Дипломная работа: Конструювання обчислювальної техніки

а) фізична модель; б) – еквівалентна схема

Джерело завади А має постійну напругу чи напругу , що повільно змінюється. У приймачі В в наслідок електромагнітної індукції наводяться заряди, і він набуває потенціалу . Згідно розглянутому вище прикладу

(3.11)

або

.(3.12)

Згідно формули (3.12) для зменшення наведеної напруги  треба збільшити відношення ємностей . Для цього треба або збільшити ємність , або зменшити ємність . Збільшення  означає збільшення вхідної ємності та мності монтажу, а ці можливості дуже обмежені. Зменшення  можна здійснити шляхом збільшення відстані між джерелом А і приймачем В. Тому саме цей спосіб реалізують на практиці. Графік залежності  від  при сталих інших параметрах зображений на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Залежність напруги наведення від ємності завад

Але збільшення відстані між джерелом і приймачем може привести до збільшення габаритів всього пристрою. Задачу зменшення напруги наведення можна здійснити з допомогою екрану.

Спочатку розглянемо незаземлений екран в вигляді плоскої пластини та відповідну еквівалентну схему (рис. 3.9).

 

а)                                                                        б)

Рис. 3.9. Дія плоского екрана:

а фізична модель; б – еквівалентна схема.

Елементи , ,  та  утворюють подвійний мнісний дільник напруги. В першому наближенні приймаємо, що . Для подвійного дільника, що утворю плоский незаземлений екран

. (3.13)

Дослідимо рівняння (3.13), враховуючи, що  та . Розглянемо два часткові випадки та порівняємо  згідно формули (3.11).

Спочатку нехай екран достатньо віддалений від землі і знаходиться між джерелом А та приймачем В. Спробуємо екран наблизити до джерела А. Це призведе до того, що  стане на порядок більше  (). Так як , то

,(3.14)

бо це рівносильно умові

,

а .

З умови (3.13) згідно (3.11) та (3.14) випливає, що

,

бо . Отже при наближенні екрана до джерела завад навіть одержали, що , тобто при наближенні екрана до джерела А наведена на приймачі В напруга  більша наведеної напруги  без екрана. Аналогічний висновок одержимо при зміщенні екрана до приймача В. В силу симетрії ємностей  та  зразу можна стверджувати, що знову одержимо . Отже найменша наведена напруга буде при розташуванні плоского екрана рівно по середині між джерелом А та приймачем В.

Тепер нехай екран знаходиться по середині між джерелом А і приймачем В. При цьому екран будемо наближати до землі. Це означає, що >>. Тоді

При граничному переході , що відповідає заземленню екрана, одержимо, що . Але в цьому випадку треба враховувати . Хоча значення  досить мале, але воно не дорівнює нулеві. Тоді при заземленому екрані

,

оскільки .

Таким чином, найбільшого ефекту екранування можна досягти при заземленому екрані, коли ємності  та  закорочуються на землю, а мність  зменшується до величини  (за рахунок збільшення довжини силових ліній електростатичного поля між точками А і В). Ефективність екранування .

Екран, що погано з’єднаний з землею або має значну індуктивність з’єднуючого провідника (рис.3.10, б), різко знижує ефективність екранування.

Металева кришка (рис. 3.10, а) поліпшує ефективність екранування, хоча й не знаходиться між джерелом А і приймачем В, але при умові, якщо кришка щільно прилягає до корпусу. Тоді ємності  та  не зв’язують тіла А і В, а залишиться лише паразитна ємність  яка набагато менша паразитної ємності . Якщо ж між кришкою і корпусом буде проміжок, то з’являється вплив , і як наслідок, вплив ємностей  та , які значно більші паразитної ємності. Така кришка погіршить ефективність екранування.

а)

б)

Рис. 3.10. Вплив характеру заземлення:

а щільність прилягання металевої кришки,

б ндуктивність провідника з’єднання

При замкнутому електростатичному екрані паразитна ємність  і ефективність екранування . В реальних конструкціях є отвори для доступу в середину екрана, і оцінити паразитну ємність можна лише експериментально. Якщо отвори і щілини екрана співрозмірні з довжиною електромагнітних хвиль, то через них може проникати електромагнітне поле. Тому отвори і щілини роблять достатньо малими.

