14

Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры

Development and creation of geophysical instruments. Electric connections in radio electronic apparatus

Тема 9: электрические соединения в радиоэлектронной аппаратуре

Боги пекутся о великом, но малым пренебрегают.

Марк Туллий Цицерон. Римский политик и философ. I в. до н.э.

Хочешь создать великое, не пренебрегай малым. Не раз наблюдал, как один паршивый проводник превращал великое творение в аккуратненькую кучку отлично сделанного металлолома.

Роберт Тимофеевич Шарло. Уральский геофизик. Хх в.

Содержание:

1. Виды электрических соединений. Линии передач (ЛП). Электрически короткие ЛП. Электрически длинные линии передачи. Отражение сигналов в длинных линиях. Согласование электрически длинных ЛП.

2. Конструкции сигнальных линий передач. Монтажные провода. Свитая пара. Коаксиальный кабель. Печатные проводники. Электрические параметры объемного монтажа. Разводка ЛП. Волоконно-оптические ЛП.

3. Линии электропитания. Виды линий. Падение напряжения на линиях. Развязывающий конденсатор.

4. Конструирование заземления.

5. Электрические контакты. Виды соединений. Выбор электрических соединителей.

9.1. Виды электрических соединений [2]

Линии передач (ЛП). Под электрическими соединениями понимают линии передачи (ЛП) и электрические контакты, служащие для передачи сигналов и электриче­ской энергии между МС, радиодеталями и модулями, образующими РЭА. Электрические соединения бывают внутри- и межмодульными, внутри- и межблочными и т. п., что обусловливает их конструктивное исполнение.

По выполняемым функциям различают сигнальные ЛП, объединяющие входы и выходы элементов и модулей и предназначенные для передачи сиг­налов, и ЛП электропитания, осуществляющие подвод электрической энергии к элементам. Все ЛП имеют прямой и обратный провод. Обратный провод называют землей, линией нулевого потенциала, общим проводом. Выделяют неэкранированные и экранированные ЛП. Экраны обеспечивают защиту линий от воздействия электрических, магнитных и электромагнитных полей. В зависимости от конструктивных особенностей обратного провода ЛП подразделяют на симметричные, состоящие из двух одинаковых изолированных проводов, несимметричные с одним общим проводом для многих ЛП, и коаксиальные, с обратным проводом по оплетке коаксиального кабеля.

В общем случае, линии передачи должны обладать:

• минимальным активным и индуктивным сопротивлениями;

• однородным по длине линии волновым сопротивлением;

• минимальным полем вокруг линии при протекании по ней тока;

• способностью передачи сигналов в широком диапа­зоне частот, токов и напряжений;

• минимальной толщиной изоляции с диэлектрической проницаемостью, близкой к 1;

• способностью к объединению в узлы;

• способностью к автоматизации при проведении монтажных работ.

Универсальных ЛП, удовлетворяющих всем требованиям одновременно, не существует. В реальных кон­струкциях применяют разнообразные типы ЛП в зависимости от назначения и функцио­нальных особенностей аппаратуры. На выбор типа ЛП влияют форма передаваемых сигналов, их напря­жение и частота, ослабление сигнала на единицу длины линии, механиче­ская гибкость, технологические требования и другие факторы.

Радиоэлектронные устройства содержат разнообраз­ные по выполняемым функциям элементы и модули, отличающиеся харак­тером обрабатываемых сигналов, их мощностью, частотой и пр. При пере­даче электрических сигналов по ЛП происходит искажение формы и спек­тра сигналов, их затухание. Искажение сигнала определяется степенью рассогласования параметров электронных схем с параметрами ЛП, взаим­ным влиянием расположенных по соседству ЛП, задержкой сигналов в ЛП. Выбор конструктивно-технологического варианта исполнения элек­трических соединений - важная и сложная задача, влияющая на качество проектируемой РЭА.

Электрический сигнал передается по проводнику тока, которым является металлическая проволока (провод), пленочные и печатные проводники. В по­перечном сечении провода бывают круглыми или прямоугольными, пленочные и печатные проводники - прямоугольными. Провода защищаются изолирующими диэлектрическими оболочками, а при необходимости - экранами. По волноводам и волоконно-оптическим ЛП передается электромагнитная энергия радиочастотного (волновод) и светового (световод) диапазонов.

Рис. 9.1.1.

Для повышения производительности труда при сборке РЭА и упрощения электромонтажных работ ЛП объединяют конструктивно-технологически в узлы (рис. 9.1.1), состоящие, например, в жгутах из нескольких десятков ли­ний.

Линии электропитания представляют собой объемные провода, пленочные и печатные проводники, либо проводящие пластины. Конструктив­ное исполнение сигнальных ЛП более разнообразно и во многом определя­ется частотным диапазоном передаваемых сигналов.

