Компоненты и технологии №03(212) за 2019 год

Tags: электротехника журнал цифровая электроника журнал компоненты и технологии
ISBN: 2079-6811
Year: 2019
Similar
Компоненты и технологии №12
Компоненты и технологии №06(215) за 2019 год
Компоненты и технологии №05(214) за 2019 год
Компоненты и технологии №10
Text
                    www.kit-e.ru
г
Измерение TOI на анализаторах
спектра и цепей Rohde & Schwarz
№3 2019 (март)
ISSN 2079-6811
лчл. m

МЭМС-мониторы вибрации:
от ускорения к контролю скорости
Системы для испытаний
суперконденсаторов и аккумуляторов

KJ
КОМПЛЕКТУЮЩИХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
Электронные компоненты
Оптоэлектроника и освещение
Электротехника
Паяльное оборудование и материалы
Оснащение рабочего места
www.platan.ru
ПЛАТАН
Москва
м. Молодежная
(495) 97 000 99
info@platan.ru
Москва
м. Электрозаводская
(495) 744 70 70
platan@platan.ru
Санкт-Петербург
м. Горьковская
(812) 232 88 36
baltika@platan.spb.ru
Реклама
зм
Reliable Electronic Solutions
Honeywell
MITSUBISHI
ELECTRIC
muRata.
INNOVATOR IN ELECTRONICS
Panasonic
SICK
VISHAY
jnmicorT &TDK
Srelpols? 0SRAM
ГЕБОЫ
КОНКУРС
нз лучший проект
по использованию широкополосных радио-
частотных приемопередатчиков Analog
Devices. Победители получат ПРИЗ - отла-
дочную плату ADALM - PLUTO, содержа-
щую AD9363 и ПЛИС, Подробности об усло-
виях конкурса на нашем сайте teson.ru
□ ANALOG
DEVICES
AHEAD OF WHAT'S POSSIBLE***
ВЧ приемопередатчики компании Analog Devices представляют собой полнофункциональные,
высококачественные системы на кристалле, включающие в себя РЧ тракт и схемы аналого-
цифровой обработки. Приемопередатчики позволяют значительно сократить общее количество
компонентов в системе и время разработки, уменьшить габариты, стоимость и энергопотребле-
ние готового устройства.
ADRV9009	/	/
Двухканальные приемники и передатчики
Максимальная полоса пропускания:	/ у
приемника: 200 МГн	/	/
настраиваемого передатчика: 450 МГи
приемника наблюдения: 450 МГц /
Диапазон настройки: от 75 МГн до 6000 МГц
□
□
c;
*
(D
ООО «ТЕСОН»
info@tesorwu
117342 | Москва | Профсоюзная65/1 1+7495 935 7101
194044 | Санкт-Петербург I Выборгская наб. 49 I +7 812 31778 71
3 (212) '2019
И ТЕХНОЛОГИИ
Components & Technologies
3 (212) '2019
Содержание
Главный редактор
Павел Правосудов | pavel@fsmedia.ru
Заместитель главного редактора
Ольга Дорожкина (Зайцева) | olga_z@fsmedia.ru
Выпускающий редактор
Алина Жилина | alina.zhilina@fsmedia.ru
Редактор
Наталья Новикова | Natalia.Novikova@fsmedia.ru
Редакционная коллегия
Александр Фрунзе,
Иосиф Каршенбойм,
Светлана Муромцева,
Виктор Лиференко, д. т. н., профессор
Владимир Махов, д. т. н.
Дизайн и верстка
Ольга Ворченко | olga@fsmedia.ru
Отдел рекламы
Ирина Миленина | irina@fsmedia.ru
Отдел подписки
Наталия Виноградова | podpiska@fsmedia.ru
Москва
ул. Южнопортовая, д. 7, строение Д, этаж 2
Тел./факс: (495) 987-3720
Санкт-Петербург
197101, Петроградская наб., д. 34, лит. Б
Тел. (812) 438-1538
Факс (812)346-0665
e-mail: compitech@fsmedia.ru, web: www.kit-e.ru
Республика Беларусь
«ПремьерЭлектрик»
Минск, ул. Маяковского, 115, 7-й этаж
Тел./факс: (10*37517) 297-3350, 297-3362
e-mail: murom@premier-electric.com
Отдел распространения
Санкт-Петербург:
Виктор Золотарев | victor.zolotarev@fsmedia.ru
Подписные индексы
Каталог агентства «Роспечать»	80743
Каталог «Почта России»
полугодие	60194
год	60195
Подписано в печать 20.03.19
Тираж 6000 экз.
Свободная цена
Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован
Министерством Российской Федерации по делам печати,
телерадиовещания и средств массовых коммуникаций.
Свидетельство о регистрации ПИ № ТУ 78-00653
от 22 июля 2010 года.
Учредитель
ООО «Издательство Файнстрит»
Адрес редакции
121351, Москва, ул. Ивана Франко, д. 40, к. 1, стр. 2
Издатель ООО «Издательство Файнстрит»
197101, СПб, Петроградская наб., д. 34, лит. Б
Отпечатано в типографии «Премиум Пресс»
197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4.
Редакция не несет ответственности за информацию,
приведенную в рекламных материалах.
Полное или частичное воспроизведение материалов
допускается с разрешения
ООО «Медиа КиТ».
Журнал включен в Российский индекс
научного цитирования (РИНЦ).
На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU
(www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей.
Статьи из номеров журнала текущего года
предоставляются на платной основе.
Компоненты
Олег КОЛОТУН
MMIC-, LDMOS-, GaN-усилители
и модули NXP Semiconductors
Сергей ДИН Г ЕС,
Виктор КОЧЕМАСОВ
Делители частоты.
Часть 2. Статические делители
и предделители
Марк ЛУНИ (Mark LOONEY)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
МЭМС-мониторы вибрации:
от ускорения к контролю скорости
Вадим ЧЕРНИЙ (Вадим ЧОРНИЙ)
«Эффект бабочки» по-норвежски:
гироскопические модули
компании Sensonor
Кива ДЖУРИНСКИЙ
Радиочастотные соединители
Юго-Восточной Азии.
Часть 3.
Соединители компаний
Южной Кореи и Японии
Андреас УНТЕРРАЙТМАЙЕР
(Andreas UNTERREITMEIER).
Перевод: Владимир РЕНТЮК
Решение компании
Wurth Elektronik
для высокоэффективной
беспроводной передачи
энергии и данных
по одному каналу
Новые ИМС категории качества «ВП»
разработки и производства
ОАО «Интеграл»	46
Святослав ЗУБАРЕВ
Новые компоненты TI
для построения
измерительных каналов	49
Валерий СОЛОВЬЕВ
Логическое проектирование
встраиваемых систем на FPGA.
Часть 6. Измерение времени:
задержки, делители частоты,
таймеры, часы реального времени 60
Валерий ЗОТОВ
Разработка узлов синхронизации
цифровых устройств
и встраиваемых
микропроцессорных систем,
реализуемых на базе ПЛИС
фирмы Xilinx семейств
UltraScale и UltraScaleP. Часть 5	67
Маркус ВИММЕР (Markus WIMMER).
Перевод: Владимир РЕНТЮК
Двухъядерные решения
для современных приложений
цифрового сигнального контроллера 78
Андрей САМОДЕЛОВ
Изюминки современных
микроконтроллеров.
Часть 8.
Книга рецептов использования модуля
SCTimer/PWM микроконтроллеров LPC
компании NXP.
Драйверы светодиодов	83
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
!SJE ЭЛЕКТРОНИКС
НЕЗАВИСИМЫЙ ПРЕДСТАВИТЕЛЬ
MOUSER ELECTRONICS.
MOUSER
ELECTRONICS
НАЙДЕШЬ НА MOUSER.COM - ЗАКАЖИ В ПМ ЭЛЕКТРОНИКС!
Honeywell
№5
4ROMIUCTWC«).U®
TOSHIBA
Panasonic
omRon
Littelfuse
i *r^	^.i । Л’.мч
CREE 7
AUlHOOIJfD CMSTIHMJTOn
Infineon nichicon
SILICON LABS
AM?M OF WHAT’S 1Б1Н1 i
Microchip
&TDK
VISHAY
molex
-VA'i I IM (ilCHOMCI
Amphenol
BBbC frmMC ‘CmiIICIHW lit
Microsenii
ON Semiconductor
YPOWER BY
4int№.
OSRAM
Opto Semiconductors
©BROADCOM
Pexas
I NS I RUM ENTS
DICr
lib qijgmertfoa
Micron
ifd5P/g|NG r,SOVAnONJ

•	Электронные компоненты co склада MOUSER в России
•	Более 5 000 000 продуктов от 750 ведущих производителей
•	Широкий выбор новой продукции для разработок
•	Поставки от 1 штуки
•	Ежедневное обновление склада
•	Доставка заказа курьерской службой в любую точку России
Приглашаем посетить стенд компании «ПМ Электронике»
на выставке «ЭкспоЭлектроника»
Выставка будет проходить в Москве с 15 по 17 апреля 2019 года в ВЦ «Крокус Экспо»
Стенд № А575, павильон 3, зал 12

EXPO
ELECTRONICA
Реклама
ЦДд| ЭЛЕКТРОНИКС
ООО
«ПМ Электронике»
+7 (812) 320-71-65
8-800-222-2312
(звонок по России бесплатный)
info@pmelectronics.ru
www.pmelectronics.ru
3 (212) '2019
Editor-in-chief
Pavel Pravosudov | pavel@fsmedia.ru
Deputy of editor-in-chief
Olga Dorozhkina (Zaytseva) | olga_z@fsmedia.ru
Managing editor
Alina Zhilina | alina.zhilina@fsmedia.ru
Editor
Natalia Novikova | Natalia.Novikova@fsmedia.ru
Editorial staff
Alexander Frunze
Svetlana Muromtseva
Victor Liferenko
Joseph Karshenbojm
Vladimir Mahov
Design and layout
Olga Vorchenko | olga@fsmedia.ru
Advertising department
Irina Milenina | irina@fsmedia.ru
Subscription department
Natalia Vinogradova | podpiska@fsmedia.ru
Moscow
7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str.,
Moscow, Russia
Tel.+7 (495) 987-3720
St. Petersburg
b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb.,
St. Petersburg,
197101, Russia
Tel. (812) 438-1538
Fax (812)346-0665
e-mail: compitech@fsmedia.ru
web: www.kit-e.ru
Belarus Republic
Minsk, Premier Electric
Tel./fax: (10*37517) 297-3350,
297-3362
e-mail: murom@premier-electric.com
Circulation department
St. Petersburg:
Victor Zolotarev | victor.zolotarev@fsmedia.ru
Subscription index
for Components & Technologies
Rospetchat Agency catalogue
subscription index 80743
KSS agency
Tel. in Kiev: 044-270-6220, 270-6222
subscription index 10358
Содержание
Мартин МОЦ
(Martin MOTZ).
Перевод:
Владимир РЕНТЮК
Кибербезопасность
на уровне микроконтроллеров
Марк МЕРФИ
(Mark MURPHY),
Пэт МакГИННЕСС
(Pat McGuinness).
Перевод:
Михаил РУССКИХ
Использование интегрированных
пассивных компонентов
в микро модульных
системах в корпусе
П роекти рован ие
Боб МАРТИН
(Bob MARTIN).
Перевод:
Владимир РЕНТЮК
Быстрая разработка прототипов
в эпоху Arduino, mikroBUS
и Processing
Сергей КУРАПОВ,
Максим ДАВИДОВСКИЙ
Топометрическая модель
плоского конструктива
в автоматизации конструкторского
92 проектирования РЭА
Технологии
Андрей ЧЕТИН
Автоматизированные
системы ТЕКО-8300
для испытаний суперконденсаторов
и аккумуляторных батарей
96 Алексей ТОРГОВАНОВ
Измерение TOI
на анализаторах спектра
и цепей Rohde & Schwarz
История
Владимир РЕНТЮК
Союз электроники и музыки —
симфония вычислений.
101 Часть 2. Музыка
105
112
114
124
ЯПЕ''«
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019

