4G: помехоустойчивое кодирование

Рассматривается вариант повышения качества передачи информации и увеличения скорости передачи информации за счет использования помехоустойчивого кодирования

Рост Интернета, количества и качества интерактивных сервисов предполагает одновременное расширение каналов связи, которые связывают пользователя с всемирной паутиной. Теперь, когда скорости передачи данных можно измерять мегабайтами в секунду, прежние технологии отходят в историю и на смену им приходят новые. Одной из самых последних технологий является 4G или LTE, что в переводе означает Проект Долгосрочной Эволюции. LTE - это изменение, знаменующее переход от систем Сode Division Multiple Access (CDMA - множественный доступ с кодовым разделением) к системам Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA - многостанционный доступ с ортогональным частотным разделением каналов), а также переход от систем с коммутацией каналов к системе e2e IP (коммутации пакетов). Основной проблемой перехода на LTE - это необходимость в новом спектре для получения преимуществ от широкого канала.

Цели разработки LTE:

- снижение стоимости передачи данных;

- увеличение скорости передачи данных;

- возможность предоставления большего спектра услуг по более низкой цене;

- повышение гибкости использования уже существующих систем.

Основные характеристики LTE:

- пиковая скорость приема 326 Мбит/с с 20 МГц шириной канала;

- пиковая скорость отдачи 86.4 Мбит/с с 20 МГц шириной канала;

- масштабируемая до 20 МГц ширина канала, значениями в 1.4, 2.5, 5, 10, 15, и 20 МГц;

- уменьшенное время отклика, до 10 мс, между оборудованием пользователя и базовой станцией и менее 100 мс время перехода из неактивного состояния в активное.

Основная цель LTE – это наращивание скорости передачи данных. Для реализации таких скоростей планируется использовать технологию MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) система независимой обработки переотраженных декоррелированных сигналов абонента, в конфигурации антенн 4x4. Основная идея MIMO - разбиение потока транслируемых данных между независимыми приемопередатчиками, обеспечивающими связь для одного и того же абонента на одной и той же частоте.

LTE является сетью с пакетной передачей данных и оптимизирована для использования IP технологий и всех возможностей, присущих проводным ip-сетям. Сети 4G на основе стандарта LTE способны работать практически по всей ширине спектра частот от 700 МГц до 2,7 ГГц. Рабочие частоты LTE - GSM частоты (400-2700 МГц).

LTE является универсальной технологией, которая по своим характеристикам соответствует требованиям 3GPP и даже превосходит их. LTE поддерживает передачу голоса и эта поддержка была среди ключевых задач при проектировании. Голос в сетях LTE передаётся благодаря IMS VoIP. Ключевой момент здесь это то, что для LTE голос это всего лишь один из многих потенциальных медийных потоков, который может быть передан. Это становится возможным благодаря сетям с коммутацией пакетов и технологии VoIP, которые эффективно используют радио и сетевые ресурсы.

В дополнение к LTE, 3GPP определил плоскую архитектуру сети с IP, как часть программы "Развитие архитектуры системы" (SAE). Целью и сущностью концепций LTE-SAE является эффективная поддержка широкого коммерческого использования любой услуги на базе IP. Данная архитектура основана и является дальнейшим продолжением существующих сетей стандарта GSM/WCDMA, позволяя существенно упростить эксплуатацию.

Основными принципами архитектуры LTE-SAE (рис. 1) являются общая опорная точка и узел шлюза (Gateway Node) для всех технологий доступа. Архитектура оптимизирована в плоскости (функциональном уровне) пользователя. Во всех интерфейсах реализуются протоколы на базе IP. Интеграция технологий доступа, не относящихся к 3GPP, осуществляется на базе IP как у клиента, так и в сети.

Архитектура предполагает переход на меньшее количество узлов, которое снижается с четырех до двух. Осуществляется разделение функций интерфейса сети радиодоступа RAN-CN, подобно WCDMA/HSPA. Также разделяются плоскость управления и плоскость пользователя между системой управления мобильностью (ММЕ) и шлюзом. Шлюз, который может выполнять функции устройства сети пакетных данных (PDN), так и сервисного шлюза, конфигурируется под выполнение обеих ролей или какой-нибудь одной из них. PDN-шлюз служит общей опорной точкой для всех технологий доступа. Тем самым в рамках одной или нескольких технологий доступа обеспечивается стабильная точка присутствия для всех пользователей на основе IP, вне зависимости от мобильности. Сервисный шлюз является опорной точкой для мобильности в рамках 3GPP-системы. Функциональность ММЕ отделена от шлюзов для облегчения развертывания сети, для перехода на независимую технологию и для получения абсолютно гибкой масштабируемости пропускной способности. Системы GSM и WCDMA/HSPA интегрируются в усовершенствованную систему посредством стандартизованных интерфейсов, соединяющих узел SGSN (сервисный узел поддержки GPRS) и усовершенствованное ядро сети. Сюда входят интерфейсы с ММЕ для передачи контекста и установки каналов при перемещении между технологиями доступа, а также с шлюзом для установки IP-соединения с пользовательским оборудованием (UE). Таким образом, для терминалов GSM и WCMDA/HSPA узел шлюза функционирует в качестве узла GGSN (узла поддержки шлюза GPRS). Данная архитектура также позволяет создавать общую опорную пакетную сеть для GSM, WCDMA/HSPA и LTE путем соединения SGSN и MME в одном узле.

Рис. 1. Схема архитектуры LTE-SAE

Таким образом, система LTE лучше использует частотный спектр, отличается повышенной емкостью и меньшими значениями задержки. Увеличение скорости передачи данных способствует повышению качества предоставляемых услуг, ускоряет распространение новых мультимедийных сервисов (многопользовательские игры, социальные сети, видеоконференции, системы мониторинга и М2М, интерактивные он-лайн приложения и др.).

Система LTE является следующим значительным шагом в развитии мобильной радиосвязи. С ее внедрением абоненты смогут оценить преимущества новейших услуг, поддерживающих такие требовательные к ресурсам приложения, как интерактивное ТВ, передачу видеопотоков, генерируемых пользователями, сложные игры и профессиональные услуги.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.5

Б.Л. Гусев, А.В. Башкиров, Ю.В. Дьячков

ОПТИМИЗАЦИЯ АППАРАТНЫХ РЕСУРСОВ плис

ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТУРБО-ДЕКОДЕРа C ПОВЫШЕННОЙ

ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬЮ

Рассматривается способ сокращения используемой памяти для хранения метрик прямого прохода при аппаратной реализации турбо-декодера, за счет хранения только половины метрик, вторая половина будет восстановлена при обратном проходе

В современных цифровых системах связи наблюдается постоянная тенденция к увеличению объема и скорости передаваемой информации, и повышаются требования к помехоустойчивым кодерам. Во многих системах начались применяться турбо-кодеры, но их повсеместному внедрению мешает их сложная программная или аппаратная реализация. Для турбо-кодера с большой степенью помехозащищенности целесообразно использовать аппаратную реализацию, это позволит непрерывно обрабатывать довольно большие потоки данных, без использования мощных процессорных структур, такая реализация возможна на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Основная трудность при реализации на ПЛИС турбо-декодера является потребность в большом объеме встроенной памяти, требуемой для хранения метрик прямого прохода. При использовании программной реализации это проблема решается с использованием оперативной памяти. При аппаратной реализации параллельно вычисляются несколько коэффициентов и поэтому необходимо иметь доступ к памяти сразу нескольким параллельным процессам, поэтому использование оперативной памяти здесь затруднительно. Решить данную проблему можно сокращением хранимой информации в несколько раз.

Турбо-декодер состоит из двух последовательно соединенных Log-MAP декодеров и перемножителей. На входе декодера имеется два одинаковых буфера, предназначенных для хранения входных отчетов. Пока один из буферов заполняется входными данными, второй выдает данные на обработку остальным блокам, после того как данные из второго буфера полностью обработались, и первый буфер заполнился до конца, происходит их перекоммутация. Теперь второй буфер будет накапливать входные отчеты, а первый выдавать данные на обработку. Такая организация позволит обрабатывать блоками непрерывный поток данных, важным условием является то, что выдача данных на обработку не должна быть медленнее приема входных данных.

Работа декодера разбивается на два этапа: прямой и обратный проход. При прямом проходе данные считываются из входного буфера в прямом направлении (т.е. аналогично FIFO) при обратном проходе – в обратном направлении (LIFO). Считанные данные на обоих этапах поступают на блок вычисления логарифмической метрики ребер γ. Эта метрика для каждого ребра зависит и от кодовой последовательности, которую формирует кодер, проходя по этому ребру. То есть на этот блок поступают данные о trellis. Для увеличения скорости декодирования блок метрики ребер состоит из n параллельных вычислителей, где n – количество ребер в решетке. Найденные n метрик поступают на буфер, позволяющий хранить значения метрик ребер трех последних итераций. Эти значения потребуются при обратном проходе, при прямом проходе необходимы значения метрик ребер только текущей итерации.

При прямом проходе в декодере вычисляются логарифмические метрики прямого прохода α. Эта метрика вычисляется для каждого узла решетки и зависит от значений α на предыдущей итерации и от метрик ребер γ. Для повышения скорости работы декодера блок, вычисляющий метрику α, состоит из k параллельных вычислителей, где k – количество узлов в решетке. Найденные данные поступают на k регистров, хранящих значения метрик α. Далее эти значения поступают обратно на вход блока вычисления метрик α для нахождения новых метрик и на память RAM. Запоминать метрики α при прямом проходе необходимо, так как при обратном проходе вычисляется логарифм отношения правдоподобия Λ, в котором используются метрики прямого прохода.

Если предложить следующее утверждение: что перед нахождением Λ на обратном проходе предварительно вычисляются метрики обратного прохода β, и аппаратная сложность и время вычисления α и β примерно одинакова, то при обратном проходе метрику α можно брать непосредственно из RAM или вычислить, затратив не более одной итерации, т.е. такое же время как при вычислении метрик β. То тогда нет необходимости запоминать метрики α на каждой итерации, а можно запоминать только через итерацию. При этом недостающие метрики α при обратном проходе будут восстановлены из уже имеющихся в памяти, всего за одну итерацию, т.е. за время нахождения метрики β. На самом деле можно попробовать реализовать алгоритм, в котором записываются каждая 3-я или 4-я метрика α, но процесс восстановления недостающих метрик на обратном проходе может оказаться слишком сложным.

Запись каждой второй метрики α позволяет сократить объем памяти метрик α (RAM) в два раза, что может оказаться существенным при выборе длины обрабатываемого блока. Недостатком такого подхода является то, что блоки вычисления метрик α и β примерно (или полностью) идентичны, что позволяет использовать один блок для вычисления α при прямом проходе и β при обратном. Если же записывать каждую вторую метрику, то при обратном проходе необходимо использовать два отдельных блока: один для восстановления недостающих α, другой для подсчета β.

Память RAM имеет k параллельных одинаковых блоков, хранящих метрики α для каждого узла решетки. Чтобы записывать каждую вторую метрику α, в блоке RAM имеется управляющий сигнал wr. После завершения прямого прохода в блоке RAM хранится k*L/2 метрик α, где L – количество отчетов в обрабатываемом блоке.

При обратном проходе вычисляется логарифмическая метрика обратного прохода β, для этого используется блок вычисления метрик β, и регистров для хранения текущих метрик. Эти блоки так же состоят из k параллельных вычислителей.

При обратном проходе происходят вычисления: метрик ребер γ, метрик обратного прохода β, восстановление недостающих метрик прямого прохода α, и логарифмического отношения правдоподобия Λ.

Вычисление метрик при обратном проходе

На рисунке приведен процесс вычисления при обратном проходе, здесь ребра решетки перебираются справа налево и поэтому нумерация (i) идет справой стороны. На i-той итерации происходят следующие параллельные вычисления:

1. метрик ребер γ_i, зависящих от текущего положения ребра и от входных данных декодера;

2. метрик обратного прохода β_i, зависящих от предыдущих метрик β_i-1, и метрик ребер γ_i-2, вычисленных две итерации назад и сохраненных в буфере для γ;

3. считываются с памяти RAM метрики прямого прохода α_i+1(ram) и вычисляются недостающие метрики α_i(din). Здесь ram – означает, что данная метрика считана с памяти, din – вычислена динамически. Для вычисления α_i(din) необходимы сохраненные метрики α_i+1(ram), которые в решетке находятся левее текущих, и метрики ребер γ_i-1, вычисленные на предыдущей итерации;

4. логарифмическое отношение правдоподобия Λ_i, вычисляемое из метрики прямого проходя α_i-1, метрик обратного прохода β_i-1, и метрик ребер γ_i-3.

Для организации восстановления недостающих метрик прямого прохода α используются два мультиплексора. Если текущая метрика сохранена в RAM, то происходит считывания этой метрики, и она подается на блок вычисления Λ и на блок вычисления α, чтобы на следующей итерации восстановить недостающую метрику α. Если текущая метрика не сохранена в RAM, значит, она восстановлена в текущей итерации, и эту метрику с блока вычисления α необходимо подать на блок вычисления Λ. Запись метрики в RAM на обратном проходе не производится, сигнал wr равен нулю.

Сигналы с блока вычисления логарифмического отношения правдоподобия Λ поступают либо на блок, выдающий жесткие решения, либо непосредственно на выход.

Для ещё большего сокращения используемой памяти метрик прямого прохода α, можно записывать каждую третью или четвертую (или ещё реже, в пределах разумного) метрику. Но тогда при обратном проходе восстановление метрик должно происходить заранее за несколько тактов (в зависимости от величины прореживания). То есть при обратном проходе будет совершаться множество прямых проходов не большой длины, при этом в качестве начальных метрик α, будут использоваться сохраненные в RAM метрики. Так же потребуется дополнительная память для хранения восстановленных метрик для текущих итераций. Например, в память RAM записывается каждая 8 метрика, тогда дополнительной памяти потребуется не более 16*k ячеек, где k – количество узлов решетки. Сокращение размера RAM при этом буде существенно, если используется блок размером 4096 отчетов, то вместо 4096*k потребуется 512*k ячеек.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.5

И.А. Лозовой, С.Ю. Сизов, А.В. Котляренко, А.В. Турецкий,

О.Ю. Макаров

Программные комплексы АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

АНАЛИЗА МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ воздействий

на КОНСТРУКЦИи РЭС

В статье проводится краткий обзор наиболее доступных современных систем автоматизированного проектирования и инженерного анализа, даны рекомендации по выбору САПР

В настоящее время вопросы внедрения в производство радиоэлектронных средств подсистем и пакетов прикладных программ для автоматизации анализов различных характеристик РЭС приобретают все большую актуальность, так как это дает значительный экономический эффект за счет сокращения натурных испытаний и связанного с этим сроком проектирования.

Современное состояние САПР в России можно охарактеризовать как время массового перехода промышленности к использованию технологии 3D-проектирования. Рассмотрим одни из основных САПР, осуществляющие 3D- проектирование и инженерный анализ.

Система Nastran.

Обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно - деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и неустановившихся процессов, акустических явлений, нелинейных статических процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок, спектральный анализ и исследование аэроупругости [1]. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие. Расширенные функции включают технологию суперэлементов (подконструкций), модальный синтез и макроязык DMAP для создания пользовательских приложений.

Однако в этой системе есть некоторая универсальность и направленность на механическое проектирование. Для использования системы в расчетах узлов на печатных платах, имеющих свою специфику, требуется доработка. Слабо рассмотрены вопросы анализа электромагнитной совместимости.

Система ANSYS.

Программный комплекс ANSYS является единой программной платформой для реализации полного цикла разработки нового изделия от технического задания на этапе проектирования до проверки правильности принятых решений.

С помощью ANSYS Mechanical может проводиться расчет термомеханических напряжений в полупроводниках, электронных модулях, печатных платах и замкнутых системах[2,3]. Кроме того, инженеры при проведении модального анализа, изучении ударных нагрузок и вибраций могут учитывать нелинейные явления в конструкции изделия – включая усталость паяных соединений, расслоение и ползучесть. Программный комплекс ANSYS AUTODYN может использоваться для моделирования ударных испытаний с целью оптимизации рабочих характеристик и надежности изделия.

Программный продукт ANSYS Icepak используется для оценки температурного состояния электронных устройств в целом и отдельных узлов в частности. Он позволяет моделировать все виды теплообмена: естественную и вынужденную конвекцию, лучистый теплообмен и теплопроводность. CFD-комплексы используются для акустического анализа, изучения микроканалов, многофазных потоков, фазовых переходов и др. Кроме того, они применяются в процессе производства полупроводников, в частности, при моделировании процессов травления, фотолитографии, химического осаждения из газовой фазы и др.

Анализируя возможности системы ANSYS можно сказать, что она наиболее полно отвечает современным требованиям инженерного анализа и оптимизации печатных узлов РЭС.

Система T-Flex.

Комплекс T-FLEX, разрабатываемый и распространяемый российской компанией «Топ Системы». Позволяет решить практически все задачи конструкторско-технологической подготовки производства — от получения заказа до изготовления изделия. При этом по функциональности каждая из систем комплекса T-FLEX конкурирует с лучшими образцами как западных, так и российских продуктов[4].

Анализируя возможности системы T-FLEX можно выявить достаточно хорошую проработку проектной и технологической составляющих проектирования. Отличительной особенностью является поддержка не только современного, но и более старого оборудования, что немаловажно для ряда российских предприятий.

Однако в этой системе отсутствуют средства анализа и оптимизации печатных узлов РЭС. T-FLEX имеет строгую направленность на механическое проектирование, но некоторые основные прочностные и тепловые расчеты можно провести.

Система Pro/ENGINEER Mechanica.

Расширенные возможности модуля Pro/ENGINEER Structure and Thermal Simulation позволяют решить многие задачи моделирования. Он обладает следующими возможностями[5, 6]:

- статический анализ для расчета напряжений и перемещений, включая контактные нелинейные задачи;

- модальные решения для незакрепленной и закрепленной модели;

- возможности расчета на устойчивость позволяют определить критическую для конструкции нагрузку;

- анализ стационарной теплопередачи для оценки воздействия на модель постоянной тепловой нагрузки и граничных условий.

Анализируя возможности модуля Pro/MECHANICA системы Pro/ENGINEER можно сделать вывод, что это достаточно мощный инструмент механического и температурного анализа конструкций, позволяющий проводить большинство необходимых видов расчетов и оптимизаций. Однако стоит отметить в основном его направленность на решение задач в области механического проектирования и слабую проработку анализа и оптимизации узлов на печатных платах РЭС.

Система АСОНИКА.

Система обеспечения надежности и качества аппаратуры (АСОНИКА) включает в себя несколько подсистем, каждая из которых направлена на решение конкретной задачи [7].

Автоматизированная подсистема АСОНИКА-В предназначена для анализа механических характеристик конструкций шкафов, стоек и блоков РЭС, установленных на виброизоляторах.

Подсистема АСОНИКА-М предназначена для автоматизации процесса моделирования неамортизированных конструкций РЭС на механические воздействия.

После моделирования конструкций третьего и второго уровней (шкафов, блоков и т.п.) результаты передаются в подсистему АСОНИКА-ТМ для моделирования механических процессов в конструкциях первого уровня РЭС (печатных узлов, кассет и т.п.).

Подсистема АСОНИКА-Т используется для определения тепловых режимов работы всех ЭРИ и материалов несущих конструкций и внесение изменений в конструкцию с целью достижения заданных коэффициентов нагрузки.

Подводя итоги можно отметить следующие общие недостатки, присущие подсистемам АСОНИКА:

- слабая связь с современными системами 3D проектирования, что серьезно ограничивает применяемость системы;

- отсутствие у ряда подсистем собственного решателя, что приводит к необходимости приобретения продуктов сторонних производителей, зачастую дорогостоящих;

- недостаточная реализация средств оптимизации конструкций, увеличивающая затраты на проектирование как временные, так и материальные.

В связи со сказанным выше и по сравнению с рассмотренными системами инженерного анализа система АСОНИКА имеет весьма скромные возможности, что серьезно ограничивает ее применение на современных российских предприятиях.

Подводя итоги обзора современных систем автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства можно сделать вывод, что в качестве базового программного продукта целесообразно выбрать систему Pro/ENGINEER. Эта система обладает широкими возможностями по обеспечению эффективной разработки и выпуску конкурентоспособной продукции. Однако в этой системе слабо реализованы возможности инженерных расчетов узлов на печатных платах, составляющих основу радиоэлектронного оборудования. В частности, нет возможности анализа электромагнитной совместимости, анализ теплового режима сложных многослойных плат, имеющих собственное тепловыделение, анализа целостности сигнала и др. Для расширения возможностей Pro/ENGINEER целесообразно применить систему ANSYS, достаточно эффективно выполняющую эти виды анализа, которая, кроме того, позволяет свободную интеграцию с современными CAD системами, в том числе и с Pro/ENGINEER.

С использованием в качестве базы инструментальных средств анализа системы Pro/ENGINEER (Structure and Thermal Simulation) общая методика проведения моделирования тепловых и механических характеристик (при интеграции с ANSYS также и ЭМС) включает следующие основные этапы.

1. Создание 3D моделей конструкции.

2. Анализ требований ТЗ и условий эксплуатации, выделение основных типов внешних и внутренних воздействий (механические нагрузки, тепловыделение).

3. Определение конкретной формы воздействующих факторов (вибрация, удары, линейные ускорения, сипы, температура, тепловой поток, температурный градиент и т.д.) и их количественных параметров.

4. Формирование комплекса задач моделирования и их сведения к типовым математическим постановкам (п. 1.2) в форме соответствующих задач математической физики.

5. Определение и задание количественных параметров граничных условий: границы областей с разными типами воздействий, объемные и плоские источники энергии, взаимодействие с окружающей средой и конструкциями более высокого уровня иерархии (например, определение коэффициентов теплообмена) и т.д.

6. Задание параметров, входящих в граничные условия, средствами Structure and Thermal Simulation непосредственно на 3D модели конструкции.

7. Проведение расчетов и анализ результатов.

При этом основным этапом, определяющим адекватность и точность результатов моделирования, является выбор класса решаемой задачи, определяемого видом базового дифференциального уравнения (Лапласа, Пуассона, Фурье и т.д.), формирование и задание граничных условий для 3D модели конструкции с эффективным использованием возможностей, представляемых Structure and Thermal Simulation. Поэтому целесообразным представляется формирование комплекса постановок задач моделирования для всех основных видов анализа и определения типовых характеристик РЭС, наиболее широко применяемых конструкций (с учетом их иерархии) и внешних воздействий (библиотеки моделей). И создание для каждой из таких моделей частных методик их реализации средствами Pro/ENGINEER (Structure and Thermal Simulation).

Литература

1. Рычков С.П. MSC.visual NASTRAN для Windows / М: НТ - пресс, 2004. 552 с.

2. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя / М.: ДМК Пресс, 2005. 640 с.

3. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева. М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / М.: Едиториал УРСС, 2004. 269 с.

4. T-FLEX. Трехмерое моделирование. Руководство пользователя. Топ системы. 2006. 748 с.

5. Буланов А. Wildfire 3.0. Первые шаги. М.: Изд-во «Поматур», 2008. 240 с.

6. Грэхам Г., Стенффен Д. Pro/Engineer 2001 / М.: Изд-во «Лори», 2003. 363 с.

7. Шалумов А.С. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий. / А.С. Шалумов, Н.В. Малютин, Ю.Н. Кофанов и др.; Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н.В. Малютина, А.С. Шалумова. М.: Энергоатомиздат, 2007. Т. 1. 368 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

А.А. Антиликаторов, Л.Н. Никитин

РЕГЕНЕРАТОР ЦИФРОВОГО СИГНАЛА

Разработан регенератор цифрового сигнала, представляющий собой регенератор - усилитель цифровых потоков

Разработанный регенератор цифрового сигнала (РЦС) входит в состав аппаратуры, необходимой для организации цифровых систем передачи и представляет собой усилитель-регенератор цифровых потоков.

РЦС обеспечивает передачу данных со скоростью 2048 или 1024 кбит/с. Допустимое затухание сигнала на линейном входе от 0 до 45 дБ. Допустимое переходное затухание в кабеле между парами приема и передачи – не менее 60 дБ. Электропитание УЛТ осуществляется от стационарной сети 60 В с током 50 мА.

Рис. 1

Принцип работы РЦС рассмотрим на примере функциональной схемы рис. 1. Линейный сигнал направления А поступает на устройство грозозащиты приемника, состоящее из линейного трансформатора и разрядников. Далее сигнал поступает на усилитель, корректирующий унифицированный (УКУ), который осуществляет автоматическую коррекцию амплитудно-частотных искажений, вносимых кабельным участком в диапазоне затуханий от 0 до 45 дБ. Усиленный сигнал поступает на пороговое устройство, регенерационный и выходной каскады ПУ-РК, где происходит формирование сигнала для станционного стыка. Устройство тактовой синхронизации (УТС) производит выделение сигнала тактовой частоты из спектра цифрового рабочего сигнала и устанавливает фронты тактового сигнала строго по середине символов рабочего сигнала. Для контроля наличия линейного сигнала служит датчик линейного сигнала (ДЛС).

Стационарный сигнал направления Б поступает в линию через устройство грозозащиты передатчика, выполненное аналогично устройству грозозащиты приемника.

Электропитание усилителя осуществляется от стационарной сети 60В или дистанционно по фантомной цепи линейного кабеля (через средние точки линейных трансформаторов).

Устройство УП выполняет функции вторичного источника питания и вырабатывает стабилизированное напряжение +5 В и -3 D.

Конструктивно РЦС выполнен на одной печатной плате, установленной на металлическое основание и закрытой крышкой. На лицевой части основания расположены разъемы для подключения к линейному кабелю и станционному оборудованию, органы управления и индикации.

Электрическая принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2. Грозозащиту обеспечивают разрядники F1-F6. Исполнения УЛТ -45 дБ со скоростью 2048 или 1024 кбит/с отличаются установкой перемычек на плате: для УЛТ -45 дБ устанавливаются перемычки 1-5, 2-6, для УЛТ -45 дБ 1-6, 2-5. Тактовая синхронизация осуществляется с помощью тактового генератора УТС, конструктивно выполненного на микросхеме 198НТ1Б и транзисторах 2Т326Б. Стабилизированное напряжение +5 В и -3 D вырабатывается источником питания, собранным на микросхеме 140УД12, транзисторах 2П103Д, КТ816Г, 2Т316Б, стабилитроне КС139А и выполняет роль вторичного источника питания.

Рис. 2

На основе вышеизложенного можно признать, что данный усилитель позволяет в значительной мере регенерировать (восстановить) номинальный уровень цифрового сигнала, его электрические и временные параметры при затухании в линии до 45 дБ, а также осуществить грозозащиту и коррекцию амплитудно-частотных искажений, вносимых кабельным участком. Предлагаемое устройство позволяет в 30 раз увеличить объем передаваемой информации. Элементная база рассматриваемого устройства отечественного производства, что позволяет изготавливать усилитель линейного тракта гораздо дешевле, чем с применением импортных электрорадиоэлементов.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

Д.М. Каруна, Л.Н. Никитин

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДОСТОВЕРНОСТИ ЗВУКОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ

В работе представлена структурная схема и краткое описание функционирования данного прибора. Уделено внимание микроколебаниям, присутствующим в человеческой речи. Представлены некоторые формы сигнала снятые с определенных участков цепи устройства. Сфера использования и предложения по применению

В настоящее время для анализа различных видов информации с успехом используется радиоэлектронная аппаратура. Представленное нами ниже позволяет создать комплекс средств для анализа достоверности звуковых явлений. Кроме того, в настоящее время производить анализ достоверности информации требуется не только в специальных учреждениях, но даже в отделах кадров, в государственных и частных предприятиях. Как владельцу, директору фирмы проверить надежность сотрудника или порядочность партнера по бизнесу, не привлекая при этом лишнего внимания? В подавляющем большинстве жизненных ситуаций традиционный детектор лжи - полиграф применить невозможно. В основе его работы лежит одновременное измерение четырех важнейших физиологических характеристик давления крови, пульса, грудного и брюшного дыхания, а также кожно-гальванической реакции. Но при возбуждении или волнении меняется также частотный диапазон звуков речи [1].

