книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Процесс поочередного отражения волны напряжения от обоих концов линии связи продолжается до тех пор, пока амплитуда отра­ женной волны не станет равной нулю. Отраженные волны напряжения накладываются на падающие волны, и в итоге форма входного напряжения может сущест­

венно исказиться.

Аналогичные рассуждения можно привести для волны тока, учитывая что коэффициент отражения волны тока

жений, но и оригиналов отраженной и падающей волны напряжения' и тока. При этом форма отраженной волны подобна форме волны падаю­ щей, а ее величина и знак определяются Аот(>- Отражения волн напря­ жения и тока могут быть не только от несогласованных нагрузок на концах линии, но и от различных неоднородностей в ней самой. Пусть

согласована на входе или на выходе, т. е. когда хотя бы одно из сопро­ тивлений R Hили R T равно z0). искажения минимальны и выражаются лишь в задержке сигнала (рис. 8.20, а) на величину т3 = Т (рис. 8.20,6).

На рис. 8.20, в представлен случай, когда сопротивления (RH и R T) или много больше г0, или много меньше г0. В первом случае на харак­

390

тер переходного процесса существенное влияние оказывает емкость линии связи, на заряд которой затрачивается много времени. Во вто­ ром случае переходный процесс в основном определяется суммарной индуктивностью в линии, препятствующей быстрому нарастанию тока

ной процесс (рис. 8.20, г). Величина т3, определяемая временем успо­ коения колебательного процесса, здесь также велика. Однако переколебания в данном случае могут достигнуть такой величины, что вызо­ вут ложное срабатывание элементов, нагруженных на данную линию.

В общем случае т3, вносимое линией связи, можно оценить следую­ щим образом. Пусть R T = 0, тогда Киг — —1, а Kn = (Кн — га)/(ка + + г0) = К. После п проходов вдоль линии и соответственно л/2 отра­ жений от R n амплитуда отраженной волны

Считаем переходный процесс законченным, когда величина иотр будет меньше заданной, определяемой как амвх, где а <М .

Примем

небольших рассогласованиях время переходных процессов резко воз­ растает.

Пусть линия связи с волновым сопротивлением z„ = 93 Ом подклю­ чена к генератору ступенчатого напряжения единичной амплитуды, имеющему выходное сопротивление R T = 25 0м. Выход линии свободен (RH= со ). Построив систему падающих и отраженных волн напряже­ ния, как это сделано на рис. 8.20, г, и наложив эти волны друг на друга, получим на конце линии колебательный процесс с амплитудой переколебаний 34% (в сторону уменьшения) и 58% (в сторону увеличения). Колебательный процесс устанавливается (амплитуда сигнала стано­ вится равной 0,8) через время, равное 9Т (где Т — время прохождения сигнала вдоль линии связи).

] 1w

где /ф — длительность фронта сигнала, с; v — скорость распростра­ нения сигнала, м/с; kc — эмпирическая постоянная, численное значе­ ние которой зависит от конструкции схемы и системы связи; са — ско-

391

рость света в вакууме, 3 *108 м/с; гг — диэлектрическая постоянная среды; рг — магнитная проницаемость среды.

Для наиболее часто встречающихся систем v = 2 - 10s м/с, kz = 4. Для /ф, равного 30; 5; 1 нс значения /тах соответственно будут 1,5; 0,25; 0,05 м.

Чтобы произвести анализ переходных процессов в «длинной» линии связи, необходимо знать ее волновое сопротивление г0, при нахожде­ нии которого широко используют метод, заключающийся в опреде­ лении погонной емкости линии связи Са, связанной с ее г0 соотношением

Емкость между проводниками, образующими линию связи, опре­ деляют как отношение величины заряда на любом из них (заряды равны

проводящая плоскость. Заряд фиктив­ ного проводника при этом берется об­ ратным по отношению к основному.

В табл. 8.5 приведены конфигура­ ции наиболее часто встречающихся в технике ЦВМ линий связи и формулы, дающие достаточно точное

значение волнового сопротивления для этих линий.

Паразитные наводки в «длинных» линиях связи. Если линии связи между элементами не экранированы, то электромагнитные поля, возникающие при прохождении по ним импульсных высокочастотных

392

сигналов, не локализованы и в той или иной степени возаимодействуют между собой. При этом на линиях-приемниках возникают сигналы помехи, форма и амплитуда которых зависит от характеристик линииприемника и линии-индуктора, величины их связи между собой, пара­ метров передаваемых сигналов и степени рассогласования самих линий. Амплитуда и длительность наведенных на линии-приемнике сигналов помехи может оказаться такой, что вызовет ложное срабатывание нагруженных на нее элементов.

