??????????

Реклама 

Components & Technologies 

www.kit-e.ru 

№ 1 ’2013 (январь) ISSN 2079-6811 

Датчики 

Эффективность разработки конечных 

автоматов в базисе ПЛИС FPGA 

Обзор новинок 

ON Semiconductor 

Конструктивные преимущества 

решения Ml/O Extension

Реклама

Реклама

Главный редактор 

Павел Правосудов | pavel@finestreet.ru 

Заместитель главного редактора 

Ольга Зайцева | olga_z@finestreet.ru 

Выпускающий редактор 

Ксения Притчина | ksenia.pritchina@finestreet.ru 

Редактор 

Елена Якименко | elena.yakimenko@finestreet.ru 

Наталья Новикова | Natalia.Novikova@finestreet.ru 

Редакционная коллегия 

Александр Фрунзе, Иосиф Каршенбойм 

Светлана Муромцева, Виктор Лиференко 

Литературный редактор 

Мария Куликова 

Дизайн и верстка 

Ольга Ворченко | olga@finestreet.ru 

Отдел рекламы 

Ирина Миленина | irina@finestreet.ru 

Отдел подписки 

Наталия Виноградова | podpiska@finestreet.ru 

Москва 

105120, Нижняя Сыромятническая, 

д. 5/7, стр. 4, оф. 218 

Тел./факс: (495) 987-3720 

1 (138) '2013 

СанктПетербург 

190121, Садовая ул., 122 

Тел. (812) 4381538 

Факс (812) 3460665 

email: compitech@finestreet.ru, web: www.finestreet.ru 

Республика Беларусь 

«ПремьерЭлектрик» 

Минск, ул. Маяковского, 115, 7й этаж 

Тел./факс: (10*37517) 2973350, 2973362 

email: murom@premierelectric.com 

Отдел распространения 

СанктПетербург: 

Виктор Золотарев | victor.zolotarev@finestreet.ru 

Подписные индексы 

Каталог агентства «Роспечать» 80743 

Каталог «Почта России» 

полугодие 60194 

год 60195 

Агентство KSS 10358 

(тел. в Киеве (044) 2706220, 2706222) 

Подписано в печать 14.12.12 

Тираж 6000 экз. 

Свободная цена 

Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован 

Министерством Российской Федерации по делам печати, 

телерадиовещания и средств массовых коммуникаций. 

Свидетельство о регистрации ПИ № ТУ 78-00653 

от 22 июля 2010 года. 

Учредитель 

ООО «Издательство Файнстрит» 

Адрес редакции 

121351, Москва, ул. Ивана Франко, д. 40, к. 1, стр. 2 

Издатель ООО «Издательство Файнстрит» 

190121, г. СанктПетербург, наб. р. Фонтанки, д. 193Б 

Отпечатано в типографии 

«Премиум Пресс» (ООО «Росбалт»), 

197374, г. Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4. 

Редакция не несет ответственности за информацию, 

приведенную в рекламных материалах. 

Полное или частичное воспроизведение материалов 

допускается с разрешения 

ООО «Издательство Файнстрит». 

Журнал включен в Российский индекс 

научного цитирования (РИНЦ). 

На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU 

(www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. 

Статьи из номеров журнала текущего года 

предоставляются на платной основе. 

Содержание 

Датчики 

1 (138) '2013 

Алексей СлАвгородСкий 

Датчики: 

статистика запросов на eFind.ru 6 

Светлана СыСоевА 

Мобильные МЭМС-датчики инерции. 

Стандарты де-факто и новые шаги 

производителей 9 

Светлана СыСоевА 

Технологии тепловых датчиков Omron: 

новый вклад МЭМС 

в энергосбережение и автоматизацию 16 

Александр БекмАчев 

Датчики Epic от Plessey Semiconductors — 

прорыв в сенсорных технологиях 21 

владимир дьяконов 

Цифровые USB-датчики 

мощности ВЧ- и СВЧ-сигналов 

корпорации Tektronix 

и их применение 25 

Сергей ШиШкин 

Ультразвуковой датчик 

жидких сред 32 

денис ПетлевАный 

Простые и эффективные 

способы калибровки датчиков 38 

максим круглов, 

Александр ЦыПин 

Повышение 

топливной экономичности 

и снижения вредных выбросов 

дизельных двигателей 

через измерение 

давления и температуры 42 

роман рыжейкин 

Оборудование 

для измерения давления 

компании Endress+Hauser: 

широкие возможности точного выбора 49 

Тестирование 

карлос Белтран АлмейдА 

(Carlos Beltrán AlmeidA), 

исабель качо техейрА 

(isabel Cacho TeixeirA), 

жоао Пауло техейрА 

(Joao Paulo TeixeirA), 

жоао вАрелА (Joao VArelA), 

жозе АугуСто (José AugusTo), 

марселино САнтоС 

(marcelino sAnTos), 

нуно кАрдоСо (nuno CArdoso) 

Перевод: галит городеЦкАя 

Тестопригодность системы индикации 

и запуска верхнего уровня 

электромагнитного калориметра 

компактного мюонного соленоида 52 

Есть мнение 

джон о’Бойл (John o’Boyle) 

Контрафактные микросхемы: 

серьезная проблема, 

которую можем решить только мы! 56 

Компоненты 

кива джуринСкий 

Все радиочастотные соединители мира. 

Часть 4. 

Микроминиатюрные соединители 59 

Андрей Строгонов, 

Алексей БыСтриЦкий, 

Эффективность разработки 

конечных автоматов 

в базисе ПЛИС FPGA 66 

николай БориСенко 

Подходы к организации 

унифицированного ряда 

синтезируемых моделей буферов FIFO, 

реализуемых в различных семействах 

программируемой логики. 

Часть 2 74 

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2013

Реклама

Editorinchief 

Pavel Pravosudov | pavel@finestreet.ru 

Deputy of editorinchief 

Olga Zaytseva | olga_z@finestreet.ru 

Managing editor 

Ksenia Pritchina | ksenia.pritchina@finestreet.ru 

Editor 

Elena Yakimenko | elena.yakimenko@finestreet.ru 

Natalia Novikova | Natalia.Novikova@finestreet.ru 

Editorial staff 

Alexander Frunze 

Svetlana Muromtseva 

Victor Liferenko 

Joseph Karshenbojm 

Literary editor 

Maria Kulikova 

Design and layout 

Olga Vorchenko | olga@finestreet.ru 

Advertising department 

Irina Milenina | irina@finestreet.ru 

Subscription department 

Natalia Vinogradova | podpiska@finestreet.ru 

Moscow 

Of. 218, 1 korp., 4, 5/7 

Nizhnjaja Syromjatnicheskaja, 

105120, Russia 

Tel. +7 (495) 987-3720 

St. Petersburg 

190121, Russia, Sadovaya str., 122 

Tel. (812) 4381538 

Fax (812) 3460665 

email: compitech@finestreet.ru 

web: www.finestreet.ru 

Belarus Republic 

Minsk, Premier Electric 

Tel./fax: (10*37517) 2973350, 

2973362 

email: murom@premierelectric.com 

Circulation department 

St. Petersburg: 

Victor Zolotarev | victor.zolotarev@finestreet.ru 

Subscription index 

for Components & Technologies 

Rospetchat Agency catalogue 

subscription index 80743 

KSS agency 

Tel. in Kiev: 0442706220, 2706222 

subscription index 10358 

1 (138) '2013 

Содержание 

валерий Зотов 

Аппаратные средства 

разработки и отладки встраиваемых 

микропроцессорных систем, 

проектируемых 

на основе расширяемых 

вычислительных платформ 

фирмы Xilinx 

семейства Zynq-7000 AP SoC 80 

Эрлендур криСтьянССон 

(erlendur KrisTJAnsson) 

Совместимость 

32-разрядных микроконтроллеров 90 

вячеслав гАвриков 


ON Semiconductor 92 

Встраиваемые системы 

чечия хСу (Chechia Hsu), 

Санди чен (sandy CHen) 


решения Ml/O Extension 100 

Проектирование 

1 (138) '2013 

виктор лиференко, 

руслан ПроСкуряков, 

Александра коПтевА 

Имитационная модель 

первичного преобразователя 

радиоизотопной 

измерительной системы 

нефтяных потоков 106 

Анатолий дятлов, 

Александр ШоСтАк 

Моделирование 

автокорреляционного устройства 

тактовой синхронизации 

фазоманипулированных сигналов 110 

Новые технологии 

евгений Силкин 

Синтез озона 

в электрических разрядах 

и повышение его эффективности. 

Часть 2 116 

Святослав Юрьев 

Новое в технологиях 

электрических источников питания 122 

вадим ШПенСт 

Методы распараллеливания 

вычислительного алгоритма 

формирования изображения 

в радиолокационных станциях 

с синтезированной апертурой 127 

Технологии 

илья николАев 

Имитаторы сигналов GPS/ГЛОНАСС 136 

владимир дьяконов 

Многофункциональные 

бюджетные генераторы 

«АКТАКОМ» серии AWG-41хх 139 

джонни хЭнкок 

(Johnnie HAnCoCK) 

Использование функции 

запуска InfiniiScan Zone Trigger 

для выделения проблемных сигналов 150 

джонатан хАрриС 

(Jonathan HArris) 

Три ключевые метрики качества 

физического уровня 

для передатчика стандарта JESD204B 153 

виктор новоСёлов 

ERSA Vario: 

новый флагман поднимает паруса 158 


Реклама

6 

датчики 

Алексей СЛАВГОРОДСКИй, 

к. ф.-м. н. 

alexey@efind.ru 

Количество запросов. Популярные бренды 

На рисунке показана динамика ежемесячного числа запросов, посвященных 

датчикам. Видно, что за рассматриваемые 2,5 года число 

запросов существенно не изменилось. Есть только сезонные колебания 

с новогодним и летним спадами. 

В таблице 1 приведены производители датчиков, чью продукцию 

чаще всего запрашивают на eFind.ru. Данные приводятся по полугодиям. 

Указывается доля конкретного производителя среди всех запросов, 

посвященных датчикам. Производители ранжированы по их доле в первом 

полугодии 2012 года. Видно, что существенных изменений также 

не произошло. На протяжении всего рассматриваемого периода лидерами 

оставались Honeywell, Analog Devices и Maxim Integrated Products. 

Рисунок. Динамика ежемесячного числа поисковых запросов, посвященных датчикам 

Таблица 1. Самые запрашиваемые на eFind.ru производители датчиков 

Производители датчиков 

I полугодие 

2010 г. 

II полугодие 

2010 г. 


2011 г. 

Датчики: 

статистика запросов на eFind.ru 

Поисковые запросы, задаваемые пользователями eFind.ru, представляют 

собой партномера различных электронных компонентов. Анализ этих 

партномеров позволяет делать выводы о спросе на тот или иной тип компонентов. 

В статье приводятся данные, касающиеся интереса пользователей eFind.ru 

к датчикам. В качестве основы для анализа мы взяли статистику поисковых 

запросов за период с января 2010 по июнь 2012 года. 


2011 г. 


2012 г. 

Honeywell 12,4% 11,5% 11,5% 12,1% 13,1% 

Analog Devices 10,7% 10,8% 11,8% 11,3% 10,7% 

Maxim Integrated Products 9,5% 9,3% 9,4% 9,1% 9,1% 

Freescale Semiconductor 7,2% 6,8% 8,1% 8,1% 7,8% 

STMicroelectronics 6,3% 7,1% 6,9% 6,4% 5,6% 

Texas Instruments 4,3% 4,7% 4,6% 4,8% 5% 

Vishay 3,7% 3,6% 4,3% 3,4% 4% 

Allegro MicroSystems 4% 4,8% 3,4% 3% 2,9% 

Epcos 2,7% 2,2% 2,4% 2,3% 2,2% 

Murata 1,5% 1,8% 1,9% 1,9% 1,8% 

Запрашиваемость различных типов датчиков 

Бóльшую часть датчиков удалось классифицировать по типу. Всего 

были выделены 18 типов датчиков, данные о запрашиваемости которых 

приведены в таблице 2. Указывается доля конкретного типа 

датчиков среди всех запросов, посвященных таким устройствам. 

Видно, что наиболее часто запрашивают датчики температуры, магнитные 

датчики (в том числе датчики Холла) и датчики ускорения. 

Из изменений можно отметить тенденцию к увеличению доли запросов 

по датчикам внешнего освещения и снижение доли запросов 

по гироскопам. 

Таблица 2. Запрашиваемость различных типов датчиков 

Типы датчиков 


2010 г. 


2010 г. 


2011 г. 


2011 г. 


2012 г. 

Датчики температуры 28,7% 28,2% 26,9% 28% 28,8% 

Магнитные датчики 12,4% 12,3% 11,4% 11,8% 12% 

Датчики ускорения 11,5% 11,2% 12,8% 11,5% 10,4% 

Датчики давления 8,2% 7,7% 8,0% 8,7% 8,7% 

Датчики тока 6,6% 7,9% 6,3% 5,6% 5,7% 

Фотопрерыватели 3,6% 3,2% 3,3% 3,5% 3,5% 

Датчики движения 

и позиционирования 

2,4% 2,1% 2,2% 2,9% 2,5% 

Датчики приближения 3,1% 3,1% 2,5% 2,6% 2,9% 

Фотодиоды 2,4% 2,1% 2,3% 2,2% 2,7% 

Датчики изображения и цвета 2% 1,8% 2,4% 2% 2,2% 

Фототранзисторы 2,2% 2% 2,1% 1,8% 2,1% 

Датчики внешнего освещения 1,2% 1,3% 1,6% 1,7% 1,8% 

Гироскопы 2,7% 2,8% 2,8% 2,4% 1,6% 

Датчики влажности 1,4% 1% 1,1% 1,1% 1,3% 

Датчики уровня 0,8% 0,8% 0,6% 0,9% 1% 

Датчики потока 0,7% 0,6% 0,7% 1% 0,9% 

Аудиодатчики 0,7% 0,6% 0,6% 0,5% 0,6% 

Датчики наклона 0,4% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 

Таблица 3. Самые популярные запросы, посвященные датчикам, 

и их количество за полугодие 


2010 г. 


2010 г. 


2011 г. 


2011 г. 


2012 г. 

ds18s20 458 ds18b20 471 ds18b20 530 ds18b20 534 ds18b20 503 

ds18b20 419 ds18s20 414 ds18s20 324 ds18s20 302 ds18s20 251 

mpx4115 188 l3g4200d 224 l3g4200d 163 mlx90614 184 mpx4115 179 

ds1821 152 ds1821 172 mpx4115 152 mpx4115 154 ds1821 174 

mma7260q 141 acs712elctr-05b-t 165 lm335 132 ds1821 144 mlx90614 132 

acs712elctr-20a-t 124 lm335 159 adxl345 125 l3g4200d 140 lm335 130 

lsm303dlh 112 lsm303dlh 145 acs712elctr-05b-t 115 lm335 117 mpx4100a 112 

l-32p3c 111 mpx4115 132 lsm303dlh 112 mpx4100a 100 lis3dh 104 

acs712elctr-05b-t 108 mpx4100a 129 ds1821 110 sht21 96 bmp085 103 

adxl345 92 acs712elctr-20a-t 127 hmc5843 105 mma7260q 92 l3g4200d 92 


Самые популярные запросы 

В таблице 3 приведены самые популярные 

запросы, посвященные датчикам. Интересно 

отметить, что в этой таблице самый запрашиваемый 

производитель Honeywell представлен 

только одной позицией (hmc5843). 

То есть лидирующие позиции Honeywell связаны 

с широким ассортиментом счетчиков. 

В то же время практически треть всех запросов 

счетчиков Maxim Integrated Products приходится 

на запросы по трем датчикам температуры: 

ds18b20, ds18s20 и ds1821. Эти три 

компонента, как и датчик давления mpx4115 

(Freescale Semiconductor), находятся среди самых 

популярных запросов на протяжении 

всего рассматриваемого периода. 

Текущая ситуация 

В таблице 4 приведены самые запрашиваемые 

производители относительно каждого 

из наиболее запрашиваемых типов датчиков. 

Данные приводятся за 1-е полугодие 

2012 года. Для каждого производителя также 

указаны несколько популярных запросов, относящихся 

к этому типу компонентов. 

Хочется отметить запросы, относящиеся 

к магнитным датчикам производства NVE. 

Номенклатура этого производителя похожа 

на номенклатуру Analog Devices, поэтому нет 

никакой гарантии, что пользователи, делающие 

запрос ad420, имеют в виду партномер 

AD420-00 (NVE), а не AD420AR (Analog 

Devices), например, но это неизбежная погрешность 

проводимого нами анализа. 

Примечание. Анализ поисковых запросов 

проводился на основе базы партномеров 

датчиков, состоящей из более чем 60 000 наименований 

от более чем 50 производителей 

датчиков. n 

новости события 


Таблица 4. Производители наиболее запрашиваемых 

типов датчиков (данные за I полугодие 2012 г.) 

Тип 

датчика 

Датчики температуры 

Магнитные датчики 

Датчики ускорения 

Датчики давления 

Датчики тока 

Производители 

Maxim Integrated 

Products 

Доля производителя, 

% 

25,5 

Analog Devices 15,4 

Texas Instruments 13,3 

Honeywell 44,5 

Allegro 

MicroSystems 

17,1 

NVE 11,9 

Analog Devices 40,3 

STMicroelectronics 35 

Freescale 

Semiconductor 

Freescale 

Semiconductor 

18,7 

64,5 


Allegro 

MicroSystems 

40,1 

LEM 25,3 


С 24 по 26 октября 2012 года прошла XII Международная специализированная 

выставка «RADEL-Expo: радиоэлектроника и приборостроение», а также 

выставки «Автоматизация» и «Промышленная электротехника», крупнейшие 

отраслевые мероприятия в Северо-Западном регионе России. 

Выставка «РадЭл 2012» была организована компанией FarExpo. 

Экспоненты единодушно отметили большое количество профессиональных 

посетителей (95%). За три дня работы выставку посетили более 5000 тысяч 

специалистов. 

В выставке и деловой программе приняли участие 187 компаний из России, 

Германии, Дании, Израиля, КНР, Польши, Белоруссии, Тайваня, Украины 

и Чешской Республики. 

Среди участников лидеры рынка — «УниверсалПрибор», «ЭЛТЕХ», 

«ПРИСТ», «ЛионТех», «Платан» и другие российские предприятия — производители 

электронных компонентов. 

Среди дебютантов выставки: «НКТ», «Файн Лайн», «Аверон», «Ренишоу», 

«Радиотех-Трейд», «Нанософт», «ЭКМ», «Бинар-КОМ», «Микран», 

«ОНИКС», «Коронит», «Руичи», «Плутон», «Квазар-ИС». Впервые был представлен 

коллективный стенд компаний Тайваня. 

Площадь экспозиции выставки составила 2161 кв. м. 

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2013 www.kite.ru 

Запросы 

ds18b20 

ds18s20 

ds1821 

tmp36 

tmp36gt9 

adt7310 

lm335 

lm35dz 

lm335z 

ss495a 

ss495 

hmc6352 

acs712elctr-05b-t 

acs712elctr-20a-t 

acs758lcb-050b-pff-t 

ad421 

ad420 

ad5060 

adxl345 

adxl203 

adxl335 

lis3dh 

l3g4200d 

lis302dl 

mma7260q 

mma7260 

mma7260qt 

mpx4115 

mpx4100a 

mpx5010 

duxl01d 

26pc01smt 

mlh300psb02a 

acs712elctr-05b-t 



lv25 

lv25-p 

lts25-np 

cslw6b200m 

Cпециализированная промышленная выставка RADEL 2012 

csnx25 

csnr161 

7 

новости измерительная аппаратура 

Цифровой мультиметр 

Fluke 28 II Ex 

Корпорация Fluke представляет Fluke 28 II 

Ex — искрозащищенный цифровой мультиметр, 

с которым можно работать во взрывоопасных 

зонах классов 1 и 2 (IIC, газ) и классов 

21 и 22 (IIIC, пыль). Прибор предназначен 

для использования на предприятиях нефтяной 

и химической промышленности и фармацевтической 

отрасли. 

Fluke 28 II Ex обеспечивает выполнение 

всех необходимых тестов и работ по поиску 

неисправностей. 

Мультиметр должен выдерживать экстремальные 

условия. Поэтому он: 

• полностью герметичен; 

• водонепроницаем (соответствие IEC60529); 

• пыленепроницаем (класс IP67). 

Прибор также устойчив к падениям (протестирован 

на падения с высоты до 3 м). 

www.fluke.ru 

В рамках деловой программы прошли следующие семинары: 

• «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания». Состояние и перспективы 

разработки и производства источников вторичного электропитания 

в ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания». 

• Tektronix (НПО «Серния»). Обзор оборудования Keithley. 

• «УниверсалПрибор». Автоматическая и оптическая инспекция. Паяльные 

материалы для инновационных производств радиоэлектроники. 

• TAG Technologies. Тестирование и диагностика смонтированных цифровых 

изделий с помощью технологии периферийного сканирования JTAG. 

• ПКК «Миландр». Современные разработки в области ЭКБ компании ЗАО 

«ПКК Миландр» для аппаратуры специального и двойного назначения. 

• НКТ. Высококачественные пассивные радиочастотные компоненты 

HUBER+SUHNER AG и Procom A/S. 

Проведение выставки совпало с юбилеем московской выставочной компании 

«ЧипЭкспо», которая отметила свое 10-летие. В праздновании приняли 

участие генеральные директора более 100 фирм. 

В 2013 году выставка «Радиоэлектроника и приборостроение» пройдет 

с 27 по 29 ноября в Петербургском СКК. 

www.farexpo.ru/radel

8 


«ВакуумТехЭкспо 2013» — новая динамика развития 

С 16 по 18 апреля 2013 года в КВЦ «Сокольники» 

состоится VIII международная выставка вакуумной 

техники, материалов и технологий, где свои инновационные 

разработки в области вакуумного оборудования 

представят ведущие компании отрасли. 

Организатор выставки — Международная 

выставочная компания (MVK), в составе группы 

компаний ITE. Соорганизатор — НИИ ВТ 

им. С. А. Векшинского. 

Генеральным спонсором традиционно выступит 

компания «ИНТЕК Аналитика». 

«ВакуумТехЭкспо» — выставка, не имеющая 

аналогов в России и СНГ, она полностью посвящена 

вакуумному оборудованию и технологиям. 

Основные цели выставки — демонстрация уникальных 

достижений в области вакуумного оборудования, 

машин, техники, материалов и технологий и их 

продвижение на рынке; установление деловых контактов; 

привлечение инвестиций и оказание содействия 

в формировании и реализации национальных 

и региональных программ в вакуумной отрасли. 

Посетители выставки «ВакуумТехЭкспо» — это 

представители российских и зарубежных компаний 

из десяти стран и 39 регионов РФ. 

«ВакуумТехЭкспо» отличает исключительно качественный 

состав посетителей. Что же касается 

их количества, то в 2012 году оно выросло на 50% 

относительно 2011 года. 

В выставке 2013 года традиционно примут 

участие такие всемирно известные компании, 

как «ИНТЕК Аналитика», MSH Techno, БЛМ 

«Синержи», «Криосистемы», GNB Corporation, 

Busch Vacuum Pumps and Systems, CCS Services, 

Pfeiffer Vacuum, Solberg International (UK), 

Oerlikon Leybold Vacuum, VACOM, «ИЗОВАК», 

«Миллаб», «Сигма плюс», «ТАКО Лайн», «ЭС ЭМ 

СИ Пневматика», «Ферри Ватт» и многие другие. 

Основные разделы, представленные на выставке: 

• Средства получения и измерения вакуума. 

• Криогенная техника. 

• Вакуумная техника и технологии в металлургии, 

электротехнике, нефтехимии и химическом 

машиностроении, нанотехнологиях и наноматериалах. 

• Комплектующие вакуумной техники. 

• Течеискатели и аналитическое оборудование, 

работающее в вакуумной среде. 

• Сублимационное оборудование. 

• Технологии и оборудование для нанесения 

функциональных покрытий. 

Свыше 52% посетителей «ВакуумТехЭкспо 

2012» проявили интерес к оборудованию и технологиям 

для напыления, в связи с чем в 2013 году 

в рамках выставки «ВакуумТехЭкспо» впервые 

будет организована специальная экспозиция 

«Оборудование и технологии для нанесения 

функциональных покрытий», проходящая при 

поддержке Fraunhofer Institute for Electron Beam 

and Plasma Technology FEP (ФРГ). В рамках этого 

раздела выставки состоится специализированный 

семинар «Функциональные покрытия для оптики, 

сенсорики и электроники». 

Тематика раздела: 

• Оборудование для нанесения функциональных 

покрытий. 

• PVD-методы: 

– метод испарения, 

– метод распыления, 

– метод имплантации ионов. 

• Готовая продукция с нанесением тонких пленок. 

• CVD-методы: 

– при атмосферном или пониженном давлении, 

а также в вакууме, 

– плазменные методы, 

– атомно-слоевый CVD, 

– CVD сгорания, 

– металлоорганический CVD. 

Целевая аудитория нового раздела: производители 

электроники, микроэлектроники, сенсорики, 

оптики промышленного и бытового назначения, 

инструмента; работники предприятий оборонной 

и полупроводниковой промышленности и сотрудники 

НИИ. 

Узнать подробнее о выставке и об участии в ней 

можно на сайте www.vacuumtechexpo.com или 

в дирекции. 

Директор выставки: Дмитрий Жуков. 

Менеджер выставки: Елена Кривицкая. 

Тел./факс: (495) 935-81-00, 935-81-01. 

e-mail: zhukov@mvk.ru, krivitskaya@mvk.ru. 

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2013 

Реклама

окончание. начало в № 12`2012 

Светлана СыСОЕВА 

Dr.Gold@sysoeva.com 

9-осевые комбидатчики. 

Все функции в корпусах 

с фут-принтом до 13,5 мм 2 

Лидирующие производители — STMicroelectronics, 

InvenSense, Bosch — представили 

свои предложения 9-осевых интегральных 

компонентов. Некоторые другие фирмы, например 

Murata (в состав которой вошла ранее 

известная компания VTI) и Kionix, располагают 

технологиями 9-осевого слияния сенсорных 

данных как программного решения, допускающего 

гибкий подбор дискретных, а также мультиосевых 

инерциальных компонентов. 

Лучшим в классе длительное время можно 

было считать мобильное 9-осевое устройство 

для слежения за данными о движении 

MPU-9150 (рис. 6), разработанное InvenSense 

в партнерстве с Asahi Kasei Microdevices 

Corporation (AKM) и представленное 

в 2012 году. InvenSense создала новое процессорное 

устройство на основе разработанного 

ранее MPU-6050, это первый в мире однокристальный 

гироскоп, объединенный с акселерометром. 

К процессорному блоку датчиков 

InvenSense добавила компас AK8975. 

Этот компас, присоединенный проводами 

к верхней части 6-осевого блока инерциальных 

измерений, интегрирован в тот же самый 

корпус. 

а 

Результатом стал модуль MPU-9150 в интегрированном 

корпусе размерами 441 мм, 

который включает 3-осевой акселерометр, гироскоп 

и компас от AKM, а также аппаратнопрограммные 

средства для осуществления 

слияния сенсорных данных. 

В настоящее время самым малым является 

9-осевой инерциальный компонент, недавно 

представленный Bosch Sensortec. Это также 

первый 9-осевой датчик, объединяющий 

в одном корпусе все технологии (акселерометр, 

гироскоп и геомагнитный датчик, аппаратное 

и программное обеспечение) от одного 

продавца. 

Bosch Bmx055 — самый малый 

9‑осевой датчик ориентации 

Bosch Sensortec сейчас оценивает абсолютный 

датчик ориентации BMX055, представляющий 

собой первый 9-осевой датчик 

на рынке со всеми компонентами — акселерометром, 

гироскопом, геомагнитным датчиком 

— в одном 20-выводном LGA-корпусе 

размерами 34,50,95 мм. Датчик отличается 

самым малым фут-принтом для устройств 

аналогичного класса и высокими характеристиками. 

BMX055 (рис. 7) содержит три высокоточных 

трехосевых датчика: 12-битный 

малошумящий акселерометр, гироскоп 


Мобильные 

МЭМС-датчики инерции. 

Стандарты де-факто 

и новые шаги производителей 

Рис. 6. 9-осевой сенсорный модуль InvenSense MPU-9150: 

а) 3D-модель; б) системная диаграмма Рис. 7. Абсолютный датчик ориентации Bosch BMX055 

б 

с разрешением в 16 бит и программируемыми 

измерительными диапазонами, а также 

малошумящий широкодиапазонный геомагнитный 

датчик. Датчики оптимизированы 

для достижения лучшего соотношения 

характеристик и потребляемой мощности. 

Включающий все эти устройства абсолютный 

датчик ориентации BMX055 обеспечивает 

точные данные об ускорении, угловой скорости 

и данные геомагнитных измерений. 

BMX055 поддерживается ПО Bosch Sensortec 

для сенсорного слияния FusionLib, которое 

объединяет выходы сенсорных данных 

и генерирует вычисляемые виртуальные 

сенсорные выходы — кватернионы. Для разработчиков 

создана возможность быстро 

и с небольшими усилиями создавать передовые 

9-осевые решения для применений в области 

дополненной реальности, человекомашинного 

интерфейса (HMI), сервисов, 

основанных на местоположении (LBS), 

а также в системах навигации в помещениях, 

смартфонов и HMI для дистанционного 

контроля. 

BMX055 характеризуется тем же самым малым 

фут-принтом, что и 6-осевой блок инерциальных 

измерений IMU Bosch Sensortec 

BMI055, и программно совместим с ним. 

Поэтому новое устройство позиционируется 

производителем как интеллектуальное про- 


9

10 


Рис. 8. Развитие 9-осевой мультисенсорной интеграции ST: 

а) концепция 9-осевой аппаратно-программной интеграции, представленная в 2011 году; 

б) 9-осевые SiP-модули LSM333D STMicroelectronics с высокими рабочими характеристиками и технологиями слияния данных, 

полностью интегрированные в одном корпусе с малым форм-фактором; 

в) система на плате iNEMO-M1 — миниатюрный 9-осевой инерциальный модуль с 32-битным обрабатывающим процессором и ПО iNEMO 

должение существующих решений, предлагающее 

путь сглаженной миграции для пользователей 

BMI055 к более высокой функциональности. 

Все три датчика, интегрированные 

в BMX055, имеют лидирующие на рынке характеристики. 

Блок акселерометра BMX055 

имеет диапазон от ±2g до ±16g с чувствительностью 

от 1024 до 128 LSB/g. Характеристики 

шумовой плотности превосходят 

150 мкg/√Гц. Гироскоп отличается широким 

измерительным диапазоном с угловой скоростью 

от ±125 до ±2000 °/с. Одновременно 

устройство характеризуется стабильностью 

нулевого смещения (выхода при нулевой 

угловой скорости). Геомагнитный датчик 

имеет широкий измерительный диапазон: 

±1300 мкТл по оси X и Y и ±2500 мкТл 

по оси Z. Курсовая точность составляет 2,5°. 

Bosch Sensortec в настоящее время предлагает 

образцы BMX055 своим партнерам 

по разработке для оценивания. 

б 

9‑осевое слияние сенсорных данных 

от Kionix — решение на основе По 

для дискретных компонентов 

На мероприятии CES 2012 года компания 

Kionix представила свое решение на основе масштабируемого 

ПО с сенсорным слиянием данных 

акселерометра и магнитометра (AM), акселерометра 

и гироскопа (AG) и акселерометра, 

гироскопа и магнитометра (AMG). ПО доступно 

вместе с совместимыми датчиками этой компании 

и поддерживает датчики и ПО сторонних 

производителей. Целевые рынки — смартфоны, 

планшеты и другие мобильные устройства, поддерживающие 

ОС Android и iCore Windows 8 

и выполняющие обнаружение жестов, мониторинг 

активности или другие функции. 

Kionix уже получила сертификат Windows 8 

для своего 9-осевого решения для сенсорного 

слияния. Такой же сертификат получили 

фирмы ST и Freescale, разработавшие решения 

для детектирования еще большего числа 

входных параметров, чем 9 и даже 10. 

в 

а 

sT: 9‑осевые модули и дальнейшее 

расширение мультисенсорной 

платформы inemo 

Например, ST имеет решение на основе 

сенсорного узла, которое выбрали различные 

OEM и ODM из числа главных мировых производителей 

устройств на основе Windows 8. 

Сенсорное решение ST уже готово к продаже 

в высоких объемах при выпуске Windows 8, 

а его «сердцем» является интегрированный 

9-осевой мультисенсорный датчик инерции 

LSM333D (рис. 8а) или дискретные компоненты, 

дающие возможность детектирования 

до 10 степеней свободы и до 12 различных 

параметров. 

LSM333D — это инерциальный модуль 

с числом степеней свободы 9 DOF, объединяющий 

3D-акселерометр, 3D-гироскоп и 3Dмагнитометр 

в SiP-корпусе. 

LSM333D измеряет линейное ускорение 

в полных диапазонах ±2g/±4g/±8g/±16g, магнитное 

поле — ±0,2/±0,4/±0,8/±0,12 мТл 


а б 

Рис. 9. Высокоточный датчик давления от Omron для мобильных применений: 

а) иллюстрация CMOS MEMS-интеграции; 

б) пьезорезистивная МЭМС-структура датчика (приведено поперечное сечение) 

и угловую скорость в диапазонах 250/±500/±2000 dps, избираемых пользователем. 

Выходные интерфейсы устройства — I 2 C и SPI. 

LSM333D — это самый высокоинтегрированный модуль в семействе 

iNEMO — модулей, способных системно интегрироваться 

с ПО и процессором верхнего уровня. 

ST iNEMO — это интеллектуальная мультисенсорная технология, 

или платформа на основе ПО для сенсорного слияния с применением 

фильтрации Калмана множественных входов датчиков, включая акселерометры, 

компасы, гироскопы и датчики давления. 

ST ранее представляла свое первое высокоинтегрированное решение 

iNEMO-M1 (рис. 8в) — систему на плате (System-on-Board, SoB), 

где интегрировано несколько датчиков ST (6-осевой геомагнитный модуль 

и 3-осевой гироскоп) с мощным вычислительным ядром — ARM 

Cortex M3 с 32-битным MCU, работающим под управлением ПО. 

ПO iNEMO еще с 2011 года допускает вычисление ориентации 

и сенсорное слияние с числом степеней свободы до 10, а в 2012 году 

возможности мультисенсорной интеграции iNEMO еще более повысились 

и позволяют объединять в вычислениях уже до 12 входов 

от различных датчиков согласно требованиям Windows 8. 

Но перед тем как рассмотреть эти решения, остановимся на новых 

предложениях датчиков инерции для детектирования ориентации 

с числом степеней свободы 10 и 10-осевого слияния сенсорных 

данных. Эти предложения включают дискретные датчики давления, 

точность которых неуклонно повышается, и первый 10-осевой SiPмодуль, 

аппаратно-программно интегрированный с электроникой 

обработки сигнала high-end уровня исполнения. 

Компоненты для 10-осевого детектирования. 

Повышение характеристик и уплотнение корпусов 

высокоточный датчик давления omron — 

для детектирования десятой степени свободы 

Компания Omron анонсировала выпуск высокоточного датчика 

абсолютного давления, способного детектировать вариации по высоте 

до 50 см и предназначенного для встраивания в мобильные 

устройства и другое компактное оборудование. Датчик отличается 

эффективностью потребления мощности, что важно для смартфонов 

и других батарейных устройств. 

Установка датчиков давления в таких устройствах позволяет принять 

в расчет высоту. В смартфонах детектирование высоты используется 

для пешеходной навигации по этажам. В мониторах активности, 

представляющих собой педометры, которые не только измеряют 

число шагов, но и интенсивность движения, инсталляция датчиков 

позволит учитывать изменение высоты. Инсталляция датчиков в системах 

автомобильной навигации даст возможность различать этажи 

в местах многоэтажной парковки или подъем при движении по равнинной 

дороге. Датчики можно применять также в системах безопасности 

зданий: они могут определить движение воздуха при открытии 

двери или окна. 


Благодаря новому методу детектирования флуктуаций воздушного 

давления, точность датчиков Omron была повышена (рис. 9). 

Интеграция CMOS-схем и МЭМС-датчиков позволила Omron создать 

датчик абсолютного давления малых размеров (3,83,80,92 мм). 

В планах компании также выпуск интегрированных CMOS-MEMS 

пластин для более плотной интеграции других датчиков. 

Ключевые признаки датчика давления включают: 

• Субминиатюрные размеры: 3,83,80,92 мм. 

• Размер кристалла: 1,91,60,5 мм. 

• Диапазон измерения: 300–1100 гПа (1 гПа = 100 Па). 

• Высокая точность измерения: 6 Па, что соответствует 50 см высоты. 

• Малый ток потребления: от 0,5 до 9 мкА в зависимости от режима 

работы. 

• Встроенный датчик температуры — для температурной компенсации 

изменений воздушной среды. 

2 • Интерфейс I C. 

Демонстрация устройств состоялась в июле 2012 года на выставке 

Micromachine/MEMS ROBOTECH в Токио. 

Следующий шаг sTmicroelectronics 

в прецизионном 3d‑обнаружении локации 

В сентябре 2012 года ST объявила о новом датчике давления для вычисления 

с высокой точностью вертикального повышения мобильных 

устройств относительно уровня моря. Повышение точности — это 

новый шаг к тому, чтобы мобильные устройства не только «знали», 

на каком этаже здания они находятся, но и могли контролировать 

практически каждый шаг человека на лестнице. 

Точная локация мобильных устройств — ключевой аспект для 

многих возникающих услуг, основанных на местоположении 

(Location-Based Services, LBS). 

Для горизонтальной локации (широты и долготы) универсальным 

решением является спутниковая навигация, определяющая горизонтальное 

расположение устройства на карте с точностью до 1 м (в оптимальных 

условиях, когда устройство может получать сигналы от четырех 

или более спутников). ST уже продемонстрировала решение 

для навигации в пределах помещения, разработанное в объединении 

с CSR, которое может осуществлять горизонтальную и вертикальную 

локацию устройств даже в отсутствие любого спутникового сигнала. 

Но измерения атмосферного давления могут обеспечивать более 

высокое разрешение по вертикали, чем это обеспечивает спутниковая 

навигация, особенно в тех случаях, когда поступает менее четырех 

спутниковых сигналов. Новый датчик давления ST LPS331AP (рис. 10) 

может точно измерять воздушное давление от 260 мбар, типичное 

на высоте порядка 10 км, до 1260 мбар, что соответствует воздушному 

давлению на высоте 1800 м ниже уровня моря. Имеющее корпус 

размерами 33 мм устройство рекомендуется для смартфонов, спор- 

Рис. 10. Новый датчик давления ST LPS331AP 


11

12 


тивных часов и другого портативного оборудования, 

а также погодных станций, автомобильных 

и промышленных применений: 

оно может работать при низком напряжении 

и с ультранизким потреблением мощности. 

LPS331AP уже используется в последней модели 

смартфона Samsung. 

Датчик ST LPS331AP выпускается на основе 

МЭМС-технологии под названием VENSENS, 

которая позволяет производить датчик 

давления на монолитном кремниевом кристалле. 

Это исключает присоединение пластин 

друг к другу и повышает надежность 

устройства. Сенсорный элемент в LPS331AP 

основан на гибкой кремниевой мембране, 

сформированной выше воздушной полости 

с контролируемым зазором и определенным 

внутренним давлением. Мембрана очень 

мала в сравнении с традиционными кремниевыми 

микромеханическими мембранами 

и защищена от повреждений посредством 

встроенных механических пробок-остановов. 

Пьезорезистор — малая структура с электрическим 

сопротивлением, различаемым при 

изгибе мембраны в соответствии с изменениями 

во внешнем давлении, — встраивается 

в мембрану и осуществляет мониторинг 

изменения сопротивления и, следовательно, 

давления. Температурно скомпенсированное 

и преобразованное в цифровое значение 

давления может прочитываться хостпроцессором 

оборудования посредством 

стандартных интерфейсов I2C или SPI. 

Главные технические признаки LPS331AP: 

• Высокоразрешающий, малошумящий датчик, 

способный обнаруживать различия 

в высоте в пределах 1 см. 

• Собственная технология ST VENSENS 

обеспечивает высокое сопротивление разрыву 

(burst resistance): до 20 раз от полной 

шкалы. 

• Избирательный ODR: от 1 до 25 Гц. 

• Низкое потребление мощности: в низкоразрешающем 

режиме — 5,5 мкА, в высокоразрешающем 

— 30 мкА. 

• Напряжение питания: 1,71–3,6 В. 

• Температурный диапазон: –40…+85 °C. 

• Интегрированный датчик температуры, 

допускающий температурную компенсацию 

диапазона. 

• Производственная калибровка давления 

и температуры, исключающая необходимость 

в калибровке в корпусе проданных 

устройств. 

• Поставляется в пластиковом корпусе размерами 

331 мм (HCLGA-16L) с отверстиями 

для подачи давления на сенсорный 

элемент. 

LPS331AP уже находится в массовом производстве 

и предлагается по стандартной 

цене в $2,6 в количестве свыше 1000 единиц. 

Образцы и оценочные комплекты доступны 

для поддержки дизайна и сокращения времени 

вывода изделий на рынок. 

Обратим внимание читателей и на новый 

цифровой датчик барометрического давле- 

ния BMP280 Bosch. Он имеет самый малый 

среди аналогичных устройств фут-принт — 

2,52 мм, а его высота — всего 0,95 мм. 

10‑doF mems imu Analog devices — 

первый siP‑модуль с интегрированным 

алгоритмом слияния данных датчиков 

в high‑end системах 

Analog Devices, Inc. (ADI) в 2012 году 

анонсировала MEMS-блок инерциальных 

измерений (IMU) с десятью степенями 

свободы (10-degree-of-freedom, 10-DoF) 

со встроенным алгоритмом сенсорного 

слияния, который обеспечивает высокоточное 

детектирование ориентации в системах 

стабилизации платформ, навигации 

и контрольно-измерительной аппаратуре. 

10-DoF MEMS IMU ADIS16480 (рис. 11) интегрирует 

в одном корпусе 3-осевой гироскоп, 

3-осевой акселерометр, 3-осевой магнитометр, 

датчик давления и процессор Analog 

Devices ADSP-BF512 Blackfin. Встроенный 

в устройство расширенный фильтр Калмана 

(Extended Kalman filter, EKF) выполняет 

слияние сенсорных входов во времени для 

воспроизведения позиционирования с высокой 

точностью — при снижении времени 

разработки и цены в сравнении с другими 

MEMS IMU. 

Фильтрация Калмана представляет собой 

математический алгоритм, который 

оценивает данное состояние зашумленного, 

переменного процесса посредством выполнения 

во времени множественных измерений 

и объединения их с предиктивными 

оценками от расчетчика состояния. При 

встраивании в ADIS16480 фильтр Калмана 

интеллектуально объединяет входы датчиков 

движения MEMS IMU и обеспечивает точные 

данные позиционирования даже в сложных 

рабочих условиях, характеризуемых 

постоянным, непредсказуемым движением. 

Фильтрация Калмана особенно полезна 

в системах, требующих позиционирования 

в реальном времени, где движение является 

постоянным, сложным и динамичным: в навигации 

военных и коммерческих летательных 

аппаратов, беспилотных транспортных 

средств, при позиционировании подвижных 

платформ, в промышленной робототехнике. 

Благодаря встраиванию фильтра в ядро 

процессора Blackfin, компания ADI также 

экономит время на разработку и сохраняет 

ее стоимость, так как нет надобности в интенсивной 

разработке кода, тестировании 

и внешней обработке, что требуется для других 

MEMS IMU. 

Для достижения необходимой точности 

в широком диапазоне окружающих условий 

допускается либо автономная настройка 

фильтра, либо его тюнинг через программируемый 

интерфейс. 

ADIS16480 имеет широкую полосу пропускания 

(bandwidth) — 330 МГц, что в шесть 

раз больше, чем у конкурирующих датчиков. 

Устройство использует технологии iMEMS 

Рис. 11. Модуль инерциальных измерений 

Analog Devices ADIS16480 

для достижения высоких характеристик 

и объединяет их с прецизионной обработкой 

сигналов датчиков для поддержания выровненных 

(0,05°) и согласованных по фазе 

осей с нелинейностью в 0,01%. Каждый 

MEMS IMU калибруется при производстве, 

что значительно снижает время и риск, ассоциируемый 

с разработкой и интеграцией, 

а также обеспечивает низкую чувствительность 

к тепловому дрейфу. 

Ключевые параметры ADIS16480 iSensor 

10-DoF MEMS IMU: 

• Расширенный адаптивный фильтр 

Калмана. 

• Трехосевой цифровой гироскоп: 

динамический диапазон ±450°/с. 

• Стабильность смещения: 

6°/ч (in-run bias stability). 

• Угловой случайный уход 

(angular random walk): 0,3°/√ч. 

• Трехосевой цифровой акселерометр: 

±10g. 

• Трехосевой цифровой магнитометр: 

±0,25 мТл. 

• Цифровой датчик давления: 

300–1100 мбар. 

• Быстрое время старта: ~500 мс. 

• SPI-совместимый последовательный 

интерфейс. 

• Выживаемость при ударах до 2000g. 

ADI далее расширила свое портфолио 

iSensor MEMS IMU введением MEMS-датчиков 

ADIS16448 10-DoF и ADIS16485 6-DoF. 

ADIS16448 разработан для стабилизации 

платформ, навигации и применений 

в контрольно-измерительной аппаратуре 

и обеспечивает лучшую в промышленности 

комбинацию показателей цены, характеристик 

и плотности корпусирования в объеме 

243811 = 10 032 мм3 . ADIS16485 MEMS IMU 

включает 3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр 

и характеризуется лучшими комбинированными 

показателями стабильности 

смещения (in-run bias stability) гироскопа 

(6°/ч) и акселерометра (32 мкg) на фоне других 

доступных 6-DoF MEMS IMU. 


Рис. 12. 12-осевая сенсорная платформа и инерциальные компоненты в компактных корпусах: 

а) внешний вид продукта в работе; б) сенсорная плата; в) схема потока данных 

Мультисенсорные платформы 

с числом контролируемых 

входов до 12 

Freescale: 12‑осевая сенсорная платформа 

и новые мультиосевые компоненты 

в компактных корпусах 

Freescale представила в 2012 году новые решения 

для осуществления сенсорного слияния, 

включая 12-осевую сенсорную платформу 

Xtrinsic для портативных устройств, 

основанных на ОС Windows 8 (рис. 12), и два 

компонента, совместимых с ПО для сенсорного 

слияния Xtrinsic eCompass. К ним относятся 

6-осевой компас Xtrinsic FXOS8700CQ 

и 3-осевой акселерометр Xtrinsic MMA8652FC 

в компактном корпусе размерами 221 мм. 

Первой по времени появления и самой выдающейся 

из этого списка является 12-осевая 

сенсорная платформа для датчиков, удовлетворяющих 

требованиям ОС Windows 8. 

Это высокоинтегрированное сенсорное решение 

Freescale для портативных устройств 

(рис. 12а). Впрочем, повышение числа осей 

до 12 вместо 10 для описания данного решения 

— это указание на полное число входящих 

в него датчиков и поэтому в большей 

степени маркетинговый ход, а не действи- 

а 

б 

тельное число степеней свободы этих инерциальных 

датчиков. 

12-осевая сенсорная платформа Freescale 

включает следующие датчики: 

• 3-осевой акселерометр Xtrinsic MMA8451Q; 

• 3-осевой магнитометр Xtrinsic MAG3110; 

• прецизионный альтиметр Xtrinsic 

MPL3115A2; 

• датчик температуры; 

• аналоговый датчик окружающего освещения. 

Поддерживается выбор совместимых 

3-осевых гироскопов. 

Тем не менее решение уникально в том 

плане, что отличается высокой степенью 

аппаратно-программной интеграции входящих 

в него датчиков со встроенным сенсорным 

слиянием и интерфейсом разработчика. Все 

это снижает системную сложность и облегчает 

процесс разработки приложений. 12-осевая 

сенсорная платформа работает под управлением 

микропроцессора Freescale ColdFire+ 

MCF51JU128VHS, выступающего в роли сенсорного 

узла, объединенного с ПО для слияния 

данных, поступающих от датчиков. 

Платформа поставляет калиброванные 

сенсорные данные и выполняет сенсорное 

слияние в формате Windows 8. С помощью 


этой платформы можно получить полную 

информацию о положении и ориентации. 

Она имеет простой пользовательский интерфейс 

для выбора ориентации экрана, игр, обнаружения 

жестов, с ней легче подготовить 

данные для использования в навигации и выполнить 

другие, более сложные функции. 

12-осевая платформа позволяет синтезировать 

данные движения, локации, окружающего 

света, близости человека и объединять 

их в одно целое. Это дает более точные, надежные 

и чувствительные, более адаптированные 

к клиентским системам эффективные 

устройства и разгружает хост-процессор 

от задач, выполняемых датчиками Freescale. 

Локальная, распределенная обработка сенсорных 

данных согласно требованиям ОС 

Windows 8 в оптимизированном МК выполняется 

быстрее, чем с использованием центрального 

процессора, и это помогает сберечь 

мощность и повысить качество сенсорных 

данных при их слиянии с эффективной 

временной синхронизацией. 

Платформа Freescale разработана с фокусом 

на эффективное использование мощности 

в режиме ожидания (standby), общее 

снижение потребления мощности и ценовую 

эффективность решения. Коммуникация 

с ПК осуществляется посредством USB с помощью 

стандартных HID-драйверов. 

Эта платформа стала результатом сотрудничества 

Freescale с Microsoft. Недавно 

анонсированная ОС для планшетов Microsoft 

Windows 8 сфокусирована на аппаратнопрограммной 

интеграции сенсорных приложений 

на стандартной платформе. Microsoft 

намерена предлагать сенсорную аппаратную 

часть plug-and-play типа и программное решение 

для телефонов с Windows 8. 

Планы Freescale в отношении получения 

сертификации Windows 8 уже осуществились. 

Производство модуля стартовало 

в III квартале 2012 года, а для потребительских 

продуктов от OEM — уже с июня 

прошлого года. Сенсорный узел Xtrinsic 

от Freescale был интегрирован в следующее 

поколение ультрабуков, работающих под 

управлением Windows 8, а также гибридных 

ПК от ведущих производителей. 

Freescale предлагает плату RDFXWIN8USB, 

которая содержит акселерометр Xtrinsic 

MMA8451Q, магнитометр Xtrinsic 

FXMS3110CDR1 и прецизионный альтиметр 

Xtrinsic MPL3115A2, вместе с другими 

датчиками и специализированным МК 

MCF51JU128VHS MCU. Предложение полностью 

укомплектовано библиотечным ПО, 

нацеленным на Windows 8, для осуществления 

полного сенсорного слияния. Продажи 

RDFXWIN8USB планировалось начать 

в IV квартале 2012 года по цене $199. 

В планы Freescale также входит сотрудничество 

с ведущими разработчиками ПО — 

Movea и Hillcrest — для создания более широкого 

диапазона клиентских приложений 

с распознаванием жестов, а также сотрудни- 


в 

13

14 


чество с разработчиками систем позиционирования 

(навигации и GPS) и Wi-Fi. 

Интегрированные сенсорные решения 

будут лежать в основе следующего поколения 

устройств, предназначенных для более 

удобного обслуживания пользователя посредством 

интуитивных интерфейсов и контекстной 

осведомленности. 

Freescale констатирует увеличивающийся 

пользовательский интерес к возможности 

осуществления плавной системной регулировки 

согласно изменяющимся условиям 

окружения — от изменения яркости экрана 

при разных условиях освещения до варьирования 

набора предоставляемой информации 

в зависимости от того, например, насколько 

пользователь торопится. 

Существует интерес к обнаружению мобильным 

устройством расположения настроения 

или стресса пользователя. Информация 

о расположении духа может автоматически 

посылаться в социальную сеть. 

Один из проектов Freescale состоит в разработке 

игрового интерфейса, когда игра может 

изменяться согласно уровню стресса, что измеряется 

по частоте сердечных сокращений 

или влажности ладони. 

Для контекстной осведомленности имеются 

широкие перспективы. Для успешного 

осуществления услуг по предоставлению информации, 

основанной на местоположении, 

или рекламы базовыми функционалами остаются 

локация местоположения и навигация. 

В зависимости от доступности GPS интегрированные 

инерциальные датчики могут замещать 

полностью (в пределах помещения) 

или частично (за пределами помещения) GPSлокаторы 

для экономии мощности батарей. 

Поддерживая рост мобильных систем, 

Freescale представила 12-осевую сенсорную 

платформу, ПО eCompass и расширяет свое 

портфолио совместимыми с ними инерциальными 

компонентами. 

STMicroelectronics также сотрудничала 

с Microsoft с целью разработки сенсорного 

решения для детектирования движения 

и ориентации как устройства интерфейса 

с человеком (Human Interface Device, HID) 

и недавно сообщила о получении сертификата 

Windows 8 и своей готовности к старту 

объемного производства MEMS-датчиков 

и сенсорных узлов для планшетов и лэптопов 

на базе Windows 8. 

мультисенсорное узловое решение sT 

для Windows 8 

Сенсорный узел ST для операционной системы 

Windows 8 объединяет 3-осевой цифровой 

гироскоп, 3-осевой цифровой акселерометр, 

3-осевой цифровой магнитометр с датчиком 

близости, датчиком барометрического давления, 

а также микроконтроллер STM32 с высокими 

характеристиками, который работает 

под управлением алгоритмов для слияния 

сенсорных данных ST iNEMO Engine и HID 

с использованием протокола I 2 C. 

ST объявила о том, что MEMS-датчики 

и решение на основе сенсорного узла уже готовы 

к продаже в высоких объемах при выпуске 

Windows 8. Различные OEM и ODM 

из числа главных мировых производителей 

выбрали сенсорное решение ST для своих 

устройств на основе Windows 8. 

Более чем 20 планшетов от OEM используют 

сенсорные решения ST. Как было продемонстрировано 

посредством включения 

в устройства на основе Windows 8 со стандартным 

plug-and-play HID/I 2 C интерфейсом 

и протоколом, ST значительно снизила усилия 

по включению датчиков для OEM и ODM. 

Сенсорное узловое решение ST является масштабируемым, 

стоимость материалов и пространство 

на плате могут быть далее снижены 

после введения дополнительных признаков, 

включая мониторинг температуры и заряда 

батареи встроенным МК STM32. 

Оба представленных сенсорных узловых 

решения для Windows 8 демонстрируют движение 

лидеров рынка к дальнейшему повышению 

качества пользовательского интерфейса, 

навигации и будущих применений 

МЭМС-датчиков. 

Аналитики IHS iSupply считают, что сенсорное 

слияние особенно актуально для мобильных 

устройств, комбинирующих акселерометр, 

гироскоп и компас. IHS ожидает, 

что в 2016 году эти три датчика будут входить 

в 1,2 млрд хэндсетов, планшетов и лэптопов 

— в сравнении с 249 млн в 2011 году. 

Сенсорное слияние лежит в основе дополненной 

реальности и LBS. 

По прогнозам ABI Research, использование 

MEMS-датчиков в интеллектуальных портативных 

устройствах будет непрерывно расти 

в течение следующих пяти лет. К 2017 году 

поступления от продаж MEMS-датчиков 

в смартфонах составит $4,4 млрд, а их доходность 

в объемах продаж медиапланшетов 

возрастет приблизительно до $835 млн. 

Заключение 

Современная мобильная электроника характеризуется 

растущей потребностью в мультисенсорных 

интерфейсах для осуществления 

всеобъемлющего контроля входных параметров. 

Важнейшим примером является пользовательский 

интерфейс, усовершенствования 

которого нацелены на то, чтобы сделать его 

еще более интуитивным, «юзабельным», причем 

не только в отношении интерпретации 

пользовательских действий, но и в зависимости 

от окружающих условий. 

Мобильное устройство — это категория, 

ассоциируемая с потребительскими устройствами 

типа смартфонов и планшетов, но, 

безусловно, это понятие гораздо шире. 

Потребность в мобильной электронике существует 

везде, где требуется контроль движения 

мобильного объекта и окружающих 

условий в месте локации контрольного 

устройства. 

Возможности для более полного контроля 

входных параметров значительно повысились 

благодаря дальнейшему развитию 

технологий датчиков инерции до уровня 

интегрированных мультисенсорных решений 

и технологиям слияния сенсорных данных 

при объединении нескольких датчиков 

с процессором в сенсорном узле, которое 

демонстрируют достижения компаний ST 

и Freescale. 

Жестовые интерфейсы полностью вышли 

в 3D-измерение и достигли 6D, 9D, 10D и более 

(ND) степеней свободы, возможных при 

объединении с другими датчиками. 

В связи с актуализацией Windows 8 в настоящее 

время можно констатировать реальное 

повышение числа степеней свободы 

и параметров, контролируемых в одном 

мультисенсорном сенсорном узле или 

на мультисенсорной платформе, до 12. 

Аппаратно-программная узловая интеграция 

с процессором и ПО дает новый импульс 

для дальнейшего совершенствования алгоритмов 

сенсорного слияния с целью более 

точного контроля движения и уровня исполнения 

подключаемых дискретных датчиков 

— с тем чтобы разгрузить системный 

процессор от объема вычислений. 

Все это является стимулом для новых разработок 

дискретных компонентов и комбидатчиков. 

Новые инерциальные компоненты 

представляют собой мультиосевые, мультисенсорные 

и мультизадачные мобильные 

микродатчики, аппаратно-программно подключаемые 

в мобильную систему. Новые 

предложения датчиков инерции демонстрируют 

непрерывное расширение набора 

функциональных возможностей, повышение 

уровня характеристик и исполнения, интеграции 

и миниатюризации, потребления 

мощности и цены. 

Проникновение в сферу инерциальных 

измерений нанотехнологий обещает еще 

большие возможности, вплоть до создания 

монолитных мультиэлементных мобильных 

микродатчиков, органично интегрированных 

в надсистему, имеющую неограниченное 

число не только контролируемых степеней 

свободы, но и других входных параметров. n 

Литература 

1. Сысоева С. Мобильные датчики инерции. Все 

более высокие уровни миниатюризации, системной 

интеграции и «мобильности» // Компоненты 

и технологии. 2012. № 7. 

2. Сысоева С. Мобильные МЭМС-датчики с девятью 

и более степенями свободы // Электронные 

компоненты. 2011. № 5. 

3. Сысоева С. Мир МЭМС. Дальнейшая конвергенция 

датчиков движения и смежных технологий 

на массовых рынках // Компоненты и технологии. 

2011. № 6. 

4. Сысоева С. Новые сенсорные решения. Выход 

на новый уровень измерений //Компоненты 



Реклама

16 

Введение 


Светлана СыСОЕВА 

Dr.Gold@sysoeva.com 

Будущие системы предполагают широкие 

возможности внедрения технологий 

автоматического контроля домов, офисов, 

транспорта, производственных процессов, 

окружающей среды. Особое внимание будет 

уделяться развитию систем интерактивного 

взаимодействия с пользователем — жестового, 

тактильного, голосового или видеоинтерфейса. 

Потребительская и автомобильная 

электроника, где названные технологии 

пользовательского интерфейса уже в той или 

иной степени реализованы, наглядно показывает 

нам и будущие пути в развитии технологий 

управления. 

Электроника «научилась» и продолжает 

учиться распознавать как простые, так 

и сложные жесты пользователя, воспринимать 

не только явно сформулированные команды, 

но и ловить мимолетные проявления 

желаний и настроения, используя эту информацию 

по большей части для наиболее 

полного обслуживания пользователя, а также 

для оптимизации работы своих систем/подсистем. 

Речь идет об энергосбережении, что 

является важнейшей задачей электроники, 

имеющей ограниченный ресурс питания 

от батареи. 

Например, датчики близости выключают 

дисплей в тех случаях, когда владелец подносит 

его к уху, и вновь включают, когда 

владельцу необходимо посмотреть на экран. 

«Продвинутые» модели сотовых телефонов 

оснащены датчиками окружающего осве- 

Технологии 

тепловых датчиков Omron: 

новый вклад МЭМС 

в энергосбережение 

и автоматизацию 

Компания Omron недавно выпустила на рынок недорогие бесконтактные 

МЭМС-датчики теплового ИК-излучения для сегмента технологий энергосбережения. 

Датчики Omron способны на расстоянии порядка 4–6 м определять 

присутствие людей, даже находящихся в неподвижном состоянии, 

а система автоматического контроля, оборудованная этими датчиками, 

сможет автоматически регулировать температуру, включать/выключать 

освещение или мониторы дисплея. Технология Omron отличается низкой 

ценой и доступностью, что позволяет внедрять ее в системы автоматизации 

контроля зданий и производственных процессов, а также многих других 

мобильных и стационарных применений. 

щения, что позволяет регулировать яркость 

дисплея в зависимости от внешних условий, 

и фронтальными камерами, способными 

улавливать взгляд пользователя и автоматически 

включать дисплей. Все это одновременно 

создает комфорт для владельца и позволяет 

оптимально расходовать мощность 


Технологии мобильного пользовательского 

интерфейса уже мигрировали в автомобильную 

электронику, для которой также 

весьма актуальна проблема экономии ограниченных 

ресурсов энергии, доступной для 

ДВС и нескольких десятков других двигателей, 

растущего числа датчиков и исполнительных 

механизмов. Эта проблема возникла 

в связи с необходимостью ограничения 

эмиссии и удорожанием топлива. 

Потребительская и мобильная электроника 

демонстрируют, по какому пути идет 

развитие технологий управления, сконцентрированного 

вокруг пользователя: электроника 

повышает комфорт, безопасность и информационную 

насыщенность жизни, при 

этом освобождает человека и от рутинных 

операций, и от слишком частой перезарядки 

телефона или заправки топливного бака. 

Актуальность приобретают технологии эффективного, 

автоматического, оптимального, 

адаптивного управления — и все это достаточно 

просто осуществляется посредством 

современных технологий микросистем, интегрированных 

с системами управления, — 

CMOS- и МЭМС-датчиков, микроконтроллеров 

c соответствующим ПО и беспроводных 

компонентов. Это также позволяет сокращать 

число проводов и шире использовать 

батареи и технологии собирания энергии 

в зданиях и промышленной автоматизации. 

Многие технологии интерфейса с пользователем 

уже стали частью повседневности 

современного человека, и непрерывно разрабатываются 

новые. Одна из новых идей 

состоит в том, чтобы объединить пользовательский 

интерфейс с полностью автоматическим 

контролем, который может происходить 

без связи с человеком посредством 

телематики машин (M2M), интерфейса 

машина-машина (Machine-Machine Interface, 

MMI) или интерфейса машина-окружение 

(Machine-Environment Interface, MEI). 

Возможность осуществления этой идеи 

основана на том, чтобы поставить в соответствие 

какой-либо стационарной или мобильной 

функции фактически само появление 

поблизости хозяина для инициации 

автоматической функции. Другие идеи состоят 

в том, чтобы одним из аргументов для 

активации или коррекции значения функции 

послужили внешние условия, например 

окружающая температура. 

Объединение этих идей было достигнуто 

фирмой Omron посредством встраивания 

МЭМС ИК-датчика в мобильный терминал. 

Компания таким образом продемонстрировала 

применение мобильного телефона для 

контроля температуры внешнего объекта. 

Перспективы, которые открывает технология 

Omron для применения в системах 

автоматизации зданий и производства, еще 


Рис. 1. Новый высокочувствительный тепловой (ИК) 

МЭМС-детектор D6T Omron 

шире. Теперь приобретает актуальность 

возможность использования тех же технологий 

в целях энергосбережения и автоматизации 

домов, офисов, производства, например 

для автоматического регулирования 

освещения, температуры в помещениях, 

яркости офисных дисплеев в зависимости 

от присутствия людей. Omron предлагает 

для этого датчик пользователя, или датчик 

теплового ИК-излучения, поступающего 

из внешней среды, источником которого является 

пользователь. Потенциальные применения 

включают медицину и охранную 

безопасность, а также контроль занятости 

помещений посетителями. 

Что особенно важно, новое решение является 

недорогим и достаточно простым, 

но весьма эффективным. Например, новые 

технологии автоматизации освещения могут 

быть реализованы посредством только 

нескольких модулей встроенных датчиков 

и микроконтроллера(ов), интегрированных 

с системами управления подачи тока, работающих 

под управлением сравнительно 

простых алгоритмов ПО. Другим применением 

для встроенных модулей и алгоритмов 

является возможность с помощью датчика 

ИК-излучения автоматически контролировать 

пожарную безопасность в здании или 

на производстве. 

Судя по дальнейшему анализу технологии 

Omron, осуществление многих, некогда 

футуристических концепций становится реальным 

— благодаря современному уровню 

развития технологий МЭМС и доступности 

новых возможностей для различных сегментов 

рынков. 

Рис. 2. Применение тепловой сенсорной 

МЭМС-технологии Omron для детектирования людей 

и автоматизации зданий 

Мобильныe МЭМС ИК-датчики D6T 

Omron 

Японская компания Omron (www.omron. 

com) объявила о том, что выпустила на рынок 

новый сверхчувствительный тепловой 

(ИК) МЭМС-детектор D6T, имеющий большие 

перспективы применения в качестве 

энергосберегающего устройства, чувствительного 

к присутствию людей или нагретых 

объектов (рис. 1–3). 

Сверхчувствительный ИК-датчик Omron 

способен эффективно детектировать людей 

и другие нагретые, в том числе стационарные 

объекты — в отличие от менее чувствительных 

пироэлектрических аналогов, разработанных 

конкурентами, для которых необходимо, 

чтобы объект находился в движении. В отличие 

от датчиков, измеряющих температуру 

в конкретной точке, тепловой детектор Omron 

способен измерять температуру в пространственной 

области, выполнять многоуровневый 

контроль температуры в жилом помещении 

или на производственной линии, идентифицировать 

необычные отклонения, указывающие 

на перенагрев или остановку работы. 

Тепловой датчик Omron основан на эффекте 

Зеебека, согласно которому термоЭДС 

генерируется вследствие разницы температур 

в точках контакта двух металлов (термопары) 

(рис. 4а). Тепловые датчики Omron 

сформированы последовательным соединением 

термопар, состоящих из N+ и P+ поликремния 

и алюминия. Горячие и холодные 


Рис. 3. Применение ИК МЭМС-датчика 

для мобильного контроля нагретой чашки 

переходы на диэлектрических мембранах 

с высоким тепловым сопротивлением обеспечивают 

быстрое срабатывание и эффективность 

преобразования энергии ИК-лучей 

в температуру и затем в термоЭДС. 

Сигналы, сгенерированные ИК-лучами, 

весьма слабы. Чтобы повысить надежность 

детектирования, Omron уделила внимание 

разработке и производству каждой части 

своего высокочувствительного детектора, 

начиная с MЭМС-датчика до ASIC и других 

частей согласно их применению (рис. 4б). 

Также, помимо самих тепловых детекторов, 

технологии D6T Omron включают микрозеркальную 

МЭМС-структуру с кремниевыми 

линзами для фокусировки ИК-лучей на термопары. 

ASIC выполняет соответствующие 

вычисления и преобразует сенсорные сигналы 

в цифровые выходы I 2 C. 

Датчик отличается высоким уровнем 

шумовой устойчивости и SNR (соотношения 

сигнал/шум), которому соответствует 

эквивалентная шуму разница температур 

(Noise-Equivalent Temperature Difference, 

NETD) в 0,14 °C. Точность специфицируется 

в ±1,5 °C, что является весьма высоким показателем. 

Разработаны версии матриц МЭМС-элементов 

размерностью 44 и 18 (рис. 5). Им 

соответствуют две версии модулей МЭМСтермоэлементов: 

D6T-44L-06 на основе матрицы 

размерностью 44 и D6T-8L-06 — 

на основе матрицы-столбца. Оба продукта 

питаются от 5-вольтного источника, имеют 

целевой диапазон детектирования +5…50 °C 

с заявленной точностью ±1,5 °C и выход I 2 C. 

а б 

Рис. 4. Технология теплового ИК-датчика Omron на уровне сенсорного элемента и ASIC: 

а) измерительный принцип теплового ИК-датчика (поперечное сечение сенсорного кристалла); б) конфигурационная диаграмма датчика 


17

18 


а б 

Рис. 5. Версии модулей тепловых датчиков D6T 

на основе: 

а) МЭМС-матрицы размерностью 4×4; 

б) МЭМС матрицы-столбца размерностью 1×8 

Первая демонстрация устройств состоялась 

в июле 2012 года на выставке Micromachine/MEMS 

ROBOTECH в Токио. Для демонстрации 

использовался смартфон, в котором 

ИК МЭМС-датчик был размещен под 

задней камерой. Было показано, как на дисплее 

смартфона посредством камеры может 

быть получено изображение чашки с горячим 

напитком, а приложение под названием 

“Too hot to eat sensor” по сигналам от датчика 

дополнительно сообщало, насколько напиток 

остыл для его употребления (рис. 3). 

Данное применение не стало рыночным 

ходом Omron относительно сегмента мобильных 

телефонов. В большей степени оно 

раскрыло новые возможности сенсорных 

технологий смартфонов и новые пути для 

сбережения энергии в домашнем хозяйстве, 

управления электроэнергией в зданиях и промышленном 

производстве, а также повышения 

безопасности пользования энергией. 

Omron уже вывела на рынок свои тепловые 

датчики и имеет планы продолжения работы 

для практического использования этой 

технологии, в частности для детектирования 

устройств, потребляющих большую мощность: 

кондиционеров, осветительных, нагревательных 

и других бытовых приборов 

и, при необходимости, их автоматического 

выключения (например, в отсутствие людей). 

Датчик можно использовать для мониторинга 

и поддержки оптимальной температуры 

в комнате, он может выявлять незначительные 

температурные изменения и идентифицировать 

области с различным нагревом. 

Устройство может использоваться в промышленности 

для выявления остановок производственных 

линий или областей с высоким нагревом 

как потенциально пожароопасных. 

Ввиду того что рабочий температурный 

диапазон модулей D6T специфицирован 

в диапазоне 0…+50 °C, применение устройства 

ограничено только пределами помещений 

или теплым временем года. Абсолютные 

пределы температуры хранения составляют 

–10…+60 °C, а влажности — 85%. 

Рабочий диапазон детектирования объектов 

составляет +5…50 °C относительно референсного 

(эталонного) значения окружающей 

температуры в диапазоне +5…45 °C (рис. 6). 

Более высокая точность (±1,5 °C) достигается 

в большинстве измерительных условий (точность 

1 на рис. 6). С точностью порядка 3 °C 

Рис. 6. Диапазон детектирования 

температуры объектов, соответствующий различным 

измерительным условиям и специфицированной 

для них точности 

охарактеризованы измерительные условия, 

соответствующие точности 2 на рис. 6. 

Технические характеристики датчика D6T 

сведены в таблицу. 

Важную роль в характеристиках играет 

угловая область обзора, который определяется 

как угловой диапазон, в котором выход 

датчика составляет 50% или более при изменении 

угла воздействия излучения на датчик. 

а 

б 

Таблица. Технические характеристики датчика D6T 

Технические характеристики 

Угол 

обзора 

Выходная точность 

температуры 

объекта 

D6T-44L-06 

(матрица 4×4) 

D6T-8L-06 

(матрица 1×8) 

Направление по оси Х 44,2° 62,8° 

Направление по оси Y 45,7° 60° 

Точность 1 

Точность 2 

Не более ±1,5 °С 

Условия измерения: Vcc = 5 В 

- Tx = 25 °С, Ta = 25 °С; 

- Tx = 45 °С, Ta = 25 °С; 

- Tx = 45 °С, Ta = 45 °С 

Не более ±3 °С 

Условия измерения: Vcc = 5 В 

- Tx = 25 °С, Ta = 45 °С 

Потребление тока 5 мА 

Диапазон определения 

температуры объекта 

+5…50 °С 

Диапазон определения эталонной 

окружающей температуры 

+5…45 °С 

Выходные спецификации 

Цифровые значения, относящиеся 

к температуре объекта (Тх) 

и эталонной температуре (Та), 

выводятся через 

последовательный порт связи 

Форма вывода 

Двоичный код (зафиксированная 

температура (°С) ×10) 

Форма передачи данных Соответствует I2C Температурное разрешение (NETD) 0,14 °С 

Для двух разных исполнений D6T эти характеристики 

будут различаться по горизонтали 

и вертикали (рис. 7). 

Некоторые другие аспекты применения 

требуют понимания границ использования 

технологии и оценок системы и характеристик 

со стороны пользователя/клиента. 

Не рекомендовано устанавливать датчики 

там, где на них будут влиять неблагоприятные 

условия: пыль, загрязнения, масло, вода 

в связи с наличием в них линз. Также не сле- 

Рис. 7. Характеристики угла обзора для двух различных исполнений модулей датчиков D6T: 

а) D6T-44L-06; б) D6T-8L-06 



дует эксплуатировать тепловые ИК-датчики 

за пределами помещения, при ярком солнечном 

свете, в коррозионной газовой среде 

(хлориды, сульфиды, аммиак и др.), при 

перепадах температуры, обледенении или 

конденсации, вибрации и ударах. 

Датчики не имеют защитных схем, и при 

обращении с ними должны приниматься 

меры по устранению статического электричества. 

Модули ИК МЭМС-датчиков требуют 

заботливого обращения — как, впрочем, 

и другие МЭМС-устройства. Но многие проблемы 

могут быть решены за счет корпуси- 

рования следующего уровня при интегрировании 

в систему управления. Кроме того, 

любые вопросы, связанные с приобретением, 

эксплуатацией и установкой при современных 

технологиях коммуникации могут быть 

легко решены в процессе взаимодействия 

клиента и технических специалистов поставщика 

и/или дистрибьюторов. 


МЭМС-технологии в последнее время 

не только развиваются, но и стремительно де- 


шевеют и быстро выходят на рынок, демонстрируя 

новые неограниченные возможности 

для своего применения как устройств интерфейса 

с человеком, машиной или окружением. 

Одно из таких применений МЭМС-технологий 

в составе систем автоматизации следующего 

поколения было рассмотрено в этой 

статье. Новое техническое решение, разработанное 

Omron, привносит свой первый 

вклад в реализацию широких возможностей 

для энергосбережения, повышения комфорта 

и безопасности людей в доме, офисе 

и на производстве. n 


19

20 

новости 

Высокопроизводительная система сбора данных ADAS3022 

Компания Analog Devices приступила к серийному 

производству уникальной микросхемы — восьмиканальной 

системы сбора данных ADAS3022. 

Основой ADAS3022 является 16-разрядный 

1 MSPS АЦП последовательного приближения 

с перераспределением заряда. 

Устройство имеет встроенный мультиплексор, 

который позволяет организовать восемь однополярных 

или четыре дифференциальных канала 

ввода с диапазоном до ±24,576 В. Кроме того, 

микросхема имеет дополнительные выводы — 

входы АЦП, позволяющие подключать ее непосредственно, 

минуя мультиплексор (то есть диапазон 

входного сигнала будет определяться ИОН). 

Основное отличие ADAS3022 от подобных 

компонентов — встроенный инструментальный 

усилитель, что обеспечивает высокое входное сопротивление, 

позволяет разработчику задавать 

коэффициент усиления в каждом из каналов 

самостоятельно, а кроме того, отказаться от согласующих 

усилителей на входе, что существенно 

удешевляет схему. 

Встроенный усилитель обеспечивает согласование 

уровней, необходимое усиление/ослабление 

сигнала, ослабление синфазного сигнала, то есть 

все те функции, которые обычно возлагают на операционные 

усилители на входе АЦП. 

ADAS3022 дает уникальную возможность обеспечить 

ввод всех типов сигналов: биполярный 

дифференциальный, биполярный несимметричный, 

псевдобиполярный, псевдооднополярный — 

практически весь набор выходных аналоговых 

сигналов с датчиков. 

