Mikroelektronické praktikum

Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. Prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Mikroelektronické praktikum Laboratorní cvičení

Vysoké učení technické v Brně 2011

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

Tento učební text byl vypracován v rámci projektu Evropského sociálního fondu č. CZ.1.07/2.2.00/07.0391 s názvem Inovace a modernizace bakalářského studijního oboru Mikroelektronika a technologie a magisterského studijního oboru Mikroelektronika (METMEL). Projekty Evropského sociálního fondu jsou financovány Evropskou unií a státním rozpočtem České republiky.

2

FEKT Vysokého učení technického v Brně

Obsah 1

TRANZISTOROVÝ SPÍNAČ A ZESILOVAČ ............................................................ 5 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

2

RADIOPŘIJÍMAČ ........................................................................................................ 18 2.1

3

POSTUP:.................................................................................................................. 18

OPERAČNÍ ZESILOVAČ - ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ.............................................. 19 3.1

4

POSTUP:.................................................................................................................... 5 TRANZISTOROVÉ ZESILOVAČE..................................................................................... 8 DOPLŇUJÍCÍ POČÍTAČOVÉ CVIČENÍ ............................................................................ 12 ZESILOVAČ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM ............................................................... 15 ZESILOVAČ S TRANZISTOREM JFET .......................................................................... 16 PROUDOVÝ ZDROJ ..................................................................................................... 16 DIFERENČNÍ ZESILOVAČ ............................................................................................ 17

POSTUP:.................................................................................................................. 19

OPERAČNÍ ZESILOVAČ - VYBRANÉ APLIKACE .............................................. 22 4.1 POSTUP:.................................................................................................................. 22 ZADÁNÍ................................................................................................................................. 24 4.2 HORNÍ A DOLNÍ PROPUST S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM ............................................. 25 4.3 MULTIVIBRÁTOR S OZ.............................................................................................. 26 4.4 ZESILOVAČ A NÁSOBIČ VE TŘÍDĚ C ........................................................................... 27 4.5 POČÍTAČOVÉ CVIČENÍ ............................................................................................... 29 4.6 DEMODULÁTOR A SMĚŠOVAČ ................................................................................... 30 4.7 POČÍTAČOVÉ CVIČENÍ ............................................................................................... 32 4.8 LABORATORNÍ CVIČENÍ ............................................................................................. 33

5

ASTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD - MULTIVIBRÁTOR ........................................... 34 5.1

6

POSTUP:.................................................................................................................. 34

DIGITÁLNÍ OBVODY. ................................................................................................ 36 6.1

POSTUP:.................................................................................................................. 36

Mikroelektronické praktikum L

3

Seznam obrázků OBR. 1.1 ELEKTRONICKÝ SPÍNAČ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM ................................................6 OBR. 1.2 ZESILOVAČ S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM ...................................................................7 OBR. 1.3 VNITŘNÍ PROPOJENÍ KONTAKTNÍHO NEPÁJIVÉHO POLE .................................................8 OBR. 1.4 ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU........................................................8 OBR. 1.5 MALOSIGNÁLOVÉ MODELY BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU..............................................9 OBR. 1.6 ZJEDNODUŠENÝ MODEL TRANZISTORU PRO „RUČNÍ“ ŘEŠENÍ PRACOVNÍHO BODU ........9 OBR. 1.7 ZÁKLADNÍ VARIANTA ZAPOJENÍ SE............................................................................10 OBR. 1.8 ZÁKLADNÍ VARIANTA ZAPOJENÍ SC............................................................................11 OBR. 1.9 ZÁKLADNÍ VARIANTA ZAPOJENÍ SB............................................................................11 OBR. 1.10 ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU ...............................................................................................12 OBR. 1.11 ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU PRO SE...................................................................................13 OBR. 1.12 ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU PRO SC ..................................................................................14 OBR. 1.13 ZAPOJENÍ PŘÍPRAVKU PRO SB ..................................................................................14 OBR. 1.14 JEDNOSTUPŇOVÝ ZESILOVAČ V ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM EMITOREM S TRANZISTOREM JFET .....................................................................................................16 OBR. 2.1 JEDNODUCHÝ PŘIJÍMAČ AM .......................................................................................18 OBR. 2.2 ....................................................................................................................................19 OBR. 3.1 ZAPOJENÍ VÝVODŮ MA1458 ......................................................................................19 OBR. 3.2 INVERTUJÍCÍ ZESILOVAČ S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM ................................................20 OBR. 3.3 NEINVERTUJÍCÍ ZESILOVAČ S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM ...........................................20 OBR. 3.4 PŘEVODNÍK PROUD - NAPĚTÍ ......................................................................................21 OBR. 3.5 DERIVAČNÍ OBVOD S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM ........................................................21 OBR. 3.6 AKTIVNÍ DOLNÍ PROPUST S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM ...............................................22 OBR. 4.1 LINEÁRNÍ OHMMETR S OPERAČNÍM ZESILOVAČEM .....................................................23 OBR. 4.2 JEDNOCESTNÝ USMĚRŇOVAČ S OZ.............................................................................23 OBR. 4.3 GENERÁTOR SIGNÁLU OBDÉLNÍKOVÉHO (TROJÚHELNÍKOVÉHO ) PRŮBĚHU ................24 OBR. 4.4 DOLNÍ PROPUST ..........................................................................................................26 OBR. 4.5 HORNÍ PROPUST ..........................................................................................................26 OBR. 4.6 MULTIVIBRÁTOR S OZ ...............................................................................................27 OBR. 4.7 PRINCIPÁLNÍ ZAPOJENÍ ZESILOVAČE A NÁSOBIČE. ......................................................27 OBR. 4.8 ČASOVÉ PRŮBĚHY NAPĚTÍ A PROUDŮ .........................................................................28 OBR. 4.9 ZESILOVAČ A NÁSOBIČ ...............................................................................................29 OBR. 4.10 SÉRIOVÝ AM DEMODULÁTOR ..................................................................................30 OBR. 4.11 STATICKÁ PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA DEMODULÁTORU ......................................31 OBR. 4.12 ODTRŽENÍ MODULAČNÍ OBÁLKY ..............................................................................31 OBR. 4.13 PRINCIPIÁLNÍ SCHÉMA MĚNIČE KMITOČTU ...............................................................32 OBR. 4.14 ADITIVNÍ SMĚŠOVAČ ................................................................................................32 OBR. 4.15 DEMODULÁTOR A SMĚŠOVAČ ...................................................................................33 OBR. 5.1 USPOŘÁDÁNÍ VÝVODŮ MULTIVIBRÁTORU S INVERTORY TTL, XX 7404, XX 7400. ..35 OBR. 5.2 PRINCIP VYTVÁŘENÍ PŘERUŠOVANÉHO TÓNU .............................................................35 OBR. 5.3 JINÉ ZAPOJENÍ MULTIVIBRÁTORU S INVERTORY TTL..................................................36 OBR. 5.4 ZAPOJENÍ MULTIVIBRÁTORU S ČASOVAČEM 555 ........................................................36 OBR. 6.1 ZAPOJENÍ DEKADICKÉHO ČÍTAČE (4518) S INDIKACÍ STAVU POMOCÍ LED .................37 OBR. 6.2 ZAPOJENÍ ČÍTAČE - HODIN S INDIKACÍ STAVU POMOCÍ SEDMISEGMENTOVÉHO DISPLEJE ..........................................................................................................................................38

4

Seznam tabulek Chyba! Nenalezena položka seznamu obrázků.



5

1 Tranzistorový spínač a zesilovač CÍL ÚLOHY: Seznámit se základním prvkem analogových i digitálních obvodů - tranzistorem a ověřit jeho zesilovací schopnost v zapojení jednoduchého spínače a nízkofrekvenčního zesilovače. Užitím bipolárního nf tranzistoru NPN a základních pasivních prvků sestavte tranzistorový spínač a zesilovač na kontaktním nepájivém poli. Vyzkoušejte funkci obou obvodů. Kontaktní nepájivé pole vám umožní velmi rychlé sestavení a snadnou změnu i opravu obvodu. Propojky realizujte drátky s odizolovanými konci

1.1 POSTUP: A) Spínač: Podle Obr. 1.1 zapojte postupně všechny součástky na desku kontaktního pole, vznikne tak jednotranzistorový elektronický spínač. Lze použít libovolný typ NPN tranzistoru, např. KC507-KC509, BC 547 apod. Při pohledu na vývody tranzistoru (ze strany vývodů): báze je u většiny tranzistorů uprostřed vlevo, kolektor nahoře a emitor dole. Před připojením napájecího zdroje k obvodu, zkontrolujte, zda je napětí nastaveno na zadanou hodnotu a proudové omezeni nastaveno přibližně na 10 až 100mA. Proudová ochrana pak většinou zamezí případnému zničení součástek při nesprávném zapojení. Spínač vyzkoušíme tak, že přiložíme odpor 1k mezi vstup IN a napájení +5V. Dáváme zároveň pozor, abychom nezkratovali tranzistor. Luminiscenční dioda (light emitting diode LED) by se měla rozsvítit. Výstupní proud tekoucí zátěží (LED) je asi 10 krát větší než vstupní proud tekoucí do báze - tranzistor zesiluje. Tranzistory s vyšším zesilovacím činitelem b>100 je možno sepnout i přes odpor lidské kůže na prstě, který se pohybuje řádově v desítkách kiloohmů. Pokud vstup IN umístíme do blízkosti napájení +5V, získáme jednoduchý senzorový spínač. Po přemostění obou vodičů prstem se LED rozsvítí v závislosti na vstupním proudu (síle stisku), který je podle Ohmova zákona nepřímo úměrný odporu (kůže).

6


1k I

$

+5 C 220

B

BC547 E

2k2

B

C

C

KC507-

B + 220µ

E E 0

Obr. 1.1 Elektronický spínač s bipolárním tranzistorem DOPLŇKOVÁ ÚLOHA: Připojte mezi vstup IN a zem (0 V) elektrolytický kapacitor 100mF (je třeba dbát na polaritu vývodů). Stejně jako v předchozím případě přemostíme vstup IN a kladné napájecí napětí +5V prstem nebo odporem řádu kiloohmů. Vytvořili jsme tak vlastně RC článek. Pozorujeme postupné rozsvěcování LED. Je to způsobeno akumulační schopností kapacitoru, který se postupně nabíjí přes odpor na vstupu. Napětí na vývodech kapacitoru roste. Po ukončení dotyku naopak LED pomalu zhasíná, kondenzátor se vybíjí do báze tranzistoru.

B) Nf zesilovač: Nízkofrekvenční zesilovač vznikne ze spínače jednoduchou obměnou pasivních prvků podle níže uvedeného Obr. 1.2. Hlavní odlišností je odpor mezi bází (B) a kolektorem (C), který slouží k nastavení proudu do báze tranzistoru tak, aby na kolektoru bylo napětí rovné přibližně polovině napájecího napětí - nastavuje tzv. pracovní bod tranzistoru. Změnou proudu báze kolem nastavené hodnoty dosáhneme změny napětí v kolektoru - tranzistor může v tomto zapojení zesilovat střídavý signál. Kapacitory na vstupu i výstupu, oddělují zesilovač od okolních obvodů. Tak je zaručeno, že např. při zapojení generátoru nedojde ke změně nastaveného pracovního bodu. Zesilovač vyzkoušíme pomocí nf generátoru. Úroveň výstupního signálu generátoru nastavíme na velikost několika desítek milivoltů a frekvenci zvolíme do slyšitelné oblasti např. 1kHz. Na vstup NF IN zesilovače připojíme sluchátko jako elektroakustický měnič. Slyšíme slabý zvuk. Nyní přepojíme ‘živý’ konec sluchátka na výstup zesilovače NF OUT. Zvuk je podstatně silnější - obvod zesiluje. Vstupní i výstupní signál zobrazte osciloskopem v dvoukanálovém režimu a pozorujte jaký vliv má nastavení pracovního bodu tím, ze změníte hodnotu odporu 47k (odpor můžete nahradit potenciometrem 500k s ochranným odporem 1k v sérii). Pracovní bod je dobře nastaven, pokud výstupní signál není příliš zkreslen. Optimum


7

se dosáhne, když je na kolektoru přibližně polovina napájecího napětí. Z úrovně vstupního a výstupního signálu určete napěťové zesílení obvodu. +5

100 47k

Nf gen

OUT

2µF

NF

C

220µF +

NF

B E

0 Obr. 1.2 Zesilovač s bipolárním tranzistorem PRO ZVLÁŠTĚ POKROČILÉ: Přidejte k zesilovači komplementární stupeň s výkonovými tranzistory v zapojení se společným kolektorem. Takto získáte základní zapojení nízkofrekvenčního výkonového zesilovače, vhodného např i pro napájení reproduktoru.

Barevný kód rezistoru: 1.číslice Hnědá Červená Oranžová Žlutá Zelená Modrá Fialová Šedá Bilá Černá Zlatá Stříbrná

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

2.číslice 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

Násobitel (počet nul) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0.1 0.01

Tolerance % 1 2

5 10

Pozn.: Některé přesnější druhy rezistorů mají 3 číslice, místo 2 číslic ( jeden proužek navíc).

8


Obr. 1.3 Vnitřní propojení kontaktního nepájivého pole

1.2 Tranzistorové zesilovače Základní zapojení – přehled Bipolární tranzistor je možné zapojit jedním ze tří základních způsobů, Obr. 1.4. Na obrázku jsou uvedena zjednodušená schémata pro střídavé signály. Rezistor R1 vyjadřuje ekvivalentní odpor připojený ke vstupní svorce tranzistoru, R2 je pak celkový odpor připojený k výstupní svorce.

Obr. 1.4 Základní zapojení bipolárního tranzistoru

Předpokládáme-li, že tranzistorový zesilovač pracuje s malými signály a nízkými kmitočty, můžeme jeho vlastnosti vyjádřit obecně několika základními charakteristikami. Proudové, napěťové a výkonové zesílení i vstupní a výstupní odpor tranzistoru jsou dány parametry tranzistoru ve zvoleném pracovním bodu a závisí rovněž na velikosti zátěže R2, resp. ekvivalentnímu odporu budícího generátoru R1. U napěťové zesílení AU = 2 U1 I proudové zesílení AI = 2 I1 P AP = 2 = AU AI výkonové zesílení P1 U RVST = 1 vstupní odpor I1


9

U 20 I 2K (U20 je výstupní napětí naprázdno, I2K je výstupní proud nakrátko) RVYST =

výstupní odpor

Modelování tranzistorů Pro modelování tranzistorů v nízkofrekvenční oblasti se používá formální hybridní model (definovaný H-parametry) nebo fyzikální Giacolettův model (někdy označovaný jako hybridní π model), obr. 2. rmi rx h11 h12

h22

rpi

h21

Cmi Cpi

ro gm

Obr. 1.5 Malosignálové modely bipolárního tranzistoru

Parametry H jsou obecně komplexní, parametry Giacolettova modelu jsou reálné a konstantní do frekvence ≈ 0.1 f T . Při zanedbání zpětného působení (parametr h12, resp. Cµ, rµ) a odporu rx mezi vnější a vnitřní bází jsou oba modely podobné. Parametry Giacolettova modelu je možné odhadnout ze znalosti pracovního bodu: strmost: g m ≈ 35I C (pro nízké hodnoty IC) β vstupní odpor: rπ = gm V výstupní odpor: rO = E IC kde β (h21E) je proudový zesilovací činitel, VE je Earlyho napětí (typ. ≈100V) a IC je stejnosměrný kolektorový proud. Obecně u bipolárních tranzistorů je problémem výrobní rozptyl a teplotní závislost parametrů. U netříděných tranzistorů je v případě parametru β (h21E) nutné počítat s rozptylem –50%+100%, u tříděných obvykle ±30%. Pro omezení vlivu tohoto rozptylu musí v obvodu existovat nějaký druh zpětné vazby. Pro ruční návrh pracovního bodu postačí použít model podle Obr. 1.6. Emitorový přechod se modeluje jako napěťový zdroj UBE, kolektor pak proudovým zdrojem.

Ube

Ic=beta Ib

Obr. 1.6 Zjednodušený model tranzistoru pro „ruční“ řešení pracovního bodu Zapojení SE

10


Zapojení SE se v technické praxi vyskytuje nejčastěji. Vstupní signál je přiveden mezi bázi a emitor, výstupní se odebírá v obvodu kolektor-emitor. PN přechod báze-emitor je pólován v propustném směru, proto je vstupní odpor mezi bází a emitorem malý (řádově kΩ). Je zřejmé že vzhledem k hodnotě vstupní odporu je třeba do tranzistoru dodávat pro jeho řízení určitý výkon. Ve výstupním obvodu vykazuje tranzistor na kolektoru velký výstupní odpor (desítky až stovky kΩ) ke kterému je ovšem nutno přidat paralelně daleko nižší odpor RC. Velmi často se do emitoru zapojuje rezistor RE, který zavádí sériovou proudovou zápornou zpětnou vazbu, která snižuje zesílení, zvyšuje vstupní i výstupní odpor. Záporná zpětná vazba také snižuje vliv rozptylu parametrů a teplotních závislostí. Pro zapojení na Obr. 1.7 je možné odvodit následující zjednodušené vztahy, které poslouží pro orientační výpočty:

Ucc Rb1

Rb2

Rc

Re

Ce

Obr. 1.7 Základní varianta zapojení SE zesílení naprázdno

− g m RC pro AUO >> 1 , kde ZE je impedance spojení RE CE 1+ gm Z E =& Rb1 || Rb 2 || rπ (1 + g m Z E )

AU 0 =&

ZVST vstupní impedance výstupní odpor RVYST =& RC

Emitorový kondenzátor CE se používá pokud je třeba pro střídavý signál zablokovat rezistor RE a tím zvýšit zesílení v oblasti středních kmitočtů. Pro dobrou stabilizaci pracovního bodu jednostupňového zapojení se doporučuje napětí U E = 1÷ 2V , příčný proud bázovým děličem I D = (3 ÷ 10) I B . Zapojení SC V základním zapojení SC je vstupní signál přiváděn mezi bázi a kolektor a výstupní signál odebírán mezi emitorem a kolektorem. Tomuto zapojení se říká emitorový sledovač, protože výstupní napětí sleduje co do amplitudy i fáze vstupní napětí ( U 2 =& U 1 − 0.65V ). Vstupní odpor je vysoký ( ≈ βR2 ), výstupní odpor nízký ( ≈ R1 / β + 1 / g m ), Obr. 1.4.

Pro zapojení na Obr. 1.8 je možné odvodit zjednodušené vztahy. Protože je u toho zapojení silná vazba mezi vstupem a výstupem ( h12C ≈ 1 ), tak se na vstupní i výstupní impedanci silně podílí odpor zátěže i generátoru.


11

Ucc Rb1

Rb2

Re

Obr. 1.8 Základní varianta zapojení SC g m RE 1 + g m RE =& Rb1 || Rb 2 || rπ (1 + g m R2 )

zesílení naprázdno

AU 0 =&

vstupní odpor

RVST

 1 R  RVYST =& RE ||  + 1   gm β  kde R2 je paralelní kombinace RE a odporu zátěže a R1 přestavuje paralelní kombinaci Rb1, Rb2 a vnitřního odporu zdroje signálu. U zapojení SC vznikají při kapacitní zátěži problémy se stabilitou.

výstupní odpor

Zapojení SB Vstup je připojen mezi emitor a bázi, výstup mezi kolektor a bázi. Budícím proudem je emitorový proud. V tomto zapojení nemůže tranzistor proudově zesilovat. Vstupní odpor je malý ( ≈ 1 / g m ), výstupní odpor na kolektoru je velký, prakticky je určen RC. Pro zapojení na Obr. 1.9 je možné odvodit zjednodušené vztahy:

Rc

Ucc

Rb1 Re

Rb2 Cb

Obr. 1.9 Základní varianta zapojení SB zesílení naprázdno vstupní odpor výstupní odpor

RVYST

AU 0 =& g m RC 1 RVST =& || RE gm =& RC

12


Kondenzátor CB, který je použitý na střídavé uzemnění báze vnáší v oblasti nízkých kmitočtů do přenosové funkce nulu a pól.

1.3 Doplňující počítačové cvičení Zadání:

1. 2.

3.

Podle zadání vyučujícího odvoďte vztahy pro AU, RVST a RVYST pro dané zapojení za použití H parametrů. Pro řešení použijte program SNAP. Pokud je to v zadání požadováno, tak pro zadanou hodnotu zesílení vypočtěte RC, resp. RE a pro fixní hodnoty prvků měřícího přípravku dopočítejte RVST, RVYST a horní a dolní mezní frekvenci. Použijte katalogové hodnoty H parametrů přepočítané na daný pracovní bod. Pomocí programu PSpice analyzujte daný obvod a stanovte teoretické hodnoty AU, RVST a RVYST a fD a fH.

Popis měřícího přípravku Přípravek je zapojen podle obr. 7 a umožňuje vzájemným propojováním jednotlivých částí vytvořit všechna tři základní zapojení. Rezistory RC a RE jsou realizované jako výměnné z řady E24. Nastavení pracovního bodu je pro snížení počtu nutných výměnných prvků realizováno potenciometrem P1. Ze stejných důvodů jsou i kondenzátory řešené jako fixní prvky přípravku. Rezistorový dělič slouží pro snížení napětí generátoru při měření zapojení s velkým ziskem a pro vytvoření zdroje s nízkým výstupním odporem pro měření zapojení SB. Z důvodů omezeného frekvenčního rozsahu měřících přístrojů je pro určování fH použitá záměrně velká kapacitní zátěž 1,5nF. Přípravek se napájí ze zdroje stejnosměrného napětí 15V.

+15V Rc 22u

Cz 1.5n

Uvyst OSC

Obr. 1.10 Zapojení přípravku Zadání

10k

Re

Ce 1k

4R7

22u Ub

100R

470R 2.2u Cv1 22u

Cv2

10k

1k

100R

100k

P1 10k

100R

GEN Uvst

Mikroelektronické praktikum L 1. 2. 3.

13

Změřte a zakreslete závislost AU = f(f) pro CZ = 0 a 1.5nF v rozsahu kmitočtů 10Hz až 1MHz. Ověřte vliv vazebního kondenzátoru CV1 na průběh charakteristiky. Změřte závislost u2 = f(u1) při f = 1kHz. Při f = 1kHz pomocí změny odporů zátěže a budícího zdroje stanovte RVST a RVYST zesilovače.

Pokyny k zadání Při všech měřeních nastavte stejnosměrný pracovní bod tranzistoru (tj. bez střídavého signálu) tak, aby napětí mezi kolektorem a emitorem bylo rovno přibližně polovině napájecího napětí, což zajišťuje činnost zesilovače ve třídě A. Tvar výstupního signálu kontrolujte při měření osciloskopem. Při změně zapojení odpojte napájecí i budící zdroje !

+15V

P1 10k

Rc

10k

Cv2

22u

2.2u

Re

Cz 1.5n

10k

4R7

1k

Ce Cv1

100R

470R

1k

100R

100k

22u

Obr. 1.11 Zapojení přípravku pro SE

14


+15V

100R

P1 10k

Cv2

10k

1k

100R

100k

22u

22u

2.2u

1.5n

10k

Cz

1k

Re

100R

Ce Cv1

Obr. 1.12 Zapojení přípravku pro SC V zapojení SC je pro zajištění stability a ochranu tranzistoru zařazený do kolektoru pomocný RC člen.

+15V

P1 10k

Rc

10k

Cz 1.5n

10k

Re

1k

2.2u

22u 4R7

Cv2

100R

470R

1k

100R

100k

22u

Obr. 1.13 Zapojení přípravku pro SB Ad – 1 Generátor připojte přímo nebo přes dělič tak, aby zesilovač nebyl přebuzený. Tvar výstupního napětí sledujte na osciloskopu. Ad – 2 Při měření zvyšujte napětí generátoru, až do hodnoty, při které dojde ke zkreslení. Ad – 3 Při měření vstupního odporu zařaďte sériově s generátorem vhodnou hodnotu vestavěného rezistoru RS, což způsobí pokles výstupního napětí (vznikne napěťový dělič). Z poklesu napětí a známé hodnoty RS je možné vypočítat vstupní odpor zesilovače. Pro měření výstupního odporu podobným postupem zařazujte paralelně RZ a ze změřeného poklesu výstupního napětí vypočtěte RVYST .


15

1.4 Zesilovač s bipolárním tranzistorem Zadání:

Sestavte a změřte jednostupňový zesilovač s bipolárním tranzistorem v zapojení SE. Velikost kolektorového proudu IC nastavte 2,27 mA a napájecí napětí použijte 15 V. +15V

Rb

Rc

u2 u1

Schéma zapojení měřeného zesilovače

1) Změřte proudový zesilovací činitel použitého tranzistoru β při kolektorovém proudu 2,27 mA. 2) Pomocí změřené hodnoty β vypočítejte hodnotu bázového rezistoru RB a sestavte zesilovač. 3) Zkontrolujte správnost nastavení pracovního bodu. Kolektorový proud musí být 2,27 mA a na kolektoru tranzistoru musí být napětí 7,5V. Pozorujte na osciloskopu průběhy vstupního a výstupního napětí a tyto průběhy zakreslete (platí i pro bod č. 6). 4) Změřte zesílení zesilovače při buzení harmonickým napětím o kmitočtu 1 kHz. 5) Zjistěte, jaké maximální vstupní napětí je zesilovač schopen zpracovat bez zkreslení. Jaký tvar bude mít výstupní signál překročíte – li velikost tohoto napětí? 6) Posuňte pracovní bod zesilovače zmenšením a zvětšením kolektorového proudu (změnou rezistoru RB). Jak se tato zněna projeví na tvaru výstupního napětí? Měřte se vstupním signálem asi o 3 dB nižším, než je maximální zesilovačem zpracovatelné napětí.

