Реферат: Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры

КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

Development and creation of geophysical instruments. Protection of the equipment from mechanical influence

Тема 6: ЗАЩИТА АППАРАТУРЫ

ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ПОМЕХ

Мы все умны, когда дело идет о том, чтобы давать советы, но, когда надо избегать промахов, мы не более как дети.

Менандр. Греческий поэт-комедиограф. IV в. до н.э.

Потому как совет строится на обобщениях, а промах всегда конкретен.
Валерий Самойлин. Уральский геофизик и радиоинженер. ХХ в.

Содержание:

Защита от механических воздействий. Виды механических воздействий на РЭА. Понятие виброустойчивости и вибропрочности. Понятие жесткости и механической прочности конструкции. Конструкция как колебательная система. Амортизация конструкции РЭА. Схемы размещения амортизаторов. Прочность конструктивных элементов. Фиксация крепежных элементов. Срок службы конструкции.

Защита аппаратуры от воздействия помех. Природа помех. Классификация помех. Способы снижения помех. Помехи в сигнальных проводниках. Помехи в «коротких» связях. Помехи при соединении элементов «длинными» связями. Паразитные наводки в «длинных» линиях связи. Методы разводки «длинных» линий связи. Наводки по цепям питания и методы их уменьшения. Применение индивидуальных сглаживающих конденсаторов. Уменьшение общих участков протекания токов элементов по шинам питания. Помехоподавляющие фильтры. Использование металлического листа в качестве «земли». Использование сплошных металлических прокладок в качестве шин питания. Применение экранов в РЭА. Электростатическое экранирование. Магнитостатическое экранирование. Электромагнитное экранирование.
^ 6.1. Защита от механических воздействий [1, 2]
Виды механических воздействий на РЭА. Все виды РЭА подвергаются воздействию внешних механических нагрузок (вибрации, удары, ускорения, акустические шумы), которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Механические воздействия имеют место в работающей РЭА, если она установлена на подвижном объекте, или только при транспортировке ее в нерабочем состоянии, как в случае стационарной и некоторых видов возимой РЭА. Количество переданной энергии определяет уровень и характер изменения конструкции. Допусти­мые уровни механического изменения конструкции определяются ее проч­ностью и устойчивостью к механическим воздействиям.

Под прочностью конструкции понимается способность аппаратуры выполнять функции и сохранять параметры после приложения механиче­ских воздействий. Устойчивость конструкции - способность РЭА сохра­нять функции и параметры в процессе механических воздействий.

Откликом, или реакцией конструкции на механические воздействия называют трансформацию и преобразование энергии меха­нического возбуждения. К ним относятся механические напряжения в элементах конструкции, перемещения элементов конструкции и их соударения, деформации и разрушения конструктивных элементов, изменения свойств и параметров конструкции.

Механические воздействия могут приводить к взаимным перемещениям деталей и узлов, деформации крепежных, несущих и других элементов конструкций, их соударению. При незначительных механических воздейст­виях в элементах конструкций возникают упругие деформации, не сказывающиеся на работоспособности аппаратуры. Увеличение нагрузки приводит к появлению остаточной деформации и при определенных усло­виях разрушению конструкции. Разрушение может наступить и при нагрузках, много меньших предельных значений статической прочности мате­риалов, если конструкция окажется подверженной знакопеременным на­грузкам.

Отказы аппаратуры бывают восстанавливаемыми после снятия или ослабления механического воздействия (изменение параметров компонентов, возникновение электрических шумов) и невосстанавливаемыми (обрывы и замыкания электрических соединений, отслаивание проводников печатных плат, нару­шение элементов крепления и разрушение несущих конструкций).

На транспортируемую РЭА в процессе ее эксплуатации воздействует вибрации, ударные нагрузки и линейные ускорения. ^ Гармонические вибрации характеризуются частотой, амплитудой, ускорением. Ударные нагрузки характеризуются числом одиночных ударов или их серией (обычно оговаривают максимальное число ударов), длительностью ударного импульса и его формой, мгновенной скоростью при ударе, перемещением соударяющихся тел. Линейные ускорения характеризуются ускорением, длительностью, знаком воздействия ускорения.

