/
Tags: электротехника журнал цифровая электроника журнал компоненты и технологии
ISBN: 2079-6811
Year: 2019
Text
КОМПОНЕНТЫ
И ТЕХНОЛОГИИ
Components 8с Technologies
Реклама
www.kit-e.ru
№5’2019 (май)
/—« Новое семейство
шемикропроцессоров STM32MP1
STM32MP1 базируются на одном или двух ядрах ARM Cortex-A7 (650 МГц) и одном ядре ARM Cortex-
М4 (209 МГц). Cortex-A7 предоставляет доступ к открытым программным обеспечениям Linux/Android,
в то время как Cortex-M4 использует среду STM32Cube. Предусмотрена возможность подключения
внешней памяти до 1 Гбит 16/32-бит LPDDR2/LPDDR3-1066 или 16/32-бит DDR3/DDR3L-1066. Старшая
модель семейства имеет дополнительный графический процессор Vivante 3D с поддержкой OpenGL
ES 2.0. Все представители семейства имеют контроллер MIPI-DSI, поддержку HDMI-CEC, USB 2.0
и 10/100М или Gigabit Ethernet с аппаратным IEEE 1588v2, MII/RMII/GMII/RGMII. Опционально доступны
модификации с блоком криптозащиты.
р
ELECTRONICS
Innovations & Technologies
194295, Россия, г. Санкт-Петербург
ул. Ивана Фомина д.6
info@ptelectronics.ru
8 800 333 63 50
www.ptelectronics.ru
ISSN 2079-6811
Решения Molex
для транспортных средств
Микропотребляющие
контроллеры SAML10/SAML11
DDDDD[]DD
Островок
заземления
над линией
тактовых
импульсов
Островок заземления
под корпусом сигнального
процессора
Островок
заземления
под корпусом
генератора
тактовых
импульсов
Винт крепления
печатной платы
(электрическое
соединение
с корпусом прибора)
Методы экранирования помех
на печатной плате
Портативный терагерцевый
квантово-каскадный лазер
Система-на-кристалле <* XILINX.
ZYNQ® UltraScale+™ MPSoC
Мощь ARM, помноженная на гибкость ПЛИС!
Забудьте про Verilog/VHDL! Напишите вашу систему на C/C++, отладьте под LINUX
и оптимизируйте с помощью программируемой логики. Никогда построение
мощных и сложных систем не было столь простым.
Занимаетесь видеообработкой? Ваш выбор - ZYNQ UltraScale+ EV с 4-ядерным
ARM Cortex А53 64 бит, двухъядерным ARM Cortex R5 32 бит и встроенным
высокопроизводительным кодеком Н.264/Н.265.
Создаёте телекоммуникационное оборудование? С ZYNQ UltraScale+ EG это
просто. Используйте встроенные IP ядра 100G Ethernet и 150G Interlaken для
достижения непревзойденной производительности.
Создаёте систему управления? Реализуйте все, что вам нужно, на бюджетном
чипе ZYNQ UltraScale+ CG.
Нужно «умное» решение? Создайте собственную свёрточную нейросеть на базе
СнК ZYNQ UltraScale+.
Хотите получить отладку?
Пришлите запрос по адресу fpga@macrogroup.ru
МАКРО
I- РУПП
www.macrogroup.ru
fpga@macrogroup.ru
«Макро Групп» - официальный поставщик Xilinx в России
Санкт-Петербург (812) 370 60 70
Москва (495) 988 02 72
Екатеринбург (343) 385 95 10
Ростов-на-Дону (863) 227 03 93
Чебоксары (8352) 23 79 55
Новосибирск (383) 233 34 87
Реклама
□ ANALOG
DEVICES
• Программно-конфигурируемый дифференциальный вход:
- токовый сигнал + 20 mA
- сигнал напряжения ± 10 В
- сигнал термопар (с входами компенсации холодного спая) ahead of whats possible*
- сигнал с терморезистивных (RTD) датчиков
Прецизионный 24-битный 125 kSPS сигма-дельта АПЛ с
программируемым усилителем
• Встроенная схема питания датчиков по токовой петле (до +24 mA)
Рекомендуемые области применения:
Программируемые логические контроллеры
Контрольно-измерительная аппаратуры
Распределенные системы сбора данных и управления
Аппаратура телеметрии и мониторинга
• Техническая поддержка
. TE5ON
• Сопровождение проектов • Складская программа
www.teson.ru
□ФИЛИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР В РФ
Реклама
ООО «ТЕСОК»
info(g)teson.ru
117342 Москва Профсоюзная 55/1
194044 Санкт-Петербург Выборгская наб. 49
’0144 Екатеринбург Народной Воли 35
+7495 9357101
+7812 3177871
+ 7343288 7B7I
5 (214) '2019
И ТЕХНОЛОГИИ
Components & Technologies
5 (214) '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 17.05.19
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.
8
12
Рынок
Юрий КУРОЧКИН
Новые анализаторы спектра
Rohde & Schwarz
Компоненты
Кристиан КАСПЕР
(Christian KASPER)
Перевод:
Владимир РЕНТЮК
Полимерные
гибридные конденсаторы:
особенности выбора
Сергей ДИН Г ЕС,
Виктор КОЧЕМАСОВ
Делители частоты.
Часть 4. Регенеративные,
переключаемые
и малошумящие
делители частоты
Лев ЧЕМ АКИН
Решения Molex
для создания сетевых платформ
в проектах полностью автономных
транспортных средств
Хуман ХАШЕМИ
(Ноотап HASHEMI)
Перевод: Михаил РУССКИХ
Дистанционные измерения
с использованием прецизионного
инструментального усилителя
ИМС категории качества «ВП»
низковольтных
быстродействующих
приемников и передатчиков
стандарта LVDS
Стив РОБЕРТС (Steve ROBERTS)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
Питание
подключенных к пациенту
медицинских устройств
от DC/DC-преобразователей 30
Андрей СТРОГОНОВ,
Максим КРИВЧУН
Исследование трассировочной
способности архитектур
индустриальных ПЛИС Xilinx
с помощью программного
инструмента RapidSmith2 34
Валерий СОЛОВЬЕВ
Логическое проектирование
встраиваемых систем на FPGA.
Часть 8. Матричные умножители 40
Дмитрий КАПЛУН,
Максим МИНЕНКО,
Александр СИНИЦА,
Василий КУЗНЕЦОВ,
Сергей ЛЫСОВ
Программно -аппаратная
платформа Renesas Synergy:
инструменты для разработки
на уровне API. Часть 2 50
Николай КУКСОВ
Микропотребляющие
контроллеры SAML10/SAML11.
Эффективная система
оптимизации энергопотребления 57
Валерий ЗОТОВ
Одноядерные
полностью программируемые
системы на кристалле фирмы Xilinx
семейства Zynq-7000 АР SoC.
Часть 1 64
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
Microchip
ООО «ЭФО» -
ОФИЦИАЛЬНЫЙ
ДИСТРИБЬЮТОР
Microchip
Перспективная продукция
Расширяем горизонты возможностей
AVR 8-бит
• интеллектуальная периферия
• оптимальное энергопотребление
• однотактовый ввод/вывод в порты
PIC 8-бит
• независимая от ядра периферия
• сверхнизкое энергопотребление
• легкость разработки приложений
ARM 32-бит
ARM
Cortex-M0+
• малопотребляющий
• недорогой
ARM
Cortex-MA(F)
• универсальный
• DSP, FPU
ARM
Cortex-M7
• развитие М4
по быстродействию
и памяти
ARM
Cortex-A5
• Linux, Windows
•TFT-контроллер
PIC 32-бит
• гибкость
PIC32MM
• энергопотребление
уровня 8-бит
• множество
периферии
PIC32MX
•универсальный
PIC32MZ
• FPU, DSP, мощный
• оптимизированный
набор инструкций
dsPIC 16-бит
•управление двигате-
лями и источниками
питания
• оптимизированный
под язык С
•DSP
Память
• технология ячейки
памяти SuperFlash
• высокая
надежность
• последовательные
EEPROM/Flash
• последовательная
SRAM
• параллельная Flash
Управление питанием
• импульсные регуляторы
•линейные регуляторы
• супервизоры
•управление батарейным питанием
•гибридные ШИМ-контроллеры
Преобразователи
данных •дельта-сигма АЦП
•АЦП последователь-
ного приближения
•ЦАП
Усилители
• операционные
• программируемые
• инструментальные
• компараторы
Wireless/RF
Aerospace
Реклама
С.-ПЕТЕРБУРГ
(812) 327-8654
ZAV@EFO.RU
ООО «ЭФО» — ПОСТАВКА ПРОДУКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА
МОСКВА
(495)933-0743
MOSCOW@EFO.RU
КАЗАНЬ
(843) 518-7920
KAZAN@EFO.RU
ЕКАТЕРИНБУРГ
(343)278-7136
URAL@EFO.RU
РОСТОВ-НА-ДОНУ
(863)201-2771
ROSTOV@EFO.RU
ПЕРМЬ
(342) 220-1944
PERM@EFO.RU
Н. НОВГОРОД
(831)434-1784
NNOV@EFO.RU
НОВОСИБИРСК
(383) 286-8496
NSIB@EFO.RU
5 (214) '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
Блоки питания
Василий ЛИСИН
Новые источники питания
TDK-Lambda
для монтажа на DIN-рейку 72
ХИТ
Захари ПАНТЕЛИ (Zachary PANTELY)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
Универсальное
зарядное устройство:
все решения в одном контроллере 74
Встраиваемые системы
Кармело Де МОЛА (Carmelo De MOLA)
Перевод: Владимир РЕНТЮК
Технология INICnet —
эффективное решение
для транспортировки данных
в автомобиле 80
Автоматизация
Ярослав ГОРДИЕНКО
(Ярослав Г0РД1СНК0)
Новые сорта «малины»:
обзор последних разработок
компании Raspberry Pi Foundation 84
П роекти рован ие
Дмитрий ДОБРОХОТОВ
Универсальный
связной контроллер
на базе ESP32-PICO-D4. Часть 1 90
Илья ТАРАСОВ,
Дмитрий ПОТЕХИН,
Сергей ПОТЕХИН
Применение интегральных
преобразований
в цифровой обработке сигналов
в проектах на базе ПЛИС 92
Виктор ЛИФЕРЕНКО,
Никита ГРИНИЧЕВ,
Иван ДЕМЕНТЬЕВ
Вейвлет-фильтрация
одномерных сигналов
с помощью пакета LabView 98
Олег ФИЛИМОНОВ
Особенности общего уравнения
захвата энергии 102
Антон ЕРЕМИН
Методы экранирования помех
на печатной плате:
правила выполнения и ограничения 105
Новые технологии
Артур ЛЕММИНГ,
Петр ШОСТАКОВСКИЙ
Портативный терагерцевый
квантово-каскадный лазер 114
Технологии
Светлана ПЕСКОВА
Плоский кабель:
знакомый и неизвестный 118
Гуидо ШУЛЬЦЕ (Guido SCHULZE)
Учет измерительных цепей
в реальном времени
с помощью осциллографа R&S RTP 124
ЗЯМ'.'"
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
MORNSUN
^ЗЗ-ЗЗОВт
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
* Подробная информация приведена в технических спецификациях.
Реклама
MORNSUN®
E-mail: info@mornsun.cn
Website: www.mornsun-power.com
Facebook/Linkedin: Mornsun Power
рынок
Новые анализаторы спектра
Rohde & Schwarz
Юрий КУРОЧКИН
Компания Rohde & Schwarz провела в своем московском офисе презен-
тацию двух новых семейств анализаторов спектра и сигналов среднего
ценового диапазона — R&S FSV3000 и R&S FSVA3000.
Для российских журналистов презен-
тация новинок (рис. 1) прошла рань-
ше, чем в других странах. В компа-
нии рассматривают это как знак уважения
к нашей стране, занимающей третье место
(после США и Китая) по объему продаж ана-
лизаторов предыдущего поколения R&S FSV
и R&S FSVA. Провел презентацию предста-
витель штаб-квартиры Rohde & Schwarz,
менеджер по продукту «Анализаторы спек-
тра и сигналов» Мартин Шмэлинг (Martin
Schmahling, рис. 2), доклад которого пере-
водил и комментировал Кирилл Румянцев
(рис. 3), руководитель направления «Анали-
заторы спектра и сигналов» в московском
офисе компании.
Оба новых семейства анализаторов об-
ладают улучшенными техническими ха-
рактеристиками, имеют простой и удоб-
Рис. 2. Мартин ШМЭЛИНГ (Martin SCHMAHLING),
менеджер по продукту
«Анализаторы спектра и сигналов» Rohde & Schwarz
Рис. 3. Кирилл РУМЯНЦЕВ, руководитель
направления «Анализаторы спектра и сигналов»
в московском офисе Rohde & Schwarz
Рис. 1. Презентация анализаторов R&S FSV3000 и R&S FSVA3000 для российской прессы
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
рынок
Рис. 4. Анализатор R&S FSV3000
ный унифицированный пользовательский
интерфейс и богатый набор программных
прошивок для конкретных применений.
Основные потребители этого оборудова-
ния — те, кто занят разработками, исследо-
ваниями и производством устройств связи
в диапазонах высоких частот, включая ча-
стоты стандарта 5G New Radio. Это произ-
водители базовых станций беспроводной
связи и систем спутниковой связи, разра-
ботчики радиолокационных станций, из-
готовители полупроводников и других ком-
понентов современных систем связи, иссле-
довательские центры.
По оценке их создателей, анализаторы
спектра R&S FSV3000 и R&S FSVA3000 яв-
ляются лучшими в своем классе по произ-
водительности и удобству использования.
Высокая скорость измерений особенно важна
для эксплуатации в условиях предприятия,
поскольку позволяет повысить пропускную
способность и в ряде случаев даже перейти
от выборочных испытаний готовой продук-
ции к проверке каждого изделия. Новинки
хорошо приспособлены для использования
в автоматизированных тестовых системах,
быстро переключаются между режимами
измерений и готовы для реализации даже
сложных измерительных сценариев. Новые
анализаторы, в частности, способны изме-
рять значения вектора ошибки модуляции
EVM менее 1% для 100-МГц сигнала на ча-
стоте 28 ГГц. Сетка рабочих частот охваты-
вает диапазон стандарта 5G NR до 44 ГГц.
Анализаторы с такой широкой полосой
и широким динамическим диапазоном очень
востребованы сегодня на рынке.
Высокопроизводительный и простой в на-
стройке анализатор R&S FSV3000 (рис. 4)
с полосой анализа до 200 МГц (позволяю-
щей захватить сразу две соседние несущие
частоты 5G NR) предназначен для лаборато-
рий и производственных линий. Анализатор
R&S FSVA3000 отличается полосой анализа
до 400 МГц, выдающимся уровнем фазового
шума (20 дБн/Гц) и производительностью,
которая ранее была доступна лишь обору-
дованию высшего класса. Он позволяет вы-
полнять более сложные измерения, такие как
линеаризация усилителей мощности, захват
коротких событий или определение харак-
теристик сигнала с быстрой перестройкой
частоты. Оба анализатора имеют одинако-
вые программные опции и унифицирован-
ный дружественный графический интер-
фейс. Разница между ними в цене (в базо-
вой конфигурации) составляет 20-25%.
Специализированные программные про-
шивки анализаторов закодированы, для их
применения нужно оплатить соответству-
ющие опции и получить ключи для их от-
крытия. В процессе эксплуатации прибора
при необходимости можно легко приобрести
дополнительные опции, чтобы реализовать
заложенные в нем режимы.
Ручное управление анализаторами осу-
ществляется с помощью большого (10,1 дюй-
ма) мультисенсорного экрана и интуитивно
понятного меню, что позволяет нескольки-
ми движениями пальцев за какие-то секун-
ды задать центральную частоту или опор-
ный уровень, изменить полосу обзора или
диапазон уровней. На большой экран мож-
но одновременно вывести несколько окон,
в которых отображаются текущие результа-
ты измерений. Очень удобная функция —
ЗЭ-отображение спектрограммы, позволя-
ющее визуально оценить сразу несколько
параметров исследуемого сигнала. Есть воз-
можность автонастройки часто выполняемых
измерений: на основе автоматического ана-
лиза входного сигнала прибор устанавливает
частоту, уровень, параметры запуска и стро-
бирования. При измерениях с применением
отдельного генератора сигналов (в частности,
R&S SMBV100B) специальный диспетчер вза-
имосвязи позволяет анализатору осущест-
влять интеллектуальное управление генерато-
ром в соответствии с изменением частоты или
уровня в анализаторе. Пользовательский ин-
терфейс генератора можно вывести на экран
анализатора и осуществлять с его помощью
управление параметрами генератора.
Инновационный компонент интерфей-
са новых анализаторов — event base trigger,
позволяющий обнаруживать и анализиро-
вать редко происходящие события. Можно
задать событие (например, пересечение за-
данным параметром установленного по-
рогового уровня), по которому запускается
развертка, делается снимок экрана и сохра-
няется на встроенном жестком диске для по-
следующего анализа. Предусмотрен выбор
из нескольких вариантов действий по запу-
скающему событию.
Очень полезная особенность новых анали-
заторов — встроенный регистратор последо-
вательности микрокоманд. С его помощью
команды ручного управления легко преоб-
разуются в синтаксис обычных команд SCPI
(стандартных команд для программируемых
приборов) или других распространенных
языков программирования, таких как C++,
Python или Matlab, что значительно упроща-
ет создание исполняемых сценариев.
Разработчики анализаторов подумали
и о том, как облегчить их применение в ав-
томатизированных тестовых системах для
замены устаревших моделей. Обычно та-
кая замена требует переписывания кодов
всей программы дистанционного управле-
ния, однако новое семейство анализаторов
R&S FSV/A3000 позволяет устранить пробле-
му благодаря встроенному режиму эмуля-
ции целого ряда старых моделей анализато-
ров (swap legacy).
Учтена разработчиками и наметившаяся
в последнее время тенденция перехода к ис-
пользованию внешних вычислительных
систем для обработки результатов изме-
рений. Опциональный сетевой интерфейс
со скоростью 10 Гбит/с позволяет передавать
в облако I/Q данные при высоких частотах
дискретизации — это необходимо, в частно-
сти, при анализе широкополосных сигналов
стандарта 5G.
С 11 апреля, сразу после релиза новинок,
они стали доступны для заказа через москов-
ский офис Rohde & Schwarz и была начата
работа по их сертификации в России. Этот
процесс занимает обычно около трех меся-
цев, так что в компании рассчитывают полу-
чить сертификаты на оба анализатора уже
в августе текущего года. Отвечая на вопро-
сы журналистов, Мартин Шмэлинг отметил,
что в компании постоянно прорабатывают
и возможность локализации производства
в нашей стране.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
КОМ ПОНеНТЫ пассивные элементы
Полимерные
гибридные конденсаторы:
особенности выбора
Кристиан КАСПЕР (Christian KASPER)
Перевод: Владимир РЕНТЮК
Полимерные гибридные конденсаторы похожи друг на друга как две капли
воды — по крайней мере если посмотреть на их спецификации. Однако,
и это не подлежит сомнению, те или иные различия между такими кон-
денсаторами всегда есть, и их сложно выявить. Поэтому, чтобы найти оп-
тимальный компонент для конкретного применения, желательно исполь-
зовать сведения об их ноу-хау от производителей и информацию об этих
элементах от их дистрибьюторов, которые дорожат своим добрым именем.
Полимерные гибридные конденсато-
ры характеризуются своей стабиль-
ностью в экстремальных условиях
эксплуатации, длительным сроком службы,
низким эквивалентным последовательным
сопротивлением (equivalent series resistance,
ESR), рабочей температурой до +165 °C (обыч-
но как опция исполнения в спецификации)
и сертификацией по требованиям AEC-Q200
(качество, позволяющее использовать данный
компонент в автомобильной промышлен-
ности). Благодаря этим свойствам они в на-
стоящее время уже широко распространены
во многих приложениях, в том числе и в ав-
томобилях, например в электрических блоках
управления двигателем (electric control unit,
ECU), а также в масляных или водяных насо-
сах, вентиляторах системы принудительно-
го охлаждения и системах электроусилителя
руля (electric power steering, EPS). Тем не менее
при выборе подходящего конденсатора необ-
ходимо соблюдать известную осторожность.
Дело в том, что, как уже было сказано, все
технические характеристики производителей
выглядят примерно одинаково, и в них край-
не сложно, если вообще возможно по специ-
фикациям, обнаружить какие-либо тонкие
различия, нюансы. Однако они существуют,
но проявляются и выявляются только в ходе
испытаний.
Вообще процессы производства полимер-
ных гибридных конденсаторов запатенто-
ваны и держатся в строгом секрете. Помимо
различий в технологии изготовления, есть
особенности в использовании сырья, а имен-
но в разных полимерных композициях как
по процентному соотношению и количеству,
так и по составляющим их веществам. Так что
в системе силовой электроники автомобиля
ERS (Electronic Power Control) в диапазоне
1 Формула или закон Аррениуса устанавливает зависимость константы скорости к химической реакции от температуры Т, в рассматрива-
емом случае эта формула определяет скорость деградации изоляции и старение конденсатора.— Прим. пер.
2 Ознакомиться с методиками, учитывающими особенности технологии и условий эксплуатации, можно в публикациях [1, 2].— Прим. пер.
частот 10 или 20 кГц, характерных для авто-
мобильных применений, поведение конден-
саторов может варьироваться в ту или иную
сторону. Хотя, если посмотреть специфика-
цию, то сведения об этих отличиях вы там
не обнаружите. Существуют различия между
компонентами разных производителей, про-
являющиеся и в диапазоне низких температур
(при отрицательных температурах, близких
к граничным). Поэтому, как уже было сказа-
но, здесь необходимо использовать сведения
о ноу-хау производителя или информацию
от нейтрального дистрибьютора.
Формула Аррениуса
Ключевым аспектом здесь может быть, на-
пример, ожидаемый срок службы гибридно-
го конденсатора. Чтобы определить это, раз-
работчики любят использовать известную
формулу Аррениуса1. Для этого им требуется
срок службы, указанный производителем, Еь,
максимальная температура Ттах, повышение
температуры АТ0 (6 К, максимально допу-
стимое значение, может варьироваться в за-
висимости от серии и производителя) при
подаче пульсирующего тока и температура
поверхности конденсатора Тс во время его
эксплуатации. Таким образом, ожидаемый
срок службы, или, как иногда говорят, про-
должительность жизни, конденсатора рас-
считывается следующим образом:
Ттах+АТ0-Тс
L=Lb*2 10 .
Тем не менее данная формула не учиты-
вает особенности технологии полимерных
гибридных конденсаторов и условий эксплу-
атации2. Это связано с тем, что она прибли-
зительно описывает количественную темпе-
ратурную зависимость и имеет недостаток,
заключающийся в том, что влияние пульса-
ций тока в конденсаторе не учитывается в до-
статочной степени, поскольку предполагается
только некий условный максимальный сце-
нарий. Однако самонагрев, вызванный пуль-
сирующим током, оказывает существенное
влияние на срок службы конденсатора. Кроме
того, токи пульсации в реальном примене-
нии редко остаются постоянными при лю-
бой температуре в течение всего срока служ-
бы. Поэтому при определении срока службы
лишь максимально точные расчеты и исполь-
зование ноу-хау производителя или эксперта
являются ключом к созданию эффективного
схемно-конструктивного решения. Мы здесь
недаром говорим именно о схемно-конструк-
тивном решении, так как конденсаторы мо-
гут нагреваться не только от токов пульсаций
и температуры среды эксплуатации конечно-
го продукта, но и от рядом расположенных
элементов — транзисторов, силовых дроссе-
лей, и не только.
Более точные данные и определенные кон-
кретные значения можно найти в Интернете
или в техническом описании, но они до-
ступны исключительно от фактического
производителя компонентов (как правило,
публикуются в документах, известных как
“Application Note” или “White Paper”). Только
основываясь на знании этих особенностей,
своих ноу-хау, доступных формулах и дан-
ных собственных измерений, производитель
рассчитывает срок службы. Кроме того, про-
изводитель анализирует максимально воз-
можную нагрузку на конденсатор и передает
эту информацию потребителям для удобства
процесса принятия решения. Он (изготови-
тель) предоставляет клиенту список моделей,
которые лучше всего подходят для соответ-
ствующего применения: какое их количество
будет оптимальным, например, для парал-
лельного включения и как долго конденсатор
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
пассивные элементы КОМПОНвНТЫ
будет работать при тех или иных условиях эксплуатации. Ведь это
тоже гарантия и имидж, или гудвилл, производителя,— он завоевы-
вается годами, а теряется в минуты3.
Таблица зависимости срока службы
от рабочего профиля конденсатора
В таблицах, указывающих срок службы, производители конден-
саторов перечисляют различные значения, полученные по резуль-
татам испытаний. Это может быть использовано для определения
того, как срок службы соответствующей схемы может быть уве-
личен с помощью вариации таких параметров, как температура
корпуса и ток пульсаций при частоте 100 кГц. Если, например,
на основе созданной нами условной таблицы срока службы кон-
денсаторов (табл. 1) предполагается, что при температуре +125 °C
и токе пульсаций 2 А срок службы составляет 5000 ч, то при темпе-
ратуре + 145 °C и токе 6 А срок службы конденсатора составит 850 ч.
Выделенная область номинальных значений относится к диапазону,
определенному по конкретным результатам измерений, тогда как
расширенная область относится к экстраполяциям, основанным
на результатах измерений.
Таблицы с данными срока службы от производителей показывают
(как правило, в них можно найти данные по средней наработке на от-
каз неремонтируемого устройства — Mean time to failure, MTTF), что
на практике возможны гораздо более высокие значения, чем указан-
ные в техническом описании, и они создают уверенность в перспек-
тивности технологии полимерных гибридных конденсаторов.
Рабочий профиль (в английской терминологии его иногда называют
mission profile, по аналогии с оценкой надежности конечных продук-
тов, как режимы их работы на всем сроке службы), представленный
на рис. 1, описывает напряжения и воздействия, которым подвергается
конденсатор в реальной эксплуатации. К ним относятся, в частности,
изменение температуры окружающей среды и рабочих температур,
длительность нагрузки и измеренный на определенной частоте ток
пульсаций. Измерение такого профиля требует значительного вре-
мени, но имеет смысл только в случае, если схема должна быть спроек-
тирована наиболее эффективно, и производитель таким образом под-
тверждает, что в ней вместо четырех конденсаторов в параллельной
схеме вполне достаточно трех. Такой подход, и это очевидно, предо-
ставляет клиентам более полную и точную информацию о надежности
конденсатора в соответствующем конечном приложении.
Тест на перегрузку для компонентов
Кроме того, производители проводят тесты на перегрузку и вклю-
чают соответствующие результаты в свои расчеты. Поскольку этой
технологии менее десяти лет и, таким образом, она все еще отно-
сительно нова, эти испытания представляют для производителей
важный источник ценной информации о качестве, которая позволяет
Рис. 1. Рабочий профиль позволяет более точно рассчитать срок службы
конденсатора в конкретном приложении и в конкретных условиях эксплуатации.
Предоставлено Rubycon PZ-Cap Division
Таблица 1. Таблица оценки срока службы показывает ожидаемые сроки службы
полимерного гибридного конденсатора при различных температурах и токах.
Предоставлено Rubycon PZ-Cap Division
Ток, А (с.к.з.) при частоте 100 кГц
0 1 2 3 4 5 6
40 1 900000 1 800000 1 700000 1 600000 1 500000 1 400000 1 250000
60 500000 483 000 455 000 420000 387 000 345 000 308 000
80 125 000 120000 109 000 104 000 94 000 87 000 78 000
ГО ££ 90 62 000 59 000 56 000 52 000 47 000 42 000 38 000
!g 105 21000 20000 19 500 17 800 17 000 15 000 13 900
125 5500 5200 5000 4600 4200 3800 3400
145 1300 1250 1150 1100 950 900 850
Ячейки серого цвета — область номинальных значений
Ячейки белого цвета — расширенная область
наметить пути дальнейшего усовершенствования существующих
моделей и разработки новых конденсаторов4.
Для примера рассмотрим условия тестирования конденсатора с но-
минальным рабочим напряжением 25 В, выполненного в корпусе
с размерами 10x10 мм. Этот конденсатор, согласно спецификации,
рассчитан на токи пульсации 2 А при частоте 100 кГц, характеризу-
ется ESR, равным 20 мОм, и 4000 ч наработки на отказ (MTTF) при
температуре окружающей среды +125 °C. При испытаниях он под-
вергался воздействию значительно более высоких пульсаций тока.
Кроме того, такие испытания были выполнены для двух отдельных
партий в двух разных лабораториях при постоянной температуре
окружающей среды +125 °C. В каждой протестированной партии
было по 200 конденсаторов.
При тестировании с токами пульсаций в 6 А, то есть с тройной
перегрузкой, конденсаторы отработали более 19000 ч и функциони-
ровали бы еще дольше. Дрейф емкости стабилизировался на уровне
потерь приблизительно 18%, в то время как определение конца срока
службы, согласно спецификации, составляет 30%, что, собственно,
и является критерием отказа. ESR оставалось постоянным, в начале
испытания 18 мОм, при значении в спецификации 20 мОм, с вы-
равниванием на уровне 22 мОм. Эксперты из компании Rutronik
пошли дальше и провели дополнительную ESR в условиях предельно
низких температур. Значение ESR не изменилось даже тогда, когда
конденсаторы были заморожены до -55 °C. Для выяснения харак-
тера поведения конденсаторов при низких температурах инженеры
по маркетингу этих продуктов сотрудничали с инженерами испы-
тательной лаборатории Rutronik. Их целью была разработка порта-
тивного демонстрационного испытательного измерительного обо-
рудования, замораживающего SMD-конденсатор с низким ESR, в том
числе и гибридный полимерный конденсатор, в течение нескольких
секунд, постоянно измеряя ESR. На этой установке можно вживую
наблюдать процесс изменения. В результате было наглядно показано,
что ESR полимерного гибридного конденсатора остается абсолютно
стабильным, тогда как ESR электролитического конденсатора в ана-
логичных условиях увеличивается более чем в пять раз.
При максимальной перегрузке в 14 А на конденсатор, которая при-
водит к внутренней температуре конденсатора примерно в +150 °C,
только одна из четырех партий не прошла тест длительностью
в 4300 ч. Однако причиной послужила не сама гибридная полимер-
ная технология. Причина отказа вызвана тем, что высокая темпе-
ратура привела к тому, что резиновая герметизирующая заглушка
стала пористой. Чтобы устранить это слабое место, производители
уже ищут другие уплотнительные механизмы и новые решения кон-
струкции конденсатора.
3 Спросите у инженеров со стажем, что такое конденсатор К50-6 Ереванского радиозавода, — услышите
много специфических идиоматических выражений. — Прим. пер.
4 Здесь автор статьи не совсем прав, такие испытания на надежность назывались «ускоренные ис-
пытания», проводились у нас еще во времена СССР с целью вызвать искусственное старение.
Автор перевода лично участвовал в их проведении. — Прим. пер.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
10
КОМ ПОНеНТЫ пассивные элементы
Такие стрессовые тесты показывают,
что возможности гибридных технологий
далеко не исчерпаны. Все изготовители
по-прежнему усердно работают над даль-
нейшей оптимизацией своих полимерных
гибридных конденсаторов, тем самым все
более совершенствуя их. Целью является
достижение более высоких токов, рабочих
напряжений и температур в течение более
длительного срока службы. Ведутся и работы
по улучшению конструкции, направленные
на дополнительное сокращение размеров
SMD-конденсаторов, чтобы выполнить тре-
бования по достижению большей миниатю-
ризации при более высоких нагрузках.
Конденсатор
с аксиальными выводами
Гибридный
конденсатор
Рис. 2. Пример замены обычных конденсаторов с аксиальными выводами на полимерные гибридные конденсаторы.
Фото предоставлено Rubycon PZ-Cap Division
Замена конденсаторов в схемах
В настоящее время довольно часто воз-
никает проблема необходимости заменить
конденсаторы одних типов другими, в том
числе рассматриваемыми нами полимерны-
ми гибридными конденсаторами. Например,
если два или даже три алюминиевых элек-
тролитических конденсатора в цепи можно
заменить гибридным, это означает солидную
экономию с точки зрения размера, высоты
установки и места на печатной плате. Кроме
того, благодаря своим специфическим свой-
ствам гибридный конденсатор гарантирует
большую стабильность, чем алюминиевый
электролитический конденсатор. Здесь име-
ется в виду увеличение ESR, изменение его
характеристик, в том числе емкости, в те-
чение срока службы, а также зависимость
характеристик от частоты и температуры5.
Например, в одной реальной конструк-
ции возник вопрос замены алюминиевых
электролитических конденсаторов с аксиаль-
ными выводами (рис. 2, табл. 2). Фактически
был сделан выбор между традиционными
алюминиевыми электролитическими кон-
денсаторами с аксиальными выводами и ги-
бридным конденсатором, причем также с вы-
водами (не SMD). Ток пульсации для каждого
типа конденсаторов также был одинаковым.
Отличие заключалось лишь в том, что об-
щая емкость гибридных конденсаторов была
ниже. Это часто встречается в большинстве
Реклама
ПЛАТЫ ПЕЧАТНЫЕ
опытное и серийное производство,
проектирование, монтаж
КОНТРАКТНАЯ РАЗРАБОТКА
Таблица 2. Достигнутые преимущества: уменьшение занимаемого пространства, веса и затрат
Номинальная емкость 470 мкФ Результат 150 мкФ
Габаритные размеры 18x25 мм (63,6 см3) -75% 10x20 мм (15,7 см3)
ESR при +20 °C 43 мОм/10 кГц Меньшее ESR 12 мОм/Ю кГц (измеренное значение)
Ток пульсаций* при +125 °C 11,1 А(с.к.з.)/10кГц Те же пульсации 12 А (с.к.з.)/10 кГц
Срок службы при +125 °C 4000 ч 4000 ч
Примечание. * Максимальный пульсационный ток в корпусе конденсатора +125 °C
при температуре среды Тс (измеряется на поверхности корпуса) при его установке на радиатор.
решений с гибридными полимерными кон-
денсаторами, но обычно уменьшение емко-
сти не оказывает заметного влияния на ра-
боту схемы. Данное утверждение основано
на том, что использование конденсаторов
в цепях питания определяется их ESR и до-
пустимым током пульсаций.
Учитывая большие токи, в устройствах,
аналогичных рассматриваемому, как правило,
применяются крупногабаритные аксиальные
конденсаторы или конденсаторы с выводами
типа Soldering star, которые обеспечивают до-
ставочную механическую прочность, но они
также демонстрируют все типичные недостат-
ки алюминиевых электролитических конден-
саторов. В отличие от них гибридный конден-
сатор потребовал гораздо меньше места для
установки, имел значительно более низкое
значение ESR и обеспечивал на тех же токах
высокую стабильность в течение всего срока
службы. Помимо экономии места и веса в ко-
нечном устройстве, гибридный конденсатор
также обеспечил экономию за счет уменьше-
ния его себестоимости.
Заказчики, желающие извлечь выгоду
из замены традиционных электролитиче-
ских конденсаторов на полимерные, долж-
ны не заниматься блужданием в потемках,
а кроме изучения спецификаций исполь-
зовать сведения о ноу-хау производителей
и независимых экспертов, которые могут
оценить технологию с нейтральной точки
зрения. Инженеры технической поддержки
в компаниях, предлагающих такие услуги,
сотрудничают с разработчиками, предостав-
5 Одним из перспективных направлений в этом вопросе является замена в системах питания на полимерные электролитические кон-
денсаторы большей части многослойных керамических MLCC, что позволит выйти из рыночного пике, связанного с их нарастающим
дефицитом. Более подробно эти вопросы освещены в публикациях [3, 4], а вопросы надежности при замене традиционных электро-
литических конденсаторов на полимерные — в публикациях [5, 6].— Прим. пер.
ляя им независимые консультации по про-
дуктам и технологиям. Чтобы гарантировать
оптимальное схемотехническое решение,
эксперт может выступить в роли посредни-
ка, который напрямую контактирует с раз-
личными специалистами от производителей
и обладает солидным багажом накопленных
знаний по этой и другим проблемам.
Литература
1. Рентюк В., Синякова О. Зависимость времени
наработки на отказ электролитических кон-
денсаторов от реальных условий их эксплуата-
ции // Компоненты и технологии. 2014. № 7.
2. Рентюк В. Алюминиевые электролитиче-
ские конденсаторы, или Еще раз про надеж-
ность // Силовая электроника. 2018. № 3.
3. Рентюк В. Проблема оптимального выбора ком-
бинации входных и выходных конденсаторов
для подавления пульсаций и помех DC/DC-пре-
образователей. Часть 1 // Компоненты и техно-
логи. 2016. № 11.
4. Рентюк В. Проблема оптимального выбора ком-
бинации входных и выходных конденсаторов
для подавления пульсаций и помех DC/DC-пре-
образователей. Часть 2 // Компоненты и техно-
логи. 2016. № 12.
5. Пухане Ф. Алюминиевые конденсаторы: электро-
литический или полимерный? Полноценная
реализация их преимуществ // Компоненты
и технологии. 2018. № 8.
6. Рентюк В. Электролитические конденсаторы:
традиционные или полимерные, вот в чем во-
прос // Компоненты и технологии. 2017. № 9.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
Ежегодный электронный сборник
«Электромагнитная совместимость в электронике»
СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ, ПОСВЯЩЕННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ, ИЗ ЖУРНАЛОВ
«Компоненты и технологии», «Электронные компоненты» и «Современная электроника»
КОМПОНЕНТЫ
И ТЕХНОЛОГИИ
(. «• п'| |» о и г н I I <; С h it <» logit*’’
Современная
2Л\ ЭЛЕКТРОНИКА
Electronic Components
Приглашаем всех желающих присоединиться к выпуску второго номера.
ВЫХОД-ИЮНЬ 2019 г.
ОСНОВНЫЕ РУБРИКИ СБОРНИКА:
САПР
/ ЭМП-фильтры
Заземление
Стандарты ЭМС
Пассивные компоненты
Экранирование
Топология печатных плат
тео,йГл.Т
Формат издания: электронный, PDF
Периодичность: ежегодно
Распространение бесплатно и без регистрации
Уведомления о новых выпусках:
электронная рассылка
ЗАХОДИТЕ НА САЙТ, ЧИТАЙТЕ И СКАЧИВАЙТЕ
ИНТЕРЕСУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
emc-e.ru
/ Разработка и конструирование
Испытание на ЭМС
Реклама
electronics^
компоненты вч/свч -элементы
Делители частоты.
Часть 4. Регенеративные,
переключаемые и малошумящие
делители частоты
Сергей ДИНГЕС,
к. т. н.
Виктор КОЧЕМАСОВ,
к. т. н.
В четвертой, заключительной части публикации, посвященной обзору
делителей частоты СВЧ-диапазона, рассматриваются регенеративные
и малошумящие делители. Приводятся основные сведения о технических
решениях, используемых при реализации делителей с переключаемыми
диапазонами.
Регенеративные делители РЧД
Регенеративные, или динамические делители частоты РДЧ
(Regenerative Divider), называемые в англоязычных источниках де-
лителями Миллера (Miller Divider), представляют собой замкнутую
кольцевую структуру, содержащую преобразователь частоты сиг-
нала. В структуре реализуется положительная обратная связь, что
при подаче входного сигнала приводит к возникновению выходного
колебания необходимой частоты.
В самом общем виде структурная схема регенеративного делителя
частоты, поясняющая принцип его работы, показана на рис. 1. Такой
делитель в минимальной конфигурации содержит замкнутые в пет-
лю преобразователь частоты, фильтр и РЧ-усилитель.
Подлежащий делению входной сигнал с частотой fBX поступает
на вход преобразователя частоты. Устанавливаемый на выходе пре-
образователя ФНЧ или полосовой фильтр используется для выде-
ления полезной комбинационной составляющей 02 и подавления
J JJA.
зеркальной частоты 3^/2. Если петлевое усиление на частоте fBJ2
Рис. 1. Принцип работы регенеративного делителя частоты
больше единицы, в устройстве на этой частоте возникают незатуха-
ющие колебания.
В регенеративных делителях используется идеальный преобразо-
ватель частоты, чье выходное напряжение пропорционально произ-
ведению двух сигналов: входного и поступающего с выхода делите-
ля. В этом случае при отсутствии входного сигнала условие баланса
амплитуд в петле не выполняется, возникновение стационарных
колебаний в таком делителе невозможно, сигнал на выходе регенера-
тивного делителя частоты существовать не может.
В регенеративных делителях частоты, которые могут рассматри-
ваться как разновидность синхронизированных автогенераторов,
деление частоты является результатом формирования в петле необ-
ходимой частотной компоненты, ее образование можно считать ре-
зультатом последовательного выполнения двух операций: преобра-
зования частоты с выделением необходимого частотного колебания
и усиления колебаний с помощью усилителя.
Механизм возникновения колебаний в схеме такой же, как в авто-
генераторах. За счет действия флуктуаций в схеме возникают неболь-
шие колебания разных частот. При выполнении условий баланса фаз
и амплитуд в схеме происходит увеличение амплитуды колебаний
определенной частоты до некоторого стационарного значения, опре-
деляемого имеющимися в схеме нелинейностями.
Структуры схемотехнически реализуемых регенеративных дели-
телей с коэффициентом деления, отличным от двух, применяемые
в серийно выпускаемых изделиях, приведены на рис. 2. В структу-
ре, показанной на рис. 2а, в петлю введен умножитель частоты на N.
Если петлевое усиление в кольце на частоте fBXj(N+1) больше единицы,
на этой частоте в устройстве возникают незатухающие колебания.
Таким образом, в устройстве реализуется схема деления входной ча-
стоты^ на (N+1). Применяемый в устройстве полосовой фильтр
Рис. 2. Упрощенные структуры: а) регенеративного делителя с выходной частотой fBX/N+1; б) двухчастотного делителя с выходными частотами fвх/2 и 3fBX/2
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
необходим для подавления зеркальной часто-
ты ^X(2N+1)/(N+1) на выходе преобразова-
теля частоты. Потенциально регенеративные
делители имеют очень низкий уровень шума.
Как было показано ранее на рис. 1, если
в петле не применяется умножитель, частота
входного сигнала делится на два. В регенера-
тивных делителях частоты, особенно в осу-
ществляющих деление на два, в качестве пре-
образователя частоты чаще всего используют
кольцевые модуляторы, двойные балансные
смесители на основе ячеек Гильберта (рис. 3),
поскольку в отсутствие входного сигнала ко-
эффициент передачи этих цепей равен нулю
и самовозбуждение в схеме невозможно.
На рис. 3 проиллюстрированы варианты
схемотехнической реализации РДЧ при по-
даче сигнала обратной связи на РЧ (рис. За)
или гетеродинные (рис. Зб) входы преобра-
зователя частоты.
Анализ научных публикаций показывает,
что в настоящее время в ряде разработок ре-
генеративных делителей, сведения о которых
приведены в таблице 1, достигнуты рабочие
частоты 300 ГГц [1]. Следует отметить реге-
неративный делитель диапазона 31-41, обла-
дающий очень хорошей совокупностью па-
раметров и характеристик [2]. Уникальным
является и его энергопотребление — в пу-
бликации сообщается, что делитель работо-
способен при напряжении питания 1,1 В
и потребляет при этом всего 2 мА.
Ряд регенеративных делителей часто-
ты на два, основные характеристики кото-
рых представлены в таблице 2, производит
и предлагает на рынке компонентов компа-
ния Wenzel.
Эти модули содержат входной усилитель
для использования в приложениях с малыми
уровнями входной мощности в диапазоне
0...+3 дБм. Модуль включает малошумя-
щий смеситель, фильтры, усилитель и де-
литель мощности. Модуль LNRD5 (рис. 4)
имеет исключительно низкий уровень фа-
зового шума. Типовая мощность шума при
отстройке 100 кГц составляет -170 дБн/Гц
(-168 дБн/Гц гарантирован на всех частотах),
и шум замкнутой петли значительно ниже,
чем при использовании лучших кварцевых
источников, что делает, по заявлению про-
изводителя, LNRD5 почти идеальным дели-
телем частоты. Этот делитель предназначен
Рис. 3. Варианты введения сигнала обратной связи при использовании двойного балансного смесителя
на основе ячейки Гилберта для реализации делителя: а) на РЧ-входы; б) на гетеродинные входы
Таблица 1. Характеристики регенеративных делителей частоты с максимально достигнутыми рабочими частотами
Публикация кЛч 1/ 1Хдел Технология (ffnin ^maxl/fцентр» ипит, в Pnov мВт
[1] 304,8-331,2 2 1пР НВТ (fT= 375 ГГц) 8,2 4,1; 3,3 85,5
[3] 51-168 2 SiGe:C (fT = 215 ГГц) 106 4 105
[4] 80-160 4 SiGe (fT= 225 ГГц) 66 -5,5 650
[2] 31-41 2 CMOS, 80 нм 27 1,2 2,4
Таблица 2. Основные параметры малошумящих регенеративных делителей с частотами f/2
LNRD5 LNRD6 LNRD7 LNRD8
Входная частота, ГГц 2-12 0,01-2 0,01-2 2-12
Уровень шума, дБн/Гц (100 кГц) -168 -172 -172 -168
Рвх, ДБм 0...+3 +20...+23 + 10+20 +10...+13
Рвых» дБм >4-10 >+15 >+15 >+10
Ток при 11пит= 15 В ±2%, мА <150 <100 200 <100
Размер корпуса, мм 63,5x38,1x13,9 50,8x31,7x20,3 76,5x31,7x20,3 63,5x38,1x13,9
Рис. 4. Конструктивное выполнение и структура регенеративного делителя LNRD5
Рис. 5. Конструктивное выполнение и структура регенеративного делителя LNRD2
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
14
компоненты вч/свч -элементы
Таблица 3. Основные параметры малошумящего
регенеративного делителя с частотами f/2 и 3f/2
LNRD2 LNRD4
Входная частота, МГц 0,01-2 0,01-2
Рвх> ДБм +20...+23 +10...+20
Рвых» ДБм до +15 до+15
Источник питания 15В/200 мА 15 В/< 300 мА
для работы на фиксированной входной ча-
стоте в диапазоне 2-12 ГГц.
На рис. 5 приведена структура малошу-
мящего регенеративного делителя частоты
на два LNRD2, имеющего дополнительный
выход с частотой 3/72, производимого ком-
панией Wenzel. Деление осуществляется
с помощью малошумящего смесителя и уси-
лителя. Устройство содержит высококаче-
ственный смеситель, фильтры, усилители
и делители мощности, необходимые для соз-
дания двух выходов //2 и одного выхода 3fH.
Такую же структуру имеет делитель LNRD4
(табл. 3). Типовое значение шума при от-
стройке 100 кГц составляет -175 дБн/Гц, га-
рантированное производителем значение
-172 дБн/Гц. Делители предназначены для
работы на фиксированной входной частоте
в диапазоне 10-2000 МГц.
Входные и выходные сигналы имеют си-
нусоидальную форму. Типовое значение
уровня собственных шумов этих делите-
лей составляет -175 дБн/Гц (гарантировано
-172 дБн/Гц), что ниже, чем у серийно выпу-
скаемых генераторов с кварцевыми резона-
торами широкого применения. Устройства
снабжены входными и выходными разъема-
ми типа SMA(f), смонтированы в прочном
корпусе размером 7,62x5,08x2,03.
Наиболее высокочастотной моделью ре-
генеративного делителя на рынке является
широкополосный малошумящий делитель
на четыре HMC447LC3 компании Hittite
Microwave.
Этот широкополосный делитель, выпол-
ненный по технологии InGaP GaAs НВТ,
работает при входных частотах 10-26 ГГц
и имеет очень широкий диапазон допусти-
мых уровней входной мощности. У делителя
очень низкий фазовый шум -150 дБн/Гц при
расстройке 100 кГц, что делает его идеальным
для использования в высокочастотных си-
стемах ФАПЧ и в схемах распределения ча-
стот гетеродина, если в системе необходимы
основная и поделенные частоты гетеродина.
Делитель частоты потребляет всего 96 мА
от одного источника питания +5 В, помещен
в корпус размером 3x3 мм и обеспечивает
очень плоскую характеристику величины
выходной мощности в номинальной рабо-
чей области.
В работе [7] представлен реализованный
в 130-нм InP НВТ-процессе динамический
делитель частоты 529 ГГц на два, который
на сегодня является самым быстродейству-
ющим делителем из существующих. Для
Рис. 6. Структуры динамического ДЧ: а) традиционная; б) усовершенствованная
преодоления ограничений по рабочему диа-
пазону частот традиционной динамической
структуры делителей частоты представлен-
ный делитель основан на новой схемотех-
нической структуре. Измерение на пластине
показало, что делитель работает с входной
частотой 528-529,2 ГГц с настройкой напря-
жением смещения, потребляя мощность ме-
нее 196 мВт.
Для преодоления ограничений по вели-
чине рабочей полосы частот обычных дина-
мических делителей в работе [7] была пред-
ложена новая топология делителя (рис. 66).
Во-первых, каскады с общим эмиттером ОЭ
на входе делителя (рис. 6а) заменены на ка-
скады с общей базой ОБ (VT1 и VT2). Один
НВТ-транзистор в конфигурации ОБ обе-
спечивает 9 дБ максимального устойчивого
усиления/максимального доступного уси-
ления (maximum stable gain, MSG/maximum
available gain, MAG) на частоте около 600 ГГц,
что значительно выше 3 дБ аналогичных
параметров в конфигурации ОЭ. Поэтому
входные каскады ОБ улучшают чувствитель-
ность входа делителя на 6 дБ по сравнению
с традиционной структурой.
Во-вторых, вместо НВТ эмиттерного по-
вторителя используются каскады ОБ (VT7
и VT8) так, что функционирование де-
лителя больше не ограничено граничной
частотой НВТ-транзисторов. Выходной
сигнал этих ОБ каскадов НВТ возвращает-
ся на дифференциальные пары транзисто-
ров VT3, VT4 и VT5, VT6 через конденса-
торы С1 и С2 и линии передачи W7 и W8.
Моделирование показывает, что традицион-
ная схема (рис. 6а) работает до входной ча-
стоты 400 ГГц, а предлагаемая схема делителя
способна действовать на частотах 600 ГГц,
что значительно увеличивает максимальную
входную рабочую частоту делителя. В схе-
ме на рис. 66 элементы Wl, W2 и W3, W4
обеспечивают входное и межкаскадное со-
гласование соответственно. Элементы в цепи
обратной связи Cl, С2 и W5-W8 были скор-
ректированы в процессе разработки ДЧ для
достижения оптимальной ширины рабочей
полосы делителя. Линии передачи W9-W12
обеспечивают согласование выходных цепей
делителя.
Делители частот
с переключаемыми диапазонами
Для улучшения характеристик делителей
частоты, прежде всего расширения диапазо-
на рабочих частот, стали широко использо-
ваться ДЧ с переключаемыми рабочими диа-
пазонами (band-switched frequency divider).
Регенеративные делители частот
с переключаемыми диапазонами
На рис. 7 приведена обобщенная структу-
ра смесителя регенеративного СВЧ-делителя
частоты с использованием топологии ячейки
Гильберта [5, 8, 9]. Для расширения рабочего
диапазона в делителе предусмотрена комму-
тация резонаторов или индуктивностей ис-
пользуемого колебательного контура L1-L4
(рис. 7). Для этого имеются переключатели
SAn и SAp. Использование набора (банка)
индуктивностей позволяет уменьшить по-
требление энергии источника питания и мо-
жет обеспечить более широкий диапазон
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
15
Рис. 7. Обобщенная структура регенеративного
делителя частоты с переключаемыми диапазонами
Рис. 8. Блок-схема обычной автоколебательной калибровки ГУН и инжекционного делителя ILFD
синхронизации по сравнению с варактор-
ным банком, который также применим.
Секции индуктивности резонатора могут
быть подключены на «землю» по РЧ через
конденсаторы СЬ с помощью ключей SAln
и SA2n, которые представляют собой тран-
зисторы пМОП (nMOS). Ключи SAlp добав-
ляются в схему, чтобы обеспечить лучший
импеданс (полное сопротивление) короткого
замыкания. Для поддержания управляюще-
го напряжения ключей SAp ниже, чем на-
пряжение питания, эти ключи реализованы
с помощью рМОП-транзисторов. Входные
индуктивности L3 и L4 предназначены для
согласования входных цепей устройств.
Калибровка ДЧ
с переключаемыми диапазонами
При увеличении числа резонаторов в де-
лителе частот с переключаемыми рабочими
диапазонами пропорционально увеличи-
вается и суммарная рабочая полоса частот.
Если значение входной частоты изменяется,
для сохранения или достижения синхрониз-
ма делителя необходимо соответствующим
образом производить коммутацию резонато-
ров устройства. При этом для их корректной
коммутации в рассматриваемом классе ДЧ
значение входной частоты необходимо из-
мерять — оценивать. В делителях частоты
с переключаемыми диапазонами для этого
используются дополнительные схемы кали-
бровки частоты (frequency calibration circuit).
Для автоматизации переключения резо-
наторов в инжекционных делителях при-
меняется калибровка автоколебаний (self-
oscillating calibration).
Обычный автоколебательный метод ка-
либровки, принцип которого иллюстрирует
рис. 8, может быть реализован для ГУН при
сравнении сигнала деления (fdiv) и опорного
тактового сигнала (fref). Селектор диапазона
выбирает соответствующий диапазон в за-
висимости от результата сравнения сигналов
в частотном детекторе ФД. Точно так же авто-
колебательная калибровка может быть при-
менена к инжекционным делителям ILFD,
которые тоже являются автоколебательными
устройствами [8]. Один из недостатков этого
метода — то, что он может не обеспечивать
синхронизации при изменении напряжения
питания или температуры, поскольку после
завершения поиска частоты управляющий
сигнал остается постоянным.
Поэтому схема калибровки должна содер-
жать детектор синхронизации для возобнов-
ления процедуры поиска частоты при срыве
синхронизации. Детектор синхронизации
потребляет мощность от источника постоян-
ного тока и занимает определенную площадь
на чипе, что может быть критичным факто-
ром при реализации делителя. Другим недо-
статком рассмотренного вида калибровки
является то, что она подходит только для ав-
токолебательных цепей, таких как ГУН и ин-
жекционный делитель. Если сигнал с выхода
делителя частоты не поступает, детектор ча-
стоты не может работать должным образом.
Следовательно, для несамовозбуждающейся
цепи, такой как регенеративный делитель,
автоколебательная калибровка не подходит.
Для того чтобы решить эту проблему,
используются схемы неавтоколебательной
t, мкс
Рис. 9. Выходные сигналы различных типов ДЧ в синхронизированном и несинхронизированном режимах
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
16
компоненты вч/свч -элементы
Таблица 4. Сравнение характеристик КМОП ДЧ с различными методами калибровки
Публикация [8,9] [Ю] [11] [12] [23]
Входная частота, ГГц 8,2-14,8 64,3-66,2 60 39,1-41,6 57-66
Технология 0,18 мкм 0,13 мкм 90 нм 90 нм 45 нм
Калибровка не авто авто авто авто авто
ТипДЧ регенератив. инжекцион. инжекцион. инжекцион. инжекцион.
Частота опорная f0 50 МГц 0,25 МГц 0,4 МГц н/д н/д
Диапазон синхронизации, % 57,4 2,9 87 16 19,4
Время калибровки 40 нс 150 нс 15 мкс Более 1 мс 5 периодов f0
FoM 1,435 0,019 0,006 0,000016 н/д
Примечания.
н/д — нет данных.
Диапазон синхронизации (Locking Range)% = 100% 2(fmax—fmin)/(fmax+fmin).
Показатель качества FoM = Диапазон синхронизации,%/время калибровки, нс.
делители частоты как малошумящие или
даже сверхмалошумящие.
Теоретически делители частоты улучшают
уровень фазового шума сигнала: в процес-
се деления частоты он уменьшается в число
раз, равное коэффициенту деления N, или
на 201gN при использовании логарифмиче-
ских единиц дБ. На практике применяемые
для деления частот логические устройства,
как правило, обладают большим уровнем
шума, чем лучшие источники колебаний,
и, кроме того, быстродействующие устрой-
ства деления генерируют гармоники сигна-
лов, которые могут распространяться по всей
РЧ-системе. Для снижения уровня нежела-
калибровки (non-self-oscillating calibration).
Принцип их работы основан на том, что
функционирование инжекционных и ре-
генеративных делителей в разомкнутом,
несинхронизированном состоянии различ-
но (рис. 9). Если инжекционный делитель
функционирует в незамкнутом состоянии,
выходной сигнал является многочастотным
(многотональным) [8]. В том же состоянии
регенеративный делитель действует как уд-
воитель частоты, но с выходным сигналом
очень малого уровня. Поэтому в схемах
калибровки регенеративных делителей ис-
пользуются детекторы мощности выходно-
го сигнала. Если уровень этого сигнала мал,
происходит циклическое изменение рабоче-
го поддиапазона ДЧ до тех пор, пока сигнал
не возрастет. Это будет означать, что выбран-
ный поддиапазон работы ДЧ соответствует
частоте входного сигнала и наступил режим
синхронизации делителя.
Следует отметить, что СВЧ-делители ча-
стоты, не содержащие индуктивных эле-
ментов (Inductor-Less Frequency Dividers),
работающие на максимально возможных
для применяемых активных элементов ча-
стотах, также нуждаются в коррекции ре-
жимов работы при изменении рабочей
частоты. В таких делителях используются
методы их самокалибровки для обеспечения
частотной синхронизации в широком диа-
пазоне частот с малой амплитудой входного
сигнала при вариациях технологического
процесса, напряжения и температуры (PVT-
вариации). Тем самым оптимизируется
потребляемая мощность и обеспечивается
надежность функционирования ДЧ. В рабо-
те [9] представлено несколько методов про-
ектирования динамических безындукцион-
ных делителей частоты, предназначенных
для расширения рабочего диапазона частот
и увеличения диапазона синхронизации.
Авторами описаны три прототипа делите-
лей на четыре, выполненных с использова-
нием 65-нм КМОП-технологии, предназна-
ченых для охвата диапазона частот, превы-
шающего 16-67 ГГц, и предложены методы
их калибровки.
В таблице 4 приведены основные харак-
теристики КМОП-делителей частоты, вы-
полненных с использованием различных
методов калибровки, позволяющие сделать
вывод о перспективности их применения для
расширения рабочих диапазонов ДЧ.
По результатам анализа ряда научных пу-
бликаций выполнен рис. 10, на котором при-
ведены ширина рабочего диапазона частот
и центральные входные рабочие частоты,
достигнутые при использовании различных
методов построения ДЧ [6].
Малошумящие делители
Как ранее отмечалось, целый ряд компа-
ний-производителей позиционируют свои
тельных частотных компонентов на входе
и выходе ДЧ зачастую устанавливаются по-
лосовые фильтры.
Так поступает компания Wenzel Associates,
применяя в малошумящих модулях LNFD де-
ления на два или четыре полосовые фильтры
на входе и выходе. Ряд моделей малошумя-
щих ДЧ (UXM15P, UXC20P, UXD20K) пред-
лагает компания Centellax. Малошумящий
делитель HMC705LP4 (Е) разработала компа-
ния Hittite Microwave. Кроме этого, компания
предлагает серию малошумящих статиче-
ских делителей частоты серии HMC-C00*.
По заявлению компании Holzworth, их
делители частоты имеют самый низкий ад-
дитивный фазовый шум среди таких изде-
лий. Компания предлагает на рынке делитель
на 10 колебаний частоты 100 МГц. Делитель
НХ4210 относится к классу лабораторного
оборудования высокого уровня.
Делитель НХ4210 (рис. 11) был заду-
ман как выходной преобразователь сигна-
ла для ранних разработок РЧ-синтезаторов
Holzworth. Ключевое требование к конструк-
ции заключается в сохранении низкого фа-
зового шума и джиттера калиброванного
эталонного сигнала 100 МГц так, чтобы он
мог быть использован в качестве лабора-
торного эталона частоты 10 МГц. Делитель
НХ4210 и его пользовательские варианты
были приняты системными интегратора-
ми с 2007 года. Входные и выходные сигна-
лы устройства имеют одинаковые уровни
Рис. 10. Ширина рабочего диапазона частот
и центральные входные рабочие частоты, достигнутые
при использовании различных методов построения ДЧ
Рис. 11. Конструктивное выполнение и фазовый шум делителя частоты НХ4210
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
ВЧ/СВЧ-элементы I компоненты
+ 10 дБм. Делитель имеет пересчитанный
к выходу уровень аддитивного фазово-
го шума -170 дБн/Гц при входном сигнале
100 МГц. Делитель выполнен в металличе-
ском корпусе размером 44,5x38,1x12,7 мм
и снабжен разъемами SMA. ДЧ НХ4210 име-
ет высокую выходную мощность и может
работать с широким спектром источников
питания. Питание устройства происходит
от одного источника напряжения 8-12 В при
токе потребления 100 мА, предусмотрена
встроенная малошумящая схема питания.
Все изделия Holzworth подвергаются окон-
чательным эксплуатационным испытаниям
для проверки уровня фазового шума.
Потенциально наиболее низкий уровень
шума может быть достигнут в регенератив-
ных делителях частоты. Ряд малошумящих
регенеративных делителей LNRD с различны-
ми рабочими частотами выпускает компания
Wenzel Associates. Наиболее высокочастотной
моделью регенеративного делителя на рын-
ке является широкополосный малошумящий
делитель на четыре HMC447LC3 компании
Hittite Microwave. Этот широкополосный де-
литель, выполненный по технологии InGaP
GaAs НВТ, работает при входных частотах
10-26 ГГц и имеет очень широкий диапазон
допустимых уровней входной мощности.
Заключение
Для создания полупроводниковых при-
боров, используемых в современных ДЧ,
в качестве исходного материала применя-
ются элементарные полупроводники: гер-
маний (Ge), кремний (Si), селен (Se), тел-
лур (Те). Интенсивно проводятся исследо-
вания и применение соединений элементов
третьей и пятой групп таблицы Менделеева:
арсенида галлия (GaAs), арсенида ин-
дия (InAs), фосфида индия (InP), фосфида
галлия (GaP), карбида кремния (SiC) и т. д.
Серийно выпускаемые делители, в том
числе предназначенные для массовых при-
ложений, работают на частотах до 30-50 ГГц.
В научных публикациях сообщается о разра-
ботке компонентов, в частности инжекцион-
ных делителей частоты, которые могут быть
использованы до 300 ГГц.
Литература
1. Hoppner S., Henker S., Eisenreich Н., Schuffny R.
An open-loop clock generator for fast frequency
scaling in 65 nm CMOS technology. Proc.
18th Int. Conf. Mixed Design Integr. Circuits Syst.
(MIXDES), Jun. 2011.
2. Дмитриев С. Предварительные делители ча-
стоты NEC Electronics упрощают архитектуру
синтезаторов частот в диапазоне 5-13 ГГц //
Компоненты и технологии. 2005. № 4.
3. Rodwell М. et al. Transistor and Circuit Design for
100-200 GHz ICs 11 JSSC. 2005. Vol. 40. No. 10.
4. Hitko D. A. et al. A Low Power (45mW/Latch) Static
150 GHz CML Divider. CSICS Digest, 2004.
5. Plouchart J. O. et al. Performance Variations of
a 66GHz Static CML Divider in 90nm CMOS.
ISSCC Digest, 2006.
6. Li L., Reynaert P., Steyaert M. A 60GHz 15.7mW
static frequency divider in 9 Onm CMOS.
IEEE, 2010.
7. Seo M., Hacker J., Urteaga M., Skalare A.,
Rodwell M. A 529 GHz Dynamic Frequency
Divider in 130 nm InP HBT Process // IEICE
Electronics Express. 2015. Vol. 12. Iss. 3.
8. Kuo Y.-H., Tsai J.-H., Huang T.W., Wang H.
Design and Analysis of Digital-Assisted Bandwidth-
Enhanced Miller Divider in 0.18-m CMOS
Process // IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques. 2012. Vol. 60, No. 12.
9. Hussein A. I., Paramesh J. Design and Self-
Calibration Techniques for Inductor-Less
Millimeter-Wave Frequency Dividers // IEEE
Journal of Solid-State Circuits 1.2017. Vol. 52. Iss. 6.
