ЭК12 2010

РЫНОК6 На своем пути

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ

11 Петр Ильин

Проблемы электромагнитной совместимости

импульсных источников питания

ДАТЧИКИ

17 Валерий Жижин

Волоконно-оптические датчики: перспективы про-

мышленного применения

24 Павел Лагузов, Андрей Соколов

Цифровой интеллектуальный датчик — новый под-

ход в отечественном приборостроении

28 К Миронов, П Миронова

Современные полупроводниковые термочувстви-

тельные элементы

32 Сачин Гупта, Уманат Камат

Прецизионное измерение температуры в промыш-

ленных системах контроля

37 Поль Тюрпен

Новый класс датчиков переменного тока на основе

катушек Роговского с магнитной защелкой петли

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И УЧЕТ РАСХОДА

РЕСУРСОВ

41 Сунил Махешвари

Разработка типового счетчика для интеллектуаль-

ных электрических сетей

46 Геннадий Сурков

Решения Microchip для счетчиков расхода ресурсов

49 Джеф Грюттер

Фотогальванические элементы для энергосбере-

гающих приложений

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

54 Игорь Чихранов

Встраиваемые платы VIA Technologies для автома-

тизации, мониторинга объектов, цифрового видео

и обработки данных

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

57 Галина Гайкович

Беспроводные технологии и их применение в про-

мышленности. Передача речевой информации

через WPAN

63 Омар Гасанов, Александр Губа, Расул Кишов

Принципы построения радиоприемников с цифро-

вой обработкой сигнала

журн

ал дл

я раз

рабо

тчи

ков

Эл

ек

тр

он

ны

е к

ом

по

не

нт

ыРуководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва;редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев;Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подпис-ка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков

Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: [email protected], www.elcp.ru

ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: [email protected],www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: [email protected], www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: [email protected], www.elcompany.ru.ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: [email protected], www.elcotel.ru.Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, прз. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: [email protected], electronica.nsys.by.IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: [email protected], www.imrad.kiev.ua

Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис поль зо ва ние ма те ри а лов воз мож но толь ко с со гла-сия ре дак ции. При пе ре пе чат ке ма те ри а лов ссыл ка на жур нал «Эле к трон ные ком по нен ты» обя за тель на. От вет ст вен ность за до сто вер ность ин фор ма ции в рек лам ных объ яв ле ни ях не сут рек ла мо да те ли.

Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143.

Подписано в печать 21.12.2010 г.Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз.Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13..

содержание

№12/2010

www. elcp.ru

4

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

66 Боб Золло

Генерация помех в цепях питания постоянного тока

70 Ирина Ромадина

Контроллеры корректора коэффициента мощности

ON Semi

АЦП И ЦАП

74 Анатолий Андрусевич

Сигма-дельта АЦП компании MAXIM

МК И DSP

77 Владимир Смерек, Игорь Потапов, Валерий Крюков,

Владимир Горохов

Первый отечественный 16-разрядный микрокон-

вертер К1874ВЕ96Т на базе усовершенствованного

ядра MCS-96

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

80 Сергей Ефименко, Сергей Шведов, Владимир Цымбал,

Сергей Минько

Микросхемы понижающих импульсных преобра-

зователей напряжения для источников электро-

питания

ИНЖЕНЕР ИНЖЕНЕРУ

84 Бони Бейкер

Улучшение характеристик ИОН

85 Гюнтер Спаннер

LTSpice — бесплатная среда проектирования

89 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

91 ГОДОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

5

Электронные компоненты №12 2010

contents # 1 2 / 2 0 1 0

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #12 2010

MARKET6 On the way

DESIGN AND DEVELOPMENT

11 Petr Il’in

Electromagnetic Compatibility Aspects of Switched

Mode Power Supplies

SENSORS

17 Valery Zhizhin

Fiber-Optic Sensors: Industrial Applications Prospects

24 Pavel Laguzov, Andrey Sokolov

Digital Smart Sensor — The New Approach in

Domestic Instrument Engineering

28 K. Mironov, P. Mironova

Modern Semiconductor Thermosensitive Elements

32 Sachin Gupta, Umanath R. Kamath

Using Precision Temperature Sensing in Industrial

Monitoring Systems

37 Pierre Turpin

A New Class of Rogowski Coil-Split Core Current

Transducers

ENERGY SAVING AND ENERGY

ACCOUNTING

41 Sunil Deep Maheshwari

Getting Basic Utility Meter Designs Ready for The

Smart Grid

46 Gennady Surkov

Microchip Energy Metering Solutions

49 Jeff Gruetter

Small Photovoltaic Cells Find a Use in Energy

Harvesting Applications

EMBEDDED SYSTEMS

54 Igor Chihranov

VIA Technologies Embedded Cards for Automation,

Object Monitoring, Digital Video and Data Processing

WIRELESS TECHNOLOGIES

57 Galina Gaykovitch

Wireless Technologies and Their Use in Industry. Voice

Data Transfer in WPAN

63 Omar Gasanov, Alexander Guba, Rasul Kishov

Principles of DSP Radio Receivers Design

POWER SUPPLIES

66 Bob Zollo

Noise Generation in DC Power Lines

70 Irina Romadina

ON Semi Power Factor Correction Controllers

ADC & DAC

74 Anatoly Andrusevitch

Maxim Sigma-Delta ADCs

MCU & DSP

77 Vladimir Smerek, Igor Potapov, Valery Krukov, Vladimir

Gorohov

The First National 16-Bit Microconverter K1874BE96T

Based on Advanced Core MCS-96

POWER ICs

80 Sergey Efi menko, Sergey Shvedov, Vladimir Cymbal,

Sergey Minko

Buck Switching Converter ICs for Power Supplies

FROM ENGINEER TO ENGINEER

84 Bonnie Baker

How to Improve Voltage Reference Performance

85 Gunter Spanner

LTSpice – Free Design Environment

89 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

91 ANNUAL CONTENTS

6

РЫ

НО

К

WWW.ELCOMDESIGN.RU

И дым Отечества нам сладок и приятен!А.С. Грибоедов, «Горе от ума»

«Л Кард» — известная российская компания, которая более двадцати лет занимается проектированием и производством электронного обору-дования для систем промышленной автоматизации. Мы встретились с генеральным директором компании — Валерием Царюком, чтобы лучше узнать о ней. Название интервью родилось в процессе общения — удиви-тельно, что на российском рынке в наше прагматичное время работают компании, которые, несмотря на множество препятствий, связанных с организацией разработки и производства в России, остаются верны себе и продолжают заниматься любимым делом.

НА СВОЕМ ПУТИ

— Расскажите, пожалуйста, об ис-

тории создания компании.

— Компания была основана в 1989 г. Все началось с создания плат АЦП для самых первых компьютеров Apple, появившихся в России. От составле-ния схемы и написания программы до продажи изделий — всё делали сами. Задача ввода аналоговой информации в ПК оказалась весьма востребован-ной в то время. Постепенно налади-лись каналы сбыта, благодаря рекламе в журналах и участию в выставках нам удавалось успешно продавать свои платы. Появились заказчики, в соот-ветствии с требованиями которых мы разрабатывали новые измерительные платы и другое электронное оборудо-вание. Проходили годы, а наши изде-лия, изначально созданные с хорошим соотношением цены и качества, про-должали надежно работать. Узнав об этом, к нам пришли новые заказчики. Так мы стали узнаваемы.

— Какую продукцию вы выпус-

каете?

— Продукцию компании можно раз-делить на несколько групп. Первая из них — наша традиционная продукция, хорошо известная на рынке измери-тельного оборудования. Это аналого-цифровые и цифро-аналоговые пре-образователи с интерфейсами RS-485,

Лауреат премии«Живая электроника России»

CAN, USB, Ethernet, PCI-express как в виде отдельных плат и модулей, так и в составе законченных программно-аппаратных комплексов с крейтовой архитектурой. Выпускаемые изделия находят широкое применение в лабо-раторных исследованиях, энергетике, авиастроении, геофизике, на транспор-те — всего более чем в трех тысячах организаций. Часть изделий внесена в Госреестр средств измерений.

Второе направление нашей дея-тельности связано с компанией «АВП Технология» — крупным системным интегратором на рынке современ-ного оборудования для железнодо-рожного транспорта. Более чем за десять лет успешного сотрудниче-ства созданы уникальные системы автоматического ведения поезда, не имеющие российских и зарубежных аналогов. Для решения задач сбора и регистрации параметров движе-ния, управления различным обо-рудованием выпускается широкая номенклатура блоков самого разно-образного функционального назна-чения. В частности, для тепловозов выпус каются ультразвуковые датчи-ки топлива, позволяющие во время движения состава фиксировать изме-нение массы топлива в многотонном баке с точностью до килограммов, для систем коммерческого учета электроэнергии в железнодорожных сетях 27 кВ испытываются разрабо-танные нами делители напряжения с классом точности 0,5%.

Мы достаточно много производим и по другим заказным разработкам, а также выполняем работы по контрак-ту. Сейчас мы активно развиваем соб-ственные разработки, не относящиеся напрямую к первой группе продукции. Одной из них является новое изде-лие — измеритель параметров каче-ства электрической энергии, задуман-ный как недорогой телеметрический прибор с высокими точностными и эксплуатационными характеристика-ми. Этому направлению мы посвятили

сайт: www.power-control.ru. Идея созда-ния такого прибора получила высокую оценку на форуме «ЖЭР». Пользуясь случаем, отмечу, что это и очень при-ятно, и убеждает нас в правильности выбранного пути.

— Кто разрабатывает программ-

ное обеспечение (ПО) для плат и

модулей АЦП, позволяющее удобно

работать с данными на компьютере?

— Тем, кто может разрабатывать ПО самостоятельно, мы предоставляем набор функций на разных языках про-граммирования с подробным описа-нием — это позволяет пользователю создать программу для сбора данных, адаптированную под его, часто уни-кальную, задачу. Для тех пользовате-лей, которые не имеют возможности создавать собственное ПО, в комплект поставки включена наша бесплатная программа сбора данных LGraph2. Программа решает универсальные задачи сбора и обработки данных, и может дополняться специальными функциями. При этом по многим пара-метрам и возможностям LGraph2 пре-восходит коммерческое ПО. Помимо бесплатного программного обе-спечения есть два варианта платных пакетов программ, поддерживающих наше измерительное оборудование. Они созданы нашими партнерами — Лабораторией Автоматизированных Систем и ООО «ДИСофт».

— Могли бы Вы оценить, какая

доля продукции разрабатывается под

заказ, а какая реализуется на свобод-

ном рынке?

— Меньше трети нашей продукции реализуется на свободном рынке. Это изделия первой группы — платы и модули АЦП/ЦАП. На наш взгляд, этот сегмент рынка в последнее время раз-вивается довольно вяло. Поэтому мы все больше внимания уделяем разра-боткам в новых для нас областях: кон-троль качества электрической энергии, высоковольтные измерения, частотно-

РЫ

НО

К

7


управляемый привод, системы сигна-лизации и т.д.

— Что видится в компании как наи-

более сильная сторона, и что хоте-

лось бы значительно улучшить?

— Как наиболее сильное качество мы оцениваем нашу способность реа-лизовать в короткие сроки сложный технический проект. Многие годы работы в отрасли электроники для железнодорожного транспорта дали нам необходимый опыт и знания для развития и сопровождения действи-тельно крупных проектов. При этом у нас есть всё необходимое как для сложных разработок в разных обла-стях электроники, так и для серийного производства широкого спектра изде-лий.

Значительно улучшить хотелось бы, прежде всего, продвижение наших товаров и услуг. Маркетолог, который нам нужен, должен быть еще и непло-хим инженером. Найти специалиста, в котором совмещались бы эти два каче-ства, пока не удалось.

— Некоторые российские компа-

нии помимо разработки занимаются

и дистрибуцией электронных компо-

нентов. Вы не хотите последовать их

примеру?

— Нет, мы не планируем занимать-ся продвижением электронных компо-нентов. Несмотря на то, что это эконо-мически привлекательнее, мы остаем -ся на своем пути: разработка и произ-водство.

— Какие у компании производ-

ственные возможности?

— Производственная база нашей компании была создана и развивалась для удовлетворения растущей потреб-ности в выпуске качественной и сба-лансированной по цене продукции собственной разработки. В отличие от других компаний, наше производ-ство всегда было вынуждено ориен-тироваться на нужды средне- и мел-косерийного выпуска, с оперативной перестройкой производственных мощ-ностей под быстро меняющиеся планы наших заказчиков.

Сейчас на производстве заня-то около 200 человек, более 100 из которых работают в городе Боровичи Нижегородской области. В основном там делаются серийные «обкатанные» изделия. В распоряжении специали-стов находятся современная линия поверхностного монтажа с оптиче-ским контролем качества, отлично оснащенные кабельный, монтажный и сборочный участки, участки химии и настройки, покрасочная камера, поли-гоны для температурных испытаний. Предметом нашей гордости является

динамично развивающийся участок механической обработки, насчиты-вающий более двух десятков совре-менных станков. Наличие электрои-скровых, электроэрозионного станков и небольшого термопластавтомата значительно расширило наши возмож-ности по изготовлению оснастки, пре-цизионной обработке деталей и литью небольших изделий.

В московском подразделении осваивается вся новая продукция. Несколько десятков высококвали-фицированных программистов и инженеров разных направлений составляют коллектив Лаборатории — интеллектуальное ядро нашего про-изводственного потенциала. В Москве у нас также развиты участки настрой-ки и тестирования изделий, опытного производства. Здесь производится та часть продукции, которая требует пристального авторского сопрово-ждения, когда разработчик должен быть поблизости.

— Занимаетесь ли вы контрактным

производством?

— Разработанные и производимые нами изделия, даже если инициатором разработки является сторонний заказ-чик, считаются у нас собственной про-дукцией. Обычно мы сопровождаем такие изделия в эксплуатации, совер-шенствуем их вместе с инженерными службами заказчиков, осуществля-ем все виды ремонта, разрабатываем тестовое оборудование для их произ-водства, калибровки, поверки, темпе-ратурных и иных испытаний.

Под контрактным производством мы понимаем выполнение не всего комплекса, а отдельных видов работ, таких, например, как поверхностный или навесной монтаж, изготовление кабелей, комплектование и т.д. Доля таких заказов в загрузке производ-ственных мощностей относительно невелика. Однако, расширяя и совер-шенствуя производственный потенци-ал, мы всё больше внимания уделяем этому направлению, и его роль в ком-пании возрастает.

— Вы производите средне- и мел-

косерийную продукцию. Планируете

ли выходить на крупные серии?

— Производить крупными сериями нам вряд ли удастся — то, что потре-бляется массово, уже успешно разра-ботано и производится в основном за пределами нашей страны. И хотя идея создания принципиально нового рынка очень привлекательна, она настолько же и трудна. Ориентируясь на эту амби-циозную цель, мы будем рады более скромным достижениям — создавать востребованные изделия с серийно-стью от нескольких сотен штук в год.

— Какую элементную базу вы

используете?

— В основном, это самая современ-ная импортная элементная база. Мы используем отдельные отечественные компоненты, например, прецизионные резисторы, моточные изделия. Более сложные российские компоненты, к сожалению, либо не могут конкуриро-вать с импортными, либо российских аналогов просто нет. Некоторые наши военные заказчики перешли на про-цессоры Blackfi n от Analog Devices. На них производится достаточно сложная обработка данных, при этом стоимость одноядерных процессоров составляет 3—4 долл.

— Какова специфика работы с

государственными заказчиками?

Насколько сильная конкуренция в

этой сфере?

— Государственные заказчики бывают разные, и особенностей рабо-ты с ними немало. Одна из них — неритмичность работы. Например, к середине года появляются средства и понимание, что и в каком количестве нужно произвести до конца года. При таком подходе приходится за несколь-ко месяцев с надрывом выполнять годовую программу, а потом мучитель-но думать, чем занять работников до следующего аврала.

Конкуренция в государственном заказе для нас не является опреде-ляющим фактором. Коллективов, спо-собных быстро разрабатывать, произ-водить и поддерживать современную электронику, осталось не так много. Был бы заказ, а конкурировать можно.

— Как Вы оцениваете государ-

ственную политику в области элек-

троники?

— Если и существует такая полити-ка, то направленности ее на развитие отечественного производителя мы не видим. Возможно в силу ограниченно-сти кругозора. Однако известно много фактов закупок на государственные средства дорогостоящего импортного оборудования, которое по разным при-чинам не доводится до эксплуатации или выходит из строя из-за отсутствия надлежащего сопровождения. В итоге и российский производитель «загнул-ся», и снова появляется необходимость инвестировать большие деньги в обо-рудование. Такими кругами можно ходить долго, обогащая отдельных лиц и превращая страну в колонию.

Или другой пример: высокие тамо-женные пошлины на элементную базу оправдываются желанием защитить отечественного производителя эле-ментов, однако за кадром остается тот факт, что по многим направлениям про-изводства высокотехнологичных эле-

8

РЫ

НО

К

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ментов защищать уже некого. И, увы, у нас неоткуда взяться производителям, к примеру, современных микросхем АЦП или микроконтроллеров. В результате, комплектация электронных приборов в России обходится на 20—30% дороже за счет таможенных пошлин на импорт-ные элементы. (В Китае, например, где по-настоящему заботятся о развитии собственной электронной промыш-ленности, такие пошлины, насколько нам известно, отменены). Уже одно это делает продукцию отечественных про-изводителей абсолютно неконкуренто-способной: можно успешно произво-дить десятки и сотни изделий, однако, как только счет идет на тысячи — инте-реснее производить в Китае, несмотря на множество возникающих при этом логистических и иных проблем. Такая вот политика.

— У компании широкая номен-

клатура производимых изделий.

Возможно, не всегда хватает соб-

ственных специалистов. Пробовали

ли вы работать с фрилансерами?

— Все попытки работы с фрилансе-рами окончились неудачно. Разработка производится у нас в системе сквозно-

го проектирования в рамках единой базы данных. Фрилансеры в эту схему вписываются плохо, у нас работает кол-лектив — электронщик, программист, конструктор, технолог, если нужно, метролог или другие специалисты. Вынесение части процесса за рамки этой схемы получается нелогичным.

— Многие представители россий-

ских компаний полагают, что в эко-

номическом кризисе были и поло-

жительные стороны. Каково Ваше

мнение?

— Безусловно, были. Поло жи тель-ные стороны можно найти во всем, всё зависит от точки зрения. Ситуация с кадрами улучшилась. Хороших работ-ников стало удерживать несколько легче. Надеюсь, что мы изменились в лучшую сторону. Стали организован-нее, гибче, осмысленнее. Открыли для себя и внедрились сразу в несколько крупных новых направлений. Наконец, мы просто пережили это время.

— Как Вы решаете проблему с

кадрами?

— С большим трудом. Ищем спе-циалистов через интернет. Пробуем,

ошибаемся, и снова пробуем. Про-фессия инженера-разработчика в России становится редкой. Собст вен-но, одна из миссий нашей компа-нии — сохранить ее.

— Что, по-Вашему, представляет

собой современная российская элек-

троника?

— Российская электроника пере-живает не самые лучшие времена. С одной стороны, в обозримом буду-щем нет и не предвидится появления отечественных производителей эле-ментной базы, способных конкуриро-вать, например, с Texas Intrsuments, Analog Devices или NXP. С другой сто-роны, отечественные разработчики, имея доступ к импортной элементной базе, могут создавать современные изделия, не уступающие, а порой и превосходящие импортные аналоги. Могут создавать изделия, не имеющие аналогов. Мы надеемся, что, вопреки сложившейся ситуации, России нужны такие люди. Поэтому смотрим в буду-щее с умеренным оптимизмом.

Интервью подготовили Леонид Чанов и Владимир Фомичёв.

НОВОСТИ СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

| 100 ЛУЧШИХ ПРОДУКТОВ ПО ВЕРСИИ EDN. FAIRCHILD SEMICONDUCTOR ВЫВЕЛ НА РЫНОК ЦИФРОВОЙ 6-МГЦ ПОНИЖА-

ЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ FAN5365 | Его максимальная эффективность достигает 88%. Преобразователь отличается хоро-

шими динамическими характеристиками, высокой эффективностью и занимает небольшое место на плате. Преобразователь

предназначен для питания процессорных ядер в изделиях с аккумуляторным питанием от одного литий-ионного аккумулято-

ра. Собственное потребление микросхемы не превышает 40 мкА. При малой нагрузке преобразователь работает в экономич-

ном режиме ЧИМ, при возрастании нагрузке он переходит в режим ШИМ с фиксированной частотой 6 МГц. Выбор величины

максимального тока (800 или 1000 мА) осуществляется либо посредством программирования через интерфейс I2C, либо

подачей управляющего напряжения на внешние выводы. Величина выходного напряжения программируется в диапазоне

0,75…1,975 В с шагом 12,5 мВ. Диапазон входного напряжения составляет 2,3…5 В

www.elcomdesign.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

| II ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «СОВРЕМЕННАЯ СВЕТОТЕХНИКА» | 9 декабря 2010 г. в Санкт-Петербурге прошла кон-

ференция «Современная светотехника», организованная медиагруппой «Электроника».

Рынок светотехники переживает сегодня бум, у компаний-производителей и дистрибьюторов наблюдается постоян ный

рост продаж и производства, поэтому неудивительно, что конференция собрала более 200 участников со всех городов и

весей России.

Конференция привлекла ведущих участников российского рынка светотехники. С докладами выступили пред-

ставители многих компаний, среди них: ЗАО «Светлана Оптоэлектроника», OSRAM OS, ЗАО «Компэл», PHILIPS Lumileds,

«Контракт-Электроника», Rainbow Electronics, «Светотроника», ОАО «Осрам», Illuminator Group, «Диодные лампы», МИП

«Информатика», НИИ Точной механики, «Риэлта», НТЦ «Микроэлектроника» РАН, «LED-эффект», ОАО «Петербургская сбы-

товая компания», а также белорусский НИИ «Системы энергоснабжения транспорта».

Оживленную дискуссию вызвали выступления председателя «LED-форума» Евгения Долина, который говорил о вопро-

сах стандартизации, и руководителя отдела ЗАО «Компэл» Игоря Елисеева, попытавшегося ответить на вопрос — покупать

или разрабатывать источник питания? Было и много других тем для обсуждения, из-за чего пленарная часть длилась на

час дольше запланированного. Затем работа конференции продолжилась в секциях «Разработка светотехнических при-

боров» и «Применение светотехнических изделий». В общей сложности на конференции прозвучало 22 доклада.

www.elcomdesign.ru

9


НО

ВО

СТ

И

| ЗАО ПРЕДПРИЯТИЕ ОСТЕК — «ЛУЧШИЙ ПОСТАВЩИК АТОМНОЙ ОТРАСЛИ

РОССИИ 2010» | 30 ноября 2010 г. в Москве, в Центре международной торгов-

ли прошел Международный форум поставщиков атомной отрасли «Атомекс-

2010», организованный госкорпорацией «Росатом».

Основные цели форума — повышение эффективности закупочной дея-

тельности организаций госкорпорации «Росатом», развитие конкурентной

среды, налаживание коммуникаций между заказчиками и поставщиками.

В рамках форума «Атомекс-2010» состоялась церемония награждения

лучших поставщиков отрасли. Основными критериями при выборе номи-

нантов являлись:

качество продукции; соблюдение сроков поставок; объем сэкономленных средств; значимость выполняемых работ;

отсутствие нареканий со стороны заказчиков в течение 5 лет. Диплом «Лучший поставщик атомной отрасли России 2010» генеральному директору ЗАО Предприятие Остек В. Гар-

шину вручил исполнительный директор дирекции по ядерному энергетическому комплексу К. Комаров. Награды полу-

чили также ОАО ОКБ «Гидропресс», ФГУП «Приборостроительный завод», ФГУП СНПО «Элерон» и ООО «Электротяжмаш-

Привод».

На пленарном заседании форума с докладом выступил генеральный директор госкорпорации «Росатом» С. Кириенко,

который отметил: «…Правительство России поставило перед «Росатомом» задачу максимально эффективного расходо-

вания государственных средств, выделяемых на развитие российского атомного энергопромышленного комплекса. Это

накладывает особые обязательства по повышению эффективности нашей работы, и главная роль в этом процессе отведе-

на организации закупочной деятельности, выстраиванию стройной системы взаимоотношений с поставщиками. Потому

что именно от поставщиков во многом зависит качество возводимых нами атомных станций, надежность работы всех

объектов атомной отрасли».

www.elcomdesign.ru


| НОВОЕ УНИКАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ НА МОНТАЖНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ «АБРИС-ТЕХНОЛОДЖИ» | «Аб рис-Технолоджи»

сообщила об установке и запуске нового комплекса оборудования, приобретённого ею в конце 2010 г. и инсталлированного

на монтажном производстве в Санкт-Петербурге.

Речь идёт о серии оборудования, которое дополняет возможности трёх имеющихся линий автоматического монтажа

принципиально новыми характеристиками, редкими даже в масштабах страны. Прежде всего, это касается парофазной печи Asscon VP800 уникальной комплектации: её вакуумная зона позволяет снизить объём пустот внутри пайки до 1—2%.

Необходимость такой зоны обусловлена особыми требованиями к монтажу СВЧ электронных блоков, а также электронных

блоков ответственного применения. Кроме того, отсутствует вероятность перегрева платы и компонентов, пайка проис-

ходит в инертной среде, имеется возможность демонтажа микросхем в корпусе BGA с использованием «щадящего про-

филя» и визуального наблюдения за процессом, есть и другие существенные преимущества по сравнению с обычными

печами. Функция включения/выключения использования вакуума обеспечивает максимальную гибкость в работе.

Помимо печи своё место на производственном участке заняли установщик SMD Fritsch PlaceALL 510, установка струй-

ной отмывки печатных плат Riebesam 23-ОЗТ, ремонтный центр FinePlacer Core, новые сушильные шкафы.

Установщик Fritsch PlaceALL 510 позволит выполнять мелкосерийное многономенклатурное производство изделий с

поверхностным монтажом (серия от 1 блока), его производительность — до 4 тыс. компонентов в час. При этом печатные

платы могут быть практически не подготовлены к монтажу, а компоненты — предоставлены в любом виде, при сохранении

основных технических возможностей монтажа.

Установка струйной отмывки печатных плат Riebesam 23-ОЗТ позволит проводить качественную отмывку в тех случаях,

когда ультразвуковая отмывка неприемлема.

Ремонтный центр Fineplacer CORE имеет характеристики, позволяющие решать задачи по ремонту электронных

блоков с расширенной номенклатурой установленных компонентов, увеличенным диапазоном типоразмеров и высокой

сложностью.

Установленное оборудование предназначено, в основном, для закрытия ниши прототипного производства сложных

изделий, его внедрение — качественный скачок в технологии серийного производства СВЧ ЭБ.

www.rcmgroup.ru

НАШИ НОВОСТИ

| МЕДИАГРУППА «ЭЛЕКТРОНИКА» ОТКРЫЛА НОВЫЕ ИНТЕРНЕТ-ПОРТАЛЫ | Медиагруппа «Электроника» открыла новые

интернет-порталы по направлениям «Современная светотехника» (www.lightingmedia.ru) и «Электронные компоненты» (www.

elcomdesign.ru). Мы понимаем, что сегодняшний мир завален информацией, и поэтому не хотим множить число электронных

СМИ, перепечатывающих с минимальными редакторскими правками пресс-релизы компаний-производителей, но постара-

емся, сделать наш портал информационно-аналитическим. Мы будем рассказывать о наших планах, и приглашаем вас к их

обсуждению.

В разделе «Новости» будут появляться наиболее интересные, на наш взгляд, пресс-релизы и информация о заслужи-

вающих внимание событиях, но основной акцент мы постараемся сделать на обзорно-аналитическом материале, который

вы найдете в разделах «Обзоры» и «Интервью».

Авторами обзоров смогут стать и читатели. Равно как и авторами статей в журналах, и докладчиками на наших конфе-

ренциях. Все предложения о сотрудничестве мы будем размещать в рубрике «Стать автором» в разделе «Журнал».

www.elcomdesign.ru

РАЗ

РАБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

11


В статье освещаются требования международных стандартов по обе-спечению электромагнитной совместимости в системах, использующих импульсные источники питания, и допустимые нормы уровня электро-магнитных помех. Рассмотрены виды помех, генерируемых в импульсных источниках питания, и предлагаются практические меры по снижению уровня помех блоков питания, используемых как в крупных системах, так и в качестве автономных приложений.

ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯПЕТР ИЛЬИН, технический консультант ИД, «Электроника»

Импульсные источники питания явля-ются источниками электромагнитных помех, поэтому в случае их примене-ния вопросам электромагнитной совме-стимости уделяется особое внимание. Внутренние цепи импульсных источни-ков питания, создающие нежелатель-ное излучение с высоким содержанием гармоник, могут вызывать электромаг-нитные помехи как во внутренних узлах устройства, так и в другом электронном оборудовании, расположенном побли-зости от источника помех.

С другой стороны, импульсные источники питания сами подвержены воздействию электромагнитных помех различного вида. Помехи могут посту-пать из сети электропитания или наво-диться внешними высокочастотными магнитными полями, поэтому импульс-ные источники питания должны быть помехоустойчивыми.

МЕЖДУНАРОДНЫЕ СТАНДАРТЫ

ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СОВМЕСТИМОСТИ И ИМПУЛЬСНЫЕ


Для обеспечения электромагнит-ной совместимости и бесперебойной работы электронных систем приняты международные законодательные акты и стандарты, которые ограничивают уровни генерации и излучения различ-ных видов электромагнитных помех. Кроме того, принимаются специальные меры для обеспечения необходимой устойчивости оборудования к воз-действию электромагнитных помех. Наиболее важными международными стандартами в области электромагнит-ной совместимости являются:

– Стандарт Федеральной комиссии по связи США (Federal Communications Commission — FCC), глава 15;

– Стандарт Международного специ-ального комитета по борьбе с радиопо-мехами (International Special Committee on Radio Interference — CISPR) или CISPR 22.

В этих стандартах цифровое элек-тронное оборудование разделяется на два вида: оборудование класса A (Class A), которое можно использовать только в промышленных или других спе-циально подготовленных зонах, и обо-рудование класса B (Class B), которое может использоваться только в жилых помещениях и офисах. Примерами устройств класса B являются персональ-ные компьютеры, калькуляторы и дру-гие подобные устройства для широкого использования. Нормы стандартов по электромагнитной совместимости явля-ются более жесткими для устройств класса B, т.к. больше вероятности, что они располагаются поблизости от дру-гих электронных устройств, использую-щихся в доме. Допустимые уровни для оборудования класса B являются в три раза более жесткими (около 10 дБ), по сравнению с нормами, предусмотрен-ными для оборудования класса A.

Стандарты на излучение электро-магнитных помех учитывают два вида излучений:

– кондуктивные помехи на вводах электропитания;

– напряженность электрического поля помех при их излучении в эфир.

Нормами стандарта FCC установлено, что любой сигнал помехи частотой выше 10 кГц должен отвечать установленным в стандарте нормам. Кроме того, FCC определяет полосы частот, в пределах которых должно контролироваться паразитное излучение в зависимости от вида помех. Излучаемые помехи долж-ны контролироваться в полосе частот 30…1000 МГц. Кондуктивные помехи, т.е. радиочастотные паразитные сигна-лы, которые содержатся в сети питания переменного тока, должны контролиро-ваться в полосе частот 0,45…30 МГц.

Стандарт CISPR 22 требует сертифи-кации устройств в частотном диапазоне 0,15…30 МГц для кондуктивных помех.

Требования стандартов FCC и CISPR 22 согласованы (гармонизиро-

ваны), и для сертификации цифрового электронного оборудования можно использовать тот или другой стандарт. Измерения электромагнитных помех на частоте выше 1000 МГц должны произ-водиться в соответствии с правилами и нормами FCC, т.к. в CISPR 22 не установ-лены нормы для частот выше 1000 МГц. Нормы стандарта FCC даны в мкВ, а нормы CISPR — в дБмкВ, поэтому для прямого сравнения параметров нужен их перевод из одних единиц в другие.

Предельные значения уровня кон-дуктивных помех по FCC определяются для диапазонов частот 0,45…1,6 МГц и 1,6…30 МГц. Предельные значения уров-ня излучаемых помех по FCC определя-ются для диапазонов частот 30…88 МГц, 88…216 МГц и 216…1000 МГц при фик-сированном измеряемом расстоянии 3 м. Допустимые нормы кондуктивных и излучаемых помех для стандартов CISPR22 и FCC представлены в табли-цах 1 и 2, соответственно.

Тестирование оборудования на электромагнитную совместимость и соответствие требованием стандар-тов выполняется согласно методике, определенной в стандарте ANSI C63.4-2009 «Методы измерения радиопомех от низковольтового электрического и электронного оборудования в диапа-зоне частот от 9 кГц до 40 ГГц» (Methods of Measurement of Radio-Noise Emissions from Low-Voltage Electrical and Electronic Equipment in the Range of 9 kHz to 40 GHz). Следует отметить, что произво-дится тестирование системы в целом, а не только блока питания. При исполь-зовании в системе внешних источников питания необходимо тестировать всю систему, даже если блок питания соот-ветствует установленным нормам.

ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

Электромагнитные помехи могут быть разделены на непрерывные (дли-тельные) помехи и помехи от переход-

12

РАЗ

РАБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Таблица 1. Допустимые нормы для кондуктивных и излучаемых помех согласно CISPR

Предельные уровни кондуктивных помех для устройств класса A

Частота излучения, МГцПредельные уровни кондуктивных помех, дБмкВ

Квази-пиковые Средние

0,15…0,50 79 66

0,50…30,0 73 60

Предельные уровни кондуктивных помех для устройств класса B

Частота излучения, МГцПредельные уровни кондуктивных помех, дБмкВ

Квази-пиковые Средние

0,15...0,50 От 66 до 56* От 56 до 46*

0,50...5,00 56 46

0,50...30,0 60 50

Предельные уровни излучаемых помех на расстоянии 10 м для устройств класса A

Частота излучения, МГц Предельные уровни напряженности поля, дБмкВ/м

30...88 39

88...216 43,5

216...960 46,5

свыше 960 49,5

Предельные уровни излучаемых помех на расстоянии 3 м для устройств класса B

Частота излучения, МГц Предельные уровни напряженности поля, дБмкВ/м

30...88 40,0

88...216 43,5

216...960 46,0

свыше 960 54,0

Таблица 2. Допустимые нормы для кондуктивных и излучаемых помех согласно FCC

Предельные уровни кондуктивных помех для устройств класса A

Частота излучения, МГц Предельные уровни кондуктивных помех, мкВ

0,45...1,6 1000

1,6...30,0 3000

Предельные уровни кондуктивных помех для устройств класса B

Частота излучения, МГц Предельные уровни кондуктивных помех, мкВ

0,45...1,6 250

1,6...30,0 250

Предельные уровни излучаемых помех на расстоянии 3 м для устройств класса B

Частота излучения, МГцПредельные уровни напряженности поля,

мкВ/м

30...88 100

88...216 150

216...1000 200

свыше 1000 200

Предельные уровни излучаемых помех на расстоянии 30 м для устройств класса A

Частота излучения, МГцПредельные уровни напряженности поля,

мкВ/м

30...88 30

88...216 50

216...1000 70

свыше 1000 70

ного процесса. Непрерывные помехи появляются, когда источник помех излучает непрерывный сигнал, содер-жащий основную частоту источника и связанные гармоники.

Непрерывные помехи можно, в свою очередь, разделить по полосе частот. Частоты от нескольких десятков Гц до 20 кГц являются звуковыми частотами. Источниками звуковых помех являются источники питания и связанные с ними провода, линии передач и подстанции, устройства обработки звука (аудио-усилители мощности и громкоговори-тели), а также демодуляция несущей высокой частоты, как например, при FM-радиопередаче.

Высокочастотные помехи возникают в частотном диапазоне свыше 20 кГц. Источниками высокочастотных помех являются радиотрансляция, телевизи-онные и радиоприемники, промыш-ленное, научное и медицинское обо-рудование, а также высокочастотные схемы (микропроцессоры, микрокон-троллеры и другие высокоскоростные цифровые устройства).

Широкополосный шум, содержа-щий кратные частоты, можно рас-пределить частично на оба частотных диапазона. Источниками широкопо-лосного шума могут быть солнечная активность, непрерывно работающие электроразрядники (аппараты для

дуговой сварки), а также мобильная связь.

Электромагнитные помехи от переходного процесса возникают, когда источник излучает короткие импульсы, а не непрерывный сигнал. Источниками помех от переходного процесса являются импульсные элек-трические схемы, например, индуктив-ные нагрузки, реле, электромагниты и электромоторы. Другими источниками могут быть электростатический раз-ряд, системы освещения, скачки напря-жения в сети и т.д.

Периодические помехи от пере-ходного процесса могут быть вызва-ны работой электромоторов, систем зажигания бензиновых двигателей и непрерывным переключением цифро-вых схем.

КАНАЛЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ


В ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ

ПИТАНИЯ

Воздействие электромагнитных помех может происходить путем кон-дуктивной связи через нежелательные (паразитные) цепи, посредством индук-ционной связи (как в трансформаторе) и путем излучения.

Кондуктивная связь возникает, когда канал связи между источником помех и приемным устройством формирует-ся путем непосредственного контакта. Прямой контакт может быть обеспечен через линию передачи, провод, кабель, проводник печатной платы или метал-лический корпус. Кондуктивные поме-хи могут появиться как в синфазном, так и в дифференциальном режимах на двух проводниках.

Дифференциальные помехи возни-кают из-за дифференциальных токов в паре проводов: ток покидает источник по одной линии и возвращается по обрат-ной линии дифференциальной пары. Дифференциальные токи протекают между импульсным источником питания и его источником или нагрузкой через выводы питания. На земляной шине диф-ференциальные токи отсутствуют.

Синфазные помехи вызываются син-фазными токами. В этом случае шумо-вой ток течет вдоль обеих линий в одном и том же направлении и попада-ет через паразитные цепи на системную земляную шину. Во многих случаях син-фазные помехи поступают через пара-зитные емкости в схеме. Синфазный ток течет в одном направлении от импульсного источника питания через ввод питания и возвращается обратно к источнику по земле. Кроме того, син-фазные токи могут передаваться через емкость между корпусом и землей.

Кондуктивные электромагнитные помехи измеряются в диапазоне частот до 30 МГц. Токи частотой ниже 5 МГц в

РАЗ

РАБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

13


большинстве случаев являются диффе-ренциальными, а выше 5 МГц — синфаз-ными. Дифференциальные и синфазные токи в системе проиллюстрированы на рисунке 1.

Индуктивная связь возникает там, где источник и приемник находят-ся на небольшом расстоянии друг от друга. Индуктивная связь может быть вызвана электрической или магнитной индукцией. Электрическая индукция является следствием емкостной связи, а магнитная индукция обусловлена индуктивной связью. Емкостная связь возникает, когда имеется перемен-ное электрическое поле между двумя соседними проводниками, что вызы-вает изменение напряжения на сосед-нем проводнике. Магнитная связь воз-никает, когда появляется переменное магнитное поле между двумя парал-лельными проводниками, что вызывает изменение напряжения вдоль прини-мающего излучаемое поле проводни-ка. Излучаемая связь возникает, когда источник и приемник («жертва») дей-ствуют как радиоантенны. Источник излучает электромагнитную волну, которая распространяется по открыто-му пространству между источником и «жертвой» и принимается «жертвой».

Индуктивная связь встречается реже, чем кондуктивная или излучае-мая связь. Требования к электромаг-

нитным помехам, как излучаемым, так и кондуктивным, применимы ко всей электронной системе. Модули питания являются одними из многих компонен-тов системы. Поскольку требования к электромагнитным помехам примени-мы ко всей системе, необходимо прило-жить немало усилий для ограничения шума при её проектировании.

ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕРЫ

ПО УМЕНЬШЕНИЮ


В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ

В системах и схемах, которые исполь-зуют импульсные источники питания, следует минимизировать проблемы, связанные с электромагнитными поме-хами и обеспечить соблюдение уста-новленных норм. Важно отметить, что даже приложение с тщательно спро-ектированным импульсным источни-ком питания может не соответствовать требованиям стандарта, если оно не оптимизировано с целью минимизации электромагнитных помех.

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ

КОНДУКТИВНЫХ ПОМЕХ

Для того чтобы эффективно осла-блять негативное воздействие кондук-тивных помех, необходимо отдельно рассматривать синфазный и дифферен-циальный шумы, т.к. различаются под-

ходы к решению проблемы для каждого вида шума. Реализованные решения для дифференциального шума не исключа-ют синфазный шум в схеме и наоборот.

Дифференциальный шум обычно можно подавить включением шунти-рующего конденсатора непосредствен-но между силовой и обратной линия-ми импульсного источника питания. Силовые линии, которые требуют филь-трации, могут быть расположены на входе или выходе импульсного источ-ника питания. Для наилучшей эффек-тивности шунтирующие конденсаторы на этих линиях необходимо располагать

Рис. 1. Дифференциальные и синфазные токи в системе

14

РАЗ

РАБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

вблизи выводов источника генерации помех. Расположение шунтирующего конденсатора критически важно для эффективного ослабления дифферен-циальных токов на высоких частотах. Ослабление дифференциальных токов на более низких частотах вблизи основ-ной частоты переключения источника генерации помех может потребовать применения шунтирующего конденса-тора намного большей емкости, чего нельзя достичь с помощью керамиче-ского конденсатора.

Керамические конденсаторы емко-стью до 22 мкФ могут подойти для фильтрации дифференциальных помех на низковольтных выходах импульсных источников питания, но их может быть недостаточно для применения на вхо-дах импульсных источников питания, где могут наблюдаться 100-В выбросы напряжения. Для таких приложений используются электролитические кон-денсаторы ввиду их высокой емкости и рабочего напряжения.

Дифференциальный входной фильтр обычно состоит из комбинации элек-тролитического и керамического кон-денсатора, что позволяет эффективно ослаблять дифференциальный ток как на более низкой основной частоте пере-ключения, так и на частотах более высо-ких гармоник. Дополнительного пода-вления дифференциальных токов можно

достичь с помощью включенной после-довательно с сетевым входом катушки индуктивности, которая совместно с шунтирующим конденсатором образу-ет однокаскадный дифференциальный LC-фильтр нижних частот.

