Компоненты и технологии 2020-02 (223)

на правах рекламы 49

ИМС категории качества «ВП» ОАО «ИнтегрАЛ» —
быстродействующего приемопередатчика управляющая компания
интерфейса RS-485/422 5559ИН85Т холдинга «ИнтегрАЛ»

г. минск,
республика беларусь

integral.by
e-mail: [email protected]

тел.: (+375 17) 298-97-43
Факс: (+375 17) 398-72-03

В статье описаны характеристики микросхемы 5559ИН85Т Таблица 2. Таблица назначения выводов
компании «Интеграл». микросхемы 5559ИН85Т

Таблица 1. Электрические параметры микросхемы при приемке и поставке Номер Обозна- Наименование вывода
вывода чение
Наименование параметра, единица измерения, Буквенное Норма Температура Выход приемника
режим измерения обозначение не менее не более среды, °С 01 RO Вывод свободный
02 NC Вывод свободный
параметра 03 NC Вход разрешения выхода приемника
(низкий уровень)
Напряжение питания, В UCC 3 3,6 04 RE Вход разрешения выхода передатчика
Входное напряжение низкого уровня, В UIL 0 0,8 25 ±10; Вход передатчика
Входное напряжение высокого уровня, В UIH 2 UCC –60…+125 05 DE Вывод свободный
Ток потребления без нагрузки, мА ICC – 2,2 06 DI
07 NC Общий вывод
Электрические параметры приемника 08 GND Общий вывод
09 GND Вывод свободный
Выходное напряжение низкого уровня на выходе RO, В, UID = –200 мВ, IOL = 2,5 мА UOL – 0,4 25 ±10; 10 NC Прямой выход передатчика
11 Y Инверсный выход передатчика
Выходное напряжение высокого уровня на выходе RO, В, UID = 200 мВ, IOH = –1,5 мА UOH UCC–0,4 – –60…+125 12 Y Инверсный вход приемника
13 B Прямой вход приемника
Время задержки распространения при включении, выключении, нс tPHLR, tPLHR 25 90 25 ±10 14 А Вывод свободный
15 NC Вывод питания от источника напряжения
Электрические параметры передатчика 16 VCC

Дифференциальное выходное напряжение, В, UCC = 3 В; 3,6 В, RL = 54 Ом UOD 1,5 – Таблица 3. Таблица истинности передатчика
Разность амплитуд дифференциального выходного напряжения DUOD – микросхемы 5559ИН85Т
различной полярности, В, RL = 54; 100 Ом UOC – 0,2 25 ±10;
Выходное напряжение смещения относительно общего вывода, В, RL = 54; 100 Ом DUOC – –60…+125
Разность выходных напряжений смещения различной полярности, В, RL = 54; 100 Ом tPHLD, tPLHD 7
Время задержки распространения при включении, выключении, нс, 12 3
RL = 27 Ом, CL = 15 пФ, UСС = 3,3 В ST 0,2
Скорость передачи данных, Мбит/с, RL = 27 Ом, CL = 15 пФ, UСС = 3,3 В
35
25 ±10

–

Входы Выходы

7.С1 — 505ус; 7.С4 — 55ус; 7.К1 — 1,71К; RE DE DI YY
7.К4 — 0,081К, 7.К9 (7.К10) — является стой- LН
кой, 7.К11 (7.К12) — до уровня 60 МэВ·см2/мг XНН НL
по катастрофическим отказам и тиристорно- ZZ
XНL ZZ

LLX

му эффекту. Н* L* X

Микросхема 5559ИН85Т освоена в серий- Примечания. Н — высокий уровень напряжения;
L — низкий уровень напряжения;
ном производстве. n X — любой уровень напряжения (низкий или высокий);
Z — выход в состоянии «выключено».
*Режим с пониженным энергопотреблением.

Таблица 4. Таблица истинности приемника
микросхемы 5559ИН85Т

Входы Выход

RE DE A–B RO

LX ≥ +0,2 B Н

LX ≤ –0,2 B L

L X Входы не задействованы Н

Н* L* X Z

Рисунок. Условное графическое обозначение Примечания. Н — высокий уровень напряжения;
микросхемы 5559ИН85Т L — низкий уровень напряжения;
X — любой уровень напряжения (низкий или высокий);
Z — выход в состоянии «выключено».
*Режим с пониженным энергопотреблением.

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

50 компоненты ПЛИС

Разработка устройств
цифровой обработки сигналов
на базе ПЛИС
и полностью программируемых
систем на кристалле
фирмы Xilinx в САПР серии
Vivado HLx Design Suite. Часть 2

Валерий ЗОТОВ Вторая часть статьи продолжает ознакомление с шаблонами описаний
[email protected] компонентов устройств цифровой обработки сигналов (ЦОС), предо-
ставляемыми САПР серии Xilinx Vivado HLx Design Suite [2–28], которые
предназначены для реализации на основе аппаратных секций DSP48E1
[1] ПЛИС семейств Artix-7, Kintex-7, Virtex-7 и полностью программиру-
емых систем на кристалле семейства Zynq-7000 AP SoC. Здесь же рас-
сматриваются шаблоны описаний запоминающих устройств с различной
организацией, выполняемых на базе модулей блочной памяти Block RAM
кристаллов программируемой логики и расширяемых процессорных плат-
форм перечисленных семейств.

Шаблон описания компонентов устройств ЦОС,
реализуемых на базе аппаратных секций DSP48E1,
с набором выполняемых функций,
определяемых разработчиком

Кроме шаблонов описаний наиболее востребованных элементов
устройств ЦОС, рассмотренных в [29], в интегрированной среде
разработки Vivado Integrated Design Environment (IDE) предусмо-
трена возможность создания компонентов, реализуемых на базе ап-
паратных секций DSP48E1 кристаллов программируемой логики
семейств Artix-7, Kintex-7, Virtex-7 и расширяемых процессорных
платформ семейства Zynq-7000 AP, с набором выполняемых функ-
ций, определяемых разработчиком. для формирования описаний та-
ких компонентов в САПР серии Xilinx Vivado HLx Design Suite пред-
лагается шаблон 48-bit Multi-Functional Arithmetic Block (DSP48E1).
доступ к нему открывает папка Device Primitive Instantiation, под-
робную структуру которой демонстрирует рис. 1. указанная пап-
ка содержит разделы, названия которых соответствуют различным
семействам ПЛИС. Каждый из этих разделов включает подраздел
Arithmetic Functions. Содержимое шаблонов 48-bit Multi-Functional
Arithmetic Block (DSP48E1), расположенных в разделах Artix-7,
Kintex-7 и Virtex-7 папки Device Primitive Instantiation, отличается
только комментариями, в которых представлена информация о целе-
вом семействе кристаллов. Таким образом, основной текст шаблонов
инвариантен по отношению к перечисленным семействам ПЛИС,
что является следствием применения единой архитектуры секций
ЦОС в этих кристаллах.

Текст шаблона 48-bit Multi-Functional Arithmetic Block (DSP48E1)
предоставляет листинг 1.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 51

Рис. 1. Выбор шаблона VHDL-описания экземпляра аппаратной секции DSP48E1



-- 1-bit input: Clock enable input for 1st stage AREG

-- 1-bit input: Clock enable input for 2nd stage AREG

-- Number of pipeline stages between A/ACIN and ACOUT (0, 1 or 2)

-- 1-bit input: Clock enable input for 1st stage BREG
-- 1-bit input: Clock enable input for 2nd stage BREG
-- Number of pipeline stages between B/BCIN and BCOUT (0, 1 or 2)



-- 1-bit input: Clock enable input for OPMODEREG

and CARRYINSELREG

-- Number of pipeline stages for C (0 or 1)

-- 1-bit input: Clock enable input for INMODEREG

-- 1-bit input: Clock enable input for MREG

-- 1-bit input: Clock enable input for PREG



-- Number of pipeline stages for P (0 or 1)



-- 1-bit input: Reset input for BREG

-- 1-bit input: Reset input for CREG

-- 30-bit output: A port cascade output -- 1-bit input: Reset input for OPMODEREG

and CARRYINSELREG



-- 1-bit input: Reset input for MREG
-- 1-bit input: Reset input for PREG

);
-- End of DSP48E1_inst instantiation

Листинг 1. Текст шаблона VHDL-описания экземпляра аппаратной секции DSP48E1

-- 4-bit output: Carry output Основой представленного шаблона является оператор создания
экземпляра библиотечного примитива DSP48E1. Выбор используе-
мых элементов и установка требуемых режимов работы аппаратной
-- 30-bit input: A cascade data input секции DSP48E1, реализующей функции формируемого компонента
устройств ЦОС, осуществляются с помощью следующих параметров
настройки указанного библиотечного примитива:
• A_INPUT — позволяет выбрать источник данных, используемых

в качестве первого сомножителя (операнда A);
• B_INPUT — предоставляет возможность выбора источника дан-
-- 1-bit input: Clock input
ных, используемых в качестве второго сомножителя (операнда B);
-- 5-bit input: INMODE control input • USE_DPORT — позволяет задействовать предварительный сум-

матор и дополнительную входную шину данных D в создаваемом
компоненте;
-- 30-bit input: A data input
-- 18-bit input: B data input
-- 48-bit input: C data input
-- 1-bit input: Carry input signal
-- 25-bit input: D data input

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

52 компоненты ПЛИС

• USE_MULT — управляет использованием аппаратного умножителя; • MULTSIGNOUT — выход знакового разряда результата умноже-
• USE_SIMD — устанавливает режим выполнения операций ариф- ния, предназначенный для подключения к входу MULTSIGNIN

метико-логического блока; следующей секции DSP48E1 при каскадном соединении аппарат-
• AUTORESET_PATDET — предоставляет возможность автоматиче-
ных модулей ЦОС;
ского сброса регистра на выходе детектора совпадения на следую-
щем цикле после сравнения кода на выходной шине P и заданного • PCOUT[47:0] — выходная 48-разрядная шина данных, используе-
значения; мая при каскадном соединении аппаратных секций ЦОС;
• MASK — задает значение маски для детектора совпадения кода
на выходной шине P и заданного значения; • OVERFLOW — выход сигнала переполнения;
• PATTERN — определяет образцовое значение для детектора со- • PATTERNBDETECT — выход сигнала, информирующего о совпа-
впадения;
• SEL_MASK — предоставляет возможность использования в ка- дении данных на выходной шине P и заданной строки;
честве значения маски кода, представленного на входной шине
данных C; • PATTERNDETECT — выход сигнала, информирующего о совпаде-
• SEL_PATTERN — позволяет выбрать в качестве образцового зна- нии кода на выходной шине P и заданного значения;
чения для детектора совпадения код, представленный на входной
шине данных C; • UNDERFLOW — выход сигнала исчезновения значащих разрядов;
• USE_PATTERN_DETECT — разрешает или запрещает использова- • CARRYOUT[3:0] — выходная четырехразрядная шина, на которую
ние детектора совпадения кода на выходной шине P и заданного
значения; подаются сигналы переноса, формируемые 12-разрядными секци-
• ACASCREG — указывает число конвейерных регистров, устанав-
ливаемых между входами A/ACIN и выходом ACOUT; ями арифметико-логического блока;
• ADREG — разрешает или запрещает использование буферного
регистра на выходе предварительного сумматора; • P[47:0] — выходная 48-разрядная шина данных, на которую по-
• ALUMODEREG — задает количество конвейерных регистров ступают значения результата обработки входных данных;
на шине управления выбором функции, выполняемой арифме-
тико-логическим блоком; • ACIN[29:0] — входная 30-разрядная шина, предназначенная
• AREG — определяет число конвейерных регистров, используемых для подключения выходной шины ACOUT предыдущей секции
на входной шине данных A;
• BCASCREG — определяет число конвейерных регистров, устанав- DSP48E1 при каскадном сопряжении аппаратных модулей ЦОС;
ливаемых между входами B/BCIN и выходом BCOUT;
• BREG — указывает количество конвейерных регистров, задей- • BCIN[17:0] — входная 18-разрядная шина, предназначенная для
ствуемых в составе формируемого компонента на входной шине подключения выходной шины BCOUT предшествующей секции
данных B;
• CARRYINREG — разрешает или запрещает применение буферного DSP48E1 при каскадном соединении аппаратных модулей ЦОС;
регистра в цепи сигнала входного переноса;
• CARRYINSELREG — управляет установкой буферного регистра • CARRYCASCIN — вход сигнала переноса, формируемого предыду-
на входах выбора источника сигнала входного переноса; щим аппаратным модулем ЦОС при каскадном соединении секций
• CREG — определяет необходимость использования конвейерного
регистра на дополнительной входной шине данных C суммато- DSP48E1;
ра/вычитающего устройства;
• DREG — позволяет задействовать в составе формируемого компонен- • MULTSIGNIN — вход сигнала знакового разряда результата умно-
та буферный регистр на дополнительной входной шине данных D; жения, формируемого предшествующей секцией ЦОС при каскад-
• INMODEREG — определяет количество буферных регистров на до-
полнительной шине управления INMODE; ном соединении модулей DSP48E1;
• MREG — предоставляет возможность использования в составе
формируемого компонента конвейерного регистра на выходе ап- • PCIN[47:0] — входная 48-разрядная шина, предназначенная
паратного умножителя; для подключения выходной шины PCOUT предыдущей секции
• OPMODEREG — позволяет задействовать конвейерный регистр
на шине управления выбором источников входных данных ариф- DSP48E1 при каскадном наращивании аппаратных модулей ЦОС;
метико-логического блока;
• PREG — предоставляет возможность включения выходного реги- • ALUMODE[3:0] — входная четырехразрядная шина управления
стра в состав формируемого компонента. выбором функции, выполняемой арифметико-логическим блоком;
Система условных обозначений входных и выходных портов, при-
меняемых в описании интерфейса элементов, формируемых с по- • CARRYINSEL[2:0] — входная трехразрядная шина управления
мощью шаблона 48-bit Multi-Functional Arithmetic Block (DSP48E1), выбором источника сигнала переноса;
включает в себя следующие идентификаторы:
• ACOUT[29:0] — выходная 30-разрядная шина, предназначен- • CLK — вход тактового сигнала;
ная для подключения к входной шине ACIN следующей секции • INMODE[4:0] — дополнительная пятиразрядная шина управления;
DSP48E1 при каскадном сопряжении аппаратных модулей циф- • OPMODE[6:0] — входная семиразрядная шина управления вы-
ровой обработки сигналов;
• BCOUT[17:0] — выходная 18-разрядная шина, предназначен- бором источников входных данных для арифметико-логического
ная для подключения к входной шине BCIN следующей секции
DSP48E1 при каскадном соединении аппаратных модулей ЦОС; блока;
• CARRYCASCOUT — выход сигнала переноса, используемый при
каскадном наращивании аппаратных секций ЦОС; • A[29:0] — входная 30-разрядная шина данных, на которую по-
ступает код операнда A;

• B[17:0] — входная 18-разрядная шина данных, на которую посту-
пает код операнда B;

• C[47:0] — дополнительная 48-разрядная входная шина данных C
арифметико-логического блока;

• CARRYIN — вход сигнала переноса;
• D[24:0] — дополнительная 25-разрядная входная шина данных

предварительного сумматора;

• CEA1 и CEA2 — входы сигнала разрешения синхронизации для
первого и второго конвейерных регистров, устанавливаемых

на входной шине данных A аппаратного умножителя и арифме-

тико-логического блока;

• CEAD — вход сигнала разрешения синхронизации буферного ре-
гистра, расположенного на выходе предварительного сумматора;

• CEALUMODE — вход сигнала разрешения синхронизации для
регистра управления арифметико-логического блока, в который

заносится код выполняемой функции;

• CEB1 и CEB2 — входы сигнала разрешения синхронизации для
первого и второго конвейерных регистров, устанавливаемых

на входной шине данных B аппаратного умножителя и арифме-

тико-логического блока;

• CEC — вход сигнала разрешения синхронизации для буферного
регистра, подключаемого к дополнительной шине данных C ариф-

метико-логического блока;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 53

Рис. 2. Расположение шаблонов VHDL-описания запоминающих устройств, реализуемых на базе модулей блочной памяти Block RAM

• CECARRYIN — вход сигнала разрешения синхронизации для • RSTM — вход сигнала сброса конвейерного регистра, устанавли-
буферного регистра, устанавливаемого в цепи внешнего сигнала ваемого на выходе аппаратного умножителя;
входного переноса;
• RSTP — вход сигнала сброса выходного регистра.
• CECTRL — вход сигнала разрешения синхронизации регистров, При подготовке законченного описания элементов, реализуемых
предназначенных для хранения кода источников входных дан-
ных в арифметико-логическом блоке и сигналов входного пере- на базе аппаратных секций цифровой обработки сигналов DSP48E1,
носа; вначале целесообразно указать, какие конвейерные регистры сле-
дует включить в состав формируемого компонента. для этого нуж-
• CED — вход сигнала разрешения синхронизации буферного реги- но присвоить соответствующие значения параметрам настройки
стра, установленного на входе предварительного сумматора; ACASCREG, ADREG, ALUMODEREG, AREG, BCASCREG, BREG,
CARRYINREG, CARRYINSELREG, CREG, DREG, INMODEREG,
• CEINMODE — вход сигнала разрешения синхронизации буфер- MREG, OPMODEREG и PREG. По умолчанию для всех перечислен-
ного регистра, установленного на дополнительной шине управ- ных параметров предлагается единичное значение, при котором
ления INMODE; соответствующие конвейерные регистры задействуются в составе
формируемого компонента. Чтобы исключить какой-либо регистр
• CEM — вход сигнала разрешения синхронизации для конвейерного из структуры создаваемого компонента, следует присвоить нулевое
регистра, устанавливаемого на выходе аппаратного умножителя; значение соответствующему параметру настройки.

