9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии

Подождите немного. Документ загружается.

441

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ

СРЕДСТВ ВНУТРИ ЗДАНИЙ ПРИ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЯХ

З.

М.

ИЗАТУЛЛИН

ОССИЯ

Р.

АЙНУТДИНОВ

ОССИЯ

Р.

М.

ИЗАТУЛЛИН

ОССИЯ

Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, gzm_zinnur@mail.ru

Аннотация. В работе предложена методика сквозного прогнозирования помехоустойчивости элек-

тронных средств внутри зданий при внешних электромагнитных воздействиях на основе метода

электромагнитных топологий. Приведен пример сквозного прогнозирования помехоустойчивости

электронных средств внутри зданий при воздействии внешнего электромагнитного импульса.

Abstract. In the paper the predicting technique on the basis of the electromagnetic topologies for estimation

of an immunity of electronic devices located in buildings, in the presence of the external electromagnetic in-

fluences is offered. An example of application of this technique for the open-ended prediction of electronic

devices immunity in buildings under the influence of the external electromagnetic impulse is given.

Введение

Несмотря на множество теоретических и прак-

тических работ, направленных на повышение поме-

хоустойчивости электронных средств (ЭС), на сего-

дняшний день, только экономические потери от не-

которых источников внешних электромагнитных

воздействий составляют сотни и даже миллионы

долларов [1]. При этом, представленные в научно-

технической литературе подходы, направленные на

решение проблемы обеспечения помехоустойчиво-

сти на этапе установки ЭС внутри зданий, приводят

к значительным затратам, и в ряде случаев, требуют

коренной переделки помещений здания и переналад-

ки оборудования [2]. Поэтому, для того чтобы эко-

номический эффект от принимаемых мер по обеспе-

чению помехоустойчивости был максимальный, не-

обходимо их применять с самых первых стадий про-

ектирования ЭС и зданий, где они устанавливаются.

Например, по оценкам ряда авторов, затраты на

обеспечение помехоустойчивости, при данном под-

ходе, составляют не более 2% от стоимости разра-

ботки, а стоимость защищенного объекта возрастает

не более чем на 3–5% [3]. Последующая экономия

средств и снижение коммерческих рисков быстро

окупают данные дополнительные затраты.

Методика сквозного прогнозирования поме-

хоустойчивости ЭС внутри здания

В проблеме обеспечения помехоустойчивости

ЭС выделяется две части: адекватное прогнозирова-

ние помехоустойчивости и повышение помехоустой-

чивости ЭС (рис. 1).

На практике, как правило, ЭС располагаются

внутри зданий, а источники электромагнитных воз-

действий вне зданий (разряд молнии, индустриаль-

ные источники, преднамеренные источники и др.).

Поэтому для адекватного прогнозирование помехо-

устойчивости ЭС необходимо правильно учитывать

электромагнитную обстановку внутри здания. При

этом, непосредственно, функциональные узлы, по-

мехоустойчивость которых необходимо прогнозиро-

вать, в свою очередь, располагаются внутри корпуса

ЭС.

Прогнозирование

помехоустойчивости

Повышение

помехоустой-

чивости

EMC = 1

Нет

Да

Вход

Выход

Рис. 1. Решение проблемы обеспечения помехо-

устойчивости ЭС.

В рамках данной работы предлагается и разра-

ботана методика сквозного прогнозирования поме-

хоустойчивости ЭС внутри зданий при внешних

электромагнитных воздействиях на основе метода

электромагнитных топологий. Метод электромаг-

нитных топологий предложен в начале 1980 годов

как формальный подход для анализа и проектирова-

ния сложных электронных систем [4,5]. Этот подход

предполагает разложения общей геометрии задачи на

более мелкие части для создания совокупности от-

дельных решений для каждой области, связанных

друг с другом, что позволяет иметь преимущество

перед другими подходами из-за сложностей, связан-

ных с расчетами в больших областях и с участием

многих путей взаимодействия. Имеются публикации

по применению данного подхода для моделирования

электромагнитных процессов в летательных аппара-

тах и кораблей, в которых, сравнения с эксперимен-

тальными измерениями, показали адекватные ре-

зультаты [6, 7].

442

В данной работе, для решения задачи сквозного

прогнозирования помехоустойчивости ЭС внутри

зданий, с учетом всех основных путей проникнове-

ния внешних электромагнитных воздействий до кон-

кретного цифрового элемента разработана следую-

щая топологическая модель (рис. 2).

Рис. 2. Топологическая модель для сквозного про-

гнозирования помехоустойчивости ЭС внутри зда-

ния при внешних электромагнитных воздействиях на

основе метода электромагнитных топологий

Обозначение в топологической модели: S – ис-

точник внешнего электромагнитного воздействия; V

– область внутри здания; V

– область внутри корпуса

ЭС; V

– функциональный узел; N

– точка наблюде-

ния внутри здания; N

– точка наблюдения электро-

магнитных помех в сети электропитания внутри зда-

ния; N

– точка наблюдения внутри корпуса ЭС; N

–

точка наблюдения электромагнитных помех в инфор-

мационном кабеле внутри здания; N

– точка наблю-

дения электромагнитных помех в сети питания эле-

ментов ЭС; N

– точка наблюдения электромагнитных

помех в информационной линии связи элементов ЭС;

