проектирование 99
Подобно человеческому глазу, заданная средствах, базовых производственных про-
контрольная точка в пространстве будет на- цессах, где она будет использована для повы-
ходиться в разных положениях в каждой шения их эффективности, при проектирова-
камере, что позволяет системе вычислять нии системы управления и автоматизации,
положение этой точки, если оценка и изме- в робототехнике, а также при изготовлении
рение расстояния до нее выполняется двумя и транспортировке продукции.
разнесенными камерами. Определение этого
соответствия предполагает весьма сложные В первой части мы рассмотрели основы
вычисления и алгоритмы. и основные технологии ToF, сравнили с дру-
гими распространенными технологиями это-
Преимущества го направления. Во второй части статьи будет
стереоскопических систем подробно рассказано о применении 3D сен-
• Не требуется активного освещения (под- сорной технологии ToF, а также о решении
компании ADI на основе разработанного ею
светки собственным источником света). сигнального процессора ADDI9036 [4]2. n
• Как правило, такие системы дешевле, по-
Литература
тому что для сбора данных нужны толь-
ко две камеры (хотя может понадобиться 1. Slattery C., Shida Y. ADI ToF Depth Sensing
сложный прикладной процессор, чтобы Technology: New and Emerging Applications
найти соответствующую точку и разрабо- in Industrial, Automotive Markets, and More //
тать трехмерное изображение). Analog Dialogue. Dec. 2019. Vol. 53. www.analog.
com/en/analog-dialogue/articles/adi-tof-depth-
недостатки sensing-technology-enabling-new-and-emerging-
стереоскопических систем applications-beyond-consumer.html
• Если нет явного контраста между изображе-
2. Ватолин д. С. Камеры глубины — тихая рево-
ниями с двух камер, то расстояние не может люция (когда роботы будут видеть). Часть 1.
быть рассчитано. Это особенно проявляет- www.habr.com/ru/post/457524/
ся в белых стенах, где нет контраста между
тем, что видят две камеры, и в средах, где 3. Ватолин д. С. Камеры глубины — тихая рево-
недостаточно окружающего света. люция (когда роботы будут видеть). Часть 2.
• На больших расстояниях две камеры www.habr.com/ru/post/458458/
должны быть расположены дальше друг
от друга, чтобы соответствующая точка 4. ADDI9036 CCD ToF Signal Processor
находилась в разных местах изображения. with Programmable Timing and V-Driver.
для приложений, которые требуют изме- www.analog.com/ru/products/addi9036.html
рения больших расстояний, это имеет оче-
видные проблемы в части форм-фактора Реклама
такой системы.
www.kite.ru
структурированный свет
Один из самых простых, старых и отно-
сительно дешевых способов измерения глу-
бины. Этот метод появился, по сути, сразу
вместе с цифровыми фотоаппаратами,
то есть свыше 40 лет назад, и значительно
упростился с появлением цифровых камер.
Метод структурированного света работает,
проецируя известный эталонный образец то-
чек (чаще — линий) на объект. 3D-объект
искажает эталонный образец, а 2D-камера
фиксирует это искажение, как можно уви-
деть на рис. 7. Потом такое искажение срав-
нивается со спроецированным эталонным
шаблоном, а затем вычисляет карту глубины
на основе уровня искажения.
Преимущества
метода структурированного освещения
Система на основе метода структуриро-
ванного освещения может достигать очень
высокого пространственного разрешения
и чрезвычайно высокой точности на близких
расстояниях (менее 2 м).
2 Полное описание процессора и техническая поддержка предоставля-
ется только идентифицированным пользователям после заполнения
соглашения о неразглашении (Non-Disclosure Agreement, NDA).
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
100 проектирование электромагнитная совместимость
Как экономически
эффективно обеспечить
электромагнитную совместимость
IoT-устройств
л Беспроводные устройства используются уже практически повсеместно,
к тем важнее при разработке таких устройств предварительная оценка со-
и блюдения требований электромагнитной совместимости (ЭМС). В статье
н даны рекомендации, как эффективно проводить такую оценку с исполь-
а зованием доступного измерительного оборудования.
Л
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
электромагнитная совместимость проектирование 101
определенные ограничения, для других же Рис. 1. Раньше было вполне достаточно экранировать пару ключевых цепей, но разработчики планшета
это превращается в вызов. Galaxy Tab S4 LTE, чтобы гарантированно обеспечить требования по ЭМС, заэкранировали буквально каждый блок.
Четыре прямоугольных серебряных элемента по углам — это динамики, а не цепи
Однако, как уже упоминалось, при проек-
тировании есть еще два момента, и именно Ускорение и упрощение
они становятся причиной немалых проблем ЭМС-тестирования —
и одновременно предоставляют больше воз- путь к снижению стоимости
можностей для дифференциации благодаря
инновационным подходам к ускорению пе- Можно ли ускорить цикл проектирования
рехода для обеспечения ЭМС РЭА и, в част- и тестирования при использовании в РЭА
ности, устройств IoT. модулей питания и радиочастотных моду-
лей? Ответ: можно, так как все они, если это
Все перечисленные факторы и тенденции, не безымянная подделка, уже предваритель-
которые являются прямым результатом са- но сертифицированы, что экономит и вре-
мой природы IoT-устройств, заключаются мя, и ресурсы. Тем не менее многие проекти-
в необходимости сочетать источники пита- ровщики наивно и ошибочно полагают, что
ния, высокопроизводительные цифровые покупка готового модуля означает, что в от-
схемы и радиочастотные интерфейсы в ком- ношении соблюдения требований и соот-
пактных форм-факторах для продуктов, бы- ветствия национальным и международным
стро падающих в цене. Причем удешевление регулирующим документам по ЭМС и полу-
идет настолько стремительно, что соотно- чения сертификата соответствия все будет
шение сложности и цены становится непри- само собой гарантировано. Нет ничего более
емлемым для создания высококачественных, далекого от правды [3].
но при этом недорогих систем, например для
«умного» дома, столь привлекательного для Сложность задачи, решаемой разработ-
такой РЭА, как IoT-устройства. даже про- чиком современной РЭА, а тем более ком-
изводители мобильных телефонов и план- пактных IoT-устройств, состоит в том, что-
шетов, которые, как правило, могут взимать бы понять проблемы ЭМС применительно
дополнительную плату за сам бренд, более к конкретному проекту и учесть влияние
высокие характеристики и функциональ- на него ЭМП и найти их источники, а затем
ные возможности, по мере роста сложности еще до отправки во внешнюю лабораторию
и уменьшения форм-факторов также испы- на сертификацию для выявления и устра-
тывают трудности, но уже по причине высо- нения проблем провести самостоятельно
кой конкуренции. тестирование системы на соответствие за-
данным требованиям. Наряду с затратами
для решения проблем ЭМС, в частности времени стоимость самих тестов на соот-
влияния электромагнитных помех (ЭМП), ветствие может доходить до десятков тысяч
ранее вполне достаточно было просто разме- долларов США. Кроме того, необходимо
стить экранирование вокруг ключевых ком- учитывать, что до 90% устройств в первый
понентов, таких как радиочастотные цепи. раз показывает в той или иной степени отри-
Накрыл их штампованным экранчиком — цательные результаты. Это приводит к дора-
и все в порядке. Это позволяло уменьшить
их восприимчивость к помехам от высоко-
скоростных цифровых тактовых импуль-
сов и гармоник от переходных процессов
и не позволяло им самим быть источниками
помех для других каскадов и работающего
рядом оборудования. Тем не менее, посколь-
ку плотность и сложность возросли, теперь
нередко приходится экранировать буквально
все и вся, как, например, в случае с планше-
том Galaxy Tab S4 LTE компании Samsung [5],
приведенным на рис. 1.
Планшет Galaxy Tab S4 LTE компании
Samsung является ярким примером совре-
менного конструктивного решения «в лоб»
и дизайна потребительского уровня с точ-
ки зрения плотности, производительности
и сложности, причем это не дешевое удо-
вольствие: цена планшета в РФ — 42999 руб.,
что эквивалентно $670. Однако большинство
проектов в пространстве IoT, от бытовой тех-
ники и аудиопотоковых систем со встроен-
ными голосовыми помощниками до носи-
мых устройств, не могут стоить так дорого,
что вынуждает дизайнеров находить спо-
собы снизить затраты как на их разработку
(ОКР), так и на тестирование, включая сер-
тификацию.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
102 проектирование электромагнитная совместимость
Рис. 2. Внедрение схемы проверок в контрольных точках проекта перед сертификацией может значительно повысить передают и принимают преднамеренные из-
вероятность выполнения плана разработки РЭА в срок и в рамках бюджета лучения, но дело в том, что они также служат
идеальными связующими звеньями проник-
Рис. 3. Четыре механизма воздействия ЭМП на РЭА — новения ЭМП в систему и выхода из нее.
по полю, через индуктивную и емкостную связь,
а также в виде кондуктивной помехи Принципы ЭМС и механизмы действия
ЭМП одинаковы как для соседних устройств,
так и для узлов внутри систем. для простоты
в этой статье основное внимание будет уде-
лено единой системе и тому, как спроектиро-
вать радиоэлектронное устройство с выпол-
нением требований по ЭМС и как выполнить
его тестирование на соответствие требовани-
ям и отладку с помощью стандартного ос-
циллографа среднего уровня.
Проектирование
с учетом выполнения
требований по ЭМС
давайте рассмотрим следующие основные
принципы ЭМС, чтобы продемонстриро-
вать, что они не изменились еще со времен
первого издания знаменитой и популярной
книги “Electrical Engineering 101” [6]:
• Будьте предельно внимательны при трас-
сировке сигнальных проводников.
• Помните, что более высокие скорости пе-
редачи данных означают больше проблем
с электромагнитными помехами.
• Близкое расположение плат ухудшает про-
блемы, связанные с ЭМП.
• Избегайте острых углов на проводниках
печатных плат (хорошие инструменты
для разработки печатных плат могут сами
определять предельно допустимый угол
для печатного проводника на данной ра-
бочей частоте).
• Необходимо иметь максимально большие
плоскости заземления.
• Используйте экранированные кабели
и корпуса.
• Избегайте разрывов, неоднородностей
и резонансов на пути передачи сигналов.
К сожалению, как бы мы ни старались, ЭМП
не может быть устранена полностью. Таким
образом, работа проектировщика состоит
в том, чтобы управлять помехой и снижать ее
уровень, применяя для этого фундаменталь-
ные принципы в сочетании с накопленным
опытом и собственными ноу-хау.
Предварительные испытания
и отладка
Как только проект IoT-устройства уже на-
ходится на стадии прототипа и установле-
ны контрольные этапы проверки предвари-
тельного соответствия требованиям по ЭМС,
следующая задача разработчика либо полно-
стью изолировать ИО от окружающих по-
мех, либо учитывать помехи из окружаю-
щей среды во время проведения испытаний.