• CEP — вход сигнала разрешения синхронизации для выходного Затем нужно с помощью настраиваемых параметров A_INPUT
регистра; и B_INPUT выбрать источники данных, определяющих значения
первого и второго операндов. Эти параметры настройки могут при-
• RSTA — вход сигнала сброса конвейерных регистров, устанав- нимать один из двух вариантов значений — DIRECT или CASCADE.
ливаемых на входной шине данных A аппаратного умножителя По умолчанию для параметров A_INPUT и B_INPUT предлагается
и арифметико-логического блока; значение DIRECT, при котором в качестве операндов используются
данные, представленные на входных шинах A и B соответственно.
• RSTALLCARRYIN — вход сигнала сброса конвейерных регистров, При выборе варианта CASCADE значения операндов определяются
применяемых в цепях входного переноса; кодами, предусмотренными на шинах, которые предназначены для
организации каскадного соединения аппаратных модулей цифровой
• RSTALUMODE — вход сигнала сброса для регистра управления обработки сигналов (ACIN и/или BCIN).
арифметико-логического блока;
далее следует определить режим функционирования аппаратно-
• RSTB — вход сигнала сброса конвейерных регистров, устанавлива- го умножителя в формируемом элементе, используя параметр на-
емых на входной шине данных B аппаратного умножителя и ариф- стройки USE_MULT. Список возможных значений этого параметра
метико-логического блока; содержит три варианта: MULTIPLY, DYNAMIC и NONE. Вариант
MULTIPLY, предлагаемый по умолчанию, соответствует стандарт-
• RSTC — вход сигнала сброса буферного регистра, подключаемого ному режиму работы умножителя. При выборе значения DYNAMIC
к дополнительной шине данных C арифметико-логического блока; аппаратный умножитель конфигурируется с поддержкой динамиче-
ского режима, предоставляющего возможность изменения выполня-
• RSTCTRL — вход сигнала сброса регистров, предназначенных для
хранения кода источников входных данных в арифметико-логи-
ческом блоке и сигналов входного переноса;

• RSTD — вход сигнала сброса буферных регистров, установленных
на входе и выходе предварительного сумматора;

• RSTINMODE — вход сигнала сброса буферного регистра, установ-
ленного на дополнительной шине управления INMODE;

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

54 компоненты ПЛИС

емой операции в процессе его функционирования. Если в создавае-
мом компоненте не предполагается применение умножителя, то для
параметра USE_MULT нужно указать значение NONE.

В случае необходимости использования в составе создаваемого : reference and connect this function to the design.
компонента предварительного сумматора и входной шины D следует : All inputs and outputs must be connected.
присвоить параметру USE_DPORT значение TRUE. По умолчанию
указанный параметр принимает значение FALSE, при котором пред-
варительный сумматор и соответствующая входная шина не задей-
ствуются в формируемом элементе.
: for simulation.
Кроме компонентов, реализуемых на основе аппаратных секций --
ЦОС, в процессе цифровой обработки сигналов широко применя- -- Copy the following four statements and paste them before the
ются запоминающие устройства с различной организацией записи -- Entity declaration, unless they already exist.
и хранения информации. Например, запоминающие устройства, --
функционирующие по принципу «первым вошел — первым вы- Library UNISIM;
шел» (first-in first-out, FIFO), выполняют функции буферной памяти use UNISIM.vcomponents.all;
отсчетов обрабатываемых сигналов. ОЗу и ПЗу часто применяются --
для хранения коэффициентов цифровых фильтров. для реализа- Library UNIMACRO;
ции таких запоминающих устройств используются ресурсы блочной use UNIMACRO.vcomponents.all;
памяти Block RAM кристаллов программируемой логики и расши- -- <-----Cut code below this line and paste into the architecture body---->
ряемых процессорных платформ. В последующих разделах рассма-
триваются шаблоны VHDL-описаний запоминающих устройств
различного типа, формируемых на базе модулей блочной памяти
ПЛИС семейств Artix-7, Kintex-7, Virtex-7 и полностью программи-
руемых систем на кристалле семейства Zynq-7000 AP SoC. Чтобы
воспользоваться этими шаблонами, нужно открыть папку Device
Macro Instantiation, затем развернуть раздел с названием используе-
мого семейства кристаллов, в котором следует перейти в подраздел
RAM, как показано на рис. 2.

Шаблоны описаний запоминающих устройств FIFO,
реализуемых на базе модулей блочной памяти ПЛИС
семейств Artix-7, Kintex-7, Virtex-7
и полностью программируемых систем на кристалле
семейства Zynq-7000 AP SoC
-- 1-bit input reset
для подготовки описания экземпляра запоминающего устройства,
функционирующего по принципу «первым вошел — первым вы- WRCLK => WRCLK, -- 1-bit input write clock
шел», с раздельными сигналами синхронизации портов записи и чте-
ния данных, предназначенного для реализации на основе блочной WREN => WREN -- 1-bit input write enable
памяти Block RAM кристаллов программируемой логики семейств
Artix-7, Kintex-7, Virtex-7 и расширяемых процессорных платформ );
семейства Zynq-7000 AP SoC, предоставляется шаблон Dual Clock
FIFO (FIFO_DUALCLOCK_MACRO). Текст шаблона приведен в ли- -- End of FIFO_DUALCLOCK_MACRO_inst instantiation
стинге 2.
Листинг 2. Текст шаблона VHDL-описания экземпляра элемента FIFO-памяти
Представленный шаблон выполнен на основе библиотечного ма- с раздельными сигналами синхронизации портов записи и чтения данных
кроса FIFO_DUALCLOCK_MACRO, который имеет следующий на-
бор настраиваемых параметров, предназначенных для определения • FIRST_WORD_FALL_THROUGH — управляет использованием
конфигурации формируемого элемента запоминающего устройства, в формируемом элементе режима First-word fall-through (FWFT)
функционирующего по принципу «первым вошел — первым вы- (по умолчанию для этого параметра предлагается значение FALSE,
шел»: блокирующее поддержку указанного режима).
• DEVICE — указывает серию кристаллов программируемой логи- Система условных обозначений, предусмотренная в описании ин-

ки или расширяемых процессорных платформ, на базе которых терфейса макроса FIFO_DUALCLOCK_MACRO, содержит следую-
реализуется данный элемент FIFO-памяти (в рассматриваемом щие идентификаторы входов и выходов:
шаблоне по умолчанию используется значение 7SERIES); • ALMOSTEMPTY — выход сигнала, информирующего о том, что
• ALMOST_FULL_OFFSET — определяет число слов данных, на кото-
рое отличаются условия формирования активного уровня сигнала не более заданного количества слов данных может быть еще счита-
на выходах EMPTY и ALMOSTEMPTY; но из сформированного запоминающего устройства FIFO;
• ALMOST_EMPTY_OFFSET — устанавливает количество слов дан- • ALMOSTFULL — выход сигнала, предупреждающего о том, что
ных, на которое должны отличаться условия формирования актив- в элемент FIFO-памяти может быть записано еще не более указан-
ного уровня сигнала на выходах FULL и ALMOSTFULL; ного количества слов данных;
• DATA_WIDTH — указывает разрядность входного и выходного • DO — выходная шина данных с разрядностью, определяемой зна-
портов (портов записи и чтения информации) создаваемого эк- чением параметра DATA_WIDTH, на которую выводится инфор-
земпляра FIFO-памяти; мация, считываемая из запоминающего устройства FIFO;
• FIFO_SIZE — определяет информационную емкость создаваемого • EMPTY — выход сигнала, активный уровень которого предупреждает
экземпляра запоминающего устройства FIFO (по умолчанию фор- об опустошении запоминающего устройства (всех ячеек FIFO-памяти)
мируется элемент FIFO-памяти объемом 18 кбит); и невозможности осуществления операции чтения новых данных;
• FULL — выход сигнала, активный уровень которого информирует
о заполнении всего объема запоминающего устройства FIFO (всех
ячеек FIFO-памяти) и невозможности осуществления операции
записи новых данных;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 55

• RDCOUNT — выходная шина, на которую выводится текущее зна- Рис. 3. Структура элементов FIFO-памяти, создаваемых с помощью шаблона
чение счетчика количества считанных слов данных; Dual Clock FIFO (FIFO_DUALCLOCK_MACRO)

• RDERR — выход сигнала, активный уровень которого информи- Рис. 4. Временные диаграммы, поясняющие функционирование элементов FIFO-памяти
рует об ошибке при выполнении операции чтения слова данных в режиме FWFT и в стандартном режиме
из элемента FIFO-памяти;
Таблица. Варианты конфигурации элементов FIFO-памяти,
• WRCOUNT — выходная шина, на которой отображается текущее создаваемых с помощью шаблонов Dual Clock FIFO (FIFO_DUALCLOCK_MACRO)
значение счетчика числа записанных слов данных; и Synchronous FIFO (FIFO_SYNC_MACRO)

• WRERR — выход сигнала, информирующего об ошибке при вы- Разрядность входной Информационная Разрядность счетчика Разрядность счетчика
полнении операции записи слова данных в запоминающее устрой- и выходной шин данных емкость, кбит записи данных чтения данных
ство FIFO; FIFO_SIZE WRCOUNT RDCOUNT
DATA_WIDTH
• DI — входная шина с разрядностью, определяемой значением па- 37–72 36 9 9
раметра DATA_WIDTH, на которую поступают информационные 19–36 36 10 10
данные, записываемые в запоминающее устройство FIFO; 18 9 9
10–18 36 11 11
• RDCLK — вход сигнала синхронизации для порта чтения данных 18 10 10
из элемента FIFO-памяти; 5–9 36 12 12
18 11 11
• RDEN — вход сигнала, разрешающего выполнение операции чте- 1–4 36 13 13
ния (извлечения) данных из запоминающего устройства FIFO; 18 12 12

• RST — вход сигнала асинхронного сброса;
• WRCLK — вход сигнала синхронизации для порта записи данных

в элемент запоминающего устройства FIFO;
• WREN — вход сигнала разрешения операции записи данных в эле-

мент FIFO-памяти.
Структура элементов FIFO-памяти с раздельными сигналами син-
хронизации портов записи и чтения данных, описание которых фор-
мируется с помощью шаблона Dual Clock FIFO (FIFO_DUALCLOCK_
MACRO), изображена на рис. 3.
Шаблон Dual Clock FIFO (FIFO_DUALCLOCK_MACRO) предостав-
ляет возможность подготовки описаний элементов запоминающих
устройств FIFO с функцией First-word fall-through, позволяющей осу-
ществлять сквозную передачу первого слова данных, записываемого
в элемент памяти, в выходной порт (порт чтения данных) без выпол-
нения операции чтения. На рис. 4 приведены временные диаграммы,
поясняющие функционирование элементов FIFO-памяти, реализуе-
мых на основе блочной памяти Block RAM кристаллов программиру-
емой логики семейств Artix-7, Kintex-7, Virtex-7 и расширяемых про-
цессорных платформ семейства Zynq-7000 AP SoC, в режиме FWFT
и в стандартном режиме.
для создания законченного описания экземпляра запоминающе-
го устройства, работающего по принципу «первым вошел — пер-
вым вышел», на базе шаблона Dual Clock FIFO (FIFO_DUALCLOCK_
MACRO) нужно выбрать один из двух возможных вариантов
информационной емкости — 18 или 36 кбит, назначив соответству-
ющее значение параметра FIFO_SIZE. После этого необходимо ука-
зать разрядность представления данных (разрядность входной и вы-
ходной шин данных) в формируемом запоминающем устройстве,
используя параметр DATA_WIDTH. для элементов FIFO-памяти
с информационной емкостью 18 кбит значение разрядности портов
записи и чтения данных может быть выбрано в диапазоне 1–36 бит.
В запоминающих устройствах с объемом 36 кбит параметр DATA_
WIDTH может принимать значение 1–72 разряда. В таблице при-
ведены сведения о возможных вариантах конфигурации (сочетания
информационной емкости и разрядности представления данных) за-
поминающих устройств, функционирующих по принципу «первым
вошел — первым вышел», которые могут создаваться с помощью
шаблона Dual Clock FIFO (FIFO_DUALCLOCK_MACRO).
далее при необходимости следует определить значения параме-
тров ALMOST_FULL_OFFSET и ALMOST_EMPTY_OFFSET, кото-
рые устанавливают порог переключения сигналов ALMOSTFULL
и ALMOSTEMPTY, информирующих о приближении опустошения
или заполнения всего объема элемента FIFO-памяти, по отноше-
нию к условиям формирования активного уровня сигналов на вы-
ходах FULL и EMPTY соответственно. Если в создаваемом экземпля-
ре запоминающего устройства, функционирующего по принципу
«первым вошел — первым вышел», предполагается использование
режима FWFT, то нужно присвоить параметру FIRST_WORD_FALL_
THROUGH значение TRUE.

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

56 компоненты ПЛИС

записи и чтения информации с теми же вариантами комбинации

информационной емкости и разрядности входной и выходной

шины данных, что и макрос FIFO_DUALCLOCK_MACRO (таблица).

Настраиваемые параметры, предусмотренные в шаблоне Synchronous

FIFO (FIFO_SYNC_MACRO), имеют то же предназначение, что

и в макросе FIFO_DUALCLOCK_MACRO. В системе условных обо-

значений интерфейсных портов макроса FIFO_SYNC_MACRO, кро-

ме наименований входов и выходов, представленных в шаблоне Dual

Clock FIFO (FIFO_DUALCLOCK_MACRO), используется идентифи-

катор CLK, соответствующий входу тактового сигнала.

Структура синхронных запоминающих устройств, функци-

онирующих по принципу «первым вошел — первым вышел»,

с общим сигналом синхронизации портов записи и чтения дан-

ных, создаваемых с помощью шаблона Synchronous FIFO (FIFO_

SYNC_MACRO) для последующей реализации на основе блоч-

ной памяти Block RAM ПЛИС семейств Artix-7, Kintex-7, Virtex-7

и полностью программируемых систем на кристалле семейства

Zynq-7000 AP SoC, приведена на рис. 5. n

Литература

1. Зотов В. Развитие аппаратных ресурсов цифровой обработки сигналов
в ПЛИС с архитектурой FPGA и полностью программируемых системах
на кристалле AP SoC фирмы Xilinx // Компоненты и технологии. 2019. № 12.
-- 1-bit input clock
2. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 1 // Компоненты и техноло-
-- 1-bit input reset гии. 2016. № 7.

WREN => WREN -- 1-bit input write enable 3. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 2 // Компоненты и техноло-
); гии. 2016. № 8.

-- End of FIFO_SYNC_MACRO_inst instantiation 4. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 3 // Компоненты и техноло-
Листинг 3. Текст шаблона VHDL-описания элемента FIFO-памяти с общим сигналом гии. 2016. № 9.
синхронизации портов записи и чтения данных
5. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
Рис. 5. Структура элементов FIFO-памяти в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 4 // Компоненты и техноло-
с общим сигналом синхронизации портов записи и чтения данных, гии. 2016. № 10.
создаваемых с помощью шаблона Synchronous FIFO (FIFO_SYNC_MACRO)
6. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 5 // Компоненты и техноло-
гии. 2016. № 11.

7. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 6 // Компоненты и техноло-
гии. 2016. № 12.

8. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 7 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 1.

9. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 8 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 2.

10. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 9 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 3.

11. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 10 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 4.

12. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 11 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 5.

13. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 12 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 6.

14. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 13 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 7.

15. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 14 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 8.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

ПЛИС компоненты 57

16. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx 23. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 15 // Компоненты и техноло- в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 22 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 9. гии. 2018. № 5.

17. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx 24. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 16 // Компоненты и техноло- в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 23 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 10. гии. 2018. № 6.

18. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx 25. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 17 // Компоненты и техноло- в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 24 // Компоненты и техноло-
гии. 2017. № 12. гии. 2018. № 7.

19. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx 26. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 18 // Компоненты и техноло- в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 25 // Компоненты и техноло-
гии. 2018. № 1. гии. 2018. № 8.

20. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx 27. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 19 // Компоненты и техноло- в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 26 // Компоненты и техноло-
гии. 2018. № 2. гии. 2018. № 9.

21. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx 28. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 20 // Компоненты и техноло- в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 27 // Компоненты и техноло-
гии. 2018. № 3. гии. 2018. № 10.

22. Зотов В. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx 29. Зотов В. Разработка устройств цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС
в САПР серии Vivado HLx Design Suite. Часть 21 // Компоненты и техноло- и полностью программируемых систем на кристалле фирмы Xilinx в САПР
гии. 2018. № 4. серии Vivado HLx Design Suite. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2020. № 1.

новости события

Открыта регистрация
на IX Всероссийскую
научно-техническую конференцию
«Электромагнитная совместимость»

АО «ТЕСТПРИБОР» совместно с АО «Концерн «Радиоэлектронные тех- • Объектовая и межобъектовая ЭМС.
• Экранирующие, поглощающие и отражающие материалы.
нологии» (КРЭТ), АО «Российская электроника», ФГУП МНИИРИП, с уча- • Экранирование корпусов, кабельных линий и соединителей.
• Проблемы организации испытательных лабораторий.
стием ФГУП ВНИИФТРИ приглашает специалистов принять участие в работе • Испытательное оборудование для ЭМС.
• Метрологическое обеспечение испытаний в области ЭМС.
IX Всероссийской научно-технической конференции «Электромагнитная
IX Всероссийская научно-техническая конференция «Электромагнитная
совместимость».
совместимость» пройдет 21–22 мая 2020 года в парк-отеле «Свежий Ветер»
В работе конференции ежегодно принимают участие руководители
(Московская область).
и ведущие специалисты Минобороны РФ, госкорпораций «Роскосмос»
Для участия в конференции необходимо прислать заявку в организацион-
и «Росатом», компаний — разработчиков РЭА, авиационных предприятий,
ный комитет не позднее 15 мая 2020 года:
испытательных центров, изготовителей и разработчиков испытательного
• e-mail: с[email protected] (Ольга Черных),
и измерительного оборудования. [email protected] (Мария Тимонина);

Основные направления работы конференции: • по факсу: +7 (495) 657-87-37.
Участие в конференции платное.
• Нормативно-правовое поле ЭМС, сравнение отечественных и зарубежных
стандартов. За подробной информацией о стоимости, формах участия и программе

• Испытания бортовых сетей на ЭМС, их разработка и защита с учетом тре- конференции обращаться в организационный комитет:
бований ЭМС.
• по тел.: +7 (495) 657-87-37,
• Защита РЭА от электромагнитных воздействий. доб. 373 (Мария Тимонина), доб. 321 (Ольга Черных).
• Восприимчивость устройств к преднамеренным ЭМП (испытания). www.test-expert.ru
• Разработка устройств с учетом требований ЭМС.
• Прогнозирование и расчет электромагнитной обстановки (математические

расчеты, моделирование).

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

58 компоненты микроконтролелры

STM32H7:
первый STM32,
совместимый
с Secure Module Install

Перевод: Александр МОРОЗОВ В статье рассмотрены новинки от компании ST: функции безопасности
[email protected] для контроллеров STM32H7 — Secure Software Install (SFI) для STM32H7
и Secure Module Install (SMI) на микроконтроллере STM32.

