2.Никитин Л.Н. Испытания, контроль и диагностика радиоэлектронной аппаратуры / Л.Н. Никитин. – Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2009. – 252 с.

3.Серёгин М.Ю. Организация и технология испытаний часть 1 методы и приборы испытаний / М.Ю. Серёгин. – Тамбов: Издательство ТГТУ, 2006. – 84 с.

4.Костин В.Н., Тишина Н.А. Статистические методы и модели: Учебное пособие / В.Н. Костин, Н.А. Тишина – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 138 с.

5.Губин В.И., Осташков В.Н. Статистические методы обработки экспериментальных данных: Учебное пособие для студен-тов технических вузов / В.И. Губин, В.Н. Осташков - Тюмень: Из-дательство «ТюмГНГУ», 2007. – 202 с.

6.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник на-учных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронеж-ский государственный технический университет. – 2018. –

С. 182.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ КОНФИДЕНЦИАЛЬНЫХ СВЕДЕНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА

И. Г. Дровникова, В. П. Алфёров

В статье представлен порядок организации вычислительного эксперимента для оценки эффективности механизмов автоматизированного управления слабо уязвимым разграничением доступа пользователей к информационному ресурсу систем электронного документооборота, а также исследования закономерностей функционирования подсистемы защиты конфиденциальных сведений с помощью разработанного программного комплекса.

Ключевые слова: графоваямодель, математическое ожидание, полумарковская модель.

35

Определение эффективности механизмов автоматизированного управления слабо уязвимым разграничением доступа (РД) пользователей к информационному ресурсу (ИР) в системе электронного документооборота (СЭД) осуществляется путём сравнения результатов комплексной оценки эффективности функционирования типовой и модернизированной подсистем защиты конфиденциальных сведений (ПЗКС). Для комплексной оценки эффективности функционирования ПЗКС используется комплексный параметр, характеризующий эффективность, которая может быть оценена, используя частные показатели эффективности Еф, Еэ, Ес [1, 2].

Методика оценки показателей функциональности ПЗКСЕф и эксплуатируемости ПЗКСЕэ базируется на анализ технической документации на ПЗКС с использованием шкалы качественных параметров, которая предполагает лингвистическую оценку в форме «допустимо» или «недопустимо», не требуя при этом вычислительных затрат СЭД [3]. Способ оценки Ес (показатель своевременности реализации защиты ИР (ЗИР)) вычисляется с помощью математической модели, формируемой на основе представления динамики функционирования ПЗКС в виде сети Петри [4, 5].

Моделирование показателя Ес проводилось для случаев использования широко применяемой типовой ПЗКС «Аура 1.2.4» [3] и разработанной на её основе модернизированной ПЗКС, исключив функции ЗИР, которые не нужны при реализации слабо уязвимого РД к ИР СЭД.

Математической моделью исследования вероятностновременных характеристик (ВВХ) динамики функционирования ПЗКС с помощью показателя своевременности реализации ЗИР является полумарковская модель, разработанная при помощи графовой модели динамики функционирования ПЗКС [6-8]. Графовая формализация динамики функционирования исследуемой ПЗКС приведена в [8]. Перечень сервисных задач и реализующих их функций ЗИР с параметрами законов распределения времени их выполнения (G(τ)) представлен в таблице 1, разработанной на основе данных, приведённых в [3] для типовой ПЗКС.

В таблице приведены параметры, определяющие законы распределения случайных величин (временных характеристик ЗИР): Р – для равномерного закона распределения, Н – для нормального, Э – для экспоненциального. Для определения Р приведены два

36

его основных параметра, а именно: левая и правая граничные точки (параметры 1 и 2 соответственно). Для определения Н приведены следующие параметры: математическое ожидание (параметр 1) и дисперсия (параметр 2). Определение Э задаётся одним параметром

— математическим ожиданием. Примем время выполнения функциональной задачи 1.0 равным нулевому значению.

В табл. 1 время решения функциональной задачи (функция 2.2) при выполнении процедуры аутентификации (проверки полномочий доступа пользователей к вычислительным ресурсам СЭД) определено как варьируемый параметр, управляемый длиной (числом символов) используемого пароля. Значения параметров Р времени выполнения сервисной функции 2.2 в зависимости от длины пароля представлены в табл. 2.

Полумарковская модель динамики функционирования ПЗКС для оценки Ес представляется конечным полумарковским процессом (КПМП), начальное и конечное состояния которого соответствуют позициям 1.0 и 0 графовой модели, представленной в виде сети Петри.

Введём следующие обозначения:

GP(a, b, τ) — функция Gi(τ) равномерного распределения на отрезке [a; b];

GH(µ, σ, τ) — функция Gi(τ) нормального распределения со

средним значением µ и среднеквадратическим отклонением σ; GЭ(b, τ) — функция Gi(τ) экспоненциального распределения

со средним b;

p1.0→1.1, p1.0→1.3 — вероятности использования и неиспользования соответственно системного носителя информации в текущем сеансе работы автоматизированного рабочего места (АРМ);

p1.1→1.2, p1.1→1.3 — вероятности блокировки монитора, клавиатуры и допуска пользователя к ИР с помощью системного носителя информации соответственно после идентификации данного носителя;

37

Таблица1

Данные о выполнении защитных функций ПЗКС в соответствии с законами их распределения и временными характеристиками, измеряемыми в секундах,

для различных сервисных задач

38

Таблица 2

Параметры времени выполнения сервисной функции 2.2 в зависимости от значений длины пароля, измеряемого в секундах

p2.3→2.5, p2.3→2.4 — вероятности блокировки монитора, клавиатуры и допуска пользователя в систему соответственно по результатам аутентификации;

p3.1→3.4, p3.1→3.2 — вероятности блокировки монитора, клавиатуры и подтверждения полномочий доступа к логическим дискам соответственно после осуществления проверки данных полномочий;

p3.2→3.4, p3.2→3.3 — вероятности блокировки монитора, клавиатуры и подтверждения полномочий доступа к функциональным клавишам, каталогам и файлам соответственно после осуществления проверки данных полномочий;

p3.3→3.4, p3.3→3.5 — вероятности блокировки монитора, клавиатуры и подтверждения полномочий доступа по работе с файлами соответственно после осуществления проверки данных полномочий;

p3.5→4.1 — вероятность запуска основной тестовой программы подсистемы обеспечения ЦРС (ПОЦРС) в текущем сеансе функционирования АРМ в случае допуска пользователя к ИР;

p3.5→5.1, p3.5→0 — вероятности не запуска основной тестовой программы ПОЦРС в текущем сеансе функционирования АРМ и одновременного использования (неиспользования)соответственно в нём модификации информации в случае допуска пользователя к ИР;

p4.1→4.2, p4.1→4.3 — вероятности обнаружения (не обнаружения) соответственно внесения изменений в рабочей среде после осущест-

вления необходимой проверки;

p4.3→5.1, p4.3→0— вероятности использования (неиспользования) соответственно модификации информации в текущем сеансе функционирования АРМ после информирования пользователя об отсутствии нарушений рабочей среды;

p5.1→5.2, p5.1→5.3 — вероятности преобразования информации по форме «прозрачное» или целенаправленной модификации отдельных файлов соответственно после поступлениязапроса.

39

Всякая вероятность типаpi→jможет быть интерпретирована как вероятность перехода объекта из позицииi в позицию jсети Петри при выполнении условия пребывания рассматриваемого объекта

впозицииi.

Сцелью исследования ВВХ динамики функционирования ПЗКС используется модель, выраженная КПМП, который характе-

Hс 1 2(τ)=p1.0→1.1; Hс 1 4(τ)=p1.0→1.3; Hс 2 3(τ)=p1.1→1.2GP(7;15;τ);

Hс 2 4(τ)=p1.1→1.3GP(7;15;τ); Hс 3 20(τ)=GH(0,5;0,2;τ); Hс 4 5(τ)=GH(0,3;0,1;τ);

Hс 5 6(τ)=GP(12;40;τ); Hс 6 7(τ)=GP(аla; bla;τ); Hс 7 3(τ)=p2.3→2.4GH(1;0,3;τ);

Hс 7 8(τ)=p2.3→2.5GH(1;0,3;τ); Hс 8 9(τ)=GH(0,3;0,1;τ); Hс 9

3(τ)=p3.1→3.4GH(0,5;0,1;τ);

Hс 9 10(τ)=p3.1→3.2GH(0,5;0,1;τ); Hс 10 3(τ)=p3.2→3.4GH(0,5;0,3;τ);

Hс 10 11(τ)=p3.2→3.3GH(0,5;0,3;τ); Hс 11 3(τ)=p3.3→3.4GH(0,3;0,1;τ);

Hс 11 12(τ)=p3.3→3.5GH(0,3;0,1;τ); Hс 12 13(τ)=p3.5→4.1GH(0,3;0,1;τ);

Hс 12 16(τ)=p3.5→5.1GH(0,3;0,1;τ); Hс 12 21(τ)=p3.5→0GH(0,3;0,1;τ);

Hс 13 14(τ)=p4.1→4.2GP(60;120;τ); Hс 13 15(τ)=p4.1→4.3GP(60;120;τ);

Hс 14 20(τ)=GР(30;90;τ); Hс 15 16(τ)=p4.3→5.1GН(0,5;0,2;τ);

Hс 15 21(τ)=p4.3→0GH(0,5;0,2;τ); Hс 16 17(τ)=p5.1→5.2GP(30;90;τ);

Hс 16 18(τ)=p5.1→5.3GP(30;90;τ); Hс 17 21(τ)=GH(10;3;τ);

Hс 18 21(τ)=GP(20;30;τ); Hс 19 20(τ)=GH(20;5;τ); Hс 20 21(τ)=GЭ(5;τ);

Hс 21 21(τ)=1.

Всякие события, связанные с перемещением объекта при условии срабатывания перехода в одну из выходных позиций любой элементарной сети Петри, образуют полную группу событий. Следовательно, получим:

p1.0→1.1+p1.0→1.3=1; p1.1→1.2+p1.1→1.3=1; p2.3→2.4+p2.3→2.5=1; p3.1→3.2+p3.1→3.4=1;

40

p3.2→3.3+p3.2→3.4=1; p3.3→3.5+p3.3→3.4=1; p3.5→4.1+p3.5→5.1+p3.5→0=1; p4.1→4.2+p4.1→4.3=1; p4.3→5.1+p4.3→0=1; p5.1→5.2+p5.1→5.3=1.

Поскольку вероятности использования системного накопителя информации (рсн), запуска основной тестовой программы ПОЦРС АРМ (ркц), автоматического восстановления компонент вычислительной среды по результатам проверок (рв), использования модификации информации в текущем сеансе функционирования АРМ (рпи) и шифрования отдельных файлов в случае использования модификации информации (рсп) могут рассматриваться как независимые случайные величины, то имеем следующие выражения для определения переходных вероятностей:

p1.0→1.1=рсн; p1.0→1.3=1–рсн; p3.5→4.1=ркц; p3.5→5.1=(1– ркц)рпи; p3.5→0=(1–

ркц)(1–рпи);

p4.1→4.2= рв; p4.1→4.3=1–рв; p4.3→5.1=рпи; p4.3→0=1–рпи; p5.1→5.2=1–рсп; p5.1→5.3=рсп.

Перечень независимых параметров, отражающих динамику функционирования ПЗКС, может быть определён в следующем ви-

де: lаут; p1.1 1.2; p2.3 2.4; p3.1 3.4; p3.2 3.4; p3.3 3.4; рсн; ркц; рв; рпи; рсп. Та-

ким образом, исследуемая система одиннадцати параметрическая, а значит переходные вероятности, используемые в выражениях для вычисления элементов полумарковской матрицы Hс, должны определяются через указанные 11 параметров.

В процессе исследований ВВХ динамики функционирования ПЗКС осуществление варьирования по всем представленным параметрам является достаточно трудоёмким, но для проведения исследования ВВХ динамики функционирования ПЗКС при организации управления слабо уязвимым РД существенный интерес представляет частный случай, описываемый следующими выражениями:

p1.1→1.2=p2.3→2.4=p3.1→3.4=p3.2→3.4=p3.3→3.4=рб,

где р6 — вероятность блокировки монитора и клавиатуры при условии, что действия пользователя предполагают возможность данной блокировки.

В указанном случае получается следующий перечень независимых параметров, отражающих динамику функционирования

41

ПЗКС: lаут; рб; рсн; ркц; рв; рпи; рсп, то есть вместо одиннадцати параметрической имеем семи параметрическую систему. Такое сущест-

венное сокращение количества независимых параметров позволяет значительно упростить осуществление исследований ВВХ динамики эксплуатации ПЗКС в режиме реального времени. Переходные вероятности, используемые в выражениях для вычисления элементов полумарковской матрицы Hс, определяются через семь независимых параметров следующим образом:

p1.0→1.1=рсн; p1.0→1.3=1–рсн; p1.1→1.2=рб; p1.1→1.3=1–рб; p2.3→2.4=рб; p2.3→2.5=1–рб;

p3.1→3.4=рб; p3.1→3.2=1–рб; p3.2→3.4=рб; p3.2→3.3=1–рб; p3.3→3.4=рб; p3.3→3.5=1–

рб;

p3.5→4.1=ркц; p3.5→5.1=(1–ркц)рпи; p3.5→0=(1–ркц)(1–рпи); p4.1→4.2=рв; p4.1→4.3=1–рв; p4.3→5.1=рпи; p4.3→0=1–рпи; p5.1→5.2=1–рсп; p5.1→5.3=рсп.

Все значения параметров выполнения функции ввода пароля при реализации аутентификации пользователя могут быть однозначно определены его длинной (lаут) с помощью таблицы 2.

При проведении исследований ВВХ динамики эксплуатации ПЗКС в режиме реального времени варьировать можно семью неза-

висимыми параметрами (lаут; рб; рсн; ркц; рв; рпи; рсп) и средним значением максимально допустимого времени реализации ПЗКС за-

щитных функций (τm ) следующим образом:

lаут [1;10] ; pб (0;1); pсн (0;1]; ркц (0;1]; pв (0;1] ; pпи (0;1]; рсп (0;1]; τmвн (0;+∞).

Математическая модель комплексной оценки эффективности функционирования ПЗКС может быть реализована в виде программного комплекса, разработанного на базе алгоритмов, рассмотренных в [9, 10].Структура указанного комплекса приведена на рисунке.

Комплекс представлен программным обеспечением (ПО),разработанным в среде программирования DELPHI, содержитнаглядный графический интерфейс, удобный для пользователя. Предложенный программный комплекс разработан для функциони-

42

рования в ОС Windows и предназначен для ПЭВМ типа IBM PC, содержащих процессор IntelPentium и выше (минимальный объём ОЗУ — 16 Мбайт), общий объём ПО — 1 Мбайт.

Разработанный программный комплекс был применён для проведения исследования показателя Ес в процессе функционирования АРМ на базе ЭВМ, входящего в состав СЭД, с использованием ПЗКС «Аура 1.2.4» [3].

Таким образом, создано ПО для организации вычислительного эксперимента по комплексной оценке эффективности функционирования ПЗКС как ОУ РД, позволяющее оценивать эффективность механизмов автоматизированного управления процессом слабо уязвимого РД штатных пользователей к ИР СЭД, а также исследовать закономерности функционирования ПЗКС как ОУ процессом слабо уязвимого РД.