Опять же источники помех также не могут
быть устранены, но вероятность действия та-
ких помех может быть определена, а уровни
их воздействия уменьшены.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
электромагнитная совместимость проектирование 103
Рис. 4. В режиме приемника анализаторы спектра могут имитировать работу более дорогостоящих измерительных приемников ЭМП,
однако следует убедиться, что у вас имеется квазипиковый (QP) детектор, а также подходящая измерительная антенна
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
104 проектирование электромагнитная совместимость
Рис. 5. Чем больше размер зондов электрического (E) и магнитного (H) полей, Рис. 7. 10,1-дюймовый емкостный сенсорный экран осциллографа R&S RTO2000
тем выше их чувствительность, но, соответственно, ниже точность обнаружения. компании Rohde & Schwarz позволяет пользователям быстро перемещаться
Корректно локализовать источник электромагнитных помех позволяют зонды по всплывающим меню и регулировать масштабирование путем увеличения
меньшего размера или перемещения сигнала. Внизу показан анализатор спектра серии R&S FPC
с пробниками ближнего поля
Рис. 6. Многофункциональные цифровые осциллографы с возможностью реализации быстрого преобразования Фурье
и функцией выделения областей анализа помогают отлаживать РЭА, позволяя проводить корреляцию во времени
событий возникновения ЭМП и находить их источник
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
электромагнитная совместимость проектирование 105 новости фильтры
помочь ограничить формальные и доро- Фильтр для защиты
от мощного
гостоящие сертификационные испытания электромагнитного
импульса
ЭМС одной успешной попыткой. n от API Technologies
Литература Компания API Technologies представляет
фильтр для защиты от мощного электромаг-
1. Рентюк В. Электромагнитная совместимость: нитного импульса.
проблема, от решения которой не уйти //
Компоненты и технологии. 2017. № 7. Основные характеристики:
• Защита оборудования от высокого элек-
2. Рентюк В. Что нужно знать об испытаниях
на выполнение требований по ЭМС для изде- тромагнитного импульса, в том числе
лий коммерческого назначения // Компоненты электромагнитного эффекта, создавае-
и технологии. 2017. № 7. мого ядерным взрывом.
• Токи: 6/16/30 А.
3. уайт К. устранение проблем, выявленных в ходе • Защита оборудования от молний и геомаг-
испытаний изделия на выполнения требование нитных бурь.
по ЭМС // Компоненты и технологии. 2017. № 10. • Постоянное напряжение: 24/48/72 В.
• Переменное напряжение: 125 и 250 В.
4. Рентюк В. Краткий путеводитель по беспровод- • Возможно изготовление под требования
ным технологиям «Интернета вещей». Часть 1. заказчика.
Сети, шлюзы, облака и протоколы // Control
Engineering Россия. 2017. № 6. www.radiant.su
5. GalaxyTabS4 LTE. www.samsung.com/ru/tablets/
galaxy-tabs4-t835/SM-T835NZKASER/
6. Ashby D. Electrical engineering 101: everything you
should have learned in school… but probably didn’t.
Third Edition. Elsevier Inc., 2012. www.booksite.
elsevier.com/samplechapters/9780123860019/
Front_Matter.pdf
7. Анализатор спектра R&S FPC. www.scdn.rohde-
schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_common_
library/dl_brochures_and_datasheets/pdf_1/
FPC_bro_ru_5214-7112-18_v0500.pdf
8. R&S ELEKTRA — программное обеспечение
для испытаний на ЭМС. www.rohde-schwarz.
com/ru/product/elektra-emc-productstartpage_
63493-584628.html
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
106 проектирование электромагнитная совместимость
Экраны для подавления
электромагнитных помех:
понимание основ
и предложение компании TDK
Владимир РеНТюК Цель данной статьи — помочь читателю сделать процесс выбора экрани-
[email protected] рующих материалов для РЭА более осознанным, простым и эффективным,
особенно для решения проблем подавления электромагнитных помех
в условиях ограниченного пространства. Статья написана на базе публика-
ций [1, 2] компании TDK, а детально разобраться в проблеме выполнения
требований по ЭМС вам поможет серия материалов под общим названием
«Электромагнитная совместимость: проблема, от которой не уйти», на-
чатая с публикации в [3].
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
электромагнитная совместимость проектирование 107
однако экран был установлен, и установлен
правильно, без щелей, остальные блоки по-
мех не генерировали. Но в составе изделия
помеха неизвестного происхождения просто
забивала входной каскад приемника, и его
чувствительность падала. Причина была
проста: экран, закрывающий трансформа-
тор, забыли отжечь и его помехоподавляю-
щие свойства были нарушены.
Каждое приложение может иметь различ-
ный набор ключевых параметров, и вам при-
дется решать, какие частоты должны быть
ослаблены или какие частоты должны иметь
самые низкие потери. И кроме того, необ-
ходимо все это реализовать конструктивно
с минимальными затратами. А для этого —
знать, как поведет себя тот или иной матери-
ал и как его правильно использовать.
Начнем с азов
Листы из магнитомягких материалов
(в общем случае — ферритов) поглощают
энергию излучаемого шума и преобразуют
ее в тепло. Поясним принцип действия этих
листов. В значительной мере подавление фер-
ритом, находящимся в порошкообразном
виде в пластике, определяет такой параметр,
как магнитная проницаемость, обозначаемый
как µ. Магнитная проницаемость определяет
скорость нарастания плотности магнитного
потока (B) в магнитном веществе в магнит-
ном поле (H). другими словами, магнитная
проницаемость является мерой того, насколь-
ко легко магнитный поток проходит сквозь
вещество (магнетизирует его), и описывается
следующим уравнением (здесь и далее сохра-
нены обозначения, принятые в [1, 2], с соот-
ветствующими пояснениями):
µ = B/H. (1)
Особенностью магнитомягких материа-
лов является то, что они обладают высокой
магнитной проницаемостью и малой коэр-
цитивной силой. Этот параметр определяет
значение напряженности магнитного поля,
необходимое для полного размагничивания
ферро- или ферримагнитного вещества,
то есть остаточную намагниченность, кото-
рую необходимо преодолевать с внешней
затратой энергии. Соответственно, под воз-
действием переменного магнитного поля на-
правление намагничивания легко изменяется
на обратное, что востребовано в рассматри-
ваемом нами применении этих материалов.
Однако если частота переменного магнит-
ного поля очень высока, изменение плотно-
сти магнитного потока запаздывает относи-
тельно изменений магнитного поля, приводя
к возникновению сдвига по фазе δ; для того
чтобы понять проблемы, можно использо-
вать следующее уравнение, описывающее
магнитные свойства материала:
µ = µ′–jµ″ = |µ′|cosδ–j|µ″|sinδ, (2)
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
108 проектирование электромагнитная совместимость
Как правило, число витков в катушке индуктивности не указыва-
ется поставщиками. Таким образом, пользователь не всегда знает ис-
тинную напряженность поля H. для силовых приложений, которые
используют большие токи, они, что естественно, создают сильные
предсказуемые магнитные поля. В свою очередь, такие поля создают
больший магнитный поток — магнитную индукцию, обозначаемую
как B на типичной кривой намагниченности B-H (ее еще называют
«петля магнитного гистерезиса», именно она и определяет коэрци-
тивную силу),— воздействующий на магнитный экран.
Чем сильнее магнитное поле, тем лучше должно быть экранирование.
Это может быть достигнуто либо путем увеличения µ′ в уравнении (1),
чтобы увеличить магнитный поток в экране, либо путем увеличения
физической толщины магнитного экрана, поскольку зависимость по-
глощения прямо пропорционально зависит от произведения:
µ′t, (5)
Рис. 1. Графики, иллюстрирующие зависимость значения µ′ и µ″ где µ′, как уже было сказано, — это действительная часть магнитной
от частоты переменного магнитного поля, проницаемости материала, а t — толщина магнитного листа.
для различных гибких ферритовых материалов компании TDK
На рис. 1 кривая красного цвета, обозначенная как IFL16, которая
увеличивается их затухание. Это контрастирует с устройствами, ис- имеет наибольшее затухание, также обладает и самой высокой маг-
пользующими технологии NFC/RFID, и другими аналогичными резо- нитной проницаемостью (µ′ = 220). Это позволяет материалу лучше
нансными системами электромагнитной связи с низким энергопотре- удерживать в себе энергию магнитного потока. Влияние толщины
блением. Здесь акцент делается на материалы с высокой добротностью. экрана на его, как сейчас принято говорить, производительность по-
Исходя из сказанного, разработчику, для того чтобы выбрать наиболее казано на рис. 2, а почему графиков два, будет объяснено позже.
подходящий материал, крайне важно иметь графики, описывающие
поведение µ′ и µ″ в зависимости от частоты. Примеры таких графиков На рис. 2 цифры «-200», «-100», «-050» и «-025» представляют со-
для ряда материалов компании TDK показаны на рис. 1. бой соответствующие толщины в микронах (мкм), так, например,
«-100» — это толщина листа 100 мкм. Большая толщина экрана так-
Как видно из приведенных на рис. 1 графиков, поведение материа- же означает, что в нем присутствует больше массы магнитомягкого
лов изменяется от низких потерь и высокой добротности в диапазоне материала и он может поглощать более высокие значения магнит-
1 МГц и до высоких потерь (за это отвечает µ″) и низкой добротно- ного потока. В некоторых решениях по подавлению ЭМП необхо-
сти, а следовательно, высокого затухания, начиная с области частот димо уделять внимание значению плотности магнитного потока
2–4 МГц и продолжающегося до области 2–3 ГГц. Обычно столь ши- (B) в материале. дело в том, что при выборе магнитного экрана нам
рокий спектр затухания не требуется (нормированная по излучае- необходимо убедиться, что его магнитомягкий материал не насыща-
мым ЭМП, согласно стандартам CISPR, область частот находится ется и не теряет своей экранирующей эффективности из-за снижен-
в пределах 30 МГц – 1 ГГц [3], но иногда необходимо подавление ных характеристик затухания и, таким образом, не пропускает ЭМП
или защита от ЭМП и в более высокочастотной области), поэтому выше предельно допустимого значения.
пользователь может сосредоточиться на выборе лучшего материала
на каждой отдельной частоте, вызывающей у него те или иные про- а
блемы в решении вопросов ЭМС.
Электрическая (E) и магнитная (H) составляющая ЭМП
другой ключевой областью являются различия в источниках б
и воздействии напряженности магнитного (H) и электрического
(E) полей. Напряженность магнитного поля создают индуктивные Рис. 2. Частотная зависимость проницаемости листов серии IFL компании TDK.