Введение Рисунок. Управление аутентификацией STM32, расшифровкой и установкой прошивки

Число автономно функционирующих
систем, относящихся к кластеру предельно
ответственного применения, растет чуть ли
не ежечасно, в связи с чем вопросы безопас-
ного информационного обмена и безопас-
ной загрузки и последующего обновления
прикладного микропрограммного обеспе-
чения (SBSFU) становятся все более акту-
альными для современных реалий. Следуя
этому тренду, компания ST официально
запустила две новые функции безопасно-
сти для контроллеров STM32H7 — Secure
Software Install (SFI) для STM32H7 и Secure
Module Install (SMI) на микроконтроллере
STM32 (рисунок). В июне прошлого года
ST представил первые двухъядерные вер-
сии H7 вместе с обновлениями архитекту-
ры. На тот момент некоторые программные
решения, необходимые для полноценного
использования этих новых аппаратных
функций, нуждались в определенной до-
работке. Теперь, когда они подготовлены
к официальному выпуску, рассмотрим SMI
и SFI и более подробно остановимся на том,
что делает SFI уникальным для STM32H7
(отметим, что де-факто новые модели
представляют новейший флагман MCU-
безопасности).

SFI и SBSFU:
основы безопасной системы
на всех этапах жизненного цикла

В настоящее время безопасная установка
прошивки (SFI) является относительно по-
пулярной технологией, позволяющей произ-
водителям различных систем и базовых ре-
шений отправлять зашифрованные версии
своих прошивок к конечным потребителям
и OEM-производителям.

Поскольку код расшифровывается толь-
ко внутри MCU, разработчики имеют воз-
можность снизить риск кражи IP. При этом

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

микроконтролелры компоненты 59

OEM-производители могут предлагать специальных блокировок, и как только
значительные гарантии, не вкладывая до- OEM-производитель использует SFI для
полнительные средства в основные аппа- установки прошивки, система автоматиче-
ратные решения или технологии, посколь- ски отключает этот механизм, чтобы поль-
ку единственное, что им нужно, — это зовательское приложение смогло приме-
STM32CubeProgrammer и смарт-карта HSM, нить больше памяти. При этом STM32H7
содержащая учетные данные безопасности, сохраняет коды SMI и SFI в системной па-
обеспечивающие SMI на микроконтроллер. мяти, недоступной для пользователя, и код
остается в ней в течение всего срока службы
Говоря о функции безопасности микро- устройства.
контроллеров STM32H7, следует отметить,
что новая функция SMI доступна толь- Как и STM32WB, STM32G0 и STM32G4,
ко для линеек STM32H750, STM32H753, программный модуль SBSFU микрокон-
STM32H755 или STM32757. На других ми- троллера STM32H7 включает уровень за-
кроконтроллерах STM32 для использова- щиты чтения 2 (RDPL2), который защи-
ния SFI или Secure Boot и Secure Firmware щает флэш-память, резервные регистры
Update (SBSFU) инженерам нужно ориенти- и содержимое SRAM от любого несанк-
роваться на MCU с крипто-ядрами и други- ционированного внешнего доступа,
ми конкретными встроенными аппаратны- а также постоянно отключает интерфейс
ми механизмами. Платы Nucleo, Discovery JTAG/SWD. После активации RDPL2 ста-
и Evaluation, интегрирующие новые новится необратимым, защищая разработ-
STM32H7, доступны для приобретения, что чиков от забытого бэкдора отладки, даже
позволяет уже сейчас приступить к тестиро- на этапе, когда устройство находится непо-
ванию и развертыванию указанных функ- средственно на фабрике ST.
ций. Перечисленные технологии принад-
лежат также к STM32Trust, уже завоевавшей Традиционно устройства STM32, исполь-
популярность инициативе производителя, зующие уровень защиты от чтения 1, от-
фокусирующейся на группе программных крывают свое ОЗу для доступа JTAG, если
и аппаратных решений. Все они проверяют- пользователь выполняет сброс системы.
ся сторонней лабораторией для обеспечения Однако STM32H7 запрещает такой доступ
их надежности и эффективности. В целом даже для RDPL1. Аналогичным образом при
новые решения направлены на повышение переключении с RDPL1 на RDPL0 (защита
безопасности встроенных систем для защи- снята) STM32H7 сохраняет активную защи-
ты конечных пользователей, поставщиков ту системы от чтения проприетарных кодов
систем и производителей модулей. (PCROP).

STM32H7 и SMI: Заключение
что это такое
и почему это важно? После того как продукт попадает в руки

STM32H7 — первое семейство микро- конечных пользователей, разработчики
контроллеров, использующее SMI, позво-
ляющее сторонним производителям мо- могут воспользоваться преимуществами
дулей шифровать собственные двоичные
файлы. безопасной загрузки и обновления микро-

Очень часто компания, работающая над программного обеспечения (SBSFU), чтобы
прошивкой системы, приобретает сторон-
ний программный модуль для добавления защитить их от атак. Безопасная загрузка
функций без необходимости их разработки
с нуля. Теперь производители таких модулей обеспечивает проверку подписи загрузчика,
могут создать свой код для STM32H7, а за-
тем зашифровать двоичный файл с помо- чтобы убедиться, что хакер не вставил вре-
щью Trusted Package Creator, который пред-
ставляет собой часть STM32CubeProgrammer. доносный код, в то время как безопасные
Затем они помещают свои учетные данные
для шифрования на смарт-карте аппарат- обновления прошивки позволяют произво-
ного защищенного модуля и отправля-
ют ее изготовителю, использующему их дителям исправлять уязвимости и потенци-
при загрузке зашифрованного программ-
ного модуля в MCU с помощью того же альные ошибки, повышая качество обслужи-
STM32CubeProgrammer. При этом прило-
жение, запущенное на MCU, запрашивает вания клиентов. n
обновление, как и любой другой обычный
модуль, но в этом случае производитель си- www.kite.ru
стемы не может получить доступ к исходно-
му коду, что значительно снижает вероят-
ность кражи IP.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

60 компоненты отладочные средства

Отладочная плата ESP-EYE
на базе ESP32

Дмитрий ДОБРОхОТОВ В статье мы рассмотрим отладочную плату ESP-EYE с камерой 2 Мп от ком-
[email protected] пании Espressif, выполненную на ESP32 — микроконтроллере со встро-
енными Wi-Fi и Bluetooth.

Сегодня чип ESP32 и модули на его ос- даря их низкой цене, простоте написания ПО, ле LCD-экранов, различных датчиков, связ-
нове завоевывают все большую попу- огромному количеству библиотек для под- ных модулей, исполнительных механизмов,
лярность. Это стало возможным благо- ключаемых внешних компонентов, в том чис- а также благодаря множеству уже реализован-
ных проектов, доступных в Сети.
Рис. 1. Внешний вид платы ESP-EYE
Рис. 2. Функциональная схема работы платформы ESP-WHO Сферы применения данного чипа не огра-
ничиваются IoT-устройствами. Вычис-
лительные мощности процессора ESP32
позволили подключить к нему камеру и ре-
ализовать нейронную сеть для обнаружения
и распознавания лиц на захваченном изобра-
жении.

Компания Espressif выпустила отладоч-
ную плату ESP-EYE с подключенной каме-
рой OV2640 для написания и отладки ПО.
данную плату также возможно использовать
в качестве основы для готового устройства.
Сделать свой считыватель QR-кода, автоном-
ную камеру с функцией распознавания лиц,
построить пропускную систему или кофе-
машину с идентификацией по лицам — все
это удается реализовать с помощью ESP-EYE.

Внешний вид платы ESP-EYE представлен
на рис. 1.

Плата ESP-EYE имеет компактный размер
4121 мм. На ее обратной стороне распо-
ложены чип ESP32-DOWD, 4 Мбайт Flash-
памяти, 8 Мбайт PSRAM, CP2102N, антенна
OnBoard SMD, функциональная кнопка, под-
ключенная к порту GPIO15, micro-USB-порт
для питания и программирования.

На лицевой стороне установлены каме-
ра OV2640 2 Мп; микрофон для реализации
голосового управления платой; два свето-
диода — красный (DET подключен к порту
GPIO21) и белый (PHO подключен к порту
GPIO22); кнопка сброса RST; кнопка BOOT
замыкает IO0 на «землю». Также выведен ре-
зервный SPI-интерфейс, который подключен
к GPIO0, GPIO2, GPIO12, GPIO19.

Компания Espressif предоставляет пол-
ный комплект программного обеспечения
для захвата и обработки изображения чипом
ESP32.

Основной программный инструмент для
работы — платформа ESP-WHO [1] для об-
наружения и распознания лиц на изобра-
жении, полученном с подключенной каме-
ры. Работу с платформой можно разделить
на три основных этапа: Input, Processing
и Output, что показано на рис. 2.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

отладочные средства компоненты 61

Рис. 3. Отладочная информация в окне терминала

некоторого времени не мигает, отрегулируйте положение/расстояние

от камеры и попробуйте еще раз), а браузер отображает порядковый

номер текущего образца.

По умолчанию плате необходимо взять три образца, чтобы до-

бавить одно ID-лицо (Face ID), но пользователь может настроить

количество образцов, необходимое для одного ID-лица. После ре-

гистрации ID-лица красный светодиод на плате гаснет, в браузере

отображается ENROLLED FACE ID XXX, и плата переходит в режим

распознавания лиц.

В данном примере ESP-EYE может зарегистрировать до 10 иден-

тификаторов лиц. Следует обратить внимание, что максимальное

количество зарегистрированных идентификаторов лиц можно на-

строить в соответствии с тем, какой объем флэш-памяти выделяет

для этого пользователь. n

Литература

1. www.github.com/espressif/esp-who
2. www.github.com/espressif/esp32-camera/tree/master/driver
3. www.github.com/espressif/esp-who/tree/master/examples/single_chip

Реклама
Реклама

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

62 компоненты радиационно-стойкие

Радиационно стойкие
отечественные линейные
БиКМОП-стабилизаторы
напряжения серии 1395

Дмитрий БАРАНОВ В брянском АО «ГРУППА КРеМНИй ЭЛ» налажен выпуск микросхем ли-
нейных БиКМОП-стабилизаторов напряжения. В статье рассмотрены осо-
[email protected] бенности конструкции, технологии изготовления и основные параметры
Надежда МИНИНА стабилизаторов.

[email protected]
Павел ЯСТРеБОВ

[email protected]

по отношению к стабилизаторам, изготов- ния), что особенно актуально для примене-
ленным по классическим биполярным тех- ний в мобильной аппаратуре с батарейным
нологиям. Это обусловлено, прежде всего, питанием.
их низким собственным током потребления
как в рабочем режиме, так и в выключенном Создание такого типа микросхем двойного
состоянии (режиме низкого энергопотребле- назначения для отечественных потребителей
было выполнено в Брянске, в АО «ГРуППА
Рис. 1. Используемые корпуса КРЕМНИЙ ЭЛ» в 2019 году силами дизайн-
центра предприятия. Параллельно с раз-
Таблица. Состав серии 1395 и основные параметры стабилизаторов работкой был налажен серийный выпуск
линейных БиКМОП-стабилизаторов напря-
Типо- Максимальное Максимальный Минимальное Ток Ток потребления Ряд выходных жения с ультранизким падением напряже-
номинал входное выходной падение напряжения, потребления, в режиме низкого напряжений ния. На предприятии выполняется полный
ток, мА мВ, не более мкА, не более энергопотребления, мкА цикл изготовления изделий, начиная с выпу-
1395ЕР01yz напряжение, В ска пластин с кристаллами, сборки в корпуса,
1395ЕН01xyz 14 100 300 10 регулируемый тестирования, испытаний и заканчивая от-
1395ЕН02xyz 14 300 500 – 1,25; 1,5; 1,8; 2,5; грузкой потребителю.
1395ЕР03yz 24 500 300 180 10 3; 3,3; 5; 9 В
1395ЕН03xyz 24 1000 300 10 регулируемый В настоящее время компания предлагает
1395ЕН04xyz 24 1000 500 – 1,25; 1,5; 1,8; 2,5; 126 типономиналов линейных стабилизато-
1395ЕР05yz 10 3; 3,3; 5; 9 В ров напряжения серии 1395 на ряд выходных
1395ЕН05xyz 10 регулируемый напряжений: 1,25; 1,5; 1,8; 2,5; 3; 3,3; 5; 9; 12 В
1395ЕН06xyz – 1,25; 1,5; 1,8; 2,5; и с регулируемым выходным напряжением
1395ЕР07yz 10 3; 3,3; 5; 9; 12 В на токи нагрузки 100, 300, 500 мА, 1 А с мини-
1395ЕН07xyz 10 регулируемый мальным падением напряжения 300 и 500 мВ
1395ЕН08xyz – 1,25; 1,5; 1,8; 2,5; при максимальной нагрузке и входном на-
1395ЕР09yz 10 3; 3,3; 5; 9; 12 В пряжении до 14 и 24 В. Стабилизаторы вы-
1395ЕН09xyz 10 регулируемый пускаются в трех-, пяти- и восьмивывод-
1395ЕН10xyz – 1,25; 1,5; 1,8; 2,5; ных металлокерамических и полимерных
10 3; 3,3; 5; 9; 12 В корпусах (рис. 1) и в бескорпусном ис-
полнении. В таблице представлен состав
серии 1395 и основные параметры стабили-
заторов. В обозначении типономиналов со-
четание букв и цифр на позициях «yz» озна-
чает корпусное исполнение, а для микросхем
с фиксированным выходным напряжением
буква на позиции «x» означает выходное на-
пряжение стабилизатора.

Микросхемы содержат следующие функ-
циональные элементы (рис. 2):
• усилитель ошибки;
• подстраиваемый источник опорного на-

пряжения;
• схема ограничения выходного тока;
• схема защиты от перегрева;
• выходной каскад;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

радиационно-стойкие компоненты 63

Рис. 2. Функциональная схема Рис. 4. Зависимость выходного напряжения микросхем 1395ЕР035
от уровня воздействия гамма-излучения

Рис. 3. Отклонение выходного напряжения типовых представителей микросхем серии 1395 ника источника опорного напряжения выпол-
от уровня воздействия гамма-излучения нена на разности порогов МОП-транзисторов
со встроенным и индуцированным каналами.
• схема переключения в режим низкого вень. В рабочем режиме ток потребления Наводимые в подзатворном окисле МОП-
энергопотребления (только для стабилиза- составляет порядка 60 мкА (типовое значе- транзисторов при гамма-излучении заряды
торов в пяти- и восьмивыводных корпусах). ние при t = +25 °C). Ток потребления прак- искажают разность порогов. В результате чего
Применение p-канального МОП-транзис- тически не зависит от входного напряжения такие стабилизаторы неустойчивы к воздей-
и тока нагрузки. ствию радиации. уход значений электриче-
тора в качестве регулирующего элемента ских параметров, определяемых опорным
позволяет получать минимальное падение дополнительный вход Sens служит для напряжением, начинается сразу при начале
напряжения вход/выход порядка 10 мВ при ввода обратной связи по напряжению. воздействия гамма-облучения, далее про-
токах нагрузки до 10 мА. Сопротивление ре- Вход Sens должен быть соединен с выходом исходит быстрая деградация микросхемы,
гулирующего p-канального МОП-транзис- микросхемы непосредственно на нагрузке. и на уровне порядка 30–80 крад наступает
тора имеет резистивный характер. С воз- Такое решение позволяет компенсировать полный функциональный отказ.
растанием тока нагрузки пропорционально падение напряжения на проволочном соеди-
увеличивается падение напряжения вход/вы- нении кристалла с выходом микросхемы, что Линейные стабилизаторы серии 1395 из-
ход стабилизатора, соответственно опреде- существенно уменьшает нестабильность вы- готавливаются по радиационно стойкой
ляя минимальное входное напряжение. ходного напряжения от тока нагрузки. БиКМОП-технологии с минимальным то-
пологическим размером 1 мкм (микросхемы
Вход EN (Enable) служит для перевода ми- В трехвыводных корпусах вывод EN раз- с входным напряжением до 14 В) и 1,5 мкм
кросхемы в режим низкого энергопотребле- варивается на общий вывод GND, а вывод (микросхемы с входным напряжением
ния при высоком логическом уровне. В этом Sens — на выход микросхемы. Перевод ми- до 24 В) с поликремниевым затвором. Наряду
режиме микросхема потребляет ток около кросхем в режим низкого энергопотребления с изготовлением КМОП-транзисторов, бипо-
0,2 мкА (типовое значение при t = +25 °C). в этом случае невозможен. лярных n-p-n- и p-n-p-транзисторов данная
для включения микросхемы необходимо технология предусматривает пассивные эле-
на вход EN подать низкий логический уро- Во многих зарубежных аналогах, изготав- менты: высокоомные и низкоомные поли-
ливаемых по КМОП-технологии, схемотех- кремниевые резисторы, МОП-емкости.

Применение биполярных транзисторов
позволило реализовать источник опорного
напряжения по классической, хорошо прове-
ренной схеме на «ширине запрещенной зоны
кремния», что существенно повысило стой-
кость к накопленной дозе гамма-излучения
при сохранении стабильности параметров
микросхем к изменению температуры окру-
жающей среды (рис. 3).

На рис. 4 и 5 видно, что при воздействии
гамма-излучения для микросхем серии 1395
не возникает катастрофического отказа
вплоть до дозы 1 Мрад, а происходит лишь
постепенная умеренная деградация микро-
схем по параметру «выходное напряжение»
(«опорное напряжение»).

Микросхемы проектировались и для рабо-
ты в космосе, поэтому при разработке были
приняты меры для обеспечения их устойчи-

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

64 компоненты радиационно-стойкие

Рис. 5. Зависимость выходного напряжения микросхем 1395ЕН08К5Б
от уровня воздействия гамма-излучения

Рис. 6. Эмуляция воздействия ТЗЧ импульсным лазерным излучением
(красные точки на рисунке — участки на топологии кристалла,
где возникает тиристорный эффект)

7К11 (7К12) — отсутствие тиристорного эффекта и катастрофи-
ческих отказов до уровня энергий 60 МэВ·см2/мг. Микросхемы

обладают низким энергопотреблением, имеют широкий ряд

корпусного исполнения, что позволяет применять их в наземной и кос-

мической технике, авиации, надводной и подводной технике ВМФ,

а также в общепромышленной аппаратуре. n

новости промышленные компьютеры

Ультракомпактные безвентиляторные компьютеры
нового поколения серии BLOK-S от «РТСофт»

Компания «РТСофт» представляет ультракомпактные безвентиляторные DDR4-2666/ECC до 128 Гбайт на базе открытого международного стандарта
компьютеры нового поколения серии BLOK-S. COM Express. Максимальное количество ядер — шесть.