Синфазные кондуктивные токи эффективно подавляются путем включения шунтирующего конден-сатора между каждой силовой лини-ей импульсного источника питания и землей. Эти силовые линии могут быть на входе и/или выходе импульсного источника питания. Дополнительного подавления синфазных токов можно достичь с помощью пары связанных дросселей, включенных последователь-но с каждым сетевым входом. Высокий импеданс связанных дросселей к син-фазным токам обеспечивает передачу этих токов через шунтирующий кон-денсатор.

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ

ИЗЛУЧАЕМЫХ ПОМЕХ

Излучаемые помехи можно пода-вить с помощью уменьшения высоко-частотного импеданса и сокращения площади антенной петли, что обеспе-чивается путем минимизации площа-ди замкнутой антенной петли, которая образуется силовой линией и ее обрат-ным каналом (см. рис. 2). Индуктивность проводника печатной платы можно минимизировать, делая ее ширину как можно больше и прокладывая ее парал-лельно обратному каналу. Уменьшение площади между силовой линией и ее обратным каналом обеспечивает сниже-ние ее импеданса. В пределах печатной платы эта область может быть сокраще-на путем размещения силовой и обрат-ной линий — одной под другой — на соседних слоях платы. Земляной слой, расположенный на открытых поверх-ностях печатной платы, особенно если плата расположена прямо под источ-ником генерации помех, значительно уменьшает излучаемые электромагнит-ные помехи.

Для дополнительного уменьшения излучаемых помех можно использовать металлические экраны, чтобы канали-

зировать излучение. Это достигается размещением источника генерации помех внутри заземленного проводя-щего корпуса. Интерфейс с внешней средой осуществляется через проход-ные фильтры. Кроме того, нужно поме-стить синфазные шунтирующие конден-саторы между проводящим корпусом и земляной шиной.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕРЫ

УМЕНЬШЕНИЯ ПОМЕХ ДЛЯ

ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПИТАНИЯ

Необходимо обеспечить надежное соединение проводов с импульсным источником питания. Провода долж-ны быть как можно более короткими, а количество петель — минимизи-ровано. Следует избегать проклад-ки входных или выходных проводов вблизи силовых устройств. Убедитесь, что все соединения с землей выпол-нены надежно. Заземляющие провода должны быть также как можно более короткими. Если при работе схемы или системы наводятся переходные токо-вые процессы, очень важно размещать развязывающие конденсаторы таким образом, чтобы импульсы тока не могли передаваться к источнику питания. В качестве таких конденсаторов следует использовать высокочастотные керами-ческие конденсаторы и накопительные конденсаторы большой емкости. Если допускается режимом эксплуатации, то следует уменьшить частоту или увели-чить длительность фронта/спада такто-вого сигнала. Схемы с более высокой тактовой частотой и более быстрым временем переключения следует распо-лагать вблизи входа силовой линии для того, чтобы уменьшить переходные про-цессы в цепи питания. Рекомендуется, чтобы аналоговые и цифровые схемы были физически изолированы друг от друга, как по источнику питания, так и по сигнальным линиям.

Следует избегать появления зазем-ляющих контуров в системе, особен-но когда система является сложной. Это можно обеспечить, используя одну точку подсоединения к земляной шине. На рисунке 3 показан пример подсое-динения системы к земляной шине.

Если в системе имеется множество схемных узлов, то их следует отделить между собой с помощью прокладки отдельных линий питания и/или путем включения катушек индуктивности в линиях питания, как показано на рисунке 4.

При необходимости можно разме-стить на линиях DC-питания ферри-товые шайбы для развязки системы и источника питания по переменному току. Эта мера может быть эффектив-ной, когда имеется угроза нарушения работы системы из-за появления гар-

Рис. 2. Уменьшение площади петлевой антенны снижает излучаемые помехи

Рис. 3. Пример исключения петель в шинах питания

16

РАЗ

РАБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

моник при переключении питания или для того, чтобы предотвратить попада-ние помех, сгенерированных в системе, в источник питания. Если для какого-либо приложения недостаточно встро-енного фильтра электромагнитных помех, можно включить дополнитель-ный фильтр перед источником пита-ния. Ферритовая шайба может быть также размещена на земляном проводе между входом сети переменного тока и блоком питания.

Хотя многие из методов умень-шения помех, рассмотренных выше, применимы как для AC/DC-, так и DC/DC-преобразователей в соста-ве системы, имеются специфиче-ские меры, которые касаются только DC/DC-преобразователей. Импульс-ный режим работы большинства DC/DC-преобразователей подразу-мевает импульсный входной ток, который лучше всего передается через локальные конденсаторы, рас-положенные поблизости от импульс-ных устройств. Поскольку многие DC/DC-преобразователи имеют ком-пактные размеры, они в большинстве случаев не содержат конденсаторов достаточной емкости. Разработчик системы должен разместить дополни-тельные конденсаторы на входе, чтобы снизить дифференциальные поме-хи. Для лучшей фильтрации можно использовать PI-фильтры, как показано на рисунке 5. Для снижения уровня синфазных помех можно использовать дополнительные конденсаторы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

УМЕНЬШЕНИЯ ПОМЕХ НА

СИСТЕМНОМ УРОВНЕ

Как уже говорилось, при том, что большинство импульсных источни-ков питания спроектировано в соот-ветствии с требованиями стандартов по электромагнитным помехам, сама система тоже должна быть спроектиро-вана таким образом, чтобы генериро-вать минимум помех и соответствовать допустимым нормам. Компонентами системы, при проектировании кото-рых следует уделить особое внимание снижению помех, являются сигнальные линии, печатные платы и твердотель-ные компоненты.

На сигнальных линиях следует использовать фильтры нижних частот

для уменьшения допустимой полосы частот до того минимума, при кото-ром удается пропускать сигналы без затухания. Петли питания и обратного канала должны располагаться ближе к линиям широкополосных сигналов для минимизации излучаемых помех. Кроме того, сигнальные линии для передачи высокочастотных сигналов должны иметь корректную оконечную нагрузку для уменьшения отражений. «Звон» и выбросы на этих линиях могут быть также минимизированы за счет использования соответствующей око-нечной нагрузки.

Изменение импеданса печатной платы, при котором возможно усиле-ние помех, можно минимизировать за счет использования более широ-ких металлических проводников, что уменьшает импеданс силовых линий. Где это возможно, сигнальные прово-дники следует проектировать с учетом задержки распространения и времени нарастания и спада сигнала, а также использовать отдельные слои питания и земли. Следует избегать применения щелевых апертур в топологии печат-ных плат, особенно в слоях земли или около токовых дорожек для снижения нежелательных антенных эффектов.

Кроме того, необходимо по возмож-ности минимизировать применение Т-образных ответвлений проводников, которые могут вызывать отражения сигнала и появление гармоник. Следует уменьшить число или совсем исклю-чить резкие изгибы металлических проводников для того, чтобы снизить концентрацию поля. Плавающие прово-дящие области могут быть источника-ми излучаемых помех, поэтому следует избегать их появления, за исключени-ем случаев, когда они необходимы для улучшения теплового режима на плате. Кроме того, твердотельные компонен-ты на плате должны быть развязаны как можно ближе к линиям питания кристалла — это нужно, чтобы умень-шить шум от элемента и переходные процессы в линиях питания.

ЛИТЕРАТУРА1. Don Li, Jeff Schnabel. Electromagnetic

Compatibility Considerations for Switched Mode Power Supplies//CUI Inc.

2. SMPS AC/DC Reference Design User’s Guide//Microchip Technology Inc.

3. Glenn Skutt. Application Note: Meeting Military Requirements for EMI and Transient Voltage Spike Suppression//VPT, Inc.

Рис. 5. Типовая схема фильтрации для DC/DC-преобразователя

Рис. 4. Разделение линий питания для отдельных узлов системы

ДА

ТЧ

ИК

И

17


В статье рассматриваются принципы построения современных волоконно-оптических датчиков (ВОД) и возможность их применения в различных областях промышленного производства. Подробно рассмо-трена современная элементная база оптоэлектроники, а также базо-вые алгоритмы последетекторной обработки сигналов, применяемые в ВОД. В работе приводятся описания конструкций волоконно-оптических датчиков, нашедших практическое применение в промышленности. Рассмотрены перспективные направления волоконно-оптической сенсо-рики.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯВАЛЕРИЙ ЖИЖИН, ведущий инженер-разработчик систем сбора данных и управления, ЗАО «Криогенная технология»

В связи с быстрым развитием авто-матизированных систем контроля и управления во всех областях промыш-ленности возрастает потребность в датчиках физических величин — тем-пературы, давления, ускорения, пере-мещения, тока. Помимо высоких метро-логических характеристик, датчики должны обладать большой надежно-стью, стабильностью, помехоустойчи-востью, долговечностью и простотой интегрирования в микроконтроллер-ные системы управления. Особенно это относится к таким отраслям, как авио-ника, металлургия, автоэлектроника, теплотехника и энергетика, медицин-ская техника, высокоточные системы вооружений. Перечисленным требова-ниям в максимальной степени удовлет-воряют волоконно-оптические датчики (ВОД).

До недавнего времени развитие волоконно-оптических датчиков сдер-живалось, в основном, двумя факто-рами. Во-первых, не было дешевых оптоэлектронных компонентов — малошумящих лазерных диодов, высо-кочувствительных p-i-n-фотодиодов, пассивных волоконно-оптических эле-ментов. Во-вторых, из-за нелинейно-сти оптического сигнала относительно измеряемой величины требуются спе-циальные алгоритмы обработки сигна-ла (усреднение, нелинейная обработ-ка, интегральные преобразования), а значит — нужен процессор обработки сигнала с высокой производительно-стью.

С развитием микроэлектромеха-ники, оптоэлектронных компонентов на основе полупроводниковых гете-роструктур, массовым внедрением DSP и сигнальных микроконтролле-ров (MSP430, AVR и др.) ситуация на рынке стала улучшаться; появились даже опытные образцы чисто оптиче-

ских интегральных схем, где носителем информации служит свет, а логические операции выполняются оптическими элементами.

В чем же преимущество применения волоконно-оптических датчиков по сравнению с традиционными полупро-водниковыми датчиками в интеграль-ном исполнении? Проведем анализ по отраслям промышленности.

АВИОНИКА И АВТОЭЛЕКТРОНИКА

В этих областях проявляются такие преимущества ВОД, как устойчивость к ЭМ-помехам, способность работать в условиях пониженных (до –70°С) и повышенных (до 150°С) температур, малые габариты и масса. Здесь могут найти применение оптические датчи-ки температуры, линейного и углового положения, акселерометры. В воен-ной и гражданской авиации получили широкое распространение оптические гироскопы на основе кольцевого интер-ферометра, использующие эффект Саньяка. Так, например, они применя-ются в инерциальной системе навига-ции самолетов «Боинг-767», А320, А340, БПЛА «Predator» и др.

ЭНЕРГЕТИКА

Преимущество использования ВОД в этой области обеспечивается их ста-бильными термо- и электроизоляци-онными характеристиками, помехоза-щищенностью и безынерционностью. В этой отрасли могут найти применение волоконно-оптические трансформа-торы напряжения (эффект Поккельса), тока (магнитооптические датчики на эффекте Фарадея), датчики темпера-туры. Подобные сенсоры могут быть использованы при создании системы диагностики высоковольтных транс-форматоров без их выведения из экс-плуатации.

ХИМИЧЕСКАЯ И НЕФТЕГАЗОВАЯ

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, МЕТАЛЛУРГИЯ

В этих отраслях востребованы ВОД с бесконтактными методами измерения (лучевые термометры, лучеводы изо-бражения, оптические датчики измере-ния расхода газов, датчики ускорения и перемещения), которые могут устойчи-во функционировать в условиях агрес-сивных и взрывоопасных сред, высоких температур, интенсивных электромаг-нитных помех.

МЕДИЦИНА И БИОТЕХНОЛОГИИ

В этой специфической области особо проявляются такие преимущест-ва волоконно-оптических датчиков, как гибкость и малый диаметр опто-волокна, химическая и биологическая стойкость, высокое пространственное разрешение. Лидером производства подобных датчиков в настоящее время является корпорация «Оmron».

ТИПЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ДАТЧИКОВ И ПРИНЦИП ИХ РАБОТЫ

Прежде чем переходить к рассмо-трению волоконно-оптических датчи-ков, рассмотрим функционирование оптического волокна. Современное оптическое волокно состоит из серд-цевины, по которой распространяется свет, и оболочки. Снаружи она закры-та полимерной пленкой. Сердцевина представляет собой нить из пластика или стекла с определенными добав-ками (как правило, германий) для повышения коэффициента прелом-ления. Коэффициент преломления сердцевины n1 примерно на 0,01…0,02 превышает коэффициент прелом-ления оболочки n2. Благодаря этому луч света, направленный в сердцеви-ну, распространяется по ней, много-кратно отражаясь от границы раздела «сердцевина-оболочка».

18

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 1. Распространение света в волоконном световоде

Важнейшей характеристикой опто-волокна является числовая апертура NA — максимально возможный угол, с каким свет, введенный в волок-но, может распространяться в нем. Числовая апертура определяется коэффициентами преломлений сер-дечника и оболочки и выражается как:

,

где Δ = (n1/n2) – 1.Если угол ввода луча света в сер-

дечник меньше NA , то он испытывает полное внутреннее отражение и рас-пространяется только в нем (луч 1 на рис. 1). При нарушении этого условия часть вводимого излучения преломля-ется и уходит в оболочку, а часть — отражается внутрь сердечника (луч 2).

С числовой апертурой связана нор-мированная частота. Она определяет, сколько мод (упрощенно — оптиче-ских лучей под разными углами) может распространяться в данном волокне. Нормированная частота F вычисляется по следующей формуле:

F = (2π/λ).а.NA,

где а — диаметр сердечника; λ — длина световой волны. Для оптических воло-кон существует граничное значение Fc. Для рассмотренного оптического волокна со ступенчатым изменением показателя преломления Fc = 2,045. Если рассчитанное значение F превы-шает эту величину, то распространя-ется множество мод и волокно назы-вается многомодовым. В противном случае распространяется одна мода и волокно является одномодовым. Многомодовые оптические волок-на технологичны, легко соединяются с источниками и детекторами излу-чения, а также с другими волокнами. Недостаток многомодового волокна — нарушение когерентности источника, поэтому оно может быть использовано для передачи информации только об интенсивности оптического сигнала.

В одномодовых волокнах может использоваться поляризация и фаза когерентного источника, например, полупроводникового лазера, и на его основе возможно построение датчиков с волокном в качестве чувствительного

элемента. Основной недостаток одно-модового волокна — высокая чувстви-тельность к внешним механическим воздействиям и относительная слож-ность сопряжения с другими оптиче-скими компонентами. Внешний диа-метр многомодовых и одномодовых волокон одинаков и равен 125 мкм. Диаметр сердцевины у многомодового волокна — 50 мкм при Δ ≈ 1%, а у одно-модового — 10 мкм при Δ ≈ 0,3%. Более подробно физические основы волокон-ной оптики изложены в [1].

Волоконно-оптические датчи-ки можно разделить на две группы: датчики с волокном в качестве линии передачи и с одномодовым волокном в качестве чувствительного элемента. Наиболее отработаны в теоретическом и технологическом отношении и посте-пенно осваиваются в промышленном производстве волоконно-оптические датчики первого типа. Их можно услов-но поделить на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптиче-ским зондом.

Датчики с оптическим преобразо-вателем представляют собой систему, которая содержит оптический эле-мент, чувствительный к воздействию измеряемой физической величины, излучатель и приемник. Оптический элемент (преобразователь) помещен между торцами передающего и прием-ного многомодового волокна. В каче-стве излучателя обычно используют малошумящий светодиод, а в качестве детектора света — p-i-n-фотодиод. Эти полупроводниковые элементы должны быть электро- и термостабильными.

В датчиках с оптическим зондом зондирующий световой луч, отражен-ный или рассеянный объектом изме-рения, поступает в приемную оптиче-скую систему, состоящую из объектива и волокна, выходной торец которого связан с p-i-n-фотодетектором. В дат-чиках этого типа могут быть исполь-зованы многомодовые или одно-модовые оптические кабели, а также волоконно-оптические жгуты. В каче-стве источника света в зависимости от вида измеряемой величины (интенсив-ность, поляризация, фаза) используют-ся светодиоды или лазеры. Волоконно-оптические датчики на этом принципе отличаются высокой чувствительно-

стью и могут быть использованы для бесконтактных измерений.

ТРЕБОВАНИЯ К КОМПОНЕНТАМ ВОД

Излучатели

Как отмечалось выше, в качествеоптических излучателей могут исполь-зоваться как когерентные (лазеры), так и некогерентные источники (све-тодиоды). В ВОД на основе одномодо-вого волокна чаще всего используют-ся арсенид-галлиевые полупроводни-ковые лазеры в диапазоне длин волн 1,3…1,55 и 0,8…0,95 мкм с выходной мощностью 1…10 мВт. Эти спектраль-ные диапазоны хорошо согласуются с окнами пропускания одномодового волокна. С учетом специфики коге-рентных измерений лазерные источ-ники должны иметь минимальные фазовые и амплитудные флуктуации (порядка 10–5), и в идеале — одну про-странственную моду (распределение вектора напряженности Е световой волны перпендикулярно направлению излучения). Поэтому для управления лазером необходима прецизионная система автоматического регулирова-ния по току и оптическому сигналу, а также термостабилизация. Это влечет значительное удорожание одномодо-вого ВОД.

В многомодовых ВОД используют-ся маломощные (1…10 мВт) светодио-ды таких же длин волн с несложными электронными схемами стабилизации интенсивности оптического сигнала (драйверы тока), поскольку регистри-руемым параметром является интен-сивность.

Фотодетекторы

В современных ВОД используются p-i-n-фотоприемники с минималь-ным темновым током (десятые доли наноампер), что позволяет достичь чувствительности обнаружения 0,5 мкВт (при отношении сигнал/шум = 1) в полосе 100 МГц. Чувствительность возрастает при уменьшении полосы частот. Данных характеристик вполне достаточно для большинства практи-ческих измерений, но в отдельных слу-чаях, когда требуется регистрация сла-бых световых потоков, применяется метод счета фотонов с использовани-ем фотоэлектронных умножителей — ФЭУ. При этом число фотоэлектронов, возникающих от каждого фотона, увеличивается, и с приходом каждо-го фотона на выходе ФЭУ появляются импульсы напряжения. При подсчете этих импульсов можно оценить число принятых фотонов.

Оптические элементы

Для согласования активных компо-нентов ВОД (излучателей, приемни-ков, преобразователей) с оптическим

20

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

волокном необходимы пассивные элементы — стержневые линзы, поля-ризаторы, призмы, фазосдвигающие пластины. Принцип действия этих элементов подробно описан в [2]. Оптические элементы должны быть малогабаритными, термостабильны-ми, легко интегрироваться в оптиче-скую схему волоконно-оптического датчика. В качестве примера приведем специфический для ВОД элемент — стержневую линзу (см. рис. 2). В отли-чие от обычной линзы, поверхности которой криволинейны, стержневая линза имеет цилиндрическую форму с плоскими торцевыми поверхностями, а фокусировка излучения достигает-ся за счет сформированного в линзе распределения коэффициента пре-ломления симметрично оптической оси вдоль радиуса по квадратичному закону.

ПОСЛЕДЕТЕКТОРНАЯ ОБРАБОТКА

СИГНАЛА В ВОД

Целью последетекторной обра-ботки сигнала является компенсация дрейфа выходного сигнала датчика, который возникает в волоконно-оптической схеме из-за колебаний интенсивности излучения источника, потерь передачи по оптоволокну, воз-действия внешних шумовых факто-ров — температуры, давления, вибра-ции и др. При обработке сигнала в ВОД наибольшее распространение получили следующие способы ком-пенсации дрейфа: способ двух лучей и метод двух длин волн [2].

Способ двух лучей

Этот метод применяется для дат-чиков, в которых регистрируемая величина модулирует поляризацию света. Промодулированый вектор поляризации с индексом m = sin φ (где φ — угол вращения поляриза-ции) при помощи поляризационной призмы расщепляется на два луча с ортогональными векторами поляри-зации P и S. При этом напряжение выходных сигналов фотодетекторов UP и US, пропорциональных оптиче-ским интенсивностям, будет соответ-ственно равно:

UP = U.(1 + m); US = U.(1– m), (1; 2),

где U — напряжение, соответствующее немодулированному исходному лучу.

Процессор схемы обработки вычис-ляет отношение:

(UP – US)/(UP+US), (3)

и после цифровой фильтрации выход-ной сигнал пропорционален m и не зависит от флуктуаций световой мощ-ности.

Способ двух длин волн

В преобразователь датчика пода-ется световой сигнал с длиной волны λ1, интенсивность которого модулиру-ется, и с длиной волны λ2, который не модулируется. Затем определяется отношение двух напряжений, соответ-ствующих выходным сигналам фотоде-текторов. Функционально этот метод аналогичен предыдущему.

ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

ДАТЧИКОВ

Датчик температуры

Принцип работы датчика основан на эффекте флюоресценции. На внешний торец оптического волокна нанесено флюоресцентное вещество (см. рис. 3). Вторичное излучение, возникающее под воздействием зондирующего опти-ческого луча ультрафиолетового диапа-зона, принимается этим же волокном. Для одной из составляющих флюорес-центного излучения (λ1 = 510 нм) харак-терна сильная зависимость от темпера-туры измеряемой среды, а для другой (λ2 = 630 нм) — очень слабая.

Температурный сигнал вычисляется как отношение соответствующих интен-

сивностей на λ1 и λ2 по методу двух длин волн. В качестве зондирующего источ-ника используется ультрафиолетовый светодиод с λ = 300…400 нм.

Диапазон измерения температур подобного датчика –50…200°С; точ-ность — 0,1°С; время отклика — около 0,5 с. Зависимость отношения интен-сивностей λ1 и λ2 от температуры пока-зана на рисунке 4.

Датчик давления

Датчик давления относится к отра-жательному типу; в нем используется изменение условия отражения света мембраной. Конструктивно датчик состоит из волоконно-оптического жгута, к одному из торцов которого через небольшой зазор (~100 мкм) под-соединена мембрана.

В центре жгута размещаются прием-ные оптические волокна, а по краям — зондирующие. Коэффициент связи

Рис. 3. Датчик температуры

Рис. 2. Принцип работы стержневой линзы

Рис. 4. Передаточная характеристика датчика температуры

ДА

ТЧ

ИК

И

21


между зондирующими и приемными волокнами изменяется в зависимости от давления, оказываемого на мембра-ну. Для повышения точности измере-ния давления на мембрану наносится фотолюминесцентный материал, обе-спечивающий излучение опорного све-тового сигнала, интенсивность которо-го практически не зависит от величины давления, и обработка сигнала датчика проводится по методу двух длин волн.

Структурная схема датчика давле-ния показана на рисунке 5. В конструк-ции датчика используется волоконно-оптический жгут из 100 волокон и чувствительная мембрана толщиной около 20 мкм. На практике такой датчик давления позволяет регистрировать давление жидких сред до 10 кПа.

Магнитооптический датчик магнитного

поля и тока

Для бесконтактных измерений сильных магнитных полей (свыше 10 Э) и соответствующих токов находит при-менение волоконно-оптический дат-чик на магнитооптическом эффекте Фарадея.

Магнитооптический эффект заклю-чается во вращении плоскости линейно поляризованного света, распростра-няющегося в веществе вдоль силовых линий магнитного поля, проходящих через это вещество. Это открытие Фарадея явилось первым доказатель-ством наличия прямой связи между магнетизмом и светом.

Проходящее через среду линейно поляризованное излучение всегда может быть формально представлено как суперпозиция двух поляризован-ных по правому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения. Намагниченное внешним полем оптически прозрачное веще-ство в общем случае нельзя охарак-теризовать единым показателем пре-ломления n. Показатели преломления n+ и n– для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными (магнитная анизотропия). Различие n+ и n– приводит к тому, что поляризованные по правому и лево-му кругу компоненты излучения рас-пространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретая разность фаз, линейно зависящую от оптической длины пути. В результа-те на выходе из вещества плоскость поляризации монохроматической световой волны поворачивается на угол φ. При этом знак угла поворота плоскости поляризации не зависит от направления распространения света (по вектору магнитной индукции или против него). Важно лишь, чтобы век-тор индукции был параллелен направ-лению распространения оптической волны.

Радианная мера угла фарадеевского вращения φ при магнитной индукции B и длине оптического пути в веществе L выражается как:

φ =V.B.L, (4)

где V — постоянная Верде, определя-ющая магнитооптическую активность для данного вещества (зависит от хими-ческого состава вещества, температу-ры и рабочей длины волны).

Учитывая, что между величиной маг-нитной индукции B и протекающим в обмотке соленоида током существует однозначная связь, магнитооптический датчик можно использовать для изме-рения тока, который можно вычислить из формулы:

В = 0,0126.N.I/L, (5)

где N — количество витков соленои-да; I — протекающий ток; L — длина намотки.

В технике физического эксперимен-та для измерения магнитных полей получили распространение магнито-оптические монокристаллы железоит-триевого граната (ЖИГ). Датчики на их основе обладают чувствительностью порядка 15% изменения интенсивно-сти света на каждые 100 Гс магнитной индукции в частотной полосе ~15 кГц. При изменении температуры от –30 до 120°C изменение амплитуды выходного сигнала составляет около 2%. Рабочая длина световой волны равна 1,3 мкм. Фарадеевские датчики не содер-жат полупрово-дниковых компо-нентов, и поэтому нечувствительны к электромагнитным помехам.

П р и м е н е н и е м а г н и т о о п т и ч е -ского датчика для измерения тока и вектора магнитной индукции соленои-да мощного элек-

тромагнитного клапана иллюстрирует рисунок 6. Диапазон изменения тока — от 1 А в режиме удержания до 10 А — в стартовом режиме. Оптический датчик закреплен на оси измеряемого соле-ноида, на расстоянии около 5 мм от верхней плоскости силовой обмотки. Датчик представляет собой цилиндр, содержащий поляризатор, монокри-сталл ЖИГ и расщепитель выходного луча, к торцам которого подсоединены выходные оптические многомодовые волокна. Входной световод подключен с помощью стержневой линзы к верх-нему торцу цилиндра.

Для повышения помехозащищен-ности измерений в аппаратуре дат-чика используется алгоритм обра-ботки сигнала по методу двух лучей. В данном случае прошедшая через магнитооптический кристалл свето-вая волна с плоскостью поляризации, повернутой на угол φ, расщепляется на два луча, имеющие взаимно пер-пендикулярные плоскости поляри-зации P и S. Интенсивность каждой компоненты выражается по форму-лам (1, 2).

Каждый луч детектируется отдель-ным фотодетектором, после чего DSP вычисляет величину m и далее, с уче-том выражений (3—5) рассчитывает-ся величина магнитной индукции В и соответствующий ей ток I соленоида. Данные измерений выводятся на инди-катор.

Рис. 5. Датчик давления отражательного типа

22

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Волоконно-оптический датчик

ускорения

Принцип работы датчика основан на эффекте оптического двойного луче-преломления [3]. Существует целый класс кристаллов, в которых одному направлению распространения света соответствуют две пространственные моды с линейной поляризацией. В таких кристаллах коэффициент преломления для направления поляризаций каждой моды изменяется пропорционально приложенному воздействию, в данном случае — механическому со стороны груза, под действием ускорения (см.

Рис. 8. Структурная схема волоконно – оптического гироскопа

Рис. 7. Датчик ускорения на эффекте фотоупругости

Рис. 6. Магнитооптический датчик на эффекте Фарадея

рис. 7). В этом состоит эффект фото-упругости.

Груз прикреплен непосредственно к оптическому элементу, и при колебани-ях груза на элемент действует сила, про-порциональная произведению массы на ускорение, что приводит к появле-нию двойного лучепреломления. Из-за этого на выходной торцевой поверх-ности оптического кристалла появляет-ся разность фаз Ψ, пропорциональная разности оптических ходов лучей ΔL, которая зависит от разности коэффи-циентов преломления мод в кристалле. Если между оптическими модами воз-

никает разность фаз, то световая волна имеет на выходе кристалла круговую поляризацию [2]. Расположенная после фотоупругого элемента четвертьвол-новая пластина преобразует световые волны с круговой поляризацией в излу-чение с линейной поляризацией. После анализатора оптическая мощность детектируется фотодетектором. Она подчиняется закону:

Р = Р0.(1 + sin(π.T/Tπ),

где Tπ — величина давления, при кото-ром разность фаз лучей на выходе кристалла равна π (полуволновое дав-ление); T — текущее давление груза на фотоупругий кристалл. Зная массу груза, по величине Т можно оценить ускорение.

С помощью волоконно-оптического акселерометра рассмотренного типа возможно измерение ускорений0,1…30g с точностью до 1% в частотной полосе до 3 кГц.

Волоконно-оптический гироскоп

Гироскоп является ключевым эле-ментом инерциальной системы управ-ления и навигации, который выполняет функцию измерения угловой скорости. К авиационным и космическим гиро-скопам предъявляются достаточно высокие требования: минимальное время запуска, высокая разрешаю-щая способность, дрейф нуля не хуже 0,01 град/час, динамический диапа-зон измерения угловой скорости — 6 порядков, высокая помехозащищен-ность от спонтанных и регулярных электромагнитных помех.

Во многих авиационных и робото-технических системах до сих пор при-меняются механические гироскопы, принцип действия которых основан на законе сохранения момента количества движения — удержании оси вращения тела в определенном направлении пространства. При производстве этих приборов требуется высокая точность формы тела вращения, обеспечение минимально возможного трения меха-нических элементов гироскопа, систе-ма автоматического регулирования, обеспечивающая высокую степень ста-билизации вращения вала гиромотора.

Волоконно-оптические гироско-пы кольцевого типа, основанные на эффекте Саньяка, выгодно отличают-ся от механических гироскопов отсут-ствием подвижных элементов, высокой чувствительностью и линейной харак-теристикой измерения, практически мгновенным временем запуска. Кроме того, данные гироскопы не чувстви-тельны к электромагнитным помехам.

Кольцевой волоконно-оптический гироскоп функционирует следующим образом (см. рис. 8). В кольцо из одно-

ДА

ТЧ

ИК

И

23


модового оптического волокна через оптические линзы (поз. 1, 2) и разде-лительную оптическую пластину, рас-положенную под углом 45 градусов относительно оптической оси источ-ника, вводится лазерное излучение. Благодаря пластине световые волны в оптоволокне распространяются во встречных направлениях. Если система находится в покое относительно инер-циального пространства, то оптические пути встречных волн одинаковы, и раз-ность фаз между ними не возникает. При вращении оптической системы с угло-вой скоростью Ω из-за разности времен достижения разделительной пластины этими волнами возникает разность фаз Φ, выражаемая формулой [2]:

Φ = 4.(2π/λ).S.Ω/c,

где с — скорость света в волокне; S — площадь круга внутри контура оптического кольца; λ — длина волны лазера.

Из-за наличия разности фаз выход-ных лучей в плоскости зрачка фотопри-емника возникает интерференционная картина, а интенсивность принимаемо-го сигнала выражается как [2]:

Р = Р1 + Р2 + ( ).соs Φ,

где Р1, Р2 — интенсивности встречных оптических волн.

После фотодетектирования, исходя из последних двух выражений, блок обработки сигнала рассчитывает угло-вую скорость вращения Ω. Специальная оптическая система обеспечивает усло-вие Р1 = Р2, так как при этом чувстви-тельность системы к изменениям фазы Φ оптимальна.

Рассмотренный гироскоп позволяет измерять угловую скорость с высо-кой точностью изменения фазы (до 10–6 рад). На этом принципе уже соз-да ны малогабаритные оптические гироскопы, имеющие катушку из одно-модового волокна небольшого ради-уса (3—5 см), на которую намотано несколько сотен метров оптоволокна. Они нашли применение в системах автоматического управления и нави-гации авиационной и космической тех ники, в появляющихся образцах военной робототехники. В настоящее время в Японии, России, США, Франции ведутся активные исследования в области создания интегральных опти-ческих гироскопов на этом принципе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными направлениями раз-вития волоконно-оптических дат-чиков в настоящее время являются интегрально-оптические технологии, которые позволят объединить элек-тронные схемы обработки и микрооп-тические компоненты в одном кристал-

ле или микромодуле. Это значительно снизит себестоимость волоконных дат-чиков и повысит их эксплуатационные характеристики.

Другим перспективным направле-нием считается соединение возможно-стей уже созданной МЭМС-технологии и интегральной оптики. Это может привести к созданию целого клас-са устройств, реализация которых в макромасштабе крайне затруднительна или невозможна. Примером объеди-нения оптики, механики и электрони-ки могут служить микромеханические устройства, изготовленные с исполь-зованием микро- и нанотехнологий: например, DLP-процессор, основан-ный на технологии пьезоактуаторов, использует массив поворотных микро-зеркал, модулирующих отраженный поток света по заданному алгоритму. Такая технология была разработана и запатентована фирмой Texas Instrument и на ее основе выпускаются проекцион-ные DLP-телевизоры и проекторы.

ЛИТЕРАТУРА1. Гауер Д. «Оптическая связь», гл. 1–2//

М, «Радио и связь», 1988 г.2. Окоси Т. и др. «Волоконно-опти че ские

датчики», пер с японского//Энерго атом-издат, 1990 г.

3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сендс М., «Фейн мановские лекции по физике», т. 3, «Еди ториал УРСС», 2004 г.

24

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ЦИФРОВОЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДАТЧИК — НОВЫЙ ПОДХОД В ОТЕЧЕСТВЕННОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИПАВЕЛ ЛАГУЗОВ, начальник отдела новой продукции, ООО «РТК Импекс»АНДРЕЙ СОКОЛОВ, зам. директора НПЦ-5, ФГУП НПП «Дельта»

ВВЕДЕНИЕ

Разработка аппаратуры газового контроля для целей промышленной безопасности и экологического кон-троля атмосферы основана на исполь-зовании газочувствительных сенсоров (датчиков в российской технической терминологии). Для преобразования химического сигнала в электрический в датчике используются самые разные физические принципы, и потому сен-соры значительно отличаются друг от друга по электрическим параметрам, конструкции и габаритам.

Современное развитие микроэлек-тронных технологий позволяет произ-водить датчики небольших размеров и с удобными для приборостроителей габаритами. Универсальная цифровая шина обеспечивает надежную связь сенсоров с измерительной электро-никой прибора. Универсальность направлена, в первую очередь, на удобства пользователя и оператив-ной возможности замены стандарт-ного блока — газочувствительного модуля.

В настоящее время сотни фирм предлагают свою продукцию на рос-сийском рынке газоаналитических приборов. Каждая из них старается «привязать» покупателя к своей про-дукции и вводит собственный стан-дарт на газочувствительные датчики. Не секрет, что половину прибыли фирмы получают от продажи запас-

ных частей и датчиков к ранее постав-ленной аппаратуре. Учитывая значи-тельную территорию нашей страны и не очень развитую сеть сервисных центров, потребитель вынужден дли-тельное время дожидаться ремонта или технического обслуживания при-боров, которые обычно отправляются на завод-изготовитель. В это время производство не обеспечено надлежа-щим контролем из-за отсутствия при-боров на рабочем месте, и создаются условия для техногенных аварий. Если производство ответственное, то при-обретается сменный комплект прибо-ров, которые большую часть време-ни простаивают, увеличивая затраты. Учитывая общепринятый в России межповерочный интервал в 1 год и средний срок службы датчиков 3 года, расход на обслуживание парка при-боров в стране превышает стоимость первоначальных приборов.

Факт, что большинство комплек-тующих в отечественных прибо-рах — импортного производства. Это значит, что газоаналитическое оборудование и системы безопасно-сти на их основе являются в значи-тельной мере импортозависимыми. Таким образом, стратегия государ-ственного контроля производства газочувствительных датчиков, как и любых других датчиков, относится к разделу национальной технологиче-ской безопасности. Это не отрицает

стремления достичь единых между-народных стандартов в газоаналити-ке и приборостроении.

Разработка единого стандарта для России на датчики позволит не только значительно снизить затраты на эксплу-атацию газоаналитических приборов, но и снизит стоимость самих приборов. Это будет способствовать ускорению отечественных разработок датчиков или использованию взаимозаменяе-мых стандартных блоков. Открытый протокол обмена с сенсорным модулем позволит всем оперативно воспользо-ваться этим стандартом, что повысит качество газоаналитических прибо-ров в стране. С открытым протоколом можно производить регулярную кали-бровку и техническое обслуживание приборов в России на стандартных отечественных, а не лицензионных зарубежных программных продуктах и создавать устройства для ремонта и настройки приборов на всей терри-тории страны. При снижении стоимо-сти приборов отечественных произ-водителей увеличится спрос на них и количество используемых приборов в системах безопасности. Применение электронного сенсорного модуля упро-щает метрологический контроль систем безопасности, поскольку поверяется только собственно модуль, легко сни-маемый и заменяемый, а не прибор и система в целом.

КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ

ЦИФРОВОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО

ДАТЧИКА DIS (DIGITAL INTELLECTUAL

SENSOR)

1. Цель

Создание серии датчиков DIS, обла-дающих единым цифровым интерфей-сом, протоколом обмена данными, унифицированным набором команд, методиками настройки, калибровки и поверки. Датчики должны обладать возможностью «горячей замены» (PnP) и функцией идентификации и Рис. 1. Структура системы с несколькими DIS

26

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

конфигурации в системе при подклю-чении.

2. Структура системы с DIS

На рисунке 1 приведена структу-ра системы с несколькими DIS. Она состоит из управляющего процессора системы (MASTER) и нескольких DIS (SLAVE). Управляющий процессор посы-лает команды в DIS и принимает от DIS результат выполнения команд.

3. Цифровой интерфейс

Цифровой интерфейс — шина SPI. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с I2C или 1-wire. В нем предусмотрен аппаратный выбор адресата сигналом SS (Slave Select) и дуплексный синхронизированный обмен, что позволяет обеспечить надежную и быструю работу в систе-ме с многочисленными датчиками на одной шине. Для работы шин I2C или 1-wire необходима предварительная установка уникального порядково-го номера устройства на шине, что может потребовать изменения (пере-программирования) этого номера при смене устройства (датчика). Считается нецелесообразным мультиплексиро-вание различных типов цифровых шин цифрового интерфейса, т.к. это приводит к усложнению процедуры включения DIS в систему и, в итоге, снижает надежность идентификации датчика в системе. DIS должен содер-жать микроконтроллер, обеспечи-вающий функции обмена данными по SPI-шине, управления, преобразова-ния сигнала чувствительного элемен-

та, а также сохранения настроек и калибровочных данных датчика.

4. Протокол обмена данными

Протокол обмена данными дол-жен быть единым для всех DIS без исключения. Он состоит из запроса управляющего процессора системы и ответа датчика. Запрос состоит из поля стартового байта, байта команды, байтов данных и контрольной суммы. Ответ DIS состоит из стартового байта, байта состояния DIS, байтов данных и контрольной суммы. Состав набора команд может быть разным для разных типов DIS, но он должен быть унифи-

цированным. Если, например, коман-да под номером 0х10 предписывает прочесть значение напряжения пита-ния датчика, то эта команда для всех типов DIS должна быть под номером 0х10. Управляющий процессор систе-мы постоянно запрашивает систему на предмет подключения новых DIS, управляет подключением новых дат-чиков и получает данные от уже под-ключенных DIS.

5. Техническая реализация системы

Следует отметить, что относи-тельно недавно появились микро-контроллеры в миниатюрных корпу-сах, пригодных для использования в цифровых датчиках. Одним из них является микросхема С8051F520-IM производства Silicon Labs. Этот микроконтроллер выполнен в корпу-се QFN10 и имеет габариты 3×3 мм. Микроконтроллер построен на осно-ве ядра 8051 с RISC-архитектурой, имеет 8 Кбайт FLASH ROM команд и данных с возможностью внутриси-стемного программирования (нет необходимости в EEPROM), 256 байт RAM, 12-разрядный АЦП с временем преобразования 5 мкс, встроенный температурный датчик, аппарат-ную реализацию SPI-интерфейса, 3 таймера, монитор питания и WDT. Производительность — до 25 MIPS при тактовой частоте 25 МГц, напря-жение питания 2,7…5,5 В. Этот микро-контроллер может обеспечить боль-шинство вариантов исполнения DIS. При необходимости введения допол-нительного числа портов используют-

ся другие микроконтроллеры, напри-мер С8051F530-IM или С8051F300.

У микроконтроллера ATtiny84 про-изводства Atmel в корпусе QFN20 — примерно те же характеристики, что и у С8051F520-IM: габариты 4×4 мм, 8 Кбайт FLASH ROM, 512 байт EEPROM и 512 байт RAM, 10-разрядный АЦП, аппаратный интерфейс SPI, 2 тай-мера и WDT, монитор питания. Напряжение питания — 1,8…5,5 В. Производительность — 20 MIPS при частоте 20 МГц.

В качестве управляющего контрол-лера системы можно применять любые серийные микроконтроллеры с аппа-ратным SPI-интерфейсом, необходи-мой производительностью и объемом памяти.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВОГО

ДАТЧИКА

Одним из самых простых, с точки зрения технической реализации, является датчик кислорода на основе электрохимического чувствительного элемента O2-A3 компании ALPHASENSE (см. рис. 2).

В таблице 1 представлены техниче-ские характеристики датчика кислоро-да DIS.O2.01.

РЕЖИМ РАБОТЫ SPI-ШИНЫ

ДАТЧИКА

1. Максимальная частота сигнала CLK — 125 кГц.

2. Начальное состояние CLK — 0.3. Считывание бита данных проис-

ходит при переходе сигнала CLK 0 -> 1. 4. При переходе CLK 1 -> 0 происходит

смена данных, появляется новый бит.5. Количество битов в пакете — 8.