элементы, например, наиболее общий случай — силовой дроссель, Показаны кривые ослабления дальнего поля:
трансформатор и катушки фильтров импульсных источников пита- а) излучения; б) ослабления в условиях ближнего поля
ния. И это лишь один из множества вариантов, поскольку индуктив-
ность имеет любой проводник. Катушка индуктивности обладает
магнитодвижущей силой — это характеристика способности источ-
ников магнитного поля электрических токов создавать магнитные
потоки пропорционально произведению числа витков (N) на ток
катушки (I) в амперах и определятся в ампер-витках, а создаваемая
ею напряженность магнитного поля (имеется в виду внутри катуш-
ки) в общем случае определятся как произведение магнитодвижущей
силы на длину катушки (l) в метрах и измеряется в А/м, являясь «маг-
нитной» аналогией напряженности электрического поля:
H = NI/l. (4)
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
электромагнитная совместимость проектирование 109
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 требованиям стандартов по ЭМС и спать
со спокойной совестью.
Еще одна проблема, связанная с большей
энергией ЭМП, заключается в том, что если
металл находится на другой стороне магнит-
ного экрана, то эта энергия на поверхности
металла может привести к потерям на вих-
ревые токи и вызвать трудности с нагревом.
Это особенно верно для приложений типа
импульсных преобразователей энергии вы-
сокой мощности. Они создают большой уро-
вень ЭМП не только на основных рабочих
частотах преобразования и их гармониках,
но и на частотах на порядки выше из-за пере-
ходных процессов — звона,— возникающих
при включении/выключении силового клю-
ча. С последними первоначально нужно бо-
роться на уровне схемотехники [5].
для более новых технологий импульсных
источников питания, в которых используют-
ся гораздо более высокие частоты преобразо-
вания и напряжения и, соответственно, гене-
рируются более сильные электрические поля,
например в преобразователях на нитрид-гал-
лиевых (GaN) и карбид-кремниевых (SiC)
ключах, потенциальный звон находится
на гораздо более высоком уровне и затухает
в течение времени, более длительного в про-
центном отношении к периоду рабочего
цикла. Когда насыщение не является пробле-
мой, но все же требуется более высокое зату-
хание, разработчик должен уделять больше
внимания материалу с более высокими по-
терями, то есть более высоким µ″, а не более
высоким значением µ′.
При этом нельзя забывать, что на матери-
ал, который будет использоваться, и на то, как
его нужно использовать, большое влияние
оказывает частота. На рис. 2а все материалы,
показанные на графиках, полностью теряют
свои свойства в части затухания на частоте,
равной примерно 1 ГГц. Если проблема ЭМП
находится выше 1 ГГц, то разработчик может
быть вынужден использовать гибридный ма-
териал или другой специальный материал,
позволяющий добиться некоторого ослабле-
ния высокочастотной ЭМП. Ниже частоты
1 ГГц разработчик должен будет посмотреть
на данные, представленные на рис. 1 и 2, или
на что-то им подобное.
Стоимость также становится пробле-
мой и должна быть принята во внимание.
Очевидно, чем толще материал, тем выше его
стоимость. Это также может иметь место при
переходе к материалам с более высокими ха-
рактеристиками. Высококачественные, экзо-
тические, гибридные материалы всегда будут
дороже. Но иногда у разработчика просто нет
другого выбора, кроме как использовать наи-
более эффективный материал, и стоимость
становится меньшей проблемой по сравнению
с основной задачей — завершением проекта.
1 Область ближнего поля существует вблизи излучающего источника, где электрические и магнитные поля не имеют, по существу, характера плоской
волны и значительно изменяются от точки к точке. Область ближнего поля подразделяется на область реактивного ближнего поля, которая на-
ходится ближе всего к излучающему источнику и содержит большую часть или почти всю энергию поля, и излучаемую область, где поле излучения
преобладает над реактивным полем, но не имеет характера плоской волны и сложно по структуре, подробнее на примере решения проблемы
излучения ЭМП силовым дросселем DC/DC-преобразователя в [4].
www.kite.ru
110 проектирование электромагнитная совместимость
а
бв
Рис. 3. Экраны: а) наличие только электрического экрана позволяет волне отражаться внутрь экранированной части схемы;
б) наличие ферритового экрана может привести к проблемам из-за утечки ЭМП;
в) наиболее эффективно подавляет ЭПМ комплексное решение в виде добавки ферритового экрана к металлическому
Дополнительные соображения ного зазора с дополнительным экраном для В некоторых сценариях бывает просто
подавления ЭМП способом, который обсуж- недостаточно толщины, чтобы ослабить ЭМП
Многие разработчики РЭА предпочи- дался выше. В таком случае для обеспечения за- до необходимого уровня с помощью только
тают размещать решение для подавления щиты можно использовать магнитный экран магнитного экрана. Тогда хорошим выбором
ЭМП прямо над схемой или накладывать с неизолированным токопроводящим слоем, становятся гибридные материалы, которые
его на некоторые ее части. Это было «нор- предлагаемый компанией TDK. представляют собой листы из магнитомяг-
мой» для листов из магнитомягких мате- ких материалов с металлизированным слоем
риалов, поскольку они обычно изготавли- Цельнометаллические экраны на тыльной стороне. Подобный подход дает
ваются из непроводящего феррита или и гибридные материалы два слоя поглощения при прохождении ЭМП
имеют непроводящую поверхность. С метал- через ферритовый слой: сначала падающий
лическими экранами всегда все было понят- Один из альтернативных подходов — на металлический слой, а затем отраженный
но: они имели нужную высоту, наглухо при- металлические экраны в виде «коробочек», от него. Это создает удвоение на затухание
крывая требующий экранирования каскад. размещаемые над критическими участками плюс преимущество наличия клетки Фарадея,
печатной платы и/или компонентами с высо- сформированной металлическим слоем, что
Теперь, используя специальные гибрид- кой восприимчивостью к электромагнитным также увеличивает затухание. Эффект от ис-
ные или металлизированные магнитные ли- помехам или теми, которые могут быть ис- пользования коробчатого металлического
сты, разработчик должен уделять внимание точником шума. Это довольно распростра- экрана с ферритовым слоем показан на рис. 3.
обеспечению того, чтобы для подавления ненный метод подавления ЭМП, часто ис-
ЭМП при размещении листа с токопрово- пользуемый в технике высоких частот. Хотя В типичном импульсном преобразователе
дящей поверхностью в схеме не создавались часть такой нежелательной помехи поглоща- энергии, например в DC/DC-преобразователе,
короткие замыкания и через него не соеди- ется металлом, ее большой процент фактиче- ЭМП может генерироваться не только сило-
нялись между собой различные компонен- ски отражается туда, откуда она идет. Чтобы вым дросселем, трансформатором, катуш-
ты, вызывая сбои в функционировании. понять этот процесс, требуется более тща- ками индуктивности и ключами, но и инте-
Сегодня, стремясь гарантировать, что токо- тельный анализ и отдельная статья. гральной схемой управляющего контроллера,
проводящая поверхность не будет открыта, конденсаторами и другими компонентами
многие поставщики покрывают экраниру- В отличие от металлических экранов, схемы. В случае использования только од-
ющие материалы непроводящим полимер- одно из основных преимуществ феррито- ного цельного, даже закрытого металличе-
ным слоем или предлагают альтернативные вых материалов заключается в их способ- ского экрана энергия ЭМП может свободно
укладки слоев магнитного экрана. ности фактически поглощать энергию ЭМП отражаться от металла и впоследствии по-
и удалять ее из контура окружающей среды, вторно вводиться обратно в схему, что уси-
Если проектировщику необходимо уста- что не могут сделать металлические экраны. ливает помеху вследствие интерференции
новить электрический контакт с экраном, Следовательно, для приложений с металли- и влияет на работу самого преобразователя.
то существует вариант и для такого подхода, ческими экранами, которые накладывают- добавление ферритового экрана к металли-
особенно это важно для конфигураций с зазем- ся на компоненты, создающие внутреннюю ческому дает несравнимо лучшее решение
лением. Если магнитный экран должен быть ЭМП, добавление на внутренней стороне ме- для подавления ЭМП. Здесь важно помнить
размещен непосредственно над компонентами талла слоя магнитомягкого материала может и учитывать как µ′, так и µ″, а также зависи-
или на нижней стороне металлического короб- эффективнее решить проблемы ЭМС. мость от толщины ферритового экрана.
чатого экрана, то он может не иметь достаточ-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
электромагнитная совместимость проектирование 111
а
б
в
Рис. 4. Материалы компании TDK: а) структура материала серии IFL; б) вариант исполнения ее гибридной серии IFL16 с изолированной поверхностью, суффикс E;
в) вариант с токопроводящей поверхностью, суффикс G, допускающей подключение заземления
Рис. 5. Структура материала серии IFM10M
который стал ключевым материалом само-
го широкого применения в РЭА, и достигла
в этом направлении больших успехов, чему
способствовало ее объединение с фирмой
EPCOS [6]. Компания ориентируется на тре-
бовательные рынки в области информаци-
онных и коммуникационных технологий,
бытовой, автомобильной и промышленной
электроники.
Экранирующие магнитные материалы
компании TDK под торговой маркой Flexield
доступны в виде двух типов обычного испол-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
112 проектирование электромагнитная совместимость
Таблица. Основные характеристики серий
помехопоглощающих материалов компании TDK
Наименование
серии
Рекомендованный
частотный
диапазон
Начальная
магнитная
проницаемость,
1 МГц (тип.)
Поверхностное
сопротивление
изоляции на см2
IFL10M 10 МГц – 3 ГГц 120 1 МОм
IFL12 5 МГц – 3 ГГц 180 10 кОм
IFL16 0,5 МГц – 1 ГГц 220 10 кОм
IFL16
(гибридный) 0,5 МГц – 1 ГГц 220 10 кОм
IFM10M
0,5 МГц – 10 ГГц 120 –
Примечание. Характеристики определяются Рис. 6. Примеры практического применения листов из магнитомягких материалов компании TDK
свойствами магнитного слоя.
частиц феррита и композита на основе по- аб
липиррола с медным покрытием. Толщина
медного покрытия составляет всего 1 мкм Рис. 7. Пример экранирования:
(рис. 5). Нанесение тонкого слоя меди осу- а) смартфон Huawei P20, использованный для тестирования.
ществляется гальваническим способом, раз- Выделенная область показывает размер и расположение существующего металлического экрана;
работанным компанией Achilles Corporation. б) затем была выбрана представляющая интерес тестовая зона
Материалы компании TDK позволяют зывает размер и расположение существую-
очень эффективно подавить ЭМП, диапа- щего в данной модели металлического экра-
зон их рабочих частот находится в пределах на. Также была выбрана тестовая зона («Зона
от сотен килогерц и до десятков гигагерц, что интереса» на рис. 7б), а после удаления суще-
позволяет не только подавлять излучаемые ствующего решения с использованием те-
и наведенные помехи для систем питания, стера ЭМП ближнего поля была установлена
но и использовать для высокочастотных граничная линия для сравнения.
