Обеспечение помехоустойчивости электромонтажных линий.

Электромонтажом называется совокупность элементов конструкции ЭС, предназначенная для обеспечения электрически неразрывных связей при объединении модулей нижестоящего конструктивного уровня в модули вышестоящего уровня.

Электромонтаж предназначен для реализации электрически неразрывных связей, по которым распространяются непрерывные или дискретные сигналы. При распространении сигнала по электромонтажным линиям связи могут измениться его форма, фаза, а также произойти затухание амплитуды сигнала. Кроме того, из-за наличия непредусмотренных электрической схемой связей между различными электромонтажными линиями могут возникнуть так называемые перекрестные помехи, выражающиеся в непредусмотренном появлении сигнала в соседней линии. Причинами помех являются протекающие по электромонтажным линиям токи и наведенные ими на соседние проводники паразитные сигналы, а также электромагнитные поля от внутренних и внешних источников излучения и возникающие в следствии этого блуждающие токи в несущих конструкциях.     

Поскольку в общем случае электромонтажная линия состоит из элементов контактирования (например, контактные площадки, переходные отверстия на ПП и т.д.) и элементов межконтактной коммутации (например, провода, кабели, трассы ПП и т.д.), то оптимальное построение электромонтажа включает в себя и оптимизацию элементов контактирования и элементов коммутации.

В дальнейшем подробнее рассмотрим непредусмотренные электрической схемой связи между элементами конструкции, сопровождающиеся передачей электромагнитной энергии, - так называемые паразитные связи в конструкции ЭС. Из всех элементов конструкции наиболее подвержены таким связям именно элементы электромонтажа.

При проектировании электромонтажных линий необходимо предварительно определить тип линии, затем возможные виды и оценки паразитных связей в ней и дать конструктивную реализацию наиболее помехоустойчивой линии связи.

А. Электрическая длина электромонтажных линий.

Проектирование электрических цепей должно вестись с учетомвозможных допустимых искажений передаваемых сигналов. Электрические связи между отдельными конструктивными элементами обычно делят на:

- электрически короткие связи;

- электрически длинные связи.

Электрически короткой линией связи называют такую, в которой время распространения сигнала много меньше длительности фронта передаваемого импульса, а при непрерывном сигнале не превышает 0,1 полуволны. Сигнал, отраженный от несогласованной нагрузки, в такой линии достигает источника раньше, чем успеет существенно исказиться полезный сигнал. Электрические свойства такой линии оцениваются сосредоточенными характеристиками: сопротивлением R, емкостью С и индуктивностью L.

Электрически длинная линия связи характеризуется временем распространения сигнала больше, чем длительность фронта передаваемого импульса, а для непрерывного сигнала – временем задержки большим, чем 0,1 полупериода. В такой линии отраженный сигнал приходит к ее началу после окончания фронта импульса и искажает его форму. При расчетах такие линии рассматривают как линии с распределенными параметрами.

Отсюда можно сделать вывод, что одна и та же линия для одного сигнала должна рассматриваться как длинная, а для другого может быть и короткой.

Все линии связи, используемые для соединения ячеек, кассет, панелей в пределах одного блока, обычно считаются короткими. Линии связи межблочные и межстоечные в зависимости от передаваемых сигналов могут быть отнесены либо к длинным, либо к коротким.

Искажение сигналов в электрически длинной линии существенно влияет на работу аппаратуры. Если переходной процесс апериодический, то быстродействие цифровой аппаратуры уменьшается, т.к. увеличивается время нарастания амплитуды сигнала до номинального значения и тактовая частота следования импульсов должна быть уменьшена. Если переходной процесс колебательный, то это может вызвать ложное срабатывание логических элементов при значительной амплитуде колебаний около порогового значения. Кроме того, выбросы напряжения могут привести к пробою р- n переходов полупроводниковых приборов.

Отраженные в электрически коротких линиях импульсы не представляют большой опасности из-за малой длительности отраженных сигналов. Но в таких линиях существенными становятся паразитные связи.