16


1.5 Zesilovač s tranzistorem JFET

Obr. 1.14 Jednostupňový zesilovač v zapojení se společným emitorem s tranzistorem JFET Zadání: 1) Navrhněte a spočítejte hodnoty součástek zesilovače na obr. 1. Kolektorový proud zvolte 2,5 mA. Použitý tranzistor je JFET typu BF245B s kanálem N. 2) Sestavte tento zesilovač a zkontrolujte správnost nastavení pracovního bodu. 3) Změřte zesílení zesilovače při buzení harmonickým signálem o kmitočtu 1kHz.

1.6 Proudový zdroj Zadání: Sestavte a změřte proudové zrcadlo podle schématu:

1) Emitor tranzistoru T1b propojte se zemí. Změřte zatěžovací charakteristiku proudového zdroje, tj. závislost proudu tekoucího rezistorem RZ. Na místo RZ zapojujte rezistory, jejichž


17

odpor postupně zvětšujte od 0 Ω. Μěřte proud iCb. Přesáhne–li velikost odporu RZ asi 22 kΩ, přestane se obvod chovat z důvodu konečné velikosti napájecího napětí jako proudový zdroj. S rostoucí velikostí RZ bude klesat iCb. 2) Zapojte do obvodu rezistor R2 s odporem v rozsahu 50 Ω až 500 Ω. Vypočítejte velikost proudu iC2b a správnost výpočtu ověřte měřením. Změřte zatěžovací charakteristiku takto upraveného proudového zdroje. Postupujte podle bodu 1. s tím rozdílem, že zatěžovací charakteristika začne klesat od většího odporu RZ, protože proud iCb bude menší a tím pádem bude menší úbytek napětí na RZ, než bodě 1.

1.7 Diferenční zesilovač Zadání: 1) Změřte převodní charakteristiku diferenčního zesilovače. Vstup u12 propojte se zemí. Vstup u11 buďte stejnosměrným napětím o velikostech 0, ±5, ±10, ±15, ±20, ±30, ±50, ±80, ±100, ±200 mV (informativní hodnoty – v případě použití jiných součástek nutno upravit). Měřte výstupní diferenciální napětí u2d a emitorový proud tranzistorové dvojice T1.

2) Zaměňte vstupy u11 a u12 a opakujte měření podle bodu 1.

18


2 Radiopřijímač CÍL ÚLOHY: Postavte si svůj vlastní dvoustupňový radiopřijímač AM s přímým zesílením na kontaktním nepájivém poli. Jedna se o maximálně zjednodušený přijímač, s přijatelnou hlasitostí, bez nároku na kvalitu. Funkčnost prokažte naladěním aspoň jedné stanice.

2.1 POSTUP: Součástky zapojte podle schema na obr.3. Při zapojování se vyhýbejte dlouhým spojům, aby se přijímač nerozkmital. Pokud není po připojení zdroje slyšet žádná stanice, zkuste posouvat cívku po feritové tyčce, zkontrolujte zapojení tranzistorů resp. seřiďte pracovní body tranzistorů změnou odporů 2M2 a 22k. Pokud je hlasitost slabá, pomůže, když živý konec cívky připojíte na delší drát - anténu. K optimálnímu nastavení pracovních bodů vám pomůže osciloskop. Pracovní body lze také jednoduše překontrolovat voltmetrem. Napětí na kolektorech tranzistoru jsou při dobrém nastavení přibližně 2,5V až 3,5V. Po naladění stanice pozorujte na vstupu přijímače amplitudově modulovány signál a odpovídající nf demodulovaný signál na výstupu. Pokuste se pomocí osciloskopu určit frekvenci naladěné stanice. +5

3n3 22k

4k7 2M

100n

47n

200

Obr. 2.1 Jednoduchý přijímač AM DOPLŇKOVÁ ÚLOHA: Nahraďte první stupeň přijímače tranzistorem PNP místo NPN, abyste ověřili, že oba typy tranzistoru jsou v podstatě rovnocenné


19

+5V 47n 100n 2M 4k7 0V Obr. 2.2

3 Operační zesilovač - základní zapojení CÍL ÚLOHY: Seznámit se s důležitým prvkem analogové měřící techniky - operačním zesilovačem. Ověřit funkci OZ v invertujícím a neinvertujícím zapojení pro různé typy zpětných vazeb.

3.1 POSTUP: Operační zesilovač je stejnosměrný napěťový zesilovač a je výhodný zejména tím, že za určitých podmínek zesiluje lineárně a jeho chováni je dáno pouze vnější zpětnovazební sítí. OZ má vysoké zesílení, avšak není příliš vhodný k použití pro vyšší frekvence. Pro následující zapojení použijte typ s vnitřní kompenzací např. dvojnásobný OZ MA1458. OZ vyžaduje většinou symetrické napájení např. +10V -10V. Proto je nutné zařadit dva napěťové zdroje do série.

Obr. 3.1 Zapojení vývodů MA1458 A) Invertující OZ: Zapojte OZ podle schématu. Výstupní napětí UOUT = -UIN . R2/R1. V našem případě je zesílení -10. Vztah platí pro stejnosměrná i střídavá napětí. Na vstup připojte nf generátor a sledujte osciloskopem vstup i výstup. Na nižších frekvencích je zesílení přesně dáno poměrem R1/R2 a fázový posuv je 180°. Pozorujte pokles amplitudy na výstupu a fázový posuv mezi

20


vstupem a výstupem s rostoucí frekvencí vstupního signálu. Také pokud je vstupní napětí příliš vysoké (>1V pro zesílení -10), dochází ke zkreslení - saturaci OZ.

R2 100k -10V 4

R1

2

IN

1458

3

10k

1

OUT

8 +10V GND

GND

Obr. 3.2 Invertující zesilovač s operačním zesilovačem

B) Neinvertující OZ: Pro výstupní napětí platí UOUT = UIN . (1+R2/R1). V daném případě je zesílení tedy +11. Ověřte vlastnosti neinvertujícího OZ stejně jako v předchozím případě. +10V

8 IN

3 2

1458

1

OUT R2

4

100k

-10V R1

10k GND

GND

Obr. 3.3 Neinvertující zesilovač s operačním zesilovačem

C) Převodník proudu na napětí: Často používaným zapojením je převodník I/U realizovaný pomoci OZ. OZ zajišťuje dobrou linearitu i zesílení. Převodní poměr u následujícího převodníku je 1V/mA. Vstup IN připojte na napájecí napětí +10V přes potenciometr 10k-100k, který je v sérii s ampérmetrem. Na výstup připojte voltmetr. Ověřte funkci převodníku pro různé vstupní proudy.


21 R2 1k -10V

2

IN

3

4 1458

1

OUT

8 +10V GND

GND

Obr. 3.4 Převodník proud - napětí

D) Derivační obvod: Derivační obvod derivuje vstupní signál a zároveň se chová jako horní propust stejnosměrné napětí nezesiluje. Na vstup přiveďte 100Hz pravoúhlý signál o amplitudě asi 1V. Na osciloskopu vidíte, že výstupní signál je derivací signálu vstupního. Po celou dobu, kdy je vstupní napětí konstantní je na výstupu obvodu napětí, rovnající se v prvním přiblížení nule. Vyzkoušejte také sinusový signál. Pokud změníte frekvenci, změní se i amplituda výstupního napětí - zesílení je frekvenčně závislé. Určete zesílení pro 3 různé frekvence v okolí 1kHz. Zjistíte, ze frekvenční charakteristikou je přímka (dokud se neprojeví pokles zesílení OZ na vyšších frekvencích). R2 22k -10V C IN

10n

2 3

4 1458

1

OUT

8 +10V GND

GND

Obr. 3.5 Derivační obvod s operačním zesilovačem E) Aktivní dolní propust: Níže uvedené schéma je aktivní dolní propust 1.řádu. Je to jednoduchý filtr, který má pro nízké frekvence a stejnosměrné napětí zesílení -2,2 , ale signál s vvyšší frekvencí potlačuje.

22


Na vstup připojte nf generátor a nastavte vstupní napětí asi na 1V. Mezní frekvenci pro pokles -3dB zjistíte tak, že postupně zvyšujete frekvenci generátoru, až výstupní napětí klesne na 70% původní hodnoty. Výstupní napětí nyní klesá lineárně s frekvencí. Většího poklesu výstupního napětí dosáhnete, když zařadíte 2 stejné filtry za sebe do kaskády (použijete také 2.polovinu OZ 1458).

C

R2

10n

22k -10V

4

R1 2

IN 10k

3

1458

1

OUT

8 +10V GND

GND

Obr. 3.6 Aktivní dolní propust s operačním zesilovačem

4 Operační zesilovač - vybrané aplikace CÍL ÚLOHY: Seznámit se s některými aplikacemi OZ. Realizujte ohmetr, usměrňovač a generátor pravoúhlých kmitů s OZ.

4.1 POSTUP: A) Lineární ohmetr: Jednoduchý, ale přesný ohmetr lze realizovat na základě invertujícího zapojeni OZ. Platí U2 = RX . (-UREF/R1). Výstupní napětí je tedy přímo úměrné neznámému odporu RX a konstantě UREF/R1. Na vystup OZ připojte digitální nebo analogový voltmetr. Pokud vhodně zvolíte konstantu UREF/R1 např. R1=10k a UREF=-10V, voltmetr bude ukazovat odpor přímo v kiloohmech. Ocejchujte ohmetr s přesností aspoň 5% pomocí několika dobře známých odporů. Všimněte si, že nelze měřit odpory větší než přibližně 8kΩ, protože OZ samozřejmě nemůže dodat větší napětí než je napájecí napětí, tzn. OZ přechází do saturace. Upravte ohmetr tak, aby bylo možné měřit odpory do 80kΩ.


23 Rx

-10V

R1 Vref 10k

4 2 3

1

1458

OUT

8 +10V GND

GND

Obr. 4.1 Lineární ohmmetr s operačním zesilovačem B) Jednocestný usměrňovač s OZ: Další aplikace opět využívá invertujícího zapojeni OZ. Obvod však obsahuje nelineární zpětnou vazbu a chová se jako usměrňovač signálu (tzv. ideální dioda). Na rozdíl od obyčejné diody je usměrňovač s OZ mnohem přesnější, ale nevýhodou je, že vyžaduje napájení a přestává usměrňovat s rostoucí frekvencí vstupního signálu. Na vstup usměrňovače IN připojte nf generátor, na kterém nastavte přibližně kmitočet 500Hz a amplitudu 0.5V. Sledujte osciloskopem vstupní střídavý a výstupní usměrněný signál. Zjistěte, jak se chová usměrňovač, když změníte úroveň vstupního signálu nebo zvýšíte jeho frekvenci. Pokuste se (s využitím 2. poloviny OZ) sestavit také dvoucestný usměrňovač.

R2 OUT 100k

-10V

4

R1 2

IN 10k

3

1458

1

8 +10V GND

GND

Obr. 4.2 Jednocestný usměrňovač s OZ C) Generátor pravoúhlého signálu: OZ lze také snadno využít ke generování signálu signálů různých průběhů - sínus, pila, trojúhelník, obdélník apod. Následující zapojení je jednoduchý generátor pravoúhlého signálu. OZ zde pracuje jako komparátor s hysterezí. Jeho výstupní napětí je za normálních podmínek obdélníkové a dosahuje hodnoty asi o 1,5V menší než napájecí napětí. Odporový dělič R1, R2 slouží jako zdroj měnícího se napětí pro neinvertující vstup OZ-komparátoru.

24


Velikost tohoto napětí určuje rozkmit napětí na kapacitoru C (invertující vstup). Rezistor R3 slouží jako proudový zdroj pro nabíjení/vybíjení kapacitoru. Kmitočet generátoru je závislý na rychlosti nabíjení kapacitoru a na velikosti napětí, při kterém dojde k překlopení komparátoru. Pro realizaci generátoru vyhoví široký rozsah hodnot součástek např. C=100nF-1uF, R1=1k-10k, R2=10k-100k, R3=10k-1M. R3

-1 0 V

4 2 3

1 45 8

8

C

OUT

R2

+10V

R1

GND

Obr. 4.3 Generátor signálu obdélníkového (trojúhelníkového ) průběhu Prohlédněte si pomocí osciloskopemu průběhy napětí v jednotlivých uzlech a určete frekvenci vašeho generátoru. Potom nahraďte R1 nebo R2 potenciometrem a měňte frekvenci generátoru. Zjistíte, že na vyšších frekvencích je výstupní signál lichoběžníkový a později již trojúhelníkový. Je to způsobeno zejména konečnou dobou přeběhu, která je u OZ 1458 asi 0.5V/us. Přidáním diody se sériovým rezistorem paralelně k R3 lze dosáhnout nesymetrie obdélníkového signálu (změnou střídy). Jestliže R3 nahradíte také potenciometrem, budete moci měnit střídu i kmitočet. Kmitočet můžete také měnit, pokud na neinvertující vstup přivedete přes odpor vhodné velikosti napětí (obvod se chová jako generátor s napěťově řízenou šířkovou modulací). Zadání

1) Navrhněte a sestavte neinvertující zesilovač se zesílením 1 a 10. Měřením ověřte správnou funkci zesilovače při buzení harmonickým signálem o kmitočtu 1 kHz a určete fázový posuv výstupního signálu vůči vstupnímu. 2) Navrhněte a sestavte invertující zesilovač se zesílením 1 a 10. Měřením ověřte správnou funkci zesilovače při buzení harmonickým signálem o kmitočtu 1 kHz a určete fázový posuv výstupního signálu vůči vstupnímu.


Neinverující zesilovač

TL 081, MAA 741

25

Invertující zesilovač

TL 082

4.2 Horní a dolní propust s operačním zesilovačem Zadání:

Změřte kmitočtové charakteristiky invertujícího zesilovače s kmitočtově nezávislou a kmitočtově závislou zpětnou vazbou. 1) Změřte kmitočtovou charakteristiku inverujícího zesilovače se zesílením 1. 2) Změřte kmitočtovou charakteristiku dolní propusti. 3) Změřte kmitočtovou charakteristiku horní propusti. Měřte při kmitočtech do 20 kHz, charakteristiky vynášejte do grafu s logaritmickým měřítkem.

26


15nF

10k 10k

u1 u2

Obr. 4.4 Dolní propust 10k

u1

15nF

10k u2

Obr. 4.5 Horní propust

4.3 Multivibrátor s OZ Zadání:

1) Sestavte multivibrátor podle schématu. Měřte kmitočet výstupního signálu alespoň se třemi různými hodnotami rezistoru R1, a kondenzátoru. 2) Zobrazte na stínítku osciloskopu průběh výstupního napětí spolu s napětím na invertujícím vstupu OZ.


27

R1 3k3

Výstup R2 15k R3 15k

58nF

Obr. 4.6 Multivibrátor s OZ

4.4 Zesilovač a násobič ve třídě C Teoretický úvod Zesilovač ve třídě C využívá záměrné zkreslení vstupního signálu, kdy dojde k obohacení jeho spektra a následného výběru některé složky pomocí frekvenčně selektivního obvodu. Je-li selektivní obvod naladěný na první harmonickou, pak hovoříme o zesilovači ve třídě C, je-li naladěný na některou vyšší harmonickou, pak se jedná o násobič. Aktivní prvek takového obvodu musí nutně pracovat v nelineárním režimu. Uvažujme modelové zapojení na Obr. 4.7. Ucc

L

C

R

I

U2

U1

Obr. 4.7 Principální zapojení zesilovače a násobiče. Statickou převodní charakteristiku I = f(U1) aktivního prvku (tranzistoru) budeme aproximovat pro jednoduchost lomenou přímkou. Dále budeme předpokládat harmonické buzení takové intenzity, při kterém bude na kolektoru tranzistoru stále kladné napětí (normální aktivní režim), Obr. 4.8. V uvažované laboratorní úloze budeme vzhledem k použitým frekvencím považovat tranzistor za nesetrvačný prvek.

28


Obr. 4.8 Časové průběhy napětí a proudů Kolektorový proud bude mít časový průběh tvořený částmi sinusové funkce, který je charakterizovaný polovičním úhlem otevření Θ a maximální hodnotou IM. Spektrální složky kolektorového proudu je možné pak vyjádřit jako I n = α n (Θ) I M

( 4.1 )

kde αn jsou koeficienty, které je možné pro danou aproximaci stanovit analyticky. Jejich grafické znázornění v závislosti na Θ se nazývá Schulzův diagram. Zátěž tvoří rezonanční obvod RLC (zahrnující i případnou vstupní impedanci dalšího stupně). Je naladěný na některou harmonickou. Z hlediska efektivnosti prováděné operace (zesilování, násobení) je důležité, že koeficienty α vykazují maximum při polovičním úhlu otevření

Θ opt =

120 n

( 4.2 )

Pomocí amplitudy a stejnosměrné složky vstupního napětí se nastaví požadované parametry Θ a IM kolektorového proudu. Za předpokladu, že činitel jakosti rezonančního obvodu je dostatečně vysoký, pak výstupní napětí má harmonický průběh s amplitudou U 2 = Rrez I n

( 4.3 )

kde Rrez je rezonanční odpor obvodu a In příslušná harmonická složka proudu. Stejnosměrný příkon je pak dán napájecím napětím a stejnosměrnou složkou kolektorového proudu Pp = U CC I 0 ( 4.4 )


29

4.5 Počítačové cvičení Zadání: 1.

2.

Pro zadané parametry zesilovače ve třídě C nebo násobiče stanovte analytické vztahy pro určení optimální hodnoty stejnosměrné a střídavé složky vstupního napětí. Aproximaci převodní charakteristiky proveďte na základě počítačového modelu.Vypočtené hodnoty ověřte simulací programem PSpice pro číselné hodnoty ostatních prvků podle měřícího přípravku.

Popis měřícího přípravku

Na Obr. 4.6 je schéma zapojení přípravku se zesilovačem ve třídě C a násobičem kmitočtu. Selektivní zátěž je z praktických důvodů realizovaná jako pevně naladěný kmitavý obvod na frekvenci přibližně 50kHz, ke kterému je možné paralelně připojit dva zatěžovací rezistory. Doladění do rezonance se provede zněnou nastavení frekvence budícího generátoru. Báze i kolektor tranzistoru jsou doplněné o ochrannou diodu. Pracovní bod tranzistoru (stejnosměrná i střídavá složka) se nastavuje pomocí budícího generátoru. Rezistor v bázi plní ochrannou funkci. Pomocí odporu v emitoru se snižuje strmost a zároveň měří proud tranzistoru. Pracovní frekvence je záměrně volena tak, aby se neuplatnily setrvačné vlastnosti tranzistoru.

220

100nF 100uH

1k

10V

100 BC639

47

100

Obr. 4.9 Zesilovač a násobič Zadání

1. 2.

3.

Změřte převodní charakteristiku aktivního prvku a aproximujte ji lomenou přímkou. Pro zadanou hodnotu Θ a IM postupem odvozeným v počítačovém cvičení nastavte pracovní parametry zesilovače nebo násobiče. Osciloskopem zobrazte a zaznamenejte průběh kolektorového (resp. emitorového) proudu a amplitudu výstupního napětí. Dále změřte závislost příslušného koeficientu α na polovičním úhlu otevření Θ. Při měření kontrolujte, aby tranzistor pracoval v aktivním režimu.

30


Pokyny k zadání

Ad 1 – Při měření statické převodní charakteristiky na vstup připojte generátor, nastavte frekvenci 1kHz a co nejnižší výstupní napětí. Z důvodu snížení výkonové ztráty na tranzistoru je možné snížit napájecí napětí. V režimu X-Y zobrazte a zaznamenejte statickou převodní charakteristiku IC = f(U1). Ad 2 – Nastavte vypočtené hodnoty na generátoru a změnou frekvence v okolí f0 vylaďte obvod do rezonance. Kabel osciloskopu musí být připojený (kapacita ≈100pF). Ad 3 – Podobným postupem stanovte několik bodů v okolí optimálního úhlu otevření (krok 10°) a pro každý zaznamenejte výstupní napětí a IM. Porovnejte výsledky s teoretickým průběhem.

4.6 Demodulátor a směšovač Demodulátor AM signálu

Na Obr. 4.10 je principální schéma sériového asynchronního AM demodulátoru.

C

U1

R

U2

Obr. 4.10 Sériový AM demodulátor Na jeho výstupu se objeví signál odpovídající amplitudě modulovaného „vf“ signálu. Kromě této složky je na výstupu několik složek o kmitočtu nosné a jejích násobků. Tyto nežádoucí složky se musí odfiltrovat. Od demodulátoru obvykle požadujeme, aby výstupní nf složka napětí svým tvarem odpovídala nezkreslenému průběhu obálky vstupního napětí. Pro zapojení na obr. 2.1 je možné stanovit statickou převodní charakteristiku U2DC = f(U1AC). Nemá-li při demodulaci dojít ke zkreslení, je nutné, aby vstupní napětí nepokleslo pod hodnotu U1ACmin. Pod touto hranicí dochází ke zkreslení. Pro známou amplitudu nosné U1 je pak možné stanovit maximální hloubku modulace m:

U 1 AC min = U 1 (1 − mmax )

( 4.5 )


31

U2DC

U1ACmin

U1AC

Obr. 4.11 Statická převodní charakteristika demodulátoru Pro správnou činnost demodulátoru musí být zajištěno, aby filtrační člen RC umožňoval sledování obálky vstupního napětí a zároveň dostatečně odfiltroval nosnou a její harmonické násobky. Časová konstanta τ = RC je omezena podmínkou 1 1 >>τ >> ω0 Ω max

( 4.6 )

kde Ωmax je maximální kmitočet modulačního signálu a ω0 je kmitočet nosné. V případě nesplnění horní omezující podmínky v ( 4.6 ) dochází k tzv. odtržení modulační obálky, Obr. 4.12, který způsobí zkreslení demodulovaného signálu.

Obr. 4.12 Odtržení modulační obálky Směšovač Jako měniče kmitočtu označujeme nelineární obvody, které slouží k posunutí kmitočtového spektra daného vstupního signálu o diferenci ωH. Nutnou součástí měniče kmitočtu je zdroj pomocného signálu ωH a nelineární směšovací obvod. Výsledkem směšování vstupního signálu o frekvenci ωi a pomocného signálu ωH je bohaté spektrum, ze kterého vybereme užitečnou spektrální složku pomocí selektivního filtru, Obr. 4.13.

32


Obr. 4.13 Principiální schéma měniče kmitočtu Z obvodového hlediska je směšovač trojbran, jehož dvě brány jsou vstupní a jedna brána je výstupní. Získáme-li směšovací produkt působením součtu dvou veličin na nelineární prvek, mluvíme o aditivním směšování. Pokud použijeme pro směšování parametrický prvek, kde pomocný signál bude měnit např. strmost převodní charakteristiky, bude výsledný směšovací produkt úměrný součinu dvou veličin, a jde tedy o směšování multiplikativní. V naší úloze je směšovač tvořen diodou, na niž působí součet dvou signálů, Obr. 4.14.

Ui UH

Σ

PP

Obr. 4.14 Aditivní směšovač Působí-li na nelineární obvod kromě stejnosměrné složky několik harmonických složek s kmitočty ω1, ω2 ... , pak se ve spektru výstupní veličiny objeví i složky, s kombinačními kmitočty k1ω1 + k 2 ω2 + ... , kde ki jsou celá čísla. V případě polynomiální nebo exponenciální aproximace lze pro amplitudy dílčích složek nalézt analytické vztahy. Vybereme-li pomocí pásmové propusti jednu složku – v případě směšovače součtový nebo rozdílový produkt, pak dostáváme nelineární systém, kde vstupní i výstupní signál je harmonický. V tomto případě je možné zavést pojem činitele přenosu analogicky s lineárními obvody. U směšovače definujeme tzv. konverzní (směšovací) přenos jako

S=

UO Ui

( 4.7 )

kde UO je amplituda příslušného součtového nebo rozdílového produktu a Ui je amplituda vstupního signálu. Takto definovaný parametr na rozdíl od lineárních obvodů závisí na poloze pracovního bodu i amplitudě působících signálů.

4.7

Počítačové cvičení

Zadání:

Mikroelektronické praktikum L 1. 2.

33

Pro sériový AM demodulátor odvoďte obecně podmínku, kdy dojde k jevu „odtržení obálky“. Výsledky ověřte simulací v PSpice. Odvoďte analyticky vztah pro konverzní strmost rozdílové složky aditivního směšovače, Obr. 4.14 pro polynomiální aproximaci. Výsledky ověřte simulací v PSpice.

4.8 Laboratorní cvičení Popis měřícího přípravku

Na obr. 2.6 je schéma přípravku realizujícího demodulátor AM a aditivní směšovač. Zdrojem AM signálu pro demodulátor je signální generátor. Přepínáním kondenzátorů je možné měnit časovou konstantu filtračního obvodu. U směšovače je na přípravku realizován „místní“ oscilátor směšovače (f = 5kHz). Pomocí sumačního zesilovače se na diodu přivádí součtový signál, potenciometrem P1 je možné nastavit stejnosměrnou složku napětí. Aktivním filtrem (PP2, f0 = 1kHz) je vybrán rozdílový produkt. Pro jednoduchost není nakreslený napájecí obvod.

1k

5u

-15V

1u

10k

300n

100n

+15V

100k

GEN

10k fH 5kHz

10k MB1

MB2

10k 330

PP, f 0 = 1kHz

Obr. 4.15 Demodulátor a směšovač Zadání

1. 2.

Změřte

statickou

charakteristiku

demodulátoru

pro

f = 50kHz.

Na generátoru nastavte amplitudovou modulaci, U0 = 1V, f0 = 50kHz, fmod = 500Hz. Signál přiveďte na demodulátor. Stanovte maximální hodnotu hloubky modulace, při které se objeví znatelné zkreslení výstupního signálu.

34


3.