Новая линейка компьютеров серии BLOK-S успешно прошла предвари- Дисковый функционал машин основан на использовании индустриальных
тельные и сертификационные испытания. Изделия относятся к популярному высокоскоростных SSD M.2 2280 на базе PCI Express Gen3×4 и SATA III сум-
классу Small Form Factor SWaP-C BoxPC для создания компактных и необ- марным объемом до 4 Тбайт.
служиваемых профессиональных решений с нулевым уровнем шума.
Машины BLOK-S применимы для широкого спектра задач: от рабо-
Линейка новых BLOK-S наследует лучшие черты успешной серии полно- чих мультимедийных станций и фронтальных серверов инфраструкту-
форматных 19″ платформ BLOK Industrial и BLOK Rugged, отличаясь при ры IoT/IIoT до сетевых контроллеров АСУТП и конвертеров протоколов.
этом кардинально меньшими габаритами, оптимизированным функционалом В VIP-исполнении идеальны для самого требовательного пользователя.
и более низкой стоимостью.
Срок гарантии на компьютеры BLOK-S составляет 3–5 лет.
Компьютеры предназначены для решения широкого спектра задач в про- www.rtsoft.ru
мышленных и иных ответственных применениях, где критически важными
являются масштабируемая производительность, энергоэффективность, со-
вместимость с новейшим системным ПО и API, высокая надежность и дли-
тельный жизненный цикл.

Изделия BLOK-S выполнены в рамках нормативной базы ГОСТ РВ для ра-
боты в температурных диапазонах: –45…0 °C и –40…+55 °C, имеют развитый
сетевой и мультимедийный функционал, порты расширения ввода/вывода,
готовы для работы с любыми современными версиями ОС Windows, Linux,
гипервизоров и ОСРВ.

Сердцем компьютеров BLOK-S являются самые современные мобиль-
ные встраиваемые микропроцессоры Intel Xeon E, i7/i5/i3 и Celeron новей-
ших поколений: 9th Coffee Lake Refresh и 8th Whiskey Lake (SoC) c объемом

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

Реклама

66 RFID

Автоматическая идентификация
с применением считывателей RFID фирмы Elatec

Устройства, использующие технологию RFID для идентификации, широ-
ко применяются в складской логистике, экспедировании и управлении.
Большое количество доступных решений и частая необходимость их инте-
грации в отдельную согласованную систему может быть проблематичной
и продолжительной. Решения, предлагаемые фирмой Elatec, позволяют
сократить расходы и время, требующиеся для интеграции новых решений
в существующие системы.

Рис. 1. Считыватель типа TWN4 Multitech LEGIC 42 вания, типом модуляции, скоростью пере- тает во многих полосах частот, которые суще-
дачи данных и т.д. ственно отличаются друг от друга, то есть 125,
Динамично развивающиеся рынки 134,2 кГц, 13,56 МГц. Считыватель оснащен
систем RFID и беспроводной комму- Это может привести к тому, что введен- интерфейсами RS-232 и USB. Производитель
никации ставят новые задачи перед ные вновь решения будут иметь иной стан- предоставляет драйверы для систем Windows
производителями оборудования и интегра- дарт связи, нежели используемые до сих и Linux. Этот тип считывателя также предлага-
торами решений. Касаются они не только пор. Примером такой проблемы может по- ется в качестве OEM-модуля (рис. 2). В данной
электромагнитной совместимости, но и вы- служить офисное здание, где применяется версии может взаимодействовать с ведущей
бора стандарта идентификации и типа ис- технология RFID для регистрации времени системой, в дополнение к перечисленным,
пользуемых систем транспондеров, а также работы и контроля доступа в помещения. также через последовательные интерфейсы
считывателей и программаторов, которые их В таком здании в какой-то момент может воз- (логический уровень 3,3 В, допуск 5 В CMOS,
поддерживают. никнуть потребность в интеграции дополни- I2C). В специальных версиях он передает дан-
тельной системы, позволяющей конкретным ные и через интерфейсы SPI, Wiegand, CAN
Вне зависимости от области примене- сотрудникам получать доступ к принтерам и 1-wire. Со стороны радиоинтерфейса до-
ния ключевым элементом является выбор или копирам, также оборудованным считы- ступна поддержка транспондеров от многих
соответствующей технологии RFID, при- вателями RFID. Однако обычно устанавли- производителей, в частности Atmel (теперь
меняемой для идентификации. Ее выбор ваемые в них считыватели будут работать Microchip), EM, ST, NXP, Texas Instruments,
будет зависеть от ряда факторов — напри- по другому стандарту передачи данных, от- HID, LEGIC и других, работающих с исполь-
мер, ожидаемое расстояние считывания, личному от используемого в системе контро- зованием стандартов ISO14443A/B, ISO15693,
тип идентифицированных объектов, а так- ля доступа. Эта ситуация вынуждает сотруд- ISO18092/ECMA-340 (NFC), HITAG, UNIQUE,
же от того, требуется ли двусторонняя связь ников использовать две или более карточек: ISO14443 A+B (Mifare DESFire EV1, Mifare
с транспондером. Некоторые из этих систем одну — для доступа к рабочему месту и одну Plus, Mifare SmartMX, my-d move, PayPass
вместе с возможностью хранения уникаль- или несколько — для идентификации при и т.д.), ISO15693 (EM4035, Tag-It, my-d vicinity,
ного идентификатора в постоянной памяти получении доступа к принтеру или копиру. ICODE SLI), Mifare Classic, Mifare Ultralight,
обеспечивают хранение данных в энергоне- Sony FeliCa, NFC Forum Tag Type 2–4, PicoPass,
зависимой памяти и одновременно шифру- Мультисистемные HID iCLASS). В плату считывателя интегриро-
ют связь с ведущей системой. считыватели/программаторы
Рис. 2. Модуль считывателя/программатора OEM
Выбор технологии для идентификации Внимание на проблему обратила фирма типа TWN4 Multitech 2
очень важен, поскольку параллельно функ- Elatec, известный производитель решений
ционирует множество стандартов RFID, раз- для систем RFID. Она предлагает универсаль-
личающихся используемой полосой частот ные, готовые к использованию считывате-
(и, следовательно, размерами антенны и си- ли/программаторы, которые подключаются
стемы транспондеров), расстоянием считы- к ведущей системе через последовательный
интерфейс, а также RFID-модули без корпуса,
предназначенные для OEM-производителей.
Готовые считыватели/программаторы чаще
всего поддерживают стандарт RS-232 или USB,
в то время как OEM-модули поддерживают
многие другие стандарты, предоставляя кон-
структору пространство для маневра и про-
стоту подключения считывателя/программа-
тора к доступным аппаратным ресурсам.

Вот несколько конкретных примеров.
Считыватель типа TWN4 Multitech LEGIC 42
(рис. 1), доступный в предложении TME, рабо-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

RFID 67

вана радиоантенна, действующая в полосе 125/134 кГц/13,56 МГц,
используемой перечисленными стандартами. Кроме интерфейса
к ведущей системе, считыватель имеет восемь выходов GPIO,
предназначенных для управления подключенным замком, сиг-
нальным диодом, звуковым сигналом и т.д., а способ их работы
программируется с помощью сценарного языка.

Идентификация при помощи смартфона

Следует отметить, что, помимо поддержки большинства тех-
нологий RFID, считыватель/программатор взаимодействует
и с технологиями NFC и Bluetooth Low Energy (BLE), предусмо-
тренными в устройствах каждодневного применения, таких как
смартфон или планшет. Благодаря этому во время идентифи-
кации можно обойтись без RFID-карт, а вместо них использо-
вать, например, смартфон с установленным соответствующим
приложением. Считыватель поддерживает самые популярные
модели, в частности iPhone и смартфоны с операционными си-
стемами Android и Windows. Если рассматривать пример офис-
ного здания, то считыватели Elatec позволяют избежать проблем
с идентификацией. В качестве альтернативы, вместо того чтобы
носить с собой карточку или набор карточек, достаточно уста-
новить на смартфоны сотрудников необходимое приложение.

для тех, кто использует OEM-модули, безусловно, будет
иметь большое значение то, что их производством занимается
фирма Elatec, чья репутация гарантирует надежность, а также со-
ответствие стандартам электромагнитной совместимости и про-
изводственным стандартам (например, RoHS 2).

Сценарный язык

для создания приложений для считывателей производитель
предоставляет пакет программного обеспечения, благодаря чему
функциональность может быть автоматизирована при помощи
сценариев, которые непосредственно исполняются процессором
считывателя. Более того, сценарий можно изменить в любое
время, тогда считыватель начнет работать по другому стандарту
RFID. В описанном ранее модуле TWN4 изменения можно вне-
сти по беспроводному интерфейсу или по карте конфигурации,
предлагаемой Elatec. Это весьма удобно для обслуживающего
персонала и технических специалистов, которые при необходи-
мости не тратят время на разборку интегрированных устройств
и могут выполнить нужные изменения конфигурации без сто-
роннего вмешательства.

Распознавание технологии RFID

В сценариях перехода из одной системы в другую, как

в описанном выше примере офисного здания, распознание

используемой технологии RFID необходимо для того, чтобы

иметь возможность предложить новое, оптимальное решение.

Обычно для этой цели следует отправить поставщику или ин-

тегратору RFID-карту, действующую в существующем при-

ложении. Благодаря инструментам Elatec для RFID-анализа,

таким как TechTracer Lite, эта длительная процедура больше

не потребуется. Он может распознавать технологию RFID, ис-

пользуемую в уже работающем решении. В результате и по-

ставщик решений, и клиент экономят время, затраты и риск

возможных ошибок.

Более подробную информацию о считывателях/программа-

торах RFID фирмы Elatec можно найти по адресу [1]. n

Литература

1. www.tme.eu/ru/katalog/p, elatec_1090/?mapped_params=2%3A1090% Реклама
3B2124%3A1540097%3B&s_field=artykul

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

68 проектирование схемотехника

Композитные усилители:
сочетание высокой выходной
мощности с высокой точностью

Джино ЛОКИНАРИО При разработке электроники часто требуются такие характеристики, ко-
Перевод: Михаил РУССКИх торых не могут предложить отдельные усилители. В статье описаны пре-
имущества и конструктивные особенности применения композитных уси-
[email protected] лителей, сочетающих достоинства каждого из устройств в своем составе.

Введение стики и искажения, удовлетворяющие требованиям приложения.
усилитель AMP2 должен удовлетворять требованиям, предъявляе-
В области разработки электроники вполне нормальным и ожидае- мым к выходному сигналу. В этой схеме усилитель AMP2 с нужны-
мым является наличие задач, для которых очевидного решения, скорее ми выходными характеристиками размещается внутри контура об-
всего, не существует. Чтобы удовлетворить их требования, необходи- ратной связи усилителя AMP1, который обладает необходимыми
мо придумать решение, характеристики которого выходят за рамки входными характеристиками. далее будут подробнее рассмотрены
существующих продуктов, предлагаемых рынком. Например, для некоторые методы и преимущества такой компоновки.
устройства может понадобиться усилитель, обладающий высокой
скоростью, высоким напряжением и высокой выходной мощностью, Настройка усиления
при этом также может потребоваться высокая точность постоянного
сигнала, малый уровень шума, малые искажения и т.п. При знакомстве с композитным усилителем первый вопрос, кото-
рый может возникнуть, заключается в том, как настроить усиление.
Сегодня на рынке есть множество усилителей, которые отли- Чтобы ответить на него, желательно рассматривать композитный
чаются высокой скоростью и имеют высокие выходные напряже- усилитель как один неинвертирующий операционный усилитель,
ния/токи, а также усилителей, обладающих высокой точностью. представляющий собой большой треугольник, показанный на рис. 2.
Однако не всегда такие преимущества сочетаются в одном усилителе. Если мы представим, что этот треугольник непрозрачный, то есть мы
Некоторые специалисты, столкнувшись с такой проблемой, могут не видим, что у него внутри, то коэффициент усиления полученного
подумать, что невозможно выполнить требования поставленной за- неинвертирующего операционного усилителя будет определять-
дачи и удастся создать лишь посредственное решение, использовав ся по формуле 1+R1/R2. Если мы увидим сложную конфигурацию
либо прецизионный усилитель, либо высокоскоростной усилитель, внутри треугольника, то это ничего не изменит — коэффициент
вероятно, пожертвовав определенными заданными параметрами. усиления всей структуры все равно будет определяться отношением
К счастью, это не совсем так. В данном случае существует решение сопротивлений R1 и R2.
в виде композитного усилителя, и в этой статье такие устройства бу-
дут подробно рассмотрены.

Композитный усилитель

Композитный усилитель — это сочетание двух отдельных уси-
лителей, сконфигурированных таким образом, чтобы реализовать
преимущества каждого прибора при одновременной минимизации
недостатков обоих устройств.

На рис. 1 усилитель AMP1 должен иметь очень высокую точность
поддержания постоянного сигнала, а также шумовые характери-

Рис. 1. Структура простого композитного усилителя Рис. 2. Представление композитного усилителя в качестве одного усилителя
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

схемотехника проектирование 69

Рис. 3. Композитный усилитель с единичным усилением

Рис. 5. Композитный усилитель с коэффициентом усиления 10

Рис. 4. Изменения полосы пропускания в точке –3 дБ при единичном усилении

В статье будут рассмотрены основные преимущества и конструк- Рис. 6. Увеличение полосы пропускания в точке –3 дБ при коэффициенте усиления 10
тивные соображения в случае применения композитного усилителя.
Особое внимание будет уделено полосе пропускания, точности под-
держания постоянного сигнала, шумам и искажениям.

Расширение полосы пропускания

Одно из основных преимуществ применения композитного уси-
лителя — расширенная полоса пропускания по сравнению со случа-
ем использования одного простого усилителя с тем же коэффициен-
том усиления.

учитывая изображения на рис. 3, 4, предположим, что у нас есть
два отдельных усилителя, каждый из которых имеет произведение
коэффициента усиления на ширину полосы частот, то есть частот-
ную эффективность усилителя, равную 100 МГц. Объединение обо-
их усилителей в одну композитную структуру увеличит частотную
эффективность композитного усилителя. При единичном усилении
композитный усилитель обеспечивает полосу пропускания по уров-
ню –3 дБ примерно на 27% выше, хотя и с небольшим пиковым зна-
чением. Однако при более высоких коэффициентах усиления это
преимущество становится заметнее.

На рис. 5 показан композитный усилитель с коэффициентом уси-
ления 10. Обратите внимание, что коэффициент усиления компо-
зитного усилителя установлен на 10 с помощью резисторов R1 и R2.
Коэффициент усиления усилителя AMP2 установлен примерно
на 3,16 — это приводит к тому, что эффективный коэффициент уси-
ления усилителя AMP1 становится таким же. Благодаря разделению
усиления в равной степени между двумя усилителями обеспечивает-
ся максимально возможная полоса пропускания.

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

70 проектирование схемотехника

Таблица 1. Расширение полосы пропускания при различных комбинациях усилителей
с коэффициентом усиления 10 и выходным напряжением 10 В от пика до пика

Усилитель Полоса пропускания Полоса пропускания Процент расширения
одного усилителя, кГц композитного усилителя, кГц полосы пропускания
ADA4091
AD8676 30 94 213
AD8599 165 517 213
628 2674 325

Рис. 7. Разделение усиления для обеспечения максимальной полосы пропускания В рамках этой статьи в качестве выходного каскада AMP2 был вы-
бран усилитель AD8397, который подключался к различным преци-
зионным усилителям AMP1 с целью демонстрации преимуществ ком-
позитного усилителя (табл. 1). AD8397 представляет собой усилитель
с высоким выходным током, который способен выдавать 310 мА.

Обеспечение точности поддержания
постоянного сигнала

В стандартной схеме подключения операционного усилителя
часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (рис. 9).
Сгенерированные в контуре смещения, которые присутствуют на вы-
ходе, умножаются на коэффициент обратной связи (β) и затем вы-
читаются на входе. Это позволяет поддерживать точность на выходе
относительно входного сигнала, умноженного на коэффициент уси-
ления замкнутого контура (A).

Рис. 9. Контур обратной связи операционного усилителя

Рис. 8. Ожидаемая характеристика одного усилителя

полосу пропускания, при этом не жертвуя стабильностью такого со- В рамках композитного усилителя усилитель A2 имеет собствен-
четания усилителей. В реальности, где усилители неидеальны и, воз- ный контур обратной связи, причем этот усилитель и его контур
можно, не идентичны, для обеспечения стабильности необходимо обратной связи находятся внутри большего контура обратной связи
правильно распределить усиление. Также следует учесть, что усиле- усилителя A1 (рис. 10). В данном случае выходной сигнал из-за A2
ние композитной структуры будет снижаться на –40 дБ/декада, по- будет содержать более сильные смещения, которые возвращаются
этому нужно соблюдать осторожность при распределении усиления по контуру обратной связи и корректируются. Чем больше корректи-
между двумя каскадами. рующий сигнал, тем выше точность усилителя A1.