применений. Материалы предназначены
для работы при температурах –40…+85 °C. Сравнение по эффективности экранирова-
Основные характеристики серий рассматри- ния проводилось относительно:
ваемых помехопоглощающих материалов • существующего решения;
компании TDK приведены в таблице. • гибридного решения на основе слоя фер-
Рассмотренные в данной статье материа- рита и меди;
лы поставляются в виде рулонов 300100 м • незаземленного решения с экраном из пер-
и листов с размером 300200 мм, они легко
режутся и перфорируются, могут прини- маллоя;
мать разные формы, а также использоваться • заземленного решения с экраном из пер-
на искривляемых поверхностях, например
на гибких кабелях или печатных платах. маллоя.
Результаты измерения уровня электронно-
Примеры практического го поля в дБмкВ показаны на рис. 8.
применения материалов Из этих данных становятся очевидными
компании TDK несколько ключевых моментов. Во-первых,
магнитомягкий материал влияет на измеряе-
Примеры типовых применений помехо- мую величину электрического поля и, следо-
поглощающих материалов компании TDK вательно, на уровень затухания. Во-вторых,
показаны на рис. 6 [2]. наличие металлического слоя помогает
ослабить уровень ЭМП, будь то ферритовый
В [2] (русскоязычная версия [10]) приве- магнитомягкий материал или пермаллой.
ден пример анализа подавления магнитной Наконец, возможность заземления экрана
помехи в области ближнего поля для плат еще больше улучшает характеристики экра-
памяти DDR с использованием листов пер- нирования.
спективного материала серии IFL гибридного
типа. Пример наглядно демонстрирует то,
насколько эффективно подавляются ЭМП
листами с гибридным экранирующим слоем.
В рамках этой статьи для оценки предложен-
ных рекомендаций мы рассмотрим пример
экранирования, который был протестиро-
ван на телефоне Huawei P20 Pro [1]. Телефон
имеет металлический экран, который за-
щищает адресную шину и линии данных,
управляющие дисплеем телефона (заставка
и рис. 7). Желтая выделенная область пока-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
электромагнитная совместимость проектирование 113
аб
вг
д
Рис. 8. Результаты измерений уровня электрического поля приведены для решений:
a) без экранирования; б) существующий экран; в) экран из феррита и меди;
г) экран из пермаллоя без заземления; д) экран из пермаллоя с заземлением
Рис. 9. Результаты подавления ЭМП для пермаллоевого экрана с заземлением и без него
в том, что бывают случаи, когда традици- тия в виде краски, накладывать «пластырь»
онные решения не работают или занимают просто на микросхемы, прикрывать экраном
слишком много времени, и в этой ситуации ленточные кабели и участки цепей, однаж-
такая примочка в виде «пластыря» (часть ды решить на месте эксплуатации «нереша-
листовых материалов имеет адгезивный емую» проблему с ЭМП помогла… фольга
слой) может стать наиболее экономически из сигаретной пачки.
эффективным решением. В практике автора
перевода имелись аналогичные случаи, когда Автор статьи надеется, что приведенные
за экранирование, в том числе и магнитное, в ней сведения помогут читателям как мини-
хватались, как утопающий хватается за соло- мум лучше понимать поведение помехопо-
минку. Приходилось, и не раз, использовать глощающего магнитного материала и полу-
специально наносимые на корпуса покры- чить лучшую отправную точку в нелегкой
борьбе с ЭМП и решением проблем ЭМС. n
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
114 проектирование электромагнитная совместимость
Литература 5. Рентюк В. Снижение синфазных помех импульсных преобразователей
на уровне их базовой схемотехники // Силовая электроника. 2015. № 3.
1. Burket C. EMI Suppression Shields. EMI Suppression Shields:
Understanding the Basics. Electronic Design. Jan 07, 2020. 6. Рентюк В. Многослойные ферритовые элементы компании TDK EPCOS —
www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21119921/ эффективное и удобное решение проблемы ЭМС. В сб. «Электромагнитная
emi-suppression-shields-understanding-the-basics совместимость в электронике». 2018.
2. Noise Suppression Sheet «Flexield» IFL Series. Tech Notes. 2020 TDK Corporation. 7. Noise suppression sheets, Flexield IFL series. TDK. April 2018.
www.product.tdk.com/info/de/products/noise_magnet-sheet/technote/tpo/ 8. Noise suppression sheets, Flexield IFL series Hybrid type (magnetic
index.html
layer+conductive layer). TDK. June 2017. www.product.tdk.com/info/en/
3. Рентюк В. Электромагнитная совместимость: проблема, от которой catalog/datasheets/emc_noise-sheet_if l_en.pdf
не уйти // Компоненты и технологии. 2017. № 7. 9. Noise suppression sheets, Flexield IFM series Hybrid type (magnetic
layer+conductive layer). TDK. June 2017. www.product.tdk.com/info/en/
4. Браманпалли Р. Проблема излучения ЭМП силовым дросселем DC/DC- catalog/datasheets/emc_noise-sheet_ifm_hybrid_en.pdf
преобразователя и варианты ее решения // Компоненты и технологии. 2018. 10. Экранирующие листы Flexield серии IFL для подавления шума. В сб.
№ 6.
«Электромагнитная совместимость в электронике». 2018.
новости
Новости сайта www.efo.ru
Infineon Technologies
Компания Infineon Technologies расширяет линейку драйверов EiceDRIVER Компания Infineon Technologies фокусируется на внедрении новых систем
новыми полумостовыми 650-В драйверами, основанными на уникальной тех- с улучшениями на уровне компонентов, реагируя на вызовы при разработке
нологии «кремний на диэлектрике» (SOI). Драйверы отличаются лучшей современных преобразовательных устройств. Source Down — новый стандарт
в своем классе устойчивостью к отрицательным выбросам при переключе- корпусов для MOSFET. Первая серия силовых MOSFET-транзисторов в новом
нии, встроенным бустерным диодом и суперустойчивостью к защелкиванию корпусе — OptiMOS 25 В в корпусе PQFN 3,3×3,3 мм. Эти транзисторы уста-
для инверторов на основе MOSFET- и IGBT-транзисторов. Это обеспечивает навливают новый стандарт в характеристиках, сокращении сопротивления
большую прочность и надежность устройств при меньших затратах. во включенном состоянии (RDS(on)) и обеспечении превосходного теплового
сопротивления в своем классе.
Применение: 2ED218x — индукционные плиты, кондиционеры, импульсные
источники питания, UPS; 2ED210x — бытовая техника, электроинструмент, Применение:
приводы, вентиляторы и насосы. • приводы;
• импульсные источники питания;
Характеристики: • системы управления батареями.
• выходной ток:
Особенности:
– 2ED218x — 2,5 A, • к теплоотводу (основанию корпуса) подключается исток, а не сток;
– 2ED210x — 0,7 A; • достигается большая плотность мощности и КПД;
• имеются версии c функцией отключения, дополнительной логикой и си- • два варианта основания:
ловой «землей»;
• встроенный бустерный диод обеспечивает быстрое обратное восстанов- – Source-Down Standard-Gate — электрические контакты расположены
ление; так же, как у стандартных Drain-Down-корпусов,
• сопротивление во включенном состоянии RDS(on): 30 Ом;
• устойчивость вывода VS к отрицательным выбросам при переключении – Source-Down Center-Gate — вывод затвора располагается посередине,
до –100 В для повторяющихся импульсов шириной до 300 нс; что упрощает подключение нескольких MOSFET-транзисторов парал-
• встроенная логика мертвого времени, исключающая сквозное включение лельно;
верхнего и нижнего плеча;
• независимая защита от провалов напряжения питания (UVLO) для верхнего • RDS(on) сокращено на 30% по сравнению с существующей технологией;
и нижнего источника питания; • улучшено тепловое сопротивление переход-корпус (RthJC) по сравнению
• задержка распространения включения: 200 нс.
Драйверы 2ED218x и 2ED210x полностью совместимы с более ранним с существующими корпусами PQFN;
поколением IR(S)218x и IR(S)210x. • сокращено количество паразитных компонентов, снижены потери и улуч-
Устройства доступны в стандартных корпусах DSO-8 (SOIC8) и DSO-14
(SOIC-14) с 2 кВ по электростатике (только 2ED218x). Компоненты обоих семейств шены тепловые характеристики.
2ED218x и 2ED210x можно заказать как для образцов, так и для производства.
Санкт-Петербург,
ул. Новолитовская, д. 15, лит. А,
бизнес-центр «Аквилон», офис 441;
(812) 327-86-54; e-mail: [email protected].
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
Реклама
116 технологии измерительная аппаратура
Как оптимизировать измерения
с помощью генераторов сигналов
Владимир РеНТюК Используя ту или иную технологию беспроводной связи — будь то изде-
[email protected] лия широкого потребления, связное оборудование военного назначения
(далее РЭА) или радар,— вы неизбежно сталкиваетесь с критическим огра-
ничением полосы пропускания в спектре, заполненном помехами. Чтобы
убедиться в устойчивости аппаратуры к помехам, необходимо при тестиро-
вании устройств прибегнуть к имитации сигнала. В ходе испытаний — на ста-
дии НИОКР или верификации конечного продукта — ее помогут обеспечить
генераторы сигналов. Эти современные приборы, при грамотном исполь-
зовании всех их возможностей, способны решить проблемы тестирования
различных устройств и компонентов РЭА, включая системы в целом.
Высокие технические характеристики • оптимизация профиля фазового шума ге- полосной цифровой кабельной передачи,
и знание возможностей генераторов нератора сигналов. авиационных и военных приложений, в том
сигналов — первый шаг к точным Основное внимание в публикации уделе- числе средств радиоэлектронной борьбы
и последовательным измерениям. В этой (РЭБ) и радиолокации.
статье, представляющей авторский перевод но наиболее универсальным решениям —
материала от компании Keysight Technologies векторным генераторам сигналов с широко- Проблема повышения точности
(далее — Keysight) и содержащей ряд допол- полосной модуляцией. Их особенность со- передачи амплитуды сигнала
нений по применению [1, 2], будут даны ре- стоит в том, что они осуществляют перенос
комендации по оптимизации использования сигналов модуляции (внешних или встроен- Генераторы радиочастотных сигналов
генераторов сигналов (рис. 1). На примерах ных, аналоговых или цифровых) на ВЧ и вы- предназначены в первую очередь для про-
продукции компании проанализировано че- вод итогового сигнала. Сигнал модуляции верки радиочастотных узлов РЭА, а также
тыре вопроса, наиболее важных для измере- в таких генераторах формируется в цифровой приемников, передатчиков и систем в це-
ний, и предложены практические решения форме и обрабатывается как поток комплекс- лом. для столь обширного спектра различ-
по оптимизации проводимых процедур. ных I/Q-данных в полосе частот модулиру- ных применений необходим и широкий
В частности, будет рассмотрено: ющего сигнала, вследствие чего им требуется диапазон уровней выходной мощности. Как
• влияние и минимизация неравномерности широкая рабочая полоса. Принципы, лежа- правило, уровень выходной мощности ге-
щие в основе I/Q-модуляции, позволяют ре- нераторов сигналов задается ступенчатым
амплитудно-частотной характеристики ализовать любой тип модуляции — простой аттенюатором, который создает различные
(АЧХ) генератора сигналов и измеритель- или комплексный, цифровой или аналого- комбинации ослабления уровня сигнала
ного тракта; вый, а также сигналы с одной или нескольки- от максимального, обеспеченного усилите-
• оптимизация производительности генера- ми несущими. лем, и схемой автоматического регулирова-
тора для широкополосных сигналов; ния уровня мощности или уровня сигнала
• оптимизация скорости переключения ге- Требования к векторным генераторам сиг- (АРМ или АРу), как показано на рис. 2.