Передачу данных обеспечивает 4-проводной последовательный 

интерфейс, позволяющий подключаться 

к ADAS3022 по SPI и SPORT. 

Микросхема имеет встроенный источник опорного 

напряжения 4,096 В (1 ppm/1 °C) и температурный 

датчик (800 мкВ/1 °C). 

Основные технические параметры: 

• количество входных каналов — до 8; 

• преобразователь данных — 16-разрядный 

1 MSPS SAR АЦП; 

• входное сопротивление — до 500 МOм; 

• отношение сигнал/шум — 91,5 дБ; 

• динамический диапазон — 92 дБ; 

• диапазон, свободный от искажений, — 100 дБ; 

• коэффициент подавления синфазного сигнала 

— 110 дБ; 

• температурный диапазон — от –40 до +85 °C; 

• корпус — 6×6 

мм LFCSP-40. 

www.eltech.spb.ru 


Реклама

Александр БЕКМАчЕВ, 

к. т. н. 

beck@ranet.ru 

Датчик EPIC представляет собой совершенно новую область 

сенсорных технологий, он измеряет изменения в электрическом 

поле подобно тому, как магнитометр обнаруживает изменения 

в магнитном поле. Датчик EPIC не требует ни механического, 

ни резистивного контакта для проведения замеров. На его основе 

производят такие инновационные продукты, как медицинские сканеры. 

Их достаточно просто расположить вблизи груди пациента, 

чтобы получить качественную электрокардиограмму (ЭКГ). Датчик 

может быть интегрирован в специализированной микросхеме с другими 

функциями, к которым относятся преобразование данных, 

цифровая обработка сигналов и беспроводная связь. 

Рассмотрим подробнее принцип работы и особенности датчиков 

линейки EPIC. 

что такое EPIC? 

EPIC — это сокращение английского термина Electric 

Potential Integrated Circuit: интегральная микросхема для измерения 

электрического потенциала. Но эта аббревиатура стала уже синонимом 

и технологии ИМС, и самого датчика, а в более широком понимании 

— физических принципов работы устройства в составе системы. 

EPIC — это бесконтактный электрометр, что подразумевает отсутствие 

прямого прохождения сигналов постоянного тока извне 

через входные каскады датчика, подобно электроду затвора МОПтранзистора. 

Электрод защищен слоем диэлектрического материала, 

который нанесен на него, чтобы изолировать электрод от измеряемого 

объекта. Устройство имеет полосу пропускания по переменному 

току (по срезу –3 дБ) от нескольких десятков до 200 МГц, эта характеристика 

регулируемая и может быть адаптирована к конкретным 


Датчики Epic 

от Plessey Semiconductors — 

прорыв в сенсорных 

технологиях 

В 1917 г. в Плимуте (Великобритания) была создана компания Plessey. 

В 1929 г. здесь был начат серийный выпуск электромеханических телевизоров 

системы Джона Бэрда, и компания продолжала их производство вплоть 

до начала Второй мировой войны. В конце 1950-х Plessey вышла на мировой 

рынок с полупроводниковыми микросхемами собственного производства. 

С тех пор Plessey Semiconductors является ведущей компанией в области 

разработки и производства полупроводниковых компонентов, используемых 

в качестве датчиков, средств измерения и управления. Продукты 

Plessey находят широкое применение в системах связи, технологическом 

оборудовании, медицинской, оборонной и аэрокосмической промышленности. 

Фирма обладает полным циклом производства высокоточных 

компонентов для работы в области высоких температур и радиационного 

излучения и разрабатывает изделия для ответственных и высокопроизводительных 

приложений, а ассортимент готовой продукции включает в себя 

КМОП-датчики изображения, сверхъяркие светодиоды линейки HBLED, 

устройства на основе эффекта Холла и датчики электрического поля EPIC. 

Технологии EPIC и ее применению посвящена эта статья. 

условиям применения. Такой электрометр не может иметь связи 

по постоянному току, поскольку сила электрического поля Земли 

вблизи поверхности достигает значений 100–150 В/м. 

В униполярном режиме устройство можно использовать для регистрации 

электрического потенциала; в дифференциальном режиме 

оно может измерять локальное электрическое поле или же может 

быть развернуто в решетки, что обеспечит отображение пространственного 

распределения потенциала — обнаружение проводящих 

Рис. 1. Блок-схема датчика EPIC 


21

22 

Рис. 2. Входной каскад датчика EPIC 


или диэлектрических материалов в трехмерном 

пространстве. 

На рис. 1 представлена принципиальная 

схема блока EPIC-датчика [1]. Размер электродов 

показан условно и зависит от входной 

емкости, необходимой для конкретного 

применения. Для тел, расположенных 

близко к электроду, размер электрода имеет 

значение, и работу устройства можно рассматривать 

с точки зрения емкостной связи. 

Для устройств, которые находятся на расстоянии 

нескольких метров, емкостная связь 

определяется только собственной емкостью 

электрода, и отклик устройства в значительной 

степени является функцией входного 

импеданса, тем, как он взаимодействует с полем. 

Как это ни удивительно, для функционирования 

в активном режиме датчику EPIC 

достаточно очень небольшого количества 

энергии, получаемого от внешнего поля. 

Входное сопротивление устройства может 

быть повышено путем использования компенсационной 

обратной связи, в то время как 

входная емкость может быть уменьшена блокировочными 

цепями. Таким образом, удается 

достичь уровня входной емкости в 10 –17 Ф 

с входным сопротивлением, имеющим значение 

примерно 10 15 Ом, при этом обеспечивается 

минимальное влияние на поле исследуемого 

объекта и гарантируется наличие только малых 

токов смещения между датчиком и объектом. 

Рис. 3. ЛАХ, соответствующая функции (2) 

Для более глубокого понимания механизмов 

обратной связи обратимся к рис. 2 и рассмотрим 

входной буфер усилителя и связанные 

с ним сопротивления. Резисторы RG1 и RG2 

используются для установки коэффициента 

усиления в первом каскаде, который номинально 

является единым. C in и R in представляют 

собой соответственно собственные входную 

емкость и сопротивление усилителя и включают 

в себя также паразитные составляющие, 

возникающие из-за несовершенства схемы или 

подложки. Конденсатор C ext имитирует емкостную 

связь с измеряемым объектом. 

Для сильной связи (C ext >> C in ), справедливо 

выражение: 

C ext = ε 0 ε r a/d, (1) 

где a — эквивалентный общий электрод/площадь 

объекта; d — расстояние между объектом 

и датчиком; ε 0 — диэлектрическая 

проницаемость промежутка между объектом 

и датчиком; ε r — относительная диэлектрическая 

проницаемость диэлектрика, которым 

покрыт датчик. 

Для слабой связи (C ext

Рис. 4. Записи ЭКГ, показывающие результаты, полученные с помощью: 

а) датчиков EPIC; б) традиционных «мокрых» электродов 

активностью мышц глаза, при движении 

глазного яблока влево-вправо и вверх-вниз. 

Эти сигналы обладают уникальными сигнатурами, 

поэтому в данном случае ЭОГ необходима 

для отслеживания положения глаз, 

и, следовательно, на основании ЭОГ можно 

формировать информацию для контроля 

прицеливания в военных и игровых приложениях. 

Но, пожалуй, самым захватывающим применением 

в медицинской сфере является 

электроэнцефалография (ЭЭГ), которая фиксирует 

электрическую активность головного 

мозга. Применение датчика EPIC в этой области 

все еще незначительно, но потенциальная 

возможность записать и идентифицировать 

сигналы от известных моделей мышления 

открывает возможности, которые сейчас 

описаны только в научно-фантастической 

литературе. 

Системы безопасности 

Сам физический принцип работы позволяет 

применять датчик EPIC для обнаружения 

любых нарушений в локальном электрическом 

поле на расстояниях до нескольких десятков 

метров. Организм человека, который 

является для датчика большим контейнером 

проводящего и поляризуемого материала, 

вызывает большое возмущение в электрическом 

поле и, таким образом, представляет 

собой легко обнаружимую цель. Человеку, 

сидящему в нескольких метрах от датчика, 

стоит только оторвать ноги от поверхности, 

чтобы создать сильный сигнал. 

Массивы датчиков могут быть использованы 

для обеспечения желаемого уровня 

пространственного разрешения и, следовательно, 

для определения места и дальности 

расположения цели. Такие массивы могут 

также различать человека и животных, потому 

что время получения ответной сигнатуры 

находится в прямой зависимости от ритма 

и размера шага. Такую систему датчиков 

можно было бы использовать для охраны периметров 

объектов и границы в отдаленных 

районах страны. 

а 

человеко‑машинный интерфейс 

Способность EPIC различать сигналы, 

уникальные для различных мышц или групп 

мышц, открывает новые возможности для 

улучшения человеко-машинного взаимодействия. 

Например, парализованный человек, 

который сейчас зависит от сиделки или сопровождающего, 

может с помощью систем 

на датчиках EPIC, реагирующих на минимальную 

мышечную активность, повысить 

свою мобильность или частично обслуживать 

себя. Кроме того, поскольку EPIC можно 

обучить распознавать уникальную сигнатуру 

определенных групп мышц, открывается 

много возможностей для взаимодействия 

протезов конечностей и управления ими. 

микроскопия 

Технология EPIC будет также полезна в микроскопии. 

Миниатюрные датчики для сканирования 

полупроводниковых кристаллов 

(микрочипов) могут показать области с высоким 

или низким потенциалом, что позволит 

пользователю получить карту распределения 

токов в металлических дорожках и других 

элементах схемы. Дефекты в диэлектрических 

материалах могут быть обнаружены пассивными 

средствами (при выявлении пьезоэлектрического 

эффекта) или при определении 

путей утечки в активной цепи. 

Рис. 6. Датчики PS25101 и PS25102 

в металлическом корпусе для контактных измерений — 

электрод пациента (сухой контакт) 


Рис. 5. Микрофотография, полученная 

с использованием технологии EPIC 

Недавно с помощью 6-мкм датчика была 

продемонстрирована возможность идентифицировать 

отпечатки человеческих пальцев, 

оставленных на изоляционном материале 

из группы фторопластов (рис. 5), и охарактеризовать 

степень их распада [3]. Таким 

образом, подтверждена возможность применять 

этот метод в криминалистике и судмедэкспертизе 

для датировки отпечатков 

пальцев. Кроме того, поскольку этот метод 

является неразрушающим и после его применения 

не остается никаких химических 

остатков, можно использовать эти же образцы 

и для последующего анализа ДНК. 


Конечно, это только малая доля возможных 

областей применения. Например, 

не вызывает сомнения, что датчики EPIC 

будут востребованы в системах контроля 

физиологического состояния операторов 

на опасных производствах, водителей всех 

видов транспортных средств, включая и общественный 

транспорт. Их будут использовать 

также для индивидуального мониторинга 

здоровья и контроля нагрузок в спорте 

высоких достижений, в телемедицине, 

при массовой диспансеризации, в системах 

визуализации, виртуальной реальности, 

Рис. 7. Датчики PS25251, PS25253 и PS25255 

в корпусе QFN для контактных измерений 

(сухой контакт) 


б 

23

24 

Рис. 8. PS25201, PS25203 и PS25205 — 

гибридная сборка с датчиком на печатной плате 

для контактных измерений (сухой контакт) 

Рис. 9. PS25451 — датчик в корпусе QFN 

для бесконтактных измерений 


Рис. 10. PS25401 — гибридная сборка с датчиком 

на печатной плате для бесконтактных измерений 

новости промышленные компьютеры 

Рис. 11. PS25003 — отладочный набор со встроенными фильтрами 50/60 Гц 

Рис. 12. PS25012A1, PS25012A3 и PS25014A1 — 

выносной зонд для контактных и бесконтактных 

измерений (к отладочному набору) 

распознавания жестов и образов, в системах 

контроля целостности конструкций, зданий 

и сооружений. 

На рис. 6–13 представлены примеры серийных 

изделий Plessey Semiconductors, 

использующих технологию EPIC. n 


1. Breakspear R., Connor S. A single-arm ambulatory 

EKG measurement system using capacitive sensors // 

Рис. 13. PS25503 Impulse — 

демонстрационный набор с ПО для передачи ЭКГ 

по каналу Bluetooth на устройства с ОС Android 

Electronics goes medical paper — http:// 

plesseysemiconductors.com/library-plesseysemiconductors.php 

2. Harland C. J., Peters N. S., et al. A compact electric 

potential sensor array for the acquisition and 

reconstruction of 7-lead ecg without electrical charge 

contact with the skin // Physiol. Meas. 2005. No. 26. 

3. Watson P., Prance R. J., Beardsmore-Rust S. T. 

Latent electrostatic fingerprints and their decay: 

towards a forensic timeline // Science International. 

2011. 

Toughbook CF-H2 Field — полностью защищенный планшетный компьютер 

Компания Panasonic начала поставку на российский рынок полностью 

защищенного планшета Toughbook CF-H2 Field. 

Этот компьютер, ориентированный для работы в полевых условиях, построен 

на базе современного процессора IntelCore i5-2557M (1,7 ГГц). Модель 

оснащена трансфлективным дисплеем с диагональю 10,1 дюйма, 2 Гбайт 

оперативной памяти (максимум — 8 Гбайт), жестким или твердотельным 

диском на 160 или 120 Гбайт соответственно. 

Для удовлетворения различных технических требований CF-H2 снабжен интерфейсами 

RS-232, Ethernet, USB и разъемом для подключения док-станции. 

Планшет имеет большой набор средств беспроводной связи, включая Wi-Fi, 

Bluetooth 2.1 + EDR и опционально — 3G и GPS. По специальному заказу воз- 

можна поставка CF-H2 с веб-камерой 3 Мпикс, считывателем штрих-кодов и отпечатков 

пальцев. 

Устройство работает под управлением операционной системы Microsoft 

Windows 7 Professional. В планшете установлены две съемные батареи емкостью 

по 3400 мА·ч, обеспечивающие максимальную производительность 

и безопасность с возможностью «горячей замены». Для обеспечения работы 

пользователей в полевых условиях, где отсутствует доступ к источнику питания, 

Toughbook CF-H2 Field может работать около 6,5 ч без подзарядки. 

Планшет весит 1,58 кг, имеет степень защиты IP65, устойчив к вибрации 

и ударам в соответствии с военным стандартом MIL-STD-810 -G. 

www.prosoft.ru 


Владимир ДьяКОНОВ, 

д. т. н., профессор 

vpdyak@yandex.ru 

Датчики мощности СВч-сигналов 


Серии датчиков мощности PSM 

от Tektronix PSM3000, PSM4000 и PSM5000 — 

это компактные устройства, обладающие 

высокой производительностью и точностью 

измерений. Датчики мощности PSM могут 

работать в СВЧ-диапазоне частот до 26,5 ГГц, 

а максимальный динамический диапазон 

может составлять до 80 дБ. Нижняя граница 

— от 10 до 50 МГц — частично охватывает 

область радиочастот, что расширяет сферу 

применения датчиков. 

В литературе эти устройства часто именуются 

измерителями мощности. Но это неверное 

название, поскольку датчики не имеют 

индикаторной части и даже своего источника 

электропитания, сами по себе они не способны 

что-либо измерять. Датчики питаются 

от универсальной последовательной шины 

USB обычного компьютера, передают по ней 

данные об измерениях в цифровой форме 

и используют вычислительные возможности 

персонального компьютера для обработки 

измеряемых сигналов и коррекции погрешности 

и эффективно используют видеосистему 

ПК для качественной индикации результатов 

обработки сигналов и измерения их 

параметров. В состав датчиков входят нагрузочный 

резистор, СВЧ-детектор, устройство 

коррекции его передаточной характеристики, 

аналого-цифровой преобразователь, USBпорт, 

осциллографическая часть и др. 

В линейке датчиков мощности PSM 

от Tektronix представлено несколько моделей, 

Таблица 1. Основные характеристики датчиков мощности СВЧ-сигналов корпорации Tektronix 

Характеристика Серия PSM3000 Серия PSM4000 Серия PSM5000 

Частотный диапазон От 10 МГц до 26,5 ГГц От 10 МГц до 20 ГГц От 50 МГц до 20 ГГц 

Измеряемая мощность, дБм –55…+20 –60…+20 

Скорость измерения, измерений/c 2000 

Функции измерения 

Истинное значение средней мощности + 

Средняя мощность (CW) + + 

Пиковая и импульсная мощность + + 

Пиковая и средняя мощность 

в пачке импульсов 

+ + 

Регистрация данных + + + 

Длительность, выброс, 

время нарастания/спада, спад импульса 

+ 

Измерения в стробированной 

временной области 

+ 

Маркерные измерения импульса + 


Цифровые USB-датчики 

мощности Вч- и СВч-сигналов 


и их применение 

Измерение мощности СВч-сигналов давно является актуальной задачей. 

Ее значение особенно возросло с разработкой множества интегральных 

схем СВч-диапазона, например генераторов и синтезаторов СВч-сигналов, 

усилителей и т. д. Перспективным решением в создании дешевых средств 

измерения мощности СВч-сигналов cтала разработка USB-датчиков (сенсоров) 

таких сигналов, подключаемых к персональному компьютеру (ПК). 

Такие датчики серии U2000 выпустила корпорация Agilent Tecnologies [1]. 

В начале 2012 г. корпорация Tektronix (www.tektronix.com) также анонсировала 

серию из 13 цифровых USB-датчиков мощности Вч- и СВч-сигналов 

[2, 3], предназначенных для построения совместно с ПК измерителей мощности 

СВч-сигналов в широком динамическом диапазоне (до 80 дБм) 

и в широкой полосе частот (от 10–50 МГц до 26,5 ГГц). Эти новинки описаны 

в данной статье. 

которые разделены на три серии: PSM3000, 

PSM4000 и PSM5000. Различие серий в основном 

функциональное, хотя внутри серий у моделей 

есть некоторые конструктивные особенности. 

Основные технические параметры 

измерителей мощности серии PSM3000 и других 

серий приведены в таблице 1. 

Модели датчиков, в наименовании которых 

третья цифра «1» (например, XX1X), 

в качестве входного разъема используют 

3,5-мм разъем (штырь). Модели, в наименовании 

которых третья цифра «2» (XX2X), 

в качестве входного разъема используют 

разъем типа BNC (штырь). Внешний вид 

датчиков показан на рис. 1. 

Для синхронизации с другими измерительными 

приборами все модели имеют триггерные 

входы и выходы TTL-уровня. 

Рис. 1. Внешний вид датчиков мощности корпорации Tektronix 


25

26 


датчики мощности серии Psm5000 

Датчики мощности серии PSM5000 — наиболее 

функциональные из описанных устройств. 

Их внешний вид показан на рис. 2. Спереди 

к датчикам подключается коаксиальный кабель 

с разъемом, подающий измеряемый сигнал, 

сзади расположены разъемы USB-линии 

и управления запуском и синхронизацией при 

работе с импульсными сигналами. 

Рис. 2. Датчики мощности серии PSM5000 

Таблица 2. Основные характеристики 

датчиков мощности серии PSM5000 

Характеристика PSM5410 PSM5320 PSM5120 PSM5110 

Диапазон частот 

Входной разъем 

От 50 МГц 

до 20 ГГц 

3,5 мм 

(штырь) 


до 18,6 ГГц 

N-тип 

(штырь) 

От 100 МГц до 8 ГГц 

N-тип 

(штырь) 

3,5 мм 

(штырь) 

Динамический 

диапазон, дБм 

–40…+20 –60…+20 

Статистический анализ + + + + 

Габариты, мм: 

–диаметр 

– длина 

48 

74 

48 

62 

Вес, г 124 163 110 149 

Основные технические параметры измерителей 

мощности серии PSM5000 приведены 

в таблице 2. 

Функции измерения, осуществляемые ПО 

Pulse Profiling: 

• время нарастания и спада; 

• коэффициент заполнения; 

• выброс; 

• спад импульса; 

• крест-фактор; 

• длительность импульса, период; 

• занимаемый диапазон; 

• частота и период повторения; 

• средняя, пиковая и импульсная мощность. 

Кроме тех возможностей, которые предоставляет 

серия PSM4000, в «старшей» серии 

появляются дополнительные возможности 

в области пиковых и импульсных 

измерений. 

датчики мощности 

серии Psm4000 

PSM4000 расширяют возможности «младшей» 

серии и обеспечивают измерение 

не только средней мощности (CW), но и могут 

работать в импульсном режиме и дополнительно 

позволяют измерять импульсную 

и пиковую мощность СВЧ-сигналов. Все датчики 

имеют интерфейс USB2.0 и обеспечивают 

до 2000 измер./с. 

Рис. 3. Внешний вид датчика PSM4120 

Таблица 3. Основные характеристики датчиков 

мощности серии PSM4000 

Характеристика PSM4410 PSM4320 PSM4120 







до 8 ГГц 


3,5 мм 

(штырь) 

N-тип 

(штырь) 

Динамический диапазон, дБм 


–40…+20 –60…+20 

– диаметр 

48 

48 


74 

62 

Вес, г 124 163 149 

Измерение средней, 

импульсной, пиковой 

мощности, крест-фактор 

и коэффициент заполнения 

+ + + 

Основные технические параметры измерителей 

мощности серии PSM4000 приведены 

в таблице 3. Внешний вид датчика PSM4120 

изображен на рис. 3. 

датчики мощности серии Psm3000 

Внешний вид датчика мощности серии 

PSM3000 показан на рис. 4. Это «младшая» серия 

таких датчиков — самая дешевая, но малофункциональная. 

Но она позволяет измерять 

истинную среднюю мощность сигналов. 

В таблице 4 указаны параметры этой серии. 

Рис. 4. Датчик мощности серии PSM3000 

Таблица 4. Основные характеристики 

датчиков мощности серии PSM3000 

Характеристика 







до 8 ГГц 


3,5 мм 

(штырь) 

N-тип 

(штырь) 

3,5 мм 

(штырь) 

Динамический диапазон, дБм 


–55…+20 

– диаметр 

48 


74 

Вес, г 164 203 164 

PSM3510 

PSM3320 

PSM3310 

PSM3120 

PSM3110 

Подключение датчиков мощности 

к персональному компьютеру 

Датчики подключаются к ПК с помощью 

кабеля для универсальной последовательной 

шины USB2.0 длиной 2–3,5 м. ПК должен 

иметь одну из следующих распространенных 

операционных систем: 

• Windows XP, Service Pack 3; 

• Windows Vista; 

• Windows 7 (32- или 64-бит, или XP mode). 

На рис. 5 показан чертеж задней стенки 

датчика мощности. Показаны расположенные 

там USB-разъем и разъемы триггера 

и ТТЛ-сигнала синхронизации внешних 


Рис. 5. Назначение основных разъемов 

датчика мощности на его задней крышке 

На рис. 6 показано подключение датчика 

мощности к персональному компьютеру — 

ноутбуку, нетбуку или планшету. Разумеется, 

можно подключить его и к настольному компьютеру. 

Рис. 6. Подключение датчика мощности 

к персональному компьютеру 

Каждый датчик может выполнять высокоскоростные 

измерения (до 2000 операций/с) 

и поставляется с программным обеспечением 

под Windows, которое обеспечивает 

управление датчиком, считывание и запись 

данных. Подобная комбинация обеспечивает 

полное решение измерительной задачи 

при обеспечении компактности, и при этом 

отпадает необходимость в отдельном мэйнфрейме. 

Датчик мощности PSM подключает- 


Рис. 7. Одновременное применение нескольких датчиков мощности 

ся к ПК по интерфейсу USB 2.0, а кроме того, 

до 12 датчиков могут быть интегрированы 

в многоканальную измерительную систему 

(рис. 7), включены в среду LabVIEW и использоваться 

совместно с другими приборами 

Tektronix, которые поддерживают эту 

возможность. 

установка По 

и индикация результатов измерения 

В комплект датчиков мощности входит 

программное обеспечение. Для его установки 

служит инсталлятор с файлом setup.exe. 

Рис. 9. Окно со списком приложений, 

устанавливаемых программой 

Рис. 8. Поиск директории с инсталлятором Setup и подготовка к его пуску 


работа со средствами измерений 

На рис. 10 показано окно измерений, характерное 

для датчиков серии PSM3000. 

Помимо вывода цифр — результатов измерений 

мощности и частоты — выводится 

и аналоговая шкала мощности: она показана 

в нижней части окна измерения на рис. 10. 

Могут измеряться следующие величины, 

связанные с мощностью: дБм, дБ·Вт, дБ·кВт, 

дБ·мкВ, дБ·мВ, дБ·В, Вт, В, дБ. Меню основных 

операций расположено под титульной 

строкой окна программы. Максимальный 

уровень сигнала +23 дБм, 200 мВт или 

3,15 ВRMS . Его не следует превышать во избежание 

выхода датчика из строя. 

Датчики мощности PSM5000 позволяют 

производить самое большое число видов измерений. 

Они отображаются в окне, представленном 

на рис. 11. Это окно состоит 

из трех частей: 

• меню видов измерений (сверху); 

• двух окон с осциллограммами; 

Поиск директории этой программы на прилагаемом 

диске поясняет рис. 8. 

Инсталлятор служит для установки USB- • общего перечня всех измерений (справа). 

драйвера и следующих прикладных про- По сравнению с рис. 10 меню операций знаграмм:чительно 

расширено. Предусмотрено большое 

• PowerMeter application — программные число импульсных измерений для огибающих 

средства измерителя мощности на основе сигналов, автоматические и маркерные измере- 

описанных выше датчиков мощности; ния, измерения в выбранной и стробируемой 

• High-speed Logging application — про- временной областях. Подробное описание опе- 

граммные средства для создания высокораций этого меню можно найти в инструкции 

скоростного логгера данных и их записи; пользователя [2]. Подробные технические ха- 

• Pulse Profiling application: (только для датчи- рактеристики, в частности данные о погрешно- 

ков PSM5000) — программное средство для стях, имеются в datasheet на приборы [3]. 

профилирования импульсов огибающей Программа измерений обеспечивает про- 

сигнала и вычисления их параметров; ведение хорошо известных в технике ра- 

• Sample Code — примеры применения, бот с осциллографами курсорных измере- 

управление датчиком, его описание и обний. Вкладка таких измерений в позиции 

ращение на сайт корпорации Tektronix. Markers основного меню показана на рис. 12. 

Работа с инсталлятором Setup под- На вкладке можно задать до пяти курсоров 

робно документирована и не требует осо- различного типа и обеспечить их перемещебых 

пояснений. Разве что стоит отметить ние на панелях осциллограмм. На рис. 13 по- 

одно из окон этой программы, показанное казано окно, позволяющее задать толщину 

на рис. 9, в котором имеется список прило- и цвет каждого курсора. 

жений (видов измерений). Он может быть Чтобы измерить тот или иной параметр 

разным для разных моделей датчиков мощ- импульса (отдельно или в составе импульсной 

ности. В ходе инсталляции ПО устанавли- последовательности), нужно должным обравается 

USB-драйвер и прикладные програмзом его выделить. Это показано на рис. 14. 

мные средства. Завершается инсталляция Многие измерения делаются в специаль- 

выводом окна с сообщением installation ных временных окнах Gates. Вкладка глав- 

Complete. 

ного меню работы с такими окнами показана 

Рис. 10. Окно измерений при работе с датчиком PSM3000 


27

28 


Рис. 11. Пример измерений для датчика мощности серии PSM5000 

Рис. 12. Вкладка маркеров Markers 

Рис. 14. Диаграмма импульсов и выделения 

Рис. 15. Вкладка временных окон Gates главного меню 

на рис. 15. На ней видно, что программа измерений 

позволяет задавать до пяти таких 

окон, которые обозначаются как A, B, C, D 

и F. В любой момент времени можно работами 

с одним из этих окон. 

Имеется также окно определения временных 

окон (рис. 16). В нем задаются размер 

окна и его цвет. 

С помощью установленного программного 

обеспечения датчики мощности PSM5000 

обеспечивают следующие виды автоматических 

измерений: 

• Rise Time (RT) — время нарастания импульса 

огибающей; 

• Fall Time (FT) — время спада импульса 

огибающей; 

• Pulse Width (PW) — ширина импульса; 

• Pulse Repetition Time (PRT) — время повторения 

нулевого импульса; 

• Pulse Repetition Frequency (PRF) — частота 

повторения импульса; 

• Duty Cycle (DC) — скважность импульс; 

• Pulse Power (Pls) — мощность импульсная; 

• Peak Power (Pk) — пиковая мощность; 

Рис. 13. Окно задания толщины и цвета маркеров 

Рис. 16. Вкладка временных окон Gates 

основного меню 

• Average Power (Avg) — средняя мощность; 

• Crest Factor (CF or CrF) — крест-фактор; 

• Overshoot (OvSh) — выброс; 

• Droop — наклон; 

• On/Off Ratio — отношение вкл./выкл. 

В панели в правой части окна на рис. 11 

программы дан пример вывода результатов 

всех измерений в позиции Gate. Еще один 

пример измерений в этой позиции меню дан 

на рис. 17. В верхней панели осциллограмм 

приведены осциллограммы последовательности 

прямоугольных импульсов, а в нижней 

— осциллограмма одного импульса. 

Импульс выделен красными курсорами для 

измерения его длительности. 

При импульсных измерениях параметров 

вспышки несущей используются ее параметры, 

представленные на рис. 18. 

Благодаря программе Tektronix Pulse 

Profiling Software можно проводить анализ 

во временной области повторяющихся импульсных 

сигналов с вычислением таких 

параметров, как время нарастания и спада 

огибающей сигнала, коэффициент заполнения, 

выброс, спад импульса, крест-фактор, 

длительность импульса, период, занимаемый 

диапазон, частота и период повторения, средняя, 

пиковая и импульсная мощность. Кроме 

того, программное обеспечение позволяет 

строить и графически воспроизводить огибающую 

импульса, проводить статистический 

анализ графических данных, включая 

применение интегральных функций распределения 

(CCDF) и функций плотности вероятности 

(PDF). 


Рис. 17. Работа с разделом меню Gates 

Рис. 18. Основные параметры 

вспышки (burst) несущей 

Работа 

с высокоскоростным логгером 

Датчики серии PSM5000, совместно с ПК, 

способны выполнять еще одну важную 

функцию логгера — устройства для записи 

большого числа данных в память. Это нужно, 

к примеру, для контроля уровня мощности 

радиопередающих устройств в течение 

Рис. 20. Установка записи данных 

на вкладке Data Storage 

Рис. 19. Окно высокоскоростного логгера 

длинного промежутка времени. Окно запуска 

и управления высокоскоростным логгером 

показано на рис. 19. 

Рис. 21. Установка параметров измерений 

на вкладке Measurement 


Для установки параметров логгера служит 

окно с шестью вкладками. Оно показано 

на рис. 20 с открытой вкладкой Data Storage. 

Здесь задаются данные о файле, его директории, 

имена и т. д. 

Во вкладке Measurement (рис. 21) указываются 

данные об измерениях. Здесь задается 

режим измерения мощности непрерывных 

или импульсных сигналов, а также 

единицы измерения, частота и число усреднений. 

Установки запуска измерений представлены 

на вкладке Meas Start (рис. 22). Здесь указывается 

действие, которое должно запускать 

логгер, например нажатие кнопки, начало измерений 

и т. д. 

Рис. 22. Установка запуска измерений 

на вкладке Meas Start 

Рис. 23. Установка окончания измерений 

на вкладке Meas Stop 

Рис 24. Установка интервалов между измерениями 


29

30 


Установки, ведущие к завершению работы 

логгера, указаны на вкладке Meas Stop 

(рис. 23). Здесь также указывается действие, 

которое ведет к остановке работы логгера. 

Последняя вкладка Meas Spacing (рис. 24) 

задает интервалы между измерениями. 


Высокая функциональность, быстродействие 

и непревзойденные технические 

характеристики датчиков мощности позволяют 

использовать их в различных областях 

измерений. К ним относятся, например: 


• стандартные ВЧ- и СВЧ-измерения малой 

и средней мощности; 

• измерение параметров повторяющихся 

импульсных сигналов, таких как сигналы 

от навигационных и метеорологических 

устройств и подобных радаров; 

• измерение пиковой и средней мощности 

модулированных сигналов, с такими 

протоколами, как GSM, CDMA, WCDMA, 

HSPA, WiMAX с частотой выше 10 МГц; 

• измерение пиковой и средней мощности 

модулированных сигналов различных систем 

связи и радиовещания, цифрового 

телевидения и подобных коммуникационных 

устройств; 

Воронежский промышленный форум — 

деловая площадка инновационных возможностей 

В период с 27 февраля по 1 марта 2013 года в Воронеже в шестой раз 

пройдет промышленный форум — самая главная дискуссионная площадка 

в Центрально-Черноземном регионе, на которой обсуждаются вопросы промышленного 

развития страны в целом и регионов в частности. Модернизация 

и перевооружение существующих и запуск новых предприятий, внедрение 

в промышленность энергосберегающих технологий и повышение энергоэффективности, 

подготовка высококвалифицированных кадров — вот те 

задачи, решить которые призван Воронежский промышленный форум. 

В 2012 году в проекте приняло участие 133 компании и свыше 4000 человек: 

предприниматели и промышленники из Москвы, Санкт-Петербурга, 

Новосибирска, Саратова, Краснодара, Пензы, Тольятти, Новочеркасска, 

Ростова-на-Дону, Тамбова, Белгорода, Воронежа, Курска, Орла и Липецка 

обменялись деловыми контактами, поделились опытом, заключили соглашения 

о сотрудничестве и посетили многочисленные деловые мероприятия 

в рамках форума. Кроме того, его гостями и участниками стали делегации 

из Германии, Финляндии, Республики Беларусь и Украины. 

Необходимо отметить возросшую динамику продаж и деловых контактов 

на Воронежском промышленном форуме, что говорит об улучшающемся качественном 

составе посетителей и участников и расширении их географии. 

Участники форума утверждают, что приобрели большое количество перспективных 

контактов: на стендах активно проводились деловые переговоры. 

75% экспонентов предыдущей выставки укрепили рыночные позиции, провели 

исследование рынка, достигли договоренности об открытии представительства 

в Воронежской области и ЦЧР, заключили договоры с покупателями 

и поставщиками. Это обусловлено тем, что у Воронежского промышленного 


• проверка работоспособности и измерение 

характеристик усилителей, коммутаторов 

и других ВЧ- и СВЧ-устройств. n 


1. Дьяконов В. П. СВЧ-аксессуары фирмы Agilent 

Technologies // Компоненты и технологии. 2011. 

№ 8. 

2. PSM3000, PSM4000 and PSM5000 Series RF and 

Microwave Power Sensors/Meters. User Manual. 

Tektronix, 2012. 

3. PSM3000, PSM4000 and PSM5000 Series RF 

and Microwave Power Sensors/Meters. Data Shift. 

Tektronix, 2012. 

форума целевой посетитель: 90% гостей — это руководители и специалисты 

крупных российских и зарубежных промышленных объединений, ассоциаций 

и предприятий. 

В рамках Воронежского промышленного форума в 2013 году состоятся 

четыре межрегиональные специализированные выставки: «Промэкспо», 

«Энергоресурс», «Инновационные технологии», «Экология в промышленности», 

расширенные секции «Автоматизация в промышленности» 

и «Безопасность в промышленности». 

Деловая программа охватит темы развития и модернизации промышленной 

автоматизации, инвестиций, инноваций технологических процессов, банковские 

программы по поддержке бизнеса и многое другое. 

Форум, проходящий в форматах B2B и B2G, объединит интересы всех 

специалистов промышленной индустрии — промышленников, энергетиков, 

инвесторов, представителей бизнес-сообщества, отраслевых ассоциаций, 

союзов, органов власти. 

Организаторами форума являются Правительство и Торгово-промышленная 

палата Воронежской области. Форум проводится под патронажем 

Торгово-промышленной палаты РФ, а также при активном участии и поддержке 

администрации города Воронежа и объединения работодателей 

«Совет промышленников и предпринимателей Воронежской области». 

По вопросам участия в VI Воронежском промышленном форуме обращайтесь 

в исполнительную дирекцию форума по телефонам в Воронеже: 

(473) 251-20-12, доб. 212, 240 (многоканальный) или по 

e-mail: prom@veta.ru. 


Реклама

Реклама

32 


Сергей ШИШКИН 

В 

жидких и газообразных средах с помощью 

ультразвуковых датчиков можно 

осуществлять контроль жидкости в открытых 

и закрытых резервуарах и емкостях. 

Резервуары и емкости при этом могут находиться 

под повышенным давлением, а жидкость 

в них — иметь высокую температуру. 

Выдаваемая ультразвуковыми датчиками 

информация может быть как цифровой, так 

и аналоговой и в большинстве случаев используется 

для контроля и автоматизации 

процессов, протекающих в пространстве, 

зондируемом ультразвуковым датчиком. 

Разнообразие условий эксплуатации и требований 

к контролю уровня жидкости, скорости 

ее потока и расхода в магистралях 

и трубопроводах в сочетании с различными 

физическими и химическими свойствами 

контролируемых жидких продуктов в широком 

диапазоне значений температуры 

и давления обусловили широкую гамму разновидностей 

и модификаций применяемых 

ультразвуковых датчиков. Конструктивное 

исполнение и схемотехническое решение 

датчика может быть различным и зависит 

от конкретного применения. 

Для указанных целей могут использоваться 

различные датчики: поплавковые, 

емкостные, термометрические, оптические 

и, конечно, ультразвуковые. Принцип работы 

перечисленных датчиков основан на различии 

тех или иных параметров среды. Так, 

при контроле уровня воды и воздуха учитываются 

следующие параметры: плотность ρ, 

диэлектрическая проницаемость ε, теплопроводность 

α, оптическая плотность и акустическое 

сопротивление ρc, где с — скорость 

распространения ультразвуковых колебаний. 

Для ультразвукового метода отношение 

данных акустического сопротивления имеет 

большее значение, чем отношение соответствующих 

параметров ρ, ε, α при других способах 

контроля. Его легко подсчитать по известным 

значениям ρ и c в воде и воздухе: 

(ρc) ж /(ρc) в = 

= (9971,49710 3 )/(1,293,4310 2 ) ≈ 3400. 

В то же время отношение диэлектрической 

проницаемости для емкостного метода 

Ультразвуковой датчик 

жидких сред 

В статье дано теоретическое обоснование ультразвукового метода контроля. 

Рассматривается конкретный пример применения ультразвукового 

датчика в медицинской технике. 

не превышает 2,5 и только для воды равно 80. 

Отношение параметров для различных методов 

при контроле уровня среды и воздуха 

приведено в таблице 1. 

Таблица 1. Отношение контролируемых параметров 

для различных методов контроля 

Виды среды 

Вода 

и водные растворы 

Отношение параметров 

для различных методов контроля 

Емкостный Поплавковый Ультразвуковой 

80 770 3400 

Различные нефтепродукты: 

Нефть 2 640 2500 

Машинное масло 2,2 710 2900 

Бензин 2,3 580 2000 

Для поплавкового метода отношение значений 

плотности велико, но применение 

поплавкового датчика ограничивается при 

большой вязкости контролируемой жидкости 

вследствие залипания поплавка, а при 

малой плотности жидкости поплавок тонет. 

Малая чувствительность емкостного датчика 

и низкая эксплуатационная надежность поплавкового 

послужили в ряде случаев причиной 

их замены на более эффективные и надежные 

ультразвуковые датчики. 

Простота и надежность конструкции ультразвуковых 

датчиков, их универсальность, 

возможность использования практически 

в любых жидких средах, большой динамический 

диапазон чувствительности, хорошее 

соотношение сигнал/помеха, достаточно 

простая схемотехника, высокая точность 

(0,1–0,5 мм), повышенная надежность и большой 

срок службы — все это обусловило более 

широкое применение ультразвуковых 

сигнализаторов уровня в промышленности, 

судостроении, медицинской технике и т. д. 

Достоверность и надежность систем, использующих 

ультразвуковые датчики, очень высоки. 

Следует отметить, что ультразвуковые 

датчики не контактируют с предметами или 

объектами контроля. 

Рассмотрим работу ультразвукового 

датчика в качестве сигнализатора уровня. 

Ультразвуковые сигнализаторы уровня 

универсальны и применяются практически 

в любых жидкостях: прозрачных и оптиче- 

ски непрозрачных, вязких и в виде суспензий 

взвешенных частиц; пожаро- и взрывоопасных; 

агрессивных; электропроводных 

и неэлектропроводных. Кроме того, в сигнализаторах 

отсутствуют механически движущиеся 

элементы и детали, что обеспечивает 

их надежность и долговечность в процессе 

эксплуатации. 

Принцип работы подобных сигнализаторов 

уровня жидкости основан на фиксации 

изменения энергии ультразвуковой волны, 

проходящей через жидкость или газ, вследствие 

резких различий значений акустического 

сопротивления этих сред. Для измерения 

уровня жидкости в большинстве случаев используется 

принцип прохождения ультразвуковых 

колебаний между излучателем и приемником 

акустического датчика. В качестве 

материала преобразователей электрических 

колебаний высокой частоты (порядка 1 МГц) 

в ультразвуковые, распространяющиеся 

в контролируемой среде между излучателем 

и приемником, обычно используется пьезокерамика 

цирконата-титанта свинца в виде 

круглых пластин диаметром 6–30 мм, толщиной 

1–2 мм. Резонансная частота колебаний 

— от 0,5 до 2 МГц. Возбуждение и прием 

колебаний производится в непрерывном или 

импульсном режиме. 

Имеются две разновидности конструктивного 

исполнения дискретных сигнализаторов 

уровня: 

• Излучатель и приемник являются самостоятельными 

датчиками и устанавливаются 

напротив друг друга на заданной базе 

контроля. 

• Излучатель и приемник совмещены 

в одной конструкции в едином корпусе 

(двухщуповые датчики). 

В обоих случаях чувствительные головки 

сигнализаторов выполняются практически 

одинаково, но во втором случае задача конструирования 

сигнализатора (как конструктивное 

исполнение, так и выбор схемотехнического 

решения) усложняется в связи с возможностью 

передачи сигнала акустической 

помехи по металлу или другому материалу 

корпуса сигнализатора. Сигнал помехи, минуя 

рабочий зазор, распространяется от излучателя 

к приемнику и может вызвать лож- 


ное срабатывание устройства. Выбор той или 

иной конструкции акустических датчиков 

дискретных сигнализаторов уровня жидкости 

определяется рядом факторов, из которых 

главными являются: 

• условия эксплуатации (физические и химические 

свойства среды, давление и температура, 

взрывоопасность); 

• акустические характеристики, в основном 

определяемые отношением сигнал/помеха; 

• требования к конструктивному исполнению 

(габаритные размеры, способ закрепления 

пьезоэлементов). 

Конструктивное исполнение чувствительной 

головки таких датчиков имеет три 

основные разновидности: стержневая, П- 

и С-образная. 

При работе ультразвуковых сигнализаторов 

в импульсном режиме используется 

временная селекция сигналов по жидкости 

от возможных сигналов помехи: по газу через 

рабочий зазор датчика и металлу корпуса 

датчика. Это разделение возможно из-за 

различной скорости распространения звука 

в этих средах: в жидкости — 1500 м/c; 

в газе — 340 м/c, то есть в пять раз меньше, 

чем в жидкости; в металлах — 6000 м/c, 

то есть в четыре раза выше, чем в жидкости. 

База прозвучивания (b) — это расстояние 

между излучающим и приемным преобразователем 

сигнализатора уровня, оно составляет 

4–40 мм. Время распространения между 

излучателем и приемником определяется 

базой детектора и средой, в которой распространяется 

сигнал. Скорость распространения 

звука в жидкости (с) — порядка 1500 м/с. 

Если взять базу b = 20 мм, то для воды время 

распространения колебаний между излучателем 

и приемником в детекторе будет равно: 

t в = b/с = 0,02/1500 ≈ 13 мкс. 

Поскольку сигнал помехи по газу достигает 

приемного преобразователя в пять раз медленнее, 

то его легко можно разделить во времени 

с сигналом по жидкости. Разделить 

во времени сигнал помехи по жидкости с сигналом 

помехи по металлу намного сложнее. 

При одинаковых путях распространения сигналов 

в жидкости и металле последний придет 

в четыре раза быстрее. Но так как длительность 

сигнала, распространяющегося в металле, гораздо 

больше длительности сигнала, распространяющегося 

в жидкости, то для разделения 

сигналов целесообразно сделать путь распространения 

сигнала по металлу в 6–10 раз большим 

базы прозвучивания. Например, если 

путь распространения по металлу l = 180 мм, 

то t м = 0,180/6000 ≈ 30 мкс. 

Наиболее приемлемым для этих целей является 

С-образный датчик. Возбуждение излучателя 

осуществляется короткими периодическими 

видеоимпульсами прямоугольной 

формы длительностью t порядка 0,5–1 мкс, 

с периодом 3–10 мс. При этом резонансная ча- 

стота излучателя будет ≈1 МГц. Использование 

радиоимпульсов повышает коэффициент передачи 

акустических датчиков, но значительно 

увеличивает длину зондирующих импульсов, 

которая иногда становится сравнимой с базой 

прозвучивания. Поэтому в большинстве 

случаев в импульсных сигнализаторах уровня 

жидкости возбуждение излучателя производится 

короткими видеоимпульсами прямоугольной 

формы. 

Существуют две основные модификации 

сигнализаторов уровня по расстоянию 

между излучателем и приемником ультразвуковых 

колебаний: для малого (4–40 мм) 

и большого (0,5–5 м). В первой модификации 

(для рассматриваемых дальше примеров) 

используются двухщуповые датчики, 

работающие на частоте ≈1 МГц, но при этом 

применяются конструктивные элементы 

и особый алгоритм работы для развязки излучателя 

от приемника, то есть для обеспечения 

значительного ослабления (до 1000 раз) 

помехи по металлу. 

Учитывая вышеизложенное, структурную 

схему импульсного сигнализатора уровня 

можно условно разделить на две части: 

передающую и приемную. Передающая 

часть будет включать в себя задающий генератор, 

который формирует периодические 

импульсы с указанными выше параметрами, 

и выходной усилитель. Нагрузкой выходного 

усилителя является излучатель, 

периодические импульсы с генератора поступают 

на вход усилителя. Приемная часть 

включает в себя входной усилитель, на вход 

которого поступают сигналы с приемника 

акустического датчика; временной селектор; 

триггер. Временной селектор принимает сигнал 

с входного усилителя только в момент 

возможного прихода сигнала по жидкости, 

то есть временные «ворота» открываются 

на время, равное длительности сигнала, через 

время прохождения сигнала по жидкости. 

Отсчет времени в цикле обработки идет 

по фронту импульса с задающего генератора. 

Вначале цикла временной селектор сбрасывает 

триггер и при наличии полезного сигнала 

взводит его. Таким образом, при наличии 

жидкости между излучателем и приемником 

выходной сигнал триггера имеет уровень 

«лог. 1», а при ее отсутствии — «лог. 0». 

Применение микроконтроллера упрощает 

схему управления импульсного сигнализатора 

в целом, значительно сокращая количество 

радиоэлементов. Приемная и передающая 

часть при этом размещаются на одной 

плате, размеры печатной платы минимизируются. 

Наличие в микроконтроллере универсального 

асинхронного, последовательного 

приемопередатчика (УАПП) упрощает 

задачу встраивания (сопряжения) в распределенную 

систему сбора данных и управления, 

например по последовательному каналу 

связи (по RS-232 или RS-485). 

Рассмотрим конкретный пример практического 

применения ультразвукового сиг- 



33 

нализатора уровня. В медицинской технике, 

в кровопроводящей аппаратуре, а также 

в приборах и аппаратах, предназначенных 

для проведения инфузий различных лекарственных 

сред (инфузата), возникает проблема 

контроля воздушных включений в крови 

или инфузате. Конструктивно в применяемых 

в медицине отечественных и зарубежных 

кровопроводящих и инфузионных магистралях 

предусмотрена ловушка воздуха. 

Контроль воздушных включений должен 

осуществляться посредством контроля уровня 

крови или инфузата в вертикально расположенной 

ловушке воздуха. Для контроля 

уровня жидкости (крови, инфузата) в ловушке 

воздуха необходим датчик воздуха (или 

датчик наличия жидкости). 

Основные технические требования, предъявляемые 

к такому датчику: 

• Первичный преобразователь (датчик или 

сигнализатор уровня) должен учитывать 

конструктивные особенности ловушки 

воздуха магистрали (материал, диаметр 

ловушки воздуха и т. д.). 

• Конструктивно датчик должен быть выполнен 

в виде компактного, функционально 

законченного модуля с оптимальным 

дизайном. Габаритные размеры модуля 

необходимо минимизировать и учесть 

при этом, что датчик будет встроен в аппараты 

медицинской техники. Конструкция 

и электрическая схема детектора должны 

быть достаточно просты. 

• Датчик должен работать достоверно и надежно. 

• Энергопотребление должно быть небольшим 

при минимуме питающих напряжений. 

• Датчик должен иметь минимум настроек 

и регулировок как в процессе проверки, так 

и в период эксплуатации. 

• Целесообразно, если выходной сигнал 

детектора будет иметь уровень ТТЛ: 

«лог. 1» — жидкость, «лог. 0» — воздух, 

а также если работа датчика будет визуально 

продублирована светодиодом. 

• Датчик должен срабатывать (менять 

уровень выходного сигнала с «лог. 1» 

на «лог. 0») при снижении уровня жидкости 

в ловушке не более чем на 5 мм от контролируемого 

уровня. 

Датчик воздуха состоит из держателя ловушки 

воздуха, первичного датчика (сигнализатора 

уровня) и платы усилителя сигнала 

детектора (платы управления). 

Применение любого датчика в качестве 

сигнализатора уровня в составе детектора 

воздуха накладывает на него особые требования. 

Они обусловлены спецификой условий 

эксплуатации медицинской техники. 

В первую очередь необходимо выполнить 

все требования по электробезопасности, которые 

предъявляются к медицинской технике. 

Нужно также учесть вероятность облива 

устройства; его быстродействие; вероятность 

правильного обнаружения жидкости (крови 

или инфузата); уровень радиопомех; точ-

34 


Рис. 1. Принципиальная схема ультразвукового датчика 

ность, устойчивость корпуса к многократной 

дезинфекции и т. д. Кроме того, работа 

датчика не должна быть привязана к прозрачности 

среды. При перемещении крови 

в ловушке воздуха магистрали в некоторых 

случаях происходит активное пенообразование. 

Датчик должен исключить любые ложные 

срабатывания. Именно ультразвуковой 

сигнализатор уровня, работающий в составе 

датчика воздуха, в полной мере отвечает 

этим требованиям. И главное — по сравнению 

с оптическими датчиками ультразвуковые 

обеспечивают работоспособность 

в оптически непрозрачных средах. 

База прозвучивания сигнализатора (расстояние 

между излучателем и приемником) 

определяется диаметром ловушки воздуха. 

В настоящее время на рынке представлен 

широкий спектр одноразовых кровопро- 

Таблица 2. Основные технические 

характеристики датчика 

Характеристика Значение 

Питающие напряжения, В +5, +12, –12 

Допустимые отклонения 

каждого питающего напряжения 

±5% 

Габаритные размеры (не более), мм 91×70×47 

Масса (не более), г 250 

Выходной сигнал уровня ТТЛ: 

– жидкость 

– воздух 

Нагрузочная способность выхода 

(выход микроконтроллера АT89C2051), мА 

Допустимое отклонение жидкости от контролируемого 

уровня (контролируемый уровень обозначен риской 

на корпусе держателя ловушки воздуха датчика) 

(не более), мм 

«лог. 1» 

«лог. 0» 

До 20 

Диапазон рабочих температур, °С –10…+50 

Частота запускающих импульсов, кГц 5 

Время непрерывной работы детектора (не менее), ч 12 

10 

водящих и инфузионных магистралей, как 

отечественных, так и зарубежных фирм. 

Подобные магистрали изготавливают из полимерных 

материалов, в основном из силикона 

или поливинилхлорида. Диаметр ловушки 

воздуха у разных типов магистралей 

может быть от 16 до 32 мм. 

Рассмотрим датчик, работающий с одноразовыми 

полимерными магистралями, у которых 

внешний диаметр ловушки воздуха 

может быть от 18 до 20 мм, а толщина стенки 

— до 1,5 мм. В таблице 2 приведены основные 

технические характеристики датчика. 

Принципиальная схема датчика представлена 

на рис. 1. Осциллограммы, поясняющие 

работу датчика, приведены на рис. 2. 

Датчик разработан на базе микроконтроллера 

AT89C2051PI фирмы Atmel. Этот 

микроконтроллер со своей архитектурой 

и структурой вполне подходит для решения 

задач схемы управления первичным ультразвуковым 

сигнализатором. Аппаратных 

и программных ресурсов микроконтроллера 

AT89C2051 с лихвой хватит для решения 

конкретной задачи. 

Алгоритм работы датчика следующий. 

Микроконтроллер с вывода 8 подает импульс 

«лог. 1» длительностью 1 мкс (рис. 2а) на вход 

усилителя, собранного на D2.1. Импульс через 

конденсатор C6 и резистор R8 поступает 

на базу транзистора D2.1. Нагрузкой D2.1 служит 

пьезоэлемент BQ2. Усиленный импульс 

возбуждает BQ2 (рис. 2б). Пьезоэлемент BQ2 

является составной частью излучателя датчика. 

Конструктивно излучатель и приемник 

абсолютно одинаковы. 

Внешний вид излучателя (приемника) показан 

на рис. 3. 

Сигнал через время t 2 (отсчет времени идет 

по фронту запускающего импульса) поступает 

на пьезоэлемент BQ3 (приемник датчика) 

(рис. 2в) и возбуждает его. Время t 2 (время 

распространения между излучателем и приемником), 

как мы уже вычислили, порядка 

13 мкс. (Экспериментально установлено, 

что, например, при комнатной температуре 

для воды t 2 ≈ 15–17 мкс.) С пьезоэлемента 

BQ3 сигнал поступает на вход двухтактного 

усилителя, собранного на D2.3 и D2.4. 

Положительные полуволны сигнала, усиленные 

двухтактным усилителем, через 

фильтр C7, R6 поступают на базу элемента 

D2.2 и с коллектора D2.2 — на вывод 6 микроконтроллера 

D1 (рис. 2г). 

В микроконтроллере временной селектор 

организован следующим образом. В момент 

времени t 2 микроконтроллер начинает анализировать 

состояние вывода 6 и при наличии 

уровня «лог. 0» устанавливает на выводе 

2 сигнал уровня «лог. 1». Время t 2 = 20 мкс 

задается программно. Отчет времени (начало 

каждого цикла) идет по фронту запускающего 

импульса с вывода 8 микроконтроллера 

D1. С момента времени t 2 микроконтроллер 

анализирует состояние вывода 6 (ждет 

«лог. 0») только 15 мкс. То есть можно сказать, 

что микроконтроллер открывает временные 

«ворота». Значение задержки, равное 

t 2 = 20 мкс (рис. 2д), подобрано экспериментально 

с учетом среды, с которой будет работать 

датчик (раствор глюкозы, физиологический 

раствор и т. д.). Длительность «ворот» 


Рис. 2. Осциллограммы, поясняющие работу датчика 

Рис. 3. Внешний вид излучателя (приемника) 

определяется длительностью принимаемого 

сигнала, приходящего с излучателя через рабочую 

среду на приемник. 

Длительность принимаемого сигнала t с 

(рис. 2в) может быть от 10 до 60 мкс и определяется 

рядом факторов: пьезоэлементами 

а 

б 

в 

г 

д 

е 


BQ2, BQ3; качеством склейки этих пьезо- В [1] приведены конструкции сигнализаэлементов 

в стаканах приемника и излучатеторов, в которых крепление пьезопластин 

ля; центровкой; коэффициентами усиления (пьезоэлементов) осуществляется с помо- 

транзисторов в транзисторной матрице; акущью цилиндрических и тарельчатых прустическим 

контактом стакана (поз. 1 рис. 3) жин. Пружины поджимаются гайкой либо 

с корпусом ловушки воздуха и т. д. 

стопорным кольцом. Независимо от способа 

В момент времени t2 , перед тем как открыть крепления необходимо обеспечить хороший 

«ворота», микроконтроллер устанавливает акустический контакт между пьезоэлемен- 

вывод 2 в «лог. 0». Таким образом, врементом и внутренней поверхностью донышка 

ные «ворота» настроены только на полезный стакана (позиция 1 на рис. 3). В передатчике 

сигнал по жидкости. Если между излучателем центральная жила экранированного прово- 

и приемником (в рабочем зазоре) есть жидда (позиция 4 на рис. 3) припаивается к пьекость, 

то в интервале времени t2 –t3 на входе зоэлементу (позиция 2 на рис. 3) и к клем- 

запроса прерывания INT0 (вывод 6 микроме 1 на плате усилителя (рис. 1), а наружконтроллера) 

будет присутствовать уровень ная оплетка провода (экран) припаивается 

«лог. 0», а на выводе 2 микроконтроллера — к корпусу (позиция 3 на рис. 3) и к клемме 2 

«лог. 1» (рис. 2е). Индикатор HL1 детектора на плате усилителя. Соответственно, в при- 

включен. Если жидкости нет (воздух), на выемнике центральная жила экранированного 

воде 2 микроконтроллера «лог. 0». Индикатор провода (позиция 4 на рис. 3) припаивается 

HL1 детектора выключен. 

к пьезоэлементу (поз. 2 на рис. 3) и к клем- 

Время каждого цикла Tц = 35 мкс. Период ме 3 на плате усилителя, а наружная оплетка 

следования запускающих импульсов (вре- провода (экран) припаивается к корпусу (помя 

между циклами) — 5 мс. Сигнал по мезиция 3 на рис. 3) и к клемме 4 на плате уситаллу 

не попадает во временные «ворота». лителя. Тип провода — МГТЭФ-1 0,12. 

Временной селектор реализован програм- При пайке центральной жилы экраниромно. 

Схема управления с этим алгоритмом ванного провода к пьезоэлементу необхо- 

работает устойчиво и достоверно. Элементы димо выдержать особый температурный ре- 

С5 и R4 при подаче напряжения питания жим, чтобы металлизированное напыление 

+5 В осуществляют системный аппаратный не отстало от корпуса пьезоэлемента. После 

сброс микроконтроллера: сброс происходит выдержки место пайки заливается клеем. 

при подаче «лог. 1» на вход 1 (RST) микро- Внешний вид датчика и его разрез показаны 

контроллера. Питающие напряжения посту- на рис. 4. 

пают на плату датчика через соединитель Х1. Правильно собранный датчик начинает 

Потребление тока по каждому каналу: работать сразу. Датчик не нужно настраивать 

• для +5 В — не более 20 мА; 

и регулировать. 

• для +12 В — не более 10 мА; 

Проверку работоспособности датчика про- 

• для –12 В — не более 10 мА. 

водят в такой последовательности: 

С контакта 2 соединителя Х1 напряжение • Подать с источника питания питающее на- 

+12 В поступает на фильтр из элементов R3 пряжение на соединитель Х1. 

и C4. С контакта 3 напряжение –12 В посту- • Проконтролировать на контакте 5 соедипает 

на фильтр из элементов R2 и C3. Схема нителя Х1 (сигнал «выход») сигнал уровня 

разведена на двусторонней печатной плате «лог. 0». Индикатор HL1 должен быть вы- 

размерами 4070 мм. 

ключен. 

В детекторе использованы резисторы типа • Установить вертикально ловушку воз- 

С2-33Н, но подойдут и любые другие с по- духа перфузионной магистрали в дергрешностью 

±5%. Конденсаторы С1, С5 — жатель ловушки воздуха датчика (метка 

К50-35 USL; C2–С6, С8 — К10-17б-Н90; на корпусе держателя ловушки воздуха 

С7 — К10-17а-М47. Кварцевый резонатор должна быть на нижней поверхности). 

BQ1 — 11,0592 МГц, тип корпуса — HC-49S. Проконтролировать на контакте 5 соеди- 

Индикатор HL1 КИПД02Б-1К красного цвенителя Х1 детектора воздуха сигнал уровта. 

Микроконтроллер AT89C2051PI можно ня «лог. 0». Индикатор HL1 должен быть 

заменить на AT89C4051PI. 

выключен. 

Как уже упоминалось выше, конструк- • Заполнить ловушку воздуха водой до уровтивно 

приемник и излучатель абсолютно ня риски на корпусе держателя ловушки 

одинаковы (рис. 3). В принципиальной схе- воздуха. Проконтролировать включение 

ме (рис. 1) передатчик (пьезоэлемент BQ2) индикатора HL1, а на контакте 5 соедини- 

и приемник (пьезоэлемент BQ3) взаимозаметеля Х1 — сигнал уровня «лог. 1». 

няемы. В приемнике пьезоэлемент (позиция • Слить воду из ловушки так, чтобы уровень 

2 на рис. 3) приклеивается к резонансным воды был на 10 мм ниже уровня риски. 

стаканам (позиция 1). Тип пьезоэлемен- Проконтролировать выключение индиката 

— ЭПЧД-010. Пьезоэлемент с обеих стотора HL1, а также сигнал уровня «лог. 0» 

рон имеет металлизированное напыление. на контакте 5 соединителя Х1. 

При склейке необходимо выдержать особый • Необходимо проверить работу датчика 

технологический режим, так как от этого за- на пену (мыльный раствор). Для этого нужвисит 

получение идентичных акустических но заполнить магистраль и ловушку воз- 

параметров как приемника, так и излучателя. духа пеной. Индикатор HL1 должен быть 


35

36 

Рис. 4. Внешний вид датчика 


при этом выключен. Проконтролировать 

на контакте 5 соединителя Х1 сигнал уровня 

«лог. 0». 

Коротко о программе. Она состоит 

из четырех основных частей: процедуры 

инициализации, основной программы, 

работающей в замкнутом цикле, подпрограммы 

обработки прерывания от таймера 

T/C0, подпрограммы обработки прерывания 

по входу INT0 микроконтроллера D1 (вывод 

6), а также подпрограмм, реализующих 

временные задержки. Запрос прерывания 

новости блоки питания 

Компания Mascot представила модель 2820 — 

внешний источник питания с максимальной выходной 

мощностью 100 Вт. Модель 2820 оптимальна 

для питания средств связи, приборов и внешнего 

оборудования по работе с данными, в том числе 

в устройствах медицинского назначения. 

Новый импульсный источник питания отвечает 

критериям CEC (Калифорнийской комиссии 

по энергетике, California Energy Commission) для 

по входу INT0 имеет приоритет по отношению 

к прерыванию от таймера T/C0. Период 

следования запускающих импульсов с вывода 

8 микроконтроллера, длительностью 

5 мс, реализован на таймере T/C0. Временная 

задержка 20 мкс (время t 2 на рис. 2в) реализована 

на регистре R3, а временные «ворота» 

длительностью 15 мкс — в регистре R4. 

В этот промежуток времени разрешается 

прерывание по входу INT0 микроконтроллера, 

и при наличии «лог. 0» на этом входе 

микроконтроллер выставляет на выводе 2 

Импульсный источник питания от Mascot 

с максимальной выходной мощностью 100 Вт 

2-го класса и стандарту экономичного энергопотребления 

(V уровень) для внешних импульсных 

источников питания. Он также соответствует требованиям 

стандарта EN 60601-1 для устройств медицинского 

назначения. 

Основные характеристики: 

• Максимальная выходная мощность: 100 Вт. 

• Фиксированное выходное напряжение: 13,2; 

24; 28; 48 В. 

Рис. 5. Датчик воздуха 

(сигнал «выход») и выводе 9 (включение индикатора 

HL1) «лог. 1». Это говорит о наличии 

жидкости (раствора) между излучателем 

и приемником датчика. 

Следует отметить, что все временные интервалы 

и задержки, реализованные в программе, 

выдерживаются для кварцевого резонатора 

с частотой 11,052 МГц (BQ1 на рис. 1). 

Допускается подключать к микроконтроллеру 

кварцевые резонаторы с частотой до 24 МГц. 

При использовании кварцевых резонаторов 

с другими значениями частоты (с учетом приведенного 

условия) необходимо программно 

выдержать все временные интервалы и задержки, 

указанные в алгоритме работы детектора. 

Внешний вид датчика воздуха представлен 


Итак, в статье представлен пример практической 

реализации ультразвукового датчика 

жидких сред. Он может работать на трубопроводе 

или магистрали, которые изготовлены 

из эластичных полимерных материалов, 

например из силикона или поливинилхлорида, 

с внешним диаметром от 18 до 20 мм 

и толщиной стенки до 1,5 мм. n 


1. Бабиков О. И. Ультразвуковые приборы контроля. 

Л.: Машиностроение, 1985. 

2. Донской А. В., Келлер О. К., Кратыш Г. С. 

Ультразвуковые технологические установки. 

Л.: Энергия, 1982. 

• Максимальный выходной ток: 7,5 А (для варианта 

исполнения 13,2 В). 

• Защита от перегрузок, короткого замыкания 

и перегрева, перенапряжения на выходе и кратковременных 

помех на входе. 

• Влагозащитное (IP67) исполнение по запросу. 

• Габариты: 135×80×44 

мм. 

• Вес: 485 г. 

www.west-l.ru 





37

38 


Денис ПЕТЛЕВАНый 

petlevany@tut.by 

В 

соответствии с мировыми тенденциями 

во многих моделях цифровых преобразователей 

заложена возможность 

использовать один и тот же выход и как аналоговый, 

и как цифровой. Несмотря на то, 

что такие микросхемы появились достаточно 

давно и широко используются, складывается 

впечатление, что производители датчиков зачастую 

забывают об их полезном свойстве. 

В частности, речь пойдет о микросхемах серии 

ZSC фирмы ZMDI. Статья является результатом 

исследования этого вопроса. Автор 

предлагает читателю полезную информацию 

о том, как наиболее полно раскрыть потенциал, 

заложенный в микросхемах сенсорных 

преобразователей. 

Нередко возникает необходимость перенастроить 

какой-нибудь датчик, который 

уже функционирует в системе. Причины для 

перенастройки могут быть разными. Сбой 

параметров может произойти под воздействием 

критических нагрузок. Например, гидравлический 

удар в системе может вызвать 

смещение нуля в датчиках давления, подключенных 

к ней. В некоторых случаях для согласования 

с другими приборами может понадобиться 

перенастроить рабочий диапазон 

датчика. Старение материалов, из которых 

изготовлен датчик, приводит к медленному 

дрейфу параметров сенсора, что требует 

проведения периодических поверок. Вообще 

говоря, в подобных случаях датчик должен 

быть снят с объекта и отправлен в специальную 

лабораторию для перекалибровки. 

Произвести полную перенастройку датчика 

на месте при всех значениях температуры 

практически невозможно. Однако не всегда 

все калибровочные коэффициенты нуждаются 

в подстройке. Нужно отметить, что 

коэффициенты, отвечающие за температурную 

компенсацию, в цифровых микросхе- 

Простые и эффективные 

способы калибровки датчиков 

Современные измерительные датчики уже много лет создаются на базе 

цифровых микросхем преобразователей сигнала. Входной аналоговый 

сигнал, несущий информацию об измеренной физической величине, усиливается 

и оцифровывается, а затем осуществляется пересчет полученного 

значения в соответствии с коэффициентами, записанными в память 

микросхемы при калибровке. В зависимости от формы выходного сигнала 

происходит разделение на датчики с цифровым и аналоговым выходом. 

В перспективе датчики с цифровым выходом по многим причинам должны 

вытеснить аналоговые стандарты передачи сигнала. Но пока доля рынка 

датчиков с аналоговым интерфейсом достаточно широка, и производителям 

приходится подстраиваться под существующие стандарты. 

мах преобразователей отделены и не зависят 

от коэффициентов, отвечающих за форму 

передаточной кривой. Благодаря этому возможно 

в небольших пределах производить 

настройку нетемпературных параметров, 

при этом произведенные изменения автоматически 

транслируются на весь температурный 

диапазон. 

Понятно, что, если есть возможность, гораздо 

выгоднее производить перенастройку 

датчика прямо на месте, не извлекая его 

из системы. То, что на практике такая регулировка 

действительно проводится, доказывает 

тот факт, что во многих датчиках можно 

встретить подстроечные элементы. Для того 

чтобы разобраться, как лучше осуществлять 

мобильную подстройку датчиков, рассмотрим 

возможные способы. 

Первый способ традиционный, он заключается 

во введении в схему дополнительных 

корректирующих цепей с подстроечным 

резистором. Его достоинство в том, что для 

подстройки не требуется специальных инструментов, 

все операции можно выполнить 

простой отверткой. Однако у метода есть 

серьезные недостатки. Схема с потенциометром 

занимает значительное место на плате. 

Корпус датчика должен быть сконструирован 

так, чтобы к подстроечному элементу 

был обеспечен простой доступ. Один подстроечный 

резистор может изменять только 

один определенный параметр. Обычно вводят 

подстройку нуля, корректировка других 

параметров при этом не производится. 

Второй способ, более прогрессивный, 

основан на изменении коэффициентов калибровки, 

прописанных в памяти микросхемы 

преобразователя. Для корректировки необходимо 

использовать специальное устройство, 

подключаемое к датчику по цифровому 

интерфейсу. Устройство получает доступ 

ко всем настройкам микросхемы и может 

осуществлять любые корректировки. При 

этом в самом датчике никаких дополнительных 

корректирующих компонентов размещать 

не нужно. Более того, если цифровой 

интерфейс выведен наружу, отпадает всякая 

необходимость разбирать датчик для его 

настройки. 

Второй способ однозначно подходит датчикам 

с цифровым выходом. Для датчиков 

с аналоговым выходом выбор, на первый 

взгляд, не так очевиден. Проблема, с которой 

приходится в этом случае столкнуться, заключается 

в том, что каждый электрический вход 

и выход любого промышленного устройства 

должен иметь определенную степень защиты. 

Защита от электростатики, неправильного 

подключения, превышения допустимых 

параметров, помех, наводок и т. д. определяет 

степень надежности и класс прибора. 

Практически получается так, что цепи 

входных фильтров хорошего датчика занимают 

около половины полезного объема. 

Поскольку каждый дополнительный внешний 

контакт требует такой же надежной защиты, 

как и все остальные, производители 

датчиков стремятся минимизировать общее 

количество сигнальных выводов. Именно 

с этой целью производители цифровых преобразователей 

закладывают возможность использовать 

один и тот же выход микросхемы 

и как аналоговый, и как цифровой. Однако 

на практике часто приходится сталкиваться 

со случаями, когда эта возможность игнорируется. 

Вместо того чтобы задействовать 

возможности универсального интерфейса, 

разработчики идут по пути использования 

дополнительных цифровых выводов, а некоторые 

и вовсе отказываются от цифровой 

коррекции и отдают предпочтение первому 

способу коррекции датчиков. 


Рис. 1. Стандартная схема включения микросхемы ZSC31015 

Рис. 2. Подключение микросхемы ZSC31050 в случае использования токового выхода 4–20 мА 

Решения на базе универсальных однопроводных 

интерфейсов являются промежуточ- 

Рис. 3. Схема, поясняющая устройство цифро-аналоговой токовой петли 

ным звеном на пути к цифровым стандартам 

обмена информацией. С одной стороны, со- 


храняется полная совместимость с аналоговыми 

приборами, с другой — открыт доступ 

к возможностям цифровой микросхемы. 

Все необходимое для реализации универсального 

интерфейса присутствует в специализированных 

микросхемах серии ZSC и ZSSC 

фирмы ZMDI (Германия). 

Основой для создания комбинированного 

выхода является поддержка микросхемой 

преобразователя цифрового однопроводного 

протокола передачи данных. Хотя 

стандарт LIN поддерживается некоторыми 

микросхемами, например ZSSC3170, для 

комбинированного выхода ZMDI использует 

другой однопроводной протокол — ZACwire. 

Инициализация цифрового режима работы 

выхода осуществляется путем подачи специальной 

команды сразу после включения 

питания. Если на протяжении первых 20 мс 

инициализации не происходит, выход переключается 

в аналоговый режим работы. 

Особенностью такого устройства интерфейса 

является то, что перейти в цифровой режим 

работы можно только предварительно сняв 

питание с датчика. 

Во всех микросхемах преобразователей 

ZSC, в которых предусмотрен аналоговый 

способ передачи измеренного сигнала, цифровой 

выход протокола совмещен с выходом 

ШИМ. Соответственно в датчиках, где выход 

ШИМ используется напрямую (выход 

по напряжению), использование универсального 

интерфейса не вызывает никаких 

проблем. В качестве примера на рис. 1 приведена 

стандартная схема включения микросхемы 

ZSC31015 с универсальным цифроаналоговым 

выходом. 

Выход по напряжению весьма распространен 

в тех приложениях, где датчик 

не сильно удален от принимающего устройства, 

например в автомобильной технике. 

Существенным недостатком этого способа 

передачи сигнала является его сильная зави- 


39

40 

Рис. 4. Комплект разработчика 


симость от качества электрического соединения 

с датчиком. Любое падение напряжения 

в линии искажает передаваемый сигнал. 

Этого недостатка лишен другой широко используемый 

в промышленности стандарт 

передачи данных — под названием «токовая 

петля». Для включения датчика в токовую 

петлю нужно всего два провода, при 

этом измеренный сигнал передается путем 

изменения тока потребления от 4 до 20 мА. 

Поддержку токовой петли имеет микросхема 

ZSC31050. Для организации токового выхода 

необходимо использовать дополнительные 

компоненты (рис. 2), из-за этого универсальный 

выход не может быть задействован 

напрямую. 

Однако, немного усложнив схему подключения 

(рис. 3), можно сохранить возможность 

цифровой связи с микросхемой. 

Вся необходимая информация о том, как это 

сделать, приводится в описании к ZMC31050. 

В отличие от существующего коммерческого 

аналога, HART-протокола, предлагаемое 

ZMDI решение позволяет по максимуму 

воспользоваться возможностями, уже заложенными 

в микросхему, без привлечения 

дополнительных сложных устройств. Хотя 

микросхема ZMC31050 выпускается много 

лет и широко применяется в датчиках, практических 

решений с использованием описанного 

универсального интерфейса до сих пор 

не было известно. 

Чтобы облегчить задачу разработчику, 

который захочет внедрить универсальный 

однопроводной интерфейс в свои изделия, 

компания «Оникс-Электро» предлагает базовый 

набор устройств для работы с цифроаналоговым 

токовым интерфейсом (рис. 4). 

Комплекс разработан с учетом всех приведенных 

выше замечаний и позволяет 

по максимуму воспользоваться возможностями 

микросхемы ZMD31050. Помимо са- 

мого преобразователя сигнала, в комплект 

входит переходник для подключения отладчика 

микросхем SSC Communication Board, 

а также пульт мобильной подстройки калибровочных 

коэффициентов. Переходник позволяет 

использовать стандартные средства 

разработки, предлагаемые ZMDI, без ограничения 

функциональности. Представленный 

на рис. 4 пульт может осуществлять подстройку 

отдельных параметров датчика, 

например сдвиг или растяжение диапазона 

выходного сигнала, путем включения 

его в разрыв токовой петли. В зависимости 

от конкретных нужд пульт можно легко модернизировать 

для выполнения любых калибровочных 

операций. 

Использование универсального однопроводного 

интерфейса совместно с мобильным 

пультом цифровой подстройки параметров 

позволяет решить ряд проблем, связанных 

с удобством производства и эксплуатации 

датчиков. К достоинствам применения этого 

интерфейса относятся следующие: 

• Отсутствие необходимости разбирать корпус 

датчика для его настройки. 

• Возможность настройки уже установленных 

в систему датчиков. 

• Возможность настройки всех параметров 

датчика. 

• Отсутствие лишних проводов. 

• Компактность конструкции. 

• Надежная защита всех входов и выходов 

датчика. 