Возникающие при вибрациях, ударах и ускорениях перегрузки оценивают соответствующими коэффициентами. Для уменьшения воздействия вибраций и ударов аппаратуру устанавливают на амортизаторы или применяют демпфирующие материалы.

Воздействие линейных ускорений эквивалентно увеличению массы аппаратуры и при значительной длительности воздействия требует увеличения прочности конструкции. Амортизаторы от линейных перегрузок практически не защищают.

Как показывает опыт эксплуатации транспортируемой РЭА, наибольшее разрушающее воздействие на конструкцию оказывают вибрации. Как правило, конструкция аппарата, выдержавшая воздействие вибрационных нагрузок в определенном частотном диапазоне, выдерживает ударные нагрузки и линейные ускорения с большими значениями соответствующих параметров.

Понятие виброустойчивости и вибропрочности. В отношении конструкции РЭА различают два понятия: вибрационная устойчивость и вибрационная прочность.

^ Вибрационная устойчивость - свойство объекта при заданной вибрации выполнять заданные функции и сохранять значения своих параметров в пределах нормы. Вибрационная прочность - прочность при заданной вибрации и после прекращения ее.

Воздействие транспортной тряски складывается из ударов и вибраций. Введение амортизаторов между РЭА и объектом в качестве среды, уменьшающей амплитуду передаваемых колебаний и ударов, снижает действующие на РЭА механические силы, но не уничтожают их полностью. В некоторых случаях образованная с введением амортизаторов резонансная система влечет за собой возникновение низкочастотного механического резонанса, который приводит к увеличению амплитуды колебаний РЭА.
Понятие жесткости и механической прочности конструкции. При разработке конструкции РЭА необходимо обеспечить требуемую жесткость и механическую прочность ее элементов.
^ Жесткость конструкции есть отношение действующей силы к деформации конструкции, вызванной этой силой. Под прочностью конструкции понимают нагрузку, которую может выдержать конструкция без остаточной деформации или разрушения. Повышение прочности конструкции РЭА связано с усилением ее конструктивной основы, применением ребер жесткости, контровки болтовых соединений и т. д. Особое значение имеет повышение прочности несущих конструкций и входящих в них узлов методами заливки и обволакивания. Заливка пеноматериалом позволяет сделать узел монолитным при незначительном увеличении массы.

Конструкция как колебательная система. Во всех случаях нельзя допускать образования механической колебательной системы. Это касается крепления монтажных проводов, микросхем, экранов и других частей, входящих в РЭА.


Основными параметрами любой конструкции с позиций реакции на механические воздействия являются масса, жесткость и механическое со­противление (демпфирование). При анализе влияния вибраций на конструк­ции модулей последние представляют в виде системы с сосредоточенными параметрами, в которой заданы масса изделия m, элемент жесткости в виде пружины и элемент механического сопротивления в виде демпфера, характеризующиеся параметрами k и r соответственно.

При необходимости построения более сложных моделей, например пластины с установленными на ней модулями, можно воспользоваться мо­делью, приведенной на рис. 6.1.1, и при достаточно большом числе ячеек полу­чить модель системы с распределенными параметрами.




Рис. 6.1.1.
Важнейшим показателем механической системы является чис­ло степеней свободы, определяющих положение системы в про­странстве в любой момент времени. Рассматриваемое число степеней свободы кон­струкции зависит от степени ее упрощения, т. е. модель должна в определенной степени отображать реальную конструкцию и быть достаточно простой для исследования.

В системе с одной степенью свободы внешней силе F(t) в каждый мо­мент времени будут противодействовать силы инерции массы Fm, жесткости Fk и демпфирования Fr:

F(t) = Fm + Fr + Fk. (6.1.1)

Fm = m d2/dt2, Fr = r d/dt, Fk = k .

где  смещение системы от положения равновесия под воздействием си­лы F(t).

