CC BY
42
УДК 621.316
АЛГОРИТМ ОПТИМИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ РЕАЛИЗУЕМЫЙ В СИСТЕМАХ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ А.В. Судариков
В данной статье рассматривается принцип работы сканирующих устройств электромагнитной эмиссии печатных плат, представлен краткий обзор данных устройств. А также предложена методика значительного сокращения времени сканирования печатных плат, путем реализации разработанного алгоритма сканирования электромагнитных полей с варьируемым шагом перемещения датчика поля
Ключевые слова: электромагнитные поля, сканеры поля, алгоритм, варьируемый шаг, оптимизация
В настоящее время практически все радиоэлектронные устройства должны проходить сертификацию на электромагнитную совместимость (ЭМС). Компоновка, размещение элементов и трассировка платы, выполненные без учета требований ЭМС, в большинстве случаев являются причиной отрицательного результата прохождения сертификационных испытаний на ЭМС, а также могут приводить к сбоям и отказам устройства. На данный момент есть большое количество устройств позволяющих измерить электромагнитную эмиссию испытуемого устройства, но лишь некоторые из них допущены для проведения сертификационных испытаний на электромагнитную совместимость, остальная масса устройств предназначена для проведения предсертифи-кационных испытаний, а также для помощи в определении электромагнитной обстановки платы и излучающего элемента при разработке устройства. [1] Сканирующие измерительные системы ближнего поля для печатных плат, являются одним из типов, такого измерительного оборудования [2,3]. На рынке данные устройства представлены фирмами Noise Laboratory Co., LTD (Япония) и Detectus AB (Швеция). В линейку продуктов фирмы Noise Laboratory Co., LTD входят: измерительный комплекс сканирования и визуализации электромагнитных излучений (ЭМИ) NoiseKen EPS3000 и измерительное оборудование для прецизионного сканирования и визуализации электромагнитных излучений NoiseKen EPS6000 [4,5]. Фирма Detectus AB представлена устройствами: сканеры электромагнитных излучений Detectus AB RS321, RS642, RS644 и высокопрецизионный сканер электромагнитных излучений Detectus AB High Resolution EMC Scanner [6].
Комплекс NoiseKen EPS6000 состоит из прецизионного сканера электромагнитных излучений с видеокамерой для получения изображений в оптическом диапазоне, анализатора спектра и персонального компьютера с набором специальных плат расширения для управления работой комплекса. Сканер перемещает датчик поля с заданным шагом по координатной сетке относительно испытуемой
Судариков Алексей Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. (473)243-77-06, e-mail: alex_sudar@mail.ru
платы. Для каждого положения датчика поля в сканируемой области строятся диаграммы частотного спектра. Система позволяет пользователю визуально идентифицировать потенциально проблемные области на печатной плате. Пользователь видит оптическое изображение, совмещенное с цветной полупрозрачной картой распределения интенсивности электромагнитных излучений. Изображения могут быть сформированы не только в виде двумерных цветных карт, но и в трехмерном виде [4]. Устройства фирмы Бйейш АВ имеют схожий принцип работы и схожую конструкцию с представленным выше устройством.
Основными техническими характеристиками для сканирующих устройств являются:
• минимальный шаг сканирования, он в значительной мере зависит от типа применяемого датчика поля;
• диапазон измеряемых частот, зависит от датчика поля и характеристик измерительного устройства (анализатора спектра);
• размеры области сканирования;
• возможность трехмерного сканирования;
• скорость перемещения датчика поля.
