31
сторов является небольшой диапазон номинальных значений сопротивлений, что связано с ограничением на длину резистивного элемента (микропроволоки толщиной 5...20 мкм), наматываемого на малогабаритный каркас.
Для малогабаритных пленочных SMD резисторов наименьшим значением допуска на номинальное значение является величина ±0.1% при ТКС не более ±25 ppm /oС. Резисторы типа MPC01c такими параметрами выпускает, например, фирма PHILIPS .
Следующей важной характеристикой резисторов, влияющей на возможность их применения в специальных случаях, является допустимое рабочее напряжение. Эта характеристика может быть решающей при создании высоковольтных устройств или их отдельных узлов. Для решения подобных задач существует особая группа высоковольтных резисторов, примеры характеристик которых приведены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 Типы резисторов
|
Предельное рабочее напряжение, |
Мин. допуск на номи- |
ТКС, ppm /oС |
|
Тип резистора |
В (номинальное значение сопро- |
нальное значение сопро- |
||
|
|
тивления) |
тивления, % |
|
С 5-24 |
5000 |
(100 МОм) |
5 |
±30 |
С 5-24 A |
6100 |
(150 МОм) |
0.5 |
±50 |
С5-51 |
2500 |
(51.1 МОм...100 МОм) |
0.25 |
±50 |
Ввиду наличия принципиальных физических ограничений габаритные размеры этих резисторов не могут быть слишком маленькими, по этой же причине резисторы в SMD исполнении не выпускаются на рабочее напряжение более 250 В. На такое напряжение, например, рассчитаны SMD резисторы типа PRC221 фирмы PHILIPS, имеющие довольно большие габаритные размеры 2512.
Следующей важной характеристикой резисторов, влияющей на их применение в СВЧ аппаратуре, например в аттенюаторах гигагерцового диапазона, является реактивная составляющая полного сопротивления. Наименьшим значением этой составляющей обладают пленочные резисторы (пригодные как для объемного монтажа, так и для монтажа на поверхность) типов С6-1, С6- 2, С6-3, С6-4, С6-5, С6-6 и С2-20. Резисторы перечисленных типов допускают работу в цепях с частотой сигнала до 18 ГГц. Большинство этих резисторов выпускаются с фиксированными номинальными значениями 50 Ом и 75 Ом. Резисторы С5-4 могут иметь номинальное значение сопротивления в диапазоне от 5.11 Ом до 1 КOм. Минимальный допуск на номинальное значение сопротивления составляет ±0,5% (для резисторов С5-6), ТКС изменяется для различных типов от ±50 ppm /oС (для С6-5) до ±600 ppm /oС (для С2-20).
Наконец, последней специфической характеристикой резисторов, влияющей на качество некоторых видов аппаратуры, является напряжение собственных шумов. Эта характеристика далеко не всегда предоставляется фирмами изготовителями. Из тех из них, для которых эта характеристика приводится, наилучшими являются отечественные резисторы типа БЛП.
В заключение следует отметить, что кроме перечисленных имеется еще ряд специфических характеристик резисторов, влияющих на качество разрабатываемой аппаратуры. К ним можно отнести устойчивость к специфическим воздействиям, рассеиваемую мощность, возможность подгонки номинального значения после монтажа и некоторые другие.
4.3. Особенности проектирования схем с микроконтроллерами
Технология проектирования систем на базе микроконтроллера соответствует принципу неразрывного проектирования и отладки аппаратных и программных средств. Это означает, что
32
перед разработчиком систем стоит задача реализации полного цикла проектирования, начиная от разработки алгоритма функционирования и заканчивая комплексными испытаниями в составе изделия. Сложившаяся к настоящему времени методология проектирования систем на базе микроконтроллера может быть представлена так, как показано на рисунке 4.3.
Рисунок 4.3. Обобщенный алгоритм разработки ЭПУ на базе микроконтроллера
В ТЗ формулируются требования пользователя к системе с точки зрения реализации определенных функций. На основании этих требований составляется функциональная спецификация, которая определяет функции, выполняемые устройством после завершения проектирования, уточняя тем самым, насколько устройство соответствует предъявляемым требованиям. Она включает в себя описания форматов данных, как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями системы. Функциональная спецификация и требования пользователя являются критериями оценки функционирования системы после завершения проектирования. Может потребоваться проведение нескольких итераций, включающих обсуждение требований и функциональной спецификации с потенциальными пользователями системы, и соответствующую коррекцию требований и спецификации.