Změnou frekvence modulačního signálu se pokuste najít stav, při kterém se objeví jev odtržení obálky. Změřte statickou závislost UMB2 = f(UMB1) u nelineárního prvku aditivního směšovače. Na generátoru nastavte fi = 6kHz a proveďte případně jemné doladění, aby rozdílový produkt padl do maxima pásmové propusti. Změřte závislost směšovací strmosti na amplitudě budícího napětí, resp. na stejnosměrné složce nastavené potenciometrem P1 podle pokynů vyučujícího.

Pokyny k zadání

Ad 1 – statickou charakteristiku demodulátoru je nutné měřit metodou „bod po bodu“. Ad 2 – Výstupní signál demodulátoru sledujte osciloskopem. Ad 3 – Statická závislost UMB2 = f(UMB1) se měří bez obou harmonických signálů pomocí potenciometru P1. Při odpojeném generátoru vstupního signálu se v místě MB1 změří amplituda místního generátoru. Z bodu GEN do MB1 je přenos roven v absolutní hodnotě jedné. Stačí odečítat nastavené napětí na generátoru. Vzhledem k tomu, že P1 je standardní uhlíkový potenciometr, stejnosměrnou složku je třeba při změně jeho nastavení změřit v místě MB1. Cejchování na horním panelu přípravku je pouze orientační.

5 Astabilní klopný obvod - multivibrátor CÍL ÚLOHY: Seznámit se s různými druhy multivibrátorů prostřednictvím jednoduchého blikače/bzučáku. Použitím TTL digitálního integrovaného obvodu 7404 a několika dalších základních prvků sestavte a oživte blikač s LED-diodou na kontaktním nepájivém poli.

5.1 POSTUP: Postupujte podle následujícího schématu. Napájecí napětí +5V se připojí na 14. vývod IO, na 7. pinu je 0V - zem. Při správném zapojení začne LED blikat. Pokud LED nebliká, zkuste ji polarizovat opačně. Nahraďte odpor 1k potenciometrem např. 5k a pozorujte změnu kmitočtu blikání. Kmitočet je nepřímo úměrný hodnotě odporu i kapacitoru.


1

1

2

3

1

4

5

1

35

6

220µF

OUT 220

1k

Obr. 5.1 Uspořádání vývodů multivibrátoru s invertory TTL, XX 7404, XX 7400.

Zamyslete se nad tím, jak změnit zapojení, aby se z blikače stal bzučák. K dispozici budete mít navíc sluchátko a další bězné pasivní prvky. Stejně jako u blikače měňte výšku tónu a výstup sledujte osciloskopem. Generovaný signál je pravoúhlý. Nyní sestavte bzučák s přerušovaným tónem. K dispozici budete mít navíc IO 7400 (čtveřice hradel NAND) kromě původního IO 7404 (šestice invertorů). Ke generování přerušovaného tónu využijte vlastností hradla NAND.

1 2

3 7400

Obr. 5.2 Princip vytváření přerušovaného tónu

Sestavte následující multivibrátor. Má tu výhodu, že lze snadno měnit jeho střídu změnou odporu nebo kapacitoru.

36

FEKT Vysokého učení technického v Brně 220uF

1

220uF

2

4

7404

3 470

7404

1k

LED

1k

Obr. 5.3 Jiné zapojení multivibrátoru s invertory TTL Další multivibrátor lze realizovat časovačem 555, což je speciální obvod, zvláště vhodný pro astabilní i monostabilní klopné obvody. +5V

470

2 4 7 6 5

8 OUT TRIG RSET DSCH THRES CON 555 1

3 10k

100uF

Obr. 5.4 Zapojení multivibrátoru s časovačem 555

6 Digitální obvody. CÍL ÚLOHY: Seznámit se s některými digitálními obvody. Postavte a vyzkoušejte jednoduché hodiny s výstupem na sedmisegmentový displej.

6.1 POSTUP: Nejdříve blíže prozkoumáme vlastnosti dvojnásobného dekadického čítače CMOS 4518. Čítač zapojte podle schématu, na výstupy připojte LED, abyste mohli sledovat jejich stav. ‘H’ (high) znamená vysokou úroveň tj. +5V. Naopak vývody označené ‘L’ (low) připojíte na nízkou úroveň 0V - zem (gnd). Nezapomeňte také připojit napájení čítače tj. vývod 16 na +5V, vývod 8 na zem.


'H' 'L'

1 2 7

CLK Q0 EN Q1 Q2 RST Q3 4518

37

3 4 5 6

220 GND

Obr. 6.1 Zapojení dekadického čítače (4518) s indikací stavu pomocí LED Na hodinový vstup čítače CLK přiveďte signál nízké frekvence (1Hz), např. z blikače z úlohy č.5. Sledujte, jak čítač počítá ve dvojkové soustavě do desíti (BCD kód). Vyzkoušejte čítač zastavit tím, že na vstup EN přivedete ‘L’. Zkuste také čítač vynulovat (resetovat), když na RST přivedete ‘H’. Stavy výstupu pro počet načítaných impulsu zaznamenejte do tabulky. Zvyšte vstupní frekvenci a pozorujte osciloskopem v dvoukanálovém režimu stav vstupu CLK a jednotlivých výstupů. Vstupní frekvence je vždy vydělena určitým číslem. Čítač je tedy možné použít nejen pro počítání impulsů, ale také jako dělič frekvence. Zjistěte tyto dělící poměry pro každý výstup. Určete mezní frekvenci čitače tím, že budete postupně zvyšovat vstupní frekvenci do té doby než přestane čítač počítat. Nyní převedeme stav výstupu do srozumitelnější podoby. Převod na sedmisegmentový displej zajistí TTL dekodér D147D resp. 7447. Oba čítače, které obvod 4518 obsahuje, zapojíme do kaskády. První čítač pracuje jako dekadický předdělič a výstupy druhého čítače se dekódují na sedmisegmentovku. Společnou anodu displeje připojíme přes ochranný odpor 220Ω na +5V. Frekvenci 1Hz přiveďte na vstup i na segment T displeje. Na sedmisegmentovce se při správném zapojení postupně objevují číslice 0 až 9 a tečka bliká v sekundových intervalech. Získali jste tak jednoduché hodiny, které ukazují desítky sekund a po 100s se opět vynulují. Hodiny také můžete vynulovat a zastavit pomocí řídicích vstupů. Skutečné digitální hodiny se liší pouze tím, že displej je vícemístný, časová základna je přesně řízena krystalem a jsou zde implementovány další doplňkové funkce.

38

A F

FEKT Vysokého učení technického v Brně MAN A

B

F G

T E

ANOD

E

B C

G C

D T

D

1 'H' 2 'L'

7

CLK Q0 EN Q1 Q2 RST Q3

3 4 5 6

4518

'H' 'L'

9 10 15

CLK Q0 EN Q1 Q2 RST Q3 4518

11 12 13 14

7 1 2 6 4 'H' 5 3 'H'

1 2 4 8 BI/RBO RBI LT

A B C D E F G

13 12 11 10 9 15 14

D147D

Obr. 6.2 Zapojení čítače - hodin s indikací stavu pomocí sedmisegmentového displeje


39

7 Popis programu Westbay Tools 7.1 Všobecné informace Westbay Tools je specializovaný program pro analýzu situací, v nichž se řeší problémy elektromagnetické kompatibility. Na základě matematických modelů tento program vypočítavá v mnoha důležitých parametrech emc podmínky. Různé modely výpočtů jsou seskupeny do několika hlavních oblastí : Výpočty stínění Analýza periodického vlnění Analýza tvaru přechodových vln Výpočty vztahující se k deskám tištěných spojů a vodičovým systémům Oblast výpočtů vztahujících se ke kapacitám a indukčnostem Program má však samozřejmě i některé jiné nástroje, které však nejsou zařazeny do výše uvedených oblastí.

7.2

Základní ovládání v menu File (soubor)

New Analyses (vytvoří se nová analýza), Load Analyses ... (nahrát analýzu) – v okně výběru souboru lze vybrat a nahrát už zhotovenou analýzu. Save Analyses ... (uchovat analýzu) – v okně výběru souboru lze zvolit název a uchovat zhotovenou analýzu. Save Graph as .BMP … (uchovat graf jako .BMP) - v okně výběru souboru lze zvolit název a uchovat pro obrázek ve formátu .BMP, v němž se nahraje zhotovený graf. Print … (tisk) – objeví se okno, v němž lze definovat tiskový výstup – zatrhávacími tlačítky Model 1 až Model 5 lze zvolit požadované modely k tisku. Zatrhávacím tlačítkem Print Header Report (tisknout hlavičku) se volí, zda-li se bude, či nebude tisknou hlavička. Posunovacími tlačítky Graph Height (výška grafu) a Graph Width (šířka grafu) lze volit rozměry tištěného grafu v %.

7.3 Ovládaní displaye a kreslení Mnoho nástrojů umožňuje vykreslit své výsledky ve formě grafu a tento typ grafu je obecně shodný pro všechny nástroje a jejich vykreslování. Ovládání je následující : kontrola vertikální škály (v Graph Area vlevo dole)

40


Vertikální škála muže být v závislosti na použitém nástroji cejchovaná v dB, Voltech anebo Ohmech - jednotky nelze tedy měnit, lze jen změnit poměr jednotka na dílek osy - k tomu slouží tlačítka + a -, případně je možno použít pull-down menu s předdefinovanými poměry jednotka/dílek. Tlačítka + a - pod nápisem "Offset" posunují střední osu grafu na 0. kontrola horizontální škály ( v Graph Area vpravo dole) tady může být použita jedna ze dvou jednotek spojených s veličinami čas a frekvence - tedy s a Hz. Opět tyto jednotky nemohou být měněny uživatelem; je možno tlačítky + a - měnit poměr jednotka/dílek anebo alternativně je možno zvolit předdefinované rozsahy z přilehlého pull-down menu. tlačítko Clear (v Graph Area vpravo nahoře) čistí graf od křivek, data však nemaže. Progress Box (nalevo od tlačítka Clear) během vykreslování křivek je zbarven červeně

Ikona barevného klíče Ukazuje barvy křivek vykreslovaného grafu. Dále Graph Area umožňuje pomocí kurzoru myši odečítat v dané poloze hodnoty v příslušných jednotkách čísla 1 až 5 (vpravo) jsou přesunovatelné popisky umožňující identifikovat křivky při tisku (černobílém) . Mohou být přesunuty myší na požadované místo a takto také vytisknuty. Daný typ vykreslování je popsán v levém horním rohu grafu např. "Suppression Filter Insertion Loss Plot"

7.4 Ovládání formulářů pro hodnoty Všechny formuláře mají tato společná tlačítka : Analyse (vypočte požadovanou hodnotu z hodnot zadaných), Plot (vykreslí graf požadované závislosti), Done (ukončí zadávání hodnot a aktuální formulář opustí). Obvykle také lze opustit aktuální formulář stiskem klávesy Esc.

7.5 Poznámka k následujícímu výkladu V následujícím jsou stručně vysvětleny jednotlivé položky menu, jejich funkce a ovládání. Název menu je označen v textu tímto písmem : Název Menu , jednotlivé položky v menu jsou odlišeny takto : - Položka Menu, případně podpoložka menu : - - Položka Menu.(položky a podpoložky menu se vztahují vždy k posledně uvedenému názvu menu, či


41

položky menu). Klíčové popisy, případně hlavní ovládací prvky ve formulářích jsou označeny tímto písmem : Ovládací Prvek.

8 Popis funkcí 8.1 Shielding (stínění) Zde se řeší problémy spojené se stíněním zařízení od vnějších elmg. polí, respektive problémy spojené s nemožností realizace ideálního stínění. Jde např. o konečnou vodivost materiálu použitého na kryt stínění, kabely vstupující do zařízení převádějící část vnějšího elmg. pole dovnitř přístroje, otvory v krytu, víka a vstupní panely, jejichž stínící vlastnosti jsou kompromisní, kvůli různým otvorům, problémům s nekontinuální vodivostí mezi např. víkem a krytem (zde se používají vodivostní těsnění) a dokonce i samotný kryt může být zdrojem problémů, pro svou vlastní rezonanci vnitřní dutiny. V této položce menu se nacházejí nástroje týkající se výpočtu a návrhu stínění. 8.1.1

- Shielding Effectiveness Tool (nástroj pro účinnost stínění)

Při výpočtech účinnosti si musíme uvědomit, charakter elmg. pole, kterému je kryt stínění vystaven - jestli jde o pole s blízkým, či vzdáleným zdrojem a dále jaký je poměr intenzit E/H tohoto pole. Platí, že pro pole s vyšším poměrem E/H je nutno pro dostačující stínění mít silnější (tlustší) kryt, než je tomu u pole s E/H nízkým. Při poměru E/H vysokém je pole nazýváno polem elektrickým, při poměru E/H nízkém jde o pole magnetické. Dále je nutno si uvědomit situaci elmg. vlnění v oblasti stínícího krytu, kdy dopadající vlna se rozděluje na vlnu odraženou, absorbovanou krytem, odraženou v krytu (na rozhraní materiál krytu/ vnitřní prostředí zařízení) a vlnu prošlou, která by měla mít co nejnižší intenzitu. V tomto nástroji se definují tyto vlastnosti stínícího materiálu : Conductivity (vodivost), Relative Permeability (relativní permeabilita), Thickness (tloušťka), místo vodivosti a permeability lze alternativně volit z pull-down menu Shield Material (stínicí materiál), v němž se nabízejí různé kovové materiály, po zvolení materiálu a zadání hodnoty Thickness se vypočtou a zobrazí hodnoty Relative Permeability a Conductivity, stiskem tlačítka Sheet Resistance se otevře okno Definition by Sheet Resistance v němž je možno místo vodivosti zadat hodnotu mohms/square (v ohmech na metr čtvereční) a Thickness (tloušťku materiálu). Vodivost se stiskem tlačítka Calculate Conductivity vypočte ze zadaných hodnot a zobrazí v políčku Conductivity; při zadání hodnot mohms/square a Thicknes je možno stiskem tlačítka Calculate Thickness vzpočítat tloušťku materiálu. Stiskem tlačítka Diagram se zobrází názorné schéma vysvětlující zadávané hodnoty. Stiskem tlačítka Reset se vymaže políčko s vypočtenou hodnotou. Stiskem tlačítka Done se okno Definition by Sheet Resistance uzavře. Elmg. zdroj je definován hodnotami Frequency (frekvence) v MHz a Source Distance (vzdálenosti) v m. Stiskem tlačítka Analyse se vypočtou a zobrazí hodnoty pro zadané parametry : Skin Depth (hloubka vnikání), Reflection Loss (ztráty odrazem), Absorption Loss (ztráty absorpcí) a Internal Reflection Correction (korekční faktor vnitřního odrazu), dávající dohromady hodnotu Shielding Effectiveness (účinnost stínění) pro danou frekvenci a

42


vzdálenost zdroje. U každého políčka vypočítávané hodnoty je zatrhávací tlačítko, kterým se volí zda-li bude příslušná veličina vykreslena do grafu či ne. Stiskem tlačítka Tabulate se zobrazí nové okno Shielding Values: Tabulation v němž lze vypočítávané veličiny vypočítat pro několik po sobě jdoucích frekvencích a zobrazit je do tabulky. Zadávané hodnoty jsou : Start Frequency (počáteční frekvence), End Frequency (koncová frekvence), Step Size (velikost kroku), Total Number of Points (celkový počet bodů), první tři veličiny v Mhz, při volbě přepínacího tlačítka Step Lineary se zadává hodnota Step Size a hodnota Total Number of Points se vypočte automaticky, při volbě přepínacího tlačítka Decade Sequence se zadává hodnota Total Number of Points a hodnota Step Size Points se vypočte automaticky. Po stisku tlačítka Tabulae se zobrazí tabulka vypočítaných hodnot. Stiskem tlačítka Print lze tabulku vytisknout. Výstup z tohoto okna je stiskem tlačítka Done. Stiskem tlačítka Diagram se zobrazí názorný nákres průběhu stínění. Stiskem tlačítka Plot se zobrazí nové okno odstraní formulář hodnot a vykreslí do grafu faktory nastavené pro vykreslování ve formuláři. Graf může být vytištěn na tiskárně. 8.1.2

- Waveguide Below Cut-Off (vlnovod pod mezním kmitočtem)

Tento nástroj umožňuje vypočítat parametry stínění pro otvor, či otvory ve stínícím krytu. Pro zadané hodnoty Aperture Width (šířka otvoru), Aperture Depth (hloubka otvoru), Number of Apertures (počet těchto otvorů), Fequency (frekvence stíněného elmg. pole), jsou po jejich zadání automaticky vypočítány tyto hodnoty : Depth/Width Ratio (poměr hloubky a šířky otvoru), Attenuation (tlumení), Cut-off Frequency (mezní kmitočet). V nákresu v okně vpravo je znázorněna funkce tlumení otvoru, spolu s jeho frekvenční charakteristikou. V políčku Model Number je možno volit číslo modelu, který chcete editovat. Stiskem tlačítka Replicate Model 1 se zkopíruje nastavení z modelu 1 do modelů 2 až 5. Stiskem tlačítka Plot se vykreslí graf pro zadané parametry pro určitý rozsah frekvencí elmg. pole. Při návrhu těchto otvorů je dobré vědět, že vlvnovodný efekt otvoru je možno redukovat zvětšením hloubky tohoto otvoru. 8.1.3

- Cavity Resonance (dutinová rezonance krytu)

Kovový kryt může mít vlastní resonanci, při které se vytváří stojatá elmg. vlna s maximální amplitudou elektrického pole v centru dutiny a maximální amplitudou magnetického pole na okrajích. Požadované parametry pro výpočet vlastní rezonance kubické dutiny jsou Height (výška), Width (šířka) , Depth (hloubka). V poli Resonances se po stisku tlačítka Analyse pro zadané parametry dutiny vypíše prvních 16 resonančních frekvencí. Stiskem tlačítka Print je možno poslat výpis rezonančních frekvencí na tiskárnu. 8.1.4

- Twisted Pair Rejection Ratio (poměr potlačení kroucené dvojlinky)

Kroucená dvojlinka je levný prostředek k redukci rozdílové vazby a k vyvažování kapacity k zemi. Každý závit ve vedení indukuje opačné napětí v předcházejícím závitu a při rovnoměrném vnějším elmg. poli vyruší indukované napětí. Účinnost kroucené dvojlinky se však snižuje při vyšších frekvencích. Požadované parametry jsou : Twist Spacing (vzdálenost mezi závity), Total Wire Length (celková délka vedení), Frequency (frekvence elmg. pole).


43

Vypočítaná hodnota se po zadání hodnot automaticky zobrazí v poli Rejection Ratio (poměr potlačení), je možno zadat a uchovat 5 nezávislých hodnot kroucených dvojlinek. Pomocí tlačítka Replicate Model 1 se zkopírují hodnoty první dvojlinky do dalších čtyř. Stiskem tlačítka Plot se vykreslí graf potlačení pro zadanou kroucenou dvojlinku pro rozsah frekvencí elmg. pole a to pro všechny zadané dvojlinky (tedy maximálně 5). 8.1.5

- Gasket Groove Design (návrh těsnění a drážek)

Vodivá těsnění zajišťují spojitost stínění spojení mezi, typicky, krytem a jeho víkem, či jiným přístupovým panelem. Je možno použít plochá, kruhová, či obdélniková těsnění. Je nutno zvolit přiměřené stlačení těsnění, aby dostatečně těsnilo ale na druhé straně aby nedošlo ke zničení těsnění. Pro těsnění s kruhovým profilem bývá stlačení 10 až 18%. Je třeba dbát také dostatečných tolerancí těsnění a drážky. Tento nástroj umožňuje kompletní analýzu návrhu těsnění. Požadované parametry jsou : v Gasket Parameters (parametry těsnění) : Diameter (průměr těsnění - je možno z přilehlého pull-down menu vybrat z předdefinovaných průmyslových standardů), Tolerance ( je možno z přilehlého pull-down menu vybrat z předdefinovaných průmyslových standardů) , Gasket Shape (tvar těsnění) volí se přepínacími tlačítky : Circular (kruhový)/Rectangular(obdélníkový) (myslí se průřez); v Groove Parameters (parametry drážky) : Depth (hloubka), Width (šířka), Tolerance. Po stisku tlačítka Analyse se vypíší výsledky do políček Groove CSA (drážka CSA), Nominal Groove Fill (jmenovité naplnění drážky), Gasket CSA (těsnění CSA), Nominal Deflection (jmenovité stlačení), Minimum Groove CSA (minimální drážka CSA), Maximum Groove CSA (maximální drážka CSA), Maximum Gasket CSA (maximální těsnění CSA), Minimum Gasket CSA (minimální těsnění CSA), Maximum Actual Deflection (maximální aktuální stlačení), Minimum Actual Deflection (minimální aktuální stlačení), Maximum Groove Fill (maximální naplnění drážky), Minimum Groove Fill (minimální naplnění drážky). Pomocí tlačítka Print lze vypočtené hodnoty vytisknou na tiskárně, po stisku tlačítka Diagram se objeví názorné schéma těsnění a drážky. Tlačítko Comments stručně komentuje aktuální návrh. Stisknutím tlačítka Asses Lid Effect (stanovení efektu víka) se zobrazí nový formulář, který slouží ke stanovení parametrů stlačení víka. Tenký kovový panel použitý ke stlačení emi těsnění, kombinovaný s větší vzdáleností spoje může mít za důsledek redukci minimálního stlačení těsnění, to vede k degradaci stínění. Tento efekt narůstá s menší šířkou obruby, menší tloušťkou panelu a s menší tuhostí materiálu. Vyplňují se políčka : Maximum Fastener Spacing (maximální rozestup ), Minimum Flange Width (minimální šířka obruby), Minimum Cover Thickness (minimální tloušťka víka), Young's Modulus (Youngův modul), Gasket Deflection Force (Síla stlačení těsnění), z pull-down menu Cover Material (materiál krytu) se vybere předdefinovaný materiál víka, výsledek se zobrazí v políčku Lid Deflection due to Gasket Deflection force (ohyb víka způsobený ohybnou silou těsnění). Tlačítko Diagram umožňuje podívat se na jednoduchý náčrt situace při ohybu víka. Při návratu do formuláře slouží tlačítka Accept - to při návratu se zadanými hodnotami a Cancel při návratu s původními hodnotami - nově zadané budou ignorovány. 8.1.6

- Electrochemical Series (elektrochemické řady)

44


Při navrhování stínění je nutno uvažovat dvě skutečnosti, které snižují vodivost na styku kovových částí stínění, v případě, že různé části jsou z různých kovů. Jde o oxidaci a galvanickou korozi, což se ještě zhoršuje ve vlhkém, či slaném prostředí. Předejít se tomu dá výběrem vhodné kombinace kovů, které se budou dotýkat, anebo oddělením vlhkosti od oblasti těsnění vhodným nátěrem. Tabulka udává elektrochemické potenciály pro vybrané kovy. Jejich zobrazení můžete posouvat posunovacím tlačítkem vpravo. Stiskem tlačítka Notes se zobrazí okno s anglickým popisem této problematiky, 8.1.7

- Aperture Leakage (vyzařování otvoru)

Otvory ve stínění se stávají potenciálními zdroji vyzařování, čímž je účinnost stínění značně snížená. Účinnost stínění klesá se vzrůstající velikostí otvorů, přičemž od velikosti poloviny vlnové délky elmg. Vlnění výš, už se efekt stínění vytrácí.Tento nástroj vypočítává účinnost stínění při otvorech v krytu. Tento nástroj lze rovněž použít pro vykreslení vyzařovaného pole způsobeného Differential Mode Current Loop , detaily jsou zpracovány v DM Current Loop Tool (PCB Menu). Tímto nástrojem mohou být vykresleny tři typy křivek : - křivka účinnosti stínění otvoru v dB. - křivka polní emise z proudové smyčky tlumené otvorem, v jednotkách dBµV/m. Křivka je vztažena k frekvenci a je porovnávána s nestíněným polem. - křivka polní emise z proudové smyčky tlumené otvorem, v jednotkách dBuV/m. Pole je vykresleno jako diskrétní frekvence jako výsledek Fourierovy analýzy. Jako vstupní hodnoty se do formuláře zadávají : Largest Aperture (největší otvor), Frequency (frekvence elmg. pole), No. of Apertures ( počet otvorů), Model Number - z pull down menu je možno vybrat číslo modelu, které chceme definovat (maximálně 5), všechny definované modely se vykreslí zároveň do jednoho grafu. Tlačítko Replicate Model 1 zkopíruje hodnoty prvního modelu do zbývajících 4 modelů. Vypočítává se : Wavelength (vlnová délka) automaticky po zadání hodnoty Frequency (frekvence), Aperture Leakage (vyzařování otvoru) po zmáčknutí tlačítka Analyse; zmáčknutím tlačítka Plot se vykreslí graf vyzařování v závislosti na frekvenci elmg. pole. Je možno zaškrtnou políčko Plot leakage . . . (u tlačítka Plot), pak se vykreslí do grafu poslední model diferenční proudové smyčky.

8.2 Periodic Waves (Periodic Waveforms vlny)(nástroje pro periodické tvary vln)

Tools)

(periodické

Zde se nacházejí dva základní nástroje emc analýzy : za prvé je to Fourierova transformace z časové oblasti do oblasti frekvenční a za druhé tlumení malých sinusových signálů potlačujícími emi filtry. Fourierovou analýzou můžeme každý periodický signál analyzovat na základě jeho harmonických složek, tak je možno zjistit možné vyzařované frekvence. Je možno analyzovat dva základní typy signálů : lichoběžníkové a sinusové.


