Современная электроника №3 (2021)

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ моментом (увеличенным в 1,5 раза отно- Контроллер Команды/диагностика сительно предыдущего поколения изде- Угол, скорость, момент, режим работы и т.п. лий) более 1500 ч. По итогам испытаний Полётный контроллер определено, что время работы нового компьютер Отклик (статус/диагностика) сервопривода пятикратно превышает одноплатный Угол, скорость, температура, ошибки и т.п. время наработки на отказ предыдущей микроконтроллер модели BLA1HH21 (см. рис. 3). Высокая степень защиты Can Bus (UVACAN) Новейший BLA21-06U-A01 полностью Полётный Другие соответствует высокому уровню корпус- контроллер устройства ной защиты (IP67) согласно междуна- (UVACAN) (UVACAN) родной классификации. Кроме того, в ходе внутренних испытаний компа- Рис. 4. Пример соединения и обмена данными по CAN-шине нии было подтверждено, что даже после более чем миллиона циклов работы сер- пилотных летательных аппаратах и ность устанавливать коэффициенты вопривод отвечает стандарту IPX7. Такие робототехнике. UAVCAN не является усиления и различные ограничения, высокие показатели были достигнуты независимым стандартом связи для получать параметры датчиков, соби- благодаря использованию специаль- сервоприводов. рать информацию об ошибках и т.д. ных прокладок на выходном валу, обе- В дополнение к стандартным командам спечивающих хорошую гидроизоляцию Благодаря использованию CAN контроля углового положения и сбора и обладающих устойчивостью к воде. bi-di-rectional communication control данных появилась поддержка команд (двунаправленного контроля связи регулировки скорости и крутящего Протокол UAVCAN CAN-шины) теперь доступно внешнее момента (см. рис. 4). BLA21-06U-A01 совместим с прото- управление сервоприводом, возмож- колом обмена UAVCAN v0, который соответствует промышленному стан- дарту связи CAN-bus. Данный прото- кол используется в основном в бес- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 45

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Бесколлекторный двигатель Рис. 5. Варианты крепления сервопривода крепления. На фронтальной поверх- В бесколлекторном двигателе функ- ности и по бокам сервопривода распо- контроля угла и двигателя за более ложены отверстия для крепёжных вин- цию ротора выполняют магниты, раз- чем 1000 ч работы (при постоян- тов (как показано на изображениях). мещённые вокруг вала, а разнополюс- ном ускорении 300 м/с2), полностью Вариативность монтажа предоставля- ные обмотки располагаются вокруг соответствуют стандарту IEC. 60068- ет пользователю возможность исполь- ротора. Непосредственно на роторе 2-6 и не имеют каких-либо отклоне- зования сервопривода под различные размещается электромагнитный бес- ний. эксплуатационные задачи (монтажная контактный сенсор контроля углового пластина и винты в комплект не вхо- положения. Датчик передаёт необхо- Варианты установки корпуса дят) (см. рис. 5). димые данные процессору с регулято- Ещё одним преимуществом BLA21- ром скорости вращения. 06U-A01 является универсальность Конструкция бесщёточных двига- телей, в отличие от коллекторных, имеет следующие преимущества: ● почти полное отсутствие трения. Не- значительным исключением являют- ся подшипники, которые в перспек- тиве подлежат износу; ● отсутствие «паразитных» вибраций, бла- годаря бесконтактному исполнению; ● отсутствие перегрева из-за отсут- ствия трения; ● контроллер свободен от радиопомех (т.к. нет трения щеток). Чистый сигнал; ● высокая надёжность; ● высокие эксплуатационные харак- теристики. Было подтверждено, что угловые значения, полученные с датчика ĽĹĻŁĿijĿļľĿijıŐ ŎļĶĻŃŁĿľĹĻı INWAVE.RU MWT-400 +7 (495) 137-5335 œŖśţşšŞŬŚŔŖŞŖšőţşšŢřŔŞőŜşœ ĵřőŠőŘşŞšőŒşŨřŦ ŨőŢţşţ łŕŖŜőŞşœŁşŢŢřř śĴŧĴĴŧ ŅőŘşœŬŚũŤŝ ŕIJŞĴŧ ʼnřšřŞőŠşŜşŢŬ ŧřťšşœşŚ ŝşŕŤŜŰŧřř ĽĴŧ ĹŞţŖšŖťŖŚŢœœşŕő ŕőŞŞŬŦř ŤŠšőœŜŖŞřŰ ĴŒřţŢ ijřŕŬŝşŕŤŜŰŧřř M-PSK, M-QAM, OOK, M-ASK, M-FSK, MSK, *06.ŠšşřŘœşŜŭŞŬŚ Реклама ĻşŞţšşŜŭŞşřŘŝŖšřţŖŜŭŞşŖşŒşšŤŕşœőŞřŖ 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР АКТИВНЫЙ КОМПОНЕНТ ВАШЕГО БИЗНЕСА (495) 232-2522 [email protected] WWW.PROCHIP.RU Реклама

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Практика использования встроенного АЦП в ПЛИС семейства MAX 10 Часть 2. Работа с АЦП в ПЛИС семейства MAX 10 Павел Редькин (г. Ульяновск) плате Altera MAX 10 FPGA, на рисунке не показана. Также на схеме не показа- Статья содержит информацию по практическому применению ны цепи питания ПЛИС, фильтрующие аппаратного модуля АЦП, входящего в состав ПЛИС семейства MAX 10 конденсаторы на этих цепях и некото- производства Intel (Altera). Во второй части статьи рассмотрены вопросы рые служебные сигналы ПЛИС, не име- создания проекта ПЛИС с модулем АЦП в среде Quartus II, настройки ющие принципиального значения для конфигурации АЦП в проекте, загрузки конфигурации в ПЛИС рассматриваемой темы. Элементы ана- на примере конкретной отладочной платы с ПЛИС семейства MAX 10. логовой части (ОУ повторителей напря- жения, внешние входные аналоговые Аппаратная платформа ПЛИС входы АЦП в ПЛИС ADC1IN1-ADC1IN8 цепи универсальных входов ПЛИС) с АЦП на плате Altera MAX 10 FPGA снабжены на схеме показаны только в части кана- фильтрующими RC-цепочками, а так- ла 7 АЦП для универсального входа В качестве аппаратной платформы же входными буферными элементами – ADC1IN7 (вывод 13 в ПЛИС). Позици- ПЛИС с АЦП в данной статье применена операционными усилителями (ОУ) онные обозначения элементов и наи- отладочная плата Altera MAX 10 FPGA, LM2902, включёнными в режиме повто- менования цепей отладочной платы на имеющая «на борту» ПЛИС семейства рителей напряжения. Цифровые линии рисунке 10 соответствуют оригиналь- MAX 10 10M08SAE144C8G с 8000 логи- GPIO, а также аналоговые универсаль- ной документации производителя [1]. ческими элементами и одним встроен- ные входы ПЛИС выведены на плате на Позиционные обозначения дополни- ным аппаратным модулем АЦП. Прин- линейки соответствующих разъёмов. тельных элементов макета, не входя- ципиальную схему и описание платы щих в состав отладочной платы (ЖКИ, Altera MAX 10 FPGA можно загрузить со На вход подачи внешнего опорного кнопок, узла генерации звука), имеют страницы производителя [1]. напряжения ADC_VREF поступает напря- свою собственную нумерацию. жение +2,5 В с выхода микросхемы ИОН Помимо ПЛИС на плате Altera MAX MCP1525. Выделенный вход АЦП в ПЛИС Внешнее питание – постоянное 10 FPGA имеется разъём mini-USB для ANAIN1 на отладочной плате не задей- напряжение +5 В – плата получает через подачи внешнего напряжения пита- ствован (соединён с общим проводом разъём J1, имеющий форм-фактор mini- ния, стабилизатор напряжения +3,3 В, через резистор нулевого сопротивле- USB. Этот разъём предназначен только кварцевый генератор с частотой 50 МГц, ния). Для использования входа ANAIN1 для подачи питания, поскольку его кон- микросхема источника опорного напря- в проекте ПЛИС в плату необходимо вне- такты цепей данных интерфейса USB жения (ИОН), разъём JTAG для загрузки сти небольшие доработки, о чём будет (D+, D–) ни с чем на плате не соединены. и конфигурирования ПЛИС, схема сбро- подробнее сказано далее. Поступающее через разъём J1 напряже- са ПЛИС, пользовательские светодиоды, ние +5 В понижается с помощью стаби- джамперы и прочие вспомогательные Для исследования модуля АЦП в лизатора U1 до значения +3,3 В. Далее элементы. Аналоговые универсальные ПЛИС автором был собран макет, состо- из напряжения +3,3 В вырабатываются: ящий из платы Altera MAX 10 FPGA, под- напряжение питания аналоговой части Рис. 9. Общий вид собранного макета с платой ключённых к ней жидкокристалличе- платы ПЛИС и аналоговой части платы Altera MAX 10 FPGA ского индикатора 12864ZW и линейки VCCA_3.3V, напряжение питания ядра из шести кнопок управления. Индика- ПЛИС VCC_CORE, напряжения питания тор в проекте ПЛИС работает в сим- системы ввода-вывода ПЛИС и цифро- вольном режиме и позволяет отобра- вой части платы VCC_IO. жать четыре строки по 16 символов в каждой. На свободном макетном поле Загрузка конфигурации в конфигу- платы Altera MAX 10 FPGA смонтирован рационную память и в саму ПЛИС осу- электронный ключ на полевом тран- ществляется через разъём JTAG J10 с зисторе КП501А, нагруженный на зву- элементами его «обвязки». ковой излучатель электромагнитного типа. Данный узел используется в про- Цепь аналогового общего прово- екте ПЛИС для озвучивания нажатий на да на плате подводится к общему про- кнопки. Общий вид собранного маке- воду аналоговых элементов платы: ОУ та представлен на рисунке 9. повторителей напряжения и элементов их «обвязки», ИОН, элементов внешних Принципиальная схема собранного аналоговых цепей универсальных вхо- на базе платы Altera MAX 10 FPGA маке- дов ПЛИС, аналоговому общему проводу та показана на рисунке 10. Для упроще- ПЛИС, разъёму аналоговых сигналов J3. ния восприятия часть узлов и элемен- Цепь цифрового общего провода на пла- тов, установленных производителем на те подводится к общему проводу цифро- 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

(495) 232-2033 • WWW.DOLOMANT.RU • (495) 739-0775 Реклама

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 10. Принципиальная схема макета, собранного на базе платы Altera MAX 10 FPGA вых элементов платы: цифровому общему включающего в себя IP-ядро поддерж- рительно следует создать каталог про- проводу ПЛИС, цифровому общему про- ки встроенного АЦП ПЛИС, имеет ряд екта, который будет содержать все его воду стабилизатора напряжения +3,3 В, специфических особенностей. Рассмо- исходные файлы. В нашем случае это цифровому общему проводу генератора трим создание такого проекта по шагам. файлы с исходным текстом на языке глобального синхросигнала 50 МГц, циф- описания аппаратных средств Verilog ровому общему проводу, разъёмам циф- Сначала в главном меню среды HDL, имеющие расширение *.v. Один ровых сигналов J2, J8, J9. Как показано на Quartus II (автор использовал 64-раз- из этих файлов имеет имя MAX_10_ схеме, цифровой и аналоговый общие рядную среду Quartus II Version 15.0.0 ADC_1.v. Этот файл содержит модуль провода на плате соединяются друг с дру- Web Edition) выбираем File → New верхнего уровня проекта. Другие исход- гом. С точки зрения минимизации влия- Project Wizard... В открывшемся окне ные файлы содержат модули более низ- ния цифровых шумов на точность анало- New Project Wizard на странице под кого уровня, реализующие взаимодей- говых преобразований по цепям общего заголовком Directory, Name, Top-Level ствие модуля верхнего уровня с ЖКИ, провода данное соединение целесоо- Entity задаём первичные параметры кнопками управления, вывод из ПЛИС бразно выполнить в одной точке платы. проекта: путь к директории проекта данных АЦП в последовательном виде, на диске, имя проекта, а также модуль преобразование результата АЦП в зна- Создание проекта ПЛИС верхнего уровня проекта. В нашем слу- чение температуры, генерацию звука. чае все перечисленные имена совпада- Все перечисленные исходные фай- Процесс создания в инструменталь- ют (MAX_10_ADC_1), как показано на лы можно создавать в любом тексто- ной среде Quartus II проекта ПЛИС, рисунке 11. По указанному пути предва- 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 11. Задание первичных параметров проекта ПЛИС данных ранее исходных файлов в состав Рис. 12. Включение файлов в состав проекта ПЛИС проекта. Для этого нужно нажать на кноп- ку с многоточием (...) справа от позиции File name, затем в открывшемся окне ката- логов и файлов выбрать нужный исход- ный файл и добавить этот файл в про- ект нажатием на кнопку Add. Имена и тип всех включённых в состав проекта фай- лов будут перечислены в окне страни- це Add Files, как показано на рисунке 12. Далее необходимо задать аппаратную платформу для нашего проекта ПЛИС. Для этого в окне New Project Wizard нажи- маем на кнопку Next, затем в открыв- шейся странице Family & Device Settings выбираем требуемое семейство ПЛИС (MAX 10) и конкретную модель ПЛИС в этом семействе (10M08SAE144C8GES), как показано на рисунке 13. Теперь следует задать базовые настройки симуляции для нашего проекта ПЛИС. Для этого в окне New Project Wizard нажимаем на кнопку Next. В открывшейся странице EDA Tool Settings выбираем в строке Simulation в графе Tool Name инструмент симу- ляции ModelSim-Altera, а в графе For- mat(s) – язык симуляции Verilog HDL. Остальные настройки на странице оставляем заданными по умолчанию. В заключение ещё раз в окне New Project Wizard нажимаем на кноп- ку Next, и на открывшейся страни- це Summary проверяем корректность всех заданных ранее настроек проек- та. При отсутствии замечаний клика- ем на кнопке Finish, после чего созда- ние проекта считается завершённым. Созданный проект появляется во вклад- ке Hierarchy области навигации Project Navigator среды Quartus II, как показа- но на рисунке 14. Все входящие в про- ект файлы перечислены во вкладке Files области навигации Project Navigator. Рис. 13. Выбор ПЛИС для проекта Далее будет показан порядок включе- Включение в проект ПЛИС ния всех созданных исходных файлов модуля PLL вом редакторе, однако удобнее делать в состав проекта. это в среде Quartus II, имеющей цвето- После создания проекта ПЛИС, перед вую подсветку синтаксиса исходных Следует нажать в окне New Project включением в него модуля АЦП необ- текстов на языках описания аппарат- Wizard на кнопку Next. В открывшейся ходимо задать для него источник син- ных средств Verilog HDL, VHDL и AHDL. странице Project Type оставляем задан- хросигнала. Как было сказано в первой Для создания нового исходного файла ную по умолчанию настройку типа про- части статьи, в качестве синхросигнала следует в главном меню среды Quartus екта Empty project и снова нажимаем на для АЦП в ПЛИС семейства MAX10 произ- II выбрать File → New…, после чего кнопку Next. В открывшейся странице водителем рекомендуется использовать откроется окно New, в котором мож- Add Files производим включение соз- выходной сигнал встроенной в ПЛИС но выбрать тип создаваемого файла. системы PLL. Для реализации этой реко- мендации необходимо включить в про- ект ПЛИС IP-ядро PLL. В составе ПЛИС 10M08SAE144C8G имеется только один аппаратный модуль PLL, его мы и задей- ствуем. Для этого воспользуемся встроен- ным в среду Quartus II каталогом IP-ядер IP СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 51