Анализ звука. Естественно, речь в данном случае пойдет не о спектроанализаторе всего звукового диапазона, а об его упрощенной версии, используемой только для определенного узкого диапазона частот.

Основной частотный диапазон звуков человеческой речи заключен в пределах от 90 до 2000 Гц, и в обычных ситуациях этот звук промодулирован микровибрациями частотой от 8 до 12 Гц. Последние, как правило, маскируются другими составляющими, однако, эти микровибрации могут быть выявлены электронным путем и измерены.

В соответствии с теорией, когда человек попадает в стрессовую ситуацию, микровибрации значительно уменьшаются. Нервная система подготавливает тело к действиям в опасной ситуации: зрачки расширяются, конечности усиленно снабжаются кровью, мышцы напрягаются. А поскольку голосовые связки состоят в основном из мышц, они также напрягаются, и упомянутые выше микровибрации (тремоло) вообще прекращаются, или же их амплитуда значительно уменьшается. Поэтому, если обнаруживается изменение микровибраций, можно считать, что человек находится в состоянии стресса. Но, как уже известно, состояние стресса не эквивалентно лжи! Посмотрим на спектральное разложение волны нормального человеческого голоса (слабый стресс), показанного на рис. 1 [2].

Рис. 1. Спектральное разложение волны нормального человеческого голоса

Структурная схема портативного звукового анализатора приведена на рис. 2, а форма сигнала в некоторых точках схемы на рис. 3.

Рис. 2. Структурная схема звукового анализатора

По сравнению с речью в обычном состоянии, во входном сигнале (UM2 на рис. 3) видны более близко расположенные пики средней амплитуды. Они играют основную роль в дальнейшем. Поступающий на вход сложный сигнал после усиления подается на фильтр нижних частот. Частота среза 150 Гц. Как видно, полоса все более и более ограничивается окрестностью микровибраций. Выход этого каскада управляет триггером Шмитта, на выходе которого получаются, естественно, прямоугольные импульсы (UB на рис. 3). Они проходят через фильтр нижних частот 20 Гц, за которым следует полосовой фильтр от 10 до 12 Гц. То, что будет на его выходе, зависит от наличия или отсутствия микровибраций. После последнего фильтра сигналы усредняются с помощью двухполупериодного выпрямителя и интегрирующего каскада. В том случае, когда микровибрации плотно следуют друг за другом, получающееся из них усредненное постоянное напряжение будет превышать заранее установленный порог, и начинают светиться в определенном порядке светодиоды блока сигнализации.

Предложения по использованию. Если к определителю подключить микрофон, регистрирующий речь, то можно вскоре убедиться на опыте, что большей частью горит зеленый светодиод («Нормально»). Был проанализирован звук телевизионных программ, новостей. Когда говорит диктор, в основном светится зеленый светодиод. Ситуация оказывается такой же во время исполнения актерами ролей (что и понятно, поскольку здесь ложь не сопровождается реакцией страха). При проверке же звука рекламных роликов довольно часто загораются светодиоды, сигнализирующие о неопределенности, и даже довольно часто светится красный светодиод (вероятно, это не случайно?). При этом необходимо учитывать и то обстоятельство, что звукоинженеры на радио и телевидении почти в обязательном порядке используют т.н. фильтры шумов дискретизации, которые отсекают сигналы с частотами н иже 15 Гц, «одурачивая» наш анализатор [3].

Рис. 3. Форма сигнала в некоторых точках схемы

Таким образом, можно сказать, что звуковой определитель стресса - очень интересное устройство, в состав которого входит доступная элементная база, которая не составляет особых проблем при конструировании. Данный прибор может изготавливаться в мелкосерийном и серийном производстве. С ним имеет смысл поработать, т.к. это устройство нового поколения.

Литература

1. Электронные данные - Режим доступа: http//www.ldetector.narod.ru

2. Nagymate C., Reinacs B. Детектор лжи // Радиомир. 2002. № 4. С. 32 - 33.

3. Nagymate C., Reinacs B. Детектор лжи // Радиомир. 2002. № 5. С. 30 - 33.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

П.С. Новиков, Л.Н. Никитин

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО СИГНАЛИЗАТОРА

ОПАСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ УАС

Компактное, экономическое, надежное и недорогое устройство, предназначенное для предупреждения приближения к линиям передачи. Есть возможность блокировки исполнительного механизма

Универсальный автоматический сигнализатор опасного напряжения (УАС) является дополнительным средством защиты стрелы автомобильного грузоподъемного крана от попадания под напряжение при производстве монтажно-строительных работ вблизи действующих единичных линий электропередач.

Технические характеристики изделия УАС:

1. Расстояние от стрелы до ЛЭП:

220 В – 1 кВ – 3 м

6 кВ – 10 кВ – 5 м

15 кВ – 35 кВ – 8 м

110 кВ – 220 кВ – 12 м

330 кВ – 750 кВ – 20 м

2. Напряжение питания 12-24 В – 1 + 4 В

3. Ток, потребляемый сигнализатором в режиме «Исправно» 0,1 А

4. Масса, не более 0,5 кг

5. Габаритные размеры: 150х100х40 мм

6. Условия эксплуатации:

температура: -40°С до +55°С

относительная влажность: 95 % при температуре +40°С

вибрационные нагрузки: 50 Гц с ускорением 5 g

ударные нагрузки: 10000 ударов с ускорением 10 g

7. Себестоимость – 1000-1500 рублей.

Сигнализатор может выпускаться в двух модификациях:

а) звуковая и световая индикация, без блокировки механизмов поворота и подъема стрелы (для кранов, не оснащенных электрическим приводом блокировки механизмов поворота и подъема стрелы);

б) звуковая и световая индикация с блокировкой механизма поворота и подъема стрелы.

Принцип действия сигнализатора основан на регистрации электромагнитного поля линии электропередач антенным датчиком емкостного типа. Конструктивно сигнализатор состоит из двух блоков: блока антенн, устанавливаемых на стреле крана, соединенных между собой и блоком управления коаксиальным кабелем типа РК-5, и блока управления, устанавливаемого в кабине крановой установки.

Структурная схема сигнализатора приведена на рисунке.

1. Генератор 100 Гц

2. Электронный ключ (смеситель)

3. Генератор 1 Гц.

4. Линия связи

5. Антенны

6. Усилитель

7. Детектор

8. Логический блок

Сигналы частотой 100 Гц с генератора 1 поступают на вход электронного ключа 2, на управляющий вход которого поступают сигналы с генератора 3, частотой 1 Гц. Таким образом, на выходе электронного ключа 2 формируется сигнал, представляющий собой чередование паузы и посылки 100 Гц (тестовый сигнал).

Эти сигналы через линию связи 4 и антенну 5 поступают на вход усилителя 6, где усиливаются, затем выпрямляются детектором 7 и поступают на логический блок 8.

При исправности устройства и отсутствии воздействия электромагнитного поля ЛЭП на входе логического блока 8 присутствуют только детектированный тестовый сигнал, совпадающий по фазе с сигналом генератора 3. Тестовый сигнал фиксируется логическим блоком и индицируется миганием с частотой 1 Гц зеленого индикатора «Исправен».

При превышении допустимого уровня сигнала, наведенного электромагнитного поля ЛЭП, с выхода детектора 7 на логический блок 8 подается постоянно высокий уровень напряжения, что приводит к попеременному миганию красного индикатора «Опасно» и зеленого «Исправен».

В случае если неисправна антенна (обрыв или короткое замыкание), усилитель 6 или смеситель 2 с выхода детектора 7 на логический блок 8 подается низкий уровень напряжения, при этом логический блок 8 фиксирует, что устройство неисправно, зеленый индикатор «Исправен» не горит, а красный индикатор «Опасно» горит постоянно.

Конструктивно блок может быть выполнен в металлическом корпусе. На лицевой панели должны находиться индикаторы «Опасно» красного цвета, «Исправен» зеленого цвета, четырех индикаторов выбираемого диапазона. На боковой поверхности корпуса находятся разъемы для подключения антенн и коммутации, резистор подстройки чувствительности и кнопка выбора диапазонов.

Антенный блок можно взять стандартный (например, от прибора УАС-1). Антенны монтируются с левой и правой стороны наиболее высокой точки фермы стрелы крана.

Настройку сигнализатора необходимо производить на специально оборудованной площадке с участком трехфазной четырехпроходной ЛЭП 220/380В. Площадка должна находиться вне зоны влияния высоковольтных воздушных ЛЭП и подземных кабельных линий. Стрелу необходимо приблизить на расстояние 3 м от ЛЭП, и потенциометром «Чувствительность» добиться срабатывания сигнализации «Опасно».

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

И.В. Остроумов, Л.Н. Никитин

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ ПОДВИЖНЫХ

ОБЪЕКТОВ

Данное устройство отличается от базового расширенными функциональными возможностями. Помимо определения координат объекта устройство может контролировать работу и состояние каких-либо датчиков автомобиля

В настоящее время в мире существуют различные активно развивающиеся сферы бизнеса. Для своего развития и эффективного решения экономических проблем предприятия стремятся использовать новейшие достижения науки и техники. Например, каждая транспортная компания или организация, имеющая свой автопарк, регулярно сталкивается с проблемой контроля использования служебного транспорта. Соответственно, возникает необходимость сокращения выявленных нецелевых расходов. Данные мероприятия на сегодняшний день носят название «мониторинг транспорта», или, другими словами, реализовывается система слежения за автомобилем. Перед учредителями встает проблема незаконного использования транспорта компании ее сотрудниками, вследствие чего появляется необходимость эффективного решения следующих задач:

- сокращение непредусмотренных расходов без сокращения объемов перевозок;

- оптимизация маршрута транспорта или выявление не запланированного рейса;

- определение местонахождения автомобиля в интервале между посещениями конечных точек маршрута, которые отмечены в накладных;

- доступ к достоверной информации о пробеге транспорта и количестве израсходованного топлива или информации о количестве имеющегося запаса топлива автомобиля в данный момент;

- доступ к достоверной информации, подтверждающей задержку автомобиля ко времени прибытия, по какой-либо причине, например, задержка транспорта в пробке.

Реализация таких подходов в настоящее время возможна путем создания автоматизированных систем мониторинга подвижных объектов. Автоматизированная система мониторинга – это современное решение логистических задач и контроль состояния подвижных объектов в режиме реального времени. Благодаря высокотехнологичному оборудованию система позволяет отслеживать местоположение и состояние подвижных объектов оснащенных бортовым комплектом оборудования из диспетчерского центра, вне зависимости от их местоположения.

Слежение за объектами происходит с помощью глобальной спутниковой системы позиционирования NAVSTAR GPS. Эта система содержит 29 спутников, координаты объектов вычисляются с высокой точностью, а значит в любой момент времени известно точное местоположение каждого из них.

Связь диспетчерского центра с бортовым модулем системы поддерживается через каналы цифровой мобильной сотовой связи GSM. Технология GSM была специально выбрана, так как является наиболее распространенной на территории Российской Федерации.

Автоматизированная система мониторинга подвижных объектов позволяет решить следующие задачи:

- отображение в реальном масштабе времени местоположения подвижного объекта на электронной карте;

- автоматическое слежение за соблюдением водителем каждого подвижного объекта маршрута, графика и режима движения;

- автоматическую регистрацию вхождения подвижного объекта в контролируемую зону и выхода из нее;

- сохранение в базе данных истории перемещения каждого объекта;

- по сигналам установленных датчиков контролировать место и время поднятия кузова самосвала, открывания дверей фургона, поднятия стрелы подъемного крана и т.п., что позволит гарантировать сохранность груза и целевое использование техники;

- позволяет получить информацию о пробеге транспорта и количестве израсходованного топлива или информация о количестве имеющегося запаса топлива автомобиля в данный момент;

- прогнозирование времени прибытия в конечную точку маршрута и автоматизацию решения логистических задач;

- контроль за соблюдением условий транспортировки груза – температура в рефрижераторе, уровень ударов и вибраций, соблюдение скоростного режима;

- исключает возможность несанкционированного использования автотранспорта и других самоходных машин с выдачей тревожного сообщения диспетчеру.

По мере развития научных и технических средств растёт и актуальность внедрения автоматизированных систем мониторинга в различные сферы бизнеса и предприятия.

Устройства слежения принято называть «трекерами». На рисунке приведена структурная схема такого прибора.

За основу было взято базовое устройство, в которое входили следующие блоки: Активная GPS антенна, мобильная GSM антенна, модуль GPS, модуль GSM, преобразователь уровней и схема питания. В качестве активной GPS антенны применена стандартная GPS антенна наружного размещения со встроенным малошумящим усилителем. Также в качестве GSM антенны применена стандартная выносная мобильная антенна с коэффициентом усиления 14 Дб. Модуль GPS представляет собой 12-канальный GPS приёмник фирмы Trimble. Этот приёмник является одной из последних разработок данной фирмы. Приёмник гражданского назначения и способен принимать сигналы C/A кода на частоте 1575.42 МГц. GPS приёмник оснащен портами UART интерфейса для связи с другими радиоэлектронными устройствами, в частности с GSM модулем. GSM модуль представляет собой GPRS модем Q24 компании Wavecom. Модем способен работать в диапазоне частот EGSM 900/1800/850/1900 МГц, класс GPRS – 10-ый. Преобразователь уровней реализован на микросхеме ADM 3203 фирмы Analog Devices. Данная микросхема необходима для согласования трекера с компьютером посредством RS-232 интерфейса. Схема питания собрана на микросхеме LM2576, импульсном стабилизаторе напряжения.

Структурная схема трекера

Возможности устройства были ограничены только определением местоположения объекта, определением его скорости, временем поездки, времени стоянок. И перед нами возникла задача расширить функциональные возможности трекера. Необходимо было контролировать состояния датчиков, контролировать наличие GSM сети и наличия спутников на небе для получения координат местоположения, умение устройства переходить в режим ожидания при постановке на стоянку наблюдаемого объекта и сохранения своей работоспособности при отключении питании устройства (например, снятие АКБ с автомобиля для его зарядки). И в результате было разработано устройство, удовлетворяющее всем предъявленным требованиям.

В ходе совместной разработки были решены вышеперечисленные проблемы и для их решения применялись действия, описанные ниже.

Для решения проблемы сохранения работоспособности были введены блоки АКБ и схема зарядки этой АКБ. АКБ представляет собой 3 последовательно соединённых никель-кадмиевых аккумулятора общим напряжением 3,6 В. Никель-кадмиевые аккумуляторы были выбраны потому, что они в отличие от литий-ионных сохраняют свою работоспособность при низких температурах окружающей среды. Данные аккумуляторы позволяют сохранять работу устройства при пропадании внешнего напряжения питания до 24 часов. Схема зарядки для данных аккумуляторов реализована на микросхеме MAX1501 фирмы MAXIM. Данное зарядное устройство полностью автоматизировано и при отключении основного питания оно не «тянет» энергию с аккумуляторной батареи, что является важным фактором при питании устройства от внутреннего источника питания.

Акселерометр применён для решения проблемы перевода устройства в дежурный режим при постановке наблюдаемого транспорта на стоянку. Это было реализовано для того, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею при постановке на стоянку транспорта. Акселерометр реализован на микросхеме MMA6270Q компании Freescale Semiconductor. Акселерометр позволяет определять изменение скорости объекта, и при его отсутствии через некоторое время переводить прибор в режим ожидания.

Устройство индикации собрано по примитивной схеме управления маломощной нагрузкой, в данном случае светодиодной, при подаче на него управляющего сигнала. При обнаружении необходимого количества спутников для определения координат и собственно само определение местоположения загорается светодиод синего свечения, который мигает с частотой 1 Гц. При пропадании сигнала местоопределения, данный светодиод гаснет. Для индикации наличия GSM сети применён светодиод зелёного свечения. При наличии GSM сети светодиод производит кратковременные вспышки с частотой 1 Гц, при пропадании сети светодиод индицирует постоянным свечением.

Для решения проблемы контроля состояния датчиков был применён блок схемы коммутации датчиков в составе блоков защиты входных цепей микросхемы. Схема коммутации представляет собой микроконтроллер PIC16F876 со схемой его включения. Данный микроконтроллер позволяет контролировать состояния 9-ти датчиков бортовой системы наблюдаемого объекта.

Подведя итоги можно сделать вывод: была выполнена поставленная задача по расширению функциональных возможностей устройства в целом, что позволило сделать его более конкурентоспособным устройством на рынке устройств дистанционного мониторинга подвижных объектов.

Литература

1. Мельников А. Термометр с ЖКИ и датчиком DS18B20. Радио, 2007. № 1. С. 46.

2. Ревич Ю. Часы с термометром и барометром. Радио, 2003. № 4. С. 38 – 39; № 5. С. 36-37; № 7. С. 43-45.

3. Фролов Д. Многопрограммный таймер-часы-термометр. Радио, 2003. № 3. С. 18, 21.

Воронежский государственный технический университет

УДК 658.512

Д.А. Корчагин, И.А. Лозовой, С.В. Иванов, А.В. Муратов

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ

МИКРОСХЕМ. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ,

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ, ПЕРСПЕКТИВНЫЕ

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

В данной статье рассмотрена технология производства интегральных микросхем, обозначены методы повышения быстродействия и производительности. Рассмотрены перспективные направления развития, такие, как трехмерная сборка микросхем

В настоящее время наибольшее развитие при производстве интегральных микросхем (ИМС) получила КМОП-технология. Ее основными преимуществами являются малая потребляемая мощность элементов, высокая помехоустойчивость, низкая рабочая температура [1-3].

Усовершенствование микросхем направлено на уменьшение размеров их элементов, следовательно, на повышение плотности размещения ячеек на кристалле. Поэтому основными требованиями к ИМС являются снижение стоимости и повышение функциональных возможностей (т.е. увеличение числа функций, выполняемых микросхемой и увеличение ее быстродействия). Для того чтобы добиться этих условий, традиционным путем является уменьшение длины затворов МОП-транзисторов и увеличение числа слоев металлизации [4].

Приведем на рис. 1 основные технологические операции для изготовления ИМС по КМОП-технологии.

Формирование структуры ИМС на пластине

Функциональное тестирование микросхемы на пластине с целью определения ее соответствия требуемым рабочим параметрам. Отбраковка негодных ИМС

Сборка ИМС на кристалле в корпус

Функциональное тестирование корпусированной микросхемы

Рис. 1. Основные технологические операции изготовления КМОП ИМС

Отразим на рис. 2 основные этапы формирования ИМС, кроме функционально тестирования, в виде универсального литографического цикла, повторяющегося в соответствии с тем, сколько литографический операций необходимо для создания ИМС.

Рис. 2. Основные этапы формирования ИМС

Универсальный литографический цикл обычно содержит от 15 до 30 технологических операций [4].

Основной брак при производстве ИМС приходится на стадию обработки кристаллов. Его причины делятся на три группы: брак, вызванный повторяющимися и случайными дефектами, а также систематический параметрический брак, Остановимся более подробно на случайных дефектах. Они возникают чаще всего в виде нежелательных частиц или капель. Такой брак не зависит от топологического рисунка, однако эти нежелательные частицы могут образовывать кластеры на локальных участках пластины. Средний выход годных кристаллов с пластины определяется по следующей формуле

Y = Y_плкр(D)· Y_плкр(S) (1)

где Y - средний выход годных кристаллов с пластины;

Y_плкр(D) – выход годных кристаллов с пластины, зависящий от случайных дефектов;

Y_плкр(S) - выход годных кристаллов с пластины, зависящий от систематических дефектов.

С увеличением функциональной плотности элементов ИМС и совершенствованием систем автоматического контроля параметров технологического оборудования, отношение случайного и параметрического брака постоянно растет.

Существует универсальный рыночный показатель рыночных требований, не зависящий от размера и функциональной плотности ИМС – удельная стоимость в пересчете на функцию. Чтобы оставаться конкурентоспособным на рынке ИМС, необходимо, помимо выполнения закона Мура, обеспечивать ежегодное снижение удельной стоимости микросхем в пересчете на число выполняемых функций на 29 %. Это возможно за счет совершенствования систем проектирования, производства, корпусирования и тестирования ИМС. Проведем анализ возможностей совершенствования параметров КМОП ИМС.

Основным процессом формирования резистивных масок является фотолитография (ФЛ). Ее основным параметром, который характеризует совершенство и качество ФЛ, является воспроизводимое и стабильно получаемое разрешение (минимальный размер элемента, Lmin). Другим важным параметром ФЛ является глубина фокуса Dф, т.е. область вблизи фокальной плоскости выходной проекционной линзы, в которой уменьшенное изображение топологического рисунка фотошаблона (ФШ) еще имеет достаточную четкость для процесса переноса на фоторезистивный слой пластины [4]. Разрешение и глубина фокуса зависят от длины волны экспонирующего излучения и числовой апертуры [5]. Исходя из связи между глубиной фокуса и разрешением, можно сделать вывод о том, что чем выше разрешение, то тем меньше глубина фокуса и тем более жесткие требования предъявляются к планарности рельефа на поверхности пластины. Следовательно, для достижения максимального разрешения в технологический маршрут изготовления ИМС необходимо вводить операцию планаризации рельефа на поверхности пластины.

Исходя из этого, ведущими системами литографии сегодня являются проекционная литография на экстремальном УФ-излучении, проекционная электронная литография, контактная рентгеновская литография, проекционная ионная литография.

Суммарная задержка распространения сигнала в микроэлектронных системах определяется из формулы

P_s= P_z + P_l + P_ls (2)

где P - суммарная задержка распространения сигнала;

P_z - задержка на затворах МОП-транзисторов;

P_l - задержка на проводящих линиях микросхемы;

P_ls - задержка на линиях связи между схемами на печатной плате.

Задержка переключения логического затвора МОП-транзистора будет определяться постоянной времени транзистора Ттр, зависящей от сопротивления канала и общей емкости транзистора, образуемой емкостью затвора С_з и паразитными емкостями pn-переходов сток-подложка и исток-подложка (С_сп и С_ип соответственно, на их долю приходится около 50 % общего значения емкости) [4]. Следовательно, для снижения постоянной времени транзистора необходимо уменьшать сопротивление канала, емкости С_сп и С_ип. Для этого необходимо уменьшать концентрацию легирующей примеси подложки и емкость затвора за счет уменьшения толщины затворного диэлектрика.

Следует учитывать, что по мере уменьшения минимальных размеров элементов микросхемы будут увеличиваться емкостные связи между линиями металлизации, следовательно, возрастет задержка распространения сигнала. Возникнет эффект разницы между значениями частот в транзисторах микросхемы и частот передачи сигналов в ней. Индуктивность проволочных или шариков выводов между кристаллом и кристаллодержателем корпуса также вызовет дополнительное снижение скорости распространения сигнала. Рост сопротивления и емкости соединительных линий совместно с ростом рабочей частоты ИМС приведет к росту энергопотребления ИМС.

Задержка распространения сигнала в проводящих линиях определяется постоянной времени соединительной линии, которая зависит от ее удельного сопротивления, толщины, длины, ширины, диэлектрической постоянной, а также от толщины межслойного диэлектрика и расстояния между смежными линиями, расположенными в одной плоскости [6]. Время задержки сигнала в проводящих линиях определяется ее постоянной времени, зависящей от скорости распространения электромагнитной волны в ней и диэлектрической постоянной материала печатной платы [7]. При размерах элементов в 250 нм при выполнении многослойной металлизации с толщиной слоя 0, мкм на основе алюминиевых сплавов с удельным сопротивлением 3,0 мкОм·см и двуокиси кремния с диэлектрической постоянной 3,9 задержка сигнала в проводящей линии ИМС оказалась больше задержки сигнала в транзисторах [3,8].

Следовательно, улучшение характеристик ИМС может быть достигнуто путем совершенствования систем металлизации и соединений, используемых при корпусировании микросхем и их монтаже на плату.

Хорошо зарекомендовали себя микросхемы SiP – system-in-a-package (система в корпусе). Они являются объединением в столбчатый модуль различных негерметизированных микросхем, выполненных по предельным минимальным размерам элементов на оптимальных подложках. В таком модуле микросхемы объединяются путем непосредственного соединения микрошариковых выводов одной схемы с контактными площадками другой. Емкость таких соединений не превышает 10 фФ, значит, скорость обработки сигналов и потребляемая мощность не превосходят значений, характерных для отдельных микросхем [9].

Перспективным на сегодняшний день является создание трехмерных микросхем. Современные ИМС являются двумерными благодаря тому, что качество кристаллов, необходимое для создания годных транзисторов, сохраняется только в подложке. Как только на подложку будет нанесен изолирующий оксид или связующий металл, будет невозможно последовательно разместить атомы кремния таким образом, чтобы они сформировали требуемую кристаллическую решетку. Необходимый для этого шаблон-подложка будет скрыт этими слоями.

Основой для создания трехмерных микросхем являются технология Chemical-Mechanical Position (CMP) и технология тонкополеночных транзисторов (TFT).

Благодаря технологии Chemical-Mechanical Position каждый слой преобразовывается в оптически плоскую поверхность, которая служит идеальной основой для дальнейшей обработки. А технология тонкополеночных транзисторов реализует их на стеклянных подложках. Совместно две эти технологии создают площадку для появления трехмерных ИМС.

Трехмерный метод производства обладает двумя основными преимуществами:

- снижение удельная стоимость в пересчете на функцию;

- увеличение числа транзисторов на кристалле со скоростью не меньше, чем предусматривает закон Мура в расчете на количество устройств на единицу площади.

Так же трехмерные ИМС не требуют разработки новых материалов, могут использоваться традиционные материалы КМОП-производств.

Одним из первых трехмерных транзисторов был Tri-Gate, впервые он был представлен в Японии на конференции International Solid State Device and Materials в 2002 г. В его основе лежала трехмерная структура, представляющая собой "микробрусок", который с трех сторон облегают изолятор и проводник затвора. Подобная структура позволяла посылать электрические сигналы как по верхней части "бруска", так и по обеим его вертикальным сторонам. "Микробрусок" превращается в исток (сток) за пределами затвора. Увеличенная таким образом площадь, доступная для прохождения сигнала, дает возможность пропускать на 20 % больше тока по сравнению с традиционной планарной конструкцией, занимающей аналогичную площадь.

В транзисторах Tri-Gate использованы элементы технологии TeraHertz, представленной специалистами Intel в декабре 2001 г. Подобная технология позволяет создавать транзисторы, которые работают на частотах переключения порядка терагерц и обладают способностью к масштабированию. Такой класс транзисторов предназначен для того, чтобы максимизировать уровень производительности при уменьшении энергопотребления и стоимости производства.

Тройной затвор строится на сверхтонком слое полностью обедненного кремния, уменьшающего ток утечки закрытого транзистора. Он имеет наращенные сток и исток, позволяющие избежать роста сопротивления при уменьшении размеров транзистора.

