Научная статья на тему 'РАЗРАБОТКА МОДУЛЕЙ КАЛИБРОВКИ КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА'

РАЗРАБОТКА МОДУЛЕЙ КАЛИБРОВКИ КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
69
17
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА / ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОМЕХИ / ИМПЕДАНС ПЕРЕДАЧИ / ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ / МОДУЛИ КАЛИБРОВКИ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Пухов Д. А., Суворин А. В., Васильченко Д. В., Ромащенко М. А.

В современном мире при стремлении человечества к миниатюризации электротехнической и радиоэлектронной продукции без потери технических характеристик устройств, наряду с их расширением одной из значимых проблем является влияние электромагнитных помех на стабильное функционирование устройств. Представлены модули калибровки, используемые в программно-аппаратном комплексе (ПАК), который позволяет произвести оценку влияния электромагнитных помех (ЭМП) на электронные средства. Практическое искажение сигналов неизбежно, так как причиной помех может стать взаимное влияние элементов печатной платы (ПП) друг на друга, а также конфигурация самого рисунка дорожек ПП и её топологии. Рассматриваются модули, позволяющие выявить ряд ошибок по ранее полученным результатам и обеспечить калибровку комплекса с целью повышения точности оценки влияния самоиндукции и импеданса линии передач на вносимые искажения сигнала при различных конфигурациях трассировки печатной платы. Применение данного программно-аппаратного комплекса позволяет значительно сократить время, необходимое на разработку устройства и комплекс испытаний, что, в свою очередь, снижает финансовую нагрузку на выпуск единицы продукции, поскольку позволяет выявить недостатки устройств на стадии макетирования электротехнической продукции

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Пухов Д. А., Суворин А. В., Васильченко Д. В., Ромащенко М. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEVELOPMENT OF CALIBRATION MODULES FOR A COMPLEX OF ASSESSING THE IMPACT OF ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE ON ELECTRONIC DEVICES

In the modern world, with the desire of all mankind to miniaturize electrical products without loss of power, one of the significant problems is the influence of electromagnetic interference on the stable functioning of devices. This article presents the calibration modules used in the software and hardware complex (SHC), which allows one to assess the influence of electromagnetic interference (EMI) on electronic means. The practical distortion of signals is inevitable since the cause of interference can be their mutual influence on each other, as well as the configuration of the printed circuit board pattern itself. The paper considers modules that allow identifying a number of errors based on previously obtained results and providing calibration of the complex in order to increase the accuracy of estimating the effect of self-induction and transmission line impedance on the introduced signal distortion in various configurations of the PCB trace. The use of this software and hardware complex can significantly reduce the development time and conduct tests that require financial costs since it allows one to conduct a number of experiments at the stage of prototyping electrical products

Текст научной работы на тему «РАЗРАБОТКА МОДУЛЕЙ КАЛИБРОВКИ КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА»

DOI 10.36622^Ти.2021.17.6.013 УДК 621.396

РАЗРАБОТКА МОДУЛЕЙ КАЛИБРОВКИ КОМПЛЕКСА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА

Д.А. Пухов, А.В. Суворин, Д.В. Васильченко, М.А. Ромащенко Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: в современном мире при стремлении человечества к миниатюризации электротехнической и радиоэлектронной продукции без потери технических характеристик устройств, наряду с их расширением одной из значимых проблем является влияние электромагнитных помех на стабильное функционирование устройств. Представлены модули калибровки, используемые в программно-аппаратном комплексе (ПАК), который позволяет произвести оценку влияния электромагнитных помех (ЭМП) на электронные средства. Практическое искажение сигналов неизбежно, так как причиной помех может стать взаимное влияние элементов печатной платы (ПП) друг на друга, а также конфигурация самого рисунка дорожек ПП и её топологии. Рассматриваются модули, позволяющие выявить ряд ошибок по ранее полученным результатам и обеспечить калибровку комплекса с целью повышения точности оценки влияния самоиндукции и импеданса линии передач на вносимые искажения сигнала при различных конфигурациях трассировки печатной платы. Применение данного программно-аппаратного комплекса позволяет значительно сократить время, необходимое на разработку устройства и комплекс испытаний, что, в свою очередь, снижает финансовую нагрузку на выпуск единицы продукции, поскольку позволяет выявить недостатки устройств на стадии макетирования электротехнической продукции