Ефективність екранування електростатичного поля не залежить від товщини екрана та марки металу, з якого виготовлено екран. Тому часто електростатичні екрани виготовляють в вигляді тонкого шару металізованого діелектрика (нижньої сторони металокерамічного корпуса ІС, пластмасового каркаса екрана котушок ндуктивності), що з’єднується з землею.

3.7 Магнітостатичне екранування

Магнітостатичне екранування застосовують для захисту від постійних та слабозмінних магнітних полів з частотою від 0 до 3000 Гц. Екран виготовляють із феромагнітних матеріалів (пермалой, сталь, ферит) з великою відносною магнітною проникністю . Товщина екрана з металу склада 0,5...1,5 мм. При наявності такого екрана силові лінії магнітного поля Н проходять в основному по його стінках (рис. 3.11), які мають малий магнітний опір в порівняно з опором простору навколо екрана (ефект поглинання). Ефективність екранування таких полів залежить від магнітної проникності екрана його товщини, а також від наявності стиків і швів, розміщених перпендикулярно до силових ліній магнітного поля. Цей вид екранування називається магнітним шунтуванням.

У випадку  ефективність екранування для циліндричного екрана (рис. 3.11, а):

, (3.15)

а для екрана у формі паралелепіпеда (рис. 3.11, б):

.(3.16)

 

а)                                                     б)

Рис.3.11. Схема дії низькочастотного екрану:

а циліндрична форма; б – форма паралелепіпеда

У цілому ефективність магнітостатичних екранів невелика і практично однакова у всьому діапазоні частот. Так екран, виготовлений зі спеціального сплаву Армко”, у якого , при радіусі 0,4 м і товщині екрана 0,01 м забезпечує ефективність 31,5 дБ. Щоб забезпечити дуже високу ефективність екранування, використовують кратне екранування, розташовуючи один екран в середині іншого.

3.8 Електромагнітне екранування

Електромагнітне екранування застосовують на частотах більших 3000 Гц. Екрани виготовляють з немагнітних і феромагнітних матеріалів. Спрощено суть екранування зводиться до того, що під дією джерела електромагнітного поля на стороні екрана, що обернена до джерела, виникають заряди, а в його стінках-струми, які утворюють в зовнішньому просторі поля, що по напруженості близькі полю джерела, а по напрямку – протилежні йому (рис. 3.12). У результаті в середині екрана відбувається взаємна компенсація полів, а зовні його – витіснення зовнішнього поля полями вихрових струмів (ефект відбиття). Відбувається поглинання полів за рахунок втрат на виділення тепла при протіканні вихрових струмів по стінках екрану та на перемагнічування, якщо екран виконаний з феромагнітного матеріалу. Хоча сталь на високих частотах дає більший екрануючий ефект, ніж немагнітн матеріали, треба враховувати, що стальний екран може викликати значні втрати через свій питомий опір та гістерезис, що призводить до підвищення температури.

 

а)                                            б)                                            в)

Рис.3.12. Схема дії високочастотного екрана:

а зовнішнє поле; б – поле вихрових струмів; в – сумарне поле

Щільність вихрових струмів у металевому екрані зменшується від поверхні в його глибину. Це зменшення тим більше, чим вища частота поля і чим більший питомий опір матеріалу екрана. На низьких частотах, коли товщина екрана менша глибини проникнення, поверхневий ефект можна не враховувати.

При виборі матеріалу і товщини екрана треба враховувати не тільки електричн властивості матеріалу, а й його механічну міцність, корозійну стійкість, зручність виготовлення, забезпечення надійного контакту з шиною нульового потенціалу, тепловідвід тощо.

У конструкціях екранів небажані щілини і отвори, інакше енергія, яка проникає в середину, викличе збудження струмів витоку на внутрішній стороні екрана.

3.9 Електромагнітна сумісність цифрових вузлів

Методи електромагнітної сумісності РЕЗ розповсюджуються на ЕОМ та цифрові технічн засоби обробки сигналів, які є не тільки джерелами завад, а й самі чутливі до сприйняття завад. Забезпечення внутрішньої електромагнітної сумісності стає все більш актуальним в зв’язку з неперервним зменшенням енергії сигналів та ростом взаємного впливу сигналів через збільшення щільності компонування та складност цифрових систем. На цифрові вузли можуть впливати і зовнішні завади, наприклад ті, що проникають по лініям живлення.