• Возможность проведения поверок с автоматической 

коррекцией. 

Практическое применение рассмотренного 

решения позволило бы получить выгоду 

благодаря уменьшению размеров преобразователя 

и снижению цены за счет отсутствия 

дорогих элементов, а также добиться надежного 

и комфортного обслуживания датчиков 

во время их эксплуатации. n 


Реклама

Реклама

42 


Максим КРУГЛОВ 

Александр ЦыПИН, 

к. т. н. 

Задачи и методы решения 

В современном мире все чаще приходится 

слышать об энергоэффективности, «зеленых» 

технологиях, повышении КПД и прочих 

аспектаах, обеспечивающих максимум 

работы при использовании минимума ресурсов 

и с наименьшим влиянием на окружающую 

среду. Эта тенденция не обошла 

стороной и мощные промышленные двигатели, 

используемые в судостроении, дизельгенераторах 

и других сферах. 

Рис. 1. Принципиальная схема работы двигателя с общей топливной рампой 

Повышение 

топливной экономичности 

и снижения вредных выбросов 

дизельных двигателей 

через измерение 

давления и температуры 

Энергосберегающие технологии невозможны без внедрения высокоточных 

систем регулирования технологических процессов, которые в свою 

очередь невозможны без надежных и, опять же, точных измерений технологических 

параметров. В настоящее время конструкторы промышленных 

двигателей стараются использовать все возможности по снижению потребления 

топлива и выброса парниковых газов, что ставит перед производителями 

средств измерений сложные задачи по разработке приборов, 

способных обеспечить качественные измерения таких параметров, как 

давление и температура. Решение поставленных задач лежит в области 

применения самых передовых технологий. 

Как показывает практика, наибольший 

эффект повышения эффективности любого 

оборудования и организации лежит в области 

оптимизации технологических процессов 

и внедрения прецизионных систем регулирования. 

Принцип работы дизельного двигателя 

наиболее близок к идеальному циклу тепловой 

машины, предложенному французским 

инженером Сади Карно: в максимально экономичной 

тепловой машине нагревать рабочее 

тело до температуры горения топли- 

ва необходимо «изменением объема», то есть 

быстрым сжатием. В 1890 году Рудольф 

Дизель предложил практическую реализацию 

этого принципа, который смог воплотить 

в 1897 году в тепловой машине, названной 

им дизель-мотор, которая дала имя 

целому классу поршневых двигателей внутреннего 

сгорания. Принцип действия этих 

двигателей широко известен, и можно лишь 

выделить разделение на четырехтактные 

двигатели, наиболее распространенные в настоящее 

время, и двухтактные, применяемые 

прежде всего в качестве главных двигателей 

судовых энергетических установок. 

Наибольший ресурс повышения эффективности 

дизельных двигателей лежит 

в области усовершенствования систем топливоприготовления, 

топливоподачи и газораспределения. 

В настоящее время большое 

распространение получили двигатели 

с аккумуляторной топливной системой с общей 

рампой, более известной как система 

Common Rail (рис. 1). 

Создание давления и непосредственный 

процесс впрыска топлива в этой системе полностью 

разделены. Блок управления дизельным 

двигателем поддерживает, меняя производительность 

насоса, высокое давление 

при различных режимах работы двигателя, 

то есть независимо от его оборотов и нагрузки 

при любой последовательности впрыска по цилиндрам. 

Форсунки оснащены специальными 


Рис. 2. Принципиальная схема системы рециркуляции выхлопных газов 

электромагнитными (или пьезоэлектрическими) 

клапанами и управляются электроникой 

в соответствии с разработанными алгоритмами 

и в зависимости от конкретных условий работы 

дизельного двигателя. Высокое давление, 

под которым топливо впрыскивается в цилиндр, 

создается уже при самом малом числе 

оборотов коленчатого вала. 

Высокое давление и электронное управление 

процессом впрыска позволяют лучше 

подготовить смеси в цилиндрах, поэтому 

происходит уменьшение расхода топлива 

и снижение токсичности выхлопа. 

Оптимальные результаты на каждом конкретном 

режиме работы дизельного двигателя 

достигаются благодаря тому, что электроника 

регулирует момент впрыска, количество 

впрыскиваемого топлива и саму его подачу. 

Общая магистраль снабжена датчиком давления 

и обратным клапаном, перепускающим 

топливо обратно в бак. 

Дальнейшее развитие систем, позволяющее 

улучшить эффективность работы современного 

двигателя, оснащенного системой 

Common Rail, лежит в области выравнивания 

цилиндровой мощности двигателя. Это позволяет 

избежать ситуации перегруза одних 

цилиндров в сочетании с неполной нагрузкой 

других. Особенно это актуально при работе 

двигателя на 100%-ной нагрузке. В такой ситуации 

выравнивание мощности по цилиндрам 

позволяет обеспечить 100%-ную отдачу мощности 

двигателя в сочетании с его наилучшими 

ресурсными показателями. Для реализации 

такого алгоритма необходимо постоянно 

иметь информацию о давлении в каждом цилиндре 

на каждом рабочем такте. 

Мощность, развиваемая каждым отдельно 

взятым цилиндром, оценивается по индикаторной 

диаграмме давления в цилиндре. Для 

снятия индикаторной диаграммы существуют 

различные методы, отличающиеся между 

собой способом измерения (механические 

или электронные датчики) и длительностью 

измерения (однократные измерения последовательно 

по цилиндрам или постоянно установленные 

датчики). Например, снятие индикаторной 

диаграммы с помощью механических 

средств измерения, устанавливаемых 

на индикаторную трубу, требует значительных 

затрат времени на последовательную 

переустановку датчика поочередно по цилиндрам. 

И за это время может поменяться 

нагрузка на двигателе вследствие изменения 

внешних условий движения объекта, на котором 

он установлен. Соответственно, стоит 

задача постоянного контроля давления в цилиндрах 

двигателя. 

Среди других задач по повышению экологичности 

промышленных дизельных 

двигателей выделяется снижение выбросов 

оксидов азота. Одним из наиболее распространенных 

методов стало внедрение системы 

рециркуляции выхлопных газов. 

Оксиды азота образуются в двигателе под 

действием высокой температуры. Чем выше 

температура в камерах сгорания, тем больше 

образуется оксидов азота. Возврат части отработавших 

газов во впускной коллектор позволяет 

снизить температуру сгорания топливновоздушной 

смеси и, тем самым, уменьшить 

образование оксидов азота. При этом соотношение 

компонентов в топливно-воздушной 

смеси остается неизменным, а мощностные 


характеристики двигателя изменяются незначительно. 

Ключевыми сигналами для управления 

системой рециркуляции являются температура 

воздуха, температура выхлопных 

газов и температура газо-воздушной смеси 

на входе и выходе системы рециркуляции выхлопных 

газов (рис. 2). 

Таким образом, для решения задачи оптимального 

управления современным дизельным 

двигателем с минимизацией расхода 

топлива, сокращением выбросов вредных 

веществ и повышением ресурса необходимо 

измерять такие параметры, как: 

• температура охлаждающей жидкости; 

• температура выхлопных газов; 

• температура в системе рециркуляции выхлопных 

газов; 

• давление наддува; 

• давление картерных газов; 

• давление в топливной рампе; 

• давление в цилиндрах двигателя; 

• частота вращения коленчатого вала; 

• массовый расход воздуха. 

Измерение температуры 

Рассмотрим подробнее сложности, возникающие 

при измерении давления и температуры 

дизельных двигателей. Начнем с температуры. 

Долгое время для измерения температуры 

использовались термоэлектрические 

преобразователи, более известные как термопары. 

Это простое и недорогое решение 

имеет ряд существенных недостатков, среди 

которых выделяются необходимость компенсации 

температуры свободных концов 

и нелинейность статической характеристики. 

Это обусловило тренд в сторону термометров 

сопротивления, которые также не лишены 

недостатков: дороговизна материала 

(платина) для чувствительных элементов, 

обеспечивающего долговременную стабильность, 

и влияние сопротивления соединительных 

проводов. Появление технологии 

тонкопленочных чувствительных элементов 

на порядки сократило потребность в количестве 

материала, но появились проблемы 

виброустойчивости и долговременной стабильности. 

Фирма Danfoss нашла решение путем 

тщательного подбора материалов подложки, 

меандра, наполнителя гильзы и контроля 

изготовления всех контактных соединений 

с учетом возможности теплового расширения 

материалов. Изначально эти технологии были 

воплощены для чувствительных элементов 

Pt 100, однако осталась проблема влияния 

температуры соединительных проводов. Было 

очевидно, что необходимо переходить к использованию 

высокоомных чувствительных 

элементов Pt 1000. Конструкторам Danfoss 

удалось решить и эту задачу. Вначале на рынке 

были представлены термометры сопротивления 

серии MBT 5250 (рис. 3) с чувствительным 

элементом Pt 1000 для низкотемпературных 

измерений до +200 °С. Характерной особен- 


43

44 


Рис. 3. Термометр сопротивления для температуры 

охлаждающей жидкости Danfoss MBT 5250 

ностью этого термометра является сменная 

измерительная вставка, которая позволяет использовать 

его без дополнительных гильз, что 

обеспечивает максимально быструю реакцию 

прибора. 

Для системы рециркуляции газов 

был необходим датчик с очень коротким 

временем отклика, что невозможно достичь 

без снижения габаритов и массы термометра. 

Другое требование — стойкость материалов 

к агрессивным средам (при наличии 

в выхлопе паров воды и оксидов серы, азота 

велика вероятность образования кислот). 

Конструкторы Danfoss смогли решить эту 

задачу и представили два новых термометра 

сопротивления: MBT 3270 (рис. 4) для системы 

рециркуляции и MBT 5114 для измерения 

температуры выхлопных газов. 

Рис. 4. Термометр сопротивления для системы 

рециркуляции газов Danfoss MBT 3270 

Оба прибора имеют ряд уникальных характеристик. 

MBT 3270 — это один самых 

миниатюрных термометров сопротивления, 

способных измерять температуру до +300 °С 

в условиях повышенной вибрации и в агрессивной 

среде. 

Уникальный чувствительный элемент 

(Pt 100 или Pt 1000) помещен в корпус из кислотостойкой 

нержавеющей стали AISI 316Ti 

диаметром 3 или 6 мм и длиной погружной 

части 40 мм. Столь малые размеры обеспечивают 

высокую точность измерений и минимальное 

время реакции, которое до 80% 

ниже, чем у стандартных термометров сопротивления 

(рис. 5). 

Рис. 5. Результаты испытаний на инерционность термометров сопротивления 

Вместо стандартной пайки электрических 

соединений используется механический обжим 

контактов, выполняемый в газонепроницаемой 

камере, что обеспечивает надежность 

соединений при тепловом расширении и исключает 

коррозию. Защитная арматура термометра 

заполнена специальной термостойкой 

пастой для повышения вибростойкости. 

Высокое качество продукции достигается полной 

автоматизацией производственных процессов, 

исключающей человеческий фактор. 

При разработке термометра сопротивления 

для измерения температуры выхлопных 

газов перед конструкторами были поставлены 

следующие задачи, решение которых 

в совокупности позволило создать уникальный 

продукт. Среди этих задач наиболее значимыми 

были: 

1. Применение чувствительного элемента 

Pt 1000, поскольку именно в системе выхлопа 

наблюдалось сильное влияние на изменение 

температуры соединительных проводов. 

2. Обеспечение долговременной стабильности 

и надежности измерений. 

3. Минимально возможные габариты для 

снижения инерционности и возможности 

установки на двигатели средней мощности, 

где выхлопная труба имеет относительно 

малые размеры. 

4. Стойкость к агрессивным средам. 

Решая эти задачи методами подбора материалов 

и оптимизации производственных 

процессов, специалисты Danfoss смогли представить 

не имеющий аналогов термометр сопротивления 

для измерения температуры выхлопных 

газов серии MBT 5114 (рис. 6). 

Измерение давления 

Преобразование давления в электрический 

сигнал является одним из наиболее интересных 

методов в прикладной метрологии. 

Существует широкое разнообразие методов, 

каждый из которых хорош для решения своей 

задачи. Так, например, для измерения давления 

в системе турбонаддува необходимо использовать 

преобразователи абсолютного давления. 

Основная проблема таких приборов состоит 

в том, что чувствительные элементы, как правило, 

не могут находиться долгое время под 

действием глубокого вакуума из-за его негативного 

влияния на их надежность. Danfoss предложила 

использовать газонаполненную камеру 

с референсным значением давления, равным 

одной атмосфере. Это решение, в частности, 

воплощено в серии преобразователей давления 

MBS 3100 (рис. 7), которая нашла широкое 

применение в судовых силовых установках. 

Измерение давления картерных газов 

четырехтактных двигателей играет огромную 

роль в диагностике ресурса двигателя. 

Повышенное давление в картере двигателя 

— важный показатель неисправностей цилиндропоршневой 

группы и турбонаддува. 

Сложность измерения давления картерных 

газов заключается в том, что это очень малые 

значения (для большинства дизелей критичным 

будет давление 40 мбар (0,004 МПа)). 

Есть также вероятность возникновения разрежения 

в картере двигателя. Для решения 

этой задачи Danfoss предлагает преобразователь 

давления MBS 9300. 

Рис. 6. Термометр сопротивления для измерения 

температуры выхлопных газов Danfoss MBT 5114 Рис. 7. Преобразователь давления Danfoss MBS 3100 


Рис. 8. Конструкция чувствительного элемента 

преобразователя давления Danfoss MBS 9300 

Чувствительный элемент MBS 9300 (рис. 8) 

выполнен по технологии «кремний на кремнии», 

обеспечивающей долговременную стабильность 

метрологических характеристик 

и высокую перегрузочную способность, что 

выгодно отличает ее от наиболее распространенной 

в России технологии «кремний 

на сапфире». Для снижения влияния вибрации 

и пиков давления кристалл чувствительного 

элемента помещен в капсулу, с одной 

стороны которой находится мембрана, воспринимающая 

давление среды, а с другой — 

электрическое соединение. Сама капсула заполнена 

силиконовым гелем, сохраняющим 

свои свойства в широком диапазоне температур. 

Благодаря этой и ряду других технологий 

Danfoss смогла сконструировать надежный 

электронный аналог стрелочных тягонапоромеров 

с минимальным диапазоном измерений 

от 0 до 40 мбар (от 0 до 0,004 МПа). 

Еще более сложной задачей является измерение 

давления в общей топливной рампе. 

Это связано с тем, что величина давления 

нередко превосходит 2000 бар (200 МПа) 

в сочетании с возможно высокой температурой 

окружающей среды и существенными 

вибрациями. Эти проблемы были удачно 

решены в преобразователе давления Danfoss 

MBS 6300 (рис. 9). 

Было решено использовать тонкопленочную 

технологию (рис. 10), в которой тензорезисторы 

наносятся непосредственно на мембрану 

из нержавеющей стали, находящуюся 

под воздействием среды. Возможность размещения 

на мембране полупроводникового 

термометра сопротивления позволяет обе- 

Рис. 9. Преобразователь давления Danfoss MBS 6300 

Рис. 10. Чувствительный элемент преобразователя 

давления Danfoss MBS 6300 

спечить термокомпенсацию во всем диапазоне 

допустимых температур. Среди других 

преимуществ технологии нужно отметить 

долговременную стабильность, высокую скорость 

реакции (

46 


Датская фирма Danfoss уже более 60 лет разрабатывает и производит 

контрольно-измерительные приборы для строения двигателей, 

применяя самые передовые технологии. Все это позволяет 

решить сложную задачу оптимального управления современными 

дизельными двигателями. n 




1. Баринов И. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давления 

на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития // 

Компоненты и технологии. 2010. № 8. 

Энкодер MTRE с инстинктивной технологией распознавания жестов 

Компания Grayhill представляет энкодер MTRE 

(Multi-Touch Ring Encoder) с инстинктивной технологией 

распознавания жестов. Этот инновационный 

продукт обладает рядом особенностей: технологией 

распознавания движения пальцев, мультитачповерхностью, 

прочным корпусом, задней подсветкой, 

а также встроенной монохромной или цветной 

LCD touch-панелью (по желанию заказчика). 

Изделие имеет цилиндрическую форму с плоской 

поверхностью, диаметр которой составляет 

50 мм. Эта поверхность и является мультитачпанелью, 

при помощи которой осуществляется 

управление. Информация с устройства передается 

в компьютер через USB-интерфейс для обработки 

при помощи ПО Instinct Software. 

Для осуществления механического управления 

предусмотрен внешний вращательный диск, расположенный 

по окружности touch-поверхности, 

и встроенная кнопка в ее центре. Они позволяют 

оператору перемещаться между пунктами меню. 

Еще одной уникальной особенностью MTRE является 

встроенный датчик движения. Он реагирует 

на приближение руки к устройству и выводит его 

из режима покоя, о чем также свидетельствует изменение 

яркости задней подсветки touch-панели. 

Кроме задней подсветки, у энкодера есть круговая 

подсветка по контуру touch-панели: белого, красного, 

зеленого или голубого цветов (на выбор). 

Для работы с устройством Grayhill предлагает 

ПО Instinct Software, в состав которого входят библиотеки 

на языке C. Вместе с Instinct Software 

предоставляется драйвер для удобства работы 

с ОС Windows 7. 

Instinct Software может распознавать как одно 

(single touch), так и несколько прикосновений сразу 

(multi-touch) к панели. Single touch режим включает 

в себя контроль курсора, нажатие на центральную 

кнопку и перемещение между пунктами меню. Multitouch 

режим включает в себя вращение, прокрутку 

и zoom — при использовании двух пальцев. 3Dвращение 

обеспечивается прикосновением трех пальцев 

сразу. В библиотеке Instinct Software содержится 

много дополнительных touch-комбинаций, в том числе 

«динамичные жесты», разнообразные по продолжительности 

нажатия или прикосновения. 

Устройство имеет прочный корпус с защитой 

от царапин, который устойчив к чистке реагентами. 

Предполагается использовать MTRE в таких отраслях, 

как медицина (ультразвуковое оборудование, 

рентген, МРТ, инвалидные коляски и др.), 

промышленное и сельскохозяйственное оборудование, 

авиационная промышленность (кабина 

управления пилота), а также в охранных комплексах 

(пульты управления). 



Реклама

Реклама

48 


Новости сайта www.efo.ru 

Infineon Technologies 

Компания Infineon представила поколение IGBTтранзисторов 

на основе более тонкой Si-подложки 

(50 мкм), изготовленных по новой технологии 

TRENCHSTOP 5. 

По технологии TRENCHSTOP 5 выпускаются два 

семейства: 

• HighSpeed 5 (H5) — быстрые IGBT с мягким 

переключением (soft high speed). 

• HighSpeed 5 FAST (F5) — наиболее эффективные 

IGBT. 

Характеристики: 

• Рабочее напряжение: 650 В. 

• В 2,5 раза меньший заряд затвора Qg 

, в 2 раза 

меньшие потери при коммутации и на 200 мВ 

меньше напряжение насыщения VCE(sat) по сравнению 

с семейством HighSpeed 3. 

• Быстрый обратный кремниевый диод. 

• Низкое соотношение Coss 

/Eoss . 

• Небольшой положительный температурный 

коэффициент VCE(sat) . 

• Температурная стабильность прямого напряжения 

на обратном диоде Vf . 

Преимущества: 

• Лучшая в своем классе эффективность, что 

дает более низкую температуру переход-корпус 

и большую надежность устройства. 

• Увеличение рабочего напряжения на 50 В без потери 

надежности системы. 

• Высокая плотность мощности. 

Применение: 

• корректоры коэффициента мощности; 

• инверторы сварочного оборудования; 

• источники бесперебойного питания; 

• солнечная энергетика. 

WIZnet 

В модули WIZ107/108SR преобразователей 

протоколов передачи данных Serial ↔ Ethernet 

внесен ряд изменений с целью улучшения их эксплуатационных 

характеристик и повышения помехоустойчивости. 

Доработка коснулась схемотехнического 

решения и встроенного программного 

обеспечения модулей. Была также повышена степень 

защиты от статического электричества и расширен 

диапазон рабочих температур до индустриального: 

от –40 до +85 °C. 

С точки зрения конечного потребителя все 

функции новых модулей остались неизменными. 

Замена предыдущих версий модулей на новые 

может осуществляться без дополнительных изменений 

в схемотехнике конечных целевых плат. 

Тем не менее версии встроенного программного 

обеспечения (firmware) для новых и старых версий 

модулей различаются и не являются совместимыми. 

При попытке загрузить в новый модуль старую 

версию «прошивки» (или наоборот) результатом 

будет отказ преобразователя. 

Новые версии мезонинных модулей преобразователей 

протоколов передачи данных 

WIZ107/108SR доступны для заказа с 1 декабря 

2012 года, последняя дата заказа старых версий 

— 30 июня 2013 года. 

Locosys 

Компания Locosys объявила о пополнении своей 

линейки выносных, совмещенных с антенной 

ГЛОНАСС/GPS-приемников моделями серии 

LS2303x-G, выполненными на чипсете MediaTek. 

Новые приемники имеют интерфейсы USB и RS-232. 

Их отличия — высокая чувствительность, минимальное 

энергопотребление и возможность 

работы в расширенном температурном диапазоне 

(–40…+85 °C). 

4D Systems 

Компания 4D Systems начала производство 

двух новых графических модулей: μTOLED-20-G2 

и μLCD-32WPTU. 

Графический модуль μTOLED-20-G2 реализован 

на базе микросхемы Goldelox и прозрачного 

OLED-дисплея. Дисплей поддерживает разрешение 

128×160 точек, 65K цветов. Размер дисплея 

по диагонали составляет 2″, размер активной 

области экрана — 31,86×39,74 мм. Основной 

интерфейс для обмена с внешними устройствами 

и программирования — UART (TTL). Две независимые 

линии ввода/вывода могут служить 

в качестве цифровых линий ввода/вывода, входа 

8/10-разрядного АЦП и звукового выхода. 

Их можно применять также при работе с внешними 

устройствами по однопроводному интерфейсу 

типа Dallas. Физические размеры модуля — 

37,5×24×11 мм, питание — от 4 до 5,5 В. 

Графический модуль μLCD-32WPTU реализован 

на базе микросхемы Picaso и широкоформатного 

TFT-дисплея. Дисплей поддерживает разрешение 

240×400 точек, 65K цветов. Размер дисплея 

по диагонали составляет 3,2″, размер активной 

области экрана — 41,76×69,6 мм. Дисплей оснащен 

резистивным сенсорным экраном. В качестве 

основного интерфейса для обмена с внешними 

устройствами и программирования служит UART 

(TTL). Дополнительно к нему модуль имеет второй 

UART, интерфейс IIC и параллельный интерфейс. 

Физические размеры модуля — 37,5×24×11 мм. 

Он работает при напряжении от 4 до 5,5 В или 

3,7 В — при питании от аккумуляторной батареи 

LiIon или LiPo. 

Atmel 

Выпущены новые версии микросхем памяти 

EEPROM емкостью 1 и 2 кбит — AT24C01С 

и AT24HC02C. Новые версии микросхем производятся 

по проектным нормам 0,25 мкм, они по выводам 

и функционально совместимы со старыми версиями 

(которые выпускались по проектным нормам 

0,35 мкм). Новые версии поддерживают расширенный 

диапазон напряжения питания1,7–5,5 В (у старых 

версий — 1,8–5,5 В). 

Выпуск AT24C01С и AT24HC02C уже начат. 

Старые версии AT24C01B и AT24HC02B снимаются 

с производства, последняя дата заказа — 

26 мая 2013 г., дата последней отгрузки — 26 ноября 

2013 г. 

Vicor 

Компания Vicor приступила к серийному производству 

AC/DC-конвертеров FE175D480x033FP-00 

с диапазоном входного напряжения от 85 до 264 В, 

встроенным корректором коэффициента мощности, 

изолированным выходом с напряжением 48 В 

и максимальной выходной мощностью 330 Вт. 

Новый модуль, предназначенный для построения 

высокоэффективных малогабаритных импульсных 

источников питания, имеет габаритные размеры 

95,3×48,6×9,55 мм. При таких размерах плотность 

конвертируемой мощности достигает 7,4 Вт/см 3 . 

Коэффициент полезного действия при полной нагрузке 

лежит в пределах от 90 до 92,5%. 

В состав семейства FE175D480x033FP-00 

входят три модуля: FE175D480C033FP-00, 

FE175D480T033FP-00 и FE175D480M033FP-00, 

которые отличаются друг от друга рабочим 

температурным диапазоном и температурой 

хранения. Самые морозоустойчивые модули 

FE175D480M033FP-00 могут работать при температуре 

–55 °C и выдерживают температуру хранения 

от –65 до +125 °C. 

Avago Technologies 

Компания Avago Technologies представила 

4-канальный трансивер AFBR-79EEPZ с параллельными 

оптическими каналами в корпусе 

QSFP+. Трансивер передает данные по четырем 

каналам в обоих направлениях на скорости 

10,3125 Гбит/с на канал. Суммарная скорость 

передачи данных — 40 Гбит/с. AFBR-79EEPZ 

совместим с оптическими трансиверами с меньшим 

числом каналов, которые соответствуют 

стандарту IEEE 802.3ae 10GBASE-SR, в таких 

форм-факторах, как SFP+, XFP и X2. 

Санкт-Петербург, 

ул. Новолитовская, д. 15, лит. А, 

бизнес-центр «Аквилон», офис 441; 

(812) 327-86-54; e-mail: zav@efo.ru. 



Роман РыжЕйКИН 

Roman.Ryzheykin@ru.endress.com 

Давление — один из важных измеряемых 

параметров в промышленной автоматизации. 

Сфера применения датчиков давления 

очень разнообразна: водоподготовка, очистка 

стоков, пищевая, фармацевтическая, 

химическая, нефтеперерабатывающая промышленность, 

добыча, хранение и транспортировка 

нефти и газа и т. д. Помимо непосредственного 

измерения давления, датчики 

давления используются также при измерении 

расхода, уровня, удельного веса пульпы 

и для других косвенных измерений. 

Многообразие областей и способов применения, 

а также требования, предъявляемые 

разными потребителями, — все это 

Рис. 1. Серия интеллектуальных преобразователей 

абсолютного и избыточного давления Cerabar М 

фирмы Endress+Hauser 


Оборудование 

для измерения давления 

компании Endress+Hauser: 

широкие возможности 

точного выбора 

В статье на примере приборов измерения давления рассказывается о продукции 

одного из ведущих мировых производителей оборудования и систем 

КИПиА — фирмы Endress+Hauser. Приводятся основные характеристики 

датчиков давления, дается их классификация по метрологическим 

характеристикам и условиям применения, обсуждается многообразие 

конструктивных исполнений, упоминаются технические средства проектирования, 

настройки и обслуживания. В числе преимуществ указываются 

прочные и коррозионно-стойкие чувствительные элементы, встроенные 

интеллектуальные функции, широкий выбор типов датчиков, диапазонов 

измерений, конструктивных исполнений, метрологических характеристик 

(точности и стабильности), электрических интерфейсов и способов присоединения 

к процессу. 

диктует и разнообразие применяемых для 

измерения давления датчиков и их модификаций. 

Одной из немногих компаний, способных 

удовлетворить практически любые требования, 

является Endress+Hauser — ведущий 

мировой поставщик измерительной аппаратуры 

и комплексных решений на ее основе. 

На рис. 1 показана одна из серий датчиков 

давления фирмы Endress+Hauser — серия 

интеллектуальных преобразователей абсолютного 

и избыточного давления Cerabar М. 

Общие характеристики датчиков 

давления Endress+Hauser 

чувствительные элементы 

Endress+Hauser использует в датчиках давления 

чувствительные элементы (ячейки) 

двух типов: керамические емкостные и тензорезистивные 

с металлической мембраной. 

Керамические («сухие») измерительные 

ячейки состоят из керамической диафрагмы 

(99,9% Al 2 O 3 ) и емкостного датчика. 

Диафрагма отличается высокой коррозионной 

и эрозионной стойкостью. На керамической 

основе ячейки и на диафрагме расположены 

электроды. Измеряемое давление 

воздействует на керамическую диафрагму, 

деформируя ее. Деформация составляет максимум 

25 мкм. Электрическая емкость между 

электродами изменяется в зависимости 

от изменения давления. Диапазон измерения 

определяется толщиной керамической диафрагмы. 

Тензорезистивные измерительные ячейки 

состоят из корпуса, внутренняя полость которого 

заполнена жидкостью (маслом) и отделена 

от измеряемой среды металлической 

мембраной. В корпусе размещается тензорезистивный 

мостовой преобразователь. 

Измеряемое давление воздействует на изолирующую 

диафрагму и через заполняющую 

корпус ячейки жидкость передается 

на измерительный мост. Выходное напряжение 

моста изменяется в зависимости от значения 

давления. Разделительная мембрана 

может быть изготовлена из различных материалов 

(AlloyC, 316L) для лучшего сопротивления 

различным средам. Для работы 

датчика в среде газа, содержащего водород, 

на мембрану наносят золото-родиевое покрытие. 

корпуса и способы присоединения 

к процессу 

Корпуса датчиков изготавливаются 

из алюминия или нержавеющей стали, имеют 

коррозионно-стойкие покрытия, класс 

защиты от пыли и влаги — от IP66 до IP68, 

а погружные датчики — до IP69K. Они могут 

эксплуатироваться в диапазоне температур 

окружающего воздуха от –50 до +85 °C, 

в тяжелых производственных условиях — 

при повышенной запыленности в агрессивных 

средах, а также вне помещений. 


49

50 


Датчики могут иметь взрывобезопасное исполнение. 

Датчики давления Endress+Hauser могут 

работать в самых разнообразных технологических 

установках. Это обеспечивается 

различными способами присоединения 

к процессу, к которым относятся резьбовый, 

фланцевый, Tri-Clamp (ISO2852) и гигиенический, 

а также соответствующими 

конструктивными исполнениями датчиков, 

принадлежностями и аксессуарами — вентильными 

блоками, сифонами, монтажными 

хомутами и т. п. 

нормирующие преобразователи 

Кроме чувствительного элемента, датчик 

давления содержит нормирующий преобразователь, 

преобразующий сигнал измерительной 

ячейки в стандартный выходной 

сигнал. В зависимости от применяемой 

на контролируемом объекте системы измерения 

и типа датчика можно выбрать различные 

выходные аналоговые или цифровые 

сигналы. Это: 

• токовая петля 4–20 мА; 

• 0–10 В; 

• HART; 

• 4–20 мА HART (токовая петля с дополнительной 

передачей данных по протоколу 

HART); 

• Profibus PA; 

• FOUNDATION Fieldbus. 

Сигнализаторы давления могут иметь 

один или два релейных выходных сигнала. 

модульная конструкция 

Многие датчики давления Endress+Hauser 

имеют модульную конструкцию, как это показано 

на рис. 2. Чувствительные элементы, 

нормирующие преобразователи, дисплеи, 

устройства подключения к процессу, кабельные 

вводы, не говоря о различных крышках, 

фильтрах, прокладках и пр., выполняются 

в виде сменных модулей. Это позволяет, 

например, установить датчик в минимально 

необходимой комплектации, а затем доукомплектовать 

его ЖК-дисплеем для удобства 

эксплуатации. В ряде случаев возможен 

ремонт непосредственно на месте установки 

путем замены модуля. Блочная замена сокращает 

время ремонта датчиков. 

классификация по видам измерений 

и назначению 

По видам измеряемых величин датчики 

давления Endress+Hauser можно разделить 

на следующие группы: 

• абсолютного давления; 

• избыточного давления; 

• дифференциального давления; 

• гидростатического давления; 

• перепада давления (сужающие устройства 

для измерения расхода). 

Как отдельную группу можно рассматривать 

датчики перепада давления и датчики 

дифференциального давления в конструк- 

Рис. 2. Модульная конструкция датчика давления 

тивном исполнении, предназначенном для 

вычисления расхода. 

В зависимости от назначения и функциональных 

возможностей датчики давления 

Endress+Hauser подразделяются на аналоговые, 

интеллектуальные и цифровые высокоточные 

преобразователи. 

Датчики перепада давления предназначены 

для измерения объемного или массового 

расхода всех типов газа, жидкости или пара. 

Ассортиментный перечень изделий представлен 

разделительными диафрагмами, 

трубками Пито и датчиками Deltabar S. 

диапазоны измерений 

Диапазон измерений датчика определяется 

параметрами измерительной ячейки, применяемой 

в конкретном датчике: толщиной 

керамической мембраны в керамической 

ячейке или чувствительностью моста в тензорезистивной 

ячейке. В зависимости от типа 

датчика диапазон измерения можно выбрать 

в широких пределах. Например, в датчиках 

дифференциального давления он может составлять 

от –10…+10 мбар до –40…+40 бар, 

а в датчиках абсолютного давления и датчиках 

избыточного давления — от 100 мбар 

до 700 бар. Что же касается датчика давления 

Cerabar S PMP71, то он может иметь один 

из диапазонов измерения: 0,4; 1; 2; 4; 10; 40; 

100; 400 или 700 бар. 

Во всех датчиках предусмотрена возможность 

перенастройки диапазона от 4:1 до 100:1 

для разных типов датчиков. В то же время 

широкий выбор измерительных диапазонов 

избавляет от необходимости значительной 

перенастройки диапазона измерений. 

Погрешность, стабильность 

Точность (accuracy) датчиков зависит 

от типа и исполнения. Датчики давления серии 

S имеют класс точности 0,075% и долговременную 

стабильность 0,05% от верхнего 

предела диапазона измерения в год. 

Бюджетные модели (серия M) имеют класс 

точности 0,15% при долговременной стабильности 

0,1% от верхнего предела диапазона 

измерения в год, а компактные (серии 

Т) — 0,5 и 0,15% соответственно. По заказу 

датчики (кроме компактных) могут 

поставляться со специальной заводской калибровкой 

Platinum. Погрешность таких датчиков 

в полтора раза меньше: для серии S — 

класс точности 0,05%, для серии М — класс 

точности 0,075%. 

Описание некоторых серий 

датчиков давления Endress+Hauser 

датчики абсолютного 

и избыточного давления 

Для измерения абсолютного и избыточного 

давления Endress+Hauser поставляет четыре 

серии датчиков: 

• Cerabar S; 

• Cerabar М; 

• Cerabar Т; 

• Ceraphant Т. 


Таблица 1. Особенности датчиков серии Cerabar S 

Характеристики PMС71 PMP71 PMP75 

Измерительная ячейка Емкостная Тензорезистивная 

Коррозийно-стойкие 

мембраны 

Керамика √ √ 

Модуль памяти 

HistoROM/ 

M-DAT 

HistoROM 

Диапазон измерений, бар 0,1–40 0,1–700 0,1–400 

Предельно допустимое 

рабочее давление, бар 

60 1050 

Рабочий температурный 

диапазон, °С 

–20…+150 –40…+125 –70…+400 

Серия Cerabar S 

Это интеллектуальные, высокоточные 

и многофункциональные преобразователи 

абсолютного и избыточного давления. 

Они предназначены для измерения давления 

и уровня в резервуарах и трубопроводах. Для 

серии характерны модульная конструкция, 

съемный ЖК-индикатор с тремя кнопками 

для настройки прибора на месте измерения, 

высокая стабильность (межповерочный интервал 

— четыре года) и расширенные функции 

диагностики. 

Серия включает три типа датчиков: 

• Cerabar S PMС71; 

• Cerabar S PMP71; 

• Cerabar S PMP75. 

Особенности этих датчиков приведены 


Серия Cerabar М 

Это интеллектуальные преобразователи 


Они предназначены для измерения давления 

и уровня в резервуарах и трубопроводах. Для 

серии характерны компактная модульная 

конструкция, съемный ЖК-индикатор с тремя 

кнопками для настройки прибора на месте 

измерения, высокая стабильность (межповерочный 

интервал — четыре года). 


• Cerabar М PMС51; 

• Cerabar М PMP51; 

• Cerabar М PMP55. 



Таблица 2. Особенности датчиков серии Cerabar М 


Измерительная ячейка Емкостная Тензорезистивная 

Коррозийно-стойкие 

мембраны 

Диапазон измерений, 

бар 





0,1–40 1–400 

Серия Cerabar Т 

Это экономичные компактные преобразователи 


Они предназначены для измерения 

давления и уровня в резервуарах и трубопроводах. 

Для серии характерны высокая 

стабильность (межповерочный интервал — 

√ 

60 600 

–20…+130 –40…+125 –70…+400 

Таблица 3. Особенности датчиков серии Cerabar Т 


Измерительная ячейка 

Съемный 

ЖК-индикатор 

Диапазон измерений, 

бар 





Керамическая 

емкостная 

Тензорезистивная 

0,1–40 1–400 1–40 

четыре года) и фиксированный ряд диапазонов 

измерения. 


• Cerabar Т PMС131; 

• Cerabar Т PMP131; 

• Cerabar Т PMP135. 



Серия Ceraphant Т 

Это предельные сигнализаторы избыточного 

и абсолютного давления. Они предназначены 

для измерения и сигнализации достижения 

заданной величины давления в резервуарах 

и трубопроводах. Датчики серии 

снабжены встроенным ЖК-индикатором 

с тремя кнопками настройки. 


• Ceraphant Т PТС31; 

• Ceraphant Т PТP31; 

• Ceraphant Т PTP35. 



Более подробную информацию о датчиках 

абсолютного и избыточного давления, а также 

о другом оборудовании Endress+Hauser 

можно найти на сайте www.ru.endress.com. 

Особенности использования 

оборудования Endress+Hauser 

Простота 

и скорость проектирования 

Кроме рассмотренных в настоящей статье 

датчиков давления, Endress+Hauser 

поставляет широкий спектр контрольноизмерительных 

приборов и средств автоматизации, 

что ставит перед проектировщиками 

нелегкую задачу их оптимального выбора. 

В связи с этим фирмой разработан специальный 

программный продукт — Applicator. 

Applicator — удобный программный инструмент 

для расчета и подбора подходящих 


измерительных приборов, исходя из параметров 

применения. На этапе проектирования 

для выбора необходимых продуктов и решений 

нужно ввести в программу определенные 

параметры процесса. Подбор необходимого 

оборудования поддерживается различными 

модулями, каждый из которых может 

быть использован независимо друг от друга. 

Программа, предоставляя подробные чертежи, 

схемы, сравнения принципов измерения 

и продуктов, предлагает обзор применимых 

решений, что упрощает и ускоряет процесс 

проектирования. 

Кроме того, специалисты Endress+Hauser 

в любой момент готовы во взаимодействии 

с клиентами на месте изучить насущные проблемы 

контроля и автоматизации и предложить 

оптимальные для каждого конкретного 

случая решения. Наличие индивидуального 

решения, учитывающего потребности и особенности 

конкретного производства, обеспечивает 

максимальный эффект при минимальных 

вложениях. 

наладка и обслуживание 

Наладка и обслуживание оборудования 

Endress+Hauser существенно облегчаются 

благодаря пакету программного обеспечения 

Fieldtool для проведения настроек, ввода 

в эксплуатацию и диагностики контрольноизмерительных 

приборов компании. 

Программный модуль анализа и планирования 

технического обслуживания позволяет 

осуществлять обслуживание в оптимальные 

сроки, основываясь на известных условиях 

процесса. 


√ 

60 600 160 

–20…+100 –25…+70 –25…+100 

Таблица 4. Особенности датчиков серии Ceraphant Т 

Характеристики PТС31 PТP31 PTP35 

Измерительная ячейка 

Керамическая 

емкостная 

Тензорезистивная 

Диапазон измерений, бар 0,1–40 1–400 1–40 





60 600 160 

–40…+100 

51 

усовершенствования 

Endress+Hauser постоянно работает над 

расширением функциональных возможностей 

и улучшением технических и эксплуатационных 

характеристик поставляемого оборудования. 

Только за последний год: 

• увеличен до четырех лет межповерочный 

интервал термометров сопротивления; 

• благодаря снижению электропотребления 

электроникой датчиков серии Cerabar М 

обеспечена возможность их электропитания 

от стандартной токовой петли 4–20 мА; 

• нижний температурный предел применения 

датчиков давления теперь составляет 

–50 °С. 

При этом, внедряя новые изделия, 

Endress+Hauser продолжает поддерживать 

и обслуживать снятое с производства оборудование 

в течение всего срока службы. 


Изложенное позволяет сделать вывод, что 

выбор Endress+Hauser в качестве поставщика 

оборудования — эффективное и надежное 

решение. Автор надеется, что предложенная 

в статье информация поможет проектировщикам 

и потребителям в выборе оборудования 

для систем автоматизации. n

52 

тестирование 

Карлос Белтран АЛМЕйДА 

(Carlos Beltrán ALMEIDA) 

Исабель Качо ТЕХЕйРА 

(Isabel Cacho TEIxEIRA) 

жоао Пауло ТЕХЕйРА 

(Joao Paulo TEIxEIRA) 

жоао ВАРЕЛА (Joao VARELA) 

жозе АУГУСТО (José AUGUSTO) 

Марселино САНТОС (Marcelino SAnTOS) 

Нуно КАРДОСО (nuno CARDOSO) 

Перевод: 

Галит ГОРОДЕЦКАя (JTAG. TEST) 

Тестопригодность 

системы индикации 

и запуска верхнего уровня 

электромагнитного калориметра 

компактного мюонного соленоида 

В статье описаны результаты работы, которую проделала группа из Политехнического 

института в Лиссабоне (InESC) в сотрудничестве с Европейским 

советом по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour 

la Recherche nucléaire, CERn) для улучшения тестопригодности системы 

индикации и запуска верхнего уровня (СИЗВУ) электромагнитного калориметра 

компактного мюонного соленоида. 


ческого и встроенного контроля, а также 

по описанию системы на уровне методов мо- 

Для достижения этой цели группа авторов делирования высокого уровня. 

статьи сосредоточилась на решении следую- После анализа результатов этого исследощих 

задач: 

вания возникло предложение по расширению 

• переход от JTAG-тестирования отдельных использования стандарта IEEE 1149.1 на си- 

плат к JTAG-тестированию на уровне системном уровне, для чего и была разработана 

стемы; 

специальная плата контроллера JTAG. 

• введение автоматического встроенного 

контроля на уровне специализированных Реализация JTAG 

интегральных схем (ASIC); 

• введение оценки эффективности дефектна 

уровне системы 

ориентированного тестирования; 

Управление системой СИЗВУ осуществля- 

• введение моделирования и симуляции ется платой контроллера, установленного 

на уровне системы. 

в каждом крейте. Основной задачей груп- 

Аналогичные исследования по повышепы авторов статьи была разработка JTAGнию 

тестопригодности и надежности системы контроллера (его аппаратного и програм- 

СИЗВУ были проведены в Политехническом много обеспечения) с интерфейсом VME, 

институте Турина в сотрудничестве с CERN обеспечивающим JTAG-тестирование си- 

(в русском языке обычно используется абстемного модуля (крейта) в нерабочее время 

бревиатура ЦЕРН). 

или во время планового обслуживания. Эта 

Система СИЗВУ электромагнитного ка- задача должна состоять из двух частей: 

лориметра компактного мюонного соле- • Разработка JTAG-модуля (контроллера 

ноида (ECAL CMS) [1] содержит примерно JTAG), который работал бы как интерфейс 

тысячу плат, установленных в 60 крейтах между контроллером системного модуля 

размером 9U и связанных между собой ши- и интерфейсом VME, реализующим шину 

ной VME. Поэтому при разработке и внедре- JTAG-тестирования. 

нии такой сложной системы следует исполь- • Разработка программного обеспечения для 

зовать методы тестопригодного проектиро- загрузки теста и считывания с контроллера 

вания с тем, чтобы подобная система была 

доступна для тестирования на всех этапах ее 

результатов тестирования. 

производства и эксплуатации. 

Архитектура 

В сотрудничестве с Политехническим ин- системы тестирования JTAg 

ститутом Лиссабона (LIP) группа в INESC Существует два основных подхода, ис- 

проделала значительную работу по внедрепользуемых при соединениях тестовой 

нию стандарта ANSI IEEE 1149.1 на различ- JTAG-шины, подключенной к нескольных 

уровнях моделирования (компоненты, ким IEEE 1149.1-совместимым платам: коль- 

многокристальный модуль (MКM), плата, цевая конфигурация JTAG-цепочки и звез- 

система) по внедрению средств автоматидообразная конфигурация. При кольцевой 

конфигурации (рис. 1а) в схеме используются 

одни и те же сигналы управления (TMS 

и TCK) и один и тот же маршрут сканирования 

(TDI/TDO) для всех плат. При звездообразной 

конфигурации (рис. 1б) в схеме 

также используются одни и те же сигналы 

управления (TMS и TCK), но общий для всех 

плат маршрут сканирования (TDI/TDO). Для 

управления системой тестирования в обоих 

случаях требуется один и тот же объем информации, 

однако кольцевая конфигурация, 

как правило, несколько длиннее звездообразной 

и имеет определенные преимущества, 

так как для нее необходимо меньшее число 

периодов синхронизации для получения 

результата тестирования. Более того, при 

удалении одной платы из системы как неисправной 

с системой по-прежнему можно 

продолжать работать, что и обуславливает 

преимущества звездообразной конфигурации 

по сравнению с кольцевой. 

Звездообразная конфигурация предполагает 

применение специальной микросхемы, 

называемой «мост сканирования» 

(scan bridge) [2], специально предназначенной 

для связывания плат между собой 

в рамках тестовой шины. Эта микросхема 

фирмы National Semiconductor снабжена 

одним JTAG-совместимым портом тестирования, 

подключаемым к трем цепям тестирования 

объединительной платы (задней 

панели) и максимум трем локальным 

вторичным JTAG-совместимым портам 

тестирования. Адресуясь к одному из этих 

JTAG-совместимых портов, система позволяет 

тестировать определенную системную плату. 

В отличие от других подходов (например, 

с применением стандарта МТМ), использование 

микросхемы Scan Bridge обеспечивает 


очень хорошие результаты при адресации 

в JTAG-совместимом протоколе. 


Плата контроллера JTAg 

Разработанная авторами плата контроллера 

JTAG представляет собой ведомую 

шину VME, выполненную в формате 6U. 

Эта плата снабжена интерфейсом с шиной 

VME посредством коннекторов P1/J1 

и P2/J2 и включает в себя: 

• сигналы [3], эквивалентные JTAG ТСК, 

• MCTL (Module Control), эквивалентный 

сигналу TMS, 

• MMD (Module Data), эквивалентный сигналу 

JTAG TDI, 

• MSD (Module Slave Data), эквивалентный 

сигналу TDO, 

а 

• и MPR, эквивалентный сигналу TRST#. 

Все эти сигналы можно применять при 

б 

JTAG-тестировании на системном уровне. 

Контроллер JTAG предназначен для приема 

этих команд, генерируемых ведущей пла- 

Рис. 1. Конфигурация JTAG-цепочки: a) кольцевая; б) звездообразная 

той VME, с шины VME, преобразуя и конфинении теста (битовые последовательности Программное обеспечение 

гурируя их до уровня процедур тестирования на шине TDI). Вторая часть модуля содер- контроллера JTAg 

и управляя сигналами JTAG-тестирования жит состояния сигнала TRST# и других Тесты генерируются для каждой платы 

на уровне отдельной платы, подключенной управляющих данных, имеющих отно- по отдельности программным обеспече- 

к шине VME. 

шение к прогону теста. 

нием (ПО) VICTORY фирмы Teradyne [5]. 

Как показано на рис. 2, плата контроллера • JTAG-контроллер (PSC100F) — это ИС Это ПО в настоящее время применяется ор- 

JTAG содержит следующие функциональные фирмы National Semiconductor [4], разраганизацией CERN и может быть повторно 

блоки: 

ботанная специально для связи параллель- использовано при генерации тестов для лю- 

• Интерфейсные шины VMEbus. Эти цепи, ной процессорной шины с последовательбой другой платы тестируемой системы. 

применяемые для связи с шиной VME, слуной тестовой JTAG-шиной. Микросхема Все модули VICTORY генерируют тест-векжат 

для реализации протокола VME64 пе- подразделяется на последовательный инторы в последовательном векторном формате 

редачи данных между ведущей и ведомой терфейс, содержащий отдельный буфер SVF (Serial Vector Format), широко применяе- 

шинами. Загрузка локальной памяти для каждого тестового сигнала (TDO, TDI мом разработчиками и пользователями ПО 

и конфигурирование локальных регистров и TMS), и параллельный интерфейс досту- JTAG. ПО VICTORY включает в себя модуль, 

выполняется при этом посредством пропа к локальному тест-контроллеру LTC. обеспечивающий преобразование кода SVF 

токола VME64. 

Тестовый генератор синхросигналов пред- в таблицу истинности, содержащую логические 

• Локальный тест-контроллер (LTC). Эта ставляет собой программируемую схему, ге- уровни пяти JTAG-сигналов. Разрабатываемое 

цепь, построенная на ПЛД ИС Altera, отвенерирующую частоту, зависящую от сигнала ПО предназначено для преобразования этой 

чает за управляемость функциональности ТСК. Генератор программируется от локаль- таблицы истинности в формат, пригодный для 

тестовой платы и подразделяется на четыре 

подмодуля: 

– Машина состояний — управляет состоянием 

платы и выполнением тестов. 

– Модуль управления цепями VME — отвечает 

за конфигурирование операционного 

режима интерфейсных цепей 

шины VME. 

– Контроллер передачи данных — управляет 

передачей данных между локальной 

памятью, контроллером JTAG 

PSC100F и собственно локальным тестконтроллером 

LTC. 

– Регистры, связанные со статусом, командами 

и конфигурацией, обеспечивающие 

доступ к ведущей шине VME 

и позволяющие осуществлять запуск 

и остановку прогона теста, а также мониторинг 

его текущего состояния. 

• Локальная память — этот модуль подразделяется 

на две части. Одна из них предназначена 

для хранения выходных тествекторов 

(битовых последовательностей 

ного тест-контроллера LTC. 

загрузки в JTAG-контроллер. Кроме того, упона 

шинах TDO и TMS) и входных векторов, 

принимаемых системой при выпол- 

Рис. 2. Блок-диаграмма JTAG-контроллера 


www.kite.ru 

53

54 


мянутое ПО предназначено также для конфигурирования 

регистров платы. 

ПО VICTORY содержит диагностический 

пакет BSID, применяемый для анализа возможных 

неисправностей при диагностике 

системы. ПО платы JTAG-контроллера преобразует 

результаты тестирования в формат, 

приемлемый для использования этим диагностическим 

пакетом. 

Встроенное тестирование, 

качество и надежность 

Следующая область исследований авторов 

статьи включала в себя систему INESC как 

ключевую систему поддержки компонентов, 

прежде всего — схемы синхронизации Sync 

Tx/Rx [6]. Прототип системы на основе FPGA 

был разработан фирмой TECMIC и должен был 

включать в себя такие функции тестопригодности, 

как JTAG [7] и встроенное самотестирование 

(Built In Self Test, BIST). Заключительная 

версия ИС должна быть реализована на основе 

технологии ASIC, таким образом, были 

предусмотрены оба варианта прототипов. 

Мы представим несколько релевантных аспектов 

предлагаемого решения [8] (рис. 3). 

Схема BIST в сочетании с JTAG обеспечивает 

самотестирование ИС без необходимости 

загрузки сложных тестовых векторов, а также 

без необходимости в анализе отдельных 

выходов схемы. В операционном режиме 

BIST схема автоматически генерирует тествекторы 

посредством сдвиговых регистров 

с обратными связями (Linear Feedback Shift 

Registers, LFSR), сжимая их выходные сигналы. 

Эти сжатые выходные сигналы, известные 

как сигнатуры, последовательно сдвигаются 

к выходу схемы по окончании теста, 

а затем сравниваются с сигнатурами исправной 

схемы. Встроенное самотестирование 

BIST подобно производственному тестированию, 

в особенности для сложных и не всегда 

легкодоступных модулей, схожих с теми, которые 

встречаются в электронике CMS. 

Предлагаемая в статье архитектура JTAG 

1149.1 [7] содержит: 

• Петлю 0 JTAG-регистра, содержащего 

ячейки JTAG. 

• Петлю 1 тестового регистра (TR), включающего 

в себя: 

– два регистра LFSR; 

– регистр состояний Sync Tx/Rx; 

– счетчик ошибок данных; 

– счетчик ошибок синхронизации. 

• JTAG-контроллер ТАР, включающий 

в себя: 

– регистр команд (IR); 

– регистр обхода (BP R); 

– собственно ТАР-контроллер (машину 

состояний JTAG [7]). 

• Контроллер BIST. 

• LFSR и EDC (Error Detecting Code) дешифратор. 

Схема LFSR (рис. 3) предназначена для 

генерации входных данных без кодиров- 

Рис. 3. Версия Tx_Rx ASIC, преобразованная в BIST 

ки по Хэммингу во время BIST-сессии. 

Дешифратор EDC генерирует биты кода 

Хэмминга, а входные данные синхронизации 

Sync_Tx должны быть стробированы и мультиплексированы 

контроллером BIST для 

обеспечения нормального (прозрачного) их 

режима «впрыскивания» в схему LFSR. Как 

указывалось выше, схема LFSR2 используется 

в предлагаемой структуре для выполнения 

сигнатурного анализа данных, запоминаемых 

аккумулятором в цикле его чтения 

в процессе каждой BIST-сессии. Схема LFSR3 

применяется для выполнения сигнатурного 

анализа выходных данных. Все эти LFSRрегистры 

прозрачны при обычном функционировании 

тестируемой схемы. Петля 1 

должна включать в себя регистр состояния, 

счетчик ошибок данных и счетчик ошибок 

синхронизации как часть сигнатуры при работе 

схемы BIST. 

Интересной особенностью предложенного 

решения являются его временные параметры. 

Спецификация стандарта JTAG IEEE1149.1 

[2] требует, чтобы тестирование выполнялось 

под управлением тестовой частоты 

ТСК, совершенно независимой от системной 

тактовой частоты. Вообще говоря, следовало 

бы прервать выдачу системной тактовой 

частоты вообще и ограничиться приложением 

лишь JTAG-частоты тестирования ТСК. 

Однако при синхронизации ИС ASIC такое 

прерывание характеризуется несколькими 

существенными недостатками: 

• введение задержек в линиях синхросигналов 

Tx и Rx; 

• значительные накладные расходы вследствие 

необходимости буферизации сигналов; 

• ограничения частоты ТСК схемы BIST 

до значений существенно меньших, нежели 

обычная рабочая скорость такой схемы. 

Предложенная авторами альтернатива, 

не вполне, правда, совместимая со стандартом 

JTAG 1149.1, заключается в подключении 

системных контактов синхронизации 

непосредственно к системной логике 

ИС, как если бы рассматривалось обычное, 

не тестовое функционирование компонента. 

Отклонения в поведении компонента возникают 

из-за отличий в требованиях к системной 

тактовой частоте BIST по сравнению 

с требованиями к системной тактовой 

частоте ТСК, однако все остальные требования 

к интерфейсу в связи с его совместимостью 

со стандартом JTAG остаются прежними. 

Сигналы Тх должны синхронизировать 

схемы LFSR1 и LFSR2, а сигнал Rx — схему 

LFSR3. Прототип FPGA, реализуемый схемой 

TECMIC, является примером выполнения 

схемы синхронизации Tx_Rx. Рабочая частота 

40 МГц представляет собой основную задачу 

в реализации технологии, основанной 

на использовании FPGA. Несмотря на это, 

указанная проблема легко разрешима при 

использовании технологий ASIC, таких, скажем, 

как GA (Gate Array). 


Следующим немаловажным вопросом 

при генерации тестов и их применении является 

качество продукта и его надежность. 

Качество продукта измеряется, как правило, 

уровнем дефектов [10], определяемым как 

процентное отношение числа продуктов, 

успешно прошедших тестирование, к общему 

числу тестируемых продуктов, а надежность 

является ключевым фактором успеха 

в экспериментах с компактным мюонным 

соленоидом (CMS). Оба эти фактора связаны 

с возможностью предсказания и мониторинга 

влияния физических дефектов, вносимых 

в функционирование ИС в процессе ее производства 

и жизненного цикла. 

Группой INESC QTHS [11] была разработана 

специальная методика наряду с программными 

средствами DO, позволяющими 

выполнять анализ физических дефектов 

[12, 13]. Для демонстрации приемлемости 

такого подхода при его применении в электронных 

системах CMS были проведены 

предварительные эксперименты с модулем 

CAEN на уровне Level 1 (L1). В качестве тестируемого 

модуля в этих экспериментах 

выступал фильтр, содержащий умножитель 

с сумматором, работающим на частоте 

40 МГц. Тестируемый модуль содержал 

1368 логических вентилей и использовал 

21 библиотечную ячейку. При помощи автоматической 

системы генерации тестов ATPG 

были сгенерированы 108 тест-векторов, 

суммарно покрывающих 100% одиночных 

константных неисправностей. Наряду с этим 

тест покрывал 14 624 реальных физических 

дефекта типа коротких замыканий и обрывов. 

Результаты моделирования неисправностей 

показаны в таблице. Здесь аббревиатурой 

DC обозначено покрытие константных 

неисправностей в процентах. 

Результаты покрытия дефектов (таблица) 

недвусмысленно показывают, что 100%ное 

покрытие одиночных константных неисправностей 

типа LSA вовсе не гарантирует 

100%-ного покрытия DC. В действительности, 

при попытке обнаружения только логических 

сигналов DC(v) = 95,57%. Для определенных 

типов покрытия v-обнаружение 

дефектов определенно низкое. Прежде всего, 

это проявляется в классах BRI A-B (короткое 

замыкание между входами вентиля) 

и BRI x-Vdd (короткое замыкание между внутренними 

узлами вентиля и его узлами питания). 

Дополнительные оценки эффектив- 

Таблица. Результаты покрытия дефектов в L1-фильтре 

Класс 

неисправностей 

FI, % DC(v), % DC(I), % DC(v+I), % 

BRI Y-Y 54,55 98,05 0,93 98,98 

BRI A-B 17,09 88,4 11,6 100 

BRI A-Y 7,83 97,23 2,77 100 

BRI A-x 4,35 85,22 14,78 100 

BRI x-Vdd 0,77 69,5 30,5 100 

LOP A-Y 9,65 99,24 0 99,24 

LOP Y-Vdd 0,92 100 0 100 

LOP x-Vdd 3,94 97,23 0 97,23 

Итого 100 95,57 3,69 99,26 

ности теста будут проведены в дальнейшем 

на базе электронной системы ECAL. 

Моделирование и симуляция 

на системном уровне 

Еще одним аспектом сотрудничества 

с группой INESC при тестировании систем 

CMS была необходимость оценки полноты 

технической спецификации по сравнению 

с системными требованиями [1]. Для достижения 

этой цели применялись модели, 

которые не только позволили бы выполнять 

оценки соответствующего уровня, 

но и представляли бы собой протоколы 

связи между различными возможными архитектурами 

[14]. С этой целью были разработаны 

так называемые триггерные генераторы 

(ECAL Front-End and Trigger Primitives 

Generators) [15]. Кроме собственно функциональности, 

подобные модели связаны с временными 

параметрами и требованиями связи 

между разнообразными модулями, образующими 

рассматриваемую систему. Для разработки 

моделей применялись такие системы, 

как CASE, Rational Rose [16] и Objectime [17]. 

Система Objectime позволяет выполнять 

анимацию и симуляцию различных аспектов 

поведения тестируемой системы. Кроме того, 

эта система автоматически генерирует последовательности 

диаграмм, соответствующих 

воображаемым сценариям выполнения симуляции. 

Эти диаграммы являются, по сути, 

графическим представлением протоколов 

диалога между различными компонентами 

(объектами) моделирования системы. При 

этом существует возможность назначать 

время (реальное либо виртуальное) для такого 

диалога и, таким образом, тестировать, 

в какой мере данный протокол соответствует 

временным требованиям. 

Применение подобных моделей в значительной 

степени сокращает время разработки 

и усилия самих разработчиков систем тестирования, 

поскольку отпадает необходимость 

в использовании физических прототипов 

при тестировании. Модели не зависят от их 

реализации, поэтому структурные компоненты 

или модули могут быть в конечном 

счете реализованы при помощи аппаратного 

или программного обеспечения, или и того 

и другого вместе. 


В статье предложено описание JTAGконтроллера, 

полностью совместимого со стандартом 

IEEE 1149.1 и предназначенного для 

обеспечения тестирования в иерархических 

тестовых структурах. Продемонстрированы 

принципы обеспечения качества и надежности 

тестируемого продукта, а также мониторинг 

этих параметров на протяжении 

жизненного цикла изделия в плане их улучшения 

путем комбинирования технологий 

JTAG и BIST на уровне компонентов. Это ис- 


следование было выполнено на базе версии 

BIST микросхемы ASIC Sync Tx/Rx, реализованной 

фирмой TECMIC на основе оценок 

константных тестов для непокрытых физических 

дефектов, разработанных для модуля 

CAEN. Сложность программно-аппаратных 

систем, разрабатываемых большими коллективами 

специалистов, физически рассредоточенными 

по разным местам и обладающими 

весьма разнообразным опытом, со всей очевидностью 

указывает на полезность применимости 

методов моделирования и симуляции 

на системном уровне для обеспечения полноты 

тестов и при стремлении к поддержанию 

требований технических спецификаций. n 


1. Varela J. Calorimeter Trigger Primitives, System Requirements 

Document. Doc 2.0/1.0, CERN. 12.05.98. 

2. Structural System Test via IEEE Std. 1149.1 with 

Hierarchical and Multidrop Addressable JTAG 

Port. SCANPSC110F. Application Note. National 

Semiconductor, 1996. 

3. Peterson W. D. The VMEbus Handbook. VMEbus 

International Trade Association. Scottsdale, Arizona, 

USA, 1997. 

4. SCANPSC110F Scan Bridge Hierarchical and 

Multidrop Addressable JTAG Port. Application 

Note. National Semiconductor, 1996. 

5. VICTORY — Boundary-scan Test Software 

Technical Overview”. Application Note. Teradyne, 

Inc. Boston, 1993. 

6. Silva J. C., Varela J. Specification of the Calorimeter 

Trigger Synchronization Circuit//CMS Internal 

Report. V. 2.2. CMS IN 1998/2000. 

7. IEEE Std 1149.1 (JTAG) Testability Primer. 

Texas Instruments, 1997. 

8. Santos M. B., Teixeira J. P. Introduction of Built-In 

Self Test (BIST) in the Sync Tx/Rx IC. PRAXIS XXI 

Project CERN/P/FAE/1147/97 Deliverable. V. 1.1. 

June, 1998. 

9. Boundary Scan in XC4000 and XC5200 Series- 

Devices. Application Note. Xilinx, XAPP017, 1997. 

10. Williams T. W., Brown N. C. Defect Level as a 

Function of Fault Coverage//IEEE Trans. on Comp. 

Vol. c-30. Dec. 1981. 

11. QTHS (Quality, Test and Hardware/Software 

Codesign) Group, 1999 — http://cezanne.inesc. 

pt/qths 

12. Sousa J. J. T., Gonçalves F. M., Teixeira J. P., et al. 

Defect Level Evaluation in an IC Design Environment 

// IEEE Trans. on CAD. 1996. Vol. 15, No. 10. 

13. Santos M. B., Gonçalves F. M., Teixeira I. C., 

Teixeira J. P. Defect-Oriented Test Quality 

Assessment Using Fault Sampling and Simulation. 

Proc. of the Int. Test Conf. (ITC). Oct. 1998. 

14. Selic B., Gullekson G., Ward P. T. Real-TimeObject 

Oriented Modeling. Wiley Professional Computing, 

1994. 

15. Santos A., Vitorino N., Moreno P., et al. ECAL 

Front-End and Trigger Primitive Generators High- 

Level Modeling. PRAXIS XXI Project CERN/P/ 

FAE/1147/97 Deliverable. June, 1999. 

16. www.rational.com 

17. www.objectime.com 


www.kite.ru 

55

56 


есть мнение 

Джон О’БОйЛ (John O’BOyLE) 

russia-feedback@maximintegrated.com 

По крайней мере раз в неделю ко мне обращаются 

специалисты по качеству от наших 

клиентов с вопросом о происхождении компонентов 

Maxim, в работе которых обнаруживаются 

внезапные неполадки. И практически 

всегда выясняется, что неисправные 

устройства — вовсе не оригинальные компоненты 

Maxim. Как правило, это перемаркированные 

компоненты в корпусах, которые 

использует наша компания. Иногда попадаются 

компоненты Maxim с фальшивой маркировкой, 

на которой указан более высокий 

класс. Словом, проблемные устройства представляют 

собой контрафакт. 

Контрафакция — это международный 

бизнес. По самым скромным оценкам, его 

ежегодный рост составляет 10% даже во время 

кризиса, так как люди стремятся покупать 

более дешевые товары. При таких темпах 

роста в 2011 году доход от продажи контрафактной 

продукции составил примерно 

$1125 млрд. Если попробовать оценить ВВП 

индустрии контрафакции, то это «государство» 

окажется 15-м в рейтинге мировых экономик, 

как раз перед Южной Кореей, ВВП 

которой в 2011 году составил $1116 млрд. 

Рис. 1. Слева настоящая микросхема Maxim класса «В», 

справа — контрафактная микросхема 

с указанием класса «А» 

Контрафактные микросхемы: 

серьезная проблема, 

которую можем решить только мы! 

Контрафакция — это международный бизнес. Подделывают практически 

все, что сейчас производится: запчасти для автомобилей, сумочки и часы, 

рецептурные препараты… Однако последствия в результате использования 

контрафактных микросхем в электронных системах могут быть весьма 

серьезны. В статье рассказывается об опасности, которую представляют 

контрафактные микросхемы, а также о том, как отличить такие изделия 

и каким образом избежать их приобретения. 

Контрафактная электроника — большой 

бизнес, но он лишь малая часть целого. Тем 

не менее последствия использования контрафактных 

микросхем в электронных системах 

могут быть куда значительней, чем некоторые 

неудобства или потеря небольшой суммы 

денег. 

На что смотреть? 

Мошенники работают все более тонко. 

Они усовершенствовали свое оборудование, 

которое позволяет изменить маркировку так, 

что она выглядит как настоящая. Они научились 

снимать с корпуса лазерную маркировку 

с помощью микромашинной обработки 

и собственным лазером наносить любое 

условное обозначение, логотип и код даты. 

На рис. 1 слева показан настоящий компонент 

Maxim класса «В», а на рис. 1 справа — 

контрафакт, класс которого изменен на «А». 

Обратите внимание на признак подделки: 

вертикальную белую линию в левой части 

микросхемы. Бросается в глаза разница между 

этой линией и свежей краской логотипа, 

кода даты и обозначения. Также можно отметить 

неправильное расположение логотипа 

и кода даты. 

Рис. 2. Поддельная отгрузочная этикетка фальшивого 

компонента Maxim 

Фальсификаторы умеют делать практически 

неотличимые от подлинных этикетки 

с адресом и сертификаты соответствия. 

На рис. 2 показана отгрузочная этикетка, которая, 

на первый взгляд, кажется настоящей 

этикеткой Maxim. Обратите внимание на опечатку 

в названии компании. Все остальное кажется 

подлинным. 

Серьезный удар 

по системам и операциям 

У этой ситуации есть пугающая сторона: 

многие оригинальные компоненты с поддельной 

маркировкой с указанием более высокого 

класса устанавливают в чувствительные 

электронные системы. Некоторое время 

низкокачественная микросхема работает как 

положено — но недолго. Работа в изначально 

неподходящих условиях с большой вероятностью 

приводит к выходу такой микросхемы 

из строя. 

Неисправности в работе из-за контрафактных 

компонентов бывают очень опасными. 

Отказ контрафактной ИС может 

привести к серьезной поломке, прерыванию 

или задержке выполнения задачи. Можно 

сравнить ситуацию с контрафактными лекарствами, 

применяя которые, пациент 

получает избыточную или недостаточную 

дозу препарата. 

Как бороться с контрафактом? 

Как же подделки попадают к покупателям? 

Мотив фальсификаторов очевиден: если поменять 

маркировку, то можно продать компонент 

по более высокой цене. А причины 

их процветания в нашей индустрии — несовпадение 

графиков производства микросхем 

и внеплановой потребности в них клиентов. 

Фальсификаторы играют на двух типичных 

желаниях заказчиков: 


• Этот товар нужен нам сейчас. 

• Мы хотим купить его по минимальной 

цене. 

Для нашей отрасли характерно, что компоненты 

более высокого класса имеют длительный 

срок выполнения заказа. Отделы 

снабжения должны планировать их закупку 

заблаговременно, а не тогда, когда они уже 

требуются для производства. Когда графики 

производителей не укладываются в планы 

закупок заказчиков, отделы снабжения начинают 

искать альтернативные источники 

и нередко обращаются к так называемому 

серому рынку. И в поисках лучшего предложения 

снабженец оказывается под прицелом 

мошенников. 

Контрафакт — это беда, которая сопровождает 

нашу отрасль и процветает в ней. 

Но можно найти решение. Для этого мы, поставщики 

и потребители микросхем, должны 

изменить некоторые из наших привычек, 

а это будет не так просто, как написать статью. 

Вот что предлагается: 

1. Многим покупателям микросхем следует 

усовершенствовать планирование закупок. 

При приобретении компонентов 

с длительным сроком поставки смотрите 

вперед как можно дальше! 

Если уведомлять производителей о спросе 

на продукцию заблаговременно, то отрасль 

сможет среагировать на иногда возникающую 

новости привода 

Новая серия 

коллекторных 

приводов 

Компания maxon motor начинает выпуск 

инновационных и мощных коллекторных 

двигателей с полым ротором вместе с соответствующими 

им редукторами и датчиками. 

Первое впечатление о новой продуктовой 

линейке maxon можно получить на сайте 

производителя, однако технические данные 

пока еще не опубликованы. Известно, 

что серия maxon DCX должна представить 

наиболее мощные коллекторные двигатели 

на рынке. Их мощность будет приблизительно 

на 20% больше, чем у других двигателей 

того же габарита. 

В будущем клиенты смогут еще более детально 

конфигурировать свои приводы для 

требований конкретных задач, используя 

веб-ресурс производителя. 

www.aviton.spb.ru 

внезапную нехватку компонентов. После 

выпуска партии у производителей нередко 

остается некоторое количество изделий, и их 

можно использовать, если у клиента возникает 

чрезвычайная ситуация. Но такая идеальная 

схема спроса и предложения будет 

работать только тогда, когда все участники 

занимаются долгосрочным планированием 

регулярно, а не в порядке исключения. 

Да, могут возникать проблемы с устаревшими 

компонентами, но при правильном 

и заблаговременном планировании можно 

подыскать альтернативные устройства или 

разработать системы с новой элементной 

базой. А мошенники с «серого» рынка пусть 

выпускают вышедшие из производства компоненты, 

на которые они даже умудряются 

ставить новые коды дат. 

2. Следует предостерегать заказчиков от поиска 

лучших предложений: такая стратегия 

приводит их прямо в руки мошенников. 

Главным критерием выбора поставщика 

должна быть подлинность продукции 

со всеми гарантиями, которые она предполагает. 

3. И наконец, нужно принять за правило: 

покупать следует только у проверенных 

компаний. 

Если у таких, надежных компаний микросхема 

не значится в списках поставляемых 

компонентов, то вероятность найти подлин- 


есть мнение 

ный компонент на «сером» рынке резко снижается. 

По факту она стремится к нулю. 

И что дальше? 

Подведем итог. Заказчики должны знать 

официальных дистрибьюторов микросхем 

и обращаться только к ним. Закупку микросхем 

следует планировать заблаговременно. 

Производители и продавцы микросхем 

должны информировать отделы снабжения 

и мотивировать их покупать только оригинальные 

компоненты. Заказчикам и поставщикам 

микросхем нужно вместе работать 

над тем, чтобы наилучшее соотношение 

цены компонентов и сроков поставки перестало 

быть основным критерием в бизнесе. 

Да, для этого требуется фундаментальная 

смена подхода к ведению бизнеса, 

а это не так-то просто осуществить… Если 

не планировать заранее и не покупать только 

у официальных поставщиков. 

Для получения дополнительной информации 

обращайтесь к официальным 

дистрибьюторам Maxim Integrated в РФ — 

www.maximintegrated.com/distributors. n 


1. World Economic Outlook Database. МВФ. По данным 

на 17.04.2012. 


57

58 

новости разъемы 

Новый силовой разъем RockStar HighPower 250 A 

Компания Weidmüller расширила свое семейство высокомощных разъемов 

новым силовым разъемом RockStar HighPower 250 A, оснащенным технологией 

обжимного соединения. Новые устройства базируются на модульной 

схеме, как и хорошо известные RockStar HighPower 550 A. 

Возможность использования от одного до четырех полюсов позволяет 

пользователю получить нужный разъем в зависимости от поставленных задач. 

Конструкция силовых контактов на 250 А оптимизирована для эффективного 

использования пространства устройства и позволяет легко собрать различные 

варианты вибростойких разъемов: один разъем с тремя или четырьмя силовыми 

контактами и заземлением — с двумя силовыми контактами или, в качестве 

наиболее компактной версии, с одним силовым контактом. Ответная 

часть разъема имеет два варианта исполнения, с зависимым (на корпусе) 

и независимым (на кронштейне) креплением, выполнена из алюминия и имеет 

большую площадь заземляющего контакта. 

Чрезвычайно стойкие к внешним воздействиям и коррозии корпуса легко 

собираются и отвечают стандартам защиты IP68 и IP69k. Сборка недавно разработанного 

несущего корпуса упрощается применением монтажной рамки 

в комплекте с предустановленными крепежными винтами. 

Специалисты Weidmüller доработали обжимные соединения RockStar 

HighPower 250 A таким образом, что они могут проходить через кабельный 

ввод М25. Многожильные, гибкие и скрученные медные проводники 

от 25 до 95 мм 2 можно легко обработать с помощью стандартных обжимных 

инструментов. Никакие специальные инструменты не требуются. ЭМСхарактеристики 

обеспечиваются благодаря металлическому корпусу, адаптированному 

под различные диаметры кабеля. Широкий температурный 

диапазон от –50 до +120 °C и устойчивость корпуса к внешним механическим 

воздействиям до 7 Дж позволяет использовать новый силовой разъем даже 

в экстремальных условиях окружающей среды. 

В линейку инновационных силовых разъемов RockStar HighPower, разработанную 

для внедрения в систему подключения и передачи электроэнергии, 

в настоящее время входят модульные системы RockStar HighPower 550 A 

и RockStar HighPower 250 A. Серия RockStar HighPower разрабатывалась 

для силовых применений, в частности для транспорта, в соответствии со стандартом 

DIN EN 61373 CAT 2 — для использования в системах управления 

двигателями, тормозными системами и связи «вагон-вагон». Кроме того, 

разъем упрощает процесс замены вагона в целом. 

Пластиковые материалы, используемые для внутренних компонентов, отвечают 

международным железнодорожным стандартам, таким как DIN EN 

5510 Part 2, NFF 16-101, NFF 16-102, ASTM E 162, ASTM E 662 и Bombardier 

SMP 800C. 

www.weidmueller.ru 


Реклама

Соединитель MCx 

Кива ДжУРИНСКИй, 

к. т. н. 

kbd.istok@mail.ru 

Соединители MCX (OSX) с волновым 

сопротивлением 50 Ом (MCX50) и 75 Ом 

(MCX75), розетка и вилка, разработаны 

в 1980-х годах для миниатюризации 

устройств и снижения стоимости их монтажа. 

Их применение оптимизирует конструкцию 

печатной платы и позволяет использовать 

технологию печатного монтажа. 

Они являются более миниатюрными (приблизительно 

на 30%) аналогами соединителей 

SMB, хотя в обоих соединителях использована 

одинаковая коаксиальная линия 

с фторопластовым заполнением. В соединителях 

с волновым сопротивлением 50 Ом ее 

размеры 3/0,94 мм. 