Еще одним преимуществом транзисторов Tri-Gate является то, что выпускать микросхемы на их базе можно и с помощью существующего оборудования. Кроме того, можно строить структуры из нескольких "брусков" Tri-Gate, формируя силовые транзисторы.

В итоге можно сказать, что для усовершенствования ИМС существуют различные методы, которые необходимо использовать для получения конкурентоспособных изделий.

Перспективным является создание трехмерных элементов и следует отметить, что в Воронеже планируется создание технологического центра трехмерной сборки микросхем при содействии "Роснано" на базе ОАО "Воронежский завод полупроводниковых приборов - Сборка" (ВЗПП-С) [12].

Литература

1. Ning T.H. CMOS in the New Millenium. - Semiconductor Fabtech. - 13th Edition, ICG Publishing Ltd., London, UK, 2001, p. 287 - 295.

2. The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2001 ed.– Semiconductor Industry Association, San Jose, CA.

3. The National Technology Roadmap for Semiconductors, 1997 ed.–Semiconductor Industry Association, San Jose, CA.

4. Киреев В. Технологии и оборудование для производства интегральных микросхем. Состояние и основные тенденции развития. Электроника: наука, технология, бизнес. 2004. № 7. С. 72 - 77.

5. Microlithogaphy: Science and Technology/edited by J.R.Sheats and B.W.Smith. Marcell Dekker Inc., N.Y., USA, 1998. 780 p.

6. Handbook of Multilevel Metallization for Integrated Circuits: Materials, Technology and Applications/edited by S.R.Wilson, C.J.Tracy, J.L.Freeman.– Noyes Publications, Park Ridge, N.J., USA, 1993. 887 p.

7. Ferry D., Akers L., Greeneich E. Ultra Large Scale Integrated Microelectronics.– Prentice Hall Inc., N.J., USA, 1988, 304 p.

8. Kimura M. Bridging the Gap Between Packages and Chips: 10 mm Super Connect Technology. – Solid State Technology, Nov., 2000, p. 56–60.

9. Asakura H. System-on-a-Chip Challenged by Stacked System-in-a-Package Technology.–Solid State Technology, July, 2001, p. 48–51.

10. Томас Ли. Трехмерная электроника. Открытые системы. 2002. № 1. С. 58.

11. Борзенко А. Полупроводники: трехмерное завтра, PC Week, 2005. № 19. С. 32.

12. Материалы с сайта компании "Интерфакс". Режим доступа: http://www.interfax-russia.ru/Center/main.asp?id=176708&p=5.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

Н.Н. Скорнякова, Л.Н. Никитин

РЕГИСТРАТОР ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Предлагаемый прибор отличается от аналогов использованием современной базы, исчерпывающим в домашних условиях набором измеряемых параметров, высокой точностью, простотой тарировки, наличием интерфейса USB, что существенно для связи с современными компьютерами, не имеющими зачастую других интерфейсов, большой внутренней памятью, сохранением работоспособности при отсутствии части датчиков, наличием часов, обычного и лунного календарей

Регистратор внешних воздействий представляет собой метеостанцию. Когда мы произносим слово "метеостанция", первое, что приходит на ум, это большая обсерватория, где много - много всякого оборудования для измерения климата окружающей среды. Однако на сегодняшний день это понятие значительно видоизменилось. Все дело в том, что домашняя метеостанция - это в своем роде одна из новейших технологий, которые заменяют нам и термометр и барометр, и кучу еще всяких громоздких приборов.

Современные метеостанции позволяют с максимальной точностью измерить температуру воздуха, как в помещении, так и на улице. По сравнению с уже устаревшими термометрами метеостанции позволяют измерять температуру с точностью до десятых долей процентов и в больших диапазонах.

На сегодняшний день многофункциональность метеостанций делает их популярными и универсальными. Действительно, многие метеостанции выполняют множество различных функций: измеряют температуру, влажность, давление, они же и будильник. Пересчитать все функции метеостанций на пальцах просто невозможно, настолько они универсальны.

Выпускаемые промышленностью погодные станции предназначены для работы зачастую в заводских лабораториях. Однако бытовые приборы для индивидуального пользования в большинстве случаев не выпускаются.

Описания радиолюбительских конструкций устройств для измерения метеоданных, можно найти, например, в различных радиолюбительских журналах [1]. Но после их изучения было решено модернизировать уже имеющуюся конструкцию [2], соблюдая принцип сохранения работоспособности данного прибора при отсутствии или неисправности любых предусмотренных в ней датчиков: датчики давления и влажности, в отличие от датчиков температуры и добавить датчик измерения ионизирующего излучения. Это дало возможность постепенно расширять функциональность уже действующего прибора.

Кроме измерения метеоданных, указанных в таблице, устройство имеет дополнительные функции: часы, календарь, лунный календарь, восемь таймеров для пользовательских нужд.

Прибор каждый час автоматически запоминает текущие значения метеоданных, памяти устройства хватает на 300 суток. Имеется возможность предварительно установки до ста контрольных точек (меток времени, заданных с точностью до минуты). Измеренные в эти моменты времени значения также будут записаны. Память данных и контрольных точек энергонезависима. Накопленную и текущую информацию о погоде можно по интерфейсу USB 2.0 передать для анализа в компьютер. При соединении происходит автоматическая синхронизация часов и компьютера. Установить точное время можно не только автоматически, но и вручную.

Таблица

Основные измеряемые параметры

Параметр	Интервал	Погрешность
Температура в помещении	-50…+90	0,1
Температура внешняя	-50…+90	0,1
Атмосферное давление	15…115 кПа	1,5 %
Влажность воздуха	0…100 %	0,5 %
Ионизирующее излучение	1...999 Мрад	0,5 %

Прибор каждый час автоматически запоминает текущие значения метеоданных, памяти устройства хватает на 300 суток. Имеется возможность предварительно установки до ста контрольных точек (меток времени, заданных с точностью до минуты). Измеренные в эти моменты времени значения также будут записаны. Память данных и контрольных точек энергонезависима. Накопленную и текущую информацию о погоде можно по интерфейсу USB 2.0 передать для анализа в компьютер. При соединении происходит автоматическая синхронизация часов и компьютера. Установить точное время можно не только автоматически, но и вручную.

Характеристики устройства: Напряжение внешнего источника питания - 9...15 В; Потребляемый от него ток в обычном режиме - 17 мА, во время связи с компьютером он возрастает на 23 мА. Включение подсветки увеличивает потребляемый ток на 20 мА. Резервная батарея из четырех гальванических элементов типоразмера ААА обеспечивает полноценную работу метеостанции продолжительностью до двух суток без внешнего питания. Ток, потребляемый от батареи, не превышает 9 мА.

Принцип работы прибора основан на регистрации параметров внешних воздействий с помощью датчиков, преобразование с помощью АЦП в цифровую форму сигнала, обработку микроконтроллером и вывод значений параметров измерения на ЖКИ индикатор.

Конструктивно устройство состоит из двух блоков: блок датчиков, которые устанавливаются в месте контроля параметров окружающей среды и блока управления, который расположен в помещении. Структурная схема приведена на рисунке.

Структурная схема регистратора внешних воздействий

Основной элемент это микроконтроллер ATmega32-16PU. Он имеет четыре восьми разрядных универсальных двунаправленных порта ввода - вывода, кроме них использованы следующие узлы МК:

- АЦП преобразует в цифровую форму аналоговые сигналы датчиков давления и влажности;

- таймер Т1 генерирует звуковые сигналы;

- таймер Т2 поддерживает ход часов реального времени, выводит МК из спящего режима;

- модуль USART поддерживает связь с компьютером (9600 Бод, восемь информационных и один стоповый разряд без контроля четности);

- сторожевой таймер в случае "зависании" МК обеспечивает его перезапуск.

Связь устройства с компьютером осуществляется по интерфейсу USB 2.0, организована с помощью микросхемы FT232RL (DD1), тактируемой кварцевым резонатором. Компьютер подает устройству команды, в ответ на которые получает от нее сообщения. Обмен информацией происходит только по инициативе компьютера, сама метеостанция работает автономно и полностью сохраняет свою функциональность независимо от подключения к компьютеру.

Измерение температуры производится датчиком DS18B20 с точностью 0,1°С с продолжительностью около 0,6 с. Атмосферное давление измеряет датчик MPXAZ4115A. Такие датчики имеют очень хорошую повторяемость угла наклона измерительной характеристики, однако нуждаются в компенсации ее смещения. Для измерения влажности служит датчик HIH-4000. Если приобретен датчик HIH-4000 группы 002 или 004, в приложенной этикетке должны быть указаны индивидуальные значения его параметров. Устройство допускает их ввод в режиме настройки. Любой из датчиков допускается не устанавливать, на работоспособности устройства это не скажется, показания всех оставшихся датчиков будут правильными. Для измерения ионизирующего излучения используется счетчик Гейгера типа СБМ20.

Обмен данными с датчиками происходит по трехпроводной схеме, и обмениваются информацией с процессором по протоколу 1-Wire. Протокол реализован программно.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие заключение: во-первых, регистратор внешних воздействий позволяет контролировать параметры внешних воздействий на биообъекты и приборные средства в следующих интервалах: температура -50...+90°С, атмосферное давление 15...115 кПа, относительная влажность воздуха 0...100 %, уровень ионизирующего излучение 1...999 Мрад; во-вторых, простота схемы и хорошая повторяемость позволяет лицам со средней радиотехнической подготовкой в домашних условиях собрать и отрегулировать предлагаемое устройство; в-третьих, разрабатываемое устройство конкурентоспособно по сравнению с аналогичными конструкциями которые выпускают на предприятии.

Литература

1. Фролов Д. Многопрограммный таймер-часы-термометр. Радио, 2003. № 3. С. 18, 21.

2. Ревич Ю. Часы с термометром и барометром. Радио, 2003. № 4. С. 38 – 39; № 5. С. 36-37; № 7. С. 43-45.

3. Мельников А. Термометр с ЖКИ и датчиком DS18B20. Радио, 2007. № 1. С. 46.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.396

А.В. Судариков, М.А. Ромащенко, А.В. Муратов

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ РЭС

В данной статье произведен обзор программных средств, позволяющий моделировать электромагнитные поля блоков РЭС, а также их элементов при проектировании данных РЭС. Указаны методы, на которых основаны САПР, рассмотрены их основные достоинства и недостатки

Проблема обеспечения ЭМС различными техническими средствами имеет возрастающую актуальность и превратилась в самостоятельное научно-техническое направление. Установлено, что она должна учитываться на каждом этапе разработки и изготовления упомянутых средств — системотехническом, схемотехническом, конструкторско-технологическом и производственном, а также на этапе эксплуатации. Стремление уменьшить общие габариты современных РЭС, усложнение задач (функциональной насыщенности аппаратуры) требует значительного увеличения концентрации мощности в ограниченном объеме. Обеспечение в этих условиях совместной работы различных устройств составляет в настоящее время важнейшую научно-техническую проблему. Разрешение этой проблемы значительно способствует применение при проектировании и анализе РЭС программных пакетов САПР, позволяющих моделировать электромагнитные поля отдельных элементов и РЭС в целом. [1,2]

Среди современных комплексов программных средств, которые могут применяться для электромагнитного моделирования РЭС можно выделить следующие: ANSYS компании ANSYS Inc; FEKO компании EMSS; EMPIRE компании IMST; Omega PLUS компании Quantic EMC; Fidelity, IE3D компании Zeland, XFDTD компании Remcom. Данные программные комплексы и подсистемы электромагнитного моделирования при проектировании РЭС различаются по применяемому методу вычисления, степени точности, универсальности, стоимости, пользовательскому интерфейсу, возможности интеграции и т.д. [3,4].

В современных САПР реализуются разные математические методы. Среди них можно отметить прямые методы решения граничных задач, такие как метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей во временно́й области FDTD (англ. Finite Difference Time Domain), а также в некоторых комплексах используется метод моментов (МОМ).

Отличительной и наиболее привлекательной чертой методов МКЭ и FDTD является универсальность, то есть возможность анализировать практически любую структуру. Платой за универсальность являются большие затраты компьютерных ресурсов. С точки зрения пользователя наиболее существенным недостатком является большое время необходимое для анализа СВЧ структур. Причина этого обусловлена дискретизацией пространства, лежащей в основе МКЭ и FDTD. Количество элементов разбиения определяет размерность решаемой задачи и в методах МКЭ и FDTD оно является максимально возможным из всех известных методов. Данные методы используется в следующих системах и программных комплексах МКЭ в ANSYS, HFSS, а метод FDTD в XFDTD,CST MWS.

Альтернативным направлением в решении задач электродинамики являются непрямые методы. Среди них следует отметить метод моментов (МОМ). Отличие его от упомянутых выше подходов состоит в том, что численное определение поля основывается на аналитическом решении некоторой ключевой задачи, а именно задачи о возбуждении структуры элементарным источником тока. Такое решение в математике получило название функции Грина. МОМ оказывается эффективным, если функция Грина может быть записана аналитически в простой форме. В этом случае дискретизации подвергается уже не пространство, а лишь поверхность, что сильно снижает размерность задачи. К сожалению, функция Грина может быть достаточно просто найдена лишь для ограниченного числа структур. К ним можно отнести плоскослоистые структуры и свободное пространство. По этой причине именно для таких структур были разработаны САПР на основе МОМ. Данный метод используется в следующих системах: Microwave Office, ADS, FEKO.

Программный комплекс ANSYS компании ANSYS,inc. (http://www.ansys.com/) Представляет собой многоцелевой пакет для решения сложных проблем физики и механики, предназначенный для расчета задач механики деформируемого твердого тела (МДТТ), температурных задач, задач механики жидкости и газа, а также расчета электромагнитных полей. Комплекс обладает возможностью расчета связанных задач, результаты решения которых для одной среды могут быть использованы в качестве исходных нагрузок для расчета других сред (например, вычисления напряжений в нагретой детали.) Комплекс позволяет создавать непосредственную сетку конечных элементов (т.е. узлы и элементы), а также геометрическую модель, на основе которой далее создается сетка конечных элементов. А также позволяет импортировать геометрические модели практически из всех CAD систем, которые в дальнейшем могут быть модифицированы любым образом в среде ANSYS [5].

Программный продукт FEKO компании EMSS (ЮАР) (www.feko.co.za, www.emss.co.za) является системой 3D электромагнитного моделирования, предназначена для проведения анализа антенных систем и неоднородных диэлектрических сред. В данном программном продукте используется сочетание численных методов решения трехмерных электродинамических задач (метод моментов (МoМ) с приближенными аналитическими методами: метод физической оптики (МФО) и однородная теория дифракции (ОТД). Описание геометрии структуры осуществляется в FEKO с помощью, так называемых карт геометрии, то есть специальных подпрограмм, которые пишутся пользователем на внутреннем языке FEKO, также допускается импорт стандартных файлов, описывающих трехмерные структуры и их разбиения на сетки (ACIS, Parasolid, IGES, SAT, DXF).

Продукт EMPIRE немецкой компания IMST (www.imst.de) использует классическую реализацию метода FDTD, поэтому для получения точных результатов для объемных структур произвольной формы, образованных криволинейными поверхностями, требуется большее время и вычислительные мощности. Здесь также можно получать различные частотные характеристики СВЧ-устройств, а также диаграммы направленности антенн.

Пакет программ семейства Omega PLUS канадской компании Quantic EMC (www.quantic-emc.com). Предназначен для анализа целостности проекта (т.е. оценки влияния конструктивных особенностей печатных плат на их электрические характеристики) и моделирования электромагнитной совместимости до изготовления реальных конструкций. Этот пакет не является системой проектирования как таковой, но он имеет интерфейсы импорта проектов из других САПР (P-CAD, SPECCTRA, Mentor BoardStation, OrCAD Layout, PADS Power PCB, Protel, Veribest, Zuken-Reduc и др.). В процессе моделирования здесь может быть проведен не только анализ целостности сигналов и перекрестных искажений, но и могут быть получены спектры излучения платы в заданном диапазоне частот, уровни токов в проводниках, а также интенсивность электрического и магнитного полей над платой.

Программные продукты IE3D и Fidelity американской компании Zeland предназначены для создания 2D и 3D моделей электромагнитных полей устройств СВЧ диапазона. В данных продуктах реализованы два разных метода расчета. Первая программа IE3D использует метод моментов, который позволяет получить решение электродинамических задач для трехмерных и планарных структур. Вторая программа использует неравномерный временной метод конечных разностей (non-uniform FDTD) для полностью трехмерных задач. Графический интерфейс под ОС WINDOWS, обладает интерактивными возможностями создания трехмерных и многослойных металлоконструкций, как набор полигонов. Имеются многочисленные возможности редактирования, и готовые формы, чтобы упростить создание конструкций. Имеется встроенная библиотека для конструирования сложных структур.

Программный продукт XFDTD компании Remcom является системой полного трехмерного электромагнитного моделирования. Система XFDTD использует для решения электродинамических задач метод конечных разностей во временной области FDTD. Алгебраические уравнения записываются во временной форме и решаются в каждой временной точке анализа и дают широкополосную частотную характеристику. Моделируемые объекты подготавливаются в собственном трехмерном графическом редакторе или импортируются из машиностроительных систем проектирования Pro/Engineer, CATIA, Inventor. Данный продукт обладает интуитивным графическим пользовательским интерфейсом подготовки расчетов и представления результатов [4,5].

Наиболее подходящим для моделирования электромагнитных полей и электромагнитной совместимости РЭС является пакет САПР ANSYS, это универсальный тяжелый конечно-элементный пакет, на протяжении 30 лет являющийся одним из мировых лидеров. Ansys – единственная конечно-элементная система с таким полным охватом явлений различной физической природы: прочность, теплофизика, гидрогазодинамика и электромагнетизм с возможностью решения связанных задач, объединяющих все перечисленные виды. Имеет широчайшую интеграцию и двухсторонний обмен данными со всеми CAD, CAE, CAM – системами, а также самый высокий показатель «эффективность/стоимость» [5].

Литература

1. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронной вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. 224 с.

2. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах/ Пер. с англ. Б.Н. Бронина. – М: Мир, 1979. 320 с.

3. Трайнев В.А., Мырова Л.О. Проблемы информационного обеспечения электромагнитной совместимости http://www.pvlast.ru/

4. Все о CAD, CAE, CAM http://www.procae.ru/main.html

5. CAD/FEA/CFD/CAE Технологии http://www.fea.ru/

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.5

И.А. Лозовой, А.В. Турецкий, С.Ю. Сизов, О.Ю. Макаров

ОСНОВЫ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ АНАЛИЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

Статья посвящена краткому описанию метода конечных элементов (МКЭ) применительно к анализу механических характеристик радиоэлектронных модулей (РЭМ) и описание структуры программных средств основанных на МКЭ

В связи с техническим прогрессом изменились многие инженерные задачи: они стали сложнее, и их решение требует введения новых понятий. Изменился и подход к практическим инженерным задачам. Если раньше инженер мог, исходя из рассматриваемого физического явления или технической проблемы, «поставить» задачу и предоставить ее решение, математику-вычислителю, то сейчас дело обстоит иначе. Во многих инженерных задачах построение расчетной модели настолько тесно переплетается с процессом вычислений, что разделить эти процессы порой не представляется возможным. В связи с этим появились новые понятия и направления, такие, как диакоптика (исследование сложных систем по частям), теории графов и др.

В последнее время широкую известность приобрело одно из направлений диакоптики — метод конечных элементов. Этот метод является одним из вариационных методов и часто трактуется как метод Ритца.[1]

Метод конечных элементов (МКЭ) в настоящее время является стандартом при решении задач механики твердого тела посредством численных алгоритмов [2]. Популярный в свое время метод конечных разностей, а также претендовавший на универсальность метод граничных элементов (граничных интегральных уравнений) сейчас занимают достаточно узкие ниши, ограниченные исследовательскими или специальными задачами. МКЭ занял лидирующее положение благодаря возможности моделировать широкий круг объектов и явлений. Абсолютное большинство конструктивных элементов, узлов и конструкций, изготовленных из самых разнообразных материалов, имеющих различную природу, могут быть рассчитаны посредством МКЭ. При этом, разумеется, нужно учитывать неизбежные при любой численной аппроксимации условности и погрешности. Поэтому вопрос соответствия между расчетной моделью и реальностью является, пожалуй, основным при использовании программ анализа. Несмотря на то, что такие программы имеют более или менее подробную документацию, они все равно остаются в определенной степени черными ящиками. Это означает определенную непредсказуемость результатов, а также некоторый произвол в их интерпретации. Следовательно, качество заключений, принимаемых на основе результатов, всецело зависит от квалификации, а также, применительно к расчету на прочность, принципиального знакомства с основами МКЭ. На эту тему опубликовано немалое число книг, например [3], полезна также документация к программам [4, 5].

В основе метода лежит дискретизация объекта с целью решения уравнений механики сплошной среды в предположении, что эти соотношения выполняются в пределах каждой из элементарных областей. Эти области называются конечными элементами. Они могут соответствовать реальной части пространства, как, например, пространственные элементы (рис. 1а, 1б) или же быть математической абстракцией, как элементы стержней, балок, пластин или оболочек (рис. 1в). В пределах конечного элемента назначаются свойства, ограничиваемого им участка объекта (это могут быть, например, характеристики жесткости и прочности материала, плотность и т.д.) и описываются поля интересующих величин (применительно к механике твердого тела это перемещения, деформации, напряжения и т.д.). Параметры из второй группы назначаются в узлах элемента, а затем вводятся интерполирующие функции, посредством которых соответствующие значения можно вычислить в любой точке внутри элемента или на его границе. Задача математического описания элемента сводится к тому, чтобы связать действующие в узлах факторы. В механике сплошной среды это, как правило, перемещения и усилия. Рассмотрим прямой метод построения уравнений, связывающих эти факторы в пределах конечного элемента, в предположении линейной постановки.

1. Поле перемещений А в пределах элемента (для пространственной задачи Δ=[u, v, w]) посредством интерполяционных функций (в так называемых изопараметрических конечных элементах), собранных в матрицу [N], выражается через узловые перемещения {Δ}. Смысл интерполяционных функции состоит в том, чтобы, зная величины, например, перемещений в узлах, получить их значения в любой точке элемента в зависимости от координат. В матричном виде соотношения имеют вид

Δ=N∙{Δ}.

Для пространственной задачи {Δ}= [u₁, v₁, w₁,…, u_k, v_k, w_k], где k – число узлов конечного элемента.

2. Поле деформаций ε выражается через степени свободы {Δ} посредством дифференцирования поля перемещений (а фактически интерполяционных функций) согласно соотношениям, собранным в матрицу [D] и связывающим деформации с перемещениями

s=[D]∙{Δ}.

3. С учетом уравнений состояния, в основе которых лежит закон Гука и коэффициенты которых образуют матрицу [Е], устанавливается связь сначала между полем напряжений и полем деформаций

σ = [Е]∙ε,

а затем и между напряжениями и степенями свободы в узлах

σ = [Е]∙ [D]∙{Δ}.

Рис. 1. Конечные элементы: а) объемный линейный; б) объемный

параболический; в) параболический конечный элемент поверхности

4. Формулируются выражения для сил {F}, действующих в вершинах элемента, в зависимости от поля напряжений о, для чего используется матрица преобразования напряжений в узловые силы [A]

{F}= [A]∙{ σ }.

5. Связываются выражения для узловых сил и перемещений в узлах

{F}= [k]∙{ Δ },

где [k]= [A] ∙[Е]∙ [D]- матрица жесткости конечного элемента.

6. Для придания матрице [k] свойства симметрии добиваемся замены матрицы преобразования жесткости матрицей, транспонированной к матрице преобразования перемещений в деформации [D]. Тогда

[k]= [D]^T∙[Е] ∙[D].

Перечисленные зависимости позволяют, зная перемещения в узлах, получить величины сил, а также решить обратную задачу: по силам найти перемещения, затем деформации и напряжения в пределах конечного элемента.

Прямая формулировка, как правило, используется для получения матриц жесткости конечных элементов стержней, балок и пластин, а также для описания процесса теплопроводности.

Для получения матриц жесткости пространственных элементов наиболее часто используются вариационные принципы, например, принцип минимума потенциальной энергии. Полученная таким образом матрица жесткости из пункта 6 здесь будет вычисляться как

[k]= [∫_V [D]^T[Е] ∙[D]dxdydz].

Программы, реализующие метод конечных элементов, могут иметь различное назначение. Чаще всего требуется только решение линейных задач в упругой постановке, однако число степеней свободы может быть различным, от нескольких десятков до нескольких- тысяч. В задачах динамики и устойчивости может потребоваться отыскание собственных значений, а для решения нелинейных задач может оказаться необходимым применение различных итерационных методов.

Типичная программа, реализующая метод конечных элементов, состоит из ряда общих блоков, которые в различных контекстах могут использоваться по-разному. Такими блоками являются ввод исходных данных, вычисление жесткости элементов, решение уравнений, построение матрицы масс, нахождение собственных значений, вычисление напряжений и вывод на дисплей. Структурная – схема программы анализа линейной задачи о плоской деформации приведена на рис. 2.

Для работы программы, реализующей метод конечных элементов, дополнительно требуются четыре основные системы исходных данных:

1) Координаты и характеристики элементов.

Используемые координаты - это координаты всех узловых точек (например, координаты х_i и y_i узла i в задаче о плоском напряженном состоянии), расположенные в определенном порядке. В большинстве случаев

матрицы жесткости не зависят от положения начала координат, которое обычно выбирается произвольно.

К характеристикам элементов относятся информация о связи между элементами, содержащая номера всех узлов элемента, а также число, характеризующее свойства материала элемента. Эти характеристики также перечислены последовательно.

2) Свойства материала каждого элемента.

В большинстве приложении свойства материала одинаковы для больших групп элементов. Поэтому удобно присвоить каждому элементу номер, определяющий материал элемента, и информацию о свойствах материала считывать отдельно.

3) Граничные условия.

Граничные условия могут быть учтены либо при построении элементов, либо путем соответствующего изменения системы алгебраических уравнений непосредственно перед ее решением. Последний подход удобен для элементов простой формы, но становится сложным при использовании элементов высоких порядков или при необычных граничных условиях, как, например, при ограничениях, накладываемых в некотором произвольном направлении.

Рис. 2. Структурная схема

4) Нагрузки.

Для обеспечения максимальной простоты и гибкости программы нагрузки можно задавать в виде одного вектора, который затем непосредственно используется в программе. Во многих случаях, когда число точек, в которых задана нагрузка, составляет лишь небольшой процент от общего числа узлов системы, бывает предпочтительнее - считывать только ненулевые значения нагрузки и номера соответствующих узлов. Вектор нагрузки должен быть, конечно, задан нулевым, чтобы его компоненты, соответствующие ненагруженным узлам, были нулевыми.

Однако в тех случаях, когда рассматриваются объемные силы, для формирования вектора нагрузки в зависимости от геометрии системы и свойств материала необходимо иметь специальную подпрограмму. Подпрограммы формирования вектора нагрузки можно также использовать для вычисления значений узловых сил при действии распределенной нагрузки.

В последнее время четко обозначилась тенденция группирования инструментов геометрического моделирования и расчетных программ в интегрированные системы. Одной из фирм, положивших начало этому процессу, была РТС (Parametric Technology Corporation), внедрившая в продукт Pro/Engineer модули расчета на прочность методом конечных элементов, процедуры кинематического и динамического анализа.