Первый бит — старший (MSB — fi rst). 6. Обмен данными с выбранным

DIS начинается при переходе SS 1 -> 0. Первый строб 0 –> 1 сигнала CLK дол-жен появиться не ранее 10 мкс после этого перехода.

7. Обмен заканчивается при пере-ходе SS 0->1.

Схема датчика приведена на рисун-ке 3.

Схема датчика выполнена на осно-ве микроконтроллера ATTINY84-20MU фирмы Atmel в корпусе QFN20 с раз-мерами 4×4 мм. Микросхема имеет 10-разрядный АЦП с дифференци-альными входами и внутренним уси-лителем. Включение датчика по диф-ференциальной схеме удобно с точки зрения использования чувствительных элементов с токовым выходом, т.к. для получения выходного сигнала по напряжению выход датчика шунтирует-ся резистором малой величины (около 100 Ом). Микроконтроллер содержит датчик температуры, точность которо-го невысока (±2°С после калибровки в диапазоне температур –40…80°С),

Таблица 1. Основные технические характеристики датчика кислорода DIS.O2.01

Напряжение питания, В +3 ± 0,3

Потребляемый ток в рабочем режиме, не более, мкА 1500

Потребляемый ток в спящем режиме, не более, мкА 60

Диапазон измерения концентрации кислорода, об. 0…30%

Погрешность преобразования, не более, % 10

Время выхода в рабочий режим, не более, с 60

Рабочий диапазон температуры, °С –30…50

Межповерочный интервал, лет 1

Срок службы, не менее, лет 3

Рис. 2. Датчик кислорода компании ALPHASENSE

ДА

ТЧ

ИК

И

27


но вполне подходит для компенса-ции температурной зависимости чув-ствительного элемента. Также микро-контроллер постоянно отслеживает напряжение питание датчика. Для этого сигнал с делителя R2-R3 подается на вход АЦП ADC2.

Работы, проводимые группой инженеров ФГУП НПП «Дельта», направлены на создание и разви-тие концепции цифровых датчиков с открытым протоколом. Реализация проекта намечена на 2011 г. Все необходимые условия для перехо-

да на цифровой датчик уже созда-ны. Планируется выпуск нескольких типов цифровых датчиков DIS с еди-ным протоколом и форм-фактором, а также программаторов для кали-бровки и записи конфигурации дат-чика.

Рис. 3. Схема датчика DIS.O2.01

28

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В результате рассмотрения параметров и особенностей включения полупроводниковых термочувствительных элементов — NTC-, PTC- и Z-термисторов в статье делается вывод о предпочтительности использования Z-термисторов в промышленных системах управления. В сравнении с широко используемыми сегодня NTC- и PTC-термисторами Z-термисторы позволяют упростить схемы контроля и измерения тем-пературы, повысить их эффективность и надежность, и, соответствен-но, сократить расходы на производство и обслуживание.

СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫКОНСТАНТИН МИРОНОВ, аспирант, лаборатория cенсоров и сенсорных систем, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова (ИПУ РАН)ПОЛИНА МИРОНОВА, ст. инженер, аспирант, лаборатория сенсоров и сенсорных систем, ИПУ РАН .

Приоритетной задачей современ-ных систем управления является кон-троль и измерение температуры. Для решения различных задач при про-ектировании систем управления пред-лагается широкий выбор термочув-ствительных элементов и устройств. В промышленности часто используются термопары или резистивные термо-преобразователи. Они хорошо отве-чают условиям, при которых требу-ется контролировать температуру в широком диапазоне. Однако высокая стоимость, сильная нестабильность (зависимость от влияния внешних фак-торов, не связанных с контролируе-мым параметром), слабый выходной сигнал и некоторые другие недостатки исключают их применение при про-изводстве оборудования, где основ-ными критериями являются быстро-действие, точность, стабильность, а рабочий температурный диапазон составляет –60…150°С.

Для решения подобных задач чаще всего используют полупроводнико-вые термочувствительные элементы, среди которых наибольшее распро-

странение получили NTC- и PTC- тер-мисторы, а наиболее перспектив-ными с точки зрения применения в системах управления являются полу-проводниковые термочувствитель-ные элементы, получившие название Z-термисторов.

NTC-термистор (Negative Tem pe-ra ture Coeffi cient) — полупроводни-ковый термочувствительный элемент с отрицательным температурным коэф фициентом. Это означает, что с ростом температуры происходит паде-ние сопротивления элемента [1, 2]. Зависимость сопротивления от темпе-ратуры и вольтамперная характеристи-ка (ВАХ) NTC-термистора показаны на рисунке 1а, б.

PTC-термистор (Positive Temperature Coeffi cient) — полупроводниковый тер-мочувствительный элемент с положи-тельным температурным коэффициен-том (позистор): с ростом температуры происходит увеличение сопротивле-ния элемента [1, 2]. График зависимости сопротивления от температуры и ВАХ PTC-термистора показаны на рисун-ке 2а, б.

Z-термисторы — полупроводнико-вые термочувствительные элементы, функционально реагирующие на изме-нение температуры и обладающие способностью первичной обработки информации на молекулярном уровне. График зависимости сопротивления от температуры и ВАХ Z-термистора изо-бражены на рисунке 3а, б.

NTC-термисторы в настоящее время в огромных количествах выпускаются многими зарубежными и российскими фирмами и чаще всего применяются в промышленных системах управления, где стоит задача контроля температур в диапазоне: –60…150°С.

Отдельно взятые NTC-термисторы не могут работать в качестве управля-ющих элементов в системах контроля и измерения температуры. Для получе-ния сигнала управления должна быть использована дополнительная схема, преобразующая изменение сопротив-ления NTC-термистора в управляющий сигнал. Наиболее распространенной схемой включения NTC-термистора является мостовая схема, в которой одним из плечей моста сопротивле-

Рис. 2. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика PTC-термистора (б) [7]

Рис. 1. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика NTC-термистора (б)

а) б)

а) б)

30

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 3. График зависимости сопротивления от температуры (а); вольт-амперная характеристика Z-термистора (б) [5]

а) б)

ний является NTC-термистор (см. рис. 4). Мост сбалансирован при заданной температуре. При изменении темпе-ратуры происходит разбаланс моста. После усиления напряжение разба-ланса поступает на триггер Шмитта,

который вырабатывает управляющий сигнал.

Для контроля температуры в про-извольной точке пространства NTC-термистор должен быть вынесен в нее с помощью экранированного прово-да строго определенной длины, что является существенным недостатком, усложняющим схему включения. Это увеличивает стоимость системы и огра-ничивает диапазон ее применения. Точность измерения и контроля темпе-ратуры NTC-термисторами составляет единицы градусов.

PTC-термисторы используются в основном для защиты электродвига-телей. На определенном температур-ном уровне они резко увеличивают свое сопротивление. Применительно к двигателю речь идет о максималь-но допустимой температуре нагрева

Рис. 4. Мостовая схема включения NTC-термистора [6]

обмоток статора для данного класса изоляции. PTC-термисторы соединяют-ся последовательно и подключаются к электронному блоку защиты, который срабатывает на превышение суммарно-го сопротивления цепочки. [1]

Z-термисторы — новый класс полу-проводниковых термочувствительных элементов, принцип работы которых основывается на энергетических про-цессах, происходящих на молекулярном уровне в кристалле и, как следствие, вызывающих изменение сопротивле-ния самого элемента. В отличие от наи-более распространенных в настоящее время NTC-термисторов Z-термисторы не нуждаются в дополнительных элек-тронных схемах, т.к. реализуют функ-цию изменения сопротивления эле-мента на молекулярном уровне, имея на выходе управляющий сигнал доста-точной мощности для дальнейшей его обработки. Несомненным преимуще-ством использования Z-термисторов в системах контроля и измерения темпе-ратуры является гибкость этих систем с возможностью внесения корректи-ровок в измерительный блок (изме-нение длины подводящих проводов, изменение количества Z-термисторов) без изменения блока управления (Z-термисторы не нуждаются в схемах балансировки). Обладая высокой поме-хозащищенностью, Z-термисторы могут быть использованы в блоках контроля и измерения температуры в системах с большими наводками, где до настояще-го времени решение подобных задач было связано с необходимостью экра-нирования не только управляющего блока, но и самого термочувствитель-ного элемента. Точность измерения и контроля температуры Z-термистором составляет сотые доли градуса.

Существует несколько вариантов включения Z-термисторов. Аналоговый и пороговый режимы включения Z-термисторов показаны на рисунке 5. Обычно в качестве источника питания используется источник постоянно-го напряжения Uп, подключаемый в прямом направлении (+ к р-области) через нагрузочный резистор Rн, кото-рый служит для снятия выходного сиг-нала и ограничения тока термистора. Выходной сигнал составляет в среднем несколько вольт, что позволяет подвер-гать его дальнейшей обработке, не при-бегая к схемам усиления сигнала.[4]

Для реализации задачи непре-рывного измерения температуры питающее напряжение выбирается на начальном участке вольт-амперной характеристики, т. е. до Uпор. В свою очередь реализация контроля задан-ного значения температуры (порого-вый режим, термореле) требует выбо-ра значения питающего напряжения непосредственно вблизи Uпор.

Рис. 5. Схема налогового и порогового режимов включения Z-термистора

ДА

ТЧ

ИК

И

31


Рис. 6. Схема частотно-импульсного режима включения Z-термистора [5]

Для реализации работы терми-стора в режиме автогенератора импульсов, частота которых зави-сит от температуры, параллельно Z-термистору подключается емкость (см. рис. 6). При такой схеме включе-ния могут быть также реализованы пороговая функция и функция непре-рывного измерения температуры, но с частотно-импульсным выходным сигналом, что в значительной степени расширяет возможности применения Z-термисторов.

Мы рассмотрели известные полу-проводниковые термочувствительные элементы, их параметры и особенно-сти включения. Сравнение параметров позволяет сделать вывод о технико-экономической целесообразности использования Z-термисторов в срав-нении с широко используемым в насто-ящее время NTC- и PTC-термисторами. Это позволит упростить существующие схемы контроля и измерения темпе-

ратуры, повысить их эффективность и надежность и, следовательно, сокра-тить расходы на производство и обслу-живание готовых систем.

ЛИТЕРАТУРА1. Термочувствительное защитное

устройство-термистор//www.meandr.ru, http://www.meandr.ru/products/pcrelay/ptc.html

2. Классификация электронных систем и их элементов//www.promti.ru, http://www.promti.ru/prom/023/92/index.html

3. Зотов В. Z-термисторы — новый класс температурных сенсоров//Chip News, №1, 1999.

4. Зотов В. Полупроводниковые много-функциональные сенсоры широкого приме-нения (z-сенсоры)//Chip News , №4, 1998.

5. Зотов В., Кравченко А., Миронова П. Z-термисторы в режиме генератора импульсов//Chip News , №1, 2001.

6. NTC temperature sensors//Philips. Electronic components and materials, 1985.

7. Шифтель И., Текстер-Проскурякова Г., Лейкина Б. Позисторы//Радио, №3, 1971.

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

| КОМПАНИЯ AUSTRIAMICROSYSTEMS ПРЕДСТАВИЛА ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА AS1310

СО СВЕРХНИЗКИМ ТОКОМ СОБСТВЕННОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ | Устройство предназначено для работы с небольшими нагрузка-

ми (60 мА) и имеет высокий КПД, до 92%. Высокая эффективность работы (85%) сохраняется даже при очень малых нагрузках,

порядка 100 мкА, что позволяет значительно увеличить срок службы батареи.

Диапазон входного напряжении питания: 0,7…3,6 В. Выходное напряжение лежит в диапазоне 1,8…3,3 В.

www.elcomdesign.ru

32

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Датчик температуры является составной частью любой промышлен-ной системы контроля. В статье описывается, как создать систему пре-цизионного измерения температуры с помощью термодатчиков, диодов, термисторов и термопар. Мы обсудим, на что следует обратить внима-ние, проектируя такую систему.

ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ САЧИН ГУПТА (SACHIN GUPTA), УМАНАТ КАМАТ (UMANATH KAMATH),инженеры по применению, Cypress Semiconductors .

Прежде всего, для реализации возможности эффективного и точно-го измерения температуры следует выбрать правильные датчики, а также схемы формирования сигнала и его оцифровки. Прежде чем перейти к рас-смотрению системы измерения темпе-ратуры, давайте рассмотрим преиму-щества и недостатки каждого из часто употребляемых температурных датчи-ков.

ТЕРМОПАРЫ

Для измерения температуры с помо-щью термопары используются два про-водника из разнородных материалов, соединенных на одном конце и обра-зующих часть устройства. В результа-те разных температур между точкой соединения (горячим спаем) и другими точками (холодным спаем) возникает ЭДС, которую можно измерить с помо-щью соответствующей цепи. На рисун-ке 1 показана схема термопары.

Фактическое напряжение, генери-руемое термопарой, зависит от тем-пературы и типа металлов, входящих в состав этого устройства. Диапазоны чувствительности и рабочей темпе-ратуры термопары также зависят от сплавов, которые классифицируются следующим образом: тип В (платина/родий), тип J (железо/константан) и тип К (хромель/алюмель). Тип термопары выбирается с учетом требований кон-кретного приложения.

К основным преимуществам термо-пары относятся ее прочность, широ-кий диапазон рабочей температуры

Рис. 1. Исходная схема термопары Рис. 2. Блок-схема системы измерения температуры

(–270…3 000°С), быстрое срабатывание, исполнение в нескольких типах корпу-сов и низкая стоимость. К числу недо-статков можно отнести невысокую точ-ность и большой шум.

ТЕРМОДАТЧИКИ

Работа термодатчика основана на принципе изменения электрического сопротивления металла при изменении его температуры. Каждый металл одно-значно характеризуется собственным удельным сопротивлением, которое прямо пропорционально длине про-водника и обратно пропорционально поперечной площади его сечения.

Выбор металла для создания тер-модатчика определяет точность измерения температуры. В термодат-чиках используются платина, никель или медь, причем с помощью плати-ны достигаются наиболее точные и надежные измерения. Изготовленные из нее датчики также менее воспри-имчивы загрязнению окружающей среды, что влияет на их стабильность и воспроизводимость измерений. Широкий температурный диапазон (–250…900°С), высокая точность и линейная характеристика — глав-ные преимущества термодатчиков. К числу их ограничений можно отнести высокую стоимость и медленное сра-батывание.

ТЕРМИСТОРЫ

Как и термодатчики, термисторы работают по тому же принципу изме-нения сопротивления с температурой. Однако у термисторов, как правило, отрицательный температурный коэф-фициент. Основным преимуществом термисторов является их низкая стои-мость и достаточно хорошая точность, а недостатком — небольшой темпе-ратурный диапазон и нелинейность. Однако учитывая, что многие совре-менные микроконтроллеры оснащены встроенной флэш-памятью, для частич-ной компенсации этого недостатка используется справочная таблица. При измерении температуры в диапазоне –100…300°С термисторы обеспечивают надежные и точные показания.

СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Во всех системах контроля темпе-ратуры датчик преобразует ее в элек-трический сигнал, который затем фор-мируется и поступает в АЦП. Системе также требуются внешние устройства связи для интерфейса с другими систе-мами и обеспечения обратной связи, а также встроенная флэш-память для регистрации полученных значений и дисплей. На рисунке 2 представлена базовая блок-схема системы измере-ния температуры.

ДА

ТЧ

ИК

И

33


Рис. 3. Измерительная система с использованием термопары

Рис. 4. Два разных способа подключения вывода «–»

Несмотря на то, что на рисунке 2 сигнал подвергается обработке перед АЦП, может понадобиться его после-дующая обработка в зависимости от того, какая система — аналоговая или цифровая. Суммарная точность зави-сит от шума, напряжения смещения и отклонения коэффициента усиления от идеального значения из-за цепи пред-варительной обработки сигнала и АЦП. В системах промышленной автоматиза-ции используется сбор данных о темпе-ратуре с удаленных узлов в реальном времени. Эти системы поддерживают протоколы последовательной связи UART и I2C для передачи данных в глав-ный контроллер.

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ

ТЕРМОПАРЫ

Термопары наиболее широко при-меняются в системах промышленной автоматизации за счет очень большо-го диапазона рабочих температур. При этом предполагается, что температура холодного спая в точности равна 0°С. Однако в реальных приложениях такая температура недостижима. Для точно-го измерения требуется метод компен-сации холодного спая.

В этом методе система для точного измерения температуры оснащается дополнительным термодатчиком, кото-рый устанавливается на точку холодно-го спая. Наиболее часто применяемым датчиком в таких случаях является тер-мистор, т.к. у него низкая стоимость и достаточно широкий диапазон рабочих температур. Для измерения напряже-ния с помощью этого метода прежде всего определяется температура холод-ного спая, а затем — ЭДС термопары. Суммарная величина ЭДС и напряже-ния холодного спая определяет соот-ветствующую искомую температуру.

По той причине, что ЭДС термопа-ры составляет всего несколько микро-вольт, измерения с ее помощью чув-ствительны к шуму. Кроме того, прежде чем сигнал поступит в АЦП, его необхо-димо усилить, за счет чего возникают шум и напряжение смещения. Чтобы устранить НЧ-шум и смещение на этапе формирования сигнала, в прецизион-ном измерении используется метод коррелированной двойной дискретиза-ции (Correlated Double Sampling, CDS).

АЦП работает как НЧ-фильтр, отсе-кая ВЧ-шум. Однако фильтр с бесконеч-ной импульсной характеристикой (БИХ) на выходе АЦП позволит далее осла-бить шум в полосе пропускания АЦП. Предлагаемые на рынке контроллеры смешанного сигнала оснащены цифро-выми фильтрами, которые выполняют фильтрацию аппаратными, а не про-граммными методами и не требуют поддержки ЦП. На рисунке 3 показана схема системы контроля температуры

на основе термопары с использованием устройств PSoC3 и PSoC5 от компании Cypress Semiconductors. Эти устройства оснащены встроенным 20-разрядным АЦП DelSig, буфером с программируе-мым усилением и блоком цифрового фильтра (DFB). Данная измерительная система обладает высокой степенью интеграции, однако ей может понадо-биться дополнительный каскад усиле-ния на основе имеющейся в схеме тер-мопары. Эта функция обеспечивается инструментальным усилителем, кото-рый реализуется с помощью встроен-ных усилителей с программируемым усилением (PGA).

ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОГО

КОНТРОЛЯ

В системе (см. рис. 3) аналого-вые мультиплексоры AMuxCDS и AMuxCDS_1 используются для пере-ключения положительного входа АЦП между отрицательным и положитель-ным выводами выходного сигнала датчика для реализации метода CDS. Возникает вопрос, как установить ноль шкалы для обеих цепей датчи-ка, если используется один и тот же АЦП. У термистора и термопары раз-ные диапазоны рабочего напряжения и, следовательно, им требуется разное усиление. АЦП в устройствах PSoC3 и PSoC5 имеет несколько конфигураций, которые можно изменять в процессе эксплуатации. При разных параметрах усиления смещение разное. Требуется, чтобы метод CDS был реализован для обеих цепей датчика, чтобы устранить

смещение во всей цепочке аналогового сигнала. Мультиплексор AMux исполь-зуется для выбора датчика между тер-мопарой и термистором. DMA считы-вает значение АЦП и записывает его в блок цифровой фильтрации (DFB) для последующей фильтрации шума.

ТЕРМОДАТЧИКИ И ТЕРМИСТОРЫ

Измерение температуры с помощью термодатчика и термистора требу-ет измерения сопротивления, способ которого определяет точность систе-мы. Для прецизионного измерения сигнала необходимо использовать дифференциальные входы, которые устраняют синфазный шум и обеспе-чивают чувствительность порядка мкВ (несимметричные входы позволяют добиться чувствительности величиной в несколько мВ). Рассмотрим два спосо-ба подключения вывода «–» АЦП в диф-ференциальном режиме (см. рис. 4).

Схема, показанная в правой части рисунка 4, лучше схемы слева. Сигнал на вывод «–» в правой схеме непосред-ственно подается с резисторного дели-теля. Цепь справа уменьшает шум в измеренном сигнале и ошибки, связан-ные с определенным сопротивлением проводников платы и проводов.

Система измерения температуры на основе термистора представля-ет собой расширенную комбинацию схем, представленных на рисунках 3 и 4. Рассмотрим измерительную систе-му с использованием термодатчика. Падение напряжения на нем измеря-ется, что и на термисторе, тем же спо-собом, известном под названием двух-

34

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 6. Измерительная система на основе Rтд

проводного метода. Если термодатчик и измерительная система соединены с помощью достаточно длинного кабеля, его сопротивление становится главным источником ошибки измерения. Она возникает в том случае, если в каче-стве схемы возбуждения применяет-ся источник напряжения. На рисунке 5 показана разница между методами 2- и 4-проводного измерения.

В 2-проводной схеме сопротивле-ние термодатчика (Rтд) измеряется в соответствии с уравнением (1). Однако видно, что существует и другое сопро-тивление — Rпр, которое приводит к ошибке измерений:

Rтд = (Rоп + Rпр)∙(V2 – V1)/(V – V2) (1)

С другой стороны, сопротивле-ние Rтд в 4-проводной схеме изме-рения определяется уравнением (2). Поскольку у измерительной системы очень высокий входной импеданс, по ней не протекает ток и потому нали-чие последовательных сопротивлений между каскадами резисторного дели-теля и измерительной системой никак не сказывается на точности измерений. Уравнение (2) получается путем при-равнивания тока, протекающего через Rоп и сопротивление Rтд:

Rтд = Rоп ∙ (V2 – V1)/(V4 – V3) (2)

Исходя из этих уравнений, можно сделать вывод, что точность изме-рений зависит от точности измере-ния Rоп. Чтобы решить эту проблему, термодатчики возбуждаются с помо-щью источника постоянного тока, а не напряжения. При этом падение напряжения на Rтд зависит только от его сопротивления и величины постоянного тока. Однако точность измерений с использованием источ-ника постоянного тока зависит от его точности. Для прецизионных измере-ний ток ЦАП должен быть откалибро-ван. На рисунке 6 показана возмож-ная схема измерительной системы на основе термодатчика и устройств PSoC3 и PSoC5. Эти устройства имеют встроенный источник тока, который устраняет необходимость в другой аналоговой цепи на базе операци-онного усилителя. Кроме того, эти устройства имеют встроенную цепь, с

Рис. 5. Схемы 2- и 4-проводного соединения

помощью которой выполняется кали-бровка IDAC.

ВЫВОДЫ

Для построения прецизионных систем измерения температуры необ-ходимо учесть следующие соображе-ния.

1. Каждое конкретное приложение диктует использование определенного датчика.

2. Метод коррелированной двойной дискретизации позволяет выполнить точные измерения с помощью датчика и избежать ошибок путем устранения НЧ-шума.

3. В системах на основе термопа-ры для устранения шума используются фильтры.

4. Схема возбуждения током позво-ляет повысить точность системы, устранив из цепи неточно измеренное сопротивление Rоп.

5. При использовании источника напряжения в качестве схемы возбуж-дения необходима 4-проводная систе-ма измерений.

6. Суммарная точность системы определяется точностью и разрешени-ем цепи сигнала. По этим причинам рекомендуется использовать дельта-сигма АЦП высокой точности и разре-шения.

7. Для того чтобы при изменении требованиям к проекту не происходи-ло ухудшение точности измерений, рекомендуется использовать комплект базовых схем обработки смешанных сигналов.

Блок измерения температуры явля-ется важной частью многих промыш-ленных или встраиваемых систем. Мы обсудили вопросы прецизионного измерения и методы повышения точ-ности, которые в равной мере можно применять и в других интерфейсах дат-чиковых цепей.

ЛИТЕРАТУРА 1. w w w . e e t i m e s . c o m / d e s i g n /

industrial-control/4209829/Using-precision-temperature-sensing-in-industrial-monitoring-systems?cid=NL_IndustrialControl&Ecosystem=industrial-control.


| КОМПАНИЯ МAXIM INTEGRATED PRODUCTS ВЫПУСТИЛА АВТОМОБИЛЬНЫЕ СИНХРОННЫЕ ПОНИЖАЮЩИЕ ПРЕОБРА-

ЗОВАТЕЛИ MAX16903/MAX16904 МОЩНОСТЬЮ 1 А И 600 мА СООТВЕТСТВЕНН | На холостом ходу устройства потребляют

25 мкА.

Частота MAX16903/MAX16904 составляет 2,1 МГц, входное напряжение изменяется в диапазоне 3,5…28 В, выходное

напряжение может принимать два фиксированных значения: 3,3 и 5 В. Микросхемы выдерживают кратковременные скачки

входного напряжения до 42 В и рассчитаны на работу при температурах –40…125°C.

Преобразователи соответствуют стандарту AEC-Q100 и поставляются в 10-выводных корпусах TDFN-EP или 16-вывод ных

TSSOP-EP.

www.elcomdesign.ru

ДА

ТЧ

ИК

И

37


Контроль потребления мощности становится ключевым фактором в управлении электросетями как в промышленном, так и в коммерческом секторах (промышленных зданиях, информационных центрах, пищевой про-мышленности, предприятиях торговли, медицинских и образовательных учреждениях). В статье подробно рассказывается о достигнутых преиму-ществах датчиков на основе катушек Роговского, которые по комплексу параметров могут успешно конкурировать с лучшими токовыми транс-форматорными датчиками в секторе измерения электрической энергии.

НОВЫЙ КЛАСС ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ КАТУШЕК РОГОВСКОГОПЬЕР ТЮРПЕН (PIERRE TURPIN), менеджер проектов Energy & Automation, LEM

Поначалу при разработке серии дат-чиков на основе катушек Роговского казалось, что требуемый диапазон измерения токов не превышает 100 A. Однако вскоре выяснилось, что этого недостаточно для сектора промыш-ленных сетей, где в процессе монито-ринга в исходных узлах сети требует-ся диапазон до 2000 A. Компания LEM разработала серию датчиков тока RT, учитывающих специфику данного при-менения и обеспечивающих такую же гибкость при монтаже, что и датчики тока на базе трансформаторов с разъ-емным сердечником. Кроме того, дат-чики серии RT обеспечивают точность измерений для оборудования класса 1, необходимую для сектора приложе-ний с измерением токов среднего диа-пазона. Традиционные индуктивные трансформаторы тока и напряжения с ферромагнитным сердечником имеют определенные недостатки, вызванные самой природой таких трансформато-ров: насыщение, гистерезис, резонанс, остаточное намагничивание.

Катушка Роговского (Rogowski coil) является лучшим выбором при создании измерительных систем в электрических сетях, поскольку обеспечивает простоту применения для большинства базовых измерительных схем и отвечает всем требованиям как по диапазону изме-рения, так и по точности. Известные до недавнего времени конструкции датчи-ков на базе катушек Роговского имели недостаточную точность виду чувстви-тельности к положению токовой петли относительно оси проводника.

ОТ ТЕОРИИ — К ПРАКТИКЕ

Конструкция и принцип работы катушки Роговского были впервые опи-саны в [1]. Катушка Роговского — это тороидальная катушка, расположен-ная вокруг первичного провода точно так, как вторичная обмотка в обыч-ном трансформаторе тока, но только

Рис. 1. Структура измерителя тока на базе катушек Роговского

без ферромагнитного сердечника (см. рис. 1).

Напряжение сигнала на выходе датчи-ка пропорционально производной тока:

U = M∙di/dt,

где M — взаимная индуктивность между проводником тока и катушкой.

Значение тока можно вычислить или получить аппаратно с помощью анало-гового интегратора.

Вся трудность при использовании данного метода измерения заключа-ется в обеспечении достаточной точ-ности, поскольку вычисление основано на предположении абсолютной симме-трии положения катушки относитель-но проводника с измеряемым током и идеальности геометрии самой катушки. Только при выполнении этих условий индуктивность M сохраняется постоян-ной. Однако на практике это недости-жимо. Проиллюстрируем данный вывод, рассмотрев три фактора, влияющих на однородность индуктивности катушки.

Плотность витков. Намотка катушки должна быть регулярной и однородной по всей длине. Витки, не эквидистант-ные по отношению к проводнику изме-ряемого тока, создают асимметрию, приводя к изменению коэффициента индуктивности M относительно прово-дника. Фактически это приводит к ошиб-ке измерения в зависимости от положе-ния катушки относительно измеряемой силовой шины или кабеля. Ошибка боль-ше, чем ближе катушка к кабелю.

Сечение катушки. Та же ситуация, что и с плотностью витков. Если сече-ние неоднородно вдоль длины катуш-ки, окружающей проводник, индуктив-ность M не является постоянной, что приводит к ошибке измерения.

Защелка катушки. Главное преиму-щество гибкой катушки Роговского состоит в том, что она обеспечивает бесконтактное измерение тока, но при

этом внутри нее присутствует про-водник обратного тока. Разрыв одно-родности плотности витков катушки в месте защелки является главным источ-ником асимметрии. Ошибка измерения вследствие этой неидеальности катуш-ки является наибольшей из всех рас-смотренных.

РЕАЛЬНЫЕ ЦИФРЫ

До настоящего времени датчики на основе катушек Роговского обеспечи-вали погрешность измерения в зави-симости от позиционирования прово-дника внутри петли не лучше 2%. На практике довольно часто возникают сложности с размещением проводни-ка точно по центру петли. При смеще-нии проводника в область замка петли погрешность может достигать 6%. По этой причине легко понять, почему производители измерительного обо-рудования для электрической энергии стараются избежать использования датчиков этого типа.

Однако компания LEM доказала жизнеспособность этой технологии для измерения энергии. В настоя-щее время точность датчиков стала в большей степени зависеть от качества намотки самих катушек, а погрешность, обусловленная несимметричностью их обмотки, может быть менее 0,75%. Для того чтобы использовать датчик в измерителе энергии класса 1, требует-ся обеспечить суммарную погрешность лучше, чем 1%, включая погрешность

38

ДА

ТЧ

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

токового датчика, датчика напряжения и погрешность обработки данных.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Главной проблемой токового датчика на основе катушки Роговского является ошибка, связанная с несовершенством замка замыкания измерительной петли. Неоднократно предпринимались попыт-ки решить эту проблему на основе элек-трической или механической концеп-ций, однако успех был незначительным.

Благодаря изучению магнитных явлений в системе «катушка-про вод-ник» удалось разработать простое и эффективное решение — соединитель-ную муфту для измерительной петли из ферромагнитного материала (см. рис. 2). С одной стороны, она обеспе-чивает электрическое соединение вто-ричных обмоток датчика, а с другой, позволяет создать внутреннюю зону вокруг катушки магнитно невидимой, и таким образом маскировать неод-нородность индуктивности в области защелки петли. Муфта работает как маг-нитная перемычка (или, точнее, как маг-нитное сопротивление), «виртуально» соединяя две секции обмоток, нахо-дящихся на разных сторонах защел-киваемой токовой петли. Этот подход привел к успеху — ошибка, связанная с локальным разрывом в токовой петле датчика, стала ничтожно мала.

СКРЫТАЯ ПРОБЛЕМА

Погрешность, связанная с конструк-цией замка катушки измерительной системы скрывала другие проявления асимметрии датчика. Когда главная проблема с контактным замком для катушек Роговского была решена, поя-вились и стали заметны проблемы дру-гого порядка, которые несколько омра-чили успех использования магнитной муфты. Специалисты LEM продолжили работу по совершенствованию датчика тока, разработав спустя два года техно-логию и оборудование, которые значи-тельно уменьшили ошибку, связанную с асимметричностью конструкции. Во многом это стало возможным благода-ря реализации непрерывности и одно-родности секций катушек на всей про-тяженности измерительной петли.

Сегодня ошибка за счет асимметрии позиционирования катушки относи-

тельно проводника составляет макси-мум 0,65% (для проводника с диаме-тром жилы 15 мм независимо от его расположения, даже если он находится непосредственно у защелки катушки).

РАБОТА В ЖЕСТКИХ УСЛОВИЯХ

ЭКСПЛУАТАЦИИ

Характеристики катушки Роговского определяются в основном ошибкой, связанной с позиционированием про-водника внутри измерительной петли датчика. Кроме того, хороший датчик не должен быть чувствителен к влиянию токов от других проводников, располо-женных вне измерительного контура. Как правило, при корректной конструк-ции петли оба эти параметра в равной мере хороши и, наоборот, при неудач-ной конструкции токовой петли датчика происходят большие ошибки, связанные с позиционированием проводника вну-три петли датчика и чувствительностью к помехам. Это обстоятельство является следствием теоремы Ампера, в соответ-ствии с которой любые ошибки, вызван-ные асимметрией конструкции, одина-ково проявляются как внутри токовой петли, так и вне ее.

Например, проводник с током в 100 A, находящийся внутри токовой петли катушки Роговского в непо-средственной близости от оболочки петли, вызовет индуцированную ошиб-ку при измерении на уровне 0,5%. Следовательно, измеренное значение составит 100,5 A. Тот же проводник, рас-положенный вне охвата петлей, также вызовет ошибку сигнала на 0,5 A, но этот сигнал добавится к измеренному значению тока, который протекает по проводнику внутри петли.

ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ

Точность измерения токового дат-чика на основе катушки Роговского невысока т.к. коэффициент передачи, определяемый, в основном, значени-ем индуктивности M, зависит от физи-ческих параметров, которые трудно контролировать при массовом произ-водстве.

В настоящее время технологиче-ский разброс параметров катушки Роговского составляет 2—5% в зависи-мости от технологии.

Производить данный тип датчика с меньшим разбросом коэффициента передачи нереально. Для большей точ-ности потребуются намоточные станки, в которых шаг витков контролируется с точностью до нескольких микронов. Это сильно усложнит технологию и скажет-ся на цене датчика. Для более высокой точности следует выполнить калибров-ку датчика, используя активную или пассивную схемы. С другой стороны, калибровка гарантирует высокую ста-бильность параметров датчика, в част-

ности, по отношению к температуре, и позволяет предотвратить сдвиг уровня выходного сигнала датчика. При изме-нении температурных условий может проводиться перекалибровка и ком-пенсация сдвига сигнала. Например, датчики LEM серии RT обеспечивают температурную стабильность во всем рабочем диапазоне измерения на уров-не 30 ppm/°C.

НАСЫЩЕНИЕ ДАТЧИКА

Одним из частых вопросов, связан-ных с проектированием измеритель-ных систем, является вопрос о возмож-ности насыщения датчика на границе допустимого диапазона токов. В случае с датчиками на базе катушек Роговского насыщение теоретически недостижимо, поскольку в их конструкции нет фер-ромагнитных сердечников. На практи-ке диапазон измерения определяется диаметром измерительной петли дат-чика и номинальным значением тока в цепи измерения. В отдельных случаях при наличии импульсных сигналов с большой крутизной может происхо-дить ограничение амплитуды сигнала на катушке датчика.

ЛИНЕЙНОСТЬ

Наряду с точностью важна также линейность измерений. Датчик на основе катушек Роговского не имеет нелинейных элементов в своей кон-струкции, поэтому линейность измеря-емых сигналов гарантирована во всем диапазоне. Если факты нелинейности все же обнаруживаются, следует разо-браться, насколько подходящий метод измерения используется. В некоторых случаях вместо катушки Роговского следует выбрать для измерений другой тип датчика.

ФАЗОВЫЙ СДВИГ

Фазовый сдвиг выходного сигнала является очень важным параметром при измерении энергии, которая вычис-ляется на основе измеренных значений тока и напряжения. Катушка Роговского в этом отношении является идеальным решением и не дает дополнительных фазовых сдвигов. Однако следует учесть фазовый сдвиг, который может произой-ти в цепи интегратора при усилении и нормировке сигнала. Фазовый сдвиг равен нулю при разомкнутой петле измерения, но как только она перехо-дит в активный режим, интегратор вно-сит фазовый сдвиг. Однако эту ошибку можно легко компенсировать с помо-щью соответствующих вычислений или симуляцией эквивалентной RLC-цепи.

ВЫБОР, СДЕЛАННЫЙ LEM

В настоящее время датчики на осно-ве катушек Роговского по комплексу параметров могут успешно конкури-

Рис. 2. Конструкция защелки токовой петли датчи-ка типа «магнитная муфта»

ДА

ТЧ

ИК

И

39


ровать с лучшими токовыми транс-форматорными датчиками в секторе измерения электрической энергии. Их преимущества — высокие токи, деше-визна, малые размеры, вес, гибкость и легкость монтажа — могут стать определящими для ряда приложений. Поперечное сечение токовой петли датчиков LEM составляет всего 5 мм. Относительно объектов измерения можно сказать, что датчик имеет уни-версальные размеры.

Размеры запатентованной конструк-ции защелки токовой петли датчика также очень малы (всего 28×30×16 мм) и обеспечивают надежное соединение петли коаксиального сигнального кабе-ля. Для передачи сигнала был выбран коаксиальный кабель, соответствую-щий низкому профилю поперечного сечения катушки. Для обеспечения вре-менной и температурной стабильности параметров катушка RT заключена в полиуретановую оболочку.

ИНТЕГРАТОР ДЛЯ КАТУШКИ

РОГОВСКОГО

Катушка Роговского обеспечивает напряжение, пропорциональное произ-водной по изменению тока в проводни-ке. Следовательно, для преобразования полученного сигнала в сигнал, пропор-циональный измеряемому току, необ-ходим интегратор. Он является важным компонентом в системе измерения тока на основе катушки Роговского.

Интегратор определяет коэффициент передачи. От его свойств зависят линей-ность, фазовый сдвиг и полоса рабочих частот. Недостаток интегратора с вари-антами возможных решений заключа-ется в очень низком уровне входного сигнала — 20 мВ/кА для датчиков LEM серии RT. Для решения этой пробле-мы рекомендуется использовать мало-шумящие операционные усилители и минимизировать площадь печатной платы с элементами интегратора, чтобы снизить чувствительность к наводкам паразитных сигналов внешних полей. Для формирования полосы пропускания измерительного тракта датчика долж-ны использоваться два типа частотных фильтров: высоких и низких частот.

КАЛИБРОВКА: АКТИВНАЯ

ПОДСТРОЙКА КОЭФФИЦИЕНТА

УСИЛЕНИЯ

Коэффициент передачи катушки Роговского определяется конструкци-ей и не может быть точным из-за несо-вершенства технологического процес-са. Поэтому, чтобы точно подстроить коэффициент передачи, необходимо проведение калибровки по отношению к опорному сигналу. Инженеры исполь-зуют в основном каскад аналогового интегратора, в котором в цепи регули-ровки имеется подстроечный резистор. Лучшим решением является цифровая калибровка, которая реализуется на основе микроконтроллера в комбина-

ции с усилителем с программируемым коэффициентом усиления или цифро-вым потенциометром.

КАЛИБРОВКА: ПАССИВНАЯ

ПОДСТРОЙКА УСИЛЕНИЯ

Исторически катушка Роговского использовалась для измерения средне-квадратичных значений тока без фазо-вых ограничений. Большинство реше-ний для калибровки датчика основано на использовании простых резистив-ных или резистивно-емкостных схем. Достоинство метода измерения — про-стота и экономичность. К сожалению, метод не подходит для измерения мощ-ности из-за большого фазового сдвига, который может зависеть и от частоты измерения, если используется RC-схема. При разработке нового датчика на катуш-ках Роговского компания LEM предло-жила базовый продукт, исходя из того, что технология интегратора, выбранного разработчиками измерительной систе-мы, обеспечит оптимальные параметры, а сам метод хорошо известен. В резуль-тате было принято решение не калибро-вать датчики тока семейства RT на самом производстве. В состав датчика не входит каких-либо дополнительных электрон-ных компонентов или крепежных при-способлений.

ЛИТЕРАТУРА1. Die Messung der magnetischen Span-

nung//Archiv für Elektrotechnik. 1912.

40

WWW.ELCOMDESIGN.RU

НО

ВО

СТ

И

НОВЫЕ ДАТЧИКИ

| МОНОЛИТНЫЕ И ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СИГНАЛА | Компания Metallux SA,

(Мендризио, Швейцария) в рамках расширения своей программы выпуска пьезорезистивных датчиков давления представ-

ляет новую разработку. Теперь предлагаются монолитные и пьезорезистивные датчики давления со встроенной схемой

преобразования сигнала. Кроме хорошо известных преимуществ керамических датчиков давления, это обеспечивает также

более высокий уровень интеграции обычного оборудования.

Конструкция датчика

В основе нового семейства лежат широко известные серии безфланцевых и монолитных датчиков: ME501/505 и ME662.

Характеристики этих датчиков были оптимизированы. Для плат дополнительного преобразования сигнала использована

трафаретная печать. Настройка датчиков теперь производится с помощью обрезки проводников, а не резисторов. Был

усовершенствован процесс сборки и распайки выводов датчиков. Датчики серий ME75x и ME77x выпускаются для изме-

рения относительного и абсолютного давления. Преобразование сигнала осуществляется на печатной плате посред-

ством 4-выводных рамок, припаянных к чувствительному элементу. В датчиках реализована электронная калибровка

по давлению и температуре с помощью встроенной специализированной ИС. Этот новый подход обеспечивает более

высокую точность и стабильность параметров.

Серии датчиков

Серия ME77x (см. рис. 1 и 2) построена на базе датчиков ME501/505 и подходит для измерения относительного, абсо-

лютного и избыточного давления. Серия ME75x (см. рис. 1 и 3) построена на базе ME662. Обе серии датчиков предлага-

ются с тремя различными типами выходного сигнала.

Для 3-проводного датчика с изменяющимся напряжением предусмотрены два выхода:

Аналоговый логометрический выход 0,5…4,5 ВDC; Аналоговый выход 0,5…4,5 ВDC.

Для 2-проводного датчика с изменяющимся током предусмотрен

Аналоговый выход 4…20 мА.

Рис. 1. Серия датчиков давления

Рис. 3. Датчики давления ME750-751-752Рис. 2. Датчики давления ME770-771-772

Электронный блок датчиков испытан на электро-

магнитную совместимость и соответствует стандарту

EN61000-4-6. Логометрической выход позволяет произ-

водить проверку полярности и обеспечивает защиту от

перенапряжения.

Особенности и преимущества датчиков

Стабильность параметров: не менее 0,2% от полной шкалы в год.

