Гизатуллин монография 1

рассмотренного сигнала 50 % от максимальной, то расхождение между уровнями напряжения динамической помехоустойчивости цифровых элементов не превышает 10 %.

Рис. 2.63. Сравнение динамической помехоустойчивости цифровых элементов при воздействии прямоугольной и произвольной формы помех: – ТТЛ (74, прямоугольный импульс); – ТТЛ (74, импульс произвольной формы, 10 %); – ТТЛ (74, импульс произвольной формы, 50 %)

Далее рассмотрим влияние на динамическую помехоустойчи-

вость цифрового элемента его напряжение питания. В данном при-

мере рассмотрен переход напряжения питания с 5 В на 3 В (рис. 2.64).

Рис. 2.64. Сравнение динамической помехоустойчивости цифровых элементов с разным напряжением питания: – ТТЛ (74, напряжение питания 5 В);

– ТТЛ (74, напряжение питания 3 В)

Также в работе выявлено, что динамическая помехоустойчи-

вость цифрового элемента сильно зависит от частоты повторения входных сигналов (помех) (рис. 2.65).

141

Рис. 2.65. Динамическая помехоустойчивость цифровых элементов в зависимости от частоты повторения входных сигналов (помех): – ТТЛ (74, одиночный импульс); – ТТЛ (74, импульс с частотой повторения 25 МГц)

Таким образом, в данном разделе монографии даны рекомендации по выбору инструмента для анализа динамической помехоустойчивости цифровых элементов, рассмотрена методика проведения такого анализа, разработаны имитационные модели и приведены примеры анализа динамической помехоустойчивости цифровых элементов наиболее распространенной 74 серии. Также, приведен пример учета формы воздействующего сигнала помехи, по сравнению с общепринятой прямоугольной формой сигнала, сравнение динамической помехоустойчивости цифровых элементов с разным напряжением питания и зависимость динамической помехоустойчивости цифровых элементов от частоты повторения входных сигналов (помех).

142

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СРЕДСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

3.1. Цель и сложность экспериментальных исследований

Применение практических измерений и математического моделирования позволяет всесторонне оценить параметры электромагнитных помех в линиях связи и помехоустойчивости СВТ. Переоценка одного из упомянутых подходов обычно приводит к недостоверности полученных результатов, не соответствующих реальным исследуемым конструкциям. Цель проведения экспериментальных исследований заключается в выявлении границ помехоустойчивости современных СВТ при широкополосных электромагнитных воздействиях (ЭСР, разряд молнии), а также в подтверждении адекватности разработанных ранее математических моделей.

Анализ имеющихся публикаций по экспериментальной проверке электромагнитных помех при воздействии широкополосных электромагнитных воздействий показывает, что в большинстве работ рассмотрены специальные упрощенные случаи (наиболее характерные) из очень большого количества возможных вариантов и параметров реальных конструкций СВТ, МПП и других конструкционных элементов.

Условно экспериментальные работы по исследованию воздействия ЭСР можно разделить на три группы: исследования раз-

143

рядного тока и напряжения; исследования электрических и магнитных полей при различных типах разряда и исследования электромагнитных помех в некоторых типах специальных контуров при воздействии ЭСР.

В работе [285] приведены результаты исследования тока разряда при различных параметрах источника ЭСР. Анализ проводится во временной и в частотной областях. В [199] рассмотрено прохождение тока разряда через несколько типов специальных измерительных мишеней. Анализируются их ширина полосы пропускания, омическое сопротивление в зависимости от частоты и S-параметры. Также в [286], на основе экспериментальных исследований тока, предлагаются методы усовершенствования генератора ЭСР и специальной мишени для измерений в очень широком диапазоне. В работе [8] выведены зависимости амплитуды и переднего фронта ЭСР от скорости сближения источника, влажности окружающей среды и длины разрядного промежутка. Также встречаются работы [287] по экспериментальным исследованиям эффективности различных элементов защиты от непосредственного воздействия ЭСР. В основу этих работ заложен анализ напряжения разряда на входе и выходе защитных структур. Несколько работ [11, 288] посвящены экспериментальной подборке параметров источников ЭСР, исследованию влияния индуктивности, сопротивления и их соотношения на форму и амплитуду тока разряда. Спецификой основной массы рассмотренных работ, посвященных экспериментальному анализу тока ЭСР, является коммерческая направленность. Это выражается в сравнении генераторов-имита- торов ЭСР, измерительных мишеней и другой измерительной аппаратуры различных производителей, т.е. проверка качества удовлетворения требований государственных стандартов различных стран, в области испытаний на воздействие ЭСР.