Моделирование осуществляется для всех типов моделей. Модуль Pro/ENGINEER Mechanica работает со всеми типами геометрии: твердыми телами, оболочками, стержнями или смешанными моделями.

В традиционных системах прочностного анализа расчетчик руководит процессом получения точного результата. Он интерактивно оптимизирует сетку конечных элементов (МКЭ) до тех пор, пока она точно не воспроизведет CAD-геометрию. Расчет требует большого опыта создания сеточных моделей.

Приложение Pro/ENGINEER Mechanica предназначено для конструктора и снимает с него задачу ручной подготовки сеточной модели, поскольку обеспечивает сходимость автоматически при проведении анализа. Адаптивный метод точно отображает геометрию модели и производит итерацию до тех пор, пока не будет обеспечено требуемое качество сходимости. Никакая другая аналогичная система в настоящее время не обладает такой возможностью.

Построение конечноэлементной сетки с помощью системы Pro/ENGINEER Mechanica на примере РЭМ представлено на рис. 3.

Рис. 3. Сетка конечных элементов на радиоэлектронном модуле

Рис. 4. Результаты статического анализа

Литература

1. Зенкевич О. Методы конечных элементов в технике: монография/перевод с англ. под ред. Б.Е.Победри: «Мир» - Москва, 1975. 543 с.

2. Алямовский А.А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов Е.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 800 с: ил.

3. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ.— М.: Мир, 1984.

4. COSMOSDesignSTAR 4.5 Basic User's Guide. Structural Research and Analysis Corporation, USA, 2004.

5. COSMOSWorks Online User's Guide. Structural Research and Analysis Corporation, USA, 2004.

Воронежский государственный технический университет

ОАО «Концерн «Созвездие»» г. Воронеж

УДК 624.156

Л.С. Очнева, Н.Э. Самойленко, М.А. Очеретов

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИМ

КОМПЛЕКСОМ

Рассматриваются вопросы управления современными приемопередающими комплексами, размещаемыми на подвижных объектах на расстоянии до ста метров по технологии локальных сетей Ethernet при помощи ПЭВМ, а также контроля работоспособности составных блоков приемопередающих комплексов и антенно-фидерных устройств

Современные радиостанции КВ диапазона представляют собой целый комплекс взаимосвязанных блоков, выполняющих определенные функции. Для организации качественной радиосвязи с использованием современных приемопередающих комплексов существует ряд правил:

- устройства, обеспечивающие согласование комплексного сопротивления антенны с выходным сопротивлением усилителя мощности, требуется устанавливать в непосредственной близости от антенны с целью уменьшения потерь мощности;

- длина коаксиального кабеля, связывающего приемопередающий комплекс (ППК) с антенной, должна быть минимальна.

Соблюдение вышеуказанных правил зачастую затруднено при размещении антенн на крышах зданий, внутри которых находится ППК, или при установке ППК на подвижных объектах, где не всегда удается разместить составные блоки в непосредственной близости друг от друга в легкодоступных для управления местах. КВ-радиосвязь применяется не только в военной сфере, но и в Государственных службах, таких как МВД и МЧС. При проведении ОМ, МВД, МЧС определенного рода операций, где применяется КВ-радиосязь, например, при проведении спасательных операций координировать действия отдельных спасательных групп и поддерживать радиосвязь с вышестоящим командованием, находясь внутри подвижного объекта, не всегда удобно, поэтому в подобных случаях организовывают выносное рабочее место под навесом или вовсе под открытым небом, при этом упрощается координация действий спасательных групп, но возникают затруднения в поддержании радиосвязи с выносного рабочего места.

Для решение вышеперечисленных решения проблем предлагается размещать блоки ППК таким образом, чтобы качество связи было оптимальным, а управление составными блоками ППК производилось с удобного для оператора места.

Блок управления ППК позволяет полноценно управлять составными блоками приемопередающего комплекса, расположенного на подвижном объекте, с расстояния до ста метров с помощью ПЭВМ по технологии локальных сетей Ethernet, при этом оператор может вести обмен не только речевой информацией, но и короткими текстовыми сообщениями, картами местности и др.

Блоки, входящие в состав современных ППК, управляются сигналами RS-232 и RS-485, поэтому блок управления выполняет функцию не только управления, но и функцию преобразования сигналов Ethernet в RS-232 и RS-485.

Ethernet – технология локальных сетей, преимущественно функционирующих в одном здании и связывающих близко расположенные устройства.

В сетях Ethernet информация передается кадрами. Кадр – порция информации, размер которой может меняться. Кроме того, кадр содержит адрес получателя и адрес отправителя. В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Причинами перехода на витую пару были:

- возможность работы в дуплексном режиме;

- низкая стоимость кабеля «витой пары»;

- более высокая надежность сетей;

- большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;

- отсутствие гальванической связи между узлами сети.

Интерфейс RS-232 соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс). Данные в RS-232 передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону.

Протокол связи RS-485 является наиболее широко применяемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников. Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов.

В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных, суть которого заключается в передаче одного сигнала по двум проводам, причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия (рисунок). Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна. Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе (синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково).

Принцип передачи данных по сети, построенной на интерфейсе RS-485

Блок управления входит в состав ППК КВ диапазона, который состоит из следующих взаимосвязанных блоков:

- радиоприемное устройство, которое обеспечивает два канала приема на той же частоте настройки, весь диапазон принимаемых частот перекрывают шесть двухконтурных линеек с внутрииндуктивной связью;

- возбудитель, предназначенный для формирования сигналов излучения, в возбудителе сигнал преобразуется до рабочей частоты и подается на усилитель мощности;

- блок усиления мощности, который обеспечивает усиление мощности ВЧ сигналов КВ диапазона, а так же фильтрует выходной сигнал с целью уменьшения помех;

- антенное автоматизированное согласующее устройство (ААСУ500 и ААСУ100), обеспечивающее согласование комплексного сопротивления антенны с выходным сопротивлением усилителя мощности, в зависимости от уровня мощности выходного сигнала происходит автоматическое переключение между блоками ААСУ500 и ААСУ100.

В возбудителе имеется восемь каналов, в каждый из которых можно записать до восьми частот. Для записи частот возбудитель переводится в режим записи, а для сохранения записанных частот возбудитель переводят в рабочий режим, при этом происходит автоматическая настройка блоков ААСУ500 и ААСУ100. Как показывает практика, при организации связи в КВ диапазоне заранее записанных частот бывает недостаточно. При помощи органов управления возбудителя существует возможность быстрой перестройки частоты вверх и вниз по диапазону с шагом 25 кГц, при этом требуется выполнение дополнительной настройки блоков ААСУ500 и ААСУ100. Применение блока управления, позволяющего управлять составными блоками ППК на расстоянии, за счет передачи управляющего сигнала по витой паре проводников, значительно облегчает работу оператора.

Существует целый ряд устройств данного назначения, так называемых преобразователей интерфейсов Ethernet/RS232/RS485, но они имеют следующие недостатки:

- напряжение питания 220 В, 50 Гц;

- диапазон рабочих температур от 0 до 40 ⁰С;

- полудуплексная связь по интерфейсу RS-485;

- неустойчивость к воздействию вибрации.

Применение современной элементной базы и компонентов поверхностного монтажа позволяет выполнить блок управления на одной печатной плате.

Внутри подвижного объекта блок управления ППК размещается в стойке для аппаратуры, выполненной в соответствии с Европейским стандартом ANSI/ EIA RS-310 D. Данный стандарт определяет размеры встраиваемых блоков по ширине и минимальной высоте. Согласно стандарту ANSI/ EIA RS-310 D габаритные размеры конструктивов принято выражать в дюймах, ширина блоков должна составлять 482,6 мм или 19 дюймов, а высота – 43,7 мм или 1,75 дюйма. Детали корпуса выполняются путем доработки покупных заготовок фирмы Schorff. Фирма Schorff является одним передовых производителей деталей корпусов современных РЭС, а также стоек и шкафов для аппаратуры соответствующих стандарту ANSI/ EIA RS-310 D и отличается более низкими ценами по сравнению с конкурирующими фирмами при высоком качестве выпускаемой продукции.

На стадии доработки деталей корпуса на них наносят покрытие для увеличения стойкости к воздействию внешних факторов. При проектировании блока управления ППК в связи с тем, что габариты корпуса ограничены по высоте, принят вариант конструктивного исполнения радиоэлектронного модуля в соответствии с типом 1 класса С согласно EIA (Electronics Industries Association). При этом компоненты поверхностного монтажа и компоненты, монтируемые в отверстия, располагаются на одной стороне печатной платы.

Литература

1. Электронный каталог ГПНТБ России. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Ethernet.

2. Электронный каталог ГПНТБ России. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/rs485/ app.htm.

3. Электронный каталог ГПНТБ России. Электрон. дан. Режим доступа: http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2004/ fema/kvitkovsky/ library/art7. htm

4. Электронный каталог ГПНТБ России. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.lastmile.su/pdf/5_2008/1714.pdf 466 КБ.

Воронежский государственный технический университет

УДК 624.156

Н.И. Жерелина, Е.И. Кияшкин, Л.С. Очнева, Н.Э. Самойленко

ПОРТАТИВНАЯ РАДИОСТАНЦИЯ С ЦИФРОВОЙ

ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА

Изложен пример реализации портативной радиостанции с цифровой обработкой сигнала, выполненной на современной элементной базе. Портативная радиостанция предназначена для обеспечения беспоисковой и бесподстроечной открытой или технически маскированной радиосвязи, а также приема и передачи цифровой информации

Портативные радиостанции, используемые в качестве средства связи, в настоящее время становятся всё более востребованными представителями различных государственных и частных служб. Это могут быть МЧС, милиция, охранные службы, различные горные и лесные экспедиции, а так же люди, увлекающиеся путешествиями. Портативные радиостанции по своим параметрам выгодно отличаются от мобильных и стационарных телефонов присущей им способностью более оперативной передачи информации. Нередко звучит вопрос актуальности и потребности новых видов портативных радиостанций, особенно, если учесть факт наличия в наших условиях почти у каждого человека мобильного телефона.

Актуальность и потребность в конструировании новых моделей радиостанций состоит в том, что радиостанция работает там, где невозможно применение стандартных средств связи. Поэтому развитие конструкций портативных радиостанций идёт путём уменьшения массогабаритных показателей и повышения функциональных возможностей.

Портативная радиостанция предназначена для обеспечения радиосвязи, а также приема и передачи цифровой информации. Структурная схема портативной радиостанции представлена на рис. 1.

Усилитель мощности состоит из фильтра передатчика (ПРД), фильтра приёмника (ПРМ), коммутатора, рефлектометра, схемы автоматической регулировки мощности (АРМ) с переключателем режима мощности, датчика перегрева. УМ предназначен для усиления сигнала синтезатора до необходимого уровня мощности. Фильтр ПРД необходим для подавления высших гармоник на выходе УМ. Коммутатор служит для переключения антенны с выхода передатчика на вход приемника и одновременно защищает вход приемника от сигнала передатчика. Фильтр ПРМ дополнительно подавляет сигналы зеркального канала приема. На выходе усилителя мощности включен рефлектометр, служащий датчиком выходной мощности передатчика для АРМ. АРМ необходим для поддержания постоянной мощности на выходе передатчика и одновременно, изменяя его режимы, достигается переключение выходной мощности на пониженную. Датчик перегрева контролирует температурный режим транзисторов передатчика и является источником сигнала для переключения передатчика в режим пониженной мощности при перегреве.

Рис. 1. Структурная схема портативной радиостанции

Ячейка ВЧ состоит из следующих основных узлов: приемник, синтезатор частоты, формирователь сигнала для передатчика, систему источников вторичного питания, устройство управления алгоритмами работы, устройство цифровой обработки сигнала.

Приемник построен по схеме супергетеродина с двойным преобразованием частоты. Настройка преселектора буфера гетеродина осуществляется с помощью варикапов сигналом от однокристальной микроэлектронной вычислительной машины (ОМЭВМ).

Синтезатор частоты предназначен для формирования стабильных частот передатчика и гетеродина приемника.

Для формирования необходимых уровней напряжения питания элементов схем на плате ячейки ВЧ имеются три импульсных преобразователя напряжений (на +1,8 В; +3,3 В и +17 В) и пять стабилизаторов напряжений (на +1,6 В; +15 В и три напряжения +5 В).

Управление режимами работы отдельных элементов схемы РС осуществляет ОМЭВМ, которая электрически связана с органами управления (кнопки приемопередатчика), приемником, передатчиком, устройством цифровой обработки сигнала, синтезатором, репрограммируемым постоянным запоминающим устройством (РПЗУ) и устройством инфракрасного (ИК) ввода радиоданных.

Устройство цифровой обработки сигналов обеспечивает необходимую коммутацию НЧ сигналов, согласование их уровней, а также осуществляет кодирование и декодирование речевых сигналов.

В режиме приема ВЧ сигнал через антенный соединитель поступает на плату блока УМ и через коммутатор и фильтр ПРМ на вход приемника ячейки ВЧ. В усилителе мощности фильтром ПРМ ослабляются сигналы зеркального канала приема.

В режиме передачи аналоговый сигнал с одного из микрофонов (внутреннего или внешнего) или цифровой сигнал от внешнего соединителя приемопередатчика подается в устройство цифровой обработки сигналов. Здесь сигналы ограничиваются по спектру, при необходимости оцифровываются и кодируются и передаются в синтезатор. В синтезаторе осуществляется модуляция ВЧ сигнала. Из синтезатора ячейки ВЧ высокочастотный модулированный сигнал уровнем порядка 0,5 В поступает в УМ для дальнейшего усиления. УМ усиливает сигнал до заданной мощности, фильтр ПРД уменьшает уровень высших гармоник. Далее ВЧ сигнал через коммутатор и рефлектометр поступает на антенный соединитель. Рефлектометр измеряет проходящую мощность и является датчиком АРМ для поддержания заданной выходной мощности передатчика.

Приемопередатчик обеспечивает работоспособность, при напряжении питания в интервале от 6,3 до 9 В. Голосовой подсказчик РС предупреждает о разряде батареи до (6,3±0,1) В, а затем обеспечивает автоматическое отключение напряжения питания РС. Возможно принудительное включение напряжения питания РС на время не более 5 мин.

Режим программирования. Перед началом работы в РС вводят радиоданные, которые включают в себя режимы работы, ключи маскиратора, рабочие частоты, адреса и другие параметры РС. Ввод радиоданных производится по ИК-каналу из пульта записи. Возможен ввод радиоданных с помощью ПЭВМ по протоколу RS-232, но при этом ввод и изменение параметров, относящихся к техническому маскированию (ключи и адреса), невозможны.

Режим приема-передачи цифровой информации. В этом режиме осуществляется прием, и передача цифровой информации от ПЭВМ на скоростях 2400 бит/с и 16000 бит/с. При этом однотипные радиостанции должны работать на одинаковых частотных каналах, на которых задан данный режим и иметь на приемной и передающей радиостанции однотипную оконечную аппаратуру, подключенную через стык RS-232.

ПЭВМ подключается к РС и имеет возможность:

• ввода радиоданных в приемопередатчик;

• чтения радиоданных из приемопередатчика;

• переключения РС в прием/передачу;

• переключение экономичный прием / прием;

• переключение сканирующий прием / прием;

• управление режимами передачи данных.

Конструкция мобильной радиостанции (рис. 2) состоит из корпуса поз. 1, с установленными на нем антенной поз. 2, батареи поз. 3 и зажим поз. 4. Несущие части конструкции выполнены из сплава АК7ч (АЛ9) ГОСТ1583–93, что обеспечивает необходимую жесткость конструкции для защиты от воздействия внешних механических и климатических факторов. Конструкция приемопередатчика герметичная, что обеспечивается применением специальных уплотнителей из резины. В составные части корпуса входят: печатная плата усилителя мощности, печатная плата ячейки ВЧ. Печатные платы крепятся к корпусу с помощью стоек.

На корпусе приемопередатчика расположены:

– на верхней плоскости – соединитель для подключения антенны;

– на передней панели – кнопки управления РС (« », «», «»), громкоговоритель динамический и микрофон;

– на левой боковой панели – кнопки управления («Вызов», «ПРД» и функциональная);

– на правой боковой панели – соединитель для подключения внешних устройств (манипулятора, пульта управления, устройства АПД или ПЭВМ). Если внешние устройства не подключены, то соединитель закрывается герметичной заглушкой;

– в нижней плоскости находятся закрытый светофильтром ИК–порт для ввода радиоданных, технологическое отверстие для проверки герметичности приемопередатчика и кнопка для снятия батареи аккумуляторов;

– на задней панели находятся крепление для зажима РС и аккумуляторная батарея.

Кнопки управления предназначены для управления РС:

« » - кнопка включения, выключения РС и выбора режима установки параметра. Для включения / выключения кнопку нажимают и удерживают не менее 4 с. При включенной РС кратковременным нажатием устанавливают режимы управления «Канал», «Громкость», «Режим», «Мощность». Переключение режимов управления осуществляется по кругу;

«» и «»– кнопки понижения и повышения управляющего параметра:

«Каналов» – девять, «Громкости» – восемь градаций, «Режим», - открыт, закрыт, «Мощности» – номинальная и повышенная;

«Вызов» – кнопка посылки сигнала тон-вызова (1000±6) Гц;

«ПРД» – кнопка переключения РС в режим передачи.

Функциональная кнопка используется для включения тестовых режимов при техническом обслуживании РС и для включения, выключения подавителя шума.

Рис. 2. Внешний вид портативной радиостанции

Громкоговоритель служит для воспроизведения речевой информации, индикации посылки вызова, индикации включения/выключения режима передачи, воспроизведения информации речевого подсказчика. Громкоговоритель отключается при подключении манипулятора или пульта управления.

Микрофон служит для преобразования звуковых сигналов в электрические. Микрофон отключается также при подключении манипулятора или пульта управления.

Электропитание РС осуществляется постоянным током от батареи аккумуляторной 6НКГЦ-1,5 с номинальным напряжением 7,2 В.

Корпус батареи аккумуляторов выполнен из полиамида. В нижней части корпуса батареи расположена пружинная защелка для фиксации в корпусе приемопередатчика. Электрическое соединение батареи аккумуляторной с приемопередатчиком выполнено с помощью подпружиненных контактов, расположенных на задней стенке приемопередатчика.

Батарея аккумуляторов является съемной и подсоединяется к корпусу приемопередатчика: батарею вставляют в пазы, расположенные на задней панели приемопередатчика и прижимают до появления щелчка. Для снятия батареи аккумуляторной нажимают кнопку, находящуюся в нижней части корпуса батареи.

Масса отдельных частей РС равна: ячейка ВЧ 15 г, УМ 8 г, и корпус (включая все стандартные изделия) 490 г. Соответственно масса РС равна 513 г. Исходя из значения общей массы РС, делается вывод, что пункт 2.3.3 ТЗ выполнен, масса РС не превышает допустимые 550 грамм.

Печатные платы РС имеют следующие особенности.

Электрорадиоэлементы (ЭРЭ) УМ и ячейки ВЧ размещаются на отдельных печатных платах (ПП). Это позволяет разделить вход и выход блока для устранения взаимовлияния, обеспечить контроль и настройку отдельных узлов.

В разрабатываемой конструкции портативной радиостанции вопрос электромагнитной совместимости решён на схемотехническом уровне, т.е. электромагнитные помехи подавляются путём использования в схеме электрической принципиальной различных фильтров (как НЧ, так и ВЧ). Так же используются дросселей подавления ЭМП, и катушки индуктивности в экранированных корпусах, что исключает возможности их влияния на работу приёмопередатчика.

Литература

1. Материалы с сайта http://www.sozvezdie.su

2. Материалы с сайта http://www.radiorubka.ru

3. Материалы с сайта http://www.radio-station.ru

Воронежский государственный технический университет

УДК 624.156

Л.С. Очнева, Н.Э. Самойленко Ю.А. Филипцова

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Рассматриваются вопросы конструкторско-технологического проектирования усилителя мощности, предназначеного для работы в составе контрольно-измерительного стенда по проверке электромагнитного реле

Усилитель мощности, используется в радиотехнических системах различного назначения, в том числе и для работы в составе стенда по проверке электромагнитного реле.

Усилитель мощности предназначен для работы в составе контрольно-измерительного стенда по проверке электромагнитного реле. Функционально состоит из предварительного усилителя мощности (драйвера), оконечного усилителя мощности, устройства автоматики и защиты, вторичного источника электрического питания.

В состав усилителя входят: блок питания усилителя, блок обработки входного сигнала, драйвер и блок формирования выходного сигнала. Кроме того, этот блок усиливает входной сигнал до уровня, необходимого для последующего его усиления в других частях усилителя. Драйвер разделяет сигнал на два разнополярных сигнала (фазовое разделение) и усиливает его для последующей передачи в блок обработки выходного сигнала. И, наконец, последняя стадия усиления – блок обработки выходного сигнала (его правильнее называть выходным каскадом), который в основном и определяет класс усилителя. Усилители разделяются по классам в зависимости от своей эффективности и уровня искажения выходного сигнала.

Данный усилитель мощности служит для накачки резонансного контура стенда. На усилитель мощности подаётся синусоидальный сигнал с генератора, уровнем 5 В, и на выходе получается сигнал с мощностью 50 Вт при токе нагрузки 5 А. При подаче этого сигнала на контур возникает резонанс и получается выходное напряжение 10 кВ. С помощью этого напряжения реле проверяется на пробой между выводами и между обкладками.

Усилитель мощности защищен от перегрузки по току, перегрева, рассогласования с нагрузкой.

Схема усилителя мощности выполнена на современных LDMOS-транзисторах производства фирм NXP (Philips) и ST-microelectronics (SGS-Thomson).

Усилитель мощности состоит из модуля предварительного усилителя мощности, оконечного усилителя мощности и источника питания.

Усилитель оснащен защитой от превышения температуры. В качестве датчика для схемы защиты используется термистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, имеющий хороший тепловой контакт с радиатором оконечного усилителя мощности.

Предварительный усилитель мощности выполнен по двухкаскадной схеме на полевых LDMOS транзисторах производства фирмы ST Microelectronics и функционально состоит из следующих узлов:

1. Входной согласующей цепи

2. Межкаскадной согласующей цепи

3. Усилительных элементов

4. Выходной согласующей цепи

5. Источника напряжения смещения

Оконечный усилитель мощности выполнен на полевом LDMOS транзисторе производства фирмы NXP по двухтактной (push-pull) схеме и функционально состоит из следующих узлов:

1. Входной согласующей цепи

2. Усилительного элемента

3. Выходной согласующей цепи

4. Цепи подачи питания

5. Источника напряжения смещения

6. Детектора отраженной мощности

7. Измерителя потребляемого тока

8. Измерителя температуры радиатора

9. Логики управления

10. Источника питания

Для отвода тепла от модулей усилителя мощности применяются радиаторы, на которые установлены платы модулей. В одном случае тепло передаётся на радиатор от тепловыделяющего элемента через печатную плату. Для этого металлизированные слои, находящиеся под данными элементами, соединены металлизированными отверстиями. В другом случае тепловыделяющий элемент ставится непосредственно на радиатор через вырез в плате. От радиаторов тепло отводится за пределы корпуса усилителя мощности при помощи вентилятора. Модули усилителя мощности собраны на печатных платах. В основном применены элементы поверхностного монтажа.

Усилитель мощности состоит из модулей усилителя и источника питания. Модули реализованы на печатных платах, которые для обеспечения нормального температурного режима устанавливаются на радиаторы. Радиаторы, в свою очередь, устанавливаются на основание. Сверху к радиаторам крепится источник питания. Затем всё это закрывается кожухом. Все конструктивные элементы, за исключением радиаторов, изготовлены из листового материала методом гибки. Это позволяет сделать конструкцию изделия более дешёвой и технологичной.

Важным является число плат, на которых будут размещены элементы устройства. Электрическая принципиальная схема разбивается на отдельные функциональные узлы, которые необходимо размещать на отдельных платах. Схема усилителя мощности размещается на двух платах. Размещение схемы усилителя мощности на одной моноплате нецелесообразно. Каждая печатная плата представляет функционально законченный модуль, который имеет свою электрическую схему. Это гораздо удобнее при последующей настройке и регулировке. Кроме того, две печатные платы позволяют более эффективно использовать внутренний объем блока, осуществлять ремонт, исключить наводки одной схемы на другую без применения экранов. Плата больших габаритов имеет большее коробления, что также снижает надёжность всей конструкции, так как при установке в блоке возникает гораздо больше механических напряжений на данной плате. Чтобы избавится от этого необходимо увеличивать толщину платы, что нецелесообразно.

У блока усиления высокая масса за счет теплоотводных элементов, этим же в основном определяются и габариты изделия. Размещение блока не требует открытого корпуса. Базовая конструкция имеет законченное конструктивное исполнение.

Литература

1. Электронная энциклопедия. – Электрон. дан. – Режим доступа: ru.wikipedia.org/wiki.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.5

А.В. Судариков

МЕХАНИЗМЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ И ВОЗНИКНОВЕНИЯ

ПОМЕХ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВАХ

В данной статье рассматриваются основные механизмы проникновения помех и возникновения шумов в радиоэлектронных средствах, а также представлены методы борьбы с помехами в РЭС

Проблема уменьшения искажений электрических сигналов становится подчас главной проблемой на пути дальнейшего совершенствования характеристик самой различной аппаратуры. Поэтому поиск новых возможностей для её решения весьма актуален и интенсивно ведётся исследователями всего мира. Чтобы решить данную проблему необходимо более детально изучить пути проникновения и возникновения помех в радиоэлектронных средствах. Большинство радиоэлектронных средств содержат элементы, которые способны принимать сигналы через компоненты, которые ведут себя как антенны, например кабели, проводники печатных плат, внутренние проводные и механические конструкции. Эти элементы могут неумышленно передавать энергию через электрическое, магнитное или электромагнитное поле в цепи, с которыми они имеют связь. В практических ситуациях внутрисистемные и внешние связи между оборудованием видоизменяются из-за присутствия экранирующих и диэлектрических материалов, а также расположения и близости мешающего и восприимчивого оборудования и особенно их кабельных соединений. Заземляющие или экранирующие плоскости или усиливают мешающий сигнал за счет отражения, или уменьшают его за счет поглощения.

Проблема электромагнитной совместимости неизменно имеет два дополняющих друг друга аспекта. Любая ситуация несовместимости должна иметь источник помехоэмиссии и рецептор, который чувствителен к этим помехам. Если одна из этих составляющих отсутствует, то отсутствует и проблема ЭМС.

Два аспекта ЭМС часто взаимны, так как меры, принятые для улучшения ситуации с помехоэмиссией, также улучшают ситуацию с помехоустойчивостью, хотя это не всегда так. Для целей анализа их более удобно рассматривать независимо. Имеется также и третий фактор - связь между источником и рецептором, которая может быть непосредственной, при их близости, или посредством энергии излучения (рис. 1). Некоторые устройства могут быть источниками в одном случае и рецепторами - в другом.

Рассмотрение источника и рецептора совместно показывает существующие потенциальные пути проникновения помех от одного к другому. Когда системы находятся в стадии создания, необходимо знать характеристики помехоэмиссии и помехоустойчивость составляющего оборудования, чтобы определить, что возможные проблемы будут обусловлены сильной связью.