Линейное дифференциальное уравнение, описывающее состояние системы в любой момент времени:

m d2/dt2 + r d/dt + k F(t). (6.1.2)

Уравнение собственных колебаний системы можно получить, прирав­няв F(t) нулю, при этом получим (без учета начальной фазы):

exp(-t) sin ot

где o - начальные амплитуда колебаний;  = г/(2m) - ко­эффициент демпфирования; o = = 2fo - собственная частота колебаний системы с демпфированием.

В реальных механических системах в каждом цикле колебаний проис­ходят потери энергии затухание колебаний.

Решение дифференциального уравнения вынужденных колебаний системы (при F(t) = Fm sin t)име­ет вид:

exp(-rot) sin ot + Aв sin t.

Первое слагаемое описывает собственные колебания сис­темы с частотой, второе - вынужденные колебания, где  и Aв - амплитуда соответственно собственных и вынужденных колебаний. Когда частота собственных колебаний системы близка к частоте вы­нужденных, в колебательной системе возникает явление механического ре­зонанса, что может привести к повреждению конструкции.

Амортизация конструкции РЭА. Один из эффективных методов повышения устойчивости конструкции, как транспортируемой, так и стационарной, к воздействию вибраций, а также ударных и линейных нагрузок - использование амортизаторов. Действие амортизаторов основано на демпфировании резонансных частот, т. е. поглощении части колебательной энергии. Аппаратура, установленная на амортизаторах, в общем случае может быть представлена в виде механической колебательной системы с шестью степенями свободы: совокупностью связанных колебаний, состоящих из линейных перемещений, и вращательных колебаний по каждой из трех координатных осей.

Эффективность амортизации характеризуется коэффициентом динамичности или передачи, числовое значение которого зависит от отношения частоты действующих вибраций f к частоте амортизированной системы fo.

При разработке схемы амортизации необходимо стремиться к тому, чтобы система имела минимальное число собственных частот и чтобы они были в 2-3 раза ниже наименьшей частоты возмущающей силы.

Для амортизированной аппаратуры следует как можно больше уменьшать собственную частоту, а для неамортизированной, напротив, увеличивать, приближая ее к верхней границе возмущающих воздействий или превышая ее.

Схемы размещения амортизаторов. Конструирование системы амортизации РЭА обычно начинается с выбора типа амортизаторов и схемы их размещения. Выбор амортизаторов производят исходя из допустимой нагрузки и предельных значений параметров, характеризующих условия эксплуатации. К таким параметрам относятся: температура окружающей среды, влажность, механические нагрузки, присутствие в атмосфере паров масла, дизельного топлива и т. д.




Рис. 6.1.2.
Выбор схемы расположения амортизаторов зависит главным образом от расположения аппаратуры на носителе и условий динамического воздействия. На рис. 6.1.2 представлены основные схемы расположения амортизаторов. Вариант 'а' довольно часто используется для амортизации сравнительно небольших по габаритам блоков. Такое расположение амортизаторов удобно с позиций общей компоновки блоков на объекте. Однако при этом расположении амортизаторов принципиально невозможно получить совпадение центра тяжести (ЦТ) с центром масс (ЦМ) и не получить рациональной системы. То же можно сказать про вариант размещения 'б'. Вариант размещения 'в' позволяет получить рациональную систему, однако такое расположение амортизаторов не всегда удобно при размещении на объекте. Размещение типа 'г' и 'д' является разновидностью варианта 'в' и используется в том случае, если лицевая панель блока размещается вблизи амортизатора, расположенного снизу. Размещение амортизаторов типа 'е' используется в стоечной аппаратуре, когда высота РЭА значительно больше глубины и ширины стойки. Чтобы ослабить колебания стойки вокруг осей х и у, ставят дополнительно два амортизатора сверху стойки.

Прочность конструктивных элементов. Механическую прочность элементов конструкции проверяют метода­ми сопротивления материалов и теории упругости для простейших конструкций с распреде­ленной и смешанной нагрузкой. В большинстве практических случаев кон­струкции деталей РЭА имеют более сложную конфигурацию, затрудняющую определение в них напряжений. При расчетах сложную деталь заменяют ее упрощенной моделью: балкой, пластиной, рамой.