– путь взаимодействия через основной материал

стены; Z

– путь взаимодействия через армирующий

материал стены; Z

– путь взаимодействия через окон-

ной проем в стене; Z

– путь взаимодействия электро-

магнитного поля внутри здания с линиями электропе-

редачи; Z

– путь взаимодействия электромагнитного

поля внутри здания через материал стенки корпуса; Z

–путь взаимодействия электромагнитного поля внутри

здания через вентиляционные отверстия в стенки кор-

пуса; Z

– путь взаимодействия электромагнитного

поля внутри здания через конструкционные отверстия

в стенки корпуса; Z

– путь взаимодействия электро-

магнитного поля внутри здания с информационными

линиями связи; Z

– путь взаимодействия кондуктив-

ных помех в сети электропитания с элементами ЭС

через вторичный источник питания [8]; Z

– путь вза-

имодействия электромагнитного поля внутри корпуса

с линиями питания элементов ЭС; Z

– путь взаимо-

действия электромагнитного поля внутри корпуса с

информационными линиями связи в функциональном

узле ЭС; Z

– путь взаимодействия электромагнитного

поля внутри корпуса с информационными линиями

между функциональными узлами ЭС; & - цифровой

элемент ЭС; w

– основной материал стены здания; w

– армирующий материал стены здания; w

– оконной

проем в стене здания; w

– вход электропитания ЭС;

– основной материал корпуса ЭС; w

– вентиляци-

онные отверстия в корпусе ЭС; w

– конструкционные

отверстия в корпусе; w

– информационный вход ЭС.

На основе топологической модели сформулиро-

вана постановка задачи сквозного прогнозирования

помехоустойчивости ЭС внутри здания и предложен

критерий нарушения помехоустойчивости при

внешних электромагнитных воздействиях:













∆<∏=∆

∆>∏=∆

∑

),(),(),(,1

),(),(),(,0

tVHEZtV

EMC

где,

8321

1276532111765321

1076532194321

)(

)()()()(

)()()(

ZZZZ

ZZZZZZZZZZZZZZ

ZZZZZZZZZZZZZ

⋅+++

+⋅++⋅+++⋅++⋅+++

+⋅++⋅+++⋅⋅++=

где

HE,

параметры

внешнего

электромагнитного

поля

;

передаточная

функция

каждой

подобла

сти

;

–

количество

путей

воздействия

; k –

количест

во

подобластей

;

)

(

∆

прогнозные

параметры

электромагнитной

помехи

(

амплитуда

длительность

временная

форма

);

),(

∆

критические

парамет

ры

электромагнитной

помехи

(

уровни

динамической

помехоустойчивости

цифровых

элементов

Резуль

таты

воздействия

прогнозных

электромагнитных

помех

на

информационные

входы

цифровых

элемен

тов

ЭС

позволяет

сделать

вывод

нарушении

его

помехоустойчивости

Таким

образом

предлагаемая

методика

включа

ет

следующие

шаги

Определение

подобластей

где

анализ

элек

тромагнитной

обстановки

при

внешних

электромаг

нитных

воздействиях

можно

рассчитывать

как

от

дельные

задачи

(

здание

помещение

корпус

ЭС

Анализ

путей

проникновения

внешних

электро

магнитных

воздействий

на

разные

подобласти

задачи

(

через

разные

конструкционные

элементы

стен

здания

через

конструкционные

элементы

корпуса

ЭС

Прогнозирование

электромагнитной

обста

новки

внутри

каждой

подобласти

задачи

учетом

всех

наиболее

вероятных

путей

проникновения

внешних

электромагнитных

воздействий

Выявление

основных

линий

связи

приемни

ков

электромагнитных

помех

рамках

областей

(

ка

бельные

линии

связи

межблочные

линии

связи

ЭС

;

443

межсоединения печатных плат и т.д.).

5. Анализ механизмов внешнего электромагнит-

ного воздействия на линии связи (через пространст-

во, кондуктивные воздействия).

6. Прогнозирование электромагнитных помех в

линиях связи.

7. Выделение функционального узла, непосред-

ственного приемника электромагнитных помех.

8. Установка критерия нарушения помехоустой-

чивости функционального узла ЭС.

9. Сквозное прогнозирование помехоустойчиво-

сти ЭС внутри здания при внешних электромагнит-

ных воздействиях.

Пример сквозного прогнозирования

помехоустойчивости ЭС

В качестве частного примера рассмотрим сквоз-

ное прогнозирование помехоустойчивости ЭС внутри

зданий при воздействии внешнего электромагнитного

импульса (ЭМИ).

Исходные данные:

1. Здание (рис. 3): размеры - 2,75х5,2х2,8 м;

материал стен - железобетон; толщина – 250мм; раз-

меры сетки – 200х200 мм; размер окна 1,5х1,5 м [9].

Рис. 3. Модель здания с железобетонными

стенами (при наличии окна).

2. Корпус ЭС (рис. 4): материал – сталь (µ=1000);

толщина стенок – 0,7 мм; линия связи внутри корпуса –

прямоугольный контур К1, с размерами 40х40 мм; на-

грузка – элемент ТТЛШ с цепями согласования (50 Ом).

