ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНі ДОСЛіДЖЕННЯ ШУМіВ іНТЕГРАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧіВ НАПРУГИ В ЛАНЦЮГАХ ГАЛЬВАНіЧНОї РОЗВ’ЯЗКИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

The presented results clearly confirm that the reduced models have practically the same statistics as their cipher prototypes discussed in this paper (Rijndael, GOST and Ukrainian block cipher competitors - Muhomor, Kalina, ADE, Labirint). This means we can build reduced models with randomness indicators that correspond to their big counterparts, and, therefore, the conclusions we get for 'small' ciphers can be applied to the real ciphers. In particular, it refers to the conclusion that both 'small' and real ciphers asymptotically acquire properties of random permutations.

Correlative indicators in dynamics of their changes are generally the same as the results obtained from studying differential and linear properties for 'small' and real ciphers.

We get additional evidence and arguments in favor of proposed method for measuring block ciphers security by studying their reduced models.

As the additional result of the research, it was concluded that three of the four Ukrainian block cipher competitors have better statistic indicators than well-known Rijndael and thus are superior

Keywords: provable stability, safety statistics, indicators random model and prototype, the random substitution, cipher reduced model

Запропоноваш методи зменшення впливу перешкод загального вигляду для ттегральних пере-творювачiв напруги фiрми Traco Power AG з метою ix застосування у вузлах гальвашчног розв'язки ттерфейсу RS-485. Використання тдуктивних фiльтрiв придушення електромагттних перешкод значно зменшуе вплив шумiв ттегральних пере-творювачiв на ятсть передачi сигналiв у ланцюгах гальватчноiрозв'язки та збшьшуе захищетсть вид перешкод комуткацшних блотв мережi ттерфейсу RS-485

Ключовi слова: перетворювач, перешкода, галь-

вашчнарозв'язка, ттерфейс

□-□

Предложены методы уменьшения влияния помех общего вида для интегральных преобразователей напряжения фирмы Traco Power AG с целью их применения в узлах гальванической развязки интерфейса RS-485. Использование индуктивных фильтров подавления электромагнитных помех значительно уменьшает влияние шумов интегральных преобразователей напряжения на качество передачи сигналов в цепях гальванической развязки и увеличивает помехозащищенность коммуникационных блоков интерфейса RS-485

Ключевые слова: преобразователь, помеха,

гальваническая развязка, интерфейс -□ □-

УДК 004.3

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ШУМ1В 1НТЕГРАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1В НАПРУГИ В ЛАНЦЮГАХ ГАЛЬВАШЧНОТ РОЗВ'ЯЗКИ

В.С. Кардашук

Кандидат техычних наук, доцент Кафедра комп'ютерноТ шженерп СхщноукраТнський нацюнальний уыверситет

iM. В. Даля

пр. Радянський, 59, м. Северодонецьк, Луганська

обл., УкраТна, 93400 Контактний тел.: 095-477-92-43 E-mail: kardashuk@mail.ru

1. Вступ

Робота з експериментального дослщження шумiв 1ПН проводилася в рамках HayK0B0-TexHi4H0Ï про-грами ствпращ мiж кафедрою ^Mn^Tep^ï шже-Hepiï ТехнолоНчного шституту Схщноукрашського нащонального ушверситету iM. В. Даля (м. Северодонецьк) та науково-виробничим шдприемством «Уш-конт» (м. Северодонецьк), що займаеться розробкою i впровадженням програмно-лопчних контpолepiв i робочих станцш для шформацшних систем та си-

© ВС

стем автоматизацп технолопчних процеав piзного призначення.

Боротьба з перешкодами у комп'ютерних системах набувае все бiльшоï актуальносп з багатьох причин:

- зростання частки затримок сигналiв у лжях зв'язку в поpiвняннi з затримками власне лопчних елеменпв, що обумовлюються кшцевою швидюстю поширення сигналiв у лжях зв'язку i перехщними процесами в них;

- зростаюча залежшсть швидкодп комп'ютерних систем, правильносп ïï функщонування вщ оптималь-

HOCTi вибору конструкторського виконання лшш зв'яз-ку та прийняття вiдповiдних схемотехшчних рiшень;

- зростання взаемного впливу мiж елементами i ль шями зв'язку через збiльшення щiльностi розмщення елементiв i компонентiв.