Рис. 1. Интерфейсы соединителей: а) MCX50; б) MCX75 

установочные и коммутационные элементы 

компоненты 

Все радиочастотные 

соединители мира. 

Часть 4. 

Микроминиатюрные соединители 

К важнейшим направлениям развития микроэлектроники относятся микроминиатюризация, 

повышение надежности и использование высокотехнологичных 

процессов производства. Это обусловлено возросшим применением 

изделий микроэлектроники в быстро развивающихся системах 

мобильной связи и телекоммуникаций, компьютерах и периферийных 

устройствах, военных и аэрокосмических системах, измерительной и медицинской 

технике. Для выпуска микроэлектронных устройств широко 

применяют высокопроизводительную технику поверхностного монтажа, 

обеспечивающую групповые методы автоматизированной сборки и пайки. 

Для этого необходимы соответствующие радиокомпоненты, в том числе 

микроминиатюрные соединители для ввода и вывода энергии и соединений 

между платами. 

В первых трех частях публикации [1–3] были рассмотрены радиочастотные 

соединители разных групп, большие, средние, миниатюрные и субминиатюрные 

соединители. четвертая часть статьи посвящена микроминиатюрным 

соединителям. 

Интерфейсы соединителей MCX50 

и MCX75 показаны на рис. 1, а их внешний 

вид — на рис. 2. 

Соединение вилки и розетки осуществляется 

защелкиванием выступа на корпусе 

вилки в проточке в корпусе розетки. Монтаж 

радиочастотного кабеля в эти соединители 

производится методами обжима или обжима 

и пайки. Применяемые кабели — RG-196, 

RG-188, RG-405 и 0,047″. 

Соединители MCX выполнены в соответствии 

с требованиями европейского стандарта 

CECC 22220 и имеют основные параметры, 

которые представлены в таблице 1. 

Разработаны следующие типы соединителей 

MCX: прямые, угловые и панельные 

кабельные розетка и вилка для гибкого 

а б 

Рис. 2. Соединители MCX 

или полужесткого кабеля, выводы энергии 

для установки на печатные платы прессовой 

посадкой или пайкой, реверсивные 


59

60 

соединители, адаптеры. Соединители MCX 

компактны, имеют простую конструкцию 

и высокую надежность и потому широко 

применяются в устройствах беспроводной 

мобильной связи, системах GPS, PS/LAN, 

радио- и телекоммуникационных системах 

военного и гражданского назначения, автомобильной 

электронике и системах телевидения. 

Соединитель MMCx 

Соединители MMCX — miniature MCX (их 

еще называют Micro Mate), разработанные 

компанией Amphenol в 1990-х годах, являются 

миниатюрным аналогом соединителей 

MCX (компактнее на 30%). В них применена 

коаксиальная линия размерами 2,3/0,7 мм, 

заполненная фторопластом (рис. 3). 

Особенности этих соединителей — snap-on 

механизм соединения с помощью защелкиваемого 

кольца на корпусе вилки и неразрезного 

(без ламелей) наружного проводника — 

розетки. Благодаря этому обеспечиваются 

быстрое соединение и рассоединение и высокое 

экранное затухание. В соединенной паре 

кабельный соединитель может поворачиваться 

на 360°. 

Соединители MMCX соответствуют требованиям 

стандарта СЕСС 22000. Их параметры 

представлены в таблице 1. 

Разработаны следующие модификации 

соединителей MMCX: прямые, угловые 

и панельные кабельные розетка и вилка для 

компоненты установочные и коммутационные элементы 

Таблица 1. Основные параметры соединителей MCX, MMCX, SSMB 

Параметры соединителей MCx50 MCx75 MMCx SSMB 

Волновое сопротивление 50 75 50 50 

Рабочий диапазон частот, ГГц 0–6 0–2,5 0–6 0–12,4 (0–6 оптимально) 

Рабочее напряжение, В (зависит от типа кабеля) ≥70 ≥170 ≤170 250 

Напряжение пробоя, В (зависит от типа кабеля) ≥750 ≥500 500 ≥500 

Экранное затухание, дБ (на частоте, ГГц): 

– для гибкого кабеля 

– для полужесткого кабеля 

–60 

–70 

– –60 –80 (3) 

–70 (6) 

Максимальный КСВН (кабельные соединители) – – 1,4 1,2 

Сопротивление изоляции, МОм, 

Сопротивление контакта, мОм: 

1000 

– центрального 

– наружного 

5 

1 

5 

2,5 

5 

2,5 

5 

1 

Усилие соединения, Н ≤15 ≤25 ≤25 ≤25 

Усилие рассоединения, Н 8–20 8–20 6–15 ≤20 

Допустимое количество соединений и рассоединений 500 500 500 500 

Диапазон рабочих температур, °C –55…+155 –65…+165 –55…+155 –55…+155 

Рис. 3. Интерфейс соединителей MMCX (вилка и розетка) 

Рис. 4. Соединители MMCX 

монтажа гибкого или полужесткого кабелей 

(обжатием или пайкой), концевые розетки, 

выводы энергии для установки в отверстия 

печатных плат и, что особенно важно, для 

поверхностного монтажа, разнообразные 

адаптеры (рис. 4). 

Компания Huber+Suhner предложила оригинальную 

конструкцию прямых и угловых 

кубических соединителей MMСX с размерами 

555 мм (показаны на рис. 4) для автоматизированного 

поверхностного монтажа 

на платы. 

Создание соединителей MMСX было необходимо 

для дальнейшей миниатюризации 

систем телекоммуникации и беспроводной 

связи, приемников GPS. 

Соединитель SSMB 

Этот соединитель имеет несколько других 

обозначений: MMBX (Micro Miniature Board 

Connectors), MMSX (Micro Miniature Spherical 

Connector), SSMB-Nano. Он является миниатюрной 

версией стандартного соединителя 

SMB. Интерфейс SSMB показан на рис. 5. 

Соединитель SSMB оснащен фиксирующим 

механизмом с защелкой (snap-on). 

Наружный контакт соединителей вилка имеет 

продольные разрезы, что делает его пружинным 

и снижает усилие при соединении 

и рассоединении. 

Корпусы соединителей изготовлены из латуни, 

центральный и наружный контакты — 

из упрочненного медно-бериллиевого сплава, 

а изолятор — из фторопласта. Покрытие 

контактов — золото, корпуса — золото, 

SUCOPRO или SUCOPLATE. 

Разработаны прямые и угловые кабельные 

вилка и розетка, соединители для поверхностного 

и штырькового монтажа на платы, 

концевые розетки для соединения печатных 

плат с промежуточными адаптерами и адаптерами 

для выхода на базовые соединители 

типа SMA (рис. 6). 

Рис. 6. Соединители SSMB 

Кабельные соединители предназначены 

для работы со стандартными гибкими кабелями 

(RG-178, RG-188, RG-174, RG-196 или 

их аналоги) и полужестким кабелем 0,085″. 

Соединители SSMB поставляются отдельно 

и в составе кабельных сборок. 

SSMB соответствуют требованиям стандартов 

IEC 169-19 и СЕСС 22000 (MIL-C-39012). 

Основные параметры этих соединителей 

приведены в таблице 1. Их допустимая мощность 

— 125 Вт при температуре до +40 °C. 

Основное достоинство SSMB — миниатюрность 

и возможность быстрого соединения 

и рассоединения плат в телекоммуникационных 

системах второго и третьего поколений 

(GSM, PCS, WCDMA, UMTS и др.). Для 

соединения плат используют два одинаковых 

соединителя типа розетка и промежуточный 

адаптер. Адаптер обеспечивает фиксацию 

соединения (snap-on) с одной из розеток 

и скользящее соединение (slide-on) со второй 

розеткой. При расстыковке адаптер оста- 

Рис. 5. Интерфейс соединителей SSMB 


ется на той из соединяемых печатных плат, 

на которой установлена розетка slide-on. 

Надежное соединение плат возможно при минимальном 

расстоянии между ними 6,7 мм 

даже при аксиальной (до 0,6 мм) и радиальной 

(до 0,4 мм) несоосности. Для сравнения: 

соединители MCX обеспечивают надежное 

соединение при расстоянии между платами 

7,65 мм, а SMB — при расстоянии 11,7 мм. 

Благодаря миниатюрности, возможности 

быстрого соединения и рассоединения при 

большой несоосности и высокому уровню параметров, 

соединители SSMB нашли применение 

в базовых станциях мобильной и сотовой 

связи и телекоммуникационных системах. 

Эти соединители выпускают Tyco, Amphenol, 

IMS, Radiall и многие другие компании. 

Соединители ММТ 

Соединители ММТ разработаны для обеспечения 

совместимости с технологией поверхностного 

монтажа на печатные платы. 

Вывод энергии (вилка) устанавливается 

на плату и соединяется с коаксиальным разъемом 

(розетка) защелкиванием. При этом 

возможен поворот разъема с заделанным 

в него кабелем на 360° (рис. 7). 

Рис. 7. Соединители ММТ 

Разработаны соединители ММТ с волновым 

сопротивлением 50 Ом — ММТ (50) 

и 75 Ом — ММТ (75). Параметры соединителей 


Соединители ММТ имеют самую высокую 

предельную рабочую частоту (8 ГГц против 

6 ГГц у аналогичных соединителей) и обеспечивают 

надежное соединение при большом 

количестве циклов соединений и рассоединений. 

Разработан полный набор модификаций 

соединителей ММТ для разных случаев 

применения. В этой серии — выводы энергии 

с размерами 2,75,9 мм, большое число 

кабельных сборок с прямыми и угловыми 

соединителями под разные типы кабелей, 

а также адаптеры для совместимости практически 

со всеми соединителями (SMA, N, BNC 

и др.). Выводы энергии ММТ поставляются 

в специальной антистатической таре из полиэстера 

партиями 100, 500 и 3000 штук. 

ММТ нашли применение в конструкциях 

носимых радиостанций, мобильных и микротелефонов, 

в системах телекоммуникации, 

беспроводной и спутниковой связи. 


Таблица 2. Параметры соединителей ММТ и MMS 

Соединители MMS 

Стремление к дальнейшей миниатюризации 

устройств привело к появлению соединителей 

MMS. Приоритет в создании соединителей 

этой серии принадлежит компании 

Radiall. Разработаны соединители ММS с волновым 

сопротивлением 50 Ом — ММS (50) 

и 75 Ом — ММS (75). 

Соединители MMS по конструкции аналогичны 

соединителям ММТ и являются их 

более миниатюрными аналогами. Высота 

в сборе пары вывод энергии и кабельный 

соединитель — 5,2 мм (против 6,8 мм для 

соединителей ММТ). Однако, выигрывая 

в миниатюрности, они проигрывают соединителям 

ММТ по следующим параметрам: 

предельная частота, допустимое количество 

соединений и рассоединений, рабочее напряжение 

и диапазон рабочих температур. 

ММS-розетка устанавливается на плате 

на трех гибких выводах, обеспечивающих 

устойчивость соединителя во время автоматизированной 

операции посадки на контактные 

площадки (1,21,5 мм) платы. MMSвилка 

сочленяется с розеткой защелкиванием 

и после соединения может поворачиваться 

вместе с вмонтированным в нее кабелем 

на 360° (рис. 8). 

Соединители MMS соответствуют требованиям 

стандарта IEC 1169. Их параметры 


Разработаны и выпускаются следующие 

соединители MMS: выводы энергии для поверхностного 

монтажа, прямые и угловые 


Параметры соединителей MMT(50) MMT(75) MMS(50) MMS(75) 

Волновое сопротивление, Ом 50 75 50 75 

Рабочий диапазон частот, ГГц 0–8 0–1 0–6 0–1 

Рабочее напряжение, В (зависит от типа кабеля) 170 170 50 50 

Напряжение пробоя, В (зависит от типа кабеля) 500 500 250 250 

Допустимая мощность, Вт, на частоте 1 ГГц – – 40 40 

Максимальный КСВН в рабочем диапазоне частот 1,1 (в диапазоне частот 0–2,5 ГГц) 1,05 1,35 1,05 

Высокочастотные потери, дБ, на частоте 2 ГГц 0,56 0,2 0,2 0,2 

Экранное затухание, дБ, на частоте 1 ГГц –30 –30 –45 –45 

Сопротивление изоляции, МОм, более 

Сопротивление контактов, мОм: 

1000 1000 1000 1000 


5 

5 

5 

5 


2,5 

2,5 

1,5 

1,5 

Усилие соединения, Н 7–18 7–18 ≤7 ≤7 

Усилие рассоединения, Н 7–18 7–18 ≤5,5 ≤5,5 

Допустимое количество соединений и рассоединений 500 500 50 50 

Диапазон рабочих температур, °C –55…+100 –55…+100 –55…+155 –40…+90 

Рис. 8. Соединители MMS 

кабельные сборки, соединители для установки 

на плату запрессовкой и большое число 

кабельных сборок с адаптерами для совместимости 

с соединителями практически всех 

серий. Соединители MMS работают с радиочастотными 

кабелями диаметром 1 и 2 мм. 

Поставляются соединители в полиэстеровой 

упаковке партиями 100, 500 и 3000 штук. 

Область применения соединителей MMS 

та же, что и для рассмотренных ранее соединителей 

SMB, МСХ и ММТ. 

Соединители SMP (GPO) 

Создание компанией Gilbert Corning 

(США) в 1980-х годах соединителей GPO 

(Gilbert Push-On) ознаменовало начало освоения 

миллиметрового диапазона длин волн 

микроминиатюрными радиочастотными соединителями, 

работающими на принципе защелкивания 

(push-on, snap-on). В настоящее 

время аналогичные соединители выпускают 

десятки компаний США, Европы и Южной 

Азии под обозначением SMP (Subminiature 

Push-On). Разработаны соединители всех 

возможных конструктивных исполнений. 

Прямые и угловые кабельные и приборнокабельные 

соединители, в основном розетка, 

предназначены для работы с миниатюрными 

полужесткими кабелями 0,086″ (RG-405) 

и 0,047″, а также с гибкими и формуемыми 

вручную кабелями. 

Приборные вилки, монтируемые в стенки 

корпусов или на панели изделий, имеют 

несколько вариантов исполнения. В вилках 

применяют полное защелкивание в них 

кабельных соединителей типа розетка, 

ограниченное защелкивание и скользящее 

соединение. Наиболее широко применяют 

герметичные вилки в металлических корпусах 

с внутренним металлостеклянным спаем 

центрального проводника. В негерметичных 

вилках в качестве диэлектрика используется 

фторопласт, а в вилках для монтажа на платы 

— LCP (liquid cristal polymer). 

Кроме того, разработаны составные вилки. 

Такая вилка состоит из отдельного корпуса 

и металлостеклянного СВЧ-ввода, предварительно 

устанавливаемого в стенку изделия. 


61

62 

б 

Рис. 9. Соединители SMP: а) внешний вид; 

б) соединение плат с использованием SMP 

Корпус изготавливают из нержавеющей стали. 

Чаще всего он фланцевой конструкции 

с двумя крепежными отверстиями на фланце, 

но существуют также варианты резьбовые 

и для запрессовки в корпус изделия. 

Разработаны и выпускаются герметичные 

и негерметичные вилки: приборные, 

для установки в отверстия печатных плат 

и для поверхностного монтажа на платы. 

Разновидностью двух последних являются 

Таблица 3. Основные параметры соединителей 

SMP (GPO) по стандарту DSCC9407/08 

Параметры соединителей Значение параметра 

Интерфейс Согласно MIL-STD-348A 

Номинальное волновое 

сопротивление, Ом 

Рабочий диапазон частот (ГГц) 

соединителей: 

50 

– адаптер bullet, 

прямые кабельные 

0–40 

– угловые кабельные 

0–26,5 

Экранное затухание, дБ 

–80 (до 3) 

(на частоте, ГГц) 

–65 (3–26,5) 

Рабочее напряжение, В 335 

Напряжение пробоя, В 500 

Рабочий диапазон температур, °С –65… +165 

Максимальное усилие 

сочленения вилки и розетки, Н 

68 (полное защелкивание) 

45 (ограниченное защелкивание) 

9 (скользящее соединение) 

Минимальное усилие 

расчленения вилки и розетки, Н 

Допустимое радиальное 



2,2 (скользящее соединение) 

и аксиальное смещение 

между осями вилки и розетки 

при сочленении, мм 

0,25 

Допустимое количество циклов 

сочленение-расчленение 



1000 (скользящее соединение) 

Максимальный КСВН кабельных 

1,2 (0–18) 

соединителей 

1,35 (18–26,5) 

(в диапазоне частот, ГГц) 

1,7 (26,5–40) 

Высокочастотные потери, дБ 

(на частотах, ГГц) 

0,12√ƒ 

Минимальное сопротивление 

изоляции, МОм 

Максимальное 

сопротивление, мОм: 

5000 

– центрального проводника 

– наружного проводника 

6 

2 


а 

а б 

Рис. 10. Схема переключения антенн при использовании MC-Card: а) внутренняя антенна; б) внешняя антенна 

концевые вилки, устанавливаемые на концах 

печатной платы. Адаптеры розетка-розетка, 

названные bullet, обеспечивают соединение 

«вслепую» (blind mate) и гибкую связь между 

вилками, установленными на платах. 

Основным видом покрытия металлических 

деталей соединителей SMP является золото, 

гальванически нанесенное по подслою 

никеля. Для совмещения с соединителями 

других типов (SMA, 3,5-мм, 2,9-мм, 2,4-мм) 

разработаны межсерийные адаптеры. 

Основные параметры соединителей SMP 


Соединители SMP привлекают внимание 

не только своей миниатюрностью (масса 

адаптера bullet всего 0,17 г, а кабельного 

соединителя — менее 0,75 г) и отсутствием 

резьбового соединения пары вилка и розетка. 

Не менее важно и то, что они обеспечивают 

быстрое соединение печатных плат и СВЧмодулей 

даже при аксиальной и радиальной 

несоосности до 0,25 мм и минимальном 

межцентровом расстоянии между соединителями 

4,3 мм. Появилась возможность «вслепую» 

соединять платы с помощью адаптеров 

bullet, уменьшив расстояние между платами 

до размеров адаптера, без применения кабелей 

и или же с минимальным их количеством 

(рис. 9). 

Соединители MC-Card 

Микроминиатюрные соединители серии 

MC-Card с волновым сопротивлением 50 Ом 

и предельной рабочей частотой 8 ГГц были 

созданы компанией Radiall в 1990-х годах 

в качестве альтернативы MMCX для большого 

числа приложений: Wi-Fi антенн, систем 

беспроводной связи и телекоммуникаций. 

Значительный вклад в совершенствование 

этих соединителей внесла и компания Lucent 

Technology. Соединители MC-Card и MMCX 

аналогичны по способу соединения (защелкивание) 

и рабочему диапазону частот, однако 

MC-Card допускают в 10 раз большее 

количество соединений и рассоединений 

(5000 против 500). 

MC-Card являются переключающими соединителями, 

так как используются для подключения 

внешних антенн к устройствам 

передачи данных, в том числе к модемам 

GlobeSurfer. Схема переключения с внутренней 

на внешнюю антенну показана на рис. 10. 

Когда центральный проводник не соединен 

с розеткой, сигнал источника (source) 

проходит во внутреннюю антенну (рис. 10а). 

Таблица 4. Параметры соединителей MC-Сard 

Параметры соединителей 

При соединении сигнал поступает во внешнюю 

антенну (рис. 10б). Параметры соединителей 

MC-Card представлены в таблице 4. 

Разработаны кабельные соединители, выводы 

энергии для установки на платы, концевые 

выводы и адаптеры (рис. 11). 

Высота соединения концевого вывода и кабельного 

соединителя относительно платы 

составляет 3,6 мм. Кабельные соединители 

MC-Card предназначены для работы с кабелями 

RG-316, RG-178, 2/50, 2/56 и их аналогами. 

Благодаря сочетанию малых размеров и веса 

с высоким частотным диапазоном и большим 

сроком службы соединители MC-Card находят 

широкое применение в устройствах GPS, 

WLAN и Wi-Fi приложениях. 

Соединители UMP и IMP 

Значение 

параметра 

Волновое сопротивление, Ом 50 

Рабочий диапазон частот, ГГц 0–8 

Рабочее напряжение, В ≥170 


Максимальный КСВН в рабочем диапазоне 

частот (зависит от марки кабеля) 

Пионером в создании ультраминиатюрных 

соединителей серии MMP (micro miniature 

pressure contact) с волновым сопротивлением 

50 Ом и предельной частотой 6 ГГц является 

компания Radiall. Полный набор соединителей 

ММР включает в себя серию межплат- 

1,3 

Сопротивление изоляции, МОм (не менее) 5000 

Высокочастотные потери (дБ) соединителей: 

– прямой 

– угловой 


(в диапазоне частот 0–8 ГГц) 




0,15 

0,25 

–65 

1,5 

0,2 

Усилие соединения, Н 6,2 

Усилие рассоединения, Н 8,8 

Количество соединений и рассоединений 5000 


Рис. 11. Соединители MC-Card 


Таблица 5. Параметры соединителей IMP и UMP 

Параметры соединителей IMP UMP 



КСВН на частотах ƒ, ГГц 1,1+0,03ƒ 1,05+0,03ƒ 

Высокочастотные потери, дБ 

(на частоте ƒ) 

0,2√ƒ 



– –40 (2) 

Рабочее напряжение, В 100 100 

Напряжение пробоя, В 350 350 

Допустимая мощность, Вт 


– 50 (1,8) 

Сопротивление изоляции, МОм 3000 1000 

Усилие соединения 

и рассоединения, Н 

– 5 

Допустимое количество 

соединений и рассоединений 

20 

100 (блокировка) 

500 (защелкивание) 

1500 (скользящее 

соединение) 



а в 

б 

Рис. 13. Установка на плату различных соединителей: а) IMP; б) MCX; в) MMS 

ных соединителей IMP (interconnected micro 

miniature pressure contact) и серию UMP (ultra 

miniature pressure contact) — соединителей 

для вывода сигналов с платы на радиочастотный 

кабель. 

На рис. 12 показан внешний вид этих 

соединителей, а в таблице 5 приведены их 

основные параметры. 

Соединитель IMP предназначен для замены 

двух коаксиальных соединителей (SMT — 

розетка и вилка) или даже трех соединителей 

(двух выводов для поверхностного монтажа 

и соединяющего их адаптера) (рис. 13). 

В основе его конструкции лежит оригинальный 

прессовый контакт. Для установки 

соединителя IMP на печатную плату требуется 

всего 22,2 мм2 Radiall продолжает совершенствовать эти 

соединители для достижения ими более высокой 

предельной рабочей частоты. 

Соединители второй серии — UMP — 

оптимальны для изделий микроэлектроники 

с высокой плотностью упаковки. Вывод энергии 

UMP занимает при установке на плату 

всего 15,8 мм 

площади (5,73,9 мм), 

при этом расстояние между платами всего 

2,5–3 мм, а по специальному заказу даже 

2 мм. По желанию заказчика Radiall может 

изготовить соединители для любого практически 

используемого расстояния между платами, 

например 8,2 и 12,6 мм. Соединитель 

с тремя гибкими выводами припаивают 

пастой Sn63-Pb35-Ag2 (температура пайки 

+210…230 °C) к контактным площадкам 

(21,5 мм) платы. 

В новой IMP-версии возможно соединение 

плат при расстоянии между ними 3 мм и осевой 

несоосности до 0,4 мм. Соединители IMP 

имеют простую и надежную конструкцию, их 

вес не превышает 0,02 г. Их поставляют упакованными 

в полиэстеровую пленку партиями 

от 100 до 2500 штук. Они обеспечивают надежное 

соединение при низкой стоимости. 

Соединители IMP применяют в различных 

системах беспроводной связи, включая мобильные 

телефоны с частотой 900 и 1900 МГц. 

2 Диапазон рабочих температур, °С –40…+90 

кабелем SHF. Вместо фторопласта для изоляции 

в нем применен экологически чистый, 

свободный от галогенов и серы, нетоксичный 

и негорючий диэлектрический материал. 

Соединители U.FL Hirose 

а б 

площади (4,43,6 мм), вес со- Созданная в 1937 году японская компания 

единителя — 0,03 г. Такие размеры являются Hirose Electric Group разработала и внедрила 

Рис. 12. Соединители: а) IMP; б) UMP 

рекордными для соединителей. Применение 

UMP экономически выгодно, так как один 

много новых соединителей для различных 

приложений. В их число входит большая 

такой соединитель заменяет два коаксиаль- серия ультраминиатюрных коаксиальных 

ных соединителя: вывод для поверхностного разъемов U.FL, H.FL, I-PEX и W.FL. 

монтажа и коаксиальный разъем вилка. 

Соединители U.FL, розетка и вилка с вол- 

Соединение вилки и розетки может осуновым сопротивлением 50 Ом и предельной 

ществляться одним из трех способов: 

рабочей частотой 6 ГГц, показаны на рис. 14. 

• Скользящим контактом: применяется, как 

правило, в измерительных устройствах. 

• Защелкиванием: не требует специального 

инструмента для рассоединения и прост 

в обслуживании. 

• Блокировкой (lock-on): используется для 

соединителей, работающих в условиях 

жестких вибраций (для рассоединения 

требуется специальный инструмент). 

Корпусы выводов UMP изготовлены 

из бериллиевой бронзы, соединителей вилка 

— из латуни и покрыты золотом. Radiall 

Рис. 14. Соединители U.FL 

выпускает UMP выводы энергии — три модификации; 

соединители вилка — четыре Соединитель вилка предназначен для 

модификации для разных видов соединения; автоматизированного поверхностного 

кабельные сборки для различных типов ка- монтажа на печатную плату, соединитель 

белей и способов соединения с выходным розетка — кабельный (гибкий кабель диа- 

соединителем SMA и без него — 15 модифиметром 0,81 и 1,24 мм). Параметры соедикаций. 

Их поставляют в пластмассовой упанителей компании Hirose представлены 

ковке партиями от 100 до 4000 штук. 


Наряду с соединителями Radiall разрабо- Высота сборки соединителей Hirose — 

тала и выпускает серию сборок этих соеди- вилки U.FL-R-SMT-1 (вывод, устанавлинителей 

с оригинальным радиочастотным ваемый на плату) и кабельной розетки 

Рис. 15. Сборка соединителей Hirose 


63

64 

Таблица 6. Параметры соединителей компании Hirose 

Параметры соединителей 

U.FL-LP(V)-040 — не превышает 2 мм, 

а площадь платы, занимаемая под установку 

соединителей, — менее 7,7 мм 2 (рис. 15). 

Соединители U.FL используются в ноутбуках, 

мобильных телефонах и встраиваемых 

системах для подключения Wi-Fi антенны. 

Как и многие другие электронные компонен- 


Значение 

параметра 



Рабочее напряжение, В 100 


Максимальный КСВН в рабочем диапазоне частот 1,35 

Сопротивление изоляции, МОм (не менее) 500 




2,5 

1,5 


новости источники питания 

ты Hirose, соединители U.FL защищены патентами. 

Аналоги этих соединителей выпускают 

несколько компаний под обозначениями 

IPEX, IPAX, IPX, MHF и AMC. Компания 

TE connectivity (ранее Tyco Electronics) производит 

аналогичные соединители UMCC 

(Ultra Miniature Coaxial Connector), совместимые 

с U.FL. 


Хотя микроминиатюрные соединители 

были разработаны в основном в 1990-е годы, 

работы по их совершенствованию не прекращаются 

до сих пор. Главное направление — 

разработка новых механизмов соединения 

вилки и розетки, миниатюризация и повышение 

предельной частоты соединителей. 

Значительный вклад в создание более совершенных 

микроминиатюрных соедини- 

телей вносят Radiall (Франция), Rosenberger 

(Германия), Amphenol, Tyco (США), Hirose 

(Япония) и некоторые другие компании. 

В настоящее время значительную часть всех 

микроминиатюрных соединителей производят 

компании Китая, Тайваня и Республики 

Корея. n 


Радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи Interpoint 

линейки SMHF стали еще надежней 

Компания CRANE Aerospace & Electronics, 

поставляющая продукцию под торговой маркой 

Interpoint, провела модернизацию популярных 

радиационно-стойких DC/DC-преобразователей 

серии SMHF. 

В результате апгрейда был расширен диапазон 

входного напряжения до 45 В. Значительно снижены 

пульсации выходного напряжения для одноканальных 

моделей с выходным напряжением 

5 В: теперь они составляют 5 мВ (от пика до пика). 

А для двухканальных моделей SMHF2805D, соответственно, 

— 30 мВ. 

Улучшены динамические характеристики. 

Например, при импульсном изменении входного напряжения 

от 16 до 45 В возврат выходного напряжения 

к номинальному значению занимает 200 мкс. 

Предлагаются модели со значениями поглощенной 

дозы 30 и 100 крад (Si), при этом гарантируется 

отсутствие одиночных эффектов от воздействия 

протонов с пороговым значением линейных потерь 

энергии 40 МэВ·см 2 /мг. 

Радиационно-стойкие DC/DC-преобразователи 

серии SMHF можно применять в аппаратуре низкоорбитальных 

и геосинхронных космических 

Новые упрочненные 350-Вт источники питания xP Power 

Компания XP Power объявила о начале выпуска одноканальных 350-Вт 

источников питания ряда SHP350, предназначенных для промышленного 

применения. 

Эти компактные модули со встроенными охлаждающими вентиляторами 

имеют размеры 177,8×91,44×53,44 мм, характеризуются высоким значением 

удельной мощности — 403 Вт/дм 3 (6,6 Вт/дюйм 3 ) и КПД — 85%. 

В серию SHP350 включены шесть одноканальных моделей с выходными 

напряжениями от +12 до +48 В. Выходное напряжение регулируется в диапазоне 

±10% от номинала для получения любого нестандартного значения, 

требуемого для конкретного применения. Возможность подключения внешней 

обратной связи позволяет компенсировать падение напряжения до 0,5 В 

на соединительных проводниках. Дополнительный выходной канал 5 В/0,2 A 

постоянно доступен для питания запоминающих, логических и управляющих 


Модули источников питания серии SHP350 предназначены для работы 

от сети переменного тока в диапазоне от 85 до 264 В. При входном напряжении 

более 180 В они могут выдавать в нагрузку пиковую мощность 420 В 

в течение 10 с. 

Способность мгновенно обеспечивать повышенную мощность востребована, 

например, во время запуска электродвигателей. Потребителю не нужно 

применять более мощный источник питания, и, таким образом, исключаются 

дополнительные затраты и сохраняется полезная площадь платы. 

В обновленной серии источников питания предусмотрены сигнал управления 

AC OK/power fail (сигнал состояния входного напряжения) и вход 

1. Джуринский К. Б. Все радиочастотные соединители 

мира. Ч. 1. Классификация соединителей // 

Компоненты и технологии. 2012. № 10. 


мира. Ч. 2. Большие, средние и миниатюрные 

соединители // Компоненты и технологии. 

2012. № 11. 


мира. Ч. 3. Субминиатюрные соединители 

// Компоненты и технологии. 2012. № 12. 

аппаратов, а также в космических зондах для исследований 

дальнего космоса. 


дистанционного включения/выключения. Однопроводная схема равномерного 

распределения выходного тока позволяет подключать параллельно дополнительные 

модули для повышения выходной мощности или обеспечения 

резервирования. 

Новые источники питания могут работать в широком диапазоне температур 

(–20…+70 °C), без понижения выходной мощности — до +50 °C и с гарантией 

включения при температуре до –40 °C. Встроенный вентилятор обеспечивает 

охлаждение, а регулируемая скорость вращения — снижение акустического 

шума. 

Источники питания SHP350 соответствуют требованиям стандарта SEMI- 

F47 Voltage Sag Immunity (устойчивость к провалам входного напряжения) 

к оборудованию автоматизированных систем управления, что особенно важно 

для производства полупроводников. Они способны поддерживать установленное 

выходное напряжение и ток нагрузки в случае провала входного 

напряжения ниже определенных пределов. 

Уровень кондуктивных помех соответствует классу B стандартов 

EN55011/22, уровень помех излучения — классу А. Модули отвечают требованиям 

международных стандартов безопасности UL60950-1, EN60950-1 

и ГОСТ РМЭК 60950-2002. 

Линейку SHP350 дополняют два ряда модулей с более высокими значениями 

выходной мощности — 650 и 1000 Вт, которые в настоящее время 

доступны в серии SHP. 

Гарантийный срок изделий составляет три года. 



Реклама

66 

компоненты ПЛИС 

Андрей СТРОГОНОВ, 

д. т. н. 

andreistrogonov@mail.ru 

Алексей БыСТРИЦКИй, 

к. т. н. 

bystritsky@bk.ru 

Эффективность разработки 

конечных автоматов 

в базисе ПЛИС FPGA 

Последовательностные схемы с n двоичными переменными состояния, 

которые имеют двоичные значения, соответствующие определенным логическим 

сигналам, с конечным числом состояний 2 n называются конечными 

автоматами. Метод кодирования с одним активным, или горячим, состоянием 

(one hot encoding, ОНЕ) получил такое название потому, что в каждый 

конкретный момент времени активным (hot) может быть только один 

триггер состояния. Применение метода ОНЕ на основе ручного метода кодирования 

для ПЛИС FPGA (программируемые пользователем вентильные 

матрицы) было предложено Steven K. Knapp из фирмы xilinx [1]. 

Метод ОНЕ применительно к ПЛИС 

FPGA дает возможность строить конечные 

автоматы, которые в общем 

ствие конечного автомата с высокой степенью 

кодирования состояний снижается 

с увеличением их количества, поскольку 

автомата из одного состояния в другое. 

Правила перехода определяются комбинационной 

схемой, называемой логикой 

случае требуют меньше ресурсов и отлича- в этом случае для декодирования требуется переходов. Следующее состояние опредеются 

более высокими скоростными показате- большее число уровней логики с бóльшим ляется как функция текущего состояния 

лями, чем аналогичные конечные автоматы числом линий. 

и входного воздействия. 

с двоичным кодированием состояний [2–4]. Обычно рассматривают два типа автома- • Логика формирования выхода. Выход ко- 

Однако если число состояний не превышатов — Мили (Mealy) и Мура (Moore). Выход нечного автомата обычно определяется 

ет восьми, то двоичное кодирование может автомата Мура является функцией толь- как функция текущего состояния и ис- 

быть более эффективным. 

ко текущего состояния, а выход автомата ходной установки (в автомате Мили). 

Повышенное быстродействие по мето- Мили — функция как текущего состояния, Формирование выходного сигнала автоду 

ОНЕ обеспечивается меньшим числом так и внешнего воздействия [5, 6]. 

мата определяется с помощью логики фор- 

уровней логики между рабочими фронтами Конечный автомат состоит из трех основмирования выхода. 

синхросигналов, чем при двоичном кодиных частей. К ним относятся: 

Построение конечного автомата с исровании. 

Логические схемы при этом упро- • Регистр текущего состояния. Этот регистр пользованием метода ОНЕ осуществляется 

щаются, поскольку метод ОНЕ практически представляет собой набор тактируемых по следующей методике: вначале для ото- 

не требует логики декодирования состояний. D-триггеров, синхронизируемых одним бражения каждого состояния автомата вы- 

Получающийся в результате построения синхросигналом. Он используется для храделяется индивидуальный триггер, а затем 

конечного автомата набор триггеров похож нения кода текущего состояния автомата. организуется схема, позволяющая в каждый 

на структуру типа сдвигового регистра. • Логика переходов. Конечный автомат мо- конкретный момент только одному состоя- 

Быстродействие конечного автомата типа жет находиться в каждый конкретный монию быть активным [1, 2]. 

ОНЕ остается постоянным с увеличением мент только в одном состоянии. Каждый Рассмотрим синхронный конечный авто- 

числа состояний. И напротив, быстродей- тактовый импульс вызывает переход мат Мура, предусматривающий семь различных 

состояний [1, 2]. Построим граф-автомат 

проектируемого устройства (рис. 1). Автомат 

переходит из состояния в состояние по переднему 

фронту синхроимпульса. В примере 

имеется семь состояний (Stage1–7). Все логические 

входы помечаются как переменные 

от А до Е. Выходы конечного автомата носят 

названия Multi, Contig и Single. Опишем 

функционирование этого автомата на языке 

аппаратурных средств VHDL. 

Специалисты Xilinx рекомендуют кодировать 

конечные автоматы на основе перечисляемого 

типа, так как в этом случае САПР 

может использовать модуль логического синтеза 

и в зависимости от архитектуры ПЛИС 

Рис. 1. Граф-автомат проектируемого устройства 

самостоятельно выбирать метод кодирования 

[3, 4]. 


Рис. 2. Настройки компилятора САПР Quartus II для синтеза конечного автомата 

Проектирование конечного автомата осуществим 

с помощью перечисляемого типа 

данных (Enumerated type) на языке VHDL. 

Перечисляемый — это такой тип данных, при 

котором количество всех возможных состояний 

конечно. Такой тип наиболее часто используется 

для обозначений состояний конечных 

автоматов. Любой перечисляемый тип 

имеет внутреннюю нумерацию: первый элемент 

всегда имеет номер 0, второй — 1 и т. д. 

Перечисляемый тип определяется списком 

(перечислением) всех возможных значений 

этого типа. Перечисляемые типы имеют следующий 

синтаксис определения [7]: 

type type_name is ( enumeration_literal 

{, enumeration_literal}); 

Здесь type_name — идентификатор типа, 

а каждый enumeration_literal — либо идентификатор 

(enum_6), ибо литерал символа (A). 

Идентификатор является последовательностью 

букв, символов подчеркивания и цифр. 

Идентификатор должен начинаться с буквы 

и не может быть зарезервированным словом 

VHDL, таким как TYPE. Литерал символа 

является любым значением типа CHARACTER 

в одиночных кавычках. Например, FPGA 

Express Synopsys автоматически кодирует 

перечисляемые значения в битовые векторы, 

которые основаны на каждой позиции значения. 

Длина кодирующего битового вектора 

равна минимальному количеству битов, необходимых 

для кодирования номера перечисляемых 

значений. Например, перечисляемый 

тип с пятью значениями имеет трехбитовый 

кодирующий вектор. 

В САПР Quartus II в меню Analysis&Synthesis 

Settings, в закладке More Analysis&Synthesis 

Settings, выберем установку кодирования конечных 

автоматов State Machine Processing — 



ПЛИС 

one-Hot (рис. 2). При этом установка Safe State 

Machine будет Off. Разработка автомата с учетом 

восстановления из неправильных состояний 

в случае нарушения временных ограничений 

требует дополнительной логики, поэтому 

эта опция отключена. Комбинационную логику 

автомата реализуем на таблицах перекодировок 

— установка LUT (для ПЛИС серии 

Apex 2). 

Пользователь может выбрать установку 

Auto, которая позволяет средствам синтеза 

автоматически выбрать для каждого конечного 

автомата наилучший алгоритм кодирования. 

В случае выбора установки User- 

Encoded средства синтеза будут использовать 

алгоритм кодирования, представленный 

в файле исходного описания. 

При выборе пользователем установки Auto 

для ПЛИС FPGA используется метод кодирования 

с одним активным состоянием (модифицированный, 

он известен в литературе как 

почти прямое кодирование), а для ПЛИС типа 

CPLD, где большое количество термов произведений, 

используется кодирование с минимальным 

количеством триггеров (minimalbits 

encoding). В САПР Quarus II используется 

не чистый метод кодирования с одним ак- 

Рис. 3. Двухпроцессный шаблон описания работы конечного автомата на языке VHDL 

тивным состоянием, а модифицированный. 

Первое (начальное) состояние кодируется нулями, 

то есть все триггеры сдвигового регистра 

устанавливаются в ноль, а последующие 

состояния кодируются как в обычном методе 

HOT, при этом выход первого состояния всегда 

активен, кроме начального. Это объясняется 

тем, что при запуске автомата его легко 

установить в состояние 0000000, а не в состояние 

0000001, как в классическом методе HOT. 

Модуль синтеза (компилятор) САПР 

Quartus II «использует патентованные перспективные 

эвристические алгоритмы», позволяющие 

сделать такие автоматические назначения 

состояний, которые минимизируют 

логические ресурсы, нужные для реализации 

конечного автомата. Затем компилятор выполняет 

автоматически следующие функции: 

назначает биты, выбирая для каждого 

бита либо T-, либо D-триггер; присваивает 

значения состояний; применяет сложные 

методы логического синтеза для получения 

уравнений возбуждения. 

Рассмотрим двухпроцессный шаблон 

(рис. 3) описания конечного автомата с использованием 

перечисляемого типа и настроек 

компилятора (State Machine Processing — 

one-Hot). Особенностью является использование 

одного сигнала state перечисляемого 

типа state_values для реализации логики переходов 

совместно с регистром текущего состояния. 

Второй оператор процесса нужен 

для описания логики формирования выхода 

(пример 1). Для обеспечения стабильной 

и безотказной работы автомат следует сбросить 

в начальное состояние (активный высокий 

уровень сигнала TRST). Таким образом, 

всегда обеспечивается инициализация автомата 

в начальное состояние. 

Пример 1. 

фрагмент кода двухпроцессного 

шаблона описания конечного автомата 

на языке VHdl: 

ARCHITECTURE a OF avtOHE2 IS 

TYPE state_values IS (Stage1, Stage2, Stage3, Stage4, Stage5, Stage6, 

Stage7); 

signal state: state_values; 

BEGIN 

process(TCK,TRST) 

begin 

if (TRST = ‘1’) then state

68 


Рис. 4. Трехпроцессный шаблон описания работы конечного автомата на языке VHDL 

then 

case state is 

when Stage1=> 

IF (A=’1’ and B=’0’ and C=’1’) THEN state


Рис. 7. Схема конечного автомата с использованием метода OHE, готовая для размещения в базисе ПЛИС серии Stratix III (трехпроцессный шаблон) 

Рис. 8. Схема конечного автомата с использованием метода OHE (однопроцессный шаблон) 

по состояниям и для условий по умолчанию показаны на рис. 6в. 

На рис. 6г представлена таблица переходов, характерная для метода 

кодирования с одним активным состоянием. На рис. 7 показана схема 

автомата, готовая для размещения в базисе ПЛИС серии Stratix III, 

на ней видна структура 7-разрядного сдвигового регистра, блоки 

комбинационной логики и то, что выходы триггеров могут использоваться 

как непосредственные выходы автомата (выход Single). Как 

следствие, применение дополнительной комбинационной логики 

на выходе не требуется. 

Рассмотрим использование однопроцессного шаблона (пример 3) 

перечисляемого типа. В этом случае число триггеров увеличивается 

с 7 до 10, так как включение логики формирования выхода в оператор 

case, который расположен внутри блока регистров конечного автомата, 

приводит к тому, что выходы Multi, Contig и Single становятся 

регистерными (рис. 8). 

Пример 3. фрагмент кода однопроцессного шаблона описания 

конечного автомата на языке VHdl: 

BEGIN 

process(TCK,TRST) 

begin 

if (TRST = ‘1’) then state

70 


Рис. 9. Синтезированный конечный автомат с использованием двоичного кодирования (явное использование стиля кодирования, атрибут enum_encoding) 

Рис. 10. Синтезированный конечный автомат с использованием кодирования с одним активным состоянием 

(явное использование стиля кодирования, атрибут enum_encoding) 

when Stage1=> 


ARCHITECTURE a OF OHE2 IS 

TYPE state_values IS (Stage1, Stage2, Stage3, Stage4, Stage5, Stage6, 

Stage7); 

attribute enum_encoding: string; 

attribute enum_encoding of state_values: type is “0000001 0000010 

0000100 0001000 0010000 0100000 1000000”; 

signal state: state_values; 

BEGIN 

statereg: process(TCK,TRST) 

begin 

if (TRST = ‘1’) then state 


72 


Рис. 13. Синтез конечного автомата по VHDL-коду при использовании атрибута syn_encoding (двоичное кодирование): 

а) граф-автомат, восстановленный из VHDL-кода; б) условия переходов по состояниям; в) таблица переходов 

Сравнительные результаты методов OHE 

и двоичного кодирования для ПЛИС серий 

Apex и Stratix с использованием явных 

и неявных стилей кодирования представлены 

в таблице. 

Выводы 

При разработке конечных автоматов в базисе 

ПЛИС FPGA на языке VHDL наиболее 

эффективным решением является использование 

неявного стиля кодирования или явного 

с применением атрибута syn_encoding. 

При этом компилятор-синтезатор САПР 

новости элемены защиты 

б 

Quartus II минимизирует логические ресурсы. 

Как показали эксперименты с данным примером, 

для высокоинтегрированных ПЛИС 

FPGA серии Stratix III стили кодирования перестают 

влиять на максимальную тактовую 

частоту работы конечных автоматов. n 


1. Knapp S. K. Accelerate FPGA macros with one-hot 

approach // ED. 1990. No. 17. 

2. Synopsys Synthesis and Simulation Design Guide — 

2.1i. Xilinx Development System. Ch. 4. Designing 

FPGAs with HDL. 

Супрессоры Microsemi в корпусе PLAD 

для защиты оборудования самолетов от ударов молний 

Корпорация Microsemi анонсировала два новых 

ограничителя переходных процессов (TVS), 

выполненных в запатентованном пластмассовом 

корпусе для компонентов больших размеров 

PLAD (Plastic Large Area Device) — MPLAD15KP 

и MPLAD30KP. 

Новые бюджетные супрессоры MPLAD15KP 

на 15 кВт и MPLAD30KP на 30 кВт соответствуют 

требованиям к защите самолетов от удара молний, 

в том числе серии разрядов (стандарт RTCA 

DO-160E). Они могут применяться для TVS-защиты 

оборудования самолетов, выполненных с применением 

композитных материалов. Оба устройства выпускаются 

в корпусах для поверхностного монтажа 

и обратно совместимы с предыдущей серией ограничителей 

всплесков напряжения в корпусах формфактора 

PLAD компании Microsemi — PLAD15KP 

и PLAD30KP, так как электрические и тепловые 

характеристики устройств не изменились. 

Пересмотр конструкции корпуса PLAD позволил 

компании Microsemi предложить разработчи- 

а 

в 

кам решение, снижающее стоимость супрессоров 

приблизительно на 20%. Кроме того, однокомпонентное 

исполнение уменьшает занимаемую схемой 

площадь, снижает вес устройства и повышает 

надежность разработки по сравнению с многокомпонентными 

схемами, часто применяемыми для 

получения столь высокого уровня надежности. 

Новые 15- и 30-Вт разработки в корпусе PLAD 

снижают стоимость защиты от бросков напряжения, 

предотвращая ошибки функционирования 

схем цифровой обработки сигналов, повреждения 

компонентов и прекращения функционирования 

Таблица. Сравнительные результаты методов OHE 

и двоичного кодирования 

Стиль кодирования 

Ручной способ кодирования 

по методу OHE 

с RS-триггером на выходе 

Двоичное кодирование 

(двухпроцессный шаблон, 

явный, атрибут enum_encoding) 

HOT (двухпроцессный шаблон, 

явный, атрибут enum_encoding) 

Настройки 

модуля 

синтеза HOT 

Однопроцессный 

шаблон (неявный) 

Двухпроцессный 


Трехпроцессный 


число 

триггеров 

Максимальная тактовая 

частота (f max ), МГц 

APEx20KE [8] STRATIx III 

8 290 – 

3 262 400 

6 290 400 

10 290 400 

7 290 400 

7 290 400 

3. Xilinx Synthesis Technology (XST) User Guide. xst. 

pdf (ed. 10.1). Ch. 2. XST HDL Coding Technigues. 

www.xilinx.com 

4. Xilinx Design Reuse Methodology for ASIC and 

FPGA Designers. System-on-a-Chip designs reuse 

solutions. Reuse methodology manual for Systemon-a-Chip 

designs. www.xilinx.com 

5. Стешенко В. Примеры проектирования цифровых 

устройств с использованием языков описания 

аппаратуры // Схемотехника. 2001. № 7–9. 

6. Стешенко В. Б. ПЛИС фирмы Altera: элементная 

база, система проектирования и языки описания 

аппаратуры. М.: ИД «Додэка-XXI”», 2002. 

7. Synopsys. FPGA Express. Справочное руководство 

по VHDL. 

8. Строгонов А. Проектирование конечных автоматов 

по методу OHE // Компоненты и технологии. 

2007. № 10. 

из-за косвенных эффектов от высоковольтных 

разрядов. Корпус PLAD сочетает большой размер 

полупроводникового кристалла с большой площадью 

теплоотводящей площадки снизу корпуса, что 

улучшает тепловые характеристики разработки 

по сравнению с применением компонентов для 

сквозного монтажа. Корпус форм-фактора PLAD 

совместим также со стандартными автоматами 

монтажа электронных приборов. 

15-Вт семейство супрессоров имеет рабочее 

напряжение от 7 до 200 В, а семейство 30-Вт компонентов 

— от 14 до 400 В. Доступны как однонаправленные, 

так и двунаправленные модификации 

устройств. Изделия могут поставляться в соответствующей 

директиве RoHS форме (2002/95/EC) 

или с олово-свинцовым покрытием контактов. 

При выпуске компонентов не применяются галогены 

(IEC 61249-2-21). Они соответствуют требованиям 

промышленного стандарта MSL уровня 1 

(J-STD-020). 

www.icquest.ru 





73

74 


Николай БОРИСЕНКО 

fpga-mechanic@rambler.ru 

Вторая модель буфера FIFO имеет 

унифицированный интерфейс (КиТ 

№ 12’2012), а для хранения данных 

использует регистровые элементы общего 

назначения и может быть реализована 

на элементной базе, не имеющей двухпортовой 

памяти. Интерфейс второй модели 

буфера FIFO показан на рис. 14. Протокол 

обмена полностью соответствует описанному 

в первой части статьи протоколу записи 

и чтения. 

Буфер FIFO, построенный на основе второй 

модели, способен хранить четыре слова 

данных. В рассматриваемом примере используются 

32-разрядные слова. 

Хранение данных во второй модели буфера 

FIFO организовано по несимметричной 

схеме 3+1. Выходной регистр служит для 

хранения первого по порядку записанного 

слова данных, а также для выдачи очередного 

слова данных при считывании предыдущего 

слова. Для хранения остальных слов данных 

предназначены внутренние регистры INT_ 

RG1, INT_RG2, INT_RG3. При записи слова 

данных в пустой буфер первое слово сохраняется 

в выходном регистре. Второе слово 

данных записывается во внутренний регистр 

в том случае, если его запись опережает чтение 

первого слова. Дальнейшая запись осуществляется 

в остальные свободные внутренние 

регистры. При чтении первого слова 

данных в выходной регистр копируется содержимое 

внутреннего регистра, хранящего 

второе слово данных, после чего этот внутренний 

регистр считается свободным. При 

чтении третьего слова данных в выходной 

регистр копируется содержимое внутреннего 

регистра, хранящего третье слово данных. 

Далее процесс повторяется до полного опустошения 

буфера. 

Рис. 14. Интерфейс синтезируемой модели буфера FIFO на основе регистровых ресурсов общего назначения 

Подходы к организации 

унифицированного ряда 

синтезируемых моделей 

буферов FIFO, реализуемых 

в различных семействах 

программируемой логики. Часть 2 

В статье рассматривается вопрос построения синтезируемых моделей 

блоков памяти с организацией FIFO. 

В первой части был предложен унифицированный интерфейс для портов 

записи и считывания данных. Приведены синтезируемые модели синхронных 

блоков FIFO на основе ресурсов распределенной памяти — табличных 

преобразователей. 

Во второй части рассматриваются синтезируемые модели буферов FIFO 

на основе регистров общего назначения и ресурсов блочной памяти. 

Функциональная схема, демонстрирующая 

организацию буфера FIFO, описанную 

во второй модели, приведена на рис. 15. 

В нижнем прямоугольнике схемы показаны 

генераторы выходных сигналов. 

Блок HDL process соответствует конечному 

автомату, описанному на поведенческом 

уровне на языке описания аппаратуры. 

Среди преимуществ второй синтезируемой 

модели буфера FIFO можно выделить: 

1. Полную внутреннюю регистровую развязку, 

исключившую сквозные комбинационные 

цепочки от входов до выходов 

и облегчающую оптимизацию проекта для 

работы на высоких тактовых частотах. 

2. Минимальную задержку прохождения слова 

данных через буфер FIFO, составляющую 

один такт синхросигнала с момента 

записи до появления данных на выходе 

(что возможно при записи первого слова 

данных в пустой буфер либо в случае одновременного 

чтения и записи при количестве 

слов равном одному). 

3. Регистровые выходы FULL, EMPTY 

и AMNT, имеющие минимальную выходную 

задержку T CO (Clock to Output delay). 

4. Независимость от технологических примитивов 

элементной базы вследствие 

синтезируемости в базисе стандартных 

элементов (регистров и ресурсов комбинационной 

логики). 

Недостаток рассмотренной модели один — 

большое количество регистровых ресурсов 

общего назначения, что не оптимально с точ- 


Рис. 15. Функциональная схема буфера FIFO на основе регистровых ресурсов общего назначения 

ки зрения реализации модели в архитектурах 

класса FPGA. 

Вторую синтезируемую модель буфера 

FIFO целесообразно использовать при необходимости 

построения FIFO с малой глубиной 

записи и большой разрядностью слов 

данных. 

Описание второй модели буфера FIFO 

на языке VHDL: 

------------------------------------------------------------ 

-- Engineer: FPGA-Mechanic 

-- 

-- Create Date: 12:51:40 10/24/2009 

-- Design Name: General purpose module 

-- Module Name: MSFIFO_RG_4x32b_V10 - 4-word x 32-bit 

-- FF_Register-based FIFO 

-- Project Name: Any 

-- Target Devices: Any PLD 

-- Tool versions: ISE 10.1 

-- Description: Synchronous FIFO with Combinational Inputs 

-- and Registered Outputs 

-- Protection of stored data while writing to full FIFO 

-- included. Reading empty and writing full are ignored. 

-- Revision: 1.0 (24.10.2009) 

-- Revision 1.0 - File Created 

------------------------------------------------------------library 

IEEE; 

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; 

use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; 

use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; 



ПЛИС 

entity MSFIFO_RG_4x32b_V10 is 

Port ( 

CLK : in STD_LOGIC; -- Sys. Clock 

RST : in STD_LOGIC; -- Asynch.Reset 

WREN : in STD_LOGIC; -- Write Enable 

W_DATA : in STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0); -- Write Data 

FULL : out STD_LOGIC; -- Full Flag 

EMPTY : out STD_LOGIC; -- Empty Flag 

R_DATA : out STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0); -- Read Data 

NEXT_DATA : in STD_LOGIC; -- Next Data Request 

AMNT : out STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0) -- Amount of Stored 

Words 

); 

end MSFIFO_RG_4x32b_V10; 

architecture Tooshka of MSFIFO_RG_4x32b_V10 is 

-- Internal signals declaration: 

signal INT_WA, INT_RA : STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0); 

signal INT_AMNT : STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0); 

-------------------------------------------signal 

INT_RG1, INT_RG2, INT_RG3 : STD_LOGIC_VECTOR (31 

downto 0); 

signal INT_RGO, DIN_RG_0 : STD_LOGIC_VECTOR (31 downto 0); 

-------------------------------------------signal 

INT_WE, INT_NXT : STD_LOGIC; 

signal INT_EMPTY, INT_FULL : STD_LOGIC; 

-------------------------------------------signal 

WE_RG_0, RE_RG_0 : STD_LOGIC; 

signal NTR_0, TR_0 : STD_LOGIC; 

-------------------------------------------signal 

EXT_AMNT : STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0); 

-------------------------------------------- 

begin 

-------------------------------------------- 

-- Data Registers: 

-- Internal Registers: 

Internal_Reg : process(CLK, RST) begin 

if(RST = ‘1’) then 

INT_RG1

76 


-- Output Register: 

Output_Reg : process(CLK, RST) begin 

if(RST = ‘1’) then 

R_DATA

блоков постоянной и оперативной памяти. 

Емкость элемента блочной памяти, как правило, 

составляет от 4 до 18 кбит. В кристалле 

СБИС или ПЛИС могут быть реализованы 

десятки и даже сотни подобных элементов. 

Чтобы повысить эффективность использования 

ресурсов кристалла, буферы FIFO большой 

емкости целесообразно строить на основе 

элементов блочной памяти. 

Третья синтезируемая модель буфера FIFO 

использует двухпортовую блочную память 

серии Spartan-2 фирмы Xilinx. Модуль памяти 

MXIL_BLK_DPRAM_4K_8A_8B описан 

в схемотехническом файле, содержимое которого 

представлено на рис. 16. 

Один элемент блочной памяти серий 

Virtex, Spartan-2/2E фирмы Xilinx имеет емкость 

4 кбит и допускает различные конфигурации 

разрядности шин адреса и данных 

[1, 10]. Элемент блочной памяти имеет два 

асинхронных по отношению друг к другу 

порта, которые позволяют читать и записывать 

данные. В рассматриваемом примере 

оба порта сконфигурированы на работу 

с 8-разрядными словами данных при 

глубине адресации 512 слов (организация 

5128). Оба порта имеют одновременный доступ 

к общему массиву из 4096 ячеек памяти. 

В современных сериях ПЛИС реализованы 

блоки памяти емкостью 9 и 18 кбит, причем 

дополнительные разряды (8-й или 16-й 

и 17-й) предназначены для хранения битов 

четности [2, 9]. Следует отметить, что интерфейс 

блоков памяти разных производителей 

элементной базы различается незначительно, 

что позволяет реализовать третью модель 

буфера FIFO в разных сериях ПЛИС. 

Третья синтезируемая модель буфера FIFO 

имеет описанный в начале статьи унифицированный 

интерфейс и использует для хранения 

данных один элемент блочной памяти ПЛИС 

архитектуры FPGA фирмы Xilinx. В силу 

сходства интерфейсов блочной памяти модель 

несложно преобразовать для реализации 

в элементной базе других производителей. 

Описание третьей модели буфера FIFO 

на языке Verilog: 

`timescale 1ns / 1ps 

///////////////////////////////////////////////////////////////////// 

// Engineer: FPGA-Mechanic 

// 

// Create Date: 12:55:15 04/15/2010 

// Design Name: MISTB Design 

// Module Name: MSFIFO_BR_512x8b_V10 - 512-word x 8-bit 

// 4K-Block-RAM-based FIFO 

// Project Name: Any 

// Target Devices: Xilinx FPGA 

// Tool versions: ISE 10.1 

// Description: Synchronous FIFO with Combinational Inputs, 

// Registered Control Outputs and Registered Data Outputs 

// Protection of stored data while writing to full FIFO 

// included. Reading empty and writing full are ignored. 

// Revision: 1.0 (16.04.2010) 

// Revision 1.0 - File Created 

////////////////////////////////////////////////////////////////////// 

module MSFIFO_BR_512x8b_V10( 

input CLK, // Sys. Clock 

input RST, // Asynch.Reset 

input WREN, // Write Enable 

input [7:0] W_DATA, // Write Data 

output FULL, // Full Flag 

output EMPTY, // Empty Flag 

output [7:0] R_DATA, // Read Data 

input NEXT_DATA, // Next Data Request 

output reg 

[9:0] AMNT // Amount of Stored Words 

); 

// Internal signals declaration: 

reg [8:0] READ_CNTR; 

reg [9:0] AMNT_CNTR; 

wire [8:0] WRITE_ADR, READ_ADR; 

reg CNTR_EMPTY, INT_EMPTY; 

reg CNTR_ONE; 

wire CNTR_FULL; 

wire SRAM_WE, SRAM_EN; 

//------------------------------------------ 

// Xilinx Spartan-2 Block Ram (512x8bit) : 

MXIL_BLK_DPRAM_4K_8A_8B BLOCK_SRAM 

(.CLK_A(CLK), 

.CLK_B(CLK), 

.WE_A(SRAM_WE), 

.WE_B(1’b0), 

.EN_A(1’b1), 

.EN_B(SRAM_EN), 

.ADDR_A(WRITE_ADR), 

.ADDR_B(READ_ADR), 

.DIN_A(W_DATA), 

.DIN_B(8’h00), 

.DOUT_A(), 

.DOUT_B(R_DATA)); 

//-----------------------------------------assign 

SRAM_WE = WREN & ~CNTR_FULL; 

//-----------------------------------------assign 

SRAM_EN = INT_EMPTY | NEXT_DATA; 

//------------------------------------------ 

// Read Address Counter : 

always @ (posedge CLK, posedge RST) 

if(RST) 

READ_CNTR

78 


Недостатки третьей модели буфера FIFO: 

1. Минимальная задержка прохождения слова 

данных через буфер FIFO, которая составляет 

два такта синхросигнала с момента 

записи до появления данных на выходе. 

2. Относительная зависимость от технологических 

примитивов серии и производителя 

элементной базы. 

Вывод 

В процессе исследований и разработок 

по теме статьи были достигнуты следующие 

результаты: 

1. Подробно описан унифицированный интерфейс 

для синхронных и асинхронных 

буферов FIFO различной организации. 

2. В деталях рассмотрены три синтезируемые 

модели синхронных буферов FIFO, использующих 

для хранения данных три типа ресурсов 

кристалла: распределенную память, 

регистры общего назначения и блочную 

память. 

3. Проведен анализ преимуществ и недостатков 

рассмотренных моделей. 

4. Описанные модели реализованы в составе 

проектов ПЛИС серии Spartan-2 

и Spartan-6 фирмы Xilinx в составе адаптеров 

сопряжения интерфейсов для системной 

шины VME. n 


1. Кузелин М. О., Кнышев Д. А., Зотов В. Ю. 

Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx. 

М.: Горячая линия – Телеком, 2004. 

2. Зотов В. Ю. Разработка VHDL-описаний цифровых 

устройств, проектируемых на основе ПЛИС 

фирмы Xilinx, с использованием шаблонов САПР 

ISE Design Suite // Компоненты и технологии. 

2011. № 8. 

3. Поляков А. К. Языки VHDL и Verilog в проектировании 

цифровой аппаратуры. М.: Солон- 

Пресс, 2003. 

4. Зотов В. Ю. Разработка VHDL-описаний цифровых 

устройств, проектируемых на основе ПЛИС 

фирмы Xilinx, с использованием шаблонов САПР 

ISE Design Suite // Компоненты и технологии. 

2011. № 12. 

5. Борисенко Н. В. Синтезируемая модель арбитра 

доступа к среде передачи данных // Компоненты 


6. PCI Local Bus Specification. Revision 3.0. PCI 

Special Interest Group. 2002. 

7. Pong P. Chu. RTL Hardware Design Using VHDL: 

Coding for Efficiency, Portability, and Scalability. 

John Wiley & Sons, Inc., 2006. 

8. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. 2-е изд. 

СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 

9. Memory Blocks in the Cyclone III Device Family. Cyclone 

III Device Handbook, Vol. 1. Altera Corporation, 2009. 

10. Using Block SelectRAM+ Memory in Spartan-II 

FPGAs. XAPP173 (v1.1) Xilinx, Inc., 2000. 

11. Memory Usage Guide for LatticeECP/EC and 

LatticeXP Devices. Technical Note TN1051. Lattice 

Semiconductor Corp., 2006. 

новости встраиваемые системы 

Встраиваемые платформы Kontron 

на 4-ядерных процессорах 

Intel Core i7 3-го поколения 

Компания Kontron объявили о выводе на рынок 

семи встраиваемых платформ на основе 

новейших 4-ядерных процессоров Intel Core i7 

3-го поколения: Intel Core i7-3615QE (4×2,3 ГГц, 

кэш 2-го уровня 6 Мбайт) и Intel Core i7-3612QE 

(4×2,1 ГГц, кэш 2-го уровня 6 Мбайт). 

На платформах в форматах 3U и 6U 

CompactPCI, 3U VPX, AdvancedMC, COM 

Express basic, Flex-ATX, Mini-ITX впервые реализованы 

преимущества нового поколения процессоров 

Intel — высшая производительность 

общих и графических вычислений, долговременная 

доступность и высокий уровень энергоэффективности. 

Новинки Kontron позволят 

OEM-производителям немедленно начать разработку 

и производство широкого спектра наиболее 

требовательных к производительности 

приложений. 

С такими платформами OEM-производители 

смогут создавать приложения с увеличенной вычислительной 

мощностью, высокой скоростью 

ввода/вывода и малой теплоотдачей. Линейка 

новых платформ соответствует современным 

требованиям к малогабаритным встраиваемым 

системам по размеру, массе и производительности 

(SWaP), что позволит разработчикам 

создавать компактные прикладные решения 

на основе продуктов в форматах COM Express, 

AdvancedMC и 3U VPX на 4-ядерных процессорах 

Intel. 

Процессоры Intel Core 3-го поколения получили 

новую интегрированную графическую 

подсистему Intel HD 4000, насчитывающую более 

16 исполнительных устройств, что на треть 

больше, чем у Intel Core 2-го поколения. 

Новейшие процессоры поддерживают три независимых 

цифровых графических интерфейса 

(в дополнение к VGA и LVDS). При этом каждый 

интерфейс можно настроить как DisplayPort, 

HDMI или DVI, что особенно удобно при создании 

сложных приложений для медицины, 

инфотеймента и промышленной автоматизации. 

Встроенный декодер MPEG-2 позволяет 

одновременно воспроизводить несколько HDвидеопотоков 

в высоком разрешении. 

Разработчики и OEM-производители графических 

приложений по достоинству оценят вдвое 

выросшую скорость обработки HD-мультимедиа 

и на 60% — 3D-графики. Благодаря поддержке 

процессорами новейших технологий Intel 

Flexible Display Interface (FDI), DirectX 11, 

OpenGL 3.1 и OpenCL 1.1, специалисты могут 

использовать современные API для сокращения 

сроков разработки целевой системы. 

Новые вычислительные платформы Kontron 

оснащаются двухканальной памятью DDR3 объемом 

до 16 Гбайт, несколькими портами Gigabit 

Ethernet, интерфейсом SATA, а также интерфейсами 

PCI Express 3.0 и USB 3.0, которые 

пригодятся для приложений с высокими требованиями 

к скорости ввода/вывода. Например, 

первый процессорный AdvancedMC модуль 

Kontron AM4022 подойдет для телекоммуникационных 

приложений на основе технологий 

MicroTCA или AdvancedTCA, которые могут 

быть предназначены для сетей LTE и LTE- 

Advanced, беспроводных базовых станций, тестирующих 

и управляющих систем проводных 

и беспроводных сетей и других приложений подобного 

рода. Среди первых продуктов Kontron 

на основе Intel Core 3-го поколения — 3U 

и 6U CompactPCI платы CP3003 и CP6004-SA, 

COM Express модули серии COMe-bIP#, VPXплата 

VX3044, материнские платы KTQ77/Flex 

и KTQM77/mITX. 

Помимо стандартных плат, модулей и систем, 

Kontron предлагает различные услуги по разработке 

и производству заказных решений на процессорах 

Intel Core 3-го поколения. Ассортимент услуг 

дополняется сервисами в области программных 

средств, в том числе по установке стандартных 

ОС и гипервизоров, а также поддержке миграции, 

включая проверку и тестирование. Цель предлагаемых 

Kontron услуг — предоставление заказчикам 

готовой базовой вычислительной платформы. 

Таким образом, заказчики экономят финансовые 

и кадровые ресурсы на разработке базовой платформы, 

концентрируясь на своей ключевой компетенции 

(прикладная система и т. д.). 

www.rtsoft.ru 





79

80 



Валерий ЗОТОВ 

walerry@km.ru 

В настоящее время новый тип элементной 

базы представлен семейством Zynq-7000 

[2–15], инженерные образцы которого стали 

доступны в середине 2012 года. Основу 

кристаллов этого семейства образует аппаратный 

двухъядерный процессорный блок 

с архитектурой ARM Cortex-A9, функциональные 

возможности которого дополнены 

ресурсами программируемой логики последнего 

поколения. 

В соответствии с традиционной концепцией 

вывода на рынок новых продуктов 

Target Design Platform (TDP) фирма Xilinx 

в прошлом году выпустила несколько инструментальных 

комплектов различного 

целевого назначения, которые включают 

в себя аппаратные отладочные модули, выполненные 

на базе кристаллов расширяемых 

вычислительных платформ семейства 

Zynq-7000. В статье представлена подробная 

информация о составе и возможностях 

инструментального комплекта Xilinx Zynq- 

7000 SoC ZC702 Evaluation Kit, позволяющая 

разработчикам оценить возможность 

его практического использования в процессе 

аппаратной отладки собственных 

проектов. 

Аппаратные средства 

разработки и отладки 

встраиваемых 

микропроцессорных систем, 

проектируемых на основе 

расширяемых вычислительных 

платформ фирмы Xilinx 

семейства Zynq-7000 AP SoC 

Одновременно с началом серийного производства кристаллов программируемой 

логики с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Array) 

серий Artix-7, Kintex-7 и Virtex-7 [1] фирма xilinx выпустила экспериментальные 

образцы элементов принципиально нового типа, которые первоначально 

получили название «расширяемые вычислительные платформы» 

(Extensible Processing Platform, EPP). В дальнейшем для этих компонентов 

было предложено новое название — «программируемые системы на кристалле» 

(All Programmable System-on-Chip, AP SoC). 

Назначение и состав 

щий возможность гибкой коммутации внеш- 

инструментального 

них аналоговых сигналов к соответствующим 

комплекта xilinx Zynq-7000 SoC входам аналого-цифрового блока XADC 

ZC702 Evaluation Kit 

расширяемой вычислительной платформы 

основного инструментального модуля. 

Инструментальный комплект Xilinx Zynq- • USB Flash-накопитель, содержащий 

7000 SoC ZC702 Evaluation Kit предназначен все необходимые программные средства, 

для практического изучения функциональ- образцовые и демонстрационные проекты, 

ных возможностей расширяемых вычис- предназначенные для эффективного освоелительных 

платформ семейства Zynq-7000 ния маршрута проектирования встраивае- 

и маршрута проектирования высокопроизмых микропроцессорных систем и наглядводительных 

встраиваемых микропроцесно поясняющие практическое использовасорных 

систем на их основе. Кроме того, этот ние кристаллов семейства Zynq-7000. 

комплект можно применять для отладки ап- • Карта памяти стандарта SD (Secure Digital), 

паратной части и прикладного программно- включающая загрузочную версию операго 

обеспечения разрабатываемых систем. ционной системы Linux OS и исполняемый 

В составе инструментального комплек- код программного обеспечения образцота 

Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Kit вого проекта. 

представлены следующие аппаратные и про- • Набор соединительных кабелей для инграммные 

средства: 

терфейсов, реализуемых на базе основного 

• Плата основного инструментального мо- инструментального модуля, который по- 

дуля Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation зволяет выполнять комплексную отладку 

Board, предоставляющая возможность разрабатываемых встраиваемых микропро- 

реализации аппаратной части и отладки цессорных систем совместно с внешними 

прикладного программного обеспечения устройствами. 

проектируемых встраиваемых микропро- • Сетевой адаптер, вырабатывающий поцессорных 

систем. 

стоянное напряжение 12 В, применяемый 

• Дополнительный модуль AMS101 (Analog в качестве первичного источника питания 

Mixed Signal Evaluation Card), обеспечиваю- основного отладочного модуля. 



• Диск DVD-ROM, содержащий новую различного уровня сложности под управлефейсов 10/100/1000 Ethernet, HDMI (Highполнофункциональную 

версию системы нием операционной системы Linux OS. Definition Multimedia Interface) и USB 2.0. 

проектирования ISE Design Suite [16] в ре- • Наличие элемента Flash ППЗУ с интер- • Поддержка высокоскоростного интерфейса 

дакции Embedded Edition (с лицензией для фейсом Quad-SPI (QSPI), который может CAN (Controller Area Network), позволяю- 

кристалла Zynq-7000 XC7Z020 CLG484-1). выполнять функции хранения конфигущая эффективно использовать инстру- 

С подробной документацией на рассмарационной информации кристалла расментальный модуль в процессе разработки 

триваемый инструментальный комплект, ширяемой вычислительной платформы и отладки автомобильных и промышлен- 

включающей в себя руководство пользова- и энергонезависимой памяти данных ных встраиваемых систем. 

теля ZC702 Evaluation Board for the Zynq-7000 в проектируемых системах. 

• Применение комплексной программируе- 

XC7Z020 All Programmable SoC User Guide • Поддержка интерфейса SDIO (Secure мой системы формирования тактовых сиг- 

и инструкцию по установке программных Digital Input/Output), предоставляющего налов, обеспечивающей возможность гене- 

средств и выполнению образцового проекта возможность непосредственного подклюрации высокочастотных дифференциальных 

Zynq-7000 All Programmable SoC ZC702 Base чения к инструментальному модулю карт и однополюсных сигналов синхронизации 

Targeted Reference Design User Guide, можно памяти стандарта SD, содержащих загру- в широком диапазоне частот для различных 

также ознакомиться на web-странице фирзочный код операционной системы Linux элементов инструментального модуля. 

мы Xilinx. 

OS и исполняемый код прикладного про- • Присутствие на плате инструментального 

граммного обеспечения. 

модуля двух разъемов расширения FMC 

Особенности инструментального • Включение в структуру отладочной платы Low Pin Count (LPC), соответствующих 

модуля xilinx Zynq-7000 SoC 

интегрированной схемы загрузочного ка- спецификации ANSI/VITA 57.1, позволяет 

ZC702 Evaluation Board 

беля, позволяющей выполнять операции легко адаптировать ее для отладки встраи- 

записи конфигурационной последовательваемых микропроцессорных систем раз- 

Основу отладочного комплекта Xilinx ности в кристалл и обратного считывания личного целевого назначения с помощью 

Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Kit образует данных, а также внутрикристальную отлад- дополнительных специализированных 

инструментальный модуль Xilinx Zynq-7000 ку разрабатываемых микропроцессорных модулей мезонинного типа, выпускаемых 

SoC ZC702 Evaluation Board, функциональ- систем с применением комплекса средств различными производителями. 

ные возможности которого имеют следую- ChipScope Pro [17] с помощью стандартно- 

2 • Использование интерфейса I C для управщие 

особенности: 

го кабеля USB-интерфейса, существенно ления режимами функционирования от- 

• Использование в качестве главного ком- сокращает стоимость инструментального дельных элементов отладочного модуля 

понента отладочного модуля кристалла комплекта. 

и модулей расширения. 

расширяемой вычислительной платфор- • Гибкая схема конфигурирования рас- • Наличие светодиодных элементов индикамы 

семейства Zynq-7000, обладающе- ширяемой вычислительной платформы, ции и переключателей различного типа, сого 

значительным объемом логических обеспечивающая возможность выбора испряженных с пользовательскими вывода- 

и специализированных ресурсов в сочеточников загрузки конфигурационной поми кристалла семейства Zynq-7000, обеспетании 

с высоким быстродействием, созследовательности в кристалл, а также причивает возможность визуального контроля 

дает необходимые предпосылки для реанудительного реконфигурирования в про- и оперативного управления в процессе 

лизации и аппаратной отладки проектов цессе отладки разрабатываемой системы. отладки аппаратной части и прикладного 

встраиваемых микропроцессорных систем • Наличие в составе инструментального программного обеспечения встраиваемых 

с конфигурируемой архитектурой. 

модуля всех необходимых элементов, микропроцессорных систем. 

• Присутствие высокоскоростного синхронно- обеспечивающих возможность полно- • Применение комплексной схемы управго 

динамического ОЗУ SDRAM с интерфейфункциональной реализации в составе ления питанием на основе контроллеров 

сом DDR3 обеспечивает возможность отлад- проектируемых встраиваемых микропро- и интегральных стабилизаторов импульски 

прикладного программного обеспечения цессорных систем контроллеров интерного и линейного типов, осуществляющей 

Рис. 1. Внешний вид инструментального модуля 

Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board 


ПЛИС 

Рис. 2. Структурное представление архитектуры отладочного модуля 


81

82 


функции формирования и мониторинга 

уровней напряжений, необходимых для 

питания всех компонентов модуля, обеспечивает 

требуемую последовательность 

включения источников питания различных 

ресурсов расширяемой вычислительной 

платформы семейства Zynq-7000. 