Точность: не менее 1% от полной шкалы. Температурная компенсация. Электромагнитная совместимость (в стальном кор-

пусе).

Возможность работы в агрессивной среде. Автоконтроль. Калибровка по индивидуальному заказу. Высокая линейность и малая величина гисте ре-

зиса.

ЭН

ЕР

ГОС

БЕ

РЕ

ЖЕ

НИ

Е И

УЧ

ЕТ

РАС

ХО

ДА

РЕ

СУ

РС

ОВ

41


Почему так много внимания уделяется электрическим счетчикам со стороны компаний, производящих оборудование и программное обеспе-чение? Ответ простой — производство этих устройств сулит большие прибыли. Чтобы стать участником грядущих революционных перемен в области интеллектуальных электросчетчиков, требуются некоторые базовые познания в этой обалсти. В статье рассматриваются требова-ния к дизайну современных стандартных счетчиков, а также перспекти-вы их совершенствования.

РАЗРАБОТКА ТИПОВОГО СЧЕТЧИКА ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СУНИЛ МАХЕШВАРИ (SUNIL MAHESHWARI), инженер-разработчик, Freescale Semiconductor

Компании всего мира привлекают огромные возможности, таящиеся в области электросетей, по двум основ-ным причинам. Во-первых, комму-нальные предприятия США и Европы приступают к замене существующих 45% счетчиков, которая должна завер-шиться к 2015 г. Во-вторых, имеется огромный спрос на счетчики, связан-ный с увеличением числа потребите-лей, а также с ростом промышленно-сти в таких развивающихся странах как Китай, Индия, Бразилия и т.д.

Согласно оценке [1], за период 2010—2015 гг. объем поставок интеллек-туальных счетчиков составит 200 млн шт., что в денежном выражении экви-валентно 19,5 млрд долл. На рисунке 1, заимствованном из другого источника, дается почти та же оценка этой потреб-ности.

В статье описывается архитектура системы на кристалле (СнК) типового

счетчика, которая, во-первых, предна-значена для измерения потребляемой энергии, защиты от кражи электроэ-нергии, хронометрирования, отобра-жения и передачи считанных данных, а, во-вторых, является основой построе-ния будущих схем.

Возможности и модули, которые обсуждаются в данной статье, опреде-ляют лишь начальный этап создания измерительной СнК. Такие перифе-рийные устройства как USB, Ethernet и т.д. прокладывают путь следующему поколению измерительных СнК, или т.н. интеллектуальных счетчиков. В настоя-щее время счетчик выполняет не толь-ко функции измерения, защиты и пр., но и многие другие задачи, например, вза-имодействие с потребителем с помо-щью сенсорного дисплея, уведомляя о количестве потребленной энергии. Счетчики также контролируют многие домашние или офисные приложения,

учитывая потребление каждого из них. Потребитель имеет возможность

управлять бытовой техникой по сети Ethernet. Так, находясь вне дома, можно включить, например, отопление за некоторое время до своего возвраще-ния домой.

Технология автоматизации считы-вания показаний счетчиков проходит долгий путь развития. В настоящее время у пользователей появилась возможность устанавливать счетчики предварительной оплаты, считывать показания с помощью приемников IR/ZigBee, Ethernet или GPRS. Технология умных электросетей (Smart Grid) позволит применять счетчики для передачи данных, обнаружения оши-бок и т.д.

Можно считать, что современные схемы счетчиков станут основой новых приложений интеллектуального учета расхода ресурсов.

Рис. 1. Рост рынка счетчиков за период 2008—2012 гг. (Источник: ABS Energy Research [2])

42

ЭН

ЕР

ГОС

БЕ

РЕ

ЖЕ

НИ

Е и

УЧ

ЕТ

РАС

ХО

ДА

РЕ

СУ

РС

ОВ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Все указанные функции счетчика можно реализовать с помощью сле-дующих составных блоков, показанных на рисунке 2:

1) внешнего аналогового интер-фейса для измерения тока, напряже-ния (для счетчика электроэнергии) или тепла (для тепломера) или, возможно, выходного сигнала с аналоговых датчи-ков (для газомеров);

2) измерительного блока, в который поступает сигнал с датчиков расхода жидкости или газа;

3) защиты от кражи электроэнергии;4) часов реального времени для

хронометража;5) периферийных устройств для

внешней связи с трансиверами ZigBee, РЧ-трансиверами или другими СнК;

6) ядра для обработки данных и других задач;

7) памяти для хранения показаний счетчика, времени кражи и т.д.

Рассмотрим подробнее каждый из этих блоков.

ВНЕШНИЙ АНАЛОГОВЫЙ

ИНТЕРФЕЙС

Счетчики электроэнергии измеря-ют входное напряжение, ток всех трех фаз и ток нейтрали для установления величины потребления. Эти значения

измеряются с помощью современных трансформаторов и датчиков.

Все эти показатели поступают в ана-логовый интерфейсный блок, состоя-щий из усилителя с программируемым коэффициентом усиления (УПКУ) (кото-рый может находиться и вне СнК), филь-тров и АЦП (см. рис. 3). В УПКУ поступают необработанные данные с трансфор-маторов тока или датчиков, которые, в свою очередь, далее отправляются в АЦП после мультиплексирования.

Мультиплексор может и не входить в состав АЦП, которые измеряют указан-ные величины и передают результаты ядру. Следует заметить, что в ряде слу-чаев выходные сигналы трансформа-торов тока и датчиков не находятся в рабочем диапазоне напряжений АЦП, и потому требуемая точность преобразо-вания не достигается.

В таких случаях для изменения величины сигнала применяются УПКУ. В зависимости от нужд приложения и стоимости СнК эти усилители устанавли-ваются внутрь или вне СнК, поскольку у них относительно большое потребление и они генерируют шум внутри кристалла. Для устранения составляющей шума во входном сигнале используются фильтры.

Центральная частота полосово-го фильтра в счетчиках составляет

50…60 Гц. В однофазном счетчике элек-троэнергии используются два АЦП на СнК — один для тока, другой — для напряжения. Количество АЦП увеличи-вается на один преобразователь с каж-дой дополнительной фазой.

Выбор АЦП особенно труден в слу-чае его использования в счетчике. Точность, потребление электроэнер-гии и скорость — главные факторы, определяющие этот выбор. Чаще всего выбирают между АЦП последователь-ного приближения (SAR) и сигма-дельта АЦП. Оба преобразователя имеют свои преимущества и недостатки.

Выбор между ними зависит, глав-ным образом, от конкретного прило-жения и бюджета, выделенного на СнК. АЦП последовательного приближения принимают входной сигнал в опреде-ленный момент времени и сравнивают его с выходным сигналом внутреннего ЦАП, аппроксимируя его согласно полу-ченному значению входного сигнала. Соответствующая величина выходного сигнала ЦАП оцифровывается и сохра-няется в регистре SAR. АЦП последо-вательного приближения характери-зуются хорошим разрешением, малой задержкой преобразования и достаточ-но широким входным диапазоном. Они весьма чувствительны к изменению величины входного напряжения канала. У них также очень широкая пропускная способность входного канала. Однако недостаток этого типа АЦП — в погреш-ности из-за нелинейности, вызванной необходимостью повторного вычита-ния и сравнения.

В современных сигма-дельта АЦП преобразование осуществляется с избыточной дискретизацией (пере-дискретизацией), затем происходит фильтрация, усреднение и оцифровка сигнала. Время преобразования этих флэш-АЦП достаточно малое и состав-ляет порядка нескольких наносекунд для 8-разрядных устройств. Однако выходной сигнал АЦП содержит боль-шое количество ошибок. Для снижения шума преобразованный сигнал вычита-ется из входного [4].

Таким образом, у сигма-дельта АЦП лучшая шумовая характеристика, чем у АЦП типа SAR. Однако выбор АЦП типа SAR предпочтительнее в тех случаях, когда требуется быстрое срабатыва-ние, малая задержка и многоканальная обработка данных.

Сигма-дельта АЦП применяются тогда, когда необходима высокая точ-ность и разрешение для преобразо-вания сигнала в условиях большого шума [5]. Как правило, в недорогих счет-чиках используются АЦП последова-тельного приближения, тогда как в СнК с высокой производительностью приме-няются сигма-дельта АЦП, обеспечивая преобразование с малым шумом.

Рис. 2. Составные блоки типового счетчика

Рис. 3. Блок-схема аналогового интерфейса счетчика

44

ЭН

ЕР

ГОС

БЕ

РЕ

ЖЕ

НИ

Е и

УЧ

ЕТ

РАС

ХО

ДА

РЕ

СУ

РС

ОВ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЕ

ДАННЫХ

Ресурсоемкие вычисления, вклю-чая расчет потребления, как правило, выполняются процессором. К этим вычислениям относятся измерение активной и реактивной мощности, коэффициента нагрузки и средней мощности (см. рис. 4).

Активная мощность — это часть пол-ной мощности, определяемая напряже-нием и током, фазы которых совпадают. Если эти две величины находятся не в одной фазе, их произведение опреде-ляет реактивную мощность. Сдвиг фаз между током и напряжением возника-ет из-за индуктивной или емкостной нагрузки.

Реактивная мощность не выполняет полезной работы, но вызывает допол-нительный нагрев проводников. Для ее компенсации требуются трансформато-ры высокого качества и более толстые провода, выдерживающие высокие токи и тепловую нагрузку, что повы-шает стоимость передачи электроэнер-гии. Объем потребленной электроэ-нергии (полной мощности) при этом равен отношению активной мощности к коэффициенту нагрузки (косинусу угла сдвига фаз).

После расчета коэффициента нагруз-ки вычисляется полная мощность. Активная мощность представляет собой произведение среднеквадрати-ческого значения токов и напряжений.

В приложениях по измерению ядро СнК в т.ч. вычисляет среднеквадратическое значение токов и напряжений, их про-изведение и производит усреднение.

При создании измерительных систем выбирается ядро DSP, поскольку оно выполняет математические операции за очень малое время. Иногда ядро разгружается за счет дополнительного блока умножения с накоплением, кото-рый берет на себя наибольшую часть вычислений. При этом на ядро возлага-ются такие функции как связь, отобра-жение данных, мониторинг и т.д.

Объем памяти кристалла также играет большую роль в стоимости конечной системы. Объем запомина-ющего устройства может колебаться в пределах 256 байт…26 Кбайт ОЗУ и 8…264 Кбайт флэш-памяти в зависимо-сти от приложения. В некоторых наибо-лее современных системах требуется до 2 Мбайт флэш-памяти и 512 Кбайт ОЗУ [9].

ЛОГИЧЕСКИЙ БЛОК

В состав этого блока входят такие модули как программируемые счет-ные устройства, компаратор, широтно-импульсный модулятор и т.д. Скорость потока газа или жидкости измеряется с помощью цифровых или аналоговых датчиков вращения.

В случае использования цифрового датчика его выходной сигнал поступает в модуль счетного устройства, кото-рое регистрирует расход измеряемого ресурса. В случае аналогового датчика последовательность импульсов, посту-пающую в счетный модуль, генерируют компараторы.

ОТОБРАЖЕНИЕ И ПЕРЕДАЧА

ПОКАЗАНИЙ СЧЕТЧИКА

Еще одним важным аспектом измерительного приложения являет-ся отображение и передача считан-ных данных для учета потребления.

Рис. 4. Мгновенные значения напряжения, тока, мощности и прямая средней мощности

Похоже, использование 7-сегментной панели ЖКД является наиболее рас-пространенным методом отобра-жения показаний счетчика. На ней указывается текущее показание, которое, например, записывается потребителем.

Если драйвер ЖКД не входит в состав системы на кристалле, она передает ему данные с помощью внешних интер-фейсов I2C, SPI, UART и т.д. Считанные данные также передаются по беспро-водному каналу на удаленный драйвер ЖКД или в регистрирующую систему с помощью ZigBee, IR и т.д. В таких слу-чаях необходимо модулировать пере-даваемые данные до их отправки пере-датчику, что осуществляется, например, с использованием ШИМ-модулятора.

ЗАЩИТА ОТ КРАЖИ И

ХРОНОМЕТРАЖ

Защита от взлома очень важна в системах измерения, т.к. предохраняет поставщика от кражи электроэнергии потребителями за счет изменения пока-заний счетчика. Функцию обнаружения кражи энергии можно установить в СнК несколькими способами, но одним из наиболее эффективных из них являет-ся интеграция этой функции с часами реального времени.

Установление факта кражи, а также фиксация ее времени эффективно выполняется одним модулем. Любая попытка кражи записывается во вну-треннюю память наряду с отметкой вре-мени о происшедшем событии. Счетчик свидетельствует об этом факте мер-цающим светодиодом или отображая информацию на ЖКД наряду с указани-ем времени, когда состоялась кража. В дальнейшем эти данные учитываются для коррекции показаний счетчика.

Кроме того, хронометраж играет ключевую роль в усреднении показа-ний счетчика. С этой целью ядру СнК подаются периодические сигналы от часов реального времени. В соответ-ствии со спецификациями OMS (Open Metering System) ядро СнК выполняет операции усреднения через опреде-ленные интервалы времени в зависи-мости от приложения (см. табл. 1).

Часы реального времени оснащены механизмом авторизованного доступа к регистрам этого блока, чтобы пре-дотвратить любую попытку их взлома для отключения функции обнаружения кражи. Кроме того, часы реального вре-мени должны обладать способностью работать в автономном режиме при сбое в электропитании. Однако в этом случае также необходимо предусмо-треть схему с очень малым потребле-нием. В первую очередь, такая схема требуется в системах измерения рас-хода жидкости или газа, в которых счет-чики питаются только от батарей. Таким

Таблица 1. Интервал, через который ядро выполня-ет усреднение в различных приложениях

Средний интервалвремени

Минуты

Электроснабжение 15

Газоснабжение60

Центральное отопление

Водоснабжение

1440Приборы для распределения тепла

Учет электропотребления на ниже-

стоящих ступенях распределения

ЭН

ЕР

ГОС

БЕ

РЕ

ЖЕ

НИ

Е И

УЧ

ЕТ

РАС

ХО

ДА

РЕ

СУ

РС

ОВ

45


образом, при разработке СнК необходимо предусмотреть: 1) автономное питание некоторых модулей в режиме останова системы; 2) время запуска ядра из режима останова; 3) обе-спечение питания при выходе из режима останова.

Стандартным значением тока в режиме останова явля-ется 0,5 мкА, а типовые значения рабочего тока достигают 4,3 мА [6].

ЛИТЕРАТУРА 1. www.pikeresearch.com/research/smart-meters.2. www.absenergyresearch.com.3. MCF51EM256 Reference Manual & Datasheet//www.freescale.

com. 4. Analog to Digital Convertors//http://en.wikipedia.org/wiki/

Analog-todigital_converter. 5. Bonnie Baker. Choosing SAR vs High-Speed Sigma-Delta ADCs.

EDN Article//www.edn.com/article/CA6313377.html.6. Jin Zhu and Recayi Pecen. A Novel Automatic Utility Data Collection

System using IEEE 802.15.4-Compliant Wireless Mesh Networks. 7. Metering Solutions from Freescale//www.freescale.com/metering. 8. KNX Smart Metering Solutions. 9. w w w . f r e e s c a l e . c o m / w e b a p p / s p s / s i t e / o v e r v i e w .

jsp?nodeId=02430Z6A10.


| КОМПАНИЯ U.R.T. УДОСТОИЛА RUTRONIK ЗВАНИЯ

ЛУЧШЕГО ЕВРОПЕЙСКОГО ДИСТРИБЬЮТОРА 2010 ГОДА

(BEST EUROPEAN ACTING DISTRIBUTOR 2010) | Компания

U.R.T. присвоила звание Best European Acting Distributor

2010 крупному дистрибьютору электронных компонен-

тов Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH. Компания,

специализирующаяся на разработке дисплеев, впервые

присудила эту награду Rutronik за наивысший объем про-

даж и наилучшее развитие бизнеса в Европе.

Компания Rutronik смогла увеличить объем про-

даж продуктов U.R.T. в 2010-м году на целых 100% по

сравнению с 2008-м годом. Дистрибьютор достиг наи-

высшего роста в сфере продаж TFT-дисплеев. Основным

целевым рынком сбыта компании стала промышленная

электроника, главным образом, блоки управления и

контроля для систем автоматизации. Для этого рынка

компания U.R.T. поставляет продукты, рассчитанные на

длительную эксплуатацию (от 3 до 5 лет), обладающие

конкурентоспособной ценой и обеспечивающие высо-

кую степень гибкости конструкции. «Наши дисплеи

являются передовыми продуктами», подчеркнул Пер

Жан Ван (Peir-Jang Wang), президент U.R.T. «Поэтому нам

нужен был партнер с достаточным количеством хорошо

подготовленных технических специалистов. Мы нашли

его в лице компании Rutronik. Очень тесное профес-

сиональное сотрудничество с этой компанией на всех

уровнях также внесло свой вклад в эту удивительную

историю успеха».

С 2000-го года Rutronik занимается продажами TFT-,

FSTN-, CSTN-дисплеев, сенсорных экранов и заказных

LCD-дисплеев производства U.R.T. «Широкий портфель

продуктов от U.R.T. является существенной составной

частью наших предложений в области дисплеев, так как

они охватывают экраны различного размера и механи-

ческих параметров, и в то же время обеспечивают высо-

кое качество и преимущества в оптических характери-

стиках», указывает Маркус Криг (Markus Krieg), директор

по маркетингу компании Rutronik. «Кроме того, U.R.T.

предлагает гибкие решения в сфере полузаказных TFT-

дисплеев и обеспечивает наилучшую техническую и

коммерческую поддержку в кратчайшее время».

www.rutronik.com

46

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ СЧЕТЧИКОВ

Электронные счетчики по сравнению с механически-ми обладают рядом преимуществ. Во-первых, благодаря компактному размеру и отсутствию подвижных частей они обладают повышенной надежностью и прочностью. Это позволяет работать при сложных условиях, например на улице. Электронные счетчики более безопасны. Они имеют защиту от несанкционированного доступа. Повышенная точность и возможность программной настройки парамет-ров позволяет вести учет ресурсов наиболее эффективно и удобно для пользователя. Кроме того, упрощается про-цедура автоматического считывания показаний, становит-ся возможной тарификация (например, автоматический перевод тарифа в зависимости от времени суток, опреде-ление размера предварительной оплаты и т.п.). Для элек-тронных счетчиков энергии немаловажным достоинством является возможность работы с нелинейными нагрузками и нагрузками, имеющими маленький коэффициент мощ-ности. Все больше устройств представляет собой реак-тивную нагрузку, в то время как механические счетчики, как правило, рассчитаны на работу с активной нагрузкой. Наконец, калибровка электронных счетчиков намного проще, чем механических.

Электронный счетчик можно разделить на несколько функциональных частей: блок временных отсчетов, датчик, дисплей, модуль связи, управление энергопотреблением.

Микроконтроллеры Microchip семейств PIC16 и PIC18 отлично подходят для применения в электронных счетчи-ках коммунальных ресурсов. Реализованная в них техноло-гия оптимизации энергопотребления nanoWatt позволяет не только сократить расход энергии, но и обезопасить работу, сохранив текущие параметры при внезапной поте-ре питания.

В подавляющем большинстве случаев источником пита-ния для счетчиков коммунальных услуг является электро-сеть или источник постоянного тока (батарея, аккумулятор).

СЧЕТЧИКИ С ПИТАНИЕМ ОТ СЕТИ

Для счетчиков с питанием от сети задача управления энергопотреблением более сложна, особенно когда речь идет об отключении питания, которое может произойти, например, в момент записи в энергонезависимую память.

Для рассматриваемого типа счетчиков существуют как трансформаторные, так и бестрансформаторные схемы питания.

Бестрансформаторные схемы предпочтительны, поскольку они проще и меньше по размеру. Управление мощностью потребления счетчика помогает уменьшить массогабаритные показатели.

В качестве резервного ИП может использоваться кон-денсатор большой емкости, ионистор или небольшой литиевый аккумулятор.

Во всех новых семействах PIC-микроконтроллеров (PIC16 и PIC18) реализована технология управления потре-

В статье описаны семейства микроконтроллеров PIC16 и PIC18 компании Microchip, применяемых для построения счетчиков расхода ресурсов. Приведены их основные параметры.

ГЕННАДИЙ СУРКОВ, технический консультант, медиагруппа «Электроника»

Решения Microchip для счетчиков

расхода ресурсов

блением nanoWatt. Эта технология позволяет снизить потребление и повысить надежность счетчиков комму-нальных ресурсов. Фактически устройства с nanoWatt не только обладают наименьшим в отрасли потреблением и широким диапазоном напряжений, но и предоставляют очень гибкий набор функций «умного» управления энерго-потреблением.

Технология nanoWatt предусматривает 7 режимов работы, каждый из которых что позволяет быстро пере-ключаться на наиболее подходящий тактовый генератор в каждый момент времени.

Стратегия достижения оптимального энергопотребле-ния предполагает следующие действия:

– переводить МК в режим ожидания во время простоя;– всегда держать включенным и активным таймер

реального времени. Для других задач использовать допол-нительный резонатор;

– периодически выводить МК из режима ожидания для выполнения легких задач на низкой скорости. Процесс выхода из режима ожидания и выполнение задач, требую-щих высокоскоростной обработки, производится с исполь-зованием второго резонатора с частотой 32 кГц;

– для выполнения более сложных и интенсивных задач допускается включать первичный тактовый генератор.

Пользуясь оценочными значениями, можно рассчитать примерное потребление приложения путем взвешивания каждой задачи с учетом времени использования МК для ее выполнения и потребления в данном режиме работы. Принимая во внимание тот факт, что большинство PIC-микроконтроллеров с технологией nanoWatt содержат до 9 опций выбора резонатора (в т.ч. 4 режима работы квар-цевого резонатора, два режима внешних тактовых гене-ратора, два варианта внешних часов реального времени, внутренний блок резонаторов, обеспечивающих несколь-ко тактовых частот, выбираемых программно), гибкость тактирования получается практически безграничной.

СЧЕТЧИКИ С ПИТАНИЕМ ОТ ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ

К данному классу счетчиков относятся приборы для учета воды и газа. Как и для всех устройств с ограничен-ным источником питания, для них большое значение имеет ток в неактивном режиме. Как мы говорили выше, PIC-микроконтроллеры Microchip с технологией nanoWatt помогают оптимизировать производительность и сокра-тить ток потребления.

Широкий диапазон рабочих напряжений микрокон-троллеров PIC, который составляет обычно 2,0…5,5 В, позволяет внести ряд упрощений в схему счетчика и уве-личить срок службы батарей. Высокая надежность работы обеспечивается тремя функциональными блоками: сброс по провалу напряжения питания, детектирование низкого уровня напряжения питания и блоком мониторинга безо-пасного выключения.

48

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Сброс по провалу напряжения (BOR — Brown-out Reset) используется для генерации сигнала сброса МК при паде-нии напряжения питания ниже порога, устанавливаемого программным образом. Это предотвращает некорректную работу МК вне допустимого режима.

Опция обнаружения низкого уровня питания (LVD — Low-Voltage Detect) генерирует сигнал прерывания, когда напряжение питания падает ниже предустановлен-ного значения. Обычно оно чуть выше порога BOR. Это помогает прогнозировать срабатывание схемы сброса и вовремя сохранить важные рабочие параметры в энерго-независимой памяти для безопасного восстановления в будущем.

В отличие от сторожевого таймера блок мониторинга безопасного выключения (FSCM — Fail-Safe Clock Monitor) содержит дополнительную схему, проверяющую правиль-ное функционирование внешнего тактового генератора. В случае обнаружения неполадки схема тактирования МК быстро переключается на внутренний резонатор. Это обе-спечивает сохранение работоспособности счетчика в тече-

Табл. 1. Рекомендуемые МК для учета расхода коммунальных ресурсов

Модель Флеш-память, байтПамять данных

Порты ввода-вывода 10-разр.АЦП ШИМMSSP

Таймеры 8/16 разр. ЖКИОЗУ, байт EEPROM, байт SPI MI2C

PIC18F8490 16 384 768 – 66 12 2 1 1 1/3 4×48 (192)

PIC18F6490 16 384 768 – 50 12 2 1 1 1/3 4×32 (128)

PIC16F946 14 336 336 256 53 8 2 1 – 2/1 4×42 (168)

PIC16F917 14 336 352 256 36 8 1 1 – 2/1 4×24 (96)

PIC16F916 14 336 352 256 25 5 2 1 – 2/1 4×15 (60)

PIC16F877А 14 336 368 256 33 8 2 1 – 1/2 –

PIC16F876А 14 336 368 256 22 5 2 1 – 2/1 –

PIC16F77 14 336 368 – 33 8×8 разр. 2 1 – 2/1 –

PIC16F76 14 336 368 – 22 5×8 разр. 2 1 – 2/1 –

PIC16F72 3 584 128 – 22 5×8 разр. 1 1 – 2/1 –

PIC16F648A 7 168 256 256 16 – 1 – – 2/1 –

ние некоторого времени, за которое приложение успевает закрыться в безопасном режиме, сохранив все важные параметры и оповестив пользователя о сбое.

РЕШЕНИЯ MICROCHIP

Компания Microchip предлагает полный набор ИС для электронных счетчиков. Это микроконтроллеры семейства PIC16 и PIC18, а также все дополнительные элементы, необ-ходимые для их работы: усилители, АЦП и ЦАП, цифровые потенциометры, сигнальные процессоры, контроллеры напряжения, схемы измерения энергии, интерфейсные ИС, в т.ч. ИС для подключения дисплея.

Кроме того, имеется довольно обширная библиотека технической справочной документации, а также руко-водств по применению продуктов Microchip и решению наиболее распространенных задач, возникающих при про-ектировании. Все материалы разделены по категориям, что делает поиск быстрым и удобным.

Характеристики микроконтроллеров для счетчиков газа, воды, тепла и электричества сведены в таблице 1.


| ПРОДАЖИ MЭMС-ДАТЧИКОВ БЬЮТ РЕКОРДЫ | Восстановление мирового автомобильного рынка позволит достичь

рекордного уровня поставок специализированных МЭМС-датчиков по итогам текущего года.

Аналитики iSuppli ожидают, что в 2010 г. продажи автомобильных MЭMС-сенсоров составят 662,3 млн, что на 32,1%

больше, чем в прошлом году и даже превышает лучший докризисный результат — 640 млн в 2007 г.

Особенным спросом будут пользоваться сенсоры, используемые в системах курсовой устойчивости (ESC) и системах

контроля давления воздуха в шинах (TPMS). Все больше стран на законодательном уровне закрепляют обязательное

наличие подобных решений в новых автомобилях. Кроме того, в числе относительно свежих применений MЭMС-датчиков,

способных стимулировать высокие объемы продаж, аналитики называют сенсоры газа для контроля качества воздуха в

салоне, инфракрасные термобатареи для мониторинга температуры, микроболометры для систем ночного видения и

осцилляторы для камер заднего вида.

Тем не менее, уже в 2011 г. возможно замедление динамики роста до 7,3%, что объясняется нормализацией рыночных

тенденций.

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И УЧЕТА РАСХОДА РЕСУРСОВ

| 100 ЛУЧШИХ ПРОДУКТОВ ПО ВЕРСИИ EDN. ПОВЫШАЮЩИЙ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ LINEAR TECHNOLOGY СО СВЕРХ-

НИЗКИМ ВХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ LTC3108 | Минимальное входное напряжение преобразователя составляет 20 мВ, что

позволяет ему работать от термоэлектрического генератора, термопар и малых солнечных батарей. В его состав входит вспо-

могательный 3-мА LDO-регулятор с выходным напряжением 2,2 В. LTC3108 обеспечивает комплектное решение для беспро-

водных сетей датчиков и систем сбора данных. 2,2-В LDO-регулятор предназначен для питания микропроцессора, а главный

выход (запрограммированный на одно из напряжений ряда 2,35; 3,3; 4,1 и 5 В) предназначен для питания приемопередатчиков

или датчиков. Собственный ток потребления преобразователя не превышает 6 мкА.

www.elcomdesign.ru

49


ВВЕДЕНИЕ

Устройства со сверхнизким потреблением энергии могут быть использованы в самых разнообразных бес-проводных системах, включая транспортную инфраструк-туру, медицинские приборы, измерители давления шин, промышленные датчики, автоматику зданий и аппаратуру слежения. Такие системы большую часть жизни прово-дят в режиме ожидания в спящем состоянии, потребляя при этом незначительное количество мкВт. При выходе из этого режима датчик измеряет такие параметры как дав-ление, температуру или механическое отклонение и пере-дает полученные данные беспроводным способом системе управления, расположенной на некотором расстоянии. На измерение, обработку и передачу данных требуется обычно порядка десяти миллисекунд, но за этот короткий промежуток времени может быть израсходовано несколь-ко сотен мВт энергии.

Поскольку такие приложения характеризуются неболь-шими коэффициентами заполнения рабочих циклов, сред-няя мощность потребления может также оказаться сравни-тельно низкой. Источником питания в этом случае может быть простая батарея, однако, после того, как она разря-дится, потребуется ее замена. В некоторых приложениях бывает физически невозможно заменить батарею, поэтому более приемлемой альтернативой является использова-ние внешнего источника питания.

ПОЯВЛЕНИЕ МАЛОМОЩНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

ИЗМЕРЕНИЯ

В автоматике зданий такие устройства как датчики при-сутствия, термостаты и выключатели освещения могут работать без традиционно применяемых силовых или управляющих проводов. Вместо этого можно использовать механические или энергосберегающие системы. Помимо отказа от прокладки проводов или регулярной замены батарей в беспроводных приложениях такой альтернатив-ный подход снижает стоимость стандартной эксплуатации, рассчитываемой обычно для проводных систем.

Беспроводная сеть, использующая энергосберегающие методы, может объединять любое количество датчиков, установленных в здании для управления системой нагре-ва, вентиляции и кондиционирования (HVAC), а также для уменьшения затрат на освещение путем отключения пита-ния от второстепенных зон здания, где в данный момент нет людей.

В статье представлен энергосберегающий DC/DC-конвертер LTC3105 компании Linear Technology, разработан-ный для решения задач энергосбережения и управления мощностью альтернативных высокоимпедансных источ-ников питания, рассчитанных на низкие напряжения (фотогальванических элементов, термоэлектрических генераторов и топливных батарей).

ДЖЕФ ГРЮТТЕР (JEFF GRUETTER), старший специалист по маркетингу, Linear Technology

Фотогальванические элементы

для энергосберегающих приложений

Типовая энергосберегающая конфигурация или узел беспроводных датчиков состоит из четырех блоков, пока-занных на рисунке 1:

– внешнего источника питания, например, солнечного элемента;

– устройства преобразования энергии для питания всех компонентов узла;

– чувствительного элемента для связи узла с физиче-ским миром и расчетного блока, состоящего из микро-процессора или микроконтроллера, обрабатывающего измеренные данные и сохраняющие их в памяти;

– коммуникационного блока, состоящего из радиоу-стройства коротковолнового диапазона для беспроводной связи с соседними узлами и внешним миром.

Примерами систем с внешними источниками энергии могут служить термоэлектрические генераторы (TЭГ) или термоэлементы, соединенные с теплогенерирующим источником, например, с каналом HVAC; пьезоэлектри-ческие преобразователи, прикрепленные к вибромеха-ническому источнику (оконному стеклу), а также панели с солнечными элементами. С помощью компактного тер-моэлектрического устройства (обычно называемого пре-образователем) можно преобразовывать в электрическую энергию небольшой перепад температур. Для преобразо-вания в электрическую энергию механических вибраций или напряжения используется пьезоэлектрический преоб-разователь. И, наконец, для преобразования света исполь-зуются фотогальванические элементы, которые способны вырабатывать более 50 мВт электроэнергии на 1 см2 при прямом солнечном свете и до 100 мкВт — при комнатном освещении.

Энергосберегающая схема преобразовывает электри-ческую энергию в тот вид, который пригоден для пита-ния расположенных далее электрических схем. После этого микропроцессор может «разбудить» датчик, чтобы снять показания или провести измерения, которые затем будут преобразованы АЦП для передачи данных через беспроводной трансивер с ультранизким потре-блением мощности.

Каждый блок в этой цепи имеет определенные ограни-чения, которые до недавнего времени снижали их коммер-ческую ценность. Хотя недорогие и маломощные датчики и микроконтроллеры продаются довольно давно, на рынке только недавно появились трансиверы с ультранизким потреблением мощности, объединенные с микроконтрол-

Рис. 1. Основные блоки типовой энергосберегающей системы или узла беспроводных датчиков

50

WWW.ELCOMDESIGN.RU

лерами, что способствовало развитию направления мало-мощных беспроводных систем. Тем не менее, до сих пор наблюдается нехватка энергосберегающих интегральных схем (ИС).

Существующие реализации блока: энергосберегающая схема и управляющее устройство — являются недоста-точно эффективными дискретными системами, обычно состоящими из 30 и более компонентов. Такие устройства характеризуются низкой эффективностью преобразования энергии и высокими значениями токов покоя. Оба этих недостатка приводят к необходимости использовать доро-гие и мощные батареи и солнечные элементы, что ухудша-ет характеристики системы в целом.

Без больших накопительных элементов низкая эффективность преобразования приведет к увеличению времени на включение системы, что, в свою очередь, увеличивает временной интервал между снятием пока-заний датчика и их передачей. Большие токи покоя в схемах преобразования энергии могут серьезно сокра-тить количество «полезной» энергии, которая могла бы быть сэкономлена и передана в схемы приложения. Для достижения низких рабочих токов покоя и высокой эффективности преобразования энергии также требу-ется высокоточная экспертиза импульсных источников питания, что редко бывает возможно. «Пропущенным» звеном был высокоинтегрированный DC/DC-конвертер, который мог бы сэкономить энергию сверхмаломощных источников питания и управлять освободившейся при этом энергией.

ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ НА КОНКРЕТНОМ ПРИМЕРЕ

В качестве примера рассмотрим энергосберегающую промышленную систему мониторинга трубопровода, про-ложенного в отдаленной безлюдной местности. Через каждые 50 м трубы требуется измерять скорость потока, температуру и давление в трубопроводе. Каждый узел снабжен датчиками температуры, давления и потока, встроенными в стенки трубопровода. Данные должны передаваться каждые 5 с. Поскольку длина трубопровода составляет сотни миль, прокладка силовых и информа-ционных линий — это очень дорогостоящий проект, тре-бующий к тому же постоянных затрат на эксплуатацию и ремонт с периодической заменой батарей в каждом узле. Необходим источник питания, способный вырабатывать достаточное количество энергии, простой и надежный в эксплуатации. Одними из наиболее популярных и простых в обслуживании источников энергии являются малень-кие солнечные элементы, объединенные с накопитель-ными устройствами (аккумуляторами или ионисторами (supercap)), которые служат для непрерывной доставки энергии в ночные часы и в плохих погодных условиях.

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ИС

Linear Technology недавно выпустила ИС LTC3105 — повышающий преобразователь ультранизкого напряже-ния, специально разработанный для упрощения задачи энергосбережения и управления мощностью альтернатив-ных высокоимпедансных источников питания, рассчитан-ных на низкие напряжения, таких как фотогальванические

Рис. 2. Зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора от одного фотогальванического элемента

Рис. 3. Типовая последовательность запуска LTC3105

52

WWW.ELCOMDESIGN.RU

элементы, ТЭГ и топливные батареи. Их работа в синхрон-ном повышающем режиме начинается при входном напря-жении 250 мВ, что делает их идеальными устройствами для экономии энергии даже в неидеальных световых условиях.

Большой входной диапазон напряжений 0,2…5 В позволяет новым устройствам найти свое применение в большом ряду приложений. Интегрированный контрол-лер слежения за точкой максимальной мощности (MPPC) позволяет работать напрямую от высокоимпедансных источников (фотогальванических элементов), не допуская снижения входного напряжения источника питания ниже уровня, заданного MPPC. Пределы пикового тока авто-матически настраиваются для получения максимальной мощности от источника питания, в то время как для опти-мизации эффективности конвертера в режиме работы Burst Mode® ток покоя снижается только до 18 мкА.

Показанная на рисунке 2 схема использует LTC3105 для зарядки одноэлементного литий-ионного (Li-Ion) аккумуля-тора от одного фотогальванического элемента. Эта схема обеспечивает постоянную подзарядку аккумулятора, когда есть солнечный свет, что, в свою очередь, обеспечивает возможность питания электрических схем приложения, например, узла беспроводных датчиков, и позволяет запа-сать энергию для работы приложения в отсутствии света.

LTC3105 позволяет начинать работу при напряжениях порядка 250 мВ. Во время запуска выход AUX первона-чально заряжается при отключенном синхронном выпря-мителе. Как только VAUX станет приблизительно равным 1,4 В, конвертер выходит из режима запуска и переходит в режим нормальной работы. MPPC в режиме запуска не подключен. Однако значения токов ограничиваются доста-точно низкими уровнями, что и позволяет начинать работу даже от слабых входных источников. В то время как кон-вертер находится в режиме запуска, внутреннее соедине-ние между AUX и VOUT остается разомкнутым, и выход LDO отключен. На рисунке 3 показан пример типовой последо-вательности запуска.

Когда выходное напряжение больше входного и боль-ше 1,2 В, включается синхронный выпрямитель. В этом

режиме N-канальный MOSFET, стоящий между SW и GND, будет работать до тех пор, пока ток, протекающий через катушку индуктивности, не достигнет предела пикового тока. Как только это произойдет, N-канальный MOSFET выключится, и включится P-канальный MOSFET между SW и управляемым выходом. Этот ключ остается открытым до тех пор, пока ток, протекающий через катушку индук-тивности, не упадет ниже минимального предела пико-вого тока, затем цикл повторяется. Когда VOUT достигнет точки регулировки, N- и P-канальные MOSFET, соединен-ные с SW-выводом, выключаются, и конвертер входит в спящий режим.

Для питания микроконтроллеров и внешних датчиков с выхода LDO обеспечивается подача регулируемого тока 6 мА. Интегрированный контроллер MPPC предоставляет возможность пользователям устанавливать для данного источника питания оптимальную рабочую точку входного напряжения. Более того, MPPC в динамике регулирует средний ток через катушку индуктивности, предотвращая падение входного напряжения ниже порога напряжения на выводе MPPC.


Управление энергопотреблением является ключевым аспектом создания беспроводных измерительных систем и должно учитываться при разработке концепции дизайна. Разработчики и проектировщики систем должны с самого начала уделять первостепенное внимание этому вопро-су, чтобы создать эффективный проект, рассчитанный на успешную и долговременную работу.

Энергосберегающий DC/DC-конвертер LTC3105 специ-ально разработан для упрощения задачи энергосбере-жения и управления мощностью альтернативных высоко-импедансных источников питания (фотогальванических элементов, ТЭГ и топливных батарей), рассчитанных на низкие напряжения. Интегрированный контроллер сле-жения за точкой максимальной мощности оптимизирует энергию, извлекаемую из источников самого широкого диапазона.


| КОМПАНИЯ SEMTECH ВЫПУСТИЛА СЕМЕЙСТВО КОНТРОЛЛЕРОВ SX863X ЕМКОСТНЫХ СЕНСОРНЫХ КЛАВИШ С ДИА-

ПАЗОНОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИБЛИЖЕНИЯ ДО 10 СМ | Толщина покрывающего материала может достигать 5 мм.

Контроллеры SX863x предназначены для управления сенсорными клавишами, слайдерами и системами Touch Wheel в таких

устройствах, как телевизионные приставки, системы диспетчерской связи, домофоны и охранные системы, медицинские при-

боры и т.д.

Контролеры SX863x содержат восемь светодиодных драйверов с индивидуальным управлением интенсивностью све-

чения (линейным или логарифмическим), оптимизированным для человеческого зрения. Это позволяет создавать клави-

ши, свечение которых автоматически плавно увеличивается, когда кнопка нажата, и уменьшается, когда кнопка отпущена.

Скорость переключения, а также уровни интенсивности свечения устанавливаются разработчиком.

Технические характеристики:

Напряжение питания 2,7…3,6 В;

Сверхнизкое энергопотребление:

8 мкA в режиме Sleep Mode; 80 мкA в режиме Doze Mode (период опроса 195 мс); 220 мкA в режиме Active Mode (период опроса 30 мс); Интерфейс I

2C 400 кГц;

Диапазон рабочих температур –40…+85°C.

Выпускаются в корпусах 28-QFN и 32-QFN соответственно.

www.elcomdesign.ru

54

WWW.ELCOMDESIGN.RU

VIA Technologies, Inc. является ведущим разработчиком экономичных по питанию процессорных платформ архи-тектуры х86 для рынка компьютеров и мобильных при-ложений.

VIA предлагает заказчикам широкий спектр вычисли-тельных и коммуникационных платформ, включая миниа-тюрные материнские платы. Главной особенностью при разработке новых решений являются энергосберегающие процессоры, мультимедийные процессоры, подсистемы проводной и беспроводной связи.

VIA предлагает богатейший набор решений от одного поставщика, поддерживающего весь спектр технологий x86: высокоскоростные интерфейсы передачи данных, дис-плеи высокого разрешения и аудио. Современные процес-соры VIA являются самыми экономичными, компактными и низкопрофильными процессорами.

VIA продолжает разрабатывать законченные и компакт-ные платформы, использующие современные кремниевые материалы. Самыми известными форм-факторами у VIA являются материнские платы Mini-ITX, Nano-ITX и Pico-ITX серии VIA EPIA.

Одним из примеров самой мощной в классе Pico-ITX плат является VIA EPIA-P820 (см. рис. 1). VIA анонсировала VIA EPIA-P820 в начале 2010 г. В этой плате использует-

Встраиваемые платы VIA Technologies

для автоматизации, мониторинга

объектов, цифрового видео

и обработки данных

Рис. 2. Новая плата VIA EPIA-M850Рис. 1. Плата VIA EPIA-P820

ся процессор VIA Nano и шасси VIA AMOS-3001. Pico-ITX использует платформу 64-разрядных процессоров VIA Nano для нового поколения мультимедийных приложений.