К балкам относят тела призматической формы, длины которых значи­тельно превышают все прочие геометрические размеры конструкции. Кон­цы балок защемляются (сваркой, пайкой), опираются шарнирно-подвижно (установкой в направляющие) или шарнирно-неподвижно (одиночное винтовое соедине­ние). Пластинами считают тела прямоугольной формы, толщина которых мала по сравнению с размерами основания. К подобным конструкциям от­носят печатные платы, стенки кожухов приборов, стоек, панелей и прочих подобных конструкций. Жесткое закрепление края пластин осуществляется пайкой, сваркой, зажимом, винтовым соединением; шарнирное закрепление - установкой пластин в направляющие, гнездовой соединитель. Рамными конструкциями моделируются многовыводные компо­ненты: микросхемы, реле и пр.

При проектировании конструкции выполняют:

- проверочные расчеты, когда форма и размеры детали известны (вы­явлены при конструировании);

- проектные расчеты, когда размеры опасных сечений неизвестны и их определяют на основе выбранных допустимых напряжений;

- расчеты допускаемых нагрузок по известным опасным сечениям и допустимым напряжениям.

При проведении проверочных расчетов на упругие колебания с уче­том направления воздействия вибраций выделяют детали и узлы, имеющие наибольшие деформации, выбирают расчетные модели, рассчитывают соб­ственные частоты, определяют нагрузки и сравнивают полученные значения с пределами прочности выбранных материалов, при необходимости прини­мают решение о повышении прочности конструкции.

Для увеличения вибропрочности в конструкции отдельных элементов вводятся дополнительные крепления, ребра и рельефы жесткости, отбортовки, выдавки, используются материалы с высокими демпфирующими свойст­вами, демпфирующие покрытия.

Внешние вибрационные воздействия часто задаются довольно узким диапазоном частот. В правильно сконструированной аппаратуре собствен­ная частота fo конструкции не должна находиться в спектре частот внешних воздействий. Хотя любая конструкция обладает несколькими значениями собственных частот, однако расчет выполняется только для низших значений fo, поскольку деформации конструкций в этом случае будут максимальными. Если низшее значение собственной частоты входит в диапазон внешних воздействий, то конструкцию дорабатывают с целью увеличения fo и выхода из спектра частот внешних воздействий.

Под жесткостью конструкции понимается способность системы (элемента, детали) противостоять действию внешних нагрузок с деформа­циями, не допускающими нарушение ее работоспособности. Количественно жесткость оценивается коэффициентом жесткости  = Р/, где Р - дей­ствующая сила;  максимальная деформация. Конструкцию можно представить в виде совокупности элементов (деталей), каждый из которых работает как балка определенной длины и сечения, закрепленная на одном или обоих концах. Известно, что жесткость защемленной на одном конце балки, находящейся под воздействием сосре­доточенной нагрузки, вычисляется по выражению EF/l при работе балки на растяжение или сжатие и по выражению 3EJ/13 при работе балки на изгиб (Е - модуль упругости материала балки; F - площадь сечения; J - осевой мо­мент инерции; l - длина балки). Чем больше модуль упругости материала, тем выше жесткость бал­ки. Жесткость конструкции зависит от длины, формы и размеров по­перечного сечения балки.

В таблице приведены параметры материалов, применяющихся для конструкций РЭА. Удельная прочность и жесткость материалов рассчитыва­ется по следующим выражениям:

• для металлов: pуд = []p/ , иуд = []и2/3/, Еуд = E/

• для неметаллов: pуд = []p/ , иуд = []и2/3/,

где р — плотность вещества.