Ключевые слова: печатная плата, электромагнитные помехи, импеданс передачи, электромагнитная совместимость, модули калибровки

Введение

Широкое распространение электроники и ее миниатюризация приводят к необходимости учитывать возможные проблемы в области электромагнитной совместимости (ЭМС) на всех стадиях проектирования и эксплуатации электронных изделий. Для получения данных о работе того или иного устройства необходимо заранее учитывать совместную работу элементов. Причиной помех может стать их взаимное влияние друг на друга, а также конфигурация самого рисунка платы что, в свою очередь, приводит к увеличению себестоимости готового продукта. Это обусловлено повторной диагностикой выпущенного продукта для выявления и исправления ошибок, допущенных в процессе разработки печатной платы. На данную операцию может уходить большое количество времени и ресурсов. Таким образом, целесообразно применение унифицированных средств для осуществления калибровки измерительного и испытательного оборудования. К таким средствам можно отнести ПАК для оценки влияния ЭМП на электронные средства. Для увеличения точности определения ошибок при трассировке ПАК снабжен набором модулей калибровки с раз-

© Пухов Д.А., Суворин А.В., Васильченко Д.В., Ромащенко М.А., 2021

личными видами конфигураций расположения элементов и дорожек. Подобные модули позволяют выявить ряд ошибок по ранее полученным результатам и выполнить калибровку ПАК с учётом их конфигураций. Применение самого ПАК значительно сокращает время разработки, поскольку позволяет провести предварительные испытания еще на стадии макетирования. Каждый последующий эксперимент может отличаться от предыдущего фоновыми помехами, а также различными паразитными изучениями, для повышения точности измерений и определения причины некорректной работы устройства необходимо производить периодическую калибровку измерительной системы ПАК. В связи с этим был разработан и изготовлен набор модулей калибровки, позволяющий произвести отстройку комплекса по различным параметрам перед проведением испытаний.

Модуль калибровки, учитывающий закон Ленца

В современном мире частота синхронизации уже давно превысила отметку в 500 МГц, что привело к появлению на кристаллах микросхем и печатных платах заметных индуктивных эффектов, способных отрицательно влиять на целостность передаваемого сигнала

и ЭМС печатного узла. Индуктивность является одним из важнейших параметров, определяющих целостность сигнала и уровень электромагнитных помех, создаваемых в элементах, находящихся на печатной плате. Особенно важным в цепях с высокочастотными сигналами является моделирование абсолютно всех индуктивных связей. Для того чтобы обеспечить снижение индуктивных эффектов, необходимо обеспечить наиболее верный путь возврата высокочастотных токов. Данная задача сложна как для инженеров любого уровня, так и специализированного ПО. Это связано с высокой сложность решаемой задачи и её зависимостью от большого количества факторов. Для схем, критичных к индуктивным эффектам, существуют ряд разработанных «стандартов», которые учитываются разработчиком при проведении трассировки печатных плат. Наиболее общая рекомендация сводится к расположению рядом сигнального и возвратного проводника, т.к. чем ближе они располагаются, тем меньше их суммарная индуктивность, что положительно влияет на передачу сигнала по такой линии. При конструировании интегральных микросхем эти технические решения видоизменяются, но их физическая суть остается неизменной.

Одним из видов индукционных помех является подскок напряжения заземления. Данное явление заключается в создании коммутационных помех и радиопомех, связанных с эффектной индуктивностью возвратного проводника. Также существуют помехи, создаваемые эффективной индуктивностью части контура. Для предотвращения брака при производстве ПП разработан модуль калибровки для отладки ПАК на отслеживание возникновения помех при различных вариантах трассировки печатных проводников.

Разработанный модуль предназначен для калибровки ПАК с целью определения помех в печатных проводниках по причине возникновения влияния закона Ленца. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея при изменении магнитного потока "Ф", пронизывающего электрический контур, в нём возбуждается ток, называемый индукционным.

Вместо гибкого провода на плате размещены дорожки с различной конфигурацией, по которым токи идут по пути наименьшей индуктивности. Если индуктивность высокая, потребуется больше времени для достижения установившегося состояния тока после скачка напряжения на соединении источника. При

трассировке на широком заземлении переход практически мгновенный. На рис. 1 представлен внешний вид разработанного модуля калибровки.