В некоторых случаях разделение усиления на равные доли оказы- Рис. 10. Контур обратной связи композитного усилителя
вается невозможным. В этом случае для равного распределения уси-
ления между двумя усилителями необходимо, чтобы произведение
коэффициента усиления на полосу усилителя AMP2 всегда было
больше или равно произведению коэффициента усиления на по-
лосу усилителя AMP1, в противном случае могут наблюдаться пи-
ковые выбросы и, вероятно, схема будет нестабильна. Если произве-
дение коэффициента усиления на полосу усилителя AMP1 должно
быть больше, чем произведение коэффициента усиления на полосу
усилителя AMP2, нестабильность удается устранить за счет пере-
распределения усиления между двумя усилителями. В таком случае
уменьшение усиления AMP2 приведет к увеличению эффективного
усиления AMP1. В результате полоса пропускания замкнутого кон-
тура усилителя AMP1 уменьшится, поскольку он работает в обла-
сти выше кривой характеристики разомкнутого контура, а полоса
пропускания замкнутого контура усилителя AMP2 увеличится, так
как он действует в области ниже кривой характеристики разом-
кнутого контура. Если правильно реализовать такое замедление
AMP1 и ускорение AMP2, то стабильность композитного усилителя
восстановится.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

схемотехника проектирование 71

Рис. 11. Влияние ошибки смещения

Рис. 13. Источники шума композитного усилителя

Рис. 12. Смещение выходного сигнала композитного усилителя относительно VOS2 и на частотной характеристике есть пиковые значения, пики шума
будут присутствовать на той же частоте.
Таблица 2. Выходное напряжение смещения при коэффициенте усиления 100
В данном примере изображенные на рис. 13 резисторы R5 и R6
Усилитель Эффективное напряжение (в конфигураУцмииенкьошмепноизеитVнOоSго усилителя) представляют собой источники собственных шумов для AMP1
смещения VOS, мВ и AMP2 соответственно. На графике рис. 14а показана частотная ха-
AD8397 28,6× рактеристика для различных полос пропускания усилителя AMP1,
AD8397+ADA4091 100 83,3× а также частотная характеристика AMP2 для одной фиксированной
AD8397+AD8676 3,5 100× полосы пропускания. Как упоминалось в разделе о распределении
AD8397+AD8599 1,2 усиления, коэффициент усиления композитного усилителя 100
1 (40 дБ) и коэффициент усиления AMP2 5 (14 дБ) приведут к тому,
что у AMP1 будет эффективный коэффициент усиления, равный
20 (26 дБ), что можно наблюдать в данном случае.

На графике рис. 14б показана плотность шума выходного сигнала
для каждого случая. На низких частотах наибольшую плотность вы-
ходного шума будет иметь AMP1 (1 нВ/√Гц, умноженный на коэф-
фициент усиления композитного усилителя 100, даст 100 нВ/√Гц).
Это будет справедливо до тех пор, пока AMP1 имеет достаточную по-
лосу пропускания для компенсации AMP2.

для случаев, когда AMP1 имеет меньшую полосу пропускания, чем
AMP2, плотность шума увеличивается за счет AMP2, поскольку по-
лоса AMP1 будет уменьшаться. Это можно увидеть на двух кривых
рис. 14, когда шум возрастает до 200 нВ/√Гц (40 нВ/√Гц, умноженные
на коэффициент усиления усилителя AMP1, равный 5). Наконец,
когда усилитель AMP1 имеет гораздо большую полосу пропускания
по сравнению с AMP2, появляются пиковые значения на частотной
характеристике и у композитного усилителя будут наблюдаться пики
шума на той же частоте, как это показано на рис. 14. Поскольку пико-
вые значения частотной характеристики приводят к значительному
усилению, амплитуда шумового пика также будет выше.

Таблица 3. Снижение шума с использованием различных усилителей
с эффективным усилением 100 при частоте 1 кГц

Конфигурация Шум, en, нВ/√Гц Эффективное снижение шума, %

Только AD8397 450 13,33
AD8397+ADA4084 390 37,78
AD8397+AD8676 280 76,22
AD8397+AD8599 107

Таблица 4. Сравнение полного коэффициента гармоник с учетом шума
с использованием различных усилителей с эффективным усилением 10
при частоте 1 кГц и токе нагрузки 200 мА

Конфигурация Эффективный THD+n, дБ Улучшение THD+n, дБ

Только AD8397 –100,22 5,1
AD8397+ADA4084 –105,32 6,46
AD8397+AD8676 –106,68 5,99
AD8397+AD8599 –106,21

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

72 проектирование схемотехника

а б
Рис. 14. Шумовые характеристики относительно полосы пропускания первого каскада

Рис. 15. Схема выходного драйвера ЦАП

В таблицах 3 и 4 показано эффективное снижение шума и улуч- Рис. 16. Выходное напряжение и выходной ток композитного усилителя,
шение полного коэффициента гармоник с учетом шума (THD+n) состоящего из AD8599 и AD8397
при использовании различных прецизионных усилителей в качестве
первого каскада в композитном усилителе с AD8397.

Пример применения
на системном уровне

В данном примере целью схемы выходного буфера ЦАП (рис. 15)
является обеспечение для низкоимпедансного щупа выходного сиг-
нала с диапазоном напряжения 10 В от пика до пика с током 500 мА
от пика до пика, низким уровнем шума, малыми искажениями, вы-
сокой точностью поддержания постоянного сигнала и наибольшей
полосой пропускания, насколько это возможно. Выходной сигнал
токового ЦАП 4–20 мА должен быть преобразован в напряжение
с помощью трансимпедансного усилителя, а затем подан на вход
композитного усилителя для еще большего усиления. Благодаря ис-
пользованию на выходе AD8397 обеспечивается выполнение требова-
ний, предъявляемых к выходному сигналу. AD8397 представляет со-
бой усилитель с диапазоном rail-to-rail и высоким выходным током,
который может выдавать требуемый ток.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

схемотехника проектирование 73

В качестве AMP1 можно использовать Таблица 5. Характеристики композитного усилителя, состоящего из AD8599 и AD8397
любой прецизионный усилитель, который
имеет желаемую точность поддержания по- Параметр Значение
стоянного сигнала. В данном примере для
достижения необходимой высокой точ- Коэффициент усиления 10 В/В
ности и высокого выходного тока вместе Полоса пропускания –3 дБ 1,27 МГц
с AD8397 (и другими усилителями с высо- 10 В п-п
ким выходным током) могут применять- Выходное напряжение 500 мА п-п
ся различные прецизионные усилители Выходной ток 102,5 мкВ
(рис. 16, табл. 5). 20,95 нВ/√Гц
Выходное напряжение смещения –106,14 дБ
В указанной комбинации необязатель- Шум напряжения (при частоте 1 кГц)
но применять только AD8397 и AD8599;
для удовлетворения требований, предъяв- THD+n (при частоте 1 кГц)
ляемых к выходному сигналу, можно ис-
пользовать другие комбинации усилителей. Таблица 6. Усилители с высоким выходным током
Приведенные в таблицах 6 и 7 усилители так-
же подходят для такого рода применения. Усилители с высоким выходным Выходной Скорость нарастания сигнала Максимальный диапазон напряжения
током ток, А питания, В
Заключение 2,5 кВ/мкс
ADA4870 1 600 В/мкс 40
Благодаря сочетанию двух усилителей LT6301 1,2 900 В/мкс 27
в составе композитного усилителя можно LT1210 2 36
получить лучшие характеристики, которы-
ми обладает каждое из устройств, и при этом Таблица 7. Прецизионные усилители
компенсировать их недостатки. усилители
с высоким выходным током в сочетании Прецизионные усилители Напряжение смещения, мкВ Шум, en, нВ/√Гц THD+n при 1 кГц, дБ
с прецизионными усилителями позволят по-
лучить решение, способное удовлетворить LT6018 50 1,2 –115
высокие требования приложения. При созда- ADA4625 80 3,3 –110
нии композитного усилителя для обеспече- ADA4084 100 3,9 –90
ния высокого качества его работы всегда учи-
случаев применения. При правильной ком-

бинации с высокой долей вероятности мож-

но достичь оптимального баланса совмест-

ной работы усилителей. n

Реклама

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

74 проектирование схемотехника

Как повысить
производительность драйвера

сигма-дельта-АЦП

к Проектирование схемы для управления небуферизованным АЦП является
нетривиальной задачей и предполагает выбор правильной методологии
и компромиссных решений, и зачастую именно схема драйвера небуфе-
ризованного АЦП определяет общую производительность системы с точки
зрения таких характеристик, как уровень искажений, отношение сигнал/
шум и энергопотребление. Разработка оптимального решения буферного
каскада АЦП требует большого терпения и хорошей подсказки, которую
дает предлагаемая статья.

Введение теристики буферного усилителя будут определять общую произво-
дительность системы, особенно с точки зрения шумов, искажений
Вы когда-нибудь интересовались, сколько в Интернете, например и потребляемой мощности. Чтобы получить более полное представ-
во всезнающем Google, появится ссылок при поиске “design buffer for ление о проблеме, сначала необходимо понять, как работает АЦП
an ADC” («разработка буферного каскада для АЦП»)? Переводчику с дискретизацией сигнала во времени.
этой статьи за 0,45 с их выпало 9760000! Это не просто много, а очень
много, и среди этих миллионов ссылок вам может быть довольно АЦП с дискретным преобразованием во времени делает выборку
сложно найти именно то, что необходимо. Вероятно, для большин- аналогового сигнала, который впоследствии преобразуется в цифро-
ства разработчиков систем сбора данных на основе аналоговых и сме- вой код. Когда сигнал дискретизируется, в зависимости от типа ана-
шанных сигналов это не станет большим сюрпризом, поскольку логового преобразователя, существует два разных сценария, но оба
разработка внешнего аналогового интерфейса для небуферизованно- с одной и той же внутренней проблемой.
го аналого-цифрового преобразователя (АЦП) требует самого при-
стального внимания и всестороннего подхода. АЦП последовательных приближений (Successive Approximation,
SAR) объединяют выборку и удержание, также известное как отсле-
Разработка этого связующего звена АЦП с датчиком часто рассма- живание и удержание, которое, по сути, является переключателем
тривается как форма искусства и удел эксцентричных гуру, которые и конденсатором, то есть мы имеем дело с устройством выборки/хра-
овладевали своим ремеслом на протяжении многих лет. А вот для нения, в котором «запоминается» уровень аналогового сигнала на мо-
непосвященных это трудная задача, которая решается не просто ме- мент его выборки, как показано на рис. 1. удержание сохраняется
тодом проб и ошибок, а часто и набитых шишек. Большая часть вре- до тех пор, пока не будет выполнено преобразование.
мени тратится на поиск по каталогам, что вызывает разочарование
и раздражение из-за множества взаимосвязанных технических требо- Сигма-дельта-АЦП1 с дискретизацией по времени, или преобразо-
ваний. Все это, пока не будут достигнуты оптимальные результаты, ватели с передискретизацией, используют аналогичный входной ка-
приводит к целому ряду компромиссов и проверок на оценочных скад, то есть входной коммутатор с некоторой внутренней емкостью
платах, а потом и на платах-прототипах. (физическим конденсатором). С практическими решениями таких
АЦП можно ознакомиться, например, в [4] и связанных публикаци-
Основная проблема ях. В случае сигма-дельта-АЦП механизм дискретизации несколько
отличается, но аналогичная входная архитектура дискретизации име-

Проблема в том, что, несмотря на кажущуюся простоту, схема бу-
ферного усилителя состоит из двух связанных между собой разных
каскадов, поэтому математически смоделировать проблему трудно,
особенно из-за присущей им нелинейности. Первый шаг здесь — вы-
бор усилителя, который будет буферизовать выходной сигнал дат-
чика и управлять входами АЦП. Второй шаг — разработка фильтра
нижних частот, необходимого, чтобы уменьшить входную полосу
пропускания, минимизировав тем самым внеполосный шум.

Идеальный усилитель обеспечивает достаточную полосу пропу-
скания, чтобы правильно буферизовать сигнал, генерируемый дат-
чиком или преобразователем, без добавления дополнительного шума
и обеспечивает нулевое энергопотребление. Но идеальный прибор
далек от реального усилителя. В большинстве случаев именно харак-

1 Сигма-дельта-АЦП, называемые также «дельта-сигма-АЦП», производят аналого-цифровое преобразование Рис. 1. Упрощенная схема устройства выборки и хранения АЦП
с частотой дискретизации, во много раз превышающей требуемую, и путем фильтрации оставляют в сигнале
только нужную спектральную полосу.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

схемотехника проектирование 75

ет место, когда для хранения выборки аналогового входного сигнала Однако эффективная ширина полосы шума усилителя эквивалент-
используются переключатели и конденсаторы. на ширине полосы пропускания в режиме малого сигнала (обычно
рассматриваемой для сигналов с размахом амплитуды менее 10 мВ),
В обоих случаях коммутатор реализован в рамках технологии и она часто по меньшей мере в 4–5 раз превышает ширину полосы
КМОП с ненулевым значением сопротивления в состоянии прово- пропускания в режиме большого сигнала. Кроме того, полоса про-
димости, как правило, несколько Ом. Комбинация этого последова- пускания шума не всегда совпадает с полосой пропускания сигнала.
тельного сопротивления с конденсатором выборки, емкость которого Если усилитель рассматривать как четырехполюсник с характеристи-
в свою очередь находится в диапазоне пикофарад, означает, что ши- кой фильтра нижних частот (ФНЧ) первого порядка, а это самый рас-
рина полосы входного сигнала часто очень велика, и во многих слу- пространенный вариант в реальной практике, то полоса пропускания
чаях она намного превышает частоту дискретизации данного АЦП. для белого шума превысит полосу для сигнала в 1,571 раза [3]. Про
Это проблема. это даже разработчики с опытом часто забывают.

Проблема ширины полосы пропускания сигнала другими словами, если мы хотим использовать в качестве буфер-
по входу АЦП ного операционный усилитель (Оу) с полосой пропускания в режи-
ме большого сигнала, равного 500 кГц, то полоса пропускания в ре-
Ширина полосы пропускания сигнала, который попадает на вход жиме малого сигнала может вполне оказаться равной 2 МГц или даже
АЦП для его выборки, как уже было сказано, становится проблемой 3 МГц, что может привести к большому уровню шума, поступаю-
для преобразователя. Это связано с тем, что в теории дискретизации, щего на вход АЦП, а тот дискретизирует его со всеми вытекающими
как мы знаем, частоты выше частоты Найквиста (половина часто- последствиями. Следовательно, перед подачей аналогового сигнала
ты дискретизации АЦП) должны быть удалены, в противном слу- в АЦП его спектра он должен быть предварительно ограничен. В про-
чае они будут генерировать помехи в виде «просачивания» сигнала тивном случае измеренный шум будет в 3–4 раза превышать вели-
из высшей зоны Найквиста в первую зону, что называется эффектом чину, указанную в спецификации на преобразователь, что не есть
наложения, или алиасингом (alias — ложная частота, побочная низко- хорошо, так как при этом падает точность преобразования.
частотная составляющая в спектре дискретизированного сигнала).
Однако шум, как правило, имеет спектр, в котором может присут- Всегда помните и учитывайте, что тепловой шум, создаваемый
ствовать значительный уровень сигнала в полосе частот выше часто- усилителем, зависит от его усиления и общей полосы пропускания
ты Найквиста для конкретного АЦП (более подробно в [1, 4]). Если системы. Пример схемы типичного буферного каскада, выполнен-
мы не справимся с этим шумом, он будет накладываться на частоты ного на основе Оу, показан на рис. 3, а источники шума приведены
ниже частоты Найквиста и увеличит минимальный уровень шума, в таблице 1.
как это показано на рис. 2, соответственно, в той или иной мере
уменьшая динамический диапазон всей системы преобразования. Приведенные в таблице 1 уравнения проясняют важность добав-
ления фильтра нижних частот с достаточным затуханием перед вхо-
дом АЦП. Задача фильтра — минимизировать дискретизированный
шум, поскольку он пропорционален квадратному корню из полосы
пропускания. Как правило, здесь используется ФНЧ первого порядка,
выполненный на базе дискретных резистора и конденсатора, но с до-
статочно низкой частотой среза, чтобы устранить большую часть ши-
рокополосного шума. Фильтр нижних частот первого порядка имеет
дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении ам-

Рис. 2. Наложение спектра от частот выше частоты Найквиста

Ширина полосы пропускания по входу АЦП и, следовательно, Рис. 3. Схема неинвертирующего включения операционного усилителя
ширина полосы выходного сигнала буферного каскада представляют как буферного каскада АЦП
первую, требующую своего решения проблему. Чтобы шум как ре-
зультат нарушения условия дискретизации не перекрывал полезный Таблица 1. Шум усилителя, приведенный к выходу
входной сигнал, пропускание по входному сигналу АЦП должно
быть ограничено. И это не столь уж тривиальная проблема. Источник шума Шум, приведенный к выходу

Как правило, для обеспечения большей скорости нарастания вы- RSENSOR
бирают усилитель по более широкой полосе пропускания, поскольку
эти параметры, как известно из азов теоретической радиотехники, RG
взаимосвязаны. Так что выбор здесь основан на обеспечении той RFB
полосы, которая с учетом усиления сможет в должной мере и с тех- Токовый шум
нологическим запасом реагировать на наиболее быстрое событие, усилителя
которое должен отслеживать наш АЦП. Во внимание принимается
произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропуска- Примечание. Здесь T — температура в градусах Кельвина (K), k — постоянная
ния. Это связано с тем, что ширина полосы пропускания в режиме
большого сигнала не коррелируется с шириной полосы пропускания Больцмана, равная 1,38×10–23 Дж/К, значения резисторов выражены в омах,
слабого сигнала, а также с характеристиками по искажениям. Однако а параметр BW относится к малосигнальной ширине полосы пропускания сигнала.
она хорошо коррелируется со скоростью нарастания выходного на-
пряжения. Это единственный случай, когда два параметра тесно свя-
заны. Способность усилителя передать сигнал большой амплитуды
зависит от максимально возможной скорости нарастания выходного
напряжения усилителя [2].