Необхідність забезпечення електромагнітної сумісності цифрових систем визначається такими основними факторами: складний характер дискретних імпульсних цифрових сигналів; дією непередбачених схемою паразитних еквівалентних електричних параметрів (розподілених індуктивностей, взаємних індуктивностей, ємностей, омічних опорів провідників друкованого монтажу і елементів несучих конструкцій); схемотехнічних особливостей цифрових інтегральних мікросхем; синхронного та асинхронного характеру процесів тощо.

Здатність цифрових систем протистояти внутрішнім та зовнішнім завадам залежить від основного принципу їх будови, наприклад від вибраної структури сигналів, що передаються. Особливість електромагнітної сумісності цифрових схем зумовлена в основному двома причинами: складним характером імпульсних сигналів та випадковим характером паразитних зв’язків. Рівень внутрішніх завад по напруз чи струму суттєво збільшується із зменшенням тривалості дії імпульсів завад.

Для систематизації методів забезпечення внутрішньої електромагнітної сумісност цифрових вузлів всі електричні з’єднання умовно поділяють на електрично довг та електрично короткі. Електрично довгою називається лінія зв’язку, геометрична довжина якої співрозмірна з довжиною хвилі найбільш високочастотної складово спектра дискретного сигналу.

Часто електричну довжину лінії визначають відношенням затримки сигналу в лінії  до тривалості фронту імпульсу . Якщо >0,1, то лінія вважається електрично довгою, якщо <0,1 - електрично короткою. Час розповсюдження сигналів такий, що навіть при =1 вже при геометричній довжині 14..25 мм лінія електрично довга.

Характеристичним параметром електрично довгої лінії є хвильовий опір , де  - індуктивність лінії, Гн;  - ємність лінії, Ф. При проходженні сигналу по електрично довгій лінії, яка має неоднорідності хвильового опору окремих ділянок, відбувається відбиття падаючого сигналу напруги  або струму . Відбитий сигнал накладається на падаючий спотворює його.

Неоднорідність лінії може викликати внутрішній опір генератора сигналів, що підключений до початку лінії, або опір навантаження в кінці лінії, що не дорівнює хвильовому опору лінії зв’язку. Неоднорідність може бути породжена різного виду конструктивно-технологічним виконанням (одиничний об’ємний провідник, друкований провідник, коаксіальний кабель, екранований провідник, контакт з’єднання тощо), технологічними неоднорідностями (коливання товщини чи діелектричної проникност золяції коаксіального кабелю) або розгалуженнями лінії.

Відбита енергія характеризується коефіцієнтом відбиття по напрузі () або по струму ():

, , .

Амплітуда відбитого імпульсу може бути визначена із відношень , .

Якщо лінія на своєму кінці навантажена на опір  (лінія узгоджена в кінці), то перепад напруги, діставшись через час  кінця лінії, не спотворюється, оскільки коефіцієнт відбиття по напрузі =0 і тому =0. Якщо лінія не узгоджена з одного або з двох кінців, то спотворення носять аперіодичний чи коливальний характер. При аперіодичному характері перехідного процесу швидкодія цифрових вузлів зменшується, оскільки зростає час зростання амплітуди сигналу до номінального значення і потрібно зменшити тактову частоту подачі імпульсів. При коливальному характері перехідного процесу може виникнути помилкове спрацювання логічних елементів через значну амплітуду коливання сигналу біля порогового значення. Крім того, викиди напруги можуть привести до пробою p-n-переходів напівпровідникових приладів чи до насичення транзисторів логічних елементів, що також знизить швидкодію.

Відбиття мпульсів в електрично коротких лініях не шкідливе через їх малу тривалість порівняно з тривалістю фронту. Завади в електрично коротких лініях зв’язку виникають між різними електричними з’єднаннями та різними компонентами в межах одного з’єднання. Хоча в цифрових вузлах застосовується схеми з малим коефіцієнтом підсилення по напрузі, наявність великого числа паралельних зв’язків, а також висока щільність компонування вимагає спеціальних заходів для забезпечення електромагнітної сумісності в коротких лініях. Паразитні зв’язки визначаються конструкцією вузлів та параметрами матеріалів (особливо діелектричною проникністю). Всі види внутрішніх паразитних зв’язків ділять на мнісні, індуктивні і кондуктивні. Якщо сигнал (його спектральна складова), що наводить заваду, має гармонічний характер, то незалежно від характеру зв’язку амплітуда завади може бути визначеною за формулою

.