В. Виды паразитных связей. 

 Известно, что важной характеристикой электрического проводника в

электрическом поле является его емкость, т.е. способность проводника с током и окружающей его среды накапливать энергию электрического поля. В магнитном поле такой характеристикой является индуктивность. Это явление порождает возникновение паразитных связей. Появление перекрестных помех в ЭС обусловлено взаимодействием электромонтажных линий, причиной которого являются паразитные связи.

Основные виды паразитных связей делят на:

- емкостные,

- индуктивные,

- кондуктивные.

Емкостная связь осуществляется через паразитную емкость, а индуктивная – через паразитную индуктивность между электромонтажными линиями. В тех случаях, когда элементы электромонтажной линии являются общими для нескольких электрических цепей, могут иметь место кондуктивные паразитные связи. В качестве таких общих участков выступают шины питания, земляные шины, внутреннее сопротивление источника питания, общие участки корпуса и лепестки, к которым подсоединяются одновременно различные цепи.

В. Связь конструкивных и электрических параметров электромонтажных линий.

Величина и характер искажений сигналов в линиях связи, а также уровень перекрестных помех между соседними электромонтажными линиями зависят от электрических параметров электромонтажа: индуктивности, емкости линии, значения и неоднородности волнового сопротивления линии, паразитной электрической емкости, взаимоиндуктивности между соседними линиями связи, общего для различных линий сопротивления.

Значения электрических параметров электромонтажных линий связи, в свою очередь, зависят от конструктивных факторов: поперечного сечения, длины, конструктивного исполнения (печатный монтаж, объемный монтаж и т.п.), взаимного расположения линий связи, физических параметров конструкционных материалов. Поэтому конструктор ЭС должен уметь вести борьбу с искажениями электрических сигналов конструктивными мерами.

Для этого необходимо определить каким образом и как влияют на изменение параметров Е электромагнитной подсистемы S_эм характеристики пространственной подсистемы S_пр – форма и размеры элементов связи, и параметры механической подсистемы S_м – свойства материалов электромонтажных линий.

Индуктивность и емкость линий, а также волновое сопротивление в зависимости от схемы расположения проводников и их конструктивных параметров определяется по формулам, приводимым в справочной литературе. Используя графические и аналитические зависимости, по значениям конструктивных параметров можно вычислить электрические параметры электромонтажных линий связи, выполненных из объемного провода и печатного монтажа. Некоторые виды линий, электрические характеристики которых могут быть определены через указанные геометрические параметры, приведены на рис.9.8.

Рис. 9.8. Варианты линий, с установленными характеристиками.

                        

Ранее установлено, что нарушение устойчивости работы электрической схемы может происходить не только за счет помех, передаваемых по электромагнитному полю, но и за счет мешающих сигналов, протекающих по монтажным проводам. Эти сигналы за счет паразитных связей могут наводить в других цепях сигналы помех, которые приводят к потере устойчивости, нарушению работы и сбою команд в радиоустройствах. Так, при неправильной конструкции усилителя постоянного тока склонны к самовозбуждению, при этом паразитная генерация возникает в широком диапазоне частот от единиц герц до сотен мегагерц.

   Чаще всего конструктору приходится решать задачу определения допустимой длины соединительной линии, исходя из допускаемой задержки импульса и возможного мещающего сигнала. Все эти расчеты имеют свои сложности, особенно при определении суммарной помехи. Поэтому конструкторы ЭС придерживаются общего правила: “Длина проводников, лежащих в одной плоскости, должна быть минимальной.”

     Для предотвращения паразитных монтажных связей в разрабатываемом устройстве (с частотой до 400 МГц) рекомендуются следующие конструктивные меры:

1) Установить развязывающие фильтры в высокочастотных и импульсных схемах непосредственно у активного элемента. Для проводов питания, проводов, подходящих к замыкающим контактам реле и переключателей, располагать цепи фильтрации непосредственно у стенки корпуса. Каскады с выходным сигналом весьма высокого и весьма низкого уровня должны помещаться в отдельные отсеки.