Структура программного комплекса для комплексной оценки эффективности ПЗКС в СЭД

Литература

1. Дровникова И.Г. Моделирование оценки эффективности функционирования подсистемы защиты конфиденциальных сведе-

43

ний систем автоматизированного документооборота / И.Г. Дровникова, В.П. Алфёров // Общественная безопасность, законность и правопорядок в III тысячелетии: сб. ст. Междунар. науч.-практич.

конф. (Воронеж, 27 июня 2018 г.).– В. 4. – Ч. 2. – 2018. – С. 32-35.

2.Зиновьев П.В. О показателях эффективности подсистемы защиты конфиденциального информационного ресурса в системах электронного документооборота / П.В. Змеев [и др.] // Проблемы обеспечения надёжности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр.– Воронеж: ВГТУ, 2014.– С. 147-150.

3.Методы и средства оценки эффективности подсистемы защиты конфиденциального информационного ресурса при её проектировании в системах электронного документооборота: монография /

И.И. Застрожнов [и др.]. – Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2015.

–106 с.

4.Мараховский В.Б. Моделирование параллельных процессов. Сети Петри / В.Б. Мараховский, Л.Я. Розенблюм, А.В. Яковлев.

–СПб.: Профессиональная литература, 2014.– 400 с.

5.Ломазова И.А. Вложенные сети Петри: моделирование и анализ распределённых систем с объектной структурой / И.А. Лома-

зова. – М.: Научный Мир, 2004.– 208 с.

6.Свами М. Графы, сети и алгоритмы / М. Свами, К. Тхуласираман. – М.: Мир, 1984. – 455 с.

7.Торопов Б.А. Теоретико-графовая формализация некоторых аналитических задач, возникающих в ходе расследования пре-

ступлений / Б.А. Торопов // Кибернетика и программирование. –

2018. – № 3. – С.48-56.

8. Рогозин Е.А. Разработка модели функционирования типовой системы защиты информации от несанкционированного доступа на основе теории графов с конечным числом состояний / Е.А.Рогозин, А.Д. Попов, В.В. Конобеевских // Проблемы обеспечения надёжности и качества приборов, устройств и систем: межвуз.

сб. науч. тр. – Воронеж: ВГТУ, 2017. – С. 34-40.

9. Зиновьев П.В. Алгоритмизация оценки динамического критерия эффективности подсистемы защиты конфиденциального информационного ресурса / П.В. Зиновьев // Проблемы обеспечения надёжности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб.

науч. тр. – Воронеж: ВГТУ 2014.– С. 94-99.

10. Авсентьев О.С. Методика управления защитой информа-

44

ционного ресурса системы электронного документооборота / О.С. Авсентьев, И.Г. Дровникова, И.И. Застрожнов, А.Д. Попов, Е.А.Ро-

гозин // Труды СПИИРАН. № 2 (57) (2018). – С.-Пб.: СПИИРАН,

2018. – 2018. – № 2(57).– С. 188-210. – DOI 10.15622/sp.57.8.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ КОНФИДЕНЦИАЛЬНЫХ

СВЕДЕНИЙВ РАМКАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАБОЧЕГО МЕСТА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА

В. П. Алфёров

В статье представлены результаты моделирования и исследования эффективности функционирования подсистемы защиты конфиденциальных сведений как объекта управления слабо уязвимым разграничением доступа пользователей применительно к функционированию автоматизированного рабочего места системы электронного документооборота, полученные в ходе проведения вычислительного эксперимента.

Ключевые слова: математическое обеспечение, электронный документооборот, информационный ресурс.

Исследование графических зависимостей показателей эффективности функционирования подсистемы защиты конфиденциальных сведений (ПЗКС) от изменяемых параметров имеет существенное значение для проведения научных исследований по изучению теоретических закономерностей, связанных с процессом её функционирования, а также при управлении качеством эксплуатации модифицированной системы защиты информации (СЗИ) [1-3]. Для определения эффективности механизмов автоматизированного управления слабо уязвимым разграничением доступа (РД) пользователей к информационному ресурсу (ИР) системы электронного документооборота (СЭД) проведена сравнительная оценка показателя

45

своевременности реализации защиты ИР (ЗИР) Ес типовой и модернизированной ПЗКС [4]. Оценивание параметра Ес для работы автоматизированного рабочего места (АРМ) в составе ПЭВМ СЭД осуществлялось применительно к представляющему значительный интерес случаю использования шести независимых характеристик динамики эксплуатации ПЗКС в режиме реального времени[5].

рсн — имеющий вероятностный характер параметр, характеризующий правила применения накопителя информации в реальном режиме функционирования АРМ СЭД;

lаут — параметр, характеризующийся длиной (количеством символов) в определённой части пароля, которую следует ввести в стандартном (ручном) режиме при аутентификационных проверках пользователей, эксплуатирующих АРМСЭД в реальном режиме его функционирования;

рб — имеющий вероятностный характер параметр, характеризующий блокировку монитора и клавиатуры при работе штатных пользователей СЭД, предполагающей возможность её реализации;

ркц — имеющий вероятностный характер параметр, характеризующий запуск штатной программы с целью проверки (тестирования) рабочей среды пользователей на целостность ИР в реальном режиме функционирования АРМ СЭД;

рпи — имеющий вероятностный характер параметр, характеризующий планирование преобразований конфиденциальной информации в реальном режиме функционирования АРМ СЭД;

рсп — имеющий вероятностный характер параметр, характеризующий планирование специальных (криптографических) преобразований конфиденциальных файлов при условии штатного шифрования ИР СЭД в реальном режиме функционирования АРМ.

Представленные шесть параметров, а также среднее значение времени τm., максимально требуемого для осуществления ПЗКС функций ЗИР, могут быть изменены в ходе проведения исследования.

Результаты проведённых расчётов для существующей, широко используемой и модернизированной ПЗКС в форме графиков зависимостей Ес от характеристики i, изменяющихся в процессе ис-

следования (а1= рсн; а2 = lаут; а3 = рб; а4 = ркц; а5 = рпи; а6 = рсп дляi =1,6 )

при τm, равном 100 с, 300 с, 1000 с, показаны в виде, представленном на рисунках 1-6.

46

Теоретические зависимости Ес, представляющие значительный практический интерес для системных администраторов, эксплуатирующих СЭД, от конкретного параметра получены при определённых (имеющих фиксированные характеристики) значениях других меняющихся показателей, являющихся типовыми, нашедшими широкое применение в СЭД. В процессе исследования эффективности эксплуатации в режиме реального времени широко используемой и модернизированной ПЗКС в СЭД следующие значения изменяемых параметров рсн= 0,05; lаут = 4; рб= 0,03; ркц= 0,2; рпи= 0,8; рсп= 0,1 приняты в качестве типовых. При этом увеличение ка- кой-либо зависимости следует рассматривать, как повышение эффективности эксплуатации ПЗКС (по конкретному показателю) в режиме реального времени с увеличением изменяемой характеристики при организации управления процессом слабо уязвимого РД пользователя, а уменьшение— как понижение эффективности [5].

Выше изложенное позволяет сделать вывод о том, что разработанное математическое и программное обеспечение использовались для комплексного исследования эффективности функционирования ПЗКС как ОУ слабо уязвимым РД пользователей примен и- тельно к функционированию АРМ на базе ЭВМ в составе СЭД. Проведённое исследование позволило выявить ряд закономерностей совершенствования управления слабо уязвимым РД и изменения эффективности функционирования ПЗКС.

Рис.1. Графическое представление показателя Ес от имеющего вероятностныйхарактер параметра,характеризующегоправила

применения накопителя информации в реальном режиме функционированияАРМ СЭД

47

Рис.2. Графическое представление показателя Ес от параметра, характеризующегося длиной(количеством символов) в

определенной части пароля,которую следует ввести в стандартном (ручном) режиме приаутентификационных проверках пользователей СЭД

Рис. 3. Графическое представление показателя Ес от имеющего вероятностный характер параметра, характеризующего блокировку монитора и клавиатуры при работе штатных пользователей СЭД, предполагающей

возможность её реализации

48

Рис. 4. Графическое представление показателя Ес от имеющего вероятностный характер параметра, характеризующего запуск штатной программы с целью проверки (тестирования) рабочей среды пользователей на

целостность ИР в реальном режиме функционирования АРМ СЭД

Рис. 5. Графическое представление показателя Есот имеющего вероятностный характер параметра, характеризующего планирование преобразований конфиденциальной информации в реальном режиме функционирования АРМ СЭД

49

Рис. 6. ГрафическоепредставлениепоказателяЕсот имеющего вероятностный характер параметра, характеризующего

планирование специальных (криптографических) преобразований конфиденциальных файлов при условии штатного шифрования ИР СЭД в реальном режиме функционирования АРМ

Литература

1. Дровникова И.Г. Моделирование оценки эффективности функционирования подсистемы защиты конфиденциальных сведений систем автоматизированного документооборота / И.Г. Дровникова, В.П. Алфёров // Общественная безопасность, законность и правопорядок в III тысячелетии: сб. ст. Междунар. науч.-практич.

конф. (Воронеж, 27 июня 2018 г.).– В. 4.– Ч. 2.– 2018. – С. 32-35.

2. Зиновьев П.В. Формальная модель подсистемы защиты конфиденциального информационного ресурса на основе использования теории графов / П.В. Зиновьев // Проблемы обеспечения надёжности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. на-

уч. тр. – Воронеж: ВГТУ, 2014. – С. 115-120.

3. Рогозин Е.А. Основные особенности функционирования автоматизированных систем при обработке информации, требующей использования мер обеспечения безопасности информации / Е.А. Рогозин, В.А. Хвостов, Д.И. Коробкин, А.А. Змеев // Проблемы обеспечения надёжности и качества приборов, устройств и систем:

межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ВГТУ, 2014. – С. 255-259.

4. Методы и средства оценки эффективности подсистемы защиты конфиденциального информационного ресурса при её про-

50

ектировании в системах электронного документооборота: монография / И.И. Застрожнов [и др.]. – Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т,

2015. – 106 с.

5. Авсентьев О.С. Методика управления защитой информационного ресурса системы электронного документооборота / О.С. Авсентьев, И.Г.Дровникова, И.И. Застрожнов, А.Д. Попов,

Е.А. Рогозин // Труды СПИИРАН. № 2 (57) (2018). – С.-Пб.: СПИИРАН, 2018. – 2018. – № 2(57). – С. 188-210. – DOI 10.15622/sp.57.8.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.395.387

УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ УРОВНЯ ЦИФРОВОГО СИГНАЛА

А. С. Костюков, Л. Н. Никитин, И. С. Бобылкин

В статье рассматривается устройство восстановления уровня цифрового сигнала, в данной статье описаны различные функции данного устройства, рассматриваются его преимущества и недостатки. Так же в статье описывается внутренняя структура устройства восстановления уровня цифрового сигнала, то из каких радиокомпонентов оно состоит.

Ключевые слова: цифровой сигнал, помехозащищенность, усилитель.

Внастоящее время происходит бурный рост радиотехнической отрасли по всему миру. Особое развитие получают средства передачи информации, в частности различные способы передачи информации, особенно интересны разработки в области радиосвязи.

Всвязи со всем вышеперечисленным можно прийти к выводу, что исследования в области помехозащищенности и правильности передачи информации приобретают наиважнейшее место. В данной статье представлена разработка устройства для восстановления уровня цифрового сигнала, которое служит для повышения качества радиосвязи и улучшения помехозащищенности для пере-

51

даваемой информации.

Так разработанное устройство восстановления уровня цифрового сигнала (УВЦС) входит в состав аппаратуры, необходимой для организации цифровых систем передачи и представляет собой усилитель-регенератор цифровых потоков [1].

УВЦС обеспечивает передачу данных со скоростью 2048 или 1024 кбит/с. Допустимое затухание обрабатываемого сообщения на входе будет иметь значение от 0 до 45 дБ. Допустимое переходное затухание в канале связи между парами приема и передачи должно быть не менее 60 дБ. Электропитание УЛТ осуществляется от стационарной сети 60В с током 50мА.

Рис. 1. Функции УВЦС

Принцип работы УВЦС рассмотрим на примере рис. 1. Линейное сообщение А приходит на прибор грозозащиты приемника, которое состоит из нескольких частей, а именно: трансформатора и разрядников. Потом информация переходит на усилитель корректирующий унифицированный (УКУ), осуществляющий коррекцию амплитудно-частотных искажений, вносимых участком кабеля в диапазоне затуханий от 0 до 45 дБ. Увеличенное приходит на пороговое устройство, а так же на регенерационный и выходной каскады ПУ-РК, в которых происходит оформление полученной информации для станционного стыка. Устройство тактовой синхронизации (УТС) выделяет сигнал тактовой частоты из спектра полученной

52

информации и устанавливает фронты обработочного сообщения строго по середине символов передаваемой информации. Для контролирования данного сообщения используется датчик линейного сигнала (ДЛС).

Стационарное сообщение Б приходит в линию так же через прибор грозозащиты передатчика, выполненное аналогично устройству грозозащиты приемника [2].

Электропитание усилителя осуществляется от стационарной сети 60В или дистанционно по альтернативной цепи передачи (через средние точки трансформаторов).

Устройство УП используется как второй источник питания и вырабатывает напряжение в +5В и -3D.

Конструктивно УВЦС выполнен на односторонней печатной плате, которая установленной на металлическое основание и закрытой крышкой. На лицевой части основания находятся контакты для подключения к сетевому шнуру питания, а так же к другим внешним устройствам, немного ниже расположены органы управления и индикации.

Электрическая принципиальная схема разрабатываемого устройства представлена на рис. 2. Грозозащиту обеспечивают разрядники F1-F6. Исполнения УЛТ -45 дБ со скоростью 2048 или 1024 кбит/с и зависят от того как подключены перемычки 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 +5В и -3D вырабатывается источником питания, собранным на микросхеме 140УД12, транзисторах 2П103Д, КТ816Г, 2Т316Б, стабилитроне КС139А и выполняет роль альтернативного источника питания [2].

На основе всего 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 амплитудночастотных искажений, вносимых кабеля участком.

53

Рис. 2. Электрическая принципиальная схема УВЦС

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.

Из всего этого можно придти к выводу, что данная разработка носит актуальный характер, обладает всеми необходимыми тактико-техническими характеристиками и может быть задействована на производстве и не только, для повышения качества и достоверности передачи информации.

Литература

1. Рязанцев С.А. Регенератор цифровой информации / С.А. Рязанцев, Л. Н. Никитин // Проблемы обеспечения надёжности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / ВГТУ. – Воронеж, 2017. – С. 27 – 30.

2. Дьяконов В.П. Генерация и генераторы сигналов / В.П. Дьяконов. – Москва, 2009. – 369 с.

3. Рапопорт М.Б. Вычислительная техника в полевой геофизике: учебник для вузов / М.Б. Рапопорт. –М.: Недра, 1993. – 350 с.