NEW
life, augmented
микроконтроллер
STM32L422
СВЕРХНИЗКОЕ
ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ:
►	режим выключения - от 8 нА
►	режим ожидания - от 28 нА
►	режим стоп - от 1 мкА
►	активный режим - от 36 мкА/МГц
Тактовая частота - до 80 МГц
Производительность 100 DMIPS/273.55 CoreMark
Алгоритм блочного шифрования AES - ключ 128/256-бит
4 типа корпусирования: LQFP32 (LQFP48, LQFP64),
UFBGA64, UFQFPN32 (UFQFPN48), WLCSP36
доступны
образцы
STM32 L
STM32L4
Единый телефон: 8-800-333-63-50
info@ptelectronics.ru | www.ptelectronics.ru
Офисы компании: Санкт-Петербург, Москва,
Чебоксары, Нижний Новгород, Екатеринбург,
Новосибирск, Ижевск, Таганрог, Пермь
ELECTRONICS
Innovations & Technologies
компоненты вч/свч -элементы
MMIC-, LDMOS-, GaN-усилители
и модули NXP Semiconductors
Олег КОЛОТУН
oleg.kolotun@biakom.com
В статье представлена ВЧ- и СВЧ-продукция компании NXP Semiconductor.
Также уделено внимание MMIC-усилителям, LDMOS-транзисторам и мо-
дулям, в том числе GaN широкополосным усилителям. Дан краткий обзор
высокоинтегрированных беспроводных решений NXP.
MMIC — монолитные
миниатюрные маломощные
усилители NXP до 6 ГГц
Компания NXP производит достаточно
широкий ассортимент ВЧ/СВЧ-продукции
(табл. 1).
В частности, благодаря богатому опыту
создания СВЧ-усилителей для применения
в HF-, VHF-, UHF-, L- и S-диапазонах, раз-
работчики компании NXP Semiconductors
предлагают для различных применений
MMIC (Monolithic Miniaturized Integrated
Circuits) маломощные усилители серии
BGAx, представляющие собой закончен-
ное усилительное решение. Для кабель-
ных модемов, CATV Set Top Box- и VoIP-
модемов NXP предусмотрены MMIC-
усилители с рабочим диапазоном частот
HF-VHF (5-205 МГц) серий BGA3031,
BGA3131 в корпусе HVQFN20 (5x5 мм),
с импедансом 75 Ом и коэффициен-
том усиления до 60 дБ. Для ISM-, RFID-,
WLAN-применений компания NXP создала
Таблица 1. ВЧ/СВЧ-продукция NXP Semiconductors
Продукция	Решения
Усилители большой мощности (RF Power)	Транзисторы и модули LDMOS мощностью до 1,8 кВт, а также GaN и GaAs с рабочей частотой до 6 ГГц для систем связи и промышленных применений
Усилители малой и средней мощности (RF Amplifiers — Low/Medium Power)	Малошумящие усилители (LNA), усилители малой и средней мощности, удовлетворяющие высоким требованиям для систем сотовой, беспроводной связи, CATV и измерительной техники
Приемопередатчики для радаров (Radar Transceivers)	Высокотехнологичные микроконтроллеры (MCUs) и приемопередатчики для радаров (RFCMOS или BiCMOS) в рабочем диапазоне частот 76—81 ГГц для автомобильной промышленности
Схемы контроля (Control Circuits)	Усилители Doherty (Advanced Doherty alignment module (ADAM)) как инновационное направление высокоинтегрированных GaAs MMIC монолитных микросхем для схем усиления и контроля
Приемопередатчики малой мощности (Low Power TX/RX ICs)	Приемопередатчики малой мощности TX/RX ICs, IQ-модуляторы со встроенными генераторами и схемами ФАПЧ (PLL)
Дискретные компоненты малой мощности (RF Discrete Components — Low Power)	Дискретные компоненты малой мощности для приемопередатчиков (TX/RX) включают биполярные транзисторы, а также JFETs, MOSFETs для усилителей и коммутаторов
ФАПЧ и генераторы (PLLs and Oscillators)	ФАПЧ (Phased-locked loops (PLLs)), генераторы, конвертеры для LNBs и цифровых спутниковых (DVB-S) приемников
Автомобильные радиоприемники (Car Radio Tuners)	Цифровые и аналоговые радиоприемники для систем связи общего и специального применения
высоколинейные маломощные (от 0,25 Вт)
усилители с широким диапазоном рабочих
частот (0,4-2,7 ГГц) — BGA6130, BGA7127
(в корпусе HVS0N8) и BGA6589, BGA7024,
BGA7027 (в корпусе SOT-89-3) с импедан-
сом 50 Ом и коэффициентом усиления
до 26 дБ.
Кроме того, NXP Semiconductors предо-
ставляет заказчикам широкополосные арсе-
нид-галлиевые GaAs миниатюрные монолит-
ные усилители MMIC серий ММАх, MMGx,
MMZx мощностью до 33 дБм для различных
применений, в том числе LNA, в широком
диапазоне частот до 6 ГГц (рис. 1).
дБм			
	1000		
33		1500	2800
33		1500	2800
33	400		2400
32		1500	2700
31			2300	2700
30,5		1800	2200	
30,5		1800	2200	
30	800	2200	
29,6	400	1000		
27,5		1500	2700
27	400		2200	728
25	40		4000
24	500		2800
24	40		3600
23,9	450		3800
22,5	259		4000
20,5	1		6000
20,5	1		6000
18,5	1		6000
13,4	1		6000
500
1000
2000
3000
4000
5000
MMZ09332B
MMZ25332B4
MMZ25332B
MMG3006N
MMZ25333B
ММА25312В
ММА20312В
MMA20312BV
MMG3005N
MMZ09312B
MMG20271H9
MMG3004N
MMG3014N
MMG15241H
MMG3003N
MMG20241H
MMH3111N
MMG3H21N
MMG3015N
MMG3012N
MMG38151B
6000 МГц
Рис. 1. NXP GaAs MMIC миниатюрные монолитные усилители до 6 ГГц
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
LDMOS-транзисторы и модули NXP
UHF-, L-, S-диапазонов частот
Большой интерес в настоящее время
вызывает технология нового поколения
LDMOS (LaterallyDiffused Metal Oxide Semi-
con-ductors) — смещение-диффузная МОП-
технология на основе кремния. Для опре-
деленных применений технология LDMOS
предпочтительна по сравнению с биполяр-
ной технологией, поскольку изделия, выпол-
ненные по LDMOS-технологии, обладают
более совершенными техническими харак-
теристиками. Они имеют высокую линей-
ность, больший коэффициент усиления,
лучшие тепловые режимы работы, устой-
чивость к рассогласованию, высокий КПД,
большой запас по рассеиваемой мощности
и высокую надежность. Сегодня LDMOS-
технология оптимальна для решения опреде-
ленных задач в области радарных примене-
ний L- и S-диапазонов [1].
В настоящее время по LDMOS-технологии
выпускается большинство мощных высоко-
частотных транзисторов [4]. Существует два
основных варианта конструкции LDMOS-
транзисторов. Первый основывается на ис-
пользовании заземленного экрана (grounded
Faraday shield) для обеспечения изоляции
стока (drain) от затвора (gate) и уменьшения
емкости обратной связи CDG. Как правило,
такая конструкция используется при длине
затвора более 0,5 мкм. Второй вариант кон-
струкции (использующийся преимуще-
ственно при длине затвора менее 0,5 мкм)
основывается на применении заземленной
металлизированной области (grounded field
plate) и позволяет не только уменьшить ем-
кость обратной связи CDG, но и понизить
значение дрейфа тока между стоком и за-
твором IDG. Применение схемы из несколь-
ких параллельно включенных мощных
СВЧ-транзисторов, согласованной по входу
и выходу на 50 Ом, которую разработчик
мог легко включить в состав своей систе-
мы, привело к появлению так называемых
палет (готовых усилительных субмодулей).
Объединяя нужное количество палет, мож-
но легко добиться требуемых мощностных
характеристик создаваемой системы. При
более высокой степени интеграции пале-
та содержит несколько каскадов усиления
(драйвер + оконечные каскады), что позво-
ляет получить законченное решение, суще-
ственно снижающее нагрузку на разработ-
чика ВЧ-части системы.
При производстве LDMOS-транзисторов
и модулей (табл. 2) NXP Semiconductors
в структуре своих кристаллов и соедини-
тельных проводников использует золото,
что обеспечивает высокую надежность из-
делия, долговечность и устойчивость к пи-
ковым нагрузкам (рис. 2). В отличие от NXP
Semiconductors многие традиционные про-
изводители LDMOS-транзисторов, в гонке
за дешевизной СВЧ-транзисторов, в структу-
Таблица 2. ВЧ/СВЧ-транзисторы и модули NXP Semiconductors
	Область применения					
	Промышленность				Сотовая связь	
Системы	Широкополосные	Мобильные (земля/море)	Аэрокосмические и специальные*	Бытовые	Малой мощности	Большой мощности
Продукция	Транзисторы и модули				Транзисторы	
	LDMOS 10-1500 Вт 1-2450 МГц 28-50 В	LDMOS 1-75 Вт 1-1000 МГц 7-12 В	LDMOS, GaN 10-1300 Вт 1-3500 МГц 28-50 В	LDMOS 10-300 Вт 915 и 2450 МГц 28-50 В	GaAs <1 Вт 1-6000 МГц 3,5-5 В	LDMOS, GaN 1-450 Вт 450-3800 МГц 28-50 В
Применение	Лазеры,плазменные генераторы. Медицина: ЯМР, хирургия, косметология. Промышленный нагрев, сварка и сушка. Ускорители частиц. Радио и телевидение	Системы: радио (2-сторонней связи): безопасность населения, портативные автомобильные морские	СУБД (АТС) Радары. Широкополосная связь. Военное и специальное наблюдение. Постановщики помех (РЭБ)	Твердотельные усилители: для коммерческих и общих применений, микроволновых термокамер, портативных нагревательных приборов	Микросотовая связь. Драйверы усилителей общего применения	Макросотовая связь. Базовые станции
Примечание. *Авионика (960—1215 МГц); L-диапазон (1200—1400 МГц);
S-диапазон (2700—3500 МГц); широкий диапазон GaN (до 3,8 ГГц), GaAs (до 6 ГГц).
1200-1400 МГц
LDMOS
28-50 В
широкополосные GaN
со
СО
о
о
и;
си
о
х
-fl
СП
1300
1000
1000
500
350
330
275
250
125
125
100
100
90
90
63
25
25
12
10
10
6
960-1215 МГц
LDMOS
700
1300
140с
1400
1215
470
470
1400
3600
3600
960
10
10
MMRF1317H
AFV121KH
AFV141KH
MRF6V12500H
MRF8VP13350N
MRF6V14300H
MRF6V12250H
AFIC10275N
MMRF5014H
MMRF5015N
MRFE6VP100H
AFG24S100H
MRF6VP3091N
MRF6V3090N
MMRF5023N
MRFE6VS25L
MRFE6VS25N
MMRF5013N
MRF6V10010N
AFT27S010N
AFT27S006N
GaAs
Ниже 960 МГц
1090
1215
1400
1800 МГц Выше
Рис. 2. LDMOS- и GaN-транзисторы NXP UHF L-диапазона частот (0,96—1,8 ГГц)
ре своих кристаллов и соединительных про-
водников применяют алюминий (алюминий
традиционно употребляется большинством
изготовителей КМОП-структур, на фабриках
которых изготовители LDMOS-транзисторов
размещают свои заказы). Коэффициент
температурного расширения (КТР) алю-
миния в три раза больше, чем у золота, что
негативно сказывается на соединительных
проводниках и кристаллах и обусловлива-
ет невысокую надежность конечного из-
делия, недолговечность и слабую устой-
чивость к пиковым нагрузкам. Вот почему
выбор качественного производителя СВЧ-
транзисторов для разработчиков высоко-
надежной аппаратуры очень важен, и этому
необходимо уделять максимум внимания,
особенно для космических, авиационных
и специальных применений [3].
Компания NXP Semiconductors использует
керамические корпуса, которые хорошо под-
ходят для транзисторов большой мощности.
Применение керамики позволяет герметизи-
ровать корпус активного элемента. Для об-
щих применений, не в экстремальных усло-
виях работы, где основным фактором явля-
ется низкая стоимость LDMOS-транзисторов
и нет требований по высокому уровню влаго-
непроницаемости, NXP Semiconductors пред-
лагает варианты решений в пластиковых
корпусах [4]. Мощные LDMOS-транзисторы
и транзисторные модули производятся одно-
каскадными или многокаскадными с важ-
ной отличительной особенностью: входной
и выходной импеданс согласованы во всем
рабочем диапазоне частот, что обеспечивает
наименьшее рассогласование в нагрузке, вы-
сокое качество, повторяемость, надежность,
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты вч/свч -элементы
со
со
о
о
си
300
250
125
125
100
63
25
12
12
12
1
1
1
2100
1
о
X
-D
СО
10
10
6
28-32 В Т 28-50 В
LDMOS I широкополосные GaN
2400
2400
2500
2500
2500
2700
2700
2300
2400
2500
2400
2500
2700
2900
3000
2700
2400
2500
2600
2700 МГц
Ниже 2300
MRF24300N
MRF7S24250N
MMRF5014H
MMRF5015N
AFG24S100H
MMRF5023N
A2I25D025N
MMRF5013N
A2I25D012N
MHT1008N
MHT1006N
AFT27S010N
AFT27S006N
GaAs
Рис. 3. LDMOS- и GaN-транзисторы NXP S-диапазона частот (2,2—2,7 ГГц)
28-32 В LDMOS
GaN
GaAs
Пластик
320
225
162
со
150
о
I 65
Ч
35
| 25
g 24
л
СО 13
10
7,9
6
2700 2900
3400	3600
3406	3600
2700	3100
3400	3800"
3200	4000
2700	3100
2100	2900
728	3600
728	3600
728	3600
728	3600
Переход к маломощным устройствам
Ниже 2700 2900 3100	3300	3500 3600 3800 Выше
Продукт
MRF8P29300H
A2G35S200-01S*
A2G35S160-01S*
AFT31150N
A2I35H060N*
A3I35D025N
AFIC31025N
A2I25D025N
AFT27S012N
AFT27S010N
A2T27S007N
AFT27S006N
Жирным шрифтом выделены продукты, участвующие в программе NXP по поддержке долговечности.
* Выходная мощность измерена в P3dB.
Рис. 4. LDMOS- и GaN-транзисторы NXP для радаров S-диапазона частот (2,7—3,8 ГГц)
50 В
LDMOS
28-32 В
LDMOS
28-50 В
широкополосные GaN
со
со
125
125
100
100
1
1
1
1,8
2000
2700
2700
2500
о
63
1
2700
го
о
X
-fl
со
25
25
12
10
6
3000
1
8
1,8
1
2000
2000
1 МГц
2000
2700
3800 МГц
MMRF5014H
MMRF5015N
AFG24S100H
MRF6VP100H
MMRF5023N
MRF6VS25L
MRF6VS25N
MMRF5013N
AFT27S010N
AFT27S006N
GaAs
Рис. 5. LDMOS и GaN широкополосные транзисторы NXP L-S-диапазона частот (до 3,8 ГГц)
мощность и значительно сокращает сроки
проектирования устройства.
В настоящее время разрабатывается
и производится большое количество ком-
мерческих и военных радарных систем L-
и S-диапазонов (рис. 3). Как правило, для
подобных систем необходима высокая вы-
ходная импульсная мощность при малых
и средних длительностях импульса, что легко
реализуется с помощью кремниевых бипо-
лярных транзисторов. LDMOS-транзисторы
компании NXP Semiconductors характери-
зуются чрезвычайно высокой плотностью
мощности в импульсном режиме и про-
стотой применения [4]. Высокая плотность
мощности в терминах разработчиков тран-
зистора означает достаточно компактный
кристалл, отдающий значительную мощ-
ность и помещенный в небольшой корпус.
Помимо этого, активный прибор должен
иметь компактные цепи обвязки. Обычно
биполярные транзисторы использовались
в классе С для достижения максимальных
значений эффективности и выходной мощ-
ности. Линейность работы усилителя в этом
случае не имела решающего значения.
Простота и компактность используемых
согласующих цепей и цепей питания во мно-
гом обусловили применение кремниевых би-
полярных транзисторов в сложных системах,
насчитывающих большое количество эле-
ментов [1]. Развивающийся рынок радарных
систем S-диапазона (рис. 4) требует от разра-
ботчиков обеспечения все большей мощно-
сти во все более широком диапазоне частот,
и в этом случае LDMOS-транзисторы имеют
весьма значительные преимущества перед
кремниевыми биполярными транзисторами.
GaN широкополосные
транзисторы NXP до 3,8 ГГц
L-, S-диапазонов частот
Несмотря на успехи в разработке и произ-
водстве кремниевых биполярных LDMOS-
транзисторов, компания NXP Semiconductors
также создает и изготавливает широкополос-
ные (Wideband) СВЧ-транзисторы до 3,8 ГГц
S-диапазона по новейшей технологии GaN
(рис. 5). Нитрид галлия (GaN) — отличный
материал для производства мощных СВЧ-
транзисторов и палет.
Применение транзисторов и усилителей
на основе GaN в разработках и производстве
обеспечивает максимальные КПД, плотность
мощности, коэффициент усиления в ши-
роком диапазоне частот. Их комплексный
показатель качества (FOM) в несколько раз
превосходит кремниевые MOSFET (перед по-
явлением MOSFET биполярные транзисто-
ры играли доминирующую роль). Поэтому
новейшие разработки и производство СВЧ-
транзисторов на основе GaN (GaN-НЕ MTs,
GaN-on-Si, GaN-on-SiC) сегодня являются
наиболее эффективными и перспективны-
ми. Применение транзисторов на основе GaN
в импульсных радарах большой мощности
особенно эффективно для авиационной про-
мышленности. Мощные GaN-транзисторы
актуальны для радаров L-, S-, С-диапазонов
для специальных и гражданских примене-
ний. Не менее важно и производство систем
на базе новых продуктов GaN, в том числе
и для других частотных диапазонов.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
Высокоинтегрированные
беспроводные решения от NXP
СВЧ-приемопередатчики 76-81 ГГц
для автомобильных радаров
Сегодня компания NXP предлагает гото-
вые высокоинтегрированные платформы
(рис. 6) для большинства рынков и множе-
ства различных устройств: от «умных» часов
и серверов до тонометров и электрических
автомобилей с беспроводной зарядкой, ми-
кросхем и электронных технологий для авто-
мобилей с ДВС или электрическим двигате-
лем, с автопилотом или без него. Кроме того,
компания NXP Semiconductors анонсировала
64-битные процессоры семейства i.MX 8, ис-
пользующие архитектуру ARMv8. Первыми
представителями серии i.MX 8 стали чипы
i.MX 8Quad, i.MX 8QuadPlus и i.MX 8QuadMax,
предназначенные для автомобильной сфе-
ры. Они поддерживают Gigabit Ethernet, па-
мять LPDDR4 и DDR4, возможность работы
с четырьмя независимыми HD-дисплеями
или одним экраном формата 4 К и высокий
уровень безопасности. Это предоставляет
автомобильной промышленности высоко-
интеллектуальные платформы, в частности
с применением СВЧ-приемопередатчиков
в автомобильных радарах в рабочем диапа-
зоне частот 76-81 ГГц.
Решения NXP ZigBee и Bluetooth
До появления концепции Internet of
Things более 10 лет разрабатывались тех-
нологии для беспроводного подключения
домашних и промышленных устройств.
В последнее десятилетие такие разработ-
ки воплотились в стандарты NFC, ZigBee
и Bluetooth. Стандарт Bluetooth, несмотря
на его многочисленные недостатки (малая
зона охвата, высокое энергопотребление,
низкая скорость, проблемы с сопряжением
и т.д.), оказался самым распространенным.
Поэтому его поддержало большое коли-
чество разработчиков и производителей,
и на несущественные недостатки этого стан-
дарта закрыли глаза. С момента принятия
спецификаций Bluetooth в 2003 году и по-
сле утверждения его в 2004-м в качестве ос-
новного для PAN-сетей Bluetooth пережил
массу редакций. Последняя была принята
в декабре 2014 года. Среди прочих возмож-
ностей последних версий Bluetooth имеет-
ся поддержка работы микросотовых сетей.
Это нерегулярная структура, когда каждый
из узлов связи может служить полноцен-
ным ретранслятором данных.
В феврале 2015-го компания NXP при-
обрела компанию Quintic вместе с пакетом
разработок Bluetooth Low Energy (BTLE).
Именно эти разработки легли в основу ново-
го предложения NXP. С помощью решений
категории BTLE с использованием микро-
сотовых сетей компания NXP поможет соз-
дать беспроводные сети для «умного» дома
или производства, где каждое из подключен-
Рис. 6. Высокоинтегрированные изделия NXP Semiconductors:
а) для ВЧ/СВЧ-применений; б) для систем контроля и управления
ных устройств сможет согласованно обме-
ниваться данными между узлами и управ-
ляющей структурой. При этом разработчик
обещает отсутствие таких проблем, как ши-
роковещательный шторм, когда из-за несо-
гласованных действий узлов происходит
лавинообразный рост служебных пакетов.
Системы беспроводной
высокочастотной связи
малого радиуса действия NFC
Система беспроводной высокочастотной
связи малого радиуса действия NFC (Near
Field Communication) используется в автомо-
бильных медиацентрах. NXP серийно про-
изводит специализированные NFC-контрол-
леры, например NCF3320, NCF3340, рассчи-
танные на эксплуатацию в транспортных
средствах [5].
СВЧ-связь NFC в автомобильных борто-
вых компьютерах и медиацентрах позво-
ляет реализовать ряд новых возможностей
управления. Так, распознав NFC-смартфон
пользователя, машина может автоматически
нужным образом изменить настройки кли-
матической установки, оптимизировать по-
ложение зеркал и водительского кресла или
переключиться на ту или иную радиоволну.
Кроме того, смартфон с NFC-чипом приме-
няется для разблокировки дверей, отключе-
ния сигнализации и даже запуска двигателя.
Разумеется, предварительно требуется соз-
дание профилей пользователей, которые до-
пущены к управлению.
Решения NXP
для звукових усилителей смартфонов
Сегодня качественный звук стал неотъ-
емлемой частью мобильного устройства.
Проблема оставалась лишь в том, чтобы
обеспечить отличное звучание в максималь-
но возможном диапазоне звуковых частот.
Компания NXP сумела соблюсти баланс
и к настоящему времени сообщает о постав-
ке на рынок свыше 150 млн усилителей мощ-
ности для смартфонов. Из 15 крупнейших
на рынке брендов 13 компаний используют
в своих флагманских моделях усилители
NXP (компания поставляет усилители 10 ки-
тайским OEM-производителям). Усилители
TFA9897 не утратили своих Hi-Fi-качеств.
Например, ориентируясь на массовую про-
дукцию и тенденцию на уменьшение толщи-
ны корпусов смартфонов и перенос динами-
ков на фронтальную сторону корпуса, NXP
скорректировала частотные характеристики
усилителей. Как и предыдущие изделия, но-
вые усилители оптимизированы для работы
с микродинамиками с нагрузочным сопро-
тивлением 8 Ом. С новыми усилителями
NXP TFA9897 звук на смартфонах стал чище,
громче и богаче.
Системы для беспроводной передачи
энергии (RF Energy)
Приемопередатчики для отправления
энергии беспроводным устройствам работа-
ют в диапазоне частот 2450 МГц. Дальность
ВЧ/СВЧ-сигнала зависит от многих факто-
ров: параметров сигнала (мощность, частота
и др.), параметров антенн, параметров внеш-
ней среды распространения сигнала. Для сиг-
нала с частотой 2450 МГц внутри зданий —
это метры, для свободного пространства —
десятки и сотни метров в зависимости
от мощности сигнала. Учитывая растущие
потребности потребителей энергии, мощ-
ность передаваемых сигналов будет только
расти, а значит, станут повышаться требо-
вания к усилителям приемопередатчиков.
Примеры продукции с беспроводной пере-
дачей СВЧ-энергии: СВЧ-печи; плазменные
лампы освещения; автомобильные системы
зажигания; системы отопления; беспровод-
ные зарядные устройства [6].
Литература
1.	Microwave Journal.
2.	Aviation Week and Space Technology.
3.	Military Microwaves Supplement.
4.	NXP (Freescale’s) 50 V RF LDMOS: An Ideal
RF Power Technology for ISM, Broadcast and
Commercial Aerospace Applications.Rev4_9/2011.
Document Number: 50VRFLDMOSW.
www.nxp.com/files-static/rf_if/doc/white_
paper/50 VRFLDMOSWP.pdf
5.	www.nxp.com/docs/en/brochure/
AUTONCF3320LF.pdf
6.	www.nxp.com/products/rf/rf-power/rf-ism-
and-broadcast/rf-energy-systems/rf-energy-lab-
box:RFEL24-500
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
10
компоненты вч/свч -элементы
Делители частоты.
Часть 2. Статические делители
и предделители
Сергей ДИНГЕС,
к. т.н.
Виктор КОЧЕМАСОВ,
к. т. н.
Во второй статье из цикла, посвященного обзору делителей частоты СВЧ-
диапазона, продолжена тема статических делителей частоты, выполняе-
мых с помощью различных современных полупроводниковых технологий.
Представлены предварительные делители частоты, или предделители,
иногда называемые в отечественной литературе прескалерами.
Делители на основе КМОП (CMOS)
В отличие, например, от альтернативных решений на основе арсе-
нида галлия (GaAs) КМОП-делители имеют исключительно низкое
энергопотребление и отличаются высокой надежностью, особенно
в области космической техники, где требуется использование ради-
ационно-устойчивых компонентов. В таблице 1 приведены параме-
тры ДЧ, выполненных на основе КМОП-технологий, с максимально
достигнутыми рабочими частотами.
Делители компании Peregrine Semiconductor, изготовленные
по технологии UltraCMOS, в дополнение к UltraCMOS-устройствам
ФАПЧ предоставляют инженерам комплексные решения для про-
ектирования РЧ-оборудования космических, спутниковых, военных
и беспроводных инфраструктур в С-, X- и Ku-диапазонах частот.
Делители выполнены на основе классических цепочек D-триггеров,
содержат буферные усилительные каскады на выходе, а некоторые
Таблица 1. Параметры ДЧ с максимально достигнутыми рабочими частотами,
выполненных на основе КМОП-технологий
Публикация	fBX(max), ГГц	SOF, ГГц	Технология	РПотРмВт(ипит,В)
[5]	66	48	90 нм CMOS	80(1,8)
[б]	67	61,4	90 нм CMOS	15,7(1,2)
Таблица 2. Делители частоты фирмы Peregrine Semiconductor
Модель	1/ 1Хдел	Г max ^тах> ГГц	Рвх/Рвых> дБм	^пит> Б/1пот, мА
РЕ35400	4	3-13,5	При 4,5-11,5 МГц: -20 ...-7/5	2,8/16
РЕ9301	2	1,5-3,5	-5/-10	3/13
РЕ9303	8	1,5-3,5	-5...+5/-5	3/14
РЕ9304	2	1-7	0...+12/-7...-12	3/14
РЕ9309	4	3-13,5	0...7/0	3/16
РЕ9311	2	0-1,5	-8...+10/0	3/6,5
РЕ9312	4	0-1,5	-8...+10/0	3/6,5
РЕ9313	8	0-1,5	-8...+10/0	3/6,5
модели (РЕ9313) и на входе (рис. 1,2). В ряде моделей делителей уста-
навливается антистатическая защита ESD. Все маломощные делители
компании, основные сведения о которых приведены в таблице 2, вы-
пускаются в корпусе 8L CFP размером 4,6x4,6 мм (рис. 2). Последняя
разработка компании — бескорпусной (Die) делитель РЕ35400.
Фазовый шум этого делителя на частоте 3,025 ГГц равен -135 дБн/Гц.
Рис. 2. Предделитель РЕ9313:
а) внешний вид; б) частотная зависимость чувствительности по входу
Выход
(Out)
ESD
Рис. 1. Структура UltraCMOS-делителя РЕ35400 и предделителя РЕ9313, предназначенных для использования в приложениях космической тематики
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
Таблица 3. СВЧ-делители частоты,
производимые НПП «Пульсар»
Модель	“дел	♦вхЛГц	р вых	Потребляемый ток, не более, мА
1324ПЦ1	2	0,1-3,9	—19...+10 дБм	45
1324ПЦ2	4	0,1-3,8	—20...+11 дБм	54
1324ПЦЗ	8	0,1-3,8	—20...+11 дБм	51
1324ПЦ4	2,4,8,16	0,2-2,5	—3 дБм	90
1324ПЦ5	2, 4, 8,16	0,1-3,8	—3 дБм	100
1324ПЦ6	2	0,45-18	0,45 мВт	45
1324ПЦ7	4	0,45-18	0,45 мВт	51
1324ПЦ8	8	0,1-3,8	0,45 мВт	75
1324ПЦ9	2,4,8,16	0,5-15	0,45 мВт	100
1324ПЦ10	2	0,3-1,7	0,1 мВт	10
1324ПЦ11	4	0,3-1,7	0,1 мВт	10
Наиболее высокочастотный компонент
РЕ9309 (рис. 3) представляет собой высоко-
качественный UltraCMOS-предделитель
с фиксированным коэффициентом деления
на 4. Диапазон рабочих частот делителя со-
ставляет 3-13,5 ГГц. РЕ9309 работает от од-
ного источника питания при потреблении
16 мА. Он упакован в небольшой 8-выво-
дной корпус CFP, а также доступен в бескор-
пусном варианте (DIE) для гибридного при-
менения. Делитель может быть использован
в оборонных и космических приложениях.
Центром проектирования АО «НПП
«Пульсар» разработана серия СВЧ монолит-
ных интегральных схем 1324, в состав которой
входит ряд моделей делителей частоты, крат-
кие сведения о которых приведены в таблице 3.
Выпускаемые НПП СВЧ МИС широко-
полосных статических делителей частоты
с фиксированным коэффициентом деления,
согласованные по входу и выходу с волно-
вым сопротивлением 50 Ом, обладают ши-
ного сигнала с коэффициентами деления
2 (5861ПЦ1У) и 5 (5861ПЦ2У). Основные
параметры делителей приведены в таблице 4.
Микросхемы изготавливаются по КМОП-
технологии, имеют ТТЛ-совместимые вхо-
ды и выходы и обеспечивают возможность
согласования по выходам с уровнями ТТЛ
и 50-Ом линией. Конструктивно они вы-
полнены в планарном металлокерамическом
корпусе типа Н04.16-1В с четырехсторонним
расположением выводов.
Микросхемы содержат два канала деле-
ния: канал с аналоговым входом СТ1 и ка-
нал с цифровым ТТЛ-входом СТ2 (рис. 4).
Каждый канал имеет входной буфер, дели-
тель частоты с коэффициентом деления 2
(5861ПЦ1У) или 5 (5861ПЦ2У) и выходной
буфер. Выходы каждого из каналов Q1 и Q2
имеют возможность работы на ТТЛ-нагрузку
и 50-Ом линию. Каналы имеют независимые
управляющие входы, сигналы на которых
определяют состояние выхода. При установ-
ке сигнала на управляющем входе в состо-
яние логической единицы осуществляется
запирание соответствующего канала.
На сайте компании размещена информа-
ция еще о трех компонентах:
• Делитель частоты:
-	частота входного сигнала: до 1 ГГц;
-	коэффициент деления: 2.
• Делитель частоты:
-	частота входного сигнала: до 600 МГц;
-	коэффициент деления: 3.
• Делитель с переменным коэффициентом
деления:
-	частота входного сигнала: до 500 МГц;
-	коэффициенты деления: от 1 до 512;
-	скважность поделенного сигнала: 2.
Таблица 4. Основные параметры микросхем
Параметр		Обозначение параметра	He менее	He более
Напряжение питания, В		исс	4,5	5,5
Ток потребления, мА		ICC	—	40
Динамический ток потребления, мА		юсс	—	150
Мощность сигнала на аналоговом входе CT1, дБм		Pin CT1	10	20
Мощность выходного сигнала, дБм		Pout	9	—
Максимальная частота сигнала на аналоговом входе CT1, МГц		UxCTi	—	500
Максимальная частота сигнала на цифровом входе CT2, МГц		fmaxCT2	—	400
Минимальная частота сигнала на аналоговом входе CT1, МГц	5861ПЦ1У	fminCTI	—	10
	5861ПЦ2У			30
Минимальная частота сигнала на цифровом входе CT2, МГц	5861ПЦ1У	fminCT2	—	10
	5861ПЦ2У			30
Уровень ослабления входного сигнала в режиме запирания, дБ		KISR	30	—
Уровень ослабления выходного сигнала в режиме запирания, дБ		KOSR	90	—
Уровень вносимых фазовых шумов в спектр выходного сигнала, дБ/Гц		Fn	—	-140
Время включения (выключения), нс		ton (toff)	—	50
Температурный диапазон, °C		Ta	-60	+125
Первые два делителя корпусированы
в Н04.16-1В, делитель с переменным коэф-
фициентом деления — в корпус Н 16.48-1В.
Компания-дистрибьютор Lansdale Semi-
conductor предлагает 12 моделей предделите-
лей с переключаемыми коэффициентами де-
ления, разработанных компанией Motorola.
Наиболее высокочастотная модель ML12079
действует на частотах 0,1-2,8 ГГц и имеет вы-
бираемый коэффициент деления 64/128/256.
Самая низкочастотная модель делителя
ML12009 имеет коэффициент деления 5/6
и работает на частотах до 480 МГц. Три мо-
дели предделителей ML12054A (2 ГГц),
ML12052 и ML12038 (1,1 ГГц) имеют двойной
переключаемый коэффициент деления 64/65
или 128/129. Напряжение питания делителей
составляет 4,5-5,5 В, компания использует
пластиковые корпуса SO или DIP.
Технологии с использованием
арсенида галлия (GaAs)
Арсенид галлия (GaAs) традиционно рас-
сматривается как основной перспектив-
ный материал для создания СВЧ-приборов.
роким динамическим диапазоном по входу.
Уровень фазовых шумов делителей состав-
ляет -147 дБн/Гц, выходное напряжение
350 мВ. Для делителей необходимо одно-
полярное питание +5 В, они имеют вход
для подачи сигнала отключения питания,
изготавливаются в миниатюрном металло-
керамическом корпусе размерами 5x5 мм
и в виде кристаллов. Диапазон рабочих тем-
ператур делителей -60.. .+85 °C.
ООО «Научно-технический центр «ДЭЛС»
(Белоруссия) предлагает на рынке микро-
схемы 5861ПЦ1У и 5861ПЦ2У — высоко-
частотные цифровые делители частоты.
Микросхемы предназначены для деления
EN1 ---------------------------------------------------------------------
частоты поступающих на их входы последо-
вательностей импульсов или синусоидаль-
Рис. 4. Структура делителей 5861 ПЦ*
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты вч/свч -элементы
NO N1 N2	SO
Рис. 5. Структура микросхемы HMC705LP4 и HMC705LP4E
В настоящее время при использовании компонентов на GaAs раз-
виваются прежде всего гетеро структуры AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs
и созданные на их базе биполярные транзисторы (НВТ) и полевые
транзисторы с барьером Шоттки (НЕМТ).
Компания Hittite Microwave выпускает линейки сверхскоростных
цифровых и логических (High Speed Digital Logic) монолитных ми-
кросхем пс-диапазона с использованием арсенид-галлиевых техноло-
гий. В частности, компания предлагает делители с программируемым
коэффициентом деления и делители частоты тактовых последова-
тельностей.
Набор предлагаемых сверхскоростных логических ИС компании
Hittite Microwave соответствует потребностям современной высоко-
скоростной электроники сверхвысокого (пс) быстродействия.
Микросхемы выполнены на основе GaAs биполярных транзисторов,
имеют дифференциальные входы и выходы и допускают программи-
рование уровня выходных сигналов.
На рис. 5 приведена структура малошумящего программируемо-
го GaAs НВТ делителя частоты HMC705LP4 (Е), который произво-
дится в 24-выводном корпусе для поверхностного монтажа разме-
ром 4x4 мм. Делитель может быть перепрограммирован для деления
входного синусоидального или импульсного сигнала с частотами
0,1-6,5 ГГц на любое число, в пределах 1-17, при этом выходная мощ-
ность устройства изменяется, что иллюстрирует рис. 6.
Величина входной мощности лежит в диапазоне -15...+10 дБм,
выходная мощность при делении на 2 равна 0 дБм. Величина шума
для входной частоты 6 ГГц и коэффициента деления 17 составляет
153 дБн/Гц. При номинальном напряжении питания 5 В потребляе-
мый ток составляет 190 мА.
Таблица 5. Делители частоты тактовых импульсов
Модель	Lx» ггц	1/ 1Хдел	Время задержки, пс	Время нарастания/ спада, пс	ивых» в	Рпотр» мВт
HMC791LC4B	28	2/4	—	12/14	0,6	660
HMC859LC3	26	8	146	9/17	0,8-1,8	320
HMC959LC3	26	4	121	19/19	0,8-1,8	281
Для получения полного ряда коэффициентов деления в устройстве
используются специальные схемные решения, в частности импульс-
ные обратные связи в цепочке триггеров. Рис. 7 иллюстрирует проис-
ходящее при этом изменение скважности выходных импульсов.
Высокая рабочая частота HMC705LP4E наряду с низким уровнем
фазового шума позволяют разработчикам реализовывать высокоэф-
фективные архитектуры быстродействующих синтезаторов частот.
На основе GaAs компания Hittite Microwave выпускает ряд дели-
телей частоты тактовых последовательностей (Clock Dividers), за-
дающих временную последовательность логических и цифровых
устройств. Основные характеристики делителей частоты для логи-
ческих устройств приведены в таблице 5. Микросхемы выпускаются
с коэффициентом деления 2,4 и 8 и способны работать с очень высо-
кими частотами 26 и 28 ГГц. Микросхемы выполнены в сверхмини-
атюрных керамических корпусах, рассчитанных на поверхностный
монтаж, дающий минимальную паразитную индуктивность выво-
дов. Тип корпуса указан в конце наименования микросхемы.
Структуры делителей HMC859LC3 и HMC959LC3, приведенные
в [7], отличаются только коэффициентами деления.
На рис. 8 видно, что наряду с собственно делителями на основе
триггера со счетным запуском в составе микросхемы предусмотрены
входной и выходной сверхширокополосные усилители с дифференци-
альными входом и выходом. Именно они обеспечивают очень малое
время нарастания и спада выходных импульсов. Дифференциальный
вход и выход обеспечивают возможность работы как с однопроводны-
ми линиями передачи, так и с двухпроводными линиями типа «витая
пара». Волновое сопротивление таких трактов 50 Ом.
М/А-СОМ Tech Asia (Mimix Broadband) является производителем
полупроводников, работающих на частотах до 50 ГГц, выполненных
по технологиям GaAs, InGaP. Компания предлагает СВЧ-транзисторы
(бескорпусные, малошумящие, большой и средней мощности), усили-
тели (МШУ, буферные, с выходной мощностью до 10 Вт), СВЧ ИС для
приемопередатчиков, частотные делители и умножители, фазовраща-
тели, коммутаторы, цифровые аттенюаторы, генераторы. Компания
разработала несколько моделей GaAs делителей частоты на 4, основные
сведения о которых представлены в таблице 6.
Компания Keysight Technologies производит 18 моделей GaAs НВТ
MMIC делителей частоты и предделителей с фиксированными ко-
Рис. 6. Зависимость выходной мощности делителя HMC705LP4 от частоты при различных коэффициентах деления N
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
13
Рис. 7. Форма выходного импульсного сигнала при изменении коэффициента деления:
а) Кдел = 2 (f„ = 500 МГц); 6) Кдел = 3 (f„ = 750 МГц); в) Кдел = 10 (f„ = 2500 МГц); г) Кдел = 17 (fBK = 4250 МГц)
Рис. 8. Структуры делителей частоты тактовых последовательностей HMC859LC3 и HMC791LC4B
эффициентами деления 2, 4, 8. Компоненты
могут быть использованы в радиообору-
довании высокочастотных систем связи,
СВЧ-приборах и радиолокационных систе-
мах РЭБ. Делители работают в диапазоне
Таблица 6. Делители частоты на 4,
выпускаемые компанией М/А-СОМ Tech Asia GaAs
Модель	hjj <xaj	wgtf <xad	s in Ct X m a.	ипит> В/ 'пот» MA	Конструктив
XE1000-BD	2-16	-20...+5	+5	5/110	Бескорпусной (Die)
XE1001-BD	2-19	-20...+5	0	5/80	Бескорпусной (Die)
ХЕ 1001-ОТ	2-19	-20...+5	0	5/80	ОТ 3x3 мм
8SDV0500	2-16	-20...+5	+5	7/150	Бескорпусной (Die)
0-16 ГГц и имеют большое окно чувстви-
тельности входной мощности и низкий уро-
вень фазового шума. Для делителей частоты
Рис. 9. Делители частоты НММС-3008 и НММС-3108-TR1 компании Keysight: а) топология ИС; б) внешний вид
компания использует два вида конструктив-
ного выполнения: некорпусированные ИС
и пластиковый SOIC-корпус.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты вч/свч -элементы
Рис. 10. Статические делители InGaP GaAs НВТ компании Analog Devices:
а) структура; б) внешний вид
Рис. 11. Конструктивное выполнение делителей частоты компании RF Вау
Таблица 7. Параметры ДЧ с применением фосфида индия (IпР)
Публикация	fBX(max), ГГц	SOF, ГГц	Технология	Рпотр, мВт (ипит, В)
[1]	200,6	н/д	0,25 мкм, InP DHBT	228 (-6)
[2]	150	86	450-ГГцП1пР	н/д
[3]	143,6	95	400-ГГцП InP	90
[4]	100	33	135-ГГц fT InP	750
Таблица 8. InGaP GaAs НВТ статические делители компании Analog Devices
Модель	f min	max> ГГц	1/ 1Хдел	Рвх, дБм	Рвых> дБм	Фазовый шум (100 кГц), дБн/Гц	ипит, в/ 1, мА	Корпус/ разъем
HMC-C005	0,5-18	2	-15...+10	-4	-150	+5/75	C-1/SMA
HMC-C006	0,5-18	4	-15...+10	-4	-150	+5/93	C-1/SMA
HMC-C007	0,5-18	8	-15...+10	-4	-150	+5/98	C-1/SMA
HMC-C039	0,5-18	5	-15...+10	-1	-155	+5/80	C-1/SMA
HMC-C040	0,5-17	10	-15...+10	-1	-155	+5/152	C-1/SMA
В качестве примера топологии ИС и ее корпусирования на рис. 9
показаны GaAs НВТ СВЧ-делители частоты на 8 компании Keysight
Technologies, работающие в диапазоне частот 0-16 ГГц. Делитель
НММС-3008 выпускается в некорпусированном варианте, размер
подложки 1330x440 мкм. Делитель HMMC-3108-TR1 выполнен
в пластиковом SOIC-корпусе с 8 выводами. Для работы устройств
необходим единственный источник питания 4,5-6,5 В.
Применение фосфида индия (1пР)
В качестве исходного полупроводникового материала при соз-
дании сверхвысокочастотных транзисторов все чаще используется
химическое соединение индия и фосфора — фосфид индия (InP).
По высокочастотным свойствам материал превосходит арсенид гал-
лия. Для биполярных НВТ-транзисторов с использованием техноло-
гий на основе InP максимальными значениями рабочих частот ста-
тических делителей частоты, о которых сообщалось в публикациях
(табл. 7), являются 200,6 [1] и 150 ГГц [2].
Компания Analog Devices предлагает ряд ранее разработанных
Hittite Microwave Corporation модульных малошумящих статиче-
ских делителей частоты с коэффициентами деления 2-10, выпол-
ненных по технологии InGaP GaAs НВТ (табл. 8). Имеющие оди-
наковую внутреннюю структуру делители корпусированы в ми-
ниатюрные, герметичные модули со сменными разъемами SMA
размером 35,3x17,8x7,4 мм (рис. 10). Устройства работают в диа-
пазоне входных частот 0,5-18 ГГц с помощью одного источника пи-
тания +5 В. Низкий уровень добавленного фазового шума, не хуже
-150 дБн/Гц при отстройке 100 кГц, позволяет пользователю реали-
зовывать хорошие шумовые характеристики РЧ-системы. Диапазон
рабочих температур делителей составляет -55.. .+85 °C.
Делители частоты СВЧ-диапазона
В разделе изложены краткие сведения о РЧ-делителях частоты, для
которых компании-производители не детализируют информацию
о применяемых полупроводниковых технологиях.
Успешным производителем на рынке РЧ-делителей частоты явля-
ется компания RF Вау, чья штаб-квартира расположена в Gaithersburg,
США. Производитель предлагает более 70 моделей РЧ-делителей
частоты/предделителей (Frequency Divider/Prescaler) серий FPS,
FBS/FAS/FDS/FPS. Внешний вид у изделий этих модельных рядов, по-
казанный на рис. 11, практически одинаков.
Уровень шума для подавляющего числа моделей составляет
-144 дБн/Гц при отстройке 100 кГц. Напряжение питания ДЧ равно
12 В, кроме нескольких наиболее высокочастотных устройств с пита-
нием от источника 5 В. Делители размещаются в корпусах размером
31,75x31,75x14,29 мм с использованием соединителей SMA.
Выпускаемые компанией ДЧ делятся на несколько групп в соот-
ветствии с частотным рабочим диапазоном и функциональными
особенностями:
•	Заказные (Custom Made) делители частоты/предделители с рабочим
диапазоном частот до 10 ГГц. В этой группе компания предлагает две
модели делителей: FBS-N-7 с рабочими частотами 0,2-7 ГГц и FBS-N-10
на частоте 4-10 ГГц. Коэффициенты деления этих моделей фиксиро-
ванные и могут быть предустановлены в пределах 8-511. Выходная
мощность делителей равна +4 дБм, уровень шума -150 дБн/Гц при
расстройке 100 кГц, потребляемый от 5-В источника ток 160 мА.
•	Заказные делители частоты/предделители с применением до 50 ГГц.
Три модели серии FAS/FCS/FDS, работающие в диапазоне 0,1-50 ГГц
(табл. 9).
Таблица 9. Заказные ДЧ/предделители (Custom Frequency Divider/Prescaler) до 50 ГГц
Модель/ серия	*вх+Гц	1/ 1Хдел	Рвх, дБм	Рвых> дБм	Шум (100 кГц), дБн/Гц	^пит> В/1пит, мА
FAS-N	0,1-50	2-256	-20...+17	+12	-144	12/70
FCS-N	0,1-50	2-256	-20...+17	TTL/CMOS	-144	12/70
FDS-N	0-50	2-256	TTL/CMOS	TTL/CMOS	-144	12/70
•	Делители частоты/предделители диапазона 4 ГГц, 23 модели с рабо-
чими частотами 300 МГц - 4 ГГц. Коэффициент деления у моделей
фиксированный, он равен 16 для модели FPS-16-4, а наибольший
коэффициент 1024 имеет делитель FPS-1020-4. Уровень шума
для всех моделей составляет -144 дБн/Гц при расстройке 100 кГц.
Напряжение питания 12 В.
•	Делители частоты/предделители диапазона 6 ГГц, 11 моделей с ра-
бочими частотами 0,5-6 ГГц. Коэффициенты деления фиксиро-
ванные, минимальный равен 45 у модели FPS-45-6, наибольший
1280 у модели FPS-1280-6.
•	Делители частоты/предделители диапазона 8 ГГц, 21 модель с ра-
бочим диапазоном 0,8-8 ГГц, у пяти моделей с наименьшими ко-
эффициентами деления (3, 5, 9,15, 25) диапазон 0,1-8 ГГц.
•	Делители частоты/предделители диапазона 13 ГГц, 9 моделей. Частоты
100 МГц — 12 ГГц, а для ряда моделей — 13 ГГц. Коэффициенты
деления от 2 (модель FPS-2-12) до 40 (модель FPS-40-12).
•	Делители частоты/предделители с применением до 26 ГГц. Верхняя гра-
ница рабочего диапазона 11 моделей ДЧ этой группы различна и лежит
в пределах 15-20 ГГц. Коэффициенты деления у моделей фиксирован-
ные и лежат в пределах от 2 (модель FPS-2-15) до 9 (модель FPS-9-15).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
Рис. 12. Структура делителя ADF5001
Таблица 10. СВЧ-делители частоты серии ADF5000 компании Analog Devices
Модель	Граб» ГГц	1/ 1Хдел	Рвх (min)> ДБм	Рвх (max), дБм	Рвых» ДБм	Шум (100 кГц), дБн/Гц
ADF5000	4-18	2	-10	10	-5	-147
ADF5001	4-18	4	-10	10	-5	-150
ADF5002	4-18	8	-10	10	-5	-153
Наиболее высокочастотная модель FPS-4-26
работает в диапазоне 10-26 ГГц с коэффици-
ентом деления 4. Уровень шума выходного
сигнала -150 дБн/Гц при расстройке 100 кГц.
Входная мощность составляет -15.. .+10 дБм,
выходная равна -4 дБм. Ток, потребляемый
от источника 12 В, равен 100 мА.
Компания Analog Devices предлагает 34 мо-
дели делителей частоты, предварительных
делителей и счетчиков как собственной раз-
работки, так и производства присоединен-
ной компании Hittite, предназначенных для
различных отраслей и областей применения.
Продукты этой линейки обладают програм-
мируемым коэффициентом деления, малым
аддитивным фазовым шумом, помогающим
добиться превосходных показателей шума
в системе, а также несимметричными входом
и выходом, что сокращает количество ком-
понентов системы и ее стоимость.
Компания выпускает три модели СВЧ-
делителей частоты серии ADF5000 с фик-
сированными коэффициентами деления 2,
4 или 8 для использования в диапазоне ра-
бочих частот 4-18 ГГц. Краткие сведения
об этих делителях приведены в таблице 10.
Внутренняя структура делителей серии,
показанная на рис. 12, одинакова и различа-
ется только коэффициентом деления.
На входе делителя имеется разделитель-
ный конденсатор 3 пФ и согласующий рези-
стор 50 Ом. Выход микросхемы — диффе-
ренциальный с нагрузочными резисторами
100 Ом и разделительными конденсаторами
1 пФ. Это позволяет подключать его к диф-
ференциальным входам синтезатора на осно-
ве ФАПЧ, например ADF4156 или ADF4106.
Напряжение питания составляет 3,3 В, а ток
потребления 26 мА. ADF5001 предназначен
для работы в качестве предделителя часто-
ты с синтезаторами ФАПЧ, в измерительном
и РЧ-оборудовании.
Компания Analog Devices предлагает более
30 моделей ранее разработанных корпора-
цией Hittite сверхширокополосных делите-
лей частоты. Коэффициент деления частоты
различных моделей составляет 2-5, 8 или 16.
Входной сигнал может быть гармоническим,
а выходной является двухуровневым с раз-
махом 4,5 В.
Все модели делителей частоты являются
активными, они содержат входной и выход-
ной усилители и между ними двухуровне-
вый делитель частоты. Большинство дели-
телей частоты обеспечивает на выходе два
противофазных выходных колебания пря-
моугольной формы, причем их уровень
практически не зависит ни от рабочей часто-
ты, ни от температуры окружающей среды
в диапазоне -40...+85 °C. Делители частоты
кратностью до 64 встраиваются в новые изде-
лия корпорации: частотно-фазовые детекто-
ры, ГУН миллиметрового диапазона, источ-
ники колебаний с фазовой синхронизацией.
Краткие характеристики о ряде ДЧ, разрабо-
танных компанией, приведены в таблице 11.
Таблица 11. Сверхширокополосные делители частоты Hittite
Модель	*вх» ГГц	1/ ,хдел	Рвх» ДБм	Рвых» ДБм	Шум (100 кГц), дБн/Гц	ипИт» В / 1, мА	Корпус, конструкция
HMC394	0,1-2,2	2-32	-15...+10	4	-153	5/194	24 вывода 4x4 мм QFN
HMC447	10-26	4	-15...+10	-4	-150	5/96	3x3 мм SMT
НМС494	0-18	8	-20...+10	-4	-150	5/103	16 выводов 3x3 мм QFN
HMC794	0,2-2	1,2, 3, 4	-2...+ 10	10	-160	5/135	16 выводов 3x3 мм SMT
HMC862A	0,1-15	1,2, 4,8	-10...+10	2	-153	5/105	16 выводов 3x3 мм SMT
НМС983	0-7	ДДПКД, 20 бит	-15...-30	—	-160	5(3,3)/ 104-122	LP5 32 вывода, 5x5 мм
Таблица 12. Модульные делители частоты, производимые компанией Wenzel Associates
Модель	Описание	Гвх»МГц	Кдел	Рвх (таХ)» ДБм	Фазовый шум, дБн/Гц	'пот» мА
LNFD	Малошумящий ДЧ, регулятор UnklT	5-100 (фикс.)	2 или 4	+ 13	— 167 (пересчитанный к выходу)	60
LNFD2	Малошумящий ДЧ, регулятор UnklT	0,01-500	2-13 (синус или КМОП логический)	+ 13	-165	50
LNFDN	Логическая схема (Square-Up Circuit) и регулятор ипит	5-100 (фикс.)	2-256	+ 13	-165	60
LNPDN	Логическая схема и регулятор UnklT. Коэффициент деления изменяется с помощью внешних переключателей	<700 (фикс.)	2-256	+10	-150, без очистки (No Clean-Up), до 700 МГц. —170, с оч исткой, до 200 М Гц	250
Наиболее высокочастотная модель
НМС447, действующая на частотах 10-
26 ГГц, имеет фиксированный коэффициент
деления 4. В программируемом делителе ча-
стоты НМС394 с коэффициентом деления
2-32 используется параллельная установка
пяти разрядов кода коэффициента деления.
Размах выходного двухуровневого сигнала
составляет 800 мВ с фронтами менее 100 нс.
Следует отметить и делители НМС794
(0,2-2 ГГц) и НМС983 (0-7 ГГц), имеющие
уровень шума -160 дБн/Гц при отстройке
100 кГц. При этом программируемый 20-бит
ДДПКД НМС983 имеет встроенный конфи-
гурируемый 48-бит SA-модулятор, обеспечи-
вающий уровень побочных составляющих
-90 дБн.
Для снижения уровня паразитных частот-
ных компонентов на входе и выходе ДЧ мо-
гут использоваться полосовые фильтры. Так
поступает компания Wenzel Associates, уста-
навливая полосовые фильтры на входе и вы-
ходе выпускаемых модулей LNFD деления
на два или четыре (табл. 12). Применяемый
усилитель входного сигнала позволяет ра-
ботать с уровнями сигнала 0...+20 дБм.
Напряжение питания модулей равно 15 В.
Ряд делителей содержит схемы очистки сиг-
нала (noise clean-up circuit), которые позволя-
ют уменьшать уровень фазового шума в вы-
ходном сигнале.
На рис. 13 показан модуль LNFD, который
представляет собой делитель частоты с ко-
эффициентом деления 2 или 4 для входных
частот до 100 МГц. Этот модуль содержит
делитель, выходной полосовой фильтр для
подавления гармоник и малошумящий ре-
гулятор напряжения для подавления пара-
зитных составляющих по питанию. Форма
выходного сигнала может быть синусоидаль-
ной или прямоугольной. Выходной поло-
совой фильтр может быть включен в соот-
ветствии с требованиями разработчика или
обойден для широкополосного сигнала при
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты вч/свч -элементы
	1 1 Е 1 “ПИТ 1	> 1	Регулятор питания			А LNFD । ।
	1 1 РЧ- 1 ВХОД	Делитель			рч- j ВЫХОД 1 	1 к,
	V 1	Я1 1 1					1 F 1 1
Рис. 13. Внешний вид модуля деления частоты LNFD и его структура
TTL-совместимом сигнале прямоугольной
формы. Компоненты делителя интегриро-
ваны в единый никелированный алюминие-
вый корпус размером 50,8x31,7x20,3 мм.
Примером комплексной разработки де-
лителя частоты, доведенной до стадии про-
мышленного образца, является модуль дели-
теля частоты 3008 компании Valon Technology.
Структура модуля показана на рис. 14.
Модуль 3008 работает в широком диапа-
зоне входных частот и имеет три независи-
мых, выбираемых пользователем, раздельных
по частоте выхода. Модуль может быть ис-
пользован с любым источником синусоидаль-
ного сигнала или меандра, 5 МГц - <2 ГГц.
Шестнадцать доступных коэффициентов
деления выбираются пользователем с по-
мощью аппаратных перемычек (рис. 15).
Доступные коэффициенты деления: 1-6,
8-10, 12, 15, 16, 18, 24, 30, 32. Использование
деления на 1 полезно при буферизации ка-
Рис. 15. Конструктивное выполнение модуля
деления 3008
скадов и формировании прямоугольной
формы РЧ-сигнала низкого уровня.
Выходы делителя РЧ снабжены разъема-
ми SMA. Третий выход делителя совместим
с КМОП 3.3VTTL. Модуль делителя может
использовать входной сигнал широкого диа-
пазона: ниже -30...+13 дБм. Встроенная схе-
ма индикации активности обнаруживает, что
делитель функционирует и реальный вход-
ной сигнал присутствует.
Модуль делителя 3008 может использо-
ваться с любым РЧ или цифровым источни-
ком сигнала. Он удобен для использования
с СВЧ-синтезаторами частот, в том числе про-
изводимыми компанией Valon Technology
моделями 5007, 5008 или 5009, если нужно
расширить низкочастотный диапазон рабо-
ты вплоть до 5 МГц. Тщательная проработка
схемотехники и компоновка модуля обеспе-
чивают низкий добавленный вклад в джит-
тер (дрожание фазы), фазовые шумы и спек-
тральную чистоту выходного сигнала.
Федеральное государственное унитарное
предприятие «НПП Исток» разработало 13 мо-
делей делителей частоты на 2 СВЧ-диапазона.
Параметры устройств приведены в таблице 13.
Делители выпускаются в двух вариантах ис-
полнения: на основании (тип 1) и без него
(тип 2); габаритные размеры 7,5x12x2 мм
и 7,5x6 мм соответственно. Масса 0,6 г (для
типа 1) и 0,4 г (для типа 2). Конструкция из-
делий — модульная, гибридно-монолитная.
Входы/выходы делителя — микрополоски
шириной 0,5 мм с волновым сопротивлением
50 Ом. Коэффициент деления больше 2 обе-
спечивается каскадным соединением N делите-
лей частоты на 2, где N = 1,2 для частот 2-8 ГГц;
N = 1, 2, 3 для частот 8-12 ГГц. При отключе-
Таблица 13. Делители частоты на 2 «НПП Исток»
Модель	Рабочие частоты, ГГ ц	Рвх, мВт	Рвых> МВт
M43301J	1-2	4-16	1-6
М43301_2	1,5-3	4-16	1-6
М43301_3	2-4	5-20	2-8
М43301_4	3-5	5-20	2-8
М43301_5	4-6	5-20	2-8
М43301_6	5-7	5-20	2-8
М43301_7	6-8	5-20	2-8
М43301_8	7-9	5-20	2-8
М43301_9	8-10	10-30	2-8
М43301_10	9-11	10-30	2-8
М43301_11	10-12	10-30	2-8
M43301J2	7,2-8,2	5-20	4-16
M43301J3	3,6-4,1	4-16	5-15
нии входной мощности на выходе изделий па-
разитная генерация отсутствует.
Рабочее напряжение 5 В, потребляе-
мый ток 45 мА. Средняя наработка на от-
каз составляет 80 000 ч, сохраняемость из-
делия 25 лет. КСВН нагрузки не более 1,5.
Охлаждение изделий естественное, контакт-
ное, за счет теплоотвода на корпус изделия.
Максимальная температура основания изде-
лия — не более +85 °C.
Предделители
Предварительные делители частоты, или
предделители (prescaler), иногда называемые
в отечественной литературе прескалерами,
представляют собой счетные электронные
схемы, используемые для уменьшения часто-
ты высокочастотного колебания путем цело-
численного деления.
Предделители широко применяются
в СВЧ-синтезаторах, выполненных на осно-
ве петель ФАПЧ, для снижения частоты вы-
ходного сигнала перед подачей его на тракт
приведения.
Двумодовые делители
В современных синтезаторах делители ча-
стоты, как правило, построены на базе делите-
лей с двойным переключаемым коэффициен-
том деления ДвПКД (Dual-Modulus Dividers).
Иногда для характеристики таких делителей
используют термины «двухмодульные» или
«двумодовые делители». Возможные коэф-
фициенты деления N/N+1 в таких делителях
отличаются, как правило, на единицу и жестко
конструктивно заданы. Предварительный де-
литель в таком случае имеет переключаемый
целочисленный коэффициент деления: N или
N+1, например 3/4,10/11,16/17,32/33.
Схемотехнически предделитель состо-
ит из поглощающего счетчика (Swallowing
Counter) и предварительного делителя
с ДвПКД (рис. 16).
Предделитель (Prescaler) делит частоту
входного сигнала на N+1 или N в соответ-
ствии со значением сигнала управления
модулем. Программный счетчик (Program
counter) делит выходной сигнал преддели-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
17
Программный счетчик
(Program counter)
: Р
Рис. 16. Структура ДвПКД предделителя частоты
мирует выходной сигнал амплитудой 400 мВ
при работе с 50-Ом нагрузкой приемника.
На 50-омные дифференциальные входы
могут быть поданы сигналы RSECL, ECL,
LVDS, LVCMOS, LVTTL и CML (рис. 20).
Внутри делителя используется 8-битный про-
граммируемый счетчик, работающий на ча-
стотах более 3,5 ГГц. В делителе могут быть
реализованы коэффициенты деления 2-256.
Вход SEL используется для выбора двух ко-
довых слов Ра (0:7) и РЬ (0:7), которые опре-
деляют коэффициенты деления и временные
соотношения работы ДЧ и хранятся в двух
регистрах REGa и REGb соответственно. При
необходимости может быть использован вну-
тренний дифференциальный генератор так-
теля на фиксированный коэффициент Р
и определяет длительность рабочего цикла.
Поглощающий счетчик (Swallowing Counter)
делит выходной сигнал предделителя на про-
граммируемый коэффициент S.
После сброса предделитель делит частоту
входного сигнала на N+1, пока поглощающий
счетчик не будет заполнен. После прохождения
(N+1)S входных импульсов сигнал управления
изменяет коэффициент деления предделите-
ля на N. Устройство продолжает считать, пока
программный счетчик не заполнится, достиг-
нув числа счета Р. Общее число импульсов, по-
ступивших на вход fBX в рабочем цикле, равно
(N+1)S+N(P-S) = NP+S. Таким образом, коэф-
фициент деления предделителя равен NP+S.
В качестве простого примера реализации
ДвПКД предделителя на рис. 17 приведена
функциональная схема делителя 2/3 и эпю-
ры, поясняющие его функционирование.
Если уровень МС = 0, логический элемент
ИЛИ (OR Gate) открыт, сигнал с информа-
ционного входа проходит на выход без огра-
ничения, и коэффициент деления равен 3.
Если уровень МС равен 1, уровень А уста-
навливается тоже в 1, уровни В и С равны,
и цепь вырождается в схему деления на два.
Интегральный двумодовый предделитель
LMX5080 компании Texas Instruments, струк-
тура которого приведена на рис. 18, предна-
значен для использования в трактах синтеза
беспроводных приемопередатчиков диапазо-
на 2,5 ГГц. Он изготовлен с использованием
процесса ABiCV silicon BiCMOS.
LMX5080 обеспечивает три режима работы
двумодового предделителя. Особенностью
данного предделителя является то, что уста-
навливаемый коэффициент деления изме-
няется на 2: 128/130, 256/258 или 512/514.
От синтезатора или контроллера на предде-
литель подается сигнал МС для установки ко-
эффициента деления на N или N+2 (рис. 19).
Выход LMX5080 CMOS оптимизирован для
создания очень стабильных выходных сиг-
налов с низким уровнем шума коммутации.
Предделитель может быть использован в со-
четании с низкочастотой ФАПЧ для создания
синтезаторов частот диапазона 0,1-2,7 ГГц,
пригодных для СВЧ-приемопередатчиков.
Напряжение питания может находиться
в диапазоне 2,7-5,5 В. LMX5080 имеет низ-
кое потребление тока, обычно 7 мА при
Ц111Т - 5 В, корпусирован в 8-контактный ма-
логабаритный SOP пластиковый корпус для
поверхностного монтажа. Диапазон рабочих
температур -40.. .+85 °C.
Высокоскоростной 8-битный модуль
двумодового программируемого делите-
ля/предделителя NB7N017M от компании
ON Semiconductor способен работать на ча-
стотах выше 3,5 ГГц. Выходная цепь содер-
жит внутренний резистор 50 Ом, подключа-
емый к источнику питания. Устройство фор-
Рис. 17. ДвПКД делителя 2/3: а) структура; 6) эпюры, поясняющие его функционирование в режиме деления на 3
Рис. 18. Двумодовый предделитель LMX5080 компании Texas Instruments диапазона 2,5 ГГц
товых импульсов. В NB7N017M предусмотрен
дифференциальный выход терминального
счетчика ТС.
Компания Pasternack предлагает пять мо-
делей предделителей в коаксиальном мо-
дульном выполнении со сменными (Field
Replaceable) SMA-разъемами: предделитель
с коэффициентом деления на 10 (PE88D1000),
на 8 PE88D8000, на 5 (PE88D5000),
на 4 (PE88D4000), на 2 (PE88D2000).
Наибольший коэффициент деления, рав-
ный 10, имеет модуль PE88D1000, который
представляет собой малошумящий статиче-
ский предделитель (Static Prescaler Module)
с широкой полосой рабочих входных частот
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты вч/свч -элементы
Рис. 19. Временная диаграмма, поясняющая работу LMX5080 в режиме 128/130
Рис. 21. Предделители PE88D1000 и НМС-С005
в модульном выполнении
Выходной —►
дифф,
блок
Дифф.
выход ТС
Рис. 20. Структура предделителя NB7N017M от компании ON Semiconductor
0,5-18 ГГц. В делителе используется усовер-
шенствованная полупроводниковая техно-
логия GaAs НВТ MMIC, которая обеспечива-
ет низкий уровень фазового шума с типич-
ным значением -155 дБн/Гц при отстройке
100 кГц. Типовое значение уровня выходной
мощности составляет -1 дБм и обратной
утечки (reverse leakage) до 85 дБ. Порты ввода
и вывода согласованы на 50 Ом с конденсато-
рами блокировки по постоянному току. Для
предделителей необходим один источник
питания постоянного тока +5 В. Компактный
герметичный drop-in-корпус оснащен смен-
ными SMA-разъемами (рис. 21). Все модели
гарантированно соответствуют условиям ис-
пытаний MIL-STD-883 для герметичности
и циклов температурных изменений.
Компания Inphi [8] предлагает на рын-
ке ряд предделителей, работающих в диа-
пазоне 0-25 ГГц. Это ДЧ на 2 (25671DV),
на 4 (25675DV) и на 8 (25673DV). Для ис-
пользования на частотах 0-50 ГГц предна-
значены предделители на 2/4 (50718DV)
и на 8 (50728DV). Делители частоты разме-
щаются в пластиковых корпусах QFN и тре-
буют напряжения питания +3,3 В.
Литература
1.	D'Amore М., Monier С., Lin S.T., Оуаша В. et al.
А 0.25 urn InP DHBT 200 GHz+ Static Frequency
Divider // IEEE Journal of solid-state circuits. 2010.
Vol. 45. No. 10.
2.	Rodwell M. et al. Transistor and Circuit Design for
100-200 GHz ICs. JSSC, vol. 40, no. 10, Oct. 2005.
pp. 2061-2069.
3.	Hitko D.A. et al. A Low Power (45 mW/Latch)
Static 150 GHz CML Divider. CSICS Digest, 2004.
4.	Mokhtari M. et al. 100+ GHz Static Divide-by-2
Circuit in InP-DHBT Technology // JSSC. 2003.
Vol. 38. No. 9.
5.	Plouchart J. O. et al. Performance Variations of a
66 GHz Static CML Divider in 90 nm CMOS. ISSCC
Digest, 2006.
6.	Li L., Reynaert P., Steyaert M. A 60 GHz 15.7 mW
static frequency divider in 90 nm CMOS. ESSCIRC,
2010.
7.	Дингес С., Кочемасов В. Делители частоты.
Часть 1. Основные сведения о делителях часто-
ты // Компоненты и технологии. 2019. № 2.
8.	www.inphi.com/docs/Inphi_Military_and_
Aerospace_Solutions_Guide.pdf
ELECTRONICA
Пос танка радиокомтюнентов
и измерительного оборудования
Программная реализация
алгоритмов обработки с hi налов
н радиотехнических системах
Ис пытания в широкой облас ти
а к к ред и । л ц и и: с Of.) т и с1 >и кацт кш
ные и псрноли ческие
Разработка и производство
в модульном и блочном исполнении
Ус тройства формирования и
сигналов
с ша на их ос ноне
ове
PA3PAUOIKA
ПРОИЗВОДСТВО
П(ПЬПАНИЯ
ПОСТАВКА
ВЧ/СВЧ радиокомпоненты и устройства на их_ося
www.radiocomp.ruwww.fi lin-rf
Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
Мощный стабилизатор напряжения
в форм-факторе pModule от Analog Devices
снижает требования к охлаждению ЦОД.
Arrow Electronics представляет LTM4700 — новейшую серию регуляторов напряжения
в исполнении pModule. Благодаря высокому КПД преобразования и максимальному
выходному току до 100 А, данный тип преобразователей напряжения позволяет
значительно оптимизировать системы электропитания самых современных
процессоров и ПЛИС, применяемых в центрах обработки данных, оптических системах
связи и высокопроизводительных платах PCIe . LTM 4700 также выдерживает высокие
точности выходного напряжения ±0,5% в полном диапазоне рабочих температур.
Мы рады ответить на Ваши вопросы и предложить профессиональную техподдержку.
Обращайтесь в офис Arrow рядом с Вами:
Реклама
ООО «Арроу Электронике Рус»
123001, г. Москва, Мамоновский пер., д. 6
Телефоны для связи: Москва: +7 495 6265597;
Санкт-Петербург: +7 812 3328232;
Екатеринбург: +7 343 2871112
АЛЛОии
arrow.com
20
компоненты датчики
МЭМС-мониторы вибрации:
от ускорения к контролю скорости
Марк ЛУНИ (Mark LOONEY)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
Акселерометры и датчики ускорения, выполненные в виде микроэлектро-
механической системы, то есть устройства, объединяющие микроэлектрон-
ные и микромеханические компоненты, наконец-то достигли такого этапа
своего развития, когда они могут эффективно измерять вибрацию самого
широкого спектра производственного и технологического оборудования.
В предлагаемой статье рассмотрены проблемы, возникающие у разработ-
чиков систем прогнозного технического обслуживания, связанные с ис-
пользованием МЭМС-акселерометров, и даны практические рекомендации
по их решению.
Вступление
Недавние успехи, достигнутые при созда-
нии МЭМС-акселерометров и расширяющие
их возможности, наряду со всеми преиму-
ществами, которые они уже имеют по срав-
нению с более традиционными датчиками
вибрации, а именно размеры, вес, стоимость,
устойчивость к ударам, простота использова-
ния, делают их все более привлекательными
для применения в новых современных усло-
виях мониторинга состояния производствен-
ного и технологического оборудования. Здесь
имеется в виду расширение возможностей
того, что сейчас принято называть система-
ми мониторинга состояния (condition-based
monitoring, CBM) для организации систем
прогнозного технического обслуживания.
Мониторинг состояния — это тип прогнози-
рующего обслуживания, которое включает
использование датчиков для измерения состо-
яния производственного актива во времени,
когда он находится в режиме эксплуатации.
Достоинство такого подхода в том, что тех-
ническое обслуживание на основе СВМ вы-
полняется только тогда, когда данные показы-
вают, что производительность оборудования
снижается или возможен сбой в его работе.
Подобная необходимость определяется ана-
лизом показаний датчиков сенсорных узлов
и позволяет прогнозировать отказы еще до их
фактического возникновения, заранее заказы-
вать необходимые запасные части, а не впрок,
и выполнять ремонт в удобное время, как пра-
вило, в период плановых простоев — внутри-
сменных или при переналадке оборудования.
Сегодня многие архитекторы таких систем,
выполненных на основе СВМ, базой кото-
рых они по своей сути и являются, впервые
начали рассматривать в качестве датчиков
вибрации, как основу таких систем, именно
МЭМС-акселерометры. Причем это касается
не только разработчиков, но и заказчиков та-
ких систем. Однако довольно часто они стал-
киваются с проблемой быстрого обучения,
то есть понимания того, как оценить спо-
собность МЭМС-акселерометров измерять
наиболее важные характеристики вибрации
на своих машинах и оборудовании, создав
на их основе целостную замкнутую систему
прогнозного мониторинга их состояния.
Сначала все это может показаться доволь-
но сложным, поскольку в технической доку-
ментации наиболее важные характеристики
производительности МЭМС-акселерометров
часто выражаются в терминах, непривычных
для разработчиков систем прогнозного тех-
нического обслуживания. К примеру, многие
знакомы с количественной оценкой вибра-
ции в терминах линейной скорости (мм/с),
в то время как в большинстве паспортов
МЭМС-акселерометров характеристики про-
изводительности указаны в терминах ускоре-
ния, основанного на ускорении свободного
падения под действием силы земной грави-
тации (g). К счастью, есть несколько про-
стых методов для того, чтобы сделать этот
переход от ускорения к скорости и оценить
влияние, которое ключевые характеристики
поведения акселерометра (частотная харак-
теристика, диапазон измерения, плотность
шума) будут оказывать на важные критерии
уровня самой системы (полоса пропускания,
равномерность частотной характеристики,
пиковый уровень скорости вибрации, раз-
решающая способность).
В качестве примеров МЭМС-акселеромет-
ров в статье приводится серия ADXL356/357
(рис. 1, 2) [3, 4], разработанная компанией
Analog Devices. Она представляет собой трех-
осевые устройства с низким уровнем шумов,
малым дрейфом и низкой потребляемой
мощностью. Эти приборы продолжают серию
ADXL35x и отличаются сверхнизким энерго-
потреблением, делающим их оптимальными
для беспроводных сетевых датчиков. МЭМС-
акселерометры ADXL356 и ADXL357 служат
ярким примером высокоэффективной сен-
сорной технологии, позволяющей использо-
вать их в приложениях «Интернета вещей»
и выполнять интеллектуальные измерения
в пограничных сегментах сети. Кроме того,
данные акселерометры предназначены для
работы в инерциальных системах измере-
ния (1Ми)/системах отсчета высоты и курса
(AHRS) беспилотных летательных аппаратов,
системах стабилизации платформ, монито-
ринга самочувствия, в качестве сейсмических
датчиков, датчиков обнаружения наклона,
в робототехнике и интеллектуальных систе-
мах контроля состояния оборудования.
Основные технические характеристики:
•	ADXL356 — регулируемая пользователем
полоса аналогового выхода.
•	ADXL357 — цифровой последовательный
периферийный интерфейс (8Р1)/интер-
фейс 12С.
•	Сверхнизкая спектральная плотность
шума по всем осям: 80 х 10“6 g/^Гц.
•	Смещение нуля (0g) в зависимости от тем-
пературы (по всем осям): 0,75 хЮ“3 g/°C,
(шах).
•	ADXL356B поддерживает диапазоны ± 10g
и ±20g.
•	ADXL356C поддерживает диапазоны ± 10g
и ±40g.
•	ADXL357 поддерживает диапазоны ± 10,24g,
±20,48g и ±40,96g.
•	Низкое собственное энергопотребление:
-	ADXL356 в режиме измерения: 150 мкА;
-	ADXL357 в режиме измерения: 200 мкА;
-	ADXL356/357 в режиме ожидания: 21 мкА.
•	Встроенный датчик температуры.
•	Варианты диапазонов напряжения:
-	VSUPPLY с активными внутренними ста-
билизаторами: 2,25-3,6 В;
-	V1P8ANA’ V1P8DIG без внутреннего стаби-
лизатора с малым падением напряжения
(LDO): 1,8 В, тип. ±10%.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
датчики КОМПОНеНТЫ
21
Рис. 1. Внешний вид МЭМС-акселерометров
ADXL356 и ADXL357
V-IP8ANA	V1P8D|G	^DDIO
• Встроенная цифровая периферия
ADXL357:
-	20-разрядный АЦП;
-	программируемые цифровые фильтры
нижних и верхних частот;
-	интерполятор данных для синхронной
выборки.
• Диапазон рабочих температур:
-40...+125 °C;
•	Миниатюрный герметичный 14-выводной
корпус LCC с размерами 6x5,6x2,05 мм.
•	Вес: 0,26 г.
Основные характеристики
вибрации
Процесс проектирования прогнозных си-
стем технического обслуживания любого
оборудования начинается с обзора его линей-
ных колебаний с точки зрения инерционно-
го движения такой механической системы.
В этом контексте вибрация — механическое
колебание массы с нулевым средним смеще-
нием. Для тех, кто не хочет, чтобы их маши-
ны перемещались по заводскому цеху1, сме-
щение с нулевым средним значением имеет
очень большое значение.
Однако перемещение, зафиксированное
чувствительным элементом датчика в сен-
сорном узле, воспринимающем вибрацию,
будет напрямую связано с тем, насколько
хорошо он может представлять наиболее
важные характеристики вибрации машины.
Для того чтобы в этом аспекте приступить
к оценке возможностей конкретного МЭМС-
акселерометра, важно начать с базового по-
нимания вибрации, именно с точки зрения
инерционного движения.
На рис. 3 показана физическая иллюстра-
ция профиля вибрационного движения, где
серый прямоугольник представляет сред-
нюю точку, синее изображение — пиковое
смещение в одном направлении, а красное
изображение — пиковое смещение в другом
^SUPPLY
INT1
INT2
DRDY
CS/SCL
SCLK/Vssio
MOSI/SDA
MISO/ASEL
Vssio
Vss
Рис. 2. Блок-схемы МЭМС-акселерометров: a) ADXL356; 6) ADXL357
направлении. Уравнение (1) предоставляет
математическую модель, которая описывает
мгновенное ускорение прямоугольного объ-
екта, когда он вибрирует на одной частоте /у,
на величину Arms:
fv = сог/2л.
(1)
В большинстве приложений СВМ-вибра-
ция, которую необходимо контролировать
и впоследствии анализировать, как прави-
ло, будет иметь более сложную спектраль-
1 А это не так уж и невозможно: автор данного перевода видел, как в ходе испытаний оборудование под действием неконтролируемой
вибрации не только сдвигалось с места, но и срывалось, буквально рассыпаясь на глазах. — Прим. пер.
ную сигнатуру, чем модель, представленная
в уравнении (1). Но именно эта модель обе-
спечивает хорошую начальную точку в про-
цессе анализа, поскольку она определяет два
общих атрибута вибрации, которые системы
СВМ зачастую отслеживают: амплитуда пе-
ремещения и частота. Данный подход поле-
зен и для перевода ключевых характеристик
показателей поведения вибрации в термины
линейной скорости (подробнее на этом мы
остановимся позже). На рис. 4 представлен
спектральный вид двух различных типов
профилей вибрации. Первый профиль (он
ограничен синей линией на рис. 4) имеет
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
22
компоненты датчики
Частота
Рис. 4. Примеры спектральных профилей вибрации
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика МЭМС-акселерометра ADXL356
компании Analog Devices
постоянную амплитуду вибрации во всем
диапазоне частот, которая находится между
частотами f । и f6. Второй профиль (он пред-
ставлен зелеными линиями на рис. 4) имеет
пики амплитуды на четырех разных часто-
тах: f2, f3, f4 и f5.
Системные требования
Диапазон измерения, частотный диа-
пазон (ширина полосы анализа вибрации)
и разрешение — три общих атрибута, часто
определяющих измерительные возможности
сенсорного узла, чувствительного к вибра-
ции. Красные пунктирные линии на рис. 4
иллюстрируют эти атрибуты через поле
в форме прямоугольника, которое с одной
стороны ограничено минимальной частотой
и минимальной величиной амплитуды
вибрации Амш, а с другой стороны — мак-
симальной частотой Умах и максимальной
величиной Амах амплитуды вибрации. При
выборе МЭМС-акселерометра на роль дат-
чика в сенсорном узле, воспринимающем
вибрацию, архитекторы системы, вероятно,
захотят проанализировать его частотную
характеристику и диапазон измерений, вли-
яющие на его чувствительность, а в ито-
ге и на разрешение,— шумовые свойства.
Причем сделать это необходимо как можно
раньше, предпочтительно на начальных эта-
пах проектирования системы прогнозного
обслуживания.
Для прогнозирования пригодности кон-
кретного МЭМС-акселерометра для выпол-
нения заданного набора требований суще-
ствуют достаточно простые методы оценки
влияния каждого из перечисленных параме-
тров на поведение прибора в проектируемой
системе. Очевидно, системным архитекто-
рам в конечном итоге понадобится пере-
проверить и квалифицировать полученные
результаты, но даже эти начальные усилия
по оценке характеристик стоят того и впо-
следствии окупят все затраты времени, кото-
рые потребовались для максимально раннего
анализа и предопределенности возможно-
стей выбранного акселерометра.
Ам пл итуд но-частотная
характеристика
Уравнение (2) представляет простую модель
в виде уравнения первого порядка, которое
описывает реакцию МЭМС-акселерометра
y(t) на линейное ускорение a(t) во временной
области. В этом соотношении смещение b по-
казывает значение выходного сигнала датчи-
ка, когда он испытывает нулевую линейную
вибрацию или линейное ускорение любого
типа. Масштабирующий коэффициент КА
представляет величину изменения отклика
МЭМС-акселерометра y(t) относительно из-
менения линейного ускорения a(t):
y(t) = KA*a(t)+b.	(2)
Частотная характеристика датчика опи-
сывает значение масштабного коэффици-
ента КА по отношению к частоте вибрации.
В МЭМС-акселерометре частотная харак-
теристика имеет два основных участника:
отклик его механической структуры и от-
клик фильтрации в его сигнальной цепи.
Уравнение (3) определяет общую модель
в виде уравнения второго порядка, которая
представляет приближение для механиче-
ской части реакции МЭМС-акселерометра
на частоту вибрации. В этой модели /0 пред-
ставляет резонансную частоту, в уравне-
нии (3) для этого используется циклическая
частота со0 = 2л/0, a Q показывает доброт-
ность данной колебательной системы:
Измерительные возможности в целом, как
правило, будут зависеть от фильтрации, необ-
ходимой конкретному приложению. Здесь
следует учитывать, что некоторые МЭМС-
акселерометры, для чтобы снизить усиле-
ние на резонансной частоте, уже используют
в своей структуре встроенный однополюсный
фильтр нижних частот. Уравнение (4) пред-
лагает общую модель для частотного откли-
ка, связанного с этим типом фильтра н5С(5)-
В модели фильтра этого типа частота среза /с
представляет собой частоту, на которой ве-
личина выходного сигнала падает ниже его
уровня в полосе пропускания в л/2 раза:
Hsc(s) = coc/(s+coc),
сос = 2л/с.	(4)
Уравнение (5) объединяет влияние на ча-
стотную характеристику МЭМС-акселеро-
метра особенностей его механической струк-
туры HM(s) и параметров сигнальной цепи
Hsc(5):
HT(s) — HM(s)^Hsc(s)9
На рис. 5 показано прямое применение
этой модели для прогнозирования ампли-
тудно-частотной характеристики по оси X
МЭМС-акселерометра ADXL356 компа-
нии Analog Devices [2]. Модель предпо-
лагает номинальную резонансную частоту
/0 = 5500 Гц, добротность Q = 17 и использо-
вание однополюсного фильтра нижних ча-
стот с частотой среза fc = 1500 Гц. Обратите
внимание, что уравнение (5) и рис. 6 описы-
вают только реакцию самого датчика. Данная
модель не рассматривает, каким способом
акселерометр связан с оборудованием, чью
вибрацию он контролирует.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
датчики КОМПОНеНТЫ
Полоса пропускания
по отношению
к неравномерности АЧХ
В цепочках передачи сигналов в МЭМС-
акселерометрах, где используется однопо-
люсный фильтр нижних частот, как это
показано в уравнении (4), для определения
их частотной характеристики, в специфика-
ции, описывающей полосу пропускания, ча-
сто указывается частота, на которой выход-
ной сигнал акселерометра обеспечивает 50%
мощности входного сигнала. В более слож-
ных решениях формирования общей АЧХ,
таких как модель третьего порядка из урав-
нения (5) и на рис. 5, в спецификации пара-
метры характеристики полосы пропускания
часто будут сопровождаться соответству-
ющими данными по неравномерности —
другими словами, плоскостности в полосе
пропускания, или прозрачности.
Неравномерность АЧХ описывает изме-
нение масштабного коэффициента в ча-
стотном диапазоне полосы пропускания.
При моделировании для акселерометра
ADXL356, согласно рис. 5 и уравнению (5),
неравномерность в полосе 1000 Гц составля-
ет приблизительно 17%, а в полосе 2000 Гц
плоскостность достигает уже примерно 40%.
Однако если многим приложениям пона-
добится ограничить полосу пропускания,
которую они могут использовать из-за тре-
бований к плоскостности (точности переда-
чи в полосе пропускания), в других случа-
ях требования по неравномерности могут
быть не столь критичны. Например, неко-
торые приложения могут быть более сфо-
кусированы на отслеживании относитель-
ных изменений во времени, а не на изме-
рениях параметров вибрации, требующих
абсолютной точности. Еще один практи-
ческий пример может представлять собой
решение, основанное на использовании
для устранения влияния неравномерно-
сти АЧХ методов цифровой постобработ-
ки в диапазонах частот, представляющих
наибольший интерес для разработчиков.
В этих случаях повторяемость и стабиль-
ность отклика часто важнее, нежели его
плоскостность во всем заданном частотном
диапазоне анализа вибрации.
Диапазон
измерения вибрации
Столь важная характеристика МЭМС-
акселерометра, как диапазон измерения,
представляет собой максимальное линейное
ускорение, которое такой датчик может от-
слеживать, отображая его в своем выходном
сигнале. Однако при некотором уровне ли-
нейного ускорения, выходящем за пределы
диапазона измерений, выход датчика будет
входить в насыщение. И если это проис-
ходит, то вносит значительные искажения
и делает очень трудным (если не невоз-
можным) извлечение полезной информа-
ции из результатов измерений. Вот почему
важно убедиться, что выбранный разработ-
чиком МЭМС-акселерометр будет поддер-
живать пиковые уровни ускорения (Амах
на рис. 4).
Обратите внимание, что диапазон изме-
рения будет зависеть от частоты, поскольку
механическая система датчика вносит неко-
торое усиление в отклик, причем пик отклика
усиления приходится на резонансную частоту
МЭМС-акселерометра. В случае АЧХ, смоде-
лированной для ADXL356 (рис. 5), усиление
такого пика примерно в 4 раза выше усиления
в полосе пропускания, что уменьшает диапа-
зон измерения с ±40g до ± 10g. Уравнение (6)
предлагает аналитический подход к предска-
занию этого же числа, используя в качестве
отправной точки уравнение (5):
Aiax^5500 Гц) =
= (Амах(0Гц)/На(5500Гц)),
Амах(5500 Гц) = ±40g/4,
Амах(5500 Гц) = ±10g.	(6)
Значительное изменение масштабного ко-
эффициента КА и уменьшение диапазона из-
мерения — вот две причины, из-за которых
большинство систем СВМ стараются ограни-
чить максимальную частоту анализа вибра-
ционного воздействия уровнями, находящи-
мися гораздо ниже собственной резонансной
частоты датчика.
Разрешение
«Разрешение прибора может быть опре-
делено как наименьшее изменение в окру-
жающей среде, которое вызывает замет-
ное изменение в показаниях прибора» [1].
Распространенной ошибкой является ото-
ждествление разрешающей способности
устройства с его чувствительностью (ми-
нимальным приращением измеряемой ве-
личины, которое может быть обнаружено
прибором) и абсолютной погрешностью
измерения (разностью между измеренным
с помощью прибора и истинным значени-
ями). В сенсорном узле, чувствительном
к вибрации, шум в измерении ускорения
будет иметь прямое влияние на его спо-
собность обнаруживать изменения в ви-
брации, иначе называемое «разрешение».
Следовательно, шумовые характеристики
становятся чрезвычайно важным факто-
ром для тех, кто рассматривает МЭМС-
акселерометр для обнаружения небольших
изменений уровня вибрации на своем про-
изводственном или технологическом обо-
рудовании.
Уравнение (7) обеспечивает простое соот-
ношение для количественной оценки влия-
ния шума МЭМС-акселерометра на его спо-
собность чувствовать небольшие изменения
вибрации. В этой модели выходной сигнал
датчика yM(t) равен сумме его собственных
шумов aN(t) и вибрации, которую он вос-
принимает fly(t). Поскольку между функци-
ями, описывающими поведение собствен-
ных шумов aN(t) и вибрацию йу(г), не бу-
дет никакой корреляции, что по понятным
причинам вполне естественно, величина
выходного сигнала датчика \ум\ будет равна
квадратному корню из суммы квадратов ве-
личины уровня шумов I aN\ и величины ви-
брации \av\:
УмШ = %(0+«v(0>
lyMl = ^lflvl2+lflNl2.	(7)
Итак, какой уровень вибрации необходим,
чтобы преодолеть шумовой порог при изме-
рении и создать наблюдаемый отклик в вы-
ходном сигнале датчика? Количественная
оценка уровня вибрации с точки зрения
уровня шума может помочь исследовать
этот вопрос аналитическим способом.
Уравнение (8) устанавливает это соотноше-
ние через отношение KVN, а затем выводит
отношение, чтобы предсказать уровень из-
менения выходного сигнала датчика исходя
уже из этой пропорции:
— ) 2~*"'	2’
lyMl/laNl = л/(Ку^+1).
(8)
В таблице 1, для того чтобы помочь про-
иллюстрировать увеличение выходного из-
мерения датчика по отношению KVN вели-
чин вибрации и шума, приведены некоторые
числовые примеры этой взаимосвязи. Для
простоты обсуждения предполагается, что
общий шум при измерении датчика будет
определять его разрешение.
Как следует из таблицы 1, это относится
к случаю, если коэффициент KVN равен еди-
нице, то есть когда величина вибрации равна
величине шума. Когда это произойдет, уро-
вень сигнала на выходе датчика увеличит-
ся на 42% по сравнению с уровнем сигнала
на выходе при нулевой вибрации. Обратите
внимание: для того чтобы установить соот-
ветствующее определение для разрешения
в конкретной ситуации, каждому приложе-
нию может потребоваться определить, ка-
кой уровень увеличения будет наблюдаться
именно в их системе.
Таблица 1. Ответная реакции датчика
на отношение вибрация/шум
KVN	|Ум1/1аы1	Увеличение, %
0	1	0
0,25	10,3	3
0,5	1,12	12
1	1,41	41
2	2,23	123
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
24
компоненты датчики
Прогнозирование
влияния шума датчика
в полосе частот
На рис. 6 представлена упрощенная сиг-
нальная цепочка сенсорного узла, чувстви-
тельного к вибрации, в котором будет ис-
пользоваться МЭМС-акселерометр ADXL357
компании Analog Devices [3]. В отличие
от рассматриваемого нами ранее МЭМС-
акселерометра ADXL356 акселерометр
ADXL357 имеет не аналоговый, а цифровой
Рис. 6. Сигнальная цепочка чувствительного к вибрации сенсорного узла, выполненного
на основе МЭМС-акселерометра ADXL357 компании Analog Devices
выход, что позволяет использовать в сенсор-
ном узле эффективную цифровую обработ-
ку сигнала.
В большинстве случаев некоторое сгла-
живание характеристики создает фильтр
нижних частот, тогда как цифровая обра-
ботка обеспечит более определенные грани-
цы АЧХ. В целом, эти цифровые фильтры
будут стремиться сохранить содержимое
сигнала, которое представляет реальную ви-
брацию, минимизируя таким образом влия-
ние внеполосного шума. Поэтому цифровая
обработка часто становится наиболее важ-
ным элементом системы, что следует учи-
тывать при оценке ширины полосы шума.
Этот тип обработки может осуществляться
в форме методов, лежащих во временной
области, таких как полосовой фильтр, или
с помощью спектральных методов, таких
как быстрое преобразование Фурье (Fourier
transform, FFT).
Уравнение (9) обеспечивает простую за-
висимость, необходимую для оценки общего
шума в измерении МЭМС-акселерометра.
Здесь используется спектральная плотность
шума (pND акселерометра и ширина полосы
пропускания шума fNBW2, связанные цепью
прохождения сигналов:
Anoise = ^NDX^fNBW'	(9)
Используя соотношение в уравнении (9),
можно оценить, что при использовании филь-
тра, который имеет ширину полосы пропуска-
ния шума 100 Гц для акселерометра ADXL357
(со спектральной плотностью шума, согласно
его спецификации равной 80хЮ“6 g/^Гц), об-
щий шум составит 0,8х Ю“3 g (с.к.з.).
Вибрация
в терминах скорости
Некоторые приложения СВМ должны оце-
нивать поведение основного акселерометра
(диапазон рабочих частот, полоса пропуска-
ния, шумы) с точки зрения измерения линей-
ной скорости вибрации. Один из способов
сделать такой перевод начинается с простой
модели, приведенной на рис. 3, и тех же пред-
2 Здесь важна именно полоса пропускания шума, что нужно учитывать в полосе работы рассматриваемых акселерометров, а не сигнала
вибрации. Дело в том, что полоса пропускания шума с равномерным спектром (белого шума) и гармонического сигнала не совпадают,
и это особенно заметно именно для фильтров низких порядков. Так, для фильтра первого порядка, обычно используемого в подобных
устройствах, полоса пропускания белого шума в 1,571 раза превышает полосу пропускания гармонического сигнала. Более подробно это
изложено, например, в [4].— Прим. пер.
положений, которые привели нас к модели
в уравнении (1), — это линейное переме-
щение, одиночная частота и смещение с ну-
левым средним. Уравнение (10) выражает
данную модель через математическое соот-
ношение для мгновенной скорости vy(t) объ-
екта на рис. 3. Величина этой скорости Vrms,
выраженная через среднеквадратичное зна-
чение, равна пиковой скорости деленной
на квадратный корень из двух:
Vy(r) = Vpkxsm(2nfvt),
Kms =	(10)
В уравнении (11), для того чтобы получить
отношение для мгновенного ускорения объ-
екта, представленного на рис. 3, берется про-
изводная от этого отношения:
Z, (Л - я vr (0
dt
av(t) = d
^xsin(2xK xfv*t)
dt
(H)
av(t) = 2x7rx/rx^xcos(2xKx/FxZ).
Начиная с пикового значения модели уско-
рения из уравнения (11), уравнение (12) вы-
водит новую формулу, которая связывает
величину ускорения Arms с величиной скоро-
сти Vrms и частотой вибрации fv:
Ams = (2хлх/уХ Vpk)/<2,
^rms = 2x7tx/vxVrms> (12)
Ак = 2/лxfvx Vpk.
Исследование
на конкретном
практическом примере
Давайте сведем все это вместе и исследу-
ем все сказанное на конкретном практиче-
ском примере использования микросхемы
МЭМС-акселерометра ADXL357, в специфи-
кации на которую [3] мы имеем ее пиковый
диапазон и разрешение для диапазона частот
вибрации 1-1000 Гц, приведенные в терми-
нах линейной скорости. На рис. 7 представ-
лено графическое определение из несколь-
ких графиков, которые будут способствовать
этому изучению, начиная с графика спек-
тральной плотности шума ADXL357 в диапа-
зоне частот 1-1000 Гц. Для простоты в обсуж-
дении применения описанной методики все
вычисления будут предполагать, что спек-
тральная плотность шума постоянна и рав-
на 80хЮ“6 g/л/Гц во всем диапазоне частот.
Красный график на рис. 7 демонстрирует
спектральный отклик полосового фильтра,
а зеленая вертикальная линия отображает
спектральный отклик одночастотной с ча-
стотой /у вибрации, что полезно при разра-
ботке основанных на скорости оценок раз-
решения и диапазона.
На первом этапе этого процесса для
оценки шума, то есть определения AN0IS£,
которая исходит из четырех разных значе-
ний ширины полосы шума fNBW— 1, 10,
100 и 1000 Гц, используется уравнение (9).
В таблице 2 представлены полученные ре-
зультаты в терминах двух разных единиц
измерения для линейного ускорения: g
и мм/с2. Употребление g довольно распро-
странено в большинстве таблиц специфи-
каций МЭМС-акселерометров, а показатели
вибрации нечасто доступны в этих терминах.
К счастью, соотношение между g и мм/с2 до-
вольно хорошо известно, но мы приведем
его в уравнении (13):
1g = 9,81 м/с2.	(13)
Данные перевода между g и мм/с2 на инте-
ресующих нас частотах представлены в та-
блице 2.
Следующий шаг в этом практическом
примере реорганизует соотношение в урав-
Таблица 2. Зависимость ответной реакции датчика
в двух единицах измерения от частоты
на отношение вибрация/шум
^NBW> ГЦ	Anoise	
	10 Зд	мм/с2
1	0,08	0,78
10	0,25	2,48
100	0,8	7,84
1000	2,5	24,8
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
датчики КОМПОНеНТЫ
25
1000
100
10
Частота, Гц
Рис. 7. Графики плотности шума и фильтрации для условия практического примера
нении (12) так, чтобы получить простую
формулу — уравнение (14) — для перевода
оценок общего шума (из таблицы 2) в тер-
мины линейной скорости (VRES, VPEAk)-
В дополнение к предложению общей фор-
мы этого соотношения уравнение (14) так-
же предлагает один конкретный пример,
использующий ширину полосы шума 10 Гц
(и шум 2,48 мм/с2 из табл. 2). Четыре пун-
ктирные линии на рис. 8 представляют раз-
решение по скорости для всех четырех зна-
чений ширины полосы шума относительно
частоты вибрации fv:
VrEsWnBw) ~ ^NOISE^fNBW^^^fvy
Vres (10 Гц) = ANOJS£(10 Гц)/2хлх/у, (14)
V££$(10 Гц) = 2,48 мм/с2/2хлхД,.
На рис. 8, в дополнение к представлению
разрешения для каждой полосы пропуска-
ния, также представлена сплошная синяя
линия, отображающая пиковые уровни
вибрации (имеется в виду линейная ско-
рость) относительно частоты. Это проис-
ходит из соотношения в уравнении (15),
которое начинается с той же общей формы,
что и уравнение (14), но вместо примене-
ния шума в числителе используется мак-
симальное ускорение, способное поддер-
живать акселерометр ADXL357. Обратите
внимание, что коэффициент л/2 в числите-
ле масштабирует это максимальное уско-
рение, чтобы отразить среднеквадратичное
значение, предполагая одночастотную мо-
дель вибрации:
VRANGE = ArANGe/2 XnXfv>
Vrange = (l/^2)x(±40g/(2xTixyy))x
x9810 MM/c2/lg. (15)
уровни скорости из этого красного прямо-
угольника взяты из некоторых классифика-
ционных уровней (классов) в общепринятом
отраслевом стандарте по вибрации машин
и оборудования ISO-10816-13.
Наложение требований на графики диа-
пазона и разрешения для ADXL357 обеспечи-
вает быстрый метод для проведения простых
наблюдений, таких как:
•	Наихудший случай для диапазона изме-
рения — на самой высокой частоте, где
акселерометр ADXL357 имеет диапазон
±40g, он, по-видимому, способен измерять
очень большую часть профилей вибрации,
в соответствии с требованиями Класса 5D
стандарта ISO-10816-1.
•	При обработке выходного сигнала
ADXL357 с фильтром, который имеет ши-
рину полосы шума 10 Гц, ADXL357 спо-
собен распознать самый низкий уровень
вибрации по ISO-10816-1 (0,28 мм/с, соот-
ветствует Классу 1А) в диапазоне частот
1,5-1000 Гц.
•	При обработке выходного сигнала
ADXL357 с помощью фильтра с шириной
полосы шума фильтра 1 Гц ADXL357 спо-
собен распознать самый низкий уровень
вибрации от ISO-10816-1 во всем диапа-
зоне частот 1-1000 Гц.
Заключение
МЭМС-акселерометры достигают своего
совершенства в качестве датчиков вибрации
и потому уже начинают играть ключевую
роль в том, что, по нашим представлениям,
является идеальным объединением техно-
логий в системах прогнозного технического
обслуживания для современных предпри-
ятий. Новые решения в области обнару-
жения, подключения, хранения данных,
аналитики и безопасности объединяются,
предоставляя руководителям предприятий
полностью интегрированную систему на-
блюдения за вибрацией, чтобы на основа-
нии этого принять необходимые меры для
управления производственными и техно-
логическими процессами. Хотя открываю-
щиеся перспективы этого удивительного
технологического прогресса могут легко
вскружить голову, еще нужно понять, как
соотнести измерения в использовании дат-
чиков с реальными условиями, и оценить
возможные последствия.
Разработчики систем прогнозного техни-
ческого обслуживания и их клиенты смогут
извлечь выгоду из представленных в дан-
ной статье простых методов и идей, которые
обеспечивают подход для преобразования
спецификаций производительности МЭМС-
акселерометров для оценки их влияния
на ключевые критерии системного уров-
ня с помощью уже привычных для специ-
алистов единиц измерения вибрации.
Литература
1.	Gill G. С., Hexter Р. L. IEEE Transactions on
Geoscience Electronics // IEEE. 1973. Vol. 11. Iss. 2.
www.ieeexplore.ieee.org/document/4071623
2.	ADXL356 Малопотребляющий трехосевой ак-
селерометр с низким шумом, малым дрейфом
и аналоговым выходом, www.analog.com/ru/
products/adxl356.html#product-overview
3.	ADXL357 Малопотребляющий трехосевой ак-
селерометр с низким шумом, малым дрейфом
и аналоговым выходом, www.analog.com/ru/
products/adxl357.html
4.	Достал И. Операционные усилители. М.: Мир.
1982.
И наконец, красное поле показывает, как
применить эту информацию к требова-
ниям системного уровня. Минимальный
(0,28 мм/с) и максимальный (45 мм/с)
3 В РФ действует стандарт ГОСТ ИСО 10816-1-97 «Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невраща-
ющихся частях. Часть I. Общие требования», который содержит полный аутентичный текст международного стандарта ИСО 10816-1-95
«Вибрация. Контроль вибрационного состояния машин по измерениям вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общее руковод-
ство».— Прим. пер.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
26
компоненты датчики
«Эффект бабочки» по-норвежски:
гироскопические модули
компании Sensonor
Вадим ЧЕРНИЙ (Вадим ЧОРНИЙ)
v.chornyy@vdmais.ua
В статье представлена продукция норвежской компании Sensonor AS — раз-
работчика и производителя прецизионных гироскопических и инерциаль-
ных модулей класса High-End.
Немного истории
Компания Sensonor AS невелика, однако заметна в отрасли.
Как ни странно, но вот уже несколько десятилетий норвежцы до-
минируют в глобальном производстве современных прецизионных
МЭМС-датчиков.
Рожденная на берегу Осло-фьорда в городке Хортен компания, что
тогда называлась Akers Electronics, специализировалась на оборудова-
нии для нужд флота. В результате переноса базы в Берген компания
была вынуждена искать новые рынки сбыта. В 1965 году компания,
впоследствии переименованная в АМЕ, начала промышленное про-
Рис. 1. Селфи Curiosity 2018 года с Марса.
В работе марсохода используются МЭМС-модули Sensonor
изводство полупроводниковых тензодатчиков военного применения.
Значительный инновационный потенциал АМЕ следует искать в тес-
ном сотрудничестве с университетом Осло UiO, норвежским институ-
том науки и технологий NTNU, норвежским институтом технологий
NTH и Е[ентром научных и промышленных исследований SINTEF [1].
В 1985 году от АМЕ отделилась фирма Sensonor, которая сконцен-
трировала усилия на разработке электронных систем и сенсоров для
массовых рынков, в частности для автомобильной промышленности.
За десять лет Sensonor заняла около 70% европейского рынка датчи-
ков для подушек безопасности и систем контроля давления в шинах.
Количество автомобилей, оснащенных датчиками Sensonor, превы-
сило 100 млн.
Успех не остался незамеченным со стороны гигантов отрасли,
и в 2003 году Sensonor был поглощен Infineon Technologies AG, предо-
ставив мощный импульс развития направления МЭМС в немецком
концерне [2]. В активе Sensonor более 250 млн датчиков давления,
свыше 250 млн акселерометров и более 2 млн гироскопов, поставлен-
ных ведущим автопроизводителям мира. Залогом успеха произво-
дителя является надежность продукции: показатели отказов изделий
Sensonor не превышают 1 сбой на 10 млн устройств, отгруженных за-
казчикам (то есть намного лучше эталонного стандарта качества 6с).
Уже в составе Infineon, совершенствуя линейки сенсоров автомо-
бильного назначения, Sensonor основала направление твердотельных
гироскопов. В начале 2000-х норвежские разработчики заложили
основы нынешнего продуктового портфолио компании, создав уни-
кальную патентованную технологию Butterfly Gy го. «Бабочки» пред-
ставляют собой трехслойную структуру, состоящую из двойного
кремниевого чувствительного элемента SW510 и герметизирующих
слоев из боросиликатного стекла. Гироскопические датчики семей-
ства SAR, основанные на технологии Butterfly Gy го, быстро приоб-
рели известность среди разработчиков автомобильной электроники.
В 2006 году Sensonor Technologies AS стала независимым произво-
дителем, сосредоточившись на гироскопах, инерциальных модулях
и микроболометрах для инфракрасных тепловизионных камер. Нужно
отметить, что компании пришлось пережить тяжелый период финан-
сового кризиса, когда стоял вопрос о спасении предприятия от банкрот-
ства. Но при этом в начале 2010-х компания инвестирует значительные
средства в модернизацию производственных мощностей, полностью
обновив производство 150-мм трехслойных структур на основе крем-
ния, используемых в производстве знаменитых «бабочек».
Время изменений
В августе 2012 года успешно примарсилась автономная научно-
химическая лаборатория, более известная как марсоход Curiosity
(«Любопытство»). Sensonor AS стал участником миссии Mars Science
Laboratory, в рамках которой на марсианский вездеход были у станов-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
датчики КОМПОНеНТЫ
27
лены МЭМС-модули SW380, такие же, как ранее поставлялись NASA
для проекта Space Shuttle. SW380 стали первыми в мире прецизион-
ными МЭМС-модулями давления, сейчас количество установленных
SW380 в особо важном оборудовании в мире измеряется сотнями ты-
сяч. Кстати, неугомонный марсоход Curiosity до сих пор продолжает
рыскать по просторам Красной планеты, несмотря на то, что плано-
вый срок службы аппарата уже давно исчерпан. Он нашел на Марсе
воду, пережил песчаную бурю, сделал несколько селфи (рис. 1) и еще
много чего успел и, возможно, успеет еще.
Вторым знаковым событием 2012 года стало окончание этапа вывода
на рынок новых продуктов, ныне составляющих продуктовую линей-
ку Sensonor AS. Спустя несколько месяцев после успешного примар-
сения Curiosity компания начала коммерческие поставки STIM300 —
инерционного измерительного модуля (IMU) класса High-End.
Третье событие 2012 года — окончательный переход компании под
крыло швейцарской инвестиционной группы, что позволило снять
с повестки дня вопрос банкротства и предоставило больше ресурсов
для дальнейшего развития МЕМС-технологий.
Обзор продуктов
Сегодня коммерческий портфель продукции Sensonor состоит
только из трех серий устройств: гироскопических модулей STIM202
и STIM210 и инерционного измерительного модуля STIM300. Хотя
первые модификации этих устройств были созданы в начале 2010-х,
они и по сей день не имеют аналогов на открытом рынке [3]. Модули
применяются в сложных проектах в аэрокосмической отрасли, про-
мышленной автоматике, телекоммуникациях, в транспортных систе-
мах, в ВПК, в сложных системах мониторинга, управления и навига-
ции на суше, на море (и под водой), в небе и в космосе.
Разработанные компанией модули содержат 1-3 гироскопа (опции
под заказ), акселерометры и инклинометры (в инерционном модуле),
внутреннюю систему демпфирования вибраций, контроллер, электрон-
ное выравнивание оси, цифровой интерфейс RS-422 и другие компо-
ненты. Системы отличаются низким уровнем шума, высокой произво-
дительностью, индивидуальной настройкой (частота выборки, полоса
пропускания, скорость передачи), непрерывной самодиагностикой.
Следует отметить, что все базовые и опционные выполнения моду-
лей Sensonor реализованы в стандартизованном корпусе размерами
35x45x20 мм (рис. 2). Большинство составляющих всех модулей
унифицировано. Часть комплектующих поставляется контрактными
производителями, в том числе из Южной Кореи. Компания откры-
та к сотрудничеству со сторонними разработчиками, в частности
и с R&D-подразделениями поставщиков и потребителей. Это в ком-
Таблица. Основные характеристики модулей STIM202, STIM210 и STIM300
Параметр/Модель		STIM202	STIM210	STIM300
Напряжение питания, В		4,5-5,5		
Энергопотребление, Вт		1,2-1,5	1,3-1,5	1,5-2
Температурный диапазон, °C		-40...+85		
Вес, г		55	52	55
Габариты, мм		35x45x20		
Ударопрочность, д		1500		
Частота выборки, знач./с		1000	2000	
Полоса пропускания (—3 дБ), Гц (регулируемая)		262		
Время запуска, с		3	1	3
Передача исходных данных, Мбайт/с		1	3,75	5,18
Характеристики гироскопа	Диапазон измерений, °/с	±400 (до ±480)		
	Изменение первоначального смещения выходного сигнала от температуры, °/ч	±30	±10	
	Стабильность смещения во время работы, °/ч	0,3		
	Случайное угловое отклонение, °/ч1/2	0,2	0,15	
	Нелинейность (при ±200 °/с), ppm	200	15	
Характеристики акселерометра	Диапазон измерений, д	—	—	±10
	Чувствительность, мкд	—	—	1,9
	Нелинейность, ppm	—	—	300
Характеристики инклинометра	Диапазон измерений, д	—	—	±1,7
	Точность, мкд	—	—	0,2
	Нелинейность, ppm	—	—	500
Рис. 2. Внешний вид инерционного измерительного модуля STIM300
плексе позволило производителю значительно уменьшить себесто-
имость приборов, сделав их альтернативой волоконно-оптических
и лазерных прецизионных гироскопов.
Линейка модулей STIM проста и хорошо позиционирована.
Базовый продукт Sensonor — трехосный гироскоп STIM202. Его ха-
рактеристики значительно улучшены по сравнению с бывшим флаг-
манским гироскопом серии SAR150 компании Sensonor Technologies.
Так, был заметно расширен входной диапазон (±400 вместо ±250 7с),
увеличена разрядность (с 12 до 24 бит), улучшена стабильность сме-
щения во время работы (сначала 0,5, теперь 0,3 вместо 5-50 7ч), сни-
жено случайное угловое отклонение (0,2 вместо 0,8-1 7ч1/2), расшире-
на полоса пропускания (262 вместо 50 Гц).
Гироскопический модуль STIM210 — более прецизионная моди-
фикация STIM202 сверхсложных задач, с улучшенными показате-
лями качества измерений, времени запуска, нелинейности и тому
подобное. И наконец, инерционный измерительный модуль STIM300
является высоко интегрированным решением на базе STIM210.
Основные характеристики модулей STIM202, STIM210 и STIM300
приведены в таблице.
Управление, калибровка, тестирование
Работой гироскопов STIM руководит заказная система на кристал-
ле (ASIC) и 32-разрядный RISC ARM-микроконтроллер STM32F103
компании STMicroelectronics. ASIC управляет системой возбужде-
ния колебаний, принимает сигналы от емкостных датчиков, пре-
вращает сигналы в цифровую форму, выполняет их обработку.
Микроконтроллер обеспечивает интерфейс с внешними устройства-
ми, сохраняет и задает настройки прибора, в том числе значения ка-
либровки, реализует работу программных цифровых фильтров и т. д.
В гироскопах STIM предусмотрена фильтрация для подавления
паразитных сигналов, возникающих в результате ВЧ-вибраций, те-
пловых шумов и т.п. Для этого применяются программируемые
фильтры, частоту среза которых можно менять программно, неза-
висимо по каждой оси.
Интересный способ измерения температуры чувствительных эле-
ментов применяется в датчиках Sensonor. В отличие от распростра-
ненного метода измерения средней температуры внутри корпуса,
в гироскопах STIM с высокой точностью измеряется отдельно тем-
пература каждого чувствительного элемента по отклонению частоты
вибрации инерциальных масс от частоты, заданной высокостабиль-
ным генератором колебаний.
Заводские калибровки включают замер среднеквадратических от-
клонений при отсутствии вращения и измерение температурной
зависимости отклонения [4]. Калибровки выполняются отдельно
на каждую ось. Калибровочные коэффициенты хранятся в памя-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
28	компоненты
датчики
Первичные (генерируемые) колебания
Вторичные колебания	Измерение
(под влиянием силы Кориолиса) вращения
Рис. 3. Принцип действия чувствительного элемента
гироскопа на основе технологии ButterflyGyro
ти микроконтроллера гироскопа и исполь-
зуются при обработке данных измерений.
Каждый модуль проходит 20-ч многофазную
программу тестирования. Параметры фик-
сируются в индивидуальном сертификате со-
ответствия.
Для разработчиков Sensonor предлагает
оценочные комплекты (evaluation kit) для
подключения гироскопа STIM202 к персо-
нальному компьютеру с операционной си-
стемой Windows. С помощью комплекта
пользователь может тестировать основные
характеристики гироскопа и изменять его на-
стройки. Доступны оценочные комплекты
с интерфейсом USB и PCI-карты для расши-
ренного тестирования [5].
«Бабочки» из Норвегии
Высоких показателей прецизионных сен-
соров компания Sensonor смогла добиться
в первую очередь за счет ряда уникальных
технологических решений, примененных
в конструкции гироскопов, в частности запа-
тентованной технологии ButterflyGyro («ги-
роскопическая бабочка»).
Технология основана на применении
сдвоенной инерционной массы специаль-
ной формы (действительно напоминающей
бабочку), изготовленной из монокристалла
кремния (рис. 3).
Специальная система возбуждает первич-
ные противофазные колебания инерциальных
масс. При повороте гироскопа под действием
силы Кориолиса инерционные массы смеща-
ются в направлении, перпендикулярном пло-
скости первоначальных колебаний. В резуль-
тате возникают вторичные колебания, частота
которых совпадает с частотой первоначальных
колебаний. Отклонения инерциальных масс
под влиянием вторичных колебаний измеря-
ются емкостными датчиками и перечисляются
в значение угловых скоростей.
Важная особенность технологии
ButterflyGyro заключается в том, что инер-
ционные массы закреплены на специаль-
ных подвесах, которые изгибаются только
в плоскости инерциальных масс, и, соот-
ветственно, в той же плоскости происходят
первичные колебания. Это позволяет четко
разделить плоскости первичных и вторич-
ных колебаний и, как результат, повысить
чувствительность к поперечным смещениям,
а следовательно, и точность измерений.
В гироскопах модулей STIM использует-
ся 1-3 чувствительных элемента (сдвоенных
инерциальных масс), каждый из которых
позволяет определить угловую скорость для
одной из осей. Каждый чувствительный эле-
мент гироскопа расположен в специальной
конструкции, состоящей из трех основных
слоев (рис. 4). В нижнем слое находится кри-
сталл из боросиликатного стекла, в котором
имеется система возбуждения первоначаль-
ных колебаний и контактные электроды
(рис. 5). Средний слой содержит инерцион-
ные массы (собственно «бабочки»). Верхний
слой представляет собой стеклянную крыш-
ку, герметизирующую чувствительный эле-
мент и обеспечивающую формирование
во внутреннем пространстве гироскопа за-
печатанной полости низкого давления — это
еще одна фирменная технология компании
Sensonor. В такой полости вибрирующие
инерционные массы защищены от загрязне-
ния и демпфирующего динамического вли-
яния воздуха, благодаря чему добротность
чувствительного элемента очень высока. Для
тушения механической вибрации внутри
герметичного корпуса прибора каждый чув-
ствительный элемент гироскопа закреплен
в пластиковых демпферных элементах [6].
Применение
У датчиков Sensonor много различных сфер
применения. Среди наиболее распространен-
ных — промышленные работы и роботизи-
рованные системы, мониторинг транспорт-
ных средств, контроль наклона скоростных
Рис. 5. Расположение электродов инерционной
массы гироскопа
поездов, мониторинг наземных и подводных
трубопроводов, системы аэрофотосъемки,
системы управления автономными аппара-
тами, в том числе подводными, системы на-
блюдения, дальномеры, системы вычисления
траекторий, системы трехмерной фото- и ви-
деосъемки, стабилизация платформ антенн
и телекоммуникационного оборудования,
сельскохозяйственное оборудование и прочее.
Применение датчиков Sensonor в аэро-
космической отрасли включает (но не огра-
ничивается) инерционные измерительные
устройства (IMUS), инерционные навигаци-
онные системы (INSS), системы определе-
ния курса и пространственного положения
(AHRSs), бортовые самописцы, системы ста-
билизации и другие системы для летатель-
ных аппаратов различных типов, включая
БПЛА, дроны, вертолеты и квадрокоптеры,
самолеты и гидропланы.
Другие применения, где востребована про-
дукция Sensonor,— это системы наведения,
стабилизированные платформы, в частности
антенн и радаров, системы индивидуальной
и коллективной навигации, портативные си-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
датчики КОМПОНеНТЫ
29
стемы навигации и отсчета пройденного пути, дальномеры, системы
стабилизации и навигации специализированной техники, например
беспилотных аппаратов, и другое высокоточное оборудование для
применения в условиях, далеких от идеальных.
Разработчик предоставляет заказчикам средства для наладки
и программное обеспечение. Модули Sensonor выпускаются в Евро-
пе и не требуют лицензирования ITAR.
Литература
1.	www.sensonor.com
2.	Lapadatu D. MEMS Development at Infineon Technologies SensoNor,
Presentation at IMT. Bucuresti, 2008.
3.	Ярема А. Д. Выбор датчиков угловой скорости для бесплатформенной
инерциальной системы навигации. Погляд у майбутне Приладобудування:
IX науково-практична конференщя студен пв i астраныв. Зб!рка тез.
НТУУ «КПП». Киев, 2016.
4.	Ярема Я. О., Сапегш О.М. Система монггорингу стану техшчного обладнан-
ня на баз! шерщаль-ного вим!рювального модуля STIM210. Методи та засо-
би неруйшвного контролю промислового обладнання: зб!рник тез доповвдей
5-1 науково-практично! конференцп студенпв i молодих вчених. 1вано-
Франювськ, 2015.
5.	Бекмачев А. Датчики Sensonor: норвежский путь к успеху // Компоненты
и технологии. 2012. № 4.
6.	Тузов А. Датчики для измерения параметров движения на основе МЭМС-
технологии. Часть 2. Инерциальные датчики высокой точности // Электро-
ника. 2011. № 4.
ТОКОПРОВОДЯЩИЙ силикон
СДЕЛАНО В РОССИИ
Профессиональное производство
материалов, изделий из токопроводящего
силикона для ЭМС защиты СВЧ устройств
и приборов
Плоские электропроводящие прокладки и
уплотнители любой формы
Резиновые токопроводящие профили,
жгуты любых сечении
Жидкий токопроводящий клей-герметик
Широкополосные поглотители СВЧ-энергии
Весь цикл разработки и производства
находится в России
Закажите бесплатные образцы!
ТЕХНОЛОГИИ
К I
Оставьте заявку для
получения образцов:
тел: 8 (3822) 99-00-25
сайт: www.rttex.ru
email: info@rttex.ru
ООО «РТ-Технологии»
Реклама
Сигнальные реле серии FTR-C1 от Fujitsu Components
RY
2.0 мм
зазор между контактами
1с (SPOT)
2с (DPDT)
0.6 мм
зазор
197342, Санкт-Петербург, Белоостровская ул., 28, офис 428
Тел.: (812) 441 -36-38,441 -36-39,496-20-63
Факс:(812)441-34-27
3
о
»х 150
о
X
й 103
^Ол.
вз
NA
к4-му поколению
повышенная
изоляция
Низкий профиль с
высокой изоляцией
Характеристики
•	Параметры контакта 1A/30VDC-0.3 A/125VAC
•	Рабочий ток 2А
•	Зазор между контактами 0,6 мм
•	Высокая диэлектрическая прочность между
катушкой и контактами 3 кВ
•	Расстояние между катушкой и контактом 2 мм
•	Максимальное импульсное напряжение 6 кВ
•	Миниатюрные размеры: 14,9x7,4x9,1 мм
Применения
•	Приставки цифрового телевидения
•	Блоки управления светодиодным освещением
•	Управление доступом (открытие/закрытие)
•	Системы диагностики автомобиля
•	Бытовая техника
Управление движением - датчики для лифтовых
систем
Медицинское оборудование
105484, Москва, ул. 16-я Парковая, д. 21, корп. 1, офис 413
Телефакс: (495) 755-93-29
www.konkurel.ru
info@konkurel.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
30
НОВОСТИ датчики
Новый iNEMO
от STMicroelectronics
Компания STMicroelectronics представляет
LSM6DSOX — систему с цифровыми 30-аксе-
лерометром и 30-гироскопом, которая имеет вы-
сокую эффективность при 0,55 мА в высокопроиз-
водительном режиме и поддерживает постоянно
включенные функции низкого энергопотребления.
LSM6DSOX обеспечивает основные требования
к ОС, предлагая реальные, виртуальные и пакетные
датчики с 9 кбайт динамического пакетирования
данных. Чувствительные элементы изготавливаются
с использованием специализированных процессов
микрообработки, в то время как ИС-интерфейсы
создаются по технологии КМОП, позволяющей
проектировать специализированные ИС, которые
обрезаются для улучшения характеристик чувстви-
тельного элемента.
LSM6DSOX имеет диапазон измерения уско-
рения ±2/±4/±8/± 16g, а также диапазон из-
мерения угловой скорости ± 125/±250/±500/
±1000/±2000 °/с.
Система поддерживает технологии EIS и OIS,
поскольку модуль содержит специальную регу-
лируемую часть для обработки сигналов для OIS
и SPI, настраиваемую как для гироскопа, так и для
акселерометра. LSM6DSOX OIS можно настроить
с помощью дополнительного SPI или первичного
интерфейса (SPI/FC и MIPII3CSM).
Высокая устойчивость к механическим воздей-
ствиям делает LSM6DSOX подходящим выбором
для создания и производства надежных продук-
тов. Решение доступно в пластиковом корпусе
(LGA).
Ключевые особенности:
•	энергопотребление: 0,55 мА в высокопроизво-
дительном режиме;
•	постоянная поддержка функций низкого энерго-
потребления;
•	«умное» FIFO: до 9 кбайт;
•	поддержка Android;
•	диапазоны измерений: ±2/±4/±8/± 16 д,
±125/±250/±500/±1000/±2000 ° /с;
•	напряжение питания: 1,71—3,6 В;
•	малые размеры: 2,5x3x0,83 мм;
•	интерфейсы SPI/FC и MIPI I3CSM с синхрони-
зацией данных;
•	дополнительный SPI для вывода данных OIS.
www.ptelectronics.ru
ОТРАСЛЕВЫЕ ОБЗОРЫ СОТРУДНИЧЕСТВО БИЗНЕС ИННОВАЦИИ
ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ТЕХНОЛОГИЯМ,
МАТЕРИАЛАМ, СТАНДАРТАМ И ОБОРУДОВАНИЮ
В ОБЛАСТИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
МОСКВА ЦВК «ЭКСПОЦЕНТР» 14-15 МАЯ 2019 SEMIEXPO.RU
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
нкт>
^HfHUBER+SUHNER
СТ - Continuous over Temperature
серия стабильных в диапазоне температур
СВЧ и кабельных сборок
Гибкие, полужесткие и формуемые вручную кабели СТ
и соединители к ним
Кабели MULTIFLEX СТ больших сечений!
Кабельные сборки серии minibend в СТ-исполнении
Тип кабеля	Частота, макс. ГГц	Потери на максимальной частоте, дБ/м	Стабильность фазы в диапазоне температур	Внешний диаметр, мм	Радиус изгиба*, мм	Ресурс гибкости, циклов
EZ_86_CT	40	4,11	400 ppm	2,20	3,18	—
EZ_141_CT	33	2,61	400 ppm	3,58	10,0	—
SUCOFORM_86_CT	20	3,40	250 ppm	2,15	6,00 / 20,00	50
SUCOFORM_141_C1	Г 30	2,70	500 ppm	3,58	8,00 / 40,00	50
MULTIFLEX_141_CT	33	2,36	300 ppm	4,20	12,00/40,00	по запросу
MULTIFLEX_210_CT	30	1,94	500 ppm	5,00	27,50 / 50,00	по запросу
MULTIFLEX_318_CT	18	1,00	500 ppm	7,50	42,50 / 80,00	по запросу
mini141 CT (32322)	40	2,12	500 ppm	3,66	8,40	по запросу
minibend CT (32381)	70	3,94	300 ppm	2,54	5,00	по запросу
— через дробь указаны однократный и многократный радиусы изгиба
Реклама
www.nkt.ru
+7 (495) 787-05-50
info@nkt.ru
32
компоненты разъемы
Радиочастотные соединители
Юго-Восточной Азии.
Часть 3. Соединители компаний
Южной Кореи и Японии
Кива ДЖУРИНСКИЙ,
к. т. н.
kbd.istok@mail.ru
Рассмотрены радиочастотные соединители, адаптеры и кабельные сборки
с волновым сопротивлением 50 Ом десяти компаний Южной Кореи и семи
компаний Японии. Показано, что в этих странах для применения в изделиях
гражданского и военного назначения разработаны и выпускаются соедини-
тели всех основных серий, включая соединители мм-диапазона длин волн,
немагнитные, обратной полярности, с низким уровнем интермодуляции.
Республика Корея (далее — Южная
Корея) и Япония занимают лидирую-
щие позиции в мире по производству
высококачественной электронной аппарату-
ры. Лаборатории и исследовательские цен-
тры постоянно создают новые технологии,
которые помогают электронике этих стран
быть совершенной, особенно во время по-
всеместного перехода к цифровым техно-
логиям.
Десятки компаний в Южной Корее
и Японии разрабатывают радиочастотные
соединители, адаптеры и кабельные сборки,
без которых невозможно создание современ-
ной электроники СВЧ-диапазона.
По аналогии с компаниями Тайваня [1]
и Китая [2] в данной статье рассмотрена про-
дукция компаний Южной Кореи и Японии,
по которым удалось найти достаточную ин-
формацию. Результаты аналитического обзо-
ра сведены в таблицы: Южная Корея (табл. 1)
и Япония (табл. 2).
Компании Южной Кореи
Isotec
Isotec Corporation (Isotec). C 1996 года Isotec
разработала и производит радиочастотные
соединители, адаптеры (предельная часто-
та 26,5 ГГц) и кабельные сборки (предельная
частота 18 ГГц), фильтры для беспроводной
связи, аттенюаторы, нагрузки, направлен-
ные ответвители. В линейку продуктов Isotec
входят соединители с низким уровнем ин-
термодуляции (-160 дБс), а также соедини-
тели и адаптеры мм-диапазона длин волн:
2,4; 2,92 и 3,5 мм с предельной частотой 50,40
и 33 ГГц. Isotec имеет международную серти-
фикацию качества ISO 9001 и ISO 14001.
Новой разработкой этой компании являют-
ся немагнитные соединители ММСХ, МСХ,
SMB, SMA для магнитно-резонансной томо-
графии и другой медицинской аппаратуры.
Количество сотрудников компании состав-
ляет 51-100 человек, объем продаж $2,5-5 млн.
Таблица 1. Компании Южной Кореи — производители радиочастотных соединителей, адаптеров и кабельных сборок
Е Е Z	Компания	7/16	BNC	о z 1—	z	SMA	SMB	MCX	MMCX	Другие типы (количество, шт.)	Адаптеры для соединителей, шт.	Сборки с соединителями, шт./кабель
1	Isotec Corporation www.isoconnector.com	3	18	13	29	50	22	23	10	2,4 мм (4), 2,92 мм (4)	55 с соединителями BNC, N, SMA, TNC, 7/16, МСХ. Прецизионные (14): 2,4; 2,92; 3,5 мм	С полужестким кабелем 0,047-0,25". С полугибким кабелем 0,047—0,25". С гибким кабелем RG-178,214 и др.
2	RF & Connector Technology www.rf-ct.com	14	—	27	52	87	21	16	15	PLB (21), PLSB (10)	27 с соединителями N, SMA, TNC, 7/16, MCX, ММСХ	Тип кабеля и соединителя по требованиям заказчика
3	Sam Woo Electronics Co., Ltd. www.isamwoo.com	—	17	7	29	26	21	12	10	М (13)	Внутрисерийные (17): SMA(4), N (8), TNC (3), BNC (2). Межсерийные (28): BNC, N, SMA, TNC	Соединители SMA и др. Тип кабеля и размеры по требованиям заказчика
4	Seoul Telcom Co., Ltd. www.seoultelcom.com	4	40	36	38	57	33	25	18	ОМА (3), SMI (5), МС Card (1), SHF (11), 1.0/2.3(19)	Внутрисерийные (35): SMA (9), N (9), TNC (5), BNC (9), SMB (3). Межсерийные (19): N, SMA, TNC, MCX, MMCX	По заявкам потребителей
5	DongJin Technology Innovation Co., Ltd. www.dongjinti.co.kr	—	31	32	50	207	37	37	21	ВМА (3), SMP (13), SSMB (12), SMC (23), SSMC (9), SSMA (19), RPTNC (8), RPSMA(16)	151 N (26), SMA (67), TNC (18), BNC (21), SMB (5) и др.	Несколько сотен с соединителями всех типов. Кабель полужесткий, гибкий и миниатюрный
6	Ye Eun Tech Co., Ltd. www.yeeuntech.com	—	37	17	44	78	20	28	24	DIN 41612,1/2,3 (10), SMC (24) Внутрисерийные (28): SMA (7), N (4), TNC (5), BNC (6), SMC (2), SMB (4). Межсерийные (28): BNC, N, SMA, TNC, MCX, MMCX	Соединители всех типов	Кабель полужесткий, гибкий, полугибкий и миниатюрный
7	SRTechnology Corporate www.srtechnology.com	6	16	10		48	15	19	17	2,92 мм (1), RPSMA (5)	Внутрисерийные (35): SMA( 12), N (9), TNC (3), BNC (8), RP SMA (2). Межсерийные (40): TNC, N, BNC, 7/16, SMA, MCX	По заявкам потребителей
8	MPDevice Co., Ltd. www.mpdevice.co m	—	16	19	110	115	11	13	22	—	Внутрисерийные (36): SMA (8), N (9), TNC (4), BNC (5), 1/2,3 (3), 7/16 (4), SMB (3). Межсерийные (66): TNC, BNC, N, 7/16, MCX, 1/2,3, SMA	По заявкам потребителей
9	Gigalane Co., Ltd. www.gigalane.com	—	—	—	5	18	—	7	4	BMA (2), 2,92 мм (8), 2,4 мм (8), SMP (6), SMA 27 (7)	Внутрисерийные: стандартные (10): N (3), SMA (7). Прецизионные (20): SMP (1), 2,4 мм (3), 3,5 мм (3), 2,92 мм (5), SMA (5), N (3). Межсерийные прецизионные (22): BMA, N, SMA, MCX, SMP 2,92 и 2,4 мм	Несколько сотен сборок с полужестким кабелем, Multiflex, GUL180,210, 320 и др. Измерительные сборки (20)
10	Withwave Co., Ltd. www.with-wave.com	См. в тексте										
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
разъемы КОМПОНеНТЫ
Рис. 1. Соединители SMA компании DongJin:
а) вилка кабельная прямая; 6) розетка кабельная угловая; в) розетка кабельная проходная; г) вилка для монтажа в отверстия печатной платы; д) вывод энергии
Основные рынки сбыта: Северная Америка —
20%, Южная Америка — 20%, Восточная
Европа — 20%.
RFCT
RF & Connector Technology (RFCT) была
создана в 2007 году. Компания производит
радиочастотные соединители, адаптеры
(предельная частота 18 ГГц) и кабельные
сборки (тип гибкого и полужесткого кабеля
и соединителей — по требованию заказчика),
аттенюаторы, нагрузки и другие пассивные
радиокомпоненты.
Компания RFCT разработала соедините-
ли РЕВ и PESB с предельной частотой 6 ГГц,
предназначенные для применения в базовых
станциях связи. Соединители РЕВ — это ана-
лог SMA, a PLSB — аналог SMB, отличающи-
еся способом соединения — защелкивани-
ем. Количество сотрудников 11-50 человек,
объем продаж $2,5-5 млн. Основные рынки
сбыта: Северная Америка — 20%, Океания —
20%, Восточная Европа — 20%.
Sam Woo
Sam Woo Electronics Co., Etd. (Sam Woo),
созданная в 1981 году, в течение почти четы-
рех десятилетий сохраняет лидерские пози-
ции на внутреннем рынке радиочастотных
и цилиндрических соединителей, пользова-
тельских антенн. Цилиндрические соедини-
тели компании применяют в фотоаппаратах,
для видеонаблюдения, беспроводной связи,
компьютерных приложений. В номенклату-
ре радиочастотных соединителей превалиру-
ют соединители SMA, SMB и N. В 1997 году
компания сертифицирована по международ-
ному стандарту качества ISO 9001. Компания
имеет 20 патентов в области кабельного теле-
видения. Количество сотрудников — 64 че-
ловека.
Seoul Telcom
Seoul Telcom Co., Etd. (Seoul Telcom) была
основана в 1996 году как производитель
радиочастотных соединителей, адаптеров,
компонентов оборудования проводной
и беспроводной связи. В 2002 году компания
получила сертификат по международному
стандарту качества ISO 9001. Количество со-
трудников в компании 11-50 человек. Seoul
Telcom активно продвигает свою продукцию
в страны Америки, Азии и Европы. В но-
менклатуре продукции — миниатюрные
радиочастотные соединители собственной
разработки SHF и SMI: кабельные и для уста-
новки на печатные платы. Соединители име-
ют предельную частоту 4 ГГц, КСВН не бо-
лее 1,18 и величину прямых потерь не более
0,4 дБ.
Dongjin
Dongjin Technology Innovation Co., Ltd.
(Dongjin) была создана в 1997 году для раз-
работки и выпуска радиочастотных соедини-
телей, адаптеров, кабельных сборок, различ-
ных микроволновых компонентов и аксессу-
аров антенных устройств. В настоящее время
компания, состоящая из 51-100 сотрудников,
производит широкую номенклатуру указан-
ных изделий. Так, например, Dongjin выпу-
скает 223 модификации соединителей SMA:
прямой полярности 207, обратной полярно-
сти 16, в том числе:
•	вилок — 207, розеток—116;
•	прямых — 179, угловых — 44;
•	кабельных — 136, выводов энергии — 60.
Некоторые типы соединителей SMA ком-
пании Dongjin показаны на рис. 1.
Эта компания освоила производство со-
единителей серий 7/16 и N с низким уров-
нем интермодуляции, немагнитных соеди-
нителей SMA ММСХ, МСХ для магнитно-
резонансных томографов. Высокое качество
продукции подтверждено сертификатами
качества ISO 9001 (2000 год) и ISO 14001
(2004 год). Продукция компании экспорти-
руется более чем в 20 стран, годовой доход
компании $1-2 млн.
Нельзя не отметить высокий уровень ин-
формативности веб-сайта компании Dongjin,
в котором предусмотрены навигаторы
по всем соединителям, адаптерам и кабель-
ным сборкам, позволяющие оценить кон-
структивные особенности, полярность, тип
применяемого кабеля и способ его заделки,
а также способ установки в изделие.
Ye Eun Tech
Ye Eun Tech Co., Ltd. (Ye Eun Tech) была
создана в 1998 году. С 2002 года компания
производит радиочастотные соединители,
адаптеры, кабельные сборки, а также высоко-
температурные и высококачественные коак-
сиальные кабели для военных, авиационных,
автомобильных, телекоммуникационных
и медицинских применений. Все соедините-
ли и адаптеры соответствуют требованиям
MIL-C-39012. Компания предлагает достаточ-
ную номенклатуру большинства стандарт-
ных соединителей и адаптеров. Основные
потребители соединителей и сборок — ве-
дущие корейские компании по обслужива-
нию мобильных телефонов, исследователь-
ские институты телекоммуникационных
компаний и производители антенн и теле-
коммуникационного оборудования. Кроме
того, изделия экспортируются в Европу,
Северную Америку и Азию. Количество со-
трудников компании 30-39 человек, годовой
доход $2-2,99 млн.
SRT
SRTechnology Corporate появилась
в 2005 году и специализируется на разра-
ботке и производстве радиочастотных со-
единителей, адаптеров, кабельных сборок
и микроволновых компонентов. Компания
разработала нагрузки с разными типами
разъемов в диапазоне частот от постоянного
тока до 18 ГГц и мощностью 1-250 Вт, атте-
нюаторы мощностью до 100 Вт, направлен-
ные ответвители и другие пассивные компо-
ненты. Непонятно, как компании, в которой
менее девяти сотрудников, удается произво-
дить такой значительный объем выпускае-
мой продукции.
MPDevice
MPDevice Со., Ltd. (MP Device) основана
в апреле 1997 года. В компании 12 инжене-
ров, 82 производственных работника, 14 ру-
ководителей, всего 108 человек. В номенкла-
туре продукции радиочастотные соедините-
ли ММСХ, МСХ, SMB, SMA, TNC, BNC, N,
адаптеры, а также полосно-пропускающие
фильтры, диплексеры, фильтры задержки,
делители мощности, направленные ответви-
тели и многие другие микроволновые ком-
поненты. Среди соединителей превалируют
SMA (37,6%) и N (35,9%). Компания серти-
фицирована по стандартам ISO 9001:2008
и ISO 14001:2004.
Gigalane
Gigalane Со., Ltd. (Gigalane) создана
в 2000 году. Благодаря своим исследованиям
и разработкам микроволновых компонентов
с предельной частотой 67 ГГц Gigalane входит
в число высокотехнологичных мировых ком-
паний. Gigalane специализируется на про-
изводстве радиочастотных соединителей,
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты разъемы
Рис. 2. Соединители компании Gigalane: а) 2,4-мм розетка; б) 2,4-мм вилка; в) 2,92-мм розетка;
г) 2,92-мм вилка; д) концевые соединители SMA-Verend; е) составные; ж) SMP
о
Рис. 3. Соединители и адаптеры компании Withwave:
а) концевые соединители 1,85; 2,4 и 2,92 мм; б) соединители 1,85; 2,4 и 2,92 мм;
в) соединители SMA для поверхностного монтажа; г) адаптеры 1,85; 2,4; 2,92 и 3,5 мм, SMA
Рис. 4. Организационная структура компании HST
кабелей и сборок, применяемых в военных,
аэрокосмических и коммуникационных си-
стемах. Освоено производство соединителей
2,4 мм (предельная частота 50 ГГц), 2,92 мм
(предельная частота 40 ГГц) и соединителей
SMA с улучшенными параметрами (пре-
дельная частота 27 ГГц). Разработаны кон-
цевые соединители (End launch Connectors)
2,4; 2,92 мм и SMA, включая SMA-Verend
(Vertical-End Launch), с низким уровнем
КСВН для исследования параметров копла-
нарных и микрополосковых печатных плат
(рис. 2).
Налажен выпуск кабельных сборок для
мобильных телефонов, измерительных сбо-
рок, нагрузок SMA- и N-типа, калибровоч-
ных наборов.
Кроме того, Gigalane разработала и се-
рийно выпускает арсенид-галлиевые тран-
зисторы, твердотельные GaN-усилители
мощности. Gigalane выполняет все виды дея-
тельности от оригинального дизайна до про-
изводства, при этом создаваемая продукция
соответствует военным стандартам.
В настоящее время в компании работают
100-249 человек, денежный оборот 2017 года
составил около $ 3 млн.
Withwave
Withwave Со., Ltd. (Withwave) — раз-
работчик широкого спектра тестовых ре-
шений в мм-диапазоне длин волн. Являясь
одним из ведущих поставщиков компонен-
тов мм-диапазона длин волн, для разра-
ботки передовых технологий Withwave ра-
ботает в рамках международной компании.
Разработаны соединители 2,92 мм в диапа-
зоне частот 0-40 ГГц — девять типов, 2,4 мм
(0-50 ГГц) — 13 типов, 1,85 мм (0-67 ГГц) —
четыре типа. Все соединители имеют волно-
вое сопротивление 50 Ом и максимальный
КСВН во всем диапазоне частот 1,40. Кроме
того, созданы соединители SMA (15 типов)
с улучшенными параметрами в диапазоне
частот до 27 ГГц.
Всего компания выпускает 41 соедини-
тель: 33 розетки и восемь вилок, 24 конце-
вых соединителя, восемь — для поверхност-
ного монтажа и четыре — для установки
в отверстия печатной платы. Соединители
позволяют исследовать параметры микро-
полосковых и копланарных линий на под-
ложках RO 4003С, RO 4350В, Duroid 5880.
Разработаны следующие внутрисерийные
адаптеры: 1,85-1,85 мм (три), 2,4-2,4 мм
(пять), 2,92-2,92 мм (пять), 3,5-3,5 мм (три),
SMA-SMA (четыре), а также межсерийные:
1,85-2,4 мм (четыре), 1,85-2,92 мм (четыре),
2,4-2,92 мм (четыре), N — SMA (два), все-
го 34. Продукция этой компании показана
на рис. 3.
Withwave сохраняет свою конкурентоспо-
собность, постоянно внедряя новые продук-
ты и услуги.
Корейские компании — производите-
ли радиочастотных соединителей, кабелей
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
разъемы КОМПОНеНТЫ
Таблица 2. Компании Японии — производители радиочастотных соединителей, адаптеров и кабельных сборок
№ п.п.	Компания	о z co	о z 1—	z	SMA	SMB	MCX	MMCX	Другие типы (количество, шт.)	Адаптеры для соединителей, шт.	Сборки с соединителями, шт./ кабель
1	To-Conne Co., Ltd. (TYC) www.to-co nne.co.j p	38	40	148	104	21	16	8	HN (11), RPSMA (8), 7/16 (7)	Внутрисерийные и межсерийные (60). Измерительные (11). Соединители всех выпускаемых типов	Соединители всех типов. По заявкам потребителей
2	Yuetsu Seiki Co., Ltd. www.yuetsu.co.jp	60	36	96	114	30	20	23	Micro SMP (3), SMP (6), Mini SMP (9), 1,85 мм (6), 2,92 мм (SMK) (6), HRA (2), RPSMA(15), BMA(8), 7/16(11)	Внутрисерийные (37): Micro SMP — 1,85 мм (3), Mini SMP (5), 1,85 мм (4), 2,92 мм (4), BNC (7), N (5), SMA (5), TNC (4). Межсерийные — более 50. Соединители всех выпускаемых типов	Соединители всех типов. По заявкам потребителей
3	JC Electronics Corp. www.jcel.com	31	7	—	91	22	10	14	1,85 мм (4), KS (18), SMP (27)	60 адаптеров всех серий, включая KS (5), 1,85 мм (3), SMP (9), Mini SMP (2)	По заявкам потребителей
4	Waka Manufacturing Co., Ltd. www.waka.co.jp	14	3	12	140	13	13	8	1 мм (3), 1,85 мм (27), 2,92 мм (28), SMP (5), Mini SMP (9), WPL (17), PLB (7), BMA (2)	66-мм диапазона (1); 1,85; 2,92 мм, SMP, MiniSMP. 71 — стандартные (SMA, BNC, N, TNC, SMB, WPL)	Полужесткий кабель (22): SMA (8), N (4), мм-диапазона (10). Полугибкий кабель (16): SMA (8), BNC (1), N (4), ММСХ (1), WPL (1), Mini SMP (1). Жесткий (6). Формуемый вручную (4)
5	Japan Aviation Electronics Industry, Ltd (JAE)	24	12	21	21	18	—	—	GP03 (2), CP2 (2), CF2 (7), SMT-SMB (2), CV10 (4), 7/16 (2)	35 Соединители всех выпускаемых серий	По заявкам потребителей
6	HIROSE Electric Group www.hirose.com	75	5	5	71	10	—	17	1,85 мм (1), 2,4 мм (10), 2,92 мм (9), RP SMA (17), SMA 28 (3), SMP (8), Mini SMP (3), E.FI, H.FI, N Fl, U Fl, W Fl, W.FI2, X.FI (табл. 3)	SMA (10), SMP (4), Mini SMP (4), N (6), BNC (9), BWA (26), E.FI (6), H.FI (5), N Fl (1), U.FI (4), W F (4), W.FI2 (3), X.FI (4)	Со всеми выпускаемыми соединителями. По заявкам потребителей
7	l-PEX Co., Ltd. www.i-pex.com	См. в тексте									
Рис. 5. Соединители компании Yuetsu: a) SMP; б) Mini SMP; в) HRA
и сборок выпускают широкую номенклатуру
продукции при небольшом количестве со-
трудников, прежде всего непроизводствен-
ной сферы. На примере компании HoSung
Technics Со., Ltd. (HST), www.hstcns.com
рассмотрим организационную структуру
компаний Южной Кореи (рис. 4). С момента
своего основания в 1993 году эта компания
специализируется на изготовлении различ-
ных разъемов для высокочастотных теле-
коммуникационных устройств, кабельных
сборок, делителей мощности, дуплексеров
и т.д. HoSung Technics стремится полно-
стью удовлетворить запросы клиентов, при
этом учитывая такие параметры, как вы-
сокое качество, сроки доставки и ценовая
конкурентоспособность. В разные периоды
годовой оборот компания $10-50 млн при
количестве сотрудников 51-100 человек.
Организационная структура этой компании
показана на рис. 4.
В представленной структуре семь самосто-
ятельных подразделений, пять из которых
имеют по две группы. При численности ком-
пании 51 человек в каждую группу входит
приблизительно пять сотрудников, не считая
совета директоров и команду менеджеров.
Компании Японии
TYC
To-Conne Со., Ltd. (TYC), созданная в мае
1950 года, специализируется на разработке
и производстве радиочастотных соедините-
лей, адаптеров, кабельных сборок, в том чис-
ле для мобильных приложений и компью-
теров, нагрузок (более 10 наименований),
аттенюаторов (свыше 15), антенн для теле-
коммуникационных систем, а также перифе-
рийного оборудования, материалов и метал-
лических деталей. Количество сотрудников
в компании — 50 человек. TYC выпускает
большое количество модификаций стандарт-
ных соединителей основных серий, включая
соединители обратной полярности. Кроме
того, компания предлагает соединители
с волновым сопротивлением 75 Ом для си-
стем телевидения и радиовещания. TYC сер-
тифицирована по стандартам ISO 9001:2000
(2001 год) и ISO 14001:2015 (2015 год).
Yuetsu
Yuetsu Seiki Со., Ltd. (Yuetsu) была основа-
на в декабре 1979 года для разработки, про-
изводства и продажи радиочастотных соеди-
нителей, адаптеров, кабельных сборок и раз-
личных прецизионных деталей. Годовой
оборот компании $8-10 млн. Количество
сотрудников — 74 человека. За время суще-
ствования компания разработала соедини-
тели более 15 серий. Новыми разработками
компании являются соединители с предель-
ной частотой 65 ГГц: Micro SMP, Mini SMP
(SMPM), SMV (1,85 mm), HRA — рис. 5.
Соединители HRA функционируют в диа-
пазоне частот 0-18 ГГц, максимальный КСВН
в этом диапазоне частот 1,3. Соединители,
адаптеры и кабельные сборки компании
Yuetsu применяют в системах беспроводной
связи, в оптоволоконных устройствах мм-
диапазона длин волн, в различных измери-
тельных устройствах.
JC Electronics Corp.
JC Electronics Corp. (JC Electronics) органи-
зована в Токио в 1983 году для того, чтобы
одной из первых обеспечить быстрорасту-
щую электронику Японии радиочастотны-
ми соединителями, адаптерами, кабелями,
соединителями сильноточными и высокого
напряжения, многовыводными низкочастот-
ными соединителями, лазерными диодами
Рис. 6. а) Угловые (45°) соединители для установки в отверстия печатной платы; 6) концевые соединители SMA; в) соединители SMPM одиночные;
г) в виде блока с 2 соединителями компании JC Electronics; д) в виде блока с 4 соединителями компании JC Electronics
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
36
компоненты разъемы
Рис. 7. Соединители компании Waka: а) соединители 1 мм; б) соединители PLB; в) соединители WPL
и многим другим. В настоящее время ком-
пания, в составе которой 101-500 сотрудни-
ков, экспортирует свою продукцию более
чем в 100 стран. JC Electronics производит
большинство соединителей стандартных се-
рий, включая соединители и адаптеры мм-
диапазона длин волн: V (1,85 мм) и SMPM
(Mini SMP) с предельной частотой 67 ГГц,
SMP (40 ГГц), KS (35 ГГц). Соединители KS,
разработанные JC Electronics, по-видимому,
являются аналогами соединителей 3,5 мм.
Оригинальными разработками этой ком-
пании можно считать угловые и концевые
соединители SMA и соединители SMPM
в виде блоков с двумя, четырьмя, шестью
и восемью соединителями (рис. 6).
Кроме того, компания выпускает ряд со-
единителей (MHV, С, SHV, Micro BNC) для
применения в системах телевидения и радио-
вещания.
Waka
Waka Manufacturing Со., Ltd. (Waka) осно-
вана в 1958 году как производитель электрон-
ных компонентов. Головной офис компании
находится в Токио, два завода расположены
в Нагано, кроме того, есть заводы в Китае
и Гонконге. Компания Waka активно рабо-
тает на рынке СВЧ-электроники. В 1998 году
компания получила сертификат системы ме-
неджмента качества ISO 9001, а в 2001 году —
сертификат системы экологического ме-
неджмента ISO 1401. Компания производит
широкий ассортимент продукции для СВЧ-
Рис. 8. Соединители, разработанные компанией JAE:
a) GP03; б) серия СР2; в) серии SMT—SMB; г) SMA End Launch; д) CF2
электроники: радиочастотные соединители
20 серий и приблизительно 140 различных
адаптеров, большое количество кабельных
сборок на основе кабелей всех марок, а так-
же фильтры, фазовращатели, аттенюаторы,
усилители, умножители частоты, генераторы
и другие компоненты. Waka входит в число
немногих мировых компаний, освоивших
соединители мм-диапазона длин волн всех
типов: 1 мм (предельная частота ПО ГГц —
рис. 7а), 1,85 мм (67 ГГц), 2,92 мм (40 ГГц),
SMPM (50 ГГц), SMP (40 ГГц). Соединители
собственной разработки компании —
WPL (предельная частота 18 ГГц) и PLB
(12,4 ГГц) — рис. 7б,в.
Компания Waka поставляет свою продук-
цию крупнейшим японским производите-
лям: Kyocera, Sanyo, Toshiba, Toyota, Hitachi,
Panasonic, Mitsubishi, а также известным ми-
ровым брендам General Electric, Bosch и дру-
гим. Успех компании Waka на японском
и международном рынках базируется на ее
более чем полувековом опыте.
JAE
Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. (JAE)
в августе 1953 года начала свою деятельность,
поставив цель стать ведущим производите-
лем для авиационной и космической про-
мышленности в Японии. Компания работа-
ет по трем направлениям: радиочастотные
соединители, адаптеры, кабельные сборки;
пользовательские интерфейсные решения;
аэрокосмическая промышленность.
JAE — крупная компания, состоящая
из 12 подразделений в Японии и 18 дочер-
них компаний за пределами страны. По со-
стоянию на 31 марта 2018 года количество
сотрудников в компании 5707 человек, объ-
ем продаж $253,9 млрд (с 1 апреля 2017 года
по 31 марта 2018 года). Компания JAE на-
ряду со стандартными соединителями вы-
пускает несколько серий соединителей соб-
ственной разработки. Соединитель GP03
(аналоги SMPM, GPPO) с предельной часто-
той 65 ГГц имеет КСВН во всем диапазоне
частот 0-65 ГГц не более 1,5. Компактный
соединитель СР2 обеспечивает надежное
соединение при большой аксиальной и ра-
диальной несоосности соединяемой пары
вилка-розетка. В диапазоне частот 0-5 ГГц
у него КСВН не более 1,2 и величина потерь
0,3 дБ (на частоте 3 ГГц). Предельная частота
миниатюрного соединителя CF2 с волновым
сопротивлением 50 Ом — 6 ГГц, а соедините-
ля CV10 — 3 ГГц, КСВН — 1,3 (шах). Кроме
того, разработаны концевые соединители
SMA (SMA End Launch) и SMT-SMB для по-
верхностного монтажа. Все эти соединители
показаны на рис. 8.
Hirose
Hirose Electric Group (Hirose) была создана
в августе 1937 года и входит в число лидеров
по разработке и производству радиочастот-
ных соединителей, адаптеров, кабельных
сборок высокого качества и приемлемой
цены. Компания Hirose имеет 24 офиса про-
даж по всему миру, восемь производствен-
ных объектов и пять научно-исследователь-
ских центров в 13 странах.
В настоящее время штат компании состав-
ляет 4,5 тыс. человек, а ее годовой оборот —
около $1 млрд.
Компания изготавливает широкий спектр
электронных компонентов для компьютеров,
периферийного оборудования, оборудования
для мобильных/проводных/беспроводных
коммуникаций, для автомобилей и измери-
тельных устройств. Продукция Hirose удов-
летворяет всем современным требованиям
и тенденциям развития рынка, отличается
высокой надежностью и высокими техниче-
скими характеристиками. Выпускаемые со-
единители могут быть как общераспростра-
ненными, так и эксклюзивными, для граж-
данского или для военного применения. При
этом они взаимозаменяемы с аналогичными
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
разъемы КОМПОНеНТЫ
37
Рис. 9. Ультраминиатюрные соединители
компании Hirose
Таблица 3. Ультраминиатюрные соединители
для поверхностного монтажа компании Hirose
Наимено- вание соедини- теля	Предельная частота, ГГц	Высота соединения вилки и розетки, мм	Применяемый миниатюрный кабель диаметром, мм
E.FI	2	3,2	0,81; 1,32
H.FI	3	3	1,48
N.FI	6	1,4	0,81
U.FI	6	2,3-2,4	0,81; 0,95; 1,13; 1,32; 1,37
W.FI	6	1,55; 1,85	0,81; 0,95
W.FI2	6	1,18	0,81
X.FI	6; 12	1; 1,3	0,5; 0,64; 0,81; 1,13; 1,18
сериями других производителей. Так, со-
единители HRM (Hirose Radio Miniature) —
это общеизвестные соединители SMA, со-
ответствующие требованиям стандарта
MIL-C-39012. Компания выпускает и соеди-
нители и адаптеры мм-диапазона длин волн:
1,85; 2,4 и 2,92 мм, SMP и SMPM.
Следует отметить ультраминиатюрные
соединители с предельной частотой 2, 3,
6 и 12 ГГц для поверхностного монтажа, раз-
работанные этой компанией (рис. 9, табл. 3).
I-PEX
I-PEX Со., Ltd. (I-PEX) была создана
в 1994 году в Токио. С 2001 года компания
выпускает 11 серий микрокоаксиальных со-
единителей MHF (рис. 10, табл. 4).
Соединители MHF применяют в электрон-
ных устройствах высокого класса не только
Японии, но и во всем мире благодаря по-
ставкам через дистрибьюторские компании.
Следует подчеркнуть, что I-PEX запатенто-
вал конструкцию так называемого W-point-
контакта, применяемого в выпускаемых со-
единителях.
Соединители, адаптеры и кабельные сборки
MHF используют для подключения антенн
к приемным устройствам. Соединители удач-
но подходят для приложений Wi-Fi, 4G, ЕТЕ,
5G, Bluetooth, GPS и др. Запатентованный
компанией I-PEX процесс i-Fit сборки соеди-
нителей повышает их надежность и обеспечи-
вает уменьшение КСВН на частотах до 15 ГГц.
В 2012 году I-PEX после объединения с Dai-
ichi Seiko Со., Ltd. стала отделением этой
компании и обеспечивает разработку и про-
изводство соединителей для электроники,
телекоммуникаций, робототехники, меди-
цинских и автомобильных устройств.
Другие японские компании
Несколько модификаций соединителей
мм-диапазона длин волн выпускает компа-
ния SANYU Electric, Inc.: SMP и SMMP (Mini
SMP) по пять модификаций соединителей,
внутрисерийных и межсерийных адаптеров
каждого типа.
Несколько серий соединителей и адап-
теров разработала и выпускает компания
Honda Connectors РТЕ Ltd.: BNC, N, SMB,
SMA, SMP, MMCX, MCX, 2.92 mm и адапте-
ры. Однако технической информации по па-
раметрам этих соединителей в открытой пе-
чати найти не удалось.
Заключение
В настоящее время компании Южной
Кореи и Японии выпускают радиочастотные
соединители, адаптеры, кабельные сборки
для работы в диапазоне частот 0-110 ГГц
практически всех тех серий, которые про-
изводят в США и странах Европы. В номен-
клатуру продукции компаний Южной Кореи
и Японии входят все конструктивные моди-
фикации соединителей: кабельные для гиб-
кого, полужесткого, миниатюрного кабеля,
выводы энергии, коаксиально-микрополо-
Рис. 10. Микрокоаксиальные соединители MHF
компании I-PEX
Таблица 4. Высота соединения вилки и розетки
соединителей MHF 11 серий
Соединитель	Высота соединения вилки и розетки, мм	Кабель, диаметр, мм
MHFILK	2,9	0,81; 1,13; 1,32; 1,37; 1,8
MHFI	3	
MHFII	2,1	0,81; 0,95; 1,13; 1,37
MHFIII	1,6	0,81
MHFA	1,45	1,13
MHF4L	1,2; 1,4; 1,7	0,81; 0,95; 1,13; 1,37
MHF4/4L	1,41,4	1,37
MHFSMT	1,2	1,13
MHFSMTII	0,9	
MHF5/5L	1,3	1,13
MHF6	0,8	
сковые переходы, для установки в отверстия
и на поверхность печатных плат, концевые.
Разработано и выпускается большое количе-
ство внутрисерийных и межсерийных адап-
теров и кабельных сборок с соединителями
разных серий.
Литература
1. Джуринский К. Радиочастотные соединители
Юго-Восточной Азии. Часть 1. Соединители
компаний Тайваня // Компоненты и технологии.
2019. № 1.
2. Джуринский К. Радиочастотные соединители
Юго-Восточной Азии. Часть 2. Соединители
компаний Китая // Компоненты и технологии.
2019. № 2.
Реклама
• электронных компонентов
• кабельно-проводниковой продукции
• дисплеев
• кабельных сборок
• комплексные поставки ЭКБ
Наш адрес: 197227, Санкт-Петербург,
Комендантский пр., 11, корп. В, оф. 13
тел./факс: +7 (812) 242-53-78, +7 (812) 907-84-15
www.it-elcom.ru,www.it-elcom.all.biz
e-mail: info@it-elcom.ru, it-elcom@mail.ru
“сертификаты: ГОСТ РВ 0015-002-2012, ГОСТ Р ISO 9001-2015
ELCOM
ООО «АиТи-Элком»
предлагает вашему вниманию большой выбор:
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
38
НОВОСТИ интерфейсы
Компания Microchip анонсирует ИС USB 3.1 Genl SmartHub, которая обе-
спечивает в 10 раз более высокую скорость передачи данных в существующих
решениях USB 2.0 и уменьшает время индексации, расширяя возможности
пользователей в салонах автомобилей. Микросхема USB7002 SmartHub осна-
щена интерфейсами для подключения разъемов USB Туре-С, поскольку они
становятся все более востребованными на рынке смартфонов и обеспечивают
универсальное подключение к автомобильным системам.
По мере того как производители оснащают автомобильные системы все но-
выми функциями и интегрируют их в мобильные приложения для смартфонов,
к связи по USB-интерфейсу предъявляются более жесткие требования, чтобы
обеспечить высокую надежность и скорость передачи данных. Потребители
ожидают мгновенной реакции информационно-развлекательных систем,
несмотря на то, что они выполняют сразу несколько функций, начиная с пе-
редачи данных преобразования и заканчивая воспроизведением музыки,
а также взаимодействием с пользовательскими интерфейсами. Режим пере-
дачи данных USB 3.1 со скоростью 5 Гбит/с (SuperSpeed) расширяет полосу
ИС USB 3.1 SmartHub
с поддержкой Туре-С от Microchip
и функциональные возможности приложений для более быстрой потоковой
передачи, загрузки данных и связи внутри салона автомобилей.
Потребительский спрос на ускоренную зарядку мобильных устройств при-
вел к появлению в смартфонах интерфейса USB Туре-С. В ИС USB7002 соче-
таются преимущества технологии USB 3.1 с растущей популярностью интер-
фейса USB Туре-С. ИС USB7002 обеспечивает прямое подключение по этому
интерфейсу с помощью выводов СС (Configuration channel) и встроенных
мультиплексоров 2:1, которые поддерживают двунаправленное соединение
с разъемом USB Туре-С.
Для работы с приложениями содействия водителю, установленными
на смартфонах, микросхемы SmartHub снабжены запатентованной техно-
логией FlexConnect от Microchip, обеспечивающей уникальную способность
переключаться между USB-хостом и USB-устройством. ИС SmartHub также
оснащена запатентованной технологией Multi-Host Endpoint Reflector, которая
позволяет USB-данным зеркально отражаться между двумя USB-хостами.
Эти основные функции, обеспечивающие отображение графического
пользовательского интерфейса телефона на автомобильном экране, инте-
грируются с голосовыми командами в салоне при одновременной зарядке
мобильного устройства. Водитель и пассажиры получают возможность легко
и безопасно пользоваться мобильными устройствами при управлении авто-
мобилем, совершать звонки, отправлять сообщения и следить за дорогой
с помощью подсказок.
ИС SmartHub поддерживается полным набором инструментов, включая
средство для конфигурации хабов MPLAB Connect Configurator, оценочные
платы с описаниями схем и gerber-файлами, что в целом помогает сократить
время разработки. Сервисы USBCheck компании Microchip обеспечивают
верификацию проектов и макетов до отправки печатных плат в производство,
благодаря чему существенно уменьшается время вывода конечной продукции
на рынок.
www.microchip.com
гГТр MENTOR
Светопроводник
Особенности:
• Световоды со степенью защиты IP68
• Диапазон температур: -4О...+85°С
• Возможно изготовление заказных изделий
^Автомобилестроение^
( Автоматизация J