Рис. 1. Печатная плата, демонстрирующая закон Ленца

Модуль имеет один входной разъем (Шп) и семь выходных разъемов (иоШ;1 - иоШ;7). В ходе проведения калибровки была произведена подача эталонного сигнала на вход модуля и фиксация выходного по 1, 3, 5, 6 путям прохождения тока (функциональная схема представлена на рис. 2). В результате были получены графики зависимости входного и выходного напряжений. В процессе испытаний модуль устанавливается в ПАК, все данные эксперимента заносятся в базу данных ПАК с их последующим анализом и сохранением в базу данных.

Рис. 2. Функциональная схема соединения осциллографа и генератора с платой

Результаты сравнения ивх и ивых во временной области для 5 выходов 1, 3, 5, 6 и 7 показаны на рис. 3 - 7.

Рис. 3. Сравнение с входом 1

Рис. 4. Сравнение с входом 3

Рис. 5. Сравнение с входом 5

1

Рис. 6. Сравнение с входом 6

к

1

1

Рис. 7. Сравнение с входом 7

Полученные результаты заносятся в базу данных ПАК. В процессе испытаний ПАК может сделать вывод о наличии неверной трассировки, а также он способен указать конкретный тип и ориентировочную длину участка, основываясь на данных, полученных при калибровке. Также производится выдача рекомендаций по доработке исследуемой печатной платы. Как правило, разработчик, занимающийся трассировкой печатной платы, должен

предоставить наиболее близкий путь, вследствие того, что возвратные токи проходят как можно ближе к пути прохождения сигнала. Кроме того, из сравнения трасс 5, 6 и 7 на рис. 5, 6 и 7, соответственно, следует отметить, что трассу лучше прокладывать в середине широкой плоскости земли (трасса 6), а не на краю (трасса 5) и еще лучше окружить трассу защитным (заземленным) слоем (трасса 7).

Модуль калибровки для исследования импеданса передачи

Волновое сопротивление, или импеданс, -это сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль любой однородной (то есть без отражений) направляющей системы, в том числе и витой пары.

Одним из ярких проявлений импеданса является возникновение возвратного тока в линиях передачи. В быстродействующих системах стоит предусматривать влияния тока возврата, так как любое его возмущение будет вызывать повышение индуктивности контура, что будет приводить к появлениям помех в сигнальном токе и нарушать целостность сигнала. Из этого следует, что при формировании пути обратного тока необходимо учитывать минимальное изменение индуктивности проводников.

Разработанный модуль позволяет произвести исследование данного явления путем измерения 2Т при использовании различных кабелей. Модуль для калибровки на импеданс передачи показан на рис. 8. Представленный модуль позволяет исследовать сопротивление передачи при использовании различных кабелей. Калибровка осуществляется на ПАК с использованием анализатора спектра с генератором слежения.

Рис. 8. Модуль для исследования импеданса передачи

Представленный модуль позволяет исследовать сопротивление передачи при использовании различных кабелей. Калибровка осуществляется на ПАК с использованием анализатора спектра с генератором слежения.

Образец кабеля подключается к двум противоположным разъемам, как показано на рис. 5. Выход следящего генератора подключается к входу, а анализатор спектра подключается к выходу. Сам анализатор спектра передаёт данные на ПАК посредством канала передачи данных. Схема подключения представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема подключения

Ток подается с генератора с частотой 50 -100 МГц. Результат исследования представлен на рис. 10.

;'8СТ -1-1-1-

0.01 0.1 1 10. -100 Fr ^gu t и. ' ifrVl-Hji 1 ■

Рис. 10. Результат исследования

Полученные результаты также загружаются в память ПАК, который может выявить, генерируют ли кабели шумовые напряжения дифференциального режима из-за чувствительных токов через свои обратные проводники, и указать требуемое сопротивление передачи для своих конструкций кабелей в соответствующем частотном диапазоне.