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 14. Созданный в Quartus II проект ПЛИС Рис. 17. Задание выходных параметров IP-ядра PLL Рис. 18. Запрос на включение IP-ядра PLL в Рис. 19. IP-ядро PLL в составе проекта ПЛИС состав проекта ПЛИС Рис. 15. Включение в состав проекта ПЛИС ное средство среды Quartus II для редак- запирания (locked). Все остальные пара- модуля PLL тирования IP-ядер MegaWizard Plug-In метры на прочих вкладках MegaWizard Manager, с помощью которого мож- Plug-In Manager следует оставить задан- Рис. 16. Задание первичных параметров IP-ядра PLL но задать все параметры нашего моду- ными по умолчанию. Для последова- ля PLL. Открывшееся окно MegaWizard тельного перемещения по вкладкам Catalog, выбрав в нём ALTPLL (см. рис. 15). Plug-In Manager имеет несколько вкла- при настройке параметров PLL следу- После этого откроется окно задания пер- док, на каждой из которых задаётся опре- ет использовать кнопки <Back, Next>. вичных параметров IP-ядра PLL Save IP делённая группа параметров. В соответ- Variation, в котором необходимо ука- ствии с рекомендациями производителя По завершении конфигурирования зать путь к директории хранения исход- выбираем для синхронизации аппарат- PLL после нажатия на кнопку Finish ного файла IP-ядра PLL внутри дирек- ного модуля АЦП частоту 10 МГц, при том открывается окно с запросом на включе- тории проекта ПЛИС, его имя (в нашем что частота нашего глобального синхро- ние сконфигурированного нами IP-ядра случае это ALTPLL1) и язык представле- сигнала (внешнего генератора на плате PLL (файл ALTPLL1.qip) в состав проекта, ния Verilog (см. рис. 16). После нажатия на Altera MAX 10 FPGA) составляет 50 МГц. как показано на рисунке 18. Если согла- кнопку OK запускается инструменталь- Таким образом, систему PLL необходи- ситься с запросом на включение (кнопка мо сконфигурировать так, чтобы она Yes), то во вкладке Files области навига- обеспечивала деление входной часто- ции Project Navigator проекта ПЛИС появ- ты 50 МГц на 5 для получения выходной ляются файлы IP-ядра PLL (ALTPLL1.qip) частоты 10 МГц, имела один выход c0, и исходного кода модуля PLL (ALTPLL1.v), а также – выход запирания тактируемо- а во вкладке IP Components – позиция го ею устройства locked. Значение вход- IP-ядра PLL, как показано на рисунке 19. ной частоты PLL (50 МГц) и количества Файл ALTPLL1.v содержит модуль на язы- выходов PLL (один выход c0) необходи- ке Verilog HDL с исходным кодом мега- мо задать на вкладке 1 Parameter Settings. функции ALTPLL. Имя и список входов Делитель PLL задается на вкладке 3 Output и выходов этого модуля соответствуют Clocks, как показано на рисунке 17. ранее заданным параметрам PLL и выгля- дят, как показано в листинге 1. Требуемая структурная схема IP-ядра PLL показана на рисунке 17 слева: один Однако само по себе добавление вход синхросигнала (inclk0), один IP-ядра PLL в проект ПЛИС автомати- выход синхросигнала (c0), один выход чески не обеспечивает его использо- вания в проекте. Для его использова- 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

Реклама

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Листинг 2 Листинг 1 ALTPLL1 ALT_PLL_1( module ALTPLL1 ( .inclk0(sys_clk), .c0(clk_pll), inclk0, .locked(locked_pll) c0, ); locked); Рис. 20. Выбор IP-ядра модуля АЦП для Рис. 21. Создание файла с расширением .qsys включения в проект ПЛИС в среде Quartus II На этом добавление IP-ядра PLL в проект ПЛИС можно считать завер- шённым. Рис. 22. Настройка параметров АЦП в редакторе IP-ядер IP Parameter Editor Включение в проект ПЛИС модуля АЦП Рис. 23. Порядок действий по включению верхнего уровня проекта и модуля PLL сгенерированного HDL-кода поддержки АЦП (см. листинг 2). На листинге 2: Включение модуля АЦП в проект в проект ПЛИС ● ALT_PLL_1 – имя модуля нижнего ПЛИС в среде Quartus II также осущест- вляется через каталог IP-ядер IP Catalog, ния в состав исходного текста модуля уровня, используемого в модуле верх- как показано на рисунке 20. В каталоге верхнего уровня проекта ПЛИС (файл него уровня (это имя можно задать IP Catalog выбирается одинарное или MAX_10_ADC_1.v) необходимо вручную произвольно); двойное IP-ядро АЦП в соответствии с включить фрагмент кода, устанавлива- ● sys_clk – частота глобального синхро- тем, сколько аппаратных модулей АЦП ющий связь между сигналами модуля сигнала, поступающего на вход PLL в содержит используемая в проекте ПЛИС проекте ПЛИС (50 МГц); и сколько их требуется пользователю. ● clk_pll – выходная частота PLL, ко- В нашем случае выбираем одинарное торая в дальнейшем будет исполь- IP-ядро Altera Modular ADC core. После зоваться для синхронизации моду- выбора нужного IP-ядра пользователю ля АЦП в проекте ПЛИС (10 МГц); будет предложено задать местонахож- ● locked_pll – сигнал запирания моду- дение и имя файла с расширением .qsys, ля АЦП, поступающий в него из мо- содержащего настройки модуля АЦП дуля PLL. в проекте ПЛИС (см. рис. 21). В нашем случае задаём имя файла ADC_Core_1 (имя можно выбрать произвольно), ука- зываем путь к нему в пределах катало- га нашего проекта ПЛИС и нажимаем на кнопку OK, после чего автомати- чески запускается редактор IP-ядер IP Parameter Editor. В открывшемся окне настроек модуля АЦП, в редакторе IP Parameter Editor (см. рис. 22) зада- ём все необходимые параметры моду- ля АЦП: 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ● вариант IP-ядра Core Variant (в нашем Рис. 24. Добавленные в проект ПЛИС исходные файлы IP-ядра АЦП случае – вариант ядра только с управ- лением АЦП без функций упорядо- Листинг 3 чения и автосохранения оцифрован- ных выборок – ADC Control core only); module ADC_Core_1 ( ● наличие отладочных путей Debug input wire adc_pll_clock_clk, // adc_pll_clock.clk Path (отсутствуют – Disabled); input wire adc_pll_locked_export, //adc_pll_locked.export ● значение частоты входного синхро- сигнала АЦП ADC Input Clock (10 МГц); input wire clock_clk, // clock.clk ● источник опорного напряжения АЦП input wire command_valid, // command.valid Reference Voltage Source (внутренний ИОН АЦП ПЛИС – Internal); input wire [4:0] command_channel, // .channel ● значение напряжения внутреннего input wire command_startofpacket, // .startofpacket ИОН Internal Reference Voltage (3,3 В). Далее в разделе Channels задаём, какие input wire command_endofpacket, // .endofpacket каналы АЦП (выделенные, универсаль- output wire command_ready, // .ready ные, встроенный температурный дат- чик TSD) будут включены, при необ- input wire reset_sink_reset_n, // reset_sink.reset_n ходимости задаём функцию входного делителя напряжения для тех каналов, output wire response_valid, // response.valid которые её поддерживают. Задав все требуемые параметры АЦП, нажима- output wire [4:0] response_channel, // .channel ем на кнопку Generate HDL. После это- го откроется окно задания начальных output wire [11:0] response_data, // .data условий генерации HDL-кода: языка (выбираем Verilog), наличия модели для output wire response_startofpacket, // .startofpacket симуляции (выбираем None) и пути к выходным файлам HDL-кода (задаём output wire response_endofpacket // .endofpacket директорию ADC_Core_1, находящую- ся внутри директории нашего проекта ); ПЛИС). После задания всех перечис- ленных условий нажимаем на кноп- лизующий обслуживание какой-либо лами модуля верхнего уровня проекта ку Generate и запускаем процесс гене- функции аппаратного модуля АЦП: и модуля АЦП (см. листинг 4). рации в открывшемся окне Generate. взаимодействие модуля АЦП с шиной После корректного завершения гене- или с памятью, перекодировку резуль- После включения в проект ПЛИС рации HDL-кода в этом окне выдаётся тата АЦП и т.п. Нас среди этих файлов модуля АЦП во вкладке IP Components соответствующее сообщение: «Generate: интересует только один – файл ADC_ области навигации Project Navigator completed successfully». Нажатие на Core_1.v, содержащий модуль верхне- проекта ПЛИС появится позиция кнопку Close приводит к открыванию го уровня IP-ядра АЦП. Имя и список IP-ядра АЦП (см. рис. 25). На этом добав- окна с инструкциями по включению входов и выходов этого модуля соот- ление IP-ядра модуля АЦП в проект сгенерированного HDL-кода в наш про- ветствуют ранее заданным нами пара- ПЛИС можно считать завершённым. ект ПЛИС (см. рис. 23). Согласно поряд- метрам АЦП (см. листинг 3). ку действий, указанному в инструк- Теперь можно запустить компиляцию ции, необходимо вручную включить Как и в случае с PLL, само по себе проекта ПЛИС с АЦП, выбрав в глав- в состав проекта ПЛИС созданный на добавление IP-ядра АЦП в проект ном меню Quartus II Processing → Start этапе генерации файл ADC_Core_1.qip, ПЛИС автоматически не обеспечива- Compilation. В результате корректного путь к которому показан на рисунке 23. ет его использование в проекте. Для завершения компиляции проекта ПЛИС Для этого во вкладке Files области нави- его использования в исходный текст вид открытых окон в среде Quartus II будет гации Project Navigator проекта ПЛИС модуля верхнего уровня проекта ПЛИС примерно соответствовать рисунку 26. нажатиями сначала правой, а потом (файл MAX_10_ADC_1.v) необходи- левой кнопки мыши активируем коман- мо вручную включить фрагмент кода, В нижней части окна (в окне сооб- ду добавления/удаления файлов из про- устанавливающий связь между сигна- щений Messages) должна содержаться екта ПЛИС Add/Remove Files in project. С итоговая информация об отсутствии помощью указанной команды добавля- ошибок компиляции (0 errors). В автома- ем в проект файл ADC_Core_1.qip, после чего во вкладке Files области навига- ции Project Navigator нашего проекта ПЛИС появляются файл ADC_Core_1. qip и несколько производных от него исходных файлов более низкого уровня иерархии (см. рис. 24). Каждый из этих файлов содержит исходный код, реа- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 55

