ÿHVNpY\VRNpXĀHQtWHFKQLFNpY3UD]H)DNXOWDHOHNWURWHFKQLFNi ..DWHGUDPďĢHQt
'LSORPRYiSUiFH
9OLYNYDOLW\QiYUKXYìYRMRYìFKPRGXOĪQD HOHNWURPDJQHWLFNRXVOXĀLWHOQRVW
9\SUDFRYDO %F-DNXE.UiO 9HGRXFtSUiFH GRF,QJ3HWU.RFRXUHN&6F 3UDKD
ýestné prohlášení Prohlašuji, že jsem zadanou diplomovou práci zpracoval sám s pĜispČním vedoucího práce a používal jsem pouze literaturu v práci uvedenou. Dále prohlašuji, že nemám námitek proti pĤjþování nebo zveĜejĖování mé diplomové práce nebo její þásti se souhlasem katedry. V Praze dne ……………………….
……………………………………. Podpis
III
PodČkování Rád bych podČkoval všem, kteĜí mi jakýmkoli zpĤsobem pomáhali nejen pĜi vzniku této diplomové práce, ale také bČhem mého dosavadního studia na této škole. DČkuji pĜedevším vedoucímu práce, doc. Ing. Petru Kocourkovi, CSc., za trpČlivé vedení, ochotu, cenné rady a nápady. DČkuji také Ing. JiĜímu Novákovi Ph.D za pomoc pĜi návrhu softwaru a hardwaru. Dále patĜí velký dík rodiþĤm za podporu pĜi mém dosavadním studiu.
IV
Anotace Tato diplomová práce je zamČĜena na vliv nedodržení zásad elektromagnetické kompatibility (EMC) na funkci analogových a þíslicových obvodĤ na deskách plošných spojĤ. Je zde provedena teoretická analýza pĜíþin a dĤsledkĤ rĤzných forem rušení a praktické ovČĜení na reálných obvodech. Je kladen dĤraz na demonstraci obou protipólĤ funkþnosti, tedy bezchybného provozu a ztráty funkce, jednoduchými a zdĤvodnČnými softwarovými a hardwarovými zásahy. PĜevážná þást práce se zabývá vývojem demonstraþního systému, který bude sloužit k výukovým úþelĤm na katedĜe.
Annotation This diploma thesis deals with presenting of design quality dependence to the electromagnetic compatibility of analog and digital printed circuits boards (PCB). The theoretical analysis is presented. Various kinds of disturbances are described and practically verified. The project emphasis is on demonstration of total fault and 100% functional extremes for software and hardware features. Main goal of the thesis is to make the education system of methods and techniques able to be presented on a real PCB. The thesis includes the PCB design as well.
V
Obsah 1 Úvod ........................................................................................................................................ 1 2 Teoretický rozbor .................................................................................................................... 3 2.1 Základní þlenČní EMC ..................................................................................................... 3 2.2 Princip šíĜení elektromagnetického rušení ....................................................................... 4 2.2.1 Galvanická vazba na deskách plošných spojĤ (DPS)................................................ 4 2.2.2 Rušení prostĜednictvím galvanické vazby na DPS ................................................... 6 2.2.3 Kapacitní vazba a induktivní vazba ........................................................................ 13 2.2.4 VyzaĜování elektromagnetického pole.................................................................... 14 2.2.5 Souhlasné a nesouhlasné rušení .............................................................................. 15 2.2.6 Kmitoþtové spektrum lichobČžníkového prĤbČhu................................................... 16 2.3 Odrušovací prostĜedky ................................................................................................... 17 2.3.1 Tlumivky ................................................................................................................. 17 2.3.2 Kondenzátory .......................................................................................................... 20 2.3.3 Filtry ........................................................................................................................ 21 2.3.4 StínČní...................................................................................................................... 23 2.3.5 PĜepČĢové ochrany .................................................................................................. 24 2.4 MČĜení rušení.................................................................................................................. 26 2.4.1 MČĜicí pĜístroje........................................................................................................ 27 3 Hardware ............................................................................................................................... 30 3.1 Mikropoþítaþ .................................................................................................................. 31 3.1.1 Základní rysy........................................................................................................... 31 3.1.2 Módy þinnosti.......................................................................................................... 33 3.1.3 Komunikace PC....................................................................................................... 33 3.1.4 Ovládání a signalizace na DPS................................................................................ 34 3.2 PamČĢ RAM ................................................................................................................... 34 3.2.1 Hlavní rysy .............................................................................................................. 35 3.2.2 Zdroj rušení ............................................................................................................. 36 3.3 Rušený analogový obvod ............................................................................................... 37 3.4 Napájecí zdroj ................................................................................................................ 38 3.5 ProstĜedky pro zvČtšení nebo zmenšení míry rušení...................................................... 38 3.5.1 Napájecí síĢ ............................................................................................................. 39 3.5.2 ýíslicové datové a Ĝídicí signály ............................................................................. 40
VI
3.5.3 Filtry ........................................................................................................................ 41 3.6 Provedení DPS a parametry souþástek........................................................................... 41 4 Software ................................................................................................................................ 42 4.1 Firmware mikropoþítaþe ................................................................................................ 42 4.1.1 Popis zdrojového kódu ............................................................................................ 43 4.2 PC aplikace..................................................................................................................... 46 4.2.1 Popis aplikace.......................................................................................................... 47 5 MČĜení na systému ................................................................................................................ 50 5.1 Radiaþní rušení vzduchem ............................................................................................. 50 5.2 Rušení do napájení ......................................................................................................... 53 5.3 Rušení na þíslicových obvodech .................................................................................... 54 6 Zhodnocení dosažených výsledkĤ......................................................................................... 56 7 Literatura ............................................................................................................................... 57 8 PĜílohy ................................................................................................................................... 58 8.1 Seznam obrázkĤ ............................................................................................................. 58 8.2 Seznam tabulek .............................................................................................................. 59 8.3 Elektrická schémata........................................................................................................ 60 8.3.1 Analogový modul .................................................................................................... 60 8.3.2 Terminátor............................................................................................................... 60 8.3.3 ýíslicový modul ...................................................................................................... 61 8.4 Desky plošných spojĤ..................................................................................................... 62 8.4.1 Analogový modul .................................................................................................... 62 8.4.2 Terminátor............................................................................................................... 62 8.4.3 ýíslicový modul ...................................................................................................... 62 8.5 Osazovací výkresy.......................................................................................................... 63 8.5.1 Analogový modul .................................................................................................... 63 8.5.2 Terminátor............................................................................................................... 63 8.5.3 ýíslicový modul ...................................................................................................... 64 8.6 Seznamy souþástek......................................................................................................... 64 8.6.1 Analogový modul .................................................................................................... 64 8.6.2 Terminátor............................................................................................................... 65 8.6.3 ýíslicový modul ...................................................................................................... 65 8.7 Obsah pĜiloženého CD ................................................................................................... 67
VII
1 Úvod Rostoucí poþet elektrických a elektronických zaĜízení, jejichž obvodová složitost se zvyšuje, má spolu se stálým rozšiĜováním komunikaþních služeb a infrastruktury za následek zvyšující se pĤsobení rĤzných druhĤ nežádoucích rušivých elektromagnetických signálĤ. Vzájemná funkþní koexistence elektrických zaĜízení nejrĤznČjšího druhu v tomto prostĜedí je proto základním dĤvodem zvyšujícího se zájmu o problematiku elektromagnetické kompatibility - EMC (tento název a zkratka vycházejí z anglického electromagnetic compatibility). MĤžeme se též setkat s termínem elektromagnetická sluþitelnost. EMC je tedy schopnost technického þi biologického systému správnČ fungovat i v elektromagnetickém prostĜedí, kde na nČj pĤsobí rušivé vlivy a zároveĖ ho stejnými zpĤsoby také neovlivĖovat nad povolenou mez. SamozĜejmostí je neovlivĖování samo sebe. EMC se tedy postupnČ stává nedílnou souþástí návrhu každého moderního elektronického zaĜízení. DĤvodem jsou jednak legislativní normy tzv. prohlášení o shodČ1 (CE Conformity Declaration) a také požadavky na bezchybný provoz zaĜízení. Je tedy potĜeba pĜi návrhu zaĜízení respektovat doporuþní tohoto oboru. Chyby v dĤsledku nedodržení EMC se vyskytují nepravidelnČ a jejich odstranČní þasto znamená pĜepracování celého zaĜízení od základu. Výstupem této práce bude zaĜízení demonstrující pĜíþiny a dĤsledky nedodržení zásad EMC pro správnou þinnost. K úplnému pochopení problematiky je potĜeba nejen ukázat, jak nedodržení zásad zpĤsobí chybnou funkci, ale také, jak následná oprava splnČním požadavkĤ EMC chyby odstraní a obvod zaþne pracovat správnČ. Tato práce se bude omezena zvláštČ na problematiku þíslicových obvodĤ na deskách plošných spojĤ – DPS. ZaĜízení bude vyvíjeno pro nasazení ve cviþení pĜedmČtu X38EMK, takže nezĤstane bez využití a vynaložená práce pĜi realizaci mĤže být prakticky zužitkována pĜi výuce. ZaĜízení budou tvoĜit dva samostatné moduly, digitální a analogový, podle obr. 1.1. Digitální modul bude vykonávat funkci zdroje i pĜijímaþe rušení, analogový modul bude pouze pĜijímaþem rušení, tedy rušeným obvodem. Jádrem digitálního modulu bude mikropoþítaþ spojený paralelní sbČrnicí s externí pamČtí RAM. Analogový modul bude realizován jako neinvertující zesilovaþ s nastavitelným zesílením. Hlavními požadavky ovlivĖující správnou þinnost z hlediska EMC budou: kmitoþet jádra mikropoþítaþe, délka
1
Prohlášení o shodČ je písemné ujištČní výrobce nebo dovozce o tom, že výrobek splĖuje požadavky technických pĜedpisĤ platných v ýR a že byl dodržen stanovený postup pĜi posouzení shody. Postup pĜi posouzení shody stanoví zákon 22/1997 Sb. v platném znČní a pĜíslušná naĜízení vlády. Prohlášení o shodČ musí mít každý výrobek uvádČný na trh.
1
vodiþĤ datových a Ĝídících signálĤ, vedení napájecích a zemnicích vodiþĤ a vzájemné ovlivĖování digitálních a analogových obvodĤ.
Obr. 1.1: Schéma mČĜicího systému
Elektromagnetické rušení bude pozorovatelné formou chybných zápisĤ a þtení na externí RAM a aditivním šumem superponovaným na signály analogového modulu a napájení. Tato rušení se zde budu snažit objasnit a úþinnČ je potlaþit hardwarovými i softwarovými prostĜedky. Analogové rušení (šum) bude snímáno spektrálním analyzátorem nebo osciloskopem a digitální (chybné zápisy do pamČti) jsou vyþítány prostĜednictvím sbČrnice RS-232 do speciální aplikací v poþítaþi pro jejich interpretaci. Odtud se digitální modul bude Ĝídit a budou se zde shromažćovat data o rušení. PĜi realizaci prostĜedkĤ Ĝídicích (pasivnČ nebo aktivnČ) parametry rušení se vycházet z praktických doporuþení, která vznikají na základČ nefunkþních návrhu nedodržením EMC. Ty zde budou podnČtem k teoretickému zkoumání jejich pĜíþin a vlastností pĜi šíĜení rušení prostĜedím. Na základČ tČchto znalostí lze rušení efektivnČ zesílit nebo potlaþit.
2
2 Teoretický rozbor 2.1 Základní þlenČní EMC PrimárnČ se EMC dČli na dvČ skupiny: •
Elektromagnetická
kompatibilita
biologických
systémĤ.
Tento
dosud
málo
prozkoumaný obor se zabývá úþinky pĤsobení elektromagnetického vlnČní na organismy. Výsledky dosavadních biologických a biofyzikálních výzkumĤ v této oblasti nejsou jednoznaþné a v souþasnosti nejsou známy receptory pole (tj. vstupy elektromagnetického pole do organismu). Touto problematikou se zde nebudeme zabývat. •
Elektromagnetická kompatibilita technických systémĤ. Jedná se o, v dnešní dobČ, stále se rozšiĜující vČdní disciplínu. Zabývá se pĜíþinami a následky pĤsobení rušení na elektrická a elektronická zaĜízení a pĜístroje. HlavnČ na tuto problematiku se budeme v této práci zamČĜovat.
Obr. 2.1: Schéma elektromagnetického rušení
Na obr. 2.1 je typické uspoĜádání mechanismu elektromagnetického rušení pro biologické i technické systémy. Zdroje rušení mohou být pĜírodní nebo umČlé. PĜírodními bývají napĜ.: Slunce, elektrické procesy v atmosféĜe, umČlými pak: radiokomunikaþní prostĜedky, stroje na výrobu a distribuci elektrické energie, motory a rychlá datová zaĜízení. PĜenosové prostĜedí tvoĜí vazbu mezi vysílaþem a pĜijímaþem. ZásadnČ ovlivĖuje množství energie (úþinek), které zdroj pĜedá pĜijímaþi. ProstĜedí, pĜes které se rušení pĜenáší,
3
se též nazývá parazitní vazba. Fyzicky jsou jimi napĜ.: vzduch, izolace vodiþĤ, napájecí vodiþe… PĜijímaþ rušení je každé elektrické zaĜízení nebo organismus. Odolnost proti vystavenému rušení je dána pĜedevším konstrukcí a použitými materiály. Na pĜijímaþi se rušení projevuje nejþastČji interferenþním šumem, rezonanþními a pĜechodovými jevy. MĤže vyvolat nejen nesprávnou funkci nebo skreslení þi znehodnocení pĜenosu a záznamu dat, ale v nČkterých extrémních pĜípadech i destrukci citlivých elektronických obvodĤ. V praxi je elektromagnetické rušení kolem pĜijímaþe (tzv. elektromagnetický smog) mnohem komplexnČjší a složitČjší, protože pĤsobí zpravidla od více zdrojĤ. NezĜídka se tento ĜetČzec uplatní na pouze jednom zaĜízení, které je zároveĖ zdrojem a pĜijímaþem rušení. V krajní situaci pak dojde k zavazení celého systému. EMC lze také rozdČlit do dvou samostatných oborĤ: •
EMI (elektromagnetická interference neboli rušení) zkoumá zdroje rušení, pĜíþiny jejich vyzaĜování a šíĜení rušení vazbou po okolí.
•
EMS (elektromagnetická susceptibilita neboli imunita, citlivost þi odolnost) zabývá se následkem EMI, tedy odolností vĤþi rušení a jejich následky. Vztahuje se tedy k rušenému zaĜízení. Tato diplomová práce se zabývá obČma obory EMC a demonstruje, jak rĤzné charaktery
rušení (EMI) dokáží ovlivnit rĤznČ citlivé þásti (EMS).
2.2 Princip šíĜení elektromagnetického rušení V zásadČ každý rušivý zdroj šíĜí rušivou energii ve formČ elektromagnetického pole dvČma zpĤsoby: •
Do vedení (napájení, rozvodné sítČ, datová kabeláž…) se rušení dostává galvanickou, induktivní nebo kapacitní vazbou. Tomu lze zabránit filtrací nebo galvanickým oddČlením.
•
VyzaĜování elektromagnetického pole budou zpĤsobovat všechny proudové smyþky obvodu, vþetnČ tČch, které tvoĜí napájecí kabeláž. K potlaþení této složky je tĜeba znát základní principy vyzaĜování a šíĜení elektromagnetického pole, nejúþinnČji se potlaþuje stínČním. 2.2.1 Galvanická vazba na deskách plošných spojĤ (DPS) NejþastČji se uplatĖuje jako vazba signálových, napájecích nebo obou pĜedešlých vedení
na spoleþném vodiþi s nenulovou impedancí. Projevuje se úbytky napČtí nežádoucím
4
zpĤsobem ovlivĖující zavazbené obvody pĜevážnČ formou šumu. Impedance galvanické vazby se skládá z reálného odporu (rezistance) a impedance indukþního charakteru (induktance) spoje zavazbených souþástek na DPS. Propojení souþástek na DPS mĤže být realizováno dvČma zpĤsoby. Vedeným spojem – sítí navzájem propojených vodiþĤ a vodivou plochou (tzv. rozlitou mČdí) – souvislou plochou pro pospojování obvykle více souþástek (napĜ. napájecí nebo zemnicí vodiþ). Ze vztahĤ (2.1) a (2.2) je jasné, že odpor spoje realizovaného vodivou plochou (Rp) je menší než odpor vedeným spojem (Rs) pĜi stejných vzdálenostech spojovaných souþástek a stejných parametrech DPS. Pro pĜedstavu, spoj délky 10 cm, šíĜky 0,3 mm (spodní limit 4. tĜídy pĜesnosti) bude mít pĜi klasických hodnotách mČrné rezistivity ρ Cu = 17,8 ⋅ 10 −9 Ω ⋅ m a tloušĢce mČdČné vrstvy 45 ȝm odpor 0,132 ȍ. Naproti tomu odpor plochy stejné tloušĢky a vzdálenosti vodiþĤ (jejichž prĤmČr je 1 mm) bude 0,058ȍ.
Rs = ρ ⋅ Rp = Kde
l ; (Ω ) t⋅w
ρ d ⋅ ln ; (Ω ) π ⋅t r
Rs je odpor vedeného spoje (ȍ), Rp
odpor vodivé plochy (ȍ),
ȡ
mČrný odpor vodivého materiálu (rezistivita) (ȍ · m),
l
délka vodivého spoje (m),
t
výška vrstvy vodivého spoje (m),
w
šíĜka vodivého spoje (m),
d
vzdálenost souþástek spojených vodivou plochou (m),
r
polomČr cínového spoje souþástka - vodivá plocha DPS (m).
Obr. 2.2: Odpor vodivé vrstvy na DPS
5
(2.1) (2.2)
Velikost indukþnosti vodivého spoje o délce l a prĤĜezu w · t je dána vztahem (2.3). Pro pĜedstavu má spoj o šíĜce 0,3 mm na bČžné DPS (ȝr=1, t=45 ȝm) a délce 10 cm indukþnost 10 nH. L=
ª § 2⋅l · t + wº μ0 ⋅ μ r ; (H ) ⋅ l ⋅ «ln¨ ¸ + 0,5 + 0,2235 ⋅ 2 ⋅π l »¼ ¬ ©t + w¹
(2.3)
Je-li veden spoj po obou stranách desky a uzavírá-li se takto vzniklou smyþkou, je indukþnost tohoto vedení rovna vztahu (2.4). Za K se dosazuje hodnota podle obr. 2.3. Je zĜejmé, že indukþnost celého spoje s vodivou plochou (b) je nižší než klasicky vedený spoj (a).
h w
K ≈ 1 + 1,5 ⋅
h w
K
§h· ⋅ l ⋅ ¨ ¸; (H ) © w¹
(2.4)
W
K ≈ 1 + 0,8 ⋅
μ0 ⋅ μ r
K
L=
Obr. 2.3: Indukþnost vedení na oboustranné DPS
2.2.2 Rušení prostĜednictvím galvanické vazby na DPS Typický pĜíklad pro analogovou techniku s kmitoþty do nČkolika stovek kHz je na obr. 2.4. Na obrázku a) je vidČt, že urþitý úsek zemnícího vodiþe (pĜedstavuje R0) je spoleþný pro zem vstupního signálu operaþního zesilovaþe (OZ) i pro zem výstupního (výkonového) signálu z OZ. Výstupní proud zesilovaþe i vyvolá na zemním vodiþi úbytek napČtí, jehož þásti je i napČtí up. Toto napČtí se pĜiþítá, resp. odeþítá, od napČtí zdroje signálu a mČní tak požadovanou hodnotu na vstupu zesilovaþe. Chyba bude pĜímo úmČrná velikosti R0 (délce spoleþného vedení) a její velikost i dynamika budou záviset na zdroji signálu. Celá situace se ještČ více komplikuje, je-li zemní proud i složen od více pĜíspČvkĤ v podobČ dalších výkonových þlenĤ za sebou Ĝazených vpravo od tohoto obvodu se spoleþným zemnicím vodiþem.
