МЕТОДИКА СБОРА И ОЦЕНКИ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ПРИ АНАЛИЗЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМП НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.36622^Ти.2020.16.6.014 УДК 621.396.6.001.63;621.396.001.66

МЕТОДИКА СБОРА И ОЦЕНКИ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ПРИ АНАЛИЗЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМП НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА

М.А. Ромащенко1, Д.В. Васильченко1, А.Л. Неклюдов1, С.Н. Рожненко2, К.Ч. Колбая3

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО ВЦКБ «Полюс», г. Воронеж, Россия 3Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия

Аннотация: в настоящее время перед разработчиками радиоэлектронных устройств стоит множество проблем, которые необходимо учитывать в процессе проектирования радиоэлектронных средств (РЭС). Одной из таких проблем является обеспечение бесперебойной работы устройства в неблагоприятной для него радиоэлектронной обстановке и прохождение обязательной сертификации изделия по стандартам помехозащищенности. Ярким примером неблагоприятной радиоэлектронной обстановки являются современные города, где присутствует множество индустриальных помех, обусловленных активным использованием и высокой концентрацией высокочастотных средств связи, радиостанций, сетевых технологий, компьютерной аппаратуры и бытовых приборов. Такая большая концентрация радиоэлектронного оборудования при работе вызывает множество внешних электромагнитных полей, которые негативно сказываются на работоспособности других электронных устройств, вызывая их сбои и нарушение работоспособности в целом. Статья рассматривает основные принципы методики анализа данных при тестировании электронных средств на воздействие электромагнитного излучения. Проблема, на решение которой направлена данная методика — выявление степени устойчивости электронных средств к воздействию электромагнитного излучения на этапе их проектирования. Методика описывает сбор данных из аппаратной части комплекса тестирования электронных средств на воздействие электромагнитных помех, а также дальнейшую их обработку на основании базы эвристических решений

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, поляризация электромагнитных волн, электромагнитные помехи, проектирование электронных средств, сертификация, испытания, тестирование, повышение качества

Введение

В процессе проектирования электронного средства конструктор сталкивается с рядом проблем, связанных не только с обеспечением бесперебойной работы устройства, но и его последующей сертификации перед выводом на рынок. Так, ГОСТ Р 50397-2011 определяет электромагнитную совместимость (ЭМС) технических средств как их способность функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке, при этом не создавая недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам. При этом под техническим средством данный ГОСТ подразумевает любое электротехническое, электронное или радиоэлектронное изделие, а также любое изделие, содержащее электрические и/или электронные составные части. Таким образом, все вышеуказанные технические средства должны разрабатываться с учетом соответствующих требований в части обеспечения электромагнитной совместимости и устойчивости к воздействиям электромагнитных помех, а также проходить обязательную сертификацию по этому параметру.

Работа программно-аппаратного комплекса

Испытуемое изделие помещается в рабочий объем аппаратного комплекса непосредственно в области воздействия излучателя, фиксируясь в специализированном зажиме. В зависимости от вида воздействия выбирается подходящая излучающая антенна, устанавливаемая в центральной части камеры на устройство позиционирования.

Комплекс в себя следующие подсистемы:

- тестирующая установка;

- ПК со специализированным программным обеспечением;

- стандартный генератор электромагнитного изучения сигналов;

- блок формирования тестирующих сигналов;

- блок оценки выходных параметров.

Взаимодействие программного обеспечения с аппаратной частью комплекса

В программном обеспечении реализованы следующие функции:

1. Работа с позиционирующей системой;

2. Работа с базами данных для записи,

© Ромащенко М.А., Васильченко Д.В., Неклюдов А.Л., Рожненко С.Н., Колбая К.Ч., 2020

хранения и обработки результатов;

3. Управление модулятором сигналов;

4. Задача входных сигналов для тестируемого устройства;

5. Считывание значений с выходов тестируемого устройства;

6. Экспертная система анализа и оценки устойчивости электронного средства к воздействию электромагнитных помех;

7. Выгрузка данных в сторонние САПР.

Функция работы с контроллером позиционирования основана на формировании G-кода перед началом тестирования каждого отдельно взятого устройства и его последовательного воспроизведения. Базы данных используются для упрощенного взаимодействия и хранения данных о проведенных тестированиях, устройствах, которые были протестированы с сохранением их характеристик и параметров сигналов вход/выход, а также режимах тестирования.

В формирователь сигнала заносится информация о частотах и уровнях излучения. Управления модулятором радиоизлучения производится путём записи по интерфейсу RS-232 необходимых параметров. Блок формирования сигналов осуществляет обработку сигналов, поступающих от тестируемого устройства, и передаёт их в ПК оператора. Запись измеряемых параметров производится в базу данных для последующей обработки.

