Компоненты и технологии 2020-02 (223)

12+

Components & Technologies

www.kit-e.ru № 2 ’2020 (февраль) ISSN 2079-6811

Семейство XGS
КМОП-датчиков изображения

Композитные усилители:
высокая мощность и высокая точность

Экраны для подавления
электромагнитных помех

Реклама Применения метода граничного
сканирования для контроля СБИС

Реклама

Реклама

2 (223) '2020

2 (223) '2020 Содержание





26 60
62
32 66

60194
60195 38

Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован
Управлением Федеральной службы по надзору
в сфере связи, информационных технологий
и массовых коммуникаций по Санкт-Петербургу
и Ленинградской области.
Свидетельство о регистрации
ПИ №ТУ 78-00653 от 23 июля 2010 года.
Учредитель
ООО «Издательство Файнстрит»
Адрес редакции
197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб.,
д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в
Издатель ООО «Медиа КиТ»
197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб.,
д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в
Отпечатано в типографии «Премиум Пресс»
197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4.

Дата выхода в свет 21.02.20
Тираж 6000 экз.
Свободная цена

Редакция не несет ответственности за информацию,
приведенную в рекламных материалах.
Полное или частичное воспроизведение материалов
допускается с разрешения
ООО «Медиа КиТ».

Журнал включен в Российский индекс
научного цитирования (РИНЦ).
На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU
(www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей.
Статьи из номеров журнала текущего года
предоставляются на платной основе.

Возрастное ограничение 12+

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

Реклама

2 (223) '2020

2 (223) '2020 Содержание

Editorinchief
Pavel Pravosudov | [email protected]
68 100
Deputy of editorinchief
Olga Dorozhkina (Zaytseva) | [email protected]
74
Managing editor
Zhanna Gordeevceva | [email protected] 81 126
130
Editor Иван ЛАрИОнОв
Natalia Novikova | [email protected] Автоматизация тестирования
94 на предприятии «Третий пин»
Editorial staff
Alexander Frunze
Victor Liferenko
Joseph Karshenbojm
Vladimir Mahov

Design and layout
Olga Vorchenko | [email protected]

Advertising department
Irina Milenina | [email protected]

Subscription department
[email protected]

Moscow
7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str.,
Moscow, Russia
Tel. +7 (495) 987-3720

St. Petersburg
of. 321v., pom 1-H, b. 34 “B”,
Petrogradskaya Emb.,
St. Petersburg,
197046, Russia
Tel. (812) 4381538
Fax (812) 3460665
email: [email protected]
web: www.kit-e.ru

Belarus Republic
Minsk, Premier Electric
Tel./fax: (10*37517) 2973350,

2973362

Circulation department
St. Petersburg:
Victor Zolotarev | [email protected]

Subscription index
for Components & Technologies
Rospetchat Agency catalogue
subscription index 80743

Age limit 12+

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020



6 рынок

Texas Instruments.
Революция или возможности

в Недавно компания Texas Instruments лишила полномочий обоих россий-
[email protected] ских дистрибьюторов. Что это значит для всего рынка в целом? Возможно,
в статье вы найдете ответы.

Если вы посетите страницу TI в разделе Мы ценим каждого клиента и совершен- стрировали по TI в рамках нашего рын-
«Поиск дистрибьюторов» [1], то уви- ствуем процесс сотрудничества, чтобы пред- ка впечатляющий рост продаж в России
дите недавно размещенное информа- ложить вам более качественные услуги. Заранее (табл. 1).
ционное сообщение следующего содержа- благодарим за лояльность и доверие. Мы предо-
ния: ставим покупателям обновленную информа- Если посмотреть по таможенным кодам,
цию, как только завершим изменения. то лидеры в группе распределяются, как по-
«Изменения в нашей официальной сети дис- казано в таблице 2.
трибьюторов. Если у вас есть вопросы, обратитесь к пред-
ставителю TI в вашем регионе». Таблица 2. Импорт в Россию по таможенным кодам
Главной целью компании TI всегда было по- за первые шесть месяцев 2019 года
ставлять лучшие продукты и оказывать мак- Если после прочтения вы еще не поняли,
симальную поддержку нашим покупателям что это значит, то наберитесь терпения и до- № Код ТН ВЭД Стоимость, $
по всему миру. В течение последних нескольких читайте до конца. Пока скажу кратко: это оз- 14 304 871
лет мы совершенствовали сеть дистрибью- начает новые возможности для всех постав- 1 8542399010 — 6 710 124
торов, что позволило более полно придержи- щиков электронных компонентов. Схемы электронные интегральные монолитные 2 305 142
ваться стратегии установления более тес- 2 259 340
ных, прямых связей с покупателями. Благодаря Как говорил Борис РудяК, президент 2 8542319010 —
близким, прямым связям с клиентами мы, по- компании «РБА-групп», в далеком 2007 году, Схемы электронные интегральные монолитные 1 135 509
мимо других преимуществ, можем обеспечить «основная и чуть ли не единственная труд-
более высокий уровень сервиса и гарантиро- ность — недостаточная известность продук- 3 8542339000 178 580
вать поставки. ции TI на российском рынке, особенно в ана- 174 086
логовой области. В последнее время ситуация, 4 8542399090 — 113 148
Количество поставок через дистрибьютор- конечно, меняется, но если вы спросите сотню Прочие схемы электронные интегральные
ские каналы сократится по мере того, как мы российских разработчиков, кто является круп-
увеличиваем число прямых контактов с по- нейшим в мире производителем аналоговой 8542319090 —
купателями, включая непосредственных из- продукции, то вряд ли больше десятка из них Процессоры и контроллеры, объединенные
готовителей, производственных подрядчиков, назовут Texas Instruments, остальные назовут или не объединенные с запоминающими
ODM-производителей и EMSI. Следовательно, другие компании. Популяризация лучших до- 5 устройствами, преобразователями,
нам понадобится меньше дистрибьюторов. стижений TI решит эту проблему». уверен,
Учитывая это, мы прекратим сотрудничество сейчас только пять российских разработчи- логическими схемами, усилителями,
с некоторыми выбранными дистрибьюторами. ков из ста не смогут вспомнить компанию TI. синхронизаторами или другими схемами
должен сказать, что компания «Компэл»
Этот процесс потребует времени, а на- внесла самый существенный вклад в разви- 8542391000 —
шей главной задачей является обеспечить тие продаж TI в России. Недаром только они 6 Прочие товары, поименованные
плавный переход для наших клиентов. TI и «МТ-Системс» остались на доске почета
и выбранные дистрибьюторы работают на сайте TI. Но, как известно, «МТ-Системс» — в примечании 8б (III) к данной группе [2]
в тесном сотрудничестве для минимизации это профессиональный, но все же проектный
неудобств клиентов. дистрибьютор. Он не занимается напрямую 7 8504409000 —
массовым созданием спроса. Прочие преобразователи статические
В краткосрочном периоде не произойдет
мгновенных изменений в схеме работы поку- Тем не менее в сумме все бывшие и су- 8541290000 —
пателей с TI. В долгосрочном периоде у поку- ществующие дистрибьюторы, брокеры 8 Прочие транзисторы, кроме фототранзисторов
пателей останутся следующие варианты со- и прямые поставки потребителям демон-
трудничества с TI: мощностью рассеивания более 1 Вт
• напрямую с TI;
• через Arrow — официального дистрибьюто- Таблица 1. Импорт в Россию по годам.
Строки от $100
ра TI во всех регионах, кроме Японии;
• через Macnica или TED, которые останут- Год Стоимость, $

ся официальными представителями TI 10 мес. 2019 51 350 554
в Японии; 2018 64 078 458
• клиенты, которые предпочитают приоб- 2017 56 131 338
ретать продукцию TI онлайн, чтобы она 2016 44 844 728
была отправлена незамедлительно, могут 2014 31 766 694
продолжать пользоваться магазином TI или 2012 16 413 402
воспользоваться DigiKey или Mouser.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

рынок 7

Таблица 3. Самые запрашиваемые на eFind.ru TI — рискнет ли компания поднять цены,
производители микроконтроллеров. будет ли заниматься продвижением, уч-
Процент от всех запросов тет ли особенности нашего рынка, как даст
возможность остальным брокерам участво-
Год вать в продажах, как поведет себя Arrow
при формировании прайса? я уверен, что
Компания 2010 2013 2015 2017 2018 в долгосрочной перспективе почти все бу-
дет зависеть от представительства: смогут ли
IV кв. IV кв. IV кв. IV кв. IV кв. они поддерживать существовавшую до ре-
волюции активность, смогут ли перехватить
Microchip Technology/Atmel 67,2 49 45,9 40,8 41,6 у дистрибьюторов движение по созданию
массового спроса? Ведь, кроме них, больше
STMicroelectronics 7,6 24,1 23,6 36,1 29,8 этим заниматься некому. Хватит ли им пол-
номочий? Arrow на Россию тратить ресурсы
Texas Instruments 7,4 8,8 9,4 6,5 7,5 не станет.

NXP/Freescale 12 10,5 9,3 5,6 7,1 Большая часть продаж TI приходит-
ся на двух официальных дистрибьюторов.
Silicon Labs 2,9 4,3 3,8 3,1 3,2 В сумме они занимают 27% рынка среди по-
лучателей (табл. 4).
Cypress Semiconductor 0,7 0,7 2,1 1,2 2,6

Renesas Electronics/NEC 0,8 0,6 1,2 1,5 2

Analog Devices 0,9 1,1 1,5 1,5 1,1

Infineon Technologies 0,6 0,6 1 0,6 1,3

росла, если смотреть объем в FOB. Можно, Таблица 4. Объем импорта за первые шесть месяцев
конечно, прибавить сюда наш НдС, достав- 2019 года по получателю
ку и маржу, но вряд ли все это интересует
ключевых акционеров компании, они смо- № Получатель Стоимость, $
трят только на наличные, которые приходят
в саму компанию. Подавляющий процент 1 Дистрибьютор 4 493 793
российских компаний на электронном рынке 2 Дистрибьютор 3 070 772
управляется единолично. В мире подавляю- 3 Брокер 2 402 665
щий процент лидеров компонентного рынка 4 Брокер 1 970 226
управляется советом акционеров и выплата- 5 Потребитель 1 834 827
ми дивидендов. Каким бы ни был впечатляю- 6 Потребитель 1 794 995
щим рост продаж, в процентном соотноше- 7 Потребитель
нии это около 0,005% от всего объема продаж 8 Потребитель 900 945
TI в мире. Конечно, при таком соотношении 9 Контрактник 778 303
совет директоров TI вряд ли вообще видит 10 Брокер 652 225
Россию на своих графиках. Это надо учиты- 11 Брокер 582 818
вать. у компании есть с десяток ключевых 12 Брокер 415 963
собственников, которые имеют своего пред- 13 ? 365 409
ставителя в совете директоров и в сумме 14 Брокер 317 719
владеют ключевым пакетом для принятия 15 ? 305 526
решений, множество топ-менеджеров. Так 16 Брокер 295 318
как управление идет не от одного человека, 250 711
я не верю, что в ближайшие пять лет TI бу-
дет как-то менять свое решение. Вряд ли оно
вернет дистрибьюцию «Компэлу» или «МТ-
Системс», точнее, не вернет, а это значит,
что в России возникает вакуум. Все в России
становятся в равных условиях в будущем.
даже «Компэл», максимум через полгода,
перестанет мотивировать своих сотрудников
на бренд TI. «Компэл» удовлетворяет чужой
спрос, но создавать его ради всех не будет.

Будет ли само представительство TI созда-
вать или поддерживать спрос? Скорее всего,
нет. я пока не встречал ни одного представи-
теля, который бы этим занимался осознанно,
целенаправленно, массово. В лучшем случае
представители оплачивают 50% расходов
дистрибьюторов.

Так что случилось? Лучше всех это ре-
шение предчувствовал и дипломатично
сформулировал еще в начале года дмитрий
ВЕЛЕСЛАВОВ, председатель совета директо-
ров ГК «Макро Групп». Свое мнение он вы-
сказал в интервью [4]:

«К примеру, Texas Instruments задается
вопросом: за что дистрибьюторы получа-
ют свою маржу? у компании есть хороший
корпоративный портал, на котором зареги-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

8 рынок

Таблица 5. Объем импорта за первые шесть месяцев 2019 года по странам ментированы, но маловероятно, что я сильно отклонился от гряду-

щей реальности.

Страна отправления Стоимость, $ % Тем не менее поставщикам, работающим на российском рынке

Гонконг (HK) 3 912 347 14,08 (кто не хочет выпасть из последнего вагона, включая тех, кто никогда
Сингапур (SG) 960 182 3,46
663 268 2,39 не занимался поставками TI), лучше смотреть в будущее с оптимиз-
Китай (CN) 144 222 0,52
Южная Корея (KR) мом и уже сейчас предпринимать необходимые для этого шаги.

Что можно сделать?

• Обратить внимание на интернет-магазин TI store. TI store — это

но на остальные сотни клиентов у них просто не хватит ресурсов. складская программа самого TI. Все позиции, перечисленные там, го-
По моим подсчетам, это примерно $25 млн в продажных ценах.
товы к отгрузке. Там восемь колонок и нет возможности получения
Самое интересное в статистике импорта по отправителю, что един-
ственный оставшийся дистрибьютор отгрузил напрямую в Россию специальных условий, но, учитывая революцию, это пока и не важ-
товара только на 800 т. Разумеется, еще 1–2 млн у него купили через
таможенные компании, но все равно перераспределение потоков но. Получить прайс-лист и научиться его обрабатывать — вот
продаж будет впечатляющим. А по всему миру — ошеломляющим.
По моим данным, из всех глобальных и российских дистрибьюторов среднесрочная задача. Сейчас прайс дороже, выше, чем прайс для
Arrow поставляет в Россию меньше всех.
дистрибьюторов, но если TI реально хочет увеличивать прямые
Возникает странный парадокс. Единственный оставшийся дис-
трибьютор поставляет напрямую в Россию не так уж и много. поставки, то, несомненно, команда маркетинга уже подстраивает
В сумме, через брокеров и дистрибьюторов, предположу максимум
3 млн, но в общем импорте 27 млн — это мало. Что ж, тем сильнее новые коэффициенты.
на нашем рынке будет ломка и тем неопределеннее будет резуль-
тат. Несомненно, в перспективе лет пяти два оставшихся дистри- • Обратиться в сам TI или представительство и попросить высылать
бьютора сохранят свое лидерство по объему. Особенно это касает-
ся «Компэла» с его огромным опытом работы по нефрайчайзингу. вам любую информацию по будущим правилам работы.
И если он выстроит правильную индивидуальную стратегию, то мо-
жет даже увеличить свою долю рынка. «МТ-Системс» придется гораз- • Обратиться к единственному дистрибьютору и попросить высы-
до сложнее, так как теперь у компании появится лишний посредник
и защита по проектной деятельности будет весьма условной. Скорее лать вам любую информацию по будущим правилам работы.
всего, в среднесрочной перспективе компания откажется от активной
проектной деятельности по TI, если уже этого не сделала. Но пока это • Проанализировать самые продаваемые позиции TI и поддерживать
лишь предположения, ведь правила игры еще официально не регла-
их на своем складе, начиная с 2021 года, на условиях рыночной

цены на 2021 год.

• Оказывать поддержку клиентам по продукции TI: предоставление

бесплатных образцов, консультации, рекомендации. Все это можно

делать силами самого TI.

• Азия. В связи с тем, что больше не будет дистрибьюторов, резко

возрастет количество предложений от брокеров, которые имеют

связи с производством. И хотя сейчас прямая поставка из Азии

не имеет весомой доли, в дальнейшем она может возрасти.

увеличится доля, увеличится риск, соответственно, необходимо

формировать пул проверенных поставщиков. При большом ко-

личестве игроков ставка на качество поставок только повысится.

Сейчас на рынке есть два российских и с десяток иностранных дис-

трибьюторов. Когда останется один, возникнет психологическое

чувство отсутствия выбора, а это будет означать поиск альтернати-

вы. Сейчас доля поставок из Азии (табл. 5) не критична для рынка.

Особенно если знать, что поставки из Сингапура и Южной Кореи

идут на заводы по производству техники известных марок. Это

глобальные поставки по глобальным договорам.

Но сюрприз все равно есть: 50% поставок из Гонконга приходит-

ся на одного брокера и, видимо, на одного клиента. Неожиданно.

Помните, скоро никто в России не сможет однозначно сказать:

«у меня официальный канал».

Подводя итог, отмечу, что мне нравится решение TI как иннова-

ционный подход. И я уверен, что все без исключения производители

компонентов из ТОП-25 станут внимательно отслеживать ход экспе-

римента. Окажется ли он успешным, покажет будущее, но не раньше,

чем к 2025 году. Причем будущее придется оценивать в двух проек-

циях: глобально по миру и отдельно в России.

Но я, несомненно, еще напишу об этом, если у вас есть или по-

явится информация, пишите. И если вы хотите, чтобы я написал или

проанализировал данные о другой компании или проблеме, тоже

дайте обратную связь. n

Литература

Реклама 1. www.ti.com/info-store/distributors.html?countryCode
2. www.eurasiancommission.org/ru/act/trade/catr/ett/Documents/ru.cct.eaeu.85.

pdf
3. Лебедев И. Микроконтроллеры. Прошлое и настоящее // Компоненты

и технологии. 2019. № 11.
4. дмитрий Велеславов: «уже давно не считаю «Макро-Групп» только дис-

трибьютором» // Компоненты и технологии. 2019. № 4.
5. www.compel.ru/lib/54006
6. Таможенная база.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

9

Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

10 компоненты пассивные элементы

Пассивные электронные
компоненты компании Vishay

для высоконадежных применений

Константин ВеРхУЛеВСКИй Компания Vishay Intertechnology (далее — Vishay) хорошо зарекомендова-
[email protected] ла себя в качестве производителя активных и пассивных компонентов, от-
личающихся высоким качеством и надежностью применения. Спектр пред-
лагаемых устройств очень широк, в рамках данной статьи рассматриваются
только пассивные изделия высоконадежного назначения. Приведены
ключевые особенности, технологии изготовления, типовые характеристи-
ки и преимущества использования отдельных групп продукции.

Infineon. В апреле 2007 года была совершена
крупнейшая в череде слияний сделка по по-
купке 70% стандартной номенклатуры про-
дукции International Rectifier. В портфеле
компании появились дискретные высоко-
вольтные МОП-транзисторы (более 350 наи-
менований), тиристоры, диоды Шоттки,
выпрямительные, силовые и сверхбыстрые
диоды, а также широкий спектр силовых мо-
дулей (МОП, IGBT и тиристорных).