нератора сигналов; налов предъявляются не только стандартами
беспроводной связи, но и методами широко-
Рис. 1. Генераторы сигналов серии X от компании Keysight
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
измерительная аппаратура технологии 117
Рис. 2. Упрощенная структурная схема цепи обратной связи АРМ генератора сигналов
Рис. 3. Измеритель мощности серии U2000 компании Keysight с шиной USB
зависит и от калибровочных коэффициентов В этом случае генератор сигналов работа-
датчика, так что перед калибровкой следует ет как измеритель мощности, но измеряет
обязательно ввести его калибровочные ко- мощность не на своем выходе, а уже как часть
эффициенты в измеритель мощности (или испытательной установки непосредственно
генератор сигналов). на Иу. Значения коэффициентов коррекции
можно сохранить в памяти генератора сиг-
Что касается измерителя мощности, здесь налов. При необходимости можно вывести
хорошим решением будет подходящий изме- эти значения и применить их при следую-
ритель мощности с шиной USB серии U2000 щем использовании той же тестовой конфи-
компании Keysight [3] (рис. 3), который может гурации. Между двумя частотными точками
напрямую подключаться к генератору сигна- значение коррекции определяется путем ин-
лов серии X этой же компании. Измерители терполяции. На рис. 4 иллюстрируется на-
мощности серии U2000 имеют компактные стройка коррекции с помощью генератора
размеры и позволяют выполнять измерение сигналов и датчика мощности с шиной USB.
пиковой и средней мощности.
для того чтобы выполнить коррекцию
Технология Plug-and-Play обеспечива- для подключения к генераторам сигналов
ет быстроту и легкость настройки системы: Keysight серии X или генератору метрологи-
достаточно просто подключить измеритель ческого уровня серии PSG через GPIB, следу-
к компьютеру или другому прибору через ин- ет использовать и одноканальный измери-
терфейс USB и можно сразу проводить изме- тель мощности N1911A или двухканальный
рения мощности с помощью предустановлен- N1912A компании Keysight (рис. 5). Если нет
ного программного обеспечения. Благодаря необходимого измерителя мощности от ком-
измерителям мощности серии U2000 ком- пании Keysight, можно выполнить калибров-
пании Keysight вы получаете все, что нужно: ку тракта иным способом и ввести значения
комплексную измерительную установку, коррекции вручную.
а не просто измеритель мощности.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
118 технологии измерительная аппаратура
Рис. 4. Коррекция неравномерности АЧХ тестовой установки с помощью измерителя мощности серии U2000 компании Keysight с шиной USB
Рис. 5. Измеритель мощности N1911A Рис. 6. Тестовая настройка для внешнего выравнивания уровня сигнала, подаваемого на ИУ
компании Keysight
в соединителях (мощность измеряется толь-
Использование внешнего нормирования ко через ответвитель, а не на входе Иу), кро-
сигнала по каналу Арм ме того, убедитесь, что детектор и ответви-
тель/разветвитель мощности соответствуют
Генераторы высокочастотных сигна- требуемому уровню мощности и диапазону
лов компании Keysight, такие как PSG частот.
E8257D/E8267D, MXG N5183B и EXG N5173B,
поддерживают возможность внешнего нор- Коррекция канала
мирования амплитуды сигнала, подаваемого для оптимизации
на испытуемое устройство. производительности сигнала
с широкой полосой модуляции
В этом варианте выходная высокочастот-
ная мощность генератора сигналов посто- Когда вы используете генератор сигналов
янно контролируется и гарантированно в непрерывном режиме генерации, то гене-
управляется схемой АРМ так, что мощность, ратор сигналов поддерживает заданный уро-
поданная на Иу, не дрейфует со временем вень амплитуды сигнала на своем ВЧ-выходе.
или, например, не изменяется из-за колеба- для контроля и регулировки выходной мощ-
ний температуры. Если электрические ха- ности по мере повышения температуры (что
рактеристики внешних компонентов, в част- происходит со временем) генератор сигналов
ности усилителей, изменяются со временем использует схему автоматического регулиро-
и под влиянием температуры, то фиксиро-
ванные (введенные при калибровке) поправ-
ки не могут устранить этот дрейф амплиту-
ды, вызванный изменением характеристик
внешних компонентов.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
измерительная аппаратура технологии 119
Рис. 7. Измерение сигнала 5G NR с отключенной внутриканальной коррекцией частот, так и в части амплитудных и фазовых
отклонений для радиочастот во всех диапа-
зонах и уровнях мощности генератора. Что
касается продуктов компании Keysight, та-
кую коррекцию поддерживают генераторы
MXG N5182B и EXG N5172B. данные коррек-
ции включают параметры матрицы фильтра
коррекции, применяемого как к сигналам
основной полосы (на нулевой частоте), так
и на несущей частоте, к амплитуде и фазе пол-
ного диапазона частот и мощностей сигнала
в реальном времени. Обработка сигналов вы-
полняется в цифровом сигнальном процес-
соре (digital signal processor, DSP). Коррекция
в реальном времени особенно важна для фор-
мирования широкополосных сигналов.
На рис. 7 показан анализ сигнала 5G
New Radio (5G NR) с полосой модуляции
до 100 МГц. На графике B можно увидеть,
что спектр сигнала имеет небольшое сниже-
ние слева направо. Используя эквалайзер де-
модуляции OFDM1, вы можете легко и ясно
увидеть, что частотная характеристика кана-
ла имеет разницу между маркером 1 и марке-
ром 2, равную 2,6 дБ, как это показано на гра-
фике D. Подобная разница обусловлена
неравномерностью спектра радиочастотного
сигнала генератора.
Когда коррекция включена, генератор сиг-
налов выравнивает амплитудную и фазовую
характеристики системы по всей ширине ча-
стотного спектра сигнала, поддерживаемой
прибором. Так, для MXG N5182B эта полоса
достигает 160 МГц. На рис. 8 показан тот же
сигнал 5G, но спектр сигнала на графике B
ровный. Разница частотной характеристи-
ки канала эквалайзера уменьшена до 0,6 дБ.
Кроме того, величина модуля вектора ошиб-
ки (error vector magnitude, EVM) улучшилась
с 0,44% до 0,36%, как это видно на графике C.
Рис. 8. Измерение сигнала 5G NR с включенной внутриканальной коррекцией Калибровка коррекции канала
пользователя
Калибровка коррекции канала пользовате-
ля расширяет, как сейчас принято говорить,
качество (в данном случае имеются в виду
метрологические характеристики) генера-
тора сигналов до новой опорной плоскости,
а именно до тестируемого входного порта Иу.
для выполнения калибровки предназначен
уже упоминавшийся измеритель мощности
серии U2000 компании Keysight [3], как по-
казано на рис. 9. В этом случае необходимо
указать начальную и конечную частоту, на-
строить измеритель мощности, а затем вы-
полнить калибровку.
Однако следует учесть, что для прецизи-
онных измерений, а мы обсуждаем именно
такие, если температура окружающей среды
изменилась как минимум на ±5 °C от тем-
пературы, при которой была проведена пре-
дыдущая операция, калибровку коррекции
Рис. 9. Использование измерителя мощности пользовательского канала нужно повторять.
серии U2000 компании Keysight с шиной USB
для калибровки коррекции канала пользователя 1 OFDM, Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов.
Является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
120 технологии измерительная аппаратура
Оптимизация скорости Рис. 10. Блок-схема типичного векторного генератора сигналов
переключения генератора
на новый режим могут потребоваться допол-
Поскольку беспроводные устройства все нительные временные затраты, то есть воз-
в большей степени интегрируют в себе самые никнет дополнительная задержка.
различные функции, это требует больше
тестов и настроек для соответствия различ- Под временем задержки здесь понимает-
ным условиям организации каналов связи. ся время установления сигнала генератора,
Беспроводное устройство содержит несколь- и если оно не будет учтено, вы можете вы-
ко беспроводных стандартов, частотных полнить измерение прежде, чем генератор
диапазонов и антенн [4]. Сказанное в зна- переключится на следующую точку по ча-
чительной степени увеличивает трудности стоте или амплитуде, что способно приве-
при проектировании таких устройств, их на- сти не только к неадекватному результату,
стройке и тестировании в ходе производства. но и к перегрузке, а в ряде случаев и к по-
Инженеры-испытатели всегда ищут способы вреждению тестируемого устройства.
улучшить пропускную способность испы-
тательного оборудования и, соответственно, Если комбинация частоты, амплитуды
снизить затраты на тестирование. и формы сигнала известна заранее, то целе-
сообразно применение развертки (свипиро-
Скорость тестирования очень важна в про- вание) — пошаговое (STEP) или по списку
цессе производства РЭА. Чем дольше про- (LIST). При этих режимах можно не только
дукция проходит испытания, тем выше будет одновременно переключать несколько пара-
ее себестоимость и, соответственно, меньше метров, но и делать это значительно быстрее.
прибыль. Либо придется увеличить коли-
чество испытательных установок, что при- Пошаговое свипирование (STEP) предла-
водит к повышению капитальных затрат. гает линейный или логарифмический закон
Поднимать цену РЭА на столь насыщенном изменения частоты и/или амплитуды от од-
рынке устройств беспроводной связи — ной выбранной настройки к следующей,
значит терять конкурентные преимущества через паузу в линейно или логарифмически
от ее новизны и большей производитель- разнесенных точках (шагах) относительно
ности. Поэтому при производстве РЭА ско- базового параметра развертки.
рость переключения режимов генератора
сигналов имеет немаловажное значение. Свипирование по списку (LIST) позволяет
вводить частоты и амплитуды через произ-
Итак, что такое скорость переключения вольные интервалы, в нелинейном порядке
применительно к генератору сигналов? Она возрастания, убывания или в случайном по-
определяется как скорость, с которой мож- рядке. В дополнение к амплитуде и частоте
но переключиться с одной частоты/ампли- также можно одновременно переключать
туды на другую или с одной формы сигнала сигнал широкополосной I/Q-модуляции.
на другую. Здесь проблема не в самом пере- Необходимо просто указать частоту, уровень
ключении, а в установке выхода генератора амплитуды, форму волны и время задержки
после изменения того или иного параметра в каждой точке. Использовать этот режим
или функции на стационарный режим. рекомендуется при необходимости получе-
ния самых высоких скоростей переключения
Всякий раз, когда генератор сигналов по- генератора.
