CC BY
8
УДК 621.396.662
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-223-229
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ "ДРЕБЕЗГА ЗЕМЛИ" НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
В.А. Кочетков, Н.Ю. Ключко, Р.Н. Шульгин
Рассмотрено явление, получившее название "дребезг земли", которое приводит к возникновению импульсных помех на входе микросхем при переключении выхода из одного состояния в другое. Представлено влияние "дребезга земли" на помехоустойчивость цифровых микросхем на примере микросхемы входящей в состав шинного формирователя модема, выполненного по технологии HDSL. Указаны наиболее целесообразные способы уменьшения влияния данного явления.
Ключевые слова: дребезг земли, импульсная помеха, индуктивность, интегральная схема, триггер, сбой
Анализ многочисленных публикаций, посвященных проблемам развития современной телекоммуникационной инфраструктуры, позволяет выделить в качестве первоочередных исследований и разработок, оказывающих решающее воздействие на ее состояние, следующие направления:
- широкополосные цифровые сети с интеграцией служб;
- обработку и передачу мультимедиа информации;
- оптические сетевые технологии;
- широкополосные беспроводные сети;
- сетевые технологии построения коммутируемых сетей.
Принципы построения перечисленных систем телекоммуникаций используются для решения близких задач, связанных с организацией передачи информации в параллельных и локальных вычислительных системах, прежде всего в системах с массовым параллелизмом, содержащих большое число взаимодействующих процессорных и высокоскоростных цифровых элементов. Характерным при этом является поиск новых принципов обработки информации и архитектур вычислительных систем, обеспечивающих их высокую производительность, надежность, модульность построения и расширяемость при относительно невысокой стоимости [2].
Для поддержания заданного уровня надежности таких сетей в системе технической эксплуатации необходима своевременная и достоверная информация об их техническом состоянии в настоящее и будущее время, местах возникновения и причинах неисправностей. Оперативное получение информации данного вида вызывает существенные трудности, так как требуется измерение и обработка большого количества параметров и характеристик элементов сетей. Кроме того, известно [4], что при решении задач определения вида технического состояния таких сложных систем, традиционно используемые показатели, такие как: наработка на отказ, среднее время восстановления, параметр потока отказов, не позволяют достаточно полно оценить надежность выполнения системой своих функций. Как следствие этого, комплексная оценка надежности таких систем часто не производится, и на практике ограничиваются сведениями об уровне надежности отдельных технических устройств, не выходя на характеристики системы в целом.
При эксплуатации современных телекоммуникационных сетей, основу которых составляют высокоскоростные цифровые устройства, в отличие от устройств, работающих на низкой рабочей частоте, особое значение приобретает учет характера пассивных элементов цепей, в том числе соединительных проводов, печатных плат и корпусов интегральных схем, которые являются элементами конструкции цифрового устройства. На низких рабочих частотах эти конструктивные элементы не оказывают влияния на работоспособность схемы. С повышением рабочей частоты они непосредственно влияют на электрические характеристики микросхемы. Практически всем современным интегральным микросхемам присущи общие проблемы, связанные с индуктивностью и емкостью выводов и теплоотводом.
В статье рассматривается частный аспект, связанный с индуктивностью выводов микросхем как составных элементов высокоскоростных цифровых устройств современных телекоммуникационных сетей, фрагменты которых представлены ниже рис. 1.
223
f и \
ШЕЕЙ эаниых ГГт ф ini адреса
^Тльтовы ¡ККГИ4П
б) м данные по <:>:■ m ю ф Ifr ф ШЕЕа адреса
\Тштовыя сигнал J
Рис. 1. Варианты современных высокоскоростных сетей на основе протоколов WAP и технологий HDSL: а - фрагмент WAP-сети с печатными платами беспроводного
доступа; б - фрагмент ИББЬ-сети с модемом и высокоскоростными печатными платами
Индуктивность выводов микросхемы создает проблему, которая называется "дребезгом земли". Это явление приводит к возникновению импульсных помех на входе микросхемы при переключении выхода из одного состояния в другое.