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

76 проектирование схемотехника

плитуды любых сигналов большего уровня, лежащих за пределами другими словами, следствием этого является то, что усилитель
интересующей полосы, прежде чем они будут дискретизированы должен быть способен заряжать/разряжать внешний конденсатор
и потенциально наложены на полезный сигнал, и имеет хорошую фильтра нижних частот и конденсатор дискретизации АЦП в очень
передаточную импульсную характеристику без выбросов и гармо- ограниченное время с условием ограничения тока из-за наличия по-
нических переходных процессов на вершине импульса. Кроме того, следовательного резистора в фильтре нижних частот.
фильтр выполняет и функцию защиты по входу, поскольку сглажи-
вает короткие импульсы напряжения. Если говорить еще более точно, то для нашего случая с АЦП уси-
литель должен быть способен заряжать/разряжать конденсаторы
Однако и это еще не все. Ширину полосы пропускания аналогово- в пределах заданной ошибки при имеющемся в АЦП конденсаторе
го входа также определяют внутреннее сопротивление коммутатора выборки и сигналов внешних источников. Частота среза внешнего
АЦП и запоминающий выборку конденсатор. Кроме того, здесь име- фильтра нижних частот должна быть немного выше, чем интересую-
ет место цикл заряда/разряда конденсатора, оказывающий из-за ме- щая нас полоса, которая определяется постоянной времени фильтра,
няющихся входных сигналов влияние во временной области (рис. 1). числом битов АЦП и переходом наихудшего случая между выборка-
Это связано с тем, что каждый раз, когда коммутатор (внешняя схема, ми. Этот переход является наихудшим шагом изменения входного
подключенная к конденсатору АЦП для дискретизации) включен, сигнала, который мы должны измерить с заданной точностью.
напряжение на внутреннем конденсаторе может отличаться от на-
пряжения, ранее сохраненного на конденсаторе для дискретизации. Как следует решать проблему переноса заряда?
Соответственно, возникает ступенька, которая генерирует так назы-
ваемый шум зарядовых выбросов (charge kick-back noise), связанный Самый простой ответ для решения этой проблемы — выбрать
с проблемой переноса заряда. усилитель с достаточной скоростью нарастания, коэффициентом
усиления в полосе пропускания, коэффициентом усиления без об-
Что такое проблема переноса заряда? ратной связи и коэффициентом ослабления синфазного сигнала
(в спецификации обозначается как Common Mode Rejection Ratio,
Классический вопрос из аналоговой техники: «Если у вас есть два CMRR) и установить на выходе максимальный коммерчески доступ-
конденсатора, соединенных параллельно через коммутатор, в случае, ный конденсатор, с настолько малым по номиналу резистором, что-
когда переключатель разомкнут и один конденсатор накапливает бы удовлетворить требования к пропускной способности фильтра
энергию, что происходит с обоими конденсаторами, если переключа- нижних частот.
тель будет замкнут?»
Поскольку конденсатор действительно большой, то проблема пе-
Ответ на этот вопрос зависит от энергии, запасенной заряжен- реноса заряда будет нивелирована, а полоса пропускания (за что мы
ным конденсатором, и соотношения емкости между конденсаторами. боролись) будет ограничена фильтром, поэтому проблема решена.
Например, если оба конденсатора имеют одинаковое значение емко- Верно?
сти, энергия будет распределяться между ними поровну, а напряже-
ние, измеренное между клеммами конденсатора, соответственно, бу- Святая наивность. Такое «чапаевское» решение не сработает,
дет уменьшено вдвое, как это показано на рис. 4. Это и есть проблема но если вас распирает любопытство и интересно почему — попро-
переноса заряда. буйте его реализацию. Вы обнаружите два момента, которые при-
ведут вас в уныние: конденсатор будет размером с банку сгущенки,
Рис. 4. Передача энергии между заряженным (слева) и незаряженным (справа) а буферному усилителю будет явно невмоготу справиться с таким
конденсаторами конденсатором по выходу.

Некоторые АЦП для компенсации внутренних ошибок выполняют Проблема в том, что производительность усилителя, как сейчас
внутреннюю калибровку, известную как автоматическая калибровка принято говорить, зависит не просто от нагрузки, а от реально види-
нуля. Во время этой процедуры конденсатор устройства выборки/хра- мой им нагрузки, то есть импеданса с его мнимой (реактивной) ча-
нения (CSAMPLING на рис. 1), называемый конденсатором выборки, за- стью. В этом случае включение на его выход фильтра нижних частот
ряжается к напряжению, близкому к напряжению шины питания или с преобладанием реактивной, в данном случае емкостной, составля-
другому напряжению, например опорному, деленному на два. ющей проявляется ухудшением суммарного коэффициента нели-
нейных искажений (в спецификации указывается как Total Harmonic
Это означает, что внешний сигнал, буферизируемый усилителем Distortion, THD) и временем установления. увеличение времени уста-
и конденсатором выборки устройства выборки/хранения, который новления приведет к тому, что усилитель станет неспособным заря-
должен содержать аналоговое значение для получения свежей вы- жать конденсатор. Так что напряжение, которое будет оцифровывать
борки, очень часто не имеет одинакового потенциала (уровня напря- АЦП, окажется неправильным конечным напряжением, что привет
жения). Следовательно, этот конденсатор, для того чтобы привести к росту нелинейности на выходе АЦП.
его к тому же потенциалу, что и выходное напряжение на выходе бу-
ферного каскада, должен быть заряжен или разряжен. Энергия, тре- для иллюстрации предыдущего утверждения на рис. 5 показана
буемая в этом процессе, будет поступать от внешнего конденсатора разница в производительности между различными выходными тока-
RC-фильтра низких частот и внешнего буферного каскада. Это пере- ми усилителя или активными нагрузками. А на рис. 6 — небольшой
распределение заряда и установление напряжений займет конечное выброс сигнала из-за емкостной нагрузки, который влияет на время
время, в течение которого напряжение, наблюдаемое в различных точ- установления сигнала и линейность АЦП. В качестве примера в обо-
ках цепи, будет изменяться так, как показано на рис. 1. Часто данный их случаях использован операционный усилитель (Оу) AD4896-2 [5]
заряд или разряд может быть значительным и перераспределяться так, компании Analog Devices.
что процесс становится эквивалентен вытекающему или втекающему
току от буферного усилителя к АЦП или от АЦП в усилитель. Из представленных графиков можно сделать вывод: чтобы мини-
мизировать описываемую проблему, выход усилителя должен быть
достаточно изолирован от внешнего конденсатора последователь-
ным резистором фильтра нижних частот. Теперь давайте разберемся,
как это сделать оптимально.

С одной стороны, сопротивление резистора должно быть достаточ-
но высоким, чтобы гарантировать, что буферный усилитель не будет
нагружен на емкостную нагрузку. Но, с другой стороны, оно долж-
но быть достаточно маленьким, чтобы удовлетворить требования
по полосе пропускания входной системы и минимизировать падение
напряжения на резисторе из-за тока, вытекающего из буферного уси-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

схемотехника проектирование 77

Рис. 5. Коэффициенты гармонических искажений ОУ AD4896-2
при различных резистивных нагрузках

Рис. 6. Переходный процесс ОУ ADA4896-2 с реакцией на малый скачок Рис. 7. Процесс моделирования буферного каскада в Precision ADC Driver Tool
при различных емкостных нагрузках
фильтр более высокого порядка? Если ваше устройство не будет
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 применяться в приложении с особыми требованиями для удале-
ния больших внеполосных помех или гармоник во входном сигна-
ле, то увеличение порядка фильтра просто добавит дополнитель-
ный уровень сложности вашей системе и не принесет какой-либо
ощутимой пользы. Кроме того, неправильно выбранный фильтр,
а именно аппроксимирующая его функция, добавит головной боли.
Например, в погоне за более высоким подавлением внеполосного
сигнала был выбран фильтр Чебышева. Как результат, вы получите
неравномерность в полосе пропускания и проблемы во временной
области.

В общем случае в качестве компромиссного решения можно оста-
вить полосу пропускания сигнала, которая будет немного выше необ-
ходимого уровня, благодаря чему можно влиять на шум, но не иметь
серьезных проблем с входным каскадом АЦП, а также благодаря вы-
бору оптимальных усилителей снизить общее потребление мощно-
сти и уменьшить себестоимость конечного продукта.

Решаем проблему нагрузки буферного усилителя

Ранее мы уже упоминали, что буферный усилитель не любит ем-
костную нагрузку, поскольку она требует больших токов, а первый
момент времени для него является, по сути, близким к короткому
замыканию. Мы также определили, что первопричина этой нагруз-
ки — конденсатор, необходимый для минимизации проблемы пере-
носа заряда. Единственный способ улучшить ситуацию заключается
в том, чтобы уменьшить этот перенос. Такое решение было при-

www.kite.ru

78 проектирование схемотехника

Рис. 8. Зависимость входного тока АЦП от дифференциального напряжения Рис. 9. Сравнение зависимости SINAD для AD4003 по отношению к полосе пропускания
для разных вариантов сопряжения с буферным каскадом при включенном и выключенном высокоимпедансном режиме

Примечание. fCUT-OFF — частота среза,
R и C — номинальные значения сопротивления резистора и емкости конденсатора ФНЧ.

нято в последних конвертерах компании Analog Devices, например На рис. 8 показано, что низкий входной ток АЦП (включен режим
в AD7768 [8] и AD4000 [9]. с высоким импедансом) снижает требования к частоте среза фильтра,
а также дает возможность снизить номинальное значение сопротив-
Решения, принятые в каждом из устройств, отличаются из-за раз- ления в фильтре, повышая производительность АЦП по сравнению
ных архитектур преобразователей. AD4000 — это АЦП последова- с точно такой же конфигурацией, но в режиме отключения высокого
тельных приближений, он может работать при источниках питания импеданса.
ниже диапазона аналогового входа. Принятое в нем решение называ-
ется режимом с высокоимпедансным входом и доступно только для На рис. 9 можно видеть, что, увеличивая частоту среза входно-
частот дискретизации, лежащих ниже 100 кГц. го фильтра, внешний усилитель может быстрее заряжать/разря-
жать конденсатор выборки, но за счет более высокого уровня шума.
В AD7768 источники питания равны или превышают диапазон Например, при включенном режиме высокого импеданса шум сигна-
аналогового входного сигнала. Решение, принятое в AD7768, на- ла, дискретизированного при частоте среза 500 кГц, меньше, чем при
зывается буфером, или схемой предварительного заряда (precharge 1,3 МГц. Следовательно, значение SINAD при входной полосе про-
buffer), и в отличие от режима с высоким импедансом работает пускания 500 кГц лучше. Кроме того, емкость, требуемая фильтром
до максимальной частоты дискретизации АЦП. нижних частот, уменьшается, что улучшает производительность
усилителя-драйвера (буферного каскада).
Оба решения основаны на одном и том же принципе работы, ко-
торый направлен на решение главной проблемы входа АЦП — пере- Преимущества с точки зрения схемотехники
распределение емкостного заряда. другими словами, когда внутрен-
ний коммутатор повторно подключает конденсатор выборки, то чем добавление этих более простых в управлении или снижающих на-
меньше снижение (ранее мы его называли «шаг») напряжения на вхо- грузку функций, реализованных в последних АЦП компании Analog
де буферного каскада и, соответственно, на фильтре нижних частот, Devices, оказывает существенное влияние на общую цепочку сигна-
тем ниже скачок напряжения на входе АЦП, что минимизирует его лов. Основное преимущество, которое имеет разработчик при пере-
входной ток. Следовательно, в этом случае сокращается и время уста- даче решения некоторых проблем драйвера непосредственно в АЦП,
новления. Падение напряжения на сопротивлении фильтра умень- заключается в том, что его можно спроектировать максимально эф-
шается, а потому производительность по напряжению переменного фективным для требований к сигналу именно этого АЦП, решая тем
тока становится лучше. самым сразу несколько проблем, включая оптимальную полосу про-
пускания и стабильность буферного усилителя.
Зависимость входного тока АЦП от дифференциального напря-
жения в режимах включения/выключения схемы предварительного Снижение входного тока АЦП и, следовательно, уменьшение про-
заряда и включения/выключения режима высокого импеданса пред- блемы переноса заряда гарантирует, что буферный усилитель будет
ставлена на рис. 8. иметь дело с меньшим шагом напряжения, но с тем же периодом
полной выборки, что и стандартный вход с переключаемым конден-
Чем выше входной ток АЦП, тем выше, то есть быстрее, заряд сатором.
конденсатора выборки, соответственно, должна быть и шире полоса
пропускания буферного каскада. А если полоса пропускания входно- Наличие меньших ступенек напряжения для установления (линей-
го фильтра нижних частот должна быть шире, то мы опять возвра- ное изменение до конечного значения) в течение заданного перио-
щаемся к проблеме шума. Например, использование такого параме- да — то же самое, что наличие более длительного периода для уста-
тра, как SINAD2, учитывает гармоники как шумовые характеристики новления при большем шаге. Конечный эффект заключается в том,
для входного сигнала 1 кГц, дискретизированного при 1 MSPS. При что усилителю теперь не требуется такая широкая полоса пропуска-
разных частотах среза фильтра мы получаем что-то похожее на пред- ния, чтобы довести входное напряжение АЦП до того же конечного
ставленное на рис. 9. значения. Кроме того, уменьшение полосы пропускания обычно
означает и снижение мощности, потребляемой усилителем.
2 SINAD, Signal-to-noise and distortion ratio, является мерой качества сигнала, обычно определяется как
SшIуNмAаDи=ис(кPаSжIGеNнSиL+й.PNOISE+PDISTORTION)/( PNOISE+PDISTORTION), где P — средняя мощность полезного сигнала,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

схемотехника проектирование 79

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

80 проектирование схемотехника

Таблица 2. Характеристики АЦП AD7768-1 при работе с различными усилителями Автор перевода выражает благодарность и признательность
Геннадию Львовичу Штрапенину, к. ф.-м. н., доценту кафедры «Элек-
Усилитель Режим Отношение Коэффициент SINAD, трические машины» УрГУПС (Екатеринбург) за оказанную помощь.
предварительного сигнал/шум (SNR), гармонических дБ
ADA4940-1 искажений (TND) Литература
ADA4940-1 заряда дБ 105
ADA4807-2 –114,5 105,1 1. Алиасинг при дискретизации сигналов.
ADA4945-1 Выключен 105,4 –120,4 102,6 www.ru.dsplib.org/content/discrete_aliasing/discrete_aliasing.html
ADA4896-2 Включен 105,2 –105,7 105,6
ADA4807-2 Выключен 105,1 –116,6 106,5 2. Зиберт Л. Знакомство с операционными усилителями. Полоса пропуска-
ADA4945-1 Выключен 105,9 –118 104,8 ния малого сигнала и полные рабочие характеристики. www.scanti.com/
ADA4896-2 Выключен 106,7 –123,7 105,8 ru/bulleten-texas-instruments/1-2017/173-znakomstvo-s-operatsionnymi-
Включен 104,9 –120,7 106,4 usilitelyami-polosa-propuskaniya-malogo-signala-i-polnye-rabochie-
Включен 106 –130 kharakteristiki
Включен 105,5
3. достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. М.: Мир, 1982.
В частности, причина улучшения THD обусловлена сочетанием ранее 4. Макаренко В. Быстродействующие сигма-дельта-АЦП для систем связи //
упомянутых эффектов уменьшенной нагрузки входа АЦП, возлагаемой
на схему драйвера. Например, конфигурация с использованием усили- Электронные компоненты и системы. 2010. № 10.
теля ADA4945-1 [12] при включении схемы предварительной зарядки 5. ADA4896-2/ADA4897-1/ADA4897-21 nV/√Hz, Low Power, Rail-to-Rail Output
обеспечивает улучшение THD на 4 дБ. Точно так же схема на основе
ADA4807-2 [13] может достичь увеличения THD на 18 дБ. Эти примеры Amplifiers. Data Sheet. Analog Devices, Inc. 2012. www.analog.com/media/en/
подтверждают, что усилители, имеющие приемлемую производитель- technical-documentation/data-sheets/ADA4896-2_4897-1_4897-2.PDF
ность, могут достигать общих уровней производительности и при ис- 6. Walsh A. Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-
пользовании в сочетании с простыми в управлении функциями, доступ- to-Digital Converter. www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/front-end-
ными во многих новейших АЦП компании Analog Devices. amp-and-rc-filter-design.html
7. ADI Precision Studio. www.analog.com/designtools/en/precisionstudio/
Заключение 8. AD7768. Восьмиканальный, 24-разрядный АЦП с одновременной выборкой
и масштабированием мощности, полоса 110,8 кГц. www.analog.com/ru/
Проектирование схемы для управления небуферизованным products/ad7768.html
9. AD4000. Прецизионный 16-разрядный АЦП последовательного при-
АЦП — задача не тривиальная, которая предусматривает выбор пра- ближения с псевдодифференциальным входом, быстродействие 2 MSPS.
www.analog.com/ru/products/ad4000.html
вильной методологии и компромиссных решений из-за выравнива- 10. McGinley N., Servis S. Pairing A Driver Amplifier with the AD7768/AD7768-4

ния заряда конденсаторов преобразователя и требований к полосе or the AD7768-1. AN-1384 APPLICATION NOTE. 2016–2019 Analog
Devices, Inc. Rev. A. www.analog.com/media/en/technical-documentation/
пропускания. Часто именно схема драйвера определяет общую про- application-notes/AN-1384.pdf
11. ADA4500-2 10 MHz, 14.5 nV/√Hz, Rail-to-Rail I/O, Zero Input Crossover
изводительность системы с точки зрения таких характеристик, как Distortion Amplifier. www.analog.com/ru/products/ada4500-2.html
12. ADA4945-1 High Speed, ±0.1 µV/√C Offset Drift, Fully Differential ADC
THD, SNR и энергопотребление. Driver. www.analog.com/ru/products/ada4945-1.html
13. ADA4807-2. усилитель с Rail-to-Rail-входом/выходом, полоса 180 МГц,
Новейшие прецизионные сигма-дельта-АЦП и АЦП последова- шум 3,1 нВ/√Гц, потребляемый ток 1 мА. www.analog.com/ru/products/
ada4807-2.html
тельного приближения компании Analog Devices содержат набор 14. Артемов д. Г., Пониматкин В. Е. Семь этапов подключения АЦП для эф-
фективного аналого-цифрового преобразования c минимизацией шума
функций, необходимый для минимизации входного тока преобра- элементов // Вестник Балтийского федерального университета им. Канта.
2018. № 3.
зователя. Это сводит к минимуму проблему перезаряда, значительно

сокращая и упрощая внешнюю обвеску АЦП и схему буферного ка-

скада, достигая тех характеристик, которые ранее были невозможны.

Сказанное облегчает использование сигма-дельта-АЦП и АЦП по-

следовательного приближения, сокращает время их проектирования

и улучшает технические характеристики конечной системы в целом.

дополнительная информация, которая поможет вам решить опи-

санные в статье проблемы, приведена в [14]. n

новости СВЧ-элементы

Усилитель ADPA9002
с максимальной мощностью насыщения 2 Вт
и рабочим частотным диапазоном до 10 ГГц
от Analog Devices

Компания Analog Devices выпустила усили- ном до 10 ГГц. Усилитель ADPA9002 изготовлен Основные технические характеристики:
тель ADPA9002 с максимальной мощностью по технологии HEMT с использованием арсенида
насыщения 2 Вт и рабочим частотным диапазо- галлия (GaAs). Данный усилитель имеет встроен- • Согласование по входу и выходу: 50 Ом.
ную схему автоматической регулировки смещения • Рабочий частотный диапазон: 10 МГц – 10 ГГц.
при токе потребления 385 мА и напряжении пита- • OP1dB: 29 дБм (тип.).
ния 12 В, а также возможность опциональной на- • Усиление: до 15 дБ (тип.).
стройки смещения при необходимости обеспече- • OIP3: до 43 дБм (тип.).
ния параметров питания, отличных от стандартных • Диапазон рабочей температуры:
(358 мА, 12 В). ADPA9002 не имеет лицензионных
ограничений для поставок в РФ. –40…+85 °C.