Световоды для SMD- и ТНТ-светодиодов
ProChip
POWERED BYPROSOFT
ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР
АКТИВНЫЙ КОМПОНЕНТ ВАШЕГО БИЗНЕСА
(495)232-2522 - INFO@PROCHIP.RU - WWW.PROCHIP.RU
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
интерфейсы КОМПОНеНТЫ
39
Решение компании
Wurth Elektronik
для высокоэффективной
беспроводной передачи энергии
и данных по одному каналу
Андреас УНТЕРРАЙТМАЙЕР
(Andreas UNTERREITMEIER)
Перевод: Владимир РЕНТЮК
При существующих темпах технологического роста уже сейчас можно
с уверенностью предположить, что в ближайшем будущем большинство
электронных устройств станет заряжать свои встроенные батареи или не-
посредственно получать питание без прямой проводной связи с его источ-
ником. Однако возникает закономерный вопрос: если есть беспроводная
передача энергии, то почему бы не использовать этот же канал и для орга-
низации передачи данных? В статье дается ответ на поставленный вопрос
и практические рекомендации для его решения на основе собственной
разработки компании Wurth Elektronik eiSos.
Вступление
В связи с широким распространением беспроводной передачи энер-
гии в бытовой электронике, например в смартфонах, и доступностью
соответствующих зарядных устройств производители промышлен-
ного и медицинского оборудования обращают все больше внима-
ния на возможности и преимущества этой технологии. Ее использо-
вание предлагает новые интересные подходы, особенно в решениях,
предназначенных для индустриальных отраслей промышленности
и тех областей, где существуют жесткие условия среды с повышенной
опасностью не только для эксплуатируемого оборудования, но и для
Рис. 1. Катушки для беспроводной передачи энергии от компании Wurth Elektronik
персонала. К таким средам можно отнести строительство, взрыво-
опасные производства (в ЕС нормативы для таких сред определены
АТЕХ — директивами, описывающими регламенты для оборудования
и работы в потенциально взрывоопасной среде, в РФ в этом направле-
нии также имеются соответствующие стандарты), шахты, сельское хо-
зяйство и т. п. В частности, здесь можно заменить дорогие и уязвимые
контактные устройства, требующие не только высокой надежности,
но и искробезопасности. Это уменьшает затраты, сокращает объем
технического обслуживания и продлевает жизненный цикл конечно-
го, часто достаточно дорогого продукта, чья стоимость несоизмерима
со стоимостью его системы организации питания.
Такая бесконтактная передача энергии, к примеру, в медицинской
технике предлагает множество уже специфических для данной отрасли
преимуществ. Как известно, здесь предусмотрены особо жесткие требо-
вания к чистоте и стерильности медицинских изделий. Следовательно,
используемые устройства и системы должны быть устойчивы к воз-
действию чистящих средств и дезинфицирующих растворов из весьма
агрессивных химикатов. Бесконтактная передача энергии устраняет
необходимость в специальных разъемах, предполагающих особо надеж-
ное уплотнение, герметизацию или стойкость к дезинфекции.
Кроме того, поскольку увеличиваются объемы данных, передаваемых
по беспроводной связи, скажем через системы, использующие прото-
колы Wi-Fi, Bluetooth и т.д., то представляется разумным и подход, со-
стоящий в беспроводной передаче необходимой для этого энергии и об-
мена данными. Е[ель настоящей статьи, которая имеет практическую
направленность,— показать разработчику, как просто и эффективно
создать собственную систему бесконтактной передачи энергии мощно-
стью в несколько сотен ватт, включающую и передачу данных.
Как работает индуктивная беспроводная
передача энергии
Для передачи энергии используется технология, основанная на взаимо-
действии ближнего поля. Этот тип передачи предусматривает индук-
тивную связь на основе магнитного потока между двумя катушками.
Пример таких катушек компании Wurth Elektronik приведен на рис. 1.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
40
компоненты интерфейсы
Более подробно о выборе катушек приемника
и передатчика, а также о принципе передачи
энергии, который лежит в основе рассматри-
ваемого метода, а именно во взаимодействии
в области ближнего поля, написано в публика-
ции [ 1], а полный каталог катушек компании
Wurth Elektronik доступен по ссылке [2].
Однако остановимся на главной теме
настоящей статьи. Как показано на рис. 2,
тракт передачи энергии в общем случае со-
стоит из четырех основных компонентов.
На стороне передатчика находится катушка,
передатчик и генератор, работающий как
инвертор. На стороне приемника система
состоит из приемной катушки и выпря-
мителя, который выпрямляет напряжение
переменного тока, полученное от приемной
катушки, в напряжение постоянного тока.
Генератор создает напряжение переменного
тока возбуждения от источника входного
напряжения постоянного тока, которое за-
тем преобразуется в переменное магнитное
поле (в этом заключается особенность пе-
редачи энергии ближнего поля) через ток
в катушке передатчика LP Благодаря связи
между двумя катушками энергия передается
между катушкой передатчика L, и катуш-
кой приемника L2. Согласно закону электро-
магнитной индукции Фарадея, для любого
контура индуцированная электродвижущая
сила (ЭДС) равна скорости изменения маг-
нитного потока, проходящего через этот
контур, взятой со знаком минус. Таким об-
разом, переменный ток в передающей ка-
тушке индуцирует переменное напряжение
(ЭДС) в приемной катушке, которое затем
выпрямляется и передается уже непосред-
ственно на нагрузку.
Однако здесь мы сталкиваемся с пробле-
мой, связанной с расстоянием между пере-
дающей и приемной катушками, большим,
чем, например, в трансформаторе. При этом
паразитный магнитный поток резко увели-
чивается, и, следовательно, эффективность
передачи энергии уменьшается. Это соот-
ветствует работе трансформатора со слабой
связью. Впрочем, такое положение не смер-
тельно — все можно исправить посредством
резонансной индуктивной связи [1, 3].
С помощью резонансной индуктивной
связи диапазон и эффективность передачи
энергии могут быть существенно увеличе-
ны. Это представляет собой расширение чи-
сто индуктивной связи путем использования
конденсатора, включенного последовательно
с передающей и приемной катушками. В ре-
зультате у нас получается последовательная
резонансная LC-цепь, также называемая по-
следовательным колебательным контуром,
которому и свойственен резонанс токов, при
котором характеристическое сопротивление
такого контура стремится к нулю (на прак-
тике к активному сопротивлению катушки,
то есть ее сопротивлению по постоянному
току). Однако для достижения максималь-
но возможной эффективности при передаче
энергии резонансные частоты передающего
и приемного колебательных контуров долж-
ны быть взаимно настроены. Очень высокая
паразитная индуктивность будет практиче-
ски полностью компенсирована с помощью
конденсатора, соединенного последовательно
с катушкой. Но конструктивное исполнение
таких катушек имеет свою специфику, свя-
занную с технологией беспроводной передачи
энергии (WPT — Wireless Power Transfer), их
мы и видим на рис. 3. Резонанс между двумя
последовательными колебательными конту-
рами на выбранной резонансной частоте при-
водит к улучшенной магнитной связи между
катушками передатчика и приемника.
Такой принцип индуктивного резонансно-
го переноса энергии может быть очень лег-
ко применен на практике. Следующая глава
статьи описывает его практическое решение,
разработанное и предлагаемое компанией
Wurth Elektronik.
Практическое
применение технологии
на основе индуктивного
резонансного переноса энергии
Проектирование мостового
резонансного преобразователя
На рис. 4 показана блок-схема резонансно-
го преобразователя мостового типа, что по-
зволяет в два раза уменьшить используемое
входное напряжения.
	Генератор Г 		1										в п	г 1	1	ыпрямитель п 	,				
		1							!	1 1	1 . 1	II	1		1 1 \ 1 1 1		
		1 1 1 1 1	л о о 1 с ф										
					|			I ।	II	।	। —					
					И			и	| । Cr,t и Cr,r i Z				
													
		1 _	1 -	1 1 1 1 1 1 1	со го А о. в о 1- го о. ф £ D						1 | Ir’t^II^Jr’r 1 '		1 - 1 1 1 у д 1 1		Нагрузка
Источник	— питания \-J													
													
				—	н		/л-	"D ’ н	 Колебательный   Колебательный  I контур	11 контур	|	7 1	передатчика	11	приемника	|				
		1											
	1 1									1	1 	1	1		1 	1			
Рис. 4. Блок-схема резонансного преобразователя мостового типа
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
интерфейсы КОМПОНеНТЫ
41
Рис. 5. Принцип передачи энергии: а) во время положительной полуволны тока Iqr/lr в резонансном контуре; б) во время отрицательной полуволны тока ICR/LR в резонансном контуре
В принципиальной схеме такого преобразователя могут быть вы-
делены следующие основные части:
•	генератор с фиксированной скважностью (50%) и драйвером мо-
стовой схемы, выполненной на основе МОП-транзисторов;
•	мостовая схема из четырех ключей (МОП-транзисторов);
•	последовательный резонансный контур, состоящий из резонансно-
го конденсатора и передающей катушки технологии WPT;
•	последовательный резонансный контур, состоящий из резонансно-
го конденсатора и приемной катушки технологии WPT;
•	выпрямитель (мостовой или синхронный).
Как можно заметить, схема не является автоколебательной. Частота
переключения, которая, собственно, и является возбуждающей, опре-
деляется генератором и соответствующим образом настраивается
на резонансную частоту последовательного колебательного контура
передатчика.
Преимущества этой концепции:
•	масштабируемость от малой до очень высокой мощности (от 10 Вт
до нескольких кВт);
•	форма тока в резонансной цепи и выпрямителе является сину-
соидальной, что хорошо с точки зрения выполнения требований
в части электромагнитной совместимости (ЭМС);
•	МОП-транзисторы переключаются при нулевом напряжении,
обеспечивая очень высокую эффективность, как правило превы-
шающую 90%;
•	схема легко масштабируется для самых различных напряжений
и токов;
•	с изменением частоты переключения выходное напряжение может
быть выше или ниже, чем входное;
•	выходное напряжение можно регулировать и стабилизировать;
•	между приемником и передатчиком могут передаваться данные
в цифровой форме.
Описание работы резонансного преобразователя
мостового типа
На рис. 5 показана передача энергии между передатчиком и при-
емником. Ток (имеется в виду резонансный ток) в передающей ка-
тушке является синусоидальным и колеблется относительно нуля,
VhIGH, а-в
Плечо А-В
-4 мкс -3 мкс -2 мкс -1 мкс 0 мкс 1 мкс 2 мкс 3 мкс 4 мкс
Рис. 6. Осциллограмма сигналов на стоках ключей А-В, С-D и тока катушки в условиях:
входное напряжение U|N = 20 В, выходное напряжение UOut = 17 В,
выходной ток 1оит = 6 А, мощность на выходе Роит = 100 Вт
то есть не имеет смещения по постоянному току, которое могло бы
вызвать насыщение сердечника катушки и потери в передаче энер-
гии. Так что энергия здесь передается обеими полуволнами резо-
нансного тока Icr/lr-
На рис. 6 показаны временные диаграммы сигналов в данной резо-
нансной схеме. Сигналы в плечах С-D и А-В представляют собой изме-
нение напряжения плеч мостовой схемы. Здесь в высокой фазе VHIGH А_в
плеча А-В напряжение VL0W C_D плеча C-D — низкое, и наоборот. Как
упоминалось ранее, форма тока LRES0 в такой резонансной цепи яв-
ляется синусоидальной, и здесь можно наблюдать сдвиг фазы между
сигналами напряжения и сигналом тока. Фазовый сдвиг возникает из-
за того, что частота переключения полного моста, то есть возбуждения,
настраивается несколько выше резонансной частоты последовательно-
го резонансного контура. Рабочая точка находится в индуктивном диа-
пазоне импеданса последовательного резонансного контура, поэтому
ток будет запаздывать по отношению к напряжению.
Сдвиг импеданса в индуктивный диапазон является очень важным
для работы, поскольку только благодаря ему возможна работа в ре-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты интерфейсы
Рис. 7. Моделирование влияния нагрузки на характеристики резонанса
жиме переключения при нулевом напряжении (ZVS — zero voltage
switching), и именно это обеспечивает такую высокую эффективность
(КПД). Если фазовый сдвиг переходит в результате сдвига импеданса
в емкостный диапазон, ток опережает напряжение и преобразователь
уже не работает в режиме ZVS, а переходит в режим переключения
с нулевым током (ZCS — zero-current switching). Работа в режиме ZCS
приводит к более высоким потерям при передаче, поскольку ток
жестко коммутируется ключами и проходит через защитные диоды,
встроенные в корпуса МОП-транзисторов. При неблагоприятном
стечении обстоятельств это может привести к повреждению (отказу)
транзисторов ключей.
Связь между частотой переключения
и резонансной частотой
Слева на рис. 7, где показаны результаты моделирования с исполь-
зованием инструмента REDEXPERT Design Tool компании Wurth
Elektronik [4] (видео доступно по ссылке [5]), изображена упрощен-
ная модель этой схемы. Представлена только резонансная схема пере-
датчика и приемника, что достаточно для рассмотрения предлагаемо-
го решения.
Итак, схема слева на рис. 7 показывает две последовательные резо-
нансные схемы, соответственно на стороне передатчика и приемни-
ка. Они представляют собой два резонансных контура, показанных
ранее на рис. 4. На каждой стороне находится конденсатор емкостью
400 нФ и катушка WPT (номер для заказа по каталогу компании Wurth
Elektronik — 760308102142) индуктивностью 5,8 мкГн [6] (полный ка-
талог катушек доступен по ссылке [2]). Оба колебательных контура на-
строены в резонанс относительно друг друга. Для моделирования нам
нужен коэффициент связи между передающей и приемной катуш-
ками, который зависит от расстояния между ними. В нашем примере
мы установили расстояние до 6 мм, в результате коэффициент связи
составил 0,537 (округленно 0,54). Эта величина была определена путем
измерения. Резонансная частота системы, состоящей из передатчика
и приемной катушки, составляет примерно 100 кГц.
На графике Боде с правой стороны частота показана на оси X, а уси-
ление — на оси Y. При усилении, равном единице (Vgain-Vin), все кри-
вые различных условий нагрузки проходят через одну точку. В на-
шем примере это происходит при частоте 155 кГц, что соответствует
частоте возбуждения передающего контура. Как уже говорилось,
40 В
зов
20 В
10В
ов
-10 В
-20В
-зов
Напряжение узла
-4 мкс -3 мкс -2 мкс -1 мкс 0 мкс 1 мкс 2 мкс 3 мкс 4 мкс
16А
12А
8А
4А
0А
-4 А
-8 А
-12 А
-16 А
Рис. 8. Частота возбуждения, форма тока катушки и ток намагничивания при условиях:
входное напряжение U,N = 20 В, выходное напряжение UOut = 17 В,
выходной ток 1оит = 6 А, мощность на выходе Роит = 100 Вт
частота возбуждения выбрана выше, чем собственная резонансная
частота контура, и здесь мы легко можем понять почему. Следующая
осциллограмма, приведенная на рис. 8, показывает напряжение с ча-
стотой возбуждения (выход узла A-B/C-D) и резонансный ток LRES0.
Выполненное измерение показывает, что оптимальная часто-
та возбуждения приблизительно равна 150 кГц. Это очень похо-
же на результаты, полученные при моделировании. Из двух диа-
грамм, представленных на рис. 8,— формы напряжения на выходе
коммутационного узла A-B/C-D (оранжевая линия) и резонансно-
го тока последовательного резонансного контура на стороне пере-
датчика Lreso — видно, что полная передача энергии между пере-
датчиком и приемником происходит во время каждой полуволны.
Резонансный ток достигает тока намагничивания каждый раз, когда
ключи моста переключаются, так что система в этих условиях ра-
ботает с максимальной эффективностью. На стороне передатчика
МОП-транзисторы отключаются при напряжении сток/исток около
1 В (работа в режиме ZVS), которое зависит от характеристик обрат-
ного диода в МОП-транзисторах. Согласно спецификации на транзи-
сторы, используемые в предлагаемой схеме, типичное значение этого
напряжения составляет 0,93-1,2 В.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
интерфейсы КОМПОНеНТЫ
43
Рис. 9. Диаграмма передачи данных между приемником Data,N и передатчиком Data0UT при условиях: входное напряжение U,N = 20 В,
выходное напряжение U0UT = 17 В, выходной ток 1оит = 6 А, мощность на выходе Роит = 100 Вт, частота несущей 150 кГц
На стороне приемника выпрямительные
диоды или синхронный выпрямитель рабо-
тают в режиме ZCS (переключение нулевого
тока). Если ток в резонансной цепи (на сто-
роне приемника) достигает нуля или резо-
нансный ток на стороне передатчика дости-
гает тока намагничивания, ток мягко комму-
тируется между двумя ответвлениями моста
в выпрямителе.
Обратите внимание, что можно поменять
выходное напряжение, изменив частоту воз-
буждения колебательного контура. Если ча-
стота возбуждения уменьшается, то рабочая
точка перемещается в сторону резонансной
частоты и выходное напряжение, соответ-
ственно, увеличивается, а если частота воз-
буждения контура увеличивается, рабочая
точка смещается от его резонансной частоты
и выходное напряжение уменьшается. Это
весьма важный момент для нашего последу-
ющего обсуждения. Для более глубокого по-
нимания процесса обратимся снова к рис. 8.
Передача данных
между передатчиком и приемником
Описанный выше тип связи для передачи
энергии также позволяет передавать данные
между передатчиком и приемником и на-
оборот. Достаточно просто реализовать та-
кую передачу, модулируя переменное поле
между катушками. В качестве иллюстрации
используйте осциллограмму, приведенную
на рис. 9.
Передача данных осуществляется после-
довательно со скоростью около 9,6 кБод.
Желтая линия показывает поток данных
от приемника, а зеленая линия — демоду-
лированный сигнал на выходе передатчи-
ка. В нашем примере данные передаются
из WPT-катушки приемника в WPT-катушку
передатчика. Практическим примером при-
менения данного решения является датчик
давления, температуры, но не только. Здесь
может иметь место самая широкая область
использования.
Генератор
Выпрямитель
Источник
питания
Рис. 10. Принцип передачи данных от приемника к передатчику
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
44
компоненты интерфейсы
Как показано на рис. 10, датчик, подклю-
ченный к катушке приемника, получает
энергию через связь с катушкой ее передат-
чика, а данные с датчика одновременно по-
сылаются на передатчик необходимой для
обеспечения его функционирования энер-
гии. Передача данных идет через ту же самую
WPT-катушку.
На стороне приемника (источник данных)
к существующему конденсатору резонансно-
го контура с помощью ключей подключает-
ся дополнительный конденсатор, который
сдвигает его резонансную частоту в сторо-
ну уменьшения. Эти ключи (здесь исполь-
зуются МОП-транзисторы) подключены
к выходу UART микроконтроллера (рис. 10)
через драйвер и играют роль модулятора,
обеспечивая амплитудную модуляцию (AM)
несущей, в роли которой выступает сигнал
передачи энергии. Демодулятор AM и кон-
троллер UART получают данные от модули-
рованного сигнала на катушке передатчика.
Данные на стороне передатчика могут ото-
бражаться на ЖК-дисплее или отправляться
через дополнительный радиочастотный мо-
дуль в любой вид облачного сервиса.
Описание схемы измерения
С топологией схемы, представленной
на рис. 10, возможна беспроводная передача
очень большой энергии с уровнем в несколь-
ко десятков кВт. Причем могут быть пере-
даны и энергия, и данные. Практическая
реализация такого решения представлена
на рис. 11,12.
Для того чтобы адаптировать предлагае-
мое решение к нуждам своего приложения,
разработчик конечного оборудования мо-
жет модифицировать или расширить схему
по своему желанию или исходя из тех или
иных требований. Поскольку здесь могут
передаваться данные, причем методом ам-
плитудной модуляции, то, возможно, потре-
буется стабилизация выходного напряжения
или как минимум его фильтрация.
Для достижения высокой эффективности
и максимально компактной конструкции,
наряду со схемотехническим решением тако-
го устройства, решающее значение имеют ка-
Рис. 11. Схема измерения характеристик системы одновременной передачи энергии и данных
тушки передатчика и приемника. Компания
Wurth Elektronik eiSos предлагает разработ-
чикам таких систем катушки с наивысшей
добротностью в соответствующем конструк-
тивном исполнении и широкий ассортимент
выбора такой продукции. В результате могут
быть достигнуты высокие значения индук-
тивности, что позволяет использовать в ре-
зонансных цепях небольшие конденсаторы.
Кроме того, для достижения более высокой
номинальной мощности компанией Wurth
Elektronik для изготовления таких катушек
используются только высокочастотный мно-
гожильный провод (с меньшими потерями
для переменного тока) и высококачествен-
ный ферритовый материал (с высокой маг-
нитной проницаемостью). На практике это
означает максимальную эффективность с от-
личными свойствами в части электромагнит-
ной совместимости [7]. Дополнительную ин-
формацию по рассматриваемым проблемам
можно найти по ссылке [8], а бесплатные
инструменты для проектирования, предлага-
емые компанией Wurth Elektronik, доступны
по ссылке [9].
Литература
1.	Рагху Н. Перевод: Рентюк В. Выбор катушек
для беспроводных зарядных устройств // Ком-
поненты и технологии. 2015. № 9.
2.	Produkt Katalog. www.we-online.com/products
3.	Надлер А., Сом К. Перевод, дополнения и ком-
ментарии: Рентюк В. Беспроводная передача
энергии большой мощности для устройств, ра-
ботающих в условиях индустриальной среды //
Компоненты и технологии. 2017. № 7, 8.
4.	REDEXPERT Design Tool.
www.we-online.com/redexpert
5.	REDEXPERT: Wireless Power Transfer (WPT) —
Mix and Match Wireless Power Coils.
www.youtube.com/watch?v=vtpES9au3Mo
6.	WE-WPCC Wireless Power Transfer Transmitter
Coil, www.katalog.we-online.de/en/pbs/
WE-WPCC-TRANSMITTER/760308102142
7.	Рентюк В. Решение проблемы магнитного экра-
нирования на примере материалов компании
Wurth Elektronik // Компоненты и технологии.
2015. № 8.
8.	Application Notes, www.we-online.com/app-notes
9. Toolbox, www.we-online.com/toolbox
Рис. 12. Связь для передачи энергии между передатчиком и приемником и передачи данных между приемником и передатчиком через катушки WPT компании Wurth Elektronik
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
АТТЕСТАЦИЯ
испытательного оборудования
Головной организацией по проблеме метрологического обеспечения обороны ФГУП ВНИИФТРИ был
РАСШИРЕН ПЕРЕЧЕНЬ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ, АТТЕСТАЦИЮ КОТОРОГО ИМЕЕТ
ПРАВО ОСУЩЕСТВЛЯТЬ АО «ТЕСТПРИБОР»:
	безэховые
экранированные камеры
	климатические камеры
(термогигрокамеры)
	камеры повышенного
давления
	камеры пониженного
атмосферного давления
	стенды вибрационные
	стенды ударные
	центрифуги
	камеры статической
и динамической пыли
	камеры соляного тумана
	испытательное
оборудование
(комплексы)
для испытаний
на воздействие
электрических
и радиотехнических
величин
	испытательное обору-
дование (комплексы)
для воспроизведения
электростатических
разрядов
	специальное испытатель-
ное оборудование, испы-
тательные комплексы
Реклама
На основании экспертного заключения № 10.001-2017 АО «ТЕСТПРИБОР»
предлагает услуги по проведению аттестации испытательного оборудования:
	Первичная,
периодическая
и повторная
аттестация
испытательного
оборудования
	Разработка
и согласование
программ и методик
аттестации
испытательного
оборудования
	Метрологическая
экспертиза программ
и методик аттестации
с выдачей заключения
по ее результатам
АО «ТЕСТПРИБОР»:
125480, г. Москва,
ул. Планерная, д. 7А,
тел./факс: (495) 657-87-37,
tp@test-expert.ru,
www.test-expert. ru
на правах рекламы
^ИНТЕГРАЛ
Новые ИМС категории качества «ВП»
разработки и производства ОАО «Интеграл»
В статье анонсированы новинки от ОАО «Интеграл» —
ИМС категории качества «ВП» цифрового датчика темпе-
ратуры 5019ЧТ2Т, а также ИМС категории качества «ВП»
низковольтных быстродействующих приемопередатчи-
ков интерфейса LVDS 5560ИН9У и 5560ИН10У.
ИМС категории качества «ВП»
цифрового датчика температуры 5019ЧТ2Т
5019ЧТ2Т представляет собой микросхему цифрового датчика
температуры с интерфейсом типа 1-Wire, которая предназначена для
цифрового измерения температуры и используется в аппаратуре,
устойчивой к воздействию СВВФ.
Таблица 1. Электрические параметры микросхемы при приемке и поставке
Наименование параметра, единица измерения, режим измерения		Буквенное обозначение параметра	Норма параметра не мен«е не более		Темпера- тура среды, °C
Статические параметры					
Входной ток на выводе DQ, мкА при Ucc = 5,5 В, U|H = 5,5 В		li	—	13,5	+25 ±10
				15	-60...+ 125
Выходной ток низкого уровня на выводе DQ, мА	при Ucc = 5,5 В, U|L = 0, UIH = 5,5 В, Uo = 0,4B	Iol	4,2	—	+25 ±10
	при Ucc = 3 В, U|L = 0, UIH = 3B, Uo = 0,4B		4		-60...+ 125
Ток потребления, мкА	при Ucc = 5,5 В, U|H = 5,5 В	кс	—	4,7	+25 ±10
	при Ucc = 5,5 В, U|L = 0			5	-60...+ 125
Динамический ток потребления, мкА при Ucc = 5,5 В, U|L = 0, U|H = 5,5 В		ксс	—	1450	+25 ±10
				1500	-60...+ 125
Ошибка измерения температуры, °C при Ucc = 3 В, Ucc = 5,5 В		Terr	-1,6	1,6	+25 ±10
			-2	2	-60...+ 125
Количество циклов записи ЭСППЗУ при Ucc = 5,5 В		Ncyw	50000	—	+25 ±10
			1000		-60...+ 125
Динамические параметры (Ucc = 3; 5,5 В)					
Время цикла измерения температуры, мс	дискретность показаний 0,0625 °C	+oNV	—	700	+25 ±10
	дискретность показаний 0,5 °C		—	93,75	-60...+ 125
	дискретность показаний 0,25 °C		—	187,5	
	дискретность показаний 0,125 °C		—	375	
	дискретность показаний 0,0625 °C		—	750	
Длительность сигнала присутствия высокого уровня, мкс		twHPD	15,75	57	+25 ±10
			15	60	-60...+ 125
Длительность сигнала присутствия низкого уровня, мкс		twLPD	63	228	+25 ±10
			60	240	-60...+ 125
Время цикла записи ЭСППЗУ, мс		+yW	—	10	+25 ±10, -60...+ 125
Длительность сигнала сброса низкого уровня, мкс		twLRST	480	960	
Длительность сигнала сброса высокого уровня, мкс		twHRST	480	—	
Временной интервал данных, мкс		tsLOT	60	120	
Время восстановления, мкс		IrEC	1	—	
Длительность низкого уровня при записи «0», мкс		*WL_0	60	120	
Длительность низкого уровня при записи «1», мкс		twL_1	1	15	
Длительность низкого уровня при чтении данных, мкс		twLRD	—	15	
Микросхема изготавливается в металлокерамическом корпусе типа
4112.8-1.01 и функционирует при температуре среды-60...+125 °C.
Функциональным аналогом микросхемы 5019ЧТ2Т является ми-
кросхема DS18B20 компании Maxim-Dallas Semiconductor.
Технические условия: АЕЯР.431320.855-02 ТУ.
Электрические параметры микросхемы приведены в таблице 1,
а система команд — в таблице 2.
Основные технические характеристики микросхемы:
•	преобразование значения температуры в цифровой код с програм-
мируемой пользователем точностью представления температуры:
9-12 бит;
•	наличие сигнала предупреждения о превышении температурой
запрограммированных пользователем пороговых значений;
•	наличие в каждой микросхеме 64-битного уникального номера,
недоступного для изменения пользователем;
•	запись/чтение данных из памяти, передача данных по однопровод-
ному интерфейсу;
•	возможность питания от линии данных, от элемента питания;
•	напряжение питания Ucc: 3-5,5 В;
•	допустимое значение потенциала статического электричества: 2000 В;
•	минимальное значение тока защелкивания: 100 мА при Та = +25 °C.
Микросхема 5019ЧТ2Т должна быть стойкой к воздействию спе-
циальных факторов 7.И, 7.К по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с характеристи-
ками 7.И1-4Ус; 7.И6-0,04х1Ус; 7.И7-10х1Ус; 7.КГ1К; 7.К4-0,06х1К,
7.КИ (7.К12) — до уровня 60 МэВ см2/мг по катастрофическим отка-
зам и тиристорному эффекту.
Планируемый срок начала освоения в серийном производстве
микросхемы 5019ЧТ2Т — второй квартал 2019 года.
Таблица 2. Система команд
Команда	Код команды	Описание команды
Read ROM (чтение ЭСППЗУ UID)	[33h]	Читать ЭСППЗУ UID (уникальный код)
Match ROM (соответствие ЭСППЗУ UID)	[55h]	Сопоставить данные ЭСППЗУ UID (уникальный код)
Skip ROM (пропуск ЭСППЗУ UID)	[CCh]	Пропустить сравнение данных ЭСППЗУ UID (уникальный код)
Search ROM (поиск ЭСППЗУ UID)	[FOh]	Искать ЭСППЗУ UID (уникальный код)
Alarm Search (поиск аварии)	[ECh]	Поиск сигнала предупреждения
Convert Т* (конвертирование температуры)	[44h]	Инициализировать преобразование температуры
Read Scratchpad (чтение памяти)	[BEh]	Читать байты из ОЗУ и читать байт CRC-кода
Write Scratchpad (запись в память)	[4Eh]	Записывать данные байтов 2, 3 и 4 в ОЗУ
Copy Scratchpad (копирование ОЗУ в ЭСППЗУ)	[48h]	Копировать данные из ОЗУ в ЭСППЗУ
Recall Е2 (повторная загрузка)	[B8h]	Перенос данных из ЭСППЗУ в ОЗУ
Read Power Supply (вид электропитания)	[B4h]	Выдача данных о режиме питания ИМС
Примечание. *Время включения питания микросхем через вывод DQ
после команды Convert Т не более 10 мкс.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
на правах рекламы
47
Таблица 3. Электрические параметры микросхем при приемке и поставке (при Ucc = 3—3,6 В)
Условное обозначение микросхемы	Наименование параметра, единица измерения, режим измерения		Буквенное обозначение параметра	Норма параметра		Темпера- тура среды, °C
				не менее	не более	
	Ток потребления, мА	активный режим, приемник не нагружен, нагрузка передатчика RL = 100 Ом	*СС1	—	20	
5560ИН9У		передатчик выключен, приемник разрешен, без нагрузки	кс2	—	6	+25 ±10,
5560ИН10У	Выходной ток низкого уровня в состоянии «Выключено» при Uo = 0, мкА		*OZL	—	|-Ю|	- 60...+ 125
	Выходной ток высокого уровня в состоянии «Выключено» при 110 = Ucc, мкА		'ozh	—	10	
Электрические параметры приемника						
	Выходное напряжение низкого уровня при l0L = 8 мА, В		UqL	—	0,4	
	Выходное напряжение	'он — 8 мА	Uqh	2,4	—	
5560ИН9У 5560ИН10У	высокого уровня, В	'он = —4 мА		2,8	—	
	Входной ток	U, = 0		l"2|	|-20|	+25 ±10, - 60...+125
	по входам А или В, мкА	и, = 2,4 В	h	Н,2|	—	
	Входной ток при выключенном питании по входам А или В при Ucc = 0, мкА		'l(OFF)	—	|±20|	
5560ИН10У	Дифференциальный входной ток, мА, UID = 0,4 В, UIC = 0,2 В, UID = 0,4 В, UIC = 2,2 В		ho	3	4,4	
Электрические параметры передатчика						
	Выходное дифференциальное напряжение при RL = 100 Ом, мВ		UqD	|±247|	|±454|	
	Разность выходных дифференциальных напряжений при RL= 100 Ом, мВ		auod	-50	50	
	Выходное напряжение смещения относительно общего вывода, В Rl = 49,9 Ом		Uqc	1,125	1,375	
	Разность выходных напряжений смещения относительно общего вывода, мВ Rl = 49,9 Ом		AUqc	-50	50	
5560ИН9У 5560ИН10У	Размах выходного напряжения смещения относительно общего вывода при переключении, мВ Rl = 49,9 Ом, CL = 10 пФ		Uqcpp	—	150	+25 ±10, - 60...+ 125
	Входной ток низкого уровня	по входам D, DE при Щ = 0,8 В, мкА	'ild	—	10	
	Входной ток высокого уровня по входам D, DE при U|H = 5 В, мкА		l|HD	—	20	
	Ток короткого	Uqy = 0		—	|-Ю|	
	замыкания, мА		'os	—	10	
	Выходной ток	UDE = 0’ Uqy = Uqy = 0		—	|±1|	
	в выключенном состоянии, мкА	Ucc < 1,5 В, UDE = Ucc, U0Y = иОу = 0	'o(OFF)	—	|±1|	
имс
категории качества «ВП»
низковольтных
быстродействующих
приемопередатчиков
интерфейса LVDS
5560ИН9У и 5560ИН10У
Микросхемы 5560ИН9У и 5560ИН10У —
низковольтные быстродействующие приемо-
передатчики интерфейса LVDS с напряжени-
ем питания 3,3 В для применения в аппарату-
ре специального назначения.
Микросхемы изготавливаются в малогаба-
ритных металлокерамических корпусах типа
5119.16-А и функционируют при температу-
ре среды-60...+125 °C.
Функциональными аналогами микро-
схем 5560ИН9У и 5560ИН10У являются со-
ответственно микросхемы SN65LVDS179
и SN65LVDS180 компании Texas Instruments.
Технические условия: АЕЯР.431200.765-09 ТУ.
Электрические параметры микросхем ука-
заны в таблице 3, таблица истинности пере-
датчика — таблица 4, таблица истинности
приемника — таблица 5.
Таблица 4. Таблица истинности передатчика
Входы		Выходы	
D	DE	Y	Y
Н	Н	Н	L
L	Н	L	Н
Открыт	Н	L	Н
X	L	Z	Z
Н — высокий уровень напряжения;
L — низкий уровень напряжения;
X — низкий или высокий уровень напряжения;
Z — выход в состоянии «Выключено»
Таблица 5. Таблица истинности приемника
Входы	Выход
ию = А-В	R
ию > +100 мВ	Н
-100 мВ< ию<+100мВ	*
ию<—100 мВ	L
Открыт	Н
X	Z
Н — высокий уровень напряжения;
L — низкий уровень напряжения
X — низкий или высокий уровень напряжения;
Z — выход в состоянии «Выключено».
* Неопределенное состояние
Микросхемы 5560ИН9У и 5560ИН10У
должны быть стойкими к воздействию спе-
циальных факторов 7.И, 7.К по ГОСТ РВ
20.39.414.2 с характеристиками 7.И1-4Ус;
7.И6-4Ус; 7.И7-4Ус; 7.Кг2К; 7.К4-1К, 7.Ки
(7.К12) — до уровня 60 МэВ см2/мг по катастро-
фическим отказам и тиристорному эффекту.
Планируемый срок начала освоения в се-
рийном производстве микросхем 5560ИН9У
и 5560ИН10У — первый квартал 2020 года.
ОАО «ИНТЕГРАЛ» —
управляющая компания холдинга
«ИНТЕГРАЛ»,
г. Минск, Республика Беларусь
integraLby
E-mail: ATitov@integral.by
Тел.: (+37517) 298-97-43
Факс: (+37517) 398-72-03
ПРАИ
Электронная аппаратура для |
ответственных применений jj
- Серийное производство электронных
модулей и приборов
- Контрактная разработка и
инженерное сопровождение
ПЛАТЫ ПЕЧАТНЫЕ
опытное и серийное производство,
проектирование, монтаж
КОНТРАКТНАЯ РАЗРАБОТКА
 Контрактное производство
высокотехнологичной электроники,
в т.н. монтаж BGAc рентген-контролем
Париленовое влагоэ
покрытие
www.granit-vt.nj
e-mail; mail@granit-vt.com
АО ТРАНИТ-ВГ тел/факс: В (812) 274-О4 4В
191014. Санкт-Петербург, ул. Госпитальная 3
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
ПАТРОНАЖ ТПП РФ
17-19
СЕНТЯБРЯ 2019
КВЦ«ЭКСП0Ф0РУМ»
V
powered by
productronica
IIIIIIIIII
fyJel
XIX МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
& ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ И
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ И ДРУГИЕ
НОСИТЕЛИ СХЕМ
э КОНСТРУКТИВЫ
 МАТЕРИАЛЫ
ТЕХНОЛОГИИ
СВЕТОДИОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
В ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
И ИНСТРУМЕНТЫ
 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ И ЛАБОРАТОРНОЕ
РОБОТОТЕХНИКА
ООО Мессе Мюнхен Рус»