270 мм

180мм

220 мм

5 мм

100 мм

110

К1

Нагрузка

Рис. 4. Эскиз тестового корпуса с исследуемым кон-

туром (расположен в центре здания).

3. Параметры внешнего ЭМИ: временная форма

(плоская электромагнитная волна) - рис. 5; поляриза-

ция электрического поля - горизонтальная.

E, В/м

нс

0,6

0,4

0,2

0,8

Рис. 5. Временная форма внешнего ЭМИ

(нормированная).

4. Результаты сквозного прогнозирования: вре-

менная форма ЭМИ внутри здания (рис. 6); времен-

ная форма ЭМИ внутри корпуса (рис.7); электромаг-

нитная помеха в исследуемом контуре К1 внутри

корпуса (рис. 8).

E, В/м

t, нс

0,2

0,4

0,6

100

Рис. 6. Временная форма ЭМИ внутри здания

(в центре).

E, мВ/м

t, нс

0,1

100

Рис. 7. Временная форма ЭМИ внутри корпуса

(в центре)/

При потенциально возможных напряженностях

электрического поля внешнего ЭМИ вокруг здания до

100 кВ/м величина электромагнитной помехи в иссле-

дуемой линии связи внутри тестового корпуса может

достигать 300 мВ. На рис. 9. приведен результат

воздействия помехи подобной амплитуды на

информационный вход цифрового элемента ТТЛШ типа

(D-триггер в счетном режиме, серия 74F); нарушения

помехоустойчивости цифрового элемента ЭС не проис-

ходит.

444

E, мкВ

t, нс

100

Рис. 8. Электромагнитная помеха в исследуемом

контуре внутри корпуса

U, В

t, нс

100

а)

200

t, нс

100

б)

200

Рис. 9. Воздействие электромагнитной помехи на

информационный сигнал (а) и реакция цифрового

элемента (б).

Заключение

1. Предложена методика сквозного прогнозиро-

вания помехоустойчивости ЭС внутри зданий на ос-

нове метода электромагнитных топологий при внеш-

них электромагнитных воздействиях.

2. Для решения задачи сквозного прогнозирова-

ния помехоустойчивости ЭС внутри зданий, с учетом

всех основных путей проникновения внешних элек-

тромагнитных воздействий до конкретного цифрово-

го элемента ЭС построена топологическая модель.

На основе этой модели сформулирована задача

сквозного прогнозирования и предложен критерий

нарушения помехоустойчивости при внешних элек-

тромагнитных воздействиях.

3. Приведен пример сквозного прогнозирования

помехоустойчивости ЭС внутри здания при внешних

электромагнитных воздействиях.

4. В рассмотренном примере задача сквозного

прогнозирования помехоустойчивости ЭС при ука-

занных условиях делится на три части: прогнозиро-

вание электромагнитной обстановки внутри здания;

прогнозирование электромагнитных помех в иссле-

дуемой линии связи внутри корпуса, которая также

включает расчет электромагнитной обстановки

внутри корпуса; анализ динамической помехоустой-

чивости цифрового элемента при воздействии про-

гнозируемой электромагнитной помехи. Результаты

ранее проведенных исследований показывают, что

точность прогнозирования электромагнитной обста-

новки внутри зданий ±15 % [9], а точность прогнози-

рования электромагнитных помех в исследуемой

линии связи внутри корпуса ±14 % [10]. Последний

шаг сквозного прогнозирования, анализ динамиче-

ской помехоустойчивости, проводится на базе ком-

понентной модели цифрового элемента, и точность

прогнозирования зависит от выбора данной модели.

Литература

1. Кузьмин В.И., Кечиев Л.Н. Электростатиче-

ский разряд и электронное оборудование: Учебное

пособие. – М.: Изд-во Мос. ин-та электроники и ма-

тематики, 1997. – 83 с.

2. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продук-

ции. – М. Издательский дом «Технологии», 2003. –

540 с.

3. Рябов Ю. Г. Общие положения по сохране-

нию живучести и обеспечению защиты РЭС от воз-

действия электромагнитного оружия и электромаг-

нитного терроризма / Специальная техника. – 2002. -

№3. – С. 23 - 34.

4. Baum C.E. Electromagnetic Topology: A for-

mal approach to the analysis and design of complex elec-

tronic systems // Proceedings of the 10

International

Symposium on Electromagnetic Compatibility. – Zurich,

1982. – P. 209–214.

5. Baum C.E. Electromagnetic topology for the

analysis and control of complex systems // Fast Electri-

cal and Optical Measurements.- Dordrecht, 1986. -

P.467–547.

6. Electromagnetic coupling on complex sys-

tems: Topological approach / J.P. Parmantier, G.

Labaune, J.C. Alliot, P. Degauque // La Recherche

Aerospatiale . – 1990. – No5. – P. 235 – 238.

7. Methodology for interference analysis using

electromagnetic topology techniques / P. Kirawanich, R.

Gunda, N.S. Kranthi, J.C. Kroenung N.E. Islam // Ap-

plied Physics Letters. – 2004. – No15. - P. 2949–2951.

8. Гизатуллин Р.М. Прогнозирование защиты

информации в цифровых электронных средствах при

преднамеренных электромагнитных воздействиях по

сети питания // Технологии электромагнитной со-

вместимости. – 2010. - №3. – С.64-72

9. Гизатуллин З.М. Анализ электромагнит-

ной обстановки внутри зданий при воздействии раз-

ряда молнии // Известия высших учебных заведений.