10. Tsai К.-H., Wu J.-H., Liu S.-I. A digitally calibrated
64.3-66.2 GHz phase-locked loop. IEEE Radio
Freq. Integr. Circuit Conf., Jun. 2008.
11. Shima T., Sato J., Mizuno K., Takinami K.
A 60 GHz CMOS PLL synthesizer using
a wideband injection-locked frequency divider
with fast calibration technique. IEEE Asia —
Pacific Microw. Conf., Dec. 2011.
12. Pellerano S., Mukhopadhyay R., Ravi A., Laskar J.,
Palaskas Y. A 39.1-to-41.6 GHz fractional-
frequency synthesizer in 90 nm CMOS. IEEE Int.
Solid-State Circuits Conf. Tech. Dig., Feb. 2008.
13. Scheir K., Vandersteen G., Rolain Y., Wambacq P.
A 57-to-66 GHz quadrature PLL in 45 nm digital
CMOS. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Tech.
Dig., Feb. 2009.
Приложение. Производители делителей частоты
НПП «Исток» www.istokmw.ru
ЗАО «ОКБ МЭЛ» (г. Калуга) www.okbmel.ru/
НИИПП «Томск» www.niipp.ru
АО «НПП «Пульсар» http://pulsarnpp.ru
ООО «Научно-технический центр «ДЭЛС» (Беларусь) www.dels.by/ru/
Analog Devices www.analog.com
Adsantec www.adsantec.com/ categories/frequency-dividers/
API Technologies Corp, (раньше Spectrum Microwave) www.apitech.com
Bowei www.cn-bowei.com/Products.htm
Avtech Electrosystems avtechpulse.com
Broadcom Limited (бывшая Avago Technologies Limited) www.broadcom.com
California Eastern Laboratories www.cel.com
Centallax (присоединена к Microsemi) www.microsemi.com
Cernex www.cernex.com
Freescale/ Lansdale Semiconductor www.us-tech.com
Hittite Microwave Corporation (теперь Analog Devices) analog.com
Holzworth www.holzworth.com
Inphi www.inphi.com/portal/products/
Loreme www.loreme.fr
M/A-COM Tech Asia (ранее Mimix Asia) www.macom.com
METDA Technology www.metdac.com /
Micro Lambda Wireless www.microlambdawireless.com
Microchip (ранее Micrel) www.microchip.com /
Microsemi Corporation www.microsemi.com
Mimix (теперь M/A-COM Technology Solution) www.macom.com
Mini-circuits ww2.minicircuits.com
Motorola/ Lansdale Semiconductor www.lansdale.com / datasheets.php
NEC/CEL www.cel.com
NTLab ntlab.com
ON Semiconductor www.onsemi.com
Pasternack Enterprises ru.pasternack.com
Peregrine Semiconductor www.psemi.com
PMI www.pmi-rf.com
Renesas Electronics www.renesas.com
RF Bay www.rfbayinc.com
SHF Communication Technologies www.shf.de
Sige Microsystems Приобретена Skyworks Solutions
Skyworks Solutions www.skyworksinc.com
L3 Narda-MITEQ nardamiteq.com
Texas Instruments www.ti.com/
UMS www.ums-gaas.com
Valon Technology www.valontechnology.com
Waka www.waka.co.jp/index_e.php
Wenzel Associates www.wenzel.com
WORK Microwave www.work-gmbh.de
Zarlink Semiconductor Присоединена к Microsemi
Реклама
Международный научно технический семинар
Генерация и синтез частот и сигналов
ГСЧС2019
МОСКВА
6 АВГУСТА
www jsgfs.ru
Основные направления семинара:
• Синтезаторы частот
• Малошумящие генераторы СВЧ-колебаний
• Компоненты и функциональные узлы
• Приборы и методы измерений
Выставочная экспозиция:
Измерительное оборудование, СВЧ-фильтры и др.
>; АОНОЕв SCHWARZ
MpiaHAR
Регистрация на мероприятие до 30.06.19
Подробности участия seminar^rndlocomp.ru
KEYSIGHT
TECHNOLOGIES
I РААИОКОМП
Го.»срап1*1гин слансог
Й^ФИЛИН
Фильтры ООО
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
18 компоненты
разъемы
ЛевЧЕМАКИН
Lev.Chemakin@molex.com
Решения Molex
для создания сетевых платформ
в проектах полностью автономных
транспортных средств
Транспортные системы управления, такие как ADAS/AD (Advanced Driver
Assistance System/Automated Driving), для обеспечения работы в реаль-
ном масштабе времени должны максимально быстро получать, передавать
и обрабатывать информацию от многих источников, включая бортовые
датчики, камеры, радары, лидары, а также по беспроводным каналам
передачи данных типа V2X, из облачных сервисов и т. п. И объемы пере-
даваемой и обрабатываемой информации постоянно растут. В автоматиче-
ской транспортной среде автономные автомобили способны генерировать
до 40 Тбайт данных и управления ежесуточно. Назрела необходимость
создания высокоскоростных автомобильных интегрированных сетевых
платформ, способных обеспечивать скорости передачи информации
10+ Гбит/с, в том числе по беспроводным каналам.
Автомобильный Ethernet
Проведенные исследования и расче-
ты необходимых ресурсов для реализации
полностью автономных транспортных
средств (ТС) показывают, что существую-
щие автомобильные сети передачи данных
не удовлетворяют перспективным требова-
ниям скорости и пропускной способности.
Альтернативой является Ethernet — прове-
ренная, надежная, скоростная сеть передачи
данных, для которой в мире разработаны
и серийно используются как аппаратные,
так и программные средства, в том числе
для обеспечения безопасности передавае-
мых данных. Особенностями применения
Ethernet в ТС являются более жесткие усло-
вия эксплуатации, необходимость миниатю-
ризации и снижения себестоимости.
Решения Molex
для автомобильного Ethernet
Компания Molex, принадлежащая к чис-
лу мировых лидеров в разработке решений
для высокоскоростных компьютерных сетей,
создала для автопроизводителей многослой-
ную, мультизональную распределенную се-
тевую аппаратно-программную архитектуру
(рис. 1), обеспечивающую передачу данных
со скоростями до 10 Гбит/с, а в перспективе
и до 20 Гбит/с, с аппаратной избыточностью
(резервированием) для обеспечения надеж-
ности и поддержкой в том числе стандартов
TSN (Time Sensitive Networking).
На каждом уровне (слое) управления
Molex предлагает готовые аппаратные ре-
шения и программное обеспечение для реа-
лизации сетей с необходимыми скоростями
100 Мбит/с, а также 1, 10 и 20 Гбит/с с воз-
Сети 1 Гбит/с с резервированием
Сети 10 Гбит/с
Сети 10 Гбит/с с резервированием
Рис. 1. Автомобильная сетевая мультизональная архитектура Molex
можностью интеграции уже существующих
систем в общую архитектуру.
Базовыми узлами новой Ethernet-плат-
формы являются два типа Ethernet-шлюзов/
маршрутизаторов 1GB и 10GB с широким на-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
разъемы КОМПОНеНТЫ
Рис. 2. Ethernet-маршрутизаторы Molex: a) 1G; б) 10G
бором портов 100 Base Т1,1000 Base Tl, 10G,
с РоЕ (Power over Ethernet) или PoDL (Power
over Data Lines), CAN, LIN, USB (рис. 2).
Для коммутации этих портов Molex пред-
лагает гибкие, технически и экономиче-
ски оправданные решения в зависимости
Скорость передачи Протокол Серия Molex Применяемость
ADAS/AD данные
HSAutoGig 4G/5G данные
Интернет
HFM
(Лицензия
Rosenberger)
Телематика
ADAS данные
4К дисплеи
10 G
FPD-UNK-IV 10GBase-Tx
GMSL3 =NGAUT
USB3.X
GMSL2
Apix3
V^^KGMSL
Apix2
HSAL2
HSAL2
Навигация
от необходимой скорости передачи данных
и используемого интерфейса (рис. 3).
До скорости 1 Гбит/с можно использовать
классические автомобильные соединители
серий Mini50, StAK50, СМС/СМХ, HDAC64,
Stac64 с неэкранированной витой парой UTP
(рис. 4).
Это наиболее экономичное и техноло-
гичное решение для подключения Ethernet-
камер, датчиков и устройств. При исполь-
зовании интерфейса OABR (Open Alliance
Broad Reach) с функцией PoDL (Power
over Data Lines) возможно подсоединение
устройств всего по одной витой паре.
В диапазоне скоростей 1-10 Гбит/с для раз-
личных применений используются серии со-
единителей High Speed Autolink 1 (HSAL1)
и High Speed Autolink 2 (HSAL2), показанные
на рис. 5.
HSAL1 стандартизирована USCAR-30
и массово применяется для реализации интер-
фейсов USB 2.0, LVDS, 1394 и других со ско-
ростями до 2,5 Гбит/с. Для более высоких
скоростей предлагается использовать HSAL2,
который имеет в том числе герметичные ва-
рианты для реализации устройств, распола-
гаемых снаружи кабины. Для уменьшения
габаритов устройств и количества соединений
можно объединять различные интерфейсы
в одном гибридном разъеме — например,
OABR + HSAL2 (рис. 6).
^^^H^BriJisplayPort
Н D-Base-T^
'fpd-link-iii jA
1000Base-T1 Ж FPD-LINK-II
USB2.0
Рис. 3. Решения Molex для различных применений
HSAL2
HSAL2
Hybrid
HSAL1
Mini50
StAK50
ADAS датчики
2K дисплеи
Навигация
Мультимедиа
ADAS датчики
Ethernet AVB
Мультимедиа
Рис. 4. Соединители Molex: a) Mini50; б) StAK50h
Рис. 5. Соединители Molex High Speed Autolink:
a) HSAL1; 6) HSAL2
Рис. 6. Гибридные соединители Molex Mini50 + HSAL2
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
20
компоненты разъемы
Рис. 7. Коаксиальные соединители Molex HFM High-Speed FAKRA Mini
Рис. 8. Соединители Molex HSAutoGig 10GB HSAG
Для реализации интерфейсов co скоростями передачи данных
выше 10 Гбит/с рекомендуются автомобильные коаксиальные разъ-
емы Molex HFM High-Speed FAKRA Mini Coaxial Cable Solutions (ли-
цензия Rosenberger), показанные на рис. 7.
HFM поддерживают коаксиальные кабели RG-174, RTK-031, RTK-044.
Для будущих применений на частотах выше 20 ГГц Molex разра-
батывает новую серию высокоскоростных соединителей HSAutoGig
(HSAG) с планируемым запуском в серийное производство в 2020 году
(рис. 8).
Серия основана на симметричных дифференциальных парах кон-
тактов и поддерживает кабели STP и TWINAX. Вилки на печатную
плату имеют различные варианты — на 1, 2 и 4 порта для обеспече-
ния компактности конструкции. HSAG обеспечивает полное экрани-
рование на 360° вилок и кабельных сборок, поддерживает скорости
передачи данных 20 Гбит/с.
Все описанные решения соответствуют автомобильным требова-
ниям:
• температурный диапазон эксплуатации: -40...+105 °C;
• вибрационная устойчивость: класс V1 USCAR-2 (размещение на ку-
зове и шасси, а не на силовом агрегате);
• длина линии связи: до 15 м с четырьмя промежуточными соеди-
нителями провод-провод.
Более детальную информацию и документацию по соединителям
Molex можно найти на сайте [6].
Выводы
В статье представлен обзор компонентов и электрических соедини-
телей Molex и их особенностей для использования в проектах сетевых
систем электрооборудования ТС нового поколения с интегрирован-
ными функциями ADAS вплоть до полностью автономного управле-
ния транспортным средством.
Компоненты предназначены для эксплуатации в жестких услови-
ях электрических, механических и климатических факторов авто-
транспортной отрасли. Полное соответствие требованиям USCAR,
LV 214, субкомпактные размеры, широкий выбор вариантов по типу
и количеству контактов, учет в конструкции особенностей массово-
го производства и других факторов позволяют в каждом конкрет-
ном случае выбрать наиболее оптимальное и экономичное решение
для задачи проектирования и сократить сроки разработки и запу-
ска электронных изделий в производство.
Литература
1. Molex 987650-5442 Mini50 Unsealed Connector System. 2017.
2. Molex 987651-2924 Automotive Networking Connectivity Solution. 2019.
3. Molex 987651-6073 Connected Mobility Solutions > Enabling Tomorrow’s
Autonomous and Connected Vehicles. 2019.
4. USCAR Electrical Wiring Component Applications Partnership, www.uscar.org
5. Molex 987651-3741 Molex Supports Existing and Future Applications Toward
100 Mbps and 1 Gbps Ethernet-Enabled Vehicles. 2015.
6. www.molex.com/connected-mobility
НОВОСТИ разъемы
Квадраксиальные контакты с разделенными парами для линейки
защищенных высокоскоростных D-Sub-соединителей от Smiths Interconnect
Компания Smiths Interconnect анонсирова-
ла новую линейку контактов с использованием
разделенных пар для серии высокоскоростных
D-Sub. Новая контактная технология обеспечива-
ет надежность и стабильность высокоскоростного
соединения. Существующие твинаксиальные кон-
такты поддерживают скорость передачи данных
10 Гбит/с, но при этом ухудшается целостность
сигнала. Новая контактная технология изолирует
отдельные пары контактов в существующем ква-
лифицированном квадраксиальном соединителе.
Представленная расширенная линейка удовлет-
воряет требованиям по надежности и качеству
сигналов ответственных применений.
Особенности:
• удовлетворяет требованиям MIL-STD-202;
• низкое сопротивление контактов;
• скорость передачи данных: до 10 Гбит/с;
• обеспечивает надежную передачу данных в са-
мых тяжелых условиях окружающей среды;
• рабочий диапазон температур: —65...+165 °C;
• рабочий ток: 3 А;
• полоса пропускания: до 3 ГГц;
• скорость передачи данных: 6,25—10 Гбит/с;
• импеданс: 100 Ом;
• вносимые потери: <—2 дБ на 1,5625 ГГц;
• материал контактов: бериллиевая медь, золо-
чение;
• перекрестные помехи: 4% max (<—28 дБ);
• изолятор: PTFE, LCP;
• материал корпуса: никелированный алюминий.
www.ptelectronics.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
21
СОЕДИНИТЕЛИ ДЛЯ ТЯЖЕЛЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
@ JONHON
• АВИОНИКА
• ЭНЕРГЕТИКА • БУРЕНИЕ • ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТ
• ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ТРАНСПОРТ «ГЕОФИЗИКА «ДОБЫЧА • ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ
www.efo.ru
НОВОСИБИРСК
(383) 286-8496
ООО «ЭФО» — ПОСТАВКА ПРОДУКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА
РОСТОВ-НА-ДОНУ ПЕРМЬ
(863)201-27-71
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
Реклама Реклама
О ТКРЬ/ТОСТ Акционерное ОБЩеС ТВ О
г. Сарапул, ул. Калинина, 3
mail: elecondmarketgjelcudm
ru
ми
МИК
5В«5ОФ
КОНДЕНСАТОРЫ
разработка и производство
оксидно-электролитические алюминиевые
KS0-15, К50-17, К50-27, К50-37, К50-68, К50-74,
К50-76, К50-77, К50-80, К50-81, К50-83, К50-84,
К50-85, К50-86, К50-87, К50-88. К50-89, К50-90,
К50-91, К50-92, К50-93, К50-94, К50-95(чип),
К50-96, К50-98
объемно-пористые танталовые
К52-1, К52-1М, К52-1БМ, К52-1Б, К52-9, К52-11,
К52-17, К52-18, К52-19, К52-20, К52-21, К52-24.
К52-26(чип), К52-27(чип), К52-28 (чип)
оксидно-полупроводниковые танталовые
К53-1А, К53-7, К53-65(чип), К53-66,
К53-68(чип), К53-71(чип), К53-72(чип),
К53-74|чип), К53-77(чип), К53-78(чип)
суперконденсаторы (ионисторы)
К 58-26
накопители электрической энергии
на основе модульной сборки суперконденсаторов
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 '2019
www.kit-e.ru
22
компоненты усилители
Дистанционные измерения
с использованием прецизионного
инструментального усилителя
Хуман ХАШЕМИ (Hooman HASHEMI)
Перевод: Михаил РУССКИХ
tau68@rambler.ru
Инструментальный усилитель (ИУ) служит рабочей лошадкой для приложе-
ний, в которых применяются датчики. В статье рассматривается использова-
ние преимуществ сбалансированных входов этих усилителей и их характе-
ристики подавления синфазного сигнала на низких частотах для примене-
ния с резистивными датчиками (например, с тензодатчиками), когда датчик
физически отделен от усилителя. Описаны методы, позволяющие повысить
помехоустойчивость таких каскадов усиления, делая их менее чувствитель-
ными к изменению напряжения питания и дрейфу параметров компонентов.
Также в статье представлены измеренные параметры и результаты с целью
демонстрации диапазона точности, чтобы можно было произвести быструю
оценку для приложений конечного пользователя.
Когда дело доходит до датчиков, суще-
ствует не так много устройств, которые
могут сделать то, на что способен мост
Уитстона (рис. 1). Этот мост может выдавать
дифференциальное напряжение, которое
предсказуемо изменяется пропорционально
изменению измеряемого физического пара-
метра. Он также обеспечивает невосприим-
Рис. 2. На удаленно расположенную установку с датчиком влияют наводки окружающей среды
чивость к температурным изменениям и из-
менениям во времени. Дифференциальное
напряжение очень мало по отношению к вы-
сокому синфазному напряжению. Для уси-
ления слабого сигнала от моста используется
инструментальный усилитель. Его преиму-
щество заключается в том, что при неболь-
шой нагрузке или отсутствии нагрузки на эле-
менты моста он может измерять дифферен-
циальное напряжение и подавлять синфазное
напряжение до такой степени, которую прак-
тически невозможно достичь с помощью
стандартных операционных усилителей, по-
скольку требуется очень точное согласование
внешних резисторов.
Электронные компоненты, участвующие
в физических измерениях, нередко распо-
ложены далеко от источника измеряемого
физического параметра. Например, тензо-
метрический датчик (для измерения веса),
выполняющий измерение под гудрониро-
ванным шоссе на станции взвешивания гру-
зовиков или расположенный в конструкции
моста, вряд ли будет находиться в непосред-
ственной близости с электроникой, пред-
назначенной для считывания измеренных
параметров. Так, при работе с двухпровод-
ным тензодатчиком, содержащим четыре
элемента в мосте, например SGT-1/350-TY43
производства Omega Corporation, удаленное
размещение датчика от измерительного уси-
лителя, как показано на рис. 2, дает неудов-
летворительные результаты, даже если ис-
пользуется экранированная витая пара.
Проблема заключается в том, что экрани-
рованные витые пары не защищены от всех
помех при их расположении в длинных ка-
бельных трассах. В таком случае на хорошо
сбалансированный вход (или входы) инстру-
ментального усилителя не стоит полагаться
в плане устранения наводок на синфазную
составляющую сигнала. На неинвертиру-
ющий и инвертирующий входы усилителя
не в равной степени влияют помехи, при-
нимаемые длинным кабелем, и на входах
присутствуют некоррелированные сигналы,
которые не получится устранить, подавляя
Рис. 3. Наводка 120 Гц на выходе усилителя
(0,1 В/дел, 2 мс/дел)
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
усилители КОМПОНеНТЫ
синфазный сигнал. Поэтому неудивительно,
что на выходе схемы будут присутствовать
значительные помехи из-за несбалансиро-
ванной реакции на шум синфазного сигнала,
как показано на рис. 3.
Одним из решений для извлечения малого
дифференциального напряжения из синфаз-
ного сигнала (сигнал постоянного тока и на-
водки) является использование двух кабелей
экранированной или неэкранированной ви-
той пары. Благодаря этому оба входа инстру-
ментального усилителя будут сбалансирова-
ны, и на них будут наводиться одинаковые
помехи. Данная схема подключения показана
на рис. 4. Такое устройство, как LT6370, с вы-
соким коэффициентом подавления низко-
частотного синфазного сигнала (120 дБ)
может эффективно подавлять помехи, при-
сутствующие на обоих входах инструмен-
тального усилителя. В результате удается по-
лучить чистый выходной сигнал при удален-
ном размещении датчика от измерительной
электроники даже в зашумленной среде.
Учитывая возможности подавления син-
фазного сигнала LT6370, можно развить эту
идею и упростить конфигурацию, исключив
одну витую пару и оставив только одну не-
экранированную витую пару. Данная кон-
Рис. 4. Дистанционное измерение с использованием двух неэкранированных витых пар проводов
цепция проиллюстрирована на рис. 5,
и в этом случае входы усилителя U2 сбалан-
сированы таким образом, чтобы обеспечи-
валось эффективное подавление синфазного
сигнала. Отметим, что выводы неэкраниро-
ванного кабеля выглядят идентичными уси-
лителю U2 и имеют идентичный импеданс
по отношению к «земле» (R2, R4).
Если значения компонентов будут таки-
ми же, как показано на рис. 5, то через дат-
чик Rsensor будет протекать ток около 1 мА.
При указанном значении сопротивления
резистора RG1 коэффициент усиления ка-
скада на ИУ U1 составит 10 В/В. На выходе
усилителя будет присутствовать увеличенное
в 10 раз напряжение, приложенное к Rsensor
то есть примерно 3,5 В. Основная задача уси-
лителя U1 заключается в устранении помех,
наводимых на длинный кабель неэкрани-
рованной витой пары, и работе только с на-
Алюминиевый корпус толщиной 2,39 мм
+15 В
IN
из OUT
LT6657-5
d=C1
tE- 3,3 мкФ
+5 В
SHDN
GND
Удаленно расположенный датчик
350 Ом Ы*
Omega Corporation SGT-1/350-TY43
Чувствительность
тензорезистора (GF) = 2
^SENSOR = 350 Ом
R6
1,47 кОм’
Неэкранированная
витая пара (80')
2,37 кОм’
3,32 кОм’
R8
4,75 кОм
J_C5
~|~ 0,1 мкФ
VR1
100 Ом
+15 В Деформация = Vo/(1 мАх(1 +24,2 kOm/RG1 )x(1 +24,2 kOm/RG2)x350 OmxGF)
= Vo/(350 Omx2)
= Vo/700 Ом
RG1 JR
2,67 кОм* I” k
+ U1
R9
-15 В
REF 4,75 кОм -*-C2
- 3,3 мкФ
LT6370
+15 В
+ U2
RG2
243 Ом*
R10
-15 В
=ЬСЗ
-4г 3,3 мкФ
R11
Vo
REF 5,1 кОм _L C4
^0,1 мкФ
3,74 кОм
U4
AD5602
Vdd Vout
SDA SOL
4,75 кОм
+15 В
+ U5
AD820
Дрейф на выходе
из-за фликкер-шума = ~2 мВ п-п
-15 В
Дополнительные ЦАП и ОУ для компенсации смещения
Заземлите 5-й вывод U2, если компенсация смещения не требуется
► Развязывающие конденсаторы не показаны, но необходимы
к Блок усиления расположен вдали от датчика
* Используются тонкопленочные резисторы (например, Susumu типа RG)
для поддержания низкого уровня фликкер-шума
Рис. 5. Одна неэкранированная витая пара для дистанционного измерения
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
24
компоненты усилители
пряжением датчика, равным произведению
сопротивления датчика на протекающий че-
рез этот датчик ток величиной около 1 мА.
Очень низкое напряжение смещения и ма-
лый дрейф LT6370, а также его высокий ко-
эффициент подавления синфазного сигнала
делают данный компонент наиболее подхо-
дящим решением.
Другая половина моста Уитстона содер-
жит резисторы R5, R6 и переменный рези-
стор VR1, через которые протекает практи-
чески такой же ток, как и через половину
моста, содержащую датчик. Как напряже-
ние с датчика, присутствующее на выходе
усилителя U1, так и опорное напряжение
на переменном резисторе VR1 подводится
к дифференциальным входам усилителя U2
через фильтры нижних частот, необходи-
мые для устранения нежелательных шумов.
Усилитель U2 имеет большой коэффициент
усиления (G = 1+24,2 kOm/RG2 = 100 В/В),
что позволяет усилить малое напряжение
с датчика, присутствующее на его положи-
тельном входе, относительно обладающе-
го малым уровнем шума фиксированно-
го опорного напряжения, поступающего
от ИОН LT6657-5 на отрицательный вход
усилителя. Выходной сигнал усилителя U2
очень точно передает измеряемую величину
нагрузки, приложенной к датчику, который
прикреплен к исследуемому элементу или
материалу. Затем этот сигнал может быть по-
дан на АЦП или другое подобное устройство
обработки сигналов.
Дополнительные ЦАП и операционный
усилитель (U4 и U5 соответственно), подклю-
ченные к линии опорного напряжения REF
усилителя U2 (эта линия может быть зазем-
лена, если компенсация смещения не требу-
ется), могут использоваться для компенсации
смещения и его обнуления. С помощью ЦАП
можно сместить выходное напряжение U2
до желаемого уровня или уровня синфазного
сигнала, оптимального для выбранного АЦП.
Например, ко входу АЦП, имеющему опор-
ное напряжение 5 В, можно подключить U2
непосредственно, без каких-либо проме-
жуточных драйверов, «занулив» его выход
на уровне 2,5 В с помощью ЦАП, задающе-
го напряжение на входе REF. Таким образом,
сигнал на входе АЦП в диапазоне 0-2,5 В будет
выражать степень сжатия датчика, а сигнал
в диапазоне 2,5-5 В — степень его растяжения.
Здесь также важно отметить, что устройство,
подающее напряжение на вывод REF, в дан-
ном случае AD820, должно иметь низкий
импеданс для устранения любых возможных
ошибок усиления.
Ниже приведено выражение, определя-
ющее зависимость выходного напряжения
от сопротивления датчика и отношение меж-
ду выходным напряжением и измеряемой
деформацией (в).
AVo— 1 mAxARS£NS0^xG1xG2,
где &R sensor — изменение сопротивления
датчика вследствие деформации.
G1 = 1+24,2 кОм/RGl = 10 В/В.
G2 = 1+24,2 kOm/RG2 = 100 В/В.
AVo/ARsensor (В/Ом) =
= 1 мАхЮ В/ВхЮО В/В « 1 В/Ом.
sensor
^^SENSOR
Gage Factor (GF) = ^SEN^OR = ^sensor ,
где L — длина датчика; в — измеряемая де-
формация. В данном случае было принято:
Rsensor = 350 Ом; GF = 2.
В результате величина деформации (в) бу-
дет равна:
________АГо_________ АГо
V 700
1 mAx1000-xA^w/?xGF /ии
Чрезвычайно низкая ошибка усиления
LT6370 (менее 0,084% при G = 10 В/В) и малое
напряжение смещения (менее 50 мкВ в диа-
пазоне рабочих температур) гарантируют, что
напряжение на выходе усилителя U2 является
точной копией выходного напряжения датчи-
ка за вычетом наводимых на неэкранирован-
ную витую пару помех, что обеспечивается
сравнением сигнала с опорным напряжени-
ем, подаваемым на инвертирующий вход U2.
В данном случае LT6657-5 функционирует как
стабильный малошумящий источник опор-
ного напряжения с малым дрейфом, который
обеспечивает невосприимчивость всей цепи
к изменению напряжения питания. Особое
значение имеет малая величина фликкер-шу-
ма (1/f) LT6657-5, который может существен-
но повлиять на работу цепи при большом ко-
эффициенте усиления.
Благодаря подключенным к каждому вхо-
ду U2 простым RC-фильтрам нижних ча-
стот (R9, С2 и R10, СЗ), частоты среза кото-
рых равны примерно 10 Гц, выходной шум
может быть уменьшен путем ограничения
полосы пропускания. Малая (менее 10 Гц)
частота излома фликкер-шума LT6370, как
показано на рис. 6, позволяет уменьшить
его влияние. Кроме того, на графике плот-
ности токового шума отчетливо видно, что
лучше поддерживать оба входных импеданса
сбалансированными, чтобы минимизиро-
вать влияние токового шума, используя пре-
имущества коррелированной составляющей
шума на входе или входах. Поэтому значе-
ние сопротивления R10 было уменьшено
до 3,74 кОм с целью согласования с импедан-
сом R9, равным 4,75 кОм, для обеспечения
эквивалентного импеданса с учетом пере-
менного резистора VR1.
Заключение
Для расположения мостового датчика
на удаленном расстоянии от системы об-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
усилители КОМПОНеНТЫ
работки сигналов требуется инструмен-
тальный усилитель, который позволит
получить чистое измеряемое дифферен-
циальное напряжение. Особенности ин-
струментального усилителя LT6370 позво-
ляют ему успешно обрабатывать сигналы
от удаленных датчиков, подключенных
через длинные кабели. Процесс изготов-
ления LT6370, в рамках которого во время
производственных испытаний задейству-
ются встроенные на кристалле нагревате-
ли для получения гарантированных значе-
ний температурного дрейфа, способствует
улучшению пригодности использования
LT6370 в системах удаленного монито-
ринга, а также увеличивает долговечность
и срок эксплуатации в сложных для обслу-
живания установках.
НОВОСТИ датчики
Новый автомобильный инерциальный шестиосевой
МЭМС-датчик позиционирования от STMicroelectronics
Компания STMicroelectronics представляет ASM330LHH — систему
с цифровым ЗО-акселерометром и ЗО-гироскопом с расширенным рабо-
чим температурным диапазоном до +105 °C, предназначенную для работы
в автомобилях.
ASM330LHH соответствует стандарту надежности для автомобильных
устройств AEC-Q100. Чтобы обеспечить высокий уровень качества, система
Чувствительные элементы изготавливаются с использованием специальных
процессов микрообработки от ST, в то время как интерфейсная ИС разра-
батывается с использованием технологии CMOS, позволяя спроектировать
подрезанный выделенный канал для лучшего соответствия характеристикам
чувствительного элемента.
ASM330LHH имеет широкий динамический диапазон ±2/±4/±8/± 16g
и диапазон измерения угловой скорости ± 125/±250/±500/± 10ОО/
+2000/+4000 dps, что позволяет использовать его в широком спектре автомо-
бильных устройств. ASM330LHH поставляется в 14-контактном корпусе LGA.
Ключевые особенности:
• сертифицирован AEC-Q100;
• широкий температурный диапазон: —40...+ 105 °C;
• диапазон измерений акселерометра: до ± 16g;
• диапазон измерений гироскопа: ±(125—4000) dps;
• интерфейсы: SPI и FC;
• программируемые прерывания;
• встроенный FIFO.
протестирована на температуру.
www.ptelectronics.ru
МИКРО
м
Специальные разъемы X)DU,
/аУА<
©Ыох
ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
SILKO
Реклама
Модульные разъемы ODU MAC
со вставками Ethernet до 10 Гбит/с (CAT 6А)
Цилиндрические разъемы ODU AMC IP68, IP69K
с рабочей температурой -51 ...125 °C для передачи
сигналов USB 3.1 gen.1 и Ethernet 10 Гбит/с (CAT 6А)
Тел.: (495) 739-6509
elmech@microem.ru microem@microem.ru
www.microem.ru
Ж5
JST
Circuit Protection & Control
SUNON
SEOUL
Uttelftjse
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
26
на правах рекламы
^ИНТЕГРАЛ
ИМС категории качества «ВП»
низковольтных быстродействующих
приемников и передатчиков стандарта LVDS
В статье представлены две ИМС категории качества «ВП»:
микросхема низковольтных быстродействующих прием-
ников 5560ИН15У и микросхема низковольтных быстро-
действующих передатчиков 5560ИН16У.
ИМС категории качества «ВП»
низковольтных быстродействующих приемников
стандарта LVDS 5560ИН15У
Микросхема 5560ИН15У предназначена для применения в аппа-
ратуре специального назначения и содержит восемь низковольтных
быстродействующих приемников с четырьмя входами разрешения
с высоким уровнем напряжения стандарта LVDS с напряжением пи-
тания 3,3 В.
Микросхемы изготавливаются в металлокерамических корпусах типа
Н.14-42-1В и функционируют при температуре среды -60.. .+125 °C.
Таблица 1. Электрические параметры микросхем
при приемке и поставке (Ucc = (3,3 ±0,3) В)
Норма Темпе-
ратура
не не среды,
менее более С
Буквенное
обозначение
параметра
Наименование параметра,
единица измерения, режим измерения
Выходное напряжение низкого уровня, В l0L = 8 мА Uol — 0,4 +(25 ±10); -60...+125
Выходное напряжение высокого уровня, В 10н = —8 мА Uqh 2,4 —
Ток потребления, мА активный режим, без нагрузки kci — 40
выходы в третьем состоянии ксг 3
Входной ток по входам А, В, мкА U, = 0 И — -20|
и, = 2,4 В 'l2 1-1.21 —
Дифференциальный входной ток |1|А—1|В|, мкА UIA = 0; UIB = 0,1 В l|D1 — |±2|
UIA = 2,4 В; UIB = 2,3 В 'lD2 |±2|
Входной ток при выключенном питании по входам А, В, мкА Ucc = 0, и, = 2,4 В l| (OFF) — ±20|
Входной ток высокого уровня по входам разрешения при U|H = 2 В, мкА l|H EN — 10
Входной ток низкого уровня по входам разрешения при U|L = 0,8 В, мкА l|LEN — 10
Выходной ток низкого уровня в состоянии «Выключено» при Uo = 0, мкА 'oZL — HI
Выходной ток высокого уровня в состоянии «Выключено» при 110 = Ucc, мкА Lzh — 10
Время задержки распространения при включении, выключении, нс Сь=10пФ tpHL» tpLH — 6,1
Время задержки распространения при переходе из состояния «Выключено» в состояние высокого/низкого уровня, нс Сь=10пФ tpZH» tpZL — 15
Время задержки распространения при переходе из состояния высокого/низкого уровня в состояние «Выключено», нс Сь=10пФ tpHZ’tpLZ — 15
Время перехода при включении/выключении, нс Сь=10пФ Ehl» +lh — 1,5
Функциональным аналогом микросхемы 5560ИН15У является
микросхема SN65LVDT388 компании Texas Instruments.
Технические условия: АЕЯР.431200.765-12 ТУ.
Электрические параметры микросхемы приведены в таблице 1, а та-
блица истинности — в таблице 2. Временные диаграммы при измере-
нии некоторых динамических параметров представлены на рис. 1-3.
Микросхема 5560ИН15У должна быть стойкой к воздействию спе-
циальных факторов 7.И, 7.К по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с характери-
стиками 7.Hj — 4Ус; 7.И6 — 4Ус; 7.И7 — 4Ус; 7.1^ — 2К; 7.К4 — 1К,
7.КП (7.К12) — до уровня 60 МэВ-см2/мг по катастрофическим отка-
зам и тиристорному эффекту.
Планируемый срок начала освоения в серийном производстве ми-
кросхемы 5560ИН15У — первый квартал 2020 года.
Таблица 2. Таблица истинности
Дифференциальный вход Вход разрешения Выход
A-В EN Y
ию> 100 мВ Н Н
—100 мВ < ию < 100 мВ Н Неопределенное состояние
U|D< —100 мВ Н L
X L Z
Открыт Н н
Примечание. L — низкий уровень напряжения; Н — высокий уровень напряжения;
X — любой уровень напряжения (низкий или высокий);
Z — выход в состоянии «Выключено».
Рис. 1. Временная диаграмма
при измерении динамических параметров tPHL, tPLH, tTHL, tTLH
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
на правах рекламы 27
Рис. 2. Временная диаграмма при измерении динамических параметров tPZL, tPLZ
--------------------------------------------------------- 1,4 В
Таблица 3. Электрические параметры микросхем
при приемке и поставке (Ucc = (3,3 ±0,3) В)
Наименование параметра, единица измерения, режим измерения Буквенное обозначение параметра Норма не не менее Солее Темпе- ратура среды, С
Выходное дифференциальное напряжение, мВ Rl = 100 Ом UqD |±247| Ь454| +(25 ±10); -60...4-125
Разность выходных дифференциальных напряжений, мВ Rl = 100 Ом AUqD -50 50
Выходное напряжение смещения относительно общего вывода, В Rl = 49,9 Ом Uoc 1,125 1,375
Разность выходных напряжений смещения относительно общего вывода, мВ Rl = 49,9 Ом AUOc -50 50
Размах выходного напряжения смещения относительно общего вывода при переключении, мВ Rl = 49,9 Ом, CL = 10 пФ Uocpp — 150
Входной ток низкого уровня, мкА U|L = 0,8 В k — 10
Входной ток высокого уровня, мкА U|H = 2B 'iH — 20
Выходной ток низкого уровня в состоянии «Выключено», мкА и0=о 'oZL — HI
Выходной ток высокого уровня в состоянии «Выключено», мкА Uq = Ucc Iozh — 1
Выходной ток при выключенном питании, мкА Ucc =1,5 В, UO = 2,4B 'o(OFF) — |±1|
Ток потребления, мА активный режим, RL = 100 Ом, UIL = 0,8 В, UIH = 2B kci — 70
выходы в третьем состоянии, U|L = 0, U|H = Ucc kc2 1,5
Время задержки распространения при включении/выключении, нс CL= 10 пФ, Rl = 100 Ом tpLH» *РН1. — 4,5
Время задержки распространения при переходе из состояния «Выключено» в состояние высокого/низкого уровня и обратно, нс Rl = 49,9 Ом, CL = 10 пФ tpZH»tpZL tpHZ» tpLZ — 15
Время перехода при включении/выключении, нс tTHL, tjLH — 1,5
Рис. 3. Временная диаграмма при измерении динамических параметров tPZH, tPHZ
ИМС категории качества «ВП»
низковольтных быстродействующих передатчиков
стандарта LVDS 5560ИН16У
Микросхема 5560ИН16У содержит восемь низковольтных быстро-
действующих передатчиков с двумя входами разрешения с высоким
уровнем напряжения стандарта LVDS с напряжением питания 3,3 В
для применения в аппаратуре специального назначения.
Рис. 4. Временная диаграмма
при измерении динамических параметров tPHL, tPLH, tTHL, tTLH
Таблица 4. Таблица истинности
Вход Вход разрешения Выходы
А EN Y Y
Н Н Н L
L Н L Н
X L Z Z
Открыт Н L н
Примечание. L — низкий уровень напряжения; Н — высокий уровень напряжения;
X — любой уровень напряжения (низкий или высокий);
Z — выход в состоянии «Выключено».
Рис. 5. Временная диаграмма
при измерении динамических параметров tPZH, tPZL, tPHZ, tPLZ
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
28 на правах рекламы
Микросхемы изготавливаются в металлокерамических корпусах типа
Н.14-42-1В и функционируют при температуре среды -60.. .+125 °C.
Функциональным аналогом микросхемы 5560ИН16У является
микросхема SN65LVDS389 компании Texas Instruments.
Технические условия: АЕЯР.431200.765-13 ТУ.
Электрические параметры микросхемы приведены в таблице 3,
а таблица истинности — в таблице 4. Временные диаграммы при
измерении некоторых динамических параметров представлены
на рис. 4, 5.
Микросхема 5560ИН16У должна быть стойкой к воздействию спе-
циальных факторов 7.И, 7.К по ГОСТ РВ 20.39.414.2 с характеристи-
ками 7.ИХ — 4Ус; 7.И6 — 4Ус; 7.И7 — 4Ус; 7.Kj — 2К; 7.К4 — 1К, 7.КИ
(7.К12) — до уровня 60 МэВ-см2/мг по катастрофическим отказам
и тиристорному эффекту.
Планируемый срок начала освоения в серийном производстве ми-
кросхемы 5560ИН16У — 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
НОВОСТИ события
Итоги ExpoElectronica Е°Х°г°О ELECTRON
и ElectronTechExpo 2019 •W ELECTRONICA W techexpo
15—17 апреля в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо»
прошли XXII Международная выставка электрон-
ных компонентов, модулей и комплектующих
ExpoElectronica и XVII Международная выстав-
ка технологий, оборудования и материалов для
производства изделий электронной и электро-
технической промышленности ElectronTechExpo.
Организатор выставок — Группа компаний ITE.
Общая площадь экспозиции составила
18000 м2, что на 9% больше, чем в прошлом году.
За три дня работы выставку посетили 11674 спе-
циалиста из 61 региона России и 36 стран.
Ежегодно посетителями выставок становятся
руководители и специалисты производственных
предприятий в области электронной аппарату-
ры, электротехнической продукции, приборов
и устройств, а также компании — поставщики
электронных компонентов, электронного обору-
дования и материалов.
В мероприятии приняли участие 457 компаний
из 17 стран мира. Среди них были ведущие рос-
сийские и зарубежные производители и дистри-
бьюторы электронных компонентов.
В этом году число новых участников увеличи-
лось по сравнению с прошлым годом на 27%.
В своем выступлении на торжественной церемо-
нии открытия выставки Александр Сметанов под-
черкнул, что электронная промышленность всегда
будет на острие мировых инноваций.
15 апреля, в день открытия выставок, состоя-
лось первое заседание членов Экспертного со-
вета. Экспертный совет выставок ExpoElectronica
и ElectronTechExpo учрежден в 2019 году для раз-
работки стратегии дальнейшего развития проектов.
Визуальное и смысловое переосмысление кон-
тент-программы в этом году впечатлило посетите-
лей и участников выставок. Трехдневная деловая
программа ExpoElectronica и ElectronTechExpo
была посвящена наиболее актуальным вопросам
развития отрасли. В рамках конференций, панель-
ных дискуссий, круглых столов, технических и об-
учающих семинаров выступили более 75 ведущих
российских и зарубежных экспертов.
Главным событием первого дня мероприятия
стала пленарная сессия «Российская электрони-
ка сегодня. Современное состояние и проблемы
развития» с участием ведущих представителей
отрасли.
Деловую программу продолжило открытое за-
седание Координационного совета разработчиков
и производителей радиоэлектронной аппаратуры,
электронной компонентной базы и продукции ма-
шиностроения на тему «Формирование партнерств
и развитие кооперации между предприятиями
электронной и радиоэлектронной промышлен-
ности и железнодорожного машиностроения».
Участники заседания обсудили возможности
и успешные кейсы кооперации предприятий элек-
тронной промышленности и железнодорожного
машиностроения.
Завершил насыщенную программу первого дня
семинар-интенсив «Нормативно-техническое ре-
гулирование в области разработки и производства
электронной продукции». В рамках семинара со-
стоялись выступления ведущих российских экспер-
тов и представителя I PC в Европе Андреса Ояллиля.
17 апреля прошла конференция «Микро-
электроника в РФ: текущее состояние и точки ро-
ста». Конференцию открыла панельная дискуссия
«Развитие технологического и производственного
потенциала микроэлектронной промышленности
России».
В ходе ее проведения присутствующие обсу-
дили меры для обеспечения развития производ-
ственных мощностей.
Затем состоялось открытое заседание бизнес-
комитета по темам: навигация и связь, медицина,
сельское хозяйство, блокчейн и большие данные.
На заседании прошла защита перспективных про-
ектов в области микроэлектроники перед инсти-
тутами поддержки промышленности и предпри-
нимательства.
17 апреля посетители выставок ExpoElectronica
и ElectronTechExpo впервые стали свидетелями
нового формата мероприятия — дискуссионного
баттла «Российская электроника. Взгляд в буду-
щее», ведущим которого был Евгений Липкин,
генеральный директор «Остек-СМТ». Яркий и жи-
вой формат баттла вызвал невероятный интерес
у посетителей выставок.
На обучающем семинаре-интенсиве «Актуаль-
ные вопросы проектирования и моделирования
печатных плат» специалисты-практики рассказа-
ли про проекты печатных плат. Большой интерес
вызвал доклад Александра Акулина из компании
РСВ technology. Мероприятие было полезно для
инженерно-технического персонала российских
компаний — разработчиков и производителей
электроники.
На конкурсе INRADEL «Инновационная радио-
электроника» участники презентовали членам
жюри свои проекты. В состав жюри вошли про-
фильные специалисты от компаний ООО «Авантех»,
НТЦ «Модуль» и НПЦ «Элвис».
В рамках Дня карьеры специалиста электрон-
ной промышленности впервые состоялось рас-
ширенное заседание Ассоциации вузов ЭКБ
по вопросам кадрового обеспечения и професси-
онального обучения специалистов электронной
индустрии. Заседание провел президент МИЭТ,
академик РАН, председатель Совета Ассоциации
вузов ЭКБ Ю. А. Чаплыгин. День карьеры посети-
ли студенты МИЭТ и МИФИ. Они осмотрели с экс-
курсией экспозицию, посетили стенды участников
и познакомились с программами стажировок ком-
пани й-участн и ков.
В 2020 году выставки
ExpoElectronica и ElectronTechExpo
пройдут 13—15 апреля в МВЦ «Крокус Экспо»
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
|—11 < T HUBER+SUHNER
Непосредственное соединение СВЧ-плат и модулей!
ммвх
микроминиатюрные соединители
для компактных конструкций
мвх
миниатюрные соединители
для крупных печатных плат
• мин. расстояние между платами: 6,7 мм
• применение до 12,4-16 ГГц
• широкий ассортимент конструкций
• механически не нагруженное соединение
• мин. расстояние между платами: 13 мм
• применение до 6 ГГц
• широкий ассортимент конструкций
• 100% соединение «вслепую»
ВМА
для соединения герметичных модулей
SMP/SMPM
для широкополосных устройств и систем
• применение до 18 ГГц
• герметичные приборные соединители
• приборно-кабельные соединители
• инструмент для пайки и сборки
• применение до 40/65 ГГц
• бочонки с подпружиненной конструкцией
• модульные соединители для плат
• герметичные приборные соединители
Конструкции по ТЗ
Расчет топологий
Макетные платы
□
□
+7(495)7870550
www.nkt-rf.ru
www.nkt-cd.ru
30
КОМПОНеНТЫ источники питания
Питание
подключенных к пациенту
медицинских устройств
от DC/DC-преобразователей
Стив РОБЕРТС (Steve ROBERTS)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
В современной медицине все чаще используются устройства, подключае-
мые к человеку. Такие датчики необходимы для самых разнообразных це-
лей — от индикации жизненно важных функций до беспроводной зарядки
имплантатов. Тем не менее каждое подключенное устройство нуждается
в питании постоянным током либо от батарей, либо от сети переменно-
го тока с модульными DC/DC-преобразователями малой мощности. При
этом они довольно часто становятся элементом системы обеспечения
безопасного изоляционного барьера. В предлагаемой статье описываются
проблемы использования преобразователей постоянного тока в медицин-
ских приложениях с объяснением необходимых мер для их сертификации
по безопасности. Кроме того, представлен коммерчески доступный пре-
образователь, разработанный специально для этой области применения.
При лечении и диагностике пациен-
тов, как в клиниках, так и в домаш-
них условиях, медицинские приборы
обычно прикрепляют к телу человека и ис-
пользуют для измерения все более возраста-
ющего числа показателей его самочувствия1.
Эти характеристики варьируются от пара-
метров поверхности тела человека, таких как
удельное сопротивление кожи, температу-
ра и уровни насыщения крови кислородом,
до мониторинга сердцебиения и т.п. с ис-
пользованием метода фотоплетизмографии
и электрокардиографии (рис. 1).
Рис. 1. Типичная схема подключения датчика для мониторинга ЭКГ
Но датчики не всегда размещают на теле
человека, иногда они более инвазивно связа-
ны в его организме, например во время опе-
рации или для прямой кардиостимуляции.
Большинство датчиков являются электрон-
ными, и очевидно, что их конструкция долж-
на обеспечивать достаточно низкие напряже-
ния и токи, чтобы они не представляли опас-
ности поражения электрическим током для
пациента. Кроме того, существует требова-
ние, чтобы датчик не имел в своей конструк-
ции путей повреждения тока, протекающего
от другого неисправного оборудования через
пациента и обратно через датчик. Это означа-
ет, что датчик и его источник питания долж-
ны быть изолированы не только от опасного
высокого напряжения, но и от «земли». Даже
портативные устройства с питанием от ба-
тареи могут иметь путь тока к заземлению,
в частности через подключенный принтер,
USB-порт или ноутбук.
В области электроники соответствующим
стандартом безопасности является IEC 60601-1
«Медицинское электрооборудование» (в тре-
тьей редакции, введена с 2012 года) и его на-
циональные версии, такие как EN 60601-1
в Европе и ANSI/AAMI ES 60601-1 в США2.
В стандарте термин «изоляция» имеет очень
специфическое значение, фактически требу-
ющее двойного безопасного электрического
разделения между опасными напряжениями
или источниками высокой энергии и паци-
ентом. Поэтому, чтобы обеспечить необхо-
димую безопасность медицинского оборудо-
вания, нужно согласно стандарту использо-
вать два независимых средства защиты. Для
этого в стандарт введен специальный термин
Measures of Protection («мера защиты»), или
сокращенно МОР. Это требуется исходя
из того, чтобы в случае отказа одной из них
вторая все еще обеспечивала адекватную за-
1 Одной из таких областей применения может служить контроль
обезвоживания — подробнее в статье [ 1 ]; а также использование
оптических методов — подробнее в статье [2]. — Прим. пер.
2 В РФ в настоящее время действует стандарт ГОСТ Р МЭК 60601-
1-2010 «Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие
требования безопасности с учетом основных функциональ-
ных характеристик», идентичный международному стандарту
МЭК 60601-1:2005 с правками второй редакции. — Прим. пер.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
источники питания КОМПОНеНТЫ
31
щиту пациента или персонала. Исходя их
этого требования МОР имеют два уровня: ка-
тегория «средства защиты оператора» МООР
(Means of Operator Protection) и категория
«средства защиты пациентов» МОРР (Means
of Patient Protection)3.
Для того чтобы обеспечить питание дат-
чиков или считывать данные через изоли-
рующий барьер, используют миниатюрные
изолирующие трансформаторы или оптопа-
ры с усиленной изоляцией. Они создают вы-
сокую изоляцию по напряжению, но все же
имеют емкостную связь через изоляционный
барьер, которая может пропускать токи утеч-
ки. Вот почему емкость такой гальваниче-
ской развязки должна быть минимальной.
Если источник питания датчика выпол-
нен как AC/DC-преобразователь (с преоб-
разованием напряжения переменного тока
в постоянный), то все источники питания
в стандартной комплектации имеют безопас-
ные изолированные выходы. Однако степень
изоляции AC/DC-преобразователей, предна-
значенных для коммерческих, коммуникаци-
онных или информационных приложений,
далеко не всегда соответствует требованиям
медицинских стандартов. Дело в том, что
многие из них имеют только одну степень
защиты, а емкость разделительного изоля-
ционного барьера обычно слишком высока,
чтобы соответствовать требованиям по низ-
кому току утечки. Кроме того, хотя выходы
могут быть «плавающими» (то есть фор-
мально не иметь связи с «землей»), все же
иметь при этом недостаточную изоляцию от-
носительно «земли». Некоторые доступные
AC/DC-преобразователи медицинского клас-
са, обеспеченные МООР, не всегда можно на-
прямую подключать к пациенту, поскольку
их изоляция входа/выхода и изоляция вы-
хода/заземления оказываются недостаточ-
ными для требований на уровне 2МОРР.
К тому же у них, как правило, емкость изоля-
ционного барьера между АС- и DC-секциями
недостаточно низкая. Конечно, есть AC/DC-
преобразователи с необходимыми 2МОРР,
но их выбор на рынке ограничен, и они до-
вольно дороги. Да и следует учитывать, что
многоканальные датчики часто требуют
нескольких взаимно изолированных шин
питания, и, несомненно, в этом случае лю-
бой вариант, кроме заказного AC/DC-npe-
образователя с защитой на уровне 2МОРР,
не будет иметь всех необходимых шин пита-
ния с достаточной развязкой.
DC / DC- п реоб разо вате л и
как часть системы изоляции
Решение состоит в том, чтобы использо-
вать стандартный 2МООР-изолированный
медицинский AC/DC-преобразователь и до-
бавить дополнительную ступень развязки
питания только для электроники датчика
в виде одного или нескольких DC/DC-npe-
образователей медицинского исполнения.
SIP/SOP
= ВОР (240 В)
= 2 МООР (240 В)
= 1 МООР (240 В)
= 2 МОРР (240 В)
= 1 МОРР (240 В)
Рис. 2. Использование DC/DC-преобразователя постоянного тока в соответствии с медицинскими требованиями уровня
CF
Вполне возможно, что эти преобразователи
в любом случае необходимы для обеспечения
требуемых шин напряжения для конкретно-
го датчика, и, если они имеют высокую изо-
ляцию и низкую емкость, то вполне могут
составлять часть системы изоляции, которая
отвечает даже самым строгим требованиям
уровня CF — Cardiac Floating, изделие типа
С (Cardiac) с изолированной (незаземлен-
ной) рабочей частью типа F (Floating), име-
ющей прямой физический контакт с пациен-
том4. На рис. 2 показаны типичные подклю-
чения для системы в заземленном корпусе,
то есть для электрического изделия класса I,
где защита от поражения электрическим
током поддерживается не только основной
изоляцией, но и дополнительными мерами
безопасности с использованием средств, обе-
спечивающих соединение доступных метал-
лических частей или внутренних металличе-
ских частей с защитным заземлением.
В примере, показанном на рис. 2, DC/DC-
преобразователю требуется уровень изоля-
ции 2МОРР, хотя AC/DC-преобразователь
имеет уровень изоляции 2МООР. Причина
заключается в том, что к входу DC/DC-npe-
образователя подключено неспецифици-
рованное оборудование (SIP/SOP), которое
в случае той или иной неисправности может
продуцировать опасные уровни напряжения.
Теперь рассмотрим такую ситуацию: если
оборудование по электробезопасности со-
ответствует классу II, то есть это электриче-
ское изделие, в котором защита от пораже-
ния электрическим током обеспечивается
не только основной изоляцией, но и допол-
нительными мерами безопасности, такими
как двойная или усиленная изоляция, и при
этом отсутствуют устройства для защит-
ного заземления или защита, обеспечивае-
3 Читатели журнала могут более подробно ознакомиться со специфическими требованиями безопасности для медицинского оборудования
в статье [3]. — Прим. пер.
4 Под Cardiac Floating (CF) подразумевается часть оборудования, непосредственно связанная с пациентом, которая спроектирована и пред-
назначена для снятия/доставки электроэнергии или электрофизиологического сигнала от/к пациенту и применяется в аппаратах прямого
воздействия на сердце и органы сердечно-сосудистой системы (внешние электрокардиостимуляторы и т. и.). — Прим. пер.
мая условиями установки. В соответствии
со сказанным данный вариант оборудования
выполнен в пластиковом корпусе и без за-
щитного заземления. Допустим также, что
оборудование не имеет неспецифициро-
ванных по уровню безопасности внешних
подключений, а AC/DC-преобразователь
обеспечен уровнем изоляции как мини-
мум 2МООР. В этом случае для прямого
подключения пациента (D) требовался бы
DC/DC-преобразователь с уровнем защиты
по изоляции 1МОРР. Кроме того, как прави-
ло, от DC/DC-преобразователя не требуется
поддержания большой мощности, так что он
может быть физически небольшим и, соот-
ветственно, недорогим.
Подобное типичное решение конечного
приложения с использованием DC/DC-npe-
образователей может быть таким, как показа-
но на рис. 3. Здесь для предоставления оциф-
рованных данных для анализа в качестве дат-
чика ЭКГ используется инструментальный
усилитель, запитанный от отдельного, специ-
ально выделенного DC/DC-преобразователя.
Другой DC/DC-преобразователь, изолиро-
ванный от датчика, питает драйвер, кото-
рый при необходимости, например при сбое
сердечного ритма, обеспечивает пациенту
стимулирующий импульс. Данные (съем
сердечных сокращений) изолированы с по-
мощью опторазвязки. Для измерительно-
го усилителя обычно требуется ±5 В, а для
драйвера, возможно, и все +12 В. Такое изо-
лированное питание от стабилизированной
шины напряжения системы обеспечивают
два 2-Вт DC/DC-преобразователя с монта-
жом на плату. Поскольку входное напряже-
ние обоих преобразователей стабилизирова-
но системной шиной, а их нагрузка посто-
янная, такие DC/DC-преобразователи могут
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты источники питания
Рис. 3. DC/DC-преобразователи обеспечивают изолированное питание для датчика
и формирование стимулирующих электрических импульсов
быть простыми, недорогими устройствами
с зависимостью (нестабильностью) от на-
грузки в несколько процентов, что более чем
достаточно для данного решения.
Здесь может понадобиться еще несколь-
ко DC/DC-преобразователей, которые будут
необходимы, чтобы обеспечить изолирован-
ное питание других измерительных или сти-
мулирующих каналов. Небольшие размеры
и сама конструкция DC/DC-преобразователей
естественным образом обеспечивают низкую
емкость связи, а значит, ток утечки будет на-
ходиться на крайне низком уровне. Что, соб-
ственно, и требуется для таких приложений.
DC/DC-преобразователи —
потенциальный источник шумов
и электромагнитных помех
В своей основе все высокоэффективные
DC/DC-преобразователи являются импульс-
ными источниками питания и могут гене-
рировать кондуктивные и излучаемые элек-
тромагнитные помехи и шумы во входных
и выходных шинах. В реальных цепях эти
шумы могут мешать усилительным и изме-
рительным схемам, особенно когда уровни
обрабатываемых сигналов находятся в диа-
пазоне милливольт, как, например, в обо-
рудовании ЭКГ. В медицинском стандарте
60601-1-25 приведены ограничения по уровню
5 В РФ эти требования заложены в стандарте ГОСТ Р МЭК 60601-1-2-2014 «Изделия медицинские электрические. Часть 1-2. Общие тре-
бования безопасности с учетом основных функциональных характеристик. Параллельный стандарт. Электромагнитная совместимость.
Требования и испытания, идентичен международному стандарту МЭК 60601-1-2:2007». — Прим. пер.
6 Более подробно: в статье [4]. — Прим. пер.
помех, поэтому их уровни должны быть мак-
симально подавлены либо в самом DC/DC-
преобразователе, либо отфильтрованы извне.
К сожалению, внешние фильтры часто долж-
ны перекрывать изолирующий барьер, что-
бы уменьшить так называемые синфазные
помехи, что потенциально увеличивает токи
утечки. Поэтому для медицинских измери-
тельных и аналогичных приложений предпо-
чтительны DC/DC-преобразователи с низким
уровнем собственных шумов и излучаемых
электромагнитных помех. Другими словами,
необходимо выполнить требования по элек-
тромагнитной совместимости6.
Проблемы конструктивного
исполнения и изоляции
применительно
к среде применения
DC/DC-преобразователь с изоляцией
2МОРР, как показано на рис. 2, должен обе-
спечивать соответствующие пути тока утеч-
ки и зазоры, указанные в стандартах для
системного напряжения в конкретном обо-
рудовании. На практике для питания от сети
240 В АС это означает, что если устройство
допускается использовать на высоте более
2000 м над уровнем моря, то пути тока утеч-
ки и зазор должны составлять не менее 8 мм.
Однако подключенные непосредственно
к пациенту медицинские устройства долж-
ны быть небольшого размера, поэтому для
DC/DC-преобразователей малой мощно-
сти часто на печатной плате остается лишь
несколько квадратных сантиметров свобод-
ного места. Это означает, что изолирующий
трансформатор должен представлять собой
сложную конструкцию. Она включает ис-
пользование провода с усиленной тройной
изоляцией, а также дополнительную изоля-
цию и герметизацию эпоксидной смолой для
снижения влияния «степени загрязнения»
окружающей среды. Поэтому реализовать
DC/DC-преобразователь как дискретное ре-
шение — непросто, и во многих приложени-
ях потребуется поиск дорогостоящего специ-
ального трансформатора.
Экономически эффективное
решение — модульные
DC / DC-n реобразовател и
Модульный DC/DC-преобразователь пред-
ставляет собой простое решение, в частности,
примером такой продукции может служить
новая серия REM2 от компании RECOM [5].
Серия REM2 выполнена в миниатюрном кор-
пусе SIP8 и предназначена для монтажа на пе-
чатную плату, она дополняет серию REM1,
предлагая DC/DC-преобразователь медицин-
ского назначения мощностью 2 Вт (рис. 4).
Преобразователи данной серии рассчитаны
на различные входные напряжения и доступ-
ны с одним и сдвоенным выходами (таблица).
Они могут с успехом применяться для пита-
ния датчиков или измерительных усилителей
с семью вариантами номинального питающе-
го напряжения.
Преобразователи отличаются высокой
эффективностью (КПД) с максимальным
Рис. 4. 2-Вт DC/DC-преобразователь компании RECOM
с номиналом 2МОРР/250 ВАС
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
источники питания
компоненты
33
Таблица. Модели DC/DC-преобразователя компании RECOM серии REM2
Наименование Номинальное входное напряжение, В Выходное напряжение, В Выходной ток, мА КПД (тип.), %’ Максимальная емкость нагрузки, мкФ2
REM2-xx3,3S 3,3/5/12/15/24 3,3 606 77 1000
REM2-xxO5S 3,3/5/12/15/24 5 400 79 1000
REM2-xxO9S 3,3/5/12/15/24 9 222 84 470
REM2-xx12S 3,3/5/12/15/24 12 167 82 330
REM2-xx3,3D 5/15 ±3,3 ±303 79 680
REM2-xxO5D 3,3/5/12/15/24 ±5 ±200 82 680
REM2-xx12D 3,3/5/12/15/24 ±12 ±84 85 150
Примечания:
1. КПД проверяется при номинальном входном напряжении и полной нагрузке при температуре окружающей среды +25 °C.
2. Максимальная емкость нагрузки проверяется при минимальном входном напряжении и полной резистивной нагрузке.
значением 85% и работают без ухудше-
ния характеристик в диапазоне температур
-40...+80 °C (до +95 °C при использовании
ниже 2000 м над уровнем моря) и до +95 °C
при нагрузке 50%. Устройства серии REM2
имеют усиленную изоляцию с электриче-
ской прочностью 5,2 кВ/l мин и рабочее на-
пряжение 2МОРР/250 В АС при эксплуатации
до высоты 5000 м над уровнем моря. Емкость
через изоляционный барьер предлагаемых
преобразователей составляет всего 25 пФ, а со-
противление изоляции превышает 10 ГОм.
Преобразователи по уровню ЭМП соответ-
ствуют классам A/В и в части электромагнит-
ной совместимости для медицинской техники
отвечают требованиям стандарта 60601-1-2
(4-е изд.) с использованием простого внешне-
го LC-фильтра. Данные решения сертифици-
рованы по стандартам медицинской безопас-
ности СВ, IEC/EN и ANSI/AAMI 60601, ожида-
ется выход третьего издания. Преобразователь
уже предварительно сертифицирован в соот-
ветствии с IEC/EN/ES 60601-1, что значитель-
но упрощает окончательное тестирование
на сертифицирование конечного продукта,
выполненного с его применением. На все пре-
образователи серии предоставляется 5-летняя
гарантия.
Изолированные DC/DC-преобразователи
являются важным инструментом для до-
стижения должного уровня безопасности
по изоляции, требуемого медицинскими
стандартами для устройств, подключенных
непосредственно к пациенту. И здесь именно
сертифицированные, уже готовые к приме-
нению устройства, выполненные в компакт-
ном корпусе, решают все проблемы их экс-
плуатации в столь специфическом с точки
зрения требований безопасности конечном
приложении, как медицинская аппаратура.
Литература
1. Баладжи В., Чен Д., Джонг Й. Проект датчика
для обнаружения недопустимого обезвожива-
ния человеческого тела // Компоненты и техно-
логии. 2019. № 1.
2. Рентюк В. Биологические оптические сенсоры
в медицине: настоящее и будущее фотоплетиз-
мографии // Компоненты и технологии. 2017.
№ 12.
3. Бейлис А.-М. Безопасное использование DC/DC-
преобразователей: требования третьей редакции
стандарта IEC 60601-1 // Компоненты и техноло-
гии. 2015. № 11.
4. Ле Февр П. Электропитание и проблемы элек-
тромагнитной совместимости оборудования
при работе в медицинских средах // Компоненты
и технологии. 2016. № 5.
5. www.recom-power.com/medical
Реклама
Spb Integral
Интеграл СПб
СП ЗАО «Интеграл СПб», г. Санкт-Петербург
является Совместным предприятием
с ОАО «ИНТЕГРАЛ».
