковые индуктивности и емкости на единицу длины. В «активной» линии имеется источник напряжения, а сама линия нагружена сопротивлением величиной Z0.
Подобная схема описывается системой дифференциальных уравнений следующего вида:
 ,
где
 – ток и напряжение в активной линии;
 – ток и напряжение в пассивной линии;
 и  – взаимная индуктивность и емкость на единицу длины линии;
Уравнения этой системы могут быть объединены в два дифференциальных уравнения в частных производных второго порядка. В частности, напряжение в «пассивной» линии будет определяться как
 ,
где v – скорость распространения сигнала вдоль линии.
Если «пассивная» линия с обоих концов нагружена на согласованную нагрузку, то уравнение имеет вид:
 ,
где  ,  , p – оператор Лапласа; x – координата; v – скорость распространения волны.
Из последнего уравнения видно, что напряжение в «пассивной» линии состоит из трех компонент:
1) сигнал, распространяющийся в положительном направлении (т.е. в том же направлении, что и прямая волна) с затуханием по координате x по экспоненциальному закону;
2) сигнал, повторяющий первый, но распространяющийся в отрицательном направлении. При x = l сумма двух первых компонент равна нулю.
Предположим, что u является ступенчатой функцией с перепадом UЛ. По мере того, как волна напряжения распространяется вдоль активной линии, пассивная линия заряжается до напряжения
 .
Когда волна напряжения u достигает конца активной линии, в пассивной линии формируется отрицательный перепад
(вторая компонента уравнения). Поскольку активная линия согласована, то с этого момента напряжение в ней не изменяется. Отрицательный перепад, возникший в пассивной линии, распространяется от ее конца линии к началу. При этом происходит алгебраическое сложение с напряжением первой компоненты в этой линии. В результате в «пассивной» линии появляется импульс, интерпретируемый как обратная помеха. Ее амплитуда равна
 ,
где  – константа, определяемая параметрами линии связи.
Третья компонента, интерпретируется как прямая помеха. Она представляет собой производную по времени от u, амплитуда которой пропорциональна x, т.е. расстоянию, пройденному вдоль линии. Сигнал прямой помехи на входе «пассивной» согласованной линии равен нулю, на выходе он определяется соотношением
 .
В случае взаимной связи двух ДЛС получаем диаграммы, представленные на рисунке 18.2:
Рис.18.2. Временные диаграммы наводок в ДЛС
Меры по обеспечению помехозащищенности аппаратурных средств вычислительной техники.
В условиях эксплуатации аппаратура вычислительной техники подвергается воздействию помех. Причинами помех могут быть, например, удары молнии в силовые линии, переключения реле, переходные процессы при пуске электродвигателей, электрические разряды в аппаратуре или вблизи аппаратуры, высокочастотные поля и т.п. В связи с этим необходима тщательная проработка цепей питания, заземления, экранирования, а также топологии печатных плат с учетом конкретных характеристик интегральных микросхем.
Для уменьшения восприимчивости аппаратуры на ИМС к электромагнитным помехам необходимо:
1. Выбирать достаточную ширину печатных проводников шин питания.
Шины «земли» и питания обладают определенным сопротивлением. При протекании значительного тока на этом активном сопротивлении возникает падение напряжения. Кроме того, при значительных бросках тока нагрузки возможно возникновение «медленных» колебательных процессов. Очевидно, что для минимизации помех подобного рода необходимо использовать такую конструкцию шин, при которой падение напряжения было бы меньше наперед заданного допустимого значения, рассчитываемого из условия обеспечения помехозащищенности устройства. Величина падения напряжения связана с сопротивлением шин, а увеличение сечения печатных проводников соответственно уменьшает активное их сопротивление и, таким образом, повышает помехозащищенность.
2. Максимально применять развязку по цепи питания, подключать конденсаторы индивидуальной развязки к отдельным микросхемам или группам микросхем.
