Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н.ТУПОЛЕВА

Даутов о.Ш. Электромагнитная совместимость

Конспект лекций

Казань 2007

Лекция 1

1. Сущность проблемы электромагнитной совместимости электронных средств и основные задачи ее обеспечения

Под электромагнитной совместимостью (ЭМС) электронных средств (ЭС) подразумевается способность функционировать в условиях воздействия электромагнитных помех допустимого уровня не создавая при этом помех, превышающих допустимый уровень, для окружающих электронных средств и объектов, чувствительных к электромагнитному воздействию. В течение многих лет развития электротехники, электроники, радиотехники, широкого повсеместного внедрения электронных, радиоэлектронных средств, средств вычислительной техники проблема ЭМС выросла в сложную, комплексную проблему, острота которой имеет тенденцию к возрастанию. Существующий вокруг нас эфир насыщен электромагнитными колебаниями всех диапазонов частот за счет спутниковых средств связи, мобильных телефонов, электрических приборов (особенно искровых: сварка, резка, системы зажигания в двигателях и т.д.), электронных приборов, а также природных явлений – молний, северных сияний и др. Важнейшим понятием является понятие электромагнитного спектра, как некоторого ресурса для передачи электромагнитных воздействий информации между его пользователями, объем которого ограничен. Этот ресурс подвержен загрязнению и требует охраны и дисциплины использования. Обеспечение ЭМС требует сочетания организационных мероприятий и технических решений. К организационным мероприятиям относятся прежде всего законодательное регламентирование использования радиочастотного спектра, требований к допустимому уровню помех, создаваемых электроприборами и электронными устройствами, порядка их испытаний и сертификации, контроля электромагнитной обстановки. Технические решения включают методы и приемы рационального проектирования электронных средств с учетом электромагнитной совместимости, обоснованного применения средств защиты от электромагнитных помех и средств подавления помех, создаваемых проектируемым электронным средством.

Электронные средства представляют собой сложные системы, которые представляют собой объединение узлов и устройств, каждое из которых также можно рассматривать, как автономный объект, который должен в свою очередь удовлетворять требованиям ЭМС. Поэтому различают межсистемную (внешнюю) электромагнитную совместимость и внутрисистемную. Поскольку системы могут входить как составные части в различные комплексы и электромагнитная обстановка (ЭМО) для них может меняться в широких пределах, то и меры по обеспечению их ЭМС принимаются уже на этапе эксплуатации. Например, вычислительные комплексы размещаются внутри экранированных помещений во избежании утечки информации по каналам побочного электромагнитного излучения. Для радиосистем применяется временное разделение работы. Обеспечение же внутрисистемной электромагнитной совместимости может быть осуществлено на этапе проектирования приемами рационального конструирования отдельных элементов и соединений. С экономической точки зрения предпочтительно добиваться в первую очередь максимального снижения уровня на выходе потенциальных их источников. Тогда облегчается задача обеспечения ЭМС многочисленных приемников. Например, фильтр или сглаживающий конденсатор на выходе источника питания, снабжающего несколько электронных схем, позволяет не ставить защитных фильтров или конденсаторов на входе каждой схемы. Во всех случаях решение проблемы ЭМС требует разумного компромисса между затратами на обеспечение ЭМС на проектном этапе (первоначальные затраты) и затраты на исправление дефектов, вызывающих несовместимость на этапе ввода в эксплуатацию.

Минимальные затраты на ЭМС достигаются при условии глубокого знания физики явлений генерирования, распространение и приема электромагнитных помех и точного количественного описания этих явлений. Особенно это актуально для разработчиков современных электронных средств, имеющих высокий уровень интеграции и, как правило, не допускающих исправлений при вводе в эксплуатацию иначе как путем замены дорогостоящих блоков и многокомпонентных узлов. Каналы распределения помех отличаются от традиционных путей распространения полезной информации. В линиях связи, например, под помехой подразумевается сигнал, несанкционированно проникающий из одной линии в другую зачастую в отсутствии гальванической связи между ними. Поэтому теория цепей здесь не эффективна и необходимо использовать теорию электромагнитного поля.

Для количественного описания помех ввиду огромного диапазона изменений характеризующих их величин удобно использовать логарифмические масштабы. Для оценки абсолютного уровня помех берется некоторое постоянное базовое значение , а для тока . Аналогично для напряженностей электрического и магнитного поля в качестве базовых значений принимаются , . Для мощности соответственно . Тогда для любой величины уровень определяют в дБ как 20 логарифмов отношения абсолютного значения величины к базовому. Например:

, (1.1)

и т.д. (1.2)

Иногда уровни помех измеряют в неперах (Нп):

(1.3)

Кроме абсолютных уровней помех часто используются и относительные: например, логарифм отношения значения полезного сигнала и порогового значения помехи (наименьшего значения полезного сигнала, превышение которого в месте приема воспринимается как помеха) равен разности логарифмов уровней сигнала и порогового значения.