Методика сбора и анализа результатов испытаний

Анализ результатов основан на аналитическом алгоритме, который сравнивает поступающие от блока приема входных параметров значения и делает выводы о возможности или невозможности коррекции устройства для улучшения его параметров. В ПО занесена информация о некоторых экранирующих материалах и их свойствах для возможности рекомендации пользователю о применении материалов в качестве защитного экрана. Алгоритм работы программного обеспечения представлен на блок-схеме рис. 1. После подачи команды оператором к сбору данных установка, в случае успешного отклика блока сбора данных, производит запись поступающей информации в базу данных. Из базы данных она поступает в вычислительный блок, где происходит сравнение полученных данных сигналов с их эталонными значениями, промоделированными на этапе проектирования. В случае, если полученные данные имеют минимальные допустимые отклонения, устройство признается прошедшим

испытания и получает протокол об успешном прохождении тестирования с описанием основных контрольных точек и выводом среднего отклонения в них. В случае, если отклонения являются существенными и в последующем могут привести к некорректной работе устройства, программный комплекс производит анализ типовых решений, а также решений на основании ранее проведённых тестов. Поиск решений заключается в анализе топологии тестируемого устройства и выявлении наиболее слабых компонентов и схемотехнических решений в каждой отдельно взятой точке испытаний (по частоте воздействующего излучения и его интенсивности). Проведя выборку из наиболее уязвимых элементов, а также участков рисунка печатной платы, программный комплекс производит поиск типовых решений и предлагает несколько вариантов оператору установки. Данные варианты включают в себя список изменений, которые могут помочь улучшить характеристики устройства. К таким относится предложения по экранированию, замене элементной базы, а также пересмотр печатного рисунка устройства. В случае, если такой поиск не даёт результатов, установка выдаёт сообщение об ошибке и предлагает повторить тестирование либо же прекратить работу установки.

Для более детального анализа печатной платы в базу данных программного обеспечения загружается детальная модель устройства с полной информацией о его топологии. Программа осуществляет поиск информации о характеристиках каждого из элементов устройства. Информация об элементах загружается путём добавления официальных технических спецификаций элемента. Принятие того или иного решения относительно экранирования устройства основывается на информации об экранирующих свойствах различных материалов с учётом планируемого места эксплуатации разрабатываемого устройства. Предложения по внесению изменений в топологию устройства основаны на накопленном программным обеспечением «опыте» от предыдущих тестов, а также базе данных основных мест возникновения излишней напряженности с учётом частоты, на которых работает само устройство, а также его отдельно взятые элементы.

Печатный рисунок платы подвергается анализу путём проверки ширины печатного рисунка с учётом проходящих сигналов, а также мест, способных создавать резонанс на определенных частотах. В итоге комплексного анализа программная часть комплекса способна определить слабые места в топологии разрабатываемого устройства и предложить пути их решения.

Заключительным этапом обработки полученных данных является подборка оптимальных решений для устранения выявленных электромагнитных отклонений. Для этого создана база данных стандартных решений, которые направленны в первую очередь на экранирование электронного средства от внешних электромагнитных воздействий. Для этого в базу данных занесена информация о различных экранирующих материалах, применяемых для защиты электронных средств от воздействия электромагнитных помех.

Заключение

В процессе проектирования электронных средств разработчик сталкивается с рядом проблем, связанных с обеспечением электромагнитной совместимости, решение которых на этапе проектирования позволит значительно снизить временные и материальные затраты на производство устройства. В связи с этим применение подобных программно-аппаратных комплексов позволит предприятиям за более короткие сроки выпускать максимально продуманное устройство, которое без проблем пройдёт международную сертификацию на ЭМС и выйдет на рынок без дополнительных затрат на доработку. Созданная Методика сбора и анализа результатов испытаний упрощает разработку устройства, поскольку позволяет на основе полученных экспериментальных данных выявить слабые стороны испытуемого устройства и выдать рекомендации по их доработке.

Литература

1. Ромащенко М.А., Неклюдов А.Л., Васильченко Д.В. Методика построения градиентных карт ближнего электромагнитного поля двухсторонних и многослойных печатных плат // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 4. С. 74-78.

2. Ромащенко М.А. Методика анализа помехоустойчивости печатных плат при проектировании РЭС с учетом ЭМС // Радиотехника. 2014. № 3. С. 92-95.

3. Ромащенко М.А. Конструкторско-технологические аспекты обеспечения ЭМС при разработке РЭС // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 11. С. 149-151.