Рис. 1. Три составляющие проблемы ЭМС

Рассмотрим различную природу путей связи и возникновения шумов:

1. Непосредственная связь

1.1. Связь от силовых кабелей и сигнальных линий

1.2. Связь через общее полное сопротивление

2. Связь в ближней зоне

2.1. Магнитная или индуктивная связь

2.2. Электрическая или емкостная связь

3. Связь через излучение

4. Второстепенные источники шумов

4.1. Гальванический процесс

4.2. Электролитический процесс

4.3. Трибоэлектрический эффект

4.4. Перемещение проводника.

Самый простой вариант связи, помогающий понять ее механизм, состоит в непосредственном контакте между источником и рецептором – это связь от силовых кабелей и сигнальных линий. Примером проблемы такого рода является представленная на рис. 2 схема разводки питания. Любое изменение тока, потребляемого схемой 2, будет изменять напряжение на зажимах питания схемы 1 из-за наличия общих сопротивлений шин питания и внутреннего сопротивления источника питания. Положение можно несколько улучшить, подключив схему 2 ближе к выходным зажимам источника питания и уменьшив тем самым величину общего сопротивления шин питания. Однако связь через внутреннее сопротивление источника питания остается.

Вторая разновидность непосредственной связи встречается между двумя отдельными блоками, для которых имеется общее полное сопротивление. Наиболее распространенным примером может являться наличие общей земли или системы питания. На рис. 3. показаны два блока, каждый из которых отдельно подключен к шине заземления, которая в свою очередь далее подключается проводом к заземлителю.

Рис. 2. Пример связи двух схем через общий источник питания

Рис. 3. Связь через общее сопротивление

Блок 1 может иметь внутренние шумы VN, которые попадают на его провод заземления и могут рассматриваться как внешние по отношению к системе заземления за счет паразитной емкости Cs или за счет соединения с другими блоками. Ток, который вызван этим напряжением шума, протекает не только в проводе заземления блока 1, но и в общем проводе заземления, соединяющем шину заземления с заземлителем. Поскольку этот провод имеет конечное полное сопротивление, то на нем развивается напряжение шумов Vint, которое проявляется между шиной заземления и заземлителем и, следовательно, связанное с системой заземления блока 2.

Этот механизм встречается во всех подобных случаях межсоединений, и, конечно, реальные ситуации намного сложнее и могут вызвать взаимодействие многих блоков, которые связаны между собой различными кабелями и заземлением. Полным сопротивлением проводников нельзя пренебречь на всех частотах, которые представляют интерес с позиций ЭМС.

Еще один вид связи представляет собой излучение электрического и магнитного полей. Все элементы схем, включая проводники, при движении по ним электрических зарядов излучают электромагнитные поля. Кроме такого не предусмотренного разработкой излучения, существует проблема преднамеренного излучения от таких источников, как радиовещательные и радиолокационные станции. Когда приемник расположен вблизи источника (в ближнем поле), электрическое и магнитное поля рассматривают раздельно. Если же приемник находится далеко от источника (в дальнем поле), излучение рассматривается как комбинация электрического и магнитного полей, т.е. как электромагнитное излучение.

Магнитная или индуктивная связь возникает в близко расположенных проводниках, при протекании тока в одном проводнике индуцируется ток в другом близко расположенном проводнике. Взаимная индуктивность определяется зазором между проводниками, длинной участка взаимодействия двух проводников, их геометрией и наличием магнитных экранов на одном или другом проводнике. Наиболее распространенная ситуация сильной магнитной связи соответствует расположению нескольких проводников в одной оплетке кабеля. При этом проводники расположены в непосредственной близости друг от друга по всей длине оплетки, и их взаимная индуктивность будет максимальна. Это основная причина, по которой рекомендуется разделять и разносить кабели отдельных классов.

Дополнительно к магнитной связи между отдельными элементами существует емкостная связь за счет электрического поля. Когда между двумя проводниками имеется некоторая разность потенциалов, то между ними существует электрическое поле. Это поле индуцирует напряжение на проводнике-рецепторе. Отметим, что в отличие от связи посредством магнитного поля уровень связи через электрическое поле зависит от полного сопротивления нагрузки рецептора, и поэтому цепи с высоким сопротивлением более чувствительны; и цепи источника и рецептора обязательно должны быть вместе. Взаимная емкость появляется между двумя узлами цепи с изменяющимся напряжением, токи в которых не связаны, что более вероятно, чем ее появление между двумя токонесущими проводниками. Конечно, это может быть одна и та же структура типа двухпроводной линии, но различие между током и напряжением очень важно. Электрическая емкость изменяется разносом электродов, геометрией (в частном случае перекрытием электродов), свойствами диэлектрика между электродами и наличием каких-либо электростатических экранов между ними. Так как влияние размеров велико, то емкостная связь больших объектов больше, чем малых. Это обстоятельство часто нивелируется тем, что большие объекты имеют тенденцию не нести большие dV/dt. Там, где присутствие крупных объектов имеет место, например, радиаторы импульсных источников питания, емкостная связь представляет серьезную проблему. Экранирование электрического поля значительно проще экранирования магнитного поля. Любой проводящий материал будет действовать как барьер для электрического поля; малое сопротивление барьера - лучший вариант, но даже материл с сопротивлением в несколько Ом на квадрат (например, никелевая краска) будет обеспечивать приемлемое ослабление. Частичный экран может быть эффективен, хотя возможна некоторая утечка поля около его краев. Электрическое поле легко искажается даже диэлектрическими материалами, что создает трудности при измерениях, поскольку любой датчик будет искажать поле, которое он измеряет.

Пока рассматривалась связь посредством магнитного и электрического поля независимо друг от друга. Но любое изменение электрического поля между проводниками вызовет ток, приводящий к изменению напряжения, а любое изменение тока вызывает изменение разности потенциалов. На достаточном расстоянии от структуры, несущей излучающие токи и напряжения, магнитная и электрическая компоненты формируются в распространяющуюся электромагнитную волну. Два компонентных вектора расположены под прямым углом друг к другу и к направлению распространения и лежат в плоскости, которая может быть наглядно представлена как распространяющаяся от излучателя во все направления. В свободном пространстве в любой точке этой плоскости отношение электрической и магнитной компоненты постоянно 377 Ом. Оно известно как волновое сопротивление свободного пространства. Амплитуда обеих компонент при удалении от источника будет изменяться в зависимости от геометрии и фазы различных излучающих элементов. В дальней зоне, связь происходит за счет излучения электромагнитных волн, что предполагает появление индуцированных напряжений и токов в структурах рецептора, как будто они действуют как антенны. Уровень помехового воздействия волны может быть оценен плотностью потока мощности (ватты на кв. метр или милливатты на кв. сантиметр), или для электрического поля в виде его напряженности (вольт на метр), или в виде напряженности магнитного поля (ампер на метр). Как правило, для частотного диапазона, представляющего интерес для задач ЭМС, указывается напряженность электрического поля.

Если проводник движется в магнитном поле, на концах его возникает разность потенциалов. Паразитные магнитные поля, вызванные наличием больших токов в силовых цепях, а также в других схемах, имеются почти в любой точке окружающего пространства. Данная проблема усугубляется при наличии вибрации. Решается она просто: перемещение проводников устраняется путем закрепления кабелей скобами и другими приспособлениями.

При использовании в слаботочной сигнальной цепи разнородных металлов в результате образования из них гальванической пары могут возникать напряжения шумов. При наличии на стыке двух металлов загрязнений или водяных паров создается электрохимический элемент. Развиваемая им э. д. с. зависит от используемых металлов, т.е. от их расположения в гальваническом ряду. Чем дальше в этом ряду металлы отстоят друг от друга, тем больше будет развиваемое ими напряжение. Если контакт образован одноименными металлами, разность потенциалов между ними отсутствует. При использовании разнородных металлов, помимо возникновения напряжения шумов, может существовать и проблема коррозии. Гальваническая коррозия приводит к тому, что положительные ионы одного металла переносятся в другой металл. Это постепенно разрушает материал анода.

Другой вид коррозии обусловлен электролитическим процессом. Он вызывается постоянным током, протекающим между двумя металлами при наличии между ними электролита (в качестве последнего может фигурировать грязь даже со слабыми кислотными свойствами). Коррозия такого типа не зависит от вида применяемых металлов и наблюдается даже между однородными металлами. Скорость коррозии зависит от величины тока и проводимости электролита.

В том случае, если диэлектрик внутри кабеля не имеет контакта с проводниками кабеля, на нем может накапливаться заряд. Это явление называется трибоэлектрическим эффектом. Обычно он вызывается механическим изгибом кабеля. Такой заряд действует как источник напряжения шумов, находящийся внутри кабеля. Трибоэлектрический эффект минимизируют, избегая резких перегибов кабеля и его перемещения. Выпускается специальный «малошумящий» кабель, в котором диэлектрик проходит специальную химическую обработку, сводящую к минимуму возможность накопления на нем заряда.

Для борьбы с помехами применяются следующие основные методы:

1) экранирование;

2) заземление;

3) балансировка;

4) фильтрация;

5) изоляция;

6) разнесение и ориентация;

7) регулировка величины полного сопротивления схемы;

8) выбор кабеля;

9) подавление (в частотной или временной области).

Однако даже при использовании всех этих методов следует помнить, что шумы обычно невозможно устранить полностью; их можно лишь уменьшить до такой степени, чтобы они не создавали помех. Также следует понимать, что даже для простейших случаев единого универсального средства решения проблемы шумоподавления не существует. Обычно приходится идти на компромисс, и мнения о том, какое из многих альтернативных решений наилучшее, существенно расходятся. Однако то, какой из них следует применять в конкретном случае, должен определять именно разработчик системы.

Литература

1. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах/ Пер. с англ. Б.Н. Бронина. М: Мир, 1979. 320 с.

2. Князев А.Д. Конструирование радиоэлектронной и электронной вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров. М.: Радио и связь, 1989. 224 с.

3. ЭМС для систем и установок/ Т. Уильямс, К. Амстронг. – М.: Издательский дом «Технологии», 2004. 508 с.

4. Уилльямс Т. ЭМС для разработчиков / пер. В.С. Кармашев, Л.Н. Кечиев М: Технологии, 2003. 540 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

А.В. Муратов, С.В. Иванов, Н.И. Котляренко

ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ

ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

В данной статье представлен обзор современных материалов, используемых при изготовлении гибридных многослойных печатных плат. Проводится анализ тенденции освоения сверхвысокочастотных диапазонов

В настоящее время происходит освоение сверхвысокочастотных диапазонов и создание аппаратуры для работы на этих частотах. Уже существуют системы, использующие частоты выше 40 ГГц, т.е. работающие на КВЧ (крайне высоких частотах).

В ряде случаев при проектировании СВЧ устройств достаточно применение давно известных материалов, таких как стеклотекстолит марки FR-4 или фольгированного фторопласта марки ФАФ. Но из-за усложнения устройств и повышения требованиям к электрическим, эксплуатационным и технологическим параметрам необходимо переходить к материалам на совершенно новой основе. При проектировании и разработке микроэлектронных СВЧ-устройств необходимо учитывать очень многие факторы, обусловленные малыми размерами узлов, концентрацией сильных полей в малых объемах, наличием цепей паразитной связи, взаимодействием близко расположенных элементов, трудностью отвода тепла, требованиями к точности изготовления и однородности материалов [1].

Платы, применяемые в СВЧ диапазоне, изготавливают при высоких температурах. Структура тонких пленок зависит от температуры подложки. При ее повышении образуются пленки из более крупных кристаллов, вследствие чего толщина пленки, соответствующая резкому увеличению сопротивления, уменьшается. Также подложка, на которую осаждается проводящая пленка, должна иметь гладкую поверхность, обладать высокой механической и электрической прочностью [3]. Материалы, используемые для изготовления подложек в толстопленочной технологии должны обладать высокой механической прочностью, хорошими тепловыми характеристиками, стабильностью в широком диапазоне температур, удовлетворительной шероховатостью поверхности и постоянством геометрических размеров [4]. Вышеперечисленным требованиям отвечают высокочастотные диэлектрики. Их максимальная рабочая температура 280⁰C. Значение диэлектрической проницаемости современных диэлектриков для печатных плат лежит в пределах от 2,2 до 10,2. От нее зависит скорость передачи сигналов в проводниках. Задержка сигнала в линии при таких значениях может превышать 6 нс/м. Данные материалы обладают малым тангенсом угла потерь, так как его величина обратно пропорциональна качеству радиоэлемента, а также малым значением модуля упругости по осям X, Y, что позволяет значительно уменьшить давление на паяные соединения и ограничивает расширение диэлектриков минимальным значением КТР металла (6·10^{-6 0}C^-1) при дальнейшем увеличении надежности поверхностного монтажа. Современные материалы, представляющие интерес, созданны фирмами Arlon, Taconic, Neltec, Saflon, Polyflon, Isola, Rogers.

Электрофизические свойства некоторых материалов указанных фирм представлены в табл. 1 [2].

Таблица 1

Свойства СВЧ материалов

Материал	Струк- тура	Диэлек-тричес-кая проница-емость при 10ГГц, ε			Тангенс угла потерь при 10ГГц, tgδ	Коэффициент температурного расширения, α ×106 0C-1
						X		Y		Z
ROGERS
RT/duroid 5870	PTFE, стелоткань	2,33			0,0012	22		28		173
RT/duroid 5880	PTFE, стелоткань	2,20			0,0009	31		48		237
RT/duroid 6002	PTFE, керамика	2,94			0,0012	16		16		24
TACONIC
TLC-27	PTFE, стело-ткань		2,75	0,0030			9		12	70
TLE-95	PTFE, стелоткань		2,95	0,0026			9		12	70
ARLON
CLTE-XT	PTFE, керамика, стекло-ткань		2,94	0,0012			8		8	20
CLTE	PTFE, керамика, стеко-ткань		2,98	0,0025			10		12	35
AD250	PTFE, стело-ткань		2,50	0,0018			12		15	95
DiClad 522	PTFE, стело-ткань		2,40-2,60	0,0018			14		21	173
CuClad 250GT	PTFE, перекрест. Стело-ткань		2,50	0,0018			18		19	177
IsoClad 917	PTFE, стек-лово-локно		2,17	0,0013			46		47	236
SAFLON
SCL-G-217-05	PTFE, стекловолокно		2,17	0,0010			-		-	-
SCL-G-250-08	PTFE, стеклоткань		2,50	0,0018			-		-	-
POLYFLON
CuFlon	PTFE, стеклоткань		2,05	0,00045			129		129	129
NorCLAD	PPO (оксид полифенилена)		2,55	0,0011			53		53	53
PolyGuide	облученный полиолефин		2,32	0,0005			108		108	108

Металлические материалы обладают рядом положительных свойств: повышенной термостойкостью, малым коэффициентом напряжения и уровнем собственных шумов, хорошими частотными характеристиками. Вследствие этого значительно развиваются исследования и производство металлопленочных резисторов. В качестве проводящих элементов – резисторов используют тонкие пленки специальных сплавов или металлов, осажденные на изоляционные основания [5]. Для изготовления резисторов одним из лучших сплавов считается нихром, состоящий либо из 80 % никеля и 20 % хрома, либо имеющий добавки из других металлов. Но большинство нихромовых пленок имеют более высокое удельное сопротивление по сравнению с другими сплавами. Основные характеристики нихрома приведены в табл. 2. Сплавы для резисторов и тензорезисторов разработаны на основе двойных систем Ni-Cr, Ni-Mo, Ni-Mn и тройной системы Fe-Cr-Al и представлены в табл. 3.

Таблица 2

Основные свойства нихрома

Параметры	Нихром
Удельное сопротивление пленки, Ом/	40 - 400
Температурный коэффициент сопротивления, (1/град)  10-6	100 ± 25
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт/см2	0,125
Допустимое отклонение сопротивления в процессе старения, %	± 7
Толщина пленки, мкм	0,008 - 0,015

Таблица 3

Основные свойства сплавов для резисторов, тензорезисторов,

термосопротивлений [6]

Марка сплава	Основные технические характеристики	Назначение
Х15Н60 Х20Н80	Высокое электрическое сопротивление Устойчивы против коррозии в воздушной среде	Проволока и лента бытовых приборов, аппаратов, реостатов
НМ23ХЮ-ИЛ	Высокое удельное электрическое сопротивление (1,5 - 1,6 мкОм ·м)	Высоко- и низкотемпературные тензорезисторы и резисторы высшего класса точности
НМ23ХЮ-ВИ	Высокое удельное электрическое сопротивление (1,5 - 1,6 мкОм ·м) Низкий температурный коэффициент электрического сопротивления - не более 30·10-6 0C-1 при температуре от минус 253 до плюс 500 0С	Высокотемпературные тензорезисторы при измерении статистических деформаций до 500 0С и стабильные малогабаритные резисторы
Х20Н73ЮМ-ВИ	Высокое удельное электрическое сопротивление (1,4 - 1,45 мкОм ·м)	Высокотемпературные тензорезисторы и прецизионные печатные резисторы
Н50К10	Высокий температурный коэффициент электрического сопротивления от 35 ·10-6 до 45 ·10-6 0C-1 Низкое удельное электрическое сопротивление (0,2 - 0,3 мкОм ·м)	Термометры - сопротивления и термодатчики
Н70МХЮ-ВИ	Высокое удельное электрическое сопротивление (1,4 - 1,45 мкОм ·м) Низкий температурный коэффициент электрического сопротивления от 10 ·10-6 до 12 ·10-6 0C-1 при температуре от 20 до 100 0С	–

Тонкопленочные резисторы применяются в монолитных интегральных схемах в тех случаях, когда необходимо высокое сопротивление слоя или нужно обеспечить радиационную стойкость. Силицидные резистивные пленки (MoSi₂, CrSi₂, Si-Cr), осаждаемые реактивным распылением, совместимы с технологией изготовления монолитных схем, причем они не нуждаются в защитном покрытии. Пленки стабильны при кратковременном воздействии высоких температур, которые имеют место при герметизации монолитных или гибридных схем в керамических корпусах. Характеристика силицидных резисторов приведена в табл. 4.

Таблица 4

Характеристика силицидных резисторов

Параметры	Материалы
	MoSi	CrSi2		Si-Cr
Удельное сопротивление пленки, Ом/	200	1300		20000
Температурный коэффициент сопротивления, (1/град)  10-6	+ 125 ± 25		+ 200 ± 50		+ 1400 ± 200
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт/см2	0,5		0,5		0,5
Допустимое отклонение сопротивления в процессе старения, %	2		4		2
Толщина пленки, мкм	0,065		0,03		0,02

По сравнению с аналогичными тонкопленочными резисторами с сопротивлением слоя ρ_s от 1000 до 10000 Ом/ силицидные резисторы обладают более высокой кратковременной высокотемпературной стабильностью, а также они проще в изготовлении. Резисторы с ρ_s = 200 Ом/ изготавливаются из пленки дисилицида молибдена (MoSi₂) с удельным сопротивлением порядка 13000 – 20000 мкОм (в зависимости от используемой подложки и условий осаждения) и имеют толщину 0,065 – 0,1 мкм. Резисторы с ρ_s = 2 кОм/ и ρ_s = 20 кОм/ изготавливается из кремниево-хромовой пленки (Si-Cr) и не имеют аналогов среди тонкопленочных резисторов [7].

Для осаждения тонких резистивных пленок используют стандартные резистивные сплавы в виде порошков (для термовакуумного напыления) или дисков мишеней (для распыления ионной бомбардировкой). Данные сплавы представляют собой силициды хрома, никеля, железа и двойные или тройные системы на их основе. Параметры некоторых сплавов для получения тонкопленочных резисторов приведены в табл. 5.

Таблица 5

Электрофизические свойства резистивных металлосилицидных сплавов [8]

Марка сплава	Удельное поверхностное сопротивление, Ом	ТКС, α × 104 0С-1	Удельная мощность рассеивания, Вт/см2
PC5006	3 - 20	0,5	5
PC5402	5 - 100	0,5	2
PC5406К	10 - 500	0,5	2
PC5406Н	50 - 500	0,3	2
PC3710	50 - 3000	1	5
PC4800	100 - 1000	2	5
PC1714	300 - 500	2	5
PC4206	1000	0,5	2
PC4400	1000 - 5000	3	10
PC1004	3000 - 50000	15	5
PC2310	10000 - 80000	12	5
PC2005	80000 - 500000	12	5

Изготовить тонкопленочные резисторы можно не только из металлов и сплавов, но также и из их смесей, называемых керметами.

Керметы – это композиционные материалы, содержащие металлы (или сплавы) и один или несколько видов керамики. В качестве керамической составляющей обычно используют оксиды Al, Be, Mg, Zr, Th, U, карбиды W, Ti, Та, Nb, Cr, бориды Zr, Ti, в качестве металлической - тугоплавкие металлы W, Mo и др., металлы группы Fe, легкоплавкие металлы Си, Al, Mg. К керметам относят также твердые сплавы на основе Ni, Со и карбидов W, Ti, Та, Мо, характеризующиеся высокой твердостью, прочностью, жаростойкостью и жаропрочностью [9].

Пленки из керметов обладают большим поверхностным сопротивлением от 100 до 50 000 Ом. Например, пленки палладиево-серебряной глазури из танталово-хромового стекла. Резисторы на основе этих пленок используют в микросхемах, где допустимо высокое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС = (+ 25 ÷ + 50) ·10^{-6 0}C^-1). Коэффициент термического расширения керметов – 13,5 · 10^-6 [10]. Наиболее удачной пленкой из керметов является тонкая пленка из смеси моноокиси кремния и хрома. Эта пленка обладает хорошими адгезионными свойствами, однородностью, стабильностью, высокой температурной устойчивостью и хорошими механическими свойствами. Сопротивление пленки можно изменять в широких пределах в зависимости от состава смеси. Наилучшие характеристики пленок получают при 70 % хрома и 30 % моноокиси кремния. Достоинствами таких пленок являются высокое удельное сопротивление, стабильность и небольшой отрицательный температурный коэффициент [11]. Но из-за повышенного содержания SiO₂ имеют ухудшенное воспроизведение, и становится трудной подгонка величины сопротивления травлением пленок.

Связующим металлом для керметов берут к50с, то есть серебро + хром [12].

Резистивные пасты представляют собой смеси мелкоизмельченных порошков, определенных благородных металлов, окислов металлов и стекла, представленных в виде органических связующих. На основе резистивных паст можно создавать толстопленочные постоянные, переменные и подстроечные резисторы методом трафаретной печати. Материалы для изготовления паст – это порошки на основе:

1. палладия;

2. окиси рутения;

3. окиси таллия;

4. сплавов палладия – серебро.

Электрические свойства паст зависят в большей степени от их состава и температуры отжига. Паста должна обеспечивать возможность нанесения ее через трафарет, возможность вжигания, совместимость с материалом подложки и материалом проводящей пленки, а также воспроизводимость свойств. Удельное поверхностное сопротивление и температурный коэффициент стеклоэмали, образующейся после термообработки паст, зависят от процентного содержания наполнителя и стекла в исходной пасте. Повышенными температурной и временной стабильностью характеризуются стеклоэмали, в состав которых входит сплав палладий-серебро [7].

Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью.

Керамические чип-конденсаторы используются в электрических цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах.

NP0 – используется в прецизионных цепях, в рабочем диапазоне емкость практически не зависит от температуры, времени, напряжения и частоты. ТКC = 0 ± 30·10^-6 °C^-1.

X7R – стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью.

Y5V(Z5U) – имеет высокую диэлектрическую проницаемость, используется в цепях общего применения.

Выбор диэлектрика определяется требуемой температурной стабильностью схемы, чем более стабилен диэлектрик – тем больше размеры конденсатора и тем он дороже [13]. Свойства материалов NPO, X7R, Z5U и Y5V, используемых для производства чип-конденсаторов, приведены в табл. 6 [14].

Таблица 6

Свойства диэлектриков

Наименование свойства	Тип диэлектрика
	NPO	X7R	Z5U	Y5V
Диапазон рабочих температур, ºС	от – 55 до + 125	от – 55 до + 125	от – 30 до + 85	от – 30 до + 85
Диэлектрическая проницаемость	75	3000	8000	18000
Нестабильность диэлектрической проницаемости в диапазоне рабочих температур, %	± 7,2·10-3	± 15	(+ 22) – (- 56)	(+ 22) – (-82)

Из-за наличия температурной зависимости диэлектрической проницаемости диэлектриков Z5U и Y5V, их примененяют в конденсаторах, работающих в непрецизионных электрических цепях. Диэлектрики NPО, X7R, Z5U и Y5V различаются также частотной зависимостью ε. Материал NPО характерен тем, что ε практически не изменяется в диапазоне от 1 КГц до 100 МГц; у остальных диэлектриков имеет место частотная дисперсия ε не более 31 %.

Диэлектрики с высокой проницаемостью (ε > 30) применяются в СВЧ электронных схемах, с целью уменьшения их габаритов и снижения потери на излучения. Но при использовании материалов со слишком большой диэлектрической проницаемостью на подложке возникает пленочное покрытие. В технике СВЧ данные диэлектрики используются при изготовлении диэлектрических резонаторов, подложек, микросхем, фильтровых конденсаторов, нелинейных и управляющих элементов и др.

При применении диэлектрика в качестве материала объемных резонаторов необходимо учитывать следующие требования. Диэлектрические потери должны быть низкими, так как от них зависит добротность резонатора. В области дециметровых волн желательны материалы с величиной ε от 100 до 500, в диапазоне миллиметровых волн ε от 15 до 30. Также необходимо учитывать, что величина диэлектрической проницаемости зависит от рабочей частоты.

Диэлектрики, применяемые в СВЧ технологиях также должны обладать малым тангенсом угла диэлектрических потерь и высокой термостабильностью (ТКε = 10^-5 – 10^{-6 0}С^-1).

Далеко не из всех материалов с высокой диэлектрической проницаемостью можно получить термостабильный СВЧ диэлектрик. Например, из простых ионных кристаллов единственными перспективными являются соли таллия. Они имеют отрицательный ТКε и ε_СВЧ = 20 - 30. Поликор и сапфир нашли широкое применение в изготовлении диэлектрических подложек. Хотя их ε 10, но они имеют высокую термостабильность. СВЧ диэлектрики также можно изготовить из сегнетоэлектриков. Их диэлектрические потери относительно невелики tgφ 10^-3. Монокристаллы ниобата и тантала лития имеют ε_СВЧ от 40 до 50, ТКε = (2 - 3)·10^{-4 0}С^-1. Антисегнетоэлектрии типа смещения имеют высокую диэлектрическую проницаемость (ε_СВЧ от 30 до 150) и низкие диэлектрические потери. Их можно использовать не только при изготовлении СВЧ диэлектриков, но и применять как термокомпенсаторы параэлектриков. Параэлектрики типа смещения, виртуальные сегнетоэлектрики типа тантала стронция и тантала калия, потенциальные параэлектрики типа титаната кальция и рутила обладают высокой диэлектрической проницаемостью и большей частью достаточно малыми диэлектрическими потерями в СВЧ диапазоне. Но они принципиально не стабильны.

В табл. 7 приведенные основные параметры различных СВЧ - диэлектриков [15].