Этап разработки алгоритма управления является наиболее ответственным, поскольку ошибки данного этапа обычно обнаруживаются только при испытаниях законченного изделия и приводят к необходимости переработки всего устройства. Разработка алгоритма обычно сводится к выбору одного из нескольких возможных вариантов алгоритмов, отличающихся соотношением
33
объема программного обеспечения и аппаратных средств. При этом необходимо исходить из того, что максимальное использование аппаратных средств обеспечивает высокое быстродействие устройства в целом, но сопровождается, как правило, увеличением стоимости и потребляемой мощности. Увеличение удельного веса программного обеспечения позволяет сократить число элементов устройства и стоимость аппаратных средств, но также приводит к снижению быстродействия, увеличению необходимого объема внутренней памяти микроконтроллера, увеличению сроков отладки программного обеспечения. Критерием выбора здесь является возможность максимальной реализации заданных функций программными средствами при минимальных аппаратных затратах и при условии обеспечения заданных показателей быстродействия и надежности в полном диапазоне условий эксплуатации. В результате выполнения этого этапа окончательно формулируются требования к параметрам используемого микроконтроллера.
При выборе типа микроконтроллера необходима достаточно глубокая проработка алгоритма управления, оценка объема исполняемой программы и числа линий сопряжения с объектом. Допущенные на данном этапе просчеты могут впоследствии привести к необходимости смены модели микроконтроллера и повторной разводки печатной платы макета устройства.
При отсутствии микроконтроллера, обеспечивающего требуемые по ТЗ характеристики проектируемого устройства, необходим возврат к этапу разработки алгоритма управления и пересмотр выбранного соотношения между объемом программного обеспечения и аппаратных средств.
На этапе разработки структуры устройства окончательно определяется состав имеющихся и подлежащих разработке аппаратных модулей, протоколы обмена между модулями, типы разъемов. Выполняется предварительная проработка конструкции устройства. В части программного обеспечения определяются состав и связи программы модулей, язык программирования. Так же осуществляется выбор средств проектирования и отладки.
Возможность перераспределения функций между аппаратными и программными средствами на данном этапе существует, но она ограничена характеристиками уже выбранного микроконтроллера. При этом необходимо иметь в виду, что современные микроконтроллеры выпускаются, как правило, семействами контроллеров, совместимых программно и конструктивно, но различающихся по своим возможностям (объем памяти, набор периферийных устройств и т.д.). Это дает возможность выбора структуры устройства с целью поиска наиболее оптимального варианта реализации.
После разработки структуры аппаратных и программных средств дальнейшая работа над устройством может быть распараллелена. Разработка аппаратных средств включает в себя разработку общей принципиальной схемы, разводку топологии плат, монтаж макета и его отладку.
Разработка программного обеспечения, его трансляция и отладка на модели существенно зависит от используемых системных средств. В настоящее время ресурсы микроконтроллера достаточны для поддержки программирования на языках высокого уровня. Это позволяет использовать все преимущества структурного программирования, разрабатывать программное обеспечение с использованием раздельно транслируемых модулей. Одновременно широко используется язык низкого уровня ассемблер, особенно при необходимости обеспечения контролируемых интервалов времени и повышенного быстродействия выполнения определенных функций. При этом ассемблер может использоваться в связке с языком высокого уровня для реализации этих функций.
Для проверки и отладки программного обеспечения используются так называемые программные симуляторы, предоставляющие разработчику возможность выполнять программу на программно-логической модели микроконтроллера. Программные симуляторы сконфигурированы сразу на несколько микроконтроллеров одного семейства, при этом моделируется работа центрального процессора, всех портов ввода/вывода, прерываний и другой периферии.
34
Этап совместной отладки аппаратных и программных средств в реальном масштабе времени является самым трудоемким и требует использования инструментальных средств отладки. К числу основных инструментальных средств отладки относятся: внутрисхемные эмуляторы; платы развития; мониторы отладки; эмуляторы ПЗУ.
Этот этап завершается, когда аппаратура и программное обеспечение совместно обеспечивают выполнение всех шагов алгоритма работы системы. В конце этапа отлаженная программа записывается с помощью программатора в энергонезависимую память микроконтроллера, и проверяется работа контроллера без эмулятора.
Методика и объем испытаний разработанного и собранного устройства зависит от условий его эксплуатации и определяется соответствующими нормативными документами.
В итоге, функции разработанного устройства сопоставляются с требуемыми пользователем функциями, указанными в техническом задании.
4.4. Повышение надежности за счет выбора щадящих режимов работы устройств
Дополнительного увеличения надежности оборудования можно достичь посредством выбора щадящих режимов работы отдельных устройств, поскольку подавляющее большинство отказов происходит вследствие электрических и тепловых перегрузок. Разумеется, выбор нового режима работы должен производиться для групп взаимосвязанных компонентов, причем правильный выбор позволит повысить срок службы критических компонентов, по каким-либо причинам избежавших отбраковочных испытаний. В общем случае, невозможно оценить все внешние факторы, воздействующие на систему в реальных условиях эксплуатации, поэтому выбор щадящего режима может стать своеобразным буфером против всех неучтенных факторов.
Твердых правил выбора коэффициента снижения параметров не существует. В основе его принципа лежит степень надежности конечного оборудования и связанные с этим затраты. Следует также помнить, что наложение неоправданно жестких требований значительно увеличивает стоимость проекта, поэтому не стоит это делать в системах, не имеющих повышенных требований к надежности.