ОБОРУДОВАНИЕ
VI АНИЗА Г II'ВЫМАНИМ-
Р МГЖД • -* ’(’11ЛН1 ’  ’ П А Е ИЛ>ин А
radelexpo.ru
(812) 777-04-07
компоненты
49
Новые компоненты TI
для построения
измерительных каналов
Святослав ЗУБАРЕВ
Измерение и обработка аналоговых сигналов является одной из важных
задач при создании систем промышленной автоматизации, систем кон-
троля и учета, систем типа «умный дом» и т. д. Компания Texas Instruments
предоставляет разработчикам весь необходимый перечень компонентов
и устройств для разработки таких систем.
Ни одно электронное устройство, ра-
ботающее с аналоговыми сигналами,
не может обойтись без так называ-
емого измерительного канала (тракта), от-
вечающего за восприятие информации о со-
стоянии объекта и последующее преобразо-
вание этой информации в форму, удобную
для передачи и обработки.
В общем случае измерительный канал со-
стоит из нескольких звеньев (рис. 1): входной
сигнал, получаемый с датчика или от какого-
либо другого источника, поступает на уси-
литель через мультиплексор или напрямую.
Главная задача усилителя — это нормирова-
ние/усиление сигнала до оптимального для
АЦП уровня. АЦП, в свою очередь, произ-
водит оцифровку сигнала в соответствии
с уровнем напряжения источника опорного
напряжения (ИОН), после чего сигнал по-
ступает на процессор, где проходит итоговую
обработку.
Широкий спектр задач и большая зависи-
мость стоимости от характеристик произво-
дительности контроллера стали причиной
появления широкого перечня готовых к при-
менению микропроцессоров, от простых
и дешевых до самых высокоэффективных.
Исходя из потребностей каждая фир-
ма — производитель электронных компо-
нентов старается предоставить пользовате-
лям весь необходимый набор компонентов
Таблица 1. Характеристики усилителей ОРАх187
Наименование	ОРА 187	ОРА2187	ОРА4187
Rai l-to- Rail	По выходу		
Ток смещения входного сигнала	100 пА		
Максимальное входное напряжение смещения	10 мкВ		
Температурный дрейф	0,001 мкВ/°С		
Максимальная скорость нарастания выходного сигнала	0,2 В/мкс		
Уровень шума	15 нВ/л/Гц		
Диапазон рабочих температур	-40...+125 °C		
Напряжение питания	±2,25...±18 В		
Корпус	SOIC (8) SOT-23 (5) VSSOP (8)	SOIC (8) VSSOP (8)	SOIC (14) TSSOP(14) WQFN (16)
Рис. 1. Обобщенная структурная схема измерительного тракта
для реализации измерительных трактов.
К числу таких компаний относится и фирма
Texas Instruments, предоставляющая гибкие
решения аппаратного обеспечения для раз-
личных применений.
Новые усилители ОРА
Не так давно компания Texas Instruments
выпустила новые операционные усилители
из семейства ОРА.
V+
V-
Рис. 2. Структурная схема ОРА187
ОРАх187 — серия операционных усили-
телей, построенных с применением техноло-
гии Auto Zero. В AutoZero-усилителях путем
цифровой коррекции уменьшается напряже-
ние смещения нуля, а также температурный
и временной дрейф этого смещения. Кроме
того, относительно классической схемы опе-
рационного усилителя, ОУ с AutoZero имеют
значительно меньший уровень шумов, воз-
никающих от переключений. Усилители се-
рии ОРАх187 характеризуются напряжением
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
50
компоненты
Таблица 2. Характеристики операционного усилителя
ОРА828
Наименование	ОРА828
Rail-to-Rail	По выходу
Ток смещения входного сигнала	1 пА
Напряжение смещения	50 мкВ
Температурный дрейф	0,45 мкВ/°С
Ширина полосы пропускания	45 МГц
Максимальная скорость нарастания выходного сигнала	150 В/мкс
Уровень шума	4 нВ/л/Гц
Диапазон рабочих температур	-40...+125 °C
Напряжение питания	±4...±18В
Корпус	8-pin SOIC
смещения около 1 мкВ и стремящимся к нулю
температурным дрейфом (0,001 мкВ/°С).
Кроме того, ОРАх187 построены с использо-
ванием rail-to -rail-технологии, то есть сигна-
лы этих ОУ могут достигать по величине на-
пряжений питания с отклонением в данном
случае не более 5 мВ. Более подробные харак-
теристики указанных усилителей приведены
в таблице 1. Структурная схема усилителя
ОРА187 отображена на рис. 2.
По сравнению с другими аналогичными
усилителями от Texas Instruments, ОРАх187
имеют меньший температурный дрейф:
0,001 мкВ/°С против 0,1 мкВ/°С у ОРАх180
и 0,03 мкВ/°С у ОРА188, а также более низ-
кое напряжение смещения: 10 мкВ против
75 мкВ у ОРАх180 и 25 мкВ у ОРА188, одна-
ко отличаются чуть более высоким уров-
нем шума: 15 нВ/у/Гц против 10 нВ/у/Гц
у ОРАх180 и 8,8 иВЛТц у ОРА188.
Области применения ОРАх187:
•	усилитель для мостовых схем;
•	тензодатчики;
•	испытательное и измерительное оборудо-
вание;
•	измерение температуры;
•	электронные весы;
•	медицинское оборудование;
•	RTD-усилитель;
•	точные активные фильтры;
•	контроль тока низкого уровня.
ОРА828 — JFET-усилитель следующего
поколения ОРА627 и ОРА827, совмещаю-
Рис. 4. Структурная схема ОРА22Ю
щий высокую точность и быстродействие.
Операционные усилители с входами КМОП
и JFET, как правило, выбирают из-за низкой
величины входного тока. Однако при их при-
менении следует учесть некоторые особенно-
сти: на операционных усилителях, построен-
ных на базе полевых транзисторов с управ-
ляющим р-77-переходом (JFET-входами), вход
транзистора представляет собой р-и-переход,
и его ток утечки вносит наибольший вклад
в конечное значение входного тока смеще-
ния. Физически этот р-и-переход больше, чем
у включенных параллельно ограничительных
диодов, использованных в операционных
усилителях на базе КМОП, а значит, выше
и его ток утечки. Несмотря на JFET-структуру,
ОРА828 имеет ток смещения всего 1 пА, что
в 10 раз меньше, чем у усилителя предыдущей
серии (10 пА у ОРА827). Также ОРА828 обла-
дает низким напряжением смещения (около
50 мкВ против 150 мкВ у ОРА827), низким
температурным дрейфом (0,45 мкВ/°С против
2 мкВ/°С у ОРА827), низким уровнем шума
(4 НВЛ/Гц). ОРА828 работает в расширенном
диапазоне питания (от ±4 В до ±18 В) с током
потребления 5,5 мА. Кроме того, ОРА828 име-
ет высокую скорость нарастания выходного
сигнала (150 В/мкс против 28 В/мкс у ОРА827)
и ширину полосы пропускания 45 МГц. Более
подробные характеристики данных усилите-
лей приведены в таблице 2. Структурная схе-
ма усилителя ОРА828 отображена на рис. 3.
Области применения ОРА828:
•	сбор данных (DAQ);
•	оптические модули;
•	сейсмическое оборудование;
•	смешанные модули;
•	ультразвуковые сканеры.
Усилители ОРА22Ю представляют собой
следующее поколение усилителей ОРА2209.
ОРА22Ю построен с использованием фир-
менной технологии TI super-р, которая обе-
спечивает ультранизкий уровень шума (око-
ло 2,2 нВЛ/Гц) при токе потребления 2,5 мА,
Таблица 3. Характеристики операционного усилителя
ОРА22Ю
Наименование	ОРА22Ю
Ток смещения входного сигнала	0,3 нА
Напряжение смещения	5 мкВ
Температурный дрейф	0,1 мкВ/°С
Ширина полосы пропускания	18 МГц
Максимальная скорость нарастания выходного сигнала	6,4 В/мкс
Уровень шума	2,2 нВ/лТц
Диапазон рабочих температур	-40...+125 °C
Напряжение питания	±2,25... ±18 В
Корпус	8-pin VSSOP
низкий уровень напряжения смещения (мак-
симум 35 мкВ против 150 мкВ у ОРА2209,
не использующих super-р), а также низкий
уровень температурного дрейфа (максимум
0,6 мкВ/°С). Данный усилитель также по-
строен с применением технологии rail-to-rail,
которая помогает увеличить динамический
диапазон напряжений. Более подробные ха-
рактеристики данных усилителей приведены
в таблице 3. Структурная схема усилителя
ОРА22Ю отображена на рис. 4.
Области применения ОРА22Ю:
•	ультразвуковые сканеры;
•	медицинское оборудование;
•	коммерческие сети и PSU-серверы;
•	полупроводниковое оборудование;
•	PLL-фильтры;
•	лабораторное оборудование;
•	высокопроизводительные драйверы А1ДП;
•	высокопроизводительные выходные уси-
лители ЦАП;
•	профессиональные аудио предусилители.
Новые АЦП
ADS125H0xm ADS126X
Еще один немаловажный компонент из-
мерительного тракта — аналого-цифровой
преобразователь. Не так давно компания
Texas Instruments выпустила новые АЕ[П
ADS125H01, ADS125H02 и ADS1260, ADS1261.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
компоненты
51
REFPO REFNO REFOUT
СЮ------Q-----
15В
Ref
Мультиплексор
Монитор
AINO
AIN1
AINCOM
PGA
фильтр
Чтение
Мониторы
-15 В
Встроенный
осциллятор
Возб. датчика
Ток
Датчик
темпе- —
ратуры
24-бит II Цифровой
AS АЦП
Только ADS125H02
REFP1/GPIOO
REFN1/GPIO1
GPIO2
GPIO3
IDAC1
IDAC2
GPIO
о
X
со
Рис. 5. Структурная схема ADS125H02
ADS125H01 и ADS125H02 представля-
ют собой 24-битовые, 40-кГц, дельта-сигма
(AS) аналого-цифровые преобразователи
с широким входным диапазоном измерений
(от ±20 мВ до ±20 В), входным сопротивле-
нием 1 ГОм и встроенным усилителем с про-
граммируемым коэффициентом усиления
(PGA), а также источником опорного напря-
жения с низким уровнем шума. Встроенный
PGA позволяет обходиться без внешних схем
усиления. Встроенный ИОН откалиброван
производителем до 2,5 В (на соответствую-
щем контакте Vref внутренний ИОН может
быть подавлен внешним). Кроме того, дан-
ные АЦП оснащены настраиваемыми циф-
ровыми фильтрами с низкой задержкой пре-
образования и частотой 50 или 60 Гц, а так-
же устройствами мониторинга различных
системных параметров, в том числе и тем-
пературным датчиком. Подробные характе-
ристики ADS125H02 приведены в таблице 4.
Структурная схема ADS125H01 и ADS125H02
отображена на рис. 5.
Области применения ADS125H01
nADS125H02:
•	модули ПЛ К с аналоговым входом: ±10 В;
•	испытательное и измерительное оборудо-
вание;
Таблица 5. Характеристики ADS1261
Наименование	ADS1261
Тип преобразователя	АХ
Разрядность АЦП	24 бит
Кол-во измерительных каналов	10
Входное сопротивление	1 ГОм
Диапазон измерений	от ±7 мВ до ±5 В
Цифровой интерфейс	SPI
Потребляемая мощность	24 мВт
Конфигурация источника опорного напряжения	Внешний, встроенный
Напряжение питания	2,5-5 В
Диапазон рабочих температур	-50...+125 °C
Корпус	VQFN (32)
5 В (А)
2,5-В
Ref
ADS125H01
ADS125H02
ф ф »
Управле-
ние
о ф о
п
START
RESET
DRDY
CS1
CS2
DIN
DOUT/DRDY
SCLK
Таймер
Мультиплексор
(A)
(D)
5 В (D)
OLKIN
•	лабораторное оборудование;
•	измерение синфазных напряжений в ши-
роком диапазоне.
ADS1260, ADS1261. Данные АЦП схожи
по характеристикам с ранее рассмотренным
семейством и также представляют собой
24-битовые, 40-кГц, дельта-сигма (AS) ана-
лого-цифровые преобразователи со встро-
енным PGA и ИОН, однако имеют на бор-
ту большее количество входных каналов
(до 10): ADS1260 поддерживает три двуна-
правленных или пять однонаправленных
входов, a ADS1261, в свою очередь, спосо-
бен работать с пятью двунаправленными
или десятью однонаправленными каналами.
Также ADS1260 и ADS1261 имеют меньшую
Таблица 4. Характеристики ADS125H02
Наименование	ADS125H02
Тип преобразователя	АХ
Разрядность АЦП	24 бит
Кол-во измерительных каналов	2
Входное сопротивление	1 ГОм
Диапазон измерений	от ±20 мВ до ±20 В
Цифровой интерфейс	SPI
Потребляемая мощность	45 мВт
Конфигурация источника опорного напряжения	Внешний, встроенный
Напряжение питания	15,5В
Диапазон рабочих температур	-50...+125 °C
Корпус	VQFN (32)
по сравнению с ADS125H0X потребляемую
мощность (24 мВт против 45 мВт), а их
диапазон напряжений питания составляет
2,5-5 В. Подробные характеристики ADS1261
приведены в таблице 5. Структурная схема
ADS1260 и ADS1261 отображена на рис. 6.
Области применения ADS1260 и ADS1261:
•	модули аналогового ввода ПЛК;
•	весы и тензометрические преобразователи;
•	решения для измерения температуры
и давления;
•	лабораторное оборудование.
MSP430FR2X —
простой микроконтроллер
для реализации
элементарных функций
Низкое потребление и продуманный набор
периферии делают MSP430FR2x подходящим
выбором для реализации и проектирования
малопотребляющих устройств, таких как
приборы учета, автономные датчики и т. д.
MSP430FR2x (рис. 7) — 16-битный микро-
контроллер семейства FRAM-контроллеров
REFOUT
5 В (А)
Рис. 6. Структурная схема ADS1260 и ADS1261
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты
XIN XOUT
Р1.х, Р2.х Р3.х, Р4.х Р5.х, Р6.х Р7.х, Р8.х
Сенсорный экран I/O
ХТ1
АЦП
FRAM
RAM
DVCC
DVSS
RST/NMI
15 кбайт+
512 байт
8 кбайт+
512 байт
2 кбайт
1 кбайт
I/O Ports
Р5, Р6
2x8 IOs
I/O Ports
РЗ, Р4
2x8 IOs
PC
1x16 IOs
PB
1x16 IOs
До 10 каналов,
односторонний,
10 бит,
200 тыс. выб./с
MDB
со о
ЕЕМ
SYS
CRC16
JTAG
SBW
Управление
системой
синхро-
низации
о
16-бит
CRC
Сторожевой
таймер
I/O Ports
P7, P8
1x8 IOs
1x4 IOs
PD
1x12 IOs
I/O Ports
Р1, Р2
2x8 IOs
Прерывание
и активизация
РА
1x16 IOs
TCK
TMS
TDI/TCLK
TDO
SBWTCK
SBWTDIO
	
	
	
	
	
TA0 Timer_A ЗСС Регистры		ТА1 Timer_A ЗСС Регистры		eUSCI_A0 (UART, IrDA, SPI)		eUSCI_B0 (SPI, l2C)	I I I I I	Счетчик реального времени 16-бит часы реального времени
							I L	Домен LPM3.5
Рис. 7. Блок-схема MSP430FR2x
от Texas Instruments, входящий в линейку
Value Line. MSP430FR2x — базовая линейка
микроконтроллеров, обладающая скром-
ным набором периферии и имеющая объ-
ем Flash до 15,5 кбайт и ОЗУ до 2 кбайт.
Микроконтроллеры MSP430FR2x имеют
в своем составе интегрированный 10-битный
многоканальный АЦП (рис. 2) и базируются
на фон-Неймановской архитектуре с единым
адресным пространством для команд и для
данных. Одной из особенностей микрокон-
троллеров этого семейства является способ-
ность проводить тактирование периферий-
ных модулей асинхронно от основного ядра,
что в свою очередь дает возможность произ-
водить настройку тактовой частоты для каж-
дого узла микроконтроллера и, как следствие,
регулировать параметры энергопотребления.
Микроконтроллеры семейства MSP430FR,
включая MSP430FR2x, имеют ряд отличи-
тельных особенностей:
•	RISC-архитектура процессора с сокра-
щенным набором команд. К особенно-
стям RISC-архитектуры следует отнести
архитектуру «регистр-регистр», простые
способы адресации, простые команды
и регистровый файл большего объема.
Микроконтроллер MSP430FR2x имеет
27 основных инструкций и 24 дополни-
тельных, что значительно упрощает про-
цесс создания команд.
•	Наличие пяти режимов энергосбереже-
ния. Микроконтроллеры MSP430FR для
снижения энергопотребления имеют пять
режимов энергосбережения: LPMO, LPM1,
LPM2, LPM3 и LMP4.
•	FRAM-память (ферроэлектрическое ОЗУ) —
это изготовленная по передовой технологии
энергонезависимая память со сверхнизким
Comparator_A
Рис. 8. Аппаратная конфигурация измерения сопротивления термистора на микроконтроллере семейства MSP430
энергопотреблением, высоким быстро-
действием и значительным ресурсом ци-
клов перезаписи. FRAM, известная также
как FeRAM или F-RAM, сочетает функции
флэш- и SRAM-технологий. FRAM-память
имеет высокую скорость записи (ресурс ци-
клов записи составляет 1015 циклов), улуч-
шенный код и безопасность данных сравни-
тельно с флэш или EEPROM.
•	Наличие и доступность оценочных моду-
лей и отладочных плат.
•	Наличие в свободном доступе средств раз-
работки программного обеспечения.
Общие характеристики микроконтроллера
MSP430FR2x приведены в таблице 6.
MSP430FR2x входит в программу
«25 функций за 25 центов» [13], созданную
компанией Texas Instruments для предостав-
ления разработчикам всесторонней поддерж-
ки и помощи в реализации 25 наиболее рас-
пространенных системных функций на ос-
нове микроконтроллеров семейства MSP430
(АЦП с однократным интегрированием [11],
преобразование аналогового сигнала на вхо-
Таблица 6. Характеристики микроконтроллера
MSP430FR2x
Наименование	MSP430FR2X
Частота работы	16 МГц
FRAM	До 15,5 кбайт, 1015 циклов перезаписи, гибкое сегментирование
ОЗУ	До 2 кбайт
DMA	0
MUL	Нет
Cap Touch I/O	Есть
Периферия	10-или 12-разрядный АЦП, 12-разрядный ЦАП, программируемый усилитель PGA, компаратор, операционный усилитель с токовой обратной связью (трансимпедансный усилитель), инфракрасный приемопередатчик, l2C, 2 SPI, UART
Таймеры, 16-бит	2
Рабочая температура	-40...+85 °C
Корпус	TSSOP, VQFN, LQFP, DSBGA 16-64 вывода
Напряжение питания	1,8-3,6 В
де в ШИМ на выходе [12], создание датчика
температуры и влажности [14] и т.д.).
В качестве простого примера использова-
ния «25 функций за 25 центов» можно приве-
сти пример обработки сигнала с термостата
при помощи компаратора (рис. 8).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
компоненты
53
Для оценки возможностей котроллеров
MSP430FR2x компанией Texas Instruments вы-
пущена отладочная плата MSP-EXP430FR2355
(рис. 9) на базе микроконтроллера
MSP430FR2355.
MSP432 — микроконтроллер
с развитой периферией
В тех случаях, когда производительности
MSP430FR2 становится недостаточно, сле-
дует обратить внимание на серию 32-бит-
ных микроконтроллеров MSP432 (рис. 10).
Контроллеры семейства MSP432 работают
на ядре ARM Cortex-M4F. Данное семей-
ство является следующей ветвью развития
16-битных MSP430 и обладает увеличенным
адресным пространством памяти, а также
поддержкой операций с плавающей точкой
согласно стандарту IEEE754. Кроме того, про-
изводитель микроконтроллеров дает гаран-
тии простого импорта проектов, выполнен-
ных для семейства MSP430 на MSP432.
Аналогично MSP430 микроконтроллеры
MSP432 ориентированы в первую очередь
на низкое энергопотребление, составляю-
щее около 95 мкА/МГц в активном режиме
и 800 нА в режиме ожидания, что стало воз-
можным благодаря встроенному DC/DC-
преобразователю. Для сокращения величи-
ны потребляемой энергии к применению
доступна система выборочного сохранения
RAM: память разделена на восемь секций,
Рис. 9. Отладочная плата MSP-EXP430FR2355
каждую из которых можно отключить,
снизив таким образом потребляемый ток
на 30 нА за секцию. Напряжение питания
микроконтроллера находится в диапа-
зоне 1,62-3,7 В. Тактовая частота достигает
48 МГц.
MSP432 имеет достаточно высокую про-
изводительность и большой набор пери-
ферии. В аналоговой подсистеме данного
микроконтроллера особый интерес пред-
Таблица 7. Характеристики MSP432
Наименование	MSP432
Частота	48 МГц (ядро ARM Cortex-M4F)
Flash	До 2048 кбайт
SRAM	До 256 кбайт
DMA (каналов)	8
Кол-во вводов/выводов	До 84
АЦП (бит/каналов)	14/до 24
Компаратор (каналов)	До 16
Напряжение питания	1,62-3,7 В
Рабочий диапазон температур	-40...+85 °C
USCI_A (UART/LIN/IrDA/SPI)	До 4
USCI_B (l2C & SPI)	До 4
Корпуса	TQFP100, QFN64, BGA80
ставляет 14-разрядный АЦП со скоростью
до 1 Мвыб/с и имеющий в своем составе два
компаратора. Контроллеры линейки облада-
ют значительным объемом встроенной Flash
(до 2 Мбит). Кроме того, встроенная в ПЗУ
библиотека драйверов периферии дает воз-
можность значительно сократить код испол-
няемой программы. Более подробные харак-
теристики MSP432 отображены в таблице 7.
Также стоит отметить, что для MSP432
предоставляются следующие библиотеки,
упрощающие процесс разработки програм-
много кода:
•	MSPWare — библиотека драйверов пери-
ферии;
•	MSP-GRLIB — библиотека графических
примитивов для создания пользователь-
ского интерфейса;
	DMA 8 каналов	
г	Процессор	n I
	ARM Cortex-M4F	I I I I I I I I I I I I I I
	MPU	
	NVIC, SysTick	
	FPB, DWT	
	ITM.TPIU	
	JTAG, SWD	
i_		□
Шина
Управление
Логика
LFXIN, LFXOUT,
HFXIN HFXOUT
Р1.х-Р10.х
PJ.X
DCOR
Домен LPM3.5
РСМ
PSS
CS
WDT А
Address
Data
Flash
256 кбайт
128 кбайт
Сторо-
жевой
таймер
Управление
регулиро-
ванием
мощности
Система
энерго-
снабжения
Система
такти-
рования
Порты
ввода/
вывода
Р1-Р1О
78 I/Os
Порты
ввода/
вывода
PJ
6 I/Os
REF A
Timer32
ТА0,ТА1,
ТА2.ТАЗ
Comp_E0,
Comp_E1
eUSCI_B0,
eUSCI_B1,
eUSCI_B2,
eUSCI ВЗ
eUSCI_A0,
eUSCI_A1,
eUSCI_A2,
eUSCI A3
Преци-
зионный
АЦП
Сенсорный экран I/O 0,
Сенсорный экран I/O 1
RTC С
Часы
реального
времени
Резервная
память
SRAM
6 кбайт
SRAM (включая резервную память) 64 кбайт 32 кбайт		ROM (библиотека перифе- рийного драйвера) 32 кбайт		RSTCTL Регулятор с обратной связью		SYSCTL Системный контроллер	AES256 Безопасность Шифрование, де- шифрование
CRC32
1 млн выб./с
SARA/D
Аналоговый
компаратор
Источник
опорного
напряжения
TimerA
16 бит
5CCR
Два 32-бит
таймера
(UART,
IrDA, SPI)
(l2C, SPI)
Рис. 10. Блок-схема MSP432P401x
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты
Рис. 11. Отладочная плата MSP-EXP432P401R
ARM Cortex-A8 до 1 ГГц		Графика		Дисплей		
		PowerVR SGX 3DGFX			24-бит LCD-контроллер	
					Контроллер сенсорного экрана	
32 кбайт и 32 кбайт L1 + SED 256 кбайт L2 + ЕСС ROM	RAM 176 кбайт 64 кбайт		Крипто- графия 64 кбайт совместно cRAM		PRU-ICSS		
					EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP, ит. д.	
L3 и L4 соединение
Интерфейсы		Система
UART хб		eDMA
SPI х2		Таймеры х8
12С хЗ		WDT
McASP х2 (4 канала)		RTC
		eHRPWM хЗ
CAN х2 (Ver. 2АиВ)		еОЕРхЗ
		PRCM
USB 2.0 HS DRD + PHYx2		
		
EMAC (2-port) ЮМ, 100M, 1G IEEE 1588v2 и коммутатор (МН, RMII, RGMII)		
еСАРхЗ		
		ММС, SD и SDIO хЗ
ADC (8 каналов) 12-бит SAR		
		GPIO
JTAG		
		
Кристалл Осциллятор		
Память		
mDDR(LPDDR), DDR2,
DDR3, DDR3L
(16-бит; 200, 266, 400, 400 МГц)
NAND и NOR (16-бит ЕСС)
Рис. 12. Структурная схема процессора АМ335х
•	MSP-IQMATHLIB — набор высокоэффек-
тивных математических функций.
Кроме того, разработчикам доступна под-
робная инструкция по переходу с MSP430
на MSP432.
Для оценки возможностей котроллеров
MSP432 компанией Texas Instruments выпу-
щена отладочная плата MSP-EXP432P401R
(рис. 11) на базе микроконтроллера
MSP432P401R.
П роизвод ител ьн ые
промышленные процессоры
Sitara
Для наиболее требовательных решений
компания Texas Instruments предлагает линей-
ку промышленных процессоров Sitara, пара-
метры которых прдеставлены в таблице 8.
АМ335х
Микропроцессоры семейства Sitara
АМ335х (рис. 12) строятся на базе ядра
Cortex-A8, имеют две платформы для раз-
работки, а также оснащены комплексом
программного обеспечения, служащим для
проектирования систем промышленной ав-
томатизации.
Данные микропроцессоры способны про-
водить коммуникацию в реальном времени
с поддержкой различных сетевых протоко-
лов типа EtherCAT, Ethernet/IP, PROFINET,
PROFIBUS, POWERLINK и SERGOS III, что
в свою очередь упрощает процесс разра-
ботки и снижает цену конечного решения
за счет отсутствия необходимости использо-
вания дополнительных внешних микросхем.
Кроме того, АМ335х имеют на борту
и другую периферию, служащую для созда-
ния промышленных приложений, а именно
CAN-интерфейс, АЦП, USB + PHY, два порта
гигабитного Ethernet для быстрого подклю-
чения к сети и обеспечения высокой про-
пускной способности.
Все микропроцессоры серии АМ335х pin-
совместимы и оснащены совместимым ПО,
что позволяет разработчикам подобрать
микропроцессор, чьи характеристики макси-
мально соответствуют задачам конкретного
промышленного приложения.
Например, для драйверов и устройств вво-
да/вывода хорошо подойдут микропроцессо-
ры АМ3356 и АМ3357, специально созданные
для подключения различного рода перифе-
рийного оборудования, такого как сенсоры,
драйверы двигателей, модули связи и комму-
никации и т. д. Микропроцессоры не требуют
обязательного наличия внешней памяти или
операционной системы, что делает решение
довольно простым и компактным.
Другим примером может послужить соз-
дание системы человеко-машинного интер-
фейса: для данного решения подойдут ми-
кропроцессоры АМ3354, АМ3358, АМ3359,
обладающие встроенным графическим уско-
рителем, который вместе с контроллером
сенсорного экрана позволит создать интуи-
тивно понятный пользовательский интер-
фейс высокого качества.
На базе микропроцессора АМ3359 компа-
ния Texas Instruments выпустила модуль бы-
строго старта для промышленных приложе-
ний TIDEP0049. TIDEP0049 — это решение
для связи по интегрированному многопро-
токольному промышленному Ethernet.
Таблица 8. Характеристики процессоров Sitara
	АМ335х	АМ4х	AM5x	AM6x
Описание	Оптимизация затрат	Контроль и безопасность в реальном времени	ARM + DSP производительность и мультимедиа	Гигабитный промышленный Ethernet и функциональная безопасность
Основное ядро	ARM Cortex-A8 <1 ГГ ц	ARM Cortex-A9 <1 ГГц	1-2 ARM Cortex-A15<1,5 ГГц 1-2 Сббх DSP <750 МГц	2-4 ARM Cortex-A53 < 1,1 ГГц
Дополнительные ядра	Нет	Нет	4x Cortex-M4	2х Cortex-R5F
Системы связи	2х Industrial Ethernet/1х PRU-ICSS	2х Industrial Ethernet + fieldbus/2x PRU-ICSS	4x Industrial Ethernet/2x PRU-ICSS	бх Gigabit Industrial Ethernet/3x PRU-ICSS
Мультимедиа	3D графический ускоритель	3D графический ускоритель	2x ускорители 30-графики	3D графический ускоритель
Другая периферия	Нет	Parallel camera	PCIe, USB 3.0, CSI-2	PCIe, USB 3.0, CSI-2
ЕСС-память	Нет	Нет	Да	Да
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
компоненты
Рис. 13. Внешний вид модуля TMDSICE3359
Аппаратная часть проекта организована на основе модуля
TMDSICE3359 (рис. 13), который в свою очередь базируется на ми-
кропроцессоре АМ3359.
АМ4х
Следующая линейка процессоров от Texas Instruments носит на-
звание АМ4х. Ее микропроцессоры базируются на ядре Cortex-A9,
благодаря чему производительность решений на их основе возросла
на 40% по сравнению с предыдущим поколением Sitara АМ3359.
АМ4х имеет в своем составе новые аппаратные модули и облада-
ет еще большим уровнем интеграции, чем предыдущее семейство.
Линейка процессоров АМ4х условно делится на процессоры Sitara
АМ437х (рис. 14), обеспечивающие безопасную загрузку и шифрова-
ние для промышленных приложений, и микропроцессоры АМ438х,
которые помогают разработчикам создавать приложения с возмож-
ностью оплаты картой и надлежащим уровнем физической защиты.
Особенный интерес представляют процессоры АМ437х. Все они,
за исключением АМ4372, имеют в своем составе два модуля PRU-
ARM
Cortex-A9
до 1000 МГц
Графика
PowerVR
SGX
3D GFX
20 MTri/s
4-ядерный
PRU-ICSS
Дисплей
24-бит LCD-контроллер (WXGA)
Контроллер сенсорного экрана
Обработка: перекрытие,
изменение размера,
преобразование
пространства цветов и т. д.
32 кбайт, 32 кбайт L1
256 кбайт L2, L3 RAM
64 кбайт RAM
EtherCAT,
PROFINET,
EtherNet/IP,
EnDat
ит. д.
256 кбайт
L3RAM
L3 и L4 соединение
Криптография
Защищенная загрузка
(только на устройстве HS)
Системный интерфейс
UARTx6	
SPI х5	
QSPI	
12С хЗ	
CAN х2	
HDQ, 1-Wire	
McASPx2 (4 канала)	
GPIO	
Упрощенная установка последовательности питания	
EDMA	
Таймеры х12	
WDT	
RTC	
eHRPWM хб	
eQEP, еСАРхЗ	
JTAG, ЕТВ	
ADC0 (8 входов) 12-бит SAR<A>	
ADC1 (8 входов) 12-бит SAR	
32-бит LPDDR2, DDR3, DDR3UB)
Интерфейс камеры (2 параллельных)	ЕМАС 2-портовый коммутатор 10, 100, 1G с 1588 (МН, RMII, RGMII и MDIO)
ММС, SD, SDIO хЗ	
USB 2.0 двойного назначения + PHYx2	
Интерфейс памяти
NAND, NOR, Async
(16-бит ЕСС)
Рис. 14. Структурная схема процессора АМ437х
Рис. 15. Внешний вид модуля TMDSIDK437X
ICCS, которые совместно предоставляют разработчику четыре до-
полнительных вычислительных модуля, действующих в режиме
реального времени и обладающих детерминированным прямым
доступом к выводам I/O. Подсистема PRU-ICCS разрешает увели-
чить возможности подключаемых модулей или уменьшить вы-
числительную мощность на основном ядре. PRU-ICCS позволяет
пользователям создавать двойные одновременные протоколы с ре-
зервированием, такие как PROFINET, POWERLINK, Ethernet, BISS,
и другие.
Процессоры АМ437х хорошо подходят для промышленных ком-
муникаций, приложений для контроля за производственными про-
цессами, создания решений для приводов и т.д. Применение этих
микропроцессоров дает возможность свести к минимуму количество
внешних компонентов и, как следствие, уменьшить габариты печат-
ной платы, получив достаточно высокую производительность при
малых объемах потребляемой энергии.
Для изучения процесса работы и создания прототипных реше-
ний на базе процессоров АМ4х компания Texas Instruments пред-
лагает пользователям набор разработки промышленных приложе-
ний TMDSIDK437X. Он представляет собой отладочную платформу
(рис. 15) для оценки возможностей АМ4376, решения прикладных
задач в области промышленных коммуникаций и управления инду-
стриальными устройствами.
АМ57х
Еще одной производительной линейкой процессоров компании
Texas Instruments стала серия АМ57х.
К особенностям данной линейки следует отнести:
•	2-ядерный процессор ARM Cortex-A15, служащий для обработки
данных и работы высокоуровневой операционной системы;
•	2-ядерный цифровой сигнальный процессор (DSP) серии С66х,
предназначенный для анализа данных и вычислений в режиме ре-
ального времени;
•	программируемые логические модули и процессоры ARM
Cortex-M4 для создания функционала управления, графического
пользовательского интерфейса и мультимедийной части разраба-
тываемых приложений.
Семейство Sitara АМ57х (рис. 16) предоставляет пользователям
производительность на 40% больше, чем у 4-ядерных процес-
соров Cortex-A9, и на 280% больше, чем у 2-ядерных процессоров
Cortex-А9.
Процессоры Sitara АМ57х комбинируют внутри одного чипа вы-
числительную мощность, функционал управления, действующий
в режиме реального времени, коммуникационные интерфейсы
и мультимедийные возможности, что в итоге помогает разработ-
чикам упростить процесс разработки проектов, а также уменьшить
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
56
компоненты
Микро-
процессор
(2xARM
Cortex-A15)
GPU
(двухъядерный
SGX544 3D)
IVAHD
1080р
дополнительный
видеопроцессор
Подсистема дисплея
BB2D
(GC320 2D)
1 х GFX-канал
Зх видеоканала
Переход / Шкала
Защищенная
загрузка
Отладка
безопасность
TEE
(устройства
HS)
DSP
(2х С66х
дополнительный
процессор)
IPU1
(Dual Cortex-M4)
IPU2
(Dual Cortex-M4)
Vision Acceleration Рас
2x EVE
аналитических
процессора
EDMA  SDMA  MMU x2 I VIP x2 I Криптография I VFE
Высокоскоростное соединение
Система
Спинлок	Таймеры х1б	PWM SS хЗ |
Электронная почта х13	WDT	HDQ
GPIO х8 1	J	RTC SS	KBD
Подключение
USB 3.0 двойного назначения FS/HS/SS с PHYs	PCIe SS х2
	PRU-ICSS х2
USB 2.0 дойного назначения FS/HS с PHY	GMAC_SW
	
Последовательные
интерфейсы
UART хЮ 		QSPI
McSPI х4	McASP х8
DCAN х2	MCAN-FD х1
12С х5	
Хранилище программ/данных
MMC/SD х4 ] | SATA ] Q DMM
До 2,4 Мбайт OCMC_RAM с ЕСС		GPMC/ELM (NAND/NOR/ Async)	EMIF х2 2х 32-бит DDR3(L) с ЕСС<1)
Рис. 16. Структурная схема АМ574х
габариты и стоимость конечного решения. Такой уровень интегра-
ции определяет использование процессоров в различных решениях
«Интернета вещей», системах промышленной автоматизации (в том
числе и ПЛК), пользовательских интерфейсах, системах машинного
зрения, робототехнике, медицинском оборудовании и т. д.
После выхода совместимого семейства систем на кристалле
(СнК) Sitara АМ57х и пакета средств разработки ПО Processor SDK
компания Texas Instruments переопределила понятие масштаби-
руемости встраиваемых приложений. Весь ассортимент СнК Sitara
совместим между собой, и разработчику не нужно заново пере-
программировать платформу. Processor SDK — это универсальное
средство по созданию программных пакетов для всех процессоров
Texas Instruments. Processor SDK использует согласованную про-
граммную основу, включая стабильное (LTS) Linux-ядро, програм-
мные инструменты Linaro Tool Chain и Yocto Project-совместимую
файловую систему, в результате чего на стадии разработки ис-
чезает возможность реинвестирования в программные ресурсы.
Дополнительно пользователям доступна операционная система
реального времени TI-RTOS и программный комплект Khronos
OpenCL, который упрощает работу с DSP.
Для создания решений на СнК семейства Sitara АМ57х компания
Texas Instruments выпустила оценочный модуль TMDXEVM5728
и ряд специализированных типовых проектов, отображающих ос-
новные методы проектирования схемы питания СнК и демонстриру-
ющих возможности цифровой обработки сигналов.
Также при сотрудничестве компании Texas Instruments с сообще-
ством BeagleBoard.org была создана отладочная плата BeagleBoard-X15
(рис. 17) на СнК Sitara АМ5728.
АМбх
АМбх — новая и самая производительная на данный момент ли-
нейка процессоров Sitara от компании Texas Instruments, ориентиро-
ванная на применение в «Индустрии 4.0» (рис. 18).
АМбх имеет гигабитную пропускную способность для работы
по стандарту TSN. Процессор Sitara АМбх TSN — многоядерный про-
цессор на базе двух или четырех ядер ARM Cortex-А53, оптимальный
Рис. 17. Внешний вид BeagleBoard-X15
для применения в индустрии автоматизации, для управления дви-
гателями и различной инфраструктурой. Процессоры АМбх имеют
в своем составе интегрированные дополнительные Cortex-R5F и спо-
собны работать с множеством промышленных протоколов, таких
как TSN, EtherCAT, Ethernet/IP и PROFINET. Кроме того, АМбх имеет
на борту интегрированный 3D-графический ускоритель.
Промышленные процессоры Sitara АМбх поддерживают работу
с передовыми промышленными коммуникациями, имеют повышен-
ную безопасность, высокую надежность и высокие функциональные
возможности.
Всесторонняя поддержка работы с памятью с коррекцией ошибок
(ЕСС memory) и внешней памятью DDR с временем наработки на от-
каз 100000 ч при рабочей температуре до +105 °C делают процессоры
АМбх хорошим решением для использования в системах и приложе-
ниях с высоким уровнем надежности. Данное семейство позволяет
разработчикам создавать масштабируемые pin-совместимые систе-
мы, действующие на одной программной платформе.
К основным особенностям процессоров АМбх следует отнести:
•	Контроллеры оптимизированы для работы в промышленной сети:
новая гигабитная промышленная подсистема связи (PRU-ICSS-
Gb) поддерживает несколько промышленных протоколов Ethernet,
включая TSN, EtherCAT, Ethernet/IP и PROFINET, и обеспечивает
возможность гибкой настройки и работы с развивающимися про-
токолами промышленной коммуникации.
•	Улучшенная безопасность чипа: безопасный загрузчик, безопасное
хранение и умное шифрование повышают общую безопасность
системы.
•	Функциональная безопасность: изолированные ядра Cortex-r5f,
система центрального процессора, способная функционировать
в режиме lockstep, набор диагностических библиотек и руководство
по защите ЕСС-памяти.
•	Интегрированный 3D-ускоритель и функционал для работы с дис-
плеем: включает HMI и Industrial PC applications.
•	Унифицированная программная платформа: разработчики мо-
гут без труда повторно использовать и переносить программное
обеспечение Android, Linux и TI-RTOS между процессорами Texas
Instruments.
•	Простая установка и быстрое начало работы: интегрированные
подсистемы, упрощенный режим настройки питания, интегри-
рованные линейные стабилизаторы и совместимость pin-to-pin
позволяют повторно применять данное оборудование в других
решениях и уменьшают сложность и цену системы.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
компоненты
57
GPU
DMSC
Акселераторы безопасности
ESM
Интерфейсы
для автомобилей
2х MCAN-FD'1’
Хранение данных
2х MMC/SD
Индустриальная
подсистема
Подсистема дисплея
2х Видеоканал
Переход / Шкала / CSC
Open LDI
MIPI DPI
Подсистема навигатора
RA	□DMA	Proxy
| MCRC	INTR	INTA
Канализированный FM
Интерфейсы управления
6Х eHRPWM
Аудиооборудование
Зх MCASP
Соединение
GPIO
Зх PRU_ICSSG(3)
(до 6 портов Ethernet)
Подсистема навигатора
Системные сервисы
Видеовход
LVDSRX
ВТ.656/1120
Микроконтроллер
1	2* ARM Cortex-R5F (опционально Lockstep)	PDMA	4x Таймеры GP
	ESM	2x RTI/WWDT
Сверхоперативная RAM 512 кбайт		MCU-MSRAM 512 кбайт
Подключение
Высокоскоростные
последовательные интерфейсы
2х OSPI
или 1х QSPI +
1х Hyperbus'1’
5х РС
1х рс(1)
5х MCSPP
Зх MCSPI(1)(2)
2х ADC(1)
4х UART
1 х UART(1)
PCIe
2х Single/
1х Dual lane
Gen 3(3)
1х USB 2.0 DRD
1х USB 3.1 DRD(3)
10/100/1000 Ethernet'1’
Рис. 18. Структурная схема AM654/AM652
Рис. 19. Внешний вид модуля TMDX654IDKEVM
Для ознакомления и создания индустриальных систем автомати-
зации с линейкой АМбх компания Texas Instruments выпустила ком-
плект разработчика TMDX654IDKEVM (рис. 19).
Заключение
Каждая фирма-производитель старается предоставить разра-
ботчикам наиболее широкий спектр компонентов для реализации
измерительных каналов. Компания Texas Instruments является од-
ной из таких компаний и предоставляет весь необходимый пере-
чень компонентов для создания решений, имеющих необходи-
мость измерения и обработки аналоговых сигналов.
Литература
1.	OPAxl87 0.001-|iV/°C Drift, Low Power, Rail-to-Rail Output 36-V Operational
Amplifiers Zero-Drift Series, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa2187.pdf
2.	OPA828 Low-Offset, Low-Drift, Low-Noise, 45-MHz, 36-V IFET-Input, RRO
Operational Amplifier, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa828.pdf
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
58
компоненты
3.	OPA22102.2-nV/^Hz Precision, low-power, 36-V operational amplifier.
www.ti.com/lit/ds/symlink/opa2210.pdf
4.	ADS125H0x Wide input range, 2-channel, 40-kSPS, 24-bit, delta-sigma ADCs
with PGA and voltage reference.
www.ti.com/lit/ds/symlink/adsl25h02.pdf
5.	ADS126x Precision, 5-channel and 10-channel, 40-kSPS, 24-bit, delta-sigma ADCs
with PGA and monitors, www.ti.com/lit/ds/symlink/adsl260.pdf
6.	MSP430FR21xx, MSP430FR2000 Mixed-Signal Microcontrollers.
www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430fr2000.pdf
7.	MSP432P411x, MSP432P401x SimpleLink Mixed-Signal Microcontrollers.
www.ti.com/lit/ds/symlink/msp432p4011 .pdf
8.	www.ti.com/processors/sitara-arm/am4x-cortex-a9/overview.html
9.	www.ti.com/processors/sitara-arm/am5x-cortex-al5/overview.htmRkeyMat
ch=AM57x&tisearch=Search-EN-Everything
10.	www.ti.com/processors/sitara-arm/am6x-cortex-a53-r5/overview.htmRkey
Match=AM6x&tisearch=Search-EN-Everything
11.	Single-Slope Analog-to-Digital Conversion Technique Using MSP430 MCUs.
www.ti.com/lit/an/slaa806/slaa806.pdf
12.	Analog Input to PWM Output Using the MSP430 MCU Enhanced Comparator.
www.ti.com/lit/an/slaa803/slaa803.pdf
13.	Русу А. Программа «25 функций за 25 центов» // Новости электроники.
2018. № 6.
14.	Зубарев С. Создаем датчик температуры и влажности с дисплеем и пита-
нием от батарейки // Новости электроники. 2019. № 2.
НОВОСТИ антенны
Чип-антенны от Johanson, совместимые с приемопередатчиками Semtech
для «Интернета вещей»
Компания Johanson представила несколько ми-
ниатюрных антенн для поверхностного монтажа,
предназначенных для совместного использова-
ния с трансиверами, производимыми Semtech
Corporation.
Устройства «Интернета вещей» предназна-
чены для контроля различных типов событий,
таких как температура, перемещение, местопо-
ложение, энерго-, газо- и водопотребление и т.д.
Используемым для этих целей приемопередатчи-
кам компании Semtech требуется подключение
к беспроводным низкоскоростным сетям для
передачи соответствующих данных.
Компания Johanson выпускает одни из самых
миниатюрных керамических чип-антенн, работа-
ющих с различными частотами и приемопередат-
чиками Semtech:
•	0868АТ43А0020: 858-878 МГц,
совместима с ИС SX1211 и SX1230;
•	0915АТ43А0026: 902-928 МГц,
совместима с ИС SX1211 и SX1230;
•	2450FM07D0034: 2400-2500 МГц,
совместима с ИС SX1280 и SX1281.
Несмотря на свои малые размеры, чип-антенны
Johanson имеют хорошие электрические харак-
теристики, стабильность которых определяется
высококачественной керамикой. Температурный
коэффициент не превышает 2ррт/°С вплоть
до максимальной температуры эксплуатации.
www.icquest.ru
^XILINX □ DEVICES
LEtnO,
CYPRESS
СЭ Mini-Circuits
X * freescale уиу1Х1>и
semiconductor
Texas
Instruments

Комплексные поставки электронных компонентов максимально широкой номенклатуры. Мы работаем с
крупнейшими мировыми независимыми складами и поставляем продукцию любых производителей. Нашими заказчиками
являются ведущие промышленные предприятия России и СНГ, которые всегда получают:
-	возможность заказать практически любые электронные компоненты, в том числе труднодоступные и снятые с производства
-	лучшие цены на партию электронных компонентов благодаря регулярным и налаженным поставкам
-	минимальные сроки поставки (стандартно 1-2 недели)
-	взаимовыгодное сотрудничество на постоянной основе
Дистрибуция и информационная поддержка:
-	разъёмы Lemo, E-tec
-	высокочастотные приборы Mini-Circuits, Tai-Saw
-	фильтры и дуплексеры Temwell
-	трансформаторы Taehwatrans
-	реле Mors Smitt, Hongfa
-	оборудование для RFID технологий
-	силовая электроника Filtran
RFID технологии:
-	поставка комплектующих
-	установка, обучение и обслуживание
-	консультации
IT услуги:
-	разработка и внедрение CRM систем (www.icdbs.com)
-	создание и поддержка веб-сайтов
VITAL-IC
ООО «Витал Электронике»
web: www.vital-ic.com
mail: main@vital-ic.com
Санкт-Петербург
ул. Матроса Железняка 57-А
тел.: +7 (812) 325-97-92
факс: +7 (812) 325-97-93
Москва (представительство)
Лужнецкая наб., 2/4, стр. 19, оф. 119
тел.: +7 (495) 747-75-90
тел./факс: +7 (495) 540-67-82
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
ЭЛТЕХ - ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР
МИКРОСХЕМА
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
ANALOG
DEVICES
AHEAD OF WHAT’S POSSIBLE™
УЧЕТА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ADE9153B
	функция автокалибровки mSure® прибора учёта
	функция мониторинга общей точности измерений
	детектирование кражи электроэнергии
	передача данных в режиме реального времени
	функция обнаружения взлома
www.eltech.spb.ru analog@eltech.spb.ru
 I Санкт-Петербург
(812) 327-9090
I Москва
(499) 270-0787
Новосибирск
(383) 230-0415
 I Екатеринбург
(343) 311-4228
 Ростов-на-Дону
(863) 206-5720
I Минск
375 (17) 234-9944
WJO7
РЕКЛАМА
60	компоненты
ПЛИС
Валерий СОЛОВЬЕВ,
д. т. н.
valsol@mail.ru
Логическое проектирование
встраиваемых систем на FPGA.
Часть 6. Измерение времени:
задержки, делители частоты,
таймеры, часы реального времени
В статье рассматриваются следующие узлы, которые непосредственно свя-
заны с системой синхронизации проекта и широко используются во встра-
иваемых системах: схемы задержек, делители частоты, генераторы медлен-
ных импульсов, медленные счетчики, таймеры и часы реального времени.
Введение
Абстрактные цифровые системы могут ра-
ботать под управлением любых синхросиг-
налов, не привязанных ко времени. Однако
встраиваемые системы управляют объекта-
ми, которые функционируют в реальном
времени. Поэтому очень важно определять
временные интервалы в реальном, а не аб-
страктном времени. Для этого служат тайме-
ры (timers). Кроме того, часто во встраивае-
мых системах требуется задержать отдельные
сигналы на заданный период. Для этого слу-
жат схемы задержки (delay circuits).
Обычно современные встраиваемые систе-
мы имеют достаточно большую частоту си-
стемного синхросигнала. Например, на плате
DEl-SoC есть кварцевый генератор, форми-
рующий системный синхросигнал с часто-
той 50 МГц. Однако большинство перифе-
рийных устройств работает на значительно
меньшей частоте. Для управления медлен-
ными периферийными устройствами необ-
ходимы медленные синхросигналы, а также
схемы задержки на определенное время,
измеряемое в микросекундах (мкс), милли-
секундах (мс) и секундах (с).
Схемы задержек
Традиционно при проектировании циф-
ровых систем на вентильном уровне для
согласования сигналов в цепях различной
длины часто вводились задержки в виде по-
следовательности четного числа инверторов.
При проектировании на FPGA этот подход
не годится, так как архитектуры FPGA не со-
держат отдельных инверторов, а в результате
оптимизации четное число инверторов в ис-
ходном коде будет автоматически удалено
из схемы средствами синтеза. Иногда разра-
ботчики все же используют цепочки после-
довательно соединенных примитивов AND,
OR, BUF [1] и LCELL (для FPGA фирмы Intel)
с указанием компилятору не оптимизиро-
вать данный фрагмент проекта. Однако это
не лучшее решение. Дело в том, что при та-
ком подходе задержка сигнала в значитель-
ной степени зависит от параметров конкрет-
ного устройства (проект нельзя переносить
на другие FPGA), а также от напряжения пи-
тания, температуры, технологии изготовле-
ния микросхемы FPGA и т. д.
Если возникает опасность, что входные
сигналы к некоторому блоку встраиваемой
системы на FPGA приходят не одновремен-
но, то можно использовать несколько реше-
ний. Самым простым и надежным является
буферизация входных сигналов в регистре.
Однако это потребует задействования допол-
нительных триггеров и формирования сиг-
налов для управления входным регистром.
Другое решение — введение временных
ограничений, указываемых в SDC-файлах,
для времени формирования определенных
сигналов. В последнем случае решение про-
блемы одновременного формирования сиг-
налов в определенной точке проекта выпол-
няется автоматически средствами синтеза.
Для этого необходимо знать основы времен-
ного анализа и язык описания временных
ограничений SDC или Тс1 [2].
Рис. 2. Результат моделирования элемента задержки сигнала на М тактов синхросигнала при М = 5
Иногда задержку сигнала нужно органи-
зовать на более длительный период. В та-
ких случаях рекомендуется использовать
счетчики и сдвиговые регистры, а для FPGA
фирмы Xilinx — блоки DCM (Digital Clock
Manager) [3].
В следующем коде приводится вари-
ант реализации задержки входного сигнала
на М тактов системного синхросигнала elk,
которая строится на основе сдвигового ре-
гистра right_shift_register. Для этого доста-
точно в качестве параметра сдвигового ре-
гистра, определяющего число его разрядов,
передать значение М. Зная длительность так-
та Т системного синхросигнала, легко под-
считать реальное время задержки t = МхТ.
Например, при Т = 10 нс и М = 5 задержка
сигнала составит t = 50 нс.
right_shift_register:ex1
Рис. 1. Результат синтеза элемента
задержки сигнала на М тактов синхросигнала elk,
построенного на основе сдвигового регистра вправо
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
плис компоненты
61
Рис. 3. Счетчик на четыре разряда, выступающий в роли делителя частоты
clkin
1'hi cin LessThanO
2'h1 A[1..O]
OUT
B[1..O]
1'hO cin AddO
A[1..O]
2'h1 B[1..O]
QUT[1..O]
о
ZhO^
counter~[1..0]
counter[1 ..0]
2'hO
— D
— >CLK Q
— SCLR
1'hO CIN LessThanl dk oubnot
A[1..O]
2'h1 B[1..O]
OUT
clk_out
Рис. 4. Результат синтеза делителя частоты на уровне регистровых передач
module delay_M_clock_shift_reg
#(parameter М=5)
(input in,elk,reset,
output out);
right_shift_register #(M) exl (in,elk,reset,out);
endmodule
Результаты синтеза и моделирования
проекта delay_M_clock_shift_reg приведены
на рис. 1,2.
Подобным образом можно построить схе-
му задержки практически на любое время.
Преимущество рассмотренного подхода за-
ключается в том, что при стабильном синхро-
сигнале (основанном на кварцевом генераторе)
время задержки определяется достаточно точ-
но, оно не зависит от используемой микросхе-
мы FPGA, напряжения питания, температуры,
влажности и т. д. Единственное ограничение —
размер сдвигового регистра при большой
частоте синхросигнала, когда необходима за-
держка на длительное время. Последняя про-
блема решается с помощью счетчиков, работа-
ющих на меньшей частоте, чем частота систем-
ного синхросигнала. Для уменьшения частоты
системного или опорного синхросигнала пред-
усмотрены делители частоты.
Делители частоты
Во встраиваемых системах также часто
возникает потребность в уменьшении часто-
ты синхросигналов и формировании более
медленных периодических сигналов. Узел,
который снижает частоту периодическо-
го сигнала, называется делителем частоты
(frequency divider). В литературе можно так-
же встретить термины «делитель синхросиг-
нала» (clock divider), «скалер» (scaler), «пре-
скал ер» (prescaler), «постскалер» (postscaler).
Простейшим делителем частоты является
Т-триггер, который уменьшает частоту вход-
ного сигнала вдвое.
Все счетчики также являются делителями
частоты. Например, выход qO четырехраз-
рядного счетчика делит частоту синхросиг-
нала счетчика на 2, ql — на 4, q2 — на 8,
q3 — на 16 и т.д. В этом можно убедиться
по результатам моделирования счетчика
на четыре разряда (рис. 3).
Можно построить отдельный модуль де-
лителя частоты, который принимает входной
синхросигнал clk_in и формирует разделенный
на заданное число М синхросигнал clk_out.
Ниже приводится код такого делителя:
module clock_divider
#(parameter М=2)
(input clk_in,
output clk_out);
reg [M-l:0] counter=0;
always @(posedge clk_in)
begin
counter <= counter + 1 ’bl;
if (counter >= (M-l))
counter <= 0;
end
assign clk_out = (counter < M/2) ? 1’bO : 1 ’bl;
endmodule
В коде проекта clock_divider значение де-
лителя М определяется как значение параме-
тра. Проект clock_divider содержит внутрен-
ний счетчик, реализованный с помощью
переменной counter. Значение выходного
сигнала clk_out формируется на основе
значения переменной counter и оператора
assign. Здесь половину периода выходной
сигнал clk_out принимает нулевое значение,
а другую половину — единичное значение.
Результаты синтеза и моделирования про-
екта clock_divider приведены на рис. 4 и 5
соответственно.
Отметим, что приведенный проект делите-
ля частоты позволяет делить исходный син-
хросигнал на любое целое число, а не только
на число, равное степени двойки, как в случае
использования двоичного счетчика в каче-
стве делителя частоты. Читателю предлага-
ется промоделировать функционирование
делителя частоты clock_divider для четных
и нечетных значений параметра М.
Генераторы
медленных импульсов
Для построения часов реального времени
необходимо на основании высокочастотно-
го опорного или системного синхросигнала
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
62
компоненты плис
counter_modulo_M_rollover:ex1				
। 1—ч	aclr aclr | >	 I—\	elk	Ж		rollover	out
Cl К |	/ . , I—ч	enable enable | >					—		
Рис. 6. Результат синтеза генератора медленных импульсов
Рис. 7. Результат моделирования генератора импульсов с частотой, равной пяти тактам опорного синхросигнала
сформировать одиночный импульс с задан-
ным периодом, например:
1 с,
0,1 с = 100 мс,
0,01 с = 10 мс,
0,001 с = 1 мс.
При этом чем больше частота опорного
синхросигнала, тем точнее можно опреде-
лить указанный промежуток времени.
Макетная плата DEl-SoC имеет кварцевый
генератор, на основе которого формируется
системный синхросигнал с частотой 50 МГц,
поступающий на входы синхронизации
FPGA. Ниже будет показано, что длитель-
ность такта системного синхросигнала с ча-
стотой 50 МГц составляет 20 нс.
Для формирования медленных импуль-
сов удобно использовать счетчик по модулю
с выходом трансформации rollover (проект
counter_modulo_M_rollover) [4]. Например,
для формирования импульса с периодом
1 с следует указать значение модуля равным
50 000 000, а требуемый сигнал будет форми-
роваться на выходе rollover.
Код генератора импульсов с частотой, рав-
ной пяти тактам опорного синхросигнала,
построенного на основе счетчика по модулю
с выходом rollover, имеет следующий вид:
module pulse_generator_M_clock_period
#(M=5)
(input elk,aclr,enable,
output out);
counter_modulo_M_rollover #(M) exl (elk,aclr,enable,out);
endmodule
Результаты синтеза и моделирования про-
екта pulse_generator_M_clock_period приведе-
ны на рис. 6 и 7 соответственно.
Читателю предлагается построить ге-
нератор медленных импульсов на основе
модуля counter_modulo_M_zero. Модуль
counter_modulo_M_zero представляет со-
бой счетчик по модулю, который форми-
рует значение 1 на выходе zero при нулевом
значении счетчика. Напомним, что модуль
coLinter_modiilo_M_rollover формирует еди-
ницу на выходе трансформации rollover, ког-
да значение счетчика равно М-1. Сравните
проекты counter_modulo_M_zero и counter_
modulo_M_rollover: результаты синтеза
на уровне регистровых передач, стоимость
реализации и результаты моделирования.
Объясните различия проектов, если таковые
имеются. Какой из модулей вы порекомен-
дуете для реализации часов реального вре-
мени?
Также предлагается разработать проект
delay_10ms, который на основании входного
синхросигнала с частотой 50 МГц форми-
рует медленные импульсы с частотой 10 мс.
Данный проект позже будет использоваться
в часах реального времени.
Медленные счетчики
При проектировании встраиваемых си-
стем часто возникает необходимость в соз-
дании счетчиков, работающих на значи-
тельно меньшей частоте, чем системный
синхросигнал. Такие счетчики называют
медленными счетчиками (slow counter). Их
можно построить из счетчика по модулю
с выходом трансформации rollover и обыч-
ного счетчика с входом разрешения счета
enable. Для этого выход rollover первого
счетчика подсоединяется к входу разреше-
ния второго счетчика. Значение модуля пер-
вого счетчика определяет, насколько частота
функционирования второго счетчика мень-
ше, чем частота функционирования первого
счетчика. Ниже приводится код медленного
счетчика, где по умолчанию частота функ-
ционирования второго счетчика в пять раз
меньше, чем частота функционирования
счетчика по модулю:
module slow_counter
#(parameter Ml=5, N2=2)
(input elk,aclr,enable,
output reg[N2-1:0] Q2);
					rni inter M hitc-ov9				
	counter_modulo_M_rollover:ex1				aclr elk		— —	Q[1..O]	
	aclr	—		rollover					
	elk				enable				
Cl К |	/	1 enable | )>—	enable	—							
									