2) Каждый элемент, подверженный опасности наводок, должен иметь только одно соединение с шиной земли.

3) ЭС, состоящие из нескольких блоков, должны соединяться кабелем из экранированных проводов, благодаря этому токи, протекающие в противоположных направлениях будут равны и результирующее магнитное поле будет нулевым.

4) Кабели, по которым проходят импульсные сигналы с крутым фронтом или сигналы от источников с большим внутренним сопротивлением, должны быть экранированы.

5) Несущие конструкции должны быть соединены с шиной заземления, но не должны сами служить такой шиной.

6) Все стыки металлических несущих конструкций должны быть сварными, чтобы не возникало переходных электрических контактов. Электрическое сопротивление на стыке соединенных частей не должно превышать 2,5* 10 ^–3 Ом. 

7) Для защиты от низкочастотных магнитных полей предпочтительна стальная оплетка экранированного кабеля.

8) Для блоков, рассчитанных на высокие частоты, материал корпуса и шасси должен иметь повышенную электропроводность(серебренная латунь).

 Электрическое объединение элементов ЭС осуществляется по двум каналам связи: сигнальным и цепям питания. Шины питания служат для подведения энергии к элементам от низковольтных источников постоянного напряжения. При использовании одного источника напряжения питание к элементам подводится с помощью двух проводников – прямого и обратного. Часто на элементы необходимо подавать напряжение от нескольких источников с разными номиналами. В этих случаях для уменьшения количества шин питания обратные проводники объединяют в одну шину, которую соединяют с корпусом устройства и называют шиной земли. Так возникает кондуктивная паразитная связь в схеме за счет общих участков протекания тока.

При работе блоков и устройств, когда происходит включение одних элементов и выключение других, потребление тока по шинам питания изменяется, что приводит к нежелательным падениям напряжения и паразитным наводкам.

Так как шины питания имеют и паразитную индуктивную связь с сигнальными проводниками, то, в зависимости от величины этой связи и перепада напряжения и тока при переключении элементов, на сигнальных связях наводятся помехи сравнительно большой величины. При определенных условиях эти помехи могут вызывать ложное срабатывание схем. Кроме того, изменение величины тока в шине питания приводит к возникновению в ней переходного процесса. Это обусловлено тем, что шина питания, как и любая сигнальная связь, обладает емкостью, индуктивностью, волновым сопротивлением и различной степенью согласования на концах. Переходный процесс в шине питания приводит к колебанию напряжения, приложенного к элементу, что изменяет, с одной стороны, режимы его работы, а с другой – параметры выходного сигнала.

Для уменьшения наводок, связанных с падением напряжения на шинах питания и земли и переходными процессами в них, используют следующие рекомендации:

1) Непосредственно возле точек присоединения электронной схемы к шинам питания и земли между последними устанавливают индивидуальные сглаживающие конденсаторы (развязывающие фильтры), которые, будучи заряжены до величины источника напряжения, являются как бы индивидуальными источниками питания, максимально приближенными к схеме физически.

2) Уменьшение общих участков протекания токов элементов по шинам питания. Устанавливают дополнительные перемычки в шинах питания и земли, которые уменьшают длину общих участков протекания токов элементов.

3) Использование металлического листа в качестве земли. В блоки, субблоки, панели устанавливают металлический лист, к которому припаивают обратные провода от всех закрепленных ячеек и модулей.

4) Использование сплошных металлических прокладок в качестве шин питания. В многослойных ПП использование сплошного металлического слоя в качестве шин питания уменьшает собственное индуктивное сопротивление шин питания, увеличивается взаимная емкость между шинами питания.

В высокочастотных ЭС (от единицы мегагерц и выше) сказывается влияние емкости монтажных соединений относительно элементов конструкции и влияние индуктивности соединительных проводников и электрического соединения цепей заземления. Высокочастотные части РЭС рекомендуется выполнять в виде отдельных конструкций, в которых предусматривается устранение взаимных наводок и связей.