Параметры конструкционных материалов

Материал



Марка



р, МПа



Е, ГПа



 г/см2



Удельная прочность и жесткость

руд

иуд

Еуд

Сталь углеродистая



Ст10

334

203

7,85

42,5

12

26

Ст45

600

200

7,85

76,5

18

25,5

Сталь легированная

39ХГСА

490

198

7,85

62

15,7

25,3

Алюминиевые спла­вы



АД-1

58

69

2,7

21

7,7

26

В-95

275

69

2,8

96

21

24

Магниевые сплавы



МА2-1

255

40

1,8

142

27

23

МА2-8

275

40

1,8

154

29

22

Медные сплавы



Л-63

294

103

8

35

11

12

Бр-Б2

392

115

8

48

13

14

Титановые сплавы



ВТ1-0

687

113

4,5

152

28

25

ВТЗ-1

1176

113

4,5

218

41

25

Фенопласт

К-21-22

64

8,6

1,4

38

46

6,2

Пресс-материал

АГ-4С

245

34

1,8

273

136

19

Гетинакс

II

98

21

1,4

49

70

15

Текстолит

ПТК

157

10

1,4

70

112

7

Стеклотекстолит

ВФТ-С

245

—

1,85

180

132

—

Фторопласт

4А

14

0,44

2,2

10

6,2

0,2

Стеклопластик

СВАМ-ЭР

687

21

2

221

343

10,3

Пенопласт

ПС-1

—

0,15

0,35

14

—

0,45


Вибрации, направленные ортогонально к плоскости печатной платы, попеременно изги­бают ее и влияют на механическую прочность установленных на ней микросхем и ком­понентов. Если компоненты считать жестки­ми, то изгибаться будут их выводы. Большинство отказов компонентов происходит из-за поломки паяных соединений выводов с платой. Наиболее жест­кие воздействия имеют место в центре платы, а для прямоугольных плат еще и при ориентации тела элемента вдоль короткой стороны платы. Приклеивание компонентов к плате значительно улучшает надеж­ность паяных соединений. Защитное лаковое покрытие толщиной 0,1.. .0,25 мм жестко фиксирует компоненты и увеличивает надежность РЭА.

Механические напряжения на паяные соединения от воздействия виб­раций можно уменьшить: увеличением резонансных частот, что позволяет уменьшить прогиб платы; увеличением диаметра контактных площадок, что повышает проч­ность сцепления контактной площадки с платой; подгибом и укладыванием выводов элементов на контактную площадку,
что увеличивает длину и прочность сцепления паяного соединения; уменьшением добротности платы на резонансе ее демпфированием многослойным покрытием лака.

Экспериментальные данные собственных частот печатных плат

Размеры ПП, мм

35

70

140

Толщина ПП, мм

Собственная частота, Гц

25

2780

2070

2260

1,0

5100

3800

3640

1,5

50

1400

690

520

1,0

2600

1270

955

1,5

75

1120

450

265

1,0

2030

830

490

1,5

В таблице выше приведены экспериментальные данные по собственным частотам ПП в зависимости от их линейных размеров. Материал плат - стеклотекстолит, монтаж элементов - двусторонний, фиксация платы - по всему периметру. Чтобы собственные частоты превысили границы верхнего диапазона частот внешних воздействий, необходимо увеличивать толщину или уменьшать ширину (длину) платы.

Фиксация крепежных элементов. При воздействии вибраций возможно отвинчивание крепежных эле­ментов, для предотвращения которого вводят фиксаторы, увеличивают силы трения, устанавливают крепеж на краску и пр. При выборе методов фикса­ции крепежных элементов должны учитываться следующие соображения: обеспечение прочности соединения при заданных нагрузках и кли­матических воздействий; быстрота выполнения соединения, его стоимость; последствия, к которым приведет отказ соединения; срок службы.

Следует принимать во внимание возможность замены износившихся или поврежденных деталей, использо­вать вместо винтовых пар быстро сочленяемые элементы: петли, защелки, собачки и пр. Болты должны быть ориентированы головкой вверх, чтобы при отвинчивании гайки болты оказывались на установочном месте. Реко­мендуется применять несколько больших крепежных деталей вместо боль­шого числа маленьких. Число оборотов, необходимых для затягивания или отпускания винта, должно быть не менее 10.

Срок службы конструкции. При колебаниях в конструкциях возникают переменные напряжения и конструкции могут разрушаться при нагрузках, значительно меньших пре­дельной статической прочности материалов из-за появления микротрещин, на рост которых влияют особенности кристаллической структуры материа­лов, концентрации напряжений в углах микротрещин, условий окружающей среды. По мере развития микротрещин поперечное сечение детали ослабля­ется и в некоторый момент достигает критической величины - конструкция разрушается.