Рис. 8. Вид проекта медленного счетчика на уровне регистровых передач
localparam Nl=clogb2(Ml-l);
function integer clogb2(input [31:0] v);
for (clogb2 = 0; v > 0; clogb2 = clogb2 + 1)
v = v » 1;
endfunction
reg [Nl-l:0] QI;
wire rollover;
counter_modulo_M_rollover #(M1) exl(elk,aclr,enable,QI,
rollover);
counter_N_bits #(N2) ex2(clk,aclr,rollover,Q2);
endmodule
Модуль slow_counter имеет два параме-
тра: Ml определяет значение модуля первого
счетчика, N2 задает число разрядов (выхо-
дов) второго счетчика. Отметим, что в дан-
ном коде для определения числа N1 разрядов
первого счетчика используется константная
функция clogb2 [1], которая возвращает наи-
большее целое число, равное или больше ве-
личины log2M, где М — заданное число.
Результаты синтеза и моделирования про-
екта slow_counter приведены на рис. 8 и 9 со-
ответственно.
Особенностью результата синтеза проекта
slow_counter является то, что первый счет-
чик не имеет выходов, кроме выхода rollover.
Дело в том, что выходы первого счетчика Q1
далее в коде проекта нигде не используются,
поэтому они не показаны на рис. 8.
На рис. 9 видно, что выход Q2 медленного
счетчика изменяет свое значение через каж-
дые пять тактов синхросигнала elk.
Пусть необходимо создать медленный
счетчик с периодом 1 с, когда системный
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
плис компоненты
63
slow counterex
Q2[O..O]
] out
Рис. 10. Вид проекта медленного счетчика
с периодом 1 с на уровне регистровых передач
синхросигнал равен 50 МГц. Вначале на ос-
новании частоты системного синхросигнала
50 МГц = 50000000 Гц определим длитель-
ность такта счетчика по модулю:
Т50МГц = 1/50000000 = 0,00000002 с =
= 0,00002 мс = 0,02 мкс = 20 нс.
Таким образом, длительность одного такта
быстрого счетчика, работающего на частоте си-
стемного синхросигнала в 50 МГц, равна 20 нс.
Определим значение модуля для первого
счетчика, который обеспечивает период 1 с
для второго счетчика:
М = 1 с/20 нс = 1000 000 000 нс/20 нс =
= 50000000.
Другими словами, при значении моду-
ля М = 50 000 000 первого счетчика второй
счетчик будет функционировать с частотой
1 Гц, или иметь период 1 с. Второй счетчик
в структуре медленного счетчика на рис. 8
имеет только один выход.
Код счетчика, функционирующего с ча-
стотой 1 Гц или 1 с, включает только один
оператор создания экземпляра медленного
счетчика slow_counter с указанными параме-
трами и имеет следующий вид:
module counter_ls(
input elk,aclr,enable,
output reg Q);
slow_counter #(50000000,1) ex(clk,aclr,enable,Q);
endmodule
Результаты синтеза счетчика с периодом
1 с показаны на рис. 10.
Читателю предлагается разработать мед-
ленные счетчики с периодами 100 нс, а также
1, 10 и 100 мс при условии, что частота син-
хросигнала равна 50 МГц.
Таймеры
Непосредственно со счетчиками тесно свя-
заны таймеры (timers). Таймером называется
устройство, отмеряющее определенный интер-
вал реального времени и сообщающее об этом
единичным значением на выходе. Обычно тай-
меры строятся на основе счетчика по убыва-
нию. Зная период системного синхросигнала,
например 20 нс, в счетчик загружается значе-
ние, которое определяет необходимый интер-
вал времени. На выходе таймера формируется
1 по достижении счетчиком значения 0. Ниже
приводится код простого таймера:
module timer_N_bits
#(parameter N=4)
(input elk,load,enable,
input [N-l:0] data,
output out);
reg [N-l:0] ent;
always @(posedge elk)
if (load)
else if (enable)
else
ent <= data;
ent <= ent -1;
ent <= ent;
assign out = (cnt==0);
endmodule
Результаты синтеза и моделирования мо-
дуля timer_N_bits показаны на рис. 11 и 12
соответственно.
В приведенном примере моделирова-
ния вначале в таймер загружается значение
10002 = 810, счетчик считает по убыванию,
по достижении значения 00002 на выходе тай-
мера формируется значение 1. Таким обра-
зом, таймер отсчитывает интервал времени
T = 8xTsys>
где Tsys — период системного синхросигнала
elk.
Проект timer_N_bits позволяет измерить
интервал времени MxTsys, где значение дво-
ичного числа М должно помещаться в N раз-
рядах счетчика ent, т. е. должно выполняться
неравенство: М < 2N-1. Читателю предлага-
ется создать проект универсального таймера
timer_mod_M, где в качестве параметра вы-
ступает число М, определяющее количество
тактов синхросигнала, после которого тай-
мер выдает единичное значение на выходе
out. (Подсказка: для опредления числа N раз-
рядов внутреннего счетчика ent используйте
константную функцию clogb2.)
Замечание. В качестве таймера можно
также применить счетчик по модулю с вы-
ходом rollover.
Часы реального времени
Встраиваемые системы часто содержат
часы реального времени (real time clock).
Примером может служить большинство бы-
товых приборов. Рассмотрим конкретный
проект часов реального времени, реализуе-
мый на плате DEl-SoC, при этом на дисплеях
Рис. 11. Результат синтеза таймера
Г«^-Г
Ои
&	гсЯс	ей
•	>	 ’ОСЮ
•		• 1
*	load	Й1
ь	' сж	00»
ь	oui	 1
Рис. 12. Результат моделирования таймера
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
64
компоненты плис
Рис. 13. Структура часов реального времени
счета самого младшего счетчика. Описание часов реального времени
на языке Verilog может иметь следующий вид:
module real_time(
input [2:0] KEY,
input CLOCK_50,
output [0:6] HEXO,HEX1,HEX2,HEX3,HEX4,HEX5);
wire c0,cl,c2,c3,c4,c5;
wire [3:0] h0,hl,h2,h4;
wire [2:0] h3,h5;
delay_10ms del(CLOCK_50,cO);
counter_modulo_M_rollover #(10) count0(c0,KEY[2],KEY[0],h0,cl);
counter_modulo_M_rollover #(10) countl(~cl,KEY[2],l’bl,hl,c2);
counter_modulo_M_rollover #(10) count2(~c2,KEY[2],l ’bl,h2,c3);
counter_modulo_M_rollover #(6) count3(~c3,KEY[2],l’bl,h3,c4);
counter_modulo_M_rollover #(10) count4(~c4,KEY[2],l ’bl,h4,c5);
counter_modulo_M_rollover #(6) count5(~c5,KEY[2],l’bl,h5,);
decoder_hex_10 d0(h0,HEX0);
decoder_hex_10 dl(hl,HEXl);
decoder_hex_10 d2(h2,HEX2);
decoder_hex_ 10 d3 ({1 ’b0,h3} ,HEX3);
decoder_hex_10 d4(h4,HEX4);
decoder_hex_10 d5({l’bO,h5},HEX5);
endmodule
На плате DEl-SoC установлена микросхема FPGA 5CSEMA5F31C6N
семейства Cyclone V SE. Для назначения выводов микросхемы FPGA
в соответствии с трассировкой платы DEl-SoC к проекту следует
подсоединить файл DEl_SoC.qsf, который можно найти на сайте про-
изводителя платы или на сайте www.intel.com (University Program).
Результаты синтеза модуля real_time показаны на рис. 14.
Тестирование схемы часов реального времени можно выполнить
непосредственно на плате DEl-SoC, загрузив проект в установленную
на плате микросхему FPGA.
НЕХ5-4 отображаются минуты, на НЕХЗ-2 — секунды, на НЕХ1-0 —
сотые доли секунды. Структура проекта часов реального времени
приведена на рис. 13.
Структура данного проекта состоит из шести счетчиков по модулю
с выходом rollover, с асинхронным сбросом aclr и с входом разрешения
счета Е. Выходы счетчиков через дешифраторы dec_hex_10 соединены
с дисплеями НЕХ5-0. Выход rollover каждого счетчика через инвертор
соединен с входом синхронизации следующего счетчика, то есть каждый
счетчик играет роль делителя частоты. Все счетчики имеют общий сиг-
нал сброса от кнопки KEY2. Кнопка KEY0 служит для остановки отсчета
времени, поскольку ее нажатие формирует сигнал низкого уровня.
Вход синхронизации самого младшего счетчика, соответствующе-
го дисплею HEX0, управляется синхросигналом с частотой 10 мс. Для
этого между системным синхросигналом CLOCK_50 и входом син-
хронизации счетчика установлена схема задержки del_10ms на 10 мс.
Разрешение функционирования часов реального времени управ-
ляется кнопкой KEY0 ее подсоединением 0 к входу Е разрешения
Выводы
В проектах на FPGA для реализации кратковременных задержек
сигналов нельзя использовать цепочки из четного числа инверто-
ров, вентили AND и OR или буферные примитивы BUF и LCELL.
Одновременное формирование входных сигналов некоторого блока
можно обеспечить с помощью входного регистра. Долговременные
задержки, в несколько тактов системного синхросигнала, реализуют-
ся с помощью сдвиговых регистров.
Для уменьшения частоты системного синхросигнала во встраива-
емых системах можно использовать делители частоты, генераторы
медленных импульсов и медленные счетчики.
Простейшим делителем частоты на 2 является Т-триггер. Кроме
того, выходы любого двоичного счетчика служат делителями часто-
ты на степени двойки. Чтобы разделить частоту опорного синхросиг-
нала на некоторое число, не равное степени двойки, следует исполь-
зовать проект clock_divider.
Рис. 14. Результаты синтеза часов реального времени
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
плис компоненты
65
Генераторы медленных импульсов часто применяются для по-
строения часов реального времени. Типичный генератор медленных
импульсов — счетчик по модулю с выходом трансформации rollover.
Медленные счетчики во встраиваемых системах предназначены
для подсчета событий, происходящих со значительно меньшей ча-
стотой, чем системный синхросигнал. Для построения медленных
счетчиков используются два последовательно соединенных счетчика:
счетчик по модулю с выходом rollover и двоичный счетчик.
Таймеры на FPGA реализуются с помощью счетчиков по убыва-
нию. Для этого могут также пригодиться счетчики по модулю с вы-
ходом трансформации rollover.
Часы реального времени строятся на основе последовательно со-
единенных счетчиков по модулю с выходом rollover. Для формиро-
вания синхросигнала с определенной частотой на основе системно-
го синхросигнала используется генератор медленных импульсов.
Точность часов реального времени тем выше, чем больше часто-
та системного (опорного) синхросигнала.
Литература
1.	Соловьев В. В. Основы языка проектирования цифровой аппаратуры
Verilog. М.: Горячая линия - Телеком, 2014.
2.	Соловьев В. В. Временной анализ программируемых логических интеграль-
ных схем. М.: Горячая линия - Телеком. 2018.
3.	Соловьев В. В. Архитектуры ПЛИС фирмы Xilinx: CPLD и FPGA 7-й серии.
М.: Горячая линия - Телеком. 2016.
4.	Соловьев В. В. Логическое проектирование встраиваемых систем на FPGA.
Часть 5. Счетчики // Компоненты и технологии. 2019. № 2.
НОВОСТИ ВЧ/СВЧ -элементы
Новые волноводные нагрузки от компании A-INFO
глгеил	WWWUN
«МКО-МОк	ЛгХЧФПМи
wvh.uiw	«ним
iwwuw
W, ОС
wnt.wuw
Компания A-INFO представляет новые вол-
новодные нагрузки миллиметрового диапазо-
на, обеспечивающие низкое значение КСВН

Изготавливаются co стандартными волноводны-
ми фланцами.
Частота, ГГ ц	Партномер	Мощность, Вт
33-50 (WR22,0-диапазон)	22WMPL50,22WHPL115, 22WHPL300,22WHPL500	50-500
40-60 (WR19, U-диапазон)	19WMPL45,19WHPL100, 19WHPL150,15WHPL400	45-400
50-75 (WR15, V-диапазон)	15WMPL35,15WHPL60, 15WHPL150, 15WHPL250	35-350
60-90 (WR12, Е-диапазон)	12WMPL30,12WHPL50, 12QHPL120,12WHPL200	30-200
75-110 (WR10, W-диапазон)	10WMPL25,10WHPL40, 10WHPL100,10WHPL150, 10WHPL200	25-200
Применение: радиолокационные системы и из-
мерительное оборудование.
www.ptelectronics.ru
(среднее значение 1,05:1). Нагрузка поглощает
до 500 Вт в зависимости от частотного диапа-
зона. Рабочий частотный диапазон 33—110 ГГц.
ПОСТАВКА ПРОДУКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА
ф Microchip
Микроконтроллеры Microchip ATtiny16x
с функционально насыщенной периферией
Ключевые параметры
•	Ядро AVR 8 бит 20 МГц
•	До 16 КБ FLASH, 2 КБ SRAM, 256 байт EEPROM
•	Контроллер сенсорной клавиатуры (РТС)
•	Модуль конфигурируемой логики (CCL)
•	До 3 АЦП (10 бит 115 тыс. выборок в секунду)
•	До 3 ЦАП (8 бит 350 тыс. выборок в секунду)
•	До 3 аналоговых компараторов
•	Система событий (до 6 каналов)
•	Коммуникационные интерфейсы USART, SPI, I2C
Реклама
ООО «ЭФО» — ОФИЦИАЛЬНЫМ ДИСТРИБЬЮТОР MICROCHIP
www.efo.ru
НОВОСИБИРСК
(383) 286-8496
РОСТОВ-НА-ДОНУ ПЕРМЬ
(863)201-2771
ROSTOV@EFO.RU
Н. НОВГОРОД
(342)220-1944	(831)434-1784
PERM@EFO.RU NNOV@EFO.RU NSIB@EFO.RU
С.-ПЕТЕРБУРГ МОСКВА	КАЗАНЬ	ЕКАТЕРИНБУРГ
(812)327-8654	(495)933-0743	(843)518-7920	(343)278-7136
ZAV@EFO.RU MOSCOW@EFO.RU KAZAN@EFO.RU URAL@EFO.RU
tx ЛЕТ
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
А МИНПРОМТОРГ
РОССИИ
z^ufi
ApCKWBd
fv'fW
] < >pl. >Hi > ПК) И Ы11LI ESH Ш ПАЛ к I л
Р(Н ( 1| IK КОЙ ФЕДЕРАЦИИ
российская неделя
ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
XZI | | МЕЖДУНАРОДНЫЙ 1
XIII НАВИГАЦИОННЫЙ
ФОРУМ
www.glonass-forum.ru
11 -я международная
выставка
НАВИТЕХ
www.navitech-expo.ru
Организатор форума
Оператор форума
Стратегический партнер форума
Организатор выставки
ГЛОНАСС/ГН сс
Форум
Про
НПТЛОНАСС”
Федя»т«ыЛ свгеаом олсрзгоо

ЭКСПОЦЕНТР
МОСКВА
плис компоненты
67
Разработка узлов
синхронизации цифровых
устройств и встраиваемых
микропроцессорных систем,
реализуемых на базе ПЛИС
фирмы Xilinx семейств
UltraScale и UltraScale+. Часть 5
Валерий ЗОТОВ
walerry@km.ru
На основании информации о конфигурации проектируемого узла син-
хронизации, характеристиках опорных сигналов и необходимых выход-
ных тактовых сигналов, указанной на вкладках Clocking Options и Output
Clocks диалоговой панели мастера настройки параметров IP-ядра Clocking
Wizard [49, 50], производится автоматическое вычисление значений на-
страиваемых параметров библиотечного примитива, образующего основу
формируемого VHDL-описания. Вычисленные значения этих параметров
отображаются на соответствующей вкладке, название которой определя-
ется выбранным типом используемого библиотечного примитива.
Контроль и корректировка значений
настраиваемых параметров библиотечного
примитива, используемого в качестве основы
разрабатываемого узла синхронизации
При выборе для реализации проектируемого узла формирования
тактовых сигналов комбинированного модуля управления синхро-
низацией Mixed-Mode Clock Managers (ММСМ) значения основных
настраиваемых параметров используемого библиотечного прими-
тива представлены на вкладке ММСМ Settings диалоговой панели
мастера настройки параметров IP-ядра Clocking Wizard, чей вид при-
веден на рис. 1.
В верхней области этой вкладки расположена таблица общих на-
страиваемых параметров используемого библиотечного примитива
MMCME3_ADV или MMCME4_ADV, представляющего расширен-
ный вариант конфигурирования комбинированного модуля управ-
ления синхронизацией в кристаллах программируемой логики или
расширяемых многопроцессорных платформ семейств UltraScale
и UltraScale+ [47]. Представленная таблица имеет две колонки с на-
званиями Attribute и Value. В колонке Attribute перечислены иден-
тификаторы параметров настройки используемого библиотечного
примитива, назначение которых было рассмотрено в [47], а в колон-
ке Value — значения этих параметров, автоматически вычисленных
на основании информации, указанной разработчиком на вкладках
Clocking Options и Output Clocks диалоговой панели мастера на-
стройки параметров IP-ядра Clocking Wizard. При необходимости
можно принудительно изменить значения параметров, приведенные
в таблице. Для этого нужно установить в положение «Включено»
индикатор состояния параметра Allow Override Mode, после чего в ко-
лонке Value становятся доступными поля редактирования и выбора
значений соответствующих настраиваемых параметров.
В нижней области вкладки ММСМ Settings отображается таблица,
в которой приведена информация об основных параметрах настройки,
определяющих требуемые характеристики выходных тактовых сигна-
лов, и соответствие интерфейсных портов разрабатываемого узла син-
хронизации и используемого библиотечного примитива ММСМЕЗ_
ADV или MMCME4_ADV. Эта таблица содержит семь колонок с на-
званиями Clk Wizard Port, Renamed Port, MMCM/PLL Port, Divide, Duty
Cycle, Phase и Use Fine Ps. В колонке Clk Wizard Port перечислены услов-
ные обозначения соответствующих интерфейсных портов выходных
сигналов формируемого узла синхронизации, которые по умолчанию
предлагаются в таблице, представленной на вкладке Output Clocks
диалоговой панели мастера настройки параметров IP-ядра Clocking
Wizard [50]. В ячейках столбца Renamed Port отображаются иденти-
фикаторы портов выходных сигналов синхронизации, указанные раз-
работчиком в колонке Port Name в таблице, расположенной на вкладке
Output Clocks. Если при определении параметров формируемых так-
товых сигналов не изменялись идентификаторы соответствующих
интерфейсных портов генерируемого описания узла синхронизации,
то содержимое колонок Clk Wizard Port и Renamed Port полностью
совпадает, как показано на рис. 1. В ячейках столбца MMCM/PLL Port
приведены идентификаторы соответствующих интерфейсных портов
библиотечного примитива, представляющего расширенный вариант
конфигурирования комбинированного модуля управления синхрони-
зацией ММСМ. Ячейки колонки Divide предоставляют информацию
о значении коэффициента деления каждого выходного счетчика/дели-
теля используемого модуля ММСМ. Столбец Duty Cycle содержит зна-
чения коэффициента заполнения тактовых сигналов, формируемых
на выходах разрабатываемого узла синхронизации. В колонке Phase
отображаются сведения о величине фазового сдвига выходных сигна-
лов синхронизации. В ячейках столбца Use Fine Ps представлены инди-
каторы состояния, информирующие об использовании возможности
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты плис
ЯМ		
«ММ»	ям	
iWCMCtv		 1
	мт	
пагмя	ММ	
М MD		
'с*ММ	 ]		
амшцмж	1	
Marron		
.<Г лтши	«•1»	
ГМГП»,М1		
пмацп иав «М ч		
		
			Сам	СМ» см	*м»	имам»»»
		cusoue	LM	аз	IM	
(*ММ9				М	я»	
	ммя	амм»		1*	fMM	
	» .» 1 1	ОЖЖ.П ГМЕХ««	• 1	м  1	• «« им	
		пламя	1	«а	»м	
'мм	W.w*	аламя	1	«а	ам	
Рис. 1. Вид вкладки ММСМ Settings диалоговой панели мастера настройки параметров IP-ядра Clocking Wizard
достижения высокой точности фазового сдвига синтезируемых сиг-
налов при генерации описаний узлов синхронизации с возможностью
динамического изменения фазы выходных тактовых сигналов.
При установке индикатора состояния параметра Allow Override
Mode в положение «Включено» разработчику предоставляется возмож-
ность изменения значений параметров, отображаемых в ячейках коло-
нок Divide, Duty Cycle и Phase. Для корректировки какого-либо из этих
параметров следует активизировать поле редактирования его значения
в соответствующей ячейке таблицы, расположив в ней курсор и щел-
кнув левой кнопкой мыши, после чего воспользоваться клавиатурой.
Рис. 2. Вид вкладки PLL Settings диалоговой панели мастера настройки параметров IP-ядра Clocking Wizard
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
плис компоненты
69
Рис. 3. Вид вкладки Summary диалоговой панели «мастера» настройки параметров IP-ядра Clocking Wizard
Кроме того, разработчик может задействовать или отменить функцию
достижения высокой точности фазового сдвига синтезируемых сигна-
лов, используя индикаторы состояния, которые становятся доступны-
ми для переключения в соответствующих ячейках столбца Use Fine Ps.
При подготовке описаний узлов синхронизации на основе модуля
фазовой автоподстройки частоты Phase-Locked-Loop (PLL) информа-
ция о текущих значениях настраиваемых параметров используемого
библиотечного примитива приводится на вкладке PLL Settings, чей
вид изображен на рис. 2.
Эта вкладка также содержит две таблицы. В верхней части вклад-
ки PLL Settings находится таблица, в которой отображаются значе-
ния общих настраиваемых параметров библиотечного примитива
PLLE3_ADV или PLLE4_ADV, представляющего расширенный ва-
риант конфигурирования модуля фазовой автоподстройки частоты
в ПЛИС и полностью программируемых системах на кристалле се-
мейств UltraScale и UltraScale+. Данная таблица имеет ту же структу-
ру, что и таблица общих параметров настройки комбинированного
модуля управления синхронизацией ММСМ, рассмотренная выше.
Таблица, расположенная в нижней области вкладки PLL Settings,
содержит сведения об основных параметрах настройки, определя-
ющих требуемые характеристики выходных сигналов синхрониза-
ции, и соответствие интерфейсных портов разрабатываемого узла
формирования тактовых сигналов и применяемого библиотечно-
го примитива PLLE3_ADV или PLLE4_ADV. Эта таблица включает
те же колонки, что и аналогичная таблица, представленная на вкладке
ММСМ Settings, за исключением столбца Use Fine Ps. Для принуди-
тельного изменения значений параметров настройки модуля PLL,
приведенных в указанных таблицах, следует выполнить те же дей-
ствия, что и для модификации значений параметров комбинирован-
ного модуля управления синхронизацией ММСМ.
После контроля и корректировки (при необходимости) значений
настраиваемых параметров используемого библиотечного примити-
ва перед запуском процесса генерации описания разрабатываемого
узла формирования тактовых сигналов рекомендуется проверить за-
данные основные параметры его конфигурации.
Контроль основных параметров
конфигурации разрабатываемого узла
формирования тактовых сигналов
Для контроля выбранной конфигурации разрабатываемого узла
формирования тактовых сигналов нужно открыть вкладку Summary
диалоговой панели мастера настройки параметров IP-ядра Clocking
Wizard, чей вид приведен на рис. 3.
Вкладка предоставляет информацию о характеристиках опорных
сигналов и значениях основных параметров конфигурирования комби-
нированного модуля управления синхронизацией ММСМ или модуля
фазовой автоподстройки частоты PLL, образующего основу разрабаты-
ваемого узла формирования тактовых сигналов. Заданные значения ос-
новных параметров опорных тактовых сигналов и идентификаторы со-
ответствующих портов в формируемом описании узла синхронизации
приведены в таблицах Primary Input Clock Attributes и Secondary Input
Clock Attributes. Последняя таблица присутствует на вкладке Summary
только при использовании дополнительного (Secondary) опорного
сигнала в разрабатываемом узле синхронизации [50]. Значение часто-
ты основного и дополнительного входного тактового сигнала отобра-
жается в строке Input Clock Frequency (MHz) перечисленных таблиц.
Информация о виде источника соответствующего опорного тактового
сигнала представлена в строке Source. Сведения об уровне джиттера ис-
пользуемых опорных тактовых сигналов указаны в строке Jitter.
Информация о значениях основных параметров настройки би-
блиотечного примитива, выбранного в качестве основы описания
разрабатываемого узла формирования тактовых сигналов, приведена
в разделе Clocking Primitive Attributes вкладки Summary. В строке
Primitive Instantiated отображается условное обозначение типа ис-
пользуемого библиотечного примитива — ММСМ или PLL. Строки
Divide Counter и Mult Counter содержат значения общего делителя
и множителя в выражении, определяющем значение частоты выход-
ных тактовых сигналов [47]. Строка Dynamic Phase Shift информиру-
ет о поддержке динамического изменения величины фазового сдвига
выходных сигналов в разрабатываемом узле синхронизации.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты плис

(WUlfWltNi			
	MM	»*»	
riMjrtlbwl	MM	1*44	
ZUNXAYNmI	MN	ММ	
SUR/TIRmI	юк		
			
xe*jri	юн	мм	
	MJ Ы	1 <4	
	Мп	м	
	ММ	ММ	
ajauriM.'	м»	мм	
1Ж1Р 1	’	мм		
			
;Ijnnxibaaf		к	
			
	мк	Г 4	
	и»	ММ	
	ММ	I'M	
ПОЛ tbafl	мм	мм	
			
ЯГ CUM	мк	МП	
ЗМЪЛЛЯвП	ммв	|««	
	Мм	мм	
. X> ’Ml	ЮМ	мм	
	ммс		
			
	•М4	~м	
	м«	ММ	
	мм	м»	
Рис. 4. Вид вкладки DRP Registers диалоговой панели мастера настройки параметров IP-ядра Clocking Wizard
Сведения о характеристиках формируемых тактовых сигналов и зна-
чения соответствующих параметров настройки используемого библи-
отечного примитива представлены в таблице, которая включает шесть
колонок с названиями Clock Wiz О/p Pins, Source, Divider Value, Tspread
(ps), Pk-to-Pk Jitter (ps) и Phase Error (ps). В колонке Clock Wiz О/p Pins
отображаются условные обозначения интерфейсных портов выходных
сигналов разрабатываемого узла синхронизации, которые по умолча-
нию предлагаются в таблице, представленной на вкладке Output Clocks
диалоговой панели мастера настройки параметров IP-ядра Clocking
Wizard. В столбце Source указаны идентификаторы выходных портов
комбинированного модуля управления синхронизацией ММСМ или
модуля фазовой автоподстройки частоты PLL, которые служат источ-
ником соответствующих формируемых тактовых сигналов. Ячейки
колонки Divider Value содержат значения коэффициента деления выход-
ных счетчиков/делителей, вырабатывающих соответствующие сигналы
синхронизации. В столбце Tspread (ps) представлены сведения о размахе
модуляции, применяемой для снижения уровня электромагнитного из-
лучения. В ячейках колонки Pk-to-Pk Jitter (ps) приведена информация
об уровне джиттера соответствующих формируемых тактовых сигна-
лов. В столбце Phase Error (ps) отображаются значения фазовой ошибки
каждого вырабатываемого сигнала синхронизации.
Если разрабатываемый узел синхронизации должен поддержи-
вать функцию изменения характеристик вырабатываемых сигна-
лов в процессе его функционирования, которая реализуется через
интерфейс AXI4-Lite с возможностью записи необходимых значе-
ний в регистры порта динамического реконфигурирования Dynamic
Reconfiguration Port (DRP), то целесообразно изучить также инфор-
мацию, загружаемую в различные регистры этого порта.
Отображение информации,
записываемой в регистры порта
динамического реконфигурирования DRP
Для того чтобы ознакомиться с информацией, записываемой в ре-
гистры порта динамического реконфигурирования DRP кристал-
ла программируемой логики или расширяемой многопроцессор-
ной платформы семейств UltraScale и UltraScale+, следует открыть
вкладку DRP Registers диалоговой панели мастера настройки параме-
тров IP-ядра Clocking Wizard, чей вид демонстрирует рис. 4.
На указанной вкладке представлена таблица Registers Table, кото-
рая включает три колонки с названиями DRP Register Name, Register
Address и Register Values. В колонке DRP Register Name перечислены
идентификаторы регистров порта динамического реконфигурирова-
ния. Ячейки столбца Register Address содержат адреса каждого регистра
порта DRP. В ячейках колонки Register Values отображаются значения,
которые должны быть записаны в соответствующие регистры порта
динамического реконфигурирования для формирования тактовых
сигналов с заданными параметрами. Эти значения вычисляются ав-
томатически мастером настройки параметров IP-ядра Clocking Wizard
на основе параметров конфигурации разрабатываемого узла синхро-
низации, указанных на вкладках Clocking Options и Output Clocks.
После ознакомления с представленной информацией можно пере-
йти к выполнению процесса формирования файлов описания раз-
рабатываемого узла синхронизации, необходимых для его синтеза
и моделирования.
Генерация модулей описания узла синхронизации
на основе IP-ядра Clocking Wizard
Для активизации процесса автоматической генерации модулей
описания разрабатываемого узла формирования тактовых сигна-
лов следует нажать клавишу ОК, расположенную в нижней части
диалоговой мастера настройки параметров IP-ядра Clocking Wizard
(рис. 4). После этого открывается диалоговая панель с заголовком
Create Directory, которая содержит запрос создания нового раздела
в рабочем каталоге проекта, предназначенного для записи файлов
IP-ядра Clocking Wizard. При нажатии клавиши ОК, представленной
в этой панели, на экране появляется информационная панель с за-
головком Customize IP, содержащая краткие сведения о ходе процесса
конфигурирования указанного ядра. Вслед за этой панелью откры-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
плис компоненты
71
Рис. 5. Выполнение процесса генерации описания узла синхронизации на основе IP-ядра Clocking Wizard
вается диалоговая панель с заголовком Generate Output Products, как
показано на рис. 5.
В разделе Preview открывшейся диалоговой панели перечисле-
ны группы модулей, которые автоматически создаются в процессе
генерации описания узла формирования тактовых сигналов. Для
выбора варианта последующего логического синтеза разрабатывае-
мого узла синхронизации следует воспользоваться группой кнопок
с зависимой фиксацией Synthesis Options, расположенных под раз-
делом Preview. Если в нажатом положении зафиксирована кнопка
Global, то сгенерированное описание узла формирования тактовых
сигналов будет синтезироваться совместно с другими модулями ис-
ходного HDL-описания проекта. При установке в нажатое состояние
кнопки Out of context per IP логический синтез разрабатываемого
узла синхронизации будет осуществляться независимо от остального
описания проектируемого устройства.
Для оптимизации времени выполнения последующего процесса
логического синтеза сгенерированного описания узла формиро-
вания тактовых сигналов целесообразно воспользоваться полем
выбора значения параметра Number of jobs, представленного в раз-
деле Run Settings рассматриваемой диалоговой панели. Это поле
позволяет указать количество процессорных ядер используемого
ПК, которое будет задействовано на этапе логического синтеза узла
синхронизации.
После установки требуемых значений рассмотренных параметров
нужно запустить процесс генерации модулей описания разрабаты-
ваемого узла формирования тактовых сигналов, нажав клавишу
Generate, расположенную в нижней части диалоговой панели Generate
Output Products. Краткие сведения о ходе выполнения этого процесса
отображаются в информационных панелях Managing Output Products
и Generate Output Products, чей вид представлен на рис. 5.
При успешном завершении генерации модулей описания разра-
батываемого узла синхронизации нужно, используя встроенный
HDL-редактор САПР серии Xilinx Vivado HLx Design Suite, добавить
его в состав исходного описания проектируемого устройства в виде
соответствующего компонента. Для этого рекомендуется восполь-
зоваться шаблонами выражений декларации и создания экземпляра
компонента, представляющего разрабатываемый узел формиро-
вания тактовых сигналов. Эти шаблоны предоставляет файл с на-
званием, совпадающим с идентификатором узла синхронизации,
указанным в поле редактирования значения параметра Component
Name (рис. 4), и расширением vho. Доступ к этому файлу открыва-
ет вкладка IP Sources встроенного окна исходных модулей проекта
Sources. При расположении курсора в указанном окне в строке с на-
званием файла шаблонов и двойном щелчке левой кнопкой мыши
его содержимое отображается на новой вкладке рабочей области ос-
новного окна интегрированной среды разработки Vivado Integrated
Design Environment (IDE), как демонстрирует рис. 6.
Сгенерированные выражения декларации и создания экземпляра
компонента, представляющего разрабатываемый узел синхрониза-
ции, следует с помощью команд копирования и вставки добавить
в соответствующие разделы модуля исходного описания более вы-
сокого уровня иерархии проекта, например модуля верхнего уровня
иерархии. В последующих разделах приводятся примеры различных
вариантов узлов формирования тактовых сигналов, сгенерирован-
ных на основе IP-ядра Clocking Wizard.
Пример VHDL-описания узла синхронизации,
реализуемого на основе модуля фазовой
автоподстройки частоты PLL, сгенерированного
с помощью IP-ядра Clocking Wizard
Примером VHDL-описания узла формирования тактовых сигна-
лов, сгенерированного с помощью IP-ядра Clocking Wizard, служит
модуль Clk_mod_wiz_pll. Данный узел, реализуемый на базе модуля
фазовой автоподстройки частоты PLL, используя внешний сигнал
синхронизации с частотой 75 МГц, вырабатывает выходные тактовые
сигналы с частотой 120 и 150 МГц с коэффициентом заполнения 50%.
Узел синхронизации Clk_mod_wiz_pll обеспечивает гарантированное
первоочередное включение вырабатываемого сигнала с частотой
120 МГц.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты плис
Рис. 6. Отображение шаблонов выражений декларации и создания экземпляра компонента, представляющего разрабатываемый узел синхронизации
-	- Tool Version : Vivado v.2018.2 (win64) Build 2258646 Thu Jun 14 20:03:12 MDT 2018
—	Date : Sun Feb 24 15:05:34 2019
-	- Host : WIN-7-XE running 64-bit Service Pack 1 (build 7601)
—	Command : write_vhdl -force -mode funcsim -rename_top Clk_mod_wiz_pll -prefix
Clk_mod_wiz_pll_ clk_wiz_O_sim_netlist.vhdl
—	Design : clk_wiz_0
-	Purpose : This VHDL netlist is a functional simulation representation of the design and should not
be modified or synthesized. This netlist cannot be used for SDF annotated simulation.
-	Device : xcku5p-ffva676-3-e
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164. ALL;
library UNISIM;
use UNISIM.VCOMPONENTS.ALL;
entity Clk_mod_wiz_pll is
port (
clk_out_120	: out	STD_LOGIC;
clk_out_150	: out	STD_LOGIC;
reset	: in	STD_LOGIC;
power_down_pll	: in	STD_LOGIC;
locked_pll	: out	STD_LOGIC;
clk_inl	: in	STD_LOGIC
);
end Clk_mod_wiz_pll;
Листинг 1. Раздел декларации объекта Clk_mod_wiz_pll,
представляющего разрабатываемый узел формирования тактовых сигналов
Опорный сигнал рассматриваемого узла синхронизации посту-
пает со специального выделенного вывода кристалла программи-
руемой логики или расширяемой многопроцессорной платфор-
мы на вход модуля фазовой автоподстройки частоты PLL через
входной буферный элемент IBUF. К выходам формируемых так-
товых сигналов этого модуля подключены глобальные буфер-
ные элементы с входом разрешения синхронизации BUFGCE.
Схему управления очередностью включения выходных сигналов узла
синхронизации Clk_mod_wiz_pll образуют два восьмиразрядных
регистра, реализованных на базе D-триггеров с входом разрешения
синхронизации и асинхронным сбросом FDCE.
В листинге 1 приведен раздел декларации VHDL-описания объекта
Clk_mod_wiz_pll, представляющего рассматриваемый узел форми-
рования тактовых сигналов. В начале раздела в виде комментариев
отображается информация о версии используемых средств проек-
тирования, дате и времени создания данного VHDL-описания, ко-
мандной строке, предназначенной для его генерации, а также типе
кристалла программируемой логики, выбранного для его реализа-
ции. Затем приводятся ссылки на используемые библиотеки и пакеты
этих библиотек. Далее следует объявление объекта Clk_mod_wiz_pll,
представляющего разрабатываемый узел формирования тактовых
сигналов, с описанием его интерфейса.
Система условных обозначений входных и выходных портов, при-
меняемых в описании интерфейса узла формирования тактовых
сигналов Clk_mod_wiz_pll, включает следующие идентификаторы:
•	clk_out_120 — выход сигнала с частотой 120 МГц;
•	clk_out_150 — выход сигнала с частотой 150 МГц;
•	reset — вход сигнала сброса модуля фазовой автоподстройки час-
тоты PLL;
•	clk_inl — вход опорного внешнего сигнала синхронизации;
•	power_down_pll — вход управления питанием модуля фазовой
автоподстройки частоты PLL;
•	locked_pll — выход сигнала, информирующего о достижении ре-
жима фазового синхронизма.
Последующая часть сгенерированного кода, содержащая структур-
ное описание архитектуры объекта Clk_mod_wiz_pll, имеет четыре
раздела. Первый раздел, текст которого демонстрирует листинг 2,
содержит выражения декларации внутренних сигналов и определе-
ния необходимых атрибутов, используемых в составе структурного
описания архитектуры объекта, представляющего рассматриваемый
узел синхронизации.
Второй раздел структурного описания архитектуры объекта С1к_
mod_wiz_pll, текст которого предоставляет листинг 3, включает опе-
раторы создания экземпляров входного буферного элемента IBUF,
предназначенного для коммутации опорного сигнала, и глобальных
буферных элементов с входом разрешения синхронизации BUFGCE,
установленных на выходах и внутренних цепях рассматриваемого
узла формирования тактовых сигналов.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
плис компоненты
architecture STRUCTURE of Clk_mod_wiz_pll is
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC_VECTOR ( 7 downto 0 );
:	string;
:	signal is “true”;
:	string;
:	signal is “true”;
:	STD_LOGIC_VECTOR ( 7 downto 0 );
: signal is “true”;
: signal is “true”;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC;
signal clk_inl_clk_wiz_O
signal clk_out_120_clk_wiz_0
signal clk_out_l 20_clk_wiz_0_en_clk
signal clk_out_150_clk_wiz_0
signal clk_out_l 50_clk_wiz_0_en_clk
signal clkfbout_clk_wiz_0
signal \Alocked_pll\
signal seq_regl
attribute RTL_KEEP
attribute RTL_KEEP of seq_regl
attribute async_reg
attribute async_reg of seq_regl
signal seq_reg2
attribute RTL_KEEP of seq_reg2
attribute async_reg of seq_reg2
signal NLW_clkf_buf_O_UNCONNECTED
signal NLW_plle4_adv_inst_CLKFBIN_UNC0NNECTED
signal NLW_plle4_adv_inst_CLKOUTOB_UNCONNECTED
signal NLW_plle4_adv_inst_CLK0UTlB_UNC0NNECTED
signal NLW_plle4_adv_inst_CLK0UTPHY_UNC0NNECTED : STD_LOGIC;
signal NLW_plle4_adv_inst_DRDY_UNC0NNECTED
signal NLW_plle4_adv_inst_D0_UNC0NNECTED
attribute BOX_TYPE
attribute BOX_TYPE of clkf_buf
attribute XILINX_LEGACY_PRIM
attribute XILINX_LEGACY_PRIM of clkf.buf
attribute BOX_TYPE of clkinl_ibuf
attribute CAPACITANCE
attribute CAPACITANCE of clkinl_ibuf
attribute IBUF_DELAY_VALUE
attribute IBUF_DELAY_VALUE of clkinl_ibuf
attribute IFD_DELAY_VALUE
attribute IFD_DELAY_VALUE of clkinl_ibuf
attribute BOX_TYPE of clkoutl_buf
attribute BOX_TYPE of clkoutl_buf_en
attribute BOX_TYPE of clkout2_buf
attribute BOX_TYPE of clkout2_buf_en
attribute BOX_TYPE of plle4_adv_inst
attribute ASYNC_REG_boolean
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_regl_reg[O]\
attribute KEEP
attribute KEEP of \seq_regl_reg[O]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_regl_reg[l]\
attribute KEEP of \seq_regl_reg[l]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_regl_reg[2]\
attribute KEEP of \seq_regl_reg[2]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_regl_reg[3]\
attribute KEEP of \seq_regl_reg[3]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_regl_reg[4]\
attribute KEEP of \seq_regl_reg[4]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_regl_reg[5]\
attribute KEEP of \seq_regl_reg[5]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_regl_reg[6]\
attribute KEEP of \seq_regl_reg[6]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_regl_reg[7]\
attribute KEEP of \seq_regl_reg[7]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_reg2_reg[0]\
attribute KEEP of \seq_reg2_reg[0]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_reg2_reg[l]\
attribute KEEP of \seq_reg2_reg[l]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_reg2_reg[2]\
attribute KEEP of \seq_reg2_reg[2]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_reg2_reg[3]\
attribute KEEP of \seq_reg2_reg[3]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_reg2_reg[4]\
attribute KEEP of \seq_reg2_reg[4]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_reg2_reg[5]\
attribute KEEP of \seq_reg2_reg[5]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_reg2_reg[6]\
attribute KEEP of \seq_reg2_reg[6]\
attribute ASYNC_REG_boolean of \seq_reg2_reg[7]\
attribute KEEP of \seq_reg2_reg[7]\
:	STD_LOGIC;
:	STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0 );
string;
label is “PRIMITIVE”;
string;
label is “BUFG”;
label is “PRIMITIVE”;
string;
label is “DONT_CARE”;
string;
label is “0”;
string;
label is “AUTO”;
label is “PRIMITIVE”;
label is “PRIMITIVE”;
label is “PRIMITIVE”;
label is “PRIMITIVE”;
label is “PRIMITIVE”;
boolean;
label is std.standard.true;
string;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
label is std.standard.true;
label is “yes”;
Листинг 2.
Раздел декларации внутренних сигналов и определения необходимых атрибутов,
используемых в составе структурного описания архитектуры объекта Clk_mod_wiz_pll
Третий раздел структурного описания архитектуры объекта С1к_
mod_wiz_pll образует оператор создания экземпляра библиотечного
примитива PLLE4_ADV, представляющего расширенный вариант
конфигурирования модуля фазовой автоподстройки частоты, чей
вид представлен в листинге 4.
В заключительном разделе структурного описания архитектуры
объекта Clk_mod_wiz_pll представлены операторы создания экземпля-
ров D-триггера с входом разрешения синхронизации и асинхронным
сбросом, которые составляют схему, обеспечивающую требуемую по-
следовательность включения сигналов, формируемых на выходах рас-
сматриваемого узла. Содержимое этого раздела отражено в листинге 5.
begin
locked_pll <= \Alocked_pll\;
clkf_buf: unisim.vcomponents.BUFGCE
generic map(
CEJTYPE => “ASYNC”
)
port map (
CE =>T,
I => clkfbout_clk_wiz_0,
О => NLW_clkf_buf_O_UNCONNECTED
);
clkin l_ibuf: unisim.vcomponents.IBUF
generic map(
IOSTANDARD => “DEFAULT”
)
port map (
I => clk_inl,
О => clk_inl_clk_wiz_O
);
clkoutl_buf: unisim.vcomponents.BUFGCE
generic map(
CEJTYPE => “SYNC”,
IS_CEJNVERTED => ‘O’,
ISJJNVERTED => ‘0’
)
port map (
CE => seq_regl(7),
I => clk_out_120_clk_wiz_0,
О => clk_out_120
);
clkoutl_buf_en: unisim.vcomponents.BUFGCE
generic map(
CEJTYPE => “SYNC”,
IS_CEJNVERTED => ‘O’,
ISJJNVERTED => ‘0’
)
port map (
CE =>T,
I => clk_out_120_clk_wiz_0,
О => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk
);
clkout2_buf: unisim.vcomponents.BUFGCE
generic map(
CEJTYPE => “SYNC”,
IS_CEJNVERTED => ‘O’,
ISJJNVERTED => ‘0’
)
port map (
CE => seq_reg2(7),
I => clk_out_150_clk_wiz_0,
О	=> clk_outJ50
);
clkout2_buf_en: unisim.vcomponents.BUFGCE
generic map(
CEJTYPE => “SYNC”,
IS_CEJNVERTED => ‘O’,
ISJJNVERTED => ‘0’
)
port map (
CE =>T,
I => clk_out_150_clk_wiz_0,
О	=> clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk
);
Листинг 3.
Раздел создания экземпляров входных, внутренних и выходных буферных элементов
структурного описания архитектуры объекта Clk_mod_wiz_pll
На рис. 7 приведено схемотехническое представление узла фор-
мирования тактовых сигналов Clk_mod_wiz_pll, сгенерированное
в процессе предварительной проработки проекта САПР серии Xilinx
Vivado HLx Design Suite.
Временные диаграммы входных, выходных и внутренних сигналов
рассматриваемого узла синхронизации, демонстрирующие основные
режимы его функционирования, показаны на рис. 8. Представленные
диаграммы сформированы в результате его временного моделирова-
ния, осуществляемого средствами Vivado Simulator.
Для включения узла формирования тактовых сигналов Clk_mod_
wiz_pll в качестве компонента в состав VHDL-описания разрабаты-
ваемого устройства или встраиваемой микропроцессорной системы
необходимо добавить в раздел декларации конструкцию, которую
демонстрирует листинг 6.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты плис
Рис. 7. Схемотехническое представление узла синхронизации Clk_mod_wiz_pll, сформированное в процессе предварительной проработки проекта
Создание конкретного экземпляра компонента, представляющего
рассматриваемый узел синхронизации, осуществляется с помощью
оператора, шаблон которого приведен в листинге 7.
Окончание следует
Рис. 8. Временные диаграммы входных, выходных и внутренних сигналов узла синхронизации Clk_mod_wiz_pll
Литература
1.	UltraScale Architecture and Product Data Sheet: Overview. Xilinx, 2018.
2.	Zynq UltraScale+ MPSoC Data Sheet: Overview. Xilinx, 2018.
3.	Zynq UltraScale+ RFSoC Data Sheet: Overview. Xilinx, 2018.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
плис компоненты
plle4_adv_inst: unisim.vcomponents.PLLE4_ADV
generic map(
CLKFBOUT_MULT => 16,
CLKFBOUT_PHASE => 0.000000,
CEKIN_PERIOD => 13.333000,
CEKOUTO_DIVIDE => 10,
CLKOUTO_DUTY_CYCLE => 0.500000,
CEKOUTO_PHASE => 0.000000,
CEKOUT1_DIVIDE => 8,
CEKOUT1_DUTY_CYCEE => 0.500000,
CEKOUT1_PHASE => 0.000000,
CEKOUTPHY_MODE => “VCO_2X”,
COMPENSATION => “INTERNAL”,
DIVCLK_DIVIDE => 1,
IS_CLKFBIN_INVERTED => ‘O’,
IS_CLKIN_INVERTED => ‘O’,
IS_PWRDWN_INVERTED => ‘O’,
IS_RST_INVERTED => ‘O’,
REFJITTER => 0.010000,
STARTUP_WAIT => “FALSE”
)
port map (
CLKFBIN => NEW_plle4_adv_inst_CLKFBIN_UNCONNECTED,
CLKFBOUT => clkfbout_clk_wiz_0,
CLKIN => clk_inl_clk_wiz_0,
CLKOUTO => clk_out_120_clk_wiz_0,
CLKOUTOB => NLW_plle4_adv_inst_CLKOUT0B_
UNCONNECTED,
CLKOUT1 => clk_out_150_clk_wiz_0,
CLKOUT1B => NLW_plle4_adv_inst_CLKOUTlB_
UNCONNECTED,
CLKOUTPHY => NLW_plle4_adv_inst_CLKOUTPHY_
UNCONNECTED,
CLKOUTPHYEN => ‘O’,
DADDR(6 downto 0) => B”0000000”,
DCLK => ‘O’,
DEN => ‘O’,
DI(15 downto 0) => B”0000000000000000”,
DO(15 downto 0) => NLW_plle4_adv_inst_DO_
UNCONNECTED(15 downto 0),
DRDY => NLW_plle4_adv_inst_DRDY_UNCONNECTED,
DWE => ‘O’,
LOCKED => \Alocked_pll\,
PWRDWN => power_down_pll,
RST => reset
Листинг 4. Раздел создания экземпляра основного
компонента узла синхронизации Clk_mod_wiz_pll
4.	UltraScale Architecture SelectIO Resources User
Guide. Xilinx, 2018.
5.	UltraScale Architecture Packaging and Pinout User
Guide. Xilinx, 2018.
6.	Kintex UltraScale Architecture Data Sheet: DC and
AC Switching Characteristics. Xilinx, 2017.
7.	Virtex UltraScale Architecture Data Sheet: DC and
AC Switching Characteristics. Xilinx, 2017.
8.	Kintex UltraScale+ FPGAs Data Sheet: DC and AC
Switching Characteristics. Xilinx, 2018.
9.	Virtex UltraScale+ FPGAs Data Sheet: DC and AC
Switching Characteristics. Xilinx, 2018.
10.	Zynq UltraScale+ MPSoC Data Sheet: DC and AC
Switching Characteristics. Xilinx, 2018.
11.	Zynq UltraScale+ MPSoC Technical Reference
Manual. Xilinx, 2018.
12.	Zynq UltraScale+ MPSoC Packaging and Pinout
User Guide. Xilinx, 2018.
13.	UltraScale Architecture Clocking Resources.User
Guide. Xilinx, 2018.
14.	MMCM and PLL Dynamic Reconfiguration.
Xilinx, 2018.
15.	UltraScale Architecture Libraries Guide. Xilinx,
2018.
16.	UltraFast Design Methodology Quick Reference
Guide. Xilinx, 2016.
17.	UltraFast Design Methodology Guide for
the Vivado Design Suite. Xilinx, 2016.
18.	Зотов В. Особенности архитектуры нового по-
коления ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы
Xilinx И Компоненты и технологии. 2010. № 12.
\seq_regl_reg[O]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk,
CE=>T,
CLR => reset,
D => \Alocked_pll\,
Q => seq_regl(0));
\seq_regl_reg[ 1 ]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk,
CE=>T,
CLR => reset,
D => seq_regl(0),
Q => seq_regl(l) );
\seq_regl_reg[2]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk,
CE=>T,
CLR => reset,
D => seq_regl(l),
Q => seq_regl(2) );
\seq_regl_reg[3]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map(INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk,
CE=>T,
CLR => reset,
D => seq_regl(2),
Q => seq_regl(3) );
\seq_regl_reg[4]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk,
CE=>T,
CLR => reset,
D => seq_regl(3),
Q => seq_regl(4) );
\seq_regl_reg[5]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk,
CE=>T,
CLR => reset,
D => seq_regl(4),
Q => seq_regl(5) );
\seq_regl_reg[6]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk,
CE=>T,
CLR => reset,
D => seq_regl(5),
Q => seq_regl(6));
\seq_regl_reg[7]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_120_clk_wiz_0_en_clk,
CE=>T,
CLR => reset,
D => seq_regl(6),
Q => seq_regl(7) );
Листинг 5. Раздел создания экземпляров D-триггеров схемы управления
последовательностью включения формируемых сигналов
component Clk_mod_wiz_pll
port
(— Clock in ports		
- Clock out ports clk_out_120	: out	std_logic;
clk_out_150	: out	std_logic;
- Status and control signals		
reset	: in	std_logic;
power_down_pll	: in	std_logic;
locked_pll	: out	std_logic;
clk_inl );	: in	std_logic
end component;
Листингб. Шаблон декларации компонента,
представляющего узел синхронизации Clk_mod_wiz_pll
19.	Зотов В. Расширение семейства программиру-
емых систем на кристалле Zynq-7000 АР SoC //
Компоненты и технологии. 2013. № 12. 2014.
№ 1.
20.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 1 // Компоненты
и технологии. 2016. № 7.
21.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
\seq_reg2_reg[0]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk,
CE =>T,
CLR => reset,
D => seq_regl(7),
Q => seq_reg2(0));
\seq_reg2_reg[ 1 ]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk,
CE =>T,
CLR => reset,
D => seq_reg2(0),
Q => seq_reg2(l));
\seq_reg2_reg[2]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk,
CE =>T,
CLR => reset,
D => seq_reg2(l),
Q => seq_reg2(2));
\seq_reg2_reg[3]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk,
CE =>T,
CLR => reset,
D => seq_reg2(2),
Q => seq_reg2(3));
\seq_reg2_reg[4]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk,
CE =>T,
CLR => reset,
D => seq_reg2(3),
Q => seq_reg2(4));
\seq_reg2_reg[5]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk,
CE =>T,
CLR => reset,
D => seq_reg2(4),
Q => seq_reg2(5));
\seq_reg2_reg[6]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk,
CE =>T,
CLR => reset,
D => seq_reg2(5),
Q => seq_reg2(6));
\seq_reg2_reg[7]\: unisim.vcomponents.FDCE
generic map (INIT => ‘0’)
port map (C => clk_out_150_clk_wiz_0_en_clk,
CE =>T,
CLR => reset,
D => seq_reg2(6),
Q => seq_reg2(7));
end STRUCTURE;
your_instance_name: Clk_mod_wiz_pll
port map (
-	Clock out ports
clk_out_120 => clk_out_120,
clk_out_150 => clk_out_150,
-	Status and control signals
reset => reset,
power_down_pll => power_down_pll,
locked_pll => locked_pll,
— Clock in ports
clk_inl => clk_inl
);
Листинг?.
Шаблон оператора создания экземпляра компонента,
представляющего узел синхронизации Clk_mod_wiz_pll
Vivado HLx Design Suite. Часть 2 // Компоненты
и технологии. 2016. № 8.
22.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 3 // Компоненты
и технологии. 2016. № 9.
23.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 4 // Компоненты
и технологии. 2016. № 10.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты плис
24.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 5 И Компоненты и тех-
нологии. 2016. № 11.
25.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 6 // Компоненты и тех-
нологии. 2016. № 12.
26.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 7 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 1.
Т1.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 8 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 2.
28.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 9 // Компоненты и тех-
нологии. 2017. № 3.
29.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 10 // Компоненты
и технологии. 2017. № 4.
30.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 11 // Компоненты
и технологии. 2017. № 5.
31.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 12 И Компоненты
и технологии. 2017. № 6.
32.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 13 // Компоненты
и технологии. 2017. № 7.
33.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 14 // Компоненты
и технологии. 2017. № 8.
34.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 15 // Компоненты
и технологии. 2017. № 9.
35.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 16 // Компоненты
и технологии. 2017. № 10.
36.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 17 // Компоненты
и технологии. 2017. № 12.
37.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 18 // Компоненты
и технологии. 2018. № 1.
38.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 19 И Компоненты
и технологии. 2018. № 2.
39.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 20 И Компоненты
и технологии. 2018. № 3.
40.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 21 // Компоненты
и технологии. 2018. № 4.
41.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 22 // Компоненты
и технологии. 2018. № 5.
42.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 23 // Компоненты
и технологии. 2018. № 6.
43.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 24 // Компоненты
и технологии. 2018. № 7.
44.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 25 // Компоненты
и технологии. 2018. № 8.
45.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 26 // Компоненты
и технологии. 2018. № 9.
46.	Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы
Xilinx в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть Т1 И Компоненты
и технологии. 2018. № 10.
47.	Зотов В. Разработка узлов синхронизации цифровых устройств и встраиваемых
микропроцессорных систем, реализуемых на базе ПЛИС фирмы Xilinx семейств
UltraScale и UltraScale+. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2018. № 11.
48.	Зотов В. Разработка узлов синхронизации цифровых устройств и встраи-
ваемых микропроцессорных систем, реализуемых на базе ПЛИС фирмы
Xilinx семейств UltraScale и UltraScale+. Часть 2 // Компоненты и техноло-
гии. 2018. № 12.
49.	Зотов В. Разработка узлов синхронизации цифровых устройств и встраи-
ваемых микропроцессорных систем, реализуемых на базе ПЛИС фирмы
Xilinx семейств UltraScale и UltraScale+. Часть 3 // Компоненты и техноло-
гии. 2019. № 1.
50.	Зотов В. Разработка узлов синхронизации цифровых устройств и встраи-
ваемых микропроцессорных систем, реализуемых на базе ПЛИС фирмы
Xilinx семейств UltraScale и UltraScale+. Часть 4 // Компоненты и техноло-
гии. 2019. № 2.
НОВОСТИ
НОВОСТИ диоды
Уважаемые читатели!
Обращаем ваше внимание на то, что
в № 8’2018 нашего журнала по вине ре-
дакции была допущена досадная ошибка.
В статье Ф. Пухане «Алюминиевые конден-
саторы: электролитический или полимерный?
Полноценная реализация их преимуществ»
на с. 30 приведены неверные формулы для
расчетов надежности. Мы приносим свои из-
винения читателям и авторам.
Формула (1) для алюминиевых полимер-
ных конденсаторов должна иметь вид:
Ц = £„отХ10<Т0-То)/20.	(1)
Формула (2) для алюминиевых электро-
литических конденсаторов:
L =L x2(T°“T«)/10	(2)
^пот
STPSC8H065DLF — диод Шоттки 8 А 650 В
от STMicroelectronics
Компания STMicroelectronics представляет
STPSC8H065DLF - 8-А650-В диод Шоттки,
выполненный с использованием структуры
карбида кремния (SiC). Широкая запрещенная
зона материала позволяет разработать струк-
туру диода с номинальным напряжением 650 В.
Благодаря конструкции Шоттки восстановление
при выключении отсутствует либо незначительно.
Минимальная емкость при выключении независи-
ма от температуры.
Ключевые особенности:
• высота корпуса: менее 1 мм;
•	обратное восстановление отсутствует либо • высокая перегрузочная способность;
незначительно;	• малое падение напряжения.
•	независимый от температуры режим;	www.ptelectronics.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
MORNSUN
/\з5-350Вт
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
В ЗАКРЫТОМ ИСПОЛНЕНИИ
Изоляционное
напряжение
до 4000 В
переменного
тока
Рабочий
диапазон
температур
от -30 °C
до +70 °C
Электромагнитные
помехи соответствуют
стандарту
CISPR32/EN55032
Class В
Соответствуют
требованиям
работы
на высоте
5000 м
Имеет сертификат
безопасности EN62368
Соответствует
стандартам
IEC/UL62368/EN60335
Реклама
* Подробная информация приведена в технических спецификациях.
MORNSUN’
E-mail: info@mornsun.cn
Website: www.mornsun-power.com
Facebook/Linkedin: Mornsun Power
78
компоненты цеп
Двухъядерные решения
для современных приложений
цифрового сигнального контроллера
Маркус ВИММЕР
(Markus WIMMER)
Перевод:
Владимир РЕНТЮК
Встраиваемые приложения, которым требуется высокая производитель-
ность цифровой обработки сигналов (digital signal processing, DSP), нуж-
даются не просто в повышении производительности для выполнения все
более сложных математических алгоритмов, но и в добавлении функций
связи, а также безопасности и управления. Такое сочетание разных по сво-
ей природе процессов приводит к изменениям в способе использования
вычислительной мощности в цифровых сигнальных контроллерах и микро-
контроллерах с высокой степенью интеграции.
Типичный пример применения со-
временного цифрового сигнального
контроллера1 — усовершенствован-
ное схемотехническое решение импульсного
блока питания. Современные реалии в этом
направлении техники таковы, что требуют
не только точного и эффективного управ-
ления преобразованием энергии с помощью
математических алгоритмов и управления
широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)
в режиме реального времени. Они предпола-
гают и подключение для ретрансляции дан-
Рисунок. Типичный современный пример применения двухъядерного цифрового сигнального контроллера —
система управления кондиционером воздуха
Примечание. MIPS (англ, million instructions per second) — величина, показывающая число миллионов инструкций,
выполняемых процессором за 1 с во время некоторого искусственного (синтетического) теста.
ных рабочего состояния в реальном времени
и получения команд от блока управления
системного уровня с использованием прото-
колов, таких как PMBus (Power Management
Bus — шина управления питанием, вари-
ант шины управления системой, которая
предназначена для цифрового управления
источниками питания, это относительно
медленный двухпроводной протокол связи,
основанный на 12С). Аналогичным образом,
в автомобильном контроллере вентилятора
или насоса связь осуществляется через та-
кой протокол, как CAN-FD (Controller Area
Network Flexible Datarate), что необходимо
для передачи команд управления, монито-
ринга системы и создания отчетов по диа-
гностике. Блок кондиционирования воздуха
может иметь еще более сложные требования,
с отдельными задачами, ориентированными
на DSP, для поддержки, например, коррек-
ции коэффициента мощности электросети,
к которой он подключен. Такой контроллер
находит применение и для управления дви-
гателями с обратной связью, действующими,
например, в вентиляторах и насосах с пере-
менной нагрузкой (рисунок).
В принципе одно высокоскоростное ядро
центрального процессора, предназначенное
для выполнения задач управления в реаль-
ном времени с малой задержкой, а также задач
управления сетью и системой, может с помо-
щью разделения временных интервалов за-
пускать несколько независимых потоков об-
работки. Однако ядро, которое разработано
для достижения такой высокой производи-
тельности процесса в любой данной техноло-
гии, может оказаться крайне неоптимальным
решением с точки зрения энергопотребления
и сложности реализации конечной системы.
Еще одна проблема для любого при-
ложения реального времени, работающего
на одном ядре, заключается в том, что в та-
ком приложении крайне важно определить,
насколько легко потоки и обработчики пре-
рываний будут выполнять свои операции
1 Цифровой сигнальный контроллер (Digital Signal Controller
или DSC) — это класс цифровых двухъядерных микросхем, со-
держащих программируемый микроконтроллер и процессор
цифровой обработки сигналов (отсюда и digital signal processor).
Первоначальным стимулом к созданию DSC было стремление
обеспечить оптимальное управление электродвигателями с регу-
лируемой частотой (в зависимости от изменения нагрузки), на-
правленное на сокращение энергопотребления. Сам термин «циф-
ровой сигнальный контроллер» был введен в 2002 году компанией
Microchip Technology с выпуском DSC серии 6000.— Прим. пер.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
цеп компоненты
79
в заданные промежутки времени. Дело в том,
что при любом совместном использовании
ресурсов проблемой становится продолжи-
тельность периода, в течение которого дан-
ный поток будет заблокирован для выполне-
ния не связанным с ним напрямую процес-
сом. Это может быть выполнено либо самим
процессом, либо обработчиком прерываний.
И чтобы гарантировать, что поток будет
осуществлять все операции в заданные вре-
менные интервалы при всех условиях, когда
потоки не имеют взаимозависимостей, кон-
сервативные алгоритмы, используемые для
вычисления временного запаса, потребуют
оставить относительно значительную часть
циклов обработки нераспределенной.
Есть также издержки производительности,
связанные с частым переключением задач.
Здесь необходимо будет учитывать еще и их
влияние на общую производительность об-
работки. При большом количестве событий
прерывания на одно ядро приведут к из-
держкам на обработку прерываний, и потери
времени при переключении связанных задач
могут оказаться весьма значительными.
Одним из вариантов является увеличе-
ние запаса производительности, связанное
с переходом на еще более высокие тактовые
частоты. Однако на практике может быть го-
раздо более разумным подходом разделить
выполнение задач приложения на несколько
процессорных ядер. Для любого многозадач-
ного приложения, не зависящего в первую
очередь от пропускной способности одного
потока, использование параллелизма часто
приводит к большей энергоэффективности,
большему детерминизму и упрощению раз-
работки приложения. Поэтому двухъядерная
реализация поможет эффективнее распре-
делять нагрузку в многозадачной системе.
Такой подход также может привести к воз-
можности применить более низкие такто-
вые частоты ядра, способные лучше согла-
совываться с флэш-памятью, уменьшая или
исключая количество циклов останова (со-
стояний ожидания), в течение которых про-
цессор должен ждать, пока команды или дан-
ные не вернутся из памяти после передачи
команды запроса на их получение.
В отдельных приложениях характер задач,
которые обрабатывают связанные потоки дан-
ных, по-прежнему благоприятствует исполь-
зованию одного конвейера. Но когда в высоко-
производительном встраиваемом приложении
выполняются различные функции, примене-
ние более чем одного ядра предпочтительно,
поскольку, как правило, эти различные функ-
ции относительно слабо взаимосвязаны.
Например, в источнике питания, где управ-
ление с обратной связью реализовано во встро-
енном программном обеспечении, производи-
тельность в основном определяется временем,
необходимым для преобразования аналоговой
выборки в цифровую, расчета нового коэф-
фициента заполнения из этих данных и после-
дующего обновления коэффициентов ШИМ.
Таблица. Распределение функций между ядрами современного двухъядерного цифрового сигнального контроллера
в типовых приложениях
	Ведомое ядро	Ведущее ядро
Блоки питания с цифровым управлением	Замкнутый контур управления с микропрограммным управлением, реализованный с помощью алгоритмов компенсатора критической временной задержки.	Запускает стек PMBus и функции системного уровня.
Управление двигателями	Обеспечивает управление скоростью и крутящим моментом, выполняя чувствительные ко времени задержки алгоритма управления.	Запускает функции функциональной безопасности, стек CAN-FD и другие функции системного уровня.
Высокопроизводительные встраиваемые системы	Ускоряет выполнение требующих большого числа операций математических функций, таких как DSP-фильтрация сигналов от датчиков.	Обеспечивает надежность и отказоустойчивость для критически важных приложений.
С многоядерным контроллером можно гаран-
тировать, что эта критически важная для ла-
тентности функция не будет замедлена в ре-
зультате задержек от других действий системы.
То есть она будет запущена и решаться в ядре,
которое не используется для выполнения ка-
ких-либо иных, пусть и приоритетных задач.
Параллельно с расчетами критичных ко вре-
мени параметров управления контура управле-
ния, уже второе ядро центрального процессора
может выполнять другие функции. Это может
быть связь по шине PMBus и функции обще-
го мониторинга системы. Точно так же в при-
ложении управления двигателем разделение
обработки контура управления и стека интер-
фейса CAN по различным ядрам обеспечивает
точное и детерминированное управление дви-
гателем. Примеры типичного распределения
функций между ядрами современного двухъ-
ядерного цифрового сигнального контроллера
приведены в таблице.
Еще одно преимущество заключается
в разделении обработки управления. Оно
связано с временем разработки проекта ко-
нечного приложения. Однако здесь крайне
важно учитывать один момент: необходимо,
чтобы оба ядра были однородными. Только
в этом случае можно в полной мере восполь-
зоваться указанным преимуществом. Одним
из традиционных вариантов многопроцес-
сорной обработки было разделение рабочей
нагрузки в соответствии с типом процессора.
Код обработки сигнала будет предназначен
для работы в конвейере, оптимизированном
для опций с множественным накоплени-
ем, но с малой способностью эффективно
выполнять код управления, в то время как
процессор общего назначения позаботится
о подпрограммах с интенсивным переходом.
На практике во многих приложениях реаль-
ного времени это довольно сложная архи-
тектура. Операции обработки сигнала часто
зависят от внешних, нередко быстро меня-
ющихся условий. Межпроцессорная связь,
необходимая для синхронизации состояний
между различными ядрами, может быть
сложной для реализации, поскольку предъ-
являет более жесткие требования к синхро-
низации по времени, чем сообщения, ис-
пользуемые для ретрансляции команд и об-
новления состояния в сетевом интерфейсе.
Унифицированные архитектуры цифровых
сигнальных контроллеров, таких как dsPIC33
от компании Microchip, преодолели проблемы
синхронизации, объединив при выполнении
общей задачи два типа столь разнопланово-
го поведения в единую архитектуру. Такой
конвейер может передавать многократно на-
капливаемые и матричные операции на вы-
соких скоростях, но предлагает возможность
быстрого ветвления и высокую чувствитель-
ность к прерываниям, так что параметры и ал-
горитмы могут адаптироваться к изменяю-
щимся условиям буквально «на лету». Это об-
легчает программную реализацию сложных
алгоритмов обработки сигналов.
Еще одной задачей становится то, что
из-за нехватки времени разработки клиен-
ты сталкиваются с проблемами интеграции
кода независимо от того, какую архитектуру
они выбирают. А подоплека этой пробле-
мы в том, что комбинация функций связи
и управления во многих приложениях часто
делится между группами разработчиков,
каждая из которых является специалистом
лишь в своей области.
Ключевая проблема с интеграцией кода
от двух или более команд заключается
в определении того, как такие работы, как
планирование и расстановка приоритетов
задач, выполняемые этими раздельными
командами, будут в итоге связаны в единое
целое. Небольшие, казалось бы, решения,—
скажем, приоритет отдельных задач,— могут
существенно повлиять на общее поведение
приложения в реальном времени. Плохое
решение будет означать, что жизненно важ-
ные задачи будут заблокированы для доступа
к процессору на более длительные периоды,
чем было бы желательно для достижения
хорошей производительности. Распределяя
наборы задач по двум процессорам, ответ-
ственность за установку этих приоритетов
несут инженеры, обладающие наибольшим
знанием об относительных приоритетах по-
токов, используемых их частью приложения.
Разделенная обработка также позволяет
упростить управление и распределение па-
мяти данных, и здесь вы можете быть увере-
ны в том, что make-файлы (сборочные фай-
лы) и параметры компоновщика, которые
создали и отладили во время своего проек-
та две разные команды проектировщиков,
остаются на месте в конечном пакете про-
граммного обеспечения. Это снижает общие
накладные расходы на команду по интегра-
ции программного обеспечения и сокращает
время выхода на рынок конечного продукта.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
80
компоненты цеп
Хотя разделенная обработка уже сама
по себе помогает оптимизировать как уси-
лия по разработке, так и пропускную способ-
ность данного процесса, компания Microchip,
чтобы повысить производительность, про-
должает вносить улучшения в архитектуру
своих микроконтроллеров. Показательным
примером служит двухъядерный цифро-
вой сигнальный контроллер dsPIC33CH. Он
отличается развертыванием увеличенного
числа регистров, выбранных в контексте, для
повышения скорости реагирования на пре-
рывания. В новом ядре dsPIC33CH также ре-
ализованы дополнительные инструкции для
повышения производительности DSP.
В качестве цифрового сигнального кон-
троллера (DSC) dsPIC33CH компании
Microchip для снижения системных затрат
и уменьшения размера платы содержит
ряд усовершенствованных периферийных
устройств. Он включает высокоскоростные
АЦП, ЦАП с генерацией сигналов, анало-
говые компараторы, аналоговые усилители
с программируемым усилением и ШИМ-
генераторы высокого разрешения до 250 пс.
Расширенные функции, такие как более ин-
теллектуальные периферийные устройства
и генератор периферийных триггеров, по-
могают сократить количество прерываний,
которым подвергается ядро в приложении
источника питания или управления двигате-
лем. Например, UART обеспечивают аппарат-
ную поддержку для расширений протоколов
LIN/J2602, IrDA, DMX и смарт-карт, что по-
зволяет снизить накладные расходы на конеч-
ное программное обеспечение. Аналогично
периферийное устройство CAN-FD включает
процессор битового потока и программиру-
емую автоматическую повторную передачу,
что позволяет ему работать более автономно
от ядра центрального процессора.
Микросхема dsPIC33CH, созданная с уче-
том требований современных групп разра-
ботчиков, оптимизирована для высокопро-
изводительных и критических к времени
обработки команд приложений для встра-
иваемых систем управления, требующих
функционирования в режиме реального вре-
мени. Архитектура dsPIC33CH обеспечивает
поддержку, необходимую клиентам для «са-
мостоятельного проектирования с бесшов-
ной интеграцией». В результате получается
архитектура, которая повышает производи-
тельность, сокращает время выхода на ры-
нок конечного продукта, а также уменьшает
габаритные размеры и стоимость системы
в целом.
НОВОСТИ измерительная аппаратура
Field Master Pro MS2090A —
портативный анализатор спектра от Anritsu
/inritsu
Компания Anritsu представляет портативный радиочастотный спектро-
анализатор Field Master Pro MS2090A. Учитывая максимальный диапазон
непрерывного частотного перекрытия вплоть до 54 ГГц, возможность ана-
лиза спектра в полосе до 100 МГц в режиме реального времени и прочную
конструкцию, выдерживающую самые жесткие условия эксплуатации, Field
Master Pro MS2090A отлично подходит для целого ряда актуальных и новых
сценариев применения, включая 5G, широковещательную передачу, норма-
тивное регулирование, аэрокосмические и оборонные проекты, спутниковые
системы и РЛС.
Модельный ряд состоит из семи приборов, функционирующих в диапазоне
частот 9 кГц — 9/14/20/26,5/32/44 и 54 ГГц. Анализаторы обладают наи-
лучшими в своем классе техническими характеристиками, такими как уровень
собственных шумов (DANL) ниже—160 дБм и уровень точки пересечения тре-
тьего порядка (TOI) +20 дБм (тип.), что обеспечивает высокую эффективность
при проведении работ по перераспределению частот («расчистка спектра»),
настройке радиоаппаратуры, а также при измерении уровней гармоник и ис-
кажений. Ширина полосы частот модуляции в 100 МГц, наряду с лучшими
в классе показателями фазовых шумов —110 дБн/Гц при смещении от несу-
щей в 100 кГц, гарантирует прецизионные измерения параметров модуляции
в цифровых системах. Погрешность по амплитуде +0,5 дБ (тип.) обеспечивает
уверенное измерение мощности передатчика и уровней паразитных сигналов.
Field Master Pro MS2090A — оптимальный испытательный инструмент
для развертывания сетей нового поколения 5G New Radio (5G NR), который
поддерживает демодуляцию сигналов 5G NR, включая отображение Cell ID,
Beam ID, RSRP/RSRQ, SINR и EVM, во всех диапазонах 5G — ниже 6 ГГц
(3,5 ГГц) и в миллиметровом диапазоне (28 и 39 ГГц). Кроме того, прибор
может использоваться для проверки соответствия техническим регламентам,
включая ЭИИМ (EIRP), спектральную маску излучения и смещение по вре-
мени, а также для измерения уровней гармоник и паразитных сигналов.
Анализ спектра в полосе до 100 МГц в режиме реального времени позволяет
тщательно отслеживать помехи как в лицензируемом диапазоне (мобильная
связь), так и во всей полосе свободного от лицензирования спектра радио-
частот ISM band (промышленное производство, исследования и медицина).
Благодаря ширине полосы частот Field Master Pro MS2090A, составляю-
щей 100 МГц, можно проводить спектральный анализ в режиме реального
времени, поскольку низкий уровень собственных шумов и функция просмотра
спектрограмм упрощают мониторинг РЧ-спектра и обнаружение кратковре-
менных сигналов и сигналов помех. Допускается индивидуальная настройка
до шести измерительных трасс, включая режимы нормального отображения,
накопления максимального и минимального значения, с усреднением и т.д.
Помимо этого, возможна интеграция с устройством NEON МА8100А Signal
Mapper для создания трехмерной схемы покрытия внутри зданий или карто-
графии покрытия сигналов вне помещений.
Хорошие технические характеристики Field Master Pro MS2090А обусловлива-
ют пригодность прибора для спектрального анализа в общих сценариях приме-
нения. Интегрированные функции измерения мощности в канале и занимаемой
полосы частот (OBW) упрощают анализ параметров радиосигналов. Встроенная
функция измерения мощности в соседнем канале также облегчает оценку вне-
полосного излучения передатчика для быстрой проверки соответствия нормам.
Компания Anritsu использует свои ведущие технологии в области порта-
тивных инструментов для разработки прочного корпуса, готового к суровым
условиям эксплуатации вне лаборатории. Резиновые вставки защищают разъ-
емы прибора при падении, а большой 10-дюймовый цветной сенсорный экран
превосходит требования стандарта по защите от ударных воздействий IK08.
Экран с разрешением 1280x800 обладает высококонтрастной цветовой гам-
мой, позволяющей разглядеть результаты в любых условиях, например ночью
или при ярком солнечном свете.
Сенсорный экран также упрощает работу: пользователь может менять диа-
пазон частот движением пальца или изменять масштаб, чтобы быстро просма-
тривать интересующие его сигналы. Пункты меню тщательно спланированы
и протестированы на соответствие стандартным отраслевым руководствам
по дизайну для сенсорных экранов.
www.anritsu.com
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
представляет
высокоэффективные
двухканалъные модули питания.
г674
MaxLinear