Точки тдключення загального та сигнального про-водiв вхiдного кабелю осцилографа вказанi строками на рис. 1.

Осцилограма напруг (перешкод) на входi 1ПН наведена на рис. 2, а на виходi - на рис. 3.

2. Актуальшсть проблеми

Гальвашчна розв'язка у ланцюгах прийому та передачi сигналiв знайшла широке застосування у комушкацшних блоках мережi штерфейсу RS-485, виробництвом яких займаеться науково-виробниче пiдприемство «Ушконт» (м. Северодонецьк).

Таким, чином, створення ефективних методiв захи-сту, щодо зменшення впливу перешкод рiзного характеру на пристро! комп'ютерно! системи, е науково-тех-нiчною проблемою, вирiшення яко! сприяе створенню блокiв комп'ютерних систем з б^ьш високим ступенем захисту вщ перешкод [1, 2].

Метою дано! статтi е дослiдження шумiв штеграль-них перетворювачiв напруги (1ПН) та розроблення рекомендацш, щодо !х застосування у вузлах гальва-нiчноi розв'язки блоюв iнтерфейсу RS-485.

-0,1 V

1 Шь... J Ik

1 'рт 1 i

Розгортка 2 мкс/дЬп.

Рис. 2. Осцилограма напруги на входi 1ПН

3. Постановка задачi

i/1/Ь" 1 \

IP 1 pi/' ll/1

Шуми, що виникають в 1ПН е джерелом перешкод, якi знижують якiсть передачi iнформацii по штерфейсу RS-485, а в ланцюгах вимiрювання - точшсть ви-мiрювання [3]. Необхiдно дослiдити 1НП фiрми Traco Power AG та запропонувати ефективш методи зменшення впливу шумiв, що генеруються 1ПН в ланцюгах гальвашчно! розв'язки.

4. Ршення задачi

У якостi зразка для дослвдження за рекомендацiею НВП «Ушконт» був обраний 1ПН TMA1505D фiрми Traco Power AG з наступними характеристиками [4]:

- вхщна напруга, ивх. - 15 В;

- вихвдна напруга, ивих. - ± 5 В;

- вихiдний струм, 1вих. - 100 мА;

- потужшсть споживання, P - 1 Вт;

- перешкоди вiд перехщних процесiв, ир-р - 75 мВ (у смузi частот до 20 МГц);

- частота внутршнього генератора - 100 кГц.

В шформацп фiрми виробника 1ПН вiдсутня прин-ципова електрична схема, а також схема вихвдних каска-дiв, що ускладнюе аналiз перешкод, якi генеруються.

Для вимiрювання перешкод 1ПН запропонована наступна схема включення (рис. 1).

*-+5 V

Заг.

>•-5 V

Рис. 1. Схема тдключення 1ПН для вимiрювання шумiв у вхщних i вихiдних ланцюгах

Рис. 3. Осцилограма напруги на виходi 1ПН (в ланцюгу +5V)

З аналiзу осцилограм можна зробити наступш висновки:

1. Фази сигналiв коливальних процеав на входi i виходi 1ПН змiщенi.

2. Коливальному процесу на входi передуе просадка напруги. 1ПН як би закорочуе на короткий час джерело живлення.

3. Перехщнш процес з великою амплггудою чер-гуеться з аналогiчним процесом з малою амплггудою, тобто вiд фронту до фронту форма перехщного процесу вiдрiзняеться.

Пункти 2 i 3 вказують на двотактний вихiд силових ланцюгiв 1ПН.

З наявно! iнформацii можна отримати вiрогiдну електричну схему силових ланцюпв 1ПН (рис. 4).