• Корпус: 5×5 мм LFCSP-32.
www.teson.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

САПР проектирование 81

Анализ распределения
температуры и скорости
движения воздушного потока

в корпусе электронного устройства.

Часть 3

Татьяна КОЛеСНИКОВА В статье описаны возможности модуля FloEFD программы Solid Edge для
[email protected] решения задачи исследования тепловых свойств светодиодов и свето-
диодных ламп. Подробно описывается определение входных данных,
целей анализа, настройка параметров и подготовка проекта к расчету.
Рассматриваются средства, позволяющие оценить нагрев светодиодов и
других элементов светодиодного модуля, выполнить анализ распределе-
ния температуры воздуха в корпусе светодиодной лампы, а также создание
новых элементов в инженерной базе данных.

среди которых энергетическая эффектив- чину порядка 100–120 лм/Вт, что по разным
ность, компактность конструкции и доста- оценкам в 6–8 раз эффективнее, чем у ламп
точно низкие управляющие напряжения, накаливания и в 3–4 раза выше, чем у огром-
обеспечивающие длительный срок службы ного количества всевозможных энергосбе-
устройства. Световая отдача светодиодов регающих ламп. Кроме того, у светодиодов
определяется через отношение излучаемого существуют и другие преимущества: доста-
источником светового потока к потребляе- точно высокая механическая прочность и на-
мой им мощности и составляет сегодня вели- дежность, высокий уровень электробезопас-

Рис. 1. Раскрытая секущей плоскостью ХY трехмерная модель светодиодного модуля, состоящего из алюминиевого радиатора и шести LED-элементов, www.kite.ru
установленных под линзой из кварцевого стекла в пластиковом корпусе, в графической области редактора FloEFD

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

82 проектирование САПР

а д

б Рис. 2. Мастер проекта, окно: д) «Материал по умолчанию»

в не уменьшит подаваемое напряжение, то произойдет локальный
перегрев, что приведет к появлению на печатной плате так назы-
г ваемых горячих точек. Это, в свою очередь, вызывает ухудшение
Рис. 2. Мастер проекта, окно: а) «Имя проекта»; б) «Система единиц измерения»; работоспособности, а то и разрушение всей схемы за счет ускоре-
в) «Тип задачи»; г) «Текучая среда по умолчанию» ния нежелательных физико-химических процессов в материалах
и конструкциях компонентов. Перечисленные факторы приводят
к необходимости установления жестких ограничений на рабочий
диапазон температур элементов, создания цепей температурной за-
щиты и совершенствования способов отвода тепла. Поэтому модели-
рование теплового режима становится одним из важнейших этапов
разработки и проектирования современных электронных устройств,
в составе которых имеются светодиоды. В качестве средства для ре-
шения задачи моделирования тепловых процессов, происходящих
в устройствах, где имеются LED-элементы, можно применить FloEFD
[3, 4] — расширение программы Solid Edge, которое предоставляет
инструменты анализа распределения температуры на плате и оценки
нагрева светодиодных компонентов.

Настройка параметров проекта

Создание проекта электронного устройства в редакторе FloEFD
(в нашем примере — светодиодной лампы, содержащей LED-
элементы, установленные на однослойную печатную плату, рис. 1)
выполняют с применением мастера, запуск которого производят
на вкладке Flow Analysis командой «Мастер проекта» ленты инстру-
ментов. Сечение плоскости ХY дает полное представление о вну-
треннем устройстве лампы (рис. 1). Мастер проекта предусматривает
последовательное открытие пользователем диалоговых окон, где
настраивают параметры проекта, подробное описание которых пред-
ставлено в [3].

В нашем примере укажем:
• в окне «Имя проекта» (рис. 2а): имя конфигурации, к которой бу-

дет прикреплен проект, — Master, способ определения конфигу-
рации — «Использовать текущую», имя проекта — LED analysis 2;
• в окне «Система единиц измерения» (рис. 2б): систему единиц из-
мерения — СИ и единицы измерения температуры — °C;
• в окне «Тип задачи» (рис. 2в): тип задачи — «Внешняя», опции
физических моделей, необходимые для ее решения (теплопровод-
ность в твердых телах, поглощение в твердом теле, модель излу-
чения радиационного теплообмена — «дискретные ординаты»,
температура окружающей среды — +20,05 °C, значение гравитации
Х, Y и Z компонент — 0, –9,81 и –9,81 м/с2 соответственно);
• в окне «Текучая среда по умолчанию» (рис. 2г): тип текучей
среды — Air («Газы») и ее свойства — тип течения «Ламинарное
и турбулентное». Тип текучей среды задают с помощью кнопки
«добавить», в результате чего выбранное значение переместится
в поле «Текучие среды проекта»;
• в окне «Материал по умолчанию» (рис. 2д): материал твердых
тел — Aluminum 5052;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

САПР проектирование 83

е

ж
Рис. 2. Мастер проекта, окно:
е) «Условия на стенках по умолчанию»; ж) «Начальные и внешние условия»

Рис. 3. Выбор в инженерной базе данных поверхности радиационного теплообмена Рис. 4. Окно настройки
параметров светодиода
• в окне «Условия на стенках по умолчанию» (рис. 2е): радиацион-
ные свойства поверхностей по умолчанию — Aluminum, polished www.kite.ru
(значение задают нажатием на пиктограмму троеточия и выбором
нужного параметра в открывшемся окне инженерной базы данных
на вкладке «Элементы» (рис. 3). При этом в дереве базы данных
в списке «Поверхности радиационного теплообмена» необходимо
выбрать в группе «Предопределенные» пункт Real Surfaces (име-
ющиеся поверхности));

• в окне «Начальные и внешние условия» (рис. 2ж): начальные тер-
модинамические параметры (давление — 101325 Ра, температура —
+20,05 °C), параметры скорости (скорость в направлении осей X, Y,
Z системы координат — 0 м/с), материалов (начальная температура
твердого тела, которая по умолчанию будет применена ко всем
компонентам модели, — +20,05 °C) и способ их определения (на-
значить вручную (значение «Заданы пользователем»)), который
указывают в поле «Задание параметров».

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

84 проектирование САПР

а

а
б

б
Рис. 6. Просмотр: а) свойств;
б) диаграммы направленности излучения светодиода OSRAM Golden Dragon 500 mA (1)

в

г Рис. 7.
Окно «Свойства элемента»
Рис. 5. Выбор в графической области FloEFD:
а) компонента, который следует рассматривать в качестве светодиода; КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020
б) поверхности компонента, которую следует рассматривать в качестве верхней;
в) поверхности компонента, которую следует рассматривать в качестве нижней;
г) поверхности для задания направления излучения источника

компонентов. Также в окне настройки задают следующие параметры
светодиода:
• модель светодиода (поле «Светодиод») — выбор модели светодиода

из инженерной базы данных, в нашем примере для всех светодио-
дов указана модель OSRAM Golden Dragon (Pattern and Spectrum);
• силу тока (поле «Постоянный ток») — в нашем примере значения
350, 400, 500 мА;
• начальную температуру твердого тела (поле «Параметры матери-
алов») — в нашем примере значение +20,05 °C;

САПР проектирование 85

аб

в г

Рис. 8. Определение материалов и их свойств для составных элементов модуля светодиодной лампы:
а) алюминиевого радиатора; б) пластикового корпуса и крышки; в) печатной платы; г) стеклянной линзы

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

86 проектирование САПР

а

а

б

б

Рис. 10. Определение поверхностей радиационного теплообмена и их параметров
для составных элементов модуля светодиодной лампы:
а) верхнего диэлектрического слоя печатной платы; б) линз светодиодов
в

г Определение поверхностей радиационного теплообмена
В FloEFD радиационный теплообмен рассматривается только для
Рис. 9. Определение в инженерной базе данных свойств материалов
светодиодного модуля: твердых тел, а текучие среды не излучают и не поглощают тепло,
а) Aluminum 6061; б) ABS Polymer; в) T-preg; г) Quartz glass то есть прозрачны для излучения.

имени материала (поле «Имя шаблона»). Закрывают окно настройки Создание поверхности радиационного теплообмена выполняют
параметров материала с сохранением выполненных изменений кноп- щелчком правой кнопки мыши по одноименному элементу спи-
кой ОК. После чего в группе «Материалы» списка «Входные данные» ска «Входные данные» окна «FloEFD дерево анализа» и выбором
окна «FloEFD дерево анализа» появится новый элемент. в контекстном меню команды «Добавить поверхность радиаци-
онного теплообмена». В открывшемся окне указывают компонен-
ты для задания поверхности, ее тип и свойства, хранящиеся в ин-
женерной базе данных в группах «Предопределенные» и «Заданы
пользователем».

Создадим поверхности радиационного теплообмена для верхнего
диэлектрического слоя печатной платы и линз светодиодов. С этой
целью для каждой поверхности запустим окно настройки, где опреде-
лим следующие параметры:
• для верхнего диэлектрического слоя печатной платы (рис. 10а):

поверхность (в нашем примере MCPCB T-preg), на которой необ-
ходимо задать условие поверхности радиационного теплообме-
на (поле «Выбор»), тип поверхности — «Предопределенные/Real
Surfaces/Shellac, black matter» (поле «Тип»), шаблон для имени
(поле «Имя шаблона»), свойства поверхности в инженерной базе
данных (тип поверхности радиационного теплообмена — стенка,
степень черноты — 0,91, коэффициент поглощения солнечного
излучения — 0,91, отражение — диффузное) оставим по умолча-
нию — рис. 11а;
• для линз светодиодов (рис. 10б): поверхности (в нашем примере
верхние поверхности светодиодов), на которых необходимо задать
условие поверхности радиационного теплообмена (поле «Выбор»),
тип поверхности — «Заданы пользователем/FloEDA Materials/LED»
(поле «Тип»), шаблон для имени (поле «Имя шаблона»), свойства
поверхности в инженерной базе данных (тип поверхности ради-
ационного теплообмена — стенка, степень черноты — 0,7, коэф-
фициент поглощения солнечного излучения — 0,7, отражение —
диффузное) — рис. 11б.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

САПР проектирование 87

а (в диапазоне 0–1), и отражательной способностью. Тип отражения
«диффузный» означает, что свет с одинаковой вероятностью будет
б отражаться в любом направлении вывода независимо от входящего
направления. Если степень черноты задана для теплового и солнеч-
Рис. 11. Определение в инженерной базе данных свойств поверхностей ного излучения, то параметры «Степень черноты» и «Коэффициент
радиационного теплообмена светодиодного модуля: поглощения солнечного излучения» определяют радиационные
а) верхнего диэлектрического слоя печатной платы; б) линзы светодиода свойства поверхности. Параметр «Степень черноты» используется
для вычисления плотности теплового потока, излучаемого поверхно-
стью, а параметр «Коэффициент поглощения солнечного излучения»
определяет часть солнечного излучения, поглощаемую поверхно-
стью. По умолчанию тепловое излучение от твердых поверхностей
считается диффузным, то есть подчиняется закону Ламберта, со-
гласно которому интенсивность излучения на единицу площади
и на единицу телесного угла одинакова во всех направлениях.

Окно настройки параметров поверхности радиационного тепло-
обмена с сохранением выполненных изменений закрывают кноп-
кой ОК. Затем в группе «Поверхности радиационного теплообмена»
в списке «Входные данные» окна «FloEFD дерево анализа» появится
новый элемент.

Определение целей
Целями называются критерии пользователя для остановки про-

цесса расчета. добавление новых целей в проект FloEFD [3] выпол-
няют щелчком правой кнопки мыши по элементу «Цели» в спи-
ске «Входные данные» и выбором в контекстном меню нужной
команды: «Добавить глобальные цели», «Добавить точечные цели»,
«Добавить поверхностные цели», «Добавить объемные цели»,
«Добавить цель-выражение». В открывшемся окне набор доступных
для настройки параметров зависит от требуемого типа цели. В про-
екте могут присутствовать и цели, сформированные системой авто-
матически в результате задания входных данных проекта (таких как
светодиоды, тепловые источники, вентиляторы и др.).

Создадим на линзах светодиодов поверхностные цели, чей крите-
рий — максимальная температура. для этого добавим в проект новую
цель и в окне настройки определим следующие параметры (рис. 12а):
• поверхности для задания цели (поле «Выбор»), которые указывают

левой кнопкой мыши в графической области проекта (в нашем
примере линзы светодиодов). Имена выбранных поверхностей ото-
бразятся в виде списка в поле «Выбор». По умолчанию выбранные
поверхности рассматриваются как одна цель. Если в поле «Создать
цель для каждой поверхности» установить флажок, то для каждой
из выбранных поверхностей будет создана отдельная цель;

а б
Рис. 12. Создание: а) поверхностных целей на линзах светодиодов; б) глобальных целей проекта
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020 www.kite.ru

88 проектирование САПР

Рис. 13. Переименование цели
в окне «Свойства элемента»

б

Рис. 14. Список «Входные данные» а
окна «FloEFD дерево анализа» после
настройки параметров светодиодной лампы Рис. 15. Настройка параметров глобальной сетки:
и определения входных данных проекта а) в ручном; б) в автоматическом режиме

модели («Количество ячеек» или «уровень
дробления») и определяют соответствую-
щие ему опции: число ячеек поперек ка-
нала, максимальный уровень дробления
каналов, минимальную и максимальную
ширину канала в режиме «Количество яче-
ек» и уровень дробления в виде табличной
зависимости от ширины канала в режиме
«уровень дробления»;
• разрешение сеткой мелких особенностей
модели, кривизны и выступов поверхно-
сти (поле «дополнительные параметры
дробления»);
• максимальный размер щелей модели, ко-
торые необходимо заполнить материалом
ближайшего твердого тела (поле «Закрыть
узкие щели»);
• отображение уровня дробления, позволя-
ющее увидеть, как будет выглядеть сетка
в графической области в зависимости
от заданных настроек дробления (поле
«Отобразить уровень дробления»).
Когда выбран автоматический режим
в окне «Настройки глобальной сетки», зада-
ют следующие параметры (рис. 15б):
• в поле «Настройки»: уровень начальной
сетки (параметр определяет число ячеек
базовой сетки — чем выше уровень, тем
более мелкими будут ячейки, а для по-
строения сетки потребуется больше про-
цессорного времени и памяти компью-
тера), минимальный зазор (если размер
проточного сечения модели меньше ми-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

САПР проектирование 89

Рис. 18. Таблица с результатами целей

Рис. 16. Окно статистики выполнения Рис. 17. Диалоговое окно
расчета проекта «Цель 1»

а

б

Рис. 19. Графики зависимости целей от итераций расчета:
а) максимальной температуры светодиодной лампы;
б) светодиода, сила тока которого 400 мА

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

90 проектирование САПР

Рис. 20. Просмотр основных характеристик светодиодов с помощью выносок «Навигатор» плоскости сечения или плоской
поверхности для создания картины в сече-
Рис. 21. Окно настройки и результаты анализа распределения температуры в сечении корпуса светодиодной лампы нии параллельной выбранной плоскости
или плоской поверхности, имена выбранных
температуры (например, +51,85 °C — для поверхностей отображаются в виде списка
светодиодной лампы, +47,42 °C — для све- в поле «Выбор») или «По нормали к экрану»
тодиода, сила тока которого 400 мА) были (установка плоскости сечения по нормали
получены во время выполнения тринадца- к экрану).
той (заключительной) итерации расчета.
При помощи перемещения ползунка или
для того чтобы просмотреть основные вводом с клавиатуры в поле «Смещение» за-
характеристики светодиодов (температуру дают значение смещения картины в сечении.
p-n-перехода, мощность тепловыделения, После определения в поле «Показать» спосо-
световой поток, силу тока), можно восполь- ба визуализации распределения выбранного
зоваться выносками [4] — рис. 20. параметра (в виде заливки, изолиний, векто-
ров, линий тока или сетки) в соответствую-
для более детального анализа резуль- щем ему поле задают опции его отображения
татов расчета обратимся к инструментам в графической области проекта.
«Картины в сечении», «Картины на поверх-
ности» списка результатов окна «FloEFD В нашем примере визуализацию удобно
дерево анализа». С помощью инструмен- выполнить заливкой, в таком случае в поле
та «Картины в сечении» можно выполнить «Заливка» определим:
визуализацию распределения температуры • параметр (поле «Параметр»), распределе-
в сечении корпуса светодиодной лампы и по-
лучить картину распределения температуры ние которого необходимо визуализиро-
воздуха в ее корпусе. Инструмент «Картины вать, — в нашем примере «Температура
на поверхности» позволяет выполнить ана- (твердое тело)»;
лиз температуры светодиодов и других ком- • диапазон изменения выбранного пара-
понентов лампы. метра (поле «Корректировать минимум
и максимум») — в нашем примере макси-
мальное (+53 °C) и минимальное (+20 °C)
значения;
• количество делений своего цвета, на ко-
торые разбивается заданный диапазон па-
раметра (поле «Количество уровней»), —
в нашем примере установим значение 23.
Запуск анализа выполняют кнопкой ОК
(зеленый флажок), расположенной в нижней
правой части окна настроек.
На рис. 21 изображен разрез корпуса све-
тодиодной лампы, где видно, что основная
тепловая нагрузка приходится на централь-
ный светодиод, чья сила тока равна 500 мА.
Наиболее холодными остаются цоколь, сте-
клянная линза и края крышки лампы, по-
казанные в разрезе синим и темно-голубым
цветом. Значения температуры определяют,
используя цветовую шкалу, размещенную
в графическом окне FloEFD.
для отображения корпуса в разрезе пред-
назначены команды «Границы отображе-
ния» и «Ограничить» ленты инструментов
вкладки «Вид».