В аналоговых системах обработки сигналов пороговое значение помехи может устанавливаться по договоренности. В цифровых – помеха выше порога срабатывания приводит к неизбежному отказу, а ниже порога срабатывания сбоя не проходит, поэтому пороговое значение однозначно определяется порогом срабатывания. При этом для цифровой схемы изготовитель гарантирует значение U_выхLmax и U_выхHmin (L и H – состояния низкого напряжения и высокого или 0,1). На входе следующей схемы напряжения уровней, имеют значения: U_вхLmax, U_вхHmin. При этом порог срабатывания лежит в интервале, где однозначное распознавание состояний L и H не гарантировано:

U_вхLmax<U_пор< U_вхHmin (1.5)

Поэтому для состояния L максимальное напряжение помехи составляет

, (1.6)

, (1.7)

Так как реальные микросхемы срабатывают с запаздыванием и имеют инерцию (задержку), то помехи с малой по сравнению с временем задержки длительностью могут иметь более высокие значения напряжений, определяемые уровнем динамической помехоустойчивости. Если для статической помехоустойчивости характерны значения ~ 0,5В (ТТЛ) ~ 2В (КМОП-ТТЛ), то для динамической помехоустойчивости характерны tn=1не значения для треугольного импульса помехи длительностью ~ 4В для ТТЛ, а для КМОП при tn=10не. ~ 4,5В. поскольку быстродействие схем определяет и степень индуктивных емкостных связей между элементами, скорость переключения приходится ограничивать значениями не более высокими, чем это необходимо для решения схемотехнологической задачи. Поэтому времена нарастания T_r и спада T_f и времена задержки t_DH и t_DL обязательно учитываются для каждого типа логических элементов. Для ТТЛШ они имеют соответственно значения (не) 4.5, 2.2, 3.9, 3.1, а для усовершенствованных КМОП-ТТЛ – 1.4, 0.9, 4.1.

Допустимые уровни радиопомех устанавливаются по стандартам, определенным Международным комитетом по радиосхемам, каким образом, чтобы излучения на определенном расстоянии затухали до фонового уровня, определяемого естественными источниками (космический шум, импульсные помехи отдаленных гроз).

Различают допустимые уровни напряжений, мощности и поля радиопомех. Все приборы делятся на классы А, С и В. Для А и С допускается более высокий уровень помех. Эти приборы преимущественно используются профессионально в промышленных зонах (за исключением микроволновых печей и медицинских ВЧ приборов). Для приборов А выдается разрешение на основании их испытаний, а для С после отдельных испытаний на месте установки (например, супер ЭВМ, высокочастотные линейные ускорители). Приборы класса В не требуют отдельного разрешения, т.к. из-за меньшего уровня помех обеспечивают достаточно высокий интервал помех (музыкальные приборы, теле–радиоаппаратура, персональные компьютеры). Для приборов А и С помехи измеряются на большом защитном расстоянии (~30м), чем для класса В (10м). Ориентированно можно считать что для высокочастотных приборов в промышленности, при научных, медицинских исследованиях уровень напряжения помех на частотах до 30Мгц составляет для А и С 60дБ (1мВ) и для В 50дБ.

Эффективность средств защиты от помех определяется как отношение напряжений и полей в отсутствии средства защиты к их значениям при наличии средства: для фильтра это коэффициент затухания:

, (1.8)

а для экрана коэффициент экранирования:

(1.9)

Как уже указывалось, распространение помех и их воздействие на аппаратуру не удается проанализировать на основе анализа модели функционирования электронного устройства. Поэтому такие исследования возможно удовлетворительно осуществить экспериментально. В настоящее время продолжается интенсивное развитие радиоконтроля в России.

Подготавливается и проводится мероприятие по созданию широкой сети пунктов радиоконтроля, испытательных полигонов, обучению и переподготовки специалистов к которым предъявляется требование широкого кругозора в области телекоммуникаций, спектрального анализа, схемотехники, вычислительной техники, умения решать нестандартные задачи и творчески принимать ответственное решение.

Высокие требования предъявляются и к проектировщикам и конструкторам электронных средств, которые не имеют возможности проведения экспериментов с будущей аппаратурой и единственной возможностью обеспечения ЭМС проецируемой аппаратуры является надежное прогнозирование электромагнитной обстановки, скрупулезный количественный учет генерирования, распространения, влияния электромагнитных помех на всех уровнях иерархии (межсистемном, внутрисистемном, внутриэлементном вплоть до элементов и линий связи интегральных схем). Тем более что на высоких уровнях интеграции последствия неправильного конструирования не могут быть устранены заменой неисправных элементов микросхемы, а только путем замены всей непригодной микросхемы, а иногда и отдельного узла.

Качественное проектирование электронных средств требует глубокого понимания электромагнитных процессов, приводящих к появлению помех и достаточно точного их количественного описания. В данной дисциплине основное внимание уделяется моделированию процесса возникновения, распространения и воздействия помех на основе уравнений Максвелла. При этом при переходе к теории цепей уделяется достаточно большое внимание методам расчета параметров сосредоточенных элементов схем замещения.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение электромагнитной совместимости.

2. Какие задачи решаются при обеспечении электромагнитной совместимости?

3. В чем отличие пороговых значений помех для цифровой и аналоговой электронной техники?

4. Почему недостаточно методов теории цепей для решения задач электромагнитной совместимости?

5. Какие базовые значения принимаются для оценки уровня помех?

6. В каких единицах измеряется эффективность средств защиты от помех?

7. Как классифицируется аппаратура по допустимым уровням помех?

8. Какие мероприятия наиболее целесообразны с экономической точки зрения при обеспечении электромагнитной совместимости?

9. Почему актуально решение вопросов электромагнитной совместимости на этапе проектирования методами математического моделирования?