8.2.1

45

- Fourier Analysis : Trapezoid (analýza lichoběžníkových signálů)

Ve formuláři jsou požadované hodnoty : Frequency (frekvence), anebo alternativně Period (perioda),. Dále se zadává : Risetime tr (doba náběhu), Decay Time tr (doba doznívání), Peak Value (maximální hodnota proudu) - význam těchto položek je zřejmý z Harmonic Number (číslo jednoduchého znázornění ve formuláři vpravo nahoře, harmonické) - číslo harmonické základního signálu, pro kterou se provede analýza, Plot 1st Harmonics (prvních kolik harmonických se bude vykreslovat), dále je možno zatrhnou zatrhávací políčko Apply Filter Curve (tímto se na analyzovaný signál aplikuje poslední vykreslený potlačovací filtr, přičemž při vykreslení do grafu se nepotlačený signál vykreslí jednou barvou a potlačený barvou jinou). Po stisku tlačítka Analyse se vypočtou hodnoty v políčcích : Actual Value, (aktuální hodnota harmonické), Frequency (frekvence), Value / Peak Value (hodnota / maximální hodnota harmonické), Corner Frequency (zlomová frekvence), stiskem tlačítka Plot se výsledek analýzy vykreslí do grafu (amplituda na frekvenci). 8.2.2

- Fourier Analysis : Sinusoid (analýza sinusových signálů)

Zadávané hodnoty jsou stejné jak u analýzy lichoběžníkových signálů jen místo Decay Time, je zde položka Delay Time (doba zpoždění), hodnoty opět odpovídají nákresu ve formuláři vpravo nahoře. Vypočítané hodnoty jsou zde rovněž adekvátní hodnotám při analýze lichoběžníkových signálů - chybí zde jen položka Corner Frequency. 8.2.3

- Discrete Fourier Transform (diskrétní fourierova transformace)

Pomocí tohoto nástroje lze analyzovat libovolný signál, který lze nakreslit v horní polovině formuláře rukou z úseček v rozsahu jedné periody. Jsou zde přes stisk tlačítek přístupné tyto funkce : New (vyčistí kreslící plochu, je možno zadat novou křivku), Undo (odstraní poslední úpravu, kreslící krok), Mirror (tímto je možno vytvořit invertovaný signál z první poloviny periody do druhé poloviny, Offset (nastavení nuly), stiskem tlačítka Table se zobrazí nové okno Discrete Transform Tabulation, v němž lze přesně zadat definici křivky pomocí tabulky. Tabulka má sloupce Point (pořadové číslo bodu křivky), Time (čas pro daný bod), Amplitude (amplituda v příslušném čase). Hodnoty Time (čas) a Amplitude (amplituda), podle toho který sloupec je editován, lze editovat i v políčku vpravo dole. V tomto okně se také pouze zobrazují (nelze je editovat) hodnoty Frequency (frekvence) a Peak Value zadané v předchozím okně a odpovídající hodnota Period (perioda), dále se pouze zobrazuje vlevo dole EDIT POINT (číslo editovaného bodu). Po stisku tlačítka Accept jsou zadané hodnoty přijaty, případně stiskem tlačítka Cancel nepřijaty a okno Discrete Transform Tabulation se uzavře. Stiskem tlačítka Finish (ukonči) je editace křivky ukončena. Požadované hodnoty jsou : Frequency (frekvence) - alternativně Period T (perioda T), přepínacími tlačítky kHz, MHz se volí jednotka frekvence, Peak Value A (maximální hodnota A), Number of Samples (počet vzorků), Harmonic Number (číslo harmonické, které se týká analýza), Plot 1st Harmonics (počet prvních vykreslených harmonických), po nakreslení tvaru signálu, zadání hodnot a po stisku tlačítka Analyse se

46


vypočtou a vypíší hodnoty do těchto políček : Max Analysable Freq (maximální analyzovatelná frekvence), Frequency (frekvence - je to frekvence, která se výše zadává), Actual Value (aktuální hodnota dané harmonické), Value / Peak Value (hodnota / maximální hodnota harmonické). Stiskem tlačítka Plot se analýza signálu (t.j. amplitudy prvních zadaných harmonických) vykreslí do grafu. 8.2.4

- Suppression Filters (potlačující filtry)

Jde o návrh potlačujícího filtru podle schématu (stiskem tlačítka Circuit). Ideální kondenzátor je nahrazen modelem sestávajícím z ideálního kondenzátoru C1, parazitní indukčnosti Le a odporem Rc. Vstupní ztráta je definována jako poměr napětí na Rl před přidáním filtru k napětí na Rl po přidání filtru. Požadované vstupní hodnoty jsou tyto : z pulldown menu lze vybrat typ filtru, Source Resistance, RS (odpor zdroje RS), Load Resistance, Rl (odpor zátěže Rl), Capacitance C1 (kapacita) - přepínacími tlačítky se volí jednotka pF, nF, uF, ..Self Inductance, Le (vlastní indukčnost kondenzátoru Le), ..Self Resistance, Rc (vlastni odpor kondenzátoru Rc), Inductance, L1 (indukčnost) - přepínacími tlačítky se volí jednotka uH, mH, ..Self Resistance, Rs (vlastní odpor cívky), ..Self Capacitance, Cs (vlastní kapacita cívky), Ground Resistance, Re (odpor země), z pull-down menu Model Number se vybere definovaný model filtru, tlačítkem Replicate Model 1 lze zkopírovat hodnoty z prvního filtru (Model Number 1), do zbývajících filtrů (modelů). Stiskem tlačítka Circuit se zobrazí schéma odpovídající editovanému filtru. Stiskem tlačítka Plot se do grafu vykreslí frekvenční charakteristika zadaného filtru.

8.2.5

- Common Mode Choke (tlumivka)

The common mode choke (tlumivka) sestává ze dvou cívek navinutých na společném jádře (často toroidním), a je používána k potlačení společného šumu. Závity jsou uspořádány tak, že tok způsobený rozdílovým signálovým proudem je vyrušen a v důsledku toho jsou malé vstupní ztráty pro běžné signálové proudy. Nicméně společné proudy proudí ve stejném směru přes tlumivku, a nemají za následek vyrušení toku. Vstupní ztráty pro společné proudy jsou proto v tomto případě větší. Je potřeba porozumět několika aspektům pro správný návrh tlumivek : Sériový odpor tlumivkového vinutí a odpor vodičů pro danou indukčnost tlumivky by měly být co nejmenší. Dolní mezní kmitočet : vstupní ztráty rostou pod dolním mezním kmitočtem. Choke tool vypočítává a vykresluje poměr šumového napětí na zátěži ke společnému šumovému napětí v zemní smyčce. Dolní mezní kmitočet určuje zda-li bude potlačen jakýkoliv společný šum. Pod dolním mezním kmitočtem nebude žádné tlumení. Tlumivka má ovšem i svůj horní mezní kmitočet daný kapacitou mezi vinutími, tato kapacita se u nižších frekvencí neprojeví, ale pří frekvencích vyšších než stovky kHz vzniká rezonance indukčnosti tlumivky s její kapacitou, což ovlivňuje tlumení - nad rezonancí má vliv především kapacita tlumivky Ve formuláři jsou požadována tyto hodnoty : Choke Inductance, L1 (indukčnost tlumivky L1), Choke Resistance, Rs1 (odpor tlumivky Rs1), Stray Capacitance, Cs


47

(rozptylová kapacita Cs), Source Resistance, RS (odpor zdroje RS), Load Resistance, RL (odpor zátěže RL), Cable Resistance, Rs2 (odpor vodičů -kabelů), Common mode cable impedance (společná impedance kabelů - viz insertion loss diagram pro vysvětlení), Frequency (frekvence), z pull-down menu Model Number se volí číslo modelu, který lze definovat (maximálně pět), tlačítkem Replicate Model 1 lze zkopírovat nastavené hodnoty z modelu čislo 1 do zbývajících čtyř modelů. V pravé části formuláře se nacházejí tlačítka, po jejichž stisku se objeví diagram znázorňující jednotlivé schémata pro dané problémy : Noise Insertion Loss Analysis (analýza vstupních šumových ztrát), Signal Insertion Loss Analysis ( analýza vstupní ztráty signálu), Noise Ratio Analysis (analýza šumového poměru). Po stisku tlačítka Analyse se vypočítají a vypíší příslušné hodnoty do těchto políček : Cut-off frequency (mezní kmitočet), Signal Insertion Loss (vstupní ztráta signálu), Noise Ratio at load (šumový poměr na zátěži), Noise Insertion Loss (šumová vstupní ztráta), SRF . Vpravo dole ve formuláři se nacházejí tlačítka, která umožňují vykreslit výsledky analýzu do grafu : Plot Load Noise Ratio (vykreslí šumový poměr na zátěži), Plot Noise Insertion Loss (vykreslí šumovou vstupní ztrátu), Plot Signal Insertion Loss (vykreslí signálovou vstupní ztrátu). 8.2.6

- Decibel Conversions (decibelové převody)

Tento nástroj slouží k těmto převodům : dB to Power to Voltage (or Current) Ratio a) mezi dB a aktuálním výkonem a napěím anebo proudem. Hodnoty mohou být zadány jako jedna z těchto : dB (dB Ratio), výkon (Power Ratio), anebo poměr napětí a proudu (V, I Ratio) a druhé dvě hodnoty jsou dopočítány (stiskem tlačítka Calculate). Referred Ratio Conversion b) převod zadaných hodnot (Referred Ratio - z pull- down menu je možno vybrat příslušnou jednotku) do aktuálních hodnot. Například hodnoty v dBm mohou být převedeny na miliwattové hodnoty a naopak. dBuV to dBm Conversion c) převod z hodnot dBuV do hodnot dBm pro získání impedance a naopak. Tento výpočet využívá tuto rovnici : Výkon(dBm) = V(dBuV) - 90 - (10* Log10(R)) kde R je odpor zátěže Sum of two Referred Powers e.g. A dBm + B dBm d) součet zadaných výkonových hodnot, sečítající například hodnoty 5dBm a 25dBm. Toto používá následující rovnici : Celkový výkon(dBm) = větší výkon + 10*Log10(1+10(-D/10)) kde D je absolutní hodnota rozdílu mezi dvěmi výkony Sum of two Referred Voltage/Currents e.g. A dBuV + B dBuV e) součet zadaných napěťových, anebo proudových hodnot, sečítající například 0dBuA a 5dBA. Toto používá následující rovnici :

48

FEKT Vysokého učení technického v Brně Celkový proud(dBuA) = vetší proud + 20*Log10(1+10(-D/20)) je absolutní hodnota rozdílu mezi dvěmi proudy.

(převod v dané položce se provádí vždy stiskem příslušného tlačítka Calculate) 8.2.7

- Field Formulae (formulář pole)

Tento nástroj obsahuje množství základních výpočtů a převodů týkajících se elektromagnetického pole. Jednotlivé nástroje ve formuláři jsou odděleny vodorovnou červenou čárou. Near Field / Far Field Transition (blízké pole/vzdálené pole) zde se vypočítává vzdálenost od zdroje, při které se mění blízké pole na vzdálené. Blízké pole je do vzdálenosti poloviny vlnové délky/2*PI, impedance takového vlnění bývá menší nebo větší než 377 ohmů. Pro vzdálené pole, které je dál než uvedená vzdálenost je impedance vlnění konstantní a činí 377 ohmů. Tyto parametry jsou důležité při výpočtech stínění. Zadávané hodnoty jsou : Frequency (frekvence elmg. vlnění), Source Distance (vzdálenost zdroje elmg. vlnění), automaticky po zadání hodnot se vypočítává : Transition Distance (vzdálenost přechodu) a pod tímto políčkem se vypíše, zda-li jde o blízké (Near Field), či vzdálené (Transition Region) pole. Wave Impedances in a Dielectric (impedance vlnění v dielektriku) Tento nástroj počítá impedanci vlnění pro volný prostor, anebo pro dielektrikum pro blízké, či vzdálené pole. Zadávají se tyto hodnoty : z pull-down menu vpravo nahoře Dielectric se vybere materiál prostředí, čímž se automaticky dosadí do políčka Relative Permitivity (relativní permitivita), kterou je však možno zadat i ručně, dále se zadává hodnota do políčka Relative Permeability (relativní permeabilita), Freq (frekvence elmg. vlnění), Distance (vzdálenost od elmg. zdroje), výpočet se provádí volbou přepínacích tlačítek Far Field Plane Wave Impedance (dielectric) (impedance vzdáleného pole rovinné vlny), Near Field Impedance to Electric Dipole (impedance blízkého pole způsobeného elektrickým dipólem), anebo Near Field Impedance due to Current Loop (impedance blízkého pole způsobeného proudovou smyčkou), výsledek se pro zvolený zdroj pole automaticky zobrazí v odpovídajícím políčku Impedance. Power to Field Conversion in the far Field (převod výkonu na pole u vzáleného pole) Tento nástroj provádí převod z parametrů pole Electric Field (elektrické pole v jednotkách V/m) na Power Density (výkonová hustota pole). Vyplněním kteréhokoliv políčka a zmáčknutím tlačítka Convert se vypočte odpovídající hodnota ve druhém políčku. Power Density and Field at a distance from an isotropic transmitter (výkonová hustota pole ve vzdálenosti od isotropického vysílače). Tento nástroj vypočítává hustotu pole Pd ve W/m2 a intenzitu pole v jedntkách V/metr pro daný výkon vysílače - Transmitter Power, pro danou vzdálenost od vysílače - Distance, pro zadaný zemnící faktor Ground Factor. Stiskem tlačítka Convert se vypočítají odpovídající hodnoty Remote Power (výkonová hustota pole), Remote Field (intenzita pole).


49

Magnetic Field Unit Conversions (převody jednotek magnetického pole) Tento nástroj provádí převody hodnot mezi hodnotami v jednotkách Gauss, A/m a Tesla, vyplní se jedno z těchto polí a stiskem tlačítka Convert se vypočítají hodnoty ve zbývajících dvou polích.

8.3 Transients (přechodové jevy) Analýza přechodových jevů je jedním ze základních částí návrhu elektromagnetické kompatibility. Přechodové jevy mohou vést k různým následkům, jako je např. dočasné výpadky funkčnosti, destrukce polovodičového přechodu atd. Westbay Tools má tři možnosti analýzy a návrhu omezení přechodových jevů. Za prvé je to vybíjení kondenzátoru, který při vybíjení přes odpor do zátěže simuluje velkou část přechodových jevů (např. elektrostatický výboj), připojením kondenzátoru paralelně k zátěži můžeme regulovat nabíjení a tím omezit vliv přechodových jevů. Druhý nástroj umožňuje simulovat přechodový jev s exponenciálním dozníváním s definovatelnou dobou náběhu. Sériově zařazená cívka a kondenzátor mohou zredukovat napětí na zátěži. Účinnost cívky však závisí na době náběhu samotného přechodového signálů, k redukci tohoto jevu lze použít sériově zařazeného rezistoru. Třetím nástroj umožňuje použití napěťového (clamping device - omezovacího obvodu ) k ochraně zátěže. Tuto ochranu může tvořit buď zenerova dioda (nebo jednoduše omezovací dioda), anebo metal oxidový varistor (MOV). Obě tyto součástky může nástroj použít jako jednoduchý napěťový omezovací prvek. Volba závisí částečně na výkonové špičce a energii v omezovacím prvku , částečně na tom na kolik pulzů je životnostně daná součástka konstruovaná. Clamp tool umožňuje umístění rozptylové indukčnosti a rezistoru v sérii s clamp (omezovacím) zařízením. 8.3.1

- Capacitor Discharge (vybíjení kondenzátoru)

Tento nástroj používá schéma jež je vyobrazeno vpravo nahoře ve formuláři. Kondenzátor C1 udržuje počáteční nabití a rezistor Rs zastupuje odpor zdroje a jakýkoliv přidaný sériový odpor. Rl odpovídá odporu zátěže a C2 kondenzátor vyvažuje nabíjení. Požadované vstupní hodnoty jsou : Initial Charge on C1 (počáteční nabití kondenzátoru), Source Capacitance C1 (kapacita zdroje C1), Source Resistance (odpor zdroje), Sink Capacitance C2 (kapacita zátěže C2), Load Resistance (odpor zátěže). Dále vpravo dole je možno z pull-down menu vybrat definovatelný model a tlačítkem Replicate Model 1 je možno zkopírovat nastavené hodnoty z prvního modelu do zbývajících čtyř. Po stisku tlačítka Analyse se vypočtou a zobrazí hodnoty v těchto políčkách : Peak Load Voltage (špičkové napětí na zátěži), Peak Load Current (špičkový proud na zátěži), Peak Load Power (špičkový výkon na zátěži), Total Load Energy (celková energie na zátěži). Stiskem tlačítka Plot se vykreslí časová charakteristika vybíjení - časový průběh napětí na zátěži.

8.3.2

- Inductive Transient Attenuation (induktivní přechodové tlumení)

Tento nástroj umožňuje analýzu tlumení signálu, jehož tvar je zobrazen vpravo nahoře ve formuláři (lineární náběh až do špičkového napětí Vp a pak exponenciální pokles k nule. Bodová analýza vypočítává špičkový proud, napětí, výkon a celkovou energii na sériovém a

50


zatěžovacím odporu a dále vypočítává . Zadávané hodnoty jsou tyto : Peak Voltage (Vp) (špičkové napětí (Vp)), Source Resistance (odpor zdroje), 50% Risetime Tr (doba náběhu na 50%), 50% Decaytime (doba doznívání na 50%), Series Resistance (odpor sériově řazeného rezistoru), Series Inductance (sériová indukčnost), Load Resistance (odpor zátěže). Stiskem tlačítka Analyse se vypočtou tyto hodnoty : Peak Power (špičkový výkon), Peak Current (špičkový proud), Peak Voltage (špičkové napětí), Total Energy (celková energie), pro odpovídající sloupce, jímž odpovídájí tyto analýzy : Inductor Analysis (analýza cívky), Resistor Analysis (analýza rezistoru), Load Analysis (analýza zátěže). Tlačítkem Diagram lze zobrazit schéma znázorňující rozložení prvků v analyzovaném obvodu. Stiskem tlačítka Plot Vload se provede vykreslení závislosti napětí na zátěži vztažené k času. 8.3.3

- Voltage Transient Clamping (přepěťové přechodové omezování )

Přechodový signál v tomto nástroji je definován stejně jako v předcházejícím případě. Omezující prvek omezuje podle schématu (zobrazení stiskem tlačítka Diagram) napětí přesahující prahové napětí omezujícího prvku, napětí na vstupu které bude přesahovat toto prahové napětí bude mít konstantní hodnotu tohoto prahového napětí. Požadované hodnoty jsou tyto : Peak Voltage (Vp) (špičkové napětí (Vp)), Source Resistance (odpor zdroje), 50% Risetime Tr (doba náběhu na 50%), 50% Decaytime (doba doznívání na 50%), Series Resistance (odpor sériově řazeného rezistoru), Series Inductance (sériová indukčnost), Load Resistance (odpor zátěže), Clamping Voltage (napětí omezení), Ground Resistance (zemní odpor), Ground Inductance (zemní indukčnost). Stiskem tlačítka Analyse se vypočtou tyto hodnoty : Peak Power (špičkový výkon), Peak Current (špičkový proud), Peak Voltage (špičkové napětí), Total Energy (celková energie), pro odpovídající sloupce, jímž odpovídají tyto analýzy : Diode Analysis (analýza diody), Load Analysis (analýza zátěže), Rser Analysis (analýza sériového rezistoru). Tlačítkem Diagram lze zobrazit schéma znázorňující rozložení prvků v analyzovaném obvodu. Dále vpravo dole je možno z pull-down menu vybrat definovatelný model a tlačítkem Replicate Model 1 je možno zkopírovat nastavené hodnoty z prvního modelu do zbývajících čtyř. Stiskem tlačítka Plot Vload se provede vykreslení závislosti napětí na zátěži vztažené k času. 8.3.4

- Filter Step Response (odezva filtru na jednotkový skok)

EMI potlačující filtry sestávají z kapacit k zemi a/nebo indukčností. Jejich celková odezva při skokovém napětí zpožďuje náběžné hrany signálu. Vlastnosti těchto filtrů jsou důležité, když chceme přenášet rychlé signály (kdy zpoždění může být větší než perioda přenášeného signálu a vrcholová úroveň signálu se tak vůbec nedosáhne), anebo při přenášení signálů u něhož je důležité prahové napětí. Tento nástroj umožňuje analýzu 6 druhů filtrů. Požadované vstupní hodnoty jsou : z pull-down menu Filter Circuit (obvod filtru) se vybere typ filtru, Source Resistance (odpor zdroje), Load Resistance (odpor zátěže), Capacitance (příslušná kapacita dle obvodu), Inductance (příslušná indukčnost dle obvodu), Series Resistance (odpor v sérii), Voltage Step (napěťový skok), Time, t (čas t). Políčka zadávaných hodnot jsou aktivní podle typu zvoleného filtru. Stiskem tlačítka Analyse se vypočtou a zobrazí hodnota , Voltage at Time t (napětí v čase t). Stiskem tlačítka Diagram se zobrazí schéma aktuálního filtru, stiskem tlačítka Plot se zobrazí graf odezvy aktuálního filtru.

Mikroelektronické praktikum L 8.3.5

51

- Hybrid Voltage Clamp (hybridní napěťové omezení )

Tato zapojení řeší problémy při potřebě chránit před vysokým napětím a zároveň rychle - polovodičová zapojení sice rychle reagují na nebezpečné napětí ale mají jen omezenou zatížitelnost, plynové výbojky, zase mají vyšší zatížitelnost, ale pomalou odezvu. Řešením se proto stává hybridní zapojení, které používá oba prvky - viz schéma stiskem tlačítka Diagram. Zadávané hodnoty pro signál definovaný dle nákresu vpravo nahoře jsou : Peak Voltage (Vp) (špičkové napětí), Source Resistance (odpor zdroje), 50% Risetime Tr (doba náběhu na 50%), 50% Decaytime (doba doznívání na 50%), Series Resistance (odpor sériově řazeného rezistoru), Load Resistance (odpor zátěže), Inductance (indukčnost), Diode Clamp Voltage (omezovací napětí diody). Dále je možno stiskem tlačítka Gas Discharge Settings v nově otevřeném okně Gas Discharge Tube Settings definovat parametry výbojky : Impulse Strike Voltage ( impulzní špičkové napětí), z pull-down menu se vybere hodnota pro at Transition Rate of (při rychlosti přeběhu), DC Strike Voltage (stejnosměrné špičkové napětí), Glow Voltage (napětí výboje), Glow to Arc Transition Current (obloukový výboj při průchozím proudu), Arc Voltage (obloukové napětí), DC Holdover Voltage (stejnosměrné přepětí). Schéma znázorňuje význam hodnot. Stiskem tlačítka Done se okno Gas Discharge Settings uzavře. Stiskem tlačítka Analyse se vypočtou tyto hodnoty : Peak Power (špičkový výkon), Peak Current (špičkový proud), Peak Voltage (špičkové napětí), Total Energy (celková energie), pro odpovídající sloupce, jímž odpovídají tyto analýzy : Gas Tube (výbojka), Rseries (analýza sériového rezistoru ), Diode (pro diodu), Load (pro zátěž). Tlačítkem Diagram lze zobrazit schéma znázorňující rozložení prvků v analyzovaném obvodu. Stiskem tlačítka Plot se vykreslí graf závislosti napětí na zátěži na čase. 8.3.6

- Thermal Noise (teplotní šum)

Všechny odporové prvky v systému jsou zdrojem šumového napětí, jež je závislé na odporu daného prvku, na jeho teplotě a na šířce frekvenčního pásma systému a naopak nezávisí na materiálu tohoto prvku. Tento nástroj vypočítává efektivní hodnotu šumového napětí, efektivní hodnotu šumového proudu a využitelný šumový výkon. Zadávají se tyto hodnoty : Resistance (odpor počítaného prvku), Temperature (teplota), Bandwidth (šířka frekvenčního pásma), dále vpravo dole je možno z pull-down menu vybrat definovatelný model a tlačítkem Replicate Model 1 je možno zkopírovat nastavené hodnoty z prvního modelu do zbývajících čtyř. Po stisku tlačítka Analyse se ze zadaných hodnot vypočítají a zobrazí tyto parametry : rms Noise Voltage (efektivní hodnota šumového napětí), rms Noise Current (efektivní hodnota šumového proudu), Available Noise Power (využitelný šumový výkon). Stiskem tlačítka Probability Density Graf se zobrazí Gaussova křivka pro pravděpodobnostní rozdělení šumového napětí. Stiskem tlačítka Resisistor Equivalent Circuit se zobrazí odpovídající schéma rezistoru. Stiskem tlačítka Plot se vykreslí graf závislosti šumového napětí na odporu prvku 8.3.7

PCBs (plošné spoje)

Tento nástroj umožňuje analyzovat některé problémy, s kterými se lze setkat u plošných spojů.

