Обеспечение помехоустойчивости при конструировании рэс

1. Обеспечение помехоустойчивости при конструировании рэс.

Надежность и достоверность работы РЭС зависит от их помехозащищённости по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов РЭС зависят как сроки разработки, изготовления и наладки РЭС, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации.

1.1. Причины возникновения помех.

Помехой для РЭС является внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению информации во время ее сохранения, преобразования, обработки или передачи. Т.к. информационные сигналы в РЭС имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации. Борьба с помехами приобретает все большую актуальность вследствие следующих причин:

- энергетический уровень информационных сигналов имеет тенденцию к уменьшению, а энергетический уровень внешних помех непрерывно увеличивается, что обусловлено ростом энерговооруженности народного хозяйства.

- из-за уменьшения габаритов активных элементов и линий связи между ними, а также увеличения взаимное влияние элементов.

- активного внедрения РЭС во все сферы человеческой деятельности.

Установка РЭС на объектах с высоким уровнем помех выдвигается на первый план проблему обеспечения помехоустойчивости. Существует большое количество помех, которые можно классифицировать по:

- причине наведения

Рекомендуемые материалы

- характеру проведения

- пути распространения

Эту классификацию можно представить в табл.1:

Таблица1

Классификация помех в РЭС

К причинам возникновения паразитных помех в РЭС можно отнести следующие:

- эффекты отражения в сигнальных линиях связи в результате несогласованных нагрузок и неоднородностей;

- перекрестные наводки между сигнальными линиями связи;

- паразитные связи между РЭС по цепям питания и заземления;

- паразитные связи между РЭС по цепям питания и заземления;

- искажения формы сигнала в активных РЭС;

- искажения формы сигнала в линиях связи;

- наводки от внешних электромагнитных, магнитных и СВЧ электромагнитных полей и т. д.

1.2. Виды линий связи и их электрические параметры.

Связи между элементами РЭС можно выполнить различными способами:

- для сравнительно медленных устройств – в виде печатных или навесных проводников,

- в устройствах с повышенными скоростями работы связи между элементами выполняют в виде печатных полосковых линий, “свитых пар” (бифиляров).

При группировке элементов по узлам и блокам между ними образуется большое число электрических связей, которые можно разделить на электрически “короткие” и “длинные”.

Электрически “короткой” называют линию связи, время распространения сигнала в которой много меньше величены переднего фронта, передаваемого по линии импульса. Сигнал, отраженный от несогласованных нагрузок в этой линии связи, достигает источника раньше, чем успеет существенно измениться входной импульс. Свойства такой линии можно описать сосредоточенными сопротивлениями, емкостью, индуктивностью.

Электрически “длинная” линия связи характеризуется временем распространения сигнала, много большим фронта импульса. В этой линии сигнал, отраженный от ее конца, приходит к ее началу после окончания фронта импульса и искажает его форму. Это линии с распределенными параметрами. В пределах ячеек и модулей связи, как правило, “короткие”. Соединения внутри субблоков, блоков, панелей, внутристоечные и межстоечные в основном электрически “длинные”.

При определении уровня помех, наводимых в линиях связи, нужно учитывать электрические параметры линий. К этим параметрам относят для “коротких” связей: индуктивность линии L, Гн, емкость линии C, Ф, сопротивление линии R, Ом, взаимную емкость соседних линий C_ij, Ф, взаимную индуктивность соседних линий, M_ij, Гн, проводимость изоляции между соседними линиями G_ij, Сим

Для “длинных” линий параметры те же, но распределенные на единицу длинны. В этом случае волновое сопротивление имеет выражение :

1.3. Помехи при соединении элементов “короткими” связями.

а) Источники и приемники наводок.

Паразитные наводки – это не предусмотренная электрической схемой и конструкцией передача напряжения, тока или мощности от одного радиотехнического устройства к другому или одной части РЭС в другую. Наводки возникают вследствие паразитных связей (ПС) между РЭС и их частями, которые невозможно указать на принципиальной электрической схеме, т.к. они зависят от конструкции, компоновки элементов и РЭС в целом и почти не поддаются расчету.

При анализе наводок выделяют источник наводимого напряжения (ИН), приемник этого напряжения (ПН) и паразитную связь между ними (ПС).Любая РЭС или часть ее может стать ИМ и ПН. Все зависит от отношения между выходной энергией данного элемента РЭС, чувствительностью к восприятию этой энергии другого элемента. Чаще всего наводка возникает на основной частоте и реже - на гармониках. При проектировании РЭС важно знать вероятные ИН и ПН для принятия необходимых мер в наиболее опасных местах аппаратуры.

Источниками напряжения (ИН) могут служить:

-сеть переменного тока;

-мощные генераторы ВЧ, особенно работающие в линейном режиме и импульсные генераторы;

-импульсные модуляторы с высоким напряжением и большим током;

-генераторы импульсов, особенное с большим током (блок генераторы);

-выходные и предоконечные каскады УВЧ, УПЧ и УНЧ;

-генераторы развертки, особенно в высоким напряжением и малым временем обратного тока;

-реле и др. включающие и выключающие приборы;

-коллекторные электродвигатели.