• Поддержка инструментального модуля последними 

версиями системы проектирования 

и конфигурирования кристаллов программируемой 

логики и расширяемых вычислительных 

платформ фирмы Xilinx ISE 

Design Suite (начиная с версии 14.1). 

Архитектура инструментального 

модуля xilinx Zynq-7000 SoC 

ZC702 Evaluation Board 

Внешний вид инструментального модуля 


приведен на рис. 1. 

Структурное представление архитектуры 

этого отладочного модуля показано на рис. 2. 

В состав архитектуры инструментального 

модуля Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation 

Board входят следующие функциональные 

блоки: 

• Кристалл расширяемой вычислительной 

платформы семейства Zynq-7000, предназначенный 

для реализации отлаживаемых 

встраиваемых микропроцессорных систем. 

• Блок оперативной памяти емкостью 1 Гбайт. 

• Элемент перепрограммируемого запоминающего 

устройства емкостью 128 Мбайт. 

• Интерфейсный блок. 

• Схема конфигурирования программируемой 

логики расширяемой вычислительной 

платформы. 

• Программируемый блок формирования 

тактовых сигналов. 

• Элементы управления и индикации. 

• Два разъема расширения, соответствующих 

спецификации стандарта FMC LPC. 

• Два разъема, отвечающих требованиям 

спецификации PMOD, которые позволяют 

подключать различные периферийные 

модули компании Digilent. 

• Разъем для подключения внешних сигналов 

к встроенному аналого-цифровому 

блоку XADC кристалла расширяемой вычислительной 

платформы. 

• Часы реального времени. 

• Комплексная схема формирования и контроля 

питающих напряжений. 

Основообразующим компонентом рассматриваемого 

отладочного модуля является 

кристалл расширяемой вычислительной 

платформы XC7Z020 в корпусе CLG484, архитектура 

которого представлена на рис. 3. 

Структурно архитектура этого кристалла 

разделена на две части — процессорную систему 

Processing System (PS) и программируемую 

логику Programmable Logic (PL). 

Процессорная система выполнена на базе 

аппаратного блока, в состав которого входят 

два ядра ARM Cortex-A9 MPCore с рас- 

Рис. 3. Структурное представление архитектуры программируемой системы на кристалле XC7Z020 

ширением NEON и поддержкой выполнения 

операций с плавающей запятой с обычной 

и двойной точностью. Максимальное значение 

тактовой частоты каждого микропроцессорного 

ядра кристалла XC7Z020, установленного 

в инструментальном модуле Xilinx 

Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board, составляет 

667 МГц. В состав процессорной 

системы входит кэш-память первого и второго 

уровня емкостью 32 и 512 кбайт соответственно, 

а также ППЗУ Boot ROM, содержащее 

загрузчик операционной системы 

Linux OS, и внутрикристальное ОЗУ On-Chip 

RAM (OCM) объемом 256 кбайт. 

Кроме того, в архитектуре процессорной 

системы предусмотрен контроллер внешней 

высокоскоростной оперативной динамической 

памяти, поддерживающий специфика- 

Рис. 4. Схема подключения элемента последовательной Flash-памяти 

в инструментальном модуле Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board 

ции DDR2, DDR3, LPDDR2, и интерфейс статической 

памяти с поддержкой SRAM, Parallel 

NOR Flash, NAND Flash и SPI/Quad-SPI Serial 

NOR Flash. Восьмиканальный контроллер 

прямого доступа к памяти (DMA) обеспечивает 

осуществление высокоскоростных 

транзакций между ячейками памяти, а также 

между периферийными блоками и памятью. 

Периферия ввода/вывода процессорной системы 

включает в себя интерфейсы UART, 

CAN 2.0B, I 2 C, SPI, USB 2.0, Tri-mode Gigabit 

Ethernet, SD/SDIO, каждый из которых представлен 

дважды. 

Программируемая логика кристалла 

XC7Z020 по составу ресурсов близка к ПЛИС 

серии Artix-7 [8–15]. Вариант программируемой 

системы на кристалле, применяемый в инструментальном 

модуле Xilinx Zynq-7000 SoC 


Рис. 5. Схема организации интерфейса USB 2.0 в инструментальном модуле Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board 

ZC702 Evaluation Board, содержит 87 040 логических 

ячеек Logic Cells, 140 модулей блочной 

памяти Block RAM суммарной емкостью 

560 кбайт, 220 аппаратных секций цифровой 

обработки сигналов DSP48E1 и один аналогоцифровой 

блок XADC. Совокупность перечисленных 

ресурсов программируемой логики 

предоставляет возможность реализации 

на ее основе нестандартных периферийных 

устройств и конфигурируемых специализированных 

высокоскоростных сопроцессоров для 

процессорной системы, расширяя тем самым 

функциональные возможности и производительность 

последней. Взаимодействие процессорной 

системы и программируемой логики 

осуществляется через порты интерфейса AXI. 

Блок оперативной памяти рассматриваемого 

отладочного модуля образуют четыре 

микросхемы синхронной динамической памяти 

SDRAM MT41J256M8HX-15E, выпускаемые 

компанией Micron Technology. Каждая 

из этих микросхем представляет собой высокоскоростное 

ОЗУ с интерфейсом DDR3 

и организацией 256 Мбит 8. Эти микросхемы 

подключены к соответствующим выводам 

процессорной платформы, которые относятся 

к банку ввода/вывода 502 (Bank 502). 

В качестве элемента последовательного 

Flash ППЗУ с интерфейсом Quad-SPI используется 

микросхема N25Q128A13ESF40F фирмы 

Numonyx (в настоящее время входящей 

в состав компании Micron Technology), информационная 

емкость которой составляет 

128 Мбайт. Этот элемент перепрограммируемого 

запоминающего устройства поддерживает 

три режима работы — Single, Dual и Quad. 



ПЛИС 

Указанный элемент Flash ППЗУ можно использовать 

для хранения конфигурационной 

информации кристалла расширяемой вычислительной 

платформы XC7Z020 и/или применять 

в качестве энергонезависимой памяти 

разрабатываемых встраиваемых микропроцессорных 

систем. Схема подключения элемента 

последовательной Flash-памяти в инструментальном 


ZC702 Evaluation Board изображена на рис. 4. 

Интерфейсный блок рассматриваемого отладочного 

модуля обеспечивает разработчикам 

возможность реализации и аппаратной 

отладки проектируемых микропроцессорных 

систем, использующих интерфейсы USB 2.0, 

CAN, 10/100/1000 Ethernet, SD/SDIO, HDMI, 

UART и I 2 C. На плате инструментального модуля 

Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation 

Board установлены разъемы соответствующих 

портов и дополнительные элементы, 

необходимые для полнофункциональной 

реализации этих интерфейсов. 

Контроллер интерфейса USB 2.0 выполнен 

на базе соответствующего периферийного 

устройства процессорной системы кристалла 


XC7Z020, который может функционировать 

в режимах Host, Device или OTG 

(On-The-Go). Для реализации физического 

уровня этого интерфейса применяется микросхема 

USB3320, выпускаемая корпорацией 

Standard Microsystems, которая представляет 

собой приемопередатчик, поддерживающий 

протокол ULPI (UTMI + Low Pin Interface). 

Схема организации интерфейса USB 2.0 в инструментальном 


Рис. 6. Схема организации CAN-интерфейса в инструментальном модуле Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board 

83

84 


Рис. 7. Схема интерфейса SDIO инструментального модуля Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board 

Рис. 8. Схема сопряжения HDMI-кодека с кристаллом XC7Z020 

в отладочном модуле Xilinx Zynq-7000 EPP ZC702 Evaluation Board 

ZC702 Evaluation Board приведена на рис. 5. 

Выбор режима функционирования интерфейса 

USB 2.0 ULPI осуществляется с помощью 

коммутационных перемычек. 

Схема реализации высокоскоростного 

CAN-интерфейса в рассматриваемом отладочном 

модуле приведена на рис. 6. В ее состав 

входит контроллер указанного интерфейса, 

двунаправленная схема преобразования 

уровней сигналов и соответствующий приемопередатчик. 

Контроллер интерфейса CAN 

выполнен на основе соответствующих периферийных 

ресурсов процессорной системы 

кристалла XC7Z020, которые полностью от- 

вечают требованиям стандартов ISO 11898-1, 

CAN 2.0A и CAN 2.0B. Функции схемы преобразования 

уровней сигналов выполняет микросхема 

TXS0104E, выпускаемая компанией 

Texas Instruments. В качестве высокоскоростного 

приемопередатчика CAN-интерфейса 

используется микросхема TJA01040 компании 

NXP Semiconductors, которая поддерживает 

дифференциальную форму представления 

сигналов, предусмотренную спецификацией 

международного стандарта ISO 11898. 

Для организации интерфейса Ethernet 

10/100/1000 в инструментальном модуле 


Board задействован соответствующий контроллер, 

входящий в состав периферии процессорной 

системы кристалла XC7Z020, который 

поддерживает режим RGMII (Reduced 

Gigabit Media Independent Interface). Этот 

контроллер обеспечивает реализацию MACуровня 

интерфейса Ethernet в соответствии 

со спецификацией стандарта IEEE 802.3-2008. 

Для сопряжения с физическим уровнем 

интерфейса Ethernet 10/100/1000 применяется 

микросхема M88E1111 (Alaska Gigabit 

Ethernet Transceivers), выпускаемая компанией 

Marvell. 

Интерфейс SDIO в инструментальном модуле 


Board выполнен на основе периферийного 

контроллера SD/SDIO процессорной системы 

кристалла расширяемой вычислительной 

платформы XC7Z020 и микросхемы 

TXB02612 компании Texas Instruments. Эта 

микросхема осуществляет функции расширителя 

интерфейса и двунаправленного 

преобразователя уровней сигналов. Схема 

интерфейса SDIO, предоставляющего возможность 

подключения карт памяти формата 

SD в инструментальном модуле Xilinx 

Zynq-7000 EPP ZC702 Evaluation Board, представлена 


Для реализации порта HDMI-интерфейса 

в рассматриваемом отладочном модуле применяется 

аппаратный кодек, выполненный 

на основе микросхемы ADV7511KSTZ-P компании 

Analog Devices. Эта микросхема обеспечивает 

возможность вывода видеоизображения 

с высоким разрешением 19201080, 

соответствующим формату Full HD 1080P. 

Функции управления режимами работы аппаратного 

кодека ADV7511KSTZ-P осуществляются 

через шину интерфейса I 2 C. Схема 

подключения HDMI-кодека к программируемой 

системе на кристалле XC7Z020 в инструментальном 

модуле Xilinx Zynq-7000 EPP 

ZC702 Evaluation Board приведена на рис. 8. 

В качестве интерфейсного моста USB- 

UART, обеспечивающего возможность организации 

взаимодействия отлаживаемых 

встраиваемых микропроцессорных систем 

с внешним компьютером через виртуальный 

последовательный COM-порт, применяется 

микросхема CP2103GM, выпускаемая 

компанией Silicon Labs. При этом блок последовательного 

асинхронного приемопере- 


Рис. 9. Топология шин интерфейса I 2 C в отладочном модуле Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board 

датчика UART конфигурируется на базе соответствующего 

периферийного устройства 

процессорной системы кристалла расширяемой 

вычислительной платформы XC7Z020. 

Для работы с виртуальным последовательным 

портом в среде операционной системы 

Windows предусмотрен драйвер Virtual COM 

Port (VCP) driver, предоставляемый компанией 

Silicon Labs. Сопряжение инструментального 

модуля с компьютером посредством 

интерфейсного моста USB-UART с использованием 

виртуального COM-порта осуществляется 

через отдельный разъем порта USB 

типа Type Mini-B. 

Мультиплексируемая шина интерфейса 

I 2 C в инструментальном модуле Xilinx 

Zynq-7000 EPP ZC702 Evaluation Board используется 

для взаимодействия кристалла 


с различными элементами, установленными 

на отладочной плате и в подключаемых модулях 

расширения, а также для управления 

режимами их функционирования. Через эту 

шину осуществляется передача информации 

между кристаллом XC7Z020 и часами реального 

времени, а также элементом EEPROM 

ППЗУ M24C08 с информационной емкостью 

1 кбайт. Кроме того, интерфейс I 2 C применяется 

для установки требуемых режимов 

работы HDMI-кодека, программируемого 

генератора тактовых сигналов, модулей расширения, 

подключаемых к разъемам FMC 

LPC и PMOD, и мониторинга уровней напряжений 

питания и потребляемого тока 

расширяемой вычислительной платформы. 

Топология мультиплексируемой шины интерфейса 

I 2 C в рассматриваемом инструментальном 

модуле показана на рис. 9. 

Контроллер интерфейса I 2 C выполнен 

на базе соответствующей периферии кристалла 

XC7Z020. Мультиплексирование шин 

интерфейса I 2 C производится восьмиканальным 

коммутатором PCA9548 компании NXP 

Semiconductor. Для расширения этого интерфейса 

в отладочном модуле Xilinx Zynq-7000 

SoC ZC702 Evaluation Board предусмотрена 

схема, приведенная на рис. 10. Основу этой 

схемы образует 16-разрядный расширитель 

интерфейса I 2 C и SMBus, реализованный 



ПЛИС 

на базе микросхемы TCA6416APWR компании 

Texas Instruments. 

Схема конфигурирования программируемой 

логики кристалла расширяемой вычислительной 

платформы инструментального 

модуля Xilinx Zynq-7000 EPP ZC702 Evaluation 

Board представлена на рис. 11. В ее состав 

входят два разъема порта JTAG-интерфейса 

(14- и 20-контактный), интегрированная 

схема загрузочного кабеля, DIPпереключатель 

и кнопка принудительного 

реконфигурирования кристалла XC7Z020. 

Стандартный 14-контактный разъем порта 

JTAG-интерфейса предназначен для подключения 

универсальных загрузочных кабелей, 

выпускаемых фирмой Xilinx. Этот разъем 

предоставляет возможность конфигурирования 

программируемой логики кристалла 

XC7Z020 рассматриваемого отладочного 

модуля, программирования элемента Flashпамяти, 

а также осуществления операций 

периферийного сканирования и внутрикристальной 

отладки встраиваемых микропроцессорных 

систем с помощью загрузочных 

кабелей Platform Cable USB II и Parallel 

Cable IV (PC IV). 

Интегрированная схема загрузочного кабеля, 

конструктивно реализованная в виде 

85 

субмодуля компании Digilent, выполняющего 

функции интерфейсного моста USB-JTAG, 

позволяет осуществлять перечисленные 

выше операции с помощью стандартного кабеля 

USB-интерфейса (Type A – Type mini-B). 

DIP-переключатель используется для выбора 

одного из трех источников загрузки конфигурационных 

данных. 

Кнопка принудительного реконфигурирования 

программируемой логики расширяемой 

вычислительной платформы 

предоставляет пользователю возможность 

осуществления загрузки конфигурационной 

последовательности отлаживаемого проекта 

в кристалл XC7Z020 в любой момент. При 

этом процессорная система этого кристалла 

продолжает функционировать в текущем 

режиме. 

Программируемый блок формирования 

тактовых сигналов инструментального модуля 


Board включает в себя следующие элементы: 

• генератор дифференциального сигнала 

синхронизации с фиксированным значением 

частоты 200 МГц; 

• программируемый широкодиапазонный 

генератор дифференциальных тактовых 

сигналов; 

Рис. 10. Схема расширения интерфейса I 2 C в отладочном модуле Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board

86 


Рис. 11. Схема конфигурирования программируемой логики 

инструментального модуля Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board 

• генератор внешнего сигнала синхронизации 

для процессорной системы расширяемой 

вычислительной платформы. 

Генератор дифференциального сигнала 

синхронизации с фиксированным значением 

частоты формирует системный тактовый 

сигнал для программируемой логики кристалла 

XC7Z020, соответствующий спецификации 

стандарта LVDS. Для реализации 

этого генератора используется микросхема 

SiT9102AI, выпускаемая компанией Si Time. 

Программируемый генератор дифференциальных 

тактовых сигналов вырабатывает 

сигналы синхронизации в соответствии 

со спецификацией стандарта LVDS, характеризующиеся 

низким уровнем джиттера, 

значение частоты которых может изменяться 

пользователем в диапазоне от 10 до 810 МГц. 

Этот генератор выполнен на базе микросхемы 

Si570 компании Silicon Labs. Установка 

требуемого значения частоты формируемых 

сигналов в этой микросхеме осуществляется 

с помощью интерфейса I2C. При включении 

напряжения питания микросхема генерирует 

дифференциальный тактовый сигнал 

с частотой 156,250 МГц. Схемы реализации 

генератора дифференциального сигнала синхронизации 

с фиксированным значением частоты 

и программируемого генератора дифференциальных 

тактовых сигналов в рассматриваемом 

отладочном модуле не отличаются 

от схем аналогичных блоков инструменталь- 

Рис. 12. Схема генератора внешнего сигнала синхронизации 

для процессорной системы кристалла XC7Z020 

ного модуля Xilinx KC705 Evaluation Board, 

рассмотренного в [18]. 

Функции генератора внешнего сигнала 

синхронизации для процессорной системы 


выполняет микросхема SiT8103AC компании 

Si Time, формирующая сигнал с частотой 

33,33333 МГц. Схема включения этого генератора 

изображена на рис. 12. 

Блок элементов управления и индикации 

инструментального модуля Xilinx Zynq-7000 

SoC ZC702 Evaluation Board образуют кнопочные 

переключатели, двухпозиционные 

DIP-переключатели и светодиодные индикаторы, 

сопряженные с пользовательскими выводами 

программируемой логики и процессорной 

системы расширяемой вычислительной 

платформы. Переключатели различного 

типа позволяют разработчику осуществлять 

операции сброса, инициализации, изменения 

режимов работы отдельных блоков 

встраиваемых микропроцессорных систем, 

а также управлять процессом их отладки. 

Светодиодные индикаторы служат для визуального 

контроля функционирования разрабатываемых 

систем и процесса отладки. 

Разъемы расширения FMC LPC, соответствующие 

спецификации стандарта 

ANSI/VITA 57.1, предназначены для подключения 

модулей мезонинного типа, которые 

позволяют дополнить периферию 


для реализации встраиваемой микропроцессорной 

системы определенного целевого 

назначения. Например, для отладки высокопроизводительных 

систем цифровой обработки 

сигналов могут применяться модули 

расширения FMC, выполняющие операции 

высокоскоростного аналого-цифрового 

и цифро-аналогового преобразования сигналов, 

основные характеристики которых рассмотрены 

в [19]. 

Дополнительные возможности расширения 

периферии кристалла XC7Z020 предоставляют 

разъемы, удовлетворяющие требованиям 

спецификации PMOD, которые позволяют 

подключать модули компании Digilent, выполняющие 

различные функции. В настоящее 

время эту спецификацию поддерживают 

и другие производители. В частности, компания 

Maxim выпустила комплект, включающий 

в себя 15 периферийных модулей, совместимых 

с разъемами расширения PMOD. 

Разъем для подключения внешних сигналов 

к аналого-цифровому блоку XADC 


предоставляет доступ к встроенному двухканальному 

12-разрядному АЦП с мультиплексируемыми 

входами и встроенному датчику 

температуры, а также возможность подачи 

напряжения питания и опорного напряжения 

для этого блока. Разъем поддерживает прямое 

присоединение дополнительного модуля 

коммутации аналоговых сигналов AMS101 

Evaluation Card, который входит в состав инструментального 

комплекта Xilinx Zynq-7000 

SoC ZC702 Evaluation Kit. 

Часы реального времени реализованы 

на базе микросхемы RTC-8564JE компании 

Epson Electronics. Эта микросхема поддерживает 

в полном объеме функции календаря, 

предоставляя информацию о текущем годе, 

месяце, числе, дне недели, часах, минутах и секундах. 

Взаимодействие часов реального времени 

с процессорной системой расширяемой 

вычислительной платформы осуществляется 

через шину интерфейса I 2 C. Схема часов 

реального времени, используемых в составе 

отладочного модуля Xilinx Zynq-7000 SoC 

ZC702 Evaluation Board, приведена на рис. 13. 

В состав комплексной схемы формирования 

и контроля питающих напряжений входят 

интегральные стабилизаторы импульс- 

Рис. 13. Схема часов реального времени, используемых 

в инструментальном модуле Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board 


Рис. 14. Структурная схема узла питания инструментального модуля 


ного и линейного типа, выпускаемые компанией Texas Instruments. 

Для управления работой импульсных стабилизаторов, а также мониторинга 

уровней напряжений и потребляемого тока в составе этой 

схемы предусмотрены контроллеры этой же компании. Интегральные 

стабилизаторы вырабатывают напряжения 3,3; 2,5; 1,8; 1,5; 1 и 0,75 В, 

которые необходимы для питания и согласования различных компонентов 

рассматриваемого отладочного модуля. Первичным источником 

для большинства интегральных стабилизаторов является постоянное 

напряжение 12 В, формируемое сетевым адаптером, который 

входит в состав инструментального комплекта Xilinx Zynq-7000 SoC 

ZC702 Evaluation Kit. Контроллеры, используемые в составе узла питания, 

обеспечивают возможность управления и мониторинга выходных 

уровней напряжений и токов через интерфейс PMBus (Power 

Management Bus) с помощью программных средств Fusion Digital Power 

Designer компании Texas Instruments. Структура комплексной схемы 



ПЛИС 

формирования и контроля питающих напряжений отладочного модуля 

Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board показана на рис. 14. 

Более подробная информация по работе с инструментальным 

модулем Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board представлена 

в [20, 21]. 

Назначение и краткая характеристика 

коммутационного модуля аналоговых сигналов 

AMS101 Evaluation Card 

Коммутационный модуль AMS101 Evaluation Card, входящий 

в состав инструментального комплекта Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 

Evaluation Kit, является новой модификацией модуля расширения AMS 

Evaluation Card, который был представлен в [18]. Этот коммутационный 

модуль предназначен для подключения внешних аналоговых 

сигналов к соответствующим входам аналого-цифровых преобразователей 

и тестирования блока XADC расширяемой вычислительной 

платформы, установленной на основной отладочной плате. Модуль 

AMS101 Evaluation Card отличается от модуля расширения AMS 

Evaluation Card более компактным исполнением и возможностью прямого 

присоединения к отладочной плате Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 

Evaluation Board без использования шлейфа. Внешний вид коммутационного 

модуля AMS101 Evaluation Card приведен на рис. 15. 

На плате этого модуля есть следующие элементы: 

• Набор коммутационных перемычек, предоставляющих возможность 

выбора источника внешних аналоговых сигналов, 

подаваемых на входы аналого-цифрового блока XADC кристалла 

XC7Z020. 

• 16-разрядный двухканальный цифро-аналоговый преобразователь 

(ЦАП), формирующий аналоговые тестовые сигналы для блока 

XADC. 

• Операционный усилитель, выполняющий функции буферизации 

опорного сигнала. 

• Схема согласования уровней сигналов интерфейса управления 

ЦАП. 

• 20-контактный разъем сопряжения с основным отладочным модулем 

Xilinx Zynq-7000 SoC ZC702 Evaluation Board. 

• Разъемы, предназначенные для подключения внешних аналоговых 

сигналов. 

Структурная схема коммутационного модуля AMS101 Evaluation 

Card изображена на рис. 16. Двухканальный ЦАП реализован на базе 

микросхемы AD5065, выпускаемой компанией Analog Devices. В качестве 

операционного усилителя опорного сигнала используется микросхема 

AD8033 этой же компании. Схема согласования уровней сигна- 

Рис. 15. Внешний вид коммутационного модуля AMS101 Evaluation Card Рис. 16. Структурная схема коммутационного модуля AMS101 Evaluation Card 

87

88 



Рис. 17. Основное окно программных средств AMS101 Evaluator Tool 

лов интерфейса управления ЦАП выполнена 

на основе микросхем SN74LVC2T45DCT. 

Для установки параметров функционирования 

аналого-цифрового блока XADC 


и оценки основных характеристик этого 

блока с применением коммутационного 

модуля в составе инструментального комплекта 


Kit предусмотрены программные средства 

AMS101 Evaluator Tool. Эти программные 

средства функционируют под управлением 

системы LabVIEW компании National 

Instruments. С помощью этих средств можно 

визуально оценить сигналы на выходах 

аналого-цифрового блока XADC, а также 

выполнить их обработку во временной 

или частотной области. На рис. 17 показан 

вид основного окна программных средств 

AMS101 Evaluator Tool, в котором отображаются 

результаты аналого-цифрового преобразования 

сигналов, поступающих на входы 

коммутационного модуля. 

Кроме того, эти программные средства 

позволяют контролировать температуру 

кристалла расширяемой вычислительной 

платформы основного инструментального 

модуля и осуществлять мониторинг уровней 

напряжений питания с помощью встроенных 

датчиков аналого-цифрового блока XADC. 

На рис. 18 приведен вид окна программных 

средств AMS101 Evaluator Tool, представляющего 

значения температуры и питающих 

напряжений программируемой системы 

на кристалле семейства Zynq-7000. 

Более подробную информацию о коммутационном 

модуле AMS101 Evaluation Card 

и программных средствах AMS101 Evaluator 

Tool можно найти в [22]. n 


1. Зотов В. Особенности архитектуры нового поколения 

ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы 

Xilinx // Компоненты и технологии. 2010. № 12. 

2. Zynq-7000 All Programmable SoC Overview. 

Advance Product Specification. Xilinx, 2012. 

3. Zynq-7000 All Programmable SoC (XC7Z010 

and XC7Z020): DC and AC Switching Characteristics. 

Xilinx, 2012. 

4. Zynq-7000 All Programmable SoC (XC7Z030 

and XC7Z045): DC and AC Switching Characteristics. 

Xilinx, 2012. 

5. Zynq-7000 All Programmable SoC Technical 

Reference Manual. Xilinx, 2012. 

6. Zynq-7000 All Programmable SoC: Concepts, 

Tools, and Techniques (CTT) A Hands-On Guide to 

Effective Embedded System Design. Xilinx, 2012. 

Рис. 18. Мониторинг температуры и питающих напряжений 

с помощью программных средств AMS101 Evaluator Tool 

7. Zynq-7000 All Programmable SoC Software 

Developers Guide. Xilinx, 2012. 

8. 7 Series FPGAs and Zynq-7000 All Programmable 

SoC XADC Dual 12-it 1 MSPS Analog-to-Digital 

Converter User Guide 

9. 7 Series FPGAs SelectIO Resources User Guide. 

Xilinx, 2011. 

10. 7 Series FPGAs Clocking Resources User Guide. 

Xilinx, 2011. 

11. 7 Series FPGAs Memory Resources User Guide. 

Xilinx, 2012. 

12. 7 Series FPGAs Configurable Logic Block User 

Guide. Xilinx, 2012. 

13. 7 Series FPGAs GTX Transceivers User Guide. 

Xilinx, 2011. 

14. 7 Series FPGAs Integrated Block for PCIe User 


15. 7 Series DSP48E1 Slice User Guide. Xilinx, 2012. 

16. Зотов В. Проектирование цифровых устройств 

на основе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР 

WebPack ISE. М.: Горячая линия – Телеком, 

2003. 

17. Зотов В. Средства внутрикристальной отладки 

цифровых устройств и встраиваемых микропроцессорных 

систем, разрабатываемых на базе 

ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы Xilinx — 

ChipScope Pro // Компоненты и технологии. 

2008. № 10. 

18. Зотов В. Инструментальные средства разработки 

и отладки цифровых устройств и встраиваемых 

микропроцессорных систем, проектируемых 

на основе ПЛИС FPGA фирмы Xilinx 

серии Kintex-7 // Компоненты и технологии. 

2012. № 4–5. 

19. Зотов В. Инструментальные средства отладки 

устройств цифровой обработки сигналов, проектируемых 

на основе ПЛИС FPGA фирмы Xilinx 

серий Virtex-6 и Spartan-6 // Компоненты и технологии. 

2011. № 4–12. 

20. ZC702 Evaluation Board for the Zynq-7000 

XC7Z020 Extensible Processing Platform User 


21. Zynq-7000 EPP ZC702 Base Targeted Reference 

Design User Guide. Xilinx, 2012. 

22. AMS101 Evaluation Card User Guide. Xilinx, 

2012. 





89

90 

компоненты рубрика 

Эрлендур КРИСТьяНССОН 

(Erlendur KRISTJAnSSOn) 

Периферия — основная проблема 

Проектирование большинства конструкций 

начинается с определения перечня 

функций, которые будет выполнять система, 

и способов доступа пользователей к ним. 

В ходе этого процесса определяется, какие 

понадобятся схемы и какие периферийные 

устройства, интегрированные на микропроцессорном 

кристалле, будут нужны для управления 

этими схемами. Например, для реализации 

промышленного человеко-машинного интерфейса 

микроконтроллер должен поддерживать 

ЖК-индикатор с кнопками или сенсорным 

дисплеем, коммуникационный интерфейс для 

связи с машиной, светодиоды и зуммер либо 

другой компонент для подачи звуковых сигналов. 

Поэтому нужен будет микроконтроллер 

со встроенным контроллером интерфейса 

CAN для связи, АЦП для сенсорного экрана 

и ШИМ-таймером для зуммера. Чем шире 

функциональность периферийного устройства, 

тем меньше потребуется внешних компонентов 

и, вероятно, тем меньше кода придется 

писать проектировщику. Соответственно, использовать 

режим зуммера легче, чем настроить 

ШИМ для достижения того же результата. 

Обычно проектировщика интересуют два 

ключевых вопроса о ядре: хватит ли его быстродействия 

для выполнения всех программно 

реализованных задач, которые обеспечивают 

функциональность конечного продукта, 

и эффективно ли оно выполняет эти задачи. 

Если ответ на оба эти вопроса положительный, 

то большую часть проектировщиков 

не слишком заботит тип используемого ядра. 

Более важный вопрос — какой объем уже 

имеющегося программного и микропрограммного 

обеспечения, предназначенного для 

поддержки периферийных устройств, можно 

будет перенести на новое ядро. Поскольку программный 

код для 32-разрядных микроконтроллеров 

пишется главным образом на языке 

C, большую его часть можно перекомпилировать 

под любое ядро. Вместе с тем у каждого 

производителя микроконтроллеров, какое бы 

ядро он ни использовал, есть периферийные 

функции и программные модели, предназначенные 

именно для его продукции. Именно 

это обстоятельство затрудняет перенос кода. 

Совместимость 

32-разрядных микроконтроллеров 

Стандартизация на единой платформе микроконтроллерных ядер — один 

из приоритетных пунктов в списке пожеланий отрасли, но даже в случае 

общего ядра проектировщикам придется сталкиваться с проблемами при 

переносе периферийных устройств и микропрограмм. 

Перенос микропрограмм 

Каждый производитель микроконтроллеров 

поставляет библиотеку микропрограмм, 

содержащую код для настройки и обеспечения 

работы встроенных в микроконтроллер 

периферийных устройств. Но реализованы 

эти периферийные устройства у разных производителей 

по-разному, и набор их функций 

может отличаться. Это означает, что перенос 

приложения с одного микроконтроллера 

на другой — непростая задача. 

Компания ARM предложила решение этой 

проблемы, разработав стандарт на уровень 

абстракции микропрограмм под названием 

Cortex Microcontroller Software Interface 

Standard (CMSIS). Он был внедрен всеми производителями 

микроконтроллеров на базе 

ядер Cortex-M и используется в их микропрограммных 

библиотеках, однако не решает 

проблему сложности переноса периферийных 

устройств, а также не устанавливает единого 

соглашения об именовании переменных или 

функций. Как следствие, CMSIS лишь незначительно 

снижает трудозатраты на перенос 

приложений между микроконтроллерами 

разных производителей на платформе ARM. 

Обеспечение совместимости 

на этапе проектирования 

Даже если производители микроконтроллеров 

используют одно и то же ядро ARM, упрощать 

перенос на микроконтроллер конкурента 

не в их интересах. Поэтому задача сделать 

конструкцию переносимой ложится на плечи 

инженера-проектировщика. Чтобы упростить 

совместимость, проектировщик может 

реализовать уровень абстракции, создающий 

стандартный программный интерфейс между 

микроконтроллером, периферийным оборудованием 

и программным кодом. Для этого 

есть как минимум два подхода: 

• Разработать промежуточный слой (оболочку), 

который будет обеспечивать трансляцию 

между периферийной библиотекой 

производителя микроконтроллера и кодом 

прикладной программы. Это, пожалуй, самое 

рациональное решение с точки зрения 

временных затрат, но оно сопряжено с добавлением 

кода в тракты команд и данных. 

• Разработать стандартную схему именования 

функций и переменных и применить 

ее к каждой из периферийных библиотек. 

Это позволяет избежать написания дополнительного 

кода, но может быть очень трудоемким 

делом, особенно в случае сложной 

периферии. 

Портируемость необходимо закладывать 

на самых ранних стадиях процесса разработки. 

Помимо программного и микропрограммного 

обеспечения, есть еще проблема 

несовместимости по цоколевке, которая 

обычно вынуждает менять разводку печатной 

платы при переходе на микропроцессор 

другого производителя. Возможно, понадобится 

также изменить внешние компоненты, 

такие как конденсаторы и стабилизаторы. 

* * * 

По-видимому, совместимость между 

32-разрядными контроллерами разных производителей 

так и останется пожеланием, 

пока не будут решены проблемы переноса 

периферийных устройств и микропрограммных 

библиотек. Один из способов упростить 

задачу — выбрать микроконтроллер, 

обеспечивающий легкую миграцию на другие 

микроконтроллеры в рамках ассортимента 

продукции того же производителя. 

Например, компания Microchip недавно 

упростила свою линейку компиляторов языка 

C, предложив клиентам программный пакет 

MPLAB XC, который содержит один компилятор 

для каждой из ее 8-, 16- и 32-разрядных 

архитектур и поддерживает все модели микроконтроллеров 

PIC и цифровых сигнальных 

контроллеров dsPIC. Вдобавок обеспечивается 

совместимость снизу вверх между архитектурами 

для защиты инвестиций в разработку 

кода и совместимость по цоколевке между различными 

корпусами для упрощения разводки 

печатных плат под заменяющие компоненты. 

Поэтому пока проектировщики не дождались 

стандартного ядра со стандартными 

периферийными устройствами и микропрограммами, 

они могут хотя бы предусмотреть 

в своих конструкциях задел на будущее, оценив 

рентабельность миграции в рамках ассортимента 

одного производителя на начальной 

стадии каждого проекта. n 


Реклама

92 



Вячеслав ГАВРИКОВ 

Современная электроника охватывает все 

области человеческой деятельности: от бытовых 

приборов до промышленных и медицинских 

устройств. Растущие требования 

к электронным устройствам напрямую относятся 

к используемым электронным компонентам. 

Бурное развитие портативных устройств 

с батарейным питанием требует от компонентов 

снижения потребления, уменьшения 

не только занимаемой площади, но и объема, 

снижения уровня шумов. Компания 

ONS предлагает сверхкомпактные BRTтранзисторы 

уже со встроенными резисторами, 

сверхтонкие логические полевые 

транзисторы, малошумящие миниатюрные 

LDO-регуляторы, прецизионные источники 

опорного напряжения, буферы тактовых 

сигналов, малопотребляющие логические 

микросхемы и мониторы напряжения питания. 

Широкое применение радиоустройств, 

быстродействующих процессоров и микросхем 

ставит задачу фильтрации и помехозащищенности 

сигналов. EMI-фильтры ONS 

имеют малые размеры и реализуют интегрированную 

ESD-защиту линий передачи 

данных. Кроме того, актуальным становится 

применение малошумящих и помехоподавляющих 

LDO-регуляторов. 

ONS предлагает высокоэффективные решения 

для источников питания (ИП): новые 

Таблица 1. Основные параметры контроллеров вторичного контура ИП 

Обозначение 

Напряжение 

питания (max), В 

Опорное 

напряжение, В 

Ток потребления, 

мкА 


ON Semiconductor 

За последние полгода компания On Semiconductor (OnS) анонсировала 

большое число новых компонентов и микросхем: биполярные и полевые 

транзисторы, драйверы светодиодов, буферы тактовых частот, микросхемы 

питания, интегральные фильтры, трансиверы для различных интерфейсов, 

специализированные микросхемы. В статье дан краткий обзор 

новых продуктов. 

контроллеры вторичного контура AC/DC, 

эффективные DC/DC-микросхемы для систем 

с несколькими напряжениями питания, 

LDO-регуляторы с минимальным потреблением 

и низким падением напряжения. 

Усложнение автомобильных систем обработки 

данных требует появления новых 

ECU (electronic control unit) с поддержкой 

высокоскоростных интерфейсов (CAN, LIN, 

FlexRay). ONS разработала системообразующие 

микросхемы трансиверов, позволяющие 

реализовывать современные ECU. 

Микросхемы Rhythm R3710 этой компании 

могут применяться в узкоспециализированной 

области слуховых аппаратов. 

Особое внимание ONS уделяет разработке 

новых драйверов светодиодов. Новые драйверы 

дают дополнительное преимущество 

использования светодиодов для декоративного, 

дежурного и основного освещения. 

Отличительной чертой ON Semiconductor 

являются повышенные экологические требования 

к своим продуктам и проведение 

мероприятий по защите окружающей среды. 

ONS строго придерживается регламента 

Европейского Союза по производству и обороту 

всех химических веществ (REACH), 

а также информирует своих потребителей 

об используемых материалах и веществах: 

полная информация доступна на сайте ONS. 

Компоненты также соответствуют требованиям 

по содержанию вредных веществ (RoHS) 

Европейского Союза. ONS имеет и программу 

по утилизации своих продуктов. 

Подстройка 

напряжения 

включения Umin, В 

Контур 

контроля 

тока 

Вывод 

драйвера 

светодиода 

Корпус 

NCP4353A 36 1,25 15 Нет Есть Нет TSOP8 

NCP4353B 36 1,25 15 Есть Нет Нет TSOP8 

NCP4354A 36 1,25 15 Есть Есть Есть SOIC8 

NCP4354B 36 1,25 15 Есть Нет Есть SOIC8 

NCP4354A 36 1,25 15 Нет Есть Есть SOIC8 

NCP4354B 36 1,25 15 Есть Нет Есть SOIC8 

NCP4354С 36 1,25 15 Есть Есть Нет SOIC8 

NCP4303 30 0 6600 – – – 

SOIC8 

DFN8 

AC/DC-контроллеры 

NCP4353, NCP4354, NCP4355 — это новые 

контроллеры вторичного контура импульсных 

источников питания, разработанные 

специально для приложений с максимально 

низким собственным потреблением при отсутствии 

нагрузки. Контроллеры способны 

обнаруживать отсутствие нагрузки и переводить 

источник питания в режим OFF, при 

этом контроллер первичного контура выключается. 

Сам контроллер вторичной стороны 

работает от энергии, запасенной в выходном 

конденсаторе. Когда эта энергия расходуется 

и выходное напряжение снижается 

до напряжения U min , контроллер вторичной 

стороны автоматически запускает контроллер 

первичного контура. Основной областью 

применения этих микросхем являются автономно 

работающие адаптеры для ноутбуков, 

принтеров и игровых станций, а также мощные 

AC/DC-преобразователи для телевизоров 

и мониторов. 

NCP4353 и NCP4354 разработаны для совместной 

работы с контроллером первичного 

контура. NCP1246 используют для управления 

один оптрон. NCP4354 разработан 

для работы с контроллерами первичного 

контура, у которых помимо входа обратной 

связи FB есть вход разрешения работы; 

управление происходит посредством двух 

оптронов. Существуют версии контроллеров 

с дополнительным контуром контроля тока, 

возможностью подстройки минимального 

напряжения U min , а также дополнительным 

выводом для подключения индикаторного 

светодиода (табл. 1). 

NCP4303 — контроллер вторичного контура 

синхронного преобразователя. Благодаря универсальности 

его можно использовать в обычных 

прямоходовых и обратноходовых преобразователях. 

Сверхмалое время выключения 

(типовое значение 40 нс), большое значение 

выходного тока, малая индуктивность выводов 

корпуса DFN8 — все это позволяет создавать 

высокоэффективные синхронные ИП. 


Таблица 2. Основные параметры 

BRT-транзисторов ONS 

Обозначение Тип R1, кОм R2, кОм Корпус 

Основными областями применения являются 

преобразователи для ноутбуков, игровых консолей, 

систем с ATX-питанием, а также мощные 

AC/DC-преобразователи с повышенными 

требованиями к эффективности. 

Микросхемы 

для аудиоприложений 

Система Belasigna r262 

BelaSigna R262 — законченная система 

на кристалле (System-on-Chip, SoC), призванная 

обеспечить широкополосную фильтрацию 

шумов в голосовых приложениях. 

Она позволяет удалить механические, постоянные 

и непостоянные шумы, сохранить 

естественность и чистоту голоса при различном 

удалении говорящего от микрофона, 

а также обеспечивает поддержку широкого 

круга кодеков, микрофонов без какой-либо 

калибровки. BelaSigna R262 имеет в своем составе 

два аудиовхода, два аудиовыхода, вы- 

rhythm r3710 

Rhythm R3710 — это аудио DSP-устройство, 

оно реализовано в самом миниатюрном 

(для аналогичных микросхем) корпусе 

(4,573,121,52 мм), что позволяет создавать 

слуховые аппараты, которые могут располагаться 

непосредственно в слуховом канале. 

Суть работы этого чипа состоит в приеме 

сигнала от микрофона слухового аппарата 

и передаче обработанного звука в миниатюрный 

динамик. 

Rhythm R3710 позволяет выполнять анализ 

окружающих звуков, адаптивную фильтрацию 

шумов, фильтрацию эха от динамика 

и многое другое. В распоряжении разработчика 

оказываются до восьми каналов обра- 


NSBC123TPDP6 

2,2 ∞ 

NSBC143EPDP6 

NSBC124EPDP6 

Комплементарные 

BRT 

4,7 

22 

4,7 

22 

SOT-963 

NSBC144WPDP6 

MUN2141 

47 22 

SC-59 

а б 

в 

MMUN2141L SOT-23 

MUN5141 PNP BRT 100 ∞ SC-70 Рис. 1. Внутренние схемы BRT-транзисторов ON Semiconductor: а) NPN BRT; б) PNP BRT; в) комплементарные BRT 

DTA115TM3 SC-75 

DTA115TE SOT-723 

MUN5241 

SC-70 

DTC115TM3 NPN BRT 100 ∞ SC-75 

DTC115TE SOT-723 

MUN2138 

SC-59 

MMUN2138L SOT-23 

MUN5138 PNP BRT 2,2 ∞ SC-70 

DTA123TM3 SC-75 


MUN2238 

SC-59 

MUN5238 

DTC123TM3 

NPN BRT 2,2 ∞ 

SC-70 

SC-723 


MUN2135 

MMUN2135L 

PNP BRT 2,2 47 

SC-59 

SOT-23 

MUN2235 

MMUN2235L 

NPN BRT 2,2 47 

SC-59 

SOT-23 

MMUN2236L NPN BRT 100 100 SOT-23 

MMUN2136L PNP BRT 100 100 SOT-23 

DTA113EM3 

SOT-723 

NSBA113EF3 PNP BRT 1 1 SOT-1123 

DTA113FE SC-75 

NSBC113EF3 

DTC113EEE 

NPN BRT 1 1 

SOT-1123 

SC-75 

NSBA123EF3 PNP BRT 2,2 2,2 SOT-1123 

NSBC123EF3 NPN BRT 2,2 2,2 SOT-1123 

NSBA143TF3 PNP BRT 4,7 ∞ SOT-1123 

NSBC143TF3 NPN BRT 4,7 ∞ SOT-1123 

NSBA124XF3 PNP BRT 22 47 SOT-1123 

NSBC124XF3 NPN BRT 22 47 SOT-1123 

MMUN2140L 

MUN2140 

NSBA144TF3 

PNP BRT 47 ∞ 

SOT-23 

SC-70 

SC-1123 

Буферы тактовых сигналов 


MMUN2240L 

SOT-23 

MUN5240 

NSBC144TF3 

NPN BRT 47 ∞ 

SC-70 

SC-1123 


MMUN2137L PNP BRT 47 22 SOT-23 

MMUN2237L NPN BRT 47 22 SOT-23 

сокоэффективный (50 MIPS) 16-битный DSP 

и управляющий I2 ботки с поддержкой технологии компрессии 

C-интерфейс. Напряжение широкого динамического диапазона (Wide 

питания — 1,65–3,3 В. Корпус — WLCSP Dynamic Range Compression, WDRC), восемь 

(5,32 мм). 

биквадратных фильтров, два аналоговых 

Чип может работать в четырех основных входа, 8- или 16-Гц полоса пропускания, ин- 

режимах: 

тегрированная EEPROM, высокоточный ау- 

• Active — активный режим с фильтрацией диокодек, 20-битный аудиопроцессор, внеш- 

звука (17 мА). 

няя или внутренняя подстройка громкости 

• ByPass — активный режим без фильтрации и шина I 

звука (17 мА при внешнем тактировании, 

2,9 мА при внутреннем тактировании). 

• Sleep — неактивный режим с минимальным 

потреблением (40 мкА). 

• StandBy — режим ожидания. 

Миниатюрный корпус и гибкая система 

управления питанием позволяют использовать 

SoC BelaSigna R262 в различных звуковых 

приложениях, таких как мобильные 

телефоны, веб-камеры, планшеты и др. 

2C для программирования. Диапазон 

питающего напряжения — 1–1,65 В. 

Биполярные BRT-транзисторы 

ONS расширяет линейку транзисторов 

со встроенными резисторами (Bias Resistor 

Transistor, BRT) (табл. 2). Эта технология позволяет 

существенно сократить занимаемую 

компонентами площадь и уменьшить конечную 

стоимость изделия. 

Существует три основных вида транзисторов 

со встроенными резисторами: NPN, PNP 

и комплементарная пара (рис. 1). 

Таблица 3. Основные параметры буферов тактовых сигналов 

Обозначение Тип Тип входов Тип выходов 

NB3N121K Буфер 1×HCSL 

NB3M8T3910G Буфер 

NB3F8L3010C Буфер 

21×HCSL 

(возможен LVDS) 

ONS пополнила линейку буферов тактовых 

сигналов (табл. 3). Области их применения 

— телекоммуникация, SONET/SDH, 

Gigibit Ethernet, LAN/WAN, вычислительные 

системы, тестовое оборудование, карты памяти 

FBDIMM и PCIe. Буферы имеют дополнительные 

управляющие входы CLK_SEL 

или SELx (выбор одного из мультиплексированных 

входов), OE — для перевода выходов 

в высокоомное состояние и CLK_EN — для 

разрешения работы буфера. 

Управляющие 

входы 

Напряжение 

питания, В 

Макс. частота, 

МГц 


2×ECL 

1×XTAL 

2×ECL 

1×XTAL 

5×ECL 

1×CMOS/TTL 

10×CMOS/TTL 

NB3N83948C Буфер 2×ECL 12×CMOS/TTL 

NB3N8543S Буфер 2×ECL 4×ECL 

NB3N853531 Буфер 

1×CMOS/TTL 

1×XTAL 

4×ECL 

NB3N853501 Буфер 2×CMOS/TTL 4×ECL 

Корпус 

– 3–3,3 400 QFN52 

SEL0, SEL1, 

SMODEA0, 

SMODEA1, 

SMODEB0, 

SMODEB1, OE 

SEL0, 

SEL1, 

OE 

CLK_SEL, 

CLK EN, OE 

CLK_SEL, 

CLK EN, OE 

CLK_SEL, 

CLK EN 

CLK_SEL, 

CLK EN 

2,5 

3,3 

1,5 (выходы) 

1,8 (выходы) 

2,5 

3,3 

200 QFN48 

200 QFN32 

2,5 3,3 350 TSSOP-20 

3,3 1000 TSSOP-20 

3,3 266 TSSOP-20 

3,3 266 TSSOP-20 

93

94 

LDO-регуляторы 


Таблица 4. Основные параметры новых LDO-регуляторов 

Обозначение 

Выходное 

напряжение 

Выходной 

ток, А 

CAT6201VP2-GT3 и CAT6202VP2-GT3 

представляют собой линейные регуляторы 

с малым падением (0,25 В) и возможностью 

подстройки выходного напряжения (табл. 4). 

Их особенностью является наличие выхода 

FLT, который сигнализирует о перегрузке по 

току или о перегреве. Кроме того, встроенная 

защита предотвращает выход устройства 

из строя при увеличении выходного 

напряжения больше входного, что может 

быть полезно, к примеру, при замыкании 

автомобильного аккумулятора на выход микросхемы. 

Малое собственное потребление 

и повышенная защищенность позволяют использовать 

эти регуляторы в автомобильной 

и промышленной электронике. 

NCP703/NCP702 — линейные регуляторы 

со сверхнизким (12 мкА) потреблением и выходным 

током до 300 мА (табл. 4). Главной 

особенностью является подавление помех 

питающего напряжения: PSRR составляет 

68 дБ для частоты 1 кГц. Это позволяет применять 

их в радиоустройствах (смартфоны, 

беспроводная гарнитура, беспроводные сети, 

Bluetooth, ZigBee), измерительной и медицинской 

аппаратуре, а малое потребление 

делает их привлекательными для устройств 

с батарейным питанием. 


DC/DC-преобразователей 

NCP6924 — микросхема питания, имеющая 

в своем составе два высокоэффективных 

понижающих DC/DC-конвертера и четыре 

LDO-регулятора. Каждый из двух DC/DC- 

Максимальное входное 

напряжение, В 

Падение 

напряжения, В 

Типовой ток 

потребления, мА 

конвертеров имеет нагрузочную способность 

800 мА, эффективность до 95% и возможность 

программного управления уровнем 

выходного напряжения (0,6–3,3 В с шагом 

12,5 мВ). Линейные регуляторы также имеют 

возможность программного управления 

выходным напряжением (1–3,3 В с шагом 

50 мВ) и нагрузочную способность 150 мА 

(первая пара регуляторов) и 300 мА (вторая 

пара). Управление работой производится 

по шине I 2 C. Корпус — WLCSP-30. 

Микросхема позволяет сберечь занимаемое 

на плате место и повысить энергетическую 

эффективность устройств в целом и подходит 

для портативных устройств с батарейным 

питанием, которым одновременно необходимо 

питающее напряжение различных 

уровней. 

NCP6338 — синхронный преобразователь, 

предназначенный для работы с мощными 

процессорами портативных устройств, питающихся 

от одной литий-ионной батареи. 

Преобразователь обладает нагрузочной способностью 

6 А, эффективностью до 95%, 

работает с частотой 3 МГц и имеет возможность 

программирования уровня выходного 

напряжения от 0,6 до 1,4 В. Интерфейс 

связи с контроллером — I 2 C. Корпус, как 

и у NCP6924, — WLCSP-30. 

Драйверы светодиодов 

Корпус 

CAT6201VP2-GT3 Подстраиваемое 0,3 13 0,25 0,16 TDFN-8 

CAT6202VP2-GT3 Подстраиваемое 0,5 13 0,25 0,16 TDFN-8 

NCP702 Фиксированное 0,2 1,8; 2,8; 3; 3,3 0,14 0,01 XDFN-6 

NCP703 Фиксированное 0,3 1,8; 2,8; 3; 3,3 0,18 0,012 XDFN-6 

Таблица 5. Основные параметры драйверов светодиодов 

Развитие технологии сверхъярких светодиодов 

приводит к тому, что сейчас 

они становятся альтернативой для люминесцентных 

ламп и других источников света. 

Существует несколько способов для управления 

светодиодами: источники питания для 

Обозначение Тип Ток, мА Напряжение питания, В Подстройка тока Корпус 

NSIC2020 

NSIC2030 

NSIC2050 

Драйвер светодиодов 



20 

30 

50 

120 

120 

120 

С помощью 

внешнего резистора 

SMB 

SMB 

SMB 

NSI50150ADT4G Драйвер светодиодов До 350 50 

С помощью 

внешнего резистора 

DPACK 

CAT4002A 

CAT4004A 



40 

40 

2,4–5,5 

2,4–5,5 

32-шаговая 

подстройка 

TSOT23-6 

SC70-6 

UDFN -8 

светодиодов на основе переключательных 

схем, линейные регуляторы или ограничительные 

резисторы, каждый из которых имеет 

свои недостатки. ON Semiconductor предлагает 

свое решение — регуляторы постоянного тока 

(Constant Current Regulator, CCR) на основе 

технологии SBT (Self-Biased Transistor, транзистор 

с автоматическим смещением). 

NSIC20xx представляют собой CCRдрайверы 

светодиодов для широчайшего 

диапазона входного напряжения (табл. 5), 

реализованные в корпусе SMB и не требующие 

внешних компонентов. Они разработаны 

для сетей переменного и постоянного 

тока (рис. 2). Температурная характеристика 

у этих устройств отрицательная, что позволяет 

защитить светодиоды в случае перегрева 

осветительного прибора. При работе следует 

учитывать падение напряжения на диодах, 

чтобы на драйвере оно не превышало 

120 В (рис. 3). Основными областями применения 

являются осветительные панели, работающие 

от переменного тока, и декоративное 

освещение. 

NSI50150ADT4G также представляет собой 

CCR-драйвер светодиодов, но имеет 

дополнительный вход для подстройки тока 

ограничения (150–350 мА). Эта микросхема 

разработана преимущественно для цепей 

постоянного тока и имеет максимальное 

рабочее напряжение 50 В. Области применения 

— дополнительные автомобильные 

стоп-сигналы (CHMSL), подсветка приборов, 

дежурное и аварийное освещение. 

CAT4002A и CAT4004A представляют собой 

2/4-канальные драйверы светодиодов, с возможностью 

изменения тока светодиодов посредством 

интерфейса 1-wire EZDim. Задание 

базового тока осуществляется посредством 

одного резистора. Диапазон питающего напряжения 

составляет 2,4–5,5 В, что позволяет 

питать светодиоды от литий-ионной батареи. 

Максимальный ток — 40 мА на каждый канал. 

Собственное потребление — 0,5 мА. Области 

применения — подсветка ЖК-экранов, мобильные 

телефоны, портативные устройства, 

фотоаппараты и камеры. 

Рис. 2. Типовая схема включения CCR-драйверов NSIC20xx Рис. 3. Вольт-амперная характеристика CCR-драйверов NSIC2050 


EMI/RFI-фильтры 

Широкое распространение беспроводных 

технологий, рост рабочей частоты устройств 

и скорости передачи данных приводит 

и к росту уровня помех. Основными являются 

помехи от радиочастотных сигналов 

(850/900/1800/1900 МГц GSM, 1,6 ГГц GPS, 

1,7–2,2 ГГц UMTS, 2,4 ГГц Bluetooth/WLAN 

и т. д.) и помехи от собственных тактирующих 

сигналов, шин данных, линий питания 

и др. Помимо помехозащищенности, необходимо 

обеспечивать защиту микросхем 

от статического электричества (ESD). Решить 

эти задачи комплексно можно с помощью 

дискретных компонентов, но для портативных 

устройств критичным является и занимаемая 

компонентами площадь. ONS 

предлагает и постоянно пополняет линейку 

устройств, которые сочетают в одном корпусе 

EMI-фильтр и защиту от статического 

электричества (табл. 6). 

CM1624 представляет собой EMI-фильтр 

со встроенными защитными диодами и предназначен 

для использования в интерфейсах 

MMC и T-Flash/MicroSD, а также в различной 

портативной электронике, такой как сотовые 

телефоны, планшеты и т. д. CM1624 содержит 

шесть каналов. В соответствии 

с SD-спецификацией часть каналов имеют 

подтягивающие (25 кОм) и согласующие резисторы 

(40 Ом). Все каналы и вывод питания 

имеют интегрированные TVS-диоды. 

EMI2121 — это EMI-фильтр синфазных 

помех со встроенными защитными диодами. 

Он предназначен для работы с дифференциальными 

линиями USB2.0 и MIPI D-PHY. 

Служит для защиты одной дифференциальной 

линии связи. Основная область применения 

— мобильные телефоны и фотокамеры. 

EMI4182 и EMI4183 — EMI-фильтры синфазных 

помех со встроенными защитными 

диодами. Они предназначены для работы 

со скоростными дифференциальными линиями 

MIPI D-PHY и HDMI/DVI. Основная 

область применения — дисплеи портативных 

устройств и фотокамеры. 

Полевые транзисторы и IGBT 

NTNS3xx — новая линейка миниатюрных 

сигнальных полевых транзисторов (Small 

Signal MOSFET) (табл. 7), разработанных 

специально для ультракомпактных портативных 

устройств. По сравнению с предыдущими 

моделями их главные особенности — 

компактность и ультратонкие размеры: 

0,620,620,4 мм (XLLGA3) и 10,60,4 мм 

(SOT-883 (XDFN3)). Величина максимального 

порогового напряжения U зи снижена 

до 1 В, что позволяет управлять устройствами 

посредством низковольтной логики, однако 

величина сопротивления канала в открытом 

состоянии возросла. Транзисторы 

имеют встроенные защитные диоды и резисторы 

в цепи затвора, что делает их менее 

Таблица 6. Основные параметры фильтров 

подверженными пробою статическим электричеством. 

новые мощные mosFeT‑транзисторы 

с управлением от логических микросхем 

NVMFD5852NL и NVMFD5853NL представляют 

собой сдвоенные N-канальные транзисторы 

в миниатюрных корпусах DFN-8 

(SO-8FL). Они могут управляться логическими 

сигналами (табл. 8). Сопротивление 

канала при U зи = 4,5 В не превышает 

20 мОм. Благодаря компактным размерам 

(561,1 мм) и низким значениям управляющего 

напряжения их можно применять 

в широком диапазоне областей: от промышленной 

автоматики и автоматизации до бытовой 

техники и портативных устройств. 

NVD5890NL — одиночный N-канальный 

транзистор с логическим уровнем управления. 

Он реализован в мощном DPAK-корпусе. 

Имеет сопротивление канала при U зи = 4,5 В 


Обозначение Особенности Корпус 

CM1624 

EMI2121 

EMI4182 

EMI4183 

EMI-фильтр со встроенными защитными диодами для T-Flash/MicroSD-интерфейсов 

Имеет интегрированные согласующие и подтягивающие резисторы 

ESD-защита ±15 кВ согласно IEC 61000-4-2, уровень 4 

Одноканальный EMI-фильтр синфазных помех со встроенными защитными диодами для USB2.0 и MIPI D-PHY 

Ослабление синфазных помех — более 25 дБ на частоте 700 МГц, 30 дБ на 800 МГц 


Двухканальный EMI-фильтр синфазных помех со встроенными защитными диодами для MIPI D-PHY и HDMI 



Трехканальный EMI-фильтр синфазных помех со встроенными защитными диодами для MIPI D-PHY 



Таблица 7. Основные параметры MOSFET-транзисторов со встроенными защитными диодами и резисторами 

Обозначение Канал U си (min), В U зи (max), В 

U зи пороговое 

(max), В 

I с постоянный 

(max), А 

R откр , мОм 

(U зи = 2,5 В) 

UDFN16 

3,3×1,35×0,5 мм 

WDFN8 

2×2,2×0,75 мм 

WDFN10 

2×2,5×0,75 мм 

WDFN16 

2×4×0,75 мм 

всего 5 мОм. Этот транзистор можно применять 

в высокоэффективных ИП. 

NDD01Nxx, NDD02Nxx, NDD03Nxx — 

N-канальные мощные MOSFET-транзисторы 

(табл. 9). Их главной особенностью является 

встроенная защита затвора от статического 

электричества. Цепь затвора имеет защитные 

стабилитроны. Основными областями 

применения для них являются электронные 

балласты для люминесцентных ламп и импульсные 

источники питания. 

мощные igBT‑транзисторы 

ngTBxxn120 

Эти транзисторы имеют встроенный быстрый 

и мощный обратный диод, который 

может в ряде случаев заменить внешний. 

Новые транзисторы NGTB30N120 

и NGTB40N120 являются самыми мощными 

у ONS и рассчитаны на токи 30 и 40 А соответственно 

(табл. 10). 


Корпус 

NTNS3164NZ N 20 8 1 0,2 2000 SOT-883 

NTNS3A65PZT P 20 8 1 0,2 2400 SOT-883 

NTNS3A91PZ P 20 8 1 0,2 1900 XLLGA3 

NTNS3193NZ N 20 8 1 0,2 2400 XLLGA3 

Таблица 8. Основные параметры MOSFET-транзисторов с низким пороговым U зи 

Обозначение Канал U си (min), В U зи (max), В 

U зи пороговое 

(max), В 

I с постоянный 

(max), А 

R откр , мОм 

(U зи = 4,5 В) 

Корпус 

NVD5890NL N 40 20 2,5 123 5,5 DPAK 

NVMFD5852NL Dual N 40 20 2,5 40 11,3 DFN-8 (SO-8FL) 

NVMFD5853NL Dual N 40 20 2,5 29 19 DFN-8 (SO-8FL) 

Таблица 9. Основные параметры мощных MOSFET-транзисторов с защитными диодами и резисторами 

Обозначение Канал U си (min), В U зи (max), В U зи пороговое (max), В R откр , мОм (U зи = 10 В) Корпус 

NDD01N60 N 600 30 4,5 8,5 IPAK, DPAK 

NDD02N40 N 400 30 4,5 5,5 IPAK, DPAK 

NDD03B80Z N 800 30 4,5 4,5 IPAK, DPAK 

Таблица 10. Основные параметры мощных IGBT-транзисторов 

Обозначение U кэ (тип.), В U кэ насыщения (тип.), В I c (max), А Мощность (max), Вт Корпус 

NGTB15N120FLWG 1200 2 15 156 TO-277-3 

NGTB25N120FLWG 1200 2 25 231 TO-277-3 

NGTB30N120LWG 1200 1,75 30 260 TO-277-3 

NGTB30N120IHLWG 1200 1,75 30 329 TO-277-3 

NGTB40N120LWG 1200 1,9 40 260 TO-277-3 

NGTB40N120FLWG 1200 2 40 320 TO-277-3 

NGTB40N120IHLWG 1200 1,9 40 329 TO-277-3 

95

96 


NGTBxxN120FL предназначены для работы 

в составе инверторов солнечных батарей 

и в источниках бесперебойного питания, 

NGTBxxN120L — для работы в составе инверторов 

сварочных машин и для управления 

мощными промышленными двигателями, 

а NGTBxxN120IHL — для работы в составе 

индукционных нагревателей и печей. 

Интерфейсные микросхемы 

NCV7471 — системообразующий модуль, 

имеющий в своем составе два LIN-трансивера, 

высокоскоростной CAN-трансивер, встроенный 

DC/DC-преобразователь 5 В на 500 мА, 

линейный регулятор на 5 В, SPI-интерфейс 

для связи с внешним контроллером и блок 

формирования прерываний при наступлении 

аварийных событий (перенапряжения, 

перегрева и т. д.). Все это позволяет использовать 

данную микросхему в качестве основы 

для построения автомобильных ECU 

(electronic control unit) модулей при значительном 

уменьшении количества необходимых 

компонентов (табл. 11). 

NCV7381 — одноканальный трансивер для 

FlexRay версии 3.0.1. FlexRay — это высокоскоростной 

сетевой протокол для автомобилей, 

разработанный при непосредственном 

участии компаний BMW, Daimler Chrysler, 

Bosch, GM и Volkswagen. Пропускная способность 

этого протокола достигает 10 Мбит/с. 

NCV7381 обладает защитой от статического 

электричества, совместим с 14- 

и 28-вольтовыми автомобильными системами 

и имеет очень гибкую систему 

управления энергопотреблением. Для ознакомления 

с особенностями работы этого 

драйвера ONS предлагает отладочную плату 

NCV73812037EVB (рис. 4). Она представляет 

собой ECU-модуль для FlexRay с двумя независимыми 

трансиверами. При помощи двух 

таких плат можно быстро изучить принципы 

работы шины FlexRay. Кроме того, 

при наличии Freescale BDM программатора 

и соответствующего ПО плата может быть 

перепрограммирована. Простейший ECU 

может содержать один трансивер NCV7381 

(рис. 5). 

NCN5120 — первая ИС приемопередатчика 

KNX от ONS. Он реализует стандарт 

EIB Instabus для витой пары (9600 бит/с). 

Имеет в своем составе два DC/DC-преобразователя 

для получения фиксированного 

3,3 В и подстраиваемого 3,3–21 В напряжений 

с током 100 мА каждый. Это оптимальное 

решение, так как с помощью этой ИС 

можно сократить число дополнительных 

компонентов и обеспечить возможность 

питания других устройств непосредственно 

от шины. Имеется возможность мониторинга 

напряжения на линии и состояния 

встроенных DC/DC-преобразователей. 

Области применения — вентиляция, кондиционирование, 

термостаты, сигнализация 

и датчики задымления. 

Таблица 11. Основные параметры трансиверов 

Обозначение Описание Напряжение питания, В Корпус 

NCV7471 

NCV7381 

NCN5120 

Микросхемы памяти 

Системообразующий модуль для ECU 

1×High-speed CAN-трансивер 

2×LIN-трансивера 

DC/DC 5 В/500 мА 

Стабилизатор 5 В/50 мА 

FlexRay-трансивер со скоростью передачи данных 

до 10 Мбит/с. 

Имеется оценочная плата 

KNX-приемопередатчик 

со встроенными DC/DC-преобразователями 

ONS анонсировала выпуск новых микросхем 

EEPROM-памяти CAT25M01 

и CAT25M02 (табл. 12). Ранее ONS выпускала 

память объемом до 1 Мбит с последовательным 

I 2 C-интерфейсом (CAT24xx). 

CAT25M02 — первая для компании память 

объемом 2 Мбит. CAT25M01 и CAT25M02 

имеют последовательный SPI-интерфейс, 

вывод HOLD, позволяющий приостанав- 

2,5–28 SSOP36-EP 

Питание от батареи 5,5–50 

Питание ядра 4,75–5,5 

Питание логики 2,3–5,5 

CAT9557 8-бит I 2 C-расширитель портов ввода/вывода 2,3–5,5 

Рис. 4. Ознакомительная плата NCV73812037EVB на базе трансивера NCV7381 

Рис. 5. Схема одноканального ECU-модуля на базе NCV7381 

SSOP-16 

3,3 QFN40 

TQFN–16; 

TSSOP–16; 

SOIC–16 

ливать операции обмена по SPI и схему 

коррекции ошибок (Error Correction Code). 

CAT25M01 и CAT25M02 имеют схему сброса 

по питанию (POR): работа микросхем разрешается 

лишь при достижении напряжением 

питания уровня срабатывания триггера POR. 

Если уровень питания ниже минимального 

порога, то микросхема переходит в режим 

сброса. Все это позволяет применять эту 

память в приложениях с минимальным потреблением, 

работающих долгое время в ав- 


тономном режиме (системы сбора данных, 

слуховые аппараты и другие медицинские 

устройства). 


стандартной логики 

Новое семейство логических микросхем 

NL17SZxx (табл. 13) имеет широкий диапазон 

питающих напряжений (от 1,65 до 5,5 В), 

сверхнизкое собственное потребление (порядка 

10 мкА), обладает высоким быстродействием 

задержки сигнала TPD 2,4 нс (при 

5-В питании) и миниатюрными корпусами 

(1,61,60,6 мм SOT-553 и 2,22,21,1 мм 

SOT-353). Все это позволяет использовать их 

в портативных устройствах, в которых требования 

быстродействия и малой занимаемой 

площади являются определяющими. 

Главной особенностью семейства является 

толерантность входов и выходов к различным 

значениям входного напряжения. 

Достигается это отсутствием входных и выходных 

диодов, подключенных к выводу 

питания. В результате микросхема способна 

работать в режиме, когда входное напряжение 

может как превосходить напряжение питания, 

так и быть меньше него. Это дает возможность 

согласовывать устройства с разными 

уровнями сигналов (рис. 6). 

Прецизионные источники 

опорного напряжения 

CAT8900 — прецизионный источник 

опорного напряжения со сверхнизким собственным 

потреблением. Выпускается только 

с фиксированным выходным напряжением: 

1,024, 1,2, 1,25, 1,8, 2,048, 2,5, 2,6, 3 и 3,3 В. 

Начальная точность выходного напряжения 

определяется классом: 

• класс B (±1 мВ); 

• класс С (±2,5 мВ); 

• класс D (±5 мВ). 

Температурная стабильность — не хуже 

50 (10 –6 /°C), а чувствительность к изменению 

входного напряжения — не более 100 мкВ/В. 

Максимальное значение собственного потребления 

— 0,8 мкА, максимальный выходной 

ток — 10 мА. 

Микросхема выпускается в корпусе SOT-23 

и во многих случаях не требует выходного 

фильтрующего конденсатора, что обеспечивает 

малую площадь при монтаже. Все это 

позволяет использовать данный источник 

опорного напряжения в измерительных 

схемах, ответственных медицинских приложениях, 

а также портативных приложениях 

с определенным уровнем потребления и занимаемой 

площади. 


контроля напряжения 

NCS37000 — сигнальный процессор для 

устройств защитного отключения (УЗО). 

Таблица 12. Основные параметры EEPROM-памяти 


Тип Интерфейс Емкость, Мбит Организация Напряжение питания, В Температурный диапазон, °C Корпус 

CAT25M01VE-GT3 SPI 1 128K×8 2,5–5,5 –40…+125 SOIC-8 

CAT25M01VEI-GT3 SPI 1 128K×8 1,8–5,5 –40…+85 SOIC-8 

CAT25M01XI-T2 SPI 1 128K×8 1,8–5,5 –40…+85 SOIC-8 

CAT25M01YE-GT3 SPI 1 128K×8 2,5–5,5 –40…+125 TSSOP-8 

CAT25M01YI-GT3 SPI 1 128K×8 1,8–5,5 –40…+85 TSSOP-8 

CAT25AM02V SPI 2 256K×8 1,7–3,6 –40…+85 SOIC-8 

CAT25AM02D SPI 2 256K×8 1,7–3,6 –40…+85 DIE–PAD 

CAT25M02V SPI 2 256K×8 1,6–3,6 –40…+85 SOIC-8 

CAT25M02VI SPI 2 256K×8 1,6–3,6 –40…+125 SOIC-8 

CAT25M02D SPI 2 256K×8 1,6–3,6 –40…+85 DIE–PAD 

CAT25M02DI SPI 2 256K×8 1,6–3,6 –40…+125 DIE–PAD 

Таблица 13. Основные параметры новых микросхем стандартной логики 

Обозначение Тип Особенности Напряжение питания, В Корпус 

NL17SZ04 1×инвертор Задержка TPD 2,4 нс (при 5-В питании) 

Выход ОК* 

NL17SZ06 1×инвертор 

Возможность работы выходного 

транзистора с напряжением до 7 В 

Выход ОК* 

NL17SZ07 1×буфер 

Возможность работы выходного 

транзистора с напряжением до 7 В 

NL17SZ14 1×инвертор Триггер Шмитта 

NL17SZ16 1×буфер Задержка TPD 2,4 нс (при 5-В питании) 

NL17SZ17 1×буфер Триггер Шмитта 

NL17SZ00 1×И-НЕ Задержка TPD 2,4 нс (при 5-В питании) 

NL17SZ02 1×ИЛИ-НЕ Задержка TPD 2,4 нс (при 5-В питании) 

NL17SZ08 1×И Задержка TPD 2,4 нс (при 5-В питании) 

NL17SZ32 1×ИЛИ Задержка TPD 2,4 нс (при 5-В питании) 

NL17SZ86 1×исключающее ИЛИ Задержка TPD 2,4 нс (при 5-В питании) 

NL17SZ125 1×буфер Наличие инвертированного вывода разрешения 

NL17SZ126 1×буфер Наличие вывода разрешения 

Примечание. * ОК — открытый коллектор. 

Рис. 6. Согласование микросхем с различными логическими уровнями 

Рис. 7. Совместная работа нескольких мониторов напряжения питания NCP308 


1,65–5,5 

SOT-353 

2,2×2,2×1,1 мм 

SOT-553 

1,6×1,6×0,6 мм 

97

98 


Имеет в своем составе специализированный 

цифровой сигнальный процессор, который 

позволяет работать в зашумленных цепях 

без необходимости использования сложных 

фильтров. Кроме того, интегрированный 

LDO-регулятор и шунт также позволяют 

сократить число внешних компонентов. 

Микросхема соответствует стандарту UL943 

для устройств защитного отключения. 

NCP308 пополняет линейку NCP30x малопотребляющих 

мониторов напряжения 

питания. Основным отличием от предыдущих 

версий (NCP302/NCP303) является 

вход ручного сброса (Manual Reset, MR), ко- 

новости силовая электроника 

торый позволяет создавать цепочки мониторов 

в системах со многими питающими 

напряжениями (рис. 7). Еще одной особенностью 

по сравнению с предыдущими моделями 

стала очевидная ориентация на меньшие 

значения уровня напряжения: версии 

NCP308SNADJ/NCP308MTADJ позволяют 

подстраивать величину напряжения срабатывания 

начиная с 0,405 В. 

Микросхема выпускается в миниатюрных 

корпусах TSOP-6 и WDFN-6. Типовое собственное 

потребление — порядка 1,6 мкА. 

Напряжение питания — 1,6–5,5 В. Тип выхода 

— открытый сток. Область примене- 

Новый цифровой драйвер SEMIKROn SKyPER 42LJ 

для инверторов мощностью до 400 кВт 

Компания SEMIKRON представляет новый цифровой драйвер SEMIKRON 

SKYPER 42LJ для инверторов мощностью до 400 кВт. 

Увеличение эффективности преобразования промышленных инверторов 

средней и высокой мощности достигается за счет применения различных топологий 

схем, оптимизированных для конкретного применения. Одним из наиболее 

действенных методов увеличения КПД является чередование фаз (интерливинг) 

при последовательном и параллельном включении ячеек. Однако этот способ 

предъявляет очень высокие требования к качеству передачи сигнала управления. 

Новое ядро драйвера SKYPER 42LJ (Low Jitter) компании SEMIKRON объединяет 

преимущества цифровой передачи данных и высокую функциональную 

насыщенность. 

Двухканальное устройство управления SKYPER 42LJ предназначено для 

управления полумостовыми модулями IGBT с рабочим напряжением 600, 

1200 и 1700 В. При среднем выходном токе 80 мА драйвер способен работать 

с силовыми ключами с током до 1000 А при максимальной частоте 

коммутации 100 кГц. Специализированная микросхема (ASIC) высокой 

степени интеграции осуществляет независимое управление изолированным 

источником питания и формирование потока данных, что гарантирует прецизионную 

передачу сигнала при максимальной величине джиттера ±1,5 нс 

и фазовой ошибке менее 20 нс во всем диапазоне рабочих температур. 

Подобные временные характеристики, а также стабилизация напряжения 

затвора обеспечивают симметричную работу параллельно соединенных 

силовых ключей без использования выравнивающих индуктивностей. 

Кроме того, в SKYPER 42LJ предусмотрена возможность регулирования 

времени подавления шумовых импульсов, что позволяет адаптировать ядро 

для конкретной задачи. 

Драйвер SKYPER 42LJ отличается высокой производительностью, 

а также надежностью и безопасностью управления. Схема защиты имеет 

модифицированный режим SoftOff, позволяющий прерывать токи КЗ 

при низком уровне коммутационных всплесков и динамических потерь. 

Когда напряжение DC-шины достигает заданного уровня, она выключает 

выходные транзисторы. Кроме того, при активизации функции активного 

ограничения напряжения на коллекторе схема защиты блокирует сигналы 

выключения затвора. Разделение каналов передачи управляющих импульсов 

и сигналов ошибки обеспечивает быстрое формирование сигнала 

ошибки в аварийных режимах даже при работе в 3-уровневых схемах (3L 

NPC) и исключает перекрестную связь. У драйвера SKYPER 42LJ предусмотрена 

возможность отключения функции InterLOCK, что необходимо 

при работе 3L-инвертора. 