4. Ромащенко М.А. Измерение эмиссии излучаемых помех РЭС в задачах обеспечения ЭМС // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 7. С. 20-22.

5. Ромащенко М.А. Планирование и проведение работ по обеспечению электромагнитной совместимости при разработке электронных средств // Надежность и качество: труды международного симпозиума. 2011. Т. 2. С. 57-58.

Блок-схема работы программной части комплекса

Поступила 27.10.2020; принята к публикации 21.12.2020 100

Информация об авторах

Ромащенко Михаил Александрович - д-р техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, г Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: kipr@vorstu.ru

Васильченко Дмитрий Владимирович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: Shadow951@bk.ru

Неклюдов Андрей Львович - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: an.necludow@yandex.ru

Рожненко Сергей Николаевич - технический директор, АО ВЦКБ «Полюс» (394019, Россия, г. Воронеж, ул. Краснодонская, 16Б), e-mail: kipr@vorstu.ru

Колбая Камила Чичиковна - канд. техн. наук, доцент, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (394064, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54 «А»), e-mail: kolbaya-kamila@rambler.ru

METHODS FOR COLLECTING AND EVALUATION OF DIAGNOSTIC SIGNALS IN ANALYSIS

OF EMF IMPACT ON ELECTRONIC DEVICES

M.A. Romashchenko1, D.V. Vasilchenko1, A.L. Neklyudov1, S.N. Rozhnenko2, K.Ch. Kolbaia3

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2JSC VCCB "Polyus", Voronezh, Russia 3Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E.Zhukovsky and Ju.A. Gagarin

Military-Air Academy", Voronezh, Russia

Abstract: currently, the developers of radio electronic devices face many problems that must be taken into account in the process of designing radio electronic devices (RED). One of these problems is to ensure the uninterrupted operation of the device in an unfavorable radio-electronic environment and the passage of the mandatory certification of the product according to noise immunity standards. A striking example of an unfavorable radio-electronic environment are modern cities, where there is a lot of industrial interference caused by the active use and high concentration of high-frequency communications, radio stations, network technologies, computer equipment and household appliances. Such a large concentration of radio electronic equipment during operation causes many external electromagnetic fields, which negatively affect the performance of other electronic devices, causing them to malfunction and malfunction in general. This article examines the basic principles of data analysis methodology when testing electronic devices for exposure to electromagnetic radiation. The problem to be solved by this technique is to identify the degree of resistance of electronic devices to the effects of electromagnetic radiation at the stage of their design. The methodology describes the collection of data from the hardware of the complex for testing electronic devices for the effect of electromagnetic interference, as well as their further processing based on the base of heuristic solutions

Key words: electromagnetic compatibility, polarization of electromagnetic waves, electromagnetic interference, electronic design, certification, tests, testing, quality improvement

References

1. Romashchenko M.A., Neklyudov A.L., Vasil'chenko D.V. "Methods for constructing gradient maps of the near electromagnetic field of double-sided and multilayer printed circuit boards", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2019, vol. 15, no. 4, pp. 74-78.

2. Romashchenko M.A. "Methodology for analyzing the noise immunity of printed circuit boards in the design of radio electronic devices taking into account EMC", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2014, no. 3, pp. 92-95.

3. Romaschenko M.A. "Design and technological aspects of ensuring EMC in the development of RED", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2010, vol. 6, no. 11, pp. 149-151.

4. Romaschenko M.A. "Measurement of the emission of radiated interference from radio equipment in the tasks of ensuring EMC", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2010, vol. 6, no. 7, pp. 20-22.

5. Romashchenko M.A. "Planning and performance of work to ensure electromagnetic compatibility in the development of electronic devices", Proc. of the International Symposium: Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: trudy mezhdunarodnogo simpoziuma), 2011, vol. 2, pp. 57-58.

Submitted 27.10.2020; revised 21.12.2020 Information about the authors

Mikhail A. Romashchenko, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: kipr@vorstu.ru

Dmitriy V. Vasil'chenko, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: Shadow951@bk.ru

Andrey L. Neklyudov, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: an.necludow@yandex.ru

Sergey N. Rozhnenko, Technical Director of JSC VCCB "Polyus" (16B Krasnodonskaya str., Voronezh 394019, Russia), e-mail: kipr@vorstu.ru

Kamila Ch. Kolbaya, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Military Scientific Educational Center of Military-Air Forces "N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin Military-Air Academy" (54 "A" Starykh Bol'shevikov str., Voronezh 394064, Russia), e-mail: kolbaya-kamila@rambler.ru