Если масса изделия не является критическим фактором, то конструкцию упрочняют, используя материалы с запасом, избегают введения отверстий, над­сечек, сварных швов, ведут расчеты конструкций методом наихудшего случая.

Конструктивную целостность аппаратуры и защиту от ме­ханических воздействий обеспечивает конструкционный материал, который должен удовлетворять заданными меха­ническими и физическими свойствами, обладать легкостью в обработке, коррозионной стойкостью, низкой стоимостью, иметь максимальное отно­шение прочности к массе и пр. В зависимости от сложности несущую конструкцию выполняют в виде единой детали либо составной, включающей несколько деталей, объединен­ных в единую конструкцию разъемными или неразъемными соединениями. В современной аппаратуре с применением микросхем масса несущих конструкций дости­гает 70 % от общей массы РЭА. Основной путь к снижению массы изделий — облегчение несущих конструкций при одновременном обеспечении ими требований прочности и жесткости.

Срок службы конструкции при вибровоздействиях определяется чис­лом циклов до разрушения, которое может выдержать конструкция при за­данном уровне механической нагрузки. Усталостные характеристики материалов выявляются на группе образцов при знакопере­менной повторяющейся нагрузке.

^ 6.2. Защита АППАРАТУРЫ от воздействия помех [1, 2]

Надежность и достоверность работы РЭА и систем зависят от их помехозащищенности по отношению к внешним и внутренним, случайным и регулярным помехам. От правильного решения задачи обеспечения помехоустойчивости элементов и узлов РЭА зависят как сроки разработки изготовления и наладки РЭА, так и нормальное ее функционирование в процессе эксплуатации.

Природа помех. Помехой для аппаратуры является внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению аналоговой или дискретной информации в изделии во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи. Помеха - непредусмотренный при проектировании РЭА сигнал, спо­собный нарушить ее функционирование. Так как сигналы в РЭА имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации. Помехами могут быть напряжения, токи, электрические заряды, напря­женность поля и др. Источники помех многообразны по физической природе и подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние помехи возникают внутри работающей аппаратуры. Источ­никами электрических помех являются, в основном, блоки питания и токоразводящие цепи. Источни­ками магнитных помех являются трансформаторы и дроссели. При наличии пульсаций выходного напряжения вторичных источников электропитания цепи распределения электроэнергии, тактирующие и синхронизирующие це­пи следует рассматривать как источники электромагнитных помех. Значи­тельные помехи создают электромагниты, электрические двигатели, реле и электромеханические устройства. Внутренними помехами являются также помехи от рассогласова­ния волновых сопротивлений линий связи с входными и выходными сопро­тивлениями модулей, которые эти линии соединяют, а также помехи, возни­кающие по земляным шинам.

Под внешними помехами понимаются помехи сети электропитания, сварочных аппаратов, щеточных двигателей, передающей радиоэлектронной аппаратурой и пр., а также помехи, вызванные разрядами статического элек­тричества и атмосферными явлениями. Действие на аппаратуру внешних помех по физической природе аналогично действию внутренних помех.

Приемниками помех являются высокочувствительные усилители, ли­нии связи, магнитные элементы. Помехи проникают в ап­паратуру непосредственно по проводам или проводникам (гальваническая помеха), через электрическое (емкостная помеха), магнитное (индуктивная помеха) или электромагнитное поле. Многочисленные проводники, входя­щие в состав любой аппаратуры, можно рассматривать как приемо­передающие антенные устройства, принимающие или излучающие электро­магнитные поля.

Гальваническая связь возникает в результате протекания токов и па­дения напряжений на электрических соединениях, общих по цепям питания. Поэтому проводники, объединяющие модули в единую систему, должны быть по возможности короткими, а их поперечные сечения возможно большими, что приводит к уменьшению активного сопротивления и индуктивности проводов. Радикальным способом устранения гальванической помехи является устранение цепей, по которым проходят совместные токи питания и земли как чувствительных к помехам схем, так и сравнительно мощных схем.

