Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Исследование методов помехозащищенности узлов и блоков ЭВС
Цель лабораторной работы:
Изучить и исследовать паразитные параметры конструкций ЭВС, а также согласование линий связи с параметрами элементной базы.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Перекрестные помехи обусловлены электрическим, магнитным и электромагнитным взаимодействием расположенных по соседству линий связи. Микроминиатюризация и увеличение плотности упаковки проводников ставят перед конструктором важную зада чу уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную ра боту аппаратуры. Уровень помех зависит от взаимной индуктивности проводников и межпроводниковой емкости, создавая соответственно индуктивную и емкостную составляющие взаимных помех. Емкостная составляющая возраста ет с ростом скорости изменения напря жения на входе ЛC и величин сопротивлений на концах линии, индуктивная помеха - с ростом скорости изменения тока в линии и увеличением числа нагрузок на выходе активной линии.
Если в конструкции ЭВМ соседние сигнальные линии связи рас положены на достаточно близком расстоянии друг от друга и при переключении элементов по сигнальным цепям протекают импульсные токи с крутыми фронтами, то из-за наличия паразитных связей в со седних линиях могут наводиться перекрестные помехи. Для того чтобы не было ложного срабатывания логических элементов, необхо димо, чтобы значение наводимой помехи не превышало допустимого предела.
Параметры перекрестных помех в цифровых устройствах в общем случае определяются следующими факторами: параметрами генераторов помех (амплитудой Uвых, поляр ностью, длительностью фронтов импульсов, наводящих помехи, вы ходными сопротивлением Rвых и емкостью Cвых); параметрами приемников помех (статической и динамической помехоустойчивостью, входным сопротивлением Rвх и входной ем костью Cвх); параметрами линий связи (поперечным сечением, длиной, ко личеством, взаимным расположением линий, наличием экранов и филь тров, параметрами диэлектриков).
Если две соседние линии связи выполнены на печатной плате (рис. 1,а), то эквивалентную схему можно представить следующим видом (рис. 1,б и рис. 1,в) в предположении, что в первом случае линия - источник помех нагружена на источник напряжения U, а во вто ром случае - на источник тока I .
Взаимная емкость и индуктивность для параллельных печатных проводников длиной l описываются выражениями
(1)
и
. (2)
В случае преобладания емкостной связи (рис. 1) максимальное значение сигнала помехи при и :
(3)
Рисунок 1 - Паразитная, емкостная и индуктивная связи между электрическими “короткими” линиями связи
Поскольку и , то
(4)
Для надежной работы логических элементов необходимо выпол нять условие:
или , (5)
где Кпом - коэффициент помехоустойчивости:
(6)
Допустимая длина общего участка линии связи lc.доп.:
(7)
В случае преобладания взаимоиндуктивной связи наводимое на пряжение помехи:
(8)
Поскольку, то это напряжение полностью приложено к сопротивлению Rвх2.
Для надежной работы логического элемента:
или (9)
где - время срабатывания элемента.
Допустимая длина общего участка линии связи lМ.доп с учетом (2):
На практике присутствуют как емкостная, так и индуктивная помехи, поэтому допустимую длину общего участка определим как:
(10)
Отметим, что статическая помехоустойчивость определяется типом используемых логических элементов и для основных ИМС равна: для ТТЛ - 0,3–0,4 В; для ЭСЛ - 0,15–0,2 В для МДП - 1–1,1 В. Ко эффициент помехоустойчивости Кпом для основных видов цифровых схем равен: 0,1–0,2 для ТТЛ элементов; 0,19 –0,25 для ЭСЛ; 0,05 –0,1 для МДП; 0,5 для КМДП.
Снизить значение паразитной емкости между ЛC можно уменьшением длины совме стного параллельного расположения проводов на минимально возможном расстоянии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, передающих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением линии связи к земле, введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. Напри мер, заземление оплетки коаксиального кабеля позволит целиком избавить ся от емкостной помехи. Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения линий связи воз можно дальше друг от друга, уменьшением площадей контуров, образуемых проводами, по которым протекают прямые и обратные токи линий связи, использо ванием экранированных проводов, свитых пар, коаксиальных кабелей.
Для устране ния перекрестных помех линии связи экранируют. Применение линий связи с экранирующей металлической оболочкой является эффективным способом ее защиты от воздействий электрического и электромагнитного полей. Экраны необходимо заземлять короткими проводами минимального индуктивного сопротивления либо путем непо средственного контакта с корпусом прибора. Отсутствие заземления экранов линий связи не устраняет емкостную связь между центральными проводами. Если ток, протекающий по центральному проводу линий связи, равен обратному току через его оплетку, то в пространстве, окружающем линию, электромагнитное поле отсутствует.