6
Na obr. 2.4b je naznaþena správná metodika zemnČní. ObČ zemČ (signálová i výkonová) jsou spojeny až tČsnČ u zdroje, þímž se efektivnČ potlaþí velikost napČtí up na signálové zemi. PĜí Ĝazení více takovýchto obvodĤ s jedním napájecím zdrojem je potĜeba takto zemnit každý þlen. ěazení þlenĤ by mČlo být takové, že s rostoucí vzdáleností od zdroje klesá výstupní výkon þlenu. Podobná situace nastává i na napájecím vodiþi, který je spoleþný pro více obvodĤ (obecnČ spotĜebiþĤ). Napájecí napČtí nejvzdálenČjšího spotĜebiþe od zdroje je pak sníženo o úbytky zpĤsobené napájecími proudy ostatních spotĜebiþĤ, což mĤže pĤsobit chyby pĜi komparaci nebo nižším rozsahem výstupního signálu. Na obr. 2.4b je také naznaþeno správné pĜipojení zpČtné vazby nebo snímacích obvodĤ, které musí být tČsnČ u výstupních svorek. Snímaná veliþina tak nebude zmČnČna o úbytek na vodiþi mezi výstupem akþního þlenu a výstupem zaĜízení (zátČží). V praxi je však striktní dodržování tČchto pravidel nemožné, a proto se vždy snažíme v co nejvČtší možné míĜe eliminovat vliv parazitní impedance vedení popsanými metodami.
5
5
5
81 ]GURM VLJQiOX
5=
81 VV ]GURM
]GURM VLJQiOX
B
81 VV ]GURM
*1'
81
XS
81 B 5=
81
5S
5
L
81
*1'
81
D
E
Obr. 2.4: Galvanická vazba na analogových obvodech
PĜi analýze vzniku a šíĜení rušení na digitálních obvodech se omezíme na souþástky vyrábČné dnes nejpoužívanČjší technologii CMOS. Na obr. 2.5 je znázornČn elementární invertor, z jehož principu vycházejí všechny souþástky CMOS. Nachází-li se výstup obvodu v definované logické úrovni „1“ nebo „0“, pĜíþný proud IN je nulový, protože je vždy jeden z tranzistorĤ zavĜený. Nabíjecí (resp. vybíjecí) proud IC je také nulový, protože kapacita zátČže (dalšího CMOS hradla) je nabitá (resp. vybitá). Obvod odebírá z napájecí sítČ proud IN jen tehdy, když pĜeklápí do opaþné logické úrovnČ, protože jsou na velice krátkou dobu pĜiotevĜeny oba tranzistory. Je potĜeba také pĜebít kapacitu zátČže, nejþastČji kapacitu MOS
7
tranzistorĤ následujících hradel (5pF/hradlo), proudem IC. Tento proud je stejnČ jako IN impulsní a jeho velikost záleží na kapacitČ vstupĤ a rychlosti použité Ĝady CMOS obvodu. 9&& 3026 ,& ĺ ]iWČå
287 ,1 ,& ĺ 1026
*1'
&
5
,1
Obr. 2.5: Elementární CMOS hradlo
Velmi rychlé pulsní proudové odbČry se na napájecím vedení projeví nejen úbytky napČtí na reálném odporu, ale i pĜi dostateþnČ velké indukþnosti vedení i indukovaným napČtím. Vedení je tedy potĜeba vnímat jako sériový RL obvod - obr. 2.6.
Obr. 2.6: Galvanická vazba na þíslicových obvodech
Velikost indukovaného napČtí na vodivém spoji vychází z Faradayova zákona elmag. indukce podle vztahu (2.5). U i = −L ⋅
dI ; (V ) dt
(2.5)
V cívce se pĜi stacionárním dČji (konstantní logická úroveĖ „1“) akumuluje energie ve formČ magnetického pole kolem ní. Ta se pĜi nestacionárním dČji (zmČnČ proudu – zmČnČ logické úrovnČ „1“ĺ „0“) pĜemČní zpČt na elektrickou v podobČ krátkého indukovaného pulsu (2.5) se smČrem podle Lenzova zákona. Celkový popisovaný efekt se sþítá, je-li více obvodĤ jednoho zdroje Ĝízeno synchronnČ. Mimo to cívka klade strmé proudové napájecí vlnČ
8
zpoþátku odpor, protože pĜi zmČnČ proudu pĤsobí v sobČ naakumulovanou energií proti pĜíþinČ, která zmČnu zpĤsobila (LenzĤv zákon). To mĤže þinit pĜi potĜebČ krátkých okamžitých proudových odbČrĤ pĜi pĜeklápČní CMOS obvodu potíže. Tento problém se netýká pouze napájecího, ale i signálového vedení, protože i zde je potĜeba proudová vlna k pĜebití kapacity vstupu následujícího obvodu. Jak tedy tento nepĜijatelný jev odstranit? ěešením je umístit ke každému potenciálnímu pulznímu spotĜebiþi samostatný zdroj a to co nejblíže. V praxi se toto Ĝeší blokovacími, skupinovými a filtraþními kondenzátory. Tyto kondenzátory se umísĢují paralelnČ ke zdroji na rĤzná místa napájecího vedení. Vzhledem k jejich umístČní a vlastnostem jsou schopny hradit pulsní odbČry z v sobČ naakumulované energie ze vzdáleného zdroje. Ten je stále pomalu dobijí. Blokovací kondenzátory mají za úkol hradit prvotní proudový šok. Je tedy potĜeba za velmi krátkou dobu uvolnit pomČrnČ velkou energii. Proto jsou tyto kondenzátory keramické s kvalitním dielektrikem napĜ. specifikace X7R. Aby parazitní indukþnost mezi kondenzátorem a napájenou souþástkou byla co nejmenší, používá se konstrukþní provedení SMD (velikosti 0805, lépe 0603) s malou vlastní indukþností a co nejkratšími spoji ke spotĜebiþi. Blokovací kondenzátor má každý spotĜebiþ s pulsním odbČrem a musí být umístČn mezi ním a zdrojem. Proud ze zdroje tedy nejprve nabije kondenzátor a z nČj je až napájen spotĜebiþ. Kapacitu obvykle doporuþuje výrobce, ovšem vČtšinou se jedná o 100 nF. U velmi rychlých obvodĤ (napĜ. mikropoþítaþĤ) se používá ještČ paralelní kombinace s 10 nebo 1 nF, pĜiþemž platí pravidlo, že menší kapacita se dává blíže zátČži, protože je schopna rychleji hradit spotĜebu zátČže. Kondenzátory skupinové jsou schopné dodávat dlouhodobČji napájecí proud, avšak nedokáží ho uvolnit tak rychle jako blokovací. Mají proto mnohem vČtší kapacity (kolem 10 ȝF) a jsou s tantalovým nebo elektrolytickým dielektrikem. Již z názvu vyplývá, že každý z tČchto kondenzátorĤ napájí skupinu spotĜebiþĤ urþité lokality na plošném spoji. Znamená to, že každá z tČchto souþástek by mČla být pĜipojena napájením právČ a jen k tomuto zdroji. Filtraþní
kondenzátory
jsou
elektrolytické
s nejvČtší
kapacitou.
Slouží
jako
širokopásmový filtr pro napájení celé desky nebo její velké þásti. Eliminuje vliv indukþnosti pĜívodĤ od napájecího zdroje, kontaktních pĜechodových odporĤ napájecích konektorĤ atd. KromČ kondenzátorĤ je potĜeba vždy vést napájení od zdroje ke spotĜebiþĤm co nejkratší cestou. Nejlepším Ĝešením v praxi je samostatné využití vrstev DPS jen pro zemnicí spoje, u velmi složitých a rychlých obvodĤ náchylných na rušení i pro napájecí spoje. Tyto vrstvy tvoĜí tzv. „rozlitou mČć“, což je souvislá vodivá vrstva na celé ploše desky. Výhodou je, že takovéto spoje mají pro každou z nich napájenou souþástku minimální impedanci, 9
protože spoj je dostateþnČ široký a máme zajištČno, že se proud ze zdroje uzavírá pĜes spotĜebiþ nejkratší možnou cestou. Zdroj je s vrstvami „rozlité mČdi“, rozvádČjící napájení, spojen pouze výstupním filtraþním kondenzátorem. U bČžných dvouvrstvých desek se touto metodou zemní spodní vrstva desky, rozlévají-li se oba napájecí vodiþe u vícevrstvých desek, umísĢují se do sousedních vrstev uvnitĜ desky, protože dvČ mČdČné plochy oddČlené slabou vrstvou izolantu tvoĜí vysoce kvalitní blokovací kondenzátor pro ty nejvyšší kmitoþty. I pĜes všechny tyto opatĜení má napájecí a zemnicí vodiþ nenulovou impedanci. Jsou-li na DPS pouze þíslicové obvody jejich funkce tím nemĤže být narušena díky jejich vysoké šumové imunitČ. Obsahuje-li ale deska i citlivé analogové obvody, napĜ. AD pĜevodník, nebo výkonové obvody, napĜ. PWM mosfetový spínaþ, je potĜeba napájecí a zemnicí vedení separovat a spojit až u zdroje. Je-li zemnČní realizováno „rozlitou mČdí“, je potĜeba mezi plochami jednotlivých zemí vytvoĜit pĜerušení, tzv. izolaþní pĜíkop, který zamezí, aby pulsní proudy tekoucí od spotĜebiþe zpČt ke zdroji neprotékaly pĜes zemnicí plochu citlivých obvodĤ. ZemČ opČt spojíme s nulovým potenciálem zdroje co nejblíže výstupního filtraþního kondenzátoru, kde jsou nejmenší úbytky napČtí vĤþi zdrojové zemi. S tímto pĜímo souvisí rozmísĢování souþástek na DPS. Souþástky rĤzných druhĤ obvodĤ by mČly být vizuálnČ oddČleny od ostatních. Druhou pasivní souþástkou, omezující rušení je tlumivka. Je to cívka s velkou indukþností, která pracuje jako dolní propust blokující vysokofrekvenþní signály v napájecím vedení. VČtšinou je souþástí LC filtrĤ, který tvoĜí pásmovou propust.
logika
S
LS
AS
TTL ALS 1,7 8 8
F
CMOS HCT AC 3 18 18 5,25 4 0,0125 0,0125 0,025 5,4 0,56 0,39 0,5 HC
ACT LVC 4,75 4,3 0,025 0,00825 0,45 0,11
tdelay (ns) 3 9 4 Pd (mW) f=0* 19 2 1,2 Pd (mW) f=1MHz* 19 2 1,3 * Kapacita zátČže je nula Tab. 2.1: PĜíkon a zpoždČní nČkterých technologii integrovaných obvodĤ
Další formou rušení šíĜící se prostĜednictvím galvanické vazby jsou odrazy a zpoždČní na vedení u þíslicových obvodĤ. Je-li délka spoje srovnatelná nebo dokonce delší než je vlnová délka pĜenášeného signálu, je potĜeba uvažovat vedení s rozprostĜenými parametry s koneþnou rychlostí šíĜení signálu. V takovémto pĜípadČ mĤže dojít k odrazĤm v místČ, kde se liší impedance (v rozsahu nČkolik ĜádĤ) dvou na sebe navazujících blokĤ podle obr. 2.7a, tzn. rozhraní zdroj-vedení a vedení-zátČž.
10
Obr. 2.7: Vedení s rozprostĜenými parametry
ZmČna logické úrovnČ vysílacího budiþe generuje vlnu, jejíž þást se od konce nepĜizpĤsobeného vedení (ZL se velmi liší od Z0) odrazí a putuje zpČt k vysílaþi. Podíl odražené vlny z vlny dopadající a její polarita je pĜímo úmČrná þiniteli odrazu ρ (2.6). Je-li i vysílací strana nepĜizpĤsobená, podobný jev se následnČ dČje i zde s tím rozdílem, že ve vztahu þinitele odrazu bude místo ZL figurovat ZZ. Amplituda signálu se ale po odeznČní tohoto dČje ustáli na požadované úrovni, proþ mohou být tedy odrazy nežádoucí? Uvažujme situaci podle obr. 2.7b. Za vysílacím budiþem je signál z vedení snímán nČjakou zpČtnou vazbou (ZV) s þíslicovým obvodem a budiþ pĜeklápí svĤj výstup z log 0ĺ1. V pĜípadČ, že se odražená vlna na zátČži odeþte od dopadající (ZL << Z0) a v dobČ návratu na zaþátek vedení již budiþ dokonþil pĜeklopení a drží log. 1, mĤže krátkodobí pokles napČtí zpĤsobený odraženou vlnou na vstupních obvodech ZV zapĜíþinit vzniku krátkého pulsu log. 0. Analogicky mĤže vzniknout nežádoucí kladný puls pĜi zmČnČ výstupu 1ĺ0. Platí tedy pravidlo: Je-li dvojnásobek zpoždČní prĤchodu signálu vČtší než doba trvání jeho nábČžné nebo sestupné hrany, je nutné spoj impedanþnČ pĜizpĤsobit.
ρ=
Z L − Z0 ZL + Z0
(2.6)
Ve vČtšinČ pĜípadĤ je výstupní impedance vysílaþe menší a vstupní impedance pĜijímaþe vČtší než impedance vedení. V takovém pĜípadČ se impedanþní pĜizpĤsobení vedení provádí jako: •
Sériové – sériový rezistor za vysílaþem (na zaþátku vedení) o velikosti, která v souþtu s výstupním odporem vysílaþe bude pĜibližnČ rovna odporu vedení. Typicky 33ȍ.
11
•
Paralelní – pull-up, pull-down rezistor nebo napČĢový dČliþ na konci vedení. Snižuje vstupní odpor pĜijímaþe. Nevýhodou je, že zvyšuje stejnosmČrné proudové zatížení budícího obvodu.
•
RC þlánek – pull-down sériová kombinace rezistoru a kondenzátoru na konci vedení. Hodnota rezistoru je shodná s odporem vedení, protože v paralelním spojení se vstupním odporem pĜijímaþe lze jeho vysoký odpor zanedbat. Velikost kapacity se volí tak, aby se pĜi pĜechodových dČjích chovala jako zkrat a v ustáleném stavu jako rozpojení, þímž odstraĖuje zátČžovou nevýhodu pĜedešlého paralelního pĜizpĤsobení.
•
Diodovým omezovaþem – pull-up, pull-down nebo kombinace obou variant zapojení s diodami. Používají se rychlé Schottkyho diody polarizované vždy v závČrném smČru. Slouží jako napČĢový omezovaþ záporného napČtí (pull-down dioda) nebo vyššího než napájecího napČtí (pull-up dioda). §s· t pd = 3,33 ⋅ 10 − 9 ⋅ ε r ; ¨ ¸ ©m¹
(2.7)
ZpoždČní signálu na DPS je závislé pĜedevším na délce spoje, materiálu DPS a druhu zátČže. ZpoždČní signálu pĜímé vodivé cesty s odporovou zátČží je pĜibližnČ rovna vztahu (2.7) u bČžného plošného spoje. İr je relativní permitivita izolace DPS, u nejþastČji používaného materiálu FR4 je rovna 4,7. PĜipojí-li se nakonec vedení zátČž kapacitní Cd, zpoždČní se zvýší podle (2.8). Za kapacitní zátČž je potĜeba uvažovat i vstup CMOS obvodĤ, která je pĜibližnČ 5 pF. DĤsledky nedodržení definovaných zpoždČní signálu se projevuje napĜ. pĜi velmi rychlém pĜenosu dat po paralelní synchronní sbČrnici. Je-li zpoždČní synchronizaþního signálu delší než je doba vystavení platných dat, mĤže to zpĤsobit chyby v pĜenosu. Podobný dĤsledek mĤže mít situace, kdy dojde ke zpoždČní ne na Ĝídicích, ale na datových signálech.
t´ pd = t pd ⋅ 1 +
Cd l § s · ;¨ ¸ C l ©m¹
(2.8)
ZpoždČní signálu zpĤsobuje i jeho prĤchod logickým obvodem (tab. 2.1). ýasový nesoubČh signálĤ zpĤsobený tímto dČjem na vstupĤ nesynchronnČ Ĝízeného logického obvodu se nazývá statický hazard. Hrozí-li, je tĜeba jej odstranit synchronním Ĝízením. Na závČr je zde uvedena tab. 2.2 s konkrétními hodnotami nČkterých zde uvádČných parametrĤ rĤzných pĜenosových médií.
12
vedení samotný vodiþ
L(nH/cm) C(pF/cm)
(vzdálený od zemČ)
vakuum Kroucený „dvoudrát“ plochý kabel (prokládaný signál-zem)
koaxiální kabel signál na DPS sbČrnice na DPS
Z(ȍ)
zpoždČní(ns/m)
20
0,06
600
~4
ȝ0 5 - 10
İ0 0,5 - 1
370 80 -120
3,3 5
5 - 10
0,5 - 1
80 -120
5
2,5 1 50 5 - 10 0,5 - 1,5 70 - 100 5 - 10 10 - 30 20 - 40 Tab. 2.2: Parametry rĤzných vedení
5 ~5 10 - 20
2.2.3 Kapacitní vazba a induktivní vazba Nevodivým pĜenosovým médiem mezi zavazbenými vodiþi je na DPS vzduch a izolace oddČlující mČdČné fólie. StandardnČ to bývá skelný laminát plnČný epoxidovou pryskyĜicí s oznaþením FR4. Typická tloušĢka je 1,5 mm, relativní permitivita İr = 4,7 a permeabilita ȝr = 1. Relativní permitivita vzduchu İr = 1 a permeabilita ȝr = 1. Kapacitní vazba signálových vodiþĤ se zemí se nazývá parazitní kapacita, C1 a C2 na obr. 2.8. PĜi vysokých kmitoþtech se izolace mezi spoji chová jako kondenzátor dolní propusti a þást energie se pĜes dielektrikum pĜizemní ještČ pĜed spotĜebiþem, vzniká tedy útlum na vedení. Vodiþe na plošném spoji však nedosahují takových délek, aby tato vazba zásadnČ komplikovala pĜenos signálĤ.