Вторая группа экспериментальных работ посвящена исследованию электромагнитных полей при воздействии ЭСР. Часть из

144

них [15] также направлена на изучение электрических и магнитных составляющих полей в ближней зоне при использовании коммерческих генераторов-имитаторов ЭСР. В этих работах показано, что установленные в стандартах требования на ток разряда неоднозначно определяют условия испытаний на воздействие ЭСР. Что касается исследования разрядов с реальных источников ЭСР, в работе [15] представлены результаты в виде напряженности электрической и магнитной составляющих поля при разряде с тела человека с низким электростатическим потенциалом. В [18], автором рассмотрены процессы отражения тока ЭСР при экспериментальном воздействии источника на проводник длиной 3 м, который расположен над заземленной пластиной и в зависимости от этого поведение магнитного поля на различных расстояниях от источника. Также имеются экспериментальные исследования [172] напряженностей электрической и магнитной составляющих электромагнитных полей, когда непосредственным источником выступает ток искрового промежутка или коронирующие разряды. В [12] исследованы напряженности электрического и магнитного поля, и плотности энергии амплитудного спектра при воздействии ЭСР на корпус персонального компьютера. Результаты представлены во временной и частотной областях. Как показывает анализ, основная часть приведенных выше экспериментальных исследований направлены на определение зависимости напряженностей излучаемых электромагнитных полей в ближней зоне от формы разрядного тока и конфигурации конструкции, по которому он протекает. В них отсутствует анализ взаимодействии электромагнитных полей с возможным приемником, в каком либо виде.

И последняя, третья группа экспериментальных работ является более приближенной до логического завершения, т.е. касается анализа электромагнитных помех в контурах исследуемых объектов. В работе [203] приводятся данные об экспериментальных исследованиях электромагнитных помех при воздействии ЭСР на

145

пластины связи, применяемые при испытаниях воздействия ЭСР на электронные средства. Приемным контуром в исследовании служат два проводника внутри одного кабеля. На одном конце проводников в качестве нагрузки используются резистор номиналом 50 Ом, а другим концом они соединены с входом осциллографа. Воздействие ЭСР осуществляется специальным генерато- ром-имитатором ЭСР с параметрами тока по требованию ГОСТ 51317.4.2-99. В [14] рассмотрено экспериментальное воздействие источника ЭСР на заземленное и изолированное межсоединение тестовой печатной платы. При этом исследовалась электромагнитная помеха, возникающая на соседнем межсоединении печатной платы. Также в работе [285] рассмотрено воздействие различных типов источников ЭСР на специальную мишень. При этом приемным контуром является полукруглая антенна. Наиболее близкими к реальной ситуации являются экспериментальные исследования, приведенные в работе [7], где рассмотрены воздействия источника ЭСР на корпус электронного средства. Проникновение энергии ЭСР происходит через щель в передней панели корпуса. При этом ток ЭСР также соответствует требованиям ГОСТ 51317.4.2-99. Исследуемые электромагнитные помехи при ЭСР измеряются в прямоугольном плоском контуре, находящемся внутри корпуса. Несмотря на такие приближения к реальным условиям, в данном случае также не рассмотрены помехи в реальной конструкции печатной платы.

Что касается экспериментальных исследований воздействия разряда молнии, то в данном случае можно отметить следующие работы, направленные на исследование разрядного тока разряда молнии, измерения электрических и магнитных полей разряда мол-

нии, воздействия разряда молнии на систему молниезащиты зда-

ний и исследования электромагнитных помех в линиях связи и элек-

тропередачи при электромагнитном воздействии разряда молнии.

146

Вработе [48] приведены результаты измерений магнитного

иэлектрического поля реального разряда молнии на расстояниях от 1 до 200 км. В соответствии с ними сделана попытка подобрать адекватные модели тока разряда молнии. В работе [50] приведены результаты измерения электрического поля реального разряда молнии на расстоянии 30 км. В работе [55] приведены результаты измерения электромагнитных помех в кабельной линии связи при воздействии генератора-имитатора импульсных токов разряда молнии на систему молниезащиты здания. Генератор-имитатор располагается внутри двухэтажного кирпичного здания, сигнальный вывод генератора-имитатора с помощью длинного кабеля подключается к молниеулавливателю на крыше здания. Второй вывод генератора заземляется. Существенным недостатком такого подхода является наличие токопровода внутри здания, что вносит существенные расхождения в измерения электромагнитных помех.

Вработе [289] приведены экспериментальные исследования воздействия разряда молнии на систему молниезащиты здания с относительно слаботочными генераторами импульсных токов. В данной работе доказано, что наиболее эффективными являются методы имитации воздействия разряда молнии на систему молниезащиты здания путем применения генераторов импульсных токов. Вышеуказанный подход имеет ряд недостатков, но альтернативы ему в настоящее время нет. Основные возражения против применения данного подхода сводятся к следующему: влияние обратной петли, подключаемого к системе молниезащите здания (обратный проводник генератора импульсных токов), создает большую погрешность в результатах измерений; при относительно слаботочных воздействиях не проявляются нелинейные эффекты, имеющееся при сильноточных воздействиях. Экспериментальные исследования проведенные в Словении (университет г. Марибор) [289] на зданиях с реальными размерами, показали, что распределение тока разряда молнии при несимметричном подключении генератора импульсных токов зависит от размеров здания и расстоя-