В быстродействующих ЭВС уменьшение паразитной связи между проводниками достигается введением экрана в конструкцию платы, зазем ление которого обеспечивает также и одинаковые значения волновых со противлений сигнальных проводников. Экран является общим для всех про водников платы и выполняется в виде одного или нескольких проводящих слоев многослойной ПП. Функцию экрана в многослойных платах часто выполняет сплошной слой электропитания. В практике конструирования как печатного, так и объемного электромонтажа линий связи трудно получить волновые сопротивления линий связи ниже 30 Ом и выше 600 Ом. При конструирова нии цифровой аппаратуры стремятся разрабатывать и использо вать линии связи с большим волновым сопротивлением и малой шунтирующей ем костью.
В случае электрически "длинной" линии связи переход ные процессы в ней зависят от характера перепада напряжения на входе линии Uвх и соотношения волнового сопротивления линии Z0, выходного сопротивления генератора импульсов Zr и входного со противления ZH, нагруженного на конец линии логического эле мента ZH . Коэффициент отражения в "длинной" линии можно найти из выражения
(11)
Если ZH = Z0 (Kотр = 0), то линия считается согласованной, в ней не происходит отражения от сопротивления нагрузки. Если ZH ≥ Z0 (Kотр ≥0) , то такая линия называется несогласован ной. В такой линии волна напряжения достигнув конца линии, отражается синфазно при Kотр ≥ 0 или в противофазе, если Kотр < 0 . Отраженная от конца линии волна напряжения, достигнув ее начала, или затухает при Zr = Z0, или вновь отражается, если ZH ≥ Z0.
В табл. 2 приведены выражения для расчета волнового сопро тивления электрически "длинных" линий связи различного конструк тивного исполнения.
Максимально допустимая длина несогласованной электрически "длинной" линии связи может быть оценена по формуле
(12)
где - длительность фронта сигнала, с; V1 - скорость распространения сигнала, м/с; Kv - энергетическая постоянная, числовое значение ко торой зависит от конструкции линии связи; V - скорость света в вакууме ( V = 3*108 м/с) ; - магнитная проницаемость среды.
При физической длине линии связи, превышающей lmax, электрически "длинные" линии необходимо согласовывать. Линия связи будет более согласованной, если сопротивление приемного и пе редающего концов линии равно ее волновому сопротивлению (допус кается для цифровых ИМС рассогласование до 20%). Подключение согласующего резистора RC последовательно с выходом передающего элемента (последовательное согласование) используется, если вы ходное сопротивление элемента много меньше Z0 (рис. 2, а и б).
В параллельно согласованной линии согласующий резистор под соединяется параллельно входному сопротивлению приемного элемента (рис. 2, в и г). Такой способ согласования применяется, если ве личина Z0 много меньше входного сопротивления, нагруженного на линию логического элемента. Так как падение напряжения на резисто рах понижает уровень передаваемого сигнала, то последовательное и параллельное согласования применяются, когда число приемных эле ментов не более двух. При большем числе нагрузок на линию исполь зуются эмиттерные повторители (рис. 2, д).
Рисунок 2 - Способы согласований линий связи: последовательный (а, б), параллельный (в, г) и с помощью эмиттерного повторителя (д)
В зависимости от специфики разрабатываемой аппаратуры в качестве длинных линий используют микрополосковые и полосковые печатные про водники, свитую пару, плоский кабель, коаксиальный кабель. При высоком уровне внешних для ЛП электромагнитных помех рекомендуется применение коаксиальных кабелей и свитых пар с формированием разнополярных сигналов на обоих проводах пары.
2 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучить теоретическую часть.
Получить у преподавателя печатные узлы с цифровыми микросхемами.
Для заданных серий цифровых микросхем печатного узла определить по справочным данным входные и выходные сопротивления и емкости, а также напряжение питания и входные и выходные уровни логических элементов.
Провести моделирование и рассчитать допустимую длину исследуемых линий связи, а также уровень наводимых перекрестных помех исходящих от рядом лежащих взаимодействующих линий.
Произвести сравнение и анализ полученных эксперименталь ных и теоретических результатов.
3 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Цель работы.
Краткие сведения из теории.
Расчетная часть, включая полученные графики.
Результаты исследований. Сравнение и анализ полученных результатов.
Выводы и рекомендации по повышению быстродействия и по мехоустойчивости электромонтажа и функциональных узлов ЭВС.
4 ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ
Эквивалентная схема двух взаимодействующих электрических линий связи.
Электрически «короткие» и электрически «длинные» линии связи и их влияние на быстродействие и помехоустойчивость цифро вых ИМС.
Методика расчета задержки сигнала в электрически «коротких» линиях связи.
Конструктивные варианты уменьшения перекрестных помех в соседних линиях связи.
Варианты согласования электрически «длинных» линий связи.
ЛИТЕРАТУРА
Преснухин Л. Н. Конструирование ЭВМ и систем: Учебник для вузов по спец. "ЭВМ" и "Конструирование и производст во ЭВА"/ Л. Н. Преснухин, В. А. Шахнов. - М.: Высш. шк., 1986.
Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры:Учебник для вузов./К.И.Билибин и др. Под общ. ред.В.А.Шахнова.-М.:, Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2002.