Приемниками напряжений (ПН) являются:

-все радиоприемники, особенно высокочастотные и работающие в длинноволновом диапазоне;

-входные и первые промежуточные каскады усилителей всех типов;

-входные трансформаторы УНЧ;

-спусковые устройства (триггеры, ждущие мультивибраторы и т.п.) с высокой чувствительностью срабатывания.

б) Цели паразитной связи.

Источники наводок с приемниками могут быть связаны через электрическое и магнитное поле, электромагнитное поле излучения и соединительные провода.

Следовательно, при анализе процессов передачи сигналов и наводок электрически “короткую” линию связи можно представить в виде эквивалентной схемы, содержащей сосредоточенные индуктивность, емкость, омическое сопротивление. Паразитную связь между 2-мя “короткими” линиями связи также можно представить как связь через сосредоточенную взаимную емкость и взаимоиндукцию. В зависимости от геометрических размеров сечений линий, их длины, диэлектрических свойств изоляционных материалов тот или иной параметр линии связи может оказывать большее воздействие на процессы передачи сигналов, чем все остальные. Исходя из предположения преобладания того или иного параметра, рассмотрим влияние каждого из них на передачу сигналов в отдельности.

1.4. Индуктивный характер сигнальной связи.

Эквивалентная схема соединения 2-х элементов Э1 и Э2 в этом случае представлена на рис. 1

Рис.1 Эквивалентная схема с индуктивной связью,

где Э1 – источник, Э2 – приемник наводок.

Пусть на выходе источника Э1 имеется ступенька напряжения (рис. 2)

Рис. 2. Ступенька напряжения на источнике Э1.

При t=t0 по цепи рис. 1 потечет ток i(t) и тогда можно записать

, (1)

где R1 выходное сопротивление источника, R2 – входное сопротивление приемника, L – индуктивность связи между ними.

Определим реакцию приёмника Э2 на ступеньку напряжения источника Э1. Для этого необходимо знать Uвх=i(t)·R2 и, следовательно, знать значение тока i(t). Решение уравнения (1) для определения тока i(t) возможно несколькими способами.

а) Классический метод решения.

Ток представляют в виде двух составляющих

, (2)

где i(t)св и i(t)пр – свободная и принудительная составляющие тока.

В стационарном режиме

(3)

iсв ищется из уравнения (1) при iпр=0, когда U1=0. В этом случае

(4)

(5)

Возможен интеграл от обеих частей

(6)

(7)

(8)

Обозначим . В этом случае

(9)

Подставляя значение (9) в (2), имеем

(10)

Найдём С. При t=0 i=0. Тогда

(11)

Подставляя С в (10), уравнение (1) перепишется в виде

(12)

(13)

б) Операторный метод решения.

Идея операторного метода заключается в том, что из области функций действительного переменного решения переносится в область функций комплексного переменного, где операции принимают более простой вид. После выполнения операций над функциями комплексного переменного производится обратный переход в области функций действительного переменного.

Имеем Функцию f(t) – оригинал. F(P) – изображение

- прямое преобразование Лапласа.

- обратное преобразование Лапласа.

Найдем, например, изображение функции , изображенной на рис 3.

Рис. 3. Функция .

Оно имеет вид

Если .

Таким образом, вычисляются изображения многих функций и составляются таблицы, например:

Производная f(t), т.е. есть

Интеграл f(t), т.е. есть и т.д. (см. преобразования Лапласа.)

Запишем 1-е уравнение для изображений через ток, т.е.

, (14)

где

Отсюда

(15)

Прейдем от изображения к оригиналу. Для этого пользуются теоремой разложения, которая по-разному записывается для различных случаев.

Чтобы определить эти случаи, анализируют выражение , т.е. i(t) представляют в виде дроби. Затем приравнивают знаменатель F₂(p)=p·F3(p) и равные нулю корни определяют, приравнивая F₃(p) к нулю;

Тогда

, (16)

где n – число корней, не равных нулю;

P_k – не равные нулю корни;

F₃ – производная F₃.

Проиллюстрируем всё сказанное для эквивалентной схемы с индуктивной связью.

У нас

F2(P)=P[(R2+R1)+L*P], F2(P)=0, P=0. (17)

Есть один, равный нулю, тогда для нахождения корней приравняем нулю F₃(P)

отсюда

 

Обозначим как , т.е. =

тогда

(18)

Подставим (18) в (16), тогда получим

(19)

Имеем : F₁(0)=U₁; F₃(0)=R₂+R₁; F₁(P_k)=U₁; F’₃(P)=L, и эти выражения подставим в оригинал формулы разложения

(20)

Для напряжения U₂(t) получим :

(21)

Это выражение совпадает с выражением уравнения (13). Проанализируем их.

Рис. 4. Напряжение на входе источника и на выходе приемника.