Пусть линия-индуктор (с параметрами Lou С01, z01, zrl — в начале линии и ги1 — в конце линии) на участке I располагается на некотором расстоянии d от линии-приемника наводимой помехи (с параметрами

Z.Q2»Ом. Ай. А-2 — в начале линии и гн2 — в конце линии). Связь между линиями определяется взаимной погонной емкостью С1Л и погон­ ной взаимоиндуктивностью М.

Вслучае произвольных значений электрических параметров линий

инагрузочных сопротивлений расчет напряжения, наводимого в линииприемнике, потребует решения сложных дифференциальных уравнений

сучетом большого числа граничных условий. Решение задачи значи­ тельно упрощается, если допустить идентичность электрических пара­

метров линий (гй1 = г0, = z0; С01 = С02 = С0; L01 = Lm = L„).

В этом случае связь между линиями можно характеризовать коэф­ фициентами:

(8.36)

(8.37)

И тогда в случае полного согласования линий (гн = г„, гш- = г0) и малого обратного взаимодействия между линиями выражение для расчета наведенного напряжения в линии-приемнике имеет вид

21 — х \

~ ~ v ~ L

(8.38)

где ы2 (0 — сигнал помехи на линии-приемнике; uv {() — сигнал на

входе линии-индуктора; V = 1/ ]/7 .0С„; х — координата точки наблю­ дения относительно начала линий.

В соответствии с выражением (8.38) наведенное напряжение состоит из трех волн. Первые две волны имеют одинаковую амплитуду и распро­ страняются в противоположные стороны со скоростью V, а третьей волне соответствует последнее слагаемое в формуле (8.38) и она распро­ страняется в прямом направлении, причем ее амплитуда пропорцио­ нальна расстоянию от начала линии и производной по времени от управляющего напряжения.

Если на линии-индукторе наводится положительное напряжение единичной амплитуды с фронтом ^ф, то в начале линии-приемника будет наведена помеха того же знака амплитудой P i2, фронтом и спадом /ф и длительностью (па уровне 0,1) ЗГ, а на конце линии-приемника наве­

393

Значения Р и Q для часто встречающихся микрополосковых линий

док уменьшается.

Для иллюстрации вышесказан­ ного определим параметры наведен­ ного напряжения в линиях связи, представленных на рис. 8.21, а.

Т = 2,4 ДО-9 с. По графикам пред­

дукторе наводится импульс напря­ жения с амплитудой 5 В, то в ли­ нии-приемнике (в случае полного согласования) наводятся импуль­ сы: в начале линии — амплитудой 0,75 В и длительностью 5,8 нс; в конце линии — амплитудой 0,54 В, длительностью — 1 нс.

Экранирование в ЦВМ. При прохождении мощных сигналов по цепям связи последние становят­ ся источниками электромагнитных

полей, которые, пересекая другие цепи связи, могут наводить в них дополнительные помехи. Источниками электромагнитных полей могут быть также мощные промышленные установки, транспортные комму­ никации, двигатели и т. д. Устройства, чувствительные к статиче­ ским магнитным полям (например, магнитные элементы с разомкну­ тым магнитопроводом), могут неустойчива работать даже от таких слабых полей, как магнитное поле Земли. Для локализации, где это возможно, действия источника полей или самого приемника помех используют экранирование электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное.

394

Электростатическое экранирование заключается в шунтировании большей части (или всей) паразитной емкости емкостью на корпус. Пусть емкостная помеха наводится через паразитную емкость САВ между проводниками А (источник наводки) и В (приемник наводки). Если корпус удален на такое расстояние, что емкостью между ним и проводниками можно пренебречь (рис. 8.22, а), то амплитуда помехи

В случае, когда экран, соединенный с. корпусом, расположен вблизи проводников (рис. 8.22, б), шунтирующая емкость СВо умень-

£«

Рис. 8.22. Экранирование линий связи

шает амплитуду помехи до величины:

т. е. меньше «П) рассчитанной по (8.42) в САВ/СВо раз.

Если же экран расположен между проводниками так, как показано на рис. 8.23, в, то величина помехи еще более уменьшается за счет

' А В + (С2 + с т)

Магнитостатические экраны используют для защиты чувствитель­ ных цепей, элементов и устройств от постоянного и медленно изменяю­ щегося переменного магнитного поля. При этом источник или приемник помехи заключают в сплошной экран, изготовленный из ферромагнит­ ных материалов. Если источник наводки заключен в такой экран, то магнитные силовые линии замыкаются в нем и дадее не распростра­ няются. Если в экран заключен приемник наводки, то силовые линии магнитного поля не проникают в полость экрана.

Переменное высокочастотное электромагнитное поле при прохож­ дении через металлический лист перпендикулярно или под некоторым углом к его плоскости наводит в этом листе вихревые токи, поле кото­

395

рых ослабляет действие внешнего поля. Металлический лист в данном случае играет роль электромагнитного экрана. Примером электро­ магнитного экрана служит обшивка стоек вычислительных устройств.