Выбранная стратегия позволила компа-
нии на протяжении последних 20 лет расти
со средним темпом более 20% в год и стать од-
ним из лидеров мирового рынка электронных
компонентов [1]. В настоящее время главной
задачей Vishay в области разработки являет-
ся расширение предлагаемого ассортимента
продукции, а также постоянное повышение
ее производительности. для заказа доступны:
• постоянные резисторы (проволочные,

фольговые и пленочные) и резисторные
сборки, переменные и подстроечные ре-
зисторы, термисторы. Особый интерес
у потребителей вызывают мощные ме-
таллополосковые SMD-резисторы серии
WSL и цилиндрические металлопленочные
SMD-резисторы серии MELF;
• конденсаторы электролитические, пленоч-
ные, танталовые, керамические;
• трансформаторы и катушки индуктивности,
в том числе полностью экранированные
с сердечниками из композитного материала;
• кварцы, разъемы, дисплеи, измерительные
шунты;
• тиристоры, n- и p-канальные MOSFET,
IGBT, высокочастотные транзисторы,
а также модули на их основе в различных
конфигурациях для применения в устрой-
ствах силовой электроники;
• дискретные диоды, диодные сборки, мо-
сты, защитные диоды в унифицированных
корпусах для поверхностного монтажа
и монтажа в отверстия;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

пассивные элементы компоненты 11

высокая стабильность параметров вне за- Таблица 1. Основные характеристики высоконадежных резисторов компании Vishay
висимости от изменений температуры и на-
дежность эксплуатации [2]. для целевого Тип резисторов Серия Диапазон Точность, ТКС, ppm/°C Номинальная Сертификация
использования гарантируется соответствие сопротивлений % мощность, мВт
заявленных характеристик требованиям Тонкопленочные M55342 QPL
международных стандартов (EEE-INST-002, прецизионные PTN 10 Ом – 3 МОм 0,1 25; 50; 100 10–1000 M 55342
DLA, CECC, ER, QPL и ряда других). В табли- чип-резисторы L 94012-94019
це 1 приведены основные параметры высоко- M 1–10 Ом 1–10
надежных резистивных изделий Vishay. Тонкопленочные PFRR 10 Ом – 25 МОм 50; 100; 200; 300 125–2000 02008
с аксиальными PHR 100 Ом – 6 МОм 0,05; 0,1 100; 200; 300 100–2000
Группа прецизионных тонкопленочных 0,01–0,1
резисторов для оборонного и аэрокосми- выводами PRAHR 100 Ом – 1 МОм 0,05; 0,1 10; 25 50–500 ESCC 4001/023
ческого приборостроения включает 13 се- Тонкопленочные RV 5; 10; 25 100–500
мейств. Конструкция изделий является ти- MELF-резисторы P 10 Ом – 86 МОм 0,1–5
повой для резистивных SMD-компонентов Тонкопленочные PHT 0,01–5 3; 10 100 (на резистор) ESCC 4001/025
(рис. 1). Резистивный слой наносится на изо- чип-резисторы 10 Ом – 7,5 МОм
ляционную подложку, которая служит осно- Толстопленочные RMKHT 0,05–1 10; 25 125–330 CECC 40401-010
ванием и выполняет функцию отвода теп- чип-резисторы PVHT 39 Ом – 2,5 МОм
ла. Сопротивление этого слоя зависит от его PRAHT 10 Ом – 2 МОм 0,05; 0,1 5; 10; 25; 50; 100 30–1000 ESCC 4001/023
толщины, формы и материала. Чтобы при- Проволочные MBA/SMA 0204 VG06 0 Ом – 5,11 МОм 0,1; 1
вести сопротивление резистивного слоя к за- резисторы MBB/SMA 0207 VG06 0 Ом – 10 МОм 0,1; 1 10–55 10–200
данному номиналу, используется лазерная MBE/SMA 0414 VG06 1 Ом – 21,5 МОм 0,1; 1
подгонка (тримминг), суть которой заклю- с аксиальными MS1 ESCC 10 Ом – 5,11 МОм 15; 30 50–1000 –
чается в удалении части топологического ри- выводами MMU 0102 VG03 0 Ом – 2,21 МОм 0,1; 0,5; 1 5–55 30–200
сунка при помощи лазерного излучения. для MMA 0204 VG03 0 Ом – 5,11 МОм
механической защиты и изоляции резистив- Постоянные MMB 0207 VG03 0 Ом – 10 МОм 0,1; 1 2 10–20
ной пленки ее покрывают пассивирующим резисторы MS1 EN803 E8 10 Ом – 2,21 МОм
слоем из химически стойкого соединения, военного SMM0204 EN803 E8 10 Ом – 2,21 МОм 0,1-1 15; 50 400
сверху наносится маркировка. В качестве назначения SMM0204 EN803 E0 1 Ом – 2,2 МОм –
материала подложки используется обладаю- OMM0204 EN803 E0 15; 50 600 CECC 40101-806
щая высокой прочностью, огнеупорностью Power Metal Strip TNPS ESCC 0 0,1; 0,5; 1
и хорошей адгезией керамика на основе по- резисторы MCx VG01 10 Ом – 1 МОм 0,1; 1 15; 50 1000
ликристаллического оксида алюминия Al2O3 MCx 0 Ом – 10 МОм
(Alumina). для обеспечения качественного MCx AT 0 Ом – 1 МОм 0,1; 0,25; 0,5; 1 15; 25; 50 250 ESCC 4001/022
контакта между внешними выводами и рези- CHPHR 0 Ом – 100 кОм 0,1; 0,5; 1
стивным слоем применяется многослойная CHPHT 1 Ом – 10 МОм 1; 2; 5 200
структура электродов. На боковых сторонах FDG 0,1 Ом – 100 МОм 1; 2; 5
подложки формируются внутренние элек- 0,1 Ом – 10 кОм 250
троды из серебра или сплава серебро-палла- FDK 0,1 Ом – 39 кОм 2; 5
дий. Затем наносится промежуточный элек- 0,1 Ом – 68 кОм 15; 50 400 CECC/
трод из тонкого слоя никеля, называемый FDP 4,3 Ом – 470 кОм 2; 5 EN 140401-803
еще никелевым барьером. Поверх проме- RL 10 Ом – 2,49 МОм 0,1–1 250
жуточного электрода наносится пригодный RN 1; 2; 5
к пайке внешний слой из оловянно-свинцо- 10 Ом – 1 МОм 0,1; 0,5; 1 250
вого сплава или припоя с содержанием оло- RZ
ва и серебра в компонентах, выполненных 10 Ом – 3,01 МОм 1 15; 25; 50 250
по бессвинцовой технологии. RNC 10 Ом – 4,99 МОм 1; 2
RNR/RNN 0,1 Ом – 39,2 кОм 0,1; 0,5; 1 ––
Серия чип-резисторов M55342 QPL, вы- 1; 3; 5
полненная в соответствии с требованиями RER 1 Ом – 10 МОм 1; 2 15; 25; 50 100–250 ESCC 4001/029
стандарта QPL MIL-PRF-55342, а также об- RLR 0,1 Ом – 39,2 кОм 0,05–5
ладающая схожими характеристиками серия RWR 0,1–10 15; 50 63–250 CECC/
PTN в качестве резистивного слоя исполь- RLV 0,01–0,3 Ом 10; 15; 25; 50 150–400 EN 140401-801
зует нитрид тантала, отличающийся по- RM 5,6 Ом – 15 МОм
вышенной влагостойкостью. Они обеспе- RE 0,1 Ом – 39,2 кОм 15; 25; 50
чивают заявленные характеристики даже RW 0,1 Ом – 71,5 кОм
при нарушении защитного слоя. В составе 100; 200 100–800 ESCC 4001/026
серий присутствуют компоненты с номи- WSL(VLV)
налами 10 Ом – 3 МОм, начальной погреш- 100; 200 12,5–100 –
ностью сопротивления не более ±0,1%, ТКС
от 25 ppm/°C и крайне низким уровнем шу- 3000
мов (25 дБ). Они рассчитаны на работу при
температурах до +150 °C, максимальных 100; 180 5500 CECC 40 201-801
напряжениях до 200 В и допустимой мощ-
ности 10–1000 мВт. Выпускаются в стан- 10000
дартных планарных корпусах типоразмеров
0201–2512 с расположением выводов как 200 250; 500 MIL-PRF-22684
вдоль короткой, так и вдоль длинной сторо-
25; 50; 100 50–1000 MIL-R-10509
15–50 MIL-PRF-83401
100; 300 (на резистор)
50–750 MIL-PRF-55182
25; 50; 100 100–2000
25; 50

25; 50; 100 5000–30 000 MIL-PRF-39009

100 125–1000 MIL-PRF-39017

25; 50; 400 1000–10 000 MIL-PRF-39007

50–350 3000–5000 MIL-PRF-49465

100; 300 55–1000 MIL-PRF-55342

25; 50; 100 5000–120 000 MIL-PRF-18546

25; 30; 50; 400 1000–11 000 MIL-PRF-26

0,005–1 Ом 0,5; 1 110; 400 250–2000 A-A-55534

а б
Рис. 1. Тонкопленочные чип-резисторы Vishay: а) внутренняя структура; б) внешний вид

ны. Еще более точные резисторы с допуском шей долговременной стабильностью харак-
0,01% и температурным коэффициентом теристик, абсолютная погрешность сопро-
5 ppm/°C предлагаются в рамках серии PHR. тивления после работы в течение 2000 ч (при
устройства сертифицированы на основе температуре +70 °C и номинальной мощ-
стандарта ESCC и могут эксплуатироваться ности) не превышает 0,15%. Серия PRAHR
в диапазоне –65…+155 °C. Обладают хоро- представляет собой резисторные сборки, со-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

12 компоненты пассивные элементы

Рис. 2. Внешний вид резисторной сборки серии PRAHR

Рис. 3. Зависимость дрейфа номинального сопротивления от срока эксплуатации для устройств серии PHT

держащие 2–8 резисторов на одной подложке ной температуре и полной мощности не пре- б
(рис. 2). данное решение, полезное при раз- вышает 1% (рис. 3).
водке дифференциальных пар и шин дан-
ных, способствует уменьшению площади, за- Резисторы и резисторные сборки серии
нимаемой на печатной плате, и упрощению RMKHT имеют высоту корпуса до 0,4 мм
процесса монтажа. доступны модификации и занимают на печатной плате площадь
как с независимыми элементами, так и объ- от 2020 до 100200 мм. Их номиналь-
единенные между собой для получения де- ная рассеиваемая мощность составляет
лителей напряжения. Типоразмеры каждого 5–100 мВт или 10 мВт на один резистор
резистора могут варьироваться в пределах в резисторной матрице, допустимое рабо-
0603–1206, номиналы выбирают из стан- чее напряжение — 300 В. Внешние выводы
дартного ряда в диапазоне 100 Ом – 1 МОм. изготовлены из алюминия, а в качестве за-
Резистивный слой выполнен из нихро- щитного слоя используется нитрид кремния.
ма (NiCr), допуск сопротивления — 0,05%, Максимальные температуры эксплуатации
а температурный коэффициент до 3 ppm/°C. из предложенных компонентов имеют ре-
Также предлагаются заказные аналоги дан-
ной серии — сборки CNWHR, параметры ко- а
торых меняются по требованиям клиентов. Рис. 4. MELF-резисторы производства Vishay: а) конструкция; б) внешний вид

Компания Vishay также выпускает преци-
зионные чип-резисторы, способные функ-
ционировать при экстремально высоких
температурах. Предлагаемые изделия имеют
рабочий диапазон –55…+215 °C, темпера-
тура хранения достигает +230 °C. Они реко-
мендованы, прежде всего, для применения
в буровом оборудовании и аэрокосмической
технике. Серия PHT выпускается в планар-
ных корпусах пяти типоразмеров (0402, 0603,
0805, 1206, 2010), имеющих позолоченные
выводы. Отличается точностью номинала
от 0,05%, ТКС от 10 ppm/°C, уход сопротив-
ления после 15 000 ч работы при максималь-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

пассивные элементы компоненты 13

Рис. 5. Внешний вид силовых резисторов Рис. 6. Внешний вид резисторов Power Metal Strip
серий RER и RE производства Vishay

слой из сплава никель-хром или марганец-
медь является самонесущей конструкци-
ей и позволяет быстро отводить тепловую
энергию (рис. 6). Резисторы данного типа
используются в устройствах, где имеют ме-
сто кратковременные импульсные переход-
ные процессы, сопровождающиеся быстрым
и обильным выделением тепла. В качестве
датчиков тока они широко распространены
в импульсных и линейных источниках пи-
тания, усилителях мощности и измеритель-
ных приборах. Высоконадежные Power Metal
Strip-резисторы Vishay представлены сериями
WSLP и VLV. Вторая из них имеет военную
приемку. доступны устройства в корпусах
стандартных типоразмеров: от 0603 с мак-
симальной рассеиваемой мощностью 0,4 Вт
до 2512 с мощностью 3 Вт. Разработанный
технологический процесс позволяет полу-
чить очень низкоомные резисторы с диапа-
зоном сопротивлений 0,0005–0,1 Ом и до-
пуском 0,5 и 1%. Из других особенностей
можноотметитьнизкиезначенияиндуктивности
(0,5–5 нГн) и термо-ЭдС менее 3 мкВ/°C.

Панельные потенциометры

Панельные потенциометры Vishay пред-
ставляют собой переменные резисторы,
имеющие отличную износостойкость, уве-
личенный срок службы и высокую степень
защиты. Предназначенные для частого

Рис. 7. Внешний вид панельных потенциометров Vishay

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

14 компоненты пассивные элементы

Таблица 2. Основные характеристики панельных потенциометров компании Vishay износостойкость. В составе каждой из серий
есть устройства с различными вариантами
Серия Резистивный Диапазон Номинальная Тип Степень Износо- Число регулировочной характеристики (зависимо-
элемент сопротивлений мощность, Вт регулировочной защиты стойкость, потенциометров сти между изменением положения подвиж-
(при +70 °С) характеристики тыс. оборотов ного контакта и сопротивления потенцио-
в корпусе метра). Кроме того, в линейке присутствуют
0,5 многоканальные модели с фиксатором и пе-
148 Проводящий пластик 1 кОм – 1 МОм 1 A; L; F IP64 50 1–3 реключателем диапазонов, компоненты для
149 Кермет 100 Ом – 2 МОм 0,5 вертикального и горизонтального монтажа
248 1 A; L IP50 10 1 на печатную плату, с установленными руч-
249 Проводящий пластик 500 Ом – 1 МОм 0,1 A; L; F; S IP64 1–7 ками регулировки и другими опциональны-
P9 Кермет 0,5 IP67 25 ми возможностями. Наивысшую степень за-
P10 1 кОм – 1 МОм 0,1 A IP64 10 1 щиты (IP68) имеют потенциометры серии
P10L Проводящий пластик 100 Ом – 2 МОм 1 A; L; F; S IP64 500 1–7 P13SM, предназначенные для эксплуатации
P11S Кермет 1; 5; 10; 50 кОм 0,5 A; L; F; S IP67 1–7 в подводных лодках. Также необходимо от-
P11D 20 Ом – 10 МОм 1 IP68 50 1–4 метить серии P11L, P13L и P30L с гарантиро-
P11P Проводящий пластик 1 кОм – 1 МОм 0,1 A; L; F ванным ресурсом не менее 2 млн оборотов.
P11L 20 Ом – 10 МОм 1 IP67 50 1
P12 Кермет 1; 5; 10; 50 кОм 2000 Конденсаторы
P13 1,5 50
P13L 22 Ом – 10 МОм 1000 Все конденсаторы производства Vishay,
P13SM 1 2000 предназначенные для ответственных при-
P16 1; 5; 10; 50 кОм 25 менений, можно разбить на три основные
P16S 3 50 группы (таблица 3).
P30L 22 Ом – 10 МОм 10
PE30 6 2000 Многослойные (Multilayer Ceramic Capaci-
PE60 1; 5; 10; 50 кОм 2 tors, MLCC) керамические конденсаторы
PRV4 22 Ом – 10 МОм 1,5 25 производства Vishay обладают высокой
PRV6S 1 Ом – 1 МОм удельной емкостью, широким диапазоном
50 номиналов и стандартным набором типораз-
20 Ом – 10 МОм меров. Типовая конструкция представляет
собой сплошной блок керамического диэ-
Примечание. Типы регулировочной характеристики: лектрика с заключенной в нем электродной
A — линейная; L — логарифмическая; F — обратно-логарифмическая; S — S-образная. структурой и металлизированные торцы,
пригодные к пайке. Внешние выводы име-
изменения своего сопротивления, они мо- ют покрытие из олова либо из олова с добав-
гут применяться в промышленных пуль- лением 4% свинца. Также доступны модели
тах управления, приборных панелях лета- со стойкими к коррозии торцами, покры-
тельных аппаратов, военной технике и т. д. тыми сплавом серебра и палладия. Высокие
В таблице 2 приведены основные параметры значения емкости достигаются благодаря
устройств данного типа, а на рис. 7 — внеш- увеличенному числу внутренних электродов
ний вид отдельных серий. и уменьшенной толщине диэлектрика.