Obr. 2.8: Kapacitní a induktivní vazby na vedení
VČtší problém znamená vzájemná induktivní a kapacitní vazba mezi signálovými vodiþi, Lm a Cm na obr. 2.8. StejnČ jako v pĜedchozím pĜípadČ u rychlých þasových zmČn napČtí (sestupné a nábČžné hrany þíslicových signálĤ) klesá kapacitní reaktance kondenzátoru Cm a strmé hrany signál se navážou na okolní vodiþe v podobČ proudových derivaþních špiþek. Podle (2.9) závisí velikost vazby na rychlosti þasových zmČn napČtí a na kapacitČ mezi zavazbenými vodiþi. Ii = C ⋅
dU ; ( A) dt
(2.9)
Kapacita dvou pĜekrývajících se spojĤ na DPS v rĤzných vrstvách je obecnČ dána vztahem (2.10), promČnné w, h viz obr. 2.3. Kapacitu lze tedy ovlivnit vzájemnou pozicí a
13
vzdáleností spojĤ. Omezíme ji, vyvarujeme-li se vedení spojĤ v zákrytu nad sebou. Vazba dvou sousedních vodiþĤ jedné vrstvy se mĤže uplatnit, jsou-li spoje vedeny jen v tČsné blízkosti. Plocha vodiþĤ mezi spoji ale kapacitu velmi omezuje. C w §F· = ε0 ⋅ ε r ⋅ ;¨ ¸ l h ©m¹
(2.10)
U induktivní vazby je situace podobná, nicménČ rušivé naindukované napČtí na vodiþi chovající se jako cívka L1 zpĤsobí rychle se mČnící proudy v blízkém vodiþi (cívce L2) – vzájemná indukce. ZmČna proudĤ protékající cívkou L2 vyvolá zmČnu indukþního toku kolem ní, tzn. i kolem L1, což podle (2.11) indukuje i v L1 napČtí. Jev je doprovázen již dĜíve popsanou vlastní indukþností. PromČnná M se nazývá vzájemná indukþnost a charakterizuje míru pĜenosu mezi cívkami. U i1 = M ⋅
dI 2 ; (V ) dt
(2.11)
K pĜenosu signálu tedy mĤže dojít dvČma zpĤsoby. PĜi zmČnČ napČtí v budícím vedení se uplatní kapacitní vazba, pĜi zmČnČ proudĤ zase induktivní vazba. ObČ zmČny mohou nastávat souþasnČ (PWM spínání zátČže), výsledné rušení se pĜi dynamických zmČnách sþítá, nebo nastávají samostatnČ (napČtí CMOS signálu a napájecí proud CMOS obvodĤ). Projevují se tzv. pĜeslechy, které jsou v obr. 2.8 naznaþeny pro obdélníkový prĤbČh. PĜijímaþ bude nejnáchylnČjší, nebude-li pĜipojen na pevný potenciál. Z pĜedchozího plyne, že nejjednodušším zamezením tČchto vazeb je dostateþná vzdálenost vodiþĤ. Není-li to možné zabezpeþit, další možností je vložit mezi vodiþe (spoje) uzemnČný spoj nebo lépe uzemnČnou vodivou plochu.
2.2.4 VyzaĜování elektromagnetického pole PĜi vČtších vzdálenostech mezi zdrojem a pĜijímaþem rušení, kdy je prakticky vylouþena kapacitní i induktivní vazba, je možná vzájemná vazba obou objektĤ vyzáĜeným elektromagnetickým polem do vzduchu. K parazitním vazbám vyzaĜováním lze typicky poþítat rušení blízkými vysílaþi, atmosférická rušení i Ĝadu druhĤ prĤmyslových poruch. Pole je charakterizováno elektrickou a magnetickou složkou intenzit E a H. Jsou to na sebe kolmé vektory, jejichž vektorový souþin (PoytingĤv vektor) je jejich smČr šíĜení, þili smČr šíĜení pole. V oblasti blízkého pole (Ȝ/2·ʌ·d > 1) jsou intenzity pĜibližnČ úmČrné: H≈
I ⋅S § A· ;¨ ¸ 4 ⋅ π ⋅ D3 © m ¹
14
(2.12)
E≈
Z0 ⋅ I ⋅ S § V · ;¨ ¸ 2 ⋅ π ⋅ D2 © m ¹
(2.13)
V oblasti vzdáleného pole (Ȝ/2·ʌ·d < 1) jsou intenzity pĜibližnČ úmČrné:
π ⋅I ⋅S § A· ;¨ ¸ λ2 ⋅ D © m ¹
(2.14)
Z0 ⋅ π ⋅ I ⋅ S § V · ;¨ ¸ λ2 ⋅ D © m ¹
(2.15)
H≈ E≈ Kde
S je
plocha smyþky (m2),
I
budící proud (A),
D
vzdálenost zdroje rušení od vyšetĜovaného bodu (m),
Ȝ
vlnová délka vlnČní (m),
Z0
vlnová impedance prostĜedí (ȍ), pro vzduch je 377 ȍ.
Vysílaþem a pĜijímaþem tohoto typu rušení je proudová smyþka - anténa (napĜ. spojení zdroj-zátČž,
vysílací-pĜijímací
budiþ,
apod.),
která
mČní
elektrický
proud
na
elektromagnetické vlnČní resp. opaþnČ. Vysílaþ i pĜijímaþ jsou tedy navzájem reciproþní. Je zĜejmé, že chceme-li na DPS vliv tohoto rušení minimalizovat, je tĜeba realizovat spoje smyþek, kterými protéká rychle se mČnící proud, co možná nejkratší a nejtČsnČji u sebe, aby obepnutá plocha byla co nejmenší.
2.2.5 Souhlasné a nesouhlasné rušení Souhlasné neboli nesymetrické rušení (common mode) je takové, které se neuzavírá stejnČ jako užiteþný signál mezi zdrojem a zátČží po signálovém vedení, ale pĜes parazitní impedanci (vČtšinou kapacitu Cp1, Cp2) a spoleþný zemnící vodiþ, podle obr. 2.9. Je zpĤsobeno napĜ. rušivým elektromagnetickým polem, které do obou symetrických vodiþĤ vedení vyzáĜí stejné rušení, jak je naznaþeno proudy Icm1 a Icm2. Je také bČžné, že má souhlasné rušení stejnosmČrnou složku, což se projevuje rozdílným potenciálem mezi zemČmi zdroje a zátČže. Operaþní zesilovaþe a budiþe sbČrnic dokáží do jisté míry potlaþit vliv tohoto rušení. Parametr, který tuto rezistenci charakterizuje se nazývá CMR (common mode
rejection). Nesouhlasné neboli sériové þi symetrické rušení (differential mode) je superponováno na zdroji signálu jako další v sérii pĜipojený zdroj. Rušení má tedy na obou vodiþích vedení, na rozdíl od souhlasného rušení, opaþnou fázi. Proud tohoto typu ruþení Idm se uzavírá stejnČ jako užiteþný signál. ýasto bývá zpĤsobeno prĤnikem prĤmyslového kmitoþtu sítČ do
15
užiteþného signálu. SMR (serial mode rejection) je parametr pĜístrojĤ hodnotící odolnost proti tomuto rušení.
Obr. 2.9: Souhlasné a nesouhlasné rušení
2.2.6 Kmitoþtové spektrum lichobČžníkového prĤbČhu Každý signál reprezentovaný v þasové oblasti lze interpretovat do kmitoþtové pomocí Fourierovy transformace. Na obr. 2.10 je vyjádĜení lichobČžníkového (pulsního) prĤbČhu v kmitoþtové oblasti. Toto kmitoþtové spektrum mĤže být vyzáĜeno jako rušivá energie. Z hlediska elektromagnetického rušení jsou kromČ pracovní frekvence f0 a jejích násobkĤ velmi dĤležité délka impulsĤ IJ a doby nábČžné resp. sestupné hrany tr. Na desce plošných spojĤ ovšem najednou pracuje více obvodĤ, jejichž frekvence, délka pulsu i nábČžné a sestupné hrany nejsou totožné. VyzáĜené spektrum je pak ponČkud bohatší. f1 =
1 ; (Hz ) π ⋅τ
f2 =
1 ; (Hz ) π ⋅ tr
Obr. 2.10: Obecné spektrum obdélníkového prĤbČhu
16
(2.16)
2 ⋅ A ⋅ (τ + tr ) T 2⋅ A Af = π ⋅ f ⋅T 2⋅ A Af = 2 2 π ⋅ f ⋅ tr ⋅ T
pro f < f 1
Af =
pro f1 < f < f 2 pro f < f 2
(2.17)
2.3 Odrušovací prostĜedky Odrušovací prostĜedky jsou opatĜení, kterými nejen zabraĖujeme prĤniku rušení, ale také jimi zvyšujeme odolnost proti rušení. To je nejvýhodnČjší potlaþovat u jeho zdroje, neboĢ tím zaruþíme, že nebude rušen pouze vyšetĜovaný pĜijímaþ, ale ani další objekty. ýasto se stává, že rušení pĜichází na vstup pĜijímaþe spolu s užiteþným signálem a na stejném kmitoþtu; potom je zásah u zdroje jediným možným zpĤsobem odstranČní rušení. Ve všech ostatních pĜípadech je žádoucí odstraĖovat rušení nejen u zdroje, nýbrž i v pĜijímaþi a v pĜenosových cestách rušivého signálu. Zásah u zdroje je naopak prakticky zcela vylouþen v pĜípadČ, že rušivý signál je signálem užiteþným pro jiný druh zaĜízení (napĜ. vysílání vysílaþe). Mezi odrušovací prostĜedky patĜí: •
odrušovací tlumivky a jednoprvkové tlumivkové filtry,
•
odrušovací kondenzátory a kondenzátorové filtry,
•
odrušovací filtry LC,
•
elektromagnetické, elektrické a magnetické stínČní,
•
pĜepČĢové ochranné prvky.
2.3.1 Tlumivky Tlumivka je cívka ve vČtšinČ pĜípadĤ navinuta na feromagnetické jádro, které zvyšuje její indukþnost, ale zavádí i nelinearitu mezi magnetickou intenzitu a indukci cívky. Odrušovací tlumivky jsou nejnákladnČjší a nejobjemnČjší pasivní prvky užívané k odrušování, a to buć samostatnČ, nebo jako souþást odrušovacích filtrĤ. Protože se odrušovací tlumivky zapojují do proudových obvodĤ odrušovaného zaĜízení, jsou jejich rozmČry v prvé ĜadČ dány velikostí protékajícího pracovního proudu. PĜestože vzduchové tlumivky jsou konstrukþnČ jednodušší a levnČjší, používají se v odrušovací technice jen výjimeþnČ. Jejich základní nevýhodou je pomČrnČ malá dosažitelná indukþnost (ȝH), relativnČ velký þinitel jakosti Q >> 1 a znaþné rozptylové magnetické pole, které vyžaduje použití stínicích krytĤ.
17
& /
5 &
&
Obr. 2.11: Náhradní obvod reálné cívky
Má-li tlumivka omezovat vysokofrekvenþní rušení, musí být zapojena podélnČ, tj. vĜazena v propojovacích vodiþích a protékána užiteþným i rušivým proudem. Indukþní reaktance (impedance) XL je u ideální cívky lineárnČ závislá na kmitoþtu, s rostoucím kmitoþtem f její hodnota roste. V kombinaci s odporem zdroje a zátČže tvoĜí dolní propust. Pro nízké kmitoþty je reaktance tlumivky velmi malá, takže užiteþný nízkofrekvenþní signál neomezuje. Naopak vysokofrekvenþní rušivý signál je velkou reaktancí tlumivky potlaþován. Odrušovací funkce tlumivky je zvláštČ výrazná u obvodĤ s malou impedancí, kde impedance zdroje i zátČže jsou mnohem menší než reaktance tlumivky. V praxi však vypadá náhradní schéma tlumivky podle obr. 2.11. Odpor R pĜedstavuje reálný odpor vinutí cívky, kondenzátory C0 – C2 pak parazitní kapacity mezi závity, proti jádru, pĜípadnČ proti zemi. Ta zpĤsobuje, že se pĜi vysokých kmitoþtech tlumivka chová jako paralelní rezonanþní obvod. Nad svým rezonanþním kmitoþtem má kapacitní charakter a s rostoucím kmitoþtem zhoršuje odrušovací efekt, tj. snižuje velikost vložného útlumu, jak je vidČt z obr. 2.12. Pro odrušovací tlumivku je vhodné volit þinitel jakosti Q < 1, protože pozvolným „pĜechodem“ impedance tlumivky jejím vlastním rezonanþním kmitoþtem se rozšiĜuje odrušované pásmo. Nad rezonanþním kmitoþtem se taková tlumivka nechová jako „þistá“ kapacita, ale spíše jako kmitoþtovČ závislý odpor. Pokles vložného útlumu je tak ménČ strmý.
Obr. 2.12: Frekvenþní charakteristika skuteþné cívky
18
Na základČ tČchto skuteþností musí dobrá odrušovací tlumivka splĖovat zejména následující požadavky: •
Velká indukþnost (ĜádovČ mH) pĜi malých rozmČrech, malém poþtu závitĤ, nízké hmotnosti a nízké cenČ. Protože tlumivkou obvykle protéká celý jmenovitý pracovní proud, je napČĢový úbytek napájecího napČtí 50 Hz na tlumivce základním omezujícím faktorem poþtu závitĤ tlumivky, a tedy hodnoty její indukþnosti.
•
Vysoký vlastní rezonanþní kmitoþet tlumivky, tj. minimální parazitní kapacity tlumivky.
•
Mimo oblast síĢových kmitoþtĤ (obvykle 50 ÷ 400 Hz) musí mít tlumivka co nejvČtší þinné ztráty, tedy co nejmenší þinitel jakosti (Q < 1). Typická hodnota vložného útlumu „síĢové“ tlumivky þiní 15 - 20 dB na kmitoþtu Ĝádu 100 kHz.
•
Tlumivka s feromagnetickým jádrem se nesmí pĜesycovat pĜi pracovních proudech, pro nČž je urþena.
•
Tvar magnetického obvodu jádra a jeho permeabilita musí být taková, aby umožĖovala dosáhnout maximální indukþnosti pĜi minimálním poþtu závitĤ tlumivky.
Obr. 2.13: ProudovČ kompenzovaná tlumivka
Pro potlaþení symetrického rušení, kdy se rušivý proud uzavírá stejnČ jako užiteþný pracovní proud tam i zpČt propojovacími vodiþi, se do každého vodiþe vkládá podélnČ samostatná tlumivka. Její vodiþe musí být proudovČ dimenzovány na plný pracovní proud a její magnetický obvod musí být navržen tak, aby se tímto pracovním proudem (zpravidla mnohem vČtším, než je rušivý proud) nepĜesycovala. Taková tlumivka omezuje i nesymetrické rušení. Pro potlaþení nesymetrického rušení, kdy se rušivý proud uzavírá ve stejném smČru propojovacími vodiþi a vrací se zpČt zemí nebo kostrou, lze s výhodou použít tzv. proudovČ kompenzované tlumivky (obr. 2.13). Na jednom jádru jsou navinuta vinutí pro všechny propojovací vodiþe tak, aby se magnetický tok buzený pracovními proudy vzájemnČ kompenzoval. Jádro je pak syceno pouze tokem buzeným nesymetrickými rušivými proudy, 19
takže pĜi stejném rozmČru jádra lze docílit vČtší indukþnosti než u nekompenzované tlumivky, ovšem symetrické rušení v tomto uspoĜádání omezováno není. Zvláštním pĜípadem odrušovacích tlumivek jsou tzv. feritové korálky (kroužky, perliþky) navleþené na propojovacích vodiþích. Jde vlastnČ o cívku s jedním závitem. Pokud jsou feritovým kroužkem provleþeny spoleþnČ všechny propojovací vodiþe, jde o proudovČ kompenzovanou tlumivku omezující pouze nesymetrické rušivé signály. Pro omezování i symetrického rušení musí být pro každý vodiþ samostatný kroužek. 2.3.2 Kondenzátory Druhým základním odrušovacím prostĜedkem je kondenzátor. Pokud má omezovat vysokofrekvenþní rušení, a pĤsobit tedy jako dolnofrekvenþní propust, musí být zapojen pĜíþnČ. Pro omezení symetrického rušení mezi každou dvojici propojovacích vodiþĤ, pro omezení nesymetrického rušení mezi každý vodiþ a zem þi kostru. Pro nízké kmitoþty je reaktance kondenzátoru velká, a užiteþný nízkofrekvenþní signál tak neovlivĖuje. Naopak vysokofrekvenþní rušivý signál je malou reaktancí kondenzátoru témČĜ zkratován, a nepĤsobí tak na chránČné rušené zaĜízení. Odrušovací funkce kondenzátoru je zvláštČ výrazná pro obvody s velkou impedancí, kdy impedance zdroje i zátČže jsou mnohem vČtší než reaktance kondenzátoru. Funkce reálného kondenzátoru je však, stejnČ jako u cívky, komplikovanČjší. I jeho náhradní schéma totiž obsahuje parazitní prvky (obr. 2.14).
Obr. 2.14: Náhradní obvod reálného kondenzátoru
KromČ svodového odporu G, pĜipojeného paralelnČ k užitné kapacitČ, pĜedstavují cívky L0 a L1 indukþnosti pĜívodních vodiþĤ souþástky. Obvod tedy vzhledem k svorkám chová jako sériový rezonanþní obvod s rezonanþním kmitoþtem podle obr. 2.15. ýím delší budou pĜívodní vodiþe kondenzátoru, tím vČtší bude jejich indukþnost a podle Thomsonova vztahu nižší rezonanþní kmitoþet. Za ním bude souþástka vykazovat induktivní charakter a jeho vložný útlum s rostoucím kmitoþtem klesá. PĜívod o délce 5 mm pĜedstavuje pĜibližnČ 5 – 10 nH. Je tedy potĜeba volit takové kondenzátory, jejichž rezonanþní kmitoþet je vyšší než kmitoþtový rozsah omezovaného rušení. TČmto požadavkĤm nejlépe vyhovuje na DPS provedení SMD.
20
Obr. 2.15: Vliv pĜívodĤ dvojpólového kondenzátoru 250nF na hodnotu vloženého útlumu
Velikost kapacity odrušovacího kondenzátoru volíme v závislosti na kmitoþtovém spektru rušení. ýím nižší je dolní kmitoþet potlaþovaného kmitoþtového pásma, tím vČtší kapacitu volíme. V nejþastČji se vyskytujícím pĜípadČ širokopásmového rušení dosáhneme lepšího výsledku použitím vČtšího poþtu kondenzátorĤ menších nominálních hodnot spojených paralelnČ. V tab. 2.3 jsou uvedeny hodnoty kapacit vhodné k odrušení rĤzných kmitoþtových pásem. Volíme-li k odrušení nikoli odrušovací kondenzátor, ale kondenzátor pro obecné použití, je tĜeba uvážit kmitoþtovou závislost jeho dielektrika a volit vhodné pro toto pásmo.