Анализ распределения
температуры воздуха
в корпусе светодиодной лампы

для визуализации распределения темпе-
ратуры воздуха в корпусе светодиодного
устройства можно также применить инстру-
мент «Картины в сечении», однако в этом
случае в поле «Параметр» окна настройки
анализа указывают значение «Температура
(текучая среда)». После определения всех
параметров запускают анализ, результаты
которого — распределение температуры
воздуха в продольном (если в поле «Выбор»
указано значение «YZ плоскость», рис. 22а)
или поперечном (если в поле «Выбор» ука-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

САПР проектирование 91

а

бв

Рис. 22. Окно настройки и результаты анализа распределения температуры воздуха в сечении корпуса трехмерной модели светодиодного устройства плоскостью:
а) YZ; б) XZ на уровне радиатора; в) XZ на уровне щелей воздухоотводов корпуса

аб www.kite.ru
Рис. 23. Процесс создания картины распределения температуры на поверхности ребер радиатора светодиодной лампы:
а) выбор элементов для анализа в графической области FloEFD и определение параметров заливки; б) визуализация распределения температуры

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

92 проектирование САПР

аб

Рис. 24. Процесс создания картины распределения температуры на поверхности стеклянной линзы светодиодной лампы:
а) выбор линзы и определение параметров заливки; б) визуализация распределения температуры

аб

Рис. 25. Процесс создания картины распределения температуры на поверхности светодиодных компонентов и печатной платы:
а) выбор элементов светодиодного модуля для анализа в окне «Навигатор» и определение параметров заливки; б) визуализация распределения температуры

зано значение «XZ плоскость», рис. 22б,в) сечении корпуса светоди-
одного устройства представлены в виде цветовой карты, имеющей
тип визуализации «заливка». Соответствие цветов карты темпера-
туре воздуха показано на размещенной в графическом окне шкале.
Как видно на рис. 22, наибольшее количество тепла (+35…+36 °C)
выделяют светодиодные компоненты и печатная плата (красные
и темно-оранжевые области на карте). Наиболее холодный регион
в корпусе лампы (его температура составляет +20 °C) отображается
синим цветом и находится в цоколе. Часть тепла отводится за пре-
делы светодиодного устройства стенками корпуса за счет тепло-
передачи и теплового излучения во внешнюю среду.
Анализ температуры элементов светодиодного модуля

Визуализацию распределения температуры на поверхностях со-
ставных элементов светодиодной лампы в FloEFD производят с по-
мощью инструмента «Картины на поверхности», для чего в списке
результатов в окне «FloEFD дерево анализа» щелкают правой кноп-
кой мыши по элементу «Картины на поверхности» и в открывшемся
контекстном меню выбирают команду «Добавить». В результате от-
кроется окно настроек, где задают следующие параметры:
• поверхность для анализа (поле «Выбор»), которую отмечают в окне

«Навигатор» или в графической области FloEFD щелчком левой
кнопки мыши. Имя выбранной поверхности отобразится в поле
«Выбор». Флажок в чекбоксе «Использовать все поверхности» уста-
навливают, когда необходимо провести анализ температуры всех
элементов устройства. В нашем примере выполним анализ темпера-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

САПР проектирование 93

аб

Рис. 26. Визуализация распределения температуры на поверхности корпуса светодиодной лампы, когда значение параметра «Количество уровней»: а) 18; б) 194

светодиодов приводит к увеличению в об- ными результатами можно сказать, что све- 3. Колесникова Т. Анализ распределения темпера-
ласти их размещения температуры поверх- туры и скорости движения воздушного потока
ности платы и стеклянной линзы (рис. 24б). тодиоды работают при умеренных темпера- в корпусе электронного устройства. Часть 1 //
Распределение тепла на поверхности ребер Компоненты и технологии. 2019. № 12.
радиатора неравномерно и зависит от места турах. Поэтому нет необходимости вводить
размещения LED-элементов и температуры 4. Колесникова Т. Анализ распределения тем-
платы (рис. 23б). какие-либо дополнительные конструктив- пературы и скорости движения воздушного
потока в корпусе электронного устройства.
Заключение ные элементы для повышения эффективно- Часть 2 // Компоненты и технологии. 2020. № 1.

Цель выполненного моделирования — сти теплообмена внутри рассматриваемого 5. Пуговкин А. В., Степной В. С., Антонова А. Ю.,
убедиться в том, что при заданных услови- Еремич М. А. Энергетические характеристики
ях радиатор и корпус эффективно отводят корпуса. n светодиодов и светодиодных ламп // доклады
тепло от светодиодов и компоненты лампы ТуСуРа. 2011. № 2.
не перегреваются. В соответствии с получен- Литература
6. Гладковский В.И., Борушко В.В. Моделирование
1. FloEFD for Solid Edge. Руководство пользователя. тепловых условий работы мощных светодио-
Mentor Graphics A Siemens Business, 2019. дов // Инженерные решения. 2019. № 1 (2).

2. Шахнов В. А., Зинченко Л. А., Соловьев В. А.,
Курносенко А. Е. Основы конструирования
в Solid Edge. М.: дМК-Пресс, 2014.

Реклама

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

94 проектирование

Технология
распознавания глубины
от компании Analog Devices

для современных и перспективных

приложений. Часть 1. Основы

Владимир РеНТюК Трехмерная времяпролетная технология 3D ToF — это основа нескани-
[email protected] рующего лидара, предназначенного для обнаружения с помощью света,
идентификации и определения дальности до объектов с учетом их глуби-
ны, в котором для захвата информация о глубине объекта представляется
в единицах пиксель/дальность. Технология ToF, как правило, исполь-
зуется на небольших дальностях до объекта и в рамках интересующей
области. ее основа — мощные оптические импульсы длительностью не-
сколько наносекунд. В предлагаемой статье, выполненной на основании
авторского перевода [1] с рядом дополнений, в первой части рассмотрены
особенности реализации, а вторая часть посвящена области применения
этой технологии и предложено решение от компании Analog Devices Inc.
(ADI), которая вместе с партнерами предоставляет самые передовые в от-
расли продукты 3D ToF, расширяющие возможности и обеспечивающие
быструю имплементацию решений машинного зрения.

Времяпролетные, Time-of-Flight, или ния. В этой технологии в каждом пикселе
ToF-видеокамеры — это видеокамеры, отражается не цвет или яркость отраженно-
основанные на измерении времени го света, а расстояние до объекта в каждой
задержки между посланным на объект и от- точке изображения. Автор статьи имел воз-
раженным от него светом. Они привлекли можность видеть первые открытые решения
к себе внимание в качестве метода опреде- этой технологии на международной выстав-
ления не только и не столько расстояния, ке CEBiT-99. даже 20 лет назад впечатление
но и так называемой глубины объекта. Такие было захватывающим.
видеокамеры формируют дальностное изо-
бражение, или дальностный портрет, с уче- ToF-видеокамеры стали популярны бла-
том глубины, превращая двухмерное изобра- годаря присущему им небольшому форм-
жение в трехмерное, совершенно отличное фактору, широкому динамическому диа-
от нашего, но идеально приспособленное пазону измерения и способности работать
для восприятия системами машинного зре- в самых различных средах. И хотя техноло-
гия ToF существует уже более 20 лет, в по-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

проектирование 95

Рис. 1. Времяпролетная технология (ToF) — новое слово в определении расстояния с его индексацией не по яркости, цвету или отраженному свету от объекта, а по глубине

Рис. 2. Простая схема измерения времени полета сигнала

рынка, где в настоящее время они предна- Базовые теоретические основы измерений с непрерывно возбуждаемым
значены для смартфонов, бытовой техники сигналом, или метод непрерывной волны
и игровых устройств. ToF-видеокамера измеряет расстояние, (continuous-wave, CW), а второй — метод
активно освещая (подсвечивая) объект соб- на основе излучаемых импульсов, или им-
Логистика, контроль качества, навигация, ственным модулированным источником пульсный метод.
робототехника, распознавание лиц, систе- света (например, лазером или светодиодом),
мы защиты и безопасности, а также системы а сенсор, чувствительный к длине волны ла- Метод измерения расстояния
видеонаблюдения, использование в здра- зера/светодиода, захватывает отраженный с непрерывно возбуждаемым
воохранении, как основа мониторинга по- от объекта свет (рис. 2). далее процессор сигналом
ведения и состояния водителей, — все это датчика измеряет временную задержку DT
варианты нового и перспективного приме- между моментом, когда свет излучается и ка- В методе измерения расстояния с непре-
нения приложений на основе технологии мера принимает его как отражение. Задержка рывно возбуждаемым сигналом (генерации
ToF, которые не просто определяют рассто- пропорциональна удвоенному расстоянию непрерывной волны) для активного осве-
яния до некоторой усредненной поверхно- между точкой (в нашем случае здесь и далее щения (подсветки) объекта используется
сти как плоскости, но и дают возможности пикселем) на объекте и объективом камеры модулированный периодической функци-
оценки глубины объекта или сцены, то есть (в оба конца), поэтому глубина (в данном ей световой луч (рис. 3), выполняющий
выполняют 3D-зондирование. Такая техно- случае это расстояние до точки — пикселя) роль несущей. Этот метод называется еще
логия поможет устранить многие пробле- может быть оценена как: радиочастотной модуляцией света. Причем
мы, с которыми сегодня сталкиваются тра- для определения расстояния измеряется
диционные 2D-решения (рис. 1). Сочетание d = (cDT)/2, (1) фазовый сдвиг демодулированного при-
данных о глубине с высоким разрешением, нятого сигнала и относительно излучаемо-
с мощными алгоритмами классификации го (здесь и далее сохранена терминология
и использование искусственного интеллекта оригинала [1], под модулированным сиг-
(ИИ) откроет для вас ее новые приложения. налом понимается сигнал, модулирующий
световой луч, под демодулированным —
для того чтобы понять суть и принципы сигнал, восстановленный после приема
времяпролетной технологии, давайте рас- луча, отраженного от объекта). Измерение
смотрим основы и два доминирующих ме- производится гомодинной демодуляцией
тода измерения глубины в технологии ToF, (методом синхронного детектирования)
а также проведем сравнение с другими, менее принятого сигнала.
распространенными технологиями этого на-
правления.

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

96 проектирование

Рис. 3. Иллюстрация принципа функционирования ToF-системы с генерацией непрерывной волны
Примечание. VCSEL — полупроводниковый лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором.

Например, здесь может использоваться синусоидальный модули- в уравнении (3). Сдвиг фазы Φ = 2πfmodDT между излучаемым сигна-
рующий сигнал, и модулированный луч может быть представлен как: лом и демодулированным сигналом может быть оценен с помощью
уравнения (7):

s(t) = As cos(2πfmodt)+Bs, (2)

где As — амплитуда сигнала; Bs — сдвиг по амплитуде; fmod — частота (7)
модуляции, fmod = 1/Tmod, где Tmod — период модулирующего сигнала;
t — время. При этом глубина (расстояние до точки объекта), которая пропор-
циональна сдвигу фаз, равна:
Принятый сигнал r(t) является задержанной и ослабленной верси-
ей промоделированного излучаемого сигнала:

r(t) = αs(t–DT), (3)

где α — коэффициент ослабления, лежащий в пределах 0–1, завися- (8)
щий от расстояния, среды и отражающей способности поверхности,
а DT — время задержки приема обратного сигнала. Импульсный метод измерения расстояния

В режиме генерации непрерывной волны ToF-сенсор измеряет рас- В методе измерения расстояния на основе импульсов источник
стояние до каждого пикселя путем выборки корреляционной функции освещения излучает серию из N коротких световых импульсов,
(рис. 4) между принятым сигналом r(t) и демодулированным сигналом которые отражаются обратно на датчик, снабженный электронным
g(t), который приходит с той же частотой, что и исходный s(t)1. фотографическим (в данном случае — оптическим) затвором, по-

В идеальном случае демодулированный сигнал также является си-
нусоидальной волной и описывается той же функцией, что и моду-
лирующий, отличаясь лишь индексами, фазой и затуханием:

g(t) = Ag cos(2πfmodt)+Bg. (4)

Операция, выполняемая пикселем (минимальный элемент изобра-
жения), называется операцией корреляции:

(5)

1 Это утверждение справедливо только для неподвижного или движущегося с малой скоростью объекта Рис. 4. Иллюстрация процесса выборки корреляционной функции
или непосредственно самой видеокамеры, когда нет влияния доплеровского сдвига частоты. — Прим. пер.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

проектирование 97

Рис. 5. Иллюстрация использования окон оптического затвора для захвата импульсов отраженного света www.kite.ru

зволяющим захватывать свет в серии коротких временных окон.
На рис. 5 показаны три окна затвора, или импульсы, используемые
для захвата отраженного светового импульса. Окно BG захватывает
окружающий свет, который затем вычитается из результатов из-
мерений.

В ToF-системе этой технологии DT оценивается по измеренным
значениям, соответствующим различным окнам оптического затво-
ра, согласно следующему уравнению:

(9)

Затем расстояние можно рассчитать, заменив DT в уравнении (1)
выражением из уравнения (9), которое дает нам уравнение (10):

(10)

Следует отметить, что эти уравнения основаны на предположе-
нии, что импульсы являются идеальными прямоугольными им-
пульсами, однако на практике, учитывая ограничения аппаратных
средств, это просто невозможно. Кроме того, в практических ситуа-
циях, для того чтобы получить достаточное для измерения отноше-
ние сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio, SNR), необходимо накопить
от нескольких сотен до нескольких тысяч отраженных и принятых
импульсов.

Преимущества и недостатки ToF-систем
с импульсным измерением расстояния
и систем с непрерывно генерируемой волной

Оба рассмотренных выше подхода к ToF имеют свои преимуще-
ства и недостатки, которые зависят от конкретного варианта их при-
менения в том или ином приложении. Здесь необходимо учитывать
такие моменты, как измеряемые расстояния, окружающая среда,
в которой используется система, требования к точности, ограничения
тепловыделения/рассеиваемой мощности, форм-фактор и вопросы
электропитания. Следует отметить, что подавляющее большинство
ToF-систем на непрерывных волнах, которые были внедрены и в на-
стоящее время находятся на рынке, имеет оптические CMOS-сенсоры
(КМОП-датчики, более привычно называемые «оптические CMOS-
сенсоры», построены на основе кристаллов кремния с использова-
нием полевых транзисторов с изолированным затвором, могут быть
линейными или представлены в виде матриц), в то время как в им-
пульсных ToF-системах такие датчики почти не используются, в них,
в частности в системах от компании ADI, предусмотрены матрицы
на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). По этой причине
перечисленные далее преимущества и недостатки будут основаны
на нижеследующих предположениях.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020

98 проектирование

корреляционной функции на нескольких частотах модуляции, недостатки ToF-систем
а также многокадровая обработка для расчета глубины. Более дли- на основе импульсной технологии
тельное время экспонирования может потенциально ограничить • Так как ширина передаваемого светового импульса и время сраба-
общую частоту кадров системы или вызвать размытость изобра-
жения, что в свою очередь ограничивает его использование для тывания оптического затвора должны быть одинаковы, управление
определенных типов приложений. Такая более высокая сложность синхронизацией системы должно быть очень точным, и здесь, в за-
обработки может потребовать ресурсов процессора внешнего при- висимости от применения, может потребоваться пикосекундный
ложения, что иногда выходит за рамки требований конкретного уровень точности.
приложения. • для максимальной эффективности ширина импульса освеще-
• для измерений на больших расстояниях или в средах с высоким ния (подсветки целевого объекта) должна быть очень короткой,
уровнем окружающего освещения потребуется более высокая но с очень высокой мощностью. По этой причине требуется очень
по сравнению с импульсной ToF непрерывная оптическая мощ- быстрый нарастающий/падающий фронт (<1 нс) от драйвера лазера.
ность. Такое непрерывное освещение от лазера может вызвать про- • Калибровка температуры может быть более сложной по сравнению
блемы с температурой и надежностью. с калибровкой систем на основе генерации непрерывной волны,
поскольку изменение температуры будет влиять на ширину отдель-
Преимущества ToF-систем ных импульсов, воздействуя не только на смещение и усиление,
на основе импульсной технологии но и на линейность.
• ToF-системы на основе импульсной технологии часто применя- • Как уже было сказано, большинство импульсных систем не ис-
пользует оптические CMOS-сенсоры, следовательно:
ют высокоэнергетические световые импульсы, излучаемые очень – для импульсных ToF-систем практически всегда требуется внеш-
короткими пачками (пакетами) в течение короткого интервала —
окна. Это дает им следующие преимущества: ний аналоговый интерфейс, который может оцифровывать
– облегчение проектирования устойчивой к окружающему освеще- и выводить данные глубины. А вот для системы с генерацией
непрерывной волны может понадобиться и внешний процессор,
нию системы, что больше подходит для наружного применения; в зависимости от сложности обработки в конечном приложении.
– более короткое время экспозиции минимизирует эффект раз- И неизвестно, что из этого оптимально;
– конфигурация системы, особенно это касается требования к ис-
мытия при движении. точнику питания датчика ToF, предполагает большее число ком-
• Рабочий цикл освещения в импульсной ToF-системе, как правило, понентов и шин питания.

намного ниже, нежели в сопоставимой с ней системе на основе Другие доступные технологии
генерации непрерывной волны, что дает ей следующие преиму- измерения расстояния с учетом глубины
щества:
– снижение общего рассеивания мощности системы в приложе- для того чтобы понять компромиссы, весьма поучительно озна-
комиться и с другими технологиями глубинного картирования. Все
ниях с большей дальностью действия; системы обнаружения глубины имеют свои преимущества и недо-
– позволяет избежать помех от других импульсных ToF-систем, статки, которые проявляются в зависимости от варианта использова-
ния и требований того или иного приложения.
размещая импульсные пакеты в другом месте в кадре, чем это
принято в других системах. Такое распределение можно выпол- стереоскопическое зрение
нить, координируя размещение импульсов в кадре различных Это классическое и, пожалуй, наиболее известное направление по-
систем или с помощью внешнего фотоприемника для опре-
деления наличия во временном интервале импульсов другой строения глубины. Стереоскопическое зрение для определения глубины,
системы. Еще один метод состоит в том, чтобы динамически что понятно уже из названия технологии, работает более чем с одной
рандомизировать местоположение генерируемых системой па- камерой, причем камеры разделены определенным расстоянием (рис. 6).
чек импульсов (то есть сделать их случайными), что устранит
необходимость синхронизации между различными системами,
однако не полностью устранит взаимные помехи.
• Поскольку синхронизация и ширина импульса не должны быть
одинаковыми, то для реализации таких функций, как более ши-
рокий динамический диапазон и автоэкспозиция, могут быть вы-
полнены различные схемы синхронизации.

Рис. 6. 3D-измерение глубины с помощью стереоскопического зрения Рис. 7. Иллюстрация картирования глубины
с использованием метода структурированного освещения
Примечание. SoC (System-on-Chip) — система на кристалле, электронная схема,
выполняющая функции целого устройства и размещенная на одной интегральной схеме.
В зависимости от назначения она может работать как с цифровыми,
так и с аналоговыми сигналами.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 2 '2020