52 8.3.8

FEKT Vysokého učení technického v Brně - Decoupling Capacitance (oddělovací kapacita)

Oddělovací kondenzátor by měl mít dostatečnou hodnotu k udržení napětí nad požadovanou úrovní a zároveň tento kondenzátor by měl mít i nízkou vlastní indukčnost. Tento nástroj umožňuje analyzovat zapojení (viz stiskem tlačítka Diagram), které slouží k rychlému dodání proudu při požadavku rychlého přepnutí (při pulzních proudech), kdy zdroj nestačí (časově řádově v nanosekundách) dostatečně rychle dodat potřebný proud. Zadávané hodnoty jsou tyto : Nominal Supply (jmenovité napájecí napětí), Decoupling Capacitance (oddělovací kapacita), Residual Inductance (zbytková indukčnost), Residual Resistance (zbytkový odpor), Pulse Current (pulzní proud), Pulse Duration (trvání pulsu), dále vpravo dole je možno z pull-down menu vybrat definovatelný model a tlačítkem Replicate Model 1 je možno zkopírovat nastavené hodnoty z prvního modelu do zbývajících čtyř. Po stisku tlačítka Analyse se ze zadaných hodnot vypočítají a zobrazí : Voltage at Pulse End (velikost napěťové špičky), Voltage Reduction (pokles napětí). Stiskem tlačítka Diagram se zobrazí odpovídající schéma, stiskem tlačítka Plot se vykreslí do grafu závislost napětí na zátěží v závislost na čase. 8.3.9

- Track : Characteristic Impedance (dráhy vedení : charakteristická impedance)

Tento nástroj umožňuje zjistit charakteristické impedance pro jednotlivé geometrie vedení (viz schéma stiskem tlačítka Diagram). Zadávají se hodnoty, jejichž vysvětlení je zřejmé ze schématu (Diagram) pro tyto geometrie : Embedded PCB Track (Stripline) (zapuštěné vedení plošného spoje (pásek)), u této geometrie se ještě navíc vyplňuje hodnota Distributed Device Capacitance (rozložená kapacita zařízení), Surface PCB Track (Microstrip) (povrchové vedení plošného spoje (mikropásek)), zde se rovněž vyplňuje hodnota Distributed Device Capacitance (rozložená kapacita zařízení), Pair of Parallel Wires (s>3d) (pár paralelních drátů (jejichž vzdálenost s je minimálně 3x větší než jejich průměr), Pair of Vertically Spaced Parallel Strip (w > 3h, and h> 3t) (pár vertikálně umístěných paralelních pásků (jejichž šířka w je větší než trojnásobek jejich vzdálenosti a jejichž vzdálenost je větší než trojnásobek jejich tloušťky), Pair of Horizontally Spaced Parallel Strips (w > 3t) (pár horizontálně oddělených paralelních pásků (jejichž vzdálenst je větší než trojnásobek jejich tloušťky), Single Wire over Ground Plane (samostatný vodič nad zemní plochou). Je nutno ještě zadat hodnotu Relative Dielectric Constant of the Medium around the Conductors (relatvní dielektrická konstanta prostředí kolem vodičů). Stiskem tlačítka Analyse se vypočítají a zobrazí příslušné hodnoty Zo (charakteristická impedance). 8.3.10 - Transmission Line Test (for a PCB Track) (testování přenosu vedení plošného spoje)

Tento nástroj prověřuje pásková vedení a mikropáskové vodiče a vypočítává jejich zpoždění vlivem šíření. Je možno také započíst efekt kapacity zařízení. Tyto výpočty jsou důležité při přenosu vyšších frekvencí, nebo vyšších přepínacích rychlostí (extrémně u Schottkyho diody), tento nástroj vypočítává impedanci Zo vedení a zpoždění Tpd. Zadávané hodnoty jsou : Relative Dielectric Constant of the Medium around the Conductors (relativní dielektrická konstanta prostředí kolem vodičů), potom se zadávají hodnoty pro dva druhy vedení : Embedded PCB Track (Stripline) (zapuštěné vedení plošného spoje (pásek)), Surface PCB Track (Microstrip) (povrchové vedení plošného spoje (mikropásek)).


53

U každého se zadávají hodnoty : t, w, h, Length (délka), Total Device Cap (celková kapacita prvku), jejichž význam je zřejmý ze schématu (tlačítkem Diagram). Stiskem tlačítka Analyse se vypočítají a zobrazí příslušné hodnoty : Tpd ( zpoždění vlivem šíření), Zo (charakteristická impedance). 8.3.11 - Ground Plane and Track Impedances (impedance dráhy vedení a zemní plochy)

Spojitá zemní deska nabízí významné snížení vysokofrekvenční impedance vzhledem k dráhám plošných spojů. Nízká impedance a indukčnost zemní roviny snižují impedanci napájecího zdroje a snižují šum zemní smyčky. Na vyšších frekvencích má povrchový jev za následek zvýšení impedance zemní roviny, jež je úměrná druhé mocnině frekvence. Impedance drah plošných spojů také narůstá se zvyšující se frekvencí. Hodnota impedance zemní roviny začíná na hodnotách mohmy na metr čtvereční.a pro vzdálenost mezi dvěmi body, která je menší než šířka desky plošného spoje závisí na vzdálenosti. Impedance bude vyšší pro jiné geometrie, anebo kde dva body jsou blízko okraje desky plošného spoje. Blízko tohoto okraje je impedance dvakrát vyšší než v centru plošného spoje. V tomto nástroji se zadávají tyto hodnoty : z pull-down menu Conductor Material vlevo nahoře se vybere materiál vodiče, čímž se vyplní i položky Conductivity (vodivost) a Relative Permeability (relativní permeabilita), tyto dvě položky je však možno zadat i ručně, dále se zadává hodnota Frequency (frekvence signálu ve vodiči), Ground Plane and PCB Track Thickness, t (tloušťka zemní plochy a dráhy plošného spoje), PCB Track Width (šířka dráhy plošného spoje), PCB Track Length (délka dráhy plošného spoje). Po zadání těchto hodnot se automaticky vypočítají tyto hodnoty : Skin Depth (hloubka vniknutí), ve sloupci Ground Plane Analysis (analýza zemní plochy) : DC Point to Point Resistance (mohms/square). Use where Skin Depth>> Thickness (stejnosměrný odpor mezi dvěmi body (mohmy/metr čtvereční). Používejte, když je hloubka vniknutí daleko větší než tloušťka), RF Point to Point Impedance (mohms/square). Use where Skin Depth << Thickness (Vysokofrekvenční impedance mezi dvěmi body (mohmy/ metr čtvereční). Používejte, když hloubka vniknutí je daleko menší než tloušťka), pro sloupec PCB Track Analysis (analýza drah plošného spoje) : DC Resistance (stejnosměrný odpor), RF Impedance (vysokofrekvenční impedance).

8.3.12

- Crosstalk between Wires (přeslech mezi vodiči)

Tento nástroj vypočítává přeslechy mezi dvěmi dlouhými paralelními vodiči (dráty), jejichž vzájemná vzdálenost je daleko větší než jejich průměr. Výpočet je prováděn pro dva vodiče bez zemní plochy a s vodiči zavěšenými nad zemní plochou. Je počítána magnetická i elektrická vazba. Významného omezení kapacitní vazby mezi vodiči lze dosáhnou větší blízkostí zemní plochy, toto omezení je převládající při větších impedancích obvodu, naopak magnetická vazba je zemní plochou omezována méně, přičemž toto omezení vzrůstá při nižších impedancích. Schéma situace lze vykreslit stiskem tlačítka Diagram. Vyplňují se tyto hodnoty : Wire Diameter (průměr vodiče), Wire Separation (vzájemná vzdálenost vodičů), Height (výška vodičů nad zemí), Wire Length (délka vodiče), z pull-down menu se vybíra Surrounding Material (okolní materiál), přičemž se po výběru automaticky vyplní políčko Rel. Dielectric Const (relativní dielektrická konstanta), kterou je možno zadat i ručně, dále se vyplňuje RsSource (odpor Rs zdroje), RISource (odpor RI zdroje), RsVictim (odpor Rs druhého vodiče), RIVictim (odpor RI druhého vodiče). Po stisku tlačítka Analyse se vypočítají a zobrazí tyto hodnoty : pro případ přítomnosti zemní plochy : Capacitive Crosstalk (kapacitní přeslech), Inductive Crosstalk (indukční přeslech), pro případ

54


nepřítomnosti zemní plochy : Capacitive Crosstalk (kapacitní přeslech), Inductive Crosstalk (indukční přeslech). Stiskem tlačítka Plot se zobrazí graf hodnot všech čtyř přeslechů v závislosti na frekvenci.

8.3.13

- Common Mode Rejection Reduction (potlačení souhlasného napětí)

Vyvážené vedení poskytuje nekonečnou hodnotu potlačení pro souhlasné signály, tyto jsou vyrušeny na zátěži. Avšak jakákoliv nevyváženost kapacit kteréhokoliv vedení vzhledem k zemi se může projevit v signálu na zátěži (což se může stát díky rozptylové kapacitě vzhledem k zemi, anebo použitím kapacitních součástek, jejichž tolerance způsobí nevyváženost). Decibelový poměr napětí na zátěži vzhledem k (common mode) společnému signálu je zde definován jako činitel potlačení souhlasného napětí. Pro dobře vyvážený systém je nekonečně velký. Stiskem tlačítka Diagram lze zobrazit schéma analyzované situace. Zadávané hodnoty jsou tyto : CM Source Resistance, Rscm (odpor zdroje souhlasného signálu, Rscm), DM Source Resistance, Rsdm (odpor zdroje rozdílového signálu, Rsdm), DM Load Resistance, Rldm (odpor zátěže rozdílového signálu), Capacitance, C1 (kapacita, C1), Capacitance, C2 (kapacita, C2), Frequency (frekvence signálu), z pull-down menu se volí číslo modelu, který lze definovat (maximálně pět), tlačítkem Replicate Model 1 lze zkopírovat nastavené hodnoty z modelu číslo 1 do zbývajících čtyř modelů. Stiskem tlačítka Analyse se vypočítá a zobrazí hodnota Common Mode Rejection Ratio (činitel potlačení souhlasného signálu) a stiskem tlačítka Plot se vykreslí do grafu závislost tohoto činitele na frekvenci signálu. 8.3.14 - DM Loop Radiation (vyzařování smyčky rozdílového signálu)

Proudy rozdílových signálů tečou v opačném směru, ve dvou vodičích spojujících části obvodu a jež jsou nezávislé na zemní ploše. Vzniká emise, která při malé vzdálenosti těchto vodičů je nepatrná ale při vyšších vzdálenostech vzrůstá. Tento nástroj zjišťuje, zda v definovaném případě vzniká emise, jejíž hodnota jen nad určitou úrovní - v takovém případě je nutno dané vodiče stínit. Zadávané hodnoty jsou tyto : Frequency (frekvence), Current (proud), Distance from Source (vzdálenost od zdroje), Loop Width (šířka smyčky), Loop Length (délka smyčky). Stiskem tlačítka Set Limits se dostaneme do nového okna, v němž lze definovat limity a metody měření charakteristik vysokofrekvenční interference informačních zařízení. Můžeme stiskem tlačítka New definovat novou specifikaci a stiskem tlačítka Edit můžeme změnit nastavení aktuální specifikace. Zadávání se provádí pomocí křivky, která je definována ve sloupcích pro příslušné hodnoty dB a Mhz, přepínací tlačítka 10kHz/100MHz a 10MHz/1GHz přepínají frekvenční rozsah, v políčku Offset lze nastavit úroveň nulového hodnoty, z pull-down menu vlevo nahoře lze vybrat již definovanou specifikaci, stiskem tlačítka Save se daná specifikace uloží. Stiskem tlačítka Cancel se toto okno opustí bez převzetí zadaných hodnot. Stiskem tlačítka Done program převezme zadané parametry, opustí toto okno a vrátí se zpět do původního okna, (definice emisních specifikací se projeví i v grafu po stisku tlačítka Plot) ve kterém se v políčku Emissions Spec. zobrazí popis aktuální specifikace a je možno též zatržením zatrhávacího tlačítka Display Limits zvolit zobrazení limitů v grafu. Stiskem tlačítka Analyse se vypočítají tyto hodnoty : Loop Area (plocha smyčky), Electric Field (intenzita elektrického pole, dvakrát – v jednotkách V/m a dBuV/m), Maximum useful model frequency (maximální použitelná frekvence pro model). Stiskem tlačítka Plot se vykreslí graf závislosti intenzity vyzařování na frekvenci signálu. Vpravo dole


55

se zobrazí v políčkách Frequency (frekvence), Risetime (doba náběhu), Decay Time (doba doznívání), Peak Value (špičková hodnota), Harmonics to Plot (počet harmonických, které se mají vykreslit), které se převezmou s poslední Fourierovy analýzy lichoběžníkového signálu (pokud byla předtím provedena), stiskem tlačítka Fourier Plot se vykreslí charakteristika do grafu. Zapnutím tlačítka Save Plot lze daný graf nahrát na disk. Intenzita vyzařovaného pole je přímo úměrná proudu, velikosti plochy smyčky, a nepřímo úměrná vzdálenosti od zdroje, tato intenzita rovněž vzrůstá s druhou mocninou frekvence. Tento nástroj je použitelný jen v těch případech, kdy největší rozměr proudové smyčky je menší než 1/4 vlnové délky, při vyšších frekvencích fázové rozdíly ve smyčce budou snižovat intenzitu pole. 8.3.15 - CM Radiation (vyzařování souhlasných signálů )

Souhlasné proudy tečou v propojovacích vodičích, jež používají zem jako zpětné vedení. Tyto proudy mohou vznikat díky potenciálu jehož příčinou je konečná impedance vedení. Proud je injekován do propojovacích vodičů, které se chovají jako anténa jak je ukázáno na obrázku vpravo nahoře ve formuláři. Tento nástroj slouží pouze k analýze vyzařování vodičů jejichž délka je menší než 1/4 vlnové délky signálu. Existuje několik způsobů, jak snížit emisi vyzařováním : minimalizace impedance zemní dráhy a plošném spoji, omezení vyšších kmitočtů obsažených v digitálních signálech, stínění propojovacích vodičů, použití tlumivky v sérii s propojovacím vodičem. Zadávané hodnoty jsou tyto : Frequency (frekvence signálu), Current (proud), Distance from Source (vzdálenost od zdroje), Cable Length (délka vodiče), stiskem tlačítka Analyse se vypočítají a zobrazí hodnoty : Electric Field (intenzita elektrického pole; dvakrát - pro jednotky V/m a pro dBuV/m) , Maximum useful model frequency (maximální použitelná frekvence pro model). Stiskem tlačítka Plot se vykreslí graf závislosti intenzity vyzařování na frekvenci signálu. Tlačítka Set Limits, Fourier Plot, Save Plot, Políčko Emissions Spec, tlačítko Set Limits, zatrhávací tlačítko Display Limits a políčka a tlačítko vpravo dole mají stejnou funkci jak v předcházejícím nástroji.

8.4 Cap/Ind (Capacitance and Inductance Tools) (kapacity/indukčnosti) (nástroje pro kapacity a indukčnosti) Analýza kapacit a indukčností je jádrem mnoha problémů elektromagnetické kompatibility. Pomocí těchto nástrojů lze počítat kapacity a indukčnosti základních struktur, přičemž je možno také zobrazit křivku jejich frekvenční závislosti jejich impedance. Dále je možno zjišťovat rezonanční frekvence různých zapojení kondenzátoru a cívky. Jsou zde i výpočty toroidních cívek.

8.4.1 8.4.1.1

- Capacitance of Structures… (kapacity struktur)

- - Parallel Plates (paralelní desky)

Tento nástroj vypočítává kapacitu paralelních desek. Zadávané hodnoty jsou tyto : přepínacím tlačítkem se vybere typ desek buď Rectangular Plates (pravoúhlé

56


desky) anebo Round Plates (kruhové desky), dále se zadajní : Plate Width (šířka desky), Plate Length (délka desky), Plate Separation (vzájemná vzdálenost desek), z pull-down menu Material se vybere materiál obklopující desky, přičemž se při tomto výběru automaticky vyplní i políčko Rel. Dielectric Constant (relativní dielektrická konstanta). Po zadání potřebných hodnot se vypočítá a zobrazí hodnota Capacitance (kapacita). 8.4.1.2

- - Coaxial Line (koaxiální vedení)

Tento nástroj vypočítává kapacitu koaxiálního vedení. Zadávané hodnoty jsou tyto : Inside Diameter of outer conductor (vnitřní průměr vnějšího vodiče), Outside Diameter of inner conductor (vnější průměr vnitřního vodiče), z pull-down menu Material se vybere materiál obklopující vnitřní vodič, přičemž se při tomto výběru automaticky vyplní i políčko Rel. Dielectric Constant (relativní dielektrická konstanta). Po zadání potřebných hodnot se vypočítá a zobrazí hodnota Capacitance (kapacita). 8.4.1.3

- - Two Wires, no Ground Plane (dva vodiče, žádná zemní plocha)

Tento nástroj vypočítává kapacitu dvou vodičů bez zemní plochy, přičemž průměr vodičů by měl být menší než vzdálenost mezi vodiči. Zadávají se tyto hodnoty : Wire Diameter (průměr vodiče), Wire Separation (vzdálenost mezi vodiči), z pull-down menu Material se vybere materiál obklopující vnitřní vodič, přičemž se při tomto výběru automaticky vyplní i políčko Rel. Dielectric Constant (relativní dielektrická konstanta). Po zadání potřebných hodnot se vypočítá a zobrazí hodnota Capacitance (kapacita). 8.4.1.4

- - Two Wires over Ground Plane (dva vodiče nad zemní plochou)

Tento nástroj vypočítává kapacitu dvou vodičů nad zemní plochou, jež odvádí zpětné proudy , přičemž průměr vodičů by měl být menší než vzdálenost mezi vodiči. Zadávají se tyto hodnoty : Wire Diameter (průměr vodiče), Wire Separation (vzdálenost mezi vodiči), Wire Height over Ground (výška vodičů nad zemí), z pulldown menu Material se vybere materiál obklopující vnitřní vodič, přičemž se při tomto výběru automaticky vyplní i políčko Rel. Dielectric Constant (relativní dielektrická konstanta). Po zadání potřebných hodnot se vypočítá a zobrazí hodnota Wire to Wire Capacitance (kapacita mezi vodiči) a Wire to Ground Capacitance (kapacita mezi vodičem a zemí). 8.4.2 8.4.2.1

- Inductance of Structures (indukčnost struktur)

- - Straight Round Wire ( přímý vodič kruhového průřezu)

Zadávané hodnoty jsou : Diameter (průměr vodiče), Length (délka vodiče). Po zadání těchto hodnot se automaticky vypočte Inductance (indukčnost) této struktury. 8.4.2.2

- - Rectangular Strip (pravoúhlý pásek)


57

Zadávané hodnoty jsou : Width (šířka pásku), Height (výška), Length (délka pásku). Po zadání těchto hodnot se automaticky vypočte Inductance (indukčnost) této struktury. 8.4.2.3

- - Parallel Wires (paralelní vodiče)

Tento nástroj vypočítává indukčnost mezi dvěmi vodiči ve volném prostoru, bez zemní plochy, přičemž průměr vodiče by měl být menší než jejich vzdálenost. Zadávané hodnoty jsou : Wire Diameter (průměr vodiče), Wire Separation (vzdálenost mezi vodiči). Po zadání těchto hodnot se automaticky vypočte Inductance (indukčnost) této struktury. 8.4.3

- Impedances

Tento nástroj vypočítává impedance kondenzátoru, či cívky pro jejich kapacity či indukčnosti a při dané frekvenci. Pro Impedance of a Capacitor (impedance kondezátoru) se zadávají tyto hodnoty : Capacitance (kapacita), vpravo se přepínacími tlačítky pF, nF, uF zvolí příslušná jednotka zadané kapacity, Frequency (frekvence), vpravo se přepínacími tlačítky kHz a MHz vybere jednotka zadané frekvence. Po zadání těchto hodnot se automaticky vypočte Impedance nadefinovaného kondenzátoru. Stiskem tlačítka Plot se vykreslí do grafu závislost imedance definovaného kondenzátoru na frekvenci. Pro Impedance of an Inductor (impedance cívky) se zadávají tyto hodnoty : Inductance (indukčnost), vpravo se přepínacími tlačítky uH, mH zvolí příslušná jednotka zadané indukčnosti, Frequency (frekvence), vpravo se přepínacími tlačítky kHz a MHz vybere jednotka zadané frekvence. Po zadání těchto hodnot se automaticky vypočte Impedance nadefinované cívky. Stiskem tlačítka Plot se vykreslí do grafu závislost impedance definované cívky na frekvenci. Vlevo lze tlačítky Separate (odděleně - kondenzátor a cívka se analyzují odděleně), Series (sériově - kondenzátor a cívka jsou zapojeny sériově), Parallel (paralelně - kondenzátor a cívka jsou zapojeny paralelně) zvolit zapojení kondenzátoru a cívky volba tohoto zapojení se projeví při vykreslování grafu (stiskem kteréhokoliv tlačítka Plot), kdy se vykreslí frekvenční závislost impedance celkového zapojení. Z pull-down menu Model Number se volí číslo modelu, který lze definovat (maximálně pět), tlačítkem Replicate Model 1 lze zkopírovat nastavené hodnoty z modelu číslo 1 do zbývajících čtyř modelů. 8.4.4

- Self-Resonant Frequency and Q (frekvence vlastní rezonance a činitel jakosti)

Tento nástroj vypočítává vlastní rezonanci obvodu sestaveného s kondenzátoru a cívky a dále vypočítává činitel jakosti cívky. Pro Self Resonant Frequency of an LC Circuit (frekvence vlastní rezonance pro obvod LC) jsou zadávané hodnoty tyto : Capacitance (kapacita kondenzátoru), vpravo se přepínacími tlačítky pF, nF, uF zvolí příslušná jednotka zadané kapacity, Inductance (indukčnost cívky), vpravo se přepínacími tlačítky nH, uH, mH zvolí příslušná jednotka zadané indukčnosti. Po zadání těchto hodnot se automaticky vypočte Self-Resonant Freq (frekvence vlastní rezonance) tohoto zapojení. Pro Q Factor of an Inductor (činitel jakosti cívky) jsou zadávané hodnoty tyto : Inductance (indukčnost), vpravo se přepínacími tlačítky uH, mH zvolí příslušná jednotka zadané indukčnosti, Resistance (odpor), vpravo se

58


přepínacími tlačítky mOhms, Ohms zvolí příslušná jednotka zadaného odporu, Frequency (frekvence). Po zadání těchto hodnot se automaticky vypočte Q Factor (činitel jakosti) nadefinované cívky. 8.4.5

- Toroidal Inductors (toroidní cívky)

Tento nástroj umožňuje navržení toroidních cívek, jejichž výhodou je nízké externí vyzařování. V tomto nástroji je možno pro definované vlastnosti (velikosti jader jsou předdefinované, nebo je lze zadat ručně) vypočíst potřebný počet závitů této cívky. Vysvětlení hodnot pro jádro je zobrazeno vpravo nahoře v zadávacím formuláři. Zadávané hodnoty jsou : Required Inductance (požadovaná indukčnost), z pulldown menu Common Core Sizes (velikosti jader) lze vybrat z předdefinovaných velikostí jader, anebo je možno zadat rozměry jádra ručně v těchto políčkách : Outside Diameter OD (vnější průměr jádra OD), Inside Diameter ID (vnitřní průměr jádra ID), Height h (výška jádra h), dále se zadává : Corner Radius (poloměr zaoblení jádra), Nominal Rel. Permeability (jmenovitá relativní permeabilita materiálu jádra), dále se zadává : Peak Current (špičkový proud), Frequency (frekvence), Bare Wire Diameter (průměr neizolovaného drátu), Overall Diameter (celkový průměr). Po stisku tlačítka Analyse se vypočítají tyto hodnoty : Number of Turns (počet závitů cívky), Flux Density (hustota magnetického toku), Residual ID (zbytkový vnitřní průměr jádra), Magnetising Forse, H (magnetizující síla, H), Nominal dc resistance (jmenovitý snejnosměrný odpor), Peak Winding Power (špičkový výkon vinutí). Při návrhu je nutno pamatovat na to, že v těchto výpočtech nejsou zahrnuty ztráty na jádře a uvedený výkon je vztažen pouze ke snejnosměrnému odporu vinutí. Po návrhu se dole v položce Commentary objeví stručný komentář uskutečněného návrhu.