СП ЗАО «ИНТЕГРАЛ СПб» осуществляет:
Продажу микроэлектронных компонентов
по номенклатурному перечню ОАО «ИНТЕГРАЛ»
(«Завод полупроводниковых приборов»; з-д «Транзистор»; з-д «Цветотрон»)
Поставку изделий отечественного производства
с приемкой «1», «5» и «9» со склада и под заказ.
Проектирование и разработка микросхем
специального назначения.
Поставка изделий иностранного производства.
Свидетельство о квалификации №ЭС 01.101.0426-2018 от 16.07.2018г.
Сертификат соответствия «Оборонсертифика» № 6300.312579/RU от 10.05.2018г.
Сертификат соответствия «Оборонсертифика» № 6300.312580/RU от 10.05.2018г.
Отгрузка со склада в Санкт-Петербурге.
Россия, Санкт-Петербург, Ириновский пр., д. 21, корп. 1
Тел.: (812)527-78-85; 527-78-86. Факс: 527-78-90
E-mail: order@integralspb.ru
http://www.integralspb.ru
□
□
е;
(D
АЛТк/iactep
производство электроники
ПРОИЗВОДСТВО
ПРОТОТИПОВ
КАБЕЛЬНАЯ ПРОДУКЦИЯ
ОТВЕТСТВЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ
МАССОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО
4 линии Universal Instruments, 300 000 cph
полный ЦИКЛ ПРОИЗВОДСТВА
ЭЛЕКТРОНИКИ В РОССИИ
Контрактная сборка
ГОСТ ISO 9001 № РОСС RU.I/IT19.00103
ОПЕРАТИВНО • ОТВЕТСТВЕННО • ПРОФЕССИОНАЛЬНО
Москва, Зеленоград, Квант www.altmast.ru
СООТВЕТСТВИЕ МИРОВЫМ
КРИТЕРИЯМ КАЧЕСТВА
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
34
компоненты плис
Исследование трассировочной
способности архитектур
индустриальных ПЛИС Xilinx
с помощью программного
инструмента RapidSmith2
Андрей СТРОГОНОВ,
д. т. н.
andreistrogonov@mail.ru
Максим КРИВЧУН
hed hyw@yahoo.com
Предлагается рассмотреть маршрут интеграции программных инструмен-
тов RapidSmith2 с открытым программным кодом частного университета
имени Бригама Янга (США) в САПР Xilinx Vivado с целью исследования
трассировочной способности архитектур индустриальных ПЛИС.
Для того чтобы реализовать импорто-
замещение зарубежных ПЛИС, отече-
ственной электронной промышлен-
ности необходимо разработать собственный
САПР, позволяющий внедрять в производ-
ство новые архитектуры с уникальным бази-
сом. Процесс перехода от САПР и ПЛИС ино-
странных производителей требует не только
огромных инвестиций, но и создания науч-
ных школ в области проектирования ПЛИС.
Сегодня все программные инструменты
проектирования ПЛИС в мире поставляют-
ся самими разработчиками ПЛИС. Компании,
чьими основными продуктами являются
ПЛИС и которые продают программное обе-
спечение практически «бесплатно», на самом
деле тратят больше времени и денег на соз-
дание программных средств — примерно
в 10 раз больше, чем компании, разрабатываю-
щие САПР БИС и продающие его за большие
деньги. В мире есть три крупные компании
(«большая тройка), разрабатывающие САПР
БИС и обеспечивающие их поддержку более
20 лет. Проектирование современных БИС —
сложная задача. Конструкция современной
БИС предъявляет экстремальные требования
к программным инструментам САПР. С каж-
дым новым поколением технологических
процессов возрастает сложность этих инстру-
ментов. Несмотря на то, что инструменты для
ПЛИС почти такие же, как для БИС, они до-
статочно разные. Из-за того, что САПР ПЛИС
предоставляются «бесплатно», нет возмож-
ности вносить изменения в области програм-
мных инструментов. Битовые форматы САПР
ПЛИС предоставляются в проприетарном
виде и обратный инжиниринг таких форма-
тов недопустим лицензионным соглашени-
ем. Базы данных ПЛИС являются закрытыми
и считаются собственностью компаний.
Для экономии средств разумен постепен-
ный переход к отечественным САПР ПЛИС,
в основе которого может лежать программное
обеспечение с открытым программным ко-
дом международного научного сообщества,
но адаптированное под новые разрабатывае-
мые архитектуры ПЛИС. Это в дальнейшем
позволит допустить полный переход на отече-
ственное программное обеспечение [1].
Программный продукт RapidSmith2 [2],
созданный группой ученых из частного уни-
верситета имени Бригама Янга США (основан
Церковью Иисуса Христа Святых последних
дней), предоставляет простой программный
интерфейс приложения (API) для реализа-
ции экспериментальных идей и алгоритмов
для САПР современных ПЛИС Xilinx [3].
На основе RapidSmith2 в Xilinx Lab был раз-
работан RapidWright [4], призванный ре-
шить недостатки первой версии RapidSmith.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
плис компоненты
35
RapidSmith2 позволяет реализовывать соб-
ственные алгоритмы САПР, которые на лю-
бом этапе маршрута проектирования Xilinx
Vivado (рис. 1) могут:
• экспортировать проект из Vivado (в фор-
мате RapidSmith Checkpoint RSCP);
• выполнять анализ проекта;
• произвольно изменять проект;
• импортировать изменения обратно в Vivado
(в формате Tincr Checkpoint TCP [3]).
Для импорта и экспорта проекта в Rapid-
Smith? используется Tcl-плагин Tincr [5],
разработанный Брэдом Уайтом [6]. Tincr со-
держит два инструмента:
• TincrCAD предоставляет команды, часто
применимые в разработке собственных ин-
струментов САПР, дополняющие удобны-
ми высшими уровнями абстракции и по-
зволяющие повысить производительность
и уровень детализации информации;
• TincrIO предоставляет команды для вы-
грузки данных проекта и ПЛИС из Vivado
в удобном для чтения формате и его за-
грузки обратно в Vivado.
TCL-интерфейс является мощным допол-
нением к инструментарию Xilinx, но, тем
не менее, имеет недостаточную производи-
тельность и неудобен в программировании,
по сравнению с альтернативными языками,
что означает его низкую пригодность для
сложных разработок инструментов САПР.
Прежде разработка инструментов САПР
велась с использованием Xilinx XDL (в пер-
вой версии RapidSmith), но XDL уже не под-
держивается в Vivado, так как ему на смену
пришел Vivado Design Interface (VDI) (рис. 2).
VDI поставляется c Tincr и является суще-
ственным вкладом в развитие средств с от-
крытым программным кодом, поскольку:
• определяет набор форматов файлов, ис-
пользуемых для представления информа-
ции о базе данных ПЛИС Vivado в общем
виде и с открытым исходным кодом;
• содержит код Vivado Tel для анализа и соз-
дания файлов проекта и ПЛИС [5].
Файлы XDLRC (файлы отчетов XDL)
являются главными в VDI-экспорте. Они
имеют список физических компонентов
внутри ПЛИС Xilinx. Tincr содержит коман-
ду tincr::write_xdlrc для создания XDLRC-
описания [3]. В листинге 1 представлен
формат описания функционального блока
в формате XDLRC.
(tile 1 14 CLB_X6Y63 CLB 4
И Список секций в функциональных блоках и межсоединений,
которые подключены к выводам секций
(primitive_site SLICEL_X9Y127 SLICEL internal 27
(pinwire BX input BX_PINWIRE3)
11 Список межсоединений в функциональном блоке и их комму-
тация
wire E2BEG0 5
(conn CLB_X7Y63 CLB_E2BEG0)
(conn INT_X8Y63 E2MID0)
11 Список точек программируемых межсоединений в функцио-
нальном блоке
(pip INT_X7Y63 BEST_LOGIC_OUTSO -> BYP_INT_B5)
(tile_summary CLB_X6Y63 CLB 122 403 148)
Листинг 1. XDLRC-формат описания
функциональных блоков
Рис. 2. Компоненты Vivado Design Interface
Файл family Inf о. xml (листинг 2) содер-
жит полезную информацию о серии ПЛИС
Xilinx, которая не была включена в XDLRC-
файлы, а именно:
• альтернативные типы;
• коррекцию программируемых межсоеди-
нений;
• совместимые типы;
• маршрутизацию базовых элементов;
• коррекцию направления выводов.
Для одной серии ПЛИС Vivado необходим
только один familylnfo.xml файл. Tincr исполь-
зует команду tincr::create_xml_family_info
для создания файла familylnfo.xml.
XML-файл содержит дополнительную,
специфичную для конкретной ПЛИС ин-
формацию, которая не может быть извлече-
на из XDLRC-файла. Сейчас этот файл содер-
жит только информацию о выводах корпуса.
Каждый вывод описывается через три атри-
бута (листинг 3):
• имя вывода; обычно представлено в виде
одной буквы и двух цифр (например, Ml7);
• соответствующий базовый элемент PAD;
• опциональный is_clock — флаг доступа
к глобальным тактовым ресурсам.
XML-библиотека ячеек. Список соедине-
ний Xilinx состоит из ячеек, которые создают-
ся из библиотечных примитивов. Наиболее
распространенные примитивы, используемые
в списке соединений Xilinx,— это LUT (LUT1,
LUT2, LUT3 и другие) и FF (FDRE, FDCE и дру-
гие) элементы. Библиотека хранит следующую
информацию для каждой из ячеек:
• тип;
• группа (Slice, DSP, ЮВ, BRAM);
• название, направление и тип каждого вы-
вода;
• возможные места для размещения экзем-
пляров ячейки;
• стандартное отображение для каждого вы-
вода ячейки;
• конфигурируемые свойства со значениями
по умолчанию;
• макрошаблоны.
Т incr-команда tincr::create_xml_cell_library
генерирует библиотеку ячеек для ПЛИС.
Пример описания ячейки в библиотеке пред-
ставлен в листинге 4.
Альтернативные типы:
<alternative>
<name>ISERDESE2</name>
<pinmaps>
<pin>
<name>RST </name>
<map>SR</map>
</pin>
</pinmaps>
</alternative>
Совместимые типы:
<compatible_types>
<compatible_type>SLICEM</compatible_type>
</compatible_types>
Маршрутизация базовых элементов:
<bel>
<name>D6LUT </name>
<type>LUT6</type>
<routethroughs>
<routethrough>
<input>Al </input>
<output>O6</output>
</routethrough>
<routethrough>
<input>A2</input>
<output>O6</output>
</routethrough>
</routethroughs>
</bel>
Коррекция программируемых межсоединений:
<corrections>
<modify_element>
<name>A5FFMUX</name>
<type>mux</type>
</mo dif y_element>
<polarity_selector>
<name>CLKINV </name>
</polarity_selector>
</corrections>
Коррекция направления выводов:
<corrections>
<pin_direction>
<element>PAD</element>
<pin>PAD</pin>
<direction>inout</direction>
</pin_direction>
</corrections>
Листинг 2. Структура файла familylnfo.xml
<device_info>
<partname>xcku025-ffvall56</partname>
<package_pins>
<package_pin>
<name>AK33</name>
<bel>IOB_XOY155/PAD</bel>
</package_pin>
<package_pin>
<name>AJ29</name>
<bel>IOB_X0Y130/PAD</bel>
<is_clock/>
</package_pin>
</package_pins>
</device_info>
Листинг 3. XML-файл ПЛИС
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
36
компоненты плис
<cell>
<type>BUFCE_ROW </type>
<level>LEAF</level>
// свойства ячейки
<libcellproperties>
<libcellproperty>
<name>CE_TYPE</name>
<default>SYNC</default>
<type>string</type>
<values>ASYNC, SYNC</values>
</libcellproperty>
</libcellproperties>
// вывода ячейки
<pins>
<pin>
<name>CE</name>
<direction>input</direction>
<type>ENABLE</type>
</pin>
</pins>
11 разрешенные места для размещения
<bels>
<bel>
<id>
<site_type>BUFCE_ROW </site_type>
<name>BUFCE</name>
</id>
// отображение выводов ячейки на выводах базовых элементов
<pins>
<pin>
<name>CE</name>
<possible>CE</possible>
</pin>
</pins>
</bel>
</bels>
</cell>
Листинг 4. Пример описания XML-ячейки
(Library work
(edif Level 0)
(technology (numberDefinition))
(cell add (celltype GENERIC)
(view add (viewtype NETLIST)
(interface
(port a (direction INPUT))
(port b (direction INPUT))
(contents
(instance cout_OBUF (viewref netlist (cellref OBUF (lib
hdi_primitives))))
(instance cout_lUT (viewref netlist (cellref LUT3 (libref
hdi_primitives)))
(property INIT (string "8hE8"))
)
Листинг 6. Пример файла netlist.edf
корпуса ПЛИС и других физически реализуе-
мых параметров. Файл состоит из набора TCL-
команд. Пример показан в листинге 7.
Многие плоские проекты Vivado содержат
скрытые макросы. RSCP сохраняет макро-
create_clock -period 5.000 -name sysClk -waveform {0.000 2.500}
set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports elk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports ena]
set_property PACKAGE_PIN E15 [get_ports {Yin[12]}]
set_property PACKAGE_PIN H17 [get_ports {Xin[ 14]}]
set_property PACKAGE_PIN D18 [get_ports {Xin[7]}]
Листинг 7. Пример файла constraints.xdc
сы в файле macros.xml. Скрытые макросы —
это Vivado-макропримитивы, которые на-
прямую используются в списке соединений.
Например, макрос IOBUF может быть най-
дет в различных проектах для ПЛИС седь-
мой серии.
Файл placement.rsc (листинг 8) содержит
информацию о размещении Vivado-роекта.
Применяется четыре различных токена для
описания местоположения: LOC (информа-
ция о размещении ячейки в секции и базо-
вом элементе), PINMAP (информация о ло-
гически-физическом отображении выводов
VDI экспортирует проект ПЛИС из Vivado
в формате RapidSmith Checkpoint (RSCP).
RSCP предлагается в виде набора из ше-
сти файлов: design.info, contraints.xdc; netlist.edf
placement.rsc; macros.xml; routing.rsc. Каждый
файл представляет конкретную часть проекта.
Tincr-команда tincr::write rscp может генери-
ровать RSCP для полностью плоского Vivado -
проекта. Независимо от наличия RapidSmith,
любые другие внешние инструменты могут
использовать его в своих решениях.
Файл design.info (листинг 5) из набора RSCP
используется для хранения дополнительной
информации о проекте, которая не относится
к списку межсоединений и реализации. Сейчас
он содержит только два вида информации: тех-
нически избыточное название ПЛИС, на кото-
ром реализован проект, и режим контрольной
точки (regular или out_of_context).
part=xc7al00tcsg324-3
mode=out_of_context
Листинг 5. Пример файла design.info
Файл netlist.edf является EDIF-представле-
нием логической порции проекта. Он опи-
сывает все ячейки, соединения и верхнеуров-
невые порты из проекта. Пример файла по-
казан в листинге 6.
Файл constraints.xdc хранит все пользователь-
ские XDC-ограничения проекта Vivado, кото-
рые похожи на UCF-файлы ISE-проекта. Они
могут использоваться для установки частоты,
верхнеуровневого порта, конкретных выводов
Рис. 4. Сравнение размещения при использовании a) Vivado; б) RapidSmith2
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
плис компоненты
37
IPROP seq_ram_reg_0_127_0_0/DP.HIGH INIT 64’h0000000000000000
LOC aJBUFJnst RIO IOB33 INBUF_EN
PINMAP aJBUFJnst O:OUT I:PAD
LOC coutJDBUFJnstJJ SLICEJC0Y51 SLICEL A6LUT
PINMAP cout.OBUFJnstJJ 0:0610:A411:A5 I2:A6
PACKAGEJ>IN fsync_out IOB_X1 Y30 PAD
PACKAGEJ>IN data_out[7] IOB_X1Y33 PAD
Листинг 8. Пример файла placement.rsc
ячейки), PACKAGE_PIN (информация о раз-
мещении верхнеуровневого порта в секции
и базовом элементе) и IPROP (обозначает
значение свойства внутренней ячейки).
Routing.rsc (листинг 9) наиболее сложный
файл из набора RSCP. Он хранит полное
описание всех ресурсов маршрутизации,
применяемых в Vivado-проекте, а именно:
• конфигурацию внутрисекционной марш-
рутизации для каждой секции в виде ис-
пользуемых программируемых межсое-
динений;
• список базовых элементов, настроенных
на маршрут;
• список базовых элементов, сконфигуриро-
ванный как VCC/GND-источник;
• внутрисекционные межсоединения;
• маршрутизированные внутрисекционные
межсоединения с соответствующими им
выводами секции и используемые про-
граммируемые точки межсоединений;
• объединенная информация о физической
маршрутизации шин питания и «земли».
Рис. 5. Масштабированное сравнение размещения при использовании: a) Vivado; б) RapidSmith2
SITEJ4PS SLICE_X9Y80 SRUSEDMUX:O CEUSEDMUX:IN
CLKINV:CLK...
SITEJ4PS SLICE_X13Y80 PRECYINIT:AX SRUSEDMUX:O
COUTUSED:0 ...
VCC_SOURCES SLICEJC5Y104/C6LUT/O6 SLICE_X5Y102/C6LUT/
06...
GND_SOURCES SLICE_X2Y106/D6LUT/O6 SLICE_X2Y106/
C6LUT/O6...
LUT_RTS SLICEJC5Y101/B6LUT/A6/O6 SLICE JC40Y96/DFF/D/Q
INTRASITE AddSub [10]
INTERSITE AngStepl[O] SLICE_X2Y82/AX SLICE_X2Y87/AQ
SLICE JC2Y84/A1 ...
ROUTE AngStepl[O] INT_X28Y26/INT.LOGIC_OUTS_W1»
SDNDSW_W_O_FTS ...
VCCINT_L_X2Y107/INT_L.VCC_WIRE-»IMUX_L42 ...
START_WIRES INT_L_X2Y107/VCC_WIRE INT_L_X2Y106/
VCC_WIRE ...
GND INT_R_X3Y1O6/INT_R.GND_WIRE-»GFAN1 ...
START_WIRES INT_R_X3Y106/GND_WIRE INT_L_X4Y106/
GND_WIRE ...
Листинг 9. Пример файла routing.rsc
Для импорта проекта обратно в Vivado
предназначен набор файлов Tincr Checkpoint
(TCP). TCP — это архив файлов, в которых
хранится список соединений проекта и его
отображение на физические компонен-
ты ПЛИС. TincrIO предоставляет функции
для импорта и экспорта контрольных точек
в Vivado и из него. В настоящее время Tincr
Checkpoint является бета-функцией, по-
скольку при импорте в Vivado все еще имеет-
ся множество ошибок [5,6].
Рис. 6. Масштабированное сравнение размещения правой части при использовании: a) Vivado; б) RapidSmith2
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
38 компоненты плис
module fulladder(
input A,
input B,
input carry_in,
output Y,
output carry_out);
assign {carry_out, Y} = carry_in + A + B;
endmodule
Листинг 10. Verilog-код одноразрядного сумматора
Проведем размещение проекта однораз-
рядного сумматора (листинг 10, рис. 3) с по-
мощью RapidSmith2 и стандартными сред-
ствами Vivado.
Все операции выполняются на компью-
тере под управлением ОС Ubuntu версии
18.04.2 LTS [7] с установленным комплек-
том разработчика приложений Java версии
1.8.0_191-Ь12 — JDK8 [8], git-клиентом [9]
версии 2.17.1 и Vivado версии 2018.2.2 [10].
Скачаем и установим последнюю вер-
сию RapidSmith2 [2], необходимые коман-
ды с описанием представлены в листинге 11.
Также скачаем и установим плагин Tincr, ко-
манды перечислены в листинге 12, следует об-
ратить внимание, что вместо <Путь к Vivado>
необходимо подставить путь к папке с уста-
новленной САПР Vivado.
# Скачиваем исходные файлы RapidSmith2
git clone https://github.com/byuccl/RapidSmith2.git
cd ./RapidSmith2
# Пропишем переменную окружения RAPIDSMITH_PATH в .bashrc
echo "\nexport RAPIDSMITH_PATH=\"$PWD\"" » .bashrc
# Скомпилируем исходные файлы
./gradlew build
# Пропишем дополнительные переменные окружения для java
echo "\nexport CLASSPATH=$CLASSPATH:\"$PWD/build/install/
RapidSmith2/lib/*\""».bashrc
echo "\nexport CLASSPATH=$CLASSPATH:\"$PWD/build/install/
RapidSmith2/*\""».bashrc
Рис. 7. Масштабированное сравнение размещения левой части при использовании: a) Vivado; б) RapidSmith2
Листинг 11. Установка RapidSmith2
# Скачиваем исходные файлы Tincr
git clone https://github.com/byuccl/tincr.git
cd ./tincr
# Пропишем переменную окружения TINCR_PATH в .bashrc
echo "\nexport TINCR_PATH=\"$PWD\"" » .bashrc
cp "./install/pkglndex.tcl" "<Путь к Vivado>/tps/tcl/tcl8.5 "
Листинг 12. Установка Tincr
Откроем проект сумматора в Тс1-режиме
Vivado и сгенерируем RSCP-набор файлов,
как показано в листинге 13. В папке с ис-
ходным кодом сумматора появится папка
fulladder.rscp [11].
Воспользуемся готовым примером раз-
мещения с помощью алгоритма имита-
ции отжига, для этого подадим команды
(листинг 14). Будет сгенерирована папка
fulladder.tcp [12], файлы из которой затем им-
портируются в Vivado.
Заключение
В ходе работы был проверен и настро-
ен инструмент RapidSmith2; внесен вклад
в разработку Tincr — неотделимый элемент
RapidSmith2, путем исправления ошибки
[13]; выполнено размещение с использова-
нием стандартных средств Vivado и с помо-
# Запускаем Vivado в консольном режиме с доступом к Тс1
vivado -mode tel
cd <Путь к папке с исходником сумматора>
# Загружаем информацию о ПЛИС xc7al00tcsg324-3 серии Artix7
link_design -part xc7al00t-csg324-3
# Считываем исходники verilog-файлов
read_verilog [glob *.v]
# Синтезируем модуль fulladder
synth_design -top fulladder -flatten_hierarchy full
# Выполняем размещение и маршрутизацию
place_design
route_design
# Создаем RSCP с помощью Tincr
package require tincr
tincr::write_rscp fulladder
close_project
Листинг 13. Экспорт проекта из Vivado
щью RapidSmith2 (рис. 4-7). RapidSmith2 под-
ходит для внедрения собственных алгорит-
мов трассировки маршрутов и размещения
элементов для ПЛИС аналогичных Xilinx,
а также для исследования трассировочной
способности индустриальных ПЛИС.
Литература
1. Строгонов А., Городков П. Программные сред-
ства с открытым исходным кодом для проек-
тирования цифровых устройств в базисах БИС
и ПЛИС // Компоненты и технологии. 2017. № 3.
2. www.github.com/byuccl/RapidSmith2
3. www.github.com/byuccl/RapidSmith2/blob/
master/docs/TechReport/TechReport.pdf
cd <Путь к папке с исходником сумматора>
# Размещаем проект
java edu.byu.ece.rapidSmith.examples.placerDemo.PlacerDemo ./
fulladder.rscp ./fulladder.tcp
# Запускаем Vivado для импорта проекта
vivado-mode tel
# Импортируем проект
package require tincr
tincr: :read_tcp fulladder, tcp
# Выполняем трассировку нового размещения
route_design
# Запускаем визуальный интерфейс
start_gui
Листинг 14. Размещение сумматора
с применением RapidSmith2 и его открытие в Vivado
4. www.rapidwright.io/docs/_downloads/FCCM18-
RapidWright.pdf
5. www.github.com/byuccl/tincr
6. Townsend Т. J. Vivado Design Interface: Enabling
CAD-Tool Design for Next Generation Xilinx FPGA
Devices. All Theses and Dissertations, 2017.
7. www.releases.ubuntu.com/18.04/
8. www.oracle.com/technetwork/java/javase/
downloads/jdk8-downloads-2133151 .html
9. www.help.ubuntu.com/lts/serverguide/git.html
10. www.xilinx.com/content/xilinx/en/
downloadNav/vivado-design-tools/2018-2.html
11. www.gist.github.com/hedhyw/07689dld30922c
f37bf7738655ff7ade
12. www.gist.github.com/hedhyw/9b8823a2dfdcb3
72928acd30a5520233
13. www.github.com/byuccl/tincr/pull/90
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
представляет
высокоэффективные
двухканалъные модули питания.
MaxLinear
95
90
85
80
75
70
65
60
□
□
е;
(D
www.icgamma.ru
-30
27.3
5Vout 780kHz
3.3Vout 780kHz
2.5Vout 780kHz
1.8Vout 780kHz
1.5Vout 500kHz
1.2Vout 500kHz
I.OVout 500kHz
.5 2 2.
Iqut (А)
ГАММА
info@icgamma.ru
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
• Защита от превышения тока потребления
• Защита от превышения выходного напряжения
• Программируемый плавный старт
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
40
компоненты плис
Логическое проектирование
встраиваемых систем на FPGA.
Часть 8. Матричные умножители
Валерий СОЛОВЬЕВ,
д. т. н.
valsol@mail.ru
Рассмотрим реализацию на FPGA параллельных умножителей, которые
выполняют умножение целых чисел без знака. Более сложные умножи-
тели на FPGA осуществляются в специализированных блоках DSP или
во встроенных процессорах. Представлены следующие типы умножите-
лей: матричные с сохранением переносов, с использованием сумматоров
с последовательным переносом, умножитель Уоллеса, умножитель Дадда,
алгоритмически описываемые умножители, умножитель Бута и модифици-
рованный умножитель Бута. Приводятся результаты экспериментальных
исследований эффективности реализации рассмотренных умножителей
для различных семейств FPGA.
Данная тема представлена в двух статьях. В настоящей статье рассматри-
ваются матричные умножители, а в следующей будут описаны алгоритми-
ческие умножители.
Введение
Умножители широко используются
во встраиваемых системах, особенно при реа-
лизации функций цифровой обработки сигна-
лов (Digital Signal Processing — DSP). Известно
большое разнообразие типов умножителей:
целых чисел со знаком и без знака, чисел в до-
полнительном коде, чисел с фиксированной
и плавающей запятой (точкой) и других.
Разработано также достаточно много спосо-
бов реализации умножителей. Все реализуе-
мые в аппаратуре умножители можно разде-
лить на два больших класса: последовательные
(serial или sequential) и параллельные (parallel).
Традиционно последовательные умно-
жители циклически формируют частичные
произведения и прибавляют их к предыду-
щему результату. Для реализации последо-
вательных умножителей обычно использу-
ют сдвиговые регистры и аккумулятор или
сумматор. Кроме того, последовательные
умножители нуждаются в конечном автома-
те, выполняющем функции контроллера для
управления процессом умножения.
Параллельные умножители в большинстве
случаев представляют собой комбинацион-
ную схему, на вход которой поступают зна-
чения чисел А и В, а на выходе формируется
значение произведения Р. Параллельные ум-
ножители для своей реализации не требуют
регистров, сигналов синхронизации и управ-
ления, а также контроллера. Однако стоимость
реализации параллельных умножителей мо-
жет быть значительной, и она быстро растет
с увеличением размеров аргументов. Кроме
того, с возрастанием разрядности аргументов
также увеличивается задержка сигналов, что
приводит к снижению быстродействия.
Для устранения перечисленных недостатков
параллельные умножители часто проектируют
конвейерными (pipelined), чтобы уменьшить
время цикла выполнения операций умноже-
ния и увеличить пропускную способность всей
системы. Для этого в схему параллельного ум-
ножителя вводятся регистры для запоминания
промежуточных результатов.
Матричный умножитель
с сохранением переносов
Умножителем (multiplier) называется
устройство, которое выполняет операцию
умножения [1]:
(ят_1Х2”,-1+...+д0х2(|)х
(Ь^х2^+...+Ьох2°). (1)
В выражении (1) число, которое умно-
жается (А), называется «множимое» (multi-
plicand), число, на которое умножают (В), на-
зывается «множитель» (multiplier), результат
умножения (число Р) называется «произведе-
ние» (product).
Самым простым из всех умножителей яв-
ляется матричный умножитель с сохранени-
ем переносов (Carry-Save Array Multiplier —
CSAM). Основная идея умножителя CSAM
состоит в том, что он основан на хорошо из-
вестном со школы ручном методе умноже-
ния (paper and pencil — с помощью бумаги
и карандаша).
Пусть необходимо умножить два десятич-
ных числа 11 и 12. Это можно сделать следу-
ющим образом (рис. 1).
Умножение этих же чисел, но в двоичной
системе счисления, имеет вид, представлен-
ный на рис. 2.
Пусть выполнены побитовые опера-
ции умножения чисел А и В, то есть сгене-
рированы частичные произведения (partial
products):
a^bj
для всех г = 0,..N-l, j = 0,..N-1. (2)
1 1
х 1 2
2 2
1 1
1 3 2
Рис. 1. Умножение чисел в десятичной системе
счисления
10 11
х 1 1 О О
0 0 0 0
0 0 0 0
10 11
10 11_______
1 0 0 0 0 1 0 0
Рис. 2. Умножение чисел в двоичной системе счисления
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
плис компоненты
41
аз а2 а1 ао
X Ьз Ь2 ь. ь0
а3Ь0 а2Ь0 aib0 а0Ь0
а3Ь, а2Ь, а^ aob1
а3Ь2 а2Ь„ а,Ь2 а0Ь2
а3Ь3 а2Ь3 а,Ь3 а0Ь3
р7 Р6 Р5 р4 Рз Р2 Pi Ро
Рис. 3. Умножение 4-разрядных двоичных чисел
Тогда процесс умножения, показанный
на рис. 2, можно представить так, как на рис. 3.
Структура матричного умножителя с со-
хранением переносов, которая соответствует
умножению двоичных чисел на рис. 3, при-
ведена на рис. 4.
Здесь в каждой ячейке (z, j) матрицы нахо-
дится полный сумматор, который суммирует
частичное произведение с суммой и пе-
реносом, поступающими от ячеек, распо-
ложенных строкой выше. Младшие четыре
о
о
о
о
о
о
о
Р7
Рб
Рб
Р4
Рз
Р2
Р1
Ро
Рис. 4. Структура матричного умножителя с сохранением переносов для 4-разрядных двоичных чисел
Рис. 5. Структура матричного умножителя 4x4 бит после упрощения
Р7 Рб Рб Р4 РЗ Р2 Р1 Рб
Р7
Рб
Рб
Р4
Рис. 6. Матричный умножитель 4x4 бит
со сложением частичных произведений по столбцам
разряда произведения Р формируются непо-
средственно на выходах соответствующих
полных сумматоров. Для формирования
старших четырех разрядов произведения Р
может использоваться сумматор с последо-
вательным переносом (Ripple-Carry Adder —
RCA). Сумматору RCA на рис. 4 соответству-
ет нижняя строка сумматоров.
Схему на рис. 4 можно значительно упро-
стить. Поскольку частичные произведения
согласно (2) уже определены, отпадает необ-
ходимость в верхней строке сумматоров.
Далее каждый полный сумматор, на вход
которого поступают значения только двух
аргументов, можно заменить на полусумма-
тор. В результате получим схему, показан-
ную на рис. 5.
В практике инженерного проектирова-
ния матричные умножители принято изо-
бражать не в виде параллелограмма (как
на рис. 3 или 4), а в виде матрицы (рис. 6).
На рис. 6 хорошо просматривается ма-
тричная структура умножителя, где столбцам
о
соответствуют биты слова А, а строкам —
биты слова В. На рис. 6 также хорошо видно,
что сложение частичных произведений вы-
полняется по столбцам с последовательным
переносом между разрядами (столбцами).
Младшие разряды произведения р3, ..., р0
формируются в правом столбце матрично-
го умножителя. Старшие разряды произ-
ведения р7, ..., р4 формируются с помощью
сумматора с последовательным переносом
RCA, состоящего из одного полусумматора
и двух полных сумматоров (нижняя стро-
ка на рис. 6). Здесь через МНА и MFA обо-
значаются одноразрядные полусумматоры
и полные сумматоры, для которых одним
из аргументов является логическое произ-
ведение Й;Х А.
Быстродействие матричного умножите-
ля на рис. 6 определяется задержкой распро-
странения сигналов самого длинного пути:
от частичного произведения a3bQ до старшего
разряда умножителя р7.
Код генератора частичных произведений,
вычисляемых согласно (2), для матричного
умножителя 4x4 имеет следующий вид:
module РР ( // генератор частичных произведений
output [3:0] РЗ, Р2, Pl, РО,
input [3:0] a,b);
and ppi(РО[3], а[3], b[0]);
and рр2(Р0[2], а[2], b[0]);
and ррЗ(Р0[1], а[1], b[0]);
and рр4(Р0[0], а[0], b[0]);
and рр5(Р1 [3], а[3], Ь[1 ]);
and рр6(Р1[2], а[2], b[ 1 ]);
and рр7(Р1 [1], а[1], b[ 1 ]);
and рр8(Р1 [0], а[0], b[ 1 ]);
and рр9(Р2[3], а[3], b[2]);
and рр10(Р2[2], а[2], b[2]);
and ppi 1(Р2[ 1 ], а[1], b[2]);
and рр12(Р2[0], а[0], b [2]);
and рр13(РЗ[3], а[3], b[3]);
and рр14(РЗ[2], а[2], b[3]);
and рр15(РЗ[ 1 ], а[1], b[3]);
and рр16(РЗ[0], а[0], b [3]);
endmodule
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты плис
Рис. 7. Результат синтеза модуля матричного умножителя с сохранением переносов CSAM двух 4-разрядных двоичных чисел
Законченный код матричного умножителя
4x4 бит имеет следующий вид:
module array_multiplier_4x4 (
output [7:0] z,
input [3:0] a, b);
Рис. 8. Результат моделирования модуля матричного умножителя с сохранением переносов CSAM
двух 4-разрядных двоичных чисел
wire [2:0] cl,c2,c3,c4;
wire [2:0] sl,s2,s3;
wire [3:0] PO,P1,P2,P3;
// экземпляр генератора частичных произведений
РР ppi (РЗ, Р2,Р1,Р0, а, Ь);
4 а3 а 2 а 1 а 0 a U
а3 < а2 □ а 1 С а0 с с ьо
5 I о ( bi Ьо
ь з аз Ьг а2 Ь<| а1 Ьо Эо n-bit сумматор С; S3 S2 S-) Sq л
'“'О
а3 а: 2 « а1 а0
] \ ( 9 м2
Ьз аз Ьг а2 bi а1 Ьо Эо со n-bit сумматор Cj S3 S2 S<| So л
4
а3 а2 а1 а0
( ? э2 Г '1 [ D3 >0
— Ьз аз Ьг &2 &1 а1 Ьо Эо со n-bit сумматор А S3 S2 S<| So -1—0
Р7 Рб Рб р 4 РЗ
Рис. 9. Структура матричного умножителя с использованием л-разрядных сумматоров
// матрица умножителя
ha HA1_2 (cl[2],sl[2],Pl[2],Р0[3]);
haHAl_L (cl[l],sl[l],Pl[l],P0[2]);
ha НАЦ) (cl [0],sl [0] ,P1 [0] ,P0 [ 1 ]);
faFA2_2(c2[2],s2[2],P2[2],Pl[3],cl[2]);
faFA2_l (c2[l],s2[l],P2[l],sl [2],cl [1]);
faFA2_0 (c2[0],s2[0],P2[0],sl[l],cl[0]);
faFA3_2(c3[2],s3[2],P3[2],P2[3],c2[2]);
faFA3_l (c3[l ],s3[l],P3[l],s2[2],c2[l]);
fa FA3_0 (c3 [0] ,s3 [0] ,P3 [0] ,s2 [ 1 ] ,c2 [0]);
11 генерация младших разрядов произведения
assign z[0] = P0 [0];
assign z[l] = si [0];
assign z[2] = s2[0];
assign z[3] = s3 [0];
// формирование старших разрядов произведения
// с помощью сумматора RCA с последовательным переносом
haRCAl (c4[0],z[4],c3[0],s3[l]);
faRCA2 (c4[l],z[5],c3[l],c4[0],s3[2]);
fa RCA3 (z[7], z[6], сЗ[2], c4[l], P3[3]);
endmodule
Результаты синтеза и моделирования про-
екта array_multiplier_4x4 приведены на рис. 7
и 8 соответственно.
Умножитель
с использованием сумматоров
с последовательным переносом
Рассмотренный матричный умножитель
с сохранением переносов CSAM предполага-
ет сложение битов частичных произведений
в каждом столбце (рис. 6). Другой способ ре-
ализации матричных умножителей — сум-
мирование частичных произведений по стро-
кам. Структура такого умножителя приведена
на рис. 9.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
плис компоненты
43
Рис. 10. Результат синтеза модуля матричного умножителя с использованием сумматоров двух 4-разрядных двоичных чисел
В структуре матричного умножителя
на рис. 9 используются и-разрядные сум-
маторы для сложения частичных произве-
дений данной строки i со значениями сумм,
поступающих от предыдущей строки z-1.
Входной перенос cin всех сумматоров ра-
вен 0. Сумматор строки i (z = и-1) фор-
мирует биты суммы и выходного переноса.
Самый младший бит суммы 50 сумматора
строки z равен биту произведения р;-, а вы-
ходной перенос cozztn биты суммы 5П_Р ..5Х
передаются на входы сумматора следующей
строки z+1. На входы самого верхнего сум-
матора строки 1 поступают значения частич-
ных произведений, соответствующих стро-
кам 0 и 1 умножителя на рис. 6.
Описание матричного умножителя с ис-
пользованием сумматоров на языке Verilog
для п - 4 имеет вид:
module multiplier_4_bits(
input [3:0] a,b,
output [7:0] p);
wire [3:0] PP[3:0]; 11 одномерный массив из 4-битовых
И элементов, частичные произведения а * b
wire [3:0] s[l:3]; // частичные суммы
wire cout[l:3]; И переносы из последовательных
И 4-битовых сумматоров
assign РР[0] = а & {4{Ь[0]}};
assign РР[1] = а & {4{Ь[1]}|;
assign РР[2] = а & {4{Ь[2]}|;
assign РР[3] = а & {4{Ь[3]}|;
adder_N_bits #(4) exl({1 Ъ0,РР [0] [3:1 ] },РР [ 1 ], 1 'bO,s[ 1 ],cout[ 1 ]);
adder_N_bits#(4) ex2({cout[l],s[l][3:l]},PP[2],l'bO,s[2],cout[2]);
adder_N_bits#(4) ex3({cout[2],s[2][3:l]},PP[3],l'b0,s[3],cout[3]);
assign p[0] = PP[0] [0];
assign p[l] = s[l] [0];
assign p[2] = s[2] [0];
assign p[6:3] = s[3];
assign p[7] = cout[3];
endmodule
Результаты синтеза и моделирования про-
екта multiplier_4_bits приведены на рис. 10
и 11 соответственно.
Рис. 11. Результат синтеза модуля матричного умножителя с использованием сумматоров
двух 4-разрядных двоичных чисел
Главным преимуществом структуры ум-
ножителя на рис. 9 является то, что она имеет
регулярную структуру. Это позволяет легко
построить код умножителя на произвольное
число разрядов. Код параметризованного мо-
дуля матричного умножителя может иметь
следующий вид:
module multiplier_N_bits
#(parameter N=4)
(input [N-l:0] a,b,
output [2*N-l:0] p);
wire [N-l:0] PP[N-l:0]; // частичные произведения a * b
wire [N-l:0] s [1:N-1 ]; // частичные суммы
wire cout[l:N-l]; 11 переносы из последовательных
И N-битовых сумматоров
genvar i;
// формирование частичных
// произведений
generate
for(i=0;i<N;i=i+l) begimbll
assign PP[i] = a & {N{b[i]}};
end
endgenerate
// формирование частичных сумм
adder_N_bits #(N) exl({l'b0,PP[0] [N-l:l]},PP[l],l'bO,s[l],cout[l]);
generate
for(i=2;i<N;i=i+l) begin:bl2
adder_N_bits #(N) exi({cout[i-l],s[i-l][N-l:l]},PP[i],l'bO,s[i],
cout[i]);
end
endgenerate
// формирование результата
assign p[0] = PP[0] [0];
generate
for(i=l;i<N-l;i=i+l) begin:bl3
assign p[i] = s[i] [0];
end
endgenerate
assign p[2*N-2:N-l] =s[N-l];
assign p[2*N-l] =cout[N-l];
endmodule
Результаты синтеза и моделирования
проекта multiplier_N_bits при N = 4 полно-
стью совпадают с результатами на рис. 10
и 11 соответственно.
Отметим, что быстродействие умножите-
ля может быть увеличено, если сумматоры
с последовательным переносом заменить
сумматорами с параллельным переносом.
Древовидный
умножитель Уоллеса
Основной целью модификации матрич-
ных умножителей является увеличение их
быстродействия. Один из таких методов —
древовидный умножитель Уоллеса (Wallace
Tree Multiplier). Главная идея метода синтеза
умножителей Уоллеса состоит в том, чтобы
назначить входы сумматоров, выполняющих
сложение частичных произведений в пределах
одного столбца матричного умножителя, так,
чтобы уменьшить число уровней сумматоров.
Пусть в некотором матричном умножите-
ле выполняется сложение частичных произ-
ведений обычным способом (рис. 12).
То же самое можно выполнить, уменьшив
число уровней сумматоров (рис. 13).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
44
компоненты плис
Рис. 12. Сложение частичных произведений
в одном столбце матричного умножителя
Рис. 13. Уменьшение числа уровней сумматоров
при сложении частичных произведений
в одном столбце матричного умножителя
Важную роль в методе синтеза умножите-
лей Уоллеса играют веса цепей, по которым
передаются сигналы между сумматорами.
Вес w(an, bm) частичного произведения ап*Ьт
определяется следующим образом:
w(a„, bj = 2пх2т = 2п+т. (3)
Процесс построения умножителей Уоллеса
состоит из трех этапов:
1. Формирование частичных произведений
и объединение их в группы в соответствии
с их весом.
2. Уменьшение (сокращение) числа частич-
ных произведений (называемых также це-
пями) до не более двух в каждой группе
путем введения полных сумматоров и по-
лусумматоров.
3. Сложение полученных таким образом
цепей с помощью сумматора с последова-
тельным переносом.
На первом этапе генерируются все частич-
ные произведения чисел А и В, которые затем
группируются в соответствии с весом, опре-
деляемым согласно (3). Для 4-разрядного ум-
ножителя группирование частичных произ-
ведений по весам приведено в таблице 1.
На втором этапе выполняется сокращение
частичных прозведений (цепей). Для этого
последовательно просматриваются группы
цепей начиная с группы номер 0 следующим
образом.
Алгоритм 1. Синтез умножителя Уоллеса:
1. Если в группе имеется только одна цепь,
то она передается на следующий иерархи-
ческий уровень умножителя.
2. Если в группе имеется только две цепи,
то они подаются на вход полусуммато-
ра (то есть в схему умножителя вводится
полусумматор). Выход суммы полусум-
матора образует цепь следующего уров-
ня того же самого веса, а выход переноса
образует цепь также следующего уровня,
но в следующей по порядку группе.
3. Если в группе имеется три и более цепи,
то три из них подаются на вход полного
сумматора (то есть в схему умножителя
вводится полный сумматор). Выходы пол-
ного сумматора образуют цепи следующе-
го уровня так же, как для полусумматора.
Затем рассматриваются оставшиеся цепи
данной группы начиная с п. 1.
Отметим, что процесс сокращения це-
пей может приводить к образованию новых
групп с более высоким весом. Процесс сокра-
щения цепей (путем введения полных сум-
маторов и полусумматоров) повторяется для
цепей следующего уровня иерархии до тех
пор, пока в каждой группе останется не более
двух цепей.
На третьем этапе частичные произведения
групп с двумя цепями, а также самой стар-
шей группы, складываются с помощью сум-
матора с последовательным переносом.
В процессе синтеза умножителя Уоллеса
полные сумматоры и полусумматоры бу-
дут образовывать иерархическую структу-
ру в виде матрицы. Столбцы этой матрицы
соответствуют весам частичных произведе-
ний (группам цепей). Строки матрицы со-
ответствуют иерархическим уровням, на ко-
торых располагаются полные сумматоры
и полусумматоры в структуре умножителя.
Один этап сокращения цепей умножителя
формирует одну строку матрицы. Отметим,
что каждая клетка матрицы может содержать
несколько цепей, а также несколько полных
сумматоров и полусумматоров.
Для упрощения процесса синтеза умножи-
телей Уоллеса введем следующие обозначе-
ния для цепей умножителя:
N_iJ_k, (4)
где N — сокращение от слова net; i — номер
строки матрицы или номер этапа сокраще-
ния цепей умножителя; j — номер столбца
матрицы или номер группы цепей; к — но-
мер цепи в группе цепей для одной клетки
матрицы. Согласно принятым обозначени-
ям, частичные произведения в таблице 1 об-
разуют нулевой уровень иерархии, другими
словами, для всех этих цепей i = 0.
Таблица 1. Группирование частичных произведений
4-разрядного умножителя в соответствии с их весом
Номер группы Вес цепи Частичные произведения (цепи)
0 1 аохЬо
1 2 йдхЬ-], а<|ХЬр
2 4 a0xb2, a<|Xb<|y a2xbp
3 8 ЭрхЬд, a^xb2, a2xbv a^xbg
4 16 а^хЬд, a2xb2, ЭдхЬ*]
5 32 a2xb2, ЭдХЬ2
6 64 а3хЬ3
Таблица 2. Обозначение частичных произведения
нулевого уровня
Частичные произведения Их обозначения
аохЬо N_0_0_0
a^xbg N_0J_0
^oxb 1 N_0JJ
a2xb0 N_0_2_0
a^t^ N_0_2_1
a0xb2 N_0_2_2
a3xb0 NJ)J J)
a2xb j N_0_3_1
a^xb2 N_0_3_2
a0xb3 NJ)J J
a3xbi NJ)J J)
a2xb2 N_0_4_1
aixb3 N_0_4_2
a3xb2 N_0_5_0
a2xb3 N_0_5_1
a3xb3 N_0_6_0
Для вводимых в процессе синтеза в схему
умножителя полных сумматоров и полусум-
маторов также введем обозначения, которые
определяют их местоположение в матрице
умножителя следующим образом:
FA(HA)_i_j, (5)
где FA — при вводе полного сумматора;
НА — при вводе полусумматора; i — номер
строки матрицы умножителя; j — номер
столбца матрицы умножителя.
В таблице 2 представлены частичные про-
изведения нулевого уровня в соответствии
с их новым обозначением.
Рассмотрим синтез умножителя Уоллеса
для двух 4-разрядных чисел. Результаты
применения алгоритма 1 к цепям нулевого
уровня приведены в таблице 3. Первые три
Таблица 3. Распределение цепей по группам
для нулевого уровня
Номер группы Вес цепи Частичные произведения (цепи) Полные сумматоры (полу- сумматоры)
0 1 N_0_0_0
1 2 N_0_1_1, N010 HAJJ
2 4 N 0 2 2, N021, N020 FAJ_2
3 8 N_0_3_3, N 0 3 2, N_0_3_1, N_0_3_0 FAJ_3
4 16 N_0_4_2, N_0_4_1, N040 FAJJ
5 32 N_0_5_1, NJ) J J) HAJJ
6 64 N_0_6_0
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
плис компоненты
45
столбца таблицы 3 соответствуют таблице 1,
только частичные произведения заменены
их условными обозначениями. В четвертом
столбце таблицы 3 указаны сумматоры и по-
лусумматоры, вводимые в схему умножите-
ля в процессе выполнения алгоритма 1.
Группа 0 цепей с весом 1 содержит только
одну цепь N_0_0_0, поэтому она передает-
ся на следующий уровень умножителя без
всяких изменений. Группа 1 цепей с весом 2
имеет две цепи N_0_l_l и N_0_l_0, которые,
согласно алгоритму 1, подаются на входы
полусумматора НА_1_1. Выход суммы по-
лусумматора НА_1_1 образует новую цепь
N_l_l_0 в группе 1, а выход переноса — об-
разует цепь N_l_2_0 в группе 2. Группа 2 це-
пей с весом 4 содержит три цепи N_0_2_2,
N_0_2_l и N_0_2_0, которые подаются
на входы полного сумматора FA_1_2. Выход
суммы полного сумматора FA_1_2 образует
цепь N_l_2_l в группе 2, а перенос образу-
ет цепь N_l_3_0 в группе 3. Группа 3 цепей
с весом 8 включает четыре цепи N_0_3_3,
N_0_3_2, N_0_3_l и N_0_3_0. Первые три
цепи N_0_3_3, N_0_3_2, N_0_3_l подаются
на вход полного сумматора ЕА_1_3, а цепь
N_0_3_0 передается на следующий уровень
умножителя. Выход суммы полного сумма-
тора FA_1_3 образует цепь N_l_3_l в груп-
пе 3, а выход переноса образует цепь
N_l_4_0 в группе 4. Аналогично объеди-
няются цепи N_0_4_2, N_0_4_l и N_0_4_0
группы 4 с весом 16 с помощью полного
сумматора FA_1_4. Выход суммы полного
сумматора FA_1_4 образует цепь N_l_4_l
в группе 4, а выход переноса образует цепь
N_l_5_0 в группе 5. В группе 5 на нулевом
уровне имеется только две цепи N_0_5_l
и N_0_5_0, которые объединяются полусу-
матором НА_1_5. Выход суммы полусумма-
тора НА_1_5 образует цепь N_l_5_l, а выход
переноса — цепь N_l_6_0. Группа 6 на нуле-
вом уровне имеет только одну цепь N_0_6_0,
которая передается на следующий уровень
иерархии. В таблице 3 цепи, которые объеди-
няются, выделены полужирным шрифтом.
Распределение цепей умножителя по груп-
пам после сокращения цепей нулевого уров-
ня приведено в таблице 4.
Аналогичным образом выполняется со-
кращение цепей первого уровня. Для этого
в схему умножителя вводятся полные сум-
маторы и полусумматоры второго уровня,
Таблица 4. Распределение цепей по группам
для первого уровня
Номер группы Вес цепи Частичные произведения (цепи) Полные сумматоры (полусумматоры)
0 1 N_0_0_0
1 2 N_1_1_0
2 4 N12 0, N12 1 HA_2_2
3 8 N13 0, N13 1, N030 FA_2_3
4 16 N14 0, N14 1 HA_2_4
5 32 N15 0, N15 1 HA_2_5
б 64 N_1_6_0, N_0_6_0 HA_2_6
Рис. 14. Структура умножителя Уоллеса 4x4 бит
которые указаны в последнем столбце табли-
цы 4. Вводимые полные сумматоры и полу-
сумматоры, в свою очередь, образуют цепи
второго уровня. При этом выходы сумм об-
разуют цепи следующего уровня в этой же
группе, а выходы переносов — в следующей
группе. Распределение цепей второго уровня
по группам приведено в таблице 5.
Как можно видеть из таблицы 5, сокраще-
ние цепей первого уровня привело к созданию
группы с номером 7 для цепей с весом 128.
В таблице 5 каждая группа содержит не более
двух цепей, поэтому второй этап сокращения
частичных произведений заканчивается.
В таблице 5 группы 0,1 и 2 включают толь-
ко одну цепь, поэтому эти цепи могут быть
переданы на выход умножителя без всяких
изменений в качестве битов произведения
р0, р] и р2 соответственно. Цепи групп 3, 4, 5,
6 и 7 подаются на входы последовательного
сумматора, биты суммы которого форми-
руют значения битов произведения р3, р4, р5,
р6 и р7 соответственно. В общем случае для
увеличения быстродействия вместо после-
довательного сумматора на последнем эта-
пе синтеза может использоваться сумматор
с параллельным переносом.
Окончательная реализация древовидного
матричного умножителя Уоллеса показана
на рис. 14.
Таблица 5. Распределение цепей по группам
на втором уровне иерархии
Номер группы Вес цепи Частичные произведения (цепи)
0 1 N_0_0_0
1 2 N_1_1_0
2 4 N_2_2_0
3 8 N_2_3_1, N_2_3_0
4 16 N_2_4_1, N_2_4_0
5 32 N_2_5_1, N_2_5_0
6 64 N_2_6_1, N_2_6_0
7 128 N_2_7_0
Код умножителя Уоллеса можно предста-
вить следующим образом.
module wallace(
input [3:0] a,b,
output [7:0] p);
wire n0_0_0,n0_l_0,n0_l_l,n0_2_0,n0_2_l,n0_2_2,n0_3_0,
n0_3_l ,n0_3_2,n0_3_3;
w ire n0_4_0,n0_4_ 1 ,n0_4_2,n0_5_0,n0_5_ 1 ,n0_6_0;
wire nl_l_0,nl_2_0,nl_2_l,nl_3_0,nl_3_l,nl_4_0,nl_4_l,
nl_5_0,nl_5_l,nl_6_0;
wire n2_2_0,n2_3_0,n2_3_l,n2_4_0,n2_4_l,n2_5_0,n2_5_l,
n2_6_0,n2_6_l,n2_7_0;
wire [3:0] c;
11 формирование частичных произведений
И (цепей первого уровня)
assign {n0_3_0,n0_2_0,n0_l_0,n0_0_0} = а & {4{b[0]}};
assign [n0_4_0,n0_3_l,n0_2_l,n0_l_l] = а & {4{b[ 1 ]}};
assign {n0_5_0,n0_4_l,n0_3_2,n0_2_2} = а & {4{b[2]}};
assign {n0_6_0,n0_5_l,n0_4_2,n0_3_3} = а & {4{b[3]}};
И сумматоры первого уровня
half_adder hal_L(n0_l_0,n0_l_l,nl_l_0,nl_2_0);
full_adder fal_2(n0_2_0,n0_2_l,n0_2_2,nl_2_l,nl_3_0);
full_adder fal_3(n0_3_l,n0_3_2,n0_3_3,nl_3_l,nl_4_0);
full_adder fal_4(n0_4_0,n0_4_l,n0_4_2,nl_4_l,nl_5_0);
half_adder hal_5(n0_5_0,n0_5_l,nl_5_l,nl_6_0);
11 сумматоры второго уровня
half_adder ha2_2 (n 1 _2_0,n 1 _2_ 1 ,n2_2_0,n2_3_0);
f ull_adder f a2_3 (n l_3_0,nl_3_l ,n0_3_0,n2_3_l ,n2_4_0);
half_adder ha2_4(nl_4_0,nl_4_l,n2_4_l,n2_5_0);
half_adder ha2_5 (n 1 _5_0,n 1 _5_ 1 ,n2_5_l ,n2_6_0);
half_adder ha2_6 (n 1 _6_0,n0_6_0,n2_6_l ,n2_7_0);
11 формирование младших разрядов произведения
assign р[0] =n0_0_0;
assign р[1] =nl_l_0;
assign p [2] = n2_2_0;
11 формирование старших разрядов произведения
half_adder ha3_3 (n2_3_0,n2_3_ 1 ,p [3 ] ,c [0]);
full_adder fa3_4(c [0] ,n2_4_0,n2_4_l,p [4] ,c[ 1 ]);
f ull_adder f a3_5 (c [ 1 ] ,n2_5_0,n2_5_l ,p [ 5 ] ,c [ 2 ]);
f ull_adder f a3_6 (c [2 ] ,n2_6_0,n2_6_l ,p [ 6 ] ,c [ 3 ]);
half_adder ha3_7 (c [ 3 ] ,n2_7_0,p [ 7 ],);
endmodule
Здесь сумматор с последовательным пе-
реносом нижнего уровня реализован с по-
мощью одноразрядных сумматоров (полу-
сумматоров) HA3_3, FA3_4, FA3_5, FA3_6
и НАЗ_7. Результаты синтеза и моделирова-
ния умножителя Уоллеса 4x4 бит приведены
на рис. 15 и 16 соответственно.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
46
компоненты плис
full adder:fa3 6
Рис. 15. Вид результатов синтеза умножителя Уоллеса на 4x4 бит на уровне регистровых передач
Рис. 16. Результаты моделирования умножителя Уоллеса на 4x4 бит
Рис. 18. Точечная диаграмма реорганизованной
матрицы умножения 4x4 бит
(ЖЖК ’
Рис. 17. Точечная диаграмма исходной матрицы
умножителя на 4x4 бит
ХХ//Х ' *
6 5 4 3 2 1 0
Рассматривая структуру матричного ум-
ножителя Уоллеса на рис. 14, можно заме-
тить, что суть синтеза заключается в замене
частичных произведений каждого уровня
на частичные произведения следующего
уровня с помощью сумматоров и полусум-
маторов. При этом следует учитывать, что
каждый перенос формирует частичное про-
изведение на этом же уровне, но в следую-
щем столбце (в следующей группе).
Частичные произведения матричного ум-
ножителя принято представлять с помощью
точечной диаграммы в виде параллелограм-
ма (рис. 17).
Учитывая коммутативные и ассоциатив-
ные свойства сложения, матрицу на рис. 17
можно представить так, как на рис. 18. В то-
чечной диаграмме на рис. 18 подчеркивается,
что не имеет значения, в каком порядке аппа-
ратные средства будут складывать частичные
произведения в каждом столбце.
Поскольку матрица на рис. 18 напомина-
ет дерево, умножитель Уоллеса называют
древовидным умножителем. С учетом вве-
денных обозначений выполнение алгоритма
синтеза умножителя Уоллеса можно пред-
ставить последовательностью точечных диа-
грамм (рис. 19).
Рис. 19. Матричные диаграммы
при синтезе умножителя Уоллеса 4x4 бит
В диаграммах на рис. 19 точки в овалах
показывают частичные произведения, кото-
рые складываются с помощью сумматоров
(три точки) или полусумматоров (две точ-
ки). При этом следует учитывать, что каж-
дый введенный сумматор или полусумматор
порождает в диаграмме следующего этапа
одну точку в данном столбце, которая со-
ответствует сумме, и одну точку в следую-
щем столбце, соответствующую переносу.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
плис компоненты
47
Рис. 20. Точечные диаграммы
при синтезе умножителя Дадда 4x4 бит
Р7 Рб Рб Р4 РЗ Р2 Р1 РО
Рис. 21. Структура матричного умножителя Дадда на 4x4 бит
На рис. 19 диагональные линии обозначают
выходы сумматоров, а пересеченные диаго-
нальные линии — выходы полусумматоров.
Процесс введения сумматоров и полу-
сумматоров называется сжатием столб-
цов (column compression), поскольку при
этом уменьшается число точек в столбцах.
Процесс сжатия заканчивается, когда в каж-
дом столбце остается не более двух точек (ча-
стичных произведений). На последнем этапе
выполняется сложение частичных произве-
дений с помощью обычного сумматора с по-
следовательным переносом.
Различные стратегии введения сумматоров
и полусумматоров в процессе сжатия столб-
цов матричного умножителя породили мно-
жество способов построения умножителей,
наиболее известным из которых является ум-
ножитель Дадда.
Умножитель Дадда
Метод синтеза умножителей Дадда ориен-
тирован на минимизацию числа используе-
мых сумматоров и полусумматоров. В осно-
ве умножителя Дадда лежит древовидная то-
чечная диаграмма Уоллеса (рис. 18), которая
реализуется минимальным числом сумма-
торов и полусумматоров. Для этого вначале
определяется максимальная высота столбцов
в точечных диаграммах на каждом этапе син-
теза следующим образом:
d| = 2, dj+i = [ 1,5х dj\, (6)
где [А] — наибольшее целое, меньшее или
равное А.
Формула (6) порождает следующую после-
довательность высот:
2, 3,4,6,9,13,19,29,42,63,94,...
Особенностью метода синтеза Дадда яв-
ляется то, что этапы нумеруются с конца.
Например, при синтезе умножителя Уоллеса
имеется три этапа синтеза. Но при синтезе ум-
ножителя Дадда на первом этапе / = 3 и = 4,
на втором этапе j = 2n dj= 3, на третьем эта-
пе j = 1 и dj - 2. Процесс синтеза умножителя
Дадда 4x4 бит представлен на рис. 20.
На первом этапе синтеза имеем j = 3 и = 4,
ограничения на число точек в каждом столбце
выполняются. Но для того чтобы ограниче-
ния выполнялись на втором этапе при j = 2
и d2 = 3, необходимо уменьшить на единицу
число точек в столбце 3. Для этого в схему
умножителя вводится полусумматор НА1_3.
Перенос из полусумматора НА1_3 породит
точку в столбце 4 на втором этапе, что при-
ведет к превышению значения = 3. Поэтому
в схему вводится полусумматор НА1_4.
Аналогично вводятся сумматоры и полусум-
маторы на втором этапе синтеза. Процесс син-
теза умножителя Дадда 4x4 бит также пред-
ставлен в таблицах 6-8. На рис. 21 показана
структура умножителя Дадда 4x4 бит.
Ниже приводится код умножителя Дадда.
module dadda(
input [3:0] a,b,
output [7:0] p);
wire n0_0_0,n0_l_0,n0_l_l,n0_2_0,n0_2_l,n0_2_2,n0_3_0,
n0_3_l ,n0_3_2,n0_3_3;
wire n0_4_0,n0_4_l,n0_4_2,n0_5_0,n0_5_l,n0_6_0;
wire nl _3_0,nl_4_0,nl_4_l,nl_5_0;
wire п2_2_0,п2_3_0,п2_3_1,п2_4_0,п2_4_1,п2_5_0,п2_5_1,
n2_6_0;
wire [5:1] c;
// формирование частичных произведений
И (цепей первого уровня)
assign {n0_3_0,n0_2_0,n0_l_0,n0_0_0} = а & {4{b[0]}};
assign {n0_4_0,n0_3_l,n0_2_l,n0_l_l} = а & {4{b[ 1 ]}};
assign {n0_5_0,n0_4_l,n0_3_2,n0_2_2} = а & {4{b[2]}};
assign {n0_6_0,n0_5_l,n0_4_2,n0_3_3} = а & {4{b[3]}};
Таблица 6. Распределение цепей нулевого уровня
по группам при синтезе умножителя Дадда 4x4 бит
Номер группы Цепи Полные сумматоры (полусумматоры)
0 N_0_0_0
1 N_0_1_1, N_0_1_0
2 N_0_2_2, N_0_2_1, N_0_2_0
3 N_0_3_3, N_0_3_2, N 0 3_1, N 0 3_0 НА 1_3
4 N_0_4_2, N041, N040 НА_1_4
5 N_0_5_1, N_0_5_0
6 N_0_6_0
Таблица 7. Распределение цепей первого уровня
по группам при синтезе умножителя Дадда 4x4 бит
Номер группы Цепи Полные сумматоры (полусумматоры)
0 N_0_0_0
1 N_0_1_1, N_0_1_0
2 N 0 2 2, N021, N020 FA2_2
3 N_1_3_0, N_0_3_1, N_0_3_0 FA2_3
4 N_1_4_1, N041, N040 FA2_4
5 N051, N 0 5 0, N150 FA2_5
б N_0_6_0
Таблица 8. Распределение цепей последнего уровня
по группам при синтезе умножителя Дадда 4x4 бит
Номер группы Цепи Полные сумматоры (полусумматоры)
0 N_0_0_0
1 N_0_1_1, N010 HA3_1
2 N221, d HA3_2
3 N231,N 2 3 0,c2 FA3_3
4 N241,N 2 4 0,c3 FA3_4
5 N251,N 2 5 0,c4 FA3_5
6 N_0_6_0, N_2_6_0,c5 FA3_6
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
48
компоненты плис
half adder:fa1 4
Рис. 22. Вид умножителя Дадда на 4x4 бит на уровне регистровых передач
// сумматоры первого уровня
half_adder hal_3(n0_3_2,n0_3_3,nl_3_0,nl_4_0);
half_adder fal_4(n0_4_l,n0_4_2,nl_4_l,nl_5_0);
// сумматоры второго уровня
full_adder fa2_2(n0_2_0,n0_2_l,n0_2_2,n2_2_0,n2_3_0);
full_adder fa2_3(n0_3_0,n0_3_l,nl_3_0,n2_3_l,n2_4_0);
full_adder fa2_4(nl_4_0,n0_4_0,nl_4_l,n2_4_l,n2_5_0);
full_adder fa2_5(nl_5_0>n0_5_0,n0_5_l,n2_5_l,n2_6_0);
11 формирование младших разрядов произведения
assign р[0] =n0_0_0;
И формирование старших разрядов произведения
half_adder ha3_l (n0_l_0,n0_l_l,p [ 1 ] ,с[ 1 ]);
half_adder ha3_2 (c [ 1 ] ,n2_2_0,p [2 ] ,c[2]);
f ull_adder fa3_3 (c [ 2 ] ,и2_3_0,п2_3_1 ,p [ 3 ] ,c [ 3 ]);
f ull_adder fa3_4(c [3 ] ,п2_4_0,п2_4_1 ,p [4] ,c [4]);
f ull_adder fa3_5 (c [4 ] ,и2_5_0,и2_5_1 ,p [ 5] ,c [ 5]);
full_adder fa3_6(c[5],n2_6_0,n0_6_0>p [6] ,p [7]);
endmodule
Результаты синтеза и моделирования ум-
ножителя Дадда 4x4 бит приведены на рис. 22
и рис. 23 соответственно.