Таблица 1
Основные характеристики сканирующих устройств
характеристики представлены в табл. 1. Как упоминалось ранее данные устройства используют одина-
^\Параметр УстройствоХ^ Диапа- зон частот, МГц Мин. шаг сканирования, мм Область сканирования XYZ, мм
NoiseKen EPS3000 30 -1500 0,1 300x350
NoiseKen EPS6000 3G 0,15 -3000 0,1 300x270x100
NoiseKen EPS6000 6G 100 - 6000 0,1 300x270x100
EMC scanner RS321 30 -3000 1,0 300x200x100
EMC scanner RS642 30 -3000 1,0 600x400x200
Для рассматриваемых устройств технические
ковыи алгоритм сканирования, а именно, последовательно измеряя значение напряженности поля в каждой точке координатной сетки с заранее определенным шагом, таким образом, при уменьшении шага сканирования количество точек координатной сетки возрастает, следовательно, пропорционально увеличивается и время сканирования. Для ускорения процесса сканирования предлагается использовать алгоритм с изменяемой величиной шага перемещения. Процедура выбора шага представлена на рис. 1, алгоритм измерения ЭМИ с варьируемым шагом представлен на рис. 2. Суть данного алгоритма заключается в следующем, измеряемая величина напряженности поля сравнивается с значениями напряженности в массиве Л[и,ш], пример массива представлен в табл. 2.
Т аблица 2
Пример массива соотношения напряженности поля к шагу перемещения датчика поля
интервал Шаг напряженность
1 P max < 60 дБмкВ
2 P /2 і max/z- (60;65] дБмкВ
3 P /3 L max7 (65;70] дБмкВ
4 P /4 max' ^ (70;75] дБмкВ
n P L mm > 80 дБмкВ
Для построения данного массива требуется задать номинальную напряженность Еном, до значения которой шаг будет максимальным Ршах и значение максимальной напряженности Ешах, выше значения которой шаг будет минимальным Ршт, а также количество интервалов разбиения п. Числовой диапазон величин напряженности поля при измерении ЭМИ достаточно широк, он может иметь значение от единиц мкВ/м до нескольких десятков В/м, что составляет более семи порядков величин (107), таким образом целесообразнее использовать единицы измерения выраженные в децибелах [7]. Для электрического поля напряженность выражается в дБмкВ/м, перевод единиц измерения из системы СИ представлен в формуле (1), если Е2=1 мкВ/м, то результат будет выражаться в дБмкВ/м, формула (2). В качестве примера, 1 В/м преобразуется в 120 дБмкВ/м.
дБВ/м = 20log E
дБмкВ / м = 20 log
1В / м 1мкВ / м
(1)
(2)
Перед каждым перемещением датчика поля, измеренное значение напряженности электрического поля сравнивается с таблицей интервалов напряженности, далее выбирается шаг соответствующий данному интервалу, алгоритм процедуры выбора шага представлен на рис. 1. После прохождения данный процедуры датчик перемещается на задан-
ный шаг. Также стоит заметить, что если предыдущий шаг был больше выбранного, то датчик перемещается на предыдущую точку сканирования Х1 и далее датчик перемещается с выбранным шагом, таким образом не происходит потери точности при измерениях. В том случае если выбранный шаг меньше или равен предыдущему шагу, то перемещение датчика производится с выбранным шагом (рис.1).
Выбор шага по Х
і г
Рис. 1. Типовая процедура выбора шага перемещения датчика поля
После измерения напряженности поля (рис. 2), производиться проверка, «Достигнут ли конец платы по координате Х?», т.е. Х1 > Хтах. Если нет и координата Х1У1 < ХтахУ1, то запускается типовая процедура выбора шага. Если да и координата Х1У1 > ХтахУ1, то производится аналогичная проверка по координате У, «достигнут ли конец платы по координате У?», если да, то процедура сканирования завершена, в ином случае датчик поля перемещается в точку Х0, YJ + Ртах. Далее производиться изме-
рение напряженности поля, выбор шага и перемещение датчика поля на выбранный шаг XJ + Р. По-
сле каждого выбора шага производится проверка «Рвыб = Ршах», т.е. выбранный шаг равен максимальному, если да то цикл измерений с перемещением по Х повторяется, в ином случае производится перемещение датчика по У. Для того чтобы после перемещения по У продолжить перемещение по X с выбранным шагом, сохраняем шаг Рх := Р, далее датчик перемещается в точку YJ + Рх, производится измерение напряженности и сохранение значения
напряженности. После проводится проверка YJ + Р > У +Ртах, если условие не выполняется, то производим процедуру выбора шага по У, она аналогична типовой процедуре выбора шага по Х и перемещение датчика поля в точку YJ + Р, и далее по циклу, до тех пор пока будет выполняться условие YJ + Р > Уі +Ртах. После чего датчик перемещается XJ + Рх и переходит на выше описанный алгоритм перемещения датчика по координате Х.