Odrušované kmitoþtové Doporuþená kapacita pásmo odrušovacích kondenzátorĤ 10 kHz - 0,5 Mhz 5 - 4 - 2 - 1 - 0,5 ȝF 0,5 - 6 MHz 0,5 - 0,25 - 0,1 ȝF 6 - 30 MHz 100 nF - 1 nF nad 30 MHz ménČ než 1 nF Tab. 2.3: Doporuþené kapacity kondenzátorĤ pro kmitoþty rušení
2.3.3 Filtry K dokonalejší pasivní ochranČ pĜed pĤsobením vysokofrekvenþního rušení šíĜícího se po vedení se používají odrušovací filtry, nejþastČji filtry LC typu dolní propust. Bez potlaþení propouštČjí signály (proudy) s kmitoþtem nižším než je urþitý mezní kmitoþet a naopak tlumí složky, jejichž kmitoþet je vyšší než tento mezní kmitoþet. Velmi þasto se dnes setkáváme se síĢovými odrušovacími filtry. Jsou sestaveny z tlumivek a kondenzátorĤ, pĜiþemž tlumivky jsou zaĜazeny jako podélné vČtve a kondenzátory jako pĜíþné vČtve (mezi pracovními vodiþi nebo mezi pracovním vodiþem a kostrou). Existuje mnoho rĤzných uspoĜádání odrušovacích filtrĤ, lišících se útlumem pro symetrické a nesymetrické rušení a hodnotou jmenovitého pracovního proudu. Na obr. 2.16 je pĜíklad
21
základního uspoĜádání jednoduchého jednofázového odrušovacího filtru, obsahujícího dvojici proudovČ kompenzovaných tlumivek (L1, L2), dva kondenzátory pro potlaþení souhlasného rušení (C3, C4), dva kondenzátory pro potlaþení nesouhlasného rušení (C1, C2) a vybíjecí rezistor (R). PĜi požadovaném vČtším vložném útlumu se použije složitČjší zapojení filtru s kaskádovČ Ĝazenými dalšími tlumivkami a kondenzátory. Je zĜejmé, že vzhledem k poþtu odrušovacích prvkĤ bude mít filtr nČkolik rezonanþních kmitoþtĤ, takže kmitoþtové závislosti vložného útlumu pro symetrické a nesymetrické rušení mohou mít nČkolik maxim a minim. PodobnČ jako jednofázové odrušovací filtry jsou konstruovány i tĜífázové filtry.
Obr. 2.16: SíĢový filtr
Dalšími þasto používanými filtry pro potlaþení nesouhlasného rušení jsou filtry typu ī (gama), L, Ȇ (pí) a T þlánkĤ z obr. 2.17. Jak je vidČt konkrétní typ volíme podle pĜedpokládané vstupní a výstupní impedance, která ovšem není vždy známa. Tyto filtry se používají napĜíklad k „vyhlazení“ napájecích napČtí zdrojĤ. 9VWXSQt ,PSHGDQFH D
Y\VRNi
9êVWXSQt LPSHGDQFH
/
&
Qt]Ni
/ E
Qt]Ni
Y\VRNi
&
/
F
QH]QiPi DVLY\VRNi
&
&
/ G
QH]QiPi DVLQt]Ni
QH]QiPi DVLY\VRNi
/
&
QH]QiPi DVLQt]Ni
Obr. 2.17: Filtry nesouhlasného rušení
22
Speciálním druhem odrušovacích filtrĤ jsou datové filtry. Jejich použití je nejvíce rozšíĜené v telekomunikaþní technice. Charakteristickým znakem tČchto filtrĤ, urþených k odrušení vedení pĜenášejících data, je þasto malý odstup mezi kmitoþty užiteþných a rušivých signálĤ. Proto musí mít kmitoþtová charakteristika vložného útlumu mnohem strmČjší prĤbČh, než jaký je požadován u síĢových filtrĤ. V nČkterých pĜípadech musí být filtr Ĝešen i jako úzkopásmová propust s malým útlumem pro oblast pracovních kmitoþtĤ a s velkým útlumem pro rušivé nižší i vyšší kmitoþty. To vyžaduje složitČjší obvod filtru s delšími ĜetČzci tlumivek a kondenzátorĤ. Výhodou datových filtrĤ kromČ nižších napČĢových a proudových úrovní je i to, že hodnoty vstupní i výstupní impedance jsou zpravidla pevnČ dány. 2.3.4 StínČní Úþinným prostĜedkem k omezení pĜenosu elektromagnetického rušivého signálu šíĜícího se vyzaĜováním je stínČní. Jde vlastnČ o vložení vhodné pĜepážky do cesty elektromagnetické vlny, v praxi o realizaci vhodného stínicího krytu nebo o použití skĜínČ zaĜízení, která vedle dalších konstrukþních dílĤ zároveĖ plní funkci stínČní. PĜitom stínČní mĤže fungovat jako ochrana zaĜízení pĜed pĜicházejícími rušivými signály nebo jako omezení emisí rušivých signálĤ ze zaĜízení. Velmi dĤležitá je návaznost na stínČní kabelĤ – silových i datových. Je tĜeba si uvČdomit, že ke stínČní každého zaĜízení by mČlo být pĜikroþeno vždy až po vyþerpání ostatních metod zajištČní jeho elektromagnetické kompatibility, zejména metod optimálního návrhu a konstrukce zaĜízení z hlediska EMC. b = 20 ⋅ log
E1 ; (dB ) E2
(2.18)
Úþinnost stínČní se vyjadĜuje vztahem (2.18), kde E1 je intenzita elektrického (popĜ. magnetického) pole pĜed pĜepážkou, E2 intenzita ve stínČném prostoru. Ve vzdáleném poli je kvalita stínČní pro elektrickou i magnetickou složku témČĜ shodná. Úþinnost stínČní je ovlivnČna rĤznými jevy, ke kterým na stínicí pĜepážce dochází. Z hlediska požadované funkce je na prvním místČ odraz pĜicházející elektromagnetické vlny. K nČmu pĜi použití kovové stínicí pĜepážky dochází na stranČ pĜicházející vlny. Úþinnost odrazu proto nezávisí na tloušĢce stínicí vrstvy, pĜi dobré vodivosti lze použít i tenkou fólii. Klesá s rostoucím kmitoþtem o 10 dB na dekádu. Druhým jevem, který podstatnČ ovlivní úþinnost stínČní zejména pro vyšší kmitoþty, je absorpce. Ta vzniká pĜi šíĜení elektromagnetické vlny materiálem stínČní. Je vČtší pro feromagnetické kovové materiály a závisí na pomČru tloušĢky pĜepážky k hloubce vniku elektromagnetické vlny. Roste tedy s tloušĢkou materiálu a velmi výraznČ roste s kmitoþtem stínČného signálu. PĜedchozí úvahy platí, pokud je tloušĢka stínČní
23
srovnatelná nebo vČtší než hloubka vniku elektromagnetické vlny do stínicího materiálu. V opaþném pĜípadČ pole stínČním proniká a úþinnost stínČní klesá. Pro pĜepážku tenþí než desetina hloubky vniku už je pokles úþinnosti stínČní významný. V blízkém poli je situace složitČjší, neboĢ kvalita stínČní se pro obČ složky liší. Rozdíl oproti pĜedchozímu pĜípadu je v útlumu odrazem, který je vČtší pro elektrickou složku. Naopak útlum magnetické složky je menší a klesá smČrem k nižším kmitoþtĤm, pro které je pouze elektricky vodivá tenká fólie témČĜ neúþinná, takže v takovém pĜípadČ je vhodnČjší použít silnČjší feromagnetický materiál. Dosud byla pozornost vČnována zejména vlivu použitého stínicího materiálu a jeho tloušĢky. Tyto pĜípady lze studovat za zjednodušujících podmínek, zejména co se týþe geometrického uspoĜádání posuzovaného jevu. Situace v praxi je ovšem mnohem složitČjší. Zejména proto, že stínicí kryt nebo skĜíĖ mají konkrétní tvar, a také proto, že jsou složeny z vČtšího poþtu þástí, které nemusejí být z hlediska kvalitního stínČní vhodnČ spojeny. Nelze napĜ. pominout, že stínČný prostor je dutina, která se mĤže chovat jako rezonátor. V blízkosti rezonanþního kmitoþtu je velmi citlivá na jakýkoliv rušivý vliv. Takový pĜípad se Ĝeší pĜeladČním rezonátoru (napĜ. rozdČlením prostoru vhodnými pĜepážkami). Dalším problémem jsou nutné otvory do skĜínČ, napĜ. ventilaþní, otvory pro ovladaþe a sdČlovaþe jako obrazovky, displeje apod. StínČní pĜístroje mohou þásteþnČ nebo zcela znehodnotit také nevhodnČ pĜivedené kabely anebo nevhodnČ umístČné a zapojené filtraþní prvky. Velký problém mohou znamenat otvory zajišĢující prĤhled do zaĜízení. V tomto pĜípadČ musí být kryt dostateþnČ prĤhledný (nezhoršující napĜ. þitelnost displeje) a pĜitom musí zajišĢovat potĜebné stínČní. Používaná technická Ĝešení využívají vodivou uhlíkovou nebo stĜíbrnou vrstvu nanesenou na sklo nebo plastový materiál. Je zjevné, že požadavky na stínČní a prĤhlednost jsou v rozporu. OpČt je tĜeba pĜipomenout nutnost vodivého spojení s krytem. Ukázku Ĝešení tohoto problému lze nalézt napĜ. na dvíĜkách mikrovlnné trouby. 2.3.5 PĜepČĢové ochrany Spektrum impulsního rušení je z hlediska energetického obsahu, amplitudy i strmosti impulsĤ velmi rozsáhlé. Pokud toto rušení z hlediska amplitudy napČtí nepĜesáhne pĜenášený užiteþný signál, chrání se pĜed ním elektrická a elektronická zaĜízení již uvedenými prostĜedky, tj. filtrací nebo stínČním, podle charakteru šíĜení rušivého signálu. Rušivé impulsy však tuto podmínku þasto výraznČ pĜekraþují a hrozí nejen zhoršením funkce, ale také poškozením zaĜízení nebo jeho þástí. V takovém pĜípadČ se pro omezování impulsního rušení používají vhodné zpĤsoby ochrany pĜed pĜepČtím (pĜepČĢové ochrany).
24
Jednotlivé druhy pĜepČĢových ochran se liší podle principu funkce; to úzce souvisí se základními parametry a také s vhodností použití pro urþitý úþel. Mezi základní parametry pĜepČĢové ochrany patĜí ochranné napČtí, proudová zatížitelnost, absorbovatelná energie a doba reakce. PĜepČĢové ochrany se zpravidla zapojují mezi pracovní vodiþe a zemní vodiþ. PĜi jmenovitém pracovním napČtí vykazují velkou impedanci a v obvodu se témČĜ neuplatĖují, avšak po pĜekroþení ochranného napČtí jejich impedance o nČkolik ĜádĤ klesá, takže pĜepČtí v místČ zapojení se pĜi spolupĤsobení reaktance sítČ mČní na impuls proudu. Nejvyšší napČĢové a výkonové hladiny se týkají ochrany proti atmosférickému pĜepČtí. Nebezpeþná mohou být také spínací pĜepČtí vznikající v rozvodné síti. Ochrany pĜed pĜepČtím se ĜetČzí a umísĢují do vhodných míst rozvodné sítČ na rozhraní tzv. ochranných zón tak, aby bylo postupnČ omezováno pĜepČtí až na pĜijatelnou úroveĖ na svorkách spotĜebiþe. Nejprve musí zapĤsobit ochrany s nejvyšším ochranným (zbytkovým) napČtím a nejvyšší proudovou zatížitelností a následnČ postupnČ další stupnČ ochran. Ty jsou navzájem oddČleny dostateþnČ dlouhým vedením nebo umČle pĜidanou reaktancí. V každém pĜípadČ se poþítá s urþitou odolností spotĜebiþe proti impulsnímu pĜepČtí na napájecích i datových vstupech; to se ovČĜuje zkoušením podle norem. Bleskojistky pracují na principu výboje v plynu. PĜi nízkém napČtí je vliv výbojky na chránČný systém þi obvod velmi nepatrný: izolaþní odpor výbojky mezi elektrodami je vČtší než 1010 W a vlastní kapacita výbojky je mnohem menší než 10 pF. PĜesáhne-li napČtí na výbojce hodnotu tzv. zápalného napČtí (podle konstrukce bleskojistky v rozmezí od nČkolika desítek V do nČkolika kV), dojde k „zapálení“ výbojky a její odpor prudce klesá až o deset ĜádĤ. Výbojka pĜitom pĜechází do režimu doutnavého výboje, pĜi nČmž je napČtí mezi elektrodami omezeno na hodnotu cca 60 ÷ 120 V. Umožní-li impedance vnČjšího obvodu, v nČmž je bleskojistka zapojena, aby jí v tomto režimu protékal vyšší proud než cca 100 mA, pĜejde výbojka pĜi tČchto vyšších proudech do režimu obloukového výboje a napČtí na ní klesne na nízké hodnoty 10 ÷ 30 V. Nevýhodou plynem plnČných bleskojistek je pomČrnČ dlouhá doba odezvy, velká závislost zapalovacího napČtí na strmosti nárĤstu napČtí a pomČrnČ nízké napČtí na oblouku, které stČžuje samovolné zhasnutí oblouku po odeznČní pĜepČtí. Používají se jako nejvyšší stupeĖ v ĜetČzci pĜepČĢových ochran. Varistory (Variable Resistors), rovnČž oznaþované jako odpory VDR (Voltage Dependent Resistors), jsou nelineární, napČĢovČ znaþnČ závislé rezistory. PĜi pĜekroþení velikosti ochranného napČtí odpor varistoru prudce klesá na velikost 1 ÷ 10 Ω , pĜiþemž varistorem mĤže protékat proud až desítek ampér. Varistor pĜitom mĤže absorbovat znaþnou
25
energii vysokonapČĢových rušivých impulsĤ. NepĜíjemnou vlastností varistorĤ je to, že pĜi dlouhodobé zátČži se zvČtšuje jejich svod a narĤstá jejich svodový proud. Polovodiþové lavinové diody (též supresorové diody, TAZ diody, transily apod.) mají nejrychlejší odezvu a pojmou nejménČ energie. Jsou obvykle pouzdĜeny jako pár diod zapojených antisériovČ proti sobČ. PodobnČ jako varistory vykazují i supresorové diody znaþnou vlastní kapacitu (až 15 nF), která ztČžuje jejich použití jako ochranného prvku ve vysokofrekvenþních systémech (velká kapacita diody zpĤsobuje velký útlum užiteþného vysokofrekvenþního signálu). Používají se pĜedevším jako poslední stupeĖ ochrany nejblíže chránČným
spotĜebiþĤm, zejména elektronickým
obvodĤm.
ýasto
bývají
souþásti
odrušovacích filtrĤ zaĜízení. V tab. 2.4 jsou uvedeny základní parametry výše popsaných pĜepČĢových ochran.
zenerova dioda 10 ÷ 12 000 6 ÷ 2 000 2,4 ÷ 200 Ochranné napČtí (V) 500 120 10 Max. proud za 1 ms (A) 60 2 000 0,1 Max. absorbo. Energie (J) 800 2 50 PĜípustné zatížení (W) 0,5 ÷ 10 40 ÷ 40 000 5 ÷ 15 000 Vlastní kapacita (pF) > 1 000 25 10 Doba reakce (ns) hrubá hrubá jemná Druh ochrany Tab. 2.4: Parametry pĜepČĢových ochran Název
bleskojistka
varistor
lavinová dioda 6 ÷ 440 200 1 5 300 ÷ 15 000 0,01 jemná
2.4 MČĜení rušení RĤzné druhy rušení, popsané v kapitole 2.2, mohou na þíslicových obvodech v urþitém okamžiku zapĜíþinit þtení nebo zápis chybných hodnot (aditivní šum, plovoucí zem, zpoždČní, odrazy …). Takovéto následky rušení lze odhalit a odĤvodnit s požitím logického analyzátoru popĜípadnČ osciloskopu. Je tĜeba znát diagram þasování sbČrnice a správnČ nastavit spouštČcí podmínky (triggery). I pouhé porovnání tvarĤ pulsĤ na vysílaþi a pĜijímaþi, zobrazených v þasové oblasti na osciloskopu, napoví o kvalitČ pĜenosu a vlivu rušení. Když ovšem vyšetĜujeme pĜíþiny chybné funkce obvodĤ z hlediska EMC nebo míru rušení produkující dané zaĜízení, zajímá nás pĜedevším kmitoþtová oblast a intenzita rušení. Pro takovouto kvalifikaci rušení je zapotĜebí speciální selektivní mikrovoltmetr (RFI metr) nebo spektrální analyzátor pro EMC. PĜevod rušení na elektrický signál vhodné úrovnČ pro zpracování mČĜicím pĜístrojem zajišĢují vhodná zaĜízení na jeho vstupu. MČĜíme-li rušení již navázané na užiteþném signálu 26
v podobČ napČtí nebo proudu, staþí pouze pĜipojit vhodnou sondou a oddČlit již z napČĢového signálu stejnosmČrnou složku. To lze provést vhodnČ naladČným derivaþním þlánkem. MČĜíme-li však rušení vyzáĜené radiaþním elektromagnetickým polem, je nutné rušení pĜijmout anténou. Volba (konstrukce) vhodné antény závisí na vlnové délce pĜijímaných vln. PĜi certifikovaném mČĜení rušení je bezpodmíneþné zajistit pĜesnČ definované podmínky kvĤli reprodukovatelnosti, dĤvČryhodnosti a pĜedevším porovnatelnosti dosažených výsledkĤ s normou. To znamená pracovat na speciálních, k tomuto úþelu zkonstruovaných pracovištích s odpovídajícím technickým zajištČním. Jsou to napĜíklad elektromagneticky stínČné nebo bezodrazové komory. Není pĜedmČtem této práce rozebírat zaĜízení a metodiku mČĜení takovýchto pracovišĢ, protože EMC mČĜení provádČné v rámci této práce v takových podmínkách neprobíhalo. 2.4.1 MČĜicí pĜístroje EMC mČĜení bylo provádČno v prostĜedí bČžných školních laboratorních podmínek. Analýza þasových soubČhĤ signálĤ a rušení v þasové oblasti bylo provádČno osciloskopem Tektronix 3032B (300 MHz, 3,5 GS/s) s bČžnou pasivní napČĢovou sondou. Frekvenþní analýza byla provádČna na spektrálním analyzátoru Agilent E4402B. Radiaþní rušení bylo snímáno sondami pro mČĜení blízkého pole HP 11941A a HP11940A (lišící se kmitoþtovým rozsahem) a zesíleno širokopásmovým zesilovaþem HP 8447F. Snímacím prvkem sond je dipólová anténa.
Obr. 2.18: MČĜicí soustava radiaþního rušení
Spektrální analyzátor firmy Agilent E4402B má kmitoþtový rozsah 9 kHz – 3 GHz, dynamický rozsah pásem pĜeladitelného filtru (bandwidths range) je 1 kHz – 5 MHz. Jeho výstupem je datový tabulkový soubor se vzorky kmitoþtĤ celého spektra a jejich amplitudami.
27
PĜedzesilovaþ a zesilovaþ Hewlett-Packard 8447F (dnes také Agilent) má zdíĜky pro dvČ pevné šíĜky pásma 9 kHz – 50 MHz se zesílením 23,3 dB a 100 kHz – 1,3 GHz se zesílením 27 dB. Sonda Hewlett-Packard 11941A je použitelná na kmitoþtovém rozsahu 9 kHz – 30 MHz a sonda11940A na 30 MHz – 1 GHz. Je tedy zĜejmé, že pĜi promČĜování celého spektra rušení bylo potĜeba použít obČ sondy i oba rozsahy zesilovaþe. Výsledné složky intenzit H a E a tudíž intenzita rušení jsou uvedeny ve vztahu (2.19), resp. (2.20). Sondy mČĜí magnetickou složku H blízkého pole a elektrická E se pak jen odhaduje podle vlnové impedance prostĜedí.