Свойства панельных потенциометров Конденсаторы серий M123A1x и M123A2x,
Vishay в большой степени зависят от мате- выпускаемые в SMD-корпусах, проходят обя-
зательную сертификацию на соответствие тре-
Таблица 3. Основные характеристики высоконадежных конденсаторов компании Vishay бованиям военного стандарта MIL-PRF-123.
Они обеспечивают длительной срок службы
Тип Серия Диапазон Диапазон рабочих Тип корпуса Сертификация при температурах –55…+125 °C. В зависимости
конденсаторов номиналов напряжений, В от номинала и материала диэлектрика (BP или
Многослойные M123A1x BX) начальная погрешность емкости находится
керамические M123A2x 1–470 000 пФ 50–100 0805; 1210; 1808; 2225 MIL-PRF-123 в пределах 0,1–0,5 пФ или 1–20%. Аналогичную
1206; 1812; 1825 конструкцию и схожие характеристики име-
Твердотельные CDR0x 10–470 000 пФ 6,3–100 MIL-PRF-55681 ют устройства серий CDR0x и CDR3x, те-
танталовые CDR3x 1–470 000 пФ 0805; 1805; 1808; 1812; 2225 стированные согласно MIL-PRF-55681.
Wet DSCC 03028 1–100 000 пФ 50–250 0805; 1206; 1210; 1812; 1825 DSCC 03028 Серия DSCC позиционируется для использо-
танталовые DSCC 03029 1–10 000 пФ 50–100 DSCC 03029 вания в ВЧ-применениях, в том числе в спут-
DSCC 05001 10–200 0603 DSCC 05001 никах, GPS-аппаратуре, бортовом оборудова-
DSCC 05002 1–100 пФ 16–200 0204 DSCC 05002 нии летательных аппаратов, гидролокаторах,
DSCC 05003 10–600 0805 DSCC 05003 широкополосных телекоммуникационных си-
DSCC 05006 1–27 пФ 0603 DSCC 05006 стемах, Wi-Fi- и WiMax-устройствах и т.д. Она
DSCC 05007 1–220 000 пФ 6,3–500 0402 DSCC 05007 обладает расширенным диапазоном рабочих
VJ HiRel 1–470 000 пФ 4–50 0805 напряжений и низким значением тангенса угла
(NPO) 4–35 1206 MIL-PRF-55681 потерь (0,05% на частоте 1 МГц).
VJ HiRel 1–39 000 пФ 10–40 0402; 0603; 0805; 1206; 1210; 1808;
(X7R/X5R) 4–50 1812; 1825; 2220; 2225 MIL-PRF-55363/4 Серия VJ HiRel, изготавливаемая с приме-
CWR06 100 пФ – 6,8 мкФ 4–63 0402; 0603; 0805; 1206; 1210; 1808; MIL-PRF-55365/13 нением диэлектриков NPO и X7R/X5R, от-
CWR16 4–50 1812; 1825; 2220; 2225; 3640 личается большим количеством доступных
DSCC 02002 0,1–100 мкФ DSCC 02002 типоразмеров.
DSCC 95158 0,33–330 мкФ 4–75 A; B; C; D; E; F; G; H DSCC 95158
10–150 мкФ 6–50
T83 4,7–220 мкФ A; B; D; E; F; G; H
T95 0,1–470 мкФ 6–125
T96 0,15–680 мкФ A; B; C; D; E
T97 10–680 мкФ 25–125
T98 22–1500 мкФ 6–15 A; B; C; D; R; S; V; X; Y; Z –
CSRxx 10–1500 мкФ 16–75 R
CLRxx 0,056–1000 мкФ MIL-PRF-39003
V; D; E; R; F; Z; M; H; N MIL-PRF-39006
DSCC 0601x 1,7–2200 мкФ V; E; F; R; Z; M; H DSCC 06013; DSCC 06014;
A; B; C; D DSCC 06015; DSCC 06016
ST 10–1800 мкФ
DSCC 93026 T1; T2; T3; T4 –
150–4700 мкФ DSCC 93026
STA 750–6000 мкФ T1; T2; T3; T4; L2
STE –

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

пассивные элементы компоненты 15

Рис. 8. Внешний вид танталовых конденсаторов Vishay

Рис. 9. Внутреннее строение SuperTan-конденсаторов компании Vishay

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

16 компоненты пассивные элементы

Таблица 4. Основные характеристики высоконадежных катушек индуктивности необходимо принимать во внимание эффект теплового старения, ха-
компании Vishay рактеризующегося увеличением потерь в сердечнике. Кроме того, ис-
пользование композитного материала снижает уровень излучаемых
Серия Диапазон Номинальный Диапазон рабочих Внешний вид акустических помех до минимального уровня, а также способствует
индуктивностей, мкГн рабочий ток, мА температур, °С корпуса повышению стойкости к температурным воздействиям, ударно-ви-
брационным нагрузкам и влажной среде.
MS21426 1,2–100 51–247 –55…+105
MS75087 0,1–0,82 370–1790 –55…+125 В настоящее время доступны катушки индуктивности следую-
MS75088 200–1070 щих форм-факторов: 1212, 1616, 2020, 2525, 3232, 4040, 5050 и 6767.
MS75083 1–12 385–1350 Все компоненты характеризуются наилучшим для своих размеров
MS75084 0,1–1 135–590 показателем отношения сопротивления постоянному току к но-
MS75085 1,2–27 28–130 миналу. Индуктивности IHLP1212 имеют минимальные габариты
MS18130 33–1000 260–2450 (3,63,2 мм) и четыре возможные высоты 1; 1,2; 1,5 и 2 мм. Их макси-
MS14046 0,15–4,7 165–495 мальная рабочая частота достигает 2 МГц, а диапазон номиналов со-
MS90538 5,6–33 101–180 ставляет 0,1–3,3 мкГн. Семейство IHLP3232 предоставляет разработчи-
S75101 36–240 205–990 ку широкий выбор силовых индуктивностей поверхностного монтажа
IHLP1212 3,3–27 8500–11020 с диапазоном номиналов 0,22–33 мкГн, токами насыщения 3,1–36 А
IHLP1616 0,1–3,3 1700–16000 и рабочей частотой до 5 МГц. устройства доступны в корпусе 3232
IHLP2020 0,047–4,7 1900–21000 с габаритными размерами 88 мм и сверхнизким профилем 3 и 4 мм.
IHLP2525 0,1–22 2500–32500 Начальная погрешность номинального значения не превышает ±20%.
IHLP3232 0,1–22 3100–36000 Малогабаритные катушки индуктивности IHLP6767, рассчитанные
IHLP4040 0,22–33 2500–40000 на токи насыщения 5–80 А, имеют индуктивность 0,1–100 мкГн, что
IHLP5050 0,19–100 7000–60000 является абсолютным рекордом среди аналогичных компонентов для
IHLP6767 0,1–10 5000–80000 поверхностного монтажа. Корпус типа 6767 имеет габаритные раз-
0,1–100 меры 17,917,1 мм и высоту не более 7 мм. Типовое максимальное
сопротивление постоянному току не превышает 0,67–105 мОм для
различных номиналов.

Заключение

Компания Vishay выпускает широкую линейку высоконадежных

пассивных компонентов, изготовленных в соответствии с требовани-

ями международных стандартов. Предлагаемые группы изделий пол-

ностью удовлетворяют любые потребности разработчиков оборудо-

вания аэрокосмического и военного назначения. n

Литература

1. Официальный сайт компании Vishay Intertechnology. www.vishay.com
2. Vishay Sfernice MCB for AMS market. Product portfolio. Vishay Intertechnology,

2017.

новости измерительная аппаратура

Новые токовые пробники
от НПО «Горизонт Плюс»

Компания НПО «Горизонт Плюс» (г. Истра, Пробники представляют собой накидной изме- в 1,5 раза. Выходной сигнал при измеряемом
Московская область) представляет два варианта рительный преобразователь, состоящий из кор- токе — 1 В, а нелинейность выходной характери-
новых токовых пробников (токовые клещи-адап- пуса с электронной системой обработки сигна- стики — не более 1%. Диаметр раскрытия губок
теры) с диапазонами измерения тока 20–1000 А. ла и разъемного магнитопровода в подвижных клещей — 25 мм.
пластмассовых губках. Работа токовых пробников
основана на использовании эффекта Холла или Пробник КТ-***-П-Д54 позволяет измерять
на технологии трансформаторов тока. Новинки переменный ток (50 Гц) в диапазонах 20, 50, 100,
предназначены для измерения любых видов тока 200, 500 А с коэффициентом передачи 1/5000.
и позволяют оценить мощность потребления на- Выходной сигнал при измеряемом токе — 2 В,
грузок и провести анализ качества электроэнер- а диаметр раскрытия губок клещей — 54 мм.
гии, а также для измерения гармоник тока, пуско-
вых токов, пульсаций и шума. Модель пробника КТ-***-У-Д54 предназна-
чена для измерения больших значений постоян-
Модель токового пробника КТ-***-У-Д25 обе- ного и переменного тока: 300, 500, 750,1000 А.
спечивает измерение постоянного, переменного Основная приведенная погрешность прибо-
и импульсного тока без разрыва токовой цепи ра — не более 1%. Диапазон рабочих темпера-
в диапазонах 10, 20, 50, 100, 200 и 400 А с до- тур –40…+60 °C. Габаритно-массовые размеры
пустимой перегрузкой по измеряемому току 226×112×44 мм, масса 700 г.

www.gorizont-plus.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

Реклама

18 компоненты датчики

Семейство XGS
КМОП-датчиков изображения
высокого разрешения

от компании On Semiconductor

Александр САМАРИН Компания On Semiconductor является одним из ведущих производителей
Олег БОЛИхОВ датчиков изображения, использующих технологии ПЗС и КМОП и пред-
назначенных для работы в цифровых камерах различного назначения.
[email protected] Компания постоянно совершенствует технологию, производительность
и сферы применения своих датчиков. В последние годы компанией раз-
работан ряд новых серий КМОП-датчиков, которые по своим параметрам
не уступают параметрам лидирующих в этой области и аналогичных по раз-
решению ПЗС-датчиков. В связи с этим в ближайшее время компания на-
мерена свернуть производство ПЗС-датчиков и полностью переключиться
на выпуск КМОП-датчиков изображения нового поколения с улучшенными
параметрами и по передовой технологии. В статье описываются характе-
ристики, применение, особенности эксплуатации оптических датчиков
КМОП новой серии XGS (Extended Global Shutter) высокого разрешения
и производительности, созданных для использования в камерах техниче-
ского зрения. Они предлагаются разработчикам в качестве перспективной
альтернативы вместо моделей ПЗС-датчиков изображения, снимаемых
с производства компанией On Semi.

И 2929 мм для приложений Machine Vision,
ITS, Security, Medical и Scientific. Серия
Рис. 1. Общий вид датчиков изображения XGS устройств XGS продолжает ранее разрабо-
и камеры формата 2929 мм танную и серийно выпускаемую линейку
Phyton. датчики новой серии имеют богатый
набор функций, обеспечивающих гибкость
применения. Все три датчика XGS имеют
размер пикселя 3,2 мкм и доступны в моно-
хромном и цветном форматах. Корпус дат-
чика обеспечивает оптическое сопряжение
с корпусом камеры форм-фактора 2929 мм.
На рис. 1 показан общий вид датчиков се-
рии XGS и образец корпуса форм-фактора
2929 мм без объектива.

Потребление энергии и выделение тепла
являются важными факторами для внедре-
ния видеокамер в системы промышленного
зрения. датчики семейства XGS потребля-
ют менее 1 Вт на высокой скорости кадро-
вой развертки и максимальном разрешении.
Кроме того, они обеспечивают стабильность
параметров в широком диапазоне рабочих
температур –40…+85 °C, что позволяет уста-
навливать их в видеокамерах, работающих
в жестких условиях эксплуатации.

1 Thunderbolt («раскат грома») — аппаратный интерфейс, ранее известный как Light Peak, разработанный компанией Intel в сотрудничестве с Apple.
Служит для подключения различных периферийных устройств к компьютеру с максимальными скоростями передачи данных около 10 Гбит/с
по медному проводу и 20 Гбит/с при использовании оптического кабеля. Мощность, потребляемая самим интерфейсом Thunderbolt 1 и 2,
составляет 10 Вт — больше, чем 4,5–5 Вт в стандартном USB 3.2.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

датчики компоненты 19
www.kite.ru
Таблица 1. Основные характеристики датчиков
изображения семейства XGS

Параметр Значение

XGS 12000 1″
(диагональ 16,4 мм)

Оптический формат XGS 9400 1/1,2″
(диагональ 13,9 мм)

XGS 8000 1/1,1″
(диагональ 14,8 мм)

Активные пиксели XGS 12000 4096×3072
(H×V) XGS 9400 3072×3072
XGS 8000 4096×2160

Размер пикселя 3,2 мкм

Опции фильтра Монохром или цветной Bayer

Тип затвора Global Shutter
(кадровый затвор)

Входная частота синхронизации 32,4 МГц

Выходной интерфейс HiSPi (24 линии —
777,6 Mbps/линию)

Частота кадров 24 линии XGS 12000 90 кадров
(при 12-битном (–X1) XGS 9400 90 кадров
разрешении) XGS 8000 128 кадров
12 линий XGS 9400 56 кадров
(–X2) XGS 8000 80 кадров

6 линий (–X3) XGS 12000 28 кадров

Шум считывания <4 e– (1x); 1,9 e– (4x)

Отношение сигнал/шум, max 40 дБ

Динамический диапазон 68 дБ

Питающие 1,2; 2,8; 3 В
напряжения (0,4; 1,8 В опционально)

Потребляемая мощность, Вт 1 (полная скорость,
максимальное разрешение)

Диапазон рабочих температур –40…+85 °C

Корпус 163-pin CLGA
(Ceramic Land Grid Array)

при низком энергопотреблении. датчики со- Рис. 2. Структурная схема датчика изображения семейства XGS
ответствуют монтажу в корпус камеры стан-
дарта 2929 мм. Совместимость устройств XGS • совместимость с базовыми компьютерны-
позволяет производителям камер использо- ми интерфейсами в соответствии с требо-
вать единую конструкцию камеры для разных ваниями для базовых приложений.
разрешений и скоростей, что сокращает время
выхода на рынок новых моделей. Структурная схема оптического
датчика семейства XGS
усовершенствованный CMOS-пиксель
3,2 мкм, разработанный для данного семейства Структуры всех датчиков этой серии оди-
датчиков, имеет высокую чувствительность наковы (рис. 2). Различие только в разреше-
и однородность изображения, что расширяет нии и размере диагонали поля матрицы ак-
возможности высокопроизводительной визу- тивных пикселей. Размеры пикселей для всех
ализации для таких приложений, как машин- датчиков серии одинаковые — 3,23,2 мкм,
ное зрение, интеллектуальные транспортные оптический формат сопряжения с объ-
системы и трансляция изображений. ективом камеры тоже — 1″. Аналоговые
данные кадра изображения преобразуются
Высокоскоростное 12-разрядное кодиро- в цифровой 12-разрядный код столбцовы-
вание пикселей датчиков с низким уровнем ми АЦП и передаются через интерфейс HiSPi
шума требует применения в видеокамерах в модуль сопряжения датчика с компьюте-
на их основе высокоскоростных интер- ром системы. Логика на кристалле, которая
фейсов, в том числе USB 3.2, Thunderbolt 2 программируется через последовательный
и 10 GigE. Основные характеристики датчи- интерфейс, генерирует внутреннюю синхро-
ков представлены в таблице 1. низацию для управления интегрированием
и считыванием данных изображения в схему
Основные характеристики: обработки камеры.
• улучшенный дизайн затвора пикселя раз-

мером 3,2 мкм;
• повышенная оптическая чувствитель-

ность;
• компактный корпус;
• наличие исполнений с разной скоростью

затвора.
достоинства серии XGS:
• высокое разрешение при высоком качестве
и однородности изображения;
• уменьшение энергопотребления и площа-
ди нагрева датчика;
• совместимость размера датчика со стан-
дартом для камер 2929 мм;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

20 компоненты датчики

Рис. 4. Стековая структура интегрального
датчика изображения

Технология stacked structure

Рис. 3. Сравнение двух технологий фотосенсора датчика В датчиках серии XGS для уменьшения
площади размещения элементов схемы была
Overhead Time — добавленное время кадра), использована технология вертикального,
в течение которого аналоговая величина на за- или многослойного, размещения элемен-
рядном конденсаторе ячейки пикселя пере- тов массива светочувствительных сенсоров
записывается в ее запоминающий элемент. и схемы управления. На рис. 4 показана сте-
После этого заряд на конденсаторе сбрасыва- ковая структура интегрального датчика.
ется, и на нем вновь начинается накопление
заряда. Считывание данных с запоминающего датчик состоит из двух кристаллов, нало-
элемента происходит одновременно, последо- женных друг на друга и электрически свя-
вательно, строка за строкой. В общем случае занных межсоединениями по плоскости со-
конвейерный режим предназначен для фор- пряжения кристаллов. Технология stacked
мирования последовательности видеокадров, structure позволила значительно сократить
а триггерный — для одиночной съемки ста- площадь кристалла датчика и размеры кор-
тичного изображения (фотографирования). пуса видеокамеры, в которой использовался
датчик.
Триггерный режим
Функция ROI
Триггерный режим матрицы — это режим
ожидания, рабочий цикл датчика (интегриро- Region Of Interest (ROI) означает область
вание + считывание) начинается по внешнему интересов в активной области поля изо-
сигналу. Сначала происходит формирование бражения датчика. Функция ROI позволя-
изображения, а затем его считывание, после ет выбирать интересующую область экра-
чего матрица вновь переходит в дежурный на на отслеживаемом видео. Такая область
режим. управляющий входной сигнал пуска будет в центре вашего видеоанализа — на-
триггера поступает по управляющему интер- пример, для идентификации лиц, предметов,
фейсу камеры. На выходе выходного интер- автомобильных номеров и т. д. С помощью
фейса датчика формируются данные одного функции ROI можно сэкономить более 30%
кадра, и датчик переходит в ждущий режим. скорости передачи данных и, следовательно,
снизить не только необходимую пропуск-
Улучшение чувствительности ную способность и потребление, но и тре-
и расширение угла обзора буемый объем памяти для хранения изо-
бражения. для датчиков серии XGS можно
улучшение чувствительности и расшире- программно задать до восьми интересующих
ние угла обзора датчика изображения были областей. Концепция ROI обычно использу-
достигнуты изменением топологии слоев ин- ется во многих областях применения. В част-
тегрального датчика, а именно размещением ности, при медицинской визуализации гра-
матрицы фотодиодов на фронтальной по- ницы опухоли и для измерения ее размера.
верхности кремниевой подложки. Разводка Граница эндокарда может быть определена
сигнальных цепей и цепей питания (слои на изображении для различных фаз сердеч-
металлизации) в этом случае выполнена ного цикла, в том числе конечной систолы
в нижнем слое. Таким образом, на фотодиод и конечной диастолы, с целью оценки сер-
поступает больше света и расширяется угол дечной функции. В географических инфор-
обзора фотодиода пикселя. мационных системах (ГИС) режим ROI мо-
жет быть использован как полигональный
Архитектура фронтального или заднего выбор из 2D-карты. В компьютерном зрении
(по отношению к активной плоскости дат- и оптическом распознавании символов ROI
чика) размещения интегрального массива определяет границы рассматриваемого объ-
фотодиодов показана на рис. 3. екта. Во многих приложениях символические
(текстовые) метки добавляются в область ин-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

датчики компоненты 21

тереса для компактного описания ее содержимого. Внутри ROI могут
находиться отдельные точки интереса (POI). Функция полезна, если
мала пропускная способность канала передачи видеопотока или же
недостаточен размер памяти для приема и хранения видео. То есть ее
можно применять, чтобы увеличить длительность записи сохраняе-
мого видео или уменьшить количество жестких дисков.

Массив цветных фильтров

В исполнениях датчика изображения с цветными пикселями поверх Рис. 5. Топология цветных фильтров
фотодиодов матрицы наносится двумерный массив цветных филь-
тров. Практически во всех датчиках цветного изображения предус- В центре находится массив активных пикселей, данные которых
мотрена топология фильтра Байера. В серии XGS также применяется передаются через выходной интерфейс. Вокруг этого поля распо-
фильтр Байера, который состоит из 25% красных элементов, 25% си- ложена воротниковая зона пикселей, предназначенных для цвето-
них и 50% зеленых элементов, расположенных, как показано на рис. 5. вой интерполяции активных пикселей. далее имеется воротнико-
вая разделительная зона пустых (dummy) пикселей. Периферийная
Каждый пиксель цветного изображения образован четырьмя U-образная зона пикселей сформирована для локального отслежива-
ячейками на матрице. Следовательно, полное изображение, считан- ния уровня черного для пикселей строк.
ное, например, с монохромного варианта датчика, при отображе-
нии на экране монитора будет иметь размер, соответствующий раз- Применение такой архитектуры вспомогательных полей пиксе-
решению датчика (40963072), а полное изображение, считанное лей позволило улучшить однородность чувствительности фотоди-
с цветного варианта датчика, на мониторе будет иметь размер в 4 раза одов матрицы, уменьшить влияние шумов и увеличить отношение
меньшего разрешения (1024768). В некоторых приложениях тре- сигнал/шум.
буется уменьшить разрешение датчика, что позволит сократить по-
требление, скорость передачи данных и, соответственно, нагрузку
на компьютер обработки изображения. Как для монохромного вари-
анта датчика изображения XGS, так и для цветного предусмотрены
режимы прореживания данных:
• Read One Skip One — для монохромных матриц;
• Read Two Skip Two — для цветных.