Compe
MxL
95
90
85
80
75
Ф
Защита от превышения тока потребления
• Защита от превышения выходного напряжения
• Программируемый плавный старт
Iqut (А)
Ключевые параметры:
• Два выходных канала по 4 А (пиковый выходной ток 5 А)
- Один вход на два канала, 4,5 до 20 В
- Регулируемый выход от 0,6 до 5,0 В
Схема управления по току:
- Быстрый отклик на нагрузку
- Изменяемая рабочая частота от 250 до 780 кГц
- Встроенная цепь компенсации
70
65
60
Изо
L273
□
□
www.icgamma.ru
ГАММА
info@icgamma.ru
Для получения полной информации по данным модулям обращайтесь в ближайший офис компании Гамма.
Выборг
тел.+7(812)320 40 53
факс+7(81378)35477
e-mail: info@icgamma.ru
Санкт-Петербург	Москва
тел. +7 (812) 312 6160 тел. +7 (495) 965 36 83
e-mail: ialekseev@icgamma.ru	e-mail: sh@icgamma.ru
Ульяновск
тел.+7 (8422) 256 911
e-mail: giv@icgamma.ru
Екатеринбург
тел.+7 (343) 286 7512
e-mail: shelamov@icgamma.ru
ЭЛЕКТРО
ДиИ.ЧПРОМТОРГ
РОССИИ
ттщрф
28-я международная выставка
«Электрооборудование. Светотехника.
Автоматизация зданий и сооружений»
www.elektro-expo.ru
15-182П10
АПРЕЛЯ £U 13
. - - - - • - -	♦ - - |> - • - - , - - - - . - . . , - •	♦ -
Орг» НИ затор:
ЭКСПОЦЕНТР
При поддержка Министерства
промышленности и торговли РФ
Под патронатом ТПП РФ
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
83
Изюминки современных
микроконтроллеров.
Часть 8.
Книга рецептов использования
модуля SCTimer/PWM
микроконтроллеров LPC
компании NXP.
Драйверы светодиодов
Андрей САМОДЕЛОВ
Статья продолжает цикл публикаций, посвященных аппаратным блокам
современных микроконтроллеров, предназначенных для существенно-
го сокращения программного кода и количества внешних компонентов,
уменьшения стоимости и повышения надежности конечного изделия.
Предлагаемая статья является последней частью сборника рецептов ис-
пользования модуля SCTimer/PWM для микроконтроллеров семейства
LPC18xx компании NXP.
Драйвер светодиода WS2811
Драйверы светодиодов WS2811 LED ис-
пользуют простой однопроводной (one-wire)
протокол для передачи 24-битных RGB-
значений (рис. 1). Несколько светодиодов
WS2811 могут быть соединены в цепочку,
и затем RGB для всей цепочки могут совмест-
но передаваться первому светодиоду цепоч-
ки. Первый светодиод цепочки принимает
первый 24-битный пакет, чтобы настроить
собственное RGB-состояние, и ретранслиру-
ет оставшиеся пакеты следующему в цепоч-
ке (второму) светодиоду. Такие блоки RGB
отделяются один от другого кодом сброса
(reset code) на линии данных, который пред-
ставляет собой просто период неактивности
длительностью не менее 50 мкс, в течение
которых на сигнальной линии присутствует
низкий (low) логический уровень.
Одиночный 24-битный пакет данных со-
стоит из 24 импульсов с периодом 1,25 или
2,5 мкс, в зависимости от того, для какой
частоты обмена данными (800 или 400 Гц)
был сконфигурирован WS2811. Каждый
бит передается как импульс с коэффици-
ентом заполнения, зависящим от значения
бита. Значение 0 имеет номинальный коэф-
фициент заполнения (duty cycle), равный
20%, а 1 имеет номинальный коэффици-
ент заполнения (duty cycle), равный 48%.
Предусмотрен большой временной допуск
на передачу одиночных битов, но накоплен-
ное фазовое дрожание для всего 24-битного
пакета или нескольких значений RGB долж-
но быть минимальным. Общая форма сиг-
нала для нулевых (0) и единичных (1) битов
данных показана на рис. 2. Там же изображен
полный кадр RGB, представляющий RGB-
значение 0хСА1722 (красный канал = ОхСА,
зеленый канал = 0x17, синий канал = 0x22).
Можно видеть, что каждый канал цвета
передается в режиме MSB.
Таблица 1. Спецификация WS2811
	Рабочая частота	
	400 кГц	800 кГц
тон	(0,5 ±0,15) мкс	(0,25 ±0,15) мкс
TOL	(2 ±0,15) мкс	(1 ±0,15) мкс
Т1Н	(1,2 ±0,15) мкс	(0,6 ±0,15) мкс
T1L	(1,3 ±0,15) мкс	(0,65 ±0,15) мкс
Длительность бита	2,5 мкс	1,25 мкс
Длительность кадра	60 мкс	30 мкс
Длительность сигнала «Сброс»	>50 мкс	>50 мкс
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты микроконтроллеры
24-битные периоды
R7	R0|G7	G0]B7	ВО
Красный = ОхСА
Зеленый = 0x17
Синий = 0x22
Рис. 2. Кадр для WS2811 и формы сигналов для отдельных битов
Значения ширины импульса (on period)
и длительности паузы (off period) битов дан-
ных зависят от рабочей частоты WS2811, кото-
рая может быть или 400, или 800 кГц (табл. 1).
Реализация
В проекте передатчика для WS2811 де-
монстрируется эффективное применение
состояний (state) и событий (event) модуля
SCTimer/PWM. Используется только один
16-разрядный таймер SCTimer/PWM, шесть
событий (event) и 12 состояний (state), остав-
ляя более чем 50% ресурсов SCTimer/PWM
доступными для других задач.
В проекте используется:
•	один 16-разрядный таймер, а остающийся
свободным второй 16-разрядный таймер
может быть использован для других целей;
•	предварительный делитель частоты (pre-
scaler) для работы на минимальной частоте
тактирования с целью минимизации энер-
гопотребления;
•	автономная отправка 24-битных кадров
с двойной буферизацией;
•	прерывание после отправки каждого кадра,
оставляющее CPU почти полное время
передачи кадра для формирования следу-
ющего кадра;
•	приостановка (Halt) после передачи по-
следнего кадра;
•	предшествующий каждой передаче
мультикадра (блока) код сброса (reset code)
настраиваемой длительности.
В регистрах MATCH2/MATCHREL2 хра-
нится значение времени ТОН.
Входы/выходы
В качестве выхода данных может быть ис-
пользован любой доступный сигнал SCTx_
OUTx путем конфигурирования (SET и CLR)
соответствующих регистров выхода.
Дополнительный выход требуется для
схемы двойной буферизации. В его каче-
стве может выступать любой из оставших-
ся, но не подключенных к выводам сигналов
SCTOUT (внутренний сигнал).
Состояния
Состояния образуют ядро передачи дан-
ных. Для микросхем, в которых максималь-
ное количество состояний равно 15 (таких как
LPC1500), кадр (frame) разбит на два пакета
(burst) по 12 бит (требующих 12 состояний).
Конечный автомат (state machine) начинает
работу из состояния state 11 и переходит в со-
стояние с на единицу меньшим номером по-
сле передачи каждого бита. Последний бит
кадра передается в состоянии state 0. При на-
чале передачи следующих 12 бит конечный
автомат (state machine) принудительно пере-
водится в состояние state 11. Состояние state 11
соответствует первому передаваемому биту
(MSB), а состояние state 0 соответствует по-
следнему передаваемому биту (LSB).
При начале передачи нового бита выход дан-
ных устанавливается (set). Два регистра совпа-
дения (match register) МАТСН1 и МАТСН2 за-
дают промежутки времени ТОН и Т1Н, соот-
ветствующие передаче 0 и 1, и события EV13
и EV14 очищают выход данных. Без дополни-
тельных событий всегда будет передаваться
логический 0, поскольку первым возникает
совпадение MATCH 1 и активное время бита
будет заканчиваться в момент времени ТОН.
Необходимо дополнительное событие
(event), чтобы задать значение бита данных
в каждом из 12 состояний state 11—state 0.
Это событие (EV12) сконфигурировано для
установки (set) выхода данных на интервале
времени ТОН (MATCH 1). Поэтому на ин-
тервале времени ТОН возникает конфликт
с описанным ранее событием (event), кото-
рое пытается очистить (clear) выход данных.
Поскольку в регистре разрешения конфликта
(conflict resolution register) для выхода данных
использована настройка «нет действий» (по
action), то выход данных не очищается (clear)
на интервале времени ТОН, но остается уста-
новленным (set) до тех пор, пока совпадение
МАТСН2 не запустит событие (event) на ин-
тервале времени Т1Н. Когда слово передава-
емых данных (data word) записано в регистр
состояния события (event state register) ново-
го события (event), оно действует как маска
(mask), которая разрешает (enable) возник-
новение события (event) только в состояниях
(state), в которых слово данных (data word)
имеет 1 в соответствующей позиции бита (bit
position). Таким образом SCTimer/PWM пере-
дает 1 (рис. 3). Встретившийся в слове данных
(data word) 0 запрещает (disable) возникнове-
ние события (event) в соответствующем со-
стоянии (state), и SCTimer/PWM передает 0.
Подробное описание событий
Событие Event 15 определяет начало (start)
нового бита. Оно активно во всех состояниях
(state) и запускается совпадением MATCH0
(интервал времени на передачу бита). Это со-
бытие (event) устанавливает (set) выход данных
и уменьшает на 1 (decrement) номер состояния
(state number), то есть складывает номер со-
стояния с 31. Важно, чтобы перед первым воз-
никновением этого события (event 15) номер
состояния (state number) был установлен на 12.
Событие Event 14 определяет максималь-
ное время нахождения на выходе высокого
Конфигурация
Модуль SCTimer/PWM должен быть скон-
фигурирован для работы в разделенном
режиме (split mode, CONFIG.UNIFY = 0).
Разрешение конфликта (conflict resolution)
для выходных данных должно быть установ-
лено в «нет действий» (no action, значение
по умолчанию).
Регистры совпадения
В регистрах MATCH0/MATCHREL0 хра-
нится длина бита (длительности периода).
В регистрах MATCH 1/MATCHREL1 хра-
нится значение времени Т1Н.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
логического уровня (ON time), которое эквивалентно интервалу вре-
мени Т1Н. Оно активно во всех состояниях бита данных (data bit
state) за исключением состояния state 0 (1-23) и запускается совпаде-
нием МАТСН2. Это событие (event) очищает (clear) выход данных.
В состоянии state 0 это событие (event) заменяется событием Event 10
(с расширенными функциональными возможностями).
Событие Event 13 задает момент окончания нулевого бита данных
(zero data bit), эквивалентного началу интервала времени ТОН. Оно
активно во всех состояниях бита данных (data bit state) и запускается
совпадением MATCH 1. Это событие (event) очищает (clear) выход дан-
ных. Поскольку это событие (event) возникает в цикле работы таймера
перед событием Event 14, то оно будет отправлять только биты логи-
ческого 0. Поэтому события Event 12 и Event 11 могут перекрывать
действие события Event 13. Они возникают в тот же самый момент,
что и событие Event 13 (если разрешены!), и отменяют изменения со-
стояния выхода (output action) из-за того, что разрешение конфликта
(conflict resolution) установлено в «нет действий» (no action).
Событие Event 12 принуждает передавать логическую 1 из перво-
го буфера данных. Событие (event) разрешено в состояниях (state 0-
state 11), в которых передаваемое слово данных имеет 1 в соответству-
ющей позиции битов, и запускается совпадением MATCH 1. Оно также
квалифицировано вспомогательным флагом auxiliary flag = 0 (селектор
буфера). Это означает, что событие возникает в то же самое время, что
и событие Event 13, и при разрешении конфликта (conflict resolution),
установленном в «нет действий» (no action), прерывает очистку (clear)
выхода событием Event 13. Это приводит к тому, что время нахожде-
ния на выходе высокого логического уровня (ON time) расширяется
до Т1Н (выход данных в итоге очищается (clear) событием 14).
Событие Event 11 эквивалентно событию Event 12, за исключением
того, что оно запускает проверку условия на вспомогательный флаг
auxiliary flag = 1.
Событие Event 10 определяет конец передачи кадра (frame). Оно так-
же выполняет функцию события Event 14 в состоянии state 0. Событие
активно только в состоянии state 0 (передача LSB) и запускается со-
впадением МАТСН2 (конец интервала с высоким логическим уровнем
(ON period) последнего бита). Оно изменяет значение (toggle) вспо-
могательного бита (auxiliary bit), очищает (clear) выход данных (data
output) и запускает прерывание (interrupt). В ответ на это прерыва-
ние (interrupt) CPU должен прочитать вспомогательный бит (auxiliary
bit) и определить, какой из буферов (= регистр состояния события
(event state register) 11 или 12) содержит следующий передаваемый
кадр (frame) данных (12 бит). После этого, если не ожидается передача
следующего кадра (frame), CPU запишет шаблон (1 « 10 для события
Event 10) в регистр HALT_H. Это позволяет останавливать передачу
в конце кадра (frame), передача которого только что началась. Данное
событие устанавливает номер состояния (state number) в 12, что воз-
вращает конечный автомат (state machine) в исходное состояние.
Принцип работы
Для того чтобы подготовить SCTimer/PWM для работы в необходи-
мом режиме (когда SCTimer/PWM глобально приостановлен (halted)),
необходимо проделать следующие шаги. Предполагается, что для ре-
жима WS2811 mode используется верхний счетчик (Н counter).
1.	Сконфигурировать SCTimer/PWM для работы в разделенном ре-
жиме (split mode).
2.	Сконфигурировать регистры совпадения (match register):
•	MATCHRELO = SystemCoreClock/DATA_SPEED - 1;
•	MATCHREL1 = 20% of SystemCoreClock/DATA_SPEED - 1;
•	MATCHREL2 = 48% of SystemCoreClock/DATA_SPEED - 1.
3.	Сконфигурировать события (event):
•	событие Event 15: MATCH0. Все состояния, DATA = 1 и STATE += 31;
•	событие Event 14: MATCH2. Все состояния, за исключением со-
стояния state 0 и DATA = 0;
•	событие Event 13: МАТСН1. Все состояния и DATA = 0;
•	событие Event 12: MATCH 1 && AUX==0. Все состояния [11:0],
в которых должна передаваться логическая 1 и DATA = 1;
•	событие Event 11: MATCH 1 && AUX==1. Все состояния [11:0],
в которых должна передаваться логическая 1 и DATA = 1;
•	событие Event 10: МАТСН2, State 0, IRQ, AUX = toggle и STATE = 12.
Передача блока кадров
Для передачи блока кадров необходимо выполнить следующие
действия:
1.	Приостановить (halt) верхний таймер (Н timer).
2.	Предварительно установить время сброса (reset time). Записать
необходимое количество тактов частоты тактирования (clock
pulses) как отрицательное число в счетчик COUNT_H.
3.	Установить STATE_H = 12.
4.	Активировать первый буфер передатчика, записав первый пере-
даваемый кадр (frame) в регистр состояния (state register) события
event 12. Убедиться, что значения битов [31:12] равны нулю.
5.	Активировать второй буфер передатчика, записав второй пере-
даваемый кадр (frame) в регистр состояния (state register) события
event 11. Записать 0, только если первый кадр (frame) уже передан.
6.	Запустить верхний таймер (Н timer) в режиме прямого счета
(up counter), очистив (clear) биты DOWN_H и HALT_H регистра
CTRL_H.
Обработка прерывания
Прерывания выставляются после того, как кадр (frame) был полно-
стью передан.
1. Если это был последний передаваемый кадр (frame), то остановить
(stop) таймер.
2. Прочитать вспомогательный выходной бит (auxiliary output bit). Если
его значение равно 1, то записать следующий кадр (frame) в регистр
состояния (state register) события event 12, иначе записать следующий
кадр (frame) в регистр состояния (state register) события event 11.
Если не придерживаться вышеуказанной процедуры, могут по-
требоваться дополнительные действия, а на выходе данных может
остаться высокий (high) логический уровень. Вам будет недостаточно
просто очистить (clear) выход, поскольку доступ к выходному реги-
стру (output register) может оказаться невозможным из-за конфликта
с аппаратным доступом к выходам со стороны нижней половинки
таймера (L timer), используемого другим приложением.
Результат
На рис. 4 показана передача 12-битного кадра (frame) 0x123.
Сигнал, показанный голубым цветом, используется только для от-
ладки. Этот GPIO переключается (toggle) после передачи каждого ка-
дра (frame) внутри обработчика прерывания (interrupt service routine)
события Event 10.
На рис. 5 показана передача блока из четырех 24-битных RGB-
значений для драйвера светодиода WS2811 (разделенная на восемь
кадров (frame) по 12 бит: 0x123, 0x456, OxFFO, ОхОСС, 0x555, 0x555,
0x800, 0x001).
На рис. 6 показана передача блоков RGB-значений, отделенных
один от другого кодом сброса (reset code) на линии данных, который
представляет собой просто период неактивности длительностью бо-
лее 50 мкс, в течение которого на сигнальной линии присутствует
низкий (low) логический уровень.
Драйвер светодиодов WS2812
Цель
В этом примере продемонстрирован альтернативный способ ис-
пользования меньшего модуля SCT с меньшим количеством ресур-
сов (аналогичного модулю, имеющемуся в LPC81x) для создания
последовательного интерфейса, описанного в предыдущем примере.
На этот раз будет применена другая, очень маленькая микросхема
WS2812, которая обладает несколько отличающимися временными
характеристиками. Рабочая частота WS2812 во всех случаях равна
800 кГц. В таблице 2 представлены временные характеристики пере-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
86
компоненты микроконтроллеры
Рис. 4. Передача одного 12-битного кадра на драйвер светодиода WS2811
Таблица 2. Временные характеристики передачи
данных для WS2812 (TH+TL = 1,25 мкс ±600 нс)
ТОН	Код 0, интервал времени для высокого (high) уровня	0,35 мкс	±150 нс
Т1Н	Код 1, интервал времени для высокого (high) уровня	0,7 мкс	±150 нс
TOL	Код 0, интервал времени для низкого (low) уровня	0,8 мкс	±150 нс
T1L	Код 1, интервал времени для низкого (low) уровня	0,6 мкс	±150 нс
RES	Интервал времени для низкого (low) напряжения	Более 50 мкс	
дачи данных для WS2812 (TH+TL = 1,25 мкс
±600 нс).
U
Рис. 5. Передача блока из четырех 24-битных RGB-значений для WS2811
Конфигурация
Идея проекта заключается в переформати-
ровании с помощью SCTimer/PWM выходных
данных SPI-интерфейса. Поэтому для перена-
правления сигналов MOSI и SCK интерфейса
SPI на входы SCTimer/PWM используется ма-
тричный коммутатор (Switch Matrix). Скорость
обмена данными (bit rate) по SPI-интерфейсу
установлена равной 800 кГц, и один 24-битный
кадр RGB-данных для WS2812 передается как
три 8-битных SPI-кадра (frame).
Код примера (рис. 7) демонстрирует запись
RGB-данных в первые три светодиода WS2812
с помощью 72-битных (3x24) пакетов (burst),
как будто это периферийное устройство с SPI-
интерфейсом. Исходный код протестирован
на отладочной плате MCORE48 с микрокон-
троллером LPC812, работающим на частоте
24 МГц от внутреннего RC-генератора (IRC)
с использованием системы ФАПЧ (PLL).
Рис. 6. Передача разделенных периодами неактивности блоков RGB-значений для WS2811
Реализация
В проекте передатчика для WS2812 проде-
монстрировано эффективное применение
состояний (state) и событий (event) модуля
SCTimer/PWM, который сконфигурирован
для работы в режиме единого 32-разрядно-
го таймера (unified timer mode) и использует
шесть событий (event) и два состояния (state).
В проекте (рис. 8) задействованы следую-
щие ресурсы модуля SCTimer/PWM микро-
контроллера LPC812.
Регистры совпадения
В регистре совпадения MATCH0 хранит-
ся время выборки (sample time): всегда один
такт SCT. Он генерирует события Event 1 или
Event 2, в зависимости от уровня сигнала
на входе SCTJNl (SPI MOSI).
В регистре совпадения MATCH 1 хранит-
ся значение для интервала времени ТОН
(0,35 мкс), и если SCT находится в состоянии
State 0, то он запускает событие Event 3.
В регистре совпадения МАТСН2 хранит-
ся значение для интервала времени Т1Н
(0,7 мкс), и если SCT находится в состоянии
State 1, то он запускает событие Event 4.
В регистре совпадения МАТСНЗ хранит-
ся значение для времени передачи данных
(>50 мкс) и используется для останова (STOP)
таймера SCTimer.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
87
Входы/выходы
Сигнал SPI_SCK назначен входу SCT_IN0.
Нарастающий фронт (rising edge) генерирует
событие Event 0 во всех состояниях (state).
Сигнал SPI_MOSI назначен входу SCTJN1.
Значение логического уровня сигнала на этом
входе используется, чтобы определить, какое
из значений будет передано: 0 или 1.
Выходной сигнал передаваемых данных
назначен выходу SCT_OUTO.
Состояния
Два состояния (state) используются, чтобы
задать, какое из значений бита будет пере-
дано: 0 или 1.
Рис. 7. Аппаратная конфигурация LPC812: SPI/SCTimer/WS2812
События
Событие Event 0 задает момент начала
передачи нового бита. Оно активно во всех
состояниях (state) и запускается по нараста-
ющему фронту (rising edge) на входе Input О
(SPI_SCK). Это событие ограничения (limit)
и запуска (start) таймера. По нему на выходе
Output О (WS2812 data) устанавливается вы-
сокий (high) логический уровень. Событие
не изменяет состояния (state).
Событие Event 1 вызывает изменение состо-
яния State 0. Оно активно во всех состояниях
(state) и запускается комбинацией по логическо-
му И совпадения МАТСНО (sample time) и низ-
кого (low) уровня на входе Input 1 (SPI_MOSI).
Событие Event 2 вызывает изменение
состояния State 1. Оно активно во всех со-
стояниях (state) и запускается комбинаци-
ей по логическому И совпадения МАТСНО
(sample time) и высокого (high) уровня
на входе Input 1 (SPI_MOSI).
Событие Event 3 задает момент окончания
логического нуля (logical zero) бита данных
и эквивалентно интервалу времени ТОН. Оно
активно только в состоянии State 0 и запу-
скается совпадением MATCH 1. Это событие
(event) очищает (clear) выход данных и не из-
меняет состояния (state).
Событие Event 4 задает момент окончания
логической единицы (logical one) бита дан-
ных и эквивалентно интервалу времени Т1Н.
Оно активно только в состоянии State 1 и за-
пускается совпадением МАТСН2. Это со-
бытие (event) очищает (clear) выход данных
и не изменяет состояния (state).
Событие Event 5 генерируется в конце
передачи кадра (frame) данных. Оно актив-
но во всех состояниях (state) и запускается
совпадением МАТСНЗ. Это событие (event)
останавливает (stop) SCTimer, запускает гене-
рацию прерывания (interrupt) и не изменяет
состояния (state).
Прерывание
Прерывание запускается событием
Event 5 после полного завершения передачи
кадра (frame). Затем организуется задержка
не менее чем на 50 мкс и останавливается
(stop) SCTimer. В ответ на это прерыва-
ние демонстрационное приложение уста-
навливает (set) флаг (flag), указывающий
на готовность к передаче следующего кадра
(frame). Следующий кадр (frame) будет пе-
редаваться, если по SPI-интерфейсу придут
новые данные.
Рис. 8. Реализация драйвера SCT — WS2812
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
88
компоненты микроконтроллеры
Результат
На рис. 9-11 показана передача кадров
(frame) для WS2812. Синий график ото-
бражает сигнал на входе тактирования SCK,
зеленый график — сигнал на выходе MOSI,
а фиолетовый график показывает выходные
данные (output data).
ШИМ с коэффициентом
заполнения 0...100%
Цель
Пример (SCT_PWM_0_100) демонстрирует
генерацию выровненного по центру (center
aligned) ШИМ-сигнала с коэффициентом за-
полнения (duty cycle), регулируемым в преде-
лах 0-100%. В проекте используется нижний
(low) 16-разрядный таймер SCTimer/PWM для
генерации ШИМ-сигнала с частотой повторе-
ния 10 кГц на выходе SCT_OUTO. Системный
таймер SysTick timer предназначен для пери-
одического уменьшения (decrease) и увели-
Рис. 9. Передача бита драйверу светодиода WS2812
Рис. 10. Передача блока из трех 24-битных значений для WS2812
Рис. 11. Передача блоков RGB-значений, разделенных периодами неактивности, для WS2812
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
89
* SCT_L — используется для генерации выровненного по центру (center aligned) ШИМ-сигнала на выходе SCT_OUTO
*
* I	Период PWM0	I	I
* I	I	I
х-	
я-	II	II	II оито
* -+	
м-	
х-	II	II	I
X-	EVO EVO	EVO EVO	EV0
я-
*	MATCH0_L используется для задания периода повторения PWM0
*	EV0 — все состояния — на MATCH1_L — установка (set) OUTO при прямом счете (up counting), очистка (clear) OUTO при обратном счете (down counting)
*
*	Р0.14 [О] — SCT.OUTO : PWM
*
#include “LPC8xx.h”
#define PWM	14
#define OUTO	0
#define PWM_FREQ 10000
tfdefine PWM_PERIOD (SystemCoreClock / (PWM_FREQ * 2))
void PWM_set(uint8_t val)
{
#define PWM_STEP (PWM_PERIOD /100)
if (val == 0)
LPC_SCT->MATCHREL[1].L = 0;
else if (val < 100)
LPC_SCT->MATCHREL[1].L = (PWM_STEP * val) - 1;
else
LPC_SCT->MATCHREL[1].L = PWM_PERIOD - 2;
}
void SCT_Init(void)
// ШИМ-сигнал на выводе P0_14
П SCT_OUT0 — выход ШИМ-сигнала
// Частота повторения ШИМ-сигнала = 10 кГц
// Период ШИМ-сигнала (*2, поскольку двунаправленный режим (bi-dir mode)) пример 24 МГц/10 кГц * 2 = 1200 тактов SCT
// Установка коэффициента заполнения (duty cycle) от 0 до 100%
// Разрешение ШИМ в 100 шагов
// проверка значения val: между 0% и 100%
И установка коэффициента заполнения (duty cycle) 100%
LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL 1= (1 « 7) I (1 « 8); // разрешение тактирования SWM и SCT
LPC_SWM->PINASSIGN6 &= ((PWM « 24) I OxOOFFFFFF); // SCTJDUTO = PWM
EPC_SCT->CONFIG
EPC_SCT->OUTPUT
// EPC_SCT->OUTPUT
EPC_SCT->OUTPUTDIRCTRE
= (1«	: 17);
= (0 «	: OUT0);
= (1«	: OUT0);
= (0x1	« 0);
EPC_SCT->CTRL_E	1= (1 <	<4);
LPC_SCT->MATCH[0].L =PWM_PERIOD - 1;		
LPC_SCT->MATCH[1].L =0;		
EPC_SCT->EVENT [0] .STATE	= 0x00000003;	
EPC_SCT->EVENT [0] .CTRL	= (1<	CO) 1
	(0<	<4)	1
	(1<	< 12) 1
	(0<	< 14) 1
	(0<	< 15);
LPC_SCT->OUT[OUTO].SET	= (1<	<0);
// LPC_SCT->OUT[OUTO].CLR	= (1<	<0);
LPC_SCT->CTRL_L	&=~(1 <	:c 2);
11 автоограничение auto limit _E по совпадению match 0
// предустановка на выходе OUTO низкого (low) уровня
// предустановка на выходе OUT0 высокого (high) уровня (для активного сигнала с низким (low) уровнем)
И переключение set/clr выхода OUT0, когда счетчик counter _Е в режиме обратного счета (down counting) —
// режим с выравниванием по центру(сегйег aligned mode)
// режим двунаправленного счета (bi-dir count mode)
// совпадение match 0 при частоте PWM0
// использование совпадения match 1 для установки коэффициента заполнения (duty cycle) сигнала PWM0
// событие event 0 происходит во всех состояниях (state 0 и state 1)
// MATCHSEE[3:0] = относится к match 1
// HEVENT[4] = событие event 0 принадлежит таймеру _Е
// COMBMODE[13:12] = только условие совпадения (match condition)
// STATEED[14] = значение STATEV добавлено в состояние (state)
// STATEV[15] = 0 (без изменения)
И событие event 0 устанавливает (set) выход OUT0
// событие event 0 очищает (clear) сигнал OUT0 (при активном сигнале с низким уровнем (low active mode))
// запуск нижнего счетчика (_Е counter)
Листинг 1. Генерация выровненного по центру (center aligned) ШИМ-сигнала с коэффициентом заполнения (duty cycle) 0—100%
чения (increase) коэффициента заполнения
(duty cycle) ШИМ-сигнала путем изменения
значения, записанного в регистр перезагрузки
MATCHRELOAD. Подключив к выходу SCT_
OUTO светодиод, можно наблюдать плавное
циклическое изменение яркости его свечения.
Конфигурация
Модуль SCTimer/PWM для генерации
ограничения таймера (timer limit) использу-
ет совпадение MATCH[0].Е, которое изме-
няет направление счета (counting direction)
с прямого (up counting) на обратный (down
counting). Второй регистр совпадения (match
register) MATCH [1].L предназначен для за-
дания коэффициента заполнения (duty
cycle) выходного сигнала. При возникнове-
нии события совпадения match event 1 оно
будет устанавливать (set) выход output 0 мо-
дуля SCTimer/PWM при прямом счете (up
counting) и очищать (clear) выход при об-
ратном счете (down counting). Выходной сиг-
нал Output 0 назначен на вывод порта Р0_14
с помощью модуля матричного коммутатора
(switch matrix).
MATCH [1].L = 0 приводит к установке для
коэффициента заполнения (duty cycle) зна-
чения 0% (сигнал OFF).
MATCH[1].L = MATCH[0].L-l приводит
к установке для коэффициента заполнения
(duty cycle) значения 100% (сигнал ON).
0 < MATCH[1].L < МАТСН[0].Е-1 приво-
дит к установке для коэффициента заполне-
ния (duty cycle) значения в интервале 1-99%.
Исходный код конфигурации
В листинге 1 приведен код инициализации
модуля SCTimer/PWM для генерации вы-
ровненного по центру (center aligned) ШИМ-
сигнала с коэффициентом заполнения (duty
cycle) 0-100%.
ШИМ для управления нижним (_L)
и верхним (_Н) плечом полумоста
Цель
В этом примере (SCT_PWML_PWMH)
нижняя половина SCT_E таймера использу-
ется для генерации сигнала PWM0, а верхняя
половина SCT_H — для создания второго
независимого сигнала PWM1. Оба ШИМ-
сигнала имеют выравнивание по центру
(center aligned) и возможность регулирова-
ния значения коэффициента заполнения
(duty cycle) в интервале 0-100%.
Конфигурация
В листинге 2 приведен код инициализации
модуля SCTimer/PWM для генерации выров-
ненных по центру (center aligned) компле-
ментарных (dual) ШИМ-сигналов для управ-
ления нижним (_Е) и верхним (_Н) плечами
полумоста.
На этом обзор рецептов применения моду-
ля таймера с конечным автоматом SCTimer/
PWM микроконтроллеров семейства ЕРС
компании NXP закончен.
Заключение
В статье на ярких примерах, собран-
ных по принципу «от простого к сложно-
му», представлен ряд рецептов использова-
ния модуля таймера с конечным автоматом
SCTimer/PWM микроконтроллеров семейства
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
90
компоненты микроконтроллеры
Iх- X-я- х- ** X- * * * Я- Я- * X- **Я- Я- Я- X- * X- * X- **X- X-X- Я- Я- Я- Я- * ** X- * X- X- * X- Я- Я- ** X- Я- * X- * Я- X- * *** X- * X- Я- * X- * **Я- Я- X- * X- * X- Я- ** X-X-
*	SCT_L — используется для генерации сигнала PWM0 на выходе SCT_OUTO
*	SCT_H — используется для генерации сигнала PWM1 на выходе SCT_OUT1
X-
*	Оба сигнала PWM0/1 выровнены по центру (center aligned).
*	Используемые для приложения выводы:
X-
*	Р0.14 [О] - SCT_OUTO : PWM0
*	Р0.15 [О] - SCT_OUT1: PWM1
х-
X- X- X- X- X X- X- X- X- Х-Х- X- X- X- X- X- X- X X- Х-Х- X- X X- X- X- X- X- X- Х-Х- X- X- X- X- X X- X- X- XX X- X- X- X- X- X- X- X Х-Х- X- X- X X- X- X- X- X- Х-Х- X- X- X- X- X- X X- X- Х-Х- X X- X- X- х- х- ху
#include “LPC8xx.h”
void SCT_Init(void)
{
LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL 1= (1 « 7) I (1 « 8);	// разрешить тактирование SWM и SCT
LPC_SWM->PINASSIGN6 &= ((PWMO « 24) I OxOOFFFFFF); //SCT_OUTO = PWMO
LPC_SWM->PINASSIGN7 &= ((PWM1 « 0) I OxFFFFFFOO); // SCTJDUTl = PWM1
^x-xxXXxxXXxxxxxxxxXXxxxxXxXXxxxxxxxxxxxXxxxxxxxXXXxxXxxxxxxxxXXXXXXXx
* SCT_L: конфигурация нижней части (low part) таймера:
*Х'****Х-Я'*****Х-*****Х-Я'***********Я'**Х-*******Я'****Х-******Х-Я'*Я'*******>Т*у
LPC_SCT->CONFIG	l=(l«	: 17);
LPC_SCT->OUTPUT	1= (0 «	: OUTO);
// LPC_SCT->OUTPUT	1= (1 «	: OUTO);
LPC_SCT->OUTPUTDIRCTRL	1= (0x1	« 0);
LPC_SCT->CTRL_L	1= (1 «	:4);
LPC_SCT->MATCH [0] .L	= PWMO_PERIOD	
LPC_SCT->MATCHREL [0] .L	= PWMO_PERIOD	
LPC_SCT->MATCH [1 ] .L	= 0;	
LPC_SCT->MATCHREL [ 1 ] .L	= 0;	
LPC_SCT->EVENT[O] .STATE	= 0x00000003;	
LPC_SCT->EVENT[O] .CTRL	= (1«	:0) 1
	(0 «	:4) 1
	(1«	: 12) 1
	(0 «	: 14) 1
	(0 «	: 15);
LPC_SCT->OUT[OUTO].SET = (1 « 0);
// LPC_SCT->OUT[OUTO].CLR = (1 « 0);
11 автоограничение auto limit _L (по совпадению match 0)
// предустановка на выходе OUTO низкого (low) уровня
// предустановка на выходе OUT0 высокого (high) уровня (для сигнала с низким активным уровнем (low active signal))
// переключение set/clr выхода OUT0, когда счетчик counter _L в режиме обратного счета (down counting) —
// режим с выравниванием по центру (center aligned mode)
// режим двунаправленного счета (bi-dir count mode)
// совпадение match 0 при частоте PWM0
// match 1 используется для установки коэффициента заполнения (duty cycle) PWMO
// PWMO выключен (off) после подачи напряжения питания/сброса (power-up/reset)
// событие event 0 возникает во всех состояниях: state 0 и state 1
// MATCHSEL[3:0] = относится к match 1
// HEVENT[4] = event 0 принадлежит таймеру _L
// COMBMODE[13:12] = только условие совпадения (match condition)
// STATELD[14] = значение STATEV добавлено в состояние (state)
// STATEV[15] = 0 (без изменения)
// событие event 0 устанавливает (set) выход OUT0
// событие event 0 очищает (clear) сигнал OUT0 (при режиме с активным сигналом с низким уровнем (low active mode))