D1

-W-

-83-

Рис. 4. Схема електрична силових ланцюпв 1ПН

Передбачаеться, що робочi шдуктивноси мають iдеальний зв'язок магнiтним полем, а шдуктивносп розсiювання взагалi взаемношдуктивного зв'язку не мають.

+ 15 V

+5 V

L

L

-5 V

На рис. 4 не вказаш паразитш емност на виходi транзисторiв Т1, Т2, а також мiжвитковi i мiжобмоточ-нi eмностi трансформатора Тр, а взаемозв'язок робо-чих шдуктивностей позначений загальним магнiтним осердям.

Наявнiсть зазначених паразитних емностей стль-но з шдуктивностями розсiювання Ls трансформатора пояснюють форму коливального процесу (див. рис. 2 та рис. 3).

Значення перюду коливань дорiвнюe 35 нс. Звщси частота коливального процесу

11

£ = - =-^-¡г

Т 35 10-9

= 30 МГц.

£ = 1 = -

1

Т 12 10-

> 83 кГц.

+15 V

£_Квх.

1000 х16V

51 Ом

(1)

У процеа вимiрювання встановлено, що тдклю-чення до вхiдних i вихiдних контактiв 1ПН замкнутого на входi кабелю осцилографа (замкнутi сигнальний i загальний проводи) призводить до фшсаци на екранi осцилографа перешкод, за формою аналопчних наве-деним на рис. 2 та рис. 3.

Враховуючи, що корпус осцилографа мае порiвня-но велику емнiсть вiдносно "землГ' (принаймнi, для 30 МГц), слщ вказати на наявнiсть перешкод загаль-ного вигляду (вiдносно "землГ').

Можлившть генерацii таких перешкод викликана несиметрiею вiдносно "землГ' прямих i зворотних про-водiв джерел живлення +15 V i "Заг." на входi та ± 5V i "Заг." на виходi 1ПН.

Оскiльки з перешкодами загального вигляду роз-робникам електронноi апаратури доводиться стика-тися як в процеа виробництва, так i в процесi ек-сплуатацп, далi придiляеться увага саме цьому виду перешкод.

При дослщженш таких перешкод постановка за-дачi фактично зводиться до вимiру та зменшення перешкод.

У процеа експериментальних дослiджень вимiрю-вання проводилися осцилографом з несиметричним входом.

Перюд перемикання транзисторiв 1ПН (рис. 2, рис. 3) дорiвнюе 12 мкс.

Звщси:

Рис. 6. Форма iмпульсiв струму на входi 1ПН

Напруга на резисторi Я вiдповiдае струму на входi 1ПН.

Зменшення струму тсля перемикання вихiдних транзисторiв 1ПН i подальше його збiльшення тдтвер-джують ранiше зроблений висновок про двотактний вихщний каскад, тобто приведена на рис. 4 електрична схема ввдповщае реальнш схемi 1ПН.

Можна пояснити нещентичшсть перехiдного процесу (рис. 2) шсля перемикання транзисторiв Т1, Т2.

При перемиканнi вихiдних транзисторiв якийсь час обидва транзистора знаходяться в режимi наси-чення, тобто обидва транзистора ввдкрить Це створюе кидок струму у вхiдному ланцюзь Крiм того, один з транзисторiв бiльший час пiдтримуеться у вщкритому станi через затримку сигналу у ланцюжку елементiв У1, У3 (рис. 4).

На рис. 7 наведено сигнали на входi елеменив У1, У2 i виходi У2, У3.

(2)

Схема для дослiдження форми iмпульсiв струму на входi 1ПН наведена на рис. 5. Точки тдключення вхщ-них контактiв осцилографа вказаш строками.

Рис. 5. Схема для дослщження форми iмпульсiв струму на входi 1ПН

Осцилограма напруги на опорi Я номiналом 100 Ом (розгортка по вертикалi - 0,1 В/д^., розгортка по горизонталi - 2 мкс/д^.) наведена на рис. 6.