Проблемы энергетики. – 2008. - №1-2. – С. 38-47.

10. Гизатуллин З.М., Чермошенцев С.Ф. Моде-

лирование электромагнитных помех в межсоедине-

ниях печатных плат электронных средств при внеш-

них импульсных электромагнитных воздействиях //

Технологии электромагнитной совместимости. –

2009. - №4. – С. 3-12.

445

РАЗРАБОТКА И КАЛИБРОВКА МОДЕЛЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ПРИЕМНИКОВ С КВАЗИПИКОВЫМ ДЕТЕКТОРОМ ДЛЯ

ВИРТУАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ЭМС

Н.

В.

ЕМЕШКО

ОССИЯ

Московский государственный институт электроники и математики (ТУ), e-mail: nlem83@mail.ru

Аннотация. Доклад посвящен разработке и калибровке моделей измерительных приемников, по-

строенных на основе требований стандартов на измерительное оборудование для исследований ра-

диопомех. Такие модели могут использоваться при моделировании сертификационных испытаний

радиоэлектронных средств по помехоэмиссии, проблема которого ставится впервые в настоящем до-

кладе. Модель измерительного приемника содержит преселектор, смеситель, фильтр промежуточной

частоты, квазипиковый детектор и динамический эквивалент инерционного индикаторного прибора.

Калибровка моделей, выполнявшаяся на основе методов, изложенных в стандартах на оборудование

для исследования радиопомех, подтверждает возможность использования предложенных моделей в

качестве виртуальных измерительных средств.

Abstract. The report is devoted to working out and calibration of models of the measuring receivers con-

structed on the basis of standard requirements on the measuring equipment for radio noise researches. Such

models can be used at modelling of certification tests for radioelectronic means on issue of the interferences

which problem is put for the first time in the present report. The model of the measuring receiver contains

the preliminary filter, the amalgamator, the filter of intermediate frequency, the quasi-peak detector and a

dynamic equivalent of the inertial display device. The calibration of models which was carried out on the

basis of methods, stated in standards on the equipment for research of a radio noise, confirms possibility of

use of the offered models as virtual measuring means.

Введение

На сегодняшний день проблема ЭМС радио-

электронных средств (РЭС) является одной из самых

актуальных в электронике. Это связано с высокой

насыщенностью производственной и бытовой сферы

деятельности электронными устройствами. Как из-

вестно, ЭМС РЭС включает в себя два аспекта —

помехоустойчивость и помехоэмиссию.

В целях ограничения помехоэмиссии в состав

аттестационных испытаний введены лабораторные

исследования образцов РЭС по ЭМС. Согласно [1],

такие испытания проводятся аккредитованными ор-

ганизациями; они обязательны для всех РЭС, посту-

пающих на рынок.

Современная практика проектирования РЭС, в

особенности быстродействующих, обычно преду-

сматривает меры по обеспечению внутриаппаратур-

ной ЭМС на основе как экспертных рекомендаций,

так и результатов расчета и моделирования. Однако

практически никаких мер в части прогнозирования и

ограничения помехоэмиссии, за исключением под-

сказываемых опытом качественных решений, обыч-

но не предпринимается. Таким образом, к моменту

проведения сертификационных испытаний разработ-

чик не имеет четкой гарантии на их прохождение.

Провал на сертификационных испытаний при-

водит к необходимости доработки проекта РЭС, од-

нако её пути далеко не всегда очевидны. Поэтому и

на последующих лабораторных испытаниях могут

быть выявлены несоответствия нормам помехоэмис-

сии. Это приводит к существенным финансовым за-

тратам и задержке вывода продукции на рынок.

Чтобы избежать такой ситуации, необходимо на

стадии проектирования иметь возможность оценить

помехоэмиссию РЭС. Для этих целей в [2] на кон-

цептуальном уровне была предложена виртуальная

сертификация по помехоэмиссии. Её сущность со-

стоит в том, что после создания проекта РЭС прово-

дится его электродинамическое моделирование со-

вместно со стандартными условиями лабораторных

испытаний и средствами измерений, которые долж-

ны быть замещены адекватными математическими

моделями.

Теория виртуальной сертификации содержит

ряд узловых вопросов, которые должны быть разра-

ботаны для её формирования как целостности. Од-

ним из них является разработка моделей измери-

тельных средств, в частности, измерительного при-

емника (ИП), удовлетворяющего требованиям [3].

Этому вопросу и посвящена настоящая работа.

Модель ИП с квазипиковым детектором

Модель ИП с квазипиковым детектором (ИП

КД) разрабатывалась на основе представления о па-

раметризации [4]. Особенностью параметрических

моделей РЭС является их конфигурируемость —

необходимые параметры вводятся в модель непо-

средственно при моделировании, и на их основе рас-

считываются характеристики элементов, отвечаю-

щих за то, чтобы модель имела заданные параметры.

446

Построение параметрических моделей можно разде-

лить на частные задачи — разработку управляемых

моделей узлов и элементов РЭС и цепей формирова-

ния управляющих воздействий.