Kde
§ μA · H = VSA + AF − K ; ¨ dB ¸ m¹ ©
(2.19)
§ μV · E = VSA + AF − K + 20 ⋅ log(Z 0 ); ¨ dB ¸ m ¹ ©
(2.20)
VSA je napČtí namČĜené spektrálním analyzátorem (dBȝV), K
zesílení vloženého zesilovaþe (dB),
Z0
vlnová impedance prostĜedí (ȍ), pro vzduch je 377ȍ,
AF
§ μA m · anténní faktor ¨¨ dB ¸. μV ¸¹ ©
Obr. 2.19: Katalogová závislost AF na frekvenci sond HP 11941, 11940
Anténní faktor (AF) je vztah mezi velikostí vstupní intenzity pole a velikostí výstupního napČtí antény. Jak je vidČt z obr. 2.19, AF pro používané sondy je po þástech lineárnČ závislý na kmitoþtu (obČ mČĜítka os jsou vlastnČ logaritmické). Aby se výsledné grafy s intenzitou pole co nejvíce blížili realitČ, bylo potĜeba frekvenþní závislost AF parametrizovat. PĜi výpoþtu spektra výsledného rušení se tedy do vztahu (2.19) resp. (2.20) za AF dosazují vztahy
28
(2.21) nebo (2.22) podle typu sondy. Na obr. 2.20 jsou pak vykresleny zpČtnČ spoþítané frekvenþní charakteristiky antén, þili AF.
§ § 1 ·· AF = 20,442 ⋅ ¨¨ log¨¨ ¸¸ ¸¸ + 170,8326 © © f ¹¹ § § 1 ·· AF = 5,9414 ⋅ ¨¨ log¨¨ ¸¸ ¸¸ + 81,2746 © © f ¹¹ § § 1 ·· AF = 20,79 ⋅ ¨¨ log¨¨ ¸¸ ¸¸ + 209,8 © © f ¹¹ § § 1 ·· AF = 16,305 ⋅ ¨¨ log¨¨ ¸¸ ¸¸ + 173,92 © © f ¹¹
pro f ∈ (9kHz ÷ 1,5MHz) (2.21) pro f ∈ (1,5MHz ÷ 30MHz) pro f ∈ (30MHz ÷ 100MHz) (2.22) pro f ∈ (100MHz ÷ 1GHz)
100
60
90
55 X: 0.009 Y: 90
X: 30 Y: 54.35
50 AF[(uA/m)/uV]
AF[(uA/m)/uV]
80
70
60
X: 1.5 Y: 44.58
50
40
-2
10
-1
0
10
10
X: 100 Y: 43.48
40
35 X: 30 Y: 36.85
30 -3 10
45
1
10
X: 1000 Y: 27.17
30
25 1 10
2
10
f[MHz]
2
10 f[MHz]
3
10
Obr. 2.20: Parametrizovaná závislost AF na frekvenci pro sondy HP 11941, 11940
Tyto sondy, stejnČ jako celá mČĜicí soustava podle obr. 2.18, nejsou v žádném pĜípadČ urþeny k pĜesnému mČĜení intenzit nebo smČrových charakteristik elektromagnetického pole rušení. Slouží pĜedevším k lokalizaci prĤniku rušení z elektrických a elektronických zaĜízení a k vzájemnému relativnímu posouzení jejich intenzit. Mimo to se zde projevují úþinky cizích elektromagnetických poli (televizní a rozhlasové vysílání…) vlivem nestínČných mČĜicích prostor, které pĜekrývají mČĜené rušení a tím zkreslují skuteþné spektrum. Touto chybou je však každé mČĜení ovlivnČno témČĜ stejnČ, a proto jí lze þásteþnČ potlaþit. Pro absolutní vyjádĜení parametrĤ pole je také tĜeba zajistit podmínky bezodrazového okolí mČĜení, jak definuje pĜíslušná norma. Pro naše potĜeby jsou mČĜicí pĜístroje stejnČ jako prostĜedí naší laboratoĜe dostaþující. Nás totiž nezajímají pĜesné parametry rušení, ale jeho úþinky a vliv na okolní elektronické obvody, jejichž funkce v takovémto prostĜedí je pro nás hodnotícím parametrem rušení.
29
3 Hardware Souþástí práce bylo navrhnout a realizovat pĜípravek demonstrující jevy na DPS, kterých se EMC týká a které byly popsány v teoretické þásti. Jak již bylo zmínČno, je dĤležité nejen ukázat, jak jistá chyba v návrhu zpĤsobí problém ve funkci, ale také jakým zpĤsobem lze již vzniklé chyby úþinnČ opravit a potlaþit tak nežádoucí jev splnČním podmínek EMC. Jedná se jak o hardwarové, tak i o softwarové opatĜení. Mezi hardwarové opatĜení patĜí ctČní pravidel pro návrh PDS, které vycházejí z doporuþení EMC, a použití rĤzných souþástek omezující rušení. Mezi softwarové pak efektivní programování a využití speciálních režimu a módĤ programovatelných souþástek. Vlivem tČchto zásahĤ lze ovlivĖovat velikost intenzity rušení i imunity proti rušení.
Obr. 3.1: Logické a fyzické uspoĜádání pĜípravku
Na obr. 3.1a je logické uspoĜádání jednotlivých funkþních blokĤ zaĜízení, na obr. 3.1b pak skuteþné uspoĜádání, jaké fyzicky obsahují DPS. Základ tvoĜí mikropoþítaþ, který po 16bitové paralelní sbČrnici komunikuje s externí statickou pamČtí RAM. Z obrázku je patrné, že právČ komunikace mezi tČmito obvody je využita jako zdroj rušení a zároveĖ þíslicový obvod, který lze zarušit a vyvolat chyby v jeho funkci. Dochází tedy k situaci, že špatnČ navržený obvod mĤže svojí þinností rušit nejen okolní obvody, ale hlavnČ sám sebe. PĜípravek se skládá z dvou DPS - hlavní þíslicové a analogové fungující jen jako citlivý obvod vystavovaný vlivu rušení. V následujících kapitolách jsou rozebrány jednotlivé funkþní fyzické bloky podle obr. 3.1b. PodrobnČji jsou popsány obvody, jejichž zapojení není podle doporuþení výrobce z katalogového listu nebo jejichž funkce je klíþová v principu þinnosti celého pĜípravku.
30
3.1 Mikropoþítaþ Byl zde použit jednoþipový mikropoþítaþ 9S12A128 rodiny HCS12 spoleþnosti Freescale, vycházející z dĜíve známých Motorol 68HC12. Zvolil jsem tuto Ĝadu, protože s ní mám již zkušenosti z dĜívČjších aplikací (napĜ. bakaláĜské práce), mikropoþítaþe mají funkce ovlivĖující míru produkovaného rušení, jsou na katedĜe (ve výzkumné skupinČ Distribuované prĤmyslové systémy) používané a nejsou konstruované pro nízkoodbČrové aplikace. Na konkrétní typ nebyly kladeny žádné speciální požadavky, bylo proto vybráno oznaþení A128 v 80-pinovém pouzdĜe tvoĜící základ rodiny. 3.1.1 Základní rysy Rysy a funkce, které patĜí do základní charakteristiky mikropoþítaþe nebo které jsou pro tuto aplikaci podstatné. •
16-bitové jádro CPU12 typu CISC von Neumannovy architektury.
•
5 V napájení s integrovaným 2,5 V regulátorem pro jádro a oscilátor a PLL. OddČlená napájení pro regulátor, I/O brány a A/ý pĜevodník a oscilátor. Proudový odbČr bez zátČže, v Single chip mode, pĜi kmitoþtu interní sbČrnice 25 MHz je 65 mA.
•
Taktovací kmitoþet krystalového oscilátoru (v zapojeni Pierce nebo Colpitts) mĤže být násoben nebo dČlen fázovým závČsem PLL. Obvod generování hodin také hlídá kvalitu signálu. Maximální dosažitelný kmitoþet je 50 MHz, þemuž odpovídá poloviþní kmitoþet interní sbČrnice.
•
Modul mapování pamČtí MMC umožĖuje procesoru používat virtuální adresní prostor velikosti 64 kB, do kterého mĤže uživatel v urþitých mezích libovolnČ mapovat blok Ĝídicích a I/O registrĤ, na þipu vestavČných pamČtí RAM, Flash a EEPROM, jakož i externích zaĜízení.
•
8 kB datové pamČti RAM.
•
128 kB pamČti programu Flash EEPROM.
•
2 kB pamČti EEPROM.
•
BDM (background debugging mode) zvláštní režim procesoru, v nČmž je možné zasahovat do vykonávání programu, þíst a zapisovat do pamČti a registrĤ, ladit program (nastavovat breakpointy, watchpointy, krokovat). Také se tak nazývá rozhraní HCS12 jímž je možné režim BDM ovládat (z jiného poþítaþe). Používá se jak na ladČní programĤ pĜímo v mikropoþítaþi, tak na programování jejich pamČtí Flash.
31
•
51 I/O pinĤ na portech A, B, E, J, M, P, S,T (ne všechny brány jsou 8-pinové). Jejich funkce alternuje mezi digitálním vstupem/výstupem a signály specializovaných periferii. Možnost aktivace pull-up rezistorĤ nebo redukce strmosti nábČžných a sestupných hran (obr. 3.2). Vstupní kapacita pinu je 6 pF.
•
Porty A a B slouží také jako 16-bitová multiplexovaná sbČrnice adresa/data pro pĜipojení externích zaĜízení mapovaných pĜímo v adresovém prostoru mikropoþítaþe, režii pĜenosu Ĝídí signály portu E.
•
Dva osmikanálové A/ý pĜevodníky s postupnou aproximací a 10-bitovým rozlišením. PĜevodník má vlastní referenþní vstupy.
•
16-bitový þítaþ s programovatelným 7-bitovým pĜeddČliþem systémových hodin. Pomocí 4 vstupĤ/výstupĤ opatĜených záchytnými/komparaþními registry lze mČĜit þasy pĜíchodu externích událostí nebo naopak generovat výstupní prĤbČhy podle pĜedem nastaveného þasovacího schématu. Další souþástí je tzv. pulsní akumulátor. OpČt se jedná o 16-bitový þítaþ, který poþítá vnČjší události.
•
8-kanálový 8-bitový nebo 4-kanálový 16-bitový PWM.
•
Dva standardní plnČ duplexní asynchronní sériové porty (SCI), dvČ synchronní rozhraní SPI a jedno I2C.
•
Reset je generován: po zapnutí, pĜi pĜíliš nízkém napájecím napČtí, aktivní úrovní na pinu /RESET, watchdogem.
•
Pouzdro 80-pin QFP.
ECLK redukovana strmost ECLK 6
5
U (V)
4
3
2
1
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4 0.5 t (μs)
0.6
0.7
0.8
0.9
Obr. 3.2: ěízení strmosti hran signálĤ
Zapojení mikropoþítaþe je standardní. Velikost napájecího napČtí hlídá obvod MC34064, který pĜi poklesu pod 4,6 V generuje reset mikropoþítaþe. Ten také možno generovat tlaþítkem. Bylo zvoleno Piercovo zapojení oscilátorĤ s možností externího taktu.
32
Dále byla vyvedena na pinovou lištu jedna kompletní brána, dva vstupy externího pĜerušení a všech osm vstupĤ A/ý pĜevodníku. Vstupy pĜerušení a dva vstupy pĜevodníku jsou doplnČny o pĜepČĢovou ochranu. 3.1.2 Módy þinnosti Mikropoþítaþ lze provozovat v jednom ze sedmi módĤ þinnosti. Ty lze rozdČlit do dvou skupin – normální a speciální módy. Rozdíl mezi speciálními a normálními módy spoþívá v tom, že pĜi speciálních módech je možno zapisovat do rĤzných registrĤ, které jsou u normálních módech pouze pro þtení. Je v nich také možno libovolnČ zapisovat do konfiguraþních registrĤ, do kterých se smí v normálních módech zapsat jen jednou. Speciální mód slouží také ke konfiguraci BDM. Daný mód je urþen hardwarovým zapojením a lze ho pĜi bČhu programu jednou softwarovČ zmČnit. Pro bČžnou funkci jsou podstatné pouze tĜi módy, lišící se rozdílným mapováním v adresovém prostoru a rĤznou konfigurací externích sbČrnic: •
Normal Single Chip – v tomto módu nejsou žádné vnČjší adresové a datové sbČrnice. Všechny piny portĤ A,B a E jsou nakonfigurovány jako I/O.
•
Normal Expanded Narrow – port A je konfigurován jako horní byte adresové multiplexované sbČrnice s 8-bitovou datovou sbČrnicí. Port B je konfigurován jako spodních 8 bitĤ adresové sbČrnice.
•
Normal Expanded Wide – adresy a data jsou multiplexovány porty A a B. ADDR[15:8] a DATA[15:8] jsou dány portem A a ADDR[7:0] a DATA[7:0] jsou dány portem B.
3.1.3 Komunikace PC Komunikace probíhá prostĜednictvím sériové sbČrnice RS-232. Je použit originální budiþ MAX232A firmy Maxim, který má oproti bČžnému budiþi této sbČrnice vyšší pĜenosovou rychlost (až 200 kBd) a externí kondenzátory mají kapacitu pouze 100 nF. Zapojení je standardní podle katalogového listu, a proto jej není potĜeba popisovat. Je využit pouze jeden kanál. Lze namítnout, že je tato sbČrnice pro vČtšinu moderních zaĜízení již zastaralá, a že se jako periferie poþítaþĤ, zvláštČ pak notebookĤ, již dávno nepoužívá. Velice snadno se však implementuje a k realizaci na stranČ snad každého mikropoþítaþe je potĜeba po pouze budiþe, protože Ĝadiþ má každý na þipu. Realizovat toto rozhraní na stranČ PC, který jím nedisponuje také není problematické, protože lze použít (a zde tomu bylo také tak
33
uþinČno) pĜevodník z USB na RS-232, který pracoval bez problémĤ. PĜenosová rychlost zde byla nastavena na standardních 9600 Bd. 3.1.4 Ovládání a signalizace na DPS Na desce jsou þtyĜi signalizaþní led diody, dvČ tlaþítka a 8-krát DIP pĜepínaþ. Tlaþítka spínají pĜes pull-up odpor napájecí napČtí k zemi. Jsou ošetĜeny proti zákmitĤm pĜi stisku nebo rozpojení kondenzátorem proti zemi a obvodem CD40106B, pĜes který jsou pĜipojeny na vstupní bránu mikropoþítaþe. Jedná se o 6-krát negující SchmittĤv klopný obvod, s hysterezním napČtím 0,9 V pĜi napájení 5 V. Jelikož je šest klopných obvodĤ minimální poþet, který se integruje do jednoho pouzdra, byly zbylé þtyĜi, které neobsadily tlaþítka, využity jako budiþe led diod. Výstupní brána mikropoþítaþe budí vstup obvodu a výstup je pĜes diodu a její proud omezující odpor pĜipojen k napájení. Mikropoþítaþ tak není proudovČ zatČžován a zpoždČní rozsvícení/zhasnutí diody je bezpĜedmČtné, protože hrany signálu jsou velmi strmé. DIP pĜepínaþe se vČtšinou používají pouze ke konfiguraci, která se za bČhu mČní jen zĜídka, nejsou zde proto nijak ošetĜeny. Princip pĜepínání mezi potenciálem napájecího napČtí a zemČ je stejný jako u tlaþítek.
3.2 PamČĢ RAM Na úvod je tĜeba objasnit mylný, avšak zabČhlý a bČžnČ používaný význam termínu RAM. RAM (Random Access Memory) je pamČĢ s náhodným pĜístupem. MĤže být typu RWM (Read Write Memory), to znamená s možností opakovaného zápisu a þtení informace, nebo typu ROM (Read Only Memory) jen pro þtení bez možnosti zápisu. Oznaþení „pamČĢ RAM“ se používá nepĜesnČ ve smyslu RWM-RAM, ale skupina pamČtí RAM je mnohem obsáhlejší, patĜí sem napĜ. i pamČti Flash EEPROM a další podobné. PamČti RAM (RAMRWM) se dČlí na statické SRAM a dynamické DRAM. SRAM uchovávají v sobČ uloženou informaci po celou dobu, kdy jsou pĜipojeny ke zdroji elektrického napájení. PamČĢová buĖka SRAM je realizována jako bistabilní klopný obvod. MĤže se tedy nacházet vždy v jednom ze dvou stavĤ, které urþují, zda je v pamČti uložena log. 1 nebo 0. Tyto pamČti jsou výhodné zejména pro svou nízkou pĜístupovou dobu (15 - 20 ns), jejich nevýhodou je naopak vyšší složitost a z toho plynoucí vyšší výrobní náklady i menší integrace na þipu. V pamČti DRAM je informace uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru. Tento náboj má však tendenci se vybíjet i v dobČ, kdy je pamČĢ pĜipojena ke zdroji elektrického napájení. Aby nedošlo k tomuto vybití a tím i ke ztrátČ uložené informace, je
34
nutné periodicky provádČt tzv. refresh, tj. oživování pamČĢové buĖky. Tuto funkci plní nČkterý z obvodĤ þipové sady. BuĖka pamČti DRAM je velmi jednoduchá a dovoluje vysokou integraci a nízké výrobní náklady. Díky tČmto vlastnostem je používána k výrobČ operaþních pamČtí. Její nevýhodou je však vyšší pĜístupová doba (60 - 70 ns) zpĤsobená nutností provádČt refresh a þasem potĜebným k nabití a vybití kondenzátoru. Jelikož je pamČĢ v této aplikaci užívána pouze jako zdroj rušení, nebyly na ni kladeny žádné požadavky, pouze kompatibilita s mikropoþítaþem. V dnešní dobČ je nabídka 5voltových SRAM již znaþnČ omezená právČ kvĤli své spotĜebČ, kterou se zde snažíme paradoxnČ co nejvíce zvýšit. Je zde tedy použita pamČĢ K6R1016C1D firmy Samsung, která je rozmístČním pinĤ v pouzdĜe plnČ kompatibilní s ostatními SRAM podobných parametrĤ jiných výrobcĤ. 3.2.1 Hlavní rysy Výþet podstatných rysĤ je: •
High-Speed CMOS Static RAM-RWM.
•
Kapacita 1 Mb (65536 slov po 16-bitech).
•
Maximální pĜístupová doba je 10 ns.
•
Napájecí napČtí 5 V ±10%, proudový odbČr operation/stand-by 65/5mA, výkonová spotĜeba max. 1 W.
•
TĜístavový výstup.
•
Vstupní kapacita pinĤ 6 pF.
•
16 adresový, 16 datových a 5 Ĝídicích signálĤ.
•
Pouzdro 44pin-SOJ-400.