54

4. Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.396.67

ОБЗОР МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН ДЛЯ РАБОТЫ

ВМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ СТАНДАРТА 5G

И. А. Федотова, Э. Э. Каграманов, А. С. Самодуров

Встатье представлен обзор микрополосковых антенн, используемых для работы в миллиметровом диапазоне стандарта связи 5G. Рассмотрены варианты конструкций и приведены результаты численного электродинамического моделирования.

Ключевые слова: микрополосковая антенна, 5G, рамочная антенна, антенная решетка, миллиметровый диапазон.

Одним из важных этапов эволюции беспроводных сетей является развитие стандартов мобильной. Объем трафика мобильной связи возрастает с каждым годом. Появляются задачи, требующие высокой скорости приемо - передачи данных, а также, более широкой полосы пропускания для подключения большего количества устройств. Для последующего развития технологии интернет вещей (IoT), мобильной сети и других проектов, требуется разработка и создание новых стандартов беспроводной связи.

Последним поколением связи является 5G. Идея создания стандарта пятого поколения пришла после полноценного развертывания в мире четвертого поколения связи — 4G. Появление стандарта 5G позволит обеспечить доступность широкополосной мобильной связи, увеличить скорость интернет соединения до 1-2 Гбит/с и обеспечит эффективной поддержкой множество устройств

IoT.

55

Развитие новых стандартов связи также требует развития антенной техники, как для мобильных устройств, так и для базовых станций. Одним из планируемых к использованию диапазонов 5G является миллиметровый диапазон частот. В связи с этим большое внимание уделяется антеннам, изготавливаемым по микрополосковой технологии. Широкое применение такого типа антенн, обусловлено их компактностью, низкой стоимостью и простотой изготовления. В настоящее время активно ведется разработка и модернизация микрополосковых антенн для работы в миллиметровом диапазоне. Рассмотрим некоторые конструкции.

На рис. 1 представлена классическая конструкция патчантенны. Антенна изготавливается на подложке из диэлектрика по микрополосковой технологии.

Конструкция антенны, представленной на рис. 1, имеет минимальные размеры, что позволяет использовать больше пространства для увеличения вычислительной мощности устройства [5].

Рис. 1. Микрополосковая антенна. Обзор связи стандарта 5G

В 5G сетях будет задействован новый радиоинтерфейс на основе OFDM-модуляции. Это разновидность цифровой модуляции, использующая большое число близко размещенных ортогональных поднесущих. Использование OFDM-модуляции значительно увели-

56

чивает скорость приемо-передачи информации. Первые результаты испытаний показали результат на уровне 3,5-3,8 Гбит/с. Данный интерфейс является перспективным и будет способен эффективно мультиплексировать 5G-сервисы с использованием QoS, то есть, обеспечивать разную скорость приемо-передачи информации, мобильности, времени задержки и отказоустойчивости. Главное нововведение 5G сетей это широкий диапазон радиочастот ниже 1 ГГц и до диапазона 20-60 ГГц. Спектр ниже 1 ГГц будет задействован для IoT(интернет вещей). Низкие частоты обеспечат стабильную связь на дальних расстояниях.

Диапазон от 2 до 5 ГГц займут устройства потребителей: телефоны, планшеты, ноутбуки и т.д. Для этого диапазона, переход от 4G к 5G будет производиться на основе существующей структуры. Требования к мощности не изменятся. В этом спектре пользовательское оборудование будет иметь возможность одновременно использовать до 36 полос по 80 МГц. На короткой дистанции 5G сможет задействовать диапазон 5-6 ГГц, который не требует лицензирования. Более высокая пропускная способность будет в миллиметровом диапазоне, который сейчас используется в стандарте IEEE 802.11ad (60 ГГц). Уже состоялись первые испытания уличной связи на частоте 28 ГГц, показавшие удовлетворительное качество сигнала при строго направленной передаче.

В сетях пятого поколения можно будет агрегировать миллиметровые волны малых сот и частоты нижнего диапазона базовых станций. Стандарт 5G, согласно Qualcomm, предполагает множественные подключения, в том числе и ретрансляции с устройства на устройство (d2d), "мультиэтапную" маршрутизацию (multihop), что приведёт к расширению покрытия. Каждое устройство сможет стать точкой доступа. Это позволит уменьшить мощность передатчика каждого отдельного устройства, а также значительно уменьшить расход заряда аккумулятора [4].

Восьмиэлементная антенная решётка на основе патч-излучателей

В статье [1] приведены результаты проектирования восьмиэлементной антенной решетки. Конструкция АР представлена на рис. 2.

57

Данная антенная решётка предназначена для работы на частоте 28 ГГц. В качестве подложки используется стеклотекстолит FR-4 с диэлектрической проницаемостью Ɛ=4.4 и толщиной h=0.8 мм. Размер сторон а и b равен 15 мм. Соответствующие размеры равны I=5.6 мм, w=2.63, wl=0.5 мм, ws=1.5 мм. АР запитывается с помощью коаксиального кабеля через отверстие в центральной части, диаметром 2 мм [3].

Рис. 2. Модель микрополосковой АР

На рис.3 представлен коэффициента отражения по входу АР.

Рис. 3. График коэффициента отражения

58

Коэффициент отражения в диапазоне частот от 20.8 ГГц до 21.1 ГГц и от 23,86 ГГц до 31,02 ГГц составляет не более минус

10 дБ.

График зависимости коэффициента усиления от частоты представлен на рис. 4. Максимальное усиление равно 12,7 дБ на частоте 29,20 ГГц.

На рис. 5 и 6 представлены диаграммы направленности (ДН) в E и H плоскостях соответственно [1]. АР обладает хорошей развязкой по кроссполяризации. ДН на паразитной поляризации показаны пунктирной линией.

Рис. 4. График зависимости усиления от частоты

Рис. 5. ДН в E плоскости

59

Рис. 6. ДН в H плоскости

Микрополосковая рамочная антенна с квадратной петлёй

В статье [2] приведены результаты проектирования микрополосковой рамочной антенны с квадратной петлёй для частоты 38 ГГц. Конструкция антенны приведена на рис. 7. Габаритные размеры печатной части антенны 15х30 мм.

Рис. 7. Конструкция микрополосковой рамочной антенны

60

По графику коэффициента отражения, представленного на рис. 8, видно, что антенна хорошо согласована (уровень ниже минус 10 дБ) в диапазоне частот от 35,5 ГГц до 45 ГГц.

Рис. 8. Коэффициент отражения

График зависимости усиления от частоты представлен на рис. 9. Максимальное усиление в зависимости от частоты, равно 2,9 дБ, при частоте 40,2 ГГц.

Рис. 9. График зависимость усиления от частоты

61

На рис. 10 и 11 представлены диаграммы направленности в E и H плоскостях соответственно [2].

Рис. 10. Диаграмма направленности в E плоскости

Рис. 11. Диаграмма направленности в H плоскости

62

Коммутируемая фазированная антенная решётка

В статье [6] приведены результаты проектирования микрополосковой коммутируемой антенной решетки для частоты

21,5ГГц.

Антенная решётка состоит из трех подрешёток с микрополосковыми элементами. В каждой подрешётке расположено восемь элементов. Построенная модель представлена на рис. 12.

Рис. 12. Модель АР: (a) Вид антенны с полной плоскостью;

(b)антенный пакет с подрешетками;

(c)верхний слой подрешеток

На графике коэффициента отражения, представленного на рис. 13, видно, что элементы антенны имеют хорошее согласование по уровню ниже минус 10 дБ, в диапазоне частот от 21 ГГц до 22 ГГц.

63

Рис. 13. Коэффициент отражения

Антенная решетка охватывает более половины пространства с минимальным реализованный коэффициент усиления 10 дБ и максимальный коэффициент усиления 12,5 дБ. На рис. 14 представлен трехмерный график зависимости усиления от угла сканирования.

Рис. 14. Зависимость усиления от угла сканирования

Двухмерный график зависимости усиления от угла сканирования для трех массивов антенной решетки представлен на рис. 15.

64

Рис. 15. Зависимость усиления трех массивов от угла Сканирования

В результате моделирования были получены диаграммы направленности для различных углов сканирования, представленные на рис. 16.

Рис. 16. Синтезированные диаграммы направленности

В заключении стоит отметить актуальность исследования и разработки антенных устройств для работы в миллиметровом диапазоне частот. Минимальные размеры конструкций микрополосковых антенн позволяют увеличить пространство для размещения вы-

65

числительной части мобильного устройства и разрабатывать малогабаритную аппаратуру с требуемыми техническими параметрами. Также микрополосковые антенны имеют высокий потенциал для создания комфортных антенных решеток.

Литература

1.Zihao Chen, Yue Ping Zhang, «FR4 PCB Grid Array Antenna for Millimeter-Wave 5G Mobile Communications»//IMWS-BIO — Singapore, 2013. – pp. 3.

2.Sensen Li, Taiyun Chi, Yanjie Wang, Hua Wang. “A Milli- meter-Wave Dual-Feed Square Loop Antenna for 5G Communications”//IEEE. - Singapore, 2017. – pp. 12.

3.Неганов В.А. Проектирование, конструктивная реализация, примеры применения устройств СВЧ / Неганов В.А., Клюев Д.С., Табаков Д.П. – М.:URSS, 2007. – 608 с.

4.И. Кущ Теория и практика: 5G обретает корни // [Электронный ресурс]:NAG.ru: редакционные статьи, 2016. URL: https://nag.ru/articles/article/28884/teoriya-i-praktika-5g-obretaet- korni.html (дата обращения: 5.01.2019).

5.Д. Денисов Технологии 5G-сетей // [Электронный ресурс]

:NAG.ru: редакционные статьи, 2016. URL: https://nag.ru/articles/ ar- ticle/30498/tehnologii-5g-setey.html (дата обращения: 7.01.2019).

6.NaserOjaroudiparchin, Ming Shen, "A Switchable 3DCoverage Phased Array Antenna Package for 5G Mobile Terminals"//IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters — Singapore, 2016. – pp. 24.

7.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

66

УДК 539.1

МОБИЛЬНАЯ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Э. Э. Каграманов, И. С. Бобылкин, Л. Н. Никитин

Разработанная мобильная логопериодическая антенна (ЛПА) предназначена для приема-передачи радиосигналов в диапазоне частот от 30 до 80 МГц. Используется для работы в составе подвижных радиотехнических комплексов связи

на стоянке.

Ключевые слова: логопериодическая антенна, антенно-фидерное устройство, диаграмма направленности.

Конструкция антенно-фидерного устройства представлена на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид мобильной ЛПА

Основными элементами конструкции является излучатель и мачта. Излучатель состоит из двенадцати симметричных проволочных вибраторов (поз. 5), подключенных к линии питания (поз. 6), представляющей собой две параллельные алюминиевые трубки размером 24х1,5 мм. Внутри одной трубки расположен кабель для возбуждения вибраторов антенны, подключаемых к линии питания через резьбовые контакты, выполненные конической, неразъемной

67

резьбой. Вибраторы выполнены из гибкого особо прочного диэлектрического троса с проводящей оплёткой.

Антенно-фидерное устройство (АФУ) изготавливается складывающимся. Это позволяет сократить время развёртываниясвёртывания и повысить удобность транспортировки данного устройства. Мачта (поз. 3), изготовлена из дюралюминиевой трубки размером 50х2,0 мм. Для монтажа на мобильную телескопическую мачту, АФУ оборудовано дюралюминиевым основанием с размерами 514х180 мм (поз. 4). На данном основание размещён быстросъемный замок. Для фиксации положения вибраторов к откидным опорам (поз. 2, 8) с задней и передней части устройства монтируется вспомогательная веревка (репшнур) (поз. 1, 7). Она удерживает вибраторы в установленном направление при помощи расположенных на них инженерных креплений - бобышек.

Излучение направлено в сторону коротких вибраторов. Ширина ДН в азимутальной плоскости равна 60О, а в вертикальной – 120О. На рис. 2 представлена диаграмма направленности ЛПА.

Рис. 2. Диаграмма направленности ЛПА

Антенна может работать в двух режимах: горизонтальной и вертикальной поляризации. Такая возможность возникает при использование механизмов поворота антенны на 90 градусов. АФУ имеет массу 11 кг, длина фидерной линии 6м, максимальная длина вибраторного элемента 10,3 м при 12 диполях. На графике КСВН,

68

представленного на рис. 3, показано, что коэффициент не превышает 2х единиц. Это доказывает хорошее согласование антенны.

Рис. 3. КСВН логопериодической антенны

Представленный прототип антенной системы имеет хорошие показатели мобильности из-за своей массы, позволяющей применять его в подвижных радиотехнических комплексах связи, нопроцесс предварительной сборки АФУ на земле намного увеличивает время развёртывания в рабочее положение и усложняет процесс установки на мачту. Решением данной проблемы является ввод механизма развёртывания-свёртывания на основе четырёх диэлектрических натяжителей. Калибровка уровня натяжения производится на заводе-изготовителе, что в разы сокращает мероприятия по подготовке устройства к эксплуатации.

Одним из интересных конструктивных решений являются гибкие диполи. Это предоставляет возможность многократного сворачивания АФУ.

Использование вышеописанной конструкции антенны, а так же использование гибких излучателей, позволяет реализовать процедуру монтажа-демонтажа, развёртывания-свёртывания на телескопической мачте без разборки АФУ на части. Ориентировочное время этих операций зависит от подготовки обслуживающего персонала и занимает от 3х до 10 минут. Антенна развёртывается в горизонтальном направление. При приведение мачты в штатный ре-

69

жим, АФУ может быть развёрнуто в вертикальное положение. Преимущества данного конструктивного решения очевидны.

Механизм и конструкция АФУ просты и могут быть реал и- зованы на любом радиотехническом производстве.

Литература

1.Логопериодическая антенна // RADIOMASTER URL: http://radiomaster.ru/shemi/antenna/logo_an.php (дата обращения:

10.03.2018).

2.Никитин В.А. 100 и одна конструкция антенн [Текст]: приложение к журналу «Радио» - Выпуск 16 / В.А. Никитин, Б.Б. Соколов, В.В. Щербаков. – Москва: Символ-, 1996. – 167 с.

3.С.С. Сорокин, А.В. Бондарев, Е.А. Рогозин, Л.Н. Никитин Антенна для «полевого дня» // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем. – Воронеж: 2018. –

С. 86.

4.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.37

РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА С ДАТЧИКОМ ХОЛЛА

И. А. Баранов, Э. Э. Каграманов, А. В. Турецкий, Ю. В. Худяков

Дисциплина «Физические основы получения информации» рассматривает физических явлений в основе измерительных преобразований, а так же средства их реализации. Одним из средств измерения напряженности магнитного поля, является датчик Холла. Работа устройства основана на определение разности потенциалов на краях пластины, помещенной в магнитное поле и проводящей постоянный ток.Актуальность работы продиктована широкой областью применения эффекта Холла в современной электронике. Разработка и конструирование лабораторного стенда для

70

проведения практических занятий, позволит обучающимся познакомиться с работой датчиков Холла и физическим явлением магнитного поля.

Ключевые слова: датчик Холла, магнитное поле, микроконтроллер.

В1879 году, Эдвин Холл, поместил тонкие пластины золота

спостоянным током в магнитное поле. В итоге этого эксперимента было открыто явление возникновения поперечной разности потенциалов, так называемого холловского напряжения [2]. Эффект представлен на рис. 1.