Рис. 7. Дiаграма напруг виникнення нас^зного струму

Через затримку сигналу у елементах У1, У2, У3 отримуемо рiзницю Ах, шд час якоi обидва транзи-стори Т1, Т2 знаходяться у вщкритому станi. Це так званий режим наскрiзного струму. Виникають кидки струму, у тому числ^ i у шдуктивностях розсiювання Ls. Спiльно з паразитними емностями шдуктивносп розсiювання Ls (рис. 4) створюють затухаючий коли-вальний процес з вiдповiдними частотою i амплиу-дою (рис. 2). 3акривання транзистора, який бiльший час знаходиться у вщкритому станi, призводить до перехщного процесу з великою амплггудою i трива-лiстю.

6

Спроба шдключення тд час дослiдження на входi 1ПН високочастотних конденсаторiв або дроселiв по-гiршуе ситуацiю.

Слщ зазначити, що пiдключення емностей (ш-дуктивностей) не зменшуе перешкоди, а перетворюе електричну (магнiтну) енергiю перешкоди в магшт-ну (електричну) енергiю.

Аналiзуючи осцилограми напруги, якi наведе-ш на рис. 2 та рис. 3, можна помиити, що напруга перешкоди на виходi 1ПН шверсна щодо напруги на входi.

5. Висновки

На пiдставi проведених експериментальних до-слiджень можна рекомендувати наступш прийоми зменшення перешкод загального вигляду для 1ПН:

1. Використати у якост транзисторiв Т1, Т2 висо-кочастотнi транзистори. Збiльшити швидкодiю еле-ментiв У1, У2, У3, виключивши або значно зменшив-ши наскрiзний струм у трансформаторi. У нашому випадку це неможливо через те, що Т1, Т2, У1, У2, У3 е частиною монолiтноi штегрально! схеми. Хоча на рiвнi замши кристала фiрма зробили подiбну процедуру - поряд з серiею мжросхем DCP з'явилася серiя DCR з меншим рiвнем перешкод. Цей прийом може бути використаний при розробщ iмпульсних 1ПН на дис-кретних елементах.

2. Шдключення послiдовного RC-ланцюжка. Зна-чення конденсатора С вибираеться з умови

Xc << R,

5 V

Цей метод використовуеться, наприклад, у локаль-них мережах Ethernet. Значення R вибирають близько 10 кОм, значення С - 10000 пФ.

Недолжом методу е наявшсть гальвашчного зв'яз-ку мiж первинною та вторинною обмотками трансформатора, а також зв'язок по змшному струму.

4. Шдключення на входi i виходi 1ПН поздовжнiх трансформаторiв (рис. 9).

TMA 1 505D

Tp2 + 5 V

Заг.

^JUUU

-5 V

(3)

де

Хс - опiр конденсатора на частой перешкоди;

Я - значення резистора, що шдключаеться посль довно з конденсатором.

Зазвичай послвдовний ЯС-ланцюжок шдключаеть-ся паралельно обмотщ трансформатора. Значення Я визначаеться значенням шдуктивносп розсiювання Ls трансформатора 1ПН i пiдбираеться експеримен-тально.

У нашому випадку контакти обмоток трансформатора «заховаш» у корпу« штегрально! мжросхе-ми.

3. Пiдключення мiж загальними контактами 1ПН, мiж входом i виходом паралельного ЯС-ланцюжка (рис. 8).

+5V

Заг.

Рис. 9. Шдключення на входi i виходi 1ПН поздовжнiх трансформаторiв

Поздовжнiй трансформатор вносить у ланцюги живлення i навантаження 1ПН великий шдуктив-ний ошр. Кориснi сигнали постiйного струму прохо-дять через трансформатор безперешкодно. Важливо, щоб сума струмiв через трансформатор дорiвнювала нулю.

У електроннiй апаратурi, де даний вид перешкод призводить до негативних результапв, можна запро-понувати чотири шдходи до вирiшення проблеми син-фазних перешкод:

1. Вибрати iнший тип 1ПН з меншим рiвнем перешкод, наприклад, МАХ253 фiрми Maxim Integrated, перевагою якого е використання напруги живлення +5 В на вщмшу вщ +15 В у TMA1505D (рис. 10) [5].