Все сигнальные линии связи разделяют на электрически длинные и электрически короткие, характер искажения сигналов в которых различен.

Электрически короткой называют ЛП, длина которой для гармонического сигнала определяется по выражению

l_k = c/(f ),

где а - частота сигнала, с - скорость света,  - относитель­ная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей линию передачи.

Расчет ЛП для импульсных сигналов проводится на гармонику наибольшей частоты, значение которой приближенно равно а = 0.4/t_ф, где t_ф - значение фронта сигнала на уровне 0,1 и 0,9 амплитуды сигнала.

Рис. 9.1.2.

Электрически короткие ЛП. При анализе электрических процессов короткую ЛП моделируют эк­вивалентной схемой, состоящей из емкости и индуктивности ЛП, сосредоточенными в од­ной точке (рис. 9.1.2-б). Активным сопротивлением линии пренеб­регают. Модуль 1, формирующий сигнал, представляется источником напряже­ния U с последовательно включенным сопротивлением R₁. Модуль 2 является приемником сигнала и моделиру­ется входным сопротивлением R₂.

При R₂ >> R₁ эквивалентную схему индуктивно-емкостной короткой линии совместно с сопротивлением R₁ можно представить резонансным кон­туром, в котором могут возникнуть колебания с частотой:

f = (1/2) .

В результате колебательного процесса напряжение на входе схемы 2 может многократно пересечь порог ее срабатывания и вызвать многократное изменение ее логиче­ского состояния. Если колебания в ЛП прекратятся за минимальное время дли­тельности фронта передаваемого по линии сигнала, то они не окажут влияния на работоспособность аппаратуры. Условие отсутствия колеба­ний в линии выполняется при L ≤ CR₁²/4. В этом случае индуктивностью линии можно пренебречь (в).

Реакция емкостной ЛП (в) на синусоидальный сигнал будет проявляться в умень­шении амплитуды выходного напряжения и сдвиге фазы выходного сигнала относительно входного. В общем случае сигналы на входе и выходе ЛП могут существенно отличаться. Если ЛП нагружается на пороговые схемы, то при подаче на вход ЛП прямоугольного импульса амплитудой U время срабатывания схемы задерживается на величину:

t_ср = |ln(1-U_пор/U|,

где  = R₁С - постоянная времени, U_nop — пороговое напряжение логиче­ского элемента 2. Если длительность импульса много больше , то ЛП передаст им­пульс практически без искажений. В противном случае линия передачи будет себя вести подобно интегрирующей RC-цепи, занижая амплитуду импульса и сглаживая его фронты.

Перекрестные помехи обусловлены электрическим, магнитным и электромагнитным взаимодействием расположенных по соседству ЛП. Микроминиатюризация и увеличение плотности упаковки проводников ставят перед конструктором важную зада­чу уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную ра­боту аппаратуры. Уровень помех зависит от взаимной индуктивности проводников и межпроводниковой емкости, создавая соответственно индуктивную и емкостную составляющие взаимных помех. Емкостная составляющая возраста­ет с ростом скорости изменения напря­жения на входе ЛП и величин сопротивлений на концах линии, индуктивная помеха - с ростом скорости изменения тока в линии и увеличением числа нагрузок на выходе активной линии.

Снизить значение паразитной емкости между ЛП можно уменьшением длины совме­стного параллельного расположения проводов на минимально возможном расстоянии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, передающих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛП к земле, введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. Напри­мер, заземление оплетки коаксиального кабеля позволит целиком избавить­ся от емкостной помехи. Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения ЛП воз­можно дальше друг от друга, уменьшением площадей контуров, образуемых проводами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛП, использо­ванием экранированных проводов, свитых пар, коаксиальных кабелей.

Электрически длинные линии передачи. Хотя параметры линии являются распределенными вдоль ее длины, на эквивалентной электрической схеме ЛП их аппроксимируют сосредоточен­ными на малых фрагментах линии (рис. 9.1.3), где R, L, С - погонные (на единицу длины) сопротивление, индуктивность, емкость.

Рис. 9.1.3.

Важнейшей характеристикой электрически длинной ЛП является ее волновое сопротивление Z_0.. Волновое сопротивление – это сопротивление линии электромагнитной волне при отсутствии отражений от концов линии. Оно зависит от первичных электрических параметров кабеля и частоты сигнала. Если электромагнитную волну представить в виде раздельных волн напряжения и тока, то соотношение между ними и представляет собой волновое сопротивление цепи: Z₀ = U/I. Волновое сопротивление является комплексной величиной и состоит из активной и реактивной части. Зависимость волнового сопротивления от частоты повышается в области низких частот и имеет емкостной характер (2fL<<R). В области высоких частот имеет место 2fL > R, 2fC >> (1/R) и значение волнового сопротивления стремится к постоянной величине , которое и принимается за значение Z₀.