Рис. 1. Эффект Холла

Данный эффект наблюдается как у полупроводников, так и у металлов. В полупроводниках n-типа и у металлов, на верхней части будет накоплен избыточный отрицательный заряд, а в нижней части будет недостаток электронов, вследствие чего она зарядиться положительно.

Вполупроводниках p-типа, верхняя граница приобретает положительный заряд, а нижняя накапливает отрицательный заряд. Таким образом, при исследовании распределения зарядов в полупроводнике, можно определить характер проводимости материала. Также, при изучение эффекта Холла, была обнаружена электроннодырочная или смешанная проводимость.

Врезультате эксперимента возникает разница потенциалов между верхней и нижней частями пластины [4].

На основе эффекта Холла, был создан датчик. Он используется для измерения напряженности магнитного поля. В настоящее время техническое развитие датчиков Холла не прекращается. Данные устройства активно применяются в бесконтактных выключате-

71

лях, наушниках, детекторах скрытой проводки, устройствах считывания магнитных кодов, автомобилях и в ионных ракетных двигателях. Их отличиями являются точность, постоянство данных и надежность.

Существует два вида датчиков Холла: аналоговые и циф-

ровые.

Аналоговые датчики измеряют индукцию поля в разности потенциалов. Его значения непосредственно зависят от полярности, силы и расстояния.

Цифровые датчики определяют наличие магнитного поля. Когда индукция доходит до граничного значения, датчик посылает единичный сигнал на выход. Когда значение не превышает порога срабатывания, на выходе сигнал равен нулю. Недостатком таких датчиков, является нечувствительность, когда магнитное поле присутствует, но не достигает отметки реагирования. Цифровые датчики Холла делятся на:

1)униполярные. Работают при наличии поля какой-либо полярности и отключаются приуменьшение индукции;

2)биполярные. Реагируют на изменение полярности поля. При одной полярности датчик срабатывает, при другой – отключается [4].

Для проекта лабораторного стенда был использован аналоговый датчик Холла - SS495A1. Данное решение обусловлено необходимостью получения значений индукции поля в зависимости от расстояния до источника магнитного поля. Характеристики датчика представлены в таблице.

Характеристики датчика SS495A1

72

Датчик SS495A1 имеет линейную зависимость напряженности магнитного поля от напряжения. График зависимости представлен на рис. 2 [1].

Рис. 2. График зависимости напряжения от напряженности магнитного поля

73

Разработка лабораторного стенда для измерения напряженности магнитного поля

Принцип работы лабораторного стенда для измерения величины магнитного поля основан на эффекте Холла. Датчик SS495A1 установлен на подвижной каретке. При подаче соответствующего управляющего сигнала, каретка начинает перемещать датчик к постоянному магниту или от него. Устройство определяет изменение магнитного поля и передает на выход напряжение, значение которого соответствует напряженности магнитного поля. Схема размещения датчика, каретки и магнита, представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема размещения датчика

Где:

1 – Датчик Холла;

2 – Постоянный магнит;

3 – Каретка.

Панель управления, где размещены кнопки для передвижения датчика, расположена на лицевой части устройства. Выше находится ЖК экран, для снятия показаний напряженности магнитного поля, а так же показаний дистанции, которую прошел датчик от нулевого положения. Правее имеется окно, для наглядного показания перемещения каретки внутри устройства. Внешний вид корпуса представлен на рис. 4.

74

Рис. 4. Внешний вид устройства

Сигнал с кнопок поступает на микроконтроллер ArduinoProMini. МК обрабатывает запрос и отправляет сигнал на двухканальный драйвер шагового двигателя MX1508. С него соответствующие сигналы отправляются на биполярный шаговый двигатель, который приводит в движение каретку с датчиком Холла. Информирующее напряжение с выхода SS495A1 поступает на АЦП микроконтроллера, где из аналогового сигнала, превращается в цифровой и начинает обрабатываться. Результат расчётов отправляется на ЖК экран на лицевой панели. Когда каретка достигает порогового значения, срабатывает установленный на конечной части базы каретки концевик. Он отправляет управляющий сигнал на микроконтроллер.

Питание устройства осуществляется внешним источником питания на 9В. Для ArduinoProMini напряжение понижается до 5В при помощи стабилизатора напряжения LN7805 и емкостных фильтров.

Программная часть устройства Программная часть микроконтроллера реализует следую-

щий алгоритм:

1. Начало программы;

75

2.Инициализация основных параметров;

3.Инициализация подключения аппаратной части;

4.Возврат каретки в нулевое положение;

5.Запуск цикла считывания информации с датчика;

6.Пересчёт сигнала в миллитесла;

7.Расчёт дистанции датчика;

8.Вывод на дисплей;

9.Если сигнал с концевика, тогда пункт 4, иначе пункт 5;

10.Конец.

Блок схема программы для лабораторного стенда с датчиком Холла представлена на рис. 5.

Рис. 5. Блок схема программы микроконтроллера

В заключение необходимо отметить, что разработка и конструирование лабораторных стендов для проведения обучающих экспериментов является актуальной задачей. Получение практических навыков и наглядная демонстрация физических явлений по-

76

зволяет студентам получить более углубленные знания в области дисциплины: «Физические основы получения информации», – а в следствие, повысить уровень подготовки специалистов, выпускаемых учебным заведением.

Литература

1.Solid State Sensors. SS490 Series Miniature Ratiometric Linear // Interactive Catalog Replaces Catalog Pages .

2.Трофимова Т.И. Курс Физики / Т.И. Трофимова. – 11 изд.

–М.: ACADEMA, 2006.

3.Эффект Холла // Естественнонаучная школа URL: http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/электромагнетизм/02-10.htm (дата обращения: 03.04.2019).

4.Датчики Холла // RoboCraft URL: http://robocraft.ru/ blog/electronics/594.html (дата обращения: 03.04.2019).

5.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.3.049.7.002 (075)

РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЕМКОСТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Т. Д. Ижокина, А. О. Кузнецова, А. В. Турецкий, Ю. В. Худяков, Р. Н. Щипелев

В данной статье рассматривается конструкция лабораторного стенда, используемого для исследования характеристик емкостного преобразователя. Приведены кинематическая и электрическая схемы, а также представлены алгоритм программы микроконтроллера и сведения о способе измерения емкости, используемого в работе программы.

Ключевые слова: емкостные преобразователи, конденсатор переменной емкости, микроконтроллерная платформа.

77

Для организации учебного процесса студентов направления «Приборостроение» необходимо использование специализированных лабораторных стендов, предназначенных для изучения физических основ получения первичной измерительной информации. Одними из самых распространенных первичных преобразователей являются емкостные [1, 2]. Они позволяют с достаточно высокой точностью измерять давление, массу, угол поворота, уровень жидкости и т.д.

Разработанный лабораторный стенд необходим для изучения принципа действия емкостного датчика, преобразующего угол поворота вала в электрический сигнал. Целью работы студентов является получение зависимости емкости преобразователя от угла поворота. В качестве первичного устройства использован конденсатор переменной емкости (КПЕ) (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид конденсатора переменной емкости

В данном КПЕ используется воздушный диэлектрик, ряд пластин закреплен на корпусе и неподвижен. Вторая часть пластин жестко закреплена на валу. КПЕ имеет три независимые секции, т.е. это, по сути, три конденсатора. Для получения разных зависимостей емкости от угла поворота, на двух секциях последовательно с КПЕ подключены конденсаторы постоянной емкости.

Схема лабораторного стенда представлена на рис. 2. Трехсекционный КПЕ (1) подсоединяется к валу через зубчатую передачу для увеличения силового момента и одновременно уменьшения оборотов. В этом случае удается получить более точные углы пово-

78

рота. Вращает КПЕ униполярный шаговый двигатель (3), который соединяется с валом КПЕ через фрикционную муфту (2). Фрикционная муфта с небольшим натягом посажена на вал КПЕ. В этом случае при стопорении КПЕ в крайних положениях она проскальзывает. Такой подход позволяет избавиться от поломок в случае неправильного использования стенда. На неподвижной части КПЕ установлен цифровой датчик Холла (5). Он используется для первоначальной установки угла поворота в нулевую позицию. Устройство управления (4) предназначено для задания углов поворота и считывания показаний емкости.

Рис. 2. Схема лабораторного стенда

Схема электрическая принципиальная стенда представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная лабораторного стенда

79

В основе схемотехники устройства управления используется микроконтроллерная платформа ArduinoProMini. Платформа А1 опрашивает кнопки SB1 и SB2, с помощью которых задаются углы поворота КПЕ. А также управляет работой шагового двигателя М1, измеряет емкость и отображает информацию на ЖКиндикаторе HG1.

При измерении емкости выводы секций КПЕ подключаются к АЦП микроконтроллера [4]. В процессе заряда в программе отслеживается напряжение и одновременно происходит подсчет времени. Как только напряжение достигнет 3,15 В, процесс заканчивается. Исходя из значения времени τ по формуле (1). Происходит подсчет емкости.

Порядок работы со стендом следующий.

1.Подключение блока питания к устройству

2.Необходимо подождать некоторое время, пока устройство не установится в нулевую позицию.

3.С помощью двух кнопок выбрать подключенную сек-

цию КПЕ.

4.Нажатием кнопок задать углы поворота

5.Считать значение угла поворота и емкости с ЖКиндикатора.

После выполнения работы студенты должны построить график зависимости емкости от углов поворота.

Алгоритм работы программы представлен на рис. 4.

80

Рис. 4. Алгоритм работы программы

81

Литература

1.Турецкий А.В. / Физические основы получения информации: учеб. пособие / А.В. Турецкий, В.А. Шуваев. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. – Ч.2. – 105 с.

2.Лозовой И.А., Сизов С.Ю., Турецкий А.В., Шуваев В.А. Процедуры инженерного анализа механических воздействий на РЭС в системе Pro| Engineer Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. – Т 7. – № 5. – С.26-27.

3.Ремонт телевизоров [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://tel-spb.ru/tau.html

4.Помигуев Н.Н., Никитин Л.Н. / Прибор для стабилизации двигателя постоянного тока/ Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. [Электронный ресурс]. – Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018. – С.14-18.

5.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.396.6.001.63;621.396.001.66

АКТУАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

М. А. Ромащенко, Д. С. Сеимова

В статье рассмотрены современные методы контроля электромагнитных излучений, а также усовершенствованные методологии для уменьшения выбросов этих излучений.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, помехоэмиссия, электромагнитные помехи.

82

Регулирование современных технических процессов конструирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) сконцентрировано в области анализа новейших наукоемких технологий, увеличения эффективности и качества решения поставленных задач, координирования производства и преследует одну из важных целей - повышение качества конструкций РЭА и разработка оборудования, обладающего требуемыми техническими характеристиками.

В последнее время использование оборудования, которое излучает электромагнитные помехи (ЭМП), существенно увеличилось. Совершенствование методов конструирования повлекло за собой освоение диапазонов метровых, дециметровых и сантиметровых волн. В данный момент сложно выделить такую область, где бы ни применялась РЭА, в том числе излучающая электромагнитные помехи. На сегодняшний день отмечается ухудшение ситуации, связанной с обеспечением электромагнитной совместимости (ЭМС). Ввиду урегулирования и сдерживания использования технических устройств, излучающих электромагнитные помехи, в коммерческих целях не редко используется не сертифицированное по нормам ЭМС оборудование. Выявление электромагнитных помех — многогранный техпроцесс, использующий разные технические операции, сопровождающие физическое проектирование полей, электродинамическое макетирование воздействий электромагнитных помех, экономическое обоснование работ по сертифицированию, различные исследования и пр.

При продвижении на рынок и введении в эксплуатацию разработанного РЭС затрачиваются как финансы так и время выхода. Таким образом, перед разработчиком стоит задача как можно раньше выявить несоответствие стандартам ЭМС. Внедрение в процесс конструирования РЭС предтопологического анализа на соответствие требованиям ЭМС, предоставляет возможность:

–раньше выявлять предполагаемую помехоэмиссию;

–снизить стоимость затрат, направленных на ликвидацию

помех;

– увеличение надежности разработанного оборудования. Измерение характеристик помеховой эмиссии и устойчиво-

сти к помехам редко может быть выполнено одиночными приборами. Обычно это сложные измерительные или испытательные системы. У большинства производителей и испытательных лабораторий отсутствуют ресурсы для разработки сложной системы для испыта-

83

ний на электромагнитную совместимость, которая бы полностью удовлетворяла их потребностям, что создает определенные риски при выборе оборудования и выстраивании соответствующей лаборатории. В настоящее время необходимо выпустить в производство такое устройство, которое бы смогло не только автоматически производить поиск максимумов возмущений для надежного обнаружения источников помех, но и работать без каких-либо дополнительных приборов.

Сравнительный анализ оборудования для испытаний на электромагнитную совместимость.

В настоящий момент на рынке существует множество устройств для анализа электромагнитной совместимости, однако нельзя сказать с уверенностью, что все предложенные решения будут работать эффективно.

ЭМС устанавливается посредством выполнения тестиро-

вания:

–тестирования излучения, которое идентифицирует частоту

иамплитуду электромагнитных помех, генерируемых устройством

–тестирование помехоустойчивости, которое проверяет производительность устройства или системы при воздействии известных уровней электромагнитных импульсов (ЭМИ).

Излучения измеряются путем подключения сети стабилизации импеданса линии, токового пробника или антенны к приемнику ЭМП, сканирования требуемого диапазона частот и измерения амплитуды обнаруженных сигналов.

Рассмотрим оборудование для испытаний на ЭМС компании «Диполь» Россия. Одним из таких является генератор электростатических разрядов Teseq NSG 439. Моделирование электростатических разрядов является одной из важных частей испытания на электромагнитную совместимость для любого электронного оборудования.

Тесты на ЭСР (электростатические разряды) используются для проверки целостности сигнала и выявления помех в установках. Эти тесты способствуют выявлению нарушений, вызванных плохой кабельной системой или компоновкой элементов, а также проблемами заземления.

84

Сегодняшняя растущая тенденция к миниатюризации и более всесторонним стандартам продукта означает, что тестирование ЭСР требуется для любых связанных периферийных устройств, таких как датчики, исполнительные механизмы и контроллеры.

Генератор Teseq NSG 439 компактный модулятор электростатического разряда с микропроцессорным ЖК-дисплеем с большим сенсорным экраном и встроенным реле высокого напряжения для контактного разряда, работы от батареи и сети.

ЖК-панель NSG 439 хорошо видна в рабочем положении, а все органы управления удобно расположены под рукой пользователя. Еще более удобным является сенсорный дисплей с функциями клавиатуры для настройки параметров тестирования [1].

У этой же компании существует еще несколько устройств для анализа электромагнитной совместимости – генератор импульсных помех Teseq NSG 3040A. Это многофункциональный генератор, который имитирует воздействие ЭМП для тестирования помехоустойчивости в соответствии с международными, национальными стандартами и стандартами производителей, включая новейшие стандарты IEC / EN. Система NSG 3040A разработана для соответствия требованиям по проведению испытаний на ЭМС при испытаниях на маркировку СЕ, которые обычно включают в себя комбинацию волновых скачков, импульсов электрического быстрого переходного процесса (EFT) и тестирования качества электроэнергии (PQT).