При считывании данных будут пропускаться в первом случае каж-
дая вторая строка и каждый второй столбец. А для цветного исполне-
ния пропускаются каждые два столбца через два активных и каждые
две строки через две активные.

Формат пиксельных данных

На рис. 6 показана топологическая карта пиксельной матрицы
на примере датчика XGS 12000.

Рис. 6. Топологическая карта пиксельной матрицы датчика XGS 12000 www.kite.ru
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

22 компоненты датчики

аб в

Рис. 7. Области применения датчиков серии XGS: а) системы машинного зрения; б) системы слежения за транспортными потоками; в) широковещательное телевидение

Пользователь может выбирать один из этих Рис. 8. Общий вид камеры Baumer CX
интерфейсов. данные о режиме работы дат- с объективом для систем машинного зрения
чика записываются в три конфигурационных в формате корпуса 29×29 мм
регистра. Команды определения конфигура-
ции поступают из компьютера системы обра- новлены КМОП-датчики изображения раз-
ботки изображения через интерфейсы USB3.1, ных производителей, в том числе и датчики
Thunderbolt 2 или GigE, которые используют- изображения On Semiconductor предыдуще-
ся в конкретной модели камеры производите- го семейства Phyton. В камерах Baumer CX
ля для приема данных изображения, питания используются новейшие поколения датчи-
камеры и управления режимами. ков Sony Pregius и STARVIS CMOS, а также
On Semiconductor Python. На рис. 8–11 показа-
Области применения датчиков изображе- ны варианты исполнений корпусов видеока-
ния серии XGS: мер с различными выходными интерфейсами.
• машинное зрение;
• системы безопасности; Функции, реализуемые на уровне камеры:
• интеллектуальные транспортные системы • программируемые режимы автоматиче-

(ITS); ской настройки яркости изображения;
• системы автоматического визуального • режим Cycling — съемка серии кадров

контроля (продукты питания, бутылки, с разными значениями экспозиции;
метки и другое);
• системы ТВ; Рис. 9. Вид камеры под формат 29×29 мм,
• медицинское оборудование; интерфейс USB 3.2
• научные приборы и оборудование.
На рис. 7 показаны примеры базовых при-
менений высокопроизводительных датчиков
семейства XGS.

Использование
датчиков серии XGS
в камерах машинного зрения

Выходной поток данных передается в ком-
пьютер прикладной системы для дальнейшей
обработки изображения. данные передаются
в сыром виде, без помощи алгоритмов нели-
нейного сжатия изображения. Камера состо-
ит из корпуса с цилиндрическим фланцем
для крепления объектива и выходным интер-
фейсным разъемом на задней стенке камеры,
самого датчика, платы управления, которая
обеспечивает формирование нужных питаю-
щих напряжений для датчика изображения,
и другой логики — приемного интерфейса
сигналов изображения датчика, управля-
ющего интерфейса для установки рабочих
режимов датчика, блока предварительной
обработки сигналов, формирователя выход-
ного потока для выходного интерфейса.

На рис. 8 показан общий вид универсаль-
ной камеры CX машинного зрения с ин-
терфейсом USB 3.0 производителя Baumer
с форматом корпуса 2929 мм. В ней уста-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

датчики компоненты 23

Рис. 10. Корпус 29×29 мм с интерфейсами USB 3.0
и GigE с питанием через PoE

Рис. 12. Автоматизированные линейки сборки с использованием камер технического зрения
для локального позиционирования манипуляторов робототехнических систем

Рис. 11. Общий вид камеры высокой www.kite.ru
производительности с интерфейсами Thunderbolt
(на корпусе камеры с задней стороны
разъем расположен слева)
и гигабитный Ethernet-интерфейс
(интерфейсный разъем расположен справа
на задней стороне корпуса камеры)

• режим Burst — съемка серии кадров с мак-
симальной для сенсора скоростью во вну-
тренний буфер памяти;

• режим Multi-ROI — задание до 16 областей
интереса на матрице;

• поддержка точного временного протокола
PTP IEEE-1588 и метаданных;

• поддержка команд для управления объек-
тивами, подсветкой и другим оборудова-
нием (опционально).

Системы технического зрения

В настоящее время системы техническо-
го зрения (СТЗ) являются одним из главных
средств развития автоматических систем
управления движением в условиях, когда
объем априорной информации недостато-
чен и для решения задач управления необ-
ходим анализ внешней обстановки в режиме
реального времени. СТЗ находят применение
в современных космических, авиационных,
наземных, надводных и подводных мобиль-
ных объектах. Благодаря быстродействию,
высоким уровням пространственного и цве-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

24 компоненты датчики

On Semiconductor. К 2009 году Aptina уже производила 16% мирового Сравнение технологии ПЗС- и КМОП-камер
рынка КМОП-датчиков с объемом $671 млн. В 2011 году на рынок
был выпущен 2-миллиардный датчик компании. датчики Aptina датчики изображения подразделяются на два основных класса:
использовались в цифровых камерах Nikon V1 (10,1 MP, CX format, датчики с зарядовой связью (CCD) и датчики на основе технологии
16,917,9 мм), Nikon J1, Nikon V2. КМОП (CMOS). Сегодня большинство датчиков изображения явля-
ются КМОП-датчиками.
Aptina Imaging была образована в марте 2008 года как Image
Sensor Division — подразделение компании Micron Technology. Ранее ПЗС-сенсоры имели меньший уровень шумов и более широ-
Самостоятельной компанией Aptina стала уже в следующем, 2009 году. кий динамический диапазон. Недостатки датчиков с CCD-матрицей:
• высокое энергопотребление;
В 2006 году Micron Imaging Group приобретает подразделение дат- • низкая кадровая частота;
чиков изображения компании Avago Technology. • дороговизна.

Оценочные комплекты On Semiconductor За счет постоянного совершенствования архитектуры и техно-
для семейства датчиков изображения XGS логии КМОП-сенсоры практически ни в чем не уступают анало-
и номера для заказа гичным по формату и разрешению ПЗС-датчикам. При этом их
цена ниже, чем у аналогичных по характеристикам ПЗС-датчиков.
Номера для заказа датчиков представлены в таблице 2. Компания Sony, являясь лидером в области производства высо-
ко-качественных ПЗС-датчиков изображения на протяжении
Таблица 2. Базовые характеристики и номера для заказа 30 последних лет, приняла решение закрыть направление произ-
водства ПЗС-датчиков изображения. Компания On Semiconductor,
Датчик Разрешение Скорость Частота Цвет/монохром Номер для заказа производящая ПЗС-датчики изображения, также приняла анало-
XGS 12000 4096×3072 затвора кадров, Гц гичное решение. После 18 марта 2020 года купить ПЗС-матрицы
XGS 9400 3072×3072 Высокая Монохром NOIX1SN012KB-LTI On Semiconductor можно будет только у Rochester Electronics.
XGS 8000 4096×2048 Низкая 90 Цветной NOIX1SE012KB-LTI В качестве замены компания рекомендует использовать датчики
Высокая 28 Монохром NOIX3SN012KB-LTI нового семейства КМОП-матриц XGS.
Низкая 90 Цветной NOIX3SE012KB-LTI
Высокая 56 Монохром NOIX1SN9400B-LTI Заключение
Низкая 128 Цветной NOIX1SE9400B-LTI
80 Монохром NOIX2SN9400B-LTI Сегодня наряду с КМОП-датчиками изображения компания про-
Цветной NOIX2SE9400B-LTI
Монохром NOIX1SN8000B-LTI должает выпускать и датчики по ПЗС-технологии. Это датчики,
Цветной NOIX1SE8000B-LTI
Монохром NOIX2SN8000B-LTI например, серии KAF (KAF-16200 разрешением 16,2 Мп), предна-
Цветной NOIX2SE8000B-LTI
значенные для установки в цифровых видеокамерах для астроно-

мических исследований. Пока по совокупности ключевых параме-

Оценочные комплекты (табл. 3) On Semiconductor позволяют за- тров датчики указанной серии превосходят в данном секторе близкие
казчикам легко и быстро оценить производительность датчиков изо-
бражения, включая все типы таких устройств. Оценочные комплекты по разрешению КМОП-датчики On Semiconductor. Однако благодаря
содержат датчик, плату сопряжения, кадровый буфер и базовую пла-
ту. для создания полной оценочной системы видеокамеры на базе быстрому прогрессу в технологии КМОП-датчиков ожидается, что
датчиков семейства XGS необходимо приобрести три компонента:
• одну плату обработки данных изображения от датчика (imager они не будут уступать во всех секторах приложений датчикам изо-

board); бражения ПЗС. Компания намерена в ближайшие два года полно-
• плату памяти кадрового буфера (frame buffer card);
• выбрать нужный датчик (цветной или монохромный) и плату со- стью свернуть производство ПЗС-матриц и сконцентрировать уси-

пряжения (headboard). лия на улучшении параметров оптических датчиков КМОП. При

этом стоимость производства КМОП-матриц значительно дешев-

ле, чем ПЗС. Компания Sony, являющаяся также лидером в обла-

сти изготовления сенсоров изображения, пошла по пути отказа

от ПЗС-матриц пару лет назад. И в связи с этим рекомендует раз-

работчикам высокопроизводительных видеокамер, предназначен-

Таблица 3. Оценочный комплект ных для использования в индустриальном, транспортном или ме-

дицинском секторах, переходить на применение перспективных

Компонент Каталожный номер Примечание серий КМОП-матриц, в частности серии XGS. Интеллектуальная

Используется одна и та же Demo 3 конструкция датчика изображения может помочь ускорить и упро-
плата сопряжения для большинства
Imager Board AGB1N0CS-GEVK ASD/CSD. Интерфейс между стить разработку полного ассортимента камер для промышлен-
AGBAN6CS-GEVK оценочной системой и компьютером.
Frame Buffer Card NOIX1SN012KBLFB-GEVB Управляет датчиком и содержит ной обработки изображений. n
Monochrome Headboard XGS 12000, NOIX1SE012KBLFB-GEVB локальный кадровый буфер памяти.
high speed Доступно на сайте [6] Содержит монохромный датчик Литература
Color Headboard XGS 12000, и необходимые компоненты для питания
high speed и сопряжения на физическом уровне. 1. Бирюков Е. Эволюция датчиков изображения: от ПЗС к КМОП // Ком-
Программа DevWare Содержит монохромный датчик поненты и технологии. 2007. № 10.
и необходимые компоненты для питания
и сопряжения на физическом уровне. 2. Datasheet XGS 12000, XGS 9400 and XGS 8000 Global Shutter CMOS Image
Sensors. XGS Family. October, 2019. www.onsemi.com/pub/Collateral/
В сочетании с программным обеспечением On Semiconductor эта XGS12M-D. PDF
система оценки предоставляет возможность полностью контроли-
ровать настройки регистров датчика изображения и обеспечивает за- 3. High-Speed Serial Pixel (HiSPi) interface. Protocol Specification V1.50.00. Aptina.
пись видео, захват неподвижного изображения, анализ изображения. 4. Product Discontinuance Notification. 18 September, 2019. www.mouser.com/
Программа DevWare позволяет быстро оценить функциональность
КМОП-датчика при установке его параметров в режиме кадрового PCN/On_Semiconductor_MainDoc_PD22847X_8697918434800092508.pdf
затвора, при разной частоте кадров, оценить высокую чувствитель- 5. «Мы с КМОП на границе»: датчики изображения ON Semiconductor и их
ность, а также опробовать параметры режимов, необходимых для
конкретного приложения. применение в системах безопасности. 19 февраля 2013. www.compel.
ru/lib/ne/2013/1/8-myi-s-kmop-na-granitse-datchiki-izobrazheniya-on-
semiconductor-i-ih-primenenie-v-sistemah-bezopasnost
6. www.onsemi.com

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

25

Реклама

Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

26 компоненты датчики

City Technology —
новый игрок на российском рынке
газовых сенсоров

Владимир РеНТюК Газовые сенсоры (детекторы, или газосигнализаторы) — устройства, ко-
[email protected] торые позволяют измерять концентрацию или определять наличие от-
дельных компонентов газовых смесей, в том числе паров жидких веществ.
Учитывая, что эти газы часто не имеют запаха, требуют точного опреде-
ления и бывают смертельны даже при микроскопической концентрации,
такой датчик должен быть чувствительным и надежным. Соответственно,
выбор сенсора или завершенного датчика требует и должного подхода,
и надежного поставщика. Один из таких поставщиков — компания City
Technology, которая в настоящее время является частью группы компаний
Honeywell, но в отличие от нее недостаточно известна и незаслуженно
мало представлена на российском рынке.

Введение цессов, нередко связанных с ядовитыми или
огне- и взрывоопасными газообразными ве-
Газовые сенсоры — основа многих систем ществами.
безопасности разного назначения. Например,
в быту они используются для обнаружения Если для иллюстрации использовать анало-
продуктов горения (дыма) и бытового газа. гию, то, собираясь идти в горы и приобретая
Если бы наши дома, еще советской построй- надежный страховочный трос, купите ли вы
ки, да и не только, имели такие датчики, это к нему «на базаре» неизвестно кем, неизвест-
спасло бы множество жизней от взрывов но из чего и неизвестно на каком оборудова-
воздушно-газовой смеси и крайне опасного нии сделанный карабин, от которого в итоге
угарного газа, не имеющего цвета и запаха. может зависеть ваша жизнь? Конечно же нет.
Газовые сенсоры также являются критиче- Так и в случае газовых сенсоров — здесь луч-
ски важным, причем начальным элементом ше не гоняться за дешевизной и покупать их
систем контроля управления и безопасности у тех, кто предлагает проверенные решения
технологических и производственных про- и может гарантировать их должное функци-
онирование и долговременную надежность.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

датчики компоненты 27

отказаться: в апреле 2000 года компания Таблица. Перечень газов, для обнаружения которых предназначены датчики компании City Technology
была сначала приобретена базирующейся
в Великобритании международной группой Газ/тип Наименование
First Technology plc, а в марте 2006-го, уже сенсора
в составе First Technology plc., — известной характеристика/опасность
диверсифицированной технологической
компанией Honeywell с оборотом на тот мо- Международное Русское
мент в $26 млрд [2]. Так стартап, основан-
ный группой ученых в кампусе Лондонского AsH3 2E Arsine Арсин, мышьяко- Очень токсичный бесцветный газ. Абсолютно химически чистый арсин
университета Сити, стал частью и ведущим Cl2 Chlorine вистый водород запаха не имеет, но продукты окисления придают ему чесночный запах.
брендом Honeywell для газовых датчиков. ClO2 Chlorine Dioxide Токсичный удушающий газ, сильный ирритант, при попадании в легкие
CO2 Carbon Dioxide Хлор вызывает ожог и удушье. Использовался как боевое отравляющее вещество.
Спустя год был поглощен известный Carbon Monoxide Диоксид хлора Малоустойчив, взрывается на свету, при контактах с восстановителями
немецкий производитель Sensorik, а в 2007-м CO 2E/3E 300 Combustible Gases Диоксид углерода, и при нагревании.
создана новая структура под брендом City CO 3E 500 S Diborane углекислый газ Парниковый газ, при избытке может быстро привести к потере сознания
Technology, куда вошли Sensorik и Sixthsens Ethylene Oxide без возникновения ощущения нехватки воздуха.
(компания, ведущая cвою историю B2H6 Монооксид Бесцветный чрезвычайно токсичный газ без вкуса и запаха, легче воздуха.
с 1950 года). Сейчас обновленная таким об- C2H4O Exhaust Gases углерода, Оказывает незаметное удушающее действие.
разом компания City Technology ежегодно Phosgene угарный газ Вызывает изменения состава крови, уменьшая содержание гемоглобина.
поставляет 3 млн датчиков (для всех видов COCl2 Phosphine Горючие газы При длительном вдыхании приводит к летальному исходу.
продукции) и имеет в своем портфеле свыше РН3 Диборан Включают природный газ, метан, бутан, пропан —
300 различных датчиков, обнаруживающих Fluorine Окись этилена огнеопасны и взрывоопасны при превышении НПВ*.
28 газов, в том числе и так называемых эк- F2 Hydrogen Бесцветный газ со сладковатым запахом, очень ядовитый бороводород.
зотических токсичных; 80% годового произ- H2 Hydrogen Sulfide Выхлопные газы При соприкосновении с воздухом может самопроизвольно воспламеняться.
водства компании экспортируется и продает- киHсл2Sота Фосген Смесь паров вещества с воздухом является чрезвычайно
ся клиентам в 48 странах мира [2]. H2S газ Hydrochloric Acid Фосфин огне- и взрывоопасной. Также является медленно действующим
HCl Hydrogen Cyanide сильным ядом для теплокровных животных и человека, проявляя
В 2015 году компания Honeywell объ- HCN Hydrogen Fluoride Фтор канцерогенное, мутагенное, раздражающее и наркотическое действие.
явила о создании Honeywell Industrial Safety, HF Водород Наибольшую опасность представляют оксиды азота,
входящей в состав Honeywell Automation CH4 Methane Сероводород примерно в 10 раз более опасные, чем угарный газ.
Solutions, и решений по управлению безо- Гидриды Arsine Непредельные углеводороды в присутствии диоксида азота фотохимически
пасностью, в нее входят компании Honeywell Silane Соляная кислота окисляются, образуя ядовитые кислородсодержащие соединения.
Safety Products: Honeywell Safety Products, SO2 Sulphur Dioxide Синильная кислота Бесцветный чрезвычайно токсичный и удушливый газ.
Honeywell Analytics, Honeywell Specialty Safety Обладает удушающим действием. Боевое отравляющее вещество.
и City Technology [3]. Цель создания ново- N2H4 Hydrazine Фтористый Очень ядовит. Поражает в первую очередь нервную систему,
го бизнес-подразделения Honeywell — пред- водород нарушает обмен веществ; также действует на кровеносные сосуды,
ложить организациям связанные решения NH3 Ammonia Метан органы дыхания, печень, почки. Длительное вдыхание
безопасности и интеллектуальные функции NO Nitrogen Monoxide при концентрации 10 мг/м3 может привести к летальному исходу.
в реальном времени, которые им необхо- NO2 Nitrogen Dioxide Арсин AsH3 Чрезвычайно агрессивное ядовитое вещество.
димы для реагирования на угрозы безопас- O2 Моносилан SiH4 Раздражающие свойства в несколько раз сильнее, чем у фтороводорода.
ности, управления рисками для их бизнеса O3 Oxygen Контакт кожи с газом в течение 2 с вызывает термический ожог II степени.
и повышения производительности. THT Ozone Сернистый Горюч, в смечи с кислородом воздуха взрывоопасен.
TBM Tetrahydrothiophene ангидрид Очень токсичен. Вдыхание воздуха с небольшим содержанием сероводорода
Включение в эту группу компаний бывше- Mercaptane вызывает головокружение, головную боль, тошноту, а в значительной
го стартапа из университетского кампуса го- Гидразин концентрации приводит к коме, судорогам, отеку легких и даже к летальному
ворит о высокой ответственности и надежно- исходу. При высокой концентрации однократное вдыхание может вызвать
сти предлагаемых компанией City Technology Аммиак мгновенную смерть. Кислота образуется при растворении в воде.
продуктов. А благодаря объединению опыта Оксид азота (II) При попадании на кожу вызывает сильные химические ожоги. Особенно опасно
компаний, производящих продукты для обе- Оксид азота (IV) попадание в глаза. При открывании сосудов с концентрированной соляной
спечения безопасности, с капиталом такого кислотой пары образуют туман, раздражающий глаза и дыхательные пути
гиганта, как Honeywell, стало возможным Кислород человека. В РФ оборот соляной кислоты концентрации 15% и более ограничен.
более полно удовлетворить потребности Озон Сильнейший яд общетоксического действия, блокирует клеточную
по обеспечению безопасности, что позволя- цитохромоксидазу, в результате чего возникает выраженная тканевая гипоксия.
ет быстро и уверенно реагировать на угрозы Тетрагидротиофен Бесцветный токсичный (очень ядовитый) газ,
на рабочем месте и обеспечить построенно- Меркаптан сильно разъедает стенки дыхательных путей.
му на газовых сенсорах бизнесу повышение Третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли,
производительности, эффективности и при- при хроническом воздействии малых концентраций в воздухе неблагоприятно
быльности. влияет на центральную нервную систему, горюч, взрывоопасен.
Является мощнейшим ядом среди неорганических ядов.
Цели компании City Technology Среди соединений мышьяка наиболее токсичен.
Оказывает кроверазрушающее действие. Канцероген.
Компания City Technology в составе груп- Бесцветный газ с неприятным запахом, самовоспламеняется на воздухе,
пы Honeywell лидирует на мировом рын- реагирует с водой, ядовит.
ке в области разработки и производства Бесцветный газ с характерным резким запахом. Очень токсичен.
инновационных и надежных газовых дат- С водой образует сернистую кислоту, при высокой концентрации
чиков для использования в личных и ста- вызывает удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвоту,
ционарных системах безопасности жизне- возможен острый отек легких. Образует кислотные дожди и смог.
деятельности. Каждый день миллионы лю- Компонент ракетного топлива. Крайне токсичен. Небольшие концентрации
дей во всем мире доверяют датчикам ком- гидразина вызывают раздражение глаз, дыхательных путей.
При повышении концентрации — головокружение, головная боль и тошнота.
Далее — судороги, отек легких, кома и смерть.
Аммиак токсичен. По физиологическому действию на организм относится
к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных
при ингаляционном поражении вызвать токсический отек легких и тяжелое
поражение нервной системы.
Очень реакционное соединение, при обычной температуре NO
соединяется с кислородом с образованием NO2. Ядовит.
Способен вызывать кислотные дожди, а также является токсичным веществом,
вызывающими раздражение слизистых оболочек.
Поражает дыхательные пути и легкие, вызывает изменения состава крови,
в частности, уменьшает содержание в крови гемоглобина.
Окислитель, поддерживает горение и приводит к самовоспламенению.
В смеси с рядом газов и контакте с некоторыми веществами взрывоопасен.
Сильный окислитель, образование свободных радикалов кислорода
определяет его высокую токсичность.
Воздействие озона на организм является общетоксическим, канцерогенным
и мутагенным, а также может приводить к преждевременной смерти.
Пожароопасен.
Сернистое соединение, добавляется к газу, используемому в домах
и в котельных, для обнаружения утечки, второй класс опасности.