Сравнение методов синтеза умножителей
Уоллеса и Дадда показывает, что умножитель
Рис. 23. Результаты моделирования умножителя Дадда на 4x4 бит
Уоллеса ориентирован на построение умно-
жителей высокого быстродействия. Поэтому
максимальное число сумматоров и полусум-
маторов располагается на самых ранних эта-
пах синтеза для того, чтобы уменьшить длину
цепи переноса последовательного сумматора
на последнем уровне. Умножитель Дадда на-
целен на минимизацию числа применяемых
сумматоров и полусумматоров. При этом
основная вычислительная нагрузка ложится
на последовательный сумматор последне-
го уровня. Отметим, что как в умножителе
Уоллеса, так и в умножителе Дадда на послед-
нем уровне для повышения быстродействия
вместо последовательного сумматора мож-
но использовать параллельный сумматор.
Литература
1. Орлов С. А., Цилкер Б. Я. Организация ЭВМ
и систем. Учебник для вузов. 4-е изд. Питер,
2018.
НОВОСТИ блоки питания
Программируемые источники питания
нового поколения IT6000 от ITECH
Компания ITECH представляет лабораторные
источники питания для монтажа в стойку се-
рии IT6000, которая характеризуется широким
выбором моделей с определенным диапазоном
регулировки тока и напряжения. Также предо-
ставляется возможность регенерации энергии
(IT6000B, IT6000C) для поддержания концепции
энергосбережения, набирающей популярность
в последнее время.
Основные технические характеристики:
• Источник питания и электронная нагрузка (ре-
генерация энергии) в одном устройстве — для
серий IT6000B и IT6000C; для серии IT6000D —
источник питания, 73 стандартные модели.
• Режимы работы электронной нагрузки:
- для серии IT6000B: CC/CR/CP/CV/CV+CC/
CR+CC;
— для серии IT6000C: СС/СР.
• Мощность: в одном устройстве — до 144 кВт,
при параллельном подключении —до 1,152 МВт.
• Выходное напряжение: 0—2250 В DC.
• Выходной ток: 0—2040 А.
• Высокая удельная мощность: 18 кВт при высоте
профиля 3U.
www.eltech.spb.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
ЭЛТЕХ - ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР
►
ANALOG
DEVICES
AHEAD OF WHAT’S POSSIBLE™
ПРЕЦИЗИОННЫЙ Z-Д АЦП
CO ВСТРОЕННЫМИ
ЦИФРОВЫМИ ФИЛЬТРАМИ
ПРЕИМУЩЕСТВА
I Минск
ю\1&(
www.eltech.spb.ru analog@eltech.spb.ru
Санкт-Петербург
(812) 327-9090
I Москва
(499) 270-0787
Новосибирск
(383) 230-0415
Екатеринбург
(343) 311-4228
I Ростов-на-Дону
(863) 206-5720
375 (17) 234-9944
ш
Q.
50
компоненты микроконтроллеры
Программно-аппаратная
платформа Renesas Synergy:
инструменты для разработки
на уровне API. Часть 2
Дмитрий КАПЛУН
dikaplun@etu.ru
Максим МИНЕНКО
Александр СИНИЦА
Василий КУЗНЕЦОВ
Сергей ЛЫСОВ
lisov.s@mt-system.ru
Статья продолжает цикл публикаций [1], посвященных программно-ап-
паратной платформе Renesas Synergy Platform — фокусному продукту
компании Renesas Electronics, позволяющему инженеру начать работу
с микроконтроллером на уровне API и больше времени уделить написа-
нию кода собственного программного обеспечения. Рассмотрена работа
с отладочной платой Starter Kit SK-S7G2 от Renesas, создание первых
проектов в интегрированной среде разработки e2studio, а также исполь-
зование некоторых утилит Renesas Synergy.
Введение
Отладочная плата Starter Kit SK-S7G2 пред-
лагает легкий доступ к платформе Synergy,
поскольку основана на серии микрокон-
троллеров Synergy, предусматривающей са-
мые большие объемы памяти и самый ши-
рокий выбор встроенных периферийных
устройств. Таким образом, это решение хо-
рошо подходит, если пока не ясно, какой ми-
кроконтроллер окончательно будет исполь-
зован в проекте, или если еще не определено,
какая именно отладочная плата предпочти-
тельна. Starter Kit SK-S7G2 позволяет без про-
блем изучить платформу Synergy, включая
микроконтроллер и все его периферийные
устройства. Компактная конструкция пла-
ты предусматривает доступ более чем к 80%
контактов устройства через разъемы Arduino
и Pmod, что помогает быстро создать про-
тотип приложения. Встроенный сенсорный
дисплей QVGA обеспечивает взаимодействие
с платой, особенно если применяется вместе
с промежуточным программным обеспече-
нием (ПО) GUIX из пакета ПО Synergy (SSP)
и GUIX Studio — программы для Windows,
которую можно загрузить из галереи
.»•
it
ti
»
Рис. 1. Рабочий стол e2studio
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
Рис. 2. Код первой программы
Рис. 3. Окно Debug Configuration
Synergy и употребить для создания графи-
ческих интерфейсов пользователя (GUI).
Подключение к внешней среде возможно че-
рез USB, Ethernet, RS-232/485 и Bluetooth Low
Energy (BLE) 4.1. Через встроенный отладчик
J-Link доступна отладка ПО и программиро-
вание устройства.
Далее с помощью интегрированной среды
разработки (ISDE) e2studio (рис. 1) будут про-
демонстрированы основные возможности
платы SK-S7G2.
Первый проект в e2studio
Первая программа, которую большин-
ство новичков пишут на любом языке про-
граммирования и под любую аппаратную
платформу,— это программа, помещающая
приветствие “Hello, World!” в стандартное
устройство вывода.
При работе с микроконтроллером осу-
ществить доступ к LCD-дисплею для начи-
нающих не самая простая задача, поэтому
используем переключение светодиодов как
аналог “Hello, World!” (рис. 2).
После создания проекта в его проводнике
(Project Explorer) откроем папку src, в кото-
рой находится файл hal_entry, для доступа
к светодиодам будем применять API уровня
аппаратных абстракций (HAL). Чтобы не за-
громождать текст кодом, приведем соглаше-
ния об именах различных API, которые бу-
дут полезны не только для написания своего
кода, но и для понимания программ, подго-
товленных другим программистом:
• R_BSP_xxx: префикс для общей функции
BSP, например R_BSP_LedsGet;
• BSP_xxx: префикс для определений BSP,
например BSP_LED_LED1;
• SSP_xxx: префикс для общих определений
SSP, в основном коды ошибок;
• g_<interface>_on_<instance>: имя посто-
янной глобальной структуры экземпляра,
реализующего API-интерфейс, например
g_ioport;
• г_<интерфейс>_арьЬ: имя заголовочного
файла интерфейсного модуля, например
r_spi_api.h;
• г_<интерфейс>_<Еипсйоп>:
имя API-интерфейса HAL,
например R_RSPI_Open();
• sf_<framework>_<function>: модуль уров-
ня фреймворка приложения;
• sf_<framework>_xxx: API-интерфейс уров-
ня фреймворка приложения.
Для того чтобы создать проект, нажмем
кнопку Build 4 в строке главного меню.
После завершения создастся файл с расши-
рением .elf который необходимо загрузить
в процессор, прежде чем мы сможем его за-
пустить.
Для загрузки программы в процессор от-
крываем окно Debug Configuration (рис. 3),
нажав на стрелку кнопки Debug ', в по-
явившемся окне выбираем раздел Renesas
GDB Hardware Debugging, находим наш про-
ект и нажимаем кнопку Debug.
После завершения загрузки запустим про-
ект, нажав два раза кнопку Resume *, свето-
диоды Ledl, Led2 и Led3 начнут поочередно
мигать (рис. 4).
Использование операционной
системы реального времени
ThreadX
ThreadX, созданная Express Logic, представ-
ляет собой операционную систему реального
времени (ОСРВ) для семейства микроконтрол-
леров Synergy. Она была разработана специаль-
но как для высокопроизводительных, так и для
графических приложений и для встроенных
систем с ограниченной памятью и специаль-
ными требованиями с точки зрения детерми-
низма. Она требует небольшой размер флэш-
памяти (менее 2 кбайт на микроконтроллерах
серии S3, S5 или S7), небольшой объем ОЗУ
(минимум <1 кбайт для ОЗУ ядра) и короткое
время переключения контекста (0,7 мкс на ми-
кроконтроллере Synergy R7FS7G2).
Рис. 4. Расположение на отладочной плате
светодиодов, используемых в примере
В качестве многозадачной ОСРВ ThreadX
использует несколько передовых алгоритмов
планирования, обеспечивает трассировку
событий в режиме реального времени, пере-
дачу сообщения и прерывание управления,
а также множество других сервисов и является
полностью детерминированной. Она имеет
проверенную репутацию более чем с 5,5 млрд
развертываний на рынках потребителей, ме-
дицинской электроники и промышленной
автоматизации и отвечает многочисленным
стандартам безопасности и качества.
Среди других дополнительных функций
можно назвать архитектуру picokernel [2],
планирование Preemption-Threshold [3],
Event Chaining [4] и широкий набор систем-
ных сервисов. Она также поддерживает про-
межуточное ПО X-Ware с сервисами, кото-
рые требуются различным компонентам.
Создадим небольшое приложение и вос-
пользуемся в нем кнопкой SW4 в правом
верхнем углу платы, чтобы сигнализировать
о событии для приложения, которое будет
переключать зеленый светодиод в ответ
на него. Для реализации применим ThreadX,
обработка события будет происходить вну-
три потока, и уведомление об этом событии
станет выполняться с помощью семафора.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты микроконтроллеры
Рис. 10. Код программы
Рис. 5. Вкладка Threads
к которому SW4 подключен как вход IRQ11.
ThrHB^t pui>lic«’
Создадим новый проект в e2studio и перей-
дем во вкладку Threads в перспективе Synergy
Configuration (рис. 5).
Сформируем новый поток и переимену-
ем символ в led_thread и его название в LED
Thread в окне «Свойства» (Properties).
Остальные свойства — по умолчанию. На па-
нели LED Thread Stacks нажмем значок New
и выберем Driver Input External IRQ
Driver on r_icu (рис. 6).
Это добавит драйвер для внешнего преры-
вания. Перейдем в окно свойств для g_external_
irqO и внесем некоторые изменения (рис. 7).
Изменение Trigger от Rising до Falling
и Digital Filtering от Disabled до Enabled по-
может подавить дребезг контактов кнопки.
SW4 подключен к IRQ 11, поэтому поставим
11-й канал, изменение Callback создаст функ-
цию, которая вызывается нажатием SW4.
Для синхронизации событий и потоков
воспользуемся ресурсом ОСРВ, а имен-
но семафором. Для этого нажмем кнопку
New Object на панели объектов потока LED
Thread. Нам понадобится один семафор, что-
бы уведомить LED Thread о нажатии кнопки
(рис. 8).
Для этого активируем вкладку Pins и пере-
йдем в порт Р006 (рис. 9).
Сохраним изменения и сгенерируем необ-
ходимые папки, файлы и настройки, нажав
кнопку Generate Project Content. В появив-
шемся файле led_thread_entry напишем наш
код (рис. 10).
Далее проделаем те же операции, что
и с первым проектом, и запустим приложе-
ние. Нажимая кнопку SW4 (рис. 11), будем
включать/выключать светодиод.
В итоге понадобилось всего несколько ша-
гов, чтобы создать небольшое приложение,
использующее ОСРВ ThreadX.
Рис. 8. Вид вкладки Threads после выполнения
описанных выше действий
. <• л . Г •’ "г>1 Iteaaei м.мэр.| f .
Рис. 9. Конфигурация порта Р006
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
Рис. 11. Кнопка SW4
!*1гнлгй Сaiwf»jui*tinFi
♦ <К Гамм*B»rW *ыа м / .V
ф Пи*ПНПЖЕ| ОТР«шва4 0*м« м rf
♦ ОТ 1мм* Омм«
* ОТ1мммМ 9Мп* ОТ in *_*»•
♦ АЛ CJ С ЕслгмвсМааа I аммсг* ™ ^>_и_кл«н
♦ Л ммайОмввмА.вк
1г» II
<дв
Рис. 12. Добавление фреймворка коммуникаций
Передача данных по USB
с использованием очереди
В следующем приложении будем отправ-
лять состояние светодиода LED1 через USB-
порт на рабочую станцию Windows. Здесь
можно убедиться, насколько просто рабо-
тать с пакетом услуг Synergy Software Package
(SSP), даже при настройке сложных комму-
никаций, таких как USB.
В предыдущем проекте перейдем
во вкладку Threads и добавим новый по-
ток — comms_thread, а затем введем экзем-
пляр фреймворка связи Communications
Framework on sf_el_ux_comms (рис. 12).
E2studio добавит в систему полный стек
коммуникаций до уровня, требующего вме-
шательства пользователя. Также можно за-
метить различную цветовую подсветку пото-
ков. Обычные экземпляры отмечены серым
цветом, общие экземпляры, которые могут
использоваться не только в одном потоке,
обозначаются синим цветом, розовым от-
мечены модули, которые можно заменять
на другие, с аналогичными интерфейсами.
д r*cw_qurueO Queue
Menage SOT (Wc< d-if
Queue Sot
Property
Н*п*
Рис. 14. Свойства добавленной очереди
Далее добавим необходимый USBX-порт
(рис. 13) и изменим свойство приоритета пре-
рывания полной скорости на приоритет 8.
Вспомним, как был добавлен семафор
в предыдущем проекте, и в выбранном по-
токе comms_thread добавим средство ком-
муникации между потоками — очередь
(queue). Затем зададим свойства новой очере-
ди (рис. 14), сохраним и сгенерируем проект,
как было сделано ранее.
Теперь осталось написать несколько строк
кода. Во-первых, в файле led_thread_entry
перед переключением светодиода добавим
стандартную функцию работы со строками:
strepy (send_str, “LED off(on)\n\r”); и следу-
ющую строку: tx_queue_send (&g_cdc_queue,
send_str, TX_WAIT_FOREVER); эта часть
программы будет посылать сообщение в оче-
редь. Во-вторых, в появившемся после ге-
нерации файле comms_thread_entry добавим
код, указанный на рис. 15.
Затем в программе эмулятора термина-
ла, например в Тега Term Pro (рис. 16), под-
ключимся к COM-порту: на разных рабочих
станциях номер порта может отличаться,
в данном случае — это СОМ6.
Запустим программу, несколько раз на-
жмем кнопку SW4 и увидим состояние све-
тодиода в терминале (рис. 17).
Анализ событий в ТгасеХ
Используем программу ТгасеХ — инстру-
мент, предназначенный для отслеживания
всех событий, которые происходят, когда на-
жимается кнопка SW4. Ссылку на скачива-
ние ТгасеХ и более подробное описание мож-
но найти на сайте разработчика [5].
Для того чтобы включить трассировку,
нам нужно добавить исходный код ThreadX
и USBX. В потоке HAL/Common на вклад-
Рис. 16. Настройки соединения в Тега Term Pro
Рис. 17. Отображение состояния светодиода LED1
в терминале по нажатию кнопки SW4
Рис. 13. Добавление USBX-порта
Рис. 15. Пример кода, обеспечивающего связь между потоками
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты микроконтроллеры
Рис. 18. Добавление ThreadX
Рис. 19. Добавление USBX
ке Threads добавим ThreadX, как показано
на рис. 18.
В свойствах добавленного модуля ThreadX
включим Event Trace. В Comms Thread доба-
вим USBX-модуль (рис. 19). Больше ника-
ких изменений делать не нужно, поэтому
сохраняем конфигурацию и генерируем
проект.
Запустим проект и нажмем несколько раз
кнопку SW4, чтобы создать некоторое коли-
чество системных событий. Затем приоста-
новим программу и запустим ТгасеХ, выбрав
Run ТгасеХ Launch ТгасеХ Debugging
(рис. 20).
Каждое событие представлено конкрет-
ным цветом и аббревиатурой:
• R: Running—поток запущен (исполняется);
• SP: Semaphore put (SW4 semaphore) —
семафор поставлен (8УУ4-семафор);
• IR: Internal thread resume — возобновление
внутреннего потока планировщиком;
• QS: Queue send (CDC queue) — отправка
сообщения в очередь (очередь CDC);
• IS: Internal thread suspend (LED thread) —
внутренний поток приостановлен плани-
ровщиком (поток LED);
• MG: tx_mutex_get (Comms thread) — уста-
новка мьютекса;
• RA: Device Stack Transfer All Request Abort
(USB) — передача через стек и сброс запро-
са прерывания (USB);
Рис. 22. Добавление первого окна в GUIX studio
м ]
- I
в
о
ь»
и
п
Рис. 20. Последовательность событий в ТгасеХ
• SG: Semaphore get (SW4 semaphore) —
семафор запрошен (8УУ4-семафор);
• IS: Internal thread suspend (Comms thread) —
внутренний поток приостановлен плани-
ровщиком (поток Comms).
Создание GUI для LCD-дисплея
в GUIX studio
Последнее приложение будет сделано
для того, чтобы показать простоту созда-
Ml йий СЬяйу**
Рис. 21. GUIX studio
Рис. 23. Результат работы GUIX studio
ния GUI с помощью GUIX studio (рис. 21).
Данная утилита представляет собой сво-
еобразный конструктор пользователь-
ского меню, и благодаря ее простоте даже
пользователь, не написавший за жизнь
ни одной программы, сможет организо-
вать качественное пользовательское меню,
поскольку все, что необходимо знать раз-
работчику GUI в данном ПО,— это пара-
метры LCD-дисплея; остальное программа
сделает сама.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
Рис. 24. Первое окно, созданное с помощью GUIX studio, на LCD-дисплее
Рис. 25. Второе окно, созданное с помощью GUIX studio, на LCD-дисплее
Допустим, наше меню состоит из двух окон, между которыми
можно переключаться с помощью touch-экрана (рис. 22).
Опустим подробное описание свойств и добавления кнопок в наше
меню и приведем конечный результат, который также можно посмо-
треть в GUIX studio.
Слева видны свойства выбранного элемента (в нашем случае —
кнопка Stay in windowl), справа можно менять шрифт, цвета и над-
писи (рис. 23).
По окончании создания меню следует сгенерировать все файлы,
С-код будет добавлен по выбранному нами пути.
Далее перейдем в e2studio и доделаем наш проект. Для этого по-
требуется всего один дополнительный поток, создадим его и добавим
следующие модули:
• sf_touch_panel_i2c — предоставляет высокоуровневый API для
чтения сообщения с touch контроллера и реализуется с использо-
ванием порта 12С;
• sf_el_gx — позволяет использовать GUIX studio для создания ин-
терфейса;
• r_sci_spi — поддерживает настройку и управление различными
функциями SPI на MCU Synergy.
Также нам понадобится семафор для синхронизации потоков.
Не будем приводить настройку свойств модулей и код потоков.
Результат можно увидеть на рис. 24,25.
Заключение
Итак, в статье рассмотрена работа с отладочной платой Starter Kit SK-
S7G2 от Renesas и освещены вопросы, связанные с созданием первых
проектов в интегрированной среде разработки e2studio. Кроме того, по-
казаны особенности ОСРВ ThreadX для семейства микроконтроллеров
Synergy. Продемонстрированы преимущества и удобство использо-
вания таких утилит Renesas Synergy Platform, как TraceX, GUIX studio.
Все представленное программное обеспечение находится в свобод-
ном доступе на сайте производителя [6].
Литература
1. Каплун Д., Брикова О., Гульванский В., Кузнецов В., Лысов С. Программно-
аппаратная платформа Renesas Synergy: инструменты для разработки на
уровне API. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2018. №7.
2. www.en.wikipedia.org/wiki/Microkernel
3. www.rtos.com/wp-content/uploads/2017/10/EL_PTS_Improves_Performance.pdf
4. www.en.wikipedia.org/wiki/Event_chain_methodology
5. www.renesas.com/en-us/products/synergy/software/tools/tracex.html
6. www.renesas.com/en-eu/products/synergy.html
7. Oed R. Программно-аппаратная платформа Renesas Synergy. Основы.
www.mt-system.ru/sites/default/files/documents/synergy_book_rus.pdf
Реклама
RENESAS И IDT i
ВЫИГРЫШНАЯ
КОМБИНАЦИЯ
Renesas и IDT объединились и теперь могут предложить еще больше
решений для любых отраслей электроники, включая промышленные,
инфраструктурные и автомобильные сегменты.
Renesas
• Микроконтроллеры и
Микропроцессоры
• Встроенные системы
• Аналоговые микросхемы
• Микросхемы управления питанием
A Renesas Company
• Высокоточное тактирование
• Интерфейсы /
коммуникационные микросхемы
• Датчики
• Беспроводное питание
МТ-Системс - официальный дистрибьютор продукции Renesas/IDT в России.
КОМПОНЕНТЫ и ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
56
НОВОСТИ интерфейсы
AD4110-1 — универсальный аналоговый интерфейс (AFE)
с интегрированным ЕД-АЦП 24 бит от Analog Devices
High Performance Analog Front End
High Performance 24-bit ADC
VSS AGND
IOVDD IOVDD ADCDVDD
VDD VDD IREFS IREFF C(+) ADCAVDD AVDD5 AVDD5 REF- REF+ REFOUT
FIELD
MUX
REF
Q
SUPPLY
CLKIO
1.8V
LDO
1.8V
LDO
OVER"EMPERATURE
SENSOR
VDD
vss
VDD
DIAGNOSTICS
Д |VBIAS
NO POWER
MODE
PGA
24BITZ-AADC
CHANNEL SELECT
ш
X
VSS VSS VPP C(-) AIN1(LV AIN2(LV) AINCOM(LV)
И
NC
CLKIO
ш
SI
Й SWITCH
CONTROL
AD4110-1
J\ DIGITAL
FILTERING
V PROCESSING
AND
CONTROL
cs
SCLK
DIN
DOUT/RDY
ADR1
ADRO
SYNC
ERR
DGND AGND AGND AGND
SERIAL
INTERFACE
CRC
Компания Analog Devices представляет
AD4110-1 — универсальный аналоговый интерфейс
(AFE) с интегрированным ЕД-АЦП 24 бит для систем
управления производственными процессами.
AD4110-1 имеет интерфейс, позволяющий на-
прямую подключать стандартные источники сиг-
налов с номиналами ±20 мА, ±(4—20) мА, ±10 В,
а также все типы термопар, может обеспечивать
питанием устройства, работающие от токовой
петли 4—20 мА.
Содержит широкий диапазон источников токов
возбуждения для терморезисторов, дифференци-
альный программируемый усилитель с ^степеня-
ми усиления 0,2—24.
AD4110-1 может быть запрограммирован на ра-
боту в режиме как по напряжению, так и по току.
При подаче 4—20 мА на вход микросхемы может
быть обеспечена работа даже в условиях полного
отсутствия внешнего питания.
Основные характеристики:
• ЕД-АЦП 24 бит;
• выходная частота данных (ODR): 5 Гц — 125 кГц;
• четырехпроводной SPI, QSPI-совместимый ин-
терфейс;
• вход по току: ±20 мА;
• вход по напряжению:—10...+ 10 В;
• терморезисторы;
• термопары;
• защита от перенапряжения: ±30 В;
• встроенный шунтирующий резистор;
• встроенные цифровые фильтры для подавления
частоты 50 Гц;
• напряжение питания: ±(12—20) В, +5 В;
• диапазон рабочих температур: —40...+ 105 °C;
• корпус: 6x6 мм LFCSP-40.
www.teson.ru
16-я Международная выставка
компонентов и модулей силовой электроники
ELECTMNICS
22-24 октября 2019
Москва, Крокус Экспо
JJ Кглду- лрцг.1 ля j Оргвииэатор — квмлаиня MV К
R\/« u-тп. вочим : Офис Самкт-Летеовург*
I КОИПЛкь»? : +7 (8I2J ЗуО биОзДЮ-р-этгог amyk ru
Единственная в России
специализированная
выставка компонентов
и модулей силовой электроники
для различных отраслей
промышленности
Силовая
Электроника
Подробнее о выставке
powerelectronics.ru 12+
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
Микропотребляющие
контроллеры SAML10/SAML11.
Эффективная система
оптимизации энергопотребления
Николай КУКСОВ
kuksovn@gamma.spb.ru
В современных приложениях с использованием микроконтроллеров все
большее значение придается оптимизации потребляемой ими мощности.
Многие приборы работают на батарейном питании или питаются от ли-
нии связи. Все эти разработки объединяет общее требование — малая
потребляемая мощность, но с достаточной производительностью. Для
соответствия этим условиям компания Microchip предоставляет 32-битные
микроконтроллеры семейства SAM L10/L11 с использованием энергосбе-
регающих технологий, способных обеспечить функционирование устрой-
ства в течение нескольких лет без замены элемента питания.
В статье описаны технологические ре-
шения компании Microchip, реали-
зованные в этих микроконтроллерах
с целью снижения потребления. Также при-
ведены примеры использования энерго-
сберегающих функций микроконтроллеров
SAM Llx и оценка их энергоэффективности.
В таблице 1 указан перечень периферии кон-
троллеров SAM Llx. SAM L11 имеет область
TrustZone ARMv8-M, SecureBoot, Crypto-
блок для организации доверенной загрузки,
защиты от взлома и передаваемых данных.
Процессорное ядро Cortex М-23, на базе ко-
торого работает все семейство, обладает наи-
меньшей потребляемой мощностью из ли-
нейки процессоров ARM.
Таблица 1. Периферия контроллеров
семейства SAM 1_1х
Характеристика Семейство SAM L10 Семейство SAML11
Ядро 1 2
MPU Нет Да
Доверенная зона для ARMv8-M Нет Да
TusrRAM(6amj 256 256
Каналов DMA 8 8
LCD Нет Да
Каналов системы событий 8 8
ОРАМР 3 3
РТС 20 20
Безопасное мультиплексирование контактов Нет Да
ТС/ТСС 3/0 3/0
SERCOM 3 3
USB interface Нет Нет
ADC/DAC/AC каналы 10/1/2 10/1/2
Измеритель частоты 1 1
Криптоускорители Нет Да
TRNG Да Да
CRC Да
DAL 2 3
Энергосберегающие возможности
контроллеров серии SAM L1x
Контроллеры серии SAM Llx поддержива-
ют три режима сна, каждый из которых требу-
ет разного времени для перехода в активный
ACTIVE
CoreMark
или работа
с числами
Фибоначчи
IDLE
8,3 мкА/МГц
6,7 мкА/МГц
STANDBY
0,5 мкА
0,8 мкА
(с RTC)
OFF
<100 нА
Рис. 1. Режимы сна SAM L 1х
Таблица 2. Режимы сна
Режим Основной источник тактового сигнала ЦПУ АНВх&АРВх GCLK Осцилляторы Питание NVM
ONDEMAND=0 ONDEMAND=1
Active Работает Работает Работает Работает Работает По запросу MAINVREG Активен
IDLE Работает Остановлен Остановлен Работает Работает По запросу MAINVREG Активен
STANDBY Остановлен Остановлен Остановлен Остановлен По запросу По запросу MAINVREG в режиме низкого потребления Ультранизкое потребление
Off Остановлен Остановлен Остановлен Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл.
режим. На рис. 1 представлено энергопотре-
бление и время выхода из каждого режима
(PLO — 8 МГц, PL2 — 32 МГц). PL (Perfomance
Level) — уровень производительности, со-
ответствующий рабочей частоте. В таблице
2 указано, какие блоки, генераторы и шины от-
В зависимости от уровня производительности
* до 25,3 мА/МГц при 8 МГц (PLO)
* до 32,6 mA/МГц при 32 МГц (PL2)
Самый быстрый выход из режима сна
* Источники сигнала пробуждения: синхронные и асинхронные
Наименьшее потребление с возможностью отключения части SRAM
* Источники сигнала пробуждения: синхронные и асинхронные
* Источники сигнала пробуждения: периферия,
сконфигурированная для работы в режиме STANDBY
Все домены питания отключены
* Источники сигнала пробуждения:
по внешнему прерыванию от входа RESET
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
58
компоненты микроконтроллеры
ключаются в каждом из режимов. Выход из ре-
жимов STANDBY и IDLE возможен по внеш-
нему и внутреннему прерыванию, в то время
как выход из режима Off возможен только
по внешнему прерыванию RESET.
Основной особенностью данного семей-
ства является наличие аппаратной над-
стройки EventSystem (система событий), по-
зволяющей периферии взаимодействовать
между собой без участия процессора (рис. 2).
Система событий может эффективно при-
меняться совместно с режимами сна, суще-
ственно снижая энергопотребление.
В режиме STANDBY помимо ядра отклю-
чаются источники сигнала тактирования.
В этом режиме также возможно организо-
вать работу таких функций контроллера, как
Sleepwalking (хождение во сне, лунатизм)
и PowerGating (динамическое питание).
Функция Sleepwalking, благодаря системе
событий, позволяет мгновенно активировать
источник сигнала тактирования по требова-
нию периферии. При этом процессор не вы-
ходит из спящего режима, в то время как
периферия решает требуемые задачи. После
выполнения задач источник сигнала такти-
рования отключается.
PowerGating является дополнением
к Sleepwalking и подразумевает возможность
использования двух различных доменов пита-
ния периферии: статического (PDAO — пита-
ние всегда есть) и динамического (PDSW —
питание динамически переключается). Домен
PDSW может работать в трех режимах:
• Активный режим: блок питает всю пери-
ферию, и она может работать в нормаль-
ном режиме.
Получатель
Получатель
Источник
Источник
Источник
Получатель
0 12 11
Каналы
Рис. 2. Функционирование контроллера:
а) без системы событий; б) при использовании системы событий
• Режим удержания (retention): периферия
запитана частично для сохранения содер-
жимого ее регистров, но нормальное функ-
ционирование ее невозможно.
• Режим Off: питание всей периферии от-
ключено.
При использовании SleepWalking совместно
с динамическим питанием домен PDSW ав-
томатически выбирает режим в зависимости
от требований периферии. Вся периферия ми-
кроконтроллера разделена по питанию на две
зоны. Все, что находится в зоне PDSW, может
пребывать в отключенном состоянии во время
сна (рис. 3). Также в режиме сна STANDBY есть
возможность отключать часть RAM для сниже-
ния энергопотребления. У семейства SAM Llx
также предусмотрено уменьшение потребле-
ния путем изменения различных параметров
питания, о чем пойдет речь далее.
Распределение
PDAO
Рис. 3. Разделение по питанию контроллера
SAML10/11
Рис. 4. Работа SAM L10 в спящем режиме: а) с пробуждением ядра; б) с EventSystem без пробуждения ядра
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
Реализация и оценка
энергосберегающих
возможностей
на отладочной плате
SAM L10 Xplained Pro
Рассмотрим пример работы микрокон-
троллера SAM LIO 32-bit ARM Cortex-M23
с использованием возможностей энерго-
сбережения на основе отладочной платы
SAM LIO Xplained Pro и с платой расширения
101 Xplained Pro. Отладочная плата содержит
встроенный программатор-отладчик и блок
измерения тока потребления. Плата расши-
рения, в свою очередь, имеет датчик темпера-
туры, освещения и microSD.
Для оценки энергопотребления микрокон-
троллера в разных режимах работы решим
задачу снятия показаний с датчика света,
установленного на плате расширения.
Вариант 1
Стандартное решение с использованием
режима сна IDLE — снятие показаний че-
рез АЦП с помощью прерываний от тайме-
ра (RTC, так как он находится в зоне PDAO,
что позволит в дальнейшем применять
PowerGating) каждые 125 мс. Затем посред-
ством контроллера прямого доступа к па-
мяти (DMA) данные записываются в SRAM.
После 10 таких операций пробуждается ядро,
усредняются полученные значения, и резуль-
тат выводится через SPI на ПК. Таким обра-
зом, система работает по схеме, показанной
на рис. 4а, параллельно снимаются данные
об энергопотреблении микроконтроллера.
Для выполнения задачи по алгоритму
(рис. 4а) создан проект в Atmel Start и напи-
сана программа в Atmel Studio со следующи-
ми настройками: тактовая частота контрол-
лера 8 МГц; Brown-Out Detector отключен;
использован BUCK-конвертер для питания
ядра; включен режим питания Low Power
Efficiency mode (LPEFF), который имеет са-
мый высокий КПД и ограниченный диапа-
зон входных напряжений (2,5-3,6 В).
Таблица 3. Потребляемый ток ядра при использовании
разных режимов производительности (PL)
Уровень производи- тельности Режим VREG Максимальная частота процессора IVVDIO = 3,3 D (CoreMark или Фибоначчи)
0 BUCK 8 МГц (1WS) 25,3 мкА/МГц
2 32 МГц (2WS) 32,6 мкА/МГц
0 LDO 8 МГц (1WS) 64,4 мкА/МГц
2 32 МГц (2WS) 75,8 мкА/МГц
Прерывания от RTC
Рис. 5. Энергопотребление при работе по схеме рис. 4а с использованием режима IDLE
Рис. 6. Показания датчика освещенности
Рис. 7. Энергопотребление в режиме STANDBY при работе по схеме рис. 4а
Значения тока потребления ядра в зависи-
мости от режимов производительности при-
ведены в таблице 3. При работе программы
по алгоритму, показанному на рис. 4а, были
получены значения среднего тока потребле-
ния в 296 мкА (рис. 5). При этом для оценки
корректности работы системы контролиро-
вались показания освещенности (рис. 6).
Рис. 8. Принцип работы функции SleepWalking
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
60
компоненты микроконтроллеры
Вариант 2
Для уменьшения значения потребляе-
мой мощности воспользуемся режимом
STANDBY. В этом случае среднее энерго-
потребление уменьшилось до 1,7 мкА, по-
скольку теперь источник тактирования
включается только при переходе в активный
режим. На графике (рис. 7) видны пики по-
требления, это моменты, когда контроллер
пробуждается для запуска АЦП, и большие
пики, когда после 10 операций снятия по-
казания процессор обрабатывает показания
АЦП и передает через интерфейс SPI.
Вариант 3.
Sleepwalking
Теперь модифицируем алгоритм (как
на рис. 4б) и добавим Event System и функ-
цию Sleepwalking. Принцип работы данной
функции изображен на рис. 8.
После конфигурации Event System ядро
больше не пробуждается по прерыванию
от таймера для запуска АЦП, а пробуждается
лишь после 10 операций замера показаний
с датчика света для передачи информации
по SPI. В результате получаем среднее значе-
ние потребляемого тока 1,5 мкА (рис. 9).
Вариант 4.
PowerGatingи SleepWalking
Крайней стадией оптимизации энерго-
потребления является подключение функ-
ции PowerGating, работа всей системы изо-
бражена на рис. 10. При переходе из активно-
го режима в STANDBY домен питания PDSW
начинает действовать в режиме удержания,
что позволяет снизить потребление всей под-
контрольной ему периферии (рис. 3). После
выхода микроконтроллера из сна домен пи-
тания автоматически переключается в актив-
ный режим. При работе в STANDBY с функ-
цией Sleepwalking периферия может по за-
просу переводить PDSW в активный режим.
Как видно на рис. 11, при включении функ-
ции PowerGating удалось добиться снижения
среднего энергопотребления до 1,2 мкА. Все
возможные функции энергосбережения
в данном случае задействованы, и энерго-
потребление становится минимальным.
В таблице 4 приведено обобщение полу-
ченных результатов среднего потребляемо-
Таблица 4. Средний ток потребления
и время работы батарейки
в каждом из режимов работы
для рассмотренного случая
Режим Ток потребления, мкА Время работы аккумулятора 180 мА-ч, ч
Потребление с использованием режима IDLE 295,7 426
Потребление с использованием режима STANDBY 1,7 74147
Потребление при использовании SleepWalking в режиме STANDBY 1,5 84 034
Потребление при использовании PowerGating и SleepWalking в режиме STANDBY 1,245 101 245
Рис. 9. Энергопотребление в режиме сна STANDBY с использованием функции SleepWalking
PDSW
Активный режим
PDSW | Удержание
PDSW
PDAO
Активный
режим
IRQ от DMAC
(выполнено
N передач)
Рис. 10. Функционирование в режиме STANDBY с использованием SleepWalking и PowerGating
Событие
:+EVSYS+
DMA+CRAM
DMAC
обработчик
прерываний
Рис. 11. Среднее энергопотребление микроконтроллера SAM L10
с применением всех возможных функций по энергосбережению для поставленной задачи
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
микроконтроллеры КОМПОНеНТЫ
61
го тока в исследуемой задаче. К сравнению
приведено время работы от одного эле-
мента питания емкостью 180 мА-ч для раз-
ных режимов и функций. Таким образом,
добавление к режиму STANDBY функций
Sleepwalking и PowerGating увеличивает
на 25% время работы от батареи (для наше-
го примера), что является значительным по-
казателем для автономных и портативных
приложений.
Вариант 5.
Использование встроенного
операционного усилителя
Контроллеры семейства SAM Llx имеют
в своем составе аналоговый модуль, вклю-
чающий три независимо конфигурируемых
операционных усилителя (ОРАМР), которые
позволяют программно реализовывать стан-
дартные схемы включения: буферный по-
вторитель, (не)инвертирующий усилитель,
усилительный каскад и т. д.
Аналоговые модули с операционными
усилителями имеют дополнительные на-
стройки для приложений, требующих мало-
го энергопотребления:
• Настройка полосы единичного усиления
возможна для каждого операционного
усилителя индивидуально. При этом суще-
ствует четыре варианта 0,2-7 МГц (оказы-
вает влияние на потребляемую мощность).
• Функция Analog-On-Demand, при помощи
которой операционный усилитель полу-
чает питание и включается в работу только
по запросу от периферии.
• Снижение энергопотребления путем от-
ключения удвоителя напряжения (микро-
контроллер может работать от 1,62 В,
но для ОУ нужно напряжение питания
не менее 2,5 В; при питании ниже 2,5 В
нужно задействовать встроенный удвои-
тель напряжения).
Рассмотрим работу по алгоритму рис. 4б,
как и в предыдущих примерах, но теперь
сигнал на вход АЦП подаем с операцион-
ного усилителя ОРАМР2, который сконфи-
гурируем как неинвертирующий усилитель
с коэффициентом усиления 11/3, при этом
на его вход подаем сигнал с датчика света.
Получаем средний ток потребления 314 мкА
(рис. 12).
В нашем случае напряжение питания га-
рантированно превышает значение 2,5 В, по-
этому можно отключить удвоитель напря-
жения питания операционного усилителя,
в результате получим снижение среднего по-
требляемого тока до 283 мкА (рис. 13).
Как описывалось ранее, данные с АЦП счи-
тываются каждые 125 мс с использованием
системы событий, следовательно, в осталь-
ное время питание операционному усилите-
лю не требуется. Для питания ОРАМР2 толь-
ко тогда, когда это необходимо периферии,
используем функцию Analog-On-Demand.
В результате энергопотребление снижается
до 2,3 мкА (рис. 14).
Рис. 12. Средний ток потребления микроконтроллера при работе с ОРАМР2
Рис. 13. Средний ток потребления при отключении удвоителя напряжения
ГДЕ х
Рис. 14. Средний ток потребления при использовании Analog-On-Demand
Благодаря функции Analog-On-Demand
включение в работу операционного усили-
теля потребовало от системы лишь 1 мкА до-
полнительного потребления.
Модуль с операционными усилителями
получает питание от домена питания PDSW,
и при использовании функции PowerGating
питания ОРАМР2 также отключался бы
от питания. Но если в конкретном при-
ложении какой-либо модуль, получающий
питание от PDSW, должен постоянно функ-
ционировать (например, прерывание для си-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
компоненты микроконтроллеры
ТС
Рис. 15. Работа в режиме STANDBY с функцией PowerGating питания и прерыванием от таймера-счетчика
Таблица 5. Энергопотребление при использовании
энергосберегающих функций аналогового модуля
в рассматриваемой задаче
Параметры работы аналогового модуля Потребление, мкА
В нормальном режиме 314
Отключение удвоителя напряжения 283
Включение on-demand 2,3
стемы событий поступает не от RTC, а от од-
ного из таймеров), то отключение модуля
с операционными усилителями невозможно
(рис. 15).
В таком случае функция Analog-On-
Demand является отличной возможностью
существенно снизить энергопотребление
(табл. 5).
Таким образом, для оптимизации энер-
гопотребления разработчику предостав-
лено множество вариантов, опирающихся
Таблица 6. Сводная таблица семейства контроллеров SAML10/L11
Контроллер Память, Flash/ Data Flash ОЗУ Выводов Последо- вательных портов АЦП 12 бит, каналов Операцион- ные усилители Компа- раторы Емкостные каналы Порты ввода/ вывода Корпуса
ATSAML10D14 16/2 4 24 2 5 3 2 16/64 17 VQFN, SSOP
ATSAML10D15 32/2 8
ATSAML10D16 64/2 16
ATSAML10E14 16/2 4 32 3 10 3 4 20/100 25 VQFN, TQFP, WLCSP
ATSAML10E15 32/2 8
ATSAML10E16 64/2 16
ATSAML11D14 16/2 8 24 2 5 3 2 16/64 17 VQFN, SSOP
ATSAML11D15 32/2 8
ATSAML11D16 64/2 16
ATSAML11E14 16/2 8 32 3 10 3 4 20/100 25 VQFN, TQFP, WLCSP
ATSAML11Е15 32/2 8
ATSAML11E16 64/2 16
на правильный выбор сочетания периферии
и ее характеристик. Основные параметры
контроллеров SAML10/L11, рассмотренных
в статье, приведены в таблице 6. Последние
технологические достижения и создание схем
с ультранизким потреблением теперь позво-
ляют разрабатывать дешевые в обслужива-
нии устройства, рассчитанные на десяток лет
работы от одной батареи или даже извлекаю-
щие энергию из окружающей среды.
НОВОСТИ беспроводные технологии
Компания STMicroelectronics представляет P-NUCLEO-WB55 — многопро-
токольное беспроводное устройство со сверхнизким энергопотреблением
со встроенным мощным приемопередатчиком, совместимым со специфика-
цией Bluetooth Low Energy (BLE) SIG v5.0 и IEEE 802.15.4-2011.
Новая отладочная плата
P-NUCLEO-WB55 с ключом USB
и Bluetooth 5.0
от STMicroelectronics
Ключевые особенности:
• Nucleo68:
— микроконтроллер STM32WB в корпусе VFQFPN68;
— радиочастотный приемопередатчик 2,4 ГГц, поддерживающий специ-
фикации Bluetooth v5.0 и IEEE 802.15.4-2011;
— три пользовательских светодиода, три пользовательские кнопки
и кнопка сброса;
— встроенная антенна на плате, а также разъем для SMA;
— встроенный программатор ST-LINKUSB;
— бесплатные библиотеки с примером программного кода;
— поддержка широкого выбора интегрированных сред разработки (IDE),
включая IAR, Keil, IDE на основе GCC, Arm Mbed.
• USB-ключ:
— микроконтроллер STM32WB в корпусе UFQFPN48;
— радиочастотный приемопередатчик 2,4 ГГц, поддерживающий специ-
фикации Bluetooth v5.0 и IEEE 802.15.4-2011;
— встроенная антенна на плате, а также разъем UFL.
www.ptelectronics.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
Защитите интеллектуальную собственность,
репутацию компании и ее доходы
Решения по безопасности, которые легко интегрировать, но трудно взломать
Позвольте компании Microchip защитить не только ваши проекты, но и репутацию бренда
организации, а также ее доходы. Наши эксперты, обладающие более чем 20-летним опытом
в вопросах обеспечения безопасности, предоставят эффективную защиту, исключив
необходимость организации прилагать дорогостоящие усилия, чтобы самостоятельно
решить этот вопрос. Воспользовавшись защищенным производственным оборудованием
компании Microchip и службами безопасной регистрации, вы поймете, почему многие ведущие
отраслевые компании доверяют экспертам Microchip в вопросах сопровождения проектов.
Мы предлагаем безопасную реализацию проектов, начиная с услуг по криптостойкому
шифрованию и заканчивая доверенными средами выполнения программ, что позволяет
учесть потребности каждого заказчика благодаря широкому ряду аппаратных
и программных решений.
SMART | CONNECTED! SECURE
Обеспечьте защиту своего проекта на www.microchip.com/Secure
Реклама
Название компании Microchip и логотип, а также логотип Microchip являются зарегистрированными торговыми марками компании Microchip
Technology Incorporated в США и других странах. Все иные торговые марки являются собственностью их зарегистрированных владельцев.
© 2019 Microchip Technology Inc. All rights reserved. DS00002767A. MEC2236Rus03/19
Microchip
64
КОМПОНеНТЫ системы на кристалле
Одноядерные
полностью программируемые
системы на кристалле
фирмы Xilinx
семейства Zynq-7000 АР SoC.
Часть 1
Валерий ЗОТОВ
walerry@km.ru
Полностью программируемые системы на кристалле семейства Zynq-7000
All Programmable System-On-Chip (AP SoC), предоставляемые фирмой
Xilinx, получили широкое распространение в различных областях при-
менения, включая автомобильную электронику, телекоммуникационные
устройства, медицинское оборудование, многофункциональную компью-
терную периферию, обработку изображений, научные и технические при-
боры разнообразного назначения. В значительной степени этому способ-
ствовало существенное увеличение числа типов кристаллов расширяемых
процессорных платформ Extensible Processing Platform (EPP), выпуска-
емых в составе указанного семейства [1]. В последние годы семейство
Zynq-7000 АР SoC было дополнено линейкой одноядерных полностью
программируемых систем на кристалле. В настоящей публикации рас-
сматриваются основные характеристики расширяемых процессорных
платформ этой линейки, а также аппаратные средства отладки проекти-
руемых встраиваемых систем, реализуемых на их основе.
Общая характеристика и отличительные
особенности кристаллов расширяемых одноядерных
процессорных платформ семейства Zynq-7000 АР SoC
Эффективное сочетание функциональных возможностей микро-
процессоров с архитектурой ARM Cortex-A9 и преимуществ ПЛИС
FPGA (Field Programmable Gate Array), производимых по High-К
Metal Gate (HKMG) технологии 28 нм [2], реализованное в кристал-
лах расширяемых вычислительных платформ семейства Zynq-7000
АР SoC, обеспечивает необходимые предпосылки для оптимального
распределения функций проектируемых встраиваемых систем между
аппаратной и программной частью для достижения требуемой про-
изводительности. При этом периферия процессорного блока указан-
ных кристаллов открывает доступ к наиболее широко распростра-
ненным и востребованным интерфейсам, а ресурсы программируе-
мой логики предоставляют возможность организации параллельного
выполнения операций в разрабатываемых системах.
К наиболее существенным особенностям рассматриваемой ли-
нейки полностью программируемых систем на кристалле семейства
Zynq-7000 АР SoC, характеризующим их функциональные возмож-
ности, относятся:
• одноядерный процессорный блок, функционирующий с тактовой
частотой, максимальное значение которой достигает 766 МГц;
• наличие контроллера внешней динамической оперативной памяти,
поддерживающего элементы высокоскоростных синхронных ОЗУ
SDRAM с 16-и 32-разрядными интерфейсами DDR3, DDR3L, DDR2,
LPDDR2, в том числе с функцией ЕСС в 16-разрядном режиме;
• присутствие интерфейса статической памяти, обеспечивающего воз-
можность непосредственного подключения внешних запоминаю-
щих устройств SRAM, Parallel NOR Flash, NAND Flash и SPI/Quad-SPI
Serial NOR Flash;
• наличие широкого спектра периферийных устройств ввода/вы-
вода, сопряженных с процессорным блоком, который содержит
по два экземпляра контроллеров высокоскоростных интерфейсов
UART, USB 2.0 OTG, Tri-mode Gigabit Ethernet, а также интерфейсов
CAN 2.0B, PC, SPI, SD/SDIO 2.0/MMC3.31;
• возможность применения различных вариантов широкополосного
интерфейса AXI для организации взаимодействия процессорного
блока и аппаратной части проектируемых встраиваемых систем,
реализуемой на базе ресурсов конфигурируемой логики;
• использование гибкой схемы конфигурирования расширяемой
процессорной платформы, позволяющей осуществлять загруз-
ку конфигурационной последовательности и разрабатываемого
программного обеспечения в кристалл из различных источников;
• поддержка комплексной отладки аппаратной части и программно-
го обеспечения реализуемых встраиваемых микропроцессорных
систем через порт JTAG-интерфейса с помощью стандартного за-
грузочного кабеля;
• возможность снижения уровня потребляемой мощности, обеспе-
чиваемая как применением соответствующих технологических
решений при производстве кристаллов, так и специальными ме-
тодиками проектирования разрабатываемых систем;
• единая система генерации внутренних тактовых сигналов, обеспечи-
вающая формирование из одного внешнего сигнала синхронизации
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
системы на кристалле КОМПОНвНТЫ
65
Таблица 1. Основные параметры кристаллов расширяемых процессорных платформ семейства Zynq-7000 АР SoC
Тип ресурсов расширяемых процессорных платформ Тип кристалла
XC7Z007S XC7Z012S XC7Z014S XC7Z010 XC7Z015 XC7Z020 XC7Z030 XC7Z035 XC7Z045 XC7Z100
Процессорная система Процессорный блок Одноядерный ARM Cortex-A9 MPCore Двухъядерный ARM Cortex-A9 MPCore
Расширения системы команд NEON & Single/Double Precision Floating Point
Максимальная тактовая частота процессорных ядер 667 МГц (-1); 766 МГц (-2) 667 МГц (-1); 766 МГц (-2); 866 МГц (-3) 667 МГц (-1); 800 МГц (-2); 1 ГГц (-3) 667 МГц (-1); 800 МГц (-2)
Объем кэш-памяти первого уровня L1 Cache 32 кбайт команд и 32 кбайт данных для каждого процессорного ядра
Объем кэш-памяти второго уровня L2 Cache 512 кбайт
Объем внутрикристальной памяти процессорной системы 256 кбайт
Поддержка внешней динамической памяти DDR3, DDR3L, DDR2, LPDDR2
Поддержка внешней статической памяти Quad-SPI, NAND, NOR
Количество каналов прямого доступа к памяти DMA 8 (4 выделено для программируемой логики)
Периферия 2xUART, 2xCAN 2.0В, 2х|2С, 2xSPI, 4x32b GPIO
Периферия со встроенным прямым доступом к памяти 2xUSB 2.0 (OTG), 2xTri-mode Gigabit Ethernet, 2xSD/SDIO
Безопасность RSA-идентификация, AES и SHA 256-разрядное шифрование
Интерфейс взаимодействия процессорной системы и программируемой логики Порты AXI 32b Master и AXI 32b Slave 2
Порты AXI 64b/32b Memory 4
Порт AXI 64b ACP 1
Линии прерываний 16
Программируемая логика Эквивалентное семейство ПЛИС Artix-7 Artix-7 Artix-7 Artix-7 Artix-7 Artix-7 Kintex-7 Kintex-7 Kintex-7 Kintex-7
Число логических ячеек Logic Cells 23K 55K 65K 28K 74K 85K 125K 275K 350K 444K
Количество таблиц преобразования Look-Up Table (LUT) 14 400 34 400 40 600 17 600 46 200 53 200 78 600 171 900 218 600 277 400
Число триггеров 28 800 68 800 81200 35 200 92 400 106 400 157 200 343 800 437 200 554 800
Количество модулей блочной памяти Block RAM емкостью 36 кбит 50 72 107 60 95 140 265 500 545 755
Объем блочной памяти Block RAM, Мбайт 1,8 2,5 3,8 2,1 3,3 4,9 9,3 17,6 19,2 26,5
Число аппаратных секций ЦОС DSP48E1 66 120 170 80 160 220 400 900 900 2020
Максимальная производительность устройств ЦОС (симметричный КИХ-фильтр) 73 GMAC 131 GMAC 187 GMAC 100 GMAC 200 GMAC 276 GMAC 593 GMAC 1334 GMAC 1334 GMAC 2622 GMAC
Число аппаратных модулей PCI Express — Gen2 x4 — — Gen2 x4 — Gen2 x4 Gen2 x8 Gen2 x8 Gen2 x8
Количество аналого-цифровых блоков XADC 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Максимальное число высокоскоростных последовательных приемопередатчиков GTP/GTX — 4 — — 4 — 4 16 16 16
Безопасность AES и SHA 256-разрядное шифрование
Варианты быстродействия Для коммерческого исполнения Commercial (С) 0...+85 °C -1
Для расширенного исполнения Extended (Е) 0...+100 °C -2 -2, -3 -2, -3 -2
Для промышленного исполнения Industrial (I) -40...+100 °C -1,-2 —1, —2, — 1L -1,-2, -2L -1,-2, -2L
необходимой совокупности сигналов для тактирования как процес-
сорной системы, так и программируемой логики;
• применение усовершенствованной комплексной системы распре-
деления тактовых сигналов внутри кристалла, включающей сово-
купность различных типов линий и соответствующих буферных
элементов, обеспечивающей минимизацию задержек распростра-
нения сигналов синхронизации;
• наличие модернизированных блоков управления синхронизацией
Clock Management Tile (СМТ), включающих комбинированный
модуль управления синхронизацией Mixed-Mode Clock Managers
(ММСМ) и систему ФАПЧ (Phase-Locked Loop, PLL), предостав-
ляющих дополнительные возможности формирования тактовых
сигналов для программируемой логики и повышения их стабиль-
ности [3-6];
• наличие интегрированных аппаратных модулей интерфейса
PCI Express, соответствующих спецификации PCI Express Base
Specification Revision 2.1 (Gen 2), которые могут конфигуриро-
ваться как конечное устройство (Endpoint) или как корневой порт
(Root Port);
• поддержка расширенного спектра однополюсных и дифференци-
альных цифровых стандартов ввода/вывода с уровнями сигналов
1,2-3,3 В, являющаяся результатом дальнейшей модернизации
технологии Selectl/O, содержащей модули цифрового управления
импедансом Digitally controlled impedance (DCI) и интерфейсные
блоки ChipSync;
• применение усовершенствованных блоков ввода/вывода, поддер-
живающих режим энергосбережения;
• наличие аналого-цифрового блока XADC, предоставляющего воз-
можность преобразования в цифровую форму 17 внешних анало-
говых сигналов, а также контроля значений уровней напряжений
питания и температуры кристалла расширяемой процессорной
платформы;
• применение высокоскоростных последовательных приемопередат-
чиков RocketIO GTP с максимальной скоростью приема и передачи
данных, достигающей 6,25 Гбит/с, которые обеспечивают возмож-
ность реализации широкого спектра интерфейсов вычислительных
и телекоммуникационных систем, включая PCI Express, SATA/SAS,
DisplayPort, Ethernet, SONET/OTU, Interlaken, Aurora;
• поддержка новых низковольтных (1,2; 1,35 В) высокоскоростных
интерфейсов памяти различного типа;
• внедрение усовершенствованных аппаратных секций цифровой
обработки сигналов (ЦОС) DSP48E1, обеспечивающих опти-
мальную реализацию высокопроизводительных устройств ЦОС
и в первую очередь симметричных фильтров с конечной импульс-
ной характеристикой (КИХ-фильтров);
• расширенный ряд корпусного исполнения, включающий компакт-
ные варианты корпусов, обеспечивающие минимизацию площади
печатной платы, занимаемой кристаллом расширяемой процес-
сорной платформы;
• поддержка прикладного программного обеспечения, функциони-
рующего как автономно, так и под управлением различных опе-
рационных систем (ОС);
• возможность применения широкого ряда операционных систем,
включающего в себя Open Source Linux, PetaLinux, WR Linux 5,
Android, Windows Embedded, VxWorks, в том числе и ОС реального
времени, в частности FreeRTOS;
• полная поддержка средствами проектирования Xilinx Vivado Design
Suite [7-33] и SDSoC.
По сравнению с двухъядерными программируемыми системами
на кристалле семейства Zynq-7000 АР SoC одноядерные расширяемые
процессорные платформы обладают следующими преимуществами:
• пониженный уровень энергопотребления;
• меньшая стоимость;
• сокращение времени полного конфигурирования кристалла.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
6103. S °N. ИИ_Ю1ЮНХ31 И 1Ч1НЗHOU1л1ОХ
•XlhiXcLi oiXdoia
хи111опяпп’1эоэ ‘90$ Ду OOOZ-bu^Z вялэиэшээ
□ififi’iDHdM вн т.ьэиэ xiqwaXdnwwBdJodn ошэ
-OHifoii xriHdatfKOHtfo iqdXixainxdB докьэон
-нэдоэо кэлэкеэйХ эшижиня эоняонэо ээтгвй
Xiaio.lco[j *[l] я oiioifai’.LDl/odii 01П49 laiiiiXdj
noadaii aoifirei?Hdx ladXixainxdB эинюипо
(zuaf)) uopoypads p£ asag ssaidxg 19g ииТгея
-ифийэпэ iniliioiXa.o.Loa.LOOD ‘ssaadxg 19g юиэф
-daiHH МОИ9 MHiin’di’iiiie эжмв.ь a 9/ih9j ££‘9 oV
Х1яннрй Hbeifodan и Bioidn axoodoMO сиХшппж
-ИЭМЕП ЭИ111ОП’ЯИжХэ1ШО11 ‘(Щ) ЕПИ1 имиывй
□doiiomndii эннчиэ.ееяоШиэон aiaHiaodox?
-ОЯОЭ1ЧЯ 1эеьошяя SZT0ZZ.DX ififBundH ожигал
пХофлшш xHiidcmoliodii xiamudnuiDi’d хпн
-HaifDHbadan Htfad9 eg £‘£-£‘1 яокенаиэ hjvkh
-aodX э laidetfHeio эннчкшмиэ этаяс^фий эи1п
-ошяижХэШон ‘q/j эЯлгед gSiH L оччиол nV
-ОХ1ЯЯ/1ЯЙОХЯ ЭИЛЭЧ1ГЭ1£ЯО£Ч1ГОИ 10lXflI91X9HdlI
SHOZZDX и S'ZIOZZDX ‘SZOOZZDX noirireijucfa
ЭЧЕЛЭОЭ Я ‘l41lHIf9E.L MOIIIIOIfai’.LDVadll £И ЛЭХШИЭ
’£ ЭЙИ1Г9В1 я BHatfaandii ‘aotfoxiaa/aotfoxa
хияэя1ГЭ1Вяо£Ч1ГО11 и aoHHii.LEVodoiiomndii хнн
-ЧИЭЛЕЯОШИЭОН XI4II.LDOdOH9OHO9I44 XI4IIIlX.LDOV
яялээьикол типвшХ э ‘90$ gy OOOZ-buXz
вялэиэтэ 9ififai9Hdx ан тлэиэ xiawaXdHw
-wadaodn (ИЧ1ЭОНЕОП апи1 ояойжая иинэнеоп
-эи ixoiioXiidoH о кийаи^офни uaiXHdaaaag
•ssaidxg 19g aэиэфdэlни ЯОЯОК9
xiaHiadanna и aoHnhiaVodoiiomndii
Х1ЧНЧИЭ1ЕЯО1/ЭИЭОН XI4H19OdoX9OXO9I4fl доэиь
-итган K93H,nioiabHif£ad ‘aoififaiondx lannXdi
-Von aatf ainifatfiaa оижоп nnXdi хилс £и
иойжая я ‘qVadano снояэ g ’епэлэиэ Kandoo
-oaiiodn KaHdatfKOHtfo noiaKHawndn xiadoiox
эяаюоэ я ‘SHOZZDX и SZIOZZDX ‘SZOOZZDX
--П^офлЯТШ Х1ЧНЯЕЭ1ИЕЭИЫЯЯ XI4W3KdHHI9ad
aoififaiOHdx anni ndi юхюонхо annXdi nod
-oia o>j 010И9 iiniidooooliodii Hi4HdatfKq,xXatf
эиШогеьошяя ‘OOIZZDX и SWZZDX ‘SCOZZDX
‘0£0ZZDX ‘OZOZZDX ‘SIOZZDX ‘OIOZZDX —
-iraiOHdx ан тлэиэ xiamXdiiixixadjodii 01ч лэ
-ошгон яопил чтэ icnX£ad90 XnnXdi oiXadau
•iqnnXdi эяй ан KOiaKifaVaadVou 90$ gy
OOOZ-buXz оялэиэтэ nd офлайн хгшякэлие
-эиыяя xiawaKdHHioad aoififaiOHdx Ш10И9 оюн
-doooaiiodn HodXixainxda э ииялэлэялооэ g
•анил ojOHbHiraad aoodXoad
xniiiiXiDoV этчро 90 ошЬан^офни lижdэV
-оэ nadoiox ‘у айив^ал laKifaaiootfadu аялэиэш
-ээ ojowaaaHdiawooad aifiraiOHdx ан тлэиэ
xiamXdHHHxadJodii oiaiooHifou хклэонжош
-£оя хтчнчканоийянХф хпняонэо 90 кинэйэяэ
3iaH9odVon ’[££—ф£] naifXVow xiaHiadauua
xi4HHaaodH£HifaHii3H9 шоялээьшюя эжяал а
‘aoodXoad хияээьилок xIЧ]Д[эXdиdXJифнoя
жж э 49 о ‘аяок9 oiOHdoooa'nodn пэияюиэй
-odioi49 и HodXixXdio KoxHlnoiabHifaad ‘и^оф
-лаки хинякэликэиыяя xiamndniiiDad aoir
-ifaiOHdx яоних QI intfoxa 905 gy OOOZ-buXz
аялэиэшээ яалэоэ я Kwada ээШколэан g
3°S dV OOOZ-bu^Z ВЯ1ЭИЭНЭЭ
ыс1оф±Еии xiqHdooodhodu
xiqiftidBdkimDed aoi/ireiOMdx
MXMiDMdaixedex эннаонэо и sbidoq
XC7Z100 XC7Z045 XC7Z035 XC7Z030 XC7Z020 XC7Z015 XC7Z010 XC7Z014S XC7Z012S XC7ZOO7S Тип кристалла
ОО ОО 4^ Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 13x13 мм CLG225 Тип корпуса
СЛ 4^ СЛ 4^ Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
1 1 Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-1,8 В
ю оо го оо ю оо го оо Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 17x17 мм CLG400
го сл о о го сл о о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
1 1 1 1 Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-1,8 В
ю оо ю оо Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 19x19 мм CLG484
го о о го о о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2 В-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
1 1 Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-1,8 В
ГО оо ГО оо Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 19x19 мм CLG485
4^ 4^ Количество высокоскоростных приемопередатчиков GTP
СЛ О СЛ CD Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
1 1 Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2 В-1,8 В
ГО оо Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 19x19 мм SBG485
Количество высокоскоростных приемопередатчиков GTX
сл о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
о о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-1,8 В
го оо Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 23x23 мм FBG484
-рь. Количество высокоскоростных приемопередатчиков GTX
о о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
оэ GO Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни от 1,2 В до 1,8 В
ю со ГО оо ГО оо Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 27x27 мм FBG676
со оо Количество высокоскоростных приемопередатчиков GTX
о о о о 0 0 Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
сл о сл о сл о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-1,8 В
ю оо го оо го оо Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 27x27 мм FFG676
со оо 4^ Количество высокоскоростных приемопередатчиков GTX
о о о о О о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
сл о сл о сл о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-1,8 В
ГО со ю оо го оо Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 31x31 мм FFG900
оэ оэ Количество высокоскоростных приемопередатчиков GTX
го го го ю го го Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
сл о сл о сл о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-1,8 В
го со Количество пользовательских выводов процессорной системы PS I/O 35x35 мм FFG1156
оэ Количество высокоскоростных приемопередатчиков GTX
го сл о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-3,3 В Пользова- тельские выводы програм- мируемой логики SelectIO
сл о Число пользовательских выводов, поддерживающих уровни 1,2-1,8 В
Таблица 2. Типы корпусного исполнения кристаллов расширяемых процессорных платформ семейства Zynq-7000 АР SoC
ai/L/eiOMdx ен 1Ч1л1Э1Эиэ iqiHBHOU WOM
99
системы на кристалле КОМПОНвНТЫ
67
Процессорная система (PS)
EMIO
2x PC
2x CAN
GPIO
2x UART
2x SDIO
eDMA
2x USB
eDMA
2x GigE
eDMA
Аналого-цифровой блок
XADC
Quad-SPI
Контроллер статической памяти Контроллер динамической памяти
SRAM, NAND, NOR DDR3, DDR2, LPDDR2
fa J
AM BA Switches
AM BA Switches
Процессорный блок APU
NEON/FPU Engine
Cortex-A9 MPCore
32/32 KB l/D Caches
512 КВ L2 Caches
Snoop Control Unit (SCU)
256 KB On-Chip Memory
Configuration
Timer Counters
General Interrupt Controller
DMA
AM BA Switches
S AXI GPO/1
M AXI GPO/1
Программируемая логика (PL)
CLB Block RAM DSP48E1
S AXI НРО
S AXI НР1
S AXI НР2
S AXI НРЗ
PCIe
СО
Ф
СО
► S AXI АСР
га ИИ о Б| СО ml з ksl о '***» га |5 ЕЯ 00 рЯ СО П S га га о Ед q 1 ю ф М з sj S ф S S 2 га _ о
Программируемые блоки ввода/вывода
Последовательные высокоскоростные i
приемопередатчики I
Рис. 1. Структурное представление архитектуры одноядерных программируемых систем на кристалле семейства Zynq-7000 АР SoC
Архитектура кристаллов
одноядерных расширяемых
процессорных платформ
семейства Zynq-7000 АР SoC
Структурное представление архитектуры
одноядерных расширяемых процессорных
платформ семейства Zynq-7000 АР SoC изо-
бражено на рис. 1. Аппаратные блоки, кото-
рые присутствуют не во всех типах полно-
стью программируемых систем на кристалле
указанного семейства, выделены пунктиром.