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Листинг 4 // Модуль АЦП верхнего уровня ADC_Core_1 ADC_Core_Core_1( .adc_pll_clock_clk(clk_pll), // вход синхросигнала АЦП .adc_pll_locked_export(locked_pll), // вход запирания PLL, поступающий с соответствующего выхода PLL .clock_clk(sys_clk), // вход глобального синхросигнала .command_valid(command_valid_ADC), // вход валидности команды (активный уровень высокий) .command_channel(command_channel_ADC), // входы задания канала - пятиразрядное слово [4:0] .command_startofpacket(command_startofpacket_ADC), // вход разрешения преобразований (активный уровень высокий) .command_endofpacket(command_endofpacket_ADC), // вход запрещения преобразований (активный уровень высокий) .command_ready(command_ready_ADC), // выход готовности результата преобразования (активный уровень высокий) .reset_sink_reset_n(sys_rst_n), // вход сброса модуля АЦП (активный уровень низкий) .response_valid(response_valid_ADC), // выход возврата сигнала валидности (активный уровень высокий) .response_channel(response_channel_ADC), // выходы возврата входов задания канала - пятиразрядное слово [4:0] .response_data(dout_ADC), // выходы возврата данных преобразования - двенадцатиразрядное слово [11:0] .response_startofpacket(response_startofpacket_ADC), // выход возврата сигнала разрешения преобразований (активный уровень высокий) .response_endofpacket(response_endofpacket_ADC) // выход возврата сигнала запрещения преобразований (активный уровень высокий) ); Рис. 25. IP-ядра PLL и АЦП в составе проекта отношениях. Как можно видеть из содер- задать для каждой линии ввода/вывода ПЛИС жания Compilation Report, в нашем про- вывод ПЛИС в соответствии с принци- екте ПЛИС задействованы все имеющие- пиальной схемой макета (см. рис. 10). тически открывшемся окне Compilation ся в этой ПЛИС модули PLL и ADC (100%). Кроме этого, для всех линий необходи- Report отображается информация о мо задать в столбце I/O Standard значе- задействованных в проекте ресурсах Далее работа с проектом ПЛИС с АЦП ние «3.3-V LVTTL», а в столбце Current ПЛИС в абсолютном и процентном не отличается от работы с любым дру- Strength – значение «8mA(default)». Все гим проектом ПЛИС без АЦП. В частно- остальные параметры задействованных сти, необходимо определить для всех в проекте выводов ПЛИС можно оста- цифровых линий ввода/вывода моду- вить заданными по умолчанию. Необ- ля верхнего уровня проекта соответ- ходимо заметить, что таким образом ствующие им выводы ПЛИС. Для это- определяются только цифровые линии го в главном меню Quartus II нужно проекта. Разрешение для использова- выбрать Assignments → Pin Planner и ния выделенных и универсальных ана- в открывшемся одноименном окне Реклама 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ логовых входов АЦП в ПЛИС нами уже Рис. 26. Корректное завершение компиляции проекта ПЛИС было выполнено ранее, при настройке IP-ядра АЦП в разделе Channels редак- тора Parameter Editor (см. рис. 22). Далее необходимо включить на циф- ровых входах ПЛИС, используемых в нашем макете для подключения кно- пок SB1–SB6, внутренние подтягива- ющие к плюсу питания резисторы. Для этого в главном меню Quartus II нуж- но выбрать Assignments → Assignments Editor и в открывшемся одноименном окне добавить к имеющимся там пози- циям ещё шесть позиций: key[5]–key[0] для каждого входа подключения кнопок (см. рис. 27). В столбце Assignment Name каждой из этих позиций необходимо задать значение «Weak Pull-Up Resistor», а в столбце Value – значение «On», как показано на рисунке. После всех перечисленных действий следует ещё раз откомпилировать про- ект ПЛИС, чтобы учесть в создаваемой конфигурации все сделанные измене- ния. В результате корректной компиля- ции будет сгенерирован файл, который подлежит записи в конфигурационную память ПЛИС. Запись конфигурации в ПЛИС Рис. 27. Разрешение внутренних подтягивающих резисторов на входах ПЛИС Выходной файл конфигурации отком- Рис. 28. Загрузка конфигурации в ПЛИС MAX 10 пилированного проекта ПЛИС должен быть записан в специальную энергоне- обеспечивает встроенный в среду из недорогих клонов этого устройства зависимую конфигурационную память, Quartus II инструмент программирова- китайского производства, которые во которая, как правило, представляет собой ния (Programmer), запустить который множестве доступны на рынке. Програм- отдельную микросхему. Физически эту можно, выбрав в главном меню Tools → матор USB-Blaster следует подключить к микросхему следует располагать непо- Programmer. В открывшемся одноимен- ПК через порт USB, а также подключить средственно рядом с ПЛИС и подсоеди- ном окне необходимо задать настрой- к целевой ПЛИС через интерфейс JTAG нять к ней через специальный цифровой ки, показанные на рисунке 28. (разъем J10 на плате Altera MAX 10 FPGA). интерфейс. Сразу после подачи питания Подключение к ПК необходимо выпол- на ПЛИС и микросхему конфигурацион- Физически запись в конфигураци- нить до запуска инструмента програм- ной памяти в целевом устройстве произ- онную память и в ПЛИС производится мирования Programmer среды Quartus водится автоматическая загрузка конфи- с помощью аппаратного программатора II. На целевую ПЛИС (отладочную пла- гурации из памяти в ПЛИС, после чего USB-Blaster [2]. Автор использовал один сконфигурированная ПЛИС начина- ет функционировать. Возможно также состояние, когда в саму ПЛИС конфигу- рация загружена, а её конфигурацион- ная память пуста. В этом случае конфигу- рация в ПЛИС загружается сторонними средствами и сохраняется только до тех пор, пока на неё подано питание. Все ПЛИС семейства MAX 10 не требу- ют наличия внешней памяти, поскольку содержат встроенную энергонезависи- мую конфигурационную память. В свя- зи с этим запись конфигурации в кон- фигурационную память ПЛИС MAX 10 имеет некоторую специфику. Программную поддержку записи конфигурации в конфигурационную память и в саму ПЛИС семейства MAX 10 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 57

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ВАШ ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОПУТЧИК! рационную память и в ПЛИС. Для это- го в окне Programmer нужно нажать ту) до её загрузки должно быть подано димо в окне Programmer кликнуть на на кнопку Add File… и в открывшем- питающее напряжение. кнопке Hardware Setup и в открывшем- ся окне выбрать требуемый файл. ся окне вручную задать для програм- В нашем случае указанный файл по умол- После запуска инструмента програм- мирования подключённый к ПК аппа- чанию находится в подкаталоге output_ мирования Programmer он должен ратный программатор – выбрать из files и имеет имя MAX_10_ADC_1.pof. После автоматически распознать подключён- всплывающего меню в поле Currently его выбора в столбце Device верхней части ный к ПК аппаратный программатор selected hardware позицию USB-Blaster окна Programmer появится обозначение USB-Blaster (в левом верхнем углу окна [USB-0]. Дополнительная информация целевой ПЛИС (10M08SAE144ES), далее Programmer справа от кнопки Hardware по вопросам подключения программа- отображаются аббревиатуры областей Setup должна появиться надпись USB- тора к ПК содержится в [2]. памяти, доступных для загрузки в ПЛИС: Blaster [USB-0]), как показано на рисун- встроенная конфигурационная флеш- ке 28. В случае, если автоматического Подготовив таким образом систе- память (CFM), встроенная пользователь- распознавания не произошло (присут- му к записи, необходимо задать файл ская флеш-память (UFM). Необходимо ствует надпись «No Hardware»), необхо- конфигурации для записи в конфигу- поставить галочки в соответствующих пунктах столбцов Program/Configure и Verify, как показано на рисунке 28. Пока- занное на рисунке расположение галочек означает, что запись конфигурационного файла MAX_10_ADC_1.pof будет произве- дена как в саму ПЛИС, так и в её встроен- ную конфигурационную флеш-память, а после окончания записи будет произве- дена верификация – проверка соответ- ствия содержимого ПЛИС и содержимого памяти CFM содержимому файла. Поль- зовательская флеш-память UFM в нашем проекте ПЛИС не задействована. Иногда требуется записать конфи- гурацию только в ПЛИС, не затрагивая её встроенную конфигурационную память, например при отладке проекта ПЛИС в целях экономии ресурса циклов стирания-записи памяти CFM. В этом случае в качестве файла конфигурации следует выбрать файл с расширением *.sof. Такой файл (MAX_10_ADC_1.sof) также по умолчанию создаётся в под- каталоге output_files нашего проекта ПЛИС. При выборе этого файла загрузка в CFM и UFM становится недоступной. Для запуска процесса записи с задан- ными параметрами необходимо нажать на кнопку Start. При заданных на рисун- ке 28 параметрах запись вместе с вери- фикацией выполняется достаточно долго – несколько минут. Ход и резуль- таты процесса записи отображаются в виде нарастающей шкалы в области Progress окна Programmer. Литература 1. URL: https://www.intel.com/content/ www/us/en/programmable/products/ boards_and_kits/dev-kits/altera/kit-max- 10-evaluation.html. 2. USB-Blaster Download Cable User Guide. UG-USB81204 2015.05.04. URL: https://www.intel.com/content/dam/ altera-www/global/en_US/pdfs/literature/ ug/archives/ug-usb-blstr-15.0.pdf. 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021



ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Расчёт величин MTBF для гибридных интегральных схем с использованием редакций военного справочника MIL-HDBK-217F, Notice 1 и 2 Ричард Миллер Перевод: Жданкин Виктор Изменения в модель для оцен- ности которых приводятся в справоч- просто допускает одинаковую интен- ки интенсивности отказов изде- нике MIL-HDBK-217F. сивность отказов для каждого типа эле- лий, выполненных по гибридной мента независимо от условий его при- технологии, включённые в редак- Уровень надёжности преобразова- менения. цию Revision F военного справочни- телей напряжения в значительной ка MIL-HDBK-217 Military Handbook. степени определяет и надёжность Выполнение метода прогнозирова- Reliability Prediction of Electronic аппаратуры в целом. Оценка надёж- ния надёжности по коэффициентам Equipment, привели к значитель- ности преобразователей напряже- загрузки (Part Stress Analysis) предпо- ному уменьшению рассчитанных ния проводится расчётными метода- лагает, что радиоэлектронная аппара- значений среднего времени нара- ми, основанными на математических тура работает при нормальных усло- ботки между отказами (Mean Time моделях эксплуатационной интенсив- виях. Этот метод имеет несколько Between Failures — MTBF) по сравне- ности отказов. Определение числен- преимуществ перед методом количе- нию с редакцией Rev E. Специалиста- ного показателя надёжности – средне- ственного анализа (Total Parts Count), ми компании International Rectifier го времени наработки до отказа (Mean который предполагает наличие самой было проведено исследование при- Time Between Failure – MTBF) – выпол- минимальной информации, такой как чин, вызвавших это снижения чис- няется по типовому стандарту рас- общее количество элементов, уровень ленных показателей надёжности. Рас- чёта надёжности MIL-HDBK-2017F2 их качества и условия среды их эксплу- чёты величины MTBF на основе этих Military Handbook Reliability Prediction атации. моделей дают результаты, которые не of Electronic Equipment. Последняя согласуются с результатами, основан- редакция справочника датируется Основным преимуществом мето- ными на моделях, представленных 1995 годом, после этой даты таблич- да прогнозирования надёжности по в редакции Revision E военного спра- ные значения справочника больше не коэффициентам загрузки элементов в вочника MIL-HDBK-217. Для поясне- обновлялись. Принятые интенсивно- конкретной схеме (Part Stress Analysis) ния этого различия представлены сти отказов некоторых компонентов является то, что он учитывает значения величины MTBF, рассчитанные для не соответствуют текущим реальным коэффициентов загрузки элемента для DC/DC-преобразователя ART28515T значениям. Например, справочник расчёта отдельных интенсивностей (International Rectifier HiRel) с исполь- указывает очень высокую интенсив- отказов. В этом методе вычисленные зованием редакции справочника MIL- ность отказов интегральных микро- интенсивности отказов для каждо- HDBK-217F Notice (извещение) 2 и схем. Для оценки надёжности изделий, го элемента складываются вместе для MIL-HDBK-217E. Кроме того, пред- предназначенных для военных и спе- вычисления общей интенсивности ставленные вычисления включают циальных применений, в справочни- отказа устройства. Отдельные интен- применение различных поправок к ке используется база данных на компо- сивности отказов зависят от следую- коэффициентам в модель гибридных ненты военного назначения. Документ щих параметров: значения коэффи- интегральных схем. Величины MTBF, допускает два метода расчёта средне- циента загрузки элемента, категории полученные в результате каждого из го времени наработки на отказ ком- качества, температуры, условий окру- этих расчётов, обобщены для срав- понентов. жающей среды и значения интенсив- нения в таблице I. Для обзора пред- ности отказа элемента из базы дан- ставлены поправки, использован- Первый метод известен как Parts ных. Основным недостатком этого ные в этих расчётах, и исследование, Count Method и второй метод как метода является то, что элементы схе- обосновывающее их использование Parts Stress Analysis Method. Для рас- мы, которые включены в конструкцию в модели элемента справочника MIL- чёта MTBF с использованием второго для резервирования, имеют противо- HDBK-217F. Статья является автор- метода обычно используются данные положное воздействие на MTBF. На ским переводом документа [1]. из отчёта Electrical/Thermal Stress and самом деле, правильно спроектирован- Derating Analysis Report (Отчёт по ана- ное резервирование будет иметь поло- Возможно, статья будет полезна для лизу электрической/температурной жительное влияние на общую надёж- расчётной оценки надёжности аппара- нагрузки и ограничений допустимых ность системы. туры специалистам службы надёжности условий эксплуатации). Этот метод даёт предприятий, применяющих наряду с более реалистичную величину, потому Мощность рассеяния и коэффици- отечественными электронными компо- что прогнозирование интенсивности ент загрузки элемента при наихудшем нентами компоненты американского отказов каждого элемента основано на случае используются для вычисления производства, характеристики надёж- реальном использовании этого элемен- повышения температуры кристалла та в системе. Метод Parts Count Method по отношению к температуре корпу- са (перегрев). Использование повы- 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ шенной температуры кристалла по Сравнение расчётов интенсивности отказов для преобразователя напряжения ART28515T сравнению с температурой корпуса (перегрев), когда определяются экс- Номер Условия применения, предположения и Интенсивность отказов MTBF, (ч) плуатационные интенсивности отка- варианта несоответствия (отказы/106 ч) 5 214 439 зов элементов, превосходит требова- 5 272 594 ния стандарта MIL-HDBK-217F. Зона (условия космического полёта (Space Flight — SF), 0,191775 температурного максимума кристал- температура корпуса = +45°C, Vвход = 28 В) ла и процентные соотношения загруз- ки приводятся в документе Thermal/ MIL-HDBK-217E Electrical Stress Analysis (Анализ темпе- Периметр герметизации = 8,75″ ратурной и электрической нагрузки). 1 Площадь = 1,742 дюйм2 Анализ (расчёт), который сформиро- Биметаллическое соединение = 155 ван вычислениями загрузки компо- Резисторы = 62 нента, являлся расчётом предельно- го значения. MIL-HDBK-217F Notice 2 Основные концепции надёжности 2 πF = 1,0 – для электромагнитных компонентов 0,189660 источников питания подробно рассма- πF = 5,8 – все другие компоненты триваются, например, в работах [2, 3]. πQ = 0,03 – для конденсаторов CDR Объясняются различия в численных показаниях надёжности, публикуемых MIL-HDBK-217F Notice 2 0,353735 2 826 973 различными изготовителями источни- 3 πF = 5,8 – все компоненты, включая электромагнитные ков питания и приводятся примеры корректного использования инфор- πQ = 0,03 – для конденсаторов CDR мации о надёжности. MIL-HDBK-217F Notice 2 0,355031 2 816 651 Далее, собственно, представлены πF = 1,0 – для электромагнитных компонентов компоненты, влияние которых на рас- 4 πF = 21 – для силовых полупроводников чёт надёжности гибридных интеграль- πF = 5,8 – для других компонентов ных схем было пересмотрено в послед- πQ = 0,03 – для конденсаторов CDR ней редакции американского военного справочника MIL-HDBK-217F. MIL-HDBK-217F Notice 2 1. Резисторы. Первоначально вклю- 5 πF = 21 – для всех компонентов (включая 1,28077 780 783 чённый в редакцию справочника электромагнитные) MIL-HDBK-217E алгоритм для рас- чёта интенсивности отказов рези- πQ = 0,03 – для конденсаторов CDR сторов, размещённых на керами- ческой подложке интегральных незначительное влияние на вычис- личины MTBF. Как отмечено в пред- схем (ИС), выполненных по тол- ленную величину. ставленной таблице, для того чтобы стоплёночной гибридной техно- 2. Конденсаторы. Модель гибридной обойти эту проблему к интенсив- логии, был исключён из издания интегральной схемы, представлен- ности отказов всех конденсаторов справочника MIL-HDBK-217F. Так ная в редакции справочника MIL- типа CDR был применён поправоч- как резисторы являются состав- HDBK-217F, предполагает коэф- ный коэффициент 0,03/0,25 = 0,12. ляющей интегральной частью ги- фициент (πQ), характеризующий В первоначальном справочном бридной подложки и, как правило, систему контроля качества, рав- листке технических данных преоб- более надёжны, чем установленная ным 1 для каждого компонента, и, разователя ART28515T была указа- надёжность (Established Reliability) кроме того, к гибридным интеграль- на величина MTBF, рассчитанная по типов, используемых в негибрид- ным схемам c уровнем качества изданию справочника MIL-HDBK- ных схемах, считается, что они име- Class K (наивысший уровень каче- 217F Notice 1. Обширные исправле- ют незначительное влияние на сум- ства Space, установленный в тех- ния были сделаны в издании MIL- марную интенсивность отказов, и нических условиях MIL-PRF-38534) HDBK-217F Notice 2 для упрощения поэтому их исключение можно применяется общий коэффициент определения интенсивности отка- считать обоснованным. Модель πQ, равный 0,25. Большая часть мно- зов конденсаторов. Эти исправле- для гибридных интегральных схем гослойных керамических конден- ния утроили расчётную интен- справочника MIL-HDBK-217F реко- саторов (тип CDR, производство сивность отказов многослойных мендует, чтобы резисторы не учи- Vishay), используемых в преобразо- керамических конденсаторов типа тывались, за исключением тех слу- вателях серии ART, приобретаются CDR. Только это изменение снизи- чаев, когда гибридная интегральная с уровнем надёжности S. Для этого ло величину MTBF на 30%, если срав- схема скомпонована в основном из типа конденсаторов в справочни- нивать редакции Notice 1 и Notice 2 пассивных компонентов. Примени- ке MIL-HDBK-217F для коэффици- справочника MIL-HDBK-217F. тельно к DC/DC-преобразователям ента πQ установлено значение 0,03, 3. Электромагнитные компоненты. можно согласиться этими с оцен- что составляет 1/8,3 от разрешён- Все электромагнитные компонен- ками. Включение резистивных ного для использования в гибрид- ты, используемые в гибридно-плё- элементов в расчёт MTBF имеет ных интегральных схемах значения ночных DC/DC-преобразователях πQ 0,25. Специалисты IR полагают, компании IR HiRel, созданы из ма- что отсутствует обоснование для териалов, рассчитанных для работы применения санкций к интенсив- при температуре +200°C или выше. ности отказов таких конденсато- Снижение номинальных параме- ров повышением коэффициента тров согласно требованиям стан- качества πQ в 8,3 раза, только пото- дарта MIL-STD-975 ограничивает му, что они применяются в гибрид- рабочую температуру до +150°C. ных интегральных схемах. Заметим, Силовой трансформатор моду- что повышение коэффициента ка- ля преобразователя напряжения чества (πQ) означает уменьшение ве- ART28515T имеет измеренный пе- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 61