Плата обеспечивает поддержку новых мультимедий-ных технологий, программных средств по отображению информации, а также возможность использования в небольшом корпусе VIA AMOS-3001 для очень ком-пактных приложений нового поколения встраиваемых систем.

Размеры платы EPIA-P820 составляют 10×7,2 см — это действительно ультракомпактная платформа VIA, которая поддерживает 2-Гбайт энергосберегающую оперативную память DDR2, 1,2-ГГц процессор U2500 VIA Nano, обе-спечивающий высокую производительность платформы Pico-ITX.

VIA EPIA-P820 имеет отдельный встроенный про-цессор VIA VX855, обеспечивающий аппаратную под-держку мультимедийных приложений, видеокодеки формата HD, включая H.264, WMV, VC1 и MPEG 2/4 с воз-можностью отображения видео с разрешением 1080p и незначительными потерями качества. Контроллер VIA Chrome9™ HCM 3D — это встроенный графический ускоритель, поддерживающий DirectX 9.0 и 128-бит 2D-графику.

ИГОРЬ ЧЕХРАНОВ, руководитель отдела бизнеса, «Компэл»

56

WWW.ELCOMDESIGN.RU

VIA EPIA-P820 поддерживает также I/O-плату расши-рения с дополнительными интерфейсами: HDMI-порт и дополнительно VGA-порт, порт Gigabit LAN и два порта USB 2.0. Аудиокодек VIA Vinyl HD обеспечивает дополни-тельно 6 каналов и DTS-совместимое аудио с поддержкой S/PDIF. Память предлагается на плате с 44-выводным разъ-ёмом IDE и портом SATA. Встроенные разъёмы позволяют дополнительно подключить четыре порта USB 2.0, LPC, SMBus, PS/2, аудиоинтерфейс, LVDS, четыре пары DIO и два UART-порта.

Новая плата VIA EPIA-M850 (см. рис. 2) стандарта Mini-ITX также поддерживает 64-битную платформу про-цессоров VIA Nano E со встроенным мультимедийным кристаллом VIA VX900 и обеспечивает использование новых технологий в коммерческих мультимедийных при-ложениях.

VIA EPIA-M850 оснащена процессором Nano E с такто-вой частотой 1,6 ГГц или 1,2-ГГц SKU (без охлаждающих вентиляторов). Процессор VIA Nano E работает совместно с кристаллом VIA VX900 MSP, который поддерживает до 8 Гбайт системной памяти DDR3.

VIA VX900 поддерживает последнюю версию видеоко-дека ChromotionHD 2.0, а также обеспечивает ускорение работы кодеков последнего поколения VC1, H.264, MPEG-2 и WMV9 HD-формата с разрешением до 1080 пикселов без дополнительной загрузки основного процессора. Видеоинтерфейсы поддерживают цифровые стандарты HDMI и аналоговый VGA-порт, включая совместимость по интерфейсу 24-бит LVDS.

На тыльной стороне панели имеются: поддержка кон-тактов ввода/вывода; порт Gigabit LAN; разъём PS/2; порт HDMI; порт VGA; четыре порта USB 2.0; разъём последова-тельного порта и три разъёма аудио. На борту слот PCIe x4 обеспечивает двухканальный 24-битный LVDS-интерфейс (в т.ч. управление подсветкой), три дополнительных COM-порта и четыре порта USB 2.0.

С помощью широкой линейки продуктовых и техно-логических новинок VIA старается предугадать появле-ние будущих технологий, реализуя их как в отдельных кремниевых кристаллах, так и интегрируя их в широкий диапазон целого семейства процессоров. Реализация под-держки памяти PC133 SDRAM, а затем и DDR SDRAM на всех платформах стала премьерой этих стандартов на рынке и сделала VIA локомотивом продвижения новых технологий на рынке.

VIA создала глобальную сеть, соединяющую IT-центры в Силиконовой долине и Техасе в Северной Америке с про-изводственными мощностями Китая и Тайваня, а также с мощностями в Колоне, Германия. Данная сеть позволяет компании использовать возможности ведущих мировых исследовательских центров, а также своевременно реаги-ровать на изменяющиеся потребности клиентов, осущест-вляя их поддержку на глобальной основе.

Около 70% из более чем 2000 служащих компании составляют высококвалифицированные инженеры, рабо-тающие совместно в единой многоязыковой команде менеджеров с большим опытом работы в VIA и отличной технической поддержкой.

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

| TEXAS INSTRUMENTS АНОНСИРОВАЛ ЧЕТЫРЕ ПРОЦЕССОРА С ARM-ЯДРОМ | Два из них относятся к семейству Sitara, а еще

два — к Integra. Тактовая частота процессоров достигает 1,5 ГГц, они содержат опции DSP, графический ускоритель и предна-

значены для использования в приложениях, где требуется высокая производительность. Во все процессоры встроен модуль

управления дисплеем и графический 3D-ускоритель SGX530 компании Imagination Technologies.

Новые процессоры семейства Sitara — AM3892 и AM3894 — базируются на ARM-ядре CortexA8. В состав новых про-

цессоров семейства Integra — C6A8167 и C6A8168 — входят ядро CortexA8 и DSP-ядро TMS320C674x с плавающей

точкой. Периферия процессоров включает в себя gigabit Ethernet MACs, PCI Express (PCIe) Gen2, SATA 2.0 и DDR2/DDR3-

контроллер. Производятся процессоры по 40-нм топологическим нормам. Энергопотребление не превысит 5…7 Вт.

Операции с плавающей точкой поддерживаются и со стороны ARM (блок NEON, поддерживающий SIMD), и со стороны

TI — DSP-ядро с плавающей точкой.

www.elcomdesign.ru


| ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С НУЛЕВЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ПРИ ХОЛОСТОМ ХОДЕ | Переключатели Zero Switcher компании Power

Integrations характеризуются тем, что при отсутствии нагрузки их потребление равно нулю.

Компания завершила линию Zero Switcher выпуском ИС LinkZero-LP, предназначенной для зарядных устройств и пре-

образователей мощностью до 3,2 Вт для всевозможных портативных устройств. Расход энергии в режиме холостого хода

прекращается за счет использования патентованной технологии EcoSmart, а не за счет механического переключателя. Как

только обнаруживается присутствие нагрузки, ИС автоматически перезапускается.

Рабочая частота переключателя 100 кГц. Имеется схема стабилизации частоты и защита от перегрева. Микросхема

поставляется в корпусе SO-8C и отпускается по цене $0.32 за штуку в партиях от 10 000 штук.

www.elcomdesign.ru


| КОМПАНИЯ STMICROELECTRONICS ВЫПУСТИЛА ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В

МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ | С помощью LPS001WP можно определить давление в пределах от 300 до 1100 миллибар.

Разрешение, составляющее 0,065 миллибар, позволяет определить перепад высот 80 см. В датчике применена технология

VENSENS, обеспечивающая высокую устойчивость к сериям перепадов давления. Наличие встроенного датчика температуры

позволяет компенсировать изменения температуры.

Датчики LPS001WP проходят заводскую калибровку, что упрощает задачу разработчика.

Поставки датчиков уже начались. Отпускная цена составляет $2,8 за штуку в партиях от 1000 штук.

www.elcomdesign.ru

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

57


Данная статья продолжает цикл публикаций (см. ЭК4, 10) на тему при-менения беспроводных технологий в промышленности. В этой части обсуждаются вопросы передачи речевой информации по беспроводным персональным сетям WPAN, которые определены в проекте стандарта ISA 100.15 по созданию единой беспроводной транспортной сети пред-приятия BACKHAUL.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. ПЕРЕДАЧА РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗ WPANГАЛИНА ГАЙКОВИЧ, член ISA, эксперт IEC, вед. специалист, ИППИ РАН

В настоящее время существует боль-шое разнообразие беспроводных сетей, которые нашли свое применение в про-мышленности. В зависимости от скоро-сти, дальности и назначения их можно представить как беспроводные персо-нальные сети WPAN (Wireless Personal Area Networks); беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Networks), а также беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks): WiMAX, MBWA, или 3GPP; сети WAN (Wide Area Networks), включающие в себя магистральную беспроводную связь между городами и регионами, а также спутниковую связь [1].

БЕСПРОВОДНЫЕ ПЕРСОНАЛЬНЫЕ

СЕТИ WPAN

Следует заметить, что с целью созда-ния единой беспроводной транспортной сети предприятия BACKHAUL в разрабаты-ваемом проекте стандарта ISA100.15 учте-ны практически все перечисленные выше категории беспроводных сетей (см. рис.1) [2]. Вполне определенная роль отведена сетям WPAN, которые в настоящее время исследуются с точки зрения их приме-нения для решения прикладных задач, в т.ч. для передачи речевой информации. Вероятно, никто не будет возражать про-тив предоставления персоналу новых видов мобильной связи на производстве, которая помимо сотовых сетей (WMAN) будет реализована в сетях WPAN?

Как известно, характерной особен-ностью WPAN является их невысокое энергопотребление. Поэтому использо-вание в радиоустройствах автономных источников электропитания позволяет отнести эти сети к мобильным сред-ствам связи с ограниченным радиусом действия (в отличие от WMAN или WAN). Сети WPAN становятся незаменимыми внутри производственной инфраструк-туры, особенно в тех местах, где отсут-ствует доступ по сотовой мобильной связи или ее нельзя использовать на территории предприятия.

C помощью мобильных приложений оператор не только может постоянно

отслеживать технологический процесс (АСУ ТП), но и обмениваться речевыми сообщениями по беспроводной кор-поративной сети с персоналам, обслу-живающим этот промышленный ком-плекс. В результате оператор всегда имеет возможность получить полную картину о состоянии производства за счет использования единой беспровод-ной сенсорной среды, которая может простираться на многие километры. Например, использование датчиков, объединенных беспроводной сетью ячеистой структуры, может обеспечить мобильность управления производ-ственным процессом и предприятием в целом.

В настоящее время сети WPAN пред-ставлены двумя классами: с укорочен-ным радиусом действия (до 10 м) и с увеличенным радиусом действия (до 100 м), что позволяет им по своим функ-циональным возможностям находиться на стыке с WLAN.

Персональные сети могут быть соз-даны на базе различных технологий, например: Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4)& 6loWPAN, WiMedia/MBOA UWB (Ultra Wideband) стандар-та ECMA368 (на базе IEEE802.15.3a) или DS-UWB Forum стандарта IEEE802.15.4a (см. рис. 1 и табл.1).

Персональные сети WPAN укоро-ченного радиуса действия в основном используются для беспроводного объ-

единения отдельных устройств между собой (включая компьютерную, бытовую технику и оргтехнику), а сети увеличен-ного радиуса действия применяются в виде Piconet-сетей (как вариант — сетей Scatternet) для обмена информацией, а также для ее обмена с сетями более высо-кого уровня, в т.ч. с выходом в интернет.

Таким образом, основное назначе-ние WPAN — либо создание беспро-вод ных соединений (вместо кабе-лей) на небольших расстояниях (1…10 м) либо беспроводной транс-портной среды для обмена инфор-мацией в некотором ограниченном пространстве, например, в зданиях административно-офисного типа с радиусом действия 10…100 м.

Персональные сети в их классиче-ском понимании, как правило, отно-сятся к категории беспроводных само-организующихся сетей (ad-hoc). Это беспроводные (одноранговые) сети с децентрализованным управлением, где каждое устройство может выступать в качестве инициатора при попытке передать информацию другому устрой-ству через ретрансляторы.

Определение того, какому устройству пересылать данные, производится дина-мически либо на основе связности сети с переменным количеством мобильных узлов в некотором ограниченном про-странстве (сети Piconet или Scatternet) либо на основе заранее созданной

Рис. 1. Общий беспроводной транспортный интерфейс для промышленных сетей

58

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Таблица 1. Сравнение стандартов семейств 802.15 и 802.11

Стандарт/характеристика

802.15.4ZigBee™

802.15.1Bluetooth

ECMA 368 (802.15.3a for High Rate

WPAN),WiMedia (MB UWB OFDM)

802.15.4aDS-UWB

Chirp (CSS)802.11b Wi-Fi

Приложения Мониторинг, управление, сети датчиков,

домашняя/промышленная автоматика

Голос, данные, замена кабелей (про-

водного на беспроводной канал)

Потоковые мультимедийные данные, замена кабелей

аудио/видеосистем

Данные, голос,

видео, LAN

Преимущества Цена, энергосбережение, размеры сети,

выбор частотных диапазонов, DSSS и PSSS

Цена, энергосбережение, передача

голоса, FH Высокая скорость, энергосбережение

Большой диапазон

по скорости, DSSS

Частота 868 МГц 915 МГц 2,4 ГГц 2,4 ГГц 3,1…10,6 ГГЦ 2,4 ГГц; 3,1…10,6 ГГЦ 2,4 ГГц

Макс. скорость 20 Кбит/с 40 Кбит/с 250 Кбит/с 1, 3, 24 Мбит/с (доп. 55 Мбит/с)

53,3; 80; 106,7 МГц

Доп.: 160, 200, 320, 400,

489 Мбит/с

250 Кбит/с, 1 Мбит/с (chirp);

110 Мбит/с (10 м), 200 Мбит/с

(4 м); (доп. 480 Мбит/с)

1 Мбит/с

2 Мбит/с

11 Мбит/с

Выходная мощность,

ном. От 0 дБм (1 мВт)

0 дБм (класс 3)

4 дБм (класс 2)

–30…20 дБм (класс 1)

0 дБм <100 мВт (110 Мбит/с)

<250 мВт (200 Мбит/с) 20 дБм

Дальность 1—10 м (укороченный радиус действия)

10—100 м (увеличенный радиус действия)

1— 5 м (класс 3 —

укороченный радиус)

до 15 м (класс 2)

100 м (класс 1)

5…50 м

10 м (110 Мбит/с)

4 м (200 Мбит/с)

2 м (480 Мбит/с)

10 м

100 м

Чувствительность

(спецификация) –92 дБм –85 дБм –70 дБм –75 дБм – –76 дБм

Размер стека 4…32 Кбайт Более 250 Кбайт – Больше 1 Мбайт

Срок службы батареи

(энергосбережение) 100—1000+ дней 1—7 дней Нет статистики Теоретически более 1000 дней 0,5—5 дней

Размер сети 65536 (16-битные адреса),

264

(64-битные адреса) Мастер +7 До 127/хост 32

Таблица 2. Рекомендации H32X ITU-T

Стандарт/характеристика

Пакетная сеть H.322

Пакетная сеть H.323

Телефонные сети общего пользования

H.324

Сеть мобиль-ной связи

H.324/CH.310

Год принятия 1995 1996 1998 1996

Последняя редакция 1.3 –

Сеть

С гарантирован-

ной пропускной

способностью

С негарантированной

пропускной способностью

(Ethernet, Ra dio Ethernet —

Wi-Fi, WiMax)

Аналоговая теле-

фонная системаМобильная связь

Ш-ЦСИО,

ATM, LAN

АудиоG.711, G.722,

G.728

G.711, G.722,

G.723, G.728, G.729G.723

MPEG-2,

G.711,

G.722,

G.728

Данные T.120

Коммуникационный

интерфейсI.400 и TCP/IP TCP/IP Модем V.34 Мобильное радио

AAI I.363,

ATM I.361,

PHY I.432

(запрограммированной) связности сети с фиксированным количеством элемен-тов, хранящих информацию о передаче данных по определенным вариантам маршрутов. Последний вариант беспро-водной сети может достигать расстояния в несколько километров, представляя собой распределенную самоорганизую-щуюся структуру.

Такие сети преимущественно ис-поль зуются на длинных трассах трубо-проводов нефтеперегонных или хими-ческих предприятий.

САМООРГАНИЗУЮЩАЯСЯ

БЕСПРОВОДНАЯ WI-FI-СЕТЬ ДЛЯ

ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ

К разряду ad-hoc можно отнести и соседствующую с WPAN Wi-Fi (WLAN) технологию, которая на скоростях от 1 Мбит/с (нижняя граница скоростно-го ряда стандартов IEEE802.11х) хоро-шо себя зарекомендовала в качестве

транспортной среды не только для передачи данных, но и голосовых сообщений (см. табл. 1).

Разработка утвержденного в 2007 г. стандарта IEEE802.11е в виде дополне-ния к IEEE802.11х, где были учтены все меры по обеспечению качества услуг QoS с расстановкой приоритетов по типу передаваемой информации, по зволила решить проблемы передачи речевой информации по беспроводным сетям Wi-Fi. В этих сетях голосу присваивается наивысший приоритет, а также назнача-ется необходимая полоса пропускания.

Передача голоса по беспроводной сети Wi-Fi может быть организована с помощью протокола VoIP с учетом рекомендаций Н32.х ITU-T или МСЭ-Т (см. табл. 2).

Стандарты H322&Н.323 (см. табл. 2) используют передачу информации (голос и видео) как с гарантией достав-ки по назначению (TCP), так и без нее

(UDP). Передача речи в реальном мас-штабе времени осуществляется с помо-щью протокола RTP.

Основными аспектами при передаче речи по пакетной сети (Ethernet и Radio Ethernet) являются: преобразование ана-логового речевого сигнала в цифровой вид (АЦП и кодирование по определен-ному алгоритму); формирование паке-тов; передача пакетов по пакетной сети (радиосети); восстановление речевого сигнала ЦАП и декодирование на при-емном конце. Таким образом, для орга-низации речевой связи помимо сете-вой инфраструктуры необходимо иметь набор аппаратно-программных средств, которые осуществляют оцифровку/вос-становление речи по определенным алгоритмам (см. табл. 3), выполняют, а также формируют пакеты и вводят их наряду с пакетами данных в сеть.

Применение технологии Wi-Fi в качестве транспортной среды для передачи любой информации, пред-ставленной высокоскоростными стан-дартами (802.11b,g), с каждым днем ста-новится все более привычным делом в местах массового пользования, в т.ч. в зданиях административно-офисного типа, где уже установлены базовые станции типа hot-spot [1].

Ее основными особенностями явля-ются простота принципов построения и настроек мобильного абонента под беспроводную сеть.

Wi-Fi-технология позволяет строить беспроводные самоорганизующиеся сети инфраструктурного типа, т.е. соз-давать многоточечную топологию с бес-проводной точкой доступа для подклю-чения мобильных абонентов. Однако такая топология, скорее, является одним

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

59


Таблица 3. Основные параметры радиоканалов

ZigBee (WPAN) Bluetooth (WPAN) Wi-Fi (WLAN)

IEEE802.15.4

250 Кбит/с

TX: 30–35 мA

Standby: <3 мкA

32…60 Кбайт памяти

Удаленное управление и мониторинг

Ad-Hoc: точка-точка, точка-многоточ-

ка, фиксированная mesh-сеть c ограни-

ченными функциями маршрутизатора

Возможно управление мощностью

передатчика ERP Tx

IEEE 802.15.1 версия 1.2

1 Мбит/с

TX: 40 мA

Standby: 200 мкA

100+ Кбайт памяти

Telecom Audio, Small fi le Xfer

Ad-Hoc: точка-точка, точка-мно го точ-

ка, Piconet, Scatternet

Управление передатчика ERP Тх реали-

зовано для классов 1,2 (4–20 дБм)

Не реализовано при –30…1дБм)

802.11b/g

1…54 Мбит/с

TX: 400+ мA

Ожидание: 20 мA

100+ Кбайт памяти

Точка доступа АР, WLAN

как дополнение к LAN

Ad-Hoc: точка-точка, точка-многоточка

(инфраструктура) 802.11s (фиксиро-

ванная mesh-сеть)

Управление мощностью ERP-передат-

чика не реализовано

из недостатков, если рассматривать ее как вариант самоорганизующейся сети — выход из строя базовой стан-ции (точки доступа) приводит к падению мобильной радиосети в целом.

Это замечание не относится к бес-проводным сетям ячеистой структуры стандарта IEEE802.11s, которые находят применение в качестве беспроводных сетей фиксированной связи. Их узлы не имеют, как правило, автономных источ-ников электропитания (аккумуляторных батарей).

Вторым недостатком мобильных Wi-Fi-сетей с точками доступа по-прежнему остается небольшой срок работы акку-муляторных батарей и высокий показа-тель EIRP. Поэтому для использования модулей Wi-Fi совместно с портативными устройствами мобильной связи в послед-них дополнениях к стандарту IEEE802.11 все же был предусмотрен энергосбере-гающий режим (sleep) [3].

Безусловно, WLAN Wi-Fi-клас-са — идеальная технология для ор га-ни зации передачи речевой информа-ции по беспроводной инфраструкту-ре предприятия или внутри зданий административно-офисного типа. На-чиная с 2005 г. уже появились компакт-ные телефоны VoIP Wi-Fi, представ-ленные такими фирмами как Zyxel, UT Star comm, Samsung, Hitachi. ADSL ISP. В то же время некоторые поставщики интернет-услуг (на пример, нидерланд-

ская компания ISP XS4All) даже начали предоставлять клиентам услуги VoIP.

Но, несмотря на все свои преиму-щества, технология Wi-Fi существенно проигрывает беспроводным самоорга-низующимся сетям WPAN по мобиль-ности (см. табл. 1, 3).

Особое место среди ad-hoc-сетей WPAN занимают беспроводные сенсор-ные сети.

САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ

БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ

И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Их основное назначение заключает-ся не только в обмене данными между узлами по децентрализованной само-организующейся сети, но и в сборе передаваемой информации (в основ-

ном, данных) от датчиков (температуры, давления, влажности, уровня радиации, акустических колебаний) в центральный узел с целью ее последующего анализа или обработки.

Востребованность беспроводных сенсорных сетей на рынке также тесно связана с концепцией интеллектуали-зации таких объектов как дом, офис и производственные помещения, где городской человек проводит до 90% своего времени, а также с концепци-ей создания кибернетических произ-водств (полностью оснащенных робота-ми), первоочередной задачей которых является внедрение беспроводных тех-нологий на уровне АСУ ТП [4, 5].

Что касается концепции «умного дома» и создания максимального ком-

60

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

форта на работе, то в последнее время такие беспроводные технологии как Home RF (Shared Wireless Access Protocol- SWAP) и Bluetooth пришли на замену хорошо известным проводным решени-ям LonWork и HomePNA, завоевав свою нишу на рынке связи для домашней автоматизации и в современных здани-ях административно-офисного типа [4].

Современные беспроводные сен-сорные сети домашнего, офисного и промышленного применения, ориен-тированные в основном на передачу данных, представлены технологиями ZigBee и ZigBee Pro (их прежние назва-ния HomeRF lite, Firefl y и RF-EasyLink); Bluetooth; WHart (IEC) и ISA 100.11a.

Следует особо отметить экономич-ную технологию ZigBee, которая имеет, скорее, домашнее и офисное примене-ние, тогда как дорогостоящие техно-логии WHart и ISA 100.11a специально разработаны для сетей промышлен-ного назначения. Разница в стоимости объясняется тем, что интеллектуали-зация жилых и офисных помещений предназначена обеспечить человеку максимальный уровень комфорта и характеризуется минимумом финансо-вых затрат на разработку беспровод-ных сенсорных сетей [4], в то время как концепция создания кибернетических производств, где роботы или испол-нительные механизмы функционируют в совершенно иных условиях (повы-шенного давления и влажности или несовместимого с жизнью человека уровня радиации, а также с высокими требованиями к надежности и целост-ности передаваемой информации), требует совершенно иных финансовых затрат [4—7].

Однако следует отметить, что раз-работка дополнения к стандарту IEEE802.15.4 в виде IEEE802.15.4e все же позволила несколько приблизить ZigBee к промышленному сектору.

СТАНДАРТ IEEE802.15.4 —

ОСНОВА БЕСПРОВОДНЫХ

САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ

СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

Перечисленные выше технологии представлены разными протоколами верхнего уровня модели OSI. Несмотря на разное назначение, все стеки прото-колов этих технологий (за исключением Bluetooth) разработаны на базе еди-ного стандарта LR WPAN IEEE802.15.4, который описывает протоколы ниж-него уровня (PHY и MAC) модели OSI и предлагается в качестве единствен-ного низкоскоростного энергосбере-гающего стандарта для беспроводных персональных сетей WPAN [8].

Позднее у международного стан-дарта IEEE802.15.4 появилось дополне-ние в виде IEEE802.15.4а, позволяющее на физическом уровне повысить ско-

рость передачи данных с 250 Кбит/с до 1 Мбит/с в 2,4-ГГц ISM-диапазоне и выше, т.е. до 480 Мбит/с с радиусом дей-ствия до 2 м (DS UWB) в частотном диа-пазоне 3…10 ГГц [9]. В настоящее время в России уже реализованы некоторые проекты по созданию беспроводных сенсорных сетей с использованием chirp-технологий (CSS) и UWB [10].

Одновременно cо стандартом IEEE802.15.4а был создан еще один высокоскоростной стандарт — WPAN укороченного радиуса действия ECMA 368 (MB UWB) в виде ISO/IEC26907 (см. табл. 1) с учетом предложений WiMedia/MBOA и решений по IEEE802.15.3а [11].

Над разработкой радиочипов UWB работают такие компании как Intel (технологии WiMedia и USB 2.0), WISAIR (MB UWB OFDM), Motorola (DS UWB), Freescale (MB-UWB и DS-UWB) [12–14].

Однако основное назначение стан-дарта IEEE802.15.4.а и ECMA — созда-ние высокоскоростной транспортной среды в виде WPAN для пересылки высококачественных мультимедийных сообщений, в т.ч. для применения в некоторых «особых случаях» (см. табл. 1). В данном случае имеется ввиду пересылка данных со специальными требованиями ко времени отклика (Тз) в сенсорной сети, например, в специ-альных сетях заводской автоматики с Тз <10 мс или в сенсорных сетях с боль-шим количеством узлов [15].

ZigBee

Последние достижения в области беспроводных технологий в виде энер-госберегающих ad-hoc ZigBee и ZigBee-подобных технологий (IEEE802.15.4) (см. табл. 1) позволили создать низкоско-ростные самоорганизующиеся сенсор-ные сети ячеистого типа (mesh).

Отличительной особенностью сети топологии «ячейка» в сравнении с дру-гими топологиями в том, что она состоит, как правило, из однородных элементов, каждый из которых выступает как неза-висимый маршрутизатор. Mesh-cеть, в которой каждый узел может связаться с каждым другим узлом, представля-ет собой полносвязную систему. Для нее характерна избыточность с зара-нее определенным количеством узлов, которая, в свою очередь, существенно повышает надежность в сравнении с мобильной технологией Bluetooth.

Как уже отмечалось, исключением из общего правила построения энер-госберегающих беспроводных само-организующихся сенсорных сетей (IEEE802.15.4) является технология Bluetooth (IEEE802.15.1) [16].

BLUETOOTH

В настоящее время технология Bluetooth представлена различными версиями (от 1.1 до 4.х) и скоростны-

ми диапазонами (1…5 Мбит/с). Причем достижение высоких скоростей по-следних версий стало возможным не за счет архитектуры построения беспро-водной «ad-hoc» сети, а за счет функции «colocation» (две в одном устройстве), реализуемой совместно с другими технологиями, например, совместно с Wi-Fi или UWB.

Если говорить о преимуществах Bluetooth, то, прежде всего, следует отметить ее как высокоскоростную тех-нологию, которую можно смело поста-вить в ряд с UWB или Wi-Fi (см. табл. 1). К ее недостаткам, скорее, можно отнести энергоемкость (по сравнению, напри-мер, с технологией ZigBee). Поэтому основная проблема, которая решалась на протяжении последних лет и реша-ется в настоящее время в последних версиях Bluetooth, заключается в уве-личении срока службы автономных источников электропитания. Вопросы по созданию технологии Bluetooth в качестве энергосберегающей решают-ся в т.ч. за счет специальных алгоритмов работы радиопередающих устройств, которые включаются в сеть лишь на момент пересылки данных (версии 4.0).

Беспроводная сеть Bluetooth в клас-сическом понимании — это беспровод-ная одноранговая динамическая сеть с переменным количеством мобиль-ных узлов типа Piconet или Scatternet с децентрализованным управлением, которая может быть развернута в огра-ниченном пространстве (с количеством узлов до 80). Для организации беспро-водной сенсорной сети

необходима общая точка доступа в качестве центрального узла управле-ния сетью и обработки информации.

Спецификация Bluetooth была раз-работана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) в 1998 г. В нее вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии группа Bluetooth SIG и организация IEEE достигли соглашения, на основе кото-рого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 [16].

Радиосвязь Bluetooth осуществляет-ся в безлицензионном ISM-диапазоне (2,4…2,4835 ГГц) со скоростями 1 Мбит/с (версия 1.2); 3 Мбит/с (версия 2.0); 24 Мбит/с (версия 3.0).

В Bluetooth применяется метод рас-ширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты FHSS. Метод FHSS прост и устойчив к помехам, а радиоу-стройства в основном недорогие.

Начиная с версии 1.2, были добав-лены возможности адаптивной пере-стройки рабочей частоты (AFH), что частично решило проблемы сосуще-ствования разных систем в одном частотном диапазоне. Топологии сети: slave, точка-точка; master-slave, точка-Piconet; multi-masters, Scatternet.

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

61


ПЕРЕДАЧА РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ

И ТЕХНОЛОГИЯ BLUETOOTH

Передача речевой информации для технологии Bluetooth также не являет-ся новой. В Bluetooth версии 1.2 преду-смотрен профиль Hands Free для пере-дачи монозвука (поток E0 = 64 Кбит/с). Возможно одновременное использова-ние трех голосовых радиоканалов на один Piconet.

Применение технологии eSCO (расши-ренных синхронных подключений) улуч-шило качество передачи голоса путем повторения поврежденных пакетов. Реальная скорость передачи информации (версия 1.2) составляет около 721 Кбит/с; используется также режим управления потоком данных (Flow Control) и повтор-ной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol). Таким образом, при передаче цифровых данных и речевой информа-ции в виде звукового сигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используются раз-личные схемы кодирования. Повторная передача речевой информации не пред-усмотрена, а цифровые данные в случае утери пакета информации передаются повторно. Без помехоустойчивого коди-рования это обеспечивает передачу дан-ных со скоростями 723,2 Кбит/с с обрат-ным каналом 57,6 Кбит/с, или 433,9 кбит/c в обоих направлениях

В поздних версиях (начиная с 2.1) был разработан профиль Headset, позво-ляющий передавать даже стереозвук. Этот профиль был опробован стерео-гарнитурах.

Для версий 2.х (скорость передачи от 3 Мбит/с) разработан профиль NFC (Network Field Connection) c одновре-менным использованием радиоканала под два или несколько радиоустройств.

В классах 1, 2, которые характеризу-ют выходные мощности радиосигналов ERP-передатчиков, был решен вопрос об их управлении. Основные характери-стики технологии Bluetooth, в т.ч. касаю-щиеся энергопотребления, в сравнении с другими беспроводными технология-ми представлены в таблицах 1 и 2.

МОБИЛЬНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ

ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ

РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Из сказанного следует, что основ-ными претендентами по созданию мобильной беспроводной транспорт-ной среды для передачи речевой информации внутри инфраструктуры предприятия наряду с Wi-Fi являются также технологии Bluetooth и ZigBee (см. рис. 2).

На рисунке 2 представлены два вари-анта (Mesh и Piconet) построения бес-проводной сети, состоящие из узлов в виде приемо-передающих ретранслято-ров радиосигналов, с возможностью под-ключения через интерфейс (например,

Рис.3. Блок преобразования речевой информации

Рис. 2. Архитектура беспроводной сенсорной сети ad-hoc для передачи речевой информации

RS-232, см. рис. 3) акустических датчиков (и датчиков телефонии). Каждое устрой-ство должно включать в себя микропро-цессорные модули с режимами энергос-бережения, например: ARM, AVR (Atmel), PIC c RISC-подобной архитектурой или на базе Intel 8051 (Atmel, Maxim, IC, SiLab, TI, NXP). Каждая беспроводная транспорт-ная среда, состоящая из узлов, может содержать дополнительные элементы избыточности с целью повышения ее надежности. Устройства беспроводной сети должны обладать способностью автоматически определять наиболее приемлемый вариант передачи инфор-мации по оптимальному маршруту. Точка радиодоступа, представленная на рисунке 2, должна осуществлять коор-динацию, органи-зацию и установку параметров беспро-водной сети выбран-ной топологии. Возможно исполь-зование несколь-ких точек доступа, общее количество которых рассчиты-вается исходя из возможностей сети и количества аку-стических датчиков. В ее состав входит

шлюз с выходом в Ethernet. Кроме того, могут быть также реализованы допол-нительные возможности беспроводной связи с помощью Wi-Fi или 3G. Шлюз, как правило, используется для пересылки информации от устройств беспроводной сети в многофункциональный ПК для ее последующей обработки.

Совершенно очевидно, что приме-нение в качестве базы беспроводных сенсорных сетей, которые традицион-но были предназначены для передачи данных, будет связано с определенны-ми трудностями. Блок воспроизведе-ния речевой информации может нахо-диться как в ПК, так и в точке доступа. С помощью обозревателя многофунк-

62

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ционального ПК, который используется в т.ч. в качестве системного менедже-ра, можно оперативно осуществлять настройку и управление всей систе-мой в целом с помощью встроенного в точку доступа веб-интерфейса.

Технология передачи речи долж-на быть похожа на VoIP, а голосовой трафик транслироваться в реальном времени. В случае низкоскорост-ной передачи по беспроводной сети (ZigBee) необходимо применение вокодеров/девокодеров, существенно снижающих скорость речевого пото-ка (при монозвуке стандартный поток E0 = 64 Кбит/c) и восстанавливающих на приемной стороне, чтобы позво-лить передачу речи от других узлов радиосети (см. рис. 3).

Возникает также проблема обеспе-чения безопасности переговоров.

СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

BLUETOOTH И ZIGBEE В КАЧЕСТВЕ

БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ

Уместно заметить, что для Bluetooth характерно стихийное создание мобильной сети массового пользова-теля, когда практически любой чело-век, владея таким радиоинтерфейсом, может к ней без труда подключиться, если, конечно, не будет грамотно реше-на политика безопасности от несанкци-онированного доступа. Это становится первостепенной задачей при исполь-зовании технологии Bluetooth для бес-проводной сенсорной сети.

Если говорить о ZigBee, то для этой технологии уже предусмотрены про-граммно- аппаратные средства в виде AES-криптозащиты. Основное назначе-ние ZigBee — беспроводные сенсорные сети. В отличие от Bluetooth, ZigBee-сеть представляет собой распределенную самоорганизующуюся беспроводную структуру, которая может простирать-ся на многие километры и состоять из большого количества узлов. В ее архи-тектуре помимо возможностей подклю-чения датчиков предусмотрено нали-чие центрального узла управления (в виде точки доступа с возможностью для подключения стационарного ПК или переносного компьютера, выполняю-щего функции управления и обработки информации). В настоящее время техно-логия ZigBee, разработанная непосред-ственно для беспроводных сенсорных

сетей, является, по сути, единственной технологией, с помощью которой можно решить любые задачи мониторинга и контроля, которые в т.ч. критичны ко времени отклика (Тз) от датчиков.

Для проектирования беспроводных сенсорных сетей на базе технологии ZigBee (в отличие от Bluetooth) выпущен большой ряд инструментальных набо-ров таких компаний-разработчиков как Telegesis, Ember, Freescale, Dust, TI и др.

Альянс ZigBee также одобрил при-менение технологии UWB стандарта IEEE802.15.4a. Однако на рынке пока нет высокоскоростных ZigBee-решений (за исключением оригинальных реше-ний [17]). Возможности технологии ZigBee, ее преимущества и недостатки в сравнении с Bluetooth и с другими беспроводными технологиями пред-ставлены в таблицах 1, 4.

Что касается практического при-менения ZigBee как технологии для передачи речевой информации, то этот вопрос требует проведения допол-нительных исследований, хотя уже известны схемотехнические решения в этой области, разработанные фирмой Jennic и CaliforniaLab [17,18].

ВЫВОДЫ

На предприятиях промышленного комплекса возможно использование беспроводных сенсорных сетей не только по их основному назначению (для сбора данных и передачи команд исполнительным механизмам полевого уровня АСУ ТП), но и в качестве создания мобильной беспроводной инфраструк-туры для обмена речевой информаци-ей. Наиболее подходящими для этой цели являются технологии Bluetooth и ZigBee, которые в соответствии с раз-рабатываемым проектом стандарта ISA100.15 BACKHAUL легко интегрируют-ся в единую беспроводную среду про-мышленных предприятий и крупных производственных комплексов.

ЛИТЕРАТУРА1. Г.Ф. Гайкович. Обзор беспроводных

технологий для современных мобильных устройств связи. Электронные компонен-ты. №1. С. 65. 2007.

2. Г.Ф. Гайкович. Стандартизация в области промышленных сетей. Развитие беспроводных стандартов для АСУ ТП. №1. С. 48. 2009.

3. www.microchip.com.4. В.С. Барсуков. Новые технологии

интеллектуальных объектов: комфорт плюс безопасность. Специальная техни-ка №4. 2004//st.ess.ru/publications/4_2004/barsukov/barsukov.htm.

5. Г.Ф. Гайкович. Беспроводная связь в сетях промышленной автоматики. Электронные компоненты. № 10. С. 64. 2007.

6. В.М. Вишневский, Г.Ф. Гайкович. Беспроводные сенсорные сети в системах промышленной автоматики. Электро-ника №1. 2008//www.electronics.ru/issue/2008/1.

7. Г.Ф. Гайкович. Новые беспроводные стандарты для сетей промышленной автоматики. Электронные компоненты. № 2. С.75. 2008.

8. IEEE Standard for Information technology. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifi cations for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). Revision of 802.15.4-2003. July 2006//standards.ieee.org/getieee802/802.15.html.

9. IEEE Standard for Information techno-logy. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifi cations for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Amendent 1: Add Alternate PHYs. 2007//standards.ieee.org/getieee802/802.15.html.

10. А.С.Дмитриев, Е.В. Ефремова и др. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. Радиотехника и элек-троника. 2008. Т. 53 №10. С.1278–1289.

11. ECMA368 или ISO/IEC 26907:2007. Information technology. Telecommunications and information exchange between systems. High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard.

12. Широкополосный беспроводный кон-троллер Intel Wireless UWB Link 1480 MAC//www.vsesmi.ru/news/140739.

13. Wisair и Intel считают, что UWB готов к внедрению//www.7wolf.ru/index_list_news_ny_2004_nm_04_nd_09.zhtml.

14. Freescale nabs UWB design win, backs USB 2.0//www.commsdesign.com/news/tech_beat/showArticle.jhtml?articleID=164902887.

15. Г.Ф. Гайкович. Беспроводные высо-коскоростные, сверхширокополосные сети. Электронные компоненты. № 10.С.14. 2009.

16. IEEE Std 802.15.1-2005. IEEE Standard for Information technology. Telecommunications and information exchange between systems. Local and metropolitan area networks. Specific requirements Part 15.1: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks//ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=1490827.

17. ZICM2410P0-1C @CEL//www.cel.com.18. ZigBee-контроллер JN5139 для созда-

ния беспроводного аудиосигнала с теле-фонным качеством//www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Jennic/JN5139-EK0x0.htm.

Таблица 4. Основные параметры программно-аппаратных средств передачи речевой информации

Стан-дарт

Тип кодирования; слож-ность алгоритма, MIPS;

качество речи, MOS

Требуемая полоса пропу-скания, Кбит/с

Задержка накопле-ния, мс

Задержка при кодиро-

вании, мс

Размер кадра, кол-во октетов

G.726 ADPCM; 8; 3,8 16; 24; 32; 40 5

1 10, 15, 20, 25

G.728 LD-CELP; 40; 3,6 16 3…510

G.729 CS-ACELP; 30; 2,68—3,92 8 10 10

G.723.1Multi Rate Coder (ACELP/

MP-MLQ); 20/3,7—3,95,3; 6,3 30 30 20, 24

G.711 PCM; 8/4,1 48; 56; 64 5 0,75 30, 35, 40

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

63


В статье рассматриваются принципы разработки цифровых радиопри-емных устройств, аппаратные и программные средства для их проекти-рования и вопросы применения различных видов цифровых фильтров в радиоприемных устройствах.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОПРИЕМНИКОВ С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛАОМАР ГАСАНОВ, к.т.н., инженер, ОАО НИИ «Сапфир», ст. преподаватель, ДГТУАЛЕКСАНДР ГУБА, к.т.н., зав. кафедрой электроники и микропроцессорной техники, ДГТУРАСУЛ КИШОВ, студент 5 курса, ДГТУ

В статье «Активные фильтры в прием-ных устройствах радиовещательного диа-пазона», опубликованной в ЭК №10, 2010, рассматривались различные варианты построения преселекторов радиопри-емных устройств, среди которых схемы с использованием кварцевых фильтров, одно- и многоконтурных индукционных фильтров. Основное внимание было уде-лено применению активных безындукци-онных фильтров на основе высокочастот-ных операционных усилителей.

Анализ, проведенный при проекти-ровании и изготовлении полосового эллиптического фильтра 9-го порядка показал, что проектирование актив-ных фильтров с применением совре-менных программных средств (в при-мере использовалась программа Filter Solutions 2006) занимает минимум вре-мени и предполагает только точные требования к спецификации фильтра, после чего программное обеспечение производит все необходимые расчеты и формирует соответствующую схему. Однако дальнейшая реализация полу-ченной схемы и тестирование выявили ряд недостатков, которые могут рас-пространяться и на другие виды анало-говых фильтров.

В частности, номиналы элементов, используемые для получения требуе-мой характеристики, часто не входят в стандартные ряды сопротивлений и емкостей. Использование ближайших стандартных значений может привести к искажению характеристик фильтра, а комбинирование нескольких элемен-тов или использование подстроечных вызывает увеличение массогабаритных характеристик и дополнительные слож-ности с подстройкой многоконтурной схемы. Кроме того, схемы, в которых используются элементы с малыми номи-налами, более подвержены влиянию паразитных емкостей, сопротивлений и индуктивностей, что осложняет синтез фильтров высокого порядка, вызыва-ет трудности в согласовании каскадов, подборе элементов и т.д.