Отражение сигналов в длинных линиях. При передаче сигналов по длинным линиям важно согласовать сопро­тивление нагрузки с волновым сопротивлением линии. В несогласованной линии одновременно присутствует прямая (падающая) волна, распространяющаяся от начала линии к ее концу, и отраженная от нагрузки обратная волна, передающаяся от конца линии к ее нача­лу. Отношение амплитуды напря­жения U_o отраженной от нагрузки R волны к ам­плитуде U_п падающей волны определяется коэффициентом отражения:

_U_o/U_п = (R-Z₀)/(R+Z₀).

Отраженная волна распространяется от конца линии к началу (с определенной потерей энергии на Z₀), через определенное время задержки t_з достигает начала линии, и точно также отражается от выходного сопротивления источника сигнала. Значение скорости распространения волн на высоких частотах стремится к постоянной величине  , и, соответственно, t_з = . На низких частотах, где преобладает емкостной характер линии, время задержки может увеличиваться в 1.5-2 раза.

Если сопротивление в начале и конце линии соответственно R₁ и R₂ и соблюдается отношение R₁ < Z₀ < R₂, то коэффициенты отражений на вхо­де _o1 и выходе _o2 линии соответственно будут 0 > _o1 > -1 и 0 < _o2 < 1.

Рис. 9.1.4.

Искажение импульсного сигнала, когда длительность передаваемого импульса t_и << t_з, при прохождении его по ЛП показано на рис. 9.1.4. Сигналы на графиках соответствуют моментам их поступления на вход U₁ и выход U₂ ЛП. Следует обратить внимание на изменение полярности отражаемых сигналов в зависимости от соотношения величин R₁ и R₂ с величиной Z₀. Таким образом, на вход линии поступил один импульс, а на входе нагру­женной на линию МС с периодом 2t_з может оказаться несколько импульсов, превышающих порог ее срабатывания.

Согласование электрически длинных ЛП. Уменьшения или полно­го исключения отражений в длинных линиях можно добиться их согласова­нием. Линия передачи считается согласованной, если сопротивление, на ко­торое она нагружена, равно волновому сопротивлению линии, при этом значение _o2 становится равным нулю. Рекомендуется также проводить согласование линии и с источником сигнала, если его выходное сопротивление R₁ много меньше Z₀, что обнуляет значение _o1. Согласование обеспечивается введением согласующих резисторов R_c на входах и выходах ЛП. Для источников сигналов с малым выходным сопротивлением применяют последовательное согласование с ЛП (R₁+R_c  Z₀), на приемниках сигналов с высоким входным сопротивлением – параллельное согласование (R₂ || R_c  Z₀). При большем количестве нагрузок на выходе ЛП для согла­сования используют эмиттерные повторители (см. рис. 9.1.5, в).

Рис. 9.1.5.

При конструировании цифровой аппаратуры входы триггеров, одновибраторов, регистров не рекомендуется подключать непосредственно к длинным линиям. Отсутствие буферных каскадов из-за значительной емко­стной нагрузки и наличия отражений приведет к неустойчивой работе аппа­ратуры. В качестве буферных каскадов для восстановления фронтов импульсов обычно используются триггеры Шмитта. Аналогично буферные каскады рекомендуется использовать и для согласования коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом, при этом выход кабеля нагру­жается на сопротивление 51 Ом.

В зависимости от специфики разрабатываемой аппаратуры в качестве длинных линий используют микрополосковые и полосковые печатные про­водники, свитую пару, плоский кабель, коаксиальный кабель. При высоком уровне внешних для ЛП электромагнитных помех рекомендуется применение коаксиальных кабелей и свитых пар с формированием разнополярных сигналов на обоих проводах пары.

Высокочастотный переменный или импульс­ный ток неравномерно распределяется по се­чению проводника, имея наибольшую плотность у его поверхности, что является результатом проявления поверхност­ного эффекта. Поверхностный эффект увеличивает сопротивление провод­ника переменному току. Влияние поверхностного эффекта сказывается на искажении фронта и формы импульса, так как разные частоты затухают в материале проводника неодинаково. Для ослабления влияния поверхностного эффекта используют провод, свитый из большого числа изолированных друг от друга жил и.

Для устране­ния перекрестных помех линии передачи экранируют. Применение ЛП с экранирующей металлической оболочкой является эффективным способом ее защиты от воздействий электрического и электромагнитного полей. Экраны необходимо заземлять короткими проводами минимального индуктивного сопротивления либо путем непо­средственного контакта с корпусом прибора. Отсутствие заземления экранов ЛП не устраняет емкостную связь между центральными проводами. Если ток, протекающий по центральному проводу ЛП, равен обратному току через его оплетку, то в пространстве, окружающем линию, электромагнитное поле отсутствует.