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ регрев менее чем +33°C относитель- представленные десятками тысяч Согласно MIL-HDBK-217F, основной отгруженных модулей), при экс- причиной повышенной интенсивно- но температуры корпуса (в то время плуатации неизвестны случаи с та- сти отказов для гибридных ИС явля- кими видами отказов. Это относит- ется менее надёжное конструктивное как измеренная температура корпу- ся к преобразователям серии ART и уплотнение (герметизация). Специали- другим многочисленным преобра- сты компании считают, что это являет- са около +100°C). Все другие индук- зователям напряжения категории ся необоснованным предположением качества Class H и Class K. Специа- при анализе гибридных ИС, произве- тивные элементы нагреваются вы- листы компании IR полагают, что дённых на производственных мощно- установление комплексного функ- стях, квалифицированных по Class H и ше температуры корпуса на 5–15°C. ционального коэффициента рав- Class K спецификации MIL-PRF-38534 ным 21 для силовых гибридных (Performance Specification. Hybrid Случаи отказов в процессе эксплу- микросхем, классифицирован- Microcircuits, General Specification ных по Class K, необоснованно For). Интенсивность отказов корпуса атации DC/DC-преобразователей ухудшает расчётные характери- относится к двум отдельным случаям: стики DC/DC-преобразователей, нарушению герметизации корпуса и серии ART, вызванные электро- что не подтверждается реальной нарушению соединений в схеме (кон- практикой эксплуатации. Так как такты). Общая длина периметра герме- магнитными компонентами, не- DC/DC-преобразователи являются тизации схемы в дискретном корпусе в основном схемами с линейным будет больше, чем у подобной схемы в известны. Модель для гибридных регулированием с несколькими гибридном корпусе. Наряду с меньши- силовыми компонентами, величи- ми проблемами герметизации, корпуса интегральных схем, созданная по на MTBF должна быть рассчитана гибридных ИС также имеют свойствен- с использованием комплексного ное им преимущество перед корпусами методике справочника 217F, была функционального коэффициен- дискретных компонентов по числу тре- та 5,8 (применяемого к линейным буемых соединений в схеме. Основное разработана без учёта электромаг- схемам). С целью сравнения рас- положение теории надёжности гласит: чёт с применением значения πF = когда количество межсоединений воз- нитных/индуктивных компонентов 21 для всех компонентов и дру- растает, надёжность снижается. Число гой, использующий для силовых соединений, сделанных в гибридных и предполагает, что они не будут уч- устройств коэффициент πF = 21 и ИС, примерно в 2 раза меньше числа πF = 5,8, применённый к остальным межсоединений, сделанных в анало- тены, если схема состоит главным компонентам схемы, представлены гичных схемах на дискретных ком- в вариантах 4 и 5 (см. таблицу). понентах. Схемы на дискретных ком- образом из пассивных компонен- Одним из недостатков методов про- понентах требуют двух отдельных гнозирования надёжности, предло- соединений для каждого компонен- тов. Следовательно, в справочном женных в справочнике MIL-HDBK- та: одно – между полупроводниковым 217F, Notice 2, является требование кристаллом и выводом корпуса и ещё листке технических данных серии использовать в качестве множите- одно – между выводом корпуса и пла- ля при расчёте величины MTBF для той схемы. Корпус гибридной ИС тре- ART величина MTBF была рассчита- гибридных интегральных схем функ- бует только одного соединения меж- циональный коэффициент для схем ду полупроводниковым кристаллом и на согласно 217F Notice 1, без учёта (Circuit Function Factor). Например, подложкой. при помещении линейной интеграль- вклада электромагнитных элемен- ной схемы в металлический корпус В связи с этим было принято решение гибридной интегральной схемы использовать поправочный коэффи- тов. В настоящее время специали- коэффициент πF принимается рав- циент при расчёте величины MTBF по ным 5,8. Это значит, что интенсив- справочнику MIL-HDBK-217F для всех сты IR полагают, что все магнитные ность отказов компонента гибрид- квалифицированных гибридных ИС. ной схемы в 5,8 раза больше, чем Вследствие большой доли используе- компоненты должны быть учтены её базовая интенсивность отказов мых в DC/DC-преобразователях линей- в соответствии с MIL-HDBK-217F. ных схем (при f < 10 МГц) применяется в расчёте, но не должны быть обре- На основе опыта, приобретённо- функциональный схемный коэффици- го в течение длительного времени ент для линейных микросхем. Спра- менены дополнительным функци- производства квалифицированных вочник MIL-HDBK-217F требует базо- (по MIL-PRF-38534 и MIL-STD-883) вую интенсивность отказов линейных ональным коэффициентом πF. Как гибридно-плёночных изделий, ком- компонентов умножить на 5,8, и, следо- отмечено в таблице, поправочный пания считает, что использование вательно, использовать поправочный этого функционального коэффици- схемный коэффициент 0,17241 (вели- коэффициент 1/πF был применён к ента приводит к неверным результа- чина, обратная 5,8), чтобы компенси- интенсивности отказов индуктив- там при расчёте величины MTBF для ровать эту неправомерную отрицатель- гибридных интегральных схем. ную оценку. Как правило, это даёт в ных компонентов, чтобы получить результате величину MTBF для гибрид- действительное значения коэффи- циента πF = 1. функциональ- 4. Комплексный ный коэффициент πF, учитыва- ющий дополнительные влияния, вызванные взаимодействием ком- понентов. Данные, используемые для формирования модели гибрид- ной интегральной схемы в издании 217F Notice 1, которые привели к функциональному коэффициен- ту (πF), равному 21 для силовых гибридных интегральных схем, были получены главным образом от одного производителя гибрид- ных интегральных схем и состоят по большей части из технологиче- ского процесса, имеющего отно- шение к отказам, затрагивающим герметизацию, присоединение подложки, прикрепление кристал- лов и интерметаллические сое- динения алюминий/золото. Для DC/DC-преобразователей компа- нии IR Hirel, в которых использу- ются квалифицированные матери- алы и технологические процессы (включая изделия промышлен- ной и военной категории качества, 62 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ной ИС приблизительно на 50% больше, ляет точную модель для расчёта вели- В заключение необходимо отметить чем величина MTBF компонентов в дис- чины MTBF для гибридно-плёночных ещё одно обстоятельство, которое необ- кретном корпусе. Эта разница является DC/DC-преобразователей напряжения. ходимо учитывать при расчёте эксплу- более обоснованной и точнее отража- Что касается согласованности расчётов атационной интенсивности отказов ет приближённое к реальной интенсив- ревизии справочника Rev F с Rev E, по компонентов, руководствуясь справоч- ности отказов значение, основанное на варианту расчёта 2, представленному в ником MIL-HDBK-217F: наличие ряда наработке оборудования за время экс- таблице, результаты получаются наи- неточностей в моделях и их коэффи- плуатации в полевых условиях. более близкими. циентах, а также практически полное отсутствие пояснений, о которых под- Выводы Необходимо отметить, что MTBF – робно рассказано в работе [4]. это характеристика надёжности обо- Сравнение величин среднего вре- рудования, определяемая производи- Литература мени наработки до отказа, рассчитан- телем. Разные производители могут ных с использованием изданий воен- использовать для своих расчётов раз- 1. Richard Miller. An Examination of Changes ного справочника MIL-HDBK-217E и личные базовые интенсивности отка- Imposed by Revised Hybrid Models When MIL-HDBK-217F Notice 2, показывает зов. Один производитель может точно Calculating MTBF Values using MIL- существенное уменьшение рассчитан- следовать рекомендациям справоч- HDBK 217F, Notice 1&2. Application ной величины. Детальное исследование ника MIL-HDBK-217 и применять Note AN–1078. International Rectifier. созданной для редакции справочника опубликованные данные для компо- 14/3/2005. 217F Notice 2 модели даёт серьёзный нентов коммерческого типа. Другой повод подвергнуть сомнению установ- производитель может следовать фор- 2. Лукин А.В. Надёжность источников вто- ленную величину некоторых коэффи- мулам справочника, но использовать ричного электропитания. Практическая циентов π и их применимость в модели. некоторые интенсивности отказов, силовая электроника. 2001. №3. Для некоторых изменённых коэффи- определённые из собственного опы- циентов представлены рассчитанные та работы со специфическими ком- 3. Рентюк В. Вопросы надёжности для DC/ интенсивности отказов и обоснова- понентами. DC–преобразователей. Компоненты и ния. Специалисты по надёжности ком- технологии. 2015. № 9, 12. пании IR полагают, что одно из пер- Потребитель должен понимать, при вых четырёх условий, выбранное из каких условиях была рассчитана вели- 4. Жаднов В., Полесский C., Якубов С. Про- таблицы, более объективно представ- чина MTBF, предоставляемая изготови- гнозирование безотказности микро- телем [2]. схем для военной и аэрокосмической электроники. Электронные компонен- ты. 2007. № 3. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 63