Модель ИП КД строилась на основе известной

последовательности преобразований сигналов в су-

пергетеродинном приемнике (рис. 1). В качестве

управляющих воздействий для функциональных

блоков в параметрической модели измерительных

приемников используются напряжения, численно

равные значениям соответствующих параметров.

Результат

моделирования

Рис.1. Структурна схема модели ИП КД.

Сопротивление R

ВХ

, которое в общем случае

может быть комплексным, задает сопротивление

входа ИП, управляемый напряжением источник на-

пряжения B

обеспечивает развязку входа от осталь-

ных цепей модели. Параметрическая модель пресе-

лектора [5] конфигурируется при помощи воздейст-

вий, задающих частоту настройки f

, промежуточную

частоту f

ПЧ

, коэффициент ослабления по зеркально-

му каналу K

и коэффициент связи контуров k

. Пе-

ренос на промежуточную частоту осуществляется в

узле, обозначенном как смеситель, объединенный с

гетеродином. Практика моделирования ИП показала

рациональность такого объединения.

Фильтр промежуточной частоты замещается па-

раметрической моделью, управляемой при помощи

сигналов, задающих промежуточную частоту, шири-

ну полосы пропускания по уроню -6 дБ ∆f, а также

коэффициент связи между контурами k

. Он постро-

ен на основе параллельных колебательных контуров

с индуктивной связью по двухкаскадной схеме [6].

В [7] было показано, что использование пара-

метрической модели квазипикового детектора в схе-

ме замещения ИП не рационально из-за сложности

расчета параметров. Поэтому он моделируется на

основе обычной модели с предварительно рассчи-

танными характеристиками.

Аббревиатурой ДЭСИП на рис. 1 обозначен ди-

намический эквивалент стрелочного индикаторного

прибора. Его конфигурирование выполняется при

помощи напряжений, задающих коэффициент демп-

фирования β, механическую постоянную времени τ

и максимальное показание стрелочного индикатор-

ного прибора U

[8].

Если рассматривать модель ИП КД, предназна-

ченную для работы только в одной полосе частот, в

которой постоянны конфигурирующие параметры,

то можно воспользоваться только одним из них —

текущей частотой настройки ИП. В целях уменьше-

ния вычислительных затрат за счет снижения шага

моделирования возможна предварительная обработ-

ка входного сигнала, устраняющая гетеродинные

преобразования, и тогда такая упрощенная модель

будет содержать только фильтр промежуточной час-

тоты, детектор и ДЭСИП. Вопрос упрощения моде-

лей ИП требует отдельного развития.

Вопросы выбора параметров модели ИП, вклю-

чая промежуточные частоты, подробно рассмотрены

в [9]. Значения промежуточной частоты для каждого

из диапазонов СИСПР составит: для диапазона А

(9…150 кГц) — 5 кГц, для диапазона B (0,15…

30 МГц) — 100 кГц, для диапазонов C (30…

300 МГц), D (300…1000 МГц) — 1 МГц, для диапа-

зона Е (1…18 ГГц) — 10 МГц.

Пример параметрической модели узла ИП —

ДЭСИП

Рассмотрим в качестве примера модель инерци-

онного индикаторного прибора. С математической

точки зрения динамика движения его стрелки будет

описываться дифференциальным уравнением [10]

( ) ( )

2 ( ) ( )

d y x dy x

y x i x

dx dx

+ β + =

, (1)

где x=t/τ

— нормированное время, i

(x)=i(x)/I

—

нормированный ток, вызывающий отклонение

стрелки, y(x)=α(x)/α

— относительное отклонение

стрелки индикаторного прибора. Максимальный

угол отклонения стрелки α

соответствует протека-

нию через обмотку прибора максимального тока I

Для ДЭСИП в модели ИП КД значение β = 1 для

всех диапазонов по СИСПР. Значение механической

постоянной времени τ

= 160 мс для диапазонов A, B

и 100 мс для диапазонов C, D.

Для построения модели ДЭСИП целесообразно

перейти к абсолютному времени, заменить входной

ток на входное напряжение, подразумевая их про-

порциональность, и представить (1) в виде

( ) ( ) ( )

( ) 2

П П

u t d y t dy t

y t

U dt dt

= −τ − βτ

. (2)

В данном уравнении присутствует формальный

параметр U

, соответствующий максимальному ин-

дицируемому напряжению прибора, т.е. пределу из-

мерений. Его значение не влияет на результат моде-

лирования.

Из (2) следует, что схему ДЭСИП лучше стро-

ить по принципу контура с обратными связями. Она

приведена на рис. 2. Управляющие воздействия вво-

дятся в модель напряжениями, численно равными

соответствующим параметрам.

Все резисторы в схеме служат для обеспечения

замкнутости контуров протекания тока, что необхо-

димо для некоторых средств моделирования. Рези-

стор R

, кроме того, задает ток, протекающий через

обмотку ИП. Индуктивными свойствами обмотки

можно пренебречь из-за высокой механической

инерционности подвижной системы.

447

u(t)/U

Vf2

(t)=y(t)U

Рис. 2. Схема динамического эквивалента стрелочно-

го индикаторного прибора.