Генератор микросекундных импульсов большой энергии Teseq NSG 3150, который используется для тестирования коммуникационного и энергического оборудования, железнодорожных систем и защитных систем (т.е. по МЭК 60255-26).

Однако у данной компании есть ряд минусов – это и значительно высокая стоимость, и, помимо этого, закупка дополнительного оборудования, которое включает в себя ПО для работы установок и соответствующие комплектующие устройства.

В России присутствуют несколько представителей от разных иностранных компаний, таких как ROHDE & SCHWARZ,

ANRITSU, AARONIA, SCHWARZBECK.

Основными пользователями являются:

–испытательные центры и поставщики услуг по ЭМС;

–государственные структуры;

–центры стандартизации и сертификации;

85

–военные организации;

–большие лаборатории промышленного развития и ЭMC (например, автомобильные).

Преимущественно данные компании предлагают разнообразные модификации анализаторов спектра, измерительные антенны для испытаний ЭМС, а также тестовые приемники электромагнитных помех, однако сканирование во временной области будет доступно только после приобретения дополнительных опций и опять же специализированного ПО. Кроме этого, существенные затраты на импорт и доставку соответствующего оборудования могут отталкивать потенциальных заказчиков.

Далее будет представлен краткий обзор наиболее популярных моделей вышеперечисленных фирм.

Портативный анализатор спектра до 43 ГГц, серии AnritsuSpectrumMasterMS2726C предназначен для мониторинга спектра, защиты от радиопомех и их анализа. Помимо этого, существует ряд дополнительных опций, одна из которых предотвращает сохранение данных об измерениях в любом внутреннем хранилище файлов. Вместо этого информация о настройках и анализе спектра сохраняется только во внешнюю память USB. Следует учитывать, что для эффективной работы и точного измерения потребуется приобрести достаточно много дополнительных опций.

Измерительные антенны для испытаний ЭМС и ЭМП

Измерительная антенна для испытаний ЭМС AaroniaHyperLOG 20300 EMI. Представленная модель сочетает в себе преимущества биконической антенны и логопедической в единой конструкции высокочастотной антенны EMC/EMI. Данное устройство позволяет избежать ошибок измерения электромагнитных помех для всего диапазона частот, которые обнаруживаются при переключении между различными тестовыми антеннами. Серия HyperLOG также может использоваться в качестве вещательной антенны до 310 Вт. Кроме этого, возможно измерение помехоустойчивости, где требуется высокая напряженность поля (10 В/м). Для работы с данным оборудованием рекомендованы к приобретению следующие аксессуары – штатив, высокочастотный кабель для подключения антенны с различным испытательным оборудованием,

86

специальный адаптер для совместной работы с анализатором спектра, лазер для определения любого радиочастотного источника.

Тестовые приемники для предварительных испытаний электромагнитных помех ROHDE& SCHWARZ серии ESL. Данная серия сочетает в себе сразу два прибора: измерительный приемник ЭМП для проведения испытаний на ЭМС согласно последним стандартам и полнофункциональный анализатор спектра для разнообразных лабораторных задач. Модели отличаются диапазоном рабочих частот: 9 кГц – 3 ГГц (модель ESL3) и 9 кГц – 6 ГГц (модель ESL6). Функционал такого устройства включает в себя возможность одновременного измерения с несколькими детекторами, выборочный мониторинг критических помех, большой дисплей с гистограммой с функцией MAXHOLD для четкого представления измеренных значений. Существуют дополнительные расширения, например, дистанционное управление сетями стабилизации импеданса линии, выходной видеосигнал, независимая работа от сети переменного тока с внутренним аккумулятором, а также измерение мощности с помощью датчиков мощности [2].

Проведя аналогию между представленными моделями оборудования для определения уровня ЭМП можно сделать вывод, что в России не хватает отечественной измерительной аппаратуры для задач обеспечения ЭМС, которая может быть конкурентоспособной на мировом рынке.

Современные методы устранения помеховой эмиссии.

Для отладки оборудования и прохождения своевременной сертификации существуют методы предтопологического и посттопологического анализа, а также технические методы подавления и защиты от помех.

Одним из широко распространенных методов является электромагнитное экранирование. Так компания WürthElektronik предлагает свое решение для экранирования кабеля USB. С помощью USB может быть реализована сложная сетевая структура и этой структуре необходимо уделять особое внимание в отношении ЭМС. Экранирование кабеля должно иметь экранирующую оплетку с площадью покрытия не менее 65%, а также алюминиевый экран, т. е. двойное экранирование, предназначенное для обеспечения высокого коэффициента затухания в экране. Производители микросхем

87

учитывают высокие значения скоростей передачи данных и требования электромагнитной совместимости, которые все еще применяются в отношении излучения помех и помехоустойчивости, и разрабатывают свои контроллеры USB. Тем не менее с целью обеспечения электромагнитной совместимости необходимо учитывать не только конструкцию микросхемы, но и концепцию полной схемы. Это, безусловно, требует больше усилий на этапе разработки, но окупается более высоким качеством, а также более низкими производственными затратами [3].

В случае передачи по USB помехи в дифференциальном режиме в основном генерируются нелинейными гармониками сигнала из-за несоответствия и неадекватной схемы. Учитывая асимметрию пути передачи, то есть проводники передатчика, печатной платы и проводника, возможно фильтров, кабелей, идущих к приемнику, эти помехи могут приводить к излучению помех и ухудшению качества сигнала. Синфазные помехи возникают из-за паразитной связи в схемной среде контроллера USB, которая обычно может быть обнаружена из емкостной связи по сигналу USB с возрастающей частотой помех и возрастающей амплитудой. Однако эти типы помех обнаруживаются на обоих проводах USB в фазе и с одинаковой амплитудой и, следовательно, не влияют на полезный сигнал. Однако асимметрия в кабеле или в приемнике часто преобразует исходный общий режим в сигнал помехи дифференциального режима, который затем может способствовать ухудшению сигнала.

Передача данных в дифференциальном режиме дает значительное преимущество перед простым коаксиальным кабелем, когда речь идет о влиянии помех на USB. В зависимости от эффективности экранирования коаксиального кабеля, импульс (электрическое поле), например, излучаемый от сетевого кабеля параллельно USBкабелю, подключается к линии передачи данных и создает помехи для сигнала данных. Это приводит к ошибкам данных или связи, которые зависят от длины и амплитуды интерференционного сигнала [4].

Электромагнитная совместимость без фильтрации помех больше не остается без внимания в современной схемотехнике. Электроника в ограниченном пространстве, полезные частоты вплоть до диапазона ГГц, а также рассмотрение стандартов ЭМС требуют активного использования методов фильтрации. Тем не ме-

88

нее ЭМС часто является инженерной задачей и балансом между производительностью и временем [5].

В большинстве случаев основная печатная плата и корпус РЭС разрабатываются различными отделами. Отверстия в кожухе, например, для кабельных вводов и выводов вентиляционных отверстий, кнопок управления, динамиков, преобразователей или дисплеев, могут привести к значительному снижению экранирующего действия. Но внутри отверстий металлического корпуса невозможно полностью герметизировать обе половины, поэтому без перекрытия получается, что радиочастотные излучения могут проходить сквозь них [6].

Практически в любом металлическом корпусе нет непрерывной связи между двумя контактирующими поверхностями либо присутствуют отверстия. Эти прорези и отверстия, которые образовались из-за шероховатости, приводят к тому, что открытые «проемы» для коротковолнового излучения выходят из экранирующей клетки (рис. 1).

Рис. 1. Снижение экранирующего эффекта оболочек из-за отверстий

Решение проблемы заключается в соединении и герметизации этих отверстий - герметизация пазов и «проемов» с помощью токопроводящих прокладок. Требования к проводящей прокладке всегда очень разные и зависят от цели, для которой она используется. Из практического опыта зарекомендовал себя следующий оптимальный подход:

– защита от неблагоприятных условий окружающей среды (пыль / влажность)

89

–хорошая поверхностная проводимость для получения соединения с низким сопротивлением

–двусторонняя клейкая лента как средство для фиксации и

монтажа Для применения проводящих прокладок необходимо опре-

деленное минимальное сжатие, чтобы поддерживать переходное сопротивление стабильно низким. Исследования с различными компрессиями показали, что монтажное сжатие прокладок влияет на проводимость с течением времени. Устойчивое сжатие контактных поверхностей не менее 50% необходимо для того, чтобы поддерживать переходное сопротивление в течение длительного периода времени низким и устойчивым. При контакте разных проводящих материалов происходит гальванический процесс, который приводит к коррозии контактных поверхностей. В результате образовавшийся оксидный слой изолирует две поверхности друг от друга, а не обеспечивает очень хорошее электрическое соединение.

Таким образом, путем включения многих современных методов для контроля электромагнитных излучений, а также усовершенствованной методологии для уменьшения «утечки» этих излучений можно выйти на новый уровень обеспечения электромагнитной совместимости.

С глобальной точки зрения, большинство стран разработали конкретные правила и положения, касающиеся контроля электромагнитных помех, и большинство из них делают еще один шаг вперед, устанавливая руководящие принципы для тестирования систем

впопытке обеспечить приемлемый уровень электромагнитной совместимости. Чтобы соответствовать этим требованиям, проектировщикам следует внедрить новые решения для подавления ЭМП.

Литература

1.Ромащенко М.А. Методика оценки помех в шинах питания цифровых устройств при проведении верификации / М.А. Ромащенко // Радиотехника. – 2014. – № 3. – С. 88-90

2.Глотов В.В., Ромащенко М.А., Белецкая С.Ю. Процедура моделирования ближнего электромагнитного поля печатных плат в задачах обеспечения электромагнитной совместимости / В.В. Глотов, М.А. Ромащенко, С.Ю. Белецкая // Радиотехника. – 2016. –

№6. – С. 15-18.

90

3.Глотов В.В., Ромащенко М.А. Оптимизация радиоэлектронных устройств по критериям внутриаппаратурной электромагнитной совместимости / В.В. Глотов, М.А. Ромащенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. –

2018. – Т. 14.– № 4. – С. 103-107.

4.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

УДК 539.1 АВТОМАТ ЛЕСТНИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ С ТАЙМЕРОМ

А. С. Иваницкий, Л. Н. Никитин, И. В. Свиридова

В статье представлен автомат лестничного освещения с таймером, который предназначен для управления освещением внутри помещений. Он производит выключение потребителей от сети через некоторое время, которое задается пользователем. Это позволяет экономить расход электроэнергии.

Ключевые слова: таймер, лампа накаливания, лестничное освещение.

Данный автомат лестничного освещения с микрофоном и задержкой по времени, схема электрическая которого представлена на рисунке, при звуке шагов и хлопке закрываемой двери, разговоров и других громких звуках свет включается автоматически на лестничной площадке.

Схема электрическая принципиальная автомата лестничного освещения

91

После того, как исчезли звуки, далее следует задержка по времени от 5 секунд до 2 минут, после чего лампа отключается. Автомат имеет высокую чувствительность, питается непосредственно от сети 220В и не требует применения дополнительных стабилизаторов. Принцип работы: при появлении звукового сигнала, переменное напряжение амплитудой несколько милливольт с выхода микрофона проходит через разделительный конденсатор C1 и поступает на двухкаскадный усилитель, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, и после усиления до напряжения 6…7В, через разделительный конденсатор C4 поступает на входы триггера Шмитта DD1.1, который создает на выходе прямоугольные импульсы положительной полярности. Каждый положительный импульс открывает эмиттерный повторитель VT3, который усиливает сигнал по току, и быстро заряжает конденсатор C5. На входах элемента DD1.2 создается уровень логической 1, который, инвертируясь, закрывает ключевой транзистор VT4 и создает на его коллекторе, через резистор R12, напряжение уровня логической 1, разрешающее работу схемы управления коммутирующим тиристором VS1.

Для коммутации лампы накаливания применяется модуль на основе цифрового компаратора, который осуществляет наиболее экономичное импульсное управление тиристором в моменты перехода сетевого напряжения близкие к нулю. В схеме на рисунке на элементах DD1.3 и DD1.4 выполнен компаратор, который срабатывает при каждой полуволне сетевого напряжения в момент, когда её значение достигает порога переключения элемента DD1.3. При этом на выходе элемента DD1.4 создаются положительные импульсы, равные по длительности времени открывания тиристора. Каждый такой импульс открывает транзистор VT5. Вслед за ним открывается и тиристор VS1 и подключает лампу накаливания последовательно с диодным мостом. Но после этого напряжение на тиристоре падает до 1,5В, что приводит компаратор, собранный на элементах DD1.3 и DD1.4, в начальное состояние, напряжение с выхода которого закрывает транзистор VT5. Тиристор же остается открытым до тех пор, пока сетевое напряжение не перейдет через нуль. Затем начинается вторая полуволна сетевого напряжения и описанный процесс вновь повторяется.

Ток проходит через транзистор VT5, а значит и подается на управляющий электрод тиристора только в течение времени, необходимого для открывания тиристора - нескольких десятков микро-

92

секунд. Тиристор открывается коротким мощным импульсом тока с небольшой задержкой после начала каждой полуволны сетевого напряжения. Это обеспечивает устройству высокую экономичность, а тиристору - надёжное включение.

После исчезновения звукового сигнала конденсатор C5 начинает постепенно разряжаться, и когда напряжение на нём упадет до порога переключения элемента DD1.2, напряжение на коллекторе транзистора VT4 упадет до нуля, и свет погаснет. При появлении новых звуков транзистор VT3 откроется и будет подзаряжать конденсатор C5 за счет этого будет продлеваться время выдержки. Время задержки свечения лампы накаливания изменяется емкостью конденсатора C5, а резистором R9 можно задать желаемое время свечения лампы накаливания от 5 секунд до 2 минут.

Для увеличения чувствительности автомата лестничного освещения резистор R7 можно изменить на более большое сопротивление, например 2,2 МОм.

Данная конструкция имеет более современную элементную базу. Электролитические конденсаторы используются в корпусе К50-35, это обеспечивает высокую надежность устройства. Керамические конденсаторы тоже изменяются на более современные используемые в радиоаппаратуре. Резисторы изменяются на импортные, что повышает их работоспособность в сети высокого напряжения, используются резисторы мощностью на 0,125Вт, 1Вт, 2Вт. Транзисторы используются отечественного производства в корпусе КТ-26. Транзисторы КТ3102ЕМ могут быть заменены на аналог BC547. Микросхема отечественного производства К561ТЛ1 имеет аналог CD4093AN. Все это удешевляет конструкцию данного устройства, повышает его надежность. Автомат лестничного освещения является более ремонтопригодным с современной элементной базой.

Литература

1.Нечаев И. Автомат управляет освещением / И. Нечаев // Журнал «Радио», 1996 г. – № 5. – С. 46-47.

2.Регулируем яркость светильника // Журнал «Радио», 1992 г. – № 1. – С .22.

3.Свиридова И.В. Реализация стохастического LDPCдекодера на ПЛИС / И.В. Свиридова, А.В. Башкиров // Вестник во-

93

ронежского государственного технического университета. – 2018. –

Т14. – № 6. – С. 103-107.