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Экспериментальная оценка магнитных характеристик низкочастотных магнитопроводов Николай Лемешко ([email protected]), Михаил Горелкин случаях, а также при исследовании ([email protected]), Павел Струнин образцов новых материалов для МП ([email protected]) целесообразно выполнять измере- ния их магнитных параметров, ори- В статье рассмотрена номенклатура параметров магнитопроводов, ентируясь на применение широко представляющих интерес в контексте их использования в составе распространённых средств измере- обмоточных изделий. Выполнен анализ способов построения семейства ний, входящих в комплекс оборудова- петель гистерезиса для оценки магнитных свойств магнитопроводов. ния радиоэлектронных лабораторий. Показано, что наиболее применимым для этой цели в условиях Естественно, применение рассмотрен- радиолаборатории является способ трансформатора, ных далее решений не заменяет спе- при котором петли гистерезиса отображаются на экране осциллографа циальные комплексы для измерений в XY-режиме. Выполнен анализ составляющих погрешности построения в области материаловедения магнит- петель гистерезиса при использовании метода трансформатора. ных материалов [5], предназначен- С применением осциллографа серии R&S RTO в качестве примера ные в первую очередь для проведения выполнены измерения магнитных характеристик для магнитопровода, научных и высокоточных исследова- предназначенного для использования в трансформаторах ний. и индуктивностях. Номенклатура магнитных Введение форматоры, применяемые в энерге- характеристик МП и подходы тике, не могут иметь малые размеры к их определению В настоящее время достигнут зна- при большой мощности. При этом МП чительный прогресс в области разра- рекомендуется эксплуатировать при Магнитные характеристики мате- ботки аналоговых устройств и узлов, максимальной индукции, не превос- риалов весьма широко описаны в который во многом обусловлен дости- ходящей 80% от индукции насыщения литературе и охватывают уровни от жениями в области материаловеде- BН [2]. Если речь идёт о миниатюрных атомного, рассматриваемого, напри- ния. Требования по снижению мас- трансформаторах, то эксплуатация их мер, при разработке технологий полу- согабаритных показателей, стоимости МП осуществляется при индукции до чения материалов с заданными маг- электронных устройств, а также раз- (0,9…0,95) BН в зависимости от критич- нитными свойствами [6], до цельных витие новых способов преобразова- ности линейности трансформации [3]. образцов МП. Для задачи экспери- ния сигналов привели к изменению Известным способом повышения ментального определения магнитных номенклатуры широко применяе- допустимой напряжённости магнит- характеристик МП следует ориенти- мой компонентной базы, в частности ного поля в МП является использова- роваться на подходы, выработанные в обмоточных изделий: трансформато- ние зазоров, что позволяет снизить материаловедении электронной тех- ров, дросселей, катушек индуктивно- эффективную магнитную проница- ники [7, 8]. сти. Доля их применения в совокупной емость μэфф и значительно повысить массе других компонентов снижается, индукцию насыщения магнитной Магнитные свойства ферромагне- но одновременно повышаются требо- цепи с зазором. тиков, в частности используемых для вания к качеству таких изделий, кото- изготовления низкочастотных МП, рое определяется свойствами магни- В практике разработки электрон- обычно характеризуют зависимо- топроводов (МП). ных устройств и обмоточных изде- стью магнитной индукции B от напря- лий существует задача оценки магнит- жённости магнитного поля H. Наибо- Известно, что снижение геометри- ных характеристик МП. Она актуальна лее простым в реализации способом ческих размеров магнитопроводов не только в случае, когда марка МП построения кривой намагничивания для заданного применения всегда неизвестна или для него отсутствует (КН) как функции B(H) является полу- ограничено процессами насыщения справочная информация. Техноло- чение семейства петель гистерезиса, [1]. Именно по этой причине транс- гия производства, условия хранения, построенных при воздействии намаг- механические напряжения оказыва- ничивающего поля разной интенсив- Рис. 1. Кривые намагничивания разных типов ют существенное влияние на основ- ности. При их получении путём изме- ные магнитные характеристики МП. рений необходимо учитывать тот Так, например, известно [4], что любая факт, что проявляемые МП текущие рихтовка магнитомягких материалов магнитные свойства зависят от пре- приводит к появлению механических дыдущей намагниченности. В класси- напряжений, увеличивающих поте- ческом случае в качестве исходного ри на перемагничивание и, соответ- принимают размагниченное состо- ственно, площадь петли гистерезиса. яние МП, при котором в отсутствие Учитывая это, в критически важных 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ внешнего поля B = 0, т.е. нет преиму- а б щественного направления намагни- Рис. 2. Типовая форма зависимостей: а) B(H); б) μ(H) ченности доменов, и сумма векто- ров их магнитных моментов близка . ний будут справедливы лишь в некото- к нулю. рой ограниченной окрестности значе- Типовая форма зависимостей B(H) и ний влияющих параметров. На основе В зависимости от характера воз- КН при необходимости могут быть рас- действия магнитного поля обычно μ(H), получаемых экспериментально считаны широко применяемые в физи- выделяют начальную, безгистере- ке показатели магнитной восприимчи- зисную и основную (коммутацион- для магнитных материалов, представ- вости [9]. ную) КН (см. рис. 1). Первая из них получается при постепенном увели- лена на рисунке 2. Способы построения кривой чении H и по форме мало отличает- гистерезиса для магнитных ся от основной, но не имеет хоро- Удельные потери на гистерезис за материалов шей воспроизводимости и потому не используется для сравнения свойств один цикл перемагничивания для маг- Исходным условием для эксперимен- магнитных материалов. Безгистере- тального получения петель гистерези- зисная КН, получаемая при одновре- нитных веществ определяются фор- са является размагниченное состояние менном воздействии постоянного и МП. В наибольшей степени это состо- переменного полей с убывающей до мулой где интеграл яние может быть достигнуто в резуль- нуля амплитудой, отражает способ- тате нагрева МП выше точки Кюри [8]. ность материала сохранять остаточ- берётся по петле гистерезиса, получен- Однако такой способ реализовать в ную индукцию, ход такой КН близок условиях радиолаборатории трудно, к верхней части петли гистерезиса в ной для заданных условий измерений. а сам нагрев почти наверняка станет первом квадранте координатной пло- причиной коробления и расслаива- скости H-B. Последняя формула может быть приве- ния МП, выполненных из лент малой толщины с электрической изоляци- Основная КН строится как геометри- дена к другому, более часто используе- ей между ними. Поэтому для первич- ческое место вершин петель гистере- ного размагничивания МП обычно зиса, получающихся при циклическом мому виду, который отражает удельные используется переменное либо посто- перемагничивании синусоидально янное коммутируемое плавно убываю- изменяющимся полем, и отвечает тре- потери в единицу времени и учитывает щее магнитное поле. Этой же стратегии бованию воспроизводимости. В допол- следует придерживаться при построе- нение к ней важнейшими характери- частоту перемагничивания f: нии петель гистерезиса. стиками МП являются: ● зависимость относительной магнит- . (2) Петли гистерезиса для образцов маг- нитных материалов могут быть постро- ной проницаемости μ от H (кривая В формуле (2) D — плотность мате- ены с применением способов, где теку- Столетова), её начальное и макси- риала, кг/м3. Потери на вихревые щее значение магнитной индукции мальное значения; токи зависят не только от магнитных трансформируется в другую физиче- ● зависимость дифференциальной свойств МП, но и от проводимости скую величину, которая может быть магнитной проницаемости от H; материала. В зависимости от геоме- измерена тем или иным способом. Важ- ● удельные потери на перемагничи- трической формы для МП применя- но отметить, что такого рода преобра- вание; ют те или иные виды аппроксимации, зование должно быть линейным, а его ● потери на вихревые токи. позволяющей формально определить коэффициент – известным, если тре- Кривая намагничивания строится область протекания электрического буется получить оценки перечислен- непосредственно по данному ранее её тока. Например, для листового образ- ных ранее магнитных характеристик. определению и наряду с семейством ца потери на вихревые токи составят: петель гистерезиса необходима для Рассмотрим кратко три метода определения перечисленных харак- (3) построения петель гистерезиса, оцени- теристик МП. Зависимость μ(H) стро- вая удобство их применения в радио- ится непосредственно по КН на осно- где d – толщина листа, м; Bmax – ампли- лаборатории. ве соотношения μ(H) = B(H)/(μ0H), где туда магнитной индукции, Тл; ρ – удель- μ0 = 4π×10–7 Гн/м – абсолютная магнит- ное электрическое сопротивление, ная проницаемость. Сообразно этому, Ом·м [7]. начальное μн и максимальное μmax зна- чения определяются по формулам: Итак, основные характеристики МП могут быть определены на основе экс- ,(1) периментально полученного семей- ства петель гистерезиса (ПГ), построен- где значение Hμmax соответствует μmax. ных для разных амплитудных значений КН используется в качестве исходных напряжённости магнитного поля. данных и для определения дифферен- Необходимо помнить, что форма КН циальной магнитной проницаемости, и остальные характеристики МП про- причём: являют зависимость от температуры и частоты, ввиду чего результаты измере- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 65

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Рис. 3. Схема установки для построения ПГ методом ЭЛТ Таким образом, рассмотренный спо- соб построения ПГ малоприменим для Рис. 4. Схема установки для построения ПГ методом прямого измерения магнитной индукции определения магнитных свойств МП. 1. Метод электронно-лучевой труб- использование. Магнитная цепь, обра- 2. Метод прямого измерения маг- ки (ЭЛТ) основан на зависимости угла зованная катушками вертикально- нитной индукции может быть реали- отклонения потока электронов от теку- го отклонения с помещённым внутрь зован с использованием малогабарит- щего значения магнитной индукции. ММ, является неоднородной, ввиду ных пассивных и активных датчиков В схеме на рисунке 3 на вход кату- чего на основе полученной ПГ нель- Холла (ДХ) измерительного класса. Схе- шек вертикального и горизонталь- зя непосредственно определить фор- ма измерений приведена на рисунке 4. ного отклонения подаётся синусои- му кривой Столетова для исследуемо- В ней МП обычно имеет два зазора, в дальный сигнал некоторой частоты. го магнитного материала. С учётом один из которых вводится ДХ, ори- В отсутствие магнитного материала того, что силовые линии магнитного ентированный таким образом, что- внутри катушек вертикального откло- поля проходят большей частью в сре- бы его магнитная ось совпадала с век- нения на экране ЭЛТ будет наблюдать- де с μ = 1, расчёт эффективного зна- тором индукции в магнитной цепи. ся прямая линия с углом наклона в 45° чения магнитной проницаемости для Для намагничивания МП использует- относительно горизонтали, что соот- упомянутой магнитной цепи является ся выполненная на нём обмотка, через ветствует отсутствию фазового сдви- нетривиальной задачей, решение кото- которую пропускается синусоидаль- га между токами, протекающими в рой требует использования числен- ный ток, описываемый временной катушках вертикального и горизон- ных методов. Ещё одно ограничение функцией i(t). При этом в произволь- тального отклонения. Если теперь в контексте задачи экспериментально- ный момент времени напряжённость внутрь катушек вертикального откло- го определения магнитных характери- магнитного поля H(t) и напряжение на нения поместить образцы магнитно- стик МП обусловлено тем, что форма выходе ДХ UДХ(t) пропорциональны i(t) го материала (ММ), то на экране ЭЛТ магнитопроводов, обычно предпола- и B(t) соответственно, причём функ- будет прорисована ПГ, соответствую- гающая замкнутость силовых линий, ция B(t) описывает зависимость маг- щая текущему режиму его намагничи- мало приспособлена для помещения нитной индукции от времени. В каче- вания. в катушки отклоняющей системы, стве средства визуализации процесса а деформацию МП, например разги- перемагничивания МП в схему измере- Описанный метод получения ПГ бание их П-образных секций, допу- ний включён осциллограф, работаю- является классическим, но имеет ряд скать нельзя. щий в XY-режиме, на его каналы пода- недостатков, ограничивающих его ются напряжение UR(t) с резистора R, включённого последовательно с обмот- кой, и напряжение UДХ(t). Для получения зависимости B*(H) применяют линей- ное масштабирование построенных ПГ, коэффициенты которого определяют- ся элементами измерительной установ- ки. Цепи подачи сигналов на каналы осциллографа должны быть выполне- ны экранированными проводами или коаксиальными кабелями для сниже- ния аддитивных помех в выходном сиг- нале ДХ. Важно подчеркнуть, что зависимость B*(H), полученная экспериментально с использованием схемы на рисунке 3, будет отличаться от аналогичной для случая, когда МП не имеет зазоров. Наличие зазоров приводит к увели- чению магнитного сопротивления и такому перераспределению поля в маг- нитной цепи, при котором насыщение достигается при значительно большей магнитодвижущей силе. Данный приём широко применяется при проектирова- нии трансформаторов большой мощ- ности [3], позволяя снизить значение μэфф. Таким образом, зависимость B*(H) будет соответствовать функции μэфф(H), а не μ(Н) во введённых ранее обозна- чениях. Для получения функции μ(Н) рассмо- трим МП с зазором шириной lз << l, где 66 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