8.5

Design Guides (průvodci návrhu)

Tito průvodci ukazují jednotlivé problémy elektromagnetické kompatibility, které je nutno při návrhu řešit. Průvodce ukazuje též různé tipy (stiskem levého tlačítka myši), kterými se lze řídit při řešení elektromagnetické kompatibility, případně lze přímo přejít do odpovídajícího nástroje dle schématu (stiskem pravého tlačítka myši). 8.5.1

- Shielding Integrity (integrita stínění)

Na schématu je zobrazeno několik kritických míst u zařízení v nichž dochází k porušení integrity stínění. Stiskem azurových popisků se ukáže blíže vysvětlující text. Gasketted Interface (styčná plocha těsnění) – Styčné plochy degradují stínění lokálním zvýšením vodivosti a mohou mít též důsledek vznik otvoru, jestliže mezi styčnými plochami existuje mezera. Dobré emi a vodotěsné těsnění mohou být dosaženy použitím vodivého elastomerického těsnění kruhového průřezu mezi dvěmi plochami styku, kdy toto těsnění je umístěno do drážky pravoúhlého průřezu. Tato drážka musí být dobře navržena i se svými tolerancemi. Příliš malá drážka může mít za následek příliš velké stlačení těsnění v drážce, anebo dokonce může dojít


59

k vytlačení těsnění z drážky. Příliš velká drážka má důsledek malého stlačení těsnění s možným důsledek zhoršení účinnosti stínění. Gasket Groove Design Tool (nástroj návrhu těsnění a drážek) (v menu - Gasket Groove Design) napomáhá při návrhu drážek, včetně efektu ohnutí tenkého víka způsobeného stlačující sílou těsnění. Waveguide below Cut-off (vlnovod pod mezním kmitočtem) - Efektivní možností jak zvýšit účinnost stínění otvoru je umístění vodivé trubky do otvoru, která je vodivě spojena se stíněním. Pak se takový prvek chová jako vlnovod, který nepřispívá k účinnému přenosu pod mezním kmitočtem, který je určen poměrem hloubky k šířce. Pro velké otvory, například pro chlazení, voštinové průduchy se chovají jako soubor vlnovodů, poskytující velkou míru otevření při vysoké účinnosti stínění. The WaveGuide Tool (nástroj pro vlnovod) ( v menu - Waveguide Below Cut-Off ) nabízí výpočty a vykreslování přenosu vlnovodu. Apertures (otvory) – Otvor ve stěně stínění je potenciálním vstupním místem pro vnější vyzařování, možná vedoucí k problémům susceptibility. V místech připojení vodičů do zařízení může být vyzařováno vysokofrekvenční rušení skrz otvor nad specifikované hodnoty . Při rozměrech otvoru menších než polovina vlnové délky nedochází k žádnému stínění – k tomu dochází až při otvorech větších než polovina vlnové délky . Nástroj, který tuto problematiku zajišťuje lze najít v menu - - Aperture Leakage. Cavity Resonances (dutinové resonance) - Jakýkoliv kryt s vodivými stěnami se může chovat jako rezonující dutina, v níž vzniká stojaté vlnění v různých modech jako série diskrétních frekvencí. Vstupující interferenční signály pak mohou vybudit resonance, které mohou vést k problémům se susceptibilitou na určitých (diskrétních) frekvencích. Obsah zařízení (uvnitř krytu) však stojaté vlnění rozladí, proto je přesný výpočet obtížný. Nástroj pro výpočty dutinových rezonancí najdeme v menu : Cavity Resonance. Conducted Emissions/Susceptibility : Feedthrough Filters (vedené emise/susceptibilita: průchozí filtry) . Používané kondenzátory mají vlastní indukčnost o hodnotách několika nH, která vytváří vlastní resonanci typicky v oblasti 50 Mhz, nad kterou impedance k zemi vzrůstá. Na vyšších frekvencích je obtížné spolehlivě potlačit vedené rušení. Řešením které bude dostatečné, bude vykazovat změnu vstupních ztrát při malých zásazích do návrhu zapojení. Průchozí kondenzátory vykazují zdánlivě nulovou vlastní indukčnost, což je dáno jejich koaxiální konstrukcí a jsou schopny vysokého potlačení v oblasti Ghz. Tyto však musí být namontovány přímo přes stěnu zařízení, anebo skrz vnitřní přepážku jak ukazuje nákres. Další obvodové uspořádání jsou modelovány nástrojem filter Tool, včetně Pi filtrů, L-C filtrů, a T filtrů. Menší typy začleňují feritové kroužkové indukčnosti, zatímco větší typy používají vinuté toroidní cívky. Často je toto používáno v signálových vedeních, průchozích filtrech a také je využitelné připojení ke konektorům. Nástroj pro návrh potlačovacích filtrů najdeme v menu - - Suppression Filters. Conducted Emissions/Susceptibility : Main Filters (vedené emise/susceptibilita : hlavní filtry). Pro mnoho zařízení je síťové vedení prostředkem exportu, či importu rušení. Nízkonákladové síťové filtry mohou vyřešit mnoho problémů, hlavně v oblastí frekvencí do 30 Mhz. Síťové filtry obyčejně sestávají z prvků potlačujících jednak proudy mezi vedením a vedením (symetrické) a jednak proudy mezi vedením a zemí (asymetrické). Tyto dva případy musí být modelovány zvlášť, (lze užít filter Tool – v menu - Suppression Filters) . Přidání malých hodnot parazitních veličin do modelu ukazuje, proč konvenční síťové filtry jsou méně účinně nad frekvencí 50 Mhz. (Typická vlastní indukčnost wound - vinutého kondenzátoru bude kolem 5nH a typická vlastní kapacita toroidní cívky bude kolem 5pF). Je důležité, aby síťový filtr

60


byl přimontován co nejblíže vstupu střídavého proudu s dobrým vysokofrekvenčním propojením k zemi. Vodiče „tiché“ části filtru nesmí být blízko střídavému vstupu. Enclosure Shielding Effectiveness (účinnost stínění krytu) – stínění zhotovené z dokonale vodivého materiálu by mělo mít nekonečné stínící schopnosti, praktická stínění vykazují vysokou úroveň stínění a faktory určujícími provedení stínícího krytu jsou obvykle přítomnosti otvorů, švů, a vstupů vnějších vodičů. Nicméně aktuální provedení stínění nemůže být automaticky ignorováno. Například elektrochemicky nanesené stínící vrstvy mohou být relativně tenké, ačkoliv jejich účinnost stínění rovinných vln bude přesahovat 100 dB na většině frekvencí. Toto může být důležité pro zařízení používaná v oblastech velmi silného pole. Magnetická pole jsou stíněna daleko méně a toto stínění je také daleko obtížnější, než u elektrického pole. The Shielding Effectiveness Tool (v menu - - Shielding Effectiveness Tool ) modeluje provedení stínění rovinných, elektrických a magnetických vln, přičemž bere v úvahu vodivost a permeabilitu stínícího materiálu. 8.5.2

- PCB Design (návrh plošných spojů)

Na schématu jsou zobrazeny problémy návrhu elmg. kompatibility u plošných spojů. Ve schématu to jsou : Track and Ground Plane Impedances (impedance dráhy a zemní plochy) - Přes používání oddělovacích kondenzátorů, by síťová připojení a dráhy by měla mít co nejnižší impedanci. The track and ground plane impedance Tool (nástroj pro zemní a dráhovou impedanci – v menu - Ground Plane and Track Impedances) umožňuje vypočítat stejnosměrné a vysokofrekvenční impedance plošných spojů a umožňuje rovněž vypočítat vodivost zemní plochy v ohmech na metr čtvereční. Ukazuje se, že velmi nízkých hodnot impedance lze dosáhnout použitím zemní plochy. Decoupling Capacitor (oddělovací kondenzátor) Hlavní část dobrého návrhu emc kompatibility desky plošného spoje je minimalizace rychlých proudových odběrů, vyskytujících se na dlouhých vodičových dráhách. Když integrované hradlo přepne vznikne rychlý proudový impuls; bez oddělovacího kondenzátoru může mít toto za následek zvýšení vyzařování z vodičové dráhy. Navíc impedance vodičové dráhy může zapříčinit napěťový úbytek na hradle, což muže vést ke snížení napětí na hradle pod minimální pracovní hodnotu. The decoupling capacitor Tool (nástroj pro oddělovací kondenzátor, v menu - - Decoupling Capacitance) vypočítává úbytek napětí, který nastává při proudových impulsech daného trvání, kdy napájecí zdroj je podporován definovanou kapacitou. Může zde být vykreslena závislost hradlového napětí na čase. Každý integrovaný obvod na plošném spoji by měl být oddělen co nejblíže hradlovému napájení pomocí kondenzátoru s nízkou vlastní indukčností. Differential Mode Loop Emission (emise smyčky rozdílového signálu ) Smyčky rozdílových proudů na plošném spoji mohou emitovat rušení. Rozdílový proud, kdy proud teče v jednom vodiči a vrací se ve druhém musí být rozlišen od souhlasného proudu, kde zpětný proud teče skrze zem a proudy v jednotlivých vodičích tečou stejným směrem. The Differential Mode Loop Emissions Tool (nástroj pro emisi smyček rozdílových proudů – v menu - - DM Loop Radiation) nabízí výpočet síly pole v dané vzdálenosti od smyčky pro danou frekvenci a proud. Síla pole je přímo úměrná proudu, druhé mocnině frekvence a nepřímo úměrná vzdálenosti. Je umožněno navázání na poslední Fourierovu analýzu lichoběžníkového signálu, a může být vykreslena síla pole vztažená ke každé


61

harmonické. Čili může být porovnáno předpovězené pole způsobené signálem s normami. Jestliže jsou hodnoty pole nad hodnotami normy, je potřeba stínění anebo omezení smyčky, jestliže je pod – tak se přesto mohou vyskytovat problémy s emisemi souhlasných proudů, které jsou více účinnější. Track Characteristic Impedance (charakteristická impedance vodičové dráhy)

Použití the transmission line test Tool (nástroj pro test přenosového vedení) ukazuje zda-li jednotlivá vodičová dráha nesoucí signál s krátkou dobou náběhu má být ošetřena jako přenosové vedení pro zabránění odrazů a zkreslení signálu. V tomto případě musí být vodičová dráha ukončena svou charakteristickou impedancí. The track Characteristic Impedance Tool (nástroj pro charakteristickou impedanci vodičové dráhy – v menu - Track : Characteristic Impedance) vypočítává impedanci symetrického páskového vedení a mikropáskových drah daných rozměrů (stejně jako různých jiných geometrií). Dielektrická konstanta materiálu desky je brána v úvahu. Transmission Line Effects (efekty přenosu vedení ) Když ve vodičové dráze teče signál s rychlým náběhem, a když přenosový čas je menší než dvojnásobek zpoždění vlivem šíření, pak nastává efekt přenosového vedení. Může se vyskytnout zkreslení signálu ve formě zakmitávání a stojaté vlnění může zvýšit přeslech mezi sousedícími vodičovými dráhami. The transmission line test Tool (nástroj pro testování přenosového vedení) aplikuje toto testování na symetrická pásková vedení a na mikropásky daných rozměrů, a oznamuje, zda-li se může vyskytnout efekt přenosového vedení. Nástroj umožňuje definování dielektrické konstanty desky plošného spoje. dále vpravo to jsou tlačítka : Ground Partitioning (rozdělení zemnění) Na dolním a horním schématu jsou znázorněny dobrý a špatný příklad návrhu zemnění plošného spoje v případě, kdy na stejné desce se nacházejí analogové i digitální integrované obvody. Vysoké pulzní proudy v digitálním obvodu mohou indukovat napětí, způsobené společnou impedanční zemnění, na vstupu analogového obvodu. Druhé schéma ukazuje upravený obvod s oddělenými zeměmi. Loop Area Reduction (redukce plochy smyčky) Proudové smyčky jsou potenciálním zdrojem vyzařování a vysílání a proto by proudové smyčky měly být co nejmenší. Například napěťové zdroje přenášejí mnoho proudových pulzů s velkou šířkou harmonických. Horní schéma je navrženo špatně, neboť má velkou plochu proudové smyčky. Nižší schéma je upravené se zdrojem a zpětnými vedeními co nejblíže sobě, kvůli zmenšení plochy proudových smyček. Digital Clock Layout (navrhování digitální časové základny) Minimalizujte plochy smyčky vytvořené rychlým, koherentním hodinovým zdrojem běžícím blízko zemního vedení jak je ukázáno na dolním, upraveném návrhu. Oddělujte signálové dráhy a dráhy časování a zemnění. Prokládejte každé, nebo každé dvě signálové dráhy zemnící dráhou. Zaoblete rohy pro zmenšení nespojitosti. Capacitive Decoupling (kapacitní oddělování) Správné použití oddělovacího kondenzátoru na každém IO je důležité pro snižování rušení napájením a pro udržování napájecího napětí IO. Špatný horní návrh používá pouze jeden kondenzátor, jenž má indukčnost několika nH mezi kondenzátorem a posledním IO. Nižší druhý návrh používá jeden kondenzátor na každý IO. Zoning (zónování) Je nutný promyšlený postup při návrhu zemnění, při rozpoznání a oddělování oblastí s rychlými přechody, oblasti s vysokou citlivostí a oblastí s velkými proudy. (Ve schématu : Power Circuits (High Currents) (napájecí obvody – (velké proudy)), High Speed Digital

62


Circuitry (vysokorychlostní digitální systém), High Medium Digital Circuitry (středněrychlostní digitální systém), Analogue Circuitry (analogový systém)). Zemní vedení by mělo být navrženo odděleně a spojeno až na okraji desky plošného spoje. Potenciální rušící proudy by měly být udržovány co nejblíže vstupnímu konektoru. Current Level Reduction (omezení úrovně proudu) Symetrické vedení nabízí větší odolnost a nižší vyzařování proti jednoduchému vedení, v případě kdy mají být propojeny dvě oddělené desky plošných spojů. Nicméně, kde jsou použita jednoduchá vedení, proudové úrovně by měly být malé, kvůli snížení vyzařování a snímání (pickup in), což můře tvořit velkou smyčku. V horním schématu vedení napájí čtyři hradla, zatímco v dolním schématu používá buffer (vyrovnávací paměť ) kvůli snížení proudových úrovní činitelem čtyř. Power Planes (plochy napájení) (ve schématu je popis : Digital Circuitry (digitální systém), Power Plane (napájecí deska), Ground Plane (zemní deska), Digital Circuitry (digitální systém)). Použití několikavrstvé desky plošných spojů s oddělenými napájecími plochami má významné výhody v oblasti elektromagnetické kompatibility : Velmi malá impedance napájení, snížení vyzařování, vzájemné vazební impedance. Velmi malé plochy mezi dráhami vedení a zemněním, což snižuje vyzařování a susceptibilitu. Zlepšené potlačení přeslechů mezi vodičovými dráhami, způsobené blízkostí zemní plochy. 8.5.3

- Signal Integrity (integrita signálů)

Zde se nachází popis problémů integrity signálů. Fourier Analysis, Rectangular Wave (fourierova analýza, pravoúhlý signál) – Fourierova analýza umožňuje převézt časově periodický signál do frekvenční oblasti jako sérii diskrétních sinusových frekvencí. Pro analýzu elektromagnetické kompatibility je toto užitečné pro zjištění úrovně harmonických na vyšších frekvencích. Například obdélníkový signál s frekvencí 100kHz a amplitudou 10V bude mít harmonickou s frekvencí 10Mhz o 40dB nižší, tedy s amplitudou 63mV. The Fourier Analysis of Trapezoidal Wave Tool (nástroj pro Fourierovu analýzu lichoběžníkového signálu – v menu - - Fourier Analysis : Trapezoid) umožňuje zobrazit ve frekvenční oblasti obdélníkový signál s definovanou dobou náběhu a s definovanou dobou doznívání. Může být rovněž ukázána užitečnost nárůstu přenosových časů – jakmile je dosažena zlomová frekvence, která je určena dobou náběhu signálu, harmonické klesají s rychlostí 40dB na dekádu. Rychlost poklesu pod zlomovou frekvencí je 20dB na dekádu. Crosstalk between Wires, with and without a ground plane (přeslech mezi vodiči s a bez zemní plochy) – Přeslech je jeden z nejvíce degradujících mechanismů souhlasných signálů a přispívá k šíření rušivých signálů kolem systému. The Crosstalk Tool (nástroj pro přeslech – v menu – PCBs/- Crosstalk between Wires) vypočítává magnetické a elektrické pole vázané mezi paralelními drátovými vodiči a vykresluje do grafu výsledek. Nástroj demonstruje větší význam vazby elektrického pole při vyšších impedancích a větší význam vazby magnetického pole při nižších impedancích. Blízkost zemní plochy k vodičům přináší značnou redukci přeslechu, s největší redukcí pro vazbu elektrického pole.


63

Fourier Analysis, Chopped Sinusoidal Wave (fourierova analýza, kusá sinusová vlna) – Fourierova analýza umožňuje převézt časově periodický signál do frekvenční oblasti jako sérii diskrétních sinusových frekvencí. Pro analýzu elektromagnetické kompatibility je toto užitečné pro zjištění úrovně harmonických na vyšších frekvencích. The Fourier Analysis of Chopped Sine Wave Tool (nástroj pro Fourierovu analýzu kusého sinusového – v menu - - Fourier Analysis : Sinusoid) umožňuje převézt sinusový signál se zpožděným bodem zapnutí do frekvenční oblasti. Bod zpožděného zapnutí může být umísťován v celé polovině periody a může být rovněž definován čas zapnutí. Úroveň harmonických vzrůstá, když čas zapnutí klesá. Step Response of a Filter Network (skoková odezva sítě filtrů) – EMI potlačující filtry se často používají v signálových vedeních a závisejí na hodnotách součástek a impedance systému, mohou potlačovat rušení, ale také navíc potřebné signály. Účinek u sinusových signálů může být snadno ukázán na výsledcích vstupních ztrát, zatímco účinek u digitálních signálů je méně zřejmý. The Filter Step Response Tool (nástroj pro skokovou odezvu filtru v menu - - Filter Step Response) vykresluje napětí na zátěži, kdy se skokové napětí dostane na vstup filtru. Zapojení filtru může být zvoleno z obvyklých konfigurací – kondenzátor, cívka, L-C filtr, Pi filtr atd. Pro většinu součástek pokles napětí na zátěži je zpožděn a narůstá a dosahuje v tlumené podobě připojeného napětí. Jestliže čas potřebný k dosažení připojeného napětí je větší než trvání pulzu digitálního signálu, dojde ke tlumení. Nicméně pro nízké hodnoty odporu zdroje a vysoké hodnoty odporu zátěže, může být dosaženo situace zatlumení, kdy napětí na zátěži překročí hodnotu přiloženého napětí a dojde k zakmitávání. Reduction in Common Mode Rejection Ratio due to Capacitive Imbalance (snížení činitele potlačení souhlasného signálu způsobené nevyvážeností kapacity). Vyvážené vodiče nabízejí vysokou úroveň souhlasného potlačení interferenčního signálu, kdy indukované proudy vytvářejí samosevyrušující napětí na zátěži. Nicméně variace kapacit k zemi z jednoho vodiče do druhého má důsledek v síťovém napětí na zátěži a snižuje tak činitel potlačení souhlasného signálu. Kapacity k zemi se mohou měnit díky rozptylu změn kapacity, které je těžké předpovědět a opravdu je těžké kontrolovat, neboť malé změny ve fyzikálním zapojení mohou způsobit významné změny v rozptylu kapacity. Jestliže průchozí filtry jsou připojeny přes vyvážený pár, pak tolerance kondenzátorů může významně porušit vyvážení vedení. (Standardní průchozí filtrační kondenzátor má toleranci obvykle –0% +100%). The Common Mode Tool (nástroj pro činitel souhlasného potlačení – v menu - PCBs/Common Mode Rejection Reduction) umožňuje vykreslení činitele potlačení do grafu pro dané kapacity vzhledem k zemi při definované impedanci systému. 8.5.4

- ESD Protection (průvodce návrhem, ochrana před statickou elektřinou)

Jednotlivé položky stiskem příslušného tlačítka obsahují : Human Body Model (model lidského těla) Lidské tělo je jedním z nejobvyklejších zdrojů elektrostatického výboje. Kůže je vodivá a vede výboj přes povrch lidského těla. Celková kapacita lidského těla činí kolem 100pF mezi chodidly a zemí, 50pF vzhledem k jiným zemněným objektům a 50pF vzhledem k volnému prostoru. Napětí se může pohybovat od hodnoty několika

64


kV až k 25kV. Sériový odpor mívá hodnotu od několika stovek ohmů až k několika kiloohmům. Plastic Panels (plastové panely) (ve schématech je popis : switch/control (přepínač/ovládání), Pcb (deska plošného spoje), Plastic Panel (plastový panel), Grounded Discharge Path (zemněná vybíjecí dráha)). Elektrostatický výboj si nalézá cestu skrz otvory v plastových panelech k deskám plošných spojů, s možnými důsledky destrukce, jak je znázorněno na nákresu vlevo. Zlepšený návrh vpravo přidává zemněnou kovovou desku za panel a uzavírá otvory. Toto poskytuje alternativní nízkoimpedanční dráhu pro výboj. Removable Boards (přemístitelné desky (plošných spojů)) (ve schématu je popis : Guard Ring (Grounded) (ochranný kruh(zemněný)) Zasouvání a vysouvání obvodových desek je obvyklým případem poškození elektrostatickým výbojem. Obvodová deska vlevo má vodičové dráhy, kterých se dotýkají ruce uživatele, která přenáší proud elektrostatického výboje této osoby do dráhy desky plošného spoje. Když je deska zasunuta, dostává se vybíjecí proud do elektrického obvodu. Deska vpravo má ochranný kruh kolem okraje, který je spojen se zemnícím kontaktem. Jestliže uživatel uchopí desku za okraj, pak vybíjecí proud může být sveden do země, když je deska zapojena. Ochranný kruh je rovněž užitečný, když je deska vysunuta) PCB External Grounds (externí zemnění desek plošných spojů) (ve schématu je popis : Ground (země)), Pcb (deska plošného spoje)) Jestliže deska plošného spoje uvnitř krytu má externí vzdálené zemní spojení, jak je ukázáno na nákresu vlevo, a navíc lokální zemnění skříně, rozdíly mezi impedancemi zemnění mohou způsobit vybíjení ze skříně do desky plošného spoje. Použití jednobodového spojení zemnění mezi deskou plošného spoje a skříní vyrovnává potenciál, a jak je ukázáno vpravo. Všimněte si, že některé vybíjecí proudy pak tečou dolů spojovacími kabely jako souhlasný proud, převádějící možný problém s vybíjením k jiné straně kabelů. Input Cable Protection (ochrana vstupních kabelů – vodičů) (ve schématu je popis : Ground (země)) Jestliže se dostane pulz elektrostatického výboje do vodičů spojených se zařízením, může dojít ke zničení součástek. Dvě metody snížení napěťové úrovně jsou znázorněny v horních dvou nákresech. Kondenzátor bude účinný od hodnoty stovek pF, přičemž indukčnost přívodního vedení musí být co nejmenší. Rovněž čas sepnutí diody bude určován indukčností přívodního vedení. Oba prvky musí být zemněny přímo k šasi a ne přes zemnící dráhu desky plošných spojů. Zem desky plošného spoje by měla být také spojena se skříní blízko vstupním konektorům . Měla by se věnovat pozornost tomu, že činnost obvodu není ovlivněna kapacitou zařízení. Cabinet Continuity (spojitost skříňky) (ve schématu je popis : Ground (země), Cabinet Discontinuity (nespojitost skříně)) Asi nejobvyklejším případem problému s elektrostatickým výbojem je nedostatek nízkoimpedanční spojitosti v rozhraních skříně. Vysokofrekvenční složky vybíjecího pulzu způsobují mnohobodový kontakt ve spojeních, která jsou potřebné a také pulz nalézá alternativní cestu k zemi skrze oddělovací kondenzátor do desky plošných spojů. Jakmile jsou přerušení na rozhraních nahrazena spojitou kovovou skříní, vybíjecí proud může téct do země pouze na povrchu skříně. Software Protection (softwarová ochrana) Popis : 1. Externí hardwarový „hlídací pes“ (watchdog)


65

Procesor musí periodicky vysílat signál „zdravotního stavu“ (health) do „hlídacího psa“, který jinak zresetuje počítač. „Hlídací pes“ musí být sám o sobě imunní proti elektrostatickému výboji. 2. Kontrola vstupních dat Metoda by měla být založena na kontrole správnosti vstupních dat. Jednou metodou je porovnávání tří vzorků dat, zda jsou stejné. 3. Nepoužitá programová paměť. Jestliže programový čítač je porušen, může dojít k přístupu do nepoužité paměti. Tato by měla být naplněna nooperation instrukcemi se závěrečnou instrukcí skok na reset (jump to reset). 4. Nestálý obsah paměti. Obsah tabulek držené v paměti RAM by měly být kontrolovány řádnou rutinou kontroly součtu, následovanou resetem, jestliže součet není správný. Dobré zemnící procedury mohou velmi snížit, nemohou ale zcela eliminovat riziko přerušení způsobené elektrostatickým výbojem. Dobrý návrh software může předvídat tato rušení a může mít včleněny obnovovací kroky. Důležitý je hardwarový „hlídací pes“, jestliže procesor skočí do neprogramové oblasti, může dojít k zamrznutí. Program by měl generovat pulz „stále zde“ směřovaný k „hlídacímu psu“. Jestliže pulz není přijat, pak by měl „hlídací pes“ resetovat procesor. Měla by být rovněž prováděna kontrola vstupních dat, rutiny kontrolního součtu a kontrola preriférních zařízení s nastavitelnými kódy. 8.5.5

- EMC Specifications (normy EMC)

Zde jsou zobrazeny jednotlivé emc specifikace (normy), které lze volit z pull-down menu Specification a přepínat volbou přepínacích tlačítek EN a IEC. Jednotlivé normy mají tento popis : EN12016 Standarty elektromagnetické kompatibility pro výtahy, eskalátory, dopravní pásy pro cestující – emise (není dosud publikováno) EN45014 Hlavní kritéria pro deklaraci přizpůsobení pro zdroje 1989 EN50065-1 Signálové a nízkonapěťové elektrické instalace ve frekvencích od 3 do 148,5 kHz Část 1 : hlavní požadavky, frekvenční pásma, a elektromagnetická rušení 1990 EN50065-2 Signálové a nízkonapěťové elektrické instalace ve frekvencích od 3 do 148,5 kHz Část 2 : Odolnost (není dosud publikováno) EN50081-1 Všeobecný standard elektromagnetické kompatibility pro emise - Část 1 : obytné budovy a komerční oblast a lehký průmysl 1991 EN50081-2 Všeobecný standard elektromagnetické kompatibility pro emise - Část 2 : Průmyslové prostředí 1993 EN50082-1 Všeobecný standard elektromagnetické kompatibility pro odolnost - Část 1 : obytné budovy, komerční oblast a lehký průmysl 1991

66


EN50082-2 Všeobecný standard elektromagnetické kompatibility pro odolnost - Část 2 : Průmyslové prostředí 1995 EN50130-4 (není dosud publikováno) EN50571 Pravidla pro elektronické zařízení v železničních vozech (není dosud publikováno) EN55011 Limity a metody měření charakteristik vysokofrekvenčního rušení v průmyslových, vědeckých a lékařských vysokofrekvenčních zařízeních 1989 EN55013 Limity a metody měření charakteristik vysokofrekvenčního rušení přijímačů rádiového vysílání a přidružených zařízení 1988 EN55014 Limity a metody měření charakteristik vysokofrekvenčního rušení domácích elektrických zařízení, přenosných přístrojů a podobných přístrojů 1986 EN55015 Limity a metody měření charakteristik vysokofrekvenčního rušení zářivek a osvětlení 1986 EN55020 Odolnost proti vysokofrekvenčnímu rušení rádiových přijímačů a přidružených zařízení 1987 EN55022 Limity a metody měření charakteristik vysokofrekvenčního rušení zařízení informační technologie 1986 EN55105 Požadavky odolnosti pro telekomunikační koncová zařízení (není dosud publikováno). EN55106 Požadavky odolnosti pro koncová zařízení informační technologie (ne telekomunikační koncová zařízení) (není dosud publikováno). EN61131-2 Programovatelné ovládače, elektrické požadavky a testy (toto obsahuje odolnost elektromagnetické kompatibility) (není dosud publikováno). EN60555-2 Rušení v zdrojových systémech zapříčiněné domácími přístroji a podobnými zařízeními Část 3 : Kolísání napětí (nahrazeno normou EN61000-3-3) 1986 EN60924 Norma pro všeobecné a bezpečnostní požadavky pro napájené elektronické zátěže pro trubicovité zářivky 1991 EN60947-1 Elektromagnetická kompatibilita; nízkonapěťový přepínač a předřadník, část 1 : obecná pravidla EN61000-2-2 Úrovně elektromagnetické kompatibility pro nízkofrekvenční vedená rušení a signalizace ve veřejných nízkonapěťových napájecích systémech. (upravená verze z 1990 IEC a v současnosti je návrhu) 1993 EN6100-2-4 (IEC1000-2-4) Úrovně elektromagnetické kompatibility pro nízkofrekvenční vedená rušení v průmyslových podnicích (zlepšení se vyvíjejí) 1994