Основу представленной архитектуры одно-
ядерных расширяемых процессорных плат-
форм семейства Zynq-7000 АР SoC образуют
две составляющие — процессорная система
Processing System (PS) и ресурсы программи-
руемой логики Programmable Logic (PL). Кроме
того, для организации взаимодействия между
этими архитектурными составляющими пред-
усмотрен интерфейсный блок, в чей состав
входят несколько модификаций портов интер-
фейса AXI (Advanced extensible Interface) с раз-
личной разрядностью.
Процессорная система PS рассматривае-
мой линейки полностью программируемых
систем на кристалле семейства Zynq-7000 АР
SoC включает следующие основные функци-
ональные модули:
• одноядерный процессорный блок
Application Processor Unit (APU);
• контроллер интерфейса внешней опера-
тивной синхронной динамической памяти
DMC (DDRx Memory Controller);
• контроллер интерфейса внешней статиче-
ской памяти SMC (Static Memory Controller);
• периферийные устройства ввода/вывода;
• блок формирования тактовых сигналов;
• схему сброса процессорной системы.
В состав ресурсов программируемой логи-
ки PL в общем случае входят:
• конфигурируемые логические блоки
(Configurable Logic Block, CLB);
• модули блочной памяти Block RAM;
• аппаратные секции цифровой обработки
сигналов DSP48E1;
• аппаратные модули PCI Express;
• аналого-цифровой блок XADC;
• блоки управления синхронизацией СМТ;
• высокоскоростные последовательные при-
емопередатчики GTP.
Для сопряжения процессорной системы
PS с ресурсами программируемой логики
PL применяются следующие разновидности
портов интерфейса AXI:
• один порт AXI_ACP (Accelerator Coherency
Port), выделенный для подключения аппа-
ратного ускорителя (S_AXI_ACP);
• четыре широкополосных высокопро-
изводительных порта AXI_HP (High
Performance) (S_AXI_HP0-S_AXI_HP4);
• четыре порта общего назначения AXI_GP
(General Purpose) (S_AXI_GP0, S_AXI_GP1,
M_AXI_GP0, M_AXI_GP1).
Основные различия в архитектуре одно-
ядерных и двухъядерных полностью про-
граммируемых систем на кристалле семей-
ства Zynq-7000 АР SoC проявляются в струк-
туре процессорного блока. Поэтому далее
рассматривается только архитектура указан-
ного блока.
Архитектура аппаратного
процессорного блока APU
одноядерных
полностью программируемых
систем на кристалле
семейства Zynq-7000 АР SoC
Аппаратный процессорный блок APU яв-
ляется главным функциональным модулем,
образующим основу архитектуры процессор-
ной системы PS полностью программируе-
мых систем на кристалле семейства Zynq-7000
АР SoC. Указанный блок включает:
• микропроцессорное ядро ARM Cortex-A9
MPCore с кэш-памятью первого уровня;
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
68
КОМПОНеНТЫ системы на кристалле
Рис. 2. Взаимодействие микропроцессорного ядра с кэш-памятью, внутрикристальной памятью ОСМ
и портом аппаратного ускорителя АСР
• сопроцессор NEON;
• кэш-память второго уровня;
• устройство согласования кэш-памяти
первого и второго уровня Snoop Control
Unit (SCU);
• порт аппаратного ускорителя Accelerator
Coherency Port (АСР);
• модуль внутрикристальной памяти On-
Chip Memory (ОСМ);
• контроллер прямого доступа к памяти
DMA (Direct Memory Access);
• контроллер прерываний;
• комплект таймеров;
• совокупность регистров управления си-
стемного уровня SLCR (System-Level
Control Registers);
• компоненты, реализующие инфраструк-
туру технологии отладки и трассировки
CoreSight.
Микропроцессорное ядро, входящее в со-
став аппаратного блока APU, реализовано
на основе архитектуры ARMv7-A. Указанное
ядро полностью поддерживает механизм
виртуальной памяти, систему 32-разрядных
команд ARM, 16- и 32-разрядные инструк-
ции Thumb, а также 8-разрядный код Java.
Архитектура этого микропроцессорного
ядра предоставляет возможность исполь-
зования технологии TrustZone [38], позво-
ляющей формировать безопасную среду
для запуска приложений и защиты их кода
и данных.
Сопроцессор NEON, представленный в со-
ставе аппаратного блока APU, обеспечивает
дополнительную поддержку наборов ин-
струкций SIMD (Single Instruction Multiple
Data) и VFPv3 (Vector Floating Point v3).
Перечисленные наборы инструкций эф-
фективно применяются при реализации си-
стем цифровой обработки сигналов, муль-
тимедийных устройств, систем обработки
видеоизображения и трехмерной графики.
Сопроцессор осуществляет выполнение век-
торных и скалярных операций с одинарной
и двойной точностью, а также вычислений
с плавающей запятой.
Кэш-память первого уровня (L1), вхо-
дящая в состав микропроцессорного ядра,
включает в себя две области объемом
32 кбайт каждая. Одна из этих областей пред-
ставляет собой кэш-память команд, а вто-
рая— кэш-память данных. В указанной кэш-
памяти предусмотрена возможность исполь-
зования контроля по четности. Кэш-память
первого уровня поддерживает страницы вир-
туальной памяти с информационной емко-
стью 4 и 64 кбайт, а также 1 и 16 Мбайт.
Кэш-память второго уровня (L2) обладает
информационной емкостью 512 кбайт. В ее
состав входит контроллер кэш-памяти и соб-
ственно массив памяти указанного объема.
Контроллер кэш-памяти второго уровня ба-
зируется на архитектуре ARM PL310 и реали-
зует несколько линейных буферов объемом
256 бит каждый, которые существенно по-
вышают эффективность кэш-памяти вто-
рого уровня. Кроме того, контроллер пере-
направляет исключающие запросы от кэш-
памяти первого уровня к внутрикристальной
памяти ОСМ или внешней DDR-памяти.
Кэш-память второго уровня поддерживает
возможность применения контроля по чет-
ности.
Для организации согласованного функци-
онирования кэш-памяти различных уровней
в составе процессорного блока APU пред-
усмотрен модуль SCU. Через этот модуль
осуществляется высокоскоростной доступ
к кэш-памяти второго уровня и внутрикри-
стальной памяти ОСМ. Кроме того, модуль
обеспечивает поддержку порта АСР, пред-
назначенного для сопряжения с аппаратным
ускорителем, реализуемым на базе ресурсов
программируемой логики PL. Этот порт
представляет собой порт высокоскоростного
64-разрядного интерфейса AXI. При подклю-
чении аппаратного ускорителя к порту АСР
он получает прямой доступ к кэш-памяти
процессорного блока APU. Взаимодействие
микропроцессорного ядра с кэш-памятью,
внутрикристальной памятью ОСМ и портом
аппаратного ускорителя АСР наглядно де-
монстрирует структурная схема, представ-
ленная на рис. 2.
В состав модуля внутрикристальной па-
мяти ОСМ входят ППЗУ Boot ROM объемом
128 кбайт и ОЗУ с информационной емко-
стью 256 кбайт. Этот модуль поддерживает
два порта высокоскоростного 64-разрядного
интерфейса AXI. Один из портов предостав-
ляет выделенный доступ микропроцессор-
ному ядру ЦПУ, а также порту подключения
аппаратного ускорителя через устройство
согласования кэш-памяти SCU. Второй порт
интерфейса AXI модуля внутрикристаль-
ной памяти ОСМ может использоваться
другими блоками процессорной системы PS
и устройствами, реализуемыми на базе про-
граммируемой логики PL. ППЗУ Boot ROM
предназначено для осуществления загрузки
кристалла расширяемой вычислительной
платформы и недоступно для пользовате-
ля. ОЗУ модуля ОСМ может использоваться
в качестве высокоскоростной оперативной
памяти для процессорного блока, аппарат-
ного ускорителя и других устройств.
Организацию эффективной передачи дан-
ных между периферийными устройствами
и системной памятью в составе архитектуры
процессорного блока обеспечивает модуль
прямого доступа к памяти DMA. Основу мо-
дуля образует контроллер прямого доступа
к памяти, осуществляющий реализацию вы-
сокоскоростных транзакций между различ-
ными ячейками памяти, а также между пери-
ферийными блоками и памятью. Контроллер
прямого доступа к памяти DMA позволяет
не только оптимизировать взаимодействие
периферийных устройств и системной памя-
ти, но и осуществлять высокоскоростной об-
мен данными между различными областями
памяти. Контроллер прямого доступа к па-
мяти поддерживает восемь независимых ка-
налов, которые предоставляют возможность
реализации параллельной многопоточной
обработки данных. Контроллером DMA мо-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
системы на кристалле КОМПОНвНТЫ
69
Рис. 3. Система прерываний процессорного блока APU
жет осуществляться передача 32- и 64-раз-
рядных данных.
В процессорном блоке APU реализова-
на гибкая система прерываний различного
вида, которую демонстрирует рис. 3.
По типу источника, формирующего
запрос прерывания, можно выделить три
группы:
• прерывания, генерируемые программны-
ми средствами, SGI (Software Generated
Interrupts);
• прерывания, запрашиваемые периферией
процессорной системы PS;
• прерывания, вырабатываемые устройства-
ми, конфигурируемыми на базе ресурсов
программируемой логики PL.
ЦПУ процессорного блока поддержи-
вает 16 прерываний, формируемых про-
граммными средствами. Кроме того, пред-
усмотрено пять индивидуальных преры-
ваний периферийных модулей PPI (Private
Peripheral Interrupts) процессорной систе-
мы. Группа разделяемых прерываний SPI
(Shared Peripheral Interrupts) включает при-
близительно 60 прерываний, которые могут
формироваться различными блоками про-
цессорной системы PS и устройствами, реа-
лизуемыми на основе ресурсов программи-
руемой логики PL.
Для управления прерываниями всех типов,
перечисленных выше, предусмотрен кон-
троллер прерываний GIG (Generic Interrupt
Controller). Он выполняет функции разре-
шения, запрета, маскирования и установки
приоритетов прерываний. Структура кон-
троллера прерываний GIC базируется на ар-
хитектуре ARM Generic Interrupt Controller
Architecture версии 1.0 (GIC vl).
Возможность формирования периодиче-
ских прерываний и отсчета необходимых
временных интервалов в процессорном бло-
ке обеспечивает комплект таймеров различ-
ного типа, каждый из которых предназначен
для выполнения определенных функций.
Рис. 4 демонстрирует структурную схему,
поясняющую состав и взаимодействие тай-
меров процессорного блока APU.
Микропроцессорное ядро располагает
индивидуальным 32-разрядным таймером
CPU Private Timer и сторожевым 32-раз-
рядным таймером CPU Private Watchdog
Timer. Кроме таймеров, процессорный блок
включает глобальный 64-разрядный таймер.
Для контроля функционирования и ин-
формирования о катастрофических сбоях
системы предназначен системный 24-раз-
рядный сторожевой таймер SWDT (System
Watchdog Timer). Наличие нескольких видов
сторожевых таймеров увеличивает надеж-
ность функционирования разрабатываемых
встраиваемых систем на различных уровнях.
Помимо перечисленных таймеров, в соста-
ве процессорного блока представлен трой-
ной таймер/счетчик Triple Timer Counters
(ТТС), который содержит три независимых
реверсивных шестнадцатиразрядных счет-
чика и может использоваться для различных
целей, прежде всего для формирования им-
пульсных сигналов с требуемой длительно-
стью. В частности, таймер/счетчик находит
широкое применение при реализации систем
широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Для установки требуемых режимов про-
цессорной системы PS и их контроля пред-
назначен комплект регистров управления
системного уровня SLCR. Эти регистры
разделены на группы в соответствии с их
функциональным назначением (управление
тактовыми сигналами, схемой сброса, про-
цессорным блоком, контроллером динами-
ческой памяти, периферией ввода/вывода,
конфигурацией мультиплексируемых вхо-
дов/выходов, внутрикристальной памятью,
системой отладки и другими устройствами).
Каждой группе регистров SLCR зарезерви-
ровано соответствующее адресное простран-
ство [37]. Доступ к регистрам управления
системного уровня может осуществляться
с помощью программных средств при ис-
пользовании соответствующих библиотек.
Совокупность компонентов, составляю-
щих инфраструктуру технологии CoreSight,
обеспечивает возможность управления про-
цессами отладки и трассировки через порт
Debug Access Port (DAP). Доступ к этому пор-
ту может осуществляться через стандартный
интерфейс JTAG или посредством интерфей-
са АРВ.
Окончание следует
Литература
1. Зотов В. Расширение семейства программиру-
емых систем на кристалле Zynq-7000 АР SoC //
Компоненты и технологии. 2013, № 12.2014. № 1.
2. Зотов В. Особенности архитектуры нового
поколения ПЛИС с архитектурой FPGA фир-
мы Xilinx // Компоненты и технологии. 2010.
№ 12.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
70
КОМПОНеНТЫ системы на кристалле
3. Зотов В. Проектирование узлов синхронизации
цифровых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем, реализуемых на базе
ПЛИС фирмы Xilinx серий Artix-7, Kintex-7
и Virtex-7. Часть 1 // Компоненты и технологии.
2016. №3.
4. Зотов В. Проектирование узлов синхронизации
цифровых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем, реализуемых на базе
ПЛИС фирмы Xilinx серий Artix-7, Kintex-7
и Virtex-7. Часть 2 // Компоненты и технологии.
2016. № 4.
5. Зотов В. Проектирование узлов синхронизации
цифровых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем, реализуемых на базе
ПЛИС фирмы Xilinx серий Artix-7, Kintex-7
и Virtex-7. Часть 3 // Компоненты и технологии.
2016. № 5.
6. Зотов В. Проектирование узлов синхронизации
цифровых устройств и встраиваемых микро-
процессорных систем, реализуемых на базе
ПЛИС фирмы Xilinx серий Artix-7, Kintex-7
и Virtex-7. Часть 4 // Компоненты и технологии.
2016. № 6.
7. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 1 // Компоненты
и технологии. 2016. № 7.
8. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 2 // Компоненты
и технологии. 2016. № 8.
9. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 3 // Компоненты
и технологии. 2016. № 9.
10. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 4 // Компоненты
и технологии. 2016. № 10.
11. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 5 // Компоненты
и технологии. 2016. № 11.
12. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 6 // Компоненты
и технологии. 2016. № 12.
13. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 7 // Компоненты
и технологии. 2017. № 1.
14. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 8 // Компоненты
и технологии. 2017. № 2.
15. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 9 // Компоненты
и технологии. 2017. № 3.
16. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 10 // Компоненты
и технологии. 2017. № 4.
17. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 11 // Компоненты
и технологии. 2017. № 5.
18. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 12 // Компоненты
и технологии. 2017. № 6.
19. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 13 // Компоненты
и технологии. 2017. № 7.
20. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 14 // Компоненты
и технологии. 2017. № 8.
21. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 15 // Компоненты
и технологии. 2017. № 9.
22. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 16 // Компоненты
и технологии. 2017. № 10.
23. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 17 // Компоненты
и технологии. 2017. № 12.
24. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 18 // Компоненты
и технологии. 2018. № 1.
25. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 19 // Компоненты
и технологии. 2018. № 2.
26. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 20 // Компоненты
и технологии. 2018. № 3.
27. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 21 // Компоненты
и технологии. 2018. № 4.
28. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 22 // Компоненты
и технологии. 2018. № 5.
29. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 23 // Компоненты
и технологии. 2018. № 6.
30. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 24 // Компоненты
и технологии. 2018. № 7.
31. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 25 // Компоненты
и технологии. 2018. № 8.
32. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 26. // Компоненты
и технологии. 2018. № 9.
33. Зотов В. Проектирование цифровых устройств
на базе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 27 // Компоненты
и технологии. 2018. № 10.
34. Zynq-7000 SoC Overview. Xilinx, 2018.
35. Zynq-7000 SoC (Z-7007S, Z-7012S, Z-7014S,
Z-7010, Z-7015, and Z-7020): DC and AC
Switching Characteristics. Xilinx, 2018.
36. Zynq-7000 SoC (Z-7030, Z-7035, Z-7045 and
Z-7100): DC and AC Switching Characteristics.
Xilinx, 2018.
37. Zynq-7000 SoC Technical Reference Manual.
Xilinx, 2018.
38. Programming ARM TrustZone Architecture on
the Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC. User
Guide. Xilinx, 2018.
НОВОСТИ источники питания
Mean Well представляет открытые источники пита-
ния для медицинского применения серии RPS-120S.
Компактные размеры (3x2") сочетаются с низким
потреблением без нагрузки (<0,5 Вт). Источники
Малогабаритные AC/DC-источники питания
для медицины RPS-120S на 120 Вт от Mean Well
соответствуют стандартам безопасности для меди-
цинского оборудования IEC60601-1 по категории
2хМОРР и имеют низкий ток утечки (<150 мкА).
Источники питания RPS-120S применяются
в системах мониторинга и другом медицинском
оборудовании, рассчитанном на возможность при-
косновения пациента.
Технические характеристики:
• Диапазон входных напряжений: 80—264 В АС.
• Выходная мощность: 120 Вт.
• Изоляция вход/выход: 4000 В АС.
• КПД: до 94%.
• Конвекционное охлаждение.
• Диапазон рабочих температур: —30...+85 °C.
• Габариты: 76,2x50,8x28 мм.
• Защита от:
— превышения выходного напряжения;
— короткого замыкания и перегрузки на выходе;
— перегрева;
• Соответствие международным стандартам:
ЕАС/СЕ.
www.eltech.spb.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
MEAN WELL
/ИИ/
<
Power Expert
MEAN WELL
Энергетические решения для LED-освещения
• Надежный и инновационный дизайн
• IP67 уровень пыле и влагозащиты
• Разнообразные варианты диммирования
• 2000+ стандартных решений «с полки»
MEAN WELL ENTERPRISES СО., LTD.
ff www.meanwell.com
<, +886-2-2299-6100
® info@meanwell.com
ПР-ВО MEAN WELL В РОССИИ
ff www.meanwell.com
+7-812-946-0097
® info@meanwellrussia.com
72
блоки питания
Новые источники питания
TDK-Lambda
для монтажа на DIN-рейку
Василий ЛИСИН
lisin@prosoft.ru
Серия источников питания DRF — это новый этап развития высококаче-
ственных и энергоэффективных блоков питания на DIN-рейку от компании
TDK-Lambda.
Сегодня серия DRF представлена
на рынке с наиболее часто использу-
емым напряжением в промышленной
автоматизации — 24 В DC. Внешний вид из-
делия показан на рис. 1. Основные параме-
тры серии приведены в таблице.
Как видно из параметров в таблице, блоки
питания данной серии имеют возможность
подстройки выходного напряжения в боль-
шую сторону (до +16% от номинала), они
также имеют высокий КПД, а значения КПД
самых последних моделей, рассчитанных
на 960 Вт, могут достигать 96% при нагрузке
40-90%. Серия DRF отличается очень низким
потреблением на холостом ходу — 0,75 Вт,
что соответствует директивам ЕгР.
В данных блоках питания реализована воз-
можность удаленного мониторинга и управ-
ления, что позволяет интегрировать их
с программируемыми логическими контрол-
лерами, зарядными контроллерами и т. д.
Устройства выдерживают пиковые скачки
мощности и могут работать в режиме пере-
грузки на 150% в течение 4 с. Другими сло-
вами, если ток нагрузки превышает макси-
мальное значение на 50%, то блоки питания
продолжают работать при номинальном на-
пряжении в течение 4 с, а светодиод на перед-
ней панели будет сигнализировать о пиковой
нагрузке [1]. По истечении этого времени
модуль выключится.
Источники питания серии DRF допол-
нительно прошли два типа сертификации
для применения в жестких условиях, где на-
дежность любого компонента крайне важ-
на. В модификации /HL блоки питания
поставляются со специальным покрытием
компонентов и платы — они имеют искро-
защищенное исполнение, что соответствует
директивам АТЕХ, IEC EX, GL (Ger. Lloyd).
Кроме того, устройства также прошли испы-
тания для применения в морской промыш-
ленности.
Серия DRF — абсолютно новая разра-
ботка инженеров TDK-Lambda, в которой
использованы последние знания и техноло-
гия компании в сфере схемотехники ИВЭП.
Рис. 1. Внешний вид источников питания DRF
Таблица. Основные характеристики серии источников питания DRF
Модель Выходное напряжение Подстройка выходного напряжения Максимальный выходной ток Максимальная выходная мощность КПД при входном напряжении 115/230 В
DRF120-24-1 24 В 24-28 В 5А 120 Вт 89/91%
DRF240-24-1 24 В 24-28 В 10А 240 Вт 92,5/94%
DRF480-24-1 24 В 24-28 В 20 А 480 Вт 92,5/94%
DRF960-24-1 24 В 24-28 В 40 А 960 Вт 93/96%
Следует обратить внимание, данная линейка
не является усовершенствованием преды-
дущих серий, а ее характеристики служат
хорошим флагманским ориентиром. В мо-
делях на 120 Вт использована квазирезонанс-
ная обратноходовая топология, а в моделях
на 240-960 Вт — резонансный LLC-контур.
При этом все модели снабжены активным
корректором мощности и активной систе-
мой выпрямления в выходных каскадах.
Поэтому в данных блоках удается достичь
значений КПД до 94% при питающем на-
пряжении 220-230 В АС [ 1 ]. А это выше, чем
у аналогичных моделей предыдущих серий,
например DPP, и, как следствие, тепловые
потери серии DRF на 40-55% меньше.
При подаче дистанционного сигнала
Remote Off (отключение выхода) происхо-
дит отключение каскада коррекции мощно-
сти и каскада DC/DC, в работе остается толь-
ко цепь вспомогательного питания. Таким
образом, источники питания серии DRF от-
личаются чрезвычайно малым потреблением
в режиме Stand-by (примерно 0,5-0,75 Вт в за-
висимости от модели) и полностью соответ-
ствуют требованиям Директивы по энерго-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
блоки питания
73
Рис. 2. Модуль резервного включения DRM40
эффективности ErP (Energy related Products).
Это делает их оптимальным решением для
заказчиков, особенно требовательных к эко-
номичности и качеству энергопотребления
и нуждающихся в компактных высокоэф-
фективных решениях.
При всех отмеченных технических преиму-
ществах надежность данной серии существен-
но увеличена: расчетный срок жизни электро-
литических конденсаторов вдвое выше, чем
аналогичный показатель моделей многих дру-
гих производителей, и составляет 5 лет, а ведь
именно конденсаторы являются компонента-
ми, наиболее критически влияющими на жи-
вучесть любого устройства с конвекционным
охлаждением. Поэтому модули поставляются
с 5-летней гарантией.
Как упоминалось выше, блоки питания
серии DRF могут работать в режиме пико-
DRM40
DRF
Переменная
нагрузка
Рис. 3. Типовая схема включения модуля DRM40 с источниками питания
вой нагрузки, например, DRF240-24-1 мо-
жет выдавать ток 15 А в течение 4 с. После
этого времени модуль питания отключается.
Данная функция обеспечивается специаль-
ным микроконтроллером, осуществляющим
функции таймера и сравнения параметров.
Эта возможность позволяет серии DRF легко
и безопасно работать, а также справляться
с разного рода сложными нагрузками, по-
требляющими повышенную мощность при
запуске,— приводами, емкостными накопи-
телями и т. д.
В дополнение имеется отдельный коннек-
тор с выводами для обеспечения параллель-
ной работы в режиме DROOP MODE и вы-
воды для дистанционного контроля: управ-
ления функцией включения/выключения
и подстройки выхода с помощью внешнего
аналогового сигнала. Все модели серии также
предусматривают последовательное включе-
ние для увеличения напряжения.
Следует обратить внимание и на новый
модуль резервного включения DRM40 — его
внешний вид представлен на рис. 2. Данный
блок монтируется на DIN-рейку вместе с ис-
точниками питания серии DRF и обеспечива-
ет резерв по питанию по схеме «п+1» или же
используется для параллельного включения
блоков питания. Типовая схема включения
модуля DRM40 с источниками питания пред-
ставлена на рис. 3. Основное преимущества
данного модуля — применение в схемотех-
нике MOSFET-транзисторов вместо диодов,
что обеспечивает низкие потери, а также на-
личие двух входных каналов по 20 А каждый
и выходного канала на 40 А.
Новые решения на DIN-реечных системах
питания обязательно найдут свое примене-
ние в АСУ ТП для энергетических и нефтега-
зовых объектов, в контроллерах температур,
в системах диспетчеризации и учета энерго-
ресурсов — и это лишь небольшой перечень
объектов, где можно эффективно эксплуати-
ровать источники питания серии DRF.
Сегодня компания TDK-Lambda занимает
одно из лидирующих мест среди произво-
дителей источников вторичного электропи-
тания. Ее продукция ориентирована в пер-
вую очередь на ответственные применения.
Для российского рынка источники питания
TDK-Lambda имеют сертификат соответ-
ствия ТР/ТС 004/2011 и 020/2011 (ЕАС).
Литература
1. Источники питания TDK-Lambda. Спецвыпуск
для российской промышленности. М.: 2015.
2. Технические материалы с сайта производителя.
www.tdk-lambda.ru/products/product-details.
aspx?scid=356
НОВОСТИ дисплеи
Компания Mitsubishi Electric анонсировала
выход нового тонкого и легкого, 4,3-дюймово-
го трансфлективного TFT-LCD-модуля формата
WQVGA. Модуль оптимально подходит для наруж-
Новый 4,3-дюймовый трансфлективный
TFT-LCD-модуль формата WQVGA
от Mitsubishi Electric
ного применения или для носимых измерительных
приборов, в том числе носимых промышленных
ПК, морских GPS и других отраслей. Толщина
модуля всего 5,2 мм, а вес 58 г.
Модель обеспечивает высокое качество изо-
бражения и работает в широком температурном
диапазоне —30...+85 °C.
Основные характеристики модуля AC043NB01:
• диагональ экрана: 4,3 дюйма;
• размер модуля: 105,5x67,2x5,2 мм;
• активная область: 95,04x53,856 мм;
• контрастность: 130:1;
• яркость: 800 кд/м2;
• углы обзора: 25/50°, 50/35°;
• цвета: 16,77М (8 бит);
• жизненный цикл подсветки: 50000 ч;
• интерфейс: CMOS;
• рабочий температурный диапазон: —30...+8 5 °C;
• вес: 58 г.
www.ptelectronics.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
хит
Универсальное
зарядное устройство:
все решения в одном контроллере
Захари ПАНТЕЛ И (Zachary PANTELY)
Перевод и дополнения:
Владимир РЕНТЮК
В настоящее время используется несколько типов аккумуляторных бата-
рей, которые различаются технологией (химическим составом и электро-
литом), напряжением и требованиями к профилю зарядки. Проблема ус-
ложняется и различиями в источниках энергии для формирования заряда.
Все сказанное приводит к необходимости разрабатывать разные вариан-
ты зарядных устройств, что затратно с точки зрения сроков выполнения
проекта конечного продукта. В предлагаемой статье дается возможное
решение этой проблемы.
Первым шагом в разработке любого
зарядного устройства для аккуму-
ляторной батареи является выбор
из множества коммерчески доступных ми-
кросхем контроллера оптимального вари-
анта для конкретного зарядного устройства.
Однако для того, чтобы принять обоснован-
ное решение, команда разработчиков должна
сначала четко определить параметры бата-
реи — ее тип по химическому составу, элек-
тролиту, технологии, количеству ячеек и т. д.
Кроме того, важно конкретизировать вход-
ные характеристики зарядного устройства,
поскольку это может быть источник пита-
ния (адаптер), солнечная панель или иной
резистивный источник мощности (то есть
источник тока, а не напряжения), порт USB
и т.п. Лишь после этого, выбирая наилуч-
шее решение, разработчики могут, сравни-
вая многочисленные спецификации, найти
зарядное устройство, которое оптимально
согласуется с параметрами батареи и выход-
ными характеристиками источника энергии
для ее заряда. Что касается самого процесса,
он должен быть организован так, чтобы ко-
манда специалистов имела возможность вы-
бирать наилучшее решение для конкретного
приложения. Однако, как говорится, в жиз-
ни всякое бывает, и очень часто параметры
проекта могут измениться в самый неподхо-
дящий — что-то не понравилось заказчику,
изменилась потребляемая конечным устрой-
ством мощность или требования по габари-
там и т.п.— момент, и это отбросит вас об-
ратно, к таблицам данных в спецификациях.
А что если бы этот шаг вообще можно
было пропустить? Что, если бы разработ-
чик мог сосредоточиться на прикладном
решении проектируемого конечного про-
дукта, а микросхему контроллера зарядного
устройства батареи рассматривать просто
как некий «черный ящик», который должен
быть заменен на реальную микросхему толь-
ко тогда, когда все утрясется, заказчик будет
наконец-то доволен и придет время для соз-
дания конечного рабочего решения и даже
прототипа? В этот момент разработчик про-
сто достает с полки универсальную микро-
схему контроллера зарядного устройства,
независимо от основных параметров конеч-
ного изделия и его батареи,— и на этом все.
Причем в ситуации, когда параметры прило-
жения меняются (входные параметры изме-
нились или источник энергии переключается
с одного типа на другой, тип батареи изме-
нился и т.д.), а такая стандартная микросхе-
ма контроллера зарядного устройства бата-
реи по-прежнему подходит. Звучит действи-
тельно заманчиво, получается — «и швец,
и жнец, и на дуде игрец», не так ли? И глав-
ное, никакой дополнительный поиск данных
и переработка проекта зарядного устройства
опять с нуля уже не потребуется.
Эта проблема может быть проиллюстри-
рована на примере решения двух очень раз-
ных задач, связанных с зарядным устрой-
ством. Скажем, некой проектной группе
«А» поручено разработать зарядное устрой-
ство для батареи, которая получает питание
от солнечной панели и заряжает свинцо-
во-кислотную батарею. Зарядное устройство
должно находиться отдельно, поскольку ба-
тарея буферная. При этом здесь нет микро-
контроллера, но само решение зарядного
устройства должно быть достаточно уни-
а
4,1 В/1,3 А
4 В / 0,5 А при > +42 °C
ОСТАНОВИТЬ ЗАРЯДКУ,
ЕСЛИ ТЕМПЕРАТУРА
ВЫШЕ +72 °C!!!
Рис. 1. Для разных типов аккумуляторов — две разные системы зарядки:
а) автономная система зарядного устройства без хост-контроллера; б) система с хост-контроллером/мониторингом и алгоритмами зарядки на основе данных о температуре батареи
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
хит
75
версальным, чтобы поддерживать несколь-
ко различных моделей солнечных батарей.
На все про все у группы есть всего одна неде-
ля для создания конечного схемотехническо-
го проекта (рис. 1а).
С другой стороны выступает команда раз-
работчиков группы «Б». Она имеет более
сложную проблему с зарядным устройством.
Их конструкция требует 5-В источника пита-
ния от порта USB и заряжает одноэлемент-
ную литий-ионную (Li-ion) батарею током
1,3 А до конечного напряжения 4,1 В. Если
температура увеличивается и становится
выше +47 °C, они хотят снизить напряже-
ние заряда до 4 В на элемент при токе 0,5 А,
а при температуре, превышающей +72 °C,
хотят, чтобы зарядка прекратилась вовсе.
Микроконтроллер в их системе должен знать
напряжение, ток, температуру и состояние
батареи, поскольку она резервная и всегда
должна находиться в должной кондиции.
У них также есть одна неделя для создания
конечного проекта (рис. 16).
Какое зарядное устройство подходит?
Здесь, как мы видим, две совершенно разные
системы зарядки аккумулятора. Могут ли
они использовать одну и ту же микросхему
контроллера зарядного устройства?
Учитывая совершенно разные входные
и выходное условия, в это трудно поверить,
но оказывается, что обе команды разработ-
чиков могут использовать одну и ту же ми-
кросхему контроллера зарядного устройства
LTC4162 компании Analog Devices, выпуска-
емую под брендом Power by Linear (ранее
компания Linear Technology), и это именно та
микросхема, которая, скорее всего, и станет
лучшим выбором для обоих, столь разнопла-
новых приложений.
Общие сведения
Микросхема LTC4162 35 В/3,2 А [1] пред-
ставляет собой контроллер зарядного устрой-
ство в виде монолитного понижающего
DC/DC-преобразователя и сочетает просто-
ту и универсальность. Способная работать
как автономно, так и с хост-контроллером,
LTC4162 обеспечивает решения от базовых
до весьма сложных. Полнофункциональная
телеметрическая система с интерфейсом 12С
разрешает пользователю по желанию кон-
тролировать батарею и реализовывать соб-
ственные параметры ее заряда, специфич-
ные для конкретной модели аккумуляторной
батареи. Алгоритм отслеживания истин-
ной точки максимальной мощности МРРТ
(Maximum Power Point Tracking) позволяет
зарядному устройству работать оптимально
от любого источника с высоким импедан-
сом — такого как, например, солнечная па-
нель. Алгоритм зарядки тоже адаптирован
и к типу аккумулятора: литий-ионных (Li-
ion), литий-полимерных, литий-железо-фос-
фатных (LiFePO4) или свинцово-кислотных
аккумуляторных батарей.
7
6
5
20
21
4n
INFET
CLN
CLP
CSN
CSP
—L-. BATFET
22-------
BATSENS
19
DVCC
15
SMBALERT
12
рт SCL
13
SDA
14
CELLSO
17
рт 18 CELLS1
NTCBIAS
9
-4 NTC
10----
Зарядный
насос
Зарядный
насос
Логика
Предваритель-
ный делитель
частоты
29 Ом
VINDIV
37,5
37,5
ЦАП
I IN
ЦАП
I ВАТ
ЦАП
VBATDIV
Генератор
ЦАП
INTVCC
29 Ом
VOUTDIV - J
R
INTVCC
BOOST
SW
SW
INTV
PGND
PGND
Чэит
Чэит
INTVCC LDO
1
28
27
26
25
24
23
RT
11
SYNC
VOUTA
16
3
1,2 В
VBATDIV —
VOUTDIV —
VINDIV —
I BAT —
I IN —
T DIE —
АЦП
2,5 В LDO
OUT
l2C
LTC4162-L
Cell Count
NTCBIAS
NTC
SW
CSP
CSN
BATSENS+
VIN INFET CLP CLN VOUT
BATFET
GND
INTVCC
VCC2P5
2
8
AGND r1-
29
Рис. 2. Типовое применение LTC4162, которая настолько же проста, как и полнофункциональное зарядное устройство
на основе импульсного DC/DC-преобразователя: а) блок-схема; б) схема
Все эти функциональные возможности за-
ключены в миниатюрный QFN-корпус раз-
мером 4x5 мм с типичным габаритом конеч-
ного решения, требующего минимальную
обвеску (рис. 2), около 10x20 мм.
Мощность заряда
Миниатюрность контроллера LTC4162
не должна вызывать сомнения в его эффек-
тивности. Даже со встроенными переклю-
чающими полевыми транзисторами он мо-
жет поддерживать мощность заряда свыше
60 Вт. Внутренний контроль температуры его
кристалла позволяет LTC4162 регулировать
зарядный ток таким образом, чтобы устрой-
ство никогда не перегревалось, даже в самых
тяжелых, с точки зрения температуры окру-
жающей среды, условиях и в самых малень-
ких корпусах аппаратуры.
Полевые транзисторы PowerPath (INFET
и BATFET) обеспечивают постоянное на-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
76
ХИТ
пряжение питания нагрузки системы (V0UT)
от входного напряжения (VIN), если оно при-
сутствует, или от аккумулятора, если VIN
отсутствует. Использование внешних
и-канальных полевых транзисторов разре-
шает строить тракты с малыми потерями без
ограничения уровня тока, который может
быть передан в нагрузку.
Телеметрия и управление
Микросхема LTC4162 может работать
и без хост-контроллера, поскольку многие
аспекты зарядки удобно отслеживать и кон-
тролировать непосредственно через порт 12С-
интерфейса. Встроенная в микросхему теле-
метрическая система считывает напряжение
и ток системы и аккумулятора в режиме ре-
ального времени. При этом для уведомле-
ния главного контроллера, когда измеренное
значение достигает настраиваемого порога
или в случае, если вводится определенное
состояние зарядки, могут быть установле-
ны различные ограничения и предупрежде-
ния. Например, доступна функциональная
особенность, позволяющая входить в режим
пониженного энергопотребления, когда на-
пряжение батареи падает до определенного
предела. Вместо того чтобы микроконтрол-
лер непрерывно опрашивал напряжение ба-
тареи, LTC4162 может самостоятельно осу-
ществлять мониторинг и информировать
хост-контроллер о достижении этого преде-
ла. В такой момент хост отключает основную
нагрузку и переходит в состояние низкого
энергопотребления (рис. 3).
Телеметрическая система также способна
измерять собственное сопротивление ак-
кумулятора BSR (Battery Series Resistance —
последовательное сопротивление батареи),
которое служит индикатором состояния
аккумулятора. Измерение BSR может быть
настроено на автоматическое выполнение
или как оповещение, чтобы уведомить хост-
Опасно! Опасно!
Высокое сопротивление Высокое сопротивление
батареи батареи
Рис. 3. Интегрированная телеметрическая система LTC4162 удовлетворяет практически любым требованиям
в части мониторинга и оповещения
контроллер о том, что превышен верхний
заданный пользователем предел BSR. После
чего уже хост-контроллер может сигнали-
зировать пользователю о необходимости
замены батареи еще до ее полного выхода
из строя.
Когда входное напряжение по той или
иной причине отключено и система питается
от батареи, контроллер зарядного устройства
LTC4162 автоматически отключает телеме-
трическую систему. Это делается для про-
дления срока эксплуатации обслуживаемой
им батареи. Если измерение необходимо,
то систему телеметрии можно принудитель-
но запустить с помощью команды по ин-
терфейсу 12С, затем она снова входит в бо-
лее медленный режим передачи телеметрии
с низким энергопотреблением, при котором
измерения проводятся не в реальном вре-
мени, а через каждые 5 с. При желании ско-
рость телеметрии в любое время может быть
установлена на высокую со считыванием по-
казателей каждые 11 мс.
Алгоритм температурной
компенсации
Микросхема контроллера зарядного
устройства LTC4162 позволяет настраивать
условия заряда аккумуляторной батареи
в зависимости от температуры. Для батарей
на основе лития (Li-ion и LiFePO4) LTC4162
может использовать технологию заряда
в соответствии с рекомендациями ассоциа-
ции JEITA (Japan Electronics and Information
Technology Industries Association — Японская
ассоциация производителей электроники
и информационных технологий) с регули-
руемой температурой. Технология, предло-
женная JEITA, позволяет задавать нужные
температурные области, в которых для заряда
аккумулятора применяется настраиваемое на-
пряжение и формируется ток зарядки аккуму-
лятора. Это также помогает проектировщику
выбирать температуру, при которой батарея
должна прекратить зарядку. Настройки, реко-
мендованные JEITA, по умолчанию действуют
Температура, °C Температура, °C
Рис. 4. Профиль JEITA, по умолчанию используемый для Li-ion батарей: а) профиль напряжения на батарее; б) профиль тока заряда с контролем напряжения (Vcsp—VCSN)
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
хит
Температура, °C
Рис. 5. Профиль заряда 12-В свинцово-кислотной батареи в зависимости
от температуры, установленный по умолчанию
Рис. 6. Полная временная развертка зарядки от солнечной панели
для многих батарей без необходимости вме-
шательства хост-процессора, но встроенные
возможности позволяют LTC4162 работать
с любыми требованиями к температурному
профилю батареи (рис. 4).
Аналогично для свинцово-кислотных ак-
кумуляторов алгоритм температурной ком-
пенсации линейно уменьшает напряжение
на батарее на каждой стадии заряда при по-
вышении температуры. Эти напряжения
можно сместить командой по интерфей-
су 12С, а наклон компенсации скорректиро-
вать, просто изменив термистор (рис. 5).
Рассмотрим подробнее доступные режимы.
CC-CV — режим «стабилизация тока/ста-
билизация напряжения». В этом режиме сна-
чала заряд батареи проводится заданным то-
ком, обычно 1/10 от номинальной емкости,
а потом, после того как батарея перестает
брать ток, зарядное устройство переходит
в режим стабилизации напряжения, которое
зависит от числа ячеек аккумулятора и в мень-
шей степени от его конкретного типа.
Режим «поглощение» (Absorption). В этом
режиме поведение напряжения и тока заряд-
ки меняются на противоположное по сравне-
нию с тем, что происходит в режиме CC-CV.
Здесь напряжение поддерживается постоян-
ным, а ток постепенно уменьшается. Этап
режим зарядки является эффективным толь-
ко в том случае, если он длится достаточно
долго, не менее 4 ч, до тех пор пока батарея
практически не прекратит брать ток. Данный
режима иногда называют «режим зарядки
постоянным напряжением».
Режим «выравнивание» (Equalization) яв-
ляется дополнительным, и обычно его выби-
рают отдельно или дополнительно к другим
режимам заряда. Для свинцово-кислотных
аккумуляторных батарей этот режим важен,
в основном когда несколько пусть и однотип-
ных батарей подключено последовательно
и заряжается одним зарядным устройством.
Алгоритм этапа выравнивания графически
подобен комбинации этапов двух перечис-
ленных выше режимов CC-CV и поглоще-
ния. Разница заключается в том, что ток на-
чинается с очень низкого уровня, примерно
2-5% от емкости батареи, или на очень низ-
ком фиксированном уровне. Такой зарядный
ток будет оставаться постоянным в течение
очень короткого времени, затем напряжение
и ток будут вести себя так же, как и во время
режима поглощения, однако уровни напря-
жения и тока будут различны. На этапе вы-
равнивания достигается теоретическое зна-
чение SoC до 100% (SoC — State Of Charge,
степень заряженности аккумуляторной ба-
тареи). Как известно, каждая 12-В свинцо-
во-кислотная батарея состоит из шести от-
дельных ячеек, но все ячейки не работают
одинаково, и их напряжения могут меняться,
так что их суммарное значение может со-
ставлять 12,85-13,05 В. При использовании
данного режима зарядки напряжения в каж-
дой ячейке уравниваются. Фактически этап
выравнивания (Equalization) представляет
собой контролируемую «перегрузку», что по-
могает удалять сульфатные кристаллы, ко-
торые могли образоваться на поверхности
и в порах пластин, и повышает срок службы
аккумуляторной батареи.
МРРТ и регулирование по входу
Для простоты многие системы, работаю-
щие от солнечных панелей, для формирова-
ния профиля заряда выбирают точку напря-
жения максимальной мощности VMPP — как
постоянное значение. На самом деле напря-
жение VMPP плавает в зависимости от осве-
щенности, а частично закрытая солнечная
панель может иметь несколько пиковых
значений мощности. Заложенный в устрой-
ство алгоритм активного слежения за точкой
максимальной мощности (МРРТ) непрерыв-
но контролирует цепь управления входным
перенапряжением и выбирает рабочую точ-
ку, соответствующую максимуму мощности,
извлекаемой из солнечных панелей. В до-
полнение к случайным колебаниям диапазо-
на напряжений солнечной панели, LTC4162
сглаживает входное напряжение, постоянно
выискивая даже незначительные изменения
в VMPP. Эта функциональная возможность
не требует специального программирования,
а потому панели можно отключать без какой-
либо модификации зарядного устройства.
Преимущества регулирования ввода выхо-
дят за рамки источников солнечной батареи
и касаются любых резистивных источников.
Так, многие USB-кабели имеют значитель-
ный последовательный импеданс, и это при
прохождении тока приводит к падению на-
пряжения на входе зарядного устройства.
Функция ограничения тока пониженного на-
пряжения в LTC4162 регулирует ток таким
образом, чтобы на входе поддерживалось
минимальное необходимое для функциони-
рования напряжение. Это позволяет реализо-
вать различные режимы зарядки аккумуля-
торных батарей (рис. 6).
Особенности использования
зарядного устройства на LTC4162
с питанием от USB
Микросхема контроллера зарядно-
го устройства LTC4162 также совмести-
ма со спецификацией USB Power Delivery
(USB 3.1), которая позволяет получать
до 100 Вт электроэнергии через кабель USB
Туре С. Предел входного тока LTC4162 можно
настроить так, чтобы входной адаптер не был
перегружен. При достижении предела вход-
ного тока нагрузка системы все равно может
потреблять от входа столько энергии, сколь-
ко необходимо, но ток зарядки аккумулятора
уменьшается так, что предел входного тока
не превышается. Для USB PD это означает, что
одна схема LTC4162 может быть использована
с различными профилями адаптера питания.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
78
ХИТ
Режим малого собственного потребления
мощности зарядного устройства на LTC4162
Когда зарядное устройство со встроенным аккумулятором в со-
ставе конечного приложения должно быть отгружено потребителю
или отправлено на хранение в течение длительного периода времени,
то команда по интерфейсу 12С может перевести микросхему LTC4162
в состояние низкого энергопотребления, уменьшив потребление тока
от аккумулятора примерно до уровня 3,5 мкА. При желании схема
может быть настроена на отключение питания от нагрузки системы
в течение этого периода.
Доступные варианты исполнения
контроллера LTC4162
Таблица. Коммерчески доступные варианты исполнения LTC4162
Микросхемы контроллера Аккумуляторная батарея
Режим МРРТ по умолчанию отключен Режим МРРТ по умолчанию включен Технология изготовления Напряжение на ячейке
LTC4162EUFD-LAD LTC4162EUFD-L40 LTC4162EUFD-L41 LTC4162EUFD-L42 LTC4162EUFD-LADM LTC4162EUFD-L40M LTC4162EUFD-L41M LTC4162EUFD-L42M Li-ion Регулируемое по 12С 4 В, фиксированное 4,1 В, фиксированное 4,2 В, фиксированное
LTC4162EUFD-FAD LTC4162EUFD-FST LTC4162EUFD-FFS LTC4162EUFD-FADM LTC4162EUFD-FSTM LTC4162EUFD-FFSM LiFePO4 Регулируемое по 12С 3,6 В, фиксированное 3,8 В, быстрый заряд
LTC4162EUFD-SAD LTC4162EUFD-SST LTC4162EUFD-SADM LTC4162EUFD-SSTM Свинцово- кислотная Регулируемое по 12С, фиксированное
Заключение
Для того чтобы упростить конструкцию и документацию, для за-
каза контроллера LTC4162 предусмотрено несколько вариантов его
исполнения, основанных на типе (технологии) аккумуляторных ба-
тарей, параметрах зарядки и на том, включен или нет МРРТ по умол-
чанию. А чтобы упростить выбор под конкретный тип аккумулятор-
ной батареи, спецификации для LTC4162 разбиты на варианты для
батарей различной технологии по химическому составу. Существуют
отдельные спецификации для Li-ion, LiFePO4 и свинцово-кислотных
версий. Таблица показывает все 18 коммерчески доступных в настоя-
щее время вариантов поставки микросхем контроллера LTC4162.
Каждый вариант совместим по выводам и может быть заменен лю-
бой другой версией во время создания прототипа. Варианты LTC4162
являются взаимозаменяемыми, чтобы упростить создание продук-
тов, которые применяют одну и ту же схему, но используют разные
по химическому составу батареи, зарядные напряжения или источни-
ки входной мощности.
Прежде чем члены команды разработчиков углубятся в из-
учение таблиц данных в спецификациях для мониторов мощ-
ности и зарядных устройств для работы от солнечных батарей
и шин напряжения постоянного тока, прежде чем инженеры по-
тратят долгие часы на написание кода для пользовательского ал-
горитма зарядки, зависящего от температуры, и на ручной опрос
измерений для определения превышения пределов, они могут
рассмотреть вопрос о приобретении универсального зарядно-
го устройства. Например, подходящим решением для конкретно-
го проекта может стать контроллер зарядного устройства LTC4162
от компании Analog Devices.
Литература
1. LTC4162-S 35V/3.2A Lead-Acid Step-Down Battery Charger with PowerPath
and I2C Telemetry, www.analog.coin/en/search.html?q=ltc4162
НОВОСТИ отладочные средства
Старт продаж отладочных средств для нового семейства
микропроцессоров STM32MP1 от компании STMicroelectronics
Компания STMicroelectronics объявила о старте
продаж отладочных средств для нового семейства
микропроцессоров STM32MP1.
На данный момент для заказа доступна отладоч-
ная плата STM32MP157C-DK2.
STM32MP157C-DK2 — отладочное средство
типа Discovery, на основе старшего в семействе
микропроцессора STM32MP157C с двумя ядра-
ми Cortex-A7 (тактовая частота 650 МГц) и одним
ядром Cortex-M4 (тактовая частота 209 МГц).
Отладочное средство позволяет легко разраба-
тывать приложения, используя дистрибутив про-
граммного обеспечения STM32 MPU OpenSTLinux
для основного процессора Cortex-A7 и програм-
мное обеспечение STM32CubeMP1 для сопроцес-
сора Cortex-M4.
STM32MP157C-DK2 имеет встроенный отла-
дочный инструмент ST-LINK, светодиоды, кнопки,
один разъем типа Ethernet со скоростью передачи
до 1 Гбит/с, один разъем USBType-C OTG, четыре
разъема USBType-A, один HDMI-трансивер, один
разъем для подключения стереонаушников с ана-
логовым микрофоном и один слот для внешней
карты-памяти типа microSD.
Для расширения функциональности плата
STM32MP157C-DK2 оснащена двумя разъемами
GPIO, которые позволяют подключать платы рас-
ширения Arduino и Raspberry Pi.
Дополнительно отладочный набор STM32MP
157C-DK2 снабжен LCD-дисплеем с тач-панелью
и обеспечивает поддержку радиоканала типа Wi-Fi
и Bleetooth Low Energy 4.1.
Ключевые особенности отладочного средства:
• Отладочная плата основана на микропроцес-
соре STM32MP157C с двумя ядрами Cortex-A7
(650 МГц) и одним ядром Cortex-M4 (209 МГц),
в корпусе TFBGA361.
• За организацию системы питания
отвечает новая PMIC STPMIC1A.
• 4-Гбит DDR3L, 16 бит, 533 МГц.
• 1 Гбит/с Ethernet (RGMII),
совместимый с IEEE-802.ЗаЬ.
• USBOTGHS.
• Аудиокодек.
• 4 пользовательских светодиода.
• 2 пользовательские и сбрасывающие кнопки,
1 кнопка пробуждения.
• Питание от USB Туре-С 5 В/3 А
(источник питания в комплект не входит).
• Поддержка Wi-Fi 802.11 b/g/n и BLE 4.1
• Разъемы, входящие в состав платы:
— Ethernet RJ-45;
— 4xUSBrnnaA;
- USB Туре-С DRP;
- MIPI DSI;
- HDMI.
• Разъем для подключения стереонаушников
с аналоговым микрофоном.
• Слот для внешней карты памяти типа microSD.
• Разъем расширения GPIO.
• Встроенное средство отладки/программирова-
ния ST-LINK/V2-1.
• Поддержка широкого спектра интегрированных
сред разработки (IDE), включая IAR, Keil и сре-
ды на основе GCC.
В комплект поставки входит 4" TFT-дисплей
480x800 точек, с LED-подсветкой, интерфейсом
MIPI DSI и емкостной тач-панелью.
www.ptelectronics.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
ANALOG
DEVICES
AHEAD OF WHAT’S POSSIBLE™
Arrow Electronics представляет
платформу для разработки систем
предиктивной аналитики iCOMOX
Arrow Electronics совместно с Analog Devices пред-
ставляют платформу для разработки систем пре-
диктивной аналитики iCOMOX. iCOMOX позволяет
осуществлять мониторинг промышленных объек-
тов и оборудования посредством анализа вибра-
ции на их поверхности, что помогает предсказы-
вать сбои и снижать риски выхода из строя слож-
ных технических устройств.
Платформа может быть использована как
референс-дизайн для разработок или в качестве
готового блока для системных интеграторов.
iCOMOX включает в себя
следующие ключевые компоненты:
- ADXL356 - Зх осевой акселерометр
от Analog Devices для измерения вибрации
- LTM5800 - беспроводной модуль
передачи данных от Analog Devices,
работающий как узел сети Smart MESH IP
с максимальной надежностью передачи
- ВММ150 - датчик магнитного поля
от Bosch для измерения магнитного поля
в 3-х осях
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
лллоии
arrow.com
80 встраиваемые системы
ТехнологияINICnet —
эффективное решение
для транспортировки данных
в автомобиле
Кармело Де МОЛА (Carmelo De MOLA)
Перевод: Владимир РЕНТЮК
В последние годы автомобильная промышленность пытается направить
в одно русло распространение сетевых технологий, которые уже весь-
ма широко используются в транспортных средствах. Идея заключается
в том, чтобы создать так называемую монотехнологическую сеть, а подход
к решению — в том, чтобы адаптировать к требованиям автомобильных
приложений технологию Ethernet, имеющую уже проверенную годами
репутацию и хорошо зарекомендовавшую себя в других областях.
Создание монотехнологической сети,
несомненно, помогло бы решить
многие проблемы автомобильной
промышленности, тем не менее она, ре-
шая одни проблемы, порождает другие.
Например, в определенных информацион-
но-развлекательных, аудио- или сценариях,
построенных на акустических технологиях,
но это еще далеко не все. Если рассматривать
упомянутую тенденцию, то передача неко-
торых аудиосигналов по-прежнему остает-
ся большой проблемой, и для ее устранения
требуются дополнительные дорогостоящие
аппаратные и программные компоненты. Все
эти меры не просто дорогостоящи и сложны
для реализации, но отдельно взятое решение
еще и несет в себе определенные риски про-
ектирования, негативно влияя на стоимость
оборудования и время выхода на рынок са-
мого автомобиля.
Впрочем, решение уже существует — но-
вая технология INICnet, которая предлагает
Рис. 1. Тенденции роста электроники в транспортных средствах
необходимые аудиофункции, такие как пере-
дача нескольких выделенных аудио- и видео-
каналов параллельно с высоким качеством
и низкой задержкой, причем все это реализу-
ется без дополнительного аппаратного или
программного обеспечения. Кроме того, она
обеспечивает и каналы Ethernet/IP, позволя-
ющие использовать загрузку программного
обеспечения и его обновления, включая тех-
нологию Over The Air (Over The Air — OTA,
загрузка по каналу беспроводной связи, «че-
рез эфир»), а также диагностику и бесшовную
связь (seamless link) с остальной частью авто-
мобильной сети, которая, безусловно, явля-
ется своеобразной автомобильной Ethernet-
технологией организации локальных сетей.
Все это прекрасно, но все же зачем нам ну-
жен еще один открытый стандарт в и без того
переполненной стандартами протоколов свя-
зи автомобильной среде?
Ответить на этот вопрос можно, если
взглянуть на основные проблемы, стоящие
сегодня перед всей автомобильной промыш-
ленностью. Учитывая устойчивые рыночные
тренды, автомобильная отрасль стремится
ко все большей инновационности, поскольку
начинает откликаться на быстро меняющиеся
жизненные циклы потребительских товаров,
одновременно пытаясь сэкономить средства.
А в основе этого и находится автомобильная
электроника, количество компонентов кото-
рой постоянно увеличивается даже в типич-
ном транспортном средстве (рис. 1). Этот рост
связан с тремя мегатенденциями электрониза-
ции и электрификации автомобилей и прояв-
ляется в виде все более совершенной помощи
водителю на пути следования, облегчения во-
ждения с переходом к автономному управ-
лению, а также увеличения связи как внутри
транспортного средства, так и с другими авто
и инфраструктурой.
Все это приводит к необходимости ор-
ганизовать обмен огромным количеством
данных между различными компонентами
не только внутри транспортного средства,
но и между автомобилем и инфраструк-
турой, и такой объем станет только увели-
чиваться. Сказанное накладывает новую
нагрузку на автомобильные сети, которые
традиционно были доменными сетями, таки-
ми как CAN, Flexray, LIN и MOST, выполняя
определенные задачи для различных типов
данных в зависимости от пропускной спо-
собности и требований к связи в реальном
времени.
Таким образом, в доменных архитектурах
все чаще применяется магистральный под-
ход реализации внутренней сети автомоби-
ля, в котором высокоскоростная магистраль
Ethernet на основе неэкранированной витой
пары UTP (Unshielded Twisted Pair) покрыва-
ет все основные сетевые требования.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
встраиваемые системы
81
INICnet™ Technology IP via Switched Ethernet
Обмен данными между потоками одного или разных процессов
** Индикатор на лобовом стекле
*** Информационно-развлекательная система
Рис. 2. Сосуществование INICnet-технологии с Ethernet
Все это имеет очевидное преимущество,
поскольку Ethernet является зрелой техноло-
гией, с которой комфортно работает боль-
шинство инженеров-разработчиков и ко-
торая доступна с недорогим физическим
(аппаратным) уровнем. Кроме того, исполь-
зование дешевого кабеля UTP сокращает за-
траты на разработку, риски проекта и вре-
мя выхода на рынок новых автомобилей.
Однако не вся информация, предназначен-
ная для обмена в транспортных сетях, изна-
чально доступна в виде пакетных данных.
Рассмотрим, например, аудиоданные
в информационно-развлекательной системе
или в акустическом приложении, таком как
системы активного шумоподавления ANC
(ANC — active noise cancellation) или системы
общения между пассажирами. Реализация
подобных приложений с сетью Ethernet
предполагает использование специальных
стандартов, например Audio Video Bridging
(AVB — семейство протоколов, разрабаты-
ваемых IEEE, тем же институтом, что стан-
дартизовал и сам Ethernet), которые удов-
летворяют всем требованиям аудиоприло-
жений — синхронизации, малой задержки
и высокой надежности. Однако они очень
сложны для реализации в программном обе-
спечении и нуждаются в высокой вычисли-
тельной мощности только для одного управ-
ления сетью. Стоимость создания сложного
программного стека на высокопроизводи-
тельном микроконтроллере убивает все пре-
имущества такого сетевого стандарта.
Как же избежать всего этого и развернуть
сетевой стандарт для аудио, акустики и раз-
влекательно-информационной передачи без
больших затрат на его внедрение?
Ответом на этот вопрос является техноло-
гия INICnet, которая станет открытым стан-
дартом ISO в 2021 году и будет поддерживать
высококачественные сервисные аудио- и ви-
деоканалы, полностью управляемые с помо-
щью микросхем INICnet или доступного про-
граммного обеспечения. Это большое преи-
мущество, поскольку инженерам не придется
тратить дополнительные усилия, проектируя
системы для обработки трафика, передавае-
мого на сеть. На физических уровнях техноло-
гия INICnet взаимодействует как с недорогим
UTP, так и с коаксиальным кабелем. Кстати,
особенно важно, что этот протокол полно-
стью совместим с Ethernet, поскольку каждый
узел имеет собственный МАС-адрес и поддер-
живает все связанные с Ethernet механизмы,
режимы адресации и размеры пакетов.
Технология INICnet доступна в двух раз-
личных классах скорости с высокой про-
пускной способностью более 95%: 50 или
150 Мбит/с. Оба варианта поддерживают
подключения в виде петли (кольцо) или
последовательности (цепочку). Скорость
в 50 Мбит/с доступна по кабелю UTP,
а 150 Мбит/с — по коаксиальному кабелю.
Эта технология предусматривает фан-
томное питание (одновременная передача
по одним проводам питания постоянного
тока и сигналов данных, технология, ана-
логичная РоЕ— питание через Ethernet)
и обеспечивает комплексную диагностику
без дополнительных кабелей для ее реали-
зации. На рис. 2 показан типичный пример
того, как технология INICnet и сеть Ethernet
могут сосуществовать как единое целое.
Преимущество этой сетевой архитектуры со-
стоит в том, что аудио- и видеоприложения
могут быть основаны на технологии INICnet,
поскольку она обрабатывает их в собствен-
ном формате, а значит, разработчики могут
сосредоточиться на своих приложениях,
не заботясь о сложных преобразованиях
данных или решении сетевых задач. Другое
преимущество состоит в том, что быстрое
обновление прошивки в каждом устрой-
стве INICnet также может происходить
и по беспроводной сети, поскольку техно-
логия INICnet поддерживает собственные
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
82 встраиваемые системы
Прикладной
уровень
Уровень
представления
Сеансовый
уровень
Транспортный
уровень
Сетевой
уровень
UNICENS
ARP
Канальный
уровень
INIC
Физический
слой (уровень)
50М UTP
150М oPHY/cPHY
Рис. 3. Технология INICnet в модели ISO/OSI
пакеты Ethernet и подключается к остальной
магистрали транспортного средства через
одно из его устройств, например через го-
ловное устройство (Head Unit). Кроме того,
здесь не нужно иметь приложение в виде
шлюза в головном устройстве, ведь каждое
отдельное устройство INICnet может быть
напрямую назначено со своим собственным
уникальным сетевым МАС-адресом.
Рассматриваемая модель ISO/OSI (модель
взаимодействия открытых систем — Open
System Interconnection, OSI) для Ethernet-
канала технологии INICnet охватывает толь-
ко первые два уровня модели, как видно
на рис. 3.
Следовательно, рассматриваемая мо-
дель может быть полностью абстрагирована
от верхних уровней ISO/OSI, а программное
обеспечение, написанное для других техно-
логий,— повторно использовано после об-
новления драйвера. В настоящее время суще-
ствуют драйверы для Linux и QNX, которые
применяются вместе с микросхемами INICnet
и позволяют полностью прозрачно интегри-
ровать канал Ethernet технологии INICnet
в уже существующую IP-систему, поэтому
инженерам-разработчикам уже не нужно за-
ботиться о базовой сетевой технологии.
Компания Microchip предлагает полный
набор продуктов, предназначенных для при-
ложений с малой задержкой, таких как систе-
ма активного шумоподавления (ANC), пред-
усматривающая подавление звука двигателя
и дорожного шума, или программа для звон-
ков по eCall (европейская система автомати-
ческого оповещения о дорожных происше-
ствиях на автотранспорте, является проектом
eSafety), как это показано на рис. 4. Каждая
микросхема INIC может быть настроена в ка-
честве главного (master) или подчиненного
(slave) устройства сети и автоматически из-
менять свой режим, если, скажем, после авто-
мобильной аварии сеть повреждена, а поль-
зователь автомобиля хочет сделать звонок
по системе eCall.