Нормирование входного напряжения u(t) осуще-

ствляется управляемым источником напряжения В

Значение нормированного отклонения в левой части

уравнения (2) соответствует напряжению на рези-

сторе R

. Математические операции вычитания в

правой части уравнения (2) реализуются при помощи

управляемых источников напряжения В

и В

, вклю-

ченных встречно по отношению к В

. Назначением

управляемого источника напряжения В

является

переход от нормированных отклонений стрелки к

абсолютным показаниям ИП.

В дифференциальном уравнении (2) присутст-

вуют первая и вторая производные нормированного

отклонения стрелки по времени с соответствующими

коэффициентами. Операция взятия первой произ-

водной реализована при помощи источника В

конденсатора С

емкостью 1 Ф. Ток, протекающий

через фиктивный источник напряжения V

с нуле-

вым значением ЭДС, умножается в управляемом

источнике напряжения В

на коэффициент 2U

Этот же ток является управляющим для источника

напряжения В

, который совместно с емкостью С

обеспечивает взятие второй производной. Ток, теку-

щий через источник V

с нулевым значением ЭДС,

численно равен второй производной нормированного

отклонения стрелки ИП по времени. Источником

напряжения В

этот ток умножается на U

Таким образом, предложенная схема динамиче-

ского эквивалента построена на основе абстракции,

которой является дифференциальное уравнение дви-

жения стрелки. Поскольку на входное напряжение

u(t) не накладывалось никаких условий, то динами-

ческий эквивалент можно использовать при любых

формах входного напряжения и при любой полярно-

сти. Предельное значение модуля напяжения u(t)

ограничено величиной U

лишь формально. Резуль-

таты моделирования, приведенные в [8], подтвер-

ждают адекватность модели для любых входных на-

пряжений.

Калибровка модели ИП КД

Калибровка ИП КД проводится в соответствии с

[3]. Она подразделяется на абсолютную и относи-

тельную. Абсолютная калибровка направлена на оп-

ределение передаточных характеристик тракта изме-

рительного приемника (в данном случае – модели).

Она состоит в сравнении результатов моделирования

при подаче на вход синусоидального напряжения с

действующим значением 2 мВ и коротких импульсов

с равномерным спектром, фиксированной электриче-

ской площадью и частотой повторения. Их парамет-

ры приведены в [3].

Результаты абсолютной калибровки приведены

в таблице 1.

Таблица 1. Результаты выполнения абсолютной

калибровки модели ИП КД

Показания ИП КД по

модели, мВ

Диа-

пазон

частот

для син.

сигнала

для посл.

имп.

Погреш-

ность, %

A 2,327 2,393 2,8

B 2,767 3,113 11,1

C, D 2,811 3,189 11,8

Допустимая погрешность выполнения условий

абсолютной калибровки составляет ± 1,5 дБ

(-16…+18%).

Таблица 2. Результаты относительной калибровки

модели ИП КД

Знач. имп. характ., дБ Част.

повт., Гц

A B C, D

1000 — -4,231 -7,410

100 -3,614 0 0

60 -2,759 — —

25 0 — —

20 — +6,454 +9,511

10 +3,918 +10,476 +14,571

5 +7,751 — –

2 +13,414 +20,800 +26,472

1 +16,992 +23,297 +30,047

Од. имп. +18,714 +23,572 +31,086

Относительная калибровка ИП КД проводится в

целях получения импульсной характеристики тракта.

Она заключается в сопоставлении показаний ИП при

действии на входе импульсов с той же электрической

площадью, что и при абсолютной калибровке, но при

разных частотах повторения. В качестве опорного

значения выбирается частота следования импульсов

при абсолютной калибровке.

448

Рис. 3. Импульсная характеристика модели

ИП КД, диапазон А.

Рис. 4. Импульсная характеристика модели

ИП КД, диапазон B.

Рис. 5. Импульсная характеристика модели

ИП КД, диапазоны C, D.

Результаты относительной калибровки модели

ИП КД представлены в таблице 2 и в графическом

виде на рис. 3 – 5. Частота, равная 0,1 Гц, соответст-

вует одиночному импульсу. Тонкой сплошной лини-

ей показаны номинальные импульсные характери-

стики, пунктиром — допуски на них, жирной

сплошной линией — полученные с помощью моде-

лирования характеристики. По осям абсцисс отложе-

ны частоты повторения в герцах, по осям ординат —

значения в дБ. Из данных зависимостей следует, что

условия относительной калибровки ИП КД также

выполняются. Эталонные импульсные характеристи-

ки заданы в стандарте [3].

Таким образом, модель ИП КД удовлетворяет

условиям абсолютной и относительной калибровки,

что позволяет сделать вывод о возможности её при-

менения в качестве виртуального измерительного

средства при моделировании сертификационных

испытаний. В будущем будет проведено сопоставле-

ние результатов моделирования и эксперимента для

разных типов радиопомех.

Литература

1. ГОСТ 29037-91 «Совместимость технических

средств электромагнитная. Сертификационные ис-

пытания. Общие положения» — М.: Издательство

Стандартов, 1991. — 7 с.

2. Кечиев Л.Н., Лемешко Н.В. Виртуальная сер-

тификация радиоэлектронных средств по уровню

помехоэмиссии. Постановка проблемы. — Техноло-

гии ЭМС, №2 (33) — М.: ООО Издательский дом

«Технология», 2010. — с.3-15.