Реклама

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ Рис. 5. Схема установки для построения ПГ методом трансформатора Таким образом, функции H(t) и B(t), необходимые для построения семей- l — средняя длина магнитной цепи. измерений должна использоваться ства ПГ, могут быть определены по В типовом случае lз/l = 0,001…0,05 [3], интегрирующая цепь, восстанавлива- результатам измерений с использова- поэтому можно считать, что lз + l ≈ l. ющая зависимость индукции от време- нием схемы на рисунке 5 при извест- Ввиду малости размеров зазора также ни B(t). Схема установки представлена ных характеристиках её элементов. на рисунке 5. В ней исследуемый маг- можно считать, что площадь сечения нитопровод c площадью поперечного Метод трансформатора сравнитель- сечения S включён в состав трансфор- но легко реализуем в условиях ради- S магнитной цепи одинакова во всех матора, у которого первичная и вторич- олаборатории и не требует использо- её точках. Магнитное сопротивление ная обмотки имеют соответственно N1 вания специализированных средств и N2 витков. В цепь первичной обмотки измерений и оснастки. К его недо- МП без зазора составляет Rm = l/(μμ0S). включено сопротивление R1, к выходу статкам следует отнести повышен- При наличии зазора в магнитной цепи вторичной обмотки подключена инте- ные требования к чувствительности грирующая цепь, образованная рези- осциллографа. Кроме того, обыч- возникает дополнительное сопротив- стором R2 и ёмкостью C. ные лабораторные источники сигна- лов оказываются малопригодными ление Rm, z = lз/(μ0S), и полное её сопро- Магнитодвижущая сила M(t), созда- для применения в такой схеме из-за тивление составит: ваемая током в первичной обмотке, падения напряжения на внутреннем составляет M(t) = i1(t)N1. Учитывая, что сопротивлении. Здесь целесообразно . магнитное сопротивление замкнутого использовать измерительный усили- МП намного меньше, чем свободного тель с малым выходным сопротивле- Отсюда имеем: пространства, можно считать, что сило- нием для создания достаточно высокой вые линии магнитного поля полностью магнитодвижущей силы. Наконец, ещё , находятся внутри объёма МП. Отсюда один недостаток состоит в необходи- следует, что: мости намотки весьма большого коли- и окончательно: H(t) = M(t)/l = i1(t)N1/l = UR1(t)N1/(lR1).(5) чества витков, в особенности для испы- . (4) таний МП значительных габаритов с Создаваемая во вторичной обмотке большим значением l. Тем не менее сре- Использование установок на основе электродвижущая сила в соответствии ди известных методов построения ПГ ДХ в условиях радиолабораторий более с законом электромагнитной индукции последний является универсальным, рационально, чем применение ЭЛТ, с точностью до знака составляет: простым в реализации и потому наи- однако не лишено ряда недостатков более распространённым. помимо рассмотренной необходимо- . сти пересчёта. Большинство ДХ изме- Как было показано ранее, характе- рительного класса не предназначены Номиналы элементов в схеме выбира- ристики МП определяются на основе для работы в магнитных полях с напря- семейства ПГ. Ввиду этого для схемы жённостью, достигаемой в зазоре МП. ются так, чтобы для амплитуд напря- на рисунке 5 целесообразно оценить Если измерения проводятся для мало- погрешность измерения B(t), опреде- габаритных МП, то выполнение усло- жений UC,m и UR2,m на ёмкости C и рези- ляемую используемыми расчётными вия lз << l становится затруднительным. сторе R2 выполнялось соотношение приближениями. Наконец, введение ДХ в зазор МП тре- UC,m/UR2,m << 1, т.е. для выбранной часто- бует дополнительной вставки из мате- ты синусоидального сигнала f должно Составляющие погрешности риала с μ = 1, исключающей значимое построения ПГ и необходимая изменение площади сечения магнит- выполняться соотношение: R2 >> 1/ чувствительность ной цепи. Эти недостатки полностью /(2πfC). В этом случае ток во вторичной осциллографа устранены в следующем методе постро- при использовании метода ения ПГ. обмотке i2(t) = E(t)/R2. трансформатора В то же время ток i2(t) определяет 3. Метод трансформатора основан Будем считать, что погрешности, на использовании закона электромаг- напряжение UC(t) на конденсаторе C. связанные с измерением магнитной нитной индукции, согласно которо- Действительно, UC(t) = qC(t)/C, где qC(t) – индукции по схеме на рисунке 5, обу- му электродвижущая сила, наведён- зависимость заряда на конденсаторе от словлены только принятыми для неё ная переменным магнитным полем во допущениями, позволившими полу- вторичной обмотке, пропорциональ- времени. С другой стороны, по опреде- чить расчётные формулы, а номиналы на производной магнитной индукции элементов являются достоверно извест- по времени [9]. Учитывая это, в схеме лению . Учитывая изложен- ными. Исходя из этого, можно выделить погрешности расчёта амплитуды тока ное ранее, имеем: ΔI, фазового сдвига Δφ и интегрирующей цепи ΔS. Оценим их относительные зна- , чения, по-прежнему не учитывая явле- ние самоиндукции. откуда: С учётом того, что на ёмкости C в . (6) составе интегрирующей цепи пада- ет некоторое напряжение, фактиче- 68 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ский ток в интегрирующей цепи будет несколько меньше, чем получаемый по представленным до этого форму- лам. Учитывая, что на выходе вторич- ной обмотки формируется близкое к синусоидальному напряжение, целе- сообразно перейти к комплексным амплитудам, сохраняя введённые ранее обозначения. Тогда , а фактиче- ский ток . Во всех элементах интегрирующей цепи и во вторичной обмотке протекает один и тот же ток, и для оценки погрешности можно использовать амплитудные зна- Рис. 6. Фотография измерительной установки для получения семейства ПГ чения этих токов. Имеем: принято ранее. Разность фаз для действовало бы строгое равенство, выполнение которого не зависит от них с точностью до знака составляет напряжения UC(t). Для цепи на рисун- ке 4 справедливо уравнение: , а связанная с ней . . погрешность Δφ оказывается наиболь- Используя подход, аналогичный при- шей в моменты времени, когда E(t) = 0, менённому для оценки ΔI, можно пока- Последнее приближённое равенство зать, что: в уравнении (7) получено с учётом раз- и может быть, учитывая малость зна- ложения подкоренного выражения в (7) ряд Макларена в окрестности нуля [10]. чения , определена в относи- , Погрешность фазового сдвига обу- тельных единицах как: словлена тем, что ток i2(t) и электро- движущая сила E(t) не являются син- . хронными по фазе, как это было Погрешность интегрирующей цепи может быть оценена следующим образом. Если бы цепь R2C являлась идеальным интегратором, то для неё аб в Рис. 7. Результаты измерений по схеме на рис. 5, полученные при выходном напряжении генератора: а) 2 В (п-п); б) 10 В (п-п); в) 17 В (п-п) СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 69

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ четырьмя каналами и полосой рабочих частот до 6 ГГц, каналы 1 и 2 которого подключались в соответствии со схемой на рисунке 5. Фотография измерительной установки представлена на рисунке 6. Рис. 8. Осциллограммы напряжений, полученные при выходном напряжении генератора, равном 20 В (п-п) Получение семейства петель где Em – амплитуда электродвижущей Таким образом, при выборе элемен- гистерезиса силы на вторичной обмотке. тов измерительной установки необхо- Как отмечалось до этого, ПГ, отража- димо соблюдать компромисс между Для используемой в эксперименталь- точностью измерений и требования- ющие зависимость B(H) в цикле пере- ной части статьи установки при f = 100 Гц ми к чувствительности каналов осцил- магничивания, позволяют постро- ΔI = ΔS = 0,0124%, Δφ = 0,8%. Отсюда следует, лографа. ить КН и определить функции μ(H) и что при известных с достаточной точно- μдиф(H), а также рассчитать удельные стью номиналах элементов измеритель- Пример выполнения измерений потери на перемагничивание. ной установки определяющей является магнитных характеристик МП погрешность фазового сдвига. Точность На рисунке 7 показаны кривые, полу- получаемых результатов измерений Объект исследований, ченные для выходных напряжений будет достаточно высокой при исполь- измерительное оборудование генератора, равных 2; 10 и 17 В (п-п). зовании качественных осциллографов. и оснастка Важно подчеркнуть, что это ещё не сами ПГ, а их прообраз. Для малой амплитуды С повышением частоты f, ёмкости В качестве объекта исследования был намагничивающего поля (см. рис. 7а) С и сопротивления R2 рассмотренные выбран МП, предназначенный для изго- ПГ имеет эллиптическую форму, харак- составляющие погрешности умень- товления малогабаритных трансфор- терную для отсутствия смещений гра- шаются, однако при прочих равных маторов и дросселей и имеющий попе- ниц доменов. На эпюре напряжения в условиях повышаются требования речное сечение прямоугольной формы канале 1, показанной в правой части к чувствительности используемого с размерами 16 × 7 мм, т.е. S = 1,12×10–4 м2. рисунка 7в, хорошо видно, что напря- осциллографа, поскольку амплитуда Средняя длина образованной таким МП жение на резисторе R1, характеризу- напряжения на конденсаторе: магнитной цепи составляла l = 0,138 м. ющее ток в первичной обмотке, име- МП образован двумя П-образными ет синусоидальную форму, но вблизи . половинами с полированными тор- максимумов претерпевает искажения в Лабораторные генераторы на холо- цами, которые при проведении экс- виде сглаженных выбросов. Это озна- стом ходу способны формировать перимента сжимались с минимально чает, что с приближением тока к обла- напряжение амплитудой до 10…20 В, необходимым усилием струбциной из сти максимальных значений полное но на частотах порядка 50 Гц боль- дюралюминиевого сплава. На МП было сопротивление цепи намагничивания шая его часть будет падать на выход- сформировано две обмотки с количе- падает, что объясняется уменьшением ном сопротивлении генератора. Это ством витков N1 = N2 = 100 шт. Схема индуктивности первичной обмотки за ещё один довод в пользу использова- измерений соответствовала рисунку 5, счёт снижения μ с ростом напряжённо- ния усилителей с низким выходным в ней на основе предварительных оце- сти магнитного поля. Более наглядно сопротивлением, в т.ч. при использо- нок были выбраны номиналы элементов это видно из осциллограмм на рисун- вании метода датчика Холла (см. рис. 4). R1 = 5 Ом, R2 = 10 кОм, C = 10 мкФ. ке 8, построенных на периоде измене- В типовом случае значение Em ~ 1 В, и Для формирования намагничивающего ния выходного сигнала генератора при при C = 10 мкФ, R2 = 10 кОм получим тока в первичной обмотке использовал- выходном напряжении 20 В (п-п). UC,m ~ 16 мВ. Синусоидальный сигнал ся усилитель мощности в составе гене- с такой амплитудой вполне можно ратора сигналов АНР-1041 с выходным Для получения семейства ПГ экспе- наблюдать на современных осцилло- сопротивлением 2,5 Ом и коэффици- риментальные данные должны быть графах. Повысить напряжение на ёмко- ентом усиления 1,53. На его вход пода- масштабированы в соответствии с сти можно и путём увеличения коли- вался синусоидальный сигнал с канала уравнениями (5), (6). Для осуществле- чества витков во вторичной обмотке, А того же генератора, имевший часто- ния математической обработки резуль- но это увеличивает объём и продол- ту f = 100 Гц. В схеме измерений исполь- татов измерений выборки, получен- жительность подготовительных работ. зовался осциллограф R&S RTO2064 с ные осциллографом, были сохранены на периоде T = 1/f = 10 мс в объёме 1000 шт. на каждый канал. На рисунке 9а совместно показаны те же кривые, что и на рисунке 7, т.е. красная, синяя и чёрная петли построены по резуль- татам измерений для выходных напря- жений генератора, равных 2; 10 и 17 В (п-п). На рисунке 9б представлены ПГ в координатах H-B. Коэффициенты мас- штабирования для H и B составили соот- ветственно 144,93 А/(В·м) и 8,93 Тл/В. Как видно, за счёт малой длины маг- нитной цепи максимальная напря- жённость магнитного поля и индук- 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ аб Рис. 9. Кривые, полученные при намагничивании МП полями с разной амплитудой: а) по записанным выборкам; б) по результатам масштабирования (ПГ) Рис. 10. Зависимости B(H), μ(H) и μ (H), полученные по результатам Рис. 11. Зависимость потерь на перемагничивание от напряжённости поля, диф полученная на основе интегрирования по петлям гистерезиса обработки экспериментальных данных ция превосходят 1500 А/м и 1,6 Тл, что рок находились максимальные значе- ной магнитной проницаемости имеет достаточно для перехода МП в режим ния, соответствующие крайней точке изрезанность, которая может быть сгла- насыщения и исследования сопутству- ПГ, осуществлялся пересчёт этих зна- жена скользящим усреднением. В обла- ющего уменьшения магнитной прони- чений в индукцию и напряжённость сти значений H > 1500 А/м значение цаемости. При максимальном выход- магнитного поля, и затем рассчитыва- μдиф < 130, т.е. с приближением к насы- ном напряжении генератора, равном лась магнитная проницаемость μ. Диф- щению дифференциальная магнитная 20 В (п-п), эти значения составляют ференциальная магнитная проницае- проницаемость снижается значитель- чуть более 1800 А/м и 1,653 Тл. мость определялась по приращениям но сильнее, чем функция μ(H). значений H и B при заданных значе- Для выявления магнитных свойств ниях напряжённости магнитного поля. Зависимости μ(H) и μдиф(H) в пол- исследуемого МП описанным образом ной мере характеризует проблему так было получено семейство петель гисте- На рисунке 10 показаны получен- называемого ферромагнитного резо- резиса, при этом выходное напряжение ные зависимости B(H), μ(H) и μдиф(H). нанса [11], которая состоит в следую- генератора изменялось в интервале от Вид КН в целом соответствует её типо- щем. При появлении перенапряжения 0,7 до 20 В (п-п) с шагом от 0,3 до 0,7 В вой форме, представленной на рисун- на входе трансформатора ток в первич- в зависимости от резкости изменения ке 2а. Зависимость μ(H) отражает уве- ной обмотке возрастает, увеличивается положения крайних точек петель. Все- личение магнитной проницаемости в напряжённость поля в магнитной цепи, го было получено 38 массивов данных. области слабых полей и дальнейший её в результате чего резко снижается маг- спад при приближении к режиму насы- нитная проницаемость МП. Это ведёт Определение зависимостей B(H), щения, причём μн = 2720, Hμmax = 50 А/м, к снижению индуктивного сопротив- μ(H) и μ (H) μmax = 2970, а соответствующее значение ления и ещё большему увеличению индукции равно 0,17 Тл. Зависимость тока в обмотке, что при неблагоприят- диф μдиф(H) имеет локальный максимум ной ситуации дополняется явлениями μдиф = 3120 при H = 30 А/м. Полученный параллельного резонанса. Ферромаг- Определение зависимостей было осу- график зависимости дифференциаль- нитный резонанс способен за несколь- ществлено в соответствии с данным ранее формальным определением этих характеристик. В каждом массиве выбо- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 71