Широкое распространение в ЦВМ нашли экранированные провода, коаксиальные кабели и свитые пары проводников или бифиляры. Рассмотрим эффективность использования бифиляра в качестве связи между элементами по сравнению с использованием одиночного провода (мерой эффективности в этом случае будет кратность уменьшения индуктивности).

Пусть связь осуществляется проводом диаметром d = 0,5 мм, толщиной изоляции а = 0,5 мм и длиной I = 50 см.

Для изолированного проводника индуктивность

L = 2 / ( l n - ~ - lj = 2 - 5 o ( l n ^ ^ — lj = 730 нГн.

Считая бифиляр двухпроводной линией с расстоянием между про­ водниками D = d + 2а, найдем, что

Таким образом, применение бифиляра вызывает уменьшение ин­ дуктивности, а следовательно, и наводок в L /L 6 =-730/180 = 4 раза.

§8.5. НАДЕЖНОСТЬ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ЦВМ И ВС

ИНЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ЕЕ УВЕЛИЧЕНИЯ

Надежность — один из основных параметров, характеризующих уровень разработанной ЦВМ и ВС. Этому параметру с каждым годом уделяется все большее внимание вследствии: а) усложнения схемно­ конструктивного построения ЦВМ, увеличения числа компонентов; б) внедрения ЦВМ во все сферы деятельности человека, использование их в исключительно тяжелых условиях эксплуатации (например, в условиях повышенной радиации, космических объектах ит.'п .).

Под надежностью ЦВМ понимают ее свойство выполнять заданные функции при заданных режимах и условиях эксплуатации в течение требуемого промежутка времени.

Основными количественными характеристиками надежности явля­ ются:

1. Вероятность безотказной работы Р (t) — вероятность того,

что при заданных режимах и условиях эксплуатации в течение задан­ ного промежутка времени в ЦВМ не произойдет отказ.

2. Интенсивность (опасность) отказов X,(t) — вероятность отказов неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

3. Среднее время наработки до отказа Тср — среднее время работы изделия между отказами.

396

Эти характеристики связаны между собой следующими соотноше­ ниями:

Вероятность безотказной работы изделия в нормальных условиях эксплуатации при внезапных отказах, как правило, подчиняется экспоненциальному закону, для которого характерно постоянство величины интенсивности отказов (к = const). В этом случае выра­ жения (8.46) и (8.48) принимают вид:

Если в ЦВМ не используют специальные методы повышения на­ дежности, то ее можно представить в виде последовательно соеди­ ненных микросхем, паяных соединений, навесных радиоэлементов, контактов разъемов, некоторых механических деталей, отказ любого из которых приводит к отказу всей машины. Вероятность безотказной работы такой цепочки последовательно соединенных элементов.

397

Для системы, состоящей из цепочки параллельно-последовательно соединенных элементов, вероятность безотказной работы

где N — число последовательно соединенных групп, в каждую из которых входят /г; параллельно включенных элементов; pj — вероят­ ность безотказной работы /-го элемента в группе.

При расчете надежности по формулам (8.51) -4- (8.55) целесообразно разбивать всю машину на блоки и узлы, рассчитывать вероятности их безотказной работы и полученные значения перемножать. Учет влияния условий эксплуатации ЦВМ в такого рода ориентировочных расчетах производится обычно введением поправочного коэффи­ циента К),. Значение опасности (интенсивности) отказов в этом случае

Значения поправочного коэффициента Кг. для различных условий

Для Я;о компонентов, входящих в состав ЦВМ, в справочной лите ратуре обычно приводятся Я; min, Я,.д И Я; max-

Поэтому при расчетах обычно определяют значения:

398

Оценим надежность ЦВМ, в состав которой входят 2000 микросхем, 200 контактов разъемов и 30 000 соединений пайкой. Допустим, что машина предназначена для эксплуатации в стационарных наземных устройствах (Кх == 10).

Рассчитаем вероятность безотказной работы такой ЦВМ после 100 ч работы и значение средней наработки до отказа, считая, что при выходе из строя каждого из перечисленных компонентов происходит сбой ЦВМ. Используя данные табл. 8.7, по формуле (8.57) получим:

Средняя наработка на отказ при этом Тср = 1 (Л'Л1/г,/.,-) = 300 ч. Такая низкая надежность безусловно не может удовлетворить потре­ бителей ЦВМ, поэтому при проектировании, конструировании, орга­ низации и эксплуатации последних используют различные методы увеличения надежности.

Одним из эффективных методов повышения надежности микро­ электронных ЦВМ и ВС является резервирование, т. е. введение аппа­ ратурной избыточности. При этом параллельно каким-либо элементам (поэлементное резервирование), блокам (поблочное резервирование) или всей ЦВМ (общее резервирование) включаются аналогичные элементы, блоки, ЦВМ, выполняющие те же функции. Число парал­

39?