Таблица 7

Основные параметры различных СВЧ диэлектриков

Материал	1 МГц		10 ГГц
	ε	tgφ × 10-4	ε	tgφ × 10-4	ТКε × 106 К-1
BATiO9	40	10	38	2	- 20
ТБНС	100	5	95	8	+ 20
T – 80	85	7	83	4	- 500
NaNbO3 (монокристалл)	220	50	200	20	+ 1000
NaNbO3 (керамика)	150	60	140	100	+ 1200
CaTiO3	160	6	160	10	+ 1600
ZnTiO3	30	96	27	4	- 60
Bi4GeO20	43	8	43	8	+ 110
Bi4SiO20	41	10	40	6	+ 40

Термостабильные диэлектрики могут быть получены при введении примесей в сегнетоэлектрики типа титаната бария. Например, диэлектрическую пленку титаната бария со следующими свойствами: tgφ = 10 × 10^-4 (при 1 кГц), ε = 340, ток утечки 80 мкА/см² при напряжении 300 В и 1 мкА/см² при напряжении 100 В постоянного тока [16]. Широко используются керамические соединения Т-1000, Т-400, Т-1000 и др. В них сегнетоэлектрический максимум диэлектрической проницаемости расширяется. Но этот метод приводит к составам с сильной дисперсией диэлектрической проницаемости напряжений.

Тонкопленочные конденсаторы, которые предназначены для гибридных интегральных схем (ГИС), так же как и соответствующие дискретные элементы, состоят из двух проводящих слоев, разделенных слоем диэлектрика. Способность тонких пленок образовывать составную часть общей схемы зависит от совместимости той технологии, которая используется для формирования тонкопленочного диэлектрика. Поэтому все конденсаторы, используемые для ГИС, делятся на типы в зависимости от материала диэлектрика. Наиболее широкое применение в качестве диэлектрика этих конденсаторов получила двуокись кремния. Емкость конденсаторов, сделанных из данного материала, постоянна при изменении напряжения и их добротность выше, чем у конденсаторов, образуемых за счет p – n перехода, так как они имеют малое паразитное сопротивление. Обычно пленки двуокиси кремния позволяют получать емкость от 400 до 480 пФ/мм² при толщине диэлектрика 500 – 1000 Ǻ. Применение более тонкого диэлектрика исключается, так как с уменьшением толщины появляются трудности получения однородной по толщине пленки на всей поверхности подложки. Совместимые тонкопленочные конденсаторы возможно изготовить также на пленках из окиси алюминия. Изоляция нижнего электрода от кремниевой платы осуществляется слоем SiO₂, что приводит к образованию небольшой паразитной емкости между нижней обкладкой и платой. Но так как толщину двуокиси кремния под нижней обкладкой конденсатора можно сделать сравнительно большой толщины, то паразитную емкость относительно подложки можно сделать весьма малой. Аналогичную конструкцию имеют конденсаторы с диэлектриком из окиси тантала (Ta₂O₅). Характеристики тонкопленочных конденсаторов приведены в табл. 8.

Таблица 8

Характеристики тонкопленочных конденсаторов

Параметр	Диэлектрик
	SiO2	Al2O3	Ta2O5
Максимальная емкость на единицу площади, пФ/мм2	400 – 600	480 – 800	4000
Максимальная емкость в заданных габаритах для ГИС, пФ	500	1000	5000
Максимальное напряжение, В	50	20 – 50	20
Добротность (частота 10 МГц)	10 – 100	10 – 100	–
Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц	0,7	0,5	5
Допуск на номинальную емкость, %	± 20	± 20	± 20

Литература

1. Журнал Материалы сайта http://www.kit-e.ru/

2 Материалы сайта http://www.kompleckt.ru/

3. Мартюшов К.И., Зайцев Ю.В. Технология производства резисторов: учеб. пособ. для специальности «Полупроводники и диэлектрики» / М.: «Высш. школа», 1972. 312 с.

4. Топфер М. Микроэлектроника толстых пленок. Технология, конструирование, применение / пер. с анг. под. ред. д-ра физ.-мат. наук., проф. Т.Д. Нирмергора. – М.: «Мир», 1973. – 260 с.

5. Мартюшов К.И., Зайцев Ю.В. Технология производства резисторов: учеб. пособ. для специальности «Полупроводники и диэлектрики» / М.: «Высш. школа», 1972. 312 с.

6. «Петербургский завод прецизионных сплавов». – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.petrostal.ru/

7. Технология толстых и тонких пленок. Сб. статей. Под ред. А. Рейсмана, К. Роуза. Пер. с анг. Предисл. Лауреата Гос. премии СССР А.К. Катмана. М.: «Мир», 1972. 74 с.

8. Сборник научных публикаций. http://elanina/narod.ru

9. Материалы сайта http://www.chemport.ru/

10. Материалы сайта http://www.tech-e.ru/2007_2_64.php

11. Майссел Л. Технология тонких пленок: справочник в 2 т. / под ред. Л. Майссела. Т. 1. М.: «Сов. радио», 1977. 664 с.

12. Материалы сайта http://www.neuch.ru/

13. Материалы сайта http://www.insynet.ru/

14. Материалы сайта http://www.avxcorp.com/

15. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. М.: Радио и связь, 1989. 288 с.

16. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов: учеб. пособ. для вузов. М.: Энергоиздат, 1982. 320 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.518.5

А.В. Муратов, В.А. Муратов, И.А. Новикова

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ТЕСТОВ УСТРОЙСТВ ВИДЕОТЕХНИКИ

Предложена структурная схема экспертной системы оценки качества воспроизведения изображения устройств видеотехники

Разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение оценки качества устройств видеотехники [1,2,3,4] позволяет сформировать структуру программно-методического комплекса (ПМК) оценки качества изображения устройств видеотехники, базируясь на ряде принципов организации программного обеспечения:

1. модульности, т.е. представление программного обеспечения (ПО) в виде совокупности взаимодействующих модулей с целью обеспечения открытости и универсальности ПО;

2. иерархичности, который требует выделения иерархических уровней по признаку вложенности модулей друг в друга, причем модули нижнего уровня вызываются только из вышестоящих модулей;

3. выделения в ПО управляющей и обрабатывающей частей;

4. ориентации ПО на взаимодействие с базой данных, общей для всего программного комплекса;

5. удобство использования, для чего необходимо применение высокоразвитых диалоговых процедур ввода-вывода информации, включающих средства графического интерфейса;

6. открытость, то есть возможность модернизации ПО пользователем в процессе эксплуатации;

7. универсальность, что применительно к разрабатываемому комплексу можно трактовать как различные классы и типы устройств видеотехники, для которых программные средства могут произвести оценку качества изображения.

Разработанная с учетом вышеперечисленных требований структурная схема такого ПМК, реализующая предложенное математическое и алгоритмическое обеспечение оценки качества изображения устройств видеотехники, показана на рисунке.

Монитор обеспечивает управление всем процессом формирования оценки качества изображения устройств видеотехники, взаимодействие между отдельными прикладными программами и взаимодействие с пользователем. Монитор осуществляет передачу, сохранение и модификацию данных во всех текущих проектах.

База данных имеет файловую структуру и осуществляет ввод, хранение, поиск и предоставление следующих сведений:

1. множество оцениваемых параметров, характеризующих качество изображения устройств видеотехники;

2. требования по каждому параметру;

3. множество модификаторов базовых термов лингвистических переменных и степень, соответствующую каждому модификатору;

4. исходных данных всех текущих оценок;

5. промежуточных массивов данных, организованных в виде временных файлов;

6. множество ЛП, базовые терм-множества этих ЛП, ФП соответствующих нечетких множеств;

7. операторы агрегирования нечеткой информации;

8. исходных данных всех текущих проектов;

9. промежуточных массивов данных, организованных в виде временных файлов.

Программа позволяет сформировать обобщенную оценку качества изображения, не учитывая требований к значениям показателей качества

Модульная структура программного комплекса позволяет легко подключать новые или удалять старые программы, причем их число ограничивается только размерами доступного дискового пространства ЭВМ.

Для связи с пользователем служат программы графического интерфейса и программы обработки проблемно-ориентированных сообщений.

Программы обработки проблемно-ориентированных сообщений позволяют вводить исходные данные и осуществлять модификацию БД с использованием специальных текстовых, графических бланков и запросов.

Структура ПМК предусматривает гибкий и дружественный интерфейс с пользователем, что достигается, прежде всего, за счет введения графических и символьных средств ввода-вывода информации. Диалог осуществляется с привлечением системы ниспадающих меню, позволяющих выбрать необходимый режим работы, управлять процессом формирования оценок и требований, изменять содержимое БД, выбирать вид предоставления результатов. Для ввода исходных данных эксперту предоставляется удобная оконная форма, в которой ему предлагается заполнить позиции, необходимые для конкретного этапа расчета.

Структура программных средств позволяет одновременно разрабатывать несколько проектов. Исходные данные каждого проекта хранятся в виде файла в БД. По мере формирования обобщенной (интегральной) оценки качества изображения создается и пополняется специальный файл проекта, содержащий описания параметров устройств видеотехники. Промежуточные результаты могут храниться как в виде временных файлов, так и в оперативной памяти ЭВМ, причем после окончания работы они автоматически удаляются.

Литература

1. Ашков Е.М., Муратов А.В., Муратов В.А., Новикова И.А. Формирование моделей работоспособности технических объектов на основе экспертных знаний // Вестник ВГТУ. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. Вып. 4.3. Воронеж: ВГТУ, 2003. С. 94-97.

2. Ашков Е.М., Муратов А.В., Муратов В.А., Новикова И.А. Обобщенные алгоритмы контролепригодности технических объектов // Вестник ВГТУ. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. Вып. 4.4. Воронеж: ВГТУ, 2004. С. 90-95.

3. Новикова И.А. Контролепригодность объектов диагностирования и методы ее оценки // Вестник ВГТУ. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. Вып. 4.4. Воронеж: ВГТУ, 2004. С. 95-98.

4. Новикова И.А. Однокритериальная оптимизация глубины диагностирования сложных технических систем при кратных дефектах // Вестник ВГТУ. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. Вып. 4.4. Воронеж: ВГТУ, 2004. С. 98-104.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.396

С.В. Иванов, Д.А. Корчагин

ВЛИЯНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ К ВЛАГЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЭС

В данной статье кратко изложено влияние элементной базы, чувствительной к воздействию влажности, на технологический процесс изготовления современных радиоэлектронных средств

Поддержание целостности корпуса электрорадиоэлемента (ЭРЭ) в течение всего технологического процесса сборки требует принятия ряда специфических мер как поставщиком ЭРЭ, так и компанией-производителем электронных модулей. Эти меры направлены на снижение последствий теплового воздействия на ЭРЭ в процессе их групповой пайки оплавлением. Пластиковые пресс-композиции, применяемые для корпусирования интегральных схем (ИС), гигроскопичны и впитывают влагу. Накопленная влага испаряется в процессе интенсивного нагрева при пайке оплавлением, что вызывает сильное внутреннее давление на различные узлы корпуса, приводящее затем к вздутию, расслоению и, в некоторых случаях, растрескиванию пластикового корпуса ЭРЭ. Трещины могут распространяться как в толще корпуса, так и вдоль выводной рамки (отслоение). Через них к поверхности кристалла ИС могут проникать ионные загрязняющие вещества, вызывающие коррозию и, соответственно, увеличивающие вероятность отказа компонента. Компоненты, внешне не обнаруживающие признаков растрескивания, могут иметь трещины и отслоения внутри корпуса, что влияет как на выход годных изделий, так и на их надежность [1].

Следует отметить, что чувствительность ЭРЭ к влажности имеет смысл принимать во внимание только при непосредственном температурном воздействии на них, возникающем при пайке оплавлением (конвекционной, инфракрасной или в паровой фазе) и некоторых видах ремонта собранных узлов. Целостность корпусов ЭРЭ не будет нарушена, если они устанавливаются в разъемы. То же самое относится к компонентам, монтируемым в отверстия (КМО), не подвергающимся воздействию среды печи оплавления (т.е. паяемым волной или ручными методами, когда нагрев избирательно прикладывается к выводам ЭРЭ). В случае пайки КМО волной, их естественной защитой от нагрева служит ПП. Как правило, корпуса ЭРЭ на таких операциях поглощают гораздо меньше тепловой энергии, чем при пайке оплавлением или ремонте, и в предварительных процедурах по устранению из них влаги нет необходимости. Компоненты поверхностного монтажа (КПМ) в герметичных корпусах нечувствительны к действию влаги и не требуют специальных процедур при обращении с ними. Не принимаются во внимание также техпроцессы, предусматривающие погружение корпуса в расплавленный припой (например, пайка волной SMT-компонентов, расположенных на нижней стороне ПП). Однако, в случае, когда КМО подвергаются воздействию нагретой среды, к ним должны быть применены все процедуры по удалению влаги, предусмотренные для КПМ.

Процесс накопления корпусами ЭРЭ влаги, а также ее критический уровень, который может привести к повреждениям и отказам, зависят от различных свойств материала и конструкции корпуса, среди которых можно выделить следующие:

- форма и размеры полупроводникового кристалла;

- материал и технология крепления кристалла к корпусу;

- размер корпуса;

- количество выводов корпуса;

- толщина слоя герметизирующего материала;

- предел текучести герметизирующего материала;

- показатели диффузии влаги в герметизирующий материал;

- силы адгезии материалов корпуса;

- температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материалов корпуса.

Основные причины проникновения влаги внутрь пластикового корпуса ЭРЭ связаны с различными процессами расслоения материалов, включая отделение проволочных соединений корпуса от контактных площадок, уменьшение площади поперечного сечения проволочных соединений (утонение), отслоение кристалла от площадки для монтажа и растрескивание тонких пленок на его поверхности, эффект образования «кратеров» в местах крепления проволочных выводов к контактным площадкам и пр. Степень насыщения корпуса влагой определяется относительной влажностью воздуха, температурой и временем его хранения, а также равновесной растворимостью влаги в материале корпуса – пластике. Появление видимых трещин на поверхности корпуса обычно рассматривается как наиболее наглядное и серьезное последствие накопления влаги. Тем не менее, необходимо помнить, что даже при отсутствии видимых повреждений корпуса, внутри него могут происходить процессы растрескивания или отслоения материалов.

Механизм образования трещин в корпусе ЭРЭ подробно рассмотрен в [1]. Быстрый нагрев и охлаждение вызывают термоудар ЭРЭ. Различие температур между поверхностью корпуса, где она выше, и его внутренностью вызывает в корпусе термомеханические напряжения. Степень термоудара выше при пайке в паровой фазе, чем при конвекционной и инфракрасной. Профиль оплавления для ИК-пайки обычно предусматривает нагрев ЭК со скоростью 2 – 6°С/сек., для конвекционной – менее 2°С/сек. В процессе пайки в паровой фазе возможно обеспечить только ограниченный контроль скорости нагрева ЭРЭ и печатной платы (ПП). Максимальная скорость нагрева в процессе такой пайки гораздо выше (до 25°С / сек.). Такая быстрая скорость подъема температуры может вызвать повреждение ЭРЭ вследствие разницы в ТКЛР различных материалов корпуса. Эта проблема еще более усиливается в случае накопления ЭРЭ избыточной влаги.

Флюсы, входящие в состав паяльных паст, являются главными поставщиками ионных загрязнений, которые могут привести к коррозии слоя металлизации кристалла ИС в случае транспортировки загрязнений к поверхности кристалла. Следует избегать флюсов, содержащих соляную кислоту и другие галоидные соединения, а также высокоактивных флюсов (на основе органических кислот). Следует использовать RMA-флюсы и флюсы с низкой активностью (ROL0, REM0, NC и др.)

Основываясь на рекомендациях [2], ЭРЭ с медными выводами, покрытыми сплавом олово-свинец, необходимо выдерживать при 125°С не более 48 часов, чтобы выводы не потеряли гарантию пайки вследствие окисления и/или роста интерметаллических соединений. Согласно стандарту [3], суммарное время сушки при температурах 90 – 125°С не должно превышать 96 часов. Сушка при температурах выше 125°С недопустима без консультации с поставщиком ЭРЭ [1]. С целью недопущения обрыва выводов и разрушения паяных соединений внутри корпуса, при проведении ультразвуковой очистки собранных узлов необходимо придерживаться следующих режимов: диапазон частот ультразвука – от 39 до 66 кГц; время очистки – 3 минут на цикл для 5 циклов очистки, суммарное время не должно быть больше 15 минут [2].

Для проведения тестов на принадлежность ЭРЭ к тому или иному уровню чувствительности к влажности необходима камера для климатических испытаний с возможностью обеспечения следующих режимов температуры/относительной влажности воздуха: 85°C/85 %; 85°C/60 %; 60°C/60 %; 30°C/60 % при колебаниях ± 2°C/± 3 %, а также конвекционная печь для проведения тестовой пайки оплавлением.

Для хранения ЭРЭ, предварительной сушки ЭРЭ перед упаковкой в защитный пакет либо окончательной сушки перед пайкой оплавлением требуется шкаф сухого хранения, а также вентилируемая печь с режимами нагрева до 125°C, 90°C и 40°C +5 / 0°C.

По уровню чувствительности к влажности (Moisture Sensitivity Level, MSL) ЭРЭ подразделяются на 6 уровней согласно стандарта [4]. Процедура определения принадлежности ЭРЭ к определенному уровню включает в себя следующие этапы:

- начальная инспекция образцов ЭРЭ на предмет наличия трещин/отслоений (визуальная и с применением акустического микроскопа);

- предварительная сушка ЭРЭ в течение 24 часов при температуре 125 + 5 / 0 °C для получения полностью «сухого» состояния корпусов;

- помещение ЭРЭ в сухой, чистый, неглубокий контейнер и сушка их в климатической камере согласно режимам, приведенным в [4] для данного уровня MSL (начиная с 1-го);

- проведение для ЭРЭ после сушки в климатической камере (не ранее, чем через 15 минут и не позднее, чем через 4 часа после вынимания их из нее), троекратных циклов пайки оплавления по стандартному профилю, указанному в [4] (выдержка между циклами составляет минимум 5 и максимум 60 минут);

- окончательная инспекция ЭРЭ на предмет внешних трещин (оптический микроскоп с увеличением 40x), проведение электрических тестов согласно спецификациям производителей ЭРЭ, анализ внутренних дефектов с помощью сканирующего акустического микроскопа.

Критерии отказов ЭРЭ при этом следующие:

1. Видимая с помощью оптического микроскопа с увеличением 40x трещина.

2. Отказ по результатам электрических тестов.

3. Внутренняя трещина, пересекающая проволочное, шариковое либо сварное соединение.

4. Внутренняя трещина, распространяющаяся от вывода к любому другому внутреннему элементу корпуса (выводу, кристаллу, площадке для монтажа кристалла).

5. Внутренняя трещина, распространяющаяся на более чем 2/3 расстояния от любого внутреннего элемента корпуса до внешней его границы.

6. Изменения плоскостности корпуса, вызванные деформацией, короблением, вспучиванием, видимые невооруженным глазом.

Если отказал хотя бы один из тестируемых образцов, ЭРЭ считается не прошедшим тест на данном уровне MSL, и исследуется новая группа образцов при режимах, соответствующих следующему уровню чувствительности ЭРЭ к влажности [1].

Также существует ряд критериев отказа, основанных на качественной и количественной оценке расслоения различных материалов корпуса (в процентах разницы между состояниями после предварительной сушки и после оплавления), различающиеся в зависимости от конструкции корпуса [2]. Для оценки влияния расслоения на надежность ЭРЭ могут потребоваться исследования согласно [5], а также методикам производителя ЭРЭ. При этом эквивалентный ускоренный режим не следует использовать до тех пор, пока для характеристик повреждений, включая электрические, не установлена зависимость между ним и стандартными условиями выдержки, а также, если энергия активации для диффузии составляет 0,4 – 0,48 эВ.

Защитная упаковка ЭРЭ обеспечивается дистрибьютором и, как правило, требует наличия следующих материалов: упакованных ЭРЭ в трубчатых кассетах, бобинах с лентой, матричных поддонах; влагопоглотителя; специального пакета с защитой от влажности; наклеек, предупреждающих о наличии чувствительного к влажности содержимого; карточки-индикатора влажности.

Компоненты поставляются от дистрибьютора в «сухих» упаковках («dry pack»), которые представляют собой герметично закрытый пакет с защитой от влажности (Moisture Barrier Bag, MBB) с находящимися внутри носителями с ЭРЭ, влагопоглотителем и карточкой-индикатором влажности (Humidity Indicator Card, HIC). Основными требованиями к защитному пакету (стандарт MIL-PRF-81705, Тип I) являются гибкость, защита от статического электричества, механическая прочность, стойкость к проколам, возможность термосклеивания. Скорость проникновения водяных паров должна быть Ј0,002 гЧм/100 квадратных дюймов за 24 часа при 40°С. При запечатывании пакета посредством термосклеивания допускается небольшое снижение внутреннего давления воздуха.

Влагопоглотитель (стандарт MIL-D-3464, Тип II) должен быть некоррозионным, не образовывать пыли, быть упакованным во влагопроницаемый пакетик и обладать требуемыми абсорбирующими свойствами. Количество влагопоглотителя должно обеспечивать внутри упаковки с ЭРЭ относительную влажность менее 10 % при 25°С. Формулы для расчета необходимого количества влагопоглотителя приведены в [3].

Карточка-индикатор влажности, как правило, представляет собой карточку из впитывающей влагу бумаги, снабженную тремя цветными кружками – индикаторами уровней относительной влажности в 5, 10 и 60 %. Внешний вид карточки представлен в [1]. Об уровне влажности судят по изменению цветов соответствующих индикаторов. Карточка сохраняет достоверность показаний в закрытом пакете до 5 лет.

Избыточная влажность, о которой сигнализирует карточка, может являться следствием неправильной комплектации защитного пакета (например, отсутствующий либо неправильно подобранный влагопоглотитель), неправильного обращения, приведшего к проколам или разрывам пакета, а также хранением в неподходящих условиях. В стандартах описаны следующие варианты индикации:

1. Если все три кружка показывают «сухо», ЭРЭ уровней MSL 2 – 5а сухие в достаточной степени.

2. Если кружок 5 % показывает «влажно», 10 % НЕ показывает «сухо», а 60 % показывает «сухо», ЭРЭ уровня MSL 2 сухие в достаточной степени, ЭРЭ уровней MSL 2а – 5а накопили избыточное количество влаги и требуют сушки.

3. Если все три кружка показывают «влажно», ЭРЭ уровня MSL 2 накопили избыточное количество влаги и требуют сушки.

Если перед запечатыванием пакета кружок 60 % показывает «влажно», карточка должна быть забракована.

На защитный пакет наносятся, как правило, две характерные наклейки: идентификатор чувствительного к влажности содержимого (Moisture-Sensitive Identification Label, MSID) и предупреждающая наклейка (Caution Label), выполненные согласно стандарту EIA/JEDEC JEP113-B [5].

Наклейка для ЭРЭ уровня MSL 1 носит информационный характер, сообщает об уровне MSL = 1 (квадрат с подписью «level»), отсутствии чувствительности данных ЭРЭ к влажности при соблюдении условий хранения ≤ 30 °C / 85 % и максимальной температуре корпуса при оплавлении не более 235 °C. Наносится на транспортную тару низшего уровня в случае, если температура оплавления ЭРЭ отличается от 220 – 225 °C.

На предупреждающую наклейку для уровней MSL 2 – 5 наносятся следующие надписи:

1. Уровень MSL (квадрат с подписью «level»).

2. Время безопасного хранения в защитном пакете («calculated shelf life»).

3. Максимальная температура корпуса («peak package body temperature»).

4. Безопасный интервал времени между выниманием ЭРЭ из защитного пакета и пайкой при 30°C/60 % («floor life»).

5. Время герметичного запечатывания пакета («bag seal date») в формате “MMDDYY”, “YYWW” или эквивалентном.

Компоненты уровня MSL 6 являются экстремально чувствительными к влажности и не требуют «сухой» упаковки, так как в любом случае подлежат обязательной сушке перед пайкой. Тем не менее, такая упаковка является «символом» чувствительных к влажности ЭРЭ и рекомендуется к применению в данном случае, даже без влагопоглотителя и карточки-индикатора внутри запечатанного пакета. При этом на наклейке обозначается следующее:

1. Уровень MSL = 6 (квадрат с подписью «level»);

2. Максимальная температура корпуса («peak package body temperature»);

3. Указания к обязательной сушке ЭРЭ в течение 48 часов при температуре 125 ± 5 °C в высокотемпературной упаковке, а также монтажу в течение последующих 6 часов при 30 °C / 60 %.

Информация предупреждающей наклейки может дублироваться на этикетке со штриховым кодом, где указывается время запечатывания пакета («bag seal date»), уровень MSL («Level») и время «floor life» («hours»), которая прикрепляется к защитному пакету.

Герметизация пакета производится специальным устройством-вакуумизатором, при помощи которого производится герметичное термосклеивание пакета, находящегося внутри вакуумной камеры. Типовая последовательность операций герметизации рассмотрена в [1]. Следует подчеркнуть, что компоненты, относящиеся к уровням MSL 2а – 5а, перед упаковкой в защитный пакет должны быть просушены. Необходимо учитывать, что носители ЭРЭ (ленты, трубчатые кассеты, поддоны) также могут накапливать влагу, поэтому они также должны быть просушены, либо в защитный пакет должен быть добавлен дополнительный объем влагопоглотителя.

В источнике [1] приведены режимы сушки изначально сухих ЭРЭ, далее подвергшихся действию окружающей среды с относительной влажностью ≤ 60 %, перед упаковкой в защитный пакет на предприятии-изготовителе либо у дистрибьютора при максимальном времени равном 24 часам. Если время воздействия среды при 30°С / 60 % было кратким, достаточной является сушка при комнатной температуре с использованием «сухой» упаковки или шкафа сухого хранения. Если прошло не более 30 минут, может использоваться исходный влагопоглотитель.

Безопасное время хранения ЭРЭ в запечатанном виде без превышения норм относительной влажности внутренней среды пакета («shelf life») должно быть не меньше 12 месяцев, начиная с даты запечатывания пакета, при его хранении в неконденсирующейся среде при условиях 40 °С / 90 %. В случае проведения сушки ЭРЭ и запечатывания их в пакет со свежим влагопоглотителем, время хранения обнуляется.

После поставки в защитном пакете от дистрибьютора на предприятие, осуществляющее сборку радиоэлектронных модулей (РМ), при этом ЭРЭ также требуют определенных процедур по их хранению, обращению с ними и, возможно, удалению избыточной влажности. Важным параметром хранения чувствительных к влажности ЭРЭ является допустимый период времени между выниманием их из защитного пакета, шкафа сухого хранения либо окончанием сушки и процессом пайки оплавлением («floor life»). Если это время оказалось превышенным, необходима дополнительная сушка ЭРЭ перед пайкой. Режимы проведения такой сушки приведены в [1].

После получения защитного пакета с ЭРЭ определяется оставшееся время хранения согласно дате запечатывания пакета («shelf life» – по этикетке со штриховым кодом либо предупреждающей наклейке). Пакет осматривается на предмет отсутствия проколов, разрывов и прочих повреждений содержимого либо внутреннего слоя многослойного пакета. Если найдены повреждения, и карточка-индикатор показывает максимальный достигнутый уровень влажности, необходима сушка ЭРЭ в течение 48 часов при 125°С или согласно режимам [1]. Если время безопасного хранения пакета истекло (срок хранения превышает 12 месяцев со дня запечатывания), но карточка-индикатор показывает допустимый уровень влажности, возможна пайка ЭРЭ оплавлением согласно указанному уровню MSL. Далее пакет вскрывается отрезанием его верхней части у места герметизации. Необходимо производить обрезку так, чтобы оставалась возможность дальнейшего запечатывания пакета (при необходимости промежуточного хранения).