Благодаря возможности настройки схемы управления интегрированная защита 

драйвера и контроллер верхнего уровня способны быстро реагировать 

на неисправности, возникающие в системе. Цифровой способ транслирования 

ния — ноутбуки, компьютеры и портативные 

батарейные устройства. 


Новые компоненты компании ON Semiconductor 

обладают отличными характеристиками 

и обязательно найдут свое применение 

в самых различных областях, например 

в портативных устройствах (смартфонах, 

ноутбуках), источниках питания, промышленном 

оборудовании, аудиоприложениях, 

освещении, измерительных приборах, медицинской 

и специальной технике. n 

данных с помощью потока высокочастотных импульсов обеспечивает гораздо 

более высокий уровень устойчивости и помехозащищенности по сравнению 

с традиционным методом передачи фронтов через изолирующий трансформатор. 

За счет этого SKYPER 42LJ, рассчитанный на напряжение изоляции 

4 кВ, способен безопасно коммутировать управляющие сигналы при экстремально 

высоком уровне электромагнитных помех. Драйвер имеет независимый 

изолированный вход для передачи на контроллер сигналов датчика 

температуры или напряжения. При этом дополнительный источник питания 

не требуется. 

Благодаря цифровому способу передачи данных временные характеристики 

SKYPER 42LJ не зависят от параметров компонентов и не меняются в течение 

срока службы. Применение специализированной интегральной схемы нового 

поколения и экранирующего слоя для защиты от EMI обеспечивает беспрецедентный 

уровень надежности: наработка на отказ (MTBF) нового драйвера 

составляет более 6 млн часов, что является рекордным показателем для изделий 

этого класса. 

На базе ядра SKYPER 42LJ компания SEMIKRON разработала трехфазный 

драйвер для управления модулем SKiM 93, предназначенным для применения 

в транспортном тяговом приводе мощностью до 200 кВт, а также схему 

управления 3-уровневым инвертором. 

www.semikron.spb.ru 


Реклама

100 

встраиваемые системы 

чечия ХСУ (Chechia HSU) 

Санди чЕН (Sandy CHEn) 

Варианты цоколевки и функциональность MlOe 

MIOe — это разработанный компанией Advantech интегрированный 

интерфейсный стандарт, отвечающий требованиям большинства 

областей применения. В нем предусмотрен широкий выбор интерфейсов 

(DP/DisplayPort, PCIe, USB, LPC, SMBus, линейный аудиовыход 

и питание) для удовлетворения разнообразных потребностей 

клиентов в части системной интеграции. По сравнению с обыкновенными 

одноинтерфейсными стандартами, такими как PCI, PCIe 

и PC/104, стандарт MIOe обеспечивает улучшенную интеграцию для 

более широкого круга систем и клиентов. 

MIOe поддерживает работу до четырех портов Gigabit Ethernet от четырех 

интерфейсов PCIe x1, а также множества портов RS232/422/485 

с помощью дополнительного контроллера Super I/O, подключенного 

к интерфейсу LPC. От интерфейса SMBus с помощью ИС конвертера 

SMBus-GPIO можно получать сигнал GPIO (ввода/вывода общего 

назначения) для управления переключением между RS232 и RS485. 

Если нужно соблюсти дополнительные требования (например, касающиеся 

развязки), соответствующие функциональные узлы могут 

быть включены в состав того же модуля MIOe. Вдобавок, поскольку 

питать модуль MIOe можно непосредственно от процессорной платы 

MI/O Extension, в нем не нужно проектировать отдельную зону пита- 


решения Ml/O Extension 

Системная интеграция — непростая задача, облегчить которую стремится 

большинство разработчиков. Решение MI/O Extension компании Avantech 

поможет клиентам без раскрытия наработок в своих предметных областях 

проектировать собственные модули расширения, которые позволят сделать 

конструкции более компактными, уменьшить число их компонентов 

и сгруппировать источники тепла для повышения надежности. 

MI/O Extension — это гибкое и функциональное конструктивное решение 

для создания одноплатных встраиваемых систем, задающее новый подход 

к компоновке конструкций и проектированию охлаждения. 

ния, что существенно упрощает конструкцию. Одноинтерфейсный 

стандарт не предусматривает такой возможности, а MIOe позволяет 

легко интегрировать системы этих типов. 

Как MlOe упрощает проектирование 

Схемы и компоновка 

Интерфейсы были выбраны для включения в состав MIOe, исходя 

из накопленных за много лет знаний и опыта, а также значительной 

роли, которая отводится им в будущем отрасли. Цель соединителя 

MIOe состоит в том, чтобы реализовать как можно больше интерфейсов 

на базе ограниченного числа выводов. Сигналов в одном интерфейсе 

немного, что подразумевает относительную простоту схем 

и компоновки; а это, в свою очередь, облегчает проектирование модуля 

MIOe. Возьмем в качестве примера шину SMBus. Она имеет всего два 

провода, что упрощает проектирование схемы и разводку печатной 

платы, а отсутствие высокоскоростных сигналов позволяет учитывать 

меньше факторов при компоновке, благодаря чему существенно сокращаются 

временные и финансовые затраты на разработку. 

Хотя высокоскоростные сигналы присутствуют в других интерфейсах, 

например USB и PCIe, число таких сигналов невелико, и схема остается 

простой. При компоновке следует по-прежнему уделять внимание 

длине и импедансу проводников, но эти высокоскоростные сигналы 

допускают использование токоведущих дорожек длиной до 25 см и даже 

больше (в зависимости от набора микросхем), что позволяет успешно 

решать проблемы, связанные с пространственными ограничениями. 

Например, соединитель USB можно размещать там, где он действительно 

нужен, а не вблизи от соединителя MIOe, как могли бы диктовать 

гипотетические ограничения на длину дорожек, и сигналы USB или PCIe 

в модуле MIOe не будут вызывать проблем совместимости. 

Затраты на проектирование 

Плата MI/O Extension может использоваться самостоятельно, и потребность 

в проектировании модулей MIOe возникает только в случаях, 

когда имеющихся у этой платы функций ввода/вывода недостаточно. 

Однако в специализированных применениях бывает трудно 

соблюсти определенные технические требования, пользуясь лишь 

стандартными решениями. Поэтому для большинства таких применений 

потребуется адаптация. С точки зрения клиента это влечет 

повышение прогнозируемой себестоимости и единовременных затрат 

на проектирование, а также удлинение сроков разработки. Кроме того, 

при использовании нестандартного решения может быть трудно сохранить 

в тайне определенные наработки в предметной области. 



Рис. 1. Примеры применения GPIO Рис. 2. Питание процессорной платы и модуля MIOe от одного источника 

Конструктивно модуль MIOe аналогичен 

модулю ввода/вывода. Самостоятельное 

проектирование и разработка такого модуля 

с требуемыми функциональными возможностями 

— в целом посильная для клиентов 

задача, поэтому упомянутые выше барьеры 

для разработки снижаются. Самая сложная 

в проектировании часть (как правило, это 

источник питания) уже встроена в плату 

MI/O Extension. Если весь модуль потребляет 

не более 25 Вт, проектировать отдельный источник 

питания нет необходимости. Все это 

существенно снижает затраты на разработку. 

Еще одна особенность MIOe — возможность 

встраивания широкого ассортимента 

устройств. Например, интерфейсы USB 

и PCIe обеспечивают подключение к проводным 

сетям Gigabit Ethernet, беспроводным 

сетям (PCIe), а также к устройствам с интерфейсом 

COM и накопителям (USB). Для 

реализации ввода/вывода общего назначения 

(GPIO) можно использовать преобразователь 

PCIe-GPIO, но стоимость такого решения будет 

относительно высока даже с учетом роста 

скорости передачи данных GPIO, достижимого 

за счет большей пропускной способности 

шины PCIe. Если же вместо этого использовать 

преобразователь SMBus-GPIO, 

стоимость будет существенно ниже, но при 

этом упадет и скорость. Время отклика измеряется 

миллисекундами, а конкретное схе- 

Рис. 3. Преимущества MIOe при использовании различных интерфейсов 

мотехническое решение зависит от области 

применения и требований клиента. 

Проектирование источника питания 

Питание MIOe планируется исходя из того, 

что процессорная плата предоставляет модулю 

MIOe напряжения питания 12 и 5 В в расчете 

на потребляемую мощность не менее 

25 Вт. Для большинства применений этого 

достаточно. Если модуль MIOe потребляет 

более 25 Вт, можно изменить схему питания 

таким образом, чтобы один источник питал 

одновременно процессорную плату и модуль 

MIOe, как показано на рис. 2. 

Питание MIOe рассчитано на конструкции 

как с низким, так и с высоким энергопотреблением. 

В маломощных схемах модуль MIOe 

можно питать напрямую от процессорной 

платы, причем в этом случае процессорная 

плата непосредственно управляет временной 

синхронизацией включения и выключения 

питания модуля. Тем самым предотвращаются 

сбои при включении системы из-за неверной 

последовательности подачи напряжений 

питания, а это позволяет уменьшить затраты 

времени, сил и средств на разработку. 

техническая документация 

Для клиентов, внедряющих архитектуру 

на базе MIOe, компания Advantech подготовила 

технические документы «Спецификация 

MI/O Extension» и «Руководство по проектированию 

модулей MIOe». В них приведена 

вся информация, которая понадобится конструкторским 

коллективам, включая цоколевку, 

инструкции по механическому сопряжению 

и проектированию охлаждения. 

У компании Advantech имеются демонстрационные 

платы и стандартные модули MIOe, 

позволяющие быстро проверить функциональность 

MIOe. Клиенты могут оперативно 

разрабатывать собственные платы с требуемыми 

функциональными возможностями, 

что привносит методичность в процесс проектирования 

и интеграции систем. 

Устройства, сопрягаемые 

с функциональными блоками MlOe 

интерфейс dP 

DP (Display Port) — это прикладной интерфейс 

для дисплеев, получивший широкое 

распространение в современных платформах 

с заделом на будущее. Текущие тенденции 

указывают на то, что традиционные стандарты, 

такие как SDVO и LVDS, будут поддерживаться 

только на отдельных платформах, а могут 

и вовсе потерять популярность у пользователей 

и выйти из употребления. Используя 

DP в совокупности с контроллером, можно 

реализовать различные интерфейсы — например, 

HDMI, LVDS и eDP (рис. 3). 


101

102 


интерфейс PCiext 

Интерфейс PCIe рассчитан на высокоскоростные сигналы и использует 

достаточно широкую полосу пропускания. В модуле MIOe 

имеется четыре гнезда PCIex1, которые могут быть сконфигурированы 

как PCIex2 или PCIex4 для повышения пропускной способности 

или в связи с конкретными эксплуатационными требованиями (в зависимости 

от характеристик набора микросхем). За счет этого MIOe 

может использоваться в системах с высокой потребной пропускной 

способностью — например, для высокоскоростной передачи данных. 

Интерфейс PCIex1 широко применяется для реализации Gigabit 

Ethernet и преобразователей PCIe-SATA и PCIe-USB 2.0/3.0, а также 

может непосредственно сопрягаться с интерфейсом miniPCIe. 

интерфейс usB 2.0/3.0 

В MIOe имеются три интерфейса USB 2.0 или один USB 2.0 и один 

USB 3.0 (в зависимости от характеристик набора микросхем). USB — 

более зрелое решение для устройств памяти (flash-накопители, преобразователи 

USB-CF и USB-SD Card, порты USB). 

интерфейс lPC 

Интерфейс LPC (Low Pin Count) может использоваться для реализации 

последовательных портов RS232/422/485, порта принтера, интерфейса 

НГМД, модуля TPM, аппаратного монитора, GPIO и других 

базовых функций. Конструкции на базе сложных программируемых 

логических интегральных схем (CPLD) и программируемых пользователем 

вентильных матриц (FPGA) позволяют эффективнее реализовывать 

эксплуатационные требования клиентов за счет широких возможностей 

модификации. Как показано на рис. 4, клиенты могут изменять микропрограмму 

для получения требуемых функциональных и количественных 

характеристик устройства (GPIO, ЦАП и АЦП, ОЗУ). 

интерфейс smBus 

SMBus (System Management Bus) — в настоящее время наиболее широко 

распространенный и дешевый интерфейс. Интегральные схемы 

с ним можно найти во всех типах аналоговых устройств (ЦАП, АЦП, 

датчики напряжения, тока и температуры). Кроме того, уже достаточно 

Рис. 5. Примеры решений для охлаждения 

Решение для охлаждения 

Одноплатный компьютер 

MI/O Extension 

Модуль MIOe 

Рис. 4. Использование интерфейса LPC 

давно на процессорных платах широко реализуются цифровые функциональные 

блоки, такие как GPIO, тактовые генераторы и ЭСППЗУ. 

линейный аудиовыход 

MIOe имеет линейный аудиовыход, к которому можно подключить 

подходящий для конкретной области применения усилитель 

звуковых частот (УЗЧ). Если бы в схему был включен УЗЧ, его характеристики 

вряд ли отвечали бы требованиям всех клиентов. Поэтому 

в MIOe выбор усилителя оставлен за пользователями: они сами смогут 

подобрать усилитель, который лучше всего подходит для конкретного 

применения. 


механической части решения Ml/O Extension 

Идея новаторского форм-фактора MI/O Extension возникла как 

плод размышлений на тему системной интеграции. Она включает 

в себя методы упрощения механических деталей, облегчения сборки 

и устранения потенциальных проблем системной интеграции, с которыми 

приходилось сталкиваться в прошлом. 

MI/O-Compact с модулем MIOe 

MI/O-Ultra с модулем MIOe 


Рис. 6. Структура форм-фактора MI/O Extension 

оптимизация проводки за счет 

интеграции 

При сборке шасси используются кабели. 

Если проводов слишком много, их приходится 

связывать в жгуты, которые создают препятствия 

для потока воздуха, а следовательно, 

затрудняют охлаждение. Благодаря конструктивным 

особенностям форм-фактора MI/O 

Extension количество внутренней проводки 

сведено к минимуму, а используемые провода 

имеют единообразный стиль, что повышает 

эргономичность и позволяет избежать сложностей, 

связанных со жгутами. 

единообразное расположение 

соединителей 

Соединители (COM, SATA, аудиовыход 

и т. д.) располагаются у края платы. Это благоприятствует 

системной интеграции, облегчая 

выполнение проводки и объединение кабелей 

в жгуты, а также обеспечивая удобное 

централизованное управление. 

группировка источников тепла 

Охлаждение MI/O Extension рассчитано 

таким образом, чтобы инженерысистемотехники, 

термисты и механики могли 

скомпоновать систему на этапах проектирования 

и разработки без необходимости 

специально учитывать расположение мест 

наибольшего нагрева на процессорной плате 

или разрабатывать отдельные приспособления 

для охлаждения. В одноплатных 

конструкциях не требуется также оставлять 

место под процессорной платой для рассеивания 

тепла от нагревающихся компонентов, 

что позволяет уменьшить толщину системы. 

Компоненты с большим тепловыделением 

сосредоточены с одной стороны вверху платы 

(рис. 5), и с помощью решения Heatspreader 

или специализированных модулей охлаждения 

можно легко спроектировать систему без 

вентиляторов. 

унифицированное расширение 

Под платой MI/O Extension располагается 

зона модулей расширения (рис. 6), содер- 

жащая обращенные наружу соединители 

CFast, PCIe Mini Card и MIOe. Это позволяет 

клиентам проектировать собственные блоки 

расширения, под которые инженераммеханикам 

достаточно предусмотреть соответствующие 

отверстия или спроектировать 

модули с монтажными платами для целей 

системной интеграции. Вдобавок на нижней 

стороне платы нет компонентов с большим 

тепловыделением, отсюда меньше ограничений 

на выбор модулей расширения. 

Преимущества организации 

охлаждения в Ml/O Extension 

Одной из серьезных проблем системной 

интеграции, с которой часто приходится 

сталкиваться клиентам, является тепловыделение 

системы. Помимо платы центрального 

процессора, в системе имеется еще 

целый ряд компонентов, при работе которых 

выделяется тепло: в частности, источ- 


ник питания, жесткий диск и панельный 

инвертор. Вдобавок другие периферийные 

устройства могут сами по себе быть источниками 

тепла или нагреваться от соседних 

компонентов. Если механические компоненты 

системы сконструированы неудачно, 

это может привести к неполадкам при перегреве 

или к необходимости использовать 

более высококачественную и дорогостоящую 

периферию для обеспечения стабильности 

изделия. 

В процессе работы набора микросхем 

часть их энергии преобразуется в тепло, что 

сказывается на надежности и долговечности. 

Например, при повышении температуры 

окружающей среды на 10 °C срок службы 

набора микросхем сокращается вдвое. 

Поэтому применение единого интегрированного 

радиатора может способствовать 

улучшению теплообмена и эффективной 

теплопередаче внутри системы и за ее пределы 

(рис. 7). 

Рис. 7. Модельная термограмма конструкции: 

а) с группировкой источников тепла (например, MI/O Extension); б) с рассредоточенными источниками тепла 


а 

б 

103

104 


Преимущества реализации 

централизованного охлаждения 

Охлаждение платы MI/O Extension компании Advantech устроено 

таким образом, что все тепловыделяющие компоненты, такие как 

центральный процессор, южный мост, память, ИС управления питанием, 

тактовый генератор и выбранная активная микросхема, сосредоточены 

на одной стороне печатной платы. За счет этого клиентам 

достаточно обеспечить охлаждение одной поверхности, что упрощает 

механическую часть конструкции. 

группировка источников тепла 

Группировка источников тепла на процессорной плате позволяет 

также избежать проблем, связанных с нагревом периферийных 

устройств от компонентов с высоким тепловыделением, расположенных 

на обратной стороне платы. Если тепловыделяющие 

компоненты разбросаны по разным сторонам печатной платы, 

то не удастся использовать радиатор для тех компонентов, которые 

находятся с противоположной от него стороны, а следовательно, 

и эффективно отводить тепло от них. Кроме того, в этом случае 

остается меньше места под платой и создаются преграды для потока 

воздуха, что препятствует быстрому рассеиванию тепла, накапливающегося 

под платой. 

максимизация площади теплоотдачи 

Форм-фактор MI/O Extension спроектирован в расчете на фиксированную 

зону охлаждения, поэтому общая площадь теплоотдачи 

максимизируется, и эффективность охлаждения существенно 

возрастает. 

уменьшение общей высоты системы 

Используя предлагаемый в качестве опции теплораспределитель, 

можно организовать отвод тепла непосредственно через верхнюю 

крышку шасси по всей ее поверхности (рис. 8). Тем самым уменьшается 

общая высота системы, в которой иначе могли бы потребоваться 

охлаждающие ребра, и достигается оптимальное охлаждение. 


Рис. 8. Отвод тепла через верхнюю крышку шасси 

позволяет уменьшить общую высоту системы 


За многолетнюю историю работы на рынке промышленных компьютеров 

компания Advantech накопила значительный опыт. Чтобы 

помочь клиентам в решении стоящих перед ними задач, компания разработала 

и вывела на рынок новаторскую технологию MI/O Extension, 

в которой учтены перспективы будущих применений и отзывы участников 

отрасли. Помимо облегчения системной интеграции за счет 

оптимизации охлаждения и механической части конструкции, эта 

технология обеспечивает максимальную расширяемость ввода/вывода, 

позволяя клиентам разрабатывать модульные конструкции с наименьшими 

затратами ресурсов. А свойственная ей повышенная конструктивная 

гибкость открывает возможности для создания новых 

решений на базе одноплатных компьютеров Advantech с использованием 

технологии MI/O Extension и привлечения новых клиентов. n 

ADVAnTECH обновила линейку продукции для электрических подстанций 

Компания ADVANTECH представила новый промышленный компьютер UNO- 

4683, сертифицированный в соответствии со стандартами IEC 61850-3 и IEEE 

1613, а также четыре дополнительных модуля ввода/вывода серии UNOP. 

Безвентиляторный компьютер UNO-4683 представляет собой высокопроизводительную 

вычислительную платформу на базе процессора Intel 

Core i7 с высокими показателями прочности и надежности, выполненную 

в компактном форм-факторе высотой 2U для монтажа в 19-дюймовую стойку 

и оснащенную двумя входами питания: AC (100 ~ 240 В перем. тока) и DC 

(106 ~ 250 В пост. тока). 

Новый компьютер соответствует стандартам IEC 61850-3/IEEE 1613 и способен 

работать с различными устройствами на электрических подстанциях 

благодаря возможности гибкого расширения и широкому спектру коммуникационных 

интерфейсов. К ним относятся шесть портов Ethernet с поддержкой 

функции объединения, шесть портов USB и два изолированных 

последовательных порта RS-232/422/485. Внутри располагаются три конфигурируемых 

слота расширения, позволяющих подключать дополнительные 

модули ввода/вывода серии UNOP и тем самым адаптировать систему для 

применения в приложении клиента. 

Модули серии UNOP (UNOP-1514C, UNOP-1618D, UNOP-1628D и UNOP- 

1624D), предназначены для работы со встраиваемыми промышленными ком- 

пьютерами UNO-4673A и UNO-4683. Они также разработаны в соответствии 

со стандартами, определяющими требования по защите оборудования сетей 

связи и иных систем на электрических подстанциях от ЭМИ и условий жесткого 

климата. 

Модели UNO-4673A и UNO-4683 оснащены тремя конфигурируемыми 

слотами расширения системы ввода/вывода, в которые вставляются необходимые 

дополнительные модули. UNOP-1624D — это дополнительная плата 

с четырьмя изолированными портами RS-232/422/485 и поддержкой 

интерфейса IRIG-B. Плата UNOP-1514C оснащена четырьмя оптическими 

портами 100Base-FX. Два устройства с поддержкой восьми портов RS-232/ 

422/485 отличаются по изоляции: UNO-1618D не содержит изоляции между 

портами, а плата UNO-1628D оснащена ею. 

Модули этой линейки легко конфигурируются и интегрируются в компьютеры 

UNO-4673A/4683 со светодиодными индикаторами на передней панели. 

Эти индикаторы отображают состояние дополнительных приборов серии 

UNOP. Использование этих устройств значительно расширяет функциональные 

возможности открытой архитектуры UNO-4673A/4683, что позволяет им 

выступать в качестве высокопроизводительных шлюзов данных, контроллеров 

или преобразователей протоколов на электрических подстанциях. 



Реклама

106 


проектирование моделирование работы 

Виктор ЛИФЕРЕНКО, 


Руслан ПРОСКУРяКОВ, 


Александра КОПТЕВА 

Эффективность измерительных приборов 

напрямую зависит от отсутствия 

влияния на ход исследуемых процессов. 

Разрабатываемый прибор, основанный 

на комптоновском рассеянии, состоит из двух 

составляющих: первичного преобразователя, 

взаимодействующего с исследуемой средой 

и выявляющего информативный параметр, 

и вторичного прибора, в котором происхо- 

дит обработка, градуировка, представление 

и передача полученного значения. 

При движении потока отдельные компоненты 

регистрируются первичным преобразователем, 

предварительно отградуированным 

на газосодержание, за счет 

«просвечивания» потока жестким электромагнитным 

излучением (в данном случае 

это гамма-излучение изотопа Cs 137 ). 

Схематическое изображение установки 

приведено на рис. 1. 

Рис. 1. Структура радиоизотопной измерительной системы: 

1 — участок трубы с многокомпонентным потоком, движущимся со скоростью V; 2 — пузырьки свободного газа; 

3 — блок излучения; 4 — источник излучения (химический элемент Cs 137 ); 

5 — блок детектирования прямого излучения N 1 ; 6 — интеллектуальная система; 

7, 8 — блоки детектирования рассеянного излучения N 2 и N 3 соответственно; 

9, 10 — прямое и рассеянное гамма-излучение соответственно 


первичного преобразователя 

радиоизотопной измерительной 

системы нефтяных потоков 

Сегодня одной из главных задач при учете нефтяных ресурсов является 

разработка высокоточных датчиков покомпонентного состава углеводородов. 

Это обусловлено тем фактом, что при добыче нефти из скважины извлекается 

не чистый продукт, а нефте-газоводяная эмульсия. (Например, 

свободный газ в нефти, после процесса сепарации, может достигать 2% 

от всего объема транспортируемого потока, при добыче в России около 

600 млн т/год.) Неточность выполнения измерений и контроля транспортируемой 

нефти в измерительных линиях коммерческих узлов учета и недостоверность 

полученных лабораторных результатов о качестве углеводородного 

сырья приводят к многомиллионным потерям для государства 

и предприятия, создают разногласия между поставщиком и потребителем, 

обостряют обстановку как внутри страны, так и на международной арене, 

уменьшают эффективность управления технологическими процессами 

и снижают уровень производства [1]. 


выходного сигнала 

вторичного преобразователя 

Радиоизотопный измеритель плотности 

(РИП) — это сложная система оборудования, 

включающая большое количество процессов. 

Необходимость изучения полученного 

аналогового сигнала, дороговизна лабораторного 

оборудования и большое количество различных 

вариантов — все это обусловило разработку 

и применение мощного виртуального 

математического аппарата для моделирования. 

На рис. 2 приведена структура разрабатываемой 

виртуальной модели в системе 

LabVIEW. С помощью генераторов случайных 

чисел мы получили полную имитацию 

полученного сигнала с имитатором пузырей, 

перманентно детектируемым прямым и рассеянным 

излучением и соответствующими 

шумами, что позволяет производить последующую 

обработку данных и находить неизвестные 

ранее значения зависимости [2]. 

При этом функции Slide и Slide2 изменяют 

амплитудное и временное положение 

сигналов. 

Световой индикатор Boolean позволяет наглядно 

детектировать сигналы, превышающие 

заданное значение амплитудного параметра. 

Так, например, при большом скоплении пузырей 

свободного газа в пункте контроля и учета 

нефтепродуктов персонал незамедлительно 

получит световой сигнал от индикатора. 


Типичная кривая с выхода датчика изображена 


Анализ верхнего шума и нижней эпюры позволяет 

вычислить все статистические свойства 

данного сигнала и подобрать для конкретной 

скважины типичную картину. Это необходимо 

для анализа поведения кривой во времени 

и позволит проследить ее динамику. 

С помощью полученной имитационной модели 

можно осуществлять мониторинг системы 

без больших затрат на лабораторное оборудование 

и время, а также провести эксперименты 

с большим числом всевозможных испытаний. 


Следует отметить, что имитационное моделирование 

выходного сигнала первичного 

преобразователя радиоизотопной измерительной 

системы позволяет: 

моделирование работы проектирование 

Рис. 2. Виртуальная модель выходного сигнала в системе Labview 

Рис. 3. Лицевая панель имитационной модели 


107 

• Существенно экономить время, затрачиваемое 

на подготовку и проведение сложных 

лабораторных испытаний, а также на приведение 

полученных данных к исходному 

виду для последующей обработки. 

• Экономить средства, затрачиваемые на дорогостоящее 

лабораторное оборудование. 

• Полностью исключить контакт с опасным 

радиоизотопным излучением. 

Результаты, полученные при моделировании, 

соответствуют результатам лабораторных 

испытаний, что доказывает адекватность 

разрабатываемой имитационной модели. n 


1. Акимов В. Ф. Измерение расхода газонасыщенной 

нефти. М.: Недра, 1978. 

2. Суранов А. Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. 

М.: ДМК Пресс, 2005. 

новости силовая электроника 

Карбидокремниевые 

диоды Шоттки 

с рабочим 

напряжением 1200 В 

в корпусах TO-247 и D3 

Корпорация Microsemi представила новое 

семейство карбидокремниевых диодов 

Шоттки с рабочим напряжением 1200 В 

(150 °C), предназначенных для широкого диапазона 

промышленных применений: это солнечные 

инверторы, сварочное оборудование, 

установки для плазменной резки, устройства 

быстрой зарядки электромобилей, нефтеразведочное 

оборудование и т. п. 

В отличие от кремния карбид кремния обладает 

высокой теплопроводностью, высоким 

электрическим полем пробоя и высокой плотностью 

электрического тока, что делает его 

оптимальным материалом для производства 

устройств большой мощности. Он также имеет 

очень низкий коэффициент теплового расширения 

(4,0×10 –6 K), и в нем не происходит 

фазовых переходов, из-за которых может 

произойти разрушение монокристаллов. 

Новые SiC-диоды Шоттки разработаны для 

применений, где необходимы высокий рабочий 

уровень мощности и напряжения наряду 

с плотностью мощности и надежностью. 

В настоящее время компания Microsemi 

является единственным производителем, 

предлагающим карбидокремниевые диоды 

Шоттки в корпусе для поверхностного монтажа 

D3. Этот тип корпуса имеет большую площадку 

на обратной стороне, с помощью которой 

можно повысить уровень достижимой 

плотности мощности и уменьшить стоимость 

работ по монтажу компонентов. 

Новая линейка карбидокремниевых диодов 

Шоттки включает в себя следующие 

устройства: 

• APT10SCD120BCT (1200 В, 10 А, 

два диода с общим катодом, корпус TO-247); 

• APT20SCD120B 

(1200 В, 20 А, корпус TO-247); 

• APT30SCD120B 

(1200 В, 30 А, корпус TO-247); 

• APT20SCD120S (1200 В, 20 А, корпус D3); 

• APT30SCD120S (1200 В, 30 А, корпус D3). 

www.icquest.ru 

Реклама

108 


Новости сайта www.rtsoft.ru 

Новейшие COM Express: 

лучшие возможности для создания 

графических приложений высшего класса 

Компании Kontron и «РТСофт» выводят на рынок серию «компьютеров 

на модуле» формата COM Express basic, которые поддерживают процессоры 

Intel Core 3-го поколения, под общим наименованием COMe-bIP#. 

Новинки доступны в версиях с распиновкой Type 2 и Type 6 и оснащаются 

процессорами с различной производительностью. Все модули отличаются 

беспрецедентным уровнем общих и графических вычислений, поддерживают 

три независимых дисплея, обладают новейшими интерфейсами USB 3.0 и шиной 

PCI Express 3.0 с увеличенной пропускной способностью. Разработчики 

конкурентоспособных интеллектуальных встраиваемых приложений смогут 

найти оптимальное соотношение производительности, энергопотребления 

и стоимости целевой системы, применяя широкий спектр «компьютеров 

на модуле» с процессорами Intel Core 3-го поколения. 

Прикладные системы, к которым предъявляются жесткие ограничения 

по теплоотдаче, получат ряд конкурентных преимуществ благодаря энергоэффективности 

процессоров 3-го поколения, которая на 40% выше по сравнению 

с предыдущими поколениями. Улучшенная энергоэффективность — 

результат нового 22-нм технологического процесса производства 3 D Tri-Gate 

транзисторов. Более того, производительность «компьютеров на модуле» 

на процессорах Intel Core 3-го поколения выросла на 20%, а количество 

операционных блоков, занятых в интегрированной графической подсистеме 

для обработки графики HD-качества, увеличено на 30%. 

Улучшенные наборы инструкций Intel Advanced Vector Extensions (Intel 

AVX) и SSE для вычислений с плавающей запятой и поддержка OpenCL 1.1 

делают «компьютеры на модуле» серии COMe-bIP# оптимальной платформой 

для реализации преимуществ нового поколения процессоров Intel Core 

в высокопроизводительных встраиваемых системах оборонного, промышленного, 

авиакосмического, медицинского и другого назначения. Все модули 

поддерживают передовую технологию PCI Express, что позволяет оснащать 

созданные на их основе телекоммуникационные и другие решения скоростными 

беспроводными модемами 3G/4G и другими устройствами связи. Такие 

возможности позволяют создавать управляемые по сети разнообразные 

интеллектуальные платформы с высоким уровнем безопасности. 

В основе новых модулей Kontron — чипсет Intel QM77 Еxpress и различные 

процессоры Intel Core 3-го поколения вплоть до 4-ядерного Intel 

Core i7 3615QE с частотой 2,3 ГГц. Модули поддерживают до 16 Гбайт оперативной 

памяти DDR3, соответствуют последней версии спецификации COM 

Express, включают до семи каналов PCI Express 3.0 в конфигурациях с распиновкой 

Type 6 и реализуют параллельную шину PCI в версии с распиновкой 

Type 2. Они оснащены большим количеством интерфейсов: 4×USB 3.0, 

1×Gigabit Ethernet, 4×SATA (2×SATA 3 и 2×SATA 2) для подключения накопителей. 

Встроенный графический процессор Intel GMA HD 4000 iGFX 

значительно превосходит предшественников по производительности и поддерживает 

три независимых дисплея. Графическая подсистема поддерживает 

технологии 3D Blu-ray, AVC/H.264, VC1, WMV9, OpenGL 3.1, DirectX 11 

и обеспечивает наивысший уровень производительности. Для подключения 

дисплеев доступно множество различных стандартных интерфейсов — 

от VGA и SDVO до новейших HDMI, DVI, DisplayPort и eDP. Питание модулей 

осуществляется от блоков с напряжением от 8,5 до 20 В постоянного тока, 

соответствующих стандарту Open Pluggable Standard (OPS), который применяется 

при создании систем Digital Signage. 

«Компьютеры на модуле» серии COMe-bIP# поддерживают различные 

версии ОС Linux, VxWorks, все операционные системы семейства Windows 

и другие ОСРВ. Планируется поддержка ОС Windows 8. 

Новая версия расширения реального времени RTx 

для Windows 

Компания IntervalZero, один из ведущих разработчиков программных решений, 

официальным представителем которой в России является «РТСофт», 

объявила о выпуске новой версии расширения реального времени RTX для 

Windows — RTX 2012. Этот программный продукт позволяет превратить 

Microsoft Windows в операционную систему «жесткого» реального времени. 

RTX 2012 совместим как с «настольными», так и со встраиваемыми 

ОС Windows и включает поддержку их последних официальных версий — 

Windows 7 SP1 и Windows Embedded Standard 7 SP1. 

Расширение RTX поддерживает режим «симметричной мультипроцессности» 

(Symmetric Multiprocessing, SMP) и включает в себя общесистемные 

функции отладки, полностью интегрированные в среду разработки Visual 

Studio компании Microsoft. Это дает разработчикам широкие возможности 

для отслеживания и контроля работы приложений и значительно упрощает 

отладку сложных детерминированных приложений. 

Выход новой версии значительно повысил уровень доступности RTX для 

разработчиков. Стоимость большинства продуктов была существенно снижена, 

а на некоторые позиции и вовсе уменьшена вдвое. Основные изменения 

коснулись сред исполнения Runtime для многоядерных процессоров, что 

позволяет сократить стоимость конечного продукта в проектах, требующих 

большой вычислительной мощности задач реального времени. 

RTX 2012 является ключевым компонентом платформы RTX RTOS, состоящей 

из многоядерных многопроцессорных систем с архитектурой x86, 

операционной системы Windows и Ethernet реального времени. В задачах 

реального времени эта платформа заменяет цифровые сигнальные процессоры, 

микроконтроллеры и другое коммуникационное оборудование, что 

существенно сокращает затраты на разработку и стоимость вычислительных 

систем, требующих детерминизма или «жесткого» реального времени. 

Считается, что при изоляции систем на отдельных ядрах (в частности, при 

виртуализации) прямое взаимодействие между ядрами не нужно, и необходимость 

симметричной многопроцессорной обработки отпадает. Проблема 

такого подхода заключается в том, что приходится создавать громоздкую 

коммуникационную систему с избыточностью данных и репликацией. Время 

отклика такой системы становится непредсказуемым. В RTX 2012 реализован 

прямой доступ к разделяемой памяти всех ядер, что дает оптимальный 

детерминизм, а наличие в составе RTX обновленного отладчика помогает 

разработчикам максимально использовать это преимущество. 

Для расширения реального времени RTX 2012 компания IntervalZero реализовала 

новую систему лицензирования продукта, которая будет применяться 

и для всех последующих релизов RTX. Новая система лицензирования 

обеспечит клиентам необходимую гибкость как при активации лицензий, так 

и при разработке целевых приложений. По мере развития RTX RTOS Platform 

будет содержать исходный код, совместимый с архитектурами x86 и x64, 

поэтому унифицированная система лицензирования поможет клиентам при 

миграции их приложений с x86 на x64. IntervalZero планирует выпуск версии 

RTX для 64-битных аппаратных платформ в конце этого года. 

Опционально c RTX 2012 может поставляться сетевой стек EtherCAT Master 

Stack от компании acontis. Сотрудничество с компанией acontis и предлагаемый 

набор из расширения RTX и стека EtherCAT — еще один шаг на пути 

к превращению платформы RTX RTOS в полноценное решение для систем 

реального времени с прошедшими предварительную проверку и сертификацию 

приложениями и драйверами в рамках единой интегрированной среды 

разработки. Применение EtherCAT Master Stack вместе с расширением RTX 

дает OEM-производителям и конечным пользователям ряд преимуществ, 

в том числе уменьшение затрат на разработку устройств, сокращение времени 

их выхода на рынок, а также их более высокую производительность, 

масштабируемость и безопасность. 


Реклама

110 


Анатолий ДяТЛОВ 

Александр ШОСТАК 

Тактовая синхронизация фазоманипулированных 

сигналов (ФМС) является 

важным этапом обработки инфор- 

и быстродействия при приеме квазидетерминированных 

ФМС на фоне белого шума 

целесообразно использовать системотехни- • 

частоты ФМС, поступающая в качестве 

внешнего целеуказания; FC = FT = 0,8 МГц. 

Величина задержки выбирается из условия 

мации в процессе демодуляции. Устройства 

тактовой синхронизации (УТС) ФМС реаческое 

моделирование. 

В этой работе рассматривается методика • 

t = 1/2FT и составляет 0,625 мкс. 

В качестве перестраиваемого узкополоснолизуются 

на основе следящих и неследящих моделирования автокорреляционного УТС, го фильтра используется компенсацион- 

алгоритмов [1]. При приеме слабых ФМС, реализованного в виде стенда с использованая схема [2], состоящая из режекторного 

когда входное отношение сигнал/помеха нием продуктов программы системотехни- фильтра, двух смесителей, узкополосного 

по напряжению gвх < 1, а временной ресурс ческого моделирования System View компа- фильтра и перестраиваемого гетеродина. 

ограничен, особого внимания заслуживают нии Elanix. 

Структура этой схемы приведена на рис. 2. 

УТС, реализованные на основе неследящих Для конкретизации модели стенда прини- На рис. 2 приняты следующие обозна- 

алгоритмов, в частности, автокорреляционные 

УТС, недостаточно освещенные в [1]. 

Структура автокорреляционного УТС примаем 

следующие исходные данные: 

• Сигнал представляет собой псевдослучайную 

последовате льность (ПСП), сфорчения: 

РФ — режекторный фильтр; СМ1 , 

СМ2 — смесители; УФ — узкополосный 

фильтр; ПГ — перестраиваемый гетеродин. 

ведена на рис. 1, где ЛЗ — линия задержки; мированную по закону Голда и имеющую Выбор компенсационной схемы обуслов- 

П — перемножитель; УФ — узкополосный 

фильтр; УУ — устройство управления; Огр — 

длительность 1024ТЭ в данном случае — 

длительность элемента, которая составляет 

лен тем, что при этом обеспечивается возможность 

перестройки частоты в широком 

ограничитель; ДЦ — дифференцирующая 1,25 мкс. 

диапазоне, инвариантность избирательности 

цепь; ОД — однополупериодный детектор; • Помеха представляет собой белый шум. по соседнему каналу, подавление комбина- 

РЛЗ — регулируемая линия задержки. • Диапазон тактовых частот ФМС находится ционных продуктов, простота перестройки 

Алгоритм работы автокорреляционного 

УТС описывается следующим соотношением: • 

в интервале от FН = 0,4 МГц до Fв = 1,6 МГц. 

На входе автокорреляционного УТС устасредней 

частоты фильтра путем изменения 

(при наличии целеуказаний) частоты ПГ. 

F[y12 (t)]→{UУФ (t)→U0 (t)→UД (t)→UT (t)}, 

навливается ФНЧ с верхней граничной частотой 

FC = Fˆ 

T , где Fˆ 

T — оценка тактовой 

Однако наряду с достоинствами у компенсационной 

схемы есть такой недостаток, как по- 

U УФ (t) = U УФ cos(2pF T t), 

где F[y 12(t)] — оператор, соответствующий 

последовательному преобразованию аддитивной 

смеси y 12(t) компонента s 1(t), представляющего 

манипулирующую последовательность 

ФМС П(t) и гауссовой стационарной 

помехи n 2(t), снимаемой с выхода 

фильтра нижних частот квазикогерентного 

демодулятора, в гармонический процесс 

U УФ (t) с последующим ограничением U o (t), 

дифференцированием U Д(t) и выделением 

однополярных стробирующих импульсов 

в виде тактовой последовательности U T (t); 

F T — тактовая частота П(t); t = 1/2F T — запаздывание, 

вносимое ЛЗ; f УФ , Df УФ — средняя 

частота и полоса пропускания УФ. 

Для проверки результатов теоретических 

исследований автокорреляционного УТС 

и оптимизации его помехоустойчивости 

Моделирование 

автокорреляционного устройства 

тактовой синхронизации 

фазоманипулированных сигналов 

В статье приведены исследования особенности построения стенда для 

моделирования автокорреляционного устройства тактовой синхронизации 

и обеспечения оптимизации его помехоустойчивости и быстродействия. 

Рис. 1. Структура автокорреляционного УТС 

Рис. 2. Структура компенсационной схемы 


г 

в 

Рис. 3. Меню функциональных узлов 

явление комбинационных составляющих в выходном эффекте за счет 

наличия СМ 1 и СМ 2. С целью уменьшения уровня комбинационных составляющих 

до допустимого уровня, например не менее чем на –60 дБ, 

при выборе параметров функциональных узлов (ФУ), входящих в компенсационную 

схему, используется методика, приведенная в работе [2]. 

При заданном частотном диапазоне тактовых частот ФМС 

F T∈[0,4–1,6] МГц предлагается использовать РФ с граничными частотами 

f H = 4 МГц и f в = 6 МГц; УФ со средней частотой F Ф = 2 МГц 

и полосой пропускания Df Ф = 5 кГц и ПГ, перестраиваемый в диапазоне 

от f ГН = 2,4 МГц до f Гв = 3,6 МГц. 

При таком выборе параметров ФУ компенсационной схемы имеется 

пораженный частотный участок при F T = 1 МГц, поскольку при 

этом после СМ 1 в УФ появляется комбинационный продукт с частотой 

2F Т →F Т , а после СМ 2 на выходе РФ возникает комбинационный 

продукт с частотой 2F Т –f Г →F T . 

При приеме ПСП с F T = 0,8 МГц для перестройки частоты ПГ формируется 

целеуказание по частоте исходя из условия f Г = F T +F Ф = 2,8 МГц. 

моделирование работы 

проектирование 

а б 

ж з 

д е 

Рис. 4. Меню системного моделирования 


111

112 

Рис. 5. Функциональная схема модели 

а 

б 

в 

г 

д 

е 


Рис. 6. Временные и спектральные эпюры на выходах функциональных узлов 

При составлении функциональной схемы 

модели автокорреляционного УТС из панели 

библиотек окна System отбираем следующие 

функциональные узлы: 

• Генератор прямоугольных импульсов — 

ФУ0 , выбираем по адресу main libraries/ 

source/Periodic/Pulse Train. Окно меню 

с параметрами приведено на рис. 3а. 

• Генератор кода Голда — ФУ1 

, выбираем 

по адресу optional libraries/Comm/(Filters/ 


а 

б 

в 

г 

д 

Рис. 7. Эпюры тактовых последовательностей 

data)/gold Code. Окно меню с параметрами представлено 

на рис. 3б. 

• Генератор шума — ФУ3, 

выбираем по адресу main libraries/ 

source/(noise/Pn)/unif noise. Окно меню с параметрами изображено 

на рис. 3в. 

• ФНЧ — ФУ4, 

выбираем по адресу main libraries/operator/ 

(Filters/systems)/linear sys Filters/Analog. Окно меню с параметрами 

приведено на рис. 3г. 

• Линия задержки — ФУ6 

, выбираем по адресу main libraries/operator/ 

delays/delay. Окно меню с параметрами представлено на рис. 3д. 

• Перестраиваемый гетеродин — ФУ8, 

выбираем по адресу main 

libraries/source/Periodic/sinusoid. Окно меню с параметрами изображено 

на рис. 3е. 

• УФ — ФУ9 

, выбираем по адресу main libraries/operator/(Filters/ 

systems)/linear sys Filters/Analog. Окно меню с параметрами приведено 

на рис. 3ж. 



• РФ — ФУ11, 

выбираем по адресу main libraries/operator/ 

(Filters/systems)/linear sys Filters/Analog. Окно меню с параметрами 

приведено на рис. 3з. 

• Сумматор — ФУ2, 

выбираем по адресу main libraries/Adder. 

• Перемножитель — ФУ5 

, ФУ7 , ФУ10 , выбираем по адресу 

main libraries/multiplier. 

• Ограничитель — ФУ12 

, ФУ14 , выбираем по адресу 

main libraries/Function/non linear/limit. 

• Дифференцирующая цепь — ФУ13 

, выбираем по адресу 

main libraries/operator/(integral/diff)/derivative. 

• Однополупериодный детектор — ФУ15, 

выбираем по адресу 

main libraries/Function/non linear/Half rctfy. 

• Регулируемая линия задержки — ФУ16 

, выбираем по адресу 

main libraries/operator/delays/delay; 

• Анализатор данных — ФУ17, 

ФУ18, ФУ19, ФУ20, ФУ21, ФУ22, выбираем по адресу main libraries/sink/Analysis/Analysis. 


113

114 


Рис. 8. Зависимость быстродействия УТС от полосы пропускания УФ 

Анализ будет выполняться при одинаковых параметрах, которые 

представлены на рис. 4 и устанавливаются в меню system Time 

specification, где видно: 

• время моделирования 

ТМОД = 1024ТЭ = 1,28 мс; 

• частота дискретизации FД = 200 МГц; 

• количество циклов моделирования — 1. 

Функциональная схема модели автокорреляционной УТС приведена 


Моделирование проводится в три этапа. В ходе первого этапа 

осуществляется проверка принципа действия, в ходе второго этапа 

оценка быстродействия и оптимизация параметров ФУ, а в ходе 

третьего этапа — оценка помехоустойчивости и оптимизация параметров 

ФУ. При проведении первого этапа моделирования 

на вход автокорреляционного УТС подается ПСП по закону Голда 

с амплитудой Um = 1 В с тактовой частотой FТ = 0,8 Гц и длительностью 

кодового интервала ТК = 1024/FT = 1280 мкс. При этом корректируются 

параметры ФНЧ, ЛЗ и ПГ следующим образом: FC = FT = 0,8 МГц; 

t = 1/2FT = 0,625 мкс; fГ = FT +FФ = 2,8 МГц. 

Рис. 9. Эпюра ПСП на входе УТС 

Рис. 10. Эпюра шума на входе УТС 

В процессе первого этапа моделирования фиксируется временное 

и спектральное представления на выходе генератора ПСП 

(рис. 6а), на выходе ФНЧ (рис. 6б), на выходе перемножителя ФУ 5 

(рис. 6в), на выходе УФ (рис. 6г), на выходе РФ (рис. 6д) и на выходе 

УТС (рис. 6е). Они подтверждают теоретические расчеты 

и раскрывают процедуры преобразования ПСП U s (t) в тактовую 

последовательность импульсов отсчета, используемых в процессе 

демодуляции. 

Поскольку автокорреляционное УТС относится к классу неследящих 

устройств, то его быстродействие определяется инерционностью 

линейных ФУ, среди которых наибольший вклад вносит УФ. В ходе 

проведения второго этапа моделирования в качестве переменного параметра 

используется полоса пропускания УФ Df Ф , а быстродействие 

автокорреляционного УТС Т Б зависит от длительности переходного 

процесса напряжения U T (t), которое определяется с момента подачи 

ПСП на вход УТС t 0 и до момента t 0 +Т Б , когда амплитуда напряжения 

U T (t) составит 0,8 амплитуды от установившегося значения. 

В процессе второго этапа моделирования проводится ряд сеансов, 

аналогичных первому этапу моделирования, но при разных значениях 

Df Ф . На рис. 7 представлены напряжения U T (t) при Df Ф ∈[5; 10; 15; 

20; 30] кГц, на которых используются маркеры определенных значений 

быстродействия Т Б ≡ х при y ≅ 0,8U mT . 

По полученным результатам строится зависимость Т Б = F(Df Ф ) 

(рис. 8), на основе которой при заданной величине быстродействия Т Б 

можно оптимизировать величину Df Ф . 

Для оценки помехоустойчивости автокорреляционного УТС, при 

Df Ф = 5 кГц, используется зависимость: 

σТ Э /Т Э = F(g вх ), g вх = U m /(σ n √2)), 

где σТ Э /Т Э — относительная среднеквадратичная погрешность флуктуаций 

временного положения строб-импульсов тактовой последовательности; 

g вх — отношение сигнал/шум по напряжению после 

ФНЧ; σ n — дисперсия шума на выходе ФНЧ. 

При проведении третьего этапа моделирования проводится ряд 

сеансов, при которых на вход УТС подается аддитивная смесь ПСП 

и шума с разными значениями g вх , а на выходе УТС фиксируются 

значения напряжения тактовой последовательности U Tn (t) со смещенными 

по времени строб-импульсами. На рис. 9, 10 приводятся 

эпюры напряжений ПСП и шума на выходе УТС с использованием 


а 

б 

в 

для расчета g вх маркерных оценок U m и σ n , а на рис. 11 — эпюры напряжения 

U Tn(t) при разных значениях g вх с наложенными эпюрами 

U T (t)g вх →∞ и П(t). 


Рис. 11. Эпюры напряжений на выходе УТС при разных значениях g ВХ : а) при g ВХ = 4,75; б) при g ВХ = 1,52; в) при g ВХ = 0,544 

Рис. 12. Зависимость относительной среднеквадратичной погрешности УТС от величины g ВХ 


На рис. 11в видно, что значение погрешности может достигать σТ Э /Т Э = 

= 0,108 при g вх = 0,544, поэтому дальнейший анализ не целесообразен. 

В результате статистической обработки эпюр напряжений U Tn(t) 

определены значения относительной среднеквадратичной погрешности 

σТ Э /Т Э для каждого значения g вх , по результатам которых 

построена зависимость σТ Э/Т Э = F(g вх), приведенная на рис. 12. 

Эту зависимость можно использовать для оптимизации параметров 

УТС при заданной величине σТ Э/Т Э. 

Полученные при моделировании результаты подтверждают теоретические 

расчеты, обеспечивают возможность оптимизации параметров 

УТС при заданных требованиях к быстродействию и помехоустойчивости 

и могут найти применение при проектировании 

современных средств связи и радиомониторинга. n 


1. Дятлов А. П., Дятлов П. А. Автокорреляционное устройство тактовой 

синхронизации // Вопросы радиоэлектроники. Серия «Общие вопросы 

радиоэлектроники» РНИИРС. 2008. Вып. 1. 

2. Сартасов Н. А., Едвабный В. М. КВ магистральные радиоприемные устройства. 

М.: Связь, 1971. 


115

116 

окончание части 2. 

начало в № 10`2012 

новые технологии 

Евгений СИЛКИН, 

к. т. н. 

elsi-mail@ya.ru 

Существенно, что «тепловой источник» 

в низкотемпературной плазме 

локализован фактически на поверхности. 

Как уже было отмечено, в такой плазме 

даже самые быстрые ионы, ускоренные 

в электрическом поле вблизи поверхности, 

имеют сравнительно небольшую энергию 

(0,01–0,5 кэВ), и их проникновение вглубь 

материала никогда не превышает одной постоянной 

решетки. 

Отметим еще такую существенную деталь 

— выраженную неравномерность нагрева 

частей поверхностей в разрядной 

зоне (в практических схемах электросинтеза). 

То есть мгновенная температура К не одинакова 

по всей площади электродов (диэлектрических 

слоев). 

Разность температур DК в двух точках рабочей 

поверхности разрядной зоны возникает 

из-за того, что на одну часть поверхности падает, 

а с другой части поверхности отводится 

тепловой поток. Точка, расположенная ближе 

к поверхности, обращенной к разряду (столбу 

микроразряда), имеет, очевидно, более высокую 

температуру К. На поверхности из материалов 

с низкой теплопроводностью (диэлектрический 

слой) имеется значительный 

градиент температуры и по толщине. То есть 

локальная температура поверхности значительно 

отличается от температуры держателя 

(электрода) по сравнению с теплопроводящей 

поверхностью (металл, полупроводниковая 

керамика). Таким образом, неравномерность 

нагрева еще более выражена. 

До каких же температур могут нагреваться 

рабочие поверхности разрядной зоны 

в барьерном генераторе и, в первую очередь, 

диэлектрический слой? Известных 

оценок немного. Например, по данным [9] 

можно только косвенно оценить локальную 

температуру поверхности диэлектрического 

слоя, равную 473 К. Там же говорится, что 

в качестве диэлектрика нельзя использовать 

какие-либо полимерные материалы (фторопласт, 

эпоксидные смолы и т. д.). Углерод, 

входящий в эти соединения, как считают 

авторы, постепенно выгорает, и диэлектрик 

разрушается. Здесь косвенная оценка дает 

температуру, превышающую 550 К. 

Цель работы [21] — повышение стойкости 

барьеров из различных органических (по- 

Синтез озона 

в электрических разрядах 

и повышение его эффективности. 

Часть 2 

лимерных) материалов путем применения 

защитного покрытия на основе кремнийорганической 

эмали с наполнителем из Al 2 O 3 . 

Выбор в качестве связующего кремнийорганической 

эмали был обусловлен высокой 

«короно-, дуго- и озоностойкостью», а также 

стойкостью материалов этой группы к действию 

повышенных температур. Снижение 

ресурса слоев из органических материалов 

объясняется воздействием на диэлектрический 

барьер озона и непосредственно электрического 

поля, а также высокотемпературным 

воздействием каналов микроразрядов. 

В этом случае температура поверхности барьеров, 

как можно заключить, видимо превышала 

500 К. 

Действительно, в реальных условиях локальная 

температура участков диэлектрического 

слоя в местах возникновения микроразрядов 

на сотни градусов отличается 

от температуры других участков поверхности 

[22, 23]. Обьем, занятый разрядом, существенно 

меньше объема реактора (V И

нием незначительных флуктуаций положения, 

обусловленных изменением локальной 

температуры поверхности диэлектрического 

слоя из-за дестабилизирующих факторов, 

вызванных, в частности, охлаждением электродов 

и протоком газа [22, 23]. Нарушение 

пространственной «привязки» микроразрядов 

возможно в переходных режимах, а также 

при использовании специальных типов 

диэлектриков, что будет рассмотрено ниже. 

Следует, однако, заметить, что тезис о «стохастическом» 

характере процессов в барьерном 

разряде в литературе по озону доказывается 

не очень отчетливо. При утверждениях 

о «стохастичности возникновения микроразрядов», 

в частности, измеряются величины 

переносимых зарядов, оцениваются диаметры 

каналов микроразрядов, определяются 

напряжения зажигания, горения, погасания 

и прочее — все это параметры совсем 

не «случайные». Одновременно констатируется 

(например, в [8]), что, вероятно, существует 

какой-то механизм запуска последующих 

микроразрядов от первого или, возможно, 

последующего от предыдущего. Таким 

механизмом, полагают авторы этой монографии, 

повторяя ранее известные сведения, 

может быть «стримерно-лавинообразный», 

когда образование канала инициируется ультрафиолетовым 

излучением из ранее возникшего 

канала. 

Аналогичные представления характерны 

также и для работ [9, 24] и ряда других. В [5], 

например, установлено, что вся энергия разряда 

переходит в тепло и отводится через 

расширенную часть канала микроразряда 

вблизи электродов. Имеет место некоторое 

распределение зарядов, как в объеме разрядного 

промежутка, так и на поверхности 

электродов. Как следствие, считают авторы, 

происходит перетекание поверхностных зарядов, 

приводящее к зарождению новых, 

не возобновленных мест для микроразрядов. 

Этим объясняется, по мнению авторов [5], 

что микроразряды не «привязаны» к определенным 

местам на поверхности электродов. 

Так как локальные разряды через неопределенные 

промежутки времени прерываются 

и возобновляются, совокупность разрядов 

«является стохастической в том смысле, что 

все акты случайны, но в целом подчиняются 

статистическим законам и могут быть охарактеризованы 

в терминах статистики». 

Только в последнее время стало распространяться 

противоположное мнение, что 

микроразряды в барьерном разряде возникают, 

все-таки, не «случайным» образом 

[3, 16, 27], а их местоположение зависит 

от сочетания определенных факторов. 

В [16], в частности, говорится о том, что места 

появления микроразрядов в очередной 

серии определяются расположением поверхностных 

зарядов, оставшихся после прохождения 

предыдущих серий. 

В [27] находим сведения, что в «оптимальных» 

условиях «диффузные микроразряды» 

в барьерной эксилампе обычно остаются 

на одном месте. Возбуждение эксилампы осуществлялось 

в описываемых экспериментах 

однополярными импульсами, которые имели 

амплитуду до 8 кВ, длительность ~1,5 мкс 

и частоту следования 75 кГц. После включения 

за время порядка 1 с эксилампа начинала 

работать в стационарном режиме. За искровой 

формой разряда без прокачки рабочей 

смеси и без изменения ее состава, как сообщается, 

наблюдается стабильное «расконтрагирование» 

разряда. Яркие искровые разряды 

меняются на конусообразные микроразряды. 

Ранее «расконтрагирование» разряда, как говорится 

в статье, наблюдалось в импульснопериодических 

разрядах СО 2 -лазеров с поперечным 

разрядом и прокачкой рабочей 

смеси, а также в лазерах на парах металлов 

с продольным разрядом, и объяснялось это 

изменением состава газовой смеси. Переход 

контрагированного разряда в разновидность 

диффузного разряда в данных экспериментальных 

условиях может быть объяснен, 

считают авторы, появлением «убегающих 

электронов» при пробое промежутка. 

В [27] сообщается, что, как показало фотографирование 

разряда, первые диффузные 

микроразряды формируются, как правило, 

на том месте, где перед этим наблюдался 

яркий ветвистый (искровой) канал. Авторы 

работы полагают, что в паузе между импульсами 

наибольшая остаточная концентрация 

электронов остается в области с наибольшей 

плотностью тока при предыдущем импульсе. 

Эта область имеет сравнительно малые поперечные 

размеры и «перемыкает» разрядный 

промежуток. При подаче следующего 

импульса на границе этой области за счет 

«геометрического фактора» происходит 

усиление электрического поля, которое, как 

предполагают авторы, оказывается достаточным 

для появления в разряде «быстрых 

электронов». Появлению быстрых электронов 

дополнительно способствует нагрев газа 

в местах с наибольшей плотностью тока 

во время отдельных стадий разряда. Разряд 

состоит из диффузных микроразрядов 

в виде конусов с сомкнутыми вершинами, 

при этом на оси микроразряда хорошо заметен 

нитевидный «более яркий диффузный 

канал». При нагреве концентрация рабочей 

смеси в местах с наибольшей плотностью 

тока уменьшается, и это, как полагают авторы, 

облегчает ускорение электронов до повышенных 

энергий. Поскольку нагрев смеси 

до стационарной температуры происходит 

за большое число импульсов, то будет и задержка 

(1 с) при формировании установившейся 

стадии разряда. 

Несмотря на то, что последняя цитата, 

по большому счету, ничего не объясняет 

в реальном процессе, тем не менее она опровергает 

приведенное выше утверждение 

о роли «поверхностных зарядов». В целом же 

источники [3, 16, 27] являются своего рода 

определенным подтверждением общих 


представлений о «детерминированных процессах» 

в барьерных разрядах, изложенных 

в [22, 23, 28]. 

Температура поверхности диэлектрического 

слоя, как уже указано, крайне неоднородна. 

На поверхности есть участки с очень 

высоким значением температуры в местах существования 

каналов микроразрядов. Этим 

обьясняются, в частности, значительные расхождения 

результатов экспериментальных 

оценок (разными авторами) и температуры 

газа (К) в разрядном промежутке. 

Строгое пространственное расположение 

каналов микроразрядов в установившемся 

процессе обусловлено значительным локальным 

нагревом отдельных участков барьера 

непосредственно под каналами. Нагрев 

локального участка в подавляющем большинстве 

случаев приводит к увеличению диэлектрической 

проницаемости ε материала 

этого участка и локальному росту напряженности 

электрического поля, что и «привязывает» 

последующие микроразряды к определенному 

местоположению (в существующих 

конструкциях). Эффективная диэлектрическая 

проницаемость ε барьера увеличивается 

не только за счет локального повышения 

температуры К участков (и тепловой генерации 

свободных носителей заряда в самом 

диэлектрике за счет его локального нагрева), 

но и, в некоторой степени, из-за локального 

увеличения проводимости в результате периодической 

инжекции электронов в обьем 

диэлектрика с металлических электродов генератора 

озона. Для наиболее выраженной 

зависимости относительной диэлектрической 

проницаемости ε материала барьера 

от температуры К имеет место и более «строгая 

привязка» каналов микроразрядов. 

При этом к рассмотренному процессу 

не имеют отношения ни «расположение 

поверхностных зарядов, оставшихся после 

прохождения предыдущих серий» [3, 16, 29], 

ни «геометрический фактор», ни, тем более, 

«убегающие электроны» [27]. К моменту изменения 

полярности напряжения на электродах 

«поверхностные заряды» в местах расположения 

микроразрядов от предыдущих серий 

фактически отсутствуют. Действительно, 

если бы это было не так, то непонятным 

оставалось бы, как в этом случае (в условиях 

существования поверхностных зарядов) 

на одних и тех же местах вообще возникают 

последующие серии (одного полупериода). 

В действительности время «нейтрализации» 

(δt) объемных и поверхностных зарядов 

на диэлектрическом слое пропорционально 

произведению объемного и поверхностного 

удельных сопротивлений (δt~ερρ s ), составляет 

доли или единицы микросекунд и обычно 

снижается с ростом температуры К (за счет ρ 

и ρ s ). И «строгая» пространственная привязка 

микроразрядов имеет место даже при питании 

барьерного генератора униполярными 

импульсами напряжения [22, 23, 27]. Эффект 

«убегающих электронов», или ЭАЭ (электро- 


117

118 


Рис. 13. Зависимость угла диэлектрических потерь материалов от частоты tgσ = F 4(f) Рис. 14. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры ε = F 5(К) 

ны аномальных энергий), невозможно (неясно 

как) приложить к исследуемым явлениям. 

Кроме того, средняя энергия электронов 

в барьерных разрядах озонаторов составляет 

единицы электрон-вольт (ЭАЭ же с энергией 

J > eU 0 , где е — заряд электрона, то есть в десятки 

кэВ, в этих разрядах попросту нет). 

Во время существования отдельной серии 

возможно прохождение как одного, так 

и нескольких стримеров по одному и тому же 

каналу. Число последовательных стримеров 

зависит от удельного сопротивления — 

объемного ρ и поверхностного ρ s , а также 

от значения относительной диэлектрической 

проницаемости ε нагретого участка слоя. 

С возрастанием температуры К значения 

удельного сопротивления (ρ, ρ s ) уменьшаются. 

Это приводит к более быстрой нейтрализации 

«объемных и поверхностных зарядов» 

от предыдущих стримеров и росту вероятности 

прохождения повторных стримеров. В [3] 

серии последовательных стримеров наблюдались 

для барьерного разряда в среде влажного 

аргона (Аr, Н 2 О). Последовательные 

стримеры (незавершенные микроразряды) 

могут проходить и в кислородсодержащем 

(электроотрицательном) газе, поэтому 

противопоставлять эти два вида процессов 

по указанному признаку (как это имеет место 

в [3]) некорректно. Прохождением последовательных 

стримеров, в частности, 

объясняется полиэкстремальность кривых 

распределения величин зарядов, переносимых 

в сериях микроразрядов в кислороде 

и в воздухе. 

Пространственная привязка каналов микроразрядов 

и возникновение повторных 

стримеров приводят к снижению выхода 

озона и росту энергозатрат из-за увеличения 

доли распадающегося озона. 

Теперь становится понятным снижение 

производительности барьерных генераторов 

с ростом влажности (D) газовой смеси 

и более низкий выход озона в генераторах 

с одним диэлектрическим слоем (с односторонним 

охлаждением), а также наклон 

и «смещение» участка вольт-амперной характеристики 

(I CP = F 1 (U РЭ )) генератора к оси токов 

I CP при горении разряда. Все эти явления 

обусловлены, соответственно, уменьшением 

поверхностного удельного сопротивления ρ s 

и возрастанием относительной диэлектрической 

проницаемости ε отдельных участков 

барьеров (в связи с локальным их нагревом). 

Ростом диэлектрической проницаемости ε 

при нагреве диэлектрического слоя объясняется 

то, что реальная (измеряемая) емкость 

барьера С1 (и общая емкость генератора озона) 

может превышать расчетную, несмотря 

на относительно малую величину Λ (элементарные 

емкости участков включены параллельно). 

В [27] эксимерная лампа была выполнена 

из кварцевого стекла. Именно локальным 

нагревом диэлектрического слоя и повышением 

напряженности поля за счет увеличения 

ε (и емкости) на участках возникновения 

микроразрядов в разрядном промежутке 

можно объяснить пространственную «привязку» 

микроразрядов в эксимерной лампе. 

Также радиационным нагревом (излучением) 

лампой диэлектрического слоя и изменением 

его свойств, в частности диэлектрической 

проницаемости ε, обусловлен «эффект 

Джоши». Действительно, диэлектрики, как 

правило, прозрачны в видимой и ближней 

ультрафиолетовой области, но имеют широкие 

полосы непрозрачности в инфракрасной 

области спектра, излучение в которой 

является основным для лампы накаливания. 

То, каким будет «эффект Джоши» — «положительным» 

или «отрицательным», зависит 

от характера (вида) температурной кривой 

относительной диэлектрической проницаемости 

ε (коэффициент в зависимости может 

быть как положительным, так и отрицатель- 

ным). Характерно, что «эффект Джоши» 

в принципе может не регистрироваться, если 

ε зависит слабо (или не зависит) от температуры 

К по какой-либо причине. 

Обычно с ростом частоты f существенно 

снижается тангенс угла диэлектрических потерь 

tgσ материала барьера, что приводит 

к уменьшению потерь от тока проводимости 

в диэлектрическом слое и меньшему нагреву 

его поверхности (и, соответственно, 

объема). Величина tgσ характеризует «степень 

несовершенства» материала диэлектрического 

слоя. На рис. 13 приведены графики 

зависимости tgσ = F 4 (f ) для некоторых типов 

стекла. Можно видеть, что tgσ с ростом 

частоты f вначале падает, а затем начинает 

расти. В диапазонах частот f, применяемых 

в озонаторах (0,05–100 кГц), например, для 

стекла С86-1 тангенс угла диэлектрических 

потерь может изменяться более чем в 10 раз. 

Вместе с тем есть материалы (С40-1) с малыми 

диэлектрическими потерями и слабой 

зависимостью tgσ от частоты f (tgσ = F 4 (f )). 

Одновременно с ростом частоты f питающего 

напряжения u для применяемых в современных 

генераторах озона диэлектриков, 

в частности стекла, зависимость относительной 

диэлектрической проницаемости ε 

от температуры К становится менее выраженной 

(рис. 14). Это объясняет «стабилизирующую» 

роль питания барьерного генератора 

напряжением повышенной частоты f. 

На рис. 14 представлены кривые ε = F 5(К) 

для стекла F-36-N при различных значениях f. 

Кривые показывают, что в «рабочем» диапазоне 

температур К диэлектрического слоя 

относительная диэлектрическая проницаемость 

ε может измениться более чем в пять 

раз (соответственно изменится емкость С1 

и электрический режим генератора озона). 

При увеличении частоты f (0,3–10 кГц) зависимость 

ε = F 5(К) становится менее выраженной. 

С ростом температуры К, как правило, 


растет и величина тангенса угла диэлектрических 

потерь tgσ, что отражено на рис. 15. 

Здесь даны графики зависимости tgσ = F 6 (К) 

для стекла С89-6. Величина tgσ в диапазоне 

возможных температур К для этого материала 

может возрасти в 10–15 раз. И так же 

с ростом рабочей частоты f зависимость 

tgσ = F 6 (К) становится менее выраженной. 

Рассмотренные (рис. 13–15) графики зависимости 

(tgσ = F 4 (f ), ε = F 5 (К) и tgσ = F 6 (К)) 

подтверждают, как может влиять материал 

диэлектрического слоя на характеристики генератора 

озона, а также, очевидно, на технологический 

результат. 

Исключительную важность имеет охлаждение 

диэлектрического слоя. Более тонкие 

и однородные слои из диэлектрических материалов 

с повышенным коэффициентом 

теплопроводности обеспечивают более равномерную 

и более низкую температуру К поверхности 

барьера. Эффективность синтеза 

озона в рассматриваемом случае повышается. 

В этой связи материал должен обладать 

и высокой электрической прочностью. 

Значение имеют также объемное ρ и поверхностное 

ρ s удельные сопротивления и их зависимость 

от различных параметров. Удельные 

сопротивления, как отмечалось выше, влияют 

на «форму» барьерного разряда. Они в условиях 

разряда тоже не являются неизменными. 

На рис. 16 представлены графики зависимости 

удельного объемного сопротивления ряда 

керамических материалов от температуры 

ρ = F 7 (К). Удельное объемное сопротивление ρ, 

например, керамики ТК-21 при изменении 

температуры на ~200 К уменьшается на пять 

порядков. В объеме керамического материала 

с ростом температуры К возрастает число 

свободных носителей заряда. В определенном 

смысле увеличение числа носителей заряда эквивалентно 

росту относительной диэлектрической 

проницаемости ε. 

Вид зависимости ρ = F 7 (К) для разных 

материалов (при общей тенденции к снижению 

ρ с ростом К) различен. В частности, керамика 

Ф-17, имея существенно меньшее ρ 

при низкой температуре К, на границе диапазона 

(473 К) обладает большим сопротивлением, 

чем керамика ТК-21. На рис. 17 показано, 

как зависит удельное поверхностное 

сопротивление стекла от относительной 

влажности ρ s = F 8 (D) при различных значениях 

температуры. Удельное поверхностное 

сопротивление ρ s с ростом температуры К 

уменьшается. Увлажнение поверхности 

(D→100%) может снизить ρ s на 4–5 порядков. 

Графики зависимости ρ s = F 8 (D) для разных 

материалов (С47-1, С89-2) также различаются 

(и могут, как видно, «пересекаться»). 

Таким образом, как поведет себя материал 

в условиях разряда, определяется его маркой 

(типом). 

Температура К диэлектрического слоя — 

важнейший параметр, от которого зависят 

характеристики, форма разряда и технологический 

результат. 

Рис. 15. Зависимость угла диэлектрических потерь от температуры tgσ = F 6(К) 


Рис. 16. Зависимость объемного удельного сопротивления от температуры ρ = F 7 (К) 

Рис. 17. Зависимость удельного поверхностного сопротивления от влажности ρ s = F 8 (D) 


119

120 


Сама по себе величина относительной диэлектрической 

проницаемости ε материала 

барьера самостоятельного (специфического) 

значения не имеет. В качестве диэлектрических 

слоев в барьерных генераторах применяют 

различные виды стекла, стеклоэмали, 

реже керамики со средним значением относительной 

диэлектрической проницаемости 

ε (в нормальных условиях), равной 

5–50 [4]. Давно известны факты улучшения 

характеристик генераторов озона при использовании 

стекла (для некоторых составов) 

и стеклоэмали с добавлением, например, 

рутила (ТiO 2 ). Однако попытки [6, 17, 18] 

объяснить это улучшение только увеличением 

значения относительной диэлектрической 

проницаемости ε материалов не корректны. 

Действительно, в генераторе обычной конструкции 

при отсутствии диэлектрического 

(полупроводникового) барьера выход 

озона практически отсутствует, несмотря 

на то, что материал электрода (металл) имеет 

относительную диэлектрическую проницаемость 

ε, стремящуюся к бесконечности. 

Диэлектрический слой выполняет функцию 

«контроллера» разряда. Благодаря барьеру 

разряд в озонаторах и имеет дискретную 

форму (существует в виде серий микроразрядов). 

Здесь хотелось бы понять, что же такое 

диэлектрическая проницаемость ε материала 

барьера в генераторе озона? 

Свойством ослаблять (это и характеризует 

величина ε) электрическое поле обладают все 

материалы и во всех агрегатных состояниях. 

При переменном электрическом поле диэлектрическая 

проницаемость ε математически 

выражается комплексным числом: 

ε = ε в – j ε М , 

где ε в , ε М — соответственно вещественная 

и мнимая части комплексного числа. 

Отношение мнимой и вещественной частей 

(ε М , ε в ) и представляет собой тангенс угла 

диэлектрических потерь tgσ, то есть: 

–1 tgσ = εМ εв . 

Считается, что металлы обладают наибольшей 

диэлектрической проницаемостью 

1


15. Самойлович В. Г., Панин В. В., Крылова Л. Н. 

Современные тенденции в конструировании 

промышленных озонаторов // Тезисы докл. 

Всерос. конференции, посвящ. озону и другим 

экологически чистым окислителям, науке 

и технологиям. Москва. 7–9 июня 2005 г. 

16. Козлов К. В. Современный уровень понимания 

механизма барьерного разряда в смесях кислорода 

с озоном // Тезисы докл. Всерос. конференции, 

посвящ. озону и другим экологически 

чистым окислителям, науке и технологиям. 

Москва. 7–9 июня 2005 г. 

17. Соколова М. В., Кривов С. А., Хулка Л. и др. 

Влияние материала диэлектрического барьера 

и вытягивающего напряжения на структуру поверхностного 

разряда и выход озона // Тезисы 

докл. Всерос. конференции, посвящ. озону 

и другим экологически чистым окислителям, 

науке и технологиям. Москва. 7–9 июня 2005 г. 

18. Вобликова В. А., Шаброва Е. А., Шаброва Е. В. 

и др. Оптимизация синтеза озона при использовании 

специальных диэлектрических материалов 

и повышенной частоты тока // Тезисы 

докл. Всерос. конференции, посвящ. озону 

и другим экологически чистым окислителям, 

науке и технологиям. Москва. 7–9 июня 

2005 г. 

19. Кухта В. Р., Лопатин В. В., Носков М. Д. Влияние 

внедренного объемного заряда на формирование 

разрядной структуры в диэлектриках // 

Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып. 23. 

20. Бельков Е. П., Дашук П. Н., Спичкин Г. Л. и др. 

Объемный разряд емкостного типа в SF6 // 

Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып. 21. 

21. Пичугин Ю. П., Кравченко Г. А., Матюнин А. Н. 

Совершенствование генераторов озона для 

агропромышленного комплекса // Матералы 

2-й межд. науч. конференции, посвящ. алтайскому 

селу. Барнаул. 7 июня 2011 г. 

22. Силкин Е. М. Интенсификация электротехнологий 

водоподготовки и водоочистки // Тезисы 

докл. межотрасл. науч.-технич. конференции, посвящ. 

альтернативной энергетике и проблемам 

экологии. Кемер (Турция). 21–28 ноября 1995 г. 

23. Силкин Е. М. Физические процессы в барьерных 

генераторах при электросинтезе озона // 

Материалы XII науч. конференции, посвящ. 

химии, новым технологиям и новым продуктам. 

Кемерово. 21–24 апреля 2009 г. 



121 

24. Пичугин Ю. П. Структура барьерного разряда 

и синтез озона // Тезисы докл. Всерос. конференции, 

посвящ. озону и другим экологически 

чистым окислителям, науке и технологиям. 