Щоб оцінити очікуване спотворення сигналів і завад треба скласти еквівалентну електричну схему і розрахувати електричні параметри лінії зв’язку (,, , , , ), враховуючи конструктивні дані (геометричні розміри, фізичні параметри матеріалів, конструктивне виконання, кількість та взаємне розташування ліній зв’язку).

Взаємну мність  між двома провідниками, що розташовані з однієї або з двох сторін друкованої плати (ДП), можна визначити за формулою

,

де  - питома ємність лінії, пФ/см;

L1 - довжина взаємного перекриття провідників, см (рис.3.13 а);

 - приведена (ефективна) діелектрична проникність середовища, .

 

εo≈εплεo<<εпл

а)                                                     б)                                  в)

Рис. 3.13. Взаємна індукція провідників ДП: а – схема взаємного розташування; б приведена діелектрична провідність εер при εер≈εпл; в εер при εo<<εпл.

Наявність золяційної основи з великим значенням діелектричної проникності εпл причиною виникнення великих паразитних ємнісних зв’язків і власної ємності між двома провідниками.

Значення питомої ємності лінії  суттєво залежить від параметрів конструкції, конструкційного виконання, кількості та взаємного розташування ліній зв’язку, геометричних розмірів, фізичних параметрів тощо. В довідниках наведені формули визначення  та  для характерних випадків. Питому ємність провідників друкованих плат зручно визначати, користуючись графічними залежностями для чотирьох типових випадків:

1 провідники односторонньої ДП при ;

2 провідники односторонньої ДП при /3;

3 провідники двосторонньої ДП при ;

4 провідники двосторонньої ДП при . (рис.3.14).

Рис.3.14. Питома взаємна мність провідників ДП у вакуумі

В довідниках наведені аналогічні графіки для визначення хвильового опору зовнішніх і внутрішніх провідників ДП різного конструктивного виконання та хвильового опору друкованих ліній.

Графіком зручно користуватись для визначення величини , а для більш змістовного аналізу способів зменшення  зручніше користуватись відповідною аналітичною формулою. Для типового випадку 1 маємо формулу:

.

Звідси можна вказати такі способи зменшення :

·                   збільшення відстані d між провідниками;

·                   зменшення ширини проводів  та , якщо це можливо;

·                   зменшення довжини одного з проводів, тобто зменшення L1.

Взагал до схемотехнічного зменшення завад в електричних з’єднаннях відносяться:

-         використання елементної бази з максимальною завадостійкістю;

-         застосування LC-фільтрів в колах живлення;

-         компенсація завад (наприклад, скручених пар провідників) тощо.

До конструктивних методів відносяться:

-         зменшення числа конструкторсько-технологічних типів ліній зв’язку в одному колі;

-         ослаблення паразитного зв’язку шляхом рознесення джерел приймачів завад або шляхом ортогонального розташування провідників в сусідніх парах ДП, зменшення довжини взаємодіючих ділянок, використання матеріалів з малою діелектричною проникністю;

-         збільшення числа точок заземлення і шин живлення;

-         часткове екранування ДП та введення міжобмоточних екранів в трансформаторах;

-         зменшення розмірів контактних з’єднань, наприклад, шляхом заміни роз’ємних з’єднань нероз’ємними.

До технологічних методів відносяться:

-         покращення однорідності ліній певного технологічного виконання (друкований провідник, коаксіальний кабель тощо);

-         зменшення розкиду параметрів елементів схеми за рахунок виготовлення їх в одному технологічному циклі (наприклад, пар транзисторів);

-         освоєння виробництва виробів з покращеними властивостями (кабельн вироби з екраном, еластомірні контакти).