Примечание. *НПВ газа — нижний предел взрываемости, предел концентрации газовоздушной смеси,
ниже которой газовоздушная смесь не может воспламениться, а источник возгорания вызвать взрыв.

пании безопасность и защиту от ядовитых виях индустриальной среды, но и на транс-
газов. Причем это касается датчиков, работа- порте, дома, на обычных предприятиях
ющих не только в жестких и опасных усло- и в офисах, даже в больницах. Именно по-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

28 компоненты датчики

Рис. 1. Современный товарный знак и слоганы приложениях, в системах обеззараживания Рис. 3. Датчики газа компании City Technology 4 Series
компании City Technology и рециркуляции. Перечень определяемых га-
зов, которые способны обнаруживать датчи-
ки компании City Technology, и их основные
характеристики приведены в таблице.

дополнительную информацию по доступ-
ным для анализа химическим газам можно
получить через меню Sensor Selector (вклад-
ка Sensor) на домашней странице компании
по ссылке [4]. для удобства пользователей
датчики, в зависимости от анализируемого
химического вещества, имеют буквенную ко-
дировку [6].

Варианты исполнения рии имеется продукт под торговой маркой
газовых датчиков ECOSURE, предназначенный для обнаруже-
компании City Technology ния монооксида углерода (угарного газа, CO)
в жилых и коммерческих помещениях.
В части конструктивного исполнения
и форм-факторов для клиентов компании Основные особенности и области приме-
доступны следующие серии [5]. нения:
• кислород и токсичные газы;
3 Series • ИК-версия для углекислого газа и метана;
Оригинальная линейка газовых датчиков • полностью сертифицированные пеллисто-

компании City Technology (рис. 2) ранней ры для обнаружения горючих газов.
разработки. В этом форм-факторе доступ-
но множество датчиков, которые могут по- 5 Series
ставляться с платами, имеющими интерфейс Этот ассортимент датчиков газа (рис. 4)
в виде стандартной токовой петли 4–20 мА
или передачу данных о концентрации в мил- был разработан компанией City Technology
ливольтах. Более современной заменой про- для обеспечения оптимальной производи-
дуктов данной серии является 7 Series. тельности в жестких условиях эксплуатации
для анализаторов дымовых газов и контроля
эффективности сгорания. В линейке имеют-
ся датчики для кислорода, монооксида угле-
рода, оксида азота, диоксида азота и диокси-
да серы, а также датчик для оксида углерода
с компенсацией водорода.

Рис. 2. Датчик газа компании City Technology 3 Series

Рис. 4. Датчик газа компании City Technology 5 Series

Основные особенности и области приме- Основные особенности и области приме-
нения: нения:
• индустриальное оборудование; • анализаторы дымовых газов;
• контроль выбросов дымовых газов; • мониторы эффективности сгорания;
• мониторинг атмосферного воздуха; • контроль кислорода, окиси углерода, оки-
• медицинское оборудование.
си азота, двуокиси азота, двуокиси серы,
4 Series окиси углерода с компенсацией водорода.
Газовые датчики этой серии (рис. 3) явля-
7 Series
ются отраслевым стандартом для портатив- Серия датчиков (рис. 5) подходит для об-
ных детекторов газа. Ассортимент включает
датчики, обнаруживающие кислород и ток- щих задач обнаружения газов, включая кис-
сичные газы, а также инфракрасную версию лород и токсичные газы. датчики предназна-
для углекислого газа и углеводородов и пол- чены для использования в портативных или
ностью сертифицированные пеллисторы стационарных детекторах газа и для приме-
для обнаружения горючих газов. В этой се- нения в медицинских приложениях.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

датчики компоненты 29

• самое широкое предложение на рынке дат-
чиков экзотических токсичных газов;

• исполнения и форм-факторы: мини, обыч-
ный, интеллектуальный, 4- и 7-й серий;

• может поставляться с платами передатчика
токовой петли 4–20 мА.

Рис. 5. Датчик газа компании City Technology 7 Series MiCro
MICROceL и MICROpeL — самые малень-
Основные особенности и области приме-
нения: кие и компактные датчики City Technology.
• общие приложения обнаружения газа; Ассортимент включает датчики угарного
• кислород и многочисленные токсичные газа, сероводорода MICROceL и полностью
сертифицированные датчики горючих га-
газы; зов — пеллисторы MICROpeL (рис. 7).
• использование в портативных или стаци-
Рис. 9. Датчик газа компании City Technology 1 Series
онарных детекторах газа;
• медицинское оборудование. Рис. 10. Модуль датчика газа NH3 3E 100 SE (аммиак)
Sensoric в форм-факторе Series 7 с передатчиком
Sensoric Рис. 7. Пеллисторы MICROpeL
За последние 20 лет эти сенсорные датчики компании City Technology

токсичных газов (рис. 6) [7] получили миро- датчики медицинского назначения
вое признание благодаря своим отличным датчики медицинского назначения MOX
характеристикам, особенно для обнаруже-
ния экзотических газов. датчики доступны (рис. 8) предусматривают измерение концен-
в мини-корпусе, но могут поставляться с адап- трации кислорода и ряда других газов, они
терами, подходящими для форм-фактора се- специально разработаны для использования
рий 4 и 7. Сенсорные датчики также доступны в дыхательных и анестезиологических при-
с платами передатчиков интерфейса для стан- ложениях. Здесь доступно несколько серий.
дартной токовой петли 4–20 мА.

Рис. 6. Датчик газа Sensoric компании City Technology
7 Series

Центром передового опыта в области раз- Рис. 8. Датчик медицинского назначения MOX Рис. 11. Пример платы с микроконтроллером
работки и производства электрохимических компании City Technology для сопряжения сенсоров компании City Technology
датчиков токсичных газов семейства Sensoric, с газоаналитическим оборудованием
которые с момента их первоначальной разра- 1 Series
ботки стали синонимом узкоспециализирован- Газовые датчики предназначены для ра- Технологии, используемые
ной технологии, решающей сложные эксплу- компанией City Technology
атационные проблемы, по-прежнему остается боты в широком диапазоне параметров для обнаружения газов
британский завод компании, расположенный среды и жестких условиях эксплуатации.
в Портсмуте, но в настоящее время они также Основанная на электрохимической техноло- Основная функция газового сенсора —
производятся на заводе в Германии. для удоб- гии, эта серия датчиков (рис. 9) отличается преобразование концентрации анализи-
ства пользователей датчики имеют не только большим количеством инноваций в части руемого вещества в электрический или
буквенную, но и цветовую маркировку [9]. корпусирования и создана для применения какой-либо другой сигнал, позволяющий
в небольших измерительных приборах, та- производить его регистрацию и визуализа-
Основные особенности и области приме- ких как Honeywell HAAP и система RAE [4]. цию. Наиболее распространенными явля-
нения: ются полупроводниковые, электрохимиче-
• электрохимические датчики токсичных Пример модуля датчика газа NH33E 100 SE ские и оптические (инфракрасные) сенсоры.
(аммиак) [8] Sensoric в форм-факторе Series 7 В сенсорах первых двух типов за счет ад-
газов; с калибровкой и передатчиком показан сорбции компонента смеси происходит из-
• отличная производительность при обна- на рис. 10, а вариант поставляемой к некото-
рым сенсорам платы контроллера — на рис. 11.
ружении 20 различных газов;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

30 компоненты датчики

Рис. 12. Внутреннее строение датчика кислорода Рис. 13. Внутреннее строение датчика токсичных газов

а
б

Рис. 14. Пеллисторы: а) образец макета печатной платы; б) схема измерительного моста

менение электрических свойств сенсора, в третьем случае фиксиру- • датчики на основе поглощения инфракрасного излучения.
ется изменение оптической плотности анализируемой смеси газов Основные принципы работы инфракрасных газовых датчиков
при определенной длине волны. Наиболее важными характери- основаны на использовании явления поглощения инфракрасного
стиками газовых сенсоров являются селективность по отдельному излучения и того факта, что для любого материала сила поглоще-
компоненту, концентрационные пределы определения компонента ния (поглощение) изменяется в зависимости от длины волны (его
и время отклика (реакции сенсора на изменение концентрации ком- спектра поглощения), а разные материалы имеют разные спектры
понента). поглощения (рис. 15). Применяется для таких газов, как угарный
газ (монооксид углерода, CO), пропан (C3H8), н-Гексан (C6H14)
Компания City Technology в своих сенсорах использует датчики и углекислый газ (двуокись углерода, CO2).
на основе следующих технологий:
• Электрохимические датчики для обнаружения кислорода. датчики Рис. 15. Принцип детектирования газов
на основе поглощения инфракрасного излучения
кислорода представляют собой батарею типа «металл-воздух», со-
держащую анод, электролит и воздушный катод (рис. 12).
• Электрохимические датчики для обнаружения токсичных газов.
датчики представляют собой микротопливные элементы (рис. 13),
которые не требуют технического обслуживания и стабильны в те-
чение длительного времени. Они имеют прямую реакцию на объ-
емную концентрацию газа, а не парциальное давление.
• Пеллисторы. Этот тип датчиков использует каталитическое сго-
рание для измерения горючих газов или паров в воздухе вплоть
до нижнего предела взрываемости (НПВ). Стандартный датчик
состоит из согласованной пары элементов, обычно называемых
детектором и компенсатором (эталонный элемент). детектор со-
держит катушку из платиновой проволоки, встроенную в шарик
каталитического материала, измерение производится через изме-
нение баланса мостом уитстона (рис. 14) [10].

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

датчики компоненты 31

даже спустя годы, и это подтвержденный

факт, поскольку тесные рабочие и партнер-

ские отношения с клиентами и всесторонняя

техническая помощь являются центральной

частью философии этой компании. n

Литература

1. City Technology 2014.
Personal Protection. Honeywell.
www.youtube.com/watch?v=Z1sr5W8vPjg

2. www.citytech.com/en-gb/loader/frame_loader.
asp?page=https://www.citytech.com/en-gb/
company/history.asp

3. Honeywell Forms New Industrial Safety Business Unit.
www.honeywell.com/en-us/newsroom/
pressreleases/2015/11/honeywell-forms-new-
industrial-safety-business-unit

4. www.citytech.com/en-gb/
5. Corporate Brochure. www.citytech.com/en-gb/pdf/

CityTech-Brochure.pdf?v=270614
6. Toxic Gas Sensor Codes. www.citytech.com/en-gb/

content/appnote17.pdf
7. Sensoric Product Range — Typical Applications.

www.citytech.com/en-gb/content/Product_
Range_Sensors.pdf
8. NH3 3E 100 SE Gas Sensor Module Ammonia.
www.citytech.com/en-gb/PDF-Datasheets/
nh33e100se.pdf
9. Colour Coding. www.citytech.com/en-gb/content/
sensoric_appnote4.pdf
10. MICROpeL, Application Note, January 2007, City

Technology. www.citytech.com/en-gb/content/
appnote18.pdf

Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

32 компоненты усилители

Стереофонический
усилитель класса D
со сверхмалыми уровнями
электромагнитных помех
и нелинейных искажений

Владимир МАКАРеНКО, В статье приведена краткая информация о новом усилителе класса D
к. т. н. SSM3582A, который отличается от других подобных устройств не только
очень низким уровнем нелинейных искажений, но и малым уровнем соз-
[email protected] даваемых электромагнитных помех благодаря использованию запатен-
тованной технологии S-D-модуляции с расширением спектра. Поддержка
различных последовательных интерфейсов позволяет использовать уси-
литель в различных стационарных, носимых и автомобильных устройствах
и системах, в том числе и автомобильных многоканальных мультимедий-
ных системах.

Компания Analog Devices выпустила • отношение сигнал/шум: 106,5 дБ при вы- • несколько форматов звуковых сигналов
стереофонический усилитель класса ходной мощности 8,1 Вт, сопротивлении на- с последовательным интерфейсом;
D SSM3582A со сверхмалыми значе- грузки 8 Ом, коэффициенте усиления 19 дБ;
ниями уровней излучаемых электромагнит- • I2S или формат с выравниванием по лево-
ных помех (ЭМП) и нелинейных искажений. • коэффициент гармоник: 0,004% при на- му символу (Left Justified);
пряжении питания 12 В и выходной мощ-
SSM3582A — это полностью интегриро- ности 5 Вт на сопротивлении нагрузки • мультиплексирование с временным раз-
ванный высокоэффективный стереофониче- 8 Ом; делением сигналов (TDM);
ский аудиоусилитель класса D с цифровым
входом. устройство может работать от од- • выходная мощность: 214,67 Вт при на- • возможность работы с различными ис-
ного источника питания и требует лишь пряжении питания 12 В для нагрузки 4 Ом точниками питания (в том числе с двух-
нескольких внешних компонентов, что зна- и 214,4 Вт при напряжении питания 16 В
чительно сокращает затраты на изготовле- (при коэффициенте гармоник <1%); и трехэлементными литий-ионными ак-
ние законченных изделий [1].
• монофонический режим для увеличе- кумуляторами);
Запатентованная схема S-D-модуляции ния максимальной выходной мощности:
с расширением спектра обеспечивает непо- до 49,69 Вт при напряжении питания 16 В • цифровой регулятор громкости с возмож-
средственное подключение ИМС к громкогово- для нагрузок 2 Ом при коэффициенте гар- ностью выбора плавности регулировки;
рителям и значительно сокращает уровни моник <1%;
излучаемых ЭМП на частотах выше 100 МГц. • функция автоматического выключения
• поддержка нагрузок с низким сопротив- при отсутствии звукового сигнала;
ИМС SSM3582A работает от одного источ- лением: 3 Ом/5 мкГн в стереофоническом
ника питания напряжением 4,5–16 В и позво- режиме и 2 Ом/5 мкГн в монофоническом • функция автоматической регулировки
ляет обеспечить на нагрузке 8 Ом среднеква- режиме; усиления (AGC, Automatic Gain Control);
дратическое значение выходной мощности
215 Вт. При этом в широком диапазоне • высокая энергоэффективность; • автономный режим работы без использо-
входных напряжений КПд не ниже 90,6% при • КПд 93,8% при нагрузке 8 Ом; вания интерфейса I2C;
нагрузке 4 Ом и 93,8% при нагрузке 8 Ом. • КПд 90,6% при нагрузке 4 Ом;
• ток покоя: 12,34 мА при напряжении пита- • наличие датчика температуры с точностью
Входной цифровой порт звуковых сиг- измерения 1 °C через интерфейс I2C;
налов поддерживает большинство рас- ния PVDD 12 В;
пространенных протоколов, таких как I2S, • работа от одного источника питания с ис- • встроенные системы защиты от короткого
и мультиплексирование с временным разде- замыкания, пониженного напряжения пи-
лением сигналов (TDM). ИМС может рабо- пользованием внутреннего стабилизатора
тать с 16 устройствами (32 канала звука), под- напряжения LDO или возможность ис- тания и тепловой защиты;
ключенными к одной шине. Адрес устройства пользования внешнего источника питания
задается пятиуровневыми сигналами на двух 5 В и 1,8 В для обеспечения минимального • система раннего предупреждения о повы-
выводах ADDRx. энергопотребления; шенной температуре ИМС;
• программный и аппаратный режимы I2C
Основные параметры ИМС SSM3582A: с возможностью выбора 16 адресов • сброс в исходное состояние при включе-
• напряжение питания: 4,5–16 В; устройств; нии питания;
• поддерживаемые частоты дискретизации:
8–192 кГц с разрешением 24 бит; • диапазон рабочих температур:
–40…+85 °C;

• корпус LFCSP-40 с термоподложкой;
• габаритные размеры: 66 мм.