лучает команду для установки на новую ча-
стоту, синтезатор меняет частоту выходного Пример конфигурации свипирования для
сигнала. Затем выходной усилитель отрегу- генератора MXG N5182B компании Keysight
лирует уровень мощности так, чтобы выход- [6] приведен на рис. 11.
ная мощность оставалась такой же, как и ра-
нее (либо новой заданной), но уже на новой
частоте. Блок-схема типичного векторного
генератора сигналов представлена на рис. 10.
Рис. 11. Таблица конфигурации свипирования для генератора MXG N5182B компании Keysight 2 SCPI, Standard Commands for Programmable Instruments — стан-
дартные команды для программируемых инструментов определяют
стандарт для синтаксиса и команд, используемых при управлении про-
граммируемыми контрольно-измерительными устройствами, такими
как автоматическое испытательное оборудование и электронное ис-
пытательное оборудование.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
измерительная аппаратура технологии 121
Время задержки — это период установ- Рис. 12. Блок-схема обработки сигналов для цифровой настройки модулирующей частоты
ления сигнала, по его истечении вы можете векторного генератора сигналов
выполнить измерение до того, как разверт-
ка переместится к следующей частоте. Перед Рис. 13. Векторный генератор сигналов M9381A компании Keysight в формате PXIe
включением развертки необходимо настроить
запуск (триггер) для начала развертки или по- Таблица 1. Сравнение скорости измерения при прямой перестройке генератора и сдвиге частоты в полосе модуляции
шагового переключения частоты. Настройка
триггера может быть сделана по выбору. Это Генератор M9381A Прямая настройка частоты Настройка в диапазоне модуляции
может быть ручная команда от кнопки за- Изменения радиочастотной несущей частоты
пуска на передней панели, дистанционно — Описание и выходного затухания с использованием Изменения смещения частоты и амплитуды в ASIC
путем переданной команды по шине, через интерфейса RF драйвера IVI обработки сигнала с использованием интерфейса
внешний запуск или с использованием сигна- Скорость переключения Немодулированный сигнал: 500 мкс – 1,4 мс. «Модуляция» драйвера IVI.
ла внутренней синхронизации. запрограммированных Модулированный сигнал: 3,4–3,5 мс Частотный диапазон — полоса модуляции генератора.
Частота и амплитуда (АРМ выкл./вкл.): 220 мкс Амплитудный диапазон: –20…0 дБ
Использование цифрового тракта команд Скорость переключения по сравнению
генератора модулирующих сигналов Скорость переключения с прямой настройкой улучшена в 2–14 раз.
по списку (режим LIST) Переключение частоты и амплитуды: 250 мкс.
для большинства производственных те- Переключение амплитуды: 250 мкс
стов беспроводных устройств скорость про- Скорость переключения по сравнению
цесса тестирования часто ограничена самим с прямой настройкой улучшена в 12–22 раза.
тестируемым устройством. Поскольку вре- Частота и амплитуда (АРМ выкл.): 10 мкс
мя отклика устройства обычно измеряется
в миллисекундах, то для выполнения произ-
водственных испытаний (чаще это приемо-
сдаточные испытания) на уровне устройства
вполне достаточно традиционной аналого-
вой настройки частоты и амплитуды тесто-
вого сигнала. Конечная проблема скорости
возникает на уровне радиочастотных ком-
понентов беспроводных устройств, здесь
имеются в виду радиочастотные усилите-
ли мощности, трансиверы, модули вход-
ных каскадов, системы в корпусе и системы
на кристалле. Такие устройства требуют мак-
симально высокой скорости тестирования
на производственной линии.
В этом случае на помощь придут методы
цифровой настройки частоты основной ча-
стоты (несущей). Они предполагают возмож-
ность цифрового сдвига частоты и установки
амплитуды сигнала в пределах доступной
полосы модуляции векторного генератора
ВЧ-сигналов без необходимости перенастра-
ивать его синтезатор. Настройка основной
частоты обеспечивается встроенной специ-
ализированной интегральной схемой (ASIC),
как показано на рис. 12. Такая ASIC включает
три функции обработки сигналов:
• умножитель в реальном времени для из-
менения амплитуды;
• генератор числового контроллера реально-
го времени для смещения частоты;
• коррекция канала в реальном времени для
выравнивания амплитуды и фазового от-
клика.
Новые векторные генераторы сигналов
предлагают более широкую полосу частот
модуляции, чем предыдущие аналоговые
генераторы, поскольку в них используется
цифровая технология формирования ча-
стоты, которая обеспечивает более широ-
кие частотные сдвиги. Максимальный сдвиг
частоты зависит от ширины полосы модуля-
ции — например, для векторного генерато-
ра сигналов M9381A (из серии модулей для
автоматизированных испытательных сис-
тем) компании Keysight в формате PXIe [7]
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
122 технологии измерительная аппаратура
Рис. 14. Настройка частоты на всю ширину полосы модулирующих частот (160 МГц) и амплитудный диапазон (20 дБ)
Рис. 15. Сравнение погрешности линейности
выходной мощности генератора M9381A
измерения фазового шума Keysight E5500 [5].
для отстроек от несущей ниже 1 кГц доми-
нирует шум от опорного генератора, кото-
рый умножается до частоты несущей. От от-
строек 1 кГц и примерно до 100 кГц больше
всего на фазовые шумы оказывает влияние
непосредственно сам синтезатор. Генераторы,
управляемые напряжением на ЖИГ-
резонаторе, вносят шумы на частотах смеще-
ния 100 кГц – 2 МГц, а выходной усилитель —
на частотах от 2 МГц.
уровень фазового шума часто становится
ключевым фактором при выборе генератора
сигналов для таких критических к нему при-
ложений, как радиолокационные системы
и схемы модуляции OFDM (последние явля-
Рис. 16. Вклад компонентов архитектуры генератора сигналов в общую характеристику фазового шума.
График частотной зависимости спектральной плотности боковых полос фазовой модуляции
относительно отстройки от несущей
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
измерительная аппаратура технологии 123
ются популярной технологией модуляции для Рис. 17. Пример того, как высокий уровень фазового шума гетеродина влияет на чувствительность приемника
широкополосной цифровой связи). В OFDM и, соответственно, на характеристики обнаружения цели
используется большое количество близко рас-
положенных ортогональных поднесущих. от цели сигнала. доплеровский сдвиг пропор-
Каждая из них модулируется по обычной ционален радиолокационной частоте, умно-
схеме модуляции, например квадратурная женной на радиальную скорость, деленную
амплитудная модуляция — на низкой сим- на скорость распространения электромагнит-
вольной скорости, сохраняя общую скорость ной волны. Сдвиг частоты может составлять
передачи данных, как и у обычных схем мо- от сотен герц до сотен килогерц, а наиболь-
дуляции одной несущей в той же полосе про- шее влияние здесь оказывают фазовые шумы
пускания. Из-за близости поднесущих, когда опорного генератора и непосредственно само-
преобразование частоты происходит с опор- го синтезатора, как показано на рис. 16.
ным генератором, имеющим высокие фазо-
вые шумы, поднесущая вместе с фазовым Теперь, понимая профиль фазового шума
шумом проникает в качестве помехи в другие генератора сигналов и то, почему именно
поднесущие, соответственно, фазовый шум этот профиль влияет на измерения, рассмо-
ухудшает качество модуляции сигнала OFDM. трим несколько вариантов оптимизации ха-
Таблица 2 показывает разнесение поднесу- рактеристик по фазовым шумам генератора
щих современных беспроводных стандартов сигналов, некоторые из них, как показано
со схемой модуляции OFDM. выше, основаны непосредственно на выборе
архитектуры генератора. Правильное пони-
Интервалы между поднесущими, представ-
ленные в таблице 2, формируются в синтеза-
торе или опорном генераторе. Чтобы получить
качественные характеристики модуляции,
необходимо максимально уменьшить фазовые
шумы на малых отстройках от несущей.
Таблица 2. Разнесение поднесущих сигналов OFDM
для ряда беспроводных стандартов
Стандарт Расстояние между поднесущими
IEEE 802.11ac 312,5 кГц
IEEE 802.11ax 78,125 кГц
LTE/LTE-A 7,5, 15 кГц
5G new radio (NR) 15, 30, 60, 120, 240, 480 кГц
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 Рис. 18. График частотной зависимости спектральной плотности боковых полос фазовой модуляции
относительно отстройки от несущей при разных настройках полосы пропускания опорного генератора
Примечание. Функция L(f) — это отношение мощности однополосного (SSB) фазового шума
к мощности несущей в полосе 1 Гц.
www.kite.ru
124 технологии измерительная аппаратура
Рис. 19. Оптимизация фазового шума в синтезаторе
встроенных регулировок генератора сигна- Рис. 20. Настройка ухудшения и измерение фазового шума
лов. Такая функция предусмотрена, напри-
мер, в генераторах компании Keysight серии
PSG с опцией UNX/UNY. В этих генераторах
имеется возможность регулирования полосы
опорного генератора (иногда называемой по-
лосой пропускания контура), что позволяет
улучшить фазовый шум на малых отстрой-
ках (то есть шум, лежащий вблизи несущей
в полосе 0–100 Гц). Регулировка полосы про-
пускания контура выполняется с фиксиро-
ванными шагами 25, 55, 125, 300 и 650 Гц для
внутреннего или внешнего опорного генера-
тора 10 МГц (рис. 18). Опыт показывает, что
чем шире полоса пропускания, тем меньше
фазовый шум при небольших отстройках
от несущей, особенно меньше 100 Гц. Таким
образом, можно оптимизировать характери-
стики фазового шума генератора сигналов
для ваших приложений.
Пропускная способность петли
фазовой автоподстройки частоты
(ФАПч)
для оптимизации фазового шума, лежа-
щего выше или ниже частоты смещения
в 150 кГц, на генераторах сигналов Keysight
серии PSG с опцией UNY можно установить
оптимальную полосу пропускания контура
ФАПЧ в синтезаторе, как показано на рис. 19.
Голубая кривая отображает характеристику
фазового шума для петли ФАПЧ, оптими-
зированной для отстройки частоты ниже
150 кГц, а желтая кривая — для ФАПЧ, оп-
тимизированной для отстроек выше 150 кГц.
Соответственно, можно выбрать оптималь-
ную настройку для минимизации фазового
шума и для больших отстроек.
ухудшение фазового шума
в реальном времени
Оптимизация характеристик фазового
шума не всегда необходима и бывает даже
нежелательна. Некоторые приложения и те-
сты для точного замещения сигнала или про-
верки допуска по устойчивости к фазовым
шумам требуют определенного их присут-
ствия.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
измерительная аппаратура технологии 125
которые позволят генерировать сигналы, Technologies. September 11, 2019. www.literature.
cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-0038EN.
необходимые для эффективного тестиро- pdf?id=2163736&cc=RU&lc=rus
7. M9381A PXIe Vector Signal Generator 1 MHz to
вания разрабатываемых или уже серийно 3 GHz or 6 GHz. Data Sheet. Keysight Technologies.