Висновки

Конструювання обчислювальної техніки описано як складова більш широкого процесу, пов’язаного з розробкою технічного проекту, виробництвом і експлуатацією виробу. Оскільки процес конструювання не можна звести до окремих конструкторських рішень, прикладів та рекомендацій, тому велику увагу приділено створенню у студентів правильного й змістовного уявлення про загальні закономірності конструювання, його проблеми та перспективи.

Сучасне проектування ОТ вимагає системного підходу, при якому всі фізичні процеси розглядаються у взаємодії. Найбільше впливають на функціональні показники обчислювальної техніки електричні, електромагнітні, теплові та механічн процеси. Врахування взаємозв’язку між процесами можливе завдяки побудов фізичних і математичних моделей пристроїв, що потребує широкого використання комп’ютерної техніки.

При розгляді теплових процесів описано три види теплообміну: теплопровідність, конвекцію, випромінювання. Розглянуто передачу теплової енергії через плоскі й циліндричні стінки, способи збільшення теплопровідності. Описано теплові режими РЕЗ при нагріванні тіла внутрішнім і зовнішнім середовищем, методику розрахунку температур в різних зонах приладу. Розглянуто системи охолодження РЕЗ, зокрема вільне і примусове повітряне охолодження, вільне і примусове рідинне охолодження.

Механічн процеси суттєво впливають на надійність роботи РЕЗ, особливо небезпечними механічні коливання на базі пружних елементів. Рівень коливань визначається за допомогою відповідної динамічної моделі, яка враховує інерційні, пружні, дисипативні та силові параметрів. Динамічну модель досить часто вдається спростити за рахунок приведення мас, сил, пружних параметрів і параметрів дисипації. Розглянуто вільні та вимушені коливання одномасової системи, віброзахист обчислювальної техніки, явище резонансу, види амортизаторів та схеми їх розташування.

Врахування електромагнітної сумісності є необхідним для забезпечення нормального функціонування виробів поруч з іншими виробами в умовах дії між ними та на них додаткових електромагнітних полів при виготовлені та експлуатації. Розглянуто джерела і приймачі завад, способи екранування електростатичного, магнітного та електромагнітного полів.

Перелік умовних позначень

ВЧ високі частоти

ДЗ - джерела завад

ДП - друкована плата

ЗЗ - зв’язки завад

ІС нтегральна схема

НЧ низькі частоти

ОТ обчислювальна техніка

ПЗ - приймачі завад

ПЧ проміжні частоти

РЕЗ - радіоелектронний засіб

СЗТР - системами забезпечення теплового режиму

СО - системи охолодження

СТ - системи термостабілізації

ЦЖ - центр жорстокості

ЦМ - центр мас

Список літератури

1.                Домнич В.И., Зинковский Ю.Ф. Конструирование РЭС. Оценка и обеспечение тепловых режимов. – К.: УМК ВО, 1990. – 240 с.

2.                Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. – 247 с.

3.                Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. – М.: Высшая школа, 1990. – 432 с.

4.                Справочник конструктора РЭА. Общие принципы конструирования / Под ред. Р.Г.Варламова. – М.: Сов. радио, 1980. – 480 с.

5.                Фролов А.Д. Теоретические основы конструирования и надежности РЭА. М.: Высшая школа, 1970. – 485 с.

6.                Зелик А.Є. Програма, методичні вказівки і контрольне завдання з курсу „Основи конструювання і технології РЕЗ”. – Чернівці: Рута, 1994. – 47 с.

7.                Зелик А.Є. Основи конструювання і технології радіоелектронних засобів. Навч. посібник до лаб. практикуму. – Чернівці: Рута, 1994. 82 с.

8.                Мюллер Скотт. Модернизация и ремонт ПК. - 12-е изд. - М.: Вильямс, 2001. – 1162 с.

9.                Суровцев Ю.А. Амортизация радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Сов. радио, 1974. – 160 с.

10.           Барнс Д. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. М.: Мир, 1990. – 237 с.

11.           Таненбаум Э. Архитектура компьютера. - 4-е изд. – СПб.: Питер, 2003. – 698 с.

12.           Бабич М.П., Жуков І.А. Комп’ютерна схемотехніка: Навчальний посібник. – К.: МК-Прес, 2004. – 412 с.

13.           Бройдо В. Л., Ильина О. П. Архитектура ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – М.: Питер, 2005. – 720 с.

14.           Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. - М.: Питер, 2005. – 672 с.