Аудио
Видео
Ethernet
Управление
SRI, l2C, l2S/TDM/PDM
l2C, i2s/tdm/pdm
USB2.0, Media-LB,
SPI, l2C, i2s/tdm/pdm
Микрофонный чип
INIC OS81216
Аудио-чип INIC
OS81212
Media-LB,
SPI, l2C, i2s/tdm/pdm
Аудио-чип INIC
OS81214
Системный чип I
NIC OS81210
64-контактный
QFN 9x9 мм
56-контактный
QFN 8x8 мм
48-контактный
QFN 7x7 мм
48-контактный
QFN 7x7 мм
Толовное устройство
*«Умная» антенна
*Т-Вох
*Усилитель
*Бустер
*Система помощи
водителю, управление
*Тонкий усилитель
*Бустер
*Система помощи
водителю, управление
'Микрофоны
Системы ANC,
RNC, MNC
Образцы: сентябрь 2018
Серийные поставки: июль 2019
Образцы: октябрь 2018
Серийные поставки: октябрь 2019
Образцы: октябрь 2018
Серийные поставки: октябрь 2019
Образцы: декабрь 2018
Серийные поставки: декабрь 2019
Рис. 4. Семейство микрочипов INICnet с масштабируемыми опциями интерфейса, ориентированными на конкретные приложения
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
встраиваемые системы
83
Управление сетевыми ресурсами и сетевая конфигурация техно-
логии INICnet могут выполняться с помощью унифицированного
централизованного сетевого стека UNICENS от компании Microchip.
Все другие функции управления системой, такие как управление
устройством, могут, например, поддерживаться доступными стека-
ми IP, в частности SOME/IP, или любыми другими методами удален-
ного вызова протокола дистанционного вызова процедур (Remote
Procedure Call, RPC).
Приложение с открытым исходным кодом UNICENS доступно
бесплатно и помогает пользователям настраивать всю сеть с од-
ного устройства. Таким образом, можно реализовать устройства,
которым не нужен микроконтроллер, например узлы микрофона.
В случае если в сети есть узлы, связанные только с трафиком
Ethernet, например интеллектуальная антенна, то подобные узлы
не должны содержать какое-либо сетевое программное обеспече-
ние, или, в лучшем случае, если сгенерированные данные являются
собственными данными Ethernet, можно спроектировать узел без
микроконтроллера.
Рынок понимает преимущества технологии INICnet, о чем свиде-
тельствуют первые реализации этой технологии в автомобильной
промышленности, начавшиеся в середине 2018-го, и планируемое их
внедрение в широкое производство в 2020 году. ОЕМ-изготовители
и операторы Tier-1 (провайдеры первого уровня) в разных реги-
онах мира также уже начали оценку технологии и работают вме-
сте с экспертами по микрочипам, чтобы создать еще одну исто-
рию успеха в автомобильной индустрии.
НОВОСТИ средства тестирования
BSDL-описания для микросхем
с поддержкой периферийного сканирования
от JTAG Technologies и ПКК «Миландр»
Компания «Миландр» первой на территории
России закупила уникальный программно-ап-
паратный комплекс BSDL Verifier производства
JTAG Technologies. Устройство является профес-
сиональным инструментом, позволяющим про-
верять BSDL-файлы на реальной микросхеме.
Причем обнаруживает оно не только синтаксиче-
ские и семантические ошибки, но и несоответствие
содержимого BSDL-файла самому кристаллу.
Все новые и разрабатываемые цифровые ми-
кросхемы ПКК «Миландр» поддерживают техно-
логию периферийного сканирования. Регистры
сканирования описываются в виде BSDL-файлов,
которые затем при тестировании собранных
плат автоматически обрабатываются тестовы-
ми системами JTAG. Использование устройства
BSDL Verifier позволит компании и ее клиентам
быть уверенными в точном соответствии JTAG-
инфраструктуры микросхем ее описанию.
ПКК «Миландр» использует периферийное ска-
нирование во всех сферах своей деятельности: те-
стирование микросборок, микросхем и собранных
печатных плат.
www.jtagtechnologies.ru
£xilinx □ DEVICES
Gy LEmn
£□ Mini-Circuits
freescale уиих1уи
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 Tenn well
- 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
Реклама
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
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
84
автоматизация
Новые сорта «малины»:
обзор последних разработок
компании Raspberry Pi Foundation
Ярослав ГОРДИЕНКО
(Ярослав ГОРД1СНКО)
info@evocom.ua
В статье представлен обзор обновленного ряда микрокомпьютеров,
компьютерных модулей и аксессуаров для них от компании Raspberry Pi
Foundation.
С развитием сферы «Интернета вещей»
возникла потребность в создании ми-
ниатюрных компьютеров, которые,
имея соизмеримые со среднестатистическим
смартфоном размеры, могли бы выполнять
работу стационарных машин и вместе с тем
обладать интерфейсами (PC, SPI, UART),
не встречающимися в обыденной жизни.
В общем, мини-ПК — это обычно одноплат-
ная система, содержащая процессор, видео-
ядро (или полноценную видеокарту), опе-
ративную память и все необходимые пери-
ферийные интерфейсы, такие как USB, DAC,
Ethernet, и другие (рис. 1).
Важно различать миниатюрные ПК, соз-
данные исключительно для сбережения ра-
бочего пространства и предоставляющие
возможности и мощность, отвечающие ста-
ционарным ПК, и микрокомпьютеры, пред-
назначенные для «Интернета вещей» (рис. 2)
и одновременно способные не только удов-
летворять бытовые потребности, но и вы-
полнять задачи, которые не под силу обыч-
ным ПК.
Представителями таких систем явля-
ются продукты от компании Raspberry Pi
Foundation, что с 2011 года разрабатыва-
ет и выпускает одноименные одноплатные
микрокомпьютеры (рис. 3). Название этих
устройств в переводе с английского означает
«малина». Они одними из первых заняли со-
ответствующую рыночную нишу и, благода-
Рис. 1. Внешний вид обычного миниатюрного ПК
ря своим схемотехническим и программным
решениям, занимают лидирующие позиции
в этой сфере (табл. 1).
По достаточно низкой цене пользователь
получает мощный микрокомпьютер — он
может не только решить задачи «Интернета
вещей», но и заменить стационарный ком-
пьютер в обычной работе: с офисным паке-
том, в интернет-серфинге, при просмотре
фильмов и т. и. Помимо микрокомпьютера,
доступна полноценная поддержка продук-
та, которая дает уверенность, что в будущем
у него не возникнет проблем с програм-
мным обеспечением. В нее входят операци-
онные системы (как специализированные,
так и для широкого спектра задач), специфи-
ческие приложения, постоянные обновления
драйверов и, что особенно интересно и важ-
но,— большое сообщество разработчиков,
использующих микрокомпьютеры Raspberry
и способных помочь.
Привлекательной платформу Raspberry Pi
делает то, что она с самого начала создавалась
для обучения, поэтому не возникнет про-
блем с воплощением своих идей. Наличие
полезной и необходимой литературы, при-
меров решения различных задач, пошаговых
инструкций, а также настройка платформы
и учебные курсы, подготовленные на осно-
Рис. 2. Сравнение нескольких одноплатных микрокомпьютеров
ве данной платформы, сделают знакомство
с Raspberry Pi очень простым.
Кстати, только для данных микрокомпью-
теров было создано несколько десятков опе-
рационных систем. Почти все они постро-
ены на ядре Linux и постоянно обновляют-
ся. Официальной операционной системой
является Raspbian, организованная на ARM
версии Debian 8 Jessie. Именно в ней сосре-
доточена максимальная функциональность:
много инструментов для программирова-
ния и разработки, офисный пакет, браузер,
простое окружение рабочего стола и многое
другое. Большая часть проектов, созданных
на любом микрокомпьютере Raspberry, дей-
ствует именно на этой ОС. Начинающего
пользователя, знакомого только с Windows,
на первых порах может отпугнуть новая опе-
рационная система, но все изменится после
нескольких часов работы с ней. Встроенный
магазин программ, привычный интерфейс,
очень напоминающий Windows, десктопные
Linux-дистрибутивы, множество инструкций
и видеоуроков, большое сообщество профес-
сионалов создали удобную операционную
систему для разработки «Интернета вещей».
Одновременно с Raspbian существует це-
лый ряд специализированных операцион-
ных систем, которые превращают данный
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
автоматизация
85
Таблица 1. Полная линейка микрокомпьютеров Raspberry Pi, существующих на данный момент
Модель Процессор Ядро Частота Количество ядер RAM Ethernet Wi-Fi, ВТ HDMI USB-порты, шт.
Raspberry Pi 3 Model В+ Broadcom BCM2837B0 ARM Cortex-A53 x64 1,4 ГГц 4 1 Гбайт Gigabit over USB2.0 802.11ас/ВТ 4.2 HDMI 4
Raspberry Pi 3 Model В Broadcom BCM2837 ARM Cortex-A53 x64 1,2 ГГц 4 1 Гбайт + 802.11п/ВТ 4.1 HDMI 4
Raspberry Pi 2 Model В v1.2 Broadcom BCM2837 ARM Cortex-A53 x64 900 МГц 4 1 Гбайт + — HDMI 4
Raspberry Pi 1 Model B+ Broadcom BCM2835 ARM1176JZ-F 700 МГц 1 512 Мбайт есть — HDMI 4
Raspberry Pi 3 Model A+ Broadcom BCM2837B0 ARM Cortex-A53 x64 1,4 ГГц 4 512 Мбайт — 802.11ас/ВТ 4.2 HDMI 1
Raspberry Pi 1 Model A+ Broadcom BCM2835 ARM1176JZ-F 700 Мгц 1 256 Мбайт — нет HDMI 1
Raspberry Pi Zero W Broadcom BCM2835 ARM1176JZ-F 1 ГГц 1 512 Мбайт — 802.11п/ВТ 4.0 mini HDMI 1
Raspberry Pi Zero Broadcom BCM2835 ARM1176JZ-F 1 ГГц 1 512 Мбайт — — mini HDMI 1
В Rev 2 (256 Мбайт)
0004
Компьютерный
модуль
В Rev 2.1 (Великобритания)
000е ।
0011
Red В+ (Китай)
0010
А+
0012
2В
а01041
Zero
900092
Рис. 3. Частичный модельный ряд микрокомпьютеров Raspberry
микрокомпьютер в готовое решение для
определенных задач. OSMC (Open Source
Media Center) сделает из Raspberry полно-
стью завершенный домашний медиа-
центр. Система RETROPIE — эмулятор,
запускающий на микрокомпьютере игры
с Amiga, Amstrad, Atari 2600, Commodore 64,
ZX Spectrum, Game Boy, PlayStation 1.
Дистрибутив OpenMediaVault позволит соз-
дать c Raspberry гибкий NAS-сервер, не усту-
пающий коммерческим вариантам. И таких
систем около 40. Следует отметить, что по-
добное многообразие вариантов существует
только для Raspberry.
Сегодня флагманом данного ряда микро-
компьютеров считается новый Raspberry Pi
Model 3 В+ (рис. 4), который, имея размеры,
аналогичные габаритам своих предшествен-
ников, получил много дополнительных воз-
можностей. Среди них — новый процессор,
имеющий высшую тактовую частоту, двой-
ной модуль Wi-Fi и BLE от компании Cypress,
теперь размещенный под алюминиевым
экраном с логотипом, изображающим ма-
лину, и обновленный скоростной Ethernet-
интерфейс.
Следует отметить, что форм-фактор и раз-
меры микрокомпьютеров в этой линейке
остаются неизменными. Более того, кон-
куренты Raspberry Pi Foundation создают
свои решения с аналогичными размерами
и формой, ведь в своей сфере Raspberry Pi
является одним из эталонов. А значит, если
у пользователя имеется предыдущая модель,
новых аксессуаров приобретать не нужно.
К тому же множество производителей, вы-
пускающих большое количество микроком-
пьютеров с одинаковым форм-фактором
и аксессуаров к ним, лишь улучшают каче-
ство и ценовую политику.
Микрокомпьютеры Raspberry стали на-
столько популярными, что их копирование
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
автоматизация
Рис. 4. Новый флагман компании — Raspberry PI 3 В+
Рис. 7. Первый компьютерный модуль, созданный для решения промышленных задач
Рис. 5. Raspberry PI 3 А+
Рис. 6. Raspberry Pi Zero W
не ограничивается размерами и формой.
Функциональные особенности интерфейса
GPIO данного ряда микрокомпьютеров мож-
но наблюдать почти у всех конкурентов. Это
следствие популярности Raspberry, для кото-
рого создано достаточно много плат расши-
рения, но о них мы поговорим чуть позже.
Следующая новинка — Raspberry Pi 3
Model А+ (рис. 5). В модели удачно соче-
таются размер, возможности и мощность.
Урезанный функционал — а именно от-
сутствие Ethernet (конечно, технология РоЕ,
предусмотренная в модели Raspberry PI 3 В+,
тоже отсутствует), сокращение объема опе-
ративной памяти и наличие лишь одного
USB-разъема — снизил цену и сделал востре-
бованный микрокомпьютер еще более до-
ступным. Надо отметить, что в предыдущей
модели форм-фактора А+ не было ни одного
встроенного сетевого модуля. На этот раз ин-
женеры учли пожелания сообщества разра-
ботчиков и добавили Wi-Fi.
Последней из новинок от данной компа-
нии стала миниатюрная плата Raspberry Pi
Zero W (рис. 6). Именно она служит про-
должением идеи компании Raspberry Pi
Foundation о «компьютере за пять долла-
ров», воплощенной в прежней модели. Это
бюджетное решение, позволяющее реали-
зовать проекты максимально эффективно.
Единственное отличие от предыдущего ми-
крокомпьютера Raspberry Pi Zero — присут-
ствие встроенных Wi-Fi и Bluetooth.
Одноплатные микрокомпьютеры опти-
мальны для обучения, прототипирования
и создания домашних проектов. Но они не мо-
гут стать решением для промышленной элек-
троники, поскольку создавались совсем для
другой цели. Поэтому в 2014 году Raspberry
Pi Foundation выпустила первый компьютер-
ный модуль в форм-факторе DDR2 SODIMM
(рис. 7), что выглядит как обычная планка
оперативной памяти в ноутбуке.
Толчком к созданию данного модуля ста-
ла разработка более сложных и функцио-
нальных систем, чем те, которыми оснащен
Raspberry Pi. Но в то же время это дает воз-
можность разработчику упростить проект,
уже построенный на одном из микроком-
пьютеров, выбросив из него все лишнее и за-
действовав только нужные аппаратные части.
Модуль сразу обрел большую популярность,
и его начали применять в «Интернете вещей»
и промышленности. Его даже отправили
в космос в составе миниатюрных спутников
CubeSat (рис. 8), где он показал, что может от-
лично функционировать в условиях космиче-
ской радиации. А компания NEC, например,
использует данные модули в качестве «мозга»
Рис. 8. Спутник CubeSat
Рис. 9. Интеграция Compute Module в дисплей
для 96-дюймовых дисплеев (рис. 9), устанав-
ливаемых в публичных местах.
Для разработки похожих решений
Raspberry Pi Foundation предлагает плату
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
автоматизация
87
Рис. 10. Compute Module IO Board V3
Compute Module IO Board V3 (рис. 10), что
позволяет в полной мере применить функ-
ционал этого ряда модулей. Плата полно-
стью совместима как с компьютерным мо-
дулем первого поколения, так и с новыми
модулями СМ3 и CM3L (табл. 2).
Одновременно с разработкой микроком-
пьютеров компания Raspberry Pi Foundation
создает для них и аксессуары. Безусловно,
только инженеры, которые спроектировали
определенную систему, могут сделать каче-
ственную периферию и аксессуары, раскры-
вающие все возможности и потенциал ос-
новной продукции.
Первое, что следует приобрести для микро-
компьютера,— корпус (рис. 11). Достаточно
долго Raspberry Pi Foundation занималась его
созданием для одноплатных Raspberry PI,
но после неутешительного результата руковод-
Таблица 2. Полная линейка компьютерных модулей Raspberry Pi, существующих на данный момент
Название Форм-фактор Процессор Ядро Память RAM еММС
Compute Module 1 DDR2 SODIMM BCM2835 ARM 11 ARM1176JZF-S Core 512 Мбайт 4 Гбайт
Compute Module 3 DDR2 SODIMM BCM2837 ARM Cortex-A53 (ARMv8) 1 Гбайт 4 Гбайт
Compute Module 3+/8 Гбайт DDR2 SODIMM BCM2837B0 ARM Cortex-A53 (ARMv8) 1 Гбайт 8 Гбайт
Compute Module 3+/16 Гбайт DDR2 SODIMM BCM2837B0 ARM Cortex-A53 (ARMv8) 1 Гбайт 16 Гбайт
Compute Module 3+/32 Гбайт DDR2 SODIMM BCM2837B0 ARM Cortex-A53 (ARMv8) 1 Гбайт 32 Гбайт
Compute Module 3+/Lite DDR2 SODIMM BCM2837B0 ARM Cortex-A53 (ARMv8) 1 Гбайт —
Compute Module 3 Lite DDR2 SODIMM BCM2837 ARM Cortex-A53 (ARMv8) 1 Гбайт —
ство решило подключить к этому проекту ком-
панию T-Zero, специализирующуюся имен-
но на таких задачах. Через несколько месяцев
совместной работы инженеров мир увидели
корпуса для каждой из моделей микрокомпью-
теров. Помните заверения, что форм-фактор
остался неизменным? Это означает, что один
корпус обеспечивает полную совместимость
с такими микрокомпьютерами, как Raspberry
PI 3 В, Raspberry PI 3 В+, Raspberry PI 2 В,
Raspberry PI 2 B+ (рис. 12), и даже Raspberry
PI A+ и Raspberry PI 3 A+, но в данном случае
единственный USB-порт останется в середине
корпуса, и доступ к нему будет заблокирован.
Корпус состоит из пяти фрагментов
(рис. 13), частично выполненных по техно-
логии литья из высококачественного ABS-
пластика,— основного каркаса, состоящего
из двух элементов красного цвета, и трех мо-
дулей-задвижек из белого пластика. Все интер-
фейсы имеют свои технологические отверстия,
через которые предусмотрен удобный доступ
к ним. Стильный корпус не только создает
впечатление завершенности и целостности
устройства, но и защищает плату от случайных
Подобное решение было использовано
и для корпуса Raspberry PI 3 А+ и Raspberry
PI А+, но с некоторыми нюансами (рис. 14).
Он состоит из двух частей: нижней основы
(рис. 15) и верхней крышки, которую легко
снять для доступа к пинам GPIO, интерфейсу
камеры и DSI. Цвета остались неизменными:
красный и белый.
Не забыли в компании и о самой молодой
линейке микрокомпьютеров Raspberry PI
Zero и Zero W (рис. 16).
Рис. 14. Внешний вид корпуса для линейки
микрокомпьютеров Raspberry PI А+
Рис. 11. Внешний вид основного ряда
микрокомпьютеров Raspberry Pi в корпусе
повреждений и ударов статичной энергии.
Рис. 12. Расположение микрокомпьютера в корпусе
Рис. 15. Расположение микрокомпьютера
Raspberry PI 3 А+ в корпусе
Рис. 16. Внешний вид корпуса для линейки
микрокомпьютеров Raspberry PI Zero
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
автоматизация
Рис. 17. Комплектация корпуса для основной линейки микрокомпьютеров Raspberry Pi
Рис. 18. Внешний вид и комплектация блока питания микрокомпьютеров Raspberry Pi
Проблему создания в корпусе окон для боковых сторон, как в слу-
чае с Raspberry PI 3, инженеры решили довольно интересной ком-
плектацией (рис. 17). В нее вошли три верхние крышки с отверстия-
ми для разных интерфейсов, основой и шлейфом камеры.
Обязательным условием правильной и долговременной работы
любой электроники является качественное питание. Raspberry Pi
Foundation предлагает блок питания собственного производства с от-
личными характеристиками и комплектацией, совместимой со всеми
микрокомпьютерами данной компании (рис. 18).
Сфера «Интернета вещей» тесно связана со съемкой, обработ-
кой и передачей изображения и видео. Поэтому микрокомпьюте-
ры Raspberry получили специальную аппаратную систему обра-
ботки изображения, для которой инженеры компании Raspberry Pi
Foundation предлагают собственные модули камеры (рис. 19). В ас-
сортименте предусмотрено всего две модели, разница между кото-
рыми состоит лишь в наличии инфракрасного фильтра. Камеры по-
Рис. 19. Модули камеры: а) обычная; б) без инфракрасного фильтра
Рис. 20. Внешний вид и комплектация официального дисплея для Raspberry Pi
строены на 8-мегапиксельных матрицах от компании Sony и имеют
разрешение 3280x2464 пикселей. ПК-фильтр нужен для правильной
работы с инфракрасным излучением, что необходимо для построе-
ния систем ночного наблюдения.
В проектах, требующих визуализации показателей или просто
достаточно сложного управления с требованиями к компактности,
пригодится официальный сенсорный дисплей (рис. 20). Его диа-
гональ составляет 7 дюймов и имеет разрешение 800x480 пикселей.
Сенсор поддерживает до 10 одновременных касаний. В комплекте
дисплея есть плата-адаптер, необходимая для питания и передачи
сигнала. Для начала работы на плату нужно подать питание от GPIO
и подключить к DSI-интерфейсу микрокомпьютера гибким шлей-
фом (также поставляется в комплекте). Следует отметить, что дан-
ный интерфейс отсутствует на платах Raspberry PI Zero и Zero W.
Этот дисплей — оптимальное решение для построения миниа-
тюрных систем, ведь при его использовании отпадает потребность
в клавиатуре и мыши.
Для обучения и разработки инженеры предлагают несколько мо-
дулей HAT (Hardware Attached on Top). Их особенность заключается
в том, что при подключении такого модуля к микрокомпьютеру акти-
вируется система, которая автоматически настраивает GPIO-интерфейс
и драйверы. Это очень упрощает разработку готовых решений.
Рис. 21. Модуль Sense HAT на микрокомпьютере
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
автоматизация
89
Рис. 22. Модуль Raspberry Pi TV HAT
Рис. 23. Модуль Raspberry Pi PoE HAT
В первую очередь рассмотрим НАТ-модуль Sense HAT (рис. 21),
созданный для проекта European Astro Pi Challenge. Он имеет све-
тодиодную 8x8 RGB-матрицу, джойстик на пять позиций, датчик
температуры, влажности и давления, магнитометр, акселеро-
метр и гироскоп. На официальном сайте уже готова библиотека
на языке Python, позволяющая быстро начать работу с данным
модулем.
Модуль Raspberry Pi TV HAT (рис. 22) создан для работы с по-
токами цифрового телевидения и позволит создать собственный
TV-ресивер. На плате установлен тюнер от компании Sony, поддер-
живающий телевизионные стандарты DVB-T2 и DVB-Т. Инструкция
и программное обеспечение, конечно, помогут работать со стандарт-
ным проигрывателем OMXplayer и системой Kodi.
Последний модуль, предлагаемый компанией,— Raspberry Pi
PoE HAT, который позволит запитать микрокомпьютер через сеть
Ethernet (рис. 23). На плате размещены полностью изолированный
импульсный источник питания и кулер с контроллером для охлажде-
ния процессора микрокомпьютера.
www.jtagtechnologies.ru
JTAG ProVision - самая совершенная программа
для периферийного сканирования на сегодняшний день
Реклама
Представительство JTAG Technologies в России
Телефон: [312| £02-0915
E-mail russiaBjtag.com
Эксклюзивный дистрибьютор: ООО «Остек-Электро»
Телефон: (4951 788-4444
E-mail: mfoftkistec-cjгo-up.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
90
проектирование схемотехника
Универсальный
связной контроллер
на базе ESP32-PICO-D4. Часть 1
Дмитрий ДОБРОХОТОВ
support@nostris.com.ua
Данной статьей мы начинаем цикл материалов по конструированию уни-
версального связного контроллера на SIP-модуле ESP32-PICO-D4.
Сегодня перед разработчиками
устройств, использующих различные
виды связи, стоит задача подобрать
современные компоненты для обеспечения
надежных каналов связи, в том числе и их
дублирования. Стремительное развитие
средств связи позволяет успешно решать по-
добные задачи и иметь при этом независи-
мые и надежные каналы связи.
Устройства «умного» дома, охранно-по-
жарная сигнализация, маршрутизатор для
сбора, получения и обработки данных с бес-
проводных датчиков и последующей их
передачи на удаленные серверы, удаленное
управление освещением и различными ис-
полнительными механизмами, кассовые
аппараты, POS-терминалы — вот далеко
не полный перечень устройств, которые ис-
пользуют каналы связи для приема и пере-
дачи информации и удаленного управления.
Рис. 1. Пример использования универсального связного контроллера в охранно-пожарной сигнализации
и управляющем устройстве многоквартирного дома
Предлагаемый нами универсальный
связной контроллер позволит объединить
в одном устройстве возможность проводно-
го и беспроводного подключения к сетям
Ethernet, подключение к сети мобильного
оператора, получение и передачу данных
от устройств и управление механизмами
с использованием Wi-Fi, Bluetooth, LoRa и RF
в диапазоне 868 МГц.
Пример применения такого контроллера
представлен на рис. 1.
Сердцем нашего устройства будет SIP-
модуль ESP32-PICO-D4 (рис. 2) от компа-
нии Espressif, который отличается от модуля
ESP32-WROOM32 только сверхкомпактным
размером 7x7 мм. Это позволяет пере-
водить устройства, уже разработанные
на ESP32-WROOM32, на новый модуль
ESP32-PICO-D4 без изменения программной
части.
Внутри модуля ESP32-PICO-D4 имеются:
• CPU — Xtensa 32-bit LX6 Dual Core MCU
600 MIPS (240 МГц);
• память 448 кбит ROM, 520 кбит SRAM;
• встроенная SPI Flash 4 Мбайт;
• кварцевый резонатор 40 МГц;
• 802.11 b/g/n;
• Bluetooth v4.2 BR/EDR + BLE;
• 34 программируемых порта ввода/вывода
GPIO;
• 18x 12-бит АЦП;
• 2x8-бит ЦАП;
• 10xtouch sensors;
• 4xSPI;
• 2xI2S;
• 2xI2C;
• 3xUART;
• 1 host (SD/eMMC/SDIO);
• 1 slave (SDIO/SPI);
• Ethernet;
• CAN 2.0;
• IR (TX/RX);
• Motor PWM;
• 16 x LED PWM;
• встроенный датчик Холла.
Из внешних компонентов необходимо
подключить только антенну (рис. 3). Это мо-
жет быть:
• штыревая антенна с шарниром на разъ-
еме SMA male АР2400/109 + кабель SMA
F-11.5/RF1.13;
• пружинная антенна для пайки на печатную
плату SPRING-2400;
• керамическая чип-антенна АА029.
Рис. 2. SIP-модуль ESP32-PICO-D4
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
схемотехника проектирование
91
Отдельно хочется отметить наличие
lOxtouch sensors. Это встроенная возмож-
ность реализации 10-канальной сенсорной
клавиатуры без использования внешних
компонентов. Подключить сенсоры можно
к GPIOO, GPIO2, GPIO4, GPIO12, GPIO13,
GPIO14, GPIO15, GPIO27, GPIO32, GPIO33.
Благодаря применению передовых техно-
логий управления питанием чип ESP32 мо-
жет переключаться между пятью различны-
ми режимами питания:
• активный режим (Active mode) — про-
цессор и все модули активны, по Wi-Fi
и Bluetooth могут приниматься или пере-
даваться данные;
• спящий режим модемов (Modem-sleep
mode) — Wi-Fi и Bluetooth отключены,
процессор и все модули активны;
• легкий спящий режим (Light-sleep
mode) — процессор остановлен, Wi-Fi
и Bluetooth отключены, ULP-сопроцессор
работает. Пробуждение по таймеру RTC
или внешним прерываниям:
• режим глубокого сна (Deep-sleep mode) —
включены только память RTC и перифе-
рийные устройства RTC, ULP-сопроцессор
работает. Учетные данные соединений Wi-
Fi и Bluetooth хранятся в памяти RTC;
• режим гибернации (Hibernation mode) —
активны только таймер RTC и некоторые
GPIO, связанные с RTC. Пробуждение
по таймеру RTC или RTC GPIO.
Достоинствами выбранного модуля
ESP32-PICO-D4 являются невысокая цена,
доступность отладочных средств, возмож-
ность написания программ на нескольких
языках программирования, таких как Си,
C++, Python, JavaScript.
Примерная блок-схема нашего связного
контроллера представлена на рис. 4.
ESP32 уже имеет встроенный Wi-Fi
802.11 b/g/n и встроенный Bluetooth v4.2
BR/EDR + BLE. Встроенная поддержка интер-
фейса RMII позволяет через микросхему фи-
зического уровня (PHYs) LAN8720 создавать
высокоскоростное соединение (до 100 Мбит)
с сетью Ethernet. Использование микро-
схемы LAN8720 обусловлено ее доступно-
стью, невысокой ценой, а также поддержкой
в фирменном SDK компании Espressif.
Для связи с мобильной сетью предус-
мотрен GSM-модуль SIM800C или LPWA-
модуль SIM7020. Оба имеют одинаковый
корпус и расположение выводов, что позво-
ляет ставить их на одно и то же посадочное
место без переделки печатной платы в зави-
симости от решаемой задачи. Модули выпу-
скает компания SIMCom, которая зарекомен-
довала себя как производитель высококаче-
ственных и недорогих 2g/3g/4g-Mo;iyjic+i.
Для получения и передачи данных на бес-
проводные устройства будем использовать
RF-модуль RFM300-868, для связи в сети LoRa-
устройств — модуль RFM95. Применение
модулей RFM300 и RFM95 производства
компании Hoperf позволяет конструировать
/ ESP32-PICO-D4
. +L . з LNAJN у
_[с1 _[с2 /
—— ——
Рис. 3. Схема подключения внешней антенны
Рис. 4. Блок-схема универсального связного контроллера
и создавать сети из беспроводных устройств
с низким энергопотреблением.
К свободным портам ввода/вывода можно
подключить емкостную клавиатуру, а также
различные исполнительные устройства.
В результате мы получим мощный кон-
троллер, предназначенный для широкого
круга применений в различных отраслях.
Перед разработчиками стоит задача бы-
строго написания програм-много кода и его
отладки. Для этого компания Espressif пре-
доставляет свою SDK для написания про-
грамм — Espressif IoT Development Framework
(сокращенно ESP-IDF). В разделе API
Реклама
Reference документации (https://docs.espressif.
com/pro jects/esp-idf/en/stable/api-reference/
index.html) описаны API-функции для запу-
ска и работы со встроенной периферией чипа
ESP32. В комплекте с ESP-IDF предоставляют-
ся рабочие примеры подключения и запуска
данных модулей. Таким образом, нет необхо-
димости тратить время на написание библи-
отек для работы со встроенной периферией.
Отладку написанного программного кода
можно выполнять через интерфейс JTAG.
В следующей статье речь пой-
дет о подключении к ESP32-PICO-D4
микросхемы LAN8720.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
92
проектирование схемотехника
Применение интегральных
п реобразован и й
в цифровой обработке сигналов
в проектах на базе ПЛИС
Илья ТАРАСОВ,
д. т. н.
ilya_e_tarasov@mail.ru
Дмитрий ПОТЕХИН,
д. т. н.
Сергей ПОТЕХИН
Уже долгое время цифровая обработка сигналов является одним из пер-
спективных направлений для использования современной микроэлектро-
ники. Постоянное расширение сфер применения цифровой обработки
сигналов, развитие таких направлений, как программно-зависимое радио,
радиолокация, обработка изображений, нейросети, и других обуслов-
ливает интерес не только к методам математического анализа сигналов,
но и к методике применения современной высокопроизводительной эле-
ментной базы. Микросхемы с архитектурой FPGA довольно давно воспри-
нимаются как высокопроизводительная аппаратная платформа для циф-
ровой обработки сигналов. В статье рассматриваются некоторые аспекты
применения распространенных методов обработки сигналов и новые воз-
можности, которые открывает элементная база современных ПЛИС.
Введение
В основе многих алгоритмов цифровой
обработки сигналов лежит операция «умно-
жение с накоплением» (Multiply and Accumu-
late, МАС), которая часто служит своеобраз-
ной визитной карточкой цифровой об-
работки сигналов как таковой. Подкласс
сигнальных процессоров нередко иденти-
фицируется именно по наличию аппаратной
поддержки такой операции, и ей же измеря-
ют производительность систем ЦОС.
Умножение с накоплением можно предста-
вить в интегральном виде:
y = ]af{i)g(t)dt, (1)
где /(t), g(t) — анализируемая функция
и функция, используемая для анализа («ана-
лизирующая функция»).
Для цифровой электроники естественно
принять величину шага по времени достаточ-
но малой, но конечной, и заменить интегри-
рование на вычисление суммы произведений:
(2)
i—1
После такой замены множество интеграль-
ных преобразований превращаются в на-
бор операций «умножение с накоплением».
Следует учитывать, что замена бесконечно ма-
лого интервала времени dtiva малый, но все же
конечный Доделает результаты отличающими-
ся от интеграла, взятого в аналитическом виде.
Поэтому прямой перенос алгоритмов циф-
ровой обработки сигналов, разработанных
с учетом непрерывного представления ис-
следуемых функций, должен производиться
с осторожностью, а возникающие из-за дис-
кретного представления сигналов эффекты —
предварительно промоделированы.
Наиболее известными интегральными
преобразованиями считаются фильтры с ко-
нечной и бесконечной импульсными харак-
теристиками (КИХ- и БИХ-фильтры). Для
таких фильтров отсчеты функции g(t) ге-
нерируются заранее и представляют собой
коэффициенты фильтра, а выражение для
фильтра обычно записывают в виде:
у = (3)
i—1
или для БИХ-фильтра:
У = (4)
z=l z=2
Отличием БИХ-фильтра, как можно ви-
деть, является использование не только вход-
ных отсчетов, но и предыдущих значений
выхода фильтра.
Техническая литература, посвященная син-
тезу коэффициентов фильтров, весьма об-
ширна. Видимо, не имеет смысла описывать
основные подходы к синтезу фильтров в фор-
мате журнальной статьи, поскольку даже от-
дельные аспекты этого процесса являются
предметами для обширных исследований.
Кроме цифровых фильтров, можно ука-
зать и другие полезные применения ком-
понентов для цифровой обработки сигна-
лов, размещаемых в современных ПЛИС.
Например, на рис. 1 показана схема цифро-
вого гетеродина, состоящая из одного блока
умножения и таблицы, содержащей один пе-
риод гармонического сигнала.
Принцип работы цифрового гетеродина
основан на формуле произведения синусов:
sinasinp = l/2(cos(oc-p)-cos(a+P)). (5)
В полученном выражении присутствует
как разность аргументов, так и сумма. Если
аргументы представить как со^и co2t, то ока-
зывается, что на выходе умножителя будет
сигнал, в котором присутствует как сумма
частот CDj и со2, так и их разность. Сумма ча-
стот может быть отфильтрована, а разность
полезна в целях выделения информацион-
Рис. 1. Цифровой гетеродин
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
схемотехника проектирование
93
Рис. 2. Моделирование работы цифрового гетеродина
ной составляющей высокочастотного сигнала. На рис. 2 представлен
результат моделирования цифрового гетеродина. При частоте вход-
ных отсчетов 250 МГц в сигнале присутствует информационная со-
ставляющая с несущей частотой 66 МГц. Установив частоту гетероди-
на 64 МГц, на выходе можно получить сумму сигналов 130 и 2 МГц.
Отфильтровав высокочастотную составляющую, можно в дальней-
шем выделять параметры сигнала на частоте 2 МГц.
Пример с цифровым гетеродином приведен для демонстрации
получаемого с его помощью эффекта. Вместо работы с исходным
сигналом, несущая частота которого равна 66 МГц, гетеродин позво-
ляет с небольшими аппаратными затратами существенно уменьшить
частоту сигнала, передаваемого для дальнейшей обработки. Одной
из распространенных архитектурных ошибок становится исполь-
зование высокопроизводительных ПЛИС только как устройств для
подключения внешних источников сигналов — датчиков, АЦП, сете-
вых устройств. При этом, традиционно воспринимая управляющий
компьютер как наиболее производительный элемент системы обра-
ботки, разработчики могут сосредоточить усилия на передаче данных
в него с помощью ПЛИС. Однако уже 16-разрядный АЦП с частотой
отсчетов 250 МГц дает поток данных 4 Гбит/с, который не так про-
сто ввести в ПК для анализа. Кроме того, что эта производитель-
ность соответствует уже интерфейсу PCI Express, не вполне понятно,
что делать центральному процессору с подобным объемом данных.
Вместе с тем переход от 64 к 2 МГц позволит почти пропорционально
сократить частоту отсчетов, с которой будет передаваться результат
преобразования в компьютер.
В итоге на архитектурном уровне проектирования следует прежде
всего рассматривать варианты, при которых уже в ПЛИС есть воз-
можность существенно снизить поток данных за счет аппаратно ре-
ализованной предварительной обработки, значительно снижающей
поток данных, для которого все еще требуется постобработка на базе
управляющего компьютера. Возможность наблюдения за исходным
сигналом все еще может быть оставлена, но в первую очередь в от-
ладочных целях, и встречающееся желание разработчиков «получить
сигнал в памяти компьютера, чтобы потом решить, как его обрабо-
тать» на практике может резко ограничить возможности системы.
Реальные сигналы и современные проблемы
цифровой обработки сигналов
При исследовании проектируемой системы и составлении мате-
матических моделей сигналов может оказаться, что чрезмерно упро-
щенные и благоприятные предположения о характеристиках обра-
батываемого сигнала дают возможность использовать простые для
реализации схемы для их обработки. Часто сам термин «фильтр»
наводит на мысль, что помехи во входном сигнале будут устранены,
а качество фильтрации является легко регулируемым параметром,
решаемым подбором характеристик фильтра.
Можно привести разновидности нереалистичных представлений
о входных сигналах.
1. Сигнал является чисто гармоническим.
Такой сигнал, изображенный в идеальном виде, имеет на каждом
периоде единственные максимум и минимум, а также две точки,
в которых график пересекает ось X. Эти особенности идеального
гармонического сигнала позволяют применять методы обработки,
корректные с точки зрения теоретической математики, но не дей-
ствующие для реальных сигналов, в которых из-за шумов будет
наблюдаться множественное пересечение оси X, множество локаль-
ных максимумов и минимумов, причем полагаться на какие-то
определенные характеристики помех невозможно.
2. Сигнал имеет помеху в виде белого шума.
Добавление к сигналу смоделированного шума, на первый взгляд,
делает исследование более корректным. Однако зачастую такое
зашумление устраняется достаточно простыми методами, такими
как ФНЧ.
На практике может оказаться, что кроме белого шума в сигнале
присутствуют выбросы и другие виды нерегулярных помех. В сигна-
ле могут также присутствовать долговременные тренды, в частности
смещение постоянной составляющей, изменение дисперсии шума,
его частотной зависимости и т. д. Можно обратить внимание, что
теория линейных систем, на которой в основном базируются матема-
тические методы расчета фильтров, подразумевает стационарность
сигнала, то есть для практического приложения это означает, что
характеристики частотных составляющих, помех, шумов и т. и. будут
одинаковыми для любого момента времени. Современные сложные
системы ставят это под большое сомнение. Помехи от источников
питания (особенно импульсных), ШИМ-регулирование силовых ис-
полнительных устройств, работа радиостанций и других источников
помех — таков далеко не полный перечень факторов, способных
нарушить стационарность сигнала и заметно ухудшить показатели
качества системы.
На рис. 3 показан пример сигнала, снятого с высоковольтного кон-
денсатора в системе измерителя тангенса угла диэлектрических по-
терь. Конденсатор, находящийся при испытаниях под напряжением
2000 В, демонстрирует основные виды помех, которые могут возни-
кать в подобных системах,— смещение постоянной составляющей,
наличие гармонических искажений, многочисленные импульсные
помехи. Следует подчеркнуть, что показанный сигнал представля-
ет собой отсчеты, снимаемые с АЦП, причем методы подавления
и экранирования помех в аналоговых цепях уже были применены
и внесли свой вклад. Однако сделать сигнал близким к синусоидаль-
ному это не помогло.
Подобные проблемы в настоящее время могут возникать в самых
разных областях, где применяется цифровая обработка сигналов.
Помеховая обстановка в эфире становится сложнее, промышленные
системы подвергаются воздействию комплексных помех, генерируе-
Рис. 3. Пример сигнала, снятого с высоковольтного конденсатора
в системе измерителя тангенса угла диэлектрических потерь
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
94
проектирование схемотехника
мых мощным электрическим оборудованием,
компьютерные блоки питания используют
высокочастотные ШИМ-преобразователи.
В итоге специалисты, сталкивающиеся с необ-
ходимостью проектирования систем цифро-
вой обработки сигналов, уже не могут про-
сто переносить известные из теории линей-
ных систем методы обработки, рассчитывая
при этом на последовательное улучшение
эксплуатационных характеристик системы.
Довольно часто возникает ситуация, когда
разработчики, выполняя первые испытания
проектируемой системы в реальных условиях
эксплуатации, обнаруживают, что характери-
стики входного сигнала существенно отли-
чаются от тех, что использовались в моделях
и лабораторных испытаниях.
С учетом появления высокопроизводи-
тельной аппаратной платформы, такой как
ПЛИС, возникает закономерный вопрос:
может ли увеличение производительности,
измеренное в единицах «умножение с нако-
плением в секунду», привести к ощутимому
улучшению потребительских показателей
продукта? Для этого необходимо рассмо-
треть те возможности, которые открывает
высокопроизводительная аппаратная плат-
форма в части реализации перспективных
алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Преобразование Фурье
Одним из самых известных видов анали-
за сигналов является преобразование Фурье.
Оно заключается в вычислении интегрально-
го преобразования для исследуемого сигнала
и гармонического ряда. С учетом того, что
гармонические функции sin и cos сдвинуты
друг относительно друга на 90°, они ортого-
нальны (то есть интеграл от их произведения
равен 0), поэтому любую функцию можно
разложить в ряд, состоящий из суммы сину-
сов и косинусов:
N
z=l
Компоненты Re и Im представляют со-
бой вещественную и мнимую составляющие
результата преобразования. Имея эти ком-
поненты комплексного числа, легко восста-
новить амплитуду и фазу результата. Также
в (6) используется параметр о, представляю-
щий собой круговую частоту. Изменяя этот
параметр, можно получать величины ампли-
туды и фазы в зависимости от частоты.
Показанная формула, использующая сум-
му произведений, реализует дискретное пре-
образование Фурье (ДПФ). Работы Фурье,
посвященные разложению функций в гармо-
нические ряды, относятся еще к первой по-
ловине XIX века, и за время существования
данного математического аппарата был обна-
ружен ряд его особенностей. Например, до-
вольно быстро было указано, что в принци-
пе ряд Фурье описывает не существующий
в реальности вечный двигатель — синус-ко-
синусный ряд имеет бесконечную область
определения, а потому исследуемый сигнал
также должен быть бесконечным. На практи-
ке это заменяется «достаточно длительным»
сигналом, однако в технике известно, что от-
клонения реальных систем от таких идеали-
зированных моделей, как материальная точка,
абсолютно твердое тело, машина Карно или,
как рассматривается здесь, ряд Фурье, и пред-
ставляют практический интерес, поскольку
являются источником отклонений и ошибок.
На рис. 4 показан результат применения
дискретного преобразования Фурье к сигна-
лу с частотой 50 Гц. На графике в районе этой
частоты виден эффект Гиббса — явление ко-
лебаний амплитудной характеристики из-за
наличия разрывов анализируемого сигнала.
Эффект Гиббса можно объяснить простыми
словами: если сигнал частотой 50 Гц суще-
ствует только на ограниченном интервале
времени (а за пределами этого интервала
анализ просто не производится), то для того,
чтобы обеспечить подавление этой частоты
за пределами интервала, придется добавлять
составляющие, близкие по частоте, но нахо-
дящиеся в противофазе. С математической
точки зрения можно указать на соотношение
неопределенности:
AcoAt> const, (7)
где Дсо — ширина спектра сигнала; At— дли-
тельность сигнала во времени.
Оба параметра могут определяться различ-
ными способами, поэтому и величина кон-
станты зависит от способа оценки ширины
спектра. В целом из соотношения неопреде-
ленности можно сделать два простых вывода:
1. Бесконечно узкий спектр достигается для
функции, анализируемой на бесконечном
временном интервале.
2. Бесконечно малый временной интервал
дает бесконечно широкий спектр.
Может возникнуть вопрос: насколько ак-
туально понятие «разрыв» для практических
случаев? Однако в цифровых системах следу-
ет указать два важных фактора: во-первых,
это сам факт конечности интервала времени,
на котором происходит анализ. Во-вторых,
само представление аналоговых сигналов
в цифровом виде предусматривает наличие
«ступенек», обусловленных наличием дис-
кретности по времени и по уровню. Конечно,
высокоскоростные АЦП с большим разре-
шением в определенной степени сглажива-
ют такой эффект, однако в данном случае
речь как раз и идет о том, чем ограничива-
ется на практике точность анализа сигналов
и можно ли бесконечно ее улучшать.
Итак, на рис. 4 можно видеть, что увеличе-
ние разрешающей способности ДПФ путем
добавления новых частот для анализа име-
ет свой предел. Для того чтобы устранить
осцилляции вблизи интересующей нас ча-
стоты 50 Гц, необходимо увеличивать время
анализа, чтобы уменьшить ширину спектра.
График был целенаправленно построен с ша-
гом в 1 Гц для детальной демонстрации ос-
цилляции спектра.
Часто упоминаемой разновидностью пре-
образования Фурье является быстрое преоб-
разование Фурье (БПФ). Следует отметить,
что разница с ДПФ заключается прежде всего
в алгоритме выбора частот для анализа, кото-
рый позволяет существенно снизить затраты
производительности на реализацию анализа.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
схемотехника проектирование
95
Рис. 5. Вейвлет-функция Морле
Рис. 6. Результаты вейвлет-преобразования сигнала доплеровского смещения
частоты ультразвука при разгоне отслеживаемого объекта
Вместо числа операций порядка N2 алгоритм
БПФ позволяет провести анализ за число
операций порядка N log2N. Ввиду этого БПФ
получило достаточно широкое распростране-
ние, в том числе и в системах на базе ПЛИС,
для которых имеются оптимизированные IP-
ядра. Однако для БПФ невозможно выбирать
частоты для анализа произвольным образом
(они автоматически следуют из числа точек,
выбранных для анализа, и частоты следования
входных отсчетов). Для многих применений
этот недостаток нельзя назвать существен-
ным, однако повышение производительно-
сти ПЛИС означает и возможность возврата
к ДПФ с произвольным выбором частот при
условии, что это даст практический эффект.
Модулирующие окна
и вейвлет-функции
Наличие эффекта Гиббса и практическая
необходимость в анализе конечных во вре-
мени сигналов привели к появлению раз-
новидностей ДПФ, в первую очередь осно-
ванных на введении модулирующего окна.
Под ним можно понимать дополнительную
функцию, накладываемую на входной сиг-
нал, которая должна способствовать смягче-
нию эффекта разрыва анализируемой функ-
ции. Вследствие свойства коммутативности,
которым обладает интегральное преобразо-
вание для перемножаемых функций, выра-
жение (/(%)xg(%))x/z(x) эквивалентно выра-
жению /(%) х (g(x) х h(x)).
Иными словами, оконную функцию
можно применить как к входному сигна-
лу, так и к анализирующей функции. При
этом анализирующая функция становит-
ся локализованной во времени, что по-
зволяет на практике ограничить интервал
времени для анализа. В 1980-х годах синтез
таких локализованных во времени функ-
ций обрел математическую формализацию.
Получаемые таким образом функции были
названы «маленькие волны», или «вейвле-
ты» (wavelet), в русскоязычной литературе
переводимые также как «всплески».
Вычисление вейвлет-спектра (или вейвлет-
плотности) выполняется в целом так же, как
и спектральной плотности по Фурье. Разница
заключается в том, что вместо гармониче-
ского ряда в качестве анализирующей функ-
ции выступает вейвлет-функция. В целом,
к вейвлет-функции предъявляются только
два требования:
1. Локализация во временной области (функ-
ция должна затухать при удалении от цен-
тра по оси t).
2. Отсутствие постоянной составляющей
(интеграл от функции должен быть ра-
вен 0).
Такие ограничения позволяют рассматри-
вать в качестве вейвлетов достаточно широ-
кий класс функций, в том числе и синус-ко-
синусные ряды, на которые наложено моду-
лирующее окно. Одним из распространенных
вейвлетов является вейвлет Морле, в котором
используется модулирующая функция Гаусса.
Вид этой функции показан на рис. 5. Видно,
что вейвлет Морле в целом представляет со-
бой гармонический ряд, однако он быстро
затухает, что позволяет анализировать сигна-
лы на ограниченном временном интервале.
Можно также изменить коэффициент при
гауссовской составляющей (это не предусмо-
трено в исходном вейвлете Морле), однако та-
ким образом можно изменять ширину спек-
тра вейвлета Морле [ 1 ].
На рис. 6-8 показаны некоторые при-
менения вейвлет-анализа, реализованного
на базе ПЛИС Xilinx в описанном выше виде.
Коэффициенты вейвлета Морле записы-
вались в память ПЛИС, поступая в модули
DSP48, выполнявшие операцию «умноже-
ние с накоплением». В отличие от цифрово-
го фильтра при таком подходе невозможно
обеспечить поток выходных данных, равный
по частоте входному потоку, поскольку ре-
зультат вейвлет-преобразования будет до-
ступен только после поступления N входных
отсчетов (N в данном случае — размер вейв-
лет-функции в цифровых отсчетах).
На рисунках заметно, что эффект Гиббса
существенно сглажен вследствие временной
Рис. 7. Результаты вейвлет-преобразования частотно-
модулированного сигнала
Рис. 8. Результаты вейвлет-преобразования для
радиосигнала в диапазоне 50—450 кГц
локализации вейвлет-функции. По крайней
мере вблизи основного максимума отсут-
ствуют видимые осцилляции спектральной
плотности. Кроме того, возможность после-
довательного запуска вейвлет-преобразова-
ния в разные моменты времени позволяет
получить и временную структуру сигнала,
что в целом не предусмотрено для преобра-
зования Фурье, которое строится как функ-
ция частоты. Вейвлет-анализ позволяет эф-
фективно задействовать ресурсы блоков DSP
современных ПЛИС, поскольку каждая точ-
ка получаемого изображения представляет
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
96
проектирование схемотехника
собой результат нескольких тысяч операций
«умножение с накоплением». Изображения,
представленные на рис. 6-8, были получе-
ны в результате анализа сигналов с помо-
щью отладочной платы КС-705, выводившей
изображение на внешний монитор с интер-
фейсом HDMI [2]. Таким образом, внешний
управляющий ПК для систем, основанных
на ПЛИС, не является обязательным элемен-
том и может быть использован только для
хранения результатов анализа.
Использование вейвлет-анализа откры-
вает достаточно интересные перспективы,
поскольку синтез модулирующих окон для
вейвлет-функций позволяет в ряде случаев
получать достаточно качественные резуль-
таты. Комбинируя временные интервалы
и коэффициент затухания гауссовского окна,
можно получить набор АЧХ вейвлет-функ-
ции, различающихся шириной спектра и ве-
личиной подавления эффекта Гиббса. Вместе
с тем отсутствие аналога быстрого преобра-
зования для вейвлет-функции Морле делает
необходимым вычисление вейвлет-плотно-
сти «прямым методом» — путем повторения
операции «умножение с накоплением» для
каждой из интересующих частот. Для это-
го можно эффективно задействовать сотни
и тысячи блоков DSP48, которые имеются
в составе современных ПЛИС.
Представленный метод анализа, разуме-
ется, нельзя считать универсальным, и даже
очевидной заменой для БПФ. Однако целый
ряд преимуществ вейвлет-анализа, которые
ранее наталкивались на препятствие в виде
недостаточной вычислительной мощности,
вполне могут быть использованы благодаря
наличию ПЛИС, хорошо подходящих для
реализации подобного анализа. Более того,
вейвлет-функции с большим числом отсче-
тов необязательно хранить в памяти ПЛИС.
Вместо этого можно выполнить их прямой
синтез в реальном времени, для чего потре-
буется синтезировать гармонический ряд
(то есть синус и косинус от заданного аргу-
мента) и отдельно компоненты модулиру-
ющего окна. Для этой цели интересно рас-
смотреть алгоритм CORDIC, имеющий соот-
ветствующие синтезируемые представления
в современных ПЛИС.
Алгоритм CORDIC
Алгоритм CORDIC (Coordinate Rotating
Digital Computer, или «цифровой вычислитель
для вращения координат») представляет удоб-
ный способ для точного вычисления тригоно-
метрических функций без потери точности.
С его помощью можно аппаратно вычислять
тригонометрические и гиперболические функ-
ции практически с произвольной разрядно-
стью, для которых невозможно организовать
хранение коэффициентов в памяти ПЛИС.
Алгоритм основан на том, что при вра-
щении координат некоторого вектора от-
слеживаются как угол поворота вектора, так
Рис. 9. Иллюстрация к принципу работы алгоритма CORDIC
и связанные с ним координаты конца это-
го вектора х, у, представляющие собой при
единичной длине вектора косинус и синус
от угла поворота. Иллюстрация к алгоритму
показана на рис. 9.
При повороте вектора (х; у) с углом к оси
абсцисс а на угол (р его новые координаты
(%'; у') станут равны:
х’ = cos(a+cp) = cosax coscp-sinaxsincp,
у’ = sin(a+cp) = sinaxcoscp+cosax sirup. (8)
Вынесем за скобку coscp:
х’ = coscp(xxl-yxtgcp),
у’ = coscp(yx 1+xxtgcp). (9)
Выражение tgcp в скобках появилось из-за
того, что при вынесении coscp понадобилось
сначала умножить sincp на дробь coscp/coscp.
t CustomiwlP C0ROLC (6,0) О ОаситепМюп IP Location 0 Switch fa Dolairits X A
IP Symbol litib eirr lie De 1S Component Name <atdk 0 0
*0 5b JL «J aw disabled pods + SAXbCAPJISIAN + SA4S Fl 1*51 XL + xlH Configuration Op Configuration Р» Functional Scl AfcMetLuijI C Pipah'ng Mq Dita Forrruil Phase Formol Input/CHilput Op Input Width Output Width Bound Mode Advanced Config Ьйпк AJCIi ramaton eefion enhgLiftfiCH da tions 16 16 1 Straam DptiOni Roiaia Translate 54n and Cai bnh and Coch Art Tan АгсТипН SquBiE Aoal p’je CjtB 4 Г 1 1
Truncate v и ration Faramotori
lleratiSoi Precision 3 Сздке Rotation Compensation Scaling 0 0 C No Scale Compensation *r |0- 4B| ro -01
OK Cancel
Рис. 10. Диалоговое окно настройки IP-ядра для реализации алгоритма CORDIC
Выражение coscp в числителе оказалось воз-
можным вынести за скобку, при этом остав-
шиеся sincp/coscp образовали функцию tgcp.
На первый взгляд полученные выражения
ничего принципиально не изменили. Однако
условимся, что поворот будет производить-
ся только на такие углы, для которых tgcp ра-
вен целой степени двойки (то есть 1, 1/2, 1/4,
1/8 и т.д.). В этом случае умножение xxtgcp
равносильно сдвигу х на 0, 1, 2, 3... позиции
вправо. Аналогично выполняется вычисле-
ние yxtgcp. Таким образом, умножение на си-
нус и косинус в алгоритме оказалось замене-
но на умножение на 1 (благодаря вынесению
за скобки coscp) и умножение на степени двой-
ки, которое может быть выполнено сдвигом.
Имея набор углов поворота ср, тангенсы
которых равны целой степени двойки, мож-
но последовательными поворотами на поло-
жительные и отрицательные углы добиться
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
схемотехника проектирование
97
того, чтобы суммарный угол поворота стал
равен некоторому значению. Для этого необ-
ходимо учесть, что:
%' = cos(a-(p) = cosax costp+sinaxsincp,
У - sin(a-cp) = sinaxcoscp-cosaxsincp. (10)
Имея таблицу углов и проинициализиро-
вав х = 1, у - 0, можно повернуть угол (р макси-
мально близко к искомому углу ф0, заданному
в качестве аргумента. Если после очередного
поворота (р > (р0, то на следующей итерации
алгоритма поворот происходит на отрица-
тельный угол. Таким образом, методом после-
довательного приближения ср устремляется
к (р0, а его координаты %, у естественным об-
разом представляют косинус и синус угла (р.
Можно заметить, что на каждой итерации
за скобки выносится coscp, на который произ-
водится умножение. Однако поскольку зна-
чения углов на каждой итерации известны,
итоговое произведение можно вычислить за-
ранее и учесть его при коррекции результата.
Также можно инициализировать % значением,
обратным произведению всех величин coscp.
Алгоритм хорошо известен, и его самосто-
ятельная реализация хотя и возможна, но при
первом приближении даст худшие результа-
ты по сравнению с оптимизированным IP-
ядром, входящим в поставку САПР Vivado.
Внешний вид диалогового окна настройки
этого ядра показан на рис. 10. Можно видеть,
что ядро выполняет как вычисление синуса
и косинуса (эти операции выполняются од-
новременно, поскольку данные функции яв-
ляются проекциями одного и того же векто-
ра), так и гиперболических синуса и косинуса
с smhx, coshx, а также арктангенса, гипербо-
лического арктангенса и квадратного корня.
Таблица. Характеристики некоторых вариантов IP-ядра
CORDIC при реализации в ПЛИС Kintex-7
Разрядность и функция Режим Частота, МГц LUT
32, sin + cos Parallel 418 3600
32, sin + cos Serial 260 731
32, arctan Parallel 330 3487
32, arctan Serial 260 665
Ядро обладает широкими возможностями
параметризации, позволяя регулировать раз-
рядность аргумента, управлять количеством
шагов, а также реализовывать этот компо-
нент в последовательном или параллельном
режиме. В параллельном режиме новый ар-
гумент может быть подан на вход до завер-
шения вычислений предыдущего аргумента,
однако в таком случае размер существенно
возрастает. Характеристики некоторых ва-
риантов IP-ядра при реализации в ПЛИС
Kintex-7 приведены в таблице. Сведения яв-
ляются оценочными, поскольку отражают
характеристики версии ядра в варианте, по-
ставляемом в САПР Vivado 2018.3.
Алгоритм CORDIC, в отличие от разложе-
ния в ряд, дает точные (в пределах разрядно-
сти) значения тригонометрических функций
и может быть практически неограниченно
расширен до требуемой точности. Он на-
стоятельно рекомендуется как основной при
необходимости вычисления тригонометри-
ческих функций в проекте.
Вычисление экспоненты
Экспонента требуется для реализации
функции Гаусса, которая может быть ис-
пользована как для реализации вейвлета
Морле, так и для других оконных функций.
Вычисление экспоненты базируется на фор-
мулах гиперболических функций:
sinhx = (ех-е-х)/2,
coshx= (ех+е-х)/2. (11)
Сложив левые и правые части этих уравне-
ний, получаем:
sinhx+coshx = С,
coshx-sinhx = е~х. (12)
Вычисление гиперболических функций
может быть выполнено с помощью алгорит-
ма CORDIC с соответствующим оптимизи-
рованным IP-ядром. Однако особенностью
этого алгоритма при вычислении гиперболи-
ческих функций является ограниченный ди-
апазон возможных аргументов. Дело в том,
что вычисление этих функций происходит
путем замены знаков в формулах поворота
угла, в результате чего конец вектора дви-
жется по гиперболической кривой с уравне-
нием х2-у2 - 1. При слишком больших зна-
чениях аргумента вектор, проведенный под
таким углом, не пересечет гиперболическую
кривую, и результат последовательных пово-
ротов вектора окажется некорректным.
Для решения проблемы следует восполь-
зоваться свойством степенных функций:
ea+b— eaxeb^ (13)
Если разложить аргумент экспоненты
на два слагаемых, результирующую экспо-
ненту можно будет вычислить как произ-
ведение двух составляющих. При этом одна
Серийное производства электронных
модулей и приборов
• Контрактное производство
высокотехнологичной электроники.
в т.ч. монтаж BGA с рентген-контролем
www.granil-vt.ru
e-mail: mail@granit-vt com
часть аргумента может быть представлена
в таблице, а вторая — получена с помощью
алгоритма CORDIC через гиперболические
функции. Первую часть аргумента следует
выбирать, например, с шагом 0,5, то есть
задавать в таблице значения экспонент для
аргументов 0,5; 1; 1,5; 2 и т.д. Поскольку экс-
понента быстро возрастает при росте аргу-
мента (и быстро убывает для отрицательных
аргументов), размер таблицы будет невелик
и составит несколько десятков значений для
32-разрядного представления.
Заключение
Рассмотренные виды анализа сигналов,
основанные на прямом синтезе анализиру-
ющих функций и вычислении интеграль-
ного преобразования, представляют собой
интересную альтернативу распростра-
ненным методам цифровой фильтрации
и БПФ. Разумеется, их применение не долж-
но носить случайный характер или основы-
ваться на «магии бренда» — практическая
эффективность конечных во времени ана-
лизирующих функций во многом зависит
от того, являются ли исследуемые сигналы
нестационарными или требующими выбо-
ра специальной частотной сетки. При этом
большой объем вычислений не будет огра-
ничивающим фактором, поскольку именно
для решения подобных задач хорошо под-
ходят ПЛИС, обеспечивающие большое ко-
личество параллельно работающих блоков
DSP48. Сочетание накристальной блочной
памяти и программируемых ячеек позволяет
реализовать как хранение, так и прямой син-
тез в реальном времени отдельных отсчетов
анализирующих функций.
Литература
1. Потехин Д. С., Тарасов И. Е., Тетерин Е. П.
Влияние коэффициентов и пределов интегри-
рования вейвлет-функции Морле на точность
результатов анализа гармонических сигналов
с нестационарными параметрами // Научное
приборостроение. 2002. Т. 12. № 1.
2. www.xilinx.com/products/boards-and-kits/
ek-k7-kc705-g.html
Электронная аппаратура для
ответственных применений
• Контрактная разработкой
инженерное сопровождение
Париленовое
покрытие
влагоза!
АО ТРАНИТ-ВГ тел /факс S (312) 274-04*48
131014. Санкт-Петербург. ул. Госпитальная 3
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
98
проектирование схемотехника
Вейвлет-фильтрация
одномерных сигналов
с помощью пакета LabView
Виктор ЛИФЕРЕНКО,
д. т. н.
Никита ГРИНИЧЕВ
Иван ДЕМЕНТЬЕВ
Основной задачей фильтрации является выделение из полученного сиг-
нала полезной информации путем сглаживания, интегрирования, про-
гнозирования, разделения сигналов, дифференцирования, подавления
шумов и помех. В последнее время широко распространено вейвлет-пре-
образование, поскольку при вейвлет-фильтрации сигнала происходит
отделение от общей смеси сигнал/шум и выделяется доминирующая ин-
формация, оставляя только главные свойства исследуемого сигнала [1].
Данное преобразование позволяет увеличить скорость обработки сигнала
и его помехоустойчивость.
Особенности
вейвлет-преобразования
Основным отличием вейвлет-преобра-
зования от преобразования Фурье является
использование вместо гармонических функ-
ций базисных функций вейвлет (дословный
перевод wavelet означает «маленькая волна»).
В радиотехнике непрерывный вейвлет-
анализ часто осуществляют с помощью трех
основных функций [2, 3]:
• вейвлеты Морле (Wavelet Morlet);
• «Мексиканская шляпа» (Mexican hat);
• вейвлет Добеши (Daubechies).
Существует много аналитических выраже-
ний, корректно удовлетворяющих условиям
вейвлета. В частности, распространены вейв-
леты, описываемые формулой:
T(r) = V2(l-|Z|2)e2.
Алгоритм восстановления исследуемого
сигнала с помощью обратного вейвлет-пре-
образования по вейвлет-коэффициентам
и базису вейвлетов описывается следующим
образом:
ОО ОО J
w(Z) = j j — W(a9x)yV(f)dadx9
где W(a,x) — функция прямого преобразо-
вания; T(t) — базис вейвлетов; х— перемен-
ная интегрирования; а — фиксированный
масштаб.