67

EN61000-3-2 (Dříve EN60555-2. Také se podívej na IEC1000-3-2). Elektromagnetická kompatibilita Část 3 : Limity – Oddíl 2 : Limity pro rušení zapříčiněné zařízením zapojeným do veřejného napájecího nízkonapěťového systému . Limity týkající se harmonických proudů pro zařízení mající vstupní proudy vyšší než 16A a obsahující 16A na fázi (NB. Přístroje k zařízením nebyly předtím brány v úvahu v IEC 555-2, s účinnosti od 1. Června 1998) 1995 EN61000-3-3 (Dříve EN60555-3). IEC1000-3-3: 1994 Elektromagnetická kompatibilita Část 3 : Limity – Oddíl 3 : Limity pro kolísání napětí a blikání v nízkonapěťových napájecích systémech pro zařízení s předepsanými proudy menšími než 16A. 1995 EN61000-4 Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. (není dosud publikováno). EN61000-4-1 (Dříve IE801-1) Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 1 : Přehled testů odolnosti 1994 EN61000-4-2 (Dříve IEC801-2) Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 2 : Test odolnosti proti elektrostatickému výboji. EN61000-4-3 Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 3. Test odolnosti proti vyzařovanému elektromagnetickému poli. (ENV50140 publikováno 8/1993. IEC CD dodatků je k dispozici (zrušený návrh 2/1995) (není dosud publikováno). EN61000-4-4 (Dříve IEC 801-4) Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 4 : Test odolnosti proti rychlým přechodovým dějům a proti skupině impulzů. 1995 EN61000-4-5 Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 5 : Test odolnosti proti rázovým signálům. (ENV 50142, které bylo publikováno 10/1994 je nahrazeno tímto standardem) 1995 EN61000-4-7 Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 7 : Všeobecný průvodce měřením harmonických a meziharmonických a používání přístrojů pro napájecí systémy a zařízení připojená k nim. 1992 EN61000-4-8 Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 8 : Test odolnosti proti výkonovým střídavým magnetickým polím 1993 EN61000-4-9 Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 9 : Test odolnosti proti magnetickým polím 1993 EN61000-4-10 Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 10 : Test odolnosti proti tlumeným oscilujícím magnetickým polím 1993 EN61000-4-11 Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 11 : Test odolnosti proti výkonovým střídavým magnetickým polím 1993 Napěťové poklesy, krátká přerušení a napěťové odchylky. 1994

68


EN61000-4-15 (Dříve EN 60868) Elektromagnetická kompatibilita Část 4 : Testovací a měřící techniky. – Oddíl 15 : Flickermeter (blikání) – Normy pro funkci a návrh1993. (není dosud publikováno). EN100015-1 Ochrana elektrostaticky citlivých přístrojů IEC1000-1 Všeobecné (není dosud publikováno). IEC1000-1-1 Aplikace a interpretace základních definic a termínů. (Technická zpráva) 1992 IEC1000-1- 2 Vliv elektromagnetických jevů na funkční bezpečnost elektrických a elektronických zařízení. Poslední dokument 77 (Sec) 129. Předpověď – 1996 (není dosud publikováno). IEC1000-2 Prostředí IEC1000-2 – 1 (BS 7484: 1991 Popis prostředí pro nízkofrekvenční vedená rušení a signalizaci v nízkonapěťových veřejných napájecích systémech. (Technická zpráva je k dispozici) 1991 IEC1000-2-2 (Na revizi se pracuje) 1990 IEC1000-2 – 3 Popis prostředí – Jevy vyzařování a jevy nesíťové vedené (Technická zpráva je k dispozici) 1992 IEC1000-2 – 4 Úrovně elektromagnetické kompatibility v průmyslových továrnách pro nízkofrekvenční vedená rušení. (na dodatku se pracuje) 1994 IEC1000-2 – 5 Klasifikace elektromagnetických zařízení 1995 IEC1000-2 – 6 Průvodce pro stanovení vyzařovacích úrovní v napájecích zařízeních průmyslových továren týkající se nízkofrekvenčních vedených rušení (CDV je k dispozici) (není dosud publikováno). IEC1000-2 – 7 Popis nízkofrekvenčních magnetických polí v různých prostředí. (Technická zpráva je k dispozici, návrh skončen 12/95) (není dosud publikováno). IEC1000-2-8 Napěťové poklesy, krátká přerušení výsledky statistických měření (NWI Návrh byl očekáván v 4/1995. Dokument 77A/121/NWP) (není dosud publikováno). IEC1000-2-9 Popis HEMP prostředí : Vyzařovaná rušení (DIS 3/95) (není dosud publikováno). IEC1000-2-10 Popis HEMP prostředí : Vedená rušení (Nová práce – DIS očekáváno 10/96) (není dosud publikováno). IEC1000-2-11 Popis HEMP prostředí : Klasifikace elektromagnetického prostředí (Nová práce – DIS očekáváno 2/97) (není dosud publikováno). IEC1000-2-12


69

Úrovně elektromagnetické kompatibility pro nízkofrekvenční vedená rušení a signalizace ve veřejném médiu. (není dosud publikováno). IEC1000-3 Limity a úrovně rušení (není dosud publikováno). IEC1000-3-2 (Dříve IEC555-2) Rušení zapříčiněná zařízením zapojeným do veřejného napěťového napájecího systému. Limity týkající se obsahu harmonických proudů pro zařízení mající vstupní proud do 16A a mající 16A v každé fázi. (NB: Požadavky na zařízení nebyly předtím v působnosti IEC 555-2, s účinností od 1. června 1998) 1995 IEC1000-3-3 (Dříve 61000-3-3: 1995) Rušení zapříčiněná zařízením zapojeným do veřejného napěťového napájecího systému. Limity týkající se kolísání napětí a blikání pro zařízení mající vstupní proud do 16A a mající 16A v každé fázi .(IEC NWIP schválen 9/1994) 1994 IEC1000-3-4 Rušení zapříčiněná zařízením zapojeným do veřejného napěťového napájecího systému. Průvodce týkající se harmonických proudů pro zařízení mající vstupní proud větší než 16 A v každé fázi . (CD je k dispozici od 4/1995) (není dosud publikováno). IEC1000-3-5 Rušení zapříčiněná zařízením zapojeným do veřejného napěťového napájecího systému. Průvodce týkající kolísání napětí a blikání - flicker pro zařízení mající vstupní proud větší než 16 A v každé fázi. (není dosud publikováno). IEC1000-3-6 Limity vyzařování harmonických proudů pro zařízení připojené ke středo a vysoko napěťovým napájecím systémům (není dosud publikováno). IEC1000-3-7 Limity kolísání napětí a blikání - flicker pro zařízení připojené ke středo a vysoko napěťovým napájecím systémům (CD k dispozici 6/95) (není dosud publikováno). IEC1000-3-8 Požadavky elektromagnetické kompatibility pro signalizaci na nízkonapěťových instalacích. Vyzařovací úrovně, frekvenční pásma a úrovně elektromagnetického rušení. (Návrh ztažen 11/1993). (není dosud publikováno). IEC1000-3-XX HEMP Normy pro ochranná zařízení pro vedená rušení (poslední dokument 77C(SEC)8(90/34648DC)) (není dosud publikováno). IEC1000-4 Testovací a měřící techniky (není dosud publikováno). IEC1000-4-1 (Dříve IEC 801-1) Přehled testů odolnosti 1994. IEC1000-4-2 (Dříve IEC 801-2) Test odolnosti proti elektrostatickému výboji 1995 IEC1000-4-3 (Dříve IEC 801-3) Test odolnosti proti vysokofrekvenčnímu elektromagnetickému poli. (ENV50140 publikováno 8/1993. IEC CD s dodatky je k dispozici) 1995 IEC1000-4-4 (Dříve IEC 801-4). Test odolnosti proti rychlým přechodovým dějům a proti skupině impulzů. 1995 IEC1000-4-5

70


(Dříve IEC 801-5) Test odolnosti proti rázovým signálům. (ENV 50142 publikovené 10/1994 je nahrazeno) 1995 IEC1000-4-7 Všeobecný průvodce měřením harmonických a meziharmonických a používání přístrojů pro napájecí systémy a zařízení připojená k nim. 1992 IEC1000-4-8 Test odolnosti proti výkonovým střídavým magnetickým polím 1993 IEC1000-4-9 Test odolnosti proti pulzním magnetickým polím 1993 IEC1000-4-10 Test odolnosti proti tlumeným oscilujícím magnetickým polím 1993 IEC1000-4-11 Napěťové poklesy, krátká přerušení a napěťové odchylky. 1994 IEC1000-4-12 Test odolnosti proti oscilujícím signálům (není dosud publikováno). IEC1000-4-13 Harmonické, meziharmonické k střídavému výkonovému portu, test odolnosti (není dosud publikováno). IEC1000-4-14 Test odolnosti pro napěťové výkyvy, nevyváženosti a proměnlivosti síťového kmitočtu. (není dosud publikováno). IEC1000-4-15 Flickermeter - blikání – Normy pro funkci a návrh1995 IEC1000-4-16 Vedená spojitá rušení od stejnosměrných do 150kHz (není dosud publikováno). IEC1000-4-17 Zvlnění na stejnosměrném napájecím zdroji, test odolnosti (není dosud publikováno). IEC1000-19 Průvodce pro vybraná stanoviště pro testování vysokofrekvenčního vyzařování a odolnosti (není dosud publikováno). IEC1000-4-20 Požadavky pro TEM (příčně elektromagnetické) buňky : Procedury mající vztah k testování odolnosti a měření vyzařování pro frekvence do 5 GHz (není dosud publikováno). IEC1000-4-21 Mode stirred chambers (není dosud publikováno). IEC1000-4-22 Průvodce měřícími metodami elektromagnetických jevů (není dosud publikováno). IEC1000-4-23 Testovací metody pro ochranná zařízení pro HEMP vyzařovaná rušení. (Dokument není k dispozici) (není dosud publikováno). IEC1000-4-24 Testovací metody pro ochranná zařízení pro HEMP vedená rušení. (není dosud publikováno). IEC1000-4-25 HEMP požadavky a testovací metody pro zařízení a systémy (není dosud publikováno). IEC1000-4-26 Kalibrace sond a přístrojů pro měření elektromagnetických polí (není dosud publikováno).


71

IEC1000-5 Instalace a mitigating linek vedení (není dosud publikováno). IEC1000-5-1 Obecné guide lines - linky vedení. (K dispozici nákres) (není dosud publikováno). IEC1000-5-2 Zemnění a kabeláž (není dosud publikováno). IEC1000-5-3 HEMP koncept ochrany (není dosud publikováno). IEC1000-5-4 Norma pro ochranná zařízení pro HEMP vyzařovaná rušení (není dosud publikováno). IEC1000-5-5 Norma pro ochranná zařízení pro HEMP vedená rušení (není dosud publikováno). IEC1000-5-6 Mitigation - zmenšení vnějších vlivů. (K dispozici nákres) (není dosud publikováno). IEC1000-6-1 Všeobecný standard elektromagnetické kompatibility pro domácí, komerční prostředí a prostředí lehkého průmyslu IEC1000-6-2 Všeobecný standard elektromagnetické kompatibility pro průmyslové prostředí

8.5.6

- Design Check List (seznam kontroly návrhu)

Tento nástroj umožňuje prohlédnutí emc hledisek při vývoji projektu v strukturované formě. Celý projekt je rozložen do logických jednotek, které lze analyzovat samostatně. Každý modul (Module Type) obsahuje několik položek, které lze prohlédnout stiskem tlačítka More Info a zatrhnou (OK, X, N/A, nebo nechat prázdné – zatržení OK se použije, když návrh přislušné požadavky splňuje) stiskem tlačítka Check. Pro daný projekt se vyplňují políčka Project Title (název projektu), Module Name (název modulu), Project Description (popis projektu). Stiskem tlačítka Edit Mod (editační mód) se dostaneme do okna v němž lze Check list editovat. V horní části se edituje Module Type : stiskem tlačítka New Module se vytvoří nový modul, po stisku tlačítka Edit Module lze editovat popis modulu, stiskem tlačítka Delete se aktuální modul vymaže. V dolní části se editují jednotlivé položky modulu. Stiskem tlačítka Add to List se do seznamu položek přidá položka s názvem, který je uveden (lze ho přepsat) v řádku pod seznamem položek. Stiskem tlačítka Edit lze editovat text v Extended Description (rozšířený popis). Stiskem tlačítka Delete se vymaže aktuální položka. Stiskem tlačítka Review Info se vypíše blíže vysvětlující text (viz níže). Stiskem tlačítka Info Picture se zobrazí okno výběru souboru, kde soubor představuje obrázek, který lze do popisu dané položky přidat. Stiskem tlačítka Done se editace ukončí a aplikace se navrátí do původního okna. Všechny provedené změny se objeví i v původním okně. Module Type (typ modulu – dále MT) T : Project Requirements (Požadavky projektu)

Module Description (popis modulu – dále MD) : Veškeré požadavky pro projekt, včetně identifikace norem, a požadovaného provedení.

72


- Design Check List (úplný seznam návrhu – dále DCL) : The project EMC requirements . . . (Požadavky EMC projektu byly jednoznačně identifikovány) More Info (další informace – dále MI) : Před návrhem zařízení by se toto mělo zkontrolovat z hlediska elektromagnetické kompatibility, to je důležité pro identifikaci požadovaného emc provedení. Například když má být výrobek uplatněn na evropském trhu, musí vyhovovat emc pravidlům pocházejícím z směrnic EMC. Výrobek může mít speciální požadavky zadané dodavatelem jak je například obvyklé v aplikacích letecké elektroniky. V každém případě musí být identifikovány smluvní anebo zákonné požadavky a dodrženy náležité normy. (popis nákresu : CE označení (marking), Standardy FCC, Smluvní požadavky. - DCL : All relevant specification . . . (Všechny podstatné normy byly identifikovány.)

MI : Měly by být brány v úvahu poslední změny všech podstatných standardů. Měl by být vzat v úvahu vztah jednoho k druhému, kde například jedna norma odkazuje k druhé. EN 50 081 část 1 Všeobecný standard pro emise, část 1 Prostředí obytných budov, komerční oblast a lehkého průmyslu. EN 50 081 část 1 Všeobecný standard pro odolnost, část 1 Prostředí obytných budov, komerční oblast a lehkého průmyslu. - DCL : Radiated emission limits . . . (Měly by být identifikovány limity vyzařovaných emisí) MI : Často jsou identifikovány různé úrovně emisí pro daný přístroj, což závisí například na tom, zda-li je klasifikován jako průmyslový anebo spotřební. EN 55 022 Limity a metody měření charakteristik rádiové interference zařízení informační technologie - DCL : Conducted emission limity . . . (Měly by být identifikovány limity vedených emisí) Limity vedených emisí se týkají vysokofrekvenčních proudů hlavně na napájecím síťovém přívodu. EN 55 022 Limity a metody měření charakteristik rádiové interference zařízení informační technologie - DCL : Acceptable performance during . . . (Bylo definováno přijatelné provedení během testování citlivosti) MI : Během testování susceptibility (citlivost) musí být jasně definováno přijatelné provedení. Toto je definováno výrobcem a může spadat do jedné ze tří kategorií : A : Přístroj funguje, jak je navržen, ačkoliv může být specifikováno omezení v provedení. B. Omezení v provedení je umožněno během testu, ale přístroj musí pracovat správně po testu. Uložená data se nesmí ztratit. C. Je umožněna ztráta funkce, ale přístroj se musí zotavit automaticky, anebo musí být zotavitelný ručně. Popis : Corrupted Data (poškozená data) - DCL : An immunity specification . . . (Je identifikována norma pro odolnost)


73

MI : Testování susceptibility se týká stanovení provedení přístroje, který je vystaven vyzařovaným polím. EN 55 020 Odolnost proti vysokofrekvenčnímu rušení rádiových přijímačů a přidružených zařízení EN55022 Požadavky odolnosti pro zařízení informační technologie - DCL : EMC has been considered . . . (emc byla brána v úvahu během návrhu) MI : Návrh elektromagnetické kompatibility by měl být součástí navrhovacího procesu a měla by být provedena řada posouzení návrhu. Například mnoho položek špatného emc provedení mohlo být dříve opraveno při návrhu desky plošných spojů bez zvýšení nákladů. Jestliže je přijat návrh desky plošných spojů, která má vysokou míru vyzařování, pak je třeba k udržení emisí na požadované úrovní drahé stínění. Popis : Prototype Design (návrh prototypu), Component Choice (volba prvků), Specification Identification (identifikace specifikací – norem), PCB Layout (návrh desky plošných spojů), Shielding Review (posouzení stínění), Configuration Control (kontrola konfigurace), Design Review (posouzení návrhu). - DCL : An EMC authority has been . . . (Byl jmenován EMC odborník v projektu) MI : Měl by být jmenován kvalifikovaný inženýr jako odpovědný odborník pro emc stránku projektu. Ten by se měl pak soustředit na posouzení EMC návrhu, definice provedení, spojení s vnějšími tělesy atd. Měl by zajistit, aby návrháři pracující na návrhu desky plošných spojů, obvodovém návrhu a návrhu krytu jsi byli vědomi emc problémů, jež zasahují do oblasti jejich návrhu. Popis : THE PROJECT TEAM (Projektový tým), Purchasing (nákup), Sales (odbyt), Production (výroba), Quality Control (kontrola kvality), System Design (systémový návrh), Mechanical Design (návrh mechaniky), Circuit Design (obvodový návrh), PCB Layout (návrh desky plošných spojů), EMC Authority (emc odborník). MT : System Review (Posouzení systému) MD : Zařízení může být nejprve posuzováno jako systém rozdělený do několika funkčních modulů. Tyto mohou obsahovat napájecí zdroje, logické obvody, citlivé obvody a podobně. - DCL : The equipment has been . . . (zařízení bylo definováno jako řada funkčních bloků) MI : Identifikujte tyto části zařízení se zřetelně definovanými funkcemi, jako je napájecí zdroj, vstupní obvod atd. Nakreslete zařízení jako řadu funkčních bloků, včetně propojovacích prostředků a zemnících bodů. Vytvořené uspořádání systému může být kontrolováno na stejné úrovni jako jiné stránky návrhu, jako jsou hodnoty součástí. Popis dolního schématu : power supply (napájecí zdroj), i/o module (vstupně/výstupní modul), backplane (propojovací rovina) - DCL : Potentially sensitive circuits . . . (potenciálně citlivé obvody byly identifikovány a isolovány) MI : Obvody s nízkými prahovými napětími, nebo s analogovými vstupy jsou potenciálními oběťmi rušní. Tyto by měly být přinejmenším fyzicky odděleny od jiných obvodů, s možností přidat místní stínění v případě potřeby. Napájecí zdroj a zpětné zemnící dráhy by měly být odděleny od napájení jiných oblastí obvodu. Signálová zem by měla být odlišná od napájecí země.

74


Popis dolního schématu : power supply (napájecí zdroj), Amplifier Board (deska zesilovače), Switched mode power supply, screened, filtered and with specified emc performance (spínaný napájecí zdroj, stíněný, filtrovaný a se emc specifikovaným provedením), High sensitivy input circuitry, locally screened (vysocecitlivé vstupní zapojení, lokálně stíněné) - DCL : Potentially noisy circuits . . . (potenciálně šumovové obvody byly identifikovány a izolovány) Měly by být identifikovány obvody jež potenciálně mohou generovat rušící proudy. Tyto by měly být fyzicky odděleny od jiných obvodů a je-li to potřebné měly by být stíněny spolu s potlačujícími filtry. Zemnění šumu by nemělo být směšováno se zemněním odváděným od citlivých obvodů a napájecí zdroje by měly být izolovány od jiných zdrojů a přiměřeně odděleny. Popis dolního schématu : power supply (napájecí zdroj), Amplifier Board (deska zesilovače), Switched mode power supply, screened, filtered and with specified emc performance (spínaný napájecí zdroj, stíněný, filtrovaný a se emc specifikovaným provedením), High sensitivy input circuitry, locally screened (vysocecitlivé vstupní zapojení, lokálně stíněné) - DCL : Power and signal paths . . . (byly definovány a odděleny napájecí a signálové dráhy) MI : Měl by být vytvořen jasný diagram zemnění. Oddělené obvody by neměly sdílet sérii zemnících připojení. Použijte buď jednobodové zemnící spojení anebo zemní plochu. Zemnící diagram by měl být objektem stejné úrovně kontroly konfigurace jako jiné stránky návrhu. Například emc testy na zařízení se dramaticky změní jestliže jsou provedeny nekontrolované změny v zapojení zemnění. Popis dolního schématu : Horní uspořádání je nevhodné, potenciál každého zemnícího bodu A, B, C je ovlivňován proudy z jiných obvodů. Toto způsobuje vazbu společné impedance, což může být problémem, když existují velké rozdíly mezi úrovněmi proudů obvodů. Jednobodové zemnění zabrání vzniku vazby společné impedance. MT : Printed Circuit Board Design (návrh obvodu desky plošných spojů) - DCL : Loop Areas closing . . . (Byly minimalizovány vysoké proudy uzavřených smyček) MI : Vysoké proudy uzavřených smyček, s rychlými změnami vytvářejí rámovou anténu, jejíž vyzařování stoupá se stoupající frekvencí. Plocha uzavřena takovými smyčkami by měla být minimalizována, což povede ke snížení vyzařování a také k zlepšení susceptibilních úrovní. Vedení časování by mělo být blízko zpětnému vedení. Popis dolního schématu : Levá deska plošných spojů má špatný návrh, neboť vedení napájecího zdroje a jeho zpětného vedení vytváří velkou smyčku, která zapříčiňuje vyšší úroveň rozdílového (differential mode) vyzařování. Deska plošných spojů vpravo má zlepšený návrh, kde zdroj a jeho zpětné vedení jsou udržovány poblíž. - DCL : Each integrated circuit has . . . (Každý integrovaný obvod má nízkoindukční oddělovací kondenzátor) MI : Každý integrovaný obvod by měl mít vlastní keramický oddělovací kondenzátor umístěný blízko IO. Tento zajišťuje dodávku proudových špiček, čím je zabráněno přenosu proudových špiček přes dlouhá vedení plošného spoje. Toto redukuje vyzařování z vedení plošného spoje, které přímo může přispívat k emisím a


75

zapříčiňuje další problémy díky vazbě kapacitního přeslechu do jiných vodičových drah. Popis dolního schématu : Každý integrovaný obvod na desce plošných spojů by měl být oddělen nízkoindukčním oddělovacím kondenzátorem. Horní uspořádání bude mít vyšší přechodné proudy na vedeních napájecího zdroje, než nižší uspořádání. - DCL : Power track are physically separated . . . (Vodičové dráhy napájení jsou fyzicky odděleny od signálových drah) Jakákoliv vodičová dráha, která může nést rušící signál, anebo rychle se měnící proudy, by měla být udržována odděleně od signálových drah, anebo drah připojených na citlivé vstupy. Popis dolního schématu : Zpětná vedení napájení by měla být vedena odděleně od signálových vodičových drah. Zapojení vlevo bude zavádět rušení do analogového signálu, zatímco dolní zapojení ne. Všimněte si zesílených drah dolního zapojení, kvůli redukci dráhového odporu a indukčnosti. (Analogue i.c. – (analogový IO) Digital i.c. (číslicový IO), Shared Ground (společná zem), Separate Grounds (oddělené země). - DCL : The PCB is zoned to separate . . . (Deska plošných spojů je rozdělena kvůli oddělení rušících obvodů od obvodů citlivých) MI : Když jedna deska plošných spojů nese napájecí zdroj a signálové obvody, měla by být rozdělena kvůli oddělení potenciálních rušících obvodů od citlivých obvodů. Napájecí a zemní připojení pro různá oddělení by měly být odděleny a přiváděny na desku skrze jejich vlastní připojení. Popis dolního schématu : Jediná deska plošných spojů nesoucí různé obvody by měla být rozdělena do rozdílných oblastí. Zemní dráhy pro každý obvod by měly být odděleny od jiných. Optional localised shielding can (Nepovinné umístění stínění), Power Circuits (High Currents) (napájecí obvody (velké proudy)), High Speed Digital Circuitry (vysokoychlostní digitální obvod), Analogue Circuitry (analogový obvod), Medium Speed Circuitry (středněrychlostní digitální obvod).