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ко секунд выводить трансформаторы из строя. Для его незамедлительной бло- кировки на электроподстанциях при- меняют специальные автоматические устройства. Зависимость потерь на перемагничи- вание от напряжённости магнитного поля, как уже было отмечено, опреде- ляется интегралом , который берётся за единичный период цикла намагничивания. Для перехода к клас- сическому интегрированию преобра- зуем дифференциал как: , тогда: . По аналогии с рассмотренными зави- Рис.12. Петли гистерезиса, построенные при амплитуде магнитного поля 1870 А/м для МП с зазором симостями функция потерь P(H) была малого размера и без зазоров определена для значений H в интер- вале от 0 до 1800 А/м. График зависи- Применение МП с зазором широ- управления скоростью вращения элек- мости P(H) представлен на рисунке ко применяется в силовых трансфор- тродвигателей, если их выходной сиг- 11, его форма в целом сходна с кри- маторах для снижения нелинейных нал имеет низкий коэффициент гар- вой намагничивания, за исключением искажений и увеличения индукции моник. области слабых полей (менее 30 А/м), насыщения. Это позволяет изготав- где нарастание потерь с увеличением ливать такие устройства более ком- Литература H происходит более медленно за счёт пактными и с меньшей массой маг- отсутствия смещения границ магнит- нитопровода. 1. Бессонов Л. А. Теоретические основы ных доменов. С приближением к режи- электротехники. В трех частях. – М.: Выс- му насыщения возрастание потерь про- Заключение шая школа, 1964. 750 с. исходит всё медленнее, составляя около 460 Вт/м3 при H = 1800 А/м. Таким образом, на основе срав- 2. Сидоров И. Н. Малогабаритные транс- нительно несложных измерений, форматоры и дроссели. Справочник. — Оценка влияния зазора вполне доступных в условиях радио- М.: Радио и связь, 1985. 413 с. в магнитной цепи на значение лаборатории, может быть получена эффективной магнитной полная информация о характеристи- 3. URL: https://vpayaem.ru/ (дата обраще- проницаемости ках магнитопроводов, необходимая ния 15.01.2021). для проектирования и изготовления Оценка может быть выполнена на обмоточных изделий с их использо- 4. Кечиев Л. Н., Акбашев Б. Б., Степанов П. В. основе сравнения петель гистере- ванием. Измерительная установка Экранирование технических средств и зиса, построенных для одной и той не требует применения специфиче- экранирующие системы. – М.: ООО «Груп- же амплитуды магнитного поля при ских средств измерений, и совершен- па ИДТ», 2010. 470 с. наличии и в отсутствии зазора в маг- но очевидно, что использованный в нитопроводе. Такие петли гистерези- экспериментальной части работы 5. Интернет-ресурс https://lsb-solutios.ru са совместно приведены на рисунке 12. осциллограф серии R&S RTO облада- (дата обращения 18.01.2021). Для формирования малого зазора ет несравненно более широкой при- постоянного размера использовались менимостью. 6. Крупичка С. Физика ферритов и род- прокладки из плёночного фторопла- ственных им магнитных окислов. Т. 1. ста толщиной 15 мкм, помещённые Основная проблема, которая может М. Мир, 1976. 353 с. между П-образными половинами МП сопровождать описанные измерения, при минимально достаточном сжатии состоит в том, что построение семей- 7. Тареев Б. М., Короткова Н. В., Петров В. М. струбциной. Экспериментальное значе- ства ПГ для частот выше промышлен- и др. Электрорадиоматериалы. – М. Выс- ние магнитной проницаемости МП без ной требует применения источников шая школа, 1978. 336 с. зазора составляет 701, а при lз = 30 мкм – сигналов с большим выходным напря- 635. В соответствии с формулой (4) при жением из-за роста индуктивности 8. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы μ = 701, lз = 30 мкм и l = 0,138 м имеем первичной обмотки в схеме на рисун- электронной техники. Учебник. СПб. μэфф = 608. Как видим, теоретические и ке 4. В некоторых случаях она может Лань. 2003. 368 с. практические результаты вполне соот- быть решена применением в качестве носятся друг с другом, а небольшое рас- источников питания частотных пре- 9. Трофимова Т. И. Курс физики. М. Высшая хождение определяется деформацией образователей, предназначенных для школа. 1990. 479 с. прокладки, сопровождающейся умень- шением её толщины. 10. Корн Г., Корн Т. Справочник по матема- тике (для научных работников и инже- неров). М.: Наука. 1974. 832 с. 11. Жежеленко И. В., Короткевич М. А. Элек- тромагнитная совместимость в электри- ческих сетях. Минск. Вышэйшая школа. 2012. 197 с. 72 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

Реклама

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ О первой в мире радиограмме, переданной в России 125 лет назад «Телеграфия без проводов в действительности является результатом опытов Попова» Из письма Э. Бранли Русскому физико-химическому обществу Владимир Бартенев ([email protected]) вом и третьем курсах и свои финансо- вые проблемы решал репетиторством. Март 2021 года в истории радио особенный. Во-первых, 16 марта Кстати, репетиторство стало причиной родился изобретатель радио – великий русский учёный Александр знакомства Попова с его будущей женой Степанович Попов, во-вторых, 24 марта 1896 года А. С. Попов впервые Раисой Алексеевной Богдановой (1860– в мире осуществил беспроводную передачу радиограммы. 1932), ставшей одной из первых в Рос- Важно подчеркнуть, что это произошло за год до получения в Англии сии дипломированных женщин-вра- Г. Маркони первого своего патента под названием «Усовершенствования чей. 18 ноября 1883 года А. С. Попов с в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре ней обвенчался. для этого» 2 июля 1897 года. И, добавим: в январе исполнилось 115 лет, как А. С. Попова не стало. В ноябре 1882 года А. С. Попов окон- чил университет и после представ- КРАТКАЯ БИОГРАФИЯ семью. Александр был средним ребен- ления диссертации на тему «О прин- А. С. ПОПОВА ком. Старшие – брат Рафаил (1849– ципах динамоэлектрических машин 1913) и сестры Екатерина (1850–1903) постоянного тока» (январь 1883 года), Начнём рассказ в хронологическом и Мария (1852–1871) – всегда помога- заслужившей высокую оценку, полу- порядке, т.е. со дня рождения изобрета- ли младшим. Александр, в свою оче- чил диплом кандидата. Его первая теля радио (см. рис. 1), точнее с изложе- редь, заботился о младших сестрах – научная статья по материалам диссер- ния его краткой биографии [1]. Анне (1860–1930), Августе (1863–1941) тации была опубликована в сентябрь- и Капитолине (1870–1942). Начальное ском номере журнала «Электричество» Александр Степанович Попов родился образование Александр получил в Дал- за 1883 год. По решению учёного совета 16 марта 1859 года в посёлке Туринские матовском (1869–1871) и Екатерин- А. Попов был оставлен в университете рудники Богословского горного округа бургском (1871–1873) духовных учи- для подготовки к профессорскому зва- Верхотурского уезда Пермской губер- лищах. В 1873 году Попов поступил в нию. Однако летом 1883 года он принял нии (ныне – город Краснотурьинск Пермскую духовную семинарию. В этих приглашение занять место преподава- Свердловской области) в семье свя- учебных заведениях обучение для детей теля и заведующего физическим каби- щенника. Не все знают, что знаменитый духовного сословия было бесплатным, нетом в Минном офицерском классе в изобретатель происходил из старинно- что для большой семьи Поповых име- Кронштадте, который имел прекрасно го рода священнослужителей Поповых. ло существенное значение. Религиоз- оборудованный физический кабинет и А насчитывал этот род девять поколе- ное воспитание привило Александру хорошую библиотеку. ний. Отец Александра Степановича, Попову высокие моральные качества, Степан Петрович Попов (1827–1897), неоднократно отмеченные знавши- Начало работ А. С. Попова в обла- был настоятелем храма во имя Иоан- ми его людьми. В 1877 году Александр сти беспроводной связи относится к на Богослова в Богословском заводе, Попов успешно закончил общеобра- 1889 году. В 1887 году были опубли- а предки служили в приходах Кунгур- зовательные четыре класса семина- кованы две статьи немецкого физи- ского уезда Пермской епархии. Мать рии, дававшие знания в объеме клас- ка Г. Герца о результатах его экспери- Анна Степановна (1830–1903) и семь сической гимназии с правом поступле- ментальных работ, подтвердивших детей составляли большую и дружную ния в университет. По его прошению справедливость теории Д. К. Максвел- он был отчислен из семинарии для ла. В 1890 году А. С. Попов прочитал Рис. 1. Изобретатель радио А. С. Попов поступления в светское высшее учеб- цикл лекций о распространении элек- (1859–1906) ное заведение. В сентябре 1877 года тромагнитных волн с демонстрацией Александр Попов поступил на физико- опытов Герца, объединённых общим математический факультет Петербург- названием «Новейшие исследования ского университета. В Петербург, где в о соотношении между световыми и это время жил Рафаил, закончивший электрическими явлениями». Но наи- историко-филологический факуль- больший интерес для Попова в то вре- тет Петербургского университета, он мя представляла задача создания систе- приехал с сёстрами Анной и Августой мы передачи сигналов без проводов для (Анна получила среднее медицинское флота. Источником высокочастотных образование, а Августа окончила Ака- затухающих электромагнитных коле- демию художеств). Стипендию Алек- баний – передатчиком – в опытах сандр Попов получал только на пер- Попова служил модернизированный им вибратор Герца с искровым разряд- ником, питаемым от катушки Румкорфа 74 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ (высокочастотного трансформатора). Рис. 2. А. С. Попов принимает первую в мире радиограмму. С картины художника А. Шимко. Специальное устройство – прерыва- тель – обеспечивало подачу на катуш- Зимой 1895–1896 годов Попов зани- была устроена в зале химической лабо- ку последовательности импульсов тока мался совершенствованием радиоаппа- ратории Петербургского университета, с частотой, необходимой для генери- ратуры. 24 марта 1896 года он выступил приёмная станция – в зале заседаний, рования серий высокочастотных зату- на очередном заседании РФХО. В этот в старом физическом кабинете. Пере- хающих колебаний разной длительно- раз связь была установлена между зда- дача происходила таким образом, что сти (короткой и длинной). Но главной ниями Петербургского университета, буквы передавались по алфавиту Мор- проблемой для А. С. Попова стало соз- расположенными на расстоянии 250 м. зе и притом знаки были ясно слышны. дание прибора, способного прини- При этом были переданы азбукой Мор- У доски стоял председатель российско- мать высокочастотные электромагнит- зе слова Heinrich Hertz. го Физического общества профессор ные импульсы. Первое, что ему удалось, Фёдор Фомич Петрушевский (1828– это повторить опыты с созданным в ПОДРОБНОСТИ ИСТОРИЧЕСКОГО 1904), имея в руках бумагу с ключом 1890 году французским учёным Бранли СОБЫТИЯ 24 МАРТА 1896 ГОДА к алфавиту Морзе и кусок мела. После прибором, который представлял собой каждого передаваемого знака он смо- трубочку с металлическими опилка- Вот мы и подошли к важному момен- трел в бумагу и затем записывал на доске ми, сопротивление которых изменя- ту в жизни А. С. Попова. Этому событию соответствующую букву. Постепенно на лось под воздействием электромагнит- исполнилось в марте 2021 года 125 лет доске получились слова <Heinrich Hertz> ных волн. Однако такой прибор терял и о нём стоит рассказать подробнее. и притом латинскими буквами. Трудно чувствительность после одноразового Воспользуемся записями ассистента описать восторг многочисленных при- облучения электромагнитными коле- и соратника А. С. Попова известного сутствующих и овации А. С. Попову, ког- баниями. Английский физик О. Лодж русского радиотехника Петра Нико- да эти два слова были написаны» [4]. усовершенствовал прибор Бранли лаевича Рыбкина (1864—1948) из его Ниже приводится картина Александра (1894 год), подсоединив к нему механи- книги «Десять лет с изобретателем Шимко, воспроизводящая этот торже- ческое устройство для периодического радио: страницы воспоминаний» [3]: ственный момент (см. рис. 2). На ней встряхивания опилок, назвав его коге- «Демонстрации опытов с применени- имеется одна неточность: текст радио- рер. Однако эти встряхивания произ- ем для передачи по радио телеграфного граммы на доске тогда был на латинице. водились вне какой-либо связи с пере- аппарата предшествовало небольшое Телеграфная лента с этим текстом долго дачей электромагнитных излучений, вступительное слово изобретателя, в хранилась у участника этого заседания поэтому такой способ не обеспечивал котором Александр Степанович объ- профессора В.К. Лебединского (1868– надёжного приёма, и А. С. Попов про- яснил устройство нового приёмника. 1937), пока во время Первой мировой должил поиск нового решения. Вскоре Затем начались опыты. У доски в физи- войны не погибла с его библиотекой в ему это удалось. Он предложил новую ческой аудитории стоял наш общий Риге. В статье, опубликованной в жур- схему автоматического восстановления учитель, всеми любимый профессор нале «Радиотехник», (№ 8 за 1919 год) чувствительности когерера [2]. В цепь Фёдор Фомич Петрушевский. Он дер- Пётр Николаевич Рыбкин, рассказы- с когерером было включено реле, обе- жал в руках листок бумаги с ключом вая об опытах с телеграфированием по спечивавшее подключение исполни- азбуки Морзе и кусок мела. После каж- радио, пишет следующее: «Реле, приго- тельного устройства – электрическо- дого передаваемого знака Фёдор Фомич товленное собственными средствами го звонка, молоточек которого бил по смотрел в бумагу и затем записывал на из чувствительного вольтметра, дало трубочке, встряхивая опилки и вос- доске соответствующую букву. Вскоре возможность принимать сигналы при станавливая сопротивление когерера собравшиеся могли прочитать на доске помощи телеграфного аппарата». Воз- после приёма каждой передачи зату- слова: <Heinrich Hertz>. Это был текст никает вопрос, о каком реле ведёт речь хающих электромагнитных колеба- первой в мире радиограммы». А вот П.Н. Рыбкин. И в чём состояло отличие ний. В зависимости от времени замы- как через 10 лет, в 1906 году, об этом приёмника Попова образца 1896 года кания телеграфного ключа прерыва- событии вспоминал живой свидетель от приёмника образца 1895 года Схема теля передача могла быть короткой передачи первой в мире радиограммы первого приёмника А. С. Попова из ста- или продолжительной. Задача обе- О. Д. Хвольсон: «Станция отправления спечения беспроводного телеграфи- рования была принципиально решена. 7 мая 1895 года на заседании Физиче- ского отделения РФХО Попов выступил с докладом «Об отношении металличе- ских порошков к электрическим коле- баниям», в котором изложил результаты проведённых им исследований и про- демонстрировал способность изобре- тённого им прибора принимать после- довательность «коротких и продолжи- тельных сигналов», то есть, по существу, производить передачу элементов азбу- ки Морзе. Этот день отмечается у нас в стране как День радио. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 75