В итоге можно отметить, что актив-ные фильтры действительно могут при-меняться в качестве преселекторов в радиоприемных устройствах, однако их синтез и настройка требуют много времени, определенных практических и теоретических навыков как в схемотех-нике, так и в проектировании топологии печатной платы, что затрудняет получе-ние качественного, дешевого и простого в регулировке активного фильтра.

С развитием цифровых техноло-гий все большее внимание уделяется построению радиоприемных трактов с применением цифровой обработки сиг-налов (ЦОС), называемых в литературе SDR — software defi ned radio. Эта тех-нология основывается на возможности оцифровки радиосигнала в реальном времени и последующей обработке программными или аппаратными циф-ровыми средствами — цифровыми сигнальными процессорами, ПЛИС и т.д. Технология SDR позволяет осущест-влять прием и демодуляцию сигналов, в которых используются цифровые виды модуляции, такие как DPSK, QAM, GMSK и т.д. В зависимости от частоты и шири-ны спектра принимаемого сигнала циф-ровая обработка в приемнике может использоваться как по радиочастоте (см. рис. 1), так и после переноса сигнала на фиксированную промежуточную часто-ту — обработка по ПЧ (см. рис. 2).

Радиоприемники с цифровой обра-боткой сигнала по ПЧ относятся к супергетеродинному типу и имеют ряд преимуществ перед приемниками пря-мого преобразования — возможность работы в большом диапазоне частот, хорошая селективность и чувствитель-ность во всём диапазоне [1]. Приемники такого типа используются в профессио-

нальной связной аппаратуре, к которой предъявляются жесткие технические требования. В числе недостатков супер-гетеродинных приемников — относи-тельно высокое энергопотребление и большие размеры из-за использования аналоговых элементов.

К преимуществам приемников пря-мого преобразования относятся малое энергопотребление и возможность раз-мещения всех элементов в небольшом портативном устройстве (в идеале в корпусе одной микросхемы), однако по избирательности, чувствительности и динамическому диапазону эти устрой-ства уступают супергетеродинным при-емникам.

При обработке сигналов с частота-ми, не превышающими несколько десят-ков МГц, скорость современных АЦП (для АЦП последовательного приближения она составляет несколько сотен Мвыб/с при разрядности до 12 бит) позволяет использовать классический принцип дискретизации в соответствии с теоре-мой Котельникова, согласно которой частота выборок должна быть как мини-мум в два раза больше верхней частоты в спектре дискретизируемого сигнала. При этом оцифровке подвергается диапазон частот от постоянной составляющей до половины частоты дискретизации, и на входе АЦП достаточно использовать ана-логовый ФНЧ для защиты от наложения спектров. Для высокочастотных сигна-лов используется полосовая дискретиза-ция (under sampling), которая позволяет обойти ограничение, накладываемое теоремой Котельникова для обработки узкополосных сигналов, у которых шири-на спектра много меньше абсолютного значения центральной частоты. Этому условию соответствуют практически все

Рис. 1. Структура приемника с ЦОС по радиочастоте

64

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

радиосигналы. В этом случае теорема Котельникова звучит следующим обра-зом: для сохранения информации о сиг-нале частота его дискретизации должна быть равной или большей, чем удвоенная ширина его полосы [4]. Математически условие, которое должна выполнять частота дискретизации, описывается выражением (1) [5]:

(1)

где: fc — центральная частота в спектре сигнала; fs — частота дискретизации; B — ширина спектра сигнала; m — про-извольное целое число, выбираемое таким образом, чтобы выполнялось соотношение fS≥2B.

При полосовой дискретизации оцифровке подвергается не вся полоса частот, а лишь небольшая ее часть. При этом для защиты от наложения спектра необходимо использовать полосовые аналоговые фильтры. Стоит также отме-тить, что полосовая дискретизация позволяет одновременно с оцифров-кой сигнала произвести перенос его спектра на низкую частоту.

В обоих случаях на входе преоб-разователя необходимо использо-вать аналоговые фильтры для защи-ты от наложения спектра. При этом, чем выше частота дискретизации, тем менее жесткие требования предъявля-ются к аналоговому фильтру. На практи-

ке разработчики стараются обеспечить такую частоту дискретизации, чтобы на входе АЦП было достаточно использо-вать трех- или четырехкаскадный пас-сивный фильтр. Для рассматриваемого в предыдущей статье диапазона частот (до 25 МГц) можно применить как схему с непосредственной дискретизацией сигнала по Котельникову, так и полосо-вую дискретизацию.

Цифровые устройства в радиопри-емнике решают следующие задачи: выделение требуемого канала, перенос спектра сигнала на низкую частоту и декодирование содержащихся в сиг-нале данных или детектирование. Для решения этих задач могут применять-ся различные устройства и их сочета-ния. Первичную, неинтеллектуальную обработку, включающую канальную фильтрацию, гетеродинирование, понижение частоты дискретизации (децимацию), чаще всего выполняют либо при помощи быстродействующей программируемой логики (FPGA), либо в специализированных микросхемах — цифровых приемниках (digital down converter — DDC).

В качестве примера подобных микросхем можно привести AD6620 компании ADI и 1288ХК1Т производства ФГУП НПЦ «Элвис», структура которой изображена на рисунке 3. Подробно возможности данного устройства опи-саны в [2], отметим лишь некоторые из них:

– наличие 4-х независимых каналов для обработки 16-разрядных сигналов;

– скорость входного потока данных до 100 МГц в каждом канале;

– совместимость со многими типа-ми АЦП;

– возможность гибкой настройки внутренней структуры микросхемы для обработки как действительных, так и комплексных сигналов.

Микросхема содержит CIC-фильтры для понижения частоты дискретиза-ции, по два КИХ-фильтра 64 порядка в каждом канале, цифровые гетеродины для получения квадратурных сигналов и удобный выходной интерфейс для чтения данных. Коэффициенты филь-тров, коэффициенты децимации каждо-го каскада, маршрутизация данных вну-три чипа и многие другие параметры задаются программно. Все это дела-ет микросхему 1288ХК1Т и ее анало-ги удобными для применения в самых разных системах цифрового приема. Для окончательной обработки сигна-ла, декодирования данных, обработки декодированного битового потока и реализации протоколов более высо-кого уровня применяются цифровые сигнальные процессоры.

После дискретизации задача выде-ления требуемого канала решается при помощи цифровых фильтров, которые представляют собой набор постоянных чисел — коэффициентов фильтра, коли-чество и значения которых определя-ют его вид и крутизну характеристики. Различают два основных класса цифро-вых фильтров — нерекурсивные (КИХ-фильтры) и рекурсивные (БИХ-фильтры). КИХ-фильтры имеют известные преи-мущества перед рекурсивными, кото-рые заключаются в их устойчивости, меньшей подверженности эффектам квантования и возможности получения

Рис. 3. Структура цифрового приемника 1288ХК1Т

Рис. 2. Структура приемника с ЦОС по промежуточной частоте

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГИ

И

65


линейной фазовой характеристики, что особенно важно в системах связи. В этой связи в цифровых радиоприемных устройствах более широкое распро-странение получили именно нерекур-сивные фильтры.

Для проектирования цифровых фильтров, также как и для разработ-ки аналоговых активных и пассивных фильтров, применяются разнообразные программные средства. Для расчета коэффициентов фильтра от разработ-чика требуется только определение требований к фильтру, но не знание алгоритмов и методов расчета коэффи-циентов. Широкое распространение для проектирования дискретных фильтров получил пакет Matlab, т.к. он позволяет провести расчет фильтра различными методами, с применением разных окон и т.д. Кроме того, для расчета коэффи-циентов фильтра можно использовать, как режим командной строки, так и гра-фический интерфейс приложения Filter design and analysis tool (FDA Tool).

После расчета, как правило, коэффи-циенты фильтра сохраняются в файле необходимого формата для дальнейше-го использования в соответствующей программе, однако в возможности паке-та Matlab входит также моделирование работы фильтра в цифровой системе при помощи приложения Simulink и загрузка в поддерживаемые отладоч-ные комплекты.

По сравнению с аналоговыми циф-ровые фильтры имеют следующие пре-имущества [3]:

– возможность получения недоступ-ных для аналоговых фильтров характери-стик (как крутизны АЧХ, так и линейности ФЧХ). Увеличение порядка цифрового фильтра приводит лишь к увеличению количества математических операций, так что порядок фильтра ограничен толь-ко быстродействием цифровой системы;

– цифровые фильтры не подверже-ны влиянию старения и температурно-го дрейфа параметров;

– т.к. цифровой фильтр представля-ет собой набор чисел — коэффициен-тов, то для изменения характеристики достаточно изменить набор коэффици-ентов, что делает возможным создание адаптивных фильтров;

– цифровые фильтры могут рабо-тать как с низкочастотными, так и с высокочастотными сигналами.

Подводя итоги, хочется отметить, что появление радиоприемных устройств с цифровой обработкой сигналов стало логичным продолжением развития циф-ровой техники. Использование цифро-вой обработки сигналов позволило раз-рабатывать системы высокоскоростного обмена данными по радиоканалам с при-менением цифровых методов модуляции радиосигнала. В зависимости от стадии приема, на которой используется циф-ровая обработка, возможно получение

как недорогих, компактных и малопо-требляющих устройств вплоть до систем на кристалле, так и изделий, отвечаю-щих жестким требованиям по избира-тельности, динамическому диапазону, чувствительности и другим параметрам, что достигается правильным сочетанием аналоговой и цифровой частей прием-ного тракта. Наиболее вероятно, что в перспективе развитие «цифрового» при-ема будет идти по пути увеличения ско-ростей дискретизации и обработки, что позволит охватить все более широкий диапазон частот, и при этом будет умень-шаться доля аналоговой схемотехники в структуре приемника.

ЛИТЕРАТУРА1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоре-

тические основы и практическое при-менение. Изд. 2-е, испр. Пер с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003.

2. Техническое описание СБИС четырех-канального цифрового приемника 1288ХК1Т (www.MultiCore.ru).

3. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание. Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2004.

4. Аналого-цифровое преобразование. Под. ред. У. Кестера. Пер с англ. под ред. Е.Б. Володина. — М.: Техносфера, 2007.

5. Лайонс Р. Цифровая обработка сигна-лов: 2-е изд. Пер. с англ. — М.: ООО «Бином-Пресс», 2006.

66

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ПОСТОЯННЫЙ ТОК И ПОМЕХИ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО

ТОКА

Постоянный ток не всегда постоянен. При разработ-ке систем, рассчитанных на питание постоянным током, нужно учитывать наличие шума или воздействие иных помех на цепь питания. Попробуем обсудить методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скач-ков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее. (Нужно учитывать, что низкочастотные шумы (например, фон переменного тока 50/60 Гц), которые мы не будем рас-сматривать в этой статье, тоже могут создавать серьезные проблемы генерации в диапазоне от кГц до МГц или даже до ГГц).

Причины помех могут быть самыми разными. Помехи от источника могут обуславливаться событиями, вызываю-щими изменение его параметров, например, изменение выходной мощности источника из-за изменения внешних условий (облако закрыло солнечную панель или автомо-бильный генератор изменил скорость вращения). Помехи могут возникать и из-за изменения нагрузки, например, в результате подключения к сети постоянного тока нового устройства или из-за включения/выключения подсистем, которые периодически отключаются для экономии энер-гии.

Проектируя систему с питанием постоянным током, инженер должен учитывать влияние помех в цепи питания на общую работу системы. Конечно, обычные помехи в цепи питания постоянного тока, например, подключение нового устройства, не станут причиной полного нару-шения работы схемы и не приведут к зависанию, сбросу, потере данных или отказу других устройств, подключен-ных к тому же источнику постоянного тока. Таким образом, тестирование систем, рассчитанных на питание постоян-ным током, потребует имитации помех в цепи питания для проверки работоспособности системы. Основные требо-вания к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока приведены в таблице 1.

ПРИМЕРЫ СИСТЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ВОЗМОЖНЫХ

ПОМЕХ

Многие системы и устройства питаются от источников постоянного тока. Такая система будет работать нормаль-но, если в линии питания поддерживается номинальное рабочее напряжение в пределах допустимого отклонения.

Обычно мы считаем, что бортовая сеть автомобиля представляет собой сеть постоянного тока напряжением 12 В. Однако напряжение бортовой сети автомобиля под-вержено различным колебаниям и помехам. Изменение скорости двигателя может вызвать флуктуации напряже-ния. Изменение нагрузки, например, включение стекло-подъемника, может вызвать просадку напряжения 12 В.

Для тестирования и оценки работоспособности систем, рассчитанных на питание постоянным током, потре-буется имитация помех в цепи питания. В статье обсуждаются методы создания низкочастотных помех (глитчей, провалов, скачков, всплесков), длительность которых может составлять 100 мкс и более, а диапазон частот — 10 кГц и менее.

БОБ ЗОЛЛО, специалист по продукту, Agilent Technologies

Генерация помех в цепях питания

постоянного тока

Сильные переходные процессы возникают в бортовой сети во время запуска двигателя. Автомобильная электро-ника, от блока управления двигателем до развлекательных систем и измерительных приборов, должна выдерживать эти переходные процессы — немногим понравится, если компьютер управления двигателем зависнет при нажатии на тормоз или газ.

Если светодиодные осветительные приборы работают от распределительной сети постоянного тока, помехи в системе питания могут влиять на их видимое излучение. Помехи и переходные процессы могут вызывать нежела-тельное и неприятное мерцание светодиодов.

Если от одного источника постоянного тока питается несколько устройств или подсистем, подключение или отключение одних устройств может порождать пере-ходные процессы, влияющие на другие устройства. При первом подключении USB-устройства бросок тока может превышать номинальный рабочий ток и даже максималь-ный допустимый ток 5-В источника шины USB. Это особен-но характерно для мощных устройств, таких как жесткие диски USB, которые потребляют большой пусковой ток в момент пуска двигателя. Пусковой ток просаживает напря-жение 5 В шины USB, и если напряжение упадет достаточ-но сильно, может привести к сбросу всех других устройств на шине USB. Вполне понятно, что такое событие может привести к потере данных.

Таблица 1. Основные требования к источнику питания для генерации помех в цепи питания постоянного тока

Характеристикиисточника питания

Требования к генерации помех постоянного тока

Напряжение, ток и мощностьДостаточны ли значения напряжения, тока и мощности

для номинального рабочего режима и генерации помех?

Время нарастания на выходеМожно ли изменять выходное напряжение достаточно

быстро для генерации помех?

Время спада на выходе

Имеется ли программатор снижения, который позволит

быстро изменять напряжение для создания отрицатель-

ных перепадов?

Аналоговое программиро-

вание

Имеется ли порт аналогового программирования, кото-

рый позволит создавать помехи с помощью генератора

сигналов произвольной формы в качестве источника и

источника питания в качестве усилителя?

Или

Быстрое программирование

выхода

Достаточно ли быстродействие источника питания,

чтобы можно было передать последовательность ком-

пьютерных команд и быстро перепрограммировать/

изменить его выходное напряжение для создания помех

нужной формы?

Или

Встроенный секвенсор выход-

ного напряжения

Имеется ли в источнике питания режим программи-

рования, который позволит загрузить сигнал помехи

в источник питания и заставить его генерировать этот

сигнал для создания помехи?

68

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Аналогично и пусковые токи могут создавать пробле-мы даже в системах с фиксированной конфигурацией, в которой не происходит подключение или отключение устройств. Например, при первом включении программи-руемой логической интегральной схемы (ПЛИС) она может потреблять значительный стартовый ток. Эти броски стартового тока, превышающие ток обычного рабочего режима до 10 раз, могут легко посадить источник питания системы, вызвав мгновенное снижение напряжения, что может неблагоприятно повлиять на другие компоненты и подсистемы, работающие от этого же источника, и вызвать их сброс или отключение. И хотя влияние пускового тока можно свести к минимуму, применив более мощный источ-ник питания, это не всегда приемлемо, поэтому многие подсистемы нужно тестировать на устойчивость к пуско-вым токам, вызывающим помехи в цепи питания.

ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГЕНЕРАЦИИ ПОМЕХ В ЦЕПЯХ

ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ ТЕСТИРОВАНИИ

Конструкция системы должна обеспечивать стойкость к определенным типам помех в цепи питания постоянно-го тока. Это особенно важно для систем, которые должны обеспечивать совместимость с устройствами plug-n-play. Для среднестатистического пользователя важно, чтобы он мог включить новое устройство, и оно зара-ботало бы, не оказывая влияния на другие устройства. Единственный способ добиться этого заключается в соз-дании стандартов или технических условий на стабиль-ность и качество питания постоянного тока и в после-дующей разработке устройств в соответствии с этими стандартами. При проведении научно-исследовательских работ или для проектирования инженерам нужен источ-ник постоянного тока с управляемыми, воспроизводимы-ми помехами, который позволил бы тестировать новые устройства и гарантировать их соответствие стандартам или техническим условиям.

Чтобы проверить стойкость устройства к помехам в цепи питания постоянного тока, нужен специальный тип источника питания. Этот источник должен не просто выда-вать напряжение постоянного тока, но и генерировать на выходе переменную составляющую в виде изменяющегося во времени переходного процесса, который можно про-граммировать, создавая помехи нужной формы.

Инженеры давно пытаются (более или менее успешно) создать тестовый источник питания, который имитировал бы переходные процессы в цепи постоянного тока. В неко-торых конструкциях использовался генератор сигналов произвольной формы, однако такой генератор может обеспечить достаточный ток питания лишь маломощных исследуемых устройств. Некоторые инженеры пытались усовершенствовать генератор, добавляя к нему усилитель мощности. В качестве такого усилителя мог использовать-ся усилитель специальной конструкции или серийно выпу-скаемый усилитель, например, автомобильный аудиоуси-литель, который обладает большой выходной мощностью и широкой полосой пропускания. Но эти «радиолюбитель-ские» решения нельзя считать универсальными, посколь-ку трудно добиться стабильности характеристик таких конструкций в широком диапазоне нагрузок. В результате источник приходится настраивать индивидуально для каждой нагрузки.

Выбирая серийно выпускаемый источник питания постоянного тока, способный генерировать переходные процессы, нужно учитывать его динамические характери-стики. Во-первых, мощный каскад источника питания дол-жен иметь достаточную скорость для генерации быстрых изменений напряжения. Этот параметр часто называют временем нарастания источника питания или временем отклика на команду.

Кроме того, источник питания должен обладать воз-можностью программирования, чтобы можно было создавать быстрые изменения выходного напряжения. Один из методов заключается в использовании источника питания, программируемого аналоговым способом. В этом случае генератор сигналов произвольной формы создает помехи нужной формы, а выход генератора подается на вход источника питания, который выступает в роли усили-теля мощности. Другой метод заключается в применении источника питания, достаточно быстрого, чтобы реаги-ровать на последовательность отдельных компьютерных команд и в соответствии с ними изменять выходное напря-жение для генерации помех нужной формы. Третий метод заключается в выборе источника питания постоянного тока, обладающего встроенной возможностью програм-мирования, в память которого можно загружать формы сигналов переходных процессов и воспроизводить их для создания помех.

Важным фактором, который нужно учитывать, является емкость цепи питания устройства, которая создает нагруз-ку на источник питания. Ток, необходимый для питания устройства, описывается уравнением I = C dv/dt. В резуль-тате с ростом скорости измерения напряжения растет и потребляемый ток. И если устройство имеет большую входную емкость, то при быстром измерении напряжения на входе тестируемого устройства может возникать очень большой ток. Поэтому надо учитывать ток, протекающий во время переходного процесса, а не только постоянный ток, потребляемый в нормальном рабочем режиме, и соответствующим образом выбирать мощность источника питания.

И, наконец, последним фактором является скорость, с которой источник питания способен снижать напряжение. Эта характеристика называется временем спада. Многие имеющиеся на рынке источники питания постоянного тока не могут снижать напряжение с той же скоростью, с которой они его повышают. Другими словами, время спада значительно превышает время нарастания. В типич-ном случае время нарастания составляет 20 мс, а время спада — 200 мс. Если тестируемое устройство имеет боль-шую входную емкость, то, однажды зарядившись, конден-сатор сохраняет заряд и удерживает постоянное напряже-ние. Если вы хотите снизить напряжение на тестируемом устройстве, конденсатор следует разрядить. Некоторые источники питания оборудованы специальной цепью, называемой программатором снижения или активной нагрузкой, которая подключает небольшую электронную нагрузку для создания тока, разряжающего конденсатор. В таких источниках питания время спада соответствует или не сильно отличается от времени нарастания, позволяя создавать быстрые переходные перепады обеих поляр-ностей.

ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОМЕХ

В ЦЕПИ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Поняв все практические моменты создания помех, давайте обратимся к имеющимся на рынке источникам питания. Многие предлагаемые источники питания могут обеспечить большой ток, необходимый во время пере-ходных процессов, но большинство из них имеют большое время нарастания/спада, что делает их непригодными для генерации помех.

Некоторые изготовители выпускают быстрые источники питания с малым временем нарастания и с программато-ром снижения или даже источники питания, работающие в двух квадрантах, позволяющие реализовать быстрый спад напряжения. Такие источники лучше приспособлены для генерации помех, но им все еще нужен способ программи-рования, достаточно быстрый для создания переходных

69


процессов. И снова потребуется аналоговое программиро-вание, быстрое программирование выхода с компьютера или встроенный программатор выходного напряжения.

Некоторые инженеры предпочитают 4-квадрантные источники питания или биполярные источники питания с усилителями. Как правило, такие источники имеют малую мощность (<50 Вт) и очень высокую точность (ино-гда их называют SMU) или большую мощность (1000 Вт), но значительную массу и размеры. В любом случае, 4-квадрантный источник питания обходится значительно дороже обычного источника питания постоянного тока при той же выходной мощности. И хотя такой источник гораздо быст-рее обычного источника питания посто-янного тока, при выборе 4-квадратнтного источника питания все нужно обращать внимание на его скорость. Более того, в связи с ограниченным выбором, поиск 4-квадрантного источника питания все же с достаточной скоростью и необходимыми напряжением и током может оказаться непростой задачей.

На рисунке 1 изображен анализатор питания постоян-ного тока компании Agilent Technologies — Agilent N6705A,

Рис. 1. Анализатор питания постоянного тока Agilent N6705A

который настроен на генерацию помех в цепи постоян-ного тока. Встроенный источник питания может генери-ровать переходные процессы мощностью до 600 Вт, со временем нарастания/спада менее 1 мкс и полосой 5 кГц. Встроенный генератор сигналов произвольной формы упрощает программирование помех. Встроенные измери-тельные функции позволяют инженерам визуализировать переходные процессы тока и напряжения.


| ОНЭКСИМ ЗАЙМЕТСЯ ПРОИЗВОДСТВОМ СИСТЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ | Промышленная группа ОНЭКСИМ пла-

нирует организацию производства систем мониторинга электросетей.

«Роснано» одобрила проект создания производства волоконно-оптических датчиков (ВОД) для измерения тока и

напряжения в силовых сетях. Новое производство планируется открыть через 1,5 года, а ожидаемая годовая прибыль от

реализации специальных датчиков составит от 2 до 7 млрд руб к 2015 году.

ВОД — это лишь первый этап освоения рынка. Директор департамента инвестирования в высокие технологии группы

ОНЭКСИМ Валерий Кривенко считает, что следующим этапом может стать проект по созданию комплексных систем мони-

торинга инфраструктурных объектов и различных сооружений в режиме реального времени.

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

| 100 ЛУЧШИХ ПРОДУКТОВ ПО ВЕРСИИ EDN. МИНИАТЮРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ENPIRION | 3-А EN6337QI и 4-А EN6347QI

неизолированные синхронные понижающие преобразователи компании Enpirion, представляют собой так называемый

«источник питания в корпусе» — power-supply-in package (PSiP). Оба модуля производятся в 38-выводном корпусе QFN раз-

мером 8×11×3 мм. 12-А модуль EN63A0QI выпускается в 76-выводном корпусе QFN размером 10×11×3 мм. Компания достигла

рекордной плотности энергии: 17,6 Вт/см2. Надо отметить, что в корпусе модуля находятся и силовой ключ, и дроссель.

Диапазон входных напряжения: 2,375–6,6 В. Максимальная эффективность: 95% для EN6337QI и EN6347QI и 96% для

EN63A0QI.

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И УЧЕТА РАСХОДА РЕСУРСОВ

| 100 ЛУЧШИХ ПРОДУКТОВ ПО ВЕРСИИ EDN. FREESCALE ДОПОЛНИЛА СЕМЕЙСТВО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЧЕТЧИКОВ РАС-

ХОДА РЕСУРСОВ ЧИПОМ MC9S08GW64 | В него встроены модули счетчика расхода газа и воды. Микросхема базируется на

8-разрядном ядре S08 и включает в свой состав также счетчик электроэнергии, аналоговую периферию и два независимых

16-разрядных АЦП последовательного приближения программируемый блок задержки для компенсации ошибки сдвига

фазы. Микросхема дополнила ряд измерителей расхода ресурсов, в который также входят MCF51EM256, с 32-разрядным про-

цессорным ядром Coldfi re V1 для измерения расхода электроэнергии в 3-фазных цепях и MC9S08LH64 с 8-разрядным ядром

S08 для измерения электроэнергии в однофазных цепях.

Freescale не одинока в своем решение вывести на рынок новые микросхемы измерения расхода ресурсов. Аналогич-

ную продукцию производят и ряд других компаний, среди которых: Accent, Analog Devices, Teridian и Texas Instruments.

www.elcomdesign.ru

70

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В большинстве своем бытовые и промышленные потре-бители электроэнергии используют импульсные сетевые преобразователи, AC/DC-преобразователи. Типовая струк-тура сетевого преобразователя содержит: диодный мост, емкостной фильтр, а также преобразователи выходных стабилизированных напряжений. При необходимости AC/DC-преоб разователи могут содержать и гальваническую развязку от сети.

Эффективность преобразования определяется эффек-тивностью базовых узлов — выпрямителя с фильтром и DC/DC-преобразователей. Слабым по части эффективно-сти энергопередачи является звено «диодный мост — кон-денсатор». Заряд емкости, а, следовательно, и потребление энергии от сети, производится только в короткие фазы во время «верхушек» синусоид сетевого напряжения, а пере-дача энергии из накопительной емкости в нагрузку может происходить неравномерно по времени. Для обеспечения требуемой токовой нагрузки емкость конденсатора долж-на выбираться довольно большой. По мере возрастания мощности преобразователя проблема становится крити-ческой. При зарядке большой накопительной емкости в короткий момент времени происходят броски тока в сети, которые в начальный момент подключения источника к сети могут достигать сотни ампер. Это приводит к искаже-нию формы сетевого напряжения.

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ

Для оценки эффективности передачи электрической энергии от сетевого источника в нагрузку используется коэффициент мощности (КМ), который определяется, как отношение активной мощности, потребляемой нагруз-кой, к полной мощности. Коэффициент мощности сете-вых источников питания с мощностями более 100 Вт без использования активных корректоров коэффициента мощности (ККМ) не превышает 0,7. Коэффициент мощности обычного выпрямителя не превышает 0,25—0,3, тогда как у хорошего ККМ он составляет не менее 0,92—0,95.

КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ И СТАНДАРТЫ

Основная задача ККМ — уменьшить (в идеальным слу-чаем до нуля) сдвиг фазы между потребляемыми током и напряжением в сети при сохранении синусоидальной формы тока. Для этого необходимо, чтобы сетевой ток протекал от сети в нагрузку не короткими интервалами во время зарядки накопительного конденсатора, а непре-рывно. Мощность, отбираемая от источника, должна оста-ваться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот. Со стороны сети блок питания будет выглядеть как чисто активное сопротивление. ККМ представляет собой преобразователь напряжения с индуктивным накопителем и передачей энергии на обратном ходу. Ступень ККМ в структуре мощ-ного AC/DC-преобразователя (см. рис. 1) представляет собой промежуточный источник стабилизированного

Применение технологии коррекции коэффициента мощности (ККМ) — один из ключевых аспектов в разработке эффективных и мощных сетевых источников питания. В статье рассказывается о новейших контроллерах коэффициента мощности компании ON Semi и содержатся полезные рекомендации по выбору базовых элемен-тов схемы корректоров коэффициента мощности.

Контроллеры корректора

коэффициента мощности ON SemiИРИНА РОМАДИНА, менеджер по продукции ON Semiconductor, «Компэл»

Рис. 1. Структура AC/DC-преобразователя с корректором коэффициента мощности

напряжения, от которого питаются другие преобразовате-ли напряжений.

Во всех современных мощных источниках питания широко применяется активная коррекция коэффициента мощности. Использование ступени коррекции коэффици-ента мощности позволяет повысить КПД преобразования и уменьшить уровень сетевых помех. Необходимость ККМ в мощных сетевых источниках вторичного электропитания регламентируется требованиями по электромагнитной совместимости ГОСТ Р 51317-2000. Нормы по гармониче-ским составляющим потребляемого тока и коэффициенту мощности для систем электропитания мощностью более 50 Вт и всех типов осветительного оборудования опреде-ляет стандарт МЭК IEC 1000-3-2. Для устройств питания аппаратуры связи с марта 2001 г. введён Минсвязи РФ ОСТ 45.188-2001, в котором указано, что коэффициент мощно-сти оборудования электропитания для устройств с коррек-цией мощности должен быть не менее 0,95.

КОНТРОЛЛЕР КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Модуль корректора коэффициента мощности (см. рис. 2) содержит микросхему контроллера ККМ, дроссель, MOSFET, мощный ключ, выпрямительный диод, цепи дат-чика обратной связи, выходную емкость. Регулирование и стабилизация выходного напряжения осуществляется ШИМ-сигналом. На схеме не показаны цепи питания и цепи управления режимами и порогами срабатывания защит-ных цепей. Схема практически ничем не отличается от классических схем импульсных преобразователей напря-жения. Стоит отметить лишь несколько особенностей. Для соответствия требованиям стандартов по электромагнит-ной совместимости преобразование в корректорах всегда осуществляется на постоянной частоте. При мощностях свыше 200 Вт большинство ККМ организованы как бустер-ные преобразователи, работающие в режиме непрерыв-ной проводимости (РНП, в англоязычной транскрипции: Continuous Current Mode (CCM)).

Основным элементом корректора мощности является контроллер. Его структура и реализованный алгоритм управления определяют эффективность работы всего модуля. Первые микросхемы контроллеров корректоров мощности появились еще в 80-х гг., в одно время с микро-схемами контроллеров импульсных источников питания. Сегодня микросхемы контроллеров выпускают десятки производителей, и уже долгие годы заслуженным дове-рием пользуется продукция компании ON Semi. ON Semi постоянно совершенствует структуру и алгоритм управ-

71


Таблица 1. Базовые отличия контроллеров NCP1653 и NCP1654

Параметр NCP1653 NCP1654

Выбор частоты внутреннего

генератора

67 кГц – NCP1653A

100 кГц – NCP1653

65/133/200 кГц задается в суф-

фиксе NCP1654xxx

Диапазон питающих напря-

жений микросхемы, В8,75…18 9…20

BrownOut Detection — обна-

ружение и отключение при

падении сетевого напряже-

ния на входе ниже порога

—

Есть (порог задается через пин

Vbo-4). Дезактивация секции

корректора при падении напря-

жения на линии питания

Порог защиты от перенапря-

жения на входе

107% от номинального

выходного уровня

105% от номинального выход-

ного уровня

Защелка при падении напря-

жения с гистерезисом8,7/13,25 В 9/10,5 В

Рис. 3. Схема включения контроллера NCP1654

ления своих контроллеров FPC. Недавно выпущенные ею на рынок контроллеры FPC NCP1653\NCP1654 отражают последние достижения технологии ККМ.

СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНТРОЛЛЕРОВ

NCP1653/1654

Микросхемы NCP1653/1654 спроектированы с учетом требований IEC61000-3-2 и полностью им соответствуют. Использование непрерывного режима для преобразова-ния обеспечивает уменьшение бросков тока в цепях регу-лирования.

Контроллер NCP1653 создавался как базовая модель. NCP1654 считается более совершенным развитием струк-туры NCP1653. Несмотря на «родственные связи» структура и цоколевка, а также назначение выводов этих микросхем отличаются и не могут использоваться в качестве аналогов при заменах. Основной принцип организации обратной связи в NCP1654 унаследован от NCP1653. Главное отличие заключается в том, что NCP1654 обеспечивает по сравнению с NCP1653 более точное слежение и быструю реакцию на изменение входных, выходных сигналов в процессе регули-рования. Базовые отличия между NCP1653 и NCP1654 будут представлены ниже (см. табл. 1), а пока рассмотрим структу-ру и параметры контроллера NCP1654.

На рисунке 3 показана базовая схема применения кон-троллера NCP1654. Как видно, применение контроллера

требует минимального количества внешних компонентов, что значительно упрощает процесс реализации коррек-торов мощности. NCP1654 характеризуется быстрой реак-цией на броски по питанию, что обеспечивает надежную работу устройства. Интегрированные функции защиты, включая защиту от провалов напряжения (brown-out), делают устройство защищенным и компактным решени-ем для коррекции коэффициента мощности. В контрол-лере NCP1654 имеется встроенный генератор частоты преобразования. Выпускается несколько модификаций микросхемы, отличающихся различными частотами вну-треннего генератора — 65, 133, 200 кГц. Для реализации корректоров большей мощности используется и большая частота преобразования, например 200 кГц. Нагрузочная способность выхода DRV для управления затвором MOSFET-транзистора: ±1,5 А. Потребление в режиме Shutdown — менее 400 мкА.

Для увеличения надежности работы в микросхеме кон-троллера реализован ряд защит:

– защита от перенапряжения на входе;– защита от пониженного напряжения на входе;– защитное ограничение тока при повышении мощно-

сти (по току в цепи индуктивности);– защита от неправильного функционирования при

понижении напряжения питания микросхемы на входе Vcc (BrownOut);

– защита от перегрева с гистерезисом для автомати-ческого восстановления при случайном перегреве (порог срабатывания защиты и дезактивации выходного ключа — 150°С; при остывании корпуса ниже 120°С работа возоб-новляется).

В контроллере NCP1654 реализован также режим мягкого старта при включении питания корректора. На базе контроллера можно реализовать режимы регу-лирования с использованием в цепи обратной связи как среднего так и пикового токовых значений. Выбор осуществляется установкой конденсатора CM на входе VM. При установленном конденсаторе будет использо-ваться слежение по среднему значению тока на выходе. Алгоритм слежения обеспечивает эффективное преоб-разование и точность как в цепи сетевого напряжения, так и в цепи нагрузки.

ПРИМЕР РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ КОРРЕКТОРА

МОЩНОСТИ

Ниже приведена последовательность шагов по выбору и расчету параметров активных и пассивных компонентов схемы на примере проектирования корректора с выход-ной мощностью 300 Вт.

Исходные данные:– выходная мощность: 300 Вт;– диапазон входных напряжений сети: 85…265 В;– выходное номинальное напряжение: 390 В;– частота переключения: 65 кГц.На рисунке 4 показана принципиальная электрическая

схема корректора с рассчитанными параметрами.

ЦЕПИ ПИТАНИЯ КОНТРОЛЛЕРА

Во многих приложениях питание контроллера коррек-тора мощности производится от источника напряжения преобразователя напряжения, стоящего после корректора, поэтому на приведенной схеме нет отдельного источника для питания микросхемы контроллера корректора мощно-сти. На плате используется напряжение питания 15 В, кото-рое подается от внешнего источника через клеммы TB3.

Формат статьи не позволяет привести подробные рас-четы компонентов. Более подробная спецификация на компоненты, используемые в данном проекте, представ-лена в [4].

Рис. 2. Структура корректора коэффициента мощности

72

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ПЕРВЫЙ ШАГ: ВЫБОР БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

Выбор дросселяНоминал индуктивности 650 мкГн выбран исходя из

того, чтобы обеспечить снижение уровня пульсаций по отношению к пиковому напряжению на 36%.

Выбор силовых элементов (MOSFET-ключа, диодов моста и выходного диода)

Выбор этих компонентов происходит по классической схеме, как при выборе компонентов АС/DC-преоб ра-зо вателя. Основные параметры — напряжение и ток. Диодный мост выбирается исходя из требуемых значений тока и напряжения с запасом. В данном проекте исполь-зуется диодный мост VISHAY типа GBU8J на 600 В и 8,0 А. В качестве MOSFET-транзистора выбран SPP20N60C3 фирмы Infi neon (рабочий ток 20 A, напряжение исток-сток — 600 В, Rds(on) — 0,19 Ом). Выпрямительный диод выходной цепи — MSR860G ON Semiconductor (8,0 A, 600 В).

Емкости выходного фильтрующего конденсатораНоминал емкости выбирается исходя из двух требова-

ний — обеспечение уровня пульсаций на двойной частоте сети ниже порога и времени удержания выходного напря-жения при полной нагрузке в течение сетевого полуперио-да. Для того чтобы не срабатывала защита OVP по перена-пряжению на входе, уровень пульсаций на конденсаторе С4 должен быть менее ±3% от номинального выходного напряжения.

ВТОРОЙ ШАГ: ОРГАНИЗАЦИЯ И РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ ОБРАТНОЙ

СВЯЗИ

К цепям обратной связи относятся конденсатор фильт-ра CFB и резистивный делитель датчика сигнала обратной связи (RfbU1, R fbU2, R fbL). Конденсатор обычно выбирают в диапазоне от 100 пФ до 1 нФ. Два резистора вместо одно-го в верхней цепи делителя ставят исходя из соображений безопасности, поскольку в случае электрического пробоя единственного сопротивления напряжение 400 В пробьет вход сигнала обратной связи контроллера. Выбор кон-кретных номиналов резистивного делителя определяется исходя из выходного напряжения и значения опорного напряжения (2,5 В). Чем больше сопротивление делителя, тем меньше потребление этих цепей и больше эффектив-ность корректора. Однако при очень больших номиналах будет уменьшаться помехоустойчивость преобразователя. Поэтому не рекомендуется делать ток через делитель

Рис. 4. Принципиальная схема модуля корректора коэффициента мощности на основе NCP1654

менее 100 мкА. В данном примере выбраны следующие параметры делителя:

RfbU1 + RfbU2 = 3,6 мОм , RfbL = 23,2 кОм.

ТРЕТИЙ ШАГ: РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ ДАТЧИКА ВХОДНОГО

НАПРЯЖЕНИЯ

Мониторинг входных цепей выпрямленного мостом напряжения осуществляется резистивными делителями RBOU1, RBOU2, RBOL. CBO вместе с резистором RBOL образует низкочастотный фильтр входного сигнала. Верхний рези-стор делителя, исходя из соображений безопасности, также составной. В данном случае он состоит даже из трех резисторов (один — перемычка с нулевым сопротивле-нием резервирует место для юстировочного резистора). Этот сигнал используется для отслеживания уменьшения входного напряжения ниже порога (BrownOut), а также для мониторинга отбираемой из сети входной мощности (OPL — Over Power Limitation)

ЧЕТВЕРТЫЙ ШАГ: РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ ДАТЧИКА ТОКА И МОЩ-

НОСТИ

Датчиком тока является резистор RSENSE. RCS устанавли-вает порог ограничения тока. RM — подстройка порога защиты по превышению мощности. На рисунке 5 показа-на конструкция платы модуля корректора мощности на 300 Вт.

РАСЧЕТ БЮДЖЕТА МОЩНОСТИ

Все силовые полупроводниковые компоненты (диод-ный мост DV1, MOSFET-транзистор Q1, выпрямительный диод D1), на которых в процессе работы происходит выде-ление тепла, размещены на одном общем радиаторе. При выходном напряжении 390 В и мощности 300 Вт получим значение протекающего тока = 0,77 А. Потери на выпря-мительном диоде D1 составят 0,77 Вт (Uf = 1 В). Мощность, выделяемая на диодном мосте, равна 6,9 Вт.

Потери на ключе зависят от Rds(on) сопротивления в открытом состоянии и максимального тока. Не стоит забывать и том, что при максимально допустимой тем-пературе корпуса транзистора сопротивление удваи-вается. Например, для ключа с сопротивлением канала Rds(on) = 0,19 Ом и при повышенной температуре потери составят около 4,1 Вт. Общая тепловая мощность, выделяе-мая на радиаторе, составит, таким образом, около 11,77 Вт.

73


Рис. 7. Зависимость коэффициента мощности от мощности в нагрузке при разных напряжениях сети

Рис. 6. Эффективность преобразования корректора в зависимости от входно-го напряжения

Рис. 5. Конструкция платы корректора коэффициента мощности на 300 Вт

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРРЕКТОРА МОЩНОСТИ

На рисунке 6 показан график зависимости эффективно-сти преобразования и коэффициента мощности от величи-ны входного напряжения, а на и рисунке 7 — зависимость коэффициента мощности от мощности в нагрузке при раз-ных напряжениях сети. Коэффициент мощности повышает-ся при приближении к номинальной мощности (300 Вт) и уменьшается при высоких сетевых напряжениях.

ЛИТЕРАТУРА1. NCP1653, NCP1653A Compact, Fixed-Frequency, Continuous

Conduction Mode PFC Controller//Datasheet ON Semiconductor.2. NCP1654 Power Factor Controller for Compact and Robust,

Continuous Conduction Mode Pre-Converters//Datasheet ON Semiconductor.

3. Turchi J. AND8321/D Compensation of a PFC Stage Driven by the NCP1654//Application Note ON Semiconductor.

4. Wang P. AND8324/D 300 W, Wide Mains, PFC Stage Driven by the NCP1654//Application Note ON Semiconductor.

5. Васильев А., Худяков В., Хабузов В. Анализ современных методов и технических средств коррекции коэффициента мощ-ности у импульсных устройств//Силовая электроника №2, 2004.

74

WWW.ELCOMDESIGN.RU

РАЗРЕШЕНИЕ БЕЗ ШУМОВ ДО 21 РАЗРЯДА

ПРИ РЕКОРДНО НИЗКОМ ПОТРЕБЛЕНИИ

Одним из ключевых параметров АЦП для измерения широкого диапазона входных сигналов является эффек-тивное разрешение или разрешение без шумов. На рынке имеется ряд преобразователей с различным количеством разрядов. Из таблицы 1 можно определить количество битов, свободных от шумов, для указанной скорости сэм-плирования, и таким образом легко выбрать АЦП для тре-буемого динамического диапазона измерений.