- DCL : The digital ic ground paths . . . (zemní dráhy digitálního IO mají co možná nejnižší indukčnost) MI : Zemní dráhy k číslicovým integrovaným obvodům by měly mít co možná nejnižší indukčnost. Toho může být dosaženo nejlépe zemní plochou anebo případně mřížkovanou zemí při použití co nejširších možných zemních drah vedení. Popis dolního schématu : Tam, kde nemůže být použita zemní plocha může být využito mřížkované struktury zemnění. Horní zapojení je lepší než hřebenové zapojení dole. - DCL : Analogue circuit grounds . . . (Zemnění analogových obvodů jsou umístěny mimo kvůli zabránění vazby společné impedance. MI : Dráhy zemnění pro nízkonapěťové analogové obvody by měly být definovány uvážlivě vyvarováním se použití mřížkového zemnění. Několikanásobné zemní připojení může způsobit společnou impedanční vazbu. Popis dolního schématu : Dvě možná zapojení analogových obvodů. Horní obvod ukazuje zem, kde proud do zátěže teče přes zemnící vedení, které obsahuje impedanci Zb. Pak je napětí ZbxId přidáno do série se signálem Vs, což vede ke zkreslení a možné nestabilitě. Přemístění vztažného zemnícího bodu v dolním obvodu odstraňuje tento problém. (Circuit Ground Reference (vztažná zem obvodu), Current Demand , Id (proudový odběr, Id)

76


- DCL : The use of power planes . . . (Bylo zváženo použití napájecích rovin) MI : Použití několikavrstvé desky plošných spojů nabízí oddělení vrstev, nebo rovin k použití pro napájecí anebo zemnící připojení. Velmi nízká impedance těchto rovin snižuje vazbu společné impedance. Blízkost signálových drah k zemní rovině snižuje přeslechy mezi signálovými dráhami. Blízkost zemní a napájecí roviny vytváří velmi malé plochy smyček, díky čemuž je dosaženo nízkého vyzařování a dobré odolnosti. Popis dolního schématu : Použití několikavrstvé desky plošných spojů může vést k významným zlepšením provedení elektromagnetické kompatibility desky plošných spojů. Indukčnost roviny a tedy i impedance je daleko menší než série vodičových drah a přeslech mezi časovou základnou a signály je redukován díky blízkosti zemní roviny. (Digital Circuitry (číslicové obvody), Power Plane (napájecí rovina), Ground Plane (zemní rovina)) - DCL : Clock tracks should have . . . (dráha časové základny je blízko zpětné dráhy) MI : Vysokorychlostní vedení časové základny může vytvářet smyčky rozdílových proudů, a plocha smyčky může být zmenšena použitím zpětného vedení blízko vedení časové základny. Popis dolního schématu : Deska plošných spojů vlevo má špatné zapojení, neboť vedení časové základny a její zpětné vedení vytvářejí velkou smyčku. To bude mít za důsledek významné vyzařování rozdílových proudů. Deska plošných spojů vpravo má daleko menší smyčku vedení časové základny, neboť vedení časové základny a jeho zpětné vedení jsou blízko sebe. MT : Component Selection (výběr prvků) MD : Pečlivý výběr integrovaných obvodů a dalších součástek může snížit vyzařovaná rušení a vedený šum. - DCL The slowest logic family consistent . . . (Byla použita nejpomalejší řada logických obvodů, která odpovídá návrhu) MI : Rychlejší logické přenosy, zvětšují efekt indukčnosti v zemnících dráhách desky plošných spojů. Přechodná napětí vytvářená na dráze jsou úměrná poměru di/dt a přechodový čas menší než 10ns bude vytvářet pětkrát větší napětí než pomalý CMS přechod s 50ns. Při menším přechodovém čase se stává více důležitým účinné oddělování. Navíc rychlé logické přechody zkracují maximální délku vodičové dráhy, která může být použita před nastáváním efektu přenosového vedení. Při návrhu by měl být použit nejpomalejší typ logických obvodů, který je ještě přijatelný. (Logic Family Risetime (doby náběhu pro řady logických obvodů), Family (řada), Risetime (doba náběhu), Track Length for Transmission Line Effects (délka dráhy pro efekt přenosového vedení)) - DCL The highest immunity logic family . . . (Byla zvolena řada logických obvodů s nejvyšší odolností) MI : Kde je to možné, zvolte logické obvody s co nejvyšším prahovým spínacím napětím, což zlepší úroveň susceptibility. Tabulka ukazuje, že rychlejší řada logických obvodů potřebuje k přepnutí kratší šířku pulzu. Popis dolního schématu : (Logic Family Immunity (odolnost řady logických obvodů), Family (řada), Minimum 3V pulse width to switch (minimální šířka pulzu 3V nutná k přepnutí)


77

- DCL : Boards are interconnected . . . (desky plošných spojů jsou propojeny, kde je to možné, použitím symetrických budičů. MI : Symetrické vedení nabízí lepší odolnost a nižší vyzařování než jednoduché vedení, které používá společnou zpětnou zem. - DCL : Board connected using single . . . (Desky připojené jednoduchým vedením používají metody omezení proudu) MI : Kde je použito jednoduchého vedení pro propojení oddělených desek plošných spojů, použití výkonového hradla může omezit proudy tekoucí v dlouhém vedení mezi deskami. Toto může omezit proud v potenciální velké smyčce. Popis dolního schématu : Když jsou desky propojeny, propojovací kábel se může stát zdrojem vyzařování. Zvýšení proudové úrovně zvyšuje možnost vyzařování. Uspořádání vlevo vyžaduje několik hradel, zatímco použití výkonového hradla vpravo snižuje proud v propojení. - DCL : Analogue device bandwidths . . . (Byla minimalizována šířka pásma analogového zařízení) MI : Šířka pásma analogových obvodů by měla být značně větší, než požaduje návrh obvodu. K omezení šířky pásma na nejnižší přijatelnou úroveň je možno použít paralelních kondenzátorů. Popis dolního schématu : Přidání kondenzátorů do zpětnovazební smyčky v analogovém obvodu, anebo mezi vstup a zemi, omezuje vysokofrekvenční charakteristiku a tudíž i citlivost k vysokofrekvenčnímu šumu. - DCL : Analogue device signal levels . . . (Byly maximalizovány signálové úrovně analogového zařízení) MI : Měly by být použity maximální možná napětí signálu kvůli dosažení vysokého poměru signálu k šumu. Popis dolního schématu : Maximising Analogue Signal Levels (maximalizace úrovní analogového signálu), High signal levels leads to better signal to noise ratio but . . . (vysoké úrovně signálu vedou k lepšímu poměru signálu k šumu, ale . . . ), High signal levels leads to high source/load impedance and . . . (vysoké úrovně signálu vedou k vysoké impedanci zdroje/zátěže a . . .), High source/load impedance leads to higher capacitive coupling and . . . (vysoká impedance zdroje/zátěže vede k větší kapacitní vazbě a . . .), Lower source/load impedance leads to higher inductive coupling (nižší impedance zdroje/zátěže vede k větší induktivní vazbě). - DCL : Power supply modules have . . . (Moduly napájecího zdroje mají definované provedení emc) MI : Kde jsou použity předhotovené moduly napájení, ubezpečte se, že mají provedení emc (vyzařované a vedené emise), které výrobce napájecího zdroje garantuje. Popis dolního schématu : Power Supply Modules Performance (provedení modulů napájecího zdroje), Conducted Emissions (Input and Output Lines) (vedené emise (vstupní a výstupní vedení), Radiated emissions (vyzařované emise ), Current Demand Response Time (čas odezvy na odběr proudu ). - DCL : Transmission Line effects . . . (Byl vzán v úvahu efekt přenosového vedení) MI : Rychlé přeměny logických obvodů jsou zodpovědné za vznik efektu přenosového vedení, kde hrana pulzu je odražena od zátěže. Znovuodražení od zdroje může zapříčinit

78


zakmitávání a zkreslení signálu. Vyzařování z vedení narůstá. Měla by být prověřena délka vedení a kde je to nezbytné, tam by měly být vodičové dráhy navržené pro určitou charakteristickou impedanci a ukončeny touto impedancí. MT : Enclosure shielding (stínící kryt) MD : Jestliže vyzařované úrovně šumu jsou příliš vysoké, anebo je zařízení citlivé, může být potřebné přídavné stínění. Posouzení všech možností stínění zajistí dosažení nejlepšího provedení. -DCL : All steps have been taken . . . (Byly učiněny všechny kroky k redukci rušení na zdroji) MI : Před rozhodnutím o použití stínění, měly by být učiněny kroky k omezení úrovně vnitřních šumových zdrojů. Toto obsahuje redukci plochy smyčky na desce plošných spojů a potlačení šumu souhlasného proudu - common mode noise. Drahému stínění je možné se vyhnout návrhářským postupem v průběhu návrhu, který nestojí nic. Popis dolního schématu : Interference Reduction at Source (Redukce rušení na zdroji), Cables routed close to ground planes ( Kabely jsou vedeny těsně u zemních ploch), PCB Loop Areas Minimised (Jsou minimalizovány plochy smyček desky plošných spojů ), Localised Shielding used where possible (Kde je to možné, je použito lokální stínění), All ic’s decoupled (Jsou odděleny všechny integrované obvody), Slowest transition logic used (Jsou použity logické obvody s nejpomalejšími přechody), PCB’s use ground&power planes (desky plošných spojů používají zemní a napájecí roviny), Ground paths properly planned (Jsou dráhy zemnění řádně navrženy), Noise sources identified&isolated (Jsou zdroje šumu identifikovány a izolovány). -DCL : All steps have been taken . . . (Byly učiněny všechny kroky vedoucí k redukci citlivosti na zdroji) MI : MI : Před rozhodnutím o použití stínění, měly by být učiněny kroky k omezení susceptibility obvodů zařízení. Opatření k redukci emisí obvykle zlepší citlivost susceptibility stejně dobře. Popis dolního schématu : Susceptibility Reduction at Source (Redukce citlivosti na zdroji), Cables routed close to ground planes ( Kabely jsou vedeny těsně u zemních rovin ), PCB Loop Areas Minimised (Jsou minimalizovány plochy smyček desky plošných spojů), Localised Shielding used where possible (Kde je to možné, je použito lokální stínění), All ic’s decoupled (Jsou odděleny všechny integrované obvody), Slowest transition logic used (Jsou použity logické obvody s nejpomalejšími přechody), PCB’s use ground&power planes (desky plošných spojů používají zemní a napájecí roviny), Ground paths properly planned (Jsou dráhy zemnění řádně navržené), Sensitive Circuits identified&isolated (Jsou citlivé obvody identifikovány a izolovány ). - DCL : Consideration has been given . . . (Bylo zváženo lokální stínění citlivých obvodů) Často se může z hlediska nákladů vyplatit provedení lokálního stínění kolem citlivých obvodů, místo stínění kolem celého zařízení. Toto může sestávat ze stínění, s možnými napájecími propojeními, které jsou navíc stíněné. Popis dolního schématu : Vnitřní stínící kryt může být použit k odstínění buď obvodů vyzařujících šum, anebo hlavně citlivých obvodů. Toto dokáže omezit vnitřní obvodové interference uvnitř krytu a také omezuje celkovou potřebnou úroveň stínění. (Overall Enclosure (celkový kryt), Feedthrough Filter (průchozí filtr), Internal Enclosure (vnitřní kryt).


79

- DCL : Consideration has been given . . . (Bylo zváženo lokální stínění rušících (noisy) obvodů) Často se může z hlediska nákladů vyplatit provedení lokálního stínění kolem rušení vytvářejících obvodů, jako je spínaný zdroj, místo stínění kolem celého zařízení. Toto může sestávat ze stínění, s možnými napájecími propojeními, které jsou navíc stíněné. Popis dolního schématu : Vnitřní stínící kryt může být použit k odstínění buď obvodů vyzařujících šum, anebo hlavně citlivých obvodů. Toto dokáže omezit vnitřní obvodová rušení uvnitř krytu a také omezuje celkovou potřebnou úroveň stínění. (Overall Enclosure (celkový kryt), Feedthrough Filter (průchozí filtr), Internal Enclosure (vnitřní kryt). - DCL : Overall Shield : the effect . . . (Celkové stínění : byl zvážen efekt otvorů) MI : Otvory ve stínění umožňují, aby uvnitř vytvářené rušení bylo vyzařováno ven ze zařízení a způsobují, vazbu vnějšího pole k vnitřním obvodům, což může zapříčinit problém se susceptibilitou. Úroveň vytékání z otvoru vzrůstá s frekvencí a může být stanovena z vytékání dílčích frekvencí. Rozdělení otvoru do několika menších bude snižovat vytékání, zatímco voštinové pletivo anebo stíněná okna mohou být použita pro následné snížení vytékání. Popis dolního schématu : Otvory ve stínícím krytu způsobují, že dochází k vyzařování vnitřního rušení a způsobují vnikání vnějších polí do krytu. Tlumení otvoru klesá s frekvencí a velikosti otvoru. (Aperture (otvor), Conductive Enclosure (vodivý kryt). - DCL : Overall Shield : panel to panel . . . (Celkové stínění : byly zkontrolována spojení mezi panely) MI : Společným místem vytékání jsou spojení mezi panely. Jestliže je spojení zhotoveno z přetržitých spojení, například použitím šroubových spojů, dojde k vytékání, jako u štěrbinového otvoru. V případě vzdálenosti menší než polovina vlnové délky mezi propojeními dojde k malému tlumení. Pro zamezení vytékání musí být spojení elektricky spojeno, například použitím těsnění emi. Popis dolního schématu : Rozhraní mezi dvěmi vodivými povrchy je potenciálním zářičem šumu a může být snadno prohlédnuto. Těsnější umístění upevňovacích míst, vede k vyšším frekvencím, kde je vytvářena částečná emise. Může být nezbytné použíti vodivé těsnění emi mezi dvěmi povrchy pro úplné odstranění emisí. (Slot (štěrbina), Fixing Points (zpevňovací body). - DCL : EMI Gaskets : correct . . . (EMI těsnění : byl dodržen správný návrh drážky) MI : Drážky pravoúhlého průřezu použité pro naplnění vodivým emi těsněním musí být správně navrženy. Stlačení těsnění musí být v oblasti definované výrobcem. Příliš malé stlačení a těsnění nebude fungovat správně, příliš moc a může nastat zničení těsnění. Těsnění rovněž nesmí přeplnit drážku, což by vedlo k poškození těsnění vytlačením. Všechny dolní úvahy musí brát v úvahu minimální a maximální tolerance. Vodivá těsnění mohou zamezit vytékání z víka do rozhraní krytu, ale vyžadují správné použití. Připevňující šroub vpravo nahoře je umístěn nesprávně a může vytvořit dráhu vytékání. Drážka vpravo je příliš malá, což vede k vytlačení těsnění a poškození. (Fixing Screw (připevňovací šroub), rf path (vysokofrekvenční dráha), Lid (víko), Equipment Interior (vnitřek zařízení), Conductive Gasket contained in groove (vodivé těsnění vložené do drážky), Enclosure Wall (stěna krytu)). - DCL : Conductive Coating are shown . . . (Vodivé nátěry jsou opakovatelné a vodivé) MI : Tam kde je stínění provedeno přidáním vodivého nátěru na plastový výlisek, musí být učiněny kroky k zabránění toho, aby se někde vyskytovaly skryté plochy, kde není stínící

80


materiál. Jestliže existují plochy bez stínění, a zařízení splňuje požadavky elektromagnetické kompatibility, měla by být stanovena kontrola při výrobě k zajištění toho, aby skryté plochy byly důsledně lokalizovány. Popis dolního schématu : Plastové skříně mohou být natřeny vodivými vrstvami k zajištění stínění. Specifikace vodivého nátěru by měla zajistit, že nátěrová vrstva je soudružná a opakovatelná, zvláště tam, kde některé povrchy mohou být “zastíněné”. MT : Wires & Conductors (dráty a vodiče) MD : Dráty a vodiče by měly být umístěny na naplánovaném místě, tak aby byly minimalizovány pick-up přeslechy a vyzařování. - DCL : The cabling layout is . . . (Návrh kabeláže je zkontrolován a zaznamenán) MI : Dílčí návrh různých kabelových vedení může mít značný vliv na pickup a vyzařování. Podrobnosti návrhu kabeláže by měly být přesně uchovány, aby bylo možné je reprodukovat během výroby. Popis dolního schématu : Fyzický návrh kabeláže a elektrické instalace by měl být uchován a zkontrolován. (Power supply (napájecí zdroj), i/o module (vstupně/výstupní modul), backplane (propojovací rovina). - DCL : The shield braids of . . . (Jsou správně ukončena stínící opletení stíněných kabelů) Pro dosažení maximální účinnost stíněného kabelu je důležité aby stínění bylo důkladně ukončeno použitím 360 stupňového elektrického spojení. Ohebný přívod (pigtail) bude přidávat nezanedbatelnou indukčnost k stínícímu obvodu, čímž bude redukovat stínění v MHz oblasti. Popis dolního schématu : Ukončení opletení Opletení u horního kabelu bylo stočeno, čímž bylo udělán ohebný přívod (pigtail), pro uzemnění v jednom bodě. Toto provedení bude omezovat stínění na vysokých frekvencích. Kabel dole má opletení rozvinuté do 360 stupňů pro ukončení na kulatém kontaktu. - DCL : Wires are positioned as close . . . (Dráty jsou umístěny co nejblíže zemněného šasi) MI : Kapacita mezi drátem a drátem (vodičem) a zemí se zvýší, jakmile je drát (vodič) přiveden blíž k zemněnému šasi. Toto snižuje jak vyzařování tak pickup . Popis dolního schématu : Modrý drát bude vytvářet menší riziko vyzařování, než červený drát, a rovněž bude snižovat pickup a vyzařované rušení. - DCL : Wires carrying . . . (vodiče přenášející “rušící” proudy jsou odděleny od “tichých” obvodů) MI : Vodiče napájecího zdroje, které mohou přenášet významné proudové změny by měly být vedeny daleko od signálových vodičů anebo připojení citlivých obvodů. Popis dolního schématu : Vodiče spínaného zdroje by měly být fyzicky vzdáleny od vstupních vodičů zesilovače. (Switch Mode psu (spínaný napájecí zdroj), Amplifier Module (modul zesilovače), Input (vstup)) - DCL : The use of shielded cables . . . (kde to bylo nezbytné, bylo zváženo použití stíněných kabelů) MI : Pickup a vyzařování z vnějších kabelů může být sníženo použitím stíněných kabelů, které mohou být v provedení od kroucené dvojlinky, přes stíněnou kroucenou dvojlinku až po koaxiální kabel. Vnitřní připojení by mělo rovněž používat stíněného kabelu


81

kvůli preventivnímu zamezení pickup rušením napájecího zdroje atd. na vodičích vedoucích do citlivých obvodů. Popis dolního schématu : Použití stíněných kabelů Nestíněný kabel Jednoduchá, levná montáž Žádné rozhodování o ukončování Vedení blízko šasi může snížit pickup Nízká cena Vyzařování a pickup vysokofrekvenčního rušení

Stíněný kabel Snížení vyzařování a vysokofrekvenčního pickup Kroucená dvojlinka – nízká cena, dobré stínění nízkofrekvenčních magnetických polí Koaxiální kabel – dobré vysokofrekvenční stínění Nárůst ceny oproti nestíněným kabelům Stínění musí být správně ukončena Koaxiální kabel – vyšší cena montáže Páskové kabely – může být obtížné ukončování

- DCL : Wires are not routed close to openings . . . (Vodiče nejsou vedeny blízko otvorů v celkovém stínění) MI : Otvory v celkovém stínění jsou výstupními a vstupními místy pro vyzařovaná pole. Vodiče by neměly být umístěny u otvorů, což by mohlo vést k nárůstu emisí, nebo zhoršení citlivosti. Popis dolního schématu : Vyhněte se vedení kabelů blízko otvorů v krytu. Toto se týká otvorů pro displej, chladících otvorů a také rozhraní mezi vstupními panely a kryty. MT : EMI Suppression Filters (EMI potlačující filtry) MD : Filtry mohou být použity k odvedení vedených rušivých proudů pryč od citlivých obvodů do země. Tyto musí být správně umístěny a přimontovány. - DCL : All other means of reducing . . . (Byly vyzkoušeny všechny jiné prostředky omezení interference) MI : Když je zdroj v zařízení, je potřeba se snažit snížit úrovně rušení na něm. Filtry nezvýší hodnotu zařízení, pouze jeho cenu. Například použití feritových izolačních korálků a malých keramických kondenzátorů na přívodech k motoru, může uchránit od použití síťových filtrů. Popis dolního schématu : Device Bandwidth Minimised (byla minimalizována šířka pásma zařízení ), Shielded Cable used (byl použit stíněný kabel), PCB Layout Optimised (byl optimalizován návrh plošného spoje), Noisy Circuits isolated (byly izolovány rušící obvody), Cable Layout optimised (byl optimalizován návrh kabelů), Slowest Logic possible used (byly použity nejpomalejší možné logické obvody) - DCL : Mains Filters are mounted . . . (Síťové filtry jsou přimontovány co nejblíže síťovému střídavému vstupu) MI : Síťové filtry by měly být přimontovány co nejblíže místu, kde síťové vedení vstupuje do zařízení, kvůli snížení vyzařování z nefiltrované strany kabelu do zařízení.

82


Popis dolního schématu : Filtry by měly být přimontovány co nejblíže vstupu, kvůli snížení vyzařování dovnitř krytu z nefiltrovaného vstupního vodiče. (Good practice (dobrý postup), Bad practice (špatný postup)). - DCL : The output wire of the mains . . . (Výstupní vodič ze síťového filtru se nenachází blízko vstupního vodiče) MI : Nefiltrovaný rušící vstupní vodič by neměl být přiváděn blízko filtrovaného výstupního vodiče, kvůli zanášení rušení kondenzátorem a indukčním rozptylem. Popis dolního schématu : Toto je špatný postup pro vedení výstupního vodiče z filtru blízko vstupního vodiče. Toto se projeví v šumu na vstupním vodiči kapacitně vázaného k výstupnímu vodiči, snižuje účinnost filtru. - DCL : The Mains Filter is . . . (síťový filtr je správně uzemněn) MI : Zemnící připojení síťového filtru musí být umístěno k čisté oblasti šasi, kde není žádný nátěr, tuk apod. Filtr nesmí být přimontován v místě, kde se na spojení filtru k šasi může vyskytnout rez, například, kde se může hromadit vlhkost. Popis dolního schématu : Zemnící spojení mezi filtrem a šasi musí být zbaveno tuku, špíny a nátěru a nesmí být uvolňováno vibracemi během běžného používání. (Mains Filter (síťový filtr)) - DCL : The leakage current to . . . (svodový proud do země je přijatelný) MI : Síťový filtr bude zavádět svodový proud z napěťového vodiče do země, skrze jeho kondenzátor Cy. Tento proud je kvůli bezpečnostním důvodům omezen do 0,5mA. Některé aplikace, například v lékařství, umožňují dosáhnou dokonce menších hodnot. Toto může být zajištěno tím, že svodový proud skrze síťový filtr bude mít přijatelnou hodnotu. Popis dolního schématu : Obvod síťového filtru. Kondenzátor Cy umožňuje vedení proudu z napěťového vodiče do země a tento musí být udržován v přijatelných mezích. - DCL : Signal line do not attenuate . . . (Signálové vedení netlumí anebo nezkresluje požadované signály) MI : Kapacita filtrů signálového vedení je dostatečná k potlačení digitálních signálů na frekvencích několika MHz, anebo ke zpoždění špičkové hodnoty zpomalením hrany. Mělo by být zajištěno, že filtry nezkreslí požadovaný signál více než je přípustné. Popis dolního schématu : Kondenzátorové filtry výrazně zaoblují hrany digitálních signálů, přímo úměrně s hodnotou kapacit. Prahové napětí může být opožděno a celková amplituda signálu může být tlumena. - DCL : Feedthrough filters are mounted . . . (Průchozí filtry jsou namontovány na přepážku, anebo stěnu). MI : K dosažení maximálních vysokofrekvenčních vstupních ztrát musí být průchozí filtr přimontován skrz vodivou přepážku, jinak rozptylová kapacita paralelní s filtrem bude snižovat vstupní ztráty hodně nad 100MHz Popis dolního schématu : Použití průchozího filtru Průchozí filtry by měly být namontovány na přepážce anebo skrz stěnu zařízení. Použití vlevo je nesprávné a bude mít špatné vstupní ztráty na vyšších frekvencích. (Dirty box (špinavá krabice), Quiet area (tichý prostor)). - DCL : Feedthrough filters are handled . . . (S průchozími filtry bylo během montáže správně zacházeno) MI : Ačkoliv je toto spíš záležitost výroby, tak přesto by mělo být poznamenáno, že průchozí filtry jsou zvlášť náchylné k poškození špatným zacházením. To se může stát díky překročení teploty pájení anebo použitím kroutící síly při montáži, která překročí doporučení výrobce. Filtr se může porouchat díky zkratu, který vede k vyřazení činnosti zařízení, anebo k rozpojení, což vede ke snížení emc výkonnosti.


83

Popis dolního schématu : S průchozími filtry se musí být během instalace správně zacházet. Musí být užita správná montážní síla a teplo vznikající při pájení musí být pečlivě kontrolováno. Jinak může dojít k poškození keramického kondenzátoru, což může zapříčinit nepředvídatelné chyby díky zkratu někdy v budoucnu. (Mounting thread (montážní závit), Feedthrough filter and dicsoidal capacitor (průchozí filtr a diskovitý kondenzátor). - DCL : Feedthrough filters temperature . . . (Byl brán ohled na teplotu průchozích filtrů a proudovou účinnost) MI : Průchozí filtry používají keramické kondenzátory vyrobené z materiálů s vysokou dielektrickou konstantou. Některé materiály (např. X7R) jsou s teplotou relativně stabilní, zatímco jiné (např Z5U, Y5V) vykazují velké (80%) snížení kapacity v extrémních teplotách (>70ºC,<0ºC). Mělo by být zajištěno, aby filtr prováděl adekvátní potlačení v extrémních pracovních podmínkách. Podobně, vložné ztráty, kde jsou použity feritové kroužkové indukčnosti často klesá když narůstá stejnosměrný proud. Provedení by mělo být hodnoceno za podmínek plného zatížení. Popis dolního schématu : Charakteristika vložných ztrát průchozího pi-filtru, když stejnosměrný proud narůstá od 0A (křivka 1), přes 5A (křivka 2) až po 10A (křivka 3). Vložné ztráty klesají, když feritová kroužková indukčnost je v saturaci.

Mikroelektronické praktikum

Recommend Documents