Борьба с помехами приобретает все большую актуальность по следующим причинам.

1. Энергетический уровень информационных сигналов имеет тенденцию к уменьшению, а энергетический уровень внешних помех непрерывно увеличивается.

2. Увеличение взаимного влияния элементов из-за уменьшения габаритных размеров активных элементов и линий связи между ними, а также увеличение плотности их размещения.

3. Возрастание уровня помех из-за усложнения систем и расширения применения внешних устройств с большим количеством электромеханических узлов.

4. Внедрение РЭА во все сферы человеческой деятельности.




Рис. 6.2.1. Классификация помех в РЭА
Классификация помех. Помехи могут быть классифицированы по причине наведения, характеру проявления и пути распространения (рис. 6.2.1).

Основные причины, вызывающие искажения сигналов при прохождении их по цепям РЭА, следующие:

а)  отражения от несогласованных нагрузок и от различных неоднородностей в линиях связи;

б)  ухудшение фронтов и задержки, возникающие при включении нагрузок с реактивными составляющими;

в)  задержки в линии, вызванные конечной скоростью распространения сигнала;

г)  перекрестные помехи;

д)  паразитная связь между элементами через цепи питания и заземления;

е)  наводки от внешних электромагнитных полей.

Степень влияния каждого из перечисленных факторов на искажение сигналов зависит от характеристик линий связи, логических элементов и сигналов, а также от конструктивного выполнения всей системы элементов и связей.
Способы снижения помех. Электрическое объединение логических и других элементов РЭА осуществляют связями двух видов: сигнальными и цепями питания. По сигнальным связям информация передается в виде импульсов напряжения и тока. Шины питания служат для подведения энергии к элементам от низковольтных источников постоянного напряжения.
Помехи в сигнальных проводниках. Связи между элементами РЭА выполняются различными способами: для сравнительно медленных устройств - в виде печатных или навесных проводников; в устройствах с повышенными скоростями работы - в виде печатных полосковых линий, «витых пар» (бифиляров).

При группировке элементов по узлам и блокам между ними образуется большое число электрически «коротких» и электрически «длинных» связей.

Электрически «короткой» называют линию связи, время распространения сигнала в которой много меньше переднего фронта передаваемого по линии импульса. Сигнал, отраженный от несогласованных нагрузок в этой линии связи, достигает источника раньше, чем успеет измениться входной импульс. Свойства такой линии можно описать сосредоточенными сопротивлениями, емкостью и индуктивностью.

Электрически «длинная» линия связи характеризуется временем распространения сигнала, много большим фронта импульса. В этой линии отраженный от конца линии сигнал приходит к ее началу после окончания фронта импульса и искажает его форму. Такие линии следует рассматривать как линии с распределенными параметрами.

В ИС, ячейках и модулях связи, как правило, электрически «короткие» линии. В более крупных конструктивных единицах РЭА в основном электрически «длинные» линии. Доля «длинных» связей с ростом сложности аппаратуры возрастает.

Помехи в «коротких» связях. При анализе процессов передачи сигналов электрически «короткую» линию связи можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 6.2.2), содержащей сосредоточенные индуктивность L и емкость C (омическим сопротивлением пренебрегают), которые "затягивают" фронты сигналов и тем самым создают задержки срабатывания последующих схем.




Рис. 6.2.2.
В зависимости от геометрических размеров сечений линий, их длины, диэлектрических свойств изоляционных материалов, тот или иной параметр линии может преобладать и оказывать большее воздействие на процессы передачи сигнала, чем все остальные. Для уменьшения задержки в линиях с индуктивным характером связи следует увеличивать входное сопротивление элемента Э2, при емкостном характере – уменьшать выходное сопротивление элемента Э1.