Москва. 7–9 июня 2005 г. 

25. Kogelschatz U., Eliasson B., Egli W. Dielectric 

barrier discharges — principle and applications // 

J. Phsique. 1997. Vol. IV-C4. 

26. Heuser C., Pietsch G. Pre-breakdown phenomena 

between glass-glass and metal-glass electrodes // 

Proc. 6 th Int. Conf. on Gas Discharges and their 

Applications. Edinburgh, 1980. 

27. Тарасенко В. Ф., Шитц Д. В., Ломаев М. И. 

О формировании барьерного разряда 

в KrCl-эксилампе // Известия вузов. Физика. 

2003. № 7. 

28. П. 2261837 РФ, МКИ С01 В13/11. Озонатор / 

Е. М. Силкин. Опубл. Б. И. 2005. № 28. 

29. Лунин В. В., Гибалов В. И., Ткаченко И. С. Синтез 

озона в поверхностном барьерном разряде 

в кислороде // Тезисы докл. Всерос. семинара, 

посвящ. озону и другим экологически чистым 

окислителям. Москва. 18–19 июня 2008 г. 

30. Силкин Е. М. Совершенствование промышленной 

технологии электросинтеза озона // Тезисы 

докл. Межд. симпозиума, посвящ. чистой воде. 

Екатеринбург. 17–21 апреля 2001 г. 

31. З. 2003112555\09 РФ, МКИ Н05 В41/30. Способ 

питания электрической нагрузки, содержащей 

газоразрядный промежуток / Е. М. Силкин. 

Опубл. Б. И. 2003. № 34. 

32. Силкин Е. М. Комбинированные электротехнологии 

в водоподготовке и водоочистке // Тезисы 

докл. Межд. симпозиума, посвящ. чистой воде. 

Екатеринбург. 15–19 апреля 2003 г. 

33. Силкин Е. М. Повышение эффективности технологий 

озонирования питьевых и сточных 

вод // Труды VIII Межд. конференции, посвящ. 

водоснабжению и водоотведению. Кемерово. 

15–18 ноября 2005 г. 

34. Силкин Е. М. Повышение эффективности технологии 

синтеза озона // Тезисы докл. V Всерос. 

науч. конференции, посвящ. энергосбережению 

в городском хозяйстве, энергетике, промышленности. 

Ульяновск. 20–21 апреля 2006 г. 

35. П. 2258670 РФ, МКИ С01 В13/11. Озонатор / 

Е. М. Силкин. Опубл. Б. И. 2005. № 23. 

36. П. 2336231 РФ, МКИ С02 F1/467. Способ очистки 

воды / Е. М. Силкин. Опубл. Б. И. 2008. № 29. 

Новое шасси 

MicroTCA 

высотой 4U 

для систем с высоким 

коэффициентом 

готовности 

Компания Schroff предлагает новое 

компактное 19-дюймовое шасси стандарта 

MicroTCA высотой 4U с резервированием 

основных компонентов для использования 

в системах с высоким коэффициентом готовности 

(до 99,999). 

Шасси соответствует спецификации PICMG 

MicroTCA.0 R1.0 и предназначено для применения 

в ответственных телекоммуникационных 

приложениях. Устройство может вмещать 

до 12 одинарных модулей АМС, а также два 

резервированных модуля MicroTCA Carrier 

HUB и два модуля источника питания шириной 

до 12 HP. В шасси установлена кросс-плата 

с топологией «двойная звезда» для соединения 

между собой двух комплектов слотов, образующих 

полностью резервированную систему. 

Охлаждение шасси — воздушное принудительное. 

Оно реализовано по схеме 

«спереди — вверх — назад», при этом фильтрующий 

элемент можно легко заменить 

с передней стороны шасси. Резервирование 

охлаждения обеспечивается при помощи двух 

блоков с «горячей» заменой, установленных 

в задней части шасси. Каждый из блоков 

оснащен двумя вентиляторами и системой 

управления с контролем температуры. 

Конструктивно шасси выполнено 

в 19-дюймовом корпусе глубиной 296 мм, 

окрашенном снаружи порошковой эмалью 

черного цвета RAL9005. При поставке 

устройство оснащается полным комплектом 

направляющих рельсов, предназначенных 

для установки модулей АМС. 


Реклама новости шасси

122 



Святослав ЮРьЕВ 

Особую роль в современной жизни 

играют автономные источники электрического 

тока, в том числе и перезаряжаемые. 

Аккумуляторные батареи самого разнообразного 

назначения и габаритов, батарейки 

для часов, медицинских приборов, имплантируемых 

в человеческое тело, и для других 

устройств производятся в мире в огромном 

и все возрастающем количестве. Однако отработанные 

автономные источники питания 

представляют угрозу для окружающей среды 

и жизни человека. 

Габариты существующих источников питания, 

вес и их форма ставят перед разработчиками 

устройств и объектов, в которых 

они используются, крайне трудные задачи 

общей компоновки проектируемых приборов. 

Существенное значение имеет и стоимость 

источников питания, а также их влияние 

на экологию в процессе изготовления, 

эксплуатации и переработки. 

В мире проводятся интенсивные исследования 

по усовершенствованию известных 

и разработке новых автономных источников 

питания, удовлетворяющих современным 

техническим, экономическим и экологическим 

требованиям. 

Вниманию читателей представлены переводы 

публикации по этой тематике из журналов 

Scientific American и NCLA News. 

Напыляемые 

источники питания 

Группа исследователей недавно объявила 

о разработке новой конструкции перезаряжаемых 

источников питания, которые 

изготавливаются методом напыления необходимых 

компонентов. Эта технология может 

изменить обычный способ производства 

батарей и устранить ограничительные 

требования к поверхностям, используемым 

для установки устройств, аккумулирующих 

электроэнергию. 

«Нарисованные» источники питания, 

как и ионно-литиевые батареи, состоят 

из пяти слоев: это токоприемник положи- 

Новое в технологиях 

электрических источников питания 

Источники питания — неотъемлемая составляющая любых электротехнических 

коммерческих и бытовых объектов и устройств, электронных 

приборов, бытовой и медицинской техники. В последнее время ученые 

разработали новые технологии создания таких источников. 

тельного заряда; катод, который притягивает 

положительно заряженные ионы; 

ионно-проводящий сепаратор; анод, притягивающий 

отрицательно заряженные ионы, 

и токоприемник отрицательного заряда. Для 

решения вопроса о том, как изготавливать 

каждый слой, необходимо было решить задачу 

найти способ смешения материала, обладающего 

электрической проводимостью, 

с различными полимерами для того, чтобы 

создать краску, которая может быть нанесена 

напылением на разные поверхности. 

Ниилам Сингх (Neelam Singh), член 

группы ученых-материаловедов и химиков 

из университета Райса (Rice) в Хьюстоне 

и Католического университета города 

Лёвен в Бельгии, сказала: «Мы сильно 

волновались, пытаясь решить эту задачу. 

Сможем ли мы в действительности нарисовать 

батарейку на различных поверхностях 

и превратить любой объект в накопитель 

электроэнергии?» 

Сингх сообщила, что цель, которую поставил 

перед собой ее коллектив, — решить социально 

важную задачу накопления энергии, 

создав новую конструкцию перезаряжаемого 

источника питания. «Мы пришли к выводу, 

что фокус в исследованиях сдвигается в сторону 

интегрирования батарей». Это означает, 

Рис. 1. Демонстрация устройства 

для испытания нарисованных батареек, состоящего 

из девяти керамических плиток в комбинации 

с солнечным элементом и светодиодной матрицей 

что исследователи стараются создать источники 

питания типа батареек, которые могут 

быть встроены в различные объекты. 

Несколько групп разработчиков сосредоточили 

свои усилия на создании тонких 

и гибких батарей, а также батарей, которые 

можно было бы встроить в структуру разных 

тканей. Солнечная энергетика — одна из областей 

применения, к которой исследователи 

проявляют особый интерес. Солнечные панели 

могут иметь очень большие площади 

полезной поверхности. С учетом этого обстоятельства 

конструкция, разработанная 

группой исследователей из университета 

Райса, является эффективным средством 

сбора и накопления электроэнергии в солнечной 

энергетике. 

Для проведения испытаний этой конструкции 

исследователи наносили слои, образующие 

батарею, на керамическую ванную 

плитку (рис. 1), стекло, гибкие прозрачные 

пленки, нержавеющую сталь, на боковую поверхность 

глиняной пивной кружки. В каждом 

случае батарея работала. В одном эксперименте 

к элементу солнечной батареи 

была подсоединена нарисованная батарейка, 

от которой осуществлялось питание светодиодного 

монитора. 

По словам Сингх, самой большой проблемой 

было сделать батарею одновременно стабильной 

и мощной. «Не очень-то легко было 

наносить слои один на другой, исключив 

при этом емкостную связь между ними, или 

находить компромиссные решения для обеспечения 

требуемых характеристик батареи». 

Рассматривались и вопросы безопасности. 

Во многих ионно-литиевых батареях положительный 

коллектор тока изготавливается 

из алюминия, но микрочастицы этого металла 

могут представлять опасность для легких, 

так что их использование в аэрозольных красках 

может быть опасным для здоровья. В качестве 

замены исследователи использовали 

углеродные нанотрубки. 

Для изготовления катода применялся 

литий-кобальт оксид, имеющийся на рынке 

электролитический гель играл роль сепаратора, 

анод изготавливался из литий-титан 

оксида, а коллектор отрицательного заря- 


да — из меди. Детально информация изложена 

в Scientific Reports от 28 июня 2012 г. 

Сингх считает, что разработанные их группой 

батареи обладают достаточной для их 

объема энергией. Их можно наносить на разные 

по форме объекты, которые могут быть 

изготовлены из различных материалов. 

Вилас Пол (Vilas Pol), ученый-материаловед 

из национальной лаборатории «Аргон» 

(Argonne), не принимавший участия в этой 

работе, согласен с тем, что новая конструкция 

захватывает воображение, он характеризует 

идею как исключительную и выдающуюся 

в области разработок и интеграции 

источников питания. 

Однако в настоящее время «нарисованные» 

батарейки еще не полностью готовы для того, 

чтобы занять место на полках в местных 

магазинах, торгующих бытовой техникой. 

Например, слой электролитного сепаратора 

не обладает достаточной стабильностью при 

воздействии кислорода. Он может взорваться 

при контакте с воздухом, так что необходимо 

создавать специальные условия при изготовлении 

батарей. 

Сингх сообщила, что их группа в настоящее 

время работает над снижением взаимодействия 

материалов с воздухом и влагой, 

чтобы обеспечить экологическую безопасность. 

Она добавила, что другие группы 

работают над созданием изготавливаемых 

методом напыления солнечных фотовольтаических 

элементов. Кроме того, она считает, 

что нарисованные солнечные элементы 

будут использоваться в солнечных батареях. 

Дома могут превратиться в объекты, которые 

преобразуют солнечную энергию в электричество 

и способны хранить его. 

Позолоченный сепаратор 

Перезаряжаемый воздушно-реактивный 

аккумулятор, который может накапливать 

в 10 раз больше электроэнергии, чем современные 

ионно-литиевые аккумуляторы, может 

оказаться технологическим прорывом, 

который сделает электромобили практичным 

транспортным средством, — если такая батарея 

когда-либо выйдет за пределы лаборатории. 

Ученые во всем мире заняты поисками 

наилучшей комбинации материалов, которая 

сделает работающий воздушно-литиевый аккумулятор 

реальностью, не говоря уже о его 

возможности выдерживать многочисленные 

циклы зарядки и разрядки. 

К настоящему времени ученые нашли материал, 

который поможет решить проблему. 

Это — золото. 

Исследователи из университета Сент- 

Эндрюс (Saint Andrews) в Шотландии вначале 

решили, что аккумулятор для автомобилей, 

сделанный из золота, не сможет найти практического 

применения. Однако, используя 

золото в экспериментальном аккумуляторе, 

они сделали важный шаг на пути создания 

жизнеспособного литиевого аккумулятора 

Рис. 2. Воздушно-литиевый аккумулятор 

для массового рынка, который сможет обеспечить 

пробег автомобиля в сотни километров 

между подзарядками. 

Химики университета Сент-Эндрюс в статье, 

опубликованной в [3], сообщили, что их 

экспериментальный воздушно-литиевый аккумулятор 

(рис. 2), в котором использованы 

органический электролит (диметил сульфоксид) 

и пористый золотой электрод, сохранял 

95% емкости после ста циклов зарядкиразрядки. 

Ученые проявляют интерес к воздушнолитиевым 

аккумуляторам, поскольку современная 

ионно-литиевая технология характеризуется 

наличием ограничений на емкость 

заряда, что делает ее неприемлемой в долговременном 

плане для изготовления аккумуляторов 

для автомобилей. 

В используемых сейчас ионно-литиевых 

аккумуляторах катод (положительный электрод) 

изготавливается из окислов металла 

или металл-фосфатов (обычно это кобальт, 

марганец или материалы на основе ионов 

железа), анод (отрицательный электрод) — 

из углерода, а электролит обеспечивает прохождение 

ионов лития от одного электрода 

к другому. При зарядке аккумулятора поток 

ионов изменяет направление своего движения. 

Однако ограниченное количество ионов, 

которые могут быть накоплены на электродах, 

заставило исследователей искать другие 

пути решения проблемы. 

Питер Брюс (Peter Bruce), профессор химии 

университета Сент-Эндрюс, сообщил: 

«Ионно-литиевые аккумуляторы в настоящее 

время являются наилучшим типом аккумуляторов 

в отношении плотности энергии, 

и они будут использоваться продолжительное 

время в будущем, в частности в электромобилях. 

Но мы уже знаем, что, если сможем 

удвоить запасаемую в этих аккумуляторах 

энергию в два раза, то приблизимся к возможному 

пределу. Ионно-литиевые аккумуляторы 

не смогут удовлетворить наши нужды 

в будущем, по этой причине и существует 

интерес к поиску альтернативных решений 

вроде конструкции аккумулятора, в которой 

используется сочетание литий-воздух». 

В принципе кислород для воздушнолитиевого 

аккумулятора поступает в него 

из воздуха во время движения автомобиля. 

Это означает, что исчезает необходимость 


в оксидах тяжелых металлов, которые существенно 

увеличивают вес аккумулятора, 

но ограничивают его емкость. Молекулы 

кислорода вступают в реакцию с ионами 

лития и электронами на поверхности пористого 

золотого катода, в результате чего образуется 

пероксид лития. Во время разряда 

формирование пероксида лития обеспечивает 

протекание тока, который питает двигатель 

автомобиля. Во время заряда имеет 

место обратная реакция: кислород выходит 

в атмосферу. 

При испытаниях катоды и электролиты 

разлагаются и деградируют до такого состояния, 

когда через небольшое число циклов 

заряда-разряда пероксид лития образуется 

в незначительном количестве или его образование 

носит частичный характер. Питер Брюс 

и его коллеги из университета Сент-Эндрюс 

Цзангуань Пенг (Zhangquan Peng), Стефан 

Фрюнбергер (Stefan Freunberger) и Юху Чен 

(Yuhui Chen) пытаются найти такой тип реакции 

на электроде, которая может осуществляться 

в течение многих циклов. 

С учетом необходимости снижения стоимости 

аккумулятора исследователи считают, 

что вместо полностью золотых электродов 

можно использовать углерод, покрытый золотом. 

При этом важно проверить, насколько 

сопоставимы результаты. 

Питер Брюс заявил: «Мы показали, 

что необходимая электрохимическая реакция 

в воздушном аккумуляторе имеет место 

и что она должна быть обратимой». Он 

и его группа обратили внимание на золото 

как на возможный материал для электрода, 

поскольку этот металл является стабильным 

субстратом для уменьшения содержания кислорода 

в безводных системах (изготовленных 

на основе не воды, а других жидкостей). 

Использование пористого золота обеспечивает 

наличие свободного места для внедрения 

твердого пероксида лития, что невозможно 

при сплошной, без пор, поверхности золота. 

«Пока мы в действительности не знаем, как 

обстоит дело с золотом с нанопорами, которое, 

похоже, может обеспечить требуемую 

стабильность. Необходимо проделать дополнительную 

работу, чтобы это выяснить», — 

добавил профессор Брюс. 

Исследования по созданию воздушнолитиевых 

аккумуляторов также проводятся 

в национальной лаборатории «Аргон», 

в МТИ, IBM и других местах. 

Прозрачные солнечные 

фотоэлементы для окон, 

генерирующие электричество 

Исследователи из университета штата 

Калифорния (UCLA), Лос-Анджелес, разработали 

новый прозрачный фотовольтаический 

солнечный элемент (рис. 3). При размещении 

панелей из таких элементов на окнах 

домов и других строений для генерации 

электричества сохраняется возможность ви- 


123

124 

Рис. 3. Прозрачные солнечные 

фотовольтаические элементы 


деть все за окном. Результаты этой работы 

были опубликованы в журнале ACS Nano. 

Исследователи из UCLA описывают новый 

вид полимерного солнечного элемента 

(PSC), который вырабатывает электричество 

за счет поглощения главным образом инфракрасного 

излучения, а не видимого света. 

Прозрачность такого солнечного элемента 

для человеческого глаза приближается к 70%. 

Элемент изготовлен из фотоактивного полимера, 

который преобразует инфракрасный 

свет в электрический ток. 

«Эти результаты открывают большие возможности 

для применения прозрачных для 

человеческого глаза полимерных солнечных 

элементов в качестве дополнительных компонентов 

портативных электронных устройств, 

для «умных» окон и интегрированных в здания 

фотовольтаических панелей, а также для 

множества других применений», — сообщил 

руководитель работы Йенг Йенг (Yang Yang), 

профессор UCLA, специалист в области инженерии 

и науки о материалах, который также 

является директором центра возобновляемой 

наноэнергетики в Калифорнийском 

институте наносистем (CNSI). 

Йенг добавляет, что к так называемым полимерным 

солнечным элементам проявляется 

большой интерес в мировом масштабе. 

«Наши PSC сделаны из материалов, подобных 

полимерам, они легкие и гибкие, — говорит 

он. — Что еще более важно, их можно 

производить в больших количествах при 

низкой стоимости». 

Полимерные солнечные элементы привлекают 

большое внимание благодаря их пре- 

восходству над конкурирующими технологиями 

изготовления солнечных элементов. 

Ученые активно исследуют элементы PSC 

из-за их потенциала обеспечивать уникальные 

возможности в самых разнообразных 

областях применения. Высокоэффективные, 

прозрачные в видимой области фотовольтаические 

устройства могут найти применение 

в таких областях, как интегрированные 

в здания фотовольтаические панели и интегрированные 

в портативную электронику 

фотовольтаические зарядные устройства. 

До настоящего времени предпринимались 

попытки продемонстрировать прозрачные 

или полупрозрачные элементы PSC. Однако 

часто результатом таких работ являлась малая 

прозрачность в видимой области спектра 

и/или недостаточная эффективность этих 

элементов из-за того, что в конструкции 

и при изготовлении солнечных элементов 

использовались полимерные фотовольтаические 

материалы и прозрачные проводники 

с не соответствующими конечной цели характеристиками. 

Группа исследователей, представляющих 

Калифорнийский институт наносистем, школу 

инженерии и прикладных наук Г. Самуэли 

(H. Samueli), а также отделение химии и биохимии 

университета UCLA, продемонстрировали 

высокоэффективные полимерные 

солнечные элементы, прозрачные в видимой 

области спектра. Они были изготовлены 

из полимера, обладающего высокой чувствительностью 

в ближней инфракрасной 

области, с использованием композитных серебряных 

нанопроводов в качестве прозрачных 

электродов. Фотоактивный в ближней 

инфракрасной области полимер поглощает 

излучение, лежащее в этой области, однако 

он менее чувствителен к видимому свету. 

Таким образом было сбалансировано сочетание 

характеристик солнечного элемента и его 

прозрачности в видимой области спектра. 

Другим важным достижением является 

реализация прозрачного проводника, изготовленного 

из комбинации серебряного 

нанопровода и частиц диоксида титана, 

который заменил ранее использовавшийся 

непрозрачный металлический электрод. 

Такой композитный электрод также дает 

возможность изготавливать недорогие солнечные 

элементы путем нанесения на электрод 

фоточувствительного материала 

из раствора. При такой комбинации эффективность 

преобразования энергии полимерных 

солнечных элементов, изготовленных 

в процессе обработки раствора с использованием 

прозрачного в видимой области 

спектра полимера, может достигать 4%. 

Исследования проводились при поддержке 

Школы техники и прикладной науки 

Г. Самуэли, Департамента исследований 

ВМС и фонда Kavili. 


Создание автономных, в том числе перезаряжаемых 

источников питания (Университет 

Райса в Калифорнии, США), которые изготавливаются 

нанесением слоев необходимых 

материалов методом напыления, открывает 

новые возможности в конструировании 

электронных приборов. 

Разработка эффективных аккумуляторов, 

которые могут выдерживать многочисленные 

циклы зарядки-разрядки (Университет 

Сент-Эндрюс, Шотландия), способствует 

более широкому внедрению экологически 

чистых видов транспортных средств на электрической 

тяге. 

Применение прозрачных фотовольтаических 

элементов для формирования 

солнечных панелей, преобразующих энергию 

Солнца в электрическую энергию 

(Университет штата Калифорния, США), 

дает возможность использовать огромные 

площади стеклянных окон и крыш (в оранжереях, 

например) для бытовых и производственных 

нужд. Технология изготовления 

таких прозрачных фотовольтаических элементов 

позволяет также формировать из них 

солнечные панели на поверхностях различных 

объектов, таких как здания, космические 

корабли и станции и др. 

Приведенные примеры разработок новых 

типов автономных электрических источников 

питания демонстрируют эффективную 

роль технологий в создании новых компонентов 

в соответствии с ужесточающимися 

требованиями к техническим, экономическим 

и экологическим характеристикам 

объектов промышленного, коммерческого, 

медицинского и бытового назначения для 

обеспечения нормальной жизнедеятельности 

человека в будущем. n 


1. http://www.scientificamerican.com/page.cfm? 

section=mobile 

2. http://an.com/article.cfm? id=cover-charge-newspray-on-battery 

3. http://www.scientificamerican.com/article.cfm? 

id=gold-lithium-air-battery 

4. http://newsroom.ucla.edu/portal/ucla/uclaresearchers-create-highly-236698.aspx 





125

126 


Ручной цифровой мультиметр для экстремальных зимних температур 

Компания Agilent Technologies объявила о выпуске 

ручного цифрового мультиметра U1273AX 

на органических светодиодах, который может 

работать при температуре от –40 °C. Даже на таком 

морозе новый ручной цифровой мультиметр 

позволяет получить точные результаты без предварительного 

прогрева. 

Хотя Agilent U1273AX особенно удобен зимой, 

он будет полезен и в любое другое время года, 

поскольку его рабочий диапазон температур увеличен 

до +55 °C. А сочетание широкого температурного 

диапазона со степенью защиты от влаги 

и пыли IP54 и категорией защиты от перенапряжения 

КАТ IV/600 В превращает его в надежный инструмент, 

позволяющий выполнять электрические 

измерения в сложных промышленных условиях. 

В паре с токоизмерительными клещами переменного 

тока U1583B мультиметр U1273AX позволяет 

измерять ток без разрыва цепи. Диапазон рабочих 

температур U1583B также начинается с –40 °C. 

U1273AX имеет 4½-разрядный дисплей 

на органических светодиодах, который создает 

кристально чистое изображение с коэффициентом 

контрастности 2000:1 и углом обзора 160°. 

Расширенные возможности включают режим 

низкого входного сопротивления при измерении 

напряжения, что снижает наводки через емкост- 

ную связь, и ФНЧ, подавляющий коммутационные 

помехи от преобразователей в системах электропривода. 

Для беспроводного подключения к смартфонам 

и планшетам мультиметр U1273AX можно 

оснастить инновационным адаптером Bluetooth 

U1177A и соответствующими приложениями дистанционного 

мониторинга, которые поддержива- 

ют всю линейку ручных цифровых мультиметров 

компании Agilent. Эта уникальная возможность 

позволяет использовать мобильные устройства 

с операционной системой Android для беспроводного 

мониторинга и управления мультиметром 

U1273AX из теплого и безопасного места, например 

из автомобиля или здания. 

www.agilent.com 


Реклама

Вадим ШПЕНСТ, 


Современные радиолокационные средства, 

устанавливаемые на самолетах 

и космических аппаратах, в настоящее 

время представляют один из наиболее интенсивно 

развивающихся сегментов радиоэлектронной 

техники. Основные различия между 

космическими и авиационными радиолокационными 

станциями (РЛС) заключаются 

в принципах обработки радиолокационного 

сигнала, связанными с различным размером 

апертуры, особенностями распространения 

радиолокационных сигналов в разных слоях 

атмосферы, необходимостью учета кривизны 

земной поверхности и т. д. [1]. 

Сейчас бортовые РЛС с синтезированием 

апертуры (РСА) позволяют решать задачи 

видовой разведки (вести съемку земной поверхности 

в различных режимах), селекции 

мобильных и стационарных целей, анализа 

изменений наземной обстановки, осуществлять 

съемку объектов, скрытых в лесных 

массивах, обнаруживать заглубленные и малоразмерные 

морские объекты. Основным 

назначением РСА является детальная съемка 

земной поверхности. За счет искусственного 

увеличения апертуры бортовой антенны, 

основной принцип которого заключается 

в когерентном накоплении отраженных 

радиолокационных сигналов на интервале 

синтезирования, удается получить высокое 

разрешение по углу. В современных системах 

разрешение может достигать десятков сантиметров 

при работе в сантиметровом диапазоне 

длин волн. 

Обработка траекторного сигнала для получения 

сверхвысокой разрешающей спо- 


Методы распараллеливания 

вычислительного алгоритма 

формирования изображения 

в радиолокационных станциях 

с синтезированной апертурой 

В статье рассмотрены методы распараллеливания вычислительного алгоритма 

формирования изображения в радиолокационных станциях с синтезированной 

апертурой на основе параллельных вычислений и определения 

методов их реализации. Предложены способы определения подзадач 

процесса формирования изображения и способ выделения информационной 

зависимости, разработан способ масштабирования и распределения 

подзадач по процессорам, а также методика анализа эффективности 

процесса распараллеливания и оценки устойчивости алгоритма, проведен 

вычислительный эксперимент и оценка полученных результатов. 

собности по дальности и азимуту в реальном 

масштабе времени требует высокого быстродействия 

(≈10 12 –10 15 операций/с) и большого 

объема памяти процессора (≈10 10 –10 12 бит), 

что представляет исключительно сложную 

задачу для бортовых ЦВМ. В наземных условиях 

эту задачу успешно решает оптический 

процессор, в котором используется запись 

траекторного сигнала на фотопленку и аналоговая 

обработка сигнала с помощью когерентной 

оптической системы [2]. 

Синтезирование апертуры (СА) требует 

определенного времени, что приводит к задержке 

информации в РСА. Минимальное 

запаздывание информации определяется 

временем синтезирования, то есть временем 

формирования СА. Обычно оно составляет 

десятые доли — единицы секунд. 

Максимальная задержка определяется с учетом 

времени выполнения алгоритма синтезирования 

соответствующим процессором 

обработки траекторных сигналов. 

Наибольшую задержку имеют наземные 

оптические процессоры. Она состоит из времени 

полета самолета в зоне работы РСА, 

времени возвращения на базу, времени доставки 

фотопленки с записью траекторных 

сигналов в лабораторию, времени фотохимической 

обработки пленки, оптической обработки 

и записи изображения на вторичную 

фотопленку и, наконец, фотохимической обработки 

вторичной пленки. Это время может 

достигать нескольких часов. 

Перечисленные соображения и области 

применения РСА обуславливают высокую 

актуальность проведения исследований и раз- 

работки методов, позволяющих кардинально 

разрешить данную проблему. Отдельные публикации 

и технические решения позволяют 

сделать вывод о технической реализуемости 

предлагаемых решений. Основной целью 

проведения этого исследования является разработка 

принципиально нового направления 

в обработке информации при формировании 

изображений в РСА — создание способов 

и алгоритмов распределения вычислений, 

проводимых в процессе функционирования 

РСА. 

Параллельные вычислительные системы 

— это физические компьютерные, а также 

программные системы, реализующие тем 

или иным способом параллельную обработку 

данных на многих вычислительных узлах, 

что наиболее подходит к разрабатываемой 

задаче, с учетом того, что большинство современных 

компьютерных систем являются 

многопроцессорными (многоядерными). 

Идея распараллеливания вычислений базируется 

на том, что большинство задач может 

быть разделено на набор меньших задач, 

которые могут быть решены одновременно. 

Основным замыслом распределения вычислительного 

процесса является переход от параллелизма 

на уровне инструкций к параллелизму 

на уровне данных и задач. 

Разработка алгоритмов (а в особенности 

методов параллельных вычислений) для 

решения сложных научно-технических задач 

часто представляет собой значительную 

проблему. Для снижения сложности рассматриваемой 

темы оставим в стороне математические 

аспекты разработки и доказатель- 


127

128 


ства сходимости алгоритмов — эти вопросы 

в той или иной степени освещены. Здесь же 

мы будем полагать, что вычислительные схемы 

решения задач, рассматриваемых далее 

в качестве примеров, уже известны. С учетом 

высказанных предположений последующие 

действия для определения эффективных 

способов организации параллельных вычислений 

могут состоять в следующем (рис. 1): 

• Выполнить анализ имеющихся вычислительных 

схем и осуществить их разделение 

(декомпозицию) на части (подзадачи), 

которые могут быть реализованы 

в значительной степени независимо друг 

от друга. 

• Выделить для сформированного набора 

подзадач информационные взаимодействия, 

которые должны осуществляться 

в ходе решения исходной поставленной 

задачи. 

• Определить необходимую (или доступную) 

для решения задачи вычислительную 

систему и выполнить распределение 

имеющегося набора подзадач между процессорами 

системы. 

При самом общем рассмотрении понятно, 

что объем вычислений для каждого используемого 

процессора должен быть примерно 

одинаков — это позволит обеспечить равномерную 

вычислительную загрузку (балансировку) 

процессоров. Кроме того, также 

понятно, что распределение подзадач между 

процессорами должно быть выполнено таким 

образом, чтобы наличие информационных 

связей (коммуникационных взаимодействий) 

между подзадачами было минимальным 

[3]. 

После выполнения всех перечисленных 

этапов проектирования можно оценить эффективность 

разрабатываемых параллельных 

методов — для этого обычно определяются 

значения показателей качества порождаемых 

параллельных вычислений (ускорение, 

эффективность, масштабируемость). По результатам 

проведенного анализа может оказаться, 

что необходимо повторить отдельные 

(в предельном случае все) этапы разработки. 

Следует отметить, что возврат к предшествующим 

шагам разработки может происходить 

на любой стадии проектирования параллельных 

вычислительных схем. 

В этом отношении часто выполняемым 

дополнительным действием в приведенной 

выше схеме проектирования является корректировка 

состава сформированного множества 

задач после определения имеющегося 

количества процессоров: подзадачи могут 

быть укрупнены (агрегированы) при наличии 

малого числа процессоров или, наоборот, 

детализированы. В целом эти действия 

могут быть определены как масштабирование 

разрабатываемого алгоритма и выделены 

в качестве отдельного этапа проектирования 

параллельных вычислений. 

Для применения получаемого в конечном 

итоге параллельного метода необходимо вы- 

Рис. 1. Общая схема разработки параллельных алгоритмов 

полнить разработку программ для решения 

сформированного набора подзадач и разместить 

разработанные программы по процессорам 

в соответствии с выбранной схемой 

распределения подзадач. Для проведения вычислений 

программы запускаются на выполнение. 

(Программы на стадии выполнения 

обычно именуются процессами.) Для реализации 

информационных взаимодействий 

программы должны иметь в своем распоряжении 

средства обмена данными (каналы 

передачи сообщений). 

Следует отметить, что каждый процессор 

обычно выделяется для решения однойединственной 

подзадачи, однако при наличии 

большого количества подзадач или использовании 

ограниченного числа процессоров это 

правило может не соблюдаться. В результате 

на процессорах может выполняться одновременно 

несколько программ (процессов). 

В частности, при разработке и начальной 

проверке параллельной программы для выполнения 

всех процессов может использоваться 

один процессор. (При расположении 

на одном процессоре процессы выполняются 

в режиме распределения времени [4].) 

Рассмотрев внимательно разработанную 

схему проектирования и реализации параллельных 

вычислений, можно отметить, 

что данный подход в значительной степени 

ориентирован на вычислительные системы 

с распределенной памятью, когда необходимые 

информационные взаимодействия 

реализуются при помощи передачи сообщений 

по каналам связи между процессорами. 

Тем не менее эта схема может быть использована 

без потери какой-либо эффективности 

параллельных вычислений и для разработки 

параллельных методов для систем с общей 

памятью: в этом случае механизмы передачи 

сообщений для обеспечения информационных 

взаимодействий должны быть заменены 

операциями доступа к общим (разделяемым) 

переменным [5]. 

Рассмотренная схема проектирования 

и реализации параллельных вычислений дает 

способ понимания параллельных алгоритмов 

и программ. На стадии проектирования 

параллельный метод может быть представлен 

в виде графа «подзадачи – сообщения», 

который представляет собой не что иное, как 

укрупненное (агрегированное) представление 

графа информационных зависимостей. 

Аналогично на стадии выполнения для описания 

параллельной программы может быть 

использована модель в виде графа «процессы 

– каналы», в которой вместо подзадач используется 

понятие процессов, а информационные 

зависимости заменяются каналами 

передачи сообщений. В дополнение на этой 

модели может быть показано распределение 

процессов по процессорам вычислительной 

системы, если количество подзадач превышает 

число процессоров (рис. 2). 

Использование двух моделей параллельных 

вычислений позволяет лучше разделить 

проблемы, которые проявляются при разработке 

параллельных методов. Первая модель 

— граф «подзадачи – сообщения» — позволяет 

сосредоточиться на вопросах выделения 

подзадач одинаковой вычислительной 

сложности, при этом обеспечивается низкий 

уровень информационной зависимости 

между подзадачами. Вторая модель — граф 

«процессы – каналы» — концентрирует внимание 

на вопросах распределения подзадач 

по процессорам, обеспечивая еще одну возможность 

снижения трудоемкости информационных 

взаимодействий между подзадачами 

за счет размещения на одних и тех же 

процессорах интенсивно взаимодействующих 

процессов. 

Кроме того, эта модель позволяет лучше 

анализировать эффективность разработанного 

параллельного метода и позволяет более 

адекватно описать процесс выполнения 

параллельных вычислений. Под процессом 

в рамках этого исследования будем понимать 

выполняемую на процессоре программу, которая 

использует для свой работы часть локальной 

памяти процессора и содержит ряд 

операций приема/передачи данных для орга- 


Рис. 2. Модель параллельной программы в виде графа «процессы – каналы» 

а б в 

Рис. 3. Регулярные структуры базовых подзадач после декомпозиции данных: 

а) одномерная; б) двухмерная; в) трехмерная 

низации информационного взаимодействия 

между выполняемыми процессами параллельной 

программы. Канал передачи данных 

с логической точки зрения можно рассматривать 

как очередь сообщений, в которую один 

или несколько процессов могут отправлять 

пересылаемые данные и из которой процессадресат 

может извлекать сообщения, отправляемые 

другими процессами [5]. 

В общем случае можно считать, что каналы 

возникают динамически в момент выполнения 

первой операции приема/передачи с каналом. 

По степени общности канал может 

соответствовать одной или нескольким командам 

приема данных процесса-получателя; 

аналогично при передаче сообщений канал 

может использоваться одной или несколькими 

командами передачи данных одного 

или нескольких процессов. Для снижения 

сложности моделирования и анализа параллельных 

методов будем предполагать, что 

емкость каналов является неограниченной, 

и, как результат, операции передачи данных 

выполняются практически без задержек 

простым копированием сообщений в канал. 

С другой стороны, операции приема сообщений 

могут приводить к задержкам (блокировкам), 

если запрашиваемые из канала данные 

еще не были отправлены процессами — 

источниками сообщений. 

В значительной степени эта методика опирается 

на подход, впервые рассмотренный 

в Foster (2005 г.), и, как отмечалось ранее, 

включает этапы выделения подзадач, определения 

информационных зависимостей, 

масштабирования и распределения подзадач 

по процессорам вычислительной системы 

(рис. 1). 

Выбор способа разделения вычислений 

на независимые части основывается на анализе 

вычислительной схемы решения исходной 

задачи. Требования, которым должен 

удовлетворять выбираемый подход, обычно 

состоят в обеспечении равного объема вычислений 

в выделяемых подзадачах и минимума 

информационных зависимостей между 

ними. (При прочих равных условиях нужно 

отдавать предпочтение редким операциям 

передачи большего размера сообщений 

по сравнению с частыми пересылками данных 

небольшого объема.) В общем случае 

проведение анализа и выделение задач представляет 

собой достаточно сложную проблему: 

ситуацию помогает разрешить существование 

двух часто встречающихся типов 

вычислительных схем. 

Для большого класса задач вычисления 

сводятся к выполнению однотипной обработки 

элементов большого набора данных: 

к такому виду задач относятся, например, 


матричные вычисления, численные методы 

решения уравнений в частных производных 

и др. В этом случае говорят, что существует 

параллелизм по данным, и выделение подзадач 

сводится к разделению имеющихся 

данных. Для большого количества решаемых 

задач разделение вычислений по данным 

приводит к порождению одно-, двух- и трехмерных 

наборов подзадач, для которых информационные 

связи существуют только 

между ближайшими соседями (такие схемы 

обычно именуются сетками или решетками) 

[5]. 

Для другой части задач вычисления могут 

состоять в выполнении разных операций над 

одним и тем же набором данных: в этом случае 

говорят о существовании функционального 

параллелизма. (В качестве примеров 

можно привести задачи обработки последовательности 

запросов к информационным 

базам данных, вычисления с одновременным 

применением разных алгоритмов расчета 

и т. п.). Очень часто функциональная декомпозиция 

может быть использована для организации 

конвейерной обработки данных. 

(Так, например, при выполнении каких-либо 

преобразований данных вычисления могут 

быть сведены к функциональной последовательности 

ввода, обработки и сохранения 

данных.) 

Важный вопрос при выделении подзадач 

состоит в выборе нужного уровня декомпозиции 

вычислений. Формирование максимально 

возможного количества подзадач обеспечивает 

использование предельно достижимого 

уровня параллелизма решаемой задачи, 

однако затрудняет анализ параллельных вычислений. 

Использование при декомпозиции 

вычислений только крупных подзадач приводит 

к ясной схеме параллельных вычислений, 

однако может затруднить эффективное 

использование достаточно большого количества 

процессоров. Возможное разумное сочетание 

этих двух подходов может состоять 

в использовании в качестве конструктивных 

элементов декомпозиции только тех подзадач, 

для которых известны методы параллельных 

вычислений. Так, например, при 

анализе задачи матричного умножения в качестве 

подзадач можно использовать методы 

скалярного произведения векторов или алгоритмы 

матрично-векторного произведения. 

Подобный промежуточный способ декомпозиции 

вычислений позволит обеспечить 

и простоту представления вычислительных 

схем, и эффективность параллельных расчетов. 

Выбираемые подзадачи при таком 

подходе будем именовать далее базовыми, 

которые могут быть элементарными (неделимыми), 

если не допускают дальнейшего 

разделения, или составными — в противном 

случае [6]. 

Для рассматриваемой задачи достаточный 

уровень декомпозиции может состоять, например, 

в разделении матрицы A на множество 

отдельных строк и получении на этой 


129

130 


подзадач (располагаемых, как правило, Масштабирование 

на соседних процессорах). Для глобальных 

операций передачи данных в процес- 

набора подзадач 

се коммуникации принимают участие все Масштабирование разработанной вычис- 

подзадачи. 

лительной схемы параллельных вычислений 

• Структурные и произвольные способы проводится в случае, если количество имею- 

взаимодействия. Для структурных спощихся подзадач отличается от числа планисобов 

организация взаимодействий прируемых к использованию процессоров. Для 

водит к формированию некоторых стан- сокращения количества подзадач необходидартных 

схем коммуникации (например, мо выполнить укрупнение (агрегацию) вы- 

в виде кольца, прямоугольной решетки числений. Применяемые здесь правила со- 

и т. д.). Для произвольных структур взаивпадают с рекомендациями начального этапа 

модействия схема выполняемых операций выделения подзадач: определяемые подза- 

передач данных не носит характер однодачи, как и ранее, должны иметь одинаковую 

родности. 

вычислительную сложность, а объем и ин- 

• Статические или динамические схемы тенсивность информационных взаимодей- 

передачи данных. Для статических схем ствий между подзадачами должны оставаться 

Рис. 4. Структура информационных связей 

моменты и участники информационного 

взаимодействия фиксируются на этапах 

на минимально возможном уровне. Как результат, 

первыми претендентами на объеди- 

проектирования и разработки параллельнение являются подзадачи с высокой степе- 

основе набора подзадач поиска максимальных программ. Для динамического варинью информационной взаимозависимости. 

ных значений в отдельных строках; порожанта взаимодействия структура операции При недостаточном количестве имеющегодаемая 

при этом структура информацион- передачи данных определяется в ходе выся набора подзадач для загрузки всех доступных 

связей соответствует линейному графу полняемых вычислений. 

ных к использованию процессоров необхо- 

(рис. 4). 

• Синхронные и асинхронные способы вза- димо выполнить детализацию (декомпози- 

Для оценки корректности этапа разделе- имодействия. Для синхронных способов цию) вычислений. Как правило, проведение 

ния вычислений на независимые части мож- операции передачи данных выполняются подобной декомпозиции не вызывает какихно 

воспользоваться контрольным списком только при готовности всех участников либо затруднений, если для базовых задач 

вопросов, предложенных в Foster (2005 г.): взаимодействия и завершаются только методы параллельных вычислений являются 

• Выполненная декомпозиция не увеличи- после полного окончания всех коммуни- известными. 

вает объем вычислений и необходимый кационных действий. При асинхронном Выполнение этапа масштабирования вы- 

объем памяти? 

выполнении операций участники взаичислений должно свестись, в конечном ито- 

• Возможна ли при выбранном способе де- модействия могут не дожидаться полного ге, к разработке правил агрегации и деком- 

композиции равномерная загрузка всех завершения действий по передаче данных. позиции подзадач, которые должны пара- 

имеющихся процессоров? 

Для представленных способов взаимодейметрически зависеть от числа процессоров, 

• Достаточно ли выделенных частей процес- ствия сложно выделить предпочтительные применяемых для вычислений. 

са вычислений для эффективной загрузки формы организации передачи данных: Список контрольных вопросов для оценки 

процессоров (с учетом возможности уве- синхронный вариант, как правило, более правильности этапа масштабирования выличения 

их количества)? 

прост для использования, в то время как глядит следующим образом: 

асинхронный способ часто позволяет су- • Не ухудшится ли локальность вычислений 

Выделение 

щественно снизить временные задержки, после масштабирования имеющегося на- 

информационных зависимостей вызванные операциями информационного бора подзадач? 

взаимодействия. 

• Имеют ли подзадачи после масштабирова- 

При наличии вычислительной схемы Как уже отмечалось в предыдущем пункте, ния одинаковую вычислительную и ком- 

решения задачи после выделения базовых для учебной задачи поиска максимального муникационную сложность? 

подзадач определение информационных значения при использовании в качестве базо- • Соответствует ли количество задач числу 

зависимостей между подзадачами обычвых элементов подзадач поиска максималь- имеющихся процессоров? 

но не вызывает больших затруднений. ных значений в отдельных строках исходной • Зависят ли параметрически правила масшта- 

При этом, однако, следует отметить, что матрицы A структура информационных свя- бирования от количества процессоров? 

на самом деле этапы выделения подзадач зей имеет вид, представленный на рис. 4. 

и информационных зависимостей слож- Как и ранее, для оценки правильности эта- Распределение подзадач 

но разделить. Выделение подзадач должно па выделения информационных зависимо- между процессорами 

происходить с учетом возникающих инфорстей можно воспользоваться контрольным 

мационных связей; после анализа объема списком вопросов, предложенных в Foster Распределение подзадач между процессора- 

и частоты необходимых информационных (2005 г.): 

ми является завершающим этапом разработ- 

обменов между подзадачами может потре- • Соответствует ли вычислительная слож- ки параллельного метода. Следует отметить, 

боваться повторение этапа разделения вы- ность подзадач интенсивности их инфор- что управление распределением нагрузки для 

числений [4]. 

мационных взаимодействий? 

процессоров возможно только для вычисли- 

При проведении анализа информацион- • Является ли одинаковой интенсивность тельных систем с распределенной памятью, 

ных зависимостей между подзадачами сле- информационных взаимодействий для для мультипроцессоров (систем с общей 

дует различать следующие формы информа- разных подзадач? 

памятью) распределение нагрузки обычно 

ционного взаимодействия [4]: 

• Является ли схема информационного взаи- выполняется операционной системой авто- 

• Локальные и глобальные схемы переда- модействия локальной? 

матически. Кроме того, этот этап распределе- 

чи данных. Для локальных схем передача • Не препятствует ли выявленная инфор- ния подзадач между процессорами является 

данных в каждый момент времени выпол- мационная зависимость параллельному избыточным, если количество подзадач соняется 

только между небольшим числом решению подзадач? 

впадает с числом имеющихся процессоров, 


а топология сети передачи данных вычислительной 

системы представляет собой полный 

граф (то есть все процессоры связаны между 

собой прямыми линиями связи). 

Основной показатель успешности выполнения 

данного этапа — эффективность использования 

процессоров, определяемая как 

относительная доля времени, в течение которого 

процессоры использовались для вычислений, 

связанных с решением исходной задачи. 

Пути достижения хороших результатов 

в этом направлении остаются прежними: как 

и ранее, необходимо обеспечить равномерное 

распределение вычислительной нагрузки 

между процессорами и минимизировать 

количество сообщений, передаваемых между 

процессорами. Точно так же, как и на предшествующих 

этапах проектирования, оптимальное 

решение проблемы распределения 

подзадач между процессорами основывается 

на анализе информационной связности графа 

«подзадачи – сообщения». Так, в частности, 

подзадачи, между которыми имеются информационные 

взаимодействия, целесообразно 

размещать на процессорах, между которыми 

существуют прямые линии передачи данных. 

Следует отметить, что требование минимизации 

информационных обменов между 

процессорами может противоречить условию 

равномерной загрузки процессов. Так, мы 

можем разместить все подзадачи на одном 

процессоре и полностью устранить межпроцессорную 

передачу сообщений, однако понятно, 

что загрузка большинства процессоров 

в этом случае будет минимальной. 

Решение вопросов балансировки вычислительной 

нагрузки значительно усложняется, 

если схема вычислений может изменяться 

в ходе решения задачи. Причиной этого могут 

быть, например, неоднородные сетки при 

решении уравнений в частных производных, 

разреженность матриц и т. п. Кроме того, используемые 

на этапах проектирования оценки 

вычислительной сложности решения подзадач 

могут иметь приблизительный характер, 

и, наконец, количество подзадач может изменяться 

в ходе вычислений. В таких ситуациях 

может потребоваться перераспределение базовых 

подзадач между процессорами уже непосредственно 

в процессе выполнения параллельной 

программы. (Придется выполнить 

динамическую балансировку вычислительной 

нагрузки.) Эти вопросы — одни из наиболее 

сложных (и наиболее интересных) в области 

параллельных вычислений. 

Таким образом, была рассмотрена методика 

разработки параллельных алгоритмов, 

предложенная в Foster (2005 г.). Эта методика 

включает этапы выделения подзадач, определения 

информационных зависимостей, 

масштабирования и распределения подзадач 

по процессорам вычислительной системы. 

При применении методики предполагается, 

что вычислительная схема решения рассматриваемой 

задачи уже известна. Основные 

требования, которые должны быть обеспе- 


Рис. 5. На первой итерации цикла по переменной i используется первая строка матрицы A и все столбцы матрицы В 

для того, чтобы вычислить элементы первой строки результирующей матрицы С 

чены при разработке параллельных алгоритмов, 

состоят в обеспечении равномерной 

загрузки процессоров при низком информационном 

взаимодействии сформированного 

множества подзадач. 

Для описания получаемых в ходе разработки 

вычислительных параллельных схем 

рассмотрены две модели. Первая из них — 

модель «подзадачи – сообщения» — может 

быть использована на стадии проектирования 

параллельных алгоритмов, вторая модель 

— «процессы – каналы» — может быть 

применена на стадии реализации методов 

в виде параллельных программ. 

Для иллюстрации изложенных положений 

рассмотрим типовой параллельный алгоритм 

обработки информации в РСА, который 

основан на ленточной схеме распределения 

данных. 

Перемножение матриц A[mn] и B[nl] 

приводит к получению матрицы С[ml], 

каждый элемент которой определяется в соответствии 

с выражением: 


(1) 

Как следует из (1), каждый элемент результирующей 

матрицы С есть скалярное произведение 

соответствующих строки матрицы A 

и столбца матрицы B: 

c i,j = (a i ,b j T ); 

a i = (a i,0 , a i,1 , …, a i,n–1 ); 

b j T = (b0,j , b 1,j , ѕ, b n–1,j ). (2) 

Этот алгоритм предполагает выполнение 

mnl операций умножения и столько же 

операций сложения элементов исходных матриц. 

При умножении квадратных матриц 

размера [nn] количество выполненных операций 

имеет порядок O(n 3 ). Известны последовательные 

алгоритмы умножения матриц, 

обладающие меньшей вычислительной 

сложностью (например, алгоритм Страссена, 

Strassen’s algorithm), но эти алгоритмы требуют 

определенных усилий для их освоения. 

И, как результат, в этом исследовании при 

разработке параллельных методов в качестве 

основы будет использоваться последовательный 

алгоритм. Он является итеративным 

и ориентирован на последовательное вычисление 

строк матрицы С. Действительно, 

при выполнении одной итерации внешнего 

цикла (цикла по переменной i) вычисляется 

одна строка результирующей матрицы 

(рис. 5) [6]. 

Поскольку каждый элемент результирующей 

матрицы есть скалярное произведение 

строки и столбца исходных матриц, 

то для вычисления всех элементов матрицы 

С[nn] необходимо выполнить n 2 (2n–1) скалярных 

операций и затратить время [6]: 

Т 1 = n 2 (2n–1)t, (3) 

где t — время выполнения одной элементарной 

скалярной операции. 

Далее исследовалась применимость двух 

параллельных алгоритмов умножения матриц, 

в которых матрицы A и в разбиваются 

на непрерывные последовательности строк 

или столбцов (полосы). 

определение подзадач 

Из определения операции матричного 

умножения следует, что вычисление всех 

элементов матрицы С может быть выполнено 

независимо друг от друга. Как следствие, 

возможный подход для организации 

параллельных вычислений состоит в использовании 

в качестве базовой подзадачи 

процедуры определения одного элемента 

результирующей матрицы С. Для проведения 

всех необходимых вычислений каждая 

подзадача должна содержать по одной строке 

матрицы А и одному столбцу матрицы в. 

Общее количество получаемых при таком 

подходе подзадач оказывается равным n 2 

(по числу элементов матрицы С). 

Рассмотрев предложенный подход, можно 

отметить, что достигнутый уровень параллелизма 

в некоторой степени избыточен. 

Обычно при проведении практических расчетов 

количество сформированных подзадач 

превышает число имеющихся процессоров, 

и поэтому неизбежным является этап укрупнения 

базовых задач. В этом плане может 

оказаться полезной агрегация вычислений 

уже на шаге выделения базовых подзадач. 

Возможное решение может состоять в объединении 

в рамках одной подзадачи всех вычислений, 

связанных не с одним, а с несколькими 

элементами результирующей матрицы 

С. Для дальнейшего рассмотрения 

в рамках этого исследования определим ба- 

131

132 


Рис. 6. Общая схема передачи данных для первого параллельного алгоритма матричного умножения при ленточной схеме распределения данных 

зовую задачу как процедуру вычисления всех 

элементов одной из строк матрицы С. Такой 

подход приводит к снижению общего количества 

подзадач до величины n. 

Для выполнения всех необходимых вычислений 

базовой подзадаче должны быть доступны 

одна из строк матрицы A и все столбцы 

матрицы B. Простое решение этой проблемы 

— дублирование матрицы B во всех 

подзадачах — является, как правило, неприемлемым 

в силу больших затрат памяти для 

хранения данных. Значит, организация вычислений 

должна быть построена таким образом, 

чтобы в каждый текущий момент времени 

подзадачи содержали лишь часть данных, 

необходимых для проведения расчетов, 

а доступ к остальной части данных обеспечивался 

бы при помощи передачи сообщений. 

Далее проведем исследование применимости 

для решения задачи синтеза РЛИ в РСА 

двух возможных способов выполнения параллельных 

вычислений подобного типа. 

выделение информационных 

зависимостей 

Для вычисления одной строки матрицы 

С необходимо, чтобы в каждой подзадаче 

содержалась строка матрицы А и был обеспечен 

доступ ко всем столбцам матрицы B. 

Возможные способы организации параллельных 

вычислений состоят в следующем. 

Алгоритм представляет собой итерационную 

процедуру, количество итераций которой 

совпадает с числом подзадач. На каждой 

итерации алгоритма каждая подзадача содержит 

по одной строке матрицы А и одному 

столбцу матрицы в. При выполнении итерации 

проводится скалярное умножение содержащихся 

в подзадачах строк и столбцов, 

что приводит к получению соответствующих 

элементов результирующей матрицы С. 

По завершении вычислений в конце каждой 

итерации столбцы матрицы в должны быть 

переданы между подзадачами с тем, чтобы 

в каждой подзадаче оказались новые столбцы 

матрицы в и могли быть вычислены новые 

элементы матрицы C. При этом передача 

столбцов между подзадачами должна быть 

организована таким образом, чтобы после 

завершения итераций алгоритма в каждой 

подзадаче последовательно оказались все 

столбцы матрицы в. 

Возможная простая схема организации 

необходимой последовательности передач 

столбцов матрицы в между подзадачами 

состоит в представлении топологии информационных 

связей подзадач в виде кольцевой 

структуры. В этом случае на каждой итерации 

подзадача i, 0 ≤ i < n, будет передавать свой 

столбец матрицы в подзадаче с номером i+1. 

В соответствии с кольцевой структурой подзадача 

n–1 передает свои данные подзадаче с номером 

0 (рис. 6). После выполнения всех итераций 

алгоритма необходимое условие будет 

обеспечено: в каждой подзадаче поочередно 

окажутся все столбцы матрицы в. 

На рис. 6 представлены итерации алгоритма 

матричного умножения для случая, когда 

матрицы состоят из четырех строк и четырех 

столбцов (n = 4). В начале вычислений 

в каждой подзадаче i, 0 ≤ i < n, располагаются 

i строка матрицы A и i столбец матрицы B. 

В результате их перемножения подзадача получает 

элемент c ii результирующей матрицы 

С. Далее подзадачи осуществляют обмен 

столбцами, в ходе которого каждая подзадача 

передает свой столбец матрицы B следующей 

подзадаче в соответствии с кольцевой структурой 

информационных взаимодействий. 

Затем выполнение описанных действий повторяется 

до завершения всех итераций параллельного 

алгоритма. 

масштабирование и распределение 

подзадач по процессорам 

Выделенные базовые подзадачи характеризуются 

одинаковой вычислительной трудоемкостью 

и равным объемом передаваемых 

данных. В случае когда размер матриц n оказывается 

больше, чем число процессоров p, 

базовые подзадачи можно укрупнить, объединив 

в рамках одной подзадачи несколько 

соседних строк и столбцов перемножаемых 

матриц. Тогда исходная матрица A разбивается 

на ряд горизонтальных полос, а матрица B 

представляется в виде набора вертикальных 

(для первого алгоритма) или горизонтальных 

(для второго алгоритма) полос. Размер полос 

при этом следует выбрать равным k = n/p 

(в предположении, что n кратно p), что позволит 

по-прежнему обеспечить равномерность 

распределения вычислительной нагрузки 

по процессорам, составляющим многопроцессорную 

вычислительную систему. 

Для распределения подзадач между процессорами 

может быть использован любой 

способ, обеспечивающий эффективное представление 

кольцевой структуры информационного 

взаимодействия подзадач. Для этого 

достаточно, например, чтобы подзадачи, являющиеся 

соседними в кольцевой топологии, 

располагались на процессорах, между 

которыми имеются прямые линии передачи 

данных. 

Анализ эффективности 

ленточных алгоритмов 

Общая трудоемкость последовательного 

алгоритма, как уже отмечалось ранее, является 

пропорциональной n 3 . Для параллельного 

алгоритма на каждой итерации каждый процессор 

выполняет умножение имеющихся 

на процессоре полос матрицы А и матрицы в. 

(Размер полос равен n/p, в результате общее 


Рис. 7. Зависимость ускорения от количества процессоров 

при выполнении первого параллельного алгоритма матричного умножения 

при ленточной схеме распределения данных 

Таблица 1. Результаты вычислительных экспериментов 

по исследованию первого параллельного алгоритма матричного умножения 


Размер 

матриц 

Последова- 

тельный 

алгоритм 

количество выполняемых при этом умножении 

операций равно n 3 /p 2 .) Поскольку число 

итераций алгоритма совпадает с количеством 

процессоров, сложность параллельного алгоритма 

без учета затрат на передачу данных 

может быть определена при помощи выражения: 

T p = (n 3 /p 2 )p = n 3 /p. (4) 

С учетом этой оценки показатели ускорения 

и эффективности параллельного алгоритма 

матричного умножения принимают вид: 

S p = n 3 /(n 3 /p) = p, 

2 процессора 4 процессора 8 процессоров 

Время Ускорение Время Ускорение Время Ускорение 

500 0,8752 0,3758 2,3287 0,1535 5,6982 0,0968 9,0371 

1000 12,8787 5,4427 2,3662 2,2628 5,6912 0,6998 18,4014 

1500 43,4731 20,9503 2,0750 11,0804 3,9234 5,1766 8,3978 

2000 103,0561 45,7436 2,2529 21,6001 4,771 9,4127 10,9485 

2500 201,2915 99,5097 2,0228 56,9203 3,5363 18,3303 10,9813 

3000 347,8434 171,9232 2,0232 111,9642 3,1067 45,5482 7,6368 

E p = n 3 /((n 3 /p)p) = 1. (5) 

Таким образом, общий анализ сложности 

дает идеальные показатели эффективности 

параллельных вычислений. Для уточнения 

полученных соотношений оценим более 

точно количество вычислительных операций 

алгоритма и учтем затраты на выполнение 

операций передачи данных между процессорами. 

С учетом числа и длительности выполняемых 

операций время выполнения вычислений 

параллельного алгоритма может быть 

оценено следующим образом: 

T p (calc) = (n 2 /p)(2n–1)t. (6) 

Для оценки коммуникационной сложности 

параллельных вычислений будем предполагать, 

что все операции передачи данных 

между процессорами в ходе одной итерации 

алгоритма могут быть выполнены параллельно. 

Объем передаваемых данных между 

процессорами определяется размером полос 

и составляет n/p строк или столбцов длины n. 

Общее количество параллельных операций 

передачи сообщений на единицу меньше 

числа итераций алгоритма. (На последней 

итерации передача данных не является обязательной.) 

Тем самым оценка трудоемкости 

выполняемых операций передачи данных 

может быть определена как [4]: 

T p (comm) = (p–1)(α+wn(n/p)/β), (7) 

где α — латентность; β — пропускная способность 

сети передачи данных; w — размер 

элемента матрицы в байтах. 

С учетом полученных соотношений общее 

время выполнения параллельного алгоритма 

матричного умножения определяется следующим 

выражением: 

T p = (n 2 /p)(2n–1)t = 

= (p–1)(α+wn(n/p)/β). (8) 


Рис. 8. График зависимости от объема исходных данных теоретического 

и экспериментального времени выполнения параллельного алгоритма 

на двух процессорах (ленточная схема распределения данных) 

Таблица 2. Сравнение экспериментального и теоретического времени выполнения 

первого параллельного алгоритма матричного умножения 


результаты 

вычислительных экспериментов 

Эксперименты проводились на вычислительном 

кластере на базе процессоров Intel 

Core 2 Duo, E8400–3000 МГц и сети Gigabit 

Ethernet под управлением операционной системы 

Microsoft Windows Server 2003 Standart. 

Результаты вычислительных экспериментов 

приведены в таблице 1 и на рис. 7. 

Эксперименты выполнялись с использованием 

двух, четырех и восьми процессоров. 

Сравнение экспериментального времени T p* 

выполнения эксперимента и теоретического 

времени T p из формулы (8) представлено 

в таблице 2 и на рис. 8. 

Для оценки длительности t базовой скалярной 

операции проводилось решение задачи 

умножения матриц при помощи последовательного 

алгоритма, и полученное таким 

образом время вычислений делилось на общее 

количество выполненных операций. 

В результате подобных экспериментов для 

величины t было получено значение 6,4 нс. 

Эксперименты, выполненные для определения 

параметров сети передачи данных, показали 

значения латентности α и пропускной 

способности β 130 мкс и 53,29 Мбайт/с соответственно. 

Все вычисления производились 

над числовыми значениями типа double, 

то есть величина w была равна 8 байт. n 


Размер 

матриц 

2 процессора 4 процессора 8 процессоров 

T p T p * T p T p * T p T p * 

500 0,8243 0,3758 0,4313 0,1535 0,2353 0,0968 

1000 6,51822 5,4427 3,3349 2,2628 1,7436 0,6998 

1500 21,9137 20,9503 11,1270 11,0804 5,7340 5,1766 

2000 51,8429 45,7436 26,2236 21,6001 13,4144 9,4127 

2500 101,1377 99,5097 51,0408 56,9203 25,9928 18,3303 

3000 174,6301 171,9232 87,9946 111,9642 44,6772 45,5482 

133

134 



1. Кондратенков Г. С. и др. Радиовидение. М.: 

Радио и связь, 2005. 

2. Саблин В. Н. Разведывательно-ударные комплексы 

и радиолокационные системы наблюдения 

земной поверхности. М.: Радиотехника, 

2002. 

новости блоки питания 

После успешного запуска в производство серий 

SDR-120, SDR-240 и SDR-480 компания Mean 

Well продолжает расширять семейство узких 

источников питания для установки на DIN-рейку 

и представляет новую серию SDR-960 мощностью 

960 Вт. 

Новые источники имеют встроенный активный 

корректор коэффициента мощности и диапазон 

входных напряжений 180–264 В. Современная 

высокоэффективная схемотехника обеспечивает 

высокий (до 94%) КПД и возможность работы 

при полной нагрузке с естественным охлаждением 

до +50 °C (и до +70 °C при соответствующем снижении 

мощности). 

Источники питания SDR-960 имеют следующие 

стандартные функции: защита от короткого замыкания, 

перегрузки, перенапряжения и перегрева, 

сигнал наличия выходного напряжения, 

возможность параллельной работы (до четырех 

устройств) и подстройка выходного напряжения 

(100–115%) с передней панели. По требовани- 

3. Гергель В. П., Стронгин Р. Г. Основы параллельных 

вычислений для многопроцессорных 

вычислительных систем. Н. Новгород: ННГУ, 

2001. 

4. Богачев К. Ю. Основы параллельного программирования. 

М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. 

5. Воеводин В. В., Воеводин Вл. В. Параллельные 

вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 

Узкий источник питания на DIn-рейку от Mean Well 

ям безопасности эти устройства соответствуют 

UL508, EN60950-1 и IEC60950-1. 

Приложения, в которых могут найти свое применение 

новые источники, — это системы управления 

производственными процессами, оборудование 

для изготовления полупроводников, промышленная 

автоматика и другие системы, где требуется 

низкий шум или отсутствие вентилятора. 

6. Эндрюс Г. Р. Основы многопоточного, параллельного 

и распределенного программирования. 

М.: ИД «Вильямс», 2003. 

7. Roosta S. H. Parallel Processing and Parallel 

Algorithms: Theory and Computation. NY: 

Springer – Verlag. 2000. 

8. Шпенст В. А. Комплексная обработка многоспектральной 

информации. СПб: МВАА, 2008. 

Технические характеристики SDR-960: 

• Входное напряжение: 180–264 В. 

• Узкий корпус: ширина 110 мм. 

• КПД 94%. 

• Перегрузка до 130% в течение 3 с. 

• Встроенный активный корректор коэффициента 

мощности. 

• Возможность параллельной работы до 4 шт. 

• Защита: короткое замыкание, перегрузка, перенапряжение, 

перегрев. 

• Нет вентилятора, естественное охлаждение. 

• Релейный выход наличия выходного напряжения. 

• Подстройка напряжения с передней панели. 

• Установка на DIN-рейку TS-35/7,5 или/15. 

• Светодиодный индикатор включения на передней 

панели. 

• Сертификаты: UL, CUL, TUV, CB, CE. 

• Размеры: 110×125,2×150 

мм. 

www.aviton.spb.ru 


Реклама

Реклама

136 


технологии измерительная аппаратура 

Илья НИКОЛАЕВ 

info@prist.ru 

Встраиваемые GPS-приемники вошли в нашу повседневную жизнь 

с развитием систем GPS-навигации. Их стали внедрять практически 

повсеместно: в смартфоны, автомобили, самолеты и во многие другие 

устройства, использующие сигналы навигации. По мере роста 

числа встраиваемых GPS-приемников увеличивается и потребность 

в тестировании этих устройств. Контролируемое виртуальное тестирование 

жизненно важно для изучения производительности будущих 

систем. Имитация сигналов GPS и ГЛОНАСС — это недорогой 

и удобный метод тестирования оборудования, которое использует 

системы глобальной спутниковой навигации. 

Компания SPECTRACOM выпускает целую линейку относительно 

недорогих устройств — имитаторов сигналов системы GPS, 

а с недавнего времени и ГЛОНАСС. Отличия между моделями приведены 

в таблице. 

С помощью радиочастотных имитаторов серии GSG можно имитировать 

радиосигналы, генерируемые спутниками GPS и ГЛОНАСС. 

Таблица. Отличия между моделями приемников 

Модель GSG-52 GSG-53 GSG-54 GSG-55 GSG-56 GSG-62 

Количество каналов 4 4 8 16 16 32 

GPS Да Да Да Да Да Да 

ГЛОНАСС Нет Да Нет Нет Да Да 

SBAS Нет Нет Нет 

WAAS/ 

EGNOS 

WAAS/EGNOS 

GAGAN/MSAS WAAS/EGNOS 

GAGAN/MSAS 

Создание траекторий Нет Нет Да Да Да Да 

Выход 1 PPS Нет Нет Да Да Да Да 

Эффект отражения Нет Нет 

Только 

основное 

Да Да Да 

Белый шум Нет Нет Нет Да Да Да 

Вход внешней 

опорной частоты 

Да Да Да Да Да Да 

Рис. 1. Имитатор сигналов GPS/ГЛОНАСС GSG-62 

Имитаторы сигналов 

GPS/ГЛОНАСС 

В статье рассматриваются последние разработки в области имитации 

GnSS-сигналов. Это имитаторы серий GSG-5x и GSG-6x компании 

SPECTRACOM, известного производителя точных средств измерений 

времени и частоты. 

Эти устройства позволяют создавать сценарии, в том числе траектории 

приемников, и проигрывать их, изменяя рабочие параметры 

приемника. Имитация помогает нам лучше понять реальность, 

по крайней мере в области GNSS-инженерии. 

Основные возможности и преимущества 

Имитаторы GSG специально разработаны для крупномасштабных 

производственных испытаний устройств, в которых используются 

приемники сигналов GPS и ГЛОНАСС. На рис. 1 представлен 

внешний вид имитатора сигналов GPS/ГЛОНАСС GSG-62 — это новый 

32-канальный, двухчастотный мульти-GNSS имитатор. Прибор 

обладает высокими техническими характеристиками и имеет большое 

количество функций и настроек. На его передней панели расположены 

широкий ЖК-дисплей и множество кнопок управления, 

при всем этом у него совсем скромные габариты — 21090395 мм 

и масса 2,7 кг. 

Новый имитатор позволяет выполнять разнообразные операции 

в диапазоне частот, проводить мульти-GNSS моделирование 

и имеет расширенные возможности по работе с несколькими диапазонами 

частот и каналов, включая поддержку модернизации GPS 

L2C и L5 (Galileo), а также будущих GNSS-систем. GSG-62 имеет 

16 каналов на частоте L1 и 16 каналов для частот L2, которые могут 

быть отнесены к GPS или ГЛОНАСС, P- и C/A-коду. С помощью 

настройки опций оператор может задавать практически все аспекты 

окружения сигналов GPS, в том числе и сценарии помех, вносимых 

ионосферой и тропосферой. Такая гибкость оказывается полезной 

при имитации GPS-помех, когда время, ресурсы и повторяемость 

недостаточны. 

Новая улучшенная система имитации навигационных сигналов, 

реализованная в последних моделях GSG-62, в состоянии 

эмулировать сигнал вспомогательных навигационных систем 

(Satellite-Based Augmentation Systems, SBAS), таких как европейская 

EGNOS, американская WAAS, индийская GAGAN и японская 

MSAS. Вспомогательный навигационный сигнал важен для точных 

применений GPS-навигации, например в авиационном ориентировании. 

GSG умеет генерировать белый шум, позволяя таким образом 

тестировать GPS-приемники при различных соотношениях 

сигнал/шум. Многие высококачественные навигационные системы 

имеют в своем составе 12-канальные GPS-приемники. С помощью 

GSG можно полностью протестировать их, задействовав и дополнительный 

сигнал. Если потребуется большее количество каналов, достаточно 

просто синхронизировать два или более имитаторов через 

внешний синхронизационный сигнал с частотой 1 PPS и получить 

64-, 96-канальную или систему с большим количеством каналов. 

Пользователь GSG может изменять сценарии «на лету», без использования 

внешнего компьютера и фазы прекомпиляции. С помощью 

фронтальной панели можно быстро изменять такие параметры, 

как положение пользователя и время, и определять соотно- 


Рис. 2. Русскоязычное стартовое меню 

шение сигнал/шум в выходной мощности 

вместо использования абсолютной мощности. 

Помимо возможности проведения 

навигационных/позиционных тестов, GSG 

также позволяет проводить тесты синхронизации 

GPS-приемников. Встроенный источник 

сигнала с частотой 1 PPS, синхронизированный 

с генерируемыми спутниковыми 

данными, может провести процедуру 

сравнения с сигналом аналогичной частоты, 

который производит испытуемый синхронизатор. 

Имитаторами GSG можно управлять через 

интерфейсы Ethernet, USB и GPIB. Встроенный 

веб-интерфейс дает полный контроль устройства 

из любой точки планеты, где доступен 

Интернет. Опционально доступное приложение 

StudioView позволяет независимо от самого 

имитатора GSG создавать и редактировать 

самые сложные сценарии и управлять ими. 

Речь в данном случае идет и о построении траекторий 

на базе Google Maps. 

Рис. 3. Редактор траекторий 

измерительная аппаратура 

Программное обеспечение 

для имитации сигналов 

Рис. 4. Редактор параметров сценария 

• Создание, редактирование и визуализация 

GSG StudioView — программное обеспе- траекторий с отображением вспомогательчение, 

использующее ОС Windows для поных инструментов. 

строения сценариев испытаний приемников • Преобразование GPX и CSV в требуемый 

GPS и ГЛОНАСС. Оно позволяет: 

формат NMEA. 

• Создавать и управлять комплексными па- • Возможность создания сценариев, включая 

раметрами сценариев независимо от при- события и траектории, без подключения 

бора. 

имитатора. 

• Визуально создавать траектории с использованием 

карт Google или импорти- Легкость построения траектории 

ровать их из большинства приложений и динамическое управление 

и устройств. 

• Выгружать/загружать файлы сценарисобытиями 

ев (в том числе событий и траекторий) Ключевой особенностью имитаторов GSG 

из имитатора и в него. 

является возможность создавать и изме- 

• Обновлять прошивку имитатора. 

нять модель движущегося приемника GSG 

ПО StudioView — это простой способ для или ГЛОНАСС. ПО имеет очень удобную 

создания, редактирования и резервного ко- функцию создания визуальных траектопирования 

сложных сценариев для многокарий с помощью карт Google. Также сущенальных 

имитаторов GSG. Несмотря на споствует возможность импорта траекторий 

собность GSG управлять сценариями без уча- из большинства других программных пристия 

внешнего компьютера, ПО StudioView ложений и устройств, таких как Google Earth. 

для Windows имеет такие преимущества, как: Программное обеспечение преобразует спи- 

• Простота создания, редактирования и ор- сок точек траектории из файла CSV-формата 

ганизации всех параметров сценария, в точки пути, маршруты и треки GPX-форма- 

включая динамические события. 

та в формат NMEA, который требуется для 

технологии 

прибора. Другие форматы файлов траекторий 

(такие как KML-файлы Google Earth) могут 

быть преобразованы с помощью ряда других 

сторонних бесплатных приложений. При создании 

файлов траектории в формате NMEA 

указывается высота, скорость, широта и долгота 

точек пути. Для получения более точной траектории 

вашего объекта следует задавать точки 

траектории как можно ближе друг к другу. 

Также в состав ПО входит консоль для отправки 

команд SCPI на прибор и получения 

обратного отклика. ПО поставляется с многоязычной 

поддержкой, которая включает 

в себя и русский язык. Для активации полной 

функциональности необходимо ввести лицензионный 

ключ. Интуитивные экраны для 

Windows делают ПО StudioView очень простым 

в использовании (рис. 2–4). 

Комбинация программного пакета 

StudioView с блоком управления сигналами 

GSG является оптимальным инструментом 

имитации GPS/ГЛОНАСС-сигналов, включая 

гражданские и военные. В будущих релизах 

моделей GSG появится поддержка сигналов 

GALLILEO и других систем глобальной спутниковой 

навигации. n 


137

Реклама

Владимир ДьяКОНОВ, 


vpdyak@yandex.ru 

Всего лет пять тому назад российский рынок 

генераторов был очень скуден, и выбор 

достаточно функционального генератора 

вызывал большие трудности. Но за несколько 

лет ситуация кардинально изменилась. 

Первыми многофункциональные генераторы 

выпустили крупные фирмы Tektronix и Agilent. 

Но это были дорогие приборы. Рынок приборов 

умеренной стоимости быстро завоевали 

китайские фирмы Rigol, Hantek, Siglent и др. 

Некоторые из них по обилию типов генерируемых 

сигналов намного превосходят генераторы 

ведущих мировых фирм. Например, 

многие генераторы произвольных функций 

компании Rigol имеют свыше 150 встроенных 

функций. Но они и стоят дорого. 

Рынок дешевых генераторов (стоимостью 

от $400 до $700) в России заняли как китайские 

фирмы, так и отечественные, выпускающие 

аналоги китайских приборов. Так, генераторы 

АКТАКОМ AWG-4000 [1] (российские 

аналоги генераторов серии SDG-10хх китайской 

фирмы Siglent [2]) являются комбинацией 

функционального генератора (генератора 

стандартных функций), программируемого 

генератора сигналов произвольной формы 

и генератора импульсов с регулируемой длительностью 

фронтов. Они сочетают в себе 

функции множества устройств, нередко выпускаемых 

как отдельные приборы: 

• высокостабильного широкодиапазонного 

генератора синусоидального сигнала 

с несколькими видами модуляции; 


• генератора прямоугольных и пилообразных 

импульсов с изменяемым в широких 

пределах коэффициентом заполнения 

и различными видами модуляции; 

• функционального генератора сигналов 

с рядом математически заданных зависимостей; 

• программируемого генератора сигналов 

произвольной (заданной пользователем) 

формы; 

• генератора шума, который можно добавлять 

к другим сигналам; 

• генератора качающейся частоты (свипгенератора); 

• цифрового измерителя частоты, периода, 

скважности и длительности импульсов. 