3. ГОСТ Р 51319-99 «Совместимость техниче-

ских средств электромагнитная. Приборы для изме-

рения индустриальных радиопомех. Технические

требования и методы испытаний». — М.: Издатель-

ство Стандартов, 2000. — 57 с.

4. Лемешко Н.В. Разработка параметрической

модели частотно-избирательных цепей измеритель-

ных приемников для исследования радиопомех. —

Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2010, №4. —

с.27-35.

5. Лемешко Н.В. Разработка параметрической

модели преселектора для измерительных приемни-

ков, используемых при исследованиях индустриаль-

ных радиопомех. — Труды НИИР, сборник научных

статей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2011,

№1. — с.80-87.

6. Лемешко Н.В. Разработка параметрической

модели частотно-избирательных цепей измеритель-

ных приемников для исследования радиопомех. —

Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2010, №4. —

с.27-35.

7. Лемешко Н.В, Моделирование и идентифика-

ция параметров моделей детекторов измерительных

приемников. — Труды НИИР, сборник научных ста-

тей / Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2010, №4.

— с.47-62.

8. Лемешко Н.В. Разработка динамического эк-

вивалента для стрелочных индикаторных приборов.

— Труды НИИР, сборник научных статей / Под ред.

Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2010, №3. — с.64-72.

9. Лемешко Н.В. Разработка моделей измери-

тельных приемников с детекторами различных ти-

пов, используемых для исследований в области

ЭМС. — Труды НИИР, сборник научных статей /

Под ред. Бутенко В.В. — М.: НИИР, 2011, №1. —

с.88-97.

10. Корякин В.С., Кравчук Ю.В., Лебедева О.В.

и др. Измерители радиопомех. — Под ред. Фастов-

ского И.А. — М.: Связь, 1973. — 152 с.

449

WORKING AND CALIBRATION OF MODELS MEASURING

RECEIVERS WITH THE QUASIPEAK DETECTOR

FOR VIRTUAL RESEARCHES IN AREA EMС

EMESHKO

USSIA

Moscow state institute of electronics and mathematics, e-mail: nlem83@mail.ru

With a view of successful passage of certified tests

for design stages to have possibility to estimate an issue

of radio noise the virtual certification is offered. Its es-

sence consists in what after creation of project of radio-

electronic object its electrodynamic modeling in com-

mon with the standard conditions of laboratory re-

searches and measuring apparatuses which should be

replaced by adequate mathematical models.

One of the basic questions in the theory of virtual

certification is working out of model of the measuring

receiver. Its model was developed on the basis of repre-

sentation about parameterization. Feature of parametrical

models is their configuration - necessary parameters are

entered into model directly at modeling, and on their

basis characteristics of the elements which are responsi-

ble for that the model had the set parameters pay off.

Construction of parametrical models can be divided into

private problems – working out of operated models of

knots and elements and chains of formation of operating

influences.

The model of the measuring receiver was under

construction on the basis of known sequence of trans-

formations of signals in superheterodynes the receiver.

As operating influences for functional blocks in paramet-

rical model of measuring receivers the pressure numeri-

cally equal to values of corresponding parameters are

used.

For model of the measuring receiver entrance resis-

tance which can be complex is set. The parametrical

model preselector is configured by means of the influ-

ences setting frequency of options, intermediate fre-

quency, easing factor on the mirror channel and factor of

communication of contours. Carrying over on intermedi-

ate frequency is carried out in the knot designated as the

amalgamator, united with heterodyn. Modeling practice

has shown rationality of such association.

The filter of intermediate frequency is replaced with

the parametrical model operated by means of signals,

setting intermediate frequency, width of a pass-band on I

will drop-6 dB, and also communication factor between

contours. It is constructed on the basis of parallel oscilla-

tory contours with inductive communication under the

two-cascade scheme.

Use of parametrical model of the quasi-peak detec-

tor in an equivalent circuit of the measuring receiver is

not rationally because of complexity of calculation of

parameters.

. Therefore it is modeled on the basis of usual mod-

el with preliminary calculated characteristics.

Configuration dynamic equivalent inertial the

measuring device which is loading for the quasi-peak

detector, it is carried out by means of the pressure setting

factor damping, a mechanical constant of time and the

maximum indication inertial the display device.

If to consider the model of the measuring receiver

intended for work only in one strip of frequencies in

which configuring parameters can use only one of them -

current frequency of adjustment of the receiver are con-

stant. With a view of reduction of computing expenses at

the expense of decrease in a step of modeling the pre-

liminary processing of an entrance signal eliminating

heterodynes transformations and then such simplified

model will contain only the filter of intermediate fre-

quency, the detector and a dynamic equivalent inertial

the inertial device is possible. The question of simplifi-

cation of models of measuring receivers demands sepa-

rate development.

Questions of a choice of parameters of model, in-

cluding intermediate frequencies, are in detail considered

in publications of the author. Values of intermediate fre-

quency for each of ranges CISPR will make: for a range

A (9 … 150 kHz) - 5 kHz, for range B (0,15 … 30 MHz)

- 100 kHz, for ranges C (30…300 MHz), D (300…1000

MHz) - 1 MHz, for range Е (1…18 GHz) - 10 MHz.

The developed model of the measuring receiver has

been subjected comprehensive investigations, including

check special the conditions set by standards on measur-

ing equipment for researches in area EMC.