Выбор наиболее рентабельного коэффициента снижения параметров можно производить, исходя из личного опыта, а также опираясь на основные стандарты, особенно военные (таблица 4.4).
В дополнение к общим методам, разработчик должен обратить особое внимание на наличие коммутирующих устройств, топологию печатной платы, типы корпусов используемых компонентов и наличие металлических экранов. Катушки, трансформаторы, быстродействующие коммутаторы, электромагнитные реле являются наиболее мощными источниками помех в электронных схемах. Сигналы прямоугольной формы на выходе импульсных источников питания имеют достаточно широкий спектр, и его высокочастотные составляющие могут стать источником паразитных шумов в системе. В число общих проблем источников питания входят излучение мощных электромагнитных полей трансформаторами и катушками индуктивности, дифференциальные шумы выпрямительных диодов, высокая частота переключения активных и коммутирующих элементов, а также обратная связь между входом и выходом.
Итак, для уменьшения влияния электромагнитных помех необходимо тщательно экранировать наиболее критичные компоненты и фильтры. Необходимо максимально удалять от них трансформаторы. Для дополнительного подавления помех можно использовать электростатический экран между первичной и вторичной обмотками трансформатора, который представляет собой слой тонкой медной фольги, проложенный между обмотками при изготовлении таким образом, что образует собой короткозамкнутый виток. Центральная точка экрана заземляется, поэтому наводимые в нем противоположно направленные токи взаимно уничтожаются вследствие эффекта взаимоиндукции.
35
Таблица 4.4. Правила выбора щадящего режима
Компонент |
Тип |
Параметр |
|
Коэффициент |
Комментарии |
|
|||||
|
Пластмассовые |
диэлектриче- |
Напряжение |
|
0.75 |
|
|
|
|
|
|
|
ские |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Керамические |
|
Напряжение |
|
0.75 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если |
эффективный |
||
|
|
|
Напряжение |
|
0.6 |
|
|
импеданс |
цепи |
со- |
|
|
|
|
|
|
|
ставляет |
более |
3 |
|||
|
Танталовые |
электролитиче- |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Ом/В |
|
|
|
||
|
ские (с сухим электролитом) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Конденсато- |
|
|
|
|
|
Если |
эффективный |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Напряжение |
|
0.4 |
|
|
импеданс |
составляет |
|||
ры |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
менее 3 Ом/В |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Танталовые |
электролитиче- |
Напряжение |
|
0.75 |
|
|
|
|
|
|
|
ские (с жидким электролитом) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Слюдяные |
|
Напряжение |
|
0.75 |
|
|
|
|
|
|
|
Алюминиевые электролитиче- |
Напряжение |
|
0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ские |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Все типы |
|
Рабочая температура |
20°С ниже мак- |
|
|
|
|
|||
|
|
симальной |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Выбор рабочей точки |
|||
|
Все типы, включая детектиру- |
Температура перехода |
0.75 |
|
|
должен отразиться на |
|||||
Диоды |
ющие и опорные, стабилитро- |
|
|
|
|
|
снижении температу- |
||||
ны, ограничители, диоды |
|
|
|
|
|
ры перехода |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Шоттки и светодиоды |
Обратное напряжение |
0.9 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
смещения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выбор рабочей точки |
|||
|
|
|
Рассеиваемая |
мощ- |
0.75 |
|
|
должен отразиться на |
|||
|
|
|
ность |
|
|
|
|
снижении температу- |
|||
Транзисторы |
Биполярные, полевые и МОП |
|
|
|
|
|
ры перехода |
|
|||
Рабочее напряжение |
0,8 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Рабочий ток |
|
0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура перехода |
0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение питания |
В |
допустимых |
|
|
|
|
||
|
|
|
пределах |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
100°С |
для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пластмассовых |
|
|
|
|
||
|
|
|
Температура перехода |
корпусов |
|
|
|
|
|
||
|
Цифровые |
|
|
|
110°С - для гер- |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
метичных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Быстродействие |
|
0.75 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Входное напряжение |
В |
допустимых |
|
|
|
|
||
|
|
|
пределах |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Микросхемы |
|
|
Выходной ток |
|
0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение питания |
В |
допустимых |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
пределах |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
100°С |
для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пластмассовых |
|
|
|
|
||
|
|
|
Температура перехода |
корпусов |
|
|
|
|
|
||
|
Аналоговые |
|
|
|
110°С - для гер- |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
метичных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Входное напряжение |
0.75 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выходной ток |
|
0.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассеиваемая |
мощ- |
0.75 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ность |
|
|
|
|
|
|
|
|
36
Наличие такого экрана Фарадея предотвращает проникновение высокочастотных помех из первичной обмотки во вторичную. Для подавления излучаемого трансформатором электромагнитного поля рекомендуется строить вокруг него заземленный экран, препятствующий распространению магнитного потока.