Генераторы АКТАКОМ AWG-4105, 

AWG-4110 и AWG-4150 имеют два практически 

идентичных канала — оба с 14-битовой 

разрядностью. Небольшая цена приборов 

достигнута за счет разумного ограничения 

числа сигналов и отказа от некоторых редко 

востребованных функций, например гальванической 

развязки выходов, их полной идентичности 

по уровням сигнала, ограничения 

числа встроенных типов произвольных сигналов 

и др. 

Применение технологии прямого цифрового 

синтеза позволило достичь максимального 

разрешения при установке частоты в обоих 

каналах 1 мкГц, коэффициента гармоник 

синусоидального сигнала –55 дБн и фазового 

шума при отстройке 10 кГц не более 


Многофункциональные 

бюджетные генераторы 

АКТАКОМ серии AWG-41хх 

Дешевые цифровые генераторы АКТАКОМ серии AWG-41xx способны 

формировать независимые сигналы по двум каналам. Приборы используют 

новейшие методы генерации множества сигналов и методы прямого 

цифрового синтеза сигналов произвольной формы, обеспечивая высокую 

стабильность частоты выходных сигналов и высокое разрешение 

по частоте и амплитуде. Но в отличие от генераторов фирмы Tektronix 

серии AFG3000 цена генераторов AWG-41xx почти на порядок ниже. 

Таблица 1. Частота сигналов генераторов AWG-41хх Таблица 2. Уровни сигналов 

Тип генератора AWG-4105 AWG-4110 AWG-4150 

Синусоидальный сигнал, МГц 5 10 50 

Прямоугольный сигнал (меандр), МГц 5 10 25 

Импульсный сигнал, МГц 5 10 10 

Пилообразный и треугольный сигнал, кГц 300 

Белый шум — полоса (при –3 дБ), МГц 5 10 50 

Сигнал специальной формы, МГц 5 

108 дБн/Гц. Разрешение по вертикали (разрядность 

ЦАП) составляет 14 бит, количество 

точек, участвующих в формировании сигнала, 

— до 16 К, а частота дискретизации — 

125 Мвыб./с. Такие характеристики и хорошо 

выполненная система интерполяции сигналов 

позволяют воспроизводить сигналы с высокой 

точностью и разрешением. 

Приборы АКТАКОМ AWG-4105, 

AWG-4110 и AWG-4150 могут генерировать 

не только синусоидальные сигналы, 

но и с полсотни сигналов различной формы 

(прямоугольные и треугольные импульсы, 

множество сигналов специальной формы 

и, наконец, сигналы произвольной формы 

и модулированные сигналы). У них есть режим 

свипирования (качания) в направлениях 

вверх и вниз, по линейному или логарифмическому 

закону с возможностью ручного 

запуска, а также режим формирования пачек 

импульсов. Генераторы имеют разъемы 

входа и выхода для внешней синхронизации 

и запуска. 

Старшая модель AWG-4150 — универсальный 

двухканальный генератор стандартных 

форм (пять) и специальной формы (48 типов) 

сигналов (в том числе модулированных) 

и пачек сигналов. Диапазон частот синусоидального 

сигнала — от 1 мкГц до 50 МГц, 

частота дискретизации — 125 Мвыб./с. Этот 

диапазон охватывает сверхнизкие и низкие 

(звуковые) частоты, ультразвуковые частоты 

и диапазоны длинных, средних, коротких 

Канал (выход) CH1 СH2 


Амплитуда 

Вертикальное разрешение 

(100 кГц, синус) 

Неравномерность АЧХ 

(синус, 5 Вп-п) 

2 мВп-п…10 Вп-п (50 Ом, 10 МГц) 

4 мВп-п…20 Вп-п (высокий импеданс, 10MГц) 

±(1%+1 мВп-п) 

0,1 дБ (5 МГц) 

2 мВп-п…3 Вп-п (50 Ом) 

4 мВп-п…6 Вп-п 

(высокий импеданс) 

139

140 

Таблица 3. Общие характеристики генераторов AWG-41хх 


Тип дисплея Жидкокристаллический, 3,5″ TFT, 320×240 

Интерфейсы USB-устройство, USB host (опцион — GPIB (IEEE-488.2), LAN) 

Питание от сети переменного тока 100–240 В / 45–440 Гц 

Потребляемая мощность Не более 30 Вт 

Рабочая температура, °C 0…+50 

Габаритные размеры, мм 229×105×281 

Вес, кг 2,8 

и частично ультракоротких волн. Разрешение по вертикали — 14 бит, 

максимальное число точек — 16 К. Есть несколько режимов модуляции: 

АМ, ЧМ, ФМ, ЧМ и АМ, ШИМ. Есть режим качания частоты. 

В модель встроен частотомер до 200 МГц. 

Приборы отличаются частотой генерируемых сигналов (табл. 1). 

Характеристики генераторов AWG-41хх приведены в таблицах 1–3. 

Все модели генераторов АКТАКОМ серии AWG имеют встроенный 

шестиразрядный частотомер с автоматическим и ручным 

выбором диапазона с возможностью измерения частоты, периода, 

длительности положительного/отрицательного импульса и коэффициента 

заполнения. Диапазон измерений частотомера — от 100 мГц 

до 200 МГц, чувствительность (немодулированный сигнал) в диапазоне 

частот от 1 Гц до 200 MГц — от 200 мВп-п до 5 Вп-п (три уровня 

чувствительности: низкий, средний, высокий). 

Внешний вид и интерфейс пользователя генераторов 

Генераторы имеют простой и наглядный интерфейс (рис. 1), подобный 

интерфейсу современных цифровых приборов. Яркий цветной 

ЖКИ отображает достаточно крупными и четкими знаками основные 

параметры сигналов, режимы работы генераторов и схематично 

— характерную форму создаваемых сигналов. 

Рис. 1. Внешний вид двухканального генератора серии AWG-41хх спереди 

На задней панели (рис. 2) расположены защитный порт (Security 

Port), гнездо заземления, разъем сигнала, добавляемого к основному 

(ADD INPUT), разъемы внешней модуляции сигналов 

(EXT MODULATION СH1/CH2), а также входной (EXT REF INPUT) 

и выходной (EXT REF OUTPUT) разъемы опорной (эталонной) ча- 

Рис. 2. Задняя панель генератора серии AWG-41хх 

стоты. Все эти разъемы — стандартные, коаксиальные, типа BNC. 

Кроме того, имеются разъемы для подключения к линии USB, сети 

LAN и порта GPIB, используемого для управления измерительными 

приборами. Есть также зажим заземления и гнездо для подключения 

сетевого кабеля с «земляным» выводом. 

Управление генератором в основном кнопочное, но есть и удобная 

поворотная ручка универсального манипулятора с кнопками направления 

ее действия, которая находится в правом верхнем углу передней 

панели. Эти кнопки используются для перемещения по разряду 

числа того или иного параметра, например частоты, после чего поворотная 

ручка позволяет быстро менять число в выбранном разряде, 

увеличивая его или уменьшая. 

Вертикальная группа кнопок выбора вида генерируемых сигналов 

позволяет выбрать одну из основных форм сигналов: 

• Sine — синусоидальный сигнал; 

• Square — прямоугольные импульсы типа «меандр»; 

• Ramp — пилообразные импульсы; 

• Pulse — импульсы с регулируемой длительностью фронтов; 

• Noise — сигнал белого шума; 

• Arb — сигналы с произвольной, задаваемой пользователем формой. 

В центре передней панели расположены цифровые кнопки для задания 

параметров в числовой форме. С их помощью любой параметр 

можно задать как число, указав затем единицы измерения — из меню, 

появляющегося в правой части экрана (рис. 3). 

Рис. 3. Экран генераторов серии AWG-41хх 

Под цифровыми кнопками расположена группа кнопок выбора 

функций генератора: 

• Mod — задание типа модуляции (АМ — амплитудная, ЧМ — частотная, 

ФМ — фазовая, ШИМ — широтно-импульсная модуляция 

и ЧМн — частотная манипуляция); 

• Sweep — качание частоты сигналов; 

• Burst — генерация пачек сигналов; 

• Store/Recal — запись и считывание файлов; 

• Utility — вызов окна утилит; 

• Help — вызов окна встроенной справки. 

В правой части передней панели расположена универсальная поворотная 

ручка, кнопки управления направлением выбора и кнопки 

включения/выключения каналов CH1 и CH2. Под ними расположены 

коаксиальные разъемы выходов генератора (и входа частотомера). 

Генерация сигналов синусоидальной формы 

Наиболее широким диапазоном частот отличаются синусоидальные 

сигналы. Для их генерации нужно нажать кнопку Sine и задать частоту, 

амплитуду и фазу сигнала. Это следует делать для выбранного канала 

— переключение канала обеспечивает кнопка СН1/СН2. По умолчанию 

генерируется синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц, амплитудой 

4 Вп-п (от пика до пика) на нагрузке 50 Ом и фазой 0°. 

На рис. 4а показана реальная осциллограмма синусоидального 

сигнала с установленными по умолчанию параметрами. Практически 

она идеальна. Спектр сигнала, построенный методом быстрого преобразования 

Фурье (БПФ), показан красными линиями под осцил- 


лограммой. Он характеризуется единственным пиком, что указывает 

на высокую спектральную чистоту сигнала. 

Здесь и далее осциллограммы и спектр сигнала получены с помощью 

цифрового запоминающего осциллографа Tektronix DPO-4101, 

одного из лучших осциллографов с закрытой архитектурой этой 

фирмы. Исследование показало, что практически идеальную синусоидальную 

форму и чистоту спектра генераторы сохраняют вплоть 

до максимально возможных частот. Например, на рис. 4б показаны 

осциллограмма и спектр синусоидального сигнала с частотой 50 МГц 

и амплитудой 4 Вп-п, полученного от генератора AWG-4150. Это максимальная 

частота такого сигнала у этого генератора. 

Построение фигур Лиссажу 

Для построения фигур Лиссажу в принципе необходимы два синусоидальных 

сигнала. На рис. 5 показано получение от генератора 

AWG-41хх двух синусоидальных сигналов с кратными частотами. 

Сигналы снимаются с выходов CH1 и CH2 и их параметры устанавливаются 

раздельно (кнопка генератора CH1/2). 

Для построения фигур Лиссажу один сигнал подается в канал вертикального 

отклонения осциллографа (Y), а другой — в канал горизонтального 

отклонения (X). Осциллограф DPO-4101 имеет специальный 

режим XY для наблюдения фигур Лиссажу в отдельном окне. 



а б 

Рис. 4. Осциллограмма и спектр синусоидального сигнала: а) с частотой 1 кГц и амплитудой 4 Вп-п; б) с частотой 50 МГц и амплитудой 4 Вп-п 

Используя сигналы, изображенные на рис. 5, нетрудно проверить 

работу осциллографа в этом режиме (рис. 6). 

При изменении фазы одного из сигналов меняется угол просмотра 

фигуры, а при отсутствии строгой кратности частот фигура вращается. 

Фигуры Лиссажу можно использовать для определения фазы 

сигналов и равенства или кратности их частот. 

Генерация стандартных импульсных сигналов 

К стандартным импульсным сигналам относятся прямоугольные 

(при коэффициенте заполнения Dute = 50% их называют меандром), 

треугольные и прямоугольные импульсы с заданной длительностью 

(PulWidth). Для получения высокой точности временной зависимости 

у таких импульсов их частота ограничена значением 300 кГц. 

Но в режиме генерации произвольных сигналов такие импульсы 

(с чуть менее точной формой) можно получить с частотой повторения 

до 5 МГц. 

Осциллограмма и спектр прямоугольного сигнала показаны 

на рис. 7а. Для получения такого сигнала нужно нажать кнопку функциональной 

зависимости Square. По умолчанию генерируется сигнал 

с частотой 1 кГц, амплитудой 4 Вп-п, фазой 0° и коэффициентом 

заполнения 50%. Эти параметры можно менять. Спектр меандра содержит 

только нечетные гармоники. 

Рис. 5. Осциллограммы двух синусоидальных сигналов с разной частотой Рис. 6. Построение фигуры Лиссажу для сигналов, показанных на рис. 5 


141

142 


Рис. 7. Осциллограмма и спектр: 

а) симметричного прямоугольного сигнала; 

б) симметричного треугольного сигнала; в) прямоугольного импульсного сигнала 

Кнопка Ramp запускает генерацию пилообразного сигнала — 

по умолчанию это треугольный симметричный сигнал (рис. 7б). 

Спектр треугольного сигнала также содержит только нечетные гармоники, 

но их уровень быстро падает с ростом номера гармоники. Такой 

сигнал часто применяется для оценки нелинейности радиоэлектронных 

устройств. Возможна регулировка симметрии в широких пределах 

— от 0 до 100% (по умолчанию — 50%). При асимметрии сигнал 

становится пилообразным с линейным нарастанием и спадом. 

а 

б 

в 

Нажатие кнопки Pulse включает генерацию импульсного сигнала 

прямоугольной формы. По умолчанию это импульсы с длительностью 

200 мкс, частотой 1 кГц и амплитудой 4 Вп-п (рис. 7в). Помимо 

этих параметров, можно менять время задержки импульсов Delay 

и сдвиг по уровню Offset. Спектр коротких импульсов содержит 

множество гармоник (как нечетных, так и четных) (рис. 7в, внизу). 

Регулировка времени нарастания и спада импульсов не предусмотрена. 

Этот недостаток описываемых генераторов частично компенсируется 

генерацией трапецеидальных импульсов в режиме Arb. 

Генерация произвольных встроенных сигналов 

Генерация произвольных сигналов — главная особенность генераторов 

класса AWG (Arbitrary Waveform Generator). Помимо возможности 

создания действительно произвольных сигналов с помощью 

персонального компьютера, генераторы AWG-41xx имеют богатую 

библиотеку различных форм сигналов, которые можно немедленно 

использовать. Для обращения к ней надо нажать кнопку Arb. Экран 

генератора при этом имеет вид, показанный на рис. 8. 

Рис. 8. Экран генератора для установки произвольных сигналов 

По умолчанию загружается сигнал в виде нарастающего ступенчатого 

импульса (StairUp). Меню в правой части экрана позволяет установить 

частоту (Freq), амплитуду (Ampl), сдвиг по вертикали (Offset) 

и фазу (Phase) сигнала. 

Позиция 1/2 ↓ открывает нижнюю часть меню. В ней есть две позиции: 

1/2 ↑ — возврат в верхнюю часть меню и Load Waveform — загрузка 

из памяти генератора встроенных форм сигналов. Активизация 

этой позиции открывает меню с тремя позициями: 

• Build In — открытие меню встроенных 

наборов форм сигналов (рис. 9); 

• Stored Waveform — запись в память созданных 

сигналов; 

• Cancel — возврат в предыдущее меню. 

В меню встроенных наборов форм сигналов 

есть следующие позиции: 

• Common — формы сигналов общего 

характера. 

• Math — формы сигналов, описываемые 

математическими функциями. 

• Project — формы специальных сигналов. 

• Winfun/Triangle — формы сигналов, 

представляющих окна и некоторые тригонометрические 

функции. 

Рис. 9. Меню встроенных 

• Choice (или Select) — выбор нужной дополнительных сигналов 

формы сигнала. 

Первые четыре позиции этого меню открывают соответствующие 

меню основных классов встроенных шаблонов сигналов. Они показаны 



Рис. 10. Меню основных классов встроенных шаблонов сигналов 

Рис. 11. Осциллограмма и спектр ступенчатого сигнала из набора Arb-сигналов 



Рис. 12. Осциллограммы трапецеидального и пилообразного сигналов: 

а) при частоте 1 кГц; б) при максимальной частоте 5 МГц 

При нажатии кнопки Arb первой автоматически загружается форма 

ступенчатого сигнала. Его осциллограмма и спектр показаны 

на рис. 11. Генерируется ступенчатый сигнал с частотой 1 кГц и числом 

ступенек, равным 8. Амплитуда сигнала — 4 Вп-п, фаза и смещение 

нулевые. 

Рис. 13. Пилообразный и ступенчатый сигналы для характериографа Рис. 14. Осциллограмма и спектр сигнала sinc = sin(x)/x 


а 

б 

143

144 

а 

б 

в 

Рис. 15. Осциллограммы сигналов: 

а) Dlorentz и Gmonpuls; б) Cardiac и Chirp; в) Qake и SNR 


Осциллограммы еще двух сигналов — трапецеидального и пилообразного 

— при частоте повторения 1 кГц представлены на рис. 12а. 

Это сигналы сравнительно простой формы, и они воспроизводятся 

с высокой точностью. 

Разумеется, точность воспроизведения формы, особенно у сигналов, 

имеющих быстрые перепады, снижается с ростом частоты их 

повторения. Но даже на частоте 5 МГц, максимальной для режима 

генерации произвольных сигналов, форма трапецеидального и пилообразного 

сигналов остается вполне удовлетворительной (рис. 12б). 

Для снятия вольт-амперных характеристик, например, полевых 

и биполярных транзисторов используются специальные приборы 

— характериографы. Для их построения нужны согласованные 

во времени пилообразные и ступенчатые сигналы. При этом частота 

пилообразного сигнала должна в N раз превышать частоту ступенчатого 

сигнала. (Здесь N — число ступенек.) На рис. 13 показан пример 

формирования таких сигналов. 

В современной цифровой технике часто применяется сигнал 

sinc = sin(x)/x. Он используется для создания равномерного спектра 

гармоник и при интерполяции отсчетов в цифровых осциллографах. 

Осциллограмма этого сигнала и его спектр представлены 


Следующие два сигнала — Dlorentz и Gmonpuls (рис. 15а) — находят 

широкое применение в технике испытания антенных устройств 

сверхширокополосных линий связи. Следует не забывать о том, что 

там такие сигналы используются с длительностью в наносекунды 

и даже доли наносекунд. Генератор создает такие сигналы при гораздо 

большей длительности. 

В меню Project представлен ряд сигналов, среди которых есть 

сигнал, имитирующий реальные сигналы работы сердца (Cardiac) 

и характерный звук меняющегося тона (Chirp). Их осциллограммы 

представлены на рис. 15б. Осциллограмма сигнала Chirp хорошо иллюстрирует 

временную диаграмму сигнала с частотной модуляцией 

при большой девиации частоты. 

К сигналам, отражающим влияние шумов, относятся сигналы 

Qake и SNR (рис. 15в). Первый представляет собой короткую вырезку 

из шума, а второй — зашумленную синусоиду. 

В цифровых осциллографах и анализаторах спектра широко применяются 

окна — windows. Генераторы серии AWG-41xx имеют широкий 

набор оконных функций, что позволяет детально изучать их форму 

и спектр. Эти функции доступны из меню Window сигналов произвольной 

формы. На рис. 16 показаны осциллограмма сигналов окон Кайзера 

(Kaiser) и Блэкмана (Blackman) и спектр окна Кайзера. Они имеют очень 

маленький уровень боковых лепестков за пределами окна. 

Рис. 16. Осциллограмма сигналов окон Кайзера, Блэкмана и спектр окна Кайзера 

Данные о еще двух окнах — треугольном (Triangle) и Хариса 

(Haries) — представлены на рис. 17. Помимо осциллограмм, там приведен 

и спектр треугольного окна. 

В меню Window имеется также ряд шаблонов сигналов тригонометрических 

и обратных тригонометрических функций. Они хорошо 

известны, так что ограничимся приведением осциллограмм функции 

тангенса и арктангенса, которые представлены на рис. 18. Для функции 

тангенс, характерной разрывами с устремлением к бесконечности 

с обеих сторон, приведен спектр. Он содержит большое число гармоник 

с медленно спадающей по мере роста их номера амплитудой. 


Рис. 17. Осциллограмма треугольного окна и его спектр и осциллограмма окна Хариса 

Рис. 18. Осциллограммы функций tan и arctan и спектр функции tan 

Генерация модулированных сигналов 

Многие сигналы, например синусоидальные, характеризуются 

амплитудой, частотой и фазой. Если эти параметры не меняются 

во времени, то сигналы являются стационарными. Модуляция — это 

процесс изменения одного из этих параметров во времени. Таким 

образом, модулированные сигналы становятся нестационарными. 

Рис. 19. Окно задания типов и параметров модулированных сигналов 



Рис. 20. Осциллограммы сигнала со 100%-ной амплитудной модуляцией 

с частотой несущей 10 МГц, модулирующего синусоидального сигнала 

с частотой 10 кГц и спектр модулированного сигнала 

Нажатие кнопки Mod выводит окно задания генерации модулированных 

сигналов (рис. 19). 

При амплитудной модуляции (AM) сигнал несущей частоты меняется 

во времени по закону модулирующего сигнала. На рис. 20 представлен 

пример модуляции синусоидального сигнала c высокой 

(10 МГц) частотой синусоидальным сигналом с намного более низкой 

(10 кГц) частотой. Спектр AM-сигнала имеет три пика — один несущей 

частоты и два боковых пика, отстоящих от несущей на частоту 

модулирующего сигнала. 

Получение спектра AM-сигналов связано с большими трудностями 

из-за невысокой разрешающей способности метода БПФ у большинства 

цифровых осциллографов. При указанных параметрах осциллограф 

DPO-4101 неплохо справился с получением спектра: все три 

частотные составляющие спектра отчетливо видны. Но этот случай 

близок к предельному: если снизить частоту модуляции до 1 кГц 

и менее (что часто встречается на практике), то боковые пики сольются 

с пиком несущей, и их станет невозможно наблюдать. 

Еще один вид амплитудной модуляции — DSB-AM. Он характерен 

удалением несущего сигнала. В спектре такого сигнала присутствуют 

только две боковые полосы (рис. 21). 

Рис. 21. Осциллограммы амплитудно-модулированного сигнала 

(тип модуляции DSB-AM) только с боковыми полосами и модулирующего сигнала 

и спектр модулированного сигнала 


145

146 


Рис. 22. Осциллограммы частотно-модулированного (тип модуляции FM) 

и модулирующего сигналов и спектр модулированного сигнала 

Рис. 23. Осциллограммы фазомодулированного (тип модуляции PHM) 

и модулирующего сигналов и спектр модулированного сигнала 

Рис. 24. Осциллограмма амплитудной модуляции прямоугольного сигнала 

треугольным сигналом и спектр сигнала 

Возможна также амплитудная двоичная модуляция (ASK). При ней 

сигнал несущей модулируется (эта модуляция всегда 100%-ная) прямоугольным 

модулирующим сигналом. Этот вид модуляции называют 

также амплитудной манипуляцией. 

Изменение несущей по частоте обеспечивается частотной модуляцией 

— FM. Она характеризуется частотой несущей и частотой модуляции, 

а также отклонением частоты — ее девиацией. Амплитуда несущей 

при частотной модуляции не меняется. Осциллограммы и спектр 

сигнала с FM показаны на рис. 22. Частотная модуляция широко используется 

при радиовещании и связи на УКВ с частотой несущей 

в десятки МГц. 

Возможна также фазовая модуляция — PM. Помимо частот несущей 

и модуляции, она характеризуется девиацией фазы (Phase Dev). 

Амплитуда несущей в процессе модуляции не меняется (рис. 23). 

В радиотехнике используются в основном модулированные синусоидальные 

сигналы высокой частоты. Но в импульсной и измерительной 

технике нередко применяются модулированные сигналы и другой 

формы. Генераторы AWG-41xx могут в качестве несущего и модулирующего 

сигнала использовать любые сигналы, кроме постоянного тока 

и шума. Например, на рис. 24 показан пример генерации AM прямоугольного 

импульса при треугольном модулирующем сигнале. 

AWG-41xx в роли генератора качающейся частоты 

Генераторы серии AWG-41xx могут работать в режиме качания частоты 

— свипирования (режим включается нажатием кнопки Sweep). 

Диапазон качания частоты задается начальной и конечной частотами 

или средней частотой и полосой частот качания. Указывается также 

время качания (SwpTime). Качание возможно в полной полосе частот 

или в более узком диапазоне. 

На рис. 25а показан пример снятия амплитудно-частотной характеристики 

осциллографа DPO-4101 с помощью генератора AWG- 

4150. Качание задано от 1 Гц до 50 МГц (это максимальная частота 

синусоидального сигнала у этого генератора). 

Осциллограф имеет полосу частот до 1 ГГц, поэтому спад сигнала 

на выходе канала осциллографа на частоте 50 МГц слабо заметен. 

Однако при введении ограничения полосы на уровне 20 МГц спад сигнала 

на выходе осциллографа становится хорошо виден (рис. 25б). 

По умолчанию качание осуществляется по линейному пилообразному 

закону. Но можно задавать и качание по логарифмическому 

закону. Это показано на рис. 25в. 

Генерация пачек сигналов 

Кнопка Burst открывает меню генерации пачек импульсов. Можно 

задавать генерацию любого числа периодов сигнала (синусоидального 

или импульсного) — от 1 до 50 000 (или до бесконечного). У стробирующего 

сигнала можно выбирать положительную или отрицательную 

полярность. На рис. 26 показан пример генерации двух 

пачек синусоидального и ступенчатого сигналов с разным числом 

циклов каждого сигнала. 

Импульсы синхронизации 

и запуска внешних устройств 

Многие внешние устройства, например осциллографы и генераторы, 

нуждаются в сигналах запуска и синхронизации. Для таких 

сигналов на задней панели генератора есть выход синхронизации. 

Осциллограммы импульсов синхронизации и связанных с ними 

двух сигналов (треугольного и ступенчатого) показаны на рис. 27. 

Импульс синхронизации имеет прямоугольную форму и небольшую 

длительность. По умолчанию его выход отсутствует, но в меню утилит 

есть позиция его включения. 

В свою очередь, генератор может запускаться и синхронизироваться 

от внешних устройств. Для этого на задней панели есть входной 

разъем. 


Рис. 25. Пример снятия АЧХ канала осциллографа: 

а) при полной полосе; б) при узкой полосе; 

в) при узкой полосе при логарифмическом законе изменения частоты 

Создание произвольных сигналов 

(программа Easy Wave) 

В генераторах АКТАКОМ серии AWG-41xx и осциллографах 

АОС-5103/АОС-5103М/5106/5110/5115 (рис. 28) есть уникальная 

функция передачи захваченного осциллографом сигнала в генератор. 

Используя программное обеспечение генератора (программа 

Easy Wave), можно с помощью команды Import from Scope передать 

а 

б 

в 



Рис. 26. Пример генерации двух пачек разных сигналов с разным числом периодов 

Рис. 27. Осциллограммы импульсов синхронизации, 

треугольного и ступенчатого сигналов 

осциллограмму с осциллографа в компьютер (рис. 29). Для этого как 

осциллограф, так и генератор должны быть подключены к компьютеру 

через порты последовательной шины USB. 

Программа Easy Wave обеспечивает автоматическое масштабирование 

и центровку. В компьютер передается форма моментально 

захваченного сигнала. 

Рис. 28. Осциллограф «AKTAКОМ» серии AOC-51хх 


147

148 

Используя команду Send wave в меню программы 

Commutication, можно передать сигнал 

из программы в генератор и получить 

его на экране генератора (рис. 30). 

Аналогичным образом в программу Easy 

Wave можно вводить данные из шаблонов 

сигналов, имеющихся в генераторе, редактировать 

их с помощью графического пера 

или создавать новые формы сигналов. После 

передачи в генератор их можно использовать 

как сигналы произвольной формы и работать 

с ними так же, как со встроенными сигналами 

из меню Arb. 

Системные средства 

Три клавиши внизу на передней панели 

вызывают меню системных операций: 


Рис. 29. Окно программы Easy Wave с загруженной осциллограммой 


Линейка осциллографических аксессуаров компании 

«ПриСТ» пополнилась доступным, универсальным 

двухканальным модулем для изоляции входов 

(ISFE). Устройство, в качестве бюджетного решения, 

служит для превращения обычного цифрового 

осциллографа в прибор, имеющий электрически развязанные 

входы (гальванически изолированные). 

Модуль изоляции входов имеет универсальные 

разъемы BNC-типа, что обеспечивает его совместимость 

c входами передней панели осциллографа, 

а также практически со всеми типами современного 

измерительного оборудования: вольтметром, 

частотомером и др. Максимальное «плавающее» 

напряжение между каналами (без привязки к общему 

потенциалу «земли») — до 2000 Вскз. Рабочая 

полоса частот (полоса пропускания) — до 1 МГц. 

• Store/Recal — запись в файлы (внутренней 

памяти и флэш-карты) шаблонов сигналов 

и установок генератора. 

• Utility — включение/выключение постоянной 

составляющей сигналов, управление вводом/выводом 

(в том числе выходом импульсов 

синхронизации), установка параметров 

выхода и включение встроенного цифрового 

частотомера, вывод системных данных, включение 

автоматического самотестирования 

и загрузка файлов обновления firmware. 

• Help — доступ к краткой справке по работе 

с генератором. 


Благодаря тщательно оптимизированным 

характеристикам (отказ от гальванической 

Модули изоляции осциллографических входов ISFE 

В состав комплекта модуля для изоляции входов 

(ISFE) входят: два соединительных кабеля (BNC- 

BNC), два адаптера (BNC-BNC) и USB-кабель. 

Основные технические характеристики: 

• Максимальное входное напряжение: 

±600 В пик. 

• Входное сопротивление: 10 МОм. 

• Коэффициент ослабления: 200:1. 

• Выходное напряжение: ± 3 Впик. 

• Плавающее напряжение между каналом 

и «землей»: 1000 Вскз. 

• Плавающее напряжение между каналами: 

2000 Вскз. 

• Питание по шине USB 

(5 В ±5%, Iпотребл. < 200 мА). 

www.prist.ru 

Рис. 30. Сигнал осциллографа используется 

как шаблон генерируемого сигнала 

развязки выходов, уменьшение максимальной 

амплитуды сигналов на выходе второго 

канала, отсутствие регулировки длительности 

фронтов у прямоугольных импульсов 

и др.) генераторы АКТАКОМ AWG-41xx 

имеют стоимость на порядок (!) ниже стоимости 

двухканальных генераторов AFG3000 

компании Tektronix при сопоставимых параметрах 

сигналов. К достоинствам генераторов 

AWG-41xx относится богатый набор 

уже встроенных форм сигналов, наличие 

встроенного цифрового частотомера, малые 

габариты и вес. Все это открывает широкие 

возможности применения этих приборов 

в лабораторной практике и в технике измерений 

в радиоэлектронике и в системе образования. 

n 


1. www.aktakom.ru 

2. www.siglent.ru 

3. Дьяконов В. П. Многофункциональные генераторы 

Tektronix AFG3000 // Контрольноизмерительные 

приборы и системы. 2006. № 6. 

2007. № 1. 

4. Дьяконов В. П. Генерация и генераторы сигналов. 

М.: СОЛОН-Пресс, 2009. 


Серия осциллографов начального уровня TBS1000 от Tektronix 

Компания Tektronix выпустила серию осциллографов начального уровня 

TBS1000, которая предоставляет инженерам-электрикам, преподавателям 

и всем, кто увлекается электроникой, доступный по цене и надежный полнофункциональный 

инструмент для тестирования электронной техники общего 

назначения. 

Выпуск серии TBS1000 (Tektronix Basic Scope) позволяет вузам оборудовать 

осциллографами все учебные места, а компаниям — вооружить своих 

инженеров и специалистов технической поддержки необходимым мощным 

средством диагностики по доступной цене. Новые осциллографы, разработанные 

Tektronix и обеспеченные 5-летней гарантией, отличаются высокой 

производительностью и точностью измерений с частотой дискретизации 

1 млрд или 500 млн выборок/с и погрешностью усиления на постоянном 

токе 3% вплоть до 2 мВ. 

По сравнению с предыдущей серией осциллографов TDS1000-DU серия 

TBS1000 имеет более широкий диапазон полосы пропускания, включая 

25 и 150 МГц. Новая функция регистрации сигналов позволяет пользователю 

Реклама новости измерительная аппаратура 

сохранить на USB-накопителе осциллограммы, записываемые в течение восьми 

часов. Другое усовершенствование — это функция контроля предельных 

значений, с помощью которой пользователи могут вести мониторинг изменения 

сигналов и разбраковку результатов по принципу «годен/не годен». 

Осциллографы TBS1000 основаны на той же запатентованной технологии, 

что и популярная серия TDS2000, и поддерживают тот же набор различных 

типов запуска, автоматических измерений и БПФ, а также возможности подключения 

к ПК по USB. 

Пользовательский интерфейс обеспечивает интуитивно понятные операции 

в сочетании с полным набором часто используемых типов измерений и анализа. 

Легкий и компактный корпус делает осциллограф еще более удобным. 

С каждым осциллографом TBS1000 поставляется компакт-диск Education 

Resource CD, на котором записаны различные лабораторные упражнения, 

пособия для инструктора и вводные курсы по использованию осциллографов 

и пробников. 

www.tektronix.com 


149

150 

Запуск по немонотонным 

перепадам 


Джонни ХЭНКОК 

(Johnnie HAnCOCK) 

Цифровой сигнал с немонотонным перепадом 

— это сигнал, перепад которого случайным 

образом меняет направление на противоположное 

либо кратковременно замирает 

или теряет скорость. На рис. 1 показан пример 

сигнала с немонотонным перепадом, который 

проявляется очень редко и случайным образом. 

Благодаря скорости обновления сигналов 

на экране 1 млн осциллограмм в секунду мы 

можем отчетливо видеть дефекты сигнала при 

запуске по любому нарастающему перепаду 

Использование функции 

запуска InfiniiScan Zone Trigger 

для выделения 

проблемных сигналов 

При отладке цифровых устройств зачастую бывает очень сложно, а порой 

даже вообще невозможно настроить осциллограф на запуск по отдельным 

специфическим аномалиям сигнала. Аппаратно реализованную функцию 

запуска InfiniiScan Zone Trigger можно использовать вместе с обычными 

возможностями осциллографа по запуску, что помогает сосредоточить все 

внимание исключительно на проблемных сигналах. Если вы видите аномалию 

на экране при использовании стандартных средств запуска, с помощью 

функции Zone Trigger вы можете синхронизировать осциллограф 

именно по таким дефектам. Для того чтобы лучше понять, как работает 

функция Zone Trigger, рассмотрим несколько практических примеров. 

этой цифровой импульсной последовательности. 

Теперь необходимо настроить запуск 

осциллографа так, чтобы на дисплее отображались 

только сигналы с редкими аномалиями 

и не показывались сигналы с равномерными 

перепадами. Если мы сможем настроить 

осциллограф на отображение только проблемных 

сигналов, то тогда мы, возможно, 

сможем исследовать другие сигналы в системе 

с целью поиска взаимосвязей и причин нарушения 

целостности сигнала. 

В некоторых осциллографах есть функция 

запуска по длительности нарастающего или 

спадающего перепада с режимом «больше, 

чем» или «меньше, чем». Использование 

этих режимов может помочь решить нашу 

проблему, однако настройка запуска по этим 

условиям представляет собой сложную 

и трудоемкую задачу. Благодаря функции 

запуска Zone Trigger мы можем просто нарисовать 

на дисплее прямоугольник (зону) 

в районе аномалии сигнала, а затем определить, 

что сигнал «должен пересекать» эту 

зону. Теперь осциллограф будет отображать 

только те сигналы, которые соответствуют 

этому условию (рис. 2). 

Заметим, что мы можем также определить, 

что сигнал «не должен пересекать» зону, тог- 


Рис. 1. Захват сигнала с редким немонотонным перепадом 

с использованием стандартных возможностей запуска по перепаду 

Рис. 2. Захват и отображение только сигналов с аномалией (немонотонным перепадом) 

с помощью функции InfiniiScan Zone Trigger 

Рис. 3. Захват и отображение только сигналов с «нормальным» перепадом 

с помощью функции InfiniiScan Zone Trigger 



да осциллограф будет отображать только сигналы с нормальным 

нарастающим перепадом (рис. 3). Кроме того, с помощью сенсорного 

дисплея осциллографа мы можем просто передвинуть зону «Должен 

пересекать» в область обычного состояния сигналов. 

Как на самом деле работает функция InfiniiScan Zone Trigger? При 

включении этой функции осциллограф сначала захватывает все сигналы, 

которые соответствуют заданному условию запуска. И хотя чаще 

всего используется простой запуск по нарастающему или спадающему 

перепаду, в качестве предварительного условия запуска можно использовать 

любые другие режимы, включая запуск по сигналам последовательных 

шин. Затем осциллограф сравнивает каждый захваченный 

сигнал с заданными зонами (может быть задано до двух зон). Захват 

и сравнение осуществляются с аппаратно-реализованной скоростью 

до 200 000 осциллограмм в секунду. В результате на дисплее прибора 

отображаются только те сигналы, которые соответствуют заданному 

критерию зоны. 

Функция InfiniiScan Zone Trigger обеспечивает очень простой 

и надежный способ захвата случайных и редких аномалий сигнала. 

По сути, если вы можете видеть аномалию на экране осциллографа 

при скорости обновления сигналов 1 млн осциллограмм в секунду 

и использовании обычных условий запуска, например запуска 

по перепаду, то затем осциллограф может однозначно захватить 

Рис. 4. Высокая скорость обновления сигналов на экране 

позволяет выявлять редкие метастабильные состояния сигнала 

Рис. 5. Использование функции Zone Trigger 

для выявления редкого метастабильного состояния сигнала 


151

152 


Рис. 6. Запуск по нарастающему перепаду сигнала последовательной шины со скоростью 

передачи данных 10 Мбит/с при установленном коэффициенте развертки 100 нс/дел. 

и отобразить эту аномалию с помощью 

функции InfiniiScan Zone Trigger, которая 

обеспечивает аппаратную скорость обработки 

200 000 сигналов в секунду. 

Запуск по метастабильному 

состоянию 

Метастабильное состояние — это чрезвычайно 

редкая помеха, которая появляется 

вследствие неправильной синхронизации 

тактовых сигналов и сигналов данных. 

На рис. 4 показан пример сигнала данных, 

который случайным образом начинает переходить 

из высокого логического уровня 

в нижний, а потом снова возвращается в исходное 

состояние. Благодаря исключительно 

высокой скорости обновления сигналов 

на экране осциллографа — до 1 млн осциллограмм 

в секунду — мы можем отчетливо 

видеть эту аномалию при использовании запуска 

по спадающему перепаду (центр экрана) 

сигнала данных. Для выделения только тех 

сигналов, которые содержат редкую помеху, 

мы можем использовать усовершенствованные 

режимы запуска, например запуск по длительности 

импульса. Однако если отрицательная 

амплитуда глитча будет слишком малой, 

это не всегда срабатывает. Более простой и надежный 

способ синхронизации по различным 

значениям амплитуды помехи заключается 

в использовании функции Zone Trigger. 

Если на экране нарисовать прямоугольник 

зоны с условием «Должен пересекать» в области 

аномалии, то осциллограф будет отображать 

только сигналы, содержащие глитч 

(метастабильное состояние) (рис. 5). Как 

только мы сможем настроить синхронизацию 

по проблемным сигналам, дальнейшая 

работа по выявлению причин возникновения 

неполадок будет сведена к исследованию 

других сигналов в тестируемом устройстве 

с целью поиска взаимосвязей. 

Запуск по шаблонам сигналов 

последовательных шин 

Хотя функция Zone Trigger чаще всего 

применяется для запуска по проблемным 

сигналам, как это было показано в двух предыдущих 

примерах, ее можно использовать 

также для запуска по уникальным шаблонам 

сигналов последовательных шин. Одним 

из простых примеров является настройка 

осциллографа на запуск по одиночному импульсу. 

Для определения качества сигналов 

последовательных шин часто требуется выполнять 

измерения параметров изолированных 

«лог. 1» и/или изолированных «лог. 0». 

Для сигналов с кодировкой типа NRZ (без 

возврата к нулю) изолированная «лог. 1» 

определяется как отдельный бит с высоким 

уровнем сигнала, которому предшествует 

и за которым следует заданное число нулевых 

битов. Изолированный «лог. 0» — это 

отдельный бит с низким уровнем сигнала, 

которому предшествует и за которым следует 

заданное число единичных битов. 

На рис. 6 показан пример запуска осциллографа 

по нарастающему перепаду сигнала последовательной 

шины FlexRay со скоростью 

передачи данных 10 Мбит/с. В данном случае 

ничего, кроме нарастающего перепада сигнала 

в центре экрана (точке запуска по умолчанию), 

выделить не удается. Так как скорость последовательной 

передачи данных в этом сигнале 

составляет 10 Мбит/с, длительность отдельного 

бита равна 100 нс. Если установить коэффициент 

развертки осциллографа на 100 нс/дел., 

можно будет легко определить приблизительную 

ширину прямоугольников зон запуска. 

На рис. 7 показано, где нужно нарисовать два 

прямоугольника зон «Не должен пересекать», 

чтобы на экране осциллографа был отображен 

единичный бит с высоким уровнем сигнала, 

которому предшествуют три или более нулевых 

битов и за которым следует два или более 

Рис. 7. Отображение изолированной «лог. 1» с использованием режима запуска 

по нарастающему перепаду и двух зон «Не должен пересекать» 

нулевых битов. Эти прямоугольники можно 

рассматривать как некие «запретные» для сигнала 

зоны. Теперь, когда мы смогли настроить 

осциллограф на запуск по изолированной 

«лог. 1», мы можем измерить характеристики 

импульса, например время нарастания, время 

спада, длительность импульса и др. 


В этой статье мы рассмотрели несколько 

примеров того, как можно использовать аппаратную 

функцию Zone Trigger для синхронизации 

осциллографа с целью отображения 

сигналов с редкими аномалиями или сигналов 

неправильной формы. Кроме того, было 

показано, как использовать функцию Zone 

Trigger для синхронизации по нормальным 

сигналам, которые могут быть настолько 

сложными, что запуск по ним с помощью 

обычных режимов может быть затруднительным 

или даже вообще невозможным. 

Многие современные цифровые запоминающие 

осциллографы имеют функции, которые 

обеспечивают расширенные возможности запуска 

и анализа сложных и высокоскоростных 

сигналов. Вместе с тем использование расширенных 

возможностей осциллографа зачастую 

может быть настолько сложным и трудоемким, 

что правильную настройку прибора способен 

выполнить только грамотный специалист. 

Аппаратная функция запуска Zone Trigger 

является не только мощным инструментом, 

позволяющим локализовать определенные 

участки сигнала, но и удобным средством 

выполнения измерений параметров сигналов. 

Если вы видите событие на экране, вы 

легко (буквально на «раз-два-три») можете 

осуществить по нему запуск: 

1. Отметить событие. 

2. Нарисовать прямоугольник (зону) 

вокруг него. 

3. Осуществить запуск по событию. n 


Джонатан ХАРРИС (Jonathan HARRIS) 


Для оценки показателей физического уровня 

передатчика JESD204B существует целый 

ряд метрик. К ним относятся синфазное напряжение, 

полный размах дифференциального 

напряжения, дифференциальный импеданс, 

потери на отражение дифференциального 

выходного сигнала, потери на отражение 

синфазного сигнала, ток короткого замыкания 

передатчика, маска глазковой диаграммы 

и дрожание фазы. В этой статье мы подробно 

рассмотрим три ключевые метрики, которые 

обычно используются для оценки качества 

передаваемого сигнала: это глазковая диаграмма, 

U-образный график и гистограмма. 

Измерения, используемые при построении 

этих метрик, производятся на приемной стороне, 

поскольку именно для приемника стоит 

задача правильного декодирования сигнала. 

Глазковая диаграмма представляет собой 

наложенные друг на друга множества осциллограмм 

битовых переходов выходного 

сигнала. Их комбинация образует график, 

который может дать много информации 

о качестве канала. Этот график может быть 

использован для наблюдения многих характеристик 

физического интерфейса JESD204B, 



Три ключевые метрики качества 

физического уровня 

для передатчика стандарта 

JESD204B 

Ввиду все большего проникновения интерфейса стандарта JESD204 в преобразователи 

данных стало необходимым уделять повышенное внимание показателям 

качества цифрового интерфейса и их оптимизации. При этом важны 

не только показатели интерфейса в преобразователе данных. В первых двух 

ревизиях стандарта, JESD204 (2006 год) и JESD204A (2008 год), определена 

скорость передачи 3,125 Гбит/с. В наиболее свежей ревизии — JESD204B, 

которая выпущена в 2011 году, определены три градации скорости, и максимальная 

скорость передачи данных составляет 12,5 Гбит/с. Этим трем градациям 

скорости соответствуют три разных набора спецификаций электрического 

интерфейса, разработанных организацией Optical Internetworking 

Forum (OIF). Для скоростей передачи данных до 3,125 Гбит/с спецификации 

электрического интерфейса определяются документом OIF-Sx5-01.0, 

в то время как CEI-6G-SR и CEI-11G-SR содержат подробные спецификации 

для скоростей передачи данных до 6,375 и 12,5 Гбит/с соответственно. Из-за 

высоких скоростей передачи необходимо уделять повышенное внимание 

показателям быстродействующих драйверов и приемников сигналов CML, 

а также соединениям между ними, комбинация которых образует физический 

уровень (PHy) интерфейса JESD204B. 

таких как скачкообразное изменение волнового 

сопротивления или некорректное согласование. 

Он представляет собой лишь один 

из возможных способов оценки качества физического 

уровня. 

Еще две важные метрики, которые 

применяются для оценки качества канала 

JESD204B, — это U-образный график 

(bathtub plot) и гистограмма. U-образный 

график дает визуальное представление частоты 

битовых ошибок (BER) при заданной 

ширине «раскрыва» глазковой диаграммы, 

измеренной в долях единичного интервала 

(unit interval, UI). Единичный интервал — 

это определенный в спецификациях физического 

уровня JESD204B интервал времени, 

который равен промежутку между битовыми 

переходами данных. 

Третий инструмент — это гистограмма, 

которая показывает распределение измеренных 

значений единичного интервала. 

С ее помощью также можно количественно 

оценить дрожание фазы в принимаемом 

сигнале. Гистограмма, наряду с глазковой 

диаграммой и U-образным графиком, может 

быть использована для принятия решения 

об общем качестве физического уровня интерфейса 

JESD204B. 

В статье рассматривается передатчик 

JESD204B со скоростью выходных данных 

5 Гбит/с. Требуемые характеристики передатчика 

при этой скорости передачи подробно 

определены в спецификации OIF CEI-6G-SR. 

Глазковая диаграмма 

На рис. 1 изображена глазковая диаграмма 

для передатчика JESD204B со скоростью 

передачи 5 Гбит/с. Идеальная форма сигнала 

на ней наложена на реальный сигнал. В идеальном 

случае переходы были бы практически 

мгновенными, всплески и провалы сигнала, 

а также звон отсутствовали бы. Кроме 

того, точки пересечения, которые определяют 

единичный интервал, не имели бы 

дрожания фазы. Судя по рис. 1, достичь 

идеальной формы сигнала в реальной системе 

невозможно из-за неидеальной среды 

передачи, в которой имеются потери и рассогласования. 

Изображенная глазковая диаграмма 

построена по измерениям, произведенным 

в приемнике системы JESD204B. 

Перед тем как достигнуть приемника, сигнал 

прошел через разъем и дифференциальные 

линии передачи длиной приблизительно 

20 см. 


153

154 

Рис. 1. Глазковая диаграмма (скорость передачи — 5 Гбит/с) 

Форма этой глазковой диаграммы свидетельствует 

о разумном согласовании импеданса 

передатчика и приемника, а также 

о хорошем качестве среды передачи, в которой 

отсутствуют большие скачкообразные 

изменения волнового сопротивления. 

В моменты переходов сигнала имеет место 

определенное количество дрожания фазы, 

но оно не выходит за рамки спецификаций 

интерфейса JESD204. На приведенной глазковой 

диаграмме нет всплесков сигнала, 

однако присутствуют небольшие провалы 

на передних фронтах из-за замедления сигнала 

по мере прохождения им через среду 

передачи. Данный эффект является ожидаемым 

при прохождении сигнала через разъем 

и дифференциальные линии передачи длиной 

приблизительно 20 см. Среднее значение 

единичного интервала соответствует ожидаемому, 

которое составляет примерно 200 пс 

для сигнала с небольшим дрожанием фазы. 

В целом эта глазковая диаграмма свидетель- 


Рис. 2. Глазковая диаграмма (скорость передачи — 5 Гбит/с): 

а) некорректный импеданс оконечной нагрузки; б) скачкообразное изменение волнового сопротивления 

а 

б 

Рис. 3. Глазковая диаграмма (построение U-образного графика) 

ствует о хорошем качестве сигнала с точки 

зрения приемника, в котором не должно возникнуть 

проблем при восстановлении интегрированного 

сигнала синхронизации и декодировании 

данных. 

Глазковая диаграмма, представленная 

на рис. 2а, измерена при той же среде передачи, 

что и на рис. 1. Единственное отличие заключается 

в том, что в данном случае используется 

некорректный импеданс оконечной 

нагрузки, в результате чего уровень дрожания 

фазы в точках пересечения и других областях 

сигнала возрастает. Во многих отдельных измерениях 

имеет место компрессия амплитуды, 

из-за которой глазковая диаграмма начинает 

закрываться. Ухудшение глазковой диаграммы 

вызовет рост BER в приемнике и может 

даже привести к потере связи через интерфейс 

JESD204B в приемнике, если «раскрыв» глазковой 

диаграммы станет меньше уровня, который 

способен выдерживать приемник. 

Глазковая диаграмма, представленная 

на рис. 2б, являет собой еще один пример не- 

идеальной передачи данных. В некоторой точке 

между передатчиком и приемником (в данном 

случае — осциллографом) имеет место 

скачкообразное изменение волнового сопротивления. 

Как можно видеть на рисунке, это 

приводит к закрытию «глаза», то есть область 

между точками перехода становится меньше. 

Передние и задние фронты данных сильно 

искажаются из-за отражений в месте перепада 

волнового сопротивления линии передачи. 

Скачкообразное изменение волнового сопротивления 

также вносит вклад в увеличение 

дрожания фазы в точках битовых переходов 

данных. Как только закрытие «глаза» начинает 

превышать значение, при котором приемник 

способен декодировать поток данных, происходит 

потеря связи. При глазковой диаграмме, 

изображенной на рис. 2б, многие приемники, 

скорее всего, будут не способны декодировать 

поток данных. 


Рис. 4. U-образный график (составляющие дрожания фазы) 

Рис. 5. U-образный график (скорость передачи — 5 Гбит/с) 

U-образный график 

U-образный график также является полезным 

инструментом, позволяющим оценить 

качество последовательной передачи данных 

по каналу JESD204B. Этот график изображает 

значения частоты битовых ошибок (BER) 

в виде функции от положения точки выборки 

сигнала на глазковой диаграмме. Он 

строится путем перемещения точки выборки 

вдоль глазковой диаграммы и измерения 

значения BER, соответствующего ее текущему 

положению. Как показано на рис. 3, чем 

ближе точка выборки к центру «глаза», тем 

ниже BER. При перемещении точки выборки 

в стороны точек перехода глазковой диаграммы 

BER возрастает. Расстояние между 

двумя наклонными кривыми на U-образном 

графике при отдельно взятом BER позволяет 

определить величину «раскрыва» глазковой 

диаграммы, необходимую для поддержания 

этого конкретного уровня BER (10 –12 в данном 

случае). 

U-образный график также дает информацию 

о составляющих дрожания фазы (T j) 

в сигнале. На рис. 4 показано, что, когда точка 

измерения совпадает с точками перехода или 

находится вблизи от них, дрожание фазы является 

сравнительно равномерным, и основной 

вклад дает детерминированное дрожание 

фазы. Как и в случае с измерением глазковой 

диаграммы, U-образные графики, приведенные 

в этой статье, получены при измерении 

сигнала передатчика JESD204B, имеющего 

скорость передачи 5 Гбит/с, в приемнике по- 


сле его прохождения через разъем и линию 

передачи длиной приблизительно 20 см. 

По мере перемещения точки измерения ближе 

к центру «раскрыва» глазковой диаграммы 

основным механизмом дрожания фазы 

становится случайное дрожание фазы. Оно 

является следствием большого числа про- 


цессов, которые обычно имеют небольшую 

амплитуду. Типичными источниками случайного 

дрожания фазы являются тепловой шум, 

изменение ширины проводника, дробовой 

шум и т. д. Функция плотности распределения 

вероятности (probability density function, PDF) 

случайного дрожания фазы обычно имеет 

гауссовскую форму. В свою очередь, детерминированное 

дрожание фазы является следствием 

небольшого числа процессов, которые 

могут иметь большие амплитуды и быть коррелированными. 

Плотность распределения 

вероятностей для детерминированного дрожания 

фазы имеет четкую границу, то есть 

полный размах детерминированного дрожания 

фазы известен. Она может иметь различные 

формы, которые, как правило, отличаются 

от гауссовской. 

На рис. 5 изображен U-образный график, 

который был показан на рис. 3, в увеличенном 

масштабе. Как следует из этого графика, для 

приемника последовательного потока данных 

со скоростью 5 Гбит/с значение BER, равное 

10 –12 , достигается при ширине «раскрыва» 

глазковой диаграммы, равной 0,6 единичного 

интервала. Важно отметить, что U-образный 

график, подобный приведенному на рис. 5, 

получается путем экстраполяции измерений. 

Осциллограф, используемый для сбора данных, 

производит набор измерений и экстраполирует 

их для построения графика. При 

использовании тестера вероятности битовых 

ошибок (bit error rate tester, BERT) для проведения 

количества измерений, достаточного 

для построения U-образного графика, понадобились 

бы часы или дни, даже несмотря 

на высокое быстродействие современного измерительного 

оборудования. 

Рис. 6. U-образный график (скорость передачи — 5 Гбит/с): 



а 

б 

155

156 

Как и в случае с глазковой диаграммой, 

U-образный график дает возможность наблюдать 

некорректный импеданс оконечной 

нагрузки или скачкообразные изменения 

волнового сопротивления в системе. В отличие 

от U-образного графика, изображенного 

на рис. 5, в U-образных графиках, приведенных 

на рис. 6, наклонные кривые значительно 

сдвинуты по направлению друг к другу. 

В обоих случаях «раскрыв» глазковой диаграммы, 

необходимый для поддержания BER 

на уровне 10 –12 , равен всего 0,5 единичного интервала 

(более чем на 10% меньше по сравнению 

с хорошими условиями). Некорректный 

импеданс нагрузки и скачкообразные изменения 

волнового сопротивления вносят 

значительный уровень случайного дрожания 

фазы в систему. Об этом свидетельствует 

меньшая скорость изменения кривых 

с каждой стороны графика, а также меньшее 

значение «раскрыва» глазковой диаграммы 

по уровню BER, равному 10 –12 . Эти эффекты 

приводят и к небольшому увеличению детерминированного 

дрожания фазы. Об этом 

также свидетельствует уменьшение скорости 

изменения кривых по краям U-образного 

графика. 

Гистограмма 

И наконец, третий полезный инструмент 

— это гистограмма. Этот график иллюстрирует 

распределение измеренных периодов 

между точками битовых переходов 

в передаваемых данных. Как и в случаях 

с глазковой диаграммой и U-образным графиком, 

гистограммы получаются путем измерения 

сигнала передатчика JESD204B, работающего 

со скоростью передачи 5 Гбит/с, 

в приемнике после его прохождения через 

разъем и линию передачи длиной приблизительно 

20 см. На рис. 7 изображена гистограмма 

для системы со скоростью передачи 

5 Гбит/с, обладающей хорошим качеством. 

Гистограмма имеет распределение, близкое 

к гауссовскому, и измеренные значения периода 

попадают в интервал от 185 до 210 пс. 

Ожидаемое значение периода для сигнала 

со скоростью передачи 5 Гбит/с равно 200 пс, 

то есть отклонение распределения от ожидаемого 

значения составляет примерно 

от –7,5 до +5%. 

При некорректном импедансе оконечной 

нагрузки, как показано на рис. 8а, распределение 

становится шире, а измеряемые значения 

попадают в интервал от 170 до 220 пс. В процентном 

соотношении от ожидаемой величины 

отклонение составляет от –15 до +10%, 

то есть в два раза больше по сравнению с графиком 

на рис. 7. Эти два графика показывают, 

что в сигнале преобладает случайное 

дрожание фазы, поскольку их форма близка 

к гауссовской. Однако то, что форма не идеально 

повторяет гауссовскую, свидетельствует 

о наличии и некоторого количества детерминированного 

дрожания фазы. 


Рис. 7. Гистограмма (скорость передачи — 5 Гбит/с) 

Рис. 8. Гистограмма (скорость передачи — 5 Гбит/с): 


Гистограмма, представленная на рис. 8б, 

иллюстрирует влияние скачкообразного 

изменения волнового сопротивления линии 

передачи. В данном случае распределение 

полностью отличается от гауссовского 

и имеет небольшой побочный горб. Среднее 

значение измеренного периода также имеет 

смещение. В отличие от графиков, представленных 

на рис. 7 и 8а, среднее значение равно 

не 200 пс, а примерно 204 пс. Ярко выраженный 

бимодальный характер распределения 

свидетельствует о большем уровне детерминированного 

дрожания фазы в системе, 

которое вызвано скачкообразным изменением 

волнового сопротивления и оказывает 

предсказуемое влияние на систему. Диапазон 

измеренных значений периода также возрастает, 

однако не настолько, как при некорректном 

импедансе оконечной нагрузки. В данном 

случае диапазон измеренных значений 

составляет от 175 до 215 пс, то есть примерно 

от –12,5 до +7,5% от ожидаемого периода. 

Этот диапазон не столь велик, но распределение 

теперь имеет более выраженный бимодальный 

характер. 


Для оценки показателей качества физического 

уровня передатчика JESD204B может 

быть использовано несколько метрик. 

К ним относятся синфазное напряжение, 

полный размах дифференциального напряжения, 

дифференциальный импеданс, потери 

дифференциального выходного сигнала 

при отражении, потери синфазного сигнала 

при отражении, ток короткого замыкания 

передатчика, маска глазковой диаграммы 

и дрожание фазы. В этой статье были рассмотрены 

три ключевые метрики, используемые 

для оценки качества передаваемого 

сигнала в канале JESD204B: глазковая диаграмма, 

U-образный график и гистограмма. 

Различные проблемы системного уровня, 


а 

б

такие как некорректный импеданс оконечной 

нагрузки или скачкообразное изменение 

волнового сопротивления, оказывают значительное 

влияние на показатели физического 

уровня, которое можно наблюдать при 

помощи глазковых диаграмм, U-образных 

графиков и гистограмм. При проектировании 

системы очень важно использовать корректную 

нагрузку и избегать скачкообраз- 


Компания Agilent Technologies объявила о выпуске 

двух новых опций расширения частотного 

диапазона для анализаторов сигналов серии CXA 

N9000A. Анализаторы N9000A с новыми опциями 

позволяют проводить измерения основных характеристик 

СВЧ-сигналов в диапазоне до 13,6 или 

до 26,5 ГГц. 

Возможности анализатора сигналов N9000A 

CXA включают: 

• Средний уровень собственных шумов (DANL): 

–163 дБм на частоте 1 ГГц и –147 дБм на частоте 

26,5 ГГц с включенным предусилителем. 

• Фазовый шум –102 дБн/Гц при отстройке 

10 кГц, частота несущей — 1 ГГц. 

• Точка пересечения по интермодуляционным 

составляющим третьего порядка (TOI): 

+15 дБм на частоте 1 ГГц и +14 дБм на частоте 

26,5 ГГц. 

• Быстрое измерение паразитных и гармонических 

составляющих благодаря высокой ско- 


ных изменений волнового сопротивления 

среды передачи, поскольку эти факторы 

могут оказывать существенное негативное 

влияние на передачу данных и привести 

к сбоям в работе канала между передатчиком 

и приемником JESD204B. Грамотное проектирование 

позволит исключить эти проблемы 

и гарантировать корректное функционирование 

системы. n 

Опции расширения частотного диапазона 

для бюджетного анализатора сигналов 

Компания Agilent Technologies представила выносной осциллографический 

модуль захвата с полосой пропускания 60 ГГц, предназначенный для инженеров, 

занятых разработкой, проверкой и изготовлением высокоскоростных 

электрических коммуникационных систем и компонентов. 

2/4-портовый выносной электрический модуль захвата Agilent N1045A 

является наиболее экономичным решением для точного измерения характеристик 

многоканальных устройств, используемых в действующих и вновь 

появляющихся стандартах, таких как IEEE 802.3 ba/bj/bm (40Gb/100Gb 

Ethernet) и Optical Internetworking Forum CEI 3.0. 

Пользователи могут подключать до четырех модулей N1045A к одному 

широкополосному осциллографу Agilent 86100D DCA-X, получая систему 

с 16 каналами. 

рости и малому уровню собственных шумов 

анализатора CXA. 

• Однокнопочные измерения параметров, предлагаемые 

в PowerSuite, такие как измерение 

мощности в канале, мощности в соседнем канале 

и занимаемая полоса частот. 

• Простые в настройке приложения для измерения 

таких параметров, как фазовый шум и коэффициент 

шума. 

• Возможность модернизации модуля центрального 

процессора. 

Компания Agilent продемонстрировала анализатор 

CXA и свои контрольно-измерительные 

решения для тестирования устройств СВЧ и миллиметрового 

диапазона, беспроводных устройств, 

РЛС и антенн для транспорта, связи и медицинских 

учреждений во время международной конференции 

«Европейская микроволновая неделя» 

(EuMW-2012). 




1. JEDEC Standard JESD204B (July 2011). JEDEC Solid 

State Technology Association. www.jedec.org 

2. Application Note 5989-5718EN: Using Clock Jitter 

Analysis to Reduce BER in Serial Data Applications. 

Agilent Technoloiges. Dec. 2006. 

3. Application Note 5988-9109EN: Measuring in 

Digital Systems. Agilent Technologies. Jan. 2008. 

Выносной осциллографический модуль захвата 

с числом каналов от 2 до 16 

Популярность смартфонов, планшетов и видеопросмотра в режиме онлайн порождает 

потребность в более скоростных сетях передачи данных. Рост пропускной 

способности сети обеспечивается многопортовыми последовательными интерфейсами, 

работающими на скорости 28 Гбит/с и выше. До недавнего времени тестирование 

высокоскоростных компонентов и систем с большим числом портов 

требовало применения дорогостоящей системы из нескольких осциллографов 

и сложных коммутаторов, что отрицательно влияло на целостность сигнала. 

Базовый блок 86100D DCA-X с установленными модулями N1045A, число 

которых может достигать четырех, позволяет создать измерительную систему 

с числом каналов от 2 до 16, которая обеспечивает высокую точность при 

сравнительно невысокой цене. Дополнив N1045A модулем прецизионной опорной 

частоты 86107A, пользователи могут создать 8-канальную 60-Гц систему 

со сверхнизким джиттером тактовой частоты — 200 фс (ср. кв. зн.). Это решение 

оптимально подходит для эффективного тестирования устройств с дифференциальными 

портами, работающих на скорости от 25 до 28 Гбит/с. 

Каждый малошумящий модуль захвата соединяется с базовым блоком гибким 

кабелем длиной 1,6 м, что минимизирует потери в кабеле и обеспечивает 

высокую достоверность сигнала. Благодаря возможности выбора полосы пропускания 

(60, 45, 35 или 20 ГГц) и независимой регулировке фазового сдвига, 

N1045A позволяет оптимизировать приемник для конкретного тестируемого 


Это самые легкие и компактные в отрасли выносные модули захвата, поэтому 

их можно использовать в ограниченном пространстве. Чтобы свести 

к минимуму применение адаптеров, модули можно оборудовать вилками или 

розетками 1,85 мм. 



157

158 

О вариативности 


Виктор НОВОСёЛОВ 

1@eurostar.ru 

Компания ERSA GmbH наращивает производство паяльноремонтных 

станций класса hi-tech. В названии новой серии Vario подчеркивается 

принцип функциональной модульности. Станции Vario 

комплектуются термофеном и комбинацией инструментов для 

контактной пайки и/или демонтажа. Управляющие модули станций 

Vario совместимы также с большинством инструментов 

от станций i-CON1 и i-CON2, которые не утратили своей техникоэкономической 

привлекательности. Таким образом, потребителю 

доступен весь арсенал инструментов ERSA с широким спектром паяльных 

жал и демонтажных насадок. 

Флагманская 4-канальная паяльно-ремонтная станция Vario-4 

(рис. 1) поставляется с миниатюрным универсальным паяльником 

i-Tool (пиковая мощность 150 Вт), миниатюрным термофеном 

Air-S (200 Вт), миниатюрным мощным термопинцетом 

ChipTool-Vario (240 Вт) и мощным, но не миниатюрным вакуумным 

термоотсосом X-Tool (120 Вт). Компрессор в корпусе станции 

создает кратковременный и мощный вакуумный импульс (0,7 бар), 

так что брызги припоя не успевают охладиться и застрять в демонтажном 

наконечнике на пути к картриджу-сборнику, размещенному 

в рукоятке X-Tool. Вакуумный компрессор является частью унифицированного 

блока управления Vario-4 независимо от комплектности 

поставки инструментов. Он также встроен в одну из двухканальных 

моделей Vario-2. Все модели Vario оснащены малошумящими (44 дБ) 

помпами, нагнетающими воздух в термофен с производительностью 

от 2 до 20 л/мин.: цифровое значение в реальном времени отображается 

на экране станции. Инструменты имеют антистатическое исполнение. 

Температурный диапазон паяльника, термопинцета и термоотсоса 

— +150…450 °C, термофена — +50…550 °C. 

Об инструментах 

Большой ресурс мощности нагревательного элемента при малых габаритах 

паяльника i-Tool определяет широчайший диапазон его применений: 

от едва различимых чипов до массивных штыревых соединителей 

на многослойных печатных платах. Паяльник оснащен датчиком 

перемещения для выхода из режима энергосбережения. Через экранное 

меню паяльной станции можно при необходимости выполнять 

ее тонкую настройку с выбором режима стабилизации температуры 

паяльного жала. Асимптотический профиль (когда температура приближается 

к целевому значению только снизу) предпочтителен для бережной 

пайки компонентов, чувствительных к термошоку. Напротив, 

для скоростной пайки электротехнических изделий выгоднее задать 

профиль быстрого нагрева с допустимыми «перехлестами» целевой 

температуры. Изначально в фабричных настройках задан типовой 

ERSA Vario: 

новый флагман поднимает паруса 

Недавно в Германии состоялась премьера новой серии паяльных станций 

i-COn Vario. В течение нескольких месяцев презентация пройдет 

по всему миру и завершится на ноябрьской выставке Productronica 

в Мюнхене — таким образом, весь предстоящий год для инструментального 

отделения фирмы ERSA пройдет под флагом Vario. Передовые модели 

паяльно-ремонтных станций Vario-4 и Vario-2 выйдут на российский 

рынок к весне 2013 года 

профиль, пригодный для большинства работ. О выходе фактической 

температуры жала за установленные пределы станция может оповещать 

пользователя звуковым сигналом: эта функция активируется 

через экранное меню или загрузочную карту microSD, предварительно 

запрограммированную на компьютере при помощи утилиты ERSA. 

Миниатюрный термофен Air-S — базовый инструмент во всех 

штатных комплектациях Vario. Интенсивность воздушного потока 

задается положением потенциометра на рукоятке термофена. 

В рукоятку встроен также оптический датчик, выполняющий роль 

выключателя. Для термофена выпускаются сопла разного диаметра, 

позволяющие оптимизировать площадь бесконтактного нагрева. 

В руководство по эксплуатации включена таблица с рекомендациями 

экспертов по выбору диаметра сопла, температуры и интенсивности 

воздушного потока для работ с различными типами компонентов 

и плат. Компактные размеры термофена Air-S позволяют держать сопло 

на расстоянии от 1 до 5 мм над зоной пайки и при этом выполнять 

аккуратную пайку чипов и микросхем с краевым расположением выводов. 

Термофен не применяется для равномерного нагрева больших 

зон (например, корпусов BGA): для таких работ ERSA рекомендует инфракрасные 

и комбинированные ремонтные станции серии IR и HR. 

Достоинства миниатюрного мощного термопинцета ChipTool-Vario 

проявляются в условиях плотного монтажа компонентов на массивных 

печатных платах, а также при демонтаже без предварительного 

подогрева платы. Именно в таких случаях мощность (220 Вт) и теплопередача 

через демонтажные насадки «старого» термопинцета 

ChipTool могут оказаться недостаточны. Для минимизации размеров 

термопинцета разработчики приняли решение интегрировать тонкий 

нагревательный элемент в демонтажную насадку. Такой вариант более 

дорог по сравнению c полыми сменными насадками и фиксированными 

нагревателями в термопинцете ChipTool, однако не нашлось иного 

способа достижения предельной компактности инструмента при столь 

высокой мощности. Еще одно преимущество ChipTool-Vario — неза- 

Рис. 1. Вариант комплектации Vario-4 


висимое управление температурой каждого из нагревателей. Это свойство 

термопинцета становится важным, когда с выводами демонтируемого 

компонента на печатной плате контактируют массы, обладающие 

различной теплоемкостью. Переключатель на рукоятке ChipTool-Vario 

позволяет менять направление подпружинивания раздвижных сегментов 

с нормально-разомкнутого на нормально-замкнутое. 

Конструктивные и электрические отличия двух термопинцетов 

ERSA исключают возможность взаимозаменяемости их демонтажных 

насадок, поэтому новый термопинцет неверно рассматривать как 

полную замену прежнему. Перечень насадок к ChipTool-Vario лаконичен: 

шесть клиновидных и конусообразных форм для двухполюсных 

чип-компонентов. До микросхем дело пока не дошло. Имеет значение 

и кратная разница в стоимости между демонтажными насадками с интегрированными 

нагревателями (к новому термопинцету) и без нагревателей 

(к прежнему). Поэтому термопинцет ChipTool не утратил 

своей актуальности и доступен как опция к станциям Vario. 

Для демонтажа штыревых элементов служит вакуумный термоотсос 

X-Tool, подключаемый к управляющему блоку сразу двумя 

разъемами: к блоку питания для электрического нагрева и к встроенному 

компрессору для создания вакуумного разрежения. X-Tool — 

«долгожитель» в семействе ERSA по одной, но веской причине: 

с его помощью удается выполнять самые сложные работы, которые 

не под силу менее мощным инструментам аналогичного назначения. 

Поскольку недостатки зачастую являются продолжением достоинств, 

общеизвестна и претензия к X-Tool: массивный «тепловой резервуар» 

в рабочей части инструмента нещадно пышет жаром, побочно разогревая 

рукоятку. Можно предположить, что инженерная мысль ERSA 

бьется над тем, чтобы в обозримом будущем предложить изящную 

замену X-Tool для использования с серией Vario. 

К разъему VAC вместо термоотсоса X-Tool можно подключить антистатический 

вакуумный манипулятор VасPеn (изначально не входит 

в комплект поставки) для захвата, переноса и позиционирования SMDкомпонентов 

на печатной плате. Чтобы перевести компрессор из импульсного 

режима в режим непрерывной тяги, достаточно нескольких 

поворотов и нажатий кнопки прокрутки экранного меню. 

Паяльник i-Tool, термопинцет ChipTool-Vario и термофен Air-S 

оснащены датчиками, позволяющими автоматически снижать энергопотребление 

в паузах между выполнением работ. К двум разъемам 

(из четырех) вместо штатных инструментов можно подключать 

популярные инструменты ERSA прежних серий — термопинцет 

ChipTool, паяльники MicroTool и TechTool с жалами разнообразной 

формы, а также флэш-загрузчик i-Set для группового копирования 

параметров настройки станций и снятия блокировки пароля. 

Альтернативным методом снятия блокировки является доставка паяльной 

станции на ERSA в Германию: это весомый аргумент в пользу 

прочтения инструкции по эксплуатации. Она представляет собой 

50-страничную брошюру формата A4 с иллюстрациями, написанную 

доходчиво и переведенную на русский язык. 

О комплектациях 

Максимальная штатная комплектация Vario-4 была рассмотрена выше. 

Комплектация для поверхностного монтажа и демонтажа представляет 

собой тот же 4-канальный управляющий блок с паяльником, термофеном 

и термопинцетом. К четвертому каналу (свободному от термоотсоса) удобно 

подключить термопинцет ChipTool, а через разъем VAC — вакуумный 

манипулятор VacPen. Усеченная комплектация включает только паяльник 

и термофен, что позволяет минимизировать первоначальные расходы 

на покупку станции без утраты перспектив дальнейшей ее специализации 

путем подключения дополнительных инструментов. Модели Vario-4 ориентированы 

на мастеров, которые предпочитают иметь на рабочем месте 

моноблок для работ с любыми компонентами, кроме BGA (для них ERSA 

предлагает специальный инструментарий). 

Более экономичным решением в классе hi-tech являются двухканальные 

модели ERSA Vario-2 (рис. 2). Они занимают на столе меньшую 

площадь (180280115 мм) и наделены идентичными с Vario-4 


Рис. 2. Вариант комплектации Vario-2 


техническими характеристиками. Если станция i-CON2 с опциями 

для демонтажа уже есть на рабочем месте, то модель Vario-2 с термофеном 

и термопинцетом ChipTool-Vario станет логичным развитием 

функциональных возможностей ремонтного комплекса. Если 

рабочее место оснащается с нуля, то удачным выбором может стать 

модель Vario-2 с паяльником i-Tool и термофеном Air-S. Впрочем, 

возможны и иные сочетания. Матрица совместимости паяльных инструментов, 

жал и насадок представлена на сайте www.ersa.ru. 

О других преимуществах 

Общие проблемы высокотехнологичных изделий, будь то смартфон 

или паяльная станция, — это исправление ошибок ПО и соблазн 

непрерывного усовершенствования. Для станций Vario 

они имеют решение: обновление программ контроллеров производится 

автоматически при установке карты микроSD в слот. Файл 

обновления необходимо предварительно записать на карту, имея доступ 

с компьютера в сервисный раздел сайта www.ersa.com. 

В станциях Vario есть выделенные каналы для автоматического 

включения/выключения системы воздухоочистки ERSA EA110plus-i 

и/или управления мощностью инфракрасной плитки-подогревателя 

печатных плат IRHP100A. Предусмотрен и порт USB, но сейчас не задействован. 

Пользовательский экранный интерфейс станции в числе 

основных языков поддерживает русский. 

Отдельного упоминания достойна резко возросшая интернетактивность 

фирмы ERSA — как для продвижения серии Vario на мировой 

рынок, так и в плане упрощения работ с широчайшим ассортиментом 

паяльных приборов и запасных частей. Ярким подтверждением 

этого стал промо-сайт www.i-con-vario.com с интерактивной мультимедийной 

презентацией Vario. А в электронном «магазине» на сайте 

www.ersa.com размещены почти все товарные позиции ERSA с артикулами, 

описаниями и фотографиями, что предупреждает ошибки 

в заказах. Однако слово «магазин» заключено в кавычки не случайно: 

купить товар напрямую в ERSA GmbH невозможно. Любые коммерческие 

поставки осуществляются как прежде, через официальных дистрибьюторов. 

В России их имена хорошо известны. 

О перспективах 

Поверхностный взгляд на станции Vario может вызвать недоумение: 

что же в них особенного? Вопрос об уникальности провоцируется тем, 

что прежние разработки ERSA имели глобальный инновационный приоритет 

при полном отсутствии аналогов на рынке. С серией Vario ситуация 

иная: ERSA не выдвигает революционных технологий, но тщательно 

воплощает собственный опыт в русле общемирового тренда совершенствования 

паяльной техники. Как следствие, перспективы успеха 

серии Vario определятся качеством ее технической реализации при разумных 

ценах. Кажется, именно это было заявлено в слогане ERSA на выставке 

Productronica: «Дороговато? Зато добротно. Так выгоднее!» n 


159

Реклама

Реклама

Реклама

??????????

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?