Структурная схема усилителя приведена

на рис. 1.

усилитель содержит два идентичных ка-

нала усиления звука, включающие цифро-

аналоговые преобразователи (ЦАП), трех-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

усилители компоненты 33

Рис. 1. Структурная схема усилителя класса D SSM3582A

Таблица 1. Значения уровней сигналов
на адресных входах ИМС

Подключение входа ADDRx Напряжение
на входе ADDRx
К общему проводу
К общему проводу через резистор 47 кОм 0
0,45
Не подключен 0,9
К источнику питания DVDD
1,35
через резистор 47 кОм
К источнику питания DVDD 1,8

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

34 компоненты усилители

Рис. 2. Схема подключения ИМС SSM3582A в монофоническом режиме

Рис. 3. Схема подключения ИМС SSM3582A в стереофоническом режиме

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

усилители компоненты 35

Таблица 2. Зависимость коэффициента усиления от кода управления

ANA_GAIN Коэффициент Выходное напряжение
усиления, дБ
Бит 1 Бит 0 В с.к.з. В п-п
13
0 0 16 4,47 6,32
0 1 19 6,31 8,92
1 0 21 8,91 12,6
1 1 11,2 15,87

ИМС устанавливается путем изменения напряжения на выводах ин- Рис. 4. Временные диаграммы выходных сигналов усилителя
терфейса I2C. при различных значениях входного сигнала

В таблице 2 приведены значения двух бит ANA_GAIN управляю- Когда на вход усилителя подается сигнал, генерируется последо-
щего слова в регистре 0x05 настройки коэффициента усиления и зна- вательность выходных импульсов, плотность которых возрастает
чения напряжения на выходе усилителя при напряжении питания при увеличении уровня входного сигнала. На рис. 4 приведены вре-
PVDD, равном 16 В. Коэффициент усиления должен устанавливаться менные диаграммы выходных сигналов усилителя при различных
до включения выходов усилителя и не изменяться во время его рабо- значениях входного сигнала.
ты для предотвращения слышимых переходных процессов.
Использование технологии расширения спектра позволяет сни-
Более широкий диапазон изменения коэффициента усиления ре- зить уровень не только ЭМИ, но и нелинейных искажений усилите-
ализуется в цифровом регуляторе уровня при программном управ- ля. На рис. 5 приведены зависимости уровня нелинейных искажений
лении коэффициентом усиления. Он может изменяться в диапазоне от частоты при различных значениях выходной мощности на нагруз-
–70…+24 дБ с шагом 0,375 дБ. Цифровой регулятор громкости также ке 8 Ом при напряжении питания 16 В.
включает ограничитель уровня воспроизводимого сигнала, который
действует в тандеме с монитором напряжения батареи и предотвра-
щает сбои в работе усилителя при критически низком уровне заряда
батареи.

При питании усилителя от батареи SSM3582A контролирует напря-
жение питания VBAT и автоматически регулирует пороговое значение
ограничителя на основе напряжения питания VBAT. Напряжение пи-
тания VBAT, при котором ограничитель начинает уменьшать выход-
ной уровень, определяется точкой перегиба VBAT (биты VBAT_INF_L
(регистр 0x10, биты [7:0]) для левого канала и биты VBAT_INF_R
(регистр 0x13, биты [7:0]) для правого канала).

Электромагнитное излучение

усилитель SSM3582A использует запатентованную технологию
модуляции с расширением спектра, позволяющую минимизиро-
вать электромагнитное излучение при работе устройства. SSM3582A
проходит испытания на уровень ЭМИ в соответствии с требовани-
ями Федеральной комиссии по связи США (Federal Communications
Commission, FCC), глава 15, класс B, при подключении нагрузки с по-
мощью неэкранированного 20-дюймового кабеля с использованием
фильтра на основе ферритовых колец. SSM3582A может работать
в режиме сверхнизких выбросов ЭМИ, в котором значительно сни-
жается уровень создаваемых усилителем электромагнитных помех,
особенно на частотах выше 100 МГц. Следует учитывать, что уровень
ЭМП зависит от напряжения питания. При уменьшении напряжения
питания уровень ЭМП снижается.

дополнительная фильтрация электромагнитных помех может по-
требоваться, когда кабели, соединяющие громкоговорители с выходами
усилителя, имеют большую длину и представляют собой значитель-
ную емкостную нагрузку для усилителя. В [1] приведены рекомендации
по выбору ферритовых колец для реализации таких фильтров.

Особенности S-D-модулятора Рис. 5. Зависимости коэффициента нелинейных искажений от частоты
при различных значениях выходной мощности и напряжении питания 16 В
В усилителе SSM3582A используется S-D-модулятор, позволяю-
щий сформировать на выходе трехуровневый сигнал. В идеале, когда На рис. 6 указаны зависимости коэффициента нелинейных иска-
нет входного сигнала, выходное дифференциальное напряжение со- жений от выходной мощности при различных значениях напряже-
ставляет 0 В, поскольку нет необходимости генерировать импульс. ния питания. Как следует из рис. 6, наблюдается значительный рост
В реальной ситуации источники шума всегда присутствуют. Из-за нелинейных искажений как при уменьшении выходной мощности
постоянного наличия шума иногда генерируются дифференциаль- ниже 0,001 Вт, так и при увеличении мощности выше какого-то зна-
ные импульсы на выходе усилителя (рис. 4). Однако, как правило, чения, определяемого напряжением питания и сопротивлением на-
выходное дифференциальное напряжение составляет 0 В, и поэтому
ток через нагрузку не протекает.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

36 компоненты усилители

Рис. 6. Зависимости коэффициента нелинейных искажений от выходной мощности
при различных значениях напряжения питания

грузки. Этот фактор следует учитывать при ивается в поток данных шины A2B, делая
разработке высококачественных усилителей. возможным прямой доступ к регистрам
и информации о состоянии ведомых при-
усилитель предназначен для исполь- емопередатчиков.
зования в портативных компьютерах, бес-
проводных громкоговорителях, телевизи- Шина может быть использована для следу-
онных приемниках и других портативных ющих задач:
электронных устройствах, но его функцио- • управление аудиоустройствами;
нальные возможности позволяют создавать • построение системы активного шумопо-
на его основе модули для автомобильной
электроники и систем озвучивания с под- давления (Active Noise Can-cellation, ANC);
держкой технологии А2В, запатентованной • подключение нескольких микрофонов для
компанией Analog Devices [2, 3].
осуществления громкой связи и создания ав-
В 2016 году компания Analog Devices пред- томобильной коммуникационной системы;
ложила новую технологию передачи дан- • поддержка до 32 исходящих и нисходящих
ных и шину для ее реализации, получив- аудиоканалов.
шую название A2B. Особенностью шины
является высокая пропускная способность Рис. 7. Внешний вид модуля SHARC Audio Module
(до 50 Мбит/с). Передача данных осущест-
вляется по неэкранированной витой паре
на расстояние до 10 м, а управление устрой-
ствами, подключенными к этой шине, вы-
полняется по шинам I2C и I2S.

Передача данных реализуется путем муль-
типлексирования (передачи данных с времен-
ным разделением каналов). Одновременно
с передачей данных обеспечивается двусто-
ронняя синхронизация данных, времени,
сигналов управления и напряжения питания
по одиночной или двойной витой паре.

A2B обеспечивает прямое подключение
между устройствами, а также между целой
цепочкой устройств. Одно из устройств яв-
ляется ведущим (мастером), остальные —
ведомыми. В качестве ведущего использу-
ется приемопередатчик и хост-контроллер.
Он служит генератором временных меток,
осуществляет синхронизацию и кадриро-
вание всех подчиненных узлов. Ведущее
устройство программируется по шине I2C.
Расширение этой шины управления встра-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

усилители компоненты 37

обеспечивает выходную мощность 14,67 Вт

на нагрузке 4 Ом, нелинейные искажения

плюс шум — менее 1% при напряжении ис-

точника питания 12 В, а при напряжении пи-

тания 16 В — 31,76 Вт (нелинейные искаже-

ния не более 10%).

Из рассмотренных материалов следу-

ет, что применение ИМС SSM3582A по-

зволяет создавать высокоэффективные

устройства для усиления звуковых сигна-

лов, которые могут использоваться в ста-

ционарных, носимых и автомобильных

устройствах и системах и обеспечивают

не только малые нелинейные искажения,

но и низкий уровень создаваемых электро-

магнитных помех. n

Литература

Рис. 8. Внешний вид модуля усилителя класса D 1. w w w . a n a l o g . c o m / m e d i a / e n / t e c h n i c a l -
Рис. 9. Внешний вид платы EVAL-SSM3582 documentation/data-sheets/SSM3582A.pdf

2. Макаренко В., ярош А. Использование техно-
логии А2В от Analog Devices для построения
многоканальных систем звуковоспроизведе-
ния // Электронные компоненты и системы.
2018. № 1. www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/
pdfArticles/2018_1/V. Makarenko, A. Yarosh_
The_use_of_technology_A2B_for_designing_
multichannel_sound_systems_EKIS_1
(221)_2018.pdf

3. Макаренко В. Новые технологии от Analog
Devices для построения мультимедийных систем
автомобиля // Электронные компоненты и си-
стемы. 2016. № 1. www.ekis.kiev.ua/UserFiles/
Image/pdfArticles/2016/V. Makarenko_New_
technology_from_Analog_Devices%20to%20
build%20car%20multimedia%20systems_
EKIS_1_2016.pdf

4. www.wiki.analog.com/resources/tools-software/
sharc-audio-module

5. www.wiki.analog.com/resources/tools-software/
sharc-audio-module/hardware/class-d

6. www.wiki.analog.com/resources/tools-software/
sharc-audio-module/hardware/audioproj-fin-
schematics_pcb_layout_bill_of_materials

7. w w w . a n a l o g . c o m / m e d i a / e n / t e c h n i c a l -
documentation/user-guides/EVAL-SSM3582Z-
UG-934.pdf

Реклама

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

38 компоненты ПЛИС

Логическое проектирование
встраиваемых систем на FPGA.
Часть 17. Проектирование
цифровых фильтров

Валерий СОЛОВьеВ, В статье рассматривается проектирование на FPGA цифровых фильтров.
д. т. н. Вначале дается краткое введение в цифровую обработку сигналов (DSP)
и указывается на возможности FPGA для реализации систем DSP. Затем
[email protected] определяются основные параметры цифровых фильтров, демонстрируют-
ся способы описания цифровых фильтров на языке Verilog. Приводится
общая методология проектирования цифровых фильтров, показан при-
мер разработки цифрового фильтра в системе MATLAB, моделирования
фильтра в системе ModelSim и реализации фильтра в системе Quartus.
В завершение исследуется реализация разных типов фильтров для раз-
личных семейств FPGA.

Системы цифровой обработки сигналов на FPGA

введение в цифровую обработку сигналов
Одной из особенностей современных встраиваемых систем явля-

ется выполнение широкого круга задач цифровой обработки сигна-
лов (ЦОС — Digital Signal Processing, DSP). Под сигналом в цифровой
обработке сигналов понимается переменная, содержащая некий вид
информации, с которой можно выполнять определенные действия:
преобразовывать (обрабатывать), передавать, выводить и т.д. В общем
случае сигналы делятся на аналоговые (непрерывные) и дискретные
(цифровые, или квантованные). Преобразование аналогового сигнала
в его цифровую форму называется квантованием. Цифровая обработ-
ка сигналов представляет собой совокупность математических мето-
дов и алгоритмов, а также реализующих их программ и технических
устройств, используемых для преобразования дискретных сигналов.

В окружающей действительности мы имеем дело с аналоговыми
сигналами, поэтому применение систем DSP (рис. 1) обычно пред-
полагает использование аналогово-цифровых преобразователей
(АЦП — ADC) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП — DAC).

Еще в XIX веке было показано, что любой сигнал может быть пред-
ставлен в виде суммы синусоидальных сигналов. Отдельный сину-
соидальный сигнал называется гармоникой. Каждая гармоника ха-
рактеризуется своей частотой и амплитудой. Представление сигнала
в виде суммы гармоник именуется спектром сигнала. Гармоника с мак-
симальной амплитудой в спектре сигнала — это главная гармоника.
Если число гармоник в спектре сигнала конечно, то, согласно теореме
Котельникова, для дискретизации аналогового сигнала без потери
информации частота отсчетов (выборок) должна быть как минимум
в два раза выше верхней граничной частоты в спектре сигнала.

Рис. 1. Типичное применение системы DSP: x(t) — аналоговый вход;
x(k) — дискретный вход; y(k) — дискретный выход; y(t) — аналоговый выход

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 39

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 а

б

в

г

Рис. 2. Классификация фильтров
по частоте пропускания:
а) нижних частот; б) верхних частот;
в) полосовой; г) режекторный

о БИХ-фильтре: одиночный импульс на вхо-
де БИХ-фильтра порождает бесконечную по-
следовательность импульсов на его выходе.

Поведение БИХ-фильтра описывается сле-
дующим уравнением:

(1)

аналогично поведение КИХ-фильтра описы-
вается уравнением:

(2)

где ak и bk — коэффициенты фильтра; h(k) —
импульсная характеристика фильтра.

В КИХ-фильтрах импульсная характе-
ристика h(k) совпадает с коэффициентами
фильтра bk.

Порядком КИХ-фильтра называется число
N в формуле (2), а порядком БИХ-фильтра
называется число M в формуле (1). Из уравне-
ний (1) и (2) следует, что БИХ-фильтр имеет
обратные связи, а КИХ-фильтр обратных свя-
зей не имеет (рис. 3). Поскольку выходное зна-
чение y(n) БИХ-фильтров зависит от преды-
дущих выходных значений (1), БИХ-фильтры
называют рекурсивными фильтрами, а КИХ-
фильтры — нерекурсивными фильтрами.

Поведение фильтров можно также вы-
разить через передаточные функции.
Передаточная функция для КИХ-фильтра
имеет следующий вид:

(3)

www.kite.ru

40 компоненты ПЛИС

а Описание цифровых фильтров Схема синтезированного КИХ-фильтра
на языке Verilog включает 14 сумматоров и три умножителя.
б Результаты моделирования при поступлении
КИХ-фильтр на языке Verilog можно опи- на вход фильтра единичного импульса с ам-
Рис. 3. Обобщенная структура: сать непосредственно по его уравнению (2). плитудой, равной 1, показаны на рис. 4.
а) БИХ-фильтра; б) КИХ-фильтра Постоянные коэффициенты фильтра описы-
ваются в виде параметров. Если предвидится На рис. 4 видно, что после 9 тактов (N+1)
а передаточная функция для БИХ-фильтра изменение значений коэффициентов во вре- на выходе фильтра устанавливается нулевое
представляется следующим образом: мя работы системы DSP, то в соответствую- значение, то есть синтезированный фильтр
щем модуле следует предусмотреть отдель- полностью соответствует определению
(4) ный порт для ввода коэффициентов фильтра. фильтра с конечной импульсной характери-
стикой.
Представления фильтров с помощью При определении размера выходного слова
передаточных функций удобны при оценке следует учитывать, что его размер равен сум- БИХ-фильтр также можно описать на язы-
частотных характеристик фильтров и часто ме длины входных выборок (ширина вход- ке Verilog непосредственно по уравнению
используются для определения специфика- ной шины) плюс размер слов, отводимых под (1). Пусть в нашем примере M = N = 8.
ций фильтров. коэффициенты фильтра. Кроме того, нужно Коэффициенты фильтра ak и bk в коде Verilog
добавить определенное число битов для воз- описываются в виде параметров. для сумми-
При выборе между КИХ- и БИХ-фильтром можного увеличения размера результата из-за рования значений прямой связи и обратной
можно руководствоваться следующими выполнения операций сложения. связи БИХ-фильтра введены две переменные
принципами: если главным требованием ста- типа wire: data_feedforward и data_feedback.
новится крутизна среза частотной характе- В следующем примере описывается КИХ- В остальном код БИХ-фильтра подобен коду
ристики и высокая пропускная способность, фильтр нижних частот порядка 8 (N = 8), КИХ-фильтра и имеет следующий вид:
то следует использовать БИХ-фильтр; если который имеет нечетное число положитель-
главным требованием является отсутствие ных симметричных коэффициентов (КИХ- module IIR_lowpass
или минимальное фазовое искажение, то по- фильтр типа 1) bk, k = [0,…,N], чьи значения #(parameter Order=8,
надобится КИХ-фильтр. соответствуют Гауссовскому распределению. Word_size_in=8,
Ширина входной шины x(n) равна 8 бит, под Word_size_out=2*Word_size_in+2,
На практике большинство разработчи- представление коэффициентов также отво- b0=8’d7,
ков склоняются к выбору КИХ-фильтров. дится 8 бит. Размер выходной шины равен b1=0,b2=0,b3=0,b4=0,b5=0,b6=0,b7=0,b8=0,
Поэтому архитектуры FPGA больше ориен- размеру результата умножения (8+8 битов)
тированы на реализацию КИХ-фильтров. плюс 2 бит на случай переполнения из-за вы- a1=8’d46,a2=8’d32,a3=8’d17,a4=8’d0,
далее мы преимущественно будем рассма- полнения операций сложения. Частота вход- a5=8’d17,a6=8’d32,a7=8’d46,a8=8’d52)
тривать проектирование КИХ-фильтров. ных выборок определяется синхросигналом
clk. Код на языке Verilog рассматриваемого (input clk, reset,
типы КИх-фильтров КИХ-фильтра может иметь следующий вид: input [Word_size_in-1:0] data_in,
КИХ-фильтры с линейной фазовой харак- output [Word_size_out-1:0] data_out);
module FIR_lowpass
теристикой обладают свойством симметрии #(parameter Order=8, reg [Word_size_in-1:0] x[1:Order];
импульсной характеристики h(n). Различают Word_size_in=8, Word_size_out=2*Word_size_in+2, reg [Word_size_out-1:0] y[1:Order];
два вида симметрии импульсной характери- b0=8’d7,
стики: положительная, когда h(n) = h(N–1–n), b1=8’d17, wire [Word_size_out-1:0] data_feedforward;
и отрицательная, когда h(n) = –h(N–1–n). b2=8’d32, wire [Word_size_out-1:0] data_feedback;
В зависимости от четности числа коэффици- b3=8’d46,
ентов N и вида симметрии импульсной ха- b4=8’d52, integer k;
рактеристики КИХ-фильтры делятся на че- b5=8’d46,
тыре типа (табл. 1). b6=8’d32, assign data_feedforward=
b7=8’d17, b0*data_in+b1*x[1]+b2*x[2]+b3*x[3]+b4*x[4]+
b8=8’d7) b5*x[5]+b6*x[6]+b7*x[7]+b8*x[8];