Рис. 2. Алгоритм сканирования электромагнитных полей с варьируемым шагом перемещения датчика поля реализуемый в сканерах электромагнитного поля
За счет изменения шага время затрачиваемое на сканирование может сократиться более чем в 5 раз от времени затрачиваемого на автоматизированное сканировании при постоянном шаге. Скорость перемещения датчика была принята 40 точек в минуту [5,6]. Результаты расчетов плат представленных в презентациях устройств Бйейш ЛВ [6] указаны в табл.3 и М^екеп [4,5] в табл. 4.
Т аблица 3
Сравнение результатов сканирования с различным шагом сканирования платы с тремя наиболее сильно излучающими элементами
Шаг измерения Кол-во точек Время Соотношение
варьируемый 2790 70 мин 100 %
Р = 5 мм 663 16,5 мин < на 76,4%
Р = 2,5 мм 2541 63,5 мин < на 9,3%
Р = 1,6 мм 6120 153 мин > в 2,2 раза
Р = 1 мм 15471 387 мин > в 5,5 раз
Помимо увеличения скорости сканирования, еще одним плюсом является исключение ошибки измерения связанных с человеческим фактором. Данный алгоритм измерений может быть широко востребован при предсертификационных испытаниях, где требуется меньшая точность, но большая скорость сканирования. А также при разработке и отладке радиоэлектронных средств, для экспресс определения излучающих элементов или излучающих проводников печатной платы.
Таблица 4
Сравнение результатов сканирования с различным шагом сканирования платы с пятью наиболее сильно излучающими элементами
Шаг измерения Кол-во точек Время Соотношение
варьируемый 3580 89,5 мин 100 %
Р = 5 мм 609 15,5 мин < на 82,6%
Р = 2,5 мм 2337 58,5 мин < на 34%
Р = 1,6 мм 5696 142 мин > в 1,6 раз
Р = 1 мм 14241 356 мин > в 4,0 раза
Литература
1. Ромащенко М. А. Измерение эмиссии излучаемых помех РЭС в задачах обеспечения ЭМС // Вестник ВГТУ.
- 2010. - Том 6, № 7. - С. 20-22.
2. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции/
Т.Уильямс - М.: Издательский Дом «Технологии», 2003. -540 с.
3. Уилльямс Т. ЭМС для систем и установок / Т. Уилльямс, К. Амстронг - М.: Издательский дом «Технологии», 2004 г. - 508 с.
4. http://www.intrasoft-spb.ru/
5. http://www.noiseken.corn/
6. http://www.detectus.se/
7. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для быстродействующей аппаратуры/ Л.Н. Кечиев - М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. - 616 с.
Воронежский государственный технический университет
ALGORITHM OF OPTIMIZATION OF TIME MEASUREMENT OF ELECTROMAGNETIC RADIATIONS RADIO-ELECTRONIC DEVICES REALIZED IN SYSTEMS OF MEASUREMENT ELECTROMAGNETIC ISSUE OF PRINTED-CIRCUIT BOARDS. A.V. Sudarikov
In given article the principle of work of scanners of electromagnetic issue of printed-circuit boards is considered, the short review of the given devices is presented. And also the technique of considerable reduction of time of scanning of printed-circuit boards, by realisation of the developed algorithm of scanning of electromagnetic fields with varied step of moving of the gauge of a field is offered
Key words: electromagnetic fields, field scanners, the algorithm, a varied step, optimisation