* SCT_H: конфигурация верхней части (high part) таймера:
ХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХХу
LPC_SCT->CONFIG 1= (1 « 18);
LPC_SCT->OUTPUT 1= (0 « OUT1);
И LPC_SCT->OUTPUT 1= (1 « OUT1);
LPC_SCT->OUTPUTDIRCTRL 1= (0x2 « 2);
LPC_SCT->CTRL_H
LPC_SCT->MATCH [0] .H
LPC_SCT->MATCHREL [0] .H
LPC_SCT->MATCH [ 1 ] .H
LPC_SCT->MATCHREL [ 1 ] .H
LPC_SCT->EVENT [ 1 ] .STATE
LPC_SCT->EVENT [ 1 ] .CTRL
1= (1 «4);
= PWM1_PERIOD - 1;
= PWM1_PERIOD - 1;
= 0;
= 0;
= 0x00000003;
LPC_SCT->OUT[OUT1].SET
// LPC_SCT->OUT[OUT1].CLR
LPC_SCT->CTRL_L
LPC_SCT->CTRL_H
}
= (l«0) I
(1«4) I
(1 « 12) I
(0 « 14) I
(0 « 15);
= (1«1);
= (1«1);
&=~(1 « 2);
&=~(1 «2);
// автоограничение auto limit _H (по событию match 0)
// предустановка на выходе OUT1 низкого (low)
// предустановка на выходе OUT1 высокого (high) уровня (для активного сигнала с низким (low) уровнем)
// переключение set/clr выхода OUT1, когда счетчик counter _L в режиме обратного счета (down counting) —
// режим с выравниванием по центру(сеЫег aligned mode)
// режим двунаправленного счета (bi-dir count mode)
// совпадение match 0 при частоте PWM1
// использование совпадения match 1 для установки коэффициента заполнения (duty cycle) сигнала PWM1
// PWM1 выключен (off) после подачи напряжения питания/сброса (power-up/reset)
// событие event 1 происходит во всех состояниях: state 0 и state 1
// MATCHSEL[3:0] = относится к совпадению match 1
// HEVENT[4] = событие event 1 принадлежит таймеру _Н
// COMBMODE[13:12] = только условие совпадения (match condition)
// STATELD[14] = значение STATEV добавлено в состояние (state)
// STATEV[15] = 0 (Без изменения)
// событие event 1 устанавливает (set) выход OUT1
// событие event 1 очищает (clear) выход OUT1 (при активном сигнале с низким уровнем (low active mode))
// запуск (start) нижнего счетчика (_L counter)
// запуск (start) верхнего счетчика (_Н counter)
Листинг 2. Комплементарные (dual) выровненные по центру (center aligned) ШИМ-сигналы для нижнего (_1_) и верхнего (_Н) плеч полумоста
LPC компании NXP. Примеры приложений
имеют простое и понятное предназначение
и демонстрируют особенности использования
данного модуля таймера, который необходим
для разгрузки ЦПУ от выполнения не свой-
ственных ему задач. Это несомненно ведет
к уменьшению размера исходного кода и су-
щественному снижению энергопотребления.
Автор выражает надежду на то, что вдум-
чивый читатель — разработчик микрокон-
троллерных устройств, пройдя последова-
тельно через все представленные примеры,
начнет на интуитивном уровне чувствовать
внутреннюю структуру и возможности мо-
дуля SCTimer/PWM, который является уни-
кальным произведением инженерной мысли
и с помощью которого можно реализовывать
достаточно сложные алгоритмы управления.
Практически все примеры можно моди-
фицировать, еще больше освободив ЦПУ
от вычислительных функций. Например,
применив в примерах, посвященных прото-
колу RC5, приемный и передающий буферы
в ОЗУ и настроив должным образом кон-
троллер прямого доступа к памяти (DMA)
и прерывания, можно организовать прием
и передачу данных совсем без участия ядра
микроконтроллера. То же самое относится
и к примерам драйверов светодиодов.
Литература
1.	AN11538. SCTimer/PWM cookbook, www.nxp.
com/docs/en/application-note/AN11538.zip
2.	LPC1800 Series: High-Performance Microcontrollers
(MCUs) based on Arm Cortex-M3 Cores Product
page, www.nxp.com/products/processors-and-
microcontrollers/arm-based-processors-and-
mcus/lpc-cortex-m-mcus/lpcl800-cortex-m3:
MC_1403790776032#/
3.	LPC185x/3x/2x/lx Product data sheet, www.nxp.
com/docs/en/data-sheet/LPC185X_3X_2X_lX.pdf
4.	UM10430. LPC18xx ARM Cortex-M3 micro-
controller Users Guide, www.nxp.com/webapp/
Download?colCode=UM10430
5.	AN 11580. Implementing PWM dithering on the
LPC18xx SCTimer/PWM. www.nxp.com/docs/
en/application-note/AN11580.zip
6.	LPCXpresso Boards, www.nxp.com/support/
developer-resources/software-development-
tools/lpc-developer-resources-/lpcxpresso-boards:
LPCXPRESSO-BOARDS
7.	Самоделов А. Изюминки современных микро-
контроллеров. Часть 4. Таймер с конечным
автоматом SCTimer/PWM микроконтроллеров
LPC84x // Компоненты и технологии. 2018. №. 11
8.	Самоделов А. Изюминки современных микрокон-
троллеров. Часть 5. Технология увеличения разре-
шающей способности SCTimer/PWM в LPC18xx //
Компоненты и технологии. 2018. №. 12
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
Сделайте правильный выбор
Широкий ассортимент устройств по управлению питанием
Компания Microchip, ведущий поставщик широкого ассортимента изделий для
управления и мониторинга питания, предоставляет разработчикам универсальную
возможность выбрать правильное решение для успешной реализации проекта.
Управление электропитанием системы является определяющим условием,
обеспечивающим требуемые характеристики проектируемого приложения. Наша
продуктовая линейка устройств для мониторинга питания позволяет очень точно
измерять активную, реактивную и кажущуюся мощность, среднеквадратичное
значение тока и напряжения, частоту напряжения сети питания и коэффициент
мощности. Широкий ряд устройств для управления питанием, к которым
относятся DC/DC-контроллеры и регуляторы, MOSFET и драйверы MOSFET,
супервизоры напряжения и ИОН, а также силовые модули, позволяет найти
эффективное решение по управлению питанием в соответствии с требованиями
проектируемой системы.
Все средства, начиная с исходных проектов и заканчивая оценочными платами,
а также инструментами моделирования, позволят сократить время разработки
и свести к минимуму риски, обеспечив, таким образом, всестороннюю поддержку
со стороны компании Microchip.
Найдите свое решение по управлению питанием на
www.microchip.com/PowerSolutions
Реклама
Название компании Microchip и ее логотип, а также логотип Microchip являются зарегистрированными торговыми марками компании Microchip
Technology Incorporated в США и других странах. Все иные торговые марки являются собственностью соответствующих компаний.
© 2019 Microchip Technology Inc. Все права защищены. DS20006065A. MEC2230Rus01/19
92
компоненты микроконтроллеры
Кибербезопасность
на уровне микроконтроллеров
Мартин МОЦ (Martin MOTZ)
Перевод: Владимир РЕНТЮК
Чем более мощным и всеобъемлющим становится Интернет, более совер-
шенными и «умными» — подключаемые к нему компоненты, тем больше
открывается областей для их применения. Однако это может привести
к критичным последствиям, связанным с нарушением безопасности, что
требует принятия соответствующих мер по предотвращению уязвимости.
Сердцем и душой сенсорных технологий четвертой промышленной рево-
люции «Индустрия 4.0» (Industry 4.0) и «Интернета вещей» (Internet of
Things, 1оТ) являются микроконтроллеры и их программное обеспечение.
Именно они в рамках подключенных «умных» фабрик и «умных» домов
предлагают огромный потенциал для роста и инноваций в этом бурно раз-
вивающемся бизнесе, но в то же время именно они делают системы уяз-
вимыми для внешних атак.
Защитой от манипуляций и кибератак
в контексте IoT, Industry 4.0 и робото-
техники все чаще становятся микро-
контроллеры. Некоторые семейства микро-
контроллеров уже включают множество
функций безопасности. Дело в том, что ми-
кроконтроллеры являются основными ком-
понентами в среде управления в подключен-
ных системах. Их поставщики уже исполь-
зуют процессы разработки и сертификацию
по соответствующим стандартам безопасно-
сти. А поставщики полупроводников также
гарантируют, что могут предложить своим
клиентам безопасное комплексное решение.
С точки зрения безопасности микрокон-
троллеры могут быть классифицированы со-
гласно их целевым конечным приложениям:
Решения в области аутентификации и до-
веренные платформенные модули (trusted
platform module, TPM), например, для за-
щиты как непосредственно самого пользо-
вателя, так и сетей IoT.
Банковские и идентификационные реше-
ния для классических компаний — про-
изводителей и эмитентов смарт-карт, ис-
пользуемых в сфере обработки платежей,
в качестве персональных идентификато-
ров, для оплаты услуг транспорта и в си-
стемах доставки платного контента для
телевидения.
Мобильные решения безопасности для ре-
шений на базе SIM-карт в мобильных про-
дуктах и приложениях межмашинного вза-
имодействия— М2М (machine-to -machine).
•	Автомобильные решения для коммуни-
кации ближнего поля (NFC, eSE) и систем
обеспечения безопасного вождения.
Интегрированные функции
защиты данных
Робототехника, IoT и Industry 4.0 в основ-
ном используют стандартные микроконтрол-
леры, созданные для промышленного и бы-
тового применения (их общее название —
«микроконтроллеры общего назначения»).
Но также уже доступны и модели со встроен-
ными функциями безопасности. Например,
семейство микроконтроллеров STM32 (се-
мейство 32-битных микроконтроллеров про-
изводства STMicroelectronics), которое имеет
множество встроенных функций, обеспечива-
ющих их защиту, в том числе:
•	защиту от кражи личных данных (защита
от манипуляций, защита целостности, от-
слеживаемость движения продукта);
•	отказ в обслуживании данных (регулиро-
вание);
•	защиту от отслеживания и манипулиро-
вание данными и кодом (защита памяти,
управление правами доступа, уровень
отладки, защита от манипуляций, защи-
та целостности, безопасные обновления
прошивки);
•	защиту от физического (механического)
вмешательства (защита от манипуляций
на кристалле).
Эти функции в основном реализуются их
интеграцией непосредственно на кристалле
микроконтроллера. Они обеспечивают на-
дежную проверку подлинности (верифика-
цию), целостность платформы и постоянную
защиту данных, включая защиту конфиден-
циальности конечных пользователей, а так-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
же комплексную защиту данных, IP-адресов
и брендинга и отвечают самым высоким
требованиям безопасности данных для стан-
дартных продуктов. Типичные целевые при-
ложения таких микроконтроллеров — это,
например, принтеры, компьютеры, шлюзы,
конечные точки 1оТ и различные датчики.
Функции защиты
на аппаратной основе
На аппаратной основе как минимум ис-
пользуется циклический контроль из-
быточности кода (cyclic redundancy check
calculate), то есть вычисляется контрольная
сумма, которая выявляет ошибки при пере-
даче или хранении данных. Это не толь-
ко обеспечивает проверку целостности
кода, но и означает, что сигнатура ПО мо-
жет быть рассчитана во время его работы.
Мониторинг питания — еще один метод
с высокой степенью защиты. Для опреде-
ления причины сброса и, таким образом,
обеспечения сброса только с помощью ау-
тентифицированного доступа использует-
ся система управления статусом флага POR
(power on RESET — «включение питания
RESET»)/PDR (power down RESET — «от-
ключение питания RESET» )/BOR (brown out
RESET — «снижение питания RESET»)/PVD
(programmable voltage detector — «програм-
мируемый детектор напряжения»). Для эф-
фективного обнаружения манипуляций и ве-
дения журнала все это дополняется функ-
цией «Read while Write» (буквально: «читай
во время записи», то есть считывание одного
слова во время записи другого слова).
Функциональность CSS (Clock Security
System — «система безопасности тактиро-
вания») основана на том, что если при ис-
пользовании внешнего генератора (в микро-
контроллерах серии ST32 он обозначен как
HSE) в качестве источника тактового сигнала
тактовой частоты система не зависнет на-
мертво в неопределенном состоянии, а смо-
жет выполнить какие-то действия, SYSCLK
или PLL (система ФАПЧ), произойдет срыв
генерации, то CSS автоматически переклю-
чит всю систему на работу от встроенного
RC-генератора (в микроконтроллерах серии
ST32 он обозначен как HSI). Таким образом,
если что-то случится с тактовыми сигнала-
ми, то можно перевести объект управления
микроконтроллером в безопасное состояние.
Кроме того, сторожевой таймер (Watchdog)
и оконный сторожевой таймер (Window
Watchdog) также контролируют временные
окна независимо друг от друга.
Целостность и достоверность содержимо-
го памяти обеспечивается проверкой и ис-
правлением ошибок кода (Error Correction
Code, ЕСС) и, как уже было сказано, провер-
кой четности. Здесь тоже обеспечивается до-
полнительная защита от атак, направленных
на недопущение заражения систем ошибка-
ми кода. Кроме того, датчик температуры
непрерывно измеряет температуру среды,
окружающей микроконтроллер. Это необ-
ходимо для того, чтобы убедиться, что она
остается в указанном диапазоне, и таким об-
разом избежать риска его повреждения при
специальном длительном нагреве.
Правильно выполненное
шифрование
Методы шифрования защищают пу-
тем кодирования оригинального исходно-
го текста от несанкционированного доступа
к нему. Любой, кто взломает код, может так-
же расшифровать и зашифрованный текст,
поэтому здесь используются более совре-
менные методы, предусматривающие сим-
метричное или асимметричное шифрование.
В симметричном методе для шифрования
и дешифрования есть только один ключ,
то есть отправитель и получатель использу-
ют один и тот же ключ. В асимметричном ме-
тоде каждая из взаимодействующих сторон
применяет собственный ключ, с помощью
которого создается пара ключей. Она состо-
ит из открытого ключа, благодаря которому
данные шифруются, и закрытого ключа для
его расшифровки.
В некоторых сериях микроконтроллеров
STM32 для шифрования используется истин-
ный генератор случайных чисел, полностью
интегрированный в их чипах. Шифрование
основано на симметричном алгоритме блоч-
ного шифрования (Advanced Encryption
Standard, AES), известном также как Rijndael
и принятом в качестве стандарта шифрова-
ния правительством США. Функциональные
ключи микроконтроллеров STM32 серий F2,
F4, F7, L4 могут иметь длину 128/256 бит,
с использованием различных режимов шиф-
рования: ЕСВ (electronic code book — режим
«электронная кодовая книга»), СВС (Cipher-
Block Chaining — «режим сцепления блоков
шифротекста»), CTR (Counter Mode — «счет-
чик»), GCM (Galois Counter Mode — «счетчик
с аутентификацией Галуа»), GMAC (вариант
GCM, предоставляющий лишь аутентифика-
цию данных) и вариант шифрования СМАС,
а в контроллерах STM32 серий L0/L1 реали-
зован 128-битный AES.
Преимущество симметричного метода
Поскольку имеется только один ключ,
управление ключами проще, чем с помощью
асимметричного метода. Также шифрова-
ние и дешифрование выполняется намного
быстрее, что иногда является критическим
фактором, например в системах, работаю-
щих в реальном времени. Некоторые мо-
дели микроконтроллеров STM32 дополни-
тельно имеют полностью интегрированную
хэш-функцию. При этом происходит пре-
образование массива входных данных про-
извольной длины в битовую строку уста-
новленной длины, выполняемое определен-
ным алгоритмом. Функция, воплощающая
алгоритм и выполняющая преобразование,
называется «хэш-функция», или «функция
свертки». Преимущество такого подхода за-
ключается в том, что большой входной объ-
ем данных переводится в меньший целевой
объем. Существует также код аутентифи-
кации сообщения с хэш-ключом (Keyed-
Hash Message Authentication Code, HMAC).
Структурирование этого кода аутентифи-
кации сообщений (Message Authentication
Code, МАС) основано на криптографиче-
ской хэш-функции. НМАС указаны в RFC
(Запрос комментариев) 2104 и в стандарте
NIP (Национальный институт стандартов
и технологий) FIPS 198.
Предотвращение манипуляций
Защита от манипуляций включает защит-
ные механизмы для предотвращения пред-
намеренных или непреднамеренных физиче-
ских атак на аппаратную систему вне микро-
контроллера. Резервный домен, связанный
с различными источниками пробуждения,
гарантирует, что защита также поддержива-
ется в режиме низкого энергопотребления.
Часы реального времени (Real Time Clock,
RTC) назначают метку времени каждому со-
бытию манипуляции. Некоторые серии ми-
кроконтроллеров STM32 также имеют функ-
цию защиты регистра RTC. Она блокирует
незаконную запись и работает независимо
от системного сброса. Это, однако, не вклю-
чает защиту при наборе последовательности
клавиш. Когда манипуляция обнаружена,
регистр защиты гарантирует, что контент,
записанный в ходе нее, автоматически удаля-
ется. Кроме того, определенные каналы связи
могут быть закрыты с помощью блокиров-
ки конфигурации GPIO. Она блокирует вы-
бранные входы/выходы общего назначения
(GPIO). Блокировка может быть отменена
при следующем сбросе.
Дополнительные средства защиты
от нападения
Блокировка отладки предотвращает несанк-
ционированный доступ к микроконтроллеру
через интерфейс отладки. Уровень безопасно-
сти может быть выбран в зависимости от при-
ложения и требований, однако, выбрав од-
нажды, его впоследствии нельзя уменьшить.
Права доступа позволяют пользователям
или группам пользователей выполнять опре-
деленные действия. Для этого встроенный
модуль защиты памяти (Memory Protection
Unit, MPU) делит память на области с раз-
личными правами и правилами доступа.
Когда выполняется передача данных,
брандмауэр защищает код или часть дан-
ных флэш-памяти или SRAM от кода (или
фрагментов), выполняющегося за предела-
ми защищенного сектора. Брандмауэр более
строг, чем MPU, но он интегрирован только
в микроконтроллеры STM32 серий L0 и L4.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
94
компоненты микроконтроллеры
Таблица. Функции безопасности, встроенные в микроконтроллеры общего назначения — индустриальные и широкого применения
Изготовитель и поставщик		STMicroelectronics										Infineon		Renesas						Toshiba		EPSON	
Семейства		Проприетарный*	CortexMO+	CortexMO	СоПехМЗ	СоПехМЗ	СоПехМЗ	CortexM4	CortexM4	CortexM4	CortexM7	CortexMO	CortexM4	Проприетарный*		Cortex A	Cortex M0+	Cortex M4	Cortex M	Cortex M4	Cortex M4	Проприетарный*	CortexMO+
Серии		STM8L, STM8S	STM32L0	STM32F0	STM32L1	STM32F1	STM32F2	STM32F3	STM32L4	STM32F4	STM32F7	ХМС1х	ХМС4х	RL78	X Q£	N Q£	Synergy S1	Synergy S3	Synergy S5&S7	TZIxxx	N X i—	S1C17	S1C31
Целостность и безопасность	Блок вычисления CRC*		X	X	X	X	X	X	X	X	X		X	X	X	X	X	X	X	X	X	—	—
	Контроль целостности питания	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X		X	X	X
	Запись во время цикла считывания	X	X		X	X			X	X	X						X	X	X		X	—	—
	Система безопасности тактирования	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X		X	X	X
	Проверка и исправление ошибок кода (ЕСС)	X	X		X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X			—	—
	Проверка четности			X				X	(х)			X	X	X	X	X	X	X	X		X	X	X
	Датчик температуры	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X		X	X	X			X	X
	Сторожевые таймеры	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X
Шифрование на аппаратном уровне	Генератор случайных чисел		X				X		X	X	X	X			X		X	X	X	X		X	X
	Хэш-функции и HMAC						X			(х)	X				X		X	X	X	X			
	Симметричная криптография	(х)	X		X		X		X	X	X				X		X	X	X	X			
	Асимметричная криптография														X				X				
	Ускоритель генерации асимметричных ключей														X			X	X			—	—
Пакет криптографического программного обеспечения	Генератор случайных чисел		X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X			—	—
	Хэш-функции и HMAC		X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X			—	—
	Симметричная криптография		X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X			—	—
	Асимметричная криптография		X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X			—	—
Защита от несанкционированного вмешательства	Защита от вскрытия	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X		X		X	X	X			—	—
	Резервный домен		X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X		X		X	X	X		X	—	—
	RTC (Фиксация времени сбоя)	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X		X		X	X	X	X	X	—	—
	Функция защиты регистра RTC	X	X		X		X	X	X	X	X	X	X		X		X	X	X		X	X	X
	Резервные регистры	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X		X		X		X	X	X			—	—
	Блокировка конфигурации GPIO		X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X				X			X	X
Уровень блокировки отладки	JTAG или SWD**	X	X	X	X	(х)	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X
Управление разрешениями	Блок защиты памяти (MPU)		X		X	(х)	X	X	X	X	X		X		X		X	X	X	X	X	—	—
	Брандмауэр		X						X								X	X	X			—	—
Защита памяти	Защита от чтения (RDP)	X	X	X	X		X	X	X	X	X	X	X	X	X		X	X	X	X	X	X	X
	Защита от записи (WRP)	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X		X	X	X	X	X	X	X
	Собственная защита кода		X		(х)				X	(х)		X	X	X	X		X	X	X	X	X	X	X
	Стирание всего массива резидентной памяти		X		X				X	(х)	X	X	X						X	X	X	X	X
Отслеживаемость	Устройство имеет 96-битный уникальный идентификатор	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X	X*	X	X	X	X	X			—	—
Безопасное обновление	Программное обеспечение FSU		X				X			X	X	X	X		X							X	X
Примечания.
Проприетарный*: защищено правом собственности, запатентовано.
CRC*: циклический избыточный код (Cyclic redundancy check).
SWD**: технология SWD (Serial Wire Debug), более современная версия JTAG.
(x): STM32, эта функция безопасности недоступна в каждой подстроке упомянутого семейства MCU.
х*: Renesas RL78, доступна только электронная 64-битная уникальная идентификация устройства.
—: Epson: недоступно в настоящее время, но может быть включено в новые продукты.
Функция защиты от чтения использует-
ся для управления контролем доступа к па-
мяти. В общем, это предотвращает сброс
данных оперативной памяти, таких как ре-
зервное копирование пользовательских IP-
адресов. Защита от записи защищает каждый
сектор от нежелательных операций записи.
Собственная защита кода позволяет настра-
ивать каждый сектор памяти как execute only
(«только для выполнения»), то есть код в нем
может только выполняться, но не записы-
ваться.
Функции полного и безопасного стира-
ния позволяют безопасно удалять IP-адреса
и конфиденциальные данные. Это действие
полностью сбрасывает память к заводским
настройкам по умолчанию.
Для обеспечения отслеживаемости конеч-
ного продукта многие серии микроконтрол-
леров STM32 имеют 96-битный уникальный
идентификатор. Это также может быть ис-
пользовано для диверсификации ключей
безопасности.
Многие серии рассматриваемых микро-
контроллеров содержат дополнительные
функции безопасного обновления прошив-
ки. Таким образом, аппаратные функции
безопасности могут быть в любой момент
еще больше расширены с помощью тех или
иных программных мер.
Защита конечного продукта от манипуля-
ций со стороны третьих лиц основана на ин-
тегрированных программных решениях
и используемых компонентах электронного
оборудования. Микроконтроллеры и микро-
схемы памяти, а где это уместно и в сочета-
нии с датчиками и интегральными микро-
схемами, являются ключевыми для приложе-
ний IoT и Industry 4.0. В связи с General Data
Protection Regulation, или сокращенно GDPR
(Общий регламент ЕС о защите данных),
который вступил в силу 25 мая 2018 г., ком-
пания Rutronik для семейств микроконтрол-
леров подготовила информацию об инте-
грированных в них функциях безопасности.
В этот комплект документации включены та-
блицы с перечнем систем защиты от тех или
иных манипуляций, модули шифрования,
управление разрешениями, уровни блоки-
ровки отладки, данные по защите памяти,
а также вопросы гарантирования целостно-
сти и функциональной безопасности.
Оценка относящихся к безопасности функ-
ций, перечисленных в таблицах, в отношении
интегрированной защиты данных в портфеле
микроконтроллеров Rutronik дает клиентам
компании полное информативное понима-
ние по безопасности. В них, кроме различных
семейств микроконтроллеров STM32, при-
сутствует и ряд продуктов компании Renesas,
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
95
а именно CISC-микроконтроллеров RX и се-
мейства Synergy S1/S3, которые в отношении
функций безопасности предлагают степень
защиты выше средней. При этом отдель-
ные микроконтроллеры в категории Synergy
S5/S7 компании Renesas полностью соответ-
ствуют всем требованиям по защите. Кроме
того, здесь следует подчеркнуть полностью
интегрированную поддержку как симметрич-
ных, так и асимметричных методов шифро-
вания, в том числе интегрированную гене-
рацию ключей на основе AES (128/192/256),
3DES/ARC4 или RSA/DAS или DLP. Что ка-
сается микроконтроллеров семейства RX, его
можно рассматривать как пионера в плане
полного охвата различных функций безопас-
ности, а также поддержки интегрированных
механизмов для симметричного и асимме-
тричного шифрования.
Микроконтроллеры компании Infineon се-
рии ХМС-1ххх и ХМС-4ххх также предлагают
расширенную интегрированную защиту дан-
ных безопасности, как видно из таблицы [ 1 ].
В контексте особых требований к симме-
тричному или асимметричному шифрова-
нию поставщик этих контроллеров ссыла-
ется на пакет программного обеспечения
Crypto. Основываясь на собственной оценке
рисков безопасности для конечного продукта
и его составных частей, разработчики име-
ют возможность сразу увидеть, какие из ми-
кроконтроллеров могут потенциально ис-
пользоваться для обеспечения соответствия
GDPR в конструкции уже конечной платы
для того или иного применения.
Представленный в таблице список функ-
ций безопасности относится к семействам
микроконтроллеров в целом, а в расшиф-
ровке семейств учитывается, что в них содер-
жится как минимум один микроконтроллер
с перечисленными функциями безопасно-
сти. В перечне указывается, как правило, сам
кристалл, интегрированный в аппаратное
обеспечение. Исключением являются методы
шифрования, основанные на ПО, и функция
шифрования на уровне ПО.
Таким образом, ключевым выводом отно-
сительно Industry 4.0 остается то, что данные
и услуги являются не продуктом, а бизнесом
на платформе. В дальнейшем это будет мень-
ше связано с продажей техники для получе-
ния высоких доходов. Скорее на месте будет
установлено большое количество различных
машин для генерации данных, и оператор
платформы станет зарабатывать главным об-
разом на клиенте с помощью соответствую-
щих служб передачи данных. Это ознаменует
революционное изменение бизнес-моделей
в традиционной отрасли машиностроения
и поставщиков компонентов.
Литература
1. Security Aspects, www.rutronik.com/fileadmin/
Rutronik/Downloads/printmedia/products/
Rutronik_-_Security_Aspects.pdf
www.jtagtechnologies.ru
JTAG ProVision - самая совершенная программа
для периферийного сканирования на сегодняшний день
Реклама
Представительство JTAG Technologies н России
Телефон: (812) 602-091 5
E-mail: russiaQjtag.com
Эксклюзивный дистрибьютор: ООО «Остек-Электро»
Телефон: (495] 788-4444
E-mail: inloOt istec-group.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
96
компоненты системы в корпусе
Использование
интегрированных
пассивных компонентов
в микромодульных
системах в корпусе
Марк МЕРФИ (Mark MURPHY)
Пэт МакГИННЕСС (Pat McGUINNESS)
Перевод: Михаил РУССКИХ
tau68@rambler.ru
Производство интегральных пассивных компонентов не является новым на-
правлением в деятельности Analog Devices — они уже давно производятся,
востребованы и хорошо изучены. Когда отдельные дискретные пассивные
компоненты или даже цепочки интегрированных пассивных компонентов
используются в микросхемах, требуется тщательное управление проекти-
рованием для минимизации паразитных составляющих при трассировке,
обеспечения совместимости устройств и удобства сборки плат. Важность
применения интегрированных пассивных компонентов в большей мере
осознается тогда, когда они входят в состав систем в корпусе.
Введение
Несколько лет назад в ADI стали тщательно изучать новую иници-
ативу по разработке технологии создания интегральных пассивных
компонентов (iPassives). Ее цель — создание пассивных компонентов,
диодов, резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, кото-
рые предоставили бы ADI возможность охватывать большую часть
сигнальной цепи, преодолевая ограничения предшествующих техно-
логий и трудности существующих подходов интеграции пассивных
компонентов. Спрос со стороны заказчиков ADI на более полные ре-
шения в более компактных корпусах также стимулировал к созданию
этих технологий. С точки зрения разработчика iPassives можно рас-
сматривать как гибкий инструмент, который в очень короткие сроки
позволяет проектировать системные решения с лучшими в своем
классе характеристиками и надежностью. ADI имеет много микро-
схем обработки сигналов, чьи превосходные характеристики обеспе-
чиваются нашими уникальными процессами работы с кремниевыми
структурами. Без необходимости создания очень сложных интегри-
рованных процессов ADI может использовать разнообразие суще-
ствующих методов для производства ориентированных на простое
подключение и работу (plug-and-play) систем, имеющих отличные
характеристики. Технология интегрированных пассивных компонен-
тов применяется для того, чтобы объединить все это в сети с высокой
степенью конфигурирования и корпусировать согласно формату
Таблица. Основные формулы для базовых пассивных компонентов
Дискретный элемент	Уравнение	Символ	Примечания
Резистор	V = IxR	—I	|—	V — напряжение I — TOK t — время R — сопротивление в омах C — емкость в фарадах L — индуктивность в генри ls — ток насыщения диода VT — термо-ЭДС h — коэффициент неидеальности диода
Конденсатор	I = C(dV/dt)	—I I—	
Катушка индуктивности	V = L(dl/dt)		
Диод	I = ls(ev/l)Vt-1)	—►)-	
«система в корпусе» с целью создать устройства серии pModule, ко-
торые будут полностью протестированы и параметры которых будут
полностью определены. Системы, ранее представлявшие собой реше-
ния на уровне печатной платы, теперь могут быть минимизированы
до размеров одного электронного компонента. И наши заказчики
получат полностью законченные решения с превосходными характе-
ристиками, позволяющие сократить время разработки и сэкономить
на компонентной базе, при этом такие решения будут в очень ком-
пактных корпусах.
Технология создания пассивных компонентов
Итак, давайте ненадолго вернемся к основам электроники и вспом-
ним, что такое пассивный компонент. Пассивные компоненты пред-
ставляют собой устройства, на которые не нужно подавать отдельное
питание и которые обеспечивают относительно простую взаимосвязь
между током и напряжением. Этими компонентами являются ре-
зисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы
(катушки индуктивности с электромагнитной связью) и диоды. В от-
дельных случаях соотношение ток-напряжение довольно простое,
например в резисторе, где ток линейно зависит от напряжения. В слу-
чае с диодом обеспечивается экспоненциальная зависимость тока
от напряжения. В катушках индуктивности и конденсаторах это от-
ношение определяется характером переходного процесса. В таблице
приведены формулы, определяющие отношение ток-напряжение для
четырех базовых пассивных компонентов.
Пассивные устройства могут использоваться по отдельности либо
быть подключены последовательно или параллельно и являются
важными компонентами в областях обработки аналоговых (для уси-
ления, ослабления, связи, настройки и фильтрации) и цифровых сиг-
налов (резисторы подтяжки к питанию, резисторы подтяжки к «зем-
ле» и резисторы для согласования импеданса), подавления электро-
магнитных помех (LC-цепи для подавления шумов) и управления
питанием (сопротивление для определения и ограничения тока, LC-
цепи для накопления энергии).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
системы в корпусе КОМПОНеНТЫ
97
Ограничения дискретных компонентов
Изначально пассивные компоненты были дискретными, то есть
изготавливались в виде отдельных устройств и соединялись в цепи
с помощью проводов или дорожек на печатной плате. Со временем
они разделились на три категории: наиболее компактные, наиболее
дешевые и наиболее качественные. Эта эволюция уже приобрела зре-
лый статус, и ее развитие оптимизировано, но размеры занимаемой
на плате площади и высота корпуса демонстрируют, что дискретные
пассивные компоненты всегда ограничивают возможности по умень-
шению размера решения. В спецификациях, как правило, 80% по-
зиций представляют собой пассивные компоненты, они занимают
около 60% площади печатной платы и составляют около 20% от об-
щих затрат на компоненты. Эти факторы усложняют и так непростые
задачи по управлению запасами и хранению.
По своей природе дискретные устройства характеризуются неко-
торой индивидуальностью при производстве. Хотя существуют ме-
тоды, позволяющие выбирать компоненты из определенной партии,
все равно остается высокая степень уникальности для каждого от-
дельного компонента. Это довольно важный недостаток, когда необ-
ходимо обеспечить высокий уровень соответствия компонентов. Для
устройств, которые по своим параметрам должны соответствовать
друг другу, уникальность и различия между компонентами приводят
к ошибкам, ухудшающим характеристики схемы. Кроме того, подоб-
ное ухудшение характеристик будет прогрессировать в зависимости
от рабочей температуры и срока эксплуатации схемы.
Другим недостатком дискретных пассивных устройств является то,
что сборка и трассировка отдельных компонентов занимают немало
времени и требуют много места. Элементы соединяются с помощью
пайки, как правило, в соответствии с технологией сквозного монтажа
или поверхностного монтажа. Технология сквозного монтажа — это
более старая технология сборки, когда выводы компонентов встав-
ляются в отверстия печатной платы, слишком длинные выводы об-
резаются, и расплавленный припой соединяет выводы компонентов
с дорожками печатной платы. Технология поверхностного монтажа
позволила разработать более компактные пассивные компоненты.
В этом случае на печатной плате вытравливается посадочное место
компонента, для нанесения рисунка посадочного места используется
паяльная паста, а затем компоненты поверхностного монтажа уста-
навливаются с помощью манипулятора для захвата, перемещения
и установки деталей. Затем печатная плата проходит процесс пайки
оплавлением, при котором припой расплавляется и создает электри-
ческие соединения, а при охлаждении затвердевает и механически
прикрепляет компоненты поверхностного монтажа к печатной пла-
те. Основная проблема, присущая обеим технологиям монтажа, за-
ключается в том, что процессы пайки могут быть очень ненадежны-
ми, и в отрасли, где дефектным может быть только один компонент
из миллиона, это становится чрезвычайно серьезной проблемой.
Для обеспечения надежности припоя важно учитывать несколько
факторов: фактический состав припоя (который в современных про-
цессах пайки обычно не содержит свинца и, следовательно, менее на-
дежный), механическая стабильность во время процесса оплавления
припоя (механические колебания могут привести к сухому паяному
соединению), чистота припоя (любые загрязняющие вещества от-
рицательно влияют на надежность припоя), а также время и тем-
пература в процессе оплавления припоя. Скорость нагрева припоя,
фактическая температура, однородность температуры и время, за ко-
торое припой остается нагретым,— все это имеет решающее зна-
чение. Любое изменение указанных параметров способно привести
к повреждению посадочных площадок или сквозных отверстий, или
спровоцировать механические нагрузки на компоненты, что со вре-
менем приведет к выходу их из строя.
Другое ограничение в использовании пассивных компонентов
на печатных платах связано с тем, что сами компоненты отстоят друг
от друга на некотором расстоянии, а потому длина дорожек должна
быть большой. Это может привести к сложности учета паразитных
элементов, которые негативно влияют на характеристики и умень-
шают повторяемость результатов. Как правило, дорожки платы
имеют индуктивность 1 нГн/мм и емкость, зависящую от ширины
дорожки и ее близости к другим дорожкам. Допуски для дорожек пе-
чатных плат способствуют непостоянству паразитных факторов, по-
этому они не только вредны, но и непредсказуемы. Обеспечение бо-
лее жестких допусков для печатных плат повысит стоимость изделия.
Пассивные устройства также имеют множество потенциальных
точек контакта с внешним миром — это точки, в которых может
произойти электростатический разряд при прикосновении рук или
механизмов, что, опять же, влечет за собой негативные последствия
и риски в отношении общей надежности.
Преимущества интегрированных
пассивных компонентов
Прежде чем говорить о преимуществах интегрированных пас-
сивных компонентов относительно дискретных аналогов, рассмо-
трим, благодаря чему появились эти интегрированные компоненты.
Сегодня интегральные схемы содержат большое количество тран-
зисторов (миллионы), соединенных вместе посредством высоко-
качественных металлических соединений. Для устройств аналогового
типа, вроде АЦП и ЦАП, которые помимо транзисторов содержат
много пассивных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы,
были разработаны специальные процессы. Для достижения характе-
ристик, требуемых для этих высокоточных аналоговых приложений,
созданы очень высококачественные пассивные компоненты. Именно
они используются для создания интегрированных пассивных ком-
понентов. Так же, как интегральные схемы содержат много транзи-
сторов, интегрированные пассивные компоненты могут включать
много высококачественных пассивных компонентов, размещенных
на очень маленькой площади. Как и интегральные схемы, такие сбор-
ки изготавливаются на подложках большой площади (пластинах),
на которых одновременно создаются несколько сетей пассивных ком-
понентов.
Одним из наиболее важных преимуществ интегрированных пас-
сивных компонентов перед дискретными пассивными компонента-
ми является точное согласование между элементами. При изготов-
лении сети интегрированных пассивных компонентов все элементы
внутри данной сети производятся в одно и то же время, в одинаковых
условиях, с одинаковым набором материалов и, поскольку такие сети
очень компактны, в одном и том же месте. Пассивные компоненты,
изготовленные таким образом, будут лучше согласованы между со-
бой, чем дискретные аналоги. Чтобы проиллюстрировать это, пред-
положим, что для нашего приложения требуются два согласованных
резистора. Они изготавливаются на круглых подложках, таких как
кремниевые пластины, представленные на рис. 1. Из-за небольших
изменений параметров процесса, например толщины резистивной
пленки, химических свойств пленки, контактного сопротивления
и т.д., в рамках изготавливаемой партии будет присутствовать неко-
торый уровень изменения сопротивления, а между компонентами
разных партий будет наблюдаться еще больше изменений. В примере
на рис. 1 темно-зеленый цвет указывает на то, что сопротивление на-
ходится ближе к максимуму диапазона допуска, а желтый цвет — что
сопротивление находится ближе к минимуму диапазона допуска.
В случае со стандартными дискретными устройствами существует
вероятность, что два резистора могут поступить из разных партий
(на рисунке они указаны как два отдельных резистора красного цве-
та). Значения сопротивления обоих дискретных резисторов могут
быть на разных концах полного диапазона допуска, поэтому согласо-
вание между ними не будет очень хорошим. При особых требовани-
ях к заказу имеется возможность выбрать два дискретных резистора
из одной партии, как указано двумя отдельными резисторами го-
лубого цвета. Сопротивления данных резисторов могут отличаться
друг от друга только в пределах диапазона допуска одной партии.
Хотя согласование между такими резисторами будет лучше, чем при
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
98
компоненты системы в корпусе
то, что количество открытых узлов в системе значительно сокраща-
ется. Благодаря этому существенно уменьшается вероятность выхода
из строя системы в результате случайного короткого замыкания или
воздействия электростатического разряда.
Поддержание и контроль запаса компонентов для процесса сбор-
ки любых печатных плат становится довольно сложной задачей.
Интегрированные пассивные компоненты, имеющие несколько пас-
сивных компонентов в одном устройстве, значительно сокращают
расходы на комплектующие, а значит, и общую стоимость. Заказчики
получают полностью протестированные и надежные сети интегри-
рованных пассивных компонентов. Благодаря этому процент выхода
годных плат увеличивается, и это не только снижает расходы в даль-
нейшем, но и повышает прогнозируемость цепочки поставок.
Использование интегрированных пассивных
компонентов ADI (iPassives)
случайном выборе дискретных компонентов, все равно и здесь может
наблюдаться некоторое рассогласование. Наконец, в случае с инте-
грированными пассивными компонентами оба резистора выращива-
ются на одном кристалле, это показано на рис. 1 двумя резисторами
фиолетового цвета. Диапазон допуска в пределах одного кристалла
является единственным диапазоном, который будет наблюдаться
между двумя резисторами. Следовательно, согласование между дву-
мя резисторами будет превосходным. Для еще большего уменьшения
разброса сопротивления между ними могут быть использованы до-
полнительные методы, благодаря чему удается добиться наилучшей
согласованности между компонентами. Согласование между инте-
грированными пассивными компонентами по сравнению с дискрет-
ными аналогами значительно лучше не только изначально, но оно
будет лучше и при изменении температуры, воздействии механиче-
ских нагрузок и с течением времени, поскольку при изготовлении
они уже были очень хорошо взаимосвязаны.
Отдельные компоненты в составе интегрированных пассивных
компонентов располагаются на пластине очень близко друг к дру-
гу (расстояние между ними измеряется в микронах), и благодаря
этому паразитные факторы межсоединений, такие как сопротив-
ление дорожек и индуктивность, можно свести к абсолютному ми-
нимуму. На печатных платах паразитные факторы межсоединений
могут иметь переменный характер из-за допустимых отклонений
параметров дорожек и отклонений параметров из-за размещения
компонентов. Благодаря интегрированным пассивным компонентам
допустимые отклонения очень малы за счет процессов фотолито-
графии, используемых при их изготовлении. В интегрированных
пассивных компонентах паразитные составляющие не только очень
малы, но и имеют систематический характер, следовательно, могут
быть легко учтены.
Миниатюризация сетей пассивных компонентов благодаря приме-
нению интегрированных пассивных компонентов имеет очевидное
преимущество, заключающееся в сокращении размеров печатных
плат. Это напрямую ведет к снижению затрат на производство пе-
чатных плат и позволяет размещать большее количество функций
на меньшей площади. Создание систем с большим количеством ка-
налов становится намного более практичным при использовании
интегрированных пассивных компонентов.
Еще одно существенное преимущество интегрированных пассив-
ных компонентов — надежность соединяющей их сети проводников.
Вместо использования большого количества паяных соединений ин-
тегрированные пассивные компоненты, по сути, объединены вместе
в одном целостном блоке, залиты стеклом и дополнительно защи-
щены прочным пластиковым герметиком. В сетях интегрированных
пассивных компонентов нет проблем с сухими паяными соединени-
ями, коррозией или неправильно расположенными компонентами.
Дополнительным преимуществом настолько хорошо герметически
закрытых сетей интегрированных пассивных компонентов является
Как уже упоминалось, в течение многих лет высококачественные
пассивные устройства были основой достижения хороших характе-
ристик многих продуктов ADI. За это время ассортимент и качество
пассивных устройств выросли, и набор интегрированных пассивных
компонентов теперь содержит значительное количество элементов.
Процесс создания интегрированных пассивных компонентов являет-
ся модульным, то есть этапы обработки кристалла, необходимые для
создания пассивного устройства определенного типа, должны вы-
полняться лишь в том случае, если требуется конкретный компонент.
Сеть iPassives, по сути, может быть создана только с требуемой слож-
ностью обработки — не больше и не меньше. Как показано на рис. 2,
существует ряд пассивных структурных элементов на выбор, и соз-
дание сетей интегрированных пассивных компонентов может быть
столь же простым, как объединение необходимых компонентов.
Интегрированные пассивные компоненты обладают многими пре-
имуществами по сравнению с дискретными пассивными компо-
нентами. ADI использовала эти преимущества на следующем этапе,
внедрив iPassives в устройства серии pModule. Данные модули ис-
пользуют преимущества разнообразных интегральных схем. Эти
схемы изготавливаются с помощью специализированных процес-
сов, которые обеспечивают превосходные характеристики и которые
нельзя создать с помощью одного отдельного процесса. ADI при-
меняет iPassives, чтобы связать такие интегральные схемы, благо-
даря чему внутри одного устройства образуются законченные пре-
цизионные сигнальные цепочки. Показанные в качестве примера
на рис. 3 два устройства серии pModule содержат преобразователи
данных, усилители и другие компоненты, а созданные на основе ин-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
системы в корпусе КОМПОНеНТЫ
Рис. 3. Примеры продуктов серии pModule с использованием компонентов iPassives
тегрированных пассивных компонентов усилительные и фильтрую-
щие сети объединяют их между собой.
Компания ADI производит легко конфигурируемые прецизион-
ные системы формирования и преобразования сигналов. Принятие
подхода повторного использования из огромного ассортимента про-
веренных на практике микросхем и объединение этого подхода с уни-
версальностью iPassives значительно сокращают время разработки
и затраты. Это решение предлагает значительные преимущества для
заказчиков, которые теперь смогут быстрее и с меньшими расходами
выводить на рынок продукты с наилучшими характеристиками.
Заключение
На первый взгляд применение интегрированных пассивных ком-
понентов может показаться просто более выгодным по сравнению
с устоявшимися подходами. Однако преимущества оказываются куда
более значимыми, и iPassives, используемые ADI, позволяют не толь-
ко интегрировать пассивные компоненты в микросхемы, но и достичь
скоростей, экономии и размеров, которые выгодны заказчикам.
НОВОСТИ пассивные элементы
Компания Exxelia представляет новые высокодобротные ВЧ-конденсаторы
в широком диапазоне параметров.
Область применения таких конденсаторов: источники питания, силовые
фильтры, устройства МРТ и ЯМР.
Замена высокодобротных
ВЧ-конденсаторов АТС и Knowles
от компании Exxelia
Особенности:
•	емкость: 0,1 пФ — 1 мкФ;
•	диэлектрик: Р100 (100±30) ррт/°С) и NP0 (0±30) ррт/°С);
•	типоразмеры: 0402, 0505, 0603, 0709, 0711, 0805, 1111, 1206, 1210,2225,
4040;
•	напряжение: 25—7200 В;
•	температурный диапазон: до +175 °C.
www.ptelectronics.ru
TFT-LCD модули
Высочайшая надежность
в любой ситуации:
TFT-LCD модули Mitsubishi Electric.
Приглашаем посетить наш стенд на выставке:
Embedded World, г.Нюрнберг, Германия
26 февраля - 28 февраля 2019 г.
Зал 1, стенд 181
Реклама
Превосходя ожидания: TFT-LCD модули Mitsubishi Electric устанавливают
новый уровень стандартов для промышленных дисплеев. Разработанные
с учетом высоких требований по надежности, широкому температурному
диапазону и читаемости при ярком солнечном свете, промышленные
TFT-LCD модули Mitsubishi Electric, в сочетании уникальной технологией
проекционно-емкостных (РСАР) сенсорных панелей, обеспечивают пре-
восходное качество изображения при сверх долгом сроке непрерывной
эксплуатации. Именно поэтому профессионалы выбирают TFT-LCD модули
Mitsubishi Electric для самых разных сфер промышленных применений.
Подробнее: lcd.info@meg.mee.com /www.mitsubishichips.eu
Серия АТ для работы в экстремальных условиях
-	Линейка модулей от 7" до 10.4"
-	Повышенная ударопрочность и вибростойкость (6.8G)
-	Расширенный температурный диапазон:
от -40 °C до +85 °C
-	Сверх высокая яркость: до 1500 кд/м2
-	Широкие углы обзора: до 170°
-	Долгосрочная поддержка производства
MITSUBISHI
ELECTRIC
Changes for the Better
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2019
www.kit-e.ru
100
НОВОСТИ изоляторы
Новый радиационно-устойчивый изолятор
цифрового сигнала ISL71610M от Intersil
Компания Intersil представляет ISL71610M —
изолятор цифрового сигнала с пассивным входом
и КМОП-выходом. При аналогичном интерфейсе
компонент обладает большей производительно-
стью и большей плотностью интеграции, чем стан-
дартные опторазвязки.
Новинка изготовлена по технологии гигантского
магнитосопротивления (ГМС), что позволило до-
стичь малых габаритов корпуса и энергопотребле-
ния при высокой степени интеграции и произво-
дительности. Керамико-полимерный композици-
онный материал барьера обеспечивает отличную
изоляцию и неограниченный срок службы. С по-
мощью внешнего резистора задается ток входной
катушки, а конденсатор, включенный параллель-
но резистору, ограничивающему ток, обеспечи-
вает улучшенные динамические характеристики.
Устройство может использоваться для замены
различных оптопар, работающих в широком диа-
пазоне скоростей передачи данных и при различ-
ных уровнях подаваемых напряжений. Выход изо-
лятора совместим с источниками питания 3,3 и 5 В,
что обеспечивает сопряжение с контроллерами
без дополнительного смещения напряжения. При
заряде катушки как минимум на ±8 мА ISL716 ЮМ
способен поддерживать работу с односторонним
и дифференциальным приводом.
Новинка предлагается в корпусе типа SOIC-8
(5x4 мм) и функционирует в диапазоне температур
-55...+ 125 °C.
Для российского рынка доступны ЕАР99-версии,
не требующие оформления экспортной лицензии.
Характеристики:
•	напряжение изоляции: 2500 кВ RMS;
•	скорость передачи данных: 100 Мбит/с;
•	рабочий температурный диапазон: —55...+125 °C;
•	форма выходного сигнала: КМОП;
•	стойкость к ТЗЧ: 43 МэВ-см2/мг;
•	стойкость по накопленной дозе радиации:
30 крад;
•	напряжение питания: 3,3—5 В;
•	задержка сигнала: 8 нс;
•	тип входа: пассивный.
www.ptelectronics.ru
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
проектирование
101
Быстрая разработка прототипов
в эпоху Arduino, mikroBUS
и Processing
Боб МАРТИН (Bob MARTIN)
Перевод: Владимир РЕНТЮК
Бурное развитие эпохи быстрого создания прототипов началось именно
тогда, когда такие компании, как MikroElektronika, Adafruit и Arduino,
за впечатляюще короткий срок сумели предоставить специалистам-элек-
тронщикам полностью готовое рабочее оборудование, объединив разно-
родные по своей сути концепции в конечные решения.
Самые разнообразные конференции
и выставки — это один из основных
и важных продуктов Силиконовой
долины. Вдоль шоссе 101, соединяющего
Сан-Франциско и Сан-Хосе, нет недостатка
в рекламных щитах с объявлением о сле-
дующей дате и месте проведения таких со-
бытий. По мере того как в перерывах между
сессиями все большие толпы бродят по вы-
ставочным залам, становится все труднее
привлекать их внимание. Разработка и де-
монстрация достижений и проектов в рам-
ках подобных выставок — дело интересное.
Однако достижения в области технологий
встраиваемых систем, а точнее новых сен-
сорных технологий — довольно обыденная,
заезженная тема, и придумать убедительные
демонстрации, которые вызовут интерес
у искушенной и избалованной публики,—
непростая задача.
Недавно автор статьи сосредоточился
на создании одной интерактивной демон-
страции, представляющей полную систему
на основе датчиков. В этой демонстрацион-
ной версии нужно было задействовать как
минимум два из трех факторов любой хо-
рошей презентации решения: визуализа-
цию, звук и движение. Предыдущий опыт
научил нас сокращать использование таких
элементов, как взрывы и лазеры, установ-
ленные на акулах, превращающие техниче-
скую демонстрацию хоть и в грандиозное,
но не столь уж полезное шоу.
Благодаря усилиям компаний Arduino,
MikroElektronika и Adafruit мы сейчас жи-
вем в мире быстрого создания прототипов.
Причем не в виде макетов, нагроможденных
из плат, а вполне рабочих предложений, уже
имеющих практическую ценность. Кстати,
автор для создания систем, предназначен-
ных для учебных целей и оценки новых
решений, постоянно использует продукты
перечисленных компаний. И здесь, к сча-
стью, когда началась подготовка демонстра-
ции, компании Microchip и MikroElektronika
только что запустили рекламную акцию
по линейке периферийных модулей серии
Click Boards. Особенность модулей этой се-
рии — наличие разъема шины mikroBus. Так
что в запасе у нас уже было несколько по-
добных плат, а также плата 10DOF Click [1],
на которой установлено два действительно
хороших датчика компании Bosch. В частно-
сти, на ней имеется 9-осевой инерциальный
блок измерения (Inertial Measurement Unit,
IMU) BNO055 и цифровой датчик давления
ВМР180.
Поверхность пола в конференц-центре
Сан-Хосе довольно ровная, да и сам город
расположен невысоко над уровнем моря, по-
этому поток данных с датчика давления, по-
лученных в ходе демонстрации,— бедный
и, следовательно, малоинтересный. А вот
наличие полного 9-осевого датчика движе-
ния нечто совсем иное. В офисе автора было
в наличии несколько плат расширения Click
Рис. 1. Иллюстрация соединения плат между собой
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
102
п роекти рован ие
Shield для контроллера Arduino Uno [2], ко-
торые тоже были использованы для описан-
ной демонстрации. Плата расширения для
контроллера Arduino Uno позволяет плате
MikroElektronika Click подключаться к пла-
те стандарта Arduino. Последним элементом
аппаратного решения была миниатюрная
ATmega328P Xplained Mini [3]. Ее превраще-
ние в платформу, подходящую для Arduino
Uno,— вопрос лишь программирования за-
грузчика, но хотелось придумать более эле-
гантное решение. На этой оценочной плате
также предусмотрены контакты, позволяю-
щие устанавливать держатели штырьковых
гнезд Arduino в стандартном шаблоне, а у нас
имелись и эти заготовки. Хотя хотелось избе-
жать значительной модификации оборудо-
вания, и задача оказалась несложной, реша-
емой с помощью простой пайки (рис. 1,2).
Кажется, здесь все достаточно просто,
во всяком случае так оно на первый взгляд
и выглядит. Мы знали, что плата расширения
Arduino Uno станет направлять сигналы 12С-
датчиков BNO055 в нужное место на Arduino.
Тем не менее была еще одна немаловажная
проблема, которую требовалось преодолеть.
Дело в том, что плата 10DOF Click доступ-
на лишь с питанием 3,3 В, а конфигурация
328Р Xplained Mini по умолчанию — 5 В
с подключением питания через USB-порт.
Однако команда Microchip по разработке
инструментов позаботилась о решении про-
блемы 3,3 В, установив на 328Р Xplained Mini
линейный LDO-стабилизатор напряжения,
который можно активировать с помощью
нескольких перемычек — джамперов.
Итак, все три платы соединены вместе,
и после быстрой проверки работоспособно-
сти у нас на рабочем столе уже был подклю-
чен жизнеспособный стек датчиков/микро-
контроллеров (слава богу, нигде от микро-
схем не появился завораживающий глаз
дымок, с незабываемым ароматом горевшей
термореактивной пластмассы).
Демонстрационное приложение
к аппаратной части
По предыдущим проектам автор уже был
хорошо знаком с 9-осевым инерциальным
датчиком IMU BNO055 компании Bosch, по-
этому у нас имелся некоторый тестовый код
от Adafruit, предназначенный для проверки
основного потока данных от всех трех дат-
чиков движения. Компания Adafruit также
предоставляет разработчикам довольно об-
ширную библиотеку для BNO055, которая,
собственно, и содержит сам тестовый код [4].
Сенсор BNO055 — это довольно мощ-
ный IMU, способный предоставлять не толь-
ко базовые исходные данные с акселероме-
тра, гироскопа и магнитометра, но и пол-
ные сенсорные решения в форматах углов
Эйлера и кватернионов1. У нас был тестовый
код Adafruit в виде эскиза, он был написан
ранее для того же устройства BNO055 [5].
Рис. 2. Иллюстрация объединения платы MikroElektronika 10DOF Click и платы расширения Arduino Uno
с платой ATmega328P Xplained Mini
Поскольку использовалась функция им-
порта эскизов Arduino в Atmel Studio 72, про-
граммирования загрузчика Arduino на плате
mega328P Xplained Mini не требовалось. Как
и ожидалось, тестовый код из Adafruit был
без проблем импортирован в Atmel Studio 7.
Работа с Atmel Studio 7 дала нам преимуще-
ства в реализации рассматриваемой демон-
страции, в частности возможность исполь-
зовать большое количество кодовой базы,
уже имеющейся в открытом домене. Первое
и наиболее важное добавление здесь — воз-
можность выполнять отладку на уровне ис-
ходного кода непосредственно на эскизе
Arduino, включая применение точек останова
и проверки/изменения данных в памяти без
помощи функции Serial.print(). Во-первых,
этот уровень видимости и контроля, который
является обычной частью профессиональных
встроенных систем разработки, позволяет на-
ходить первопричину неисправности (при
обнаружении и удалении которой появление
подобных недочетов исключается или сокра-
щается) и устранять такие ошибки, возника-
ющие при быстром создании демонстраци-
онного кода. Во-вторых, поскольку основным
потоком данных с платы Xplained Mini был
виртуальный COM-порт (в терминологии
USB он называется Communication Device
Class — CDC), нам не нужно было каким-
либо образом загрязнять поток данных IMU
1	Кватернионы предоставляют удобное математическое обозначение положения и вращения объектов в пространстве. В сравнении с углами
Эйлера кватернионы позволяют проще комбинировать вращения, а также избежать проблемы, связанной с невозможностью поворота
вокруг оси, независимо от совершенного вращения по другим осям. В сравнении с матрицами они обладают большей вычислительной
устойчивостью и могут быть более эффективными. Кватернионы нашли свое применение в компьютерной графике, робототехнике,
навигации, молекулярной динамике.— Прим. пер.
2	Atmel Studio (ранее AVR Studio) — основанная на Visual Studio бесплатная проприетарная интегрированная среда разработки (IDE) для
разработки приложений для 8- и 32-битных микроконтроллеров семейства AVR и 32-битных микроконтроллеров семейства ARM от ком-
пании Atmel, работающая в операционных системах Windows NT/2000/XP/Vista/7/8/10. Atmel Studio содержит компилятор GNU C/C++
и эмулятор, позволяющий отладить выполнение программы без загрузки в микроконтроллер.— Прим. пер.
отладочной информацией. Единственной
реальной трудностью, которую мы видели
в тот момент, было несоответствие адреса 12С,
но плата BNO055 от Adafruit и схема 10DOF
Click указали, что это не станет проблемой.
После скачивания, кода автор запустил
приложение консоли терминала на ноутбуке,
он был приятно удивлен следующим пото-
ком данных ACSII:
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 201.25 -17.62 103.00
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 204.69 -27.37110.81
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 216.69 -34.06 121.69
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 217.81 -41.63 127.25
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 204.88 -56.00 135.44
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 187.94 -70.69 156.00
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 169.75 -75.12 -135.13
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 154.13 -61.13 -91.31
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 138.19 -36.94 -76.37
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 130.94 -16.37 -63.44
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 134.56 -9.06 -48.00
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 137.94 -5.00 -28.75
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 143.75 -6.44 -7.13
Calibration: 0 3 0 3
Orientation: 151.38-12.31 21.75
Отлично.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
п роекти рован ие
103
Нас интересовали как величина данных, так и реакция на помахи-
вание платой, привязанной к USB. В этот момент мы находились как
раз на полпути к тому, чтобы получить рабочий 9-осевой IMU, по-
сылающий разумный поток данных телеметрии. Однако это ASCII-
символьный поток, соответственно, он менее эффективен в полезной
нагрузке, но идеален для демонстрационной среды, потому что мож-
но разделить систему пополам, что, в свою очередь, позволит нагляд-
но показать основные данные IMU.
С этой целью мы и хотели реализовать на экране ПК нечто более
интересное, чем прокручивающаяся стена пусть и красивых, но чисел.
На выставках, где мы присутствовали, не было большого количества
налоговых бухгалтеров, известных любителей цифр в столбиках, по-
этому предложить нечто более элегантное, чем столбцы из чисел, ка-
залось крайне важным. Типичное демонстрационное приложение для
датчиков движения состоит в построении вектора гравитации или трех
отдельных осевых графиков, представляющих вектор гравитации. Это
позволяет понять работу, но на самом деле не демонстрирует весь по-
тенциал BNO055. Есть лучший способ показать слияние в единое целое
всех сенсоров, находящихся внутри этого устройства.
И тут опять на помощь приходит компания Adafruit. При посеще-
нии веб-страницы коммутационной платы датчика BNO055 на ней
появляется короткое видео, показывающее ЗП-кролика Банни, следя-
щего за движением коммутационной платы с беспроводным подклю-
чением. Этот код «Кролика Банни» также служит первым примером
эскиза в списке примеров библиотеки Adafruit для BNO055 (рис. 3).
Рис. 3. Код «Кролика Банни» — первый пример эскиза,
который появляется в списке примеров библиотеки Adafruit BNO055
Рис. 4. ЗБ-код «кролика Банни» в программе на языке Processing
Автор уже был знаком с языком Processing3 [6]. Это отличный язык
для разработчиков встраиваемых приложений, которым он необходим
для получения данных на экране ПК, а не только как текст ASCII в кон-
сольной программе. Язык Processing также был основой для Wiring,
a Wiring — это базовый язык для Arduino. Все хорошо, когда, как по-
ется в известной детской песенке, «живется дружно, что может лучше
быть», не так ли? Как и ожидалось, импорт примера эскиза кролика
Банни из Arduino в Atmel Studio 7 прошел безупречно, и после уста-
новки еще нескольких пакетов поддержки для Processing в основной
системе разработки мы, перед запуском эскиза кролика Банни, решили
проверить поток данных с помощью терминальной консоли:
Рис. 5. После нажатия на кнопку воспроизведения кролик повернулся в пространстве
соответственно ориентации печатной платы
Calibration: 0 3 0 0
Orientation: 0.00 0.63 2.19
Calibration: 0 3 0 0
Orientation: 0.00 0.63 2.19
Calibration: 0 3 0 0
Формат потока данных подтвердил, что мы работали с углами
Эйлера, а не с кватернионами. Это было важно, поскольку мы были
также уверены, что появится так называемая проблема блокировки
карданного подвеса (то есть потеря стабилизации, обусловленная
тем, что в силу определенных причин поворот наружного кольца
определяется только азимутальным гироскопом). Естественно, если
разработчики библиотеки ротации не предотвратят эту проблему.
Беглый взгляд на 3D-код «кролика Банни» в программе на языке
Processing показал, что размер окна объекта составлял 640x480 пик-
селей. На выставках уже давно не встречаются 20-дюймовые VGA-
мониторы на телевизионных трубках, и даже в куче винтажной элек-
3 Processing — открытый язык программирования, основанный на Java. Представляет собой легкий
и быстрый инструментарий для разработчиков, которые хотят программировать изображения, ани-
мацию и интерфейсы.— Прим. пер.
троники в гараже автора не нашлось таких мониторов, поэтому мы
увеличили разрешение до скромных 1024x768, настроили смещения
и все промасштабировали (рис. 4).
Кролик Банни вращался, как и ожидалось, когда мы вращали ма-
кетную плату в пространстве (рис. 5). Теперь для простой презен-
тации на выставке интерактивная демонстрация была полностью
готова и отвечала всем базовым требованиям:
•	она была легко воспроизводима, проста и быстра в настройке и недо-
рога;
•	она может быть разложена на компоненты системы;
•	помимо источника питания на Mega328P Xplained Mini, не было
никаких лишних проводов или вмешательств в аппаратные средства.
Данное оборудование действительно продемонстрировало эффект
блокировки карданного подвеса, когда вращение кролика делало ска-
чок всякий раз, если ориентация платы приближалась к пределам 90°
или 180° на одной оси. Как видите, гораздо лучше показать концеп-
цию напрямую, чем объяснить сложную математику этой проблемы.
Сама демонстрация получилась довольно простой. Для перехо-
да от стопки плат к демонстрации полного вращения в ноутбуке
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
104
п роекти рован ие
потребовались небольшие усилия и немно-
го времени. В конце концов, понадобилось
около часа, чтобы все это начало работать
как единое целое. Аппаратный аспект де-
монстрации заключается в использовании
двух разных стандартов создания про-
тотипа аппаратного обеспечения: Arduino
Shield и mikroBUS. В программной части
используются три платформы разработки:
Arduino IDE, Atmel Studio 7 и Processing.
В системном плане все соединено в после-
довательности, которая имеет смысл и рабо-
тает наглядно и просто. Всего лишь несколь-
ко лет назад, когда автор был инженером
по системным приложениям в компании,
специализирующейся по гироскопам в виде
микроэлектромеханических систем —
МЭМС (Micro Electro Mechanical System,
MEMS), разработка подобной демонстрации
обычно занимала большую часть рабочей
недели.
Было также ясно, что следующим логиче-
ским шагом станет добавление беспровод-
ного соединения в демонстрационную вер-
сию, поскольку у нас был запасной разъем
mikroBUS, ожидающий какой-либо платы
на основе радиоканала от MikroElektronika.
Также следовало рассмотреть вопрос с бло-
кировкой карданного подвеса, но в конце дня
у нас была готовая демонстрация, которую
можно было принести в сумке для ноутбука.
Понятно, что эпоха быстрого создания
прототипов уже настала. Такие компании,
как MikroElektronika, Adafruit и, конечно же,
Microchip, прилагают большие усилия, чтобы
предоставить разработчикам возможность
объединить концепции, причем за впечатля-
юще короткий срок. Кросс-совместимость
стандартов аппаратного прототипирования
означает, что меньше времени будет проведе-
но с паяльником и больше внимания уделено
усовершенствованию решения. В наши дни,
уже буквально на тарелочке, предлагаются
примеры решений — не бойтесь протянуть
руку и просто взять их.
Литература
1.	10DOF click board.
www.shop.mikroe.com/1 Odof-click
2.	Arduino UNO Click Shield, www.shop.mikroe.com/
arduino-uno-click-shield
3.	ATMEGA328P Xplained Mini.
www.microchipdirect.com/ProductSearch.aspx?
Keywords=ATMEGA328P-XMINI
4.	Adafruit 9-DOF Absolute Orientation Sensor IMU
Fusion Breakout — BNO055.
www.adafruit.com/product/2472
5.	BNO055 Arduino Library,
Test code and 3D Bunny code.
www.github.com/adafruit/ Adafruit_BNO055
6.	Processing:
www.processing.org
НОВОСТИ
Новости сайта www.efo.ru
Lattice
Lattice представляет новые аппаратные сред-
ства для защиты встроенного ПО серверов от ха-
керских атак.
Сетевые серверы, как правило, имеют несколь-
ко модулей с собственной энергонезависимой
флэш-памятью, из которой после включения пи-
тания происходит загрузка программ. Хакерские
утилиты нового поколения пытаются использовать
уязвимости такого встроенного программного
обеспечения. Это представляет серьезную угрозу
безопасности сервера, потому что вредоносный
код может скрываться от стандартных методов
обнаружения на уровне системы и сохраняться по-
сле установки обновлений или замены жесткого
диска. Для решения этой проблемы Национальный
институт стандартов и технологий США (NIST)
в 2018 году разработал спецификацию NIST
SP 800 193, в которой определяется механизм
защиты, известный как устойчивость прошивки
платформы (Platform Firmware Resilience, PFR).
Эта спецификация основана на трех принципах:
•	защита прошивки от атаки;
•	обнаружение поврежденной прошивки, храня-
щейся во флэш-памяти;
•	восстановление путем замены поврежденной
версии прошивки на рабочую.
PFR реализуется на внешнем аппаратном устрой-
стве, называемом root-of-trust (RoT). Реализация
RoT-устройства на основе ПЛИС предоставля-
ет масштабируемую и более надежную систему
по сравнению с RoT на основе микроконтроллеров.
Для создания RoT-устройств на ПЛИС фирма
Lattice предлагает новую среду разработки PFR
Development Toolkit, применение которой по-
зволяет OEM-производителям серверов быстро
добавлять механизм PFR к существующим разра-
боткам. При использовании данной технологии
системным интеграторам будет легче проектиро-
вать, внедрять и поддерживать RoT-устройства
на основе ПЛИС, обеспечивая соответствие тре-
бованиям PFR без необходимости глубокой экс-
пертизы безопасности системы. Подробнее о ре-
ализации PFR на ПЛИС Lattice можно прочесть
в статье "Securing Enterprise Server Firmware:
A New Approach” (http://info.latticesemi.
com/vD00oZ2EA1EaM0a2FcZ0000E00N00).
Neoway
NB-loT-модуль N21 успешно протестиро-
ван с коммерческими SIM-картами NB-loT МТС
в Москве и Санкт-Петербурге.
В процессе испытаний были как подтверждены
основные параметры модуля N21, так и провере-
ны различные режимы передачи данных и энерго-
сбережения.
Microchip
Компания Microchip выпустила микроконтрол-
леры ATMEGA808, ATMEGA809, которые явля-
ются дальнейшим развитием серии megaAVR 0.
Особенности микроконтроллеров ATMEGA808
и ATMEGA809:
•	максимальная частота работы вычислительного
ядра: 20 МГц;
•	память: 8 кбайт FLASH, 1 кбайт SRAM, 256 байт
EEPROM;
•	последовательные интерфейсы: до 4 UART,
1xSPI, 1xl2C;
•	модуль конфигурируемой логики: CCL;
•	независимая от ядра периферия (6 каналов);
•	корпус:
SSOP-28, QFP-32, QFN-32 (ATMEGA808)
и QFP-48, QFN-48 (ATMEGA809).
pSemi
Компания pSemi объявила о выпуске 6-битно-
го цифрового аттенюатора РЕ43508 для полосы
частот 9 кГц — 55 ГГц для рынка телекоммуника-
ций 5G и АТЕ. Он перекрывает диапазон 31,5 дБ
с шагом 0,5 дБ и имеет вносимые потери 2,2 дБ
при 13 ГГц и 5,9 дБ при 55 ГГц. Время переклю-
чения составляет 330 нс. Аттенюатор оснащен
встроенной защитой ESD НВМ 1 кВ и выпускает-
ся в корпусе Flip-Chip размером 3,055x2,255 мм
для диапазона температур —40...+ 105 °C.
Сан кт -Пет ер бург,
ул. Новолитовская, д. 15, лит. А,
бизнес-центр «Аквилон», офис 441;
(812) 327-86-54; e-mail: zav@efo.ru.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
проектирование
105
Топометрическая модель
плоского конструктива
в автоматизации конструкторского
проектирования РЭА
Сергей КУРАПОВ,
к. ф.-м.н.
lilili5050@rambler.ru
Максим ДАВИДОВСКИЙ
m.davidovsky@gmail.com
В публикации рассмотрен способ размещения элементов, основанный
на топологическом рисунке схемы электрической принципиальной. На ос-
новании данного размещения описан этап проведения соединений, ис-
ключенных в процессе планаризации топологического рисунка графа схе-
мы. На этом этапе, после установки элементов в плоском коммутационном
поле и определения их ориентации, строится топометрическая модель,
которая учитывает и геометрические параметры плоского конструктива,
и его топологические характеристики.
Введение
Задача размещения элементов и задача
трассировки соединений тесно связаны меж-
ду собой. И при обычных, «ручных», методах
конструирования обе они решаются одно-
временно, что позволяет качественно проек-
тировать изделие [2, 3,23].
Однако в современных системах автомати-
зированного проектирования данные задачи,
как правило, выполняются раздельно. Это
вызвано недостаточным развитием матема-
Рис. 1. Многовариантное построение плоской части схемы: а) 1-й вариант; б) 2-й вариант; в) 3-й вариант; г) 4-й вариант
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
106
п роекти рован ие
б
Рис. 2. Проведение соединений под элементами: а) 1-й вариант; б) 2-й вариант; в) 3-й вариант; г) 4-й вариант
тических моделей и структур и созданных
на их основе алгоритмов, применяемых в со-
временных автоматизированных системах
конструкторского проектирования радио-
электронной аппаратуры (РЭА).
При таком подходе вначале производится
расстановка элементов на коммутационном
поле плоского конструктива. Здесь учитыва-
ются конструктивно-технологические огра-
ничения и метрические параметры. Но при
этом совершенно не принимаются во внима-
ние топологические параметры, такие как то-
пологический рисунок плоской части схемы
электрической принципиальной (СЭП). А по-
тому в большинстве случаев критериями для
задачи размещения являются абстрактные ве-
личины, например критерий минимума взве-
шенной длины соединений и т. и.
Решение задачи
Рассмотрим схему решения задачи разме-
щения элементов в коммутационном про-
странстве плоского конструктива. Для этого
выделим плоскую часть графа (желательно
близкую к максимально плоскому сугра-
фу) и построим топологический рисунок.
Построим размещение элементов так, что-
бы удовлетворить условию относительного
размещения построенного топологического
рисунка плоской части графа СЭП [14, 16].
Таким образом свяжем процесс размещения
элементов и проведение соединений в еди-
ное целое.
Однако построение топологического ри-
сунка СЭП и размещение элементов плоско-
го конструктива зависят от способа построе-
ния самого гиперграфа СЭП [4]. И здесь нуж-
но четко выделить четыре способа описания
топологического рисунка графа (рис. 1):
• топологический рисунок строго опреде-
ленных электронных схем;
•	топологический рисунок электронной схе-
мы, характеризующийся неориентирован-
ным графом схемы;
•	топологический рисунок с частично задан-
ным вращением вершин;
•	топологический рисунок с заданным вло-
жением циклических фрагментов.
Первый способ определяет и описыва-
ет выделение плоской части схемы либо ее
части в случае заданного размещения эле-
ментов относительно друг друга и связанных
заданным деревом соединений. Такой способ
представляет собой граф, в котором элемен-
ты представлены либо вершинами, либо ци-
клическими фрагментами, а вращение вер-
шин, характеризующих цепи, определяется
взаимным расположением относительно за-
данного дерева соединений [13,18-20,24].
Второй способ определяет и описывает вы-
деленную плоскую часть графа для элемен-
тов произвольной ориентации. Выделяется
плоская часть графа, близкая к максималь-
но плоскому суграфу, и определяется вра-
щение вершин элементов и цепей [21, 22].
При таком представлении вся схема или ее
часть выглядит несепарабельным неориенти-
рованным графом, а элементы и цепи пред-
ставляются вершинами [8,11, 12,15, 25].
Третий способ определяет и описывает
граф всей схемы или ее части с циклически-
ми фрагментами, описывающими элементы.
Цепи представляются в виде вершины графа
Кенига. Вращение вершин, характеризую-
щих цепи, определяется топологическим ри-
сунком плоской части графа [9,10].
Четвертый способ определяет и описывает
плоскую часть графа с компонентами типа
BGA. Такое представление характеризуется
вложением циклических фрагментов.
Построенное таким образом размеще-
ние элементов создает возможность опти-
мального проведения соединений, удален-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
п роекти рован ие
107
Рис. 3. Проведение соединений в оставшихся слоях: а) 1-й вариант; б) 2-й вариант; в) 3-й вариант; г) 4-й вариант
ных в процессе планаризации. Параллельно
решается задача выделения минимального
дерева для гиперграфа цепи, и строятся то-
пометрические клетки. Например, циклы
{vpv28,v27,v26,v4,v3,v2} или {v4,v26,v21,v29} — это
топометрические клетки. Топометрические
клетки образуются топометрическими лини-
ями и сторонами элементов (рис. 2а).
Предположим, что выбрано некоторое
множество плоских топологических рисун-
ков графа схемы. Тем самым определены
основные соединения, участвующие в раз-
мещении элементов (рис. 1). После этапа вы-
деления плоской части графа и размещения
элементов следующим этапом является про-
ведение соединений, удаленных в процессе
планаризации.
Циклический фрагмент, построенный
с учетом количественной возможности про-
ведения соединений под элементом, будем на-
зывать топометрической моделью элемента.
В такой модели количество новых виртуаль-
ных контактов (точка пересечения проводни-
ка и стороны элемента) определяется с учетом
геометрических параметров соединений и до-
пустимого расстояния между ними. Будем
проводить соединения между контактами
элементов (пунктирные линии) после этапа
выделения плоской части графа (рис. 2).
Соединения выполняются алгоритмом
поиска в ширину. Оптимальное решение
определяется эволюционно-фрагментарным
алгоритмом для каждого варианта планари-
зации [5-7]. Так как проведение оставшихся
соединений всегда возможно в одном и толь-
ко одном слое, то в качестве целевой функ-
ции здесь должна выступать допустимая
длина соединений и плотность укладки.
Следующий этап проведения со-
единений — укладка в последующих слоях.
На рис. 3 приведены результаты соединений
для второго слоя. Здесь также соединения
проводятся алгоритмом поиска в ширину.
Оптимальное решение определяется эволю-
ционно-фрагментарным алгоритмом для
каждого варианта планаризации. Следует
заметить, что в качестве границ клеток для
укладки соединений, удаленных при планари-
зации, могут выступать как простые циклы,
выделенные при планаризации графа схемы,
так и топометрические клетки (рис. За) [9].
Далее следует этап построения общего то-
пологического рисунка. Топологическими ме-
тодами определим пересечение соединений.
Будем рассматривать каждое пересечение сое-
динений как введение в граф новой вершины,
характеризующей пересечение (рис. 4). Тогда
возможно построение общего топологическо-
го рисунка схемы с учетом всех конструктор-
ско-технологических ограничений без каких-
либо геометрических построений.
Общий топологический рисунок позволя-
ет предварительно оценить загрузку каналов
и по результатам скорректировать размеще-
ние элементов.
Этап предварительной гибкой трассиров-
ки предоставляет возможность визуализиро-
вать рисунок соединений с учетом их длины
и произвести необходимую корректировку
соединений с целью оптимизации (рис. 5-6).
Под критерием «оптимизация» здесь мож-
но понимать не только длину соединений,
но и функциональный вид соединения (ло-
маная и сглаженная линии, ортогональные
прямые и изгибы под углом, кратным 45°,
или другой вид линий).
Гибкая трассировка для оставшихся вари-
антов приведена на рис. 7, 8.
Окончательная ортогональная трассиров-
ка создается алгоритмом прицеливания [17]
(рис. 9).
Выводы
Раздельное решение задач размещения
и трассировки, как правило, приводит к неу-
довлетворительным результатам. Процесс
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
108
проектирование
Рис. 4. Общий топологический рисунок СЭП: а) 1-й вариант; б) 2-й вариант; в) 3-й вариант; г) 4-й вариант
Рис. 5. Гибкая трассировка для 1-го варианта: а) до оптимизации; б) после оптимизации
проектирования в таком случае сводится
к методу проб и ошибок, а его автоматизация
основана на использовании интерактивных
систем графического взаимодействия кон-
структора с ЭВМ.
Выходом из такой ситуации служит даль-
нейшее развитие методов топологического
анализа и синтеза схем, построение новых ма-
тематических моделей и структур. Данная ра-
бота описывает только качественный аспект
построения модели процесса проектирования,
где предлагается метод совместного решения
задач размещения и трассировки, основанный
на многовариантном топологическом рисунке
максимально плоского суграфа схемы элек-
трической принципиальной. Более подробное
описание алгоритмов и методов будет пред-
ставлено в следующих работах. Естественно,
решение задачи выделения плоской части гра-
фа носит приближенный характер, посколь-
ку в общем случае это NP-полная задача [1].
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
п роекти рован ие
109
Рис. 6. Гибкая трассировка для 2-го варианта: а) до оптимизации; б) после оптимизации
Рис. 7. Гибкая трассировка для 3-го варианта
Рис. 8. Гибкая трассировка для 4-го варианта
—	(з	4					1	♦♦♦**	[<	......							ч		    	  -1				—				(2	2)					
—	—ч (з 	к	а 2. 4			>•«	(г (з л		1	* •<	 	  к		4 4 (з	Г 8)			=1	г 6	Г к 9)	г			— (2 —Q	7)				(2 2 (2	3 4) б) 8)			—		
—						(<		г		—						.ft. ...	(4		о)—									И	9)				—		
—		к	а	[*•			Q		у														—						—ч		о)			—		
—	—Q				—	5						(3	5				(4				.....	□	1	—<	1	...?h					—		Г		—	—		
																																	