С уменьшением геометрических размеров элементов и повышением плотности их размещения между сигнальными проводниками возникают емкостная и индуктивная связи, которые также можно представить как связь через взаимную емкость и взаимную индуктивность. При переключении элементов по сигнальным цепям протекают импульсные токи с крутыми фронтами, которые вследствие наличия паразитных связей наводят на соседних сигнальных проводниках помехи. При этом емкостная наводка изменяет потенциал всей линии связи, а индуктивная создает разность потенциалов между входом и выходом линии. Для снижения взаимных наводок необходимо уменьшать выходное сопротивление элементов, амплитуды токов, длину связей и их сечения, расстояние между линиями связи, применять изоляционные материалы с хорошими диэлектрическими свойствами.

Помехи при соединении элементов «длинными» связями. Электрически «длинную» линию связи рассматривают как однородную линию с распределенной емкостью Со и индуктивностью Lo. Переходные процессы в таких линиях зависят от характера перепада напряжения uвх на входе линии и соотношения волнового сопротивления линии z0, выходного сопротивления zr генератора импульсов и входного сопротивления zн нагруженного на конец линии элемента (рис. 6.2.3).




Рис. 6.2.3.
Если линия с волновым сопротивлением z0 нагружена на сопротивление zн, и z0= zн, то такую линию называют согласованной, если z0zн, линию называют несогласованной. При этом волна напряжения, достигнув конца линии, отражается от него. Отраженная волна, достигнув начала линии, затухает при zг=z0. Если zгz0, волна вновь отражается от начала линии.

Процесс поочередного отражения волны напряжения от обоих концов линии связи идет с затуханием и продолжается до тех пор, пока амплитуда отраженной волны не уменьшится до нуля. Отраженные волны напряжения накладываются на падающие, и в итоге форма входного напряжения может существенно исказиться. Аналогичные явления происходят и с волной тока. Отражения волн напряжения и тока могут быть не только от несогласованных нагрузок на концах линий, но и от различных неоднородностей в ней самой.

Рассмотренные процессы могут вызывать выбросы напряжения. Для уменьшения влияния выброса на параметры нагружен­ных схем в качестве нагрузки используют диоды Шоттки как динамические нелинейные сопротивления. По мере возникновения паразитного выброса один из диодов начинает открываться до тех пор, пока его сопротивление не станет приблизительно равным волновому сопротивлению линии. Другой диод смещен в обратном направлении и предназна­чен для гашения обратного выброса. В результате энер­гия выбросов поглощается, что ведет к повышению устойчи­вости работы схем. Особенно эффективно использование диодов Шоттки для длинных (до 1 м) линий связей, обычно выполняемых бифиляром.
Паразитные наводки в «длинных» линиях связи. Если ли­нии связи между элементами не экранированы, то электро­магнитные поля, возникающие при прохождении по ним импульсных высокочастотных сигналов, не локализованы и в той или иной степени взаимодействуют между собой. При этом на линиях-приемниках возникают паразитные сигналы, форма и амплитуда которых зависят от характеристик линии-приемника и линии-индуктора, величины их связи между собой, параметров передаваемых сигналов и степени рассогласования самих линий.
Известно, что только при полном согласовании обеих линий импульс наводимого напряжения имеет минималь­ные амплитуду и длитель­ность. Рассогласование ли­нии-приемника на одном из ее концов приводит к увеличению амплитуды и длительности наводимой помехи.

Методы разводки «длинных» линий связи. В быстродействующих системах, в которых задержка определяется только задержками в цепях связей, основную проблему может составить способ разводки линий между отдельными ИС. В настоящее время существует три способа разводки: радиальный, с промежуточными отводами, комбинированный.

При радиальном способе разводки каждую ИС-нагрузку подключают к ИС-источнику сигнала индивидуальной связью, при этом ИС-источник сигнала должна иметь выходное сопротивление, равное z0/n, где n – число нагруженных на нее ИС. При большом n потребуется ИС-источник сигнала с недостижимо малым выходным сопротивлением. Другой недостаток радиального способа - необходимость наличия отдельной линии связи для каждой нагрузки. Поэтому радиальный метод рекомендуют только для небольшого количества нагрузок.

При способе разводки с промежуточными отводами ИС-нагрузки подключают к связи-магистрали и далее к ИС-источнику сигнала через короткие проводники, при этом нагрузочные ИС должны иметь высокие входные сопротивления, иначе они бу