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ Рис. 3. Схема первого радиоприёмника Рис. 4. Приёмник А. С. Попова с двумя Рис. 5. Схема приёмника с телеграфным А. С. Попова с одной батареей и двумя разными реле аппаратом электромагнитными реле Рис. 6. Упрощённая схема приёмника Рис. 7. Схема приёмника Г. Маркони из его патента, полученного в 1897 году А. С. Попова с релейным усилением тьи, опубликованной в журнале РФХО 1925 год профессор Виктор Констан- публичной демонстрации радиопере- (№ 1, 1896 год), представлена на рис. 3. тинович Лебединский особенно выде- дачи 7 мая, так и в 1896 году во время лил главное достижение А. С. Попова при передачи первой в мире радиограммы. А теперь приведём схему приёмника построении приёмо-передающей аппа- А. С. Попова с двумя разными реле, пер- ратуры в 1896 году: применение двухсту- Надо подчеркнуть, что у схемы вое из которых магнитоэлектрическо- пенчатой схемы приёмного устройства. Г. Маркони в патенте, полученном им в го типа, работающее от низковольтно- Он приводит такую упрощённую схему с 1897 году, имеется единственное отли- го источника питания, а второе – более двумя ступенями релейного усиления и чие от схемы А. С. Попова в том, что у мощное реле с питанием от более высо- двумя источниками питания: маломощ- Попова чувствительное реле в цепи ковольтного источника питания. Под- ного Б1 и мощного Б2. Первая ступень когерера магнитоэлектрическое. В нём тверждение использования такой схе- обеспечивает работу когерера и сраба- состояние коммутируемых контактов мы приводится в докладе А. С. Попова тывание первого высокочувствитель- зависит от поворота рамки при проте- «О телеграфировании без проводов», ного реле Р1. Вторая ступень позволя- кании тока в её обмотке в поле посто- сделанном в 1897 году в Петербург- ет подключать звонок для восстановле- янного магнита, а у Маркони, как он ском электротехническом институте [5], ния когерера Р и телеграфного аппарата сам пишет в описании патента, реле в докладе он отмечает: «Есть и ещё сред- М. Верхний провод П – антенна, ниж- поляризованное, в котором состоя- ства для увеличения чувствительности ний П – заземление (см. рис. 6). ние коммутируемых контактов зави- приёмника, а именно – увеличение чув- сит от направления протекания тока в ствительности реле, употребляемого в А теперь объясним, почему так важ- обмотке его электромагнита, то есть от цепи с чувствительной трубкой». Схему но детализировать устройство приём- полярности его подключения. Магнито- с двумя реле (см. рис. 4) А. С. Попов опу- ника, применённого при передаче пер- электрическое реле более чувствитель- бликовал и в более позднем докладе [6]. вой в мире радиограммы. Дело в том, но, чем поляризованное. Схема приём- что Маркони в своём патенте повторя- ника Маркони из его первого патента Ещё одна подобная схема радиопри- ет не первую схему А. С. Попова образ- GB189612039A [7] имеет вид, приведён- ёмника А. С. Попова, опубликованная в ца 1895 года с одним источником пита- ный на рис. 7. статье председателя Кронштадтского ния, а именно двухкаскадную схему отделения Общества друзей радио Петра приёмника А. С. Попова с двумя бата- Вернёмся к биографии А. С. Попова. Михайловича Лукьянова в журнале «Друг реями. Это лишний раз подчёркивает Приведу его дальнейшие открытия и радио» (№ 7 за 1925 год), приведена на приоритет А. С. Попова в изобретении изобретения. рисунке 5. В статье «Радио и его изобре- радио как в 1895 году во время первой тение» в журнале «Радиолюбитель» за В 1898 году фирма «Дюкрите» выпу- скает первую партию радиостанций 76 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ конструкции А. С. Попова для Военно- радиостанции: разборный дом, мач- зом, изобретение А. С. Попова при пер- морского флота России. Но самое глав- ту для антенны и радиоаппаратуру. вом же его практическом применении ное, от телеграфной беспроводной свя- На борту «Ермака» на Гогланд прибыл послужило гуманной цели – спасению зи А. С. Попов переходит к радиотеле- П. Н. Рыбкин. Другая радиостанция попавших в беду людей. фонной радиосвязи, и на построенный устанавливалась под руководством им «приёмник депеш» с телефонными А. С. Попова на берегу Финского зали- ЗАКЛЮЧЕНИЕ трубками А. С. Попов получает приви- ва, вблизи г. Котка, имевшего телеграф- легию (так назывался в России патент) ную проводную связь с Петербургом. 13 января 2021 года исполнилось № 6066 с приоритетом от 26 июля Обе станции строились в тяжелейших 115 лет со дня скоропостижной кон- 1899 года [8]. условиях, при сильных морозах и мете- чины Александра Степановича Попова. лях. Но благодаря героическим усили- Ему не было и 47 лет. Он был в расцве- В начале 1900 года А. С. Попов и ям русских матросов строительство те своих творческих замыслов и пла- П.Н. Рыбкин при участии морских офи- радиостанций и мачт было закончено в нов. В сентябре 1905 года он прочитал церов А. А. Реммерта и И. И. Залевско- короткий срок. 24 января 1900 г. ради- лекцию на заседании РФХО «О волно- го руководят постройкой практиче- освязь между о. Гогланд и г. Котка была мерах, служащих для измерения длины ской линии радиосвязи для организа- установлена. И первая же радиограм- электромагнитных волн или их перио- ции работ по ликвидации последствий ма, отправленная А. С. Поповым и при- да колебаний». Он занимался исследо- аварии броненосца «Генерал-адми- нятая П. Н. Рыбкиным, содержала при- ванием электромагнитных колебаний рал Апраксин», севшего на камни у зыв о помощи рыбакам, унесённым на с помощью трубки Брауна. В октябре о. Гогланд в Финском заливе в резуль- оторвавшейся льдине в открытое море. он был избран директором Электро- тате навигационной ошибки. Остров Спасти рыбаков мог только ледокол технического института, и вдруг такой не имел телеграфного сообщения с «Ермак», стоявший у Гогланда, а пере- трагический исход. Отпевали Попова берегом, поэтому встал вопрос, как дать ему сообщение мог только Попов и 16 января 1906 года в храме Спаса Пре- руководить спасательными работами, только по радио. Получив радиограмму, ображения Господня, что на Инстру- начинать которые надо было без про- капитан «Ермака» приказал поднимать ментальной улице. Траурная процес- медления, иначе весенние льды мог- пары, и вскоре ледокол вышел в море сия с Аптекарского проспекта через ли окончательно разрушить корабль. на поиски рыбаков, о чём П. Н. Рыбкин весь город прошла на старейшее Вол- По предложению Морского техниче- в ответной телеграмме сообщил Попо- ковское кладбище. Здесь было сооруже- ского комитета было решено исполь- ву. К вечеру 25 января «Ермак» вернул- но надгробие с оградой и мраморной зовать радиосвязь. К месту аварии ледо- ся с 27 рыбаками на борту. Таким обра- плитой, на которой выбита надпись: кол «Ермак» доставил снаряжение для «Изобретатель радиотелеграфа про- ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021 WWW.SOEL.RU 77

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ Рис. 8. Памятник А. С. Попову около МГУ ская» (см. рис. 9). Прежде всего, это Рис. 9. Барельеф А. С. Попову на станции важно для автора, потому что 16 мар- метро «Электрозаводская» фессор Александр Степанович Попов та 1979 года он впервые прошёл мимо (1859–1905)». Уже при советской вла- барельефа А. С. Попову, направляясь на 4. Попов А. С. Сборник документов. М.-Л. сти, 9 июня 1972 года, на Волковском работу в ставший ему родным Всерос- изд-во АН СССР. 1945. кладбище состоялось открытие соз- сийский НИИ радиотехники, в котором данного скульптором М. Т. Литовчен- он работает и поныне. Всякий раз при 5. Попов А. С. О телеграфировании без про- ко и архитектором С. М. Михайловым виде барельефа А. С. Попова вспоми- водов. СПб. Изд-во Арнольда. 1897. памятника А. С. Попову. В 1954 году в наются как его духовное наследие сло- Москве на аллее учёных, что при МГУ ва нашего великого соотечественника: 6. Попов А. С. Телеграфирование без прово- имени Ломоносова, был торжественно «Я русский человек и все свои зна- дов. СПб. Труды Первого Всероссийского открыт памятник А. С. Попову, ставший ния, весь свой труд, все свои достиже- электротехнического съезда. Т. 2. 1901. одним из 12 бюстов, установленных на ния имею право отдать только моей аллее славы русских учёных (см. рис. 8). Родине». 7. Патент Маркони «Improvement in trans- mitting electrical impulses and signal and Завершить это печальное заклю- ЛИТЕРАТУРА apparatus therefor» https://patents.google. чение автор хотел бы фотографией com/patent/GB189612039A/en. скульптурного барельефа А. С. Попо- 1. Бартенев В. Г. Россия – родина Радио. ва. Барельеф украшает в Москве вести- Исторические очерки. М.: Горячая линия 8. Бартенев В. Г. Забытое изобретение бюль станции метро «Электрозавод- телеком, 2014. А. С. Попова, или Первый в мире детек- торный радиоприёмник. Современная 2. Попов А. С. О телеграфировании без про- электроника. № 3. 2014. водов. Из истории изобретения и началь- ного периода развития радиосвязи; сб. док. и материалов: сост. Л. И. Золотин- кина, Ю. Е. Лавренко, В. М. Пестриков под ред. проф. В.Н. Ушакова. СПб: изд- во СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), 2008. 3. Рыбкин П. Н. Десять лет с изобретателем радио: страницы воспоминаний. М. Свя- зьиздат. 1945. 78 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2021

ǘ͊éè͏ï͉͍͌èï͉üæø͎ñ͉æì͉ ǘ͊éè͏ï͉͍͌èï͉üæø͎ñ͉æì͉ úí͊ìñ͍͌ïïø͐ì͌îð͌ï͊ïñ͌æî͌è͏í͊͋ ñ͊͐ï͌í͌çë͋͌å͍͌͏è͌æ͉ïëüëî͉ñ͍͊ë͉í͌æ ëì͌îðí͊ìñ͏ûöë͐ èíüð͍͌ëêæ͌è͎ñæ͉ëêè͊íë͋úí͊ìñ͍͌ïï͌͋ ëúí͊ìñ͍͌ñ͊͐ïëô͎͊ì͌͋ð͍͌îøõí͊ïï͎͌ñë expoelectronica.ru electrontechexpo.ru 13–σõχτòā2021 ͎́͌ìæ͉̹͍͌ì͏͎âì͎ð͌ ̈́͌í͏ôëñ͉͊̽õ å͎͊ðí͉ñïø͋åëí͊ñ ð͌ð͍͌î͌ì͌è͏ee21print Реклама

Реклама



ɉɨɜɟɪɶɬɟɢɧɚɫɬɪɨɣɬɟȼɚɲɢɋɂ ɜɐɋɆ Keysight ȼɚɲɢɬɟɯɧɢɱɟɫɤɢɟɫɢɫɬɟɦɵɤɪɢɬɢɱɟɫɤɢ Ɉɪɢɝɢɧɚɥɶɧɵɟɡɚɩɱɚɫɬɢɚɜɬɨɦɚɬɢɡɢɪɨɜɚɧɧɵɟ ɜɚɠɧɵɟɞɥɹɪɟɲɟɧɢɹɨɬɜɟɬɫɬɜɟɧɧɵɯ ɉɈɞɥɹɩɪɨɜɟɞɟɧɢɹɩɨɥɧɨɝɨɬɟɫɬɢɪɨɜɚɧɢɹ ɤɚɥɢɛɪɨɜɤɢɢɧɚɫɬɪɨɣɤɢɋɂɩɨɦɟɬɨɞɢɤɟ ɡɚɞɚɱɞɨɥɠɧɵɨɛɟɫɩɟɱɢɜɚɬɶɛɟɡɨɬɤɚɡɧɭɸ ɪɚɛɨɬɭɜɥɸɛɵɯɭɫɥɨɜɢɹɯɂɦɟɧɧɨ ɡɚɜɨɞɚɢɡɝɨɬɨɜɢɬɟɥɹɨɩɵɬɧɵɣɩɟɪɫɨɧɚɥɜɫɟ ɷɬɨɩɨɡɜɨɥɹɟɬɜɵɩɨɥɧɹɬɶɩɨɥɧɨɟ ɩɨɷɬɨɦɭɐɟɧɬɪɋɟɪɜɢɫɚɢɆɟɬɪɨɥɨɝɢɢ ɨɛɫɥɭɠɢɜɚɧɢɟɋɂɜɫɨɨɬɜɟɬɫɬɜɢɢɫ .H\\VLJKWɩɨɥɭɱɢɥɚɤɤɪɟɞɢɬɚɰɢɸɧɚɩɪɚɜɨ ɬɪɟɛɨɜɚɧɢɹɦɢɡɚɜɨɞɚɢɡɝɨɬɨɜɢɬɟɥɹ ɩɨɜɟɪɤɢɋɂɢɝɨɬɨɜɨɛɟɫɩɟɱɢɜɚɬɶ ɦɚɤɫɢɦɚɥɶɧɨɤɚɱɟɫɬɜɟɧɧɨɢɜɫɠɚɬɵɟɫɪɨɤɢ ɤɨɦɩɥɟɤɫɧɨɟɌɈɢɡɦɟɪɢɬɟɥɶɧɵɯ Ȼɭɞɶɬɟɭɜɟɪɟɧɵɜɬɨɱɧɨɫɬɢȼɚɲɢɯɢɡɦɟɪɟɧɢɣɢ ɩɪɢɛɨɪɨɜ.H\\VLJKW$JLOHQW+3 ɧɚɞɺɠɧɨɫɬɢȼɚɲɟɣɩɪɨɞɭɤɰɢɢ ȺɬɬɟɫɬɚɬȺɤɤɪɟɞɢɬɚɰɢɢɈɈɈ©Ʉɟɣɫɚɣɬ ɌɟɤɧɨɥɨɞɠɢɡªɐɋɆ.H\\VLJKWɧɚɩɪɚɜɨ 80 50 ɩɨɜɟɪɤɢɋɂʋ5$58ɨɬ лет лет ɨɩɵɬɚɜɷɥɟɤɬɪɨɧɧɵɯ ɫɨɬɪɭɞɧɢɱɟɫɬɜɚɢ ɢɡɦɟɪɟɧɢɹɯ ɢɧɧɨɜɚɰɢɣɜɊɨɫɫɢɢ www.keysight.com/find/poverka Реклама