4.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж: Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

УДК 539.1 ЭЛЕКТРОННЫЙ ТЕРМОМЕТР ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

А. С. Корнев, Л. Н. Никитин, О. Н. Чирков

Сегодня выпускается много различных датчиков температуры, как аналоговых, так и цифровых. Однако многие имеют существенно нелинейную зависимость выходного параметра от температуры, сигналы других приходится значительно усиливать перед использованием. Все они зачастую требуют калибровать изготовленный измеритель температуры по образцовому термометру, чтобы устранить систематическую погрешность. Цифровые датчики калиброваны, как правило, на заводе и имеют линейную шкалу температуры.

Ключевые слова: электронный термометр, датчик температуры, блок пи-

тания.

Данный электронный термометр способен работать с двумя датчиками температуры и может измерять её в двух местах с точностью до 0,1 °С в пределах от - 55 °С до +100°С. Это может использоваться для измерения температуры в помещениях, где необходим ее постоянный контроль.

Основные элементы - микроконтроллер AТtiny 2313APU (DD1), светодиодный индикатор CC5612GWA (HG1) с

общими катодами элементов каждого разряда и соединенными для динамической индикации анодами одноимённых элементов всех разрядов и два цифровых датчика температуры DS18В20 (ВК1 и ВК2).

Печатная плата термометра изготовлена из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. В переходные отвер-

94

стия вставляются металлические перемычки, которые пропаиваются с двух сторон. Все резисторы в термометре - С1-4, конденсатор С2 - оксидный, остальные конденсаторы - керамические К10-7.

Термометр имеет большой потенциал для доработки. Например, если изготовление платы с двухсторонней печатью покажется слишком сложным, можно сделать её односторонней, оставив печатные проводники только на стороне, противоположной той, где будут установлены детали. В дальнейшем возможно увеличение количества опрашиваемых датчиков DS18В20, подключение устройств для поддержания заданной температуры (нагревателей и/или охладителей), сбор статистических данных о значениях температуры в течении времени. А также мелкие улучшения конструкции, вроде индикации работы датчиков разными светодиодами.

Рассмотрим такую важную доработку, как добавление в плату трансформаторного блока питания на 5В (рис. 1). Потребляемый устройством ток, в зависимости от выводимого на индикаторы значения температуры, изменяется от 50 до 110 мА. Термометру необходим любой источник постоянного напряжения 5 В (например, батарейка). Но наиболее вероятно, что термометр будет использоваться стационарно и продолжительное время, поэтому расходы на элементы питания сделают эксплуатацию более затратной, чем работа от сети 220 В трансформаторный блок питания собрать и настроить легче, нежели импульсный, да и чрезмерная сложность конструкции в этом случае избыточна. Так же, как избыточен выходной ток предлагаемого блока в 1А. Однако, это обусловлено возможностью дальнейшей доработки термометра, что, вероятно, увеличит ток, потребляемый устройством.

Рассмотрим отдельно компоненты блока:

Сетевой фильтр. С высоковольтными помехами успешно справляется варистор. А высокочастотными помехами займется RC фильтр.

Трансформатор. В нашем БП 5 В трансформатор играет ключевую роль,он преобразует сетевое напряжение 220 В в необходимые устройству 5 В. Трансформатор должен быть рассчитан на сетевую частоту 50 Гц. Первичная обмотка рассчитана 220 В, а вторичная обмотка - на 7 - 10 В. Номинальная мощность трансформа-

95

тора 4 - 8 Вт. Конструкция (тороидальный, броневой) в принципе особой роли не играет.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная (с блоком питания)

Выпрямитель. Благодаря нему переменное напряжение на входе превращается в постоянное на выходе. Стоит использовать двухполупериодный выпрямитель – диодный мост.

Фильтр. Сглаживает напряжение после прохождения через выпрямитель. Для этого применяется электролитический конденсатор крупной емкости. Величина пульсаций зависит от величины емкости.Конденсаторы так же различаются по напряжению, будьте внимательны и берите конденсаторы с запасом. Диоды для выпрямителя аналогично нужно подбирать с запасом по параметрам.

Стабилизатор напряжения. Данная микросхема служит как стабилизатор диапазона напряжений на входе в установленное значение на выходе. Логично, что выходное напряжение должно быть меньше входного на значение, как правило, не меньшее чем на 3 В.

Индикатор. В повседневной жизни мы уже настолько привыкли, что любая техника нам весело подмигивает светодиодом, когда мы ее включаем, то я решил, что индикатор рабочего режима не помешает в БП 5 В. Он состоит из светодиода и токоограничи-

96

вающего резистора. Светодиод красного или зеленого цвета свечения на напряжение 1,5 В или 3 В.

Схема исходного устройства с блоком питания показана на рис. 2. Для удобства размещения, размер платы был увеличен на 27мм в длину. Предохранитель FU1 и выключатель SA1 располагаются отдельно, аналогично как датчики ВК1 и ВК2. Светодиод HL1 по желанию, его можно вынести на корпус. В наладке правильно собранный и подключенный к основному устройству блок питания - не нуждается.

Печатная плата со стороны элементов выглядит так (рис. 2):

Рис. 2. Расположение элементов на плате

97

Литература

1.Салимов Н. / Термометр Дом-Улица / Н. Салимов // Журнал «Радио». – 2018. – №4. – С.38-39.

2.Башкиров А.В., Чирков О.Н. Основы конструирования и технология проектирования РЭС: Учебно-методический комплекс: учеб. пособие. – Воронеж: ВГТУ, 2015. – 396 с.

3.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

4.Чирков О.Н. Оценка пропускной способности высокоуровневых видов модуляции M-QAM / О. Н. Чирков // Вестник В о- ронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8, № 6. С. 12-13.

Воронежский государственный технический университет

УДК 539.1

АВТОМОБИЛЬНЫЙ ПАРКТРОНИК В. А. Мадесов, Л. Н. Никитин, И. В. Свиридова

Современное автомобилестроение постоянно прогрессирует, создаются всё более новые и совершенные технические устройства, позволяющие человеку безопасно и комфортно использовать автомобиль. Одним из таких изобретений является датчик парковки («парктроник»), о котором пойдет речь в данной статье.

Ключевые слова: парктроник, парковочный радар, блок управления.

Парковочный радар – полезный для водителя электронный помощник в условиях городской эксплуатации, когда требуется припарковать автомобиль среди плотных рядов других транспортных средств. Впервые это новшество было использовано на автомобилях марки Mercedes с использованием ультразвуковых датчиков, а затем компания AUDIв 1992 году предложила усовершенствованные электромагнитные парктроники. Вторая технология более со-

98

вершенна, у таких датчиков нет «мертвых зон» и они не боятся налипнувшей грязи. Однако, в России и СНГ пользуются популярностью именно изделия на основе ультразвуковых датчиков.

Устройство служит для звуковой и светодиодной сигнализации при приближении автомобиля к препятствию. Среди элементов парковочного радара можно выделить три основные: электронный блок управления (ЭБУ), совмещенный со светодиодами для индикации и инфракрасные датчики, которые устанавливаются в бампер автомобиля. В более дорогих моделях для сигнализации о приближении к преграде вместо светодиодов может использоваться информационный дисплей индикатора расстояния с ЖК экраном. Датчиков может быть от 2 до 8 в зависимости от цены устройства, но при установке всего лишь двух датчиков остаются «мертвые зоны».

За основу была взята схема, представленная на рисунке. Главное отличие данного прибора от других устройств заключается в одновременном использовании двух видов оповещения: звукового и видимого. Так же в схему был включен подстроечный резистор для регулирования чувствительности (дальности действия) устройства и взят более мощный излучающий светодиод.

Схема электрическая принципиальная парктроника

Данное устройство построено на основе прецизионного таймера SA555P импортного производства, к выходам которого подключается излучающий импульсы диод ИК-диапазона типа TSAL6100,приемного фотодиода серии ФД265А, подстроечного резистора вида СПЗ-19А,четырех операционных усилителей, три из

99

которых являются компараторами аналоговых сигналов. Все ОУ входят в состав микросхемы LM324N (представляет собой соединенный счетверенный ОУ). Световая индикация, сигнализирующая человеку о приближении к препятствию, выполнена на основе трех светодиодов типа GNL-3012 произвольного цвета (в данном случае

– зеленый, желтый и красный). Так же имеется звуковое оповещение, выполненное на основе одноканального таймера LM555C с подключенным к его выходу звуковым динамиком типа ЗП-22. Для стабилизации питания на выходе схемы использован стабилизатор на 15 В.

Принцип работы разрабатываемого устройства заключается в следующем: прецизионный таймер при помощи элементов R1,R2,C1 постоянно генерирует сигналы в виде прямоугольных импульсов частотой 120 Гц. Инфракрасный световой диод отправляет эти импульсы на препятствие перед автомобилем. ИК луч, встретившись с преградой на своем пути, отражается от нее и на обратном пути оказывается на приемнике фотодиода. После этого с фотодиода сигнал идет на первый операционный усилитель, собранный на 1/4 микросхемы LM324N, и усиливается. Уже усиленный сигнал модулируется диодами D1-D2 и следует на остальные три операционные усилители, которые сравнивают входные напряжения на своих выходах (прямом и инверсном) и, в зависимости от величины напряжения, усиливают или ослабляют сигнал на выходе (так называемые «компараторы»). Каждый такой компаратор в данной схеме отвечает за свой светодиод, то есть в зависимости от величины напряжения на входе загорается один из трех светодиодов – зеленый, желтый или красный. Стоит отметить, что напряжение, которое подаётся на усилители, прямо пропорционально расстоянию до преграды. На основе маломощных углеродистых резисторов R7-R10 собран делитель напряжения, который задает порог срабатывания для каждого из компараторов. Затем сигнал посредством диодов D3-5попадает на таймер LM555CN, к которому подсоединен звуковой пьезоэлемент.

При дистанции до препятствия 50 см загорается зеленый светодиод. При расстоянии в 25 см загорается второй –желтый. При расстоянии 10 см до преграды начинает светиться красный светодиод. Приведенные расстояния могут меняться подстроечным резистором R3 вручную.

100

Звуковая сигнализация по мере приближения так же меняет частоту звучания, что позволяет водителю определить расстояние до препятствия. Например, при расстоянии 50 см до преграды пьезолемент будет издавать звуковые сигналы с частотой 1-2 раза в секунду. На дальности 25 см звук участится до 3-4 раз. А при расстоянии 10 см до препятствия звуковые колебания будут издаваться с частотой 5 раз в секунду и более.

Излучающие светодиоды и приемные фотодиоды крепятся снаружи автомобиля на бампере, а значит они подвержены влиянию окружающей среды. Поэтому требуется обязательно продумать защиту этих элементов от солнечной засветки и влагозащиту. Так же существует погрешность при определении расстояния, при котором необходимо включить светодиодную и звуковую индикации из-за индивидуальных отражающих свойств препятствия, на которое направляются импульсы. Следует помнить, что эти элементы могут работать со сбоями либо не работать вообще при их загрязнении.

Литература

1.Электронный ресурс аmastercar– электрон.данные – Ре-

жим доступа: https://amastercar.ru

2.Электронный ресурс texnicRU – элетрон. Данные – Ре-

жим доступа: http://www.texnic.ru

3.Электронный ресурс Автогид – электрон.данные – Режим доступа:http://www.avtogide.ru

4.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

101

УДК 539.1

АВТОМОБИЛЬНЫЙ РАДАР‒ДЕТЕКТОР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИОДА

В. В. Воронин, И. В. Свиридова, Л. Н. Никитин

В настоящей статье рассматривается такое электронное устройство, как радар-детектор. Базовой областью применения этого прибора, является способность обнаружить и предупредить водителя транспортного средства, об использовании органами ГИБДД мобильных и стационарных радиочастотных радаров, предназначенных для определения скорости с которой едет его автомобиль. Данная статья будет разделена на три основополагающих пункта, такие как: принцип работы, виды и устройство, особенности и отличия.

Ключевые слова: радар-детектор, сверхвысокочастотный диод, помехозащищенность.

Говоря о радар-детекторе рядовой пользователь автомобиля представляет перед собой электронный прибор небольших размеров, которое зачастую устанавливается на лобовое (ветровое) стекло или торпеду транспортного средства, его можно подключить к автомобилю через прикуриватель. Он способен уловить сигнал, который испускают радарные установки мобильных или стационарных постов, используемых государственной инспекцией, и посредством звукового и визуального сигнала предупредить водителя. При этом любой радар-детектор может обнаружить присутствие радара заблаговременно до того, как автомобиль окажется в зоне обнаружения последнего. Чтобы разобраться за счет чего так происходит, сначала нужно рассмотреть принцип по которому работает сам радар. Данное оборудование, применяемое ГИБДД Российской Федерации, основано на использовании принципа Доплера: они посылают электромагнитный сигнал и принимают его отражение от едущего автомобиля, при этом частота с которой сигнал излучается и отражается отличаются (по их разнице и вычисляется скорость, с которой передвигается транспортное средство). Структурная схема радар – детектора приведена на рисунке ниже.

102

используемые радарами, как: Х-, К- и La-диапазоны, последний так же на-зывается лазерным. Так рассматривая данный радар - детектор сле-дует сказать, что в качестве детектирующего элемента используется СВЧ диод, следовательно, такой радар-детектор будет работать на частоте 3см волн, чему соответствует Х-диапазон и К-диапазон.

Говоря о радар - детекторе многие упоминают и антирадар, но это принципиально разные устройства. Их отличия гигантски, радар-детектор представляет собой некое приспособление, которое принимает радиосигналы, а вот антирадар "глушит" эти сигналы, за счет создания помех, которые нарушают работу радаров ГИБДД (в связи с чем его применение незаконно на территории Российской Федерации). Так же стоит отметить, что использование сверхвысоких частот позволяет улучшить эффективность данного устройства. Это связано с тем, что гетеродинные детекторы работают не на всем диапазоне частот, а только на том, который устанавливается разностью входного и собственного сигнала. Что в свою очередь уменьшает влияние помех от других электронных приборов и помех промышленных районов городов. Также при выборе радар - детектора необходимо акцентировать свое внимание на следующие характеристики: дальность действия, помехозащищенность и доля ложных срабатываний.

Литература

1.Белка против стрелки [Электронный ресурс] / Принцип работы автомобильных радар-детекторов. Режим доступа: http://belkastrelka.ru

2.За рулем[Электронный ресурс]/ Радар-детекторы: главные вопросы и ответы. Режим доступа: http://www.zr.ru

3.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

4.Чирков О.Н. Оптимизация оценки многолучевого канала радиосвязи с OFDM / О.Н Чирков, И.В. Свиридова, И.С. Бобылкин // Труды международного симпозиума надежность и качество. Пен-зенский государственный университет. 2018. Т. 2. С. 131-133.