При подаче на вход схемы ступеньки напряжения U_вых. элемент Э₂ срабатывает, когда на его входе U_вх2 достигает порога срабатывания И_п, т.е. с некоторой задержкой t =t ₃ (Рис. 4). Величина t ₃=0,7*L/R_вх2 определяется путем несложных расчетов.

Для уменьшения задержки необходимо уменьшить индуктивность линии и увеличивать входное сопротивление элементов. Индуктивность линии связи зависит от типа используемых проводников, их сечения и длины.

В современной радиоаппаратуре III и IV поколений используется элементы со временем переключения (задержки) в доли наносекунд. Желательно, чтобы эта задержка составляла малую, в худшем случае соизмеримую часть от времени переключения элементов.

1.5. Емкостной характер сигнальной связи.

Эквивалентная схема для расчёта реакции сигнальной связи, имеющей емкостной характер представлена на рис. 5

Рис. 5. Эквивалентная схема с емкостной связью.

Расчет схемы осуществляется аналогично расчету эквивалентной схемы с индуктивной связью, который рассмотрен в предыдущем разделе. При этом t₃=R1·C.

Паразитная связь осуществляется через электрическое поле, а в линиях связи с индуктивностью – через магнитное поле.

1.6. Паразитные емкостная и индуктивная связи между сигнальными проводниками.

С уменьшением геометрических размеров элементов и повышением плотности их размещения между сигнальными проводниками возникают одновременно емкостная и индуктивные связи. При переключении элементов по сигнальным цепям протекают импульсные токи с крутыми фронтами, которые вследствие наличия паразитных связей наводят на соседних сигнальных проводниках помехи. Последние при определенных условиях могут вызвать ложное срабатывание элементов схем.

Рассмотрим 2 цепи, выполненные по печатной технологии имеющие участок l, на котором они располагаются параллельно друг другу на расстоянии d (рис. 5.6а из Преснухина стр. 255.).

На этом участке между ними имеется взаимная емкость C₁₂ и взаимоиндуктивность M₁₂. эквивалентная схема для расчета наводимой помехи представлена на рис. (5.6б) из Преснухина стр. 255.

Величины C_1,2 и M_1,2 подсчитываются по формулам:

C_1,2=0,12 · 10^{-12 ·} E_{r ·} l/lg[2 · d/(a+b)] (22)

M_1,2=2 · l · [2,3 · lg[2 · b/(d+b)]+(d+b)/l+1] · 10^-8. (23)

Чтобы обеспечить устойчивую работу элементов, необходимо уменьшать длину цепей связей, амплитуду токов, увеличивать порог срабатывания элементов, величину фронта передаваемых импульсов, расстояния между проводниками связей.

Определение паразитных наводок по этим формулам очень ориентировочно. Истинную емкость и взаимоиндукцию можно определить только измерением на макете.

1.7. Паразитная связь через общее сопротивление.

В этом случае источник и приемник наводки включены на общее сопротивление, которым может быть внутреннее сопротивление и соединительные провода источников питания и др. (рис. 7.)

Рис. 7. Схема паразитной связи через общее сопротивление.

Zобщ. зависит от w подводимого напряжения источника питания. Для постоянного тока – это в основном сопротивление дросселей фильтра, и диодов источника питания. Для звуковых частот – активное сопротивление соединительных проводов и емкостное сопротивление конденсатора фильтра питания. На высоких частотах Zобщ. в основном зависит от индуктивного сопротивления соединительных проводов и конденсаторов фильтра питания.

К этому же виду паразитной связи относится связь через общие лепестки присоединения к корпусу и т.д.

1.8. Паразитная связь через электромагнитное поле излучения.

Эта связь наблюдается при значительных расстояниях между источником и приемником напряжения, на которых непосредственные емкостная и индуктивная паразитные связи практически отсутствуют. К таким расстояниям можно отнести расстояния, превышающие пять длин волн, из-за чего эта паразитная связь воздействует как правило на радиоприемники через антенный ввод.

Вам также может быть полезна лекция "Тема 11. Непроцессуальное использование О-Р информации".

Внутри одного устройства паразитная связь через электромагнитное поле излучения может возникать только на очень коротких волнах, длинна которых меньше габаритных размеров прибора. К нежелательным наводкам может приводить электромагнитное поле излучения соседних радиостанций, грозовых разрядов и промышленных помех.

В справочнике конструктора РЭС под ред. Варламова 1980г. стр. 385 есть таблицы с параметрами плоских медных проводников, нанесенных на одностороннюю стеклотекстолитовую тч. плату на 2-х стороннюю стеклотекст. п-пл., с параметрами медного прямого провода различных сечений.

Используя эти данные всегда можно знать величину индуктивно емкостных наводок и проанализировать, будут ли они сказываться на работе схемы.

1.9. Емкостная и индуктивная паразитные связи по посторонним проводам.

Эти виды связи могут получиться и при отсутствии непосредственной связи источника и приемника наводки.