(input clk, reset, assign data_feedback=
input [Word_size_in-1:0] data_in, a1*y[1]+a2*y[2]+a3*y[3]+a4*y[4]+
output [Word_size_out-1:0] data_out); a5*y[5]+a6*y[6]+a7*y[7]+a8*y[8];

reg [Word_size_in-1:0] x[1:Order]; assign data_out=data_feedforward+data_feedback;
integer k;
always @(posedge clk)
assign data_out= if(reset)
b0*data_in+ for(k=1; k<=Order; k=k+1) begin
b1*x[1]+b2*x[2]+b3*x[3]+b4*x[4]+ x[k] <= 0;
b5*x[5]+b6*x[6]+b7*x[7]+b8*x[8]; y[k] <= 0;
end
always @(posedge clk) else begin
if(reset) x[1] <= data_in;
for(k=1; k<=Order; k=k+1) x[k] <= 0; y[1] <= data_out;
else begin for(k=2; k<=Order; k=k+1) begin
x[1] <= data_in; x[k] <= x[k–1];
for(k=2; k<=Order; k=k+1) x[k] <= x[k–1]; y[k] <= y[k–1];
end end
end
endmodule
endmodule

Синтезированная схема БИХ-фильтра для
нашего примера включает 11 сумматоров
и три умножителя. Результаты моделирова-

Таблица 1. Типы КИХ-фильтров

Симметрия импульсной N Тип Рис. 4. Результаты моделирования проекта FIR_lowpass
характеристики h(n) КИх-фильтра
Нечетное
Положительная Четное Тип 1
Положительная Нечетное Тип 2
Отрицательная Четное Тип 3
Отрицательная Тип 4

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 41

Рис. 5. Результаты моделирования проекта IIR_lowpass при поступлении на вход единичного импульса с амплитудой 1 фильтров наиболее часто используются
метод инвариантного преобразования им-
в полосе пропускания Ap и затухание в по- пульсной характеристики, метод билиней-
лосе подавления As соответственно (рис. 7). ного преобразования и метод размещения
указанные параметры имеют следующую за- нулей и полюсов.
висимость:
Разработчику нет необходимости вручную
Ap = 20lg(1+δp), (5) рассчитывать коэффициенты фильтра. для
этого достаточно применить соответствую-
As = –20lg(δs). (6) щее программное средство. Однако для пра-
вильного и эффективного использования
Граничные частоты fp и fs также могут программного средства разработчик должен
представляться в стандартных единицах ча- быть знаком с применяемым методом.
стоты (Hz, kHz, MHz) или в нормализован-
ной форме. В последнем случае значения fp Определение структуры фильтра
и fs делятся на частоту дискретизации Fs. На данном этапе необходимо определить

вычисление коэффициентов фильтра оптимальную структуру для реализации
К настоящему времени разработано до- фильтра.

статочно много разнообразных математиче- Традиционно для реализации БИХ-
ских методов вычисления коэффициентов фильтров используются прямая, каскадная
фильтров, и количество этих методов про- и параллельная структуры. Прямая струк-
должает увеличиваться. Каждый метод имеет тура — это непосредственная реализация
свои особенности. Нас же интересуют только БИХ-фильтра согласно уравнению (1). При
такие методы, которые годятся для практиче- использовании каскадной структуры пере-
ского использования при реализации циф- даточная функция БИХ-фильтра H(z) фак-
ровых фильтров. Обычно наиболее эффек- торизуется и выражается как произведение
тивные методы вычисления коэффициентов звеньев фильтра второго порядка. В парал-
фильтров реализованы в программных сред- лельной структуре передаточная функция
ствах, например MATLAB, Core Generator, H(z) представляется как сумма звеньев
TFilter, WinFilter, libdspl, TIBQ, miniDSP, второго порядка. Прямая структура БИХ-
dspGuru и других. фильтров в наибольшей степени подвержена
влиянию эффектов конечной разрядности
для вычисления коэффициентов КИХ- слова. Поэтому на практике стараются из-
фильтров наибольшее распространение по- бегать использования прямой структуры при
лучили оптимизационные методы, метод реализации БИХ-фильтров.
взвешивания и метод частотной выборки.
При вычислении коэффициентов БИХ- для КИХ-фильтров, наоборот, наиболее
распространенной, благодаря своей просто-
те, является прямая структура, которой со-
ответствуют уравнения (2). Прямая структу-
ра КИХ-фильтра также называется линией
задержки с отводами (tapped delay line), или
трансверсальным фильтром (transversal
filter). В практике инженерного проектиро-
вания для реализации КИХ-фильтров часто
используется структура частотной выборки
и схема быстрой свертки.

Рис. 6. Схема допусков для фильтра нижних частот Рис. 7. Альтернативное представление параметров фильтра нижних частот
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
www.kite.ru

42 компоненты ПЛИС

Известны также структуры, которые по- • метода квантования входных выборок ные буферы, построенные на блоках памяти
пулярны в определенных областях исполь- и коэффициентов фильтра; типа FIFO.
зования фильтров. Например, решетчатая
структура широко используется при обра- • структуры фильтра. При выборе микросхемы FPGA для реали-
ботке речи. На основе этих факторов разработчик дол- зации фильтра следует учитывать:
• длину слова и объем внутренней памяти
На окончательный выбор структуры жен по окончании проектирования филь-
фильтра влияют такие факторы, как: тра оценить влияние конечной длины сло- для хранения коэффициентов фильтра,
• тип фильтра: КИХ или БИХ; ва на работу фильтра и при необходимости входных и выходных (в случае БИХ-
• простота реализации; принять соответствующие меры. фильтра) выборок;
• насколько структура чувствительна к эф- • число встроенных блоков DSP и число ум-
реализация фильтра ножителей в каждом блоке;
фектам конечной разрядности слова. После вычисления коэффициентов филь- • объем логических ресурсов FPGA;
• возможность конфигурирования встроен-
Анализ влияния конечной тра, определения его структуры и учета вли- ных блоков памяти для реализации памяти
разрядности слова яния конечной длины слова возникает во- типа FIFO и сдвиговых регистров.
прос реализации фильтра на определенной
Теоретически в уравнениях (1) и (2), опи- элементной базе, в нашем случае — на FPGA. Разработка цифровых фильтров
сывающих функционирование фильтров, в системе MATLAB
все величины представляются с очень высо- для выполнения цифрового фильтра
кой точностью. Однако реализация фильтра на FPGA необходимы следующие компонен- Процесс разработки цифрового фильтра
на FPGA или в процессоре требует исполь- ты схемы: в системе MATLAB рассмотрим на приме-
зования слов с конечным числом битов. При • память типа ROM (RAM — для адаптив- ре проектирования фильтра низких частот
проектировании фильтра разработчик дол- со следующими спецификациями:
жен проанализировать влияние конечной ных фильтров) для хранения коэффици- • частота дискретизации Fs = 5100 Гц;
длины слова и выбрать подходящую длину ентов фильтра; • граничная частота полосы пропускания
слов для представления входных выборок, • память типа RAM для хранения значений
коэффициентов фильтра, результатов ум- входных выборок; fp = 530 Гц;
ножения и суммирования. Если с длиной ре- • память типа RAM для хранения значений • граничная частота полосы подавления
зультата умножения двух чисел xy все ясно, выходных выборок (для БИХ-фильтров);
она равна сумме длин каждого числа N+M, • умножители (умножители с накоплением); fs = 785 Гц;
где N — длина слова x, а M — длина слова y, • сумматоры. • неравномерность в полосе пропускания
то с результатами суммирования не все оче- Реализация схемы фильтра в значитель-
видно, поскольку последовательных сложе- ной степени зависит от того, в каком вре- Ap = 1 дБ;
ний может быть достаточно много и следует мени, реальном или модельном, будет рабо- • затухание в полосе подавления As = 60 дБ.
предусмотреть дополнительные разряды для тать фильтр.
возможного переполнения. При работе фильтра в модельном вре- В системе MATLAB имеется несколько
мени все исходные данные известны и хра- программ, с помощью которых можно раз-
Конечная длина слова может ухудшить ра- нятся на диске в виде файлов. Это могут работать цифровой фильтр. Мы воспользу-
боту цифрового фильтра из-за: быть результаты экспериментальных иссле- емся программой filterbuilder, обеспечиваю-
• квантования сигналов на входе и выходе, дований, записи речи, музыки, фотографий щей интегрированную среду для разработки
и др. Необходимо выполнить фильтрацию цифрового фильтра, а также позволяющей
например, всякий аналогово-цифровой исходных данных и получить определен- сгенерировать код на языке описания аппа-
преобразователь порождает шум АЦП, ный результат, например с целью дальней- ратуры (hardware description language, HDL)
который влияет на весь тракт передачи шего анализа. Особенностью работы в мо- для реализации фильтра на FPGA.
данных в цифровом фильтре; дельном времени является то, что время
• квантования коэффициентов фильтра, работы фильтра практически не ограниче- Перед запуском системы MATLAB следу-
данный фактор приводит к искажению ча- но. Однако при реализации фильтра следует ет создать на диске каталог, где будут рас-
стотных характеристик фильтра и может предусмотреть загрузку исходных данных полагаться файлы проекта нашего фильтра.
привести к неустойчивости БИХ-фильтров; с внешней памяти. В системе MATLAB вводим:
• ошибки округления, этот фактор порожда- Совсем другая ситуация складывается
ет шум округления и имеет такое же воз- при работе фильтра в реальном времени. >>filterbuilder
действие, как и квантование коэффициен- В этом случае предъявляются очень жесткие
тов; влияние ошибок округления можно требования к времени обработки исходных В ответ появится окно (рис. 8), в котором
несколько снизить, выбирая ответствую- данных. Каждая входная выборка должна предлагается выбрать тип фильтра из списка.
щий способ округления; быть обработана и получен действительный
• переполнения, оно возникает в результате результат до момента прихода следующей Рис. 8. Выбор фильтра низких частот для разработки
многократных сложений и недостаточной входной выборки. для этого следует учиты- в системе MATLAB
длины слова для результата; переполнение вать частоту дискретизации Fs, частоту син-
приводит к неверным выходным резуль- хронизации фильтра и число тактов, необхо-
татам. димых для обработки одной выборки. Может
Из всего вышеуказанного можно сделать случиться ситуация, что для удовлетворения
вывод, что разработчик должен очень внима- условиям работы фильтра в реальном вре-
тельно относиться к выбору длины слов для мени приходится изменять порядок филь-
представления входных и выходных выбо- тра, длину двоичных слов, алгоритм вычис-
рок, а также коэффициентов фильтра. ления коэффициентов фильтра, структуру
Степень влияния конечной длины слова фильтра, тип фильтра (КИХ или БИХ).
зависит от следующих факторов: В случае пакетной обработки данных,
• длины слова; а также в случае изменяющейся частоты по-
• типа арифметики: с плавающей или фик- ступления входных выборок в структуру
сированной точкой; фильтра могут вводиться входные и выход-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 43

Выбираем Lowpass, нажимаем OK. Появляется окно Lowpass Рис. 9. Окно Lowpass Design проектировщика фильтра низких частот
Design проектировщика фильтра низких частот (рис. 9).
• Interpolated FIR — интерполяционный FIR-фильтр;
В поле Filter output variable name указываем имя переменной • Kaiser window — окно Кайзера;
MATLAB, которая будет соответствовать выходу нашего фильтра, на- • Multistage equiripple — многоступенчатый Equiripple.
пример FIR_lowpass_MATLAB.
В нашем случае оставляем значение Equiripple.
Окно Lowpass Design включает три вкладки: Main, Data Types В поле Filter implementation выбирается структура фильтра из сле-
и Code Generation. дующих возможных структур:
• Direct-form FIR — прямая структура;
Во вкладке Main можно указать спецификации фильтра, специфи- • Direct-form FIR transposed — транспонированная прямая струк-
кации частоты, спецификации амплитуды, алгоритм вычисления тура;
коэффициентов фильтра и способ реализации фильтра. • Direct-form symmetric FIR — прямая симметричная структура;
• Overlap-add FIR — структура с наложенным сложением.
В поле Filter specification указываются: После введения всех спецификаций фильтра нажимаем кнопку
• тип импульсной характеристики фильтра (Impulse response): FIR Apply. Система MATLAB сгенерирует необходимый фильтр.
для того чтобы просмотреть основные параметры будущего филь-
или IIR; тра, достаточно нажать кнопку View Filter Response. Появляется окно
• порядок фильтра (Order mode): Minimum или Specify; в случае ука- (рис. 10) средства визуализации фильтра (Filter Visualization Tool),
в котором можно в графическом виде наблюдать различные параме-
зания Specify появится окно, в котором следует ввести значение тры создаваемого фильтра.
порядка фильтра; Средство визуализации фильтра Filter Visualization Tool позволяет
• тип фильтра (Filter type): Single-rate, Decimator, Interpolator или в графическом виде просматривать следующие параметры создавае-
Sample-rate converter. мого фильтра:
для нашего примера все значения параметров в поле Filter • Magnitude Response — амплитудную характеристику;
specification оставляем без изменений (FIR, Minimum, Single-rate). • Phase Response — частотную характеристику;
В поле Frequency specification указываются: • Magnitude and Phase Response — амплитудно-частотную характе-
• единицы измерения частоты (Frequency units): Гц, кГц, МГц, ГГц ристику;
или нормализованная (Normalized (0 to 1)); • Group Delay Response — характеристику групповой задержки;
• частота дискретизации (Input sample rate); • Phase Delay — фазовую задержку;
• частота полосы пропускания (Passband frequency); • Impulse Response — импульсную характеристику;
• частота полосы подавления (Stopband frequency). • Step Response — переходную характеристику;
для нашего фильтра частота дискретизации равна 5100 Гц, гранич- • Pole/Zero Plot — график полюсов и нулей;
ную частоту пропускания устанавливаем равной 530 Гц, а подавле- • Filter Coefficient — коэффициенты фильтра;
ния — 785 Гц. • Filter Information — информацию о фильтре;
В поле Magnitude specification указываются: • Magnitude Response Estimate — оценку амплитудной характери-
• единицы измерения амплитуды (Magnitude units) — dB или Linear; стики;
• неравномерность в полосе пропускания (Passband ripple); • Round-off Noise Power Spectrum — округленный спектр мощности
• уровень затухания в полосе подавления (Stopband attenuation). шума.
для нашего примера неравномерность в полосе пропускания уста- Если какие-то параметры создаваемого фильтра не удовлетворя-
навливаем равной 1 дБ, а уровень затухания в полосе подавления — ют требованиям к создаваемому фильтру, следует вернуться в окно
60 дБ. Lowpass Design и определить другие спецификации фильтра.
В поле Algorithm можно выбрать метод вычисления коэффициен-
тов фильтра (Design method). для FIR-фильтра доступны следующие
методы:
• Equiripple — с равномерно пульсирующей амплитудно-частотной
характеристикой;

Рис. 10. Окно средства визуализации фильтра Filter Visualization Tool

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

44 компоненты ПЛИС

Рис. 11. Вкладка Data Types окна Lowpass Design

Рис. 13. Окно Generate HDL

Рис. 12. Вкладка Code Generation окна Lowpass Design Окно Generte HDL дополнительно имеет четыре вкладки: Filter
Architecture, Global Settings, Test Bench и EDA Tool Scripts.
В окне Lowpass Design вкладка Data Types позволяет определить
типы данных для входного сигнала, коэффициентов фильтра и вну- На вкладке Filter Architecture определяются:
тренних переменных фильтра (рис. 11). • Coefficient source — источник коэффициентов: заданы в коде языка

Поле Arithmetic определяет формат представления чисел: чис- HDL (Internal) или поступают по интерфейсу от системного про-
ла с плавающей точкой с двойной (Double precision) или обычной цессора (Processor interface);
(Single precision) точностью или формат с фиксированной точкой • Coefficient multipliers — умножители коэффициентов, можно ука-
(Fixed point). зать Multiplier, CSD или factored-CSD;
• Multiplier input pipeline — число умножителей входного конвейера;
для нашего примера устанавливаем формат Fixed point. • Multiplier output pipeline — число умножителей выходного кон-
Появляются поля, в которых можно указать формат слова для пред- вейера.
ставления входного сигнала (Input signal), коэффициентов фильтра Опция Add pipeline registers позволяет добавлять регистры конвей-
(Coefficients) и внутренних переменных фильтра (Filter internals). ера. Можно также определить структуру сумматоров FIR-фильтра
для входного сигнала указывается длина слова (Word length) и длина (FIR adder style), линейную (Linear) или древовидную (Tree). Кроме
дробной части (Fraction length) в битах. того, при включении опции Optimize for HDL выполняется дополни-
тельная оптимизация кода фильтра по скорости и площади реализа-
Вкладка Code Generation (рис. 12) управляет генерацией кода ции, однако ее применение может привести к немного отличающим-
на языке описания аппаратуры (HDL), языка системы MATLAB ся результатам работы фильтра. для нашего примера все параметры
и программы моделирования Simulink. на вкладке Filter Architecture оставляем без изменений.

Выбираем поле Generate HDL…, чтобы определить язык описания Рис. 14. Окно Generate HDL с открытой вкладкой Global Settings
аппаратуры, на котором необходимо сгенерировать код фильтра.
Появляется окно Generate HDL (рис. 13).

В окне Generate HDL необходимо выбрать один из языков: VHDL
или Verilog, указать имя файла и каталог на диске, где будут созда-
ны генерируемые файлы с описанием нашего фильтра. Выбираем
язык Verilog, имя файла FIR_lowpass_MATLAB и с помощью кнопки
Browse… определяем каталог на диске для нашего проекта. Включаем
также опцию Generate MATLAB code для создания функции MATLAB,
которая будет содержать все введенные настройки.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 45

Рис. 15. Вкладка Test Bench окна Generate HDL многофайловый модуль тестирования, определять суффиксы для
имени файла данных, файла сообщений для модуля тестирования,
а также флаги моделирования.

Вкладка EDA Tool Scripts (рис. 16) позволяет настроить файлы
сценариев (скриптов) для синтеза и моделирования проекта филь-
тра в сторонних средствах проектирования, например Quartus
или Vivado. В нашем случае для параметра Synthesis script выбираем
средство синтеза Altera Quartus II.

На этом диалог по созданию требуемого фильтра и генерации
кода проекта на языке HDL завершается, нажимаем кнопку Generate.
В указанном нами каталоге можно просмотреть сгенерированные
файлы (рис. 17).