Заключение

Разработанные модули калибровки позволяют произвести необходимые настройки ПАК перед проведением испытаний. Занесенные в базу данных калибровочные значения ускоряют работу ПАК и повышают точность определения дефектов трассировки, что положительно влияет на скорость дефектовки и снижает затраты на её проведение. Применение разработанных модулей калибровки совместно с ПАК позволят снизить как временные, так и материальные затраты на проектирование и выпуск электротехнической продукции.

Литература

1. Ромащенко М.А., Васильченко Д.В., Рожненко С.Н. Методика оценки влияния электромагнитных помех на функционирование электронных средств в процессе их проектирования // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 6. С. 57-61.

2. Васильченко Д.В., Неклюдов А.Л., Ромащенко М.А. Программно-аппаратный комплекс тестирования электронных средств на воздействие электромагнитных помех // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XXVI Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: Воронежский государственный университет, 2020. С. 386-391.

3. Пат. на полезную модель RU 189820 Ш. Сканер ближнего электрического поля для двухсторонних и многослойных печатных плат/ Ромащенко М.А., Васильчен-ко Д.В., Неклюдов А.Л., Глотов В.В., Глотова Т.С. 05.06.2019. Заявка № 2019108722 от 26.03.2019.

4. Методика формирования испытательных сигналов для оценки устойчивости электронных средств к ЭМП/ М.А. Ромащенко, Д.В. Васильченко, С.Н. Рожненко, Ю.С. Балашов // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 6 (12). С. 19-23.

Поступила 13.10.2021; принята к публикации 15.12.2021 Информация об авторах

Пухов Дмитрий Анатольевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: puhov.dm22@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6818-2715 Суворин Алексей Валерьевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: suvorin.av@mail.ru

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

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

DEVELOPMENT OF CALIBRATION MODULES FOR A COMPLEX OF ASSESSING THE IMPACT OF ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE ON ELECTRONIC DEVICES

D.A. Pukhov, A.V. Suvorin, D.V. Vasil'chenko, M.A. Romashchenko Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: in the modern world, with the desire of all mankind to miniaturize electrical products without loss of power, one of the significant problems is the influence of electromagnetic interference on the stable functioning of devices. This article presents the calibration modules used in the software and hardware complex (SHC), which allows one to assess the influence of electromagnetic interference (EMI) on electronic means. The practical distortion of signals is inevitable since the cause of interference can be their mutual influence on each other, as well as the configuration of the printed circuit board pattern itself. The paper considers modules that allow identifying a number of errors based on previously obtained results and providing calibration of the complex in order to increase the accuracy of estimating the effect of self-induction and transmission line impedance on the introduced signal distortion in various configurations of the PCB trace. The use of this software and hardware complex can significantly reduce the development time and conduct tests that require financial costs since it allows one to conduct a number of experiments at the stage of prototyping electrical products

Key words: printed circuit board, electromagnetic interference, transmission impedance, electromagnetic compatibility, calibration modules

References

1. Romashchenko M.A., Vasil'chenko D.V., Romanenko S.N. "Methodology for assessing the influence of electromagnetic interference on the functioning of electronic means in the process of their design", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2021, vol. 85, no. 6, pp. 57-61.

2. Vasil'chenko D.V., Neklyudov A.L., Romashchenko M.A. "Software and hardware complex for testing electronic means for the effects of electromagnetic interference", Proc. of the XXVI Int. Sci. and Tech. Conf.: Radar, Navigation, Communication (Radio-lokatsiya, navigatsiya, svyaz'), 2020, pp. 386-391.

3. Romashchenko M.A., Vasil'chenko D.V., Neklyudov A.L., Glotov V.V., Glotova T.S. "Near-field scanner for double-sided and multilayer printed circuit boards" ("Skaner blizhnego elektricheskogo polya dlya dvukhstoronnikh i mnogosloynykh pechatnykh plat"), patent application 2019108722, RU 189820 U1, 05.06.2019, dated 26.03.2019.

4. Romashchenko M.A., Vasil'chenko D.V., Romanenko S N., Balashov Yu.S. "Methodology for forming test signals for assessing the stability of electronic means to EMF", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2020, vol. 84, no. 6 (12), pp. 19-23.

Submitted 13.10.2021; revised 15.12.2021 Information about the authors

Dmitriy A. Pukhov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: puhov.dm22@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6818-2715

Aleksey V. Suvorin, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: suvorin.av@mail.ru

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

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.