Если на сборку одновременно поставляются не все ЭРЭ из пакета, оставшиеся могут храниться в условиях, когда время «floor life» остается на нуле. Это может быть шкаф сухого хранения в условиях воздушной или азотной атмосферы (25 ± 5 °С), восстанавливающий параметры хранения по влажности в течение 1 часа после открытия/закрытия дверцы шкафа сухого хранения. Режимы хранения компонентов в шкафах сухого хранения представлены в [1]. В случае превышения указанной на предупреждающей наклейке температуры оплавления могут потребоваться дополнительные меры по удалению влаги из корпуса ЭРЭ. В этом случае необходима консультация с поставщиком ЭРЭ [6, 7].

В случае многократных циклов пайки одной ПП необходимо удостовериться, что время «floor life» не истекло вплоть до начала последнего цикла оплавления. В противном случае необходима предварительная сушка платы с установленными ЭРЭ. Максимально допускается прохождение одним и тем же ЭРЭ трех циклов оплавления. Отмывка ПП с корпусами, имеющими полости, может привести к дополнительному накоплению влаги в них, что должно быть также принято во внимание. Следует помнить, что время «floor life» не обнуляется любым процессом пайки или ремонта ПП.

Если ЭРЭ должен быть выпаян из РМ, рекомендуется использование локального нагрева с тем, чтобы температура любого ЭРЭ на ПП не превышала 200 °С. Это минимизирует негативные последствия, связанные с накоплением влаги ЭРЭ. Если температура любого ЭРЭ при процессе ремонта превышает 200°С, сборка должна быть предварительно просушена. Температура ЭРЭ измеряется в центре верхней части корпуса. Компоненты, у которых время «floor life» не превышает допустимого согласно уровню MSL, могут подвергаться воздействию своей максимальной температуры оплавления согласно [3].

Для просушки собранных изделий на ПП обычно применяется температура 125 °С, за исключением случаев, когда на ПП присутствуют ЭРЭ, для которых такая температура недопустима [8].

Несмотря на кажущуюся малозначительность, проникновение влаги в пластиковые корпуса ЭРЭ данный факт влечет за собой исполнение множества требований и операций технологического процесса, исполнение которых является залогом изготовления качественной продукции с повышенным уровнем надежности ЭРЭ примененных в данном изделии.

Литература

1. Материалы сайта http://www.elinform.ru/articles_19.htm.

2. Intel Packaging Databook. Chapter 8. Moisture Sensitivity/Desiccant Packaging/Handling of PSMCs/Intel Corp., 2000. – 27 p. www.intel.com.

3. IPC/JEDEC. J-STD-033B.1. Handling, Packing, Shipping and Use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices/JEDEC, 2007. – 26 p. www.jedec.org.

4. IPC/JEDEC. J-STD-020C. Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Non-hermetic Solid State Surface Mount Devices. Generic Standard on Printed Board Design/JEDEC, 2004. – 13 p. www.jedec.org.

5. EIA/JEDEC. JEP113-B. Symbol and Labels for Moisture-Sensitive Devices/EIA/JEDEC, 1999. – 10 p. www.jedec.org

6. JEDEC. JESD22-A113E. Preconditioning of Nonhermetic Surface Mount Devices Prior to Reliability Testing/JEDEC, 2006. – 16 p. www.jedec.org.

7. JEDEC. JESD22-A120. Test Method for the Measurement of Moisture Diffusivity and Water Solubility in Organic Materials Used in Integrated Circuits/JEDEC, 2001. – 13 p. www.jedec.org.

8. Texas Instruments. Application Report SZZA021C. Semiconductor Packing Methodology/Cles Troxtell, Bobby O’Donley, Ray Purdom, Edgar Zuniga/TI, 2005. – 29 p. www.ti.com.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

А.В. Судариков

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМ

АВТОМАТИЗАЦИИ ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ

В данной статье рассматривается проблема электромагнитной совместимости, указаны возможные конструкторские и схемотехнические методы решения данной проблемы, представлена зависимость затрат на обеспечение ЭМС от стадии проектирования радиоэлектронного средства. Также приведен список САПР позволяющих проводить электромагнитное моделирование РЭС. Произведен выбор наиболее подходящего программного продукта для решения задачи ЭМС, кратко описаны его основные возможности ANSYS

За последние несколько десятилетий резко возросла насыщенность производственной сферы деятельности и быта человека приборами и технологиями, базирующимися на достижениях электротехники и радиотехники. Резко возрастает быстродействие систем, степень интеграции сверх больших интегральных схем (СБИС) и их функциональная сложность. Многочисленные электротехнические и электронные приборы (микроволновые печи, телевизоры, кондиционеры, компьютеры, телефоны и т.п.) стали принадлежностью повседневного быта. Всё шире их номенклатура, всё сложнее и дороже техническое исполнение, всё чаще одни технические средства создают помехи другим. Причем, по мере развития электроники чувствительность, а значит восприимчивость к различного рода помехам, повышается. Одновременно с этим непрерывно растет уровень и частотный диапазон внешних индустриальных помех. Все это с каждым годом обостряет проблему электромагнитной совместимости (ЭМС).

Проблема электромагнитной совместимости на данный момент имеет возрастающую актуальность, охватывая все новые направления. За последние десятилетие в России были введены в действие свыше 50 новых отечественных стандартов и методов испытаний, гармонизированных с международными и европейскими стандартами, регламентирующими объем современных требований к техническим средствам по обеспечению электромагнитной совместимости. Эти и ряд других факторов существенно повышают роль ЭМС уже не только как технического показателя аппаратуры, но и как рыночного инструмента в конкурентной борьбе. Практически любая продукция электротехнического и радиоэлектронного назначения с введением новых стандартов подпадает под обязательную сертификацию по ЭМС. И не сможет победить в конкурентной борьбе, если данная продукция не будет соответствовать установленным требованиям ЭМС. Можно предположить, что при вступлении России в ВТО значение характеристик ЭМС продукции станет одним из решающих факторов в деятельности субъектов рынка. [1]

Проблема обеспечения ЭМС различных технических средств превратилась в самостоятельное научно-техническое направление, охватывающее многочисленные аспекты радиотехники, электроники и электротехники. Установлено, что она должна учитываться на каждом этапе разработки и изготовления упомянутых средств — системотехническом, схемотехническом, конструкторско-технологическом и производственном, а также на этапе эксплуатации. Стремление уменьшить общие габариты современной аппаратуры приводит к необходимости уплотнять и оптимизировать компоновку, как самих приборов, так и элементов, располагающихся внутри приборов. В тоже время усложнение задач (функциональной насыщенности аппаратуры) требует значительного увеличения концентрации мощности в ограниченном объеме. Обеспечение в этих условиях совместной работы различных устройств составляет в настоящее время важнейшую научно-техническую проблему [2].

Основными задачами этой проблемы являются:

1. Выявление источников и причин возникновения электромагнитных помех (ЭМП).

2. Определение восприимчивости аппаратуры к ЭМП.

3. Разработка эффективных мер защиты аппаратуры от ЭМП.

4. Разработка методов прогнозирования ЭМС.

5. Учет тепловых и других воздействий в аппаратуре.

Проблема ЭМС чаще всего решается конструкторскими методами и реже схемотехническими [3].

К конструкторским методам относятся:

1) рациональная компоновка блоков и узлов;

2) выбор конструктивных материалов, не реагирующих или слабо реагирующих на электромагнитные поля;

3) экранирование;

4) заземление;

5) решение задачи отвода тепла от нагревающих элементов;

6) термостатирование термочувствительных элементов;

7) защита от ионизирующих радиационных излучений.

К схемотехническим методам решения проблемы ЭМС относятся:

1) фильтрация;

2) стабилизация;

3) заземление;

4) рациональный монтаж.

По мере того как разработка аппаратуры проходит различные стадии: от проектирования до испытаний и производства, — набор доступных разработчику способов борьбы с шумами неуклонно уменьшается, в то время как их стоимость, напротив, возрастает (рис. 1).

Рис. 1. Набор возможных методов и относительная стоимость решения проблем шумоподавления на различных стадиях разработки и изготовления РЭС

На ранних стадиях разработки изделий конструкторы в наибольшей степени свободны в выборе способов обеспечение ЭМС. Наиболее рентабельный подход состоит в том, чтобы рассмотреть компоновку и заземление на начальной стадии. Ни одной единицы стоимости не добавляется при проектировании системы заземления. До 90 % от постпроектных проблем ЭМС вызваны плохо разработанной компоновкой или заземлением. Хорошо разработанная компоновка и система заземления может улучшить как помехоустойчивость, так и защиту от помехоэмиссии, в то время как в неудачной конструкции кабелепровод может способствовать излучению или проникновению помех извне [2]. Опыт показал, что, когда вопросы шумоподавления решаются на ранней стадии, разработчик в состоянии обеспечить создание аппаратуры, в которой 80—90 % потенциально возможных трудностей, связанных с шумами, будет устранено еще до проведения испытаний.

По мере того, как процесс конструирования изделия приближается к стадии производства, внесение каких-либо изменений становится все более трудным и дорогостоящим. Если система разрабатывалась без учета проблемы подавления шумов, почти наверняка на стадии испытаний эта проблема возникнет. Однако на этапе испытаний проведение анализа для выявления того, какая из множества возможных комбинаций путей проникновения шумов создает трудности, может быть совсем непростым и неочевидным. Решения, принимаемые на столь позднем этапе разработки, обычно влекут за собой применение дополнительных компонентов, не являющихся неотъемлемой частью схемы, что требует дополнительных материальных и трудовых затрат, вызывает потерю времени на ввод средств и эксплуатацию. При этом технический эффект часто оказывается недостаточным по сравнению с тем, который мог быть реализован, если бы обеспечение ЭМС предусматривалось на всех этапах разработки средств, а также могут возрасти размер, вес аппаратуры и рассеиваемая ею мощность [1,3].

Экономический аспект задачи обеспечения ЭМС определяется тем, что требования к качеству продукции по показателям ЭМС приводят к необходимости дополнительных затрат до того, как будут получены экономические результаты. Здесь можно провести аналогию с необходимостью дополнительных затрат на повышение надежности изделия для увеличения срока его работы. Применение РЭС с улучшенными характеристиками ЭМС позволяет, например, эксплуатировать большее число средств без помех от одних средств другим и интенсивнее использовать ресурс радиоканалов. И, наоборот, применение в технических средств с неудовлетворительными характеристиками ЭМС может нарушать их нормальное функционирование, например вызывать сбои в ЭВМ, что создает экономический ущерб.

Затраты на совершенствование технических средств по показателям их ЭМС должны быть экономически целесообразны на данном этапе развития техники и технологии производства. В частности, это должно учитываться (и в ряде случаев учитывается) при разработке стандартных требований к допустимым уровням помех. В общем случае должно быть найдено комплексное решение в виде совокупности технически обоснованных и экономически целесообразных мероприятий по подавлению помех в их источниках и повышению помехозащищенности рецепторов [1].

Принцип экономического подхода к решениям задач обеспечения ЭМС, учитывающий степень технической сложности требований к ЭМС, представлен на рис. 2. Кривая 1 – это затраты на обеспечение ЭМС систем и устройств при их разработке и производстве; кривая 2 – затраты (экономические потери) при эксплуатации систем и устройств из-за недостаточного удовлетворения требований к их ЭМС; кривая 3 — общие затраты, связанные с обеспечением ЭМС систем и устройств в зависимости от сложности требований к их ЭМС; С – сложность требований; З – затраты. Область А соответствует условиям значительных экономических потерь на этапе эксплуатации технического средства, поскольку не учитывались требования к его ЭМС на этапе разработки. Область Б — это условия, при которых затраты на обеспечение ЭМС могут быть существенны при разработке и производстве средства, что соответствует малым экономическим потерям на этапе его эксплуатации. Очевидно, существует некоторый оптимум затрат при данном уровне техники и технологии производства.

Рис. 2. Затраты связанные с требованиями к ЭМС систем

и устройств в зависимости от сложности этих требований

Ключом к эффективному с точки зрения стоимости решению проблем ЭМС является непрерывное распространение среди конструкторов, разрабатывающих схемы и компонующих изделия, понимания того, какие способы конструирования с учетом требований ЭМС и какие практические приемы отыскания и устранения имеющихся в изделии несоответствий требованиям ЭМС являются эффективными. Одним из способов избежать многих ошибок и последующих трат на их устранение, является моделирование электромагнитной совместимости РЭС с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР). Внедрение системы виртуального анализа для цифровой модели разрабатываемого изделия позволяет экономить финансовые средства для всего цикла от проектирования до изготовления первого серийного образца нового изделия, а также позволяет существенно быстрее выпускать на рынок новые конкурентно способные изделия. На данный момент еще не существует точной методики, на каком из этапов проектирования РЭС наиболее целесообразно производить компьютерное моделирование.

Среди современных комплексов программных средств, которые могут применяться для электромагнитного моделирования РЭС можно выделить следующие: ANSYS компании ANSYS Inc; FEKO компании EMSS; EMPIRE компании IMST; Omega PLUS компании Quantic EMC; Fidelity, IE3D компании Zeland, XFDTD компании Remcom. Данные программные комплексы и подсистемы электромагнитного моделирования при проектировании РЭС различаются по применяемому методу вычисления, степени точности, универсальности, стоимости, пользовательскому интерфейсу, возможности интеграции и т.д. [4,5]. В современных САПР реализуются разные математические методы. Среди них можно отметить прямые методы решения граничных задач, такие как метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей во временно́й области FDTD (англ. Finite Difference Time Domain), а также в некоторых комплексах используется метод моментов (МОМ).

Наиболее подходящим для моделирования электромагнитных полей и электромагнитной совместимости РЭС является пакет САПР ANSYS, это универсальный тяжелый конечно-элементный пакет. ANSYS\Multiphysics - это основной программный продукт ANSYS,inc. [8], который представляет собой многоцелевой пакет для расчета задач различной физической природы, а также позволяет проводить электромагнитный анализ. Электромагнитный анализ осуществляется с помощью модуля ANSYS/Emag. Данный модуль производит расчеты в области магнитостатики, электростатики, электропроводности, а также низкочастотный и высокочастотный анализ. Продукты низкочастотного электромагнитного анализа используются для установившегося, переходного, гармонического изучения низкочастотного электрического и магнитного поля. Можно моделировать низкочастотные электрические токи и электрические поля в проводящих и емкостных системах, так же как магнитные поля от токов или постоянных магнитов. ANSYS/Emag обеспечивает всесторонний диапазон особенностей анализа, чтобы обратиться к различным потребностям электромагнитного проектирования, от разработки двигателей до ионной оптики. Комплекс позволяет создавать непосредственную сетку конечных элементов (т.е. узлы и элементы), а также геометрическую модель, на основе которой далее создается сетка конечных элементов. А также позволяет импортировать геометрические модели практически из всех CAD систем, включая UG, Pro/E, а также чтение нейтральных геометрических форматов IGES, SAT, STEP и др., которые в дальнейшем могут быть модифицированы любым образом в среде ANSYS [6,7].

Еще одним продуктом компании ANSYS Inc. [8] является программное обеспечение Ansoft Maxwell которое является более простым инструментом в освоение, чем более известный аналог ANSYS Emag. Maxwell также базируется на методе конечных элементов и предназначен для моделирования электромагнитных полей при проектировании и исследовании двумерных и трехмерных моделей электрических устройств различного применения. Для облегчения работы разработчика предусмотрена библиотека свойств материалов, удобные средства для параметризации модели и автоматизации расчетов при различных сочетаниях параметров. В сочетании с Ansoft Maxwell можно использовать другие программные продукты разработки Ansoft упрощающие процесс моделирования в Maxwell. Это программные продукты PExprt и Q3D Extractor. PExprt ускоряет проектирование и оптимизацию трансформаторов и катушек индуктивности. Используя комбинирование классического метода и метода конечных элементов, PExprt определяет оптимальные размеры и формы сердечника, воздушные зазоры, способ намотки. По заданным пользователем параметрам, PExprt определяет несколько вариантов реализации устройства, используя библиотеки стандартных компонентов - сердечников и корпусов катушек. Для каждого варианта программа рассчитывает различные параметры, например, мощность рассеяния. Программный продукт Q3D Extractor позволяет определить паразитные параметры в элементах электрических схем. Q3D Extractor выполняет 3D и 2D моделирование электромагнитного поля, требуемое для извлечения RLC-параметров, в подключенной к питанию схеме и автоматически создает эквивалентную схему замещения.

Программный комплекс ANSYS Icewave предназначенный именно для анализа помех и электромагнитной совместимости электронных изделий. В ANSYS Icewave используется надежный и устойчивый нестационарный решатель, основанный на методе конечных разностей. Он позволяет решать сложные проблемы, связанные с излучением и распространением электромагнитных волн. Явления, относящиеся к перекрестным помехам, наблюдаются в том случае, когда электромагнитное излучение одного устройства взаимодействует с другим. Кроме того, охлаждающие устройства, например, радиаторы, решающие тепловые проблемы на уровне блоков, могут выступать в роли антенн и, соответственно, усложнять решение проблемы минимизации вредного электромагнитного излучения. Комплекс содержит готовый набор геометрических примитивов и встроенный сеточный генератор. Можно также моделировать сложные свойства материалов, такие как рассеивание в диэлектриках и частотно-зависимые поверхностные эффекты у проводников.

Литература

1. Уилльямс Т. ЭМС для разработчиков /пер. В.С. Кармашев, Л.Н. Кечиев. М: Технологии, 2003. 540 с.

2. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронной вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. 224 с.

3. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах/ пер. с англ. Б.Н. Бронина. М: Мир, 1979. 320 с.

4. Все о CAD, CAE, CAM http://www.procae.ru/

5. CAD/FEA/CAE Технологии http://www.fea.ru/

6. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2004. 269 с.

7. Басов К.А. ANSYS. Справочник пользователя / М.: ДМК Пресс, 2005. 640 с.

8. http://www.ansys.msk.ru/

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.518.5

А.В. Муратов, В.А. Муратов, И.А. Новикова

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДИАГНОСТИКИ УСТРОЙСТВ ВИДЕОТЕХНИКИ

Рассматриваются основные положения разработки программного комплекса диагностики устройств видеотехники

Контроль технического состояния радиоэлектронных устройств (РЭУ) любого назначения является неотъемлемой частью процесса их разработки, испытаний и эксплуатации. Основной задачей контроля является получение информации для выработки необходимых воздействий на контролируемую систему или условия ее производства и эксплуатации.

При разработке и изготовлении конкретного РЭУ ему придается ряд свойств, которые в совокупности определяют качество объекта. Каждому из этих свойств предъявляются определенные требования, вытекающие из условий целевого применения объекта.

Совокупность подверженных изменению в процессе производства и эксплуатации объекта, характеризующая степень его функциональной пригодности в заданных условиях целевого применения или место дефекта в нем в случае несоответствия любого из этих свойств установленным требованиям, называется техническим состоянием объекта. Вид технического состояния – это такая его категория, которая характеризуется соответствием или несоответствием качества объекта определенным требованиям.

Возникает необходимость моделирования и алгоритмизации процессов диагностики устройств видеотехники, в частности разработки моделей, методов и алгоритмов оценки контролепригодности устройств видеотехники, применение которых позволит выявить некачественное устройство на стадии схода с конвейера.

Алгоритмы диагностирования представляют собой последовательность действий по оценке выбранных прямых В_п и косвенных B_k диагностических показателей. Они позволяют определить последовательности: выполнения проверок отдельных конструкционных частей (блоков) объекта при поиске дефектов; диагностических показателей, характеризующих работоспособность всего объекта или его отдельного блока при обнаружении в нем дефектов; операций при обработке полученной информации. Принцип построения алгоритмов во многом зависит от вида диагностической модели. Они могут строиться на основе статистических данных, характеризующих надежность объекта и стоимость выполнения отдельных операций, или исходя из анализа структуры и особенностей функционирования объектов диагностирования.

Совокупность алгоритмов по определенному принципу объединяется в программу диагностирования. К основным принципам объединения алгоритмов относятся: последовательный, параллельный и смешанный. При этом согласно при построении программы диагностирования по одному из указанных принципов строится задача – определить минимальное число N_min ветвей программы исходя из следующих условий: время ее выполнения не должно быть ниже требуемого.

Чаще всего построение программ диагностирования осуществляют двумя способами: на основе теории расписаний либо комбинаторного подхода.

В первом случае программу диагностирования рассматривают как оценку множества показателей, характеризующих состояние объекта. Для каждого из них организуется определенная последовательность операций, которые характеризуются временем выполнения. Программа диагностирования представляется в виде расписания, определяющего эту последовательность [1]. Во втором случае задачу построения программы диагностирования рассматривают как выполнение комплекса операций с помощью определенного ограниченного объема технических средств диагностирования. Каждое из них может выполнять соответствующий набор операций. Программ диагностирования представляется в виде маршрута, определяющего последовательность использования технических средств диагностирования [2].

Сложные технические объекты, в том числе видеотехника, состоят из разнородных частей (структурных единиц, блоков), которые следует диагностировать через различные промежутки времени. В подобных случаях согласно [3] программа диагностирования должна учитывать различные периоды проверки структурных единиц. Программу составляют в два этапа. На первом группируют отдельные блоки по периодам их проверок, а на втором – определяют последовательность проверок. Если в качестве показателей, характеризующих безотказность отдельных частей технического объекта, использовать интенсивность отказов, а для характеристики их контролепригодности – длительность диагностирования, то можно построить программу для всего объекта, ориентируясь на обеспечение требуемой величины отсутствия в нем дефекта в заданный момент времени.

Целью работы является разработка моделей и алгоритмов диагностики устройств видеотехники, создание на основе алгоритмов псевдобулевой оптимизации программного комплекса, ориентированного на обеспечение высокой эффективности комплексной диагностики устройств видеотехники.

Основной задачей является разработка экспертной системы, позволяющей диагностировать устройства видеотехники в условиях неопределенности.

Для решения поставленных целей и задач использовались методы системного анализа, теории принятия решений в условиях неопределенности, методы псевдобулевой оптимизации, теории нечетких множеств, методы объектно-ориентированного программирования и построения интеллектуальных систем.

В работе получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

рациональный набор диагностируемых показателей качества устройств видеотехники, учитывающий требования стандартов серии ИСО 9000 к устройствам видеотехники;

лингвистическая модель диагностики тракта изображения устройств видеотехники на основе интегрального показателя качества, учитывающего влияние локальных показателей на каждом уровне иерархии, имеющего качественный характер;

модели оптимизации контролепригодности объекта диагностирования по критериям максимизации коэффициента глубины поиска кратного дефекта и минимизации затрат и числа точек контроля, отличающиеся использованием методов псевдобулевой оптимизации;

структура диагностической экспертной системы для диагностики устройств видеотехники, содержащая базу знаний рациональных методов диагностики, полученных на основе процедуры псевдобулевой оптимизации.

Разработанное математическое, алгоритмическое, программно-информационное и лингвистическое обеспечение программного комплекса позволяет сократить сроки на проведение диагностики устройств видеотехники за счет оптимизации алгоритмов диагностирования.

Литература

1. Сагунов В.И., Ломакина Л.С. Контролепригодность структурносвязанных систем. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Системы автоматизированного проектирования. Типовые элементы, методы и процессы / Д.А. Аветисян, И.А. Башмаков и др. – М.: Из-во стандартов, 1985. – 386 с.

3. Компоненты пользовательского интерфейса: CUA // Компьютер-пресс. 1993. № 3. С. 29-36.

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.3

А.В. Турецкий

ЭТАПЫ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА МЕХАНИЧЕСКИХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РЭС В СИСТЕМЕ PRO/ENGINEER

В данной статье рассматриваются процедуры инженерного анализа на механические воздействия в системе Pro/Engineer

В настоящее время моделирование радиоэлектронных средств (РЭС) с учетом влияния механических воздействий совместно с постоянным повышением требований к надежности и качеству аппаратуры осложняется наличием тысяч электрорадиоэлементов (ЭРИ) и многообразием способов их установки, постоянным ужесточением механических воздействий, многообразием видов нагрузок и совместным действием нескольких их видов.

Жесткие условия эксплуатации влияют на работоспособность и надежность работы РЭС. Отказы, связанные с потерей механической прочности конструкций РЭС, выявляются на завершающих этапах разработки и приводят к длительной оптимизации конструкции. В результате это сказывается на сроках и стоимости проектирования. Применение САПР и компьютерного моделирования механических и тепловых процессов на ранних этапах проектирования позволит сократить количество неработоспособных вариантов конструкции и сократить время и затраты на проектирование.

Популярностью среди разработчиков во многих отраслях промышленности пользуются САПР высокого уровня. Среди таких систем можно выделить Pro/ENGINEER [1,2]. Она относится к «механической» САПР, охватывающей все стадии проектирования и подготовки производства, включающая процесс 3D моделирования, инженерного анализа и технологической подготовки производства. Преимущество таких систем проектирования, перед набором отдельных САПР, решающих узкие задачи неоспоримо, так как отпадает необходимость в конвертации данных при переходе от одной системы в другую при неизбежных переделках и доработках.

Для решения задачи инженерного анализа конструкций РЭС используется модуль Pro/ENGINEER Mechanica. Он позволяет осуществлять исследование термомеханических характеристик проектируемых изделий и их оптимизацию по заданным параметрам. Модуль работает в интегрированном режиме с Pro/ENGINEER, и напрямую использует созданные в нем модели.

Основные возможности модуля следующие:

- статический анализ напряженно-деформированных состояний конструкции под воздействием различного типа нагрузок, учет контактных взаимодействий;

- модальный анализ конструкций, полностью закрепленных или обладающих степенями свободы, определение собственных частот и форм колебаний;

- расчет устойчивости, коэффициента запаса устойчивости и критической нагрузки;

- моделирование установившихся тепловых состояний конструкции при различных тепловых нагрузках и граничных условиях – заданных температурах и режимах конвекции;

- комплексный анализ конструкции, в котором результаты теплового анализа используются как нагрузки для прочностного анализа.

Pro/ENGINEER Mechanica позволяет проводить:

- стандартные исследования как исходной модели, так и модели при любых допустимых значениях параметров проектирования (геометрических размеров, механических характеристик материалов);

- исследования локальной и глобальной чувствительности конструкции к изменению параметров проектирования;

- целевую оптимизацию конструкции и оценку возможности существования конструкции с заданными параметрами.

Кроме того, осуществляется автоматическая генерация сеток элементов, а также имеются широкие возможности по интерактивному управлению сетками.

Предусмотрены разнообразные форматы интерпретации результатов моделирования: редактируемая цветовая палитра, изолинии и изоповерхности, использование разрезов и сечений, разобранные виды, динамический запрос, анимация собственных форм колебаний, графики и др.

Использование инженерного анализа требует от разработчика РЭС провести сбор входных данных, осуществить постановку начальных условий, произвести расчет, обработать результаты и принять решение по полученным результатам.

Инженер соответственно должен выполнить этапы, структура которых представлена на рисунке.

Сбор входных данных включает в себя сбор информации о механических и тепловых свойствах материалов и ЭРИ и их допустимых предельных характеристиках, о массогабаритных характеристиках составляющих конструкции, о внешних воздействиях на исследуемый объект. Геометрические, массовые параметры конструкции и воздействие разработчик получает из технического задания и нормативно-технической документации (НТД). Допустимые параметры материалов и ЭРИ, некоторые свойства материалов даны в справочных материалах или уже содержатся в базах данных.