На рис. 17 файлы с расширением .v — коды фильтра и модуля те-
стирования для нашего примера; файлы с расширением .do — команд-
ные файлы (файлы скриптов) программы ModelSim для компиляции
модуля фильтра и модуля для тестирования, а также для выполнения
моделирования; файл с расширением .tcl — командный файл на языке
Tcl; файл с расширением .m — функция системы MATLAB.

дальнейшее моделирование сгенерированного фильтра можно вы-
полнить с помощью программы ModelSim.

Моделирование цифровых фильтров
в системе ModelSim

Программа ModelSim обычно поставляется вместе с системой
Quartus. Воспользуемся программой ModelSim — Intel FPGA Starter
Edition, которая входит в состав системы Quartus Prime версии 17.1.
Запускаем программу ModelSim, нажав на соответствующий значок
на экране. Появится окно как на рис. 18.

Рис. 16. Вкладка EDA Tool Scripts окна Generate HDL

Рис. 17. Файлы проекта цифрового фильтра,
автоматически сгенерированные системой MATLAB

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

46 компоненты ПЛИС

Результаты моделирования можно наблю-
дать в графическом виде в окне временных
диаграмм Wave (рис. 19). для увеличения
или уменьшения изображения в окне Wave
следует воспользоваться соответствующими
кнопками меню.

На рис. 19 видно, что значения на выходе
сгенерированного фильтра filter_out и эта-
лонные значения filter_out_ref совпадают.

Реализация цифровых фильтров
в системе Quartus

Рис. 18. Вид экрана после запуска программы ModelSim В системе Quartus цифровые фильтры
могут быть выполнены несколькими спо-
собами. Первый из них был представлен
в разделе «Описание цифровых фильтров
на языке Verilog». В данном подходе долж-
ны быть известны коэффициенты фильтра,
причем коэффициенты должны быть пред-
ставлены целыми числами.

Второй способ реализации цифровых
фильтров в системе Quartus предполагает
разработку фильтра с помощью системы
MATLAB и генерации кода проекта фильтра
на одном из языков описания аппаратуры:
Verilog или VHDL (раздел «Разработка циф-
ровых фильтров в системе MATLAB»).

Рис. 19. Результаты моделирования в программе ModelSim проекта цифрового фильтра FIR_lowpass_MATLAB, реализация в системе Quartus
сгенерированного в системе MATLAB цифровых фильтров,
разработанных в системе MaTlaB
Вначале необходимо указать рабочий ката- • FIR_lowpass_MATLAB_tb_compile.do — для
лог, где находятся файлы проекта, и создать компиляции модуля для тестирования Пусть выполнена разработка цифрового
рабочую библиотеку программы ModelSim. фильтра; фильтра в системе MATLAB в полном соот-
для указания рабочего каталога в главном ветствии с разделом «Разработка цифровых
меню программы ModelSim выбираем File • FIR_lowpass_MATLAB_tb_sim.do — для мо- фильтров в системе MATLAB» и сгенериро-
> Change Directory и устанавливаем ката- делирования фильтра. ваны на языке Verilog коды проекта филь-
лог с файлами сгенерированного фильтра для выполнения компиляции моду- тра и модули для тестирования фильтра.
…/FIR_lowpass_MATLAB. для создания ра- дальнейшая реализация фильтра на FPGA
бочей библиотеки выбираем File > New > ля фильтра достаточно содержимое файла в системе Quartus ничем не отличается от ре-
Library, соглашаемся с указанными установ- FIR_lowpass_MATLAB_compile.do скопиро- ализации любого проекта по его описанию
ками, нажимаем OK. В окне Library появится вать в окно Transcript программы ModelSim на языке Verilog. для этого достаточно опреде-
рабочая библиотека work. и нажать Enter. Аналогичные действия вы- лить целевую FPGA, выполнить компиляцию
полняем для файла FIR_lowpass_MATLAB_tb_ проекта и осуществить конфигурацию FPGA.
Все действия по моделированию сгенери- compile.do.
рованного фильтра можно выполнять вруч- В качестве примера рассмотрим реали-
ную или воспользоваться уже созданными для моделирования проекта фильтра, сгене- зацию в системе Quartus проекта фильтра
в системе MATLAB командными файлами: рированного системой MATLAB, аналогичные FIR_lowpass_MATLAB, код которого был
• FIR_lowpass_MATLAB_compile.do — для действия повторяем с файлом FIR_lowpass_ сгенерирован в системе MATLAB. В каче-
MATLAB_tb_sim.do. В результате будут загру- стве целевой FPGA определим семейство
компиляции модуля фильтра; жены необходимые файлы для моделирования Cyclone V. Итоговая сводка результатов син-
проекта и выполнено моделирование. теза представлена на рис. 20.

Рис. 20. Статистические данные результатов синтеза
проекта FIR_lowpass_MATLAB

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 47

На рис. 20 видно, что для реализации нашего фильтра на FPGA Таблица 4. Стоимость реализации фильтров
семейства Cyclone V потребовалось 206 адаптивных логических мо-
дулей (Adaptive Logic Module, ALM), 768 регистров и 41 встроенный FPGA Lowpass Highpass Bandpass Bandstop Лучшие
блок DSP. FIR IIR FIR IIR FIR IIR FIR IIR

Отметим, что нет необходимости в моделировании проекта Cyclone IV 5469 6398 4971 6014 5977 4052 4960 5776 4052
FIR_lowpass_MATLAB в системе Quartus, поскольку моделирование Cyclone V 206 (41) 712 (37) 325 (36) 541 (36) 249 (44) 448 (22) 782 (36) 553 (36) 448 (22)
этого проекта было выполнено ранее в системе ModelSim (раздел Cyclone 10 5401
«Моделирование цифровых фильтров в системе ModelSim»). 6371 4968 6004 5969 4046 4971 5777 4046
Arria II 4763 6143 3475 5815 4068 (10) 2498 (14) 3178 (14) 4705 (12) 2498 (14)
Исследование реализации на FPGa MAX 10 5436 6419 4988 6024 5970 4056 5018 5762 4056
различных типов цифровых фильтров Лучшие 206 (41) 712 (37) 325 (36) 541 (36) 249 (44) 448 (22) 782 (36) 553 (36)

Рассмотрим проекты четырех классов фильтров (lowpass, highpass, триваемых проектов фильтров приведена в таблице 4, а быстродей-
bandpass и bandstop), имеющих очень похожие спецификации (табл. 2). ствие — в таблице 5.

Таблица 2. Спецификации исследуемых фильтров Анализ таблицы 4 показывает, что по стоимости реализации
лучшим семейством является Cyclone V благодаря эффективному
Параметр Lowpass Highpass Bandpass Bandstop использованию встроенных блоков DSP. Отметим, что семейство
Arria II также имеет в своей структуре встроенные блоки DSP, однако
Частота дискретизации Fs, Гц 5100 5100 5100 5100 они применяются не столь эффективно и только для полосовых и ре-
Граничная частота полосы пропускания fs, Гц жекторных фильтров.
Граничная частота полосы подавления fp, Гц 530 785 – –
Первая граничная частота полосы подавления fs1, Гц Среди всех фильтров для всех семейств FPGA наилучшую стои-
Первая граничная частота полосы пропускания fp1, Гц 785 530 – – мость реализации имеет полосовой IIR-фильтр. Это ожидаемо, по-
Вторая граничная частота полосы пропускания fp2, Гц скольку он имел наименьшее количество умножителей и сумматоров
Вторая граничная частота полосы подавления fs2, Гц 530 785 в результате синтеза в системе MATLAB.
Неравномерность в полосе пропускания Ap, дБ
Затухание в полосе подавления As, дБ 785 530 Если сравнивать стоимость реализации FIR- и IIR-фильтров,
то стоимость реализации FIR-фильтров на 10–20% меньше, чем IIR-
1030 1285 фильтров. Исключение составляют полосовой IIR-фильтр для всех
семейств FPGA и режекторный IIR-фильтр для семейства Cyclone V.
1285 1030
вывод: если требуется наименьшая стоимость реализации,
1111 то следует строить FIR-фильтр, исключение составляет полосовой
фильтр, а в качестве семейства FPGA следует выбирать Cyclone V.
60 60 60 60
Анализ таблицы 5 показывает, что наибольшим быстродействи-
Каждый из этих фильтров может быть реализован как КИХ- ем обладают фильтры, реализуемые на FPGA семейства Arria II.
фильтр (FIR-фильтр) или БИХ-фильтр (IIR-фильтр). Выполним Исключение составляет полосовой IIR-фильтр, который имеет наи-
синтез этих фильтров (всего восемь проектов) в системе MATLAB, большее быстродействие при реализации на семействе Cyclone IV.
а затем реализуем их в системе Quartus для ответа на вопрос, какой А наименьшее быстродействие имеют фильтры, реализованные
фильтр на каком семействе FPGA лучше реализуется. на FPGA семейства Cyclone V.

В системе MATLAB по умолчанию все FIR-фильтры были сгенери- Таблица 5. Быстродействие фильтров
рованы со структурой Direct form FIR, а IIR-фильтры — со структурой
Direct form II, Second-Order Sections. Коэффициенты для FIR-фильтров Lowpass Highpass Bandpass Bandstop
вычислялись по алгоритму equiripple, а для IIR-фильтров — по алго- Лучшие
ритму butler. Результаты синтеза рассматриваемых фильтров в системе ЛучшиеFPGAFIRIIRFIRIIRFIRIIRFIRIIR
MATLAB приведены в таблице 3.
Cyclone IV 35,94 7,82 26,5 8,16 27,89 9,95 29,95 8,53
В таблице 3 видно, что лучшим среди всех фильтров по стоимости Cyclone V 5,28 6,08 5,41 7,13 5,01 8,06 5,48 7,03
реализации оказался полосовой IIR-фильтр, для создания которого Cyclone 10 29,81 7,38 26,21 8,05 28,13 9,73 32,48 8,51
требуется 29 умножителей (44–47 для других фильтров) и 21 сумма- 51,65 8,63 40,97 10 52,44 9,59 49,06 9,7
тор (36–46 для других фильтров). Arria II 23,26 5,94 19,68 6,38 22,57 7,95 22,23 6,64
MAX 10 51,65 8,63 40,97 10 52,44 9,95 49,06 9,7
Таблица 3. Параметры фильтров, сгенерированных в системе MATLAB Лучшие 35,94
8,06
Параметр Lowpass Highpass Bandpass Bandstop 32,48
52,44
Число секций FIR IIR FIR IIR FIR IIR FIR IIR 23,26
Длина
–9 –9 –7 –9 7 В то же время не удалось установить, какой тип фильтра на каком
Стабильность 44 45 47 45 44 семействе FPGA следует реализовать для достижения наибольшего бы-
Линейность фазы Да Да Да Да Да Да Да Да стродействия. Например, для Cyclone IV лучшим по быстродействию
Число умножителей Да Нет Да Нет Да Нет Да Нет 29 является FIR lowpass, для Cyclone V — IIR bandpass, для Cyclone 10 —
Число сумматоров 44 46 45 45 47 29 45 46 21 IIR bandstop, для Arria II — FIR bandpass, для MAX 10 — FIR lowpass.
Число состояний 43 36 44 36 46 21 44 36 14
– 18 – 18 – 14 – 18 Если сравнивать быстродействие FIR- и IIR-фильтров, то FIR-
фильтры в 3–4 раза быстрее IIR-фильтров, за исключением филь-
Все фильтры являются стабильными, однако линейностью фазы тров, реализуемых на FPGA семейства Cyclone V.
обладают только FIR-фильтры.
вывод: для достижения наибольшего быстродействия из FIR-
вывод: при синтезе в системе MATLAB полосовой фильтр (bandpass) или IIR-фильтров следует выбирать FIR-фильтр, исключение состав-
требует для своего построения наименьшее число сумматоров и умно- ляют фильтры, реализуемые на FPGA семейства Cyclone V, а в каче-
жителей по сравнению с другими классами фильтров (lowpass, highpass стве семейства FPGA следует остановиться на Arria II, исключение
и bandstop). составляет полосовой IIR-фильтр для Cyclone IV.

Затем все восемь проектов фильтров были реализованы в систе- Заключение
ме Quartus версии 17.1 на различных семействах FPGA. В качестве
стоимости реализации было принято число используемых логи- Архитектуры современных FPGA ориентированы на эффектив-
ческих элементов и встроенных блоков DSP (в табл. 4 указывается ную реализацию систем DSP.
в скобках), а в качестве быстродействия — максимальная частота
функционирования в мегагерцах. Стоимость реализации для рассма-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

48 компоненты ПЛИС

При выборе между КИХ- и БИХ-фильт- Разработчик должен очень внимательно стеме MATLAB, ничем не отличается от ре-
ром можно руководствоваться следующи- относиться к выбору длины слов для пред- ализации любого проекта по его описанию
ми принципами: если главным требованием ставления входных и выходных выборок, на языке Verilog. для этого достаточно опре-
является крутизна среза частотной характе- а также коэффициентов фильтра. По окон- делить целевую FPGA, выполнить компиля-
ристики и высокая пропускная способность, чании проектирования фильтра необходи- цию проекта и осуществить конфигурацию
то следует использовать БИХ-фильтр; если мо оценить влияние конечной длины сло- FPGA.
главным требованием является отсутствие ва на работу фильтра и при необходимости
или минимальное фазовое искажение, принять соответствующие меры. При синтезе в системе MATLAB полосовой
то предпочтителен КИХ-фильтр. фильтр (bandpass) требует для своего постро-
При реализации фильтра в модельном ения наименьшее число сумматоров и умно-
Размер выходного слова проекта фильтра, времени следует предусмотреть загрузку ис- жителей по сравнению с другими классами
описываемого на языке Verilog, равен ши- ходных данных с внешней памяти. При реа- фильтров (lowpass, highpass и bandstop).
рине входной шины плюс размер коэффи- лизации фильтра в реальном времени необ-
циентов фильтра, а также следует добавить ходимо учитывать частоту дискретизации Если нужна наименьшая стоимость реа-
определенное число битов для возможного Fs, частоту синхронизации фильтра и число лизации, то следует строить FIR-фильтр,
увеличения размера результата из-за выпол- тактов, требуемых для обработки одной вы- исключение составляет полосовой фильтр,
нения операций сложения. борки. а в качестве FPGA имеет смысл выбирать се-
мейство Cyclone V.
для вычисления коэффициентов КИХ- Программа filterbuilder, имеющаяся
фильтров наибольшее распространение по- в составе системы MATLAB, обеспечива- для достижения наибольшего быстродей-
лучили оптимизационные методы, метод ет интегрированную среду для разработки ствия из FIR- или IIR-фильтров следует вы-
взвешивания и метод частотной выборки. цифрового фильтра, а также позволяет сге- бирать FIR-фильтр, исключение составляют
При вычислении коэффициентов БИХ- нерировать код на языке описания аппарату- фильтры, реализуемые на FPGA семейства
фильтров наиболее часто используются ме- ры (Verilog или VHDL) для реализации филь- Cyclone V, а в качестве семейства FPGA пред-
тод инвариантного преобразования импульс- тра на FPGA. почтительны Arria II, исключение составляет
ной характеристики, метод билинейного полосовой IIR-фильтр для Cyclone IV. n
преобразования и метод размещения нулей Программа ModelSim, входящая в состав
и полюсов. Наиболее эффективные методы системы Quartus, позволяет выполнить мо- Литература
вычисления коэффициентов фильтров реали- делирование фильтра с помощью команд-
зованы в программных средствах, например ных файлов, сгенерированных в системе 1. Айфичер Э.С., джервис Б.у. Цифровая об-
MATLAB, Core Generator, TFilter, WinFilter, MATLAB. работка сигналов: практический подход.
libdspl, TIBQ, miniDSP, dspGuru и др. Изд. 2-е. М.: Издательский дом «Вильямс»,
Реализация фильтра на FPGA в системе 2004.
Quartus, код которого был сгенерирован в си-

новости события

XVIII Международная выставка по электронике,
компонентам, оборудованию и технологиям ChipEXPO-2020

Международная выставка по электронике, компонентам, оборудованию, Федерации № 878), разработок, созданных в рамках государственной
технологиям ChipEXPO-2020 — выставка достижений науки и промышлен- программы «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности
ности в микроэлектронике, разработке и производстве электронных ком- на 2013–2025 годы» (Постановление Правительства Российской Федерации
понентов, создании технологического оборудования и радиоэлектронных № 109), разработок, обеспечивающих выполнение приоритетных националь-
изделий различного назначения. Организатор выставки: выставочная ком- ных проектов.
пания «ЧипЭКСПО».
• Время проведения: 15–17 сентября 2020 года. С целью продвижения данной продукции будет организовано посещение
• Место проведения: Москва, выставки потенциальными потребителями, а также подписание контрактов
и меморандумов о взаимодействии.
Технопарк Инновационного Центра «СКОЛКОВО».
ChipEXPO проводится ежегодно с 2003 года. Традиционно на ней орга- В работе ChipEXPO планируется участие представителей Правительства
низуются объединенные экспозиции Департамента радиоэлектронной про- Российской Федерации, федеральных органов исполнительной власти, го-
мышленности Минпромторга России, Корпорации развития Зеленограда, сударственных корпораций и интегрированных структур.
ГК «Ростех», АО «Росэлектроника», а также представлены национальные
павильоны Китая и Тайваня. В рамках деловой программы будут проведены заседания Экспертного
В мероприятии принимают участие крупнейшие компании радиоэлектрон- совета при Комитете Государственной Думы Российской Федерации по эко-
ной отрасли, компании, обеспечивающие поставки электронных компонентов номической политике, промышленности, инновационному развитию и пред-
и модулей на российский рынок, разработчики изделий радиоэлектроники, принимательству, Координационного совета «Союза машиностроителей
дизайн-центры, ведущие технические вузы Москвы и России, средства массо- России», пленарной сессии с участием руководителей профильных депар-
вой информации. Выставка собирает на своей площадке более 200 компаний. таментов Минпромторга России, а также публичные лекции по ключевым
В 2020 году выставка пройдет в крупнейшем технопарке Европы — направлениям развития современной электроники для студентов профильных
Инновационного Центра «СКОЛКОВО», который обладает самой совре- вузов, встречи с представителями ведущих предприятий радиоэлектронной
менной инфраструктурой, позволяющей проводить масштабные выставки, отрасли, серии специальных круглых столов.Традиционно на выставке со-
конференции, симпозиумы. стоится награждение победителей отраслевого конкурса «Золотой Чип».
На ChipEXPO-2020 будет организована экспозиция предприятий, являю-
щихся изготовителями изделий, включенных в Единый реестр российской Выставка ChipEXPO-2020 пройдет в международном формате, в ней ре-
радиоэлектронной продукции (Постановление Правительства Российской гулярно принимают участие компании из стран ближнего и дальнего зарубе-
жья, таких как Германия, Великобритания, Китай, Гонконг, Бельгия, Канада,
Латвия, Беларусь, Нидерланды, Индия.

www.chipexpo.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020