Идея применения конденсаторов развязки для уменьшения импульсных помех в цепях питания заключается во введении индивидуальных для каждой ИМС источников энергии, роль которых выполняют конденсаторы с малой собственной индуктивностью (как правило, керамические). Эти конденсаторы в промежутках между переключениями микросхем заряжаются до номинального уровня напряжения источника питания, а во время переключения ИМС из одного логического состояния в другое разряжаются на небольшое значение напряжения, отдавая ток перезаряда переключаемой микросхеме.
Конструктивно такие конденсаторы устанавливаются в непосредственной близости от микросхемы, причем их выводы должны быть возможно меньшей длины и подпаиваться непосредственно к контактным площадкам выводов питания микросхемы.
3. Не путать шину «земля» с «общей шиной» системы, т.е. с обратным проводом источника питания. Шина «земля» не должна использоваться для передачи мощности. Проводники «земля» и «общий» необходимо соединять только в одной точке системы, иначе образуется замкнутый контур, излучающий помехи.
4. Цепи схемы, потребляющие большой ток, необходимо питать от отдельного источника. В этом случае переменные составляющие тока питания не проникают в шины, подводящие питание к маломощным логическим схема. Также необходимо обращать особое внимание на размещение шин питания, поскольку через паразитные индуктивные и емкостные связи броски тока в них могут вызывать помехи в рядом расположенных сигнальных линиях.
5. В устройствах, построенных на ТТЛ-схемах, неиспользуемые логические входы необходимо подключать к положительной шине «питание» через резистор 1 кОм.
Кроме того, возможно применение фильтрации сетевого напряжения и экранирование аппаратуры. Корпус из металла или с проводящим покрытием в значительной степени ослабляет внешние помехи, а фильтры сетевого напряжения обеспечивают защиту от помех из силовой сети.
Меры по уменьшению помех в линиях связи цифровых устройств.
В случае электрически коротких линий связи при использовании элементов КМДП-типа необходимо:
– применять двусторонние печатные платы;
– проводники на различных сторонах печатных плат располагать во взаимно перпендикулярных направлениях;
– удалять проводники сигнальных линий связи от шин «земля» и «питание», которые, для этого, можно делать навесными;
– увеличивать расстояние между параллельными проводниками;
– соединения между платами выполняются одиночными проводниками, удаленными от шин «земля» и «питание»;
– жгуты объемных проводников помещать в экран, заземленный хотя бы с одной стороны.
При использовании элементов ТТЛ-типа в КЛС:
– предпочтительное применение многослойных печатных плат, в которых сигнальные слои чередуются со слоями цепи питания;
– проводить объемный монтаж одиночными проводниками над заземленной плоскостью;
– уменьшать длину рядом проходящих сигнальных проводников;
– располагать сигнальные проводники в соседних слоях во взаимно перпендикулярных направлениях.
В электрически длинных линиях связи при использовании элементов ТТЛ-типа:
– линии длиной 0,3-1 м выполнять несогласованными витыми парами;
– при длине 1-3 м – витыми парами, согласованными со стороны передатчика. Согласование достигается последовательным включением резистора RС между передатчиком и входом линии связи (рис.18.3)
Рис.18.3. Схема согласования линии связи
– обратный провод витой пары подключать непосредственно к выводу «земля»;
– для линий связи более 3-х метров необходимо применять радиочастотный кабель и специальные приемопередатчики.
– с выхода одного передающего элемента допускается проводить не более трех витых пар суммарной длиной не более двух метров;
– при использовании плоского кабеля необходимо чередовать сигнальные и обратные («земляные») проводники;
– если число контактных пар в разъеме ограничено, допустимо обратные проводники витых пар или плоских кабелей объединять группами со стороны вилки и розетки в непосредственной близости от разъема, при этом каждая группа замыкается через свою контактную пару.
Лекция 19
Помехозащищенность систем электропитания ЭВМ
План лекции:
Первичные и вторичные источники питания
Система электропитания, как источник помех при эксплуатации ЭВМ
Кратковременные импульсные помехи
Сетевые фильтры
|