На рис. 2 условно изображен кристалл логической микросхемы в ^/Р-корпусе, соединенный проводниками с четырьмя выводами корпуса.
vc
I
Ключ а ^ у/
Ключ B
Выходной каскад /
Выходная цепь
1 Lgnd ^
Vond Индуктивность — ^аземляемого вывода ^-—.„корпуса
/77/7?/
Нагрузка
c
'////////////////////////////////////////////
Слой печатной платы
Рис. 2. Индуктивность выводов корпуса логической микросхемы
В момент времени, когда ключ В в выходной цепи только что замкнулся, начинается разряд емкости нагрузи С на землю. Когда напряжение на емкости С падает, заряд, накопленный емкостью стекает на землю, создавая мощный бросок тока, обозначенный на рис. 2 /дреб, в образованном им контуре.
Ток разряда сначала возрастает, а затем снижается, и это изменение тока через индуктивность земляного вывода корпуса наводит напряжение Рож между слоем общей земли на печатной плате и внутренней шиной земли на кристалле. Амплитуда напряжения "дребезга земли" составляет величину, определяемую выражением:
УОЫО = 1ОЫО ^ (1дреб.) (1)
Сдвиги потенциала "внутренней земли" по отношению к потенциалу "общей земли" печатной платы, вызванные переключением выходной цепи, называются "дребезгом земли" [1,
5].
Импульсное напряжение "дребезга земли" превращается в помеху, накладывающуюся на входной сигнал. При одновременном переключении N выходных цепей микросхемы, к которым подключены N соответствующих нагрузок, ток через земляной вывод возрастает в N раз, и амплитуда помехи Раж становится в N раз больше.
i(t)
V(t)
R'k ¿С
J
7 (/)=VW + C dVit!)
W R { dt , Ток через сопротивление ^^ Ток через емкое гь
Первая производная
d 2v (t)
10 - 90 ,
Вторая производная
Рис. 3. Связь между максимальной крутизной изменения тока и временем нарастания
напряжения сигнала логического элемента
Амплитуда напряжения дребезга земли прямо пропорциональна крутизне изменения тока, протекающего через земляной вывод корпуса микросхемы. В случае емкостной нагрузки крутизна изменения тока пропорциональна второй производной по времени от выходного напряжения [3]. Как видно из графика, приведенного на рис. 3, вторая производная по времени от выходного напряжения на участке перехода при переключении логического элемента представляет собой двугорбую кривую - одна из вершин направлена вверх, а другая вниз.
Графики, приведенные на рис. 4, иллюстрируют ситуацию, вызванную дребезгом земли. Для примера взята ТТЛ-микросхема, объединяющая 8 D-триггеров с общим входом синхронизации, нагрузкой которой является банк памяти из 32 микросхем памяти. Показанная микросхема входит в состав шинного формирователя модема, выполненного по технологии HDSL.
Использование технологии DSL в качестве примера обусловлено тем, что она применяется для соединения цифровых и подключения учрежденческих АТС, замены линейных трактов в системах для межстанционной связи (ИКМ-30), связи базовых станций в сотовых сетях, уплотнения абонентских линий. В настоящее время некоторые виды оборудования, функционирующие на основе данной технологии, сертифицированы в Министерстве связи и производятся в России (НТЦ "НАТЕКС"), поэтому дополнительных разрешений на их эксплуатацию в составе вычислительных сетей и на линиях связи не требуется.
Рассматривая влияние дребезга земли на работоспособность высокоскоростного цифрового устройства необходимо отметить следующее.
По фронту тактового импульса в момент времени А триггер осуществляет операцию переноса со входа на выход слово ЕЕ. По фронту тактового импульса в момент времени В аналогично переносится слово 00. В обоих случаях задержка распространения триггера в 3 нс не превышает времени удержания данных на входе.