147

ния до точки заземления генератора. При этом результаты исследований обосновали, что расхождение результатов применения такого подхода и реального разряда молнии не превышает 10 %, если расстояние до точки заземления генератора составляет не менее двух максимальных размеров здания. Что касается нелинейного изменения сопротивления заземлителей системы молниезащиты здания, то в большинстве зданий эти процессы не возникают из-за того, что применяются заземлители с очень низким сопротивлением. В работах [58, 59] также приведены результаты экспериментальных исследований воздействия разряда молнии на систему молниезащиты реального здания и результаты измерения магнитных полей внутри данного здания. В работе [209] проведен анализ эффективности систем защиты от разряда молнии (специальных молниеотводов) путем применения имитации молнии с помощью разряда вертикального провода. В работе [290] рассмотрено непосредственное воздействие генератора-имитатора тока разряда молнии на молниеотвод базовой станции мобильной сотовой связи. Используется несимметричное подключение генератора-имита- тора. Приведено распределение токов разряда молнии по конструкционным элементам базовой станции. Также в работе приведены результаты измерения электромагнитных помех в воздушной телекоммуникационной абонентской линии, вследствие воздействия близкого обратного удара разряда молнии на поверхность земли. Помехи достигают почти 2 кВ при расстоянии до точки удара

0,5 км.

Экспериментальные исследования воздействия на технические средства ЭМИ высотного ЯВ являются наиболее масштабными и достаточно сложными вне специализированных полигонов. Данные исследования проводят в России в полигонах Министерство обороны [62 – 65]. Размеры данных установок составляют от нескольких десятков до нескольких сот метров. Зарубежом комплексы имитаторов ЭМИ ЯВ в основном располагаются в США, Франции, Нидерландах, Китае и Израиле. Из-за сложности данных

148

исследований в рамках данной работы мы будем использовать приведенные в литературе результаты экспериментальных исследований воздействия ЭМИ высотного ЯВ на различные линии связи СВТ.

Представленные на сегодняшний день работы с экспериментальными исследованиями воздействия ЭМИ преднамеренных локальных электромагнитных источников сводятся к анализу формы

ихарактеристик данных ЭМИ [103, 105] и к анализу устойчивости функционирования различных электронных систем к данным воздействиям без количественного выявления величин электромагнитных помех и самих критических линий связи [84, 86, 102, 106, 120]. При таком же упрощенном подходе получены зависимости данных отказов электронных систем от формы, уровня и частоты ЭМИ. Основная сложность проведения данных экспериментальных исследований заключается в том, что требуется сложная генерирующая ЭМИ-система (генератор высоковольтных импульсов до нескольких десятков кВ с временными параметрами в субнаносекундном диапазоне; специальная антенно-фидерная система), специальные условия проведения эксперимента (безэховая камера или открытая площадка без отражающих объектов) и оптоволоконная измерительная система. Данные экспериментальные исследования будут проведены в рамках дальнейших исследований

[222, 232].

Таким образом, в рамках данного раздела монографии приведены результаты экспериментальных работ по анализу электромагнитных помех и помехоустойчивости СВТ при широкополосных электромагнитных воздействиях естественных источников (ЭСР, разряд молнии). Данные исследования направлены на подтверждение адекватности и достоверности теоретических методик

имоделей. Также экспериментально выявлены уровни помехоустойчивости персонального компьютера при воздействии широкополосных источников. Третья группа экспериментальных исследований направлена на анализ магнитных полей внутри зданий при

149

воздействии разряда молнии. В данном случае внедряется, в теорию и практику прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри зданий, методика масштабного физического эксперимента. Воспроизводимость экспериментальных результатов обеспечивается за счет правильного составления планов проведения экспериментов, статистической обработки результатов и многократного проведения экспериментальных исследования для каждого варианта. Также необходимо отметить, что в некоторых случаях экспериментальных исследований величина электромагнитных помех достаточно мала, поэтому при измерениях применяются факторы, вызывающие их полноценное проявление. В частности, применяются следующие факторы: увеличение длины исследуемого межсоединения; увеличение площади принимающего контура; максимальное уменьшение расстояния между исследуемым контуром и источником ЭМИ; увеличение уровня воздействующего ЭМИ до возможных пределов.

3.2. Экспериментальные исследования воздействия электростатического разряда

Для проведения эксперимента по измерению электромагнитных помех в линиях связи СВТ при воздействии ЭСР разработаны специальные экспериментальные стенды, которые включают: источник ЭСР (ток по ГОСТ Р 51317.4.2-99, рис. 2.6) (рис. 3.1); измерительные приборы (осциллограф с полосой пропускания 1 ГГц, частота дискретизации 10 ГГц); макет тестового корпуса СВТ с исследуемыми контурами (К1, К2)

внутри (рис. 3.2); контур К1 имеет площадь 1600 мм2, одним концом соединен с внутренней стенкой корпуса, другим подключен к 50 Ом входу осциллографа;

150