Все микросхемы с интерфейсом SPI имеют 4 цифровых универсальных порта, которые работают как на ввод, так и на вывод, при этом управление осуществляется через SPI-интерфейс. Эти порты можно использовать для управления внешними мультиплексорами и/или для изме-нения коэффициента усиления внешнего малошумящего прецизионного инструментального или операционного усилителей. Таким образом, используя основной последо-вательный интерфейс, можно выбрать канал и управлять масштабированием входного сигнала для дополнительно-го расширения динамического диапазона. Имеются преоб-разователи со встроенным усилителем с программируе-мым коэффициентом усиления.

Входы всех АЦП и выводы для подключения источника опорного напряжения (ИОН) являются дифференциальны-ми. Большинство преобразователей оснащены входными буферизирующими усилителями для работы с высо-коомными источниками сигнала. Кроме того, все микро-схемы имеют встроенный генератор импульсов и отлича-ются рекордно низким потреблением (300 мкА — макс.). Напряжение питания аналоговой части: 2,7…3,6 В (AVdd), цифровой: 1,7…3,6 В (DVdd).

ИСТИННОЕ ОДНОВРЕМЕННОЕ СЭМПЛИРОВАНИЕ

Применение четырехканального 24-разрядного АЦП MAX11040 открывает большие возможности для решения задач оцифровки с одновременным сэмплированием нескольких каналов. Количество каналов легко наращи-

Прецизионные измерения, а также измерения в широком динамическом диапазоне довольно часто ассоциируют-ся с сигма-дельта аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП). Компания Maxim предлагает широкий ассор-тимент преобразователей для решения самых разнообразных задач при построении приборов — от батарей-ных переносных до составных частей больших индустриальных систем. В статье приведены краткие описания, характеристики и примеры использования новейших микросхем.

АНАТОЛИЙ АНДРУСЕВИЧ, инженер по применению, Maxim Integrated Products


вается до 32, в этом случае все микросхемы имеют общий последовательный SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP-сов местимый интерфейс, один кварцевый генератор, один общий сигнал Chip Select и один синхронизирующий сигнал SYNC для одновременного сэмплирования всех входов (см. рис. 1).

Реализация истинного одновременного сэмплирова-ния достигается за счет плавного регулирования фазы сэмплирования индивидуально для каждого канала, тем самым компенсируется разница в фазовых сдвигах во входных трансформаторах и/или фильтрах. Задержка может составлять от 0 до 333 мкс с шагом регулирования 1,33 мкс. Микросхема оснащена встроенным источником опорного напряжения и имеет дифференциальные входы с возможностью подачи отрицательного напряжения, при этом напряжение питания однополярное: 3…3,6 В (аналог., AVdd) и от 2,7 В до AVdd (цифр., DVdd). АЦП спо-собен работать с дифференциальным напряжением, мак-симальная магнитуда (размах от пика до пика) которого составляет ±2,2 В (при напряжении источника опорного напряжения 2,5 В).

Входы оснащены двухуровневой системой сигнализации и защиты от перегрузки. Первый уровень срабатывает при превышении указанной максимальной магнитуды ±2,2 В на любом из входов. При этом происходит ограничение выход-ного кода минимальным (все «нули») или максимальным (все «единицы») значением. Флаг ошибки OVRFLW и соответству-ющий выход становятся активными. Если входной сигнал превышает уровень ±2,5 В на любом из входов, срабатывает защита входа, флаг ошибки FAULT и соответствующий выход становятся активными. Микросхема выдерживает подачу на входы напряжения до ±6 В как относительно «земли», так и между дифференциальными входами. Следует отметить, что состояние перегрузки на одном из входов никак не влияет на работу остальных.

KISS

Попробуем реализовать принцип простоты и прямо-линейности разработки, известный как KISS (keep it simple

Таблица 1.

АЦП Раз ряд ностьРазрядность без шумов

(скорость выб./с)PGA

Входной буфер

Подавление 50 Гц, тип. (дБ)

Цифр. входы/ выходы

ИнтерфейсДиапазон входного

напряжения

MAX11200 24 20,9 (10), 19 (120) – ДА 144 4 SPI 0…+ Vref, –Vref…+Vref

MAX11201 24 20,6 (13,75), 19,1 (120) – ДА 144 2-пров. –Vref…+Vref

MAX11202 24 20,5 (13,75), 19 (120) – 80 2-пров. –Vref…+Vref

MAX11210 24 20,9 (10), 19 (120) 1…16 ДА 144 4 SPI 0…+ Vref, –Vref…+Vref

MAX11206 20 20 (10), 19 (120) 1…128 ДА 144 4 SPI 0…+ Vref, –Vref…+Vref

MAX11207 20 20 (10), 19 (120) – ДА 144 4 SPI 0…+ Vref, –Vref…+Vref

MAX11208 20 20 (13,75), 19 (120) – 80 2-пров. –Vref…+Vref







75


Рис. 2. Гальванически изолированный прецизионный измеритель сигнала токовой петли

Рис. 1. Cхема совместного использования нескольких АЦП MAX11040

and straightforward), с использованием АЦП с двупровод-ным интерфейсом.

Для гальванической развязки данных и напряжения питания, традиционного для промышленной электрони-ки, используем микросхему MAX3535E, а для стабилиза-ции изолированного напряжения питания и генерации опорного напряжения — микросхему MAX6033A30 (см. рис. 2). В качестве АЦП используем 16-разрядный пре-образователь МАХ11205. С прецизионным резистором R1 схема обеспечит измерение сигнала токовой петли 0…20 мА или 4…20 мА, а микросхема твердотельного реле ASSR-1410 реализует простейшую защиту резистора от повреждения при монтаже системы и отключенном напряжении питания. Резисторы R5 и R6 ограничивают логический уровень сигнала для микросхемы MAX11205, поскольку максимальное напряжение вывода Y состав-ляет 4 В. Резистор R5, кроме этого, гарантирует уровень логического нуля на входе SCLK преобразователя в момент включения (в этот момент выход Y находится в третьем состоянии). Отключенный вход B имеет потен-циал, равный приблизительно половине напряжения

питания, благодаря чему обеспечивается нормальная передача данных через неинвертирующий вход A. Максимальная частота сигнала CLK не должна превы-шать 250 кГц.

Для измерения температуры с помощью платиново-го резистивного датчика Pt100, потребуется изменить измерительную часть (см. рис. 3). При использовании четырехпроводного подключения совсем не обязательно использовать отдельный источник тока. Точного источ-ника опорного напряжения также не требуется. Можно ограничиться прецизионным резистором (R2), а в качестве регулятора напряжения питания использовать малошу-мящий регулятор с низким падением (LDO) MAX8510. Изменения напряжения питания и изменения тока воз-буждения (200 мкА при 0°С) при изменении температуры полностью компенсируются. 24-разрядный преобразова-тель MAX11201B имеет входные буферные каскады, для нормальной работы которых используются резисторы R1 и R6. Они ограничивают абсолютную величину входного и опорного напряжений относительно земли в пределах от 150 мВ до AVdd –150 мВ.

76

WWW.ELCOMDESIGN.RU


Компания Maxim предлагает широкий выбор сигма-дельта-преобразователей, с помощью которых можно решать самые разнообразные задачи, в осо-

Рис. 3. Гальванически изолированный прецизионный измеритель температуры

бенности связанные с прецизионными измерениями. Дополнительную информацию запрашивайте у офици-альных дистрибьюторов Maxim в России (russia.maxim-ic.com/sales).

НОВОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

| AGILENT TECHNOLOGIES ПРЕДСТАВЛЯЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ПО | Agilent Technologies представила восемь новых программ-

ных пакетов для анализаторов сигналов РХА серии Х. Программное обеспечение (ПО) охватывает ряд стандартов сотовой

связи, беспроводных сетей, цифрового видео и других приложений общего назначения. Кроме того, добавлены три новых

пакета для анализаторов сигнала Agilent серии MXA и EXA, а пакеты для приложений LTE FDD, LTE TDD и EDGE Evolution были

обновлены.

Новое измерительное ПО облегчает процессы тестирования физического уровня сотовых сетей 3G/3.5G/3.9G, беспро-

водных сетей и цифровых видеоприложений, а также ВЧ-тестирования в приложениях общего назначения. Среди новых

программных продуктов серии X для PXA:

пакеты для беспроводных сетей, включая технологии 802.16 OFDMA и Bluetooth®. Новое измерительное ПО N9081A Bluetooth (совместимое также с MXA/EXA), поддерживающее стандарт Bluetooth версии 2.1+ EDR и технологию с низким потреблением энергии (LE), позволяет серии Х стать единственными анализаторами сигнала с поддержкой стандарта Bluetooth LE;

пакеты для различных стандартов сотовой связи, в том числе GSM/EDGE/EDGE Evolution и TD-SCDMA; пакеты для цифрового видео, включая DTMB и CMMB; пакеты общего назначения, в том числе для аналоговой демодуляции и для дистанционного управления, совместимо-

го с командами SCPI. Новые пакеты для EXA и MXA, включая Bluetooth, обеспечивают поддержку SCPI и имеют опцию управления внешним

источником.

www.elcomdesign.ru

| ADS 2011 ОТ AGILENT TECHNOLOGIES ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЧ-УСТРОЙСТВ | Agilent Technologies анонсировала новую

версию системы автоматизированного проектирования ADS 2011 для разработки ВЧ-устройств.

«ADS 2011 призвана решать наиболее сложные проблемы проектирования и интеграции и предназначена для передовых

компаний, работающих в сфере беспроводной связи, аэрокосмической и оборонной промышленности, — прокомменти-

ровал Марк Пирпоинт, вице-президент и генеральный менеджер Agilent. — Эта версия, на разработку которой ушло почти

два года, позволяет проектировать радиочастотные SiP-модули (системы в корпусе), основанные на применении нескольких

технологий, и выполнять сложное электромагнитное (ЭМ) моделирование, причем проще и быстрее. Революционный прорыв

в ADS 2011 поднимает планку автоматизации проектирования ВЧ-устройств».

Новые возможности ADS 2011:

совместное проектирование ВЧ-схем с учетом устройств, выполненных по различным технологиям (плата, многослой- ная подложка, корпус, модуль и кристалл);

использование готовых модулей, созданных пользователем и добавленных в библиотеку САПР, что существенно упро- щает ЭМ-моделирование (с помощью Momentum и FEM);

усовершенствованные технологии ЭМ-моделирования, позволяющие повысить скорость, точность и сходимость; возможность эмуляции переменной нагрузки, обеспечивающая быстрое и лучшее согласование разрабатываемых

схем по результатам измерений;инструменты для работы с топологиями, существенно упрощающие физическое проектирование в ADS; множество дополнительных возможностей и усовершенствований для всех пользователей ADS.

www.elcomdesign.ru

МК

И

DS

P

77


Представлены характеристики и особенности применения новой отече-ственной микросхемы — 16-разрядного аналогового микроконвертера К1874ВЕ96Т с усовершенствованной архитектурой MCS-96. Наличие на одном кристалле высокопроизводительного процессорного ядра, АЦП и ЦАП высокой разрядности, встроенного модуля отладки OCDS, а также ряда периферийных устройств позволяет создавать на основе микро-схемы К1874ВЕ96Т законченные системы сбора и обработки информации, интеллектуальные датчики, устройства с автономным питанием и раз-личные средства измерений, автоматизации и контроля.

ПЕРВЫЙ ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ 16-РАЗРЯДНЫЙ МИКРОКОНВЕРТЕР НА БАЗЕ MCS-96ВЛАДИМИР СМЕРЕК, нач. лаборатории, ФГУП «НИИЭТ»ИГОРЬ ПОТАПОВ, к.т.н., нач. отдела, ФГУП «НИИЭТ»ВАЛЕРИЙ КРЮКОВ, к.т.н., нач. отделения, ФГУП «НИИЭТ»ВЛАДИМИР ГОРОХОВ, к.т.н., зам. главного инженера, ФГУП «НИИЭТ»

Микроконвертеры представляют собой отдельный класс микроконтрол-леров, а именно специализированных аналоговых микроконтроллеров, в которых интегрированы стандартные процессорные ядра, флэш-память, высокоразрядные АЦП и ЦАП, модули генерации ШИМ, сторожевой таймер и другие многочисленные перифе-рийные блоки. Объединение в одной микросхеме аналоговых и цифровых программируемых устройств упрощает проектирование электронных систем, особенно тех, где требуется выполне-ние прецизионных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований.

Появление микроконвертеров на рынке электронных компонентов свя-зывают, прежде всего, с фирмой Analog Devices (США). Первое семейство микро-конвертеров серии ADuC8xx на базе классического 8-разрядного ядра 8052 было создано этой фирмой более 10 лет назад [1]. Это семейство включает как 12-разрядные АЦП последовательного приближения (ADuC812, ADuC841), так и прецизионные 16- и 24-разрядные АЦП с сигма-дельта модуляцией (ADuC816, ADuC824, ADuC834 и др.)

В 2004 г. Analog Devices представила на рынок новое семейство микрокон-вертеров серии ADuC7000 (ADuC702x) на базе 16/32-разрядного RISC-ядра ARM7TDMI [2], [3]. Ядро обеспечива-ет производительность до 45 Mвыб/c и имеет встроенные средства отлад-ки — EmbeddedICE и JTAG-интерфейс. Микроконвертеры серии ADuC702x имеют также мощную периферию — АЦП, ЦАП, порты I2C, UART, SPI, компа-ратор, ИОН и ряд других устройств (в зависимости от модификации).

В отечественной электронной про-мышленности разработкой и выпуском

микроконвертеров занимаются ЗАО ПКК «Миландр» (Москва, Зеленоград) и ФГУП «НИИЭТ» (Воронеж). В ПКК «Миландр» разработаны 8-разрядный микроконтроллер 1886ВЕ6 на базе 8-разрядного RISC-процессора [4] и 32-разрядный микроконтроллер 1986ВЕ91 на базе процессора ARM Cortex-M3 [5].

В состав микроконтроллера 1886ВЕ6, предназначенного для построения различных аналоговых систем, входят память программ 12-разрядный АЦП и 12-разрядный ЦАП, блок ШИМ, компара-тор, USART. Микроконтроллер 1986ВЕ91 также содержит большинство из назван-ных устройств и, кроме того, содержит интерфейсы CAN, USB, SPI, I2C.

В этой статье представлен первый российский 16-разрядный микрокон-вертер К1874ВЕ96Т, разработанный в 2009 г. во ФГУП «НИИЭТ» на базе нового процессорного ядра с усовершенство-ванной архитектурой MCS-96.

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

К1874ВЕ96Т

Микроконвертер К1874ВЕ96Т пред-ставляет собой однокристальную высо-коинтегрированную систему сбора и обработки данных, и предназначен для выполнения вычислительных инструк-ций с повышенным быстродействием и точных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований. К1874ВЕ96Т ориентирован на обработку аналого-вых сигналов от различных датчиков в системах управления специальной тех-ники, автомобильной и авиационной электроники, в удаленных системах сбора информации и инструменталь-ных средствах. Основные технические характеристики микроконвертера К1874ВЕ96Т представлены в таблице 1.

Высокая производительность ядра позволяет использовать микрокон-вертер К1874ВЕ96Т при решении задач обработки сигналов (для этого имеются умножитель и делитель, выполняющие операции за один и два машинных цикла при длительности цикла, равного двум периодам тактового сигнала). Средства инструментальной отладки и встроен-ный отладочный модуль OCDS обеспечи-вают как эффективное проектирование систем на основе микроконвертера, так и возможность смены алгоритма работы при модификации систем.

Возможность гибкого управления энергопотреблением микроконверте-ра (три режима пониженного потребления и возможность отключения неиспользу-емых периферийных блоков) позволяют использовать эти микросхемы в критич-ных к потреблению приложениях.

ОСОБЕННОСТЬ АРХИТЕКТУРЫ

Микроконвертер К1874ВЕ96Т имеет общую архитектуру и набор инструкций с другими микроконтроллерами серии 1874 [6], но базируется на новом ядре разработки ФГУП «НИИЭТ». Модель ядра была создана на языке описания аппара-туры Verilog и отличается увеличенной производительностью по сравнению с другими микросхемами серии 1874 (в среднем на 35—40% при работе на одинаковой частоте). Это достигается за счет введения конвейеризации процес-са выборки — выполнения команд, пол-ной оптимизации процесса выполнения инструкций, наличия быстрых сдвигате-лей, умножителя, делителя и других кон-структивных особенностей. Увеличенная очередь команд (с 4 байт до 9 команд по 7 байт) и независимость процесса выполнения команд от их выборки (и наоборот) позволили уменьшить время

78

МК

И

DS

P

WWW.ELCOMDESIGN.RU

простоя, как ЦПУ, так и внутренней или внешней шины выборки команд. При общем адресном пространстве команд

и данных выборка команд осуществля-ется по своей независимой шине. Это означает, что при работе схемы про-исходит одновременное считывание/запись данных в ОЗУ или регистры и загрузка команд (как при гарвардской архитектуре). Все нововведения позво-ляют ЦПУ микроконвертера вплотную приблизиться по производительности к схемам с конвейерными архитекту-рами и использовать К1874ВЕ96Т в DSP-приложениях.

На рисунке 1 приведена структур-ная схема микроконвертера К1874ВЕ96Т. Микроконвертер обладает ОЗУ 2024×8 бит, доступным быстрым способам адре-сации, и расширенным (отключаемым) ОЗУ 2048×8 бит, доступным косвенным способам. Интегральная микросхема (ИС) имеет встроенную энергонезависи-мую память программ (ПЗУ) типа EEPROM емкостью 32 Кбайт с коррекцией оши-бок по коду Хемминга и защитой записи/считывания, а также удобный для поль-зователя механизм программирования с возможностью аппаратного управле-ния параметрами программирующего импульса. Фабрика, на которой произ-водятся кристаллы микроконвертера, гарантирует хранение информации во внутреннем EEPROM в течение 10 лет и сто тысяч циклов стирания/записи.

В состав микроконвертера входит сервер периферийных транзакций PTS, позволяющий передавать данные в момент простоя шины данных. Это обе-спечивает прямой доступ к памяти без остановки ЦПУ, что повышает общее быстродействие системы.

ИС имеет возможность запуска про-грамм с трех различных стартовых адресов в зависимости от состояния входных сигналов. Это позволяет орга-низовывать различные тестовые и сер-висные режимы работы аппаратуры. Кроме того пользователи могут созда-вать собственные алгоритмы програм-мирования и размещать их в сервисных адресных пространствах.

Для выполнения высокоточных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований в микросхеме имеют-ся восемь 16-разрядных сигма-дельта АЦП с возможностью одновременного преобразования и 14-разрядный высо-коскоростной ЦАП с токовым выходом (2…20 мА). Особенностью АЦП является возможность организации дифферен-циального режима включения входов. При этом могут одновременно рабо-тать четыре преобразователя. Имеется также возможность буферизированной выдачи высокостабильного опорного напряжения на вывод порта микрокон-вертера. ИС имеет четыре порта после-довательного ввода-вывода информа-ции: два порта UART, один синхронный последовательный интерфейс (SPI) и интерфейс I2C. Подсистема высокоско-ростного ввода/вывода представлена блоком HSIO с разрешающей способно-стью в один машинный цикл. Он позво-ляет фиксировать события на входах блока и генерировать сигналы с необ-ходимыми временными параметрами на соответствующих выходах. Отличием микроконвертера К1874ВЕ96Т от всех других ИС серии 1874 является наличие встроенного модуля (системы) отладки OCDS. Помимо выполнения стандарт-ных функций (формирование событий по заданному адресу операнда, данным на шине данных, значению счетчика команд) эта система позволяет реали-зовать аппаратную защиту от выполне-ния кода из внешней области команд — так называемый режим защищенного микроконтроллера.

ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

Микроконвертер имеет два неза-висимых 16-разрядных многофункци-ональных таймера-счетчика. В одном из таймеров используется внутренняя синхронизация (режим работы — тай-мер реального времени), в другом — внешняя (счетчик внешних событий). Содержимое таймеров может быть в любое время считано или программно модифицировано, а также сброшено программно или внешним сигналом.

Подсистема высокоскоростного ввода/вывода импульсных сигналов HSIO включает устройства высокоско-ростного ввода HSI и устройство высо-коскоростного вывода HSO. HSI может записывать время внешних событий с разрешающей способностью в один машинный цикл, а HSO может инициа-лизировать события в определенные моменты, базирующиеся на значениях таймера 1 или таймера 2. В целом под-система HSIO может измерять ширину импульсов, вырабатывать импульсную последовательность и вызывать перио-дические прерывания с незначитель-ным использованием ЦПУ. Встроенный блок ШИМ (PWM) предназначен для

Таблица 1. Основные технические характеристики микроконвертера К1874ВЕ96Т

№ п/п

Параметр (характеристика)Зна-

че ние

1. Архитектура и система командMCS-96

(Intel)

2. Разрядность данных, бит 16

3. Тактовая частота, МГц до 40

4.Динамически конфигурируемая шина

данных, бит8 или 16

5.Встроенная память программ типа

EEPROM, бит16 К×16

6. Регистровое ОЗУ, бит 2024×8

7. Расширенное ОЗУ, бит 2 К×8

8. Объем адресуемой памяти, бит 64 К×8

9. Число источников прерываний 31

10.Число параллельных 8-разрядных портов

ввода/вывода5

11. Число команд 112

12. Разрядность сторожевого таймера (WDT) 16

13. Число 16-разрядных таймеров/счетчиков 2

14.Универсальный последовательный порт

(UART)2

15.Синхронный последовательный интер-

фейс SPI1

16. Интерфейс I2C 1

17. Число разрядов АЦП 16

18. Количество АЦП 8

19.

Максимальное количество используемых

АЦП при дифференциальном включении

входов

4

20.Минимальное время аналого-цифрового

преобразования, мкс16

21. Число разрядов ЦАП 14

22.Время установки токовых выходов

ЦАП, нс10

23. Блок ШИМ сигналов (PWM) 3

24.Блок высокоскоростного ввода/вывода

(HSIO)1

25. Сервер периферийных транзакций (PTS) 1

26.Встроенный модуль отладки On-Chip

Debug System (OCDS)1

27.Число режимов пониженного энергопо-

требления3

28. Напряжение питания, В 3,3

Рис. 1. Структурная схема микроконвертера К1874ВЕ96Т

МК

И

DS

P

79


генерации широтно-модулированного сигнала на выходе микросхемы без уча-стия процессора и имеет три выхода PWM. Скважность импульса на выходе PWM является переменной величиной, импульсы повторяются каждые 256 или 512 тактов. PWM может использоваться в различных применениях. Различные типы моторов требуют использования PWM — формирователя импульсов для наиболее эффективной работы. Кроме того, фильтрация этой ШИМ-последовательности будет создавать постоянный уровень, который изменя-ется с изменением скважности.

Последовательные порты UART имеют по одному синхронному режиму и по три асинхронных. Асинхронные режимы полностью дуплексные, т.е. они могут передавать и принимать данные одновременно. Приемники портов ИС буферизованы так, что прием вторых байтов может начаться до считывания первых. Передатчики также дважды буферизованы.

Последовательный периферий-ный SPI-интерфейс предназначен для быстрого синхронного обмена инфор-мацией между микроконтроллером и периферией или между двумя микро-контроллерами. Кроме того, его можно использовать для программирова-ния ПЗУ или отладки программы при использовании отладочного модуля. Обмен информацией через интерфейс может быть полностью дуплексным и осуществляться с использованием трех линий. Максимальная частота, на которой происходит передача, равна четверти значения частоты генератора (для 40-МГц частоты микроконтролле-ра — 10 МГц). Интерфейс поддерживает режим как ведомого, так и ведущего.

Блок I2C обеспечивает полную под-держку двупроводного последова-тельного синхронного интерфейса I2C/SMBus. Результат такой совмести-мости — легкое соединение со мно-гими запоминающими устройствами и устройствами ввода-вывода, вклю-чая EEPROM, SRAM, счетчики, АЦП, ЦАП, периферийные устройства. Функциональные возможности модуля:

– совместимость с SMBus (Version 1.1 и 2.0), ACCESS.Bus, I2C (Version 2.1);

– поддержка стандартного, ско-ростного и высокоскоростного режи-мов;

– работа в режиме ведущего или ведомого;

– возможность подключения к шине нескольких ведущих устройств;

– один определяемый программно 7/10-разрядный адрес для Slave;

– возможность одновременного обращения ко всем устройствам шины, так называемый «общий вызов».

Восемь 16-разрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП),

реализованных в микроконвертере, построены на осно-ве методики сигма-дельта преобразо-вания, реализующей алгоритм сверхвы-борки, когда норма о с у щ е с т в л е н и я выборки во много раз превышает тре-буемую частоту. Такая реализация позволяет значи-тельно уменьшить шумы и гарантирует стабильно высокие динамические параметры преобразова-теля. Блок-схема АЦП представлена на рисунке 2.

Аналого-цифровые преобразовате-ли конвертируют аналоговые напряже-ния на входе в цифровой эквивалент. Минимальное время преобразования составляет 16 мкс. Особенностью орга-низации АЦП является возможность работы как с однополярными, так и с диф-ференциальными сигналами. Поскольку каждый преобразователь управляется независимо, то можно реализовать раз-личные варианты включений, например:

два АЦП — в режиме дифференциально-го включения, четыре — в режиме одно-полярных сигналов или один АЦП — врежиме дифференциального включе-ния, шесть — в режиме однополярных сигналов и т.д. Единственное условие, чтобы общее количество выводов, с которыми работают преобразователи, не превышало восьми.

ИС имеет блок цифровых компарато-ров, позволяющих сравнивать результаты непрерывного аналого-цифрового пре-образования с граничными условиями без использования ресурсов централь-

Рис. 2. Блок-схема подсистемы аналого-цифровых преобразователей

80

МК

И

DS

P

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ного процессора. Блок вырабатывает прерывания, если: результат преобразо-вания больше заданной границы; резуль-тат преобразования меньше заданной границы; результат преобразования выходит за границы заданного диапазо-на; результат преобразования попада-ет в границы заданного диапазона. Все границы указываются в соответствующих регистрах. Цифровые компараторы объ-единены в группы по четыре, и каждый имеет свой приоритет. Для срабатывания компаратора с меньшим приоритетом необходимо, чтобы условие с большим приоритетом не сработало. Это позволя-ет на аппаратном уровне реализовывать сложные следящие алгоритмы (напри-мер, прерывание вырабатывается, когда значение первого датчика превышает заданное значение, второго — выходит за пределы заданного диапазона, тре-тьего — попадает в диапазон и т.д.). При такой реализации ядро может большую часть времени быть отключено (находит-ся в режиме IDLE) и включаться только в короткие промежутки для обработки прерываний.

14-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) конвертирует цифровой код в аналоговый эквива-лент. После записи кода в управляющий регистр на выходах ИС появляется ток, соответствующий этому коду. Время уста-новки тока составляет 10 нс. Возможен перевод ЦАП в режим пониженного энергопотребления. Микроконвертеры имеют отдельный вход FSADJ для под-стройки тока преобразователя.

Как уже отмечалось, в состав микро-конвертера К1874ВЕ96Т входят сервер периферийных транзакций PTS и модуль отладки OCDS (Debug Unit). Блок PTS предназначен для аппаратной обработки прерываний. Он содержит набор встро-енных алгоритмов, исходные данные для которых должны быть размещены программой пользователя, как в памяти кристалла, так и во внешней памяти. Алгоритмы PTS охватывают пересыл-ки данных. Прерывания, обслуживае-мые PTS, отрабатываются параллельно работе ЦПУ в моменты простоя шины данных, тем самым не мешая выполне-нию основной программы. Пересылка может осуществляться и в режиме IDLE без вывода ИС из этого режима. Сервер периферийных транзакций поддержи-вает обработку запросов на прерыва-ние на микропрограммном уровне, не требуя вмешательства процессора.

Модуль отладки OCDS предназначен для упрощения процесса отладки про-граммного обеспечения пользователей. По выбранному типу события (требуе-мые данные на шине данных, требуемый адрес операнда на шине адреса, значе-ние счетчика команд, выход в область внешнего ПЗУ) этот блок генерирует следующие виды действий:

– немаскируемое прерывание;– режим IDLE (режим ожидания,

выход по прерыванию или сбросу);– аппаратный сброс.Аппаратный сброс вместе с настрой-

кой контроля выхода в область внешне-го ПЗУ может использоваться для кон-троля выполнения программ и защиты от несанкционированного доступа к внешней памяти. Следует отметить, что в микроконвертере реализовано несколько механизмов восстановления после ошибок программного обеспече-ния и аппаратных средств.

Микроконвертер К1874ВЕ96Т содер-жит многократно программируемое ПЗУ типа EEPROM емкостью 32 Кбайт. В ПЗУ могут храниться как команды, так и данные. Возможна запись содержимого ПЗУ во время работы пользовательских программ, при этом нет необходимо-сти размещать программирующий алгоритм в области внутреннего ОЗУ или внешней памяти. Пользователи могут переписать встроенное ПО ИС К1874ВЕ96Т и реализовать свои алго-ритмы. ПЗУ может быть защищено от несанкционированного чтения или перезаписи, но биты защиты могут сни-маться пользователями вместе с уни-чтожением всех данных ПЗУ.

Микросхема К1874ВЕ96Т поддержи-вает три специальных (энергосберега-ющих) рабочих режима: IDLE (холостой ход), POWERDOWN (низкое энергопо-требление) и SLOW (уменьшение вну-тренней частоты). Существует также возможность перевода АЦП и ЦАП в режимы пониженного потребления, а для цифровых периферийных бло-ков — отключения тактирования.

В режиме IDLE работают только встро-енные функциональные устройства, а микроконвертер находится в режиме ожидания разрешенного прерывания от внешнего или внутреннего устройства. В режиме POWERDOWN вся внутрен-няя синхронизация замораживается в состоянии логического нуля, генератор отключается, а блоки АЦП и ЦАП перево-дятся в режим SLEEP. Энергопотребление падает — ток потребления составляет всего несколько сот микроампер. Если напряжение питания сохраняется, то регистры ОЗУ и регистры специальных функций сохраняют данные. В режиме SLOW внутренняя частота уменьшается в два раза, и длительность машинного цикла становится равной четырем так-там сигнала XTAL. Работа ЦПУ и перифе-рийных устройств замедляется.

В микроконвертере реализован также режим ONCE. Это режим тестирования, который электрически изолирует ИС от других устройств на печатной плате. При этом микроконвертер автоматически переводится в режим POWERDOWN. Этот режим может применяться в аппаратуре с резервированием компонентов.

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ

СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ

Микросхема К1874ВЕ96Т поддер-живает режим программирования через последовательный порт. В этом случае для ее программирования не требуются специальные программато-ры. Программирование выполняется с использованием COM-порта персо-нального компьютера и специальной программы. Программное обеспечение работает в среде Windows. В процес-се программирования осуществляет-ся самотестирование, обес печивается контроль правильности установки микросхемы. Названные программные средства и схема подключения ИС для программирования доступны на www.niiet.ru.

Что касается отладочных средств, то может быть использована макетно-отладочная плата разработки ФГУП «НИИЭТ». С ее помощью возможно программирование микроконверте-ра, подключение внешних элементов к выводам, оценка работы приклад-ных программ. В разработке находит-ся отладочная система (модуль) для К1874ВЕ96Т с более широкими функци-ональными возможностями. Она будет построена с использованием встро-енного в микросхему модуля отладки OCDS и обеспечит возможность отлад-ки прикладных программ в режиме реального времени. Имеется также возможность применения отладчика-симулятора PDS-96 ООО «ФИТОН» (Москва), который представляет собой интегрированный комплекс программ-ных средств для разработки систем на основе микроконтроллеров семей-ства 196, программно совместимых с микросхемой К1874ВЕ96Т.

ЛИТЕРАТУРА1. Зайцев О., Троицкий Ю. Аналоговые

микроконтроллеры ADuC83x и ADuC84x//Электронные компоненты, № 1, 2005.

2. Торопов Д. Новые микроконверторы с ядром ARM7 компании Analog Devices//Электронные компоненты, № 7, 2004.

3. Власенко А. Микроконверторы серий ADuC702x на базе ядра ARM7TDMI//Элек-троника: Наука, Технология, Бизнес, № 7, 2004.

4. Гусев С., Шумилин С., Реализация мно-гозадачных приложений на МК серии 1886//Электроника: Наука, Технология, Бизнес, №6, 2009.

5. Шумилин С. Новая серия отечествен-ных 32-разрядных высокопроизводитель-ных микроконтроллеров семейства 1986 на базе процессорного ядра ARMCortex-M3//Компоненты и технологии, № 10, 2008.

6. Ачкасов В., Медведев Н., Потапов И., Горохов В., Хорошунов В. Новые отечест-венные 16-разрядные микроконтролле-ры серии 1874 для встраиваемых систем управления//Chip News, № 10, 2007.

МИ

КР

ОС

ХЕМ

Ы С

ИЛ

ОВ

ОЙ

ЭЛ

ЕКТР

ОН

ИК

И

81


В статье рассказывается о новых разработках ОАО «ИНТЕГРАЛ» – двух типах микросхем понижающих импульсных преобразователей напряже-ния IZ1412 (2 А, 23 В, 380 кГц) и IZ2307 (3 А, 23 В, 340 кГц), изготавливаемых по БиКДМОП-технологии. Микросхемы характеризуются низким током потребления (как во включенном, так и в выключенном состояниях), низ-ким сопротивлением в открытом состоянии мощного выходного NДМОП-транзистора, высоким коэффициентом полезного действия (КПД).

МИКРОСХЕМЫ ПОНИЖАЮЩИХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯСЕРГЕЙ ЕФИМЕНКО, к.т.н., главный конструктор, филиал «Завод полупроводниковых приборов», ОАО «ИНТЕГРАЛ»СЕРГЕЙ ШВЕДОВ, директор, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «ИНТЕГРАЛ»ВЛАДИМИР ЦЫМБАЛ, главный инженер, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «ИНТЕГРАЛ»СЕРГЕЙ МИНЬКО, ведущий инженер, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «ИНТЕГРАЛ» .

Одним из важнейших современных направлений развития производства являются разработка и освоение энер-госберегающей аппаратуры, где высо-кая эффективность, малые габариты и малая рассеиваемая мощность имеют принципиальное значение. Ни один современный источник питания не обходится без использования интегри-рованных компонентов. Применение ИС в источниках питания делает аппа-ратуру более компактной и экономич-ной. Развитие источников питания на базе интегральных микросхем (ИС) позволяет ускорить процесс разра-ботки, повысить технологичность и надежность средств электропитания аппаратуры.

Источники питания формиру-ют стабилизированные напряжения питания, необходимые для устойчи-вой работы электронной аппарату-ры. Понижающие импульсные пре-образователи напряжения — это микросхемы, преобразующие посто-янное нестабилизированное высо-кое входное напряжение в понижен-ное стабилизированное выходное напряжение. Область применения их весьма обширна. Это — распре-деленные системы электропитания, сетевые системы, зарядные устрой-ства, ноутбуки, изделия экономичной электроники, системы питания про-граммируемых вентильных матриц, цифровых сигнальных процессоров и прикладных ИС, DSL-модемы, пред-варительные регуляторы напряжения для линейных стабилизаторов и т.д.

В настоящее время отечествен-ная промышленность выпускает ряд Рис. 1. Структурная схема преобразователя напряжения IZ1412

микросхем преобразователей напря-жения, большинство из которых изго-товлено по биполярной технологии. Описываемые в данной статье микро-схемы понижающих импульсных регу-ляторов изготавливаются по БиКДМОП-технологии.

В числе основных преимуществ БиКДМОП импульсных регуляторов можно назвать:

– низкий ток потребления (порядка 1 мА), который примерно в десять раз меньше такового для микросхем клас-сических биполярных преобразовате-лей напряжения;

– низкое сопротивление в откры-том состоянии мощного выходного NДМОП-транзистора, что уменьшает рассеиваемую микросхемой мощность.

На рисунках 1 и 2 приведены структурные схемы преобразова-телей напряжения IZ1412 и IZ2307

соответственно. В состав каждой микросхемы входят блок генератора, ШИМ-компаратор, усилитель сигна-ла ошибки, компаратор блокировки, компаратор настройки частоты, ком-паратор выключения, внутренние регуляторы, формирующие опорные напряжения, ограничитель тока вну-три циклов, сумматор, буферы, мощ-ный выходной NДМОП-транзистор.

В таблице 1 приведены основные параметры микросхем преобразо-вателей напряжения IZ1412 и IZ2307. Понижающие DC/DC-преобразователи делятся на две группы: преобразова-тели с синхронным выпрямлением и с внешним диодом Шоттки. Микросхема IZ2307 относится к первой группе, а IZ1412 — ко второй. Преимуществом микросхем с синхронным выпрямле-нием по сравнению с микросхемами с асинхронным выпрямлением являет-

82

МИ

КР

ОС

ХЕМ

Ы С

ИЛ

ОВ

ОЙ

ЭЛ

ЕКТР

ОН

ИК

И

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Таблица 1. Типовые характеристики понижающих импульсных преобразователей напряжения IZ1412, IZ2307

Типо-но ми-

нал

Входное напря-

жение, В

Выход ное напря-

жение, В

Макс. выход-

ной ток, А

Напря-же ние

об ра т ной связи

(тип.), В

Ток потреб-ления

в выкл. состоя-

нии, мкА

Ток потреб-

ления во вкл. состо-янии, мА

Час -то та, кГц

Дополнительные функции

С внешним диодом Шоттки IZ1412 4,75…23 0,92…16 ±3% 2 0,92 36 1,3 380

Ограничение тока КЗ, тепловая защита, про-

граммируемый «плавный запуск», отключе-

ние при пониженном входном напряжении

С синхронным выпрямлением IZ2307 4,75…23 0,925…20 ±3% 3 0,925 3 1,5 340

Ограничение тока КЗ, тепловая защита, про-

граммируемый «плавный запуск», отключе-

ние при пониженном входном напряжении

Рис. 2. Структурная схема преобразователя напряжения IZ2307

Рис. 3. Типовая схема применения IZ1412

Рис. 4. Типовая схема применения IZ2307

ся рост КПД [1] и, следовательно, сни-жение рассеиваемой мощности, что позволяет обойтись без принудитель-ного охлаждения, либо уменьшить раз-меры аппаратуры.

В обоих типах микросхем реали-зована функция защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке. В режиме КЗ частота преобразования уменьшается, чтобы не допустить увеличения тока

через N-канальный ключевой транзи-стор сверх величины тока ограничения. После устранения КЗ все режимы авто-матически возвращаются в исходное состояние, как только напряжение обратной связи (ОС) возрастет до уров-ня 0,92 В.

В микросхемах имеется тепловая защита, отключающая регуляторы при увеличении температуры кристалла свыше 160°С, и функция отключения при пониженном входном напряжении. Выходное напряжение в этих микро-схемах является регулируемым: вход усилителя сигнала ошибки (УСО) выве-ден напрямую на вывод FB. Установка требуемого выходного напряжения осуществляется внешним резистивным делителем в диапазоне 0,925…20 В для IZ2307 и в диапазоне 0,92…16 В для IZ1412.

Поскольку для управления верхним транзистором требуется напряжение выше входного, в микросхемах имеет-ся бустерная схема питания драйве-ра [2] с внутренним диодом и внешним накопительным конденсатором С5 (см. рис. 3 и 4).

В преобразователях предусмотре-на схема плавного запуска, длитель-ность которого устанавливается с помощью конденсатора С4 (см. рис. 3 и 4). Благодаря встроенной функции программируемого «плавного запуска» ток потребления и перегрузка выход-ного каскада при запуске сводятся к минимуму, что приводит к экономии энергопотребления и повышению надежности. Высокая частота преоб-разования позволяет минимизиро-вать площадь компонентов на печат-ной плате. Температурный диапазон микросхем IZ1412 и IZ2307 составляет–40… 85°С. Микросхемы IZ1412 и IZ2307 обес печивают постоянный выходной ток (до 2 и 3 А соответственно) для широкого диапазона напряжений пита-ния (4,75…23 В).

ЛИТЕРАТУРА:1. Семенов Б. Ю. Силовая электроника:

от простого к сложному. — М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, т. 2. — М.: ДМК Пресс, 12-е изд-е., 2007.

ИН

ЖЕ

НЕ

Р –

ИН

ЖЕ

НЕ

РУ

83


Выбор источника опорного напряжения (ИОН) для аналого-цифровых схем с высоким разрешением является сложной задачей. Существует несколько способов ее решения, один из которых рассматривается в этой статье.

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИОН

БОНИ БЕЙКЕР (BONNIE BAKER), инженер по применению, Texas Instruments

Источник опорного напряжения должен обладать высокой стабильно-стью и вносить мало шумов. Избавиться от широкополосного и низкочастотно-го шумов помогает пассивный фильтр R1, C2 и С3 на выходе ИОН (см. рис. 1). Угловая частота фильтра равна 1,59 Гц. Включение дополнительной RC-цепи позволит получить уровень шума, при-емлемый для АЦП с 20-разрядной точ-ностью. С другой стороны, к каждому биту прибавляется падение напряже-ния на резисторе R1, ухудшая качество преобразования.

В схеме на рисунке 1 для развяз-ки ФНЧ от вывода опорного напряже-ния АЦП используется операционный усилитель (ОУ). Входной ток смещения OPA350 зависит от температуры. При 25°С он составляет 10 пА, а при 125°С — около 10 нА. Создаваемое им падение напряжения на резисторе R1 мало и не влияет на точность преобразования АЦП с разрядностью не более 23. При расчетах его следует учитывать как сла-гаемое погрешности ИОН.