35
3.2.2 Zdroj rušení
Obr. 3.3: PĜipojení externí RAM k mikropoþítaþi
Komunikace (þtení a zápis) mezi mikropoþítaþem a pamČtí vychází z obvodového zapojení podle obr. 3.3. Je zĜejmé, že komunikace probíhá 16-bitovými slovy. Mikropoþítaþ je provozován v módu Normal Expanded Wide, externí pamČĢ je namapována pĜímo v pamČti mikropoþítaþe, konkrétnČ na adresách 0x4000 – 0x7fff. RAM mikropoþítaþe se tedy rozšíĜila o 16384B, které byly uvolnČny z interní programové pamČti Flash. Bylo samozĜejmČ možné využít celou kapacitu externí pamČti rozšíĜením adresy pomocí stránkování, kterým mikropoþítaþ také disponuje, kapacita je však v této aplikaci zcela nepodstatná. Signál ECLK þasuje sbČrnici tím zpĤsobem, že jeho aktivní úroveĖ znaþí platná data na sbČrnici (portech A, B). Obvod 74AC573 (zvaný latch) slouží jako záchytný buffer adresy z multiplexovaného signálu sbČrnice, kde se data pĜepínají právČ s adresou. Je proto potĜeba signál ECLK negovat invertorem a tím indikovat kladnou úrovní adresu. PamČti je pak platná adresa k dispozici po celou dobu jednoho pĜístupu, dokud nepĜijde další puls ECLK. Tento signál také slouží k aktivaci pamČti má-li na adresových i datových vodiþích platné úrovnČ (vstup /CS). Signál R/W (na pamČti /WE) znaþí, jde-li o operaci þtení nebo zápisu. Signál /OE je stále ve své aktivní úrovni, což znamená, že je pamČĢ stále vybrána. Poslední dva Ĝídicí vstupy jsou /UB (Upper-byte Control) a /LB (Lower-byte Control). Logické nuly na nich indikují pĜístup k hornímu resp. dolnímu bytu, jelikož lze na jedno pamČĢové místo (tedy najednou) zapsat až dva byty. Protože nejnižší adresový bit A0 je užit k indikaci sudého, tedy horního bytu, všechny adresové vodiþe se o jeden posunuly níže a na neobsazený A15 je
36
pĜiveden signál z universálního portu PS3. Ten vlastnČ funguje, vzhledem k velikosti pamČĢového prostoru mikropoþítaþe, jako jakýsi výbČr z dvou stánek. Propojení mikropoþítaþe s pamČtí neslouží jen k ukládání dat, ale také jako zdroj rušení. Data uložená do externí pamČti slouží jako kvantitativní i kvalitativní prokázání vlivu rušení na digitální obvod tím, že se tam mohou pod vlivem rušení zapisovat (nebo z ní þíst) jiná data, než která tam byla zapisována (þtena). Radiaþní rušení zde zpĤsobují proudové smyþky 16bitové datové sbČrnice spolu se þtyĜmi Ĝídicími signály. SilnČji se projeví galvanická vazba na napájecím vedení mikropoþítaþe, latch obvodĤ a pamČti vlivem zvýšeného pulsního odbČru. Projeví se také induktivní a kapacitní vazba mezi datovými a Ĝídicími vodiþi. Intenzita tČchto rušení bude záviset na rychlosti paralelní komunikace a také množství zmČn logických úrovní, což znamená na konkrétních hodnotách dat a adres, která se na sbČrnici vyskytnou. Na multiplexované i oddČlené adresové sbČrnici jsou vyvedeny kontaktní piny, takže je lze zkoumat i logickým analyzátorem. Pro þasovou analýzu osciloskopem jsou vyvedeny BNC konektory s nejnižším (a tedy i nejþastČji se mČnícím) bitem datové sbČrnice a signál ECLK na nČkolika rĤzných místech.
3.3 Rušený analogový obvod Analogový obvod je na samostatné DPS a lze tedy také vyhodnocovat úþinky rušení v závislosti na vzájemné poloze zdroje a pĜijímaþe. U radiaþního (vyzáĜeného) rušení se tím míní prostorové umístČní vĤþi elektromagnetickým vlnám kolem potencionálních zdrojĤ rušení. U rušení po vedení (galvanická, kapacitní a induktivní vazba) se jedná o polohu propojení analogové a digitální zemČ, protože obČ þásti mají spoleþné napájení. Základem obvodu je operaþní zesilovaþ OPA2340 zapojený jako neinvertující zesilovaþ. Je to rail-to-rail operaþní zesilovaþ (OZ) s nesymetrickým napájecím napČtím 5V, který je i pĜesto vhodný k zesilování slabých signálĤ. Pomocí propojek lze mČnit jeho zesílení na 101, 11 a 1 (napČĢový sledovaþ). Vstup a výstup jsou volnČ pĜipojitelný k externímu generátoru resp. mČĜicímu pĜístroji nebo jsou vyvedeny na þíslicovou DPS. Dalšími vodiþi, kterými je analogová deska pĜipojena k þíslicové, je napájení. Je možné volit rĤzné zpĤsoby napájení a zemnČní, které lze provést na nČkolika pro tento úþel vyvedených kontaktech rozmístČných po þíslicové DPS. Aretace analogové DPS v tČsné blízkosti (a tedy vČtší vazbČ) nad þíslicovou DPS zajišĢují distanþní sloupky. Místo tohoto zesilovaþe lze použít i jiné zaĜízení s nesymetrickým 5-voltovým napájením zpracovávající analogový signál.
37
3.4 Napájecí zdroj Problematika rušení vždy velmi úzce souvisí s použitým napájecím zdrojem, zvláštČ jeli spínaný. Napájecí zdroj je prvním obvodem v zaĜízení spojeným s rozvodnou napájecí sítí. V ní se šíĜí rušení nejþastČji v podobČ krátkých pulsĤ (surge) nebo skupin pulsu (burst) velké amplitudy vznikající spínáním velkých výkonĤ nedostateþnČ odrušených zaĜízení na stejném okruhu (fázi) nebo pĜírodními výboji. Je tedy potĜeba, aby rušení pronikající ze sítČ bylo zdrojem efektivnČ potlaþeno a neproniklo skrze nČj do náchylných napájecích obvodĤ elektroniky. Totéž platí i v opaþném smČru, uvažujeme-li šíĜení rušení ven pĜes zdroj. Zkrátka zdroj musí co nejvíce omezit vysokofrekvenþní vazbu mezi napájecími obvody na jeho výstupu a napájecí sítí na jeho vstupu. NejþastČjším Ĝešením jsou pĜepČĢové ochrany (popsané v kapitole 2.3.5). Na našem pĜípravku se prĤniky vysokonapČĢových pulsĤ skrz zdroj nebudeme zabývat, neboĢ mají vČtšinou destrukþní charakter. Více nás bude zajímat prĤnik pracovního spínacího kmitoþtu zdroje do okolí a prĤnik rušení na napájecím vedení pĜed zdroj. Jádrem zdroje je integrovaný obvod LM2596 firmy National Semiconductor. Je to 5voltový step-down mČniþ s pevným výstupem, maximálním zatČžovacím proudem 3A a pracovním spínacím kmitoþtem 150 kHz. Obsahuje v sobČ i výkonový spínaþ, množství externích souþástek se tak redukuje pouze na rychlou spínací diodu, akumulaþní cívku a filtraþní elektrolytické kondenzátory. Zapojení je ještČ rozšíĜeno o obvod tzv. „mČkkého startu“, který uvede zdroj do þinnosti až po fyzickém pĜipojení vstupního napájení. To mĤže být maximálnČ 39 V, protože napČtí vyšší stabilizuje na tuto hodnotu zenerova dioda na vstupu zdroje. Zde je také dioda chránící vstup integrovaného obvodu proti pĜepólování. VyzaĜované teplo je odvádČno plochou mČdi na DPS, ke které je integrovaný obvod pĜipájen a který slouží jako lokální zem externích souþástek zdroje. Na jeho výstupu je pak ještČ LC filtr vyhlazující stabilizované napČtí. Pouze tohoto místo je výstup celého zdroje, pouze odtud je napájení distribuováno okolním obvodĤm a pouze zde je k zemi zdroje pĜipojena þíslicová a analogová zemnící plocha pokrývající zbytek DPS ze spodní strany.
3.5 ProstĜedky pro zvČtšení nebo zmenšení míry rušení Realizace prostĜedkĤ ovlivĖující míru vysílaného nebo pĜijímaného rušení byla podmínČna pouze teoretickými znalostmi o rušení a obecnými doporuþení pro jeho omezení, které byly úmyslnČ porušovány. V zásadČ se naskýtaly dvČ možnosti realizace. První, která zde byla užita, spoþívá v spoleþném návrhu správného a špatného zapojení z hlediska EMC na
38
jedné DPS. PĜepínání mezi tČmito variantami probíhá vČtšinou pĜepojováním zkratovacích propojek („jumperĤ“). Chceme-li obČ varianty zapojení zcela oddČlit, obvodová složitost roste (pĜedevším pĜípad napájecí sítČ, konektory pro mČĜicí pĜístroje atd.). Druhá varianta spoþívala v návrhu dvou naprosto stejných DPS se stejným hardwarem. Rozdíl by byl v míĜe rušení. Zatímco jedna deska by byla navrhnuta v souladu se všemi pravidly vycházející z EMC, druhá by byla navržena v pĜesnČ opaþné filosofii, aby co nejvíce rušila. Výhodou by bezesporu byl výraznČjší rozdíl v produkci rušení, protože správný návrh by nebyl omezován tím druhým, špatnČ navrženým. Naproti tomu výhodou jednodeskové varianty je ekonomická úspora poloviny výdajĤ za souþástky a DPS, jednodušší Ĝízení a testování z PC a fakticky prokazatelná ukázka, jak se mČní funkþnost jednoho zaĜízení i banálními zmČnami v obvodu. 3.5.1 Napájecí síĢ Hlavní spotĜebiþe na þíslicové DPS (mikropoþítaþ, latch obvody a pamČĢ RAM) lze napájet dvČma zpĤsoby podle obr. 3.4. ModĜe je oznaþeno správnČ vedené napájení, co možná nejkratší cestou k spotĜebiþi a se snahou co nejkratšího spoleþného vedení pro více souþástek. Modrý symbol zemnČní znamená, že záporný napájecí vývod souþástek je propojen s vodivou zemnící plochou také spojenou se zdrojem. Výstupní svorka zdroje (+ i - ) jsou fyzicky pouze jeden bod a to kontakt kondenzátoru výstupního filtru zdroje. TČsnČ u spotĜebiþĤ jsou jen na správném vedení umístČny blokovací kondenzátory a zhruba po 5 cm spoje ještČ skupinové kondenzátory. Spoje jsou vedeny v rámci možností co možná nejdále od rychlých datových vodiþĤ. ýervenou barvou je zvýraznČno špatnČ vedené napájení. PĜívodní vodiþe jsou vedeny spoleþnČ pro více spotĜebiþĤ po obvodu celé DPS. Oba vodiþe jsou vedeny protibČžnČ, þímž ještČ zvČtšují plochu proudové smyþky. Na zaþátku lze pĜipojit libovolný rezistor simulující nadmČrný odpor vedení. Na celém takovémto napájení není pĜipojen ani jeden kondenzátor. Podél obou vodiþĤ jsou vedeny rychlé Ĝídicí signály. Na konci vedení, za všemi odboþkami k obvodĤm, je konektor pro analýzu tohoto napájecího napČtí mČĜicím pĜístrojem (s možností oddČlit stejnosmČrnou složku derivaþním þlánkem) a konektor pro pĜipojení další externí zátČže. Takovýto zpĤsob napájení zvyšuje radiaþní rušení (vČtší plocha proudových smyþek), galvanickou vazbu (vČtší impedance vedení a proudy od více spotĜebiþĤ na spoleþném vedení), vČtší induktivní a kapacitní vazba s okolními signály (tČsné paralelní vedení spojĤ), napČĢové a proudové poklesy pĜi pulsním odbČru spotĜebiþĤ (impedance vedení, žádný kondenzátor).
39
PĜepínání mezi napájeními se provádí jumpery, které neaktivní variantu zapojení úplnČ odpojí. V obou variantách zemí je možno na nČkolika místech zemnit analogový obvod snímající rušení z kapitoly 3.3. Napájení lze rušit i výkonovým PWM spínáním. PWM výstup mikropoþítaþe Ĝídí spínání výkonového mosfet tranzistoru IRLL2705 pĜes k tomuto Ĝízení urþený budiþ MAX5048 firmy Maxim. ZátČž se pĜipojuje externČ.
Obr. 3.4: ZpĤsoby napájení nejvýkonnČjších obvodĤ
3.5.2 ýíslicové datové a Ĝídicí signály Je jasné, že adresovČ-datová sbČrnice mezi mikropoþítaþem a pamČtí by mČla být co nejkratší. Její prodloužení plošnými spoji pĜímo na desce by bylo velmi komplikované (jedná se o 16 vodiþĤ). Prodloužení, jako další zpĤsob zesílení rušení, lze proto provést externími propojkami rĤzných délek realizované 16-vodiþovým plochým kabelem (poþítaþovou „kšandou“) se vzdáleností sousedních vodiþĤ 1mm. Je opatĜena konektory nasouvající se na pinové lišty, které jsou v pĜípadČ nepoužití prodloužení nahrazeny zkratovacími propojkami („jumpery“). Byly vyrobeny dva vzorky o délkách 6 a 33cm. U delší varianty je sbČrnice proložena vodiþem, na který lze pĜipojit jakýkoliv signál. Dále je možné prodloužit spoj þasující sbČrnici ECLK ještČ pĜed invertorem (obr. 3.3). Jedná se periodický obdélníkový signál dosahující ĜízenČ až kmitoþtu jádra mikropoþítaþe, tedy až 24MHz. Prodloužení je vedeno stejnČ jako napájení po obvodu celé desky a je s ním v tČsné vazbČ. Prodlužení rychlých þíslicových signálĤ zpĤsobí nejen zvČtšení plochy proudových smyþek, ale také díky koneþné rychlosti šíĜení signálu i nesoubČh v þasování synchronnČ Ĝízené sbČrnice. Délka zpĤsobí i deformaci pulsĤ vlivem odrazĤ na konci nepĜizpĤsobeného vedení. Pro omezení vzniklých odrazĤ od vstupĤ pamČti je možno použít ukonþovací terminátor. Jedná se o obvod 74S1053 firmy Texas Instruments urþený speciálnČ pro datové sbČrnice. Obsahuje 16 terminátorĤ v podobČ pul-up a pull-down Schottkyho diod pro každý vstup omezující
40
maximální a minimální úroveĖ signálu na napájecí napČtí resp. potenciál zemČ. Vzhledem k nutnosti odepínat terminátory je integrovaný obvod na samostatné DPS a pĜes konektor se pĜipojuje k pamČti. 3.5.3 Filtry Napájení hlavní þíslicové i analogové desky má vyĜaditelný výstupní LC filtr. Na hlavní desce jsou také jednokanálové vzorky datových filtrĤ. Na jejich spoleþném vstupu i výstupu jsou BNC konektory pro pĜipojení zdroje signálu a snímacího mČĜicího pĜístroje. Jedná se o filtry EMIF01 a KBMF od STMicroelectronics a o NFW31S od firmy Murata. Jedná se o dolní propusti doplnČné o pĜepČĢovou ochrana používané k pĜedzpracování signálĤ vstupních periferii þíslicových obvodĤ.
3.6 Provedení DPS a parametry souþástek Schémata a následnČ návrhy DPS byly vytvoĜeny v programu Orcad Capture resp. Orcad Layout Plus verze 16.4. Hlavní þíslicová DPS má rozmČry 147 x 98 mm, analogová 37 x 22 mm a terminátor 30 x 20 mm. TĜída pĜesnosti je 5 (minimální izolaþní vzdálenost 8 milĤ). Na þíslicové desce jsou þtyĜi samostatné zemČ realizované vodivou plochou spojené u zdroje: digitální, analogová (AD pĜevodník mikropoþítaþe), výkonová a zdrojová. ýíslicová a analogová DPS je dvouvrstvá, pĜiþemž u analogové je spodní vrstva využita jen jako zem. Deska s terminátorem je jednovrstvá. Souþástky jsou vždy jen na horní vrstvČ desky. VČtšina souþástek je v provedení SMD. Blokovací kondenzátory jsou velikosti 0603, ostatní pasivní prvky pak pĜevážnČ v 0805. Naskytla-li se možnost volby, byly vybrány aktivní souþástky s vyšší spotĜebou (napĜ. Ĝada 74AC).
41
4 Software Skládá ze z dvou samostatných, nicménČ na sobČ závislých a spolu komunikujících, programĤ. PC aplikace a firmwaru mikropoþítaþe. ProstĜednictvím grafického uživatelského rozhraní (GUI) slouží PC aplikace k snadnému a pĜehlednému ovládání mikropoþítaþe, tedy ovládání celé þíslicové DPS. Dále slouží k vyhodnocování vlivu rušení na þíslicové obvody. Firmware mikropoþítaþe zpracovává a vykonává pĜíkazy od nadĜazené PC aplikace, sbírá data o rušení a posílá je do PC. Komunikace mezi tČmito jednotkami se dČje prostĜednictvím sbČrnice RS-232. Komunikace probíhá formou AT pĜíkazĤ a blokĤ namČĜených dat. PĜíkazy lze rozdČlit do nČkolika skupin podle jejich význaku, podle tab. 2.1. Jednou ze základních datových jednotek obou programĤ jsou parametry, za kterých je provozován mikropoþítaþ (v tabulce parametry þinnosti). Je to soubor funkcí a režimĤ mikropoþítaþe, dat a adres zapisujících se do externí RAM, kterými lze velmi úþinnČ Ĝídit produkci rušení. Jejich detailní popis je v kapitole 4.2.1. Tyto parametry se volí prostĜednictvím GUI PC aplikace. Na základČ Ĝídicích pĜíkazĤ se parametry nahrávají z PC do þíslicového modulu resp. opaþnČ. Aby byl bČh obou aplikací synchronizován, vkládají se mezi ostatní pĜíkazy a datové bloky pĜíkazy Ĝídicí režii pĜenosu.
AT pĜíkazy parametry þinnosti Ĝídicí pĜíkazy režie pĜenosu
smČr
význam mikropoþítaþ: kmitoþet jádra, mód þinnosti, dodateþné funkce mezi obČma externí RAM: adresa a data zápisu, dodateþné funkce, kontrola zápisu pošli parametry (Get_param), pĜijmi parametry (Set_param), PC ĺ modul zastav spuštČný mód (Stop_mode) mezi obČma potvrzování, nastavení a režie pĜenosu datových blokĤ Tab. 4.1: Druhy AT pĜíkazĤ a jejich významy
4.1 Firmware mikropoþítaþe Program byl napsán v pĜekladaþi ImageCraft v6.16a nabízející uživatelské prostĜedí, jaké je dnes obvyklé u pĜekladaþĤ jazyka C pro PC. Jedná se o kompilátor s plnou podporou ANSI C. PĜeložený program se do mikropoþítaþe nahrával programem NoIce v8.5, který byl také debuggerem, tedy nástrojem pro jeho ladČní v BDM (viz kapitola 3.1.1). UmožĖoval velmi efektivní a názorné krokování nahraného programu pĜímo v mikropoþítaþi vþetnČ možnosti breakpointĤ, prohlížení a editace programových promČnných nebo pamČti podle adres. Komunikaci mezi PC a mikropoþítaþem obstarávalo zaĜízení USB multilink 12E
42
spoleþnosti P&E Micro, které lze velmi zjednodušenČ chápat jako pĜevodník mezi USB a BDM. 4.1.1 Popis zdrojového kódu Zdrojový kód se skládá z pČti zdrojových .c a tĜí hlaviþkových .h souborĤ. Souþástí celého projektu je pak ještČ soubor definující nastavení projektu a pĜekladu emc.prj a soubor linkující všechny zdrojové soubory do projektu emc.src. Tyto dva soubory si vytvoĜí samo programovací prostĜedí. Výsledným produktem pĜekladaþe je kromČ jiného soubor emc.s19, který je strojovým kódem pro mikropoþítaþ s podporou ladČní debuggerem. Následuje struþný pĜehled obsahu jednotlivých zdrojových souborĤ. •
main.c: Poþáteþní inicializaci, hlavní smyþka a obsluhy pĜerušení.