Рис. 9. Окончательная трассировка 4-го варианта
Но полученное решение методами дискрет-
ной оптимизации вполне допустимо для
практического применения [12]. Кроме того,
решение многовариантной задачи размеще-
ния элементов на основе плоской части графа
позволяет в дальнейшем строить множество
альтернативных решений конструкторских
проектов плоского конструктива РЭА.
Литература
1.	Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины
и труднорешаемые задачи: Пер. с англ. М.: Мир,
1982.
2.	Базилевич Р. П. Декомпозиционные и тополо-
гические методы автоматизированного мето-
да конструирования электронных устройств.
Львов, Вигца школа, 1981.
3.	Деньдобренько Б. Н., Малика А. С. Авто-
матизация конструирования РЭА. М.: Высшая
школа. 1980.
4.	Зыков А. А. Основы теории графов. М.: Наука,
1987.
5.	Козин И. В., Полюга С. И. Эволюционно-
фрагментарная модель задачи упаковки пен-
тамино // Дискретный анализ и исследование
операций (Россия). 2014, Т. 21. № 6.
6.	Козин И. В., Курапов С. В., Полюга С. И.
Эволюционно-фрагментарный алгоритм на-
хождения максимального планарного суграфа //
Прикладная дискретная математика. Томский
государственный университет. 2015. № 3 (29).
7.	Козин И. В., Перепелица В. А., Максишко Н.К.
Фрагментарные структуры в задачах дискрет-
ной оптимизации // Кибернетика и системный
анализ. 2017. № 6.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
110
проектирование
8.	Курапов С. В., Толок А. В. Методы построения топологического рисунка
графа И Автоматика и телемеханика. 2013. № 9.
9.	Курапов С., Чеченя В. Построение топологического рисунка графа с ци-
клическими фрагментами // Scientific Letters of Academic Society of Michal
Baludadansky. 2014. No. 1.
10.	Курапов С. В., Давидовский M.B. Топологический подход к проведению
соединений в плоских конструктивах // Компоненты и технологии. 2015.
№ 11.
11.	Курапов С. В., Давидовский М. В., Клиценко А. А. Изометрические циклы
графа// BicHHK3anopi3bKoro нащонального ушверситету. <Из.-мат. науки.
2016. № 1.
12.	Курапов С. В., Давидовский М. В. Выделение плоского суграфа схемы элек-
трической принципиальной. Метод наискорейшего спуска // Компоненты
и технологии. 2017. № 3.
13.	Курапов С. В., Давидовский М.В. Выделение плоской части графа при
заданном размещении элементов // Компоненты и технологии. 2016. № 8.
14.	Курапов С.В., Давидовский М.В. Рисунок графа СЭП. Топологический
и геометрический аспекты // Компоненты и технологии. 2018. № 11.
15.	Kurapov S. V., Tolok А. V. Construction of a Topological Drawing of the Most
Planar Subgraph of the Non-planar Graph // Automation and remote control.
2018. Vol. 79. No. 5.
16.	Курапов С. В., Чеченя В. С. Математическая модель упругой системы на ос-
нове рисунка графа. 36. науч, праць. Вии. 13. Днепропетровськ, Jlipa, 2012.
17.	Курапов С. В., Давидовский М. В. Трассировка соединений плоского кон-
структива. Алгоритм прицеливания // Компоненты и технологии. 2016.
№6.
18.	Раппопорт Л. И., Мороговский Б. Н., Поливцев С. А. Координатно-
базисная система представления топологии электронных схем.
В кн. Системы и средства автоматизации очистного и проходческого
оборудования. М.: Недра, 1980.
19.	Раппопорт Л. И., Мороговский Б.Н., Поливцев С. А. Векторная алгебра
и проектирование топологии соединений. В кн. Вопросы автоматизации
проектирования интегральных схем. Киев, ПК УССР, 1976.
20.	Раппопорт Л. И., Мороговский Б.Н., Поливцев С. А. Векторная алгебра
пересечений. В кн. Многопроцессорные вычислительные структуры.
Вып. 2. Таганрог, 1982.
21.	Рингель Г. Теорема о раскраске карт. М.: Мир, 1977.
22.	Свами М., Тхуласираман К. Графы, сети и алгоритмы. Пер. с англ. М.: Мир,
1984.
23.	Селютин В. А. Машинное конструирование электронных устройств.
М.: Советское радио, 1977.
24.	Щемелинин В.М. Задача оптимального представления графа электриче-
ской схемы. Микроэлектроника, 1975.
25.	Kavitha Т., Liebchen С., Mehlhorn К., Dimitrios М., Rizzi R., Ueckerdt Т.,
Zweig К. A. Cycle bases in graphs characterization, algorithms, complexity and
applications // Computer Science Review. 2009. No. 3.
НОВОСТИ кварцевые генераторы
H изкочу вствител ьн ые
термокомпенсированные
кварцевые генераторы (ТСХО)
от компании NDK
Кварцевые генераторы имеют слабое место: деградация фазовых шумов под
действием вибраций. По мере увеличения объема информации скорость моду-
ляции будет возрастать, и эта деградация может стать проблемой. Чаще всего
производители используют технологию двойного кристалла, где из-за при-
менения двух кристаллических блоков трудно уменьшить размер и стоимость.
Компания NDK решила эту проблему за счет добавления кристальных
заготовок, тем самым ослабив вибрации. Таким образом NDK реализовал
ТСХО с размером 2x1,6 мм.
Особенности:
•	низкая чувствительность: 0,1 ppb/g (частота вибрации 10~2000 Гц);
•	высокая стабильность: ±0,28 ppm/—40...+ 105 °C (3,2x2,5 мм);
•	частотный диапазон: 10~52 МГц;
•	низкие фазовые шумы: —125 дБн/Гц при 100 Гц (3,2x2,5 мм).
www.ptelectronics.ru
ПЛАТЫ ПЕЧАТНЫЕ
опытное и серийное производство,
проектирование, монтаж
КОНТРАКТНАЯ РАЗРАБОТКА
Москва,105275
ул. Уткина Дом 40
АО ТЕХНО
Тел = (495)735-44-29
http://www.techno.ru
e-mail: ywg@techno.ru
Interflux Electronics®
Паяльная паста LMPATM-Q6
LMPA™-Q6 - не требующая смывки, не содержащая галогены,
не содержащая свинец паста с низкой точкой плавления.
Сплавы LMPA™ имеют более прочные механические свойства
по сравнению с SnBi (Ад). Кроме того, они подходят для пайки
волной и селективной пайки.
Это делает их прекрасными общедоступными сплавами для
многих электронных применений, которые сегодня паяются
с использованием сплавов меди Sn(Ag).
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
Honeywell
THE POWER OF CONNECTED
ЦИФРОВЫЕ И АНАЛОГОВЫЕ
ДАТЧИКИ ПОТОКА Honeywell Zephyr™
(ВЫСОКАЯ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХО
И УСИЛЕННЫЙ ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ J*.
ДАТЧИК ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАСХОДА ГАЗА
к в МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРАХ
наркозные аппараты, ИВЛ, спирометры,
лапароскопия и т. д.
к В ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРАХ
спектрометры, хроматографы, детекторы
утечки газа, вакуумные насосы и т. д.
Диапазон измерения расхода газа:
от + 50 до + 750 SCCM
от 10 до 300 SLPM
» ДОСТУПНЫ ОБРАЗЦЫ*
Единый телефон: 8-800-333-63-50
info@ptelectronics.ru | www.ptelectronics.ru
*образцы доступны под проект
р
ELECTRONICS
Innovations & Technologies
Автоматизированные
системы ТЕКО-8300
для испытаний суперконденсаторов
и аккумуляторных батарей
Андрей ЧЕТИН,
к. т. н.
chetin@test-expert
В статье рассматриваются основные функциональные и параметриче-
ские возможности автоматизированных измерительных систем серии
ТЕКО-8300 производства АО «ТЕСТПРИБОР», предназначенных для испы-
таний суперконденсаторов (ионисторов, ультраконденсаторов, двухслой-
ных электрохимических конденсаторов), а также щелочных аккумуляторов
и литий-ионных аккумуляторных батарей.
Одной из проблем для отечественных
производителей суперконденсаторов
(ионисторов, ультраконденсаторов,
двухслойных электрохимических конден-
саторов) остается измерение их основных
электрических параметров. К ним относятся
электрическая емкость (С) и эквивалентное
последовательное сопротивление (ESR).
Электрическая емкость суперконденсаторов
(СК) достигает значений от единиц до тысяч
фарад, что практически исключает возмож-
ность применения стандартных средств для
прямых измерений данного параметра. Кроме
Рис. 1. Измерительная система серии ТЕКО-8300
того, большие значения электрической емко-
сти используются потребителями этих эле-
ментов для получения больших значений раз-
рядного тока (до сотен ампер), что является
характерным преимуществом СК. Учитывая
необходимость выполнения заряда и разря-
да СК стабильными токами со значениями
в сотни ампер, невозможность применения
для проверки параметров СК широко распро-
страненных стандартных средств измерения,
в том числе стабилизирующих источников
электропитания, дополнительно усугубляет
указанную проблему.
ESR СК также проблематично измерить
прямым способом с помощью стандартных
средств измерения из-за его малых и сверх-
малых значений и их широкого диапазона
(от сотых долей миллиома до сотен ом),
а также одновременного протекания в цепи
с его последовательным включением боль-
ших значений тока заряда (разряда) СК.
В связи с этим для определения основных
параметров СК (С и ESR) используются кос-
венные методы в соответствии с [1], заключа-
ющиеся в прямых измерениях значений ряда
вспомогательных параметров: напряжения
и тока, а также вычислении необходимых
по методу временных интервалов. Учитывая
необходимость реализации ряда квазиодно-
временных процессов (измерительных,
вычислительных, управления и контроля)
описанные методы поддерживаются исклю-
чительно с помощью специальной тестовой
аппаратуры — автоматизированных испы-
тательных систем (АИС). В качестве таковых
предлагается рассмотреть возможности ав-
томатизированных измерительных систем
серии ТЕКО-8300, созданных и выпускаемых
АО «ТЕСТПРИБОР».
Измерительные системы серии ТЕКО-8300
(рис. 1) являются специализированным обо-
рудованием для испытаний СК и модулей
в виде набора СК в процессе их разработ-
ки и производства, способны определять С
и ESR, а также ресурс СК.
Системы ТЕКО-8300 обеспечивают авто-
матическое управление процессами изме-
рения, вычисления и анализа полученных
данных, формирования заданных видов
и форматов отчетности (документирования),
а также отображение результатов испытаний.
Все системы ТЕКО-8300 внесены в Рос-
реестр СИ РФ. Основные технические харак-
теристики систем приведены в таблице.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
Определение
электрической емкости (С)
и эквивалентного
последовательного
сопротивления (ESR)
модулей суперконденсаторов
Метод определения автоматизированных
измерительных систем серии ТЕКО-8300
вышеупомянутых параметров модулей
суперконденсаторов соответствует требова-
ниям, установленным в IEC 62391-1.
В процессе измерения (рис. 2) модуль СК
заряжается и разряжается стабилизирован-
ным постоянным током со значением, задан-
ным пользователем, при этом регистрируют-
ся значения напряжения, тока заряда/разряда
и время.
Программное обеспечение измерительных
систем автоматически вычисляет значения
С и ESR модуля СК по формулам, приведен-
ным на рис. 2.
Определение ресурса
модулей суперконденсаторов
методом заряда/разряда
Метод определения ресурса модулей СК
с помощью измерительных систем серии
ТЕКО-8300 заключается в последовательном
проведении циклов их заряда до номинально-
го значения напряжения и последующего раз-
ряда до минимального значения напряжения.
Количество циклов задается пользователем.
В процессе испытаний автоматизированная
измерительная система серии ТЕКО-8300
может измерять С и ESR модуля СК.
Направления
и варианты применения
автоматизированных
измерительных систем
серии ТЕКО-8300
Основным направлением применения из-
мерительных систем серии ТЕКО-8300, по-
служившим причиной их создания, является
испытание суперконденсаторов и модулей
суперконденсаторов, основанное на опреде-
лении с высокой точностью значений их ос-
новных электрических характеристик — С
и ESR как в соответствии с методами, уста-
новленными в IEC 62391-1, так и с возмож-
ностью изменения условий испытаний.
Одноканальная автоматизированная из-
мерительная система ТЕКО-8300-5/100 обе-
спечивает определение параметров одно-
го СК (модуля СК) со значением емкости
до 10000 Ф. Номинальное значение выходной
мощности системы — 500 Вт при максималь-
ных значениях напряжения 5 В и тока 100 А.
Шестиканальная автоматизированная из-
мерительная система ТЕКО-8300-5/300 по-
зволяет одновременно определять значе-
ния параметров до шести СК (модулей СК)
со значением емкости до 10 000 Ф каждый.
Рис. 2. Зависимость напряжения от времени в процессе измерения С и ESR модуля СК по IEC 62391-1
Таблица. Основные технические характеристики автоматизированных измерительных систем серии ТЕКО-8300
Наименование характеристики	Система 8300-5/100	Система 8300-5/300	Система 8300-80/500
Количество выходных каналов	1	6	1
Номинальная мощность, кВт	0,5	9	40
Диапазон выходного напряжения, В	0-5	0-5	0-80
Максимальное отклонение выходного напряжения, В	±(0,002xUmax+0,01)	±(0,002xUmax+0,01)	±(0,005xUmax)
Погрешность измерения напряжения (приведенная)	—	—	0,1%
Погрешность измерения напряжения (относительная)	0,1 %+0,01	0,1 %+0,01	—
Диапазон выходного тока, А	0-100	о-зоо	0-500
Максимальное отклонение выходного тока, А	±(0,002xlmax+0,15)	±(0,002xlmax+0,6)	±(0,008xlmax)
Погрешность измерения тока (приведенная)	—	—	0,15%
Погрешность измерения тока (относительная)	0,1%+0,15	0,1%+0,6	—
Диапазон измерения С, Ф	0-10000	0-10000	0-990000
Погрешность измерения С (приведенная)	0,1%	0,1%	0,1%
Диапазон измерения ESR, мОм	о-зо	о-зо	10 мкОм — 160 Ом
Погрешность измерения ESR (приведенная)	0,1%	0,1%	0,1%
Напряжение питания, В	220 ±10%	220 ±10%	380 ±15% (L1, L2, L3, N, РЕ)
Интерфейс	LAN	LAN	LAN
Номинальное значение выходной мощно-
сти каждого канала системы — 1,5 кВт при
максимальных значениях канального на-
пряжения 5 В и тока 300 А. Большой диа-
пазон значений канального тока дает воз-
можность измерительной системе ТЕКО-
8300-5/300 проводить определение значений
параметров СК (модулей СК) за достаточно
короткие временные интервалы.
Одноканальная автоматизированная изме-
рительная система ТЕКО-8300-80/500 пред-
назначена для проверки СК (модулей СК)
со значениями емкости до сотен тысяч фа-
рад. Номинальное значение выходной мощ-
ности системы — 40 кВт при максимальных
значениях напряжения 80 В и тока 500 А.
Программное обеспечение (ПО) всех ва-
риантов измерительных систем обеспечивает
отображение на мониторе управляющего ПК
в режиме реального времени текущих значе-
ний напряжения и тока в числовом и графи-
ческом видах, а также позволяет экспорти-
ровать результаты измерений в виде таблиц
Excel и рисунков.
Другое направление применения измери-
тельных систем ТЕКО-8300 — поддержка
проведения испытаний щелочных аккуму-
ляторов и литий-ионных аккумуляторных
батарей в процессе их разработки и при се-
рийном производстве.
В связи с наличием у данных систем воз-
можности обеспечения достаточно высоких
значений токов заряда и разряда накопите-
лей электроэнергии, они являются наиболее
оптимальными для предприятий, разраба-
тывающих и серийно выпускающих акку-
муляторные батареи для электротранспорта
(электромобилей, электробусов и т.п.).
Возможна доработка ПО под требования
заказчика, что позволяет дополнительно
к вышеприведенным функциям и характе-
ристикам расширить возможности приме-
нения автоматизированных измерительных
систем ТЕКО-8300, например для имитации
функционирования аккумуляторной бата-
рей (АБ) в составе объекта ее применения
(традиционный автомобиль, гибридный ав-
томобиль, электромобиль и т.п.). При этом
может быть реализован следующий функци-
онал при работе АБ:
•	разряд АБ по кривой, имитирующей пуск
стартера;
•	имитация потребления электроэнергии
элементами автомобиля;
•	процесс подзаряда АБ от генератора авто-
мобиля;
•	торможение автомобиля с рекуперацией
электроэнергии в АБ.
Литература
1. IEC 62391-1 Ed. 2.0 b:2015 Fixed electric double-
layer capacitors for use in electric and electronic
equipment— Part 1: Generic specification.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
114
технологии
измерительная аппаратура
Измерение TOI
на анализаторах спектра и цепей
Rohde & Schwarz
Алексей ТОРГОВАНОВ
Цель статьи — познакомить специалистов с особенностями измерения
интермодуляционных искажений, а также помочь в выборе оборудования
и оценке погрешностей.
Введение
Использование широкополосных сигна-
лов позволяет улучшить основные техниче-
ские характеристики современных радиотех-
нических систем, например:
•	увеличить скорость передачи данных и по-
мехоустойчивость в системах связи;
•	повысить отношения сигнал/шум и про-
странственное разрешение в системах
радиолокации;
Рис. 1. Влияние нелинейностей на работу радиотехнических систем:
а) гармонические искажения; б) эффект размытия спектра, утечка мощности в соседний канал (ACLR);
в) влияние интермодуляционных искажений на OFDM-сигнал; г) увеличение вектора ошибки сигнала с QPSK-модуляцией
Рис. 2. Изображение модели нелинейного элемента
•	увеличить точность позиционирования
в навигационных системах.
Использование активных устройств
с нелинейными элементами, таких как уси-
лители, смесители и т. д. в приемных и пере-
дающих трактах, искажает спектр исходного
сигнала на выходе ИУ, добавляя новые ком-
поненты. Это приводит к нежелательным
эффектам, отрицательно влияющим на ра-
боту РЭС (рис. 1):
•	нелинейным искажениям;
•	ухудшению отношения сигнал/шум за счет
просачивания мощности в соседние кана-
лы связи в системах с частотным разделе-
нием каналов и системах с ортогональной
частотной модуляцией OFDM [1]; эффекту
размытия спектра;
•	ухудшению вектора ошибки EVM в систе-
мах, использующих сигналы с векторными
модуляциями.
Для оценки влияния нелинейных искаже-
ний используется коэффициент нелинейных
искажений /\и (в случае, когда гармониче-
ские искажения ИУ сопоставимы с гармони-
ческими искажениями измерительного ге-
нератора) или коэффициент гармонических
искажений Кг (когда нелинейные искажения
генератора много меньше нелинейных ис-
кажений ИУ). Методы и средства измерения
/<г хорошо известны и интуитивно понятны
[2-4], поэтому не рассматриваются в данной
статье.
Интермодуляционные искажения явля-
ются продуктами взаимодействия нелиней-
ных искажений между собой. Для их оценки
используется измерение точек пересечения
(перехвата) п-то порядка 1Ри, где п = 1,2, 3...
Интермодуляционные искажения
в РЭУ
Проще всего рассмотреть механизм по-
явления интермодуляционных искажений
на примере усилителя, так как этот слу-
чай наиболее часто встречается на практи-
ке. Математическая модель усилительного
элемента (рис. 2), например транзистора,
лампы, — это источник тока, управляемый
током для биполярного транзистора, или
источник тока, управляемый напряжени-
ем для полевых транзисторов и ламп. ВАХ
реальных приборов всегда нелинейные.
Экспериментально измеренные ВАХ могут
быть разложены в ряд Тейлора [5-7] и ап-
проксимированы полиномом.
/н(цг) = д0+а]Хиг+а2х1^+...+аяхнгп,
п е N.	(1)
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
измерительная аппаратура
технологии
115
Порядок полинома определяет количество
новых спектральных компонентов, появля-
ющихся в сигнале. В зависимости от слож-
ности задачи используют полиномы с поряд-
ком п - 3, 5, 7. Полиномы высших порядков
не представляют интереса, поскольку мощ-
ности высших гармоник оказываются пре-
небрежимо малы и чаще всего не могут быть
измерены (рис. 3).
В реальных радиотехнических системах
и устройствах все составляющие вне рабочей
полосы подавляются фильтрами и не вносят
искажений в полезный сигнал. Однако в по-
лосу попадет часть гармонических сигналов
с частотами, являющимися линейной комби-
нацией спектральных составляющих сигна-
ла, вызванных нелинейными искажениями.
Эти спектральные компоненты называются
интермодуляционными искажениями [8],
потому что при подаче на вход нелинейности
порядка N сигнала с частотами /р f2, ..., /ш,
кроме гармоник с частотами nfv nf2, ..., nfm
(и = 1...N), появляются спектральные ком-
поненты с комбинационными частотами:
О 0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2
t, НС
Рис. 3. Влияние нелинейности 3-го порядка на гармонический сигнал
±«1/1±«2^±-±«X
при nx+n2+.. .+ит < N.
(2)
Сложные сигналы, разложенные в спектр
Фурье, — это сумма гармонических сигна-
лов. Результаты для простейшего случая
двухтонального сигнала могут быть ис-
пользованы для анализа искажений сигна-
лов большим количеством гармонических
составляющих. Поэтому тестирование
устройств проводится на двухтональном сиг-
нале, с равными амплитудами и близкими
частотами внутри полосы пропускания. При
порядке нелинейности п - 1-5 и < f2 возни-
кают следующие составляющие:
П = 2 => )2> /1+/2’
и = 3 => 3fp 3f2, 2/i+/2, 2^-^, 2^+^, 2^-/р
и = 4	4/р 4f2,	3^-^,..
п = 5 => 5/р 5/2, ..., 3/г2/2, 3/2-2/р ... (3)
В полосу пропускания попадают составля-
ющие с нечетными индексами:
3/|-2_/2, 3^-2/р	(4)
Таблица. Продукты смешивания
при двухчастотном входном сигнале
Постоянная составляющая	g2xUp
Основные (первые) гармоники	g1xllrxsin(w1t) g1xllrxsin(w2t)
Вторые гармоники	1 /2xg2xllrxsin(2xw1t) 1 /2xg2xl^xsin(2xw2t)
Интермодуляционные продукты 2-го порядка	g2xllrxsin[(w2—w^t] g2xUrXsin[(w2+w1)t]
Третьи гармоники	1 /4xg3xll^xsin(3xw1t) 1 /4xg3xUpXsin(3xw3t)
Интермодуляционные продукты 3-го порядка	3/4xg3xll^xsin[(2w1+w2)t] 3/4xg3xll^xsin[(2w2+w1)t] 3/4xg3xll^xsin[(2w1-w2)t] 3/4xg3xll^xsin[(2w2-w1)t]
Для нормальной работы стараются ис-
пользовать устройства с максимально ли-
нейными характеристиками. Мощность,
содержащаяся в высших гармониках, мала,
они часто оказываются ниже уровня шума,
поэтому вносимой ими погрешностью
можно пренебречь. Таким образом, самым
важным с практической точки зрения яв-
ляется случай двухтонального сигнала, по-
данного на нелинейность 3-го порядка п - 3,
формула (5):
ц,(0 = Urx[sin(2x7ix/1xt)-i-sin(2x7ix^xt)];
ци(ц.) = («o+«1xur+a2x^+«3xu^)x^H. (5)
При расчете спектра сигнала по форму-
лам (5) получаем спектральные составля-
ющие на выходе, приведенные в таблице
и на рис. 4.
Нелинейные искажения обычно оценива-
ются по второй ап2 гармонике по сравнению
с уровнем основной гармоники. Эти характе-
ристики справедливы лишь для конкретного
уровня входного сигнала LBX, который дол-
жен быть указан.
где д — коэффициент передачи по мощности.
Рис. 4. Выходной спектр нелинейной цепи при двухчастотном воздействии
Это неудобно, поскольку требуется знать,
соответствуют ли характеристики одному
и тому же уровню входного сигнала.
Для удобства сравнения различных
устройств между собой вводят виртуальный
параметр, известный как точка пересечения
п-го порядка. Точка пересечения по входу
п-то порядка 1Рвхп соответствует фиктивно-
му уровню входного сигнала, при котором
п-я гармоника на выходе цепи достигла бы
уровня основной гармоники. На практике это
значение никогда не достигается, потому что
реальные приборы начинают переходить в ре-
жим компрессии. Точка пересечения по входу
п-то порядка рассчитывается по формуле (6):
^вхи аИМгЛП
(6)
Точка пересечения также может быть
специфицирована по выходу устройства,
формула (7):
IP = IP
вых п	ъхп' У >
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
Рис. 5. Точки пересечения с продуктами интермодуляции 2-го и 3-го порядков
Наибольшее практическое значение име- (рис. 5). Они обозначаются как 1Р2 или SOI
ют точки пересечения 2-го и 3-го порядков (пересечение 2-го порядка) и 1Р3 или TOI (пере-
Рис. 6. Иллюстрация взаимодействия нелинейных элементов при измерении интермодуляционных искажений
Рис. 7. Взаимодействие интермодуляционных продуктов в радиочастотном тракте: а) в фазе; б) в противофазе
сечение 3-го порядка). Кроме того, точка пере-
сечения 2-го порядка SOI связана с еще одной
часто встречающейся на практике величи-
ной — точкой пересечения со второй гармо-
никой — следующим соотношением, формула
(8). Это следствие из спектра сигнала на выходе
нелинейного элемента (таблица, рис. 4).
5Н1=1Р2+6дБ,	(8)
T0I^aMJ2+LBX.	(9)
В зависимости от применения могут быть
использованы продукты четного или нечет-
ного порядков. Для широкополосных систем
с рабочим диапазоном больше чем одна ок-
тава, например телевизионных сетей, гармо-
ники и интермодуляционные компоненты
четных порядков попадают в рабочую по-
лосу. Поэтому для таких систем требования
по точке пересечения со второй гармоникой
являются очень жесткими. Во всех остальных
случаях используются точки пересечения
3-го порядка.
В характеристиках анализаторов спектра
всегда указывается точка по входу в дБм (при
выбранном входном ослаблении, обычно
О дБ). Радиоизмерительные приборы уни-
версальны, поэтому для них указываются два
параметра: 1Р2 или SOI и TOI или 1Р3.
Принципы измерения
интермодуляционных искажений
Для того чтобы корректно измерить ин-
термодуляционные искажения реального
прибора, инженер должен решить следую-
щие задачи:
•	определить уровень сигнала, при котором
измеряются интермодуляционные иска-
жения;
•	подобрать параметры измерительного
оборудования и настройки приборов, при
которых обеспечиваются измерения ин-
термодуляционных искажений ИУ с задан-
ной точностью.
Понятно, что реальные усилители, сме-
сители, ограничители, электронные атте-
нюаторы и фазовращатели не могут быть
абсолютно линейными. Однако можно вы-
делить область в амплитудной характери-
стике устройства, при которой оно считается
условно линейным. Верхняя граница этой
области чаще всего задается параметром, на-
зываемым «точка компрессии», — 1 дБ [9],
рис. 5. Для устройств, к которым предъявля-
ются повышенные требования линейности,
могут быть специфицированы точки ком-
прессии N < 1 дБ.
Точка компрессии N дБ — это точка в ди-
намическом диапазоне устройства, при кото-
рой его коэффициент усиления уменьшается
на N дБ.
На практике происходит взаимодействие
нелинейных элементов [10] генератора, ИУ
и анализатора спектра (рис. 6).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
измерительная аппаратура
технологии
117
Рис. 8. Эквивалентная схема включения нелинейного элемента
Рис. 9. Спектр на выходе каскадного включения нелинейных устройств, с учетом и без учета частотной зависимости, обусловленной пассивными элементами:
а) спектр сигнала без учета частотной зависимости; б) спектр сигнала с учетом частотной зависимости
Таким образом, на измерительном при-
боре всегда отображается результирующий
спектр системы, состоящий из испытатель-
ной установки и испытуемого устройства.
Принципиальным моментом является
то, что искажения измеряемого устрой-
ства не могут быть отделены от искажений
остальных блоков (рис. 6). Соответственно,
возникает вопрос о подборе оборудования
для измерительной системы и выбора ре-
жима его работы таким образом, чтобы из-
Рис. 10. T0I малошумящего усилителя MiniCircuits ZRL2400
мерять интермодуляционные искажения
исследуемого СВЧ-блока с приемлемой точ-
ностью.
Рассмотрим эффект подавления интер-
модуляционных составляющих, использу-
емый в технике предыскажений для усили-
телей мощности [11]. Он заключается в том,
что в зависимости от разницы фаз интермо-
дуляционные продукты в различных бло-
ках радиотракта могут либо суммироваться,
либо подавляться (рис. 7).
Выясним причины этого эффекта.
Нелинейный элемент можно представить эк-
вивалентной схемой замещения [12], состо-
ящей из частотно-независимого источника
тока, управляемого током или напряжением,
и частотно-зависимых пассивных цепей, ко-
торые определяют его внутреннюю структу-
ру, и внешних окружающих цепей, выполня-
ющих функции согласования, фильтрации
и подачи питания (рис. 8).
Во время совместной работы элементов
спектр и частотная характеристика системы
будут определяться взаимодействием всех
линейных и нелинейных элементов (рис. 9).
Кроме того, использование разных измери-
тельных кабелей, износ СВЧ-разъемов, ка-
чество электропитания, температура окру-
жающей среды, технологический разброс
параметров измерительной аппаратуры и ис-
следуемых изделий делают невозможным
аналитический подбор измерительной аппа-
ратуры и режимов ее работы.
Поэтому на практике мы можем встре-
титься с гораздо более сложной зависимо-
стью, которая в диапазоне мощности зна-
чительно меньше точки компрессии 1 дБ
амплитудной характеристики не является
линейной. Это может быть проиллюстриро-
вано на примере измерения линейного мало-
шумящего усилителя MiniCircuits ZRL2400
(рис. 10). Измерения проведены с помощью
векторного анализатора цепей R&S ZNB20.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
118
ТеХНОЛОГИИ измерительная аппаратура
-----анализатор спектра
-----испытуемое устройство
| Разница d, дБ | Погрешность, дБ |
|	-3.001	-10.69
|	-6.001	-6.04
|	-10.001	-3.30
|	-15.001	-1.70
|	-20.001	-0.92
|	-25.001	-0.50
|	-30.001	-0.28
|	-35.001	-0.16
|	-40.001	-0.09
|	-45.001	-0.05
Рис. 11. Анализ погрешности, вносимой анализатором спектра в результат измерения TOI устройства
Рис. 12. Типичный радиотракт анализатора спектра.
Красным выделены блоки, создающие интермодуляционные искажения
фикации изделий TOI должно измеряться
при строго определенных уровнях мощно-
сти и частоты.
Для корректного измерения TOI требу-
ется минимизировать погрешность, вноси-
мую измерительной установкой, состоящей
из двух источников сигнала и анализатора.
Оценку погрешности следует выполнять сле-
дующим образом:
1.	Определить собственный уровень интер-
модуляционных составляющих измери-
тельной системы, подав на нее двухтональ-
ный испытательный сигнал.
2.	С учетом КУ ИУ изменить уровни двух-
тонального испытательного сигнала таким
образом, чтобы после прохождения ИУ их
амплитуда осталась прежней.
3.	Подключить ИУ и измерить спектр на его
выходе анализатором, при этом суммар-
ные спектральные составляющие измери-
тельной установки и ИУ должны оказаться
выше, чем собственные интермодуляцион-
ные составляющие измерительной уста-
новки (рис. 11).
4.	Рассчитать погрешность измерения TOI,
возникающую из-за взаимодействия ИУ
с тестовой установкой [11] по формуле:
ел = 20xlog(l-10rf/1°) [дБ],	(10)
По измеренным данным по формулам (6)
и (7) была рассчитана TOI на выходе уси-
лителя. Для определения TOI графическим
методом в соответствии с теоретически-
ми представлениями зависимости первой
и третьей гармоники были аппроксимиро-
ваны полиномами 3-го порядка [13] при
уровне -15 дБм. Затем к ним были постро-
ены касательные. Разница между TOI, рас-
считанным по формуле и полученным гра-
фическим способом, составила почти 17 дБ,
а на рис. 10 видна нелинейная зависимость
TOI. Однако подобное отличие от теории
достаточно часто встречается на практике,
поэтому в зависимости от характеристик
устройства требуется закладывать в ТУ (ТЗ)
уровень, при котором измеряется ТОТ
Понятие виртуальной точки TOI также
удобно для расчетов динамического диа-
пазона многокаскадных приемников [14],
но физический смысл заложен в отношении
уровня полезного сигнала к уровню продук-
тов интермодуляции, которые могут быть
использованы для оценки утечки мощности
в соседний канал (рис. 16). Следствием всего
вышесказанного является то, что для специ-
где d— разница уровней интермодуляци-
онных продуктов измерительной системы
с ИУ и без него.
Таким образом, в случае если разница
уровней интермодуляций системы без ИУ
(на 20 дБ и более) ниже уровня интермодуля-
ционных искажений измерительной систе-
мы с ИУ, то погрешность измерения стано-
вится сопоставимой с собственной погреш-
ностью анализатора спектра.
Следует избегать применения предусили-
теля, который может привести к перегрузке
первого смесителя, а также электронного ат-
Рис. 13. Идентификация интермодуляционных продуктов: а) интермодуляционные продукты создаются испытуемым устройством (корректные измерения);
б) интермодуляционные продукты создаются анализатором спектра (некорректные измерения)
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
измерительная аппаратура
технологии
119
тенюатора, содержащего полупроводнико-
вые компоненты, которые могут увеличить
собственные интермодуляционные искаже-
ния анализатора спектра (рис. 12).
Изменяя уровень сигнала на первом сме-
сителе, который определяет его линейность,
ступенчатым аттенюатором можно иденти-
фицировать собственные интермодуляци-
онные искажения анализатора спектра [15].
Если при увеличении уровня ВЧ-ослабления
не происходит изменения интермодуляцион-
ных составляющих, это является критерием
того, что измеряются интермодуляционные
искажения испытуемого устройства, то есть
погрешность, вносимая испытательной уста-
новкой, мала. В противном случае мы име-
ем дело с собственными интермодуляциями
анализатора (рис. 13).
Перед инженерами часто встает вопрос
следующего характера: можно ли с помощью
анализатора с TOIАС = +17 дБм (типичное
значение для анализатора спектра средне-
го класса, например R&S FSVA) измерить
ТО1ИУ = +57 дБм (например, электронный
аттенюатор MiniCircuits DAT-31575А)? Да, та-
кое измерение можно провести, используя
методику, описанную ранее, поскольку она
позволяет обеспечить режим работы смеси-
теля анализатора более линейный, чем у ИУ.
Измерение TOI ограничивается динами-
ческим диапазоном анализатора [11, 15]. Он
зависит от следующих факторов:
•	собственный уровень тепловых шумов для
сигналов с малым уровнем;
•	точки компрессии первого смесителя для
сигналов с высоким уровнем;
•	фазовый шум для малых сигналов вблизи
несущих с большим уровнем;
•	собственные интермодуляционные про-
дукты анализатора.
На рис. 14 видно, что в зависимости от по-
лосы разрешения существует оптимальный
входной уровень первого смесителя, при ко-
тором динамический диапазон анализатора
будет максимальным. При измерениях TOI
необходимо стремиться к этому значению.
В качестве этого уровня можно принять уро-
вень, при котором была специфицирована
точка TOI, данное значение можно найти
в технической документации на прибор,
Рис. 14. Зависимость динамического диапазона приемника в зависимости от уровня сигнала
на входе первого смесителя
обычно это -20...-10 дБм, типичное значе-
ние -15 дБм.
Измерения TOI
на анализаторах спектра
Rohde & Schwarz
Базовая схема измерения состоит из двух
генераторов, сумматора и анализатора спек-
тра. Такая измерительная установка пере-
крывает большинство измерительных за-
дач (рис. 15). Все блоки, показанные серым
на схеме, являются необязательными, но мо-
гут быть опционально добавлены при необ-
ходимости, например для работы с мощны-
ми устройствами или устройствами с высо-
кими значениями TOI.
В случае если мощности генератора недо-
статочно, генераторы можно дополнить уси-
лителями мощности. Также, при большой
мощности, для задания рабочей точки анали-
затора используются внешние аттенюаторы
или ответвители.
Необходимо исключить взаимное влияние
генераторов через суммирующий элемент.
Современные генераторы оснащены функ-
цией АРУ, которая управляет выходной мощ-
ностью и представляет собой петлю обратной
связи, забирающую часть мощности с выхода
генератора. Поскольку АРУ не обладает частот-
ной селективностью, суммирование не корре-
лированных между собой сигналов двух гене-
раторов в АРУ вызовет биения выходной мощ-
ности. Существует два способа уменьшить
влияние генераторов друг на друга:
•	Увеличение развязки; например, приме-
нение НО с коэффициентом ответвления
20 дБ и более обеспечивает лучшую раз-
вязку, чем делитель с вносимыми потеря-
ми 6 дБ. Также возможно использование
вентилей.
•	Отключение схемы АРУ. Большинство ге-
нераторов R&S позволяют при необходи-
мости отключать АРУ, при этом уровень
на выходе генератора не будет в точности
соответствовать уровню, отображаемому
на его экране, но это неважно, поскольку
мощность испытательного сигнала изме-
ряется анализатором спектра.
Собственные гармоники генератора тоже
влияют на результат измерения интермодуля-
ционных искажений, так как вторая гармони-
ка генератора будет смешиваться с интермо-
дуляционными продуктами ИУ (поэтому при
возможности выбора предпочтительны гене-
раторы с наименьшим уровнем искажений).
R&S SMA100B
R&S FSW
Рис. 15. Схема измерения TOI с помощью анализатора спектра
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
120
ТеХНОЛОГИИ измерительная аппаратура
В зависимости от собственного уровня
гармоник, используемых генераторов или
усилителя мощности может потребоваться
внешний ФНЧ, чтобы исключить их влияние
на результат измерения TOI. При измерени-
ях, в которых требуется высокий динамиче-
ский диапазон (более 90 дБ), обычно реко-
мендуется применение внешнего ФНЧ.
Применение генератора R&S SMA100B яв-
ляется технически подходящим для измерения
TOI ввиду его технических характеристик:
•	Высокая мощность (опция ультравысокой
мощности R&S SMAB-B34):
-	до 6 ГГц +38 дБм;
-	до 18 ГГц +30 дБм;
-	до 20 ГГц +20 дБм.
• Низкий уровень гармонических искаже-
ний: -60 дБ.
Таким образом, возможно применение ге-
нератора R&S SMA100B с отключенной АРУ
без внешних УМ, вентилей и ФНЧ для изме-
рения TOI большинства радиотехнических
компонентов.
При измерении смесителей большую роль
играет согласование по входу и выходу, так
как отраженные волны, складываясь с полез-
ным сигналом на нелинейности, и порож-
дают дополнительные спектральные состав-
Рис. 16. Запуск автоматической функции измерения TOI и отображение результата
ляющие, что может привести к изменению
измеряемого уровня TOI. В этом случае сле-
дует поставить аттенюаторы номиналом 3 дБ
на вход и выход смесителя, а также учесть их
потери при установке мощности на генера-
торе и расчете TOI по формуле (7).
Начиная с младших моделей в базовом
функционале анализаторов спектра R&S
присутствует большое количество встроен-
ных измерительных функций, в том числе
и TOI (рис. 16).
Функция измерения активируется одним
нажатием программной кнопки, автомати-
чески находит сигнал, расставляет маркеры
и вычисляет значение TOI по формуле (10).
Уровни верхней и нижней интермодуляци-
онных составляющих могут различаться, по-
этому практический интерес представляет
наихудший случай, то есть при расчете TOI
используется интермодуляционная составля-
ющая с наибольшим уровнем.
Измерение TOI
на анализаторах цепей
Rohde & Schwarz
Интермодуляционные искажения можно
измерять на векторном анализаторе цепей.
Рис. 17. Возможные схемы измерений интермодуляционных искажений на векторном анализаторе цепей R&S ZNB
Рис. 18. Схема измерения интермодуляционных искажений на базе R&S ZVA и меню активации АРУ
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
измерительная аппаратура ТвХНОЛОГИИ
121
ВЧ-выходы
встроенного НО
ВЧ-выход
ВЧ-вход
Цифровые
интерфейсы
Питание
220 В
Вкл./выкл
Ethernet
Рис. 19. Общий вид усилителей R&S ВВХххх
Данная функция доступна для анализаторов
среднего класса R&S ZNB и анализаторов
высшего класса R&S 7NK. Могут использо-
ваться двух- и четырехпортовые анализато-
ры. Принципиальным моментом является
наличие второго источника для формирова-
ния двухтонального испытательного сигна-
ла. В случае работы с двухпортовым анали-
затором цепей в качестве второго источника
используется внешний генератор, управляе-
мый из прошивки прибора. Возможные схе-
мы измерений приведены на рис. 17.
В зависимости от параметров ИУ в схему
могут быть включены дополнительные бло-
ки, аналогично тому, как описывалось в пре-
дыдущем разделе (рис. 15). Так же, как и для
анализатора спектра, для задания режима ра-
боты первого смесителя анализатора цепей
в режиме оптимального динамического диа-
пазона, свободного от собственных интер-
модуляционных искажений, на входе прием-
ника могут использоваться как внешние, так
и внутренние аттенюаторы и направленные
ответвители.
Векторный анализатор цепей R&S ZVA с оп-
цией прямого доступа к портам R&S ZVA-B16
может быть применен, если требуется сфор-
мировать двухтональный испытательный
сигнал большой мощности с использовани-
ем внешней тестовой установки, состоящей
из усилителей мощности (УМ) и направлен-
ных ответвителей (рис. 18). При этом выход-
ная мощность на выходе усилителей калибру-
ется в плоскости входного разъема ИУ с по-
мощью датчика мощности серии R&S NRPxx.
Часть сигнала от УМ через НО поступает
на опорный приемник анализатора цепей
и предназначается для работы цифровой
АРУ (автоматическая регулировка усиления),
которая поддерживает постоянный уровень
сигнала в плоскости калибровки, компенси-
руя паразитные эффекты усилителя.
Схема, приведенная на рис. 18, может быть
использована для измерения TOI устройств,
требующих высокого уровня входной
мощности, а также для измерения пассив-
ных интермодуляционных искажений PIM
(Passive Intermodulation Distortion) [16], ис-
точником которых становится, например,
коррозия разъема фидерного тракта. PIM
проявляется на больших мощностях, начи-
ная от десятков и сотен ватт. В этом случае
в качестве усилителя мощности можно ис-
пользовать усилители серий R&S ВВА130,
R&S ВВА150, R&S BBL200 (рис. 19), которые
в зависимости от модели перекрывают ча-
стотные диапазоны до 6 ГГц и диапазо-
ны мощностей до 10 кВт. Усилители серий
Рис. 20. Мастер настройки измерений интермодуляционных искажений
Рис. 21. Результаты измерения интермодуляционных искажений на ВАЦ R&S
R&S ВВА и R&S BBL могут опционально
комплектоваться встроенным НО для кон-
троля мощности.
Мастер настроек измерения интермоду-
ляционных искажений (рис. 20) позволяет
упростить процесс настройки и калибровки
векторного анализатора.
Результаты измерений (рис. 21) могут
быть представлены в виде кривой, показы-
вающей зависимость мощности тонов испы-
тательного сигнала, продуктов интермодуля-
ционных искажений и точки TOI от частоты
или от мощности либо в виде спектра.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
122
ТеХНОЛОГИИ измерительная аппаратура
Выводы
На основании данной статьи можно сфор-
мулировать следующие рекомендации по из-
мерению TOI:
•	Выбор уровня двухтонального сигнала на вхо-
де ИУ должен соответствовать его рабочим
уровням и частотам, так как TOI является
нелинейной функцией мощности и частоты.
•	В соответствии с формулой (6) значение
TOI растет прямо пропорционально уве-
личению уровня испытательного сигнала
и достигает максимального значения при
максимальном рабочем уровне ИУ. Однако
TOI должна измеряться в линейной обла-
сти, поэтому типичным значением для из-
мерения является уровень L = Р1дБ-10 дБ.
•	В случае если интермодуляционные про-
дукты оказались ниже уровня собственных
шумов анализатора, следует увеличить
мощность тестового сигнала.
•	Полоса ПЧ анализатора должна быть ми-
нимум в 5 раз уже, чем разница частот
между тонами 5BW < f2-fv для устранения
взаимного влияния спектральных компо-
нентов на результат.
•	Следует отказаться от использования элек-
тронного аттенюатора и предусилителя
анализатора спектра.
•	Уровень на входе первого смесителя ана-
лизатора выбирается таким, при котором
обеспечивается оптимальный динамиче-
ский диапазон.
•	В случае если уровень одной из интермоду-
ляционных составляющих больше другой,
для расчета TOI выбирают большую, так
как на практике нас интересует худший
случай.
•	Источник интермодуляционных искаже-
ний может быть идентифицирован с по-
мощью встроенного ВЧ-аттенюатора.
•	Принципиально существует возможность
измерять ТО1ИУ > ТО1АС.
Литература
1.	Бакулин М. Г., Крейнделин В. Б., Шлома А. М.,
Шумов А.П. Технология OFDM. Учеб, пособие
для вузов. М.: Горячая линия - Телеком, 2015.
2.	Коэффициент нелинейных искажений.
www.ru.wikipedia.org/wiki/
3.	Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемо-
техника. Изд 12-е. Т. I. М.: ДМК-Пресс, 2008.
4.	Анализатор спектра и сигналов FSW. Измерение
нелинейных искажений. Руководство по экс-
плуатации. https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/
dl_downloads/dl_common_library/dl_manuals/
gb_ 1 /f/fs w_ 1 /F S W_U serManual_en_36.pdf.
5.	Письменный Д.Т. Конспект лекций по высшей
математике. Изд. 4-е. М.: Айрис-Пресс, 2006.
6.	Титце У., Шен К. Полупроводниковая схемотех-
ника. Изд. 12-е. Т. I. М.: ДМК-Пресс, 2008.
7.	Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы
спектрального анализа. Изд. 2-е. М.: Горячая
линия - Телеком, 2014.
8.	Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемо-
техника. Изд. 12-е. Т. I. М., 2008.
9.	Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы
спектрального анализа. Изд. 2-е. М.: Горячая
линия - Телеком, 2014.
10.	Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемо-
техника. Изд. 12-е. Т. I. М.: ДМК-Пресс, 2008.
11.	Simon М. Interaction of Intermodulation. Munich,
Rohde 8c Schwarz, 2012.
12.	Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Полу-
проводниковая схемотехника. Изд. 2-е. Т. I.
М.: ДМК-Пресс, 2008.
13.	Least squares polynomial fit.
www.docs.scipy.org/doc/numpy/reference/
generated/numpy.polyfithtml
14.	Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемо-
техника. Изд. 12-е. Т. II. М.: ДМК-Пресс, 2014.
15.	Раушер К., Йанссен Ф., Минихольд Р. Основы
спектрального анализа. Изд. 2-е. М.: Горячая
линия - Телеком, 2014.
16.	Fast and accurate passive intermodulation (PIM)
measurements, www.rohde-schwarz.com
НОВОСТИ источники питания
Высокоэффективные 30-Вт DC/DC-преобразователи
с широким диапазоном входного напряжения
для авиационно-космических применений
Компания Crane Aerospace & Electronics (поставляет изделия под торго-
вой маркой Interpoint) представляет высокоэффективные DC/DC-преобра-
зователи серии GFM.
Модули преобразователей напряжения серии GFM обеспечивают выходную
мощность 30 Вт. Преобразование напряжения осуществляется с коэффициен-
том полезного действия более 90%. В настоящее время предлагается модель
GFM2815S с выходным напряжением 15 В. В дальнейшем будут выпущены
модули с другими выходными напряжениями. Новые модули питания выдер-
живают воздействие импульсов с амплитудой 80 В длительностью 50 мс.
Конструктивно модули преобразователей напряжения серии GFM выпол-
нены в стальных герметичных корпусах, покрытых никелем, с крепежными
фланцами или без них и оптимальны для применения в аппаратуре военных
реактивных самолетов, вертолетов, коммерческой авиации, наземных транс-
портных средств и низкоорбитальных спутников. Сочетание стандартной
гибридной технологии и двухсторонней печатной платы с установленными
компонентами для поверхностного монтажа позволило расширить функци-
онал и несколько уменьшить размеры модулей.
Устройства изготавливаются на том же предприятии компании Crane, где
собирают высоконадежные изделия Class Н и Class К, используемые в важ-
ных космических программах во всем мире. Это обеспечивает уверенность,
что новые модули характеризуются документально подтвержденным каче-
ством и надежностью, подобно традиционным преобразователям уровня ка-
чества Military, созданным по гибридной технологии, но при этом отличаются
более чем вдвое меньшей стоимостью.
Основные технические характеристики модулей питания серии GFM:
•	широкий диапазон входного напряжения: 8—50 В;
•	КПД: >90%;
• диапазон рабочей температуры: —55...+ 105 °C (на основании корпуса);
• диапазон температур хранения: —65...+150 °C;
• номинальная выходная мощность: до 30 Вт;
• сервисные функции: дистанционное включение/выключение, внешняя
синхронизация, подстройка выходного напряжения, защита от понижен-
ного входного напряжения;
• небольшая площадь основания корпуса;
• габаритные размеры: 53,09x28,2x10,16 мм (исполнение без фланцев);
72,14x28,2x10,16 мм (исполнение корпуса с крепежными фланцами);
• вес: 55 г (max).
Для поставки в Россию модулей серии GFM не требуется оформлять раз-
решение в контролирующих экспорт государственных ведомствах США.
www.prochip.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
АВТО М ATI/IВ И РО ВАННЫЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
СЕРИЯ ТЕКО-8300
[ТЕСТПРИБО
Измерение ёмкости, ЭПС, тока утечки,
определение служебного ресурса суперконденсаторов
и суперконденсаторных модулей с высокой точностью
Возможность программирования испытании
Поддержка измерений по стандарту IEC 62391
Включены в Госреестр СИ
Автоматическое управление процессами
измерения, анализом данных и отчётностью
Высокая точность измерений
Система 8300-5/100		Система 8300-5/300	Система 8300-80/500
Количество выходных каналов	1	6	1 			.1
Номинальная мощность, кВт	0,5	9	40
Диапазон выходного напряжения, В	от 0 до 5	от 0 до 5	от 0 до 80
Диапазон выходного тока, А	от 0 до 100	от 0 до 300	от 0 до 500 		 - - _.... - - _			
Диапазон измерения ёмкости, Ф	от 0 до 10 000	от 0 до 10 000	от 0 до 990 000
Диапазон измерения ЭПС, мОм	от 0 до 30	от 0 до 30	от 10 мкОм до 160 Ом
Интерфейс	LAN	LAN	LAN
АО «ТЕСТПРИБОР», 125480, г. Москва, ул. Планерная, д. 7А, телефон/факс: (495) 657-87-37, testpribor@test-expert.ru, www.test-expert.ru
Реклама
124
история
Союз электроники и музыки —
симфония вычислений.
Часть 2. Музыка
Тогда
Уже дерзнул, в науке искушенный,
Предаться неге творческой мечты.
А. Пушкин. Маленькие трагедии. Моцарт и Сальери.
Владимир РЕНТЮК
Rvk.modul@gmail.com
В первой части этого цикла [1] была кратко рассмотрена теоретическая
основа, которая связывает акустические звуки с электроникой, и описано,
что влияет на тембровую окраску музыкального звука. Чтобы продолжить
начатый нами разговор на тему синтеза музыкальных тембров, давайте
ответим на вопрос, что такое музыкальные инструменты и на чем, соб-
ственно, основана музыка?
К музыкальным звукам относятся звуки, имеющие четко вы-
раженную гармоническую составляющую — основной тон.
Например, звук паровозного гудка относится к разновидности
музыкальных звуков, а вот звук от ударных инструментов (бараба-
нов, маракасов, тарелок и т.п.) — к шумам. Конечно, есть и гранич-
ные варианты, когда основной музыкальный тон вырезается непо-
средственно из шумового спектра, такие инструменты называются
шумофоны, хотя в общем случае под этим названием подразумевают
электрический одноголосный инструмент с грифом, позволяющий
имитировать производственные шумы, выстрелы, бряцание, шум
ветра, звуки прибоя и т. д.
Как правило, музыкальный звук генерируется путем возбуждения
резонирующего элемента — струны, пластины, объемного резонатора
и т. п. В качестве возбуждающего устройства в классических музы-
кальных инструментах могут быть губы или пальцы человека, воздей-
ствующие на устройство, а резонатором служить некий объем, часто
регулируемый,— дека инструмента, металлическая или деревянная
труба и даже ротовая полость, как у варганов. Исходя из принципа
формирования звука классические музыкальные инструменты делятся
на несколько основных групп, имеющих свои особенности:
•	Медные духовые инструменты — валторна, труба, корнет, флю-
гельгорн, тромбон, туба и т. п. Принцип игры на таких инстру-
ментах заключается в получении гармонических созвуков путем
изменения силы вдуваемого воздуха или определенного положения
губ. Спектр таких колебаний чрезвычайно широк и, например, для
трубы составляет десятки гармоник.
•	Деревянные духовые инструменты — флейта, кларнет, гобой, фа-
гот, саксофон и т.п. Название здесь весьма условно, поскольку
и флейты, и саксофоны изготавливают из металла. Извлечение зву-
ка в таких инструментах (возбуждение) осуществляется тремя спо-
собами. Вдуванием воздуха в разрез щели (как в детских свистуль-
ках), направлением потока воздуха в резонатор под углом (флейта
Пана) или возбуждением язычка камышовой (или пластиковой)
трости. В первом и втором случае (флейта, свирель и т.п.) мы бу-
дем иметь дело с простым набором малого числа синусоидальных
гармоник (для флейты пикколо и флейты Пана — это почти чи-
стые синусоидальные колебания), во втором — с более сложны-
ми и длинными спектрами, особенно для тембра саксофона. Хотя
в целом синтез тембров классических деревянных инструментов,
таких как флейта, кларнет, гобой, фагот, относительно прост.
•	Струнные щипковые инструменты — гитара, балалайка, домбра,
банджо, арфа и клавишный музыкальный инструмент клавесин.
Извлечение звука в таких инструментах осуществляется щипком
или специальной пластинкой — плектром, иногда его называют
«медиатор».
•	Струнные ударные инструменты — фортепиано, цимбалы, клави-
корды. Название инструментов этой группы также говорит само
за себя. Извлечение в них звука, за исключением клавикордов, осу-
ществляется ударом молоточком по струне (струнам). Для клави-
кордов — вдавливанием и отпусканием струны.
•	Струнные смычковые инструменты — скрипка, альт, виолончель,
контрабас (хотя чаще на нем играют щипком). Звук в них извле-
кается натяжением и «срывом» струны специальным инструмен-
том — смычком из конского волоса, который для повышения тре-
ния натирается канифолью. Это наиболее сложные инструменты
в части синтеза их тембров из-за большого количества формант.
•	Клавишные духовые инструменты — это различные виды органов.
По способу извлечения звука они подобны деревянным духовым
инструментам типа флейты. Да они и состоят из десятков, а то и со-
тен таких «флейт» разного размера, от нескольких сантиметров
до нескольких метров.
•	Язычковые духовые инструменты — фисгармония, баян, аккорде-
он, мелодика. Звук извлекается в них при прохождении воздуха че-
рез щели с металлическими пластинками (это можно легко увидеть
в губной гармошке), колебание которых и создает музыкальный
звук. Этим инструментам свойственен такой эффект, как унисон.
•	Ударные инструменты — мембранофоны (в них звук создается
натянутой мембраной), барабаны, литавры, идиофоны (в которых
звук создается телом инструмента), гонги, тарелки, колокольчики,
треугольники, ксилофон, вибрафон и т.п., а также шумовые ин-
струменты типа маракаса. Звук в таких инструментах — это толчок
воздуха, как в большом и малом барабанах, или часть шумово-
го спектра, как в тарелках и маракасах, или это сложный спектр
из близких частот (унисон), как в гонгах, вибрафонах и т.п.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
история
125
Музыка в полном понимании этого слова далеко не набор слу-
чайных звуков, хотя используется и такое своеобразное дополнение,
называемое «какофония», например в концовке “Born to Touch Your
Feelings” (Scorpions) [5]. Это строгая математическая система в сочета-
нии с талантом композитора и исполнителя — именно та алгебра, ко-
торой поверил гармонию Сальери и о которой мы говорили в первой
части данного цикла [1].
Естественно, что первые музыкальные произведения из-за специ-
фики инструментов и ограниченности диапазона были бедные, но,
тем не менее, они играли важную роль в развитии цивилизации,
поскольку выполняли не только развлекательные, но и религиоз-
ные функции. В Библии, например, песням и музыке посвящен це-
лый раздел — Псалтирь, состоящий из 150 песен, причем с указа-
нием, на каком инструменте исполнять, жаль, что только что без
нот. Однако у нас есть возможность услышать фрагмент древне-
го музыкального произведения, которое датируется 1400 г. до н.э.
Его клиновидная запись на глиняных табличках была обнаружена
в 1950-х годах в Угарите (Сирия). Интерпретация принадлежит док-
тору Ричарду Дамбриллу, а исполнена композиция на лире талант-
ливым музыкантом, специализирующимся на древней и старинной
музыке, — Майклом Леви [8]. В настоящее время это древнейшее
расшифрованное музыкальное произведение.
Первые основы математического анализа музыки были заложены
еще в Древней Греции Пифагором и Аристоксеном. Аристоксен
уже достаточно близко подошел к современной раскладке основных
полутонов музыкальной гаммы, а Пифагор предложил раскладку
частот для музыкальных тонов. Так появилась первая стройная
система организации музыки, которая использовалась достаточно
долгий период. Если мы ограничимся расхожим мнением, что осно-
ва музыки — семь нот (до, ре, ми и т. д.), это будет большим заблуж-
дением. Да, в современной, классической октаве нот действительно
семь, но так называемых звуковых полутонов — 12. Октава — это
интервал от ноты до ноты того же наименования (рис. 1).
Но есть и пятитоновые октавы без полутонов (в народных ин-
струментах) и с 72 полутонами. В классическом случае для форми-
рования одной стандартной октавы необходимо иметь 12 источни-
ков тона для полифонического инструмента (фортепиано, орган,
клавесин и т.п.) или для монофонических инструментов один ис-
точник, который может воспроизвести любой из полутонов инстру-
мента. В основном диапазон музыкальных звуков лежит в области
частот 100-4000 Гц.
Что такое тон и полутон? Это необходимо знать для расклад-
ки строя музыкального инструмента, будь то классический или
электронный музыкальный инструмент, и формирования аккордов
(аккорд — это одновременное извлечение двух и более музыкаль-
ных звуков, нот). Проще всего это иллюстрирует клавиатура фор-
тепиано. Расстояние между рядом расположенными клавишами
(белой и черной, черной и белой, белой и белой, если между ними
нет черной) и называется «полутон». Два полутона дают один тон
(рис. 1). Это важно знать, так как в общем случае мелодия кодиру-
ется интервалами, образованными сочетаниями тонов и полутонов.
Возьмем для рассмотрения начальную тональность — до-мажор
(не будем углубляться в тонкости построения музыкальных тональ-
ностей, для вопросов синтеза тембров нас интересует другое), она
соответствует ряду нот: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. Эти названия
неслучайны, они из первых слогов старинного церковного гимна,
посвященного святому Иоанну Крестителю, где из-за неудобства
было заменено произношение первой ноты до, а позже добавлена
нота си (акроним от Святой Иоанн). Но чаще для нот использу-
ются их буквенные обозначения по Гельмгольцу: С, D, Е, F, G, А, Н
(си-бемоль — В) в разных регистрах и с индексами, указывающи-
ми на октаву. Более привычно видеть их в обозначениях аккордов.
Мажорные аккорды обозначаются прописной буквой, а к минорным
добавляется ш. Дополнительно, если это не трезвучия, используется
цифровое обозначение, указывающее на смещение основного тона
и изменения базовых интервалов.
Рис. 1. Раскладки тонов и полутонов для клавишных инструментов
К нотам при необходимости добавляются знаки повышении и пони-
жения тона: диез (#) или бемоль (0, которые ставятся возле ноты или
в ключе (здесь они определяют тональность всего произведения) и мо-
гут быть двойными, при этом существует и знак отмены — бекар (t|).
С этим мы разобрались, но возникает вопрос: а по какому зако-
ну распределяются частоты по всему диапазону звучания инстру-
мента? Проблема оптимального распределения частот (настройки
строя инструмента) всегда была весьма актуальной. Существующая
с древних времен настройка инструментов и ее модификации не по-
зволяли свободно использовать весь нотный диапазон. При переходе
в другую тональность (попытке начать играть произведение с дру-
гой ноты) возникали совершенно не музыкальные звуки, которые
образовывали так называемую «волчью квинту», не попадающую
в музыкальный интервал. Но к концу XVII - началу XVIII века было
найдено решение, которое облегчило жизнь и музыкантам, и создате-
лям музыкальных инструментов, особенно, как это ни странно, элек-
тронных. Была разработана современная 12-ступенная равномерная
темперация. Строй музыкальных инструментов стал замкнутым,
а октава была поделена на 12 равных полутонов.
Здесь нужно учитывать: равных по отношению (по восприятию),
а не по арифметической разности частот. Дело в том, что наше ухо
одинаково воспринимает музыкальные интервалы (музыкальный
интервал — последовательное или одновременное звучание двух
нот), например, интервал между нотами с частотами 220 Гц (а)
и 440 Гц (а1) воспринимается так же, как между нотами с частотами
440 Гц (а1) и 880 Гц (а2). Интервалы имеют свои названия: «секунды»,
«терции», «кварты», «квинты» и т. д. до октавы и даже выше. При
равномерной темперации все одноименные музыкальные интервалы
одинаковы по восприятию в любой из октав. Только с введением
такой темперации стало возможным использовать все тональности
и аккорды самой различной структуры, не нарушая сложившихся
норм восприятия и не усложняя конструкции инструментов с фикси-
рованной высотой звуков типа органа, клавира, арфы.
Один из первых весьма точных расчетов 12-ступенной темперации
был произведен М. Мерсенном. Первый яркий опыт художественно-
го применения равномерной темперации был проведен И. С. Бахом
в произведении «Хорошо темперированный клавир» (цикл клавирных
произведений 1722 г., включающий 48 прелюдий и фуг), прослушать
пример можно через [2]. С тех пор 12-ступенная темперация остается
оптимальным вариантом решения проблемы строя, а все одноименные
ноты и тона одной октавы отличаются от другой на коэффициент, крат-
ный двум. Благодаря И. С. Баху мы для формирования тонов низших
октав из высших можем использовать простое деление частоты тона
на два. Правда, у качественных фортепиано некоторые тона крайних
октав несколько смещены и не вписываются в 12-тоновую, равномерно
темперированную систему. Но это уже связано с особенностями воспри-
ятия низших и высших музыкальных тонов человеческим ухом.
Открытие равномерной темперации сделало переворот в музыке.
Чтобы понять это, достаточно одного примера. На современных му-
зыкальных инструментах партию можно сыграть от любой ноты, пра-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
126
история
вильно — в любой тональности, чего нельзя
было сделать прежде. Необходимо выполнять
лишь оно условие — сохранять заданные му-
зыкальные интервалы, то есть суммы полу-
тонов между нотами и в аккордах.
Для того чтобы построить генераторы ос-
новных полутонов, нам необходимо знать,
как относятся частоты звучания нот в полу-
тонах. Такая зависимость известна. Для рав-
номерно темперированного строя это отли-
чие составляет 21/12. С достаточной точностью
этот коэффициент равен 1,05946 (ошибка:
-0,0035%). Если этот коэффициент умно-
жить сам на себя еще 11 раз (212/12), то мы по-
лучим, что двенадцатый полутон, а это будет
частота одноименной ноты следующей окта-
вы, отличается от частоты ноты предыдущей
октавы ровно в два раза.
Чтобы завершить вопрос распределения
частот в музыкальных инструментах, необ-
ходимо знать опорную частоту, от которой
происходит раскладка частот всех осталь-
ных нот инструмента. Таким эталоном яв-
ляется нота ля первой октавы (а1). Частота
ее основного тона для всех без исключения
классических инструментов установлена рав-
ной 440 Гц. Это центральная нота клавиату-
ры фортепиано и большинства клавишных
ЭМИ, ее используют в эталонных камерто-
нах для настройки строя инструмента. Для
нахождения частот остальных нот можно
воспользоваться специальными таблица-
ми [3] или формулой:
/= 27,5 х2п/12,
где п — это порядковый номер ступени, на-
чиная в данном случае с ля субконтроктавы
(А2), для которой п - 0, а частота соответ-
ственно равна 27,5 Гц.
Так, для камертонной (базовой) ноты ля
первой октавы (а1) мы имеем:
/= 27,5х248/12 = 440 Гц.
Получение такого распределения частот
для современной электроники не является
трудно достижимым. Уже в первых элек-
тронных ЭМИ для этой цели использова-
лись LC-генераторы или мультивибраторы
(ЭМИ «Юность»). А в музыкальных синте-
заторах (они были аналоговые), в силу их
специфики, использовались генераторы,
управляемые напряжением, которое задава-
лось с клавиатуры через резистивные дели-
тели и экспоненциальный преобразователь
(это достаточно точная аппроксимация л/2)
с подогревом до +50 °C, что позволяло ре-
шить проблемы с температурной зависимо-
стью преобразования, но требовало времени
на подготовку к работе. Автор статьи в сво-
их ЭМИ и ЭМС решил это проблему путем
использования одного генератора на тайме-
ре 555. Было найдено решение, для которо-
го потребовалось всего две регулировки —
раскладка строя и установка тональности
по ля первой октавы (а1). Типовая погреш-
ность тона для ЭМС «АЛЯ» [6] не превысила
±0,15%, что для одноголосных инструментов
вполне приемлемо.
Однако необходимо учитывать, что здесь
может потребоваться частотная модуля-
ция — эффект вибрато (обычный прием
в электронной музыке), что важно с сохра-
нением темперации. Иногда для простоты
частотную модуляцию заменяли фазовой,
например в приставках для электрогитар.
Я такое пробовал — мне не понравилось,
но вот электронный вариант эффекта вра-
щающегося звука Лесли (Leslie — по имени
изобретателя, разработан и в 1940 г. предло-
жен для органа Хаммонда, но не понят и вы-
куплен им только в 1965 г.) был чарующим.
Так что для синтеза звука необходимо ре-
шать и вопросы введения дополнительных
модуляторов.
Тембр звучания также имеет зависимость
от огибающей. Причем как от ее общей фор-
мы, так и от ее амплитуды. Сказанное легко
проверить на практике. Резко возбужденная
гитарная струна имеет более высокий тембр,
чем слабо возбужденная. Для возбужденной
струны по мере затухания звука тембр ее
звучания смещается от высокого к низкому.
Громкость звучания инструментов указы-
вается для исполнителя буквами f — фор-
те (громко) ир — пиано (тихо). На прак-
тике используется диапазон громкостей
от ррр (пиано-пианиссимо — самое тихое)
до fff (форте-фортиссимо — самое громкое).
Далеко не все инструменты имеют возмож-
ность изменять в ходе игры на них громкость
звучания. Клавесин, например, как и орган,
о чем уже было сказано, почти не может из-
менять громкость звучания, а король ин-
струментов фортепиано (отсюда и название
форте — громко, а пиано — тихо) — может,
и в очень широких пределах. Благодаря фор-
тепиано музыка стала весьма динамичной
по громкости. И это стало камнем преткно-
вения для электронных инструментов —
долгое время они были монотонные, как
и их предок орган, громкость его звучания
возрастала только за счет аккордов, что вме-
сте со спецификой огибающей накладывало
ограничения на исполняемые на нем музы-
кальные композиции.
Организовать регулировку громкости в за-
висимости от силы нажатия на клавишу —
проблема для клавишных ЭМИ и ЭМС. Она
решается либо через выносную педаль — ре-
гулятор громкости (самое простое и самое
неудачное решение), либо через анализ ско-
рости нажатия на клавишу (функция velocity
sensitivity), что реализуется относительно
проще и лучше (автор этой статьи как раз ис-
пользовал такое решение, основанное на раз-
ряде конденсатора), либо установкой датчи-
ков под каждую клавишу, определяющих
именно силу удара по клавише, что сложно
конструктивно и дорого, но соответствует
классическому фортепиано.
Естественно, поведение огибающей бу-
дет зависеть от длительности звучания
ноты. И здесь тоже все логически связано.
Во-первых, в музыке длительность звучания
ноты четко задается, и базой здесь выступает
длительность условной одной целой ноты.
Целая нота дробится кратно на два (поло-
винные), четыре (четвертные), восемь (вось-
мые) и т. д. При необходимости в длитель-
ность вносится корректировка суммой дли-
тельностей звучания, например 1/4+1/8, или
указанием на удлинение по усмотрению ис-
полнителя с затуханием, обычно использует-
ся в конце произведения или его логической
части (фермата). Задается также и темп ис-
полнения в ударах в минуту для ноты дли-
тельностью 1/4 от целой. Темп и характер ис-
полнения, как и все в музыке, носят итальян-
ские названия, например адажио (медленно,
спокойно), анданте (буквально «идти» — со-
ответствует темпу в диапазоне 76-108 уда-
ров/мин), модерато (средний темп) и т. д.,
и указывается над первой нотной строкой
слева. Кроме того, задается ритмический ри-
сунок из сильных и слабых нот (вспомним
всем известный ритм вальса: сильная доля
и две слабые), выделяемых в элементарных
музыкальных промежутках, называемых
тактами, отсюда и счет, который указывается
в четвертных или восьмых нотах. Однако это
не догма, в джазе ритмический рисунок мо-
жет сознательно нарушаться (синкопируется
или даже рвется).
Еще один фактор — особенности некото-
рых инструментов и игры на них. Я имею
в виду упоминавшийся выше унисон и ряд
музыкальных приемов исполнения (обыч-
но их называют «эффекты»), это частотное
и амплитудное вибрато, портаменто (глис-
сандо), пиццикато, фленжер (правильнее:
flanging), хорус и ряд других, а также введе-
ние в тембр некоторой шумовой составляю-
щей. Последнюю хорошо слышно в деревян-
ных духовых инструментах, таких как клар-
нет или гобой. Наиболее часто используемые
эффекты следующие:
•	Унисон — сложный звук, созданный дву-
мя и более звуками с близкими частота-
ми, образующими так называемые бие-
ния. Унисон используется в двенадцати-
струнных гитарах, органах, аккордеонах
и в фортепиано. В фортепиано, например,
звуки части нот верхних октав формиру-
ются тремя струнами, в средних октавах —
двумя и только в низких — одной. Унисон
очень красивый, оживляющий музыкаль-
ный эффект. Применение унисона даже
в недорогих ЭМИ позволяет значительно
разнообразить их звучание, скрыв их де-
шевую сущность. Особенно этим грешат
недорогие инструменты CASIO. Меняя
глубину унисона, можно получить ак-
кордеонное звучание, губной гармошки,
фленжер-эффект и т. и., а модулируя одну
из частот по случайному закону, можно
получить эффекты звучания хора (хорус).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
история
127
Рис. 2. Синтезатор Yamaha DX-7, блок регулировок
•	Амплитудное вибрато — это частый при-
ем в народной музыке, основан на ампли-
тудной модуляции основного звука (или
основного тона, или всего комплексного
звука) синусоидальным колебанием сверх-
низкой частоты 5-9 Гц. Наиболее часто
используется 100%-ная модуляция, соз-
дающая эффект тремоло (при игре на ба-
лалайке, мандолине, домбре и т.п.). При
модуляции менее 60% этот эффект мало-
заметен и в общем мало музыкален.
•	Частотное вибрато, наоборот, весьма краси-
во и музыкально. Оно используется очень
часто, и иногда не к месту. Забегая вперед
скажу, что я встречал частотное вибрато
в недорогих ЭМИ для «украшения» тембров
деревянных духовых инструментов, чего
теоретически быть не может. Для создания
частотного вибрато используется модуля-
ция основного тона синусоидальным (реже
треугольными или экспоненциальными)
колебанием с частотой 5-16 Гц и глубиной
от нескольких до ста процентов, если фор-
мируются «космические» звуки и спецэф-
фекты для психоделической музыки.
•	Портаменто (глиссандо) — это плавный
подход к основному тону, наиболее ча-
сто он используется при игре на скрипке,
но не чужд и ведущей рок-гитаре. Его раз-
новидность — глиссандо — подразумевает,
что тон от ноты до ноты перестраивается
плавно, не прерываясь. Такое исполнение
характерно, например, для гавайской гита-
ры, тромбона и терменвокса.
Сегодня в области чистого синтеза мы име-
ем пять основных типов синтеза музыкаль-
ных тембров. Два из них — гармонический
(суммирующий, или аддитивный) и вычи-
тающий (субтрактивный) — были уже опи-
саны. В 1973 году Джоном Чоунингом (John
Chowning) был разработан еще один метод
суммирующего синтеза, который получил
название FM-синтеза звука (FM — частотная
модуляция). Наибольшее и не самое удачное
применение он нашел в недорогих звуковых
картах персональных компьютеров. Этот ме-
тод использует как минимум два цифровых
синусоидальных генератора, один из которых
выполняет роль носителя, а второй — роль
модулятора. Интенсивность звука опреде-
ляется амплитудой носителя, а тембровая
окраска или насыщенность обертонами —
амплитудой модулятора и соотношением
частот носителя и модулятора, так называ-
емым отношением с:гл. Задавая различные
значения атаки, затухания, частоты и ампли-
туды носителя и модулятора (используется
термин «операторы»), музыкант имеет воз-
можность создавать и запоминать в ОЗУ син-
тезатора самые разнообразные звуки. Такой
метод применен в популярном синтезаторе
Yamaha DX-7 (рис. 2), который выпускает-
ся с 1984 года. Это классический синтезатор
с FM-синтезом. Он имеет шесть операторов
и более 30 алгоритмов управления. Наиболее
сложный — четвертый метод, физический
синтез, при котором моделируются реальные
физические процессы, происходящие в клас-
сических музыкальных инструментах. Метод
требует высокопроизводительных процессо-
ров. Пятый — это волновой (Wavetable или
РСМ) синтез, в котором звук создается за счет
воспроизведения записанных ранее в память
инструмента фрагментов звучания реальных
музыкальных инструментов. Фактически это
уже семплер (англ. sample — «образец»).
Естественно, существуют и гибридные
варианты, например достаточно сложный
таблично-волновой синтез. Он использу-
ется, например, наверное, в самом дорогом
серийном ЭМС Wave ($10790) компании
Waldorf [7] (рис. 3). В нем волны организо-
ваны в таблицы, до 64 в каждой. При этом
только часть волн таблицы существует в виде
семплов в постоянной памяти, остальные
волны создаются процессором инструмента
посредством интерполяции существующих.
Каждый генератор может воспроизводить
различные волны в таблице и переходить
от одной к другой, ступенчато или плавно.
Рис. 3. Синтезатор Waldorf Wave, Waldorf Wave
Это реально синтезатор, но управлять таким
инструментом весьма и весьма непросто.
Здесь следует сказать, что в настоящем по-
нимании музыкальные синтезаторы — это
ЭМИ с расширенными функциями, которые
позволяют им генерировать, в данном кон-
тексте синтезировать, не только музыкаль-
ные звуки, но и звуки природы (шум дождя,
ветра, льющейся воды и т.п.), а также соз-
давать уникальные, не имеющие аналогов
тембровые комбинации для окраски музы-
кальных звуков.
В последней части этого цикла мы рас-
смотрим то, как начала развиваться электро-
и электронная музыка, и ее вклад в мировую
музыкальную культуру.
Литература
1.	Рентюк В. Союз электроники и музыки —
счастливый брак по расчету. Часть 1: Звуки //
Компоненты и технологии. 2019. № 2.
2.	Bach: WTC1 No. 2 in с minor BWV 847 (Richter).
www.youtube.com/watch?v= 1 GXHjxvSi24
3.	Таблица частот.
www.trophimov.ru/noty-i-chastoty/
4.	Кузнецов Л. А. Основы теории, конструиро-
вания, производства и ремонта электромузы-
кальных инструментов. М.: Легкая и пищевая
промышленность. 1981.
5.	Scorpions. Born То Touch Your Feelings.
www.youtube.com/watch?v=SznG2PEBoO
6.	Музей советских синтезаторов.
www.ruskeys.net/synths.php
7.	Popov D. Waldorf Wave.
www.moinf.info/news/waldorf-wave
8.	The Oldest Known Melody
(Hurrian Hymn no.6 — с.1400 B.C.).
www.youtube.com/watch? v=QpxN 2 VXPMLc
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2019
www.kit-e.ru
РОССИЙСКАЯ неделя
ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

I Р^*НКОМСВЯ5Ь
А МИНПРОМТОРГ
РОССИИ
ж
О
О

о
о
Федеральное л гнтсгво связи
(ИМ ( ВЯЗЬ)
^ГнП "ГЛОНАСС”
*ТПП РФ
I У
л*
Информационные и коммуникационные
технологии
IR
31-я международная
выставка
I 2+ Реклама
f У Ж
Организатор:
ЭКСПОЦЕНТР
При поддержке:
•	Министерства цифрового развития, связи
и массовых коммуникаций РФ
•	Министерства промышленности и торговли РФ
•	Федерального агентства связи (РОССВЯЗЬ)
•	НП «ГЛОНАСС»
Под патронатом ТПП РФ
Россия. Москва, ЦВК «Экспоцентр*»
www.sviaz-expo.ru
МЕЖДУНА1’ОДНЬП1
ВОЕННО
МОРСКОЙ
САЛОН IAU,V SHOW
DEFENCE
“Через сотрудничество - Кумиру и прогрессу!”
Реклама
Организатор:
При учаоии:
Ус грош ель:
МИД
России
.▼о
Минобороны
РОССИИ
\ 1Р-ПЕРЕГОВОРЫ
ПОСЕЩЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ
ЭКСПОЗИЦИЯ ОБРАЗЦОВ
ПРОДУКЦИИ ПРЕДПРИЯТИЙ
ДЕМОНСТРАЦИЯ ВООРУЖЕНИЯ И
ТЕХНИКИ
КОНФЕРЕНЦИИ, СЕМИНАРЫ,
КРУГЛЫЕ СТОЛЫ, ПРЕЗЕНТАЦИИ

ФСВТС
России
РОСОБОРОНЭКСПОРТ
ООО
«Морской Салон»
10-14 июля
МВ1
HUBER+SUHNER
Excellence in Connectivity Solutions
PC 1.0
Непревзойденная точность измерений до 110 ГГц
PC 1.0 является исключительно прецизионным метрологическим типом интерфейса для измерений в полосе
частот до 110 ГГц. Коаксиальные переходы и кабельные сборки компании HUBER+SUHNER отличают
превосходные значения обратных и вносимых потерь, механическая точность и высокая надежность.
•	Максимальная рабочая частота: 110 ГГц
•	Превосходные обратные потери
•	Малые вносимые потери
•	Надежная конструкция
•	Отличное согласование по фазовым характеристикам
HUBER+SUHNER Представительство в Москве
info.ru@hubersuhner.com | www.hubersuhner.com