December 1, 2017. www.keysight.com/ru/ru/
выпускаемых конечных продуктов. assets/7018-03437/data-sheets/5991-0279.pdf
8. Выбор генератора сигналов для тестирования
для того чтобы узнать больше о лучших с учетом требований к фазовому шуму. Keysight
Technologies. December 1, 2017. www.keysight.
методах проведения измерений, посетите com/ru/ru/assets/7018-03790/application-
notes/5991-1744.pdf?success=true
блог RF Test сообщества [10], которое ведет 9. Руководство по выбору генераторов сиг-
налов. Keysight Technologies. June 1, 2018.
компания Keysight. А для получения дополни- www.keysight.com/ru/ru/assets/7018-03356/
technical-overviews/5990-9956.pdf
тельной информации о генераторах сигналов 10. www.community.keysight.com/news
11. www.keysight.com/find/sg
обратитесь к [9] и посетите сайт [11]. n
Литература
1. 9 Best Practices for Optimizing Your Signal
Generator — Part 1. Application Note. Keysight
Technologies. October 18, 2018. www.keysight.
com/ru/ru/assets/7018-06375/application-
notes/5992-3420.pdf
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
126 технологии тестирование
Способ применения метода
граничного сканирования
для функционального контроля
блоков СБИС
Анатолий ПИЛИПеНКО, В настоящей работе представлен способ функционального контроля вну-
к. ф.-м. н. тренних блоков СБИС с помощью метода граничного сканирования (ГС).
Предложенный подход предполагает изменение файлов списка цепей
[email protected] (netlist) объекта тестирования (ОТ), описания структуры ГС (*.bsdl), те-
стовых последовательностей (*.rts) и может оказаться полезным для ре-
шения некоторых задач, например при дистанционном контроле СБИС
в процессе радиационных испытаний.
Введение ФК в ряде случаев затруднительно, напри-
мер, если не реализована предусмотренная
для сложнофункциональных СБИС функ- стандартом ГС [2] необязательная инструк-
циональный контроль (ФК) проводится ция INTEST, предназначенная для тестиро-
на различных этапах: во время приемо-сда- вания внутренней логики СБИС, или она
точных испытаний, при входном контроле не поддерживается программным обеспече-
и т. д. Цель ФК — проверка алгоритма ра- нием автоматизированной системы генера-
боты СБИС. для проведения ФК применя- ции тестов (АСГТ).
ются логические генераторы и анализаторы
с многопроводными кабелями связи, обеспе- Целью работы стало создание и апробация
чивающие формирование на всех входных способа ФК внутренних блоков СБИС микро-
выводах ИС тестовых воздействий и реги- контроллера с использованием метода ГС при
отсутствии поддержки инструкции INTEST.
Рис. 1. Исходная и модифицированная схема ОТ.
Знаками «x» обозначены линии, недоступные в исходной конфигурации, знаками «v» — те же линии, доступные при модификации схемы
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
тестирование технологии 127
Рис. 2. Фрагменты исходного и модифицированного bsdl-файлов
Образцы для реализации доступа ко всем BSC была предложена «виртуальная»
структура ОТ (рис. 1) из двух компонентов: в качестве внешнего компо-
Апробацию предлагаемого способа ФК осуществляли на ряде ОТ, нента без поддержки ГС выступает ядро СБИС, а в качестве компонента
в качестве которых использовались опытные образцы СБИС, реа- с цепочкой ГС — контроллер порта тестового доступа и регистры ГС.
лизованные в базисах БМК — базовых матричных кристаллов двух
типов. для данной работы принципиально, что в рассматриваемых Под виртуальную конфигурацию была осуществлена модификация
ОТ все ячейки ГС (BSC, Boundary Scan Cell) — универсальные типа исходного bsdl-файла описания ОТ согласно следующим правилам:
ВС-1 [2]. ФК проводился для следующих ОТ: • тип всех BSC (кроме внутренних) изменен на противоположный
• образец № 1 — тип 1 без периферии;
• образец № 2 — тип 1 в схеме устройства с периферией; (входные заменены выходными и наоборот);
• образец № 3 — тип 2 без периферии; • контрольные BSC заменены выходными и к ним добавлены вир-
• образец № 4 — тип 2 в схеме устройства с периферией.
туальные выводы компонента с цепочкой ГС в схеме.
Все ОТ предварительно прошли полный входной ФК с использова- Фрагменты исходного и модифицированного bsdl-файлов приве-
нием многоканальных логических генератора и анализатора. для об- дены на рис. 2.
разцов № 1 и 2 выявлена одна сбойная ячейка во внутреннем ОЗу, для Таким образом, при загрузке в проект списка соединений вирту-
образцов № 3 и 4 ошибок ФК не выявлено. для образцов № 3 и 4 про- ального ОТ и модифицированного bsdl-файла пользователю предо-
изводитель предоставил информацию об обрыве вывода UpdateDR ставляется доступ ко всем BSC, подключенным к ядру тестируемой
триггера фиксации в одной из BSC (без указания ее номера). ИС. Соответственно, ядро становится доступным для тестирования
как не-ГС кластер [3].
для разработки и отладки тестовых векторов, а также для управ- для ФК ядра ОТ использовались производственные тесты в формате
ления информационным обменом по интерфейсу ГС и обработки *.rts, предназначенные для контроля различных внутренних блоков.
результатов использовалась АСГТ. Исходные rts-файлы преобразовывались по следующим правилам:
• каждый вектор в rts-файле, обозначающий изменение сигналов
Описание предлагаемого способа по фронту тактового сигнала (символ «+» по одному из тактовых
входов), преобразуется в два вектора: один для низкого логическо-
При разработке предлагаемого способа учитывались следующие го уровня тактового сигнала, второй для высокого (считывание
особенности программного обеспечения АСГТ: значений выходных сигналов производится во втором векторе);
• исходными данными для формирования тестовых последователь- • для двунаправленных выводов в rts-файле указывается одно значе-
ние, при использовании виртуальной конфигурации это значение
ностей являются netlist и файлы моделей компонентов, в том числе преобразуется в три (входная ячейка, выходная и контрольная);
bsdl-файлы описания средств поддержки метода ГС; • ввиду особенностей конструкции двунаправленных выводов, при
• на уровне пользователя организован доступ к выводам ИС, операциях чтения/записи портов ввода/вывода необходимо ду-
но не к BSC. Это означает, что контрольные и внутренние BSC блировать выходные значения предыдущего вектора во входных
недоступны для записи/чтения; значениях текущего вектора.
• жесткое задание типов доступа к BSC в bsdl-файле. Например, если Преобразование rts-файлов в необходимые форматы осуществля-
BSC обозначена как выходная, то она доступна только на запись. лось с помощью скриптов, написанных на языке Perl.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
128 технологии тестирование
Результаты апробации Отработаны алгоритмы формирования необходимых тестовых по-
предложенного способа
следовательностей из rts-файлов. Протестированы образцы ОТ, про-
Апробация предложенного в работе способа показала, что:
• для образцов № 1 и 2 выявлена одна сбойная ячейка во внутреннем ведено сравнение полученных результатов с результатами полного
ОЗу, что согласуется с результатами входного ФК; входного ФК.
• для всех образцов выявлены ошибки при операциях с порта-
К особенностям предлагаемого решения относятся:
ми ввода/вывода, проявляющиеся в виде ошибок типа const
лог. «0» и «1». • возможность проведения для ОТ:
С учетом результатов входного контроля и информации произво-
дителя (для образцов типа 2) было предположено наличие следую- а) стандартных тестов ГС;
щих неисправностей:
• образцы типа 1 — обрыв выводов триггеров фиксации BSC № 92, б) ФК ядер ИС с цепочками ГС.
107, 119, 120;
• образцы типа 2 — обрыв вывода UpdateDR BSC № 10. для этого достаточно создать два проекта со списками соединений,
Вышеперечисленные неисправности не оказывают влияния
ни на штатную работу ОТ, ни на использование встроенных средств соответствующими реальной и виртуальной конфигурациям про-
поддержки метода ГС для тестирования внешних относительно
ОТ компонентов. веряемого устройства;
Повторяемость результатов для образцов без периферии и в соста-
ве устройства подтверждает возможность проведения ФК не только • возможность проведения ФК ядра СБИС без отдельного стенда
при входном контроле ОТ, но и на последующих этапах (после мон-
тажа, в составе устройства). с многоканальными логическими генератором и анализатором,
Таким образом, результаты диагностики ОТ с помощью предло-
женного в работе способа не только подтверждают результаты пол- что полезно при удаленном контроле (например, при испытаниях
ного ФК с использованием многоканальных логических генератора
и анализатора, но и позволяют получить дополнительную диагно- на внешние факторы);
стическую информацию.
• отсутствие возможности тестирования некоторых сигнальных
Заключение
линий, если при проектировании структуры поддержки метода
В процессе работы предложен подход к ФК сложно-функциональ-
ных СБИС с применением метода ГС при отсутствии поддержки ГС конкретным выводам не назначены BSC, а также выделенных
инструкции INTEST.
линий под интерфейс ГС;
• более низкая частота проведения тестов по сравнению с ФК с по-
мощью многоканальных логических генератора и анализатора.
Предлагаемый способ имеет практическую ценность, например,
при проведении радиационных испытаний. В данном случае при
неизменности аппаратной части и малом числе длинных линий связи
существенно повышается информативность испытаний. n
Литература
1. Некрасов П. В. Методы и средства прогнозирования радиационной стой-
кости микропроцессорных СБИС. Автореферат. М., 2010.
2. IEEE Std 1149.1-2001, IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan
Architecture, The Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2001.
3. Городецкий А., Курилан Л. Основной формат ввода тест-программ и тесты
граничного сканирования. Часть 4 // Производство электроники. 2007. № 8.
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
Реклама
130 технологии тестирование
Автоматизация тестирования
на предприятии «Третий пин»
Иван ЛАРИОНОВ В статье представлен опыт организации серийного производства коммер-
[email protected] ческой электроники на предприятии «Третий пин». Рассматривается, как
компания автоматизировала функциональное тестирование печатных
плат на производстве, рассказывается о том, как устроена тестовая стан-
ция. Статья является продолжением публикации [1], в которой речь шла
об истории производства изделия.
Мы хотели добиться следующих показа-
телей:
• Тотальный контроль. Проверять каждую
плату, а не делать это выборочно.
• Снизить влияние человеческого фактора.
Эффективность тестирования не должна
зависеть от квалификации и личных ка-
честв исполнителя.
• Интеграция с производством. Тестирование
должно быть частью общего процесса про-
изводства.
• Прошивка. устройство должно выходить
готовым к дальнейшей сборке в корпус.
• учет и маркировка выпущенных устройств.
Сквозное присвоение серийных номеров.
Распечатка стикеров для дальнейшей иден-
тификации.
• Все это должно работать быстро.
для этого мы решили расширить возмож-
ности тестера [2] и спроектировали систему
тестирования.