Для формирования начальных условий инженеру требуется большой опыт механического анализа конструкций, так как существует великое множество вариантов приложения статических и динамических сил в различных конструкциях. По сути это работа узкоспециализированного аналитика - расчетчика.

После проведения расчета и просмотра результатов ведется кропотливая работа по их анализированию и выявлению слабых мест. А главное надо выбрать пути по устранению недостатков. Опять же грамотное решение может сформировать только опытный аналитик в области механических расчетов.

Зачастую работа ведется по «наитию», вслепую. Усиливаются некоторые узлы, которые испытывают значительную нагрузку, в некоторых случаях меняется материал с лучшими прочностными характеристиками, что приводит к увеличению массы изделия и удорожанию. В тоже время существует много других технических решений, позволяющих уложиться в требуемые рамки механической прочности и жесткости.

Для повышения эффективности процесса инженерного анализа РЭС на механические воздействия предлагается использовать автоматизированную систему постановки начальных условий, анализа результатов исследования и формирования комплекса рекомендаций по принятию проектных решений.

Эта система из всего многообразия начальных и граничных условий выберет оптимальные. После моделирования проверяются результаты, которые в Pro/ENGINEER Mechanica представлены как визуально, так и в табличной форме. По ним строятся графики изменения характеристик в случае варьирования каких либо параметров конструкции, подлежащих модификации. Соответственно принимается оптимальное решение и следует проверка в следующем цикле анализа.

Рассмотренная система позволит значительно сократить время процесса расчета РЭС на механическую прочность в системе Pro/ENGINEER, что приведет к ускорению процесса проектирования.

Литература

1. Минеев М.А. Pro/Engineer Wildfire 2.0/3.0/4.0. - М.: Наука и техника, 2008. 352 с.

2. Буланов А. Pro Engineer Wildfire 3.0. Первые шаги. - М.: Поматур, 2008. 240 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9

B.C. Скоробогатов, Ю.М. Данилов, В.М. Пачевский, И.Н. Гриднев

ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ

Приводятся результаты исследования влияния параметров режима резания на среднюю контактную температуру, возникающую в зоне резания кварца и схема прибора для измерения температуры

Алмазные зерна, расположенные на рабочей поверхности круга, контактируя с обрабатываемым материалом в процессе шлифования, создают мгновенные тепловые импульсы. Интенсивность импульсов может зависеть от различных факторов, основными из которых являются характеристика инструмента, режимы резания и свойства обрабатываемого материала. Для назначения режимов резания, при которых сумма тепловых импульсов не оказывает опасного влияния на стойкость инструмента и формирование поверхностного слоя шлифуемой детали, необходимо знать количественную зависимость температуры от основных факторов.

При шлифовании неметаллов, обладающих низкой теплопроводностью, температурные явления имеют свои характерные особенности. Тепловые импульсы суммируются и локализуются на поверхности детали, а обильное охлаждение препятствует проникновению тепла в глубокие слои материала. Обработка хрупких материалов алмазом сопровождается низкой степенью пластических деформаций и более низким коэффициентом трения по сравнению с металлами. Все это при условии подачи обильного охлаждения предвещает относительно невысокие температуры.

Различают мгновенную, контактную и среднюю установившуюся температуру при шлифовании.

Контактная температура не дает возможности оценить величину мгновенного теплового импульса, возникающего при воздействии алмазного зерна на обрабатываемую поверхность. Однако по ее количественному изменению можно судить о характере процессов, протекающих при резании. Назначая условия, при которых контактная температура достигает наименьших значений, можно снизить отрицательное влияние мгновенной температуры на алмазные зерна шлифовального круга и на качество обработанной поверхности детали.

Для определения средних температур, установившихся в зоне контакта поверхности детали с кругом, применялся метод измерения температуры резания по интенсивности ИК-излучения.

Принцип работы прибора (рис. 1) для измерения температуры в зоне резания следующий.

П

Рис. 1. Схема прибора для измерения температуры

еременное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора ″ТР″. Во вторичной обмотке создается напряжение выпрямляемое полупроводниковым мостом, собранным из диодов Д1, Д2, Д3, Д4. Полученное постоянное напряжение стабилизируется. Для этой цели в базу транзистора Т1 вводится Д814. Конденсатор С1 служит для фильтрации напряжения. Стабилизированное напряжение подается на мост, в который входят два сопротивления R3, R5 и два фоторезистора R2, R 5. Балансировка моста, т.е. установка прибора на ″0″ производится при помощи R4. Транзистор Т2 является усилителем, где в цепь коллектора включен миллиамперметр. Питание Т2 осуществляется от отдельной обмотки на трансформаторе.

Последовательность исследований тепловых явлений, возникающих в процессе шлифования, была такова. Определялась средняя температура в зависимости от режимов резания методом полного факторного эксперимента. Скорость круга V_к изменялась от 18 до 40 м/сек. скорость детали V_д - от 30 до 70 м/мин, продольная подача S_п- в диапазоне 2÷5 мм/об детали, глубина шлифования t - в диапазоне 0,01÷0,03 мм/ход, при условиях охлаждения.

На основании расчета по методу полного факторного эксперимента, получена математическая модель зависимости температуры резания кварца от режимов резания, адекватная результатам эксперимента:

(1)

где X1, X2, X3, X4 - кодированные значения скорости круга, скорости детали, продольной подачи и глубины резания соответственно.

По полученному уравнению, задавая значения температур, строились характеристические поверхности в °К в пространстве скорость круга - скорость детали - продольная подача стола станка при шлифовании кварца (рис. 2).

Рис. 2. Поверхности отклика температуры (º К) в пространстве:

скорость круга – скорость детали – подача на оборот детали

Из уравнения (1) следует, что наибольшее влияние на температуру оказывает скорость резания, следовательно, доминирующее влияние на величину температуры при повышении скорости круга оказывает увеличение количества тепловых импульсов в единицу времени.

Влияние скорости детали и подачи примерно одинаково по величине, но различно по знаку. При повышении этих параметров режима возрастает объем материала, срезаемого каждым зерном, а, следовательно, и величина работы, которая, переходя в тепло, приводит к росту мощности тепловых импульсов. Увеличение продольной подачи почти не меняет времени контакта единичного зерна с обрабатываемой поверхностью. Повышение окружной скорости вращения детали уменьшает мощность единичного теплового импульса, снижая температуру резания.

Изменение глубины резания оказывает большое влияние на контактную температуру. Повышение глубины резания увеличивает площадь контакта круга с деталью, за счет чего растет число режущих зерен и сила трения, а также затрудняется вынос стружки из зоны резания и отвод тепла охлаждающей жидкостью. Все это вызывает рост количества и величины тепловых импульсов, приводящий к увеличению температуры.

Невысокие температуры, возникающие при шлифовании исследуемого материала, объясняются низким коэффициентом трения алмаза по кварцу, а также незначительной величиной трения связки круга о поверхность обрабатываемой детали (так как глубина резания была выбрана до 1/3 величины зернистости) и указывают на невысокую степень пластической деформации при обработке кварца алмазным кругом.

Подставляя в регрессию (1) формулу кодирования и потенцируя, получаем уравнения зависимости контактной температуры от параметров режима шлифования кварца в обычном виде:

. (2)

Воронежский государственный технический университет

УДК 681.2

И.А. Лозовой, А.В. Турецкий, С.Ю. Сизов, О.Ю. Макаров

СИСТЕМЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ НАТУРНЫХ

ИСПЫТАНИЙ НА ВИБРОПРОЧНОСТЬ

И ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ РЭС

Статья посвящена краткому описанию средств проведения натурных испытаний радиоэлектронных средств. Рассмотрена типовая схема вибростенда и приведены основные производители систем виброиспытаний

Все виды РЭА подвергаются воздействию внешних механических нагрузок (вибрации, удары, ускорения, акустические шумы), которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭА, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭА. Количество переданной энергии определяет уровень и характер изменения конструкции. Допустимые уровни механического изменения конструкции определяются ее прочностью и устойчивостью к механическим воздействиям.

Как показывает опыт эксплуатации транспортируемой РЭА, наибольшее разрушающее воздействие на конструкцию оказывают вибрации. Как правило, конструкция аппарата, выдержавшая воздействие вибрационных нагрузок в определенном частотном диапазоне, выдерживает ударные нагрузки и линейные ускорения с большими значениями соответствующих параметров.

Перед сдачей изделия и на самом этапе проектирования оно подвергается обязательным испытаниям на вибропрочность и виброустойчивость. В статье /1/ приводились примеры систем автоматизированного проектирования, в структуру которых входит математическое ядро для проведения комплексного инженерного анализа механических воздействий на радиоэлектронное средство, а в источнике /2/ продемонстрирована методика виртуальных испытаний с применением САПР Pro│Engineer Mechanica. Внедрение таких методик позволит существенно сократить затраты на изготовление тестовых образцов изделий и соответственно сокращаются сроки процесса проектирования. Однако окончательно уйти от проведения натурных испытаний, заменяя искомые величины характеристик результатами анализа математической модели, будет нецелесообразно. В любом случае проверка функциональности РЭС, её электрические характеристики должны проводится на испытательных стендах.

Вибростенды в основном используются при решении двух задач, соответственно в промышленности и в метрологии:

Виброиспытания – испытания изделий (продукции) на воздействие вибраций, т.е. определение параметров виброустойчивости, вибропрочности в соответствии с ГОСТ 30630.1.2-99 «Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на воздействие вибрации». Здесь же могут определяться инерционно-жесткостные характеристики изделий, определение областей и параметров резонансов и антирезонансов, проведение испытаний по ускоренным ресурсным испытаниям и т.д., в зависимости от характера и назначения испытуемых изделий.

Виброповерка (и виброкалибровка) – определение метрологических характеристик различных типов вибропреобразователей и виброизмерительных приборов, комплексов, систем.

Рис. 1. Общая функциональная схема вибростенда

Вибростенд обычно представляет собой совокупность целого ряда устройств (приборов), два из которых являются обязательными: вибратор и усилитель мощности, который и формирует оконечный сигнал управления перемещением рабочего стола вибратора. Вибратор в большинстве случаев – электродинамический (могут быть гидравлические, пневматические, кулачковые и пр.). Вибратор и усилитель мощности, как правило, поставляются в паре, от одного производителя. Помимо этого в состав вибростенда в традиционном исполнении может входить большое количество различных приборов:

- Генератор синусоидальных сигналов

- Генератор шумовых сигналов

- Генератор ударных импульсов

- Генератор сигналов специальной формы

- Широкополосный и частотноизбирательный вольтметр

- Измеритель нелинейных искажений

- Частотомер

- Первичные датчики и соответствующие предусилители и т.д., в зависимости от типа вибратора и назначения вибростенда.

Как правило, в подобных системах полностью совместимыми и комплектными являются вибратор и усилитель мощности. Все остальные элементы вибростенда компонуются из отдельных устройств и приборов различных фирм.

Наличие большого количества различных устройств существенно снижает надежность функционирования вибростенда и ограничивает (а иногда и полностью исключает) возможности автоматизации работы вибростенда.

Для эффективного решения поставленных задач вибродиагностики используются аппаратные средства, имеющие различную структуру и включающие разнообразные функциональные модули.

С развитием вычислительной техники все больше задач специальной обработки ложится на средства цифровой обработки. Такие системы более просты в настройке, более стабильны во времени и проще модернизируются. Причем, эта модернизация касается, прежде всего, методов и алгоритмов цифровой обработки исходного сигнала. Принципиальная возможность и эффективность использования новых и традиционных методов обработки вибросигналов во многом определяется параметрами и ограничениями неизменяемой аналоговой части системы.

Рассмотрим структуру подобной системы:

Рис. 2. Функциональная схема системы виброакустической диагностики:

Д - датчик; БПО - блок предварительной обработки; УЗ - усилитель заряда; ФНЧ - фильтр нижних частот; БК - блок компараторов; У - масштабирующий усилитель; МБ - микропроцессорный блок; УВХ/ АЦП - устройство выборки-хранения/ аналогово-цифровой преобразователь; МК - микроконтроллер; ОЗУ - оперативно запоминающее устройство; БКИ - блок клавиатуры/ индикации

Механические колебания, генерируемые узлами механизмов, распространяются по элементам машин и могут быть зарегистрированы на их поверхности. Для этого используются различные датчики (емкостные, индукционные, резистивные, электромагнитные). Но в последнее время наибольшее распространение получили пьезоэлектрические датчики. Это связано с тем, что пьезодатчики имеют высокую точность измерения и чувствительность, обладают высокой стойкостью и в то же время имеют миниатюрные габариты и массу.

Для измерения вибраций обычно используется разновидность пьезодатчиков - пьезоакселерометры.

На рынке системы вибрационных испытаний представляют японская компания IMV, немецкая фирма TIRA, отечественные стенды фирмы ООО "ВиКонт" серии ВСВ-131.

Вибростенды немецкой компанией TIRA GmbH сконструированы в расчете на длительный срок эксплуатации, характеризуются высокой прочностью к поперечным колебаниям и высокой осевой жесткостью.

Вибростолы крупных стендов снабжены системой пневматической компенсации нагрузки, что обеспечивает удержание центрального положения монтажной площадки даже при большой массе испытуемого изделия.

Станины всех вибростолов обеспечивают возможность поворота на угол 90⁰ для создания горизонтальной вибрации. Станины крупных стендов снабжены амортизаторами, снижающими проникновение низкочастотных вибраций в конструкцию здания, что не требует применения специального фундамента в большинстве случаев.

Воздушное охлаждение крупных вибростендов обеспечивается внешним вентилятором.

Аналоговые усилители мощности с номинальной мощностью до 2000 Вт построены на полевых транзисторах и могут функционировать как в режиме тока, так и в режиме напряжения.

Цифровые усилители мощности крупных стендов построены по каскадной схеме на мощных полевых транзисторах и состоит из нескольких модулей, размещенных в стойке. Высокая частота переключений 80 кГц обеспечивает качественную передачу мощности на частотах даже свыше 4 кГц.

Сенсорный LCD-дисплей усилителей мощности отображает информацию о текущем режиме работы и результатах самодиагностики.

Кроме усиления сигнала, усилители мощности содержат в своем составе также цепи контроля состояния вибростола, обеспечивающие его защиту от перегрузки, перегрева и выхода из строя.

Компания TIRA предлагает серию вибраторов от 4 кН до 15 кН, разработанных специально для модального и структурного анализа. Они отличаются высокой поперечной жесткостью и благодаря системе управления ТМС допускают максимальное смещение до 102 мм (пик-пик). ТМС – это электронная система управления положением арматуры. Регулировка её исходного положения дает оператору возможность смещать номинальное положение по отношению к объекту. Можно легко задавать предварительную нагрузку. Осевая жесткость также поддается электронной регулировке.

Рис. 3. Виброустановки компании TIRA

Усилитель мощности может работать в двух режимах: по току и по напряжению. Все виброгенераторы снабжены шарнирной рамой, что обеспечивает широкий диапазон возможных вариантов взаимного положения виброгенератора и тестируемого образца. Позволяют проводить все типы испытаний, предусмотренные ГОСТ Р-8-568, и для военной приёмки.

Все характеристики вибростендов компании TIRA представлены в /3/, к основным можно отнести: выталкивающее усилие, диапазон частот, амплитуда виброперемещений, максимальные виброскорость и виброускорение.

Рис. 4. Модальный вибростенд TIRA

Малые настольные вибрационные электродинамические установки серии PET японской фирмы IMV используются для проведения испытаний миниатюрных изделий массой от 100 г до 5 кг. Для проведения испытаний изделий с малой массой и относительно большими размерами фирма предлагает малые виброустановки с вибростолом больших размеров (раньше для этого применялись специальные присоединительные площадки, которые усложняли конструкцию вибростола и снижали эффективность измерений вибрационных характеристик). Установки обеспечивают виброускорение для ненагруженного вибростола до 490 м/с², выталкивающее усилие – до 980 Н.

Рис. 5. Малые настольные вибрационные электродинамические установки серии PET

Рис. 6. Вибрационные испытательные установки серии VS

Технические характеристики установок серии VS

Выталкивающее усилие	от 1,17 до 392 кН
Диапазон частот	от 5 до 4500 Гц
Размах виброперемещений	от 25 до 100
Максимальная виброскорость	до 2,0 м/с
Максимальное виброускорение	до 117 G

Для испытаний средне- и крупногабаритных изделий фирма IMV представляет несколько моделей. Среди них конвенционные виброустановки со стандартными характеристиками – серия VS. Это самые распространенные модели общего назначения. Они хорошо зарекомендовали себя в различных виброиспытаниях: от простых синусоидальных одноосных до испытаний в условиях сложной пространственной вибрации. Высокая надежность, проверенная временем, отработанная конструкция, многофункциональность и простота в обращении – вот основные достоинства этих систем.

Мощные установки с выталкивающим усилием более 30 кН оснащаются водяным охлаждением.

Таким образом, мы видим, что номенклатура испытательных стендов довольно широка, основной задачей является грамотное задание программы испытаний, формулировка цели испытаний.

Литература

1. Лозовой И.А. Анализ возможностей средств автоматизированного проектирования механических и тепловых процессов конструкций РЭС/ И.А. Лозовой, О.Ю. Макаров, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий: Системные проблемы надежности, качества, информационно-телеком-муникационных и электронных технологий в инновационных проектах. – Материалы XV Междунар. конф. и Российской науч. шк. 2010. С. 212 -217.

2. Лозовой И.А. Применение программного комплекса Pro│ Engineer Mechanica для моделирования механических воздействий на радиоэлектронные модули/ И.С. Бобылкин, И.А. Лозовой, О.Ю. Макаров, С.Ю. Сизов, А.В. Турецкий. Воронеж, - Вестник ВГТУ. Т. 6, № 6, 2010. С. 34-36.

3. Материалы с сайта компании "Универсалприбор^®". Режим доступа: http://www.pribor.ru/k_ob/92.html

4. Материалы с сайта Донецкого национального технического университета Режим доступа: http://masters.donntu.edu.ua/2005/kita/altuhov/diss/index.htm

5. Методы и средства испытаний РЭС: методические указания к лабораторным работам / сост. Т.П. Абомелик. Ульяновск: УлГТУ, 2008. 40 с.

Воронежский государственный технический университет

ОАО «Концерн «Созвездие»» г. Воронеж

УДК 621.9

Ю.М. Данилов, В.М. Пачевский, B.C. Скоробогатов, Т.М. Архипова

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ

ПРИ АЛМАЗНОМ ШЛИФОВАНИИ КРЕМНИЯ

Приводятся результаты исследования влияния параметров режима резания на составляющие силы резания при алмазном шлифовании кремния

Составляющие силы резания определяют физическую картину процесса шлифования. От них зависят такие факторы, как удельный расход алмаза, точность обработки, температура в зоне резания и качество шлифованной поверхности. Составляющие силы резания являются данными для расчета мощности привода станка. Значение предельных составляющих силы, при которых в изделии не образуются прижоги и трещины, а величина деформированного слоя не превышает допустимые значения, служит основанием для назначения наиболее производительных режимов шлифования. Зерна алмазного круга внедряются в обрабатываемый материал под действием нормальной составляющей силы резания. При перемещении зерен удаление обрабатываемого материала с поверхности происходит под действием тангенциальной составляющей. Образование стружки может происходить за счет микрорезания и микроскалывания.

Процесс шлифования обычно сопровождается пластическими и упругими деформациями. Если сила резания ниже оптимальной, то из-за проскальзывания алмазных зерен по обрабатываемой поверхности, увеличивается время шлифования. При превышении оптимальных значений силы резания может происходить разрушение зерен или связки круга. Это приводит к повышенному удельному расходу алмаза, а, следовательно, снижает эффективность процесса.

Величина составляющих силы резания в основном зависит от параметров режима, характеристики инструмента, условий проведения эксперимента и физико-механических свойств обрабатываемого материала.

Существует несколько методов определения составляющих силы резания. Был использован наиболее распространенный и апробированный многими исследователями метод прямого измерения за счет изменения упругих деформаций в динамометрических центрах. В качестве чувствительных элементов использовались тензометрические датчики с базой 10 мм и сопротивлением 200 Ом. Наклеивание датчиков осуществлялось целлулоидным клеем. Защитой датчиков от смазывающе-охлаждающей жидкости являлся металлический чехол. Расчет ослабленного сечения тензометричес-кого центра определялся по формуле.

где h - толщина ослабленного сечения, см;

l₀ - длина прогибаемой части центра, см;

P - величина измеряемого усилия, кгс;

l₂ - длина детали, см;

a - расстояние от точки приложения силы до вершины центра, см;

b - ширина ослабленного сечения, см;

f - величина прогиба вершины центра, см;

E - модуль упругости, кГ/см².

Для автоматического включения записи на осциллографе в определенном положении круга относительно детали собиралась электрическая схема на основе бесконтактного выключателя. Производилась тарировка и калибровка аппаратуры.

В связи с тем, что наилучшим описанием любого процесса является математическая модель, то желательно получить зависимость составляющих силы резания от режимов резания в виде формулы.

Исследование зависимости составляющих силы резания от режимов шлифования производится при оптимальной характеристике алмазного круга с охлаждением. Применялся полный факторный эксперимент. Диапазон режимов установлен из предварительных исследований: скорость круга 18÷40 м/сек; скорость детали 45÷77 м/мин; продольная подача 2÷5 мм/об детали; глубина шлифования 0,01÷0,03 мм/ход.

В результате расчетов получены адекватные экспериментальным значениям уравнения зависимости радиальной Р_у и тангенциальной Р_z составляющих силы резания при шлифовании кремния:

ℓn Р_у = 1,3909 – 0,47874 ∙ Х₁ + 0,2057 ∙ Х₂ + 0,3168 ∙ Х₃ + 0,4245 ∙ Х₄; (1)

ℓn Р_z = - 0,2105 – 0,47244 ∙ Х₁+ 0,2335 ∙ Х₂ + 0,2268 ∙ Х₃+ 0,3087 ∙ Х₄; (2)

Х₁, X₂, X₃, X₄- логарифмы параметров режима шлифования V_к, V_d, S_о, t - соответственно.

Для уравнений (1) и (2) проведен анализ дисперсий и определены доверительные интервалы для расчетных значений.

Используя уравнения (1), (2), определены значения точек в пространстве скорость круга - скорость детали - продольная подача. Построены (в ньютонах) характеристические поверхности радиальной составляющей силы резания (рис. 1) и тангенциальной составляющей силы резания (рис. 2) при шлифовании кремния

Рис. 1. Характеристические поверх-

ности радиальной составляющей

силы резания в пространстве ско-

рость круга – скорость детали –

продольная подача

Рис. 2. Характеристические поверхности тангенциальной составляющей силы резания в пространстве скорость круга – скорость детали – продольная подача

На основании ранее проведенных исследований было установлено, что увеличение глубины шлифования выше 1/3 средней величины алмазных зерен круга, а также повышение числа проходов стола станка вызывает резкое возрастание удельного расхода алмаза. Поэтому характеристические поверхности построены для зернистости 100/80 для максимально допустимой величины, глубины шлифования, равной 0,03 мм на один проход стола станка. Из анализа уравнений (1), (2) следует, что по величине влияния на составляющую силы резания факторы распределяются в следующей последовательности: X₁; X₄; Х₃; Х₂. Эти факторы являются кодированными обозначениями скорости круга, глубины шлифования, скорости детали и продольной подачи стола соответственно. Из рис. 1, 2 также следует, что доминирующее влияние в факторном пространстве на составляющие силы резания оказывает скорость круга, так как плоскость отклика располагается почти перпендикулярно направлению ее изменения.

Снижение силы резания объясняется тем, что при повышении скорости круга количество зерен, проходящих в единицу времени через единицу обрабатываемой площади, увеличивается, и объем материала, снимаемого каждым зерном, уменьшается.

Следовательно, при заданной глубине шлифования фактическая глубина врезания каждого зерна будет меньше, что снизит величину контакта зерна с обрабатываемым материалом и уменьшит силу трения. Повышение скорости круга увеличит количество межзерновых пространств, проходящих через зону резания в единицу времени, что облегчит вынос стружки из зоны обработки и снизит давление стружки на связку, облегчив работу круга.

Раскодируя регрессии (1), (2) и потенцируя полученные выражения, имеем формулы зависимости составляющих силы резания от параметров режима резания в общем, виде:

, кгс; (3)

, кгс; (4)

Показатели степеней в уравнениях (3), (4) дают возможность утверждать, что составляющие силы резания убывают почти пропорционально увеличению скорости круга. Причем, в диапазоне изменения скорости 18÷27 м/сек, происходит более интенсивное снижение радиальной составляющей силы резания, чем в диапазоне 27÷40 м/сек. Это можно объяснить тем, что кремний легче подвергается разрушению при высоких нагрузках с образованием трещин, распространяющихся не только вглубь, но и по поверхности, пересекающихся и способствующих отделению стружки. С повышением скорости круга увеличивается число зерен и снижается объем материала, необходимый для срезания каждым зерном, и, следовательно, уменьшается нагрузка, снижая благоприятные условия для образования и распространения трещин по поверхностному слою. Это затормаживает резкий вначале спад радиальной составляющей силы резания. На такую же картину процесса указывает и характер изменения тангенциальной составляющей силы резания (рис. 2). При снижении нагрузки уменьшается величина слоя, раздробленного трещинами под действием радиальной составляющей. Возрастает работа зерна по отделению слоя стружки под действием тангенциальной составляющей силы резания, что влияет на изменение ее величины. За счет таких динамических явлений, возникающих при шлифовании хрупких твердых материалов, характер изменения составляющих силы резания носит пульсирующий характер.

Как видно из рис. 1 - 2, плоскости отклика располагаются почти параллельно направлению изменения окружной скорости детали, которая, следовательно, оказывает незначительное влияние на составляющие силы резания. Увеличение скорости детали снижает время контакта отдельных рабочих зерен круга с обрабатываемой поверхностью детали, что увеличивает объем материала, необходимого для снятия этими зернами. Нагрузка на зерно повышается, что приводит к увеличению силы резания. Однако, как видно из уравнений (1), (2), составляющие силы резания увеличиваются незначительно. Видимо за счет опережающих трещин, распространяющихся в хрупких материалах с большой скоростью перед зернами круга, в материале образуется нарушенный слой, состоящий из пересекающихся трещин. Удаление такого слоя не требует больших усилий. Следовательно, для повышения производительности процесса рационально работать с большой окружной скоростью детали. Это позволит сократить износ круга в зависимости от нагрузки.

С увеличением продольной подачи возрастает объем срезаемого материала, что повышает нагрузку на отдельные зерна круга и вызывает увеличение составляющих силы резания. Из рис. 1, 2 видно, что плоскость отклика располагается под углом не менее 45° к направлению изменения подачи. Из этого следует, что подача оказывает несколько меньшее влияние на силу резания, чем алгебраическая сумма величин скорости круга и детали.

Глубина шлифования, даже при ограничении ее до 1/3 величины среднего зерна, может значительно повысить составляющие силы резания, см. уравнения (1),(2). С увеличением глубины шлифования возрастает длина контакта круга с деталью, внедрение зерен и объем материала, который необходимо удалять. Увеличивается нагрузка на зерна круга и сила трения круга о де таль, что повышает составляющие силы резания.

Как следует из рис. 1, 2 величины составляющих силы резания зависят от совокупности параметров режима шлифования и могут достигать одной величины при различных комбинациях этих параметров.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3