OV 4 SD PSTO MAX 2 S3 m J 1 ^bV 1

2j

3 FS 02 a 31

01 s

Ti

Рис. 8. Шдключення паралельного RC-ланцюжка для зменшення перешкод

Рис. 10. Фрагмент застосування 1ПН МАХ213 фiрми Maxim Integrated

2. Розробити перетворювач на дискретних елек-тронних компонентах.

3. З'еднати гальвашчно розв'язаш загальш ланцюги 1ПН за допомогою RC-ланцюжка (рис. 8).

4. Встановити на входi i виходi 1ПН поздовжнi трансформатори (рис. 12).

У першому випадку бажання використати шший тип 1ПН стикаеться з проблемою зб^ьшення цiни на 1ПН i труднощами поставок.

Другий шдхвд надiйний, але установка дискретних елеменпв 1ПН на блоцi вимагае б^ьше мiсця, а виго-товлення iмпульсних трансформаторiв в неспецiалiзо-ваних умовах зб^ьшуе число проблем.

У третьому випадку вхвдш i вихщш ланцюги 1ПН розв'язанi по змшному струму за допомогою конденсатора. Габарити конденсатора сумiрнi, а iнодi бiльшi самих 1ПН.

З точки зору практичного використання прий-нятним залишаеться четвертий тдхщ до зменшення синфазних перешкод за допомогою поздовжшх транс-

фоpматоpiв, наприклад, шдуктивних фiльтpiв при-душення eлeктpомагнiтних перешкод В 82790-S фipми Epcos [6].

Лиература

1. Кардашук, В. С. Використання двоканального блоку штерфейсу RS-485 [Текст] / В. С. Кардашук // Матер1али IV науково-практично! конференции «1нформацшш i керуюч1 системи в промисловос™, економщ та екологй». - Северодонецьк, 2012.

- С. 51-53.

2. Рязанцев, А. И. Методы повышения надежности передачи данных в сетях на базе интерфейса RS-485 [Текст] / А. И. Рязан-цев, В. С. Кардашук // Вюник Схщноукрашського нацюнального ушверситету iм. Володимира Даля. - Луганськ, 2007. - № 4(110), ч. 2. - С. 176-181.

3. Рязанцев, А. И. Исследование влияния параметров линии связи на качество передачи данных в сетях интерфейса RS-485 [Текст] / А. И. Рязанцев, В. С. Кардашук // Вюник Схщноукрашського нацюнального ушверситету iм. Володимира Даля.

- Луганськ, 2007. - № 11(117), ч. 2. - С. 133-140.

4. DC/DC Converter, Available at: http://www.tracopower.com/fileadmin/medien/dokumente/pdf/datasheets/tma.pdf (accessed November, 2009).

5. Transformer Driver for Isolated RS-485 Interface, Available at: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX253.pdf (accessed Document Ref.: 19-0226 Rev 2; May, 2010).

6. Data and Signal Line Chokes, Available at: http://www.epcos.com/inf/30/db/ind_2008/b82790c0_s0.pdf (accessed April, 2008).

Abstract

Galvanic isolation in circuits of the signals transmission and reception is widely used in the communication interface block RS-485. Integrated voltage transducer noises, used in such circuits, are the source of interference and they affect the quality of information transmission via the interface RS-485.

The article examines and suggests the methods of reducing the influence of common-mode interferences for integrated voltage transducers produced by Traco Power AG, for their application in galvanic isolation chains RS-485.

The research results show that the common-mode interferences generate themselves in the output circuit of integrated voltage transducer, as a result of switching current step of the output transistors. The current step is the result of different opening and closing moment of the output transistors, which leads to the transition process with large amplitude and duration.

On the basis of experimental studies the application of Epcos inductive filters along with integrated voltage transducer, which reject interferences, reduces considerably the effect of integrated voltage transducer noises on the quality of signals transmission galvanic isolation circuits and increases the noise immunity of communication interface blocks RS-485

Keywords: transducer, interference, galvanic isolation, interface