В данной работе используется пакет LabView.
Представлено несколько типов интеграль-
ных преобразований, причем прямое и об-
ратное преобразование содержится в форме
блоков, алгоритмы которых представлены
ниже (рис. 1).
На рис. 1 выделены иконки прямого и об-
ратного преобразования вейвлета Добеши.
Алгоритмы преобразования представлены
следующими соотношениями [4]:
1. Вейвлет-преобразование определяется
с помощью матрицы (1).
2. Обратное вейвлет-преобразование опреде-
ляется с помощью матрицы (2).
Пробелы в матрицах обозначают нули.
Числа с0, ср с2, и с3 описываются следующи-
ми соотношениями:
СдЧ^+^+Сз2 = 1
С2СО+С3С1 = О
С3~ с2+с1“ С0 - О
0с3- 1с2+2С]-Зс0 = О
1 + л/з
С°~ 4V2
3+7з
С1~ 4^/2
з-7з
С2~ 4^2
1-7з
Сз“ 472
L Treniformi
Рис. 1. Типы интегральных преобразований
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
схемотехника проектирование
99
С0
сз
С1
~С2
С2
С1
С0
сз
C3
~co
C1 C2
~C2 C\
сз
~со
со
С1
С2
сз
C3
~C2
C1 C0
—Cq Cl
сз
~С2
С2
С3
~со
С2
С3
С1
~со
(2)
со
сз
C\ C2
~C2 C\
C0
C3
C3
~co
C1
~C2 _
С2
С3
C1 C0
~C0 C1
C2
C3
сз
~С2
С1
~С0
со
С1
C3
~C2 _
Виртуальный прибор
для реализации
вейвлет-преобразования
$ЭгпрИпд freq fit
я
Реализация вейвлет-преобразования осу-
ществляется с помощью виртуального при-
бора, схема которого приведена на рис. 2.
Блок генерации сигналов и шумов (рис. 2)
состоит из двух частей:
1. Блок генерации сигнал/шум с генерацией
сигнала sinx/x (иконка G.);
2. Блок генерации сигнал/шум с генерацией
сигнала прямоугольной формы (иконка S).
Блоки имеют идентичную структуру, со-
стоящую из:
• генератора сигналов:
- первый кадр структуры
последовательности —
Sine Pattern,
- второй кадр — Pulse Pattern;
• генератора шума:
- первый кадр структуры
последовательности —
Gaussian White Noise
вычисляется по формуле:
f(x) = -1=
syl 2ti
1 х
2 Is
2\
?
- второй кадр — Uniform White Noise вы-
числяется по формуле:
Kwcutoflrec П
СМФ*'he. HtWf.fl
ordc г
Tat Control ^ni-Puls-*
Ллг.в-lef Transform
Нэе РЛегпм
Рис. 2. Блок-схема виртуального прибора для исследования вейвлет-преобразования сигнала
tel* 2
standard tev «Нп i
Блоки управления состоят из трех панелей
управления:
1. Панель управления Sine Pattern (рис. 3)
позволяет регулировать амплитуду сиг-
нала (amplitude), уровень шума (standard
deviation), положение сигнала (delay),
samples управляет двумя генераторами сиг-
налов, двумя генераторами шума и филь-
тром, интервал стробирования — delta t
(по умолчанию значение 0,1).
2. Панель управления Pulse Pattern (рис. 4)
позволяет регулировать амплитуду сиг-
нала (amplitude), уровень шума (standard
CMEryllW FifUr
я
VMMlN№ Gcapti
deviation), положение сигнала (delay), ши-
рину сигнала (width).
3. Панель управления Control (рис. 5) управляет
цифровым фильтром и вейвлет-преобразо-
вателем. Количество отсчетов управляется
иконкой samples, которая соединена с двумя
генераторами сигналов и двумя генератора-
ми шума. Порядок фильтра задается пара-
метром order. Назначение нижней частоты
среза задается параметром low cutoff freq:fl.
Регулировка фильтра осуществляется при по-
мощи параметра sampling freq:fs. Параметр
Filter type позволяет выбрать тип фильтра.
F» 1
к
1 |о.1?50
□idrr
Tab Control
Рис. 5. Панель управления Control
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
100
проектирование
схемотехника
Array Subset
I
/.'j . clet Trariffc ti
W^etet Transform [)®uhe<^iies4 In^cwst и
Рис. 6. Блок-схема вейвлет-преобразования
Рис. 7. Лицевая панель в режиме SincPattern
Иконка ЕЕ Wavelet Transform Daubechies4
VI — прямое вейвлет-преобразование
(рис. 6). Осуществляет вейвлет-преобразо-
вание Добеши последовательности X. Число
элементов последовательности должно
быть кратно степени 2. Выходная последо-
вательность — это вейвлетные коэффици-
енты, представляющие собой отклик специ-
альных фильтров, основанных на функции
Добеши.
Иконка ? " Array Subset Function — функ-
ция «подмножество массива». Данная функ-
ция выполняет роль «выборки» начальной
части от массива. Эту часть определяет два
параметра: длина (length) и индекс (index).
Иконка S Wavelet Transform Daubechies4
Inverse VI — обратное вейвлет-преобразо-
вание. Осуществляет обратное вейвлет-пре-
образование Добеши последовательности X.
Число элементов последовательности долж-
но быть кратным степени 2.
Виртуальный прибор работает в двух ре-
жимах.
Рис. 8. Лицевая панель в режиме PulsePattern
Режим 1 (при включенном SincPattern)
На рис. 7 изображены три осциллографа,
панель управления и переключатель генера-
торов. Панель управления представлена ша-
блоном Sine Pattern.
Переключатель кадров структуры после-
довательности Sinc/Pulse. Первый кадр (Sine
Pattern/Gaussian white noise) и второй кадр
(Pulse pattern/Uniform White Noise) осущест-
вляют выбор кадра.
На экране Waveform graph изображен сиг-
нал без обработки.
На экране Chebyshev Filter изображен сиг-
нал после фильтрации с помощью фильтра
Чебышева.
На экране Wavelet Transform изображен
сигнал после выполнения процедуры вейв-
лет-преобразования.
Режим 2 (при включенном PulsePattern)
На рис. 8 изображены три осцилограммы,
панель управления и переключатель генера-
торов. Панель управления представлена ша-
блоном Pulse Pattern.
Переключатель кадров структуры после-
довательности Sinc/Pulse. Первый кадр (Sine
Pattern/Gaussian white noise) и второй кадр
(Pulse pattern/Uniform White Noise) осущест-
вляют выбор кадра.
На экране Waveform graph изображен сиг-
нал без обработки.
На экране Chebyshev Filter изображен сиг-
нал после фильтрации.
На экране Wavelet Transform изображен
сигнал после выполнения процедуры вейв-
лет-преобразования.
Работа с прибором
Открыть блок управления Tab Control
(SincPattern) (рис. 9):
1. В переключателе delta t установить значе-
ние 0,10.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
схемотехника
п роекти рован ие
101
Рис. 9. Tab Control (Sine Pattern)
Рис. 10. Tab Control (Pulse Pattern)
Рис. 11. Tab Control (Control)
2. В переключателе delay поставить значение 15, которое задает на-
чальный сдвиг сигнала по шкале времени.
3. В переключателе amplitude задать значение величины сигнала 1.
4. В переключателе standard deviation выставить значение уровня шу-
мов 0,03.
Открыть блок управления Tab Control (Pulse Pattern) (рис. 10):
1. В переключателе width задаем значение ширины сигнала 150.
2. В переключателе delay 2 поставить значение 50, задающее сдвиг
сигнала по шкале времени.
3. В переключателе amplitude 2 задаем значение величины сигнала 1.
4. В переключателе standard deviation ставим значение уровня шумов
0,03.
Открыть блок управления Tab Control (Control) (рис. 11):
1. В переключателе samples задаем количество отсчетов 256.
2. В переключателе filter type выбираем пункт Lowpass.
3. В переключателе low cutoff freq:fl по умолчанию задано значение
0,1250.
4. В переключателе length ставим значение 32 (кратное двум).
5. В переключателе order выбираем порядок фильтра 2.
6. В переключателе sampling freq:fs ставим значение нижней частоты
срез 1.
После описанных процедур оператор выставляет требуемые ва-
рианты режима работы и наблюдает осцилограммы обработанного
сигнала (рис. 7, 8).
Таким образом, разработанная виртуальная модель демонстриру-
ет применение вейвлет-преобразования на основе двух видов сиг-
налов и двух видов шумов. Показаны преимущества вейвлет-пре-
образования, которое позволяет обрабатывать сигнал, удаляя из-
быточную информацию с помощью процедуры прореживания.
Литература
1. Нефедов В. И., Сигов А. С. Основы радиоэлектроники и связи: Учеб, посо-
бие. Под ред. Нефедова В. И. М.: Высшая школа, 2009.
2. Кетарнаваз Н., Ким Н. Цифровая обработка сигналов на системном уровне
с использованием Lab VIEW. М.: ДоДэка-XXI, 2007.
3. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabView для всех. Изд. 4-е, перераб. и доп.
М.: ДМК-Пресс. 2011.
4. www.labview.ru
НОВОСТИ беспроводные технологии
Компактный сертифицированный IEEE 802.15.4-совместимый модуль
от Microchip
Компания Microchip анонсирует самый компактный в отрасли IEEE
802.15.4-совместимый модуль, в состав которого входит микроконтроллер
(МК) с очень малым потреблением и суб гигагерцевым радиоблоком, что по-
зволяет ускорить время вывода продукции на рынок и обеспечить продолжи-
тельный срок службы батарей в беспроводных датчиковых сетях. SAM R30,
чьи размеры вдвое меньше предыдущего самого компактного на рынке мо-
дуля, отвечает строгим требованиям к занимаемому пространству датчиковых
систем автоматизации дома и управления.
Модуль SAM R30 на основе стандарта IEEE 802.15.4 поддерживает про-
приетарные сети, которые можно легко настраивать и конфигурировать.
Это оптимально для приложений, не нуждающихся в функциональной со-
вместимости из-за присущей уязвимости к удаленным атакам. К числу по-
добных приложений относятся системы оповещения, автоматизации дома,
«умные» города и промышленные датчиковые сети. Главное преимущество
сети на основе стандарта IEEE 802.15.4 в том, что ее устройства находятся
в режиме сна в течение длительных периодов.
Модуль SAM R30 с несколькими режимами сна с очень малым расходом
энергии пробуждается по сигналу GPIO или встроенных часов реального
времени и потребляет ток около 800 нА. Устройства могут «спать» годами,
активизируясь только для передачи данных.
Малые размеры модуля позволяют существенно уменьшить устанавлива-
емые компоненты и упростить реализацию устройств. Приложениям часто
необходима двухсторонняя лента для монтажа компонентов, что делает при-
оритетным требование уменьшить размеры датчиков. Модуль SAM R30 раз-
мером всего 12,7x11 мм обладает соответствующими функциями для управ-
ления любым удаленным сетевым датчиком, что исключает использование
отдельного МК в схеме. Объем флэш-памяти модуля достигает 256 кбайт,
а ОЗУ — 40 кбайт. Устройство оснащено последовательными интерфейсами
данных, USB, цифровыми и аналоговыми портами ввода/вывода для усовер-
шенствованного проектирования датчиковых систем.
В субгигагерцевой области модуль SAM R30 обеспечивает в два раза более
широкий диапазон связи и лучше способствует распространению радиоволн
сквозь стены и полы по сравнению со схожими устройствами в полосе 2,4 ГГц.
Эти возможности критичны, например, для приложения по определению
утечек, где датчик может находиться глубоко в выносном блоке управления.
К числу таких приложений относится и применение контроллеров для плава-
тельных бассейнов или СПА, где требуются надежные решения, работающие
в субгигагерцевом диапазоне и обеспечивающие связь через внешние стены.
www.microchip.com
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
102
проектирование схемотехника
Особенности общего уравнения
захвата энергии
Олег ФИЛИМОНОВ
При решении общего уравнения захвата энергии для захваченных частот
вида fnm0, кроме значения резонансных частот, есть дополнительная воз-
можность оценить распределение смещений в стоячей волне под электро-
дом, величину зарядов на электроде для этих частот, а также ограничение
нежелательных резонансов.
Для кварцевых резонаторов с колеба-
ниями сдвига по толщине частотный
спектр начинается с захваченных ко-
лебаний (одного или нескольких), количе-
ство которых определяется толщиной и раз-
мерами электрода. Первым из захваченных
колебаний является основное рабочее коле-
бание. Все последующие захваченные коле-
бания из-за близости к рабочему колебанию
нежелательны, и задача разработчика заклю-
чалась в получении спектра без захваченных
нежелательных колебаний [1]. Основным
приемом для решения этой задачи было
уменьшение толщины и размера электрода.
Возможность уменьшения размера электро-
да ограничивалась необходимостью полу-
чения заданных электрических параметров
(динамическое сопротивление, индуктив-
ность и т. д.). Уменьшение толщины электро-
да ограничивалось проводимостью элек-
трод-ного покрытия, поэтому вероятность
Рисунок. Вариант распределения смещений А(х) под электродом от центра электрода (0) до его края (а)
для колебаний fn10, fn20, fn30
захвата нежелательных колебаний станови-
лась реальной (особенно в случае резона-
торов с рабочим колебанием выше первого
порядка). В таком случае получение задан-
ного ограничения нежелательных колебаний
в конкретном диапазоне частот усложнялось,
и решение задачи требовало большого объ-
ема макетирования. Дальнейшее изложение
касается захваченных колебаний, частота ко-
торых попадает в диапазон захвата — диапа-
зон частот между двумя граничными часто-
тами. Под граничными частотами понима-
ются частоты бесконечно больших плоских
пластин без электрода (/1р2) и пластины, по-
крытой электродом (/гр1). Разность этих ча-
стот определяется толщиной электрода. Для
изотропной модели — бесконечно длинный
электрод шириной 2а на бесконечно боль-
шой плоской пластине — получено общее
уравнение для захваченных частот типа fnm0
[2]. В этом случае система координат долж-
на быть следующей: ось X направлена по-
перек электрода, ось Y нормальна главным
поверхностям пластины, ось Z направлена
вдоль электрода, начало координат в среди-
не ширины электрода и толщины пластины.
Уравнение имеет вид:
аКх} = а1^(/<л.2//<А.|)+0,5л(ш-1), (1)
где Кх1 и Кх2 — компоненты волнового век-
тора, направленные поперек электрода, под
электродом (Кх1) и за электродом (Кх2); а —
полуширина электрода; т= 1,2, 3...
Значение т = 1 соответствует основному
колебанию /и10, а т > 1 — нежелательным
колебаниям (/иш0). При решении уравнения
(1) мы получаем для каждого колебания
вида fnm0 не только значение резонансной
частоты. Уравнение захвата — это транс-
цендентное уравнение, левая часть которо-
го (набег фазы при распространении волны
от центра электрода до его края) сравнива-
ется с правой частью. Для каждого значения
т существует, исходя из вида правой части
уравнения, диапазон возможных решений:
для т = 1 это 0-0,5л; для т = 2 это 0,5л-л;
для т - 3 это л-1,5л и т.д. Решение урав-
нения для каждого т, кроме значения ре-
зонансной частоты, при котором наступает
равенство частей уравнения, дает точное зна-
чение аКх1 (значение набега фазы от центра
до края электрода). Так как распределение
смещений стоячей волны на резонансной
частоте под электродом для каждого колеба-
ния с разными значениями индекса т имеет
вид AqCOs(xKx1), то, соответственно, величи-
на смещения на краю электрода A0cos(aKxl),
и величина аКх1 дает нам информацию о рас-
пределении смещений под электродом для
каждого т. На рисунке показан вариант рас-
пределения смещений А(х) под электродом
от центра электрода (0) до его края (а) для
колебаний /и10, ^20, fn3Q. Для основного коле-
бания использован синий цвет, а для двух
ближайших к нему захваченных нежелатель-
ных колебаний: fn20 — желтый цвет, fn30 — се-
рый. На рисунке Д соответствует/и10,/2—/и20,
А Лзо-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
схемотехника проектирование
103
Таблица 1. Зависимость аКх1, град., для колебания f110
от толщины и размера электрода
frp2 frpb кГц/2а, мм 2 мм 3 мм 4 мм
100 64°52' (18,02 кГц) 71°45' (9,8 кГц) 75°42' (6,15 кГц)
150 68°30' (20,1 кГц) 74°36' (10,6 кГц) 77°56' (6,5 кГц)
200 70°51'(21,5 кГц) 76°22' (11,1 кГц) 79°24' (6,75 кГц)
Таблица 2. Зависимость аКх1, град., для колебания f120
от толщины и размера электрода
hp2 кр1» кГц/2а, мм 2 мм 3 мм 4 мм
100 125°4' (67 кГц) 14Г50' (38,3 кГц) 150°29' (24,25 кГц)
150 134°10' (77,1 кГц) 148° 10' (41,8 кГц) 155°28' (25,88 кГц)
200 139°45' (83,65 кГц) 152° Г (44 кГц) 158°30' (26,9 кГц)
Таблица 3. Зависимость аКх1, град., для колебания f130
от толщины и размера электрода
hp2 кр1» кГц/2а, мм 2 мм 3 мм 4 мм
100 нет 206°0' (80,8 кГц) 223°12' (53,4 кГц)
150 186°6'(148,2 кГц) 218°50' (91,2 кГц) 23Г45' (57,5 кГц)
200 20Г20' (173,5 кГц) 225°48' (97 кГц) 236°45' (60 кГц)
Конкретные значения величин йКх1, кото-
рые определяют вид распределения смеще-
ний, получают при решении уравнения (1).
В таблицах 1-3 приведены значения аКх1,
градусы, полученные при решении уравне-
ния (1) для разных типов колебаний (/110,
/120’ /во) в зависимости от ширины электрода
и разности граничных частот. В нашем при-
мере значение ^р1 = 10 МГц.
В таблицах после значений аКх1 в скоб-
ках показаны значения разностей частот
flmO /р1 Otio-frpi) кГц ДЛЯ/по! (/120-frpl) кГц
дляу12о; (/130-/гр1) кГц для/13о, полученные
при решении уравнения (1) и соответствую-
щие аКх1.
Отсутствие решения в таблице 3 при ши-
рине электрода 2 мм и разности граничных
частот 100 кГц закономерно, так как для
захвата колебания /130 разность граничных
частот должна быть более 138 кГц, и при
больших значениях этой разности оно по-
является. Из таблиц 1-3 следует, что при
увеличении разности граничных частот
и размера электрода увеличивается значе-
ние аКх1. Приведенные результаты для ко-
лебаний типа fnmQ конкретизируют значения
аКх1 в предполагаемых диапазонах возмож-
ных решений. Поскольку величина смеще-
ния на краю электрода пропорциональна
cos(aKxl), то для колебаний с нечетным
индексом т, учитывая диапазон их значе-
ний, происходит уменьшение абсолютной
величины смещения на краю электрода
при увеличении размера электрода и раз-
ности граничных частот, которые повыша-
ют значение аКх1. Для колебаний с четным
индексом т смещение на краю электрода
при увеличении толщины и размера элек-
трода растет. Величина смещения за краем
электрода экспоненциально убывает от зна-
чения смещения на краю электрода, при-
чем крутизна экспонент для разных т раз-
лична. Учитывая, что распределение зарядов
пропорционально смещению, заряд (qnm0)
на электроде для каждого захваченного ко-
лебания fnmQ запишется в виде:
г а 2^
9 = 2А0 coslxX’Jfifc = —-sinfaKJ.
° (2)
Из выражения (2) следует, что величина
заряда на электроде для колебаний с нечет-
ным индексом т при увеличении размера
и толщины электрода (увеличивается аКх1)
возрастает, а у колебаний с четным индек-
сом т заряд убывает. Предположительно
ток, протекающий на резонансных частотах,
определяется величиной заряда на электроде,
поэтому отношение зарядов, которое можно
получить, используя выражение (2), будет
определять и отношение токов на резонанс-
ных частотах:
У-пт® _ ^(XioW^iCQ]
(3)
^1(/ЙИо)8т[^1(/й1о)]
где Кх1(/п10) — компонента волнового век-
тора на резонансной частоте /и10; Кх1(/иш0) —
компонента волнового вектора на резонанс-
ной частоте f„m0.
Значение Кх1 для резонансной частоты fnmQ
может быть представлено в виде:
где /гр1 — частота бесконечно большой
плоской пластины, покрытой электродом.
Выражение (3) справедливо только при ус-
ловии одинаковости амплитуд Ао в центре
электрода для колебаний fnm0 с разными зна-
чениями т, что неочевидно и может быть
условно принято только для колебаний, бли-
жайших к основному. В том случае, если ам-
плитуды в центре электрода для колебаний
с индексом т различны (Ат), то выражение
(3) надо будет домножить на величину Ат/А1.
Отношение токов может быть использова-
но для оценки ограничения нежелательных
резонансов. Этот параметр оговаривается
в технической документации, и обычно [3]
под ним понимается отношение эквивалент-
ных сопротивлений для резонансных частот
нежелательных колебаний к сопротивлению
основного колебания. В нашем случае отно-
шение токов (зарядов) эквивалентно отно-
шению сопротивлений и имеет более оче-
видный физический смысл. В таблицах 4, 5
приведены зависимости величин отношений
qnmo/qniQ от толщины и размера электрода,
полученные с учетом результатов, приведен-
ных в таблицах 1-3.
Отношения зарядов в этих таблицах
при увеличении разности граничных ча-
стот и размера электрода ведут себя по-
Таблица 4. Зависимость отношения я12о/Яио
от размера электрода и разности граничных частот
*гр2-*гр1’кГЦ/2а,мм 2 3 4
100 0,4683 0,3289 0,256
150 0,3932 0,2753 0,2127
200 0,3464 0,2426 0,1867
разному — увеличиваясь для частоты /130
и уменьшаясь для частоты /120, что под-
тверждает наше предположение, сделанное
исходя из вида выражения (2) для четных
и нечетных индексов т. Зная количество
захваченных нежелательных колебаний [2]
и решая уравнение (1) для каждого из них,
можно, изменяя размер электрода и разность
граничных частот, получить оптимальное
ограничение захваченных нежелательных ко-
лебаний.
Для рассмотренной модели в работе при
решении общего уравнения захвата энергии
(1), полученного с помощью коэффициента
отражения, удалось оценить:
1. Распределение амплитуд в стоячей волне
под электродом и найти значение ампли-
туды смещения на краю электрода для за-
хваченных колебаний.
2. Величину заряда на электроде (2) для соот-
ветствующей резонансной частоты.
3. Различие в изменении величины заря-
да на электроде и амплитуды смещения
на краю электрода при изменении разно-
сти граничных частот и размера электро-
да для колебаний с четными и нечетными
значениями индекса т.
4. Соотношения зарядов (3) для различных
резонансных частот и ограничение неже-
лательных резонансов на этапе разработки
документации до макетирования.
Полученные результаты будут полезны
при разработке конструкций резонаторов
с улучшенными спектральными характери-
стиками.
Литература
1. Shockley W., Curran D., Coneval D. Trapped energy
modes in quartz filter crystals // Journal of the
Acoustical Society of America. 1967. Vol. 41. № 4.
2. Филимонов О. Л. Особенности проектирования
кварцевых резонаторов с улучшенными спек-
тральными характеристиками // Компоненты
и технологии. 2018. № 5.
3. Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник.
Под ред. Кандыбы П.Е. и Позднякова П. Г. М.:
Радио и связь, 1992.
Таблица 5. Зависимость отношения q13o/q11o
от размера электрода и разности граничных частот
*гр2-*гр1’кГЦ/2а,мм 2 3 4
100 нет 0,1605 0,2394
150 0,0431 0,2213 0,2697
200 0,135 0,249 0,285
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
104
новости
Новости сайта www.efo.ru
DC/DC-преобразо вате л и
с выходной мощностью 2 Вт
в корпусе SIP-8
для медицинских применений
Компания Recom выпустила новую серию ис-
точников питания REM2 для медицинской техники.
Данная серия имеет все медицинские сертификаты
по безопасности и защите пациента.
Использование модульных DC/DC-преобра-
зователей дает инженерам свободу в компоновке
и разводке печатных плат, а также уверенность
в соответствии всем требованиям медицинских
сертификатов. Серия REM2 дополняет существу-
ющую линейку REM1, обеспечивая выходную мощ-
ность 2 Вт в компактном корпусе SIP8 с одинарны-
ми или биполярными выходами.
Особенности:
• КПД: до 85%;
• изоляция 5,2 кВ DC/1 мин;
• рабочее напряжение: 2МОРР/250 В АС;
• возможна работа на высотах до 5000 м;
• рабочий температурный диапазон:
—40...+80 °C (без снижения выходной мощности)
и —40...+95 °C (со снижением 50% Рном);
• модули соответствуют классам A/В ЭМС
и 60601-1-2 (4-я редакция) медстандарта
по ЭМС с простым внешним LC-фильтром;
• модули сертифицированы по стандартам СВ,
IEC/EN и ANSI/AAMI 60601-1 (3-я редакция)
стандарта по медбезопасности.
Lattice Semiconductor
Компания Lattice Semiconductor объявила о вы-
пуске новой версии системы автоматизированного
проектирования (САПР) Lattice Radiant 1.1, опти-
мизированной для компактных и малопотребляю-
щих ПЛИС семейства iCE40 UltraPlus.
В новой версии САПР появился IP-каталог, в ко-
тором отображаются доступные модули IP Core
и PMI (parameterized module instantiation). Кроме
того, появилась новая утилита IP packager, позво-
ляющая разработчикам генерировать собственные
закодированные IP Core во внутреннем формате
Lattice Radiant.
САПР Lattice Radiant 1.1 поддерживает отрас-
левой стандарт Synopsys Design Constraint (SDC).
Дистрибутив Lattice Radiant 1.1 для ОС
Windows 64-bit и ОС Linux Ubuntu LTS 16.4 досту-
пен для скачивания неофициальном сайте Lattice
Semiconductor и не требует покупки лицензии.
Microchip
Компания Microchip выпустила новый CAN-
контроллер со SPI-интерфейсом MCP2518FD.
Новинка поддерживает стандарты CAN 2.0В
CAN FD, частота тактирования SPI-интерфейса
до 20 МГц. Скорость передачи данных до 8 Мбит/с,
арбитраж происходит на скоростях до 1 Мбит/с.
MCP2518FD доступен в компактном корпу-
се VDFN14, а также в SOIC14.
Netsol
Компания «ЭФО» получила официальный ста-
тус дистрибьютора южнокорейской фирмы Netsol,
являющейся производителем микросхем памяти
с параллельным интерфейсом: асинхронной SRAM
и NAND Flash.
Power Integrations
Компания Power Integrations представила
линейку гальванически изолированных транс-
форматоров, которые обеспечивают нужное на-
пряжение и мощность для семейства драйверов
SCALE-iDriver. Комбинация «драйвер + транс-
форматор» дает простой, надежный и недорогой
DC/DC-конвертер, не требующий дополнитель-
ного регулирования напряжения, уменьшает сто-
имость системы и сокращает время разработки.
Трансформатор SIT12xxl и микросхемы SCALE-
iDriver полностью отвечают требованиям стандар-
тов UL и VDE.
Особенности:
• трансформаторы подходят как для 600-В,
так и для 1200-В двухканальных драйверов
SCALE-iDriver;
• входное напряжение:
5 В для (SIT1253I) или 15 В для (SIT1217I)
при выходном напряжении 25 В у обеих версий;
• малый вес: 9 г;
• не требуют заливки;
• прошли испытания недолговременную работу
и устойчивость к вибрации и удару;
• отвечают требованиям стандартов UL1446,
UL61800-5-1, IEC61800-5-1, IEC61558-1
и IEC61558-2-16;
• технология FluxLink магнито-индуктивной дву-
сторонней коммуникации управляющих сигна-
лов обеспечивает усиленную гальваническую
изоляцию между первичной и вторичной сто-
ронами драйвера;
• снижаются затраты на разработку системы,
время на ее квалификацию и сертификацию,
а также упрощается закупка комплектующих.
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 • № 5 ’2019
электромагнитная совместимость прОвКТИрОВЗНИв
105
Методы экранирования помех
на печатной плате:
правила выполнения и ограничения
Антон ЕРЕМИН
ant@s-erp.ru
Печатная плата с активными электронными компонентами — это не толь-
ко главный источник помех в системе, но и конечный приемник внешних
помех. Экранирование является наиболее понятным приемом борьбы
с помехами для любого разработчика. В статье рассматриваются виды
и правила устройства экранов на печатных платах, возможности эксперт-
ных систем как инструмента поддержки принятия решений.
Введение
Опыт компании «СЕРП», накопленный при создании и внедрении
систем комплексной автоматизации, показывает, что разработчики
электронного оборудования часто демонстрируют реактивный под-
ход к обеспечению электромагнитной совместимости, что приводит
к повышенному расходу ресурсов на доработку после получения
отрицательных результатов испытаний. В ряде случаев дополни-
тельные затраты времени на доработку становятся причиной срыва
сроков комплексных проектов, что влечет за собой значительные
материальные и репутационные потери для головного исполнителя.
Поэтому проактивный подход к обеспечению электромагнитной
совместимости должен пронизывать весь процесс разработки элек-
тронного оборудования, начиная с фазы эскизного проектирования.
При сравнении стоимости мероприятий по обеспечению ЭМС,
проводимых на поздних этапах проектирования прибора в целом,
можно обнаружить, что их стоимость при сравнимой эффектив-
ности в 10-100 раз больше стоимости мероприятий, выполненных
при разработке печатной платы. Существует и так называемая пира-
мида обеспечения ЭМС [1], которая визуализирует эффективность
усилий, затраченных разработчиком на те или иные мероприятия
по обеспечению ЭМС (рис. 1). При ее рассмотрении мы можем убе-
диться, что затраты на обеспечение ЭМС на этапе разработки печат-
ных плат невелики, но влияние принятых мер на характеристики
конечного изделия значительно.
В настоящее время разработчики все чаще выбирают компоновку
с одной печатной платой или комбинацией гибких и жестких пе-
чатных плат. При снижении количества печатных плат в устройстве
можно обеспечить повышение:
• технологичности изделия при сборке и настройке;
• характеристик ЭМС за счет исключения протяженных межплатных
связей, которые являются эффективными приемниками и излуча-
телями помех;
• надежности изделий за счет исключения одного из слабых мест
в аппаратуре — межплатных проводных связей [2].
Для техники с повышенными требованиями к надежности (во-
енной или космической) последние два преимущества наиболее ак-
туальны.
Для схем, в которых обработка низковольтных измерительных
сигналов совмещена с высокоскоростной цифровой обработкой, ис-
пользование компоновки с одной платой часто требует специальных
мер: зонирования, локального экранирования и применения специ-
альных структур печатных плат. Также большое значение в этом
случае имеет обеспечение низкоимпедансного заземления и развязка
по питанию. Однако в статье мы рассмотрим лишь один из инстру-
ментов разработчика печатных плат — экранирование.
Механизмы экранирования
Экранирование электромагнитных взаимодействий обычно свя-
зывают с токопроводящими структурами (сплошными или пери-
одическими), которые поглощают или отражают энергию помехи.
Как известно, электромагнитный экран является обратимым, то есть
одновременно снижает мощность проникающих в экранированный
объем помех и сокращает эмиссию помех во внешнюю среду. В связи
с этим в статье используется термин «изоляция» как синоним терми-
на «экранирование».
С точки зрения необходимости снижения уровня перекрестных на-
водок и эмиссии помех экранирующие элементы печатной платы,
по крайней мере до гигагерцевого диапазона, находятся в ближней
зоне электрического и магнитного полей. Электрическое поле в ближ-
ней зоне может быть ослаблено при помощи отражающих или откло-
няющих экранов, в качестве которых могут выступать печатные про-
водники. На магнитное поле в ближней зоне эффективно действует
только заградительный «электрически толстый» поглощающий экран.
Поэтому в случае печатной платы магнитное поле помехи в первую
очередь должно быть снижено за счет уменьшения площади токовых
контуров сигналов, то есть расположения сигнальных проводников
как можно ближе к проводнику, несущему обратный ток.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
106
проектирование
электромагнитная совместимость
Как и для любого электромагнитного
экрана, эти элементы следует должным об-
разом заземлить (связать со слоем печатной
платы, несущим условно нулевой потенци-
ал). Теоретически экранирующие элемен-
ты на печатной плате, имеющие емкостную
связь с поверхностью питания (слоем, несу-
щим потенциал питания), могут также слу-
жить экранирующим элементом, поскольку
при повышении частоты обе эти поверхно-
сти оказываются шунтированы конденса-
торами развязки по питанию. Однако при
прочих равных условиях импеданс для про-
текания шумовых токов через поверхность
заземления заметно ниже. Здесь мы коснемся
вопросов соединения экранирующих эле-
ментов самой печатной платы с системой
заземления, хотя схема и конструктивное ис-
полнение системы заземления прибора име-
ют в данном случае решающее значение, так
как могут оказаться «слабым звеном» на пути
шумовых токов и значительно снизить эф-
фективность даже правильно выполненных
экранов.
Экранирование поверхностями
Эффективный метод экранирования сиг-
налов на многослойной печатной плате —
расположение их между заземляющими
поверхностями (или поверхностями для об-
ратных токов). Этот способ рекомендуют как
для сигналов — источников помех с часто-
той более 100 МГц, так и для чувствительных
к помехам сигналов. Печатные проводники,
расположенные между поверхностями пе-
чатной платы (полосковые линии), по срав-
нению с проводниками, находящимися
во внешних сигнальных слоях (микропо-
лосковые линии), очевидным образом изо-
лированы от внешней среды. Перекрестные
наводки между проводниками печатной пла-
ты можно снизить, обеспечив более плотное
прилегание сигнальных проводников к по-
верхности заземления (рис. 2). Этот эффект
объясняется меньшей шириной растекания
обратных токов по смежным поверхно-
стям [3], поскольку 90% обратного тока те-
чет в пределах 5 В в обе стороны от центра
сигнального проводника (здесь: В — высота
проводника над поверхностью заземления).
Другой эффективный способ снижения пе-
рекрестных наводок — ортогональная про-
кладка проводников в соседних сигнальных
слоях печатной платы.
Для снижения излучения помех с краев пе-
чатной платы все незаземленные проводни-
ки внутри печатной платы должны распола-
гаться не ближе 20В от края печатной платы
(где В — расстояние между слоями в печат-
ной плате, рис. 3). По краям платы должны
располагаться проводники заземления, кото-
рые таким способом формируют эффектив-
ный экран для сигналов печатной платы [4].
Однако существуют публикации, критикую-
щее ставшее традиционным «правило 20В».
Микрополосковая линия 1 Микрополосковая линия 2
90% обратного тока линии 2
Полосковая
линия
Плотность
распределения
обратного тока
] Поверхность
заземления
Сигнальные
проводники
] Диэлектрик
Рис. 2. Конфигурации сигнальных проводников печатной платы
с поверхностью заземления
Рис. 3. «Правило 20В»
Например, авторы исследования [5] отмеча-
ют пренебрежимо малый положительный
эффект от использования данного правила
на многослойных печатных платах и значи-
тельный отрицательный эффект (усиление
уровня излучаемых помех) — на двухсторон-
них печатных платах. Поэтому использовать
«правило 20В» на двухсторонних печатных
платах не следует.
Защитный контур
и шунтирующий проводник
Отклоняющее экранирование электриче-
ского поля выполняют, располагая заземлен-
ные медные проводники вокруг экранируе-
мых цепей. Они образуют так называемый
защитный контур (guard trace), обеспечива-
ющий изоляцию печатной платы в целом, ее
сегмента или точки ввода/вывода сигналов.
Этот контур должен быть соединен с систе-
мой заземления и не должен нести обратных
токов. Если на печатной плате предусмо-
трено экранирующе-защитное заземление,
то защитный контур должен быть соединен
с этим заземлением.
Строго говоря, такой способ не формирует
экранированного объема, но позволяет откло-
нить и замкнуть линии электрического поля
источника помехи. Для отклонения магнит-
ного поля аналогичным образом необходимо
использовать материал с высокой магнитной
проницаемостью (например, пермаллой), что
не реализуемо на печатной плате.
Поэтому основные правила защитного
контура таковы:
• его эффективность повышается с повыше-
нием импеданса в канале передачи сигнала;
• эффективность защитного контура для
снижения перекрестных наводок невели-
ка (по сравнению с эквивалентным раз-
несением на плате), но эффективность
экранирования сигнального проводника
от внешней среды достаточно высока.
Для высокочастотных цепей защитный
контур соединяют с поверхностью заземления
с использованием набора переходных отвер-
стий [6]. На квадрате, сторона которого равна
длине волны помехи, таких отверстий долж-
но быть несколько (насколько это позволяет
плотность расположения сигнальных линий).
Для изоляции магнитного поля помехи
чувствительные аналоговые сигналы и шу-
мящие высокоскоростные линии должны
быть проложены в слое, смежном с заземляю-
щей поверхностью. Если поверхность зазем-
ления на плате отсутствует, эти линии долж-
ны быть проложены вплотную к провод-
никам системы заземления (на однослойной
плате) или под/над ними (для двусторонних
плат). Этот параллельный проводник назы-
вается шунтирующим. В идеальном случае
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
электромагнитная совместимость прОвКТИрОВЗНИв
107
ширина шунтирующего проводника должна быть в три раза больше
ширины сигнальной линии для того, чтобы «собрать» все поле, об-
разованное сигнальным проводником. Заметим, что шунтирующий
проводник не обязательно должен быть соединен с системой зазем-
ления на печатной плате, так как несет обратный ток именно шунти-
руемого сигнала.
Оба приема экранирования (защитный контур и шунтирующий
проводник) могут быть использованы по отдельности или вместе.
Емкостное взаимодействие сигнального проводника в этом случае
будет минимизировано с помощью защитного контура, а индуктивное
взаимодействие — с помощью шунтирующего проводника. Для ми-
крополосковых и полосковых линий применение защитного контура
или шунтирующего проводника имеет смысл в тех случаях, когда во-
круг сигнального проводника отсутствует проводник (скажем, поверх-
ность заземления или питания), который находится ближе, чем экра-
нирующий проводник [7]. Например, для микрополосковой линии,
расположенной на расстоянии 0,2 мм над поверхностью заземления,
устройство защитного контура на расстоянии 0,3 мм от края линии
бессмысленно. Таким образом, на многослойных печатных платах эти
приемы экранирования малоэффективны в случае цифровых сигна-
лов, но вполне допустимы для защиты аналоговых сигналов.
Возьмем пример печатной платы, в которой проводники шириной
0,25 мм расположены на том же расстоянии от поверхности заземле-
ния (h = 0,25 мм) и на расстоянии d = 1 мм (между краями) по гори-
зонтали. В этом случае верхняя оценка уровня перекрестных наводок
может быть определена по формуле:
Рис. 5. Пример правильной раскладки защитных контуров
—2 « 6%(-25 дБ).
h
Запас по помехозащищенности для цифровых сигналов обычно
больше этого значения, и сигналы не будут искажены. Но такой уро-
вень перекрестных наводок может вызвать повышение уровня кон-
дуктивных высокочастотных синфазных помех в межплатных или
межблочных кабелях и, как следствие, повышенный уровень эмис-
сии помех. Для чувствительных аналоговых сигналов измерительных
цепей такой уровень перекрестных наводок тоже может оказаться
неприемлемым. В таком случае пара защитных проводников может
снизить уровень перекрестных наводок на несколько порядков.
Однако на двухсторонних печатных платах, на которых сигналь-
ный и обратный проводники проложены с разных сторон платы
на расстоянии 1,6 мм, защитный контур, расположенный как можно
плотнее к сигнальному проводнику, эффективно экранирует его.
В соответствии с формулой распределения обратных токов ширина
шунтирующего проводника должна быть не менее ЗВ и ЗШ одновре-
менно, где В и Ш — высота сигнального проводника над поверхно-
Рис. 4. Расположение защитного контура и шунтирующего проводника
относительно сигнальной линии
стью шунтирующего проводника и ширина сигнального проводника
соответственно (рис. 4).
Использование одной пары защитных проводников для несколь-
ких сигналов недопустимо. Два сигнала могут использовать пару
защитных проводников только на короткой дистанции совместной
прокладки (рис. 5).
Как любые другие экраны, защитные проводники и шунтирующие
проводники должны быть качественно заземлены. Незаземленные
защитные проводники как эффективно поглощают энергию помех,
так и излучают ее на соседние проводники. Защитные проводники
должны быть соединены с системой заземления как минимум в на-
чале и в конце защищаемого проводника. В идеале они должны быть
соединены переходными отверстиями с поверхностью заземления
(в случае многослойной печатной платы). Если защищаемый про-
водник «электрически длинный», то должно быть предусмотрено
заземление защитного проводника по всей длине с определенным
интервалом. Интервал заземления должен быть возможно ниже,
но на длине, равной «геометрической длине фронта сигнала» (рас-
стояние, проходимое электромагнитной волной за время, равное
времени фронта импульса), таких соединений должно быть не менее
трех. В этом случае необходимо избегать равных расстояний между
точками соединения с системой заземления, чтобы снизить доброт-
ность возможного резонанса на длине проводника (рис. 6).
Рис. 6. Определение количества точек соединения защитного контура
с системой заземления в зависимости от времени фронта цифрового сигнала
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
108
проектирование
электромагнитная совместимость
Длина защитного контура равна
длине сигнального проводника
Допустимое
удлинение
Недопустимое
удлинение
Рис. 7. Определение допустимой длины
защитного контура:
а) идеальный случай; б) приемлемо; в) неприемлемо
Эрик Богатин (Eric Bogatin) в [8] приводит
результаты моделирования взаимодействия
защитного контура с полем источника по-
мехи как для микрополосковой, так и для по-
лосковой линии. Объектом моделирования
являлись три конфигурации:
• проводник — источник помехи и провод-
ник — приемник помехи проложены па-
раллельно на расстоянии, равном ширине
проводника;
• источник помехи и приемник помехи раз-
несены на расстояние, равное утроенной
ширине проводника;
• между источником и приемником помехи
помещен защитный контур (расстояние
защитный контур — проводник равно ши-
рине проводника).
По результатам моделирования им сделан
ряд значимых выводов.
• В случаях, когда уровень перекрестных на-
водок в -50 дБ (особенно для цифровых
сигналов) достаточен, защитный контур
не обеспечивает преимуществ по сравне-
нию с простым разнесением на аналогич-
ное расстояние.
• Для микрополосковой линии уровень взаи-
модействия линии источника помехи и ли-
нии приемника помехи может даже уси-
литься по сравнению с разнесением линий
на соответствующее расстояние. Защитный
контур при этом незначительно усиливает
емкостное взаимодействие и также незначи-
тельно ослабляет индуктивное взаимодей-
ствие. Конечный результат зависит от им-
педанса линии, то есть низкоимпедансная
цепь может получить незначительное осла-
бление перекрестных наводок в присутствии
защитного контура. Снижение импеданса
заземления защитного контура в этом случае
не приносит результата. В целом использо-
вание защитного контура в конфигурации
микрополосковой линии нецелесообразно.
Переходные
отверстия
Рис. 8. Структура решетки из переходных отверстий с защитным контуром
• В конфигурации полосковой линии защит-
ный контур позволяет снизить перекрест-
ные наводки на ближнем конце до -70 дБ
(против -50 дБ при разнесении на со-
ответствующее расстояние). Защитный
контур в этом случае снижает емкостное
взаимодействие более чем в 10 раз, повы-
шая индуктивное взаимодействие в 2 раза.
Перекрестные наводки на дальнем конце
могут быть устранены. Защитный кон-
тур должен быть заземлен с обоих концов
с минимальной паразитной индуктивно-
стью. Длина защитного контура долж-
на соответствовать длине защищаемого
проводника, поскольку любое удлинение
защитного контура повышает импеданс
для шумовых токов. Допустимым счита-
ется случай, когда удлинение защитного
контура относительно защищаемых про-
водников необходимо для обеспечения
минимального зазора между печатными
проводниками (рис. 7).
Экранирование с использованием
«решетки из переходных
отверстий»
Этот способ обычно применяют для экра-
нирования полосковых линий, используе-
мых для передачи высокоскоростных сиг-
налов, в пределах одного сигнального слоя
[9, 10]. Аналогично методам экранирования
микрополосковых линий, этот метод при-
годен в тех случаях, когда разнесение про-
водников на расстояние, обеспечивающее
требуемое снижение уровня перекрестных
помех, невозможно из-за ограничений по га-
баритам.
Использование рядов металлизирован-
ных переходных отверстий, расположен-
ных вдоль полосковой линии, обеспечивает
изоляцию соседних по сигнальному слою
проводников. По существу, эта структура
имеет вид решетки, так как переходные от-
верстия объединены сверху и снизу поверх-
ностями заземления. Наличие копланарных
защитных проводников, расположенных
в сигнальном слое, дополнительно повыша-
ет эффективность такой решетки (рис. 8).
Экспериментально доказано, что решетка
переходных отверстий без защитных про-
водников снижает перекрестные наводки
на ближнем конце, но увеличивает пере-
крестные наводки на дальнем конце. При
этом решетка с защитными проводниками
снижает оба параметра. Уменьшение рас-
стояния между переходными отверстиями
позволяет повысить эффективность экрани-
рования, но при этом нужно следить, чтобы
сквозные переходные отверстия не образова-
ли разрыв для обратных токов в поверхности
заземления или питания. В этом случае пред-
почтительно использование технологии сле-
пых или внутренних переходных отверстий.
Близкое расположение решетки к защищае-
мой полосковой линии может также снизить
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
электромагнитная совместимость
п роекти рован ие
109
Металлизация по периметру всех слоев
Рис. 9. Возникновение помех между слоями печатной платы
и их взаимодействие с решеткой из переходных отверстий
что длина волны в диэлектрике должна быть определена с учетом ди-
электрической проницаемости материала. Таким образом, снижение
расстояния между отверстиями до 1,3 мм обеспечивает экранирова-
ние помех в частотном диапазоне до 15 ГГц. С повышением частоты
экранирование с использованием переходных отверстий теряет эф-
фективность [11]. Например, сигнал передачи данных на скорости
28 Гбит/с имеет пятую гармонику на частоте 70 ГГц, что требует со-
кращения расстояния между переходными отверстиями до 0,3 мм,
что обычно невозможно технологически. В этом случае вместо ре-
шетки из переходных отверстий должна быть использована сплош-
ная металлизация торца печатной платы (рис. 10).
Защитное кольцо
В отличие от цифровых низкоимпедансных цепей аналоговые
цепи часто являются высокоимпедансными и поэтому особо чув-
ствительными к воздействию электрического поля. Кроме того, запас
по помехозащищенности у аналоговых сигналов существенно ниже,
чем у цифровых. В качестве одной из мер защиты аналоговых сигна-
лов на печатной плате часто используют защитное кольцо, которое
«перехватывает» электрическое поле помехи и отводит шумовые
токи в систему заземления (возможно даже через резистор). Обычно
защитное кольцо выполняют для снижения токов утечки высоко-
импедансных сигналов, поэтому его применение позволяет получить
два эффекта одновременно. На рис. 11 приведены примеры исполь-
зования защитного кольца для изоляции входа операционного уси-
лителя при его включении по схеме неинветирующего и инвертиру-
ющего усилителя.
Рис. 10. Металлизация торца толстой печатной платы
(неметаллизированный участок защищен двойной решеткой из переходных отверстий)
КР140
УД8А
U вых
R
-UroiT
Рис. 11. Топология защитного кольца для инвертирующей и неинвертирующей схем
включения операционного усилителя:
а) инвертирующий усилитель; б) неинвертирующий усилитель
уровень ее изоляции. Поэтому расстояние от края полосковой линии
до края переходного отверстия должно быть как минимум в 4 раза
больше расстояния от полосковой линии до поверхности заземления.
Другое распространенное использование решетки из переходных
отверстий — экранирование помех, излучаемых с торцов печатной
платы. При протекании высокочастотных токов между слоями пере-
ходные отверстия действуют как излучатели электромагнитных по-
мех, радиально распространяющихся между слоями печатной платы
(рис. 9). Расположенные близко к краю печатные проводники высо-
кочастотных сигналов и шум на поверхностях питания или заземле-
ния также могут стать источником помех. При этом края поверхно-
стей заземления могут действовать как щелевая антенна, эффективно
излучая эту энергию в окружающее пространство. Решетка из пе-
реходных отверстий соединяет плечи щелевой антенны и образует
клетку Фарадея, снижая уровень излучаемых помех за счет их отра-
жения обратно в объем диэлектрика печатной платы. Рекомендуемое
расстояние между отверстиями должно быть меньше Х/8. Очевидно,
Заземляющие островки
Все высокоскоростные микросхемы должны иметь в слое их мон-
тажа заземленную площадку (островок) металлизации под корпусом.
Эта площадка является «миниатюрной поверхностью заземления»
[12]. По возможности переходные отверстия, соединяющие площад-
ку с поверхностью заземления, должны быть расположены напротив
выводов заземления (рис. 12). Большее количество переходных от-
верстий, соединяющих сигнальный слой с поверхностью заземле-
ния, обеспечивают снижение импеданса в системе заземления при
повышении частоты. Распределение таких отверстий по всей пло-
щади «островка» или «по периметру» поможет снизить влияние их
взаимной индуктивности на общую индуктивность соединения (со-
единение группой вплотную расположенных переходных отверстий
требует учета взаимной индуктивности). Такой прием особенно эф-
фективен в тех случаях, когда между высокоскоростным компонен-
том (например, генератором тактовых импульсов) и поверхностью
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
110
проектирование
электромагнитная совместимость
о
о
о
о
Островок
заземления
над линией
тактовых
импульсов
Островок заземления
под корпусом сигнального
процессора
р
о
корпус
Островок
заземления
под корпусом
генератора
тактовых
импульсов
Винт крепления
печатной платы
(электрическое
соединение
с корпусом прибора)
Токопроводящая стойка крепления
печатной платы
Рис. 12. Пример организации островков заземления
Рис. 13. Взаимодействие линий электрического поля
с заземленными участками металлизации и поверхность заземления:
а) без заполнения металлизацией и поверхности заземления;
б) с заполнением металлизацией, но без поверхности заземления;
в) без заполнения металлизацией, но с поверхностью заземления
заземления на многослойной печатной плате располагается еще один
сигнальный слой. В этом случае предпочтительнее использовать еще
один заземленный островок, защитив и линию тактовых импульсов.
Дополнительно повысить эффективность островка в данном случае
можно, обеспечив соединение островка с корпусом прибора через
опорную стойку печатной платы. Недостаток такой технологии со-
стоит в том, что островок обычно не покрывает всего пути тактового
сигнала, что снижает эффективность изоляции его шумов.
Металлизация свободных областей
В завершение можно упомянуть, что на печатных платах все сво-
бодное от сигнальных проводников пространство должно быть за-
нято заземленными проводниками, которые выполняют роль как
отклоняющего (для электрического поля) экрана, так и заградитель-
ного (для проводников под заземленными проводниками) экрана.
Для производителей многослойных печатных плат автоматическое
заполнение металлизацией всего свободного пространства в сигнальных
слоях помогает поддерживать симметрию структуры печатной платы.
Преимущество металлизации свободного пространства для двух-
слойных печатных плат особенно велико. Механизм отклонения
линий электрического поля проводниками металлизации показан
на рис. 13. Линии электрического поля находят наиболее короткий
путь, замыкаясь на ближайший заземленный проводник.
На многослойных печатных платах влияние металлизации свобод-
ного пространства на перекрестные наводки ничтожно, поскольку
поверхность заземления обычно находится гораздо ближе к провод-
нику — источнику помехи, чем металлизация.
Проводники металлизации аналогично защитному контуру по-
вышают изоляцию по электрическому полю помехи, поэтому в ана-
логовых высокоимпедансных схемах ее эффективность больше, чем
в цифровых.
Недостатки и ограничения структур экранирования
• Широкий заземляющий островок или металлизация заземления-
могут исказить конфигурацию полосковой линии, приводя к ло-
кальному скачку волнового сопротивления в окрестности островка
(рис. 14). Результатом этой неравномерности могут стать повы-
шенный уровень отражений в линии, звон на фронте и срезе сиг-
нала. Аналогично действует решетка из переходных отверстий при
ее локальном использовании.
• Широкий заземляющий островок или металлизация могут нару-
шить конфигурацию полей в окрестности симметричной диффе-
ренциальной линии (например, линии LVDS). Это обычно наруша-
ет симметрию такой линии и приводит к искажению передаваемого
сигнала. Использование защитных проводников с одной стороны
от таких линий недопустимо по той же причине. Защитные про-
водники должны быть расположены с обеих сторон от дифферен-
циальной линии. Кроме того, для снижения уровня ретрансли-
руемых защитным проводником помех расстояние «сигнальный
проводник — защитный проводник» должно быть в 2 раза больше
расстояния между сигнальными проводниками в паре.
• Заземляющий островок, защитный проводник или поверхность ме-
таллизации подвержены резонансу, то есть способны повышать уро-
вень помех до 12 дБ [6] по сравнению со случаем, когда эти защит-
ные меры не использованы. Неподключенная область металлизации
на печатной плате может стать также антенной для помех, поэтому
ее необходимо соединить с системой заземления. Области метал-
лизации с отношением длина/ширина более 10 должны быть со-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
электромагнитная совместимость прОвКТИрОВЗНИв
111
Защитный контур с решеткой переходных отверстий вдоль края печатной платы
Рис. 14. Недопустимое использование элементов экранирования совместно с линиями передачи
высокоскоростных сигналов
единены с поверхностью заземления пере-
ходными отверстиями с противоположных
краев. При наличии СВЧ-помех переходные
отверстия должны располагаться с шагом
не более Х/10 (с учетом снижения скорости
распространения электромагнитной волны
в диэлектрике печатной платы).
• На многослойных печатных платах ис-
пользование металлизации свободного
пространства печатной платы может слу-
жить эффективным теплоотводом при ав-
томатической пайке, что снижает качество
пайки. С другой стороны, металлизацию
часто используют для отвода излишков
тепла, выделяемого компонентами, что по-
могает избежать использования дополни-
тельного радиатора. Кроме того, соедине-
ние металлизации с поверхностью заземле-
ния сквозными переходными отверстиями
повышает плотность перфорации других
поверхностей питания и заземления. Для
предотвращения данного явления необ-
ходимо использовать слепые переходные
отверстия.
• Экранирование с помощью ряда переход-
ных отверстий (особенно двойного ряда)
по краю печатной платы часто делает
невозможным использование миниатюр-
ных интерфейсных соединителей из-за
необходимости их переноса на несколько
миллиметров к центру.
Инструменты разработчика
Выбор эффективных конструкторских
решений по обеспечению ЭМС для каждо-
го конкретного случая — непростая задача.
Еще сложнее выбрать те мероприятия, ко-
торые будут оптимальными с точки зрения
не только электромагнитной совместимости,
но и комплекса функциональных и массо-
габаритных параметров, стойкости к внеш-
ним воздействиям.
Для решения этих задач в минимальные
сроки можно воспользоваться консультаци-
онными услугами специалистов, включая
мониторинг электромагнитной обстановки
на изделии и экспертизу изделия или проекта
с точки зрения ЭМС на стадии разработки
конструкторской документации.
Для системной работы по обеспечению
электромагнитной совместимости разра-
батываемых изделий понадобится коллек-
тив с глубокими знаниями в этой области.
К примеру, ООО «СЕРП» разработало курс
«Электромагнитная совместимость каналов
передачи электрических сигналов», который
сочетает практический опыт сотрудников, по-
лученный при наладке электронных систем,
с последними исследованиями в области ЭМС.
Однако даже наличие коллектива высоко-
квалифицированных специалистов сегодня
не гарантирует успешной работы в будущем.
Специалисты — носители квалификации,
имеющие бесценный опыт успешных ре-
шений и ошибок, могут перейти на другие
предприятия, снижая потенциал подготов-
ленного коллектива. Поэтому систематиза-
ция накопления и распространения знаний
на предприятии — важная стратегическая
задача. Одним из автоматизированных ин-
струментов работы с этими знаниями явля-
ются экспертные системы. Разработанная
в ООО «СЕРП» экспертная система «S-EMC-
экспертиза» предназначена для формиро-
вания базы знаний по вопросам электро-
магнитной совместимости с возможностью
доступа к ней как в ручном режиме (режиме
«советчика»), так и в автоматическом режиме
(режиме «автоматизированной оценки тех-
нических решений»).
Экспертная система, разрабатываемая
группой компаний «СЕРП» и интегрируе-
мая в единое информационное пространство
организации, предназначена для информа-
ционной поддержки принятия технических
решений инженера-конструктора при обе-
спечении электромагнитной совместимости
на всех этапах разработки.
Основные задачи, решаемые экспертной
системой:
• оценка текущего состояния конструкции;
• разработка рекомендаций по переводу
конструкции изделия в «идеальное со-
стояние», соответствующее техническим
требованиям;
• прогнозирование последствий отдельных
мероприятий по переводу конструкции
в «идеальное состояние» или произволь-
ного их набора.
Для выполнения этих задач ПО «S-EMC-
экспертиза» обеспечивает:
• централизацию баз данных и знаний
(правил) в пределах единого информаци-
онного пространства предприятия поль-
зователя и программно-определяемые ал-
горитмы обработки и принятия решения
на рабочем месте инженера-конструктора;
• не ограниченную по времени возможность
возврата к прежнему содержанию правила
для защиты базы знаний от намеренного
повреждения;
• поддержку итеративного процесса проек-
тирования, допускает возврат на ранние
стадии проектирования для внесения необ-
ходимых изменений;
• выдачу рекомендаций по выбору опти-
мального варианта в соответствии с вве-
денными целевыми параметрами;
• обучение системы путем формирования
новых «правил» на основе цикла «реко-
мендации-реализация-верификация ре-
зультата» и ввода данных верификации
инженером-конструктором.
Автоматический режим работы эксперт-
ной системы включает анализ взаимодей-
ствий элементов «матрицы электромагнит-
ной совместимости» системы и вывод переч-
ня возможных мероприятий для каждого
факта «несовместимости». Далее пользова-
тель может выбрать автоматически рекомен-
дованный набор мероприятий из перечня
или изучить альтернативные возможности,
комбинируя мероприятия из предоставлен-
ного ему перечня. Последний режим пред-
назначен для работы на начальном этапе экс-
плуатации системы и позволяет проводить ее
«обучение» в полуавтоматическом режиме.
«Матрица электромагнитной совместимо-
сти» на уровне электронной системы должна
быть сформирована на стадии эскизного про-
ектирования. Эта матрица предназначена для
анализа совместимости входящих в систему
электронных блоков, соединяющих их кабе-
лей и экранирующих конструкций, обеспечи-
вающих деление системы на «электромагнит-
ные зоны» (например, монтажных шкафов).
Анализ на данном уровне представляет собой
наиболее сложную задачу и на начальном эта-
пе эксплуатации экспертной системы должен
опираться на требования государственных
и отраслевых стандартов по эмиссии электро-
магнитных помех и чувствительности к ним.
По мере обучения экспертной системы нако-
пление новых правил позволит использовать
более гибкий набор требований по ЭМС к от-
дельным электронным блокам, что приведет
к улучшению массогабаритных и функцио-
нальных характеристик электронной системы
в целом. Результаты этого анализа головной
исполнитель электронной системы (предпри-
ятие или головное подразделение на предпри-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
112
проектирование
электромагнитная совместимость
ятии) может использовать для выдачи технических заданий соиспол-
нителям по проекту (отдельным предприятиям-соисполнителям или
подразделениям-соисполнителям в рамках одного предприятия).
Анализ «матриц электромагнитной совместимости» на уровне
электронного блока предусматривает учет взаимодействий отдель-
ных печатных плат, внутриблочного монтажа и корпусных деталей.
Этот анализ обычно выполняется группой разработчиков на этапе
рабочего проектирования. В основе анализа лежат как электрические
параметры стандартных комплектующих (например, блок питания
или индикаторный модуль), так и результаты предварительного мо-
делирования характеристик разрабатываемых функциональных мо-
дулей (например, печатных плат).
Самым простым с точки зрения детерминированности является
анализ «матриц электромагнитной совместимости» на уровне функ-
циональных модулей (в том числе печатных плат). Основа анализа —
электрические параметры элементов схемы из базы данных и уравне-
ния классической теории поля. Экспертная система предусматривает
возможность интеграции со стандартными программными пакетами
моделирования электромагнитных взаимодействий на печатных пла-
тах путем импорта в систему выходных данных этих пакетов. Поэтому
по желанию заказчика экспертная система может использовать эти
данные в качестве источника для формирования новых правил своей
базы знаний (для последующей автономной работы) или в качестве
исходных данных для анализа на уровне электронного блока.
Эта система завершает линейку ООО «СЕРП» по направлению
«Электромагнитная совместимость».
Выводы
Наиболее эффективным средством изоляции сигналов на печат-
ной плате является пара поверхностей (питание-заземление или за-
земление-заземление), которые обеспечивают для полосковых ли-
ний ослабление взаимодействия сигналов как с внешней средой, так
и между собой в пределах печатной платы. Большинство описанных
приемов экранирования в большей или меньшей степени заменя-
ют поверхность заземления при ее отсутствии в структуре платы.
Исключением является экранирование с помощью переходных от-
верстий, которое может быть использовано совместно с полосковой
линией для снижения перекрестных наводок и ослабления эмиссии
помех с торцов платы. В связи с вышеизложенным использование
многослойных печатных плат, содержащих в своей структуре по-
верхности питания и заземления, является обязательным для обеспе-
чения высоких параметров электромагнитной совместимости раз-
рабатываемой аппаратуры. Для оптимизации технических решений
эффективно применение специальных программных продуктов —
экспертных систем.
Литература
1. Gonschorek К.-H., Vick R. Electromagnetic Compatibility for Device Design and
System Integration. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2009.
2. Armstrong K. Design Techniques for EMC and signal integrity. Part 5: PCB design
and layout. Cherry Clough Consultants, 5 March 2007.
3. Mardiguian M. Controlling Radiated Emissions by Design. Springer International
Publishing, Switzerland, 2014.
4. Montrose M. I. Printed circuit board design techniques for EMC compliance.
A Handbook for Designers. The Institute of Electrical and Electronics, 2000.
5. Chen H., Fang J. Effects of 20-H Rule and Shielding Vias on Electromagnetic
Radiation From Printed Circuit Boards. IEEE 9th Topical Meeting on Electrical
Performance of Electronic Packaging, 2000.
6. Rostamzadeh C. Experimental Investigation of PCB Guard Traces on Radiated
EMI. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2006.
7. Joffe E.B., Lock K.-S. Grounds for grounding. A Circuit-to-System Handbook.
Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2010.
8. Bogatin E. Dramatic Noise Reduction using Guard Traces with Optimized
Shorting Vias. Teledyne LeCroy Whitepaper, 2013.
9. Lindseth W. Effectiveness of PCB perimeter Via fencing: Radially propagating
EMC emissions reduction technique. IEEE International Symposium on
Electromagnetic Compatibility, 2016.
10. Suntives A., Khajooeizadeh A., Abhari R. Using Via Fences for Crosstalk
Reduction in PCB Circuits. IEEE International Symposium on Electromagnetic
Compatibility, 2006.
11. Simonovich B. Controlling Electromagnetic Emissions from PCB Edges in
Backplanes. LAMSIM Enterprises Inc Whitepaper, 2017.
12. EMC Design Guide for Printed Circuit Boards. Ford Motor Company
Engineering Specification # ES-3U5T-1B257-AA, 2002.
НОВОСТИ источники питания
DC/DC-конвертеры RECOM размером 1x1" для сложных условий ж/д эксплуатации
Спектр ж/д конвертеров компании RECOM рас-
ширен новой серией DC/DC RP12-AR мощностью
12 Вт размером 1x1".
DC/DC-преобразователи серии RP12-AR раз-
работаны для применения на подвижном составе,
а также могут использоваться для систем с высоко-
вольтными батареями. Благодаря входному диапа-
зону (5:1) 3—160 В DC, с повышением до 185 В DC
в течение 1 с, их можно применять в ж/д системах
с питанием 48,72,96 и 110 В DC. Конструкция вклю-
чает фильтр класса А. Доступны версии с одинар-
ным или двуполярным выходом от 3,3 до +24 В.