•
func.c: RĤzné metody zápisu na externí RAM, další inicializace.
•
eeprom.c: Ovladaþe pĜístupu do pamČti EEPROM mikropoþítaþe (þtení, zápis, atd.).
•
sci.c: Ovladaþe pro interpretaci dat sériové komunikaþní linky (pĜevod na ĜetČzce þi rĤzné druhy þísel).
•
vectors.c: Tabulku vektorĤ pĜerušení, pĜevzato ze souborĤ v kompilátoru.
•
header.h: Definice konstant, maker, výþtových typĤ, struktur, funkcí a metod.
•
hc12def: Definice pĜevzaté ze souboru v kompilátoru, využívá se pouze makro ovládající globální pĜerušení.
•
mc9s12a128.h: Definice registrĤ daného typu mikropoþítaþe, pĜevzato ze souborĤ v kompilátoru.
Velmi zjednodušený vývojový diagram firmwaru mikropoþítaþe je na obr. 4.1. NČkteré parametry þinnosti (tab. 4.1) lze nastavit po resetu mikropoþítaþe pouze jednou, napĜ. pĜechod mezi Single Chip a Expanded Wide mode (tzn. pĜipojení resp. odpojení externí pamČti). Program je tedy koncipován tak, že pĜijde-li mikropoþítaþi pĜíkaz od PC na nastavení nových parametrĤ þinnosti, všechny parametry se naþtou z PC, uloží do pamČti EEPROM na þipu mikropoþítaþe a ten se následnČ sám resetuje. Potom se nové parametry v mikropoþítaþi nastaví. Program tedy není zacyklen v hlavní smyþce programu. Program se mĤže nacházet v dvou hlavních stavech, klidovém režimu a režimu rušení. V klidovém režimu mikropoþítaþ þeká na pĜíkazy a prakticky nic nevykonává, v režimu rušení provádí operace podle nastavených parametrĤ rušení. Mikropoþítaþ po své inicializaci zjistí z informací v pamČti EEPROM, jaká byla pĜíþina pĜedchozího resetu. MČl-li se uvést do klidového režimu, udČlá tak. V opaþném pĜípadČ se uvede do režimu rušení naþtením a nastavením parametrĤ þinnosti (rušení), které byly 43
v pĜedchozím cyklu (pĜed resetem) uloženy do EEPROM po naþtení z PC aplikace. Klidový režim znamená, že se nastaví takové parametry þinnosti, pĜi kterých mikropoþítaþ produkuje jen minimum rušení (kmitoþet jádra 2 MHz, Normal Single Chip mód, atd.). NáslednČ se podle kmitoþtu jádra nastaví pĜeddČliþky pro danou pĜenosovou rychlost sériové linky a referenþní kmitoþet pro editaci EEPROM. K faktickému rušení dochází v cyklu s blokem „Operace podle param. þinnosti“ podle vývojového diagramu. Dochází zde k zápisu na externí RAM (režim rušení) nebo pouze k procházení prázdné smyþky (klidový režim). Z této smyþky vyvede program pĜerušení ze sériové linky od PC aplikace nebo detekovaný chybný zápis do externí RAM v pĜípadČ že je kontrola povolena. Je-li pĜíkaz z pĜerušení Set_param, uživatel PC aplikaci zadal nové parametry þinnosti. To mĤže nastat jen, je-li v souþasnosti klidový stav. Nové parametry se pĜijmou, uloží spolu s informací o pĜíþinČ resetu a mikropoþítaþ se sám resetuje. Je-li pĜíkaz z pĜerušení Get_param, PC aplikace chce naþíst aktuální parametry þinnosti z EEPROM. Užívá se to napĜíklad, pĜihlašuje-li se modul PC aplikaci po zapnutí, naþte se vlastnČ poslední nastavení. Modul se po resetu nastaví do klidového režimu. Je-li pĜíkaz z pĜerušení Stop_mode, uživatel chce pĜerušit dosud probíhající režim rušení, modul se po resetu uvede do klidového režimu. PĜíkaz Stop_mode generuje i mikropoþítaþ, dojde-li k detekci chybného zápisu do externí RAM. Jelikož se vČtšinou pĜistupuje k celému dosažitelnému obsahu (16 kB), lze adresy s chybnČ zapsanými daty vypsat, jako datové bloky, do PC aplikace pro další analýzu. Datový pĜenos Ĝídí PC aplikace.
44
=$ýÈ7(.
,QLFLDOL]DFH PLNURSRþtWDþH
*HWBSDUDP6WRSBPRGH
3ĜtþLQDUHVHWX
6HWBSDUDP 1DVWDYHQtSDUDP =((3520
1DVWDYHQt NOLGRYêFKSDUDP
,QLFLDOL]DFH ((3520D6&,
3ĜHUXãHQt QHERFK\EQê ]iSLV 6HWBSDUDP 1DþWLSDUDPþLQ ]DSLãGR((3520
1(
2SHUDFHSRGOH SDUDPþLQQRVWL
*HWBSDUDP
6WRSBPRGH &K\EQê ]iSLVGR 5$0
3RãOLSDUDP þLQQRVWLGR3&
$12
9\SLãFK\E\GR 3&
1( 1DVWDYSĜtþLQ\ UHVHWXUHVHW
Obr. 4.1: Zjednodušený vývojový diagram firmwaru mikropoþítaþe
PamČti, do kterých se pĜistupuje, jsou namapovány podle obr. 4.2. Do externí RAM se stejnČ jako do jakékoliv pamČti na þipu mikropoþítaþe pĜistupuje dvoubytovČ ukazatelem, protože je namapovaná ve spoleþném pamČĢovém prostoru. Na pĜeþtení/zapsání celého pĜístupného bloku pamČti – 16384 B staþí 8192 pĜístupĤ. Pro jistá nastavení parametrĤ þinnosti, kdy se testuje rušení do þíslicových obvodĤ projevujících se chybným zápisem do externí RAM, se zapisují dané hodnoty nebo posloupnosti dat do celé pĜístupné pamČti. Jedná se tedy pouze o zápis hodnoty v cyklu inkrementovaného pointeru adresy. Mají-li být po zaplnČní celého obsahu zapsané hodnoty zkontrolovány podle pĜedem známého algoritmu, jsou opČt cyklicky þteny a porovnávány se skuteþnou, tedy zapisovanou hodnotou. Nastává otázka, jestli je tĜeba zajistit, aby þtení hodnot bylo provedeno zaruþenČ správnČ. MĤže-li nastat chyba pĜi zápisu, proþ by nemohla nastat pĜi þtení, když právČ provoz pamČti zpĤsobuje její rušení? ŠpatnČ pĜeþtená hodnota bude vyhodnocena jako špatnČ zapsaná, i když zápis mohl probČhnout v poĜádku. Nám se
45
ovšem jedná o poþet a pĜíþinu chybnČ provedených operací pamČti. Je tedy v podstatČ jedno jestli k chybČ došlo pĜi þtení nebo zápisu, v obou pĜípadech to vede k stejnému problému. V takovémto pĜípadČ stoprocentní jistotu o správnosti þtení mít nelze, je lze však aplikováno opatĜení zvyšující tuto pravdČpodobnost. ýtení jedné hodnoty se provádí víckrát v cyklu a hledá se shoda.
Obr. 4.2: Mapa pamČti mikropoþítaþe
K softwarovému resetu mikropoþítaþe se používá pĜekroþení time-outu watchdogu. Jednotlivé nastavené parametry þinnosti mikropoþítaþe jsou indikovány led diodami na desce. Program je napsán tak, aby mikropoþítaþ byl schopen uvést se do klidového režimu pĜi výskytu neoþekávané události, pĜi které by se mohl dostat do PC aplikací nedefinovaného stavu. Popis þinnosti jednotlivých funkcí a procedur zdrojového kódu jsou pĜímo ve zdrojových souborech.
4.2 PC aplikace V první fázi vývoje, po tom co byl oživen þíslicový modul, se pĜedpokládalo ovládání z PC pouze prostĜednictvím standardního hyperterminálu sériového portu. Byl tedy naprogramován jen vhodný firmware mikropoþítaþe a uživatelské rozhraní pro ovládání modulu bylo þistČ v textovém režimu s pomocí ovládacích prvkĤ na modulu (tlaþítka a DIP pĜepínaþe). S pokroþilejší dobou ladČní a testování se postupnČ rozrĤstaly možnosti pĜípravku demonstrovat vliv rušení, až se ovládání hyperterminálem stalo znaþnČ nepĜehledným a absolutnČ nevhodným pro výukové úþely. Bylo tedy potĜeba naprogramovat PC aplikaci s GUI, která vhodným zpĤsobem dokáže interpretovat to, co se v modulu právČ dČje. Aplikace byla naprogramována prostĜedí LabWindows/CVI v7.1. Je to ANSI C vývojové prostĜedí spoleþnosti National Instruments poskytující programátorovi knihovny a datové moduly ke komunikaci s mČĜicími pĜístroji pĜes rĤzná rozhraní a možnost tvorby GUI.
46
Tento prostĜedek byl zvolen pro svoji jednoduchou aplikovatelnost standardních rozhraní, jakým je i RS-232. PĜi vývoji byl nesporným pomocníkem hyperterminál kĜížovČ propojený sériovým portem s PC aplikací. Fungoval tak, jako simulace modulu a zobrazoval datový provoz na sbČrnici. 4.2.1 Popis aplikace Na rozdíl od programu do mikropoþítaþe je toto programování objektovČ orientováno. K jednotlivým ovládacím prvkĤm GUI se pĜistupuje jako k objektĤm, implementace je však þásteþnČ nestandardní s jazykem C resp. C++. Zdrojový kód se skládá ze zdrojového souboru serial.c, dvou hlaviþkových souborĤ serial.h, AT.h a souboru definující GUI serial.uir. LabWindows ještČ generuje soubor nastavení projektu a pĜekladu serial.prj a soubor linkující zdrojový kód serial.cws. Produktem pĜekladaþe je pak spustitelný soubor serial.exe. Tímto souborem lze aplikaci spustit, je-li na poþítaþi nainstalován LabWindows. V pĜípadČ, že tomu tak není, je potĜeba PC aplikaci nainstalovat spolu s podpĤrnými knihovnami. Instalaþní soubor s koncovkou .exe nebo .msi je v adresáĜi EMCdemo u zdrojových souborĤ.
Obr. 4.3: GUI PC aplikace
Základní okno aplikace je na obr. 4.3. Jelikož se program z vČtší þásti skládá z obsluh událostí od jednotlivých komponent, je výhodnČjší pro jeho pĜiblížení popsat jednotlivé události a ne vývojový diagram jako u firmwaru.
47
Tlaþítko Nastavení generuje okno, kde se nastavuje COM port poþítaþe, ke kterému je pĜipojen modul, a þas, po který se nejdéle þeká na pĜíchozí data. Po nastavení se lze spojit s modulem tlaþítkem Spojit (pĜíkaz Get_param).V pĜípadČ, že se spojení naváže, do aplikace se z mikropoþítaþe naþtou naposled spuštČné parametry þinnosti a modul þeká v klidovém režimu na spuštČní režimu rušení. ýerveným polem jsou oznaþeny ovládací prvky nastavující parametry þinnosti. PatĜí sem: •
Režim þinnosti nastavuje, bude-li se zapisovat na externí RAM, a jestli ano, tak jakým zpĤsobem. Jsou to jednoduché kombinace zadaných dat plnící celou pĜístupnou pamČĢ nebo jen zadanou adresu.
•
Kmitoþet jádra je kmitoþet interní sbČrnice mikropoþítaþe, který se rovná kmitoþtu pĜístupu na externí RAM, to je signálu ECLK. Rozsah je 2 až 24 MHz s krokem 2 MHz
•
ýíselná pole Adresa, Data1, Data2 konkretizují Režim þinnosti.
•
Kontrola pamČti provádí kontrolu každého zapsaného slova do externí RAM, používá se pĜi testování chybovosti zápisu.
•
ECLK control je funkce mikropoþítaþe redukující frekvenci pĜístupu na externí RAM.
•
ECLK je povolení/zakázání signálu ECLK, lze mČnit jen Single Chip Režimu þinnosti.
•
IVIS (Internal Visibility) je funkce mikropoþítaþe, která pĜi své aktivaci na jistý þasový okamžik pĜipne interní sbČrnici mikropoþítaþe na externí, tedy porty A, B. Funkce je zde prakticky nepoužitelné, ovšem výrazným zpĤsobem zvyšující produkci rušení.
•
Redukce portĤ je opČt funkce mikropoþítaþe umožĖující prodloužit dobu nábČžných resp. sestupných hran produkovaných signálĤ, což úþinnČ zužuje kmitoþtové spektrum rušení. Lze to v tomto pĜípadČ aplikovat jak na adresovČ-datovou sbČrnici (porty A,B), tak Ĝídicí signály komunikace s externí RAM (port E). Tlaþítko Konec ukonþuje aplikace, je možné ho aktivovat, je-li modul v klidovém
režimu. Tlaþítko START posílá pĜíkaz Set_param, aktivuje tak režim ruþení. Tlaþítko STOP ho pak ukonþuje pĜíkazem Stop_mode a uvádí modul do klidového režimu. Tlaþítko NápovČda otevĜe dokument formátu PDF s podrobným návodem obsluhy celého systému, vþetnČ popisu významĤ konkrétních hardwarových konfigurací.
48
NejvČtší prostor zabírá v oknČ aplikace Tabulka chyb. V pĜípadČ, že pĜi kontrole zapsaných dat na externí pamČĢ dojde k zjištČní chyby, aplikace to ohlásí s poþtem jejich výskytu na celých 16 kB obsahu (nevztahuje se tedy na zápis dat na jedno pamČĢové místo). Tyto chyby (adresy s chybným obsahem) lze následnČ nechat vypsat právČ do Tabulky chyb. Po této operaci se modul pĜepne do klidového režimu. Maximální poþet Ĝádku lze nastavovat, je zbyteþné v pĜípadČ velkého poþtu chyb vypisovat vše. StandardnČ je nastaveno 100 ĜádkĤ. Pro snazší analýzu a orientaci v chybných bitech 16-bitových slov a adres jsou hodnoty vypisovány hexadecimálnČ i binárnČ a lze Ĝádky Ĝadit vpravo umístČným pĜepínaþem. Stavy a dČje v programu se vypisují v informaþním textu pod Tabulkou chyb. Pravým kliknutím myši na ovládací prvky parametrĤ þinnosti se generuje pop-up okno s vysvČtlením konkrétní funkce. PĜi nepotvrzení nČjakého pĜíkazu protistranou (napĜíklad pĜi pĜerušení napájení modulu) je chyba v komunikaci PC aplikací hlášena a po odstranČní závady a opČtném pĜipojení mĤže komunikace pokraþovat. OšetĜeny jsou i stavy pĜipojování se k odpojenému nebo nenapájenému modulu. Popis þinnosti jednotlivých funkcí a procedur zdrojového kódu jsou pĜímo ve zdrojových souborech.
49
5 MČĜení na systému Úþelem mČĜení bylo zhodnotit úþinnost navržených prostĜedkĤ pro rušení, zjistit skuteþné parametry rušení a porovnat je s teoretickými pĜedpoklady, se kterými byly prostĜedky pro rušení navrhovány. Pro detailnČjší studium namČĜených charakteristik je možné využít obrázku (pĜípadnČ namČĜených hodnot) v datové podobČ, které jsou souþástí pĜílohy.
5.1 Radiaþní rušení vzduchem Radiaþní rušení bylo mČĜeno na jednotlivých zdrojích þíslicového modulu lokálnČ sondami HP11940 a 11941 z kapitoly 2.4.1 a vazbou na zpracovávaný signál analogovým modulem. Globální vyzaĜování modulu jako celku nebylo v dostupných podmínkách možné provést. Intenzitu rušení elektromagnetického pole v grafech reprezentuje intenzita magnetické složky H, kterou sondy mČĜí a která v blízkém poli rušení zpĤsobuje. PĜepoþet na intenzitu elektrické složky pole je uveden v kapitole 2.4.1 a spoþívá v pĜiþtení vlnové impedance prostĜedí, kterou lze pouze odhadnout.
100
75 normalni provoz redukovana frekvence ECLK redukovana strmost hran IVIS mod
90 80
mikropocitac 2MHz mikropocitac 24MHz
70 65
H (dB(uA/m))
H (dB(uA/m))
60 70 60 50
55 50 45 40
40 35 30 20
30 50
100
150
200
250 300 f (MHz)
350
400
450
25
500
50
100
150
200
250 300 f (MHz)
350
400
450
500
Obr. 5.1: Vliv parametrĤ þinnosti na radiaþní rušení na mikropoþítaþi
Na obr. 5.1 a je vliv rĤzných softwarových zásahĤ (parametrĤ þinnosti) na spektrum a intenzitu rušení pĜi zápisu na externí RAM. Mikropoþítaþ generuje a pĜijímá velké množství pĜevážnČ obdélníkových signálĤ rĤzné frekvence a stĜídy. Podle pĜedpokladĤ rychlejší a þastČjší zmČna logické úrovnČ na bránách zvýší intenzitu rušení, která se díky rĤznorodosti parametrĤ signálĤ promítne do velmi širokého spektra.
50
70
80 mikropocitac latch RAM
65 60
minimalni ruseni na RAM maximalni ruseni na RAM 70
60 H (dB(uA/m))
H (dB(uA/m))
55 50 45 40
50
40
35 30
30
25 20
50
100
150
200
250 300 f (MHz)
350
400
450
20
500
50
100
150
200
a)
250 300 f (MHz)
350
400
450
500
b) Obr. 5.2: ÚroveĖ rušení jednotlivých zdrojĤ
Radiaþní rušení elektromagnetickým polem generují proudové smyþky, þili sbČrnice, na kterých se mČní logické úrovnČ. ÚrovnČ intenzit a kmitoþtové rozložení rušení na jednotlivých aktivních souþástkách, podle obr. 5.2a, jsou proto podobná. Na obr. 5.2b je pĜíklad maximálního dosaženého rozdílu intenzity rušení, který je proveden pouze softwarovými zmČnami parametrĤ þinnosti.