Предположим, что исходная по-грешность ИОН равна ±0,05%, а тем-пературный коэффициент составляет 3 ppm/°С. Пусть опорное напряжение равно 4,096 В, тогда погрешность при комнатной температуре составляет 2,05 мВ, а при 125°С — на 1,23 мВ больше. Таким образом, собственная погрешность ИОН превышает погреш-ность напряжения смещения ОУ и входного тока смещения. АЦП «видит» общую погрешность ИОН, R1 и OPA350 как погрешность коэффициента уси-ления.

К выходу ОУ подключается АПЦ и конденсатор С4 емкостью 10 мкФ. Заряд на обкладках С4 обеспечивает стабиль-ность напряжения на опорном выво-де АЦП во время преобразования. Типичная емкость вывода — от 2 до 50 пФ. Выходное сопротивление ОУ при разомкнутой ОС равно 50 Ом, эквива- Рис. 2. АЧХ операционного усилителя

Рис. 1. Принципиальная схема ИОН

лентное последовательное сопротив-ление (ЭПС) C4 составляет 2 мОм.

Стабильность усилителя опреде-ляется коэффициентом усиления ОУ. Соответственно, ею можно управлять с помощью конденсатора С4 и выходно-го сопротивления ОУ при разомкнутой ОС (Ro). В общем случае схема счита-ется стабильной, если коэффициент усиления при разомкнутой и замкну-

той ОС спадает со скоростью 20 дБ (см. рис. 2). Частоты полюса fp и нуля fz для стабильной схемы вычисляются по формулам:

84

ИН

ЖЕ

НЕ

Р —

ИН

ЖЕ

НЕ

РУ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Средства моделирования позволяют проверить работоспособность и испытать схему прежде, чем будут заказаны элементы. Среда LTSpice —мощный и бесплатный инструмент, выполняющий все основные функции распространенных САПР.

LTSpice — БЕСПЛАТНАЯ СРЕДА ПРОЕКТИРОВАНИЯГЮНТЕР СПАННЕР (GÜNTER SPANNER), инженер, Elektor

Создание проектов уже невозмож-но без использования САПР, которая позволяет сократить время разработки и снизить расходы на перепроектиро-вание. В этой статье мы рассмотрим среду моделирования LTSpice от Linear Technology, которая распространяется бесплатно и содержит все основные инструменты для построения и анализа схем.

Конечно, LTSpice имеет гораздо более скромные возможности, чем, например, OrCAD. Однако ее функцио-нал позволяет протестировать разраба-тываемую схему. В основе вычислитель-ного ядра программы лежит симулятор Spice с некоторыми улучшениями, глав-ным образом в части моделирования импульсных преобразователей.

ОПИСАНИЕ

Редактор схем (см. рис. 1) имеет простой и удобный интерфейс. Встроенная библиотека содержит два набора элементов: основной и рас-ширенный. Есть возможность выбора стандарта графических обозначений

(европейский или американский). Следует отметить, что в библиотеке содержатся продукты не только Linear Technology, но и других производи-телей. При необходимости можно создавать собственные элементы и добавлять их в основной набор.

Как и во всех САПР, в LTSpice есть возможность поворота и зеркального отображения элементов, чтобы сделать схему наглядной. С помощью соответ-ствующих виртуальных щупов симуля-тор позволяет отобразить напряжение или ток в заданной точке схемы, рассе-иваемую мощность на выбранном эле-менте и другие параметры. Результаты моделирования выводятся в виде гра-фика в отдельном окне. Для удобства анализа поведения схемы предусмо-трена возможность одновременного построения нескольких графиков и выполнения основных математических операций над ними, например, нахож-дения среднеквадратичного значения, сложения двух графиков, преобразова-ния Фурье и т.д.

ПРИМЕРЫ

В качестве простейшего приме-ра анализа поведения схемы в среде LTSpice возьмем генератор прямоуголь-ных импульсов, схема которого при-

ведена на рисунке 2. В данной схеме использован операционный усилитель 741 из библиотеки, однако можно соз-дать собственный.

На рисунке 3 показаны осцилло-граммы для трех точек: на обоих входах и выходе ОУ. Как и следовало ожидать из технических характеристик ОУ 741, выходной сигнал на 20% меньше напря-жения питания. Скорость нарастания моделированного выходного сигнала составляет 0,2 В/мкс, что также согла-суется с фактическими характеристи-ками усилителя. Напряжение на неин-вертирующем входе (точка b) имеет прямоугольную форму с амплитудой, равной половине величины выходного сигнала.

Рассмотрим другой пример (см. рис. 4). Работа генератора полностью определяется номиналом резистора R2 в контуре обратной связи. Верхняя осциллограмма на рисунке 5 получена при величине R2 больше критическо-го значения (около 17 кОм). Выходной сигнал имеет синусоидальную форму с экспоненциально затухающей ампли-тудой. Если сопротивление R2 меньше критического, амплитуда выходного сигнала схемы экспоненциально воз-растает до максимальной величины выходного напряжения ОУ.

Рис. 1. Рабочая среда LTSpice Рис. 2. Электрическая схема генератора прямоугольных импульсов

ИН

ЖЕ

НЕ

Р —

ИН

ЖЕ

НЕ

РУ

85


Инструменты моделирования позво-ляют получить и другие характеристики схемы, например, зависимость какого-либо параметра от внешних условий или величины другого параметра. На рисунке 6 виден фазовый сдвиг между напряжениями в точке b и на выходе схемы.

ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Кроме анализа переходных про-цессов LTSpice позволяет провести все остальные основные типы анализа: по постоянному и переменному току, параметрический, частотный анализ и т.д. Частотная характеристика конту-ра ОС в схеме из рисунка 4 показана на рисунке 7. Средняя кривая показы-вает поведение схемы в случае, когда сопротивление R2 равно критическому значению.

Рис. 3. Параметры сигнала на инвертирующем (а), неинвертирующем входе (b) и выходе усилителя (out)

Рис. 4. Электрическая схема генератора

Рис. 5. Выходной сигнал генератора при различных R2

86

ИН

ЖЕ

НЕ

Р —

ИН

ЖЕ

НЕ

РУ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Мы рассмотрели работу простых схем, однако среда LTSpice позволяет моделировать работу сколь угодно сложных устройств, все зависит от мощности компью-тера. Результаты компьютерного моделирования очень близки к результатам реальных испытаний. Однако не следует забывать об ограничениях, связанных с вирту-альным тестированием. Работа реальной схемы может отличаться в силу множества факторов, которые сложно или невозможно предусмотреть при моделировании. К таким факторам относятся электромагнитные и высо-кочастотные помехи, шумы элементов схемы, разброс параметров и т.д.

ЛИТЕРАТУРА1. Spanner G. Simulation Beats Trial and Error//Elektor №9, 2010.2. http://www.linear.com.3. Руководство по работе в LTSpice.

Рис. 7. Частотная характеристика контура ОС

Рис. 6. Зависимость выходного напряжения от напряжения в точке b


| «СИТРОНИКС-НАНО» ПОЛУЧИТ ОБРАЗЦЫ ТЕСТО-

ВЫХ ЧИПОВ С ТОПОЛОГИЧЕСКИМ РАЗМЕРОМ 90 НМ

| Совместный проект ОАО «Ситроникс» и ГК «Роснано»

оценивается в 16,5 млрд. руб. Как сообщили в пресс-

службе «Ситроникса», серийное производство чипов по

проектным нормам 90 нм начнется в III кв. 2011 г., а серий-

ный выпуск микросхем 90 нм стартует с 2012 г., после

прохождения сертификационных процедур со стороны

STMicroelectronics и других поставщиков оборудования

для новой фабрики.

Согласно договоренности «Роснано» инвестирует

в проект 6,5 млрд руб., «Ситроникс» на ту же сумму

предоставляет «чистую комнату» и инфраструктурное

оборудование 180 нм, а недостающие 3,5 млрд. руб.

стороны намеревались привлечь в виде кредита. Срок

окупаемости проекта — 8—10 лет в зависимости от

рыночной ситуации.

Трехстороннее соглашение с STMicroelectronics о

передаче технологии 90 нм «Роснано» и «Ситроникс»

подписали в марте 2010 г. «Ситроникс» получил лицен-

зию на производство и продажу продукции по техноло-

гии 90 нм, а также доступ к правилам проектирования.

Специалисты завода «Микрон» прошли обучение про-

ектированию интегральных схем по технологии 90 нм на

площадках STMicroelectronics.

Карина Абагян, директор по маркетингу ОАО «НИИМЭ

и Микрон» сообщила, что на новой фабрике 90 нм

«Микрон» будет производить промышленные микро-

контроллеры, которые можно использовать в счетчиках

или в системах автоматизации технологических процес-

сов. Чипсеты для ГЛОНАСС тоже будут выпускаться на

основе технологии 90 нм. Помимо этого «Микрон» будет

работать в режиме foundry — оказывать производствен-

ные услуги сторонним дизайн-центрам.

www.elcomdesign.ru

87


Новые компоненты на российском рынкеВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Компактный промыш-ленный компьютер с широким темпера-турным диапазоном от Avalue

Компания Avalue, один из крупнейших производителей про-мышленных компью-теров и встраиваемых

систем, сообщила о выпуске нового промышленного ком-пьютера, рассчитанного на работу в широком температур-ном диапазоне –40…80°C.

Данный компьютер обладает большим набором интер-фейсов, в том числе и обязательными в промышленных сетях интерфейсами RS-232, RS-422 и RS-485.

Краткие характеристики компьютера:– встроенный центральный процессор AMD Geode

LX800 @ 0,9 Вт, 500 МГц с 128-КБ L2;– до 1 ГБ DDR 333/400 МГц SODIMM SDRAM;– разъемы: 3xRS-232, 1xRS-232/422/485, 4xUSB 2.0,

2 Gigabit LAN, 2xSATA, 1xLPT, 16-разрядов цифровых входов и выходов, 1xPC/104;

– 18/24-разрядный LVDS, поддержка двух мониторов (CRT + LVDS, CRT + TTL).

Благодаря широкому набору интерфейсов, данный ком-пьютер идеально подходит для использования в качестве про-мышленного контроллера в системах АСКУЭ и «Умный дом».

Аvalue

www.avalue.com

Дополнительная информация:см. «Элтех», ООО

Компактный компью-тер от Avalue на новом процессоре Intel Atom серии E6хx с CAN-шиной

Компания Avalue выпустила первый компактный одно-платный компьютер форм-фактора 3,5”

(146×101 мм), разработанный на новой x86-совместимой архитектуре Intel Tunnel Creek и поддерживающий шину CAN.

Архитектура Intel Tunnel Creek, представляет собой систему-на-чипе с совмещенным северным мостом и про-цессором. Таким образом, графический контроллер и про-цессор (серии Intel Atom E6xx) выполнены на одном чипе, а связь с северным мостом осуществляется по высокоско-ростной шине PCI Express. Это увеличивает производитель-ность на 50% в графических приложениях по сравнению с другими компьютерами на основе платформы Menlow (про-цессор серии Intel Atom Z5xx).

Свое обозначение — ECM-QB — данный промышленный компьютер получил по названию комплекта микросхем Queens Bay для нового процессора Intel Atom.

Благодаря наличию шины CAN, малым размерам, а также встроенным драйверам для поддержки ЖК-панелей, данный компактный компьютер идеально подходит для примене-ния в качестве основы для консоли оператора, работаю-щей совместно с устройствами, передающими данные по шине CAN.

Основные характеристики нового компьютера ECM-QB:– процессор семейства Intel Atom серии

E620/640/660/680;– системный контроллер (южный мост) Intel EG20T;– припаянное ОЗУ DDR2 объемом 1 ГБ;– 1 CAN-интерфейс;– 2 разъема SATA;– 3 COM-порта;

– 4 порта USB;– цифровые КМОП-входы и выходы GPIO (16-разрядов);– 1 разъем MicroSD;– 1 разъем Compact Flash;– 1 слот для PCIe Mini Card.Образцы доступны для заказа.

Аvalue

www.avalue.com


СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКАСВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКАСВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКАСВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Интеллектуальные драйверы светодиодов от Semtech

Компания Semtech выпустила первые в отрасли токовые драй-веры светодиодной подсветки SC667 и SC668 со встроенной интеллектуальной техноло-гией ADP (Automatic Dropout Prevention — Автоматическое Предотвращение Отключения).

Применение токовых драйве-ров светодиодов с технологией ADP в портативных устройствах обеспечивает высококачествен-

ную подсветку экрана без использования импульсных стабилизаторов или генераторов подкачки заряда, что не только уменьшает общее число применяемых компонентов, но также увеличивает срок службы аккумулятора.

До появления технологии ADP применение токовых драй-веров в портативных устройствах не было оптимальным, так как большие нагрузки (например, радиочастотная передача, работа камеры или вспышки, доступ в Интернет) вызывали переходные процессы в линии, вследствие чего происходи-ло незапланированное отключение светодиодов. В токовых драйверах с интеллектуальной технологией ADP такие про-блемы отсутствуют, т.к. постоянный автоматический контроль над каждым светодиодом исключает изменение яркости при включении или отключении системных нагрузок.

Наличие интерфейса I2C позволяет управлять такими функциями, как включение/отключение светодиодов, программирование тока через светодиоды, включение и установление значений выходного напряжения LDO-стабилизатора. Кроме того, в данных микросхемах реали-зована возможность управления световыми эффектами без внесения изменений во встроенное ПО.

Еще одной особенностью новых драйверов Semtech является наличие входа датчика освещенности, в зависимо-сти от которой автоматически регулируется яркость под-светки.

Основные технические характеристики:– точность по току ±1,5%;– ШИМ интерфейс со встроенным фильтром нижних

частот;– 4 малошумящих LDO-стабилизатора для питания

периферийных устройств;– минимальное количество внешних компонентов;– сверхтонкий корпус 20MLPQ 3× 3×6 мм.Semtech

www.semtech.ru


«Элтех», ООО198035, С.-Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6АТел.: +7 (812) 635-50-60Факс: +7 (812) [email protected]

89


СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

ЖУ

РН

АЛ

А З

А 2

01

0 г

.

Содержание журнала

«Электронные компоненты» за 2010 г.

РЫНОК

№1, 8 Xilinx два года спустя: хорошие продажи,

обнадеживающие перспективы

№1, 11 «ЭлектронТехЭкспо-2010» — выбирай надежных

партнеров!

№2, 8 Михаил Симаков, Леонид Чанов, Евгений Андреев, Константин ПрилипкоКонференция «Новая электроника России — 2010»

№2, 9 «Юник Ай Сиз» — уникальные микросхемы и опыт

№3, 9 Без стереотипов

№3, 12 Александр ХабаровЗнакомьтесь — производственный альянс «Контракт

Электроника»

№4, 6 «Контракт Электроника» — продолжение

знакомства

№4, 10 Выставки «ЭкспоЭлектроника» и

«ЭлектронТехЭкспо» празднуют успех!

№4, 11 Электроника-Транспорт 2010» — подведем

итоги!

№5, 6 1-я Всероссийская конференция «Датаком»

№5, 9 16 ГГц Agilent Technologies!!!

№6, 6 «КБ Навис»: серийность, мультисистемность,

конкурентоспособность

№6, 6 9 Знакомьтесь: ОАО «Завод полупроводниковых

приборов»

№7, 6 Promwad. Исповедь

№8, 6 Бежать изо всех сил вперед

№9, 6 Леонид ЧановФорум «Живая электроника России»

№9, 8 Энди ГроувКак создать рабочие места в Америке

№10, 6 ГК «Азимут»: устойчивый курс на

совершенствование

№10, 9 «ЭкспоЭлектроника»: цели наших участников —

наши цели

№11, 7 «Ангстрем» сегодня и завтра. Интервью

№11, 10 «Российская неделя электроники-2010». Итоги

№12, 6 На своем пути

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ

№1, 14 Владимир Кондратьев

Методы теплового расчета микросхем и дискретных

устройств силовой электроники. Часть 2

№1, 18 Илья УсанинПрограмматоры для серийного производства компании Elnec

№3, 16 Валерий Жаднов, Александр Гаршин, Иван ЖадновДифференцированная оценка влияния ВВФ припроектных

исследованиях надежности электронных компонентов

№3, 24 Владимир БродинМодульная микроконтроллерная система с разделением

функций управления и отображения информации

№3, 27 Александр СидоровОсобенности нанесения фоторезиста при производстве

МЭМС-устройств

№4, 16 Алексей ИвановКлючевые моменты тестопригодной разработки

№4, 19 Николай КлюквинСовременный подход к организации контроля

полупроводниковых устройств

№5, 14 Александр Щеглов

Снижение электромагнитных помех в системе с помощью

тактовых генераторов с распределенным спектром

№5, 19 Роман Кондратюк Применение полимерных клеев и стеклянных припоев в

сборке и герметизации ИС и оптоволоконных приборов

№7, 13 Станислав ГафтСовременные методы обеспечения качества и надежности

электронных модулей и блоков

№8, 11 Жен МуЦелостность питания при разработке систем

№8, 15 Владимир Бродин, Сергей ЧерновКонфигурация среды Eclipse/GCC для разработки

программ STM32

№9, 13 Питер БлитТретья редакция IEC 60601-1. Изменение требований к

источникам питания

№10, 11 Станислав Гафт

Оптимизация сборочного электронного производства

№11, 13 Иван Горяев

Между строк datasheet, или как расширить возможности ИС

№12, 11 Петр Ильин

Проблемы электромагнитной совместимости импульсных

источников питания

90

WWW.ELCP.RU

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

ЖУ

РН

АЛ

А З

А 2

01

0 г

.

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

№2, 56 Марк ФортунатоРазработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденсаторов в

сигнальном тракте. Часть 1

№3, 31 Марк ФортунатоРазработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденсаторов в

сигнальном тракте. Часть 2

№3, 38 Геннадий ДенисовШумы в электрических схемах с операционными

усилителями

№3, 42 Пол РакоПовышение линейности и эффективности РЧ-усилителей

№3, 48 Рон УилсонСоздание аналоговой системы с помощью

программируемых кристаллов

№3, 52 Андрей НикитинЛинейные регуляторы компании STMicroelectronics

№5, 68 Наталья Кривандина Микро- и маломощные операционные усилители

компании Maxim

№6, 72 Дейв Коулман, Майкл МирмакМоделирование компонентов шины Intel QPI

АЦП И ЦАП

№2, 40 Александр ЩегловКак синхронизировать выборку высокоскоростных АЦП и

ЦАП в современных системах связи

№2, 44 Ноэл О’РиорданКонвейерные или сигма-дельта АЦП для телекома

№2, 47 Наталья КривандинаМногоканальные АЦП с синхронной выборкой фирмы MAXIM

для промышленных систем сбора и обработки данных

№3, 78 Наталья КривандинаМикросхемы ЦАП фирмы Maxim Integrated Products

№3, 83 Андрей НикитинЦифровые потенциометры компании On Semiconductor

№5, 73 Эндрю Сиска, Менг ХеСостязание двух архитектур преобразователей: АЦП

последовательного приближения против сигма-дельта АЦП

№5, 77 Агнес Фейн, Вольфганг МерикРеализация интрефейса беспроводной сети на FPGA

№9, 78 Реза МогимиРасчет шумовых параметров АЦП

№12, 74 Анатолий Андрусевич


БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

№1, 53 Юлий Крылов, Владимир Тихонов, Нина ШарукБеспроводной доступ последней мили

№4, 46 Галина ГайковичБеспроводные технологии и их применение в

промышленности

№4, 54 Сергей ИгнатовCC430 — лучшее из двух миров

№7, 82 Олег ПушкаревGSM-модем AirLink GL6100/GL6110: большие возможности

в маленьком корпусе

№8, 75 Николай Авдеев, Анатолий Белоус, Виктор Зайцев, Александр Колб

Микросхема радиочастотной идентификации с

протоколом обмена ISO-15693

№9, 72 Артур КопыловНовинка от Sierra Wireles. GSM-модуль SL6087

№10, 17 Валентин Самсонов

Преодоление ограничений скорости передачипо

беспроводному каналу

№10, 21 Галина Гайкович

Беспроводные технологии и их применениев

промышленности: сосуществование разных радиосистем

№10, 28 Даниил Петров

Стандарты беспроводной связи диапазона ISM

№10, 33 Алексей Павлов Адресация и профили ZigBee

№10, 36 Фрэнк Райал Физический уровень LTE

№10, 43 Александр Губа, Омар Гасанов, Расул Гишов

Активные фильтры в приемных

устройствахрадиовещательного диапазона

№10, 46 Виктор Александров

Как высокоскоростные АЦП позволяютреализовывать

эффективные SDR-решения

№10, 50 Пробир Саркар Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт

усовершенствования протокола MAC. Часть 1

№10, 54 Алексей ЛезиновАвтоматизация тестирования систем связи с

использованием оборудования JFW Industries

№11, 42 Пробир Саркар

Увеличение пропускной способности сетей 802.11n за счёт

усовершенствования протокола MAC. Часть 2

№12, 57 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применение в

промышленности. Передача речевой информации через

WPAN

№12, 63 Омар Гасанов, Александр Губа, Расул Кишов

Принципы построения радиоприемников с цифровой

обработкой сигнала

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

№5, 22 Александр КолаевВиртуализованное проектирование встраиваемых

электронных систем

№5, 28 Дмитрий ПрыгуновПроцессоры Intel Core: новое наступление x86-

архитектуры на рынке встраиваемых систем

91


СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

ЖУ

РН

АЛ

А З

А 2

01

0 г

.

№5, 31 Майкл Паркер Увеличение пропускной способности промышленных

приложений с помощью сопроцессора на FPGA

№5, 35 Сергей Тихонов Ключевые направления развития процессорных систем

№5, 40 Стефен ОлсенСтанет ли 2010 г. поворотной точкой для многоядерных

СнК?

№5, 42 Акбер Казми

USB и PCI Express: перспективные интерфейсы для

встраиваемых систем

№5, 46 Леонид Акиншин

О новизне процессоров Intel Core i3/i5/i7

№6, 58 Леонид Акиншин

О новизне процессоров Intel Core i3/i5/i7. Часть 2

ГЕНЕРАТОРЫ И СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ

№1, 70 Джеймс УилсонВыбор системы синхронизации: кварц или тактовый

генератор?

ДАТЧИКИ

№2, 67 Геннадий Сычев3-осевые микромеханические акселерометры ADXL345 и

ADXL346 с микропотреблением и детектором событий

№5, 87 Павел Усачев

Современные технологии MEMS открывают путь для

новых приложений

№12, 17 Валерий Жижин

Волоконно-оптические датчики: перспективы

промышленного применения

№12, 24 Павел Лагузов, Андрей СоколовЦифровой интеллектуальный датчик — новый подход в

отечественном приборостроении

№12, 28 К Миронов, П Миронова

Современные полупроводниковые термочувствительные

элементы

№12, 32 Сачин Гупта, Уманат Камат

Прецизионное измерение температуры в промышленных

системах контроля

№12, 37 Поль Тюрпен Новый класс датчиков переменного тока на основе

катушек Роговского с магнитной защелкой петли

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

№2, 72 Олег СтариковНовые низковольтные MOSFET International Rectifi er с

ультранизким значением сопротивления открытого

канала

№3, 87 Евгений СилкинСиловые оптотиристоры для преобразователей и

регуляторов с фазовым управлением

№9, 59 Джохан СтрайдомКак максимально расширить диапазон рабочих

параметров силовых GaN-транзисторов

№9, 64 Стивен ГолдманВыбор устройств защиты: TVS-диоды против металл-

оксидных варисторов

№9, 70 Бенджамен ДжексонСиловые MOSFET нового поколения для транспортных

средств нового поколения

№11, 74 Евгений Маркелов

Преимущества биполярных транзисторов перед

полевыми

№11, 76 Максим СоломатинЭволюция IGBT International Rectifi er

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА и СИСТЕМЫ

№2, 79 Крис РехорнИнтерполяция sin(x)/x: важный аспект проведения точных

измерений с помощью осциллографа

№4, 80 Дэвид БаллоНовый подход к тестированию конверторов со

встроенным гетеродином

№5, 50 Валерий Жижин Проектирование измерительной системы для

контроллера электромагнитного клапана

ИНЖЕНЕР ИНЖЕНЕРУ

№9, 97 Измерение КПД силовых схем

№12, 84 Бони Бейкер

Улучшение характеристик ИОН

№12, 85 Гюнтер Спаннер LTSpice — бесплатная среда проектирования


№2, 53 Крис ЯнгИнтеллектуальные преобразователи энергии нового

поколения

№3, 74 Илья Плоткин, Игорь Твердов, Сергей СлеповИсточники бесперебойного питания для стационарных и

подвижных объектов

№8, 21 Хван-Бон Ку Повышение эффективности импульсных источников

питания

№8, 28 Пол ЛэйсиРасчет цепи поглощения высоковольтного выброса для

обратноходового источника питания

№8, 32 Ли Кох Цифровое управление источниками питания: оправдание

надежд

№8, 36 Пол Рако Цифровое управление питанием. Реальность и вымысел

№8, 42 Александр Соколов Выбор емкостного фильтра для трехфазных мостовых

выпрямителей

№8, 45 Слободан Кук Безмостовой преобразователь корректора коэффициента

мощности с КПД до 98% и КМ 0,999

92

WWW.ELCP.RU

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

ЖУ

РН

АЛ

А З

А 2

01

0 г

.

№8, 51 Сергей Кривандин, Андрей КонопельченкоИсточники питания Mean Well 2010. Курс прежний:

энергосбережение

№8, 56 Евгений РабиновичУльтракомпактные DC/DC-преобразователи серии СС -E с

дистанционным управлением

№8, 60 Олег Сергеев Источники питания Mean Well для промышленной

автоматики

№8, 65 Евгений Звонарев

Батареи и аккумуляторы компании EEMB. Год 2010

№8, 69 Сергей Кривандин Источники питания PEAK для портативной электроники

№8, 72 Евгений РабиновичКатодная защита объектов с применением

программируемых источников питания TDK-Lambda

№11, 46 Слободан Кук Безмостовой ККМ-преобразователь с КПД выше 98% и

коэффициентом мощности 0,999.Часть 2

№12, 66 Боб Золло Генерация помех в цепях питания постоянного тока

№12, 70 Ирина РомадинаКонтроллеры корректора коэффициента мощности ON

Semi

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ и DSP

№1, 66 Павел ОсипенкоМикропроцессоры для космических применений

№3, 93 Джозеф ЮПочему стоит переходить на 32-разрядную архитектуру

микроконтроллеров

№3, 99 Анатолий ТарасовКак увеличить эффективность встраиваемых процессоров

№3, 101 Сергей КовалевПроцессоры Samsung + операционная система Linux =

простое и эффективное решение для технологии Digital

Signage

№7, 18 Ким РоуКак избежать убытков при программировании МК

№7, 22 Артур Лавриков

Архитектуры малопотребляющих процессоров и способы

оптимизации энергопотребления

№7, 30 Сухел ДананиНовая архитектура ЦПОС с изменяемой разрядностью

№7, 34 Эрик КармсМногоядерные архитектуры преображают проводные и

беспроводные IP-сети

№7, 40 Братин СахаМодель программирования для гетерогенных платформ

на базе архитектуры Intel x86

№ 7, 47 Аддикам Санджей, Прашант Паливал

Как перейти на Intel Atom с другой процессорной

архитектуры

№7, 55 Виктор ОхрименкоOMAP35ХХ: возможности и особенности

№7, 60 Виктор НиконовМобильные процессоры Samsung

№7, 67 Росендо Бракомонте Дель ТороСоздание интерфейса между ПЛИС и МК

№7, 73 Лорен ХоббсУвеличение эффективности встраиваемых систем за счет

вычислительных блоков

№7, 76 Ли КохЯрче, лучше, меньше

№7, 79 Алексей ПантелейчукУправление щеточным двигателем при помощи ARM-

микроконтроллеров Stellaris

№8, 83 Роман Попов, Джафер МеджахедSTM8 — новый игрок на рынке 8-ми битных МК

№10, 66 Владимир Егоров Архитектурные инновации в многоядерных ИКМ QorIQ

№11, 52 Владимир Трасковский, Юрий ТруханИС передатчика и приемника последовательных данных

стандарта LVDS

№11, 61 Хилад Шейнер Сетевая и хост-обработка данных: что лучше?

№12, 77 Владимир Смерек, Игорь Потапов, Валерий Крюков, Владимир Горохов Первый отечественный 16-разрядный микроконвертер

К1874ВЕ96Т на базе усовершенствованного ядра

CS-96

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

№2, 74 Ирина РомадинаМикросхемы импульсных преобразователей ON Semi с

широким диапазоном входных напряжений

№4, 73 Тива Буссараконс

DC/DC-преобразователи для работы в условиях высоких

температур и жестких вибраций

№6, 12 Максим СоломатинПрименение компонентов International Rectifi er для

синхронного выпрямления

№6, 21 Брайан КингУправление синхронными выпрямителями с помощью

гальванической развязки для цифровых сигналов

№6, 25 Бригитта ХаукеРасчет силового каскада повышающего преобразователя

№6, 28 Валерий ИвановПреобразователь напряжения 1273ПН1Т для

стабилизированных источников питания бортовых

систем

№6, 30 Хеннинг ХауэнштайнВысоковольтные ИС для надежных платформ управления

электроприводом

№6, 32 Универсальный высоковольтный LED-драйвер

IL9910 ОАО «Интеграл»

93


СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

ЖУ

РН

АЛ

А З

А 2

01

0 г

.

№6, 34 Стив НосОбеспечение электрического питания ПЛИС с помощью

мощных линейных LDO-стабилизаторов

№9, 81 Том РибарихПроектирование электронного пускорегулирующего

устройства для 250-Вт газоразрядной лампы высокой

интенсивности

№12, 80 Сергей Ефименко, Сергей Шведов, Владимир Цымбал, Сергей МинькоМикросхемы понижающих импульсных преобразователей

напряжения для источников электропитания

МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

№3, 56 Кен МараскоИнтеллектуальные драйверы уменьшают

энергопотребление и упрощают разводку печатных плат в

портативных системах

№3, 59 Сергей Кривандин, Андрей КонопельченкоDC/DC-преобразователи PEAK в SMD-корпусах для

портативных и мобильных приборов

МУЛЬТИМЕДИА и ТЕЛЕКОМ

№4, 23 Александр ПронинОсновы построения аудиосетей AoIP

№4, 27 Валерий Никифоров3D-технологии

№4, 31 Роберт БоутрайтНовые стандарты IEEE 802.1: единая сеть для всех типов

данных

№4, 35 Антон ЖуковскийМультимедийные возможности процессора Samsung S3C6410

№4, 40 Валерий ЖижинПерспективы использования электромагнитного оружия в

информационной борьбе и методы защиты от него

ОБСУДИМ?

№4, 13 Сергей ОсиповОсобенности применения отечественных микросхем

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

№6, 39 Боладжи ОджоНе такие уж и пассивные компоненты

№6, 42 Борис Больщиков, Алексей Халявин, Василий БарганНаноконденсатор: новый подход к получению

унифицированных керамических емкостных элементов

№6, 46 Павел УсачевСовременные инновационные решения для

высококачественных разъемов

№6, 52 Кендал Кастор-ПерриПолосовой фильтр: не пренебрегайте катушкой

№6, 56 Константин КалаевЛинейность и шумовые характеристики резисторов

Vishay, изготовленных по технологии Bulk Metal® Foil

№11, 81 Владимир Кондратьев Преимущества и недостатки резисторов стандартного типа

ПЛИС и СБИС

№1, 20 Владимир Шалтырев, Игорь ШагуринСтруктурная модификация процессорных СФ-блоков для

систем на кристалле, реализуемых на базе FPGA

№1, 25 Дженифер СтефенсонРешение проблемы метастабильности в цифровых

системах на базе FPGA

№1, 30 Гленн Штайнер, Дэн АйсааксВстраиваемые FPGA-платформы для обработки

данных

№1, 35 Алексей Бумагин, Алексей Гондарь, Михаил Куляс, Александр Руткевич, Владимир Стешенко, Аль-Мехди Тайлеб, Григорий ШишкинСамосинхронные схемы. Особенности и преимущества

№1, 39 Илья ТарасовПрименение новых семейств FPGA Virtex-6 и Spartan-6

фирмы Xilinx

№9, 85 Константин МакаренкоУглубление в нано или Softsilicon?

№9, 88 Евгений КотельниковПрограммируемая логика Actel

№11, 64 Майкл Паркер Как достичь скорости 1 триллион операций в секунду с

плавающей запятой на FPGA?

ПОСЛЕ РАБОТЫ

№1, 72 Александр КаменскийЦифровой запоминающий USB-осциллограф ВМ8021

№1, 75 Клеменс ВаленсКак подключить внешнее устройство к ПК

№2, 86 Штеффен ГрафПодключение внешних устройств к ПК через Bluetooth

№2, 88 Андрей Щедрин, Юрий КолоколовИмпульсный металлоискатель

№3, 109 Андрей Щедрин, Юрий КолоколовДвухчастотный металлоискатель BM8043 — «КОЩЕЙ»

№3, 111 Тон ГисбертсЗаехать в гараж? Легко!

№4, 85 Юрий Колоколов, Андрей ЩедринУниверсальный импульсный микропроцессорный

металлоискатель ВМ8044-КОЩЕЙ 5ИМ

№4, 87 Дэниэл ГоссЭффективный преобразователь напряжения 5 В

№5, 90 Александр КаменскийБлок обеспечения доступа на основе RFID-технологии

BM3420

№5, 92 Томас ШерерБалансировочное устройство для заряда аккумуляторов

LiPo

№6, 85 Сергей СлепневЦифровой USB-термометр BM1707 с мониторингом

температуры через интернет

94

WWW.ELCP.RU

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

ЖУ

РН

АЛ

А З

А 2

01

0 г

.

№6, 87 Тон Гисбертс, Тейс БэкерсАльтернативный источник питания для Hi-Fi-систем

№7, 85 Виктор ЧистяковТестирование инжекторных двигателей при помощи USB-

адаптера BM9213 «МАСТЕР КИТ»

№7, 87 Гаральд ШадКонтроллер уличного освещения

№7, 88 Михаэль ХелцлПредусилитель с удаленным управлением

№8, 93 Дирк Герке, Кристиан Хернитшек

Модуль дистанционного управления

№ 10, 76 Гарри Багген Аудио DSP своими руками

№ 11, 88 Крипасагар ВенкатДатчик разбития стекла — всё под контролем

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

№1, 58 Том Рибарих

Применение схем электронного балласта в резонансных

источниках питания

№2, 14 Виктор АлександровВыбор оптимального драйвера светодиодной системы.

Часть 1

№2, 18 Цзяньчжонг ЦзяоСтандартизация светодиодов и твердотельных систем

освещения

№2, 22 Екатерина СамковаФизический интерфейс передачи данных FC-PI-5

№2, 27 Разработка надежных развязывающих цепей

№2, 31 Сергей МироновНовая продукция и новая система биннинга компании

CREE

№2, 36 Андрей КонопельченкоНовые источники питания Mean Well для светодиодной

техники

№3, 64 Виктор АлександровВыбор оптимального драйвера светодиодной системы.

Часть 2

№3, 70 Антон БулдыгинИстинные параметры мощных светодиодов Philips

Lumileds Luxeon Rebel

№5, 56 Ирина РомадинаНовинки микросхем светодиодных драйверов ON Semi

№9, 75 Ирина РомадинаNUD4700 — электронный шунт для светодиодов от ON

Semiconductor

№10, 61 Ё Сёк Бин Влияние динамического и статического подавления

синфазной помехи на целостность сигнала

№10, 63 Марджери Коннер Осветительные системы будущего

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ

№1, 43 Виктор ОхрименкоШирокополосная PLC-технология: проблемы и решения. Часть 1

№1, 50 Сергей ПономаревПовышение точности синхронизации с помощью

прозрачных часов

№2, 62 Виктор ОхрименкоУзкополосная PLC-технология. Часть 1

№4, 58 Дзянь У, Роберт ПелокуинВременная синхронизация нескольких устройств по

стандарту IEEE1588 при помощи процессоров Blackfi n

№4, 65 Виктор ОхрименкоУзкополосная PLC-технология. Часть 2

№ 6, 6 62 Виктор ОхрименкоFSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители,

компоненты

№6, 6 68 Грэг ЛараСоздание периферийных устройств с поддержкой PCI

Express на основе FPGA

№8, 79 Виктор Охрименко DCSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители,


№9, 16 Виктор АлександровБазовые принципы построения IP-сетей для

встраиваемых систем

№9, 24 Ян ВерхаппенВопросы безопасности и разработки стандартов для

промышленных беспроводных сетей

№9, 27 Дрю ГисласонПриложения ZigBee: обмен данными, API и PAN

№9, 30 Николай КандарацковСенсорные сети на основе программного комплекса ISON

для удаленных объектов

№9, 33 Дэн ХэрмонUSB 3.0: больше, чем просто увеличение скорости

№9, 37 Лес БакстерШина FireWire без ограничений на расстояние передачи

данных

№9, 42 Виктор ОхрименкоУзкополосная PLC-технология: OFDM-модуляция

№9, 47 Сэм ДэвисСистема на кристалле использует технологию связи по сетям

электропитания для управления встраиваемым приложением

№9, 52 Дэвид ЙеПередача сигнала Ethernet по оптическим сетям со

скоростями 10, 40 и 100 Гбит/с

№9, 55 Джордж НоПрименение усовершенствованных эквалайзеров и 20-м

медных кабелей в линиях связи

№10, 73 Владимир Трасковский, Олег РукальИС интерфейсных приемопередатчиков с устойчивостью к

статическому электричеству на уровне 15 кВ

96


СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

ЖУ

РН

АЛ

А З

А 2

01

0 г

.

№11, 69 Виктор Охрименко OFDM-модемы для PLC-связи: стандарты, производители,


СТАНДАРТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ и ПАМЯТЬ

№4, 77 Леонид Авгуль, Борис Иванов, Виктор Кряжев, Сергей Курносенко, Сергей ТерешкоМикросхема быстродействующего параллельного ЭСППЗУ

со встроенным секвенсором адреса 5861РР1Т

№5, 81 Леонид Авгуль, Виктор Кряжев, Сергей Курносенко, Сергей Терешко, Леонид ШумовМикросхемы высокочастотных делителей 5861ПЦ1У,

5861ПЦ2У

№6, 6 78 Леонид Авгуль, Борис Иванов, Виктор Кряжев, Сергей Курносенко, Сергей Терешко

Микросхема быстродействующего восьмиразрядного

буферного формирователя 5861АП1У

№ 12, 82 Павел Максимов Память на фазовых переходах: проблемы и

перспективы

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА

№5, 83 Нарасимхан ВенкатешПринципы беспроводного подключения встраиваемых

систем по стандарту 802.11n

№6, 6 80 Владимир КондратьевOLED-технология — перспективное решение для систем

освещения?

№8, 88 Евгений Зыкин ЦАП. Так ли все просто?

№9, 94 Филипп ПичоОсновы проектирования с помощью силовых ключей

MOSFET

№11, 84 Михаил СмирновСовременные методы передачи данных

ЭЛЕКТРОПРИВОД

№1, 62 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов, Иван Усс, Лев Макаров, Андрей ЗайцевТяговый электропривод в гибридных транспортных

средствах. Часть 3

№4, 69 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов, Лев Макаров, Андрей Зайцев, Дмитрий ГаронинТяговый электропривод в гибридных транспортных

средствах. Часть 4. Разработка КТЭО для гибридных

транспортных средств в Концерне «РУСЭЛПРОМ»

№5, 63 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов, Лев Макаров, Андрей Зайцев, Дмитрий ГаронинТяговый электропривод в гибридных транспортных

средствах. Часть 5. Разработка КТЭО для гибридных

транспортных средств в Концерне «Русэлпром»

№ 11, 17 Дмитрий Изосимов, Николай Гнездов,Сергей Журавлев Проектирование асинхронных тяговых

электродвигателей и синтез векторного управления

тяговыми приводами

№ 11, 23 Анатолий Виноградов, Дмитрий Изосимов,Станислав Флоренцев, Александр КоротковСтанция автономного электроснабжения

№ 11, 30 Байонгчул Чо, Сангил Йонг Вентильно-индукторные двигатели в «зеленых» системах

№ 11, 32 Майк Брогли Программируемые ИС смешанного сигнала для

управления приводом

№ 11, 35 Роберт Калман, Алексей Глубоков SH2A — новое слово в промышленной автоматизации

№ 11, 38 Олег Сергеев Решения на основе электропривода maxon motor и

Harmonic Drive для космического применения

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ и УЧЕТ РАСХОДА РЕСУРСОВ

№11, 57 Тони АрмстронгСистемы с накоплением энергии. Информация для

начинающих

№12, 41 Сунил Махешвари Разработка типового счетчика для интеллектуальных

электрических сетей

№12, 46 Геннадий Сурков Решения Microchip для счетчиков расхода ресурсов

№12, 49 Джеф Груэттер Фотогальванические элементы для энергосберегающих

приложений


| НА ОСНОВНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМПАНИИ НИТОЛ ПРОИЗВЕДЕНА ПЕРВАЯ ПАРТИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМ-

НИЯ | Впервые в России это вещество получено на крупномасштабном производстве, общая проектная мощность которого

через несколько лет составит 5 тыс. тонн в год.

Производственный комплекс по получению поликремний создан в городе Усолье-Сибирское Иркутской области

компанией НИТОЛ при участии РОСНАНО, Сбербанка и Евразийского банка развития. К середине 2011 г. мощности про-

изводства будут доведены до 3,5 тыс. тонн в год.

«Первый в стране поликремний на крупномасштабном производстве — это результат большой и напряженной рабо-

ты не только всей команды специалистов НИТОЛа. Этот успех был бы невозможен без участия в проекте наших основ-

ных российских партнеров — РОСНАНО, Сбербанка и Евразийского банка развития», — прокомментировал событие

Председатель Совета директоров компании Дмитрий Котенко.

Новый производственный комплекс создает материальную базу для развития российской микроэлектроники. Кроме

того, он играет важную роль в формировании новой отрасли российской промышленности — солнечной энергетики.

Проект будет способствовать увеличению доли возобновляемых источников в общем производстве электроэнергии и

обеспечению рационального использования энергетических ресурсов.

www.elcomdesign.ru

Documents

ЭК12 2010