According to requirements of standards, calibration

is subdivided on absolute and relative. Absolute calibra-

tion is directed on definition of transfer characteristics of

a path of model of the measuring receiver. It consists in

comparison of results of modeling at giving on an input

of sinusoidal pressure with the fixed operating value and

short impulses with the uniform spectrum, the fixed elec-

tric area and frequency of repetition. Relative calibration

is spent with a view of reception of the pulse characteris-

tic of a path. It consists in comparison of indications at

action on an input of impulses with the same electric

area, as at absolute calibration, but at different frequen-

cies of repetition. These researches have confirmed pos-

sibility of application of the offered model as virtual

measuring means.

450

РАЗМЕЩЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВТОРИЧНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

С УЧЁТОМ КРИТЕРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

А.

В.

ИРША

ОССИЯ

Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева, e-mail: kirshaav@rambler.ru

Аннотация. В докладе описывается алгоритм размещения элементов вторичного источника

питания. Предлагаемый алгоритм является разновидностью эвристических алгоритмов – генетиче-

ским алгоритмом. Основным критерием размещения является критерий электромагнитного излуче-

ния. Приводятся результаты вычислительного эксперимента.

Abstract. The paper is devoted to the description of power supply elements layout algorithm. The al-

gorithm is a genetic algorithm witch is a kind of heuristic algorithm. The crucial criterion of layout is an

electromagnetic emission criterion. Computation results are adduced.

Введение

При проектировании вторичного источника пи-

тания (ВИП), одним из важнейших требований яв-

ляется минимизация электромагнитного излучения

(ЭМИ) от источника питания [1]. Способом сниже-

ния ЭМИ, генерируемого ВИП, является экраниро-

вание. Необходимость экранирования рассматрива-

ется только после того, как полностью исчерпаны

конструкторские методы оптимального размещения

элементов и соединений между ними. С точки зрения

излучаемых электромагнитных помех (ЭМП), эф-

фективность экранирования тонколистовым мате-

риалом является весьма сомнительной, так как близ-

кое размещение источника помех к экрану (ближняя

зона) является типичным для корпусированных

ВИП. Представление о том, что электрически герме-

тичный металлический экран значительно ослабляет

электромагнитные поля, опровергается результатами

эксперимента [2]. Эффект экранирования может

быть незначительным, а в некоторых случаях приме-

нение экрана может даже ухудшать эксплуатацион-

ные параметры ВИП.

Оценка и минимизация ЭМИ от ВИП на стадии

проектирования необходима для прогноза электро-

магнитной совместимости ВИП с окружением, в ко-

тором предполагается его функционирование.

Оптимальное размещения элементов ВИП, удо-

влетворяющее требованию практически достижимо-

го минимума ЭМИ от источника питания является

основной задачей настоящей работы.

Особенности задачи размещения элементов

вторичного источника питания

ВИП как объект размещения имеет свои осо-

бенности. Сложность объекта размещения средняя,

до 1000 элементов [3], но элементы преимуществен-

но разногабаритные, плотность размещения средняя,

до 70% от площади пространства размещения [4].

ВИП является генератором ЭМП в широком диа-

пазоне частот. Помехи имеют сложную природу про-

исхождения и пути распространения. Функционирова-

ние ВИП сопровождается побочным выделением тепла.

Элементы ВИП целесообразно разделять по

функциональному признаку на силовые и управ-

ляющие. Основными генераторами ЭМП являются

силовые элементы, имеющие паразитные параметры,

оказывающие существенное влияние на диапазон

помех свыше 30 МГц.

Решение задачи размещения элементов ВИП

требует формулирования и учёта критериев, которые

отражают ограничения, накладываемые его особен-

ностями. Критерии размещения элементов ВИП

можно распределить на метрические – минимальная

суммарная длина всех соединений, минимальное

расстояние между силовыми элементами и тополо-

гические – критерий максимального заполнения про-

странства размещаемыми элементами, и надёжност-

ные – критерий ЭМС, критерий предварительной

оптимизации тепловой совместимости [5].

Постановка задачи размещения [6]. Пусть B

, B

… B

, элементы для размещения. Каждый B

, 1 ≤ i ≤

n, соотносится с высотой h

и шириной w

. Пусть

N = { N

, N

, … N

} множество сетей, представ-

ляющее межсоединения между различными элемен-

тами. Пусть Q={ Q

, Q

, … Q

} представляет

прямоугольные пустые площади, предназначенные

для проведения трасс между элементами. Пусть L

показывает оценку длины сети N

, 1 ≤ i ≤ m. Задача

размещения заключается в поиске одинаково ориен-

тированных прямоугольников для каждого из этих

элементов на плоскости указанных с помощью

R = { R

, R

, … R

} таких что:

1. Каждый блок может быть размещён в соот-

носящимся с ним прямоугольнике, так что R

имеет

ширину w

и высоту h

2. Два прямоугольника не накладываются, так

как R

∩

=Ø, 1 ≤ i, j ≤ n.

3. Размещение трассируемо, что выражается

как Q

, 1 ≤ j ≤ k, достаточно для проведения всех

сетей.

4. Общая площадь прямоугольника ограничи-

вающего R и Q является минимальной.

5. Общая длина соединений минимальна, что

выражается как минимум

∑

i=1