51
140
100
Kmitocet jadra je 8MHz Kmitocet jadra je 14MHz Kmitocet jadra je 20MHz Kmitocet jadra je 24MHz
H (dB(uA/m))
100 X: 14.03 Y: 80.77
X: 8.032 Y: 75.33
80
X: 20.03 Y: 83.14
80 X: 481 Y: 64.76
70
X: 24 Y: 84.63
H (dB(uA/m))
120
Spoj 24MHz neredukovane hrany Spoj 24MHz redukovane hrany
90
60
60
X: 503.5 Y: 50.47
50 40 30
40 20
20 5
10
15
20
25
10
30
100
200
300
f (MHz)
a)
500 600 f (MHz)
700
800
900 1000
b)
160
50
140
40
X: 24 Y: 42.6
X: 0.1598 Y: 117.5
120
30
X: 0.3097 Y: 115
100
U (dB μV)
H (dB(uA/m))
400
80
20
10 60 0
40 20
0
1
2
3 f (MHz)
4
5
-10
6
0
50
c)
100 f (MHz)
150
200
d) Obr. 5.3: Lokalizace konkrétních signálĤ
PĜestože je podle pĜedchozích obrázkĤ patrné, že výsledná frekvenþní charakteristika radiaþního rušení je výslednicí mnoha pĜíspČvkĤ, lze v poli lokalizovat pĜedpokládané signály. Na obr. 5.3a jsou vidČt amplitudy sinusových signálĤ taktujících jádro mikropoþítaþe. Jsou to produkty smyþky fázového závČsu PLL v mikropoþítaþi, která podle potĜeby zadaného taktu násobí a dČlí kmitoþet vnČjšího oscilátoru (16 MHz). Na obr. 5.3b je spektrum vyzáĜené intenzity pole kolem vodiþe se signálem ECLK vedeného po obvodu DPS. Je zde také vidČt úþinek redukované strmosti hran signálu omezující vyšší harmonické obdélníkového signálu. Na obr. 5.3c je zobrazeno rušivé spektrum kolem spínavého zdroje. Je zĜejmé, že spínací kmitoþet použitého obvodu LM2596 je 150 kHz. Na obr. 5.3d je prĤnik Ĝídicího þíslicového signálu ECLK do výstupního signálu analogového zesilovaþe, který byl umístČn tČsnČ nad pamČtí RAM. Vazba mezi moduly byla pouze radiaþní, protože oba mČli vlastní zdroje napájení. Z vyzaĜovacích spekter je patrné, že rušení pĜekrývá i pásmo FM rozhlasových stanic. Umístíme-li pĜijímaþ tohoto vysílání k digitálnímu modulu, lze pozorovat podle
52
nastavených parametrĤ þinnosti a vedení ECLK signálu stavy od zhoršení kvality pĜijmu až po úplnou ztrátu užiteþného signálu v šumu produkcí rušení digitálním modulem.
5.2 Rušení do napájení Zde lze na rozdíl od pĜedchozího mČĜení pozorovat souþet úþinku od více zdrojĤ rušení najednou, protože jsou všechny napájeny jedním napájecím zdrojem. Bylo tedy možné pozorovat rozdílné úþinky aktivních souþástek na rĤznČ vedených napájecích vodiþích (viz kapitola 3.5.1), resp. jejich impedancích.
Single chip mode
Expanded wide mode
35
70 spravne napajeni spatne napajeni
spravne napajeni spatne napajeni
60
30
50 U (dB μV)
U (dB μV)
25
20
40 30
15 20 10
5
10
0
50
100
150 f (MHz)
200
250
0
300
0
200
400
600
800
1000
f (MHz)
Obr. 5.4: Maximální a minimální úrovnČ rušení
Na obr. 5.4 jsou spektra stĜídavých složek v napájení pro režimy bez (Single chip mode) a se zápisem na externí RAM (Expanded wide mode). Modrý prĤbČh oznaþuje stav maximálního využití dostupných hardwarových i softwarových prostĜedkĤ pro snížení produkce rušení, þervený naopak jeho maximální zesílení.V obou spektrech s potlaþeným rušením je patrný prĤnik rozhlasového FM vysílání v pásmu 88 – 108 Mhz.
53
70
40 pred zdrojem za zdrojem
60
30 U (dB μV)
U (dB μV)
50 40 30
25 20
20
15
10
10
0
bez ECLK ECLK redukovana strmost ECLK
35
0
50
100
150 f (MHz)
200
250
5
300
0
200
400
600
800
1000
f (MHz)
Obr. 5.5: PrĤnik rušení pĜed zdroj
Obr. 5.6: PrĤnik datového signálu do napájení
Na obr. 5.5 je dokumentován prĤnik þásti rušení z napájení parazitními vazbami skrze spínaný zdroj na jeho vstup. Na obr. 5.6 zase prĤnik þíslicového signálu do nezarušeného napájení pĜi soubČžném vedení signálu ECLK mezi napájecími vodiþi v délce cca 50 cm (rám kolem DPS). Pomalejší zmČny obvodových veliþin parazitní vazbu zmenšují, což lze pozorovat u redukované strmosti hran.
60
40 normalni provoz redukovana frekvence ECLK IVIS mod redukovana strmost hran
50
spravne napajeni, zapis, jadro 2MHz spravne napajeni, zapis, jadro 24MHz spravne napajeni bez zapisu, jadro 24MHz
35 30 U (dB μV)
U (dB μV)
40
30
25 20
20 15 10
0
10
0
200
400
600
800
5
1000
0
200
400
f (MHz)
600
800
1000
f (MHz)
a)
b) Obr. 5.7: Vliv parametrĤ þinnosti na napájecí napČtí
Parametry þinnosti mají stejnČ jako u radiaþního rušení stejný efekt na výsledné rušení do napájení aĢ již zvolíme jakoukoli variantu vedení napájecího spoje (obr. 5.7).
5.3 Rušení na þíslicových obvodech MČĜení spoþívalo v kontrole zapsaných hodnot do externí RAM, pĜi rĤznČ nastavených parametrech þinnosti a rĤzné hardwarové konfiguraci. Je samozĜejmé, že pĜi správném vedení
54
všech komunikaþních vodiþĤ mezi mikropoþítaþem a pamČtí k žádným chybám pĜi funkci nedochází a vše funguje bez ohledu na nastavené softwarové parametry þinnosti. Hlavní pĜíþinou poruchy funkce je nesoubČh Ĝídicích a datových signálĤ vlivem jejich zpoždČní na vedení a pĜeslechy zpĤsobené parazitními vazbami mezi datovými vodiþi. To je realizováno prodloužením jejich vodiþĤ viz kapitola 3.5.2. Tyto vlivy pĤsobí deformaci pulsĤ. RĤznými parametry þinnosti lze pak chybovost zvýšit nebo naopak chybovost úplnČ odstranit. Prodloužíme-li vodiþ ECLK vedením po obvodu DPS, zpozdí se signalizace platných dat na sbČrnici. Projeví se to chybami pĜi kmitoþtu od 20 MHz. Opaþná situace se stejnými následky nastane pĜi prodloužení multiplexované sbČrnice externím plochým vodiþem o délce 30 cm. Chybovost lze redukovat nebo zcela odstranit snížením kmitoþtu zápisu nebo zpomalením rychlejšího ze signálĤ softwarovou redukcí strmosti hran. ObecnČ lze konstatovat, že k vČtšímu poþtu chyb dochází pĜi zápisu slov, které mají v binárním vyjádĜení více nul. Na jejich místČ se objevují jedniþky. Na obr. 5.8 je pĜíklad výpisu chybného zápisu nejnižšího bitu dat na sudých adresách.
Obr. 5.8: Vypsané chyby v PC aplikaci
55
6 Zhodnocení dosažených výsledkĤ V Teoretické þásti této práce (kapitola 2) jsem komplexnČ popsal fyzikální pĜíþiny vzniku rušení, možnosti jeho šíĜení, dĤsledky vlivu na okolní elektroniku a vzájemnou souvislost s EMC. Vycházím se z fyzikálních podstat tČchto nežádoucích dČjĤ, díky jejichž opodstatnČní pak hledám úþinná opatĜení proti jejich vzniku nebo pĤsobení. TČmi jsou pĜedevším pro tento úþel urþené souþástky a metodika vedení spojĤ na DPS. V závČru této þásti jsem uvedl dostupné metody mČĜení tohoto rušení. V kapitole 3 a 4 jsem popsal návrh a realizaci hardwaru a softwaru pĜípravku pro demonstraci vlivu dodržování a porušování obecných pravidel EMC na elektronické obvody. Vývoj systému zaþal ovČĜování teoretických pĜedpokladĤ o rušení na univerzální DPS s mikropoþítaþem. Na základČ nabytých zkušeností jsem navrhl zapojení a následnČ DPS. Desky jsem osadil a oživil. V této fázi jsem zaþal testovat úþinnost a pĜedpokládané vlastnosti produkovaného rušení resp. jeho vliv na citlivé obvody. Z konkrétních výsledkĤ jsem navrhl demonstraþní možnosti systému a podle nich pak naprogramoval vhodné Ĝízení a ovládání zaĜízení. To se skládá z firmwaru mikropoþítaþe a PC aplikace s intuitivním ovládáním vhodným pro výukové úþely. PĜi testování systému jsem namČĜil ukázková data, která jsem pro objektivní posouzení upravil v programu Matlab. Souþástí pĜípravku je také podrobná dokumentace o jeho ovládání a možnostech. Kapitola 5 hodnotí navržené metody formou frekvenþních charakteristik spekter rušení a detekovaných datových chyb na þíslicových obvodech. Je tĜeba poznamenat, že ne všechny zdroje a vlivy rušení dosáhli pĜedpokládaného efektu, který by byl vhodný pro demonstraci. Nedostatky a zároveĖ prostor pro další práci na tomto pĜípravku vidím pĜedevším v možnostech snížení vlivu rušení na analogové obvody. Naopak velmi prĤkazné jsou frekvenþní spektra Ĝízených zdrojĤ radiaþního rušení i rušení v napájení a široké možnosti v Ĝízení chybovosti funkce þíslicových obvodĤ.
56
7 Literatura [1]
Vaculíková P., Vaculík E.: Elektromagnetická kompatibilita elektrotechnických systémĤ. Grada Publishing, Praha 1998.
[2]
Záhlava V.: Návrh a konstrukce desek plošných spojĤ. Vydavatelství ýVUT, 2005, ISBN 80-01-03351-1.
[3]
Ústav radioelektroniky FEKT VUT v BrnČ: Encyklopedie elektromagnetické kompatibility. 2004, dostupné na: http://www.urel.feec.vutbr.cz/EncyklopedieEMC/index.php.
[4]
Katalogové listy mikropoþítaþĤ rodiny HCS12. Dostupné na: http://www.freescale.com.
57
8 PĜílohy 8.1 Seznam obrázkĤ Obr. 1.1: Schéma mČĜicího systému........................................................................................... 2 Obr. 2.1: Schéma elektromagnetického rušení........................................................................... 3 Obr. 2.2: Odpor vodivé vrstvy na DPS ...................................................................................... 5 Obr. 2.3: Indukþnost vedení na oboustranné DPS ..................................................................... 6 Obr. 2.4: Galvanická vazba na analogových obvodech ............................................................. 7 Obr. 2.5: Elementární CMOS hradlo ......................................................................................... 8 Obr. 2.6: Galvanická vazba na þíslicových obvodech................................................................ 8 Obr. 2.7: Vedení s rozprostĜenými parametry.......................................................................... 11 Obr. 2.8: Kapacitní a induktivní vazby na vedení.................................................................... 13 Obr. 2.9: Souhlasné a nesouhlasné rušení ................................................................................ 16 Obr. 2.10: Obecné spektrum obdélníkového prĤbČhu.............................................................. 16 Obr. 2.11: Náhradní obvod reálné cívky .................................................................................. 18 Obr. 2.12: Frekvenþní charakteristika skuteþné cívky ............................................................. 18 Obr. 2.13: ProudovČ kompenzovaná tlumivka......................................................................... 19 Obr. 2.14: Náhradní obvod reálného kondenzátoru ................................................................. 20 Obr. 2.15: Vliv pĜívodĤ dvojpólového kondenzátoru 250nF na hodnotu vloženého útlumu .. 21 Obr. 2.16: SíĢový filtr............................................................................................................... 22 Obr. 2.17: Filtry nesouhlasného rušení .................................................................................... 22 Obr. 2.18: MČĜicí soustava radiaþního rušení .......................................................................... 27 Obr. 2.19: Katalogová závislost AF na frekvenci sond HP 11941, 11940 .............................. 28 Obr. 2.20: Parametrizovaná závislost AF na frekvenci pro sondy HP 11941, 11940.............. 29 Obr. 3.1: Logické a fyzické uspoĜádání pĜípravku................................................................... 30 Obr. 3.2: ěízení strmosti hran signálĤ...................................................................................... 32 Obr. 3.3: PĜipojení externí RAM k mikropoþítaþi ................................................................... 36 Obr. 3.4: ZpĤsoby napájení nejvýkonnČjších obvodĤ.............................................................. 40 Obr. 4.1: Zjednodušený vývojový diagram firmwaru mikropoþítaþe ...................................... 45 Obr. 4.2: Mapa pamČti mikropoþítaþe...................................................................................... 46 Obr. 4.3: GUI PC aplikace ....................................................................................................... 47 Obr. 5.1: Vliv parametrĤ þinnosti na radiaþní rušení na mikropoþítaþi ................................... 50 Obr. 5.2: ÚroveĖ rušení jednotlivých zdrojĤ............................................................................ 51
58
Obr. 5.3: Lokalizace konkrétních signálĤ ................................................................................ 52 Obr. 5.4: Maximální a minimální úrovnČ rušení ...................................................................... 53 Obr. 5.5: PrĤnik rušení pĜed zdroj............................................................................................ 54 Obr. 5.6: PrĤnik datového signálu do napájení ........................................................................ 54 Obr. 5.7: Vliv parametrĤ þinnosti na napájecí napČtí............................................................... 54 Obr. 5.8: Vypsané chyby v PC aplikaci ................................................................................... 55
8.2 Seznam tabulek Tab. 2.1: PĜíkon a zpoždČní nČkterých technologii integrovaných obvodĤ ............................. 10 Tab. 2.2: Parametry rĤzných vedení......................................................................................... 13 Tab. 2.3: Doporuþené kapacity kondenzátorĤ pro kmitoþty rušení ......................................... 21 Tab. 2.4: Parametry pĜepČĢových ochran ................................................................................. 26 Tab. 4.1: Druhy AT pĜíkazĤ a jejich významy......................................................................... 42
59
8.3 Elektrická schémata 8.3.1 Analogový modul
8.3.2 Terminátor
60
8.3.3 ýíslicový modul
61
8.4 Desky plošných spojĤ 8.4.1 Analogový modul
Top
Bottom
8.4.2 Terminátor
Top
8.4.3 ýíslicový modul
Top
62
Bottom
8.5 Osazovací výkresy 8.5.1 Analogový modul
Top
8.5.2 Terminátor
Top
63
8.5.3 ýíslicový modul
Top (na stranČ Bottom jsou pouze propojky „rozlitých“ zemí)
8.6 Seznamy souþástek 8.6.1 Analogový modul poþet 1 1 1 3 5 1 1 1 1 1 1 1 1
reference C1 C2 D1 J1,J6,J7 J3,J4,J5,J11,J12 J10 L1 R2 R3 R4 R5 R6 U1
typ 100uF/16V 100nF LED red pinová lišta pinová lišta pinová lišta 10uH 100k 10k 0R 470R 1k OPA2340
64
pouzdro SMD-D SMD-0805 SMD-1206 1x3,roztec 2,5mm 1x2,roztec 2,5mm 2x2, rozteþ 2,5mm SMD SMD-0805 SMD-0805 SMD-0805 SMD-0805 SMD-0805 DIP-8
8.6.2 Terminátor poþet 1 1 1 1
reference C1 J1 J2 U1
typ 100nF pinová lišta pinová lišta 74S1053
pouzdro SMD-0603 2x5, rozteþ 2,5mm 2x5, rozteþ 2,5mm SO-20
8.6.3 ýíslicový modul poþet 4 12 8 3 4 6 1 1 2 1 3 1 4 1 3 1 1 27 2 7 1 3 1 4 2 4 2 11 2 2 3 2 1 1 1 1 3 5 1 4 1
reference C1,C2,C3,C12 C5,C10,C14,C20,C24,C33,C35,C37,C39,C41,C43,C46 C4,C6,C13,C21,C22,C23,C25,C52 C7,C8,C15 C9,C50,C51,C53 C11,C34,C36,C38,C40,C42 C16 C17 C18,C19 C26 C48,C49,C55 C54 D1,D2,D3,D4 D5 D6,D7,D8 D9 D10 J1,J2,J3,J17,J8,J9,J10,J20,J25,J26,J28,J29,J30,J34,J35,J3 6,J37,J38,J39,J42,J61,J54,59,J70,J74,J75,J78 J4,J67 J5,J6,J7,J13,J16,J55,J58 J68 J11,J31,J40 J12 J15,J69,J21,J22 J18,J41 J19,J23,J24,J27 J32,J33 J43,J44,J45,J46,J47,J62,J63,J64,J65,J66,J71 J52,J57 J60,J77 J72,J73,J79 L1,L2 L3 P1 Q1 R25 R1,R29 R2,R3,R4,R5,R20 R6 R7,R8,R9,R21 R27
65
typ 100pF 100nF 100nF 220nF 220uF/25V 10uF/16V 22nF 2,2nF 22pF 470nF 47uF/16V 1mF/35V LED red LED green SM5408 MBRS340 BZV55C39
pouzdro SMD-0805 SMD-0603 SMD-0805 SMD-0805 smd axiální SMD A SMD-0603 SMD-0603 SMD-0603 SMD-0805 SMD C drátový SMD 1206 SMD 1206 MELF SMC (D0-214AB) SOD-80
pinová lišta
1x2,rozteþ 2,5mm
pinová lišta BNC konektor napájecí konektor pinová lišta pinová lišta pinová lišta konektor 2-piny pinová lišta pinová lišta pinová lišta dutinková lišta pinová lišta pinová lišta tlumivka,10uH tlumivka,47uH konektor IRLL2705 4k7 4k7 470R 3k3 1M 1M
2x3,rozteþ 2,5mm BNC-Z 50RW SCD-016 2x8,rozteþ 2,5mm 2x6,rozteþ 2,5mm 1x3,rozteþ 2,5mm ARK 3,5 1pin 2x4,rozteþ 2,5mm 1x3,rozteþ 2mm 2x5,rozteþ 2,5mm 2x3,rozteþ 2mm 2x2,rozteþ 2,5mm SMD SMD CAN 9,samice SOT223 SMD-0603 SMD-0805 SMD-0805 SMD-0603 SMD-0805 SMD-0603
12 2 2 1 3 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1
R10,R11,R12,R13,R14,R15,R16,R17,R18,R19,R26,R28 R30,R31 R32,R33 SW1 SW2,SW3,SW4 U1 U2 U3,U6 U4 U5 U7 U8,U12 U9 U10 U11 U13 U14 U15 Y1
66
10k 10R/2W 47k pĜepínaþ DIP-8 tlaþítko CD40106B 9S12A128 DVIUL6C MAX232A NFW31S KBMF 74HCT573 EMIF01 MC34064 K6R1016C1D MAX5048 74LVC3GU04 LM2596/TO263 16MHz
SMD-0805 drátový SMD-0805 DIP 8X P-B1720/SMD SO-14 QFP-80 SOT23-6L TSSOP-16 smd SOT23-6L SO-20 SOT232-5L SO-8 44-SOJ-400 SOT23-6L TSSOP-8 TO-263 SMD SMD
8.7 Obsah pĜiloženého CD •
[firmware mikropocitace] - Zdrojové a pĜeložené soubory pro mikropoþítaþ.
•
[PC aplikace] - Zdrojové a pĜeložené soubory pro PC aplikaci.
•
[m-file_Matlab] - Zdrojové soubory Matlabu.
•
[namerena_data] - Data a obrázky namČĜených prĤbČhĤ.
•
[fotografie] - Fotografie pĜípravku.
•
[textova verze DP] - Diplomová práce ve formátu doc a pdf.
•
[obrazky z DP] - Obrázkové podklady pro vypracování diplomové práce.
•
[schemata] - Elektrická schémata modulĤ ve formátu pro OrCad Capture.
•
[layout DPS] - Obrazy DPS modulĤ ve formátu OrCad Layout.
•
[katalogove listy] - Katalogové listy použitých souþástek.
67