Воронежский государственный технический университет

104

УДК 539.1

УЛЬТРАКОРОТКОВОЛНОВАЯ ПРИСТАВКА

М. Ю. Гостев, Л. Н. Никитин

Описываемое устройство позволяет расширить площадь охвата и расстояние передаваемого сигнала. Оно предназначено для применения совместно с мобильным телефоном или смартфоном. Передача и прием информации происходит в двух ультракоротковолновых диапазонах (136 – 174)МГц и (400 – 512) МГц. При этом используется частотная модуляция (ЧМ), которая, как известно более устойчива к импульсным помехам по сравнению с амплитудной модуляцией. Это дает право утверждать о большей достоверности принимаемой информации. Конфигурация параметров ЧМ зависит от характеристик входных и выходных фильтров, а так же диапазона работы основной микросхемы /1/.

Ключевые слова: ультракоротковолновый диапазон, одноканальный передатчик, смартфон.

Ультракоротковолновая приставка выполнена на микросхеме RDA1864, которая представляет из себя одноканальный чип- приемо-передатчик. В целом это высоко технологичный однокристальный приемо-передатчик, в следствии чего требует наименьшее возможное количество дополнительный компонентов для чувствительных радио передающих и принимающих цепей, что позволяет создавать компактные и качественные устройства. Универсальные функции настройки способствуют уверенному приему передаваемой информации в условиях атмосферных помех.

Указанная микросхема используется в паре с микроконтроллером управления, с помощью которого передаются данные на устройство управления. В нашем случае это смартфон на базе операционной системы Android, что в совокупности позволяет на одном устройстве использовать не только мобильный телефон, без ухудшения базовых параметров, получая при этом возможности используемых радиостанций, что дает целый ряд преимуществ:

1)оперативное изменение рабочей частоты;

2)возможность установить свой шаг сетки в используемых диапазонах;

3)количество сохраненных каналов зависит от внутренней памяти смартфона;

105

4)возможность прослушивать и сканировать частоты в двух диапазонах;

5)возможность прослушивать насыщенные помехами радиостанции (за счет встроенного фильтра помех);

6)возможность работы с цифровыми радиостанциями любых производителей;

7)быстродействие системы позволяет получить мгновенную связь в эфире;

8)выходная мощность передатчика регулируется;

9)есть возможность работы с наборами частотных тонов. Предлагаемое устройство, кроме работы на частотах мо-

бильной связи, может с успехом соперничать с УКВ радиостанциями ведущих мировых производителей работающих на частотах не требующих лицензии. Это диапазоны (с безлицензионной системой персональной подвижной радиосвязи) LPD( 433.075-434.750

МГц) и PRM (446.00625-446.093750) /2/.

Данное устройство может на равных соперничать с УКВ радиостанциями ведущих мировых производителей, оно может стать незаменимым помощником в геологоразведках, туристических походах, имеет возможность работать с большим количеством навесного радиооборудования, при этом не займёт много место в карманах или рюкзаке.

Литература

1.Севастьянов П. Радиолюбитель / П. Севастьянов // ООО

«Медиапринт», 2005 г. Вып.2.

2.Семенюта Н.Ф. От телеграфа до Интернета / Н.Ф. Семенюта. – Телком, 2017. – 228 с.

3.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

106

УДК 621.396.677.71, 621.396.677.73

ОБЗОР РАЗЛИЧНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЩЕЛЕВЫХ АНТЕНН

А. Э. Привалова, А. С. Самодуров

В данной статье представлен обзор широкополосных антенн с расширяющейся щелью, обеспечивающих работу в широком диапазоне частот или в нескольких диапазонах. Щелевые печатные антенны, называемые антеннами Вивальди с экспоненциально расширяющейся щелью, являются наиболее востребованными в настоящее время. Антенны и решетки из таких излучателей обладают рядом преимуществ: простота конструкции, небольшие габариты и низкая стоимость. Конфигурация излучающих пластин , их согласование с возбуждающим устройством и геометрические размеры волновода определяют свойства антенны.

Ключевые слова: антенна Вивальди, широкополосные щелевые антенны, рупорные двухгребневые антенны.

TSA, или антенна Вивальди

Tapered Slot Antenna (TSA) – сверхширокополосная антенна с расширяющейся щелевой линией. Печатный излучатель также называется «антенна Вивальди» [1]. Использование конфигурации антенн Вивальди в составе антенных решеток обеспечивает качественное широкополосное согласование и стабильную диаграмму направленности в диапазоне рабочих частот от 8,5 до10,2 Ггц.

Конструкция (рис. 1): антенна состоит из диэлектрической подложки, на поверхность которой нанесен металлизированный слой специальной формы и структуры, которые влияют на сопротивление антенны. Считается, что наиболее широкую полосу дает нарастание ширины щелевой линии по экспоненциальному закону. Конструкцию антенны условно можно разделить на функциональные зоны: раскрыв – проводящая зона, в которой распространяется сигнал, преобразователь – зона, в которой происходит преобразование коаксиальной линии передачи в щелевую линию; в резонаторной зоне входное сопротивление излучателя согласуется с низким сопротивлением линии передачи.

107

Рис. 1. Антенна Вивальди

Принцип работы: длина антенны формирует усиление на верхнем краю полосы частот и в середине, а ширина определяет нижнюю полосу частот. Форма щелевой линии, делящая металлический экран на две проводящие пластины определяет рабочую полосу частот. Геометрически размеры резонансного отверстия и качество согласования определяют реактивность в нижней части полосы [3].

Особенности: антенна Вивальди обеспечивает высокий коэффициент усиления, работу в широком диапазоне частот, постоянную ширину луча и низкие боковые лепестки. Небольшие габариты, низкая стоимость, простота конструкции располагают к дальнейшему модифицированию и использованию данной антенны в различных устройствах и антенных решетках. Изменяя длину антенны можно регулировать направленность, что позволяет добиться усиление до 17 дБ [2]. Когда Вивальди впервые была представлена Гибсоном, она достигла полосы пропускания импеданса от 2 ГГц до 40 ГГц с усилением 10 дБ и боковыми лепестками −20 дБ.

DETASA

Разработана модифицированная форма антенны Вивальди, представляющая собой двойную эллиптически-коническую антипо-

108

дальную щелевую антенну с «паразитическим» участком (рис. 2 -

вид сверху). DETASA- dual-elliptically tapered antipodal slot antenna, представленавработе Design of a Wideband Antipodal Vivaldi Antenna with an Asymmetric Parasitic Patch [4].

Рис. 2. Антенна Вивальди с трапецеидальным участком

Конструкция: конусный щелевой излучатель образован двумя проводящими пластинами, которые симметрично напечатаны на противоположных сторонах диэлектрической подложки. Экраны имеют эллиптическую конусность. Обычная DETASA отличается от экспоненциально сужающейся антиподальной антенны Вивальди тем, что все внутренние и внешние края проводящих участков имеют эллиптическую конусность [5]. Двойной асимметричный трапецеидальный участок находится в апертуре между двумя экранами.

Принцип работы: DETASA с трапецеидальный участком создает поля между трапециями и внутренними краями двух проводящих экранов. Определенная конфигурация паразитного участка позволяет преобразовать распределение электрического поля, создаваемого на апертуре антенны, в плоскую форму волны. В отличие от эллиптической формы (рис. 3), двойная асимметричная трапециевидная форма обладает определенной степенью свободы, которая позволяет фокусироваться лучу, в то же время, более эффективно уменьшая излучение вне оси в более широких диапазонах частот. Поэтому распределение поля, создаваемого в апертуре антенны Вивальди, зависит от формы и размера вставляемого паразитного

109

участка. «Parasitic Patch» предназначен для фокусирования энергии в направлении волны в широкой полосе частот.

Преимущества: эффективное фокусирование излучения, улучшение коэффициента усиления и стабильность диаграмм направленности на высоких частотах.пиковое усиление > 0 дБ в диапазоне частот 2–32 ГГц и > 10 дБ в диапазоне 6 –21 ГГц. Структура антенны, включая линию питания и переход, имеет размеры 140 × 66 × 1,5 мм3 [6].

Рис. 3. Антенна Вивальди с эллиптическим участком

Антенны рупорные двухгребневые (Double-Ridged Waveguide Horn Antenna)

Антенны, представленные на рис. 4 называются рупорными. Также их называют «двухгребневые рупорные антенны». Они имеют широкое применение в различных технических отраслях благодаря высокому КУ, малому побочному излучению антенной электромагнитного поля и простой конструкции. Антенны такого типа применяют для передачи и приема излучения СВЧ-диапазона. Антенны могут быть использованы как самостоятельные излучатели, так и излучающие элементы в составе антенных решеток в космической связи (спутниках), радиолокации, измерительной технике, противоракетной обороне.

Конструкция: Два гребня, расширяющиеся по экспоненциальному закону, размещены в рупоре, который обеспечивает направленное излучение радиоволн.

110

Рис. 4. Двухгребневая рупорная антенна

Принцип работы: радиоволны концентрируются металлическим волноводом в луч и далее, отражаясь от стенок рупора, волны излучаются в открытое пространство. Необходимый диапазон в полосе пропускания волновода достигается введением гребней, обеспечивающих направленное излучение плоской поверхностью раскрыва [7].

Преимущества: рупорные антенны - широполосны, диаграмма направленности задних лепестков не превышает 40 dB (малый уровень задних лепестков), высокий и равномерный коэффициент усиления.

Улучшенная конструкция двухгребневой рупорной антенны DRGH

(Double Ridged Guide Horn Antenna)

Двухгребневые рупорные антенны могут быть модифицированы. На рис. 5 представлены различные виды конструкций рупоров. На рис. 5, a представлен стандартный рупор DRGH-0118 с диэлектрическими боковинами, далее на рис. 5, б в роли боковых стенок рупора 3115 выступают металлические решетки без диэлектри-

111

ка. Рис. 5, в демонстрирует рупор 3117 без боковых стенок, который содержит два ребра. Согласующие ребра имеют форму кривой Безье [8]. Изменение боковых стенок и геометрических размеров рупорных антенн позволяет регулировать диаграмму направленности.

Рис. 5. Рупорные антенны: а - Spectrum Technologies DRGH0118; б - ETS-LINDGREN 3115; в - ETS-LINDGREN 3117

Результат модификации антенны: диапазон рабочих частот достигает 30 ГГц. Коэффициент стоячих волн в диапазоне от 0,8 до 30 ГГц уменьшен и не превышает 1,5. Упрощенная структура коак- сиально-волноводного перехода обеспечивает более качественное и точное изготовление антенны, что исключает возникновение промежутков и зазоров, которые негативно влияют на характеристики антенн. Рупорная антенна EMCO/ETS - Lindgren 3115 Double – Ridged Waveguide Horn Antenna на рис. 6, а работает в диапазоне рабочих частот 1-18 ГГц. КВС< 1.5:1. Максимальная мощность 30

В. Антенна на рис. 6, б – Amplifier Research ATH1G18 Microwave Horn Antenna, работает на частоте 1-18 ГГц. КВС 2:1, Импеданс -50 Ом у обеих антенн.

Рис. 6. Рупорные антенны

112

Цилиндрическая антенная решетка

Цилиндрическая антенная решетка, состоящая из восьми двухгребневых рупорных антенн (рис. 7), имеет сектор сканирования, достигающий 360°, что является значительным преимуществом по сравнению с плоскими аналогами. АР применяется для работы в качестве сумматора собранной микроволновой мощности из синхронизированных источников. Антенна работает в диапазоне частот диапазон от ≈ 2 ÷ 16 ГГц, где КСВН <2 [9].

Рис. 7. Цилиндрическая рупорная антенная решетка

Compact, Dual-PolarizedUWBAntenna

Двухполяризационная сверхширокополосная антенна, разработанная специально для вставки в головку ракеты (рис. 8). Антенна представлена в работе Гжегожа Адамика и Томаса Цивика

«Compact, Dual-Polarized UWB Antenna, Embeddedina Dielectric» [10].

Рис. 8. Двухполяризационная сверхширокополосная антенна бегущей волны

Конструкция: широкополосная двухполяризационная антенна включает в себя две скрещенные антенны Вивальди с прорезью и большим отверстием на каждой подложке. (Конструкция объединенных антенн Вивальди подробно описана в работе Marko Sonkki,

113

Daniel Sanchez - Escuderos «Wideband Dual-Polarized Cross – Shaped Vivaldi Antenna»). Продольный сдвиг позволяет избежать пересечения микрополосковых линий. Корпус выполнен из тефлона, диэлектрическая проницаемость которого 2,08. Конусоидальная форма корпуса определяет диаграмму направленности. Толщина подложки составляет 0,79 мм. Материал с диэлектрической проницаемостью

2,2 - Duroid 5880.

Принцип работы: Работает аналогично конусным щелевым антеннам.

Особенности: сверхширокополосность, низкая кроссполяризация и небольшие габариты. Разрешение сигналов по поляризации 17 дБ, достигается максимальное усиление 10, 5 дБ. Диапазон частот антенны от 3,1 до 10,6 ГГц.

Антенны Вивальди, собранные в антенную решетку, способны обеспечить пятикратное перекрытие по частоте и коэффициент усиления свыше 20 дБ. Фазированные решетки, содержащие антенны TSA, применяются для изучения электромагнитного излучения космических объектов, а также для конструирования сверхширокополосных радаров. Благодаря плоской конфигурации антенны Вивальди, ее можно использовать как в линейных решетках (расположение антенн в ряд), так в объемных (расположение по принципу сот). В отличие от большинства других антенн, TSA в составе решеток расширяет полосу частот, а также модифицированная антенна обеспечивает: стабильные показатели диаграммы направленности в диапазоне рабочих частот от 8,5 до 10,2 Ггц, согласование в широкой полосе рабочих частот и совместимость элемента в составе АР в случае сильного уменьшении уровня взаимных связей с близкими излучателями [11].

Изготовлена конусная антенная решетка, состоящая из 8 элементов Вивальди для сканирования через бетонные стены, рис. 9 демонстрирует верхний и нижний слои изготовленного массива и , напечатанного на материале Rogers RT5880. Рабочий диапазон частот от 1,2 до 4,2 ГГц с обратными потерями ниже -10 дБ. Общий размер массива составляет 480 мм × 210 мм (8 дюймов × 19 дюймов), где восемь одиночных антенн Вивальди питаются помощью двух делителей мощности Уилкинса [12].

114

Рис. 9. Конусная антенная решетка: а – вид сверху, б – вид снизу

Антенна Вивальди с линзой Люнеберга (Beam-steering Vivaldi antenna based on partial Luneburg lens constructed with composite materials)

располагающих-ся по обеим сторонам от плоскости поляризации,

ирассеивателей, которыми являются круглые отверстия

снижение уровня боковых лепестков и повышение КУ достигается только с помощью определенного ко-личества дисков. Конструкция из восьми дисков в составе линзы Люнеберга удовлетворяет эти требования [13].

Рис. 10. Антенна Вивальди Люнеберга патент № 2593910

Конструкция: Антенна Вивальди (рис. 11) содержит диэлектрическую подложку 1, металлический слой 2, расширяющая щель

115

выполнена на металлическом проводящем слое, раскрыв антенны 4 имеет форму ветвей гиперболы. Линза Люнеберга, выполненная из рассеивателей, частично покрытая токопроводящим материалом, располагается в апертуре антенны. Коррекции фазовых искажений в раскрыве достигается расположением рассеивателей линзы (электропроводных пластинок) в поперечном направлении раскрыва с небольшим зазором относительно стенок щели, что обеспечивает отсутствие электрического контакта.