Высокий КПД до 90% позволяет модулям рабо-
тать в широком диапазоне температур —40...+88 °C
без снижения выходной мощности. Работа с полной
нагрузкой не требует ни принудительного охлажде-
ния, ни дополнительного радиатора. Конвертеры
серии RP12-AR оснащены защитой от пониженного
и повышенного напряжения, КЗ и перегрузки. Они
снабжены маркировкой СЕ и поставляются с гаран-
тией три года. www.recom-power.com
630020, г. Новосибирск, ул. Окружная, 29В
тел. +7 383 274 47 70
факс +7 383 274 47 80
www.nec-nsk.ruorder@nec-nsk.ru pcb@nec-nsk.ru
о_
Москва,105275
ул. Уткина Дом 40
АО ТЕХНО
Тел.:(495)735-4429
http://www.techno.ru
e-mail :ywg@techno.ru
Электромагнитная совместимость
Материалы и компоненты
Прокладки ЭМС
Токопроводящие силиконы
Токопроводящие ленты
Токопроводящая ткань
Сотовый вентиляционные решетки
Защитные экраны ЭМС
Материалы для безэховых камер
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
I TRACO POWER
Серия THN 15N - DC/DC-преобразователи
с КПД до 91%
4
от -40°C
ДОСТУПНЫ ОБРАЗЦЫ :
□
□
с;
*
(D
www.ptelectronics.ru
info@ptelectronics.ru
8 800 333 63 50
ELECTRONICS
Innovations & Technologies
Внутренний фильтр EN 55032 класс А
Диапазон рабочих температур от -40 до +70 °C
без ухудшения характеристик
Низкое энергопотребление без нагрузки 96-ЗЗБ мВт
Мощность 15 Вт
Широкий диапазон входного напряжения (2:1):
9-18,18-36, 36-75 В
Защита от перегрузки, перенапряжения и
короткого замыкания
Дистанционное включение / выключение и
функция регулировки выходного напряжения
3 года гарантии
до +70
114 новые технологии
Портативный терагерцевый
квантово-каскадный лазер
Артур ЛЕММИНГ
Петр ШОСТАКОВСКИЙ
В статье изложено решение задачи создания портативного лазерного излу-
чателя терагерцевого диапазона частот с охлаждением чипа квантово-ка-
скадного лазера до температуры 170 К. Приведены результаты испытаний,
исследований.
Терагерцевый (ТГц) диапазон частот
электромагнитного излучения рас-
положен между инфракрасным
и сверхвысокочастотным диапазонами. Он
устраняет разрыв между микроволновым
и инфракрасным (ИК) диапазонами и зани-
мает интервал частот Зх10п-Зх1012 Гц (диа-
пазон длин волн 1-0,1 мм). ТГц-излучение —
не ионизирующее. Волны ТГц-излучения
проникают сквозь диэлектрики, такие как
бумага или пластик, отражаются от матери-
алов со свободными электронами, например
от металлов, и поглощаются молекулами
с определенными уровнями вибрации в пре-
делах ТГц-диапазона. Терагерцевая спектро-
скопия поглощения или отражения, полу-
чение изображений биологических и других
объектов, ТГц-томография и спектроскопия
ТГц-зондирования являются предметами
обсуждения на научных конференциях, где
поднимаются вопросы о возможности ис-
пользования данного типа спектроскопии
в таких областях, как промышленное произ-
водство, фармацевтика, наука. ТГц-диапазон
частот (субмиллиметровый диапазон элек-
тромагнитных волн) начал активно разви-
ваться с 60-70-х годов XX века, когда стали
доступны первые источники и приемники
такого излучения.
Приведем ряд привлекательных физиче-
ских свойств терагерцевого диапазона:
• недостижимая в настоящее время скорость
передачи данных на несущей частоте ТГц-
диапазона;
• высокая точность радиолокационных ис-
следований;
• относительная безопасность излучения для
живых организмов;
• возможность создания приборов, видящих
сквозь непрозрачные преграды;
• возможность идентифицировать веще-
ства на расстоянии (взрывчатые вещества,
вредные выбросы и др.).
Перечисленные свойства определяют пер-
спективные области применения:
• исследование материалов;
• неразрушающий контроль;
• фармацевтическая промышленность;
• медицинская диагностическая техника;
• производство полупроводников;
• средства обеспечения безопасности;
• средства лазерной спектроскопии.
К недостаткам электромагнитного излуче-
ния ТГц-диапазона в первую очередь нужно
отнести высокие затухания в атмосфере и за-
висимость от атмосферных явлений. Это ста-
новится ограничением при построении систем
связи и радиолокации с дальностью свыше
1 км. Высокое затухание в атмосфере ставит
под сомнение возможности спектроскопии
на заметных расстояниях (десятки метров).
Однако преимущества ТГц-диапазона за-
ставляют ученых и инженеров проводить ис-
следования, разрабатывать прототипы буду-
щих приборов и устройств.
Известные сегодня источники ТГц-волн
вне зависимости от технологии построения
обладают низкой энергетической эффек-
тивностью преобразования (<1%). Это в со-
четании с малым размером самих устройств
излучения определяет высокую плотность
тока электрического питания и выделя-
емой тепловой мощности. Так, для полу-
чения непрерывного сигнала с мощностью
100 мВт необходимо обеспечить отвод тепла
порядка 10 Вт.
Одним из наиболее перспективных на-
правлений развития технологий ТГц-источ-
ников стали квантовые каскадные лазеры
(ККЛ). Развитию этого направления уде-
лялось большое внимание последние годы,
о чем свидетельствует ряд публикаций оте-
чественных и зарубежных авторов [1, 3, 6].
ККЛ по сравнению с другими источниками
ТГц-диапазона обладают преимуществами
лазерного излучателя — узкой направленно-
стью когерентного излучения. Недостатком
такого источника является необходимость
охлаждать кристалл ККЛ до криогенных тем-
ператур для получения когерентного луча
узкой направленности. При этом от кри-
сталла необходимо отводить значительное
Джоулево тепло. Для решения этой задачи
в лабораторных условиях применяются
крупногабаритные криогенные установки
и дорогостоящие криогенные холодильни-
ки Стирлинга (цены начинаются от десятков
тысяч долларов).
Построение портативной системы ТГц-
излучателя на основе ККЛ стало задачей
для международного коллектива, в кото-
рый вошли инженеры компаний eagleyard
Photonics (Германия) и КРИОТЕРМ (Россия).
Также в консорциум вошли научные спе-
циалисты германских университетов HUB
и TU Wien. Проект получил наименование
“COMTERA-Compact Cryogenic-Free Portable
Terahertz Laser System” («Портативная ла-
зерная система терагерцевого диапазона без
криогенного охлаждения»).
Основой для принятия решения о начале
работы по созданию портативной системы
ТГц-излучателя послужило сотрудничество
ученых берлинского университета HUB с ин-
женерами компании КРИОТЕРМ по исполь-
зованию многокаскадных термоэлектриче-
ских модулей (тепловых насосов) общепро-
мышленного применения [4]. Полученные
результаты тестирования позволили перейти
к обсуждению создания специализирован-
ного термоэлектрического теплового насоса
(ТТН) для решения задачи отвода тепла и ох-
лаждения чипа ККЛ.
Преимуществом международного консор-
циума стал прямой доступ к лучшим ноу-хау
в области термоэлектрического охлаждения,
изготовлению термоэлектрической системы
охлаждения на базе новейших достижений
компании КРИОТЕРМ [5], изготовлению ла-
зерных чипов ТГц-диапазона (HUB, TUW),
а также прямой доступ к передовому опыту
сборки системы и в будущем — к между-
народному рынку через существующую мар-
кетинговую сеть.
Сформулированы следующие технические
требования к системе:
• диапазон частот: 2-6 ТГц;
• скважность импульсов: 1-10%;
• пиковая мощность: 100 мВт;
• длительность импульсов: 100-500 нс;
• размер корпуса: 100x80x60 мм;
• охлаждение чипа ККЛ до температуры
170 К.
Ожидаемым результатом кооперативно-
го проекта стала демонстрация сборки ТГц-
лазера с охлаждением термоэлектрическим
твердотельным тепловым насосом на эф-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
новые технологии
115
Рис. 1. Квантово-каскадный lnGaAs-лазер
ТГ ц-диапазона
фекте Пельтье. Для того чтобы компактный
ТГц-лазер стал реальностью, требовалось
обеспечить охлаждение тепловыделяющего
полупроводникового устройства до темпера-
туры ниже -100 °C с помощью ТТН.
В качестве лазерного источника ТГц-диа-
пазона использован InGaAs квантово-каскад-
ный лазер (ККЛ) (InGaAs-THz-QCL). Для ох-
лаждения был выбран полупроводниковый
тепловой насос на эффекте Пельтье, разрабо-
танный и изготовленный с применением со-
временных технологий и инноваций. Это по-
зволило сделать большой шаг вперед по сни-
жению габаритов системы охлаждения ККЛ,
перейти к его портативной конструкции.
В процессе выполнения проекта кри-
сталлы ККЛ (рис. 1) были произведены TU
Wien на современном оборудовании эпитак-
сии InGaAs, подробная информация о кон-
струкции THz QCL описана в [2]. Инженеры
берлинского университета Гумбольдта снаб-
дили чипы ККЛ проводниками.
Геометрические размеры чипа ККЛ, а так-
же ширина волновода имеют прямое вли-
яние на потребляемую мощность и потери
тепла. Одной из промежуточных задач стал
баланс между потерей тепла и выходной
мощностью лазера.
Для снижения тепловыделения были при-
менены материалы с трудновыполнимыми
ограничениями:
• устойчивость материалов к воздействию
широкого интервала температур от ком-
натной до 170 К;
• хорошая теплопроводность компонентов,
а также их соединений;
• совместимость коэффициентов теплового
расширения элементов конструкции;
• специальные материалы соединений эле-
ментов конструкции, обеспечивающие
компенсацию различающихся коэффи-
циентов теплового расширения элементов;
• сведение к минимуму тепловых потерь
конструкции.
В результате оценок и предварительных
расчетов тепловых потерь выяснилось, что
суммарный тепловой поток от ТТН невоз-
можно отвести в окружающую среду с по-
мощью непосредственного воздушного ох-
лаждения. Более эффективное охлаждение
кристалла ККЛ и отведение тепла от ТТН
требовали применения компактного жид-
костного охлаждения, способного поддер-
живать температуру основания корпуса кон-
струкции на уровне комнатной.
Наибольшую часть объема устройства
COMTERA занимает ТТН, разработанный
специально для данного проекта компанией
КРИОТЕРМ. Минимизация размеров и оп-
тимизация соотношений сторон теплового
насоса позволили спроектировать и создать
корпус с минимальными размерами и следу-
ющими особенностями:
• для снижения тепловых потерь и предот-
вращения конденсации влаги корпус вы-
полнен с возможностью вакуумирования;
• применены вакуумные электрические
вводы для подключения лазера, ТТН, дат-
чиков;
• предусмотрена возможность многократ-
ного применения корпуса с заменой дат-
чиков, лазера, ТТН, окна;
• подобраны и протестированы материалы,
которые обеспечивают длительную устой-
чивую работу устройства без постоянного
функционирования вакуумного насоса.
Отдельно следует остановиться на созда-
нии новейшего ТТН, обеспечившего успех
проекта. Перед началом работы был прове-
ден анализ доступных ТТН на мировом рын-
ке, показавший отсутствие подобных реше-
ний в промышленном выпуске. Разработка
новой конструкции ТТН была выполнена
с учетом требований достижения темпера-
туры 170 К при работающем ККЛ. Были рас-
смотрены различные варианты конструкции,
отличающиеся числом каскадов охладителя,
холодильной мощностью каждого каскада,
техническими возможностями отвода теп-
ла с горячей стороны ТТН. Отдельной зада-
чей, определявшей успех разработки, стало
создание специального термоэлектрическо-
го вещества, имеющего максимальную эф-
Рис. 2. Пятикаскадный термоэлектрический тепловой насос
фективность на низких температурах, при
которых эксплуатируются верхние каскады
ТТН. Специальные конструкторские реше-
ния разработаны для компенсации различ-
ных по величине тепловых коэффициентов
расширения элементов конструкции ТТН
(термоэлектрических элементов, керамиче-
ских подложек, токопроводящих элементов,
припоев и др.).
В результате проведенных работ создан
пятикаскадный ТТН, получивший обозна-
чение ТВ-5-(198-95-43-20-10)-1.4-1.2 [7],
с габаритными размерами: высота 36 мм, ос-
нование 89x81 мм. На базе конструктивной
модификации данного ТТН создана сбор-
ка на основании (рис. 2). Была разработана
и согласована участниками соответствую-
щая требованиям конструкция устройства
COMTERA (рис. 3), что позволило перейти
к заключительному этапу. Компактность
и мобильность системы COMTERA являются
инновациями, достигнутыми в ходе реализа-
ции проекта.
Перед началом изготовления для достиже-
ния устойчивой работы при температурах,
необходимых для функционирования ККЛ,
все компоненты конструкции потребовали
независимого тестирования при температу-
ре 170 К в пределах регламентов специфика-
ции. Необходимость испытания отдельных
компонентов конструкции на криогенном
испытательном стенде во время сборки ус-
ложнили работы, однако это позволило при-
близиться к требуемому результату по на-
дежности (долговечности).
На первых образцах была получе-
на разность температур порядка 100 К.
Поставленная цель охладить чип ККЛ
до 170 К была достигнута только после при-
нятия ряда мер:
• улучшения тепловой изоляции корпуса;
• оптимизации потока рабочей жидкости
через охладитель ТТН;
• повышения эффективности охлаждения
рабочей жидкости.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
116
новые технологии
Указанные меры позволили достичь от-
личного результата. Первые испытания
оптимизированной конструкции показали
возможность достижения низких температур
охлаждения чипа ККЛ до -96,6 °C (рис. 4).
Дальнейшие работы были направлены
на оптимизацию крепления чипа ККЛ, по-
вышение эффективности теплопередачи
от него к ТТН, снижение потерь из-за нате-
кания тепла к чипу через элементы конструк-
ции. Это позволило достичь важного сниже-
ния температуры чипа еще на 3 К.
Оптимизация параметров элементов си-
стемы тестирования, включая блоки пита-
ния, измерительные приборы, режимы
работы ТТН, позволила устойчиво воспро-
изводить охлаждение чипа до заданной тем-
пературы 170К(-103°С). Были проведены
длительные испытания на устойчивость
непрерывной работы (свыше 60 ч). Авторам
статьи неизвестны подобные результаты тер-
моэлектрического охлаждения электронного
устройства в значительном по размерам кор-
пусе с пассивной тепловой нагрузкой.
В подготовленном в феврале 2019 года за-
ключительном отчете компании eagleyard
Photonics приведены результаты по обнару-
жению и идентификации различных газов.
Описывается работа ТГц QCL (F = 3,9 ТГц)
при Т = -102 °C, охлаждаемого пятикаскад-
ным ТТН (элементом Пельтье), в корпусе
Eagleyard Photonics COMTERA и демонстри-
руется обнаружение различных газов (ам-
миак, метанол, этанол, изопропанол, ацетон
и водяные пары).
Характеристики ККЛ измерялись в им-
пульсном режиме с предварительной вы-
держкой чипа ККЛ при самой низкой тем-
пературе ТТН 170 К (без тепловой нагрузки).
Скважность сигнала изменялась от 2 до 10%.
Длительность импульса поддерживалась по-
стоянной, равной 250 нс. При скважности 2%
повышение температуры теплоотвода в про-
цессе эксплуатации было незначительным
(в пределах 1 К, то есть температура тепло-
отвода в процессе эксплуатации была почти
постоянной, равной 171 К). При большей
скважности сигнала температура радиато-
ра значительно возрастала. Максимальная
Реклама
ПЛАТЫ ПЕЧАТНЫЕ
опытное и серийное производство,
проектирование, монтаж
КОНТРАКТНАЯ РАЗРАБОТКА
Окно
Печатная плата
Рис. 3. Основные элементы конструкции устройства COMTERA
Рис. 4. Устройство COMTERA в процессе испытаний
импульсная мощность составила 5 мВт при
171 К и при токе питания 2 А.
При скважности сигнала 2% проведена
демонстрация абсорбции различных газов
ТГц-излучения.
Литература
1. Khabibullin R. A., Shchavruk N. V., Pavlov A. Yu.,
Klochkov A. N., Ponomarev D. S., Glinskiy I. A.,
Maltsev P.P. Terahertz Quantum-Cascade Laser
Based on the Resonant-Phonon Depopulation
Scheme // Fundamental and Applied Problems of
Terahertz Devices and Technologies. 2017. May.
2. Kainz M. et al. High-Power Growth-
Robust InGaAs/InAlAs Terahertz Quantum Cascade
Lasers Brandstetter // ACS Photonics. 2018. No. 5.
3. Zederbauer T. M., Kainz M. A., Krall M.,
Schonhuber S., Detz H., Schrenk W., Andrews A.M.,
Strasser G., Unterrainer K. InAs Based Terahertz
Quantum Cascade Lasers // Appl. Phys. Lett. 2016.
No. 108.
4. Иоффе А. Ф., Стильбанс Л. С., Иордани-
швили E. К., Ставицкая T. С. Термоэлектри-
ческое охлаждение. АН СССР, 1956.
5. Шостаковский П. Г. Разработка термоэлектри-
ческих систем охлаждения и термостатирова-
ния с помощью компьютерной программы
KRYOTHERM // Компоненты и технологии.
2010. № 8, 9.
6. Иконников А. В., Маремьянин К. В.,
Морозов С. В., Гавриленко В. И., Павлов А. Ю.,
Щаврук Н. В., Хабибуллин Р. А., Резник Р. Р.,
Цырлин Г. Э., Зубов Ф. И., Жуков А. Е.,
Алферов Ж. И. Генерация терагерцевого излуче-
ния в многослойных квантово-каскадных гетеро-
структурах // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. Вып. 7.
7. www.kryotherm.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
НОВОСТИ трансформаторы
117
Планарный трансформатор 60743 от Pay ton
для импульсных источников питания до 15 кВт
Компания Payton Planar Magnetics представи-
ла планарный трансформатор 60743 семейства
SIZE 5000, предназначенный для использования
в мощных импульсных источниках питания.
Планарный трансформатор 60743 представляет
собой низкопрофильное решение для приложе-
ний, работающих с очень высокой мощностью
(таких как тяговое оборудование, индукционное
нагревание и т.д.). Применение данного транс-
форматора обеспечивает высокий КПД, низкий
уровень наводимых электромагнитных помех и от-
личную повторяемость параметров в широком диа-
пазоне рабочих температур.
Конструктивно планарный трансформатор со-
стоит из нескольких пластин с нанесенными на них
витками обмотки и изоляционных пластин, отде-
ляющих пластины обмотки друг от друга. Обмотка
трансформатора выполнена в виде дорожек
на печатных платах или участков меди, нанесен-
ных на плату печатным способом. Все слои раз-
мещаются друг над другом и удерживаются двумя
частями ферритового сердечника. Выпускается
в корпусе размерами 180x130x50 мм.
Основные характеристики планарного транс-
форматора 60743:
• Общая выходная мощность (после выпрямле-
ния): 15 кВт (150 В DC/100 A DC).
• Допустимая рабочая частота трансформатора:
50 кГц.
• Топология источника питания: полумостовой
токовый удвоитель.
• Диапазон входных напряжений: 430—590 В DC.
• Ток на первичной обмотке (max): 78,7 А с.к.з.
(81,3 А амплитудное значение).
• Коэффициент трансформации (максимальный
ток вторичной обмотки — 48,4 Arms): 4:6.
• Расчетные потери мощности: 64 Вт.
• Рабочий температурный диапазон: —40...+60 °C.
www.icquest.ru
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
118
технологии кабели
Плоский кабель
знакомый и неизвестным
Светлана ПЕСКОВА
Самое главное преимущество плоского кабеля перед другими разновид-
ностями — он быстро монтируется на разъем. Однако его иные особен-
ности приводили скорее к ограничениям в применении. Компания ЗМ
смогла исправить это положение и предложила плоский кабель для тех
применений, где ранее использовался только круглый.
История плоского кабеля началась
в 1956 году, когда компания Cicoil
изобрела новый тип кабеля для ком-
пьютеров IBM. В течение десятилетий он
был предпочтительным вариантом в произ-
водительных компьютерах, военной и аэро-
космической технике, робототехнике. Его
преимущество перед круглым кабелем объ-
яснялось превосходной гибкостью, малыми
помехами и удобством корпусирования.
Конструкция круглого кабеля имеет ряд
недостатков. Несмотря на применение на-
полнителя для рассеивания тепла, фрикци-
онный нагрев между проводниками остается
проблемой при регулярных циклах движе-
ния кабеля. Также существует проблема из-
менения электрического импеданса при дви-
жении проводников внутри оболочки.
В плоском же кабеле проводники распо-
ложены строго параллельно друг другу, их
перемещение исключено самой конструк-
цией. Благодаря этому электрические ха-
рактеристики, такие как импеданс, емкость,
временная задержка прохождения сигнала,
наводящие помехи и аттенюация, остаются
неизменными. Да и проводники имеют оди-
наковую физическую и электрическую дли-
ну, поэтому изменения прохождения сигнала
и дифференциальные задержки оказываются
минимальными. Отсутствие наполнителя,
дополнительной изоляции и противосколь-
зящих лент делает кабель легким и мало-
габаритным. Следует подчеркнуть, что пло-
ская конструкция кабеля дает больший объ-
ем поверхности и лучше рассеивает тепло,
а значит, можно пропускать более высокие
токи при меньшем диаметре проводника.
Таким образом, для приложений, где тре-
буется низкий уровень сигнал/шум, гиб-
кость, малый нагрев при высокой плотности
корпусирования, плоский кабель становится
лучшим решением.
Основные характеристики
шлейфа
Традиционно шлейф считается кабелем
для внутриблочного соединения. Это вызвано
тем, что кабель имеет значительные ограниче-
ния по рабочей температуре, плохое экрани-
рование и малое расстояние передачи сигнала.
Однако компания ЗМ благодаря многолетне-
му опыту разработки и испытаний плоского
кабеля доказала, что подобные ограничения
можно преодолеть или устранить.
Среди основных характеристик кабелей:
• материал жилы;
• сечение жилы;
• количество проволок в жиле;
• материал изоляции;
• шаг проводников.
Остановимся кратко на каждом пункте
и укажем, какие решения предлагает компа-
ния ЗМ.
Материал жилы
В большинстве плоских кабелей сечение
жилы и количество проволок в ней унифи-
цировано и составляет 7x0,127. Что касает-
ся материала жилы, в 99% случаев весь вы-
пускаемый шлейф имеет жилы из луженой
меди. Исключение составляют некоторые
серии кабеля ЗМ с жилой из посеребренной
меди. Выбор такого покрытия обусловлен
требованием к снижению потерь на прово-
димость и эксплуатацией кабеля в широком
диапазоне рабочих температур -55.. .+200 °C.
Сечение жилы и количество проводников
Чем больше проволок на единицу сечения,
тем выше гибкость кабеля. И если стандарт-
ный кабель имеет жилу с семью провод-
никами (28-30AWG), то кабель повышен-
ной гибкости ЗМ (например, серии 3539А,
HF-319 и др.) имеет жилу из 19 проводников
по 40AWG (0,079 мм). Гибкость кабеля —
ключевой параметр в условиях высокой
плотности внутрикорпусной сборки изде-
лия. Как известно, кабель не рекомендуется
сгибать более чем на 90°, число сгибов также
ограничено. Применение гибкого кабеля ЗМ
позволит избежать таких ограничений.
Материал изоляции
С одной стороны, изоляция защищает
электрические проводники, с другой — при-
дает кабелю такие свойства, как гибкость,
термостойкость, холодостойкость, пожаро-
безопасность и т. д. Очевидно, что поливи-
нилхлорид (ПВХ), стандартный материал
изоляции, не обладает всеми вышеперечис-
ленными свойствами. Кабели с изоляцией
ПВХ предназначены только для использова-
ния внутри блоков при комнатной темпера-
туре и для передачи данных на небольшие
расстояния. Компания ЗМ выпускает шлей-
фы для жестких условий эксплуатации, где
отрицательная температура может достигать
-55 °C. В ассортимент входят шлейфы с раз-
личной изоляцией, что позволяет применять
их в условиях скрытой проводки, минусовых
температур, сверхплотного монтажа или для
передачи сигналов на большие расстояния.
Шаг проводников
На российском рынке самыми распростра-
ненными типами плоского кабеля являются
шлейфы с шагом 1 и 1,27 мм. Помимо этих
популярных моделей, компания ЗМ выпу-
скает кабель и с меньшим шагом, от 0,635 мм
(минимальный шаг 0,15 мм предлагает фир-
ма Molex в серии Temp-Flex с ограниченным
числом жил).
Рассмотрим некоторые линейки в ассорти-
менте плоского кабеля от компании ЗМ более
подробно.
Жила целая и порезанная
Когда мы говорим о качестве жилы,
то в первую очередь оцениваем ее матери-
ал и чистоту этого материала. Однако есть
еще один фактор, который напрямую влияет
на потери проводимости проводника,— его
цельность. В любом плоском кабеле жила
является сварной, а потому по всей длине
бухты есть несколько точек спая для каж-
дой жилы (например, бухта плоского кабеля
ЗМ длиной 31м может иметь до трех таких
точек). Каждая точка стыка — это значи-
тельные потери качества сигнала, причина
скачков полного сопротивления. Некоторые
монтажники, встречая подобные участки
в бухте кабеля, специально вырезают их, что-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
кабели теХНОЛОГИИ
119
Рис. 1. Формы сгиба кабеля в автоматизированном оборудовании: а) изгиб; б) возвратные угловые изгибы; в) торсионные скручивающиеся изгибы; г) самопроизвольные изгибы [1]
бы не использовать в разводке. Однако это
приводит к неэкономному расходу кабеля
и лишает возможности использовать пло-
ский кабель большой длины.
Компания ЗМ выпускает splice-free плоский
кабель (в маркировке обозначается последни-
ми буквами -SF — например, HF-365/10SF).
Качество передачи сигналов в таком варианте
особенно заметно при использовании кабеля
большой длины и с большим числом провод-
ников.
Кабель с безгалогенной
LSZH-изоляцией
В кабельной продукции широко исполь-
зуется ПВХ-оболочка, которая обладает
низкой горючестью. Однако это лишь один
из параметров общего термина «пожаро-
безопасность». К другим критериям отно-
сятся дымообразующая способность мате-
риала, токсичность продуктов горения, их
коррозионная активность. При горении ПВХ-
изоляции выделяется черный дым и токсич-
ные продукты горения (включая СО и хло-
ристый водород). Во избежание образования
токсичных газов применяются безгалогенные
композиции на основе полиолефинов.
Безгалогенные материалы не содержат та-
ких вредных веществ, как фтор, хлор, бром,
поэтому кабели в HF (halogen free) изоля-
ции законодательно рекомендованы для ис-
пользования на объектах с большой концен-
трацией людей и дорогостоящей техники:
в транспортной инфраструктуре (метропо-
литен и пассажирские составы), в промыш-
ленном и жилищном строительстве, в местах
массового скопления людей (аэропортах,
школах, больницах, универмагах и т.д.), вы-
сотных зданиях, в установках аварийного
электроснабжения, на предприятиях нефте-
газового комплекса и т. д.
Все шлейфы ЗМ в LSZH-изоляции име-
ют префикс HF-, например HF-365 (табл. 1).
Благодаря использованию композиции
из полиолефина расширяется и температур-
ный диапазон применения кабеля, составля-
ющий-40...+105 °C.
Таблица 1. Ассортимент плоского кабеля в безгалогенной оболочке LSZH
С^рня HF447 HF625 HF365 HF100 HF017 HF759 HF659
Тип кабеля Плоский кабель с круглым проводником Плоский кабель со скруткой пар Экранированный плоский кабель с внешней изоляцией Плоский кабель в круглой изоляции Экранированный плоский кабель в круглой изоляции
Шаг, мм 0,635 1 1,27
Размер проводника, AWG 30 28
Материал проводника Луженая медь
Тип проводника Одножильный 7x0,127 (7x36)
Первичная изоляция Композиция из полиолефина (EVA/PO)
Цвет первичной изоляции Темно-серый Г олубой/ серо-белые пары Темно-серый
Диапазон рабочих температур, °C -40...+90 -40...+ 105
Гнуть или не гнуть?
Современное автоматизированное обору-
дование предназначено для работы на высо-
ких скоростях, оно имеет интегрированные
системы машинного зрения и множество
датчиков. Новые рабочие условия могут по-
вредить кабельную разводку, которая ис-
пользовалась в оборудовании старого поко-
ления, то есть круглый кабель.
В автоматизированном оборудовании сги-
бы кабеля имеют разную форму (рис. 1): из-
гиб, возвратные угловые, торсионные скру-
чивающиеся и самопроизвольные изгибы.
Каждый раз, когда кабель сгибается, медные
проводники и экран кабеля испытывают
повышенную нагрузку. Медь как материал
имеет плохую стойкость к повторяющимся
Таблица 2. Гибкие кабели ЗМ
Серия 3539(A) 3319 HF315 1 3834
ч ч К р XI
Тип кабеля Плоский кабель средней гибкости Плоский кабель повышенной гибкости Плоский кабель с круглым проводником повышенной гибкости Плоский кабель повышенной гибкости в дополнительном кожухе
Шаг, мм 1,27
Размер проводника, AWG 28
Материал проводника Луженая медь Посеребренная медь
Тип проводника 19x0,079(19x40)
Первичная изоляция ПВХ Композиция из полиолефина (EVA/PO) ПВХ
Цвет первичной изоляции Серый, черный Черный Темно-серый Черный
Диапазон рабочих температур, °C -20...+105 -40...+105 -20...+105
нагрузкам, даже если они лежат на 15% ниже
критического уровня. У меди также плохие
характеристики по напряжению сдвига (ка-
сательному напряжению), она деформирует-
ся при нагрузках ниже своего пластического
предела твердости. Поэтому кабели с мед-
ными проводниками имеют малый радиус
сгиба и малый диаметр проводника.
Компания ЗМ выпускает ленточный кабель
с тремя степенями свободы сгиба: стандарт-
ный с низкой гибкостью, со средней и высо-
кой гибкостью (табл. 2). Не следует путать
гибкий плоский кабель FFC с плоским кабелем
повышенной гибкости ЗМ. В отличие от FFC
он имеет стандартный шаг 1,27 мм и исполь-
зуется со стандартными IDC-разъемами.
Гибкость кабеля характеризуется его спо-
собностью выдерживать последовательность
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
Рис. 2. Сравнение конструкции:
а) кабель повышенной гибкости; б) кабель стандартной гибкости [2, 3]
Рис. 3. Сравнение сверхгибкого и стандартного кабеля
сгибов без ломки проводника. Она опреде-
ляется радиусом изгиба и конструкцией про-
водника (рис. 2). Если у стандартного кабеля
7-жильный проводник (7x0,127), то сверх-
гибкий кабель будет уже иметь 19-жильный
проводник (19x0,079). Для того чтобы про-
водники не ломались при сгибе, применяется
посеребрение меди.
На графике (рис. 3) показано сравнение ко-
личества сгибов разных моделей плоского ка-
беля, сверхгибкого (3319 и HF319 в безгало-
генной изоляции) и средней гибкости (3539).
Сверхгибкий кабель допускает от 18 млн сги-
бов радиусом 12,7 мм и от 113 млн сгибов ра-
диусом 19 мм. Количество циклов сгиба та-
кого кабеля в 100 раз превышает возможно-
сти круглого кабеля, при этом его вес в 4 раза
меньше. Для сравнения приведем параметры
отечественного низкотемпературного кабеля
Скрученный кабель
Магнитное поле —► Наводимые шумы
Рис. 4. Сравнение наводимых помех в параллельных
и скрученных проводниках [4]
МС26-13, количество сгибов у которого со-
ставляет всего 130 раз на угол 90°.
Возможность частого сгиба кабеля с сотней
миллионов циклов дает возможность приме-
нения такого плоского кабеля в станках с ЧПУ,
робототехнике, манипуляторах захвата и пере-
мещения и другом высокоскоростном автома-
тизированном оборудовании. Использование
плоского гибкого кабеля уменьшает вес под-
вижных кабельных сборок, позволяет увели-
чить скорость перемещения, уменьшить ви-
брацию и колебания, сократить износ.
Ленточный кабель
со скрученными жилами
Идея перекрутить два проводника принад-
лежит изобретателю телефона Беллу и дати-
руется 1881 годом. Взаимная обвивка про-
водников кабеля обеспечивает защиту
от собственных и внешних наводок.
Шумы генерируются в сигнальных лини-
ях магнитным полем. Ток помех в линиях
данных является результатом влияния маг-
нитного поля. В плоско расположенных
проводниках все токи помех текут в одном
направлении, как в обычной обмотке транс-
Рис. 5. Влияние помех на разные виды проводников:
а) в параллельных проводниках под влиянием помех напряжение на красном проводнике выше, чем на синем;
б) в скрученных проводниках помехи создают попеременно высокое и низкое напряжение в обоих проводниках
форматора. Если проводники скручены
друг вокруг друга, на некоторых участках
сигнальных линий направление тока помех
оказывается противоположным, чем в дру-
гих частях кабеля (рис. 4). Таким образом об-
ратные токи компенсируют друг друга и ока-
зываются сбалансированы. Благодаря этому
суммарные помехи становятся значительно
ниже, чем в традиционном плоском кабеле.
Кабели со скрученными проводниками
широко распространены в системах диффе-
ренциальной передачи данных. При пере-
даче данных в дифференциальном режиме
один электрический сигнал передается в виде
двух противофазных сигналов, каждый идет
по своему проводнику. Один представляет
инвертированный сигнал другого. Приемник
определяет разность потенциалов между ин-
вертированным и неинвертированным сиг-
налами (рис. 5).
Электромагнитные помехи влияют на оба
проводника одновременно и одинаково.
Но поскольку приемник определяет толь-
ко разницу уровней между проводниками,
витая пара является более устойчивой к воз-
действию электромагнитных помех, чем оди-
ночные проводники, уровень которых изме-
ряется относительно «земли» (рис. 5).
Дифференциальный сигнал похож на сим-
метричный балансный сигнал (balanced),
который очень важен для высокочастотной
качественной связи, защищенной от син-
фазных помех. В скрученных кабелях с ба-
лансным сигналом потери в основном опре-
деляются только диэлектриком. В кабелях,
где один проводник передает один сигнал
(небалансное подключение), потери опре-
деляются сопротивлением металла, которое
увеличивается с повышением частоты (скин-
эффект).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
кабели
технологии
121
Рис. 6. Участки для монтажа на разъем
с параллельным расположением жил
в скрученном плоском кабеле
Таблица 3. Линейка плоского кабеля со скрученными жилами
Серия HF100 1785 1700 3782 3784
Тип кабеля LSZH-кабель со скруткой пар Экранированный кабель со скруткой жил в защитной оболочке Цветной плоский кабель со скруткой пар Экранированный кабель со скруткой жил в круглой оболочке
Шаг, мм 1,27
Материал проводника Луженая медь
Первичная изоляция Композиция из полиолефина (EVA/PO) ПВХ
Цвет изоляции Голубой/ серо-белые пары Черный 10 цветов 10 цветов Серый
Диапазон рабочих температур, °C -40...+105 -20...+80
Для дифференциальной передачи сигналов могут использоваться
следующие кабели: витая пара, твинаксиальный кабель и плоский
витой кабель.
Несмотря на дешевизну и простоту эксплуатации витой пары,
этот кабель имеет и определенные недостатки: взаимное наложение
сигналов между смежными проводами (crosstalk), чувствительность
к внешним электромагнитным полям, возможность несанкциониро-
ванного перехвата информации, большая степень затухания сигнала
по пути, чем у кабелей других типов.
Немаловажным фактором является и неудобство монтажа витой
пары на разъемы. Этот трудоемкий процесс отнимает достаточное
количество времени у монтажника, а качество установки зависит
от квалификации специалиста. Оконцевание же плоского кабеля про-
исходит за 1 мин с помощью IDC-разъема. Возможность быстрой на-
колки соединителя на плоский кабель — главное его преимущество
перед другими видами витых проводников. Особенно принципиален
этот момент при массовом производстве оборудования.
При скрученных проводниках монтаж на IDC-разъем может быть
затруднен, поэтому плоский скрученный кабель ЗМ имеет участки
с параллельно расположенными проводниками, которые специально
предназначены для наколки кабеля на разъем (рис. 6). Также отме-
тим, что все модели плоского скрученного кабеля имеют цветную
идентификацию жил.
Основная сфера применения плоского кабеля со скрученными
жилами — подключение силовых модулей для управления электро-
приводом (например, в документации к модулям Semikron кабель
1700 ЗМ прописан как рекомендованный). Здесь кабель со скручен-
ными жилами обеспечивает защиту от перекрестных помех (табл. 3).
Суммируя вышесказанное, выделим основные преимущества
скрученного витого кабеля в плоском исполнении:
• защита от электромагнитных помех;
• высокоскоростная передача данных на высоких частотах;
• возможность передачи сигнала по плоскому кабелю на большие
расстояния;
• удобство монтажа на разъемы.
Низкотемпературный кабель
Для производства изоляции кабелей существует множество раз-
личных материалов. Однако среди них можно выделить три основ-
ные группы: ПВХ (поливинилхлорид), RUP (полиуретан) и ТРЕ (тер-
мопластичный эластомер). Каждый материал имеет свои преимуще-
ства, такие как влагозащита, износостойкость и гибкость.
ПВХ-изоляция широко известна и популярна. Этот материал отли-
чается хорошей стойкостью к влаге и достаточно низкой стоимостью.
Полиуретановая изоляция применяется, как правило, европейски-
ми и азиатскими производителями. Это безгалогенный материал,
стойкий к истиранию, но с ограниченным температурным диапазо-
ном-40...+80 °C.
ТРЕ-эластомер — гибкий материал с превосходными возможно-
стями работы на низких температурах -50...+125 °C. Такой кабель
будет стойким к солнечным лучам, ультрафиолету и озону. Гибкость
изолятора тоже уникальна, он допускает до 10 млн циклов сгиба.
Сравнение свойств изоляторов приведено в таблице 4.
Таблица 4. Сравнение свойств основных изоляторов кабеля
Параметр ПВХ PUR ТРЕ
Окисление Отлично Отлично Превосходно
Нагрев Хорошо/превосходно Отлично Превосходно
Масло Удовлетворительно Превосходно Превосходно
Гибкость при низких температурах Плохо/хорошо Отлично Превосходно
Погода, солнце Хорошо/отлично Отлично Превосходно
Озон Отлично Отлично Отлично
Трение Удовлетворительно/хорошо Отлично Отлично
Электрические свойства Удовлетворительно/хорошо Отлично Отлично
Воспламеняемость Отлично Отлично Превосходно
Ядерная радиация Хорошо Отлично Плохо
Вода Хорошо/отлично Хорошо/отлично Отлично
Кислоты Хорошо/отлично Отлично Отлично
Алкалоиды Хорошо/отлично Отлично Отлично
Топливо Плохо Отлично Отлично
Бензол Плохо/удовлетворительно Отлично Отлично
Обезжиривающие растворители Плохо/удовлетворительно Отлично Отлично
Алкоголь Хорошо/отлично Отлично Отлично
Сварочный шлак Удовлетворительно Отлично Отлично
ТРЕ — термопластовый эластомер или резина (TPR) — это комби-
нация пластика и резины. ТРЕ имеет очень прочный состав и хорошо
выдерживает температурные колебания. Это позволяет применять
кабель в ТРЕ-изоляции при самых неблагоприятных внешних ус-
ловиях. Кабели в ТРЕ-изоляции имеют втрое лучшую гибкость при
низких температурах по сравнению с ПВХ.
Защитные свойства кабелей в TPE/FEP-изоляции сказывают-
ся на толщине изоляции, а это, в свою очередь, ведет к сложностям
с монтажом IDC-разъемов. Разъемы китайских производителей,
которые экономят на материале накалывающих контактов, просто
гнутся при обжиме. При применении качественных разъемов ЗМ или
ТЕ Connectivity таких проблем не возникает. Приведем такой факт:
в твинаксиальных плоских кабелях для высокоскоростной передачи
данных добавление разъема на 20% снижает качество передачи сигна-
ла. Поэтому экономить на разъемах, используя качественный кабель,
значит нивелировать все преимущества этого кабеля.
Основные сферы применения таких кабельных сборок — кон-
трольные кабели, автомобильная промышленность, робототехника,
медицинское оборудование. Ассортимент кабеля ЗМ с низкими рабо-
чими температурами приведен в таблице 5.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
кабели
Таблица 5. Плоский кабель для работы на минусовых температурах
Серия 3749 3609 3604 3355 3770 3601
Шаг, мм 0,635 1,27
Материал проводника Луженая медь Посеребренная медь Луженая медь Посеребренная медь
Тип проводника Одножильный 7x0,102(7x38) Одножильный 7x0,127 (7x36) 7x0,160(7x34) 7x0,127 (7x36)
Первичная изоляция ТРЕ (термопластовый эластомер) FEP (фторсодержащий этилен-пропилен) ТРЕ (термопластовый эластомер) FEP (фторсодержащий этилен-пропилен)
Цвет первичной изоляции Серый Матово-белый Серый Г олубой
Диапазон рабочих температур, °C -40...+105 -55...+150 -40...+ 105 -55...+150
Характеристики ТРЕ-изоляции:
• диапазон рабочих температур: -50...+125 °C;
• стойкость к возгоранию: превосходная;
• химическая стойкость: удовлетворительная;
• УФ-стойкость: превосходная;
• срок службы: хороший;
• гибкость: хорошая.
Плоский кабель хорошо подходит для
применений, где требуется низкий уровень
сигнал/шум, гибкость и малый нагрев при
высокой плотности корпусирования. В ста-
тье мы привели описание лишь некоторых
групп плоского кабеля ЗМ. В ассортименте
компании также есть кабели в круглой изоля-
ции, экранированные плоские кабели и ви-
тая пара.
Литература
1. www.gore.com/resources/tech-note-
under standing-cable-stres s-and-failure-
high-flex-applications
2. www.multimedia.3m.com/mws/media/
798755O/3mtm-high-flex-life-cable-hf319-
series-ts2342.pdf
3. www.multimedia.3m.com/mws/media/
667945O/3mtm-round-conductor-f lat-
cable-hf365-series-ts2334.pdf
4. www.researchgate.net/post/What_is_the_
basic_idea_behind_the_twisted_pair_Why_
are_the_two_wires_twisted_How_does_
this_arrangement_compensate_undesirable_
disturbances
НОВОСТИ микроконтроллеры
Радиационно устойчивые и радиационно стойкие МК
на основе COTS-микроконтроллеров с ядрами ARM от Microchip
Компания Microchip анонсирует первые в косми-
ческой отрасли ARM-микроконтроллеры, которые
не только имеют малую стоимость, пользуются
поддержкой большой экосистемы как коммерче-
ски доступные изделия (COTS), но и предназна-
чены для космических применений с масштаби-
руемыми уровнями защиты от воздействия радиа-
ции. Радиационно устойчивые микроконтроллеры
SAMV71Q21RT и радиационно стойкие SAMRH71,
созданные на основе МК SAMV71 для автомо-
бильных приложений, используют широко рас-
пространенную платформу ARM Cortex-M7 в СнК,
что увеличивает степень интеграции, уменьшает
стоимость и повышает эффективность функцио-
нирования космического оборудования.
МК SAMV71Q21RT и SAMRH71 позволяют раз-
работчикам ПО начать реализацию с применением
готового устройства SAMV71, прежде чем перейти
к компонентам, сертифицированным для эксплуа-
тации в космической технике, — это значительно
сокращает время проектирования и сопутствую-
щие расходы. Оба устройства могут пользоваться
всеми средствами разработки ПО для МК SAMV71:
общими программными библиотеками, пакетом
поддержки платформы (Board Support Package,
BSP) и возможностями портирования операцион-
ной системы. После завершения предварительной
разработки с помощью COTS-устройства все ре-
зультаты программирования легко использовать
для создания радиационно устойчивой или ради-
ационно стойкой версии МК в высоконадежном
пластиковом или керамическом корпусе для при-
менения в космической технике. Для радиационно
устойчивого МК SAMV71Q21RT повторно исполь-
зуется весь набор COTS-фотошаблонов и обеспе-
чивается совместимость по выводам, что позво-
ляет быстро перейти от готового коммерческого
изделия к компоненту для космической техники.
МК SAMV71Q21RT оптимально соответствуют
требованиям приложений NewSpace для спутнико-
вых группировок на низких околоземных орбитах
и робототехники, а МК SAMRH71 предназначены
для эксплуатации в подсистемах, например в гиро-
скопах и астронавигационных устройствах, к кото-
рым предъявляются более строгие требования в ус-
ловиях воздействия радиации. Накопленная доза МК
SAMV71Q21RT, который не разрушается под воз-
действием тяжелых ионов, составляет 30 крад (Si).
Оба микроконтроллера устойчивы к тиристорному
эффекту (SEL) при пороговом значении линейной
передачи энергии (ЛПЭ) не ниже 62 МэВ-см2/мг.
Радиационно стойкий МК SAMRH71, предна-
значенный для эксплуатации в дальнем космосе,
имеет следующие радиационные характеристики:
• накопленная доза превышает 100 крад (Si);
• отсутствие одиночных сбоев при ЛПЭ:
до 20 МэВ-см2/мг;
• отсутствие одиночного эффекта функциональ-
ного прерывания (SEFI).
МК SAMV71Q21RT и SAMRH71 на основе ядра
ARM Cortex-M7 обладают высокой производитель-
ностью и малым энергопотреблением, поддерживая
продолжительный срок службы авиакосмических
систем. Для защиты от воздействия радиации и ухуд-
шения работы системы архитектура этих микрокон-
троллеров обеспечивает устранение сбоев и це-
лостность данных с помощью памяти с коррекцией
ошибок (ЕСС), функции контроля целостности (ICM)
и модуля защиты памяти (MPU). МК SAMV71Q21RT
и SAMRH71 оснащены интерфейсами CAN FD
и Ethernet AVB/TSN в расчете на перспективные
приложения. У микроконтроллера SAMRH71 име-
ются специализированные интерфейсы SpaceWire
и MIL-STD-1553 для контроля и управления потока-
ми данных со скоростями до 200 Мбит/с.
www.microchip.com
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
£ Sfitex
28-я Международная выставка
технических средств охраны
и оборудования для обеспечения
безопасности и противопожарной защиты
О Системы пожаротушения
и огнезашиты
Системы контроля
и управления доступом
Забронируйте стенд:
sfitex.ru
Реклама
Систем ы
в и део на б л юден и я
Охранно-пс -I арная
сигнализация
iv<
j^-exny н-i j д я
Р.мс Г‘.IKJ**“
к-зипанмо
Организатор — компания MVK
Офис в С.змкт-Пнтдрбурге
+7 (S12J ЗВО 6000/00
security q mvk ги
124
ТеХНОЛОГИИ измерительная аппаратура
Учет измерительных цепей
в реальном времени
с помощью осциллографа R&S RTP
Гуидо ШУЛЬЦЕ (Guido SCHULZE)
Учет измерительных цепей — часто необходимую и сложную процедуру —
проще выполнить с использованием встроенных аппаратных и програм-
мных решений.
Измерительная задача
Верификация реальных характеристик системы выполняется умень-
шением влияния сигнальных трактов, пробников, кабелей, креплений
и других принадлежностей, используемых для измерения сигнала.
При отладке высокоскоростных интерфейсов, таких как DDR или
PCIe, при определении характеристик быстрых тактовых сигналов
или при анализе сложных ВЧ-сигналов необходимо видеть реальный
сигнал, не искаженный влиянием измерительной установки— на-
пример, нагрузкой или отраженными сигналами. Процедура устра-
нения влияния неидеальных сигнальных трактов (ослабление, сдвиг,
нагрузка и пр.) называется учетом, или исключением (цепей).
Для устранения этих искажений в осциллографах реального мас-
штаба времени, как правило, применяются фильтры, частотная ха-
рактеристика которых компенсирует влияние сигнального тракта.
Для повышения качества сигналов, в частности увеличения раскры-
тия глаза, уменьшения времени нарастания или устранения отраже-
ний, через этот фильтр пропускается сигнал.
К сожалению, у такого подхода есть потенциальные проблемы:
• Поскольку усиление, вызванное частотной характеристикой
фильтра, является широкополосным и будет увеличивать как
уровень сигнала, так и уровень шума, очень важно правильно вы-
брать полосу пропускания системы (ослабить внеполосный шум).
• Во многих случаях уменьшение длины фильтра поможет со-
кратить время обработки, но достигается это за счет снижения
точности.
• На этапе постобработки коррекция точки запуска выполняется
медленно (только медленно). Сделать коррекцию и соотнести
нескорректированный сигнал запуска с итоговым (выведенным)
сигналом можно только для запуска по фронту — не по длительно-
сти импульса и т. д., поскольку программный фильтр применяется
уже после того, как был выполнен запуск и данные осциллограммы
сохранены в памяти. То, что поступает на систему запуска, и то, что
отображается на экране, может не совпадать с тем, что получается
после коррекционной постобработки. С повышением частоты эта
разница может стать более существенной.
Рис. 1. Осциллограф R&S RTP
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
измерительная аппаратура ТвХНОЛОГИИ
125
Рис. 2. Архитектура функции исключения цепей в реальном масштабе времени
Контрольно-измерительное решение
Архитектура исключения цепей в реальном масштабе времени
Высокопроизводительный осциллограф R&S RTP (рис. 1) разрабо-
тан для решения этих задач и предлагает простое и быстрое решение
по исключению цепей. Несколько частотных характеристик отдель-
ных элементов цепи, а также частотная характеристика всей системы
помогают оптимизировать полосу частот и обеспечить минимальное
усиление шума.
В осциллографе R&S RTP реализован аппаратный исключающий
фильтр, расположенный сразу после аналого-цифрового преобра-
зователя (рис. 2, 3). Такая обработка сигнала в реальном масштабе
времени обеспечивает максимальную скорость обновления даже при
использовании фильтра. При поиске ошибок протокола или анализе
глазковых диаграмм быстрая отзывчивая измерительная система
не позволит упустить никаких важных деталей (рис. 4).
Исключение каскадных сигнальных трактов
Типичная структура сигнального тракта во время тестирования
высокоскоростных дифференциальных интерфейсов может вклю-
чать согласованный по фазе набор кабелей, адаптеры и измеритель-
ную оснастку. Кабели, адаптеры и другие принадлежности моделиру-
ются в виде S-параметров двухпортовых устройств (четырехполюс-
ников), в то время как оснастка может быть задана S-параметрами
двух- или четырехпортовых устройств.
Приложение для исключения цепей органично управляет про-
цессом каскадирования S-параметров, учитывая входную/выходную
нагрузку каждого блока.
Возможности запуска
и результаты измерения целостности сигнала
На последнем этапе исключения формируется фильтр, через ко-
торый пропускается измеряемый сигнал. У осциллографа R&S RTP
Рис. 3. Типовая структура сигнального тракта
фильтр исключения цепей доступен для цифровой системы запуска
и для высокопроизводительной системы сбора данных. Это помогло
создать первую в отрасли систему запуска с функцией исключения
цепей, которая позволяет проводить запуск именно по тому сигналу,
который отображается на экране. Аппаратная функция исключения
цепей также разрешает ускорить обработку критических сигналов,
обеспечивая, например, высочайшую частоту обновления глазковой
диаграммы — до 1000 раз быстрее, чем в других приборах (таблица).
Применение
Раскрытие глаза на глазковой диаграмме
Наиболее распространенный вопрос, который интересует инжене-
ров-конструкторов и инженеров по испытаниям: каково реальное бы-
стродействие проектируемой системы? Другими словами, как узнать,
Рис. 4. Глазковая диаграмма сигнала USB3.0 Gen 1: а) до исключения (зеленая осциллограмма); б) после исключения (зеленая осциллограмма)
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
126
ТеХНОЛОГИИ измерительная аппаратура
Таблица. Доступные функции исключения при использовании осциллографа R&S RTP
Модель Базовая функция исключения Расширение до функции исключения реального времени Система модульных пробников
R&S RTP084 Опция R&S RTP-K121 R&S RTP-K122 Опция R&S RT-ZM90
8-ГГц высокопроизводительный осциллограф Для компенсации таких канальных эффектов, как рассогласование или потери при передаче из-за сигнальных трактов, наконечников пробников, кабелей или тестовой оснастки Расширение реального времени для опции исключения цепей R&S RTP-K121 для максимальной скорости сбора данных и запуска по скорректированным сигналам* С дифференциальным, несимметричным или синфазным напряжением, до 9 ГГц
Примечание. *Требуется опция R&S RTP-K121.
отражают ли результаты измерения реальную производительность
системы, не искажены ли они нагрузкой от тестового оборудования,
отражением от разъемов, потерями в кабеле или множеством других
возможных искажений от испытательного оборудования. Зная эти ис-
кажения, можно восстановить исходные данные, используя процедуру
исключения цепей. Хотя всегда предпочтительнее использовать вы-
сококачественные кабели, согласованные по фазе,— встроенные про-
цедуры компенсации нагрузки пробника, вносимых/обратных потерь
в кабелях, адаптерах и оснастке, и даже компенсации входных каскадов
осциллографа облегчают оценку реальных характеристик системы.
На рис. 4 показан высокоскоростной сигнал, измеренный с исполь-
зованием короткого (желтая осциллограмма) и длинного (зеленая
осциллограмма) кабеля. Длинный кабель исключается, и результат
сравнивается с сигналом короткого кабеля, который в этом примере
играет роль эталона. Можно увидеть, что размер глаза, уменьшив-
шийся из-за потерь в кабеле, был восстановлен.
Анализ ВЧ-сигнала
Конструкторы радиоэлектронной аппаратуры постоянно сталки-
ваются со все более сложными методами модуляции на все более вы-
соких частотах с использованием все более широкой полосы частот.
Каждый элемент в сигнальном тракте влияет на общие измеряемые ВЧ-
характеристики системы. Кабели, ответвители, аттенюаторы и другие
принадлежности вносят вклад в неидеальность сигнального тракта, ко-
торая выражается в искажениях, обратных потерях и фазовых ошибках.
Частотно-зависимое ослабление длинного тракта обычно стано-
вится основной причиной проблем с отношением сигнал/шум. Даже
такой простой компонент, как фиксированный аттенюатор, может
исказить сигнал сильнее, чем ожидалось. Влияние аттенюаторов,
кабелей и дорожек печатной платы можно легко скомпенсировать
с помощью процедуры исключения цепей (рис. 5).
Последовательный запуск и декодирование
скорректированных сигналов
Поиск основной причины неисправности системы обычно начина-
ется с воспроизведения проблемы и ее выделения с помощью функ-
ции запуска. Высокоскоростной запуск и декодирование протоколов
Рис. 5. 82-параметры аттенюатора, загруженные в программу исключения цепей
стали незаменимыми инструментами для выявления связи между
активностью на протокольном и сигнальном уровнях. Благодаря по-
вышению общего качества сигнала, например с помощью функции
исключения цепей, появилась возможность повысить надежность
протокольного декодера осциллографа.
Ключом к повышению надежности запуска является увеличение
амплитуды сигнала и общее улучшение характеристик сигнала, что
значительно облегчает детектирование битов и символов системой
запуска и декодирования. Архитектура стандартного осциллогра-
фа содержит датчик запуска — это означает, что отображаемый
скорректированный (программными средствами) сигнал не совпа-
дает с исходным сигналом, который поступает на схему запуска.
Осциллограф R&S RTP обладает общим трактом для систем запуска
и сбора данных, так что отображаемый сигнал соответствует сигналу,
по которому осуществляется запуск. Это значительно повышает на-
дежность запуска даже для самых сложных последовательных шин.
В качестве примера (рис. 6) анализируется сигнал USB3.0 Genl
в дальнем конце канала, где потери больше, но неизбежны из-за ме-
ханических ограничений. Декодировать протокол все еще возможно,
Рис. 6. Сигнал USB3.0 Gen 1: а) до применения функции исключения; б) после применения функции исключения
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
измерительная аппаратура ТвХНОЛОГИИ
127
но некоторые данные могут выглядеть поврежденными или не син-
хронизированными из-за гистерезиса или разницы уровней.
Декодирование последовательных шин является более надежным
и состоятельным при использовании частичной или полной компен-
сации потерь в канале.
Оптимизация тестирования интерфейса DDR
Другая проблема целостности сигнала, которую удается решить
с помощью функции исключения,— устранение отражений, напри-
мер при верификации систем DDR-памяти (рис. 7), доступ к сигналу,
как правило, можно получить непосредственным подключением
к близлежащему переходному отверстию, контакту или другой точке
доступа. Использование планок-интерпозеров (рис. 8) может значи-
тельно облегчить доступ к сигналу при анализе соответствующих
сигналов, передаваемых с контактов корпуса BGA. После исключения
планки устраняются затухания сигнала, а также отражения, вызван-
ные несогласованностью импедансов.
Рис. 7. Глазковая диаграмма сигнала DDR3
Рис. 8. Поддержка функции исключения для планок-интерпозеров Nexus и планок других производителей (изображение предоставлено компанией Nexus)
НОВОСТИ силовая электроника
Microchip анонсирует выпуск карбидокремниевых (SiC) устройств
для надежной высоковольтной силовой электроники
Компания Microchip анонсирует выпуск семейства карбидокремниевых
силовых устройств дочерней компании Microsemi, которые имеют высокую
устойчивость, подтвержденную испытаниями, и хорошие функциональные
характеристики благодаря широкой запрещенной зоне. SiC-устройства, до-
полненные широким рядом микроконтроллеров (МК) и аналоговых решений
компании Microchip, расширили семейство надежных карбидокремниевых
изделий. Эта продукция отвечает потребностям электромобилей в более
высокой эффективности системы, надежности и плотности мощности, а также
нуждам других высокомощных приложений для промышленности, авиакос-
мической и военной техники.
700-В SiC MOSFET, а также 700- и 1200-В SiC-диоды Шоттки компании
Microchip пополнили ассортимент карбидокремниевых силовых модулей.
Более 35 крупносерийных дискретных изделий, добавленных в портфель
Microchip, в полной мере поддерживаются сервисами по разработке, сред-
ствами проектирования, а также исходными проектами.
Коммутация ключей SiC MOSFET и SiC-диодов Шоттки компании Microchip
осуществляется с большей эффективностью на более высоких частотах.
Устройства успешно прошли испытания UIS (Unclamped Inductive Switching)
при таких уровнях, которые гарантируют их долгосрочную надежность.
Тестирование UIS позволяет определить устойчивость продуктов к дегра-
дации или преждевременному отказу в условиях лавинного пробоя, когда
скачок напряжения превышает напряжение пробоя изделия. Результаты ис-
пытаний показали, что устойчивость SiC-диодов Шоттки от Microchip на 20%
выше по сравнению с другими SiC-диодами. Ключи SiC MOSFET компании
Microchip тоже превзошли показатели аналогов в этих испытаниях, продемон-
стрировав превосходную защиту оксидного слоя затвора и целостность кана-
ла при незначительном ухудшении параметров в течение срока службы даже
после 100 тыс. циклов повторного UIS-тестирования (Repetitive UIS, RUIS).
Пополнившийся ассортимент SiC-устройств поддерживается рядом мо-
делей SiC SPICE, исходными проектами с платой драйвера и исходным про-
ектом корректора коэффициента мощности (ККМ) с топологией Vienna. Все
SiC-устройства компании выпускаются крупными партиями вместе с соот-
ветствующими средствами поддержки. Кристаллы и корпуса SiC MOSFET
и SiC-диодов предлагаются в разных модификациях.
www.microsemi.com
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
www.kit-e.ru
128
новости
источники питания
ADP1031 — комбинированный многоканальный
гальванически
развязанный
DC/DC-преобразователь
от Analog Devices
Компания Analog Devices выпустила комбини-
рованный многоканальный гальванически развя-
занный DC/DC-преобразователь ADP1031.
ADP1031 — это обратноходовой гальванически
развязанный DC/DC-преобразователь, совмещен-
ный с тремя изолированными цифровыми канала-
ми свободного назначения, инвертором и понижа-
ющим DC/DC-преобразователем в компактном
корпусе. Кроме того, ADP1031 содержит четыре
скоростные гальванически изолированные линии
для организации SPI-канала.
По умолчанию обратноходовой преобразова-
тель работает на частоте 250 кГц, а понижающий
преобразователь и инвертор — на частоте 125 кГц.
Все три преобразователя имеют взаимный фазо-
вый сдвиг для снижения электромагнитной интер-
ференции (EMI).
ADP1031 также может работать от внешнего
генератора на частоте 350—750 кГц.
Основные характеристики:
• UBX: 4,5-60 В;
• ивых.1:21,24илиб-28В;
• UBblx2: 5,15, 5 или 3,3 В;
• UBblx 3: —24...—5 В;
• требуется простой 1:1 трансформатор;
• CISPR11 Class В;
• изоляционный рейтинг: 2,5 кВ;
• диапазон рабочих температур: —40...+ 125 °C;
• корпус 7x9 мм LFCSP-41.
SWP
Tx1
1:1
D1
II
II
ll
II
II
II
ll
ll
II
Tt
II
II
II
RFT1
RFB1
FB1
—г" CflYBK
VoUT1
—о
VOUT1
SYNC
-2 PLL<
VINP
VOUT2
-2
R5
Gin t
EN
т Свиск
R6
GNDP
PGNDP
PG2
SLEW
MVDD
PG3
SVDD2
MGND
PWRGD
SGND2
CONTROL
MGPI1
- DECODE
www.teson.ru
2019
FLYBACK
CONTROLLER
II
II
II
II
II
INVERTING
SWITCHING
REGULATOR
HIGH
EFFICIENCY
BUCK
MSS
MCK
SGPI3
SGPO2
SGPO1
SVDD1
VINP
O-
sss
SCK
SI
so
SGND1
PWRGD
MGPO3
MGPI2
SVDD1
О
VoUT2
—о
SW2
L1
MVDD
O—'h
ci i
FEEDBACKAND
OVERVOLTAGE
CONTROL
i- PG1
RFT3
FB3________
RFB3
VOUT3
-|-C|NV
VouT3
—--------о
SVDD2
----О
СЗ
ПРОМЫШЛЕННАЯ
СВЕТОТЕХНИКА
Инновационный салон
Смциалилфомкные конвенции и высгави по
продукции для прммнеймя в промышленйопи/строительсюё;
транспорт^ и городской инфраструктуре
MO
Ml
MGND
TT
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
II
ll
ll
CONTROL “J Г" CONTRO
BLOCK BLOCK
ENCODEН
ENCODE -
ENCODE |-
«Транспортная Светотехника»
14-16 мая, Москва
«Промышленная Светотехника - Армия»
25*30 июня. Кубинка, Московская облапь
«Промышленная Светотехника - Петербург»
1-4 октября, Санкт-Петербург
«Спортивная Светотехника»
10-13 сентября. Кубинка, Московская область
«Промышленная Светотехника - Крым»
18-19 сентября, Ялта
* «Промышленная Светотехника - Образование»
• 29-31 октября, Сочи
«Светотехника для Атомной Промышленности» ,
декабрь 2019, Москва *
. Тел.+7 (495) 287-4412
* www.promlight-expo.ru
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
для активных российских компаний
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 5 ’2019
ПАТРОНАЖ ТПП РФ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
КВЦ«ЭКСПОФОРУМ»
СЕНТЯБРЯ 2019
powered by
productronica
llllllllll
XIX МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
& ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ И
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ И ДРУГИЕ
НОСИТЕЛИ СХЕМ
КОНСТРУКТИВЫ
МАТЕРИАЛЫ
ТЕХНОЛОГИИ
СВЕТОДИОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
И ИНСТРУМЕНТЫ
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ И ЛАБОРАТОРНОЕ
РОБОТОТЕХНИКА
Реклама
ОБОРУДОВАНИЕ
М'1'* Мипг’х’п
.г | двч/
• «’f ДНИЯА1»' > riABIVI* ' lHA
ООО *'Мессс Мюнхен Р
radelexpo.ru
(812) 777-04-07
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