Четыре аналоговых канала
%
СОТ - стационарный полукомплект ИТ - абонентский полукомплект
Четыре телефонных номера
Воэдшянапшый грнгер
Ш
ТТТуттл данных
ЕЛ
К баш.у шмлтн нз 32 ншрфсхеы в
Входная емкость - 5пФ вход
Оэщдя нагрузка на одну л низко 1б0пФ
Выходы Q 1ТТниа данным Вр4МХ уСТХКОЖГШНЯ Знс
Тактовый: снгнагс
В|эВД|
I—УВДХОШЦ 1нс
По импульсу помехи ил входе СШСфОХВЕПШШ МОА4Т ПрОИ-ЮИТН переключение триггеров в
--¡НООЧНМ еостолин* по ишедлы
О" О Помеха по внутренний шине ±езпн. [114 <ЙД|Р|Д5С брХХСЫ Т01Л
Нгрг.ч №М/ННФЙ кикс;;; ЬФрпус*
микросхемы
А.
J V
Тактовый сигнал вд входе гнЕСфсннзавдш относительно ■КуТрНИШВ [и;:иц НЫЯН
Импульсная ш
сян^ээешш^ни в жиш »ЯГМ4НН Б 1ШЫ1МТ
срабагтыл^ннЕ тркггераО
Рис. 4. Пример влияния, оказываемого "дребезгом земли " на работоспособность элемента
высокоскоростной цифровой сети
В момент времени С данные на входе изменяются, и входной вектор принимает новое значение - ХХ. Это происходит через 1 нс после поступления тактового импульса. В этот момент времени триггер уже защелкнул слово 00, но переключения выходов Q из состояния ЕЕ в состояние 00 еще не произошло.
На рис. 4 вторая снизу кривая представляет собой график напряжения сдвига земли. В момент А, когда выходы Q переключаются в высокое логическое состояние, ток заряда емкостной нагрузки протекает через вывод питания Усс, а не через вывод земли, поэтому напряжение дребезга земли - незначительно. А в момент времени О все восемь выходов одновременно переключаются в низкое логическое состояние, и возникает большой импульс помехи. Эта импульсная помеха вызывает сбой в работе схемы, так называемое срабатывание на удвоенной частоте синхронизации.
Этот сбой вызван дифференциальным механизмом распознавания синхросигнала триггеров. Внутренняя схема триггера измеряет напряжение на входе синхронизации на кристалле микросхемы относительно внутренней земли кристалла. Самая нижняя кривая на рис. 4 представляет собой график этого сигнала. В точке В появляется чистый фронт тактового импульса, за которым следует импульсная помеха большой амплитуды, наведенная броском тока через земляной вывод при переключении выходов микросхемы. Триггеры повторно сработают по этому импульсу помехи, что приведет к потере данных, поступающих на формирователь.
Характерной особенностью рассматриваемого явления является то, что измерение статических характеристик микросхемы, а также измерение тактового сигнала на выводе корпуса покажет наличие на нем абсолютно чистого сигнала - нарушение происходит только внутри корпуса микросхемы. Получается, что устройство является работоспособным, но неправильно функционирует.
Срабатывание на удвоенной тактовой частоте синхронизации встречается при работе на большую емкостную нагрузку - в случаях, когда проводят наращивание структуры телекоммуникационной или вычислительной сети за счет подключения новых оконечных устройств или терминалов.
Схема измерения напряжения "дребезга земли" цифровой микросхемы показана на
рис. 5.
+5B
4
Тактовый сигнал
Сигнал сброса
Сигналы на входах Q0,Q1,Q2
Тактовый сигнал Сигнал сброса
НЕ
200 мВ
D0 D1 D2 D3 №
Q0 Q1 Q2 Q3
На согласованный вход осциллографа
Коаксиальный кабель
Q0,Q1,Q2
-чх'.....