Преимущества: снижения уровня боковых лепестков коэффициента усиления, небольшие продольные и упрощенная конструкция антенны.

Рис. 11. Конструкция Антенны Вивальди с печатной линзой на единой диэлектрической подложке

Конструкция излучателя Вивальди в совокупности с СВЧ - интраскопией активно применятся в медицине для выявления различных опухолей и диагностировании рака [14]. На рис. 12 представлена система обнаружения неоднородностей, содержащая 4 излучателя Вивальди (рис.13), подключённых к нагрузке в 50 Ом.

Такого количества антенн достаточно, чтобы получить четкое двумерное изображение. Диэлектрического материал Rogers R03010 используется в качестве подложки (диэлектрическая проницаемость

ε = 10,2). Размеры излучателя : 57×52×1,54 мм.

116

Рис. 12.Трехмерная модель системы обнаружения неоднородностей

Рис. 13. Излучатели Вивальди

Литература

1.P. Gibson. The vivaldi aerial. Paper presented at the 9th Conference European Microwave Conference, 1979 [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.semanticscholar.org/paper/The-Vivaldi- Aerial-Gibson/8839b84e8432f6787d2281806430a65d39a94499

2.Antenna theory analysis and design of Constantine A. Balanis.: fourth edition.-2006. - P. 496-498.

3.Изучение свойств сверхширокополосной планарной УКВ антенны [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dl2kq.de /ant/3-90.htm.

117

4.Jaehoon Choi. Design of a Wideband Antipodal Vivaldi Antenna with an Asymmetric Parasitic Patch//Journal of electromagnetic engineering and science. VOL:18, NO. 1, 29~34, JAN. 2018.

5.I. T. Nassar. A novel method for improving antipodal Vivaldi antenna performance// IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 7, pp

6.Marko Sonkki, Daniel Sanchez. Escuderos Wideband DualPolarized Cross-Shaped Vivaldi Antenna Zero// IEEE Transactions on Antennas and Propagation.- Vol.: 63, I: 7, July 2015.

7.Carlos Silvera .Design and Development of a Double-Ridged Waveguide Horn Antenna: диплом. работа. Hochschulefür Angewandte Wissenschaften Hamburg, 2011 (Гамбургский Университет прикладных наук).

8.J. W. Odendaal, B. Jacobs, and J. Joubert .An Improved Design for a 1-18 GHz DoubleRidged Guide Horn Antenna// IEEE Transactions on Antennas and PropagationVol:61 , I: 9 , Sept. 2012 .

9.Mateusz Mazur, IgaKurcabaCylindrical horn antenna array with uprised beam in elevation, Published 2016 in International Conference on Microwave.

10.G. Adamiuk , T. Zwick, W. Wiesbeck. Compact. DualPolarized UWB-Antenna, Embedded in a Dielectric// IEEE Transactions on Antennas and PropagationVol: 58 , I: 2 , Feb. 2010.

11.Модифицированная антенна Вивальди. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.wifiantenna.org.ua/antennas/ modifitsirovannaya-antenna-vivaldi/

12.Y. Wang, Y. Yang, ,. E. Fathy .Design of compact vivaldi antenna arrays for UWB //PIE( Progress In Electromagnetics Research).

13.Bin Zhou, Yan Yang, Hui Li, Tie Jun Cui. Beam-steering Vivaldi antenna based on partial Luneburg lens constructed with composite materials // Journal of Applied Physics, V. 110, nо. 8, рр. 084908- 084908-6, 2011.

14.[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://library. eltech. ru/files/vkr/2017/bakalavri

15.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

118

УДК 539.1

ДОЗИМЕТР

А. А. Крюков, И. В. Свиридова, Л. Н. Никитин

В современном мире огромную роль играет такое природноеявление, как радиация. Опасная для здоровья человека, она можетнанести непоправимый вред развитию живого организма. Из-заотсутствия необходимых органов чувств, распознающих уровень радиации,человек не может мгновенно реагировать на это очень опасноеизлучение. Радиоактивность и излучения, сопровождающие её, - этоявления, существовавшие во Вселенной со времени её возникновения.

Ключевые слова: дозиметр, блокинг – генератор, пьезоизлучатель.

Ионизирующие излучение имеет несколько видов: это альфа излучение, бета излучение и гама излучение. Все эти излучения наиболее частые в окружающей среде и несут непоправимый вред живому организму.

Для обнаружения таких излучений было придумано такое устройство, как дозиметр. Дозиметром называют устройство для измерения радиации (радиоактивного излучения) в определенном месте или образце. Измерения могут проводиться в закрытых помещениях или на открытом воздухе.

Уровень дозы, а также мощность излучения ионизации наблюдается и определяется за счет последовательного пересчета импульса, а, следовательно, и каждой пройденной частицы через датчик. Все полученные данные проходят обработку электронной схемой и выводятся на жидкокристаллический монитор устройства.

Прибор сделан как простой и функциональный цифровой дозиметр и предназначен для длительной автономной работы.

Дозиметры делятся на 2 типа: профессиональные и бытовые. Устройство подразделяется на три основных вида:

1.Прибор, измеряющий дозу, накапливаемую за определенное время пребывания в условиях радиационных нагрузок

2.Показывает превышение допустимой величины нагрузки или величину излучения

3.Специальные стационарные установки.

Среди бытовых приборов есть большое множество разных модификаций, которые отличаются не только по размерам и цене,

119

но также по типу излучения и модели датчика. Есть также звуковые и беззвучные модели дозиметров радиации.

Принципиальная схема дозиметра представлена на рисунке

ниже.

Эскиз схемы электрической принципиальной дозиметра

Устройство выполнено на базе датчика счетчика ГейгераМюллера СБМ-20 (VL-1) и управляющей микросхемы Atmega 8a фирмы Atmel (DD1). Также присутствует LSD дисплей Nokia 3310(HG1). Присутствует обвязка для зарядки аккумулятора, туда входит диод Шоттки (VD2). В дозиметре имеются четыре кнопки управления, одна из них служит включением (нажатие около 3 сек), потом при однократном нажатии позволяет войти в основное меню (SB4). Еще одна кнопка отвечает за включение подсветки дисплея (SB3), остальные две кнопки отвечают за управление в главном меню (SB1,SB2). Все это управление позволяет производить 8- разрядный микроконтроллер с 8 Кб внутрисистемной программируемой Flash памяти. В него зашивается прошивка с помощью про-

120

грамматора. Присутствует индикатор включения, а также дополнительный сигнализатор радиационного фона (HL3). Пьезоизлучатель выполнят схожую функцию, что и светодиод, но издает характерный звук (BQ1). В схеме присутствует обвязка для зарядки аккумуляторной батареи, рабочее напряжение которое 3,7В максимально допустимое 4,17В (GB1). В обвязке присутствует три транзистора, которые отвечают за зарядку VT1,VT2,VT3. Модуль настроен таким образом, что при достижении напряжения 4,17 В заряд аккумулятора прекращается, при достижении 3,65 дозиметр выключается. Зарядка батареи происходит автоматически, когда мы подключаем зарядное устройство. Так же отображается статус зарядки и текущего уровня заряда батареи. Есть индикатор в виде светодиода, который сигнализирует, что происходит заряд батареи при отключении блока питания, горение светодиода прекращается.

В схеме присутствует преобразователь высоковольтный он, построен по принципу прямоходового импульсного преобразователя на основе блокинг-генератора.

Одна из немаловажных частей схемы - это блокинггенератор, он используется для создания сигналов с большой скважностью. В них используется трансформатор (T1), который включён в цепь обратной связи. Наличие гальванической развязки на выходе позволяет формировать высоковольтные импульсы, Это нужно для питания датчика СБМ20. Выходное напряжение должно быть в пределах 400 +/- 20В.

Литература

1.stalker-nt.ru– дозиметр.данные [Электронный ресурс].

Режим доступа: https:///stalker-nt.ru/stati.ru

2.quarta-rad – счетчик Гейгера-Мюллера. Данные [Элек-

тронный ресурс]. Режим доступа: https://www.quarta-rad.ru

3.mydozimetr –счетчик Гейгера-Мюллера. Данные [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://mydozimetr.ru

4.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник научных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

121

УДК 621.396.67

ОБЗОР ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

И. В. Негороженко, И. С. Бобылкин.

В статье представлен обзор лабораторного стенда, используемого для наглядной демонстрации и работы с термоанемометрическим эффектом, а также рассмотрены варианты его конструкций.

Ключевые слова: анемометр, термометр, термоанемометрический эффект.

Анемометр – это такой прибор, который фиксирует скорость движения воздушных масс и газов. Его название получено от слияния греческих слов «анемо и матрео», и их дословный перевод дает значение как «измерение ветра» Прибор изобретен известным ученым Робертом Гуком в 1667 году.

Такие устройства применяют для сбора и систематизации процессов в атмосфере и построения прогнозов (рис. 1), такое оборудование располагается в аэропортах и на аэродромах, которым проверяют КПД работы вентиляционного оборудования и различных промышленных установок.

Анемометр очень важный прибор для снайперов, которые перед своим выстрелом почти всегда берут поправку на ветер. Анемометры так же нашел свое применение и в спорте, таком как биатлон и остальные стрелковые виды. Прибор можно встретить в арсенале любителей парусного спорта [3].

Встроенные анемометры размещаются в управляющую панель башенных кранов, чтобы оповещать работника о сильных порывах ветра, что очень опасно для нагруженного подъемного крана. Также востребован и для сельскохозяйственной деятельности, например для улучшения равномерности и качества опрыскивания полей пестицидами [4].

122

Рис. 1. Анемометр

Ход работы

Для выполнения данного стенда были поставлены определенные цели и задачи, а именно:

1 - Измерение скорости воздушного потока и температуры.

2- Измерение максимальной/средней/мгновенной (текущей) скорости воздушного потока с последующей их регулировкой механически (вручную), либо автоматически (аппаратно).

3- ЖК-дисплей с подсветкой для вывода требуемой инфор-

мации.

4- Индикация коэффициента охлаждения ветром.

5- Показать как изменяется скорость движения воздуха от изменения среды его прохождения.

Для решенияпоставленных целей и задач были разработаны:

1- Макет на базе ВГТУ.

2- Модель с последующей печатью изделий конструкции на 3D принтере.

3- Программное обеспечение.

А так же заказан Анемометр - Термометр цифровой GM816.

123

Разработка модели производилась в среде приложения КОМПАС-3D V16 (рис. 2).

Разработка программного обеспечения разрабатывалась на базе Arduino (рис. 3).

Рис. 2. КОМПАС-3D

Рис. 3. Arduino

Сборная установка для стенда состоит из пяти разных блоков, соединенных между собой (рис. 4), которые образуют целостную лабораторную конструкцию.

124

Рис. 4. Сборная установка

Крепежи 1 и 4, обозначенные на рис. 4, разработаны и спроектированы в КОМПАС-3D, после чего напечатаны при помощи 3D принтера.

АнемометрТермометр (рис. 1) имеет ряд характеристик сбора информации и её анализа, приведенных в таблице.

Трубка 3 съемная. Для проведения ряда экспериментов имеются несколько её видов (A - прямоугольная, B - цилиндрическая и C - треугольная) представленных на рис. 5 [1],[2].

На рис. 6 приведена фотография части хода разработки, а именно сборка лабораторной конструкции и её испытание. На данном лабораторном стенде мы можем снимать данные в виде:

1- Скорости потока воздуха, в одной из трех сред (трубок), представленных ранее от скорости вентилятора (кулера) на анемометре.

2- Температуры воздуха на анемометре.

3- Количества оборотов на вентиляторе (кулере), посредством считывания показателей из встроенного в него тахометра и расчета объема проходимого воздуха, выводимых на ЖК-дисплей.

125

Рис. 5. Трубки A,B,C

126

Технические характеристики анемометра

Рис. 6. Пример хода разработки

127

Ниже приведена часть кода программы, дающая возможность регулировки оборотов на вентиляторе путем нажатия двух кнопок и выводом показателей на ЖК-дисплей.

Int Motor = 11; int Speed = 0; int Val = 0; intanalogPin = 3; int button1 = 10; int button2 = 9;

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h> LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,20,4); void setup() {

pinMode (button1, INPUT); pinMode (button2, INPUT); pinMode (Motor, OUTPUT); digitalWrite (button1, HIGH); digitalWrite (button2, HIGH); lcd.init();

lcd.backlight(); lcd.print(“Speed = “); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(“Val = “); Serial.begin (9600);

}

void loop() {

if (digitalRead (button1) == LOW) { Speed -= 50;

}

if (digitalRead (button2) == LOW) { Speed += 50;

}

delay(250);

Speed = constrain (Speed,0,250); analogWrite (Motor, Speed); Serial.println (Speed);

Val = analogRead (analogPin); Serial.println(Val);

128

lcd.setCursor (8,0); lcd.print (Speed); lcd.setCursor(6,1); lcd.print (Val);

}

В заключении стоит отметить актуальность исследования и разработки термоанемометрических устройств для работы во многих сферах жизни.

Например:

1 - Автоматическая вентиляция воздуха на лако-красочных производствах и т.п.;

2 - Для проекта «Умный дом», то есть поддержания притока свежего воздуха и нормирования температуры в помещении, что не мало важно в таких учреждениях, как больницы;

3 - В цехах производств, где должна соблюдаться строго поставленная температура воздуха или же движение воздушных масс; 4 - Исключение создания воздушных пробок в вентиляцион-

ных шахтах; 5 - Ветрогенераторных систем для повышения КПД выра-

ботки электроэнергии; 6 – Поддержание и анализ температур в электронных уст-

ройствах.

Литература

1.Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха

/Е.В. Стефанов. – Санкт-Петербург: АВОК Северо-Запад, 2005. –

402 с.

2.Движение воздуха при работе систем вентиляции и отопления / Г.А. Максимов, В.В. Дерюгин. – М.: Книга по Требованию,

2012. – 100 с.

3.Сигнальное дело. Учебник для подготовки сигнальщиков

РК ВМФ.

4.Воронец В.С. Памятка крановщика / В.С. Воронец. – 5-е изд. – Москва: Машиностроение.

5.Муратов А.В. Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: межвузовский сборник науч-

129

ных трудов / А.В. Муратов, О.Ю. Макаров. – Воронеж, Воронежский государственный технический университет. – 2018. – С. 182.

Воронежский государственный технический университет

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работы, входящие в данный сборник, посвящены различным вопросам и задачам обеспечения и повышения качества и надежности радиоэлектронных устройств, приборов, комплексов и систем, программно-технических систем и комплексов, освещают вопросы разработки соответствующих методик, моделей, алгоритмов, методов проектирования, анализа и оценки показателей качества и надежности, отражают результаты практических и теоретических исследований, проектных работ, проведенных в вузах и предприятиях г. Воронежа. Опубликованные статьи отражают современный уровень и перспективные направления в области создания и производства высоконадежных радиоэлектронных средств, технических и программно-технических систем, имеют прикладную направленность и охватывают широкий круг вопросов, связанных с проектированием, испытаниями, изготовлением и эксплуатацией данного класса устройств и систем.

130

131

132