Рис. 1. Схема системы тестирования
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
тестирование технологии 131
Рис. 2. Структурная схема DUT
Таблица 1. Функции и способы тестирования
Блок Как проверяем
MCU Заливается тестовая прошивка, которая выполняет команды тестовой станции Рис. 3. Структурная схема тестовой станции
SD-карта Запись, чтение данных
Измерение напряжения на включенном светодиоде позволяет проверить как работу, Таблица 2. Список использованного оборудования
LEDs так и цвет
Не тестируем, усложняет механику, снижает скорость тестирования Название Название прибора
Buttons Используется как канал связи между MCU и ноутбуком во время тестирования
USB Измерение напряжений на всех стадиях преобразования, контроль входного тока DUT Тестируемое устройство, Device under test
Power Контроль сигналов состояний заряда микросхемы на плате Тестовая оснастка Ingun MA260
Соединение, передача данных на сервер/плату тестовой станции GD4400
Battery Передача тестовых посылок на плату тестовой станции QR-сканер GODEX RT200
GSM, Bluetooth Микрофон, детектирование количества звуков Принтер этикеток АКИП В7-78/1
RS-232, UART* Изменение состояний, контроль на стороне платы тестовой станции АКИП-1105
Вольтметр D-LINK
Buzzer Источник питания
IO Lenovo Ideapad 320
USB-hub
Ноутбук
Провода
устройством, тем более что стоимость ноутбука в масштабах проекта
не столь принципиальна.
Windows оказалась не лучшей ОС для наших нужд. С ней трудно
добиться идентичности нескольких станций, сложно до конца и на-
всегда прекратить обновления. Поэтому мы приехали на производ-
ство разворачивать станцию тестирования (рис. 4).
Еще Windows подкинула одну задачу по Bluetooth. При попытке
подключения нового устройства к Bluetooth ноутбука Windows каж-
Рис. 4. Станция тестирования на производстве
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
132 технологии тестирование
Рис. 6. Руководство пользователя по подключению
в USB-hub
Рис. 5. Панель оператора
дый раз просит у пользователя разрешения. дежность. Она должна не пропускать брак Рис. 7. Оснастка
Мы не смогли обойти эту просьбу с помощью и не браковать годные изделия. для выявле-
софта и сделали Bluetooth внутри стенда. ния редких отказов надо много раз запустить зователя есть специальный раздел с иллю-
тестирование. Поэтому мы стали делать страцией, как и что подключать (рис. 6).
На ноутбуке работает панель оператора, нагрузочное тестирование. Автокликер за- Оснастка
представленная на рис. 5. пускает GUI и имитирует работу оператора
стенда. Суммарное количество нагрузочных Оснастка состоит из механики, тестирую-
Начинается тестирование сканированием тестов — более 20000. щей платы и платы пробников (рис. 7).
штрихкода на плате. Процесс тестирования
представляет собой последовательное вы- USB-hub
полнение шагов в тестовой программе, каж-
дый из которых имеет номер, название и ста- Оказывается, в автоматизации нет мело-
тус выполнения (левая часть интерфейса). чей. Все наши приборы соединены с ноут-
Если необходимо, на отдельных шагах мож- буком по USB. Иногда они «отваливаются».
но снять галочку выполнения, и они будут Чаще всего зависает плата тестовой станции,
пропущены. По мере выполнения тестиру- конечно. Сначала мы боролись с этим рука-
ющая программа выводит дополнительную ми и перетыкали провод в ноутбуке. Потом
информацию в окне «Лог выполнения те- научились перезагружать хаб софтово, при
стирования» (справа) о статусе выполнения этом он сбрасывает питание и переподключа-
текущего шага. Заканчивается тестирование ет все устройства. Теперь каждое тестирова-
распечаткой этикеток. ние начинается с переподключения всех USB-
устройств. В этом нам помогает usbdeview
Плата тестовой станции и DUT подклю- [3]. Выяснилось, что не все хабы так делают
чены к ноутбуку через USB и обмениваются и почти точь-в-точь такой же с виду хаб так
по протоколу modbus. не умеет. Закупаем именно такие же.
Нагрузочное тестирование даже порядок включения устройств в хаб
влияет на стабильность, в руководстве поль-
Одно из основных требований к работе
тестовой станции на производстве — на-
Рис. 8. Варианты механики
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
тестирование технологии 133
Разработка механики
Однажды мы начали делать нашу соб-
ственную механику, проработали несколько
вариантов (рис. 8).
Создавать свою механику с нуля доволь-
но дорого. Решения кажутся стопроцентно
рабочими, а потом в макетах всегда что-то
заедает, где-то прогибается, и постоянно тре-
буются разные доработки.
В конце концов, мы пришли к выводу,
что гораздо выгоднее использовать гото-
вые узлы. для снижения стоимости можно
применять одинаковую оснастку на разных
проектах, перерабатывая только сменные
модули. На этом проекте мы использовали
оснастку Ingun MA260 (рис. 9) [4].
Рис. 10. Чертеж подвижной пластины к внешним приборам. Но в нашем DUT
есть специфические интерфейсы, и нам
Рис. 9. Оснастка Ingun MA260 нужна дополнительная плата внутри для
работы с ними.
Процесс разработки механики в нашем слу- • С платой пробников и платой тестера.
чае можно разделить на следующие этапы: Плата тестера — отдельное устройство
• выбор подходящей по размеру оснастки; со своим микроконтроллером, который
• компоновка — размещение DUT и печат- получает команды по USB с ноутбука. Она
может быть объединена с платой проб-
ных плат; ников, но из-за большого количества от-
• расстановка направляющих элементов, верстий для держателей пробников это
неудобно в плане трассировки.
упоров и пробников; Плата тестера выполняет следующие функ-
• выгрузка конструкции плат для трасси- ции:
• формирование специальных интерфейсов;
ровки; • обработка логических сигналов;
• проверка с моделями готовых печатных • переключение аналоговых сигналов для
внешнего вольтметра;
плат; • контроль и управление питанием DUT;
• создание чертежей; • детектирование наличия DUT в оснастке;
• производство деталей; • исполнение тестовых последовательно-
стей;
• прошивка DUT (на плате закреплен стан-
дартный программатор).
а бв
Рис. 11. Соединения между подпружиненными контактами и приборами тестовой станции: а) без печатных плат; б) с одной платой пробников; в) с платой пробников и платой тестера
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
134 технологии тестирование
Рис. 13. Метрика
Рис. 12. Крепление микрофона ладке стенда, а на производстве — вообще
гиблое дело. В итоге мы добавили микрофон,
Провода он крепится, как на рис. 12, прямо напротив
излучателя DUT.
хранение
и визуализация данных
Проводов довольно много. Несколько Процесс тестирования начинается со свя- Рис. 14. Кейсы Peli 1637
из них подключают руками в DUT перед те- зи с сервером. Мы хотим знать обо всем, что
стированием: происходит с нашими устройствами на про-
• кабель антенны с быстросъемным SMA; изводстве. Так что нет связи — нет тестиро-
• micro USB; вания. для этого на сервере развернута база
• аккумулятор. данных. При любой операции со станцией
в базу заносится запись, фиксируется время
Аккумулятор мы решили подключать начала, окончания и все результаты шагов
вручную, потому что на момент создания ос- тестирования. Поэтому впоследствии мы
настки считали, что каждое устройство будет можем делать выгрузки с интересной ста-
тестироваться с комплектным аккумулято- тистикой, а также подробно узнать судьбу
ром. На практике это оказалось избыточным, конкретного экземпляра. для оперативного
неисправных аккумуляторов нам не попа- контроля производства у нас появился сайт
далось, а потому оператор использует один пользователя с наиболее интересными ме-
и тот же аккумулятор. триками (рис. 13).
При закрывании оснастки есть риск зала- На рис. 13 показано общее количество
мывания проводов. Однако сделать их совсем устройств, прошедших тестирование, количе-
короткими тоже нельзя — надо дать опера- ство бракованных устройств, их процентное
тору шанс подключить их, не забираясь в ос- соотношение. Ниже таблица с расшифровкой
настку самому. Быстросъемный SMA оказался брака и количество ошибок на тестовые ста-
не быстрее обычного, от него производство дии. Справа внизу — график тестов, он по-
избавилось. Оглядываясь назад, можно за- казывает «хорошие» и «плохие» устройства
ключить, что следовало выполнить автомати- во времени нарастающей суммой. На нем хо-
ческое подключение этих интерфейсов. рошо видны перерывы в тестировании (го-
ризонтальные участки). По наклону графика
К разъемам со сквозными отверстиями можно судить о темпах выпуска и видеть за-
(Through-hole) мы подключаемся через тор- ранее, успевает ли производство в срок или
чащие пины с обратной стороны платы. А как уже пора корректировать план.
добраться до USB? для этого есть специальные
механизмы бокового доступа (Side approach Транспортировка
mechanism), которые позволяют подключить
имитатор разъема в тестируемый узел или Транспортировка оборудования тестовой
подвести подпружиненные контакты. станции на производство выглядит как разо-
вая операция. На практике они достаточно
Микрофон активно перемещаются, иногда между про-
изводствами, иногда возвращаются на ре-
Сначала для тестирования динамика монт к разработчикам всеми возможными
на DUT мы использовали оператора. На DUT видами транспорта. В общем, требования
идет команда попикать 1–3 раза, а оператор к упаковке повышенные. для транспорти-
должен выбрать правильное количество пи- ровки мы используем кейсы Peli 1637 [5].
ков во всплывающем окне. Наши програм-
мисты постоянно ошибались даже при на-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
тестирование технологии 135
(иногда обоснованно), и эталонный образец
помогает найти, в чем причина.
Трудозатраты
на проекте
диаграмма трудозатрат представлена
на рис. 15. Разработка «железа» (оснастка,
платы внутри) составляет 8% от общей тру-
доемкости. Если вы задумали делать тесто-
вую станцию, не воспринимайте аппаратную
часть как основную по затратам и сложности.
Софт (разработка, баги, тестирование) в сум-
ме дает 75% всех трудозатрат.
для этого изделия этап постановки на про-
изводство превышает по сложности и стои-
мости разработку самого устройства.
Сейчас мы работаем над унифицирован-
ной платформой тестирования. унификация
затронет аппаратную часть, встраиваемое
ПО и серверную платформу. Это позволит
снизить затраты и время на разработку те-
стовых станций для новых устройств наших
партнеров. n Рис. 15. Распределение трудозатрат на проекте
Литература 2. Функциональное тестирование печатной платы.
www.habr.com/ru/company/thirdpin/
1. Ларионов И. Серийное производство элек- blog/425569/ 4. www.ingun.com/en/
троники в России. Как мы делали телеме- Products/Productfinder/
трию // Компоненты и технологии. 2019. № 10. 3. www.nirsoft.net/utils/usb_devices_view.html ADA_SML/MA%20260/40600/view
5. www.peli.com/eu/en/product/cases/air/1637
Реклама
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru
Реклама
The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.
Компоненты и технологии 2020-02 (223)
Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search