Напряжение дребезга земли,
измеренное на. вУХ.оД.е. Q3| i
Рис. 5. Измерение напряжения "дребезга земли "
Особенно чувствительны к выбросам, вызванным дребезгом земли, линии входных сигналов, по фронту которых происходит срабатывание, например, шины сброса и обработки прерываний.
Для того, чтобы правильно оценить амплитуду напряжения дребезга земли, необходимо знать четыре параметра: время перехода логического элемента, измеренное по уровням 10 -90 %, емкость или сопротивление нагрузки, индуктивность выводов и перепад напряжения на выходе.
В случае резистивной нагрузки амплитуда напряжения дребезга земли рассчитывается по формуле:
V I = Ь — • - (2)
T10-90 R
В случае емкостной нагрузки С:
М = Ь • С. (3)
Т10-90
Параметры АУ и Г10.90 зависят от конкретной серии микросхем. Параметры переключательных характеристик пяти серий логических микросхем представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры переключательных характеристик пяти серий логических микросхем
Параметр КМОП ТТЛ ЭСЛ GaAs10G GaAs NEL
АУтах(В) 5 3,7 1,1 1,5 1,0
Т10-90(нс) 4,7 1,7 0,7 0,15 0,05
Измеренное значение напряжения дребезга земли сравнивается с таким параметром микросхемы как запас по напряжению низкого и высокого уровня. При этом измеренное значение данного напряжения не должно превышать 50 % от запаса по напряжению.
Так у микросхем серии HCT (ТТЛ-мимкросхемы) запас по напряжению низкого уровня составляет 470 мВ, по высокому уровню - 890 мВ.
Для уменьшения влияния напряжения "дребезга земли" в современных цифровых устройствах применяют:
- технологии монтажа бескорпусных микросхем на печатную плату - монтаж с использованием проволочных перемычек;
- технологии монтажа с использованием ленты-носителя;
- технологии монтажа методом перевернутого кристалла;
- использование микросхем с аналогичными электрическими характеристиками, но с увеличенным временем перехода;
- применение микросхем с отдельными "земляными выводами" для подключения измерительных приборов.
Таким образом, дребезг земли снижает резервный запас помехоустойчивости цифровых микросхем, необходимый для компенсации помех и искажений сигнала, вызванных другими причинами, переводит элементы цифровых сетей связи в техническое состояние, классифицируемое как неправильно-функционирующее. Для уменьшения влияния данного явления наиболее целесообразными способами являются: технологии монтажа бескорпусных микросхем на печатную плату - монтаж с использованием проволочных перемычек, использование микросхем с аналогичными электрическими характеристиками, но с увеличенным временем перехода и применение микросхем с отдельными "земляными выводами" для подключения измерительных приборов.
Устранение последствий сбоев в работе высокоскоростных цифровых элементов как телекоммуникационных, так и вычислительных сетей на основе предложенного в докладе подхода создает предпосылки для восстановления вычислительных и информационных процессов, для реализации которых сеть проектируется и эксплуатируется. Процесс восстановления может проводиться на аппаратном уровне. При этом возможно автоматическое восстановление отказавших элементов и ремонт. Автоматическое восстановление может быть реализовано путем дополнительной реконфигурации сети и за счет использования избыточных элементов (предполагается, что в системе имеется ряд запасных элементов, благодаря которым она возвращается в работоспособное состояние). Проведение ремонта будет состоять в отключении отказавшего компонента и его восстановления вне системы.
Список литературы
1. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. Москва: Юнимедиастайл, 2009. 448 с.
2. Гришин А.В., Страшун Ю.П. Промышленные информационные системы и сети. Москва: Радио и связь, 2011. 176 с.
3. Игнатов А.Н. Микросхемотехника и наноэлектроника: учебное пособие. СПб.: Лань, 2011. 528 с.
4. Ушаков И.А. Курс теории надежности систем: учебное пособие. Москва: Дрофа, 2008. 239 с.
5. Хировиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Издание 7-е. Москва: БИНОМ, 2014.704 с.
Кочетков Вячеслав Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, сотрудник, buhtins@mail.ru, Россия, Орел, Академия ФСО России,
Ключко Николай Юрьевич, канд. техн. наук, сотрудник, pegasus072007@rambler.ru, Россия, Орел, Академия ФСО России,
Шульгин Роман Николаевич, сотрудник, romanspartak1977@mail. ru, Россия, Орел, Академия ФСО России
EVALUATION OF THE INFLUENCE OF "EARTH RATTLE" VOLTAGE ON THE PERFORMANCE OF HIGH-SPEED DIGITAL DEVICES
V.A. Kochetkov, N.Y. Klyuchko, R.N. Shuljgin
The phenomenon called "earth rattle" is considered, which leads to the appearance of pulse interference at the input of chips when switching the output from one state to another. The influence of the "earth rattle" on the noise immunity of digital chips is presented on the example of a chip that is part of a modem bus shaper made using HDSL technology. The most appropriate ways to reduce the impact of this phenomenon are indicated.
Key words: earth rattle, impulse noise, inductance, integrated circuit, trigger,
failure.
Kochetkov Vyacheslav Anatolyevich, candidate of technical sciences, docent, employee, buhtins@mail. ru, Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian,
Klyuchko Nikolay Yurjevich, candidate of technical sciences, employee, pegasus072007@rambler.ru, Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian,
Shuljgin Roman Nikolaevich, employee, romanspartak1977@mail.ru, Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian
УДК 624.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-229-233
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ КОМПЛЕКТОВАНИЯ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СТАНЦИЙ СРЕДСТВАМИ МЕХАНИЗАЦИИ, ПРИМЕНЯЕМЫМИ ПРИ РАЗВЕРТЫВАНИИ АНТЕННО-МАЧТОВЫХ УСТРОЙСТВ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ
С.А. Максаков, А.В. Сидоренко
Поставлена задача по разработке предложений, направленных на оснащение радиорелейных станций средствами механизации отдельных технологических операций по развертыванию антенно-мачтовых устройств с целью сокращения временных показателей. Рассмотрены возможные варианты комплектования радиорелейных станций буровым инструментом. Обоснованы частные показатели различных комплектов бурового инструмента.
Ключевые слова: развертывание АМУ РРС, шнековое бурение, комплект бурового инструмента, заглубление анкерных устройств, частные показатели.
Экипажи радиорелейных станций (РРС) в зимний период сталкиваются с проблемой заглубления кольев оттяжек в мерзлый грунт при развертывании антенно-мачтовых устройств (АМУ). Применение для этой цели кувалд, которые имеются в составе штатного имущества РРС, характеризуется низкой эффективностью.
При выполнении экипажами РРС технологических операций по переводу из походного положения в состояние готовности к установлению связи наиболее затратными по времени являются операции по развертыванию антенно-мачтовых устройств.
Время развертывания РРС и установления связи в основном определяется временем развертывания АМУ. Наиболее затратными по времени технологическими операциями при развертывании АМУ РРС в зимний период являются процедуры, связанные с процессом заглубления анкерных устройств (кольев и штопоров), к которым в свою очередь крепятся оттяжки мачты.
Как правило, анкерные устройства изготавливаются из сплошного стального материала и, в зависимости от своего функционального предназначения, имеют различные форму, геометрические размеры и принцип заглубления в грунт (вкручивание или вбивание).
В настоящее время заглубление кольев оттяжек осуществляется путем забивания их в землю с помощью кувалд или вкручивания с помощью ломов. При этом возникают серьезные затруднения для проведения этой операции в мерзлых грунтах.
В состав штатного такелажного оборудования АМУ РРС входят различные виды анкерных кольев для крепления АМУ. Их сравнительная характеристика представлена в таблице.
Применение современных средств механизации, как показывает мировая практика, повышает производительность труда и, очевидно, позволяет сократить время, затрачиваемое на развертывание АМУ РРС.
